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双纵模双频激光干涉仪信号处理系统的研究 测试计量技术及仪器专业 研究生康岩辉指导教师张涛 双频激光干涉仪是现代几何量精密测量中最常见，也是工业中最具权威的 长度测量仪器。本课题在现有的以双纵模热稳频h e n e 激光器为光源构成的双 频激光干涉仪基础之上，对系统进行了改进。论文的主要研究工作如下： 首先，对现有双纵模双频激光干涉仪非线性产生的原因进行详细的理论分 析，其结果与实际观察到的现象相吻合；并确定了非线性对测量速度和测量精 度的影响大小，最后给出定量结论。 然后，针对现有电路系统的信号易有直流漂移、调整光路观察信号不方便 的不足之处提出解决方案，即：高稳定度的高频振荡器( 输出频率为v ) 输出的 信号经0 。功分器后分成两路，它们分别与测量信号和参考信号进行混频( 测量 信号和参考信号频率分别为a v a f 和v ) ，得到测量镜运动调制的测量信号 l v a v f 和参考信号形成的信号f v 一1 ，l ，式中为d o p p l e r 频移。根据峰值 运算电路，可以得到测量信号的强弱，从而判断出光路调整的好坏。然后分别 将混频后的测量和参考两路信号进行自增益控制放大和整形，最终德到计数器 可直接计数的方波脉冲信号。此方案的优点在于：改进后系统具有交流系统的 特点，原来导致信号产生直流漂移等问题的各种因素( 包括非线性的影响) ，都 可以通过交流自动增益放大等手段加以处理，并使整个系统容易满足正常工作 的条件。 再次，对改进后的电路系统进行了详细的介绍，其中包括峰值运算电路、 基于a d 6 0 3 的自动增益控制( a g c ) 电路和基于复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的计数电路等。 最后，在完成了电路板的制作、安装和软、硬件调试后，对改进系统中的 峰值运算电路、自动增益控制电路，以及整个系统抗干扰性能、测量速度进行 了测试实验。 结果表明，改进后的双纵模双频激光干涉仪系统能够达到设计要求，在测 量速度为1 0 0 0 n ”r n s 时可以正常工作。 关键词：双纵模双频激光干涉仪非线性自动增益控制 l i s t u d yo nt h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo fad u a l - f r e q u e n c y l a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e s m a j o r ：m e a s u r i n gt e c h n o l o g y & i n s t r u m e n t s p o s t g r a d u a t e ：k a n gy a n h u i s u p e r v i s o r ：z h a n gt a o ad u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri so n eo f t h em o s tc o m m o ni n s t r u m e n t si n m o d e r ng e o m e t r i c a lp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，a n di ti sa l s ot h em o s ta u t h o r i t a t i v eo n e f o rm e a s u r i n gd i s p l a c e m e n ta n dl e n g t h b a s e do nt h ee x i s t i n gd u a l f r e q u e n c yl a s e r i n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i 【t u d i n a lm o d e s ，w h o s el a s e rs o u r c ei st h es t a b i l i z e d f r e q u e n c yh e - n el a s e r w i t ht h e m a o r e g u l a t i o n ，t h i sr e s e a r c hh a si m p r o v e dt h e i n t e r f e r o m e t e rs y s t e m ，m a dt h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h en o n l i n e a r i t yo ft h ee x i s t i n gd u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i d l t w ol o n g i t u d i n a lm o d e si st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h er e s u l ti sa c c o r d a n t w i t ht h eo b s