基于扫频干涉的振动目标测量方法研究

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扫频激光干涉测量技术优势明显,具有测量精度高、无测距盲区、不需要测量靶标等优点,是具有广阔发展前景的激光测量技术。在实际测量中,经常需要对运动的物体进行测量,扫频干涉测量在这种测量背景下也可以应用。本文主要研究了如何利用扫频干涉测距对振动目标进行测量,提出了基于单扫频的动态干涉测距法和基于双扫频的动态干涉测距法两种测量方法,测量振动目标(本课题讨论的都是在测量光轴方向一维振动的目标)的运动轨迹。通过理论推导和仿真分析了两种方法的测量特性,最后进行了振动目标测量实验本文研究了扫频干涉测距的基本原理,分析了激光器扫频非线性、目标振动带来的多普勒效应、目标信号的信噪比对于扫频干涉测距精度的影响,提出了可以忽略激光器调频非线性的扫频干涉测距模型。基于单扫频的动态干涉测距方法结合了单扫频干涉测距光路简单和线性卡尔曼滤波算法优化效果好、效率快的优势,通过线性卡尔曼滤波算法对单扫频干涉测距值进行数据回归收敛,还原目标的运动轨迹,分析了影响其测量精度的因素并进行了仿真验证。针对单扫频干涉测距硬件要求高、测量目标范围小的不足,提出了基于双扫频的动态干涉测距方法,该方法使用两台激光器同步扫频,利用气室光路、辅助干涉仪和测量干涉仪的协同工作,解算拍信号的相位和激光器的时频曲线,进而计算目标的瞬时距离,还原目标的运动轨迹,并分析和仿真验证了影响其测量精度的因素。搭建了实验系统进行了振动目标测量实验,通过两种测量方法均能还原出被测目标的运动轨迹:单扫频动态干涉测距系统对不同振幅和频率的目标进行测量,振幅测量误差小于1μm;双扫频动态干涉测距系统对不同振幅和频率的目标进行测量,振幅误差测量小于0.5μm。对两种测量方法的测量不确定度进行了分析,确定了两种方法测量不确定度的数学模型。
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