CN108801436B - 基于速度预估相位解调的高速激光测振仪 - Google Patents

Abstract

基于速度预估相位解调的高速激光测振仪属于激光测振技术领域；该测振仪包括干涉部分、探测部分和数据采集处理部分，数据采集处理部分由第一差分放大器、第二差分放大器和计算机组成，所采用的速度预估相位解调包括以下步骤：对原始干涉正交信号进行增益和偏置校正，计算相位序列，计算初始位移，预估速度、位移、相位整数项和相位小数项，根据实际相位小数项与预估相位小数项间的差值确定实际相位整数项和实际位移；本发明为解决高速激光测振中存在的采样频率过高、数据量过大的问题提供了一种技术解决方案，可有效提高振动测量速度，降低硬件成本和扩大测振仪应用范围。

Description

基于速度预估相位解调的高速激光测振仪

技术领域

本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种基于速度预估相位解调的高速激光测振仪。

背景技术

零差激光测振仪具有结构简单、测量精度高、动态范围宽和非线性易于补偿等优点，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。高端与尖端领域中的零差激光测振仪多采用四通道零差正交激光干涉测振方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过相位解调等信号处理，实现位移与振动的高精度测量。然而，一些如超低频振动校准、半导体光刻等需要高速测量的应用场景对零差激光测振仪提出了新的挑战。

相位解调是零差激光测振仪实现高速振动信号测量的关键技术环节之一，是限制可测量最大速度提高的一个主要因素。传统的相位解调算法，可对反正切计算结果进行相位展开，确定相位整数项，获得连续的振动信号，根据奈奎斯特采样定理，要求采样率大于两倍的干涉条纹变化最大频率，以防止相位整数项的错误计算(1.Greco V，Molesini G，Quercioli F.Accurate polarization interferometer.Review of ScientificInstruments，1995，66(7)：3729-3734；2.Pengcheng Hu，et.al.DC-offset homodyneinterferometer and its nonlinearity compensation.Optics Express，2015，23(7)：8399-8408)。然而，该方法在面对测量大行程长周期高速振动信号时，对数据采集处理系统提出了苛刻要求。例如当振动最大速度为314mm/s时，干涉条纹变化频率为1MHz，要求多通道同步数据采集卡采样率至少为2MS/s；其次，干涉信号的采样点数将高达数百兆，如在0.1～0.01Hz振动频率范围内，振动幅值峰峰值为1m，单个振动周期同步数据采集卡采集点数至少为20M，同时实际测量时往往需要采集多个振动周期信号取其平均值，存在数百兆的数据量。因此传统相位解调算法应用于超低频振动测量时对硬件条件要求较高，高速数据采集、海量数据传输、存储与处理将导致计算机出现内存空间不够、程序运行死机等问题。

综上，零差正交激光干涉测振仪中相位解调方法面对的两个主要问题限制了其在高速振动测量的应用：

(1)在测量高速振动信号时，由于奈奎斯特采样定理所限，高速数据采集所需的采样频率过高；干涉信号的采样点数相应地过多，数据量过大，需要传输与处理海量数据；

(2)测量高速振动信号对数据采集处理部分硬件性能要求较高，高性能硬件成本较高。

中外研究人员进行了将卡尔曼预估思想应用到相位解调领域的研究并提出了各种方案(1.Tao L,Liu Z,Zhang W,et al.Frequency-scanning interferometry fordynamic absolute distance measurement using Kalman filter.Optics Letters,2014,39(24):6997-7000；2.Kulkarni R,Rastogi P.Phase derivative estimation froma single interferogram using a Kalman smoothing algorithm.Optics Letters,2015,40(16):3794-3797.)。然而，此类方案一方面没有针对零差正交激光干涉测振仪在高速振动测量时的相位解调问题提出解决方案，另一方面也无法解决高速测量中传统相位解调方法带来的所需采样频率过高和数据量过大的问题。

