CN112212783B - 基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法 - Google Patents

基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，其中的系统包括前端信号预处理模块以及与前端信号预处理模块连接的相位测量模块；其中，前端信号预处理模块包括相连接的光电探测器和方波整形单元，光电探测器用于接收待检测信号，并将所接收的待检测信号转化为电信号，方波整形单元用于将电信号转换为幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；相位测量模块用于对方波信号进行分析处理，以获取待检测信号的相位变化信息。利用上述发明能够扩大检测信号的频率范围，且测量分辨率高，适用于精密和超精密测量领域。

Description

基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法
技术领域
本发明涉及基于干涉测量技术的信号处理技术领域，更为具体地，涉及一种基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法。
背景技术
目前，激光干涉仪的光学系统通常采用迈克尔逊干涉仪结构，以双频激光干涉仪为例，自激光器发出的双频正交偏振激光经过偏振分光棱镜分光后，一路入射到固定反射镜上形成参考臂，另一路入射到移动反射镜上形成测量臂。反射镜的移动将使反射光的频率在原有频率基础上附加与运动速度相关的多普勒频移，并使测量臂和参考臂的信号之间产生相应的频率差。若分别对测量信号和参考信号在时域上进行积分，并以激光的波长作为测量基准，则两路信号的相位差与测量臂的待测位移之间成正比关系，这一测量过程可以通过设计电子系统予以实现。
根据上述激光干涉测量原理，高分辨率相位测量是激光干涉仪实现高精度位移测量的核心技术。以超精密制造领域的光刻机工件台中使用的外差式双频激光干涉仪为例，其位移测量分辨率要求优于50pm，在双频激光干涉仪的信号频率范围为300kHz～40MHz，并用平面反射镜反射测量偏振光时，要求鉴相系统的细分数至少为8192。
目前，已有的相位测量方法根据其实现原理的不同，可以分为基于时间测量和基于信号频率两类。其中，脉冲计数法是一种典型的基于时间测量的鉴相方法，利用正弦信号相位和时间的一一对应关系，将信号相位的测量转化为时间间隔的测量，而时间间隔的测量则通过使用频率远高于信号频率的脉冲对其进行填充和计数来实现。脉冲计数法虽然原理简单，但是测量分辨率受到时钟频率的限制，难以实现较高的测量精度。
为此，本领域研究者在脉冲计数法的基础上发展了时间-幅值转换法和时间-数字转换法，前者利用恒流源对电容的充放电和A/D转换技术将时间测量转化为幅值测量，实现了时间测量分辨率的提升，但测量精度受限于模拟器件的非线性误差，且集成度较低；后者通过模拟或数字内插方法将时钟周期进行细分，从而使时间测量分辨率成倍增加，且具有较大的动态范围和很高的集成度，但由于TDC器件的非线性会对测量分辨率造成显著影响，从而必须设计相应的补偿方案；此外TDC电路的规模庞大，设计开发过程较为复杂。
目前通常使用的基于信号频率的鉴相方法，主要是直接从信号的幅度、频率和相位信息中获取待测的相位差，如太极、LISA空间引力波探测计划中的相位计所采用的I/Q解调法，通过将原信号与两路同相正交的正弦信号进行信号混频滤波，再进行I/Q解调，实现信号相位的重建。由于解调输出同步反馈到了振荡器中，产生的正交信号与被测信号之间能够始终保持相位锁定，因此I/Q调制解调法可以达到很高的相位测量分辨率。
但是，I/Q解调方案必须通过滤波提取所需的频率成分，导致该方案适用的信号频率范围较窄，不适用于高速运动系统的超精密动态测量。也有研究者提出了谱分析鉴相法，根据信号采样值的频谱估计其相位，便于数字化实现，但测量结果中存在信号时域截断引入的频谱泄漏误差，限制了测量精度。
综上，目前已有的相位测量方法存在如下问题：无法兼顾高测量分辨率和宽信号频率范围，如何实现适用于超精密动态测量场合的高分辨率相位测量是亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，以解决现有相位测量方式所存在的无法实现高测量分辨率、信号频率适用范围小、测量过程繁琐、成本高等问题。
本发明提供的基于动态响应时间测量法的鉴相系统，包括前端信号预处理模块以及与前端信号预处理模块连接的相位测量模块；其中，前端信号预处理模块包括相连接的光电探测器和方波整形单元，光电探测器用于接收待检测信号，并将所接收的待检测信号转化为电信号，方波整形单元用于将电信号转换为幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；相位测量模块用于对方波信号进行分析处理，以获取待检测信号的相位变化信息。
此外，优选的技术方案是，所述相位测量模块包括方波重塑单元、结果输出单元，以及设置在所述方波重塑单元和所述结果输出单元之间的整周期相位计数单元和小数相位细分单元；其中，整周期相位计数单元用于测量与待检测信号对应的单路信号相位变化量的整数周期部分；小数相位细分单元包括动态网络、时间测量和相位解算，小数相位细分单元用于测量与待检测信号对应的单路信号相位变化量的小数周期部分。