e r v e dp h e n o m e n o n t h ei n f l u e n c e so fn o n l i n e a r i t yt om e a s u r i n gs p e e d a n da c c u r a c ya r ed e t e r m i n e d ，a n dt h e nt h eq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o ni sf o l l o w e d s e c o n d l y , as o l u t i o ni sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h ee x i s t i n gc i r c u i t s y s t e m ，s u c ha sd cs h i f to ft h es i g n a l ，a n dt h ei n c o n v e n i e n c eo fs i g n a lo b s e r v a t i o n w h e na d j u s t i n go p t i c a lp a t h t h es i g n a lo ff r e q u e n c yv ，w h i c hi sg e n e r a t e db yh i g h f r e q u e n c yo s c i l l a t o ro fh i g hs t a b i l i t y , i sd i v i d e di n t ot w op a t h sb yp o w e rd i v i d e ri n o r d e rt om i xm e a s u r i n gs i g n a la v a fa n dr e f e r e n c es i g n a la v t h e nm e a s u r i n g s i g n a li v a v l a fm o d u l a t e db yt h em o v e m e n to fm e a s u r i n gm i r r o ra n dr e f e r e n c e s i g n a l i v a v l c a nb eg a i n e d ，w h e r ea fi sd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t b yt h ea i do f p e a kd e t e c t o rc i r c u i t ，t h ei n t e n s i t yo fm e a s u r i n gs i g n a la n dt h ep r o p r i e t yo ft h e o p t i c a lp a t ha d j u s t m e n tc a nb ek n o w n t h em e a s u r i n ga n dr e f e r e n c es i g n a la r e i m p o r t e dt oa g c a n ds h a p i n gc i r c u i tr e s p e c t i v e l y , a n dt h e nt h es q u a r e w a v e sa r e 1 1 1 e x p o r t e d ，w h i c hc a nb ed i r e c t l yc a l c u l a t e db yc o u n t e r s ，t h ea d v a n t a g eo f t h i sm e t h o d i st h a ti tm a k e st h ew h o l es y s t e mh a v et h ef e a t u r eo fa cs y s t e m a l lk i n d so ff a c t o r s ， i n c l u d i n gn o n l i n e a r i t y , t h a tc a u s ed cs h i f to fs i g n a i s ，c a nb ep r o c e s s e db ya g c c i r c u i t s oi ti se a s yf o rt h es y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n to fn o r m a lw o r k t h i r d l y , t h ei m p r o v e dc i r c u i ts y s t e mi se x p o u n d e d ，w h i c hi n c l u d e sp e a k d e t e c t o rc i r c u i t ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i tb a s e do na d 6 0 3 ，a n dc o u n t i n g c i r c u i tb a s e do l lc p l d f i n a l l y , a f t e rd e s i