專利名稱：光電外差探測電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光電信號，特別是一種用于與水下目標進行聲光通信的光電外 差探測電路，它是一種僅采用電子學器件實現(xiàn)光電外差探測的電路。
背景技術：
隨著激光多普勒測振技術的飛速發(fā)展，它已具有通常方法無法達到的精度和靈 敏度，并且可以遠距離、非接觸地測量各種微弱振動目標的運動速度及其微小變化。 激光多普勒測振技術的精度高、抗干擾能力強、保密性好等特點又使其應用在與水下目標通信中，是獲取水下目標信息的有力的技術手段。激光多普勒測振技術的發(fā)展，不僅取決于激光技術本身的長期發(fā)展，同時還取 決于各種新方法的產(chǎn)生和器件的快速發(fā)展。多普勒頻率的準確、穩(wěn)定且簡單的相干 檢測方法對實現(xiàn)有效通信起到至關重要的作用。同時，各種做簡諧振動目標的精確 測量也是通過多普勒頻率相干檢測的方法實現(xiàn)的，進而重現(xiàn)原始振動頻率。多普勒相干測速工作原理是系統(tǒng)發(fā)出相干激光束照射到被測物體表面，表面振 動導致到達物體表面的信號光發(fā)生多普勒頻移。通過相干檢測的方法可以測量多普 勒頻移，從而獲得物體振動速度，從方式上可分為零差檢測和外差檢測兩種-外差檢測中，將頻率為^的激光多普勒信號與經(jīng)過聲光調(diào)制(以下簡稱為 AOM)后的頻率為,+力的本振激光進行混頻，探測器輸出差頻為 A/b=/ + A—A，再由高通濾波消除直流漂移，鑒頻后獲得多普勒頻移。外差檢測是利用載波技術將參考光轉(zhuǎn)換成調(diào)頻或調(diào)相信號進行測量，提高了光 電信號的信噪比，具有抗干擾能力強，測量速度高，易于實現(xiàn)高測量分辨力等特點， 因而在精密測量中采用外差檢測的方式。此外，在激光多普勒測量技術中還需要考 慮速度或速度分量方向的鑒別，通用的有雙相檢測法、高頻相位調(diào)制法和頻移的方 法，其中預置頻偏是方向鑒別中最為常用的技術。圖1為用光學方法實現(xiàn)多普勒測振的測量裝置[參見在先技術1 "激光多普勒 振動計"小林卓之，國外計量，第2期，1992]。分束器l分出一束光入射到由獨立 于系統(tǒng)的聲光調(diào)制器5所驅(qū)動的AOM10上后變?yōu)檩敵鲱l偏為-80MHz的基準光，
再通過另一分束器8照射到雪崩光電二極管7 (Avalanche Photo Diode，以下簡稱為 APD)上進行光學調(diào)整。分束器1分出的另一束光用反射鏡2和反射鏡6調(diào)整光軸， 再經(jīng)分束器3后由透鏡4會聚照射到被測物上，反射回的多普勒偏移信號光再通過 分束器3、反射鏡9和分束器8與基準光在APD7上干涉，從而產(chǎn)生拍頻。產(chǎn)生的 拍頻光經(jīng)APD7光電轉(zhuǎn)換后再經(jīng)速度解調(diào)、頻率檢波進而檢測出相應的振動速度信 號。當該測量裝置中的反射鏡或其他裝置運動到他們可能達到的邊界情況時，頻移 不可能無限的保持著，從而會產(chǎn)生光束短時間失落或相位突越，同時由圖l可以看 出該裝置使用了 APD、多個分束器及其他光學元器件以實現(xiàn)頻移鑒相，增加了光 路的調(diào)節(jié)難度和系統(tǒng)體積。并且由于該測量裝置的AOM預置頻移為-80MHz，對后 面的數(shù)據(jù)處理增加了難度。因而現(xiàn)有的外差探測裝置不僅操作復雜，且成本很高。 同時，AOM驅(qū)動器又是一個獨立的部件，無疑增加了系統(tǒng)的體積。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是要彌補上述現(xiàn)有的外差探測裝置的不足，提供一種用于 與水下目標進行聲光通信光電外差探測電路，該電路應具有頻移方向鑒別、連續(xù)測 量、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡便和成本低的優(yōu)點。本實用新型的技術解決方案如下-一種用于與水下目標進行聲光通信的光電外差探測電路，特征在于其構(gòu)成包括 第一光電探測器、第二光電探測器、第一高通濾波器、第二高通濾波器、本地振蕩 器、第一混頻器、第二混頻器、第三混頻器、第四混頻器、90。