CN115327514B - 一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统及测量方法，其中测量干涉仪光路部分主要应用于目标绝对距离解算与目标相对运动轨迹测量、辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相对频率坐标，辅助干涉仪2光路部分提供声光频移干涉信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调，气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1的群延迟；本发明具有结构简单、非线性校正效果良好、能够实现动态目标实时轨迹追踪，抗噪能力更强，短辅助干涉仪无需高采样率，基本不受色散失配和环境变化的影响，可在线溯源等优势。
Description
技术领域
本发明基于FMCW激光雷达动态测量以及非线性校正(调频非线性与多普勒效应)技术领域，具体地，涉及一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统及测量方法。
背景技术
扫频干涉测量具有低发射功率、无测距模糊等优点，在无需导轨与合作目标配合下能够实现高分辨率、高精度测量，因而在高精度绝对距离测量等应用中获得了广泛应用，如调频连续波雷达(FMCW)、光频域反射计(OFDR)、光学相干断层扫描(OCT)等领域。其技术思想源于微波雷达，利用发射扫频光与被测目标反射的扫频光之间因时间差而产生的频率差来确定目标距离，依据频域特征反映目标的距离参数。为确保能够通过频域特征准确确定目标距离信息，需要高速有效的解决测量系统中存在的三种非线性(调频激光器的调频非线性、目标运动引入的多普勒效应、光纤—自由空间的色散失配)导致测量能力下降的问题；
现有主要方法分为硬件方法、软件方法，硬件方法如利用双扫频激光器进行不同方向的扫描或使用一台激光器进行三角波扫频，虽然上述方案能够抑制三种非线性对测量影响，但是前者将导致系统成本翻倍，而后者将无法完成对快速运动目标的有效测距补偿；有学者提出利用光电锁相环直接对光学扫频非线性进行消除，该方案能够提高测量回光的信噪比，但是方案复杂、实现难度大，无法对激光器实现全调频范围的非线性校正。软件方法如比相法，该方法虽然结构简单，容易实现，但由于该方案利用相位关系实现目标绝对距离测量，更容易受到目标表面粗糙度的影响；如利用辅助干涉仪重采样方法，该方法受限于采样定理必须采用长辅助干涉仪，而过长的辅助干涉仪不仅会加重采集压力，而且会使测量系统对环境变化更加敏感。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统及测量方法；利用声光频移信号对短辅助干涉仪进行相位解调，通过时频变换实现对测量干涉仪扫频非线性的校正，最后利用非均匀傅里叶变换等频谱分析手段对经时频变换后的测量干涉仪信号进行处理，同时获得目标的绝对距离信息与相对运动轨迹。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统，所述系统包括：气室光路、测量干涉仪、辅助干涉仪1和辅助干涉仪2；
所述测量干涉仪包括共用光路的测距干涉仪与测振干涉仪；
所述测量干涉仪光路用于目标绝对距离解算与目标相对运动轨迹测量、辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相对频率坐标，辅助干涉仪2光路部分提供声光频移干涉信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调，气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1的群延迟
进一步地，所述气室光路包括扫频光源、保偏隔离器1、耦合器6、气室和探测器3；
从扫频激光器输出的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比为99：1的耦合器6，其中1％的扫频光进入气体吸收室，由探测器3接收由气体吸收室输出的信号；
99％的扫频光进入耦合器7，作为测距干涉仪和辅助干涉仪1的光源。
进一步地，所述测距干涉仪包括耦合器7、耦合器4、耦合器1、探测器1、波分复用1、波分复用2、耦合器8、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从扫频激光器出射的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比99：1的耦合器6，99％的光束经过分光比为95：5的耦合器7，
95％的扫频光作为测量光进入测距干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测距干涉仪的参考臂；
