CN107883880A - 检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，包括两个互补的拐点检索方案，分别为间断点检索方案、相邻零点间距检索方案。去除相邻零点间距检索方案中的错误点后，把两种方案检索的拐点位置合并，即可得到正弦相位调制激光干涉信号波形的所有拐点位置。本发明可以精确检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形中拐点位置，在光干涉信号处理领域具有极高的应用价值。

Description

检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法
技术领域
本发明涉及光干涉信号处理领域，尤其是一种检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法。
背景技术
通过对激光干涉信号的相位进行正弦调制，可以得到周期性的干涉条纹。精确检索干涉条纹的周期性拐点，通过条纹计数，可以实现精密激光测距。
正弦相位调制激光干涉信号，理论上以正弦调制信号的周期为周期，通过检索正弦调制信号的极值位置，可以找到正弦相位调制激光干涉信号的拐点位置。但是由于在对DFB激光器做波长调制时，激光器载流子浓度的变化，导致光波长的变化所需要的时间，大于光功率变化所需时间。进而导致正弦相位调制激光干涉信号的拐点位置，与正弦调制信号的极值位置不严格重合，所以不能通过正弦调制信号来精确检索干涉信号波形拐点位置。
发明内容
本发明致力于提供一种可以精确检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形中拐点位置的方法，解决现有技术的不足。
本发明采用如下技术方案：
检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)先归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形；
(2)用间断点检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点存为数组P；
(3)用相邻零点间距检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点位置存为数组Q；
(4)去除步骤(3)检索到的错误拐点位置，得到数组Q’；
(5)在步骤(4)的基础上，去除步骤(3)检索到的和(2)检索到的重复拐点，得到数组Q”；
(6)数组P合数组Q”，得到数组T，确定正确拐点位置。
所述归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点处于宽的干涉条纹内，干涉条纹较宽时，拐点的绝对值较大，通过步骤(2)进行检索存在漏检的情况，当拐点的绝对值较小，通过步骤(3)进行检索存在错检的情况。
所述步骤(2)中先对归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形作初步变换，得到初步变换波形后，再用间断点检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置。
(2-1)当归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形曲线的斜率小于零时，归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形的反余弦取值在[0～π]范围内，计算相应的正弦值，得到的正弦值在[0～1～0]范围内；
(2-2)当归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形曲线的斜率大于零时，归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形的反余弦取值在[π～0]范围内，对此范围取负值，使其处于区间[-π～0]内，计算相应的正弦值，则对应的正弦值在[0～-1～0]范围内。
所述正弦相位调制激光干涉信号波形的相位可以表示为其中ω、 t、分别表示相位调制的振幅、角频率、时间、初相位，则该正弦相位调制激光干涉信号波形的归一化信号波形表示为cos(ψ(t))。
所述得到初步变换波形的变换方法如下：
(2-1)当公式cos(ψ(t))的导数小于零时，也就是曲线的斜率小于零时，cos(ψ(t))的反余弦取值在[0～π]范围内，计算相应的正弦值，得到的正弦值在[0～1～0]范围内；
(2-2)当公式cos(ψ(t))的导数大于零时，也就是曲线的斜率大于零时，cos(ψ(t))的反余弦取值在[π～0]范围内，对此范围取负值，使其处于区间[-π～0]内，计算相应的正弦值，则对应的正弦值在[0～-1～0]范围内。
所述得到初步变换波形后，在波形连续的位置，相邻两点数值之差较小，但是在间断点处，相邻两点数值之差的绝对值较大。
所述设定一个阈值t，阈值t在(0—2)内取值，把初步变换信号波形中相邻两点的差值与该阈值进行比较；如果差值小于阈值t，则认为该位置不是间断点位置；如果差值大于阈值 t，则认为该位置是间断点位置；把检索到的拐点存为数组P，数组元素设为Pn，其中n的最大值为检索到的拐点个数。
所述如果两个间断点差值小于阈值t，则间断点位置检索会失败。
对于没有检索到的拐点，其绝对值大于[1-(t/2)2]1/2；如果t趋于0，则没有检索到的拐点值趋于1或-1。
所述步骤(3)中，相邻零点间距检索方案包括如下步骤：
(3-1)先把归一化正弦相位调制激光干涉信号波形中零轴相交点的位置检索到，并存为数组；
(3-2)然后计算相邻两零点距离，以相邻的零点a、b、c、d为例，如果b、c两点间的距离l1分别大于a、b两点距离l0，及c、d两点距离l2，则b、c两点的中点位置为干涉信号波形拐点位置；
(3-3)把检索到的拐点位置存为数组Q，数组元素设为Qm，其中m的最大值为检索到的拐点位置与错误点位置个数。
所述步骤(4)中去除步骤(3)检索到的错误拐点位置包括如下步骤：
