双频激光干涉仪相位测量的设计与研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.63MB 53 页 15积分

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摘要

作为纳米测量技术的一种，激光干涉仪量程大、灵敏度高以及测量精度高等

特点，广泛应用于精密及超精密测量领域。随着科技的发展，激光干涉仪与计算

机相结合，同时应用光电转换器件，不仅可以测量位移、速度及角度，还可以对

仪器进行监控、测试、检测、标定等。随着纳米科学技术应用研究的飞速发展，

对纳米测量技术提出了更高的测量要求，这就要求纳米测量技术向着大量程、高

分辨率、多功能、动态、自动化等方向发展。

在双频激光外差干涉仪测量系统中，外差干涉信号的处理和光路的调整是影

响测量精度的关键部分。而外差信号的处理是激光干涉测量系统的最后一步，关

键一环一直备受关注。信号处理主要分为相位解调和频率解调。

本课题结合相位解调法，基于 FPGA 技术，采用整周期计数与小数填脉冲方

法实现相位测量。整周期采用大数计数法，对两路信号分别计数，先计数后对减；

不满一个完整周期即小数部分，采用填脉冲法，最终结果为大数相减的结果与小

数计数值相加。填脉冲法基于过零检测原理，分别对测量信号与参考信号的上升

沿检测，以参考信号为标准，当检测到参考信号上升沿时，开始计数，随后检测

到测量信号的上升沿停止计数，计数值即为二者的相位差。本设计基于塞曼外差

干涉仪，拍频信号频率 2.2MHz，插频采用的信号频率为 150MHz，分辨率可达



/1500。

关键词：信号处理相位测量 FPGA 外差干涉仪

ABSTRACT

As one of nano measurement technologies, laser interferometer, processing such

features as large range, high sensitivity and high accuracy, has been wildly used in such

field as precision and ultra-precision metrology. With the development of science, and

combined with computer, using photoelectric transfer device, laser interferometer not

only measures displacement 、velocity and angle, bust also monitoring accuracy 、

testing 、detecting 、calibration of instruments and equipments. As the application of

nano-science technology has been developed rapidly, it requires high measurement

standard. To meet its need, nano measurement technology should deeply develop in

large range, high resolution, multi-function, dynamic, automation and so on.

In the dual-frequency laser heterodyne interferometer measurement system, signal

processing of heterodyne interferometer and optical path adjustment are key parts which

have a grate effect on measurement accuracy. But as the final step of the measurement

system, compared with optical path adjustment, signal processing has always been

concerned. It includes two methods: frequency demodulation and phase demodulation.

In this paper, use phase demodulation method. Based on FPGA, use whole cycle

counting and combines interpolation for decimal to fulfill phase measurement. For the

whole period, use large members counting, namely use two counters to count the

numbers of periods of the two signals respectively, then subtract; for fractional period,

use interpolation. The final result is the one that the subtraction of large numbers adds

the counting of decimal. Interpolation based on zero-crossing detection, detect the rising

edges of reference and measurement signals respectively, and refer to reference signal,

when detect the rising edge of it, the counter starts to count, then detect the rising edge

of measurement signal, it stops, the result is phase difference of the two signals for

decimal period. In this paper, the solution based on Agilent heterodyne interferometer

measurement system, the frequency of beat frequency signal is 2.2MHz, the interpolated

pulse frequency is 150MHz, and the resolution of the design is 11



/1500.

Key Words：signal processing，phase measurement，FPGA，heterodyne

interferometer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................1

§1.1 引言............................................................................................................1

§1.2 激光干涉仪测量系统简介........................................................................2

§1.2.1 激光的特性 ......................................................................................2

§1.2.2 激光器的分类....................................................................................2

§1.2.3 激光干涉仪的类型及原理 ..............................................................3

§1.2.4 激光干涉仪的信号处理方法............................................................5

§1.3 相位测量的发展及研究现状..................................................................10

§1.4 课题来源及意义......................................................................................12

§1.5 本文主要研究工作..................................................................................12

第二章外差信号处理设计方案............................................................................13

§2.1 相位解调法处理方案..............................................................................13

§2.1.1 实验测量系统及信号特性..............................................................13

§2.1.2 相位测量设计方案..........................................................................15

§2.2 FPGA 发展简介.........................................................................................18

