專(zhuān)利名稱(chēng)：一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
在精密測(cè)量及超精密測(cè)量領(lǐng)域，激光干涉技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。在激光干涉技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，測(cè)量精度達(dá)到了微納米、納米級(jí)。光電轉(zhuǎn)換器件及電子技術(shù)的應(yīng)用改變了外差信號(hào)的處理方法，外差、準(zhǔn)外差、自動(dòng)記錄，電子細(xì)分等技術(shù)極大提高了干涉信號(hào)的處理精度和速度?！敖涣鳌备缮?，即根據(jù)將有效信號(hào)譜移到高頻段的思想，使干涉信號(hào)的信噪比大大提高。隨著納米科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的飛速發(fā)展，對(duì)納米測(cè)量技術(shù)提出了更高的測(cè)量要求，這就要求納米測(cè)量技術(shù)向著大量程、高分辨率、多功能、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)化等方向發(fā)展。外差信號(hào)的處理方法分為頻率解調(diào)和相位解調(diào)，頻率解調(diào)法是將干涉儀測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)位移的加減系列脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果，典型的是鎖相倍頻計(jì)數(shù)，以電子倍頻、混頻及計(jì)數(shù)電路為基礎(chǔ)，對(duì)外差信號(hào)的多普勒頻差進(jìn)行“放大”計(jì)數(shù)。在倍頻電路中，應(yīng)根據(jù)鎖相環(huán)的鎖定范圍合理設(shè)計(jì)倍頻系數(shù)，若超出將造成失鎖。同時(shí)由于倍頻后信號(hào)的頻率很高，對(duì)電子技術(shù)、電子器件的要求較高，后期電路設(shè)計(jì)難度增大，有待進(jìn)一步研究。相位解調(diào)法，當(dāng)外差干涉儀的測(cè)量鏡移動(dòng)時(shí)，測(cè)量光束空間光程發(fā)生變化從而引起外差干涉信號(hào)的相位變化，利用相位檢測(cè)測(cè)出相位變化，即可獲得被測(cè)量的大小，本質(zhì)就是對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)比相，該方法便捷簡(jiǎn)單。但是相位測(cè)量的法局限性是適用于靜態(tài)測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量不夠完善，即其測(cè)量精度不夠高，實(shí)時(shí)性不夠好。本發(fā)明涉及一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法，即基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合相位測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中采用頻率解調(diào)法存在著倍頻后信號(hào)頻率高，因此對(duì)電子技術(shù)、電子器件的要求較高，后期電路設(shè)計(jì)難度增大，相位解調(diào)法適用于靜態(tài)測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度不高，實(shí)時(shí)性不好等弊端。本發(fā)明不僅可以有效提高動(dòng)態(tài)測(cè)量分辨率，而且可同時(shí)提高信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。本方法基于FPGA 技術(shù)，采用整小數(shù)相結(jié)合，信號(hào)處理結(jié)果通過(guò)USB送入上位機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)追蹤，獲得測(cè) M.fn 息。一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法，其特征在于基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合相位測(cè)量方法，F(xiàn)PGA采用Span3系列的)(C3S1500芯片，該芯片的電流最大10mA，電壓-0. 5 +3. 415V，參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高頻小功率肖特基二極管，進(jìn)行斬波處理后獲得正半周期信號(hào)，然后與FPGA的管腳連接；具體步驟如下A)整周期相位差計(jì)算以100 μ s為計(jì)數(shù)周期，先分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每 100 μ s鎖存，參考信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N1,測(cè)量信號(hào)的計(jì)數(shù)值為隊(duì)，整周期相位差為N1-N2 ；
B)非整周期相位差測(cè)量采用填脈沖法；以參考信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，將第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)初始相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作Ii1并鎖存，末端相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作n2，在第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)，非整周期相位差計(jì)數(shù)值Sn2-H1 ；—；在第i個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)，非整周期相位差計(jì)數(shù)值為 IV1-Ii1 ； (i = 1,2,---, η)C)對(duì)參考信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行填脈沖計(jì)數(shù)，得到該參考信號(hào)的整周期內(nèi)計(jì)數(shù)值
