具有物理溯源性的相位发生方法及其相位发生装置与流程

本发明涉及相位发生器技术领域，尤其涉及一种具有物理溯源性的相位发生方法及其相位发生装置。

背景技术：

现有技术中的相位发生器其相位的精准度不高，且不具有物理溯源性，在对相位进行调整时，很难进行精确操作。

技术实现要素：

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种具有物理溯源性的相位发生方法，其特征在于，包括：

产生频率为f₁的第一信号以及频率为f₂的第二信号；

产生频率为f₃的第三信号，且f₃为f₁与f₂的差值绝对值；

将所述第一信号调制到激光信号中；

将调制后的激光信号经由预设传输路径延时后转换为第四信号；其中，所述预设传输路径的距离根据预设相位差计算获得；

将所述第四信号与所述第二信号进行混频，得到频率为f₃的第五信号；

根据将所述第三信号与所述第五信号进行对比得到所述预设相位差。

可选地，所述第三信号由所述第一信号与所述第二信号混频产生，或与所述第一信号或第二信号同时产生。

可选地，所述预设传输路径的距离包括第一距离与第二距离中的至少一项，所述根据预设相位差计算获得的是所述第二距离；所述第二距离的计算包括：

计算所述调制后的激光信号的波长，＝c/f1，c为光速；

计算所述调制后的激光信号的单位传输距离对应的相位差变化k，k＝360/；

计算所述第二距离D，D＝φ/k，其中φ为预设相位差

可选地，所述将调制后的激光信号经由预设传输路径延时后转换为第四信号具体包括：

根据所述预设传输路径的距离调整目标板的位置；

将所述调制后的激光信号发射至目标板；

所述目标板反射所述调制后的激光信号至光电转换器；

所述光电转换器将所述调制后的激光信号转换为第四信号。

此外，为克服现有技术的问题，本发明还提供一种具有物理溯源性的相位发生装置，其特征在于，包括：

信号产生单元，用于产生频率为f₁的第一信号以及频率为f₂的第二信号；还用于产生频率为f₃的第三信号，且f₃为f₁与f₂的差值绝对值；

激光调制单元，用于将所述第一信号调制到激光信号中；

延时调整单元，用于将调制后的激光信号经由预设传输路径延时后转换为第四信号；其中，所述预设传输路径的距离根据预设相位差计算获得；

所述信号产生单元还用于将所述第四信号与所述第二信号进行混频，得到频率为f₃的第五信号；

相位差单元，用于将所述第三信号与所述第五信号进行对比得到相位差。

可选地，所述第三信号由所述第一信号与所述第二信号混频产生，或与所述第一信号或第二信号同时产生。

可选地，还包括计算单元，所述预设传输路径的距离包括第一距离与第二距离中的至少一项，所述计算单元用于：

计算所述调制后的激光信号的波长λ，λ＝c/f₁，c为光速；

计算所述调制后的激光信号的单位传输距离对应的相位差变化k，k＝360/λ；

计算所述第二距离D，其中为预设相位差。

可选地，所述延时调整单元包括发射模块、目标板以及光电转换器；其中，

所述发射模块，用于将所述调制后的激光信号发射至所述目标板；

所述目标板，用于反射所述调制后的激光信号至所述光电转换器；

所述光电转换器，用于将所述调制后的激光信号转换为第四信号。

可选地，还包括传动单元，所述传动单元包括：

高精度螺杆，与所述目标板固定连接，用于根据所述预设传输路径的距离调整目标板的位置。

可选地，所述传动单元还包括伺服模组，与所述高精度螺杆相连，用于获取所述预设传输路径的距离并据此控制所述高精度螺杆的传动。

本发明提供了一种具有物理溯源性的相位发生方法及其相位发生装置，使相位的调整幅度能通过距离得以量化，提高相位发生的精度。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的具有物理溯源性的相位发生方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的步骤S14的流程示意图。

图3为本发明实施例的预设传输路径的距离的计算方法的流程示意图。

图4为本发明实施例的具有物理溯源性的相位发生装置的结构示意图。

图5为本发明实施例的延时调整单元及传动单元的结构示意图。

图6为本发明实施例的具有物理溯源性的相位发生装置的具体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种具有物理溯源性的相位发生方法，包括：

