CN102706273A - 一种基于外差干涉信号的相位解调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于外差干涉信号的相位解调方法，其步骤：(1)将交流参考信号S_r和测量信号S_m分别经过双向过零比较电路后整形为中频方波信号，得到中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m；(2)中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过自参考锁相环动态跟踪降频模块后将转化为低频方波信号，得到低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m；(3)将中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m、低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m输入到基于FPGA的数字相位测量模块，分别进行整小数相位测量及融合；(4)结果输出。本发明采用自参考锁相环动态跟踪降频和基于FPGA的数字相位测量技术、实现了激光外差干涉信号的大范围高精度相位解调、保证了系统测试性能。

Description

一种基于外差干涉信号的相位解调方法

技术领域

本发明主要涉及到光学精密测量技术领域，特指一种基于外差干涉信号的相位解调方法。

背景技术

“激光外差干涉技术”是给干涉条纹的变化引入一个载波，使普通干涉测量的直流信号系统转变为外差干涉测量的交流信号系统，从而大大增强系统的抗干扰能力和稳定性，它具有测量精度高、响应速度快、测量范围大、信噪比高、能够克服方向模糊且不受光强变化影响等优点，已被广泛应用于光学精密测量领域和纳米技术测量领域。然而，常规的普通外差干涉系统也存在着激光器外差频率不稳、波动较大的问题，这将直接影响到后续信号处理和系统测试性能。因此，寻找一种高效、稳定、高精度的外差干涉信号的信号处理方法，实现对干涉条纹准确计数以及高倍细分，从而获取纳米级的测量精度，是外差干涉测量系统的一个重要组成部分。

“外差干涉信号处理”就是要从系统测量信号中将多普勒频移带来的频差或相差信息解调出来，从而得到被测物理量的大小。外差信号处理的方法很多，但总体上可以分为“频率解调法”和“相位解调法”两大类。频率解调法的优点是测量范围大，具有整数计数能力，能进行动态测量，可测量相位零点，其缺点是电路十分复杂，虽具有一定水平的细分能力，但很难达到高精度。因此，现今的外差干涉信号处理绝大部分均是采用相位解调的方法。

“外差干涉信号相位解调法”是高精度外差干涉仪常用的信号处理方法，当被测物体发生移动时，光路形成的干涉条纹由于多普勒频移发生相位变化。相位解调法正是将参考信号与发生多普勒相移的测量信号进行比相，从参考和测量信号的处理中提取多普勒频移产生的相位变化量，其具备测量频率较高、精度和稳定性好等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、采用自参考锁相环动态跟踪降频和基于FPGA的数字相位测量技术、实现了激光外差干涉信号的大范围高精度相位解调、保证了系统测试性能的基于外差干涉信号的相位解调方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于外差干涉信号的相位解调方法，其步骤：

(1)将交流参考信号S_r和测量信号S_m分别经过双向过零比较电路后整形为中频方波信号，得到中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m；

(2)中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过自参考锁相环动态跟踪降频模块后将转化为低频方波信号，得到低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m；

(3)将中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m、低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m输入到基于FPGA的数字相位测量模块，分别进行整小数相位测量及融合；

(4)最后将相位解调的结果转化为所测物理量信息，将结果输出。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(2)包括：

(2.1)将中频方波参考信号Q_r输入到基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中进行处理产生用于混频降频的跟踪信号T_r；

(2.2)将中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m分别通过各自对应的锁相环电路、混频器和选频放大器结合电路，并与跟踪信号T_r进行混频，按照混频选频原理转化为低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m。

所述跟踪信号T_r的频率满足关系其中

为跟踪信号T_r的频率，

为中频方波参考信号Q_r的频率，M为位于基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中锁相环频率合成电路前置输入端的可编程M分频器的分频值，L为位于基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中锁相环频率合成电路反馈环节的可编程L分频器的分频值，所述M、L均通过基于FPGA的数字相位测量模块的反馈控制信号来设置。

