CN114858062B - 探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺 - Google Patents

探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺 Download PDF

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CN114858062B CN202210659766.5A CN202210659766A CN114858062B CN 114858062 B CN114858062 B CN 114858062B CN 202210659766 A CN202210659766 A CN 202210659766A CN 114858062 B CN114858062 B CN 114858062B
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Abstract

本公开涉及精密测量技术领域的应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺，该方法包括：控制读数头进行任意速度的运动；获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。通过采集非固相定相位的干涉信号以及利用相位补偿算法，不依据干涉信号的初相位即可完成探测信号的处理，不仅解决了光栅尺安装调试过程复杂和生产制造工艺要求严苛等问题，还解决了标定算法干涉信号初相位求解对标定环境要求苛刻问题；同时，提高了光栅尺的测量精度。

Description

探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺
技术领域
本公开涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺。
背景技术
光栅尺是一种利用光栅的光学原理，具有纳米级测量精度、亚纳米级分辨率和极高的测量稳定性的精密位移测量设备，主要应用于各类测量机构、仪器、数控机床以及自动化机构的位移测量。
相关技术中，光栅尺的测量原理是通过获取干涉信号的初相位信息，依据干涉信号准确的初相位信息，经计算确定带有位移量信息的正交信号。通常通过光路设计，采集固定相位的干涉信号，经计算确定待测目标的位移量；然而，由于光栅尺的机械结构复杂，这种方法存在实现难度大的问题，且对生产制造条件有极尽苛刻的要求，很难保证探测信号在对应的相位位置上，进而导致测量准确性差。相关技术中还可以依据标定算法对单频率信号进行高精度的初相位求解；但该标定算法要求光栅尺必须配备高精度电动位移台，否则光栅尺将无法正常工作，该标定算法具有极大局限性，其对场景的限制为光栅尺正常使用造成了极大困难。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺。
第一方面，本公开提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法，包括：
控制读数头进行任意速度的运动；
获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；
基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；
基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
可选地，所述相位补偿算法为基于皮尔森相关系数法和非线性最小二乘法的拟合补偿算法；
其中，所述基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号，包括：
基于所述三路干涉信号，利用所述皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差；其中，所述三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，所述三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；
基于所述三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号；
基于所述待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量；
基于所述待优化的两路正交信号与所述正交信号的补偿量，确定优化后的所述两路正交信号。
可选地，所述基于所述三路干涉信号，利用所述皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差，包括：
针对所述三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值；
基于所述偏置和所述幅值，利用皮尔森相关系数法确定所述三路干涉信号的相位差；
所述基于所述三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号，包括：
基于所述三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定所述待优化的两路正交信号；
其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0；
所述基于所述待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量，包括：
利用非线性最小二乘法，通过目标矩阵运算得到待优化的两路正交信号与完全正交信号相差的所述正交信号的补偿量；其中，所述正交信号的补偿量包括正交相位补偿量、幅值补偿量和偏置补偿量；
所述基于所述待优化的两路正交信号与所述正交信号的补偿量，确定优化后的所述两路正交信号，包括：
利用所述正交信号的补偿量，对所述待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的所述两路正交信号。
可选地，所述利用所述正交信号的补偿量，对所述待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的所述两路正交信号，包括：
结合如下公式，得到优化后的两路正交信号：
Figure 589106DEST_PATH_IMAGE001
Figure 151806DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 745598DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 10226DEST_PATH_IMAGE004
代表所述优化后的两路正交信号，
Figure 449298DEST_PATH_IMAGE003
为余弦信号，
Figure 866504DEST_PATH_IMAGE004
为正弦信号；
Figure 776339DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 403630DEST_PATH_IMAGE006
代表所述待优化的两路正交信号；
