皮米分辨力激光外差干涉測(cè)量中信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、下一代微電子制造、精密計(jì)量以及物理前沿探索等領(lǐng)域?qū)⒁筇峁﹣喖{米甚至皮米量級(jí)超精密位移測(cè)量技術(shù)設(shè)備作為基礎(chǔ)支撐和關(guān)鍵手段。經(jīng)典的外差激光干涉測(cè)量技術(shù)設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域，但其位移分辨力一般難以突破0.1nm，因此亞納米至皮米級(jí)外差干涉信號(hào)細(xì)分處理技術(shù)特別是動(dòng)態(tài)細(xì)分處理技術(shù)已成為新一代激光干涉測(cè)量技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一。
　　目前限制外差干涉測(cè)量信號(hào)處理性能的因素主要集中在了兩個(gè)方面，一方面是為如何設(shè)計(jì)兼顧高速高精度

2、信號(hào)采集需求的高速外差信號(hào)采集與處理平臺(tái)，另一方面是在平臺(tái)資源有限的條件下如何設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)高效的雙鎖相正交放大式相位測(cè)量算法。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將研究高速外差信號(hào)采集與處理平臺(tái)和雙正交鎖相放大測(cè)相資源優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。
　　建立了雙鎖相放大式相位測(cè)量的整體誤差模型。在闡述現(xiàn)有誤差分析模型的基礎(chǔ)上，特別補(bǔ)充分析了AD采樣量化、數(shù)字運(yùn)算、FIR數(shù)字濾波器以及Cordic算法等環(huán)節(jié)的有效字長(zhǎng)效應(yīng)引入的相位測(cè)量誤差，并討論了遏制有

3、限字長(zhǎng)效應(yīng)相關(guān)誤差所需的字長(zhǎng)設(shè)計(jì)特征；最終建立了位移測(cè)量分辨力與輸入信號(hào)實(shí)際有效位數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系并進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　可兼顧高速高精度信號(hào)采集特征的高速外差信號(hào)采集與處理平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究。針對(duì)外差信號(hào)高速、高精度、采集與處理需求，從原理實(shí)現(xiàn)、模塊功能等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)：模擬電路設(shè)計(jì)以決定最終性能的噪聲分析為主線，通過(guò)各模擬部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的綜合考慮，特別重點(diǎn)分析并優(yōu)化了模擬電路中的信號(hào)功能器件和

4、平臺(tái)地層/電源噪聲；數(shù)字電路重點(diǎn)考慮數(shù)字LVDS信號(hào)線和信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)。
　　在分析相位測(cè)量算法過(guò)程的基礎(chǔ)上，研究了雙正交鎖相放大測(cè)相算法資源優(yōu)化技術(shù)?，F(xiàn)有算法模型在FPGA中實(shí)現(xiàn)時(shí)需要占用過(guò)多的乘法器等資源、導(dǎo)致需占用更多的FPGA邏輯空間并降低運(yùn)算速度。為此，本文將現(xiàn)有經(jīng)典數(shù)字相敏算法中的“輸入信號(hào)×檢波信號(hào)=乘法結(jié)果×數(shù)字濾波器(在線乘法)”流程結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)為“輸入信號(hào)×檢波信號(hào)與數(shù)字濾波器離線積卷值”流程結(jié)構(gòu)，可將相位測(cè)量算法中