皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分技术研究

发布时间：2016-11-23 05:15

本文关键词：皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

《哈尔滨工业大学》 2015年

皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分技术研究

蔡海蛟

【摘要】：近年来,引力波探测、表面科学工程、极紫外光刻等前沿领域的迅猛发展,对双频激光干涉仪测量分辨力的需求已从纳米、亚纳米量级提升至数十皮米甚至皮米量级。面对101-100量级测量分辨力需求的新挑战,传统的基于周期/频率/时间差测量的双频激光干涉信号处理方法其测量分辨力难以突破0.1 nm,而近年来日益被重视的正交锁相放大式信号处理方法,尽管其理论上可达到1pm的位移测量分辨力,但是一方面其理论误差模型尚未有效建立,导致其工作参数无法准确设计,另一方面现有正交锁相放大式相位测量技术只能应用在数mm/s以下的静态、准静态测量场合,不能满足超精密动态测量需求。本文在分析正交锁相放大式测相原理的基础上,建立了该方法的信号流程及测相误差整体模型,并通过对模型的仿真分析得到正交锁相放大式信号处理系统中各模块工作参数对测量分辨力、测量带宽的影响,并着重解决影响测量分辨力和测量带宽的直流偏置、和频分量数字滤波、动态噪声抑制等问题。本文主要研究工作如下:首先,建立了正交锁相放大式测相方法的信号变换流程及测相误差整体模型,并进行相应的数值仿真,以分析正交锁相放大式测相系统中数据采集、硬件乘法器、和频分量数字滤波、反正切数字解调等模块工作特性对相位测量分辨力和相位测量带宽的影响。在此基础上,结合皮米分辨力高速双频激光干涉测量对应的数据采集速度、数据采集分辨力、信号直流偏置补偿、差频和频信号抑制比、反正切数字解调字长等具体需求,提出理论分辨力为15pm、最大测量速度为1.5m/s的皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分系统总体设计方案。针对现有正交锁相相位测量方法中为保证高和频差频抑制比而采用窄带宽滤波器的问题,首先使用高带宽线性相位的FIR数字滤波器,在略微放宽差频和频信号抑制比的前提下将系统的最大测量速度由数mm/s提升到1.5m/s,实现了对位移的高分辨力高速动态测量,同时针对略微放宽差频和频信号抑制比引入的高频噪声问题,在相位输出环节加入卡尔曼数字滤波器以有效降低输出相位的噪声。最后,采用电信号模拟的方法对本文研制的基于正交锁相放大原理的双频激光干涉信号细分卡进行了实际的测试。实验证明,本系统设计的正交锁相相位测量方法中硬件乘法器、和频分量数字滤波、反正切数字解调等模块实现了预期的设计目标,系统整体实现了0.03°的角度分辨力,等效位移测量分辨力为27pm,最大测量速度达到了±1.5m/s,在测量范围内位移测量结果静态标准差小于10pm、动态标准差小于27pm,证明了系统测量分辨力的有效性。

【关键词】：
【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】：2015
【分类号】：TH744.3
【目录】：

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