CN112946611B - 基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法 - Google Patents

基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法 Download PDF

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Abstract

基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法,涉及扫频干涉测量(FSI)测量、FMCW激光雷达等技术领域,针对现有方法不能提供准确的重采样序列，扫频非线性消除不彻底、导致扫频干涉测量精度下降的问题，本申请用于消除由于扫频激光器的扫频非线性产生的频谱展宽效应，可有效提高测量频谱半高全宽的优良性质。尤其是对于测量极限距离时，相比于取近零点作为采样点，误差更小。同时，相似插值算法因使用矩阵乘法在信号处理速度上有所加快。该发明确保了绝对距离测量***在进行远距离测量时测量结果的高精度、高实时性处理。

Description

基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法
技术领域
本发明涉及扫频干涉测量(FSI)测量、FMCW激光雷达等技术领域，具体为一种基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距***及方法。
背景技术
扫频干涉测量具有发射功率低、无测距模糊、无需导轨配合与可应用于合作目标测量以及可实现高分辨率测量等优点，因而在高精度绝对距离测量领域中得到了广泛应用，如调频连续激光雷达、光学频率计、光学相干断层扫描等领域。其基本原理是利用发射的测量光信号与被测目标反射的扫频测量光信号之间形成固定频差来确定目标的绝对距离，依靠容易处理的信号频域特征来反映目标的绝对距离参数。高线性的宽带扫频测量光可以得到很高的距离分辨率与测量精度，但目前市场中的线性调谐激光器并不能满足高线性化的线性扫频这一条件，非线性扫频给信号频域特征分析带来困难，非单一频率拍频信号不仅会降低距离分辨率同时也极大的降低了测量精度。现有方法是采用辅助干涉仪对扫频光信号进行采样，通过提取辅助干涉仪信号过零点，组成采样序列对测量干涉仪信号进行采集。但是由于辅助干涉仪信号过零点并不一定位于辅助干涉仪信号采样中，导致重采样序列不能准确确定，扫频非线性不能完全消除，使得扫频干涉测量的精度下降，为此本发明对此问题采取了相应方法进行解决。
发明内容
本发明的目的是：针对现有方法不能提供准确的重采样序列，扫频非线性消除不彻底、导致扫频干涉测量精度下降的问题，提出一种基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，所述方法利用扫频非线性矫正装置实现；
所述扫频非线性矫正装置包括：测量干涉仪、辅助干涉仪和采集卡；
所述测量干涉仪包括PBS、聚焦光学***、1/4波片和平衡探测器；
所述辅助干涉仪包括两个3dB光纤耦合器；
扫频激光由分光比为95：5的光纤耦合器分光后，得到95％的扫频光和5％扫频光，95％的扫频光经过分光比为99：1的光纤耦合器分为测量干涉仪的测量光与测量干涉仪的参考光，测量干涉仪的测量光依次经过PBS、聚焦光学***和1/4波片后出射，经测量目标反射后原路返回与测量干涉仪的参考光在平衡探测器的探测平面上混频得到测量干涉仪拍频信号，即测量干涉仪光信号；
5％扫频光通过3dB光纤耦合器将扫频光分为50：50的辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光，然后再通过3dB光纤耦合器将辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光合束，并在平衡探测器上混频得到辅助干涉仪拍频信号，即辅助干涉仪光信号；
所述采集卡用于将测量干涉仪的拍频信号和辅助干涉仪的拍频信号进行采集并存储；
基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法具体步骤为：
步骤一：获取测量干涉仪光信号Imc和辅助干涉仪光信号Idc，并根据测量干涉仪光信号和辅助干涉仪光信号得到测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id；
步骤二：提取出测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id中的奇数次序的数据序列I1m、I1d和偶数次序的数据序列I2m、I2d；
步骤三：将I1d与I2d对应相乘，并将相乘结果进行筛选，得到多组两点间存在零点的相邻数据点，然后记录数据点标号，并组成集合Io；
