CN112859060A - 基于微波频域干涉的绝对距离测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置与方法，该装置包括宽带微波辐射源模块、频域干涉模块、信号处理模块，其中，宽带微波辐射源模块由ASE光源、窄带滤波器、光电探测器组成。本发明通过采用宽带微波频域干涉技术，克服了传统基于空间‑时域微波测距技术中微波波长、电子元器件响应速率和示波器带宽等因素对测量范围和精度的限制。采用本专利基于微波频域干涉原理测距技术能够利用现有元器件即可实现长量程高精度绝对距离测量，本发明装置具有结构简单、量程长、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于微波雷达测距领域，具体涉及一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置及方法。
背景技术
微波雷达技术由于实现对处于烟雾、粉尘、等离子体以及非金属材料等内部的目标体进行非接触式测量，因此在工业形变监测、中/短程物位测量、多目标识别、内部探伤等众多军民领域具有广阔的应用前景。
目前，现有的微波测距技术主要通过建立空间-时域映射关系，测量信号随时间的变化计算得到目标距离信息，其主要包括单频微波干涉测距技术、微波多普勒雷达、脉冲微波雷达、调频连续波雷达。其中，单频微波干涉测距技术能够获得目标体的相对位移信息，但由于微波波长基本处于厘米至毫米量级，因此其精准测量范围小于微波波长，在实际应用中无法单独实现绝对距离的精准测量；单频微波多普勒雷达实现静态目标体的绝对距离测量，且其测量精度基本处于厘米到毫米量级，实际应用中具有较大局限；脉冲微波雷达技术原理简单，测量范围较大，但受限于计时模块的精度，其测量精度通常大于厘米量级；关于调频连续波雷达技术，文献《利用微波频域干涉仪无损检测非金属构件内部伤的深度》，宇航计测技术，1989年05期，其采用的辐射源为FMCW微波源，该微波源为扫频辐射源，在一时刻只能出射单一频率微波信号，同时，其干涉信号是在光电探测器中产生，用示波器采集得到的时域干涉信号。调频连续波雷达由于受示波器带宽和扫频微波辐射源的线性度的限制，该技术主要应用于中、近距离测量，其在米级量程范围内的测量精度处于毫米至亚毫米量级，同时，系统结构较为复杂，且需要高线性度的宽带扫频微波辐射源和高带宽示波器，导致其成本较高。
迄今为止，结构简单、长量程、微米级精度的微波绝对距离测量技术依旧是该领域亟待发展的前沿方向之一。基于频域干涉的绝对距离测量技术是近年来发展迅速的高精度距离测量手段之一，其基于空间-频域映射关系，将两束具有光程差的宽频谱信号在频域上形成干涉图样，通过对频域干涉信号进行反演从而获得其携带的空间绝对距离信息。目前，已经发展出基于光波段频域干涉的绝对距离测量技术，其宽谱光信号一般处于1550nm波段附近，可实现亚微米量级的高精度绝对距离测量。但由于光波波长较短，穿透性较差，其对于处于烟雾、粉尘、等离子体以及非金属材料等内部的目标体无法进行直接测量，因而在该类领域的使用受到局限。而受限于宽带微波辐射产生方法及基于微波段频域干涉图样的距离信息解析方法的匮乏，基于微波频域干涉原理的绝对距离测量技术尚未见报道。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在突破上述关键技术瓶颈，提出一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置与方法，本发明测量技术全新、结构简单、量程长、精度高。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，其特点是，该装置包括宽带微波辐射源模块、频域干涉模块、信号处理模块，其中，宽带微波辐射源模块由ASE光源、窄带滤波器、光电探测器组成，其连接关系是：将ASE光源输出端与窄带滤波器输入端连接，窄带滤波器输出端与光电探测器光输入端连接，光电探测器所产生的宽带微波信号由光电探测器输出端通过电缆输出。
