CN114696899B - 基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法，包括：选定一组微波调制频率，得到对应的相位参考主值；采集各个调制频率下的光载微波干涉信号序列，所述的光载微波干涉信号序列；使用高阶高斯滤波器对采样得到的离散数字序列进行预处理，滤除序列中的噪声和高次谐波；对预处理后的光载微波干涉信号序列进行频谱分析，基于全相位快速傅里叶变换，根据信号的幅度谱和相位谱，提取并计算出在各个调制频率下的由待测距离所引入的相位变化主值；基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值；通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值；依据所得相位变化展开值计算出对应的待测距离。

Description

基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式、高精度且大尺度的距离测量。特别是涉及一种基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法。

背景技术

随着科学研究与工业生产的不断发展，距离测量在航空航天、自动驾驶、生物医学等众多领域中逐渐占有了重要的地位。为满足日益增加的测距需求，若干研究提出了多种基于不同原理的距离测量方法，主流的包括激光法、微波法及微波光子学方法等。以激光干涉测量仪为代表的激光类方法，已被广泛应用于高精度测距场景中。但是，该类方法通常对光源及系统硬件要求严苛，制造难度高，对外界环境要求较高，且大多数的测量范围有限。微波技术常用于各类雷达测量系统中，其制造难度较低、穿透性良好、测量范围大、抗干扰能力较强，但测量精度有限，且不适合应用于点对点测量场景。微波光子学结合了激光和微波的特点及优势，近年来取得了许多新的技术突破和进展，逐渐被应用于许多传感领域。

光载微波干涉技术基于微波光子学原理，通过将光载微波信号进行相干叠加，并分析所得的干涉信号特性来实现对距离等参数的测量。光载微波干涉技术对光源和系统器件要求较低，制造成本低，能够实现分布式传感。在该技术中，光信号作为载波来辅助微波携带信息传播，其信号的远距离传输能力和信号质量都较好，且对波导种类和光偏振形态不敏感。光载微波干涉技术同时具备了激光和微波的诸多特点和优势，是可应用于高精度距离测量的一种理想方法。

光载微波干涉测距方法通过提取信号的相位信息来计算出对应的待测距离。在开展距离测量、特别是远距离测量时，常会遇到相位模糊问题，即所得到的相位主值并不是完整的原始相位值，从而导致对应的距离估计值出现错误。通过采用基于多频外差原理的测量方法，可以有效实现无歧义相位展开，解决相位模糊问题，在保证高测距精度的同时实现大尺度的测距范围。

发明内容

本发明提供一种可以有效实现距离测量，并能够实现高精度和大尺度测量范围的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法。本发明所采用的技术方案是：

一种基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法，所采用的距离测量系统，包括信号发生部分和干涉测量部分，其中，

所述信号发生部分，包括用于提供光信号的激光器，用于提供和传输微波信号的可调频率的射频信号源及其驱动系统、用于实现信号强度调制的电光调制器；由激光器和射频信号源分别提供光波和微波信号，光波和微波信号经电光调制器调制后产生光载微波信号；

所述干涉测量部分，包括分光器，光学耦合器和光电探测器，从电光调制器输出的光载微波信号经分光器后分为测量光路和参考光路；所述测量光路上依次设置有发射端准直透镜和接收端准直透镜，两准直透镜之间的距离即为待测距离；所述测量光路与参考光路汇集于光学耦合器产生光载微波干涉信号，经所述光学耦合器的输出端传输至光电探测器，光电探测器接收到的信号经采样后变为离散数字序列，并被输入计算机中进行后续处理；

距离测量方法，包括如下步骤：

1)选定一组微波调制频率，并对距离测量系统在各个调制频率下的初始数据指标进行标定，得到对应的相位参考主值；

2)采集各个调制频率下的光载微波干涉信号序列，所述的光载微波干涉信号序列，其表达式为：

式中，z₁和z₂分别指测量光路和参考光路的光程；f为射频信号源工作时的调制频率；c为光速；n_eff1、n_eff2分别为测量光路和参考光路中的折射率；W为微波信号传输的电程；A₁、A₂为测量光路和参考光路中的幅值，g为调制深度，M为射频信号源所发出信号的幅值；由于光载微波干涉信号的相位与光程之间存在对应关系，通过解调信号的相位信息来计算待测距离；

