具有物理溯源性的相位發生方法及其相位發生裝置與流程

本發明涉及相位發生器技術領域，尤其涉及一種具有物理溯源性的相位發生方法及其相位發生裝置。

背景技術：

現有技術中的相位發生器其相位的精準度不高，且不具有物理溯源性，在對相位進行調整時，很難進行精確操作。

技術實現要素：

本發明的特征和優點在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實踐本發明而學習。

為克服現有技術的問題，本發明提供一種具有物理溯源性的相位發生方法，其特征在于，包括：

產生頻率為f₁的第一信號以及頻率為f₂的第二信號；

產生頻率為f₃的第三信號，且f₃為f₁與f₂的差值絕對值；

將所述第一信號調制到激光信號中；

將調制后的激光信號經由預設傳輸路徑延時后轉換為第四信號；其中，所述預設傳輸路徑的距離根據預設相位差計算獲得；

將所述第四信號與所述第二信號進行混頻，得到頻率為f₃的第五信號；

根據將所述第三信號與所述第五信號進行對比得到所述預設相位差。

可選地，所述第三信號由所述第一信號與所述第二信號混頻產生，或與所述第一信號或第二信號同時產生。

可選地，所述預設傳輸路徑的距離包括第一距離與第二距離中的至少一項，所述根據預設相位差計算獲得的是所述第二距離；所述第二距離的計算包括：

計算所述調制后的激光信號的波長，＝c/f1，c為光速；

計算所述調制后的激光信號的單位傳輸距離對應的相位差變化k，k＝360/；

計算所述第二距離D，D＝φ/k，其中φ為預設相位差

可選地，所述將調制后的激光信號經由預設傳輸路徑延時后轉換為第四信號具體包括：

根據所述預設傳輸路徑的距離調整目標板的位置；

將所述調制后的激光信號發射至目標板；

所述目標板反射所述調制后的激光信號至光電轉換器；

所述光電轉換器將所述調制后的激光信號轉換為第四信號。

此外，為克服現有技術的問題，本發明還提供一種具有物理溯源性的相位發生裝置，其特征在于，包括：

信號產生單元，用于產生頻率為f₁的第一信號以及頻率為f₂的第二信號；還用于產生頻率為f₃的第三信號，且f₃為f₁與f₂的差值絕對值；

激光調制單元，用于將所述第一信號調制到激光信號中；

延時調整單元，用于將調制后的激光信號經由預設傳輸路徑延時后轉換為第四信號；其中，所述預設傳輸路徑的距離根據預設相位差計算獲得；

所述信號產生單元還用于將所述第四信號與所述第二信號進行混頻，得到頻率為f₃的第五信號；

相位差單元，用于將所述第三信號與所述第五信號進行對比得到相位差。

可選地，所述第三信號由所述第一信號與所述第二信號混頻產生，或與所述第一信號或第二信號同時產生。

可選地，還包括計算單元，所述預設傳輸路徑的距離包括第一距離與第二距離中的至少一項，所述計算單元用于：

計算所述調制后的激光信號的波長λ，λ＝c/f₁，c為光速；

計算所述調制后的激光信號的單位傳輸距離對應的相位差變化k，k＝360/λ；

計算所述第二距離D，其中為預設相位差。

可選地，所述延時調整單元包括發射模塊、目標板以及光電轉換器；其中，

所述發射模塊，用于將所述調制后的激光信號發射至所述目標板；

所述目標板，用于反射所述調制后的激光信號至所述光電轉換器；

所述光電轉換器，用于將所述調制后的激光信號轉換為第四信號。

可選地，還包括傳動單元，所述傳動單元包括：

高精度螺桿，與所述目標板固定連接，用于根據所述預設傳輸路徑的距離調整目標板的位置。

可選地，所述傳動單元還包括伺服模組，與所述高精度螺桿相連，用于獲取所述預設傳輸路徑的距離并據此控制所述高精度螺桿的傳動。

本發明提供了一種具有物理溯源性的相位發生方法及其相位發生裝置，使相位的調整幅度能通過距離得以量化，提高相位發生的精度。

通過閱讀說明書，本領域普通技術人員將更好地了解這些技術方案的特征和內容。

附圖說明

下面通過參考附圖并結合實例具體地描述本發明，本發明的優點和實現方式將會更加明顯，其中附圖所示內容僅用于對本發明的解釋說明，而不構成對本發明的任何意義上的限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例的具有物理溯源性的相位發生方法的流程示意圖。

圖2為本發明實施例的步驟S14的流程示意圖。

圖3為本發明實施例的預設傳輸路徑的距離的計算方法的流程示意圖。

圖4為本發明實施例的具有物理溯源性的相位發生裝置的結構示意圖。

圖5為本發明實施例的延時調整單元及傳動單元的結構示意圖。

圖6為本發明實施例的具有物理溯源性的相位發生裝置的具體結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明提供一種具有物理溯源性的相位發生方法，包括：