综上，如何针对零差正交激光测振仪中相位解调方法难题，提供一种能解决高速测量中所需采样频率过高和数据量过大的问题的测振仪方案，对有效提高振动测量速度、降低硬件成本和扩大测振仪应用范围都具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是针对传统相位解调算法限制零差正交激光干涉测振仪测量速度的问题，提供一种新的测振仪技术方案，针对零差正交激光干涉测振最大可测振动速度受相位解调方法限制的问题进行测振仪相位解调方法的创新，使高速测量时对采样率和内存的要求降低，提高测振仪可测量的最大速度，满足高速振动测量的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种基于速度预估相位解调的高速激光测振仪，包括干涉部分、探测部分，所述干涉部分由激光器、光隔离器、第一消偏振分光镜、参考镜、第一四分之一波片、二分之一波片和测量镜组成；激光器发出线偏振光，经光隔离器后被第一消偏振分光镜分光，反射光作为参考光与第一四分之一波片、参考镜形成参考臂，透射光作为测量光与二分之一波片、测量镜形成测量臂，第一四分之一波片位于第一消偏振分光镜和参考镜之间，二分之一波片位于第一消偏振分光镜和测量镜之间；参考光经第一消偏振分光镜透射，测量光经第一消偏振分光镜反射，参考光与测量光合光形成干涉光；所述探测部分由第二消偏振分光镜、第二四分之一波片，渥拉斯特棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器组成；干涉光经第二消偏振分光镜透射形成第一光束和反射形成第二光束；第一光束经渥拉斯特棱镜分成第一o光、第一e光，分别被第一光电探测器、第二光电探测器接收；第二光束先经第二四分之一波片后，依次被第一反射镜、第二反射镜反射，再被渥拉斯特棱镜分成第二o光、第二e光，分别被第三光电探测器、第四光电探测器接收；本激光测振仪还包括数据采集处理部分，所述数据采集处理部分由第一差分放大器、第二差分放大器、计算机组成；所述第一光电探测器和第二光电探测器输出信号经第一差分放大器做差后呈一路输出，所述第三光电探测器和第四光电探测器输出信号经第二差分放大器做差后呈另一路输出，两路输出形成正交干涉信号输送至计算机，并由计算机进行处理；所述计算机的相位解调方法处理过程包括以下步骤：

(1)对采集到的原始干涉正交信号I_x和I_y进行增益和偏置校正；

(2)根据I_x和I_y按如下公式计算相位序列

式中arctan()是反正切函数；

(3)初始两个时刻的相位和在一个条纹中，按如下公式计算对应的初始两个时刻的位移d₁和d₂：

式中λ是激光波长；

(4)对于之后的时刻i＝3，4，…，按如下公式预估对应时刻的速度、位移、相位整数项和相位小数项：

式中分别是速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

(5)根据实际相位小数项和相位小数项的预估结果之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项k_i和实际位移d_i：

所述初始两个位移d₁和d₂满足|d₁-d₂|＜λ/4。

本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

(1)本发明提出了一种基于速度预估相位解调方法的具有高速测振能力的激光测振仪技术方案，该方案中创新的相位解调方法可突破传统相位解调方法中奈奎斯特采样频率的限制，使采样频率取决于最大加速度而不是最大速度，降低了高速测量对测振仪硬件采集频率的要求，相应地减少了所采集的数据量，对测振仪硬件内存空间容量的要求降低，从而有效解决了现有技术方案存在的解调速度慢、数据量大、硬件要求高的固有缺陷。

(2)本发明在实现高速测量的前提下，通过提出创新的相位解调技术方案即可降低对高速激光测振仪的数据采集处理设备的硬件性能要求，降低硬件成本，拓展高速激光测振仪的应用范围，从而使激光测振仪可用于同时要求高测量精度和高测量速度的精密科学实验、精密工程等应用场合，解决了现有技术方案存在的精度和速度不能兼顾，难以实现高速高精度测量的问题。

