徐永垚 張鐵犁 高小強(qiáng) 朱艷妮

(1.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076； 2.中國人民解放軍空軍指揮學(xué)院，北京 100089)

1 引 言

高端裝備制造是工業(yè)4.0的重要組成部分，提高高端裝備制造質(zhì)量的關(guān)鍵在于提高精密測量能力，精密測量是支撐制造質(zhì)量的基石，是決定制造質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1～3]。激光得益于其方向性強(qiáng)、單色性和相干性好等優(yōu)越性能，被廣泛應(yīng)用于各種精密測量中，其中激光絕對(duì)距離測量技術(shù)在高端裝備制造中發(fā)揮著極為重要的作用[4～9]。

激光絕對(duì)距離測量需要依賴高精度的相位解算，也需要依賴激光器的穩(wěn)定性，特別在精密測量中，激光頻率的隨機(jī)抖動(dòng)或者環(huán)境干擾均會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。因此，采用高穩(wěn)定性的激光源，或者測量激光源的實(shí)時(shí)頻率來實(shí)現(xiàn)校正，均可以有效地獲取較高精度的相位測量結(jié)果[10]。自從飛秒光頻梳問世，光學(xué)頻率的測量有了質(zhì)的飛越，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-15量級(jí)且溯源過程簡化，更便于實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的實(shí)時(shí)跟蹤測量。因此飛秒光頻梳對(duì)激光絕對(duì)距離測量的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，例如在調(diào)頻連續(xù)波激光測距法中，實(shí)時(shí)測量調(diào)頻連續(xù)波激光器的頻率可以有效地提高測距精度[11,12]。然而激光絕對(duì)距離測量對(duì)相位信號(hào)的處理要求不斷提高，對(duì)相位信號(hào)處理方法的選擇提出了挑戰(zhàn)，因此研究適合于激光測距技術(shù)的相位信號(hào)的數(shù)字處理方法具有重要的意義。

激光絕對(duì)距離測量技術(shù)可分為干涉測量和非干涉測量兩大類，其中非干涉測量法可分為飛行時(shí)間法和調(diào)制波相位測距法，干涉測量法可分為多波長干涉測距法和調(diào)頻連續(xù)波測距法[13～17]。雖然具體方法不同，但在一定程度上都依賴于對(duì)數(shù)字信號(hào)的相位解算，因此如何解算出相位信息或者如何對(duì)帶有相位信息的信號(hào)進(jìn)行處理極為重要。目前數(shù)字相位信號(hào)的處理算法主要有過零比較法、FFT譜分析法、最小二乘法、數(shù)字相關(guān)法、IQ解調(diào)法等。近年來，利用FPGA等硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)上述算法的各種相位卡也不斷發(fā)展[18～23]。

本文首先對(duì)相位信號(hào)的數(shù)字處理方法的原理進(jìn)行闡述，結(jié)合不同應(yīng)用場景，分析所使用到的相位信號(hào)的數(shù)字處理方法的特點(diǎn)，給出相關(guān)研究成果及應(yīng)用情況，并結(jié)合本課題組相關(guān)研究內(nèi)容提出展望。

2 相位信號(hào)數(shù)字處理方法

2.1 過零比較法

過零比較法是一種傳統(tǒng)檢測方法，該法可以測量兩列同頻正弦信號(hào)的相位差。其先通過過零比較實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)到方波信號(hào)的轉(zhuǎn)化，然后再通過測量上升沿的時(shí)間間隔以及信號(hào)的周期再獲取相位差[24～27]。

由上述方法原理可知，準(zhǔn)確的過零點(diǎn)位置對(duì)相位測量的精度尤為重要。所以為解決零點(diǎn)漂移等問題，過零比較法逐漸由單向過零鑒相法發(fā)展到雙向過零鑒相法，大大減小了諧波對(duì)測量誤差的影響，提高了該法的可靠性。

