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基于双纵模激光自混合干涉的正交相位解调位移测量技术

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基于双纵模激光自混合干涉的正交相位解调位移测量技术

作者：胡晓慧哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

位移测量是工业测量中的重要环节,激光自混合干涉技术因其测量系统结构紧凑、易于准直、精度高等优点被广泛应用于位移测量领域,通过对携带有被测目标运动信息的激光自混合信号进行分析处理可以实现对目标位移的测量。但是在位移测量的... 详细信息

位移测量是工业测量中的重要环节,激光自混合干涉技术因其测量系统结构紧凑、易于准直、精度高等优点被广泛应用于位移测量领域,通过对携带有被测目标运动信息的激光自混合信号进行分析处理可以实现对目标位移的测量。但是在位移测量的过程中如何简化位移重构过程,提高位移测量的精度一直是激光自混合干涉位移测量的一个重要研究方向。本文以双纵模激光器为光源研究了一种基于自混合干涉效应的正交相位解调位移测量技术,通过对自混合信号进行移相,构造两路正交信号,然后采用正交解调算法对信号进行解调,从而实现位移测量。本文的主要研究内容如下:本文首先对激光自混合干涉机理进行了详细的理论推导与分析,建立了双纵模激光自混合干涉功率信号与被测目标位移之间的函数模型,通过数值模拟的方法探究了不同反馈水平对激光自混合干涉信号的影响。基于上述分析确定了微弱反馈水平下双纵模激光自混合信号无波形分立现象,为后续的研究提供了理论基础。基于双纵模激光自混合干涉理论,研究了一种通过在光路中引入双折射器件和偏振分光器件构造两路正交自混合信号实现位移测量的方法。通过理论和仿真证明了调节双折射器件可以改变两路自混合信号的相位差,在一定的旋转角度下可以获得两路相位差为90°的正交自混合干涉信号,然后利用正交解调算法对正交信号解调实现位移测量。对实验系统装置进行了选型和搭建,在不同的实验条件下验证了该方法的可靠性。为了降低位移重构过程中对于测量系统调节精度的要求,研究了一种移相正交算法。利用该算法对双纵模激光自混合干涉系统中获得的非正交信号进行处理,可以通过算法手段获得两路正交信号,然后利用正交解调算法对信号进行处理实现位移测量,通过一系列的仿真和实验验证了该算法的有效性。

关键词：激光自混合干涉位移测量正交解调移相正交双纵模

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像栅位移测量系统及误差分析

像栅位移测量系统及误差分析

作者：周东方华侨大学

学位级别：硕士

随着先进制造业的发展,很多领域都要求直线位移测量具有较高的精度、较大的量程、良好的鲁棒性、充分的安装灵活性,具有这些需求的典型应用包括:超大尺寸晶圆的制造、航空叶片的检测、光学镜片的加工、高档数控机床的定位和校准、三坐... 详细信息

随着先进制造业的发展,很多领域都要求直线位移测量具有较高的精度、较大的量程、良好的鲁棒性、充分的安装灵活性,具有这些需求的典型应用包括:超大尺寸晶圆的制造、航空叶片的检测、光学镜片的加工、高档数控机床的定位和校准、三坐标测量机的开发等。虽然现有的位移传感器(激光干涉仪、光栅、磁栅等)在特定的领域均具有一定的优势,但它们并不能同时满足上述的测量需求,所以本文借助视觉测量中远距离、高分辨率、模块化的特点,提出了一种基于像栅的直线位移测量系统。主要研究内容如下:(1)以视觉测量为基础,首先通过模板匹配中的DFT局部上采样相位相关法实现了平移像素数的准确获取,其次基于针孔成像模型的快速标定法完成了物像比例关系的准确标定。(2)基于相位相关的原理设计了多组不同特征的条纹图案在玻璃板上,利用傅里叶变换的周期性,设置了合理的采样策略,以一种低采样频率的方式实现了视觉测量中量程的扩展。(3)根据像栅系统的工作原理,进行了硬件选型,重点是将超低畸变镜头和高分辨率相机应用到系统中。然后通过相机光轴垂直度、光源光照强度的调节以及激光干涉仪的对准安装,完成了系统的搭建。(4)对像栅系统进行了误差分析,通过仿真和实验得出条纹的长度误差、镜头的畸变误差、光轴方向的运动误差和参考传感器的非共线误差对测量系统的影响较大,并发现镜头的畸变误差和光轴方向的运动误差是系统中的非线性误差。为了补偿这两个因素导致的非线性误差,进行了像素当量的动态标定。最终的实验结果表明,像栅系统在三组条纹所在视场的拼接下,达到了60 mm的测量范围,在此范围内的总误差为-0.5～2.5μm,标准差小于0.18μm,证明了像栅系统可以在厘米的量程内实现亚微米级的重复性测量。

