基于SoPC的双频激光回馈位移测量系统设计

任全会,王学力

（郑州铁路职业技术学院,河南 郑州450052）

近年来随着电子技术的发展，激光测量位移技术在大气测量、环境检测、国防建设等领域广泛应用。光回馈测量位移技术是一种新兴的而且发展很快的测量技术，此种技术具有分辨率高、结构简单和易准直的优点。目前国际上很多都在研究半导体激光器的光回馈系统，然而半导体激光器只能输出单偏振光，这样的位移方向很难辨别，所以分辨率也不高。而本文研究的光回馈系统是以双频激光器为光源，可以发出两垂直偏振光，而两路光强信号就能很好地辨识位移方向。本文利用SoPC技术和数字式细分技术研究出了高分辨率位移测量系统，精度可以达到纳米级。

1 双频激光回馈位移测量原理

激光器谐振腔内的光束、输出光在外腔来回一次返回谐振腔的光束，以及激光器输出光在外腔来回两次返回谐振腔的光束三种光束共同干涉决定了激光器光强。总的激光器的光强如式(1)所示：

其中,A(t)是光波电矢量的幅值；c是光在真空中的速度；ν是激光器频率；n是激光器增益介质的折射率；θ1和 θ2是由外腔的非准直而引起的相位差；L是激光器的外腔长度；l是激光器的谐振腔长度；r1、r2、r3是三个反射镜的反射率。

根据双频激光回馈理论，在弱回馈的情况下，经过棱镜分光后的回馈光束可以形成两束光，此两束光的表达式为：

其中Ip和Ic分别是平行光和垂直光在光回馈时的光强，Ip0和Ic0是无光回馈时的光强;ζ是回馈波动因子;φ为光束在外腔往返一次引起的相位差;2θ为两束光往返通过而引起的相位差。两束光信号在单次回馈时可以计算为：

2 基于SoPC激光测位移系统硬件设计

2.1 系统整体硬件设计

系统基于SoPC开发平台进行位移测量系统的开发,系统硬件设计如图1所示。该系统包括双频激光回馈系统、移相电阻链五细分电路、电压比较器（LM393）、A/D转换电路、在FPGA上实现的 SoPC系统、存储器（Flash芯片和SDRAM芯片）、EPCS4和 TFT-LCD。其中 SoPC系统是核心，由其完成整个位移测量系统的控制和数据处理,将系统处理所得数据发送到显示设备TFT-LCD[2]。

2.2 移相电阻链五细分电路

电阻链五细分电路使用SJ0205专用芯片，可以实现对源信号进行五细分。正弦信号和余弦信号经过整形后为电阻链细分做准备，把整形后的正弦信号进行一次反相，这样就形成了3路相位差依次相差90°的正弦波。再利用电阻链五细分专用芯片SJ0205进行整形，把三个正弦信号相位依次移动18°，通过过零比较器就能得到10路方波信号，这10路相位依次相差18°的信号分成两组，这两组中的每组信号的相位差是36°，经过组合逻辑把一个正弦波周期划分为5个方波周期，这样就实现了五细分[3]。

2.3 SoPC系统模块

在QuartusⅡ和 SoPC Builder环境下完成 SoPC系统的定制。系统芯片采用Altera公司的cyclone IV GX型FPGA。其内部结构如图2所示。

经过五细分电路得到的两路正交方波信号进入SoPC系统内，通过SoPC系统首先实现四细分，并分离出代表正、负方向的计数脉冲,把此脉冲信号送入24位计数器,实现可逆计数。然后再判别两路信号的极性和绝对值大小,进行数据处理和计算[4]。

2.4 四细分及辨别电路系统顶层设计图

顶层设计图如图3所示,主要由四细分辨向模块、选择器、可逆计数器以及滤波器模块组成。经过此系统处理的数据进入数据处理与计算模块。将信号输入到可逆计数器得到的整体仿真波形如图4所示。 其中a和b是两路正交信号，相位差 90°。如果a信号超前b信号90°时，计数器是加计数，正向位移； 反过来 a信号落后b信号90°时计数器是减计数，为反向位移。

