CN108663684A - 一种基于等光频间隔重采样的相位差测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，利用双光路干涉测距系统进行数据采集，采集后经由数据采集卡将数据传输计算机，进行处理，包括(1)获取测量信号和参考信号，得到两路信号的采样点数和采样频率；(2)小波滤波及等光频间隔重采样；(3)根据重采样之后的信号将频率偏差转换到相位偏差上；(4)求出重采样后的信号中相邻两段信号最大谱线位置处的相位差；(5)算出所求的信号频率估计值，求出待测目标点的距离。通过激光干涉仪得出的相对距离值分别与本发明方法和直接用FFT方法得出的相对距离值进行对比，本发明方法与快速FFT相比适应范围广，处理速度快，具有更好的测距精确性和稳定性。

Description

一种基于等光频间隔重采样的相位差测距方法

技术领域

本发明涉及一种应用在工业大尺寸测量领域的精密测距方法，具体应用在调频连续波激光测距系统中的精密测距方法。

背景技术

调频连续波(FMCW)激光测距是一种绝对式测距，因其测距精度高、测量范围大、测量速度快、并且能够运用于无合作目标测量而受到广泛应用。与传统的激光相位法和激光脉冲法相比，调频连续波激光测距具有较宽的调谐带宽，能够达到更高的测距精度和测距分辨率，因而在工业大尺寸精密测量领域有着更广泛的应用前景。

FMCW激光测距是通过频率线性调制的发射信号与回波信号形成的稳定的拍频信号来计算出待测目标点的距离，因此测距系统对于频率调制的线性度和拍频信号频率准确估计有着很高的要求。但在实际应用中，调频连续波激光频率的变化往往并非是完全线性的，其中会存在一些微小的波动，影响测距的分辨率和频谱带宽。目前国内外对于解决这一问题有四个热门研究方向。首先是改进激光器本身，设计出能够实现线性扫描激光器，这一方向的设计难度大，而且造价高；其次是利用辅助干涉仪将非线性问题带来的误差反馈给扫描激光器，使得激光器扫描速度加以修正，进行线性扫描。这一方案中的反馈电路设计极其困难，而且在较高的采样频率、扫描速度和大带宽情况下，反馈误差很大；继而是利用辅助干涉仪作为时钟信号，来触发采集卡去采集测量干涉信号。这种方法的不足之处在于触发点位置的精度不够高，导致测距精度的降低。最后就是本发明中采用的基于软件的等光频间隔重采样的方法来消除激光的非线性影响，利用辅助干涉信号的波峰谷值作为插值点来重采样测量信号，然后进行后期数据处理，使得测量信号从时域转到频域，来消除时域上的非线性问题。该方法满足了奈奎斯特采样技术的要求，结构简单，对硬件的要求低，在实验上易于实现，仪器可靠性较好，在OFDR和OCT技术中较常使用。

在拍频信号频率估计方面，目前是基于等光频间隔采样的最常用的频率估计算法--快速傅里叶变换(FFT)算法，即利用快速傅里叶变换的频谱信息得到峰值点位置，进而求出频率估计值。然而此类方法中，由于傅里叶频谱是有限不连续的离散点，当实际信号的频率并不是正好落在频率点上时，则只能看到频谱的一部分,而其它频率点看不见,导致很可能漏掉一部分有用的频率成分,产生频谱泄露和栅栏效应，导致很难精确的定位峰值点位置，也很难对信号的频率进行精确地估计，从而无法达到较高的测距精度。

发明内容

针对现有技术，本发明提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，该方法满足了奈奎斯特采样技术的要求，操作简单，适应范围广，处理速度快，精度高于基于FFT实现激光测距的方法，取得了很好的效果。