关键词：位移测量像栅相位相关量程扩展误差分析

光纤激光外差马赫曾德干涉在线位移测量系统的构建及其信号处理

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光纤激光外差马赫曾德干涉在线位移测量系统的构建及其信号处理

作者：杨钰吉北京交通大学

学位级别：硕士

激光外差干涉测量技术是指参考光与测量光具有一定频率差,两束光叠加,形成交流干涉信号,对被测物理量进行测量的干涉测量技术。激光外差干涉测量技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量位移时能够辨别位移的方向等优点,广泛应用于高精度... 详细信息

激光外差干涉测量技术是指参考光与测量光具有一定频率差,两束光叠加,形成交流干涉信号,对被测物理量进行测量的干涉测量技术。激光外差干涉测量技术具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量位移时能够辨别位移的方向等优点,广泛应用于高精度测量领域,对速度、位移、绝对距离、振动等物理量进行测量。本文研究基于光纤马赫-曾德干涉仪的外差干涉在线位移测量系统,使用自主研制的双波长光纤激光器作为光源,其中一个波长用于测量位移,另一个波长用于补偿环境干扰,使得测量系统具有很强的抗干扰能力,适合在线位移测量。通过数据采集设备将经光电转换后的干涉信号采集到计算机中,利用LabVIEW软件编程对干涉信号进行处理,得到携带位移量值以及环境干扰的的相位信息,经过数据处理,即得到被测物的位移量,实现可辨别位移方向的高精度在线位移测量。本文的主要工作内容如下:(1)研制了一种基于复合腔的双波长光纤激光器,该激光器通过复合腔选模,由两个分别输出单纵模的光纤激光器复合构成。该激光器输出的每个波长的线宽都小于1k Hz,具有很好的相干性,室内环境下120min内波长漂移量不超过0.012nm,30min内输出功率变化不超过1μW,具有很好的稳定性。(2)构建了光纤激光外差马赫-曾德干涉在线位移测量系统,利用自主研制的双波长光纤激光器作为光源,一个波长用于位移测量,另一个波长用于环境干扰检测,实现对位移的在线测量。实验中,利用量块作为被测物,位移300nm,得到该测量系统位移测量的误差为65.58nm。(3)设计并实现了信号处理电路,得到了稳定且信噪比高的信号。根据数据处理原理编写了LabVIEW程序,对被测物体的位移进行了在线测量。

关键词：光纤激光器马赫曾德干涉仪外差干涉位移测量 LabVIEW

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固体激光外差干涉位移测量技术研究

固体激光外差干涉位移测量技术研究

作者：张凡西安理工大学

学位级别：硕士

精密检测技术在许多领域都有着普遍且关键的应用,涉及工业、科技以及国防等。随着中国工业现代化工程的高速发展,未来制造加工设备将体现出超大型化、微型化、高精密化和智能化的发展趋势。所以,研究精确检测技术对推动国防建设、生物... 详细信息

精密检测技术在许多领域都有着普遍且关键的应用,涉及工业、科技以及国防等。随着中国工业现代化工程的高速发展,未来制造加工设备将体现出超大型化、微型化、高精密化和智能化的发展趋势。所以,研究精确检测技术对推动国防建设、生物医药和精密制造业等高新技术产业的发展有着重要意义和应用价值。本论文在分析了激光干涉测量原理的基础上,使用二极管泵浦的单波长、单频全固态激光器作为激光光源,设计了一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的位移测量系统,并进行了理论分析与实验研究。基于绝对距离干涉测量的思想,使用美国自动精密工程公司(API)双频干涉仪对位移进行粗测,得到整数级次,同时使用相位计测得起点和终点位置处的相位差,进而得到小数级次,最后通过换算得到位移的测量值。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:第一,概述了激光外差干涉位移测量技术的研究现状,分析了单频激光和双频激光干涉位移测量的基本原理及优缺点,并采用1064 nm单频固体激光器和声光移频技术设计了一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的位移测量研究系统,理论分析了该系统的可行性。建立了位移测量实验系统,并获得了外差干涉信号,研究了该系统的静态和动态特性。第二,设计了对外差干涉信号进行前置放大、带通滤波和自动增益控制等信号调理电路模块,并在系统中对它们的功能进行了实验验证,结果表明,所设计的信号调理电路合理可行。第三,设计了实验系统中数字相位计的上位机程序,获得了参考信号与测量信号的相位差测量结果并进行保存。进行了位移重复测量实验,研究结果表明,在100 mm和200 mm范围内,重复测量标准差分别为0.17μm和0.23 μm,位移测量不确定度达10量级,并理论分析了影响位移测量精度的主要因素。

