基于相位调制的干涉系统相干噪声抑制方法研究

发布时间：2017-09-03 20:13

  本文关键词：基于相位调制的干涉系统相干噪声抑制方法研究

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【摘要】：随着精密加工制造业的飞速发展,对精密测量的需求也越来越高。干涉测量凭借自身的原理优势,已经成为精密测量中不可或缺的重要部分。然而,由于干涉测量通常采用相干性很强的激光作为光源,这使得相干信号不可避免地受到相干噪声的影响。因此,如何抑制干涉系统中的相干噪声,提高相干信号质量已经成为干涉测量领域中不容忽视的问题。针对上述问题,本课题提出一种基于相位调制的干涉系统相干噪声抑制方法。通过对光源相位调制,实现光源时间相干性控制。使相干信号处于相干峰的位置,形成相干增强;同时,使相干噪声处于相干谷的位置,形成相干相消,从而在保证相干信号完好的前提下,实现对相干噪声的有效抑制。本课题具体内容包含以下几方面:(1)根据相位调制理论和波动光学理论,提出了相位调制生成部分相干光方法,建立了相干系数的数学模型,探索相干系数的相干峰与相干谷的位置规律。将部分相干光理论应用于干涉系统中,建立抑制相干噪声的数学模型,导出了抑制相干噪声的数学表达式。(2)仿真分析了相干系数γ以及合成相干系数γs的变化规律。其中包括相干系数γ与调制深度φm的关系,寄生光程差OPD与调制频率F的关系,以及合成相干系数γs与交变调制深度φm1、φm2及其占空比d的关系。对于静态和动态的干涉系统以泰曼干涉仪和光栅干涉仪为例,分别分析寄生反射的形成方式,相干噪声对相干信号的影响,以及相位调制后相干噪声的抑制效果。仿真结果表明,采用相位调制后,泰曼干涉中相干噪声抑制率达98.80%,光栅干涉仪中相干噪声抑制率达81.53%。(3)设计制作了满足相位调制要求的调制器驱动源。先从整体分析调制器驱动源的参数要求,再分步设计制作了射频信号源模块,功率放大器模块,压控衰减器模块,以及方波压控信号模块等。最终制作完成的调制器驱动源能够满足2~4GHz的点频输出,最大输出功率为15.51 d Bm,压控衰减范围为1.08 d B~13.87 d B,方波压控信号具备频率、幅值、占空比以及直流偏置可调功能。最终设计制作的调制器驱动源满足相位调制的参数要求。(4)搭建实验平台,验证部分相干光理论以及相干噪声抑制效果。首先,在迈克耳逊干涉仪中验证了相位调制生成部分相干光原理的正确性。然后,搭建了相位调制的泰曼干涉仪和光栅干涉仪,分别验证了在相干噪声在静态和动态干涉系统中对相干信号的影响,以及采取相位调制后相干噪声抑制效果。实验结果表明,采用相位调制后,泰曼干涉仪中的相干信号条纹得到明显改善。在等臂情况下,相干噪声抑制率达50.44%。在不等臂情况下,相干噪声抑制率达36.82%。综合仿真分析与实验结果表明:本课题提出采用相位调制的干涉系统相干噪声抑制方法是合理且有效的。
【关键词】：相位调制 干涉系统 相干噪声 噪声抑制 寄生反射
【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】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究目的10-11
• 1.2 相干噪声抑制方法的研究现状及分析11-18
• 1.2.1 相干噪声抑制方法的国内外研究现状11-17
• 1.2.2 相干噪声抑制方法总结与分析17-18
• 1.3 本课题主要研究内容18-19
• 第2章 相位调制的干涉系统相干噪声抑制原理19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 相位调制器的工作机理19-23
• 2.2.1 相位调制的物理基础19-21
• 2.2.2 光波导相位调制器21-23
• 2.3 部分相干光生成原理23-26
• 2.4 相干噪声抑制原理26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 相干噪声抑制效果的仿真分析29-42
• 3.1 引言29
• 3.2 相干系数与合成相干系数的仿真分析29-33
• 3.2.1 相干系数的仿真分析29-32
• 3.2.2 合成相干系数的仿真分析32-33
• 3.3 泰曼干涉仪中相干噪声抑制效果仿真33-38
• 3.3.1 相位调制的泰曼干涉仪33-34
• 3.3.2 相干噪声来源分析34-36
• 3.3.3 相干噪声抑制效果分析36-38
• 3.4 光栅干涉仪中相干噪声抑制效果仿真38-41
• 3.4.1 相位调制的光栅干涉仪38-39
• 3.4.2 相干噪声来源分析39
• 3.4.3 相干噪声抑制效果分析39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 相位调制器驱动源的电路设计42-55
• 4.1 引言42
• 4.2 相位调制器驱动源的整体设计42-44
• 4.2.1 相位调制器驱动源的技术要求42-43
• 4.2.2 相位调制器驱动源的组成43-44
• 4.3 锁相环频率合成器的电路设计44-48
• 4.3.1 鉴相器的电路设计44-46
• 4.3.2 压控振荡器的电路设计46
• 4.3.3 环路滤波器的电路设计46-48
• 4.4 功率放大器及微带线的电路设计48-51
• 4.4.1 功率放大器的电路设计48-49
• 4.4.2 射频微带线的设计49-51
• 4.5 压控衰减器及压控信号的电路设计51-54
• 4.5.1 压控衰减器的电路设计51-52
• 4.5.2 压控信号的电路设计52-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 实验及结果分析55-67
• 5.1 引言55
• 5.2 相位调制器驱动源的测试55-61
• 5.2.1 锁相环频率合成器的测试55-57
• 5.2.2 射频放大器的测试57-59
• 5.2.3 压控衰减器及压控信号的测试59-61
• 5.3 部分相干光的验证实验61-62
• 5.4 泰曼干涉仪中相干噪声抑制实验62-66
• 5.5 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果74-76
• 致谢76

【参考文献】

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本文编号：787092