第三章相位测量的硬件结构及实现....................................................................20

§3.1 FPGA、单片机和 DSP 的对比分析..........................................................20

§3.2 FPGA 芯片的选型及配置模式.................................................................20

§3.2.1 FPGA 芯片结构简介.........................................................................20

§3.2.2 FPGA 的配置模式.............................................................................22

§3.3 相位检测硬件电路设计...........................................................................23

§3.3.1 电源电路..........................................................................................23

§3.3.2 晶振电路..........................................................................................25

§3.3.3 复位电路..........................................................................................25

§3.3.4 FPGA 芯片配置电路.........................................................................27

§3.3.5 RS232 串口通信电路.......................................................................27

§3.4 电路板元器件的焊接和测试...................................................................28

§3.4.1 元器件的焊接..................................................................................28

§3.4.2 电路板的测试..................................................................................28

§3.5 本章小结...................................................................................................30

第四章程序设计及仿真、实验............................................................................31

§4.1FPGA 的设计流程.......................................................................................31

§4.1.1 设计输入..........................................................................................31

§4.1.2 综合编译..........................................................................................31

§4.1.3 仿真..................................................................................................31

§4.1.4 实现和布局布线..............................................................................32

§4.1.5 配置 FPGA(程序下载).....................................................................32

§4.2 软件应用环境 ISE...................................................................................33

§4.3 时钟管理器及其应用...............................................................................33

§4.3.1 延时锁相环（DLL）........................................................................34

§4.3.2 数字频率合成器（DFS）................................................................35

§4.3.3 移相器（PS）..................................................................................35

§4.3.4 逻辑状态指示单元..........................................................................35

§4.4 方案实现的模块.......................................................................................35

§4.4.1 整周期计数......................................................................................36

§4.4.2 填脉冲计小数..................................................................................38

§4.4.3 全局时钟源的应用及 DCM 的 IP 核的设计、调用........................40

§4.4.4 逻辑运算及相关数学运算..............................................................42

§4.4.5 RS232 串口方案设计.......................................................................42

§4.4.6 上位机数据处理单元及显示模块..................................................43

§4.4.7 实验验证..........................................................................................44

§4.5 本章小结...................................................................................................45

第五章总结展望....................................................................................................46

参考文献..................................................................................................................47

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得的成果......................................50

致谢..........................................................................................................................51

