隨著超精密測(cè)量領(lǐng)域?qū)y(cè)量精度需求的不斷提高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)外差激光干涉儀展開了進(jìn)一步的研究,力圖實(shí)現(xiàn)亞納米量級(jí)測(cè)量精度。周期非線性誤差是限制外差激光干涉儀精度提高的主要因素,因而周期非線性誤差補(bǔ)償與抑制技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。本文針對(duì)傳統(tǒng)的周期非線性誤差模型未考慮干涉光初始相位的影響,造成實(shí)際信號(hào)與理論模型不符的問題,在考慮初始相位影響因子的條件下,建立了周期非線性誤差修正模型,著重分析了初始相位對(duì)周期非線性誤差的影響機(jī)理。提出采用特征參數(shù)提取算法對(duì)外差激光干涉儀周期非線性誤差進(jìn)行校正�；谝陨显碓O(shè)計(jì)了基于雙鎖相放大解調(diào)方式及特征參數(shù)提取校正算法的非線性校正系統(tǒng),主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)建立了外差激光干涉儀周期非線性誤差修正模型。仔細(xì)分析傳統(tǒng)的非線性誤差模型,該模型存在對(duì)初始相位影響認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致補(bǔ)償中信號(hào)不滿足基本對(duì)稱性的問題。對(duì)周期非線性誤差進(jìn)行重新建模,實(shí)現(xiàn)理論模型與實(shí)際測(cè)量信號(hào)形式相匹配的目的。對(duì)比分析初始相位對(duì)傳統(tǒng)模型和修正模型中不等幅誤差、直流偏置誤差及非正交誤差的影響機(jī)理,分析三差對(duì)周期非線性誤差的影響機(jī)制,著重分析初始相位對(duì)周期非線性誤差的影響。(2)基于周期非線性誤差修正模型,提出采用特征參數(shù)提取算法實(shí)現(xiàn)對(duì)周期非線性誤差的校正。實(shí)時(shí)提出兩路解調(diào)后信號(hào)的特征值,以獲得輸入信號(hào)的幅度和直流偏置值,據(jù)此對(duì)兩路信號(hào)的不等幅誤差和直流偏置誤差進(jìn)行校正;采用數(shù)字加/減法器對(duì)兩路等幅、無直流偏置誤差信號(hào)進(jìn)行非正交誤差校正處理,并對(duì)信號(hào)正交化過程中引入的不等幅誤差進(jìn)行二次修正。解決了干涉信號(hào)存在非線性誤差及待測(cè)目標(biāo)變速運(yùn)動(dòng)下非線性校正的問題。(3)基于雙正交鎖相放大原理及特征參數(shù)提取算法,設(shè)計(jì)了周期非線性誤差校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)外差激光干涉儀出射的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的特性,采用前置信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理,再由雙正交鎖相放大模塊利用內(nèi)部產(chǎn)生的參考信號(hào)對(duì)兩路輸出信號(hào)進(jìn)行混頻濾波解調(diào),最后利用特征參數(shù)提取算法對(duì)周期非線性誤差進(jìn)行相應(yīng)的校正處理。搭建外差激光干涉儀的實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)周期非線性誤差修正模型準(zhǔn)確性及本課題提出的非線性校正系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,校正前的非線性誤差為±9.07nm,校正后為±0.43nm,本課題設(shè)計(jì)的校正系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外差激光干涉儀的周期非線性誤差有效補(bǔ)償。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH744.3
【部分圖文】：

