外差激光干涉光学非线性误差建模及校正方法研究
发布时间：2020-09-01 08:10
随着超精密测量领域对测量精度需求的不断提高,国内外学者对外差激光干涉仪展开了进一步的研究,力图实现亚纳米量级测量精度。周期非线性误差是限制外差激光干涉仪精度提高的主要因素,因而周期非线性误差补偿与抑制技术受到越来越多的关注。本文针对传统的周期非线性误差模型未考虑干涉光初始相位的影响,造成实际信号与理论模型不符的问题,在考虑初始相位影响因子的条件下,建立了周期非线性误差修正模型,着重分析了初始相位对周期非线性误差的影响机理。提出采用特征参数提取算法对外差激光干涉仪周期非线性误差进行校正。基于以上原理设计了基于双锁相放大解调方式及特征参数提取校正算法的非线性校正系统,主要研究内容如下:(1)建立了外差激光干涉仪周期非线性误差修正模型。仔细分析传统的非线性误差模型,该模型存在对初始相位影响认识不足,导致补偿中信号不满足基本对称性的问题。对周期非线性误差进行重新建模,实现理论模型与实际测量信号形式相匹配的目的。对比分析初始相位对传统模型和修正模型中不等幅误差、直流偏置误差及非正交误差的影响机理,分析三差对周期非线性误差的影响机制,着重分析初始相位对周期非线性误差的影响。(2)基于周期非线性误差修正模型,提出采用特征参数提取算法实现对周期非线性误差的校正。实时提出两路解调后信号的特征值,以获得输入信号的幅度和直流偏置值,据此对两路信号的不等幅误差和直流偏置误差进行校正;采用数字加/减法器对两路等幅、无直流偏置误差信号进行非正交误差校正处理,并对信号正交化过程中引入的不等幅误差进行二次修正。解决了干涉信号存在非线性误差及待测目标变速运动下非线性校正的问题。(3)基于双正交锁相放大原理及特征参数提取算法,设计了周期非线性误差校正系统。该系统根据外差激光干涉仪出射的参考信号和测量信号的特性,采用前置信号处理模块对信号进行放大和滤波处理,再由双正交锁相放大模块利用内部产生的参考信号对两路输出信号进行混频滤波解调,最后利用特征参数提取算法对周期非线性误差进行相应的校正处理。搭建外差激光干涉仪的实验装置,对周期非线性误差修正模型准确性及本课题提出的非线性校正系统的性能进行分析。实验结果表明,校正前的非线性误差为±9.07nm,校正后为±0.43nm,本课题设计的校正系统能够实现对外差激光干涉仪的周期非线性误差有效补偿。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH744.3
【部分图文】：
为切比雪夫窗，然后通过调节滤波器的阶数和截止进而得到 FIR 滤波器的系数。该滤波器的设计过程采计工具实现，根据需求选用不同的滤波形式及滤波数进行调整，生成对应的滤波器参数文件。分辨力激光外差干涉测量中信号处理的关键技术研锁相放大模型中的 FIR 数字滤波器的系统量化噪声响。本课题中，FIR 滤波器应用在两种情况，其一，滤除高频噪声；其二是对输入信号与内部信号的部产生的混频信号sinf 和cosf 分别为频率为 5MHz 的 fr为频率为 5MHz 的信号，测量信号mf 由于物体目标反射镜的运动速度为 0.5m/s，其对应的多普勒频号 fm的频率为 6.5MHz。四路信号混频之后，和频信，差频信号为 1.5MHz，所采用的滤波器要能保留 1.10MHz 和 11.5MHz 频率的信号。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中，a 和 b 分别为所设计的滤波器对响应频率信号的衰减大小。在外差激光干涉仪中，由于非理想的滤波造成的噪声与衰减系数的关系如图 4-5 所示，二者呈线性关系，本课题中选取4a b1.4 10 ，对应的误差为 0.016°。通过实验验证双锁相放大模块的性能，用 FPGA 内部产生一个 10MHz 的信号，然后传送给锁相放大模块。该信号与频率为 5MHz 的内部参考信号混频得到 5MHz 的差频信号和 15MHz 的和频信号，图 4-6 a）是混频之后的频谱图。其中，频谱图中显示的高频的信号是由于 FPGA 内部的降采样过程产生的，其信号幅度为-95dB，对结果几乎没有影响。图 4-6 b）是通过 FIR 数字滤波器进行滤波后得到的频谱图，由图中可以看出，所设计的滤波器对和频信号和差频信号都进行了不同幅度的衰减，差频信号 5MHz 的幅度不变，和频信号 15MH信号的频率幅度为-90dB，二者相差 90dB，另外从图中可以看出滤波后系统中是存在其他频率的信号的，但是幅度均在-150dB 以下，因此不会对本系统产生影响。
