CN109188453A - 基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及测距方法 - Google Patents

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Abstract

基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及测距方法，本发明涉及动态扫频干涉测距系统及测距方法。本发明的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题。基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统包括外腔式激光器、可见光激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数据采集卡、扫频干涉测距光路、运动测量光路、数字分频和锁相环子系统。本发明用于扫频干涉测量、FMCW激光雷达技术领域。

Description

基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及测距方法
技术领域
本发明涉及动态扫频干涉测距系统及测距方法。
背景技术
扫频干涉测量具有发射功率低、无模糊测距、无需导轨与合作目标、可实现高分辨率等突出优点，因而在高精度绝对距离测量方面得到了广泛的应用，如调频连续波激光雷达、光学频域计、光学相干断层扫描等领域。其基本原理是利用发射的测量扫频光信号与被测目标反射的扫频测量光信号之间因时间差而产生的频率差来确定目标距离，依靠较容易处理的信号频域特征来反映目标的距离参数。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距精度，但这种测量方法对目标的运动极为敏感，由目标运动引起的位移在多普勒效应的作用下，导致最终测量距离产生几百至上千倍的误差，严重影响距离测量精度，必须对其进行补偿。现有主要方法是使用两台扫频激光器沿不同方向扫频或者使用一台激光器进行三角波扫频。前者将直接导致昂贵的扫频激光器成本翻倍，而后者将无法对运动速度过快的目标进行有效地补偿，因此，研究一种低成本的扫频干涉运动补偿方法一直是该种测量方式的研究重点。
现有提出的基于超外差的同步运动测量与补偿技术(图1)可以是一种有效的解决方法；
外腔式激光器输出的激光入射至1号光纤耦合器进行分路；
1号光纤耦合器输出的1路光经辅助干涉仪后入射至1号探测器，经1号探测器后输出信号输入至数据采集卡；
辅助干涉仪信号作为数据采集卡的外部时钟输入信号，控制数据采集卡对1号探测器、2号探测器、平衡探测器的信号进行采样；
1号光纤耦合器输出的99路光入射至2号光纤耦合器进行分路；
单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经2号声光调制器入射至5号耦合器进行分路；
2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经1号耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的1号端口，经偏振保持分束器PBS的2号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统和1/4波片后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的2号端口，再在偏振保持分束器PBS的3号端口出射；
2号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的50路光经2号耦合器进行合束，2号光纤耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的3号端口出射的光经3号耦合器合束后入射至平衡探测器，平衡探测器输出的信号入射至数据采集卡；
4号光纤耦合器输出的1路光与5号耦合器输出的50路光经4号耦合器合束后入射至2号探测器，2号探测器输出的信号入射至数据采集卡；
该方法中利用单频激光器与双声光调制器模块形成的超外差干涉仪对目标的相对运动信息进行在线检测，测量结果同步补偿扫频干涉测量信号中多普勒效应导致的放大误差项。该方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题，而提出基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及测距方法。
基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统包括外腔式激光器、可见光激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数据采集卡、扫频干涉测距光路、运动测量光路、数字分频和锁相环模块；
所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器，6号光纤耦合器、7号光纤耦合器、8号光纤耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、聚焦光学子系统、1/4波片以及平衡探测器组成；
