CN117434543A - 一种提高调频连续波速度测量精度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高调频连续波速度测量精度的方法及系统，以光学频率梳与三角波调制频率连续光源干涉产生的谐振峰对测量信号进行等频率间隔的精细拆分，对测量信号拆分后子测量过程的调制速率进行实时校准，消除激光器扫频非线性影响，抑制测量信号频谱展宽，实现动态目标速度信息的精准测量。本发明提供的系统光路结构简单，抗干扰能力强，测量效率高，操作调节便捷，仅需采集激光测量信号以及谐振峰校准信号，就可以区分调频连续波光源调频的不同阶段，消除激光器调频方向切换导致的测量理论误差，解决由于激光器扫频非线性和动态目标测量频谱展宽严重造成的速度测量精度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及调频连续波激光速度测量技术领域，特别涉及一种提高调频连续波速度测量精度的方法及系统。
背景技术
以超精密光刻机、大飞机制造、卫星定位为代表的高端精密装备加工及运用是现代精密测量技术重要程度和进步的重要体现。高端装备最终能够实现的性能源于每个环节精度的精细调控，源于对整体状态信息的充分获取，源于测量方法及技术装备的不断提高。现代高端智能装备精密测量的技术难点及需求主要聚焦于极端条件下可直接溯源几何量超精密测量，如高精密机床刀具动态参数监测，航天器交会对接实时动态数据监控，光刻机加工平台高速度原位测量与运行速度监测等。调频连续波测量技术因其测量精度高、测量范围广、可以从充满噪声的环境中准确提取目标信息、满足各种复杂应用场景需求的优势而被广泛使用。
利用调频连续波进行动态目标测量时，机械振动、环境变化都会导致光源调频过程出现严重的非线性，引发测量信号频谱展宽为测量结果引入多种误差源，而对目标速度信息进行高精度测量时，传统的触发重采样技术无法消除调频非线性的影响，同时现有传统速度测量方法无法实现目标运动方向的准确辨别，多重因素叠加导致基于调频连续波目标速度精密测量始终存在一定技术盲区。
发明内容
为了克服传统调频连续波激光测速方法的不足，本发明的目的在于提出一种提高调频连续波速度测量精度的方法及系统。利用光频梳极其稳定的特点，将其作为频率基准与调频光源相互干涉产生谐振峰，利用这些等光频间隔的谐振峰对调频连续波测速信号进行精细拆分大幅提高了调频连续波速度测量精度。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面
本发明提供了一种提高调频连续波速度测量精度的方法，包括以下步骤：
步骤1：在调频连续波速度测量过程中，获取谐振峰信号、辅助拍频信号、测量拍频信号；
步骤2：对谐振峰信号进行希尔伯特变换并求取绝对值，根据绝对值求出绝对值包络，根据绝对值包络初步拟合出谐振峰峰值的位置，再对所述绝对值包络进行自卷积操作，确定谐振峰峰值的准确位置；
步骤3：根据确定的谐振峰峰值的准确位置，计算相邻谐振峰时间间隔，以相邻谐振峰时间间隔突变作为标志对调频连续波不同调频阶段进行区分，所述时间间隔突变为当光源调频从上调频变为下调频或者从下调频变为上调频时，光源调制速率低于预设调制速率，谐振峰间距超过预设谐振峰间距的特征点；
步骤4：截取相邻谐振峰时间间隔平稳阶段的辅助拍频信号和测量拍频信号；
步骤5：针对截取的辅助拍频信号和测量拍频信号，以h+1个谐振峰为一组进行精细拆分，拼接相邻调频阶段对应的辅助拍频信号和测量拍频信号形成m个子测量过程，利用谐振峰信号对每个子测量过程的光源调制速率进行重新校准；
步骤6：利用波长计结合光频梳的重复频率和偏移频率测量对应子测量过程光源的中心波长，根据相邻谐振峰时间间隔获取上调频信号和下调频信号间时延，利用辅助拍频信号对子测量过程的测量拍频信号进行重采样，对多个子测量过程综合分析计算测量目标的速度。
其中，步骤5中，h＜100。
其中，步骤5中，h为9。
其中，步骤5中，重新校准后第i个子测量过程的光源调制速率表示为：
；
其中，为子测量过程中第1个谐振峰和第h+1个谐振峰之间的时间间隔，f r 代表的是光频梳的重复频率。
其中，步骤6中，利用辅助拍频信号对子测量过程的测量拍频信号进行重采样，得到的重采样信号表示为：
；
其中，为光源上调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源下调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，v为测量目标的速度，c表示光速，/>为光源中心波长，/>为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，/>代表了上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差。
