CN113566853B - 一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法 - Google Patents

一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，干涉测量系统由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成；通过包括光电检测、I/V转换、差分放大、直流自动补偿、正交化及正则化的信号处理方式对干涉信号进行在线自适应处理，得到两路等幅正交干涉电压信号，实现对干涉信号中幅值、相位以及直流偏移误差的补偿，间接提高测量镜的抗偏摆能力。本发明在提高测量系统测量精度的同时，能有效提高测量系统抗测量镜偏摆的能力，扩大测量行程。

Description

一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法
技术领域
本发明涉及干涉测量领域，尤其是涉及一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法。
背景技术
干涉信号广泛存在于两个具有周期性的信号相叠的情况下，如激光干涉仪，光学线性标尺，旋转编码器等传感系统中。此类传感系统又因具有分辨力高、精度高等优点，被广泛应用于半导体、光学、微纳米技术等领域。
干涉测量系统在实际应用中不可避免地存在Heydemann误差，包括：1.由于光电器件的不平衡、偏移及背景光的变化等造成的直流偏移误差；2.由于光学元件安装误差和激光器的偏振等造成的非正交误差；3.由于光学和电子元件的不完善特性等造成的幅值不等误差。此外，由于测量系统的结构特性、移动工作台非精密性等原因造成的测量镜角度偏摆会导致光电检测单元检测到的参考光束与测量光束分离，主要表现在干涉信号在测量过程中直流偏移误差和幅值不等误的不断变化上。这些误差可能导致测量分辨率下降、鉴相计数错误甚至造成测量中断，同时也对测量系统的移动台精度提出了更高的要求，并在一定程度上限制了干涉测量系统的测量行程。因此，提高干涉测量系统对测量镜偏摆的容许度是保障干涉测量系统测量精度、稳定性并提高测量范围的关键技术问题。
现有技术中，利用高精度的移动工作台以减小测量镜的偏摆是一种直接有效的方法，但对移动台精度的要求会带来较大的成本增加；也有利用角隅棱镜作为测量镜来补偿误差的方法，但当移动台存在直线度误差时，光束仍然会偏移；还有利用复杂的结构实时测量和调整反射镜的角度，其在一定程度上降低误差，但会大大增加成本和操作复杂度，甚至引入额外的误差。著名学者Heydemann及其他研究者利用椭圆拟合对测量数据进行误差补偿，这种方法虽然精度相对较高但实时性差、不利于在线测量；在此基础上利用FPGA代替计算机可实现高速在线运算和补偿，但仍会受限于复杂的迭代算法和芯片的处理速度。
发明内容
本发明是为避免上述技术所存在的不足，提供一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，通过信号处理自适应地消除信号幅值、相位以及直流偏移误差，保证系统中干涉信号的质量，从而有效提高干涉测量系统的分辨率与测量行程。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法的特点是：所述干涉测量系统是由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成，所述干涉测量系统将待测位移量转化为测量镜的位移变化量，利用干涉光路将测量镜的位移变化量转化为干涉光信号的相位变化量，由所述信号处理模块通过解析干涉光信号相位获得测量镜的位移变化量；所述提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法是按如下步骤进行：
步骤1，使用光电检测器采集获得干涉光信号并转换输出为干涉电流信号I；
步骤2，对所述干涉电流信号进行I/V转换，由式(1)获得原始干涉电压信号V：
V＝I×RF (1)
其中：RF为I/V转换电路中的反馈电阻；
步骤3，对所述原始干涉电压信号V进行低通滤波获得原始干涉电压信号直流分量A，则由式(2)计算获得无直流分量干涉电压信号V*：
V*＝V-A (2)
步骤4，对所述无直流分量干涉电压信号V*进行正交化处理，获得两路无直流分量正交干涉电压信号；
步骤5，通过采样一一对应获得两路无直流分量正交干涉电压信号的有效值，将所述有效值与设定的期望值进行比较，获得比较结果；根据所述比较结果调整增益系数，使输出信号幅值得到自适应修正，从而获得无直流偏置的两路等幅正交干涉电压信号；
步骤6，针对所述两路等幅正交干涉电压信号分别进行采样并经过模数转换和细分计数，获得测量镜的位移变化量，实现干涉测量系统对因测量镜偏摆造成的干涉光信号质量降低的自适应调节。
本发明提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法的特点也在于：
针对干涉测量系统中的两路干涉光信号，步骤3中所获得的无直流分量干涉电压信号V*分别为第一无直流分量干涉电压信号
Figure BDA0003178290640000021
和第二无直流分量干涉电压信号/>
