CN113630232B - 一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法，所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；通过选取与多频混合信号中低频信号频率相同的正弦波信号作为本振信号，与多频混合信号进行下变频混频处理，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现粗测信号的提取；通过混频器本振信号端与射频端相连，使多频混合信号自混频，利用混频器后的RC电路滤除自混频输出信号中的干扰信号，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现精测信号的提取。本发明保证了精测、粗测信号相位测量的同步性，并减小了测量误差。

Description

一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及 方法

技术领域

本发明属于绝对测距测量信号处理技术领域，特别是涉及一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法。

背景技术

在所有绝对距离测量方法中，激光测距法具有精度高、量程大、可溯源、可多通道分光测量等特点，是当前最有效、最主要的大尺寸、高精度测量方法。常用的激光测距方法主要有脉冲激光测距法、扫频干涉测距法、多波长测距法、飞秒频率梳测距法。脉冲激光技术虽光路结构简单，但该方法受光电探测及信号处理速度限制，测距精度最高很难提高到微米级别，无法满足高精度测量需求；扫频干涉测距法的测量原理限制其测量速度，动态性能差，且测尺稳定性较低，一般在10^-7左右难以提高；飞秒频率梳测距技术主要通过光源技术突破提高测距性能，但其价格高昂、系统庞大复杂，难以应用于工业环境中。多波长测距法通过构建合成波长链同时满足测距精度和测量范围的矛盾，应用于高精度大尺度绝对距离测量场景中。

绝对距离测量中常用的相位差测量方法主要包括模拟测相和数字测相。测距过程中，为了提高测量精度，选用的精测尺调制频率往往高达几十MHz，甚至是几百MHz。模拟测相电路中选用的基本为模拟元器件，面对兆级别的高频信号，模拟电路使用过程中产生的寄生电容、寄生电感造成的影响不可忽略，对模拟元器件的选择和电路板卡的布局也提出了更加严格的要求，因此传统的模拟测相技术测量精度也普遍偏低，不满足高精度的测量要求。此外，模拟测相电路中的模拟器件的参数与调制信号的特定频率对应。不同的调制频率需要对应不同的相位测量模块，无疑增加了相位测量的复杂性，限制了模拟测相技术的进一步推广和应用。

相比较模拟测相，数字测相在保证测相精度的同时，则更加的灵活，是相位测量的首选方法。常用的数字测相方法包括移相鉴相法、基于快速傅里叶变换(FFT)鉴相法和自动数字鉴相法。移相鉴相法利用机械灵敏度度量相位差，对设备要求高，操作复杂；FFT鉴相法在测量过程中需要一直进行傅里叶变换，计算量大，算法复杂，且测量精度受芯片精度限制；自动数字鉴相法是目前使用最广泛的数字测相方法，该方法测量精度高，便于集成。

哈尔滨工业大学朱鹏飞[朱鹏飞，基于外差与超外差结合式激光测距方法关键技术研究，万方数据库，2018年10月26日]利用下变频方法同时对粗测尺、精测尺进行降频以满足测相需求，但这种方法要求本振信号频率较高，即对信号发生器或DDS信号源要求较高，在实际电路处理中易引入噪声，影响测相精度；清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1)：7-9.]采用超外差方法降低了信号的处理频率，但该方法仅对高频干涉信号有效，无法对粗测尺进行同步测相，且在超外差处理过程中将引入显著的直流信号偏置。

发明内容

本发明针对单光源多频混合外差式激光绝对测距系统中多频信号难以同步分离、提取的问题，提出了一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统，所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；

所述多频混合信号输入端分别与下变频电路和自混频电路的输入端相连接，所述下变频电路的输出端与所述滤波电路的输入端相连接，所述自混频电路的输出端与所述第一差分滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端与所述第一比较整形电路的输入端相连接，所述第一差分滤波电路的输出端与所述第二比较整形电路的输入端相连接，所述第一比较整形电路的输出端与所述第二比较整形电路的输出端均与所述相位测量电路相连接。

进一步地，多频混合信号包含两种频率不同的正弦波信号，其相位中包含与绝对距离相关量，两种频率分别为f₁、f₂，f₁＜f₂。

进一步地，所述下变频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，所述本振信号为频率与多频混合信号f₁相同的正弦波；所述自混频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，且两个输入端口相连，只接收多频混合信号。