通过参考臂的光束进入分光比为50：50的耦合器4，其中一路50％的光束进入耦合器1；另一路50％的光束进入分光比为50：50耦合器3；
通过测量臂的光束先经过波分复用2后进入分光比为95：5的耦合器8，95％的光束进入环形器1，经过环形器后由聚焦镜组汇聚至目标表面，经目标表面反射的回光经过环形器，进入波分复用1，通过波分复用1后，测量光进入分光比50：50的耦合器1；
最终，由探测器1接收测距干涉仪的测量光与参考光的干涉信号；
所述测振干涉仪包括单频光源、保偏隔离器2、耦合器9、耦合器11、波分复用1、耦合器2、探测器2、环形器2、声光调制器、波分复用2、耦合器8、环形器3、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从单频激光器输出的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比为95：5的耦合器9，
95％的扫频光作为测量光进入测振干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测振干涉仪的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用，经分光比为95：5的耦合器8，95％的光束经过环形器1、由聚焦镜组聚焦到目标表面，经目标表面反射回到聚焦镜组；再通过环形器1、波分复用1，进入分光比为50：50的耦合器2；
参考光经分光比为50：50的耦合器11，其中一路50％的光束进入分光比为50：50的耦合器2，另一路50％的光束进入耦合器10；
最终，由平衡探测器2接收测振干涉仪测量光与参考光的干涉信号。
进一步地，所述辅助干涉仪1包括耦合器7、耦合器4、耦合器3、耦合器5、环形器2、环形器3和平衡探测器4；
耦合器3接收耦合器4传输的扫频光，50％的扫频光作为测量光进入辅助干涉仪1的测量臂，另外50％的扫频光作为参考光进入辅助干涉仪1的参考臂；
其中测量光直接进入分光比50：50的耦合器5，参考光经过环形器2、声光调制器和环形器3进入分光比50：50的耦合器5；
最终由平衡探测器4接收辅助干涉仪1测量光与参考光的干涉信号；
所述辅助干涉仪2包括单频激光器、保偏隔离器2、耦合器9、环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用2、耦合器8、波分复用3、耦合器10、耦合器11和平衡探测器5；
从单频激光器出射的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比95：5的耦合器9，其中95％的单频光作为测量光进入辅助干涉仪2的测量臂，5％的单频光作为参考光进入辅助干涉仪2的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2和波分复用2，在分光比95：5的耦合器8处，5％的输出光束通过波分复用3，输入到分光比为50：50的耦合器10；
参考光经过分光比50：50的耦合器11，其中一路50％的输出光束到达分光比为50：50的耦合器10；
最后，由平衡探测器5接收辅助干涉仪2测量光与参考光的干涉信号。
进一步地，所述系统还包括数据采集卡；
所述数据采集卡对平衡探测器1、2、3、4、5的信号同步采样和模数转换，最终在上位机进行数据处理和分析。
一种基于相位传递的扫频干涉动态测量方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，同步采集测距干涉仪、测振干涉仪、辅助干涉仪1、辅助干涉仪2和气室信号；
步骤2，利用辅助干涉仪1和气室信号，基于在线气室标定方法实现对辅助干涉仪1的Lf进行标定；
步骤3，对辅助干涉仪2信号
进行Hilbert变换生成一组正交基
令其分别与辅助干涉仪1信号
与测振干涉仪信号sv(n)进行混频并低通滤波，分别对
和srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹对滤波后的两信号进行相位解调，得到辅助干涉仪1相位
与测振干涉仪相位
步骤4，将步骤3解调的辅助干涉仪1相位
作为新采样坐标，按照采样顺序逐一替换时域坐标；利用三次样条插值等方法可将测距干涉仪信号与测振干涉仪相位的非均匀相位采样转换为均匀相位采样；
此时，重构后的测距干涉仪信号
的非线性效应已经得到了消除；
步骤5，利用步骤四得到的重构后的测振干涉仪相位
生成新的多普勒效应补偿项
对测距干涉仪信号中的多普勒效应进行消除；
步骤6，利用测距干涉仪中的色散失配系数为常数这一特点，先根据实验参数设定色散失配系数的初值，通过调焦清晰度评价函数C(p)，对不同色散失配系数p下的校正结果进行评价；
当调焦清晰度评价函数达到峰值点时，此时色散失配校正效果最佳；
