基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法及装置制造方法及图纸

基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法及装置属于激光测量领域，本发明专利技术将外差激光干涉仪的两路输出信号分别接入可编程逻辑器件，利用可编程逻辑器件内部产生的信号作为正交锁相的参考信号，并通过两次正交混频进行非线性误差位相解调。本发明专利技术适用于实时测量外差激光干涉系统的光学非线性误差，不受被测物体运动状态限制，测量精度在皮米量级；并且利用两次正交混频代替了反正切算法，提高了算法效率。

【技术实现步骤摘要】
基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法及装置
本专利技术属于激光测量
，主要涉及一种基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法和装置。
技术介绍
外差激光干涉测量技术作为目前主要的纳米测量技术之一，在工程计量、电子刻蚀、光刻技术等先进领域备受关注。由于其测量精度高、速度快、可溯源、复现性好且测量非接触等优点在众多测量技术中脱颖而出，在超精密测量和定位技术方面取得了不可取代的地位。然而，由于光源和光学元件的性能不理想等因素，导致位移的实际测量值与理论值之间出现了一个周期性的误差，称之为外差激光干涉仪的光学非线性误差。为了研究光学非线性误差的作用规律，补偿方法，以及利用非线性误差衡量外差激光干涉仪性能来优化其结构，通常需要对光学非线性误差进行测量。因此，光学非线性误差测量技术受到越来越多的重视，成为外差激光干涉仪发展的关键技术之一。1992年，WHou和GWilkening提出了通过对相位进行差分检测，从而得到干涉系统光学非线性误差的双相位测量法。双相位测量法利用一个1/2波片和偏振分光镜，将测量信号分成两路，采用两个光电探测器分别接收两路测量信号，两个探测器探测到的信号的相位差为其中，ε为一个由于光电转换和测量引起的额外的固定的相位偏移，不会对测量结果产生影响。π是初始相位差，也不会对测量结果产生影响。非线性误差为该方法采用差分检测的方式，消除两路信号中相同的位移相位，只剩下非线性误差项，可以实现高精度的非线性测量。并且，将两路测量信号与参考信号比较，可以得到一阶非线性误差和二阶非线性误差(HouW,WilkeningG.Investigationandcompensationofthenonlinearityofheterodyneinterferometers[J].PrecisionEngineering,1992,14(2):91-98.)。该方法可以直接测得干涉系统的光学非线性误差，不需要额外的参考量。但是采用双路相位测量结构，测量精度只在纳米量级，而且只能进行准静态测量。1999年，锁相放大法由中国台湾学者Chien-mingWu首次提出，是现在常用的测量方法。该方法利用锁相放大器，将干涉仪两路输出信号经由光电探测器转换，作为锁相放大器的信号输入，通过混频滤波得到两路输出信号的正交信号，再通过相位解调得到光学非线性误差(WuCM,LawallJ,DeslattesRD.Heterodyneinterferometerwithsubatomicperiodicnonlinearity.[J].AppliedOptics,1999,38(19):4089-94.)。该方法测量精度虽然能达到皮米量级，但是仍然存在弊端。问题在于它建立在传统外差激光干涉仪结构基础上，其中参考信号不含位移信息，其频率固定不变；此外，传统干涉仪的光学非线性误差只包含在测量信号中。该方法的核心是使用锁相放大器来提取信号的相位和幅值，而锁相放大器中的锁相环输入信号频率需要在锁定范围内保持相对稳定，否则会失锁导致测量误差，因此它可以应用于传统激光干涉仪结构中的非线性测量。然而，具有双向多普勒频移特性的干涉仪，如Joo-type结构(JooKN,EllisJD,SpronckJW,etal.Simpleheterodynelaserinterferometerwithsubnanometerperiodicerrors[J].OpticsLetters,2009,34(3):386.),不同于传统的激光干涉仪结构，参考信号和测量信号都包含位移信息，其频率随被测物体速度变化，并且实际物体运动大多处在非匀速状态。因此，它不能应用于变速情况下具有双向多普勒频移特性的干涉仪的光学非线性误差测量。
技术实现思路
针对上述相位差分检测方法精度在纳米量级，而且只能准静态测量，无法动态测量以及锁相放大法无法应用于变速情况下具有双向多普勒频移特性的干涉仪的光学非线性误差测量的不足，本文提出了一种基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法和装置。实现了动态测量，测量精度在皮米量级，并不受被测物体运动状态的限制。本专利技术的目的可通过以下技术方案来实现。基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法，利用可编程逻辑器件内部产生的信号作为正交锁相的参考信号，并通过两次正交混频进行非线性误差位相解调，该方法包含以下步骤：(1)双频激光干涉仪输出的参考光信号和测量光信号经过光电转换和模数转换转化为参考电信号fr和测量电信号fm，输入到可编程逻辑器件；(2)参考电信号fr分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波后分别得到参考电信号fr和正弦信号fsin的差频信号sinR，以及参考电信号fr和余弦信号fcos的差频信号cosR；(3)测量电信号fm分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波器分别得到测量电信号fm和正弦信号fsin的差频信号sinM以及测量电信号fm和余弦信号fcos的差频信号cosM；(4)将sinR和cosR以及sinM和cosM进行交叉乘法混频运算，得到四路混频信号sinRcosM，cosRsinM，sinRsinM，cosRcosM，将sinRsinM和cosRcosM相加得到包含光学非线性误差的余弦分量C(t)，将sinRcosM和cosRsinM相减得到包含光学非线性误差的正弦分量S(t)；(5)将余弦分量C(t)和正弦分量S(t)作如下运算T(t)＝[C(t)2+S(t)2]1/2ΔLnonlin即为双频激光干涉仪的光学非线性误差，其中T(t)和分别是信号幅值和相位，K为光学细分数，λ是激光波长。基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量装置，输入端配置有模数转换器A(7)和模数转换器B(8)，在模数转换器A(7)和模数转换器B(8)的两路输出上配置有可编程逻辑器件(9)，可编程逻辑器件(9)内部配置有带通滤波器A(10)和带通滤波器B(11)以及内部时钟(12)，内部时钟(12)的输出上配置分频电路FD1(13)和分频电路FD2(14)，带通滤波器A(10)和分频电路FD1(13)的输出上配置乘法器A(15)，带通滤波器A(10)和分频电路FD2(14)的输出上配置乘法器B(16)，带通滤波器B(11)和分频电路FD1(13)的输出上配置乘法器C(17)，带通滤波器B(11)和分频电路FD2(14)的输出上配置乘法器D(18)，乘法器A(15)的输出上配置低通滤波器A(19)，乘法器B(16)的输出上配置低通滤波器B(20)，乘法器C(17)的输出上配置低通滤波器C(21)，乘法器D(18)的输出上配置低通滤波D(22)，低通滤波器A(19)和低通滤波器C(21)输出上配置乘法器E(23)，低通滤波器A(19)和低通滤波器D(22)输出上配置乘法器F(24)，低通滤波器B(20)和低通滤波器C(21)输出上配置乘法器G(25)，低通滤波器B(20)和低通滤波器D(22)输出上配置乘法器H(26)，乘法器E(23)和乘法器H(26)的输出上配置加法器(27)，乘法器F(24)和乘法器G(25)的输出上配置减法器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法，其特征在于利用可编程逻辑器件内部产生的信号作为正交锁相的参考信号，并通过两次正交混频进行非线性误差位相解调，该方法包含以下步骤：(1)双频激光干涉仪输出的参考光信号和测量光信号经过光电转换和模数转换转化为参考电信号fr和测量电信号fm，输入到可编程逻辑器件；(2)参考电信号fr分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波后分别得到参考电信号fr和正弦信号fsin的差频信号sinR，以及参考电信号fr和余弦信号fcos的差频信号cosR；(3)测量电信号fm分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波器分别得到测量电信号fm和正弦信号fsin的差频信号sinM以及测量电信号fm和余弦信号fcos的差频信号cosM；(4)将sinR和cosR以及sinM和cosM进行交叉乘法混频运算，得到四路混频信号sinRcosM，cosRsinM，sinRsinM，cosRcosM，将sinRsinM和cosRcosM相加得到包含光学非线性误差的余弦分量C(t)，将sinRcosM和cosRsinM相减得到包含光学非线性误差的正弦分量S(t)；(5)将余弦分量C(t)和正弦分量S(t)作如下运算T(t)＝[C(t)2+S(t)2]1/2...

