[發明專利]周期信號的抗諧波干擾的相位檢測方法及裝置

在審

• 申請號: 202210103070.4
• 申請日: 2022-01-27
• 公開（公告）號: CN114624513A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 胡金春;朱煜;華國杰;文庭瑞;徐登峰;張鳴;王磊杰
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16;G06F17/15;G06F17/16
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 董永輝;曹素云

本發明涉及一種周期信號的抗諧波干擾的相位檢測方法及裝置，屬于數字信號處理和精密測量領域。該方法將實時測量條件下的待測相位分為整數部分和小數部分。對整數部分的測量，通過整周期計數實現；對小數部分的測量，分別在靜態條件和實時測量條件下對待測量信號采樣，獲取匹配模板和待測相位采樣信號序列，建立仿射變換關系模型，計算實時測量條件下的小數部分相位。最后將整數部分和小數部分相位合并，得到實時測量條件下的完整待測相位。相較于已有方法，本方法由于不需要待測信號具有理想正弦形式特征，避免了離散傅里葉變換的頻譜泄露與柵欄效應、正交解相的低通濾波器設計以及待測信號頻率已知的條件限制，具有更高的分辨率。

技術領域

本發明涉及數字信號處理和精密測量領域，特別涉及一種周期信號的抗諧波干擾的相位檢測方法及裝置。

背景技術

相位檢測技術又稱鑒相技術，是光學干涉測量的核心技術之一，被廣泛應用于激光干涉儀、光學陀螺、激光多普勒測速儀等設備的測量信號處理中。相位檢測系統利用信號處理技術，將正弦等形式的待測相位信號進行相位解調，提取與測量結果有關的相位信息以計算最終的測量結果。

在激光干涉測量領域中，已有的相位檢測方案已經能夠達到極高的分辨率水平，但這些方案的實現除了高精度相位檢測算法外，也依賴于高穩定性和信噪比的測量系統。其中，基于數字延遲線的脈沖計數法是一種直接根據參考時鐘的時間估計信號相位的方案，其鑒相分辨率依賴于參考時鐘頻率，為了達到亞納米的位移測量分辨率，參考基準時鐘的頻率需要達到數GHz，這對硬件提出了極高的要求。相對地，I/Q解調方法是目前被廣泛采用的另一種方法，待測相位信號分別被兩路同相正交的正弦信號相乘，經由低通濾波后，由兩路輸出信號的反正切即可解算相位。該方法能在數百MHz的參考時鐘頻率下達到相同的相位檢測精度。該測量方案中的兩路正交鎖相信號可以通過模擬或者數字方法獲得，但是必須和待測相位信號頻率相近，因此I/Q解調法的測量帶寬較小，通常只能用于靜態或準靜態測量。

除了上述相位檢測方法外，還可以直接對待測相位信號采樣，然后根據采樣序列相位檢測，相位檢測算法可以基于Fourier變換，或是非線性最小二乘等方法。目前的大多數相位檢測算法的研究，其研究對象均為頻率單一的正弦信號，這對前端的系統設計提出了較高的要求，增加了測量系統硬件設計的難度和復雜度。針對這一問題，一些研究著眼于信號處理算法，希望能通過改進相位檢測算法，實現信號諧波的分離。

Qi Li等人的研究工作(Nonlinearity analysis in homodyne multi-passinterferometer with Jones matrix and correction with Fourier harmoniccomponents method,DOI:10.1117/12.2068715)在建立相位檢測模型時考慮了信號諧波，并改進了相位檢測算法，有效降低了零差干涉儀中的各階非線性誤差。然而，由于諧波的階次和幅值通常無法準確獲知，若建立的模型本身不夠準確，則算法復雜性的提升并不能帶來鑒相精度的改善。

專利CN112097842A公開的相位檢測方法，可應用于超聲波相位檢測，由時鐘發生器產生兩個頻率相近的正弦信號分別用于激勵與混頻，并通過差頻技術將混頻后的參考信號與回波目標信號的相位信息從高頻轉換為低頻信號，再由16位ADC對信號同步采樣，通過全相位預處理后進行FFT計算，得到準確的相位結果。該發明中，混頻信號的低通濾波環節可以在一定程度上抑制諧波分量的影響，但其前提為混頻后的信號頻率范圍已知。該發明的局限在于，對測量信號頻率未知或變化范圍較大的情形，混頻信號的頻率變化范圍未知或較大，此時無法設計低通濾波器濾除諧波分量，因此其應用場合有限。