附图说明

图1为基于速度预估相位解调的高速激光测振仪结构示意图。

图2为基于速度预估相位解调方法的步骤示意图。

图3为对最大加速度10m/s²简谐振动进行测量时所需采样率与振动频率关系。

图4为对最大加速度10m/s²简谐振动进行测量时10个周期采样数与振动频率关系。

图中件号说明：1激光器、2光隔离器、3第一消偏振分光镜、4参考镜、5二分之一波片、6测量镜、7渥拉斯特棱镜、8第一反射镜、9第一光电探测器、10第二光电探测器、11第三光电探测器、12第四光电探测器、13干涉部分、14探测部分、15参考光、16测量光、17干涉光、18第一光束、19第二光束、20第二消偏振分光镜、21第一o光、22第一e光、23第二o光、24第二e光、25第一四分之一波片、26第二四分之一波片、27第二反射镜、28第一差分放大器、29第二差分放大器、30计算机、31数据采集处理部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种基于速度预估相位解调的高速激光测振仪，包括干涉部分13、探测部分14，所述干涉部分13由激光器1、光隔离器2、第一消偏振分光镜3、参考镜4、第一四分之一波片25、二分之一波片5和测量镜6组成；激光器1发出线偏振光，经光隔离器2后被第一消偏振分光镜3分光，反射光作为参考光15与第一四分之一波片25、参考镜4形成参考臂，透射光作为测量光16与二分之一波片5、测量镜6形成测量臂，第一四分之一波片25位于第一消偏振分光镜3和参考镜4之间，二分之一波片5位于第一消偏振分光镜3和测量镜6之间；参考光15经第一消偏振分光镜3透射，测量光16经第一消偏振分光镜3反射，参考光15与测量光16合光形成干涉光17；所述探测部分14由第二消偏振分光镜20、第二四分之一波片26，渥拉斯特棱镜7、第一反射镜8、第二反射镜27、第一光电探测器9、第二光电探测器10、第三光电探测器11和第四光电探测器12组成；干涉光17经第二消偏振分光镜20透射形成第一光束18和反射形成第二光束19；第一光束18经渥拉斯特棱镜7分成第一o光21、第一e光22，分别被第一光电探测器9、第二光电探测器10接收；第二光束19先经第二四分之一波片26后，依次被第一反射镜8、第二反射镜27反射，再被渥拉斯特棱镜7分成第二o光23、第二e光24，分别被第三光电探测器11、第四光电探测器12接收；本激光测振仪还包括数据采集处理部分31，所述数据采集处理部分31由第一差分放大器28、第二差分放大器29、计算机30组成；所述第一光电探测器9和第二光电探测器10输出信号经第一差分放大器28做差后呈一路输出，所述第三光电探测器11和第四光电探测器12输出信号经第二差分放大器29做差后呈另一路输出，两路输出形成正交干涉信号输送至计算机30，并由计算机30进行处理；所述计算机30的相位解调方法处理过程包括以下步骤：

(1)对采集到的原始干涉正交信号I_x和I_y进行增益和偏置校正；

(2)根据I_x和I_y按如下公式计算相位序列

式中arctan()是反正切函数；

(3)初始两个时刻的相位和在一个条纹中，按如下公式计算对应的初始两个时刻的位移d₁和d₂：

式中λ是激光波长；

(4)对于之后的时刻i＝3，4，…，按如下公式预估对应时刻的速度、位移、相位整数项和相位小数项：

式中分别是速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

(5)根据实际相位小数项和相位小数项的预估结果之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项k_i和实际位移d_i：

所述初始两个位移d₁和d₂满足|d₁-d₂|＜λ/4。

下面结合图1～图2给出本发明的一个实施例。

图1为基于速度预估相位解调的高速激光测振仪结构示意图。在空间坐标系xyz内，激光器1发出线偏振光，偏振方向沿x轴，即为P光。光束经光隔离器2后变成45°线偏振光。经第一消偏振分光镜3等比例分光，在参考臂上，第一四分之一波片25放置在yz平面内，其快轴与y轴夹角为0，在测量臂上，二分之一波片5放置在xy平面内，理论上其快轴可与y轴成任意角度，在本实施例中，其夹角为0。参考光15经第一消偏振分光镜3一次反射和一次透射，测量光16经第一消偏振分光镜3一次透射和一次反射，参考光15和测量光16合成后形成干涉光17。干涉光17在探测部分14被第二消偏振分光镜20分成两束光，一束直接被渥拉斯特棱镜7分成第一o光21和第一e光22，分别被第一、二光电探测器9、10接收，另一束先经快轴与y轴方向成45°的第二四分之一波片26移相后，再依次被第一、二反射镜8、27反射，再被渥拉斯特棱镜7分成第二o光23和第二e光24，分别被第三、四光电探测器11、12接收。第一、二光电探测器9、10输出信号经第一差分放大器28，第三、四光电探测器11、12经第二差分放大器29后形成正交信号并由计算机30进行采集与处理。本实施例中，激光器1采用经过稳频的单频He-Ne激光器，波长为632.8nm，噪声＜0.05％rms，输出功率为1mW，偏振化为1000:1。光电探测器采用Si PIN类型的二象限光电探测器，光敏区大小为10mm×10mm，灵敏度为0.45A/W(λ＝632.8nm)，二象限光电探测器的两个象限分别作为第一、二光电探测器9、10；同理，采用另一个二象限光电探测器的两个象限作为第三、四光电探测器11、12。

