基于干涉条纹形状的二维角位移测量方法的研究

摘要

在精密计量测试中，对小角度的测量精度提出了很高的要求。高精度的二维角位移测量系统具有广阔的应用前景。为此，本文展开研究，其核心内容主要包括两个方面：(1)基于干涉条纹形状的二维角位移测量原理与方案的研究；(2)基于干涉条纹信号处理算法的研究。其主要研究内容和所取得的研究成果如下：
　　 首先，在分析迈克耳逊干涉条纹形状(方向与宽度)与光线夹角关系的基础上，提出了一种二位角位移的测量方法。在迈克耳逊干涉原理为基础上，设计了光学二维角位移测量系统，并通过理论建模，从理论上推导了干涉条纹间距、方向与光线夹角之间的关系模型，最后用大型仿真工程软件Matlab进行仿真。
　　 应用了波长调制技术。针对于四象限在受环境光强、光斑质量与电噪声等的影响时，无法高精度获取静止干涉条纹的形状信息，提出了波长调制方法，即通过在激光器两端加载不同的调制电路(如正弦波、锯齿波、三角波等)，可改变激光波长，使干涉条纹由静止变运动。
　　 提出应用高精度的四象限光电管QPD接收运动的干涉条纹，通过求取四象限横、纵方向上相邻QPD的相位差，来获取干涉条纹的形状信息，相对于传统的CCD接收干涉条纹信息，具有反应快，操作简单且造价低廉。
　　 应用高速A/D对四象限同步采集，并寻找适合的算法对采集信号进行处理求解两列被调制的光强信号相位差。鉴于相位差提取的直接决定测量的精度，本文提出了一种高精度求解两列被调制的光强信号相位差的算法，其本文处理过程如下：首先通过卷积滤波，再应用多次逼近法，反复求代、判断，利用相关性求取信号的高精度相位差，此算法极大地抑制了噪音的影响，提高了整个测量系统的精度。
　　 最后，通过对测量系统的误差分析，得出误差主要来源于：1、半导体激光器输出波长不一致，波长易受外界的影响。2、算法主要针对于恒定频谱，当频谱发生变化时，引入误差。3、波长调制方法，引入非相关信号，带入误差。
　　 通过大量实验验证，该测量仪线性度、重复性好，测量精度高。测量范围为-100