CN111948662B - 一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法 - Google Patents

一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，属于光学测距领域，包括FSL和FFL产生激光沿单模光纤传输分别至OC1和OC2分为测量路和参考路。FSL测量路激光传输至FOC1，FFL测量路激光传输至FOC2。两束激光在WDM内合成一束并到达Probe。光由待测目标反射后重新进入光纤，经过WDM分光后在OC3、OC6处干涉后形成扫频干涉与单频干涉信号。扫频干涉信号经由FOC1达到PD1，单频干涉信号经由FOC2到达PD2。FSL参考路激光经过F‑P Etalon后到达PD3。FFL参考路激光在OC5处干涉后到达PD4。4组信号由同步SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算。

Description

一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法
技术领域
本发明属于光学测距领域，涉及一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法。
背景技术
光学扫频测距技术抗干扰能力强、测量范围大、测量精度高，在民用设施与国防军备中应用广泛。若测量目标在一个扫频周期内静止时，待测距离与干涉信号频率成正比，通过频率方法估计可实现高精度绝对距离测量。然而，对于ECLD线性扫频激光器，由于温度变化、环境振动、器件老化以及PZT迟滞等因素影响，其难以实现从初始标称频率开始扫频与绝对线性扫频，这种激光频率漂移会严重限制距离测量精度。此外，对于动态目标，干涉信号频率由实际距离和目标运动速度共同决定，使用传统频率估计解调方法会引入多普勒误差。
为克服扫频非线性与多普勒误差造成的测量精度下降问题，当前通用方法是将含干涉频率的欠定方程组转换为适定方程组，即采用三角扫频光源或双扫频光源实现多普勒误差的消除，同时采用反馈式硬件系统来实现激光器输出频率的校正。虽然该方式能在一定程度上降低光源非线性影响并消除多普勒误差，但系统成本高、可靠性低，难以适应产业化应用环境。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于最优化方法的抗频率漂移干扰扫频干涉动态测距方法，本方法不仅能够有效消除光源频率不准确带来的影响与目标移动引起的多普勒测量误差，同时能给出每个采样点处的实时距离值。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建测量结构并获取测量信号：
扫频激光器FSL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC1分为FSL测量路和FSL参考路；单频激光器FFL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC2分为FFL测量路和FFL参考路；
所述FSL测量路激光沿单模光纤传输至环形器FOC1，再到达波分复用器WDM；所述FFL测量路激光沿光纤传输至环形器FOC2，再到达波分复用器WDM；
到达波分复用器WDM的两路激光合成一束并到达光纤探头Probe，射向待测目标；
激光由待测目标反射后重新进入光纤，通过WDM分光，得到反射FSL测量路激光和反射FFL测量路激光；
所述反射FSL测量路激光在耦合器OC3与FSL测量路激光进行干涉，形成扫频干涉信号，并经由环形器FOC1达到光电探测器PD1，得到信号S1；
所述FFI参考路激光经声光调制器AOM移频后再经耦合器OC4分为两束；
分别用于对测量光进行干涉移频和对参考光进行干涉移频；
所述反射FFL测量路激光在耦合器OC6与第一束经AOM移频后的FFL参考路激光进行干涉，形成移频单频干涉信号，并经由环形器FOC2到达光电探测器PD2，得到信号S2；
所述FSL参考路激光经过法珀标准具F-P Etalon后到达光电探测器PD3，得到信号S3；所述FFL参考路激光在耦合器OC5处与第二束经AOM移频后的FFL参考路激光干涉，并到达光电探测器PD4，得到信号S4；
步骤二：通过同步数据采集系统SDAQ采样并通过上位机进行动态距离解算；
步骤三：消除误差，获取真实动态测量绝对位移。
进一步，对于动态的待测目标，待测实时距离为
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
进一步，所述待测目标对应的扫频干涉信号S1为
其中，为FSI信号的瞬时相位，fFSI(t)为瞬时扫频频率，/>为扫频初始相位，k(t)为FSL非线性扫频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率；式(2)中的第一项为包含非线性误差的真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差。多普勒误差对速度v(t)极其敏感，不可使用φFSI(t)的瞬时斜率来对动态距离求解。
进一步，所述待测目标对应的移频单频干涉信号S2为：
其中，为经AOM移频的FFI信号相位，fFFL为FFI的激光频率，fAOM为AOM移频量，φF是初始相位。
进一步，经过法珀标准具F-P Etalon的扫频信号S3为
式中为经过法珀标准具的FSI-FP信号相位，LFP为F-P Etalon腔长，φFP是初始相位。
进一步，所述FFL参考路激光与第二束经AOM移频后的FFL参考路激光干涉信号S4为
式(5)中，为单频激光经声光调制器移频后的干涉信号相位，fAOM为声光调制器的移频量，φAOM是初始相位。
