[发明专利]速度预估激光测振相位解调方法

说明书

速度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、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，实现相位解调；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。

技术领域

本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种速度预估激光测振相位解调方法。

背景技术

零差激光测振技术具有结构简单、测量精度高、动态范围宽和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。

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 ScientificInstruments，1995，66(7)：3729-3734；2.Pengcheng Hu，et.al.DC-offset homodyneinterferometer 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。

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：

(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；

(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。

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 fordynamic absolute distance measurement using Kalman filter.Optics Letters,2014,39(24):6997-7000；2.Kulkarni R,Rastogi P.Phase derivative estimation froma 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。