其中，所述步骤6中，测量目标的速度表达式如下所示：
其中，表示重采样后的第i个子测量过程上调频测量信号频率，/>为重采样后的第i个子测量过程下调频测量信号频率，/>为标定后第i个子测量过程上调频阶段的光源调制速率，/>为标定后第i个子测量过程下调频阶段的光源调制速率，/>是利用谐振峰间时间间隔确定得到的第i个子测量过程上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，/>为第i个子测量过程的光源中心波长，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，c代表光速。
第二方面
本发明提供了一种提高调频连续波速度测量精度的系统，包括外腔式可调谐激光器、锁模光学频率梳、分束器Ⅰ、分束器Ⅱ、偏振控制器、测量模块、辅助光路模块、光频梳模块、数据采集系统和计算机；其中，测量模块包括分束器Ⅲ、环形器、耦合器Ⅰ、准直器和光探测器Ⅰ；辅助光路模块包括分束器Ⅳ、延迟光纤、耦合器Ⅱ、光探测器Ⅱ；光频梳模块包括耦合器Ⅲ和光探测器Ⅲ；
所述外腔式可调谐激光器经过三角波调制发射调频连续波，经过分束器Ⅰ和分束器Ⅱ进入测量模块，调频连续波经分束器Ⅲ分为本振光和测量光，测量光经过环形器后通过准直器发射到测量目标上，回光经环形器与本振光在耦合器Ⅰ处耦合，并在光探测器Ⅰ处干涉产生测量拍频信号；
调频连续波在所述分束器Ⅱ处分束进入辅助光路模块，经过由分束器Ⅳ、延迟光纤以及耦合器Ⅱ构成的马赫曾德尔干涉光路，在光探测器Ⅲ处产生辅助拍频信号；
锁模光学频率梳所发射的飞秒激光经过偏振控制器调整偏振态后进入光频梳模块，经耦合器Ⅲ与所述分束器Ⅰ分束的调频连续波耦合，在光探测器Ⅲ处干涉产生谐振峰信号；
测量模块中所得的含有目标速度信息的测量拍频信号、所述辅助光路模块中所得的辅助拍频信号以及所述光频梳模块中所得的调频连续波与光频梳相干产生的谐振峰信号，通过数据采集系统传入计算机，所述计算机根据接收到的测量拍频信号、辅助拍频信号以及谐振峰信号，执行如上述的提高调频连续波速度测量精度的方法。
其中，所述外腔式可调谐激光器调制方式设置为三角波调制。
其中，所述外腔式可调谐激光器的型号为LUNA PHOENIX 1400，调制范围设置为1550nm-1551nm，设置基础调制速率为100.08nm/s。
其中，所述锁模光学频率梳的型号为Menlo systems FC1550-ULN，重复频率为100MHz。
与现有技术相比，本发明的有益结果如下：
本发明利用光频梳与调频光源产生谐振峰对调频连续波测速信号进行精细拆分，提高了速度测量精度。由于光频梳的重复频率和偏移频率都被锁定到了高稳定的外部时钟源，利用其与调频光源相干产生的谐振峰可以精确细分速度测量信号，区分出测量信号的不同调频阶段，消除调频方向切换迟滞带来的理论误差，拼接细分信号形成若干子测量过程，在触发重采样后对各子测量过程的调制速率进行进一步的校准，利用谐振峰间时间间隔精确获取上下调频信号间的时间延迟量，极大减小了光源调制非线性的影响，测速精度得到显著提高且操作简单，光路简洁，调节方便，测量效率高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他附图。
图1为本申请系统中光路结构示意图；
图2为本申请中区分不同调频阶段的测量信号，消除调频方向切换迟滞带来的误差的原理图；
图3为本申请中调频连续波测速信号拼接形成若干子测量过程的原理图；
图中：1-外腔式可调谐激光器，2-分束器Ⅰ，3-分束器Ⅱ，4-分束器Ⅲ，5-环形器，6-耦合器Ⅰ，7-准直器，8-测量目标，9-光探测器Ⅰ，10-分束器Ⅳ，11-延迟光纤，12-耦合器Ⅱ，13-光探测器Ⅱ，14-锁模光学频率梳，15-偏振控制器，16-耦合器Ⅲ，17-光探测器Ⅲ，18-数据采集系统，19-计算机。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的以及有益效果有更加清楚地理解，兹例举以下实施例。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，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其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
本申请提供的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，包括以下步骤：
步骤1：在调频连续波速度测量过程中，获取谐振峰信号、辅助拍频信号、测量拍频信号；
