[发明专利]周期信号的抗谐波干扰的相位检测方法及装置

说明书

本发明涉及一种周期信号的抗谐波干扰的相位检测方法及装置，属于数字信号处理和精密测量领域。该方法将实时测量条件下的待测相位分为整数部分和小数部分。对整数部分的测量，通过整周期计数实现；对小数部分的测量，分别在静态条件和实时测量条件下对待测量信号采样，获取匹配模板和待测相位采样信号序列，建立仿射变换关系模型，计算实时测量条件下的小数部分相位。最后将整数部分和小数部分相位合并，得到实时测量条件下的完整待测相位。相较于已有方法，本方法由于不需要待测信号具有理想正弦形式特征，避免了离散傅里叶变换的频谱泄露与栅栏效应、正交解相的低通滤波器设计以及待测信号频率已知的条件限制，具有更高的分辨率。

技术领域

本发明涉及数字信号处理和精密测量领域，特别涉及一种周期信号的抗谐波干扰的相位检测方法及装置。

背景技术

相位检测技术又称鉴相技术，是光学干涉测量的核心技术之一，被广泛应用于激光干涉仪、光学陀螺、激光多普勒测速仪等设备的测量信号处理中。相位检测系统利用信号处理技术，将正弦等形式的待测相位信号进行相位解调，提取与测量结果有关的相位信息以计算最终的测量结果。

在激光干涉测量领域中，已有的相位检测方案已经能够达到极高的分辨率水平，但这些方案的实现除了高精度相位检测算法外，也依赖于高稳定性和信噪比的测量系统。其中，基于数字延迟线的脉冲计数法是一种直接根据参考时钟的时间估计信号相位的方案，其鉴相分辨率依赖于参考时钟频率，为了达到亚纳米的位移测量分辨率，参考基准时钟的频率需要达到数GHz，这对硬件提出了极高的要求。相对地，I/Q解调方法是目前被广泛采用的另一种方法，待测相位信号分别被两路同相正交的正弦信号相乘，经由低通滤波后，由两路输出信号的反正切即可解算相位。该方法能在数百MHz的参考时钟频率下达到相同的相位检测精度。该测量方案中的两路正交锁相信号可以通过模拟或者数字方法获得，但是必须和待测相位信号频率相近，因此I/Q解调法的测量带宽较小，通常只能用于静态或准静态测量。

除了上述相位检测方法外，还可以直接对待测相位信号采样，然后根据采样序列相位检测，相位检测算法可以基于Fourier变换，或是非线性最小二乘等方法。目前的大多数相位检测算法的研究，其研究对象均为频率单一的正弦信号，这对前端的系统设计提出了较高的要求，增加了测量系统硬件设计的难度和复杂度。针对这一问题，一些研究着眼于信号处理算法，希望能通过改进相位检测算法，实现信号谐波的分离。

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)在建立相位检测模型时考虑了信号谐波，并改进了相位检测算法，有效降低了零差干涉仪中的各阶非线性误差。然而，由于谐波的阶次和幅值通常无法准确获知，若建立的模型本身不够准确，则算法复杂性的提升并不能带来鉴相精度的改善。

专利CN112097842A公开的相位检测方法，可应用于超声波相位检测，由时钟发生器产生两个频率相近的正弦信号分别用于激励与混频，并通过差频技术将混频后的参考信号与回波目标信号的相位信息从高频转换为低频信号，再由16位ADC对信号同步采样，通过全相位预处理后进行FFT计算，得到准确的相位结果。该发明中，混频信号的低通滤波环节可以在一定程度上抑制谐波分量的影响，但其前提为混频后的信号频率范围已知。该发明的局限在于，对测量信号频率未知或变化范围较大的情形，混频信号的频率变化范围未知或较大，此时无法设计低通滤波器滤除谐波分量，因此其应用场合有限。