【技术特征摘要】
1.基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法，其特征在于利用可编程逻辑器件内部产生的信号作为正交锁相的参考信号，并通过两次正交混频进行非线性误差位相解调，该方法包含以下步骤：(1)双频激光干涉仪输出的参考光信号和测量光信号经过光电转换和模数转换转化为参考电信号fr和测量电信号fm，输入到可编程逻辑器件；(2)参考电信号fr分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波后分别得到参考电信号fr和正弦信号fsin的差频信号sinR，以及参考电信号fr和余弦信号fcos的差频信号cosR；(3)测量电信号fm分别与可编程逻辑器件内部生成的正弦信号fsin和余弦信号fcos做乘法混频运算，经低通滤波器分别得到测量电信号fm和正弦信号fsin的差频信号sinM以及测量电信号fm和余弦信号fcos的差频信号cosM；(4)将sinR和cosR以及sinM和cosM进行交叉乘法混频运算，得到四路混频信号sinRcosM，cosRsinM，sinRsinM，cosRcosM，将sinRsinM和cosRcosM相加得到包含光学非线性误差的余弦分量C(t)，将sinRcosM和cosRsinM相减得到包含光学非线性误差的正弦分量S(t)；(5)将余弦分量C(t)和正弦分量S(t)作如下运算T(t)＝[C(t)2+S(t)2]1/2ΔLnonlin即为双频激光干涉仪的光学非线性误差，其中T(t)和分别是信号幅值和相位，K为光学细分数，λ是激光波长。2.基于双通道正交锁相解调的光学非线性误...

【专利技术属性】
技术研发人员：付海金，吉瑞东，王越，胡鹏程，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23