為切比雪夫窗，然后通過調(diào)節(jié)濾波器的階數(shù)和截止進(jìn)而得到 FIR 濾波器的系數(shù)。該濾波器的設(shè)計(jì)過程采計(jì)工具實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需求選用不同的濾波形式及濾波數(shù)進(jìn)行調(diào)整，生成對(duì)應(yīng)的濾波器參數(shù)文件。分辨力激光外差干涉測(cè)量中信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)研鎖相放大模型中的 FIR 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)量化噪聲響。本課題中，F(xiàn)IR 濾波器應(yīng)用在兩種情況，其一，濾除高頻噪聲；其二是對(duì)輸入信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)的部產(chǎn)生的混頻信號(hào)sinf 和cosf 分別為頻率為 5MHz 的 fr為頻率為 5MHz 的信號(hào)，測(cè)量信號(hào)mf 由于物體目標(biāo)反射鏡的運(yùn)動(dòng)速度為 0.5m/s，其對(duì)應(yīng)的多普勒頻號(hào) fm的頻率為 6.5MHz。四路信號(hào)混頻之后，和頻信，差頻信號(hào)為 1.5MHz，所采用的濾波器要能保留 1.10MHz 和 11.5MHz 頻率的信號(hào)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文式中，a 和 b 分別為所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)響應(yīng)頻率信號(hào)的衰減大小。在外差激光干涉儀中，由于非理想的濾波造成的噪聲與衰減系數(shù)的關(guān)系如圖 4-5 所示，二者呈線性關(guān)系，本課題中選取4a b1.4 10 ，對(duì)應(yīng)的誤差為 0.016°。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雙鎖相放大模塊的性能，用 FPGA 內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè) 10MHz 的信號(hào)，然后傳送給鎖相放大模塊。該信號(hào)與頻率為 5MHz 的內(nèi)部參考信號(hào)混頻得到 5MHz 的差頻信號(hào)和 15MHz 的和頻信號(hào)，圖 4-6 a）是混頻之后的頻譜圖。其中，頻譜圖中顯示的高頻的信號(hào)是由于 FPGA 內(nèi)部的降采樣過程產(chǎn)生的，其信號(hào)幅度為-95dB，對(duì)結(jié)果幾乎沒有影響。圖 4-6 b）是通過 FIR 數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波后得到的頻譜圖，由圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)和頻信號(hào)和差頻信號(hào)都進(jìn)行了不同幅度的衰減，差頻信號(hào) 5MHz 的幅度不變，和頻信號(hào) 15MH信號(hào)的頻率幅度為-90dB，二者相差 90dB，另外從圖中可以看出濾波后系統(tǒng)中是存在其他頻率的信號(hào)的，但是幅度均在-150dB 以下，因此不會(huì)對(duì)本系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

圖 5-1 電信號(hào)模擬測(cè)試法實(shí)物圖5.3 非線性誤差校正單元特性測(cè)試5.3.1 三差獨(dú)立校正實(shí)驗(yàn)由第二章的討論可知，當(dāng)初始相位發(fā)生改變時(shí)，外差激光干涉儀輸出的兩路正交信號(hào)的三差會(huì)隨之改變。因此想要研究初始相位改變對(duì)周期非線性誤差的影響可以轉(zhuǎn)換為三差分別對(duì)周期非線性誤差的影響。為驗(yàn)證本課題所采用的特征參數(shù)提取非線性誤差校正單元的校正能力，分別對(duì)頻率（模擬目標(biāo)反射鏡速度）、直流偏置誤差、不等幅誤差、非正交誤差進(jìn)行單一變量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分別總結(jié)其對(duì)非線性誤差的影響，比較校正前后最大非線性誤差，說明校正效果。5.3.1.1 直流偏置變量以直流偏置為單一變量，改變模擬電信號(hào)中一對(duì)差分信號(hào)的直流偏置，其余為固定值。設(shè)置模擬電信號(hào)的頻率為 5MHz，信號(hào)幅度均為 2.5Vpp，相位差為 90°，以 100MHz 的采樣速率采集校正前后的 1K 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算校正前

【參考文獻(xiàn)】

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2 吳燕華;董璐;張濤;;高測(cè)速雙縱模雙頻激光干涉儀系統(tǒng)的研究[J];工具技術(shù);2010年07期

3 所睿,范志軍,李巖,張書練;雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J];激光與紅外;2004年04期

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本文編號(hào)：2809482