一种基于微片激光器回馈干涉仪的位移数据处理方法

摘要

本发明涉及一种基于微片激光器回馈干涉仪的位移数据处理方法，包括如下步骤：包括有微片激光器回馈干涉仪、混频器、滤波器、放大器、单端信号适配器、相位计和计算机的外差信号处理系统；将从微片激光器回馈干涉仪得到的光信号输入到滤波器、放大器对信号进行滤波放大处理得到频率单一的光信号；将产生作为稳定的标准信号参与外差相位测量的电信号依次输入到滤波器、放大器对电信号进行滤波放大处理得到频率单一、大幅值的电信号；将产生的信号分别输入到所述单端信号适配器中，单端信号适配器将正弦信号转换为方波信号同时将方波信号输入到相位计中，利用相位计计算外腔相位变化量；将相位计解调出的外腔相位变化量通过计算机计算得到被测物体的位移变化量。本发明可以广泛应用于移频光回馈系统的信号处理中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移数据处理方法，特别是关于一种用于非配合目标的非接触式 精密位移测量的基于微片激光器回馈干涉仪的位移数据处理方法。

背景技术

微片激光器具有极高的光回馈敏感度，把移频光回馈系统与相位外差测量技术结 合，可以实现高分辨率的运动位移测量。外差信号处理系统是基于相位检测的外差干 涉系统的最后环节，也是决定系统精度的重要环节。但是在实际的移频光回馈系统中， 回馈光信号并非标准的正弦信号，从信号功率频谱上观察信号峰值周围存在有大量噪 声，对于这样的低信噪比信号，现有技术通常是采用锁相放大器进行处理，但是其极 窄的检测带宽限制了被测物体的最大运动速度，当被测物体较快运动所引起的信号多 普勒频移超出检测带宽时，锁相放大器无法准确测量其相位变化因而也无法精确测量 被测物体的位移变化量，而且锁相放大器不具备整数计数功能，给使用带来不便。在 微片激光器回馈干涉仪中，待测物体的最大运动速度由下式决定：V_m＝Δv·λ/2，其 中，V_m为被测物体最大运动速度，Δv为外差信号处理系统的检测带宽，λ为激光波 长。由上式可见，限制被测物体最大运动速度的因素是外差信号处理系统的检测带宽。 目前微片激光器回馈干涉仪的量程已经可达1m，但是从实验上看，现有的移频光回馈 系统的测量速度不能超过5μm/s，显然这样的测量速度无法满足实际应用的要求，因 此有必要进一步提高移频光回馈系统的测量速度。

现有技术中由于相位计处理速度高，具有非常宽的检测带宽，允许的最大测速较 大，所以一般用来作为精密相位测量的手段，并在双频激光干涉仪中得到了广泛的应 用。但是微片激光器回馈干涉仪由于采用弱光回馈，其信号的幅值和信噪比都很低， 相位计对被检测信号本身的质量要求较高且相位计本身不具有抑制噪声的功能，所以 无法直接使用相位计进行高分辨率的相位测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效抑制信号噪声、相位测量分辨 率高、具有较宽检测带宽且能够有效提高移频光回馈系统测量速度的基于微片激光器 回馈干涉仪的位移数据处理方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于微片激光器回馈干涉仪的 位移数据处理方法，包括如下步骤：1)设置一包括有微片激光器回馈干涉仪、混频器、 滤波器、放大器、单端信号适配器、相位计和计算机的外差信号处理系统；2)将从所 述微片激光器回馈干涉仪得到反映被测物体位移变化量的光信号依次输入到滤波器、 放大器对信号进行滤波放大处理得到频率单一、大幅值的光信号；3)将产生作为稳定 的标准信号参与外差相位测量的电信号依次输入到滤波器、放大器对电信号进行滤波 放大处理得到频率单一、大幅值的电信号；4)将所述步骤2)和步骤3)产生的信号 分别输入到所述单端信号适配器中，单端信号适配器将正弦信号转换为方波信号同时 将方波信号输入到相位计中，利用相位计计算外腔相位变化量；5)将相位计解调出的 外腔相位变化量通过计算机计算得到被测物体的位移变化量，并将位移变化量的结果 显示在计算机上。

所述步骤2)中微片激光器为普通式微片激光器回馈干涉仪对被测物体进行位移 测量时只有一路测量回馈光信号则相对应只有一路电信号参与外差测相，相对应滤波 器设置有两个滤波通道，分别滤除测量回馈光信号、电信号的噪声并发送到放大器、 单端信号适配器、相位计、计算机完成对被测物体位移变化量的测量和显示。

