基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

傅里叶变换光谱仪自适应校正系统的研究

1傅里叶变换光谱仪的概述 傅里叶变换光谱仪的基本结构如图1所示. 图1中M1和M2分别为干涉仪的定镜和动镜,BS为分束片和补偿片,RL为参考激光,LD和D为参考激光和红外探测器.其中D为单元探测器.LD在不采用定镜动态校正方案时参考光路的作用是为系统作动镜的速度测量和控制,同时为工作信号提供采样信号.工作时,动镜M2作扫描运动,使动镜和定镜的等效像面M1'产生光程差,从而产生干涉信号.干涉信号经过傅里叶变换透镜在探测器上形成随时间(光程)变化的干涉图,将干涉图进行逆傅里叶变换就得到了光谱分布.     

基于单片机的高精度迈克尔逊干涉仪动镜调速系统设计

傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪在环境和大气污染气体成分检测中起着非常重要的作用,其核心光学部件是迈克尔逊干涉仪.为实现干涉仪的平稳运动,提出一种基于ATMEL89C52单片机的干涉仪驱动系统,在激光干涉信号配合下,通过反馈控制,该系统实现了比较匀速的速度控制和精确的位置控制,满足光谱仪对干涉仪的速度要求.     

偏振耦合测试及其振动干扰信号分析

理论分析了偏振模式耦合的原理,给出了基于白光干涉的偏振耦合检测方法。通过步进电机控制迈克耳孙干涉仪扫描臂的反射镜移动,改变干涉仪两臂之间的光程差(OPD),补偿了由于偏振耦合而形成的两偏振光从保偏光纤(PMF)出射时的光程差,实现了对保偏光纤的偏振耦合强度和位置的测试。扫描过程中扫描臂反射镜的振动会对输出信号产生不良影响,对此振动信号进行了仿真及实验研究,分析了它对输出信号的影响。在不同的扫描速度下,采用Hilbert变换和最小二乘高斯非线性回归分析提取白光干涉包络,求解耦合强度,验证了振动信号的幅度和频率与扫描速度有关,以及它对耦合强度检测精度的影响。结果表明该测试系统动镜的扫描速度在0.7～0.9mm/s时,偏振耦合强度的检测误差最小。     

基于PID控制的FTIR光谱仪伺服控制系统设计

傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪在环境和大气污染气体成分检测中起着非常重要的作用,其核心光学部件是迈克尔逊干涉仪.为实现干涉仪的平稳运动,保证光机扫描的稳定性和重复性,提出一种基于ATMEL89C52单片机的伺服控制系统,在激光干涉信号和白光干涉信号的配合下,通过PID控制,系统实现了比较匀速的扫描速度控制和精确的位置控制,满足光谱仪对干涉仪的运动要求.     

利用白光干涉垂直扫描法测量波片延迟量

将白光偏振干涉、迈克耳孙干涉仪和垂直扫描系统相结合,提出了一种利用白光干涉垂直扫描测量波片延迟量(包括级次信息)的方法。准直的白光经偏振干涉系统形成两束偏振方向相同的线偏光,它们进入迈克耳孙干涉仪后分别被两干涉臂的平面镜反射形成四束光,在压电传感器(PZT)驱动干涉仪动镜垂直扫描的过程中,它们两两干涉,形成3组白光干涉包络。根据CCD各像素记录的白光干涉信号,计算白光干涉包络之间的光程差,即可获取被测延迟量。实验测量了一多级波片的延迟量,其结果(4268.1nm)与使用光谱扫描法测量得到的结果(4269.9nm)相吻合。     

大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号光谱反演

为快速实现大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号的光谱反演,通过分析大摆角摆臂式干涉仪的工作过程和干涉信号的非线性对光谱反演的影响,提出了基于非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)的光谱反演方法。该方法先利用核函数和卷积算法让非线性干涉信号线性化,然后对线性化的干涉信号进行快速傅立叶变换实现光谱反演。实验将光程差替换法和NUFFT算法分别应用于非线性干涉信号的光谱反演。结果表明:两者光谱反演精度相近,但NUFFT算法速度更高。     