图2为基于速度预估相位解调方法的步骤示意图。本实施例中，数据采集处理部分31中的计算机30安装了24位PXI接口多通道同步数据采集卡，并采用了基于图形化软件平台的数据采集处理程序，按照所给出的步骤通过程序控制按时序持续对采集的干涉正交信号进行速度预估相位解调等数字解调和解算，获得所测振动信号的位移和相位。

图3为对最大加速度10m/s²简谐振动进行测量时所需采样率与振动频率关系，图4为对最大加速度10m/s²简谐振动进行测量时10个周期采样数与振动频率关系。当简谐振动最大加速度10m/s²，振动频率为0.1Hz～10kHz时，进行了最小采样率和数据量实验。数据量由10个周期振动信号的采样数进行评价。传统相位解调方法所需的最小采样率取决于最大速度，然而本发明提出的速度预估相位解调方法所需的最小采样率取决于最大加速度。因此，对于低频振动测量，由于最大速度相对非常高，传统相位解调方法需要采样率高达数十MHz、内存容量高达几G的高性能采集硬件，利用本发明提出的基于速度预估相位解调方法则对硬件的要求大大降低。例如对0.1Hz低频振动测量来说，最大速度为15.92m/s，传统相位解调方法所需的最小采样率为100.6MHz，基于速度预估相位解调方法仅需7955Hz。

因此，本发明提出的基于速度预估相位解调的高速激光测振仪在高速测量时能大大降低采样率要求和所采集的数据量，提供高速振动测量能力，且其硬件成本得到降低。

Claims (2)

1.一种基于速度预估相位解调的高速激光测振仪，包括干涉部分(13)、探测部分(14)，所述干涉部分(13)由激光器(1)、光隔离器(2)、第一消偏振分光镜(3)、参考镜(4)、第一四分之一波片(25)、二分之一波片(5)和测量镜(6)组成；激光器(1)发出线偏振光，经光隔离器(2)后被第一消偏振分光镜(3)分光，反射光作为参考光(15)与第一四分之一波片(25)、参考镜(4)形成参考臂，透射光作为测量光(16)与二分之一波片(5)、测量镜(6)形成测量臂，第一四分之一波片(25)位于第一消偏振分光镜(3)和参考镜(4)之间，二分之一波片(5)位于第一消偏振分光镜(3)和测量镜(6)之间；参考光(15)经第一消偏振分光镜(3)透射，测量光(16)经第一消偏振分光镜(3)反射，参考光(15)与测量光(16)合光形成干涉光(17)；所述探测部分(14)由第二消偏振分光镜(20)、第二四分之一波片(26)，渥拉斯特棱镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(27)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、第三光电探测器(11)和第四光电探测器(12)组成；干涉光(17)经第二消偏振分光镜(20)透射形成第一光束(18)和反射形成第二光束(19)；第一光束(18)经渥拉斯特棱镜(7)分成第一o光(21)、第一e光(22)，分别被第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)接收；第二光束(19)先经第二四分之一波片(26)后，依次被第一反射镜(8)、第二反射镜(27)反射，再被渥拉斯特棱镜(7)分成第二o光(23)、第二e光(24)，分别被第三光电探测器(11)、第四光电探测器(12)接收；其特征在于：本激光测振仪还包括数据采集处理部分(31)，所述数据采集处理部分(31)由第一差分放大器(28)、第二差分放大器(29)、计算机(30)组成；所述第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)输出信号经第一差分放大器(28)做差后呈一路输出，所述第三光电探测器(11)和第四光电探测器(12)输出信号经第二差分放大器(29)做差后呈另一路输出，两路输出形成正交干涉信号输送至计算机(30)，并由计算机(30)进行处理；所述计算机(30)的相位解调方法处理过程包括以下步骤：

(1)对采集到的原始干涉正交信号I_x和I_y进行增益和偏置校正；

(2)根据I_x和I_y按如下公式计算相位序列

式中arctan()是反正切函数；

(3)初始两个时刻的相位和在一个条纹中，按如下公式计算对应的初始两个时刻的位移d₁和d₂：

式中λ是激光波长；

(4)对于之后的时刻i＝3，4，…，按如下公式预估对应时刻的速度、位移、相位整数项和相位小数项：

式中分别是速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

(5)根据实际相位小数项和相位小数项的预估结果之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项k_i和实际位移d_i：

2.根据权利要求1所述的基于速度预估相位解调的高速激光测振仪，其特征在于：所述初始两个位移d₁和d₂满足|d₁-d₂|＜λ/4。