（电磁场与微波技术专业论文）激光自混合干涉位移测量系统的设计.pdf

摘要 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m a t l a b s i m u l i n k 环境下通过使用s y s t e m g e n e r a t o r 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x i l i n x 公司提供的s y s t e mg e n e r a t o r 开发工具，在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下，在f p g a 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s i m u l i n k 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x i l i n x 公司的s p a r t a n - 3 e 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；f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ( s m i ) e f f e c to c c u r sw h e nt h el i g h te m i t t e df r o m t h el a s e ri sr e f l e c t e do rs c a t t e r e df r o mt h ee x t e m a lt a r g e t , ap o r t i o no ft h el a s e ro u t p u t w h i c hc o n t a i n st h ei n f o r m a t i o no ft h et a r g e tb a c ki n t ot h el a s e rc a v i t ya n dm i xw i t h t h eo r i g i n a ll i g h ti nt h el a s e rc a v i t y , r e s u l t i n gi nt h ec h a n g eo ft h eo u t p u tp o w e r t h e s m it e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em e a s u r e m e n t so fs e m i c o n d u c t o rl a s e r p a r a m e t e r s ，g e o m e t r i ca n dm e c h a n i c a lq u a n t i t i e sf o ri t ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si n s i m p l i c i t y , c o m p a c t n e s sa n ds e l f - a l i g n i n g t h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tw h i c hi s a p p l i e di nm e a s u r i n gi sa ni m p o r t a n ta s p e c t t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tw h i c hi sb a s e do nt h e l 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 ye f f e c t 1 1 1 ef r i n g ec o u n t i n gm e t h o di su s e dt oa c h i e v e t h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t a n du s i n gs y s t e mg e n e r a t o rd e v e l o p m e n tt o o lt h e d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t s y s t e m i s a c c o m p l i s h e d i nt h em a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r et e s t e da n dv e r i f i e db yb o t hs i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s t h em