CN1024593C - 外差干涉仪信号处理——相位和相位整数测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外差干涉仪的信号处理新方法，即相位和相位整数测量法。本发明采用了相位测量技术和超过2π相位变化的相位整数测量技术。包括数字相位调制方法，即将两路频率信号的相位转换成为一个调宽信号，还包括超过2π相位变化的相位整数测量方法，即由相位调制输出的调宽信号，经过整数相位测量电路，产生被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位的测量。本发明具有分辨率高，测量范围大和动态信号处理等功能。

Description

本发明涉及一种外差干涉仪的信号处理新方法，即相位和相位整数测量法。

已有技术的外差干涉仪（包括双频激光干涉仪）系统以其信噪比高，抗干扰能力强，易于实现高分辨率，测量整度快等特点，在科研和生产中得到广泛应用。已有的外差干涉仪信号处理方法中有一种是清华大学光学仪器教研组在科学基金项目“光学探针测量表面粗糙度”采用的相位测量技术。即通过测量测量信号的相位相对于参考信号的相位变化，从而获得被测物理量的变化。被测物理量的大小与相位差的关系为：L＝（φ/4π）λ。这种信号处理方法具有可实现高分辨率，和可用于动态信号处理，但是它测量范围不能超过±2π，即被测物理量变化不能超过±λ/2。为了扩大测量范围，采用了分频技术，即以牺牲测量的分辨率来扩大测量范围。因此它的应用范围受到限制。

本发明的目的是寻求一种新的外差干涉仪信号处理方法，同时具有高分辨率、大测量范围和动态信号处理功能。

本发明的内容是采用了相位测量技术和超过2π相位变化的相位整数测量技术，实现对外差干涉仪信号和任何涉及相位测量的信号处理，包括数字相位调制方法，即将两路频率信号的相位转换成为一个调宽信号，还包括超过2π相位变化的相位整数测量方法，即由相位调制器输出的调宽信号，经过整数相位测量电路，产生被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位的测量。本发明的信号处理方法的电路方框图包括相位调制器，调宽信号解调器，整数相位测量电路，可逆计数器，采样逻辑及组合逻辑电路，I/O接口电路和计算机系统。

在相位测量原理上，采用数字相位调制方法，将两路频率信号的相位转换成为一个调宽信号。该调宽信号的调制宽度Tm代表这两路信号的相位差的大小：

Tm＝Tφ/2π    （1）

其中T是调制信号的周期，φ是被测信号的相位差。该调宽信号可以用下式表示：

将（2）式用付氏级数展开得：

V（t）＝φ/4π+Σ[Sin（nφ）CoS（2πnft）+（1-Cos（nφ））Sin（2πnft）]    （3）

通过对该调宽信号进行解调，剔除信号中的调制信号及其谐波信号，则得到一个反映相位差的模拟信号。当被测相位差从绝对值360°变到大于360°时，该模拟输出信号由绝对值最大变到零。

整数相位测量是利用相位调制器输出的调宽信号的特征实现的。从相位调制器输出的调宽信号具有这样的特征：当被测相位差从绝对值2π变到超过2π时，调宽信号的调制宽度总是从调制最深，变到调制为零。因此，利用上面提到的调宽信号这一特征，经过整数相位测量电路作用，产生反映被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位整数测 量。该整数检测电路具有下面特点：

1.当被测相位差的绝对值由2π变到超过2π时，产生计数脉冲。

2.该电路生成两路反映整数相位的信号：一路反映被测相位增加的整数相位个数，另一路则反映被测相位减少的整数相位个数。

3.计数脉冲为宽度等于调制信号一个周期的负脉冲信号。

从原理上讲，当被测相位差的绝对值由2π变到大于2π时，从相位解调电路输出的模拟信号为一个由最大值到零的阶跃信号。但是实际上，由于调宽解调电路具有积分特性，因此该阶跃则是一个过渡过程。如果此时对相位测量电路的输出进行采样，那么所采集到的信息将是一个错误的相位值，因此，在实现本发明时，采用了两路相同的相位测量电路。主相位测量电路直接测量参考信号与测量信号的相位差，而辅助相位测量电路则测量将参考信号相移π后的信号与测量信号的相位差。这样，从这两个相位测量电路输出的相位值相差π。在测量过程中，当主相位测量电路输出的模拟信号发生跳变时，辅助相位测量电路的输出刚好为π相位所对应的模拟量值。这时只须对辅助相位测量电路的输出进行采样，从而避免上述错误发生。