g no ft h ec i r c u i ta n dd e b u g g i n go ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e b e i n gf i n i s h e d ，e x p e r i m e n t so ft h ep e a kd e t e c t o rc i r c u i ta n da g cc i r c u i th a v eb e e n c a r r i e do u t m o r e o v e gt h ea n t i d i s t u r b a n c ea n dt h em e a s u r i n gs p e e do ft h ew h o l e s y s t e mh a v eb e e nt e s t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ei m p r o v e dd u a l f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t h t w ol o n g i t u d i n a lm o d e sc a nm e e tt h ed e s i r e dg o a l ，a n di tc a nw o r kw e l la tt h es p e e d o f l 0 0 0r m n s k e y w o r d s ：d u a l - f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t ht w ol o n g i t u d i n a lm o d e s n o n l i n e a r i t y a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l g _ q 川大学硕士学也讫= 盘： l 绪论 1 1 激光干涉仪的介绍、现状及发展 在激光器问畦! = 以前，用于洲量物体长度和位罱的位移干涉收和方向干涉仪 已经为人们所熟知。物体的长度是根据两干涉光束的相位差来确定，而物体的 位置是根据干涉条纹的宽度和方向的改变来判惭。这类仪器主要用于物理实验 和某些精密测量中。激光器的出现从根本上改变了干涉仪的状况。激光以其特 有的高亮度、极好的方向性、单色性和空间及时间相干性的性质使以辙光为 光源的干涉测量技术广泛地应用于各种铡量领域1 1 1 。 激光干涉特测技术由于其商灵敏度、高精度及非接触性等特点已得到广泛 应用。尽管存在各种形式的激光二 涉仪，但从原理上讲，可以归结为单频激光 i _ r 涉仪和外差激光干涉仪两种基本类型【2 j 。 1 1 1 单频干涉仪及特点 通常用于长度测量的激光二f 涉仪采用m a c h e l s o n 干涉仪系统口。5 】。图1 1 为 单频激光干涉仪原理示意图，分束器b s 将激光分为2 束，一束射向定镜r ，另 一束射向动镜m 。当动镜m 移动时，经r 和m 的反射光在o 处汇合产生干涉。 由于分柬器金属睫的附加相移性质，光电探测器d 1 、d 2 接受的信号相位差为 9 0 。，用于计数器的方向辨别。 z二琏 【 b s卜】 、 f 【 u 0y d l r、n 口 一 图1 1单频激光干涉仪原理示意圈 单频干涉仪的优点是装置相对简单，其测量速度仅取决于信号接收和处理 电路的带宽，因而司实现高速测量。但是光电接收器的光电流放大器的灵敏度 四川大学硕士学位论文 漂移及激光器功率、干涉仪测量光束强度的波动会引起信号电平随机变动。这 种非稳定因素会改变光电流直流分量的大小和交流分量的振幅，给干涉条纹的 计数带来误差。而当测距增大，光信号减小时，电信号的信号强度低于触发电 平，计数装置会停止工作【6 1 。所以，单频激光干涉仪存在光路调节要求很高、 直流漂移难以消除、信号处理及细分都比较困难等缺点，使其使用受到很大限 制。 112 双频干涉仪及特点 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪基础上发展的一种外差式干涉仪【7 j 。 外差二f 涉测量最显著的特点是利用载波技术将被测物理量信息转换成调频或调 相信号，因此具有抗干扰能力强、测量速度快、信噪比高、易于实现高测量分 辨率等特点【8 1 。 图1 2 为双频激光干涉仪的原理示意图。偏振方向相互垂直的同轴双频激光 被分束器b s 分为两部分，反射部分经检偏器p 1 由光电探测器d l 接收，作为 系统的参考信号；透射部分在偏振分束器p b s 处按偏振方向分解，一路指向定 镜r ，频率为 ；另一路指向动镜m ，频率为 。当动镜m 移动时，返回光产 生d o p p l e r 频移，。厶，与 两光束在偏振分束器p b s 处汇合，经4 5 。放 置的检偏器p 2 ，由光电探测器d 2 接收。两光电探测器分别接收到的参考信号 和测量信号经前置放大后，送入外差信号处理系统进行计数，从而得出动镜的 位移。 。：l 一，_ 二。 弘鲻_ 图1 2双频激光干涉仪原理示意图 四川大学硕士学位论兜 双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一，是工业中最具权 威的长度测量仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路如工设备等的在线在 位测量、误差修正和控制。