本發(fā)明涉及外差激光干涉儀光電時(shí)延測量，具體涉及，一種基于等效電源原理的光電探測器時(shí)間延遲直接測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：

1、外差激光干涉測量技術(shù)憑借測量精度高、測量速度快、抗干擾能力強(qiáng)以及可溯源等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳感器校準(zhǔn)、半導(dǎo)體加工、高精度位移測量等領(lǐng)域。但是，在外差激光干涉儀測量過程中，從目標(biāo)開始運(yùn)動到數(shù)據(jù)輸出之間，往往存在微秒量級的時(shí)間延遲。這對靜態(tài)測量影響較小，但在動態(tài)測量時(shí)，該時(shí)間延遲引入了不可忽視的測量誤差，影響測量實(shí)時(shí)性，進(jìn)而導(dǎo)致對目標(biāo)位移的控制精度下降，甚至失效。此外，在外差激光干涉儀多軸測量中，各測量軸之間延遲的差異則會導(dǎo)致多軸測量的不同步，引入不同步位移誤差，影響運(yùn)動臺多自由度位姿的解算。

2、外差激光干涉儀時(shí)間延遲可以分為光路時(shí)延、光電轉(zhuǎn)化時(shí)延、信號處理時(shí)延以及采樣時(shí)延四部分，其中光路時(shí)延、信號處理時(shí)延及采樣時(shí)延基本固定，且皆為同一物理量間的傳輸延遲，存在較成熟的參考方案；而光電探測器引入的時(shí)間延遲，其涉及到多個(gè)物理量之間的轉(zhuǎn)換過程，因而測量十分困難。此外，生產(chǎn)廠家并不會提供相關(guān)的延遲指標(biāo)，現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法依舊處在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用層面。目前對光電探測器時(shí)間延遲的測量方法可以分為三種。第一種方法中，通過比較共面平行波導(dǎo)(cpw)與待測光電探測器對飛秒脈沖的響應(yīng)波形峰值點(diǎn)，測量光電時(shí)間延遲。但該方法所需要的測量裝置昂貴，實(shí)施條件苛刻，且會耦合cpw的延遲；第二種方法中，利用電光調(diào)制器(eom)，聲光調(diào)制器(aom)等作為光強(qiáng)調(diào)制器件，對直流單頻光源的強(qiáng)度進(jìn)行正弦掃頻調(diào)制，測量調(diào)制器輸入信號與光電探測器輸出信號之間的相移，以獲得光電探測器的延遲，不難發(fā)現(xiàn)，該方法耦合了調(diào)制器件的延遲，因而測量精度低；第三種方法則是直接利用光波元器件分析儀(lca)等設(shè)備測量光電延遲，但目前的lca的測量帶寬遠(yuǎn)高于外差激光干涉儀中的光電探測器，頻域分辨率較低，且測試波長與外差干涉儀并不適配。因此，針對外差激光干涉儀中的光電探測器，亟需一種實(shí)施便捷、適用范圍廣、高測量準(zhǔn)確度的時(shí)間延遲測量系統(tǒng)及其測量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對外差激光干涉儀光電轉(zhuǎn)化時(shí)延測量的過程中，現(xiàn)有測量方案與干涉儀的波長、帶寬不適配，實(shí)施過程復(fù)雜，因耦合測試裝置延遲而測量精度低等問題，從而提出的一種基于等效電源原理的外差干涉儀光電時(shí)延測量系統(tǒng)及其測量方法，具備實(shí)施便捷、適用范圍廣、無需昂貴的參考器件、無額外延遲耦合、高測量準(zhǔn)確度的優(yōu)點(diǎn)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供一種基于等效電源原理的外差干涉儀光電時(shí)延測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括信號傳播延遲獲取部件、電傳播延遲獲取部件和延遲疊加部件；

4、所述信號傳播延遲獲取部件用于獲取半導(dǎo)體內(nèi)的信號傳播延遲；

5、所述電傳播延遲獲取部件用于獲取封裝內(nèi)的電傳播延遲；

6、所述延遲疊加部件用于將半導(dǎo)體內(nèi)的信號傳播延遲和封裝內(nèi)的電傳播延遲疊加，獲得光電探測器時(shí)間延遲。

7、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述信號傳播延遲獲取部件采用脈沖激光器、光電探測器和高帶寬示波器實(shí)現(xiàn)；

8、所述光電探測器用于接收脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，輸出信號給所述高帶寬示波器；

9、所述高帶寬示波器用于測得光電探測器半導(dǎo)體內(nèi)的信號傳播延遲。

10、上述電傳播延遲獲取部件采用等效板卡、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)；

11、所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測得等效板卡s21參數(shù)的相位，并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行線性擬合處理，得到光電探測器封裝內(nèi)的電傳播延遲。

12、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述信號傳播延遲獲取部件依舊采用脈沖激光器、光電探測器和高帶寬示波器實(shí)現(xiàn)；

