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《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》 2015年

皮米分辨力雙頻激光干涉儀相位細(xì)分技術(shù)研究

蔡海蛟  

【摘要】：近年來,引力波探測、表面科學(xué)工程、極紫外光刻等前沿領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,對雙頻激光干涉儀測量分辨力的需求已從納米、亞納米量級提升至數(shù)十皮米甚至皮米量級。面對101-100量級測量分辨力需求的新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的基于周期/頻率/時間差測量的雙頻激光干涉信號處理方法其測量分辨力難以突破0.1 nm,而近年來日益被重視的正交鎖相放大式信號處理方法,盡管其理論上可達(dá)到1pm的位移測量分辨力,但是一方面其理論誤差模型尚未有效建立,導(dǎo)致其工作參數(shù)無法準(zhǔn)確設(shè)計,另一方面現(xiàn)有正交鎖相放大式相位測量技術(shù)只能應(yīng)用在數(shù)mm/s以下的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)測量場合,不能滿足超精密動態(tài)測量需求。本文在分析正交鎖相放大式測相原理的基礎(chǔ)上,建立了該方法的信號流程及測相誤差整體模型,并通過對模型的仿真分析得到正交鎖相放大式信號處理系統(tǒng)中各模塊工作參數(shù)對測量分辨力、測量帶寬的影響,并著重解決影響測量分辨力和測量帶寬的直流偏置、和頻分量數(shù)字濾波、動態(tài)噪聲抑制等問題。本文主要研究工作如下:首先,建立了正交鎖相放大式測相方法的信號變換流程及測相誤差整體模型,并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值仿真,以分析正交鎖相放大式測相系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、硬件乘法器、和頻分量數(shù)字濾波、反正切數(shù)字解調(diào)等模塊工作特性對相位測量分辨力和相位測量帶寬的影響。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合皮米分辨力高速雙頻激光干涉測量對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集速度、數(shù)據(jù)采集分辨力、信號直流偏置補償、差頻和頻信號抑制比、反正切數(shù)字解調(diào)字長等具體需求,提出理論分辨力為15pm、最大測量速度為1.5m/s的皮米分辨力雙頻激光干涉儀相位細(xì)分系統(tǒng)總體設(shè)計方案。針對現(xiàn)有正交鎖相相位測量方法中為保證高和頻差頻抑制比而采用窄帶寬濾波器的問題,首先使用高帶寬線性相位的FIR數(shù)字濾波器,在略微放寬差頻和頻信號抑制比的前提下將系統(tǒng)的最大測量速度由數(shù)mm/s提升到1.5m/s,實現(xiàn)了對位移的高分辨力高速動態(tài)測量,同時針對略微放寬差頻和頻信號抑制比引入的高頻噪聲問題,在相位輸出環(huán)節(jié)加入卡爾曼數(shù)字濾波器以有效降低輸出相位的噪聲。最后,采用電信號模擬的方法對本文研制的基于正交鎖相放大原理的雙頻激光干涉信號細(xì)分卡進(jìn)行了實際的測試。實驗證明,本系統(tǒng)設(shè)計的正交鎖相相位測量方法中硬件乘法器、和頻分量數(shù)字濾波、反正切數(shù)字解調(diào)等模塊實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo),系統(tǒng)整體實現(xiàn)了0.03°的角度分辨力,等效位移測量分辨力為27pm,最大測量速度達(dá)到了±1.5m/s,在測量范圍內(nèi)位移測量結(jié)果靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差小于10pm、動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差小于27pm,證明了系統(tǒng)測量分辨力的有效性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH744.3
【目錄】：

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相關(guān)機構(gòu)

>西安理工大學(xué)

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