S11、产生频率为f₁的第一信号以及频率为f₂的第二信号；

该第一信号与第二信号可以直接由信号源发出，也可以将高频信号进行分频获得，本发明对此并不限制；

S12、产生频率为f₃的第三信号，且f₃为f₁与f₂的差值绝对值；

该第三信号可以由第一信号与第二信号混频产生，也可以与所述第一信号或第二信号同时产生；

S13、将所述第一信号调制到激光信号中；

更具体地，第一信号可以经过放大后再调制到激光信号中；

S14、将调制后的激光信号经由预设传输路径延时后转换为第四信号；其中，所述预设传输路径的距离根据预设相位差计算获得；

S15、将所述第四信号与所述第二信号进行混频，得到频率为f₃的第五信号；

一般地，第四信号也需要进行放大处理后在进行混频；混频后的信号还可以进行前置放大、选频放大及滤波放大后获得该第五信号；

S16、根据将所述第三信号与所述第五信号进行对比得到所述预设相位差。

下面辅以具体的实例进一步说明本实施例：

在步骤S1中，可以通过高精度PLL作为时钟信号源，该芯片通过一个VCO产生单一的2.4GHz高频信号，然后在通过整数分频分别得到4路信号，分别为高频发射信号、高频差频信号、差频信号以及倍频信号。如果需要产生500kHz的信号相位，并且输出4倍频信号，则这四路信号分别为：200.000MHz、200.500MHz、500kHz、2MHz。这四路信号都由VCO产生的2.4GHz整数分频得到：

2400÷12＝200.000MHz

2400÷4800＝500kHz

2400÷1200＝2MHz

需要产生500kHz的信号相位，因此，200.000MHz与200.500MHz分别被选作第一信号与第二信号；

此时，在步骤S13中，可以将200.00MHz信号通过高频放大驱动后调制到激光信号中，在步骤S15中，第四信号与第二信号即200.500MHz的信号经过初步放大后进行混频，则可以分别得到400.500MHz以及500kHz两组混频后的叠加信号，经过低通滤波器滤除上变频信号，后续选频放大电路只放大500kHz的中频信号，该中频信号通过激光光路延时，会产生与距离成正比的相位延时。在步骤S16中，PLL芯片同时产生了一路500kHz的中频基准信号，该信号直接由VCO高频信号整数分频得到，信号的起点与发射信号200MHz完全相同，可以作为相位基准信号，该信号与接收产生的500kHz对比即可得到相位延时。

本发明第二实施例提供一种具有物理溯源性的相位发生方法，包括的步骤与第一实施例中提及的S11至S16相同，具体如上所述，此处不再赘述。

不同的是，如图2所示，本实施例中，步骤S14具体包括：

S21、根据所述预设传输路径的距离调整目标板的位置；

S22、将所述调制后的激光信号发射至目标板；

可以通过激光器准直后将调制后的激光信号发射到目标板；

S23、所述目标板反射所述调制后的激光信号至光电转换器；

更具体地，调制后的激光信号会在目标板上反射回接收镜头；

S24、所述光电转换器将所述调制后的激光信号转换为第四信号。

通过APD光电转换器接收该调制后的激光信号并转换为电信号即可得到第四信号。

本发明第三实施例提供一种具有物理溯源性的相位发生方法，包括的步骤与第一实施例中提及的S11至S16相同，具体如上所述，此处不再赘述。

不同的是，如图3所示，本实施例中，步骤S14中的预设传输路径的距离由第一距离及第二距离组成，所述根据预设相位差计算获得的是所述第二距离；所述第一距离是指在改变调制后的激光信号的传输距离前的光程距离；所述第二距离是指在改变调制后的激光信号的传输距离后的光程距离；

