CN112782451A - 一种基于时域的相位分析方法、装置及系统 - Google Patents

一种基于时域的相位分析方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时域的相位分析方法、装置及系统，包括：对两路数字信号的相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。

Description

一种基于时域的相位分析方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及相位分析技术领域，尤其涉及一种基于时域的相位分析方法、装置及系统。
背景技术
干涉仪是一种测量距离变化的高精度仪器，广泛应用于等离子体诊断和空间距离探测中。外差干涉仪是干涉仪的一种，它通过相位差测量可以获得比基于强度测量更好的信噪比和精度。
目前，外差干涉仪上常用的、成熟的相位比较方法包括基于模拟的过零比较法和基于数字方法的傅里叶变换分析法。过零比较法通过判断中频正弦波信号的幅值从负值到正值的变化，在一个周期内比较探测道与参考道的相位差，因此该方法受到调制中频的影响，其相位分辨率为中频频率值。基于数字电路的傅里叶变换分析法要求较为复杂的算法设计，通过在计算机或者具有数字运算功能的芯片内进行包含正弦计算、傅里叶变换等在内的数字信号处理。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于时域的相位分析方法、装置及系统，通过比较两路数字信号(正弦波信号)的采样斜率值与设定斜率值，实现了基于时域的相位分析。
本发明提出的一种基于时域的相位分析方法，包括：
对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
进一步地，在所述对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值中，包括：
基于模数转换器将探测器输出的模拟探测信号和模拟参考信号转换为两路数字信号，所述两路数字信号为正弦波信号；
分别确定两路数字信号中正弦波一个周期内在设定相位的采样点作为设定斜率值采样点，在设定斜率值采样点计算的斜率值作为设定斜率值；对两路数字信号上的所有采样点分别进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值，并将所述实时采样斜率值进行储存。
进一步地，所述相位计算开始位或相位计算结束位的获取方式如下：
依次计算设定斜率值采样点的设定斜率阀值Kx(X＝1,2···N)，所述Kx根据信号的信噪比进行设置；
判断实时采样斜率值是否逐渐变化至设定斜率阀值Kx，当变化到时，则输出触发信号；
通过触发信号触发对应的数字信号，获取相位计算开始位或相位计算结束位。
进一步地，在计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析中，包括：
将任一路的触发信号作为使能信号触发计数器开始工作，当另一路的触发信号到来时停止所述计数器工作，此时计数器的输出值作为两路数字信号之间的时间延迟量Δt，计数器的频率与采样频率相等；
将时间延迟量Δt、触发信号的触发顺序、正弦波信号的周期T输送到相位计算器中，得到两路数字信号在时域下的相位差
Figure BDA0002851638980000031
对相位差
Figure BDA0002851638980000033
进行实输出，实现了外差干涉仪在时域上的相位分析。
进一步地，相位差
Figure BDA0002851638980000034
按如下公式进行计算：
Figure BDA0002851638980000032
一种基于时域的相位分析装置，包括模数转换器、斜率计算器、异或门器件、边沿检测器、寄存器、计数器和相位计算器，斜率计算器的输出端与模数转换器的输出端连接，斜率计算器的输出端分别异或门器件的输入端、寄存器的输入端连接，异或门器件的输出端与边沿检测器的输入端连接，边沿检测器的输出端与计数器的输入端连接，计数器的输出端、寄存器的输出端分别连接到相位计算器的输入端。
所述模数转换器用于将两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
所述斜率计算器用于对数字信号中相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
所述异或门器件用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位，以及，当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
所述边沿检测器用于检测第一触发脉冲信号和第二触发脉冲信号的上升沿，并在两个上升沿之间输出高电平，其余时间输出低电平；
所述寄存器用于记录触发信号的触发顺序，并将触发顺序发送到相位计算器中；
所述计数器用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，并将时间差值发送到相位计算器中；
所述相位计算器用于根据时间差值、触发顺序、模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
一种基于时域的相位分析系统，包括信号转化模块、斜率计算模块、相位开始位计算模块、相位结束位计算模块和相位计算模块；
信号转化模块用于对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
