閔帥博 崔建軍 嚴(yán)利平 王 冬 束紅林 陳 愷

1(浙江理工大學(xué)納米測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 浙江 杭州 310018) 2(中國計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029) 3(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 天津 300072) 4(河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 河南 焦作 454000)

0 引 言

在眾多微位移測量方法中，激光干涉測量以非接觸、分辨力高、測量速度快等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各類高精密位移傳感器、微位移測量裝置的標(biāo)定校準(zhǔn)工作中[1-2]。大多數(shù)商用的激光干涉儀都屬于邁克爾遜型激光干涉儀，其主要是基于激光功率信號(hào)進(jìn)行測量的。在實(shí)際的微位移測量過程中，其光學(xué)器件的特性和安裝位置相對(duì)于最優(yōu)位置的偏離都會(huì)引起額外的非線性誤差，而影響后期光強(qiáng)信號(hào)的計(jì)算準(zhǔn)確度，一定程度上降低了邁克爾遜型激光干涉儀的測量精度[3]。

邁克爾遜型激光干涉儀的非線性誤差需要量值溯源到更高精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上，才能用于常規(guī)的標(biāo)定校準(zhǔn)工作中。拍頻式法-珀激光干涉儀(Fabry-Perot Interferometer，簡稱F-P干涉儀)基于頻率信號(hào)測量，理論上不存在非線性誤差，可作為邁克爾遜型激光干涉儀非線性誤差量值溯源的上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。但是，F(xiàn)-P干涉儀由于自由光譜范圍的限制和周圍環(huán)境的干擾，在實(shí)際的計(jì)量過程中也存在測量范圍小，測量精度未達(dá)到理論效果的問題，國內(nèi)外研究人員對(duì)F-P干涉儀存在的問題進(jìn)行了諸多研究。

在擴(kuò)展F-P干涉儀測量范圍方面：許婕等[4]提出了一種擴(kuò)展F-P干涉儀測量范圍的方法——換模鎖定法，將F-P干涉儀的測量范圍擴(kuò)大到1.1 μm，拓展了F-P干涉儀在大范圍進(jìn)行納米位移測量的能力；崔建軍[5]綜合激光測頻、穩(wěn)頻、鎖頻等多種頻率控制技術(shù)，提出了一種快速換模鎖相的測量方法，將F-P干涉儀的測量范圍擴(kuò)展到36 μm，測量不確定度優(yōu)于3.5 nm(k=2)。兩者的研究工作重點(diǎn)在于干涉儀的測量范圍的擴(kuò)展，但是干涉儀自身測量精度并沒有得到顯著的提升。在提高F-P干涉儀測量精度方面，國外研究人員作出了突出貢獻(xiàn)。Lawall[6]在測量光路中加入聲光調(diào)制器件來改善F-P干涉儀中的頻率調(diào)諧性能，提高了F-P干涉儀的測量靈敏度，使得其測量不確定度達(dá)到10 pm；Joo等[7]使用角錐棱鏡對(duì)F-P諧振腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效改進(jìn)，減小了F-P干涉儀自身裝調(diào)引入的誤差，提高了F-P干涉儀的測量精度。

現(xiàn)有的研究工作主要從光學(xué)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手，提升了F-P干涉儀的測量性能。但是，以F-P干涉儀為核心的微位移測量系統(tǒng)需要配合多種數(shù)據(jù)采集儀器才能得到有效的運(yùn)作，各種儀器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和過程同步控制的性能也決定了F-P干涉儀的實(shí)際測量精度。從系統(tǒng)控制和測控軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)F-P干涉微位移測量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，F(xiàn)-P干涉儀的測量精度可能有顯著提升。

在眾多計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中，單片機(jī)控制技術(shù)在過程控制同步性要求高的場景下表現(xiàn)良好。FPGA控制技術(shù)常應(yīng)用于并行算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)字信號(hào)處理等系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高的場景。當(dāng)目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)控制同步性和采集實(shí)時(shí)性的要求都比較高時(shí)，傳統(tǒng)研究采取的解決方案主要是FPGA和單片機(jī)搭配使用。這種解決方案在實(shí)現(xiàn)基本的系統(tǒng)需求的同時(shí)，帶來了開發(fā)成本高，設(shè)計(jì)難度大等諸多問題。如果直接在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的同步性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，再結(jié)合上位機(jī)自身開發(fā)桌面應(yīng)用程序的便利，則能夠在降低開發(fā)成本的同時(shí)，并保證系統(tǒng)各種需求的實(shí)現(xiàn)。

