[发明专利]外差干涉仪信号处理——相位和相位整数测量方法及其装置

说明书

本发明涉及一种外差干涉仪的信号处理新方法，即相位和相位整数测量法。

已有技术的外差干涉仪（包括双频激光干涉仪）系统以其信噪比高，抗干扰能力强，易于实现高分辨率，测量整度快等特点，在科研和生产中得到广泛应用。已有的外差干涉仪信号处理方法中有一种是清华大学光学仪器教研组在科学基金项目“光学探针测量表面粗糙度”采用的相位测量技术。即通过测量测量信号的相位相对于参考信号的相位变化，从而获得被测物理量的变化。被测物理量的大小与相位差的关系为：L＝（φ/4π）λ。这种信号处理方法具有可实现高分辨率，和可用于动态信号处理，但是它测量范围不能超过±2π，即被测物理量变化不能超过±λ/2。为了扩大测量范围，采用了分频技术，即以牺牲测量的分辨率来扩大测量范围。因此它的应用范围受到限制。

本发明的目的是寻求一种新的外差干涉仪信号处理方法，同时具有高分辨率、大测量范围和动态信号处理功能。

本发明的内容是采用了相位测量技术和超过2π相位变化的相位整数测量技术，实现对外差干涉仪信号和任何涉及相位测量的信号处理，包括数字相位调制方法，即将两路频率信号的相位转换成为一个调宽信号，还包括超过2π相位变化的相位整数测量方法，即由相位调制器输出的调宽信号，经过整数相位测量电路，产生被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位的测量。本发明的信号处理方法的电路方框图包括相位调制器，调宽信号解调器，整数相位测量电路，可逆计数器，采样逻辑及组合逻辑电路，I/O接口电路和计算机系统。

在相位测量原理上，采用数字相位调制方法，将两路频率信号的相位转换成为一个调宽信号。该调宽信号的调制宽度Tm代表这两路信号的相位差的大小：

Tm＝Tφ/2π    （1）

其中T是调制信号的周期，φ是被测信号的相位差。该调宽信号可以用下式表示：

将（2）式用付氏级数展开得：

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

通过对该调宽信号进行解调，剔除信号中的调制信号及其谐波信号，则得到一个反映相位差的模拟信号。当被测相位差从绝对值360°变到大于360°时，该模拟输出信号由绝对值最大变到零。

整数相位测量是利用相位调制器输出的调宽信号的特征实现的。从相位调制器输出的调宽信号具有这样的特征：当被测相位差从绝对值2π变到超过2π时，调宽信号的调制宽度总是从调制最深，变到调制为零。因此，利用上面提到的调宽信号这一特征，经过整数相位测量电路作用，产生反映被测相位差周期数变化的信号，从而实现相位整数测量。该整数检测电路具有下面特点：

1.当被测相位差的绝对值由2π变到超过2π时，产生计数脉冲。

2.该电路生成两路反映整数相位的信号：一路反映被测相位增加的整数相位个数，另一路则反映被测相位减少的整数相位个数。

3.计数脉冲为宽度等于调制信号一个周期的负脉冲信号。

从原理上讲，当被测相位差的绝对值由2π变到大于2π时，从相位解调电路输出的模拟信号为一个由最大值到零的阶跃信号。但是实际上，由于调宽解调电路具有积分特性，因此该阶跃则是一个过渡过程。如果此时对相位测量电路的输出进行采样，那么所采集到的信息将是一个错误的相位值，因此，在实现本发明时，采用了两路相同的相位测量电路。主相位测量电路直接测量参考信号与测量信号的相位差，而辅助相位测量电路则测量将参考信号相移π后的信号与测量信号的相位差。这样，从这两个相位测量电路输出的相位值相差π。在测量过程中，当主相位测量电路输出的模拟信号发生跳变时，辅助相位测量电路的输出刚好为π相位所对应的模拟量值。这时只须对辅助相位测量电路的输出进行采样，从而避免上述错误发生。

在测量过程中，对两个相位测量电路输出的模拟信号采样和计算最后相位差值，必须服从下面两个条件：

（1）当测量信号与参考信号的相位差的绝对值为π/2≤φ≤3π/2时，对主相位测量电路的输出进行采样，否则则对辅助相位测量电路的输出进行采样。

（2）当对辅助相位测量电路的输出进行采样时，计算最后相位差值要遵循：在未产生整数相位脉冲信号时，应将采样值的绝对值加上π;而在产生计数脉冲后，则将采样值绝对值减去π。

附图说明：

图1是已有技术原理框图

图2是本发明原理框图

图3是本发明原理图

图4是计算机系统数据采集流程图。