CN113341426B - 一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法 - Google Patents
一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，属于光学大尺寸测量领域。通过数据采集模块，以储存单元的采样长度为片段，对拍频信号和F‑P信号进行连续不间断的同步采集，得到拍频信号片段和F‑P信号片段；将拍频信号片段和F‑P信号片段，依次写入数据储存模块中；数据处理模块读取拍频信号片段和F‑P信号片段、并释放对应的储存空间，然后依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理，得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和F‑P信号重构片段；按照扫频周期分别对所得拍频信号重构片段和F‑P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F‑P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离。本发明解决了无法实时解算绝对距离且不间断测量的问题。
Description
技术领域
本发明属于光学大尺寸测量领域，涉及一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法。
背景技术
光频扫描绝对距离测量(FSI)是一种大尺寸高精度测量方法，在迈克尔逊干涉光路的基础上，利用外腔可调谐半导体激光器，实现大尺寸的空间距离测量。其测距精度可在数十米的范围内达到微米级测量。相比于增量式激光测距方法，光频扫描绝对距离测量不需要导轨辅助测量，允许断光，受测量现场通视条件限制小。广泛应用在大型仪器设备装配，以及高端装备制造等领域。
光频扫描绝对距离测量(FSI)，是控制为外腔可调谐半导体激光器发出一束调频激光，经过分光镜(或光纤分束)将光束一分为二，一部分光源进入参考光路，另一部分进入测量光路，均经过反射镜反射回来并在两束激光的汇合处发生拍频干涉，由光电探测器检测出拍频信号，通过Fabry-Pérot(F-P)标准具测量光频扫描范围,再对拍频信号进行信号处理提取到拍频信号相位后，最终获得待测物体的绝对距离信息。FSI绝对距离测量需要同步采集拍频信号和F-P信号两路信号。
在FSI测量中，为了解算出测量距离，需要人为储存采集到的信号文件并转换文件格式，人为找出每个信号文件周期起始点截取完整周期部分的信号。然后在不同软件平台中实现对拍频信号相位的提取并进行距离解算，大大增加了工作量，且测量缺乏实时性。在需要长时间动态测量的目标中，离线测量需要系统长时间连续的高采样率采集两路信号。在后续数据处理程序中，处理时间会成倍增加，且对计算机性能带来挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，解决了无法实时解算绝对距离和连续不间断测量的问题，实现在线测量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，包括以下步骤：
1)通过数据采集模块，以储存单元的采样长度为片段，对拍频信号和F-P信号进行连续不间断的同步采集，得到拍频信号片段和F-P信号片段；
2)将得到的拍频信号片段和F-P信号片段，依次写入数据储存模块中；
3)通过数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段、并释放拍频信号片段和F-P信号片段对应的储存空间，然后依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理，得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段；按照扫频周期分别对所得以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离。
优选地，步骤1)中，储存单元的采样长度通过以下步骤获得：
通过数据采集模块将控制激光器扫频的信号发生器时钟同步至数据采集卡，使可调谐激光器扫描频率和采集卡采样率具有同一时间基准；在同一时间基准下，以整数个的单个扫描周期的数据采样长度LP，作为一个储存单元的采样长度。
进一步优选地，单个扫描周期的数据采样长度LP的计算公式如下：
LP＝fs/f；式中，fs为采集卡采样率，f为激光器扫描频率。
优选地，步骤2)中，按照先入先出的原则，数据处理模块依次读取拍频信号片段和F-P信号片段，然后释放拍频信号片段和F-P信号片段对应的储存空间。
优选地，步骤3)中，以数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段作为循环起点，重复步骤3)，实现循环进行绝对距离的解算和输出。
