基于相位展开的自混合干涉位移重构方法研究

对于含有光反馈的半导体激光器,在外部物体作简谐振动的条件下,对自混合干涉信号的理论模型进行了理论分析和仿真验证,构建了基于自混合干涉效应的微位移测量系统。在分析理论模型的基础上,研究了自混合干涉功率信号的处理方法。基于相位展开的原理,提出了一种实时重构被测体微小位移的方法,在不考虑噪声和干扰的条件下,对于不同光反馈水平下的外腔反射体位移波形均具有很好的再现效果,最大重构误差为28 nm。实验结果和理论分析相吻合,验证了所提算法的有效性。     

Application of all-phase spectral analysis to self-mixing interferometry for displacement measurement

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法,用于减小激光自混合干涉位移测量的误差.首先,基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型,分析了自混合干涉信号的产生机理和特性.然后,研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法,采用全相位谱分析算法进行相位测量,重构外部反射体位移曲线;讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真.最后,进行自混合干涉位移测量实验,并给出压电陶瓷位移测量实验结果.结果表明,全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4 nm;应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号,可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级.     

全相位谱分析在自混合干涉位移测量中的应用

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法,用于减小激光自混合干涉位移测量的误差。首先,基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型,分析了自混合干涉信号的产生机理和特性。然后,研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法,采用全相位谱分析算法进行相位测量,重构外部反射体位移曲线;讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真。最后,进行自混合干涉位移测量实验,并给出压电陶瓷位移测量实验结果。结果表明,全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4nm;应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号,可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级。     

线性调频激光自混合干涉双通道微位移测量方法研究

为了满足工程中一些特殊二维位移测量需求或提高位移测量效率,建立了结构简单紧凑的激光自混合干涉双通道位移测量系统。首先,基于三镜法-珀腔模型给出自混合干涉系统的数学方程。其次,在弱反馈条件下施加线性电流调制,依据自混合信号频率和外部物体距离的线性关系,当两个物体到激光器距离不同时,频域会呈现两个独立的谱峰,分别对其进行相位解算,从而实现自混合双通道位移测量。然后,数值模拟生成了双通道激光自混合信号,根据全相位频谱分析技术对自混合信号两个谱峰的相位进行估算,重构了两个物体位移曲线,给出了仿真验证。最后,搭建了实验系统,进行了自混合干涉双通道位移测量实验,并给出实验测量结果。实验结果表明,该系统可以完全区分两个运动物体,位移测量相对误差优于8.42%。线性调频激光自混合干涉可以实现任意运动规律的双通道位移测量,通过继续分光其测量通道数仍可进一步增加。     

光反馈自混合干涉式微位移传感器

为了提高位移测量的精确度,提出了一种基于光反馈自混合干涉技术的位移测量方法.采用梯度最优算法分析和处理自混合干涉信号,达到数据理论的最佳拟合,实现微位移的精密测量,并通过设计算法对外部物体的运动轨迹进行重构.提出的传感器可用于亚微米级位移的测量和控制,并给出了PZT位移的实验结果.     

自混合干涉微位移传感器

有许多测量微位移的光干涉方法 ,然而难以实现结构紧凑、价格低的测量系统 ,因为这些传统干涉方法都需要许多光学元器件。提出用激光自混合干涉术测量微位移 ,分析和讨论了自混合干涉信号的产生和处理方法 ,用快速傅立叶变换(FFT)相位探测技术分析自混合干涉信号 ,可提高相位测量精度。提出的传感器可以用于亚微米级位移的测量和控制 ,并给出了 PZT位移的实验结果     

基于 S-G 滤波与包络提取算法的半导体激光器自混合干涉微位移测量

针对在半导体激光器自混合干涉( SMI )微位移测量中,测量噪声对 SMI 信号条纹计数极易引入误差,提出一种基于 Savitzky Golay ( S-G )滤波与包络提取的 SMI 信号处理算法,对自混合信号处理并识别条纹后,干涉条纹能够得到准确地计数。该算法采用 S-G 卷积均值滤波处理、三次样条函数插值包络分析和信号归一化处理,可以有效消除噪声高频信号和提取信号包络。采用电压调制模式下驱动压电陶瓷( PZT )产生微振动作为模拟振动源,实验中设置 3 组不同电压调制幅值下的振动源,采集并分析 SMI 信号及相应振幅信息。在 3 组实验当中,经过算法处理过的 SMI 信号,其干涉条纹数与电压调制 PZT 振动幅值由处理前偏离线性关系到处理后保持线性关系。实验结果表明,经 S-G 滤波与包络提取算法处理过的 SMI 信号能真实反映微米量级的微位移。     

