激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿方法及装置

摘要

本发明公开了一种激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿方法及装置。激光干涉仪的参考信号和测量信号经信号放大滤波预处理，然后转换为数字信号；将参考信号和测量信号的数字信号依次通过插值滤波、过零仲裁后和相位计数后，采集获得特定时钟计数；根据特定时钟计数进行计算获得计数误差，用计数误差计算获得补偿的相位差。本发明克服了激光干涉仪中由于直流漂移引入的误差，提高了激光干涉仪信号处理中的相位测量精度，适用于各种干涉测量技术。

说明书

技术领域

本发明涉及激光干涉仪信号处理方法及装置，尤其是涉及一种激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿方法及装置。

背景技术

激光干涉仪具有测量范围大、测量精度高和直接溯源至激光波长的特点，广泛应用于高端装备制造、精密测试计量和大科学研究等领域精密位移测量。在激光干涉仪中，通常将被测位移量调制为干涉信号的相位，因此，激光干涉位移测量的信号处理方法主要涉及测量干涉信号和参考干涉信号相位差的检测。干涉信号相位差的检测大致可分为两类：一类为正交相位解调法，采用一对正交的本振信号分别与测量干涉信号和参考干涉信号进行下混频，经滤波和反正切运算后，求得测量干涉信号相位和参考干涉信号相位，再进一步相减得到两路干涉信号相位差，从而实现位移测量，该方法无需测量整个周期的干涉信号即算得到干涉信号相位，具有实时性好的特点；另一类为过零检测鉴相法，通过检测测量干涉信号和参考干涉信号过零点之间的时间间隔以及参考干涉信号的周期来实现相位差测量，具有稳定性好，测量分辨率高的特点，在激光干涉仪得到了大量应用。在激光干涉仪中，光强变化、电路漂移和周围环境气流扰动等因素都会导致干涉信号存在直流偏置漂移，从而影响相位差的测量准确性和稳定性。所以，补偿直流偏置漂移相位误差成为提高激光干涉位移测量准确性和精度需要解决的关键技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿方法及装置。本发明对激光干涉信号的正半周期内和负半周期内的高频时钟分别计数，计算并补偿直流偏置漂移导致的干涉信号正向过零点之间的计数误差，提高了干涉信号相位差测量精度和稳定性，解决了制约激光干涉位移测量精度进一步提高的关键技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿方法：

1)激光干涉仪的参考信号和测量信号经信号放大滤波预处理，然后转换为数字信号；

2)将参考信号和测量信号的数字信号送入可编程逻辑芯片(FPGA)，然后依次通过插值滤波、过零仲裁后和相位计数后，采集获得特定时钟计数；

3)根据特定时钟计数进行计算获得计数误差，用计数误差计算获得补偿的相位差。

所述的插值滤波采用级联积分梳状(CIC)滤波器进行处理。

所述步骤2)中的特定时钟计数具体是包括在相位计数后测得的参考信号和测量信号正半周期内和负半周期内的高频时钟数为N_r+、N_r-和N_m+、N_m-以及参考信号和测量信号正向过零点之间的高频时钟数为N。

所述步骤3)具体为：先通过以下公式求得直流偏置漂移引起的参考信号和测量信号正向过零点之间的计数误差为：

其中，N_r+、N_r-分别表示参考信号在正半周期内和负半周期内的高频时钟数，N_m+、N_m-分别表示测量信号在正半周期内和负半周期内的高频时钟数；

然后采用以下公式计算得到补偿直流偏置漂移相位误差后的参考信号和测量信号之间的相位差为：

其中，N_C表示计数误差。

二、一种激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿装置：

包括第一光电探测器、信号预处理模块、高速模数转换模块、第一CIC插值滤波模块、第一过零仲裁模块、相位计数模块、第二光电探测器、时钟模块、第二CIC插值滤波模块、第二过零仲裁模块和相位差计算模块，第一光电探测器和第二光电探测器均经信号预处理模块连接到高速模数转换模块的输入端，高速模数转换模块的输出端连接到FPGA芯片中。