該方法的特點(diǎn)在于分辨率高、線性度好且易數(shù)字化。但其測量結(jié)果不穩(wěn)定，主要原因有噪聲干擾、信號(hào)耦合、時(shí)鐘分辨率、比較器性能等因素。噪聲干擾會(huì)令信號(hào)的過零點(diǎn)發(fā)生變化，如果過零點(diǎn)不穩(wěn)定，則測量結(jié)果不可用；當(dāng)信號(hào)頻率偏低時(shí)，交流耦合電路會(huì)影響相位，而同時(shí)信號(hào)本身會(huì)帶有一定的直流分量，需要采用交流耦合電路進(jìn)行隔離，此時(shí)需要對(duì)電路進(jìn)行取舍；該法需要高頻率的時(shí)鐘，如果信號(hào)頻率范圍大，則會(huì)帶來一定的浪費(fèi)；對(duì)于比較器而言，響應(yīng)延遲時(shí)間和輸入失調(diào)電壓都會(huì)對(duì)測量帶來影響。

另外，在實(shí)際的電路中，受限于實(shí)際電子元件影響，實(shí)驗(yàn)中不可能做到兩路信號(hào)完全相同，因此會(huì)產(chǎn)生過零點(diǎn)的偏移，使得所得到的相位差實(shí)際上是實(shí)際相位差和實(shí)驗(yàn)電路相位差的綜合。為了可以提高測量精度，可以采取提高計(jì)數(shù)脈沖頻率的做法。

1993年Krajewski開發(fā)的重合相位儀不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，一般可以接受過零交叉、相位抖動(dòng)和限制器直流漂移等誤差來源，因此非常適合動(dòng)態(tài)全范圍測量[28]。

2001年Jennrich等人開發(fā)了過零相位儀，表明通過簡單的調(diào)整即可滿足LISA相位測量要求。實(shí)驗(yàn)證明了該文提出的相位檢索算法的可行性，而實(shí)驗(yàn)中低頻處的多余噪聲可能是由于對(duì)熱漂移的抑制不足所致[29]。

2008年北京交通大學(xué)的王書琦設(shè)計(jì)了基于過零比較法的數(shù)字多功能相位測試儀，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一些會(huì)帶來測量誤差的因素，如比較器中由于其本身特性差異而帶來的相移和波型變換中帶來的相移、計(jì)數(shù)器中由于計(jì)數(shù)周期不完整帶來的計(jì)數(shù)誤差、由于相位計(jì)輸入信號(hào)幅值變化帶來的幅相誤差；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在測量工頻相位時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的干擾[30]。

2014年天津理工大學(xué)的張金洲設(shè)計(jì)了基于過零比較法的高精度相位計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換量程，并使用自動(dòng)校正模塊校正方波信號(hào)，有效地克服了由信號(hào)失真、噪聲等帶來的測量誤差，實(shí)現(xiàn)相位分辨率0.1°[31]。

2016年張翔設(shè)計(jì)了基于FPGA的高精度相位計(jì)，通過使用FPGA的高頻時(shí)鐘信號(hào)作于過零比較中的脈沖信號(hào)，大大減小了測量誤差，并發(fā)現(xiàn)如果增大FPGA的RAM大小，以存儲(chǔ)更多的采樣數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步的減小誤差[32]。

2.2 FFT譜分析法

FFT譜分析法實(shí)際上是對(duì)滿足Dirichlet條件且能量有限的信號(hào)進(jìn)行Fourier級(jí)數(shù)變換，以獲得信號(hào)頻譜，再進(jìn)行分析[33～35]。該方法有以下特點(diǎn)：通過傅里葉變換可以只提取基波頻率，并舍去諧波成分，所以諧波對(duì)該法測量相位差幾乎沒有影響。由于現(xiàn)實(shí)信號(hào)都是連續(xù)的無限長的序列，F(xiàn)FT無法對(duì)其使用。所以進(jìn)行譜分析時(shí)，必須截短有限長的信號(hào)，再進(jìn)行周期延拓，這樣不可避免會(huì)出現(xiàn)頻譜的泄漏，帶來測量誤差。同理可以通過增加數(shù)據(jù)長度N來提高譜分辨率。當(dāng)信號(hào)的頻率產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，由于基波的變化，測量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤差。滿足Dirichlet條件且能量有限即FFT所需條件的信號(hào)都可以進(jìn)行處理。

