双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法

本发明属于激光干涉测量的一种相位解调补偿优化方法，是一种正弦相位解调法中相位延迟补偿方法，实时对相位延迟进行补偿。

背景技术：

1、纳米测量技术中，为了有着更高的位移测量精度，对相位解调精度有着较为高的要求。而在相位解调过程中由于光路、电路传输和光检测等引起的时延δt，从而会引入相位延迟θ，由于相位延迟的产生，会直接影响到能否正确相位解调的值，所以在进行精密位移测量时，一般都为定频状态下对该频率下的相位延迟进行补偿。在实际中，频率为一变化量，对定频状态下的相位延迟进行补偿并不能达到理想的效果，当相位延迟偏离零时，将会出现非线性误差，这限制了测相精度的提高。从而对变频状态下的相位延迟进行实时补偿是纳米位移测量精度需要解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法，本发明可以对变频状态下的相位延迟进行实时补偿，解决了变频状态下相位延迟无法实时补偿的问题，提高了相位测量精度。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案包括以下步骤：

3、步骤1、双频激光干涉系统信号处理办卡设计有四条信号通道，一条作为参考信号输入通道，三条为测量信号输入通道，每条通道内含有相同的光电转换电路、进行信号滤波与自动增益补偿的信号调理电路以及高速adc采样电路，但由于光路、电路等因素的影响，导致不同测量通道间产生时间延迟δt，从而导致不同测量通道之间产生相位延迟θ，以第一测量通道为基准，两测量通道信号如下：

4、

5、

6、其中am1、am2表示数字干涉信号的幅值，f1、f2为两激光的频率，f′激光器含有的频率不确定度，δf为多普勒频移，θ＝2π(f1-f2+δf+f′)δt，表示两通道间的相位延迟，方便起见用ω＝2π(f1-f2+δf+f′)，则两测量通道信号改为：

7、

8、

9、步骤2、通过测频模块得出两测量通道频率ω＝2π(f1-f2+δf+f′)，利用fpga内置的数字信号频率合成器(dds)生成两正交信号fsin、fcos，具体信号如下：

10、fsin＝sin(ωt)

11、fcos＝cos(ωt)

12、步骤3、fm2在fpga内部分别与fpga生成的正交信号fsin、fcos相乘进行混频运算，获得fm2sin、fm2cos，具体公式如下：

13、

14、

15、从而进一步的对相位延迟进行补偿，来消除相位延迟对相位测量的影响，其特征在于方法进一步包括：

16、步骤4、对信号进行低通滤波，滤除两路信号的高频分量得fm2sin、fm2cos，具体如下：

17、

18、

19、步骤5、对两滤除高频分量的信号fm2sin、fm2cos利用反正切运算模块从而求解出相位延迟θ，具体公式如下：

20、

21、

22、步骤6、通过fpga内部dds生成ω0＝2πf0的信号cos(ω0t+θ)，与fm2进行混频，后在fpga内对信号进行低通滤波，去除混频后的信号的高频分量，具体公式如下：

23、

24、

25、步骤7、将信号d1与fpga内部dds生成信号cosω0t进行混频，在fpga内对信号进行低通滤波，去除混频后的信号的高频分量，从而消除两测量通道间信号的相位延迟θ，具体公式如下：

26、

27、

28、fm2′＝4d2

29、从而消除两测量通道因时间延迟而导致的相位延迟，进而达到测量通道间的信号同步。

30、具体实施中，所述的方法采用实时相位延迟补偿系统，实时相位延迟补偿系统包括测频模块、第一数字频率合成器、第二数字频率合成器、第三数字频率合成器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、反正切运算模块；两测量信号连接测频模块的输入端，测频模块的输出端连接第一数字频率合成器的输入端，第一数字频率合成器的输出端输出一对正交信号，第二测量信号以及第一数字频率合成器输出端输出的一对正交信号分别连接第一乘法器、第二乘法器的输入端，第一乘法器、第二乘法器的输出端连接第一低通滤波器的输入端，第一低通滤波器的输出端连接反正切运算模块的输入端，反正切运算模块的输出端连接第二数字频率合成器的输入端，第二数字频率合成器的输出端以及第二测量信号连接第三乘法器的输入端，第三乘法器的输出端连接第二低通滤波器的输入端，第二低通滤波器的输出端以及第三数字信号合成器的输出端连接第四乘法器的输入端，第四乘法器的输出端连接第三低通滤波器的输入端，第三低通滤波器的输出端输出消除两测量信号间的相位延迟的第二测量信号。

31、所述的两测量通道信号来源于双频激光干涉仪，为双频激光干涉系统信号处理板卡中测量通道获得的信号。

32、与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

33、(1)本发明方法可以对变频状态下的信号进行实时相位延迟补偿，避免了变频状态下相位延迟无法实时补偿的问题；

34、(2)本发明运用了三角函数的性质，从而消除相位延迟所带来的影响，消除了相位延迟带来的非线性误差，提高了相位测量精度。

技术特征：

1.双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法，方法包括：

2.根据权利要求1所述的双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法，其特征在于：所述的计算过程采用实时相位延迟补偿系统，具体包括1、测频模块，2、第一数字频率合成器，3、第一乘法器，4、第二乘法器，5、第一低通滤波器，6、反正切运算模块，7、第二数字频率合成器，8、第三乘法器，9、第二低通滤波器，10、第三数字频率合成器，11、第四乘法器，12、第三低通滤波器；两测量信号fm1、fm2连接测频模块1的输入端，测频模块1的输出端连接第一数字频率合成器2的输入端，第一数字频率合成器2的输出端输出一对正交信号fsin、fcos，第二测量信号以及第一数字频率合成器输出端输出的一对正交信号fsin、fcos分别连接第一乘法器3、第二乘法器4的输入端，第一乘法器3、第二乘法器4的输出端连接第一低通滤波器5的输入端，第一低通滤波器5的输出端连接反正切运算模块6的输入端，反正切运算模块6的输出端连接第二数字频率合成器7的输入端，第二数字频率合成器7的输出端以及第二测量信号连接第三乘法器8的输入端，第三乘法器8的输出端连接第二低通滤波器9的输入端，第二低通滤波器9的输出端以及第三数字信号合成器10的输出端连接第四乘法器11的输入端，第四乘法器11的输出端连接第三低通滤波器12的输入端，第三低通滤波器12的输出端输出消除两测量信号间的相位延迟的第二测量信号fm2′。

3.根据权力要求1所述的双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法，其特征在于：所述的两测量通道信号来源于双频激光干涉仪，为双频激光干涉系统信号处理板卡中测量通道获得的信号。

技术总结
本发明公开了一种双频激光信号处理板卡测量通道间一种实时相位延迟补偿方法，双频激光干涉系统信号处理板卡中在模数转换器转换后转换为数字信号，对数字信号同时进行一阶正交下的混频以及低通滤波，用反正切运算模块从而计算出变频状态下的相位延迟，后再利用FPGA内部的数字频率合成器与原始测量信号进行混频及低通滤波，从而消除变频状态下不同测量信号间的相位延迟。本发明方法可以对变频状态下的信号进行实时相位延迟补偿，避免了变频状态下相位延迟无法实时补偿的问题；计算中运用了三角函数的性质，从而消除相位延迟所带来的影响，消除了相位延迟带来的非线性误差，提高了相位测量精度，消除了相位延迟带来的非线性误差，提高了相位测量精度。

技术研发人员：熊显名,吕绍绵,张文涛,杜浩,丁澳,韩雪,郭逸璇
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12