半导体激光器自混合干涉绝对测距理论研究

本文采用半导体激光器的双镜腔等效模型,对基于自混合干涉效应的半导体激光绝对测距理论进行了研究,推导出完整的数学模型,与已取得的实验结果相吻合。在此基础上,提出了一种新的采用参考技术的绝对测距方法,理论分析表明,该方法可以提高系统的测距精度和抗干扰能力。对促进系统实用化具有重要意义。     

激光自混合干涉角度测量参数优化及旋转方向判别

对反射旋转体引起聚焦激光自混合干涉信号位相与旋转角度的非线性关系进行了研究,提出了一个实验参数的优化方法来降低该非线性效应引起的非线性角度测量误差。重新评估了自混合干涉角度测量在测量范围扩大后的物理近似条件,从理论上分析了实验参数给角度测量带来的误差影响并进行了模拟仿真,提出了利用该非线性关系判别反射体旋转方向的方法。最后,进行了激光自混合干涉角度测量实验并给出若干个实验参数条件下分别得到的角度测量结果。实验结果表明,实验参数优化后,角度测量误差大幅减少;在最优情况下,比未优化方法的测量精度提升了一个数量级,可达10-5 rad,证明了提出的实验参数优化方法和反射体旋转方向判别方法的有效性。实验结果还显示,使用提出的方法在提高测量范围的同时仍能进行高精度的角度测量,从而进一步拓宽了基于反射体旋转引起的激光自混合干涉效应的应用范围。     

纳米精度干涉测量中半导体激光器的光频调制方法

根据半导体激光器光注入调制理论和实验,基于不同光注入条件下的频率调制特性,提出了三种半导体激光器光频调制的具体方案。通过使用给出的光强反馈及电路控制方法,能使半导体激光器在其光频受调制期间,其输出光强的变化的范围大幅度减小。这些半导体激光器光频调制的方法用于干涉测量系统中,能极大地减小光强波动对测量精度的影响,可实现纳米级的高精度激光干涉测量。     

Non-contact optical probing sensor — applying optical feedback effects in laser diodes

The possibility of a non-contact optical distance/displacement sensor, making use of optical intensity variations caused by optical feedback effects in laser diodes, was investigated. A compact sensor system and a simple signal processing technique were proposed to realise the sensor system. The experimental results indicated that the resolutions were of sub-mm order in distance measurements and about 40 nm in displacement measurements. The allowable maximum speed of displacement can be improved up to several cm/s. The influence of temperature variation on the measurement accuracy was discussed and the advanced sensing technique utilising a synthetic wavelength of laser diodes was proposed. These methods are applicable even to an object with rough surfaces.     

Self-mixing frequency-modulated laser interferometry

Methods of laser interferometry based on the optical feedback and frequency-modulated laser diode effects are described. An interference signal is analyzed for problems concerned with range finding, displacement estimation, and measurement of velocities and vibration parameters. Relationships between the object movement characteristics and the interference signal parameters are found. Advantages of the new trend in interferometry are an extremely high sensitivity to scattered light, the possibility of estimating the displacement direction and obtaining information from small object surface areas, simple design, and low cost of the interferometers.     

基于非相干光反馈的表面轮廓测量仿真研究

对一种基于非相干光反馈的表面轮廓测量方法,对其进行了理论仿真研究。建立了基于非相干光反馈表面轮廓测量的系统模型,分析了不同反馈光耦合强度的输出特性,系统的稳定状态,注入电流对系统的影响,以及反馈强度和表面深度的关系。结果证明该方法的可行性．研究结果对系统参数设计具有参考价值。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

自聚焦伺服的激光测微技术

以激光ＣＤ 光学头为基础,提出新颖的自聚焦伺服测微工作原理,并以此原理试制测微仪。利用半导体激光器作光源,ＣＤ 光学头作高精度位移检测传感器,并利用高分辨率、高动态响应的压电晶体作微位移驱动源,建立实时闭环反馈的自聚焦伺服系统,由单片机进行控制,实现自动跟踪测量。系统首先在±５００μｍ 范围内进行寻焦搜索,实现光学头聚焦于被测表面,随后立即进入闭环聚焦伺服状态,对微位移进行检测。可获得±０．１μｍ 以上的测量精度,测量范围±１０μｍ ,测量形式为非接触测量。同时,该测微仪还有成本低、体积小、使用方便等优点,是一种值得推广的新方法。