單頻激光干涉系統(tǒng)性能優(yōu)化及高精度測量技術研究.pdf

1、隨著科學技術的進步，激光干涉測量技術在各個領域都得到相當廣泛的應用。一方面因為微電子、微機械、微光學和現(xiàn)代超精密機械加工工業(yè)提出了愈來愈高的測量精度需求并同時要求更大的量程，而其它方法難于勝任，只有激光干涉測量技術可以在大量程內達到高精度的測量準確度;另一方面當代激光干涉測量技術自身具有靈敏度高、量程大及可以適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，同時光波又具有直接對米進行定義且容易溯源的特點，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到了非常廣泛的應用。
　　目前對于單頻

2、激光干涉測量技術的研究主要集中于兩個方面:一是在計量實驗室環(huán)境下的對小量程的更高精度測量及分辨率（納米及亞納米）測試技術的研究;二是在一般環(huán)境下使干涉儀的抗干擾性能更好、可靠性更佳、自動化及集成化程度更高和允許測量速度更高的測試系統(tǒng)的研究。對于以上內容的研究主要歸結為以下三個方面:(1)抗干擾性能更強、精度更高的頻率穩(wěn)定方法;(2)背景噪聲處理技術及信號處理技術等;(3)可減小或補償非線性誤差，對加工及安裝精度要求不苛刻的光路結構及對折

3、射率的影響進行補償?shù)取?br>　　改善單頻激光干涉儀存在的這些弊端，增強其抗干擾能力，優(yōu)化其非線性誤差，不僅可以使其向納米計量領域發(fā)展，還可使單頻激光干涉儀走出實驗室，跨入工廠的生產車間，從而擴展其應用范圍，使其適應現(xiàn)代工業(yè)化生產對于低成本、高準確度的要求，以滿足科研及生產的需求。所以，對于單頻激光干涉系統(tǒng)的研究具有非常重要的理論價值及實際意義。
　　本課題研究了單頻激光干涉系統(tǒng)的原理、結構、數(shù)據處理方法及其優(yōu)化調校，在此基礎上應

4、用該系統(tǒng)研制了可變光程的激光測長機，并應用該激光測長機對量塊在不同姿態(tài)下的長度變化量進行了測量。
　　(1)針對傳統(tǒng)的兩路信號單頻激光干涉系統(tǒng)存在抗干擾能力差，系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳的缺點，本文提出了四路信號單頻激光干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)較雙頻系統(tǒng)結構簡單，減小了非線性誤差來源，通過光路的設計和采用偏振分光鏡，使得反射光完全不返回激光器，從而具有光隔離器的作用。同時，四路信號系統(tǒng)具有良好的對稱性，可以有效抑制共模噪聲的產生，提升單頻激光干涉系統(tǒng)

5、的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　(2)針對該系統(tǒng)信號的特點，提出四路信號預處理方法。其主要實現(xiàn)的功能包括:光電轉換，抗干擾自適應系統(tǒng)，模數(shù)轉換和非線性誤差最小二乘擬和算法等幾部分。重點分析了自適應系統(tǒng)并提出非線性誤差最小二乘擬和算法，并進行了相關的仿真實驗。
　　(3)研究了單頻激光干涉系統(tǒng)非線性誤差的調校方法，總結了調整光路的基本原則。分析了光學元件優(yōu)化調校對單頻激光干涉系統(tǒng)的性能提升的影響。在此基礎提出了最優(yōu)控制優(yōu)化調

6、校方法，并通過測量實驗驗證了最優(yōu)控制優(yōu)化調校方法可以使該系統(tǒng)獲得較為理想的性能指標。
　　(4)建立了干涉系統(tǒng)的噪聲數(shù)學模型，研制了自適應系統(tǒng)，提高儀器的抗干擾能力和測量精度。
　　將激光干涉儀應用于測量領域以來，各國學者都對其發(fā)展傾注了很多心血，使其得到飛速發(fā)展。激光干涉理論的不斷豐富和發(fā)展，使得各種類型的干涉儀不斷推陳出新，且每種激光干涉儀都有其各自的應用領域。論文系統(tǒng)性的研究了激光干涉儀的發(fā)展進程及其應用范圍，創(chuàng)新性的