本文針對(duì)F-P干涉微位移測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和過程控制的同步性需求，采用面向異構(gòu)多核處理器的輕量級(jí)并行編程技術(shù)，在分析各種儀器的工作特性后，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)頻率控制、微動(dòng)臺(tái)控制、數(shù)據(jù)采集處理等多任務(wù)并行執(zhí)行的測量控制軟件。在保證系統(tǒng)同步性的前提下，提升了F-P干涉測量速度，減少環(huán)境干擾對(duì)系統(tǒng)的作用時(shí)間。針對(duì)F-P干涉測量中光強(qiáng)峰值的穩(wěn)定性要求，實(shí)現(xiàn)了一種有效的尋峰算法，提高了F-P干涉測量的精度。

1 微位移測量原理

F-P干涉儀主要是通過記錄鎖定在光強(qiáng)峰值上的頻率變化量來實(shí)現(xiàn)微位移的測量工作，在進(jìn)行微位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，需要對(duì)F-P干涉測量原理進(jìn)行分析。

從氦氖氣體激光器中射出一束波長為λ的激光，經(jīng)過平面反射鏡R1、R2兩次反射后，垂直入射到由平面玻璃板M1和角錐棱鏡M2組成的F-P諧振腔中，組成腔體的兩個(gè)平面需要保持嚴(yán)格平行，腔內(nèi)側(cè)表面還鍍有反射率較大的薄膜。入射到F-P諧振腔的激光束，在F-P諧振腔中經(jīng)過多次反射后產(chǎn)生多光束干涉效應(yīng)。當(dāng)相互干涉的激光之間積累的能量達(dá)到一定程度后，便可以從F-P諧振腔中再次透射出去，通過平面鏡R3反射后，垂直入射到光強(qiáng)探測器PD。理想情況下，在F-P諧振腔中的干涉激光束在同一個(gè)光學(xué)路徑上來回傳播。F-P干涉儀基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 F-P干涉儀基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)入射到F-P諧振腔中的激光波長λm與F-P諧振腔長度符合一定條件時(shí)，從F-P諧振腔中透射出的激光的功率強(qiáng)度可以達(dá)到極大值。透射激光的功率強(qiáng)度達(dá)到極大值的充分條件如下：

2nL=mλm

(1)

式中：n是空氣折射率；L是F-P諧振腔的幾何長度；m是很寬的光譜范圍內(nèi)能使透射光強(qiáng)達(dá)到極大值的縱模序號(hào)；λm是真空中的激光波長。真空中激光的波長λ、頻率f和真空中光速c具有以下關(guān)系：

(2)

從F-P諧振腔透射出去的激光的功率強(qiáng)度達(dá)到極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的激光頻率，稱為F-P諧振腔的諧振頻率。由式(1)和式(2)推導(dǎo)出諧振頻率的計(jì)算公式為:

(3)

假設(shè)fm相鄰的能使透射光強(qiáng)達(dá)到極大值的激光頻率為fm+1，則這兩種激光的頻率差為:

(4)

當(dāng)F-P諧振腔的長度確定時(shí)，相鄰兩個(gè)縱模頻率差值固定不變，該頻率差值就是F-P諧振腔對(duì)應(yīng)的自由光譜范圍，后文用fFSR表示。

從式(4)可以看出，F(xiàn)-P諧振腔的單個(gè)自由光譜范圍fFSR對(duì)應(yīng)一個(gè)法布里珀羅干涉整周期，利用這種特性可以使用F-P干涉儀來測量長度、位移、應(yīng)變等物理量。

在使用F-P干涉儀測量位移量時(shí)，一般使用波長為633 nm的激光光源，并且F-P諧振腔長度可調(diào)。在本文中，F(xiàn)-P諧振腔采用折疊腔結(jié)構(gòu)，平面板位置固定不變，角錐棱鏡位置可調(diào)。當(dāng)角錐棱鏡移動(dòng)ΔL時(shí)，F(xiàn)-P諧振腔的光學(xué)長度改變2ΔL，由式(1)-式(4)可以得出F-P干涉測量位移的計(jì)算公式：

(5)