a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h e p a p e rd e s c r i b e s t h et h e o r yo fs e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n d i t sr e s e a r c hs t a t u s t h em e t h o d so f d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tb a s e do ns e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c ea r ei n t r o d u c e d a n dt h e p r i n c i p l eo ff r i n g ec o u n t i n gi sa l s oi n t r o d u c e d b ys t u d y i n gt h eb a s i ct h e o r e t i c a l m o d e lo fs m ie f f e c t ，t h ei n f l u e n c eo ft h es y s t e mp a r a m e t e ro nt h es m is i g n a l w a v e f o r mi sd i s c u s s e da n ds t u d i e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ls t u d y , d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta l g o r i t h mi sd e s i g n e d s e c o n d l y , u s i n gt h es y s t e mg e n e r a t o rd e v e l o p m e n tt o o lt h a ti sp r o v i d e db yx i l i n x ， t h ef p g ad e s i g no fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t a l g o r i t h m i s c o m p l e t e d i n m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h es i m u l i n ks o f t w a r e s i m u l a t i o na n dh a r d w a r ec o - s i m u l a t i o n ，t h ec o r r e c t n e s so ft h eh a r d w a r ee o - s i m u l a t i o n a n dh a r d w a r ef e a s i b i l i t yi sv e r i f i e d t h i r d l y , t h ex i l i n x ss p a r t a n - 3 es t a r t e rk i tb o a r di sc h o s e na sah a r d w a r e p l a t f o r m a n dt h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mi sb u i l ti nt h el a b o r a t o r y t o i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sf i l t e r e d a n dt h e n t h ep r e p r o c e s s i n gd a t ai st e s t e d a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h er e s u l t so fm e a s u r e m e n t ， t h es t a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mw a sv e r i f i e d a n dt h e h a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ea b s o l u t ee r r o ri sl e s st h a nh a l ft h el a s e r w a v e l e n g t h a tl a s t ，c o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o mt h ew h o l ep