基于DSP激光自混合干涉微位移測量控制系統(tǒng)

摘 要：設(shè)計了基于激光自混合信號測量微位移原理的系統(tǒng)。在分析自混合干涉理論模型的基礎(chǔ)上，研究了基于傅里葉變換相位測量原理的自混合干涉技術(shù)的微位移測量方法，設(shè)計了基于TMS320F28335 浮點DSP的微位移測量控制系統(tǒng)，完成了微小震動的控制與微小位移的測量計算。

關(guān)鍵詞：自混合干涉；傅里葉變換；相位；微位移；DSP

近年來，在利用激光自混合干涉信號處理技術(shù)來測量物體位移方面，已有不少學(xué)者進行了研究。采用傅里葉變換相位提取算法，既不需引用外部光學(xué)器件，而且大大提高被測體位移測量精度。該方法依據(jù)傅里葉變換相位測量的原理，通過注入電流調(diào)制來改變激光器的輸出光頻，然后利用傅里葉變換相位測量法解調(diào)出相位，進而恢復(fù)出外腔物體位移。通過研究激光自混合干涉信號測量微小位移的基本原理，設(shè)計了基于TMS320F28335浮點DSP的微小位移測量控制系統(tǒng)，該測量控制系統(tǒng)通過驅(qū)動LD激光器和壓電陶瓷PZT產(chǎn)生自混合信號，并且有高精度的溫度控制模塊對LD激光器進行溫度調(diào)節(jié)；最后通過采集光電探測器PD信號，并通過傅里葉變換相位提取算法將采集到的信號進行處理，得到位移信息。該測量控制系統(tǒng)具有精度高，抗干擾能力強等特點。

一、自混合干涉理論模型

對激光二極管自混合干涉測量原理的分析方法主要是運用三鏡法-珀（F-P）腔模型和Lang-Kobayash速率方程。為了研究方便，將這兩種方法統(tǒng)一為如下通用的數(shù)學(xué)模型進行分析。

自混合干涉的通用數(shù)學(xué)模型可表示如下：

三、自混合信號測量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文給出了一種利用傅里葉變換測量位移的方法。測量裝置如圖1所示，系統(tǒng)工作在弱反饋條件下。主要由三部分組成：自混合信號產(chǎn)生部分、光電信號采集部分以及數(shù)據(jù)處理部分。

在自混合信號產(chǎn)生部分中主要包括光路部分以及外圍控制電路部分。半導(dǎo)體激光器采用。測量系統(tǒng)中由脈寬調(diào)制（PWM）和高精度溫度控制電路檢測和控制激光器溫度，使其溫度保持基本恒定，進而使激光器的性能恒定。壓電陶瓷（PZT）由驅(qū)動器控制運動以模擬被測物體的位移變化。

干涉信號由封裝在激光器內(nèi)部的光電探測器（PD）接收，PD將自混合干涉信號轉(zhuǎn)換成與光強成正比的電壓信號，經(jīng)過電流/電壓裝換和高性能的儀表放大器進行差分放大去除掉線性調(diào)制分量后，最后把采集到的自混合干涉信號送入DSP處理模塊，然后運用上節(jié)所提到的信號處理方法重構(gòu)外部物體的位移曲線，同時讀取PZT內(nèi)部位移監(jiān)測模塊輸出的PZT實際位移曲線，對位移測量系統(tǒng)進行評估，系統(tǒng)中的鋸齒波發(fā)生器、PZT驅(qū)動以及溫度控制都是DSP的控制下完成的。

圖1 微位移測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四、實驗研究

為了驗證本系統(tǒng)的控制測量的可行性及測量精度，進行了實驗研究。經(jīng)過DSP驅(qū)動產(chǎn)生包含有微小振動位移的自混合干涉信號，并通過信號采集模塊，然后運用DSP高速運算的優(yōu)勢對每個調(diào)制周期內(nèi)的信號進行傅里葉變換，提取出信號的初始相位，進而重構(gòu)出外腔物體位移曲線。運行程序流程框圖如圖2所示。

圖2程序流程框圖

設(shè)定半導(dǎo)體激光器的初始波長，三角波調(diào)制周期，頻率調(diào)制系數(shù)，初始外腔長，振動幅度，外腔運動規(guī)律，得到三角波電流調(diào)制下的自混合干涉信號如圖3所示。

圖3 三角波電流調(diào)制下的自混合干涉信號

通過傅里葉變換提取的相位值如圖4所示，由于在用反正切函數(shù)計算相位時，相角范圍被限制在了范圍內(nèi)，須對該包裹相位進行相位解卷處理。相位解卷算法如下：當相鄰兩點的相位差小于，就加上，直到相鄰兩點的相位差大于；當相鄰兩點的相位差大于，就減去，直到相鄰兩點的差值小于。

根據(jù)傅里葉變換測量原理，用提取出的相位來重構(gòu)外部物體的位移，并與原始外腔位移進行對比，結(jié)果如圖4所示為恢復(fù)的原始振動等比例位移圖形。

圖4 傅里葉變換法恢復(fù)出的外腔物體位移

五、結(jié)論

本文設(shè)計了一套基于DSP的激光自混合信號的微小位移測量控制系統(tǒng)，運用傅里葉變換相位提取算法，對自混合干涉系統(tǒng)被測體位移量進行重建。通過實驗，對自混合信號的微小位移振動進行了恢復(fù)。

結(jié)果表明，該測量控制系統(tǒng)不僅具有控制能力強，測量精度高，而且數(shù)據(jù)處理能力強。對于追求高精度微小位移測量來說，傅里葉變換相位測量算法最大的優(yōu)勢就是在保持了系統(tǒng)原有的優(yōu)勢下，較大程度地提高了位移測量精度實驗裝置簡便易操作，測量速度快，能夠測量動態(tài)過程的相位變化。

參考文獻.

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