CN114719758A - 基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统及方法，数据接收单元通过同轴射频接收插座接收来自经光学检测单元对涡旋光微位移测量系统输出的光信号进行光电转换之后的模拟信号；信号经过模数转换单元后进入ZYNQ核心处理单元进行误差计算与补偿；数据输出单元将补偿后的信号进行输出和保存；上位机单元进行参数设置及输出数据的显示和保存，上述系统完成对基于涡旋光束的微位移测量系统所输出正交信号的采集、误差处理与补偿，满足高精度运动反馈控制系统对光学精密测量单元高精度、高准确性以及高实时性正交信号的需求。可有效减小涡旋光束微位移测量系统所输出正交信号的直流漂移、幅值偏差和相位误差。

Description

基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统及方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统及方法。

背景技术

涡旋光等相位面呈螺旋状，在传播过程中中心相位具有不确定的点，即相位奇点，使得光束中心位置的强度分布为零。利用涡旋光的这些特性使其在光学操纵、高分辨率显微成像、光通信、量子通信以及光学测量等领域有着广泛的应用。

发明人申请的系列专利中，在利用涡旋光束进行微位移测量以及使用干涉仪、光栅尺等光学检测设备进行位移测量时，由于光源波动、光电探测器探头精度、测量光栅的加工工艺等各方面因素的影响，涡旋光束微位移测量系统的输出信号会出现明显的干涉仪正交条纹测量误差，其中最主要的即两个通道的不等增益误差（不等幅误差）、非正交误差（正交相移误差）以及直流漂移带来的直流误差这三种误差。这三种误差对于测量精度的影响比较严重，因此需要通过一定的方法来补偿减小这些误差，Heydemann误差补偿模型即可用于进行正交信号误差的补偿。在确定了Heydemann误差补偿模型可以用于对上述误差进行补偿之后，就需要建立一个系统来基于Heydemann误差补偿算法计算相关参数并对原始数据进行采集、计算、误差补偿、评估、输出、保存和显示。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了一种基于涡旋光束微位移测量的双通道误差处理与补偿系统及方法，能够对涡旋光束微位移测量系统的双路输出正交信号进行采集并通过基于ZYNQ的核心处理板卡进行误差计算、补偿与输出。

为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统，包括基于涡旋光束的微位移测量系统的光学测量设备单元，光电探测处理板卡、数据接收单元，模数转换单元，基于ZYNQ的核心处理单元，数据输出单元，上位机数据显示与保存单元；其中，

数据接收单元包括，

光电探测处理板卡，用于一方面接收来自光学测量设备单元的光信号，另一方面将接收到的光信号进行滤波、正交化、归一化、光电转换后转换为双路电信号输出至模数转换单元；

两个同轴射频接收插座接收来自数据接收单元的光电探测处理板卡输出的两路正交信号；

模数转换单元包括，

两块模拟信号－数字信号转换芯片，完成接收到的模拟信号向数字信号的转化；

基于ZYNQ的核心处理单元包括，

ZYNQ芯片，用于对数据进行处理，实现Heydemann算法的参数计算、迭代以及补偿；

数据输出单元包括，

数据输出模块，采用USB协议方式进行数据输出到上位机数据显示与保存单元进行显示、保存操作；

上位机数据显示与保存单元包括，

计算机系统，用于完成上位机界面的设计、显示和与正交信号核心处理板卡的数据通信，对处理后正交信号数据的进行可视化显示、数据保存，对下位机参数进行设置或修改。

本发明提供的优选的技术方案是：

所述的数据接收单元的同轴射频接收插座、模数转换单元以及基于ZYNQ的核心处理单元和数据输出单元集成为一块正交信号误差处理和补偿的专用信号处理板卡。

本发明提供的另外的优选的技术方案是：所述的光学测量设备单元包括基于涡旋光束的微位移测量系统，用于实现干涉位移测量，包括，

激光器，用于产生干涉光学测量单元中所需的相干光光源，

螺旋相位板，用于产生干涉测量所需的涡旋光，

分束器，用于将一束光分束成为两束光，其中一束光透射到第二中空回射器，另一束反射到第一中空回射器，经道威棱镜后变成共轭涡旋光与第二中空回射器反射回来的涡旋光进行干涉，干涉后的光信号等待数据接收单元的接收。

