基于DSP的单频激光实时信号解调软硬件研究

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随着精密机械加工工艺的不断发展,对物体实现微小振动和微小位移精确测量的研究逐渐得到了人们广泛的重视。在众多测量方法中,激光干涉测量法由于其测量精度高、设计结构简单、适用于各种复杂环境和动态范围大等优点而得到了广泛的应用。由于激光干涉仪最终的测量信号都是以相互正交的信号形式给出的,所以,正交相位实时解调技术的实现与高精度激光干涉仪测量就显得密不可分了。为了保证正交相位实时解调的实现,不仅需要采用合适的解调算法,例如:非线性误差校正算法和细分查表等,同时,还需要搭建高速数据采集系统和高速数据处理系统为正交相位解调提供高效的硬件平台。

2004年,美国学者Mark A. Zumberge和Jonathan Berger等人,在其搭建的自由空间型Michelson干涉仪和M-Z光纤干涉仪系统中,以DSP为核心器件实现了对正交信号的实时解调[1]。该正交信号实时解调系统通过12位的AD转换器直接与DSP (Bitt Ware Models BITSI-DAQ andBTCP-4062-3)相连,并且,以100 kHz的采样率对两个正交条纹信号进行采样,并在DSP内构造了截止频率为200 Hz的三阶低通滤器,对数字输入信号进行滤波处理。解调系统的相位分辨率达到了22μrad,电路的噪声最低为0·5 pm/Hz-1/2。也是在2004年,美国学者Taeho Keem和Satoshi Gonda等人基于DSP处理器提出了一种新的干涉仪实时解调方法[2]。该方法中,四路干涉仪正交输出信号经过预放大后由14 Bit精度的ADC完成数模转换,数字信号被直接传输给DSP处理器,经过算法处理后最终由16 Bit精度的DAC完成数据输出工作。该实时解调方法以TI公司的TMS3206071型DSP处理器为核心器件,完成的正交信号的实时解调。此外,为了消除电路噪声,还在DSP内部实现了截止频率为10 Hz的数字低通滤波器,最终使干涉仪标准误差降到了5μm的量级。韩国学者Jong-Ahn Kim和Jae WanKim等人于2009年基于NI公司的PIC-7831R型数据采集卡提出了一种新的正交信号实时解调方法[3]。该解调方案中,以FPGA为核心器件对解调系统的输入输出信号进行高精度同步控制,采用16 Bit位宽的多通道ADC,采样率为200 kHz,实现了2π相位范围内的1 024细分。

激光干涉信号的解调是实现高精度纳米级激光干涉测量的先决条件之一,现在和将来都将是整个激光干涉信号解调领域的重点课题。尽管如此,同时具备集高速数据采集和高速数据采集能力的干涉信号硬件解调系统仍然没有得到广泛的研究。先进可靠的正交信号解调技术可以使激光干涉仪的测量精度得到大幅度的提高,达到纳米甚至亚纳米级。本文围绕单频激光正交干涉信号输出特性,提出了一种基于DSP和FPGA的新的干涉信号实时硬件解调系统,重点对信号的非线性误差校准和条纹细分算法的实时性优化以及硬件系统设计进行了阐述。