[发明专利]一种基于动态滤波器的外差干涉测量信号前处理方法

说明书

本发明提供的是一种基于动态滤波器的外差干涉测量信号前处理方法。所述方法为：测量信号先分别与直接数字式频率合成器产生的两路正交的信号相乘，得到两路混频信号；然后这两路信号分别通过低通滤波器，滤掉其中的高频部分；之后将通过微分器处理之前的两路信号与处理之后的两路信号交叉相乘，再相加得到测量信号的频率；最后根据测量信号的频率变化，实时调整滤波器系数，使滤波器能在通带较窄的情况下跟随测量信号频率改变而动态变化，并且测量信号频率能始终在通带内。本发明能提高外差干涉测量中测量信号的信噪比，可以降低误差、提高测量精度。

(一)技术领域

本发明涉及光电信号处理领域，涉及一种外差干涉信号处理算法实时的前处理方法。

(二)背景技术

随着信息技术产业的发展，高端半导体的需求量越来越大。为了满足芯片制造的工艺和性能需求，光刻机工件台位移测量系统的测量精度必须达到亚纳米级。目前，超精密位移测量领域使用的测量工具主要有外差激光干涉仪和光栅干涉仪。

通过把测量信号和参考信号间的相位差进行细分，可以在不改变光路结构的基础上大大提高分辨力。通过硬件倍频的方式提高细分数，则会受限于芯片器件。目前工程中，为了进一步提高分辨力，多使用基于幅值分辨的相位细分方法。基于幅值分辨的相位细分方法有很多种，都需要先使用雪崩光电二极管将光强信号转换为电信号，经过调理后通过模拟数字转换器采样转换为数字信号再进行解算。

在解算的过程中，测量信号由于经过的光学器件多、光路较长、强度较低，经过转换后的测量信号信噪比比参考信号差很多。又由于测量速度需求的进一步提高，多普勒频移的变化范围变大，导致测量信号的频率变化范围变大。

使用一般的带通滤波器对信号进行前处理时，为了使所有的可能有用的信号通过，通带带宽非常宽，滤除噪音的能力就非常低，这就造成了相位解算的误差较大。同时，两路信号的幅值不同和激光器频差的不确定度也对后续的相位解算造成了一定困难。

由于频率与速度有对应关系，运动台的加速度有限，所以频率不会发生大范围的突变。

提出一种带有动态滤波器的亚纳米级外差干涉信号处理算法，其信号前处理模块的通带中心频率可以跟随主频变化，可以在通带带宽较窄的情况下让所有有用信号通过。可以在保证测量速度的同时，提高测量信号的信噪比从而提高相位细分的分辨力。

(三)发明内容

针对现有技术中的测量信号前处理手段中测量速度低、通带带宽较宽的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种外差干涉信号前处理手段，能够在保证测量速度的同时、降低通带带宽从而提高测量信号信噪比、提高测量精度。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于动态滤波器的外差干涉测量信号前处理方法。其特征是：它由直接数字式频率合成器1、90度相移器2、乘法器3、4、9、10和14、低通滤波器5和6、微分器7和8、加法器11、系数计算模块12、窗函数模块13、延时模块15、卷积器16组成。所述方法中直接数字式频率合成器1产生两路固定频率的信号，一路经过90度相移器2，一路不经过相移器，形成两路正交的信号。两路正交的信号分别与测量信号通过乘法器3、4相乘得到一个拥有高频和低频的混频信号，后分别经过低通滤波器5和6，滤掉混频信号中的高频信号，再经过微分器7和8，之后经过微分器7的一路信号与另一路经过低通滤波器6而未经过微分器8的信号通过乘法器9，经过微分器8的一路信号与另一路经过低通滤波器5而未通过微分器7的信号通过乘法器10。通过乘法器9和10交叉相乘之后两路信号通过加法器11相加得到测量信号的频率信息。测量信号的频率信息通过系数计算模块12后再与窗函数模块13生成的窗函数通过乘法器14相乘得到滤波器系数。测量信号经过延时模块15与滤波器系数通过卷积器16卷积得到改善后的测量信号。

外差干涉测量信号输出的信号为正弦信号，可以用式(7)所示的表达式表示：

f_m＝Msin[2π(f_m+Δf)t] (7)