红外激光外差干涉仪高精度相位提取算法研究

摘要

随着航天等国家重要科技工程的开展，随之对大口径光学材料的均匀性，高精度测量需求也更为迫切。但对不能投射可见光的一些光学材料，如Ge、S i、PbS等红外光学材料，现有的激光干涉仪就无法进行测量。而这些红外材料在光电子精密装备、红外相机、大型激光器窗口、半导体硅片等红外高精尖设备中应用还相当广泛。由于以上背景原因，论文通过模拟仿真的方法，对MEMS扫描红外激光外差干涉仪测量精度的一些关键性问题进行深入研究。为了应对干涉仪对数据处理的需要，论文的研究重点在于高精度数据处理算法。算法用来提取相位差信息，进一步处理之后就可以得到待测样品的离散厚度信息。
　　第一，对红外激光外差干涉仪的各个模块的原理结构进行了简要介绍，还对MEMS扫描系统结构原理以及数据采集卡的采集原理等进行了简述。此外，对外差信号提取算法上的国内外研究进展进行了较为详尽的分析。最终确立了本文所用的三种相位提取算法，并拟定了最后的实验总体方案。并且对三种算法（最小二乘法，IQ正交解调法还有快速傅立叶算法）的数学原理与逻辑进行了理论分析与阐述。
　　第二，采用MATLAB软件对三种算法进行了比较仿真研究，主要研究项目有：算法的运算速度与精度以及采样频率、信号频率、信噪比大小对三种算法计算精度的影响并进行对比分析，之后根据分析结果优选出应用于半实物仿真的最优算法。还使用仿真的方法对MEMS扫描情况进行了仿真研究。将MEMS扫描原理运用仿真程序进行了说明。对操作界面还进行优化，GUI仿真界面展示。
　　第三，运用信号发生器，数据采集卡，再运用同样的研究方式进行与之前数值仿真平行的研究分析。对优选出的FFT算法的运算速度及精度研究，采样频率，信号频率与信噪比等参数对算法精度的影响。还对相位跳变补偿算法进行了原理说明，并实验比对了加入补偿算法前后对实验结果的影响。
　　第四，对FFT算法在两种仿真实验方式下的运算结果进行了对比分析。同前面的内容一样，也是对算法的运算速度和精度进行比较研究。对信号频率，采样频率，信噪比对两种研究方式的影响进行了对比分析。最后对误差源进行了分析总结。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文主要内容

第2章 红外激光外差干涉仪相位提取算法研究

2.1 引言

2.2 红外激光外差干涉仪工作原理

2.3 最小二乘法

2.4 IQ正交解调法

2.5 FFT变换算法

2.6 本章小结

第3章 三种相位差提取算法的数值仿真

3.1 引言

3.2 MATLAB软件

3.3 硬件

3.4 最小二乘法数值仿真

3.5 IQ正交解调法数值仿真

3.6 FFT变换法数值仿真

3.7 相位差提取算法比较

3.8 MEMS/F-Theta光学扫描系统的仿真

3.9 GUI设计

3.10 本章小结

第4章 相位差提取算法的半实物仿真与相位跳变处理

4.1 引言

4.2 实验环境

4.3 FFT算法的半实物仿真

4.4 相位跳变情况的研究

4.5 本章小结

第5章 FFT算法半实物仿真与仿真的对比

5.1 引言

5.2 运算速度与精度的比较研究

5.3 信号频率大小对两种方式精度的影响

5.4 采样频率为变量的对比研究

5.5 信噪比为变量的对比研究

5.6误差分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