用于PZT调制干涉仪的外触发式差动数字鉴相技术

　　1　前　言

　　目前常用的干涉测量系统可以分为零差(单频)和外差(双频)两类。零差干涉测量系统具有易于与光纤耦合、测量速度不受限制等优点,其缺点是不能承受光强波动、直流放大器增益不能过高等。外差干涉测量系统则以其抗干扰性好、不受光强波动影响、放大器增益高等突出优点在纳米技术、生命科学研究等许多新兴领域中得到了广泛的应用。

　　外差干涉系统在干涉条纹小数级次的测量方面有许多比较成熟的方法,如锁相倍频[1]、混合型外差信号处理[2]和整小数一体化相位测量[3]等,易实现高精度和高分辨率。因此,在单频干涉系统中如果也能够增加调制环节和相位测量方法,则将会大大提高其测量精度和分辨率。

　　常用的光源调制方法有纵向塞曼和横向塞曼He-Ne激光器、双纵模激光器等。对于单频激光器来说,如果通过声光调制或电光调制实现外差干涉测量的话,则系统通常比较复杂。而采用压电陶瓷进行调制则是一种比较简单而又能实现外差测量的方法。由于压电陶瓷具有结构简单、稳定性好、响应速度快、价格低廉等优点,因而常用在相移干涉测量[4,5]中,用于改变两干涉光波的相对位相。在所研制的差动干涉仪中,也采用压电陶瓷进行调制,使干涉条纹小数级次的测量转化为相位测量[6]。本文研究了适用于这种机械调制干涉仪的外触发式差动数字鉴相技术,设计了基于FPGA的相位测量系统,并进行了相位比对实验。

　　2　基于机械调制的差动干涉仪信号特点

　　采用机械调制的差动干涉仪(其结构见文献[6]中的图1),其参考路和测量路干涉信号的典型波形如图1所示。该信号具有如下特点:

　　(1)频率较低。一般在500 Hz～3 kHz之间,主要受限于压电陶瓷的驱动频率和驱动电压。这对于要求高调制频率的情况是缺点,但对于单纯要求高分辨率的情况又是优点,因为技术上更容易实现。图1中的干涉信号低频部分频率为1.2 kHz。这就要求相位测量单元的信号预处理部分能够比较好地对低频输入信号进行整形,避免整形后的信号沿抖动。

　　(2)待测信号有相位跃变点且周期极不均匀。图1中通道4所示为压电陶瓷的锯齿波驱动信号,通道2和3为差动干涉仪的参考和测量信号。可以看出,在锯齿波的上升沿(或下降沿)的起始和终了部分的信号不是连续的。当然可以采取一些技术手段使其得到均匀的周期,本文试图采用更为简洁的方法。

　　3　外触发式差动数字鉴相系统原理与设计

　　为测出准确的相位值,显然不能直接对图1中的两路干涉信号进行比相。由图1可看出,在压电陶瓷的锯齿波驱动信号上升沿的中间部分,干涉信号质量较好。由此采用截取部分波形进行测相的方法,即设计一个与干涉信号同步的外触发信号(如图1中的通道1所示),使触发信号的高电平对应信号波形比较均匀的部分,利用这部分信号进行比相,从而得到准确的相位值。为此,研制了基于外触发式差动数字鉴相原理的相位测量系统。