步骤7，对经过非线性校正后的测距干涉仪信号进行谱分析得到测距干涉仪信号频率，利用色散标定结果，将测距干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离；
步骤8，根据测距干涉仪的测距结果与测振干涉仪的测振结果，实现对被测目标实时运动的跟踪测量。
进一步地，调频非线性具体方法为：
对辅助干涉仪2信号进行Hilbert变换，获得用于解调辅助干涉仪1信号相位的正交基，该正交基
包含声光调制器频移信息；
其中，
为正交基的实部和虚部，fAOM为声光频移；
利用上述产生的正交基分别与辅助干涉仪1信号
进行混频、低通滤波，获得用于辅助干涉仪1正交解调的正交基
该正交基
包含辅助干涉仪1信号相位
其中fg(n)为包含光纤色散的调频函数，Rf为辅助干涉仪1的臂长差，c为光速；
将上述得到的正交基
进行反正切解调、相位解包裹，可得到辅助干涉仪1的相位
将辅助干涉仪1信号相位
作为测距干涉仪信号sm(n)的新坐标；
此时可利用三次样条插值等方法构造等相位采样的测距干涉仪信号
其中，Rmf为测量干涉仪光纤臂长差，Rm0为目标在自由空间中的距离，ΔRm(t)为目标的振动，fair(n)为包含空气色散的调频函数，f0为调频激光器初始光频，Lf为气室标定结果，
为辅助干涉仪提供的相频坐标，
为等相位采样下的采样间隔，
为调频激光器初始光频对应的光纤折射率，df为调频波段内的光纤色散系数；
如公式(6)所示，此时信号中的调频非线性对测量的影响已经得到了消除。
进一步地，根据多普勒效应对测量的影响进行消除，利用辅助干涉仪2进行Hilbert变换产生的正交基
生成包含测振干涉仪相位的正交基srv(n)、siv(n)：
对上述两正交基srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹，得到测振相位
并构造多普勒效应补偿项：
利用
作为新的横坐标，对多普勒效应补偿项进行三次样条插值等方法，生成横坐标为等间隔相位的多普勒效应补偿项
此时可利用如下公式消除
中的多普勒效应：
进一步地，根据色散失配对测量的影响进行消除，
中的色散失配项为二次项，并且二次项系数为常数，首先根据已知实验参数，设定色散失配补偿项
然后根据公式(11)中的二次项系数，选取步长，生成一系列色散补偿项
p为选取的色散二次项常数，对公式(10)进行色散补偿：
公式(12)为经过以p为色散二次项常数补偿后的测量干涉仪信号；选取调焦清晰度评价函数s′m(p)对色散失配补偿后的效果进行评估，可给出最佳色散补偿项：
当C(p)取最大值时，此时的色散补偿项能够最大程度的消除测距干涉仪中色散失配对测量的影响。
进一步地，所述气室采用HCN气室，提供的气体吸收峰对应K个绝对光频值Δf(m)与对应的K个采样m，同时根据K个采样m确定辅助干涉仪1信号的K个相位
利用辅助干涉仪1信号的光频与相位的关系，对辅助干涉仪1信号的光程Lf进行求解：
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明有益效果
1.本发明利用短辅助干涉仪就可实现整个校正过程，缓解了系统采集压力，无色散失配影响，为实现系统便携化提供可能。
2.利用气室对辅助干涉仪群延迟进行在线标定，将为系统提供更高精度的在线测量基准。
3.结合目标运动测量有效抑制多普勒影响，以实现系统对目标绝对运动轨迹的测量。
相比于现有方法，本发明具有结构简单、非线性校正效果良好、能够实现动态目标实时轨迹追踪，抗噪能力更强，短辅助干涉仪无需高采样率，基本不受色散失配和环境变化的影响，可在线溯源等优势。
附图说明
图1为本发明的光路示意图；
图2为辅助干涉仪群延迟标定方案；
图3为补偿前后信噪比对比图，其中(a)补偿前的信噪比，(b)调频非线性校正的信噪比，(c)完全校正后的信噪比。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为了弥补传统非线性校正方案存在的缺陷，本发明首先由声光调制器和希尔伯特变换构造出两路标准正交信号，然后基于正交解调对测振干涉仪与辅助干涉仪信号相位进行高精度提取，同时通过气体吸收室标定出辅助干涉仪光程差，从而获得高精度的光源瞬时频率变化量，将其传递至同光源的测量干涉仪信号，在光频域重建测量干涉仪信号，利用测振干涉仪相位，消除光频域测量干涉信号中的多普勒效应，经过以上处理，FMCW激光雷达信号非线性得以完全校正。
一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统：
所述系统包括：气室光路、测量干涉仪、辅助干涉仪1和辅助干涉仪2；
所述测量干涉仪包括共用光路的测距干涉仪与测振干涉仪；
