外差幹涉儀信號處理——相位和相位整數測量法的製作方法

2023-09-24 02:11:45 2

專利名稱：外差幹涉儀信號處理——相位和相位整數測量法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種外差幹涉儀的信號處理新方法，即相位和相位整數測量法。
已有技術的外差幹涉儀(包括雙頻雷射幹涉儀)系統以其信噪比高，抗幹擾能力強，易於實現高解析度，測量速度快等特點，在科研和生產中得到廣泛應用。已有的外差幹涉儀信號處理方法中有一種是清華大學光學儀器教研組在科學基金項目「光學探針測量表面粗糙度」採用的相位測量技術。即通過測量測量信號的相位相對於參考信號的相位變化，從而獲得被測物理量的變化。被測物理量的大小與相位差的關係為L＝(φ/4π)λ。這種信號處理方法具有可實現高分辯率，和可用於動態信號處理，但是它測量範圍不能超過±2π，即被測物理量變化不能超過±λ/2。為了擴大測量範圍，採用了分頻技術，即以犧牲測量的解析度來擴大測量範圍。因此它的應用範圍受到限制。
本發明的目的是尋求一種新的外差幹涉儀信號處理方法，同時具有高解析度、大測量範圍和動態信號處理功能。
本發明的內容是採用了相位測量技術和超過2π相位變化的相位整數測量技術，實現對外差幹涉儀信號和任何涉及相位測量的信號處理，包括數字相位調製方法，即將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號，還包括超過2π相位變化的相位整數測量方法，即由相位調製器輸出的調寬信號，經過整數相位測量電路，產生被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位的測量。本發明的信號處理方法的電路方框圖包括相位調製器，調寬信號解調器，整數相位測量電路，可逆計數器，採樣邏輯及組合邏輯電路，I/O接口電路和計算機系統。
在相位測量原理上，採用數字相位調製方法，將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號。該調寬信號的調製寬度Tm代表這兩路信號的相位差的大小Tm＝Tφ/2π (1)其中T是調製信號的周期，φ是被測信號的相位差。該調寬信號可以用下式表示
將(2)式用付氏級數展開得V(t)＝φ/4π+∑[Sin(nφ)Cos(2πnft)+(1-Cos(nφ))Sin(2πnft)] (3)通過對該調寬信號進行解調，剔除信號中的調製信號及其諧波信號，則得到一個反映相位差的模擬信號。當被測相位差從絕對值360°變到大於360°時，該模擬輸出信號由絕對值最大變到零。
整數相位測量是利用相位調製器輸出的調寬信號的特徵實現的。從相位調製器輸出的調寬信號具有這樣的特徵當被測相位差從絕對值2π變到超過2π時，調寬信號的調製寬度總是從調製最深，變到調製為零。因此，利用上面提到的調寬信號這一特徵，經過整數相位測量電路作用，產生反映被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位整數測量。該整數檢測電路具有下面特點1.當被測相位差的絕對值由2π變到超過2π時，產生計數脈衝。
2.該電路生成兩路反映整數相位的信號一路反映被測相位增加的整數相位個數，另一路則反映被測相位減少的整數相位個數。
3.計數脈衝為寬度等於調製信號一個周期的負脈衝信號。
從原理上講，當被測相位差的絕對值由2π變到大於2π時，從相位解調電路輸出的模擬信號為一個由最大值到零的階躍信號。但是實際上，由於調寬解調電路具有積分特性，因此該階躍則是一個過渡過程。如果此時對相位測量電路的輸出進行採樣，那麼所採集到的信息將是一個錯誤的相位值，因此，在實現本發明時，採用了兩路相同的相位測量電路。主相位測量電路直接測量參考信號與測量信號的相位差，而輔助相位測量電路則測量將參考信號相移π後的信號與測量信號的相位差。這樣，從這兩個相位測量電路輸出的相位值相差π。在測量過程中，當主相位測量電路輸出的模擬信號發生跳變時，輔助相位測量電路的輸出剛好為π相位所對應的模擬量值。這時只須對輔助相位測量電路的輸出進行採樣，從而避免上述錯誤發生。
在測量過程中，對兩個相位測量電路輸出的模擬信號採樣和計算最後相位差值，必須服從下面兩個條件(1)當測量信號與參考信號的相位差的絕對值為π/2≤φ≤3π/2時，對主相位測量電路的輸出進行採樣，否則則對輔助相位測量電路的輸出進行採樣。
(2)當對輔助相位測量電路的輸出進行採樣時，計算最後相位差值要遵循在未產生整數相位脈衝信號時，應將採樣值的絕對值加上π;而在產生計數脈衝後，則將採樣值絕對值減去π。


