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自混合干涉系统中散斑效应及位移测量算法的研究

常玲  
【摘要】:光反馈自混合干涉(Optical Feedback Self-Mixing Interference,简称OFSMI)效应是指激光器发出的光被物体表面散射或反射之后,其中一部分光耦合至谐振腔内与腔内激光产生混合(干涉),调制激光器输出功率的现象。但是,通常被测物表面是粗糙的,OFSMI信号会受到散斑效应的影响。它虽然带有被测物体的表面特征,但散斑的存在会显著降低OFSMI信号并导致信号幅度的变化以及测量系统参数的变化(如光反馈水平C值的变化),导致测量精度的降低。要想得到精确的位移,需对得到的OFSMI信号进行预处理。受散斑影响的OFSMI信号体现了被测物体产生较大位移时干涉信号的特点和被测物表面特征,故对受散斑影响的OFSMI信号的研究,在光反馈自混合干涉位移测量、振动测量以及物体表面形貌测量等传感测量方面具有一定的理论意义及应用前景。本文主要研究散斑处理及位移测量算法,该算法具有简单有效、大量程位移测量、精度高等特点。对于被测物体的振动频率可能发生变化的情况,本文采用归一化LMS算法对振动频率发生变化的实测信号进行滤波。主要的工作内容如下:(1)受散斑影响的OFSMI信号的位移重构算法设计。为了获得较高精度的位移测量,提出了一种基于包络转换检测的算法,能够正确提取和处理受散斑影响的OFSMI信号。实验结果表明:该算法不仅能处理OFSMI信号中的散斑效应,还能够在时域中识别物体的运动方向,即使在0(27)C(27)0.2的弱反馈机制条件下也可辨别物体的移动方向;该算法为OFSMI信号提供了62nm的测量精度,斑点诱导调制深度为20.33,可恢复10~(-6)m到10~(-3)m范围内的位移,提高了位移测量的精度,可用于较大量程位移测量。(2)针对被测物体振动频率发生变化的情况,为提高物体位移测量精度,采用归一化LMS算法对其干涉信号进行滤波。仿真结果发现:当被测物体的振动频率发生变化后,归一化LMS自适应滤波器的权值系数能够在较小的数量级(10~(-3))内迅速调整为合适的值,其滤波效果与处理单一频率的效果几乎无差别。(3)条纹计数位移测量算法的硬件设计。本文基于条纹计数算法的理论模型,提出了一种条纹计数位移测量的数字信号处理集成化模块的设计方案。使用System Generator开发工具,在Simulink环境下对数字信号处理模块进行设计,整合所有模块设计,对仿真数据源和实测数据源进行了仿真检测,检测证明了硬件能够正确地实现基于条纹计数的位移测量算法。


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