CN107907047A - 一种基于参考信号移相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参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法。激光外差干涉仪的参考和测量信号经整形电路由正弦信号转变为矩形波信号，两矩形波信号输入至鉴相模块进行整小数测量；在鉴相模块中，参考信号经移相产生180°移相的信号，对参考和测量信号进行计数和对减处理得到整数初值，对参考和测量信号进行填脉冲计数得到小数值，对180°移相的参考信号和测量信号进行计数和对减处理得到整数补偿值，最后利用整数补偿值对由于信号上升沿抖动导致小数相位值在0°附近的不稳定跳变整数值进行补偿，以实现整小数的准确结合。本发明为激光外差干涉仪实现了整小数准确结合的信号处理方法，具有原理简单和易于实现的特点。

Description

一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法
技术领域
本发明涉及了相位测量信号处理方法，尤其是涉及一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法。
背景技术
激光外差干涉技术具有测量精度高、测量范围大、抗干扰能力强和长度基准的直接溯源能力，使得激光干涉仪被广泛应用于精密测量、精密加工与制造和计量检定与校准等领域。信号处理系统是激光干涉仪实现高精度测量的关键技术。随着电子电路技术的发展和技术水平的提高，先进的相位测量方法被用于激光外差干涉仪的信号处理中来实现高精度的相位测量，目前研究较多的是利用锁相放大技术和离散傅里叶转换技术的相位测量方法，这些方法通常采用高速AD转换技术将干涉信号数字化，利用高性能的DSP和FPGA实现信号处理和相位测量，且可实现较高精度相位测量，其相位测量分辨率可达到亚纳米级甚至皮米量级。但是，这两种信号处理方法也存在着一些局限和不足，基于锁相放大的相位测量方法，要求锁相环必须稳定以确保锁相放大后的信号不失真，并且要求相位必须能被准确的解算以避免计数条纹丢失；当采用离散傅里叶转换技术进行相位测量时，要求两路高速反正切运算进行实时准确的相位测量来保证测量相位的准确解算，利用基准时钟信号将信号调整至中间频段位置时进行相位测量时，会对其用在干涉测量中测量速度产生一定限制。另外，这两种方法实现相位测量时一般要求实现的电路和解相位算法比较复杂，相对于这两种方法，基于时间间隔分析法的外差干涉信号处理方法，相位测量原理和电路实现起来较为简单，不足之处在于信号的上升沿抖动会导致整数计数误差使得0°相位差附近的整小数难以准确结合。基于时间间隔分析法的外差干涉信号处理，利用经整形处理后的参考和测量信号进行相位测量，主要包括整数和小数测量。整数值决定了测量范围，小数细分值决定了测量分辨率，而整小数的准确结合是实现准确的激光外差干涉相位测量的关键技术问题，且关于整小数准确结合的研究少有报道。利用时间间隔分析法实现激光外差干涉信号的整小数准确测量以及实现整小数的准确结合，可为精密激光外差干涉测量领域提供低成本的干涉信号处理解决方案和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法。采用时间间隔分析法实现外差干涉信号处理，利用移相180°后的参考信号与测量信号获取整数补偿值，用于补偿小数相位值为0°附近相位区间内不稳定跳变的整数初值，实现全相位区间内整小数的准确结合，可消除整形后的干涉信号上升沿抖动引起整小数结合错误的技术问题，以实现激光外差干涉信号处理中相位的准确测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1)激光外差干涉仪中的参考光电探测器和测量光电探测器探测到参考信号和测量信号，两信号分别经参考信号预处理模块和测量信号预处理模块处理转变为矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea；
2)将两矩形波信号输入至鉴相模块进行整数和小数测量，具体为：
2.1)鉴相模块中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数初值NInt0；
2.2)鉴相模块中将矩形波参考信号Ref经180°移相模块(3)处理后生成移相180°的测量信号Ref180，鉴相模块中对测量信号Ref180和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数补偿值NInt180；
2.3)鉴相模块中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea之间的相位差区间以及矩形波测量信号Mea的单周期相位区间进行填脉冲计数，将相位差区间的填脉冲计数值FNphase除以单周期相位区间的填脉冲计数值FNMea得到小数值NFrac；