步骤四：将集合Io中各组相邻数据点进行相似拟合，得到各组相邻数据点间的零点横坐标值集合Ao，之后将集合Ao进行排列后确定重采样序列Bo；
步骤五：利用集合Io中存在零点的相邻两点的数据点标号对I1m和I2m进行数据读出，得到重采样序列Bo两侧对应的测量干涉仪数据点I1mo、I2mo，然后利用I1mo、I2mo以及重采样序列Bo对I1mo、I2mo进行相似插值，得到校正后的测量干涉仪信号；
步骤六：对校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，通过寻找频谱峰值最大值，并进行相应的线性变换得到经过校正后的距离测量结果。
进一步的，所述扫频激光由外腔激光器得到。
进一步的，所述测量干涉仪拍频信号的频率根据测量干涉仪臂长差与测量距离确定。
进一步的，所述测量干涉仪光信号表示为：
Figure BDA0002933990470000031
其中，Am为测量干涉仪光信号幅值，2Rm为测量干涉仪臂长差，Δf(t)为扫频变化，c为光速。
进一步的，所述辅助干涉仪光信号表示为：
Figure BDA0002933990470000032
其中，A0为辅助干涉仪光信号幅值，R0为辅助干涉仪臂长差，Δf(t)为扫频变化，c为光速。
进一步的，所述扫频变化Δf(t)表示为：
Figure BDA0002933990470000033
其中，k为重采样序列采样序列标号。
进一步的，所述步骤五中测量干涉仪信号表示为：
Figure BDA0002933990470000034
本发明的有益效果是：
本申请用于消除由于扫频激光器的扫频非线性产生的频谱展宽效应，可有效提高测量频谱半高全宽的优良性质。尤其是对于测量极限距离时，相比于取近零点作为采样点，误差更小。同时，相似插值算法因使用矩阵乘法在信号处理速度上有所加快。该发明确保了绝对距离测量***在进行远距离测量时测量结果的高精度、高实时性处理。
附图说明
图1为本申请硬件***光路图；
图2为线性拟合相似差值算法示意图；
图3为相似三角插值采样的扫频非线性校正测距流程图；
图4为扫频时间0.1s仿真示意图；
图5为扫频时间0.105s仿真示意图；
图6为扫频时间0.110s仿真示意图；
图7为扫频时间0.115s仿真示意图；
图8为扫频时间0.12s仿真示意图；
图9为扫频时间0.125s仿真示意图；
图10为扫频时间0.13s仿真示意图；
图11为扫频时间0.135s仿真示意图；
图12为扫频时间0.14s仿真示意图；
图13为扫频时间0.145s仿真示意图；
图14为扫频时间0.15s仿真示意图；
图15为扫频时间0.155s仿真示意图；
图16为扫频时间0.16s仿真示意图；
图17为扫频时间0.165s仿真示意图；
图18为扫频时间0.17s仿真示意图；
图19为扫频时间0.175s仿真示意图；
图20为扫频时间0.18s仿真示意图；
图21为扫频时间0.185s仿真示意图；
图22为扫频时间0.19s仿真示意图；
图23为扫频时间0.195s仿真示意图。
具体实施方式
需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，所述方法利用扫频非线性矫正装置实现；
所述扫频非线性矫正装置包括：测量干涉仪、辅助干涉仪和采集卡；
所述测量干涉仪包括PBS、聚焦光学***、1/4波片和平衡探测器；
所述辅助干涉仪包括两个3dB光纤耦合器；
扫频激光由分光比为95：5的光纤耦合器分光后，得到95％的扫频光和5％扫频光，95％的扫频光经过分光比为99：1的光纤耦合器分为测量干涉仪的测量光与测量干涉仪的参考光，测量干涉仪的测量光依次经过PBS、聚焦光学***和1/4波片后出射，经测量目标反射后原路返回与测量干涉仪的参考光在平衡探测器的探测平面上混频得到测量干涉仪拍频信号，即测量干涉仪光信号；
5％扫频光通过3dB光纤耦合器将扫频光分为50：50的辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光，然后再通过3dB光纤耦合器将辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光合束，并在平衡探测器上混频得到辅助干涉仪拍频信号，即辅助干涉仪光信号；
所述采集卡用于将测量干涉仪的拍频信号和辅助干涉仪的拍频信号进行采集并存储；
基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法具体步骤为：
步骤一：获取测量干涉仪光信号Imc和辅助干涉仪光信号Idc，并根据测量干涉仪光信号和辅助干涉仪光信号得到测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id；