进一步，步骤三具体包括以下步骤：
利用信号S2与信号S4将移频单频测量信号处理为单频测量信号，即根据式(3)与式(5)得：
其中为理论单频测量信号相位；
通过单频测量信号与扫频测量信号S1得到包含有实时绝对距离并消除了多普勒误差的表达式，即通过式(2)和式(6)、式(7)得到
其中表示S1信号相位增量，/>表示利用S2与S4信号得到的单频测量信号相位增量；
根据公式(4)，利用S3信号获取光源频率不稳定信息，且由式(4)、(8)消除光源中所包含的非线性问题，且有：
其中表示S3信号相位；
式(9)中fINI未知，通过构造初始扫频频率fi，得到一系列Li(t)
Li(t)＝Li(0)+∫vi(t)dt (10)
对式(10)中Li(t)最优化求解所得Loptimal(t)为实际动态间隙；将数组Li(0)即Loptimal(t)-∫vi(t)dt的方差Kvar作为最优化方法的目标函数，考证目标函数：当fi＝foptimal时，Kvar最小时，理论值为0；当fi≠foptimal时，方差大于0；因此，通过最优化Kvar，能够实现真实动态距离L(t)的测量。
本发明的有益效果在于：本发明针对现有动态测距技术中存在的激光频率漂移以及动态目标的多普勒测量误差两大问题，提出了一种新的方法，本方法利用零差干涉与法珀标准具辅助光路，有效消除了光源频率不准确带来的影响以及目标移动引起的多普勒测量误差，同时本方法通过扫频干涉与单频干涉的融合测距，给出了每个采样点处的实时距离值，本方法的动态测量误差小于1μm，测量速率可达5MHz，实现了采样速率级的高精度动态距离测量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述方法使用的测量系统结构示意图；
图2为经过滤波幅值归一化处理后的SFSI、SFFI信号；
图3为按照式(10)处理得到的Li(t)信号；
图4为为通过构造初始扫频频率fi得到的数组Li(0)的Kvar
图5为在一个周期内重构得出的每个扫描时刻的动态位移。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，如图1所示，扫频激光器FSL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC1分为FSL测量路和FSL参考路；单频激光器FFL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC2分为FFL测量路和FFL参考路；所述FSL测量路激光沿单模光纤传输至环形器FOC1，再到达波分复用器WDM；所述FFL测量路激光沿光纤传输至环形器FOC2，再到达波分复用器WDM；到达波分复用器WDM的两路激光合成一束并到达光纤探头Probe，射向待测目标；激光由待测目标反射后重新进入光纤，通过WDM分光，得到反射FSL测量路激光和反射FFL测量路激光；所述反射FSL测量路激光在耦合器OC3与FSL测量路激光进行干涉，形成扫频干涉信号，并经由环形器FOC1达到光电探测器PD1，得到信号S1；所述FFI参考路激光经声光调制器AOM移频后再经耦合器OC4分为两束；分别用于对测量光进行干涉移频和对参考光进行干涉移频；所述反射FFL测量路激光在耦合器OC6与第一束经AOM移频后的FFL参考路激光进行干涉，形成移频单频干涉信号，并经由环形器FOC2到达光电探测器PD2，得到信号S2；所述FSL参考路激光经过法珀标准具F-P Etalon后到达光电探测器PD3，得到信号S3；所述FFL参考路激光在耦合器OC5处与第二束经AOM移频后的FFL参考路激光干涉，并到达光电探测器PD4，得到信号S4。上述4组信号由同步数据采集系统SDAQ采样并送入计算机进行动态距离解算。
对于动态目标，待测实时距离可写作
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
该目标对应的扫频干涉信号为
其中，φFSI(t)是FSI信号的瞬时相位，k(t)为FSL非线性扫频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率。式(2)中的第一项为包含了非线性误差的真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差。多普勒误差对速度v(t)及其敏感，不可使用φFSI(t)的瞬时斜率来对动态距离求解。
该目标对应的移频单频干涉信号为：
其中，fFFL为FFI的激光频率，φF是初始相位。
F-P Etalon扫频信号为
上式中LFP为F-P Etalon腔长，φFP是初始相位。
FFL参考路与移频参考路干涉信号为
式(5)中，fAOM为声光调制器的移频量，φAOM是初始相位。
由式(2)，式(3)与式(5)可得：
进而可得
最后，由式(4)、(8)可消除光源中所包含的非线性问题，且有：
上式中fINI未知，通过构造初始扫频频率fi，可得到一系列Li(t)。即：
Li(t)＝Li(0)+∫vi(t)dt (10)
对式(10)中Li(t)最优化求解所得Loptimal(t)为实际动态间隙。将数组Li(0)即Loptimal(t)-∫vi(t)dt的方差Kvar作为最优化方法的目标函数，考证目标函数：当fi＝foptimal时，Kvar最小时，理论值为0；当fi≠foptimal时，方差大于0。因此，通过最优化Kvar，可实现真实动态距离L(t)的测量。
图1为抗频率漂移干扰的扫频干涉动态测距方法系统原理图，按图中系统可获取4路信号S1-S4。按上述原理，首先利用S2与S4信号将移频单频测量信号处理为式(6)单频测量信号；通过单频测量信号与扫频测量信号S1可以得到包含有实时绝对距离并消除了多普勒误差的表达式(8)；根据公式(4)，利用S3信号获取光源频率不稳定信息，且由式(4)、(8)对此项误差进行消除；消除两大误差的信号可以通过式(10)构造获取高精度动态测量绝对位移。