Figure 521758DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 183684DEST_PATH_IMAGE008
代表所述正交相位补偿量；
Figure 243913DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 92920DEST_PATH_IMAGE010
代表所述幅值补偿量；
Figure 14740DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 531172DEST_PATH_IMAGE012
代表所述偏置补偿量；角标
Figure 496722DEST_PATH_IMAGE013
表示与余弦信号对应，角标
Figure 833026DEST_PATH_IMAGE014
表示与正弦信号对应。
可选地，所述获取读数头进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号包括：
在读数头进行任意速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号；
判断所述三路初始干涉信号是否满足存储条件；
在所述三路初始干涉信号满足所述存储条件之后，对满足所述存储条件的初始干涉信号进行缓存；
针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到所述三路干涉信号。
可选地，所述基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移与速度，包括：
基于所述两路正交信号，确定相移量；
基于所述相移量，确定被测目标的位移和/或速度。
第二方面，本公开还提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理装置，包括：
运动控制模块，用于控制读数头进行任意速度的运动；
信号获取模块，用于获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；
第一确定模块，用于基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；
第二确定模块，用于基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
第三方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行上述任一种方法的步骤。
第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤。
第五方面，本公开还提供了一种光栅尺，包括读数头，所述读数头中的三个不同位置处分别设置探测器，用于采集对应位置处的探测信号，构成三路干涉信号；
其中，三个不同位置对应的相位未知；
所述光栅尺采用上述任一种方法的步骤实现探测信号处理。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺，该方法包括：控制读数头进行任意速度的运动；获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此，通过采集非固相定相位的干涉信号以及利用相位补偿算法，不依据干涉信号的初相位即可完成探测信号的处理，不仅解决了光栅尺安装调试过程复杂和生产制造工艺要求严苛等问题，还解决了标定算法干涉信号初相位求解对标定环境要求苛刻问题；同时，提高了光栅尺的测量精度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图；
图2为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S130的细化流程示意图；
图3为本公开实施例提供的另一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图；
图4为待优化的两路正交信号的李萨如图；
图5为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S120的细化流程示意图；
图6为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S140的细化流程示意图；
图7为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理装置的结构示意图；
图8为本公开实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
其中，700、应用于光栅尺的探测信号处理装置；710、运动控制模块；710、信号获取模块；730、第一确定模块；740、第二确定模块；800、电子设备；810、处理器；820、存储器；S110~S140、S231~S234、S310~S340、S521~S524和S641~S642均为方法流程的步骤。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
结合背景技术部分，利用固定相位法采集干涉信号的初始相位信息，存在安装调试困难和生产制造工艺严苛等问题；同时，在实际采样中很难保证探测信号在对应的相位位置上，进而导致测量准确性差。而标定算法具有极大局限性，其对场景的限制为光栅尺正常使用造成了极大困难。
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺，该方法包括：控制读数头进行任意速度的运动；获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此，通过采集非固相定相位的干涉信号以及利用相位补偿算法，不依据干涉信号的初相位即可完成探测信号的处理，不仅解决了光栅尺安装调试过程复杂和生产制造工艺要求严苛等问题，还解决了标定算法干涉信号初相位求解对标定环境要求苛刻问题；同时，提高了光栅尺的测量精度。
下面结合图1-图8，对本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺进行示例性说明。
图1为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图。参照图1，该方法包括：
S110、控制读数头进行任意速度的运动。
其中，读数头的运动速度可以是匀速，也可以是非匀速，在此不限定。
S120、获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号。
其中，光栅尺包括参考光栅和测量光栅，当半导体激光器（Laser Diode，LD）发射平行光经过参考光栅和测量光栅时，平行光会发生衍射和干涉，利用+1、-1级衍射光在探测器端形成干涉信号；利用参考光栅和测量光栅发生相对运动时+1、-1级衍射光相位变化方向相反的特性，两个运动信号周期对应一个光栅栅距，实现信号周期的二倍细分；同时通过光栅的0级衍射效率设计，使不同组参考光栅和测量光栅的+1、-1级衍射光组合干涉下的干涉信号发生相位移动，产生三路初始相位不同、频率相同的干涉信号；三路干涉信号的相位均未知。
其中，参考光栅和测量光栅一个设置在读数头内，另一个设置在被测目标内；当读数头相对于被测目标运动时，实现了参考光栅（例透射光栅）和测量光栅的相对运动，从而得到干涉信号；由于读数头进行任意速度的运动，因此采集到的三路干涉信号处于非稳定状态。