优选的，所述的两块模拟信号－数字信号转换芯片采用ADC9200，所选转换芯片转换速率为20MSPS。

本发明还提供了一种基于涡旋光束微位移测量误差处理与补偿方法，基于ZYNQ和Heydemann算法进行正交信号误差处理及补偿，具体包括以下步骤，

步骤1）：接收来自光电探测处理板卡的双路模拟量通过两个同轴射频接收插座进入模拟信号－数字信号转换芯片，控制模拟信号－数字信号转换芯片转换芯片的时序在软件层面实现数据同步；

步骤2）：直接使用ZYNQ内部FPGA的同步FIFO资源来实现数据缓存；

步骤3）：调用ZYNQ内部FPGA的锁相环IP核，协调模拟信号－数字信号转换芯片的时序图对接收到的两路数据进行同步以保证数据的同步处理；

步骤4）：输入数据的定点化，数据位宽、数据率、采样频率以及带宽设置；步骤4）通过Verilog代码提前设置或通过上位机界面进行设置

步骤5）：数据定点化，对数据进行定点化操作，同时初始化算法运算中需要的各种变量、向量以及中间变量迭代所需的矩阵，

步骤6）：循环迭代计算线性方程的系数，椭圆拟合所需参数，

步骤7）：利用计算所得线性模型的参数计算Heydemann参数；

步骤8）：利用计算所得Heydemann参数对本周期输入数据进行补偿，并更新所需迭代参数的数值，准备下一周期的循环迭代计算；

步骤9）：输出迭代结束后的数据以供后续使用、输出重要的Heydemann参数以供对比计算准确性、精度与速度；

步骤10）：通过数据输出单元输出步骤9）中补偿过后的正交信号至上位机数据显示与保存单元。

本发明的有益效果包括：

1、本发明的基于涡旋光束微位移测量的双通道误差处理与补偿系统设计合理，包括基于涡旋光束的微位移测量系统，数据接收单元，模数转换单元，基于ZYNQ的核心处理单元，数据输出单元，上位机数据显示与保存单元，测试系统结构简单，非常有利于整体实验设备的搭建和工作人员按照测试系统进行测试和控制。基于涡旋光的干涉微位移测量系统产生光信号后，光电探测处理板卡接收光信号并进行信号的初步预处理，然后进行光信号到电信号的转换，将光信号转换成模拟信号输出，基于ZYNQ的正交信号处理与补偿板卡的SMA接口接收模拟信号进行模数转换、Heydemann算法计算迭代、正交信号误差补偿和补偿后数据的输出，最后上位机的电脑系统对输出数据进行显示、保存及参数设置，系统测试步骤简单完整，能够有效实现对于干涉仪、光栅尺等光学检测设备输出信号的误差补偿；

2、本发明的测试系统的集成度很高，光学检测模块，光电探测处理板卡，基于ZYNQ的正交信号误差处理与补偿板卡均可以分别设计和搭建，各个分系统搭建后相互之间的通信联系兼容性强，连接简单，在测试本发明所述的正交信号误差补偿中联合使用方便，各个分模块均可以单独运转或实现其他应用，有效降低了研发成本并拓展了应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为发明基于ZYNQ和Heydemann算法的正交信号处理及补偿方法流程图；

图3为基于ZYNQ的正交信号处理与补偿板卡正面三维设计图；

图4为用Matlab软件仿真得到的使用Heydemann算法对正交信号误差补偿前后的椭圆拟合李飒如图效果图；

附图中：1、光学测量设备单元，2、光电探测处理板卡，3、同轴射频接收插座(SMA)，4、模数转换芯片(ADC)，5、ZYNQ核心处理芯片，6、集成后的基于ZYNQ的正交信号处理与补偿板卡，7、数据输出单元，8、计算机系统。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于涡旋光束微位移测量的双通道误差处理与补偿系统，包括基于涡旋光束的微位移测量系统的光学测量设备单元，光电探测处理板卡、数据接收单元，模数转换单元，基于ZYNQ的核心处理单元，数据输出单元，上位机数据显示与保存单元；其中，

基于涡旋光束的微位移测量系统的光学测量设备单元1主要实现干涉位移测量，包括，

激光器用于产生干涉光学测量单元中所需的相干光光源，

螺旋相位板SPP用于产生干涉测量所需的涡旋光，

分束器BS用于将一束光分束成为两束光，一束透射到第二中空回射器H2，另一束反射到第一中空回射器H1，经道威棱镜DP后变成共轭涡旋光与第二中空回射器H2反射回来的涡旋光进行干涉，干涉后的光信号等待数据接收单元的接收；

