CN112462380A - 一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，利用光电探测器采集由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号；利用辅助测量干涉仪光路的拍频信号对测量拍频信号进行零均值点重采样；通过Hilbert变换获取重采样之后的信号包络；对重采样信号进行解包络并再次采用希尔伯特变换法计算包裹相位，根据扫频方向进行相位解包裹，对解包裹的相位进行二次函数拟合确定色散补偿系数；对新构建的信号进行快速傅里叶变换获得被测物的远距离信息。本发明的色散补偿方法能够进行快速实时补偿，提高了测量效率和测距精度，特别适用于合成孔径雷达、无人驾驶测量、医学相干层析、激光测振等领域。

Description

一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法
技术领域
本发明属于精密计量领域，特别涉及一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，应用于激光调频连续波远距离大带宽高精度测量场景。
背景技术
工业技术的迅猛发展给当今的生活带来越来越多的便捷。然而，工业技术的发展离不开工业制造。随着时代的发展，人们对制造精度和制造的复杂度的要求越来越严苛，寻求一种快速高精度原位测量的手段迫在眉睫。激光调频测量技术，也称调频激光雷达技术，它具有快速、高动态范围、高精度的特点，引起越来越多人的关注。区别于工业现场常用的测量仪器激光跟踪仪，调频激光雷达无需靶标引导，可快速实现多目标的三维成像。近些年来，调频激光雷达的这些优点，让其在医学相干层析、合成孔径雷达、光学频率反射计、无人驾驶等高精尖领域得到了广泛的应用。
调频激光雷达技术的测量精度受到光源调制非线性的影响十分严重，为了消除这部分影响，常常采用双光纤干涉仪的结构设计：利用大于测量光路两倍光程以上的干涉仪对主测量光路进行等光频重采样，来获得频率单一的重采样信号，从而方便解调距离信息。然而，随着测量距离的增加，由于光纤色散的引入，辅助干涉光路和主测量光路的色散不匹配会导致重采样的误差。在远距离大带宽的测量场景，这种误差将会十分严重，如不消除，将不能准确获取距离信息。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，目的是在于消除调频激光远距离测距技术中存在的色散不匹配现象，采用两次希尔伯特(Hilbert)变换法对重采样信号进行处理，消除低频包络噪声，补偿色散引起的相位误差，获得精确的距离信息。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建激光双干涉仪光路远距离测量系统，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器分别采集由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号；
步骤2：利用辅助测量干涉仪光路的拍频信号对包含长距离信息的主测量干涉仪光路信号进行零均值点重采样，消除调频非线性的影响，获得重采样信号；
步骤3：将重采样信号进行希尔伯特变换，获取移相90度的重采样信号，根据正交分量特性，提取包含低频噪声的包络；对重采样信号进行解包络，并再次采用希尔伯特变换法计算包裹相位，并根据扫频方向进行相位解包裹；
步骤4：利用最小二乘法对解包裹的相位进行二次函数拟合，确定色散补偿系数；
步骤5：对重采样信号和相位补偿系数进行相乘，并对新构建的信号进行快速傅里叶变换获得被测物的远距离信息。
进一步讲，本发明所述的色散补偿方法，步骤2中所述的采用辅助干涉仪光路拍频信号的零均值点对主测量干涉仪光路拍频信号进行重采样，具体算法如下：
2-1、零均值重采样的方法是采用确定光程差为被测光程2倍以上的干涉仪对主测量干涉仪光路进行零均值点采样，以满足奈圭斯特采样定理，获取频谱相对单一的重采样信号；首先，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器探测到的两路干涉仪光路的拍频信号分别表示主测量干涉仪光路拍频信号Umea和辅助干涉仪光路拍频信号Uref：
Umea(ω)＝A(t)·cos[Rfibβ(ω)+2Rairω/c]
Uref(ω)＝B(t)·cos[Rrefβ(ω)]