S130、基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号。
具体地，根据处于非稳定状态的三路干涉信号，计算三路干涉信号的初相位，并将三路干涉信号进行正交转换，得到两路正交信号；由于采集的干涉信号处于非稳定状态，得到的两路正交信号的正交性较差，若以这样的两路正交信号作为依据来确定被测目标的位移，测量结果的精准性较低。因此，利用相位补偿算法，对正交性较差的两路正交信号进行补偿优化，解决了正交信号正交性差的问题，有利于提高光栅尺的测量精度。
其中，两路正交信号表示利用相位补偿算法优化后的两路正弦信号相交，两路正弦信号之间的相位差为90°，因此，两路正交信号实质上包括了一路正弦信号
Figure 292957DEST_PATH_IMAGE015
和一路余弦信号
Figure 54109DEST_PATH_IMAGE016
。
S140、基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
其中，已知相移量
Figure 65927DEST_PATH_IMAGE017
与正交信号的关系为：
Figure 30472DEST_PATH_IMAGE018
；
通过上述公式，可得到相移量
Figure 153149DEST_PATH_IMAGE017
。
根据位移和相移量的关系，通过下列公式可得到参考光栅和测量光栅之间的相对位移，即被测目标的位移。
Figure 37316DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 220035DEST_PATH_IMAGE020
为位移；
Figure 406297DEST_PATH_IMAGE017
为相移量；
Figure 332665DEST_PATH_IMAGE021
为光栅的栅距。
需要说明的是，结合被测目标的位移和对应时长，还可以确定被测目标的速度；可根据用于光栅尺的探测信号处理方法的需求，确定指标设置为被测目标的位移和/或速度，在此不限定。
本公开实施例提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法，该方法包括：控制读数头进行任意速度的运动；获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此，通过采集非固相定相位的干涉信号以及利用相位补偿算法，不依据干涉信号的初相位即可完成探测信号的处理，不仅解决了光栅尺安装调试过程复杂和生产制造工艺要求严苛等问题，还解决了标定算法干涉信号初相位求解对标定环境要求苛刻问题；同时，提高了光栅尺的测量精度。
在一个实施例中，如图2所示，为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S130的细化流程示意图。参照图2，相位补偿算法为基于皮尔森相关系数法和非线性最小二乘法的拟合补偿算法；其中，S130“基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号”，包括：
S231、基于三路干涉信号，利用皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差。
其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差。三路干涉信号的相位差是以第一路干涉信号为基准信号，将第二路干涉信号和第三路干涉信号分别与第一路干涉信号进行比较得到的；三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 68408DEST_PATH_IMAGE022
，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 297396DEST_PATH_IMAGE023
；则三路干涉信号的相位差的实际数量为两个；为了使相位差的数量和干涉信号的数量相等，可将第一路干涉信号与基准信号（即第一路干涉信号）进行比较，即第一路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 95587DEST_PATH_IMAGE024
，且
Figure 950280DEST_PATH_IMAGE024
为0。
需要说明的是，本公开实施例仅示例性地示出了以第一路干涉信号为基准信号，但并不构成对本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法的限定。在其他实施方式中，可根据应用于光栅尺的探测信号处理方法的需求将基准信号设置为三路干涉信号中的任一个，在此不限定。
具体地步骤如下：
（1）计算每一路干涉信号的标定数据的平均值，以作为该路干涉信号的偏置；经计算得到第一路信号偏置
Figure 150317DEST_PATH_IMAGE025
、第二路信号偏置
Figure 815785DEST_PATH_IMAGE026
和第三路信号偏置
Figure 101272DEST_PATH_IMAGE027
。
（2）利用偏置计算标定数据的幅值，每一路干涉信号的幅值等于每一路干涉信号的总体标准差乘以
Figure 759656DEST_PATH_IMAGE028
；经计算的到第一路信号幅值
Figure 814199DEST_PATH_IMAGE029
、第二路信号幅值
Figure 384989DEST_PATH_IMAGE030
和第三路信号幅值
Figure 545056DEST_PATH_IMAGE031
。
（3）利用皮尔森相关系数法并结合求得的幅值和偏置计算第二路干涉信号与第一路信号的相位差
Figure 616918DEST_PATH_IMAGE032
、以及第二路干涉信号与第一路信号的相位差
Figure 401334DEST_PATH_IMAGE033
。
S232、基于三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号。
其中，两路正交信号表示两路正弦信号相交，两路正弦信号之间的相位差为90°，因此，两路正交信号实质上包括了一路正弦信号
Figure 533238DEST_PATH_IMAGE034
和一路余弦信号
Figure 652373DEST_PATH_IMAGE035
。
具体地，干涉信号强度与相位差之间存在一定对应关系，干涉信号强度可用相位差来表示；利用三步移相法将三路干涉信号的强度表达式联立、求解得到包含相位差的相移量
Figure 527925DEST_PATH_IMAGE017
的表达式；根据三角函数计算关系和三步移相算法得出的相移量
Figure 432427DEST_PATH_IMAGE017
，确定待优化的两路正交信号。
由于采集的干涉信号处于非稳定状态，得到的两路正交信号的正交性较差，若以这样的两路正交信号作为依据来确定被测目标的位移，测量结果的精准性较低，因此，需要对待优化的两路正交信号进行优化。
S233、基于待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量。
其中，影响两路正交信号正交性的因素至少包括非正交误差角、幅值误差和偏置误差，利用非线性最小二乘方法计算对应的补偿量，分别为正交相位补偿量、幅值补偿量和偏置补偿量。