进一步优选地，步骤3)中，依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理的步骤包括：
1)数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段为循环起点，进行扫频周期起点识别，得到扫频周期起点的位置；2)在得到的扫频周期起点的位置，分别对拍频信号片段和F-P信号片段进行分割，得到本次循环两路信号的前半部分和后半部分，将本次循环两路信号的后半部分写入寄存器中；3)从寄存器中读取上个循环两路信号的后半部分，与本次循环两路信号的前半部分进行拼接，分别得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段。
优选地，分割数据时，以信号中最后一个周期起点为分割点。
优选地，步骤3)中，按照扫频周期分别对所得拍频信号重构片段和F-P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离并输出，具体步骤如下：
按照半周期长度，即LP/2对两路信号片段进行切割，提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，即可输出待测距离；其中，LP为单个扫描周期的数据采样长度。
优选地，通过选择正交锁相的方法提取拍频信号的相位。
进一步优选地，步骤3)中，使用信号处理的方法去除拍频信号的直流分量，增加混频信号中可滤波的频率范围。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法,通过合理设计采集程序，使得上位机可直接解算出绝对距离，大大减小了工作量并且提高了测量系统的实时性。此外，本发明所述适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，可提高系统测量效率。与能够有效避免目前光频扫描绝对距离测量(FSI)采用的是离线的处理方法中，通过采集两路信号，人为进行信号周期起点选择，再进行数据分割，格式转化等等操作，工作量繁琐的缺点。此外，目前的光频扫描绝对距离测量(FSI)不能高效的对动态目标进行测量，光频扫描绝对距离测量(FSI)需要较高的采样率进行双通道同时采样。长时间高采样率会产生大的数据文件，对后续计算机性能提出较高的要求。信号在解算后，储存空间会被释放，因此在线测量系统可以实现测量系统的长时间连续动态测量。
进一步地，通过实时解算并释放对应储存空间，避免数据溢出，能够使系统实现长时间测量。
进一步地，通过信号分割重构，能够避免非整周期数据舍弃，实现连续不间断测量。
进一步地，通过以信号中最后一个周期起点为分割点，以减小占用寄存器空间。
进一步地，通过正交锁相的方法，可大幅度减小运算量，提高计算效率。
进一步地，通过使用信号处理的方法去除拍频信号的直流分量，增加混频信号中可滤波的频谱范围，有利于降低对上述算法中滤波器的品质要求，提高了计算效率。
附图说明
图1为本发明所述适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法的系统工作示意图；
图2为本发明所述适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法的结构框图；
图3为本发明中数据处理模块的流程示意图；
图4为本发明中信号分割的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开了一种适用于光频扫描绝对距离测量(FSI)的在线测量方法，包括以下步骤：
1)通过数据采集模块，以储存单元的采样长度为片段，对拍频信号和F-P信号进行连续不间断的同步采集，得到拍频信号片段和F-P信号片段；
其中，储存单元的采样长度通过以下操作得到：通过数据采集模块将控制激光器扫频的信号发生器时钟同步至数据采集卡，使可调谐激光器扫描频率和采集卡采样率具有同一时间基准；在同一时间基准下，通过计算单个扫描周期的数据采样长度LP，然后确定整数个LP长度的数据，作为一个储存单元的采样长度。
2)将得到的拍频信号片段和F-P信号片段，依次写入数据储存模块中；按照先入先出的原则，数据处理模块依次读取拍频信号片段和F-P信号片段，然后释放拍频信号片段和F-P信号片段对应的储存空间。
3)数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段，依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理，得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段；按照扫频周期分别对所得拍频信号重构片段和F-P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离并输出。
