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专利号: 2018113589436
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤1)采样获得数字干涉信号S(t),数字信号S(t)表示如下:

其中,A表示数字干涉信号的幅值,m表示调制深度,θ表示相位延迟,ωc表示正弦调制信号的频率, 表示待测相位,J0(m)表示第0阶的第一类贝塞尔函数,J2n(m)表示偶数阶的第一类贝塞尔函数,J2n-1(m)表示奇数阶的第一类贝塞尔函数;

步骤2)数字干涉信号S(t)分别与通过数字频率合成器产生的一阶正交参考信号(sin(ωct)、cos(ωct))、二阶正交参考信号(cos(2ωct)、sin(2ωct))、四阶正交参考信号(cos(4ωct)、sin(4ωct))通过乘法器相乘以及低通滤波处理完成正交下混频运算,各滤波器输出的直流信号与数字干涉信号S(t)中对应谐波的幅值呈正比,定义为谐波幅值信号,对于同一阶谐波幅值信号按照其与相位延迟θ的余弦值呈正比还是与相位延迟θ的正弦值呈正比分别定义为信号Pi与Qi,即Pi与Qi是正交的,其中下标i表示阶数,取值范围为1,2,4,获得

3对正交的谐波幅值信号(P1、Q1)、(P2、Q2)和(P4、Q4),分别为一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4),P1、Q1、P2、Q2、P4、Q4分别计算为:其中,LPF[]表示低通滤波运算,A表示数字干涉信号的幅值,m表示调制深度,θ表示相位延迟,表示待测相位,J1(m)表示第一阶第一类贝塞尔函数,J2(m)表示第二阶第一类贝塞尔函数,J4(m)表示第四阶第一类贝塞尔函数;ωc表示正弦调制信号的频率;

步骤3)运用一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)和四阶正交谐波幅值信号(P4,Q4)进行运算得到不受待测相位 影响的相位延迟量θc,计算公式如下:步骤4)一阶正交谐波幅值信号(P1,Q1)、二阶正交谐波幅值信号(P2,Q2)分别经绝对值加法器相加得到在任何角度的相位延迟下幅值都不为零的绝对谐波幅值信号(T1,T2),T1,T2分别表示一阶正交谐波幅值信号P1与Q1的绝对值之和以及二阶正交谐波幅值信号P2与Q2的绝对值之和,计算公式如下:步骤5)运用步骤3)得到的相位延迟量θc分别计算一阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G1、二阶绝对谐波幅值信号相位延迟修正系数G2,计算公式如下:

其中,sign(P1)和sign(P2)分别表示P1与P2的符号;

步骤6)将绝对谐波幅值信号(T1,T2)分别乘以上述对应的相位延迟修正系数G1与G2,重构出幅度不受相位延迟影响的新谐波幅值信号(R1,R2),R1和R2分别表示绝对谐波幅值信号T1与相位延迟修正系数G1的乘积以及绝对谐波幅值信号T2与相位延迟修正系数G2的乘积,重构计算公式如下:步骤7)对新谐波幅值信号(R1,R2)进行四象限反正切运算,得到待测相位,公式如下:

其中,sign(R1)和sign(R2)分别表示R1与R2的符号。

2.根据权利要求1所述的一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法,其特征在于:所述的方法计算过程采用相位处理系统,相位处理系统具体为:

第一乘法器(2)、第二乘法器(3)、第五乘法器(12)、第六乘法器(14)、第七乘法器(17)和第八乘法器(18)的输入端均连接数字干涉信号S(t),第一数字频率合成器(1)连接在第一乘法器(2)和第二乘法器(3)的输入端,第二数字频率合成器(13)连接在第五乘法器(12)和第六乘法器(14)的输入端,第三数字频率合成器(16)连接在第七乘法器(17)和第八乘法器(18)的输入端;第一乘法器(2)的输出端经第一低通滤波器(4)分别连接到第一绝对值加法器(6)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端,第二乘法器(3)的输出端经第二低通滤波器(5)分别连接到第一绝对值加法器(6)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端,第五乘法器(12)的输出端经第三低通滤波器(11)分别连接到第二绝对值加法器(7)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端,第六乘法器(14)的输出端经第四低通滤波器(15)分别连接到第二绝对值加法器(7)的输入端和相位延时提取模块(21)的输入端,第七乘法器(17)、第八乘法器(18)的输出端分别经第五低通滤波器(19)、第六低通滤波器(20)连接到相位延时提取模块(21)的输入端;相位延时提取模块(21)的输出端连接到相位延时修正系数计算模块(22)的输入端,第一绝对值加法器(6)的输出端与相位延时修正系数计算模块(22)的输出端经第三乘法器(8)连接到第一反正切运算器(10)的输入端,第二绝对值加法器(7)的输出端与相位延时修正系数计算模块(22)的输出端经过第四乘法器(9)连接到第一反正切运算器(10)的输入端,第一反正切运算器(10)的输出端输出待测相位。