步骤二：提取出测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id中的奇数次序的数据序列I1m、I1d和偶数次序的数据序列I2m、I2d；
步骤三：将I1d与I2d对应相乘，并将相乘结果进行筛选，得到多组两点间存在零点的相邻数据点，然后记录数据点标号，并组成集合Io；
步骤四：将集合Io中各组相邻数据点进行相似拟合，得到各组相邻数据点间的零点横坐标值集合Ao，之后将集合Ao进行排列后确定重采样序列Bo；
步骤五：利用集合Io中存在零点的相邻两点的数据点标号对I1m和I2m进行数据读出，得到重采样序列Bo两侧对应的测量干涉仪数据点I1mo、I2mo，然后利用I1mo、I2mo以及重采样序列Bo对I1mo、I2mo进行相似插值，得到校正后的测量干涉仪信号；
步骤六：对校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，通过寻找频谱峰值最大值，并进行相应的线性变换得到经过校正后的距离测量结果。
本申请通过找到辅助干涉仪近零轴采样点，由于采样点距足够精细，可以对过零点两侧的采样点作线性拟合，通过相似三角形的相应运算，较为精确的找到辅助干涉仪的过零点时域坐标。相比于传统方法，经过本专利提出的方法，测量干涉仪信号的测量精度有所改善。仿真中发现，当辅助干涉仪光程差为测量干涉仪光程差2倍时，此时由于未能精确定位过零点重采样后测量信号的谱峰发生变化，最终造成绝对距离测量产生微米量级的偏差。
本申请用于消除由于扫频激光器的扫频非线性产生的频谱展宽效应，可有效提高测量频谱半高全宽的优良性质。尤其是对于测量极限距离时，相比于取近零点作为采样点，误差更小。同时，相似插值算法因使用矩阵乘法在信号处理速度上有所加快。确保了绝对距离测量***在进行远距离测量时测量结果的高精度、高实时性处理。
本发明中硬件部分主要分为扫频干涉测距光路、辅助干涉仪1和一块采集卡。扫频干涉测距光路主要包含多个光纤耦PBS、WDM、聚焦光学***、1/4波片以及平衡探测器构成的马赫—泽德干涉仪，通过辅助干涉仪对扫频非线性进行测量，采用软件的频率采样法，对测量干涉仪信号进行重采样，消除由扫频激光引入的非线性相位。由于采样点几乎不与理论上的过零点相重合，所以在辅助干涉仪信号频率下降时，就不能准确确定基于辅助干涉仪产生的频率采样序列，同时基于该序列的重采样将不能完全消除测量干涉仪的非线性。所以本文专利提出了基于三角相似判断信号真实的过零点，进而提升频率采样法的非线性消除效果。
在上述光路中会产生两路光信号，其中一路光信号经过测量目标，其回光拍频信号被称为测量干涉仪光信号；而另一路光信号经过辅助干涉仪光路，其由探测器接收到的光拍频信号被称为辅助干涉仪光信号，两种光信号数学表述如下：
Figure BDA0002933990470000061
Figure BDA0002933990470000062
公式中Im(t)、I0(t)为测量干涉仪光信号于辅助干涉仪光信号，Am、A0为测量干涉仪光信号幅值于辅助干涉仪光信号幅值，2Rm、R0为测量干涉仪臂长差与辅助干涉仪臂长差，Δf(t)为扫频变化。
Figure BDA0002933990470000063
Figure BDA0002933990470000064
为了消除由Δf(t)引起的扫频非线性，通过对公式2进行过零点确定，然后通过这些过零点产生的采样序列对公式1进行重采样，该信号处理过程被称为频率采样法。频率采样法的采样方式如公式3所示，在采样过程中，公式中的扫频非线性Δf(t)可由线性序列进行表示，在公式4中展示了频率采样法后的测量干涉仪信号，理论上得到了与测量距离相关的单频信号。图3展示了本专利采用方法的流程。
在下面的仿真中将证明通过线性拟合来确定过零点方式相比于近零确定采样点效果更好，具体情况可以由如下仿真进行说明。
仿真条件设置为测量干涉仪臂长差设置范围为1m～54m，辅助干涉仪臂长差为109m，仿真中将信号的采样频率设定为10MHz，从扫频时间设定为0.1s、0.105s、0.11s、0.115s、0.120s、0.125s、0.130s、0.135s、0.140s、0.145s、0.150s、0.155s、0.160s、0.165s、0.170s、0.175s、0.180s、0.185s、0.190s、0.195s。仿真可见，本专利将极大程度上消除测量距离临近辅助干涉仪臂长差时产生的测量误差，消除了由数据处理带来的算法数值偏差。仿真图中Linear指采用相似三角的线性拟合方法仿真数据点，Near指采用零点附近的采样点方法的仿真数据点。
仿真说明：
