一种激光干涉测量信号处理装置及信号细分方法与流程

1.本发明涉及高精密测量技术领域，尤其是一种激光干涉测量信号处理装置及信号细分方法。


背景技术：

2.要想使得干涉仪实现高精度纳米级精度的测量，首先要获得高分辨率。目前,提高干涉仪分辨率的方法主要有两种：一是通过电路对干涉信号进行细分；二是对光程差进行倍增。激光干涉测量系统的因结构等因素，采用光程差倍频有限，为此要提供测量精度在很大程度上取决于信号处理及细分方法。
3.对干涉仪输出的周期性两路正交信号进行细分，若采用硬件细分，细分数越高，电子系统越复杂，处理电路中的带来噪声会给系统增加非线性误差；若采用软件细分，常利用判别卦限和查表法实现细分，但是要实现高倍细分就需要修改程序和正切表，这种软件查询，细分速度慢，主要用于输入信号频率不高的测量系统中，一定程度制约了激光干涉测量系统在实时、高速等场景的应用。


技术实现要素：

4.本发明的首要目的在于提供一种能够提高激光干涉位移测量系统的分辨率，从而实现激光干涉测量系统的高精度、高速、实时动态响应要求的激光干涉测量信号处理装置。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种激光干涉测量信号处理装置，包括：
6.四倍程偏振光单元，采用偏振分光镜以及λ/4波片，利用光程差放大技术对信号进行4倍细分，干涉条纹进行空间移相得到相位依次相差90
°
的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4；
7.光电信号转换单元，采用四路光电探测器使四路光强信号e1、e2、e3、e4分别转换为四路正交的电流信号i1、i2、i3、i4；
8.信号前置放大调理单元，采用i/f转化设置将电流信号i1、i2、i3、i4转化为电压信号v1、v2、v3、v4，并对其进行后级采取放大电路、直流调节电路、低通滤波电路后运算放大与调理；
9.信号差分运算单元，将v1、v2、v3、v4相位相反的两个干涉光信号通过加法电路消除信号中的直流分量，得到两个共模抑制比较好正交信号再将这两路差动干涉信号送入模拟电路进一步放大和调理，再采用减法电路对相位相反的四路v1、v2、v3、v4电压信号两两相减，输出正交电压信号v5和v6；
10.正交信号补偿单元，对正交电压信号v5和v6进行a/d高速转换后，依据正交矢量圆修正模型，进行高速实时自动修正和补偿，并将电压信号v5和v6合成为矢量圆信号v7；
11.正交信号插值细分计数单元，在每个信号周期内对矢量圆信号v7进行连续插值，配合20位可逆计数器对信号周期进行计数，对两路正交信号周期内对信号以8m/s高速a/d
采样频率进行16位插值细分；
12.所述四倍程偏振光单元的输出端与光电信号转换单元的输入端相连，光电信号转换单元的输出端与信号前置放大调理单元的输入端相连，信号前置放大调理单元的输出端与信号差分运算单元的输入端相连，信号差分运算单元的输出端与正交信号补偿单元的输入端相连，正交信号补偿单元的输出端与正交信号差值细分计数单元的输入端相连。
13.所述正交信号插值细分单元包括：
14.可逆计算模块，采用正/反向并行计数的双向计数器，采用20位二进制补码，对正反向位移测量的整周期信号进行计数；
15.插值模块，对单周期信号进行16位连续插值，并实时输出插值数；
16.复位模块，当正交信号直流电平和幅度漂移相对误差大于5％时，矢量圆信号v7发生异常时，启动报警功能并对该模块进行及时复位。
17.本发明的另一目的在于提供一种激光干涉测量信号处理装置的信号细分方法，该方法包括下列顺序的步骤：
18.(1)初始化，通过四倍程偏振光单元的偏振分光镜以及λ/4波片对干涉条纹进行4倍程信号细分，再通过空间移相得到相位依次相差90
°
的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4；
19.(2)通过光电信号转换单元，采用差分零偏设计的四通道探测电路进行光电转换，分别将四倍程偏振光单元的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4转换为电流信号i1、i2、i3、i4；
20.(3)再通过信号前置放大调理单元，采用电流转化电压电路，将电流信号i1、i2、i3、i4转化为电压信号v1、v2、v3、v4，并通过放大电路、直流调节电路、低通滤波电路，对电压信号进行运算放大与调理；
21.(4)再通过信号差分运算单元，将v1、v2、v3、v4相位相反的两个干涉光信号通过加法电路消除信号中的直流分量，得到两个共模抑制比较好正交信号再将这两路差动干涉信号送入模拟电路进一步放大和调理，经过该单元装置中各级处理电路后，采用减法电路对相位相反的四路电压信号两两相减，即v1
‑
v2，v3
‑
v4，最终得到两路相位差为90
°
的正交电压信号v5和v6；
22.(5)再通过正交信号补偿单元，对处理后的两路正交电压信号v5和v6进行a/d高速转换后，加载正交矢量圆修正模型，进行高速实时自动修正和补偿，并将电压信号v5和v6合成为矢量信号v7；
