CN113310400A - 一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法。所述方法为：同步于测量流程运行，根据信号采集部分模数转换的采集要求，确定需要增益到的信号强度的目标区间和修改信号增益的阈值；取采集到的正弦电信号峰峰值，作为调节增益时所需要的正弦光信号强度数据；根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID调节运算；根据PID调节运算结果，FPGA修改DAC输出电压数据控制增益补偿模块的补偿增益，进行一次增益调节；完成一次增益调节，采集调节后的信号强度数据。本发明可用于双频激光干涉测量的光电探测电路的信号采集前置增益补偿流程中，用于对光电检测信号的动态补偿。由于增益补偿调节均匀连续且与信号采集流程动态同步，信号的强度范围将实时保持在最佳采集区间内且不会发生增益突变。可有效提高模数转换部分对信号采样的精度，提高对模数转换模块性能的利用率，提高信号采集的稳定性。

Description

一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，可用于双频激光干涉测量的光电探测电路的信号采集前置增益补偿流程中，用于对光电检测信号的动态补偿。由于增益补偿调节均匀连续且与信号采集流程动态同步，信号的强度范围将实时保持在最佳采集区间内且不会发生增益突变。可有效提高模数转换部分对信号采样的精度，提高对模数转换模块性能的利用率，提高信号采集的稳定性，属于光学和电子工程技术领域。

(二)背景技术

随着超精密仪器制造、半导体加工等行业的不断进步，双频激光干涉测量技术以其极高的测量精度，较强的抗干扰能力以及非接触测量等优势，已经广泛应用于精密加工的测量之中。

由双频激光干涉测量的测量过程可知，激光从激光器出射、经过测量光路及反射镜后入射到接收光路的透镜中，经过光纤传导到双频激光干涉仪。如果光线保持垂直并入射到透镜中心，则入射光的光功率为最大值，信号强度最强。若被测物发生旋转，光信号偏离了测量入射透镜的中心没有原路返回，则会导致信号强度的急剧衰减。而双频激光干涉仪的模数转换单元有着一定的电压测量范围与分辨率，对于模数转换芯片来说，若是信号强度小于一定值，则无法充分利用模数转换芯片的测量能力，降低测量精度，甚至导致信号的不可测。为了保证双频激光干涉测量的实用范围、满足模数转换模块采样范围的需求，对双频激光干涉仪提出了测量的动态范围要求，通常为大于100倍最小入射光功率的范围，即大于20db的测量动态范围。

在当前的双频激光干涉测量中，信号的补偿大多是开环控制的增益补偿过程，即预先设定一定的增益档位。当信号强度小于一定值时，上调一个增益档位，增大信号增益，当信号强度大于一定值时，下调一个增益档位，降低信号增益。由于档位设置数量少的问题，调节增益时会导致增益突变，可能会使正弦信号发生严重的变形。而且从模数转换读取数据到完成增益的修改、可变增益放大器增益变化完成需要一定时间。由于档位设置有限以及增益调节的滞后性，无法使信号波形一直处于模数转换的最佳采样范围内，导致无法充分发挥模数转换的性能。

本发明公开了一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法。可用于双频激光干涉测量的光电探测电路的信号采集前置增益补偿流程中，用于对光电检测信号的动态补偿，用于双频激光干涉测量等需要高速高信噪比高动态范围的光电转换信号的领域。所述方法基于基本的双频激光干涉仪的硬件架构进行设计，可同步动态地实现信号的增益补偿，使得最终采样信号强度稳定且不会发生增益突变，信号强度持续保持在模数转换模块的最佳采样范围内。

(三)发明内容

针对双频激光干涉测量的传统增益补偿方式的增益突变、调节滞后、调节能力差等缺陷，本发明的目的在于提供一种增益调节超前，增益调节均匀连续，增益调节与信号测量同步的一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法。

一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，适用于双频激光干涉测量接收信号的信号强度的增益补偿，所述方法包括以下步骤：

(1)根据信号采集部分模数转换的采集要求，确定需要增益到的信号强度的目标区间和触发修改信号增益的阈值；

(2)取采集到的正弦电信号强度值，作为调节增益时所需要的正弦光信号强度数据；

(3)根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID运算；

(4)根据PID调节运算结果，FPGA修改DAC输出电压数据控制增益补偿模块的补偿增益，进行一次增益调节；

(5)完成一次增益调节，采集调节后的信号强度数据；

(6)重复(3)、(4)、(5)步骤，将信号强度保持在所设定的目标区间内；

以上方法步骤与正常双频激光干涉测量流程同步进行，以实现动态的增益补偿。

所述方法中：

步骤(1)中设定目的信号强度为区间以及设定触发修改信号增益的阈值，其目的是：降低增益调节的灵敏度，防止因信号抖动、采样位置不同引起的增益频繁改变，减少无效调节的发生。

步骤(2)中，所述正弦电信号强度值，由AD采样后得到的正弦信号采样数值的最大值与最小值作差得到，即对应正弦电信号的峰峰值，用于衡量输入通道的光电转换电信号的信号强度。