所述测量干涉仪(测距干涉仪与测振干涉仪部分共光路)光路部分主要用于目标绝对距离解算与目标相对运动轨迹测量、辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相对频率坐标，辅助干涉仪2光路部分提供声光频移干涉信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调，气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1的群延迟
所述气室光路包括扫频光源、保偏隔离器1、耦合器6、气室和探测器3；
从扫频激光器输出的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比为99：1的耦合器6，其中1％的扫频光进入气体吸收室，由探测器3接收由气体吸收室输出的信号；
99％的扫频光进入耦合器7，作为测距干涉仪和辅助干涉仪1的光源。
所述测距干涉仪包括耦合器7、耦合器4、耦合器1、探测器1、波分复用1、波分复用2、耦合器8、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从扫频激光器出射的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比99：1的耦合器6，99％的光束经过分光比为95：5的耦合器7，
95％的扫频光作为测量光进入测距干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测距干涉仪的参考臂；
通过参考臂的光束进入分光比为50：50的耦合器4，其中一路50％的光束进入耦合器1；另一路50％的光束进入分光比为50：50耦合器3；
通过测量臂的光束先经过波分复用2后进入分光比为95：5的耦合器8，95％的光束进入环形器1，经过环形器后由聚焦镜组汇聚至目标表面，经目标表面反射的回光经过环形器，进入波分复用1，通过波分复用1后，测量光进入分光比50：50的耦合器1；
最终，由探测器1接收测距干涉仪的测量光与参考光的干涉信号；
所述测振干涉仪包括单频光源、保偏隔离器2、耦合器9、耦合器11、波分复用1、耦合器2、探测器2、环形器2、声光调制器、波分复用2、耦合器8、环形器3、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从单频激光器输出的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比为95：5的耦合器9，
95％的扫频光作为测量光进入测振干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测振干涉仪的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用，经分光比为95：5的耦合器8，95％的光束经过环形器1、由聚焦镜组聚焦到目标表面，经目标表面反射回到聚焦镜组；再通过环形器1、波分复用1，进入分光比为50：50的耦合器2；
参考光经分光比为50：50的耦合器11，其中一路50％的光束进入分光比为50：50的耦合器2，另一路50％的光束进入耦合器10；
最终，由平衡探测器2接收测振干涉仪测量光与参考光的干涉信号。
所述辅助干涉仪1包括耦合器7、耦合器4、耦合器3、耦合器5、环形器2、环形器3和平衡探测器4；
耦合器3接收耦合器4传输的扫频光，50％的扫频光作为测量光进入辅助干涉仪1的测量臂，另外50％的扫频光作为参考光进入辅助干涉仪1的参考臂；
其中测量光直接进入分光比50：50的耦合器5，参考光经过环形器2、声光调制器和环形器3进入分光比50：50的耦合器5；
最终由平衡探测器4接收辅助干涉仪1测量光与参考光的干涉信号；
所述辅助干涉仪2包括单频激光器、保偏隔离器2、耦合器9、环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用2、耦合器8、波分复用3、耦合器10、耦合器11和平衡探测器5；
从单频激光器出射的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比95：5的耦合器9，其中95％的单频光作为测量光进入辅助干涉仪2的测量臂，5％的单频光作为参考光进入辅助干涉仪2的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2和波分复用2，在分光比95：5的耦合器8处，5％的输出光束通过波分复用3，输入到分光比为50：50的耦合器10；
参考光经过分光比50：50的耦合器11，其中一路50％的输出光束到达分光比为50：50的耦合器10；
最后，由平衡探测器5接收辅助干涉仪2测量光与参考光的干涉信号。
所述系统还包括数据采集卡；
所述数据采集卡对平衡探测器1、2、3、4、5的信号同步采样和模数转换，最终在上位机进行数据处理和分析。