此外，优选的技术方案是，结果输出单元用于合并单路信号相位变化量的整数周期部分和单路信号相位变化量的小数周期部分，并输出各单路信号相位变化量。
此外，优选的技术方案是，待检测信号包括参考信号和/或测量信号；参考信号和/或测量信号的频率变化范围为300kHz～40MHz。
此外，优选的技术方案是，单路信号相位变化量的公式表示为：
Figure BDA0002692581820000031
其中，N·2π表示单路信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000032
表示单路信号相位变化量的小数周期部分。
此外，优选的技术方案是，方波重塑单元用于对前端信号预处理模块发送的方波信号进行重塑处理；重塑处理后的方波信号激励动态网络并产生响应信号；响应信号经时间测量和相位解算确定单路信号相位变化量的小数周期部分。
此外，优选的技术方案是，单路信号相位变化量的小数周期部分的获取公式如下：
Figure BDA0002692581820000033
其中，Tsyn为同步采样时钟序列的时钟周期，M·Tsyn为响应信号从测量时刻到预设激励方波下降沿之间所包含的整数周期部分，τa和τb分别为同步采样时钟序列和预设激励方波的上升沿及下降沿之间的时间间隔。
此外，优选的技术方案是，当待检测信号为外差信号时，结果输出单元还用于输出两个单路信号相位变化量之间的相位差。
此外，优选的技术方案是，当两个单路信号分别为测量信号和参考信号时，测量信号和参考信号之间的相位差的表达公式如下：
Figure BDA0002692581820000034
其中，Nm·2π为测量信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000041
为测量信号相位变化量的小数周期部分；Nr·2π为参考信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000042
为参考信号相位变化量的小数部分。
根据本发明的另一方面，提供一种基于动态响应时间测量法的鉴相方法，包括：通过光电探测器接收待检测信号，并将待检测信号转化为电信号；通过方波整形单元将电信号转换成幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；通过相位测量模块中的方波重塑单元对方波信号进行重塑处理，并将重塑处理后的方波信号传输至相位测量模块中的整周期相位计数单元和小数相位细分单元；通过整周期相位计数单元和小数相位细分单元，获取测量单路信号相位变化量的整数周期部分和小数周期部分；通过相位测量模块中的结果输出模块整合整数周期部分和小数周期部分，并获取与待检测信号对应的相位变化信息。
利用上述基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，通过将幅值变化非理想正弦输入信号整形为幅值固定的方波信号进行传输和数字鉴相，在降低信号传输速率要求的同时，能够保留原始信号的相位信息，并且本发明将信号鉴相细分解为整数周期相位计数和小数周期相位两个部分，对其中的小数相位细分单元，使信号方波激励一个动态网络，根据响应信号的采样值即可求解小数相位，能够满足较宽频率范围内信号的相位测量，相较传统的鉴相方法具有更高的测量分辨率。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统的逻辑框图一；
图2为根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统的逻辑框图二；
图3为根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统的鉴相原理图；
图4为根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相方法流程图；
图5为根据本发明实施例的小数相位细分单元的时间测量的仿真结果。
其中的附图标记包括：光电探测器1、方波整形单元2、方波重塑单元3、整周期相位计数单元4、小数相位细分单元5。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
为详细描述本发明的基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1和图2分别从不同角度示出了根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统的逻辑。
如图1和图2共同所示，本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统包括前端信号预处理模块以及与前端信号预处理模块连接的相位测量模块；其中，前端信号预处理模块包括相连接的光电探测器1和方波整形单元2，光电探测器1用于接收待检测信号，并将所接收的待检测信号转化为电信号，方波整形单元2用于将电信号转换为幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；相位测量模块用于对方波信号进行分析处理，并获取待检测信号的相位变化信息，该相位变化信息包括待检测信号的相位变化量，以及不同信号之间的相位差。
