基于飛秒光頻梳的正弦相位調(diào)制干涉絕對距離測量方法研究.pdf

1、激光干涉測距技術(shù)作為高精度長度測量手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于超精密加工、高端裝備裝配和國防工程等領(lǐng)域中。增量式激光干涉儀需要目標(biāo)連續(xù)移動，但在測量現(xiàn)場無法鋪設(shè)平直導(dǎo)軌的場合難以應(yīng)用，因此無導(dǎo)軌的絕對距離測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。高端裝備制造業(yè)的發(fā)展對測量范圍和精度提出了更高的要求，急需滿足大范圍和高精度同時(shí)兼顧的絕對距離測量技術(shù)。為此，本文提出了基于飛秒光頻梳的正弦相位調(diào)制干涉絕對距離測量方法，將頻率掃描干涉法和多波長干涉法相結(jié)合，進(jìn)行大范圍、高精

2、度的絕對距離測量，并將距離測量直接溯源至原子鐘基準(zhǔn)。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　1.詳細(xì)分析了飛行時(shí)間法和激光干涉法的絕對距離測量技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了每種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其在絕對距離測量應(yīng)用中的局限性。為了兼顧測量范圍和測量精度，針對頻率掃描干涉法和多波長干涉法相結(jié)合的絕對距離測量，提出了該技術(shù)目前亟待解決的問題。
　　2.針對頻率掃描干涉法和多波長干涉法相結(jié)合的絕對距離測量中目標(biāo)漂移的監(jiān)測補(bǔ)償問題，提

3、出了帶監(jiān)測干涉儀的正弦相位調(diào)制干涉絕對距離測量方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)，其中測量干涉儀以780nm波段的ECDL為光源，監(jiān)測干涉儀以He-Ne激光器為光源，兩干涉儀的干涉信號按照光譜波段通過二向色鏡分離探測。對基于光頻梳的頻率掃描干涉法絕對距離粗測和多波長干涉法絕對距離精測原理分別進(jìn)行了理論分析，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了測量理論的正確性。
　　3.為了提高絕對距離測量中的干涉信號相位解調(diào)精度，提出了一種載波相位延遲實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法，通過尋

4、找正交信號的最大值求取相位延遲，將其補(bǔ)償至載波信號中使得載波信號與干涉信號的載波項(xiàng)同相位，解決了反正切法相位生成載波(PGC-Arctan)解調(diào)中由光路傳播、光電探測和電路傳輸?shù)纫鸬妮d波相位延遲問題;提出了基于正交信號實(shí)時(shí)歸一化的非線性誤差修正方法和基于固定相位差法的非線性誤差實(shí)時(shí)評估方法，解決了PGC-Arctan解調(diào)中非線性誤差的修正和評估問題;仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出載波相位延遲補(bǔ)償算法以及非線性誤差修正和評估方法的有效性。

5、　　4.設(shè)計(jì)了基于光頻梳的正弦相位調(diào)制干涉絕對距離測量系統(tǒng)，包括干涉測量模塊、光源模塊、信號采集和處理模塊以及空氣折射率測量和補(bǔ)償模塊，對各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行介紹，并通過測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各個(gè)模塊的性能。干涉測量模塊中，結(jié)合PGC-Arctan解調(diào)中非線性誤差的實(shí)時(shí)修正方法，提出了基于EOM的正弦相位調(diào)制差動干涉儀，改進(jìn)了絕對距離干涉測量光路結(jié)構(gòu);光源模塊中，設(shè)計(jì)了慢反饋模塊實(shí)現(xiàn)了ECDL至飛秒光頻梳的長期鎖定，100分鐘的長期鎖定實(shí)驗(yàn)

6、，ECDL的頻率穩(wěn)定度可達(dá)5.4×10-12;信號采集和處理模塊中，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號采集與處理系統(tǒng);空氣折射率測量和補(bǔ)償模塊中，根據(jù)Ciddor經(jīng)驗(yàn)公式和各環(huán)境參數(shù)傳感器的測量精度，空氣折射率測量不確定度為2.04×10-8。結(jié)合各模塊的結(jié)構(gòu)和功能，對絕對距離測量系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的互聯(lián)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。
　　5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PGC-Arctan解調(diào)中載波相位延遲的實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法和非線性誤差的

7、實(shí)時(shí)修正和評估方法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的相位延遲補(bǔ)償器的補(bǔ)償精度優(yōu)于0.1°，補(bǔ)償后非線性誤差最大值為0.25°。
　　6.搭建了基于飛秒光頻梳的正弦相位調(diào)制干涉絕對距離測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，并與增量式激光干涉儀實(shí)驗(yàn)比對，分別在測量穩(wěn)定性、線性位移測量能力、微米級步進(jìn)測量和大行程內(nèi)的距離測量等幾個(gè)方面對絕對距離測量系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:4.5m處絕對距離測量的相對穩(wěn)定性可達(dá)6.4×10-8;近端(1m處)和遠(yuǎn)端(8