步骤2：对谐振峰信号进行希尔伯特变换并求取绝对值，根据绝对值求出绝对值包络，根据绝对值包络初步拟合出谐振峰峰值的位置，再对所述绝对值包络进行自卷积操作，确定谐振峰峰值的准确位置；
步骤3：根据确定的谐振峰峰值的准确位置，计算相邻谐振峰时间间隔，以相邻谐振峰时间间隔突变作为标志对调频连续波不同调频阶段进行区分，所述时间间隔突变为当光源调频从上调频变为下调频或者从下调频变为上调频时，光源调制速率低于预设调制速率，谐振峰间距超过预设谐振峰间距的特征点；
步骤4：截取相邻谐振峰时间间隔平稳阶段的辅助拍频信号和测量拍频信号；
步骤5：针对截取的辅助拍频信号和测量拍频信号，以h+1个谐振峰为一组进行精细拆分，拼接相邻调频阶段对应的辅助拍频信号和测量拍频信号形成m个子测量过程，利用谐振峰信号对每个子测量过程的光源调制速率进行重新校准；
步骤6：利用波长计结合光频梳的重复频率和偏移频率测量对应子测量过程光源的中心波长，根据相邻谐振峰时间间隔获取上调频信号和下调频信号间时延，利用辅助拍频信号对子测量过程的测量拍频信号进行重采样，对多个子测量过程综合分析计算测量目标的速度。
光频梳由于载波包络偏移频率和重复频率的精确锁定，可以提供频率域上的基准，犹如一把光频域上的标准尺。本发明将以高端精密装备制造及运用中产生的精密测量技术难点、高层次需求为发力点，阐述一种光频梳细分提高调频连续波速度测量精度的方法及系统。本发明利用光频梳对调频连续波的测量信号进行精细拆分，实现调频连续波光频域的精准溯源，消除或降低多种误差源带来的测量误差，抑制测量频谱信号严重展宽，快速分辨目标速度方向，提高速度测量精度。为利用调频连续波实现动态目标速度信息精密测量提供一种高效、便捷、稳定的新系统及方法。
需要说明的是，本发明提供的方法包括了准确区分出不同调频方向的测量信号，消除调频方向切换迟滞对测量结果的影响，抑制调频光源非线性造成的速度测量信号的频谱展宽。
所述准确区分出不同调频方向的测量信号指的是本发明利用调频连续波进行速度测量时采用三角波调制，进行测量信号解算时需要分别求取上调频阶段信号和下调频阶段信号的频谱，常规的解决思路是利用触发信号表征调频阶段的切换，但这就需要在调频激光器和数据采集系统间建立信号连接，不同的激光器所需要或者提供的触发信号类型幅度各不相同，这就造成了常规测量方法鲁棒性差，光路结构复杂且测量效率低。光频梳在频域上表现为一系列离散等频率间隔的梳状光谱，所述光频梳第n根梳齿对应的频率f n 为：
其中f r 代表的是光频梳的重复频率，而f ceo 为载波相移引起的偏置频率。
本发明利用耦合器将光频梳光源和调频光源进行耦合，配合低带宽光探测器产生干涉拍频信号，所述调频光源的瞬时频率可以表示为：
其中f 0表示调频光源的初始频率，代表调频光源基础调制速率，t代表时间。
所述干涉拍频信号为某一特定时刻调频光源与其频率最接近的第n根光频梳梳齿之间的干涉信号f beat 可以表示为：
其中f r 代表的是光频梳的重复频率，而f ceo 为载波相移引起的偏置频率，为调频光源的瞬时频率。
因此利用低带宽的光探测器对测量信号接收时，干涉拍频信号在时域上就会表现为一个又一个谐振峰，相邻谐振峰间的时间间隔可以表示为：
其中f r 代表的是光频梳的重复频率，代表调频光源基础调制速率。
当调频方向切换时即光源调频从上调频变为下调频或者下调频变为上调频时都会出现迟滞的现象，换言之方向切换期间光源调制速率会显著低于预设基础调制速率，表现为谐振峰间距显著增大。本发明对光频梳和调频光源相干产生的谐振峰信号进行拟合，计算相邻谐振峰间隔，以谐振峰间隔显著增大作为特征点对不同调频方向的测量信号进行区分。所述方案鲁棒性强，光路简单，测量效率高。
所述消除调频方向切换迟滞对测量结果的影响指的是当调频方向切换时即光源调频从上调频变为下调频或者下调频变为上调频时测量拍频信号频率会出现先减小后增大的变化，此时信号f transform 可以表示为：
；
其中f previous 表示为调频方向切换前测量信号的频率，f next 表示调频方向切换后测量信号的频率，为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，代表调频光源基础调制速率，T为调频光源三角波调制时调频周期的一半。
所述信号频率变化是由调频方向切换导致的，仅与光源调制速率有关与测量信号无关，这将为速度信息的解算引入理论误差。事实上，调频激光器光源调频方向切换时会出现较长时间的迟滞即调制速率远低于设定基础速率，调频非线性较大，测量拍频信号无法用于速度信息的解算，这进一步增大了测量误差。本发明计算并比较光频梳和调频光源相干产生的相邻谐振峰间隔，截取谐振峰间隔较为平稳的信号用于速度信息解算，此时既避开了调频方向切换时不含测量目标速度信息的信号段又可以找到光源调频线性度较好测量信号，减小了测量误差，提高了调频连续波速度测量精度。
