基于FPGA的激光衍射测径仪的研究

作     者：苏东平 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵洪

授予年度：2010年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：激光衍射测径 夫琅禾费 衍射图样 分布式FIR滤波 

摘      要：本文以傅立叶光学空间频谱分析原理为基础,根据衍射理论,阐述了激光衍射测量微细线直径的方法,确定了有限尺寸的单色平行照明光场内细线衍射光强与细线直径之间的关系计算公式。搭建了由光学系统、光电转换设备及信号处理设备组成的夫琅禾费衍射直径测量系统。对比分析了理想细线衍射图样和实际衍射图样之间的差别。分别从圆斑衍射、背景杂散光、CCD器件自身的噪声、硬件电路固有的高频噪声等方面总结了细线衍射图样畸变的主要原因。建立了圆斑衍射的干扰模型,仿真结果与实测的衍射图样基本吻合。通过对混有噪声衍射图样频谱的分析,提出了对衍射图样进行FIR低通滤波处理的方法,根据滤波器技术指标,用MATLAB设计了96阶FIR滤波器,仿真结果表明滤波效果很理想。基于FPGA设计了衍射图样处理的总体方案,通过采用改进的分布式算法实现FIR滤波器,极大的节省FPGA资源,利用FPGA内部各种逻辑资源设计实现了暗条纹的精确提取。 本文采用QuartusII自带的嵌入式逻辑分析仪对80μm细金属丝的衍射图样的滤波结果和暗条纹的提取结果进行了实时监测,滤波效果能够满足系统要求。在4MHz的计数频率下,系统相对误差达到0.87%。此外,本文还分析了误差的主要来源,并给出了提高精度的三种方法。