一种整小数结合式激光外差信号处理方法

0　引　言

激光外差干涉仪因具有测量速度快、测量精度高、抗干扰能力强、重复性好和溯源性强等优点被广泛用于超精密加工和测量中[1]。目前,国内外常用的外差干涉信号处理方法主要有2种[2]:一种是利用锁相环电子倍频细分,另一种是同步相位解调细分。这2种方法由于锁相环本身只具有限的频率捕捉范围,所以,倍频数受到一定的限制,影响了测量精度的进一步提高。而相位测量法尽管测量精度比较高,但其测量范围相对比较小。为了解决测量精度和测量范围的矛盾,本文设计了锁相环倍频和相位解调相结合的激光外差干涉信号细分方法,该方法利用锁相环倍频方法测量两路外差信号半波长数目之差,即所谓的整数计数,利用相位解调法测量两路外差信号半波长之内[3]的相位差,即所谓的小数计数。整数计数部分采用基于FPGA[4]的对顶脉冲相消和加减计数来实现,小数计数部分采用双向鉴相方法,这种整数、小数结合的外差信号处理方法具有较大的动态测量范围,同时,又具有很高的动态测量精度。

1　整数、小数结合外差干涉测量原理

如图1所示,双频激光器发射出包含两束频率不同、偏振方向互相垂直的频率分别为f1和f2的线偏振光,光波振动方程分别为

整数、小数计数式双频激光干涉测量法,其小数测量系统的测量范围大于等于整数测量系统的测量不确定度。整数、小数计数结合方式采用混合法,即利用锁相环对信号适当倍频细分使得整数测量不确定度小于小数测量范围,利用测相法获得小数相位,以实现整数、小数计数的正确结合。其电路原理框图如图2,其中,锁相环实现32倍频,即M=32,对应的整数测量分辨力为λ/2/M,优于10 nm。

1.1　整数相位测量方法

整数计数法的核心技术是正确实现脉冲对顶相消。原始信号经过预处理和倍频整步后,得到的是高频测量信号Tfm和参考信号Tfr,Tfm,Tfr再经过对顶脉冲相消电路进行处理。其原理框图如图3(a)所示。该模块是在Altera公司的Cyclone系列高速FPGA中实现,所有程序均在QuartusII5. 0开发环境下编译,并通过仿真初步验证其正确性。脉冲相消模块仿真如图3(b)所示,其中,信号Dfm和Dfr为经过对顶脉冲相消电路后的信号,显见经过对顶脉冲相消模块后对顶脉冲被消除;信号Jfm和Jfr为经过交错脉冲相消模块后的信号,显见经过交错脉冲相消模块后交错脉冲被消除;pulse信号为Jfm,Jfr的合成信号,就是整数计数单元输出的位移当量脉冲, dir信号为方向信号, dir信号的跳变,表明此时物体运动方向发生变化。所以,该方法可以实现参考信号和测量信号相位差整数部分的正确测量,并且,可以提供方向信号。