所述步骤2)中的微片激光器为准共路式微片激光器回馈干涉仪对被测物体进行 位移测量时产生参考回馈光信号和测量回馈光信号，则相对应产生参考电信号和测量 电信号两路标准信号参与外差相位测量，将参考回馈光信号、测量回馈光信号、参考 电信号、测量电信号分别发送到滤波器的四个滤波通道中滤除噪声后依次发送到放大 器、单端信号适配器、相位计、计算机完成对被测物体位移变化量的测量和显示。

所述步骤5)中被测物体的位移变化量ΔL的计算公式如下：

$\mathrm{\Delta L}=\frac{c}{2\mathrm{n\omega }}{\mathrm{\Delta \phi }}_f$

其中，n为空气折射率，c为真空光速，ω为激光频率，Δφ_f为外腔相位变化量。

所述滤波器采用八阶切比雪夫带通滤波器，所述滤波器的每一滤波通道分别外接 一个控制电阻，通过改变每一控制电阻的阻值相对应改变滤波通道的中心频率、通带 和带宽。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用四通道滤波 器，利用两组具有不同中心频率和带宽的滤波通道分别对参考光信号、测量光信号、 参考电信号和测量电信号进行滤波处理，因此可以有效地去除弛豫振荡频率、倍频和 高次谐波等杂波，且将各滤波通道输出的信号分别经放大器放大，因此能有效地增大 各信号的幅值，因此有效抑制噪声且增大信号的幅值使其满足相位计对信号高信噪比、 大幅值的苛刻要求。2、本发明所采用的滤波器，可以根据信号的多普勒频移设置滤波 通道的带宽，在相同的带宽限制下，使滤除参考光信号滤波通道的带宽较小，相对应 使得滤除测量光信号的滤波通道的带宽增大，使得移频光回馈系统测量速度得到很大 地提高。3、本发明采用基于数字鉴相技术的相位计处理速度高，同步测量光的相位变 化量Δφ_m和参考光的相位变化量Δφ_r，而且具有整数和小数一体化相位测量功能，不仅 允许的最大测速较大，而且直接输出最终的相位值而不必进行转换，大大提高相位分 辨率。本发明可以广泛应用于移频光回馈系统的信号处理中。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：本发明以现有技术中的准共路式微片激光器回馈干涉仪为实施例说明 将采集到的被测物体位移变化量的数据进行处理的方法。

如图1所示，现有技术中的准共路式微片激光器回馈干涉仪1包括一微片激光器 11、一分光镜12、两声光移频器13、14、一会聚透镜15、一参考反射镜16、一光电 探测器17和若干挡光板(图中未示出)，其光学元件的具体设置和光路传播路径与现 有技术相同在此不再赘述。本发明包括一外差信号处理系统2，外差信号处理系统2 包括一混频器21，混频器21的两输入端分别连接一与声光移频器13相连接的正弦信 号发生源22和一与声光移频器14相连接的正弦信号发生源23的输出端。混频器21 的其中一输出端连接一倍频器24的输入端，另外一输出端连接一四通道滤波器25的 其中一输入端。倍频器24的输出端连接滤波器25的另外一输入端，滤波器25的其它 两输入端分别连接光电探测器17的两个输出端。滤波器25的四个输出端分别连接放 大器26的四个输入端，放大器26的四个输出端分别连接四通道单端信号适配器27 的四个输入端，单端信号适配器27的四个输出端分别连接一相位计28的四个输入端， 相位计28的两输出端连接到一计算机29上。

本发明基于上述外差信号处理系统2对利用准共式微片激光器回馈干涉仪1得到 被测物体位移变化量数据的处理方法如下：

1)对参考回馈光信号和测量回馈光信号进行滤波放大处理得到频率单一、大幅值 的参考光信号和测量光信号

微片激光器11发出频率为ω的激光，由准共路式微片激光器回馈干涉仪1产生调 制频率为Ω的参考回馈光信号和调制频率为2Ω的测量回馈光信号(参考回馈光信号和 测量回馈光信号具体的产生过程为现有技术，在此不再赘述)，由于参考回馈光信号和 测量回馈光信号中存在弛豫振荡频率等噪声，则将经光电探测器17输出的信号分为两 路并分别发送到滤波器25的中心频率为Ω和中心频率为2Ω的两个滤波通道中，为了 能够将参考回馈光信号和测量回馈光信号区分开，则滤波器25的两个滤波通道的通带 不能重合。经过滤波器25的两个滤波通道则可以滤除与通道中心频率不一致的噪声， 分别得到频率为Ω和2Ω的信号，将这两路频率单一的信号分别发送到放大器26中对 信号的幅值进行放大处理，则将放大后的频率仅为Ω的信号定义为参考光信号S_RO，将 频率仅为2Ω的信号定义为测量光信号S_MO。

