激光扫频干涉测距的关键技术及精密度评价方法研究

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高精密度和准确度测量是计量领域永恒的课题。随着时代的发展,人们寻求更高精密度和准确度测量手段的脚步从未停歇。现如今,高速、多目标、高动态范围、高精密度和准确度的测量需求成为了机械制造、航空航天和生物医学等领域新的诉求。激光扫频干涉技术作为一种有前景的测量手段,能够满足新一代测量的需求。本文详细介绍了激光扫频干涉测距的基本原理和若干关键技术,并提出了一种精密度评价方法。研究了k域采样法的采样误差对测距的影响,分析了FSI测量精密度和准确度主要取决于辅助光纤干涉仪的光纤长度和采样误差大小;提出了采用基于气体吸收池光纤标定和误差校正的方法。实验表明,标定后的光纤长度相对误差为5.5 ppm,高于基于参考干涉仪的标定法。此外,在8.7m范围内,与干涉仪相比,校正完采样误差后的测量精密度较校正前提高了2倍以上。研究了目标振动对FSI测量精密度和准确度的影响,提出了一种相邻的上、下扫描的信号来进行分时叠加的方法来消除振动误差。推导了正弦振动模型和匀速振动模型的误差影响,并分别进行了实验验证。实验表明:在有源振动条件下,当振动频率小于10Hz时,补偿后的距离测量精密度较补偿前提高了62倍。在无源自然振动环境下,补偿后的测量精密度较补偿前提高了23倍。研究了长距离测量场合中光纤色散误差对FSI测量精密度和准确度的影响,提出了一种组合式测量系统和一种色散误差快速补偿方法。采用了基于液体透镜的双光束自动聚焦结构设计对目标点进行快速聚焦测量。实验表明,在60m范围内,系统扩展测量不确定度为4.03μm+2.05μm/m?Rair(k=2)。基于双光纤光路FSI测量系统,提出了一种距离测量精密度的评定方法,即克拉美-罗边界(CRLB)。通过推导在噪声背景下,双光纤光路FSI测量系统的重采样信号中距离参量的CRLB,得到了影响系统测距精密度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证。针对大带宽测量场合,提出采用了一种基于MUSIC算法进行距离估计。相比于FFT和CZT算法,MUSIC算法距离估计精密度最优。此外,还根据推导的CRLB式子,对两个影响精密度的因素进行仿真分析。结果表明:在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 d B以上,系统可获得低于10μm的测距精密度。该精密度评定方法可为后续改善FSI测距系统性能提供理论参考。
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