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基于并行希尔伯特变换与重叠计算的激光外差多普勒测振仪相位解调加速研究
一、研究作者、机构及发表信息
本研究由Wei Ke、Lijing Li、Longbiao He、Ping Yang、Feng Niu、Kaibing Han、Ronghua Fan、Hanyi Zhang和Xiujuan Feng共同完成。研究团队来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院、中国计量科学研究院力学与声学研究所、中国计量科学研究院办公室以及合肥工业大学仪器科学与光电工程学院。研究论文于2025年1月10日发表在《Optics Letters》期刊上，卷号为50，期号为2。
二、学术背景
相位解调（phase demodulation）是信号处理中的一项关键技术，广泛应用于激光测量、振动校准和医学诊断等领域。例如，激光外差多普勒测振仪（laser heterodyne doppler vibrometer）是一种超精密仪器，通过相位解调准确提取振动物体的位移、速度和加速度信息。然而，传统的希尔伯特变换（Hilbert transform）方法在实时解调应用中存在端点效应（end point effects）问题，特别是在数字处理器处理能力受限的情况下，实时数据量有限会进一步加剧端点效应对解调精度的影响。为了解决这一问题，本研究提出了一种基于重叠计算的并行希尔伯特变换反正切相位解调方法（parallel hilbert transform arctangent phase demodulation, PHT-ATAN），旨在加速相位解调过程并提高解调精度。
三、研究流程
1. 方法设计
PHT-ATAN方法的核心思想是通过重叠计算和数据拼接来抑制端点效应，并通过并行处理加速相位解调。具体流程如下：
- 数据分段与重叠：将原始数据划分为重叠的数据段，每段长度为2的整数次幂（如1024点），重叠宽度为256点。
- 频域滤波与相位解调：对每段数据进行快速傅里叶变换（FFT）和频域滤波，去除干扰信号和直流分量，然后通过逆傅里叶变换（IFFT）获得多普勒信号的正交分量（sin和cos）。
- 并行处理：利用多核处理器的并行计算能力，同时对多段数据进行相位解调。
- 数据拼接：去除每段数据的端点异常值，保留中间部分，并通过数据拼接算法获得完整的相位解调结果。
实验设置
实验采用Polytec OFV-505激光头（波长632.8 nm）生成连续测量光束，Tektronix AFG 3022B信号发生器产生驱动信号，Conoptics 25A电压放大器放大信号，并通过Conoptics M350-160电光调制器调制测量光束。数据采集卡以250 MSPS的采样率捕获多普勒信号和解调结果，MATLAB R2023b用于离线相位解调分析。
数据处理与分析
实验信号频率范围为100 kHz至1 MHz，步长为100 kHz。通过直接数字合成（DDS）生成正交信号，利用CORDIC算法实现反正切运算，最终通过低通滤波和CIC抽取滤波降低数据速率，并通过正弦逼近法（SAM）提取频率、振幅和初始相位信息。
四、主要结果
1. 解调速度提升
当PHT-ATAN方法的并行度为2时，解调速度比传统IQ-ATAN方法提高至少35%，比HT-ATAN方法提高至少60%；当并行度为4时，解调速度比IQ-ATAN方法提高至少150%，比HT-ATAN方法提高至少190%。
2. 解调精度与信噪比
实验结果表明，PHT-ATAN方法在解调精度和信噪比（SNR）方面与传统方法相当，SNR均为51.48 dB，未因并行处理而降低解调质量。
3. 端点效应抑制
通过重叠计算和数据拼接，PHT-ATAN方法有效抑制了希尔伯特变换的端点效应，提高了相位解调的稳定性和一致性。
五、结论
本研究提出的PHT-ATAN方法通过重叠计算和并行处理，显著加速了相位解调过程，同时保持了高精度和高信噪比。该方法在激光外差多普勒测振仪等大带宽、嵌入式及实时传感应用中具有重要潜力，为相位解调领域提供了一种高效且可靠的解决方案。
六、研究亮点
1. 创新方法：PHT-ATAN方法首次将重叠计算与并行处理相结合，解决了传统希尔伯特变换的端点效应问题。
2. 高效性：通过并行处理，解调速度大幅提升，特别是在高并行度下，解调效率显著优于传统方法。
3. 适用性：该方法适用于FPGA等硬件平台，具有广泛的应用前景。
七、其他有价值的内容
本研究得到了中国国家自然科学基金（52075513）的支持，研究数据可根据合理请求向作者获取。
以上报告全面介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究者提供了详细的参考。