本文關鍵詞：皮米分辨力激光外差干涉測量中信號處理的關鍵技術研究

  更多相關文章： 外差干涉 皮米量級 高速信號采集與處理平臺 算法資源優(yōu)化技術

【摘要】：下一代微電子制造、精密計量以及物理前沿探索等領域將要求提供亞納米甚至皮米量級超精密位移測量技術設備作為基礎支撐和關鍵手段。經典的外差激光干涉測量技術設備已被廣泛應用于超精密測量相關領域,但其位移分辨力一般難以突破0.1 nm,因此亞納米至皮米級外差干涉信號細分處理技術特別是動態(tài)細分處理技術已成為新一代激光干涉測量技術研究的核心內容之一。目前限制外差干涉測量信號處理性能的因素主要集中在了兩個方面,一方面是為如何設計兼顧高速高精度信號采集需求的高速外差信號采集與處理平臺,另一方面是在平臺資源有限的條件下如何設計更加精簡高效的雙鎖相正交放大式相位測量算法。針對上述問題,本文將研究高速外差信號采集與處理平臺和雙正交鎖相放大測相資源優(yōu)化算法的設計和實現方法。建立了雙鎖相放大式相位測量的整體誤差模型。在闡述現有誤差分析模型的基礎上,特別補充分析了AD采樣量化、數字運算、FIR數字濾波器以及Cordic算法等環(huán)節(jié)的有效字長效應引入的相位測量誤差,并討論了遏制有限字長效應相關誤差所需的字長設計特征;最終建立了位移測量分辨力與輸入信號實際有效位數之間的數學關系并進行了數值仿真分析,為后續(xù)設計提供指導�？杉骖櫢咚俑呔刃盘柌杉卣鞯母咚偻獠钚盘柌杉c處理平臺設計方法研究。針對外差信號高速、高精度、采集與處理需求,從原理實現、模塊功能等方面進行了詳細分析和優(yōu)化設計:模擬電路設計以決定最終性能的噪聲分析為主線,通過各模擬部分關鍵節(jié)點的綜合考慮,特別重點分析并優(yōu)化了模擬電路中的信號功能器件和平臺地層/電源噪聲;數字電路重點考慮數字LVDS信號線和信號鏈的設計。在分析相位測量算法過程的基礎上,研究了雙正交鎖相放大測相算法資源優(yōu)化技術�，F有算法模型在FPGA中實現時需要占用過多的乘法器等資源、導致需占用更多的FPGA邏輯空間并降低運算速度。為此,本文將現有經典數字相敏算法中的“輸入信號×檢波信號?乘法結果?數字濾波器(在線乘法)”流程結構精簡為“輸入信號×檢波信號與數字濾波器離線積卷值”流程結構,可將相位測量算法中對硬件乘法器等關鍵資源的需求降低1/3以上。在上述信號采集與處理平臺設計方法和相位測量算法資源優(yōu)化技術研究的基礎上,設計了外差干涉信號細分測量系統并對其進行標準等效測試。測試結果表明,本設計的靜態(tài)標準差為4.8pm,動態(tài)標準差為18 pm@1.5 m/s,可滿足10 pm級的動/靜態(tài)位移測量需求。
【關鍵詞】：外差干涉 皮米量級 高速信號采集與處理平臺 算法資源優(yōu)化技術
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN247;TN911.7
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 研究的背景和意義10-11
• 1.2 外差干涉信號相位測量方法研究現狀與分析11-14
• 1.2.1 基于脈沖邊沿觸發(fā)的相位測量方法11-12
• 1.2.2 基于幅度/時間分辨的相位測量方法12-14
• 1.3 課題主要研究內容14-16
• 第2章 雙正交鎖相放大式相位測量誤差模型研究16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 雙正交鎖相放大算法的原理分析16-17
• 2.3 雙正交鎖相放大算法誤差模型建立17-24
• 2.3.1 有限字長效應對算法誤差影響的分析17-21
• 2.3.2 相位測量綜合誤差模型建立21-24
• 2.4 本章小結24-26
• 第3章 高速外差信號采集與處理平臺設計26-52
• 3.1 引言26
• 3.2 信號采集與處理平臺的電路設計26-42
• 3.2.1 前置信號處理單元設計27-35
• 3.2.2 高速高分辨力模數轉換單元設計35-41
• 3.2.3 后置數字電路單元設計41-42
• 3.3 信號采集與處理平臺電源/信號完整性設計42-51
• 3.3.1 信號采集與處理平臺電源完整性設計42-51
• 3.3.2 信號采集與處理平臺信號完整性設計51
• 3.4 本章小結51-52
• 第4章 雙正交鎖相放大測相算法資源優(yōu)化技術研究52-58
• 4.1 引言52
• 4.2 現有雙正交鎖相放大算法邏輯資源配置分析52-54
• 4.3 雙正交鎖相放大測相算法資源優(yōu)化設計54-57
• 4.3.1 相位測量模型資源優(yōu)化技術54-56
• 4.3.2 現有模型與資源優(yōu)化算法邏輯資源配置對比56-57
• 4.4 本章小結57-58
• 第5章 實驗平臺設計以及實驗驗證58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 實驗平臺設計及搭建58
• 5.3 采集與處理平臺信號采集性能實驗58-68
• 5.3.1 直流信號采集性能實驗59-61
• 5.3.2 交流信號采集性能實驗61-68
• 5.4 外差信號處理系統的靜態(tài)性能實驗68-70
• 5.4.1 高帶寬靜態(tài)性能實驗68-69
• 5.4.2 窄帶寬靜態(tài)性能實驗69-70
• 5.5 外差信號處理系統的動態(tài)性能實驗70-71
• 5.5.1 高速動態(tài)性能實驗70
• 5.5.2 低速動態(tài)性能實驗70-71
• 5.6 本章小結71-72
• 結論72-74
• 參考文獻74-77
• 附錄77-80
• 致謝80

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本文編號：916877