[发明专利]测量高频率信号相位变化的数字相位计及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号测量及数字信号处理领域，特别涉及一种基于锁相环技术测量高频率信号相位变化的高精度数字相位计及其方法。

背景技术

1915年爱因斯坦建立了广义相对论理论，广义相对论同时预言了引力波的存在，但是到目前为止科学工作者从来没有直接的验证过引力波的存在。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

目前在空间引力波探测及先进空间重力场的测量中，各国在优化对比的基础上大多采用了激光差分干涉的方法学，差分干涉将航天器间的距离变化转化为激光差分干涉信号的相位变化。而空间环境的特殊性不能引入基准信号作为测量的基准，所以传统相位计不能满足设计的要求。

为保证相位反演的准确度，以国外LISA（Laser Interferometer Space Antenna，空间引力波天线）计划为例，相位计响应速度至少20MHz，精度要达到2πμrad/√Hz，先进空间重力场分布测量要求相对低一些（处理速度5MHz，mrad/√Hz）。

我国在引力波及空间先进重力场测量领域还处于起步的阶段，在相位计的研制方面也远远的落后欧美等发达国家。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是解决在高精度的测量高频信号相位变化领域测量仪器的匮乏问题，尤其是在空间激光测距领域，提供一种基于锁相环技术测量高频率信号相位变化的高精度数字相位计及其方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种测量高频率信号相位变化的数字相位计，包括：依次相连的高频率信号混频降频电路、AD转换器和核心算法运算电路，其中，

所述高频率信号混频降频电路用于将输入的待测高频信号滤除直流部分，并降低高频信号的频率；

所述AD转换器用于将高频率信号混频降频电路输出的待测模拟信号转换为待测数字信号；

所述核心算法运算电路用于测量所述待测数字信号的初始频率，并根据所述初始频率产生正交信号，并将正交信号与待测数字信号混频、降频为直流信号，再经反正切运算得到待测高频信号的相位变化。

优选地，上述数字相位计还具有以下特点：

所述数字相位计还可包括RS232通信模块，所述RS232通信模块与所述核心算法运算电路相连，用于将核心算法运算电路得到的待测高频信号的相位信息发送至计算机或其他设备。

优选地，上述数字相位计还具有以下特点：

所述高频率信号混频降频电路包括模拟高通滤波器、混频信号发生器、混频模拟乘法器和模拟低通滤波器，其中，所述模拟高通滤波器与混频信号发生器和混频模拟乘法器相连，所述混频信号发生器与所述混频模拟乘法器相连，混频模拟乘法器与所述模拟低通滤波器相连；

所述模拟高通滤波器用于将输入的待测高频信号滤除直流部分，发送至混频信号发生器和混频模拟乘法器；

所述混频信号发生器用于接收模拟高通滤波器的输出信号，并输出混频信号发送至混频模拟乘法器；

所述混频模拟乘法器用于将接收到的模拟高通滤波器的输出信号和混频信号发生器输出的混频信号进行混频，并发送至模拟低通滤波器；

所述模拟低通滤波器用于将接收到的混频信号的高频部分滤除以降频，发送至所述AD转换器。

优选地，上述数字相位计还具有以下特点：

所述核心算法运算电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、反正切运算器和频率反馈控制器；其中，频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器和反正切运算器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器和反正切运算器依次相连，反正切运算器与频率反馈控制器相连；

所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据得到的初始频率产生正交的余弦信号和正弦信号，将所述余弦信号发送至第一乘法器，将所述正弦信号发送至第二乘法器；

所述第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器；

所述第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；