电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究

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1、ZSTUZhejiangSci-TechUniversity硕士学位论文Master’sThesis中文论文题目：电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究英文论文题目：Researchonelectro-opticmodulateddual-homodyneinterferometryfornanometerdisplacementmeasurement学科专业：信号与信息处理作者姓名：陈周强指导教师：严利平教授完成日期：2018.4.16浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的

2、研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：Ｈ签字日期：年／月／今日学位论文版权使用授权书木学位论文作者完全了解起江理工大ｆ春权＾留并向国氣有关和盘允许论又被查阅和借阅。部门泰机构送交本论文的复印件磁，本人贤权Ｍ江理工＊＾可以将学位论文的全部或部分内容编Ａ－有关：ｔ：据象进行检索和

3、传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制ｔ此保存、汇编学位论文。；－ｇｉｉＭ締Ｗ５ｉｔ明＿隨成０￡⑷雜純ｆ；ｄＷｂ丨—ｔｓ．４学位论文作＾签名．签字日期：ＷＸ年月今日１导师签名：命ｆ／／签字日期：Ｚ以年０月／４日浙江理工大学硕士学位论文电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究摘要随着超精密、集成电路、MEMS等加工制造技术的深入发展，对位移测量技术带来了更大的

4、挑战。而在众多的位移测量技术中，激光干涉位移测量技术由于具有测量精度高、范围大和米溯源性等优点而被广泛应用，其中典型的激光干涉测量技术包括激光单频（零差）干涉法和激光双频（外差）干涉法。零差干涉法相较于外差干涉法不存在光源非正交及椭偏化引起的偏振和频率混叠，且结构简单、测量精度高，成为目前的研究热点。但是零差干涉法中干涉信号的直流漂移、幅值变化和相位非正交引起的测量误差制约了其测量精度的提高。为了解决上述零差干涉法中存在的问题，进一步提高零差干涉位移测量精度，本文提出了一种基于电光相位调制器的双零差干涉纳米位移测量技术，进行大范围、高精度

5、的位移测量。首先详细推导了电光相位调制双零差干涉纳米位移测量原理，设计了系统的光路结构，将位移测量变换为两套干涉仪的相位差测量。分别提出了基于线性相位调制的时域过零鉴相相位差测量方法和基于正弦加三角波复合相位调制的反正切相位生成载波（PGC-Arctan）解调方法。在线性相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中，设计了零相位滤波器对干涉信号进行预处理，以及基于LabVIEW的相位差检测上位机处理程序。在正弦加三角波复合相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中，设计了基于FPGA+ARM的PGC-Arctan的相位解调系统，并利用椭圆拟合进行非线性

6、误差的补偿。为了验证所提出的电光相位调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性，对双零差干涉系统进行搭建和调试，针对两种调制方式分别进行了相应的信号处理测试实验和位移测量实验。在线性相位调制信号处理方法中，相位差测量稳定性实验表明在6个小时内相位°差每分钟变化约0.2，符合实验测量要求。以精密纳米定位台位置作为参考，纳米级位移测量实验的位移误差均值和标准偏差都不超过1nm；微米级位移测量实验的位移误差均值在1nm范围内，位移误差标准偏差在1.42nm~3.21nm范围内。以商业干涉仪Agilent5519A作为参考，毫米级位移测量实验的位移误

7、差均值在−0.046μm~0.107μm范围内，位移误差标准偏差在0.032μm~0.287μm范围内。在正弦加三角波复合相位调制信号处理方法中，椭圆拟合实验验证了所设计的基于FPGA+ARM的4参数椭圆拟合模块的有效性和准确性，椭圆拟合的实时拟合速率为12.05μs。PGC-Arctan相位解调中正交信号实时修正的必要性I浙江理工大学硕士学位论文电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究实验和对比实验体现了椭圆拟合修正技术对相位解调中非线性误差的补偿效果。非线性误差实验结果表明所设计的双零差干涉仪非线性误差低于0.1nm。以商用的Renis

8、hawXL80干涉仪作参考的毫米级步进位移测量实验结果表明：最大位移差值为−60.5nm，标准偏差为27.4nm。以上实验结果验证了提出的电光调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性和有效性。关