浙江理工大学 信息科学与工程学院，浙江杭州310018
针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。
激光外差干涉 位移测量 误差补偿 卡尔曼滤波 laser heterodyne interferometry displacement measurement error compensation Kalman filtering
1 清华大学精密仪器系，北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，北京 100084
3 陆军装备项目管理中心，北京 100072
在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前，激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段，本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术，概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法，回顾了近三十年国内外相关研究进展，并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后，对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
北京工业大学材料与制造学部北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
测量分辨率和精度的不断提高是激光外差干涉测量的发展趋势，而抑制激光外差干涉测量精度进一步提升的主要因素是周期性非线性误差。提出了一种基于连续小波变换的激光外差干涉非线性误差补偿方法。对非线性误差函数进行Morlet小波变换，利用小波系数矩阵信息提取小波脊线，分析小波脊线上的特征信息，重构一次谐波非线性误差；利用最小二乘非线性拟合方法迭代拟合出二次谐波非线性误差。实验结果表明，将此方法应用于激光外差干涉测量系统中，非线性误差分量由5.97 nm减小到1.09 nm，非线性误差分量减小至原来的18%。该方法可有效抑制非线性误差的影响，并提高激光外差干涉测量的精度。
测量 激光外差干涉 非线性误差 连续小波变换 最小二乘非线性拟合 中国激光
2022, 49(21): 2104006
山东理工大学机械工程学院, 山东 淄博 255049
转轴的圆跳动对机床的加工性能具有重要影 响。为了满足实时在线的高精度测量需求, 提出了一种新颖高效 的轴跳动激光相干测量技术。该技术采用稳定可靠的基于塞曼效应的He-Ne激光器作为 光源, 具有灵敏度高、输出信噪比高、精 度高、探测目标作用距离远等优点。另外, 通过光纤传输, 其测量 灵活性和抗干扰性得到了进一步提高, 可以满足实时在线的远距离测量需求。实验 结果表明, 该系统的测量不确定度小于0.1%。
圆跳动 塞曼效应 激光外差干涉 光纤 不确定度 runout Zeeman effect laser heterodyne interferometry optical fiber transmission
1 中北大学 信息与通信工程学院, 太原 030051
2 中北大学 电子测试技术重点实验室, 太原 030051
为了改善传统硬件相位测量中存在电路复杂、测量精度低、工作频带宽窄等诸多缺陷,利用AD8302的良好高频测相能力,设计了一种新的激光外差干涉信号处理系统,分析了其工作原理,并取得了静态、动态实验数据.结果表明,系统测量误差小于0.5°,使外差干涉理论测量分辨率提高到0.088nm,更有利于微振动信号的测量.
测量与计量 高频测相 激光外差干涉 微振动信号 measurement and metrology high-frequency phase measurement AD8302 AD8302 laser heterodyne interference microvibration signal
西安电子科技大学 技术物理学院，陕西 西安 710071
针对声光晶体内部的声波反射使晶体内声场分布不均匀，影响衍射效率和衍射光场分布，降低激光外差干涉效率的现象，以不改变声光设备为前提提出了光切趾方法。以TeO2晶体为基底，理论分析声光器件的声场分布、体光栅衬度及其对衍射光效率的影响。提出非均匀光栅衬度模型，并利用光切趾法控制空间声场非均匀分布。通过理论仿真结合实验测量，证明该方法的传输性能。实验结果表明: 当射频满足器件工作中心频率在100~105 MHz时，使用切趾法前，衍射光斑呈现双峰，光强未均匀分布，其光斑中心不呈现光强极大值，衍射光束出现串扰并携带大量噪声，外差信号功率为-1.7 dBm; 使用切趾法后，声场非均匀现象对光束质量的影响得到改善，光强分布均匀且呈高斯结构，声场衍射效率提高到98%，传输带宽达到总衍射带宽的50%～60%，外差信号功率达到3.8 dBm。结果表明: 该方法在优化传输容量、抑制光串扰同时，可提高激光外差干涉效率，使外差中频信号电压增益为11 dB。
