基于单管法探测相位的自适应抗振干涉技术

　　0　引　言

　　移相干涉测量技术以其精度高、自动化程度高而得到广泛地应用。但其对测量环境的要求很高,特别是环境的振动和气流的流动对测量的影响很大。为了解决这个问题,近20年来,人们做了大量的工作,采用的方法可归为两类:一类包括抗振算法[1]、快速单帧干涉图采样法、快速移相法、同步移相法等,但这些方法都是开环工作,其干涉条纹仍然在不停地抖动和漂移中;另一类是自适应抗振方法,能使干涉条纹保持稳定,真正起防振的作用。自适应干涉仪通过用光源光波长补偿光程差的相应变化,或直接补偿干涉仪一个臂的光程,将干涉条纹锁定在设定的位相上。其中包括:机电反馈式、半导体激光器光反馈法、声光电光调制反馈控制等。目前代价小、易于实现的方案是机电反馈式主动抗振。在这种技术中,由PZT移相器进行机械式高频光学相位调制[2],用光电传感器测出振动所引起的光波波前相位的变化,再由PZT移相器对光波波前进行实时校正,从而得到稳定的干涉图样,在振动补偿的同时,系统还能进行移相测量。由此提出了基于单管法探测相位的主动抗振技术。

　　1　原　理

　　在干涉场中放置一个光电二极管,将采样的光强值转变为数字量,经数字信号处理器(DSP)处理后可得到干涉条纹的相位值,当振动引起条纹相位θ变化时,控制PZT移相器向相反方向移相,从而锁定干涉条纹相位,稳定干涉图。锁定干涉条纹相位于不同值,即可实现移相。实验装置如图1所示。在干涉场中放入单个光电二极管,其输出的电压信号可写为:V = a+ bsinθ(1)

　　式中　a、b分别为信号的直流分量和交流分量;θ为干涉条纹的相位,即要测量的量; V为光电二级管输出的电压信号。图1中DC-Level模块用于给PZT加直流偏置电压。

　　在振动的情况下振动信号引起相位θ的变化,测出θ的值就能探测振动信号。为了能计算θ,给PZT加电压,改变两束光程差,使之连续变化一个波长以上,这样光电二极管输出电压必然经过最大值和最小值:Vmax=a+b, Vmin=a-b。预先测得Vmin、Vmax值后,即可根据当前电压值计算相位:θ=arcsin{[V-(Vmin+ Vmax)/2]/[(Vmax- Vmin)/2]}(2)

　　四步移相算法[3]需采集四幅干涉图,每幅移相90°。通常选取0°,90°,180°,270°四个值。角度值是经反正弦运算得到的。若光强采样值V的误差为( Vmax-Vmin)/2的1/100时:

　　Δθ在θ=90°和270°时是最大值,绝对值为11.46°。在θ=0°和180°时是最小值,误差的绝对值为0.57°,在45°,135°,225°,315°时误差的绝对值为0.81°。由以上分析可看出选取θ=45°,135°,225°,315°的干涉图,综合误差较小。由公式(2)计算出的θ值实际范围是-90°~90°。在45°和135°时,光电管输出的电压相等,计算出的θ值都为45°,同样在225°,315°时计算出的θ值都为-45°。解决这个问题的方法是:当θ=45°时,V随θ增加而增加,当θ=135°时,V随θ增加而减小。因此,要锁定θ=45°时,可通过补偿算法解决,当采得的光强信号V偏大时(比45°对应的V值大),通过PZT移相器使θ减小,V偏小时,使θ增大,当条纹稳定下来时,必然锁定在45°。反之135°、225°和315°时的锁定可通过同样方法解决。