当前位置:主页 > 科技论文 > 电子信息论文 >

激光扫频干涉绝对距离测量关键技术研究

发布时间:2018-01-12 05:30

  本文关键词:激光扫频干涉绝对距离测量关键技术研究 出处:《哈尔滨工业大学》2017年博士论文 论文类型:学位论文


  更多相关文章: 激光测距 扫频干涉测量 频率采样法 色散失配补偿 频率提取


【摘要】:随着航空航天、船舶、精密加工制造等技术的快速发展,对激光测距技术的需求越来越多,激光扫频干涉绝对距离测量技术具有非接触测量、无测距盲区、无需合作目标等优点,成为该领域的研究热点。激光扫频干涉绝对距离测量系统的测距精度随着激光器扫频范围的增大而提高。目前常用的半导体激光器由于调谐范围较小,测量精度难以进一步提高。宽带外腔调频激光器的出现使激光扫频干涉测量精度大幅度提高成为可能。然而也带来了新的问题,如外腔调谐激光器的调频非线性形式为高次函数,调频非线性校正比较困难;宽带调频所带来的色散失配效应导致测距精度下降;大带宽调频形成的大数据量的快速处理问题。这些问题成为限制宽带激光扫频干涉测量的重要因素。针对以上关键问题,本文对基于频率采样法宽带激光扫频干涉绝对距离测量技术进行了研究,主要研究内容如下:构建了宽带外腔激光扫频干涉测距系统,通过分析外腔激光器调频非线性的特点,建立了基于频率采样法的拍频信号非线性校正模型,实现了高次调频非线性校正。由于受奈奎斯特采样定理限制,频率采样法测距量程不能超过辅助干涉仪光程的1/4。为扩展量程,提出了移相频率采样法,将测量信号依辅助干涉仪信号相位尺度进行移相,使移相后的信号满足奈奎斯特采样定理,提高了频率采样法的适用范围,实验验证了其可进行7倍的量程扩展。研究了光纤辅助干涉仪与测量干涉仪色散失配对测距精度的影响,发现随着调频带宽与被测距离增加,色散失配效应导致测量信号拍频产生线性变化,导致目标谱峰展宽,产生测量误差。建立了辅助干涉仪与测量干涉仪色散失配的理论模型,为补偿色散失配对测量产生的影响,提出了基于色散啁啾斜率标定的色散补偿方法,有效降低了目标谱峰展宽效应,使色散补偿后的目标峰值半高全宽(FWHM)基本达到接近理论值的水平。采用外腔调谐激光器单次测量产生的数据量将随扫频带宽增加而增大,导致现有拍频提取算法效率下降。研究了测量信号拍频提取算法的特点,提出的拍频提取算法通过对测量信号进行移频、降采样,实现了大数据量信号的快速拍频提取。该算法精度与基于复解析带通滤波器的复调制细化谱分析(ZFFT)算法相同,但运算时间为ZFFT算法的27.4%。其次,从相位角度研究了线性回归测频方法,通过仿真验证了该算法在较高信噪比下具有高精度测频能力。研究了温度对辅助干涉仪的影响模型,采用模型参数补偿及光程修正的方法,降低了温度对测量的影响。最后,通过实验验证了在12m范围内激光扫频干涉绝对距离测量的扩展不确定度小于U=(7.6×10-6+2.8×10-6Rm)m(k=2)。
[Abstract]:With the rapid development of aerospace, ship, precision manufacturing and other technologies, laser ranging technology needs more and more, laser scanning interference absolute distance measurement technology has a non-contact measurement, no ranging blind area. No need for cooperation goals and other advantages. The ranging accuracy of the absolute range measurement system increases with the increase of the frequency sweep range of the laser. Currently, the semiconductor laser is widely used because of its small tuning range. It is difficult to improve the measurement accuracy further. The appearance of broadband external cavity FM laser makes it possible to improve the measurement accuracy of laser frequency sweep interferometry. However, it also brings new problems. If the nonlinear form of frequency modulation of external cavity tunable laser is high order function, it is difficult to correct the nonlinear frequency modulation. The dispersion mismatch effect caused by broadband frequency modulation results in the decrease of ranging accuracy. Fast processing of large amount of data due to large bandwidth frequency modulation. These problems have become an important factor to limit the wideband laser scanning interferometry. In view of the above key problems. In this paper, the absolute range measurement technology of wideband laser scanning interference based on frequency sampling method is studied. The main research contents are as follows: a wideband external cavity laser frequency sweep interferometric ranging system is constructed. By analyzing the nonlinear characteristics of frequency modulation of external cavity laser, a nonlinear correction model of beat frequency signal based on frequency sampling method is established, and the nonlinear correction of high order frequency modulation is realized, because of the limitation of Nyquist sampling theorem. The ranging range of frequency sampling method can not exceed 1 / 4 of the optical path of the auxiliary interferometer. In order to extend the measuring range, a phase shift frequency sampling method is proposed, in which the measurement signal is phase-shifted according to the phase scale of the auxiliary interferometer signal. The phase-shifted signal meets the Nyquist sampling theorem and improves the application range of the frequency sampling method. Experimental results show that the range can be extended by 7 times. The influence of optical fiber assisted interferometer and measurement interferometer color dispersion on ranging accuracy is studied. It is found that the range is increased with the increase of FM bandwidth and measured range. The dispersion mismatch effect leads to the linear change of the beat frequency of the measurement signal, the broadening of the target spectrum peak and the measurement error. The theoretical model of the dispersion mismatch between the auxiliary interferometer and the measurement interferometer is established. In order to compensate the effect of color dispersion on measurement, a dispersion compensation method based on dispersion chirped slope calibration is proposed, which can effectively reduce the peak broadening effect of target spectrum. The FWHM of the target peak value after dispersion compensation reaches the level close to the theoretical value. The amount of data generated by the single measurement of the external cavity tunable laser will increase with the increase of the sweep bandwidth. As a result, the efficiency of the existing beat extraction algorithm is reduced. The characteristics of the measurement signal beat extraction algorithm are studied, and the beat frequency extraction algorithm is proposed to reduce the sampling by moving the frequency of the measurement signal. The algorithm has the same precision as the ZFFT-based complex modulation thinning spectrum analysis algorithm based on complex analytic bandpass filter. However, the computing time is 27.4 of the ZFFT algorithm. Secondly, the linear regression frequency measurement method is studied from the angle of phase. The simulation results show that the algorithm has high precision frequency measurement ability under higher SNR. The influence model of temperature on the auxiliary interferometer is studied, and the method of model parameter compensation and optical path correction is adopted. The influence of temperature on the measurement is reduced. Finally. The experimental results show that the spread uncertainty of absolute range measurement is less than 7.6 脳 10-62.8 脳 10-6Rmmmknmmknmkng in the range of 12m for absolute range measurement of laser sweep interference.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 尚久铨;数字式扫频振动同步记录装置及其应用[J];力学与实践;1981年04期