a p e ra n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h i s s u e sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d ：s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ；d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ；f r i n g ec o u n t i n g ； f p g a i i i l 绪论 1 绪论 1 1激光自混合干涉技术的兴起 光学干涉测量技术是一种重要的精密测量方法，因其具有较高的精确度和灵 敏性，加之它是一种非接触式无损探测方法，不会给被测物体带来附加误差和损 伤，因而被广泛应用到测量领域。 激光白混合干涉测量技术不同于传统的光学干涉测量技术，它克服了传统干 涉测量实验设备复杂，系统庞大，光束不易准直，不易携带等缺点，而且测量的 精度也未因系统设备简单而下降，因此越来越受到人们的关注。 激光自混合干涉技术源于人们对光反馈现象的研究。所谓光反馈是指激光器 输出光经外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔的现象。 因为光反馈现象会严重影响激光的光谱性质，所以一直被人们视为影响光学系统 稳定的干扰源q 3 ，试图消除其带来的不利影响。但经过对它的深入研究，人们 逐步发现基于光反馈效应的自混合干涉是一种无法用传统干涉理论来解释的干 涉现象。激光自混合干涉独有的干涉理论使得它具有其他干涉技术所没有的优 点。因此，激光自混合干涉在很多方面代替了传统干涉仪，逐渐成为一个崭新的、 极具应用前景的研究领域。 但激光自混合干涉在理论和应用研究上还并不完善。实验中存在的一些现象 的机理尚不清楚，但可以相信，随着对机理的深入研究将会极大的促进激光自混 合干涉技术取得长足的进步。 1 2 激光自混合干涉测量原理 激光自混合干涉( s e l f - m i x i n gi n t e r 衙e i l c r s m i ) 1 4 , 5 1 又称为激光回馈效应 c o p t i c a lf e e d b a c k ) 【6 ，7 】或背向散射调制( b a c k s c a t t e r - m o d u l a t e d ) 【8 ，9 1 ，它指的是 在激光应用系统中，激光器的输出光遇到外部物体发生反射或散射后，其中一部 分光又反馈回激光器谐振腔，与腔内的光混合，对激光器输出光强进行调制，引 起激光器输出功率和频率的变化。因为其输出的信号与传统双光束干涉信号有相 似之处，故称其为自混合干涉。其基本原理图如图1 1 所示。图中m l 和m 2 组成 了激光器谐振腔；m 3 是位于谐振腔外的反射面即外部运动标靶，它和m 2 一起构 成了外腔；d 是光电探测器。 l 绪论 i - t e m 4 l p h o t o d i o d e 。7 、 ，i 一 糊 r l 十一k 曩叫 图1 1 激光白混合干涉基本原理图 图1 2 典犁的激光白混合干涉信号波形 当外部反射物m 3 沿激光器的轴线运动时，光电探测器d 将探测到如图1 2 所示的干涉条纹，这些干涉条纹包含y # l - 部运动反射物m 3 的运动信息和半导体 激光器本身的参数信息。经过一系列对条纹信号的处理，就可以得到m 3 的位移、 速度、形貌、振动等几何及机械物理量的信息，还可以知道激光器的参数，如线 宽展宽因子等参数信息。 从上面介绍的激光自混合干涉测量原理中，可以发现它同传统双光束干涉测 量系统相比，存在以下异同点： 相同点： 令动镜或反射面每移动半个波长的距离，就产生一个干涉条纹。因而它们 具有相同的分辨率，即都为半个波长； 夺输出光强调制深度类似，因而具有相同的敏感度【1 0 1 ； 令均为同一光源发出的光的叠加； 不同点： 令传统双光束干涉条纹是正弦或余弦波，而自混合干涉条纹为类正弦波或 类锯齿波； 夺与传统干涉测量系统相比，自混合干涉测量系统更加简单； 夺因为在自混合干涉信号中包含了运动物体的方向信息，所以不需要添加 其他元器件，就可以实现对外部反射面运动的方向识别。 2 l 绪论 1 3 激光自混合干涉测量技术国内外研究小组介绍 激光自混合干涉测量是一个发展迅速的研究领域。由于在很多场合能代替系 统复杂的传统干涉仪，故逐渐成为了一门极具发展潜力的测量技术。目前国内外 的一些研究小组都涉足这一研究领域，对其理论及应用的发展起到了巨大的推动 作用。 1 3 1 国际上几个有代表- i 生的研究小组介绍 国际上，几个具有代表性的研究小组有意大利、法国、美国、日本等国的小 组。 意大利p a v i a 大学电子系的教授d o n t a i 所领导的研究小组，很早就开始了对 激光白混合干涉仪的研究，并在1 9 9 5 年，首次研制出了单通道位移测量自混合 干涉仪】，该系统工作在适度光反馈强度下，通过硬件电路实现了对位移的自动 测量和方向辨识。