飞秒激光测距系统仿真分析及实验研究

摘要

长度的精确测量在基础科学研究与先进制造领域中有着重要的意义。飞秒激光频率梳的出现促进了的光测量领域的快速发展，其光谱范围宽、脉宽窄、重频频率高等优良的时域特性与频域特性在微波频率与光波频率之间建立一座连接的“桥梁”，与传统的连续激光、脉冲激光和白光相比具有独特的优势。飞秒激光测距范围长，测量精度高，在测量领域具有重要的研究价值和应用潜力。
　　本论文以飞秒激光光谱分辨干涉方法为研究对象，针对关键器件及数据处理方法展开研究，旨在为新型飞秒激光跟踪仪的测距提供备选方案。主要研究内容如下：
　　首先，在传统白光干涉的基础上研究了飞秒激光光谱分辨干涉测距基本原理，并对 F-P标准具滤波原理以及后续数据处理方法做了详细阐述与分析；其次，通过对测量系统中的飞秒光源、F-P标准具、光栅以及CCD探测器进行建模，将各个模型组合到一起对飞秒光谱分辨干涉进行全链路仿真，分析了F-P标准具参数、光栅参数变化时对测量误差的影响；再次，研究了数据处理算法的DSP实现，提出使用坐标旋转迭代算法求解包裹相位值，制作了硬件电路、编写C语言处理程序并在CCS软件上完成调试；最后，搭建实验测距光路，完成了飞秒激光光谱分辨干涉测距实验，对实验数据进行处理，对引起误差的原因进行了分析。
　　实验验证了飞秒激光光谱分辨干涉测距以及 DSP数据处理算法的可行性，在±4.5mm的范围内，测量偏差不大于5μm。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究进展

1.3 飞秒激光测距未来发展趋势

1.4 本课题的研究意义及主要研究内容

2 飞秒激光光谱分辨干涉原理及数据处理方法

2.1 飞秒激光光谱分辨干涉原理

2.2 F-P标准具滤波原理

2.3 飞秒激光光谱分辨干涉数据处理算法

2.4 本章小结

3 飞秒激光光谱分辨干涉测距仿真分析

3.1 关键器件建模分析

3.2 飞秒激光光谱分辨干涉测距仿真分析

3.3 本章小结

4 飞秒激光光谱分辨干涉数据处理硬件实现

4.1 DSP简介及数据处理实现

4.2 基于定点DSP的CORDIC算法

4.3 DSP中数据处理算法的软件设计及调试

4.4 本章小结

5 飞秒激光光谱分辨干涉实验

5.1 实验器件及光路搭建

5.2 数据处理及分析

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录