双频激光干涉仪的信号处理系统

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.82MB 45 页 15积分

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摘要

随着科学技术的发展，人们对精密测量的要求越来越高，在双频激光干涉仪

系统中，双频激光干涉信号的处理是双频激光干涉测量系统的最后环节，也是影

响双频激光干涉仪测量精度的关键部分。因此，为了提高激光干涉仪的测量精度，

实现真正意义上的纳米测量，双频激光干涉信号处理系统的研究就成为当今重要

研究课题之一。

本课题依托于国家教委博士点基金研究项目(200802520005)，针对纳米量值

溯源和纳米工程测量问题，在理论推导的基础上，重点对双频激光干涉仪信号处

理系统进行分析研究，主要包括微弱激光信号探测器的设计和双频激光干涉信号

处理电路设计以及算法处理。在此基础上设计了一种增益可控、高精度的光电探

测器，同时利用 FPGA 设计了一款高精度数字相位计。

论文包括以下三个方面研究工作：

首先，对微弱激光信号探测的基本方法进行总结研究，分析双频激光干涉仪

中信号处理若干方法，为后文的光电探测器和数字相位计的设计提供了理论参考。

其次，设计并实现了一个增益可调、小型化、高精度的光电探测器，其探测

器系统中的光电检测前置放大模块的最小可探测功率可以达μW数量级，增益可

调幅度范围 20mV ~10V，实验验证系统的硬件电路设计是可行的。探测器的成功

设计为进一步数字信号处理工作做了基础铺垫。

最后，利用 FPGA，采用插脉冲计数方案来计算两路输入信号的相位差，插

脉冲计数方案共包括整数部分和小数部分两部分，整数部分采用对顶错位脉冲消

除方法来减少了整数周期计数对寄存器的占用，小数部分采用插脉冲分时采样方

案，最终实现分辨率可达 11λ/2000 的高精度相位计的设计，并且对所设计的相位

计进行了功能验证。

关键词：微弱信号检测相位测量 FPGA 双频激光干涉仪

ABSTRACT

In a laser interferometer system, the laser interferometer signal processing is the

last part of the laser interferometer measurement system. It is a key part of the factors

affecting the measurement accuracy of the system. Therefore, in order to improve the

measurement accuracy of the laser interferometer and achieve a true sense of the

nano-measurement, the laser interferometer signal processing system has become one

of the critical research topics.

This project, supported by the State Education Commission Doctoral Fund

(200802520005), targeted the nano traceability and nano-engineering measurements

and based on theoretical derivation with emphasis on the laser interferometer signal

processing systems analysis. The project includes the design of weak laser signal

detector and processing algorithm design. Then a gain-controlled, high-precision

photoelectric detector and a high-precision digital phase meter are designed, based on

FPGA.

This paper includes the following three aspects:

First, the summary of the basic methods of detection of weak laser signal analysis

of dual-frequency laser interferometer signal processing. It also provides a theoretical

reference for the design of the photoelectric detector and a digital phase meter.

Secondly, the design of a miniaturized high-precision photoelectric detector with

adjustable gain. The minimum detectable power of the preamplifier module of the

system is down to μW magnitude. The adjustable gain amplitude range is 20mV ~10V.

With experimental verification, the hardware circuit design of the system is feasible.

Finally, calculate the phase difference of two input signals using FPGA and the

method of inserting pulse count which includes integer and fractional parts. The integer

part uses the method of top pulse elimination to reduce the chance of integer cycle

count occupying the register. The fractional part applies pulse time-sharing sampling

solution. The final resolution of the phase meter. reaches up to 11λ/2000. The

experiment results proved that the hardware design and the software codes are feasible.

Key Words: Weak Signal Detection, Phase measurement, FPGA,

Heterodyne interferometer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 引言 ......................................................... 1