2)产生作为稳定标准信号参与外差相位测量的电信号并对其进行滤波放大处理， 得到频率单一、大幅值的参考电信号和测量电信号

正弦信号发生源22产生频率为Ω₁的射频电信号，正弦信号发生源23产生频率为 Ω₂的射频电信号，将两路射频电信号同时发送到混频器21得到二者的差频，即频率 Ω＝Ω₂-Ω₁，将频率为Ω的差频信号分成两路，将其中一路发送到倍频器24中，得到 频率为2Ω的电信号，由于得到的频率Ω和2Ω的电信号中包含有一定的倍频与高次谐 波等杂波，因此将频率Ω和2Ω的电信号分别发送到滤波器25相对应的中心频率为Ω 和中心频率为2Ω的另外两个滤波通道中，滤除杂波后将两路频率单一的信号分别发 送到放大器26中进行放大处理，将最终得到频率仅为Ω的电信号定义为参考电信号 S_RE，将频率仅为2Ω的电信号定义为测量电信号S_ME。

3)分别计算参考光信号和测量光信号的外腔相位变化量

将得到的参考光信号S_RO、测量光信号S_MO、参考电信号S_RE和测量电信号S_ME四路信 号分别发送到单端信号适配器27中将四路正弦信号分别转化为方波信号，然后将参考 光信号S_RO、参考电信号S_RE、测量光信号S_MO和测量电信号S_ME这四路方波信号依次发送 到相位计28中。相位计28将参考光信号S_RO与参考电信号S_RE作为一组计算得到参考 光信号的相位变化Δφ_r，同样，将测量光信号S_MO和测量电信号S_ME为一组计算得到测量 光信号的相位变化Δφ_m，相位计28还可以针对相位差的结果进行整数计数，从而能够 同步解调出参考光信号的相位变化量Δφ_r和测量光信号的相位变化量Δφ_m。

4)位移测量结果计算和显示

测量光信号的相位变化Δφ_m反映了外腔光程的变化，参考光信号的相位变化量Δφ_r则反映了光路中的环境干扰，则二者之差Δφ_f发送到计算机29，计算机29通过计算可 以准确反映被测物体的实际位移变化量，并将计算结果显示在计算机29上，Δφ_f的计 算如下：

Δφ_f＝Δφ_m-Δφ_r

在准共路式微片激光器回馈干涉仪1中，回馈光外腔相位与光程L的关系为：

上述公式中，n为空气折射率，c为真空光速，ω为激光频率。在准共路式微片激 光器干涉仪1中，参考回馈光与测量回馈呈准共路关系，因此它们的折射率n相差很 小，可以认为相同。由于它们的频率之差与光频相比可以忽略，因此可以认为它们的 频率ω也相同，因此对应相位变化量Δφ_f和位移变化量ΔL的关系成比例，则相对应的 被测物体的位移变化量ΔL为如下：

$\mathrm{\Delta L}=\frac{c}{2\mathrm{n\omega }}{\mathrm{\Delta \phi }}_f$

上述实施例中，本发明的滤波器25针对两路光信号和两路电信号的频率，设置有 相对应中心频率的两组不同滤波通道，滤波器25可以采用八阶切比雪夫带通滤波器， 每一阶滤波器25分别外接四个控制电阻，通过改变这四个控制电阻的阻值相对应改变 滤波通道的中心频率、通带和带宽。例如使用的滤波器25的滤波通道的带宽都相同， 假设均设置为40kHz，在准共路式微片激光器回馈干涉仪1中，由于参考反射镜16静 止不动则参考回馈光的多普勒频移很小，因此可以将滤波器25中滤除参考回馈光的通 带范围设计的很窄，相对应滤波器25中滤除测量回馈光的通带就可以较宽。假设滤波 器25的滤除参考回馈光的滤波通道的中心频率为40kHz、滤除测量回馈光的滤波通道 的中心频率为80kHz，将滤除参考回馈光的带宽设置为2kHz、则滤波器滤除参考回馈 光的滤波通道的通带可以是39kHz～41kHz，则滤除测量回馈光的滤波通道的通带就可 以设置为41kHz～119kHz，滤除测量回馈光的滤波通道的通带由原来的40kHz扩大到 78kHz，相对应所能测量的最大速度也增加将近一倍。