为了解决现有技术调频非线性以及信号频率估计精度问题，本发明提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，是利用双光路干涉测距系统进行数据采集，所述双光路干涉测距系统包括可调谐激光器，双光路干涉系统，两轴转台，激光干涉仪和两个光电探测器；所述双光路干涉系统包括一个测量干涉系统和一个辅助干涉系统，所述测量干涉系统和辅助干涉系统均由光纤马赫泽德干涉仪构成；两个光电探测器是第一PD光电探测器和第二PD光电探测器；激光经可调谐激光器发出，通过分光比为8:2的第一耦合器分为两路：一路是，80％的光进入所述测量干涉系统，再由5:5的第二耦合器分为A路和B路，A路通过两组镜头组合变焦式透镜发出，经由两轴转台反射后打到放置在激光干涉仪导轨上的目标镜上返回，B路经过第一延时光纤，A路和B路经第三耦合器合成一束，在第一PD光电探测器处相干叠加，形成测量拍频信号；另一路是，20％的光经第四耦合器分为两束，这两束光经过第二延时光纤在第五耦合器处合成一束，并在第二PD光电探测器处相干叠加，形成辅助拍频信号；采集后经由数据采集卡将数据传输计算机，并按照以下步骤进行数据处理：

步骤一、双光路信号获取:将双光路干涉测距系统中测得的测量信号和参考信号离散化，得出两路信号的采样点数N和采样频率Fs；

步骤二、小波滤波及等光频间隔重采样:将两段信号分别进行小波滤波去除信号的部分噪声后，找出参考信号的波峰点和波谷点，在所述的波峰点和波谷点上对与之相对应的测量信号进行采样；

步骤三、设数据采集卡的采样频率为f_s，重采样之后的信号：

式(1)中，为待测信号频率，X为幅度；待测距离为：

D＝C·τ_m/2＝C·f_{φ_m}τ_r＝f_{φ_m}L_r (2)

式(2)中，L_r为延时光纤的长度，待测信号频率表示为：

式(3)中，N_FFT为对信号做傅里叶变换的变换点数，M为傅里叶变换频谱中的整数峰值位置，m为谱线中小数部分；δ(f)为信号频率真值与傅里叶变换得到的频率值f₀的偏差值；将该偏差值δ(f)表征的频率偏差转换到相位偏差上：

经过时延τ后的相位偏差：

式(5)中，通过选定时延τ，得出：

式(6)中，N_τ为相邻信号间隔的时延序列点数，时延τ＝N_τT_s；

步骤四、对重采样后的信号中相邻两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)分别作傅里叶变换：

S_b,k1(f)＝S(f) (7)

S_b,k2(f)＝S(f)exp(i2πfτ) (8)

求出两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)最大谱线位置处的相位和这两者的差值即为相位差

得出：

步骤五、算出所求的信号频率估计值：

求出待测目标点的距离D：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明测距方法在重采样解决频率调制非线性问题之后，利用相位差算法进行数据处理所得到的测距精度能够优于直接采用快速FFT方法的测距精度，并通过多个位置处的重复测距实验表明，该发明也有较高的单点稳定性。且适应范围广，处理速度快，在精密制造，工业测量方面具有较高的实用价值。

