CN111751834B - 基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，属于光学测距领域，包括以下步骤：扫频激光器FSL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC1；单频激光器FFL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC2；两束激光在波分复用器WDM内合成一束并到达光纤探头Probe；合束激光在光纤探头Probe端面部分反射，部分透射；透射光由待测目标反射后重新进入光纤，与反射光干涉后形成扫频干涉与单频干涉信号；干涉信号在WDM分开后，扫频干涉信号经由FOC1达到光电探测器PD1，单频干涉信号经由FOC2到达PD2；两路干涉信号由同步数据采集***SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算。
Description
技术领域
本发明属于光学测距领域，涉及一种基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法。
背景技术
光学调频干涉作为非接触式绝对距离测量方法，具备测量精度高、可测范围大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于民用设施、工业制造与国防装备等领域。当测量目标在一个扫频周期内静止时，干涉信号频率与待测距离的与成正比，因此，通过估计干涉信号的频率，可实现高精度静态距离测量。然而，对于动态目标，干涉信号的频率由距离和速度同时决定，直接采用频率估计法得到的绝对距离值包含由速度项引起的多普勒误差，该误差会严重阻碍动态测量精度，进而使调频干涉距离测量***失效。
为消除多普勒误差，当前通用做法是将含干涉频率的欠定方程组转换为适定方程组，这种转化通常由两种方式实现。一是使用三角扫频光源，该方式要求待测目标在一个三角扫频周期内速度恒定，因此无法适应快速移动或高速振动目标；二是采用双扫频光源，该方式需确保两个光源同步扫描，还需增加光器件开销，这不仅会提高***成本，还会降低***可靠性。此外，虽然上述两种方式均可有效消除多普勒误差，但其在一个完整扫描周期内仅能给出一个距离值，其无法实现一个频率扫描周期内的实时距离测量。因此，对于扫频干涉测距***而言，除消除多普勒误差之外，如何在低复杂度、低成本的条件下实现动态距离的高速、高精度测量就成为提升调频干涉测距***动态性能的关键，也成为此类应用进入大规模推广前的必解难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，消除目标移动引起的多普勒测量误差，给出每个采样点处的实时距离值。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，包括以下步骤：
扫频激光器FSL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC1；单频激光器FFL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC2；
两束激光在波分复用器WDM内合成一束并到达光纤探头Probe；
合束激光在光纤探头Probe端面部分反射，部分透射；
透射光由待测目标反射后重新进入光纤，与反射光干涉后形成扫频干涉与单频干涉信号；
干涉信号在WDM分开后，扫频干涉信号经由FOC1达到光电探测器PD1，单频干涉信号经由FOC2到达PD2；
两路干涉信号由同步数据采集***SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算。
进一步，对于动态目标，待测实时距离写作
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
进一步，该目标对应的扫频干涉信号为
其中，是FSI信号的瞬时相位，k为FSL调频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率；式(2)中的第一项包含了真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差；若使用φFSI(t)的瞬时斜率/>来计算动态距离，得到的测量距离LM(t)为：
上式第二项f(t)v(t)/k为多普勒误差，该误差对速度v(t)敏感。
进一步，该目标对应的单频干涉信号为：
其中，fFFL为FFI的激光频率，φF是初始相位；
由式(2)可知，可根据式(4)求出v(t)，并从式(2)中减去(fINI+kt)v(t)，就可以实现多普勒误差的消除。然而，零差单频干涉SFFI并不包含速度方向的信息，无法直接由式(4)求解v(t)，此外，高速运动目标对应的相位通常非单调，无法使用基于吉尔伯特变换的相位解缠方法相位求解/>然而，由SFSI(t)可知：
式(5)中的第一项为初始距离L0产生的线性相位，第二项为与v(t)有关的相位项，第一项和第二项之和为相位增量，因此，可构造如式(6)所示相位：
上式中Lc、为构造变量，由上式可知，当Lc＝L0、/>时，构造量/>与/>相等，即/>为此，构造如下目标函数
通过寻找最小K值，即利用重构方式得到动态距离L(t)：
进一步，所述的两路干涉信号由同步数据采集***SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算，具体包括以下步骤：
同步采样，获取扫频干涉FSI信号和单频干涉FFI信号；
对两组信号实施零相位带通滤波，并作归一化处理；
利用Hilbert变换求解瞬时相位并计算/>
构造目标函数与目标函数K，求取K的最小值，在此条件下求取最优化Lc和/>
根据公式(8)和所得出的最优化Lc和计算动态距离L(t)。
本发明的有益效果在于：本发明针对调频干涉***中多普勒误差问题，本发明提出了一种使用零差单频干涉消除多普勒误差的方法，该方法可以实现采样速率级的高精度动态距离测量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为搭建的动态测距实验***示意图；
图2为基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法流程图；
图3为获取的一个调频周期内的FSI和FFI信号图；
图4为对FSI信号和FFI信号进行滤波，幅值归一化处理之后的信号图；
图5为利用Hilbert变换求得的瞬时相位；
图6为构造函数K值；
