（无线电物理专业论文）基于光反馈混合干涉的位移传感器的研究.pdf

原创性声明 | u i r uullllililiilllli r l l u i i i i i l l y 1 8 3 3 9 3 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：醒伽荆良 日期：印i 。年岁月雳日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部 或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接 相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后 应遵守此规定。 学位论文作者：麓弛确1日期刁a f 。年岁月馏日 摘要 摘要 随着光反馈自混合干涉理论的不断成熟，光反馈自混合干涉效应的应用研究 越来越引起人们的关注。基于光反馈自混合干涉效应的测量系统具有高精确度 和非接触性等优点，故目前已被应用到多个测量领域，如：速度测量、位移测 量、振动测量、距离测量、形貌测量等。 本文主要研究了一种基于光反馈自混合干涉效应的位移测量方法，搭建了实 验系统，并对实验信号进行硬件处理，得出了位移量。目前基于光反馈自混合 效应的位移测量主要有条纹计数法、相位测量法等，本文研究应用散斑测量理 论的亮斑追踪位移测量法，它是一种对具有粗糙面的物体进行测量的有效方法。 本文对现有散斑测量方法进行改进，增添了亮斑追踪、光反馈水平的自动增益 控制两个环路，使检测更精确、有效。本文还设计了位移测量系统的硬件电路 部分，包括信号的预处理、a d 转换、数字信号处理以及位移量恢复等硬件电路 环节。其中a d 转换应用了转换芯片a d 7 2 6 2 ，数字信号的处理选用基于 a r m 9 2 0 t 的$ 3 c 2 4 4 0 芯片，成功实现了信号脉冲的计数统计，测得了位移量。 关键词：位移测量；光反馈自混合干涉；亮斑追踪；$ 3 c 2 4 4 0 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h et h e o r yo fl a s e rs e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t r ym o r ea n dm o r em a t u r i t ya n d d e e p e n i n g , m e a s u r e m e n td e p e n do no p t i c a lf e e d b a c ks e l f - m i x i n gi n t e r f e r e m e n c ei s a t t r a c t i n gal o to f r e s e a r c h e r f o ri t sh i g hr e s o l u t i o n ，h i g hi n t e g r a t i o n ，n o n - c o n t a c t ，i t i su n p a r a l l e l e df o ro t h e rm e a s u r e m e n td e v i c e s n o w , m e a s u r e m e n td e p e n do n o p t i c a l f e e d b a c k s e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t r yi n c l u d i n gv e l o c i t ym e a s u r e m e n t ， d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ， v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，d i s t a n c em e a s u r e m e n t ，p r o f i l e m e a s u r e m e n ta n ds oo n t h i st h e s i ss t u d i e sam e t h o do fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t n o w a d a y s ，f o r d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta l w a y sa d o p to p t i c a li n t e r f e r o m e t e rf r i n g ec o u n t i n g m e t h o d ，p h a s em e a s u r e m e n ta n ds oo n i no u ri s s u e ，w eo f f e ra n o t h