本文關(guān)鍵詞：激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著航空航天、船舶、精密加工制造等技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)激光測(cè)距技術(shù)的需求越來(lái)越多,激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)具有非接觸測(cè)量、無(wú)測(cè)距盲區(qū)、無(wú)需合作目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)距精度隨著激光器掃頻范圍的增大而提高。目前常用的半導(dǎo)體激光器由于調(diào)諧范圍較小,測(cè)量精度難以進(jìn)一步提高。寬帶外腔調(diào)頻激光器的出現(xiàn)使激光掃頻干涉測(cè)量精度大幅度提高成為可能。然而也帶來(lái)了新的問(wèn)題,如外腔調(diào)諧激光器的調(diào)頻非線性形式為高次函數(shù),調(diào)頻非線性校正比較困難;寬帶調(diào)頻所帶來(lái)的色散失配效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)距精度下降;大帶寬調(diào)頻形成的大數(shù)據(jù)量的快速處理問(wèn)題。這些問(wèn)題成為限制寬帶激光掃頻干涉測(cè)量的重要因素。針對(duì)以上關(guān)鍵問(wèn)題,本文對(duì)基于頻率采樣法寬帶激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:構(gòu)建了寬帶外腔激光掃頻干涉測(cè)距系統(tǒng),通過(guò)分析外腔激光器調(diào)頻非線性的特點(diǎn),建立了基于頻率采樣法的拍頻信號(hào)非線性校正模型,實(shí)現(xiàn)了高次調(diào)頻非線性校正。由于受奈奎斯特采樣定理限制,頻率采樣法測(cè)距量程不能超過(guò)輔助干涉儀光程的1/4。為擴(kuò)展量程,提出了移相頻率采樣法,將測(cè)量信號(hào)依輔助干涉儀信號(hào)相位尺度進(jìn)行移相,使移相后的信號(hào)滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理,提高了頻率采樣法的適用范圍,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可進(jìn)行7倍的量程擴(kuò)展。研究了光纖輔助干涉儀與測(cè)量干涉儀色散失配對(duì)測(cè)距精度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)頻帶寬與被測(cè)距離增加,色散失配效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)拍頻產(chǎn)生線性變化,導(dǎo)致目標(biāo)譜峰展寬,產(chǎn)生測(cè)量誤差。建立了輔助干涉儀與測(cè)量干涉儀色散失配的理論模型,為補(bǔ)償色散失配對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響,提出了基于色散啁啾斜率標(biāo)定的色散補(bǔ)償方法,有效降低了目標(biāo)譜峰展寬效應(yīng),使色散補(bǔ)償后的目標(biāo)峰值半高全寬(FWHM)基本達(dá)到接近理論值的水平。采用外腔調(diào)諧激光器單次測(cè)量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將隨掃頻帶寬增加而增大,導(dǎo)致現(xiàn)有拍頻提取算法效率下降。研究了測(cè)量信號(hào)拍頻提取算法的特點(diǎn),提出的拍頻提取算法通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行移頻、降采樣,實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量信號(hào)的快速拍頻提取。該算法精度與基于復(fù)解析帶通濾波器的復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析(ZFFT)算法相同,但運(yùn)算時(shí)間為ZFFT算法的27.4%。其次,從相位角度研究了線性回歸測(cè)頻方法,通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法在較高信噪比下具有高精度測(cè)頻能力。研究了溫度對(duì)輔助干涉儀的影響模型,采用模型參數(shù)補(bǔ)償及光程修正的方法,降低了溫度對(duì)測(cè)量的影響。最后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在12m范圍內(nèi)激光掃頻干涉絕對(duì)距離測(cè)量的擴(kuò)展不確定度小于U=(7.6×10-6+2.8×10-6Rm)m(k=2)。
[Abstract]:With the rapid development of aerospace, ship, precision manufacturing and other technologies, laser ranging technology needs more and more, laser scanning interference absolute distance measurement technology has a non-contact measurement, no ranging blind area. No need for cooperation goals and other advantages. The ranging accuracy of the absolute range measurement system increases with the increase of the frequency sweep range of the laser. Currently, the semiconductor laser is widely used because of its small tuning range. It is difficult to improve the measurement accuracy further. The appearance of broadband external cavity FM laser makes it possible to improve the measurement accuracy of laser frequency sweep interferometry. However, it also brings new problems. If the nonlinear form of frequency modulation of external cavity tunable laser is high order function, it is difficult to correct the nonlinear frequency modulation. The dispersion mismatch effect caused by broadband frequency modulation results in the decrease of ranging accuracy. Fast processing of large amount of data due to large bandwidth frequency modulation. These problems have become an important factor to limit the wideband laser scanning interferometry. In view of the above key problems. In this paper, the absolute range measurement technology of wideband laser scanning interference based on frequency sampling method is studied. The main research contents are as follows: a wideband external cavity laser frequency sweep interferometric ranging system is constructed. By analyzing the nonlinear characteristics of frequency modulation of external cavity laser, a nonlinear correction model of beat frequency signal based on frequency sampling method is established, and the nonlinear correction of high order frequency modulation is realized, because of the limitation of Nyquist sampling theorem. The ranging range of frequency sampling method can not exceed 1 / 4 of the optical path of the auxiliary interferometer. In order to extend the measuring range, a phase shift frequency sampling method is proposed, in which the measurement signal is phase-shifted according to the phase scale of the auxiliary interferometer signal. The phase-shifted signal meets the Nyquist sampling theorem and improves the application range of the frequency sampling method. Experimental results show that the range can be extended by 7 times. The influence of optical fiber assisted interferometer and measurement interferometer color dispersion on ranging accuracy is studied. It is found that the range is increased with the increase of FM bandwidth and measured range. The dispersion mismatch effect leads to the linear change of the beat frequency of the measurement signal, the broadening of the target spectrum peak and the measurement error. The theoretical model of the dispersion mismatch between the auxiliary interferometer and the measurement interferometer is established. In order to compensate the effect of color dispersion on measurement, a dispersion compensation method based on dispersion chirped slope calibration is proposed, which can effectively reduce the peak broadening effect of target spectrum. The FWHM of the target peak value after dispersion compensation reaches the level close to the theoretical value. The amount of data generated by the single measurement of the external cavity tunable laser will increase with the increase of the sweep bandwidth. As a result, the efficiency of the existing beat extraction algorithm is reduced. The characteristics of the measurement signal beat extraction algorithm are studied, and the beat frequency extraction algorithm is proposed to reduce the sampling by moving the frequency of the measurement signal. The algorithm has the same precision as the ZFFT-based complex modulation thinning spectrum analysis algorithm based on complex analytic bandpass filter. However, the computing time is 27.4 of the ZFFT algorithm. Secondly, the linear regression frequency measurement method is studied from the angle of phase. The simulation results show that the algorithm has high precision frequency measurement ability under higher SNR. The influence model of temperature on the auxiliary interferometer is studied, and the method of model parameter compensation and optical path correction is adopted. The influence of temperature on the measurement is reduced. Finally. The experimental results show that the spread uncertainty of absolute range measurement is less than 7.6 脳 10-62.8 脳 10-6Rmmmknmmknmkng in the range of 12m for absolute range measurement of laser sweep interference.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN249

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