3)使用高阶高斯滤波器对采样得到的离散数字序列进行预处理，滤除序列中的噪声和高次谐波；

4)对预处理后的光载微波干涉信号序列进行频谱分析，基于全相位快速傅里叶变换，根据信号的幅度谱和相位谱，提取并计算出在各个调制频率下的由待测距离所引入的相位变化主值；所述的相位变化主值，其值域在[0,2π]范围内，并随待测距离和频率变化而在值域内发生对应变化，形成周期性的相位变化主值函数；所述的相位变化主值与微波频率f及待测距离L之间的关系为：

式中，c为光速；

5)基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值；通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值；所述的基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值，是指利用所选用的一组由低到高的微波调制频率进行多次测量，并将其中任意两种不同频率的相位变化主值函数进行叠加，以合成出若干等效于频率更低的相位变化主值函数的过程；

通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值的方法如下：将所有参与相位展开的频率由低到高依次排序为f₁,f₂,…f_n，各频率对应的相位变化主值为各频率对应的相位变化展开值/>相位展开的过程由如下公式表示：

式中,m_i表示各频率下对应的相位模糊级数；

首先计算最低频率f₁下的相位变化展开值随后由低到高依次迭代计算出其余各频率f_i(i＝2,3,…n)下对应的相位模糊级数m_i及相位变化展开值/>其中相位模糊级数的计算公式为：

6)依据所得相位变化展开值计算出对应的待测距离：

式中，f_n和为最高频率及其对应的相位变化展开值。

进一步地，所述的激光器为放大自辐射式激光器。

进一步地，所述电光调制器接入一个偏置电压控制模块，以使其稳定于最佳工作点；

进一步地，所述的驱动系统用于通过反馈控制实现自动调节增益，在不同的调制频率下保持稳定的微波信号输出。

本发明的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法，使用微波和光波经电光调制器后产生光载微波信号，分别在测量光路和参考光路中传输后发生相干叠加，通过对干涉信号进行采样和处理来计算待测距离；提出基于高斯滤波器的信号预处理方法，能够有效去除数据中存在的噪声和高次谐波；使用基于全相位快速傅里叶算法的频谱分析过程，根据信号的幅度谱和相位谱，计算并提取出其中的相位主值信息；提出一种基于多频外差原理的相位展开方案，通过对在不同调制频率下所得相位变化主值进行叠加和组合，求得各频率下的相位模糊级数，以实现无歧义相位展开；最终能够在较窄带宽条件下实现高精度和大尺度的距离测量，且生产制造难度和成本显著降低，测量信号质量好，具有较好的抗干扰能力和测量重复性。

附图说明

图1是是本发明基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统的结构示意图；

图2是本发明开展距离测量的流程图；

图3是本发明中全相位快速傅里叶频谱分析的流程示意图；

图4是本发明中的相位展开方案的流程图；

图5是本发明中的电光调制器驱动系统的结构框图；

图6是本发明中基于多频外差原理合成相位变化主值函数的示意图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统，包括包括信号发生部分、干涉测量部分及信号采样部分。所述信号发生部分中有用于提供光信号的宽带光源，用于提供和传输微波信号的射频信号源及驱动系统，用于实现信号强度调制的电光调制器；所述电光调制器接入了一个偏置电压控制模块，以使其稳定于最佳工作点；所述干涉测量部分中，从电光调制器输出的光载微波信号经分光器后分为测量光路和参考光路，其分光比为99:1；所述测量光路上依次设置了发射端准直透镜和接收端准直透镜，所述两准直透镜之间的距离即为待测距离；所述测量光路与参考光路汇集于耦合器产生光载微波干涉信号，经所述耦合器的输出端传输至光电探测器；所述信号采样部分中，光载微波干涉信号经放大器后被模拟-数字采集模块采样为离散数字信号序列，所述模拟-数字采集模块的输出端连接至计算机进行后续数据处理。

如图2，图3和图4所示，本发明的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)设置系统中相关的测量参数，选定一组合适的微波调制频率，并对系统在各个调制频率下的初始数据指标进行标定，得到对应的相位参考主值；所述的微波调制频率中，是根据实际测量中所要求达到的测量范围、测量精度，并综合考虑射频信号源的性能指标和最佳工作频段来确定的；所述的相位参考主值，其值域范围为[0,2π]。

