[发明专利]一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高速模数转换器的双频激光干涉仪多轴位移信号处理方案，特别涉及一种高速信号处理方法，实现测量数据输出。

背景技术

双频激光干涉仪由于具有高分辨率高精度大量程的特点，被广泛应用于精密和超精密领域。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，可进行许多几何量如长度、角度、直线度、平行度等的测量，如专利200410053441.4、专利200420090576.3和200910052180.7所描述。

双频激光干涉仪的输出信号包括测量信号和参考信号，后续电路需要通过处理测量信号和参考信号来解算位移，输出测量数据。传统的双频激光干涉仪干涉位移电子信号处理方法，实现单轴位移解算就需要许多功能模块，电路结构复杂，非常不利于多轴测量的集成：专利200710099496.2实现方法的模拟电路复杂，处理后的脉冲位移信号不能实现高分辨率细分；专利200710099495.8采用全数字锁相环实现倍频计数面临高速干涉位移信号处理困难问题；专利201010273357.9所描述方法包括6级预处理电路更为复杂，非常不利于高速干涉位移信号处理以及多轴测量集成。因此一种电路结构简单利于多轴集成，又能满足高分率要求的双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法亟待提出。

发明内容

本发明的目的是提供一种双频激光干涉仪多轴位移信号处理方法，在电路简单易于实现多轴测量集成的情况下，能够同时实现双频激光干涉仪的高分辨率位移测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

1)当前时刻双频激光干涉仪的第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r经过滤波放大模块后，在测量触发时钟驱动下，采用高速模数转换器模块对所述的l个轴的测量信号和所述的参考信号进行模数转换，所述滤波放大模块包括N个滤波放大电路，所述高速转换器模块包括N个高速模数转换器，其中N＝2*l+2，l＝1，2，3，…；

2)经过模数转换后所述第一轴的测量信号s₁和c₁、第二轴的测量信号s₂和c₂……第l轴的测量信号s_l和c_l以及参考信号s_r和c_r均进入高速现场可编程逻辑门阵列(FPGA)：对所述第一轴测量信号s₁、第二轴测量信号s₂……第l轴测量信号s_l的整周期分别进行计数得到第一轴整数部分n₁、第二轴整数部分n₂……第l轴整数部分n_l，并通过第一轴测量信号s₁和c₁计算第一轴小数部分m₁，通过第二轴测量信号s₂和c₂计算第二轴小数部分m₂……通过第l轴测量信号s_l和c_l计算第l轴小数部分m_l；对所述参考信号s_r的整周期进行计数得到参考轴整数部分n_r，并通过所述参考信号s_r和c_r计算参考轴小数部分m_r；

3)第k轴的位移L_k按如下公式计算：设双频激光干涉仪的每波长细分数为K，位移分辨率为Δ，则第k轴的位移I_k为L_k＝[(n_k-n_r)+(m_k-m_r)]*K*Δ，其中k＝1，2，…，l。

上述技术方案中，其特征在于，步骤1)中所述测量触发时钟驱动所述N个高速模数转换器和所述高速FPGA的时间差小于所述N个高速模数转换器的孔径时间，其中：N＝2*l+2，l＝1，2，3，…。

特别的是，所述N个高速模数转换器的孔径时间由以下公式确定：

设双频激光干涉仪的位移分辨率为Δ，测量对象的最大速率为v，则所述N个高速模数转换器的孔径时间t_ap必须满足：t_ap≤Δ/v。