所述L满足关系式L＝M-1，所述低频方波参考信号W_r的频率

为

低频方波测量信号W_m的频率

为其中f_d为测量信息引起的多普勒频移。

所述步骤(3)包括：

(3.1)中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过基于FPGA的数字相位测量模块的去抖处理后，分别通过计数器C1和C2来进行测量时间t内的整周期计数，将C1和C2的计数值分别表示为N₁和N₂，则整数相位的测量可表示为

(3.2)低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m进行异或后，利用高频标准脉冲信号同时去对异或结果和低频方波参考信号W_r的整周期进行插值计数，将计数结果分别作为分子与分母，其比值即为小数相位与相位π的比值；

(3.3)采用多周期脉冲填充法实现小数相位测量，多周期门控信号由参考信号分频产生，且与参考信号同步，通过对异或结果和低频方波参考信号W_r多周期计数，小数相位分子和分母的计数结果分别用∑k_i和K表示；

(3.4)在基于FPGA的数字相位测量模块中整小数相位融合后的相位解调结果可表示为：

其中φ为所求相位变化量，

K⁰为起始点测量信号和参考信号小数相位差的计数结果，起点、终点的小数相位的正负号由融合原则及超前滞后符号判别共同决定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明基于外差干涉信号的相位解调方法，采用自参考锁相环动态跟踪降频技术，相比传统外差干涉相位测量用频率固定的晶振本振信号作为混频信号，该方法通过动态跟踪频率合成获取频率可变的混频信号，能够将混频降频后用于小数相位测量的低频信号频率始终保持在预定频率值附近，克服双频激光器频差不稳定给信号处理带来的影响，同时提高了后续相位解调的精度和稳定度；

2.本发明基于外差干涉信号的相位解调方法，采用基于FPGA的数字处理技术，大大提高了外差干涉信号处理的速度和实时性，通过采用多周期脉冲插值、整小数相位结合测量及其他控制分频、去抖等信号处理技巧，实现了外差干涉相位信息的整周期、高精度和无盲区测量，且整个FPGA模块功能均基于硬件描述语言来完成，结构简单，可编程性强，开发成本低；

3.本发明基于外差干涉信号的相位解调方法，通过对外差信号的实行高速双向过零比较将其转化为方波信号，后续相位解调过程均基于数字信号完成，该相位解调方法与干涉条纹的强度信息无关，因此受光强变化、环境因素的影响会明显减小，提高了信号处理的实时性、稳定性和抗干扰能力，易于实现测量系统的数字化和仪器化。

附图说明

图1是本发明相位解调方法的流程示意图。

图2是本发明具体实施例中基于参考信号的动态跟踪频率合成电路的框架原理示意图。

图3是本发明具体实施例中自参考锁相环动态跟踪降频模块的框架原理示意图。

图4是本发明具体实施例中基于FPGA的数字相位测量模块的框架原理示意图。

图5是本发明具体实施例中采用多周期脉冲填充法实现小数相位测量的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于外差干涉信号的相位解调方法，将交流参考信号S_r和测量信号S_m分别经过双向过零比较电路后整形为中频方波信号，得到中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m；然后，中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过自参考锁相环动态跟踪降频模块后将转化为低频方波信号，得到低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m；接下来，将中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m、低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m输入到基于FPGA的数字相位测量模块，分别进行整小数相位测量及融合；最后将相位解调的结果转化为所测物理量信息，并将结果输出。

其具体的步骤为：

①交流参考信号S_r经过第一双向过零比较电路转化为中频方波参考信号Q_r，测量信号S_m经过第二双向过零比较电路转化为中频方波测量信号Q_m；中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m的频率一般为1.5MHz-5MHz之间。