§1.2 激光干涉测量技术 ............................................. 1

§1.2.1 单频激光干涉仪测量原理 ................................... 2

§1.2.2 双频激光干涉仪测量原理 ................................... 4

§1.2.3 单频激光干涉仪与双频激光干涉仪的比较 ..................... 5

§1.3 双频激光干涉仪的发展现状 ..................................... 5

§1.4 课题来源及意义 ............................................... 6

§1.5 本文主要研究工作 ............................................. 7

第二章双频激光干涉信号检测与处理方法综述 ............................ 8

§2.1 双频激光干涉信号探测基本方法 ................................. 8

§2.1.1 同步累积法 ............................................... 8

§2.1.2 相关检测法 ............................................... 9

§2.1.3 窄带滤波法 .............................................. 10

§2.1.4 几种微弱信号检测方法比较 ................................ 11

§2.2 双频激光干涉信号处理方法 .................................... 11

§2.2.1 频率解调处理法 .......................................... 11

§2.2.2 混合处理法 .............................................. 13

§2.2.3 相位解调处理法 .......................................... 13

§2.2.4 双频激光干涉信号处理方法比较 ............................ 16

§2.3 本章小结 .................................................... 16

第三章光电探测器的设计 ............................................. 17

§3.1 光电探测器系统设计 .......................................... 17

§3.1.1 光电转换模块 ............................................ 17

§3.1.2 前置放大器电路设计 ...................................... 17

§3.1.3 主放大电路电路设计 ...................................... 18

§3.1.4 滤波器电路设计 .......................................... 20

§3.2 实验验证与分析 .............................................. 21

§3.3 本章小结 .................................................... 23

第四章数字相位计的设计 ............................................. 24

§4.1 核心芯片选型与简介 .......................................... 24

§4.2 数字相位计硬件电路设计 ...................................... 26

§4.2.1 电源电路模块 ............................................ 26

§4.2.2 晶振电路 ................................................ 27

§4.2.3 FPGA 芯片配置电路 ....................................... 27

§4.2.4 LED 显示电路 ............................................ 28

§4.3 双频激光干涉信号处理设计方案 ................................ 29

§4.4 实验验证与分析 .............................................. 31

§4.4.1 整周期计数 .............................................. 31

§4.4.2 脉冲小数计数 ............................................ 33

§4.4.3 实验验证 ................................................ 34

§4.4 本章小结 .................................................... 37

第五章总结与展望 ................................................... 38

§5.1 本文总结 .................................................... 38

§5.2 课题的进一步工作 ............................................ 38

参考文献 ............................................................ 39

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果 ...................... 42

致谢 ............................................................... 43

第一章绪论

§1.1 引言

纳米科学技术是多学科相交叉的前沿学科，是微机械、微电子、航天、生物

工程、材料等科技发展的基础和保证。

随着科学的发展，制造技术也加快了微型化发展的脚步，例如纳米三维测量、

机床的精密加工等发展越来越朝着微观化发展。在微电子制造加工领域，利用纳

米级的光刻机生产制造集成电路已经得到广泛应用，例如目前的晶圆工程的加工

工艺已达 65nm，甚至更高，如果还要获得进一步的发展，则需要提高现有的光

刻技术，同时对加工精度也要有更严格的限制；在生物技术领域，描显微镜对基

因组的分析已经普遍为人们所使用，但是其测量精度越来越不能满足人们的要求；

在精密测量领域，微结构的力学性能与机械性能、弹性模量、谐振频率、疲劳强

度及残余应力等都是目前重要的研究对象，而目前的纳米测量技术已经限制了这

些领域的进一步发展。

随着科学技术的迅猛发展，无论是机器的安装还是元器件的生产，都对精密

度提出越来越高的要求，因此，精密测量的工作也就日益重要起来。

现在一般的机械测量方法己经不能满足人们对位移测量、定位和标定精度日

益发展的需求。为了适应高科技产品的商品化，并提高自身竞争力，各个国家的

工业研究部门和计量测试部门都投入了大量的人力和物力，致力于新的工艺技术、

新型器件以及检测技术的研究。在工业生产需求和科学技术的推动下，激光技术

越来越成熟。激光所具有的方向性、单色性、相干性好等优点，使得它在现代精

密测量中得到广泛应用。随着电子学和光学的发展，数字电路和微机技术的应用

使测量中的信号处理更为便利，激光技术和微机技术的结合，使激光干涉仪实现

了对线位移、线速度等几何量精密测量的自动化，因此，激光干涉仪是精密机械

工业不可缺少的测量工具[1]。

§1.2 激光干涉测量技术

激光与普通光源相比有很多优点，比如单色性好、方向性好、亮度高、相干

性强等，这使得人们越来越多的选择激光作为光源，比如，很多经典的长度测量

方法都是以 He-Ne 激光器作为光源的。目前激光干涉技术中应用最广的是单频激

光干涉仪和双频激光干涉仪，他们都是基于迈克尔逊干涉仪的。激光干涉仪一般

包括激光器、光路元件及信号处理系统等部件，激光干涉仪的发展有如下特点[2~4]：

1. 激光干涉仪的分辨率越来越高。1965 年单频激光干涉仪出现，它的分辨率

为λ/8；人们于 1970 年发明了双频激光干涉仪，它的分辨率提高到了λ/16；然后从

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摘要：

摘要随着科学技术的发展，人们对精密测量的要求越来越高，在双频激光干涉仪系统中，双频激光干涉信号的处理是双频激光干涉测量系统的最后环节，也是影响双频激光干涉仪测量精度的关键部分。因此，为了提高激光干涉仪的测量精度，实现真正意义上的纳米测量，双频激光干涉信号处理系统的研究就成为当今重要研究课题之一。本课题依托于国家教委博士点基金研究项目(200802520005)，针对纳米量值溯源和纳米工程测量问题，在理论推导的基础上，重点对双频激光干涉仪信号处理系统进行分析研究，主要包括微弱激光信号探测器的设计和双频激光干涉信号处理电路设计以及算法处理。在此基础上设计了一种增益可控、高精度的光电探测器，同时利用...

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