2)移动接收端的准直透镜至待测位置并完成固定，依次采集所有调制频率下的光载微波干涉信号序列，包括：

(2.1)打开宽带光源和射频信号源，将需通电器件连接电源，包括电光调制器、驱动系统、偏置电压控制模块、放大器、模拟-数字采集模块和计算机，确认系统中各器件的工作状态正常；所述驱动系统的结构框图如图5所示，整体包括：信号发生电路，一级放大电路，可调衰减电路，二级放大电路，检波电路，MCU主控电路，供电电路；所述驱动系统通过反馈控制实现了自动调节增益的功能，控制精度高，能够在不同的调制频率下保持稳定的微波信号输出；

(2.2)移动接收端的准直透镜至待测位置，微调发射端及接收端准直透镜的位置和角度使两者准直，将发射端及接收端准直透镜固定；

(2.3)开始测量，调整射频信号源的工作参数，使其处于选定的微波调制频率组中的第一个频率(通常起始于最低频率)；

(2.4)通过模拟-数字采集模块将高速光电探测器输出的光载微波干涉信号采样为离散数字序列，将序列经放大后输入并存储于计算机中以备后续处理。所述的光载微波干涉信号，其表达式为：

式中，z₁和z₂分别指测量光路和参考光路的光程；f为射频信号源工作时的调制频率；c为光速；n_eff1、n_eff2分别为测量光路和参考光路中的折射率；W为微波信号在系统中传输的电程；A₁、A₂为测量光路和参考光路中的幅值，g为调制深度，M为微波源所发出信号的幅值；从式中可以看出，光载微波干涉信号的相位与光程之间存在对应关系，因此可以通过解调信号的相位信息来计算待测距离。

(2.5)调整射频信号源的工作参数，依次提高其微波调制频率，采集并存储好在所有调制频率下对应的光载微波干涉信号序列。

3)使用高阶高斯滤波器对采样得到的信号序列进行预处理，滤除序列中的噪声和高次谐波；所述的滤波器采用窗函数法进行设计，其通带范围、滤波阶数、截止频率均可依据具体测量要求及条件灵活调整。所述滤波器的阶数越高，滤波器衰减效果越理想，但信号处理时间也会相应延长。

4)对预处理后的序列进行频谱分析，根据信号的幅度谱和相位谱，提取并计算出在各个调制频率下的由待测距离所引入的相位变化主值；所述的频谱分析过程，是使用全相位快速傅里叶分析算法对信号在频域内进行分析，其流程示意图如图3所示。相较于传统傅里叶分析算法，所述的全相位快速傅里叶变换算法中增加了一个窗函数卷积的预处理流程，增加了一项全相位数据预处理流程，包括序列截断、循环移位对齐、数据叠加等步骤，能够考虑到离散信号序列截断时的所有排列情况。所述全相位快速傅里叶分析中，其幅度谱是传统傅里叶分析的幅度谱的平方，显著抑制了频谱泄露现象，其相位谱具有水平相位特性，能够真实反映出原信号的初相位，具有较大的实际应用价值。所述的频谱分析和相位提取方法对信号采样要求低，具有良好的抗噪声能力和较大的工程应用意义。

所述的相位变化主值，其值域应全部统一至[0,2π]范围内，并将随待测距离或频率变化而在值域内发生对应变化，形成周期性的相位变化主值函数；所述的相位变化主值与微波频率f及待测距离L之间的关系为：

式中，c为光速。

5)基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值，结合设计的相位展开流程，无歧义恢复出完整的相位变化展开值；基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值，是指利用所选用的一组由低到高的微波调制频率进行多次测量，并将其中任意两种不同频率的相位变化主值函数进行叠加，以合成出若干等效于频率更低的相位变化主值函数的过程，其原理示意图如图6所述。依据多频外差原理，能够使信号源在较窄带宽内实现较大的频率调整范围，有利于优化系统测量性能，在维持高测量精度的同时拥有可灵活调节的测量范围。具体可以参见文献：李中伟.基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D].华中科技大学,2009.多频外差的具体过程为：

假定在微波调制频率f_a和f_b下的相位变化主值函数分别为：

基于多频外差原理，可以合成出等效于频率为f_L-syn＝f_a-f_b下的相位变化主值函数，其具体过程为：

所述的相位展开流程，是指按特定流程对从获取的相位变化主值进行无歧义相位展开；进行相位展开时，将所有参与相位展开的频率由低到高依次排序为f₁,f₂,…f_n，各频率对应的相位变化主值为各频率对应的相位变化展开值/>相位展开过程可由如下公式表示：