所述降低调频光源非线性造成速度测量信号的频谱展宽是指由于机械振动和环境因素变化，调频光源的调制速率并非恒定，这将导致测量拍频信号频谱展宽严重无法定位频谱峰值位置，造成测量误差加大。利用调频连续波测量动态目标速度时，选取靠近光源运动方向为正，测量信号可以如下表示：
；
其中f up 为光源上调频时测量信号频谱，f down 为光源下调频时测量信号频谱，为光源中心波长，/>代表调频光源基础调制速率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，v为测量目标的速度。
结合调频连续波上调频测量信号和下调频测量信号的频谱可以将测量目标的速度v表达如下：
其中f up 为光源上调频时测量信号频谱，f down 为光源下调频时测量信号频谱，为光源中心波长。
当目标反方向移动时上调频信号和下调频信号频谱也会有相应的变化，因此调频连续波速度精密测量方法不仅可以精确测量目标的速度，还可以辨别速度的方向。事实上，虽然本发明已经利用谐振峰选择光源调频线性度较好的部分信号用于速度解算，但调制速率的变化仍然会造成频谱信号展宽严重，目标速度信息解算困难，测量误差较大。利用调频连续波测距时常用触发重采样方法解决光源调频非线性，即利用所述调频连续波经过含有校准后延迟光纤的马赫曾德尔干涉仪作为辅助路，辅助路信号可以表示为：
其中I 0为调频光源的初始光强，为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，f 0表示调频光源的初始频率。
将所述辅助干涉信号作为重采样时钟信号，将所述辅助干涉信号的极值点作为重采样点，此时每一个采样点之间对应的光频都是等间隔的，触发重采样的采样频率F s 为：
为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟。
对所述调频连续波速度测量拍频信号进行解算时，所截取的上调频测量信号和下调频测量信号往往存在时间差，对速度测量信号进行重采样后可以表示为：
；
其中为光源上调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源下调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，v为测量目标的速度，/>为光源中心波长，/>为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率。
虽然重采样过程消除了距离项上光源调频非线性的影响，但与调频连续波测距相区别的是重采样过程重新在速度项上引入了光源调频非线性的影响，此外上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差难以确定，测量拍频信号频谱展宽现象严重，测量误差大，测量方案需要进一步的修正补偿。
本发明利用调频连续波与光频梳干涉产生的谐振峰对测量信号拍频信号进行精细拆分，分别将上调频测量信号和下调频测量信号对称拆分成m段，对应拼接上调频和下调频阶段的拆分信号形成m个子测量过程，每个子过程包含h+1个谐振峰，由于光频梳在频域上极其稳定，因此每个子过程都可以对光源调制速率进行重新校准，校准后第i个子测量过程的光源调制速率可以表示为：
其中为子测量过程中第1个谐振峰和第h+1个谐振峰之间的时间间隔，f r 代表光频梳重复频率。
为了保证速度测量结果的稳定性，h应小于100。优选地，可以以10个谐振峰为一组进行精细拆分，即h为9。
本发明将原速度测量信号精细拆分为m个子测量过程，利用光频梳的稳定性对每个子测量过程的光源调制速率进行校准，利用谐振峰峰值点间时间差精确获取上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，利用波长计结合光频梳的重复频率和偏移频率对每个子测量过程的光源波长进行标定，有效降低速度测量信号的频谱展宽，减少测量误差。测量目标的速度表达式如下所示：
；
其中m表示测量信号被拆分为子测量过程数，表示重采样后的第i个子测量过程上调频测量信号频率，/>为重采样后的第i个子测量过程下调频测量信号频率，/>为标定后第i个子测量过程上调频阶段的光源调制速率，/>为标定后第i个子测量过程下调频阶段的光源调制速率，/>是利用谐振峰间时间间隔确定得到的第i个子测量过程上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，/>为第i个子测量过程的光源中心波长，c代表光速。