在测量过程中，对两个相位测量电路输出的模拟信号采样和计算最后相位差值，必须服从下面两个条件：

（1）当测量信号与参考信号的相位差的绝对值为π/2≤φ≤3π/2时，对主相位测量电路的输出进行采样，否则则对辅助相位测量电路的输出进行采样。

（2）当对辅助相位测量电路的输出进行采样时，计算最后相位差值要遵循：在未产生整数相位脉冲信号时，应将采样值的绝对值加上π;而在产生计数脉冲后，则将采样值绝对值减去π。

附图说明：

图1是已有技术原理框图

图2是本发明原理框图

图3是本发明原理图

图4是计算机系统数据采集流程图。

下面结合附图详细介绍发明内容。图3是本发明原理图。图中1是主相位测量电路相位调制器，12是辅助相位测量电路相位调制器，2和13是调宽信号解调器，4、5、9、8是电平采样保持电路，3和7是时序分配电路，6和10是电平鉴别电路，11是π相移电路，14是采样时序合成电路，15是下降沿鉴别电路，16是上升沿鉴别电路，17是电平合成电路，18是A/D转换器，19是可逆计数器，20是状态寄存器，21是I/O接口，22是计算机。

来自外差干涉仪的测量信号Fm和参考信号Fr分别输入给主相位测量电路的相位调制器1的两个输入端上。从相位调制器1输出的是两路负脉冲调宽信号：一路是反映参考信号相位超前测量信号相位时的调宽信号，另一路则是参考信号相位落后测量信号相位时的调宽信号。从相位调制器1输出的调宽信号，经过调宽信号解调电路2，则输出一个对应参考信号与测量信号相位差大小的模拟信号。该模拟信号为主相位测量电路输出信号。同时，输入的参考信号经过π相移电路11后，与测量信号一起加在辅助相位测量电路的相位调制器12上。从该相位调制器12输出的两路调宽信号经过调宽信号解调电路13，变成一个反映这两路输入信号相位差的模拟信号，即为辅助相位测量电路输出信号。这两路模拟信号加在A/D转换电路18的两个模拟通道上。

整数相位测量是通过下面环节实现的：将当参考信号相位超前时，相位调制器1输出端输出的调宽信号，输入到两个电平采样保持电路4、5上，以参考信号为基准，时序分配电路3产生出参考信号的3/4周期和1/4周期两路时序信号。在整数相位测量时，时序分配器发出的两路时序信号将控制电平采样保持电路4、5对输入的调宽信号的前一个周期的3/4周期处，和后一个周期的1/4周期处的电平进行采样。如果电平采样保持电路4、5采集到的电平反映调宽信号由调制最深变到调制最小时，电平鉴别电路6将产生一个反映参考信号相位超前2π的整数相位脉冲。同样的原理，以测量信号为基准，时序分配电路7。电平采样保持电路8，9和电平鉴别电路10对测量信号相位超前时，相位调制器1的调宽信号输出端输出的调宽信号进行处理，则得到一个反映测量信号相位超前2π的整数相位的脉冲。这两路脉冲信号加在可逆计数器19的两个输入端上，此时可逆计数器19中的内容即为测量信号与参考信号间相位变化2π 的周期数，即得到整数相位。