1 9 9 6 年，该研究小组在结合个人计算机的基础上，考虑了对 温度的控制，利用软件实现了对位移的自动测量和方向辨识。在以上研究的基础 上，1 9 9 7 年，该小组又用软件实现了在弱光和适度光光反馈水平下，对物体位 移轨迹的重构【l2 1 。其后，他们的研究兴趣又转移到对物体振动的研究上，并在 2 0 0 3 年，该小组研制出了基于激光自混合干涉效应的振动仪【】3 1 。该振动仪可以 测量振动频率为0 1 h z - 7 0 k h z ，振动幅度为1 8 0 u m 的振动。 法国的g u yp l a n t i e r 和t h i e r r yb o s c h 等人组成的研究小组是从1 9 9 6 年开始 对激光自混合干涉技术进行研究的，是该领域的一支后起之军。1 9 9 8 年，他们 成功地使用白混合干涉式扫描测距仪获取了三维( 3 d ) 图像数据，并进行了三 维物体重构【i4 1 。这一研究成果极大地拓宽了激光自混合干涉技术的应用范围。 后该研究小组又在2 0 0 5 年提出了一种新的描述激光自混合干涉现象的行为模 型。该模型通过使用原理框图来描述自混合干涉现象，从而简化了描述该现象所 涉及的非线性方程组求解问题。这种模型可以使用s p i c e ，m a t l a b s i m u l i n k 或 v h d l a m s 等仿真工具实现对激光自混合干涉信号的处理【i 习。2 0 1 0 年，他们 针对在适度光反馈下自混合干涉条纹丢失而导致位移测量精度降低这一问题，提 出了一种新的测量方法。该方法通过检测和补偿丢失的条纹，把微米范围内的谐 波振动位移测量的误差控制在4 0 n t o 内【1 6 j 。 美国的g r o o t 在1 9 8 8 年首次从光反馈角度分析了自混合干涉信号的产生机 理，并提出了三镜腔f p 模型来描述自混合干涉系统，对自混合干涉测距和测位 移进行了分析，解释了自混合干涉信号条纹倾斜现象产生的原因，其模型分析结 果和实验结果一到 】。三镜腔f p 模型的提出，打破了以前用传统干涉理论解释 自混合干涉现象的束缚，使该领域的研究有了质的改变。后又于1 9 9 0 年首次分 3 l 绪论 析了双模半导体激光器强度波动原理，提出了多模半导体激光器自混合干涉测距 系统，为多模半导体激光器自混合干涉机理的研究奠定了基础【l 引。 对该领域的各种自混合干涉传感器的研制是同本各研究小组关注的热点。以 s h i n o n a r a 教授为代表的课题小组在1 9 8 6 年首次成功研制出了自混合干涉式激光 多普勒测速仪( l d v ) l l9 j 。1 9 8 7 年，e d s o n t s h i m i u z 报道了利用白混合干涉技 术测速时，发现多普勒信号呈锯齿状，该信号包含了物体运动的方向信剧2 0 1 。 随后s h i n o n a r a 教授的课题小组便在1 9 8 9 年研制出了自混合干涉式激光多普勒测 速仪，并通过干涉条纹的倾斜方向实现了对速度方向的辨测2 。在其后的研究 过程中，又观察到当激光光束的直径保持不变并大于0 3 6 m m 时，散斑信号的平 均频率与运动物体的速度成j 下比。于1 9 9 6 年研制并报道了自混合干涉式激光散 斑测速仪【2 2 1 。并进行了后续研究，把自混合干涉式激光散斑测速仪用于对血液 流速的测型2 3 j 。日本的其他研究小组也在该领域做出了巨大的贡献。如h o k k a i d o 大学t a k a h a s h i 和k a k u m a 等人组成的小组提出了外差拍频振动位移测量系绀矧。 n i i g a t a 大学的t a k a m a s a 研究小组提出用自混合干涉信号来控制半导体激光器的 注入电流，从而将测试系统外腔的相位锁定在一个固定的值，可以用这种相位锁 定技术来进行绝对距离和位移的测量，并且该测量方法具有很高的测量精度1 2 引。 1 3 2 国内几个有代表性的研究小组介绍 虽然自混合干涉现象在2 0 世纪6 0 年代就己被发现，但国内对这一领域的研 究始于9 0 年代中期，与国外相比起步较晚。目前主要有哈尔滨工业大学、郑州 大学、清华大学、南京师范大学等单位的研究小组在该领域的研究做的比较好。 哈尔滨工业大学是国内较早对激光自混合干涉技术进行研究的大学，孙晓明 等研究了自混合干涉类锯齿波成立的条件【2 引，并从自混合干涉系统的稳态条件 出发，建立了具有普遍意义的测量系统模型，同时研究发现了激光器线宽展宽因 子和光反馈水平共同决定自混合干涉信号的波形。并带动国内其他一些大学涉足 该技术的研究。 哈尔滨工业大学和郑州大学的研究小组共同对基于自混合干涉技术位移测 量的研究取得了一系列重大成果。1 9 9 9 年，禹延光、强锡富等人提出了差动型 激光自混合干涉式位移测量系统【2 7 1 ，后又在2 0 0 1 年提出了多重光反馈的激光自 混合干涉1 2 引，这一研究结果可提高位移测量的分辨率。 郑州大学的禹延光和叶会英教授领导的研究小组的工作重点是基于自混合 干涉的位移、半导体激光器线宽展宽因子以及光反馈水平因子的测量。