图7为在一个周期内重构得出的每个扫描时刻的动态位移。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明首先搭建一种动态测距实验***，如图1所示，扫频激光器FSL与单频激光器FFL产生的激光分别沿单模光纤传输至环形器FOC1、FOC2。两束激光在波分复用器WDM内合成一束并到达光纤探头Probe。合束激光在探头端面部分反射，部分透射。透射光由待测目标反射后重新进入光纤，与反射光干涉后形成扫频干涉与单频干涉信号。干涉信号在WDM分开后，扫频干涉信号经由FOC1达到光电探测器PD1，单频干涉信号经由FOC2到达PD2。最后，两路干涉信号由同步数据采集***SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算。
对于动态目标，待测实时距离可写作
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
该目标对应的扫频干涉信号为
其中，φFSI(t)是FSI信号的瞬时相位，k为FSL调频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率。式(2)中的第一项包含了真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差。若使用φFSI(t)的瞬时斜率dφFSI(t)/dt来计算动态距离，得到的测量距离LM(t)为：
上式第二项f(t)v(t)/k为多普勒误差，该误差对速度v(t)敏感。
该目标对应的单频干涉信号为：
其中，fFFL为FFI的激光频率，φF是初始相位。
由式(2)可知，可根据式(4)求出v(t)，并从式(2)中减去(fINI+kt)v(t)，就可以实现多普勒误差的消除。然而，零差单频干涉SFFI并不包含速度方向的信息，无法直接由式(4)求解v(t)，此外，高速运动目标对应的相位φFFI(t)通常非单调，无法使用基于吉尔伯特变换的相位解缠方法相位求解φFFI(t)。然而，由SFSI(t)可知：
式(5)中的第一项为初始距离L0产生的线性相位，第二项为与v(t)有关的相位项。第一项和第二项之和ΔφFSI(t)为相位增量。因此，可构造如式(6)所示相位：
上式中Lc、φc为构造变量。由上式可知，当Lc＝L0、φc＝φF时，构造量φCON与φFFI相等，即cos[φCON(t)]＝SFFI。为此，构造如下目标函数
通过寻找最小K值(即Kmin(Lc,φc))，利用重构方式可以得到动态距离L(t)，
本方法实现步骤如图2所示，主要包括：
1.同步采样，获取扫频干涉FSI信号和单频干涉FFI信号；
2.对两组信号实施零相位带通滤波，并作归一化处理；
3.利用Hilbert变换求解瞬时相位并计算/>
4.构造目标函数φCON(t)与目标函数K，求取K的最小值，在此条件下求取最优化Lc和φc。
根据公式(8)和上述步骤所得出的最优化Lc和φc，计算动态距离L(t)。
为了验证该方法的有效性，搭建了图1所示动态测距实验***，其中FSL为C波段光源，初始调频频率fINI＝191250GHz，调频速率k＝104GHz/ms，调频周期T＝0.486ms；FFL为O波段光源，频率fFFL＝229007GHz。SDAQ采样率5M/s，双通道；动态目标为粘接在PZT上的铝反射面，PZT的驱动信号由信号发生器产生，由电压放大器放大。此外，实验过程中采用激光测振仪对目标的动态位移进行标定。
实验结果表明，本方法动态测量误差误差小于0.5μm，测量速率可达5MHz，既能有效消除多普勒误差，同时能进而动态距离的高速高精度测量。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，其特征在于：包括以下步骤：
扫频激光器FSL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC1；单频激光器FFL产生的激光沿单模光纤传输至环形器FOC2；
两束激光在波分复用器WDM内合成一束并到达光纤探头Probe；
合束激光在光纤探头Probe端面部分反射，部分透射；
透射光由待测目标反射后重新进入光纤，与反射光干涉后形成扫频干涉与单频干涉信号；
干涉信号在WDM分开后，扫频干涉信号经由FOC1达到光电探测器PD1，单频干涉信号经由FOC2到达PD2；
两路干涉信号由同步数据采集***SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算，具体包括以下步骤：
同步采样，获取扫频干涉FSI信号和单频干涉FFI信号；
对两组信号实施零相位带通滤波，并作归一化处理；
利用Hilbert变换求解瞬时相位并计算/>
构造目标函数与目标函数K，求取K的最小值，在此条件下求取最优化Lc和/>根据公式(8)和所得出的最优化Lc和/>计算动态距离L(t)：
其中Lc为构造变量，k为FSL调频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率，t表示t时刻。
2.根据权利要求1所述的基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，其特征在于：对于动态目标，待测实时距离写作
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
3.根据权利要求2所述的基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，其特征在于：该目标对应的扫频干涉信号为
其中，是FSI信号的瞬时相位，k为FSL调频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率；式(2)中的第一项包含了真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差；若使用φFSI(t)的瞬时斜率dφFSI(t)/dt来计算动态距离，得到的测量距离LM(t)为：
上式第二项f(t)v(t)/k为多普勒误差，该误差对速度v(t)敏感。
4.根据权利要求3所述的基于光学调频干涉与单频干涉的高速高精度动态测距方法，其特征在于：该目标对应的单频干涉信号为：
其中，fFFL为FFI的激光频率，φF是初始相位；
由SFSI(t)得：
式中的第一项为初始距离L0产生的线性相位，第二项为与v(t)有关的相位项，第一项和第二项之和为相位增量，构造如式所示相位：
上式中Lc、为构造变量，由上式得，当Lc＝L0、/>时，构造量/>与/>相等，即构造如下目标函数
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