图 5-1 电信号模拟测试法实物图5.3 非线性误差校正单元特性测试5.3.1 三差独立校正实验由第二章的讨论可知，当初始相位发生改变时，外差激光干涉仪输出的两路正交信号的三差会随之改变。因此想要研究初始相位改变对周期非线性误差的影响可以转换为三差分别对周期非线性误差的影响。为验证本课题所采用的特征参数提取非线性误差校正单元的校正能力，分别对频率（模拟目标反射镜速度）、直流偏置误差、不等幅误差、非正交误差进行单一变量测试实验，分别总结其对非线性误差的影响，比较校正前后最大非线性误差，说明校正效果。5.3.1.1 直流偏置变量以直流偏置为单一变量，改变模拟电信号中一对差分信号的直流偏置，其余为固定值。设置模拟电信号的频率为 5MHz，信号幅度均为 2.5Vpp，相位差为 90°，以 100MHz 的采样速率采集校正前后的 1K 个测量数据，计算校正前
本文编号：2809482
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH744.3
【部分图文】：
为切比雪夫窗，然后通过调节滤波器的阶数和截止进而得到 FIR 滤波器的系数。该滤波器的设计过程采计工具实现，根据需求选用不同的滤波形式及滤波数进行调整，生成对应的滤波器参数文件。分辨力激光外差干涉测量中信号处理的关键技术研锁相放大模型中的 FIR 数字滤波器的系统量化噪声响。本课题中，FIR 滤波器应用在两种情况，其一，滤除高频噪声；其二是对输入信号与内部信号的部产生的混频信号sinf 和cosf 分别为频率为 5MHz 的 fr为频率为 5MHz 的信号，测量信号mf 由于物体目标反射镜的运动速度为 0.5m/s，其对应的多普勒频号 fm的频率为 6.5MHz。四路信号混频之后，和频信，差频信号为 1.5MHz，所采用的滤波器要能保留 1.10MHz 和 11.5MHz 频率的信号。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中，a 和 b 分别为所设计的滤波器对响应频率信号的衰减大小。在外差激光干涉仪中，由于非理想的滤波造成的噪声与衰减系数的关系如图 4-5 所示，二者呈线性关系，本课题中选取4a b1.4 10 ，对应的误差为 0.016°。通过实验验证双锁相放大模块的性能，用 FPGA 内部产生一个 10MHz 的信号，然后传送给锁相放大模块。该信号与频率为 5MHz 的内部参考信号混频得到 5MHz 的差频信号和 15MHz 的和频信号，图 4-6 a）是混频之后的频谱图。其中，频谱图中显示的高频的信号是由于 FPGA 内部的降采样过程产生的，其信号幅度为-95dB，对结果几乎没有影响。图 4-6 b）是通过 FIR 数字滤波器进行滤波后得到的频谱图，由图中可以看出，所设计的滤波器对和频信号和差频信号都进行了不同幅度的衰减，差频信号 5MHz 的幅度不变，和频信号 15MH信号的频率幅度为-90dB，二者相差 90dB，另外从图中可以看出滤波后系统中是存在其他频率的信号的，但是幅度均在-150dB 以下，因此不会对本系统产生影响。
图 5-1 电信号模拟测试法实物图5.3 非线性误差校正单元特性测试5.3.1 三差独立校正实验由第二章的讨论可知，当初始相位发生改变时，外差激光干涉仪输出的两路正交信号的三差会随之改变。因此想要研究初始相位改变对周期非线性误差的影响可以转换为三差分别对周期非线性误差的影响。为验证本课题所采用的特征参数提取非线性误差校正单元的校正能力，分别对频率（模拟目标反射镜速度）、直流偏置误差、不等幅误差、非正交误差进行单一变量测试实验，分别总结其对非线性误差的影响，比较校正前后最大非线性误差，说明校正效果。5.3.1.1 直流偏置变量以直流偏置为单一变量，改变模拟电信号中一对差分信号的直流偏置，其余为固定值。设置模拟电信号的频率为 5MHz，信号幅度均为 2.5Vpp，相位差为 90°，以 100MHz 的采样速率采集校正前后的 1K 个测量数据，计算校正前
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 吴颖君;耿攀;朱军;;基于MATLAB的IIR数字滤波器设计与实例[J];科技展望;2015年02期
2 吴燕华;董璐;张涛;;高测速双纵模双频激光干涉仪系统的研究[J];工具技术;2010年07期
3 所睿,范志军,李岩,张书练;双频激光干涉仪技术现状与发展[J];激光与红外;2004年04期
相关博士学位论文 前1条
1 陈朋;基于非共轴平衡光路的外差激光干涉周期非线性抑制方法[D];哈尔滨工业大学;2015年
相关硕士学位论文 前2条
1 蔡海蛟;皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分技术研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
2 黄汝超;16位高速模数转换模块的设计及其动态性能测试[D];华中科技大学;2008年
本文编号：2809482
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