该小组对 三镜腔等效自混合干涉位移测量系统进行研究，分析推导了自混合干涉位移测量 系统的稳态解，从理论上确定了自混合干涉系统稳态运行的光反馈水平，该结论 4 i 绪论 对系统设计具有指导意义f 2 9 1 。提出了含参考臂的自混合干涉测距系统【3 0 1 。这些 研究都极大地提高了自混合干涉位移测量的分辨率，同时也减小了光反馈强度引 起的噪声和温度干扰，为国内在自混合干涉测量领域的研究打下良好基础，促进 了基于自混合干涉的位移测量技术的应用。 清华大学张书练教授领导的研究小组的主要侧重于从激光器、光学，如从正 交偏振光自混合干涉现象的角度研究位移【3 l 】等物理量的测量。 南京师范大学的王呜教授带领的研究小组从本世纪初丌始了对激光自混合 干涉散斑干涉理论及应用的研列3 2 1 ，并利用散斑干涉对位移、液体流速【3 3 1 等进 行测量。 1 4 激光自混合干涉位移测量技术 上世纪8 0 年代人们开始把激光自混合干涉原理应用到测量领域。最初研究 的是激光多普勒测速仪 1 9 , 3 4 , - - 3 6 ，后来又应用到对位移、距离 3 7 , 3 8 等物理量的测 量。随着研究的深入，又逐渐扩展了其它测量领域。如对振动的测引”4 0 1 、光学 器件或光学系统参数及特性测试、探伤研究【4 2 1 、形貌测量【4 3 】、散斑测量【2 2 朋】 以及在医学上的应用，如血液流速测量 2 2 , 4 5 】等。 下面主要介绍一下激光自混合干涉技术在位移测量中的应用。 1 4 1 激光自混合干涉技术位移测量介绍 激光自混合干涉位移测量可分为直流激励和波动激励两种方案。位移测量主 要采用条纹计数法【1 2 4 6 1 、相位测量法【4 7 】、外差干涉法【4 8 ，4 9 1 、相位锁定法【5 0 】等。 条纹计数法是在众多位移测量方法中最简单直接的方法，因而它也是目前应 用最广泛的测量位移的方法之一。其测量系统采用直流驱动，通过改变外腔的长 度对激光器输出的光强进行调制。它的测量基本原理是：当外部运动物体沿激光 器轴线运动半个光波波长时，激光器输出产生一个干涉条纹。当测量系统在适当 的光反馈强度下工作，使激光器工作在双稳态时，自混合干涉条纹是类锯齿波， 可根据条纹的倾斜方向进行位移矢量测量，如图1 3 ( a ) 所示，图( a ) 中上面 的波形是外部运动物体波形，下面的波形是与之对应的自混合干涉条纹。可以看 出，当物体位移方向改变时，干涉条纹的倾斜方向也随之发生了改变。如果对干 涉条纹进行微分处理，便可得到正负脉冲，正负脉冲的个数就代表y # t - 部物体位 移大小，而脉冲的正负则代表了位移的方向。条纹计数法测量位移系统的原理图 如图1 3 ( b ) 所示。信号处理部分简单，处理速度快，便于实时测量位移。 5 l 绪论 ( a ) 棱镜压电陶瓷 ( b ) 图1 3 条纹计数法( a ) 信号波形( b ) 测量系统原理图 但条纹计数法也存在着不足之处。如图1 3 ( a ) 所示的类锯齿波，只有测量 系统在适度光反馈下工作时，才会出现。而在弱光反馈时，干涉条纹呈类正弦波 状，干涉条纹没有出现倾斜现象，故无法进行位移方向识别。在强光反馈时，会 出现条纹丢失现象，无法实施条纹计数法。因此，条纹计数法只有在测量系统工 作在适度光反馈条件下的时候，才能实现位移矢量测量。由测量原理可知，条纹 计数法测量量程大，但分辨率低，只有2 2 。 相位测量法测量精度高，但其测量范围受到测量设备的限制，仅为一个光波 波长。值得注意的一点是，在1 9 9 4 年，、m w a n g 引】在相位测量法的基础上， 进行改进，提出了合成波长法测量位移，提高了相位测量法的测量量程。 2 0 0 4 年，王鸣等【5 2 】提出激光自混合干涉测量微位移，用快速傅里叶变换 ( f f t ) 相位探测技术处理分析自混合干涉信号，提高了相位测量精度。该传感 器可以用于亚微米级位移的测量和控制。 外差干涉法要求激光器产生两个稳定频率，构造成外差方案，虽然结构上复 6 l 绪论 杂一些，但可以进行位移矢量测量， 消除系统机械抖动，系统性能稳定， 理，便可直接获得位移的线性测量， 适用于位移实时测量。相位锁定测量法，可 结构简单、紧凑，不需要任何后续的信号处 适用于快速、实时、高精度测量场合。 1 4 2 激光自混合干涉位移测量技术一览 表1 1 自2 0 世纪9 0 年代以米具有代表性的白混合干涉位移测量技术一览表 国激励光反馈分辨 测量型号及参数 年代家方式水平精度 室 范围结论及特点 2 ( n m ) ，p ( m 叨， i ( m a ) 1 5 0 首次引入波长合成技术，把 l t 0 2 2 m d s h a p p 1 9 9 4 年英直流 弱较低较高 7 5 测量范同扩展5 5 0 倍 2 j ：7 8 3 九：7 8 5 p ：3 朋 1 9 9 5 年 日调伟0弱 2 5 r i m儿十锯齿波频率调制，伪外差相 m l 3 4 0 1 c ，” 位法 m i t s u b i s h j m l 2 7 0 l 1 9 9 5 年意直流适度 o 