CN109115109A - 数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路 - Google Patents

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高明
刘卫国
张雄星
陈海滨
郭峰
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02083—Interferometers characterised by particular signal processing and presentation

Abstract

本发明提出一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路，本方法首先由微处理器用查表方法周期性地读出驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大后,再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据同一周期内的数字信号，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位；通过一定的电路实施。本方法及电路与模拟式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路比较，更容易获得激光线性调频，避免激光器损坏，实现高精度和大动态范围测量。

Description

数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路
技术领域：
本发明涉及调频连续波激光干涉测量领域，具体涉及一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路。
背景技术：
调频连续波激光干涉技术是最近出现的一项激光测量新技术，它是将激光频率以线性形式进行调制，当激光分束后，经过不同的光路传播后再合束，会产生一个随时间变化的拍频干涉信号，拍频信号频率和初相位与两束光的光程差有关。调频连续波激光干涉与传统单频激光干涉不同，调频连续波干涉所得拍频干涉信号为动态信号，因此，相位的细分，相位变化方向的判别，以及整周期计数都非常容易。因此，与传统光学干涉相比较，光学调频连续波干涉可以提供更高的精确度和大得多的测量范围。利用调频连续波干涉技术，可以实现光折射率、距离、位移、速度、温度、压强、电场、磁场、振动幅度、角速度，甚至包括重力波等多种物理量的直接或间接测量。
对于调频连续波干涉传感与测量而言，其关键是要能够实现对半导体激光器的线性频率调制，以及对拍频干涉信号频率和初位相的准确测量，但现有的方法是采用模拟电路产生三角波或锯齿波波形，采用模拟电路对干涉仪输出的信号进行鉴频鉴相，这种方法是假定干涉信号拍频频率不变的条件下进行，但是由于调频连续波干涉信号的拍频频率是随光程差变化而变化，只有当干涉仪的动态范围 被限制在很小的范围内，拍频频率才可以看作常数。所以采用模拟电路，不仅干涉信号的初位相测量精度低(0.1微米)，而且干涉仪的动态范围小(30毫米)。
发明内容：
针对调频连续波干涉测量领域现有技术的不足，本发明提出数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法及电路。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法，采用全数字工作模式,首先由微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大后,再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据同一周期内的数字信号，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位。
一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：由微处理器、DAC、放大电路、压控电流源电路、半导体激光器、光电探测器、光电探测预处理电路、ADC以及数据输出电路组成，微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大, 再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据对应同一调制周期干涉信号的数据，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位；
所述光电探测器和预处理电路设置有两路。
所述光电探测器和预处理电路设置有多路。
还包括用于控制半导体激光器温度的LD温控电路。
所述光电探测器是以运算放大器为核心，运算放大器型号为AD822，运算放大器的同相输入端接地，电阻R9由运算放大器的输出端接到运算放大器的反向输入端，电容C1与电阻R9并联；所述预处理电路包括由电阻R10和电容C2组成的RC滤波器。
数据输出电路为微处理器上并口GPIO或串口SCI或SPI；LD温控电路采用MAX1978芯片；所述的微处理器为ARM或DSP芯片。
DAC和ADC为微处理器芯片上的DAC和ADC。
与现有技术相比，本发明的创新点是：
1、本发明采用数字式波形产生法、利用读表、使用预先校正过的驱动波形数据产生激光器线性调频驱动信号，可以显著降低半导体激光器在直接锯齿波或三角波信号调制下的非线性，实现较高精度的线性调频激光输出；
2、本发明使用压控电流源电路驱动半导体激光器，避免在半导体激光器正负极之间产生瞬间尖峰冲击电压，防止半导体激光器的损坏；
3、本发明采用对应同一调制周期中的拍频信号采样数据计算调频干涉信号的频率或初相位，可以不受拍频信号频率变化的影响，从而大大提高了调频干涉测量的动态范围，比现有技术提高100多倍，达到3米以上。
4、本发明利用数字鉴相算法，可以伴随使用数字滤波，数字幅值矫正和频率矫正，更精确地获取调频干涉信号的频率或初相位信息，从而大大提高了调频干涉测量的测量精度，可提高100多倍，达到1纳米以下。
5、本发明很容易实现对双路或多路干涉信号的测量。