3.1)数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段，进行扫频周期起点识别，得到扫频周期起点的位置；3.2)在得到的扫频周期起点的位置，分别对拍频信号片段和F-P信号片段进行分割，得到本次循环两路信号的前半部分和后半部分，将本次循环两路信号的后半部分写入寄存器中；3.3)从寄存器中读取上个循环两路信号的后半部分，与本次循环两路信号的前半部分进行拼接，分别得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段。3.4)按照扫频周期对重构片段进行切割，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离并输出。
步骤3.4)的具体操作如下：
按照半周期长度，即LP/2对两路信号片段进行切割，提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，即可输出待测距离。
步骤3)中，以数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段作为循环起点，循环进行上述步骤3.1)到步骤3.4)即可实现循环进行绝对距离的解算和输出。
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，为FSI在线测量方法的系统工作示意图。该系统由光源--外腔可调谐半导体激光器(ECDL)，测量光路：迈克尔干涉光路和Fabry-Pérot(F-P)标准具；数据采集卡以及上位机构成。外腔可调谐半导体激光器发出的光在BS1处分为两束，一束光直接进入F-P标准具，光电探测器PD1可以采集到F-P标准具的透射信号，通过透射信号的谐振峰值数量可以反映可调谐激光器光频扫描范围。另一束光则进入迈克尔逊干涉光路，光束在经过分光镜后分别进入到距离不等的参考光路与测量光路中，两束光再经过反射棱镜后在光电探测器PD2处发生干涉，光电探测器探测到的拍频信号片段就具有对应的距离信息。通过对拍频信号片段和F-P信号片段进行对应的处理，即可解算出绝对距离。本发明所述适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法的适用系统无需大量储存空间。
如图2所示，所述适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法的结构框图，其具体内容如下：
1.1数据采集模块；
程序运行时，数据采集模块将控制激光器扫频的信号发生器时钟同步给数据采集卡，以消除两设备间的时钟误差，使可调谐激光器扫描频率和采集卡采样率具有同一时间基准。在同一时间基准下，计算单个扫描周期的数据采样长度LP，然后确定整数个LP长度的数据，作为一个储存单元。数据采集模块将同步采集到的拍频信号和F-P信号，按照一个储存单元的采样长度，得到拍频信号片段和F-P信号片段；不断(循环)的将采集得到的拍频信号片段和F-P信号片段的数据写入数据储存模块中。
其中，在同一时间基准下，计算单个扫描周期的数据采样长度LP，即为采集卡采样率fs除以激光器扫描频率f，即LP＝fs/f。在得到单个扫描周期的数据长度LP后，取整数倍单个扫描周期的数据长度LP,N·LP,N为正整数，记为一个储存单元的数据采样长度。
1.2数据储存模块；
其中，数据储存模块将数据采集模块的拍频信号片段和F-P信号片段，按照先入先出的原则，数据处理模块依次读取数据储存单元的信号片段。并且在数据处理模块读取信号片段后，释放该段数据的储存空间。
1.3数据处理模块；
如图3所示，数据处理模块单元有以下几个部分：
1.3.1信号扫频周期起点的识别：
为了对信号进行分割拼接处理，首先要对信号进行扫频周期起点的识别。因为测量系统的外腔可调谐半导体激光器在光频调制的同时带有周期性的三角波功率调制，因此拍频信号和F-P信号会有幅值调制特性。可以通过信号的周期性三角波功率调制寻找到周期起始点。
优选的，通过检测F-P信号峰值幅度识别扫描周期起点；
1.3.2采集信号的分割和拼接：
数据处理模块每次从数据储存模块读取到的信号，其起点并非激光器扫描周期的起点。直接截取整周期的数据会导致每次循环会舍弃一个周期长度的数据，影响了系统测量的连续性。在本发明中，对数据处理模块中的信号进行截取分割处理。
优选的，在数据处理模块循环中，添加寄存器，将数据处理模块读取到数据中的非整周期部分放置到寄存器中，与下一循环的数据拼接。
步骤1，按照上一部分找到的信号扫描周期起点位置，将从数据储存模块中读取到的信号分割以扫描起始点分为两部分。将后半部分信号放置到数据处理模块中的寄存器。
步骤2，在数据处理模块的第二个循环，按照步骤1同样分割读取到的信号。并读取寄存器中上一循环的后半部分信号，与本次循环的前半部分拼接。
步骤3，将拼接好的信号传递给相位提取模块以及距离解算模块。