(4-1)把间断点检索方案中检索到的相邻两个拐点位置之间的距离定义为L，设定距离阈值，距离阈值在(0—0.5L)范围内；
(4-2)对于步骤(2)检索到的某一个拐点Pn，步骤(3)检索到的每一个点Qm到Pn的距离如果小于距离阈值，则删除Qm；
(4-3)经过以上检索，可去除数组Q中的错误检索点，将剩余的点记作数组Q’。
所述步骤(5)中把数组P与Q中都包含的拐点位置定义为重复检索点，去除步骤(3)检索到的和(2)检索到的重复拐点，得到数组Q”，把数组P与Q”合并，得到的新数组记作T，则数组T包含正弦相位调制激光干涉信号波形的所有拐点位置。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法包括两个互补的拐点检索方案，分别为间断点检索方案、相邻零点间距检索方案。去除相邻零点间距检索方案中的错误点后，把两种方案检索的拐点位置合并，即可得到正弦相位调制激光干涉信号波形的所有拐点位置。
本发明可以精确检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形中拐点位置，在光干涉信号处理领域具有极高的应用价值。
附图说明
图1为归一化激光干涉数字信号波形；
图2为初步变换信号波形；
图3为相邻零点间距拐点判断法原理图；
图4为去除错误检索点与重复检索点的方法原理图。
图5为检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法流程图。
具体实施方式
结合附图1至5对本发明的具体实施方式做进一步说明，需要说明的是本发明的保护范围并不限于下述实施例。
检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，如图5所示，所述方法包括如下步骤：
(1)先归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形；
(2)先初步变换波形，再用间断点检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点存为数组P；
(3)先找出波形与零轴相交点，再用相邻零点间距检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点位置存为数组Q；
(4)去除步骤(3)检索到的错误拐点位置，得到数组Q’；
(5)在步骤(4)的基础上，去除步骤(3)检索到的和(2)检索到的重复拐点，得到数组Q”；
(6)数组P合数组Q”，得到数组T，确定正确拐点位置。
所述正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点处于宽的干涉条纹内，干涉条纹较宽时，拐点的绝对值较大，通过步骤(2)进行检索存在漏检的情况，当拐点的绝对值较小，通过步骤(3)进行检索存在错检的情况。
以如图1所示归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形为例阐明拐点检索方案，真实的正弦相位调制激光干涉信号波形不限于图1。图1中，存在如点A、B、C、D所示拐点。
假设正弦相位调制激光干涉信号的相位可以表示为其中ω、t、分别表示相位调制的振幅、角频率、时间、初相位。则该正弦相位调制激光干涉信号的归一化信号可以表示为cos(ψ(t))。
根据函数cos(ψ(t))和图1，总结出两条用于波形变换的规律：
(2-1)当公式cos(ψ(t))的导数小于零时，也就是图1所示曲线的斜率小于零时，cos(ψ(t))的反余弦取值在[0～π]范围内，计算相应的正弦值，得到的正弦值在[0～1～0]范围内；
(2-2)当公式cos(ψ(t))的导数大于零时，也就是图1所示曲线的斜率大于零时，cos(ψ(t))的反余弦取值在[π～0]范围内，对此范围取负值，使其处于区间[-π～0]内，计算相应的正弦值，则对应的正弦值在[0～-1～0]范围内。
利用以上两条波形变化规律，把图1所示归一化正弦相位调制激光干涉信号变换得到如图2所示的初步变换波形。在图2中存在信号非连续变化的间断点A、B、C、D。对比图1、2可知，这些间断点与图1中的干涉波形拐点一一对应。
第一种干涉波形拐点检索方案为间断点检索方案。初步变换信号波形中，在波形连续的位置，相邻两点数值之差较小，但是在间断点处，相邻两点数值之差的绝对值较大。设定一个阈值t，把初步变换信号波形中相邻两点的差值与该阈值进行比较。如果差值小于阈值t，则认为该位置不是间断点位置；如果差值大于阈值t，则认为该位置是间断点位置。如果两个间断点差值小于阈值t，则间断点位置检索会失败。该方案检索的拐点位置数量小于等于真实拐点位置数量，但是没有错误点。把检索到的拐点存为数组P，数组元素设为Pn，其中n的最大值为检索到的拐点个数。对于没有检索到的拐点，其绝对值大于[1-(t/2)2]1/2。如果t趋于 0，则没有检索到的拐点值趋于1或-1。由图1可知，对于没有检索到的拐点，其所在的干涉条纹会较宽，这些拐点适合利用第二种方案进行检索。
第二种干涉波形拐点检索方案为相邻零点间距检索方案。先把正弦相位调制激光干涉信号波形中，数值等于零的全部点的位置检索到，并存为数组；然后计算相邻两零点距离；如图3所示，如果b、c两点间的距离l1分别大于a、b两点距离l0，及c、d两点距离l2，则b、 c两点的中点位置为干涉信号波形拐点位置。显然，如果拐点处于宽的干涉条纹内，则该拐点就容易被检索到。然而，干涉条纹较宽时，拐点的绝对值较大，所以这些拐点利用第一种方案进行检索可能存在困难。需要指出，第二种方案会检索到如图3中FP1及FP2所示的错误点，而FP1及FP2之间的拐点位置反而没有检索到。由图1可知，在这种情况下，拐点的绝对值较小，所以这些拐点位置可以利用方案一检索到。把第二种方案检索到的拐点位置存为数组Q，数组元素设为Qm，其中m的最大值为检索到的拐点位置与错误点位置个数。
综合以上两种方案可知，两种方案具有互补性，第一种方案能够检索第二种方案检索不到的拐点位置，第二种方案能够检索第一种方案检索不到的拐点位置。
