CN102589413A - 一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，该方法是将双频激光干涉仪的多轴测量信号和参考信号滤波放大，在保证高速模数转换器的孔径时间足够小且测量触发时钟同步驱动高速模数转换器与高速现场可编程逻辑门阵列的情况下，采用高速模数转换器对所有信号分别进行模数转换，最后利用高速现场可编程逻辑门阵列计算多个轴的整数部分与小数部分和参考轴整数部分与小数部分来解算位移并输出结果数据。本发明通过简单的电路结构，实现双频激光干涉仪高分辨率高精度测量。本发明可解决由于多轴测量要求带来的电路结构复杂及电子信号处理模块费用高的问题。

Description

一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于高速模数转换器的双频激光干涉仪多轴位移信号处理方案，特别涉及一种高速信号处理方法，实现测量数据输出。

背景技术

双频激光干涉仪由于具有高分辨率高精度大量程的特点，被广泛应用于精密和超精密领域。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，可进行许多几何量如长度、角度、直线度、平行度等的测量，如专利200410053441.4、专利200420090576.3和200910052180.7所描述。

双频激光干涉仪的输出信号包括测量信号和参考信号，后续电路需要通过处理测量信号和参考信号来解算位移，输出测量数据。传统的双频激光干涉仪干涉位移电子信号处理方法，实现单轴位移解算就需要许多功能模块，电路结构复杂，非常不利于多轴测量的集成：专利200710099496.2实现方法的模拟电路复杂，处理后的脉冲位移信号不能实现高分辨率细分；专利200710099495.8采用全数字锁相环实现倍频计数面临高速干涉位移信号处理困难问题；专利201010273357.9所描述方法包括6级预处理电路更为复杂，非常不利于高速干涉位移信号处理以及多轴测量集成。因此一种电路结构简单利于多轴集成，又能满足高分率要求的双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的是提供一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，在电路简单易于实现多轴测量集成的情况下，能够同时实现双频激光干涉仪的高分辨率位移测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1)当前时刻双频激光干涉仪的第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r经过滤波放大模块后，在测量触发时钟驱动下，采用高速模数转换器模块对所述的l个轴的测量信号和所述的参考信号进行模数转换，所述滤波放大模块包括N个滤波放大电路，所述高速转换器模块包括N个高速模数转换器，其中N＝2*l+2，l＝1，2，3，…；

2)经过模数转换后所述第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r均进入高速现场可编程逻辑门阵列(FPGA)：对所述第一轴测量信号s₁、第二轴测量信号s₂……第l轴测量信号s_l的整周期分别进行计数得到第一轴整数部分n₁、第二轴整数部分n₂……第l轴整数部分n_l，并通过第一轴测量信号s₁和c₁计算第一轴小数部分m₁，通过第二轴测量信号s₂和c₂计算第二轴小数部分m₂……通过第l轴测量信号s_l和c_l计算第l轴小数部分m_l；对所述参考信号s_r的整周期进行计数得到参考轴整数部分n_r，并通过所述参考信号s_r和c_r计算参考轴小数部分m_r；

3)第k轴的位移L_k按如下公式计算：设双频激光干涉仪的每波长细分数为K，位移分辨率为Δ，则第k轴的位移I_k为L_k＝[(n_k-n_r)+(m_k-m_r)]*K*Δ，其中k＝1，2，…，l。

上述技术方案中，其特征在于，步骤1)中所述测量触发时钟驱动所述N个高速模数转换器和所述高速FPGA的时间差小于所述N个高速模数转换器的孔径时间，其中：N＝2*l+2，l＝1，2，3，…。

特别的是，所述N个高速模数转换器的孔径时间由以下公式确定：

设双频激光干涉仪的位移分辨率为Δ，测量对象的最大速率为v，则所述N个高速模数转换器的孔径时间t_ap必须满足：t_ap≤Δ/v。

本发明步骤2)中所述第k轴小数部分m_k的确定方法如下，其中k＝1，2，…，l：

i.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＞0，则满足：

ii.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＜0，则满足：

iii.若所述第k轴测量信号s_k＝1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.25；

iv.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＞0，则满足：

v.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＜0，则满足：

vi.若所述第k轴测量信号s_k＝-1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.75；

步骤2)中所述参考轴小数部分m_r的确定方法如下：

i.若所述测量信号s_r≥0且c_r＞0，则满足：

ii.若所述测量信号s_r≥0且c_r＜0，则满足：

iii.若所述测量信号s_r＝1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.25；

iv.若所述测量信号s_r＜0且c_r＞0，则满足：

v.若所述测量信号s_r＜0且c_r＜0，则满足：

vi.若所述测量信号s_r＝-1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.75。

采用以上技术方案，本发明可取得以下功能效果：相对目前的处理方法，电路结构大为简单，成本也得到降低，且每增加一个轴的测量在电路结构上只需增加一个高速模数转换器和其前端的滤波放大电路，易于实现多轴测量集成，提高工作效率，在保证所述高速模数转换器的孔径时间足够小的情况下，实现双频激光干涉仪高分辨率高精度位移测量。