2 张正华;一种数字式低频扫频方案[J];扬州大学学报(自然科学版);2001年02期

3 张鑫;晋芳;周玲;;扫频测量在GMI效应测试中的应用[J];测控技术;2014年08期

4 张志田;谢先浩;;变增量扫频法求解结构随机风振响应[J];工程力学;2014年08期

5 阮颖铮;;天线阻抗和驻波特性的扫频测量[J];成都电讯工程学院学报;1981年02期

6 张京津;徐真;;航空A429总线传输系统在线扫频方法研究[J];科技信息;2014年02期

7 丁志华;陈明惠;王凯;孟婕;吴彤;沈龙飞;;快速扫频光源及其在光学频域成像中的应用[J];中国激光;2009年10期

8 ;《激光杂志》1985年第7卷[J];激光杂志;1986年06期

9 张书练,王玉堂;激光频率分裂技术现状和展望[J];光电子·激光;1997年02期

10 屠世谷;;激光频率标准[J];激光与光电子学进展;1980年04期

相关会议论文 前10条

1 孙稼;曹江;张其劭;;扫频双六端口自动网络分析仪研究[A];1989年全国微波会议论文集(上)[C];1989年

2 王洪斌;高德生;李素艳;赵光明;赵俊书;;浅谈赤峰移动基于扫频方式的网络优化[A];科技创新与经济结构调整——第七届内蒙古自治区自然科学学术年会优秀论文集[C];2012年

