激光自混合干涉位移测量系统的设计

摘要
激光自混合干涉效应是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光相混合后，调制激光器输出功率的现象。作为一种新型的干涉测量技术，激光自混合干涉测量系统以其结构简单、紧凑、易准直等优点被广泛应用于几何量、机械量及半导体激光器参数等的测量。其中对位移的测量也是其在测量应用中的一个重要方面。
本文主要研究基于激光自混合干涉原理测量物体位移的方法。论文采用条纹计数法实现对物体位移的测量，并在MATLAB/Simulink 环境下通过使用System Generator开发工具设计了位移测量系统，并对所设计的测量系统进行了仿真和实验验证。主要研究内容包括以下几个方面：首先，阐述了激光自混合干涉位移测量原理及其研究现状，介绍了激光自混合干涉位移的几种主要测量方法；深入研究了条纹计数法测量原理；研究了激光自混合干涉系统的理论模型，分析了系统参数对激光自混合干涉信号波形的影响。根据理论研究结果，设计了激光自混合干涉位移测量算法。其次，利用Xilinx 公司提供的System  Generator 开发工具，在MATLAB/Simulink环境下，在FPGA中完成位移测量算法设计，进行了软件和硬件协仿真，通过对比Simulink软件仿真和硬件协仿真的结果，验证其硬件协仿真的正确性和硬件可行性。然后，选择Xilinx公司的Spartan-3E入门开发板作为硬件实现平台，在实验室搭建了测量系统，对实验数据进行了预处理，并用设计的位移测量系统对实际振动物体进行位移测量，对实验结果进行分析，验证系统的有效性和稳定性。实验结果表明系统测量的绝对误差小于光波长的二分之一。最后，对全文作了总结，并对该课题有待进一步研究探索的问题做了展望。
关键词：激光自混合干涉；位移测量；条纹计数法；FPGA
目录
摘要..........................................................................................................I
Abstract ..................................................................................................II
1 绪论.....................................................................................................1
1.1  激光自混合干涉技术的兴起................................................................... 1
1.2  激光自混合干涉测量原理....................................................................... 1
1.3  激光自混合干涉测量技术国内外研究小组介绍.................................... 3
1.3.1  国际上几个有代表性的研究小组介绍..........................................................3
1.3.2  国内几个有代表性的研究小组介绍..............................................................4
1.4  激光自混合干涉位移测量技术............................................................... 5
1.4.1  激光自混合干涉技术位移测量介绍..............................................................5
1.4.2  激光自混合干涉位移测量技术一览..............................................................7
1.5  课题来源及本文主要研究内容............................................................... 8
2 激光自混合干涉系统模型..................................................................9
2.1  激光自混合干涉理论模型....................................................................... 9
2.2  不同光反馈机制下激光自混合干涉信号的特点.................................. 10
2.3  条纹计数法测位移原理.........................................................................11
2.4  本章小结............................................................................................... 14
3 位移测量系统的模型建立及算法研究............................................15
3.1  基于FPGA的DSP嵌入式系统........................................................... 15
3.2  位移测量算法设计................................................................................ 17
3.2.1  算法模型的各组成部分................................................................................17
3.2.2  MATLAB/Simulink环境下所建立的信号处理单元.....................................18
3.2.3  信号处理单元各模块介绍............................................................................18
3.3  本章小结............................................................................................... 27
4 基于条纹计数法测量位移的FPGA实现........................................28
4.1  Xilinx Sparten-3E硬件平台.................................................................. 28
4.2  仿真验证............................................................................................... 30
4.2.1  资源评估........................................................................................................30
4.2.2  硬件协同仿真................................................................................................30
4.3  本章小结............................................................................................... 33
5 实验部分...........................................................................................34
5.1  实验系统介绍........................................................................................ 34
5.2  激光自混合干涉实验信号的采集与处理............................................. 35
5.2.1  激光自混合干涉信号采集............................................................................35
5.2.2  实验信号的预处理........................................................................................36
5.2.3  位移测量及结果分析....................................................................................37
5.3  本章小结............................................................................................... 39
6 结论与展望.......................................................................................40
6.1  本文总结............................................................................................... 40
6.2  前景与期望............................................................................................ 40
参考文献...............................................................................................41
致谢.......................................................................................................45