关键词：固体激光器声光移频器马赫-曾德尔干涉仪位移测量相位测量

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基于无人机的桥梁动态视觉位移测量方法研究

基于无人机的桥梁动态视觉位移测量方法研究

作者：叶绎超中南大学

学位级别：硕士

开展桥梁结构健康监测是评估其安全及运营能力的有效手段,而位移监测是结构健康监测的关键内容。视觉位移监测技术由于其无接触、高频、高精度等优势在桥梁动态位移监测中得到应用,然而在大型桥梁结构监测中,存在监测目标附近无法找到... 详细信息

开展桥梁结构健康监测是评估其安全及运营能力的有效手段,而位移监测是结构健康监测的关键内容。视觉位移监测技术由于其无接触、高频、高精度等优势在桥梁动态位移监测中得到应用,然而在大型桥梁结构监测中,存在监测目标附近无法找到稳定点安装相机的问题,而需要增大测量距离以此扩大相机的视场角,或者调整相机的拍摄角度通过倾斜摄影的方式使得监测目标在相机的成像视野范围内。然而上述方式不可避免会引入测量误差和降低相机测量精度,导致其无法满足工程监测应用要求。现有无人机具有低成本、机动、灵活的特点,使得无人机测量系统可以悬停在变形体附近并从任意角度拍摄获取高质量的测量数据,但存在无人机平台振动影响等问题。为此,本文在固定单目视觉位移测量理论的基础上,从位移测量方法、精度和可靠性及误差校正方法、数据处理软件设计等方面开展基于无人机平台的桥梁视觉位移测量技术研究。本文具体研究工作与成果如下:(1)提出了一种综合梯度结构相似度、位移和加速度测量精度的的图像质量评价方法,并在此基础上对无人机测量中相机运动或目标运动引起图像模糊问题、相机运动和目标检测定位误差进行了深入分析。实验结果表明:(1)无人机悬停状态下的观测数据质量与静止状态下的观测数据质量基本一致,其质量评价均值分别为0.62、0.55,其数据质量主要受相机本身成像性能影响;(2)基于局部灰度特征的Radon变换角点定位方法、自适应区域密度质心法在噪声、模糊等成像干扰严重条件下有较好的稳定性和可靠性,能较好地适应无人机视觉位移测量应用场景;(3)相机失稳运动所引起的位移测量误差尤其显著,可达到目标实际位移的数十倍,需要从改正方法优化上进行深入研究。(2)对相机平移和旋转运动引起的像点偏移误差进行理论推导,得出了偏移误差模型公式及基于固定参考点的运动误差改正公式。该方法对监测目标和固定参考目标没有固定平面位置依赖、适用性更好。实验分析表明,在室内4 m距离测试中,相机运动误差改正率可达87.8%,位移测量精度可达0.5 mm;室外15 m距离测试中,相机运动误差改正率可达90.18%,位移测量精度可达2.2 mm。该方法能有效改正无人机运动所引起的相机运动误差,验证了无人机视觉位移测量技术的有效性和可靠性。(3)提出一种顾及相机运动和实际尺度变化影响的固定激光光斑运动误差改正方法。该方法利用具有高穿透性和稳定性的大功率激光器投影光斑作为参考点,可将稳定光斑投影至监测目标附近,使得参考目标和监测目标位于同一平面上,可简化相机运动误差模型并提升无人机视觉测量系统在无稳定参考点复杂工况条件下的适用性。实验分析表明,在室内2 m测量距离测试中,最大误差为0.9mm,测量精度可达0.34 mm;室外实验中激光器与目标之间的距离为30 m,无人机与目标的测量距离为4.6 m,最大误差为1.8 mm,测量精度可达0.61 mm。该方法同样能有效改正无人机运动所引起的相机运动误差,且具有较好的适应性和灵活性。(4)利用C++语言实现了测量标志识别与定位算法和相机运动误差补偿改正方法,并结合Opencv开源计算机视觉算法库,开发了一套具有可视化界面的无人机视觉位移测量数据处理软件,实现了监测数据导入、数据显示、运动误差改正以及位移计算等功能。在长沙月亮岛公路大桥开展实际监测应用实验,以固定安装的工业相机测量结果作为参考值并对无人机位移测量结果进行分析,结果表明两者测量整体位移变化趋势一致,最大误差为1.1 mm;无人机测量结果提取的桥梁一阶振动主频(Hz)与加速度计测量参考值之间的相对误差为3.22%,说明无人机视觉测量系统具有一定的工程实用性。图66幅,表2个,参考文献83篇