上述各实施例中，如果要提高测量速度，可以采用带宽更宽的滤波器25，但是滤 波器25的参数需要与声光移频器的驱动频率匹配。例如所使用声光移频器驱动频率之 差为Ω，则参考光移频量为Ω，测量光移频量为2Ω，因此滤波器25中滤除参考回馈 光噪声的滤波通道的中心频率Ω，通带Ω/2～3Ω/2，带宽为Ω；滤波器25中滤除测 量回馈光噪声的滤波通道的中心频率为2Ω，通带3Ω/2～5Ω/2，带宽为Ω。

上述实施例中，相位计28采用差动鉴相，由正逻辑鉴相得到同向相脉冲计数值， 由负逻辑鉴相得到反向脉冲计数值，由同向脉冲计数值和反向脉冲计数值可以得到最 终的相位变化。相位计28采用差动方法，避免了信号频率变动和脉冲频率漂移的影响。 而且相位计28中的计数同步控制电路可以保证计数器开始和停止的时间间隔为信号 周期的整数倍，不会引入额外的整数计数误差，实现整数的准确计数。

实施例2：本发明以现有技术中的普通式微片激光器回馈干涉仪1为实施例说明 将采集到的被测物体位移变化量的数据进行处理的方法。

如图2所示，现有技术的普通式微片激光器回馈干涉仪与准共路微片激光器回馈 干涉仪相比只是缺少一个参考反射镜16，即同样包括一微片激光器11、一分光镜12、 两声光移频器13、14、一会聚透镜15、一光电探测器17和若干挡光板(图中未示出)， 其具体的光学元件的设置和光路传播与现有技术相同在此不再赘述。由于普通式微片 激光器回馈干涉仪1不存在参考反射镜16，则只有一路测量光回馈光信号不存在参考 回馈光信号。

本发明基于上述外差信号处理系统2对利用普通式微片激光器回馈干涉仪1得到 被测物体位移变化量数据的处理方法如下：

1)对测量回馈光信号进行滤波放大处理得到频率单一测量光信号

微片激光器11发出频率为ω的激光，由普通式微片激光器回馈干涉仪1得到频率 为2Ω的测量回馈光，由于获得测量回馈光中存在弛豫振荡频率等噪声，为了消除噪声 得到频率单一的测量回馈光，则将经光电探测器17输出的信号发送到中心频率为2Ω 的滤波器25一个滤波通道中。经过滤波器25滤除与通道中心频率不一致的噪声，得 到频率2Ω的信号，将其发送到放大器25中对信号的幅值进行放大，将放大后信号定 义为测量光信号S_MO。

2)产生作为稳定的标准信号参与外差相位测量的电信号并对其进行滤波放大处 理，得到测量电信号

正弦信号发生源22产生频率为Ω₁的射频电信号，正弦信号发生源23产生频率为 Ω₂的射频电信号，将两路射频电信号同时发送到混频器21得到二者的差频，即频率 Ω＝Ω₂-Ω₁，将其发送到倍频器24中，得到频率为2Ω的电信号，由于得到的频率2Ω 的电信号中包含有一定的倍频与高次谐波等杂波，因此将其发送到中心频率为2Ω的 滤波器25的一个滤波通道中，将单一频率的信号发送到放大器26中进行放大，将最 终的频率仅为2Ω的电信号定义为测量电信号S_ME。

3)计算测量光的外腔相位变化量

将得到的测量光信号S_MO和测量电信号S_ME两路信号分别发送到两通道单端信号适 配器27中将两路正弦信号分别转化为方波信号，然后将测量光信号S_MO和测量电信号 S_ME这两路方波信号依次发送到相位计28中。在相位计28中将测量光信号S_MO和测量电 信号S_ME为一组计算得到测量光的相位变化Δφ_m。

4)位移测量结果计算和显示

测量光的相位变化Δφ_m反映了外腔光程的变化，则位移变化量ΔL为：

$\mathrm{\Delta L}=\frac{c}{2\mathrm{n\omega }}{\mathrm{\Delta \phi }}_f$

综上所述，本发明的位移数据处理方法不仅仅局限于准共路式微片器回馈干涉仪 的位移数据处理，也可以基于普通的微片激光器回馈干涉仪，由于普通的微片激光器 回馈干涉仪没有参考光信号所以不需要设置参考光信号和参考电信号这两路滤波通 道，则相对应滤波器设置两路滤波通道即可以对噪声的抑制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和实施方法等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。