附图说明

图1是本发明双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法的硬件结构框图。

图2是本发明FPGA的信号处理流程图。

其中：1-滤波放大模块，2-高速模数转换器模块，3-高速FPGA。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法的硬件结构框图，包括滤波放大模块1、高速模数转换器模块2和高速现场可编程逻辑门阵列3，其中滤波放大功能模块1包括N个滤波放大电路，高速模数转换器模块2包括N个高速模数转换器，其中N＝2*l+2，l＝1，2，3，…。

本发明提供一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，该方法包括以下步骤：

1)当前时刻双频激光干涉仪的第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r经过滤波放大模块1后，在测量触发时钟驱动下，采用高速模数转换器模块2对所述的l个轴的测量信号和所述的参考信号进行模数转换，所述滤波放大模块1包括N个滤波放大电路，所述高速转换器模块2包括N个高速模数转换器，其中N＝2*l+2，l＝1，2，3，…；

2)经过模数转换后所述第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r均进入高速现场可编程逻辑门阵列3：对所述第一轴测量信号s₁、第二轴测量信号s₂……第l轴测量信号s_l的整周期分别进行计数得到第一轴整数部分n₁、第二轴整数部分n₂……第l轴整数部分n_l，并通过第一轴测量信号s₁和c₁计算第一轴小数部分m₁，通过第二轴测量信号s₂和c₂计算第二轴小数部分m₂……通过第l轴测量信号s_l和c_l计算第l轴小数部分m_l；对所述参考信号s_r的整周期进行计数得到参考轴整数部分n_r，并通过所述参考信号s_r和c_r计算参考轴小数部分m_r；

3)第k轴的位移L_k按如下公式计算：设双频激光干涉仪的每波长细分数为K，位移分辨率为Δ，则第k轴的位移L_k为I_k＝[(n_k-n_r)+(m_k-m_r)]*K*Δ，其中k＝1，2，…，l。

步骤1)中所述测量触发时钟驱动所述N个高速模数转换器和所述高速FPGA的时间差小于所述N个高速模数转换器的孔径时间，其中：N＝2*l+2，l＝1，2，3，…。

所述N个高速模数转换器的孔径时间由以下公式确定：

设双频激光干涉仪的位移分辨率为Δ，测量对象的最大速率为v，则所述N个高速模数转换器的孔径时间t_ap满足：t_ap≤Δ/v。

本发明步骤2)中所述第k轴小数部分m_k的确定方法如下，其中k＝1，2，…，l：

i.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＞0，则满足：

ii.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＜0，则满足：

iii.若所述第k轴测量信号s_k＝1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.25；

iv.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＞0，则满足：

v.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＜0，则满足：

vi.若所述第k轴测量信号s_k＝-1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.75；

步骤2)中所述参考轴小数部分m_r的确定方法如下：

i.若所述测量信号s_r≥0且c_r＞0，则满足：

ii.若所述测量信号s_r≥0且c_r＜0，则满足：

iii.若所述测量信号s_r＝1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.25；

iv.若所述测量信号s_r＜0且c_r＞0，则满足：

v.若所述测量信号s_r＜0且c_r＜0，则满足：

vi.若所述测量信号s_r＝-1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.75。

实施例：

参考图1、2，演示本发明双频激光干涉仪多轴位移信号处理过程，以便更好地理解本发明。

所述双频激光干涉仪每波长细分数K＝256，位移分辨率Δ＝2.5nm，以测量四个轴的位移为例说明本发明，即l＝4，则高速模数转换器模块包括N＝2*4+2＝10个高速模数转换器。测量对象的最大速率v＝1m/s，所述10个高速模数转换器的孔径时间t_ap≤Δ/v＝2.5nm/(1m/s)＝2.5ns，所述测量触发时钟驱动所述10个高速模数转换器和所述高速现场可编程逻辑门阵列的时间差小于所述10个高速模数转换器的孔径时间。

1)当前时刻双频激光干涉仪的第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂、第三轴的测量信号s₃和c₃与第四轴的测量信号s₄和c₄以及参考信号s_r和c_r经过滤波放大模块1后，在测量触发时钟驱动下，采用高速模数转换器模块2对所述的四个轴的测量信号和所述的参考信号进行模数转换，所述滤波放大模块1包括10个滤波放大电路，所述高速转换器模块2包括10个高速模数转换器；

2)经过模数转换后所述第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂、第三轴的测量信号s₃和c₃与第四轴的测量信号s₄和c₄以及参考信号s_r和c_r均进入高速FPGA：对所述第一轴测量信号s₁、第二轴测量信号s₂、第三轴的测量信号s₃和第四轴的测量信号s₄的整周期分别进行计数得到第一轴整数部分n₁＝30、第二轴整数部分n₂＝24、第三轴整数部分n₃＝27和第四轴整数部分n₄＝60，通过第一轴测量信号s₁＝0.50和c₁＝0.87计算第一轴小数部分

