CN116817762A - 一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法。其特征是：单频激光信号通过闭环增益调整装置后转换为数字信号用于相位解算。所述装置和方法为：单频激光干涉仪发出的激光信号经由光电转换模块、直流偏置模块和增益模块信号后，被模数转换模块采集发送给FPGA单元，解算后获得直流偏差和增益控制数据。通过反馈网络对光电转换模块、直流偏置模块和增益模块进行直流补偿和反馈调节。本发明可用于单频激光干涉测量的信号增益调整前处理，维持采集信号在模数转换模块的采样范围内均匀稳定。

Description

一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法，可用于单频激光干涉测量中削减光电转换中产生的直流干扰并实时保持增益稳定，属于光学和电子工程技术领域。

(二)背景技术

单频激光干涉技术被广泛应用于机械工程、光学制造、电子工程、生物医学等领域，用于精密测量和质量控制。例如，可以使用单频激光干涉技术测量微小的机械零件位移、表面形态等参数，也可以用于检测光学器件的制造质量。

在单频激光干涉技术中，使用的激光具有极窄的光谱带宽，即只有一种频率的光，因此称为单频激光。这种激光具有相干性高、光束直线度好、光斑质量高等优点，能够提高干涉测量的精度和灵敏度。

单频激光干涉是一种利用单色激光束干涉现象测量物体形态、位移、形变等物理量的技术。该技术的原理基于激光的相干性和干涉现象，即将一束光分为两束光，分别照射到被测物体的不同位置，然后将两束光再次合并在一起，通过观察合并后的光的干涉条纹变化来得到物体的形态或位移信息。

在获取单频激光干涉仪产生的激光信号后，需要将光信号转换为易于测量的电信号，目前光电转换的器件主要有光电二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电倍增管等。

由于材料的不完美性和制造过程中的缺陷，这些光电转换器件常常存在寄生电阻，并且在暗电流的影响下会对光信号转换成的电信号造成干扰。

由于单频激光干涉仪在工作过程中常因工作环境导致激光器功率漂移和光电接收器电路漂移，及长距离测量时测量光束强度下降等，使直流分量与交流分量比值不断提升，轻者工作点漂移造成误差，严重时电路停止工作。

为了解决上述问题，本发明将光电探测器的增益电压和直流偏置电压设置为人工程序可调的补偿装置，用于适配存在性能偏差的光电探测器件以及存在电磁噪声的工作环境，使用时需要提前对FPGA补偿参数做出调整，避免影响相位解算精度。

本发明可用于单频激光干涉测量的信号前处理部分，可实时调整信号传输过程中直流偏置对信号解算的干扰，提高相位细分的准确性。本发明提供的单频激光干涉测量增益调整装置和方法利用直流偏置电路和增益控制电路等硬件设计实现对单频激光干涉测量中产生的直流分量进行实时调整，同时满足增益模块输出信号均匀连续。

(三)发明内容

本发明针对单频激光干涉信号的采集过程中存在的干扰，提供一种抗干扰性强、输出信号均匀连续的一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法。

本发明的目的是这样实现的：

该单频激光干涉测量增益调整系统由光电转换模块1、直流偏置模块2、滤波模块3、增益模块4、直流控制模块5、相位差分模块6、幅值控制模块7、模数转换模块8、FPGA单元9和DAC单元10组成。

所述装置中单频激光干涉仪所发出的四路激光信号由光电转换模块1转换为电信号。电信号经直流偏置模块2后仅保留有效的交流分量，进入增益模块4后放大幅值。

所述装置中增益模块4进行信号调理后进入直流控制模块5和相位差分模块6。直流控制模块5通过四路信号计算出残余直流量，并通过DAC10调节直流偏置模块2实现对直流量的负反馈控制。

所述装置中相位差分模块6的四路信号经过差分运算得到两路正交信号，传输给幅值控制模块7。

所述装置中幅值控制模块7的正交信号经过幅值控制模块的计算分别形成负高压控制信号和增益控制信号，分别控制光电转换模块1的负高压和增益模块4的增益，使采集信号强度稳定在模数转换模块的采样范围。

所述装置中FPGA单元9连接DAC单元10调节光电转换模块1输出的负高压控制信号。

所述装置中FPGA单元9连接DAC单元10调节直流偏置模块2削减光电转换模块造成的直流偏置。

所述装置中FPGA单元9连接DAC单元10调节增益模块4使输出电压稳定在一定区间。

所述装置中模数转换模块8采集增益过后的电压信号传输给FPGA单元9。

所述装置中FPGA单元9包含直流控制模块5、相位差分模块6、幅值控制模块7。

所述闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置采用的是四通道激光信号输入，四路光信号光强、频率一致且存在固定相位差，为0°、90°、180°和270°。

