低频零差激光干涉测振非线性分析与补偿技术

发布时间：2017-09-20 04:19

  本文关键词：低频零差激光干涉测振非线性分析与补偿技术

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【摘要】：零差激光干涉测振技术是低频振动校准等领域的核心关键技术。零差激光干涉测振过程中产生的非线性误差是制约测量精度和性能进一步提高最主要的因素之一。传统的零差激光干涉测振光路中存在偏振泄漏和偏振混叠现象,非线性误差显著。且光路中可调整器件过多,光路调节困难,多个可调整器件的旋转角度偏差均会引入显著的非正交误差。在后续的信号处理过程中,数学关系简单、具有较好实时性的非线性误差补偿方法多针对直流偏置误差和不等幅误差,实现非正交误差的补偿较为困难。因此,零差激光干涉测振中的非线性误差补偿技术是低频振动校准等领域的关键技术问题之一。本论文“低频零差激光干涉测振非线性分析与补偿技术”针对传统零差激光测振光路非线性误差显著、非正交误差难以实时补偿等问题,在深入分析光路中非理想器件的特性及传统基于偏振分光的零差激光干涉测振光路非线性误差理论模型的基础上,提出一种基于消偏振分光的零差正交激光干涉测振光路,建立完善的非线性误差理论模型,提出一种基于协同补偿的非线性误差补偿方法,并进行了实验验证。论文的主要研究内容如下:(1)针对光路中常用的光学器件进行了非理想特性分析,特别对以往模型建立过程中被简化为理想状态的消偏振分光棱镜和角锥棱镜进行了详细的理论推导和仿真,给出了各器件在理想状态下和实际状态下的琼斯矩阵模型。(2)针对传统的基于偏振分光的零差激光干涉测振光路进行了完善的非线性误差理论模型分析,分析各器件非理想性对最终非线性误差的影响,给出各可调整器件的旋转角与非正交误差间的关系,从理论层面分析了该光路存在的可调整器件过多、非正交误差显著且难以实时补偿的缺陷。(3)提出了一种基于消偏振分光的零差激光干涉测振光路及非线性误差协同补偿方案。建立该光路的误差理论模型并分析各误差源的影响,最终分析了非正交误差与可调整器件旋转角的关系,证明了该光路具有结构简单、易于调整、非正交误差易修正的优点,解决了传统零差激光干涉光路存在的可调整器件过多的问题。同时,基于该光路特性提出了一种非线性误差协同补偿方案。先转动光路中的可调整器件,两器件协同作用,消除光路中的非正交误差,后采用极值法实时补偿直流偏置误差和不等幅误差,解决了现有的非线性误差补偿方法中非正交误差修正算法较为复杂,难以实现实时补偿的问题。在上述研究的基础上,本论文进行了整体系统实验,并测量了整体测振系统的技术指标。实验结果表明,基于消偏振分光的测振光路中可调整器件的旋转角度与非正交误差的关系曲线和理论推导一致,且基于协同补偿的非线性误差补偿方案可有效减小光路中的非线性误差。该测振系统的位移分辨力为0.2nm,5分钟下的短期稳定性峰峰值为1nm,1小时下的长期稳定性峰峰值为20nm,补偿后整体非线性误差为0.4nm,振动测量重复性标准差值为0.7nm,振动振幅的相对测量偏差小于0.75%,整体系统具有良好的性能指标和技术优势。
【关键词】：零差干涉 激光干涉测振 非线性误差 误差补偿 低频振动测量
【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】：TH744.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-19
• 1.2.1 激光测振光路研究现状11-18
• 1.2.2 零差激光干涉光路非线性模型研究现状18
• 1.2.3 零差激光干涉非线性误差补偿方法研究现状18-19
• 1.3 课题主要研究内容19-21
• 第2章 干涉光路关键器件非理想特性分析21-37
• 2.1 引言21
• 2.2 消偏振分光棱镜非理想特性分析21-22
• 2.3 角锥棱镜非理想特性分析22-34
• 2.3.1 光线垂直入射时角锥棱镜特性分析23-29
• 2.3.2 光线非垂直入射时角锥棱镜特性分析29-34
• 2.4 其它关键器件非理想特性分析34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 基于偏振分光的零差干涉光路非线性模型分析37-52
• 3.1 引言37
• 3.2 基于偏振分光的零差干涉光路理想模型37-39
• 3.3 基于偏振分光的零差干涉光路非线性误差分析39-48
• 3.3.1 器件非理想性引入的非线性误差分析39-43
• 3.3.2 器件调整偏差引入的非线性误差分析43-48
• 3.4 基于偏振分光的零差干涉光路整体非线性误差特性分析48-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 基于消偏振分光的零差干涉光路与非线性误差协同补偿方法研究52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 基于消偏振分光的零差干涉光路原理与理想模型52-55
• 4.3 基于消偏振分光的零差干涉光路非线性误差分析55-65
• 4.3.1 器件非理想性引入的非线性误差分析55-60
• 4.3.2 器件调整偏差引入的非线性误差分析60-65
• 4.4 基于消偏振分光的零差干涉光路整体非线性误差特性分析65-66
• 4.5 非线性误差协同补偿方案设计66-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第5章 实验与分析70-77
• 5.1 引言70
• 5.2 实验系统设计70-71
• 5.3 可调整器件旋转角与非正交误差关系曲线测试实验71-72
• 5.4 静态特性实验72-74
• 5.4.1 位移分辨力实验72-73
• 5.4.2 稳定性实验73
• 5.4.3 非线性误差补偿实验73-74
• 5.5 动态特性实验74-76
• 5.5.1 振动测量重复性实验74-75
• 5.5.2 振动测量精度对比实验75-76
• 5.6 本章小结76-77
• 结论77-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果83-85
• 致谢85

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本文编号：885869