所述运动测量光路由3号光纤耦合器、1号声光调制器、2号声光调制器、4号光纤耦合器、5号光纤耦合器、9号光纤耦合器以及2号光电探测器构成；
所述锁相环模块由鉴相器、环路滤波器和超外差干涉仪等效的压控振荡器构成；
外腔式激光器输出的激光入射至1号光纤耦合器进行分路；
1号光纤耦合器输出的1路光经辅助干涉仪后入射至1号探测器，经1号探测器后输出信号分别输入至数据采集卡和经数字分频入射至锁相环模块；
辅助干涉仪信号经数字分频后为锁相环模块提供锁相参考信号；
辅助干涉仪信号作为数据采集卡的外部时钟输入信号，控制数据采集卡对1号探测器、平衡探测器的信号进行采样；
1号光纤耦合器输出的99路光入射至2号光纤耦合器进行分路；
单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路；
3号光纤耦合器输出的1路光经2号声光调制器入射至5号光纤耦合器进行分路；
2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经6号光纤耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的A号端口，经偏振保持分束器PBS的B号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统和1/4波片后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的B号端口，再在PBS的C号端口出射；
2号光纤耦合器输出的1路光与5号光纤耦合器输出的50路光经7号光纤耦合器进行合束，7号光纤耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的C号端口出射的光经8号光纤耦合器合束后入射至平衡探测器，平衡探测器的输出信号输入至数据采集卡；
4号光纤耦合器输出的1路光与5号光纤耦合器输出的50路光经9号光纤耦合器合束后入射至2号光电探测器，2号光电探测器的输出信号直接作为被锁定信号输入给锁相环模块，经锁相环模块输出的信号相位同步入射至2号声光调制器，通过改变2号声光调制器的移频量，使2号光电探测器输出的信号与锁相参考信号相位相同。
基于光学分频锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法具体过程为：
步骤一、当被测目标为动态目标时，经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的输出信号为im(k)；
平衡探测器探测到的经运动测量光路输出信号为i1(t)；
2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i2(t)；
步骤二、将辅助干涉仪输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i′2(t)；
步骤三、将锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i′2(t)经外腔式激光器输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号分别为i1(k)和i2(k)；
步骤四、提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得到对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；
所述步骤一中当被测目标为动态目标时，由公式(1)可知，经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的输出信号为：
其中，Am为经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的信号的振幅，τ0为辅助干涉仪臂长差产生的时延差，k为采样点，τm0表示对应的被测目标产生的群延时差；f0表示外腔式激光器起始输出光频率；Δτm(k)表示对应被测目标的群延时差变化量；
平衡探测器探测到的经运动测量光路输出信号i1(t)为：
i1(t)＝A1cos[2π(fAOM1-fAOM2)t+2π(f′0+fAOM1)τm(t)]
＝A1cos[2πΔfAOMt+2π(f′0+fAOM1)τm0+2π(f′0+fAOM1)Δτm(t)] (2)
2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号i2(t)为：
i2(t)＝A2cos[2π(fAOM1-fAOM2)t]＝A2cos[2πΔfAOMt] (3)
其中，A1表示平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号i1(t)的振幅，A2表示2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号i2(t)的振幅，t为采样点，fAOM1表示1号声光调制器的移频量，fAOM2表示2号声光调制器的移频量，ΔfAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器移频差，f0′表示单频激光器的输出光频率；τm(t)表示对应的被测目标产生的群延时差；Δτm(t)表示对应被测目标的群延时差变化量；