如图1所示，本申请提供的一种提高调频连续波速度测量精度的系统，包括外腔式可调谐激光器1、锁模光学频率梳14、分束器Ⅰ2、分束器Ⅱ3、偏振控制器15、测量模块A、辅助光路模块B和光频梳模块C。
所述外腔式可调谐激光器1经过三角波调制发射调频连续波经过分束器Ⅰ2和分束器Ⅱ3进入测量模块A，所述调频连续波经分束器Ⅲ4分为本振光和测量光，测量光经过环形器5后通过准直器7出射打到测量目标8上，携带所述测量目标速度信息的回光经所述环形器5与所述本振光在耦合器Ⅰ6处耦合，并在光探测器Ⅰ9处干涉产生测量拍频信号。
所述调频连续波在所述分束器Ⅱ3处分束进入辅助光路模块B，经过由分束器Ⅳ10、延迟光纤11以及耦合器Ⅱ12构成的马赫曾德尔干涉光路，在光探测器Ⅲ17处产生辅助拍频信号。所述锁模光学频率梳14所发射的飞秒激光经过偏振控制器15调整偏振态后进入光频梳模块C，经耦合器Ⅲ16与所述分束器Ⅰ2分束的调频连续波耦合，在光探测器Ⅲ17处干涉产生谐振峰信号。
所述测量模块A中所得含有目标速度信息的测量拍频信号、所述辅助光路模块B中所得辅助拍频信号以及光频梳模块C所得的谐振峰信号通过数据采集系统18传入计算机19。所述计算机19根据接收到的测量拍频信号、辅助拍频信号以及谐振峰信号，执行上述的提高调频连续波速度测量精度的方法。
具体的，外腔式可调谐激光器的具体型号为LUNA PHOENIX 1400，所述调频连续波调制范围设置为1550—1551nm，设置基础调制速率为100.08nm/s。
所述锁模光学频率梳具体型号为Menlo systems FC1550-ULN，重复频率为100MHz。所述调频连续波和飞秒激光经过光频梳模块得到的谐振峰信号f beat可以表示为：
其中f r 代表的是光频梳的重复频率，而f ceo 为载波相移引起的偏置频率，n代表了与调频连续波频率最接近的光频梳梳齿的序号，为调频光源的瞬时频率。
对所述谐振峰信号进行希尔伯特变换并求取绝对值，根据绝对值包络初步拟合出谐振峰峰值位置，再对所述绝对值包络进行自卷积操作，确定谐振峰峰值的准确位置。如图2为光频梳细分区分不同调频阶段的测量信号，消除调频方向切换迟滞带来的误差的原理示意图。当所述调频激光器的调制速率稳定时，时域上产生相邻谐振峰的时间差可以表示为：
其中f r 代表的是光频梳的重复频率，代表调频光源基础调制速率。
当调频方向切换时即光源调频从上调频变为下调频或者下调频变为上调频时都会出现迟滞的现象，即切换期间光源调制速率会显著低于预设基础调制速率，表现为谐振峰间距显著增大。观察谐振峰间隔突变并截取谐振峰间隔相对平稳段对应的信号，进而对不同调频方向的测量信号进行区分，消除调频方向切换迟滞对测量结果的影响。
所述测量模块得到的携带有速度信息的测量拍频信号可以表示为：
其中f up 为光源上调频时测量信号频率，f down 为光源下调频时测量信号频率，为光源中心波长，/>代表调频光源基础调制速率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，v为测量目标的速度。
所述辅助光路模块得到的辅助拍频信号可以表示为：
其中I 0为调频光源的初始光强，为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，f 0表示调频光源的初始频率。
如图3为光频梳细分调频连续波测速信号拼接形成若干子测量过程的原理图。利用调频连续波与光频梳干涉产生的谐振峰分别将上调频测量信号和下调频测量信号对称拆分成m段，对应拼接上调频和下调频阶段的拆分信号形成m个子测量过程，每个子过程包含h+1个谐振峰，分别对每个子测量过程的光源调制速率进行校准，校准后的光源调制速率可以表示为：
其中为子测量过程中第1个谐振峰和第h+1个谐振峰之间的时间间隔，f r 代表光频梳重复频率。
为了保证速度测量结果的稳定性，h应小于100。优选地，可以以10个谐振峰为一组进行精细拆分，即h为9。
利用所述辅助光路模块得到的辅助干涉信号对所述精细拆分并拼接后的子测量过程的测量信号进行触发重采样，得到的重采样信号可以表示为：
其中为光源上调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源下调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，v为测量目标的速度，/>为光源中心波长，/>为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，c代表光速。
利用谐振峰峰值点间时间差精确获取上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，利用波长计结合光频梳的重复频率和偏移频率对每个子测量过程的光源波长进行标定，利用谐振峰间时间间隔精确获取上下调频信号间的时间延迟量。测量目标的速度v表达式如下所示：
