專利名稱：一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方案， 特別涉及一種高速信號處理方法，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)輸出。
背景技術(shù)：
雙頻激光干涉儀由于具有高分辨率高精度大量程的特點，被廣泛應(yīng)用于精密和超精密領(lǐng)域。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測量原理，可進行許多幾何量如長度、角度、直線度、平行度等的測量，如專利200410053441. 4、專利200420090576. 3和200910052180. 7所描述。雙頻激光干涉儀的輸出信號包括測量信號和參考信號，后續(xù)電路需要通過處理測量信號和參考信號來解算位移，輸出測量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的雙頻激光干涉儀干涉位移電子信號處理方法，實現(xiàn)單軸位移解算就需要許多功能模塊，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非常不利于多軸測量的集成專利200710099496. 2實現(xiàn)方法的模擬電路復(fù)雜，處理后的脈沖位移信號不能實現(xiàn)高分辨率細分；專利200710099495. 8采用全數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)倍頻計數(shù)面臨高速干涉位移信號處理困難問題；專利201010273357. 9所描述方法包括6級預(yù)處理電路更為復(fù)雜，非常不利于高速干涉位移信號處理以及多軸測量集成。因此一種電路結(jié)構(gòu)簡單利于多軸集成，又能滿足高分率要求的雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法亟待提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，在電路簡單易于實現(xiàn)多軸測量集成的情況下，能夠同時實現(xiàn)雙頻激光干涉儀的高分辨率位移測量。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下I)當(dāng)前時刻雙頻激光干涉儀的第一軸的測量信號~和C1、第二軸的測量信號&和 C2……第I軸的測量信號S1和C1以及參考信號&和q經(jīng)過濾波放大模塊后，在測量觸發(fā)時鐘驅(qū)動下，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊對所述的I個軸的測量信號和所述的參考信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述濾波放大模塊包括N個濾波放大電路，所述高速轉(zhuǎn)換器模塊包括N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中N = 2*1+2，I = 1，2，3，…；2)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后所述第一軸的測量信號S1和C1、第二軸的測量信號S2和C2…… 第I軸的測量信號SjPc1以及參考信號Sr和Cr均進入高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA) 對所述第一軸測量信號S1、第二軸測量信號S2……第I軸測量信號S1的整周期分別進行計
數(shù)得到第一軸整數(shù)部分Ii1、第二軸整數(shù)部分n2......第I軸整數(shù)部分np并通過第一軸測量信
號S1和C1計算第一軸小數(shù)部分Hl1，通過第二軸測量信號S2和C2計算第二軸小數(shù)部分m2…… 通過第I軸測量信號S1和C1計算第I軸小數(shù)部分Hi1 ;對所述參考信號\的整周期進行計數(shù)得到參考軸整數(shù)部分并通過所述參考信號\和q計算參考軸小數(shù)部分HV ；3)第k軸的位移Lk按如下公式計算設(shè)雙頻激光干涉儀的每波長細分數(shù)為K，位移分辨率為△，則第k軸的位移Ik為Lk = [(nk-nr) + (mk-mr)]*K*A，其中k= 1，2，…，I。
上述技術(shù)方案中，其特征在于，步驟1)中所述測量觸發(fā)時鐘驅(qū)動所述N個高速模 數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述高速FPGA的時間差小于所述N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間，其中N = 2*1+2, 1 = 1,2,3,…。特別的是，所述N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間由以下公式確定設(shè)雙頻激光干涉儀的位移分辨率為△，測量對象的最大速率為V，則所述N個高速 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間tap必須滿足tap ≤ A/v。本發(fā)明步驟2)中所述第k軸小數(shù)部分mk的確定方法如下，其中k= 1，2，…，1:i.若所述第k軸測量信號sk≥0且ck > 0，則滿足
權(quán)利要求
1.一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，其特征在于，所述方法包括1)當(dāng)前時刻雙頻激光干涉儀的第一軸的測量信號S1和C1、第二軸的測量信號&和 C2……第1軸的測量信號A和C1以及參考信號、和q經(jīng)過濾波放大模塊(1)后，在測量 觸發(fā)時鐘驅(qū)動下，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊( 對所述的1個軸的測量信號和所述的參考 信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述濾波放大模塊(1)包括N個濾波放大電路，所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器模 塊(2)包括N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中N = 2*1+2，1 = 1,2,3,…；2)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后所述第一軸的測量信號S1和C1、第二軸的測量信號&和C2……第1 軸的測量信號&和C1以及參考信號&和q均進入高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(3)對所 述第一軸測量信號S1、第二軸測量信號&……第1軸測量信號&的整周期分別進行計數(shù)得 到第一軸整數(shù)部分Ii1、第二軸整數(shù)部分n2……第1軸整數(shù)部分Ii1，并通過第一軸測量信號S1 和C1計算第一軸小數(shù)部分Hi1,通過第二軸測量信號S2和C2計算第二軸小數(shù)部分m2……通 過第1軸測量信號&和C1計算第1軸小數(shù)部分Hi1 ；對所述參考信號\的整周期進行計數(shù) 得到參考軸整數(shù)部分IV并通過所述參考信號\和q計算參考軸小數(shù)部分nv ；3)第k軸的位移Lk按如下公式計算設(shè)雙頻激光干涉儀的每波長細分數(shù)為K，位移分 辨率為A，則第k軸的位移Lk為Lk=[( -!^ + (!^-!!!…《^，其中！^=^，…，1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，其特征在于， 步驟1)中所述測量觸發(fā)時鐘驅(qū)動所述N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所述高速現(xiàn)場可編程邏輯門 陣列的時間差小于所述N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間，其中=N = 2*1+2,1 = 1,2,3,…。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，其特征在于， 所述N個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間由以下公式確定設(shè)雙頻激光干涉儀的位移分辨率為△，測量對象的最大速率為V，則所述N個高速模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的孔徑時間tap滿足tap彡A /v。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，其特征在于， 步驟2)中所述第k軸小數(shù)部分mk的確定方法如下，其中k= 1，2，…，1:( s \i.若所述第k軸測量信號％彡O且ck> 0，則滿足:mk = arctan丄I{2*Tt)-,V ii.若所述第k軸測量信號％彡0且ck<0，則滿足
全文摘要
一種雙頻激光干涉儀多軸位移信號處理方法，該方法是將雙頻激光干涉儀的多軸測量信號和參考信號濾波放大，在保證高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間足夠小且測量觸發(fā)時鐘同步驅(qū)動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器與高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的情況下，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器對所有信號分別進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后利用高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列計算多個軸的整數(shù)部分與小數(shù)部分和參考軸整數(shù)部分與小數(shù)部分來解算位移并輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過簡單的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙頻激光干涉儀高分辨率高精度測量。本發(fā)明可解決由于多軸測量要求帶來的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜及電子信號處理模塊費用高的問題。
文檔編號G01B11/02GK102589413SQ20121003787
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者劉召, 尹文生, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 楊開明, 穆海華, 胡楚雄, 胡金春, 陳龍敏 申請人:清華大學(xué)