优选的，分割数据时，以信号中最后一个周期起点为分割点，以减小占用寄存器空间。
数据处理模块读取到的数据为两路信号，拍频信号和F-P信号。进行采集信号的分割和拼接时，取出拍频信号片段和F-P信号片段。
具体地，采集信号的分割和拼接，包括以下步骤；
1)对一个基本单元的信号进行分割处理。从第n+(N-2)*LP个点分割，将一个基本单元的信号分为1A部分，有n+(N-2)*LP个点，和1B部分，2*LP-n个点。将后半部分放入到数据处理模块的寄存器中。
2)此模块首次循环后，将上次循环的1B部分，与本次分割后的2A进行拼接，顺序为1B-2A。即从第二个循环起，得到了由扫频周期起点开始的N个整周期数据。
1.3.3信号相位提取及距离解算：
每个激光器扫频周期分为扫频上升段和扫频下降段，将整周期的信号输入到信号相位提取模块，通过采集卡的采样率以及激光器的扫频频率信息对信号进行半周期分割。分离信号中的拍频信号以及F-P信号，使用正交锁相的方法提取干涉信号相位，同时使用函数提取F-P信号峰值的位置。用F-P信号截取拍频信号相位，并计算出相应的光频扫描范围，即可求出绝对距离。
优选的，提取拍频信号相位的算法选择正交锁相的方法，使用该方法可大幅度减小运算量，提高计算效率。
优选的，使用信号处理的方法去除拍频信号的直流分量，增加混频信号中可滤波的频谱范围，有利于降低对上述算法中滤波器的品质要求，提高了计算效率。
实施例
本发明公开的适用于光频扫描绝对距离测量(FSI)的在线测量方法，程序大体上分为三个模块，数据采集模块，数据储存模块以及数据处理模块，数据采集模块和数据处理模块分别置于两个不同的循环中，数据储存模块将两个循环连接起来。如图2所示。其中，所述方法对应的测量系统光源--外腔可调谐半导体激光器(ECDL)，测量光路：迈克尔干涉光路和Fabry-Pérot(F-P)标准具；数据采集卡以及上位机构成。
上述适用于光频扫描绝对距离测量(FSI)的在线测量方法基于LabVIEW软件平台实现，该方法包括，程序设计框架以及运行逻辑；程序分为三个主要部分，数据采集模块，数据储存模块以及数据处理模块，数据采集模块和数据处理模块分别置于两个不同的循环中，数据储存模块将两个循环连接起来。所述适用于光频扫描绝对距离测量(FSI)的在线测量方法，具体包括以下步骤：
程序框架及运行逻辑；
程序大体上分为三个模块，数据采集模块，数据储存模块以及数据处理模块，数据采集模块和数据处理模块分别置于两个不同的循环中，数据储存模块将两个循环连接起来。
S1.数据采集模块将信号发生器的时钟同步给采集卡，使其有统一的时间基准。在同一时间基准下，计算单个扫描周期的数据采样长度LP，即为采集卡采样率fs除以激光器扫描频率f，即LP＝fs/f。在得到单个扫描周期的数据长度LP后，取整数倍单个扫描周期的数据长度LP，N·LP，N为正整数，记为一个储存单元的数据采样长度。按照一个储存单元的采样长度，不断循环的将采集的数据写入储存模块中。
S2.数据储存模块将数据采集模块的一个个储存单元的数据，按照时间顺序暂时储存。按照先入先出的原则，数据处理模块依次读取储存单元的数据。并且在数据处理模块读取数据后，释放该段数据的储存空间。
S3.1信号扫频周期起点的识别，通过以下步骤实现：
具体地，信号扫频周期起点的识别，通过以下步骤实现：
步骤1，从信号采集起点开始，截取1.1个周期长度号,，作为识别扫描周期起点的样本数据，样本数据中则必定包含至少一个周期起点。
步骤2，并通过函数提取F-P信号的位置以及脉冲幅度。
步骤3，寻找连续最低幅度的两个F-P脉冲信号，并找出其对应位置。两个位置的中点，即为激光器扫描周期的起点n。
S3.2采集信号的分割和拼接，通过以下步骤实现：
对一个基本单元的信号进行分割处理。从第n+(N-2)*LP个点分割，将一个基本单元的信号分为1A部分，有n+(N-2)*LP个点，和1B部分，2*LP-n个点。将后半部分放入到数据处理模块的寄存器中。
此模块首次循环后，将上次循环的1B部分，与本次分割后的2A进行拼接，顺序为1B-2A。即从第二个循环起，得到了由扫频周期起点开始的整周期数据。
S3.3信号相位提取及绝对距离解算，通过以下步骤实现：
1)将拼接后的信号，从起点开始，按照0.5*LP的长度进行分割。并对拍频信号进行去直流处理。
2)提取F-P信号波峰的位置，并且用正交锁相的方法提取拍频信号的相位以及。
3)用F-P信号截取拍频信号相位，并计算出相应的光频扫描范围，即可求出待测距离。同时，在每个循环中，向外输出计算结果。
因此，在光频扫描干涉测量中，系统实现了对动态目标实现了2M采样率下大于30分钟的连续跟踪测量。
