CN103075968A - 基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法。激光外差干涉仪的参考信号和测量信号经各自的光电探测器、信号放大器、滤波电路、电压比较器和高频数字边沿锁定模块处理后，送入脉冲计数同步锁存处理模块，得到参考信号和测量信号的整周期干涉条纹数和一个干涉条纹周期内的填脉冲数，经串口通信模块送至计算机，得到被测对象的位移和速度；采用高频数字脉冲信号对激光外差干涉信号的上升沿进行锁定处理，可以提高干涉信号上升沿的陡度和消除噪声干扰引起的错误脉冲，不会改变信号的周期，不存在信号上升沿的相位延迟，提高了后续信号处理的准确性和稳定性。本发明适用于各种干涉测量技术，可以显著提高测量精度。

Description

基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法
技术领域
本发明涉及激光外差干涉信号处理方法，尤其是涉及一种基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法。
背景技术
激光外差干涉仪具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、对激光的光强变化不敏感和可直接溯源到米定义等优越性能，因此被广泛用于高精度位移测量、超精密加工制造及仪器的检测校准中。激光外差干涉位移测量的信号处理方法大致可分为两类：一类为相位解调法，通过检测参考信号和测量信号间的相位差实现相位测量，具有高测量分辨率的特点；另一类为频率解调法，通过直接对多普勒频率进行计数实现位移测量，具有高测量速度的特点。在外差干涉信号的频率解调法中，在直接对多普勒频移信号进行脉冲计数实现位移测量中，信号的质量直接影响到计数的准确性和稳定性，当用示波器对整形处理后的外差干涉信号进行放大观察时，发现信号的上升沿并不理想：一方面是信号的上升沿陡度不高，会导致脉冲计数的触发时刻不准确，从而影响参考信号和测量信号相位差检测的精度；另一方面由于噪声和高频谐波的干扰引起的多上升沿现象，会导致整周期干涉条纹计数脉冲错误触发，从而影响测量结果的正确性。所以，激光外差干涉信号质量的改善成为提高测量正确性和精度需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法。采用高频数字脉冲信号对干涉信号上升沿锁定处理技术，不仅可以提高干涉信号上升沿的陡度，还可消除由于噪声引起的错误脉冲跳变，提高了干涉信号的质量，解决了制约干涉测量精度进一步提高的关键技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
（1）激光外差干涉仪的参考信号和测量信号经各自的光电探测器、信号放大器、滤波电路、电压比较器和高频数字边沿锁定模块处理后，送入脉冲计数同步锁存处理模块，得到参考信号和测量信号的整周期干涉条纹数Nref、Nmea和一个干涉条纹周期内的填脉冲数nref、nmea；
（2）有源晶振输出的外部时钟信号经锁相倍频模块处理后，输出频率为f的高频数字脉冲信号至高频数字边沿锁定模块和脉冲计数同步锁存处理模块；
（3）参考信号和测量信号的整周期干涉条纹数Nref、Nmea和一个干涉条纹周期内的填脉冲数nref、nmea经串口通信模块送至计算机，根据以下公式，得到被测对象的位移和速度：
被测对象的位移： L = λ 2 ( N mea - N ref )
被测对象的速度： v = λ 2 ( f n mea - f n ref )
式中：λ为激光波长。
所述的高频数字边沿锁定模块，在激光外差干涉信号的上升沿到来时，采用高频数字脉冲信号对其进行上升沿锁定处理，转换成等高电平窄脉冲信号，脉冲的宽度为τ=n/f，n为高频数字脉冲信号的脉冲个数。
本发明具有的有益效果是：
本发明采用高频数字脉冲信号对激光外差干涉信号上升沿锁定处理，提高了干涉信号上升沿的陡度，可消除由于噪声引起的错误脉冲跳变，改善了干涉信号的质量，不改变信号的周期，不会存在信号上升沿的相位延迟，故不影响后续的相位测量，保证了激光外差干涉信号处理的正确性，而且该信号处理方法易于实现。本发明适用于干涉测量技术中对干涉信号的质量进行优化处理，提高了测量结果的准确性和测量精度。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是采用高频数字脉冲信号对干涉信号上升沿锁定处理方法的原理框图。
图3是采用高频数字脉冲信号对干涉信号上升沿锁定处理方法的波形示意图。
图中：1、第一光电探测器，2、第一信号放大器，3、第一滤波电路，4、第一电压比较器，5、第一高频数字边沿锁定模块，6、脉冲计数同步锁存处理模块，7、有源晶振，8、第二光电探测器，9、第二信号放大器，10、第二滤波电路，11、第二电压比较器，12、第二高频数字边沿锁定模块，13、锁相倍频模块，14、串行通信模块，15、计数电路，16、锁定处理电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
本发明的实施例中激光外差干涉仪的光源为双频He-Ne稳频激光器，输出激光波长为632.8nm、频差为2.26MHz，光电探测器的最高工作频率为10MHz，采用一型号为EP2C20Q240C8N的可编程逻辑芯片（FPGA）来实现基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法。EP2C20Q240C8N芯片的内部最高工作频率高达400MHz，IO端口工作频率达50MHz，内置锁相环。
具体实施如下：
如图1所示，基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法实施步骤为：
（1）第一光电探测器1和第二光电探测器8探测到的激光外差干涉仪的参考信号和测量信号分别经过第一信号放大器2和第二信号放大器9进行信号放大，放大后的信号经传输线到达信号处理板，然后分别经第一滤波电路3和第二滤波电路10进行滤波处理，滤除噪声干扰，又分别经第一电压比较器4和第二电压比较器11将模拟干涉信号转换为数字干涉信号；参考数字干涉信号和测量数字干涉信号进入FPGA至第一高频数字边沿锁定模块5和第二高频数字边沿锁定模块12。
（2）有源晶振7输出50MHz的外部时钟信号，经FPGA内部的锁相倍频模块13倍频8倍处理后，得到频率f为400MHz的FPGA内部高频时钟信号，该信号一方面被用作第一高频数字边沿锁定模块5和第二高频数字边沿锁定模块12的高频数字脉冲信号，分别对参考数字干涉信号和测量数字干涉信号的上升沿进行锁定处理，另一方面被用作脉冲计数同步锁存处理模块6的基准时钟信号；
（3）经上升沿锁定处理后的参考数字干涉信号和测量数字干涉信号到达脉冲计数同步锁存处理模块6，在该模块中完成对参考信号和测量信号的整周期干涉条纹计数和一个干涉条纹周期内的填脉冲计数，参考信号和测量信号的整周期干涉条纹计数值分别为Nref和Nmea、一个干涉条纹周期内的填脉冲计数值分别为nref和nmea，经串口通信模块14送至计算机，根据下列公式，得到被测对象的位移和速度：
被测对象的位移： L = λ 2 ( N mea - N ref )
被测对象的速度： v = λ 2 ( f n mea - f n ref )
式中：λ为激光波长。
如图2所示，为采用高频数字脉冲信号对干涉信号上升沿锁定处理方法的原理框图。即对图1中的第一高频数字边沿锁定模块5或第二高频数字边沿锁定模块12的进一步说明，具体实施为：
高频数字边沿锁定模块：包含计数电路15和锁定处理电路16。经整形处理后的数字干涉信号（锁定前信号），到达高频数字边沿锁定处理模块，当该数字干涉信号的上升沿到来时刻，锁定处理电路16将输入的数字干涉信号先锁定成高电平，同时计数电路15对高频数字脉冲信号进行脉冲计数，当计数值达到预设阈值数n时，触发锁定处理电路16将数字干涉信号再锁定为低电平，这样原数字干涉信号被锁定成等高电平窄脉冲信号（锁定后信号）输出。
图3所示，为采用高频数字脉冲信号对干涉信号上升沿锁定处理方法的波形示意图。经整形处理后的数字干涉信号（锁定前信号），其上升沿存在着陡度较低和多上升沿的问题，如图3(a)和图3(b)所示，该问题将影响干涉信号的相位测量精度和引起整周期脉冲错误计数。高频数字边沿锁定模块实施的高频数字信号边沿锁定处理可在高频数字脉冲信号的作用下，将输入的数字干涉信号（锁定前信号）调制成等高电平窄脉冲信号（锁定后信号），信号的脉冲宽度为τ，τ=n/f，n为高频数字脉冲信号的脉冲个数（预设阈值数）。FPGA内部高频时钟信号频率为400MHz，则经锁定处理后的信号高电平脉冲的宽度最小可达0.5-8s。这种高频数字信号边沿锁定处理方法可以显著提高干涉信号的上升沿陡度，消除多上升沿现象，提高了干涉信号处理的稳定性和正确性，有利于激光外差干涉技术实施高速、高精度位移测量。
综上所述，采用基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法，当激光波长为632.8nm、频差为2.26MHz，光电探测器的最高工作频率为10MHz，EP2C20Q240C8N芯片的内部工作频率为400MHz、IO端口工作频率为50MHz时，该方法可实现被测对象最大运动速度约为2.4m/s的激光外差干涉精密位移测量。

