基于锁相放大的外差激光干涉仪非线性测试技术研究

摘要

随着纳米级超精密领域，如引力波探测，的迅猛发展，外差干涉仪的研究越来越受到国内外研究学者的重视，其测量精度由纳米量级向皮米量级不断提升。周期非线性误差是外差激光干涉仪的测量误差之一。非线性的测试是评价干涉仪性能指标和辅助干涉仪优化的重要方式，受到越来越多的关注。
　　本文针对传统的锁相放大式非线性测试方法存在的工作带宽窄、无法对非匀速运动的情况进行谐波分析、测试结果存在漂移的问题，研究了传统的锁相放大式非线性测试法的误差模型，提出了基于双锁相的非线性测试原理、非线性与位移同步测试技术和自适应的非线性测试算法，并基于以上原理设计了基于双锁相放大的非线性测试系统，主要研究内容如下：
　　首先，建立了传统的锁相放大式非线性测试方法的误差模型。分析了传统的锁相放大式非线性测试法的动态性能，包括其工作带宽和对不同类型的干涉系统的适用情况；从光源光强的变化和被测目标运动过程中光强的变化两个角度，分析了干涉系统光强变化对传统的锁相放大式非线性测试结果的影响；分析了锁相放大器本身存在的频率、相位和幅度测量误差对最终的非线性测试结果的影响。
　　针对传统的锁相放大法存在的工作带宽窄的问题，提出了基于双锁相放大的非线性测试原理，利用双锁相放大板卡内部产生的参考信号进行锁相，使其可适用于更多的干涉系统，并增大了其工作带宽；针对传统的锁相放大法存在的测试的适用范围有限、不易对被测目标非匀速的运动情况进行谐波分析的问题，提出了非线性与位移同步测试技术，使该测试系统对于不同的被测目标运动类型均可得出均匀的非线性，便于进行谐波分析；针对传统的锁相放大法存在的测试结果存在漂移的问题，提出了自适应的非线性测试算法，降低了光强波动对非线性测试结果的影响。
　　基于双锁相放大原理、非线性与位移同步测试技术和自适应的非线性测试算法，设计了基于双锁相放大的非线性测试系统。该测试系统先根据干涉系统的参考信号与测量信号的特性，由前置信号处理模块对输出信号进行放大和滤波；再由双锁相放大模块利用内部产生的参考信号对两路输出信号分别进行混频滤波；最后由非线性与位移信号处理平台利用自适应的非线性测试算法得出干涉系统的非线性与位移的关系。
　　最后，通过多组实验分析本课题提出的非线性测试系统的性能。首先对比了传统的锁相放大法和本课题提出的基于双锁相放大的测试方法的实验结果，包括测试系统的本身存在的误差和干涉系统的非线性测试结果，实验结果表明，本课题设计的非线性测试系统具有更大的适用范围且系统本身存在的测试误差较小，该系统可分辨2pm的非线性，最大测试速度为0.8m/s，对哈尔滨工业大学研制的超精密外差激光干涉系统进行非线性测试，其非线性为90pm，一阶非线性为57pm。并在被测目标匀速运动的状态下，对同一套干涉系统进行了频谱法的非线性测试，其测试结果与本课题提出的测试系统的测试结果基本一致。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 传统的锁相放大式周期非线性测试原理及误差模型分析

2.1 引言

2.2 锁相放大式周期非线性测试原理分析

2.3 锁相放大式周期非线性测试误差模型的建立与分析

2.4 本章小结

第3章 基于双锁相放大的周期非线性测试原理

3.1 引言

3.2 双锁相放大原理

3.3 非线性与位移同步测试技术研究

3.4 自适应的锁相放大式周期非线性测试算法

3.5 非线性测试系统各模块精度分析

3.6 本章小结

第4章 基于双锁相放大的周期非线性测试系统设计

4.1 引言

4.2 系统装置总体方案设计

4.3 前置信号处理和模数转换模块

4.4 双正交锁相放大模块

4.5 非线性与位移信号处理平台

4.6 本章小结

第5章 周期非线性测试实验与分析

5.1 引言

5.2 传统的锁相放大式非线性测试实验

5.2 基于双锁相放大的非线性测试实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