进一步地，所述相位测量电路包括FPGA和DSP芯片。

进一步地，所述滤波电路为数字滤波器或第二差分滤波电路，所述第二差分滤波电路与所述第一差分滤波电路结构相同。

进一步地，所述第一差分滤波电路在接收到自混频电路的输出信号后以及所述第二差分滤波电路在接收到下变频电路的输出信号后均将信号分成两路信号，一路经过放大器，作为参考信号，另一路经过LC低通滤波器输出作为测量信号，测量、参考信号作差分，然后将结果输出给对应的比较整形电路。

进一步地，所述第一差分滤波电路的电路结构包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R18、电容C3、电感L1和放大器；所述电阻R4的一端连接自混频电路的输出信号和电阻R2的一端，所述电阻R4的另一端连接电阻R18的一端以及电感L1的一端，所述电阻R18的另一端接地，所述电感L1的另一端分别与电阻R5的一端以及电容C3的一端相连接，所述电容C3的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别与放大器的负输入端和电阻R3的一端相连接，所述电阻R5的另一端与放大器的正输入端相连接，所述电阻R3的另一端与放大器的输出端相连接。

本发明还提出一种基于多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统的测相方法，所述方法具体为：

多频混合信号中包含f₁、f₂，且f₁＜f₂，两种频率、相位与距离相关的正弦波信号，所述正弦波信号被分为两路输出，一路进入下变频电路多频混合信号输入端口，一路进入自混频电路的多频混合信号输入端口；下变频电路的本振信号输入端口输入与f₁同频的正弦波信号，混频后得到第一输出信号，包含DC信号、频率为f₁-f₂的正弦波信号，第一输出信号进入第二差分滤波电路，滤除DC分量后，通过第一比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；自混频电路的本振信号输入端口和多频混合信号输入端口相连，混频后得到的信号包含DC信号、频率为f₁-f₂、2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，利用一阶RC电路滤除频率为2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，得到包含DC信号、频率为f₁-f₂正弦波信号的第二输出信号，第二输出信号进入第一差分滤波电路，滤除DC分量，通过第二比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；

所述相位测量电路中包含FPGA和DSP，通过FPGA锁相环对外部基准时钟信号倍频产生基准信号，对相位差脉冲和整周期信号填充计数，再通过DSP对相位差计数值和整周期计数值作比值运算，实现相位解算。

本发明有益效果为：

1、本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相方法和电路，通过选取与多频混合信号中低频信号频率相同的正弦波信号作为本振信号，与多频混合信号进行下变频混频处理，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现粗测信号的提取；通过混频器本振信号端与射频端相连，使多频混合信号自混频，利用混频器后的RC电路滤除自混频输出信号中的一阶干扰信号、和频干扰信号，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现精测信号的提取。

2、本发明提出一种对称结构的测相同步分离电路，保证精测、粗测信号相位测量同步性，以减小测量误差。

3、本发明提出一种差分LC滤波电路，在消除直流偏置的同时，利用LC滤波电路有效消除电路噪声。

附图说明

图1为多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统框图；

图2为差分LC滤波原理图；

图3为差分LC滤波电路实例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对单光源多频混合外差式激光绝对测距系统，采用超外差法、外差法对精测、粗测信号相位进行提取，然后结合自动数字鉴相法进行相位解算。该方法难点在于如何进行多频信号同步分离与同步测相：探测信号包含两种频率十分接近的外差信号，对于粗测信号，需要将两种外差信号进行分离，而RC滤波器和有源数字滤波器难以将信号直接分离；对于精测信号，需要对两种外差信号进行超外差处理，而在超外差处理过程中将引入直流信号偏置，影响后续相位解调。同时为保证精测、粗测信号相位测量同步性，在电路设计时需保证电路对称性以减小测量误差。

结合图1-3，本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统，所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；

所述多频混合信号输入端分别与下变频电路和自混频电路的输入端相连接，所述下变频电路的输出端与所述滤波电路的输入端相连接，所述自混频电路的输出端与所述第一差分滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端与所述第一比较整形电路的输入端相连接，所述第一差分滤波电路的输出端与所述第二比较整形电路的输入端相连接，所述第一比较整形电路的输出端与所述第二比较整形电路的输出端均与所述相位测量电路相连接。