进一步，所述频域干涉模块由微波功率分配器，微波发射天线，微波接收天线，可调衰减器，微波功率合成器，频谱分析仪组成，其中，光电探测器的输出端接入微波功率分配器输入端，微波功率分配器的2个输出端分别与可调衰减器和微波发射天线的输入端连接，可调衰减器与微波接收天线的输出端分别与微波功率合成器的2个输入端连接，且微波功率合成器的输出端通过电缆接入频谱分析仪。
进一步，所述频域干涉模块由微波环形器，微波收发天线，频谱分析仪组成，其中，光电探测器的输出端接入微波环形器的端口1，微波环形器的端口2、端口3分别与微波收发天线，频谱分析仪连接。
进一步，信号处理模块为微型计算机。
本发明还提供一种基于微波频域干涉的绝对距离测量方法，其特点是，该方法包括如下步骤：
S1：基于宽带微波辐射源模块产生宽带微波信号，进入频域干涉模块；
S2：基于频域干涉模块将宽带微波信号分为两束，一束作为参考波Eref(t)，另一束发射至待测目标体，并接收其反射信号，作为信号波Epr(t)；将参考波和信号波混合后进行干涉，利用信号周期并根据奈奎斯特定理在频域上进行完备采样，获得频域干涉信号I(f，T)；
S3：基于信号处理模块，对获得的频域干涉信号I(f，T)进行逆傅里叶变换，得到传输时间差T，根据绝对距离S与传输时间差T之间的函数关系
计算获得绝对距离S，其中，c为光速，n为传输介质的折射率，T满足公式：
式中，F[I(f，T)]为频域干涉场光谱强度分布函数的逆傅里叶变换函数，I(f，T)为频域干涉场光谱强度分布函数，f为微波频率，t为时间，T为传输时间差，R为待测目标反射率，G()为频域干涉信号经过逆傅里叶变换后的时域特征函数，φ为微波信号相位角。
进一步，步骤(2)在频域上以低于频域干涉条纹周期的1/3为采样间隔对信号进行整周期的完备采样，且所述采用间隔不为0。
本发明通过采用宽带微波频域干涉技术，克服了传统基于空间-时域微波测距技术中微波波长、电子元器件响应速率和示波器带宽等因素对测量范围和精度的限制。采用本专利基于微波频域干涉原理测距技术能够利用现有元器件即可实现长量程高精度绝对距离测量，本发明装置具有结构简单、量程长、精度高的优点。
附图说明
图1为实施例1基于微波频域干涉的绝对距离测量装置；
图2为实施例2基于微波频域干涉的绝对距离测量装置；
图3为实施例1基于微波频域干涉的绝对距离测量方法所得频域干涉光谱；
图4为将实施例1的方法重复100次绝对距离测量的测量结果；
图中，101.ASE光源 102.窄带滤波器 103.光电探测器 104.微波功率分配器105.微波发射天线 106.微波接收天线 107.可调衰减器 108.微波功率合成器 109.频谱分析仪 110.信号处理模块 111.待测目标体 104’.微波环形器 105’.微波收发天线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细解释。
本发明提及的微波频域干涉具体指具有相关性的两束宽带微波信号通过频谱仪混频检波，由于其不同频率成分各自进行干涉叠加，最终在频域上形成明显的干涉条纹的现象。
如图1所示，一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，该装置包括三个功能性模块，分别是宽带微波辐射源模块、频域干涉模块、信号处理模块110，其中，宽带微波辐射源模块由ASE光源101、窄带滤波器102、光电探测器103组成，其连接关系是：将ASE光源101输出端通过光纤与窄带滤波器102输入端连接，其输出端通过光纤与光电探测器103光输入端连接，光电探测器103所产生的宽带微波信号由其电输出端通过电缆输出。