2003年謝蕾等人基于DSP器件運(yùn)用FFT算法實(shí)現(xiàn)了測距相位計(jì)，實(shí)現(xiàn)相位檢測誤差小于0.1°。該法保證了測距儀的測量精度、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且在很大程度上簡化了電路的復(fù)雜程度和功耗[36]。

2005年中北大學(xué)的吳俊清通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初相位的估計(jì)與信號(hào)的信噪比、FFT的長度有關(guān)，所以，測量誤差與采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)的信噪比以及ADC的位數(shù)有關(guān)．當(dāng)FFT的長度不小于1024且ADC的位數(shù)不小于12時(shí)，誤差來源主要是信號(hào)信噪比[37]。

2007年路艷潔等人通過仿真比較FFT法和數(shù)字相關(guān)法，得知FFT法對(duì)高斯白噪聲會(huì)有更強(qiáng)的抑制能力，且?guī)缀醪皇苤C波干擾的影響，但會(huì)存在穩(wěn)態(tài)偏差[38]。

2010年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊國新實(shí)現(xiàn)了對(duì)于100MHz以內(nèi)的信號(hào)相位差測量不確定度優(yōu)于±0.03°，測量分辨力達(dá)到0.06°[39]。

2013年天津理工大學(xué)的齊亞楠對(duì)FFT算法進(jìn)行了深入研究，使用FPGA對(duì)相位差來進(jìn)行測量，并通過Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)與采用如過零比較法等方法傳統(tǒng)相位計(jì)相比，該方法將相位差的測量精度大大提高，可以達(dá)到0.05°[40]。

2013年王華英等人通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)基于FFT的四種典型相位解包裹算法進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：2-FFT算法運(yùn)行速度最快，4-FFT算法次之，LS-FFT算法速度最慢；4-FFT算法對(duì)含有噪聲及輕微欠采樣數(shù)據(jù)的處理效果最好；LS-FFT算法對(duì)含有噪聲數(shù)據(jù)的處理效果最差[41]。

2.3 最小二乘法

該法通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，可獲取幅值和相位[42]。該法在噪聲較小且信號(hào)頻譜單一時(shí)可達(dá)到很高的精度，但是其計(jì)算較為復(fù)雜，且測量誤差隨信號(hào)失真以及噪聲的變化會(huì)被急劇放大。此外該法的相對(duì)誤差受信號(hào)頻率影響較大，高頻信號(hào)的相對(duì)誤差大，而低頻信號(hào)的相對(duì)誤差?。粸樘岣吒哳l信號(hào)的測量精度，可以采取提高采樣率、增加采樣周期等方法。

1991年Micheletti提出了一種基于最小二乘法的測量兩個(gè)正弦信號(hào)之間相位角的新算法。該算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，可以同時(shí)獲取信號(hào)的幅度和相位。實(shí)驗(yàn)表明即使在有中等噪聲信號(hào)的情況下，該法也具有較高的性能[43]。

2007年王小權(quán)等人基于最小二乘原理研究了相位測試算法，測試結(jié)果表明相對(duì)誤差受信號(hào)頻率影響較大，對(duì)于高頻信號(hào)，相對(duì)誤差大，對(duì)于低頻信號(hào)相位相對(duì)誤差小，可達(dá)10-5數(shù)量級(jí)[44]。

2008年哈工大的王新星根據(jù)正交偏振激光干涉儀的特點(diǎn)，對(duì)正交相位解調(diào)技術(shù)進(jìn)行研究，使用最小二乘法對(duì)信號(hào)進(jìn)行橢圓擬合以校正非線性，最終實(shí)現(xiàn)0.79nm測量位移分辨率，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析[45]。