数据接收单元包括，

光电探测处理板卡2一方面接收来自基于涡旋光束的光学测量设备单元1的光信号，另一方面将接收到的光信号进行滤波、正交化、归一化、光电转换后转换为双路电信号输出，最后将光电探测处理板卡2集成为一个专用的光电接收处理板卡，两个SMA同轴射频接收插座3接收来自光电探测处理板卡输出的两路正交信号，该插座使用同轴电缆连接，对外界噪声屏蔽效果好，使接收到的信号信噪比更高；

模数转换单元包括，

两块ADC9200模拟信号－数字信号转换芯片4，完成接收到的模拟信号向数字信号的转化，所选芯片转换速率为20MSPS，拥有10bit位宽，能够满足模数转换的速度以及分辨率的需求；

基于ZYNQ的核心处理单元包括，

ZYNQ芯片5，ZYNQ拥有高速并行处理能力，目前被越来越多地应用，以ZYNQ为核心器件的数字信号处理系统逐渐成为通信、雷达、航空航天等相关领域的常用数字信号处理系统，本单元选取ZYNQ作为正交信号处理板卡的核心元器件也是为了实现并行高速的对数据进行处理，通过硬件方式快速实现Heydemann算法的相关参数计算、迭代以及补偿；

数据输出单元包括，

数据输出模块7主要是采用USB协议方式进行数据输出，目前USB通信技术被广泛应用，兼容性极强，输出后的数据可以方便的被后续运动控制系统使用，也可以方便的输入到计算机中进行上位机层面的显示、保存等操作；

上位机数据显示与保存单元包括，

计算机系统8用于完成上位机界面的设计、显示和与正交信号核心处理板卡的数据通信，一方面能实现处理后正交信号数据的可视化显示、数据保存，另一方面还能实现对下位机相关参数的设置和修改；

为了提高整个测试系统的集成度和各个模块的独立性以及相互配合使用，将数据接收单元的两个SMA同轴射频接收插座3，两块ADC9200模拟信号－数字信号转换芯片4，基于ZYNQ的核心处理单元5和数据输出单元7集成设计为一块正交信号误差处理和补偿的专用信号处理板卡6，该板卡通用性强，可以在任何双路正交信号处理中使用，以有效减小或消除正交信号的不等增益误差（不等幅误差）、非正交误差（正交相移误差）以及直流漂移等误差。

按照上述整个系统的各个单元搭建测试系统，在本发明所述的系统中最主要的设计是完成基于ZYNQ的正交信号误差处理和补偿板卡的设计，如图3所示为基于ZYNQ的正交信号误差处理和补偿的专用信号处理板卡6的正面三维设计图，根据集成化的要求，设计了该板卡来完成数据接收、模数转换、Heydemann算法实现、正交信号误差补偿和补偿后的信号输出以及与上位机的数据交换。

如图2所示，本发明还提供了

基于ZYNQ和Heydemann算法的正交信号处理及补偿方法，结合硬件语言的软件设计，在具体实施时包括以下步骤：

步骤1）：双路模拟量通过两个SMA射频接收插座进入ADC9200，ADC无硬件同步引脚，需要控制ADC转换芯片的时序在软件层面实现数据同步，

步骤2）：直接使用ZYNQ内部的同步FIFO资源来实现数据缓存，

步骤3）：调用ZYNQ锁相环IP核，协调ADC转换芯片的时序图对接收到的两路数据进行同步以保证数据的同步处理，

步骤4）：输入数据的定点化，数据位宽、数据率、采样频率以及带宽设置，此步骤可以通过Verilog代码提前设置，亦可通过上位机界面进行设置，

步骤5）：数据定点化，ZYNQ硬件电路不能对浮点数直接进行操作，因此需要对数据进行定点化操作，同时初始化算法运算中需要的各种变量、向量以及中间变量迭代所需的矩阵，

步骤6）：循环迭代计算线性方程的系数A、B、C、D、E、F，椭圆拟合所需的μ、δ、λ等相关参数，

步骤7）：利用计算所得线性模型的参数计算Heydemann参数α、r、p、q，

步骤8）：利用计算所得Heydemann参数对本周期输入数据进行补偿，并更新所需迭代参数的数值，准备下一周期的循环迭代计算，

步骤9）：输出迭代结束后的数据以供后续使用、输出重要的Heydemann参数以供对比计算准确性、精度与速度。

步骤10）：通过数据输出单元输出步骤9）中补偿过后的正交信号至上位机数据显示与保存单元。

所述测试系统的上位机数据显示与保存单元可以对软件系统迭代计算过程中的各项参数进行设置和修改以适应更多情况下的误差计算和补偿，利用基于ZYNQ和Heydemann算法的正交信号误差处理和补偿板卡的高精度和高实时性特点就可以有效实现对光栅尺、干涉仪等光学检测设备输出的双路正交信号误差的修正与补偿。