S11、產生頻率為f₁的第一信號以及頻率為f₂的第二信號；

該第一信號與第二信號可以直接由信號源發出，也可以將高頻信號進行分頻獲得，本發明對此并不限制；

S12、產生頻率為f₃的第三信號，且f₃為f₁與f₂的差值絕對值；

該第三信號可以由第一信號與第二信號混頻產生，也可以與所述第一信號或第二信號同時產生；

S13、將所述第一信號調制到激光信號中；

更具體地，第一信號可以經過放大后再調制到激光信號中；

S14、將調制后的激光信號經由預設傳輸路徑延時后轉換為第四信號；其中，所述預設傳輸路徑的距離根據預設相位差計算獲得；

S15、將所述第四信號與所述第二信號進行混頻，得到頻率為f₃的第五信號；

一般地，第四信號也需要進行放大處理后在進行混頻；混頻后的信號還可以進行前置放大、選頻放大及濾波放大后獲得該第五信號；

S16、根據將所述第三信號與所述第五信號進行對比得到所述預設相位差。

下面輔以具體的實例進一步說明本實施例：

在步驟S1中，可以通過高精度PLL作為時鐘信號源，該芯片通過一個VCO產生單一的2.4GHz高頻信號，然后在通過整數分頻分別得到4路信號，分別為高頻發射信號、高頻差頻信號、差頻信號以及倍頻信號。如果需要產生500kHz的信號相位，并且輸出4倍頻信號，則這四路信號分別為：200.000MHz、200.500MHz、500kHz、2MHz。這四路信號都由VCO產生的2.4GHz整數分頻得到：

2400÷12＝200.000MHz

2400÷4800＝500kHz

2400÷1200＝2MHz

需要產生500kHz的信號相位，因此，200.000MHz與200.500MHz分別被選作第一信號與第二信號；

此時，在步驟S13中，可以將200.00MHz信號通過高頻放大驅動后調制到激光信號中，在步驟S15中，第四信號與第二信號即200.500MHz的信號經過初步放大后進行混頻，則可以分別得到400.500MHz以及500kHz兩組混頻后的疊加信號，經過低通濾波器濾除上變頻信號，后續選頻放大電路只放大500kHz的中頻信號，該中頻信號通過激光光路延時，會產生與距離成正比的相位延時。在步驟S16中，PLL芯片同時產生了一路500kHz的中頻基準信號，該信號直接由VCO高頻信號整數分頻得到，信號的起點與發射信號200MHz完全相同，可以作為相位基準信號，該信號與接收產生的500kHz對比即可得到相位延時。

本發明第二實施例提供一種具有物理溯源性的相位發生方法，包括的步驟與第一實施例中提及的S11至S16相同，具體如上所述，此處不再贅述。

不同的是，如圖2所示，本實施例中，步驟S14具體包括：

S21、根據所述預設傳輸路徑的距離調整目標板的位置；

S22、將所述調制后的激光信號發射至目標板；

可以通過激光器準直后將調制后的激光信號發射到目標板；

S23、所述目標板反射所述調制后的激光信號至光電轉換器；

更具體地，調制后的激光信號會在目標板上反射回接收鏡頭；

S24、所述光電轉換器將所述調制后的激光信號轉換為第四信號。

通過APD光電轉換器接收該調制后的激光信號并轉換為電信號即可得到第四信號。

本發明第三實施例提供一種具有物理溯源性的相位發生方法，包括的步驟與第一實施例中提及的S11至S16相同，具體如上所述，此處不再贅述。

不同的是，如圖3所示，本實施例中，步驟S14中的預設傳輸路徑的距離由第一距離及第二距離組成，所述根據預設相位差計算獲得的是所述第二距離；所述第一距離是指在改變調制后的激光信號的傳輸距離前的光程距離；所述第二距離是指在改變調制后的激光信號的傳輸距離后的光程距離；

所述第二距離的計算包括：

S31、計算所述調制后的激光信號的波長λ，λ＝c/f₁，c為光速；

S32、計算所述調制后的激光信號的單位傳輸距離對應的相位差變化k，k＝360/λ；

S33、計算所述第二距離D，其中為預設相位差。

例如，當采用400MHz的第一信號來調制激光信號時，則步驟S31中，

調制后的激光信號的波長λ為：

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

步驟S32中，單位傳輸距離為1mm，預設傳輸路徑的距離每變化1mm對應相位變化為k＝360/749.5＝0.48度。

步驟S32中，若預設相位差為60度，則傳輸路徑的距離D＝60/0.48＝125mm。

在本發明的另一實施例中，步驟S14具體包括步驟S21至S24，具體如上述第二實施例所示，在此不再贅述。

需要說明的是，上述預設傳輸路徑的距離中的第一距離即改變調制后的激光信號的傳輸距離前的光程距離可以是已知的，若是已知的，則此時預設傳輸路徑的距離為第一距離與第二距離之差；根據預設傳輸路徑的距離及光程的變化規律，調整目標板的位置；目標板的個數可以是一個也可以是多個，本申請并不做限制。在具體實施時，預設傳輸路徑的距離＝第二距離-第一距離；如此，根據預設傳輸路徑的距離調整目標板的位置后再與第一距離疊加，即可獲得第二距離，該第二距離是與預設相位差相對應的。

