激光外差探測(cè)系統(tǒng)的研究

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1、清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文目錄1引言11.1課題研究的背景及意義11.1.1激光測(cè)量方法11.1.2激光測(cè)量分類11.1.3激光測(cè)試的特點(diǎn)11.1.4激光測(cè)試的應(yīng)用領(lǐng)域21.1.5激光外差探測(cè)技術(shù)21.1.6激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)31.1.7激光外差干涉儀31.1.8課題研究意義31.2國(guó)內(nèi)外研究狀況31.3本文主要研究?jī)?nèi)容42外差原理52.1光外差原理52.2光外差探測(cè)的特性62.3光外差探測(cè)的應(yīng)用93激光外差探測(cè)系統(tǒng)的特性研究153.1激光外差信噪比的研究153.1.1信噪比定義153.1.2激光外差探測(cè)屮的信噪比153.1.

2、3理論分析153.1.4外差效率的數(shù)值模擬183.2影響激光外差高精度計(jì)量的兒個(gè)關(guān)鍵因素223.2.1誤差來源223.2.2影響測(cè)量精度的幾個(gè)重要因索233.2.3確保測(cè)量精度的一些辦法304結(jié)論31參考文獻(xiàn)33第I頁共II頁351引言1.1課題研究的背景及意義1.1.1激光測(cè)量方法激光的亮度，高相干性和高準(zhǔn)直性，使光學(xué)檢測(cè)方法產(chǎn)生革命性的變化，并有可能對(duì)過去不能測(cè)屋對(duì)象進(jìn)行測(cè)屋。提高了測(cè)量精度，已達(dá)伽(10-9m)量級(jí)，并使測(cè)量智能化。國(guó)際上傾向性的看法是：激光測(cè)量是一門綜合性實(shí)用技術(shù)，能記錄、分析激光與被研究對(duì)彖相互作用而發(fā)

3、生變化的光波場(chǎng)參數(shù)，以便測(cè)出被研究對(duì)彖的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，聲學(xué)參數(shù)，重力場(chǎng)參數(shù)，熱力學(xué)參數(shù)，電磁學(xué)參數(shù)，光學(xué)參數(shù)和微觀信息等。即可用激光檢測(cè)的方法探測(cè)、聲、光、熱、屯磁、力學(xué)等物理參數(shù)，長(zhǎng)度、角度、表面光潔度等幾何參數(shù)以及化學(xué)參數(shù)。1.1.2激光測(cè)量分類①干涉法：T涉測(cè)長(zhǎng)②衍射法：測(cè)微小尺寸③光掃描法：掃描測(cè)徑，掃描對(duì)準(zhǔn)④準(zhǔn)直法：準(zhǔn)直儀⑤光脈沖法：激光脈沖測(cè)距——精度m⑥光調(diào)制法：激光相位測(cè)距——精度nrni⑦多譜勒法：測(cè)流體速度⑧全息法：測(cè)變形⑨散斑法：測(cè)微位移⑩光譜法：測(cè)大氣污染，測(cè)化學(xué)成分11數(shù)字圖像法：(CCD成像)OCT12

4、傅里葉頻譜法：指紋檢測(cè)13莫爾條紋法：莫爾條紋法測(cè)量角度、莫爾偏析法測(cè)焦透鏡焦距等、等高莫爾法測(cè)三維物體。1.1.3激光測(cè)試的特點(diǎn)①非接觸：無接觸力，柔性②高靈敏度③高精度④三維性⑤相關(guān)性，高低溫⑥實(shí)時(shí)性⑦抗干擾性（電磁干擾）⑧通信保密性：光通信的定向性，光纖的保密性1.1.4激光測(cè)試的應(yīng)用領(lǐng)域?軍事領(lǐng)域1.跟蹤：紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈2?激光測(cè)距：測(cè)距機(jī)、激光雷達(dá)、激光探潛1?激光預(yù)警?工業(yè)領(lǐng)域1.長(zhǎng)度、角度、光潔度2.聲光、熱電磁?生物科學(xué)1.OCT,探測(cè)組織對(duì)激光的吸收2.血流（激光Doppler測(cè)量）?環(huán)境科學(xué)1.測(cè)大氣污染2.地

5、形地貌測(cè)量?公安系統(tǒng)1.指紋測(cè)屋2.等高莫爾條紋（人體形測(cè)量）1.1.5激光外差探測(cè)技術(shù)激光外差探測(cè)技術(shù)是將頻率不同的本振光和信號(hào)光做相干疊加，用探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者差頻頻率的探測(cè)，其特點(diǎn)在于將高頻的光波信號(hào)轉(zhuǎn)換成屮低頻率的包絡(luò)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。外井探測(cè)的靈敏度高，通過提高木振光的強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)，靈敏度比直接探測(cè)高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。該技術(shù)有著良好的噪聲濾除能力、抗干擾能力強(qiáng)，基于其實(shí)時(shí)性、可溯源性和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于納米分辨力和人動(dòng)態(tài)測(cè)量范I韋I的精密定位和位移監(jiān)測(cè)。1.1.6激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)⑴激光外差

6、T涉測(cè)量系統(tǒng)是日前最常用的激光測(cè)量系統(tǒng)之一，它不僅被用于長(zhǎng)度測(cè)量，而且述用于工業(yè)中位移、角度、直線度、平面度等方面的測(cè)量和與幾何量測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域的測(cè)量，特別是在納米量級(jí)的位移和面形的測(cè)量。1.1.7激光外差干涉儀⑵激光外差干涉儀是激光外差干涉系統(tǒng)的試機(jī)應(yīng)用，激光外差干涉儀具有測(cè)量速度快，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、加工、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。特別在合成孔徑激光雷達(dá)中，需要探測(cè)冋波信號(hào)的幅度信息和相位信息等.在光波波段相位信息更是需要通過光外差探測(cè)的方法來獲得。1.1.8課題研究意義木課題的主要0的是

7、針對(duì)激光外差探測(cè)系統(tǒng)的一些主要特性、重要參數(shù)進(jìn)行研究與探討。例如影響激光外差高精度計(jì)量的幾個(gè)關(guān)鍵因素，激光外差探測(cè)信噪比研究等。對(duì)于計(jì)量精度方面，本課題會(huì)對(duì)具中兒個(gè)垂耍的關(guān)鍵因索進(jìn)行分析，除環(huán)境因素之外，影響激光外差計(jì)量精度的4個(gè)關(guān)鍵因素，即頻率混疊、不同被測(cè)金屬的相位跳變、被測(cè)表面的傾斜及物鏡的數(shù)值孔徑；木課題將利用激光外差及矢量分析理論，深入研究頻率混疊誤差和相位跳變誤差的成因、變化規(guī)律，并將討論提高測(cè)量系統(tǒng)精度的有效措施?這對(duì)正確設(shè)計(jì)和調(diào)試激光外差測(cè)試系統(tǒng)、提高測(cè)量系統(tǒng)精度具有重要意義.對(duì)于信噪比方面，在木振噪聲為主要噪聲

8、的探測(cè)系統(tǒng)中，光場(chǎng)在探測(cè)器光敏面上的分布決定外差效率的大小，從而影響系統(tǒng)的信噪比和性能。木課題將從理論上給出計(jì)算外差效率和信噪比的一般公式，并用數(shù)值模擬的方法對(duì)光外差進(jìn)行研究，此方法對(duì)于齊種光場(chǎng)分布的光外差探測(cè)系統(tǒng)都有效，這會(huì)為實(shí)際中設(shè)計(jì)出高效的外差探測(cè)儀提供一