外等式双频激光干涉仪检测和处理交流信号，克服 了普通单频干涉倥测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰、 允许光源多通道复用等诸多优点，因此在易用性和测量精度上都优于单频激光 平涉仪，使得干涉测长技术能真正用于实际生产【9 1 。 11 ，3 激光干涉仪的现状及发屣趋势h 州 自从h e n e 擞光器问世以来，激光干涉仪以其特有的大测量范围、高分辨 孳和高测量精度等优点在精密和超精密 9 1 【l 长领域获得了广泛的应用。伴随着 电子学、光学和物理光学的发展并与计算机相匹配，加之丰富的应用软件和各 种附件，使激光干涉仪不仅能测量线位移、线速度，还能测量小角度以及各种 形位误差等几何量。因此，它是精密机械工业不可缺少的测量工具，是全息光 栅尺和玻璃线纹尺等长度测量工其所不能取代的。激光干涉仪在超精密加工、 光刻机以及三坐标测量机的标定等领域有着广泛的应用前景。 世界上各发选国家对其发展都给予了足够的重视，相继开发研制出各种性 能优良的商品化激光干涉仪。目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的a g i l e n t ( 的身为h p ) 、z y g o 、英国的r e n i s h a w 等公司，其产品各具特点，售价也都 很昂贵。例如：美国h e w l e t tp a c k e d 公司生产的h p 系剐取频光干涉仪：美国 功g o 公司研制的用于d s w 光刻机x 、y 工作台直线及角位移测量的双频激光 干涉测量系统；以及英国r e n i s h a w 公司的激光校准系统。 目前，在这方面研制水平最高的是美国。由l l n l 国家实验室和空军w r i g h t 航空研究所等单位合作研带i 成功的l o d t m 大型精密机床中的激光干涉测量系 统，采用的是专门研制的s p l 2 5 型双频激光干涉仪，其输出功率为1 5 m w ，采 用的碘稳频技术具有根高的频率稳定性，分辨力为o 6 3 5 n m 。控制训算机实时 采集七路信息，通过数据处理提供精确的反馈信息给伺服系统，驱动刀架来保 证刀具相对工件的位置。这样由测量挣制伺服系统辛卜偿丁机械系统的运动误差， 使其达到的加工精度为o 0 2 5 脚。该机床可用于加工激光核聚变工程的零件、 红外蛙装置用零件蚍卫大型天体望远镜零件，可加工平面、球面及非球面，是 四川大学硕士学位论文 世界公认的当今最高水平的超精密机床。 从七十年代中期，我国的研究机关、高等院校和工厂对激光测量系统的作 了大量的研制工作。1 9 7 5 年由中国计量科学研究院与陕西机械学院研制出我国 第一台国产双频激光干涉仪样机，量程为6 0 m ，测量精度为5 1 0 一。到目前为 止，清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学等也相继开展了对激光干涉仪及相 关技术的研究。哈尔滨工业大学精密仪器系九十年代研制的光电接触式干涉仪， 其分辨力为o 0 1 p m ，仪器的总误差为0 o l a n + 5 1 0 4 三( 三为被测长度) 。计 量科学研究院1 9 9 2 年研制的g l i 一1 0 0 型量块激光干涉仪，其分辨力为o 0 0 5 a n ， 对l 等和o o 级量块长度测量的不确定度不超过( o 0 2 + 0 2 0 p m ( z 为量块长度，单 位为m ) 。此外，清华大学在激光调谐绝对距离的测量方面、外差干涉的相位检 测电路方面，华中理工大学在声光调制外差干涉的光路方面等都作了相当好的 研究工作，取得了很好的结果。成都工具所已生产出带有测量空气参数装置并 进行误差补偿的激光干涉仪。 目前，双频激光干涉仪技术的研究目标和发展方向集中在以下三个方面： i ) 迸一步提高测量精度；2 ) 进一步提高测量速度；3 ) 扩大双频激光干涉仪应 用范围的研究，这主要集中在振动、热膨胀、电致伸缩的测量方面。 1 2 本课题的研究意义和主要工作内容 近年来，机床的切削速度、进给速度不断提高。以加工中心为例，上世纪 9 0 年代前期工作台移动速度为3 0 5 0 m m i n ，到9 0 年代后期已经达到6 0 8 0 m m i n 。美国汽车巨头f o r d 公司和机床巨头i n g e r s o l l 公司合作研制的h v m 8 0 0 卧式加工中心，其x 轴行程达8 0 0 m m 、主轴功率6 5 k w ，其进给速度达到 7 6 2 m m i n ( 1 2 7 r r d s ) 。日本m a z a k 公司的f f 6 6 0 卧式加工中心系列的快移速 度高达9 0 r r d m i n u l “j 。 同时，高精度的激光干涉测量系统是精密位移测量的必需设备。为满足超 精密机床定位测量精度的要求，需要提高激光干涉测量系统中的精度和测量速 度，以保证激光干涉测量系统在超精密机床位移检测中达到所需的精度指标。 但是，由于双频激光干涉仪利用了光学d o p p l e r 效应原理，在进行高速测 量时，其最大测量速度取决于双频激光器的频差，因而一般双频干涉仪的低频 差就成了限制干涉仪测速的瓶颈问题。