②设置自参考锁相环动态跟踪降频模块，该自参考锁相环动态跟踪降频模块包括基于参考信号的动态跟踪频率合成电路、第一锁相环电路PLL1及辅助电路和第二锁相环电路PLL2及辅助电路。将中频方波参考信号Q_r输入到基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中进行处理；如图2所示，本实施例中，基于参考信号的动态跟踪频率合成电路包括锁相环频率合成电路PLL3以及位于锁相环频率合成电路PLL3前置输入端的可编程M分频器、位于锁相环频率合成电路反馈环节中的可编程L分频器，可编程M分频器和可编程L分频器均为嵌入式分频器，可编程M分频器和可编程L分频器均通过基于FPGA的数字相位测量模块的反馈控制信号来设置分频比L、M的值(L、M均为正整数)；然后由锁相环频率合成电路产生用于混频降频的跟踪信号T_r，根据频率合成的基本原理可知跟踪信号T_r的频率满足关系

其中

为跟踪信号T_r的频率，

为中频方波参考信号Q_r的频率。

③中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m分别通过各自对应的第一锁相环电路PLL1、第二锁相环电路PLL2、混频器和选频放大器结合电路，并与跟踪信号T_r进行混频，按照混频选频原理转化为低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m。

如图3所示，在具体实施例中，让分频比L始终满足关系式L＝M-1，那么降频后的低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m的频率可分别简化表示为

其中f_d为测量信息引起的多普勒频移。

基于参考信号的动态跟踪频率合成电路需要对参考信号的频率做实时监测，才能根据监测到的频率值实时调整分频比L、M的值。为了达到此目的，可以选择单独加入频率测量模块，但出于实现资源合理配置的原因，本实施例中是利用基于FPGA的数字相位测量模块实现参考信号频率的简易测量，并根据频率测量结果来设置分频比L、M的值并反馈给可编程分频器。例如，当参考频率在2.5MHz-2.6MHz之间时M值设置为26，此时L为25，降频后的低频参考信号频率在96.2kHz-100kHz之间；当参考频率在3.1MHz-3.2MHz之间时M值设置为32，此时L为31，降频后的低频参考信号频率在96.9kHz-100kHz之间；这样就能使低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m的频率

始终保持在100kHz左右。

④如图4所示，将中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m、低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m同时输入到基于FPGA的数字相位测量模块，进行数字相位测量。

中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过基于FPGA的数字相位测量模块的去抖处理后，分别通过计数器C1和C2来进行测量时间t内的整周期计数，将C1和C2的计数值分别表示为N₁和N₂，则整数相位的测量可表示为

低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m一方面用于进行超前滞后判别，一方面把两个信号进行异或后，利用高频标准脉冲信号同时去对异或结果和低频方波参考信号W_r的整周期进行插值计数，将计数结果分别作为分子与分母，其比值即为小数相位与相位π的比值。

本实施例中，采用多周期脉冲填充法实现小数相位测量，多周期门控信号由参考信号分频产生，且与参考信号同步，通过对异或结果和低频方波参考信号W_r多周期计数，减小了计数随机误差，实现了对计数的统一控制，小数相位分子和分母的计数结果分别用∑k_i和K表示。

参见图5，在基于FPGA的数字相位测量模块中通过预定的融合原则，整小数相位融合后的相位解调结果可表示为

其中φ为所求相位变化量，

K⁰为起始点测量信号和参考信号小数相位差的计数结果，起点、终点的小数相位的正负号由融合原则及超前滞后符号判别共同决定。

⑤根据测量要求，可以改变相位与系统被测物理量信息的量值对应关系，将相位解调的结果转化为所测物理量信息，将结果反馈到计算机PC并输出到LCD。

在本实施例中，第一双向过零比较电路和第二双向过零比较电路关于两路输入信号必须严格对称，其可以采用比较器芯片为LM360的高速比较器及其外围电路。

在本实施例中，自参考锁相环动态跟踪降频模块要求所有电路器件关于两路输入信号严格对称，且混频器和选频放大器均在锁相环的反馈环节中引入，其可以采用的锁相环NE564具备满足需求的捕捉带范围。