S234、基于待优化的两路正交信号与正交信号的补偿量，确定优化后的两路正交信号。
具体地，结合待优化的两路正交信号
Figure 735232DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 341663DEST_PATH_IMAGE035
与正交信号的补偿量，消除正交误差角、幅值误差和偏置误差带来的误差影响，已得到优化后的两路正交信号
Figure 755327DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 779915DEST_PATH_IMAGE016
。
在一个实施例中，如图3所示，为本公开实施例提供的另一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图。参照图3，在该方法中：
S310、控制读数头进行任意速度的运动。
其中，该步骤与S110相同，具体参见S110处的解释，在此不再赘述。
S320、获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号。
其中，该步骤与S120相同，具体参见S120处的解释，在此不再赘述。
“基于三路干涉信号，利用皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差”，包括：
S3311、针对三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值。
其中，计算每一路干涉信号标定数据的平均值作为该路干涉信号的偏置，得到第一路信号偏置
Figure 378255DEST_PATH_IMAGE025
、第二路信号偏置
Figure 347348DEST_PATH_IMAGE026
和第三路信号偏置
Figure 440069DEST_PATH_IMAGE027
；通过下列公式可计算得到每一路干涉信号的偏置：
Figure 178218DEST_PATH_IMAGE036
；
其中，
Figure 950389DEST_PATH_IMAGE037
代表三路干涉信号的通道序列，取值1到3；
Figure 406778DEST_PATH_IMAGE038
代表每一路干涉信号包含标定数据的数量；
Figure 37611DEST_PATH_IMAGE039
代表干涉信号通道的标定数据；
Figure 161425DEST_PATH_IMAGE040
代表计算过程中的变量，变化范围0~N。
利用得到的偏置计算幅值，具体为：通过对每一路干涉信号的总体标准差乘以
Figure 835989DEST_PATH_IMAGE028
得到该路信号的幅值
Figure 779674DEST_PATH_IMAGE041
，根据下列公式计算得到第一路信号幅值
Figure 479777DEST_PATH_IMAGE029
、第二路信号幅值
Figure 317151DEST_PATH_IMAGE030
和第三路信号幅值
Figure 303562DEST_PATH_IMAGE042
：
Figure 344330DEST_PATH_IMAGE043
。
S3312、基于偏置和幅值，利用皮尔森相关系数法确定三路干涉信号的相位差。
具体地，利用皮尔森相关系数法并结合求得的幅值和偏置，计算第二路干涉信号与第一路信号的相位差
Figure 707179DEST_PATH_IMAGE032
、以及第二路干涉信号与第一路信号的相位差
Figure 664639DEST_PATH_IMAGE033
；计算公式如下：
Figure 821951DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 350015DEST_PATH_IMAGE045
。
“基于三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号”，包括：
S332、基于三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定待优化的两路正交信号。
其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0。三路干涉信号的相位差是以第一路干涉信号为基准信号，将第二路干涉信号和第三路干涉信号分别与第一路干涉信号进行比较得到的；第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 250975DEST_PATH_IMAGE046
，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 325592DEST_PATH_IMAGE047
；则三路干涉信号的相位差的实际数量为两个；为了使相位差的数量和干涉信号的数量相等，可将第一路干涉信号与基准信号（即第一路干涉信号）进行比较，即第一路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为
Figure 529171DEST_PATH_IMAGE024
，且
Figure 669166DEST_PATH_IMAGE024
为0。
具体地，利用下列公式计算关键参数
Figure 232871DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 774711DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 414771DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 42061DEST_PATH_IMAGE051
和Amp：
Figure 409457DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure 805804DEST_PATH_IMAGE053
；
Figure 351186DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure 855985DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure 902439DEST_PATH_IMAGE056
；
由于
Figure 28658DEST_PATH_IMAGE057
，则
Figure 869575DEST_PATH_IMAGE058
；
Figure 599021DEST_PATH_IMAGE059
。
对上述计算得到的数据进行实时归一化算法处理，具体为：用三路干涉信号数值分别减去其对应的偏置，再除以其对应的幅值得到预处理信号
Figure 183586DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 695470DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 707288DEST_PATH_IMAGE062
：
Figure 921101DEST_PATH_IMAGE063
；
Figure 184723DEST_PATH_IMAGE064
；
