[發明專利]速度、加速度復合預估激光測振相位解調方法

有效

• 申請號: 201810208084.6
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108627235B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 崔俊寧;邊星元;趙亞敏;何張強;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

速度、加速度復合預估激光測振相位解調方法屬于激光測振技術領域；該相位解調方法包括以下步驟：對原始干涉正交信號進行增益和偏置校正，計算相位序列，計算初始位移，預估速度、加速度、位移、相位整數項和相位小數項，根據實際相位小數項與預估相位小數項間的差值確定實際相位整數項和實際位移；本發明可解決零差激光干涉測振技術中傳統相位解調方法在高速振動測量時存在的采樣頻率過高和數據量過大的問題，可有效提高振動測量速度，降低硬件成本和擴大激光測振儀應用范圍。

技術領域

本發明屬于激光測振技術領域，主要涉及一種速度、加速度復合預估激光測振相位解調方法。

背景技術

零差激光測振技術具有結構簡單、測量精度高、動態范圍寬，非線性易于補償等優點，被廣泛應用于位移動態測量、振動測量與監測、超精密裝備與系統集成、科學研究與實驗等領域。高端與尖端領域中零差激光測振儀多采用四通道零差正交激光干涉測振方案，利用偏振光移相干涉技術，獲得兩路正交光電信號，通過相位解調等信號處理，實現位移與振動的高精度測量。然而，一些如超低頻振動校準、半導體光刻等需要高速測量的應用場景對零差激光測振技術提出了新的挑戰。

相位解調是零差激光測振技術實現高速振動信號測量的關鍵技術環節之一，是限制測量速度提高的一個主要因素。傳統的相位解調算法，可對反正切計算結果進行相位展開，確定相位整數項，獲得連續的振動信號，根據奈奎斯特采樣定理，要求采樣率大于兩倍的干涉條紋變化最大頻率，以防止相位整數項的錯誤計算(1.Greco V，Molesini G，Quercioli F.Accurate polarization interferometer.Review of ScientificInstruments，1995，66(7)：3729-3734；2.Pengcheng Hu，et.al.DC-offset homodyneinterferometer and its nonlinearity compensation.Optics Express，2015，23(7)：8399-8408)。然而，該方法在面對測量大行程長周期高速振動信號時，對數據采集處理系統提出了苛刻要求。例如當振動最大速度為314mm/s時，干涉條紋變化頻率為1MHz，要求多通道同步數據采集卡采樣率至少為2MS/s；其次，干涉信號的采樣點數將高達數百兆，如在0.1～0.01Hz振動頻率范圍內，振動幅值峰峰值為1m，單個振動周期同步數據采集卡采集點數至少為20M，同時實際測量時往往需要采集多個振動周期信號取其平均值，存在數百兆的數據量。因此傳統相位解調算法應用于超低頻振動測量時對硬件條件要求較高，高速數據采集、海量數據傳輸、存儲與處理將導致計算機出現內存空間不夠、程序運行死機等問題。

綜上，相位解調方法面對的兩個主要問題限制了零差正交激光干涉測振技術測量高速振動：

(1)在測量高速振動信號時，由于奈奎斯特采樣定理所限，高速數據采集所需的采樣頻率過高；干涉信號的采樣點數相應地過多，數據量過大，需要傳輸與處理海量數據；

(2)測量高速振動信號對數據采集與處理部分硬件性能要求較高，高性能硬件成本較高。

中外研究人員進行了將卡爾曼預估思想應用到相位解調領域的研究并提出了各種方案(1.Tao L,Liu Z,Zhang W,et al.Frequency-scanning interferometry fordynamic absolute distance measurement using Kalman filter.Optics Letters,2014,39(24):6997-7000；2.Kulkarni R,Rastogi P.Phase derivative estimation froma single interferogram using a Kalman smoothing algorithm.Optics Letters,2015,40(16):3794-3797.)。然而，此類方案一方面沒有針對零差正交激光干涉測振儀在高速振動測量時的相位解調問題提出解決方案，另一方面也無法解決高速測量中傳統相位解調方法帶來的所需采樣頻率過高和數據量過大的問題。