劬，l 2 1 2 m 方向辨识，纯硬件实现 2 ：8 5 4 ， p ：6 7 8 ，i ：4 0 4 3 结合p c ，温度控制，软件 m l 2 7 0 1 1 9 9 6 年意调制适度 5 m m1 0 一删 2 m实现位移自动测量和方向 2 ：8 5 3 2 ， p ：6 15 8 ，i ：4 0 辨识 弱，残留误 s d l 一7 3 1 1 g l 1 9 9 7 年意直流 适度 差胞 软件实现位移轨迹重构 2 ：6 7 3 ，i ：4 3 1 0 h m 1 9 9 9 年日调制弱 5 0 n m + 利用相位锁定技术稳态测 h l 7 8 5 l g 2 ：7 8 4 ，p ：2 0 9 8 n m 量 微利用f f t 分析信号，提高l t 0 2 1 s h a r p 2 0 0 4 年中调制弱 刀5 0 米级了位移测量精度 , 2 ：7 8 0 ，p ：10 0 ， i ：5 0 2 0 0 5 年法直流适度8 0 n m胞1 0相位解卷算法处理信号，可h l 7 8 5 l g 埘对位移信号进行重构 2 ：7 8 5 2 0 0 7 年中直流弱 利用遗传算法分析信号h l 7 8 5 1 澳 2 5 n m 2 ：7 8 5 ，i ：8 0 目前有许多国家都已经将激光自混合干涉测量技术从实验室阶段推向了实 际应用阶段，并取得了很大的成果。这也极大的推动了该测量技术的发展，拓展 了它的应用范围。随着研究成果的不断涌现，测量系统也会随之日臻完善，该测 7 l 绪论 量技术将在今后发挥越来越大的作用。 1 5课题来源及本文主要研究内容 课题来源于国家自然基金项目：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( 6 0 8 7 1 0 3 1 ) 本文以激光自混合干涉位移测量为理论基础，选用x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 e 入门套件作为硬件丌发平台，使用x i l i n x 公司的s y s t e mg e n e r a t o r 开发工具，在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行系统级设计。利用x i l i n x 的评估软件，在x i l i n x 开 发环境下进行综合仿真，最终实现硬件设计。论文内容安排如下： 第1 章首先介绍激光自混合干涉测试技术的兴起、测量原理以及研究进展， 最后给出论文的结构安排。 第2 章从研究激光自混合干涉理论模型和光反馈水平对自混合干涉条纹形 状的影响入手，分析了本文选择的实施位移测量的方法以及测量系统适用的工作 条件。 第3 章首先介绍了本文选用的位移测试平台，然后给出处理自混合干涉信 号的算法设计。 第4 章对设计的测量系统模型算法分别进行软件、硬件协仿真，并对仿真 结果进行对比，分析设计的正确性。 第5 章介绍实验室自混合干涉系统，并对实验数据的预处理，用实验信号 对测试系统模型，并进行误差分析。 第6 章对全文进行总结，并对所设计的位移测量系统需要改进和完善的方 面进行了展望。 8 2 激光白混合十涉系统模型 2 激光自混合干涉系统模型 本章将主要介绍激光自混合干涉理论模型，并对在不同反馈水平下干涉条纹 的特点进行分析，为位移矢量测量奠定理论基础。 2 1 激光自混合干涉理论模型 目前，对激光自混合干涉现象的分析有两种等效方法：三镜腔和 l a n g k o b a y a s h i 方程法。这两种方法对含光反馈的单模激光管的特性有着相同的 描述，关于弱光、适度光反馈水平的数学模型已经在该研究领域得到公认。 当外部反射物体与激光器的距离小于单管激光相干长度一半时，自混合干涉 系统便可被视为复合腔激光器，用三镜腔模型等效，等效图如图2 1 所示。 内腔外腔 图2 1 自混合干涉系统三镜f p 腔等效图 图中d 是光电探测器；m i 和m 2 组成了激光器谐振腔，即内腔；m 3 是外 部反射而即外部运动标靶，它和m 2 一起构成了外腔。r 1 、r 2 分别为激光器前后 腔面的幅值反射系数；r 3 为外部反射物体m 3 的幅值反射系数；，是激光管内腔 长度；是激光管到外部反射面的距离，称为外腔长度。 l a n g k o b a y a s h i 方程与三镜腔法对于含光反馈的单模激光管的特性有着相 同的描述【5 3 , m 】。