[發明專利]一種基于動態濾波器的外差干涉測量信號前處理方法

在審

• 申請號: 202210697052.3
• 申請日: 2022-06-20
• 公開（公告）號: CN114993181A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 曾啟林;陳文偉;杜浩;張文濤;熊顯名;趙正義
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B9/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種基于動態濾波器的外差干涉測量信號前處理方法。所述方法為：測量信號先分別與直接數字式頻率合成器產生的兩路正交的信號相乘，得到兩路混頻信號；然后這兩路信號分別通過低通濾波器，濾掉其中的高頻部分；之后將通過微分器處理之前的兩路信號與處理之后的兩路信號交叉相乘，再相加得到測量信號的頻率；最后根據測量信號的頻率變化，實時調整濾波器系數，使濾波器能在通帶較窄的情況下跟隨測量信號頻率改變而動態變化，并且測量信號頻率能始終在通帶內。本發明能提高外差干涉測量中測量信號的信噪比，可以降低誤差、提高測量精度。

(一)技術領域

本發明涉及光電信號處理領域，涉及一種外差干涉信號處理算法實時的前處理方法。

(二)背景技術

隨著信息技術產業的發展，高端半導體的需求量越來越大。為了滿足芯片制造的工藝和性能需求，光刻機工件臺位移測量系統的測量精度必須達到亞納米級。目前，超精密位移測量領域使用的測量工具主要有外差激光干涉儀和光柵干涉儀。

通過把測量信號和參考信號間的相位差進行細分，可以在不改變光路結構的基礎上大大提高分辨力。通過硬件倍頻的方式提高細分數，則會受限于芯片器件。目前工程中，為了進一步提高分辨力，多使用基于幅值分辨的相位細分方法。基于幅值分辨的相位細分方法有很多種，都需要先使用雪崩光電二極管將光強信號轉換為電信號，經過調理后通過模擬數字轉換器采樣轉換為數字信號再進行解算。

在解算的過程中，測量信號由于經過的光學器件多、光路較長、強度較低，經過轉換后的測量信號信噪比比參考信號差很多。又由于測量速度需求的進一步提高，多普勒頻移的變化范圍變大，導致測量信號的頻率變化范圍變大。

使用一般的帶通濾波器對信號進行前處理時，為了使所有的可能有用的信號通過，通帶帶寬非常寬，濾除噪音的能力就非常低，這就造成了相位解算的誤差較大。同時，兩路信號的幅值不同和激光器頻差的不確定度也對后續的相位解算造成了一定困難。

由于頻率與速度有對應關系，運動臺的加速度有限，所以頻率不會發生大范圍的突變。

提出一種帶有動態濾波器的亞納米級外差干涉信號處理算法，其信號前處理模塊的通帶中心頻率可以跟隨主頻變化，可以在通帶帶寬較窄的情況下讓所有有用信號通過。可以在保證測量速度的同時，提高測量信號的信噪比從而提高相位細分的分辨力。

(三)發明內容

針對現有技術中的測量信號前處理手段中測量速度低、通帶帶寬較寬的缺陷，本發明的主要目的在于提供一種外差干涉信號前處理手段，能夠在保證測量速度的同時、降低通帶帶寬從而提高測量信號信噪比、提高測量精度。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于動態濾波器的外差干涉測量信號前處理方法。其特征是：它由直接數字式頻率合成器1、90度相移器2、乘法器3、4、9、10和14、低通濾波器5和6、微分器7和8、加法器11、系數計算模塊12、窗函數模塊13、延時模塊15、卷積器16組成。所述方法中直接數字式頻率合成器1產生兩路固定頻率的信號，一路經過90度相移器2，一路不經過相移器，形成兩路正交的信號。兩路正交的信號分別與測量信號通過乘法器3、4相乘得到一個擁有高頻和低頻的混頻信號，后分別經過低通濾波器5和6，濾掉混頻信號中的高頻信號，再經過微分器7和8，之后經過微分器7的一路信號與另一路經過低通濾波器6而未經過微分器8的信號通過乘法器9，經過微分器8的一路信號與另一路經過低通濾波器5而未通過微分器7的信號通過乘法器10。通過乘法器9和10交叉相乘之后兩路信號通過加法器11相加得到測量信號的頻率信息。測量信號的頻率信息通過系數計算模塊12后再與窗函數模塊13生成的窗函數通過乘法器14相乘得到濾波器系數。測量信號經過延時模塊15與濾波器系數通過卷積器16卷積得到改善后的測量信號。

外差干涉測量信號輸出的信號為正弦信號，可以用式(7)所示的表達式表示：

f_m＝Msin[2π(f_m+Δf)t] (7)