附图说明

图1为双光路调频连续波测距系统结构图；

图2为相位差测距法信号时延示意图；

图3为仿真情况下两种方法距离仿真值；

图4为图3距离值局部放大对比图；

图5为仿真情况下残余误差对比仿真图；

图6为实验中不同位置处的测量单点稳定性；

图7为实验过程中两种方法测距与干涉仪理论值的残余误差对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是，为了解决以上调频非线性以及信号频率估计精度问题，搭建一双光路干涉测距系统装置，在此基础上提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，首先，基于等光频间隔重采样的相位差频率估计算法，进而实现高精度的激光测距，其原理是使可调谐激光器发出的激光进入双光路干涉系统，其中一路光经过测量干涉系统分成两路，一路通过两组镜头组合变焦式透镜发出，经由两轴转台反射后打到放置在激光干涉仪导轨上的目标镜上返回，并与另一路光发生干涉，产生测量光路干涉信号；另一路光也分成两路，其中的一路经过延迟光纤与剩下的一路发生干涉，产生参考光路干涉信号。提取出参考信号的波峰和波谷值所在的位置，在这些位置处对测量光路干涉信号进行等光频间隔重采样，得到采样后的信号。然后在对采样后的信号进行快速傅里叶变换频率估计的基础上对频谱进行进一步的细分，提取出等光频间隔重采样后信号序列中的两帧信号，对两者的相位做一系列的时延处理运算来估计真实频率与FFT变换最大峰值的偏差频率，进而实现对待测目标点距离的精确测量。

实施例：如图1所示，本发明提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，是利用双光路干涉测距系统进行数据采集，所述双光路干涉测距系统包括可调谐激光器，双光路干涉系统，两轴转台，激光干涉仪和两个光电探测器；所述双光路干涉系统包括一个测量干涉系统和一个辅助干涉系统，所述测量干涉系统和辅助干涉系统均由光纤马赫泽德干涉仪构成；两个光电探测器是第一PD光电探测器和第二PD光电探测器。

本实施例中，所述可调谐激光器为Luna PHOENIX 1400可调谐激光器，所述两轴转台为分辨率0.1角秒的高精密的两轴转台，所述激光干涉仪为带有1m长导轨的激光干涉仪(Renishaw XL-80)，所述第一PD光电探测器和第二PD光电探测器均为800-1700nm光电探测器(Thorlabs PDB450C)。

激光经可调谐激光器发出，通过分光比为8:2的第一耦合器分为8:2的两路分别进入双光路干涉系统(即测量干涉系统和辅助干涉系统)，一路是，80％的光进入所述测量干涉系统，再由5:5的第二耦合器分为A路和B路，A路通过两组镜头组合变焦式透镜发出，经由分辨率0.1角秒的高精密的两轴转台反射后打到放置在所述激光干涉仪导轨上的目标镜上返回，B路经过第一延时光纤，A路和B路光经第三耦合器合成一束，发生干涉，产生测量光路干涉信号，在第一PD光电探测器处相干叠加，形成测量拍频信号；另一路是，20％的光经第四耦合器也分成5:5的两路，其中的一路经过延迟光纤与剩下的一路在第五耦合器处合成一束，发生干涉，产生参考光路干涉信号，在第二光电探测器相干叠加，形成辅助拍频信号；最后进行等光频间隔重采样，即在辅助干涉信号的波峰和波谷的位置对测量干涉信号进行采样，然后将重采样后的信号进行相位差算法解算出频率来求出目标点待测距离值。其中辅助干涉系统的光程差至少要是测量干涉光路系统的光程差的两倍以上。

利用上述双光路干涉测距系统进行测距的具体步骤如下：

步骤一、双光路信号获取:将双光路干涉测距系统中测得的测量信号和参考信号离散化，得出两路信号的采样点数N和采样频率Fs；

步骤二、小波滤波及等光频间隔重采样:将两段信号分别进行小波滤波去除信号的部分噪声后，找出参考信号的波峰点和波谷点，在所述的波峰点和波谷点上对与之相对应的测量信号进行采样；

步骤三、设数据采集卡的采样频率为f_s，重采样之后的信号：

式(1)中，为待测信号频率，X为幅度；待测距离为：

D＝C·τ_m/2＝C·f_{φ_m}τ_r＝f_{φ_m}L_r (2)

式(2)中，L_r为延时光纤的长度，待测信号频率表示为：

式(3)中，N_FFT为对信号做傅里叶变换的变换点数，M为傅里叶变换频谱中的整数峰值位置，m为谱线中小数部分；δ(f)为信号频率真值与傅里叶变换得到的频率值f₀的偏差值；将该偏差值δ(f)表征的频率偏差转换到相位偏差上：

