一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法。所述装置包括光电转换模块1，高通滤波器2，信号补偿模块3，DDS信号发生模块4，模拟乘法器模块5、6，低通滤波器模块7、8，信号补偿模块9、10，模数转换模块11、12，FPGA模块13。所述方法为利用硬件设计的高通滤波器，乘法器电路和低通滤波器电路等设计模拟运算电路以取代FPGA解调算法中极耗资源的前置数字信号处理部分完成双频激光干涉测量信号解调的前处理。本发明专利技术可用于双频激光干涉测量的高速相位细分的运算，可有效降低系统运算性能的需求、提高运算的速度、降低运算的延迟以及降低系统的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法(一)
本专利技术涉及的是一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法，可用于双频激光干涉测量中干涉测量信号解调的前处理，应用于双频激光干涉测量的高速相位细分的运算，使用硬件取代耗资源的数字信号处理过程，可有效降低系统运算性能的需求、提高运算的速度，降低系统的成本。(二)
技术介绍
在精密测量、纳米级加工等领域中，对激光干涉测量的应用十分广泛。而随着这些领域技术的发展，对双频激光干涉仪信号测量的分辨能力和测量速度的要求在不断提升。对于双频激光干涉测量信号的解调方式，在组成装置方面，目前主要分为软件解调、硬件解调、软硬件结合解调。部分硬件解调的方式为将原始的双频激光干涉测量信号进行高倍的倍频，然后对倍频信号进行相位计数。受限于硬件性能，倍频难以做到很高，且倍频后超高频的信号受影响也很严重。部分软硬件结合解调的方式为将激光器发出的一路原始的参考信号进行90°的移相与另一路信号进行混频，然后使用AD读取混频信号进行处理。然而信号移相的过程会造成相位延迟与时间延迟，使移相后的参考信号与当前测量信号时间不同步，导致无法完全抵消激光器本身的误差。部分软件解调的方式为将原始的测量信号与参考信号使用AD全部读入，然后使用FPGA进行数字信号处理，在FPGA内部进行包括FFT运算、低通滤波、信号发生、信号相乘等运算，这样保证了测量与计算的精度，并保证了时间的一致性，但对FPGA的硬件性能与AD的性能有着较高的要求。本专利技术提供一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法，可用于双频激光干涉测量中干涉测量信号解调的前处理，应用于双频激光干涉测量的高速相位细分的运算。本专利技术提供的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法基于双正交解调算法的运行步骤进行改进，将部分适合使用硬件电路进行处理的过程独立出来，使用合适的硬件架构设计取代使用FPGA进行的数字信号处理过程，可有效降低系统运算性能的需求、提高运算的速度，降低系统的成本。(三)
技术实现思路
针对双频激光干涉测量信号解调的处理过程，本专利技术的目的在于提供一种改进的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置和方法，可有效降低系统运算性能的需求、提高运算的速度、降低运算的延迟以及降低系统的成本。本专利技术提供一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置，由光电转换模块1，高通滤波器2，信号补偿模块3，DDS信号发生模块4，模拟乘法器模块5、6，低通滤波器模块7、8，信号补偿模块9、10，模数转换模块11、12，FPGA模块13组成。所述装置中光电转换模块1，用于将输入的双频激光干涉测量光信号转为电信号；所述装置中高通滤波器2连接所述光电转换模块1，滤除信号中的直流量和低频量；所述装置中信号补偿模块3连接所述高通滤波器2，将信号补偿到模拟乘法器适应的输入范围；所述装置中FPGA模块13连接所述DDS信号发生模块2，用于控制DDS信号发生模块输出两路正交的定频信号：一路正弦信号和一路余弦信号；所述装置中模拟乘法器5、6连接所述信号补偿模块3，并分别连接DDS信号发生模块产生的一路正弦信号和一路余弦信号，实现信号的相乘；所述装置中低通滤波器7、8分别连接所述模拟乘法器5、6，滤除信号相乘后的高频分量；所述装置中信号补偿模块9、10分别连接所述低通滤波器7、8，用于将信号补偿到适宜模数转换采集的强度范围；所述装置中模数转换模块11、12分别连接所述信号补偿模块9、10，用于采集前处理过的双频激光干涉测量电信号；下面将进一步说明所述装置的硬件结构。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的光电转换模块1，其硬件组成包括APD、APD驱动、跨阻放大器等电路，用于接收的双频激光干涉测量光信号转为电信号。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的高通滤波器2，是一种截止频率远低于信号低频带的高通无源滤波器设计，仅用于滤除直流量与低频噪声。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的信号补偿模块3，用于将信号调理到适合模拟乘法器运算的电压范围，并将信号分成两路输入到两个模拟乘法器中。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的DDS信号发生模块4，其DDS信号发生芯片接收FPGA的控制信号，根据FPGA的设定发出两路频率一定的正交信号，用于进行双频激光干涉测量信号解调前处理中的乘法混频。一路信号为fsin、一路信号为fcos，分别与所述信号补偿模块3分出的两路测量信号相乘。其信号频率设定为双频激光干涉测量产生的频率变化的拍频信号的中心频率，即激光器发出的未经过测量光路的参考信号的拍频频率和被测量物静止时测量光路的信号拍频频率。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的模拟乘法器5、6，其电路结构为使用模拟乘法器芯片，如AD834构成模拟乘法电路，芯片带宽大于信号相乘后频谱搬移产生的高频频带。