斜率计算模块用于对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
相位开始位计算模块用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
相位结束位计算模块用于当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
相位计算模块用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
本发明提供的一种基于时域的相位分析方法、装置及系统的优点在于：本发明结构中提供的一种基于时域的相位分析方法、装置及系统，通过比较两路数字信号(正弦波信号)的采样斜率值与设定斜率值，并通过时域上直接测量获得时间延迟信息以转换得到相位差，使用基于现场可编程逻辑器件FPGA的高精度延迟单元进行时间测量，实现了基于时域的相位分析；可以根据需求对多个设定斜率值进行比较，提高外差干涉仪的相位分辨率；针对不同频率已知的信号，可以通过相应改变周期值即可直接应用于不同的外差干涉仪；对芯片要求比较低，容易复制和批量生产，同时不需要使用复杂的数字处理方法，减少了芯片内部对于数字处理部件的开销。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为一种基于时域的相位分析装置的结构示意图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1所示，本发明提出的一种基于时域的相位分析方法，包括：
S1：对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
可以通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，该数字信号为正弦波信号，然后通过斜率计算器对数字信号上的各个采样点进行计算实时采样斜率值。
本申请中相位分析优选两路数字信号的相位变化<1％个周期的相位测量。
S2：当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
在获取采样开始位的同时，也获取采样开始时间点。
S3：当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
在获取采样结束位的同时，也获取采样结束时间点。需要说明的是，用于两路数字信号的设定斜率值为同一数值。
S4：计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
通过步骤S1至S4可知，通过比较两路数字信号(正弦波信号)的采样斜率值与设定斜率值，并通过时域上直接测量获得时间延迟信息以转换得到相位差。使用基于现场可编程逻辑器件FPGA的高精度延迟单元进行时间测量，实现了基于时域的相位分析。
需要说明的是，本申请根据需求对多个设定斜率值进行比较，提高外差干涉仪的相位分辨率；针对不同频率已知的信号，可以通过相应改变周期值即可直接应用于不同的外差干涉仪，提高了该相位分析方法对于不同外差干涉仪的使用范围。
进一步地，在步骤S1：所述对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值中中，包括步骤S11至S13：
S11：基于模数转换器将探测器输出的模拟探测信号和模拟参考信号转换为两路数字信号，所述两路数字信号为正弦波信号；
首先模拟探测信号和模拟参考信号分别对应步骤S1中记载的两路周期信息已知的模拟信号，本申请在将模拟探测信号和模拟参考信号转换为两路数字信号之前；对模拟探测信号和模拟参考信号进行调制，获取两路模拟信号的频率、幅度、形状等信息。可以将模拟参考信号作为基准信号，以获取模拟探测信号相对于模拟参考信号的相位偏差值，以进行相位分析。
S12：分别确定两路数字信号中正弦波一个周期内在设定相位的采样点作为设定斜率值采样点；
可以预先设置45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°相位的采样点作为设定斜率值采样点；
因为对两路数字信号上的每一点均进行斜率计算显然是不现实的，由于两路数字信号可以采用正弦波信号的形式，在一个周期内，分别设定45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°这7个采样点。
S13：对两路数字信号上的所有采样点分别进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值，并将所述实时采样斜率值进行储存。
通过步骤S11至S13，可以获取两路数字信号在设定斜率值采样点的采样斜率值并储存，作为实时采样斜率值的比较基准，以输出触发信号，便于通过时域上直接测量获得时间延迟信息以转换得到相位差。
进一步地，在步骤S3中获取相位计算开始位和S4中获取相位计算结束位中，可以通过以下步骤S21至S23获取：
S21：依次计算设定斜率值采样点的设定斜率值Kx(X＝1,2···N)，所述Kx根据信号的信噪比进行设置；
S22：获判断实时采样斜率值是否逐渐变化至设定斜率值Kx，当变化到时，则输出触发信号；
S23：通过触发信号触发对应的数字信号，获取相位计算开始位或相位计算结束位。
针对步骤S21至S23，作为一实施例，具体如下：
S201：预设设定斜率值采样点为正弦波一个周期内45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°相位点；
