基于DSP激光自混合干涉微位移測量控制系統(tǒng)

摘 要：設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的微位移測量方法，設計了基于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來測量物體位移方面，已有不少學者進行了研究。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出相位，進而恢復出外腔物體位移。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)通過驅動LD激光器和壓電陶瓷PZT產生自混合信號，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)學模型進行分析。

自混合干涉的通用數(shù)學模型可表示如下：

三、自混合信號測量控制系統(tǒng)結構

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。

在自混合信號產生部分中主要包括光路部分以及外圍控制電路部分。半導體激光器采用。測量系統(tǒng)中由脈寬調制（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部的光電探測器（PD）接收，PD將自混合干涉信號轉換成與光強成正比的電壓信號，經過電流/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外部物體的位移曲線，同時讀取PZT內部位移監(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)結構

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。經過DSP驅動產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)勢對每個調制周期內的信號進行傅里葉變換，提取出信號的初始相位，進而重構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

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

圖3 三角波電流調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，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外部物體的位移，并與原始外腔位移進行對比，結果如圖4所示為恢復的原始振動等比例位移圖形。

圖4 傅里葉變換法恢復出的外腔物體位移

五、結論

本文設計了一套基于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。

結果表明，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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