式中：ΔL表示平面玻璃板移動(dòng)過程中的透射光強(qiáng)峰值變化次數(shù)；k為諧振腔結(jié)構(gòu)常數(shù)。本文采用折疊腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)常數(shù)k為2。

法-珀干涉微位移測量系統(tǒng)在實(shí)際測量過程中，只有透射激光功率強(qiáng)度穩(wěn)定在峰值附近時(shí)，光強(qiáng)探測器收集的拍頻變化信號(hào)才能和待測位移量具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。頻率的實(shí)時(shí)采集、激光功率強(qiáng)度的掃描和峰值識(shí)別工作在整個(gè)過程中變得十分關(guān)鍵，在測控軟件中對(duì)于這些工作的實(shí)現(xiàn)也變得很重要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

法-珀干涉微位移測量系統(tǒng)主要包括光學(xué)機(jī)械模塊、硬件模塊，軟件模塊三部分。其中：硬件模塊主要負(fù)責(zé)光學(xué)物理信號(hào)的感知和系統(tǒng)控制的底層支持工作；軟件模塊負(fù)責(zé)硬件通信、機(jī)械控制和測量數(shù)據(jù)的處理分析等工作。法-珀干涉測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 法-珀干涉測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中測量硬件是測量軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的底層基礎(chǔ)。測量硬件向下負(fù)責(zé)光學(xué)系統(tǒng)的信息采集和機(jī)械系統(tǒng)的過程控制，其組成部分如表1所示。

表1 測量硬件工作描述

測量硬件向上和測量軟件進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的交互工作。測量硬件設(shè)備具有多種數(shù)據(jù)通信總線，包括常見的串口通信(RS232)、USB、GPIB等，每種硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)通信時(shí)都有自己特定的控制模式。法-珀干涉測量系統(tǒng)中的測控軟件按照系統(tǒng)功能需求劃分的模塊如表2所示。

表2 測量軟件功能描述

在微位移測控系統(tǒng)中，測量硬件的多樣性和測量原理的專用性也對(duì)測量軟件的設(shè)計(jì)提出了高要求。在數(shù)據(jù)采集上，透射光強(qiáng)尋峰操作需要連續(xù)記錄頻率值和光強(qiáng)信號(hào)等多種流數(shù)據(jù)，要求測控系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。在過程控制上，微動(dòng)臺(tái)需要進(jìn)行多種模式的移動(dòng)操作，并在微動(dòng)臺(tái)每次完成移動(dòng)并穩(wěn)定停止后，才能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集處理和數(shù)據(jù)分析，要求測控系統(tǒng)在兼顧實(shí)時(shí)性的前提下，也要保證系統(tǒng)在測量過程中的同步性。

2.2 測量軟件設(shè)計(jì)

法-珀干涉測量系統(tǒng)的測控軟件主要在Windows XP系統(tǒng)上運(yùn)行，考慮到開發(fā)功能的多樣性和軟件的兼容性等多種因素，采用成熟的Visual Studio 2010作為開發(fā)工具，選用穩(wěn)定的.NET Framework 4.0作為基礎(chǔ)開發(fā)框架。

2.2.1測量硬件通信

測量軟件需要針對(duì)測量系統(tǒng)中不同的測量硬件進(jìn)行合適的通信實(shí)現(xiàn)。頻率計(jì)和微動(dòng)臺(tái)控制器是獨(dú)立于計(jì)算機(jī)之外的硬件，有自己專用的通信協(xié)議和通信指令，具有一定的運(yùn)算能力，而電壓輸出模塊和數(shù)據(jù)采集卡則是屬于功能擴(kuò)展型硬件，不能獨(dú)立于計(jì)算機(jī)使用。C#語言開發(fā)的應(yīng)用程序是基于.NET Frameworks運(yùn)行的，與測量硬件通信的基本流程邏輯如圖3所示。

