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2.5维大范围纳米激光干涉测长信号处理子系统的研究

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2.5维大范围纳米激光干涉测长信号处理子系统的研究

作者：高宏堂中国计量科学研究院

学位级别：硕士

纳米科学技术是二十世纪80年代发展起来的新兴科学技术，它的研究受到世界各国的广泛关注，而纳米测量技术作为纳米科学技术的一个重要分支，迫切需要解决目前机械、材料、电子等工业中纳米级高精度测量问题。国家十五重大科技专项课题... 详细信息

纳米科学技术是二十世纪80年代发展起来的新兴科学技术，它的研究受到世界各国的广泛关注，而纳米测量技术作为纳米科学技术的一个重要分支，迫切需要解决目前机械、材料、电子等工业中纳米级高精度测量问题。国家十五重大科技专项课题“2．5维大范围纳米测量与校准系统”就是为解决我国机械、微电子等工业中的纳米测量的量值溯源问题而开展的。本文所研制的激光干涉测长信号处理子系统属于课题中较为关键的一部分，将用于大范围纳米激光干涉测长信号实时处理。论文首先介绍了纳米技术及高精度激光干涉位移测量技术的发展现状，以此为基础，分析和介绍了课题的纳米级高精度共模抑制偏振激光干涉光学系统。干涉信号处理是全文的重点。论文首先分析和设计了一套配合干涉仪光学部分使用的信号处理硬件电路系统，该电路系统由低噪声前置放大，干涉信号调理及放大，高速DSP数字信号处理三部分组成。干涉信号的处理方案采用以软件为主，硬件为辅的方案。为了能够提高信号处理的精度和速度，论文对干涉信号及其误差做了全面分析，确定信号三差(信号的直流电平误差、幅度不等误差和正交误差)是干涉信号中的主要误差。这样，以消除干涉信号三差为出发点，研究和分析了干涉信号误差的补偿方法，确定了离线误差补偿和在线动态误差补偿两种补偿方案。在动态补偿方案中，创新地提出了纯软件的动态误差补偿方案(P方法补偿)。最后，以信号误差补偿为基础，完成了干涉仪纳米级高分辨率测量软件的设计。论文最后部分给出了一套能够验证电路及软件系统精度的试验系统，对设计出的干涉信号处理电路及软件系统的精度和数据处理方法做了试验验证。试验结果表明，电路系统自身分辨率约为0.04nm，P方法动态误差补偿精度和速度比传统的Heydemman方法都要好，电路系统可以用于大范围纳米激光测长干涉仪。本论文的研究成果将为课题“2．5维大范围纳米测量与校准系统”的完成提供重要的技术保障，为早日实现国家纳米测量技术基标准的建设做出贡献。

关键词：纳米测量激光干涉仪误差补偿干涉信号处理

实现纳米测量分辨力的激光干涉仪信号处理系统

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实现纳米测量分辨力的激光干涉仪信号处理系统

2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会

作者：叶孝佑高宏堂高思田陈允昌中国计量科学研究院中国计量科学研究院中国计量科学研究院中国计量科学研究院

本文介绍了一种具有纳米测量分辨力的激光干涉仪信号处理系统的构成,指出了其关键技术.包括干涉测量非线性误差修正,干涉条纹细分、位移计数方向判别,高精度测量自校准。经实验验证,测量分辨力优于0.1nm,成功地应用在所研制的纳米激光... 详细信息

本文介绍了一种具有纳米测量分辨力的激光干涉仪信号处理系统的构成,指出了其关键技术.包括干涉测量非线性误差修正,干涉条纹细分、位移计数方向判别,高精度测量自校准。经实验验证,测量分辨力优于0.1nm,成功地应用在所研制的纳米激光干涉测量系统中,可以实现纳米级高精度干涉测长。

关键词：纳米测量干涉信号处理误差修正条纹细分

来源： cnki会议评论

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基于卷积神经网络的多偏移干涉相位滤波方法

北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 2043-2050页

作者：李涵钟何平张鹏唐劲松海军工程大学电子工程学院武汉430030 国防科技大学气象与海洋学院长沙410073

为提升干涉信号处理中相位滤波的效果,提出了一种基于卷积神经网络的多偏移干涉相位滤波方法。利用干涉相位噪声模型解释了相位偏移原理,并根据相位偏移原理构建多个卷积神经网络去噪器,利用其分别对不同偏移的干涉相位进行滤波,生成多... 详细信息

