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319_088-148CP-TW

發佈日期 : 2009-04-29
　　 　　發明專利說明書
﹝本說明書格式，順序及粗體字，請勿任意更動，※號部份請勿填寫﹞
　 ※申請案號： 090110797
　 ※申請日期： 20010507
※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) H04B 10/02

 

一、發明名稱： (中文/英文)
　
外差式調變訊號裝置與方法 (全文下載)

 
二、申請人： 共 1 人

 
　 　 1 .
　姓名或名稱：(中文/英文)

 

　　 行政院國家科學委員會 / NATIONAL SCIENCE COUNCIL

　代　表　人：(中文/英文)

 

　　 /

　住居所或營業所地址：(中文/英文)

 

　　 台北巿和平東路二段一○六號十八樓 /

　國　　　　籍：(中文/英文)

 

　　 中華民國 / TW

 
三、發明人： 共 2 人

 
　 　 1 .
　姓名：(中文/英文)

 

　　 羅裕龍 / LUO, YU-LUNG

　國　　　籍：(中文/英文)

 

　　 中華民國 / TW

 

　 2 .
　姓名：(中文/英文)

 

　　 莊錦和 / JUANG, JIN-HE

　國　　　籍：(中文/英文)

 

　　 中華民國 / TW

 

 

 

四、聲明事項
　 □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年　月　日

 

□申請前已向下列國家(地區)申請專利:

 

　【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】

 
　 　□ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：

 


　□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
　 □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：

 

　【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】

 
　
□ 主張專利法第三十條生物材料：

 

　□ 須寄存生物材料者：

 

　　　國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】

　　　國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】
　
　　□ 不須寄存生物材料者:

　　 　所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。

 

五、中文發明摘要：
　 光纖與光學相位量測系統有許多都是低頻及微弱的訊號，因此，需要對這些訊號做某些形式的調變工作，才能將量測訊號帶離雜訊區，使正確的量測訊號被解析出來。光纖與光學式干涉儀量測訊號經弦波 (Sinusoidal Modulation)相位調變後，經過本發明的訊號處理後，便可得到標準的外差式調變訊號；因此，其調變後的訊號再經由鎖相放大器或相位計 (Phase Meter)的解調變後，即可將真實相位訊號解析出來。
　
六、英文發明摘要：
　  
　
七、指定代表圖：
　（一）本案指定代表圖為：
　（二）本代表圖之元件符號簡單說明：