Figure 410168DEST_PATH_IMAGE065
；
其中，
Figure 983101DEST_PATH_IMAGE066
代表第一路实时经模数转换器转换后的数字干涉信号；
Figure 293996DEST_PATH_IMAGE067
代表第二路实时经模数转换器转换后的数字干涉信号；
Figure 95730DEST_PATH_IMAGE068
代表第三路实时经模数转换器转换后的数字干涉信号。
然后，利用正交预处理算法得到待优化的两路正交信号
Figure 441261DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 919515DEST_PATH_IMAGE070
，待优化的两路正交信号的表达式为：
Figure 717707DEST_PATH_IMAGE071
；
Figure 323132DEST_PATH_IMAGE072
；
其中，
Figure 788748DEST_PATH_IMAGE073
表示三步移相得到的待优化的正交信号；
Figure 434975DEST_PATH_IMAGE035
表示三步移相得到的待优化的正交余弦信号。将三路干涉信号的相位差
Figure 720463DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 863999DEST_PATH_IMAGE074
代入上述公式，得到待优化的正交信号和正交余弦信号。
“基于待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量”，包括：
S333、利用非线性最小二乘法，通过目标矩阵运算得到待优化的两路正交信号与完全正交信号相差的正交信号的补偿量。
其中，正交信号的补偿量包括正交相位补偿量、幅值补偿量和偏置补偿量。
图4为待优化的两路正交信号的李萨如图；其中，横坐标轴为Sin信号，纵坐标轴为Cos信号。如图4所示，L1为理想状态的两路正交信号的对应关系，整体呈圆形；L2为待优化的两路正交信号的对应关系，整体呈椭圆形；待优化的两路正交信号的正交性较差，影响其正交性的原因有非正交误差角、幅值误差和偏置误差，因此，待优化的两路正交信号还可以表示为：
Figure 308756DEST_PATH_IMAGE075
；
Figure 269759DEST_PATH_IMAGE076
；
其中，
Figure 917909DEST_PATH_IMAGE077
代表误差角；
Figure 724191DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 23454DEST_PATH_IMAGE079
代表幅值误差；
Figure 889779DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 290804DEST_PATH_IMAGE081
代表偏置误差。
因此，计算出误差角
Figure 900777DEST_PATH_IMAGE077
、幅值误差
Figure 54547DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 357352DEST_PATH_IMAGE079
、偏置误差
Figure 714515DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 521322DEST_PATH_IMAGE081
对应的补偿量，即可得到优化优化后的两路正交信号。
进一步，在图4的基础上，利用非线性最小二乘方法，拟合出笛卡尔坐标系的参数方程式，如下表示，其对应于图4中的椭圆的方程：
Figure 404964DEST_PATH_IMAGE082
；
并进一步地，求出参数方程的系数a、b、c、d和e。
然后，根据参数方程的系数和误差角
Figure 754037DEST_PATH_IMAGE077
、幅值误差
Figure 723130DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 65119DEST_PATH_IMAGE079
、偏置误差
Figure 68847DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 588821DEST_PATH_IMAGE081
的数学关系，计算出正交相位补偿量
Figure 45210DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure 925310DEST_PATH_IMAGE084
、幅值补偿量
Figure 517965DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 474420DEST_PATH_IMAGE010
，以及偏置补偿量
Figure 542739DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 101897DEST_PATH_IMAGE012
，计算公式如下所示：
Figure 690004DEST_PATH_IMAGE085
；
Figure 410835DEST_PATH_IMAGE086
；
Figure 986958DEST_PATH_IMAGE087
；
Figure 349806DEST_PATH_IMAGE088
；
Figure 57999DEST_PATH_IMAGE089
；
Figure 949732DEST_PATH_IMAGE090
；
Figure 992643DEST_PATH_IMAGE091
；
其中，角标
Figure 893603DEST_PATH_IMAGE013
表示与余弦信号对应，角标
Figure 456303DEST_PATH_IMAGE014
表示与正弦信号对应。
“基于待优化的两路正交信号与正交信号的补偿量，确定优化后的两路正交信号”，包括：
S334、利用正交信号的补偿量，对待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的两路正交信号。
具体地，结合S332得到的待优化的两路正交信号的表达式和S333计算得到的补偿量，经反推计算可得到优化后的两路正交信号；优化后的两路正交信号具有较好的正交性，其正交误差小于预设正交误差阈值；正交误差阈值的取值范围可根据应用于光栅尺的探测信号处理方法的需求灵活设置，例如0.1度~1度，在此不限定。
S340、基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
其中，该步骤与S140相同，具体参见S140处的解释，在此不再赘述。
在一个实施例中，利用正交信号的补偿量，对待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的两路正交信号，包括：
结合如下公式，得到优化后的两路正交信号：
Figure 909150DEST_PATH_IMAGE092
Figure 49144DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 629161DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 171001DEST_PATH_IMAGE004