2.5 数据处理模块设计

数据经过四细分及辨别电路处理后进入数据处理模块。处理器对数据进行512点采样，然后通过傅里叶变换可以求出信号的相位差，最后得到位移值。使用Verilog HDL语言对处理器进行设计，并使用QuartusⅡ进行仿真。处理器的原理图如图5所示。

2.6 A/D设计

A/D转换器采用高速A/D转换器ADS2807，最高采样时钟50 MS/s。高速运放AD811用于提供一定的输入信号的增益，以匹配输入电压范围。A/D转换器的硬件电路如图6所示。

图5 数据处理模块原理图

3 误差分析

因为信号幅值受外界条件如电源、速度、温度、环境振动等影响,所以直接运算得到的位移量不稳定。在进行数据处理和计算之前取正弦信号和余弦信号的比值，这样可以得到一个正切函数(也可能是余切函数)：

从式(6)中可以看出此函数可以消去经常波动的回馈信号的幅值V,但是确定的位移值还存在。所以可以消除因为幅值波动对测试结果的影响[5]。

通过FPGA判别两路信号的绝对值的大小和极性，把一个周期自动分为8个等分度的区域。FPGA通过判别信号所在的区域，来进行相应的运算处理。总体使函数值在0～1之间变化,并且用0～π/4间的函数值表示。在存储器中固化50个反正切函数表，以便用FPGA查询，确定相应区域内的相位ωt。50个细分点分别被50个正切值所对应。所以在8个象限内的细分数就是50×8=400细分。设单位细分数为x,任意区域内的ωt对应的位置是y,ωt对应的存储单元地址决定x,把通过SoPC系统算出的y合并到细分脉冲中，再通过TFTLCD显示出被测的位移值：

其中ΔL0是被测目标起始时刻的小数位移值，ΔL是被测目标停止时对应的小数位移值。通过判别回馈信号的象限和所在区域查反函数表实现精细分，并且和四细分峰值计数相结合[6]。这样不但提高了整个系统的响应速度还同时提高了细分倍数。通过这种细分方法，大数位移当量为79.1 nm,分辨率达到了0.791 nm。

4 测试结果和结论

在有效范围内对任意预设的位移量使用本系统进行测试，测量的结果和使用激光干涉仪ZLM700的测量结果进行比较，测试结果如表1所示。本系统的测试结果与使用激光干涉仪ZLM700结果相吻合，分辨率达到了预期的0.791 nm。

表1 实验结果

本系统利用双频激光回馈原理实现了信号的正交性和余弦性，采用数字式细分技术，设计信号处理电路，使测试系统的分辨率达到了0.791 nm，实现了高精度的位移测量。充分利用SoPC设计思路和FPGA内部硬件资源，在FPGA内部构架NIOSⅡ系统，降低系统的功耗，提高系统的稳定性和可靠性。本系统测量位移具有分辨率高、成本低、性能稳定的优点，完全可以满足高精度位移测量的需要，具有很好的市场前景。

本系统还可以在以下两方面进一步的改进和完善：(1)系统可以在对信号进行处理时运用定点FFT的运算，这样可使测量精度大幅提高；(2)可以研究使用FIR滤波电路的软件实现。

[1]张书练.激光回馈技术及发展[J].激光与电子学进展，2007，44（11）:65-71.

[2]陈珍,高波,范叶敦.SoPC的复合信号幅频测试仪[J].电子技术应用，2010,36(11):20-22.

[3]赵勇,苏显渝,张启灿.绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用[J].光学学报，2011,31(8):135-139.

[4]赵擎天,尉广军,姚义.基于 SOPC的多路并行同步数字信号采集系统设计[J].军械工程学院学报，2011,23(3):60-65.

[5]陆敏恂,刘畅,周爱国,等.数字化细分方法在 EPS扭矩传感器中的应用[J].计算机测量与控制，2011，19(3):697-700.

[6]姬静毅,叶会英,禹延光.基于光反馈自混合干涉的位移测量算法设计及滤波[J].激光与红外，2011.11(1):89-92.