一种基于相位传递的扫频干涉动态测量方法：所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，通过图1所示光路同步采集测距干涉仪、测振干涉仪、辅助干涉仪1、辅助干涉仪2和气室信号；
步骤2，利用辅助干涉仪1和气室信号，基于在线气室标定方法实现对辅助干涉仪1的Lf进行标定；
步骤3，对辅助干涉仪2信号
进行Hilbert变换生成一组正交基
令其分别与辅助干涉仪1信号
与测振干涉仪信号sv(n)进行混频并低通滤波，分别对
和srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹对滤波后的两信号进行相位解调，得到辅助干涉仪1相位
与测振干涉仪相位
步骤4，将步骤3解调的辅助干涉仪1相位
作为新采样坐标，按照采样顺序逐一替换时域坐标；利用三次样条插值等方法可将测距干涉仪信号与测振干涉仪相位的非均匀相位采样转换为均匀相位采样；
此时，重构后的测距干涉仪信号
的非线性效应已经得到了消除；
步骤5，利用步骤四得到的重构后的测振干涉仪相位
生成新的多普勒效应补偿项
对测距干涉仪信号中的多普勒效应进行消除；
步骤6，利用测距干涉仪中的色散失配系数为常数这一特点，先根据实验参数设定色散失配系数的初值，通过调焦清晰度评价函数C(p)，对不同色散失配系数p下的校正结果进行评价；
当调焦清晰度评价函数达到峰值点时，此时色散失配校正效果最佳；
步骤7，对经过非线性校正后的测距干涉仪信号进行谱分析得到测距干涉仪信号频率，利用色散标定结果，将测距干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离；
步骤8，根据测距干涉仪的测距结果与测振干涉仪的测振结果，实现对被测目标实时运动的跟踪测量。
调频非线性具体方法为：
对辅助干涉仪2信号进行Hilbert变换，获得用于解调辅助干涉仪1信号相位的正交基，该正交基
包含声光调制器频移信息；
其中，
为正交基的实部和虚部，fAOM为声光频移；
利用上述产生的正交基分别与辅助干涉仪1信号
进行混频、低通滤波，获得用于辅助干涉仪1正交解调的正交基
该正交基
包含辅助干涉仪1信号相位
其中fg(n)为包含光纤色散的调频函数，Rf为辅助干涉仪1的臂长差，c为光速；
将上述得到的正交基
进行反正切解调、相位解包裹，可得到辅助干涉仪1的相位
将辅助干涉仪1信号相位
作为测距干涉仪信号sm(n)的新坐标；
此时可利用三次样条插值等方法构造等相位采样的测距干涉仪信号
其中，Rmf为测量干涉仪光纤臂长差，Rm0为目标在自由空间中的距离，ΔRm(t)为目标的振动，fair(n)为包含空气色散的调频函数，f0为调频激光器初始光频，Lf为气室标定结果，
为辅助干涉仪提供的相频坐标，
为等相位采样下的采样间隔，
为调频激光器初始光频对应的光纤折射率，df为调频波段内的光纤色散系数；
如公式(6)所示，此时信号中的调频非线性对测量的影响已经得到了消除。
根据多普勒效应对测量的影响进行消除，利用辅助干涉仪2进行Hilbert变换产生的正交基
生成包含测振干涉仪相位的正交基srv(n)、siv(n)：
对上述两正交基srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹，得到测振相位
并构造多普勒效应补偿项：
利用
作为新的横坐标，对多普勒效应补偿项进行三次样条插值等方法，生成横坐标为等间隔相位的多普勒效应补偿项
此时可利用如下公式消除
中的多普勒效应：
根据色散失配对测量的影响进行消除，
中的色散失配项为二次项，并且二次项系数为常数，首先根据已知实验参数，设定色散失配补偿项
然后根据公式(11)中的二次项系数，选取步长，生成一系列色散补偿项
p为选取的色散二次项常数，对公式(10)进行色散补偿：
公式(12)为经过以p为色散二次项常数补偿后的测量干涉仪信号；选取调焦清晰度评价函数s′m(p)对色散失配补偿后的效果进行评估，可给出最佳色散补偿项：
当C(p)取最大值时，此时的色散补偿项能够最大程度的消除测距干涉仪中色散失配对测量的影响。
所述气室采用HCN气室，提供1525nm～1565nm波长范围中的气体吸收峰对应K个绝对光频值Δf(m)与对应的K个采样m，同时根据K个采样m确定辅助干涉仪1信号的K个相位
如图2所示；利用辅助干涉仪1信号的光频与相位的关系，对辅助干涉仪1信号的光程Lf进行求解：
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double datarate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambusRAM，DR RAM)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，SSD))等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统及测量方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于相位传递的扫频干涉动态测量系统的动态测量方法，其特征在于：