经过输出电路适配后输出所述双频激光干涉测量信号与所述DDS信号发生模块4产生的信号相乘后的混频信号。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的低通滤波器7、8，采用无源的低通滤波器设计，滤除信号乘法混频后产生的高频信号，只保留低频信号，其截止频率设定为DDS信号发生模块4产生的两路正交信号的频率，即激光器发出的未经过测量光路的参考信号的拍频频率和被测量物静止时测量光路的信号拍频频率。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的信号补偿模块9、10，用于将信号补偿到适宜模数转换采集的强度范围，以发挥AD采样的最大性能。所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的模数转换模块11、12，可以由一片双通道AD或两片单通道AD组成，用于采集前处理过的双频激光干涉测量电信号。本专利技术提供一种双频激光干涉测量信号解调的前处理方法，包括以下步骤：(1)将双频激光干涉测量光信号输入所述装置的光电转换模块，转换出双频激光干涉测量光信号同频电信号；(2)使用所述装置的高通滤波器滤除电信号的直流量和低频干扰信号；(3)所述装置的DDS信号发生模块产生两路定频的正交信号；(4)所述装置转换出的电信号分别与信号发生模块产生的两路定频的正交信号相乘；(5)所述装置通过低通滤波器滤除相乘后信号的高频分量，完成信号的前处理；(6)所述装置通过模数转换模块采集前处理后的信号，进行后续的计算；经过信号的前处理，AD所需要采样的信号的频率减半，且FPGA不需要进行复杂的数字信号处理运算。这也就意味着在基本保持软件解调精度的前提下，提高了信号解调处理的速度。并且在硬件架构上，不仅AD所需要的采样率、后续电路设计的频率与速度要求减半，且FPGA的硬件性能需求也将大幅下降。对于市场上的大多数AD芯片来说，采样率的升高会导致芯片价格指数级上升，一片高采样率的AD芯片的价格远高于两片采样率是前者一半的单通道芯片或采样率是前者一半的双通道芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置，其特征在于：它由光电转换模块1，高通滤波器2，信号补偿模块3，DDS信号发生模块4，模拟乘法器模块5、6，低通滤波器模块7、8，信号补偿模块9、10，模数转换模块11、12，FPGA模块13组成。/n所述装置中光电转换模块1，用于将输入的双频激光干涉测量光信号转为电信号；/n所述装置中高通滤波器2连接所述光电转换模块1，滤除信号中的直流量和低频噪声；/n所述装置中信号补偿模块3连接所述高通滤波器2，将信号补偿到模拟乘法器适应的输入范围；/n所述装置中FPGA模块13连接所述DDS信号发生模块2，用于控制DDS信号发生模块输出两路正交的定频信号：一路正弦信号和一路余弦信号；/n所述装置中模拟乘法器5、6连接所述信号补偿模块3，并分别连接DDS信号发生模块产生的一路正弦信号和一路余弦信号，实现信号的相乘；/n所述装置中低通滤波器7、8分别连接所述模拟乘法器5、6，滤除信号相乘后的高频分量；/n所述装置中信号补偿模块9、10分别连接所述低通滤波器7、8，用于将信号补偿到适宜模数转换采集的强度范围；/n所述装置中模数转换模块11、12分别连接所述信号补偿模块9、10，用于采集前处理过的双频激光干涉测量电信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双频激光干涉测量信号解调的前处理装置，其特征在于：它由光电转换模块1，高通滤波器2，信号补偿模块3，DDS信号发生模块4，模拟乘法器模块5、6，低通滤波器模块7、8，信号补偿模块9、10，模数转换模块11、12，FPGA模块13组成。
所述装置中光电转换模块1，用于将输入的双频激光干涉测量光信号转为电信号；
所述装置中高通滤波器2连接所述光电转换模块1，滤除信号中的直流量和低频噪声；
所述装置中信号补偿模块3连接所述高通滤波器2，将信号补偿到模拟乘法器适应的输入范围；
所述装置中FPGA模块13连接所述DDS信号发生模块2，用于控制DDS信号发生模块输出两路正交的定频信号：一路正弦信号和一路余弦信号；
所述装置中模拟乘法器5、6连接所述信号补偿模块3，并分别连接DDS信号发生模块产生的一路正弦信号和一路余弦信号，实现信号的相乘；
所述装置中低通滤波器7、8分别连接所述模拟乘法器5、6，滤除信号相乘后的高频分量；
所述装置中信号补偿模块9、10分别连接所述低通滤波器7、8，用于将信号补偿到适宜模数转换采集的强度范围；
所述装置中模数转换模块11、12分别连接所述信号补偿模块9、10，用于采集前处理过的双频激光干涉测量电信号。


2.根据权利要求1所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的光电转换模块1，其特征是：包括APD、APD驱动、跨阻放大器等电路，用于接收的双频激光干涉测量光信号转为电信号。


3.根据权利要求1所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的高通滤波器2，其特征是：无源滤波器，用于滤除直流量与低频噪声。


4.根据权利要求1所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的信号补偿模块3，其特征是：将信号调理到适合模拟乘法器运算的电压范围，并将信号分成两路输入到两个模拟乘法器中。


5.根据权利要求1所述的双频激光干涉测量信号解调的前处理装置中所采用的DDS信号发生模块4，其特征是：根据FPGA的设定发出两路频率一定的正交信号，用于进行双频激光干涉测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊显名，张志成，张文涛，杜浩，曾启林，徐韶华，张玉婷，赵正义，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45