式中：
Figure BDA0002741815900000021
2-2、利用辅助干涉仪光路拍频信号Uref的零均值点，也即相位为kπ的采样点对主测量干涉仪光路拍频信号进行等间隔重采样，获得重采样信号Ures(k)：
Figure BDA0002741815900000022
式中：k＝0,1,2,3...。
步骤3中的两次希尔伯特变换法分别先对重采样信号进行解包络和计算包裹相位，并根据最小二乘法进行相位解包裹，具体如下：
3-1、首先将包含低频噪声的重采样信号Ures进行行希尔伯特变换，构建复信号X(k)；
Figure BDA0002741815900000023
其中j代表虚数，*代表卷积；
3-2、对重采样信号进行包络A(k)提取，其数学表达式：
Figure BDA0002741815900000024
其中
Figure BDA0002741815900000025
表示Ures(k)的希尔伯特变换
3-3、对信号进行去除包络，得到归一化的重采样信号Unom(k)：
Unom(k)＝Ures(k)/A(k)
3-4、再次对归一化的重采样信号进行希尔伯特变换，并通过反正切获得归一化重采样信号的包裹相位；
Figure BDA0002741815900000031
其中Re{}与Im{}分别代表实部和虚部。
步骤4中，根据扫频的方向确定解卷裹后的相位方向，并对相位进行最小二乘法二次函数拟合
Figure BDA0002741815900000032
确定补偿系数δdis：
Figure BDA0002741815900000033
δdis＝a/2π
步骤5中，构建新的重采样函数Unew(k)，并重采样的信号进行相位补偿，最后对新构建的重采样信号进行快速傅里叶变换获得补偿后的距离谱信息：
Unew(k)＝Ures(k)exp[-j(a/2π)k2]。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用Hilbert变换对重采样信号进行解除包络处理，可以有效地消除低频噪声对距离频谱增宽的影响。
(2)本发明采用的二次Hilbert变换对归一化重采样信号的解卷裹相位进行快速最小二乘拟合，可以快速地进行色散误差的补偿，效率高，十分容易集成到测量程序当中。
(3)本发明的基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法能够进行快速实时补偿，提高了测量效率和测距精度，特别适用于合成孔径雷达、无人驾驶测量、医学相干层析、激光测振等领域。
附图说明
图1为远距离测距色散误差校正流程图；
图2为包含低频噪声的重采样信号；
图3为去包络之后的重采样信号；
图4为重采样信号的卷裹相位；
图5为最小二乘拟合法拟合的解卷裹相位；
图6为色散校正前后的距离频谱图。
图7为本发明实施例中所搭建的激光调频双光纤干涉测量系统示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，主要包括：搭建激光调频测距的远距离测量光路，并采集包含距离信息的拍频信号和辅助干涉仪拍频信号；利用已知长度的辅助干涉仪拍频信号对测量拍频信号进行过零点间隔重采样，通过对重采样之后的信号进行快速傅里叶变换以获取远距离的频谱信息；针对重采样之后的信号，通过Hilbert变换获取重采样之后的信号包络，将原重采样信号和包络信号相除以实现重采样信号的归一化；将归一化的重采样信号，再次进行Hilbert变换和反正切变换获得包裹相位，将包裹相位进行最小二乘法拟合获得二次拟合函数，以此确定相位补偿系数；将原重采样信号乘以相位补偿系数，消除色散引起的相位畸变项，然后对新的重采样信号进行快速傅里叶变换获取目标的距离信息。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例，如图1所示，具体步骤如下：
101、搭建激光调频双干涉仪光路远距离测量系统，利用光电探测器采集远距离的两路拍频信号；该步骤的详细操作为：搭建激光调频双光纤干涉测量系统，如图7所示，该系统包括可调谐激光器、光学放大器、分束器、耦合器、环形器、聚焦透镜、延迟光纤、光电探测器(雪崩光电探测器和平衡光电探测器)、采集卡等。设置可调谐激光器的调谐带宽，将目标移动至距离聚焦透镜较远的位置，至少大于5m，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器采集分别由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号。本发明中对激光器、放大器、探测器等型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