所述步骤二中将辅助干涉仪输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i′2(t)；
具体过程为：
辅助干涉仪输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，则有：
其中，Δf(t)为辅助干涉仪输出的等光频间隔；M为辅助干涉仪的分频倍数；通过改变2号声光调制器的频移量fAOM2，将公式(2)、(3)的相位2πΔfAOMt锁定在锁相参考信号Δf分(t)，即
其中ΔΦlock为锁相后i′1(t)的固定相位差部分，则锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为：
锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号i′2(t)为：
本发明的有益效果为：
本专利提出一种基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法，该方法直接将辅助干涉仪信号通过数字分频和锁相环模块将扫频非线性预先引入测振信号，实现测振信号主动啁啾，令测振信号具有与扫频干涉测距信号相同的非线性，从而经原辅助干涉仪采样后，实现测距信号与测振信号非线性同步校正，解决了现有方法中测振信号因测距信号非线性校正导致信噪比下降的问题，可实现远距离非合作目标测量，同时考虑运动测量信号相位经锁相环锁定在参考信号相位后，根据相位中含有的已知量在数据处理中人为产生参考信号，可不经光电探测器和数据采集卡实际采集，从而降低同步数据采集通道数，简化整个测量装置。
扫频干涉测距光路实现整个装置的绝对距离测量，运动测量光路同步测量被测目标的运动相位，对测距信号进行补偿，从而消除目标运动对测量结果的影响；辅助干涉仪作为整个测量系统的采样时钟，提供等光频间隔的时域非线性采样，辅助干涉仪信号经数字分频后为锁相环模块提供锁相参考信号，通过改变2号声光调制器的移频量，将运动测量光路的两声光调制器相位差锁定在参考信号相位上，实现在运动测量信号中预先主动引入与扫频干涉测距信号相同的非线性，再经辅助干涉仪等光频时域非线性采样后，与扫频干涉测距信号同步实现非线性校正，从而避免了现有方法运动测量信号经辅助干涉仪等光频时域非线性采样后引入扫频非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度。同时考虑运动测量信号相位经锁相环锁定在参考信号相位后，根据相位中含有的已知量在数据处理中人为产生参考信号，2号光电探测器的输出信号可不经采集卡实际采集，作为被锁定信号直接输出给锁相环模块，从而降低同步数据采集通道数，简化整个测量装置。
本发明在消除扫频干涉测距信号中因被测目标运动引起的多普勒效应的同时，可有效提高测振光路信号信噪比、更好的信号波形，较小的变形失真，较强的回波能量，可实现任意非合作目标测量。同时，具有结构简单、测量速度快、实时在线校正，成本低等优点。
图3为频率10Hz幅度5μm的简谐振动，图4为100mm/秒的匀速振动。可见，非线性校正前因光频采样引入非线性，运动测量信号频谱出现展宽，且展宽程度与光频非线性严重程度相关，当光频非线性为3％时，运动测量信号已低于-40dB，经主动啁啾非线性校正后，运动测量信号提升为-13dB和0dB左右(无非线性谱线谱线)，信号信噪比提升明显，验证了本发明方法校正光频同步非线性的有效性，从而可保障本发明方法对非合作运动目标的相位测量精度。
附图说明
图1为现有方法光路示意图；
图2为本发明方法光路示意图；
图3为10m距离处被测目标简谐运动测量信号光频同步非线性校正前后对比图，振动幅度为5μm，频率为10Hz；
图4为10m距离处被测目标匀速运动测量信号光频同步非线性校正前后对比图，匀速运动：100mm/秒。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统包括外腔式激光器1、可见光激光器5、单频激光器16、1号光纤耦合器15、辅助干涉仪2、1号探测器3、数据采集卡4、扫频干涉测距光路、运动测量光路、数字分频25和锁相环模块24；
所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器6，6号光纤耦合器7、7号光纤耦合器8、8号光纤耦合器10、偏振保持分束器PBS9、波分复用器WDM11、聚焦光学子系统12(一个镜头，图上用一个凸透镜代表)、1/4波片13以及平衡探测器14组成的马赫-泽德干涉仪；
所述运动测量光路由3号光纤耦合器17、1号声光调制器18、2号声光调制器19、4号光纤耦合器20、5号光纤耦合器21、9号光纤耦合器22以及2号光电探测器23构成的超外差干涉仪；
所述锁相环模块由鉴相器、环路滤波器和超外差干涉仪等效的压控振荡器构成；锁相环模块采用现有芯片，芯片型号为HMC1031；
外腔式激光器1输出的激光入射至1号光纤耦合器15进行分路；
1号光纤耦合器15输出的1路光经辅助干涉仪2后入射至1号探测器3，经1号探测器3后输出信号分别输入至数据采集卡4和经数字分频25入射至锁相环模块24；
辅助干涉仪2信号经数字分频25后为锁相环模块24提供锁相参考信号；