目前商用外差干涉仪的测量速度不能完 4 四川大学硕士学位论文 全满足要求【1 3 1 1 4 1 。 为此，在现有的具有一定优势的双纵模双频激光干涉仪的基础上，对其电 路系统部分进行改进，研制出一种具有较高测量速度、较强抗干扰能力的实用 高速双频激光干涉仪测量系统。 本论文的主要工作包括以下几个方面： 1 研究了双纵模双频激光干涉仪非线性产生的原因，并分析了非线性对测 量速度和测量精度的影响，摄后给出定量结论。 2 针对现有的双纵模双频激光干涉仪电路系统的信号易有直流漂移、调整 光路观察信号不方便等不足之处，提出了解决方案。 3 具体分析了改进系统的各部分电路功能及其工作原理。 4 在完成电路板的制作、安装和软、硬件调试后，对各部分电路以及整个 系统的工作性能进行实验验证，给出实验数据，得出结论。 四川人学预士学位论文 2 双纵模双频激光干涉仪的原理及特性分析 2 1 双纵模双频激光干涉仪的工作原理 图2 1 是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图【1 ”， 取纵横热稳频澈光器，2 分光嚣，3 光扩展器，4 偏振分光镜；5 参考角锥镜； 6 测量角锥镜7 透镜；8 偏振片，9 、1 0 雪崩昝，1 l _ 高频放大器： 2 o 。功分器；1 3 混频船，1 49 0 。咎相器：15 细分计数系统：1 6 计算机 图2 1双纵横双频激光千涉仪原理示意图 系统由三部分组成：稳频装置与激光头、外置干涉块及测量角锥境。激光 头包括激光管、布儒斯特窗、析光镜、光扩展器及接收参考信号及测最信号的 透镜、偏振器、光电接收元件等。外置干涉头由偏振分光镜及固定角锥镜组成。 由激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光经布儒斯特窗( 图中未画出) 取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正 交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振器产生拍频信号，为光电接收器接收。 交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振器产生拍频信号，为光电接收器接收。 四川大学硕士学位论文 2 双纵模双频激光干涉仪的原理及特性分析 2 1 双纵模双频激光干涉仪的工作原理 图2 1 是双纵模双频激光干涉仪的原理示意图 1 5 】。 1 取纵模热稳频激光器，2 分光器；3 光扩展器；4 偏振分光镜：5 参考角锥镜； 6 测量角锥镜；7 透镜；8 偏振片；9 、1 0 雪崩管；1 1 高频放大器： 1 2 o 。功分器；1 3 混频器；1 4 9 0 。移相器；1 5 细分计数系统：1 6 计算机 图2 1双纵模双频激光干涉仪原理示意图 系统由三部分组成：稳频装置与激光头、外置干涉块及测量角锥境。激光 头包括激光管、布儒斯特窗、析光镜、光扩展器及接收参考信号及测量信号的 透镜、偏振器、光电接收元件等。外置干涉头由偏振分光镜及固定角锥镜组成。 由激光管发出一对互相垂直的双纵模线偏振光经布儒斯特窗( 图中未画出) 取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正 交线偏振光作为参考信号，经透镜、偏振器产生拍频信号，为光电接收器接收。 四川大学硕士学位论文 透射光经光扩展器准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜， 垂直分量射向固定角锥镜，两路光返回后经透镜、偏振器产生拍频。当测量镜 在时间t 内以速度v 移动一距离时，因d o p p l e r 效应而引起频差变化厂，这样 被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。光电接收器将接收到的 参考信号及测量信号转换成电信号，输入放大器进行高频放大，使其信号电压 达到混频器要求的电平。 为了方向判别电路的需要，应有两路相位差9 0 。的信号，因此将放大了的 参考、测量信号分别送入两个0 。功率分配器进行功率分配，由功分器出来的参 考、测量信号各分为两路，其中测量信号的一路应通过移相器移相9 0 。四路 信号进入混频器进行混频，将参考、测量信号变频，消去载波，留下差频信号。 当测量角锥镜移动时，将厂的变化送入细分计数系统。最后根据测量公式 l = n a 2 ，得到被测长度。 以双纵模热稳频h e n e 激光器为光源构成的双纵模双频激光干涉仪，具有 稳频系统构成简单、精度高、不需特殊激光管、频差高( 两纵模的频差高达几 百m h z ) 、动态性能好、光路系统不需l 4 波片和移相器件( 利用延迟线移相) 的优异特性【1 6 l 。但其同样存在由于激光源的偏振态不理想或不稳定，光学元器 件的性能不理想或调整不完善引起的干涉光路中两种频率的偏振光不能彻底分 开形成的非线性误差，而且高频差决定了其后续电信号处理系统较为特殊，因 而这项误差也表现出与其它种类的双频干涉仪不同的形式与影响。 2 2 双纵模双频激光干涉仪的理论分析 激光器输出偏振方向固定且相互垂直的两个频率分别为z 和 的光，经光 路分合光后，雪崩管9 和l o 分别接收干涉仪参考信号和测量信号。 