圖3 軟硬件通信活動(dòng)圖

由圖3可知，測量系統(tǒng)軟硬件之間的每次通信都需要經(jīng)歷.NET Freamworks平臺(tái)、操作系統(tǒng)，最終到達(dá)硬件設(shè)備。硬件設(shè)備識(shí)別儀器命令后，做出相應(yīng)操作，并將反饋信息再發(fā)送回應(yīng)用程序。如果使用單線程串行的方式和儀器進(jìn)行通信，在同一時(shí)刻只能通信一個(gè)儀器。在同時(shí)通信多個(gè)儀器的情況下，會(huì)出現(xiàn)同一時(shí)刻采集的不同信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間延遲太大。在之后的光強(qiáng)尋峰操作過程中，這種時(shí)間延遲會(huì)大大影響尋峰效果。輕量級(jí)并行技術(shù)則是基于任務(wù)編程模型的線程池技術(shù)進(jìn)行程序的并行化設(shè)計(jì)，能使多種任務(wù)并行執(zhí)行，充分發(fā)揮多核CPU的性能。將 F-P測控系統(tǒng)和輕量級(jí)并行技術(shù)進(jìn)行結(jié)合可以解決系統(tǒng)中多種儀器的并行采集問題。

2.2.2多任務(wù)并行化設(shè)計(jì)

.NET Framework 4.0針對(duì)多核異構(gòu)微處理器設(shè)計(jì)了全新的輕量級(jí)并行技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的面向線程的重量級(jí)并行模型，這種面向任務(wù)的輕量級(jí)并行技術(shù)減少了對(duì)線程的管理和調(diào)度成本，使開發(fā)人員更加關(guān)注于程序中各種任務(wù)的調(diào)度分配[8]。

法-珀干涉測量系統(tǒng)中多種任務(wù)之間的合理調(diào)度是影響程序?qū)嶋H運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素，也是多任務(wù)并行設(shè)計(jì)中主要考慮的問題。多任務(wù)調(diào)度問題一般使用任務(wù)模型和處理器模型來進(jìn)行描述[9-10]。

系統(tǒng)中任務(wù)的特性和任務(wù)之間的約束依賴關(guān)系一般使用任務(wù)模型來描述。任務(wù)模型主要采用圖論中的有向無環(huán)圖(DAG)模型進(jìn)行分析。在有向無環(huán)圖模型中，一個(gè)元組G={T,E}表示一個(gè)有向無環(huán)圖。其中:T={t1,t2,…,ti,…,tn}，ti表示編號(hào)為i的任務(wù)。若ti和tj之間存在有向邊，則該有向邊的數(shù)學(xué)表示為(ti,tj)∈E。該有向邊說明ti和tj之間存在先后的約束關(guān)系，設(shè)ei=(ti,tj)，則E={e1,e2,…,ei,…,em}。

微處理器核的處理能力和核間關(guān)系一般使用處理器模型表示。處理器核能夠使用多種方式進(jìn)行互聯(lián)通信[11-14]，任意兩個(gè)核可直接通信，屬于完全圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)第j個(gè)處理器核為pj，則設(shè)處理器核的集合為P={p1,p2,…,pj,…,pk}，其通信速率矩陣可表示為：

(6)

Vij(1≤i≤k,1≤j≤k)為第i個(gè)處理器核與第j個(gè)處理器核之間的通信效率。當(dāng)Vii→∞，即同一個(gè)處理器核之間通信速率視為無窮大。在計(jì)算調(diào)度時(shí)，通常認(rèn)為通信開銷等于通信量與響應(yīng)通信速率之間的比值。

法-珀干涉測量系統(tǒng)按功能需求劃分了12個(gè)調(diào)度任務(wù)，假設(shè)調(diào)度平臺(tái)上有3個(gè)異構(gòu)核(p1,p2,p3)，由于相同任務(wù)在不同核處理時(shí)間不同，產(chǎn)生了任務(wù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算開銷矩陣，如表3所示。

表3 任務(wù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算開銷矩陣

有向無環(huán)圖表示多任務(wù)之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 多任務(wù)有向無環(huán)圖

每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)待執(zhí)行的任務(wù)，箭頭則表示任務(wù)間的約束及依賴關(guān)系，箭頭上的數(shù)字則代表了任務(wù)切換的通信開銷。其中：導(dǎo)軌控制任務(wù)t2必須要先于拍頻信號(hào)采集任務(wù)t3、光強(qiáng)信號(hào)采集任務(wù)t4、導(dǎo)軌位置采集任務(wù)t5，t2執(zhí)行，這樣才不會(huì)采集到無用數(shù)據(jù)。若任務(wù)t1由異構(gòu)處理器p1切換到t6，其通信開銷則為8。