e rm e t h o d ，c a l l e d b r i g h t - s p e c k l et r a c k i n gm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fs p e c k l es t a t i s t i c s ，i n t h ep a s ti ti su s u a l l y e m p l o y e di nt h em e a s u r e m e n to fv i b r a t i o n w ei m p r o v et h i s t h e o r yb ya d d i n gaa u t o m a t i cg a i nc o n t r o ll o o p a n dt h em e a s u r e m e n ti sm o r e a c c u r a t e ，e f f e c t i v ea n dc o n v e n i e n t i na d d i t i o n , w eb u i l td i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e do nt h i sm o d e l b ys i g n a l p r e c o n d i t i o n i n g , a dc o n v e r t e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dd i s p l a c e m e n tr e c o v e r y w ea c h i e v e dt h ec o u n t i n gs t a t i s t i c so ft h ep u l s es i g n a l ，w ea c h i e v et h eh a r d w a r e r e a l i z a t i o no fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t f o ra dc o n v e r s i o n , w es e l e c tt h ea d c c h i pa d 7 2 6 2 ，t h ep r o c e s s i n go ft h ed i g i t a la n dt h er e c o v e r y o ft h ed i s p l a c e m e n t w e s e l e c tt h e $ 3 c 2 4 4 0c h i pk e r n e l - b a s e do nr m 9 2 0 t w eg o tt h ed i s p l a c e m e n tr e s u l t ， a n di ti sv a l i d a t e db yas o f t w a r ec a l l e dl a b v i e w i nt h i ss u b j e c to u rr e s e a r c hm a i n l yc o n s i s t so ft w oa s p e c t s ：f i r s tw eb u i l dt h e o f s m is y s t e mw i t hb r i g h t s p e c k l et r a c k i n gl o o pa n da u t o m a t i cg a i nc o n t r o ll o o p ， a n dt h eo t h e ri st h ep r o c e s s i n go fs e l f - m i x i n gs i g n a la n dt h er e c o v e r yo ft h e d i s p l a c e m e n t k e y w o r d s ：d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ，o p t i c a lf e e d b a c ks e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ； b r i g h t - s p e c k l et r a c k i n g ，$ 3 c 2 4 4 0 1 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 研究的背景l 1 2 光反馈自混合干涉效应的研究进展4 1 2 1 光反馈自混合干涉效应的基本原理及形成。4 1 2 2 光反馈自混合干涉效应的应用研究6 1 3a r m 基础知识介绍1 0 1 4 本论文的主要研究内容1 1 2 系统构成及搭建原理1 2 2 1 光反馈系统回路构成。1 2 2 2 光反馈系统功能分析1 5 2 3 本章小结。