根据图4至图23说明进行仿真说明，仿真中测量目标到平衡探测器的距离为变量从1m到54m，从各仿真图中可见随着测量干涉仪臂长差逐渐接近辅助干涉仪臂长差的一半时，采用临近点作为重采样序列的采样方法不能完全消除扫频非线性给测量干涉仪频谱造成的影响，而采用相似拟合确定重采样序列的非线性校正方法测量误差更小。采用临近点作为重采样序列的方法对序列长度这一参数较为敏感，从仿真中可见距离解调误差与序列长度呈非线性关系。通过上面的仿真中说明，本专利中采用的采样方法能够确保在快速距离测量中对非线性误差消除的作用，削弱由时钟抖动引入的误差。在实际测量过程中，该专利采用的方法有效地避免了由算法引入的误差。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述方法利用扫频非线性矫正装置实现；
所述扫频非线性矫正装置包括：测量干涉仪、辅助干涉仪和采集卡；
所述测量干涉仪包括PBS、聚焦光学***、1/4波片和平衡探测器；
所述辅助干涉仪包括两个3dB光纤耦合器；
扫频激光由分光比为95：5的光纤耦合器分光后，得到95％的扫频光和5％扫频光，95％的扫频光经过分光比为99：1的光纤耦合器分为测量干涉仪的测量光与测量干涉仪的参考光，测量干涉仪的测量光依次经过PBS、聚焦光学***和1/4波片后出射，经测量目标反射后原路返回与测量干涉仪的参考光在平衡探测器的探测平面上混频得到测量干涉仪拍频信号，即测量干涉仪光信号；
5％扫频光通过3dB光纤耦合器将扫频光分为50：50的辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光，然后再通过3dB光纤耦合器将辅助干涉仪的测量光与辅助干涉仪的参考光合束，并在平衡探测器上混频得到辅助干涉仪拍频信号，即辅助干涉仪光信号；
所述采集卡用于将测量干涉仪的拍频信号和辅助干涉仪的拍频信号进行采集并存储；
基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法具体步骤为：
步骤一：获取测量干涉仪光信号Imc和辅助干涉仪光信号Idc，并根据测量干涉仪光信号和辅助干涉仪光信号得到测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id；
步骤二：提取出测量干涉仪信号序列Im和辅助干涉仪信号序列Id中的奇数次序的数据序列I1m、I1d和偶数次序的数据序列I2m、I2d；
步骤三：将I1d与I2d对应相乘，并将相乘结果进行筛选，得到多组两点间存在零点的相邻数据点，然后记录数据点标号，并组成集合Io；
步骤四：将集合Io中各组相邻数据点进行相似拟合，得到各组相邻数据点间的零点横坐标值集合Ao，之后将集合Ao进行排列后确定重采样序列Bo；
步骤五：利用集合Io中存在零点的相邻两点的数据点标号对I1m和I2m进行数据读出，得到重采样序列Bo两侧对应的测量干涉仪数据点I1mo、I2mo，然后利用I1mo、I2mo以及重采样序列Bo对I1mo、I2mo进行相似插值，得到校正后的测量干涉仪信号；
步骤六：对校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，通过寻找频谱峰值最大值，并进行相应的线性变换得到经过校正后的距离测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述扫频激光由外腔激光器得到。
3.根据权利要求2所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述测量干涉仪拍频信号的频率根据测量干涉仪臂长差与测量距离确定。
4.根据权利要求1所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述测量干涉仪光信号表示为：
Figure FDA0002933990460000021
其中，Am为测量干涉仪光信号幅值，2Rm为测量干涉仪臂长差，Δf(t)为扫频变化，c为光速。
5.根据权利要求1所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述辅助干涉仪光信号表示为：
Figure FDA0002933990460000022
其中，A0为辅助干涉仪光信号幅值，R0为辅助干涉仪臂长差，Δf(t)为扫频变化，c为光速。
6.根据权利要求4或5所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述扫频变化Δf(t)表示为：
Figure FDA0002933990460000023
其中，k为重采样序列采样序列标号。
7.根据权利要求6所述的基于相似三角插值采样的扫频非线性矫正测距方法，其特征在于所述步骤五中测量干涉仪信号表示为：
Figure FDA0002933990460000031
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