NTr ；D)非整周期相位差為(ni+1-ni)/NTr ； (i = 1,2, —，η)Ε)將整周期相位差Ν「Ν2與非整周期相位差(rii+「ni)/Nft送入加法器進(jìn)行運(yùn)算得到采樣周期內(nèi)的相位差(N1-N2)+ (ni+1-ni)/NTr;(i = 1,2,—,η)F)將Ε)獲得的相位差[(N1-N2)+ Ov1-Ii1)/NtJ與λ /2相乘即得到所測(cè)位移L= X/2[(N「N2) + (ni+1-ni)/NTJ，其中 λ 為激光波長(zhǎng)，λ = 632. 8nm(i = 1，
2,---, η) ο本發(fā)明基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合相位測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量分辨率高，為納米測(cè)量技術(shù)提供了切實(shí)可用和有效的方法。


圖1為本發(fā)明方法原理圖2為大 刪女器的時(shí)序仿真圖3為大 刪女減法運(yùn)算的時(shí)序仿真圖4為小_刪t的填脈沖時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序仿真圖
圖5為小_刪女器的仿真圖6為小_女減法運(yùn)算時(shí)序仿真圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合外差信號(hào)處理方法實(shí)施例用于拍頻信號(hào)為 2. 2MHz的氦氖氣體外差干涉測(cè)量系統(tǒng)。具體實(shí)施方案如下基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合相位測(cè)量方法，F(xiàn)PGA采用Span3系列的)(C3S1500芯片， 該芯片的電流最大10mA，電壓-0. 5 +3. 415V，參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高頻小功率肖特基二極管，進(jìn)行斬波處理后獲得正半周期信號(hào)，然后與FPGA的管腳連接；具體步驟如下A)整周期相位差計(jì)算以100 μ s為計(jì)數(shù)周期，先分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每 100 μ S鎖存，參考信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N1,測(cè)量信號(hào)的計(jì)數(shù)值為隊(duì)，整周期相位差為N1-N2 ；B)非整周期相位差測(cè)量采用填脈沖法；以參考信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示將第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)初始相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作Ill并鎖存，末端相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作1!2，在第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)，非整周期相位差計(jì)數(shù)值為η2_ηι ；—；在第i個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)，非整周期相位差計(jì)數(shù)值為ni+1-ni ;(i = 1,2,—,η)C)對(duì)參考信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行填脈沖計(jì)數(shù)，得到該參考信號(hào)的整周期內(nèi)計(jì)數(shù)值
NTr ；
D)非整周期相位差為(ni+1-ni)/NTr ； (i = 1,2, —，η)Ε)將整周期相位差N1-N2與非整周期相位差(rii+1-ni) /Nlr送入加法器進(jìn)行運(yùn)算得到采樣周期內(nèi)的相位差(N1-N2)+ (ni+1-ni)/NTr;(i = 1,2,—,η)F)將Ε)獲得的相位差[(N1A2) + (rii+1-ni) /NtJ與λ /2相乘即得到所測(cè)位移L= λ/2 [(N1-N2)+ (IV1-Ii1)/NTr] (i = 1,2, -—，η)其中 λ 為激光波長(zhǎng)，λ = 632. 8nm。如圖2所示，在仿真實(shí)驗(yàn)中，clk-50為外部時(shí)鐘信號(hào)50MHz，reSet全局復(fù)位信號(hào)， sr為參考信號(hào)，sm為測(cè)量信號(hào)，q_sr[7:0]為參考信號(hào)計(jì)數(shù)器的輸出，q_sm[70]為測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)器的輸出。大數(shù)計(jì)數(shù)減法運(yùn)算的時(shí)序仿真如圖3所示圖中輸入信號(hào)包括clk_50為外部時(shí)鐘信號(hào)50MHz，reset為全局復(fù)位信號(hào)，sr為參考信號(hào)，sm為測(cè)量信號(hào)；輸出信號(hào)包括doUt[7:0]為減法器的輸出，共八位，cout為減法器的溢出位(0表示未發(fā)生高位借位，1表示高位發(fā)生借位)。由圖中可以看到在一個(gè)采樣周期內(nèi)，整周期相位差計(jì)數(shù)值為9。小數(shù)計(jì)數(shù)的填脈沖時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序仿真如圖4所示圖中clkin_in為外部時(shí)鐘信號(hào)50MHz，rst_in為時(shí)鐘管理器的復(fù)位信號(hào)，clkfx_ out為倍頻后輸出的時(shí)鐘信號(hào)，clk0_out為消除時(shí)鐘抖動(dòng)后的時(shí)鐘信號(hào)，lockecLout為時(shí)鐘管理器的狀態(tài)信號(hào)。在圖中clkfx_out在463. 3. Ons時(shí)產(chǎn)生第一個(gè)上升沿，在470. Ons 處為一個(gè)時(shí)鐘周期，1/(643. 2-636.6) = 150，即完成了倍頻，產(chǎn)生了 150MHz的時(shí)鐘信號(hào)。小數(shù)計(jì)數(shù)器的仿真如圖5所示圖中elk為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)即填脈沖信號(hào)(150MHz) ,reset為全局復(fù)位信號(hào)，sr 為參考信號(hào)，sm為測(cè)量信號(hào)，q[7:0]為小數(shù)計(jì)數(shù)器的輸出，共八位。小數(shù)計(jì)數(shù)減法運(yùn)算時(shí)序仿真如圖6所示圖中en為減法器的使能信號(hào)，reset為全局復(fù)位信號(hào)，s_mr_n[7:0]為非整周期相位差計(jì)數(shù)器的輸出，dout [7:0]為減法器的輸出，共八位，cout為減法器的溢出位(0表示未發(fā)生高位借位，1表示高位發(fā)生借位)。