1 9 3 位移量的恢复2 0 3 1 位移信号的预处理2 0 3 2 信号的a d 转换2 l 3 3 数字信号的处理和位移量的恢复。2 3 4 硬件基础介绍31 4 1 光反馈回路系统3 1 4 2 $ 3 c2 4 4 0 芯片的应用3 3 4 3a d 转换芯片j 3 4 5 结论与展望3 7 参考文献3 8 致 射，4 4 攻读硕士学位期间发表论文4 5 i h 1 绪论 1 绪论 近年来，把光反馈自混合干涉( o f s m i ) 效应应用于精密测量已经成为光电 测量领域的一个研究热点。本文首先探讨轮光反馈自混合干涉领域的发展历程， 主要包括了光反馈自混合干涉效应概念的提出和自混合干涉应用于测量领域的 发展历史及现状；然后介绍了光反馈自混合干涉效应在位移测量上的应用情况； 从而引出了本文的测量方法，亮斑追踪法。对于亮斑追踪法，本文首先阐述了 其原理，并搭建了基于光反馈自混合干涉效应的亮斑追踪法测量位移的实验平 台，并用硬件对实验获得的光反馈自混合干涉信号进行处理，重构了位移量。 最后，对本文研究内容进行了总结和展望。 为此，本文在第一章首先介绍光反馈自混合干涉技术相对于传统干涉技术 的优势、光反馈自混合干涉理论的研究进展及其在测量领域的应用情况，同时 根据本文工作内容，简单介绍了位移传感器搭建所需的一些硬件基础知识，第 二章详述了测量系统的构成原理；即改进的散斑测量法测量位移，主要是对传 统散斑测量法增加了a g c 回路和亮斑追踪回路，运用于位移测量，并对系统的 性能进行了分析。第三章对位移量恢复系统功能硬件实现进行了详细阐述，包 括信号的预处理，a d 转换以及数字信号的处理。第四章为光回路系统与信号处 理电路中用到的一些硬件设备的介绍，第五章为结论和展望。 1 1 研究的背景 从上世纪五六十年代开始，得益于高新技术的涌现，人们对光干涉技术应 用的研究取得了巨大的进展。首先是激光器的出现，并被人们成功运用到干涉 领域，使运用激光干涉技术对物体特性进行测量成为现实；人们不断改进激光 器隔震条件，使激光器输出的光信号越来越稳定；对干涉光信号的获取和处理 运用了先进的计算机设备和微处理器电路。从而，以激光器为光源，以传统干 涉理论为基础，并综合运用了计算机和微处理器的干涉测量系统渐渐被人们所 熟知。 激光干涉测量技术是- - 1 2 应用广泛、测量精度高的新型测量技术，它主要应 用在非接触式测量等领域。由于激光干涉测量技术有非接触性、高精度、高分 l 绪论 辨率等优点，人们不断开发出其在物体的几何特性测量和运动特性测量方面的 应用【l - 2 】。激光干涉测量技术的一个典型运用就是多普勒频移测速系统【3 5 1 。目前 激光干涉系统被广泛运用在各种各样的测量上，如物体形貌测量( 6 1 、运动物体的 速度测量、距离测型7 邶】、磨具谱分析【1 1 】等。 常见的激光干涉测量仪有：迈克尔逊干涉仪、马赫正泽尔干涉仪以及萨格 奈克干涉仪等。这些干涉仪都由以下几部分组成：激光发射源、一个独立的光 电二极管及其他一些光学器件。然而，这些传统干涉仪有一个共同的缺点，就 是需要复杂的光处理单元，不但体积庞大、结构复杂而且灵敏度不好，不宜校 准【1 2 1 。而新型的光反馈自混合干涉测量系统，发光部分为一个半导体激光器( 内 嵌一个光电二极管) ，在干涉测量中不必用光分束器和校准电路即可得到需要的 干涉光，而是通过其发出的激光信号在达到目标物之后反馈回激光腔内与原激 光信号形成光反馈自混合干涉，并且自混合干涉信号可以通过内嵌在半导体激 光器的光电二极管探测到，输出到信号处理电路进行处理。， 和传统的光干涉系统相比较，光反馈自混合干涉测量系统结构简单、体积紧 凑、成本造价低。而且它可以应用传统干涉类似的处理方法如条纹计数等方法 等获得所需的测量信息，可以使光反馈自混合干涉测量传感器对位移的测量精 度达到入2 ( 入指激光器的发出光的波长) 1 3 】，通过条纹细分等方法可以使精确 度达到更高l l 8 j 近年来，由于光反馈自混合干涉技术存在的优势，吸引了很多工作者对其进 行研究。通过大量的理论分析和实验测试，人们已经把这种技术运用到各种精 密测量领域i t 9 - 2 0 】。 下图给出了光反馈自混合干涉技术在微位移量测量上的运用原理。外部物体 的移动方向由正负极性鉴别放大器捕捉，位移量大小由升降计数器通过统计尖 峰脉冲个数进行记录。 2 1 绪论 图1 1o f s m i 测位移图例 为了改进位移测量效果，对光信号进行处理通常采用付里叶变换等方法，在 图1 2 1 2 1 】给出一种测量原理图。如图1 2 中，注入电流由锯齿波发生器调制，外 部物体( 测量对象) 由p z t ( 压电陶瓷制动器) 驱动。通过对信号的付里叶变 换，把包含位移量信息的信号变换到频域进行频谱的频域分析和处理，最终移 动物体的频率和相位移动特性可以以九5 0 的分辨率得到【2 2 1 。 放大器 图1 2 傅里叶变换法求位移图例 本文再给出o f s m i 另外一个典型的运用：运用o f s m i 进行激光多普勒速度 测量【5 2 0 抛】。