辅助干涉仪2信号作为数据采集卡4的外部时钟输入信号，控制数据采集卡4对1号探测器3、平衡探测器14的信号进行采样；
1号光纤耦合器15输出的99路光入射至2号光纤耦合6器进行分路；
单频激光器16输出的激光入射至3号光纤耦合器17进行分路，3号光纤耦合器17输出的99路光经1号声光调制器18入射至4号光纤耦合20器进行分路；
3号光纤耦合器17输出的1路光经2号声光调制器19入射至5号光纤耦合器21进行分路；
2号光纤耦合器6输出的99路光与4号光纤耦合器20输出的99路光经6号光纤耦合器7合束后入射至偏振保持分束器PBS9的A号端口，经偏振保持分束器PBS9的B号端口输出的光与可见激光器5输出的激光经波分复用器WDM11复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统12和1/4波片13后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM11，经波分复用器WDM11解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS9的B号端口，再在PBS9的C号端口出射；
2号光纤耦合器6输出的1路光与5号光纤耦合器21输出的50路光经7号光纤耦合器8进行合束，7号光纤耦合器8合束后的光与偏振保持分束器PBS9的C号端口出射的光经8号光纤耦合器10合束后入射至平衡探测器14，平衡探测器14的输出信号输入至数据采集卡4；
4号光纤耦合器20输出的1路光与5号光纤耦合器21输出的50路光经9号光纤耦合器22合束后入射至2号光电探测器23，2号光电探测器23的输出信号直接作为被锁定信号输入给锁相环模块24(不输入到采集卡采集)，，经锁相环模块24输出的信号相位同步入射至2号声光调制器19，通过改变2号声光调制器19的移频量，使2号光电探测器23输出的信号与锁相参考信号相位相同。
扫频干涉测距光路实现整个装置的绝对距离测量，运动测量光路同步测量被测目标的运动相位，对测距信号进行补偿，从而消除目标运动对测量结果的影响；辅助干涉仪作为整个测量系统的采样时钟，提供等光频间隔的时域非线性采样，辅助干涉仪信号经数字分频后为锁相环模块提供锁相参考信号，通过改变2号声光调制器的移频量，将运动测量光路的两声光调制器相位差锁定在参考信号相位上，实现在运动测量信号中预先主动引入与扫频干涉测距信号相同的非线性，再经辅助干涉仪等光频时域非线性采样后，与扫频干涉测距信号同步实现非线性校正，从而避免了现有方法运动测量信号经辅助干涉仪等光频时域非线性采样后引入扫频非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度。同时考虑运动测量信号相位经锁相环锁定在参考信号相位后，根据相位中含有的已知量在数据处理中人为产生参考信号，2号光电探测器的输出信号可不经采集卡实际采集，作为被锁定信号直接输出给锁相环模块，从而降低同步数据采集通道数，简化整个测量装置。
本发明在消除扫频干涉测距信号中因被测目标运动引起的多普勒效应的同时，可有效提高测振光路信号信噪比、更好的信号波形，较小的变形失真，较强的回波能量，可实现任意非合作目标测量。同时，具有结构简单、测量速度快、实时在线校正，成本低等优点。
声光调制器会产生声光移频效应，该效应是一种激光衍射效应，当具备纵波特性的声波在介质中传播时，介质的折射率会发生周期性变化，折射率的周期性变化令介质可以被等效为一个声光栅。激光通过该声光栅便会发生光学衍射现象，衍射光的频率、强度、方向与等效声光栅的参数有关。根据入射光掠射角的不同，该衍射表现为拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射。本发明中利用声光调制器实现光频率的偏移，利用的是布拉格衍射型声光调制原理，当入射角为布拉格角时，其衍射光强度达到最大，在衍射的过程中实现激光频率的偏移，其偏移的频率与超声波的频率相同。在一般的声光调制器中，超声波的频率由声光调制器驱动器信号频率决定，因此，通过调节驱动信号的频率和强度，可以对光频偏移量和移频衍射光的光强进行精密控制。
为了克服被测目标相对运动引入的多普勒效应影响，基于双声光调制器的多普勒效应校正方法结构如图1，扫频干涉测距与双声光调制器测振采用共路结构，可实现同步测量被测目标。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述5号光纤耦合器21、6号光纤耦合器7、7号光纤耦合器8、8号光纤耦合器10、9号光纤耦合器22均为3dB耦合器。
3dB耦合器就是50：50分路耦合器。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述1号光纤耦合器15为1:99分路光纤耦合器。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述2号光纤耦合器6、3号光纤耦合器17、4号光纤耦合器20均为99:1分路光纤耦合器。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式的基于光学分频锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统的测距方法具体过程为：
步骤一、当被测目标为动态目标时，经扫频干涉测距光路平衡探测器14探测到的输出信号为im(k)；