S202：依次计算设定斜率值采样点的设定斜率值K1＝0.707,K2＝0,K3＝-0.707,K4＝-1，K5＝-0.707,K6＝0,K7＝0.707；K1、K2、K3、K3、K4、K5、K6、K7依次对应45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的斜率值。
S203：将K1作为设定斜率值，当获取的实时采样斜率值逐渐变化至K1时，通过触发信号触发对应的数字信号，以获取相位计算开始位或相位计算结束位；
S204：然后将K2作为新的设定斜率值，重复步骤S203，以此类推，直到达到K7后，重新将K1作为下一个设定斜率值；
需要说明的是，当实时采样斜率值若与Kx(X＝1,2···7)相比差值较大，则保持目前的设定斜率值不变，并继续判断实时采样斜率值是否达到Kx。即，当实时采样斜率值变化超过K1但远没有变化到K2阶段，此时还是以K1作为设定斜率值，直至实时采样斜率值超过K2后，再以K2作为设定斜率值。
另需说明的是，Kx在根据信号的信噪比进行设置时，当信噪比较好时，对于K1＝0.707而言，可以设置K1为0.705～0.709的判断范围；相应地，当信噪比较差时，对于K1＝0.707而言，可以设置为0.685～0.715的判断范围；以适应实际相位分析设备存在一定幅度误差的使用。
因此通过步骤S201至S204中，两个数字信号通过与同一设定斜率值采样点的设定斜率值(例如K1)进行比较，获取对应的触发信号，两个数字信号所对应的触发信号具有一定的时间延迟性，即，相位计算开始位和相位计算结束位之间存在一定的时间差值，根据时间差、模拟信号已知的周期信息、两路数字信号的触发顺序，即可得到两路数字信号之间的相位差，实现了外差干涉仪在时域上的相位分析。
同时本申请的相位分析方法优于适用两个数字信号相位变化<1％个周期的相位测量；但不排除适用于两个数字信号相位变化超过1％个周期的相位测量。
进一步地，在步骤S4：计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析中，包括：
S41：将任一路的触发信号作为使能信号触发计数器开始工作，当另一路的触发信号到来时停止所述计数器工作，此时计数器的输出值作为两路数字信号之间的时间延迟量Δt，计数器的频率与采样频率相等；
两路数字信号的实时斜率值等于设定斜率值Kx时，此时表示“达到”状态，通过“异或”方式连接到所述边沿检测器的输入端，边沿检测器在两个上升沿间输出高电平至所述计数器的使能端，使得计数器获取“达到”状态的触发信号。
使用专用寄存器记录该“达到”状态到来的顺序，如设定一路数字信号为1，另一路数字信号为2，则当1路的“达到”状态先到来时，则所述寄存器的值被设为二级制的10；当2路的“达到”状态先到来时，则所述寄存器的值被设为二进制的01。
S42：将时间延迟量Δt、触发信号的触发顺序、正弦波信号的周期T输送到相位计算器中，得到两路数字信号在时域下的相位差
Figure BDA0002851638980000081
公式如下：
Figure BDA0002851638980000082
S43：对相位差进行实输出，实现了外差干涉仪在时域上的相位分析。
通过步骤S41至S44，可以FPGA结构可以进行精度高于100皮秒的时间测量，可以满足目前大部分用于托卡马克装置的干涉仪的需求。通过FPGA结构实现两路数字信号的时间差和相位差的计算，实现了外差干涉仪基于时域的相位分析。
如图2所示，一种基于时域的相位分析装置，包括模数转换器和FPGA，FPGA包括斜率计算器、异或门器件、寄存器、边沿检测器、计数器和相位计算器，斜率计算器的输出端与模数转换器的输出端连接，斜率计算器的输出端分别异或门器件的输入端、寄存器的输入端连接，异或门器件的输出端与边沿检测器的输入端连接，边沿检测器的输出端与计数器的输入端连接，计数器的输出端、寄存器的输出端分别连接到相位计算器的输入端。
所述模数转换器用于将两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
所述斜率计算器用于对数字信号中相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
所述异或门器件用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位，以及，当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
所述寄存器用于记录触发信号的触发顺序，并将触发顺序发送到相位计算器中；
所述边沿检测器用于检测第一触发脉冲信号和第二触发脉冲信号的上升沿，并在两个上升沿之间输出高电平，其余时间输出低电平；即所述计数器的使能端通过所述边沿检测器输出的高电平触发，使得计数器被触发国祚，此时计数器获取“达到”状态的触发信号。“达到”状态即为相位计算开始位或相位计算结束位。
所述计数器用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，并将时间差值发送到相位计算器中；
所述相位计算器用于根据时间差值、触发顺序、模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
一种基于时域的相位分析系统，包括信号转化模块、斜率计算模块、相位开始位计算模块、相位结束位计算模块和相位计算模块；
信号转化模块用于对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
斜率计算模块用于对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
相位开始位计算模块用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