Claims (2)

1.一种基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法，其特征在于：
（1）激光外差干涉仪的参考信号和测量信号经各自的光电探测器、信号放大器、滤波电路、电压比较器和高频数字边沿锁定模块处理后，送入脉冲计数同步锁存处理模块，得到参考信号和测量信号的整周期干涉条纹数Nref、Nmea和一个干涉条纹周期内的填脉冲数nref、nmea；
（2）有源晶振输出的外部时钟信号经锁相倍频模块处理后，输出频率为f的高频数字脉冲信号至高频数字边沿锁定模块和脉冲计数同步锁存处理模块；
（3）参考信号和测量信号的整周期干涉条纹数Nref、Nmea和一个干涉条纹周期内的填脉冲数nref、nmea经串口通信模块送至计算机，根据以下公式，得到被测对象的位移和速度：
被测对象的位移： L = λ 2 ( N mea - N ref )
被测对象的速度： v = λ 2 ( f n mea - f n ref )
式中：λ为激光波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频数字信号边沿锁定的激光外差干涉信号处理方法，其特征在于：所述的高频数字边沿锁定模块，在激光外差干涉信号的上升沿到来时，采用高频数字脉冲信号对其进行上升沿锁定处理，转换成等高电平窄脉冲信号，脉冲的宽度为τ=n/f，n为高频数字脉冲信号的脉冲个数。
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