设，：和厂的光在分光器2 处的初始相位均为0 ，从分光器2 到光电接收器9 的光程为z ，从分光器2 经固定角锥镜5 到光电接收器1 0 的光程为f ，从分光 器2 经测量角锥镜6 到光电接收器1 0 的初始光程为f 。，测量角锥镜的被测位移 为血。 对于参考信号，两电矢量分别为： 互_ ( 1 ，压) b l c o s f2 n f t + 孕1 ( 2 1 ) 上型生! 兰竺三! ! 兰! 堕墨 州面o s 旧+ 引 ( 2 z ) 合成光强为 厶娟+ 耵= 三慨，+ 霹：) + 了e r 2 1c 。s ( 。邪+ 等) + 等c 。s ( 一矾h 荨 + i e m e r 2 c o s z 万c z + 五v + z 码( 去+ 去 + 圭昧，：c 。s 2 玎c 石一 y + z 码( 击一去 c z 3 ) 一般认为e = e r 2a = 4 互e ( 符号垒表示“记为) 光电探测器9 实际检测到的参考信号光强交流分量为： ，一2 e ；c 。s z z c z 一 弘+ ：以( 击一去 c z a ， 对于测量信号，两电矢量分别为： 州向阶。扣+ 引 亿s ， 最：( 1 压) ：。12 硼+ 三掣 ( 2 6 ) 几 一般认为。= ：垒压 光电探测器i 0 实际检测到的测量信号光强交流分量为： 如2 和s 卜圳盯( 等一针z 万等 b ， 将测量信号和参考信号比相，求出缸引起的相位变化量庐：2 n 挲，即 1 可得到被测位移为a x 。由于双纵模双频激光干涉仪频差很高( 几百m h z ) ，为 方便信号处理，将此两路信号经高频放大器1 1 、功分器1 2 、移相器1 4 、混频器 四川大学硕士学位论文 1 3 后，渭云禹披霰破，最终得到两路相位差9 0 。正燹信号( 辨向需要) 。利 用高频差特点，可采用延迟线实现移相器功能。经处理后，两蹄信号为： 舻文半一生专堡 蜘s ：文等+ 中) 口s ， 舻心胁( 半一号产弘砌滢+ 叫 b ， 其巾，。：生；生一丘 由上可以看出，此系统得到的是一准直流信号。当动镜不动时，输出为一 同宦申压值：当动铺以一定速度运动时，输出值为交变信号。 2 _ 3 现有双纵模双频激光干涉仪存在的问题 由国家自然科学基金资助，四川大学激光应用研究所研制的拥有国家发明 专利的双纵模t i e n e 热稳频激光源，采用普通h e n e 内腔式激光器，不加任何 特殊附件，通过最直接的控制毛细管放电电流的方式调整谐振腔长度稳频，两 蛆模频差可达6 0 0 m h z - - 1 0 h z ( 刺应激光管长度为1 5 0 m m - - 2 5 0 r m n ) 。实验表 明，稳频系统在室外环境下频率稳定度不低于10 7 量级。以此为准础构成的双 频激光干涉仪不仪精度高，而且理 仑上对测量速度几乎无限制【 ，1 8 1 。 但现有的双纵模双频激光干涉仪在实用中有几个问题： ( ”信号经预处理后实际为一准直流信号，后续放大只能采用低倍数直流 放大( 否则运放漂移很大) ，因而其对混频出的信号质量要求较高，测 量和参考两路信号应幅度较大、稳定且相等。所以这种方法对功率稳 定、光路调整、光学器件以及光电转换器件、电子器件的一致性、稳 定性要求很高。即使虬上条件得咀满足，双频激光干涉仪本身不可避 免的非线性引起的电平起伏( 下节详细讨论) 也是很难避免的，它导 致两路信号产生不一致的直流漂移。 ( 2 ) 调整光路时，高频放大器输出的测量及参考信号频率很高，只有高频 示波器或者取样示波器才能观察。不具备此手段时，只能观察其混频 输出信号。这时须在运动过程中才能观察，并且其混频输出信号与参 9 四川大学硕士学位论文 考、测量信号均有关。因此，当混频信号质量不好时，很难判断是哪 个信号造成的影响，给光路调整带来诸多不便。 本课题针对以上的问题进行研究，对现有双纵模双频激光干涉仪进行改进， 从而研制出保留原有系统优点而又解决以上几方面不足的高速双纵模双频激光 干涉仪。 2 4 双纵模双频激光干涉仪的非线性影响分析 2 4 1 非线性理论分析1 9 ，2 0 1 不同于塞曼型干涉仪，双纵模热稳频激光器直接输出偏振面相互垂直的线 偏振光，无需在光路中加x 4 波片，因而激光源的偏振态不理想或不稳定及偏 振分光镜分光偏振度不良使两频率的偏振光不能完全分开是引起非线性的主要 原因。其表现为：在水平方向振动的光除e 。( m 。) 外，还混有耳洄：) ；在垂直方 向振动的光除e ：沏：) 外，还混有e ；( 。) ，2 引。 此时对于参考信号，得到的信号与理论计算公式完全相同。 而对于测量信号，则有： 州t 恂即。扣+ 孚 柙侗球。扣+ 孚 亿聊 岛= b i g ) 玩：c 。s ( 2 砷+ 呈至立专 鲍 + ( 1 ，压) 瓦：c 。s ( 2 砟+ 掣 、儿j凡j ( 2 1 1 ) 同样近似认为 e m = e m 2 掣2 e m ；e k l = e j m 2 塑2 e k 令e 。= e m 坛 光电探测器1 0 实际检测到的测量信号光强交流分量为： k 母。s 一砌砌( 等等z 石爿 + 和阻一2 耐b 一堋 四川大学硕士学位论文 + 譬c o s 一吲川加z 缸悟鲫 + 知 2 ，r ( f i - f = ) t + 2 e r ( 半一丢 忽略二次项影响，并考虑到：了1 一了1 ：_ 1 ，如为拍波波长( a s ：2 n 上，n 为折 儿 。 射率，三为激光器谐振腔长) 。