3)在360°相位区间内，将由矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea的信号上升沿抖动导致的小数相位值为0°附近的整数初值不稳定跳变的相位区间[NFracL,1)和[0,NFracR]作为不稳定区间，不稳定区间以外的其他相位区间作为稳定区间。其中，NFracL,NFracR分别表示不稳定区间与稳定区间划分边界处设定的小数阈值；
4)由鉴相模块测得整数初值NInt0、整数补偿值NInt180和小数值NFrac经串行通讯模块传输至上位机，对小数值所在区间进行判别和不稳定区间整数补偿处理后，得到整小数结合值NReal，实现激光外差干涉信号处理。
当信号Ref和信号Mea的相位差在0°时，由这两个信号获得的整数初值NInt0会存在不稳定跳变，使得整小数难以准确结合，而此时的Ref180和Mea信号的相位差在180°附近，故此时的整数补偿值NInt180是一个稳定值。利用稳定的整数补偿值NInt180来补偿此时不稳定的整数初值NInt0实现准确的整数判别，进而实现准确的整小数结合。
所述的整小数结合值NReal由以下公式得到：
其中，ΔN为测量开始时分别由Ref和Ref180经整数测量模块得到整数值的差值，ΔN由下面的公式计算得到：
其中，N0 Frac为测量初始时的小数值，N0 Int0和N0 Int180分别为测量初始时分别由Ref0和Ref180信号经整数测量模块测量得到的整数值。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明利用移相180°后的参考信号获取整数补偿值，用于补偿小数相位值为0°附近相位区间内不稳定跳变的整数初值，实现360°相位区间内整小数的准确结合，可消除整形后的干涉信号上升沿抖动引起整小数结合错误的技术问题，以实现激光外差干涉信号处理中相位的准确测量。
(2)本发明利用整形后的干涉信号，采用对信号上升沿计数和同步对减实现整数测量，采用填脉冲计数实现小数测量，并且可实现整小数的准确结合，测量原理和信号处理电路简单，易于实现。
(3)可为精密激光外差干涉测量领域提供低成本的干涉信号相位测量处理解决方案和技术支持。
附图说明
图1是本发明处理原理框图。
图2是整数跳变不稳定区间划分示意图。
图中：1、参考光电探测器，2、参考信号预处理模块，3、180°移相模块，4、整数初值测量模块，5、串行通信模块，6、测量光电探测器，7、测量信号预处理模块，8、整数补偿值测量模块，9、小数测量模块，10、上位机。
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。
如图1所示，具体实施的激光外差干涉仪包括鉴相模块、参考光电探测器1、参考信号预处理模块2、测量光电探测器6、测量信号预处理模块7和上位机10；鉴相模块包括180°移相模块3、串行通信模块5、整数初值测量模块4、整数补偿值测量模块8和小数测量模块9；参考光电探测器1连接到参考信号预处理模块2的输入端，参考信号预处理模块2的输出端分为三路，三路分别连接到整数初值测量模块4、整数补偿值测量模块8和小数测量模块9的输入端；参考信号预处理模块2的输出端和整数补偿值测量模块8之间连接有180°移相模块3；测量光电探测器6连接到测量信号预处理模块7的输入端，测量信号预处理模块7的输出端分为三路，三路分别连接到整数初值测量模块4、整数补偿值测量模块8和小数测量模块9，整数初值测量模块4、整数补偿值测量模块8和小数测量模块9的输出端均经串行通信模块5连接到上位机10。
本发明的实施例中激光外差干涉仪的光源为Keysight5517B双频He-Ne稳频激光器，输出激光波长为632.991372nm，频差为2.24MHz，采用两个PIN型光电探测器进行干涉信号的探测，最高工作频率为10MHz。采用Altera公司可编程逻辑器件EP2C20Q240I8N实现相位测量的整数测量和小数测量。利用Visual Studio进行上位机设计进行数据采集处理，实现小数相位区间的判断和不稳定区间内跳变整数初值的补偿，给出准确整小数测量结果，采用的FPGA芯片的内部时钟频率达400MHz，IO端口工作频率达50MHz。
如图1和图2所示，本发明实施例具体步骤为：
1)激光外差干涉仪中的参考光电探测器和测量光电探测器探测到参考信号和测量信号，两信号分别经参考信号预处理模块和测量信号预处理模块处理转变为矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea；
2)将两矩形波信号输入至鉴相模块进行整数和小数测量，具体为：
2.1)鉴相模块的整数初值测量模块4中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数初值NInt0；
2.2)鉴相模块中将矩形波参考信号Ref经180°移相模块3处理后生成移相180°的测量信号Ref180，鉴相模块的整数补偿值测量模块8中对测量信号Ref180和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数补偿值NInt180；
