基于正交信号的激光干涉测振系统研究

论文摘要

近年来,随着现代工业和生产生活的快速发展,激光微振动测量技术受到了人们广泛的重视,尤其是在一些特定的研究领域,比如精密加工中的微纳测量、建筑和工程设备的运行安全监测、医疗中的心脏和牙齿的健康状况诊断等方面,微振动的应用需求日益迫切,因此,高精度的微振动的测量有着重要的现实意义激光干涉技术在纳米级振动测量中应用最为广泛,随着科学研究的方向不断地向着微观领域发展,人们对测量精度的要求也不断提高。激光干涉正交信号的解调是实现高精度微振动测量的关键技术之一,一直是激光干涉信号解调领域的重要研究课题。可靠的正交信号解调技术可以提高激光干涉仪的测量精度。本文在实验室搭建的基于1/8波片的正交偏振激光干涉仪的基础上,对正交干涉信号的相位解调技术做了进一步的研究,并利用反馈法平衡了由于环境扰动造成的频率漂移,从而将待测信号中相位控制在[-π/2,π/2]内,以实现利用反正切函数算法对信号进行解调。第一章阐述了激光振动测量技术和激光干涉正交信号解调技术的意义。第二章介绍了产生正交信号的几种方法：相位载波零差解调法、双光路正交探测法和基于1/8波片的激光干涉正交探测法。说明相位载波零差法是通过电路实现两路正交信号,双光路正交探测法和基于1/8波片的激光干涉正交探测法是通过光路直接得到两路正交信号。通过对比分别说明了三种方法的优缺点。第三章介绍了两种激光干涉正交信号的解调方法：相位载波零差解调法和反正切函数法。分析了相位载波零差解调法容易受到所加载波调制量影响的缺点,通过与反正切函数法比较得出,反正切函数具有原理简单、能够缩短信号处理时间、提高系统工作的实时性的优点。第四章提出了激光干涉正交信号中直流分量影响的消除方法,在1/8波片构建的正交光路的基础上,通过Matlab软件模拟证明了该方法的可行性,并得出了直流量的存在对解调结果影响的误差百分比。实验结果也证明了此方法可以完全的消除信号中的直流量,从而对振动信号的位移进行精确的测量。第五章实验验证了当环境扰动比较大时,造成待测信号中相位超过无法利用反正切函数算法对信号进行解调,利用反馈法平衡了由于环境扰动造成的频率漂移,从而将待测信号中相位控制在内,进而利用反正切函数法将待测信号准确的解调出来。本文的创新之处在于：首先,设计了求导算法将激光干涉正交信号中的直流分量消除,解决了信号中直流量的存在对解调结果造成影响的问题。其次,设计了反馈法对参考光路进行调制,平衡了由于外界环境扰动造成的频率漂移,将待测信号的相位控制在内,从而利用反正切函数算法对信号进行精确的解调。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 基于正交信号的激光测振技术的研究意义
• 1.2 基于正交信号的激光测振技术的发展近况
• 1.2.1 激光测振技术的发展近况及常用方法
• 1.2.2 激光干涉系统中正交信号解调技术的发展近况
• 1.3 本论文的主要研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 正交信号的产生方法
• 2.1 引言
• 2.2 相位载波零差法
• 2.3 双光路正交探测法
• 2.4 基于1/8波片的正交探测法
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 激光干涉系统中正交信号的解调方法
• 3.1 相位载波零差解调法
• 3.2 反正切函数算法
• 3.2.1 反正切函数法原理
• 3.2.2 信号振动幅度超过一个周期时的反正切函数算法
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 正交探测激光测振系统中直流分量消除方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原理
• 4.2.1 通过减法器消除信号中直流量的解调算法
• 4.2.2 求导算法消除信号中直流量的解调算法
• 4.3 软件模拟和实验结果
• 4.3.1 软件模拟
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 正交探测激光测振系统中环境干扰的反馈控制
• 5.1 引言
• 5.2 实验装置及解调系统
• 5.3 软件模拟及实验结果
• 5.3.1 软件模拟
• 5.3.2 实验结果
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 总结
• 在读期间参加的科研项目
• 在读期间发表的文章
• 致谢
• 附录