上式简化为： k 瑙c o s 一州石降一半 + 铷阻卅h 引 + 铷阻埘t 2 n ( 1 , ”+ 2 k x ) ( 21 3 ) 其中的第一项是所需的测量信号，而第二、三项即为所产生的非线性项。 经消载波处理后的两路信号为： 舻翩s ( 等+ 中心。s 掣+ 知半亿 舻胁( 等+ 中 争掣争半 可以看出，最终得到的信号是与一直流信号( 第二项) 和一长周期交变信 号( 第三项) 迭加在一起的。直流信号的大小是与干涉头起始位置有关的，调 整合适时，可以使其影响达到最小；而长周期信号实际上就是大尺寸拍波信号， 它在系统非线性存在时是不可避免的【j 8 ，2 3 1 。图2 , 2 给出了非线性因素对正余弦 四川大学硕士学位论文 图2 2非线性影响示意图 2 4 2 对测量速度影响的分析 为了满足系统对测量速度的要求，采用简单常用的四细分辨向电路，输入 信号为放大整形后的、具有一定相位差的两路方波信号。细分的原理基于两路 方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细 分，辨向是根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据科1 。 ：幽：皿： = ：二二 ： |lf a ) 标准正余弦信号及相应的方波信号 四川大学硕士学位论文 b )产生漂移的正余弦信号及相应的方渡信号 图2 3 信号的直流漂移示意图 如图2 3 所示，两路标准的正余弦信号相位差为9 0 。，整形成万坡后，冥 占空比为l 。但是，当上述双纵模双频激光干涉仪的非线性影响因素存在时，会 导致两路正余弦信号产生直流漂移，进而使整形出的两路方波产生相位移动， 使得两路信号不完全正交，这将会对计数环节产生较大影响，其详细分析如下： 由数学知识可知，当c 。s 掣机。s 盟寺型的值均为延2 ，且 s i n 掣瓤n 掣的值均为一譬时( 蛐玄余弦值的矧日 反) ，两路正余弦信号的过零点变化最大。此时，正弦信号上移! 罂，余弦信 号下移塑。1 经过计- 算，当| ； = 1 0 时，由于正弦信号上移导致的区间变化为8 1 3 。，余弦 信号下移导致的区间变化也为8 1 3 。因此，整形后两路方波信号的上升沿和 下降沿之间的相位最大变化为1 6 2 6 。，占1 4 周期的1 8 。 2 ，4 3 对测量精度影响的分析与结论 四川大学硕士学位论文 对两路正交信号实现大细分数细分，通常采用的是将其合成近似三角波， 再用处理器进行细分的方法。此时两路正交信号的直流漂移是影响细分精度的 主要因素 2 5 , 2 6 】。 得到的两路实际信号可以记作： y l = a c o s o + a l o( 2 1 6 ) y 2 = a s i n 0 + a 2 0 因此，由直流漂移4 。及a ：。引起信号幅值最大误差为： 妙= i a 。h a ：。j ：兰仳2 , r ( 1 r - l j ) 。型生盟型| + | s i n 堡照二业。i n k l i 五以如 ( 2 1 7 ) 2 万o ，一，一2 x ) | 、 _ 一i 如 h u 1 酬 在( o 。，9 0 。) 的细分测量范围内，由此引起的最大相位误差为： a t g m 。x = 缈。百； c 2 ( 2 1 9 ) 式中掣与干涉头( 偏振分光镜4 与参考角锥镜5 固定为一体的结构) 位置有关，测量前可通过调整干涉头位置改变它，测量过程中为常量。而 里尘 掣则是随缸变化的以砧为周期的交变量。由数学分析可知：妙 最大值出现在墨坐 掣为车奇数倍的位置点处，其具体值则取决于 q 掣的值。 图24 为信号幅信误荠啬钉m a t i ，a b 仿直结果。 四川大学硕士学位论文 图2 4 m a t l a b 仿真结果 当掣为署奇数腻蛾。耽其值为亟2 k 。 当塑掣为三整数倍时，臼。最小，其值为垦羞鲨。 。z 叶 当k = 1 0 时，a o 。最大为1 2 7 。，最小为1 0 9 。 2 5 本章小结 在本章中，对双纵模双频激光干涉仪的工作原理进行了介绍；给出了双纵 模双频激光干涉仪的理论公式；分析了现有双纵模双频激光干涉仪存在的问题； 通过理论推导，给出了双纵模双频激光干涉仪非线性误差的大小，并定量地说 明了它对测量速度和测量精度的影响。 四川大学硕士学位论文 3 双纵模双频激光干涉仪的改进 3 1 现有电路系统的处理方法 现有的双纵模双频激光干涉仪的信号处理步骤在2 1 节中已经叙述清楚，不 再赘述。需要说明的是，这里采用的是长度为2 0 6 m m 的全内腔h e - n e 激光管， 根据公式a v = c 2 n l ( 式中c 为光速， 为介质折射率，为谐振腔长度) ，得到 其模间隔约为7 2 8 m h z 。 3 1 1 高频放大电路 由于雪崩二极管输出的参考信号和测量信号均是7 2 8 m h z 的高频微弱信 号，并且信号中还包含了其他低频成分，因此，必须对信号进行滤波放大处理。 高频放大器的电路原理示意图如图3 1 所示口7 1 。 图3 1 高频放大器的电路原理示意图 这里采用的高频放大器是由成都宏明无线电器材厂生产的v j k f 型微波集 成放大器，其电源电压为1 2 v ，频带为+ 5 0 m h z ，增益为5 0 - 7 0 d b 。图3 1 中 所示的电位器，主要起调整雪崩二极管偏置电压的作用，从而可以改变高频放 大器输入信号的大小，其电压调节范围为8 0 1 1 0 v 。