高速高精度相位式激光测量关键技术研究

• 作 者: 王选钢
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 相位式激光测量 频率源设计 鉴相技术 全相位谱分析 希尔伯特变换 锁相环结构

每秒百万次、亚毫米精度相位式激光测量可在空间探索、先进制造、路面测量等领域广泛应用。论文研究的关键技术主要包括频率源设计、鉴相技术、鉴频技术与鉴幅技术等。　　
论文提出一种高速锁相环结构应用于频率源设计。锁相环可减小频率偏移引起的重复性误差，但导致测量精度变差。在传统锁相环的反馈电路中加入混频器，使反馈分频系数从N降至L(N远大于L)，锁定时间缩短至传统锁相环的L/N，降低了锁相环引起的误差。　　
论文以克拉美－罗下限为依据衡量测量精度，研究全相位谱分析和希尔伯特变换谱分析在相位式激光测量中的性能。全相位谱分析通过两次加窗增强频谱泄露抑制能力，鉴相结果的统计方差可达克拉美－罗下限的4/3倍。论文提出一阶窗函数实现的希尔伯特变换谱分析，将正弦实信号转换为解析信号后进行离散傅立叶变换，其鉴相与鉴幅结果的统计方差可达克拉美－罗下限，鉴频结果的统计方差可达克拉美－罗下限的4/3倍。　　
论文设计双频(双测尺)调制相位式激光测量系统，其中高频测尺采用谱分析测量技术，低频测尺采用基于测时技术的自动数字鉴相。实验表明，锁相环的反馈分频系数从80降至1，总误差降低12％；幅相误差与信号的幅度近似成线性关系，可通过鉴幅降低甚至消除该误差；论文所用谱分析的鉴相、鉴频与鉴幅精度与理论值基本吻合；低频测尺采用双向过零比较的自动数字鉴相，抗噪声和抑制幅相误差的能力均优于传统自动数字鉴相法。　　
在1.5m导轨上进行激光测量实验，高频测尺的调制频率为80MHz，采样频率为32MHz，实现最大数据获取率1，000，000点/秒、测量精度0.48mm。