通过第二轴测量信号s₂＝0.90和c₂＝-0.44计算第二轴小数部分

通过第三轴测量信号s₃＝-0.31和c₃＝-0.95计算第三轴小数部分 $m_3=\left(\arctan \frac{-0.31}{-0.95}\right)/(2*\mathrm{\π})+0.5=0.55,$ 通过第四轴测量信号s₄＝-0.63和c₄＝0.78计算第四轴小数部分 $m_4=\left(\arctan \frac{-0.63}{0.78}\right)/(2*\mathrm{\π})+1=0.89;$ 对所述参考信号s_r的整周期进行计数得到参考轴整数部分n_r＝40，并通过所述参考信号s_r＝0.60和c_r＝0.80计算参考轴小数部分 $m_r=\arctan \frac{0.60}{0.80}=0.10;$

3)第一轴的位移：

L₁＝[(n₁-n_r)+(m₁-m_r)]*K*Δ＝[(30-40)+(0.08-0.10)]*256*2.5＝-6412.8nm，第二轴的位移：

L₂＝[(n₂-n_r)+(m₂-m_r)]*K*Δ＝[(24-40)+(0.43-0.10)]*256*2.5＝-10028.8nm，第三轴的位移：

L₃＝[(n₃-n_r)+(m₃-m_r)]*K*Δ＝[(27-40)+(0.55-0.10)]*256*2.5＝-8032.0nm，第四轴的位移：

L₄＝[(n₄-n_r)+(m₄-m_r)]*K*Δ＝[(60-40)+(0.89-0.10)]*256*2.5＝13305.6nm。

上述步骤中，每增加一个轴的位移测量，仅增加一个高速模数转换器与其前端滤波放大电路，电路简单，多轴测量集成易于实现，提高工作效率，在保证所述高速模数转换器的孔径时间足够小的情况下，能够实现双频激光干涉仪高分辨率位移测量信号处理。

Claims (4)

1.一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：

1)当前时刻双频激光干涉仪的第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r经过滤波放大模块(1)后，在测量触发时钟驱动下，采用高速模数转换器模块(2)对所述的l个轴的测量信号和所述的参考信号进行模数转换，所述滤波放大模块(1)包括N个滤波放大电路，所述高速模数转换器模块(2)包括N个高速模数转换器，其中N＝2*l+2，l＝1，2，3，…；

2)经过模数转换后所述第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r均进入高速现场可编程逻辑门阵列(3)：对所述第一轴测量信号s₁、第二轴测量信号s₂……第l轴测量信号s_l的整周期分别进行计数得到第一轴整数部分n₁、第二轴整数部分n₂……第l轴整数部分n_l，并通过第一轴测量信号s₁和c₁计算第一轴小数部分m₁，通过第二轴测量信号s₂和c₂计算第二轴小数部分m₂……通过第l轴测量信号s_l和c_l计算第l轴小数部分m_l；对所述参考信号s_r的整周期进行计数得到参考轴整数部分n_r，并通过所述参考信号s_r和c_r计算参考轴小数部分m_r；

3)第k轴的位移L_k按如下公式计算：设双频激光干涉仪的每波长细分数为K，位移分辨率为Δ，则第k轴的位移L_k为L_k＝[(n_k-n_r)+(m_k-m_r)]*K*Δ，其中k＝1，2，…，l。

2.根据权利要求1所述的一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，其特征在于，步骤1)中所述测量触发时钟驱动所述N个高速模数转换器和所述高速现场可编程逻辑门阵列的时间差小于所述N个高速模数转换器的孔径时间，其中：N＝2*l+2，l＝1，2，3，…。

3.根据权利要求1所述的一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，其特征在于，所述N个高速模数转换器的孔径时间由以下公式确定：

设双频激光干涉仪的位移分辨率为Δ，测量对象的最大速率为v，则所述N个高速模数转换器的孔径时间t_ap满足：t_ap≤Δ/v。

4.根据权利要求1所述的一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，其特征在于，步骤2)中所述第k轴小数部分m_k的确定方法如下，其中k＝1，2，…，l：

i.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＞0，则满足：

ii.若所述第k轴测量信号s_k≥0且c_k＜0，则满足：

iii.若所述第k轴测量信号s_k＝1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.25；

iv.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＞0，则满足：

v.若所述第k轴测量信号s_k＜0且c_k＜0，则满足：

vi.若所述第k轴测量信号s_k＝-1且c_k＝0，则满足：m_k＝0.75；

步骤2)中所述参考轴小数部分m_r的确定方法如下：

i.若所述测量信号s_r≥0且c_r＞0，则满足：

ii.若所述测量信号s_r≥0且c_r＜0，则满足：

iii.若所述测量信号s_r＝1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.25；

iv.若所述测量信号s_r＜0且c_r＞0，则满足：

v.若所述测量信号s_r＜0且c_r＜0，则满足：

vi.若所述测量信号s_r＝-1且c_r＝0，则满足：m_r＝0.75。

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