主要处理过程为激光多普勒频移的探测，激光信号由激光器发出 后经过分光镜后分成垂直光束和水平光束两部分，垂直光束射向反光镜后返回， 水平光束射向测量对象，返回后和垂直光束返回光形成干涉，通过光电探测器 探测干涉信号，通过对此干涉信号分析获取多普勒速度信息。测量对象由散布 开的移动或者旋转的目标构成。如图1 3 。 1 绪论 图1 3 ：o f s m i 多普勒测速装置 o f m s i 的运用还包括：振动测量【2 2 ，3 2 。3 6 1 、距离测量、三维成像【3 2 1 3 4 3 9 。4 8 1 等。 近年来，o f m s i 系统还运用在医疗诊断上面，如心血管跳动速度测量、血压测 量、血流量测量等【4 4 7 - 5 0 1 。 由于环境、光学器件等造成的原因，o f s m i 系统测量得到的信息总是附带 各种光噪声、光斑的抖动、幅度不稳定等，从而限制了测量的精确度。 为此，o f m s i 系统通常需要信号预处理部分来处理附带光电探测器输出的 电信号，用以消除噪声等不利因素，使测量结果更准确。普兰提尔等人【5 l 】用自 适应信号处理的方法处理原始数据得到了优化的测量参数，从而提高了测量结 果的精确度。用这种方法，测1 0 u r n 对象位移测量的精度可达到8 0 n m 。o f s m i 系统中，除了信号处理器之外，人们通常选用滤波器作为去除噪声的滤波器件， 为此，人们不断把先进的滤波技术运用到o f s m i 系统中如，卡尔曼滤波法、扩 展卡尔曼滤波法、自回归滤波方法【2 5 2 7 5 1 铘1 等都已在o f s m i 系统中应用，来更 精确的测量多普勒速度等信息，并取得了好的效果。 除了光反馈自混合干涉系统的搭建，光反馈自混合干涉信号的处理也日渐成 为光测量研究者所注意的一个重要领域。 1 2 光反馈自混合干涉效应的研究进展 1 2 1 光反馈自混合干涉效应的基本原理及形成 光反馈自混合干涉效应的原理可以描述为这样一种现象：激光器发出的激光 信号通过激光器腔后，投向外界被测物体，光信号在到达外界物体后发生散射、 反射等现象，其中一部分光信号又返回到激光器腔内，与原来光信号产生自混 合，待激光光束稳定后，自混合信号即包含了外界物体的一些信息，用内嵌在 激光器背面的光电二极管探测此光信号，并转化为电信号，输出到信号处理电 4 l 绪论 路【5 9 枷】。 从上世纪六十年代开始，激光器出现后不久，就有人发现并提出了光反馈效 应。最早由k i n g 等人在1 9 6 3 年明确提出【6 1 1 。k i n g 及其实验人员在其实验装置 中运用了h e n e 激光器和一个反射面，并在激光器和反射面之间形成了一个光 回路腔。实验发现，激光器输出光的强度随着此回路腔长度的变化会发生改变。 在他们实验的基础上，r u d d 在1 9 6 8 年设计出首个以光反馈为基础的激光多 普勒测速仪。此多普勒测速一表明参考光和返回光可以在在激光器内腔混合， 并且原返激光的互调信号可以由激光器背面的光电二极管所探测。由于光反馈 自混合系统只需要一个单镜就可以把光束对准外界物体，且谐振腔为激光器内 腔，这使测量设备更易准直，结构更简单紧凑。此外，他的实验结果还表明每 个干涉波纹对应外界物体相对激光器有半个激光波长的位移。且输出光的调制 强度和传统双光束的激光器可以相媲美。 除了进行实验研究外，研究者还对光反馈自混合效应进行了系统的理论分 析，以准确的描述产生光反馈自混合效应的激光器动态特性的来源。在上世纪 八十年代，终于有了重大突破【6 2 1 。l a n g 和k o b a y a s h i 等人根据分析和计算得到 了著名的l a n g - k o b a y a s h i 方程。l a n g - k o b a y a s h i 方程科学的解释了半导体激光 器的干涉效应的来源。根据l a n g - k o b a y a s h i 方程，改变外腔长度( 即反射物体 的位置) 将导致内腔折射率的改变，而内腔折射率的改变又反过来影响了激光 器的共振频率。 在l a n g 和k o b a y a s h i 等人研究成果的基础上，a g r a w a l 等人对光反馈自混 合干涉效应的理论进行了拓展。他们发现，外腔中单纵模光的频率间隔由激光 器的外腔相位和增益的最小阈值条件决定。他们建立一个相位方程，在方程中 包含了线宽展宽因数( a ) ，反馈水平因数( c ) ，外腔长度等一些列参数。以表 明带反馈光激光器所输出的光的频谱和动态特性将受激光器发出光和外界反馈 光的耦合强度影响。1 9 8 8 年，n i k o l a u ss c h u n k 和k l a u sp e t e r m a n n 通过求解相位 方程，分析了外部光反馈对单模半导体激光器的影响，并进行了实验验证。指出 半导体激光器中具有最窄线宽的模将比具有最小阈值的模更加稳定，从而给出 了模态竞争的准则【4 2 】。九十年代中期，k a k i u c h i d a 和o h t s u b o 建立了复合腔模型， 用以验证光反馈系统中，外腔长度和半导体激光器输出光频谱的依存关系。