其中m表示测量信号被拆分为子测量过程数，表示重采样后的第i个子测量过程上调频测量信号频率，/>为重采样后的第i个子测量过程下调频测量信号频率，/>为标定后第i个子测量过程上调频阶段的光源调制速率，/>为标定后第i个子测量过程下调频阶段的光源调制速率，/>是利用谐振峰间时间间隔确定得到的第i个子测量过程上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，/>为第i个子测量过程的光源中心波长，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，c代表光速。
综上所述，本发明提供的一种光频梳细分提高调频连续波速度测量精度系统及方法，利用锁模光学频率梳与调频连续波产生的谐振峰可以精确细分速度测量信号，准确区分出不同调频阶段的测量信号，消除调频方向切换迟滞带来的理论误差，拼接细分信号形成若干子测量过程，在触发重采样后对各子测量过程的调制速率进行进一步的校准，利用谐振峰间时间间隔精确获取上下调频信号间的时间延迟量，极大程度上减小了光源调制非线性的影响，测速精度得到显著提高且操作简单，光路简洁，调节方便，测量效率高效。
虽然在本文中选取了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，这些均属于本发明的保护范围之内。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在调频连续波速度测量过程中，获取谐振峰信号、辅助拍频信号、测量拍频信号；
步骤2：对谐振峰信号进行希尔伯特变换并求取绝对值，根据绝对值求出绝对值包络，根据绝对值包络初步拟合出谐振峰峰值的位置，再对所述绝对值包络进行自卷积操作，确定谐振峰峰值的准确位置；
步骤3：根据确定的谐振峰峰值的准确位置，计算相邻谐振峰时间间隔，以相邻谐振峰时间间隔突变作为标志对调频连续波不同调频阶段进行区分，所述时间间隔突变为当光源调频从上调频变为下调频或者从下调频变为上调频时，光源调制速率低于预设调制速率，谐振峰间距超过预设谐振峰间距的特征点；
步骤4：截取相邻谐振峰时间间隔平稳阶段的辅助拍频信号和测量拍频信号；
步骤5：针对截取的辅助拍频信号和测量拍频信号，以h+1个谐振峰为一组进行精细拆分，拼接相邻调频阶段对应的辅助拍频信号和测量拍频信号形成m个子测量过程，利用谐振峰信号对每个子测量过程的光源调制速率进行重新校准；
步骤6：利用波长计结合光频梳的重复频率和偏移频率测量对应子测量过程光源的中心波长，根据相邻谐振峰时间间隔获取上调频信号和下调频信号间时延，利用辅助拍频信号对子测量过程的测量拍频信号进行重采样，对多个子测量过程综合分析计算测量目标的速度。
2.根据权利要求1所述的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，步骤5中，h＜100。
3.根据权利要求1所述的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，步骤5中，h为9。
4.根据权利要求1所述的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，步骤5中，重新校准后第i个子测量过程的光源调制速率表示为：
；
其中，为子测量过程中第1个谐振峰和第h+1个谐振峰之间的时间间隔，f r 代表的是光频梳的重复频率。
5.根据权利要求4所述的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，步骤6中，利用辅助拍频信号对子测量过程的测量拍频信号进行重采样，得到的重采样信号表示为：
；
其中，为光源上调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源下调频时重采样后的测量信号频率，/>为光源发射端与测量目标间的光程引起的出光和回光间的时间延迟量，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，v为测量目标的速度，c表示光速，/>为光源中心波长，/>为含有非线性量的调频光源瞬时调制速率，/>代表了上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差。
6.根据权利要求5所述的一种提高调频连续波速度测量精度的方法，其特征在于，所述步骤6中，测量目标的速度表达式如下所示：
；