为提升干涉信号处理中相位滤波的效果,提出了一种基于卷积神经网络的多偏移干涉相位滤波方法。利用干涉相位噪声模型解释了相位偏移原理,并根据相位偏移原理构建多个卷积神经网络去噪器,利用其分别对不同偏移的干涉相位进行滤波,生成多个去噪相位。利用神经网络计算像素权值,对多个去噪结果进行融合,进而获得质量更好的相位滤波结果。仿真的数据和真实的数据试验表明,相较于传统方法,所提方法具有更好的细节保持能力,并且所得结果的均方根误差和留数点数量更低。

关键词：干涉信号处理相位滤波卷积神经网络噪声模型干涉相位

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激光波数干涉扫描的相位算法研究与软件设计

激光波数干涉扫描的相位算法研究与软件设计

作者：李勇宏广东工业大学

学位级别：硕士

激光波数干涉扫描技术作为非接触式的离面测量技术,有着无损检测、快速测量和较大视场等优势,时至今日依然具有非常大的发展潜力。其测量技术在机械制造、计算机工业、生物医药、航天航空材料、复合材料检测等工业、军用和民用等领域都... 详细信息

激光波数干涉扫描技术作为非接触式的离面测量技术,有着无损检测、快速测量和较大视场等优势,时至今日依然具有非常大的发展潜力。其测量技术在机械制造、计算机工业、生物医药、航天航空材料、复合材料检测等工业、军用和民用等领域都有着广泛的应用。基于对激光波数扫描技术的深入研究,本文在认真分析和总结国内外激光无损检测技术后,对原有的激光波数扫描相位提取算法进行了改进,并设计了软件控制系统。本文研究的主要内容如下:（1）完成激光波数域频谱的快速相位提取算法的研究,提出了基于误差补偿的相位补偿算法。本文先是阐述了激光波数扫描干涉技术的基本理论原理,对激光波数实时监控使用光楔干涉图像得到的干涉信号进行二维傅里叶变换来实时提取当前波数k的变化值。在干涉信号处理上,针对与传统FFT相位提取算法的相位提取速度慢的问题,本文通过确定k域频谱范围的方式模糊提取相位信息。并通过公式推算得到相位的误差补偿,以提高测量精度。以此本文首次提出了基于误差补偿的快速相位提取算法（FPEAE）提高了干涉信号的计算速率与相位提取精度。（2）完成了激光波数干涉扫描测量系统的软件设计。软件设计分为激光控制器模块与电脑控制端模块。激光控制器模块基于STM32进行编程,结合激光控制器系统的硬件特性,设计了线性调制的激光电流调制方法与激光温度调制方法,并用程序将其实现。而电脑控制端则结合激光波数扫描干涉测量技术的基本原理与测量步骤,设计了一套激光波数扫描干涉测量软件系统。该系统兼容多个CCD相机工业与激光控制器。改进了一部分的测量步骤,给出一些测量所需要的接口与命令,方便实验人员进行测量实验与对比实验结果。（3）使用设计好的程序进行光楔干涉测量实验并给出结果与分析。在激光波数线性调制过程中,对比了电流调制与温度调制的线性化程度,并做了重复性试验以验证软件系统的稳定性,而试验结果也表面,使用本文设计的激光波数干涉扫描软件系统,温度调制的误差RMS低于0.35℃,电流调制的误差RMS低于0.5m A。在光楔干涉测量实验中对比了FPEAE算法比FFT相位提取算法在运算效率上要快1.6到1.8倍,而测量精度也提高了4到5倍。

关键词：激光波数扫描快速相位提取算法干涉信号处理轮廓测量二维傅里叶变换

基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究

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基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量技术研究

作者：吴凯悦浙江理工大学

学位级别：硕士

激光干涉测量技术因高测量精度、高测量分辨率和大测量范围的优点,在纳米位移测量领域有着日益广泛的应用,是推动微电子制造、超精密加工等高端装备制造行业发展的一项基础关键技术。因此开展高精度的激光干涉纳米位移测量技术研究具有... 详细信息