2.4 數(shù)字相關(guān)法

數(shù)字相關(guān)法測量相位差的基本原理是利用兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的相關(guān)特性，滿足條件的兩個(gè)信號(hào)的相位差余弦值與互相關(guān)函數(shù)零時(shí)刻的值成正比。一般情況下，噪聲信號(hào)與測量信號(hào)相關(guān)性很小，因此該方法具有較好的噪聲抑制能力[46,47]。特點(diǎn)如下：

(1)由于高斯白噪聲和信號(hào)不相關(guān)，所以應(yīng)用數(shù)字相關(guān)函數(shù)法可以有效的抑制噪聲干擾。同理，數(shù)字相關(guān)法無法應(yīng)用于相關(guān)性強(qiáng)的干擾信號(hào)或者存在諧波干擾的信號(hào)；

(2)由于數(shù)字相關(guān)函數(shù)法與信號(hào)的頻率無關(guān)，所以可以測量未知頻率的信號(hào)；

(3)采樣點(diǎn)越多，測量越準(zhǔn)確；

(4)受到該法原理的限制，該法只能測量正弦或余弦信號(hào)；

(5)只能求出誤差的均值，而無法表達(dá)各時(shí)刻點(diǎn)的隨機(jī)誤差特性；

(6)無法獲取信號(hào)間相位的超前和滯后信息；

(7)隨著信號(hào)頻率的增加，必須考慮噪聲的影響。因此，相關(guān)法測量相位差適用于低頻信號(hào)。

2000年張毅剛等人對(duì)數(shù)字相關(guān)法進(jìn)行仿真分析得知相關(guān)法測量誤差與取樣點(diǎn)數(shù)、信噪比和ADC的位數(shù)有關(guān)，并對(duì)相關(guān)量進(jìn)行了定量分析。最后得出結(jié)論，相關(guān)法測量適用于低頻信號(hào)，相較于其它方法，其對(duì)超低頻信號(hào)有明顯優(yōu)勢[48]。

2005年中北大學(xué)的吳俊清通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)分析對(duì)于采樣信號(hào)中的直流偏移等噪聲具有很強(qiáng)的抑制能力，其誤差主要來源于被檢正弦信號(hào)與噪聲信號(hào)并非完全不相關(guān)，同時(shí)測量誤差與采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)的信噪比以及ADC的位數(shù)有關(guān)[37]。

2007年路艷潔等人通過仿真比較FFT法和數(shù)字相關(guān)法，得知數(shù)字相關(guān)法在采樣點(diǎn)恒定時(shí)會(huì)有更優(yōu)越的性能[38]。

2012年Liang等人運(yùn)用基于互相關(guān)分析的相位測量方法建立了全數(shù)字相位測量系統(tǒng)，分析了由ADC量化誤差和白噪聲設(shè)置的基本極限。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用基于互相關(guān)的相位測量的主要問題是被測信號(hào)的頻率變化必須小于參考信號(hào)的頻率。這種限制意味著測量對(duì)象(例如定位臺(tái))的移動(dòng)速度不能太快，以至于產(chǎn)生大的多普勒頻移。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)皮米級(jí)的位移測量[49]。

2019年中北大學(xué)的楊佳敏根據(jù)連續(xù)波測距以及多種鑒相方法提出了一種新的數(shù)字相關(guān)鑒相方法，實(shí)現(xiàn)相位誤差0.374°。同年同校的成乃朋設(shè)計(jì)了以STM32為主控器的全相位FFT測距儀，采用PLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光調(diào)制頻率高于150MHz，實(shí)際激光測距40m誤差小于23mm[34]。

2.5 IQ解調(diào)法

IQ(Inphase/Quadrature)相位解調(diào)法主要用于高頻信號(hào)相位測量，其原理是將射頻信號(hào)變頻到基帶，得到在空間上互相正交的信號(hào)I和Q，其基本原理圖如圖1所示[45,50～52]。