他 5 l 绪论 们指出：由于反馈光的存在，光波振荡频率和激光注入电流频率不成线性相关， 振荡频率的变化依赖于外镜距激光器距离( 即外腔长度) 根据以上试验和理论成果，研究者开始把光反馈自混合干涉效应应用到传感 器中。1 9 9 4 年，w m w a n g 等人发表文章阐述把光反馈自混合干涉效应应用于 外界物体的距离、位移的判定o | 6 13 在他们的文章中，首次提出把自混合干涉( s m i ) 作为半导体激光器外腔反馈的一个研究对象。他们搭建了一个三镜腔f a b r y - p e r o t 模型，分别在时域和频域对光反馈自混合干涉效应进行分析。实验表明外腔长 度的变化能够根据激光器的输出功率波形计算出来【6 l 】。此后不久，d o n a t i 首次 实现了了光反馈自混合干涉效应在位移测量中的应用。在他们的实验里，以半 波长为分辨率对光反馈自混合干涉信号波形符号进行判定计数，得到外镜的位 移量。他们的实验还指出，随着光反馈水平因数c 的不断增大，信号的波形展 示出类锯齿波形状，从而通过用升降计数器记录，可以很容易的得到外镜位移 量。在此基础上，关于o f s m i 信号的更多测量方法不断被开发出来。 1 2 2 光反馈自混合干涉效应的应用研究 将激光光反馈自混合干涉干涉原理应用于测量领域是从8 0 年代开始的，最初 构成l d v ，后逐渐应用于位移、距离等物理量的测量，并不断扩展测量领域，如激 光器参数测量等。 ( 1 ) 激光器参数测量 激光器参数的测量主要为线宽展宽因数和反馈水平因数的测量。其中，对线 宽展宽因数的测量近年来较多。 线宽展宽因数对半导体激光器的研究有着非凡的意义。包括半导体的谱线宽 度、注入电流的电流锁定情况，光功率扩大系数等许多特效都和线宽展宽因数 相关。可以说线宽展宽因数是半导体激光器的一个主要参数。 近年来，由于众多半导体激光器的研究者着力于线宽展宽因数的测量。从而 也得到很多科技成果。 本世纪初，s i g n o r e t 等运用外差测量法测定了v c s e l 的谱线宽度，运用公 式推导求出o f 的值。而g l i u 等运用注入锁定中锁定范围的不对称测量得到o f 。 2 0 0 3 年，禹延光等人在适度光反馈条件下，通过s m i 信号波形推导出线宽展宽 因数的测量方法。 6 1 绪论 2 0 0 4 年，禹延光和其学生李世阳等在若光反馈条件下，用数据拟合、最小 二乘法等数值分析的方法对线宽展宽因数进行探讨和推断。最终获得高精度的 口值，其缺点是测量速度慢，不适合实时测量。 2 0 0 5 年禹延光、习江涛等用弱光反馈下优化梯度迭代算法测量口值，同时， 这种算法还可以运用到光反馈水平因数c ，臣0 j b 部运动物体的位移等信息的测量 中去。 2 0 0 8 年，禹延光和其学生袁秀娟等在适度光反馈下，运用自动测量算法得 到口的较精确的测量值。 2 0 0 9 年，禹延光及其学生赵岩用对称折叠算法，分布在强光反馈和适度光 反馈下实现了对线宽展宽因数的测量。 ( 2 ) 距离测量 距离的测量方法有注入电流调制干涉测量 6 9 - 7 1 、模跳法【7 2 扔】以及近距离的波 长偏移测量法等【7 4 】。注入电流调制干涉测量法用三角波或者正弦波注入电流调 制激光器功率信号，反馈光和原发射光相位差产生拍频，然后由p d 探测到附带 距离信息的拍频量，从而得到外界物体的距离；模跳法指当自反馈信号的功率 强度高到一定程度时，激光器信号就产生模跳现象，而模跳量中包含外腔长度 信息，即距离信息，对此进行处理即可得到外界物体相对激光器的绝对距离。 波长偏差测量法指用宽频带波长输出光的激光器，发出光波长受反馈信号影响， 功率谱的密度和光栅得到波长改变信息量，从而得到外腔的长。 注入电流调制干涉法测程大，但分辨率低，且有温度误差；模跳法测程较大， 精度也较高；波长便宜测量法的分辨率很高，但是测程较小。 ( 3 ) 速度测量 速度的测量主要为多普勒频移测速法，现在已有各种多普勒测速仪出现，其 主要原理如下：在小光反馈水平情况下，光反馈自混合干涉干涉系统的对外界移 动物体的反馈信号附带多普勒频谱移动信，g ，o f s m i 激光器背面的光电探测设 备获取到此附带频谱改变信息的混合信号，通过信号的处理，得到普通的多普 勒频移信息，从而分析出速度信息。此外，对速度的测量还可以用散斑横向测 量发。 ( 4 ) 位移测量 用o f s m i 系统测量位移的方法有很多，如条纹计数法、外差同频法、相位 细测法、相位锁定法、散斑追踪法等。下面详细介绍一下o f s m i 系统在位移测 7 1 绪论 量方面的运用情况。 条纹计数法： 根据光反馈自混合干涉理论模型表达式的功率方程式，可以得知当测量对象 ( 外镜) 移动半个激光器信号半个波长大小对应光反馈自混合干涉信号功率的 一个干涉波动条纹，从而，通过记录条纹数目就可以推算出外镜位移大小。此 外，还要对位移的方向进行判别，经过对条纹信号进行处理得出类锯齿波型信 号，通过类锯齿波的倾斜方向即可判断出位移方向。为此，只需要用光电二极 管探测到光反馈自混合干涉信号信息，然后经放大、滤波等预处理，再经过鉴 别，微分等处理，通过计数( 双向计数) 就可得到位移信息。