移相器、第一低通濾 波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、數(shù)據(jù)釆集卡、示波器，構(gòu)成信號處理電路和參考處理電路，其位置關系是所述的信號處理電路中，第一光電探測器接收由水面振動作用后的多普勒頻移 散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第一高通濾波器濾波后分為兩路 一路與本地振蕩 器輸出信號同時在第一混頻器混頻，再經(jīng)第一低通濾波器濾波，得到第一路信號； 另一路與經(jīng)過90。移相器移相的本地振蕩器輸出信號通過第二混頻器混頻，再經(jīng)第 二低通濾波器濾波得到第二路信號，所述的第一路信號和第二路信號輸入所述的數(shù) 據(jù)采集卡上；所述的參考處理電路中，第二光電探測器接收與第一光電探測器接收相同的多普勒頻移散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第二高通濾波器濾波后分為兩路 一路與 本地振蕩器輸出信號同時在第三混頻器混頻，再經(jīng)第三低通濾波器濾波，得到第三 路信號；另一路與經(jīng)過90。移相器移相的本地振蕩器輸出信號通過第四混頻器混頻，再經(jīng)第四低通濾波器濾波得到第四路信號，所述的第三路信號和第四路信號輸入所 述的示波器；所述的本地振蕩器中的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后得 到的輸出作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動信號。所述的第一光電探測器和第二光電探測器具有相同的結(jié)構(gòu)和性能，為PIN光電二極管。所述的本地振蕩器由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz的帶通濾波器組成。所述的90°移相器由集成運算放大器芯片和同軸電纜構(gòu)成。 由于該電路裝置所處理的信號中心頻率為55MHz，即信號周期為18.1ns，屬于高頻電路范疇，這樣就會在該電路設計以及調(diào)試過程中產(chǎn)生信號間的串擾和信號自 身的失真。同時，該電路裝置中的本地振蕩器和90°移相由于所使用元器件參數(shù)的 限制，會使電路裝置自身對待處理的信號存在一定的作用。因此，為了觀測以上幾 方面所帶來的誤差以及對信號進行修正，在電路的對稱位置處按照與信號處理路相 同的元器件位置關系用與信號處理路相同的元器件構(gòu)成參考處理電路，對由第二光 電探測器接收到的與第一光電探測器完全相同的多普勒頻移散射光進行處理，將得 到的輸出信號輸入到示波器進行實時對比觀測。同時，將本地振蕩器中的晶體振蕩 器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后得到的輸出信號作為AOM的驅(qū)動源。 所述的電路的外接電源為±15V，其余電壓由內(nèi)部電路變化得到。本實用新型光電外差探測電路，即與水下目標進行聲光通信的外差電路進行頻 移方向鑒別的工作原理說明如下多普勒頻移光束在光電探測器上產(chǎn)生的電場為^cos[2;r(y+ +，參考光束在通道1中的電場為& cos(2;rvf)，在通道2中的電場為sin(2;rvf)。 在通道l中的探測器電流為 ' i = A五〗+會f 。2 +五。五fi cos(27rA vY +州通道2中的電流為/2 = 52 [丄￡+丄￡ 2 _ ￡?！闞 sin(2;rA vf +州式中B,和B2為探測器靈敏度常數(shù)。因此，通道2中探測器電流的變化以90°領先于通道1 。如果多普勒頻移由+ Av 變化到-Av，則通道1和通道2中探測器電流的交流分量分別變?yōu)?-^EsCosP^rAvr-^)和+五。五fiCOS(2"Avf-#)。此時，通道1就領先于通道2。要使這種系統(tǒng)能工作，重要的是使每個通道準確的接收到相似的散色光采樣，它們與 參考光混頻具有恒定的相位差。通常情況下實現(xiàn)這種要求的辦法是兩個通道使用共 同的光路，通過偏振片和棱鏡實現(xiàn)差分。