基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法研究

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1、ZSTUZhejiangSci-TechUniversity博士学位论文DoctoralDissertation中文论文题目:基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法研究英文论文题目:Absolutedistancemeasurementusingsinusoidalphasemodulatinginterferometercalibratedbyanopticalfrequencycomb学科专业：机械工程作者姓名：张世华指导教师：陈本永，严利平完成日期：2018年4月16日浙江理工大学博士学位论文基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法研究摘要激光干涉测距技术作为高精度长度

2、测量手段，已经被广泛应用于超精密加工、高端装备装配和国防工程等领域中。增量式激光干涉仪需要目标连续移动，但在测量现场无法铺设平直导轨的场合难以应用，因此无导轨的绝对距离测量技术应运而生。高端装备制造业的发展对测量范围和精度提出了更高的要求，急需满足大范围和高精度同时兼顾的绝对距离测量技术。为此，本文提出了基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法，将频率扫描干涉法和多波长干涉法相结合，进行大范围、高精度的绝对距离测量，并将距离测量直接溯源至时间频率基准。论文的主要工作和创新点总结如下：1.详细分析了飞行时间法和激光干涉法的绝对距离测量技术国内外研究现状，归纳总结了每种测量方法的优缺点及其

3、在绝对距离测量应用中的局限性。为了兼顾测量范围和测量精度，针对频率扫描干涉法和多波长干涉法相结合的绝对距离测量，提出了该技术目前亟待解决的问题。2.针对频率扫描干涉法和多波长干涉法相结合的绝对距离测量中目标漂移的监测补偿问题，提出了带监测干涉仪的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法，设计了相应的光路结构，其中测量干涉仪以780nm波段的ECDL为光源，监测干涉仪以He-Ne激光器为光源，两干涉仪的干涉信号按照光谱波段通过二向色镜分离探测。对基于光频梳的频率扫描干涉法绝对距离粗测和多波长干涉法绝对距离精测原理分别进行了理论分析，通过数值仿真验证了测量理论的正确性。3.为了提高绝对距离测量中的干涉信号

4、相位解调精度，提出了一种载波相位延迟实时补偿算法，通过寻找正交信号的最大值求取相位延迟，将其补偿至载波信号中使得载波信号与干涉信号的载波项同相位，解决了反正切法相位生成载波（PGC-Arctan）解调中由光路传播、光电探测和电路传输等引起的载波相位延迟问题；提出了基于正交信号实时归一化的非线性误差修正方法和基于固定相位差法的非线性误差实时评估方法，解决了PGC-Arctan解调中非线性误差的修正和评估问题；仿真实验验证了所提出载波相位延迟补偿算法以及非线性误差修正和评估方法的有效性。4.设计了基于光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量系统，包括干涉测量模块、光源模块、信号采集和处理模块以及空气折

5、射率测量和补偿模块，对各个模块的结构和功能进行介绍，并通过测试实验验证了各个模块的性能。干涉测量模块中，结合PGC-ArctanI浙江理工大学博士学位论文基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量方法研究解调中非线性误差的实时修正方法，提出了基于EOM的正弦相位调制差动干涉仪，改进了绝对距离干涉测量光路结构；光源模块中，设计了慢反馈模块实现了ECDL至飞秒光频-12梳的长期锁定，100分钟的长期锁定实验，ECDL的频率稳定度可达5.4×10；信号采集和处理模块中，设计了基于LabVIEW的信号采集与处理系统；空气折射率测量和补偿模块中，根据Ciddor经验公式和各环境参数传感器的测量精度，空

6、气折射率测量不确定度为-82.04×10。结合各模块的结构和功能，对绝对距离测量系统进行了总体设计，实现了各个模块之间的互联，并设计了相应的软件系统。5.实验验证了PGC-Arctan解调中载波相位延迟的实时补偿算法和非线性误差的实时修正和评估方法的有效性，实验结果显示所设计的相位延迟补偿器的补偿精度优于0.1˚，补偿后非线性误差最大值为0.25˚。6.搭建了基于飞秒光频梳的正弦相位调制干涉绝对距离测量系统实验装置，并与增量式激光干涉仪实验比对，分别在测量稳定性、线性位移测量能力、微米级步进测量和大行程内的距离测量等几个方面对绝对距离测量系统的性能进行验证。实验结果显示：4.5m-8处绝对距离

7、测量的相对稳定性可达6.4×10；近端（1m处）和远端（8m处）进行300mm线性位移测量，拟合直线的线性度分别为0.999987和0.999999；近远端3μm步进测量实验证明了测量系统具有微米级的测量分辨率；在8m内以0.5m步进进行绝对距离测量实验，与增量式激光干涉仪比对的残差标准差为0.42μm，验证了绝对距离测量系统在8m以内可达到亚微米级的测量不确定度。最后，对绝对距离测量系统进行了测