声光器件 声场分布 光栅衬度 衍射效率 激光外差干涉 acousto-optic cell sound field distribution grating contrast diffraction efficiency laser heterodyne interferometry 光学 精密工程
2011, 19(10): 2386
1 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124
2 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
为了补偿用激光外差干涉法进行纳米测量产生的非线性误差，进行了非线性误差补偿的实验研究。根据镀膜实体角锥棱镜反射光的偏振特性，推导出当激光器出射光束存在偏振椭圆化时，测量角锥棱镜以运动方向为轴线的轴向旋转对非线性误差一次谐波的影响模型。分析表明，测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波。实验显示，当测量角锥棱镜轴向旋转角从0°增加到100°时，非线性误差从3.48 nm减小到1.39 nm，实现了非线性误差一次谐波减小为原来的40%。该方法避免了现有的非线性误差补偿方法光路系统和电路系统复杂的缺点，系统实现很简单。
激光外差干涉术 非线性误差 一次谐波 误差补偿 laser heterodyne interferometry nonlinear error first-harmonic error compensation
1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学航天学院通信工程系, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了减小激光外差干涉纳米测量的非线性误差，必须明确偏振分光镜(PBS)分光性能非理想对非线性误差的影响机制。推导出非理想情况下偏振分光镜透射率和反射率的激光外差干涉非线性误差模型，建立了偏振分光镜分光性能非理想对非线性误差二次谐波的影响模型。仿真结果表明，偏振分光镜的透射率和反射率非理想对非线性误差的影响为一次谐波，且偏振分光镜分光性能越差，其对非线性误差的影响也越大。在偏振分光镜反射率为0.90的情况下，偏振分光镜透射率从1减小到0.90时，非线性误差由0.62 nm增大到1.24 nm。当存在偏振分光镜旋转角度误差时，偏振分光镜分光性能非理想引起的非线性误差不增加二次谐波分量，但增大了非线性误差一次谐波分量，严重影响非线性误差的大小。当偏振分光镜旋转角度误差为5°时，偏振分光镜透射率从1变为0.90，非线性误差从0.39 nm增大到1.41 nm。
测量 激光外差干涉 非线性误差 透射率 反射率 偏振分光镜 二次谐波
哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
为了减小激光外差干涉非线性误差,必须考虑偏振分光镜透过率和反射率不等对非线性误差的影响.通过分析两臂透过率与反射率不等对测量信号的影响,推导出两臂反射率与透过率不等对激光外差干涉非线性误差一次谐波和二次谐波影响的理论模型.仿真结果表明,透过率与反射率不等将严重的影响非线性误差一次谐波的大小,当反射率为1而透射率由1变为0.85时,其非线性误差由0.56nm增加到2.03nm,同时非线性误差只是一次谐波和二次谐波的简单叠加.仿真结果表明调整偏振分光镜的旋转角度误差能够有效的消除两臂透过率与反射率不等对非线性误差的影响.为进一步指导调整减小或消除非线性误差提供了理论依据.
激光外差干涉 非线性 传输系数 偏振分光镜 二次谐波
哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
为了同时提高激光外差干涉测量的分辨力和精度,必须深入分析光学倍频对激光外差干涉测量精度的影响机理.在此基础上,建立了光学倍频相位测量模型,从理论上证明,光学倍频能够实现对激光外差干涉信号的细分,提高测量分辨力.光学倍频改变非线性误差的相位而使非线性误差减小,但同时改变了激光干涉多普勒频移的v/c平方项,使得残余累计误差增大.仿真结果表明,光学N倍频使非线性误差减小到原来的1/N,但使残余累计误差增大N2倍.因此,光学倍频仅适用于低速测量的场合.
激光外差干涉术 光学倍频 非线性误差 累积误差