FPGA芯片内设有第一CIC插值滤波模块、第一过零仲裁模块、相位计数模块、第二光电探测器、时钟模块、第二CIC插值滤波模块、第二过零仲裁模块和相位差计算模块，高速模数转换模块的一个输出端依次经第一CIC插值滤波模块、第一过零仲裁模块后连接到相位计数模块中，高速模数转换模块的另一个输出端依次经第二CIC插值滤波模块、第二过零仲裁模块后连接到相位计数模块中，相位计数模块输出端与相位差计算模块连接，由相位差计算模块输出相位差补偿结果；时钟模块分别与高速模数转换模块、第一CIC插值滤波模块、相位计数模块、第二CIC插值滤波模块连接发送高频时钟信号。

由第一光电探测器和第二光电探测器探测到激光外差干涉仪的参考信号和测量信号，经过信号预处理电路进行滤波放大，滤波放大后两路信号经高速模数转换模块采集转换为数字信号；经模数转换后的参考信号依次经第一CIC插值滤波模块插值滤波和第一过零仲裁模块过零仲裁后，产生参考信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号，并送至相位计数模块；经模数转换后的测量信号依次经第二CIC插值滤波模块插值滤波和第二过零仲裁模块过零仲裁后，产生测量信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号，并送至相位计数模块。

所述的时钟模块向高速模数转换模块提供125MHz的时钟信号触发高速模数转换模块工作，同时向第一CIC插值滤波模块和第二CIC插值滤波模块提供250MHz的时钟信号，同时向相位计数模块提供500MHz的高频时钟信号。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过对激光干涉仪中参考信号和测量信号正半周期内和负半周期内的高频时钟个数进行计数，实现了对直流偏置漂移导致的干涉信号相位误差的测量和补偿，从而解决了激光干涉仪中光强变化、电路漂移等引起的直流漂移影响相位测量精度的问题，提高了激光干涉仪信号处理中的相位测量精度和位移测量精度。

本发明适用于干涉测量技术中补偿干涉信号的直流偏置漂移导致的相位误差补偿，以获得补偿相位误差方式提高了激光干涉仪测量结果的准确性和测量精度。

附图说明

图1是本发明装置的原理框图。

图2是本发明方法实施例的波形示意图。

图中：1、第一光电探测器，2、信号预处理模块，3、高速模数转换模块，4、第一CIC插值滤波模块，5、第一过零仲裁模块，6、相位计数模块，7、第二光电探测器，8、时钟模块，9、第二CIC插值滤波模块，10、第二过零仲裁模块，11、相位差计算模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

如图1所示，本发明装置包括第一光电探测器1、信号预处理模块2、高速模数转换模块3、第一CIC插值滤波模块4、第一过零仲裁模块5、相位计数模块6、第二光电探测器7、时钟模块8、第二CIC插值滤波模块9、第二过零仲裁模块10和相位差计算模块11，第一光电探测器1和第二光电探测器7均经信号预处理模块2连接到高速模数转换模块3的输入端，高速模数转换模块3的输出端连接到FPGA芯片中。

具体实施的FPGA芯片内设有第一CIC插值滤波模块4、第一过零仲裁模块5、相位计数模块6、第二光电探测器7、时钟模块8、第二CIC插值滤波模块9、第二过零仲裁模块10和相位差计算模块11，高速模数转换模块3的一个输出端依次经第一CIC插值滤波模块4、第一过零仲裁模块5后连接到相位计数模块6中，高速模数转换模块3的另一个输出端依次经第二CIC插值滤波模块9、第二过零仲裁模块10后连接到相位计数模块6中，相位计数模块6输出端与相位差计算模块11连接，由相位差计算模块11输出相位差补偿结果。

时钟模块8分别与高速模数转换模块3、第一CIC插值滤波模块4、相位计数模块6、第二CIC插值滤波模块9连接发送高频时钟信号。具体是，时钟模块8向高速模数转换模块3提供125MHz的时钟信号触发高速模数转换模块3工作，同时向第一CIC插值滤波模块4和第二CIC插值滤波模块9提供250MHz的时钟信号，同时向相位计数模块6提供500MHz的高频时钟信号。

