本發明涉及一種利用衍射光柵精密測量位移的技術，尤其涉及一種根據雙路非正交位移信號計算位移量的方法。

背景技術：

隨著精密及超精密加工技術的迅速發展，微米級的位移測量技術已無法滿足要求，納米級位移測量技術發展迅速，并在各領域得到了廣泛應用。光柵位移測量技術主要分為基于莫爾條紋和基于衍射干涉兩類。使用衍射光柵的衍射光柵干涉測量技術具有低成本、高精度等優點，已成為納米級位移測量的首先技術。

目前衍射光柵干涉測量技術主要可分為非偏振光干涉測量技術及偏振光干涉測量技術兩大類。利用非偏振光干涉技術時，在同一干涉條紋中布置陣列光電探頭，通過調整陣列探頭在空間中的布局角度獲得四路相位依次相差90°的正弦信號；利用偏振光干涉技術時，使用波片相位延遲技術獲得相位差依次為90°的干涉條紋，進而通過四個獨立的光電探頭獲得四路相位差為90°的電信號。經過信號的差分放大，即可輸出兩路位移信號。為得到納米級精密位移量，需要對輸出光電信號的整周期部分進行準確計數，并對剩余非整周期信號進行細分計算。

由于濾波器都具有一定的延遲效應，兩路信號所使用的電子器件在參數上無法保持一致，導致差分放大后的電信號延遲效應不一致，使實際輸出的兩路正弦位移信號改變為非正交位移信號。但現有技術都默認雙路位移信號為正交信號，并直接對非整周期信號進行細分，這會給非整周期信號所包含的位移計算帶來誤差。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種根據雙路非正交位移信號來計算位移量的方法，減少位移的計算誤差，提高位移測量精度。

本發明的技術方案是：一種用于光柵位移測量系統的位移計算方法，包括以下步驟：

S1)通過DSP對雙路非正交正弦位移信號進行同步采樣，獲得雙路非正交正弦信號數據；

S2)根據相關原理計算出雙路非正交正弦信號數據的相位差值；

S3)根據相位差值，使用非整周期部分信號細分算法，計算出非整周期部分信號所包含的位移量；以及

S4)根據整周期計數值計算出整周期部分信號所包含的位移量，加上上述非整周期部分信號所包含的位移量，計算出總位移量。

在本發明上述用于光柵位移測量系統的位移計算方法中，所述步驟S2包括以下步驟：

S21)利用S1)中所得兩路數據x(n)和y(n)，分別計算兩路信號的自相關R_xx(0)、R_yy(0)和互相關R_xy(0)：

S22)當R_xy(0)≥0時，相位差計算式為

當R_xy(0)≤0時，相位差計算式為

在本發明上述用于光柵位移測量系統的位移計算方法中，所述步驟S3包括以下步驟：

S31)對S1)中所得兩路數據x(n)和y(n)減去直流分量，歸一化后得

I_x＝cosθ

S32)根據細分算法，和S2)中求解的相位差得到細分結果如下：

根據細分結果計算出非整周期部分信號所包含的位移量如下：

ΔL＝(θ/2π)*l (3.8)

其中：l是單個整周期信號對應的位移值。

在本發明上述用于光柵位移測量系統的位移計算方法中，所述步驟S4包括以下步驟：

S41)計算總位移L如下：

L＝n*l+ΔL (3.9)

其中：n為整周期計數值。

在本發明上述用于光柵位移測量系統的位移計算方法中，在步驟S1)之前還包括步驟S0):分別對兩組兩個相鄰的光電轉換器輸出的信號進行差分放大，得到兩路位移信號，經過信號調理電路得到S1)中被采集的信號。

在本發明上述用于光柵位移測量系統的位移計算方法中，在步驟S2)中采用LMS濾波算法，對采集的信號進行濾波。

實施本發明提供的雙路非正交位移信號計算位移量的方法，屬于一種納米級分辨率的位移測量方案，包括干涉光路、光電轉換、信號調理電路、數字信號處理方案。本發明方法利用衍射光柵和干涉光路用來獲得干涉條紋，四象限光電探頭將干涉條紋的變化轉換為四路電信號，通過差分放大及信號調理電路獲得兩路正弦信號和兩路脈沖計數信號，并由DSP對兩路正弦信號進行同步采樣。本發明利用相關原理的改進型相位差測量算法，克服了整周期采樣的約束條件，提高了相位差測量精度。采用本發明提供的位移計算方法，可以減小硬件信號調理電路中延遲效應帶來的細分算法的誤差，從另一方面提高了位移測量精度，使位移測量系統在保證低成本、高分辨率的同時精度更高，操作更簡便。