多频混合信号包含两种频率不同、携带测距相位信息的正弦波信号，其相位中包含与绝对距离相关量，两种频率分别为f₁、f₂，f₁＜f₂。

所述下变频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，所述本振信号为频率与多频混合信号f₁相同的正弦波；所述自混频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，且两个输入端口相连，只接收多频混合信号。

比较整形电路包括可调变阻器和高精度TTL比较器；

所述相位测量电路包括FPGA和DSP芯片。

所述滤波电路为数字滤波器或第二差分滤波电路，所述第二差分滤波电路与所述第一差分滤波电路结构相同。

所述第一差分滤波电路在接收到自混频电路的输出信号后以及所述第二差分滤波电路在接收到下变频电路的输出信号后均将信号分成两路信号，一路经过放大器，作为参考信号，另一路经过LC低通滤波器输出作为测量信号，测量、参考信号作差分，然后将结果输出给对应的比较整形电路，即可得到消除了直流偏置和低频噪声的理想信号。

所述第一差分滤波电路的电路结构包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R18、电容C3、电感L1和放大器；所述电阻R4的一端连接自混频电路的输出信号和电阻R2的一端，所述电阻R4的另一端连接电阻R18的一端以及电感L1的一端，所述电阻R18的另一端接地，所述电感L1的另一端分别与电阻R5的一端以及电容C3的一端相连接，所述电容C3的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别与放大器的负输入端和电阻R3的一端相连接，所述电阻R5的另一端与放大器的正输入端相连接，所述电阻R3的另一端与放大器的输出端相连接。

本发明还提出一种基于多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统的测相方法，所述方法具体为：

多频混合信号中包含f₁、f₂，且f₁＜f₂，两种频率、相位与距离相关的正弦波信号，所述正弦波信号被分为两路输出，一路进入下变频电路多频混合信号输入端口，一路进入自混频电路的多频混合信号输入端口；下变频电路的本振信号输入端口输入与f₁同频的正弦波信号，混频后得到第一输出信号，包含DC信号、频率为f₁-f₂的正弦波信号，第一输出信号进入第二差分滤波电路，滤除DC分量后，通过第一比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；自混频电路的本振信号输入端口和多频混合信号输入端口相连，混频后得到的信号包含DC信号、频率为f₁-f₂、2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，利用一阶RC电路滤除频率为2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，得到包含DC信号、频率为f₁-f₂正弦波信号的第二输出信号，第二输出信号进入第一差分滤波电路，滤除DC分量，通过第二比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；所述第一差分滤波电路或第二差分滤波电路中均包括LC低通滤波器，所述LC低通滤波器截止频率设计应小于第一输出信号、第二输出信号频率。

所述相位测量电路中包含FPGA和DSP，通过FPGA锁相环对外部基准时钟信号倍频产生基准信号，对相位差脉冲和整周期信号填充计数，再通过DSP对相位差计数值和整周期计数值作比值运算，实现相位解算。

本发明所述方法具体原理如下：

多频混合信号中包含f₁、f₂(设f₁＜f₂)两种频率、相位与距离相关的正弦波信号，为：

其中f₁＝1MHz，f₂＝1.01MHz，ν₁和ν₂为光源光频，A为振幅，t为时刻，c为真空光速，L为待测距离。多频信号分为两路，一路进入下变频电路多频混合信号输入端口，一路进入自混频电路的多频混合信号输入端口；下变频电路的本振信号端口输入与f₁同频的1MHz正弦波信号，混频后得到第一输出信号，为DC信号、频率为f₂-f₁＝10kHz的正弦波信号，第一输出信号进入第二差分滤波电路，滤除DC分量后，通过第一比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；

自混频电路的本振信号端口与多频混合信号输入端口相连，混频后的信号为：

信号包含DC信号、频率为f₁-f₂、2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，利用一阶RC电路滤除频率为2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，得到包含DC信号、频率为f₁-f₂正弦波信号的第二输出信号，第二输出信号进入第一差分滤波电路，滤除DC分量，通过第二比较整形电路变成频率为10KHz的方波信号输出至相位测量电路；

