引用本文：
杜浩，祝文淼，张文涛，等. 基于代数导数估计法的双频激光干涉测量系统时效误差实时补偿[J]. 光通信技术，2026，50（4）：77-83.
杜 浩，祝文淼，张文涛，王 剑*，周 开，康承广，高慧莹
（桂林电子科技大学 光电工程学院，广西 桂林 541004）
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要：针对双频激光干涉测量系统动态位移解算中的时效误差问题，提出基于代数导数估计法（ADEM）的实时补偿方法。采用JESD204B协议实现多通道同步采集，解决模/数转换器（ADC）延时差异；设计双线程互补策略，消除奇点域与初始化周期对补偿精度的干扰。实验结果表明：低速下位移误差从约4.8 nm降至约0.5 nm，高速下从约37 nm降至16 nm；变速工况下误差从约65 nm压缩至20 nm以内；相位残差分析证实系统可达1 024倍电子细分，实现亚纳米级分辨力。
关键词：干涉仪位移测量；代数导数估计法；时效误差补偿；多通道同步;硬件在环仿真
中图分类号：TN256 文献标志码：A 文章编号：1002-5561（2026）04-0077-07
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2026.04.012
研究背景与挑战：
双频激光干涉仪：因其高精度、高分辨率和快速响应特性，在精密测量领域广泛应用，如半导体制造、光刻机对准等。
时效误差问题：随着集成电路技术的发展，光刻工艺对位移测量精度的要求提升至亚纳米级别。然而，双频激光干涉测量系统在实际应用中面临时效误差问题，该误差源于信号采集与处理的延时，导致测量结果无法实时反映运动台的真实位置，显著影响系统的动态测量精度。
时效误差的产生机理：
误差来源：时效误差主要来源于延时误差和相移误差。延时误差由光电探测器响应时间、传输线缆延时、ADC采样过程等引入；相移误差则主要来源于模拟滤波、混频及数字处理环节中器件非理想相频特性造成的附加相位偏移。
运动工况影响：不同运动工况下，时效误差的表现形式存在差异。匀速运动时误差主要由系统总延时与速度项共同决定；变速运动时误差与加速度等高阶参数密切相关，形式更加复杂。
补偿方法与系统框架：
ADEM方法：采用代数导数估计法进行时效误差实时补偿，通过截断泰勒级数逼近信号导数，并结合积分器抑制高频噪声，避免传统有限差分法易放大噪声的缺陷。
系统框架：信号链路前端由预处理板卡构成，负责信号调理与ADC采集；采集的数字信号通过VPX背板高速总线汇总至主板FPGA，由FPGA完成时效误差补偿、相位解算及位移计算等核心算法任务。
关键技术与实现：
多通道同步方案：采用JESD204B协议实现多通道同步采集，解决ADC延时差异问题，确保各通道数据在同一时钟上沿对齐后进入解算模块。
双线程互补策略：设计双线程互补策略，通过错位复位与状态机控制消除奇点域和初始化周期对补偿精度的影响，保证算法的连续稳定性。
FPGA硬件实现：依托Xilinx Kintex UltraScale FPGA平台完成ADEM的硬件部署，采用流水线架构部署算法模块，实现高效实时补偿。
实验验证与结果分析：
实验平台：采用双通道信号发生器模拟运动台输出的正弦测量信号，基于FPGA平台进行硬件在环仿真验证。
补偿效果：匀速运动工况下，位移测量误差显著降低；变速运动工况下，ADEM补偿后误差幅值被有效压缩至20 nm以内，系统等效电子细分数优于1024，分辨力达亚纳米级。
结论与展望：
研究结论：本文提出的基于ADEM的双频激光干涉测量系统时效误差实时补偿方法可有效抑制动态测量中的时效误差，为高速、变速场景下的高精度位移测量提供了可行方案。
未来展望：后续将进一步优化高阶参数估计精度与硬件资源效率，拓展其在极高速测量中的应用。