它们可以得出相同的自混合干涉效应的数学模型： 矽f ( r ) = 九( 丁) 一c s i n # r ( f ) + a r c t a n a 】 ( 2 1 ) g ( 办( r ) ) = c o s ( 办( r ) ) ( 2 2 ) 尸坼( ) ) = p o 1 + m g ( # ，( ) ) 】 ( 2 3 ) 在上述模型中，称( 2 1 ) 式为相位方程，它描述了存在和不存在光反馈时 外腔相位办( r ) 和九( f ) 之间的关系，其中丸( f ) 表示的是不存在光反馈时外腔的 相位，九( f ) = c o o t ，t o o 表示不存在光反馈时外腔的角频率；砟( f ) 表示存在光反 馈时外腔相位，诈( f ) = 缈p f ，功f 是存在光反馈时外腔角频率；f = 2 l c ，其中， 为外腔长度，c 表示真空条件下的光速，口是线宽展宽因数，c 为反馈水平因 子；式( 2 2 ) 描述了输出光强g ( 办( f ) ) 与外腔相位办( f ) 的关系，g ( 办( f ) ) 也称 为干涉函数，即自混合干涉信号；( 2 3 ) 式是自混合干涉系统的功率方程，其中 9 2 激光白混合十涉系统模型 p 九f ) ) 是存在光反馈时的激光器辐射功率，r 表示的是不存在光反馈时激光器 的辐射功率，肌为调制系数( 典型值为研= 1 0 。) 。 由数学模型的推导【5 5 】可以知，激光自混合干涉的工作原理与传统干涉有着 本质区别。自混合干涉理论中，把外部反射面视为构成激光振荡腔的一部分。当 反射面运动时，引起产生激光的光学系统结构发生变化，只有满足新的外腔激光 激发条件的那些光子爿。能产生输出光，而其他光子因不满足新的激发条件，不能 参与这个激发过程，而被滤除，对激光器的输出没有贡献。因此，外腔长度、外 腔介质折射率以及外部反射物反射率的变化，都能导致激发条件变化进而引起激 光输出功率的变化。 由此可知，外腔长度l 、光反馈水平因子c 、半导体激光器线宽展宽因子口对 自混合信号波形的形状都会产生影响，下面将讨论光反馈水平因子c 对自混合干 涉信号波形的影响。 2 2 不同光反馈机制下激光自混合干涉信号的特点 由参考文献 2 9 可知，根据c 值的大小可将自混合干涉效应分成三个研究机 制： 0 c l 为弱光反馈机制； l c 4 6 为强光反馈机制。 根据自混合干涉的数学模型，当线宽展宽因数取值不变，仿真分析不同光反 馈机制下，即c 取值不同时自混合干涉信号的特点。不同c 值条件下的实验波形 及相应的理论波形对比如下。 由图2 2 和图2 3 可知：当0 c 1 时，自混合干涉信号与传统干涉信号类 似，呈正弦波或类正弦波，波形几乎不发生倾斜；当1 c 4 6 时，自混合干涉信号的某些干涉条纹消失，干涉条纹与外部反射物体位 移改变半个光波波长的一一对应关系已不成立，系统进入一个较复杂的状态。 1 0 2 激光白混合十涉系统模型 图2 2 不同反馈水平下白混合干涉的仿真波形 图2 3 不同反馈水平下自混合干涉的实验波形及由理论模型计算出的光反馈水平参数 2 3 条纹计数法测位移原理 在第一章绪论中已经介绍了利用自混合干涉位移测量的几种主要实现方法。 本文将选择条纹计数法作为位移测量的实现方法。条纹计数法具有实现起来简单 直接，测量量程大的优点。当测量系统工作在适度光反馈时，可以对物体的位移 进行方向识别。因此，本文设计研究的测量系统适用于工作在适度光反馈条件下。 下面具体介绍一下条纹计数法测量位移的原理。 2 激光白混合十涉系统模型 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式，可知： g = c o s g 丁一c s i n ( r c s i n ( - ) + a r c t a n ( t r ) ) + a r c t a n ( a ) ) ( 2 4 ) 则可见 g ( r + 2 n - ) = g ( f ) ( 2 5 ) 因此， g 的相对变化是r 的周期函数，周期是2 万。当f o o t 变化2 万时，对应产生 一个干涉条纹，由f = 2 三c 和t o o = 2 x c , ；t o ( 凡是不存在光反馈时激光器输出光 波的波长) ，可得，外腔三变化量为半个光波波长时，就对应产生一个干涉条纹。 所以，外腔长度可表示为： l = l o + n - 粤 ( 2 6 ) 二 其中，厶是外腔长度的初始值，刀是位移波形中两个相邻转折点包含的条纹个数 ( 外部运动物体由运动方向改变到下一次改变之间所产生的条纹数) ，它的正负 取决于干涉条纹的倾斜方向，即外部物体的运动方向。 由此，可得 ， 缸= 刀鱼 ( 2 7 ) 2 缸即为外部物体的位移量，j 下负由运动的方向决定。 外部运动物体的运动规律与自混合干涉条纹的对应关系如图2 4 所示。 ( a ) l 凸 0 5 荸0 0 5 即01 0 0 012 玎 4 1 咖1 咖2 咖 l i m e l n 图2 4 ( a ) 物体运动规律( b ) 与之对应的自混合干涉信号 反射物体做简谐运动，如图2 4 ( a ) 中所示，当物体由a 运动到b 时，是向 靠近激光器的方向运动的，对应的干涉条纹是图( b ) 中c 与d 之间的图形，条 纹的倾斜方向是一致的，都向左倾斜。( a ) 图中运动方向发生改变的a 、b 点与 图( b ) 中条纹倾斜方向发生改变的点c 、d 是一一对应的关系。把c 、d 称为转 1 2 2 激光自混合干涉系统模型 折点。 由于在适度光反馈水平下，自混合干涉条纹的形状是类锯齿波，并有倾斜， 所以当对干涉条纹进行微分时，会出现j 下负脉冲，根据脉冲的j 下负，可以实现对 运动物体位移的方向 ： 别，如图2 5 所示。 