代表优化后的两路正交信号，
Figure 794749DEST_PATH_IMAGE003
为余弦信号，
Figure 422039DEST_PATH_IMAGE004
为正弦信号；
Figure 805747DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 202094DEST_PATH_IMAGE006
代表待优化的两路正交信号；
Figure 999673DEST_PATH_IMAGE093
和
Figure 114259DEST_PATH_IMAGE008
代表正交相位补偿量；
Figure 36079DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 677145DEST_PATH_IMAGE010
代表幅值补偿量；
Figure 518062DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 995311DEST_PATH_IMAGE012
代表偏置补偿量；角标
Figure 845455DEST_PATH_IMAGE013
表示与余弦信号对应，角标
Figure 341027DEST_PATH_IMAGE014
表示与正弦信号对应。
具体地，将S332得到的待优化的两路正交信号的表达式和S333计算得到的补偿量代入上述公式，经计算可得到优化后的两路正交信号
Figure 352846DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 51811DEST_PATH_IMAGE004
的值，进一步计算可得到相移量
Figure 440067DEST_PATH_IMAGE017
；基于相移量，最终确定被测目标的位移和/或速度。
本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法，利用非线性最小二乘法实现了两路正交信号的补偿量的精准计算，通过对待优化的两路相交正弦信号进行优化，优化后的两路正交信号具有较高的正交性，解决了待优化的两路正交信号正交性差的问题，提高了光栅尺测量精度，可达到纳米级。
在一些实施例中，如图5所示，为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S120的细化流程示意图。参照图5，S120“获取读数头进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号”，包括：
S521、在读数头进行任意速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号。
S522、判断三路初始干涉信号是否满足存储条件。
其中，放大电路对3路初始干涉信号进行放大，使干涉信号的电压幅值达到模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）的采样区间，由模数转换器将模拟干涉信号转换为数字干涉信号，判断转换后的数字干涉信号的是否满足存储条件；存储条件包括数字干涉信号的幅值对应于读数头的速度在一定范围内稳定，以确保信噪比较高。例如，读数头不运动时，信号幅值为0，读数头开始运动之后，当信号幅值大于0.5V时，确定满足存储条件。
S523、在三路初始干涉信号满足存储条件之后，对满足存储条件的初始干涉信号进行缓存。
其中，在满足存储条件后，对满足存储条件的三路数字干涉信号进行缓存。
S524、针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到三路干涉信号。
其中，每路干涉信号包括至少十个周期稳定的干涉信号；在检测到缓存数据中有十个干涉信号周期以上的数据时，执行下一步骤。
在一些实施例中，如图6所示，为图1示出的应用于光栅尺的探测信号处理方法中S140的细化流程示意图。参照图6，S140“基于两路正交信号，确定被测目标的位移与速度”，包括：
S641、基于两路正交信号，确定相移量。
其中，已知相移量
Figure 790146DEST_PATH_IMAGE017
与优化后的两路正交信号的关系为：
Figure 113811DEST_PATH_IMAGE018
；
通过上述公式，计算得到相移量
Figure 690286DEST_PATH_IMAGE017
。
S642、基于相移量，确定被测目标的位移和/或速度。
根据位移和相移量的关系，通过下列公式可得到参考光栅和测量光栅之间的相对位移：
Figure 738358DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 818309DEST_PATH_IMAGE020
为位移；
Figure 312876DEST_PATH_IMAGE017
为相移量；
Figure 111067DEST_PATH_IMAGE021
为光栅的栅距。
需要说明的是，结合被测目标的位移和对应时长，还可以确定被测目标的速度；可根据用于光栅尺的探测信号处理方法的需求，确定指标设置为被测目标的位移和/或速度，在此不限定。
基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理装置，该装置可执行本公开实施例所提供的任一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的步骤，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，为避免重复描述，在此不再赘述。该装置可以采用软件和/或硬件实现，并可集成在任意具有计算能力的服务器或电脑等终端设备上。
图7为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理装置。参照图7，该应用于光栅尺的探测信号处理装置700包括：运动控制模块710，用于控制读数头进行任意速度的运动；信号获取模块720，用于获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；第一确定模块730，用于基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；第二确定模块740，用于基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
在一个实施例中，相位补偿算法为基于皮尔森相关系数法和非线性最小二乘法的拟合补偿算法；第一确定模块用于基于三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号，包括：第一确定子模块，用于基于三路干涉信号，利用皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差；其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；第二确定子模块，用于基于三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号；第三确定子模块，用于基于待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量；第四确定子模块，用于基于待优化的两路正交信号与正交信号的补偿量，确定优化后的两路正交信号。
