摘要：对环境微振动干扰进行补偿可减小移相干涉测量的误差，其中振动量的检测是实现振动补偿的前提。以声光调制器作为光学移频器，在移相式平面干涉仪中组合成外差干涉测振系统，可以实现光程差微小变化(范围为 0 到1/2 波长)的实时检测。在外差信号处理中采用单片 RF/IF 相位测量芯片直接对两路 40MHz 模拟信号进行比相，简化了通常使用的数字测相方法，其精确测相的典型非线性值小于1 度。用该系统实际测量了周期性振动和地面冲击振动对干涉仪的影响，获得了干涉仪所受微振动的幅度和相位。
引 言
移相干涉术是一种时域测量方法，对外界环境的干扰十分敏感，微弱的环境振动会导致干涉条纹的抖动、扭曲、模糊，使得 CCD 在采集干涉图样过程中引入随机相位误差，难以保证λ/20 甚至λ/100 以上的预期测量精度。随着干涉测量应用场合的拓展，尤其是对那些用于车间现场精密测试的干涉仪，除了必要的隔振措施外，应该采取特殊的主动抗振技术[1-3]。在这类技术中，获得振动的相位和幅度是关键，移相功能和振动补偿可以由压电陶瓷型光学移相器完成。通常，在微小振动的测量技术中，激光外差干涉测振是最灵敏的方法，为了便于对外差干涉信号进行处理，可以采用双频激光器或用两只声光调制器来获得频差较小的相干光源[4, 5]，为了简化设计也可以采用一只声光调制(移频)器来获得两种不同频率的相干光。声光移频大多在 40MHz 以上，这时一般需要对外差干涉信号再进行电子外差处理并采用较为复杂的数字相位测量技术[6, 7]。本文以声光调制器作为光学移频器，将激光外差干涉测振技术合成在平面移相干涉仪中，首次采用新型单片幅度与相位测量集成芯片 AD8302 直接对高频激光外差信号(40MHz)进行相位测量，无须进行电子外差预处理和数字式相位测量，在进行平面干涉测量的同时也得到了干涉仪所受环境微扰的振动量。
1 实验装置
具有微振动测量功能的移相式平面干涉仪实验装置如图1 所示。它的主体是泰曼-格林(Twyman-Green)型平面干涉仪，由图中1-He-Ne 激光器、2，3-反射镜、8-扩束镜11，12-分束镜、9-标准参考镜、23-被测件、16-成象物镜、20-光阑、21-CCD 等器件组成。图中与标准参考镜相连的移相器没有画出。装置中放入声光调制器 4 并调整好方位，入射光通过声光调制器后产生 Bragg 衍射，调节声功率，使得出射的1 级衍射光占总光功率的5%左右，大约占总光功率 75%的零级光通过中央有小孔的反射镜 6 进入干涉仪，经扩束系统 8 后作为干涉仪的准直光源。1 级衍射光经反射镜 6、7 并通过分束镜15 分别作为雪崩管光电探测器 13、22 的外差本振光。在干涉仪的参考臂和测试臂中分别插入分束镜 10、19，这样从标准参考镜9返回的参考光有一部分被分束镜10反射并经过分束镜14上并到达光电探测器13作为外差测量光;同样，从被测件 23 返回的测试光有一部分经分束镜 19 和分束镜18 进入光电探测器 22 作为外差测量光。光电探测器13、22 得到的两路外差干涉信号进入相位比较器17，
由此可以得到参考镜与被测件之间相对的光程变化，这一变化正是由环境振动所引起的。声光调制器移频频率为40MHz，于是外差干涉电信号的频率亦为40MHz。
2 光外差信号的处理
信号电路由光电探测器、前置放大器、温度补偿电路组成。其中光电探测器用雪崩光电二极管(APD)。外差本振光和测量光在探测器光敏面上进行混频，其输出的外差信号可以表示为
