用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统

摘要

一种用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统，包括RS接收器、现场可编程门阵列器件、脉冲间隔测量芯片以及测量计算模块；其中现场可编程门阵列器件包括用于实时计算参考信号和测量信号单位时间内通过本逻辑单元的脉冲个数的差值整周期计数单元、用于将输入的周期性参考信号和测量信号转换为两组脉冲信号的脉冲提取单元、接收脉冲间隔测量单元测量结果的相位测量控制单元以及I/O控制单元；脉冲间隔测量芯片用来接收脉冲提取单元输出的两组脉冲信号并将脉冲之间的时间间隔转化为数字量；测量计算模块计算参考信号和测量信号的相位差得出待测目标的移动距离，本发明可准确测量动态信号的相位，拓宽了双频激光干涉仪的应用场合。

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉仪信号相位和位移测量技术领域，特别涉及一种用于 双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统。

背景技术

双频激光干涉仪由于环境适应能力强，测量结果可以溯源至激光波长， 因此在高精度位移测量领域有着广泛的应用。通常，双频激光干涉仪用于测 量的光学系统部分为迈克尔逊干涉仪，双频激光器发出的双频正交偏振激光 经过偏振分光棱镜分光后一路入射到固定角锥上形成参考臂，另一路入射到 待测目标上形成测量臂。待测目标的移动会使反射光的频率在原有频率基础 上叠加由于运动所引入的多普勒频移，进而产生测量臂信号与参考臂信号的 频率差。频率差信号在时间域上的积分可得到信号的相位差。利用光电探测 器接收激光干涉信号并将其转化为电信号，由电子系统测量参考信号和测量 信号的相位差。再加之激光干涉信号的周期性，参考信号与测量信号的相位 差每变化360°，对应待测位移量为激光光波长的二分之一。因此双频激光 干涉仪通过精确测量激光干涉信号的相位差可得到待测目标的位移量。

通过双频激光干涉仪的工作原理可知，为了实现高精度的位移测量，需 要有可靠的信号相位测量手段。目前能够进行电子信号相位测量的信号处理 系统可以分为一下三类。第一类是通过高频脉冲填充得到360°之内的结果， 再通过对相位跃变点（360°到0°）的计数得到整周期结果。这种方法的不 足在于整周期计数结果会因为光信号的抖动引入计数误差，因此该方法的相 位测量结果并不可靠。第二类是通过对输入信号进行锁相倍频，测量倍频后 信号360°之内的相位差，再乘以倍频系数得到测量和参考信号的相位差。 这种方法的不足在于不能在实现高倍频数的同时保证良好的相频特性，且受 模拟电路温漂零漂限制，相位测量精度低。第三类信号处理系统是双向差动 数字鉴相，先将参考信号和测量信号进行异或运算，然后测量高电平和低电 平的持续时间，进而求出相位值。这种方法的不足在于要求测量信号与参考 信号频率相同，即待测目标静止，因此不能实现待测目标运动过程当中的动 态信号处理和相位测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于双频激光 干涉仪的动态电子信号相位测量系统，可以准确测量动态信号的相位，从而可 拓宽双频激光干涉仪的应用场合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统，包括：

用于接收参考信号和测量信号的RS485接收器1；

用于接收脉冲提取单元4输出的两组脉冲信号并将脉冲之间的时间间隔 转化为数字量的脉冲间隔测量单元6；

接RS485接收器1和脉冲间隔测量单元6的现场可编程门阵列FPGA器件， 所述现场可编程门阵列FPGA器件包括用于实时计算所述参考信号和测量信 号单位时间内通过本逻辑单元的脉冲个数的差值整周期计数单元2、用于将 输入的周期性参考信号和测量信号转换为两组脉冲信号的脉冲提取单元4、 接收脉冲间隔测量单元6测量结果的相位测量控制单元3以及用于将差值整 周期计数单元2和相位测量控制单元3测量结果发送至测量计算模块7的I/O 控制单元5；

用于在Windows操作系统下计算参考信号和测量信号的相位差，然后计 算并显示出待测目标的移动距离的测量计算模块7。

所述RS485接收器1、脉冲间隔测量单元6和现场可编程门阵列FPGA器 件集成为双频激光干涉仪动态测量相位卡。

所述参考信号和测量信号是以差分形式输入的方波信号，在RS485接收 器1中被转换为标准TTL电平的单端信号。

所述相位测量控制单元3向脉冲间隔测量单元6提供时钟信号和控制指 令，接收脉冲间隔测量单元6的反馈信号，根据反馈信号启动脉冲提取单元 4，最终接收脉冲间隔测量单元6的测量结果。

所述脉冲提取单元4是以测量信号上升沿到来时刻作为采样时刻，将输 入的周期性参考信号和测量信号转换为两组脉冲信号：第一组脉冲信号携带 采样时刻参考信号和测量信号相邻上升沿的时间间隔信息；第二组脉冲信号 携带参考信号周期值的信息。