平衡探测器14探测到的经运动测量光路输出信号为i1(t)；
2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i2(t)；
步骤二、将辅助干涉仪2输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i′2(t)；
步骤三、将锁相后平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i′2(t)经外腔式激光器1输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号分别为i1(k)和i2(k)；
步骤四、提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得到对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；
所述步骤一中当被测目标为动态目标时，由公式(1)可知，经扫频干涉测距光路平衡探测器(14)探测到的输出信号为：
其中，Am为经扫频干涉测距光路平衡探测器14探测到的信号的振幅，τ0为辅助干涉仪2臂长差产生的时延差，k为采样点，τm0表示对应的被测目标产生的群延时差，含有被测目标在测量初始时刻的静态绝对距离信息；f0表示外腔式激光器1进行调谐时的起始输出光频率；Δτm(k)表示对应被测目标的群延时差变化量，为采样点k的函数，含有被测目标在扫频干涉测量周期内，任意时刻相对初始时刻的距离变化量信息；
公式(1)相位第一项包含被测目标绝对距离信息，第二项2πf0Δτm(k)和第三项包含被测目标运动信息，称为运动相位项，第四项2πf0τm0为常数项。
可见，由于运动相位项的存在，测量信号不再是关于光频采样点索引值k的理想余弦信号，无法获得包含测距信息的窄带频谱，且由于激光的频率f0非常高，远高于激光频率的变化量Δf(k)＝kτ0，导致被测目标在测量过程中即使仅有微小的光程变化，测量信号受相位第二项的影响也会带来严重的频谱展宽，即所谓多普勒效应，由此引入的扫频干涉激光测距误差是这一光程变化量的成百上千倍。
马赫-泽德干涉仪是从结构上这样叫，辅助干涉仪1从结构上是马赫-泽德干涉仪；
平衡探测器14探测到的经运动测量光路输出信号i1(t)为：
i1(t)＝A1cos[2π(fAOM1-fAOM2)t+2π(f′0+fAOM1)τm(t)]
＝A1cos[2πΔfAOMt+2π(f′0+fAOM1)τm0+2π(f′0+fAOM1)Δτm(t)] (2)
2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号i2(t)为：
i2(t)＝A2cos[2π(fAOM1-fAOM2)t]＝A2cos[2πΔfAOMt] (3)
其中，A1表示平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号i1(t)的振幅，A2表示2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号i2(t)的振幅，t为采样点，fAOM1表示1号声光调制器18的移频量，fAOM2表示2号声光调制器19的移频量，ΔfAOM表示1号声光调制器18和2号声光调制器19移频差，f′0表示单频激光器16的输出光频率；τm(t)表示对应的被测目标产生的群延时差，含有被测目标在测量初始时刻的静态绝对距离信息；Δτm(t)表示对应被测目标的群延时差变化量，为采样点t的函数，含有被测目标在扫频干涉测量周期内，任意时刻相对初始时刻的距离变化量信息；
t的物理含义上是时间,但实际实验钟采集卡不可能把所有时间的数据都采到，只能已固定时间间隔离散的采信号，所以也是采样点；
现有方法将将i1(t)和i2(t)经外腔式激光器1输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为i1(k)，2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i2(k)分别为：
i1(k)＝A1cos[2πΔfAOMt(k)+2π(f′0+fAOM1)τm0+2π(f′0+fAOM1)Δτm(k)] (4)
i2(k)＝A2cos[2π(fAOM1-fAOM2)t(k)]＝A2cos[2πΔfAOMt(k)] (5)
其中，t(k)表示采样点t与光频f(t)(等同于光频采样点索引值k)之间未知的非线性函数关系；含有非线性，信号频谱展宽，信噪比下降。k表示采样点的所引值；
k的物理含义是等光频间隔作为采样点，第K个采样点就是间隔了K个等光频间隔，也成为采样点的所引值。
所述光频f(t)是由外腔式激光器1输出的随时间变化的，f(t)＝f0+Δf(t)，每变化一个相等的频率间隔Δf(t)，采样一次，这个相等的频率间隔Δf(t)＝1/τ0，所以，第k个采样点就是Δf(k)＝k/τ0，都变成用k来表示了；
Δf(t)为辅助干涉仪2输出的等光频间隔；所有公式的信号可以用光频f(t)作为光钟进行采样；