由于(t1,t2)、(t3,t4)、(t4,t5)、(t5,t6)、(t7,t8)、(t9,t10)、(t10,t11)、(t11,t12)之間不存在依賴或者約束關(guān)系，在測控軟件中可以將所有任務(wù)劃分為4個(gè)并行任務(wù)組，分別是、、、。同一并行任務(wù)組內(nèi)的任務(wù)可以并行執(zhí)行。相鄰并行任務(wù)組之間的任務(wù)具有一定的依賴和約束關(guān)系，在測控軟件中需要同步執(zhí)行?；谝陨戏治?，在測控軟件使用輕量級(jí)并行技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

2.2.3尋峰算法設(shè)計(jì)

在法布里珀羅干涉測量系統(tǒng)中，對(duì)透射光強(qiáng)峰值的尋找工作是后續(xù)位移解調(diào)操作的關(guān)鍵。光強(qiáng)尋峰工作比測量系統(tǒng)中的其他操作都要耗時(shí)，很容易造成程序卡頓甚至崩潰?；谳p量級(jí)并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)的尋峰算法可以在保證前端UI界面運(yùn)行流暢的前提下，又能在后端進(jìn)行高速運(yùn)算。在應(yīng)用輕量級(jí)并行技術(shù)后，光強(qiáng)尋峰操作的數(shù)據(jù)采集任務(wù)被分離成獨(dú)立的并行任務(wù)，現(xiàn)有的尋峰算法主要負(fù)責(zé)峰值鑒別和回峰調(diào)頻補(bǔ)償工作。

針對(duì)光強(qiáng)尋峰問題進(jìn)行合理的描述如下。法-珀干涉透射光的強(qiáng)度信號(hào)為IT，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

(7)

式中：I0為諧振腔中反射光和透射光的強(qiáng)度之和；δ為位相差；R為諧振腔內(nèi)側(cè)的反射率。透射光強(qiáng)IT和位相差δ之間存在以下關(guān)系：

(8)

測量系統(tǒng)產(chǎn)生的拍頻信號(hào)為β，用于頻率掃描的調(diào)頻電壓為γ。當(dāng)調(diào)頻電壓變化Δγ時(shí)，拍頻信號(hào)變化為Δβ，透射光強(qiáng)信號(hào)變化一個(gè)完整的周期，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位移量為ΔL。在保證導(dǎo)軌靜止不動(dòng)的前提下，通過調(diào)頻的方式使得光強(qiáng)始終保持在峰值附近。尋峰算法的步驟如下：

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)采集。從電壓輸出模塊中輸出的調(diào)頻電壓初始化為0 mV，預(yù)采集m個(gè)光強(qiáng)電壓值和DA調(diào)頻電壓值，記錄在數(shù)據(jù)隊(duì)列中，作為后續(xù)尋峰操作的初始數(shù)據(jù)。

(2) 調(diào)頻掃描。設(shè)當(dāng)前透射光強(qiáng)為Ii，當(dāng)前調(diào)頻電壓為γi，對(duì)調(diào)頻電壓的輸出規(guī)則服從以下關(guān)系：

(9)

對(duì)當(dāng)前透射光強(qiáng)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)測，設(shè)置合理的調(diào)頻電壓增量來進(jìn)行后續(xù)的頻率掃描動(dòng)作，并采集掃描過程中的透射光強(qiáng),將最新的光強(qiáng)值放進(jìn)數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)頭，舍棄數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾數(shù)據(jù)。

(3) 透射光強(qiáng)數(shù)據(jù)預(yù)處理。設(shè)采集到的透射光強(qiáng)值數(shù)據(jù)集合為{I1,I2,…,In}，遍歷數(shù)據(jù)集合找出最大光強(qiáng)值Imax，再對(duì)采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一階前向差分運(yùn)算，運(yùn)算公式如下：

ΔIi=Ii-Ii-1i=1,2,…,n

(10)

(4) 透射光強(qiáng)峰值鑒別。由于環(huán)境的干擾，光強(qiáng)值為Imax的數(shù)據(jù)點(diǎn)可能有n個(gè)。設(shè)置一個(gè)大小為ω的檢測窗口，ω=m/5，分別將每個(gè)光強(qiáng)值為Imax的數(shù)據(jù)點(diǎn)放置在檢測窗口中心位置，作為參考數(shù)據(jù)點(diǎn)，將窗口內(nèi)的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)和該數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行比較，當(dāng)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都小于該點(diǎn)，則視該點(diǎn)為光強(qiáng)峰值點(diǎn)Ipeak。光強(qiáng)峰值鑒別規(guī)則如下：