相位结束位计算模块用于当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
相位计算模块用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时域的相位分析方法，其特征在于，包括：
对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
2.根据权利要求1所述的基于时域的相位分析方法，其特征在于，在所述对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号，并对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值中，包括：
基于模数转换器将探测器输出的模拟探测信号和模拟参考信号转换为两路数字信号，所述两路数字信号为正弦波信号；
分别确定两路数字信号中正弦波一个周期内在设定相位的采样点作为设定斜率值采样点，在设定斜率值采样点计算的斜率值作为设定斜率值；对两路数字信号上的所有采样点分别进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值，并将所述实时采样斜率值进行储存。
3.根据权利要求2所述的基于时域的相位分析方法，其特征在于，所述相位计算开始位或相位计算结束位的获取方式如下：
依次计算设定斜率值采样点的设定斜率阀值Kx(X＝1,2···N)，所述Kx根据信号的信噪比进行设置；
判断实时采样斜率值是否逐渐变化至设定斜率阀值Kx，当变化到时，则输出触发信号；
通过触发信号触发对应的数字信号，获取相位计算开始位或相位计算结束位。
4.根据权利要求1所述的基于时域的相位分析方法，其特征在于，在计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析中，包括：
将任一路的触发信号作为使能信号触发计数器开始工作，当另一路的触发信号到来时停止所述计数器工作，此时计数器的输出值作为两路数字信号之间的时间延迟量Δt，计数器的频率与采样频率相等；
将时间延迟量Δt、触发信号的触发顺序、正弦波信号的周期T输送到相位计算器中，得到两路数字信号在时域下的相位差
Figure FDA0002851638970000021
对相位差
Figure FDA0002851638970000022
进行实输出，实现了外差干涉仪在时域上的相位分析。
5.根据权利要求4所述的基于时域的相位分析方法，其特征在于，相位差
Figure FDA0002851638970000023
按如下公式进行计算：
Figure FDA0002851638970000024
6.一种基于时域的相位分析装置，其特征在于，包括模数转换器、斜率计算器、边沿检测器、异或门器件、寄存器、计数器和相位计算器，斜率计算器的输出端与模数转换器的输出端连接，斜率计算器的输出端分别异或门器件的输入端、寄存器的输入端连接，异或门器件的输出端与边沿检测器的输入端连接，边沿检测器的输出与计数器的输入端连接，计数器的输出端、寄存器的输出端分别连接到相位计算器的输入端。
所述模数转换器用于将两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
所述斜率计算器用于对数字信号中相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
所述异或门器件用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位，以及，当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
所述寄存器用于记录触发信号的触发顺序，并将触发顺序发送到相位计算器中；
所述边沿检测器用于检测第一触发脉冲信号和第二触发脉冲信号的上升沿，并在两个上升沿之间输出高电平，其余时间输出低电平；
所述计数器用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，并将时间差值发送到相位计算器中；
所述相位计算器用于根据时间差值、触发顺序、模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
7.一种基于时域的相位分析系统，其特征在于，包括信号转化模块、斜率计算模块、相位开始位计算模块、相位结束位计算模块和相位计算模块；
信号转化模块用于对两路周期信息已知的模拟信号分别采样得到数字信号；
斜率计算模块用于对相邻采样点进行实时斜率计算，得到实时采样斜率值；
相位开始位计算模块用于当其中任一路数字信号的实时采样斜率值达到设定斜率值时，输出第一触发脉冲信号，根据第一触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算开始位；
相位结束位计算模块用于当另一路数字信号的实时采样斜率值达到所述设定斜率值时，输出第二触发脉冲信号，根据第二触发脉冲信号触发所述该路数字信号，获取相位计算结束位；
相位计算模块用于计算上述相位计算开始位与相位计算结束位之间的时间差值，根据时间差值和模拟信号已知的周期信息，得到两路数字信号在时域下的相位差，实现外差干涉仪在时域上的相位分析。
8.一种计算机可读储存介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有若干获取分类程序，所述若干获取分类程序用于被处理器调用并执行如权利要求1所述的相位分析方法。
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