CN116659395B

CN116659395B - 一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法

Info

Publication number: CN116659395B
Application number: CN202310668411.7A
Authority: CN
Inventors: 甘雨; 段长昊; 刘国栋; 程焕然
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2023-06-07
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2024-02-23
Anticipated expiration: 2043-06-07
Also published as: CN116659395A

Abstract

本发明是一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法。本发明涉及扫频干涉测量、FMCW、OFDR技术领域，本发明在经探测器光电转换，得到测量干涉仪信号i_m(n)；扫频光经过测量臂与参考臂后相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到校正干涉仪信号i_f(n)。所述数据采集卡对探测器电信号进行模数转换，在计算机对测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)进行数据处理和分析，完成信号校正。本发明解决了由校正干涉仪与测量干涉仪由臂长差不同引起的延迟不同步带来的扫频非线性同步误差造成的频谱恶化，导致测量分辨率和精度下降的问题。

Description

一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法

技术领域

本发明涉及扫频干涉测量、FMCW、OFDR技术领域，是一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法。

背景技术

扫频干涉绝对距离测量精度受限于光源扫频非线性，得益于硬件或者软件的非线性校正方法，使扫频干涉测量在绝对距离测量领域中成为关键技术之一，然而非线性校正方法通常会受到种种限制，如扫频带宽、扫频非线性剧烈程度以及目标距离等因素，在这些情况下，扫频非线性中存在扫频干干涉非线性同步误差的影响，且不能忽略。为此，目前急需设计一种针同步误差非线性的校正方法。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，本发明为解决扫频非线性中存在扫频干涉非线性同步误差引起的测量分辨率与测量精度下降的问题，本发明提供一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于相位补偿的非线性同步误差校正扫频干涉测量装置，所述装置包括：测距光路、校正光路、数据采集与处理装置；

在所述测距光路中，测距干涉仪为马赫则德干涉仪，其测量臂中的扫频光经过聚焦镜组经待测目标反射后，原路返回与马赫则德干涉仪参考臂中的扫频光相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到测量干涉仪信号i_m(n)；

校正光路分别由扫频光源、校正干涉仪、探测器组成；校正光路为马赫则德干涉仪，扫频光经过测量臂与参考臂后相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到校正干涉仪信号i_f(n)。

优选地，数据采集与处理装置由采集卡与计算机组成；所述数据采集卡对探测器电信号进行模数转换，在计算机对测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)进行数据处理和分析，完成信号校正。

一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法，所述方法基于一种基于相位补偿的非线性同步误差校正扫频干涉测量装置，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤1：对测量干涉仪信号i_m(n)、校正干涉仪信号i_f(n)进行同步采样，n∈[0,N]，自然数，N为采样点数；

步骤2：对测量干涉仪光程差L_m进行粗测，得到粗测值L′_m，校正干涉仪光程差L_f，对校正干涉仪相位进行解调得到扫频非线性曲线Δf_TL(n)，利用L′_m、L_f、扫频非线性Δf_TL(n)，构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项

步骤3：对步骤1得到的校正干涉仪进行相位解调，利用步骤2构造的相位校正项对校正干涉仪i_f(n)进行校正；

步骤4：对步骤3得到的等采样相位序列(其中k∈[0,M]，自然数，M为相位序列点数)对测量干涉仪i_m(n)进行非线性校正；

步骤5：对步骤4中得到的非线性校正后的测量干涉仪信号i_m(n)进行谱分析得到测量干涉仪信号的拍频频率，利用校正干涉仪的光程差L_f，可将测量干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离R_m。

优选地，所述步骤1中具体为：

测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)数学表达如公式：

其中，为测量干涉仪与校正干涉仪的常数相位，L_m、L_f分别为测量干涉仪与校正干涉仪光程差，Δf_TL(n)为扫频光源非线性曲线。

优选地，所述步骤2具体为：

对步骤1采集的测量干涉仪信号进行频谱分析，并通过校正干涉仪光程差L_f将测量干涉仪的频谱转换为距离谱，根据距离谱上的目标峰最大值求取其对应的粗测光程L′_m；

对步骤1采集的校正干涉仪相位进行解调，由解调相位对扫频非线性Δf_TL(n)进行求解：

根据差分公式，采用中心差分，对扫频非线性进行中心差分：

由测量干涉仪光程粗测值L′_m、校正干涉仪光程L_f、公式确定的扫频非线性的差分Δf′_TL(n)就构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项通过下式表示：