102、利用光电探测器分别采集包含距离信息的主测量光路和辅助干涉仪光路的拍频信号，然后选取辅助干涉仪拍频信号的过零点对主测量光路的拍频信号进行重采样。该步骤的详细操作为：
零均值重采样的方法是采用确定光程差为被测光程2倍以上的干涉仪对主测量干涉光路进行零均值点采样，以满足奈圭斯特采样定理，获取频谱相对单一的重采样信号。即kπ相位点作为等等光频采样点：
Rref[β0+β1(ω-ω0)+0.5·β2(ω-ω0)2]＝πk,(k＝0,1,2,...,N)
确定激光器的扫频方向，这里的频率方向是递增，计算包含色散系数的瞬时角频率：
Figure BDA0002741815900000041
由于受到光纤色散的影响，重采样信号函数存在和色散相关的频率分量。根据光电探测器采集到的辅助干涉仪拍频Uref(ω)，并利用其kπ相位点用作时钟点对Umea(ω)进行等光频重采样，获取重采样信号Ures(k)：
Umea(ω)＝A(t)·cos[Rfibβ(ω)+2Rairω/c]
Figure BDA0002741815900000042
103、利用Hilbert变换对重采样信号进行解包络，以消除低频噪声对测距精度的影响。该步骤的详细操作为：
首先，将包含低频噪声的重采样信号Ures进行行希尔伯特变换，构建复信号X(k)；
Figure BDA0002741815900000051
其中j代表虚数，*代表卷积。
对重采样信号进行包络A(k)提取，其数学表达式：
Figure BDA0002741815900000052
其中
Figure BDA0002741815900000053
表示Ures(k)的希尔伯特变换
对信号进行去除包络，得到归一化的重采样信号Unom(k)：
Unom(k)＝Ures(k)/A(k)
104、采用Hilbert变换法计算包裹相位，并根据激光器扫频方向确定解包裹相位的方向。该步骤的详细操作为：
对归一化的重采样信号进行Hilbert变换，并通过反正切获得归一化重采样信号的包裹相位；
Figure BDA0002741815900000054
其中Re{}与Im{}分别代表实部和虚部。
计算包裹相位，根据扫频方向，并采用unwrap函数对包裹相位进行解卷裹。
105、利用最小二乘法拟合二次相位曲线，并确定色散补偿系数。该步骤的详细操作为：
根据扫频的方向确定解卷裹后的相位方向，并对相位进行最小二乘法二次函数拟合
Figure BDA0002741815900000055
确定补偿系数δdis：
Figure BDA0002741815900000056
δdis＝a/2π
构建新的重采样函数Unew(k)，并重采样的信号进行相位补偿，最后对新构建的重采样信号进行快速傅里叶变换获得补偿后的距离谱信息：
Unew(k)＝Ures(k)exp[-j(a/2π)k2]
对新构建的重采样信号进行快速傅里叶变换，获得色散校正后的距离频谱信息。
本实施例中，搭建激光调频双干涉仪光路远距离测量系统，激光器采用的是美国的Luna公司的PHOENIX 1400，调谐带宽设置的是1545nm-1555nm，调谐速度设置为1000nm/s，辅助干涉仪的延迟光纤选用的是武汉长飞公司生产的G652标准的单模光纤，平均折射率为1.467@1550nm，长度为80.3m，被测物是角锥棱镜。测量范围从20m到40m。光电探测器采用的是Thorlabs公司的PDA10CS-EC，用作探测两路的拍频信号。采用辅助干涉仪拍频信号的过零点对主测量光路的重采样信号进行重采样，获得重采样信号如图2所示；按照本发明的方法，先对重采样信号进行解包络，获得比较理想的归一化重采样信号如图3所示。接着，再对归一化的重采样信号进行Hilbert变换计算出卷裹相位，再根据扫频的方向，确定相位的方向，本实例的频率方向是递增，如图4所示；对解卷裹后的相位用最小二乘法可以快速计算出二次拟合曲线的系数，用作确定为相位补偿系数，如图5所示；最后将新构建的重采样信号进行快速傅里叶变换，获得了接近理论分辨力的距离频谱，如图6所示。
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 (5)

