速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法

摘要

速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法属于激光测振技术领域；该相位解调方法包括以下步骤：对原始干涉正交信号进行增益和偏置校正，计算相位序列，计算初始位移，预估速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项，根据实际相位小数项与预估相位小数项间的差值确定实际相位整数项和实际位移；本发明可解决零差激光干涉测振技术中传统相位解调方法在高速振动测量时存在的采样频率过高和数据量过大的问题，可有效提高振动测量速度，降低硬件成本和扩大激光测振仪应用范围。

权利要求

1.一种速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)对采集到的原始干涉正交信号Ix和Iy进行增益和偏置校正；

(2)根据Ix和Iy按如下公式计算相位序列式中arctan()是反正切函数；

(3)初始三个时刻的相位 和 都在半个条纹中，按如下公式计算对应的初始三个时刻的位移d0、d1和d2：式中λ是激光波长；

(4)对于之后的时刻k＝2，3，…，按如下公式预估对应时刻的速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项：式中 分别是速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

(5)根据实际相位小数项 和相位小数项的预估结果 之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项mk和实际位移dk：

2.根据权利要求1所述的速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法，其特征在于：所述初始三个位移d0、d1和d2满足|d1-d0|＜λ4且|d2-d1|＜λ/4。

说明书

速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法。

背景技术

[0002] 零差激光测振技术具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。高端与尖端领域中零差激光测振仪多采用四通道零差正交激光干涉测振方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过相位解调等信号处理，实现位移与振动的高精度测量。然而，一些如超低频振动校准、半导体光刻等需要高速测量的应用场景对零差激光测振技术提出了新的挑战。

[0003] 相位解调是零差激光测振技术实现高速振动信号测量的关键技术环节之一，是限制测量速度提高的一个主要因素。传统的相位解调算法，可对反正切计算结果进行相位展开，确定相位整数项，获得连续的振动信号，根据奈奎斯特采样定理，要求采样率大于两倍的干涉条纹变化最大频率，以防止相位整数项的错误计算(1.Greco V，Molesini G，Quercioli F.Accurate polarization interferometer.Review of Scientific Instruments，1995，66(7)：3729-3734；2.Pengcheng Hu，et.al.DC-offset homodyne interferometer and its nonlinearity compensation.Optics Express，2015，23(7)：8399-8408)。然而，该方法在面对测量大行程长周期高速振动信号时，对数据采集处理系统提出了苛刻要求。例如当振动最大速度为314mm/s时，干涉条纹变化频率为1MHz，要求多通道同步数据采集卡采样率至少为2MS/s；其次，干涉信号的采样点数将高达数百兆，如在0.1～0.01Hz振动频率范围内，振动幅值峰峰值为1m，单个振动周期同步数据采集卡采集点数至少为20M，同时实际测量时往往需要采集多个振动周期信号取其平均值，存在数百兆的数据量。因此传统相位解调算法应用于超低频振动测量时对硬件条件要求较高，高速数据采集、海量数据传输、存储与处理将导致计算机出现内存空间不够、程序运行死机等问题。

[0004] 综上，相位解调方法面对的两个主要问题限制了零差正交激光干涉测振技术测量高速振动：

[0005] (1)在测量高速振动信号时，由于奈奎斯特采样定理所限，高速数据采集所需的采样频率过高；干涉信号的采样点数相应地过多，数据量过大，需要传输与处理海量数据；

[0006] (2)测量高速振动信号对数据采集与处理部分硬件性能要求较高，高性能硬件成本较高。

[0007] 中外研究人员进行了将卡尔曼预估思想应用到相位解调领域的研究并提出了各种方案(1.Tao L,Liu Z,Zhang W,et al.Frequency-scanning interferometry for dynamic absolute distance measurement using Kalman filter.Optics Letters,2014,39(24):6997-7000；2.Kulkarni R,Rastogi P.Phase derivative estimation from a single interferogram using a Kalman smoothing algorithm.Optics Letters,
2015,40(16):3794-3797.)。然而，此类方案一方面没有针对零差正交激光干涉测振仪在高速振动测量时的相位解调问题提出解决方案，另一方面也无法解决高速测量中传统相位解调方法带来的所需采样频率过高和数据量过大的问题。

[0008] 综上，如何针对零差正交激光测振仪中相位解调方法难题，提供一种能解决高速测量中所需采样频率过高和数据量过大问题的相位解调技术方案，对有效提高振动测量速度、降低硬件成本和扩大测振仪应用范围都具有重大意义。

发明内容

[0009] 本发明的目的是针对传统相位解调算法限制零差正交激光干涉测振技术测量速度的问题，提供一种新的相位解调方法，针对高速测量中所需采样频率过高和数据量过大的问题进行相位解调方法创新，使高速测量时对采样率和内存的要求降低，提高了测振仪可测量的最大速度，满足高速振动测量的需求。

[0010] 本发明的技术解决方案是：

[0011] 一种速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法，该方法包括以下步骤：

[0012] (1)对采集到的原始干涉正交信号Ix和Iy进行增益和偏置校正；

[0013] (2)根据Ix和Iy按如下公式计算相位序列

[0014]