激光干涉测量技术因高测量精度、高测量分辨率和大测量范围的优点,在纳米位移测量领域有着日益广泛的应用,是推动微电子制造、超精密加工等高端装备制造行业发展的一项基础关键技术。因此开展高精度的激光干涉纳米位移测量技术研究具有重要的研究意义与应用价值。本文以激光合成波长干涉仪为研究对象,从提高激光波长稳定度出发,旨在进一步提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度。论文介绍了纳米位移测量技术和激光稳频方法的国内外研究现状,描述了激光合成波长干涉纳米位移测量原理,详细分析了激光单波长和合成波长的稳定性对激光合成波长干涉纳米位移测量不确定度的影响,引出了采用稳频措施提高单波长和合成波长稳定度的必要性,提出了利用激光偏频锁定技术构建稳定的合成波长以提高激光合成波长干涉纳米位移测量精度的方法。基于偏频锁定原理,研究了电光相位调制边带锁定和光锁相环偏频锁定的实现方法,通过将可调谐激光器以65 MHz小偏频锁定至碘稳频He-Ne激光250 MHz相位调制生成的+3阶边带,构建了频差为815 MHz且具有高稳定度的合成波长稳频光源。提出了基于DDS的相位差直接解调的干涉信号处理方法,解决了干涉信号直流漂移与幅值波动导致相位差测量误差的问题,保证了小数位移的高精度测量。采用基于CORDIC算子的反正切运算粗测干涉条纹的大数计数值,提出了一种根据小数位移修正粗测大数位移以实现大小数正确整合的干涉信号处理方法,解决了当被测位移为接近干涉条纹整数倍时易出现大数计数错误的问题。研制了基于SoC的干涉信号处理下位机系统和基于Lab VIEW的上位机系统,实现了合成波长测量功能与位移测量功能。最后搭建了系统整体实验装置,通过频率稳定性测量、合成波长稳定性测量与位移测量三个实验对本文所述的基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量方法进行了验证。频率稳定性测量实验结果表明,激光偏频锁定装置构建了频差为815 MHz、单波长稳定性从2×10提高至1.7×10@1 s、合成波长稳定性从1.2×10提高至1.4×10@1 s的双频光源,在毫米测量范围内引入的位移测量不确定度从纳米级降至皮米级,验证了该激光偏频锁定方法的有效性。合成波长稳定性测量实验结果表明,干涉光路中不共光路引起的死区误差和偏振分光镜安装误差与偏振泄露引起的非线性误差是影响合成波长测量误差的主要因素,在毫米量程内光源波长不稳定和合成波长测量误差实际综合引入的位移测量不确定度最大值为0.4 nm。纳米级步进位移测量与微米级重复位移测量的误差平均值与误差标准差均位于±1 nm范围内,这些位移测量实验结果表明基于偏频锁定的激光合成波长干涉纳米位移测量系统在纳米级、微米级测量范围内具有亚纳米级的位移测量不确定度,综合验证了本文所述用于稳定合成波长的偏频锁定方法和所述激光合成波长干涉信号处理方法的可行性和有效性。

关键词：纳米位移测量激光合成波长干涉仪偏频锁定电光相位调制光锁相环干涉信号处理

超低相噪振荡器设计及放大器相位噪声测量研究

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超低相噪振荡器设计及放大器相位噪声测量研究

作者：张珂东南大学

学位级别：硕士

相位噪声是指单位带宽内噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价振荡器频谱纯度的重要指标。随着军事、雷达和深空探测等领域的发展,超低相噪高性能频率源的设计成为了工程师们的一项重要任务。蓝宝石谐振器由于其... 详细信息

相位噪声是指单位带宽内噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价振荡器频谱纯度的重要指标。随着军事、雷达和深空探测等领域的发展,超低相噪高性能频率源的设计成为了工程师们的一项重要任务。蓝宝石谐振器由于其具有超高的Q值成为了设计超低相噪振荡器的上佳选择,结合低相噪放大器以及锁频环路组成的稳频振荡器可以有效的改善振荡器的相位噪声性能和频率稳定性。本文针对超低相噪蓝宝石振荡器的设计及放大器相位噪声的测量进行了研究。首先,为了对振荡器的相位噪声有更深入的了解,文章先对反馈振荡器基本振荡理论进行了介绍,并由振荡和反馈的理论,对相位噪声的Leeson模型进行了推导,并借助Matlab对该模型的参数优化进行了分析。其次,本文的第三章介绍了蓝宝石基本振荡环路的实现。分析了放大器的相位噪声性能对振荡器相噪的影响,并设计了环路低相噪放大器,构建了主振荡环路并利用信号分析仪对其相噪性能进行测量。测得相噪指标达到了-108dBc/Hz@1kHz和-132dBc/Hz@10kHz。然后,本文的第四章主要介绍了锁频环路的实现过程。首先分析了频率稳定度对改善相位噪声的影响,然后介绍了基于鉴相器的基本锁频环路和干涉锁频环路的分析与实验验证过程。分别搭建出了基于鉴相器的蓝宝石振荡器基本锁频环路和干涉结构锁频环路。我们对不同低频环路增益和滤波带宽情况下振荡器相噪性能分别进行了测试和分析。最后,本文设计了基于干涉结构的放大器附加相位噪声测量系统,实验表明该测量系统的相位噪底达到了-170 dBrad2/Hz,远小于经典的相位噪声测量系统的底噪。然后本文对频率源相位噪声测量系统的实现进行了探索,为后续对超低相噪频率源相噪测量系统的搭建奠定了基础。