1.一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：搭建激光双干涉仪光路远距离测量系统，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器分别采集由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号；
步骤2：利用辅助测量干涉仪光路的拍频信号对包含长距离信息的主测量干涉仪光路信号进行零均值点重采样，消除调频非线性的影响，获得重采样信号；
步骤3：将重采样信号进行希尔伯特变换，获取移相90度的重采样信号，根据正交分量特性，提取包含低频噪声的包络；对重采样信号进行解包络，并再次采用希尔伯特变换法计算包裹相位，并根据扫频方向进行相位解包裹；
步骤4：利用最小二乘法对解包裹的相位进行二次函数拟合，确定色散补偿系数；
步骤5：对重采样信号和相位补偿系数进行相乘，并对新构建的信号进行快速傅里叶变换获得被测物的远距离信息。
2.根据权利要求书1所述的基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，其特征在于，步骤2所述采用辅助干涉仪光路拍频信号的零均值点对主测量干涉仪光路拍频信号进行重采样，具体算法如下：
2-1、零均值重采样的方法是采用确定光程差为被测光程2倍以上的干涉仪对主测量干涉仪光路进行零均值点采样，以满足奈圭斯特采样定理，获取频谱相对单一的重采样信号；首先，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器探测到的两路干涉仪光路的拍频信号分别表示主测量干涉仪光路拍频信号Umea和辅助干涉仪光路拍频信号Uref：
Umea(ω)＝A(t)·cos[Rfibβ(ω)+2Rairω/c]
Uref(ω)＝B(t)·cos[Rrefβ(ω)]
式中：
Figure FDA0002741815890000011
2-2、利用辅助干涉仪光路拍频信号Uref的零均值点，也即相位为kπ的采样点对主测量干涉仪光路拍频信号进行等间隔重采样，获得重采样信号Ures(k)：
Figure FDA0002741815890000012
式中：k＝0,1,2,3...。
3.根据权利要求书1所述的基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，其特征在于，步骤3中的两次希尔伯特变换法分别先对重采样信号进行解包络和计算包裹相位，并根据最小二乘法进行相位解包裹，具体如下：
3-1、首先将包含低频噪声的重采样信号Ures进行行希尔伯特变换，构建复信号X(k)；
Figure FDA0002741815890000021
其中j代表虚数，*代表卷积；
3-2、对重采样信号进行包络A(k)提取，其数学表达式：
Figure FDA0002741815890000022
其中
Figure FDA0002741815890000023
表示Ures(k)的希尔伯特变换
3-3、对信号进行去除包络，得到归一化的重采样信号Unom(k)：
Unom(k)＝Ures(k)/A(k)
3-4、再次对归一化的重采样信号进行希尔伯特变换，并通过反正切获得归一化重采样信号的包裹相位；
Figure FDA0002741815890000024
其中Re{}与Im{}分别代表实部和虚部。
4.根据权利要求书3所述的基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，其特征在于，步骤4中，根据扫频的方向确定解卷裹后的相位方向，并对相位进行最小二乘法二次函数拟合
Figure FDA0002741815890000025
确定补偿系数δdis：
Figure FDA0002741815890000026
δdis＝a/2π。
5.根据权利要求书4所述的基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，其特征在于，步骤5中，构建新的重采样函数Unew(k)，并重采样的信号进行相位补偿，最后对新构建的重采样信号进行快速傅里叶变换获得补偿后的距离谱信息：
Unew(k)＝Ures(k)exp[-j(a/2π)k2]。
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