[發明專利]外差干涉儀信號處理——相位和相位整數測量方法及其裝置

無效

• 申請號: 91103615.6
• 申請日: 1991-06-05
• 公開（公告）號: CN1024593C
• 公開（公告）日: 1994-05-18
• 發明（設計）人: 趙洋;李達成;曹芒;王佳
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00;G01B9/02
• 代理公司: 清華大學專利事務所
• 代理人: 羅文群

本發明涉及一種外差干涉儀的信號處理新方法，即相位和相位整數測量法。

已有技術的外差干涉儀（包括雙頻激光干涉儀）系統以其信噪比高，抗干擾能力強，易于實現高分辨率，測量整度快等特點，在科研和生產中得到廣泛應用。已有的外差干涉儀信號處理方法中有一種是清華大學光學儀器教研組在科學基金項目“光學探針測量表面粗糙度”采用的相位測量技術。即通過測量測量信號的相位相對于參考信號的相位變化，從而獲得被測物理量的變化。被測物理量的大小與相位差的關系為：L＝（φ/4π）λ。這種信號處理方法具有可實現高分辨率，和可用于動態信號處理，但是它測量范圍不能超過±2π，即被測物理量變化不能超過±λ/2。為了擴大測量范圍，采用了分頻技術，即以犧牲測量的分辨率來擴大測量范圍。因此它的應用范圍受到限制。

本發明的目的是尋求一種新的外差干涉儀信號處理方法，同時具有高分辨率、大測量范圍和動態信號處理功能。

本發明的內容是采用了相位測量技術和超過2π相位變化的相位整數測量技術，實現對外差干涉儀信號和任何涉及相位測量的信號處理，包括數字相位調制方法，即將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號，還包括超過2π相位變化的相位整數測量方法，即由相位調制器輸出的調寬信號，經過整數相位測量電路，產生被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位的測量。本發明的信號處理方法的電路方框圖包括相位調制器，調寬信號解調器，整數相位測量電路，可逆計數器，采樣邏輯及組合邏輯電路，I/O接口電路和計算機系統。

在相位測量原理上，采用數字相位調制方法，將兩路頻率信號的相位轉換成為一個調寬信號。該調寬信號的調制寬度Tm代表這兩路信號的相位差的大小：

Tm＝Tφ/2π????（1）

其中T是調制信號的周期，φ是被測信號的相位差。該調寬信號可以用下式表示：

將（2）式用付氏級數展開得：

V（t）＝φ/4π+Σ[Sin（nφ）CoS（2πnft）+（1-Cos（nφ））Sin（2πnft）]????（3）

通過對該調寬信號進行解調，剔除信號中的調制信號及其諧波信號，則得到一個反映相位差的模擬信號。當被測相位差從絕對值360°變到大于360°時，該模擬輸出信號由絕對值最大變到零。

整數相位測量是利用相位調制器輸出的調寬信號的特征實現的。從相位調制器輸出的調寬信號具有這樣的特征：當被測相位差從絕對值2π變到超過2π時，調寬信號的調制寬度總是從調制最深，變到調制為零。因此，利用上面提到的調寬信號這一特征，經過整數相位測量電路作用，產生反映被測相位差周期數變化的信號，從而實現相位整數測量。該整數檢測電路具有下面特點：

1.當被測相位差的絕對值由2π變到超過2π時，產生計數脈沖。

2.該電路生成兩路反映整數相位的信號：一路反映被測相位增加的整數相位個數，另一路則反映被測相位減少的整數相位個數。

3.計數脈沖為寬度等于調制信號一個周期的負脈沖信號。

從原理上講，當被測相位差的絕對值由2π變到大于2π時，從相位解調電路輸出的模擬信號為一個由最大值到零的階躍信號。但是實際上，由于調寬解調電路具有積分特性，因此該階躍則是一個過渡過程。如果此時對相位測量電路的輸出進行采樣，那么所采集到的信息將是一個錯誤的相位值，因此，在實現本發明時，采用了兩路相同的相位測量電路。主相位測量電路直接測量參考信號與測量信號的相位差，而輔助相位測量電路則測量將參考信號相移π后的信號與測量信號的相位差。這樣，從這兩個相位測量電路輸出的相位值相差π。在測量過程中，當主相位測量電路輸出的模擬信號發生跳變時，輔助相位測量電路的輸出剛好為π相位所對應的模擬量值。這時只須對輔助相位測量電路的輸出進行采樣，從而避免上述錯誤發生。

在測量過程中，對兩個相位測量電路輸出的模擬信號采樣和計算最后相位差值，必須服從下面兩個條件：

（1）當測量信號與參考信號的相位差的絕對值為π/2≤φ≤3π/2時，對主相位測量電路的輸出進行采樣，否則則對輔助相位測量電路的輸出進行采樣。

（2）當對輔助相位測量電路的輸出進行采樣時，計算最后相位差值要遵循：在未產生整數相位脈沖信號時，應將采樣值的絕對值加上π;而在產生計數脈沖后，則將采樣值絕對值減去π。

附圖說明：

圖1是已有技術原理框圖

圖2是本發明原理框圖

圖3是本發明原理圖

圖4是計算機系統數據采集流程圖。