本发明公开的在线测量方法稳定可靠，提高了测量效率，实现了光频扫描绝对距离测量(FSI)系统的在线实时测量。可在不同软件平台是使用该方法，兼容性强。经过实验验证，已经在LabVIEW软件平台上调试运行。本方法成功实现了光频扫描绝对距离测量(FSI)系统的在线实时测量。基于LabVIEW软件平台，设计可视化操作界面。可实时监测光频扫描绝对距离测量(FSI)运行状况，以及被测目标的运动状态。系统存在采集卡板上储存空间以及上位机储存空间，很大程度上避免溢出错误。通过在线采集处理计算FSI系统信号，提高了光频扫描绝对距离测量(FSI)的实时性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过数据采集模块，以储存单元的采样长度为片段，对拍频信号和F-P信号进行连续不间断的同步采集，得到拍频信号片段和F-P信号片段；
2）将得到的拍频信号片段和F-P信号片段，依次写入数据储存模块中；
3）通过数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段、并释放拍频信号片段和F-P信号片段对应的储存空间，然后依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理，得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段；按照扫频周期分别对所得以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离；
步骤1）中，储存单元的采样长度通过以下步骤获得：
通过数据采集模块将控制激光器扫频的信号发生器时钟同步至数据采集卡，使可调谐激光器扫描频率和采集卡采样率具有同一时间基准；在同一时间基准下，以整数个的单个扫描周期的数据采样长度LP，作为一个储存单元的采样长度；
步骤3）中，依次进行扫频周期起点识别、分割重构处理的步骤包括：
1）数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段为循环起点，进行扫频周期起点识别，得到扫频周期起点的位置；2）在得到的扫频周期起点的位置，分别对拍频信号片段和F-P信号片段进行分割，得到本次循环两路信号的前半部分和后半部分，将本次循环两路信号的后半部分写入寄存器中；3）从寄存器中读取上个循环两路信号的后半部分，与本次循环两路信号的前半部分进行拼接，分别得到以扫频周期为起点的拍频信号重构片段和以扫频周期为起点的F-P信号重构片段；
步骤3）中，按照扫频周期分别对所得拍频信号重构片段和F-P信号重构片段进行切割后，分别提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，实时解算出绝对距离并输出，具体步骤如下：
按照半周期长度，即LP/2对两路信号片段进行切割，提取拍频信号的相位和F-P信号峰值的位置，即可输出待测距离；其中，LP为单个扫描周期的数据采样长度。
2.根据权利要求1所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，单个扫描周期的数据采样长度LP的计算公式如下：
LP=fs/f；式中，fs为采集卡采样率，f为激光器扫描频率。
3.根据权利要求1所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，步骤2）中，按照先入先出的原则，数据处理模块依次读取拍频信号片段和F-P信号片段，然后释放拍频信号片段和F-P信号片段对应的储存空间。
4.根据权利要求1所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，步骤3）中，以数据处理模块读取拍频信号片段和F-P信号片段作为循环起点，重复步骤3），实现循环进行绝对距离的解算和输出。
5.根据权利要求1所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，分割数据时，以信号中最后一个周期起点为分割点。
6.根据权利要求1所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，通过选择正交锁相的方法提取拍频信号的相位。
7.根据权利要求6所述的一种适用于光频扫描绝对距离测量的在线测量方法，其特征在于，步骤3）中，使用信号处理的方法去除拍频信号的直流分量，增加混频信号中可滤波的频率范围。
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| CN107270999A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-10-20 | 电子科技大学 | 一种雷达物位计测量电路 |
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| 扫频干涉测距光频率非线性阶次跟踪抑制方法;刘哲;刘志刚;邓忠文;陶龙;;光学学报;第36卷(第1期);全文 * |
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