见图4，可以在Matlab中先对本测试系统及软件系统编写脚本并输入测试数据进行仿真，以得到一个理想情况下的Heydemann椭圆拟合参数和处理效果图，以便与测试系统搭建后的真实测试结果进行比对，能够更好地改进本发明所述的测试系统，继续提升系统的稳定性、精度和实时性。

所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统，其特征在于，包括基于涡旋光束的微位移测量系统的光学测量设备单元，光电探测处理板卡、数据接收单元，模数转换单元，基于ZYNQ的核心处理单元，数据输出单元，上位机数据显示与保存单元；其中，

数据接收单元包括，

光电探测处理板卡，用于一方面接收来自光学测量设备单元的光信号，另一方面将接收到的光信号进行滤波、正交化、归一化、光电转换后转换为双路电信号输出至模数转换单元；

两个同轴射频接收插座接收来自数据接收单元的光电探测处理板卡输出的两路正交信号；

模数转换单元包括，

两块模拟信号－数字信号转换芯片，完成接收到的模拟信号向数字信号的转化；

基于ZYNQ的核心处理单元包括，

ZYNQ芯片，用于对数据进行处理，实现Heydemann算法的参数计算、迭代以及补偿；

数据输出单元包括，

数据输出模块，采用USB协议方式进行数据输出并送至上位机数据显示与保存单元进行显示、保存操作；

上位机数据显示与保存单元包括，

计算机系统，用于完成上位机界面的设计、显示和与正交信号核心处理板卡的数据通信，对处理后正交信号数据的进行可视化显示、数据保存，对下位机参数进行设置或修改。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统，其特征在于：所述的数据接收单元的同轴射频接收插座、模数转换单元以及基于ZYNQ的核心处理单元和数据输出单元集成为一块正交信号误差处理和补偿的专用信号处理板卡。

3.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统，其特征在于：所述的光学测量设备单元包括基于涡旋光束的微位移测量系统，用于实现干涉位移测量，包括，

激光器，用于产生干涉光学测量单元中所需的相干光光源，

螺旋相位板，用于产生干涉测量所需的涡旋光，

分束器，用于将一束光分束成为两束光，其中一束光透射到第二中空回射器，另一束反射到第一中空回射器，经道威棱镜后变成共轭涡旋光与第二中空回射器反射回来的涡旋光进行干涉，干涉后的光信号等待数据接收单元的接收。

4.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光束微位移测量的误差处理与补偿系统，其特征在于：所述的两块模拟信号－数字信号转换芯片采用ADC9200，所选转换芯片转换速率为20MSPS。

5.一种如权利要求1-4中任一种权利要求所述的一种基于涡旋光束微位移测量误差处理与补偿方法，其特征在于，基于ZYNQ和Heydemann算法进行正交信号误差处理及补偿，具体包括以下步骤，

步骤1）：接收来自光电探测处理板卡的双路模拟量通过两个同轴射频接收插座进入模拟信号－数字信号转换芯片，控制模拟信号－数字信号转换芯片转换芯片的时序在软件层面实现数据同步；

步骤2）：直接使用ZYNQ内部FPGA的同步FIFO资源来实现数据缓存；

步骤3）：调用ZYNQ内部FPGA的锁相环IP核，协调模拟信号－数字信号转换芯片的时序图对接收到的两路数据进行同步以保证数据的同步处理；

步骤4）：输入数据的定点化，数据位宽、数据率、采样频率以及带宽设置；

步骤5）：数据定点化，对数据进行定点化操作，同时初始化算法运算中需要的各种变量、向量以及中间变量迭代所需的矩阵；

步骤6）：循环迭代计算线性方程的系数，椭圆拟合所需参数；

步骤7）：利用计算所得线性模型的参数计算Heydemann参数；

步骤8）：利用计算所得Heydemann参数对本周期输入数据进行补偿，并更新所需迭代参数的数值，准备下一周期的循环迭代计算；

步骤9）：输出迭代结束后的数据以供后续使用、输出重要的Heydemann参数以供对比计算准确性、精度与速度；

步骤10）：通过数据输出单元输出步骤9）中补偿过后的正交信号至上位机数据显示与保存单元。

6.根据权利要求所述5的一种基于涡旋光束微位移测量误差处理与补偿方法，其特征在于，所述的步骤4）通过Verilog代码提前设置或通过上位机界面进行设置。

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