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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(lái),引力波探測(cè)、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(duì)雙頻激光干涉儀測(cè)量分辨力的需求已從納米、亞納米量級(jí)提升至數(shù)十皮米甚至皮米量級(jí)。面對(duì)101-100量級(jí)測(cè)量分辨力需求的新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的基于周期/頻率/時(shí)間差測(cè)量的雙頻激光干涉信號(hào)處理方法其測(cè)量分辨力難以突破0.1 nm,而近年來(lái)日益被重視的正交鎖相放大式信號(hào)處理方法,盡管其理論上可達(dá)到1pm的位移測(cè)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(wú)法準(zhǔn)確設(shè)計(jì),另一方面現(xiàn)有正交鎖相放大式相位測(cè)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(cè)量場(chǎng)合,不能滿足超精密動(dòng)態(tài)測(cè)量需求。本文在分析正交鎖相放大式測(cè)相原理的基礎(chǔ)上,建立了該方法的信號(hào)流程及測(cè)相誤差整體模型,并通過(guò)對(duì)模型的仿真分析得到正交鎖相放大式信號(hào)處理系統(tǒng)中各模塊工作參數(shù)對(duì)測(cè)量分辨力、測(cè)量帶寬的影響,并著重解決影響測(cè)量分辨力和測(cè)量帶寬的直流偏置、和頻分量數(shù)字濾波、動(dòng)態(tài)噪聲抑制等問(wèn)題。本文主要研究工作如下:首先,建立了正交鎖相放大式測(cè)相方法的信號(hào)變換流程及測(cè)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(cè)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(duì)相位測(cè)量分辨力和相位測(cè)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(cè)量對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集速度、數(shù)據(jù)采集分辨力、信號(hào)直流偏置補(bǔ)償、差頻和頻信號(hào)抑制比、反正切數(shù)字解調(diào)字長(zhǎng)等具體需求,提出理論分辨力為15pm、最大測(cè)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(jì)方案。針對(duì)現(xiàn)有正交鎖相相位測(cè)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(wèn)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(hào)抑制比的前提下將系統(tǒng)的最大測(cè)量速度由數(shù)mm/s提升到1.5m/s,實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的高分辨力高速動(dòng)態(tài)測(cè)量,同時(shí)針對(duì)略微放寬差頻和頻信號(hào)抑制比引入的高頻噪聲問(wèn)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(hào)模擬的方法對(duì)本文研制的基于正交鎖相放大原理的雙頻激光干涉信號(hào)細(xì)分卡進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正交鎖相相位測(cè)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(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)了0.03°的角度分辨力,等效位移測(cè)量分辨力為27pm,最大測(cè)量速度達(dá)到了±1.5m/s,在測(cè)量范圍內(nèi)位移測(cè)量結(jié)果靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差小于10pm、動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差小于27pm,證明了系統(tǒng)測(cè)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH744.3
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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相關(guān)機(jī)構(gòu)

>西安理工大學(xué)

>哈爾濱工業(yè)大學(xué)

>四川大學(xué)

>合肥工業(yè)大學(xué)

相關(guān)作者

>田云輝 >常樹(shù)林

>劉介良 >徐婷婷

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