2.3)鉴相模块的小数测量模块9中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea之间的相位差区间以及矩形波测量信号Mea的单周期相位区间进行填脉冲计数，将相位差区间的填脉冲计数值FNphase除以单周期相位区间的填脉冲计数值FNMea得到小数值NFrac；
3)在360°相位区间内，将由矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea的信号上升沿抖动导致的小数相位值为0°附近的整数初值不稳定跳变的相位区间[NFracL,1)和[0,NFracR]作为不稳定区间，不稳定区间以外的其他相位区间作为稳定区间。其中，NFracL,NFracR分别表示不稳定区间与稳定区间划分边界处设定的小数阈值；
4)由鉴相模块测得整数初值NInt0、整数补偿值NInt180和小数值NFrac，经串行通讯模块传输至上位机，对小数值所在区间进行判别和不稳定区间整数补偿处理后，得到整小数结合值NReal，具体为：
整小数结合值NReal由以下公式得到：
其中，ΔN为测量开始时分别由Ref和Ref180经整数测量模块得到整数值的差值，ΔN由下面的公式计算得到：
其中，N0 Frac为测量初始时的小数值，N0 Int0和N0 Int180分别为测量初始时分别由Ref0和Ref180信号经整数测量模块测量得到的整数值。
由图2所示整数跳变不稳定区间划分示意图，在具体实施例中，当以参考信号的上升沿作为小数相位测量的基准时，不稳定区间[NFracL,1)和[0,NFracR]的参数设置为NFracL＝350°，NFracR＝10°。实验结果表明该区间可以有效的包含整数初值跳变的不稳定区间，可以实现有效的整数跳变补偿。具体实施例中进行的整小数结合实验显示，在小数相位为0°附近时，测得整数初值会产生错误的跳变，跳变误差大于等于1，而此时测得的整数补偿值非常稳定，利用本发明的整小数结合方法实现了准确的整小数结合。在位移干涉测量中，无论测量镜正向还是反向运动，测得整小数结合值连续且无整数跳变。具体实施例中与英国Renishaw公司的商用位移干涉仪进行的位移测量比对实验结果显示，在300mm测量范围内，以1mm为步进的位移测量比对实验中，位移误差的最大值为29nm，没有超过一个波长的整数跳变值，即反映了没有出现整数跳变误差，从而验证了本发明的整小数结合方法在激光外差干涉测量中进行精密相位测量的可行性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法，其特征在于：
1)激光外差干涉仪中的参考光电探测器和测量光电探测器探测到参考信号和测量信号，两信号分别经参考信号预处理模块和测量信号预处理模块处理转变为矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea；
2)将两矩形波信号输入至鉴相模块进行整数和小数测量，具体为：
2.1)鉴相模块中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数初值NInt0；
2.2)鉴相模块中将矩形波参考信号Ref经180°移相模块(3)处理后生成移相180°的测量信号Ref180，鉴相模块中对测量信号Ref180和矩形波测量信号Mea进行上升沿计数和同步对减得到整数补偿值NInt180；
2.3)鉴相模块中对矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea之间的相位差区间以及矩形波测量信号Mea的单周期相位区间进行填脉冲计数，将相位差区间的填脉冲计数值FNphase除以单周期相位区间的填脉冲计数值FNMea得到小数值NFrac；
3)在360°相位区间内，将由矩形波参考信号Ref和矩形波测量信号Mea的信号上升沿抖动导致的小数相位值为0°附近的整数初值不稳定跳变的相位区间[NFracL,1)和[0,NFracR]作为不稳定区间，不稳定区间以外的其他相位区间作为稳定区间；其中，NFracL,NFracR分别表示不稳定区间与稳定区间划分边界处设定的小数阈值；
4)由鉴相模块测得整数初值NInt0、整数补偿值NInt180和小数值NFrac，对小数值所在区间进行判别和不稳定区间整数补偿处理后，得到整小数结合值NReal。
2.根据权利要求1所述的一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法，其特征在于：所述的整小数结合值NReal由以下公式得到：
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其中，ΔN为测量开始时分别由Ref和Ref180经整数测量模块得到整数值的差值，ΔN由下面的公式计算得到：
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其中，N0 Frac为测量初始时的小数值，N0 Int0和N0 Int180分别为测量初始时分别由Ref0和Ref180信号经整数测量模块测量得到的整数值。
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