所述测量计算模块7根据通用串行总线协议，接收差值整周期计数单元 2和相位测量控制单元3的测量结果。

所述测量计算模块7包括用于录入数据的数据录入单元

所述测量计算模块7包括用于数据管理的数据管理单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.采用脉冲提取逻辑，将周期信号转换为包含采样时刻相位信息的脉冲信 号，与高精度脉冲间隔测量单元配合，实现动态过程中的信号相位差准确测量。

2.采用专用的脉冲间隔测量模块代替FPGA内部的高频时钟，解除FPGA内 部高频时钟频率对数字式相位测量系统测量精度的限制，实现更高精度的相位 测量。

3.采用数字式相位测量系统，相比于模拟式相位测量系统，结构简单，抗 干扰能力强，开发成本低。

附图说明

图1是本发明相位测量系统框图。

图2是本发明脉冲时间间隔测量图。

图3是本发明相位测量系统长时间工作稳定性测试结果图。

图4是本发明相位测量系统相位测量精度测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明的测量系统包括：RS485接收器1、差值整周期计 数单元2、相位测量控制单元3、脉冲提取单元4、I/O控制单元5、脉冲间 隔测量单元6以及测量计算模块7。其中差值整周期计数单元2、相位测量控 制单元3、脉冲提取单元4、I/O控制单元5集成在现场可编程门阵列（FPGA） 器件中。

差分形式的参考方波和测量方波作为RS485接收器1的输入信号，当参 考信号幅值高于测量信号幅值200mV时，接收器输出为高电平；反之，当测 量信号幅值高于参考信号幅值200mV时，接收器输出为低电平。通过这种方 式，RS485接收器1将差分输入信号转换为单端信号送入FPGA。单端信号 进入FPGA后，一部分进入差值整周期计数单元2，另一部分进入脉冲提取 单元4。

差值整周期计数单元2通过一个28位的计数器来实时计算参考信号和测 量信号单位时间通过本逻辑单元的脉冲个数的差值，记为N，对应的相位差 为360°×N。当待测目标静止时，参考信号和测量信号频率相同，差值整周期 计数单元2的输出结果为0；当待测目标运动时，由于多普勒频移，测量信 号和参考信号频率不同，差值整周期计数单元2根据内部符号判别逻辑的输 出结果进行加法或减法运算。

相位测量控制单元3、脉冲提取单元4与脉冲间隔测量单元6构成相位 细分测量单元。脉冲间隔测量单元6使用时间数字转换芯片TDC-GP21。该 芯片利用自身内部的门延迟，测量输入脉冲的时间间隔，使用测量范围2工 作模式，分辨率45ps，测量范围500ns~4ms。在相位测量控制单元3的控制 下，脉冲间隔测量单元6完成上电复位，自校准等初始化程序，等待输入脉 冲。相位测量控制单元3在接收到脉冲间隔测量单元6初始化完成的反馈信 号后，启动脉冲提取单元4。在脉冲提取单元4内，测量信号和参考信号先 经过D触发器分频，分频系数记为K。对于分频后的信号，取测量信号上升 沿到来时刻为采样时刻，将分频后的信号转换为两组脉冲信号，如图2所示。 这种方式可以避免TDC-GP21的500ns测量死区对相位测量范围的影响。脉 冲间隔测量单元6测量时间间隔Δt和T，对应的相位差

其中K为分频系数，相位差的正负由脉冲提取单元4中的符号判别逻 辑完成。相位细分结果含有部分整周期值，实现整周期值的冗余测量，提高 整周期测量结果的准确度。

Windows操作系统下的测量软件7提取双频激光干涉仪动态测量相位卡 中差值整周期计数单元2和相位测量控制单元3中锁存的测量结果。该模块 根据整周期计数和相位细分结果合成测量信号和参考信号的相位差ψ，进而 计算出对应待测目标位移除了实时显示待测目标位移外，应用 软件还提供数据记录和管理功能。

为了测试用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统的长时间工 作稳定性，使用Agilent的33522A信号发生器产生的信号作为参考信号和测 量信号，信号频率设定为1MHz，每1秒进行一次采样，实验结果如图3所 示。从实验结果中可以看出，动态测量用相位卡的示值稳定性保证在±0.4° 的范围之内，最大正向抖动是0.394845°，最大负向抖动是-0.34204°，而且测 量过程当中没有出现明显的测量结果跃变的情况。

为了测试用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统的相位测量 精度，使用Agilent的33522A信号发生器作为信号源，待测相位调节范围是 0~3600°，每隔90°进行一次采样比对，信号频率为1MHz，实验结果如图4 所示。实验结果换算成位移量表示，分析实验结果可知，相位测量系统回归 方程为y=x-0.0004，最大测量偏差0.001062μm。

综上所述，通过整周期计数单元和基于动态脉冲提取的相位细分测量单 元的配合，用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统可以对测量信 号和参考信号的瞬态相位差进行测量，进而实现对运动过程当中待测目标位 移的实时测量。