皮米分辨力激光外差干涉测量中信号处理的关键技术研究

发布时间：2017-09-25 10:40

  本文关键词：皮米分辨力激光外差干涉测量中信号处理的关键技术研究

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【摘要】：下一代微电子制造、精密计量以及物理前沿探索等领域将要求提供亚纳米甚至皮米量级超精密位移测量技术设备作为基础支撑和关键手段。经典的外差激光干涉测量技术设备已被广泛应用于超精密测量相关领域,但其位移分辨力一般难以突破0.1 nm,因此亚纳米至皮米级外差干涉信号细分处理技术特别是动态细分处理技术已成为新一代激光干涉测量技术研究的核心内容之一。目前限制外差干涉测量信号处理性能的因素主要集中在了两个方面,一方面是为如何设计兼顾高速高精度信号采集需求的高速外差信号采集与处理平台,另一方面是在平台资源有限的条件下如何设计更加精简高效的双锁相正交放大式相位测量算法。针对上述问题,本文将研究高速外差信号采集与处理平台和双正交锁相放大测相资源优化算法的设计和实现方法。建立了双锁相放大式相位测量的整体误差模型。在阐述现有误差分析模型的基础上,特别补充分析了AD采样量化、数字运算、FIR数字滤波器以及Cordic算法等环节的有效字长效应引入的相位测量误差,并讨论了遏制有限字长效应相关误差所需的字长设计特征;最终建立了位移测量分辨力与输入信号实际有效位数之间的数学关系并进行了数值仿真分析,为后续设计提供指导。可兼顾高速高精度信号采集特征的高速外差信号采集与处理平台设计方法研究。针对外差信号高速、高精度、采集与处理需求,从原理实现、模块功能等方面进行了详细分析和优化设计:模拟电路设计以决定最终性能的噪声分析为主线,通过各模拟部分关键节点的综合考虑,特别重点分析并优化了模拟电路中的信号功能器件和平台地层/电源噪声;数字电路重点考虑数字LVDS信号线和信号链的设计。在分析相位测量算法过程的基础上,研究了双正交锁相放大测相算法资源优化技术。现有算法模型在FPGA中实现时需要占用过多的乘法器等资源、导致需占用更多的FPGA逻辑空间并降低运算速度。为此,本文将现有经典数字相敏算法中的“输入信号×检波信号?乘法结果?数字滤波器(在线乘法)”流程结构精简为“输入信号×检波信号与数字滤波器离线积卷值”流程结构,可将相位测量算法中对硬件乘法器等关键资源的需求降低1/3以上。在上述信号采集与处理平台设计方法和相位测量算法资源优化技术研究的基础上,设计了外差干涉信号细分测量系统并对其进行标准等效测试。测试结果表明,本设计的静态标准差为4.8pm,动态标准差为18 pm@1.5 m/s,可满足10 pm级的动/静态位移测量需求。
【关键词】：外差干涉 皮米量级 高速信号采集与处理平台 算法资源优化技术
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN247;TN911.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究的背景和意义10-11
• 1.2 外差干涉信号相位测量方法研究现状与分析11-14
• 1.2.1 基于脉冲边沿触发的相位测量方法11-12
• 1.2.2 基于幅度/时间分辨的相位测量方法12-14
• 1.3 课题主要研究内容14-16
• 第2章 双正交锁相放大式相位测量误差模型研究16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 双正交锁相放大算法的原理分析16-17
• 2.3 双正交锁相放大算法误差模型建立17-24
• 2.3.1 有限字长效应对算法误差影响的分析17-21
• 2.3.2 相位测量综合误差模型建立21-24
• 2.4 本章小结24-26
• 第3章 高速外差信号采集与处理平台设计26-52
• 3.1 引言26
• 3.2 信号采集与处理平台的电路设计26-42
• 3.2.1 前置信号处理单元设计27-35
• 3.2.2 高速高分辨力模数转换单元设计35-41
• 3.2.3 后置数字电路单元设计41-42
• 3.3 信号采集与处理平台电源/信号完整性设计42-51
• 3.3.1 信号采集与处理平台电源完整性设计42-51
• 3.3.2 信号采集与处理平台信号完整性设计51
• 3.4 本章小结51-52
• 第4章 双正交锁相放大测相算法资源优化技术研究52-58
• 4.1 引言52
• 4.2 现有双正交锁相放大算法逻辑资源配置分析52-54
• 4.3 双正交锁相放大测相算法资源优化设计54-57
• 4.3.1 相位测量模型资源优化技术54-56
• 4.3.2 现有模型与资源优化算法逻辑资源配置对比56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 实验平台设计以及实验验证58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 实验平台设计及搭建58
• 5.3 采集与处理平台信号采集性能实验58-68
• 5.3.1 直流信号采集性能实验59-61
• 5.3.2 交流信号采集性能实验61-68
• 5.4 外差信号处理系统的静态性能实验68-70
• 5.4.1 高带宽静态性能实验68-69
• 5.4.2 窄带宽静态性能实验69-70
• 5.5 外差信号处理系统的动态性能实验70-71
• 5.5.1 高速动态性能实验70
• 5.5.2 低速动态性能实验70-71
• 5.6 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-77
• 附录77-80
• 致谢80

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本文编号：916877