所述系统包括：气室光路、测量干涉仪、辅助干涉仪1和辅助干涉仪2；
所述测量干涉仪包括共用光路的测距干涉仪与测振干涉仪；
所述测量干涉仪光路用于目标绝对距离解算与目标相对运动轨迹测量、辅助干涉仪1光路用于提供调频非线性校正的相对频率坐标，辅助干涉仪2光路部分提供声光频移干涉信号用以实施对辅助干涉仪1信号的相位解调，气室光路部分用于在线标定辅助干涉仪1的群延迟
Rf为辅助干涉仪1的臂长差，
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，同步采集测距干涉仪、测振干涉仪、辅助干涉仪1、辅助干涉仪2和气室信号；
步骤2，利用辅助干涉仪1和气室信号，基于在线气室标定方法实现对辅助干涉仪1的Lf进行标定；所述Lf为辅助干涉仪1信号的光程；
步骤3，对辅助干涉仪2信号
进行Hilbert变换生成一组正交基
令其分别与辅助干涉仪1信号
与测振干涉仪信号sv(n)进行混频并低通滤波，分别对
和srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹对滤波后的两信号进行相位解调，得到辅助干涉仪1相位
与测振干涉仪相位
步骤4，将步骤3解调的辅助干涉仪1相位
作为新采样坐标，按照采样顺序逐一替换时域坐标；利用三次样条插值方法可将测距干涉仪信号与测振干涉仪相位的非均匀相位采样转换为均匀相位采样；
此时，重构后的测距干涉仪信号
的非线性效应已经得到了消除；
步骤5，利用步骤四得到的重构后的测振干涉仪相位
生成新的多普勒效应补偿项
对测距干涉仪信号中的多普勒效应进行消除；
步骤6，利用测距干涉仪中的色散失配系数为常数这一特点，先根据实验参数设定色散失配系数的初值，通过调焦清晰度评价函数C(p)，对不同色散失配系数p下的校正结果进行评价；
当调焦清晰度评价函数达到峰值点时，此时色散失配校正效果最佳；
步骤7，对经过非线性校正后的测距干涉仪信号进行谱分析得到测距干涉仪信号频率，利用色散标定结果，将测距干涉仪信号频率转换为目标的绝对距离；
步骤8，根据测距干涉仪的测距结果与测振干涉仪的测振结果，实现对被测目标实时运动的跟踪测量。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述气室光路包括扫频光源、保偏隔离器1、耦合器6、气室和探测器3；
从扫频激光器输出的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比为99：1的耦合器6，其中1％的扫频光进入气体吸收室，由探测器3接收由气体吸收室输出的信号；
99％的扫频光进入耦合器7，作为测距干涉仪和辅助干涉仪1的光源。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：
所述测距干涉仪包括耦合器7、耦合器4、耦合器1、探测器1、波分复用1、波分复用2、耦合器8、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从扫频激光器出射的扫频光经过保偏隔离器1，输入到分光比99：1的耦合器6，99％的光束经过分光比为95：5的耦合器7，
95％的扫频光作为测量光进入测距干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测距干涉仪的参考臂；
通过参考臂的光束进入分光比为50：50的耦合器4，其中一路50％的光束进入耦合器1；另一路50％的光束进入分光比为50：50耦合器3；
通过测量臂的光束先经过波分复用2后进入分光比为95：5的耦合器8，95％的光束进入环形器1，经过环形器后由聚焦镜组汇聚至目标表面，经目标表面反射的回光经过环形器，进入波分复用1，通过波分复用1后，测量光进入分光比50：50的耦合器1；
最终，由探测器1接收测距干涉仪的测量光与参考光的干涉信号；
所述测振干涉仪包括单频光源、保偏隔离器2、耦合器9、耦合器11、波分复用1、耦合器2、探测器2、环形器2、声光调制器、波分复用2、耦合器8、环形器3、环形器1、聚焦镜组和被测目标；
从单频激光器输出的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比为95：5的耦合器9，
95％的扫频光作为测量光进入测振干涉仪的测量臂，5％的扫频光作为参考光进入测振干涉仪的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用，经分光比为95：5的耦合器8，95％的光束经过环形器1、由聚焦镜组聚焦到目标表面，经目标表面反射回到聚焦镜组；再通过环形器1、波分复用1，进入分光比为50：50的耦合器2；
