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摘 要：设计了基于激光自混合信号测量微位移原理的系统。在分析自混合干涉理论模型的基础上，研究了基于傅里叶变换相位测量原理的自混合干涉技术的微位移测量方法，设计了基于TMS320F28335 浮点DSP的微位移测量控制系统，完成了微小震动的控制与微小位移的测量计算。
关键词：自混合干涉；傅里叶变换；相位；微位移；DSP
近年来，在利用激光自混合干涉信号处理技术来测量物体位移方面，已有不少学者进行了研究。采用傅里叶变换相位提取算法，既不需引用外部光学器件，而且大大提高被测体位移测量精度。该方法依据傅里叶变换相位测量的原理，通过注入电流调制来改变激光器的输出光频，然后利用傅里叶变换相位测量法解调出相位，进而恢复出外腔物体位移。通过研究激光自混合干涉信号测量微小位移的基本原理，设计了基于TMS320F28335浮点DSP的微小位移测量控制系统，该测量控制系统通过驱动LD激光器和压电陶瓷PZT产生自混合信号，并且有高精度的温度控制模块对LD激光器进行温度调节；最后通过采集光电探测器PD信号，并通过傅里叶变换相位提取算法将采集到的信号进行处理，得到位移信息。该测量控制系统具有精度高，抗干扰能力强等特点。
一、自混合干涉理论模型
对激光二极管自混合干涉测量原理的分析方法主要是运用三镜法-珀（F-P）腔模型和Lang-Kobayash速率方程。为了研究方便，将这两种方法统一为如下通用的数学模型进行分析。
自混合干涉的通用数学模型可表示如下：
三、自混合信号测量控制系统结构
本文给出了一种利用傅里叶变换测量位移的方法。测量装置如图1所示，系统工作在弱反馈条件下。主要由三部分组成：自混合信号产生部分、光电信号采集部分以及数据处理部分。
在自混合信号产生部分中主要包括光路部分以及外围控制电路部分。半导体激光器采用。测量系统中由脉宽调制（PWM）和高精度温度控制电路检测和控制激光器温度，使其温度保持基本恒定，进而使激光器的性能恒定。压电陶瓷（PZT）由驱动器控制运动以模拟被测物体的位移变化。
干涉信号由封装在激光器内部的光电探测器（PD）接收，PD将自混合干涉信号转换成与光强成正比的电压信号，经过电流/电压装换和高性能的仪表放大器进行差分放大去除掉线性调制分量后，最后把采集到的自混合干涉信号送入DSP处理模块，然后运用上节所提到的信号处理方法重构外部物体的位移曲线，同时读取PZT内部位移监测模块输出的PZT实际位移曲线，对位移测量系统进行评估，系统中的锯齿波发生器、PZT驱动以及温度控制都是DSP的控制下完成的。
图1 微位移测量系统结构
四、实验研究
为了验证本系统的控制测量的可行性及测量精度，进行了实验研究。经过DSP驱动产生包含有微小振动位移的自混合干涉信号，并通过信号采集模块，然后运用DSP高速运算的优势对每个调制周期内的信号进行傅里叶变换，提取出信号的初始相位，进而重构出外腔物体位移曲线。运行程序流程框图如图2所示。
图2程序流程框图
设定半导体激光器的初始波长，三角波调制周期，频率调制系数，初始外腔长，振动幅度，外腔运动规律，得到三角波电流调制下的自混合干涉信号如图3所示。
图3 三角波电流调制下的自混合干涉信号
通过傅里叶变换提取的相位值如图4所示，由于在用反正切函数计算相位时，相角范围被限制在了范围内，须对该包裹相位进行相位解卷处理。相位解卷算法如下：当相邻两点的相位差小于，就加上，直到相邻两点的相位差大于；当相邻两点的相位差大于，就减去，直到相邻两点的差值小于。
根据傅里叶变换测量原理，用提取出的相位来重构外部物体的位移，并与原始外腔位移进行对比，结果如图4所示为恢复的原始振动等比例位移图形。
图4 傅里叶变换法恢复出的外腔物体位移
五、结论
本文设计了一套基于DSP的激光自混合信号的微小位移测量控制系统，运用傅里叶变换相位提取算法，对自混合干涉系统被测体位移量进行重建。通过实验，对自混合信号的微小位移振动进行了恢复。
结果表明，该测量控制系统不仅具有控制能力强，测量精度高，而且数据处理能力强。对于追求高精度微小位移测量来说，傅里叶变换相位测量算法最大的优势就是在保持了系统原有的优势下，较大程度地提高了位移测量精度实验装置简便易操作，测量速度快，能够测量动态过程的相位变化。
参考文献.
[1]郭冬梅.相位调制型激光自混合干涉测量微纳米技术的研究[D].南京：南京师范大学，2007.
[2]王雨雷，吕志伟，王岩等.一种基于傅里叶变换换的分析载波条纹的新方法[J].光学学报，2006，26（8）.