进一步，所述频域干涉模块由微波功率分配器104，微波发射天线105，微波接收天线106，可调衰减器107，微波功率合成器108，频谱分析仪109组成，其中，光电探测器103的输出端通过电缆接入微波功率分配器104输入端，微波功率分配器104的2个输出端分别通过电缆与可调衰减器107和微波发射天线105的输入端连接，可调衰减器107与微波接收天线106的输出端分别通过电缆与微波功率合成器108的2个输入端连接，且微波功率合成器108的输出端通过电缆接入频谱分析仪109。
进一步，所述频域干涉模块由微波环形器104’，微波收发天线105’，频谱分析仪109组成，其中，光电探测器103的输出端通过电缆接入微波环形器104’的端口1，微波环形器104’的端口2、端口3通过电缆分别与微波收发天线105’，频谱分析仪109连接。进一步，信号处理模块110由微型计算机组成。
本发明还公开了一种基于该微波频域干涉的绝对距离测量装置的绝对距离测量方法，该方法包括如下步骤：
S1：基于宽带微波辐射源模块产生宽带微波信号，进入频域干涉模块；
S2：基于频域干涉模块将宽带微波信号分为两个束，一束作为参考波Eref(t)，另一束发射至待测目标体，并接收其反射信号，作为信号波Epr(t)；将参考波和信号波混合后进行干涉，基于信号周期并根据奈奎斯特定理在频域上进行完备采样，获得频域干涉信号I(f，T)；
S3：基于信号处理模块，对获得的频域干涉信号I(f，T)进行逆傅里叶变换，得到传输时间差T，通过绝对距离S与传输时间差T之间的函数关系
即可计算获得绝对距离S，其中，c为光速，n为传输介质的折射率，T满足公式：
传输时间差T的具体推导过程如下：
设参与干涉的两束宽带微波信号Eref(t)和Epr(t)分别为
Eref(t)＝E0(t)exp(i2πf0t) (1)
其中中E(t)是一个复函数，t为时间，i为虚数单位，E0(t)为振幅强度，f0为时域上的某一参考频率，T是两束微波信号的传输时间差，
是初相位，
是Epr(t)与Eref(t)的振幅比值，，令F[E(t)]＝E(f)，由傅立叶变化的平移和相移性质，式(1)、(2)的傅里叶变换如下所示：
F[Eref(t)]＝F[E0(t)exp(i2πf0t)＝E0(f-f0) (3)
由Parserval定理可知，时域干涉场强度分布与频域干涉场的强度分布等价，因此可用频域干涉理论分析频域干涉场光谱强度分布函数，由(3)、(4)两式可得：
对(5)式取平方即可得到频域干涉场光谱强度分布函数，如下所示：
由(6)式可得，频域干涉场的强度分布不仅与两束微波信号的振幅强度比值R和相位角
有关，而且还与时间频率f和传输时间差T相关，且传输时间差T即为干涉信号的周期。将(6)式改写如下：
其中I(f，T)为域干涉场光谱强度分布函数，R为待测目标体反射率，I0(f)为宽带微波频谱分布函数，将(7)式展开可得：
令F[I(f)]＝G(t)，反傅立叶变换的相移性质可表示为
F-1[I(f)eiTf]＝G(t+T) (9)
利用反傅立叶变换的相移性质，对(9)式取反傅立叶变换后可得
式中，F[I(f，T)]为频域干涉场光谱强度分布函数的逆傅里叶变换函数，I(f，T)为频域干涉场光谱强度分布函数，f为微波频率，t为时间，T为传输时间差，R为待测目标反射率，G()为频域干涉信号经过逆傅里叶变换后的时域特征函数，φ为微波信号相位角；
从(10)式不难看出，对频域干涉强度分布谱取逆傅立叶变换后，其表达式包含三个特征频率t、t+T和t-T。其中，t为时间，t的数值等于宽带微波频谱分布函数I0(f)在时域上的特征值。由于I0(f)为准高斯分布，其在时域上特征值基本为0，即t＝0。因此，逆傅里叶变换得到的特征频率值即为传输时间差T。
又由于绝对距离S与传输时间差T之间的关系如下：
其中，c为光速，n为传输介质的折射率，通过结合(10)式与(11)式，即可计算得到绝对距离信息。
通过上述分析可知，基于微波频域干涉的绝对距离测量仅需要在宽带范围获得频域干涉谱，通过逆傅里叶变换得到传输时间差，即可简单计算得到待测目标体的绝对距离信息。