经过时延τ后的相位偏差：

式(5)中，通过选定时延τ，得出：

式(6)中，N_τ为相邻信号间隔的时延序列点数，时延τ＝N_τT_s；

步骤四、对重采样后的信号中相邻两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)分别作傅里叶变换：

S_b,k1(f)＝S(f) (7)

S_b,k2(f)＝S(f)exp(i2πfτ) (8)

求出两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)最大谱线位置处的相位和这两者的差值即为相位差

得出：

步骤五、算出所求的信号频率估计值：

求出待测目标点的距离D：

实验例：

为实施本发明所述方法，首先对本发明进行了计算机仿真分析。仿真过程中从重采样出发，生成两个含有噪声的信号序列，分别模拟测量信号和参考信号，并在参考信号峰谷值位置处对测量信号进行采样，得到一段新的重采样后的信号，并对该信号进行相位差测距算法，得到频率估计值，将其代入距离公式中得到测距结果，并与最初设置的距离值进行了对比。如图3所示，由于三条折线过于接近重合已经无法分辨出，故将图3中提取出部分长度进行局部放大，放大的局部图4很明显可以看出，相位差法所求得的距离值要比傅里叶变换所求得的距离值跟接近于仿真理论真实距离值。

同时分别求出相位差法与理论距离的残余误差以及FFT与理论距离值的残余误差，得到如图5折线图，上折线为直接作FFT求取距离与理论距离的残余误差，下折线为相位差法与理论距离的残余误差。通过仿真得到的相位差算法的测量距离与理论距离的残余误差不超过25um，且傅里叶变换仿真所得的测量距离与理论距离的残余误差在每个位置皆高于相位差算法与理论距离的残余误差，通过重采样的相位差算法得到的距离值与理论值更为接近，即相位差算法的测距精度要高于傅里叶变换，从而以仿真的角度验证了本发明的正确性。

然后对本发明进行了具体实验操作，设计了在室内激光干涉仪导轨上进行距离测量的精度对比实验。本发明搭建的测距系统主要组成部分为：Luna PHOENIX 1400可调谐激光器，自主设计的双光路干涉系统，分辨率0.1”高精密两轴转台，带有1m长导轨的激光干涉仪(Renishaw XL-80)，800-1700nm光电探测器(Thorlabs PDB450C)。为了实施过程中测得的待测距离值和激光干涉仪比对的理论距离值无相对距离的误差，首先将目标反射镜置于导轨上，通过调节转台水平轴和垂直轴的角度使激光打到目标镜上，并不断的调节变焦系统改变聚焦位置，使系统的发射光路要和干涉仪的导轨标准干涉光路相互平行。实施中设定参考光路的延迟光纤的光路长度为30.26195m，激光器的调制速度为99.94nm/s，调制范围设置为1515-1565nm,从起始位置处每隔100mm记录导轨上干涉仪位置和两路信号直至导轨末端，每个位置处均取30组信号数据，共记录十个位置。

将每个位置处所得到的数据进行等光频间隔重采样算法后，分别对其进行重采样相位差测距和傅里叶变换测距的方式进行了数据处理，将每个位置处所得到的三十组数据进行粗大误差剔除后取均值，计算出两种测距方法所得到的单点位置处的稳定性如图6所示，在干涉仪导轨0-900mm的范围内，相位差算法测距所得的单点稳定性在50um-95um之间，而经FFT测距所得的单点稳定性在95um-170um之间，且每个位置处的测量稳定性效果均不如相位差法测距的稳定性。