23.(6)再通过正交信号插值细分计数单元，对周期信号进行计数的同时，对不足一个周期的信号进行插值；对正交矢量合成信号是否具备插值做判断，若不符合，自动修正后进行插值细分。
24.所述步骤(5)所述的正交矢量圆修正模型具体指：
25.当两路正交信号存在非正交、非等幅时，矢量合成信号v7在x、y轴方向分量表述为：
26.27.其中，i'
x
为矢量信号v7在x轴方向分量、i'
y
为矢量信号v7在y轴方向分量，α表示非正交误差；g为两路测量信号振幅的比值；p、q分别是两路测量信号的直流漂移大小；当α≠0、g≠1或p≠q时，合成的矢量圆信号是一个椭圆而非标准圆，此时椭圆方程与g、p、q的关系描述为：
[0028][0029]
将(1
‑
2)式简化为:
[0030][0031]
其中，r为椭圆方程的变半径，a、b、c、d、e分别为椭圆方程的不同系数，系数a＝r2cos2α
‑
p2‑
g2q2–
2gpqsinα；系数b＝
‑
g2；系数c＝
‑
2gsinα；系数d＝2p 2gqsinα；系数e＝2g2q 2gpsinα；
[0032]
通过多元线性回归法，分别计算求出系数a、b、c、d、e，得出α、g、r、p、q，如式(1
‑
4)：
[0033][0034]
通过补偿修正，矢量信号合成是一个标准圆矢量信号v7：
[0035][0036]
所述步骤(6)中的对正交矢量合成信号是否具备插值做判断，若不符合，自动修正后进行插值细分具体是指：
[0037]
(6a)首先启动判断，对原始信号的相位角正交度、直流电平、幅度漂移相对误差是否小于5％时进行判断，自动修正补偿使合成矢量圆信号v7为标准圆；
[0038]
(6b)再通过20位二进制补码可逆计算电路，记录测量正反向整周期信号的计数n；
[0039]
(6c)然后以8m/s速率对非整周期信号进行16位插值采样，并对合成矢量圆信号v7的波形、振幅和相位分别进行插值采样，采用映射变换方式，通过细分算法对信号实现的200倍细分；
[0040]
(6d)最后通过合成四倍程偏振光单元的信号4倍细分和正交信号插值计数200倍细分，最终实现激光干涉位移测量系统的激光波长λ的800倍信号细分，使激光干涉位移测量系统分辨率达λ/800；
[0041]
(6e)当正交信号相位正交度、直流电平和幅度漂移相对误差大于5％时，矢量圆信号v7将发生畸变，停止插值信号细分计数，重新复位激光干涉测量信号处理装置。
[0042]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明消除了信号直流分量，
可以提高干涉信号的质量实现激光干涉仪测量信号，采用高速插值细分技术，较传统细分技术，速度更快，动态响应更高。第二，本发明采用信号细分方法，先采用4倍倍程技术对信号进行细分，再通过该信号处理装置高速地实现了16位连续插值的200倍信号细分，最终测量系统的分辨率提升了800倍，系统动态响应缩短为0.01秒。
附图说明
[0043]
图1是本发明的装置结构原理框图；
[0044]
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0045]
如图1所示，一种激光干涉测量信号处理装置，包括：
[0046]
四倍程偏振光单元，采用偏振分光镜以及λ/4波片，利用光程差放大技术对信号进行4倍细分，干涉条纹进行空间移相得到相位依次相差90
°
的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4；
[0047]
光电信号转换单元，采用四路光电探测器使四路光强信号e1、e2、e3、e4分别转换为四路正交的电流信号i1、i2、i3、i4；
[0048]
信号前置放大调理单元，采用i/f转化设置将电流信号i1、i2、i3、i4转化为电压信号v1、v2、v3、v4，并对其进行后级采取放大电路、直流调节电路、低通滤波电路后运算放大与调理；
[0049]
信号差分运算单元，将v1、v2、v3、v4相位相反的两个干涉光信号通过加法电路消除信号中的直流分量，得到两个共模抑制比较好正交信号再将这两路差动干涉信号送入模拟电路进一步放大和调理，再采用减法电路对相位相反的四路v1、v2、v3、v4电压信号两两相减，输出正交电压信号v5和v6；
[0050]
正交信号补偿单元，对正交电压信号v5和v6进行a/d高速转换后，依据正交矢量圆修正模型，进行高速实时自动修正和补偿，并将电压信号v5和v6合成为矢量圆信号v7；
[0051]
正交信号插值细分计数单元，在每个信号周期内对矢量圆信号v7进行连续插值，配合20位可逆计数器对信号周期进行计数，对两路正交信号周期内对信号以8m/s高速a/d采样频率进行16位插值细分；
[0052]