参考光经分光比为50：50的耦合器11，其中一路50％的光束进入分光比为50：50的耦合器2，另一路50％的光束进入耦合器10；
最终，由平衡探测器2接收测振干涉仪测量光与参考光的干涉信号。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：
所述辅助干涉仪1包括耦合器7、耦合器4、耦合器3、耦合器5、环形器2、环形器3和平衡探测器4；
耦合器3接收耦合器4传输的扫频光，50％的扫频光作为测量光进入辅助干涉仪1的测量臂，另外50％的扫频光作为参考光进入辅助干涉仪1的参考臂；
其中测量光直接进入分光比50：50的耦合器5，参考光经过环形器2、声光调制器和环形器3进入分光比50：50的耦合器5；
最终由平衡探测器4接收辅助干涉仪1测量光与参考光的干涉信号；
所述辅助干涉仪2包括单频激光器、保偏隔离器2、耦合器9、环形器3、声光调制器、环形器2、波分复用2、耦合器8、波分复用3、耦合器10、耦合器11和平衡探测器5；
从单频激光器出射的单频光经过保偏隔离器2，输入到分光比95：5的耦合器9，其中95％的单频光作为测量光进入辅助干涉仪2的测量臂，5％的单频光作为参考光进入辅助干涉仪2的参考臂；
测量光先后经过环形器3、声光调制器、环形器2和波分复用2，在分光比95：5的耦合器8处，5％的输出光束通过波分复用3，输入到分光比为50：50的耦合器10；
参考光经过分光比50：50的耦合器11，其中一路50％的输出光束到达分光比为50：50的耦合器10；
最后，由平衡探测器5接收辅助干涉仪2测量光与参考光的干涉信号。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：
所述系统还包括数据采集卡；
所述数据采集卡对平衡探测器1、2、3、4、5的信号同步采样和模数转换，最终在上位机进行数据处理和分析。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：
调频非线性具体方法为：
对辅助干涉仪2信号进行Hilbert变换，获得用于解调辅助干涉仪1信号相位的正交基，该正交基
包含声光调制器频移信息；
其中，
为正交基的实部和虚部，fAOM为声光频移；
利用上述产生的正交基分别与辅助干涉仪1信号
进行混频、低通滤波，获得用于辅助干涉仪1正交解调的正交基
该正交基
包含辅助干涉仪1信号相位
其中fg(n)为包含光纤色散的调频函数，c为光速；
将上述得到的正交基
进行反正切解调、相位解包裹，可得到辅助干涉仪1的相位
将辅助干涉仪1信号相位
作为测距干涉仪信号sm(n)的新坐标；
此时可利用三次样条插值方法构造等相位采样的测距干涉仪信号
其中，Rmf为测量干涉仪光纤臂长差，Rm0为目标在自由空间中的距离，ΔRm(t)为目标的振动，fair(n)为包含空气色散的调频函数，f0为调频激光器初始光频，Lf为气室标定结果，
为辅助干涉仪提供的相频坐标，
为等相位采样下的采样间隔，
为调频激光器初始光频对应的光纤折射率，df为调频波段内的光纤色散系数；
如公式(6)所示，此时信号中的调频非线性对测量的影响已经得到了消除；
根据多普勒效应对测量的影响进行消除，利用辅助干涉仪2进行Hilbert变换产生的正交基
生成包含测振干涉仪相位的正交基srv(n)、siv(n)：
对上述两正交基srv(n)、siv(n)进行反正切解调、相位解包裹，得到测振相位
并构造多普勒效应补偿项：
利用
作为新的横坐标，对多普勒效应补偿项进行三次样条插值等方法，生成横坐标为等间隔相位的多普勒效应补偿项
此时可利用如下公式消除
中的多普勒效应：
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：
根据色散失配对测量的影响进行消除，
中的色散失配项为二次项，并且二次项系数为常数，首先根据已知实验参数，设定色散失配补偿项
然后根据公式(11)中的二次项系数，选取步长，生成一系列色散补偿项
p为选取的色散二次项常数，对公式(10)进行色散补偿：
公式(12)为经过以p为色散二次项常数补偿后的测量干涉仪信号；选取调焦清晰度评价函数s′m(p)对色散失配补偿后的效果进行评估，可给出最佳色散补偿项：
当C(p)取最大值时，此时的色散补偿项能够最大程度的消除测距干涉仪中色散失配对测量的影响；
所述气室采用HCN气室，提供的气体吸收峰对应K个绝对光频值Δf(m)与对应的K个采样m，同时根据K个采样m确定辅助干涉仪1信号的K个相位
利用辅助干涉仪1信号的光频与相位的关系，对辅助干涉仪1信号的光程Lf进行求解：
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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