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基于FPGA的光梳校准扫频干涉信号处理技术研究

基于FPGA的光梳校准扫频干涉信号处理技术研究

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作者：贾乃姝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

激光扫频干涉测距技术具有测量精度高、可测范围大、非接触测量、无合作目标等优点，而扫频非线性是测量精度的主要影响因素，基于光梳校准的扫频干涉测量技术具有高精度、高稳定、无色散失配等优点，具有极大的发展潜力与实际意义。随... 详细信息

激光扫频干涉测距技术具有测量精度高、可测范围大、非接触测量、无合作目标等优点，而扫频非线性是测量精度的主要影响因素，基于光梳校准的扫频干涉测量技术具有高精度、高稳定、无色散失配等优点，具有极大的发展潜力与实际意义。随着测量效率要求的不断提升，基于现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）处理的光梳校准扫频干涉测量具有快速高精度及小型化等优点，为测量装置的集成与高效提供了可能。本文主要研究内容有：　　针对扫频非线性影响扫频干涉测量精度的问题，分析了扫频非线性对测量的影响，研究了基于飞秒光学频率梳的扫频非线性校正方法，建立了基于光梳校准的扫频干涉测量理论模型，仿真验证了扫频干涉测量非线性校正效果，为基于FPGA的光梳校准扫频干涉测量算法设计和功能实现奠定了理论基础;针对现有非线性校正中重采样方法存在FPGA实现复杂度高、运算速度慢的问题，提出了基于非均匀零插滤波与抽取的等频率间隔重采样校正方法，设计了基于CORDIC算法的激光器频率解算校正预处理算法与功能模块，研究了光梳校准扫频非线性FPGA处理算法与功能设计方案，实现了快速高精度的等光频间隔重采样，通过测试评估了模块运算速度：数据量2×105个采样点情况下，运算时间2.4ms，验证了该方法可行性与高效性;针对扫频干涉信号处理精度受限于FPGA频谱分析IP核输入数据量以及整数倍下采样灵活性差的问题，提出了基于非均匀零插的非整数倍下采样方法，通过灵活调整重采样频率步长实现与频谱分析IP核输入数据量限制的最佳匹配，结合全相位时移相位差频谱校正算法，设计并实现了平衡扫频干涉高精度与高速度的信号处理算法与功能模块，开展测量信号处理实验，相比传统处理方法(快速傅里叶变换+频谱细化)，在同样扫频范围2nm，数据量为2×105个采样点情况下，标准差提升43.6%，验证了算法在精度和抗噪能力上的优越性。　　搭建了光梳校准的扫频干涉测量系统，开展了测距实验。对约12m的光纤式反射镜目标进行测量，通过FPGA信号处理系统进行距离解算，21次测量结果的标准差为5.8μm，系统运算平均速度为8.125ms/次，实现了快速高精度的光梳校准扫频干涉FPGA信号处理。

关键词：扫频干涉测距技术现场可编程门阵列光梳校准测量精度

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基于光梳校准的扫频干涉测距技术研究

基于光梳校准的扫频干涉测距技术研究

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作者：孟祥彬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

扫频干涉测距方法具有测量范围大、非合作目标测量等优点，是重要的高精度测距方法。扫频非线性、测量基准标定、色散失配以及多普勒效应是限制扫频干涉测量精度提高的主要因素。飞秒光频梳是一种由众多频率稳定且间隔严格相等的梳齿组... 详细信息

扫频干涉测距方法具有测量范围大、非合作目标测量等优点，是重要的高精度测距方法。扫频非线性、测量基准标定、色散失配以及多普勒效应是限制扫频干涉测量精度提高的主要因素。飞秒光频梳是一种由众多频率稳定且间隔严格相等的梳齿组成的宽带光源，将高频率稳定度的梳齿作为扫频干涉测距方法的高精度频率基准是解决上述问题的新思路，具有重要研究价值。　　本文研究并解决了现有光梳校准扫频干涉测量方法中存在的问题，进一步提出了基于窄带滤波的光梳校准扫频干涉测距方法，具体研究内容如下：　　针对基于正交移相的光梳校准扫频干涉测量方法中的正交失衡问题，建立了其理论模型，揭示了偏振态和梳齿功率波动是引起正交失衡的关键因素，提出了基于椭圆拟合的正交失衡补偿算法。针对带内噪声引起的频率抖动以及临界采样引起的频率跳变问题，提出了基于局部加权线性回归的抑制方法。设计了验证实验，验证了以上算法的有效性。搭建了测距实验装置，11.7m处光纤反射镜测量标准差小于4.5μm，验证了该测量方法具有较好的重复性。　　针对上述方法中正交失衡无法完全消除的问题，提出了一种基于窄带滤波的光梳校准扫频干涉测距方法。该方法通过窄带滤波进行等梳齿间隔选频来获取频率基准，并结合短辅助干涉仪以提高扫频范围和测距精度。为了提高辅助干涉仪标定精度并降低色散失配补偿复杂度，提出了辅助干涉仪光程差与光纤色散系数同步标定法。标定实验中，频率基准点数量为12284个，为同波长范围内气室法的267倍，辅助干涉仪光程差标定结果的标准差为0.8μm，精度及稳定性高于气室法。色散补偿实验中，补偿后谱宽接近理论值。　　针对多普勒效应引起测距精度下降的问题，提出了基于卡尔曼滤波相位补偿的多普勒效应抑制方法。该方法通过卡尔曼滤波提取被测目标相对振动并以此构建相位补偿因子实现多普勒效应抑制。提出了卡尔曼滤波器初值的优化方法，增强了滤波的鲁棒性。通过仿真与实验验证了该方法的有效性。　　搭建了基于窄带滤波光梳校准的扫频干涉实验装置，4.1m处非合作目标多普勒效应抑制后测距标准差为2.7μm，远小于抑制前的127.9μm;比对实验中，2.7m范围内平均绝对误差不超过2.0μm，测量不确定度优于2.3μm(k=2)。实验表明，本文提出的方法重复性好，可实现高精度非合作目标测距。

关键词：扫频干涉测距光梳校准窄带滤波正交移相

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