[0015] 式中arctan()是反正切函数；

[0016] (3)初始三个时刻的相位 和 都在半个条纹中，按如下公式计算对应的初始三个时刻的位移d0、d1和d2：

[0017]

[0018]

[0019] 式中λ是激光波长；

[0020] (4)对于之后的时刻k＝2，3，…，按如下公式预估对应时刻的速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项：

[0021]

[0022]

[0023]

[0024] 式中 分别是速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

[0025] (5)根据实际相位小数项 和相位小数项的预估结果 之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项mk和实际位移dk：

[0026]

[0027]

[0028] 所述初始三个位移d0、d1和d2满足|d1-d0|＜λ/4且|d2-d1|＜λ/4。

[0029] 本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

[0030] (1)本发明提出了一种适用于高速零差正交激光干涉测振的速度、加速度复合预估相位解调方法，该方法可突破传统相位解调方法中奈奎斯特采样频率的限制，使采样频率取决于最大加加速度而不是最大速度，降低了高速测量对硬件采集频率的要求，相应地减少了所采集的数据量，对硬件内存空间容量的要求降低，从而有效解决了现有技术方案存在的解调速度慢、数据量大、硬件要求高的固有缺陷。

[0031] (2)本发明在可使零差正交激光干涉测振仪实现高速测量的前提下，通过提出创新的相位解调技术方案即降低了对零差正交激光干涉测振仪的数据采集与处理设备的硬件性能要求，从而降低硬件成本，拓展高速激光测振仪的应用范围，为激光测振仪应用于同时要求高测量精度和高测量速度的精密科学实验、精密工程等应用场合提供有力支持。

附图说明

[0032] 图1为速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法的步骤示意图。

[0033] 图2为对最大加速度10m/s2简谐振动进行测量时所需采样率与振动频率关系。

[0034] 图3为对最大加速度10m/s2简谐振动进行测量时10个周期采样数与振动频率关系。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

[0036] 一种速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法，该方法包括以下步骤：

[0037] (1)对采集到的原始干涉正交信号Ix和Iy进行增益和偏置校正；

[0038] (2)根据Ix和Iy按如下公式计算相位序列

[0039]

[0040] 式中arctan()是反正切函数；

[0041] (3)初始三个时刻的相位 和 都在半个条纹中，按如下公式计算对应的初始三个时刻的位移d0、d1和d2：

[0042]

[0043]

[0044] 式中λ是激光波长；

[0045] (4)对于之后的时刻k＝2，3，…，按如下公式预估对应时刻的速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项：

[0046]

[0047]

[0048]

[0049] 式中 分别是速度、加速度、位移、相位整数项和相位小数项的预估结果，ΔT是采样时间间隔，round()是求四舍五入到最近的整数的取整函数，rem()是求相除后余数的取余函数；所述取余函数rem(x,y)＝x-ny，式中x和y为参数，n＝round(x/y)；

[0050] (5)根据实际相位小数项 和相位小数项的预估结果 之间的差值，按照如下公式进行修正得到对应时刻的实际相位整数项mk和实际位移dk：

[0051]

[0052]

[0053] 所述初始三个位移d0、d1和d2满足|d1-d0|＜λ/4且|d2-d1|＜λ/4。

[0054] 下面结合图1～图3给出本发明的一个实施例。本实施例中，将本发明速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法应用于零差正交激光干涉测振仪高速测振。该测振仪由干涉部分、探测部分和数据采集处理部分三部分组成，激光经干涉部分和探测部分后形成正交干涉信号并由计算机进行采集与处理。图1为速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法的步骤示意图。本实施例中，数据采集处理部分中的计算机安装了24位PXI接口多通道同步数据采集卡，并采用了基于图形化软件平台的数据采集处理程序，按照所给出的步骤通过程序控制按时序持续对采集的干涉正交信号进行速度、加速度复合预估相位解调等数字解调和解算，获得所测振动信号的位移和相位。

[0055] 图2为对最大加速度10m/s2简谐振动进行测量时所需采样率与振动频率关系，图3为对最大加速度10m/s2简谐振动进行测量时10个周期采样数与振动频率关系。当简谐振动最大加速度10m/s2，振动频率为0.1Hz～10kHz时，进行了最小采样率和数据量实验。数据量由10个周期振动信号的采样数进行评价。传统相位解调方法所需的最小采样率取决于最大速度，然而本发明提出的速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法所需的最小采样率取决于最大加加速度。因此，对于低频振动测量，由于最大速度相对非常高，传统相位解调方法需要采样率高达数十MHz、内存容量高达几G的高性能采集硬件，利用本发明提出的速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法则对硬件的要求大大降低。例如对0.1Hz低频振动测量来说，最大速度计算为15.92m/s，传统相位解调方法所需的最小采样率为100.6MHz，速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法仅需342Hz。

[0056] 因此，本发明提出的速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法可突破传统相位解调方法中奈奎斯特采样频率的限制，降低了高速测量对硬件采样频率的要求，相应地减少了所采集的数据量，对硬件内存空间容量的要求降低，且速度、加速度复合预估激光测振相位解调方法的应用可降低硬件成本，拓展激光测振仪的应用范围。