随着芯片制造业的不断发展,在大范围内实现纳米精度的位移测量是提高当前芯片制造水平亟需解决的问题。在纳米测量领域中,激光干涉测量技术因具有测量精度高、速度快、范围广等优点脱颖而出。在激光干涉测量技术中,以单频激光干涉仪为代表的测量技术,具有结构简单和非接触式测量的优点被广泛应用。本文以单频激光干涉仪为基础的正弦相位调制干涉仪为研究对象,从降低位移测量结果中的非线性误差出发,提出了基于卡尔曼滤波的激光干涉纳米位移测量信号处理方法,并对其可行性和有效性进行了相关实验。本文提出了一种正弦相位调制激光干涉纳米位移测量信号处理方法,以实现大范围、高精度的位移测量。论文分别从正弦相位调制技术以及相位调制解调原理两个方面对正弦相位调制激光干涉纳米位移测量信号处理方法的原理进行了详细的论述。首先深入研究了正弦相位调制解调技术,论述了横向电光相位调制技术实现正弦相位调制的原理,对载波相位调制解调方法的原理进行了分析,重点分析了PGC-Arctan相位解调方法中的误差来源,并提出了一种基于卡尔曼滤波的PGC相位解调非线性误差补偿方法,设计了基于FPGA的相位解调系统,并利用卡尔曼滤波方法进行非线性误差的补偿,同时设计了基于Lab VIEW的上位机软件,以实现在测量过程中对测量系统中的各个模块进行实时控制,并对测量结果进行实时的显示和保存。为了验证所提出的正弦相位调制激光干涉纳米位移测量信号处理方法的可行性,对正弦相位调制激光干涉仪进行搭建和调试,并针对基于卡尔曼滤波的PGC相位解调非线性误差补偿方法和正弦相位调制激光干涉仪的性能进行了相应的测试和测量实验。在基于卡尔曼滤波的PGC相位解调非线性误差补偿方法的测试实验中,相位解调分辨率测试实验表明相位解调精度达到0.01°,在360°相位变化范围内误差偏差低于0.05°,表明了相位解调方法的高精度。同时修正对比实验验证了所设计的基于卡尔曼滤波的PGC相位解调方法的有效性和准确性。在正弦相位调制激光干涉仪的位移测量实验中,以精密位移定位平台位置作为参考,纳米级位移测量实验的位移误差均值和标准偏差都不超过1nm;微米级位移测量实验的位移误差均值在1nm范围内,位移误差标准偏差在1.05nm～2.43nm范围内;毫米级位移测量实验的位移误差均值在0.089μm～0.105μm范围内,位移误差标准偏差在0.326μm～0.417μm范围内。这些位移测量结果表明正弦相位调制激光干涉纳米位移测量系统在纳米级、微米级、毫米级测量范围内具有纳米级的测量精度。正弦运动测量结果的THD从0.732%和0.751%下降到0.049%和0.068%,SINAD从42.715d B和44.487d B提高到66.056d B、62.259d B;步进位移测量结果的残余非线性误差不超过0.15nm。非线性误差修正实验结果表明了正弦相位调制激光干涉纳米位移测量系统在降低位移测量结果中非线性误差上的有效性。以上实验综合验证了提出的正弦相位调制激光干涉纳米位移测量信号处理方法的可行性和有效性。