附圖說明

圖1是在本發明雙路非正交位移信號計算位移量的方法實施例中所使用的光路原理示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖，對本發明方法具體實施例進行說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

對圖1中各個標號統一說明如下：1.激光器，2.濾波鏡片，3.平面反光鏡，4.反光棱鏡，5.反光棱鏡，6.衍射光柵，7.平面反光鏡，8.分光棱鏡，9.放大鏡，10.四象限光電探頭(A、B、C、D)。

本發明針對衍射光柵干涉位移測量系統輸出的雙路正弦信號的非正交性帶來的位移計算誤差問題，提出了一種完整的高精度位移信息計算方法，以實現位移的高精度測量。兩路非正交正弦位移信號的相位差計算方法采用的是數字相關法，即利用信號與信號之間相關和信號與噪聲之間不相關的性質，在計算機中準確的計算出兩路正弦信號的相位差。當采用附圖1光路實施位移測量時，被測位移驅動衍射光柵6沿圖1的箭頭方向運動，激光器1發出的光經濾波鏡片2和反光棱鏡4和5后，傳遞到衍射光柵6，產生衍射光。正負一級衍射光經平面反光鏡3和7反射后，在分光棱鏡8上進行干涉，再經放大鏡9放大后照射到四象限光電探頭10。對四象限光電探頭10中的兩個相鄰的光電轉換器，如A、B及C、D輸出的信號進行差分放大，即可輸出兩路位移信號。通過DSP進行同步采樣，獲得雙路正弦位移信號的數據并根據相關原理進行相關運算，得出雙路正弦信號的相位差值。將該值代入到非整周期部分信號細分算法中求解非整周期部分信號所包含的位移量。對信號進行同步采樣的時候，將雙路信號引出并通過電壓比較器進行波形轉換。根據電壓比較器輸出的方波進行整周期計數，得到整周期部分包含的位移信息。需要說明的是本發明方法使用場合不局限于圖1所示的一維光路系統，也可以應用在二維、三維或多維測量系統中。

需要說明的是，運用DSP對信號采樣完成后，對信號進行幅值歸一化處理，

得到兩路信號：x(n)＝cos(ωn+θ)+N'₁(t) (4.1)

其中：N'₁(t)、N'₂(t)為噪聲。

還需要說明的是，對歸一化后的兩路信號進行數字濾波。本發明中采用的是LMS自適應濾波算法。

具體地，LMS自適應濾波不需要關于信號的先驗知識，具有計算量小的特點，特別適合于實時處理。該濾波器通過自動調節數字濾波器的系數，適應信號變化的特性，從而獲得最佳濾波效果。假設給出了和原始信號相關的參數信號d(n)，那么首先對FIR濾波器的權任意設定一組初始值，然后根據濾波器的輸出值與參考信號之間的誤差e(n)對權值進行調節，使下一次的輸出誤差能有所減小，這樣重復下去，直到權值收斂到最佳值。

將濾波后的兩路信號x(n)和y(n)進行相關運算得：

將式(4.2)和(4.3)相加得：

由式(4.4)可以得：

將式(4.6)代入到式(4.5)中得：

根據相關理論可知：

可以通過R_xy(0)來判斷相位差的范圍：

當R_xy(0)≥0時，相位差計算式為：

當R_xy(0)≤0時，相位差計算式為：

所述細分方法如下。

采集的雙路信號經算術運算簡化可表示為：

I_x＝a+b cosθ (4.11)

減去直流分量，歸一化后得：

I_x＝cosθ (4.12)

根據三角函數的性質得出下式：

由此，可以得到細分計算的最終表達式如下：

其中值為求解的相位差。

非整周期信號所包含的位移量為：

ΔL＝(θ/2π)*l (4.15)

最終，總位移表達式為：

L＝n*l+ΔL (4.16)

本發明提出的基于相關原理的相位差測量算法，相位差測量精度高。本發明提出的非正交位移信號細分計算方法減小了位移信號的非正交帶來的誤差。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。