13、所述光電探測器用于接收脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，輸出信號給所述高帶寬示波器；

14、所述高帶寬示波器用于測得光電探測器半導(dǎo)體內(nèi)的信號傳播延遲。

15、而電傳播延遲獲取部件則采用另一種方式實(shí)現(xiàn)；

16、所述電傳播延遲獲取部件采用合成信號源、功分器、等效板卡、相位計(jì)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)；

17、所述合成信號源用于產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，經(jīng)由功分器后分為等幅值的兩路信號，一路直接進(jìn)入相位計(jì)作為參考信號，另一路通過等效板卡后接入相位計(jì)作為測試信號，所述相位計(jì)用于根據(jù)參考信號和測量信號測得不同頻率下等效板卡的相移，并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行線性擬合處理，得到光電探測器封裝內(nèi)的電傳播延遲。

18、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述信號傳播延遲獲取部件可采用另一種方式實(shí)現(xiàn)；

19、所述信號傳播延遲獲取部件包括數(shù)據(jù)手冊和基于帶寬和上升時(shí)間的公式；

20、所述數(shù)據(jù)手冊用于提供標(biāo)稱帶寬，所述基于帶寬和上升時(shí)間的公式用于根據(jù)標(biāo)稱帶寬計(jì)算出半導(dǎo)體內(nèi)的信號傳播延遲；

21、而傳播延遲獲取部件依舊采用合成信號源、功分器、等效板卡、相位計(jì)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)；

22、所述合成信號源用于產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，經(jīng)由功分器后分為等幅值的兩路信號，一路直接進(jìn)入相位計(jì)作為參考信號，另一路通過等效板卡后接入相位計(jì)作為測試信號，所述相位計(jì)用于根據(jù)參考信號和測量信號測得不同頻率下等效板卡的相移，并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行線性擬合處理，得到光電探測器封裝內(nèi)的電傳播延遲。

23、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，獲取上述光電探測器封裝內(nèi)的電傳播延遲時(shí)，將光電探測器中的光敏二極管的暗電阻改為小電阻。

24、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述上位機(jī)采用對相移進(jìn)行線性擬合的方式提取封裝內(nèi)的電傳播延遲。

25、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述等效板卡為通過電路仿真軟件設(shè)計(jì)的相移誤差可以忽略的等效板卡。

26、本發(fā)明還提供一種基于上述任意一項(xiàng)所述的基于等效電源原理的外差干涉儀光電時(shí)延測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的測量方法，所述測量方法為：

27、s1：半導(dǎo)體內(nèi)信號傳播延遲測量；

28、s2：等效測試板卡仿真設(shè)計(jì)；

29、s3：封裝內(nèi)的電傳播延遲測量；

30、s4：光電探測器的時(shí)間延遲合成。

31、進(jìn)一步，還有一種優(yōu)選實(shí)施例，上述步驟s2具體為：

32、采用光敏二極管的等效電路及等效電源原理設(shè)計(jì)電壓源串聯(lián)暗電阻形式的光電探測器等效電路，同時(shí)將串聯(lián)的暗電阻改為小電阻，通過仿真軟件對等效前后的電氣特性進(jìn)行比對，確保相移誤差可以忽略且輸出信號幅值足以支撐進(jìn)一步測量。

33、本發(fā)明的有益效果為：

34、1、本發(fā)明提供的一種基于等效電源原理的外差干涉儀光電時(shí)延測量系統(tǒng)，基于光敏二極管的等效模型及等效電源原理，通過將光電探測器等效為一個(gè)電壓輸入、電壓輸出的系統(tǒng)，從而將測量的激勵信號由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。采用電路仿真的方式，對比光電探測器及其等效電路的頻率特性，在保證輸出信號幅值足以支撐進(jìn)一步測量的基礎(chǔ)上，將相移偏差控制在數(shù)個(gè)毫弧度范圍內(nèi)。

35、進(jìn)一步地，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，通過將測量的激勵信號由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，避免了現(xiàn)有技術(shù)中諸如光調(diào)制法中容易耦合eom等光電轉(zhuǎn)換器件延遲的缺陷。

36、進(jìn)一步地，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，通過設(shè)計(jì)能夠等效光電探測器相頻特性的測試板卡，并將實(shí)測得到電傳播延遲與半導(dǎo)體內(nèi)信號傳播延遲疊加，完全避免測試系統(tǒng)時(shí)間延遲特性的耦合，高效、高精度的實(shí)現(xiàn)外差激光干涉儀中光電延遲的測量。解決現(xiàn)有外差激光干涉儀中光電時(shí)延的現(xiàn)有測量方案中所存在的波長、帶寬不匹配，耦合測試系統(tǒng)延遲特性等問題，

37、本發(fā)明適用于外差激光干涉儀時(shí)間延遲中的光電轉(zhuǎn)化時(shí)延領(lǐng)域。