式中L1, L2是到达两光电探测器的参考光和测试光的光程，x 是这两者的光程差，同时它也是参考臂和测试臂之间的光程差。x 是时域函数，当存在振动时 x 随时间变化。由(3)式可知，只要测出两路外差信号之间的相位差 ，就可以得到振动所引起的光程差的变化。因此，实验系统的一个要点是对两路光外差信号进行比相，以期得到振动的相位和幅度。实验中选取单片集成电路 AD8302 作为两路外差信号相位比较的核心元件[8]。AD8302 是ADI 公司近年推出的用于 RF/IF 幅度和相位测量的单片集成电路。它由精密匹配的两个宽带对数检波输入放大器、一个乘法型相位检测器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到 2.7GHz 频率范围内的两路模拟信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配的两个对数放大检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度，幅度测量的动态范围扩展到60dB，而相位测量范围可达 180 度。这里只利用它的相位测量功能。
在芯片内部电路中，两外差信号分别输入两个对数放大器，其结果送入乘法器，乘法器的输出经积分后得到与两路信号相位差有关的信号，其数学过程由下式描述
(5)式中，RFIΦ代表相位比较输出斜率，大小为 10mV/°，中心点Vcp(900mV)对应 90°，0~180°的相位差输入对应于1.8V~0V 的电压输出，如图2 所示。由于 AD8302 输出带宽高达 30MHz，因此可以对环境振动引起的波前相位变化进行实时检测。AD8302 输出的相位信号可在数字示波器上显示，也可由A/D转换器转换为数字信号送入计算机或 DSP 内进行相关处理。对于内部参考电压为 1.8V 的 AD8302 芯片，其精确测相的典型非线性值小于1 度。这样，由于 AD8302 将测量相位的能力集中在一块14 引脚 TSSOP 封装的集成电路内，使原本十分复杂的相位测量系统大大简化，系统可靠性也得到很大提高。
3 实验结果
调整光路，使进入雪崩管光电探测器的本振光和测量光共轴，用数字示波器对两路外差电信号进行显示，其波形如图3所示。图中两路外差信号频率为40MHz，与声光调制器的移频频率相同 。由于AD8302 输入信号幅度动态范围较大，可以从-75dBV 变化到-15dBV，因此图 3 显示的两路几十毫伏的外差模拟信号可以直接耦合至 AD8302 进行相位比较。
为了检验本实验装置的振动测量性能，在被测件的光轴方向加上人工振源，振源由压电陶瓷致动器(PZT)及其驱动信号发生器组成(即图1 中标注为 24、25 的两个功能模块)。当给PZT 加上三角波控制电压时，被测件作往复运动，引起测试臂光程周期性变化(变化范围设定在 1.5λ 左右)，将两路外差信号输入到 AD8302 进行相位比较，比较的结果如图4所示。由图 4 可知，系统能够进行正确的振动测量，得到了振动的相位和幅度。图5 显示了当给地面一个冲击振动后，干涉仪波前相位受到扰动的情况。
4 结 论
本文以声光调制器作为光学频移器，将外差干涉测振系统合成在移相式平面干涉仪中，首次采用新型单片集成电路对两路高频(40MHz)外差模拟信号直接进行比相，无须进行电子外差预处理和数字相位测量。利用该系统测量了周期性三角波振动和地面冲击振动对干涉仪的影响，得到了振动的相位和振幅。由于没有对位移进行判向处理，系统只能测量最大振幅为λ/2(相位变化区间为 0~2π)的振动，不具备对相位连续递增(或递减)变化测量的能力，即没有长距离测量的能力。然而对于本系统而言，考虑到移相干涉图采样的周期性，只要测出小于 2π的振动相位并通过适当的方法对光程的变化进行快速补偿，就可以抵消振动对干涉测量的影响，因此没有必要对超过 2π整数倍的相位连续变化进行测量。关于振动的补偿将另文论述。
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[8] Analog Devices Inc. AD8302: LF-2.7GHz RF/IF Gain and Phase Detector Data sheet [EB/OL].https://www.analog.com,2002-07-01 /2002-11-04.
基金项目：国防军工计量“十五”重点资助项目(60803134)
作者简介：吴栋(1971-)，男，江苏靖江人，博士生，主要从事光学测试技术的研究。E-mail: wudong1000@yahoo.com.cn