其中，表示重采样后的第i个子测量过程上调频测量信号频率，/>为重采样后的第i个子测量过程下调频测量信号频率，/>为标定后第i个子测量过程上调频阶段的光源调制速率，/>为标定后第i个子测量过程下调频阶段的光源调制速率，/>是利用谐振峰间时间间隔确定得到的第i个子测量过程上调频测量信号和下调频测量信号间存在的时间差，/>为第i个子测量过程的光源中心波长，/>为已校准过长度后的延迟光纤产生的时间延迟，c代表光速。
7.一种提高调频连续波速度测量精度的系统，其特征在于，包括外腔式可调谐激光器(1)、锁模光学频率梳(14)、分束器Ⅰ(2)、分束器Ⅱ(3)、偏振控制器(15)、测量模块A、辅助光路模块B、光频梳模块C、数据采集系统(18)和计算机(19)；其中，测量模块A包括分束器Ⅲ(4)、环形器(5)、耦合器Ⅰ(6)、准直器(7)和光探测器Ⅰ(9)；辅助光路模块B包括分束器Ⅳ(10)、延迟光纤(11)、耦合器Ⅱ(12)、光探测器Ⅱ(13)；光频梳模块C包括耦合器Ⅲ(16)和光探测器Ⅲ(17)；
所述外腔式可调谐激光器(1)经过三角波调制发射调频连续波，经过分束器Ⅰ(2)和分束器Ⅱ(3)进入测量模块A，调频连续波经分束器Ⅲ(4)分为本振光和测量光，测量光经过环形器(5)后通过准直器(7)发射到测量目标(8)上，回光经环形器(5)与本振光在耦合器Ⅰ(6)处耦合，并在光探测器Ⅰ(9)处干涉产生测量拍频信号；
调频连续波在所述分束器Ⅱ(3)处分束进入辅助光路模块B，经过由分束器Ⅳ(10)、延迟光纤(11)以及耦合器Ⅱ(12)构成的马赫曾德尔干涉光路，在光探测器Ⅲ(17)处产生辅助拍频信号；
锁模光学频率梳(14)所发射的飞秒激光经过偏振控制器(15)调整偏振态后进入光频梳模块C，经耦合器Ⅲ(16)与所述分束器Ⅰ(2)分束的调频连续波耦合，在光探测器Ⅲ(17)处干涉产生谐振峰信号；
测量模块A中所得的含有目标速度信息的测量拍频信号、所述辅助光路模块B中所得的辅助拍频信号以及所述光频梳模块C中所得的调频连续波与光频梳相干产生的谐振峰信号，通过数据采集系统(18)传入计算机(19)，所述计算机（19）根据接收到的测量拍频信号、辅助拍频信号以及谐振峰信号，执行如权利要求1所述的提高调频连续波速度测量精度的方法。
8.根据权利要求7所述的一种提高调频连续波速度测量精度的系统，其特征在于，所述外腔式可调谐激光器调制方式设置为三角波调制。
9.根据权利要求7所述的一种提高调频连续波速度测量精度的系统，其特征在于，所述外腔式可调谐激光器的型号为LUNA PHOENIX 1400，调制范围设置为1550nm-1551nm，设置基础调制速率为100.08nm/s。
10.根据权利要求7所述的一种提高调频连续波速度测量精度的系统，其特征在于，所述锁模光学频率梳的型号为Menlo systems FC1550-ULN，重复频率为100MHz。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102508231A (zh) * | 2011-10-28 | 2012-06-20 | 清华大学 | 基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法及装置 |
| CN112670806A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-16 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种微腔孤子光频梳的移频系统及移频方法 |
| CN112902861A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于超大测量范围pdh传感的应变测量装置 |
| CN113418894A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 天津大学 | 一种基于氰化氢气体池的光学微腔谐振峰标定方法 |
| CN113866777A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-31 | 天津大学 | 片上微腔环校准调频连续波测量系统 |
| CN116224678A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-06-06 | 中国科学院半导体研究所 | 孤子光频梳及光生微波信号产生装置及其产生方法 |
| CN116930995A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-24 | 天津大学四川创新研究院 | 调频连续波激光高速目标的速度和距离测量系统及方法 |
| CN117154523A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-01 | 天津大学 | 可见激光的调制方法、系统、装置和计算机设备 |