所述四倍程偏振光单元的输出端与光电信号转换单元的输入端相连，光电信号转换单元的输出端与信号前置放大调理单元的输入端相连，信号前置放大调理单元的输出端与信号差分运算单元的输入端相连，信号差分运算单元的输出端与正交信号补偿单元的输入端相连，正交信号补偿单元的输出端与正交信号差值细分计数单元的输入端相连。
[0053]
所述正交信号插值细分单元包括：
[0054]
可逆计算模块，采用正/反向并行计数的双向计数器，采用20位二进制补码，对正反向位移测量的整周期信号进行计数；
[0055]
插值模块，对单周期信号进行16位连续插值，并实时输出插值数；
[0056]
复位模块，当正交信号直流电平和幅度漂移相对误差大于5％时，矢量圆信号v7发生异常时，启动报警功能并对该模块进行及时复位。
[0057]
如图2所示，本方法包括下列顺序的步骤：
[0058]
(1)初始化，通过四倍程偏振光单元的偏振分光镜以及λ/4波片对干涉条纹进行4倍程信号细分，再通过空间移相得到相位依次相差90
°
的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4；
[0059]
(2)通过光电信号转换单元，采用差分零偏设计的四通道探测电路进行光电转换，分别将四倍程偏振光单元的四路干涉输出光强信号e1、e2、e3、e4转换为电流信号i1、i2、i3、i4；
[0060]
(3)再通过信号前置放大调理单元，采用电流转化电压电路，将电流信号i1、i2、i3、i4转化为电压信号v1、v2、v3、v4，并通过放大电路、直流调节电路、低通滤波电路，对电压信号进行运算放大与调理；
[0061]
(4)再通过信号差分运算单元，将v1、v2、v3、v4相位相反的两个干涉光信号通过加法电路消除信号中的直流分量，得到两个共模抑制比较好正交信号再将这两路差动干涉信号送入模拟电路进一步放大和调理，经过该单元装置中各级处理电路后，采用减法电路对相位相反的四路电压信号两两相减，即v1
‑
v2，v3
‑
v4，最终得到两路相位差为90
°
的正交电压信号v5和v6；
[0062]
(5)再通过正交信号补偿单元，对处理后的两路正交电压信号v5和v6进行a/d高速转换后，加载正交矢量圆修正模型，进行高速实时自动修正和补偿，并将电压信号v5和v6合成为矢量信号v7；
[0063]
(6)再通过正交信号插值细分计数单元，对周期信号进行计数的同时，对不足一个周期的信号进行插值；对正交矢量合成信号是否具备插值做判断，若不符合，自动修正后进行插值细分。
[0064]
所述步骤(5)所述的正交矢量圆修正模型具体指：
[0065]
当两路正交信号存在非正交、非等幅时，矢量合成信号v7在x、y轴方向分量表述为：
[0066][0067]
其中，i'
x
为矢量信号v7在x轴方向分量、i'
y
为矢量信号v7在y轴方向分量，α表示非正交误差；g为两路测量信号振幅的比值；p、q分别是两路测量信号的直流漂移大小；当α≠0、g≠1或p≠q时，合成的矢量圆信号是一个椭圆而非标准圆，此时椭圆方程与g、p、q的关系描述为：
[0068][0069]
将(1
‑
2)式简化为:
[0070][0071]
其中，r为椭圆方程的变半径，a、b、c、d、e分别为椭圆方程的不同系数，系数a＝r2cos2α
‑
p2‑
g2q2–
2gpqsinα；系数b＝
‑
g2；系数c＝
‑
2gsinα；系数d＝2p 2gqsinα；系数e＝2g2q 2gpsinα；
[0072]
通过多元线性回归法，分别计算求出系数a、b、c、d、e，得出α、g、r、p、q，如式(1
‑
4)：
[0073][0074]
通过补偿修正，矢量信号合成是一个标准圆矢量信号v7：
[0075][0076]
所述步骤(6)中的对正交矢量合成信号是否具备插值做判断，若不符合，自动修正后进行插值细分具体是指：
[0077]
(6a)首先启动判断，对原始信号的相位角正交度、直流电平、幅度漂移相对误差是否小于5％时进行判断，自动修正补偿使合成矢量圆信号v7为标准圆；
[0078]
(6b)再通过20位二进制补码可逆计算电路，记录测量正反向整周期信号的计数n；
[0079]
(6c)然后以8m/s速率对非整周期信号进行16位插值采样，并对合成矢量圆信号v7的波形、振幅和相位分别进行插值采样，采用映射变换方式，通过细分算法对信号实现的200倍细分；
[0080]
(6d)最后通过合成四倍程偏振光单元的信号4倍细分和正交信号插值计数200倍细分，最终实现激光干涉位移测量系统的激光波长λ的800倍信号细分，使激光干涉位移测量系统分辨率达λ/800；
[0081]
(6e)当正交信号相位正交度、直流电平和幅度漂移相对误差大于5％时，矢量圆信号v7将发生畸变，停止插值信号细分计数，重新复位激光干涉测量信号处理装置。
[0082]
综上所述，本发明可以实现激光干涉测量系统分辨率的提高，采用光倍程4倍细分以及本装置高速16位连续插值200细分方法，使测量系统的分辨率提高了800倍，从而满足了激光干涉测量系统的高精度要求，采用高速信号处理及连续插值技术提高了激光干涉位移测量系统的动态能力，系统动态频率测量响应由0.1秒提升为0.04秒。