本发明提供一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的方法，所述步骤包括：

(1)FPGA单元计算信号直流偏置偏离目标值的残余直流量。

ch1＝kcos(wt)+D

ch3＝ksin(wt)+D

其中：k为光电转换模块的增益倍数；

m为增益模块的增益倍数；

w为单频激光干涉仪产生光信号的频率；

D为四路信号中光信号本身和光电转换过程中产生的直流量；

D_c为四路信号中直流偏置电路削减的直流量；

D_r为信号直流偏置偏离目标值的残余直流量。

(2)将计算得到的残余直流量增加/减小到当前FPGA单元对直流偏置模块的反馈值。

(3)将四路正弦信号进行相位差分，得到两路正交的信号。

幅值模块计算得到信号的幅值A。

(5)FPGA单元计算信号幅值偏置偏离目标值的残余幅值。将计算得到的残余幅值增加/减小到当前FPGA单元对光电转换模块的或增益模块的反馈值。

(6)所述装置由于光电转换模块负高压控制信噪比高但响应速度慢，增益模块增益调整响应速度快但会放大噪声，在干涉仪初始化时，幅值控制模块控制k为定值，调整m的取值，使装置工作在信号信噪比较高的状态。

在单频激光干涉仪初始化时，幅值控制模块控制k为定值，调整m的取值，使装置工作在信号信噪比较高的状态。在单频激光干涉仪初始化后，若信号幅值由于测量物体的运动产生变化，则调整k的值保持m为定值，此时装置对于幅值的变化有较快的响应速度，可以使幅值保持的较为稳定。

所述方法需要设置一个合理可估算的阈值来触发修改信号增益，这样可以防止由于信号采样的位置不同或信号本身的抖动而引起额外的闭环调节过程，以限制增益调节的灵敏度。阈值包括信号强度上限和信号强度下限。如果信号强度超过上限，则会触发一个闭环控制流程来减小增益；如果信号强度低于下限，则会触发一个闭环控制流程来增加增益。

由于光电转换模块将光信号转变为电信号的过程中往往会叠加大量的直流分量，这部分直流分量如果直接参与增益放大将会淹没探测信号中微弱的交流分量，因此需要在动态增益之前设计直流偏置电路，尽可能地保证输入信号的干净、减少频带外无关信号的影响。

信号通道的幅频响应在信号频带范围内尽量平坦、频带外信号衰减幅度大、过渡带衰减快。

根据ADC输出的参考电压对输入信号进行偏置，并将信号调节到ADC的最佳采样范围内。

(四)附图说明

图1是闭环控制的四通道单频激光干涉测量增益调整方法流程示意图。

图2是含有闭环控制的单频激光干涉增益调整装置的一个实施例的硬件结构示意图。

图3是FPGA单元中增益调整方法的部分测量流程图。

图4是单频激光干涉仪产生前置激光信号的装置示意图。

(五)具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明。显然，所描述的实施例是本发明部分应用实施例，非用以限定本发明可实施的范围。其实施例的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图2给出了含有闭环控制的单频激光干涉增益调整装置的硬件结构图。实施例由光电转换模块1、直流偏置模块2、滤波模块3、增益模块4、模数转换模块8、FPGA单元9和DAC单元10组成。所述系统中光电转换模块1探测激光信号，光电转换模块1与直流偏置模块2相连，直流偏置模块2与滤波模块3相连，滤波模块3与增益模块4相连，增益模块4与模数转换模块7相连，模数转换模块7与FPGA8相连，FPGA8与增益调整DAC9相连，增益调整DAC9与光电转换模块1、直流偏置模块2和增益模块4相连。

所述实施例中的滤波模块3，用于滤除接收到的光电转换过程中产生的热噪声、散粒噪声、暗电流等噪声，以及工作环境中各种电子设备产生的大量的电子干扰。

所述实施例中的增益功能由光电转换模块1和增益模块4组成，光电转换模块1信噪比高但响应速度慢，增益模块4的增益调整响应速度快但会放大噪声。

所述实施例中的DAC单元10，用于采集信号强度超过上限，则会触发FPGA单元9减小输出DAC单元10的数据量来减小增益控制电压；采集信号强度超过上限，则会触发FPGA单元9增大输出DAC单元10的数据量来增大增益控制电压，进行增益调节。