圖1是已有技術原理框2是本發明原理框3是本發明原理4是計算機系統數據採集流程圖。
下面結合附圖詳細介紹發明內容。圖3是本發明原理圖。圖中1是主相位測量電路相位調製器，12是輔助相位測量電路相位調製器，2和13是調寬信號解調器，4、5、9、8是電平採樣保持電路，3和7是時序分配電路，6和10是電平鑑別電路，11是π相移電路，14是採樣時序合成電路，15是下降沿鑑別電路，16是上升沿鑑別電路，17是電平合成電路，18是A/D轉換器，19是可逆計數器，20是狀態寄存器，21是I/O接口，22是計算機。
來自外差幹涉儀的測量信號Fm和參考信號Fr分別輸入給主相位測量電路的相位調製器1的兩個輸入端上。從相位調製器1輸出的是兩路負脈衝調寬信號一路是反映參考信號相位超前測量信號相位時的調寬信號，另一路則是參考信號相位落後測量信號相位時的調寬信號。從相位調製器1輸出的調寬信號，經過調寬信號解調電路2，則輸出一個對應參考信號與測量信號相位差大小的模擬信號。該模擬信號為主相位測量電路輸出信號。同時，輸入的參考信號經過π相移電路11後，與測量信號一起加在輔助相位測量電路的相位調製器12上。從該相位調製器12輸出的兩路調寬信號經過調寬信號解調電路13，變成一個反映這兩路輸入信號相位差的模擬信號，即為輔助相位測量電路輸出信號。這兩路模擬信號加在A/D轉換電路18的兩個模擬通道上。
整數相位測量是通過下面環節實現的將當參考信號相位超前時，相位調製器1輸出端輸出的調寬信號，輸入到兩個電平採樣保持電路4、5上，以參考信號為基準，時序分配電路3產生出參考信號的3/4周期和1/4周期兩路時序信號。在整數相位測量時，時序分配器發出的兩路時序信號將控制電平採樣保持電路4、5對輸入的調寬信號的前一個周期的3/4周期處，和後一個周期的1/4周期處的電平進行採樣。如果電平採樣保持電路4、5採集到的電平反映調寬信號由調製最深變到調製最小時，電平鑑別電路6將產生一個反映參考信號相位超前2π的整數相位脈衝。同樣的原理，以測量信號為基準，時序分配電路7。電平採樣保持電路8，9和電平鑑別電路10對測量信號相位超前時，相位調製器1的調寬信號輸出端輸出的調寬信號進行處理，則得到一個反映測量信號相位超前2π的整數相位的脈衝。這兩路脈衝信號加在可逆計數器19的兩個輸入端上，此時可逆計數器19中的內容即為測量信號與參考信號間相位變化2π的周期數，即得到整數相位。
對主相位測量電路輸出的模擬信號進行採樣，還是對輔助相位測量電路輸出的模擬信號進行採樣，是根據前面所述的採樣轉換條件產生的採樣控制時序進行控制的。該採樣控制時序是通過判別相位調製器1輸出調寬信號的調製寬度是否落在該調寬信號的1/4周期到3/4周期之間實現的。如果輸出的調寬信號的調製寬度落在該調寬信號的1/4周期到3/4周期之間，則對主相位測量電路輸出的模擬信號進行採樣，否則對輔助相位測量電路的輸出進行採樣。在電路原理圖上，利用產生整數相位的電路時序分配電路3，電平採樣保持器4、5和電平籤別器6對參考信號相位超前時相位調製器1對應的輸出的調寬信號進行判別;利用時序分配器7，電平採樣保持器8、9和電平鑑別器10對測量信號超前時相位調製器1對應輸出的調寬信號進行判別。將這兩個判別結果，輸入給採樣控制時序合成電路14，即產生了採樣時序信號。
測量結果合成對序則是利用了相位調製器1和相位調製器12輸出的調寬信號在時序上的差別來實現的即當參考信號相位超前時，由脈衝下降沿比較電路15判別相位調製器1和相位調製器12參考信號相位超前時輸出調寬信號的下降沿。如果相位調製器1輸出的調寬信號的下降沿超前相位調製器12輸出的調寬信號的下降沿，那麼在對輔助相位測量電路輸出的模擬量時進行採樣時，其採樣結果的絕對值應加上π，否則則減去π。同樣當測量信號相位超前，由脈衝上升沿比較電路16判別相位調製器1、12在測量信號相位超前時調寬信號輸出端輸出的調寬信號的上升沿。如果相位調製器1輸出調寬信號的上升沿超前相位調製器12的，那麼在對輔助相位測量電路輸出的模擬量進行採樣時，其採樣結果的絕對值應加上π，否則則減去π。從下降沿比較電路15輸出的信號與從上升沿比較電路16輸出的信號由電平合成電路17產生一個測量結果組合時序信號。這兩個時序信號通過狀態寄存器20，和A/D轉換器18、可逆計數器19，一起通過I/O電路21與計算機22相聯。計算機通過對反映相位小數部分的模擬信號採樣和對反映相位整數變化的可逆計數器內容進行採樣，通過組合計算，即得到被測相位的信息。
圖4是計算機進行數據採集的程序流程圖。在採樣開始時，計算機首先通過I/O電路21鎖定可逆計數器19和狀態寄存器20的內容，然後從狀態寄存器20取反映採樣控制時序信號和合成時序信號。根據採樣時序信號，計算機設置A/D轉換器的模擬通道，啟動A/D變換。在A/D變換期間，計算機取入可逆計數器的內容。當A/D轉換完成以後，計算機將根據採樣時序信號和合成時序信號進行數據處理，最後輸出測量的結果。
權利要求
1.一種外差幹涉儀信號處理方法，包括數字相位調製方法，即將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號，其特徵在於所述的信號處理方法還包括超過π相位變化的相位整數測量方法，即由相位調製器輸出的調寬信號，經過整數相位測量電路，產生被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位整數測量。
2.一種外差幹涉儀信號處理電路，包括相位調製器，調寬信號解調器，其特徵在於還包括整數相位測量電路，可逆計算器，採樣邏輯及組合邏輯電路，I/O接口電路和計算機系統。
全文摘要
本發明涉及一種外差幹涉儀的信號處理新方法，即相位和相位整數測量法。本發明採用了相位測量技術和超過2π相位變化的相位整數測量技術。包括數字相位調製方法，即將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號，還包括超過2π相位變化的相位整數測量方法，即由相位調製輸出的調寬信號，經過整數相位測量電路，產生被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位的測量。本發明具有解析度高，測量範圍大和動態信號處理等功能。
文檔編號G01B9/02GK1055820SQ9110361
公開日1991年10月30日 申請日期1991年6月5日 優先權日1991年6月5日
發明者趙洋, 李達成, 曹芒, 王佳 申請人:清華大學