优选地，所述步骤3具体为：

利用步骤2得到的相位校正项，实现对步骤2的校正干涉仪相位中的扫频干涉非线性同步误差进行校正，校正后的结果如公式所示：

进行等间隔采样构造等相位采样序列相邻相位间隔为/>

优选地，所述步骤4具体为：

利用步骤4得到的等采样相位序列对步骤1得到的测量干涉仪相位进行非线性校正，校正后的测量干涉仪信号通过下式表示：

经过非线性校正后，测量干涉仪信号的扫频干涉非线性同步误差已经得到了抑制。

优选地，所述步骤5具体为：

对步骤4得到的扫频非线性校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，利用校正干涉仪光程L_f，将测量干涉仪频谱转换为距离谱，通过确定距离谱上的待测目标反射峰，读出待测目标反射峰最大值对应的横坐标，得到待测目标的绝对距离。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法

本发明具有以下有益效果：

本发明与现有技术相比：

本发明解决了由校正干涉仪与测量干涉仪由臂长差不同引起的延迟不同步带来的扫频干涉非线性同步误差造成的频谱恶化，导致测量分辨率和精度下降的问题。本发明的相位补偿措施不增加光路结构，同时该措施处理流程简易、易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置结构示意图；

图2是全局频谱校正仿真效果图；(蓝线为非线性校正前、红线为非线性校正后，Rm为目标待测距离，蓝色文字代表校正前真值误差，红色文字代表校正后真值误差)；

图3是目标峰局部频谱校正仿真效果图。(蓝线为非线性校正前、红线非线性校正后)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图3所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：

本发明提供一种基于相位补偿的非线性同步误差校正扫频干涉测量装置，所述装置包括：测距光路、校正光路、数据采集与处理装置；

具体实施例二：

本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：

数据采集与处理装置由采集卡与计算机组成；所述数据采集卡对探测器电信号进行模数转换，在计算机对测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)进行数据处理和分析，完成信号校正。

具体实施例三：

本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：

一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法，所述方法基于一种基于相位补偿的非线性同步误差校正扫频干涉测量装置，所述方法包括以下步骤：

步骤2：对测量干涉仪臂长差L_m进行粗测，得到粗测值L′_m，校正干涉仪臂长差L_f，对校正干涉仪相位进行解调得到扫频非线性曲线Δf_TL(n)，利用L′_m、L_f、扫频非线性Δf_TL(n)，构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项

具体实施例四：

本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：

所述步骤1中具体为：

具体实施例五：

本申请实施例五与实施例四的区别仅在于：

所述步骤2具体为：

由测量干涉仪光程粗测值L′_m、校正干涉仪光程L_f、公式确定的扫频非线性的差分Δf_T′_L(n)就构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项通过下式表示：

具体实施例六：

本申请实施例六与实施例五的区别仅在于：

所述步骤3具体为：

进行等间隔采样构造等相位采样序列相邻相位间隔为/>

具体实施例七：

本申请实施例七与实施例六的区别仅在于：

所述步骤4具体为：

具体实施例八：

本申请实施例八与实施例七的区别仅在于：

所述步骤5具体为：

对步骤4得到的扫频非线性校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，利用校正干涉仪光程L_f，将测量干涉仪频谱转换为距离谱，通过确定距离谱上的待测目标反射峰，读出待测目标反射峰最大值对应的横坐标，得到待测目标的绝对距离R_m。

具体实施例九：

本申请实施例九与实施例八的区别仅在于：

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法。

具体实施例十：

本申请实施例十与实施例九的区别仅在于：

本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法。

一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法，包含以下步骤：

1.对测量干涉仪信号i_m(n)、校正干涉仪信号i_f(n)进行同步采样(n∈[0,N]，自然数，N为采样点数)；

2.对测量干涉仪臂长差L_m进行粗测，得到粗测值L′_m，校正干涉仪臂长差L_f，对校正干涉仪相位进行解调得到扫频非线性曲线Δf_TL(n)，利用L′_m、L_f、扫频非线性Δf_TL(n)，构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项

3.对步骤1得到的校正干涉仪进行相位解调，利用步骤2构造的相位校正项对校正干涉仪i_f(n)进行校正。

4.对步骤3得到的等采样相位序列(其中k∈[0,M]，自然数，M为相位序列点数)对测量干涉仪i_m(n)进行非线性校正，此时扫频非线性得到有效抑制。

5.对步骤4中得到的非线性校正后的测量干涉仪信号i_m(n)进行谱分析得到测量干涉仪信号的拍频频率，利用校正干涉仪的光程差L_f，可将测量干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离R_m。

步骤1按照如图1所示测量***图搭建扫频干涉测量***，测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)数学表达如公式：