其中，相位测量模块包括方波重塑单元3、结果输出单元，以及设置在方波重塑单元3和结果输出单元之间的整周期相位计数单元4和小数相位细分单元5；整周期相位计数单元4用于测量与待检测信号对应的单路信号相位变化量的整数周期部分(或整周期数，下同)；小数相位细分单元5包括动态网络、时间测量和相位解算，小数相位细分单元5用于测量与待检测信号对应的单路信号相位变化量的小数周期部分(或小数部分，下同)。而结果输出单元用于合并单路信号相位变化量的整数周期部分和单路信号相位变化量的小数周期部分，并输出各单路信号相位变化量的测量结果。
作为具体示例待检测信号包括参考信号和/或测量信号，参考信号和/或测量信号的频率变化范围可包括300kHz～40MHz，或者100kHz～60MHz等。
图3示出了根据本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统的鉴相原理。
结合图1至图3共同所示，本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相系统中，单路信号相位变化量的公式表示为：
Figure BDA0002692581820000061
其中，N·2π表示单路信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000062
表示单路信号相位变化量的小数周期部分。
具体地，由前端信号预处理模块传输至相位测量模块的信号经过方波重塑单元3重塑处理后，信号相位的整周期数N通过整周期相位计数单元4测量确定，信号相位的小数部分
Figure BDA0002692581820000063
通过小数相位细分单元5测量。
进一步地，小数相位细分单元5基于动态响应时间测量法进行相位细分。小数相位细分单元包括动态网络、时间测量和相位解算，经过方波重塑单元3用于对前端信号预处理模块发送的方波信号进行重塑处理；重塑处理后的方波信号激励小数相位细分单元5中的动态网络后，产生对应的响应信号。通过对响应信号进行采样，并根据采样值求解同步采样时钟序列和激励方波的上升沿及下降沿之间的时间间隔τa和τb，即可实现小数相位的测量。
其中，响应信号经时间测量和相位解算确定单路信号相位变化量的小数周期部分。单路信号相位变化量的小数周期部分的获取公式如下：
Figure BDA0002692581820000064
其中，Tsyn为同步采样时钟序列的时钟周期，M·Tsyn为响应信号从测量时刻到预设激励方波下降沿之间所包含的整数周期部分，τa和τb分别为同步采样时钟序列和预设激励方波的上升沿及下降沿之间的时间间隔，激励方波为预设方波，且波形可根据待检测信号进行调整。
在本发明的一个具体实施方式中，当待检测信号为外差信号时，结果输出单元还用于输出两个单路信号相位变化量之间的相位差。例如，当两个单路信号分别为测量信号和参考信号时，测量信号和参考信号之间的相位差的表达公式如下：
Figure BDA0002692581820000071
其中，Nm·2π为测量信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000072
为测量信号相位变化量的小数周期部分；Nr·2π为参考信号相位变化量的整数周期部分，
Figure BDA0002692581820000073
为参考信号相位变化量的小数部分。
与上述基于动态响应时间测量法的鉴相系统相对应，本发明还提供一种基于动态响应时间测量法的鉴相方法，利用上述基于动态响应时间测量法的鉴相系统对待检测信号进行相位检测。
具体地，图4示出了根据本发明实施的基于动态响应时间测量法的鉴相方法的流程。
如图4所示，本发明实施例的基于动态响应时间测量法的鉴相方法，包括以下所示步骤：
S110：通过光电探测器接收待检测信号，并将待检测信号转化为电信号；
S120：通过方波整形单元将电信号转换成幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；
S130：通过相位测量模块中的方波重塑单元对方波信号进行重塑处理，并将重塑处理后的方波信号传输至相位测量模块中的整周期相位计数单元和小数相位细分单元；
S140：通过整周期相位计数单元和小数相位细分单元，获取测量单路信号相位变化量的整数周期部分和小数周期部分；
S150：通过相位测量模块中的结果输出模块整合整数周期部分和小数周期部分，并获取与待检测信号对应的相位变化信息。
需要说明的是，基于动态响应时间测量法的鉴相方法的实施例可参考系统实施例中的描述，此处不再一一赘述。
作为具体示例，假设激励方波为幅值为1的理想方波，所使用的动态网络为二阶有源带通滤波电路，其阶跃响应如下公式所示：
s(t)＝Ae-σtsin2πfdt
其中，通带中心频率增益A＝1，衰减系数σ＝5×106，阻尼振荡频率fd＝35MHz。在动态网络响应信号中添加了-70dBW的高斯白噪声，并以100MHz的同步采样时钟频率和12位AD采样精度进行采样，用于时间间隔τa和τb的解算的采样点数量均为6。
经本发明的基于动态响应时间测量法的鉴相方法处理后，如图5根据本发明的小数相位细分单元的时间测量所示，小数相位细分单元的时间测量分辨率小于5ps，相位测量精度更高、效果更好，能够满足较宽频率内信号的高分辨率的相位测量，仿真表明，对测量信号和参考信号之间的相位差的测量误差小于整周期的1/1024。