本实施过程中所用的激光干涉仪测距精度很高，重复性好，完全可以用来作为本套测距系统的标定仪器。因为干涉仪给出的示数都是相对距离值，但是此测距结果值均为绝对测距值。为了检验两种方法的测距精度，需要将测得的绝对距离值变成相对距离值才能够比较两种方法的精度，绘制出残余误差图，如图7所示，直观的反映了两种方法相对干涉仪读数的测距残余误差，上面的折线代表傅里叶变换所求得距离与干涉仪理论距离残余误差值，下面的折线代表相位差所求得距离与干涉仪理论距离残余误差值。从图7中可以看处，在相对距离0-900mm的范围内，相位差所得距离与干涉仪理论距离的残余误差不超过100um，傅里叶变换的测距残余误差不超过250um。通过傅里叶变换测得的每一个位置处的距离值与干涉仪理论距离值的残余误差都要大于相位差算法与理论距离值的残余误差。故从实验的角度验证了本发明的可实施性。

本发明测距算法具有如下优点：在重采样解决频率调制非线性问题之后，利用相位差算法进行数据处理所得到的测距精度能够优于直接采用快速FFT方法的测距精度，并通过多个位置处的重复测距实验表明，该发明也有较高的单点稳定性。且适应范围广，处理速度快，在精密制造，工业测量方面具有较高的实用价值。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于等光频间隔重采样的相位差精确测距方法，利用双光路干涉测距系统进行数据采集，所述双光路干涉测距系统包括可调谐激光器，双光路干涉系统，两轴转台，激光干涉仪和两个光电探测器；所述双光路干涉系统包括一个测量干涉系统和一个辅助干涉系统，所述测量干涉系统和辅助干涉系统均由光纤马赫泽德干涉仪构成；两个光电探测器是第一PD光电探测器和第二PD光电探测器；

激光经所述可调谐激光器发出，通过分光比为8:2的第一耦合器分为两路，

一路是：80％的光进入所述测量干涉系统，再由5:5的第二耦合器分为A路和B路，A路通过两组镜头组合变焦式透镜发出，经由两轴转台反射后打到放置在激光干涉仪导轨上的目标镜上返回，B路经过第一延时光纤，A路和B路经第三耦合器合成一束，在第一PD光电探测器处相干叠加，形成测量拍频信号；

另一路是：20％的光经第四耦合器分为两束，这两束光经过第二延时光纤在第五耦合器处合成一束，并在第二PD光电探测器处相干叠加，形成辅助拍频信号；

采集后经由数据采集卡将数据传输计算机，其特征在于，按照以下步骤进行数据处理：

步骤一、双光路信号获取:将双光路干涉测距系统中测得的测量信号和参考信号离散化，得出两路信号的采样点数N和采样频率Fs；

步骤二、小波滤波及等光频间隔重采样:将两段信号分别进行小波滤波去除信号的部分噪声后，找出参考信号的波峰点和波谷点，在所述的波峰点和波谷点上对与之相对应的测量信号进行采样；

步骤三、设数据采集卡的采样频率为f_s，重采样之后的信号：

式(1)中，为待测信号频率，X为幅度；待测距离为：

D＝C·τ_m/2＝C·f_{φ_m}τ_r＝f_{φ_m}L_r (2)

式(2)中，L_r为延时光纤的长度，待测信号频率表示为：

式(3)中，N_FFT为对信号做傅里叶变换的变换点数，M为傅里叶变换频谱中的整数峰值位置，m为谱线中小数部分；δ(f)为信号频率真值与傅里叶变换得到的频率值f₀的偏差值；将该偏差值δ(f)表征的频率偏差转换到相位偏差上：

经过时延τ后的相位偏差：

式(5)中，通过选定时延τ，得出：

式(6)中，N_τ为相邻信号间隔的时延序列点数，时延τ＝N_τT_s；

步骤四、对重采样后的信号中相邻两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)分别作傅里叶变换：

S_b,k1(f)＝S(f) (7)

S_b,k2(f)＝S(f)exp(i2πfτ) (8)

求出两段信号S_b,k(t)和S_b,k(t+τ)最大谱线位置处的相位和这两者的差值即为相位差

得出：

步骤五、算出所求的信号频率估计值：

求出待测目标点的距离D：