本實用新型電路選取增益為1的運算放大器和一定長度的同軸電纜通過電子學 的方法實現(xiàn)90°移相，信號在特性阻抗為50Q的同軸電纜線上的傳輸延遲為5ns/ m，由此根據(jù)傳輸信號周期算得對應于90。移相的延遲時間，從而達到等價的差分作用，即通道1和通道2中探測器電流的交流分量分別由+ ￡。& cos(2;rAvf +州和一五 & sin(2;iA vf + #)]變?yōu)?￡ ￡w cos(2;rAvf — 和+ cos(2;rAvT — 。這樣既可以對噪聲進行二次去除，又可以方便調(diào)節(jié)等價實現(xiàn)90。移相，即差分。在本實用新型電路的設計過程中，通過本地振蕩器的設計，使其與經(jīng)光電探測 器轉(zhuǎn)換后所得的電信號進行混頻、低通濾波從而使對輸出數(shù)據(jù)的處理難度大大降 低，帶寬控制在3MHz范圍以內(nèi)。在電路相應位置設計安裝參考處理電路，可以實 時監(jiān)測由于電路自身的原因在本地振蕩器部分和90。移相器部分給輸出結(jié)果造成的 偏差。本實用新型的技術效果如下1、 本實用新型通過采用增益為1的運算放大器和一定長度的同軸電纜線，很 容易實現(xiàn)差分的產(chǎn)生。由于采用電子學器件代替了偏振方法實現(xiàn)差分，可避免光路 的調(diào)節(jié)，具有調(diào)試方便、性能穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。2、 本地振蕩器與低通濾波使輸出信號帶寬降低，帶寬為3MHz以內(nèi)，降低了 對后面數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率的要求和數(shù)據(jù)處理的難度。3、 將AOM驅(qū)動與外差探測電路集成在一塊電路板上，板子尺寸為80x84mm2， 從而減少了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本。


圖1為現(xiàn)有的用光學方法實現(xiàn)多普勒測振的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本實用新型光電外差探測電路實施例的結(jié)構(gòu)示意圖 圖中23-本地振蕩器，25-90°移相器。I為信號處理路，包括211—第一光電探測器，221 —第一高通濾波器，241 一第一混頻器，242—第二混頻器，261—第一低通濾波器，262—第二低通濾波器。
II為參考信號處理路，包括212 —第二光電探測器，222 —第二高通濾波器， 243 —第三混頻器，244—第四混頻器，263 —第三低通濾波器，264—第四低通濾波 器。27 —數(shù)據(jù)采集卡，28—示波器。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。但不應以此限制本實用新 型的保護范圍。先請參閱圖2，圖2是本實用新型光電外差探測電路實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由 圖可見，本實用新型光電外差探測電路，構(gòu)成包括第一光電探測器211、第二光電 探測器212、第一高通濾波器221、第二高通濾波器222、本地振蕩器23、第一混頻 器241、第二混頻器242、第三混頻器243、第四混頻器244、 90°移相器25、第一 低通濾波器261、第二低通濾波器262、第三低通濾波器263、第四低通濾波器264、 數(shù)據(jù)采集卡27、示波器28，構(gòu)成信號處理電路I和參考處理電路II，其位置關系是所述的信號光處理電路I，第一光電探測器211接收由水面振動作用后的多普 勒頻移散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第一高通濾波器221濾波后分為兩路 一路 與本地振蕩器23輸出信號同時在第一混頻器241混頻，再經(jīng)第一低通濾波器261濾 波，得到第一路信號；另一路與經(jīng)過90。