图2为经过滤波幅值归一化处理后的SFSI、SFFI信号，即一个扫频周期内的FSI和去除AOM移频的FFI信号；图3按照式(10)处理得到的Li(t)信号；图4曲线为通过构造初始扫频频率fi得到的数组Li(0)的Kvar，其中矩形点为Kvar取最优化值位置；图5为上述方法在一个周期内重构得出的每个扫描时刻的动态位移，其中，矩形点为本系统测量得到的最优化初始距离L0，实线为本系统测量得到的一个扫频周期内的实时距离L(t)。
实验结果表明，本方法动态测量误差误差小于1μm，测量速率可达5MHz，既能有效消除多普勒误差，同时能进行动态距离的高速高精度测量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：搭建测量结构并获取测量信号：
扫频激光器FSL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC1分为FSL测量路和FSL参考路；单频激光器FFL产生激光，沿单模光纤传输至耦合器OC2分为FFL测量路和FFL参考路；
所述FSL测量路激光沿单模光纤传输至环形器FOC1，再到达波分复用器WDM；所述FFL测量路激光沿光纤传输至环形器FOC2，再到达波分复用器WDM；
到达波分复用器WDM的两路激光合成一束并到达光纤探头Probe，射向待测目标；
激光由待测目标反射后重新进入光纤，通过WDM分光，得到反射FSL测量路激光和反射FFL测量路激光；
所述反射FSL测量路激光在耦合器OC3与FSL测量路激光进行干涉，形成扫频干涉信号，并经由环形器FOC1达到光电探测器PD1，得到信号S1；
所述FFL参考路激光经声光调制器AOM移频后再经耦合器OC4分为两束；
分别用于对测量光进行干涉移频和对参考光进行干涉移频；
所述反射FFL测量路激光在耦合器OC6与第一束经AOM移频后的FFL参考路激光进行干涉，形成移频单频干涉信号，并经由环形器FOC2到达光电探测器PD2，得到信号S2；
所述FSL参考路激光经过法珀标准具F-P Etalon后到达光电探测器PD3，得到信号S3；所述FFL参考路激光在耦合器OC5处与第二束经AOM移频后的FFL参考路激光干涉，并到达光电探测器PD4，得到信号S4；
步骤二：通过同步数据采集系统SDAQ采样并通过上位机进行动态距离解算；
步骤三：消除误差，获取真实动态测量绝对位移。
2.根据权利要求1所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：对于动态的待测目标，待测实时距离为
其中，L0为t＝0时刻初始距离，v(t)为测量对象瞬时速度。
3.根据权利要求2所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：所述待测目标对应的扫频干涉信号S1为
其中，为FSI信号的瞬时相位，fFSI(t)为瞬时扫频频率，/>为扫频初始相位，k(t)为FSL非线性扫频速率，c为真空光速，n为空气折射率，fINI为FSL初始频率；式(2)中的第一项为包含非线性误差的真实的动态距离L(t)，第二项是由多普勒频移引起的误差。
4.根据权利要求3所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：所述待测目标对应的移频单频干涉信号S2为：
其中，为经AOM移频的FFL信号相位，fFFL为FFL的激光频率，fAOM为AOM移频量，φF是初始相位。
5.根据权利要求4所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：经过法珀标准具F-P Etalon的扫频信号S3为
式中为经过法珀标准具的FSI-FP信号相位，LFP为F-P Etalon腔长，φFP是初始相位。
6.根据权利要求5所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：所述FFL参考路激光与第二束经AOM移频后的FFL参考路激光干涉信号S4为
式(5)中，为单频激光经声光调制器AOM移频后的干涉信号相位，fAOM为声光调制器AOM的移频量，φAOM是初始相位。
7.根据权利要求6所述的基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法，其特征在于：步骤三具体包括以下步骤：
利用信号S2与信号S4将移频单频测量信号处理为单频测量信号，即根据式(3)与式(5)得：
其中为理论单频测量信号相位；
通过单频测量信号与扫频测量信号S1得到包含有实时绝对距离并消除了多普勒误差的表达式，即通过式(2)和式(6)、式(7)得到
其中表示S1信号相位增量，/>表示利用S2与S4信号得到的单频测量信号相位增量；
根据公式(4)，利用S3信号获取光源频率不稳定信息，且由式(4)、(8)消除光源中所包含的非线性问题，且有：
其中表示S3信号相位；
式(9)中fINI未知，通过构造初始扫频频率fi，得到一系列Li(t)
Li(t)＝Li(0)+∫vi(t)dt (10)
对式(10)中Li(t)最优化求解所得Loptimal(t)为实际动态间隙；将数组Li(0)即Loptimal(t)-∫vi(t)dt的方差Kvar作为最优化方法的目标函数，考证目标函数：当fi＝foptimal时，Kvar最小时，理论值为0；当fi≠foptimal时，方差大于0；因此，通过最优化Kvar，能够实现真实动态距离L(t)的测量。
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