基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究
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长沙理工大学
研究生论文选题报告表
论文名称 基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统研究
姓 名：宾峰
学 号：12111040994
学 位 级 别：硕士
学 科 专 业：电子科学与技术
研 究 方 向：电路与系统
指 导 教 师：唐立军
所 属 单 位：物理与电子科学学院
1 2 填 表 说 明
1. 研究生应根据本表所提出的要点，在教研室作选题报告，充分听取意见，并作修改后填写此表。
2. 本表一式二份，经教研室及学院批准后，研究生所在学院及研究生各一份。
一、课题来源、国内外研究现状与水平及研究意义、目的。（附主要参考文献）
1.1 研究意义
实验人员在传统的实验室中操作的是真实存在的实验装置，大多以手工的方式获得实验数据，实验操作技能可以得到反复的训练和提高，但是传统的实验室受时间、空间、资金等资源的限制较大，不能满足实验人员随时随地开展实验的要求，同时其实验内容也会受到现实条件的制约，实验室的维护成本也较高。远程实验室开发的费用适中，它没有时间和空间的制约，可全天候对各地的实验人员开放，实现了实验资源的远程共享，它通过网络计算机操纵真实的或虚拟的实验对象，借助摄像头或模拟界面便可获得较强的实验临场感，通过数字化仪器采集得到更精确的实验数据也可直接通过相关软件进行分析[1]。
迈克尔逊干涉仪是一个由迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。该实验作为经典物理实验，在大多数高校物理实验课中都占有一席之地[2]；同时该实验在原理知识和测量方法等方面都具有较强的综合性,对于培养学生的实践创新能力具有重要意义[3]。
在传统的基于迈克尔逊干涉的实验中，实际使用的计数干涉环的方法大多采用人工法，即用人眼直接观察成像到屏幕上的干涉环，人手轻轻旋动微动手轮，每变动一个环，便人工记录一次，每次测量需数出“冒出”或“陷入”的干涉环。此方法操作简单，除了迈克尔逊干涉仪外不需要额外的测量设备，但只能适合计数小干涉环数，而实际操作时往往需要记录超过几百个以上的干涉环数，假如采用此种方法，一方面，极易造成眼睛疲劳而影响读数的准确性[4]；另一方面测量出错后只能重新测量造成大量时间的浪费；再一方面对人眼的伤害大，非常地不人性化。
迈克尔逊干涉仪的微调手轮可以通过步进电机转动，转过的距离（也即光程差）便于微机控制和远程控制；迈克尔逊干涉仪的观察屏上有干涉圆环的冒出和湮没现象，具有良好的演示效果，同时通过捕捉观察屏上的图像进行图像处理可以实现条纹的自动计数，避免了人工计数的缺点；将实验现场和实验现象通过网络传输至远程客户端，可以实现远程观测和远程控制。因此，具体设计和实现一个基于迈克尔逊干涉仪的远程测控系统，对于补充和完善远程实验交互系统具有重要的现实意义。
1.2 国内外发展现状 目前，针对人工计数的缺点，研究人员提出了关于条纹自动计数器的诸多方案，其中主要的两种方案是光电传感器测量法和线阵CCD测量法。
光电传感器测量法是使用光电头对准迈克尔逊干涉环中心处，此时，光电头中的光敏管会随着光强信号的变化产生不同大小的光电流。这样就将干涉环的变化转变为电信号的变化，只要对电信号进行一定的处理，就可实现对干涉环的计数。但也存在如下缺点:该方法对器件的摆放要求过于苛刻，且随着测量的进行，条纹的厚度也将出现变化，需随着测量的进行不断地调整器件位置，增加了实际操作的复杂性。
线阵CCD测量法是利用线阵CCD传感器将干涉环光信号转化为电信号的图像信号捕获与转换模块，再对来自线阵CCD传感器的电信号转化为数字信号，最后将数据送至微机进行处理，在微机中实现自动计数。这样解决了光电传感器定位难和操作繁琐的缺点，同时借助微机强大的运算功能，进行数字滤波等操作进一步优化图像，通过对应像素点灰度值的变化实现自动计数。缺点:在数据处理方面，仅对干涉环的一维信息进行研究，计数结果过度依赖于采集到的线性区域，同时无法显示干涉环的二维真实图像，不能满足干涉环完整信息研究的需求，对于线性数据的处理也无法充分发挥微机强大的运算功能，在智能处理上存在很大的改善空间。
南京邮电大学、合肥电子工程学院都设计了一套基于单片机的干涉条纹自动监测装置，其系统都是由角位移编码器、光敏电阻组成的感光电路和单片机组成[5] [6]，其中角位移编码器与微调手轮相连（微调手轮通过人工调节），并将转轴的旋转角度转化为电信号脉冲个数[7]。五邑大学设计的干涉条纹计数器在上述系统上增加了一个检测背景的光敏电阻感光电路，该光敏电阻置于没有条纹的光屏处，通过检测条纹的光敏电阻感光信号减去检测背景的光敏电阻感光信号的方法消除背景光的干扰信号；天津城市建设学院在上述系统的基础上增加了一个电动机[8]，实现了机械调节微调手轮，但并没有实现单片机对该电动机的控制，其实验装置结构图如图8。
图8采用光电传感器的干涉条纹计数装置