关键词：无人机位移测量相机运动目标检测桥梁监测

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基于条纹频率提取的光流位移测量

基于条纹频率提取的光流位移测量

作者：邵楠山东师范大学

学位级别：硕士

随着现代科技和工业的不断发展,光学位移测量凭借其非接触、高精度、操作简单、全场快速测量、低成本等优势在现代工业检测、军事通信、三维传感、生物医学工程等领域起到举足轻重的作用。光流的概念于1950年被首次提出,它是指在二维成... 详细信息

随着现代科技和工业的不断发展,光学位移测量凭借其非接触、高精度、操作简单、全场快速测量、低成本等优势在现代工业检测、军事通信、三维传感、生物医学工程等领域起到举足轻重的作用。光流的概念于1950年被首次提出,它是指在二维成像面上由于物体运动所带来的像素点移动的瞬时速度,反应物体表面结构信息和动态行为信息,可以用来近似估计真实运动场,研究图像灰度变化同物体结构及运动之间的关系。它的优点在于不需要预知场景信息就可以检测出独立运动目标并提取完整信息,因此在图像处理、计算机视觉和目标识别跟踪等领域拥有广阔前景,可用于视觉定位、模式识别、立体匹配、运动检测等方面。光流研究的本质是求解相邻两帧灰度图中像素点的运动矢量,投影条纹图像中,由于放置物体引起的像素点移动形成的条纹光流场,可用于变形测量得到面内位移场,进而推导出光流与离面位移的关系,还原物体三维形貌,得到物体表面空间点的坐标。在条纹光流计算中,通过条纹变形实现离面位移测量的关键在于图像各点条纹频率的提取,因此本文提出了一种基于窗口傅里叶脊法的归一化谱法局部条纹频率提取方法,通过对原有算法进行改进,排除了干扰项的影响,将该算法应用于光流位移测量中,可以实现测量精度的提高。本文主要研究内容如下:1.对图像匹配算法的概念及基本分类进行了介绍,阐述了算法能够实现位移测量的理论依据和优缺点,引入了利用相关计算衡量图像匹配程度进而得到位移量的两种方法,基于空域的归一化相关图像匹配算法和基于频域的相位相关图像匹配算法,给出了两种算法的原理推导和检测结果分析。通过模拟仿真验证了两种方法能够实现图像的相似性检测和对面内整像素级位移量的求解,并探究了影响匹配所需最小模板尺寸的因素,最后针对两种相关匹配算法在位移测量上的不足提出了光流测量技术。2.介绍了光流的概念假设,说明了光流基本方程只有联立其他约束条件才能得到光流分量u、v的唯一解,引入了三种不同约束条件下光流法的求解思路。推导了光流三维位移测量技术原理,对于受物面调制的变形前后两幅投影条纹图像,时间间隔为1时,求出条纹光流场即可得到面内位移场,建立光流与离面位移的数学关系,可以得到物体三维面形分布,条纹频率作为其中的重要参数,提取方法有待展开论述。模拟实验结果比较了理论值和光流法计算值的相对误差,证明了光流法在面内和离面位移测量上的优势,且不受限于投影图案的选择。3.提出了一种改进的条纹频率提取方法用于光流位移测量。首先给出了传统窗口傅里叶脊法提取局部条纹频率的技术原理,阐述了图像加窗的必要性,通过模拟仿真证明了它在复杂条纹图像频率提取上的不足。对得到的频谱幅值图进行分析,进而提出改进的归一化谱法,仿真结果证明了该方法可以消除频率取(0,0)时频谱幅值大于真实频率频谱幅值带来的干扰,局部条纹频率提取精度得到了提高,最后将该算法应用于迈克尔逊干涉仪得到的实验条纹图中得到频率分布。将条纹频率提取改进算法与光流算法相结合,可以实现离面位移相位信息的有效测量。