 
　  
　
　
八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
　  
　
九、發明說明：
　 【技術領域】
本發明係關於一種外差式調變訊號裝置與方法，特別是指一種具有商品化外差式調變訊號裝置與方法，其適用於光纖與光學式干涉儀相位訊號的相位調變系統，針對載入弦波調變訊號，克服以往載入斜面波(Ramp Modulation)產生衰變延遲(Flyback)的問題。
【先前技術】
光纖式感測器具備靈敏度高、反應速度快、體積小、重量輕；可依各種需求做成不同的幾何形狀、耐高溫高壓、抗化學腐蝕，同時可以藉由光纖傳輸訊號，達到遙測之目的等多項優點。更由於光纖及光電元件生產技術的日趨成熟，價格也日益低廉，造就現今許多領域如：物理、化學、半導體製程及生物醫學等都有光纖式感測器的出現。
近年來光纖干涉儀訊號調變與解調變系統有Single ChannelPhase Tracker、Pseudo-Heterodyne及Synthetic Heterodyne等。其中Single Channel Phase Tracker靈敏度不高且調校困難。利用斜面波驅動制動器的Pseudo-Heterodyne亦會產生制動器衰變延遲(Flyback)的問題，而造成量測動態範圍的限制。後來有人曾提出Synthetic Heterodyne的調變技術，雖是利用弦波驅動制動器，但是得到三倍載波的外差式調變訊號；由於是三倍載波，在解調變的過程中，訊號處理更繁複。
雖然先前Cole et al.在1982首先提出合成外差調變技術，但是此調變電路需求數個不同功能的帶通濾波器，增加了調變電路的複雜性及價格；而Layton et al.在1993年所申請之美國專利(u.s.5,212,825)也針對上述電路的缺點進行改良，但其電路系統非常的複雜累贅，需要經過另外輸入的振幅調變，因此，增加了數個乘法器及額外的震盪器，亦提高了製作上的成本費用，且電路參數調校更為複雜，困難度也較高，又該外差調變電路，同時針對兩種不同的訊號源輸入做處理，兩種不同訊號源是否有同步的問題，更是造成調變電路的複雜性。
由此可見，上述習用物品仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用調變技術與裝置所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件外差式調變訊號裝置與方法。
【發明目的】
本發明之目的即在於提供一種製作簡單且可靠度高之外差式調變訊號裝置與方法。
本發明之次一目的係在於提供一種外差式調變訊號裝置與方法，達成大動態量測範圍、高靈敏及時動態的光纖與光學干涉儀感測量測系統。
本發明之另一目的係在於提供一種外差式調變訊號裝置與方法，以弦波來驅動制動器，簡化調變與解調變訊號的處理步驟。
本發明之又一目的係在於提供一種電路簡單且減低生產成本費用又可提高調變頻率之外差式調變訊號裝置與方法。
【技術內容】
光纖量測訊號有許多都是低頻及微弱的訊號，因此，需要對這些訊號做某些形式的調變工作，才能將量測訊號帶離雜訊區，使正確的量測訊號被解析出來。欲達成相位調變的目的可以使用許多不同形式的相位調變器如：藉由壓電調致器(PZT stack orPZT stretcher)改變光程長度(Optical Path Length)進行調變，或使用光電材料（如LiNb03）改變折射率進行調變或雷射頻率調變（如鈦－藍寶石可調式二極體雷射）等來達成。
光纖感測訊號調變與解調變技術的主要目的，除了把高頻的載波濾除外，還要將正確量測訊號解析出來，本發明係以光纖式Mach－Zehnder干涉儀為測試基礎而產生干涉訊號，一邊光纖利用壓電調致器(PZT stretcher)作為相位調變器，經過外差式調變訊號系統將相位做外差式調變後，經由鎖相放大器(Lock－inAmPlifier)將感測相位訊號解析出來；本發明是以弦波驅動壓電調致器(PZT Stretcher)，經由本發明之電路可得到外差式調變訊號。該調變技術可解決斜面波驅動壓電調致器(PZTStretcher)所造成衰變延遲(Flyback)而降低調變頻率的問題；因此，可大大提高外差式調變訊號的調變頻率。
圖式簡單說明
請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關該實施例之附圖為：
圖一為本發明外差式調變訊號裝置與方法利用於光纖式Mach-Zehnder干涉儀系統架構圖；
圖二A為該外差式調變訊號裝置與方法之調變流程示意圖；
圖二B為該外差式調變訊號裝置與方法之調變電路流程圖；
圖三為ψ c 最佳值之波形圖；
圖四為調變後量測訊號圖；
圖五為I 3 ×cos(ωc)的訊號圖；
圖六為I 3 ×sin(2ωc)的訊號圖；
圖七為cos(ω c t)×cos(△ψ)訊號圖；
圖八為sin(ω c t)×sin(△ψ)訊號圖；
圖九為cos(ω c t-△ψ)訊號圖；以及
圖十為量測訊號之波形圖。
主要元件符號說明
101．．．單模光纖
102．．．光纖耦合器A
103．．．相位調變器
104．．．光纖耦合器B
105．．．光偵測器
106．．．感測器
107．．．合成外差相位調變系統
108．．．鎖相放大器或相位計
201．．．量測調變訊號
202．．．振盪器
203．．．乘法器
204．．．直流濾波器
205．．．相位器
206．．．雙倍頻器
207．．．乘法器
208．．．帶通濾波器
209．．．帶通濾波器
210．．．電壓放大器
211．．．加法器
【較佳實施例】
請參閱圖一所示，本發明所提供之外差式調變訊號裝置與方法利用於光纖式Mach-Zehnder干涉儀系統架構圖，係由單模光纖101、光纖耦合器A102、光纖耦合器B104、相位調變器103、感測器106及光偵測器105所組成的光纖式Mach-Zehnder干涉儀系統，該系統送出的量測調變訊號經過本發明之合成外差相位調變系統107及鎖相放大器或相位計108及可解係出量測調變訊號之相位因子。
請參閱圖二A所示，光纖與光學相位量測訊號經過弦波調變後的量測調變訊號201為：I 1 =A+Bcos(ψ c cos(ω c t)+△ψ(t)] (1)其中A、B為常數，ψc為調變振幅，ωc為調變頻率，△ψ為感測訊號改變相位。I1經過Fourier－Bessel展開：

此時讓I2訊號通過一個直流濾波器(DC block)204:

將I3經乘法器203乘以cos(ωct)並展開：

利用三角函數積化和差公式cos（α）.cos（β）= (cos（α+β）+cos（α-β）處理(4)式得：

將(5)式整理可得：

讓I 5 通過ωC的帶通濾波器208，則I 5 變為：I 6 =-BJ2（ψ c ）cos(ω c t)cos（△ψ） (7)利用和上述相同的方法，將I 3 經乘法器207乘以sin（2ωC），再利用積化和差的方式（公式:sin(α)×cos(β)= (sin(α+β)+sin(α－β)）將其結果化簡整理最後讓訊號通過ωC的帶通濾波器209，則結果變為：I7=B(J3(ψc)－J 1 (ψc))sin(ωct)sin(△ψ)若使B(J 3 (ψ c )-J 1 (ψc))=-BJ 2 (ψc)→J 1 (ψ C )-J 3 (ψ c )=J 2 (ψ c ) (8)則讓(7)式和(8)式經由加法器211變成：I 8 =I 6 +I 7 =C.[cos(ωct)‧cos(△ψ)十sin(ωct)‧sin(△ψ)]=C‧cos(ωct-△ψ) (9)其中C為常數。由上推導I 8 滿足成立的情況，ψc之值麼似平非常重要，但實際上只要利用一個電壓放大器(VoltageAmplifier)電路，將其係數變成相等就可以成立，因此ψ c 之值的選擇及調校不像single channel phase tracker重要，即D‧(J 1 (ψ c )-J 3 (φ c ))=J 2 (ψ c )時就成立，其中D為增益。因此，I8即可用鎖相放大器或相位計108將相位變化值，△ψ，解析出來。
由圖三得知，當ψ c =2.2時，則J 1 (ψ c )-J 3 (ψ c )=J 2 (ψ c )成立；因此，選擇ψ c =2.2作為調校值。圖四為調變後量測訊號，其中ωc=5kHz、△ψ=90°；圖五為I 3 ×cos(ωc)的訊號；圖六為I3×sin(2ωc)的訊號。圖七及圖八為公式(7)和公式(8)的訊號圖，可以從圖上得知△ψ=0°、45°和90°變化的情況。圖九為調變電路輸出的訊號圖。圖十為系統實際量測長時間的斜面波(Ramp Function)所得量測訊號，從圖得知，其輸出的解析訊號與輸入的模擬訊號相同，皆為斜面波，符合公式(9)C.cos（ωct-△ψ），從圖十得知，此新式外差調變系統的理論及性能是可重複實施的電路系統設計，且具有商品化的外差式調變訊號裝置與方法。
請參閱圖二B所示，本發明所提供之外差式調變訊號裝置與方法，主要包括有：一振盪器202、一直流濾波器204、一相位器(Phase Shifter)205、一雙倍頻器206、兩個乘法器203、207、兩個帶通濾波器208、209、一電壓放大器210、一加法器211、一鎖相放大器或相位計108；振盪器202將光纖或光學相位量測訊號201做弦波相位調變訊號處理。由於是做弦波相位調變訊號處理，所以與鋸齒波相位調變訊號處理的裝置相比較，其特點為有較大的頻譜響應與較好的機械調變等優點。其直流濾波器204特點為可將光接收器接收過來的光纖或光學相位量測訊號201的直流訊號濾除掉。相位器(PhaseShifter)205主要是將雙倍頻器(Frequency Double)206的相位做調整，該相位器(Phase Shifter)205的特點為可將訊號的相位做平移的調整功能。兩乘法器中，一乘法器203是將振盪器202產生的訊號與經直流濾波器204處理後的訊號相乘，另一乘法器207是將通過雙倍頻器(Frequency Double)206的訊號與經直流濾波器204處理後的訊號相乘。帶通濾波器208是將通過乘法器203的訊號做帶通濾波；帶通濾波器209是將通過乘法器207的訊號做帶通濾波。經由電壓放大器210，可用以調整訊號振幅的大小，使得經過帶通濾波器207的訊號振幅與經過帶通濾波器208的訊號振幅相同。加法器211可將經過電壓放大器210的訊號與經過帶通濾波器209的訊號相加，以達到外差調變訊號。最後鎖相放大器或相位計108可將外差式調變訊號中的相位解析出來。
【特點及功效】
本發明所提供之外差式調變訊號裝置與方法，與前述其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：
1、除光纖干涉儀系統應用之外，所有相關之光學干涉儀系統應用於精密量測與生化感測的相位調變裝置亦可利用本明發所提出之裝置與方法進行實施。
2、本發明之外差式調變訊號裝置與方法其功效可增加量測系統的頻譜響應與較優的機械調變機制，而且電路設計亦較為簡單。
3、在實施實例上，如：設計相位調變的都譜勒測速儀、設計相位調變的光學或光纖位移計及其他利用有關外差式調變機制所設計的儀器等，皆可應用本發明達到高頻率響應的檢測目的。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
參考文獻:
1.Cole, J.H., Danver, B.A. and Bucaro, J.A., “Synthetic-HeterodyneInterferometric Demodulation,” IEEE Joumal of QuantumElectronics, Vol.QE-18, No.4, pp.694-697, April 1982.
2.Chang, C.C., “Optical Fiber Sensor Development for HealthMonitoring and Diagnosis In Smart Structure Application,” Ph.D.Thesis, Of University Of Maryland, 1995.
3.Singh, H., Sirkis, J.S., Andrews, J., and Pulfrey, R., “Evaluation ofIntegrated Optic Modulator-Based Detection Schemes for In-LineFiber Etalon Sensors,” Joumal of Lightwave Technology, Vol.13,pp.1772-1779,1995.
4.Culshaw, B and Dakin, J., Optical Fiber Sensors Principles andComponents, Artech House, Inc., 1988.
5.Jackson, D.A., Priest, R., Dandrigde, A., and Tveten, A.B.,“Elimination of Drift in a Single-Mode Optical FiberInterferometer Using a Piezoelectrically Stretch Coiled Fiber,”Appl. Opt. Vol.19, No.17, pp.2926-2929,1980.
6.Kersey, A.D., Moller, R.P., Berkoff, T.A. and Burns, W.K.,“Single-Channel Phase-Tracker for the Open Loop Fiber OpticGyroscope,” SPIE, Vol.1585, Fiber Optic Gyros.15th AnniversaryConference, pp.198-202, 1991.
7.Jackson, D.A., Kersey, A. D., Corke, M., Jones, J.D., “Pseudo-Heterodyne Detection Scheme for Optical Interferometers,”Electronics Letters, Vol.18 No.25,pp.1081-1083. 9th December,1982
8.US Patent: 5,212,825, Inventor: Layton, M.R., Synthetic HeterodyneDemodulation Circuit, 1993.