Figure BDA0003178290640000022
步骤4中的正交化处理是指按式(3)和式(4)计算获得两路无直流分量正交干涉电压信号，：
Figure BDA0003178290640000023
Figure BDA0003178290640000024
其中：
V_sin为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第一路无直流分量正交干涉电压信号；
V_cos为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第二路无直流分量正交干涉电压信号。
本发明提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法的特点也在于：
在所述步骤5中按如下式(5)、式(6)、式(7)和式(8)获得两路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号，分别为第一路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_sin和第二路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_con：
Vc_sin＝F(Vref-A_sin) (5)
Vo_sin＝V_sin×G(Vc_sin) (6)
Vc_cos＝F(Vref-A_cos) (7)
Vo_cos＝V_cos×G(Vc_cos) (8)
其中：
A_sin表征第一路无直流分量正交干涉电压信号V_sin的有效值，即第一有效值A_sin；
A_cos表征第二路无直流分量正交干涉电压信号V_cos的有效值，即第二有效值A_cos；
Vref表征两路等幅无直流偏置的正交干涉电压信号期望幅值，即期望幅值Vref；
F(Vref-A_sin)表征期望幅值Vref与第一有效值A_sin的比较结果，即第一结果Vc_sin；
F(Vref-A_cos)表征期望幅值Vref与第二有效值A_cos的比较结果，即第二结果Vc_cos；
G(Vc_sin)为根据第一结果Vc_sin自动调整的增益系数；
G(Vc_cos)为根据第二结果Vc_cos自动调整的增益系数。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明有效解决了因测量镜受移动工作台的角度误差产生偏摆从而影响干涉信号质量的问题，能够大大降低干涉测量系统对于移动工作台的精度要求，降低测量成本，降低系统装配难度。
2、本发明采用直流自动补偿和正则化处理对干涉信号中存在的Heydemann误差进行处理和补偿，通过在线自适应地调整干涉信号的直流偏移和幅值变化，有效保证了干涉信号解析准确性，减小测量误差；本方法可应用范围广泛，具有较强的普适性与可移植性。
3、本发明方法通过提高干涉测量系统中测量镜抗偏摆能力，实现了在保证测量精度的前提下，有效扩大干涉测量系统的行程。
附图说明
图1为本发明方法中干涉测量系统框图；
图2为本发明方法中干涉测量系统信号处理流程图；
图3为实施本发明方法的激光干涉仪信号处理电路原理图。
具体实施方式
本实施例中干涉测量系统是由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成，干涉测量系统将待测位移量转化为测量镜的位移变化量，利用干涉光路将测量镜的位移变化量转化为干涉光信号的相位变化量，由信号处理模块通过解析干涉光信号相位获得测量镜的位移变化量。
本实施例中为提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力是按如下步骤进行：
步骤1，使用光电检测器采集获得干涉光信号并转换输出为干涉电流信号I；
步骤2，对干涉电流信号进行I/V转换，由式(1)获得原始干涉电压信号V：
V＝I×RF (1)
其中：RF为I/V转换电路中的反馈电阻。
步骤3，对原始干涉电压信号V进行低通滤波获得原始干涉电压信号直流分量A，则由式(2)计算获得无直流分量干涉电压信号V*：
V*＝V-A (2)
步骤4，对无直流分量干涉电压信号V*进行正交化处理，获得两路无直流分量正交干涉电压信号；
步骤5，通过采样一一对应获得两路无直流分量正交干涉电压信号的有效值，将有效值与设定的期望值进行比较，获得比较结果；根据比较结果调整增益系数，使输出信号幅值得到自适应修正，从而获得无直流偏置的两路等幅正交干涉电压信号；
步骤6，针对两路等幅正交干涉电压信号分别进行采样并经过模数转换和细分计数，获得测量镜的位移变化量，实现干涉测量系统对因测量镜偏摆造成的干涉光信号质量降低的自适应调节。
具体实施中，针对干涉测量系统中的两路干涉光信号，步骤3中所获得的无直流分量干涉电压信号V*分别为第一无直流分量干涉电压信号
Figure BDA0003178290640000041
和第二无直流分量干涉电压信号/>
Figure BDA0003178290640000042
步骤4中的正交化处理是指按式(3)和式(4)计算获得两路无直流分量正交干涉电压信号：
Figure BDA0003178290640000043
Figure BDA0003178290640000044