本发明实施例及其实施过程如下：

本发明的实施例中激光干涉仪为外差干涉仪，光源为双频He-Ne稳频激光器，输出激光波长为632.8nm、频差为2.26MHz，光电探测器的最高工作频率为10MHz，采用一型号为ZYNQ7010的可编程逻辑芯片FPGA来实现激光干涉信号直流偏置漂移相位误差补偿。模数转换器采样频率为125MHz，ZYNQ7010内部工作频率为500MHz，集成ARM A9硬核处理器。

(1)由第一光电探测器1和第二光电探测器7探测到激光外差干涉仪的参考信号和测量信号，经过信号预处理电路2进行滤波放大，滤波放大后两路信号经传输线到达信号处理板，经信号处理板上的高速模数转换模块3采集转换为数字信号；

(2)经模数转换后的参考信号依次经第一CIC插值滤波模块4插值滤波和第一过零仲裁模块5过零仲裁后，产生参考信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号，并送至相位计数模块6；

(3)经模数转换后的测量信号依次经第二CIC插值滤波模块9插值滤波和第二过零仲裁模块10过零仲裁后，产生测量信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号，并送至相位计数模块6。

(4)然后在相位计数模块6中，根据第一过零仲裁模块5输出的参考信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号、第二过零仲裁模块10输出的测量信号的正向过零触发信号和负向过零触发信号，分别计算参考和测量信号的正半周期内和负半周期内的高频时钟个数N_r+、N_r-和N_m+、N_m-，以及参考信号正向过零点和测量信号正向过零点之间的高频时钟个数N；

(5)相位差计算模块11根据相位计数模块6测得的N_r+、N_r-、N_m+、N_m-和N，得到直流偏置漂移引起的参考信号正向过零点和测量信号正向过零点之间的计数误差为：

从而得到补偿直流偏置漂移相位误差后的参考信号和测量信号之间的相位差为：

具体实施结合如图2所示的信号实际波形图，对直流偏置漂移相位误差补偿原理进行了进一步说明：

图中v_r(t)和v_m(t)分别表示外差干涉仪中的参考信号和测量信号，当激光光强变化、电路漂移等导致v_r(t)和v_m(t)分别存在直流漂移量V_r′和V′_m时，如果以理想的零点电压V_r＝0和V_m＝0进行过零判断，则会将A和B识别为v_r(t)和v_m(t)的过零点，从而计得v_r(t)与v_m(t)的正向过零点之间的高频时钟个数为N。

然而从图2中可以看出，v_r(t)与v_m(t)的实际正向过零点分别为A′和B′，A′和B′之间的高频时钟个数为N′，当直流偏置漂移V_r′≠V′_m时，根据理想过零点A和B测得的N和实际的N′不相等，这就会带来直流偏置漂移相位测量误差，因此需要对N进行补偿。

通过检测参考信号v_r(t)和测量信号v_m(t)正半周期内和负半周期内的高频时钟个数，对直流偏置漂移引起的相位误差进行补偿。如图2所示，仍然以理想的零点电压V_r＝0和V_m＝0进行过零判断，分别测得v_r(t)和v_m(t)在正半周期内和负半周期内的高频时钟个数为N_r+、N_r-和N_m+、N_m-，则v_r(t)的零点漂移计数误差为：

v_m(t)的零点漂移计数误差为：

因此，直流漂移导致的v_r(t)和v_m(t)的过零点之间的计数误差为：

实际过零点A′和B′之间的高频时钟个数为：

N′＝N-N_C>

从而得到补偿直流偏置漂移相位误差后，v_r(t)和v_m(t)之间的相位差为：

综上，本发明方法以非常简单有效的方式解决了由激光干涉仪中，光强变化、电路漂移等因素引起的直流漂移所带来的相位测量误差，保证了激光干涉信号处理的正确性，而且该信号处理方法非常易于实现，具有其突出显著的技术效果。