关键词：蓝宝石振荡器相位噪声稳频结构干涉信号处理载波抑制相噪测量

基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统搭建与研究

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基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统搭建与研究

作者：张佩翰浙江理工大学

学位级别：硕士

线纹尺作为生活中最为常见的多量值长度量器,可提供各类零件、部件和整机产品有效的长度标准,在长度的量值传递中起到了重要作用。为保证线纹尺在量值传递过程中的精确性,国家各级计量部门需要对线纹尺进行相关检定,而传统的线纹尺检定... 详细信息

线纹尺作为生活中最为常见的多量值长度量器,可提供各类零件、部件和整机产品有效的长度标准,在长度的量值传递中起到了重要作用。为保证线纹尺在量值传递过程中的精确性,国家各级计量部门需要对线纹尺进行相关检定,而传统的线纹尺检定系统存在自动化程度低、测量不准确、稳定性差等问题。为此本文提出一种基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统,利用激光干涉仪作为比对检定标准,配合基于图像处理的线纹测量技术实现线纹尺检定工作,提高线纹尺检定台测量精度与自动化程度。以下为本文主要工作内容与创新点如下:1.从线纹尺检定技术与激光干涉仪实现方法出发,分析线纹尺比对方法与激光干涉仪测量模型,提出基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统设计方案。整体设计方案分为移动台位置测量与线纹位置测量,针对移动台位置测量提出正弦相位调制干涉仪与激光外差干涉仪测量方案,针对线纹位置测量提出以图像采集、灰度值提取、主线纹识别与像素间距计算的线纹位置测量方法,并将移动台位置与线纹位置结合输出线纹尺比对检定结果。2.在基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统设计方案的基础上,进行系统各部分研制工作。使用Redpitaya 125-14作为移动台位置测量系统的开发平台,结合FPGA技术实现高速并行的信号处理,最终得到移动台位移信息。针对正弦调制干涉仪测量系统提出基于互补微分相乘的PGC相位解调算法（PGC-CDM算法）,有效避免了调制深度与相位延迟对相位生成载波技术带来的非线性误差;针对激光外差干涉仪测量系统使用混频滤波鉴相的信号处理方法,实现了高精度的相位检测;两种测量系统综合比较后选择激光外差干涉仪方案作为移动台位置测量系统。使用MER-1070-10GM/GC摄像头研制线纹位置测量系统,并计算线纹位置最大允许误差及摄像头识别的不确定度。基于三维CAD软件Soild Works,完成线纹尺检定台各零部件及整体仿真建模,确保系统实际搭建中不出现装配问题。利用Lab VIEW与Qt Ceator进行系统软件设计,实现了下位机数据获取、光源曝光调整、导轨运动控制及线纹识别与位置获取等功能。3.根据研制的线纹尺检定台系统进行系统整体搭建,并对系统各部分进行多方面精度验证。针对移动台位置测量系统进行稳定性实验,10小时内系统漂移小于500 nm,直线拟合后平均每分钟漂移0.358 nm;并与浙江省计量科学研究院的室内50 m长度标准装置进行100 mm步进比对与1 m、2 m、5 m步进重复性实验:步进实验表明5 m内最大累积偏差为3.5μm,测量精度可达到1 ppm;重复性实验表明系统重复性精度可达到0.8 ppm。针对线纹位置测量系统,利用精度为1μm的棋盘格标定板进行线纹精度测量,综合测量精度能够达到3μm,满足各类线纹尺检定规程和校准规范;并通过综合检定实验检定了5 m钢卷尺的示值误差,并对其进行等级评价。综合证明了基于激光干涉仪的线纹尺检定台系统的实用性与精确性。

关键词：线纹尺检定激光干涉仪干涉信号处理线纹识别技术