直流分量跟踪法在单频干涉测长系统中的应用

　　0 引 言

　　激光干涉仪以其高分辨力和高测量精度等优点，在精密测量领域获得了广泛的应用。单频激光干涉仪具有结构紧凑、装置相对简单、成本低等优点[1]，但由于它是直流信号系统，干涉条纹光强的变化总要以计数器平均触发电平为中心对等分布。如果由于外界环境干扰(如在车间测量)引起光强变动，则干涉信号强度就可能落于触发电平之下，从而使计数器停止计数，除非触发电平重新得到调整。对于生产现场输出光强的快速变化，触发器无法快速自动调整其触发电平，从而导致系统无法正常工作[2]。为避免光强的 “零漂”问题，双频激光干涉仪采用光学拍频原理，将被测位移信息以调频方式载波于激光拍频信号上，通过采用交流放大器，提高信号信噪比，这样即使光强衰减90%，仍然可以得到合适的电信号[3]。但双频激光干涉仪结构复杂，成本较高。目前在单频激光干涉仪基础上解决光强“零漂”的常用方法是去掉输出信号的直流分量和消除干涉背景变化[4-6]，其主要是从系统结构上来保证，这使得结构复杂。文中提出一种通过跟踪输出信号直流分量电平的软件方法。该方法的主要思想是如果光强由于外界环境干扰引起变动，输出信号的直流分量将随其变化，针对这种情况，采取跟踪、检测输出信号的直流分量电平值。计数器的触发电平将随着检测到的直流分量值而实时调整，那么无论光强如何衰减，也不会出现信号低于触发电平而无法正常工作的情况，从而提高单频激光干涉仪的抗干扰能力。

　　1 直流分量跟踪原理

　　文中讨论以稳频的He-Ne 激光器(λ=632.8 nm)作为光源，以迈克尔逊干涉仪作为干涉机构，将入射角i 控制在0°~20° 范围，对焦平面上等倾干涉条纹进行接收处理，进行位移测量的单频激光干涉测长系统，如图1 所示[7]。

　　系统光电接收器输出的电压信号是以直流分量电平成对称分布并按正弦规律变化的信号。当激光光强I0 发生变化时，信号的直流分量也随着变化。对光强的“零漂”问题，采取跟踪信号直流分量电平值的方法，检测信号直流分量电平，计数器的触发电平将随着信号上升趋势段直流分量值的变化而实时改变。

　　因系统的输出信号是正弦信号，那么信号具有在直流分量处的斜率绝对值最大的特点。如果按一采样频率对信号进行采样(如图2 所示)，采样值赋予数组b(j)，则根据上文可知：

　　由上文分析可知，在信号直流分量输出中，d(j)必然会由1 变到0。若

　　则该段信号的直流分量跟踪值为b(j+4)。另外，为避免噪声的干扰而导致信号上升下降趋势判断错误，可将b(j+5)与b(j)进行比较，如果b(j+5)>b(j) ，那么此时处在上升趋势段。反之，处在下降趋势段。