6、本发明采用了调频连续波激光驱动与干涉测量的一体化电路设计，调频半导体激光器的调频驱动控制与干涉拍频信号的检测可以使用同一块微处理器同步并行处理，有利于调频干涉传感与测量系统的简化，并有助于提高测量精度。
附图说明：
图1 为调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路原理框图。
图2 为多路复用调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路原理框图。
图3 为激光驱动信号放大与压控电流源电路。
图4 为光电探测器偏置与预处理电路。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法，采用全数字工作模式,由微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的激光器线性调频驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,再经放大电路放大,最后经压控电流源电路驱动半导体激光器；调频连续波干涉仪输出的干涉信号经光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与激光驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，然后由微处理器根据对应同一调制周期干涉信号的数据，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位信息。
本发明提供一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路（参见图1和图2），由微处理器、DAC、放大电路、压控电流源电路、半导体激光器、LD温控电路、光电探测器、光电探测预处理电路、ADC和数据输出电路组成；微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大, 再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据对应同一调制周期干涉信号的数据，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位；还包括用于控制半导体激光器温度的LD温控电路。
参见图2，如果需要对多路干涉信号进行处理，可以附加一对或多对光电探测器和光电探测预处理电路并使ADC对多路干涉信号进行同步采样，不仅可以测量每一路干涉信号的频率和初相位，还可以测量多路干涉信号之间的初相位差。本实施例中是对两路干涉信号进行处理。
参见图3，激光驱动信号放大电路由运算放大器OPA2277-1和电阻R1、R2构成的反相放大器。压控电流源电路由运算放大器OPA2277-1、运算放大器OPA551、运算放大器OPA2277-2、以及电阻R3、R4、R5、R6、R7构成。
参见图4，光电探测器由运算放大器AD822、电阻R9电容C1组成，运算放大器的同相输入端接地，电阻R9由运算放大器的输出端接到运算放大器的反向输入端，电容C1与电阻R9并联；预处理电路是由电阻R10和电容C2组成的RC滤波器。
数据输出电路为微处理器上并口（GPIO）或串口（SCI或SPI）；
LD温控电路采用MAX1978芯片；
上述的微处理器为ARM或DSP芯片，例如STM32F405或TMS320F28377s；
上述DAC和ADC可以为微处理器芯片上的DAC和ADC；
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理方法，采用全数字工作模式,首先由微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大后,再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据同一周期内的数字信号，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位。
2.一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：由微处理器、DAC、放大电路、压控电流源电路、半导体激光器、光电探测器、光电探测预处理电路、ADC以及数据输出电路组成，微处理器用查表方法周期性地读出预先存储在内存中的驱动信号波形数据，通过DAC转换为模拟信号,经放大电路放大, 再经压控电流源驱动半导体激光器产生激光；然后激光经干涉仪后形成的干涉信号由光电探测器转换为电信号，经过预处理电路滤波去除噪声，再由ADC转换为与驱动信号调制周期同步的周期性数字信号，最后由微处理器根据对应同一调制周期干涉信号的数据，通过数字鉴相算法获取调频干涉信号的频率或初相位。
3.根据权利要求2所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：所述光电探测器和预处理电路设置有两路。
4.根据权利要求2所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：所述光电探测器和预处理电路设置有多路。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：还包括用于控制半导体激光器温度的LD温控电路。
6.根据权利要求5所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：所述光电探测器是以运算放大器为核心，运算放大器型号为AD822，运算放大器的同相输入端接地，电阻R9由运算放大器的输出端接到运算放大器的反向输入端，电容C1与电阻R9并联；所述预处理电路包括由电阻R10和电容C2组成的RC滤波器。
7.根据权利要求6所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：数据输出电路为微处理器上并口GPIO或串口SCI或SPI；LD温控电路采用MAX1978芯片；所述的微处理器为ARM或DSP芯片。
8.根据权利要求7所述的一种数字式调频连续波干涉激光驱动与信号处理电路，其特征在于：DAC和ADC为微处理器芯片上的DAC和ADC。
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