图1给出了闭环控制的四通道单频激光测量信号增益调整方法，结合图3所属的FPGA单元中增益调整方法的部分测量流程，具体的调整方式为：

(1)单频干涉仪的通道1、通道2、通道3和通道4中光在光电转换模块1被转换为电信号；

(2)电信号进入直流偏置模块2被消去光自身和光电转换过程中产生的直流量仅保留交流分量，进入增益模块4后被放大幅值；

(3)放大后的信号分为两路一路进入直流控制模块5，一路进入相位差分模块6；

(4)直流控制模块5通过四路信号计算出残余直流量，DAC10生成控制信号调节直流偏置模块2实现对直流量的负反馈控制；

(5)进入相位差分模块6的四路信号经过差分运算得到两路正交信号，正交信号分为两路一路进入幅值控制模块7一路输出；

(6)进入幅值控制模块7的正交信号经过幅值控制模块的计算分别形成负高压控制信号和增益控制信号，分别控制DAC单元10调节光电转换模块1的负高压和增益模块4的增益。

图4给出了单频激光干涉仪产生四通道前置激光信号，四路光信号光强、频率一致且存在固定相位差，为0°、90°、180°和270°。

所述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法。其特征是：由光电转换模块1、直流偏置模块2、滤波模块3、增益模块4、直流控制模块5、相位差分模块6、幅值控制模块7、模数转换模块8、FPGA单元9和DAC单元10组成。包括以下步骤：

步骤一，通道1、2、3、4接收单频激光干涉仪所发出的四路激光信号，并由光电转换模块1转换为电信号。电信号经直流偏置模块2后仅保留有效的交流分量，进入增益模块4后放大幅值。

步骤二，信号经增益模块4调整后分别进入直流控制模块5和相位差分模块6。直流控制模块5通过四路信号计算出残余直流量，并通过DAC10调节直流偏置模块2实现对直流量的负反馈控制。

步骤三，相位差分模块6的四路信号经过差分运算得到两路正交信号，传输给幅值控制模块7。

步骤四，两路正交信号经过幅值控制模块的计算分别形成负高压控制信号和增益控制信号，分别控制光电转换模块1的负高压和增益模块4的增益，使采集信号强度稳定在模数转换模块的采样范围。

2.根据权利要求1所述的一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法中的直流偏置模块2和直流控制模块5，其特征是：单频激光干涉仪产生的四路信号经过光电转换后的表达式如式1、式2、式3和式4所示，其中k为光电转换模块的增益倍数，w为单频激光干涉仪产生光信号的频率，D为四路信号中光信号本身和光电转换过程中产生的直流量。

ch1＝kcos(wt)+D (1)

ch3＝ksin(wt)+D (3)

直流偏置模块2使四路信号与固定电压值D_c相减，且经过增益模块4后被放大m倍，表达式如式5、式6、式7和式8所示。

ch1＝m[kcos(wt)+D-D_c] (5)

ch3＝m[ksin(wt)+D-D_c] (7)

进入直流控制模块5后，直流控制模块5会通过四路信号计算出直流的残余量D_r表达式如式9所示。

直流控制模块5根据直流残余量D_r的大小和正负产生直流控制信号，控制直流偏置模块2中D_c值的大小，通过负反馈调节最终达到使D_r＝0。

3.根据权利要求1所述的一种闭环控制的单频激光干涉测量增益调整的装置和方法中的光电转换模块1、增益模块4和幅值控制模块7，其特征是：激光干涉仪进入通道1、通道2、通道3和通道4的光信号通过光电转换模块1时，幅值会被放大k倍，表达式如式10、11、12和式13所示。经过直流偏置模块2后，在增益模块4中被放大m倍。表达式如式10、11、12和式13所示。

ch1＝mkcos(wt) (10)

ch3＝mksin(wt) (12)

相位差分模块分别计算(10)-(13)和(12)-(11)，可以得到两路正交的信号，表达式如式14和式15所示。

正交信号进入幅值控制模块7后，幅值模块计算得到信号的幅值A，表达式如式16所示。

幅值控制模块7根据幅值A的大小和正负产生增益控制信号，控制光电转换模块和增益调整模块中k和m值的大小，通过负反馈调节最终达到使信号A强度稳定在模数转换模块的最佳采样范围。