移相器25移相的本地振蕩器23輸出信號 通過第二混頻器242混頻，再經(jīng)第二低通濾波器262濾波得到第二路信號，所述的 第一路信號和第二路信號輸入所述的數(shù)據(jù)采集卡27上；所述的參考處理電路II，第二光電探測器212接收與第一光電探測器211接收 相同的多普勒頻移散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第二高通濾波器222濾波后分為 兩路 一路與本地振蕩器23輸出信號同時在第三混頻器243混頻，再經(jīng)第三低通濾 波器263濾波，得到第三路信號；另一路與經(jīng)過90。移相器25移相的本地振蕩器23 輸出信號通過第四混頻器244混頻，再經(jīng)第四低通濾波器264濾波得到第四路信號， 所述的第三路信號和第四路信號輸入所述的示波器28;所述的本地振蕩器(23)中的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器 后得到的輸出作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動信號。所述的第一光電探測器211和第二光電探測器212具有相同的結(jié)構(gòu)和性能，為 PIN光電二極管。所述的本地振蕩器23由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz的帶通濾波器 組成。所述的90°移相器25由集成運算放大器芯片和同軸電纜構(gòu)成。 由于該電路裝置所處理的信號屬于高頻電路范疇，會在該電路設計以及調(diào)試過
程中產(chǎn)生信號間的串擾和信號自身的失真。同時，該電路裝置中的本地振蕩器23和 90°移相25由于所使用元器件參數(shù)的限制，也會使電路裝置自身對待處理的信號存 在一定的作用。因此，為了觀測以上幾方面所帶來的誤差以及對信號進行修正，在 本實用新型電路的對稱位置處按照與信號處理路相同的位置關系用與信號處理路完 全一致的元器件構(gòu)成處理參考路，第二光電探測器212與第一光電探測器211接收 相同的多普勒頻移散射光信號，經(jīng)過處理后得到的輸出信號輸入到示波器28進行實 時對比觀測。所述的光電探測器為PIN光電二極管，所述的PIN光電二極管為具有前置放大 功能的InGaAs G9806系列。同時，在PIN光電二極管后放置一級截止頻率為55MHz 的高通濾波器以消除噪聲的影響。所述的本地振蕩器23由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz的帶通濾 波器組成，所述的晶體振蕩器為KDS-6D型號，所述的帶通濾波器由地通濾波器和 高通濾波器組合而成，其截止頻率的確定由下式得到/c = ~^~，及=300Q，C = 9.7/>/ 。 2;r及C所述的90。移相由集成運算放大器芯片AD811及一定長度的同軸電纜構(gòu)成，根 據(jù)電路設計的實際情況，同軸電纜線長度選擇為76cm。 所述的信號中心頻率為55MHz。所述的電路的外接電源為il5V，其余電壓由內(nèi)部電路變化得到，電路內(nèi)部需使 用+3.3V、 +5V，采用MC7805和LM317得到所需的電壓。所述的AOM驅(qū)動由晶體振蕩器和一級低通濾波器組成，根據(jù)AOM驅(qū)動要求， 通過低通濾波器濾波得到頻率為55MHz、電壓為4.8V的正弦信號驅(qū)動AOM。考慮到電路處理信號的中心頻率為55MHz，屬于高頻電路設計范圍。因此，其 印刷電路板的制作情況直接決定著電路輸出信號的有效程度。在畫制電路的印刷電 路板時運算放大器AD811的反饋電阻和增益電阻間的連線長度必須小于6.35mm， 以減少串擾，在本電路設計中連線線長取為2.286mm。各元器件之間的距離要盡可 能最短，同時，為了減少電磁輻射還要減小印刷電路板自身的面積。本實用新型采用電子學元器件實現(xiàn)了光電外差探測電路鑒別多普勒頻率，從而 消除了傳統(tǒng)的由光學元件實現(xiàn)多普勒鑒頻對光路校準要求高和后期數(shù)據(jù)處理難度大 的影響，同時又實現(xiàn)了同步監(jiān)測電路自身所造成的偏差和AOM驅(qū)動的功能，使結(jié) 構(gòu)簡單易于操作，而且由于采用電子學方法不需要反復校準直接實現(xiàn)了 90°差分的 要求，可以一次完成系統(tǒng)的調(diào)試，因此本實用新型裝置具有結(jié)構(gòu)簡單易于調(diào)節(jié)、成 本低、體積小的優(yōu)點。