基于DSP的弹光调制干涉具干涉数据的实时处理系统

弹光调制干涉具中光程差的非线性带来了干涉信号的非均匀变化,在光谱复原过程中,如不对干涉数据修正直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱会导致光谱严重失真,难以满足实时处理要求。首先提出采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)实现光谱复原,其次设计了一种基于高性能DSP芯片OMAP-L138的干涉数据处理系统,它将高速数据采集卡PCI-5122采集到的671.1 nm激光干涉数据进行存储并完成其实时光谱复原。研究结果表明:这套干涉数据实时处理系统操作简单,运行可靠。复原671.1 nm激光的波长误差小于1 nm,谱线位置误差小于0.1％,为后期采用高性能DSP的弹光调制傅里叶变换光谱仪提供了很好的前提基础。     

一种中频差外差信号处理的整数检测法

分析总结了已有外差干涉信号处理方法的不足。这些方法均不能移植用于处理中频差。提出了一套基于CPLD的中频差外差信号处理的整数检测方案。为减少加减计数器的冗余工作提出了纯数字电路的对顶、错位脉冲消除预处理法。这种预处理通过引入时钟脉冲,可对时钟脉宽两倍以上信号进行可靠的对顶错位脉冲消除。用VHDL语言设计实现了28位加减计数器。结合已研制成功的3—40MHz频差的双频激光器,期望将双频激光干涉仪的测速提升到4m／s或者更高。     

光干涉方法在角度偏差测量中的应用

介绍了应用光学干涉原理测量棱镜光学平行差的方法.棱镜可等效展开为玻璃平板,其入射面与出射面的光程差恒定,通过波长调谐方法,改变等效玻璃平板之间的位相差,从而用移相干涉术测量了光学棱镜的光学平行差.介绍了一种立方体玻璃90°偏差测量的新方法,斐索干涉仪的测试光束以45°入射到立方体玻璃内,入射波面经立方体90°二面角自准直反射,与干涉仪参考波面相干形成干涉图.分析了干涉波面与立方体玻璃二面角误差之间的关系,并通过移相式干涉仪给出了实测结果.     

可实现零光程差的红外静态斜楔干涉具研究

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差, 进而影响光谱反演的准确性和复杂性。文中提出一种可以实现零光程差的斜楔干涉具, 通过对传统斜楔倾斜面的改进, 使其可以实现被测光包含零光程差的干涉信号, 理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式, 并推导得出对应的光谱反演公式;采用硒化锌(ZnSe)材料设计了该斜楔, 对其干涉信号、光程差和光谱反演进行了仿真研究, 并采用10.64 m激光器对其进行实验分析, 实验结果显示该斜楔干涉信号清晰, 光程差可以实现1 450 m, 反演光谱的误差为0.1%。     

弹光调制器的频率漂移特性及其傅里叶变换光谱的稳定性研究

弹光调制器作为高Q值的谐振器件,在高压谐振下,其谐振频率将随着自身温度升高漂移,影响了弹光调制干涉仪的稳定性和重建光谱的准确性。在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于频率跟踪和幅值调节的弹光调制器双闭环自适应驱动控制方法。在该方法中,采用数字锁相技术的频率自扫描方法实现驱动频率对弹光调制器谐振频率的跟踪;基于检测参考激光干涉图的最大光程差的变化调节驱动信号的幅值,以实现重建光谱的稳定控制,同时基于参考激光的最大光程差参数实现重建光谱的定标。在实验中该驱动控制方法应用到弹光调制傅里叶变换光谱仪中,实现了驱动频率对弹光调制器谐振频率的实时跟踪和高压功放电路的幅值调节,使得干涉图的最大光程差稳定在0.236 nm左右,其精密度为3.3%;重建光谱的最大相对误差为2.5%。此实验验证了该方法能有效稳定弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。     