由于可调谐激光器输出光频含有时域非线性，在对含有相同非线性的测距信号进行校正的同时，却导致原本不含该时域非线性的运动测量信号产生了非线性。如公式(4)、(5)所示，因为时间t与光频f(t)之间的非线性函数关系，信号i2是时间t的理想余弦函数，却不是光频f(t)的理想余弦函数。因此以光频f(t)同步采样引起了运动测量信号i1(k)出现频谱展宽，信噪比下降，继而影响相位ΔΦ1(k)的提取精度，无法实现精确补偿。
所述步骤二中将辅助干涉仪2输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i′2(t)；
具体过程为：
为克服该问题，本发明通过改变2号声光调制器的频移量，将辅助干涉仪1输出信号数字分频后与两声光调制器差频信号进行锁相，如图2中虚线所示，使运动测量信号预先主动引入同样的扫频时域非线性，造成运动测量信号主动啁啾，再经可调谐激光器输出光频f(t)采样后可获得具有理想余弦函数形式的运动测量信号，从而消除因光频同步采样带来的运动测量信号非线性，避免其引起运动测量信号频谱展宽继而导致信噪比下降，确保运动相位实现高精度提取和补偿。该方法主要原理介绍如下：
辅助干涉仪1输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，则有：
其中，Δf(t)为辅助干涉仪2输出的等光频间隔；M为辅助干涉仪2的分频倍数，通过改变2号声光调制器19的频移量fAOM2，将公式(2)、(3)的相位2πΔfAOMt锁定在锁相参考信号Δf分(t)，即
其中ΔΦlock为锁相后i′1(t)的固定相位差部分，则锁相后平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为：
锁相后2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号i′2(t)为：
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤三中将锁相后平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号为i′2(t)经外腔式激光器1输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号分别为i1(k)和i2(k)；具体过程为：
公式(8)中的i′1(t)和公式(9)中的i′2(t)经外腔式激光器输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器14探测到的运动测量光路输出信号i1(k)以及2号光电探测器23探测到的1号声光调制器18和2号声光调制器19差频信号i2(k)分别为：
与未采用主动啁啾光频同步非线性校正前的光频同步运动测量信号相比，时间t与光频f(t)之间的非线性项变为以k为变量的线性项，从而避免了运动测量信号i1(k)频谱出现展宽，信噪比下降，可为动态扫频测距的运动相位补偿精度提供有效保障。
考虑信号i2(k)相位经锁相环锁定在参考信号相位后，i2(k)的相位均为已知量，可以在数据处理中人为产生该信号，可不经光电探测器和数据采集卡实际采集，从而降低同步数据采集通道数，简化整个测量装置。
原本如公式(4)(5)的测振信号，变成了如公式(10)(11)的测振信号，没有随时间的非线性影响，信号频谱没有展宽，信噪比提高了；原来公式(4)(5)的表达式已经说明了：t(k)表示时间t与光频f(t)(等同于光频采样点索引值k)之间未知的非线性函数关系；含有非线性，信号频谱展宽，信噪比下降。
其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：所述步骤四中提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得到对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；具体过程为：
提取公式(1)、(10)、(11)信号中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，分别为：
由公式(13)、(14)联立可得：
将公式(15)带入公式(12)后得：
则动态被测目标的距离为：
式中nair为空气折射率，c为光速。
可见，该方法通过将扫频干涉测距信号中目标运动引入的误差相位进行分离后，在静态扫频干涉测距光路基础上引入运动测量光路，基于光频同步进行测距信号的扫频非线性校正与动态误差补偿，从测量机理上消除动态测量误差来源，可实现基于单可调谐激光器可用于非合作目标的动态扫频干涉激光绝对距离测量。
其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
本实施例具体是按照以下步骤制备的：
为表明光频同步采样对目标运动相位测量信号的影响，同时验证本发明拟提出的目标运动测量信号主动啁啾光频同步非线性校正方法的可行性，对该方法进行了仿真实验。激光器的扫频速率为100nm/s，辅助干涉仪光程差为220m，采用点数为2×106(相当于激光器扫频范围为2.73THz)，10m距离处被测目标运动相位光频同步测量信号如图3、图4所示。