关键词：条纹光流位移测量相关匹配频谱分析

基于激光三角法的目标位移测量方法及系统设计

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基于激光三角法的目标位移测量方法及系统设计

作者：倪沛东中北大学

学位级别：硕士

近年来,随着工业检测技术的不断快速发展,非接触式激光测量技术因其无损检测、实时性以及良好的精确性等特点,在测量领域得到广泛应用。针对工业生产线上产品质检、设备监控以及轨道变轨轨距检测等应用测量环境,存在测量范围较远、多节... 详细信息

近年来,随着工业检测技术的不断快速发展,非接触式激光测量技术因其无损检测、实时性以及良好的精确性等特点,在测量领域得到广泛应用。针对工业生产线上产品质检、设备监控以及轨道变轨轨距检测等应用测量环境,存在测量范围较远、多节点铺设等测量需求。高精度的激光三角位移传感器设备测量范围小,而精度高、测量范围大的激光三角位移传感器设备存在光路复杂、价格高昂等缺点,不符合大规模布设设备的要求。本文基于激光三角法测距技术,针对以上应用测量环境和需求,设计了一种中远距离测量范围、大量程、亚毫米测量精度、多工作模式的低成本激光三角位移测量系统,对此本文展开以下设计与研究:1.首先进行直射式激光三角法的数学模型构建,通过改变CCD以及光学透镜的布置角度,在保证预期理论分辨力的情况下,增大了位移测量范围,并进行相关系统参数分析,可实现600mm到800mm距离的高分辨力位移测量。根据光斑宽度、系统分辨力和测量范围对线阵CCD的像元宽度和个数提出要求,完成CCD传感器选型。同时为了提高线阵CCD传感器纵向光信号接收范围,减少光斑成像纵向偏差带来的测量误差,选用柱面透镜进行光斑成像。2.其次设计了单次实时测量、周期状态监控测量和组合帧高精度快速存储测量三种工作模式,分析了光电传感器工作过程中光散粒噪声对光斑成像中心定位的影响,从而导致测量精度的下降,对此提出组合帧数据采集的方式对光散粒噪声进行抑制,以降低测量误差,同时引入乒乓缓冲机制进行数据流控制,完成数据的无缝缓冲与处理。3.最后对传感器输出数据进行平滑模糊预处理,同时分析了多种光电传感器中光斑成像中心的定位方法,选择质心法为定位算法,通过自适应阈值质心法和高斯拟合法相结合进行光斑成像中心位置亚像素定位。设计了系统测试方案进行系统性能测试,分析引起系统测量误差的各种因素,并提出系统改进措施。经测试,本位移测量系统可以在600mm到800mm中远距离范围,进行亚毫米精度多工作模式测量,实现了一种精准实用、成本可控、功能齐全、适用范围广的位移测量系统。

关键词：激光三角测量法位移测量亚像素定位光散粒噪声

基于双折射双频激光器中的调频回馈位移测量研究

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物理学报 2007年第3期56卷 1409-1414页

作者：毛威张书练清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

提出了一种基于双折射双频激光器中的调频回馈效应的位移测量系统,并在实验和理论两方面进行了研究.实验中保持回馈外腔长度不变,将一四分之一波片置于激光器内腔中,调制内腔长度,激光器的中心频率发生改变,激光器输出强度将发生周期性... 详细信息

提出了一种基于双折射双频激光器中的调频回馈效应的位移测量系统,并在实验和理论两方面进行了研究.实验中保持回馈外腔长度不变,将一四分之一波片置于激光器内腔中,调制内腔长度,激光器的中心频率发生改变,激光器输出强度将发生周期性的变化.研究发现激光强度曲线的波动频率正比于回馈外腔长度与内腔长度之比.当该位移测量系统的外腔长度是内腔长度的6倍时,被测物体每移动半个光波长,激光强度波动12次,系统分辨率可以达到二十四分之一光波长.理论分析与实验结果相符合.研究表明该位移测量系统具有高分辨率、大测量范围、可工作于任意回馈水平等特点.

关键词：调频回馈位移测量双折射双频激光器强度波动频率

面向浸没式光刻机的超精密光学干涉式光栅编码器位移测量技术综述

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光学精密工程 2019年第9期27卷 1909-1918页

作者：王磊杰张鸣朱煜叶伟楠杨富中清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室&精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室

超精密平面光栅编码器位移测量技术是32~7 nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局,提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器,开展了基本测量光路方案、相位... 详细信息

超精密平面光栅编码器位移测量技术是32~7 nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局,提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器,开展了基本测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析,提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题。面向亚纳米级测量精度的需求,针对光栅编码器的仪器误差,对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析,提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题。本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考。

关键词：浸没式光刻机光学干涉式光栅编码器位移测量