条文计数法测量 精度受半波长限制，及测量精度为半个激光波长。下图为用条纹计数法测量位 移的一种原理图，用两个振荡器组成双稳态。通过计数器对干涉信号的微分信 号进行测量，最后并在l e d 显示。 2 0 0 8 年，叶会英及其学生薛琦研究通过条纹细分法，提高了测量精度，使 测量精度达到了四分之一波长【1 8 1 。 图1 5 条纹计数法求位移原理不意图 外差拍频法 外差拍频测量位移，需要两个激光信号，可以选用双稳频激光器，它可以提 供一对正交的频率，经过分光镜分成两部分，一部分称为水平光束，另一部分 称为垂直光束，其中水平光束作为参考光束，垂直光束作为测量光束，投射方 向为外镜靶面，根据光反馈自混合干涉干涉理论，垂直光束形成光反馈自混合 干涉信号，光反馈自混合干涉信号中包含位移信息量。用光电探测器探测两束 光，形成拍频，可以推断这个拍频信号为调幅、调频信号。运用信号处理技术 通过对此信号进行处理，即可得到位移信息。原理构成图如下。 8 1 绪论 线性起 图1 6 外差同位移测量系统 相位测量法 所谓相位测量法，就是根据光反馈自混合干涉效应理论模型的相位方程式， 经过算法得到自混合信号的相位和外镜位移量的关系，通过信号的处理恢复出 原始位移信号。相位测量法的特点是精度高，精度约束与相位测量的装置，还 有就是测量的范围也很有限。上世纪九十年代末年w a n g 用波长合成法测量位 移，扩大了位移的测量范围。本世纪初，国内的王鸣等人把傅里叶变换运用到 相位测量法，做出位移传感器，有较高的测量精度。下面给出一种用相位测量 法测量位移的传感器电路图 嬲躲黼 鳓鼢獭瓣锄7 嬲 图1 7 相位测量法测位移原理图 2 0 0 8 年叶会英及其学生张广娜运用相位解卷的方法测得较高精度位移量。 相位锁定测量法 在光反馈自混合干涉干涉系统中，当物镜被驱动，则原光波的相位会发生相 应变化，激光器背部的光电探测器探测到波动光信号，然后与参考光信号相应 9 l 绪论 比较，比较差值信号输送到激光管的注入电流。从而，激光器发出光的频率产 生变化，补偿物镜反馈引起的相位变化。当系统稳定，就可以从激光器注入电 流得到位移信息。下图为相位锁定测量原理简图。 图1 5 相位锁定型自混合干涉仪 1 3a r m 基础知识介绍 在本文的硬件设计中，运用了a r m 技术，下面对其进行简单的介绍。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，它既是一个公司的名字，又是一类嵌入式 微处理器的统称，也可以理解它是一种技术。 a r m 公司设计了大量高性能、低价格、耗能低的r i s c 处理器、相关技术 及软件。a r m 公司将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂 商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙 关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。上世纪八十年代中期，第 一个a r m 原型在英国剑桥的a c o r n 计算机有限公司诞生，到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：包括现代工业控制领域、城乡 和安全领域、消费类电子类、网络、无限通信技术等。 现在，a r m 技术也被广泛应用到信号处理领域，向d s p 等经典信号处理技 术发起挑战。与d s p 相比，a r m 又更全面的性能，能够把信号处理与控制，以 及其他功能集成到一个芯片，可以使产品增强电路集成度，不必再采用双核或 多核等。但现在a r m 在信号处理速度和性能上，还不能和d s p 想媲美，有很 大拓展空间。 本文选用a r m 芯片作为信号处理的核心芯片有以下几个原因： l 、a r m 芯片的高数据处理速度：一些a r m 内核的c u p 运算速度达到 1 0 0 m h z 甚至g h z 级别( 如a r m 9 2 0 t 内核c u p 速度可以达到2 0 0 m h z ) 。在信 1 0 1 绪论 号处理上，本文的光反馈自混合干涉信号在转换为数字信号后待处理信号频率 分辨率小于1 0 0 k h ，a r m 芯片可以满足本文课题运用 2 、基于a r m 设备的灵活方便的操作界面：这是a r m 技术相对应d s p 的 优势，d s p 的优势仅存在于对信号处理的速度和性能上，但是其在人机交互界 面并不理想，目前很多产品如智能手机、网络设备等都运用双核技术，即用d s p 进行信号的处理，用a r m 进行界面的管理及与外围的交涉等。但这样不但会使 电路更复杂，也影响了设备的整体效果，并增大了功耗。用a r m 设备既可以满 足信号处理的需求也能充分利用其数据管理及控制等功能。在本文的位移传感 器中，包括位移量恢复后的显示，与模数转换装置的接口，测量结果的保存与 上传入p c 等都可以用，此外功能扩展后，传感器的各种控制可通过触摸屏进行 操作。 