圖1 IQ解調(diào)法測量原理圖Fig.1 IQ demodulation method measurement principle diagram

IQ解調(diào)所用器件本身存在誤差，如直流偏置、幅度不平衡、相位不平衡和電路長度不等。當(dāng)固定輸入射頻信號(hào)的功率電平，以I跟Q兩路信號(hào)分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)可繪制出軌跡圖，理論上軌跡圖為圓，相位變化呈線性關(guān)系，若軌跡為橢圓，則相位變化呈非線性，即正交不平衡。實(shí)際的IQ解調(diào)器件會(huì)存在一定的加工誤差，如功率分配器的幅度不平衡度可達(dá)(0.5～1)dBm，90°功率分配器相位偏離度可達(dá)(3～8)°，同樣此類誤差在基于IQ解調(diào)而設(shè)計(jì)的板卡中依然存在。

2005年耿哲嶠等人使用數(shù)字濾波器及Hilbert變換等方法減小了IQ解調(diào)中的正交不平衡現(xiàn)象，并應(yīng)用在數(shù)字相位和幅度探測器中，實(shí)現(xiàn)精度達(dá)±0.5°，重復(fù)性誤差小于0.2°[53]。

2010年安徽大學(xué)的張波在激光干涉正交探測系統(tǒng)中對(duì)解調(diào)算法進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并用光電負(fù)反饋解決了進(jìn)行反正切運(yùn)算時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)失調(diào)問題[54]。

2012年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫志猛研究了基于IQ解調(diào)測相的光學(xué)非線性誤差實(shí)時(shí)檢測及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制了檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了試驗(yàn)測試和驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)相位差測量不確定度為0.07°，非線性誤差測量不確定度為0.15°[55]。

2014年文良華等人提出了一種帶有CIC平滑濾波的IQ解調(diào)技術(shù)，該技術(shù)在低電平控制系統(tǒng)中達(dá)到了很好的效果，實(shí)現(xiàn)簡單、實(shí)時(shí)性好且占用資源少[56]。

2015年張志剛等人針對(duì)IQ解調(diào)中的正交不平衡現(xiàn)象使用軟件校準(zhǔn)方法。測量結(jié)果顯示相位誤差≤±0.15°，幅度穩(wěn)定度≤±1%，通道延時(shí)小于10ns。各項(xiàng)指標(biāo)滿足束流丟失分析系統(tǒng)中射頻信號(hào)監(jiān)測的要求[57]。

2017年周翔等人根據(jù)各種因素對(duì)IQ解調(diào)結(jié)果的影響，提出了新的補(bǔ)償算法，該算法可以在統(tǒng)計(jì)量較大時(shí)，有效補(bǔ)償IQ不平衡帶來的影響，大幅提高了系統(tǒng)的性能[58]。

3 結(jié)束語

本文介紹了過零比較法等五種激光絕對(duì)距離測量中涉及到的相位信號(hào)的數(shù)字處理方法及相關(guān)應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)上述五種相位測量方法都會(huì)受到相位信號(hào)的信噪比、采樣時(shí)鐘的性能、以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣深度等因素的影響。其中最小二乘法受上述三個(gè)因素的影響最大；過零比較法本身受限于硬件條件；FFT法系統(tǒng)中的兩路信號(hào)可以和采集卡處理過后的信號(hào)保持良好的同步，理論上可以實(shí)現(xiàn)較低的相位測量誤差；數(shù)字相關(guān)法對(duì)噪聲等干擾具有很強(qiáng)的抑制能力，但是要求采樣時(shí)鐘頻率需為被測信號(hào)頻率的整數(shù)倍，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)被測信號(hào)調(diào)整采樣頻率，提高了測量過程的復(fù)雜程度；IQ解調(diào)法用參考信號(hào)對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制，再解調(diào)后可得到攜帶待測信號(hào)相位信息的直流信號(hào)，提高了相位測量的精度，但是對(duì)參考信號(hào)的相位穩(wěn)定性有較高的要求，但是隨著原子鐘技術(shù)的發(fā)展，IQ解調(diào)法可以利用高穩(wěn)定性原子鐘參考信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度相位測量。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同場景下的激光絕對(duì)距離測量的不同要求選擇合適的相位處理方法，并且要綜合考慮各種方法對(duì)測量系統(tǒng)硬件配置的要求，以實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際測量需求的高精度測量結(jié)果。