上述預設傳輸路徑的距離中的第一距離即改變調制后的激光信號的傳輸距離前的光程距離還可以是未知的；若是未知的，此時也可以不必去求解第一距離的具體值；相當于此時預設傳輸路徑的距離僅包括第二距離，則此時，獲取預設相位差的方法包括：

在未改變目標板的位置之前，先獲取某一頻率信號變化前的第一相位差；然后根據第二距離改變目標板位置后，再獲取該頻率信號變化后的第二相位差；將變化前的第一相位差與變化后的第二相位差進行對比，即可獲取預設相位差；或

根據已知相位差調整目標板的位置；該已知相位差可以是0°；將該目標板的位置記為原始位置；然后根據預設相位差與已知相位差計算需要改變的相位差；根據該需要改變的相位差計算第二距離，并根據第二距離在該原始位置的基礎上改變目標板位置后，即可獲取預設相位差。

如圖4所示，本發明第四實施例還提供一種具有物理溯源性的相位發生裝置，包括信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40。

信號產生單元10用于產生頻率為f₁的第一信號以及頻率為f₂的第二信號；該第一信號與第二信號可以直接由信號源發出，也可以將高頻信號進行分頻獲得，本發明對此并不限制；信號產生單元10還用于產生頻率為f₃的第三信號，且f₃為f₁與f₂的差值絕對值；該第三信號可以由第一信號與第二信號混頻產生，也可以與所述第一信號或第二信號同時產生。

激光調制單元20用于將所述第一信號調制到激光信號中；更具體地，第一信號需要經過放大后再調制到激光信號中。

延時調整單元30用于將調制后的激光信號經由預設傳輸路徑延時后轉換為第四信號；其中，所述預設傳輸路徑的距離根據預設相位差計算獲得；

所述信號產生單元10還用于將所述第四信號與所述第二信號進行混頻，得到頻率為f₃的第五信號；一般地，第四信號也需要進行放大處理后在進行混頻；混頻后的信號還可以進行前置放大、選頻放大及濾波放大后獲得該第五信號。

相位差單元40用于將所述第三信號與所述第五信號進行對比得到相位差。

請同時參照圖6，具體實施時，信號產生單元10可以包括微處理器MCU11、鎖相環PLL12、電源13；PLL12作為時鐘信號源，可以通過一個VCO產生單一的2.4GHz高頻信號，然后在通過整數分頻分別得到4路信號，分別為高頻發射信號、高頻差頻信號、差頻信號以及倍頻信號。如果需要產生500kHz的信號相位，并且輸出4倍頻信號，則這四路信號分別為：200.000MHz、200.500MHz、500kHz、2MHz。這四路信號都由VCO產生的2.4GHz整數分頻得到：

2400÷12＝200.000MHz

2400÷4800＝500kHz

2400÷1200＝2MHz

需要產生500kHz的信號相位，因此，200.000MHz與200.500MHz分別被選作第一信號與第二信號。

信號產生單元10還可以包括放大器14、15，分別用于將第一信號和第二信號進行放大；放大后的第一信號由激光調制單元20調制到激光信號中，經由發射模塊31發射至目標板33并由目標板33反射會光電轉換器32，由光電轉換器32轉換成第四信號；上述發射模塊31、目標板33及光電轉換器32組成延時調整單元30。

信號產生單元10還包括混頻器18、放大子單元19，混頻器18用于將第四信號與放大后的第二信號進行混頻，此時，可以分別得到400.500MHz以及500kHz兩組混頻后的疊加信號，放大子單元16用于使該疊加信號經過低通濾波器濾除上變頻信號，后續選頻放大電路只放大500kHz的中頻信號，該中頻信號通過激光光路延時，會產生與距離成正比的相位延時。PLL芯片同時產生了一路500kHz的中頻基準信號即第三信號，該信號直接由VCO高頻信號整數分頻得到，信號的起點與發射信號200MHz完全相同，可以作為相位基準信號，相位差單元40將該信號經由濾波器17濾波后與接收產生的500kHz對比即可得到相位延時。