浙江海洋学院设计的干涉条纹计数装置是使用CCD摄像头捕捉干涉图样，然后将视频数据通过USB传至PC端，虽然该设计对视频数据进行了均值滤波等算法处理，但并没有在PC端实现干涉条纹的自动计数功能，仍然需要在PC端肉眼观察干涉条纹数[9]。广东外语外贸大学采用的方案是使用线阵CCD传感器对干涉图样进行捕捉，然后利用AD采样卡进行数据采样，通过USB与微机进行数据传输，最后在PC端进行信号处理实现干涉条纹的自动计数，其自动计数的算法是首先自动搜寻有效参考点，确定有效参考范围，然后使用差分法对中心干涉环两边缘的亮度变化进行判断，从而实现干涉环计数[10] ；中南大学采用了与上述系统类似的方案[11]，其系统框图如图9。太原科技大学采用单模光纤和平行 3×3 耦合器光纤代替了传统迈克尔逊干涉仪的自由空间光路系统，系统中的电子电路部分包括光纤传感模块、信号调解模块、判向计数模块、单片机控制通信模块，完成了光电信号的转换、信号调制、干涉条纹的判向计数以及向上位机传递数据的功能[12]。
图9 采用线性CCD传感器的条纹计数器系统组成框图
1.3 迈克尔逊干涉仪的工作原理[13][14][15]
迈克尔逊干涉仪的光路图如图10所示。从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。在光路中，M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1’和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1’之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。
图10 迈克尔逊干涉仪光路
参考文献
[1]刘婷,钱扬义,彭豪.基于网络的远程实验室研究:国内13年研究回顾[J].远程教育杂志,2013,02:107-112.
[5]翟宇豪,马军.基于51单片机的迈克尔逊干涉仪自动检测装置[J].电子世界,2013,09:18.
[6]赵忠伟,陈鹏,孙中涛,程玉宝.迈克尔逊干涉环自动计数装置设计
[J].光电技术应用,2009,06:36-38+50.
[7]陈业仙,周党培,关小泉,伍广胜.一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计[J].大学物理实验,2009,03:64-67.
[8]杨广武,封彦舟,涂强,梁展硕,张雷动,金玉玲.基于迈克尔逊干涉仪的波长自动测量装置的设计及演示[J].天津城市建设学院学报,2010,03:216-220.
[9]鲁晓东.迈克尔逊干涉条纹的计算机采集与处理[J].实验室研究与探索,2009,11:47-49+105.
[10]陈木波,胡麟,周少贤,马文华.新型的迈克尔逊干涉条纹计数方法[J].微计算机信息,2012,08:152-154.
[11]申冬玲.基于线阵CCD的条纹计数器系统研究[D].中南大学,2007.
[12]贾昊君.基于光纤迈克尔逊干涉仪的条纹自动识别系统设计[D].太原科技大学,2012.
[13]王家贵,李林峰.基于迈克尔逊干涉原理的孔径测量及装置设计[J].工具技术,2013,04:58-60.
[14] Lin YuLing, et al.. 2009. Preliminary result of bunch length measurement using a
modified Michelson interferometer. 中国物理C.
[15] Wang AnYan, et al.. 2003. Erbium-doped CW and Q-switched fiber ring laser with
fiber grating Michelson interferometer. Chinese Optics Letters.
[16]任志敏.一种基于OV7725的图像实时显示系统设计[J].福建电脑,2013,01:128-130.
[17]吴振宇,王鹏宇,冯林.基于CMOS传感器的智能车图像采集系统[J].微计算机信息,2010,21:206-207+168.
[18]陈磊.步进电机控制芯片UDN2916LB原理及应用[J].今日电子,2006,03:85-87.
[19]陈磊.步进电机控制芯片UDN2916LB及其应用[J].电子制作,2006,05:45-46.
[20]孟军,张振兴,刘波.二相步进电机细分驱动的设计与实现[J].电气应用,2007,12:84-87.
[21]胡涛,程明霄.UC3717对二相步进电机的控制[J].计算机仿真,2003,05:100-102+106.
[22]孙正鼐,李婷,张虹.两相混合式步进电机细分控制波形研究及实现[J].电气自动化,2008,04:28-30.
[23]许汉文,李波,高田,闫中江.基于DM3730和W5300的嵌入式视频流传输系统的设计与实现[J].微型电脑应用,2013,11:1-4.
[24]张勇,甄国涌,王丽莉,任勇峰.基于W5300的以太网数据传输硬件设计及优化[J].化工自动化及仪表,2011,08:989-991+1019.
[25]吴昊,严胜刚,薛双喜.基于W5300的以太网数据传输系统的设计与实现[J].电子设计工程,2012,09:92-94+98.
[26]王菲,张炜轩,单菲.Kinetis平台FlexBus总线扩展的存储空间系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,06:53-55.