3.根据权利要求2所述的一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法,其特征在于:

所述的相位延时提取模块(21)具体为:第九乘法器(2101)的输入端分别连接第一低通滤波器(4)、第二低通滤波器(5)的输出端,第一低通滤波器(4)的输出端还与第一平方运算器(2103)的输入端相连,第九乘法器(2101)的输出端经倍乘器(2102)连接到第一加法器(2106)的输入端;第二低通滤波器(5)的输出端还与第二平方运算器(2104)的输入端相连,第二平方运算器(2104)的输出端与第一平方运算器(2103)的输出端经第一减法器(2105)共同连接到第二加法器(2107)的输入端;第十三乘法器(2114)的输入端分别连接第三低通滤波器(11)、第六低通滤波器(20)的输出端,第十二乘法器(2113)的输入端分别连接第四低通滤波器(15)、第五低通滤波器(19)的输出端,第十二乘法器(2113)和第十三乘法器(2114)的输出端经第二减法器(2115)连接到第一加法器(2106)的输入端;第十乘法器(2110)的输入端分别连接第三低通滤波器(11)、第五低通滤波器(19)的输出端,第十一乘法器(2111)的输入端分别连接第四低通滤波器(15)、第六低通滤波器(20)的输出端,第十乘法器(2110)与第十一乘法器(2111)的输出端经第三加法器(2112)连接到第二加法器(2107)的输入端;第一加法器(2106)与第二加法器(2107)的输出端均连接到第二反正切运算器(2108)的输入端,第二反正切运算器(2108)的输出端分两路,第一支路经二分之一乘法器(2109)输出到相位延时修正系数计算模块(22),第二支路直接输出结果至相位延时修正系数计算模块(22)。

4.根据权利要求2所述的一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法,其特征在于:

所述的相位延时修正系数计算模块(22)具体为:第二反正切运算器(2108)第一支路后二分之一乘法器(2109)的输出端经第一余弦查找表(2201)获得正弦值和余弦值,两个值依次经第三绝对值加法器(2202)、第一倒数运算器(2204)连接第一符号乘法器(2205)的输入端,第一符号乘法器(2205)将来自第一倒数运算器(2204)的输出值与第二低通滤波器(5)经第一符号运算器(2203)得到的输出值进行运算从而输出运算结果;第二反正切运算器(2108)的第二支路的输出端经第二余弦查找表(2206)获得正弦值和余弦值,两个值依次经第四绝对值加法器(2207)、第二倒数运算器(2209)连接第二符号乘法器(2210)的输入端,第二符号乘法器(2210)将来自第二倒数运算器(2209)的输出值与第三低通滤波器(11)经第二符号运算器(2208)得到的输出值进行运算从而输出运算结果。

5.根据权利要求1所述的一种PGC相位解调法中相位延迟提取与补偿方法,其特征在于:

所述的方法应用于正弦相位调制干涉仪,所述的正弦相位调制干涉仪包括单频激光器(23)、偏振片(24)、分光棱镜(25)、测量角锥棱镜(29)、电光相位调制器(27)、光电探测器(31)和高压放大器(28),单频激光器(23)发出激光光束,经偏振片(24)入射到分光棱镜(25)发生反射和透射,分光棱镜(25)的反射光经电光相位调制器(27)调制后入射到参考角锥棱镜(26),经参考角锥棱镜(26)反射回到分光棱镜(25)发生反射,分光棱镜(25)的透射光经测量角锥棱镜(29)反射后回到分光棱镜(25)发生透射,回到分光棱镜(25)发生反射和透射的两束光束合束后经反射镜(31)反射到光电探测器(31),光电探测器(31)接收光束后产生光信号,光信号依次经放大器(32)、带通滤波器(33)、模数转换器(34)输入到现场可编程门阵列信号处理器FPGA(35),现场可编程门阵列信号处理器FPGA(35)输出控制信号依次经数模转换器(36)、高压放大器(28)后输入到电光相位调制器(27)的控制端。