(11)

式中：i

(5) 回峰調(diào)頻補(bǔ)償。由于光強(qiáng)峰值的尋找一般是在光強(qiáng)經(jīng)過峰值后才能鑒別。在找到光強(qiáng)峰值后，需要調(diào)節(jié)激光頻率，使得透射回退到最近的峰值位置。在回峰調(diào)頻補(bǔ)償過程中，考慮到回峰的準(zhǔn)確度，一般采用小步進(jìn)調(diào)頻電壓將光強(qiáng)調(diào)回峰值附近。

根據(jù)尋峰算法思想在測量軟件中對(duì)其進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用在每次微動(dòng)臺(tái)完成指定位移后，開啟尋峰任務(wù)，進(jìn)行頻率掃描操作，尋找到光強(qiáng)峰值，并將透射光強(qiáng)值重新恢復(fù)到峰值狀態(tài)。在光強(qiáng)峰值鑒別過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整光強(qiáng)峰值的檢測窗口大小，從而在準(zhǔn)確找到光強(qiáng)峰值的前提下，盡量減小運(yùn)算工作量。經(jīng)過多次測試后，分析窗口大小為數(shù)據(jù)序列的十分之一時(shí)，能夠較好地滿足要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析

為了測試使用輕量級(jí)并行任務(wù)設(shè)計(jì)后測控程序的性能，本文對(duì)基于輕量級(jí)并行任務(wù)的尋峰算法進(jìn)行評(píng)估，并與采用串行技術(shù)、常規(guī)并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測控程序進(jìn)行對(duì)比來評(píng)估程序?qū)嶋H的優(yōu)化效果。

3.1 并行性能分析

測控軟件想要充分發(fā)揮異構(gòu)多核處理器的優(yōu)勢，在更短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行更多的指令，就需要將代碼分解為并行的序列[15-16]。但是，完全的并行化設(shè)計(jì)是不存在的，對(duì)于程序的并行化優(yōu)化性能需要通過加速比(多處理系統(tǒng)的最大理論性能提升)來進(jìn)行有效的評(píng)估。

在F-P干涉測量軟件設(shè)計(jì)中，使用工作單元來衡量任務(wù)的大小，每個(gè)工作單元耗時(shí)10 ms。頻率控制任務(wù)和導(dǎo)軌移動(dòng)控制任務(wù)使用的工作單元數(shù)分別是10個(gè)、20個(gè)；拍頻信號(hào)、光強(qiáng)信號(hào)、導(dǎo)軌位置和調(diào)頻電壓采集任務(wù)分別使用10個(gè)、5個(gè)、10個(gè)、10個(gè)；拍頻信號(hào)去噪、光強(qiáng)信號(hào)去噪任務(wù)分別使用20個(gè)工作單元；光強(qiáng)尋峰任務(wù)單次使用200個(gè)工作單元；位移解調(diào)任務(wù)單次使用70個(gè)工作單元；數(shù)據(jù)顯示任務(wù)單次使用10個(gè)工作單元；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單次任務(wù)使用30個(gè)工作單元。當(dāng)所有任務(wù)都是串行執(zhí)行時(shí)，理論上單次執(zhí)行用時(shí)4 150 ms。F-P干涉測量軟件對(duì)任務(wù)進(jìn)行并行化設(shè)計(jì)后的理論耗時(shí)為200+100+200+2 000=2 500 ms。

為了評(píng)測改進(jìn)后的計(jì)算系統(tǒng)能夠提升的最大性能，著名計(jì)算機(jī)架構(gòu)師Gene Amdahl提出一種性能評(píng)測公式——Amdahl公式。該公式可以應(yīng)用于運(yùn)行在異構(gòu)多核微處理器上的并行算法性能評(píng)估[17]。Amdahl公式的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(12)

式中：η表示能夠完全并行運(yùn)行的代碼比例；N表示可用的計(jì)算單元數(shù)(處理器或者物理內(nèi)核數(shù))，本文使用了2核處理器。在F-P干涉測量軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)中，有290個(gè)工作單元能夠完全并行運(yùn)行，總工作單元個(gè)數(shù)為415，則η約為69%。F-P干涉測量并行化任務(wù)設(shè)計(jì)的加速比為1.52。

3.2 并行性能測試

為了評(píng)估F-P測控軟件在應(yīng)用任務(wù)化設(shè)計(jì)和輕量級(jí)并行編程技術(shù)之后的工作性能，分別從程序界面流暢性和單次尋峰運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行性能測試。

