基于飛秒光頻梳的正弦相位調(diào)制干涉絕對(duì)距離測(cè)量方法研究.pdf

1、激光干涉測(cè)距技術(shù)作為高精度長(zhǎng)度測(cè)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(guó)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(dòng)，但在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法鋪設(shè)平直導(dǎo)軌的場(chǎng)合難以應(yīng)用，因此無(wú)導(dǎo)軌的絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。高端裝備制造業(yè)的發(fā)展對(duì)測(cè)量范圍和精度提出了更高的要求，急需滿(mǎn)足大范圍和高精度同時(shí)兼顧的絕對(duì)距離測(cè)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(duì)距離測(cè)量方法，將頻率掃描干涉法和多波長(zhǎng)干涉法相結(jié)合，進(jìn)行大范圍、高精

2、度的絕對(duì)距離測(cè)量，并將距離測(cè)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(duì)距離測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其在絕對(duì)距離測(cè)量應(yīng)用中的局限性。為了兼顧測(cè)量范圍和測(cè)量精度，針對(duì)頻率掃描干涉法和多波長(zhǎng)干涉法相結(jié)合的絕對(duì)距離測(cè)量，提出了該技術(shù)目前亟待解決的問(wèn)題。
　　2.針對(duì)頻率掃描干涉法和多波長(zhǎng)干涉法相結(jié)合的絕對(duì)距離測(cè)量中目標(biāo)漂移的監(jiān)測(cè)補(bǔ)償問(wèn)題，提

3、出了帶監(jiān)測(cè)干涉儀的正弦相位調(diào)制干涉絕對(duì)距離測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)，其中測(cè)量干涉儀以780nm波段的ECDL為光源，監(jiān)測(cè)干涉儀以He-Ne激光器為光源，兩干涉儀的干涉信號(hào)按照光譜波段通過(guò)二向色鏡分離探測(cè)。對(duì)基于光頻梳的頻率掃描干涉法絕對(duì)距離粗測(cè)和多波長(zhǎng)干涉法絕對(duì)距離精測(cè)原理分別進(jìn)行了理論分析，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了測(cè)量理論的正確性。
　　3.為了提高絕對(duì)距離測(cè)量中的干涉信號(hào)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(guò)尋

4、找正交信號(hào)的最大值求取相位延遲，將其補(bǔ)償至載波信號(hào)中使得載波信號(hào)與干涉信號(hào)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(cè)和電路傳輸?shù)纫鸬妮d波相位延遲問(wèn)題;提出了基于正交信號(hào)實(shí)時(shí)歸一化的非線(xiàn)性誤差修正方法和基于固定相位差法的非線(xiàn)性誤差實(shí)時(shí)評(píng)估方法，解決了PGC-Arctan解調(diào)中非線(xiàn)性誤差的修正和評(píng)估問(wèn)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(xiàn)性誤差修正和評(píng)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(duì)距離測(cè)量系統(tǒng)，包括干涉測(cè)量模塊、光源模塊、信號(hào)采集和處理模塊以及空氣折射率測(cè)量和補(bǔ)償模塊，對(duì)各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行介紹，并通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各個(gè)模塊的性能。干涉測(cè)量模塊中，結(jié)合PGC-Arctan解調(diào)中非線(xiàn)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(dòng)干涉儀，改進(jìn)了絕對(duì)距離干涉測(cè)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(zhǎng)期鎖定，100分鐘的長(zhǎng)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(hào)采集和處理模塊中，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號(hào)采集與處理系統(tǒng);空氣折射率測(cè)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(cè)量精度，空氣折射率測(cè)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(duì)絕對(duì)距離測(cè)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(xiàn)性誤差的

7、實(shí)時(shí)修正和評(píng)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(xiàn)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(duì)距離測(cè)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(duì)，分別在測(cè)量穩(wěn)定性、線(xiàn)性位移測(cè)量能力、微米級(jí)步進(jìn)測(cè)量和大行程內(nèi)的距離測(cè)量等幾個(gè)方面對(duì)絕對(duì)距離測(cè)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(duì)距離測(cè)量的相對(duì)穩(wěn)定性可達(dá)6.4×10-8;近端(1m處)和遠(yuǎn)端(8