步骤(3)中，根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID调节运算，是采用目标信号强度与实际信号强度的偏差进行PID调节运算，运算后的结果为进行增益补偿时所需要调节的可调增益电路放大倍数的参考值，根据参考值确定控制DAC输入到增益电路的控制电压的电压值，以实现对信号增益的闭环控制。

所述的闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，与信号测量过程同步运行，实时调节。

所述方法的信号强度目标区间，是满足ADC(模数转换芯片)采集需求的最佳电压采样区间，通常为尽量占满ADC量程而不达到ADC量程上限。

所述方法的触发修改信号增益的阈值，是一个合理的取值，防止因信号采样到的信号的位置不同及信号本身的抖动触发额外的闭环调节过程，用于限制增益调节的灵敏度。阈值包含信号强度上限和信号强度下限，超过上限触发减小增益的闭环控制流程，低于下限触发增大增益的闭环控制流程。阈值大小由ADC采样率和信号稳定性共同决定。

所述方法的正弦电信号，是由前置光电转换电路转换出的双频激光干涉测量信号经过滤除直流之后的正弦电信号，为频率单一的正弦信号。

所述方法的正弦电信号强度值，是由前置光电转换电路转换出的双频激光干涉测量信号经过滤除直流之后的正弦电信号的峰峰值，由于AD采样本身取值的因素，所述正弦电信号强度值为AD采样后得到的正弦信号数值的最大值与最小值作差得到，用于衡量输入通道的光电转换信号的信号强度。

所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID运算，其输入参数为采样的输入测量信号强度值与增益后信号目标强度值之间的差值，用于进行PID运算；运算结果为反映应调整的增益值，使用该增益值修改增益控制DAC输出电压进行可变增益放大器的增益调节。

所述方法的增益补偿模块，是由前置滤波器与定增益补偿放大器、可控增益放大器、后置滤波器组成，其中：前置定增益补偿放大器用于补偿可控增益放大器最小增益时的信号增益，扩大信号增益的动态范围；可控增益放大器为主要增益控制元件，其增益倍数由输入到控制端口的电压控制。

本发明的一些实施例中，双频激光干涉测量装置接收到的测量光信号的强度衰减大多是由于被测物发生旋转引起的光路偏移，光信号偏离了测量入射透镜的中心导致了信号强度的衰减。对于极高的信号强度变化频率而言，在较短的一定的时间内，被测物体发生旋转带来的强度衰减过程相对缓慢连续且变化均匀，因此，当信号强度发生改变时，在一定条件下，强度的变化可以预测。

进一步地，对于增益控制过程而言，小步进的增益调节可使得DAC电压调整与可控增益放大器增益变动快速且稳定，降低了控制延时。

因此使用所述闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法进行小步且动态的增益补偿调整，可同步与测量过程完成超前的增益控制，使得最终采样信号强度稳定且不会发生增益突变，信号强度持续保持在模数转换模块的最佳采样范围内。

(四)附图说明

图1是闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法流程示意图。

图2是一种实施例中光电信号流向和控制信号流向。

图3是应用闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法的一个实施例的硬件结构框图。

(五)具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。显然，所描述的实施例是本发明部分应用实施例，非用以限定本发明可实施的范围。其实施例的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图3，图3给出了应用闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法的一个实施例装置。所述闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法应用于的图3所述的实施例装置，其特征在于，包括以下部分：前置信号滤波器7与增益补偿放大器8相连，增益补偿放大器8与可变增益放大器9相连，可变增益放大器9与增益控制DAC6和后置信号滤波器10相连，后置信号滤波器10和模数转换单元4相连，增益控制DAC6和模数转换单元4与FPGA 5相连。

所述实施例中的前置信号滤波器7，用于滤除接收到的光电转换信号中的直流量。

所述实施例中的增益补偿放大器8，用于在可变增益放大器9处于最小增益时，放大接收到的信号，补偿可控增益放大器最小增益时的信号增益，扩大信号增益的动态范围，并使得接收到的最大强度信号输入满足模数转换单元信号采样范围的需求。

所述实施例中的可变增益放大器9，由输入到控制端的电压值控制所述可变增益放大器的放大倍数，所选增益范围由初始信号强度与双频激光干涉测量时所需要的测量动态范围所决定。

所述实施例中的增益控制DAC，输出电压受FPGA控制，用于输出电压信号控制可变增益放大器，其分辨率决定可变增益放大器的增益步长。

所述实施例中的后置信号滤波器，用于滤除信号频带以外的信号，减少干扰，提高测量准确性。

请参阅图2，图2所述的实施例为通常的双频激光干涉测量流程中的信号流向与增益控制信号流向，即：测量光信号由APD接收，经过跨阻放大器转换为电压信号，经过可变增益放大单元将信号补偿到适合模数转换单元采样的强度。

请参阅图1，图1为闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，与图2进行的测量过程同时进行，图3所述的装置使用闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，以图1步骤进行完成增益补偿的调整：