-
2023
- 2023-12-20 CN CN202311753714.5A patent/CN117434543B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102508231A (zh) * | 2011-10-28 | 2012-06-20 | 清华大学 | 基于飞秒光频梳的法-珀干涉绝对距离测量方法及装置 |
| CN112670806A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-16 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种微腔孤子光频梳的移频系统及移频方法 |
| CN112902861A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于超大测量范围pdh传感的应变测量装置 |
| CN113418894A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 天津大学 | 一种基于氰化氢气体池的光学微腔谐振峰标定方法 |
| CN113866777A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-31 | 天津大学 | 片上微腔环校准调频连续波测量系统 |
| CN116224678A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-06-06 | 中国科学院半导体研究所 | 孤子光频梳及光生微波信号产生装置及其产生方法 |
| CN116930995A (zh) * | 2023-09-19 | 2023-10-24 | 天津大学四川创新研究院 | 调频连续波激光高速目标的速度和距离测量系统及方法 |
| CN117154523A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-01 | 天津大学 | 可见激光的调制方法、系统、装置和计算机设备 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| JUNCHEN LIU等: "Frequency modulation continuous wave speed-distance synchronous measurement with variable period frequency parameter estimation traced to optical frequency comb Junchen", PROCEEDINGS OF SPIE, 27 November 2023 (2023-11-27) * |
| QIONG NIU等: "Arbitrary distance measurement without dead zone by chirped pulse spectrally interferometry using a femtosecond optical frequency comb", OPTICS EXPRESS, vol. 30, no. 19, 9 September 2022 (2022-09-09) * |
| XINGRUI CHENG等: "Simultaneous measurement of distance and speed via frequency-modulated continuous-wave LIDAR system based on H 13 C 14 N gas cell", OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING, 22 July 2022 (2022-07-22) * |
| 朱敏昊;吴学健;尉昊;张丽琼;张继涛;李岩;: "基于飞秒光频梳的压电陶瓷闭环位移控制系统", 物理学报, no. 07, 8 April 2013 (2013-04-08) * |
| 贾琳华等: "基于光学频率梳的高精度测距技术研究进展", 机 械 工 程 学 报, vol. 59, no. 20, 31 October 2023 (2023-10-31) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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