如，根据(11)式，当测量距离为1m和100m时，其干涉信号在频域上的周期分别为0.15GHz和1.5MHz。按照奈奎斯特采样定律，要实现上述信号的完备采样，需设置频谱仪采样间隔应分别低于60MHz和0.6MHz，这是目前任何商用频谱仪均可轻松实现的，而不需要利用高带宽示波器对高频信号进行采集。
由于测量精度则与所选择的微波波长范围、电子元器件响应速率无关，而是依赖于逆傅里叶变换精度，当信噪比足够的情况下，其逆傅里叶变换计算长度达到226量级时(约6μm)，即可实现微米级的测量精度，这也是目前计算机所能轻松实现的。因此，本发明基于微波频域干涉的绝对距离测量技术从原理上克服了限制现有技术测量范围和精度的现实工程因素，在工程可实现的前提下，利用现有商用元器件即可实现长量程高精度绝对距离测量。
进一步，步骤(2)在频域上以低于频域干涉条纹周期的1/3为采样间隔对信号进行整周期的完备采样，其中，采用间隔不能为0。采样间隔由测量距离决定，距离越远频域干涉周期越小，采样间隔为频域干涉周期的三分之一以下。
本发明通过利用微波频域干涉原理搭建绝对距离测量装置与方法，进而实现长量程、微米级精度的绝对距离测量。同时，本发明结构简单，操作便捷，可以有效的降低微波测距技术对实验设备性能以及应用环境的要求，这对基于微波段的非接触式绝对距离测量在科研生产等领域的实际应用具有推动作用。
实施例1
本实施例基于如图1所示的绝对距离测量装置进行基于微波频域干涉的绝对距离测量，该装置中，频域干涉模块可以由微波功率分配器104，微波发射天线105，微波接收天线106，可调衰减器107，微波功率合成器108，频谱分析仪组成109如图1，其中，将宽带微波通过电缆接入微波功率分配器104输入端，其2个输出端分别通过电缆与可调衰减器107和微波发射天线105的输入端连接，可调衰减器107与微波接收天线106的输出端分别通过电缆与微波功率合成器108的2个输入端连接，且其输出端通过电缆接入频谱分析仪109；。
利用该实施例装置进行基于微波频域干涉的绝对距离测量方法具体包括如下步骤：
S1：将ASE光源101经过0.8nm的窄线宽滤器102滤波后注入带宽为20GHz的光电探测器103，通过光学拍频效应产生带宽为0-20GHz的宽带微波辐射。
S2：将产生的宽带微波通过微波功率分配器104分为两束，一束进入可调衰减器107，通过合适的衰减后作为参考波；另一束通过微波发射天线105发射至待测目标体111，经过反射后进入微波接收天线106，由于其包含了距离信息，即为信号波。参考波和信号波经过微波功率合成器108合为一束后，进入频谱分析仪109进行检波后形成频域干涉谱。
S3：通过计算机110对所产生的频域干涉谱进行逆傅里叶变换获得传输时间差，进而计算得到绝对距离信息。
当待测目标体为金属板，待测距离约为1.8m时，利用上述技术方案在实验中所得频域干涉光谱如附图3所示。对待测目标体进行了100次测量，其测量结果如附图4所示，通过计算可得该装置A类不确定度为3.8μm(置信区间95.5％)。其绝对距离测量值为1.852156±0.0000038m(置信区间95.5％)。综上可以看到，本发明基于微波频域干涉原理，搭建了结构简单紧凑的微波绝对距离测量装置，实现了长量程、微米级精度的绝对距离测量。
实施例2
本实施例基于如图2所示的装置进行基于微波频域干涉的绝对距离测量，与实施例1相比，本实施例2的区别之处在于，频域干涉模块还可以由微波环形器104’，微波收发天线105’，频谱分析仪109组成(如图2)，其连接关系是将宽带微波通过电缆接入微波环形器104’的1端口，其2、3端口分别通过电缆与微波收发天线105’，频谱分析仪109连接。
利用该实施例装置进行基于微波频域干涉的绝对距离测量方法具体包括如下步骤：
S1：将ASE光源101经过0.8nm的窄线宽滤器102滤波后注入带宽为20GHz的光电探测器103，通过光学拍频效应产生带宽为0-20GHz的宽带微波辐射。