经高频放大后的信号，一 般其幅值应在3 0 0 m v 左右。 四川大学硕士学位论文 3 1 2 延迟线移相系统 该干涉仪系统中采用移相延迟线技术来获得相位差为9 0 。的两路信号，比 传统的光学镀膜移相法简单，成本低，完全可以满足仪器细分和可逆计数器的 要求。 用同轴电缆作为延迟线路移相的原理是当传输信号为高频时，必须考虑电 缆本身的电阻、漏电导、分布电感和分布电容的影响，由传输线理论可知传输 线上的传播常数 ，= 搀百面碗万面) = f l + j g ( 3 。1 ) 式中；r 一电阻( 欧米) l 一电感( 亨米) g 一漏电导( 西门子，米)c 一电容( 法，米) 口一衰减系数口一相移常数 对于高频线，线路损耗很小，有下述不等式： r c o l ，g 一u c 时，u l 为负，二极管v d l 导通，使c 迅速充电，u c 的绝对值增大直至 输出电压u o = u i 。二极管v d l 的导通电压以及放大器n 2 的输入失调电压的影响 都被消除了。当输入电压下降时，u l 上升，v d l 截止，使n l 、n 2 处于分离状态， u 1 上升直到二极管v d 2 导通，对放大器n l 构成负反馈，从而避免了过度饱和。 u i 的反向峰值存于电容c 中，一个测量周期结束后，可以通过复位开关 c d 4 0 5 1 放电，开关受复位指令控制。 峰值运算电路的输出电压值u o 经反向放大器n 3 放大，再通过a d 转换器 后送入单片机8 9 c 5 1 t 3 0 】，最终由微机系统显示出输入信号幅度的大小。 四川大学硕士学垃诧卫 4 2 基于a d 6 0 3 的宽范围自动增益控制电路 自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，筒稗a o c ) 电路是一种在输a 信 号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅值保持恒定或仅在较小范围内变化的 自动控制皂路，在光纤通信、微波通信、卫星逸信等通信系统以及雷达、广播 电视系统中得到了广泛的应用1 。 4 - 2 1 a d 6 0 3 的介绍p 2 ”j a d 6 0 3 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司研制的一种新型的运算放大器，它 不仅具有低噪声影响、高频带宽度、稳定性好的特点，还具有电压控制的可变 增益功能。特殊的性能使该集成芯片取代原来由众多器件搭成的增益调整电路 。 a d 6 0 3 的原理图如图4 2 所示。它由增益控制区、无源输入衰减区和固定 埔益运放区三部分组成。图中加在梯型网络输入端( v i n p ) 的信号经衰减后， 由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调 整与其自身电压值无关，而仅与其差值v g 有荚，由于控制电压g p 0 s 旺o 端的输入电阻高选5 0 m r ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益 控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图中的“滑 动臂”从左到右是可以连续移动的1 3 5 1 。 f u n c n o n a l b 【0 c k d i a g i t a m 图4 2a d 6 0 3 原理图 四川大学硕士学位谚文 当v o u t 和f d b k 两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。当 5 脚和7 脚担接时，a d 6 0 3 的增益为4 0 v 。+ 1 0 ，这时的增益范围在1 0 3 0 d b ； 当5 脚和7 脚断开时，其增益为4 0 v g + 3 0 ，这时的增益范围为1 0 5 0 d b ；如果 在5 脚和7 脚接上电阻，其埔益范围将处于上述两者之间。 4 2 2a d 6 0 3 的管脚定义 a d 6 0 3 的管脚定义如图4 - 3 所示。 o p f 玲 6 舳瞻 n p c o m 赫 v p o s v o u t v 哐g f d b k 图4 3a d 6 0 3 的管脚定义 表4 1 列出了a d 6 0 3 的管脚描述。 表4 1a d 6 0 3 管脚描述 管脚代号插述 l0 p o s 增益控制电压“高”输入端( 加正电压增大增益) 2 g n e g 增益控制电压吖氐”输 端( 加负电压增 增益) 3v i n p 运放输入端 4c o m m 运放接地端 5 f d b k 反馈网络联接端 6v n e g 负供电电源输入端 7 v o u t运放输f l j 端 8v p o s 正供电电源输入端 4 , 2 3a d 6 0 3 的特性 a d 6 0 3 具有如下的特性： 1 输出随增益控制端的变化( 单位d b ) 是线性的： 2 频带宽度和增益范围随管脚连接的不同而改变。如：带宽9 0 m h z 四川i 大学硕士学位论文 时，增益范围为一i l d b - - , + 3 1 d b ；带宽9 m h z 时，增益范围为 9 d b 5 1 d b ： 3 可以得到在最大和最小增益范围内的任何中间增益范围。如：带宽 3 0 m h z 时，增益范围为1 d b + 4 1 d