一种基于过零延时检测的干涉仪准直状态在线监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及迈克尔逊干涉仪设计领域，具体是指迈克尔逊干涉仪扫描过程中动镜 与定镜平面垂直关系失调状态的实时检测。
【背景技术】
[0002] 迈克尔逊干涉仪是一种双光束结构的干涉仪，它是傅立叶变换红外光谱仪系统中 最为核心的光学装置。
[0003] 光谱仪的光谱质量和其它性能，很大程度上取决于干涉仪中动镜和定镜之间的准 直精度。因此，传统的傅立叶变换红外光谱仪器在设计时强调其硬件的坚固性，并对其结构 进行抗震处理。那么，相应的光谱仪物理尺寸一般较大，同时只能在实验室环境条件下工 作，才能保证干涉仪中动镜和定镜之间的准直精度较好，且相对稳定。但随着光谱仪的应用 场合逐渐扩展，从实验室应用到各种不同环境条件下，甚至更加恶劣的环境，可能导致动镜 和定镜之间不再保持垂直位置关系。有时还需要高分辨光谱仪来测量光谱，干涉仪的动镜 行程要相应逐渐增加，动镜在长行程扫描过程中，很难时刻保证动镜和定镜之间的准直性。 鉴于上述问题，干涉仪在受到外界环境干扰下和长行程扫描过程中，容易造成动镜与定镜 之间的位置发生偏差。如何监测并精确测量干涉仪的准直状态是高性能干涉仪研发中亟需 解决的关键技术问题。
[0004] 据干涉理论，干涉仪在扫描过程中，激光干涉信号将随光程差变化成正弦波动。但 由于安装调试误差以及动镜运动的轴向偏移等原因，动镜平面与定镜平面无法严格垂直， 干涉平面上激光干涉光斑中不同区域之间的光程差不再相等。此时，三路激光检测器探测 到的激光干涉信号的过零时刻也不再相同，因此，可以利用激光干涉信号之间的过零延时 对干涉仪的准直状态进行在线监测。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种基于过零延时检测的干涉仪准直状态在线监测 方法。在迈克尔逊干涉仪的干涉平面上放置设置三路激光探测器，迈克尔逊干涉仪在扫描 过程时，激光干涉条纹会在干涉平面上的三路激光探测器上作快速变化，通过记录三路激 光探测器上的激光干涉信号，结合可编程FPGA芯片的内部的高频时钟信号以及判断法则 分析三路激光探测器记录到的三路信号之间的过零延时，进而判断动镜与定镜之间的相互 位置关系，并确定动镜与定镜相互位置的角度偏差大小，实现对干涉仪的准直状态的在线 监测。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种基于过零延时检测的干涉仪准直状态在线监测方法，所述干涉仪包括激光扩 束器、分束器、动镜、定镜以及干涉平面，所述的干涉平面上安装有三路激光探测器6 a、6b、 6C，所述激光探测器6^化、6。的输出端连接有可编程？?64芯片处理器，其特征在于 ：利用 FPGA的高频时钟信号在其内部建立计数器匕、CB、Ce，对三路激光检测器6^8、6 ￡探测到的 正弦干涉信号A、B、C的过零点位置进行计数，实现过零延时的测量，具体包括以下步骤：
[0008] (1)由可编程FPGA芯片处理板接收并处理三路激光检测器6Α、6Β、6 ε探测到的正弦 干涉信号A、B、C，并确定正弦干涉信号A、B、C的过零点SA、SB、S c;
[0009] (2)利用可编程FPGA芯片处理器内的高频时钟信号f建立计数器CA、C B、Cc，计数 器CA、CB、C#记录三路激光探测器6 A、6B、6^测到的正弦干涉信号A、B、C过零点时刻信息 的计数器；
[0010] ⑶设Tab为激光探测器6 A、6B之间的过零延时，T AC为激光探测器6 A、6C之间的过 零延时，结合高频时钟信号f控制计数器CA、CB、Ce计数：
