频率扫描激光干涉测量中的相位测量研究

admin · 发表于 2023-9-22 16:42:37

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在小卫星编队、综合孔径望远镜排列等空间技术领域，绝对距离测量越来越重要。频率扫描激光干涉测量是实现绝对距离测量的重要方法，它测量范围大、精度高。其中，相位测量是系统中最核心的环节，相位测量的精度直接决定了测量距离的精度。本文的研究内容建立在频率扫描激光干涉测量系统之上，主要针对系统中相位测量及相关知识进行了深入研究。本文首先分析频率扫描干涉测量系统中测量干涉仪的工作原理，推导出了待测相位的基本数学表达式。利用激光频率连续变化这个特点，提出了两种相位测量方法。本文创新性地提出了基于快速傅里叶变换的相位测量方法，对参考信号和测量信号采样前，先做过零检测，然后利用快速傅里叶变换准确求得两信号频率，再结合频率扫描时间即可求出待测相位差。第二种方法是基于数字计数的相位测量，它将相位差转化为信号之间的时间差，再利用高频脉冲信号和计数器求得时间差，该方法分为相位精测和相位粗测两部分。针对两种相位测量方法，分别编写了仿真程序和实际测量程序。通过仿真实验及实际测试可知，这两种方法都能满足测量精度要求。在干涉测量系统中，测量结果通常存在相位的非线性误差。本文详细分析了参考干涉仪中偏振分光镜非理想分光性能对非线性误差的影响，推导出了相应的非线性误差模型，并提出了一种改进的正交相位测量方法，消除了非线性误差。最后进行了仿真实验，结果表明：偏振分光镜非理想分光性能引起的非线性误差为二次谐波，透射率和反射率的值相差越大，非线性误差越大；采用本文提出的改进方法，能够有效消除非线性误差。为了提高法布里-珀罗腔的稳定性，本文设计完成了温度控制系统。控制器采用TMS320F2812，控制算法采用抗积分饱和的PID算法。使用Altium Designer进行原理图和PCB设计，使用C语言和汇编语言编写了DSP程序，使用LabVIEW编写了上位机程序。实际测试结果显示，本温度控制系统温度稳定度达到了20mK，能够满足实验要求。

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