[发明专利]用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉仪信号相位和位移测量技术领域，特别涉及一种用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统。

背景技术

双频激光干涉仪由于环境适应能力强，测量结果可以溯源至激光波长，因此在高精度位移测量领域有着广泛的应用。通常，双频激光干涉仪用于测量的光学系统部分为迈克尔逊干涉仪，双频激光器发出的双频正交偏振激光经过偏振分光棱镜分光后一路入射到固定角锥上形成参考臂，另一路入射到待测目标上形成测量臂。待测目标的移动会使反射光的频率在原有频率基础上叠加由于运动所引入的多普勒频移，进而产生测量臂信号与参考臂信号的频率差。频率差信号在时间域上的积分可得到信号的相位差。利用光电探测器接收激光干涉信号并将其转化为电信号，由电子系统测量参考信号和测量信号的相位差。再加之激光干涉信号的周期性，参考信号与测量信号的相位差每变化360°，对应待测位移量为激光光波长的二分之一。因此双频激光干涉仪通过精确测量激光干涉信号的相位差可得到待测目标的位移量。

通过双频激光干涉仪的工作原理可知，为了实现高精度的位移测量，需要有可靠的信号相位测量手段。目前能够进行电子信号相位测量的信号处理系统可以分为一下三类。第一类是通过高频脉冲填充得到360°之内的结果，再通过对相位跃变点（360°到0°）的计数得到整周期结果。这种方法的不足在于整周期计数结果会因为光信号的抖动引入计数误差，因此该方法的相位测量结果并不可靠。第二类是通过对输入信号进行锁相倍频，测量倍频后信号360°之内的相位差，再乘以倍频系数得到测量和参考信号的相位差。这种方法的不足在于不能在实现高倍频数的同时保证良好的相频特性，且受模拟电路温漂零漂限制，相位测量精度低。第三类信号处理系统是双向差动数字鉴相，先将参考信号和测量信号进行异或运算，然后测量高电平和低电平的持续时间，进而求出相位值。这种方法的不足在于要求测量信号与参考信号频率相同，即待测目标静止，因此不能实现待测目标运动过程当中的动态信号处理和相位测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统，可以准确测量动态信号的相位，从而可拓宽双频激光干涉仪的应用场合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

用于双频激光干涉仪的动态电子信号相位测量系统，包括：

用于接收参考信号和测量信号的RS485接收器1；

用于接收脉冲提取单元4输出的两组脉冲信号并将脉冲之间的时间间隔转化为数字量的脉冲间隔测量单元6；

接RS485接收器1和脉冲间隔测量单元6的现场可编程门阵列FPGA器件，所述现场可编程门阵列FPGA器件包括用于实时计算所述参考信号和测量信号单位时间内通过本逻辑单元的脉冲个数的差值整周期计数单元2、用于将输入的周期性参考信号和测量信号转换为两组脉冲信号的脉冲提取单元4、接收脉冲间隔测量单元6测量结果的相位测量控制单元3以及用于将差值整周期计数单元2和相位测量控制单元3测量结果发送至测量计算模块7的I/O控制单元5；

用于在Windows操作系统下计算参考信号和测量信号的相位差，然后计算并显示出待测目标的移动距离的测量计算模块7。

所述RS485接收器1、脉冲间隔测量单元6和现场可编程门阵列FPGA器件集成为双频激光干涉仪动态测量相位卡。

所述参考信号和测量信号是以差分形式输入的方波信号，在RS485接收器1中被转换为标准TTL电平的单端信号。

所述相位测量控制单元3向脉冲间隔测量单元6提供时钟信号和控制指令，接收脉冲间隔测量单元6的反馈信号，根据反馈信号启动脉冲提取单元4，最终接收脉冲间隔测量单元6的测量结果。

所述脉冲提取单元4是以测量信号上升沿到来时刻作为采样时刻，将输入的周期性参考信号和测量信号转换为两组脉冲信号：第一组脉冲信号携带采样时刻参考信号和测量信号相邻上升沿的时间间隔信息；第二组脉冲信号携带参考信号周期值的信息。

所述测量计算模块7根据通用串行总线协议，接收差值整周期计数单元2和相位测量控制单元3的测量结果。

所述测量计算模块7包括用于录入数据的数据录入单元

所述测量计算模块7包括用于数据管理的数据管理单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.采用脉冲提取逻辑，将周期信号转换为包含采样时刻相位信息的脉冲信号，与高精度脉冲间隔测量单元配合，实现动态过程中的信号相位差准确测量。