基于FPGA的外差信号处理方法

外差信号处理原理

在双频激光外差干涉仪中，光学系统的改善很成熟，要想提高测量精度，对外差信号的处理成为了关键。从本质上讲，外差信号的处理方法分为频率解调和相位解调，频率解调法是将干涉仪测量镜运动产生的多普勒频移转化为对应于运动位移的加减系列脉冲，由可逆计数器计数得到测量结果，典型的是锁相倍频计数，以电子倍频、混频及计数电路为基础，对外差信号的多普勒频差进行“放大”计数。在倍频电路中，应根据锁相环的锁定范围合理设计倍频系数，若超出将造成失锁。同时由于倍频后信号的频率很高，对电子技术、电子器件的要求较高，后期电路设计难度增大。

相位解调法，当外差干涉仪的测量镜移动时，测量光束空间光程发生变化从而引起外差干涉信号的相位变化，利用相位检测测出相位变化，即可获得被测量的大小，本质就是对测量信号与参考信号比相。狭义的相位法也可称小数测量法，模拟信号采用AD采样等方法，数字信号中较基础且典型的是填脉冲法，以参考信号为基准，基于过零检测原理，对测量信号进行填脉冲，对所填脉冲个数进行计数，获得测量结果，测量范围局限于一个周期。广义的相位法即小数测量结合整周期计数，整周期计数可采用计数器进行计数，计数模式有两种大数对减和先对减后计数，外差信号的计数方法有两种，一种是先计数后对减，即先对参考信号和测量信号分别计数，然后将计数结果对减得到测量结果，即大数对减;另一种先对减后计数，即先分别将参考信号和测量信号对顶后形成加减计数脉冲，然后由可逆计数器计数得到测量结果。在本设计中，采用先计数后对减，在原来基础上做了一定的改善。

在设计中，测量信号与参考信号均为数字信号，小数测量基于过零检测原理，采用填脉冲。具体原理如图1所示。