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The DeepFMKit Python package: A toolbox for simulating and analyzing deep frequency modulation interferometers
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AI
DOI：10.1016/j.cpc.2025.109934.png)
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摘要
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深频调制干涉测量技术（Deep Frequency Modulation Interferometry, DFMI）是一种新兴的激光干涉测量技术，适用于高精度计量学，能够提供皮米级别的位移测量，并具备以亚波长精度进行绝对长度测定的潜力。然而，DFMI系统的设计与优化涉及干涉仪物理、激光技术、多种噪声源以及数据处理算法选择之间的复杂相互作用。为解决这一问题，我们提出DeepFMKit，这是一个用于DFMI系统端到端仿真与分析的新开源Python库。该框架具有高保真物理引擎，能够严格模拟关键物理效应，如动态干涉仪中的飞行时间延迟、任意激光调制波形以及来自用户定义的1/fα谱密度的有色噪声。该引擎与一组可互换的参数估计算法相结合，包括高度优化的、频域非线性最小二乘法（Non-linear Least Squares, NLS），用于高通量批处理实验数据，以及多种时域扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter, EKF）实现，用于逐样本状态跟踪，具有随机游走和综合随机游走（恒定速度）过程模型。此外，DeepFMKit包含一个高通量实验框架，用于自动化大规模参数扫描和蒙特卡罗分析，从而实现对系统性能的系统化表征。DeepFMKit的模块化、面向对象架构便于快速配置虚拟实验，为研究人员提供了一个强大的计算工具，用于原型设计、系统误差探究以及加速精密干涉测量技术的发展。程序名称：DeepFMKit CPC库链接至程序文件：（由技术编辑添加）开发者仓库链接：github.com/mdovale/DeepFMKit许可条款：BSD 3-Clause编程语言：Python 3.9及以上问题性质：深频调制干涉测量技术（DFMI）是高精度光学计量学中日益重要的技术。建模DFMI系统的学习曲线非常陡峭，因为即使是基本仿真也需要实现复杂的非线性物理、针对时间延迟的高级数字信号处理以及专门的参数估计算法。许多研究人员必须通过组合不同的库来开发定制化、耗时且易出错的仿真工具链。现有的通用光学设计软件包或专用干涉仪仿真器并不针对DFMI独特的信号生成和信号处理需求进行定制。解决方案方法：DeepFMKit作为DFMI的完整计算实验室。由于其完全集成、面向对象的设计以及高级Python接口，DeepFMKit的学习曲线比从头构建自定义仿真和分析管道要平缓得多。该软件包覆盖了整个实验工作流程，具有直观的方法来配置仪器的物理和噪声属性，提供一组可互换的读出算法用于真实或仿真数据的分析，并提供集成的数据处理和可视化工具。还提供了用于自动化大规模参数扫描和蒙特卡罗研究的现成基础设施。
Keyword:
Deep Frequency Modulation Interferometry
Laser Interferometry
Physics Simulation
Parameter Estimation
Scientific Software
Python
Nonlinear Least Squares
Extended Kalman Filter
期刊
IF:
3.4
论文数:
1.2W
被引数:
3.7W
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