在一个实施例中，第一确定子模块用于基于三路干涉信号，利用皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差，包括：针对三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值，以及基于偏置和幅值，利用皮尔森相关系数法确定三路干涉信号的相位差。
第二确定子模块用于基于三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号，包括：基于三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定待优化的两路正交信号；其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0。
第三确定子模块用于基于待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量，包括：利用非线性最小二乘法，通过目标矩阵运算得到待优化的两路正交信号与完全正交信号相差的正交信号的补偿量；其中，正交信号的补偿量包括正交相位补偿量、幅值补偿量和偏置补偿量。
第四确定子模块用于基于待优化的两路正交信号与正交信号的补偿量，确定优化后的两路正交信号，包括：利用正交信号的补偿量，对待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的两路正交信号。
在一个实施例中，第四确定子模块用于利用正交信号的补偿量，对待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的两路正交信号，包括：结合如下公式，得到优化后的两路正交信号：
Figure 965760DEST_PATH_IMAGE092
Figure 165797DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 831265DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 116752DEST_PATH_IMAGE004
代表优化后的两路正交信号，
Figure 509557DEST_PATH_IMAGE003
为余弦信号，
Figure 564100DEST_PATH_IMAGE004
为正弦信号；
Figure 666048DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 297887DEST_PATH_IMAGE006
代表待优化的两路正交信号；
Figure 369748DEST_PATH_IMAGE093
和
Figure 419744DEST_PATH_IMAGE008
代表正交相位补偿量；
Figure 551648DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 939291DEST_PATH_IMAGE010
代表幅值补偿量；
Figure 549264DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 453766DEST_PATH_IMAGE012
代表偏置补偿量；角标
Figure 490992DEST_PATH_IMAGE013
表示与余弦信号对应，角标
Figure 628582DEST_PATH_IMAGE014
表示与正弦信号对应。
在一个实施例中，信号获取模块用于获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号，包括：在读数头进行任意速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号；判断三路初始干涉信号是否满足存储条件；在三路初始干涉信号满足存储条件之后，对满足存储条件的初始干涉信号进行缓存；针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到三路干涉信号。
在一个实施例中，第二确定模块用于基于两路正交信号，确定被测目标的位移与速度，包括：基于两路正交信号，确定相移量；基于相移量，确定被测目标的位移和/或速度。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种电子设备。如图8所示，该电子设备800包括：处理器810和存储器820；处理器810通过调用存储器820存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤，实现对应的有益效果。
其中，处理器810可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）或者具有数据计算能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备800中的其他组件以执行期望的功能。其中，存储器820可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器（RAM）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器（ROM）、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器810可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法，和/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如输入信号、信号分量、噪声分量等各种内容
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施方式中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当计算机可执行指令被计算装置执行时，可用来实现本公开任一实施例描述的应用于光栅尺的探测信号处理方法。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种光栅尺。该光栅尺包括读数头，读数头中的三个不同位置处分别设置探测器，用于采集对应位置处的探测信号，构成三路干涉信号；其中，三个不同位置对应的相位未知；光栅尺采用上述任一种方法的步骤实现探测信号处理，具有对应的有益效果，为避免重复描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种应用于光栅尺的探测信号处理方法，其特征在于，包括：
控制读数头进行任意速度的运动；
获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；
基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；
基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度；
所述相位补偿算法为基于皮尔森相关系数法和非线性最小二乘法的拟合补偿算法；