7 1 x 7 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 1 4 1 6 0 01 8 0 02 0 0 0 1 1 m e ( n 1 一_ ； 蝌髟j 匕呼一 蟮k k 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 1 3 m e ( n ) l - l| l i 1 l1 il 1 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 1 3 m e ( n ) 图2 5 外部物体运动波形、白混合干涉信号、自混合干涉信号微分处理后的波形 从图2 5 中可以看出，当外腔长度变小即物体沿激光器轴线向激光器方向运 动( 此处称为反向运动) 时，自混合干涉条纹向左倾斜，微分后的信号是正脉冲： 当外腔长度变大即物体沿激光器轴线远离激光器运动( 此处称为j 下向运动) 时， 自混合干涉条纹向右倾斜，微分后的信号为负脉冲。由此，可以根据脉冲的正负 判向。图2 6 给出了条纹计数法对干涉信号处理的流程框图。 图2 6 信号处理流程图 在图2 6 中，对白混合干涉信号进行过微分处理后，会产生f 负脉冲，把正 负脉冲分离后，分别计数，就可以利用( 2 7 ) 式得到物体的位移量。 o ， o 一 2 0 之 一导岳e。dmid10 一c o 一昌ilu巴9jjla 2 激光白混合十涉系统模型 2 4 本章小结 本章首先介绍了激光自混合干涉系统在弱光和适度光反馈机制下的数学模 型，然后根据光反馈水平因子c 取值小同，分成三种不同的反馈机制，并且研究 了在不同光反馈机制下，自混合干涉信号波形的特点，最后对选用的位移测量方 法条纹计数法进行了研究，并给出了实施的流程和计算公式。 1 4 3 位移测垃系统的模型建口及算法彬f 究 3 位移测量系统的模型建立及算法研究 本章将主要介绍自混合干涉位移测量系统的设计和开发工具，以及测量系统 算法的研究和模型的建立。 3 1 基于f p g a 的d s p 嵌入式系统 d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术在通信、多媒体处理及雷达等许多领域 都有着广泛的应用，所以d s p 的使用也不止一种方法，而是会根据不同的目标 提出不同的解决方案，其中可编程j 占片f p g a 逐渐成为了众多的解决方案中一个 重要方法。 通常情况下，d s p 算法的实现有两种途径：可编程d s p 芯片，它主要用 于低速、普通的目的；固定功能d s p 芯片组和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片，其主要应用在高速、特定的目的。而现在d s p 设计人 员又有了另一种选择_ f p g a 。与普通的d s p 芯片相比，f p g a 芯片能够更好 地进行并行运算处理，这样就极大的提高了性能并节省了资源。而且与a s i c 芯 片相比，f p g a 可以反复使用，即便是在产品制成后，它仍然能够重新更改设计。 虽然有如此多的优点，但遗憾的是f p g a 并未在数字信号领域获得广泛应 用，造成这种现象的主要原因是：首先，部分d s p 设计者通常很熟悉c 语言或 m a t l a b 工具，却对硬件描述语言v h d l 和v e r i l o gh d l 并不了解；其次，大部 分d s p 工程师都无法适应h d l 语言在语句可综合仿真方面的要求，认为它限制 了编写算法的思路。基于以上原因，x i l i n x 、a l t e r a 等公司纷纷推出了简化f p g a 数字处理系统的集成开发工具，如x i l i n x 公司的s y s t e mg e n e r a t o rf o rd s p ，它能 够快速、简易地将d s p 系统的算法转化成可靠的、可综合的硬件系统。它给d s p 设计者提供了一个综合的建模和验证环境，使得开发者可以从在s i m u l i n k 环境 中完成最初的设计输入直至最终的f p g a 设计收敛的整个流程非常平滑，不需要 学习或使用传统的r t l 设计方法，为d s p 设计者编程扫清障碍。 本文选择的开发工具是x i l i n x 公司的s y s t e mg e n e r a t o r ，下面将着重对其进 行介绍。 s y s t e mg e n e r a t o rf o rd s p 是x i l i n x 公司提供的系统级建模工具，它在很多方 面扩展了m a t h w o r k s 公司的s i m u l i n k 平台，为设计者提供了适合硬件设计的数 字信号处理( d s p ) 建模环境，加速并化简了f p g a 的d s p 系统级硬件设计。 设计者可以利用m a t l a b 和s i m u l i n k 建模环境来开发d s p 算法，并且在f p g a 硬件中实现，如图3 1 所示。 3 位移测量系统的模型建妒及算法研