3 、a r m 设备的易产品化：由于其丰富的外围接口功能，低的功耗，高集 成度，可以使数据处理电路更小巧紧凑，容易实现产品化。 目前，生产a r m 芯片的厂商有三星、t i 、英特尔等。本文选用三星公司的 s 3 c 2 4 4 0 芯片。 1 4 本论文的主要研究内容 课题来源于国家自然科学基金项目( 项目名称：新型半导体激光器光反馈传 感机理的系统研究及其应用于线宽展宽因数的测量。批准号6 0 8 7 1 0 3 1 ) 本文以光反馈自混合干涉效应为理论基础，研究了利用光反馈自混合干涉效 应进行位移测量的方法，包括三大方面的工作： 1 分析和研究了适度光反馈下用散斑追踪法测量位移的实现，通过散斑追 踪克服了散斑的幅度衰减，并通过在系统中插入光衰减器降低了反馈水平。 2 实验用三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 芯片通过算法实现对包含位移信息的数字信 号进行处理，还原出位移量 3 自混合干涉系统的设计、搭建、调试与实验。 2 光反馈系统构成及搭建原理 2 光反馈系统构成及搭建原理 2 1 光反馈系统回路构成 当漫反射表面被激光照明时，在其附近空间出现随机分布的亮斑和暗斑， 称为散斑。散斑的出现是因为当激光投射在漫反射面( 粗糙面) ，反射光和散射 光相互之间产生干涉，峰峰相叠加的地方产生亮斑，谷谷叠加的地方形成暗斑， 其余为灰色过渡带。散斑只跟激光波长，粗糙面情况和观察点相关。散斑随物 体的变形或运动而变化。采用适当的方法，获取随外界物体运动二产生的散斑 变化量，就可以高精确度地检测出物体的位移。这就是散斑干涉法。同自混合 干涉信号一样，人们已不再把散斑当做一种光噪声，而是用来进行科学研究的 对象。本研究课题应用了散斑测量的有关理论，对粗糙面的位移进行测量。 粗糙面的散斑统计特性包含漫反射面的位移信息，运用光反馈自混合干涉 系统，使光反馈自混合信号包含散斑统计信息量，由光电探测器探测此包含位 移量光信号，转换为电信号输出，对此信号进行处理，即可提取出粗糙面的位 移信息。 在光反馈自混合干涉系统中，半导体激光器输出光投射到粗糙面，从外界 粗糙面返回到激光器内腔的反馈光包含了测量对象表面的散斑统计特性，发现 其中包含暗斑成分，即那些光幅度值远小于统计均值的部分。由于暗斑成分包 含有用信息的信号太微弱，很容易导致反馈光大部衰减，从而产生误差。一般 情况下，光反馈自混合干涉传感器用角型反射器作为测量对象，其劣势在于不 宜校准。这是原有普通散斑测量法的不足之处 用亮斑追踪法进行测量，本文只动态追踪被测物体散斑场中相对振幅最大 的部分，即最亮部分。假设测量对象移动方向为z 轴方向，本文按x y 轴平面进 行亮斑特性统计，只追踪亮斑的特性，这大大降低了反馈回激光腔的散斑信息 的衰减。使对被测物体进行测量的精度更高，尤其当被测物位移为体大位移量 的时候，亮斑追踪发相对于一般的均值散斑追踪法，效果更明显。 本文选用x y 偏向的激光信号作为激光器发出光，应用压电制动器微调输出 光方向，实现输出光校准。为了追踪最大偏移振幅，需要获得必要的误差信号 ( 通过误差判别是否为，为此，本文在x 和y 方向都添加了微振幅调制器件， 1 2 2 光反馈系统构成及搭建原理 通过微振幅调制器件取得误差信号，对此信号进行低通滤波，然后把获得的信 号反馈给激光器的驱动器，对激光信号进行调制。 在实际的追踪亮斑的过程中，外界物体上形成的亮斑的抖动量很微弱( 一 般的5l am ) ，用肉眼是无法分辨的，从而可以忽略由于视觉误差形成的距离误 差。然而，斑点信息却得到很好的改善。当接近零强度点时，散斑系统的亮斑 就向临近亮斑跳动。在普通的散斑测量中，这是非常常见的，并且，在半波长 分辨率的位移测量中，散斑跳动引起的误差是可以忽略的。 通过追踪散斑最大幅值点，保障了信号强度不会过弱，为了促使散斑统计 特性更加明显，系统增加了自动增益控制器( a o c ) 部分。它由光衰减器和光电探 测器反馈组成一个控制回路。 选用自混合干涉器件和散斑追踪法相结合组成传感器，有其自身的优势， 首先它是自校准的，其次，它结构小巧，它不受外界光噪声干扰。从另一方面， 研究关注测量对象散斑信息反馈回激光器的水平。反馈水平既不能使过小( 形 成弱光反馈) 也不能过大( 形成强光反馈) 。为了使测量更加方便，要使光反馈 水平保持在适度光反馈状态下。 光的反馈水平决定了光反馈自混合干涉信号的特性。弱光反馈下，光反馈 自混合干涉信号和测量对象的位移信息无明显相关特性，当反馈模式为适度光 反馈时，光反馈自混合干涉信号的特性显示出脉冲特性，为一组组相关的脉冲 条纹，并且通过分析发现，每个脉冲条纹对应测量对象位移量为半个激光波长， 这是最适合测量的反馈模式，对脉冲条纹进行计数可得到高精确度的测量对象 位移信息。在强光反馈下，条纹产生变形，条纹密度改变，并伴随光反馈水平 因子的每增值7 8 ，条纹产生增裂。同时，o f s m i 模型的数学方程也不再适用。 因此，干涉信号的每个2 周期( 或者半波长位移) 的跳转情况能够表现出 光水平反馈的情况。