單頻激光干涉系統(tǒng)性能優(yōu)化及高精度測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，激光干涉測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。一方面因?yàn)槲㈦娮印⑽C(jī)械、微光學(xué)和現(xiàn)代超精密機(jī)械加工工業(yè)提出了愈來愈高的測(cè)量精度需求并同時(shí)要求更大的量程，而其它方法難于勝任，只有激光干涉測(cè)量技術(shù)可以在大量程內(nèi)達(dá)到高精度的測(cè)量準(zhǔn)確度;另一方面當(dāng)代激光干涉測(cè)量技術(shù)自身具有靈敏度高、量程大及可以適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光波又具有直接對(duì)米進(jìn)行定義且容易溯源的特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
　　目前對(duì)于單頻

2、激光干涉測(cè)量技術(shù)的研究主要集中于兩個(gè)方面:一是在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的對(duì)小量程的更高精度測(cè)量及分辨率（納米及亞納米）測(cè)試技術(shù)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(dòng)化及集成化程度更高和允許測(cè)量速度更高的測(cè)試系統(tǒng)的研究。對(duì)于以上內(nèi)容的研究主要?dú)w結(jié)為以下三個(gè)方面:(1)抗干擾性能更強(qiáng)、精度更高的頻率穩(wěn)定方法;(2)背景噪聲處理技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)等;(3)可減小或補(bǔ)償非線性誤差，對(duì)加工及安裝精度要求不苛刻的光路結(jié)構(gòu)及對(duì)折

3、射率的影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取?br>　　改善單頻激光干涉儀存在的這些弊端，增強(qiáng)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(jì)量領(lǐng)域發(fā)展，還可使單頻激光干涉儀走出實(shí)驗(yàn)室，跨入工廠的生產(chǎn)車間，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，使其適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)于低成本、高準(zhǔn)確度的要求，以滿足科研及生產(chǎn)的需求。所以，對(duì)于單頻激光干涉系統(tǒng)的研究具有非常重要的理論價(jià)值及實(shí)際意義。
　　本課題研究了單頻激光干涉系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方法及其優(yōu)化調(diào)校，在此基礎(chǔ)上應(yīng)

4、用該系統(tǒng)研制了可變光程的激光測(cè)長機(jī)，并應(yīng)用該激光測(cè)長機(jī)對(duì)量塊在不同姿態(tài)下的長度變化量進(jìn)行了測(cè)量。
　　(1)針對(duì)傳統(tǒng)的兩路信號(hào)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(diǎn)，本文提出了四路信號(hào)單頻激光干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)較雙頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小了非線性誤差來源，通過光路的設(shè)計(jì)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(shí)，四路信號(hào)系統(tǒng)具有良好的對(duì)稱性，可以有效抑制共模噪聲的產(chǎn)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(duì)該系統(tǒng)信號(hào)的特點(diǎn)，提出四路信號(hào)預(yù)處理方法。其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括:光電轉(zhuǎn)換，抗干擾自適應(yīng)系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換和非線性誤差最小二乘擬和算法等幾部分。重點(diǎn)分析了自適應(yīng)系統(tǒng)并提出非線性誤差最小二乘擬和算法，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。
　　(3)研究了單頻激光干涉系統(tǒng)非線性誤差的調(diào)校方法，總結(jié)了調(diào)整光路的基本原則。分析了光學(xué)元件優(yōu)化調(diào)校對(duì)單頻激光干涉系統(tǒng)的性能提升的影響。在此基礎(chǔ)提出了最優(yōu)控制優(yōu)化調(diào)

6、校方法，并通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最優(yōu)控制優(yōu)化調(diào)校方法可以使該系統(tǒng)獲得較為理想的性能指標(biāo)。
　　(4)建立了干涉系統(tǒng)的噪聲數(shù)學(xué)模型，研制了自適應(yīng)系統(tǒng)，提高儀器的抗干擾能力和測(cè)量精度。
　　將激光干涉儀應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域以來，各國學(xué)者都對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域。論文系統(tǒng)性的研究了激光干涉儀的發(fā)展進(jìn)程及其應(yīng)用范圍，創(chuàng)新性的