[0011] (a)在单个干涉周期内，计数器(；在Sa处开始计数，在下一个S 停止此次计数 并从新开始下一次计数；计数器(^在S A处开始计数，在下一个S B处停止此次计数并从新开 始下一次计数；计数器(^在S A处开始计数，在下一个S ε处停止此次计数并从新开始下一次 计数。
[0012] (4)每个干涉周期结束后，对计数器的结果进行分析：
[0013] (a)假定正弦干涉信号A超前正弦干涉信号B时过零延时为正值，激光探测器6α 与激光探测器6β之间过零延时的判据如下：
[0014] 1)若CB>CA/2,则A滞后Β，两者之间的过零延时为（C b-Ca) /f ;
[0015] 2)若CB〈CA/2,则A超前B，两者之间的过零延时为C B/f ;
[0016] 3)若Cb= C A/2,则A、B之间无过零延时；
[0017] (b)假定A超前C时相位差为正值，激光探测器6A与激光探测器6 c之间过零延时 的判据如下：
[0018] 1)若Cc>CA/2,则A滞后C，两者之间的过零延时为（C c-Ca) /f ;
[0019] 2)若Ce〈CA/2,则A超前C，两者之间的过零延时为C c/f ;
[0020] 3)若Cc= C A/2,则A、C之间无过零延时。
[0021] 所述三路激光检测器6A、6B、6e在干涉平面上的位置构成等腰直角三角形，所述的 激光检测器6 A位于干涉平面中心位置P A，所述的激光检测器6B、激光检测器6e在干涉平面 上的位置分别为ΡΒ、Ρε，则：
长度小于激光扩束器扩束后的激 光光斑半径长度，即所述的激光扩束器1将激光扩束后，其光斑可以完全覆盖位于干涉平 面上的三路激光检测器6&、68与6 c。
[0022] 所述激光扩束器的前方设有同轴的红外光源以及参考的激光光源。
[0023] 本发明的有益效果体现在：
[0024] 利用干涉平面上的三路激光检测器探测到的激光干涉信号之间的过零延时，来检 测干涉仪中动镜与定镜的相互位置关系，设计简单，操作方便。过零延时的测量误差最多为 一个标准时钟周期，当采用40MHz的系统时钟时，过零延时的测量精度优于25ns。该方法为 干涉仪准直状态的在线快速监测提供了数据支撑和有效手段。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明涉及的干涉仪探测示意图。
[0026] 图2是本发明中干涉平面上三路激光检测器位置示意图。
[0027] 图3是本发明中激光检测器探测到的三路激光干涉信号示意图。
[0028] 图4是本发明的三路激光干涉信号相位差测量流程图。
【具体实施方式】
[0029] 图1所示为本发明的干涉仪示意图，所述干涉仪包括激光扩束器1、分束器2、动镜 3、定镜4以及干涉平面5。所述激光扩束器1的前方设有同轴的红外光源以及参考的激光 光源，所述的干涉平面5上安装有三路激光探测器6 A、6B、6e，如图2所示，若所述的动镜3与 所述的定镜4相互位置不严格垂直，则在所述的动镜3所在平面上等效于存在角度偏差α。
[0030] 如图2所示，三路激光检测器6^化、6。安装在所述的干涉平面5上。所述的激 光检测器6Α位于干涉平面中心位置P Α，所述的激光检测器6Β、激光检测器6C与分别位于 PB、Pe，且激光检测器6B、激光检测器6e与激光检测器6 在位置构成等腰直角三角形，即
,且腰长小于激光扩束器扩束后的激光光斑半径长度，即所述的激光扩束器 1将激光扩束后，其光斑可以完全覆盖位于干涉平面上的三路激光检测器6^化与6 c。
[0031] 干涉仪在扫描过程中，由于安装调试误差以及动镜运动的轴向偏移等原因，动镜 平面与定镜平面无法严格垂直，干涉平面上激光干涉光斑中不同区域之间的光程差不再相 等。此时，三路激光检测器6^化与6 C探测到的激光干涉信号的过零时刻也不再相同，因此， 可以利用三路激光检测器6^化与6 ε探测到的激光干涉信号之间的过零延