在本实施例中，基于参考信号的动态跟踪频率合成电路可以选用可编程分频器74LS292、锁相环NE564及外围电路来实现频率跟踪合成。

在本实施例中，基于FPGA的数字相位测量模块中的FPGA芯片可以选用ALTERACyclone II系列FPGA芯片及其外围电路，其处理速度在200MHz以上。

本发明的基于外差干涉信号的相位解调方法适用于拍频信号为1.5MHz-5MHz之间，测量系统多普勒频移可以达到几十kHz，由于具体实施例中所采用的PLL的频率捕捉带范围限制，因此，其实际适用拍频信号为2MHz-3.4MHz之间，足以满足外差干涉信号频差波动的需要，并且可以改变锁相环外围电路进行频率范围的调节。

综上所述，本发明克服了双频激光器频差不稳定给信号处理带来的影响和现有外差干涉信号处理易受频率波动影响的缺点，提高了外差干涉信号处理的速度和实时性，实现了外差干涉相位信息的多周期、高精度和无盲区测量，具有较大的工程应用价值。此发明不仅适用于外差干涉信号处理，而且可以作为中频相位计广泛应用于基于中频信号的高精度相位差测量的诸多领域。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于外差干涉信号的相位解调方法，其特征在于步骤：

(1)将交流参考信号S_r和测量信号S_m分别经过双向过零比较电路后整形为中频方波信号，得到中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m；

(2)中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过自参考锁相环动态跟踪降频模块后将转化为低频方波信号，得到低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m；

(3)将中频方波参考信号Q_r、中频方波测量信号Q_m、低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m输入到基于FPGA的数字相位测量模块，分别进行整小数相位测量及融合；

(4)最后将相位解调的结果转化为所测物理量信息，并将结果输出。

2.根据权利要求1所述的基于外差干涉信号的相位解调方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

（2.1）将中频方波参考信号Q_r输入到基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中进行处理产生用于混频降频的跟踪信号T_r；

（2.2）将中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m分别通过各自对应的锁相环电路、混频器和选频放大器结合电路，并与跟踪信号T_r进行混频，按照混频选频原理转化为低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m。

3.根据权利要求2所述的基于外差干涉信号的相位解调方法，其特征在于，所述跟踪信号T_r的频率满足关系

其中为跟踪信号T_r的频率，

为中频方波参考信号Q_r的频率，M为位于基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中锁相环频率合成电路前置输入端的可编程M分频器的分频值，L为位于基于参考信号的动态跟踪频率合成电路中锁相环频率合成电路反馈环节的可编程L分频器的分频值，所述M、L均通过基于FPGA的数字相位测量模块的反馈控制信号来设置。

4.根据权利要求3所述的基于外差干涉信号的相位解调方法，其特征在于，所述L满足关系式L＝M-1，所述低频方波参考信号W_r的频率

为

低频方波测量信号W_m的频率

为

其中f_d为测量信息引起的多普勒频移。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于外差干涉信号的相位解调方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

(3.1)中频方波参考信号Q_r和中频方波测量信号Q_m经过基于FPGA的数字相位测量模块的去抖处理后，分别通过计数器C1和C2来进行测量时间t内的整周期计数，将C1和C2的计数值分别表示为N₁和N₂，则整数相位的测量可表示为

(3.2)低频方波参考信号W_r和低频方波测量信号W_m进行异或后，利用高频标准脉冲信号同时去对异或结果和低频方波参考信号W_r的整周期进行插值计数，将计数结果分别作为分子与分母，其比值即为小数相位与相位π的比值；

（3.3）采用多周期脉冲填充法实现小数相位测量，多周期门控信号由参考信号分频产生，且与参考信号同步，通过对异或结果和低频方波参考信号W_r多周期计数，小数相位分子和分母的计数结果分别用∑k_i和K表示；

（3.4）在基于FPGA的数字相位测量模块中整小数相位融合后的相位解调结果可表示为：

其中φ为所求相位变化量，

K⁰为起始点测量信号和参考信号小数相位差的计数结果。

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