所述第二距离的计算包括：

S31、计算所述调制后的激光信号的波长λ，λ＝c/f₁，c为光速；

S32、计算所述调制后的激光信号的单位传输距离对应的相位差变化k，k＝360/λ；

S33、计算所述第二距离D，其中为预设相位差。

例如，当采用400MHz的第一信号来调制激光信号时，则步骤S31中，

调制后的激光信号的波长λ为：

λ＝c/f₁＝299792458/*400e6＝0.7495m＝749.5mm；

步骤S32中，单位传输距离为1mm，预设传输路径的距离每变化1mm对应相位变化为k＝360/749.5＝0.48度。

步骤S32中，若预设相位差为60度，则传输路径的距离D＝60/0.48＝125mm。

在本发明的另一实施例中，步骤S14具体包括步骤S21至S24，具体如上述第二实施例所示，在此不再赘述。

需要说明的是，上述预设传输路径的距离中的第一距离即改变调制后的激光信号的传输距离前的光程距离可以是已知的，若是已知的，则此时预设传输路径的距离为第一距离与第二距离之差；根据预设传输路径的距离及光程的变化规律，调整目标板的位置；目标板的个数可以是一个也可以是多个，本申请并不做限制。在具体实施时，预设传输路径的距离＝第二距离-第一距离；如此，根据预设传输路径的距离调整目标板的位置后再与第一距离叠加，即可获得第二距离，该第二距离是与预设相位差相对应的。

上述预设传输路径的距离中的第一距离即改变调制后的激光信号的传输距离前的光程距离还可以是未知的；若是未知的，此时也可以不必去求解第一距离的具体值；相当于此时预设传输路径的距离仅包括第二距离，则此时，获取预设相位差的方法包括：

在未改变目标板的位置之前，先获取某一频率信号变化前的第一相位差；然后根据第二距离改变目标板位置后，再获取该频率信号变化后的第二相位差；将变化前的第一相位差与变化后的第二相位差进行对比，即可获取预设相位差；或

根据已知相位差调整目标板的位置；该已知相位差可以是0°；将该目标板的位置记为原始位置；然后根据预设相位差与已知相位差计算需要改变的相位差；根据该需要改变的相位差计算第二距离，并根据第二距离在该原始位置的基础上改变目标板位置后，即可获取预设相位差。

如图4所示，本发明第四实施例还提供一种具有物理溯源性的相位发生装置，包括信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40。

信号产生单元10用于产生频率为f₁的第一信号以及频率为f₂的第二信号；该第一信号与第二信号可以直接由信号源发出，也可以将高频信号进行分频获得，本发明对此并不限制；信号产生单元10还用于产生频率为f₃的第三信号，且f₃为f₁与f₂的差值绝对值；该第三信号可以由第一信号与第二信号混频产生，也可以与所述第一信号或第二信号同时产生。

激光调制单元20用于将所述第一信号调制到激光信号中；更具体地，第一信号需要经过放大后再调制到激光信号中。

延时调整单元30用于将调制后的激光信号经由预设传输路径延时后转换为第四信号；其中，所述预设传输路径的距离根据预设相位差计算获得；

所述信号产生单元10还用于将所述第四信号与所述第二信号进行混频，得到频率为f₃的第五信号；一般地，第四信号也需要进行放大处理后在进行混频；混频后的信号还可以进行前置放大、选频放大及滤波放大后获得该第五信号。

相位差单元40用于将所述第三信号与所述第五信号进行对比得到相位差。

请同时参照图6，具体实施时，信号产生单元10可以包括微处理器MCU11、锁相环PLL12、电源13；PLL12作为时钟信号源，可以通过一个VCO产生单一的2.4GHz高频信号，然后在通过整数分频分别得到4路信号，分别为高频发射信号、高频差频信号、差频信号以及倍频信号。如果需要产生500kHz的信号相位，并且输出4倍频信号，则这四路信号分别为：200.000MHz、200.500MHz、500kHz、2MHz。这四路信号都由VCO产生的2.4GHz整数分频得到：

2400÷12＝200.000MHz

2400÷4800＝500kHz

2400÷1200＝2MHz

需要产生500kHz的信号相位，因此，200.000MHz与200.500MHz分别被选作第一信号与第二信号。

信号产生单元10还可以包括放大器14、15，分别用于将第一信号和第二信号进行放大；放大后的第一信号由激光调制单元20调制到激光信号中，经由发射模块31发射至目标板33并由目标板33反射会光电转换器32，由光电转换器32转换成第四信号；上述发射模块31、目标板33及光电转换器32组成延时调整单元30。

信号产生单元10还包括混频器18、放大子单元19，混频器18用于将第四信号与放大后的第二信号进行混频，此时，可以分别得到400.500MHz以及500kHz两组混频后的叠加信号，放大子单元16用于使该叠加信号经过低通滤波器滤除上变频信号，后续选频放大电路只放大500kHz的中频信号，该中频信号通过激光光路延时，会产生与距离成正比的相位延时。PLL芯片同时产生了一路500kHz的中频基准信号即第三信号，该信号直接由VCO高频信号整数分频得到，信号的起点与发射信号200MHz完全相同，可以作为相位基准信号，相位差单元40将该信号经由滤波器17滤波后与接收产生的500kHz对比即可得到相位延时。