其中，所述基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号，包括：
基于所述三路干涉信号，利用所述皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差；其中，所述三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，所述三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；
基于所述三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号；
基于所述待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量；
基于所述待优化的两路正交信号与所述正交信号的补偿量，确定优化后的所述两路正交信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述基于所述三路干涉信号，利用所述皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差，包括：
针对所述三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值；
基于所述偏置和所述幅值，利用皮尔森相关系数法确定所述三路干涉信号的相位差；
所述基于所述三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号，包括：
基于所述三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定所述待优化的两路正交信号；
其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0；
所述基于所述待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量，包括：
利用非线性最小二乘法，通过目标矩阵运算得到待优化的两路正交信号与完全正交信号相差的所述正交信号的补偿量；其中，所述正交信号的补偿量包括正交相位补偿量、幅值补偿量和偏置补偿量；
所述基于所述待优化的两路正交信号与所述正交信号的补偿量，确定优化后的所述两路正交信号，包括：
利用所述正交信号的补偿量，对所述待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的所述两路正交信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述正交信号的补偿量，对所述待优化的两路正交信号进行补偿，得到优化后的所述两路正交信号，包括：
结合如下公式，得到优化后的两路正交信号：
Figure 741642DEST_PATH_IMAGE001
Figure 9812DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 267618DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 494200DEST_PATH_IMAGE004
代表所述优化后的两路正交信号，
Figure 14787DEST_PATH_IMAGE003
为余弦信号，
Figure 821069DEST_PATH_IMAGE004
为正 弦信号；
Figure 198960DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 330865DEST_PATH_IMAGE006
代表所述待优化的两路正交信号；
Figure 794207DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 669759DEST_PATH_IMAGE008
代表所述正交相位补偿量；
Figure 184048DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 752433DEST_PATH_IMAGE010
代表所述幅值补偿量；
Figure 437492DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 116735DEST_PATH_IMAGE012
代表所述偏置补偿量；角标
Figure 203640DEST_PATH_IMAGE014
表示与余弦信号对应，角标
Figure 942926DEST_PATH_IMAGE015
表示与正弦信号对应。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号包括：
在读数头进行任意速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号；
判断所述三路初始干涉信号是否满足存储条件；
在所述三路初始干涉信号满足所述存储条件之后，对满足所述存储条件的初始干涉信号进行缓存；
针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到所述三路干涉信号。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度，包括：
基于所述两路正交信号，确定相移量；
基于所述相移量，确定被测目标的位移和/或速度。
6.一种应用于光栅尺的探测信号处理装置，其特征在于，包括：
运动控制模块，用于控制读数头进行任意速度的运动；
信号获取模块，用于获取读数头在进行任意速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；
第一确定模块，用于基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号；
第二确定模块，用于基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度；
所述相位补偿算法为基于皮尔森相关系数法和非线性最小二乘法的拟合补偿算法；
其中，所述基于所述三路干涉信号，利用相位补偿算法，确定两路正交信号，包括：
基于所述三路干涉信号，利用所述皮尔森相关系数法，确定三路干涉信号的相位差；其中，所述三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，所述三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；
基于所述三路干涉信号的相位差，利用三步移相法，确定待优化的两路正交信号；
基于所述待优化的两路正交信号，利用非线性最小二乘法，确定正交信号的补偿量；
基于所述待优化的两路正交信号与所述正交信号的补偿量，确定优化后的所述两路正交信号。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
9.一种光栅尺，其特征在于，包括读数头，所述读数头中的三个不同位置处分别设置探测器，用于采集对应位置处的探测信号，构成三路干涉信号；
其中，三个不同位置对应的相位未知；
所述光栅尺采用权利要求1-5任一项所述方法的步骤实现探测信号处理。
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