由圖中可以看到在一個(gè)采樣周期內(nèi)非整周期相位差計(jì)數(shù)值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，搭建氦氖激光干涉儀測(cè)量光路，利用納米位移控制臺(tái)，結(jié)合 spartan3開(kāi)發(fā)板，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1101. 03nm根據(jù)位移控制臺(tái)的信息，設(shè)定移動(dòng)量為1095nm，而實(shí)際測(cè)量值為1101. 03nm，誤差 6. 3nm,由于程序運(yùn)行過(guò)程中計(jì)數(shù)器觸發(fā)器等開(kāi)關(guān)門(mén)及計(jì)算延時(shí)等因素造成了該誤差。經(jīng)過(guò)時(shí)序仿真驗(yàn)證及小數(shù)模塊的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方法不僅可以有效提高動(dòng)態(tài)測(cè)量分辨率，而且可以同時(shí)提高信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，為外差信號(hào)處理方法的改進(jìn)及納米測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展做出了具有較大價(jià)值的研究成果，有效的推進(jìn)外差信號(hào)處理技術(shù)的研究與發(fā)展。
權(quán)利要求
1. 一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法，其特征在于基于FPGA的整小數(shù)相結(jié)合相位測(cè)量方法，F(xiàn)PGA采用Span3系列的)(C3S1500芯片，該芯片的電流最大10mA，電壓-0. 5 +3. 415V，參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高頻小功率肖特基二極管，進(jìn)行斬波處理后獲得正半周期信號(hào)，然后與FPGA的管腳連接；具體步驟如下A)整周期相位差計(jì)算以100μ s為計(jì)數(shù)周期，先分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每100 μ s 鎖存，參考信號(hào)的計(jì)數(shù)值為N1,測(cè)量信號(hào)的計(jì)數(shù)值為隊(duì)，整周期相位差為N1-N2 ；B)非整周期相位差測(cè)量采用填脈沖法；以參考信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，將第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)初始相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作Ii1并鎖存，末端相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作η2，在第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)， 非整周期相位差計(jì)數(shù)值為η2-ηι ；—；在第i個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)，非整周期相位差計(jì)數(shù)值為IV1-Ii1 ； (i = 1,2,---, η)C)對(duì)參考信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行填脈沖計(jì)數(shù)，得到該參考信號(hào)的整周期內(nèi)計(jì)數(shù)值Nft；D)非整周期相位差為(ni+1-ni)/NTr； (i = 1,2, —，η)Ε)將整周期相位差N1-R與非整周期相位差(ni+1-ni)/Nft送入加法器進(jìn)行運(yùn)算得到采樣周期內(nèi)的相位差(N1-N2) + (ni+1-ni)/NTr ;(i = 1,2, —，η)F)將Ε)獲得的相位差[(N1-N2)+ (ni+1-ni)/NTr]與λ/2相乘即得到所測(cè)位移 L= X/2[(N「N2) + (ni+1-ni)/NTr]，其中 λ 為激光波長(zhǎng)，λ = 632. 8nm。(i = 1,2,-—，η)
全文摘要
一種外差干涉儀的信號(hào)處理方法，F(xiàn)PGA采用Span3系列的XC3S1500芯片，參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高頻小功率肖特基二極管，進(jìn)行斬波處理后獲得正半周期信號(hào)，然后與FPGA的管腳連接；以100μs為計(jì)數(shù)周期，分別對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每100μs鎖存，整周期相位差為N1-N2；以參考信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，將第一個(gè)采樣計(jì)數(shù)周期內(nèi)初始相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作n1并鎖存，末端相位差計(jì)數(shù)值計(jì)作n2，非整周期相位差計(jì)數(shù)值為n2-n1；第i個(gè)非整周期相位差計(jì)數(shù)值為ni+1-n1；對(duì)參考信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行填脈沖計(jì)數(shù)，得到該參考信號(hào)的整周期內(nèi)計(jì)數(shù)值NTr；采樣周期內(nèi)的相位差為(N1-N2)+(ni+1-n1)/NTr；得到所測(cè)位移L＝λ/2[(N1-N2)+(ni+1-n1)/NTr]，其中λ為激光波長(zhǎng)，(i＝1，2，---，n)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)相位動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量，分辨率高。
文檔編號(hào)G01J9/02GK102230826SQ20111008148
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者句愛(ài)松, 官志超, 時(shí)潁, 邱小倩 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)