S2：所产生的宽带微波注入微波环形器104’的1端口，并通过2端口输出至微波收发天线105’发射至待测目标体111，经过反射后同样由微波收发天线105’接收，经微波环形器104’的2端口输入，最终从3端口输出作为信号波。同时，由于微波环形器104’的1、3端口隔离度仅为20dB，因而有部分微波信号将直接从1端口泄漏至3端口输出，即可作为参考波。参考波和信号波经过微波环形器104’的3端口合为一束后，进入频谱分析仪109形成频域干涉谱。
S3：通过计算机110对所产生的频域干涉谱进行逆傅里叶变换获得传输时间差，进而计算得到绝对距离信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，其特征在于，该装置包括宽带微波辐射源模块、频域干涉模块、信号处理模块(110)，其中，宽带微波辐射源模块由ASE光源(101)、窄带滤波器(102)、光电探测器(103)组成，其连接关系是：将ASE光源(101)输出端与窄带滤波器(102)输入端连接，窄带滤波器(102)输出端与光电探测器(103)光输入端连接，光电探测器(103)所产生的宽带微波信号由光电探测器(103)输出端通过电缆输出。
2.如权利要求1所述的基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，其特征在于，所述频域干涉模块由微波功率分配器(104)，微波发射天线(105)，微波接收天线(106)，可调衰减器(107)，微波功率合成器(108)，频谱分析仪(109)组成，其中，光电探测器(103)的输出端接入微波功率分配器(104)输入端，微波功率分配器(104)的2个输出端分别与可调衰减器(107)和微波发射天线(105)的输入端连接，可调衰减器(107)与微波接收天线(106)的输出端分别与微波功率合成器(108)的2个输入端连接，且微波功率合成器(108)的输出端通过电缆接入频谱分析仪(109)。
3.如权利要求1所述的基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，其特征在于，所述频域干涉模块由微波环形器(104’)，微波收发天线(105’)，频谱分析仪(109)组成，其中，光电探测器(103)的输出端接入微波环形器(104’)的端口1，微波环形器(104’)的端口2、端口3分别与微波收发天线(105’)，频谱分析仪(109)连接。
4.如权利要求1所述的基于微波频域干涉的绝对距离测量装置，其特征在于，信号处理模块(110)为微型计算机。
5.一种基于微波频域干涉的绝对距离测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：基于宽带微波辐射源模块产生宽带微波信号，进入频域干涉模块；
S2：基于频域干涉模块将宽带微波信号分为两束，一束作为参考波Eref(t)，另一束发射至待测目标体，并接收其反射信号，作为信号波Epr(t)；将参考波和信号波混合后进行干涉，基于信号周期并根据奈奎斯特定理在频域上进行完备采样，获得频域干涉信号I(f，T)；
S3：基于信号处理模块，对获得的频域干涉信号I(f，T)进行逆傅里叶变换，得到传输时间差T，根据绝对距离S与传输时间差T之间的函数关系
计算获得绝对距离S，其中，c为光速，n为传输介质的折射率，T满足公式：
式中，F[I(f，T)]为频域干涉场光谱强度分布函数的逆傅里叶变换函数，I(f，T)为频域干涉场光谱强度分布函数，f为微波频率，t为时间，T为传输时间差，R为待测目标反射率，G()为频域干涉信号经过逆傅里叶变换后的时域特征函数，φ为微波信号相位角。
6.如权利要求5所述的基于微波频域干涉的绝对距离测量方法，其特征在于，步骤(2)在频域上以低于频域干涉条纹周期的1/3为采样间隔对信号进行整周期的完备采样，且所述采用间隔不为0。
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