本发明第五实施例还提供一种具有物理溯源性的相位发生装置，包括信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40。

本实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40与上述第四实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40相同，具体如上所述，此处不再赘述。

不同的是，本实施例中，还包括计算单元，所述预设传输路径的距离包括第一距离与第二距离中的至少一项，所述第一距离是指在改变调制后的激光信号的传输距离前的光程距离；所述第二距离是指在改变调制后的激光信号的传输距离后的光程距离；所述计算单元用于：

计算所述调制后的激光信号的波长λ，λ＝c/f₁，c为光速；

计算所述调制后的激光信号的单位传输距离对应的相位差变化k，k＝360/λ；

计算所述第二距离D，其中为预设相位差。

需要说明的是，上述预设传输路径的距离中的第一距离可以是已知的，若是已知的，即相当于预设传输路径的距离同时包括第一距离与第二距离，则可以根据第一距离以及第二距离计算得出预设传输路径的距离；根据预设传输路径的距离及光程的变化规律，调整目标板的位置；目标板的个数可以是一个也可以是多个，本申请并不做限制。在具体实施时，若第一距离为最短光程对应的距离，则此时预设传输路径的距离＝第二距离-第一距离；如此，根据预设传输路径的距离调整目标板的位置后在与第一距离叠加，即可获得第二距离，该第二距离是与预设相位差相对应的。

上述预设传输路径的距离中的第一距离还可以是未知的；若是未知的，此时也可以不必去求解第一距离的具体时；相当于此时预设传输路径的距离仅包括第二距离，则此时，获取预设相位差的方法包括：

在未改变目标板的位置之前，先获取某一频率信号变化前的第一相位差；然后根据第二距离改变目标板位置后，再获取该频率信号变化后的第二相位差；将变化前的第一相位差与变化后的第二相位差进行对比，即可获取预设相位差；或

根据已知相位差调整目标板的位置；该已知相位差可以是0°；将该目标板的位置记为原始位置；然后根据预设相位差与已知相位差计算需要改变的相位差；根据该需要改变的相位差计算第二距离，并根据第二距离在该原始位置的基础上改变目标板位置后，即可获取预设相位差。

需要说明的是，本申请中的第二距离可以视为目标板位置变化后发生的光程的变化值，在具体实施时，需要根据至少一个目标板的位置变化计算光程变化。

本发明第六实施例还提供一种具有物理溯源性的相位发生装置，包括信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40。

本实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40与上述第四实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40相同，具体如上所述，此处不再赘述。

不同的是，如图5所示，本实施例中，延时调整单元30包括发射模块31、目标板32以及光电转换器33；其中，

发射模块31用于将调制后的激光信号发射至目标板；具体可以通过激光器准直后将调制后的激光信号发射到目标板；

目标板32用于反射调制后的激光信号至光电转换器；更具体地，调制后的激光信号会在目标板上反射回接收镜头。

光电转换器33用于将调制后的激光信号转换为第四信号；例如通过APD光电转换器接收该调制后的激光信号并转换为电信号即可得到第四信号。

在本发明的另一实施例中，还包括计算单元，具体如第五实施例所示，在此不再赘述。

本发明第七实施例还提供一种具有物理溯源性的相位发生装置，包括信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40。

本实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40与上述第六实施例中的信号产生单元10、激光调制单元20、延时调整单元30、相位差单元40相同，具体如上所述，此处不再赘述。

不同的是，本实施例中，请参照图5，还包括传动单元50，传动单元50包括：高精度螺杆51，与目标板32固定连接，用于控制目标板32与发射模块或光电转换器之间的距离。传动单元50还包括伺服模组52，与高精度螺杆51相连，用于获取预设传输路径的距离并据此控制高精度螺杆的传动。

在本发明的另一实施例中，还包括计算单元，具体如第五实施例所示，在此不再赘述。

本发明提供的种具有物理溯源性的相位发生方法及其相位发生装置，结构简单，通过激光光路延时，产生与距离成正比的相位延时，能快速响应相位的调整。为相位的标准输出提供了具有物理溯源性的方法，此乃业界创举，为相位的测量标准做出了贡献，填补了业界空白。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。