其中：
V_sin为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第一路无直流分量正交干涉电压信号；
V_cos为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第二路无直流分量正交干涉电压信号。
在步骤5中按如下式(5)、式(6)、式(7)和式(8)获得两路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号，分别为第一路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_sin和第二路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_con：
Vc_sin＝F(Vref-A_sin) (5)
Vo_sin＝V_sin×G(Vc_sin) (6)
Vc_cos＝F(Vref-A_cos) (7)
Vo_cos＝V_cos×G(Vc_cos) (8)
其中：
A_sin表征第一路无直流分量正交干涉电压信号V_sin的有效值，即第一有效值A_sin；
A_cos表征第二路无直流分量正交干涉电压信号V_cos的有效值，即第二有效值A_cos；
Vref表征两路等幅无直流偏置的正交干涉电压信号期望幅值，即期望幅值Vref；
F(Vref-A_sin)表征期望幅值Vref与第一有效值A_sin的比较结果，即第一结果Vc_sin；
F(Vref-A_cos)表征期望幅值Vref与第二有效值A_cos的比较结果，即第二结果Vc_cos；
G(Vc_sin)为根据第一结果Vc_sin自动调整的增益系数；
G(Vc_cos)为根据第二结果Vc_cos自动调整的增益系数。
图1所示为本发明方法中干涉测量系统框图，包括激光器、光路结构和自适应信号处理电路。其中激光器可以为He-Ne激光器或半导体激光器，光路结构用于将测量镜的位移变化转换为干涉信号的相位变化量，自适应信号处理电路用于消除干涉信号中的幅值、相位以及直流偏移误差，提高激光干涉仪测量精度的同时提高抗测量镜偏摆能力，进而扩大测量行程。
图2所示为本发明方法中干涉测量系统信号处理流程图，包括光电检测单元、I/V转换单元、直流自动补偿单元、正交化单元和正则化单元；光电检测单元用于检测干涉测量系统光路中的干涉信号并转化为四路模拟弦波电流信号；I/V转换单元用于将模拟弦波电流信号转化为模拟弦波电压信号；直流自动补偿单元用于实时测量并自动补偿模拟弦波电压信号的直流偏移误差；正交化单元用于修正模拟弦波电压信号的相位误差；正则化单元用于对模拟弦波电压信号的幅值进行自适应调整。
图3所示为实施本发明方法的激光干涉仪信号处理电路原理图，工作原理：光电检测器将检测到的带有测量镜位移信息的干涉光信号转换为四路模拟电流信号，经I/V转换电路及差分放大电路转换为两路大致等幅的两路电压信号V_sin’、V_cos’；低通滤波器1和低通滤波器2实时检测两路电压信号中的直流偏移误差DC_sin和DC_cos；I/V转换电路及差分放大电路输出的两路电压信号并一一对应利用减法器1和减法器2将低通滤波器1和低通滤波器2检测出的直流偏移误差进行补偿并输出两路无直流偏移误差的等幅电压信号V_sin和V_cos；利用矢量运算的原理，将减法器1和减法器2输出的两路无直流偏移误差的等幅电压信号分别通过加法器相加和通过减法器3相减，输出两路等幅、无直流偏移误差的正交电压信号SIN+COS和SIN-COS；由于测量镜偏摆引起直流偏移误差和幅值不等误差，加法器与减法器输出的电压信号幅值变化较大并存在一定的直流偏移误差；故这两路电压信号需利用低通滤波器3和低通滤波器4实时检测出信号中的直流偏移误差；然后分别针对这两路电压信号采用可变增益放大器1和可变增益放大器2一一对应补偿低通滤波器3和低通滤波器4输出的直流偏移误差。由可变增益放大器1和可变增益放大器2将这两路信号进行自适应调整后利用二级放大模块进一步进行信号放大信号，提高电路的负载能力；利用有效值检波器实时检测二级放大模块输出的电压信号有效值，并一一对应输入至比较器1和比较器2与设定的基准电压进行比较，从而控制环路低通滤波器输出控制信号，该控制信号被反馈至可变增益放大器以调整其增益，最终达到电路的稳态，二级放大模块输出的电压信号幅值等于设定的基准电压，即可通过自适应信号处理电路输出两路等幅、无直流偏移误差的正交电压信号。
实验一：将反射镜固定在转台上并放置在距激光干涉仪发射端500mm的位置处，通过将反射镜顺时针和逆时针旋转并对比有正则化单元和无正则化单元的测量结果，表1所示的测量结果表明：在相同的情况下，本发明方法将激光干涉仪对测量镜偏摆的容许角度从±68.5arc-sec提升至±274arc-sec；结论：本发明方法可显著提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力。
表1抗测量镜偏摆能力对比结果
Figure BDA0003178290640000061