对主相位测量电路输出的模拟信号进行采样，还是对辅助相位测量电路输出的模拟信号进行采样，是根据前面所述的采样转换条件产生的采样控制时序进行控制的。该采样控制时序是通过判别相位调制器1输出调宽信号的调制宽度是否落在该调宽信号的1/4周期到3/4周期之间实现的。如果输出的调宽信号的调制宽度落在该调宽信号的1/4周期到3/4周期之间，则对主相位测量电路输出的模拟信号进行采样，否则对辅助相位测量电路的输出进行采样。在电路原理图上，利用产生整数相位的电路：时序分配电路3，电平采样保持器4、5和电平签别器6对参考信号相位超前时相位调制器1对应的输出的调宽信号进行判别;利用时序分配器7，电平采样保护器8、9和电平鉴别器10对测量信号超前时相位调制器1对应输出的调宽信号进行判别。将这两个判别结果，输入给采样控制时序合成电路14，即产生了采样时序信号。

测量结果合成对序则是利用了相位调制器1和相位调制器12输出的调宽信号在时序上的差别来实现的：即当参考信号相位超前时，由脉冲下降沿比较电路15判别相位调制器1和相位调制器12参考信号相位超前时输出调宽信号的下降沿。如果相位调制器1输出的调宽信号的下降沿超前相位调制器12输出的调宽信号的下降沿，那么在对辅助相位测量电路输出的模拟量时进行采样时，其采样结果的绝对值应加上π，否则则减去π。同样当测量信号相位超前，由脉冲上升沿比较电路16判别相位调制器1、12在测量信号相位超前时调宽信号输出端输出的调宽信号的上升沿。如果相位调制器1输出调宽信号的上升沿超前相位调制器12的，那么在对辅助相位测量电路输出的模拟量进行采样时，其采样结果的绝对值应加上π，否则则减去π。从下降沿比较电路15输出的信号与从上升沿比较电路16输出的信号由电平合成电路17产生一个测量结果组合时序信号。

这两个时序信号通过状态寄存器20，和A/D转换器18、可逆计数器19，一起通过I/O电路21与计算机22相联。计算机通过对反映相位小数部分的模拟信号采样和对反映相位整数变化的可逆计数器内容进行采样，通过组合计算，即得到被测相位的信息。

图4是计算机进行数据采集的程序流程图。在采样开始时，计算机首先通过I/O电路21锁定可逆计数器19和状态寄存器20的内容，然后从状态寄存器20取反映采样控制时序信号和合成时序信号，根据采样时序信号，计算机设置A/D转换器的模拟通道，启动A/D变换。在A/D变换期间，计算机取入可逆计数器的内容。当A/D转换完成以后，计算机将根据采样时序信号和合成时序信号进行数据处理，最后输出测量的结果。

Claims (2)

1、一种补差干涉仪信号处理方法，包括数字相位调制方法，即将两路频率信号的相位差转换成为一个调宽信号，其特征在于所述的信号处理方法还包括整数相位测量方法和两路相同电路的相位测量方法，所述的整数相位测量方法是利用相位调制器输出的调宽信号的特征实现的；即当被测相位差从绝对值2π变到超过2π时，调宽信号的调制宽度从调制最深到调制为零，经过整数相位测量电路，产生反映被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位的整数测量；所述的两路相同电路的测量方法是主相位差，辅助相位测量电路则测量将参考信号相移π后的信号与测量信号的相位测量电路直接测量参考信号与测量信号的相位差，从两个相位测量电路输出的相位值相差π，当主相位测量电路输出的模拟信号发生跳变时，辅助相位测量电路的输出刚好为π相位所对应的模拟量。

2、一种专用权利要求1所述的方法对外差干涉仪信号进行处理的装置，包括用于产生调宽信号的相位调制器，产生相位测量信号的调宽信号解调器，其特征在于还包括整数相位测量电路、两路相同的相位测量电路、用于产生整数相位测量脉冲的数字逻辑电路以及供计算机对相位模拟信号和整数周期进行组合采样的逻辑电路、A/D转换器、接口电路和计算机系统，所述的整数相位测量电路中设置有可逆计数器。

Images