由于第二种方案会检索到错误的拐点位置，所以需要设法去除。本方案设计的去除第二种方案检索到的错误的拐点位置的方法如下：
把第一种方案中检索到的相邻两个拐点位置之间的距离定义为L，对于第一种方案检索到的某一个拐点Pn，第二种方案检索到的每一个点Qm到Pn的距离如果小于0.4L，则删除 Qm。经过以上检索，可去除数组Q中的错误检索点记作Q’，去除Q中与数组P中相同的检索点，剩余的点记作数组Q”。
把数组P与Q中都包含的拐点位置定义为重复检索点，去除错误检索点与重复检索点的方法原理图如图4所示，含有较多周期的波形图，FP是错误点，P所在行表示间断点检索方案检索到的点，Q所在行表示相邻零点间距检索方案检索到的点。
把数组P与Q”合并，得到的新数组记作T，则数组T包含图1所示正弦相位调制激光干涉信号波形的所有拐点位置。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)先归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形；
(2)用间断点检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点存为数组P；
(3)用相邻零点间距检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置，把检索到的拐点位置存为数组Q；
(4)去除步骤(3)检索到的错误拐点位置，得到数组Q’；
(5)在步骤(4)的基础上，去除步骤(3)检索到的和(2)检索到的重复拐点，得到数组Q”；
(6)数组P合并数组Q”，得到数组T，确定正确拐点位置。
2.根据权利要求1所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点处于宽的干涉条纹内，干涉条纹较宽时，拐点的绝对值较大，通过步骤(2)进行检索存在漏检的情况，当拐点的绝对值较小，通过步骤(3)进行检索存在错检的情况。
3.根据权利要求1所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述步骤(2)中先对归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形作初步变换，得到初步变换波形后，再用间断点检索方案确定正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置。
4.根据权利要求3所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述得到初步变换波形的变换方法如下：
(2-1)当归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形曲线的斜率小于零时，归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形的反余弦取值在[0～π]范围内，计算相应的正弦值，得到的正弦值在[0～1～0]范围内；
(2-2)当归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形曲线的斜率大于零时，归一化正弦相位调制激光干涉数字信号波形的反余弦取值在[π～0]范围内，对此范围取负值，使其处于区间[-π～0]内，计算相应的正弦值，则对应的正弦值在[0～-1～0]范围内。
5.根据权利要求3所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述得到初步变换波形后，在波形连续的位置，相邻两点数值之差较小，但是在间断点处，相邻两点数值之差的绝对值较大。
6.根据权利要求5所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述设定一个阈值t，阈值t在(0—2)内取值，把初步变换信号波形中相邻两点的差值与该阈值进行比较；
如果差值小于阈值t，则认为该位置不是间断点位置；
如果差值大于阈值t，则认为该位置是间断点位置；
把检索到的拐点存为数组P，数组元素设为Pn，其中n的最大值为检索到的拐点个数。
7.根据权利要求6所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述如果两个间断点差值小于阈值t，则间断点位置检索会失败。
8.根据权利要求3所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，相邻零点间距检索方案包括如下步骤：
(3-1)先把归一化正弦相位调制激光干涉信号波形中零轴相交点的位置检索到，并存为数组；
(3-2)然后计算相邻两零点距离，以相邻的零点a、b、c、d为例，如果b、c两点间的距离l1分别大于a、b两点距离l0，及c、d两点距离l2，则b、c两点的中点位置为干涉信号波形拐点位置；
(3-3)把检索到的拐点位置存为数组Q，数组元素设为Qm，其中m的最大值为检索到的拐点位置与错误点位置个数。
9.根据权利要求1所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述步骤(4)中去除步骤(3)检索到的错误拐点位置包括如下步骤：
(4-1)把间断点检索方案中检索到的相邻两个拐点位置之间的距离定义为L，设定距离阈值，距离阈值在(0—0.5L)范围内；
(4-2)对于步骤(2)检索到的某一个拐点Pn，步骤(3)检索到的每一个点Qm到Pn的距离如果小于距离阈值，则删除Qm；
(4-3)经过以上检索，可去除数组Q中的错误检索点，将剩余的点记作数组Q’。
10.根据权利要求1所述的检索正弦相位调制激光干涉数字信号波形拐点位置的方法，其特征在于，所述步骤(5)中把数组P与Q中都包含的拐点位置定义为重复检索点，去除步骤(3)检索到的和(2)检索到的重复拐点，得到数组Q”，把数组P与Q”合并，得到的新数组记作T，则数组T包含正弦相位调制激光干涉信号波形的所有拐点位置。
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