图3为频率10Hz幅度5μm的简谐振动，图4为100mm/秒的匀速振动。可见，非线性校正前因光频采样引入非线性，运动测量信号频谱出现展宽，且展宽程度与光频非线性严重程度相关，当光频非线性为3％时，运动测量信号已低于-40dB，经主动啁啾非线性校正后，运动测量信号提升为-13dB和0dB左右(无非线性谱线谱线)，信号信噪比提升明显，验证了本发明方法校正光频同步非线性的有效性，从而可保障本发明方法对非合作运动目标的相位测量精度。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述系统包括外腔式激光器(1)、可见光激光器(5)、单频激光器(16)、1号光纤耦合器(15)、辅助干涉仪(2)、1号探测器(3)、数据采集卡(4)、扫频干涉测距光路、运动测量光路、数字分频(25)和锁相环模块(24)；
所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器(6)，6号光纤耦合器(7)、7号光纤耦合器(8)、8号光纤耦合器(10)、偏振保持分束器PBS(9)、波分复用器WDM(11)、聚焦光学子系统(12)、1/4波片(13)以及平衡探测器(14)组成；
所述运动测量光路由3号光纤耦合器(17)、1号声光调制器(18)、2号声光调制器(19)、4号光纤耦合器(20)、5号光纤耦合器(21)、9号光纤耦合器(22)以及2号光电探测器(23)构成；
外腔式激光器(1)输出的激光入射至1号光纤耦合器(15)进行分路；
1号光纤耦合器(15)输出的1路光经辅助干涉仪(2)后入射至1号探测器(3)，经1号探测器(3)后输出信号分别输入至数据采集卡(4)和经数字分频(25)入射至锁相环模块(24)；
辅助干涉仪(2)信号经数字分频(25)后为锁相环模块(24)提供锁相参考信号；
辅助干涉仪(2)信号作为数据采集卡(4)的外部时钟输入信号，控制数据采集卡(4)对1号探测器(3)、平衡探测器(14)的信号进行采样；
1号光纤耦合器(15)输出的99路光入射至2号光纤耦合(6)器进行分路；
单频激光器(16)输出的激光入射至3号光纤耦合器(17)进行分路，3号光纤耦合器(17)输出的99路光经1号声光调制器(18)入射至4号光纤耦合器(20)进行分路；
3号光纤耦合器(17)输出的1路光经2号声光调制器(19)入射至5号光纤耦合器(21)进行分路；
2号光纤耦合器(6)输出的99路光与4号光纤耦合器(20)输出的99路光经6号光纤耦合器(7)合束后入射至偏振保持分束器PBS(9)的A号端口，经偏振保持分束器PBS(9)的B号端口输出的光与可见激光器(5)输出的激光经波分复用器WDM(11)复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统(12)和1/4波片(13)后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM(11)，经波分复用器WDM(11)解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS(9)的B号端口，再在PBS(9)的C号端口出射；
2号光纤耦合器(6)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经7号光纤耦合器(8)进行合束，7号光纤耦合器(8)合束后的光与偏振保持分束器PBS(9)的C号端口出射的光经8号光纤耦合器(10)合束后入射至平衡探测器(14)，平衡探测器(14)的输出信号输入至数据采集卡(4)；
4号光纤耦合器(20)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经9号光纤耦合器(22)合束后入射至2号光电探测器(23)，2号光电探测器(23)的输出信号直接作为被锁定信号输入给锁相环模块(24)，经锁相环模块(24)输出的信号相位同步入射至2号声光调制器(19)，通过改变2号声光调制器(19)的移频量，使2号光电探测器(23)输出的信号与锁相参考信号相位相同。
2.根据权利要求1所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述5号光纤耦合器(21)、6号光纤耦合器(7)、7号光纤耦合器(8)、8号光纤耦合器(10)、9号光纤耦合器(22)均为3dB耦合器。
3.根据权利要求2所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述1号光纤耦合器(15)为1:99分路光纤耦合器。
4.根据权利要求3所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述2号光纤耦合器(6)、3号光纤耦合器(17)、4号光纤耦合器(20)均为99:1分路光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统的测距方法，其特征在于：基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法具体过程为：
步骤一、当被测目标为动态目标时，经扫频干涉测距光路平衡探测器(14)探测到的输出信号为im(k)；
平衡探测器(14)探测到的经运动测量光路输出信号为i1(t)；
2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i2(t)；
步骤二、将辅助干涉仪(2)输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i′2(t)；