实验二：经实验一验证本发明方法可显著提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力，而干涉测量系统对测量镜偏摆有更大的容许度意味着其在非精密移动工作台上具有更大的测量行程。在行程为600mm的普通导轨上进行了同样的对比实验，表2所示的实验结果表明：不加正则化的信号幅值随导轨角度误差，特别是随着偏摆误差的变化而变化，甚至在角度误差大于160arc-sec时由于信号幅值低于检测阈值导致干涉仪测量中断。本发明方法可以使激光干涉仪的电压信号在全行程内保持稳定的幅值，从而保证激光干涉仪正常测量。结论：本发明方法不仅大大提高干涉测量系统抗测量镜偏摆的能力，也使测量系统在保证精度的前提下实现了更大的测量范围。
表2相同600mm普通导轨干涉仪测量行程对比结果
Figure BDA0003178290640000062
由于测量镜抗偏摆能力低会导致难以产生两路等幅正交干涉电压信号，对所测测量镜的位移变化量精度造成影响，本发明方法通过信号处理获得到两路等幅正交干涉电压信号，间接且有效地提高了测量镜的抗偏摆能力。

Claims (3)

1.一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，其特征是：所述干涉测量系统是由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成，所述干涉测量系统将待测位移量转化为测量镜的位移变化量，利用干涉光路将测量镜的位移变化量转化为干涉光信号的相位变化量，由所述信号处理模块通过解析干涉光信号相位获得测量镜的位移变化量；所述提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法按如下步骤进行：
步骤1，使用光电检测器采集获得干涉光信号并转换输出为干涉电流信号I；
步骤2，对所述干涉电流信号进行I/V转换，由式(1)获得原始干涉电压信号V：
V＝I×RF (1)
其中：RF为I/V转换电路中的反馈电阻；
步骤3，对所述原始干涉电压信号V进行低通滤波获得原始干涉电压信号直流分量A，则由式(2)计算获得无直流分量干涉电压信号V*：
V*＝V-A (2)
步骤4，对所述无直流分量干涉电压信号V*进行正交化处理，获得两路无直流分量正交干涉电压信号；
步骤5，通过采样一一对应获得两路无直流分量正交干涉电压信号的有效值，将所述有效值与设定的期望值进行比较，获得比较结果；根据所述比较结果调整增益系数，使输出信号幅值得到自适应修正，从而获得无直流偏置的两路等幅正交干涉电压信号；
步骤6，针对所述两路等幅正交干涉电压信号分别进行采样并经过模数转换和细分计数，获得测量镜的位移变化量，实现干涉测量系统对因测量镜偏摆造成的干涉光信号质量降低的自适应调节。
2.根据权利要求1所述的提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，其特征是：
针对干涉测量系统中的两路干涉光信号，步骤3中所获得的无直流分量干涉电压信号V*分别为第一无直流分量干涉电压信号
Figure FDA0003178290630000011
和第二无直流分量干涉电压信号/>
Figure FDA0003178290630000012
步骤4中的正交化处理是指按式(3)和式(4)计算获得两路无直流分量正交干涉电压信号：
Figure FDA0003178290630000013
Figure FDA0003178290630000014
其中：
V_sin为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第一路无直流分量正交干涉电压信号；
V_cos为两路无直流分量正交干涉电压信号中的第二路无直流分量正交干涉电压信号。
3.根据权利要求2所述的提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，其特征是：
在所述步骤5中按如下式(5)、式(6)、式(7)和式(8)获得两路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号，分别为第一路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_sin和第二路无直流偏置的等幅正交干涉电压信号Vo_con：
Vc_sin＝F(Vref-A_sin) (5)
Vo_sin＝V_sin×G(Vc_sin) (6)
Vc_cos＝F(Vref-A_cos) (7)
Vo_cos＝V_cos×G(Vc_cos) (8)
其中：
A_sin表征第一路无直流分量正交干涉电压信号V_sin的有效值，即第一有效值A_sin；
A_cos表征第二路无直流分量正交干涉电压信号V_cos的有效值，即第二有效值A_cos；
Vref表征两路等幅无直流偏置的正交干涉电压信号期望幅值，即期望幅值Vref；
F(Vref-A_sin)表征期望幅值Vref与第一有效值A_sin的比较结果，即第一结果Vc_sin；
F(Vref-A_cos)表征期望幅值Vref与第二有效值A_cos的比较结果，即第二结果Vc_cos；
G(Vc_sin)为根据第一结果Vc_sin自动调整的增益系数；
G(Vc_cos)为根据第二结果Vc_cos自动调整的增益系数。
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