權利要求1、一種用于與水下目標進行聲光通信的光電外差探測電路，特征在于其構(gòu)成包括第一光電探測器(211)、第二光電探測器(212)、第一高通濾波器(221)、第二高通濾波器(222)、本地振蕩器(23)、第一混頻器(241)、第二混頻器(242)、第三混頻器(243)、第四混頻器(244)、90°移相器(25)、第一低通濾波器(261)、第二低通濾波器(262)、第三低通濾波器(263)、第四低通濾波器(264)、數(shù)據(jù)采集卡(27)、示波器(28)，構(gòu)成信號處理電路(I)和參考處理電路(II)，其位置關系是所述的信號處理電路(I)，第一光電探測器(211)接收由水面振動作用后的多普勒頻移散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第一高通濾波器(221)濾波后分為兩路一路與本地振蕩器(23)輸出信號同時在第一混頻器(241)混頻，再經(jīng)第一低通濾波器(261)濾波，得到第一路信號；另一路與經(jīng)過90°移相器(25)移相的本地振蕩器(23)輸出信號通過第二混頻器(242)混頻，再經(jīng)第二低通濾波器(262)濾波得到第二路信號，所述的第一路信號和第二路信號輸入所述的數(shù)據(jù)采集卡(27)上；所述的參考處理電路(II)，第二光電探測器(212)接收與第一光電探測器(211)接收相同的多普勒頻移散射光信號，其輸出的電信號經(jīng)第二高通濾波器(222)濾波后分為兩路一路與本地振蕩器(23)輸出信號同時在第三混頻器(243)混頻，再經(jīng)第三低通濾波器(263)濾波，得到第三路信號；另一路與經(jīng)過90°移相器(25)移相的本地振蕩器(23)輸出信號通過第四混頻器(244)混頻，再經(jīng)第四低通濾波器(264)濾波得到第四路信號，所述的第三路信號和第四路信號輸入所述的示波器(28)；所述的本地振蕩器(23)中的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后得到的輸出作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動信號。
2、 根據(jù)權利要求1所述的光電外差電路，其特征在于所述的第一光電探測器 (211)和第二光電探測器(212)具有相同的結(jié)構(gòu)和性能，為PIN光電二極管。
3、 根據(jù)權利要求1所述的光電外差電路，其特征在于所述的本地振蕩器(23) 由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz的帶通濾波器組成。
4、 根據(jù)權利要求l所述的光電外差電路，其特征在于所述的90°移相器(25)由 集成運算放大器芯片和同軸電纜構(gòu)成。
專利摘要一種用于實現(xiàn)水下聲光通信的光電外差探測電路，其構(gòu)成包括第一光電探測器、第二光電探測器、第一高通濾波器、第二高通濾波器、本地振蕩器、第一混頻器、第二混頻器、第三混頻器、第四混頻器、90°移相器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第四低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡、示波器，構(gòu)成信號處理電路和參考處理電路，本實用新型具有頻移方向鑒別、連續(xù)測量、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡便和成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01R23/00GK201043984SQ20072006869
公開日2008年4月2日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者尚建華, 臧華國, 巖 賀, 陳衛(wèi)標 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所