步骤三、将锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i′2(t)经外腔式激光器(1)输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号分别为i1(k)和i2(k)；
步骤四、提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得到对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；
所述步骤一中当被测目标为动态目标时，由公式(1)可知，经扫频干涉测距光路平衡探测器(14)探测到的输出信号为：
其中，Am为经扫频干涉测距光路平衡探测器(14)探测到的信号的振幅，τ0为辅助干涉仪臂长差产生的时延差，k为采样点，τm0表示对应的被测目标产生的群延时差；f0表示外腔式激光器(1)起始输出光频率；Δτm(k)表示对应被测目标的群延时差变化量；
平衡探测器(14)探测到的经运动测量光路输出信号i1(t)为：
i1(t)＝A1cos[2π(fAOM1-fAOM2)t+2π(f′0+fAOM1)τm(t)]
＝A1cos[2πΔfAOMt+2π(f′0+fAOM1)τm0+2π(f′0+fAOM1)Δτm(t)] (2)
2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号i2(t)为：
i2(t)＝A2cos[2π(fAOM1-fAOM2)t]＝A2cos[2πΔfAOMt] (3)
其中，A1表示平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号i1(t)的振幅，A2表示2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号i2(t)的振幅，t为采样点，fAOM1表示1号声光调制器(18)的移频量，fAOM2表示2号声光调制器(19)的移频量，ΔfAOM表示1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)移频差，f′0表示单频激光器(16)的输出光频率；τm(t)表示对应的被测目标产生的群延时差；Δτm(t)表示对应被测目标的群延时差变化量；
所述步骤二中将辅助干涉仪(2)输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；
锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i′2(t)；
具体过程为：
辅助干涉仪(2)输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，则有：
其中，Δf(t)为辅助干涉仪(2)输出的等光频间隔；M为辅助干涉仪(2)的分频倍数；通过改变2号声光调制器(19)的频移量fAOM2，将公式(2)、(3)的相位2πΔfAOMt锁定在锁相参考信号Δf分(t)，即
其中ΔΦlock为锁相后i′1(t)的固定相位差部分，则锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为：
锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号i′2(t)为：
6.根据权利要求5所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法，其特征在于：所述步骤三中将锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i′2(t)经外腔式激光器(1)输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号分别为i1(k)和i2(k)；具体过程为：
公式(8)中的i′1(t)和公式(9)中的i′2(t)经外腔式激光器(1)输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号i1(k)以及2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号i2(k)分别为：
式中Δτm(k)为被测目标的群延时差变化量。
7.根据权利要求6所述基于锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法，其特征在于：所述步骤四中提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得到对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；具体过程为：
提取公式(1)、(10)、(11)信号中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，分别为：
由公式(13)、(14)联立可得：
将公式(15)带入公式(12)后得：
则动态被测目标的距离为：
式中nair为空气折射率，c为光速。
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