 
　
十、申請專利範圍：
　 　　 1.一種外差式調變訊號方法，係在解調變時能將真實的相位解析出來，其步驟如下：a.振盪器將輸入訊號做弦波相位調變訊號處理；b.直流濾波器將光接收器接收過來的光纖或光學相位量測訊號的直流訊號加以濾除後，送往第一個及第二個乘法器；c.相位器將振盪器的訊號相位做平移的調整送往雙倍頻器後送往第二個乘法器；d.第一個乘法器將振盪器產生的訊號與經直流濾波器處理後的訊號相乘後送往第一個帶通濾波器，第二個乘法器將通過雙倍頻器的訊號與經直流濾波器處理後的訊號相乘後送往第二個帶通濾波器；e.第一個帶通濾波器將通過第一個乘法器的訊號做帶通濾波，第二個帶通濾波器是將通過第二個乘法器的訊號做帶過濾波；f.第一個帶通濾波器輸出的訊號經由電壓放大器，調整訊號振幅的大小，使得經過第一個帶通濾波器的訊號振幅與經過第二個帶通濾波器的訊號振幅相同；g.加法器將經過電壓放大器的訊號與經過第二個帶通濾波器的訊號相加，以達到外差調變訊號；h.最後鎖相放大器將外差式調變訊號中的相位解析出來。
　　 2.如申請專利範圍第1項所述之外差式調變訊號方法，其中輸入訊號可為光纖訊號。
　　 3.如申請專利範圍第1項所述之外差式調變訊號方法，其中輸入訊號可為光學相位量測訊號。
　　 4.如申請專利範圍第1項所述之外差式調變訊號方法，其中其中鎖相放大器可用相位計替換。
　　 5.一種外差式調變訊號裝置，其中包括有：一振盪器，將光纖或光學相位量測訊號做弦波相位調變訊號；一直流濾波器，將光纖或光學相位量測訊號的直流訊號濾除掉；一相位器，接收振盪器的訊號，並將其相位做平移的調整；一雙倍頻器，接收相位器送出的訊號加以處理；兩個乘法器，第一乘法器是將振盪器產生的訊號與直流濾波器處理後的訊號相乘；第二個乘法器是將通過雙倍頻器的訊號與經直流濾波器處理後的訊號相乘；兩個帶通濾波器，第一個帶通濾波器將通過第一乘法器的訊號做帶通濾波；第二個帶通濾波器將通過第二個乘法器的訊號做帶通濾波；一電壓放大器，接收第一個帶通濾波器的訊號，並加以放大；一加法器，將電壓放大器及第二帶通濾波器所傳送來的訊號相加；一鎖相放大器，接收加法器的訊號並解係出訊號之相位；
　　 6.如申請專利範圍第5項所述之外差式調變訊號裝置，其中該鎖相放大器可利用相位計來替換。
　
十一、圖式：
　  
　









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