本發明第五實施例還提供一種具有物理溯源性的相位發生裝置，包括信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40。

本實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40與上述第四實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40相同，具體如上所述，此處不再贅述。

不同的是，本實施例中，還包括計算單元，所述預設傳輸路徑的距離包括第一距離與第二距離中的至少一項，所述第一距離是指在改變調制后的激光信號的傳輸距離前的光程距離；所述第二距離是指在改變調制后的激光信號的傳輸距離后的光程距離；所述計算單元用于：

計算所述調制后的激光信號的波長λ，λ＝c/f₁，c為光速；

計算所述調制后的激光信號的單位傳輸距離對應的相位差變化k，k＝360/λ；

計算所述第二距離D，其中為預設相位差。

需要說明的是，上述預設傳輸路徑的距離中的第一距離可以是已知的，若是已知的，即相當于預設傳輸路徑的距離同時包括第一距離與第二距離，則可以根據第一距離以及第二距離計算得出預設傳輸路徑的距離；根據預設傳輸路徑的距離及光程的變化規律，調整目標板的位置；目標板的個數可以是一個也可以是多個，本申請并不做限制。在具體實施時，若第一距離為最短光程對應的距離，則此時預設傳輸路徑的距離＝第二距離-第一距離；如此，根據預設傳輸路徑的距離調整目標板的位置后在與第一距離疊加，即可獲得第二距離，該第二距離是與預設相位差相對應的。

上述預設傳輸路徑的距離中的第一距離還可以是未知的；若是未知的，此時也可以不必去求解第一距離的具體時；相當于此時預設傳輸路徑的距離僅包括第二距離，則此時，獲取預設相位差的方法包括：

在未改變目標板的位置之前，先獲取某一頻率信號變化前的第一相位差；然后根據第二距離改變目標板位置后，再獲取該頻率信號變化后的第二相位差；將變化前的第一相位差與變化后的第二相位差進行對比，即可獲取預設相位差；或

根據已知相位差調整目標板的位置；該已知相位差可以是0°；將該目標板的位置記為原始位置；然后根據預設相位差與已知相位差計算需要改變的相位差；根據該需要改變的相位差計算第二距離，并根據第二距離在該原始位置的基礎上改變目標板位置后，即可獲取預設相位差。

需要說明的是，本申請中的第二距離可以視為目標板位置變化后發生的光程的變化值，在具體實施時，需要根據至少一個目標板的位置變化計算光程變化。

本發明第六實施例還提供一種具有物理溯源性的相位發生裝置，包括信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40。

本實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40與上述第四實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40相同，具體如上所述，此處不再贅述。

不同的是，如圖5所示，本實施例中，延時調整單元30包括發射模塊31、目標板32以及光電轉換器33；其中，

發射模塊31用于將調制后的激光信號發射至目標板；具體可以通過激光器準直后將調制后的激光信號發射到目標板；

目標板32用于反射調制后的激光信號至光電轉換器；更具體地，調制后的激光信號會在目標板上反射回接收鏡頭。

光電轉換器33用于將調制后的激光信號轉換為第四信號；例如通過APD光電轉換器接收該調制后的激光信號并轉換為電信號即可得到第四信號。

在本發明的另一實施例中，還包括計算單元，具體如第五實施例所示，在此不再贅述。

本發明第七實施例還提供一種具有物理溯源性的相位發生裝置，包括信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40。

本實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40與上述第六實施例中的信號產生單元10、激光調制單元20、延時調整單元30、相位差單元40相同，具體如上所述，此處不再贅述。

不同的是，本實施例中，請參照圖5，還包括傳動單元50，傳動單元50包括：高精度螺桿51，與目標板32固定連接，用于控制目標板32與發射模塊或光電轉換器之間的距離。傳動單元50還包括伺服模組52，與高精度螺桿51相連，用于獲取預設傳輸路徑的距離并據此控制高精度螺桿的傳動。

在本發明的另一實施例中，還包括計算單元，具體如第五實施例所示，在此不再贅述。

本發明提供的種具有物理溯源性的相位發生方法及其相位發生裝置，結構簡單，通過激光光路延時，產生與距離成正比的相位延時，能快速響應相位的調整。為相位的標準輸出提供了具有物理溯源性的方法，此乃業界創舉，為相位的測量標準做出了貢獻，填補了業界空白。

以上參照附圖說明了本發明的優選實施例，本領域技術人員不脫離本發明的范圍和實質，可以有多種變型方案實現本發明。舉例而言，作為一個實施例的部分示出或描述的特征可用于另一實施例以得到又一實施例。以上僅為本發明較佳可行的實施例而已，并非因此局限本發明的權利范圍，凡運用本發明說明書及附圖內容所作的等效變化，均包含于本發明的權利范圍之內。