所述第一差分滤波电路在接收到自混频电路的输出信号后以及所述第二差分滤波电路在接收到下变频电路的输出信号后均将信号分成两路信号，一路经过放大器，作为参考信号，本实例选择信号放大比例为1，R₂＝R₄，R₁₈＝R₃；另一路经过LC低通滤波器输出作为测量信号，其中低通滤波器截止频率设计应小于输入信号频率，本实例设计为5kHz，测量、参考信号作差分，然后将结果输出给对应的比较整形电路，即可得到消除了直流偏置和低频噪声的理想信号。

相位测量电路中包含FPGA和DSP，通过FPGA锁相环对外部基准时钟信号倍频产生基准信号，对相位差脉冲和整周期信号填充计数，再通过DSP对相位差计数值和整周期计数值作比值运算，实现相位解算。

以上对本发明所提出的一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统，其特征在于：所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；

所述多频混合信号输入端分别与下变频电路和自混频电路的输入端相连接，所述下变频电路的输出端与所述滤波电路的输入端相连接，所述自混频电路的输出端与所述第一差分滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端与所述第一比较整形电路的输入端相连接，所述第一差分滤波电路的输出端与所述第二比较整形电路的输入端相连接，所述第一比较整形电路的输出端与所述第二比较整形电路的输出端均与所述相位测量电路相连接；

所述滤波电路为数字滤波器或第二差分滤波电路，所述第二差分滤波电路与所述第一差分滤波电路结构相同；

所述第一差分滤波电路在接收到自混频电路的输出信号后以及所述第二差分滤波电路在接收到下变频电路的输出信号后均将信号分成两路信号，一路经过放大器，作为参考信号，另一路经过LC低通滤波器输出作为测量信号，测量、参考信号作差分，然后将结果输出给对应的比较整形电路。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：多频混合信号包含两种频率不同的正弦波信号，其相位中包含与绝对距离相关量，两种频率分别为f₁、f₂，f₁＜f₂。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述下变频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，所述本振信号为频率与多频混合信号f₁相同的正弦波；所述自混频电路包括2个输入端口、混频器和输出端口，2个输入端口为本振信号输入端口和多频混合信号输入端口，且两个输入端口相连，只接收多频混合信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述相位测量电路包括FPGA和DSP芯片。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一差分滤波电路的电路结构包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R18、电容C3、电感L1和放大器；所述电阻R4的一端连接自混频电路的输出信号和电阻R2的一端，所述电阻R4的另一端连接电阻R18的一端以及电感L1的一端，所述电阻R18的另一端接地，所述电感L1的另一端分别与电阻R5的一端以及电容C3的一端相连接，所述电容C3的另一端接地，所述电阻R2的另一端分别与放大器的负输入端和电阻R3的一端相连接，所述电阻R5的另一端与放大器的正输入端相连接，所述电阻R3的另一端与放大器的输出端相连接。

6.一种基于权利要求1所述的多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统的测相方法，其特征在于：所述方法具体为：

多频混合信号中包含f₁、f₂，且f₁＜f₂，两种频率、相位与距离相关的正弦波信号，所述正弦波信号被分为两路输出，一路进入下变频电路多频混合信号输入端口，一路进入自混频电路的多频混合信号输入端口；下变频电路的本振信号输入端口输入与f₁同频的正弦波信号，混频后得到第一输出信号，包含DC信号、频率为f₁-f₂的正弦波信号，第一输出信号进入第二差分滤波电路，滤除DC分量后，通过第一比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；自混频电路的本振信号输入端口和多频混合信号输入端口相连，混频后得到的信号包含DC信号、频率为f₁-f₂、2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，利用一阶RC电路滤除频率为2f₁、2f₂、f₁+f₂的正弦波信号，得到包含DC信号、频率为f₁-f₂正弦波信号的第二输出信号，第二输出信号进入第一差分滤波电路，滤除DC分量，通过第二比较整形电路变为方波信号输出至相位测量电路；

所述相位测量电路中包含FPGA和DSP，通过FPGA锁相环对外部基准时钟信号倍频产生基准信号，对相位差脉冲和整周期信号填充计数，再通过DSP对相位差计数值和整周期计数值作比值运算，实现相位解算；

所述第一差分滤波电路在接收到自混频电路的输出信号后以及所述第二差分滤波电路在接收到下变频电路的输出信号后均将信号分成两路信号，一路经过放大器，作为参考信号，另一路经过LC低通滤波器输出作为测量信号，测量、参考信号作差分，然后将结果输出给对应的比较整形电路。