根据上述本发明提供的基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，通过将幅值变化非理想正弦输入信号整形为幅值固定的方波信号进行传输和数字鉴相，在降低信号传输速率要求的同时，能够保留原始信号的相位信息，此外，将信号鉴相细分解为整数周期相位计数和小数周期相位两个部分，对其中的小数相位细分单元，使信号方波激励一个动态网络，根据响应信号的采样值即可求解小数相位，能够满足较宽频率范围内信号的相位测量，相较传统的鉴相方法具有更高的测量分辨率，适用于精密和超精密测量领域。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于动态响应时间测量法的鉴相系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (6)

1.一种基于动态响应时间测量法的鉴相系统，其特征在于，包括前端信号预处理模块以及与所述前端信号预处理模块连接的相位测量模块；其中，
所述前端信号预处理模块包括相连接的光电探测器和方波整形单元，所述光电探测器用于接收待检测信号，并将所接收的待检测信号转化为电信号，所述方波整形单元用于将所述电信号转换为幅值固定的方波信号，并传输至所述相位测量模块；
所述相位测量模块用于对所述方波信号进行分析处理，以获取所述待检测信号的相位变化信息；其中，
所述相位测量模块包括方波重塑单元、结果输出单元，以及设置在所述方波重塑单元和所述结果输出单元之间的整周期相位计数单元和小数相位细分单元；其中，
所述整周期相位计数单元用于测量与所述待检测信号对应的单路信号相位变化量的整数周期部分；
所述小数相位细分单元包括动态网络、时间测量和相位解算，所述小数相位细分单元用于测量与所述待检测信号对应的单路信号相位变化量的小数周期部分；
所述结果输出单元用于合并所述单路信号相位变化量的整数周期部分和所述单路信号相位变化量的小数周期部分，并输出各单路信号相位变化量；所述单路信号相位变化量的公式表示为：
Figure FDA0003180125220000011
其中，N·2π表示所述单路信号相位变化量的整数周期部分，
Figure FDA0003180125220000012
表示所述单路信号相位变化量的小数周期部分，
Figure FDA0003180125220000013
的获取公式如下：
Figure FDA0003180125220000014
其中，Tsyn为同步采样时钟序列的时钟周期，M·Tsyn为所述响应信号从测量时刻到预设激励方波下降沿之间所包含的整数周期部分，τa表示从测量时刻开始到所述方波信号的下一个上升沿之后的第一个同步采样时钟的上升沿所对应的时刻为止的时间间隔，τb表示从所述方波信号的下降沿所对应的时刻开始，到下一个同步采样时钟的上升沿所对应的时刻为止的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的基于动态响应时间测量法的鉴相系统，其特征在于，所述待检测信号包括参考信号和/或测量信号；
所述参考信号和/或测量信号的频率变化范围为300kHz～40MHz。
3.根据权利要求1所述的基于动态响应时间测量法的鉴相系统，其特征在于，所述方波重塑单元用于对所述前端信号预处理模块发送的方波信号进行重塑处理；
重塑处理后的方波信号激励所述动态网络并产生响应信号；
所述响应信号经所述时间测量和所述相位解算确定所述单路信号相位变化量的小数周期部分。
4.根据权利要求1所述的基于动态响应时间测量法的鉴相系统，其特征在于，当所述待检测信号为外差信号时，所述结果输出单元还用于输出两个单路信号相位变化量之间的相位差。
5.根据权利要求4所述的基于动态响应时间测量法的鉴相系统，其特征在于，当所述两个单路信号分别为测量信号和参考信号时，所述测量信号和所述参考信号之间的相位差的表达公式如下：
Figure FDA0003180125220000021
其中，Nm·2π为测量信号相位变化量的整数周期部分，
Figure FDA0003180125220000022
为测量信号相位变化量的小数周期部分；Nr·2π为参考信号相位变化量的整数周期部分，
Figure FDA0003180125220000023
为参考信号相位变化量的小数周期部分。
6.一种基于动态响应时间测量法的鉴相方法，其特征在于，包括：
通过光电探测器接收待检测信号，并将所述待检测信号转化为电信号；
通过方波整形单元将所述电信号转换成幅值固定的方波信号，并传输至相位测量模块；
通过所述相位测量模块中的方波重塑单元对所述方波信号进行重塑处理，并将重塑处理后的方波信号传输至所述相位测量模块中的整周期相位计数单元和小数相位细分单元；
通过所述整周期相位计数单元和小数相位细分单元，获取测量单路信号相位变化量的整数周期部分和小数周期部分；其中，所述单路信号相位变化量的小数周期部分
Figure FDA0003180125220000031
的获取公式如下：
Figure FDA0003180125220000032
其中，Tsyn为同步采样时钟序列的时钟周期，M·Tsyn为所述响应信号从测量时刻到预设激励方波下降沿之间所包含的整数周期部分，τa表示从测量时刻开始到所述方波信号的下一个上升沿之后的第一个同步采样时钟的上升沿所对应的时刻为止的时间间隔，τb表示从所述方波信号的下降沿所对应的时刻开始，到下一个同步采样时钟的上升沿所对应的时刻为止的时间间隔；
通过所述相位测量模块中的结果输出模块整合所述整数周期部分和小数周期部分，并获取与所述待检测信号对应的相位变化信息。
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