第一章绪论

§1.1 引言

纳米科学技术是在 0.1nm~100nm 尺度空间内，研究电子、分子和原子运动规

律与特性及利用这些特性的多学科交叉的前沿科学，是研究与应用相结合的新型

科学技术，是本世纪微电子、微机械、生物工程、航天、材料等科学发展的技术

保证和基础[1-4]。

纳米技术的发展对现代社会许多方面产生了巨大影响。在材料方面，纳米技

术可以使材料性质发生根本变化。在微电子学与器件方面，纳米技术可以制造更

低功耗的微处理器，存储器及智能器件。在微加工制造方面，加工对象是原子、

分子，从而制造全新的微观世界。基于纳米技术，制备单电子晶体管、纳米发光

二极管、微型探测器等器件。2010 年，纳米科技专家中科院外籍院士王中林成功

研制出了世界第一台具有高电压输出的纳米发电机，首次实现基于纳米线的自驱

动纳米体系，未来将应用于便携式和可移动小型电器，会极大改变人们的日常生

活。

然而纳米科技发展的过程中凸显的问题不容忽视。在制造技术微型化发展中，

如机床精密加工，纳米三维测量及校准、准确的定位等发展趋势更加微观化，测

量范围毫米级，而测量的不确定度要低于 10 个纳米。生物技术在基因组分析对扫

描显微镜的测量精度提出了更高的要求，而微电子制造加工领域基于纳米级的光

刻机制造更高规模集成电路，如晶圆工程加工工艺目前已达 65nm，如果要更进一

步，则对现有光刻技术提出更高的要求，对加工精度的限制更加严格,而加工精度

的校验则需纳米测量系统检定；在精密测量领域一个重要研究对象是微结构的机

械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的

缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚

不成熟。这些领域的发展，迫切要求和依赖纳米测量技术的进步，也对纳米测量

技术提出了更高的要求。相应的，纳米测量系统的发展对纳米科技的发展有多方

面的影响，尤其是高精度、高分辨率等方面。

纳米测量系统种类繁多，目前科研人员大都通过改进和结合当前的纳米测量

装置以及提出一些创新性的纳米测量原理和方法来提高纳米测量范围和精度。通

常用于纳米测量的装置主要有光学干涉仪、电容电感传感器以及扫描探针显微镜

( SPM) 等[5]，即所谓的光学和非光学测量方法[6]。以 SPM 为代表的非光学测量系

统虽然测量分辨率达到了纳米、亚纳米级，但是在溯源到米定义时，仍然需要利

用激光干涉仪等光学方法进行校正和鉴定。因此光学测量法是研究的重点[7-8]。在

双频激光干涉仪相位测量的设计与研究

本文中重点讨论的激光干涉仪测量系统。

§1.2 激光干涉仪测量系统简介

§1.2.1 激光的特性

激光器与普通光源的本质区别是受激辐射与自发辐射的区别。自发辐射的本

质是“发散性”的，受激辐射的本质却是“集中性”的。通常一份能量所产生的

影响，往往不在于其数值的大小，即使是一份极小的能量，只要它能够在频率上、

方向上和时间上高度集中，就有可能造成轰动效应。激光器正是依靠爱因斯坦的

受激辐射的“集中性”使光波能量在频率上、方向上和时间上高度集中，表现出

与普通光源不同的奇异特性[9-10]：

1.高单色性普通光源一般包含红光到紫光的多种光谱，而激光单色性很好。

2.高方向性普通光源向各个方向发散，而激光的发散角却很小，如一台气体

激光器的，只有若干个毫弧度(1mrad=0.0573°)。

3.高瞬时性即激光能量在时间上的高度集中性，也就是说在多短的时间内能

发射多大的能量，表现在电子学中的脉冲技术。普通调 Q脉冲激光器很容易产生

纳秒量级的光脉冲，而锁模激光器则可产生出皮秒(ps)和飞秒(fs)量级的光脉冲，

速度之快令人惊叹。

4.高相干性激光载波受激辐射的集中特性，将光强和相干性融为一体，呈现

出高相干性。实际上激光载波的高相干性，是指能将高单色性和高方向性集中在

一起的高度集中体现，也即只有激光载波能将单色性、方向性和强度性融为一体，

称之为高相干性。

5.高亮度将一个千兆瓦级的调 Q激光脉冲聚焦到直径为 5μm 的光斑上，所获

得的功率密度为 1015W/cm2,这是普通光源根本无法做到的。特别是锁模激光器产

生的激光亮度可高达 1014~1017 W/(cm2·sr)，这比太阳的亮度高几千亿倍。

§1.2.2 激光器的分类

自从 1960 年研制出第一台红宝石激光器以来，人们已经发现了上万条激光谱

线，相继研制出了许多种激光器[9-11]。通常一台激光器由三部分组成：激光工作物

质、谐振腔和泵浦源。从工作物质上讲，典型的激光器有固体激光器、气体激光

器、半导体激光器等。固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质

的激光器。输出能量大，可达数万焦耳；峰值功率高，连续功率可达数千瓦，脉

冲峰值功率可达吉瓦（109）、几十太瓦（1012）；结构紧凑；牢固耐用。气体激光器

是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。突出优点是输出光束的质量好。常用的

气体激光器有氦-氖（He-Ne）激光器和二氧化碳（CO2）激光器。半导体激光器是

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摘要：

I摘要作为纳米测量技术的一种，激光干涉仪量程大、灵敏度高以及测量精度高等特点，广泛应用于精密及超精密测量领域。随着科技的发展，激光干涉仪与计算机相结合，同时应用光电转换器件，不仅可以测量位移、速度及角度，还可以对仪器进行监控、测试、检测、标定等。随着纳米科学技术应用研究的飞速发展，对纳米测量技术提出了更高的测量要求，这就要求纳米测量技术向着大量程、高分辨率、多功能、动态、自动化等方向发展。在双频激光外差干涉仪测量系统中，外差干涉信号的处理和光路的调整是影响测量精度的关键部分。而外差信号的处理是激光干涉测量系统的最后一步，关键一环一直备受关注。信号处理主要分为相位解调和频率解调。本课题结合相位解...

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