大光程差、宽场、消色差、热补偿型迈克耳孙风成像干涉仪动镜倾斜误差分析

大光程差、宽场、消色差、热补偿型风成像干涉仪是在一定的基准光程差的基础上,通过动镜步进的方法,获得观测目标在一个波长范围内间隔为λ/4的4个干涉强度,并依此推算出高层大气的风速、气压、温度的新型风场探测装置。而在干涉仪的工程研制和实际风场测量过程中不可避免地存在着基准光程差误差、步长误差以及动镜倾斜误差等。为了精确地掌握这些误差对最终观测结果的影响以更好地满足风成像干涉仪的工程化和实际应用,对在一定的不确定度范围内的动镜倾斜误差进行了理论计算和分析,得到并给出了动镜倾斜误差的计算方法,计算了在误差允许范围内的动镜倾斜容限,并通过计算机模拟讨论并分析了研究结果。这些研究工作对风成像干涉仪的理论研究、技术创新、研制、性能改进和工程化都具有理论与实践指导意义,并为其更好地应用于高层大气风场被动探测提供了理论依据。     

一种基于光学杠杆的新型精密角度传感器研究

在精密角度传感器中,灵敏度和噪声性能是影响传感器精度的主要因素.为了提高角度传感器的灵敏度和噪声性能水平,采用以光学杠杆为基础,与萨格纳克效应(Sagnac)干涉仪结合的方法来建立一种新型的精密角度传感器.Sagnac干涉仪的干涉图样在相消干涉时对2个相干光束的光路差很敏感,而光学杠杆又可将光路差放大,从而提高灵敏度.同时,Sagnac干涉仪的相消干涉能抑制某些噪声源,从而提高噪声性能.通过实验仿真,验证了这种方法构建的精密角度传感器具有较高的灵敏度和噪声性能水平.     

有稳定回路的纤维光学角速度传感器

本文提出在环形偏振激光干涉仪的基础上增加反馈稳定回路,用补偿法直接测量光程差,从而可增加角速度传感器输出的稳定性,减小干扰误差和保证精确度.     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

傅里叶光谱仪平动式光程扫描控制系统设计

为实现大气痕量气体的临边和天底超光谱探测,利用时间调制型傅里叶变换光谱仪获取光谱信息,其干涉仪控制系统中光程扫描速度稳定度≥99.5%。针对光程扫描行程长,扫描速度稳定性要求高,设计平动式光程扫描的干涉仪控制系统,并给出扫描实现原理图。由于控制系统存在摩擦力、振动等干扰导致扫描速度波动,理论分析其对干涉信号强度和反演光谱的影响。鉴于角镜扫描运动和扰动具有周期性特点,提出插入式重复控制器来抑制周期性干扰,改善动镜运动速度的匀速性。对控制策略进行MATLAB数值仿真和实验验证,实验结果表明:当角镜以10.625 mm/s运动时,插入式重复控制器可逐周期地改善角镜运动稳定度,最终位移误差为±0.000 25 mm,速度误差为±0.000 4 mm/s;满足速度稳定度≥99.5%的要求。     

外差激光干涉测长非线性误差的消除

外差激光干涉仪能够通过光波细分达到亚纳米分辨率,因而在科学研究和精密机械制造中得到了广泛应用。然而,由于光学系统中不可避免的缺陷,导致被测信号中出现一个附加的相位误差,使测到的相位移和被测长度不呈线性关系,成为现有激光干涉仪难以逾越的精度极限。为此,通过光学相位补偿理论的研究得出一种消除激光干涉仪非线性误差的方法,它可以应用在大部分科学实验和工业制造中的纳米长度测量中,而且不论是一阶或二阶误差都可以通过这个方法被消除。     

高精度数据采集电路设计及通道交叉干扰分析

为满足多路远距离电流信号高精度采样的需求,设计了一种基于FPGA的高精度多通道数据采集存储电路。分析了测量电路各模块误差产生的原因,用电路等效理论推导了多通道采集时通道间交叉干扰引入的测量误差,从设计角度出发,提出了减小误差提高测量精度的方法。对设计的多通道采集电路进行了多次测试实验,测试结果表明,采集电路可实现对8路4~20mA电流信号高精度采集测量,测量精度优于0.1%。