从传感器硬件系统搭建的角度上来说，适度光反馈状态是 位移测量最适宜的状态。在适度光反馈水平下，只需要根据干涉信号波形，数 波形跳转的数目和方向就可以获得半波长倍数的位移量。 根据以上对c 的讨论，只需要让光反馈水平满足1 c 4 6 即在适度光反 馈水平下。可以通过控制反馈损耗( a p ) 来控制c 的值。给出如下c 表达式： c = 去罴警 ( 2 1 ) 0 砷1 1 - l q i l i r o l l t 。 2 光反馈系统构成及搭建原理 z 表示测量对象距激光器距离，a 表示线宽展宽因数；表示偏膜率；l l u 激 光器腔长；q l 柚表示激光折射率；r o m 表示激光输出面的反射率。通过增加液晶 面光衰减器来控制a i p ，由光电二极管探测到的振幅峰值信号作用于控制器件对 其进行控制，控制器可以调节信号的动态范围。 图2 1 系统回路构成图 激光器输出光束，通过一个微孔物镜投向目标靶面。物镜由控制x - y 平面 移动的压电制动器控制可随光束横向偏移，使激光束能打在靶面的亮斑上。激 光器背部的光电二极管探测到激光器反馈腔中的光反馈自混合干涉信号，把它 作为伺服信号提供给压电制动器的驱动电路，使压电制动器带动物镜偏移，从 而使光电流保持在局部最大状态或者说是使光束方向为自动调整为亮斑方向。 此外系统中还有一个液晶光衰减器( 由一个液晶薄片和一个偏振器组成) ，另外 还有控制部分作为一个控制回路的制动器，以控制信号振幅并使自动增益控制 能够很好的调节反馈水平。 本文给出基本的光反馈实验装置如上图。光电二极管集成于激光器内，在 激光器背部。在x y 方向压电制动器支架上固定一个微准直镜( 直径为5 m m ， 焦长为4 6 r a m ) ，z 轴方向位于半导体激光二极管前，距激光发射面为焦距距离。 通过开动压电制动器，准直镜的镜头随光束横向移动，从而投影在靶面( 被测 物体表面) 的散斑也发生变化。从而，光束采集靶面信息的随机样本也发生改 变，反馈回激光器，这等效于测量对象收集散斑的光接收状况，发射给了激光 器。通过扫描一个固定点，能够获得散斑强度的最大极限值和最小极限值。本 文在系统中插入一个伺服回路使光电探测器探测到的信号幅值保持为最大值。 2 光反馈系统构成及搭建原理 这样就锁定了亮斑信号。电路上，光伺服回路通过给缓慢变化的压电制动器驱 动信号添加低振幅的传感调制来实现( 在x 轴方向和y 轴方向双向) ，通过检测 光电探测器提供的调制载波信号和压电制动器的驱动波形是同相还是反相，对 驱动波形进行调整直到传感调制信号以最大值为基频只有二次谐波成分存在。 除了调制压电制动器的驱动信号外，光电探测器探测到的光信息信号还用 来驱动液晶光衰减器( l c a ) 。与上类似，引进一个反馈回路( 即自动增益控制 a g c ) 来保持信号幅度值趋向于一个常量，a g c 的响应时间设置成远大于亮斑 追踪的响应时间，以避免两个回路之间相互产生干扰。运用l c a ，可以减缓附 带亮斑信息信号幅值的变化过程，使反馈水平因子保持在l c 4 6 之间。 整个系统的调节部分只有z 轴方向对准测量对象准直激光束的校准部分。 2 2 光反馈系统功能分析 本文选取幅值的10 0 0 个特征测量取样，绘制处如下亮斑追踪和a g c 对光 反馈自混合干涉信号的影响比较图。当自动增益控制和散斑追踪控制都去掉时， 实验发现幅度范围很广切很均匀，很大一部分为c i 的情况。而增加a g c 控 制和散斑追踪控制的时候，可以看到分布骤然在选取的测量均值附近集中 ( c - - 2 8 ) 如黑色柱状线条所示，均方差值此时吒= 0 5 2 ，且反馈因数c i 的 比例减少到了小于0 5 。 l j 狸 誊 g 藿 一 薹 翥 图2 2 幅值概率密度图 1 5 2 光反馈系统构成及搭建原理 单位归一化后的光反馈自混合干涉信号在一定控制条件下，从粗糙面( 白纸) 获得信号的幅度分布( 概率密度分布函数) 。把c = i 时的信号幅值a 归一化为 a = i 。带菱形线表示无亮斑追踪和a g c 控制时的幅值分布，即普通散斑统计时 的分布情况，类似于瑞利分布( 点划线表示) 。点线表示：无自动增益控制但包 含亮斑追踪控制时的情况，此时小幅值迅速衰减。白色柱状图表示自动增益控 制开启( 幅值伺服值a = 2 8 ) 亮斑追踪屏蔽时情况。黑色柱状图表示自动增益控 制和散斑追踪全部开启时情况。 理想散射面下，当把平均幅值设置为a = 3 时，测量得到的c i 的概率为 1 0 。对比可知，本文所用的方法使测量有了很大改进。虽然在很小部分情况下 振幅太小在测量过程中是无效的。然而可以保证，在实际测量操作中，本文的 以上分析的结果是可实现的，切效果是明显的即保证了高的准确性，又使测量 结果更加便于分析。 对于亮斑追踪和光预反馈自动增益控制来说，有一点是非常重要的，即需 要存在一个信号能够保持对测量对象反馈回激光器的信号幅值进行测量。为了 即使当测量对象静止时，此方法也能获得反馈回的干涉测量信号，实验在激光 器的直流偏置电流i 中叠置了一个三角波调制信号。这样，根据驱动电流的波长 为入= 入。+ c - i 。可以得到光通路