式中,m_i表示各频率下对应的相位模糊级数，

所述的相位展开流程中，首先计算最低频率f₁下的相为变化展开值规定其对应的相位模糊级数为m₁＝0，故有/>随后，由低到高依次迭代计算出其余各频率f_i(i＝2,3,…n)下对应的相位模糊级数m_i及相位变化展开值/>其中相位模糊级数的计算公式为

6)依据得到的相位展开值计算出对应的待测距离；其距离计算公式为：

式中，f_n和为最高频率及其对应的相位变化展开值。考虑到计算效率及测量精度等因素，在所述计算待测距离的过程中，仅以最高频率f_n下的相位变化展开值/>来计算测距结果，其余频率下所得信息仅在相位展开过程中用于迭代模糊级数，而不参与最终结果计算，以此消除低频下相位误差所导致的较大测距误差。

Claims (4)

1.一种基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法，所采用的距离测量系统，包括信号发生部分和干涉测量部分，其中，

所述信号发生部分，包括用于提供光信号的激光器，用于提供和传输微波信号的可调频率的射频信号源及其驱动系统、用于实现信号强度调制的电光调制器；由激光器和射频信号源分别提供光波和微波信号，光波和微波信号经电光调制器调制后产生光载微波信号；

所述干涉测量部分，包括分光器，光学耦合器和光电探测器，从电光调制器输出的光载微波信号经分光器后分为测量光路和参考光路；所述测量光路上依次设置有发射端准直透镜和接收端准直透镜，两准直透镜之间的距离即为待测距离；所述测量光路与参考光路汇集于光学耦合器产生光载微波干涉信号，经所述光学耦合器的输出端传输至光电探测器，光电探测器接收到的信号经采样后变为离散数字序列，并被输入计算机中进行后续处理；

距离测量方法，包括如下步骤：

1)选定一组微波调制频率，并对距离测量系统在各个调制频率下的初始数据指标进行标定，得到对应的相位参考主值；

2)采集各个调制频率下的光载微波干涉信号序列，所述的光载微波干涉信号序列，其表达式为：

式中，z₁和z₂分别指测量光路和参考光路的光程；f为射频信号源工作时的调制频率；c为光速；n_eff1、n_eff2分别为测量光路和参考光路中的折射率；W为微波信号传输的电程；A₁、A₂为测量光路和参考光路中的幅值，g为调制深度，M为射频信号源所发出信号的幅值；由于光载微波干涉信号的相位与光程之间存在对应关系，通过解调信号的相位信息来计算待测距离；

3)使用高阶高斯滤波器对采样得到的离散数字序列进行预处理，滤除序列中的噪声和高次谐波；

4)对预处理后的光载微波干涉信号序列进行频谱分析，基于全相位快速傅里叶变换，根据信号的幅度谱和相位谱，提取并计算出在各个调制频率下的由待测距离所引入的相位变化主值；所述的相位变化主值，其值域在[0,2π]范围内，并随待测距离和频率变化而在值域内发生对应变化，形成周期性的相位变化主值函数；所述的相位变化主值与微波频率f及待测距离L之间的关系为：

式中，c为光速；

5)基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值；通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值；所述的基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值，是指利用所选用的一组由低到高的微波调制频率进行多次测量，并将其中任意两种不同频率的相位变化主值函数进行叠加，以合成出若干等效于频率更低的相位变化主值函数的过程；

通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值的方法如下：将所有参与相位展开的频率由低到高依次排序为f₁,f₂,…f_n，各频率对应的相位变化主值为各频率对应的相位变化展开值/>相位展开的过程由如下公式表示：

式中,m_i表示各频率下对应的相位模糊级数；

首先计算最低频率f₁下的相位变化展开值随后由低到高依次迭代计算出其余各频率f_i，i＝1,2,…n，下对应的相位模糊级数m_i及相位变化展开值/>其中相位模糊级数的计算公式为：

6)依据所得相位变化展开值计算出对应的待测距离：

式中，f_n和为最高频率及其对应的相位变化展开值。

2.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述的激光器为放大自辐射式激光器。

3.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述电光调制器接入一个偏置电压控制模块，以使其稳定于最佳工作点。

4.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述的驱动系统用于通过反馈控制实现自动调节增益，在不同的调制频率下保持稳定的微波信号输出。