公式～中，为测量干涉仪与校正干涉仪的常数相位，L_m、L_f分别为测量干涉仪与校正干涉仪光程差，Δf_TL(n)为扫频光源非线性曲线。

步骤2的具体步骤如下：

对步骤1采集的测量干涉仪信号进行频谱分析，并通过校正干涉仪光程差L_f将测量干涉仪的频谱转换为距离谱，根据距离谱上的目标峰最大值求取其对应的粗测光程L′_m。

对步骤1采集的校正干涉仪相位进行解调，由解调相位可以对扫频非线性Δf_TL(n)进行求解：

根据差分公式(如前向差分、后向差分、中心差分等，本专利采用中心差分)，对扫频非线性进行中心差分：

此时，由测量干涉仪光程粗测值L′_m、校正干涉仪光程L_f、公式确定的扫频非线性的差分Δf′_TL(n)就可以构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项

步骤3的具体步骤如下：

进行等间隔采样构造等相位采样序列相邻相位间隔为/>

步骤4的具体步骤如下：

利用步骤4得到的等采样相位序列对步骤1得到的测量干涉仪相位进行非线性校正，校正后的测量干涉仪信号：

步骤5的具体步骤如下：

对步骤4得到的扫频非线性校正后的测量干涉仪信号进行频谱分析，利用校正干涉仪光程L_f，将测量干涉仪频谱转换为距离谱，通过确定距离谱上的待测目标反射峰，读出待测目标反射峰最大值对应的横坐标，便可得到待测目标的绝对距离。本实施例中的测量干涉仪臂长差20m、40m、60m、80m，校正干涉仪臂长差20m，校正前后效果如图2、3所示，仿真图中可见扫频非线性校正后不仅频谱得到了改善(消除伪目标的影响、信噪比提升到30dB)，同时精度也实现了提升。

所述测量***包括测距光路、校正光路、数据采集与处理三个部分：

其中测距光路用于确定待测目标的绝对距离、校正光路用于校正扫频非线性、数据采集与处理用于实现扫频干涉测量非线性同步误差校正。

测距光路分别由扫频光源、测距干涉仪、聚焦镜组、待测目标、探测器组成；

在所述测距光路中，测距干涉仪为马赫则德干涉仪，其测量臂中的扫频光经过聚焦镜组经待测目标反射后，原路返回与马赫则德干涉仪参考臂中的扫频光相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到测量干涉仪信号i_m(n)。

校正光路分别由扫频光源、校正干涉仪、探测器组成；

在所述校正光路中，校正光路为马赫则德干涉仪，扫频光经过测量臂与参考臂后相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到校正干涉仪信号i_f(n)。

进一步地，所述***还包括数据采集与处理，由采集卡与计算机组成；

所述数据采集卡对探测器电信号进行模数转换，最终在计算机对测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)进行数据处理和分析，完成信号校正。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

以上所述仅是一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法的优选实施方式，一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于相位补偿的扫频干涉测量非线性同步误差校正方法，所述方法基于一种基于相位补偿的非线性同步误差校正扫频干涉测装置，所述装置包括：测距光路、校正光路、数据采集与处理装置；

校正光路分别由扫频光源、校正干涉仪、探测器组成；校正光路为马赫则德干涉仪，扫频光经过测量臂与参考臂后相遇完成干涉信号叠加，经探测器光电转换，得到校正干涉仪信号i_f(n)；其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤3：对步骤1得到的校正干涉仪进行相位解调，利用步骤2构造的相位校正项对校正干涉仪i_f(n)的相位/>进行校正，校正后的校正干涉仪相位为/>对进行等间隔采样构造等相位采样序列/>

步骤4：对步骤3得到的等采样相位序列其中k∈[0,M]，自然数，M为相位序列点数，对测量干涉仪i_m(n)进行非线性校正；

步骤5：对步骤4中得到的非线性校正后的测量干涉仪信号i_m(k)进行谱分析得到测量干涉仪信号的拍频频率，利用校正干涉仪的光程差L_f，可将测量干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离R_m。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤1中具体为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：

由测量干涉仪光程粗测值L′_m、校正干涉仪光程L_f、公式(4)确定的扫频非线性的差分Δf_T′_L(n)就构造扫频干涉非线性同步误差相位校正项通过下式表示：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述步骤3具体为：

利用步骤2得到的相位校正项，实现对步骤2的校正干涉仪相位中的扫频干涉非线性同步误差进行校正，校正后的结果如公式(6)所示：

进行等间隔采样构造等相位采样序列相邻相位间隔为/>

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤4具体为：

利用步骤3得到的等采样相位序列对步骤1得到的测量干涉仪相位进行非线性校正，校正后的测量干涉仪信号通过下式表示：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述步骤5具体为：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：

数据采集与处理装置由采集卡与计算机组成；数据采集卡对探测器电信号进行模数转换，在计算机对测量干涉仪信号i_m(n)与校正干涉仪信号i_f(n)进行数据处理和分析，完成信号校正。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-7之一的方法。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7之一的方法。