[发明专利]一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法

说明书

本发明公开了一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，干涉测量系统由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成；通过包括光电检测、I/V转换、差分放大、直流自动补偿、正交化及正则化的信号处理方式对干涉信号进行在线自适应处理，得到两路等幅正交干涉电压信号，实现对干涉信号中幅值、相位以及直流偏移误差的补偿，间接提高测量镜的抗偏摆能力。本发明在提高测量系统测量精度的同时，能有效提高测量系统抗测量镜偏摆的能力，扩大测量行程。

技术领域

本发明涉及干涉测量领域，尤其是涉及一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法。

背景技术

干涉信号广泛存在于两个具有周期性的信号相叠的情况下，如激光干涉仪，光学线性标尺，旋转编码器等传感系统中。此类传感系统又因具有分辨力高、精度高等优点，被广泛应用于半导体、光学、微纳米技术等领域。

干涉测量系统在实际应用中不可避免地存在Heydemann误差，包括：1.由于光电器件的不平衡、偏移及背景光的变化等造成的直流偏移误差；2.由于光学元件安装误差和激光器的偏振等造成的非正交误差；3.由于光学和电子元件的不完善特性等造成的幅值不等误差。此外，由于测量系统的结构特性、移动工作台非精密性等原因造成的测量镜角度偏摆会导致光电检测单元检测到的参考光束与测量光束分离，主要表现在干涉信号在测量过程中直流偏移误差和幅值不等误的不断变化上。这些误差可能导致测量分辨率下降、鉴相计数错误甚至造成测量中断，同时也对测量系统的移动台精度提出了更高的要求，并在一定程度上限制了干涉测量系统的测量行程。因此，提高干涉测量系统对测量镜偏摆的容许度是保障干涉测量系统测量精度、稳定性并提高测量范围的关键技术问题。

现有技术中，利用高精度的移动工作台以减小测量镜的偏摆是一种直接有效的方法，但对移动台精度的要求会带来较大的成本增加；也有利用角隅棱镜作为测量镜来补偿误差的方法，但当移动台存在直线度误差时，光束仍然会偏移；还有利用复杂的结构实时测量和调整反射镜的角度，其在一定程度上降低误差，但会大大增加成本和操作复杂度，甚至引入额外的误差。著名学者Heydemann及其他研究者利用椭圆拟合对测量数据进行误差补偿，这种方法虽然精度相对较高但实时性差、不利于在线测量；在此基础上利用FPGA代替计算机可实现高速在线运算和补偿，但仍会受限于复杂的迭代算法和芯片的处理速度。

发明内容

本发明是为避免上述技术所存在的不足，提供一种提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法，通过信号处理自适应地消除信号幅值、相位以及直流偏移误差，保证系统中干涉信号的质量，从而有效提高干涉测量系统的分辨率与测量行程。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法的特点是：所述干涉测量系统是由激光光源、干涉光路、参考镜、测量镜、光电检测器以及信号处理模块所组成，所述干涉测量系统将待测位移量转化为测量镜的位移变化量，利用干涉光路将测量镜的位移变化量转化为干涉光信号的相位变化量，由所述信号处理模块通过解析干涉光信号相位获得测量镜的位移变化量；所述提高干涉测量系统抗测量镜偏摆能力的方法是按如下步骤进行：

步骤1，使用光电检测器采集获得干涉光信号并转换输出为干涉电流信号I；

步骤2，对所述干涉电流信号进行I/V转换，由式(1)获得原始干涉电压信号V：

V＝I×R_F            (1)

其中：R_F为I/V转换电路中的反馈电阻；

步骤3，对所述原始干涉电压信号V进行低通滤波获得原始干涉电压信号直流分量A，则由式(2)计算获得无直流分量干涉电压信号V^*：

V^*＝V-A             (2)