外差激光干涉光学非线性误差建模及校正方法研究

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1、硕士学位论文外差激光干涉光学非线性误差建模及校正方法研究RESEARCHONOPTICALNONLINEARITYERRORMODELINGANDCORRECTIONOFHETERODYNELASERINTERFEROMETRY张敏琦哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文外差激光干涉光学非线性误差建模及校正方法研究硕士研究生：张敏琦导师：胡鹏程教授申请学位：工程硕士学科：仪器仪表工程所在单位：电气工程及自动化学院答

2、辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONOPTICALNONLINEARITYERRORMODELINGANDCORRECTIONOFHETERODYNELASERINTERFEROMETRYCandidate：MinqiZhangSupervisor：Prof.PengChengHuAcademicDegreeApplie

3、dfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：July,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着超精密测量领域对测量精度需求的不断提高，国内外学者对外差激光干涉仪展开

4、了进一步的研究，力图实现亚纳米量级测量精度。周期非线性误差是限制外差激光干涉仪精度提高的主要因素，因而周期非线性误差补偿与抑制技术受到越来越多的关注。本文针对传统的周期非线性误差模型未考虑干涉光初始相位的影响，造成实际信号与理论模型不符的问题，在考虑初始相位影响因子的条件下，建立了周期非线性误差修正模型，着重分析了初始相位对周期非线性误差的影响机理。提出采用特征参数提取算法对外差激光干涉仪周期非线性误差进行校正。基于以上原理设计了基于双锁相放大解调方式及特征参数提取校正算法的非线性校正系统，主要研究内

5、容如下：（1）建立了外差激光干涉仪周期非线性误差修正模型。仔细分析传统的非线性误差模型，该模型存在对初始相位影响认识不足，导致补偿中信号不满足基本对称性的问题。对周期非线性误差进行重新建模，实现理论模型与实际测量信号形式相匹配的目的。对比分析初始相位对传统模型和修正模型中不等幅误差、直流偏置误差及非正交误差的影响机理，分析三差对周期非线性误差的影响机制，着重分析初始相位对周期非线性误差的影响。（2）基于周期非线性误差修正模型，提出采用特征参数提取算法实现对周期非线性误差的校正。实时提出两路解调后信号的

6、特征值，以获得输入信号的幅度和直流偏置值，据此对两路信号的不等幅误差和直流偏置误差进行校正；采用数字加/减法器对两路等幅、无直流偏置误差信号进行非正交误差校正处理，并对信号正交化过程中引入的不等幅误差进行二次修正。解决了干涉信号存在非线性误差及待测目标变速运动下非线性校正的问题。（3）基于双正交锁相放大原理及特征参数提取算法，设计了周期非线性误差校正系统。该系统根据外差激光干涉仪出射的参考信号和测量信号的特性，采用前置信号处理模块对信号进行放大和滤波处理，再由双正交锁相放大模块利用内部产生的参考信号对

7、两路输出信号进行混频滤波解调，最后利用特征参数提取算法对周期非线性误差进行相应的校正处理。搭建外差激光干涉仪的实验装置，对周期非线性误差修正模型准确性及本课题提出的非线性校正系统的性能进行分析。实验结果表明，校正前的非线性误差为±9.07nm，校正后为±0.43nm，本课题设计的校正系统能够实现对外差激-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文光干涉仪的周期非线性误差有效补偿。关键词：外差激光干涉；光学非线性误差；误差模型；实时校正-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeever

8、-increasingdemandformeasurementaccuracyinthefieldofultra-precisionmeasurement,domesticandforeignscholarshaveconductedmoredetailedresearchworkonheterodynelaserinterferometersandsoughttobreakthroughthemeasurementofnano-scaleaccurac