(1)根据信号采集部分模数转换的采集要求，确定需要增益到的信号强度的目标区间和触发修改信号增益的阈值，所述目标信号强度与触发信号增益修改的阈值由FPGA控制；

(2)取模数转换单元4采集到的正弦电信号强度值，作为调节增益时所需要的正弦光信号强度数据；

(3)根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID运算；

(4)根据PID调节运算结果，FPGA修改DAC输出电压数据控制增益补偿模块的补偿增益，进行一次增益调节；

(5)完成一次增益调节，采集调节后的信号强度数据；

(6)重复(3)、(4)、(5)步骤，进行信号强度的闭环增益控制，将信号强度保持在所设定的目标区间内；

所述实施例中，双频激光干涉测量装置接收到的测量光信号的强度衰减是由于被测物发生旋转、光信号偏离了测量入射透镜的中心未原路返回等因素导致了信号强度的衰减。对于极高的信号强度变化频率而言，被测物的移动是缓慢的。也因此，被测物体发生旋转带来的强度衰减过程相对缓慢连续且变化均匀，当信号强度发生改变时，强度的变化可以预测并可以进行超前补偿。再加上快速小步进的增益调节过程使得DAC电压调整与可控增益放大器增益变动快速且稳定，降低了控制延时。

使用所述闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法的实施例进行实时的增益补偿调整，以及测量过程同步调节、超前的增益控制，使得最终采样信号强度稳定且不会发生增益突变，信号强度将持续保持在模数转换模块的最佳采样范围内。

所述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，适用于双频激光干涉测量接收信号的信号强度的增益补偿，根据模数转换采样出的信号峰峰值与预设强度目标的差值，同步动态地进行超前的增益控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)根据信号采集部分模数转换的采集要求，确定需要增益到的信号强度的目标区间和触发修改信号增益的阈值；

(2)取采集到的正弦电信号强度值，作为调节增益时所需要的正弦光信号强度数据；

(3)根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID运算；

(4)根据PID调节运算结果，FPGA修改DAC输出电压数据控制增益补偿模块的补偿增益，进行一次增益调节；

(5)完成一次增益调节，采集调节后的信号强度数据；

(6)重复(3)、(4)、(5)步骤，将信号强度保持在所设定的目标区间内；

以上方法步骤与正常双频激光干涉测量流程同步进行，以实现动态的增益补偿。

所述方法中：

步骤(1)中设定目的信号强度为区间以及设定触发修改信号增益的阈值，其目的是：降低增益调节的灵敏度，防止因信号抖动、采样位置不同引起的增益频繁改变，减少无效调节的发生。

步骤(2)中，所述正弦电信号强度值，由AD采样后得到的正弦信号采样数值的最大值与最小值作差得到，即对应正弦电信号的峰峰值，用于衡量输入通道的光电转换电信号的信号强度。

步骤(3)中，根据所述正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID调节运算，是采用目标信号强度与实际信号强度的偏差进行PID调节运算，运算后的结果为进行增益补偿时所需要调节的可调增益电路放大倍数的参考值，根据参考值确定控制DAC输入到增益电路的控制电压的电压值，以实现对信号增益的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种闭环控制的激光干涉测量同步动态增益补偿方法，其特征是：与信号测量过程同步运行，实时调节。

3.根据权利要求1所述的信号强度目标区间，其特征是：满足模数转换中ADC(模数转换芯片)采集需求的有效电压采样区间，通常为尽量占满ADC量程但又不达到ADC量程的上限。

4.根据权利要求1所述的触发修改信号增益的阈值，其特征是：一个合理的取值，防止因信号采样到的信号的位置不同及信号本身的抖动触发额外的闭环调节过程，用于限制增益调节的灵敏度。阈值包含信号强度上限和信号强度下限，超过上限触发减小增益的闭环控制流程，低于下限触发增大增益的闭环控制流程。阈值大小由ADC采样率和信号稳定性共同决定。

5.根据权利要求1所述的正弦电信号，其特征是：由前置光电转换电路转换出的双频激光干涉测量信号经过滤除直流之后的正弦电信号，为频率单一的正弦信号。

6.根据权利要求1所述的正弦电信号强度值，其特征是：前置光电转换电路转换出的双频激光干涉测量信号经过滤除直流之后的正弦电信号的峰峰值，由于AD采样本身取值的因素，所述正弦电信号强度值为AD采样后得到的正弦信号数值的最大值与最小值作差得到，用于衡量输入通道的光电转换信号的信号强度。

7.根据权利要求1所述的正弦信号强度数据与信号强度目标值进行PID运算，其特征是：输入参数为采样的输入测量信号强度值与增益后信号目标强度值之间的差值，用于进行PID运算；运算结果为反映应调整的增益值，使用该增益值修改增益控制DAC输出电压进行可变增益放大器的增益调节。

8.根据权利要求1所述的增益补偿模块，其特征是：由前置滤波器与定增益补偿放大器、可控增益放大器、后置滤波器组成，其中：前置定增益补偿放大器用于补偿可控增益放大器最小增益时的信号增益，扩大信号增益的动态范围；可控增益放大器为主要增益控制元件，其增益倍数由输入到控制端口的电压控制。

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