3 亢硕;王厚军;李静波;;一种扫频信号发生器的设计与实现[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集(二)[C];2007年

4 张照云;高杨;赵兴海;赵翔;;激光自混合干涉测速技术[A];2008年激光探测、制导与对抗技术研讨会论文集[C];2008年

5 王洪水;徐军;孔令剑;李晓峰;徐利国;;激光超声检测系统设计[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年

6 张天润;张文武;焦俊科;;高速激光清洗技术的应用研究[A];第15届全国特种加工学术会议论文集(下)[C];2013年

7 张书练;;基于激光频率分裂效应的光学位相延迟测量原理及仪器[A];第十三届全国光学测试学术讨论会论文(摘要集)[C];2010年

8 张书练;朱钧;李岩;韩艳梅;;用激光频率分裂效应进行波片测量原理[A];第九届全国光学测试学术讨论会论文(摘要集)[C];2001年

9 陈徐宗;张剑;袁杰;陈超;王义遒;;630nm-640nm波段半导体激光频率标准的研究进展[A];第十届全国量子光学学术报告会论文论文集[C];2002年

10 曹建平;李成阳;李烨;钟明琛;臧二军;;532nm波长碘稳频固体激光频标[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年

相关重要报纸文章 前6条

1 湖南 刘丽;BT-3型扫频图示仪故障分析与维修31例(二)[N];电子报;2013年

2 湖南 刘丽;BT-3型扫频图示仪故障分析与维修31例(一)[N];电子报;2013年

3 张瑞华 张岩 李宝磊;光纤激光毛化机器人系统[N];世界金属导报;2011年

4 安徽 芦涛;BT-7型扫频仪故障检修[N];电子报;2005年

5 刘霞;新型力学记忆开关可由激光控制[N];科技日报;2011年

6 记者 戴敬华 通讯员 谢国飞;西镇集团强化检验把好采购关[N];中国冶金报;2008年

相关博士学位论文 前8条

1 许新科;激光扫频干涉绝对距离测量关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 沈毅;环腔扫频光学相干层析成像系统研制和应用研究[D];浙江大学;2015年

3 霍天成;基于线性扫频和光计算的高速光学相干层析成像[D];清华大学;2014年

4 杨祥国;输电线路参数扫频测量新技术的研究与实现[D];武汉大学;2013年

5 李世鹏;短波扫频应答探测系统设计及其关键技术研究[D];武汉大学;2011年

6 路程;基于宽带扫频干涉的高精度绝对距离测量方法研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

7 吴彤;扫频光学相干层析成像方法与系统研究[D];浙江大学;2011年

8 翟东升;漫反射激光测距关键技术研究[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 周晖;扫频OCT系统中相对强度噪声来源与抑制技术研究[D];东南大学;2015年

2 刘志会;一种基于FPGA的信号发生和扫频模块的设计[D];中国科学院研究生院(光电技术研究所);2016年

3 张彪;连续波多普勒引信抗扫频式干扰方法研究[D];北京理工大学;2016年

4 曹靖;宽带扫频光源技术[D];电子科技大学;2016年

5 黄伟;1310纳米高速扫频源光学相干层析成像技术的研究[D];电子科技大学;2016年

6 高峰;应用于人眼成像的扫频源相干层析系统的关键技术研究[D];电子科技大学;2016年

7 冷吉;全范围扫频OCT成像系统设计[D];天津大学;2014年

8 侯云哲;基于射频驱动单边带调制器的循环扫频光源研究[D];天津大学;2015年

9 王婷;扫频OCT成像算法研究[D];天津大学;2014年

10 孟祥剑;PLL扫频宽带信号产生技术研究[D];国防科学技术大学;2014年



本文编号:1412922

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/1412922.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户b811b***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com