界面的流暢性能夠反映程序各任務(wù)之間的協(xié)調(diào)同步設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，主要通過與單線程、傳統(tǒng)多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測控程序進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 界面流暢性能對(duì)比

尋峰算法的運(yùn)行時(shí)間反映出使用并行化任務(wù)設(shè)計(jì)后系統(tǒng)的運(yùn)行效率，這里同樣和單線程、傳統(tǒng)多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的尋峰算法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 運(yùn)行性能對(duì)比

3.3 尋峰算法性能測試

在F-P干涉測量中，透射光強(qiáng)峰值的尋找和穩(wěn)定是進(jìn)行后續(xù)測量的先提條件。從上文的并行性能測試中可以看出，在使用輕量級(jí)并行任務(wù)技術(shù)之前，程序在運(yùn)行尋峰算法后會(huì)變得界面卡頓，運(yùn)行時(shí)間過長，導(dǎo)致尋峰的效果并不理想。在將程序進(jìn)行并行化優(yōu)化后，加入尋峰算法并沒有影響界面的流暢性，并大大降低了尋峰時(shí)間，提高尋峰操作的效果。

尋峰算法性能評(píng)估的兩個(gè)重要的指標(biāo)分別是尋峰準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。在對(duì)頻率掃描功能進(jìn)行多周期測試時(shí)，使用測控軟件產(chǎn)生20 mV增量的三角波進(jìn)行連續(xù)的掃頻操作。圖5為軟件采集到的光強(qiáng)信號(hào)和調(diào)頻電壓信號(hào)。經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)分析后，可以得出從F-P諧振腔中透射出的激光強(qiáng)度變化一個(gè)干涉整周期時(shí)對(duì)應(yīng)的DA調(diào)頻電壓約為2 200 mV。

圖5 三角波掃頻時(shí)的光強(qiáng)信號(hào)

在對(duì)測控軟件進(jìn)行有效的頻率掃描功能測試后，可以看出頻率掃描的效果比較理想，初步得到了調(diào)頻電壓的工作范圍。

光強(qiáng)尋峰功能涉及對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)的分析，該功能的測試重點(diǎn)在于光強(qiáng)信號(hào)的識(shí)別準(zhǔn)確性。使用測控軟件中實(shí)現(xiàn)的尋峰算法來對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出光強(qiáng)峰值，并自動(dòng)移至光強(qiáng)峰值處。圖6為單次光強(qiáng)尋峰過程的跟蹤數(shù)據(jù)。

圖6 單次光強(qiáng)尋峰過程圖

可以看出，測控程序能夠在透射光強(qiáng)從峰值越過后，有效地識(shí)別出光強(qiáng)峰值，并自動(dòng)回調(diào)激光強(qiáng)度到峰值附近。

為了測試尋峰算法的穩(wěn)定性，使用測控軟件進(jìn)行50次連續(xù)的尋峰操作，通過均值濾波操作得到參考光強(qiáng)峰值。圖7為50次連續(xù)尋峰操作的數(shù)據(jù)。

圖7 尋峰效果穩(wěn)定性測試

可以看出，尋峰算法在50次測試中的全局誤差保持在6 mV左右，而局部誤差保持在2～3 mV之間，能夠滿足自動(dòng)光強(qiáng)尋峰的功能需求。通過連續(xù)的尋峰操作，將光強(qiáng)始終保持在峰值附近，軟件記錄此時(shí)的拍頻信號(hào)變化值，從而解調(diào)出對(duì)應(yīng)的位移變化值。

4 結(jié) 語

本文從系統(tǒng)控制和測控軟件設(shè)計(jì)著手，對(duì)拍頻式F-P激光干涉儀的測量性能和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。通過對(duì)系統(tǒng)中各種儀器特性的分析和任務(wù)調(diào)度的合理設(shè)計(jì)，在輕量級(jí)并行技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)測控軟件進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的測控系統(tǒng)軟件比傳統(tǒng)單線程和多線程技術(shù)在運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)采集速度得到顯著提升，尋峰算法在50次尋峰過程中的全局誤差保持在6 mV左右，局部誤差保持在2～3 mV，該算法可以為后續(xù)位移解調(diào)的光強(qiáng)峰值提供良好的穩(wěn)定性能。