一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法技术

一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法，本发明专利技术涉及色散失配校正方法。本发明专利技术是要传统的色散软件测量精度提高效果不明显的问题而提出的一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法。该方法是通过一、得到辅助干涉仪存在色散的辅助干涉仪信号I(f)；二、组成测量干涉仪信号Im；三、利用Im(f)计算出Iend(m)；四、计算得到目标反射光的干涉信号与参考光的干涉信号经辅助干涉仪采用后的数值信号Im(m)，五、以啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)作为信号的距离谱；六、判断被测目标距离范围为R1～R2；七、Im(m)进行分解；同时对步骤四中信号的距离谱的分辨率进行优化等步骤实现的。本发明专利技术应用于色散失配校正领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及色散失配校正方法，特别涉及一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法。
技术介绍
传统的色散软件校正方法有相位校正以及分数阶傅里叶变换。相位校正的方法需要先对信号的相位斜率进行拟合，分数阶傅里叶变换需要先确定变换阶数，这两者本质上没有区别。但相位斜率拟合的精度受信号影响，两次重复性实验中拟合结果都会存在不同，该相位斜率的拟合误差就会对最后的测量结果引入一个随机误差，因此现有方法可以提高测量分辨率，但对测量精度提高效果欠佳。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统的色散软件测量精度提高效果不明显的问题而提出的一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、采用光纤搭建辅助干涉仪，得到辅助干涉仪存在色散的辅助干涉仪信号I(f)；步骤二、若以存在色散的辅助干涉仪信号I(f)作为数据采集卡采样时钟，数据采集卡采样时钟每经过坐标轴中0时，得到一个采样点，采样点组成测量干涉仪信号I总；其中，每一个采样点对应的激光器频率变化量为f(m)；测量干涉仪信号I总分为两个部分，一部分干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考光干涉信号Iend(f)，另一部分干涉仪测量光由端面出射，经目标反射后回到光路中与参考光干涉信号Im(f)；步骤三、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)和步骤二的光纤端面反射光与参考光干涉信号Iend(f)计算出光纤端面反射光与参考光干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信号Iend(m)；步骤四、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)与干涉信号Im(f)计算得到目标反射光的干涉信号与参考光的干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信号Im(m)，即Im(m)=Amcos[2πRendmR0+2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)Rmc]---(11)]]>其中，Am为测量信号振幅，Rend为干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考路之间的光程差；R0为辅助干涉仪两路长度差；m为采样点序列；c表示光速；ng0为初始频率对应的光纤群折射率；Rm是激光在自由空间中走过的光程即待测距离；df为光纤系数；步骤五、将信号Im(m)分解为啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)，以啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)作为信号的距离谱；其中，j为虚部符号；k＝1,2…N；P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)ng0R0cNk]---(15)]]>步骤六、将信号Im(m)进行一次傅里叶变换，判断被测目标距离范围为R1～R2；其中，R1为被测目标的距离的下限；R2为被测目标的距离的上限；步骤七、在被测目标距离范围R1～R2内对信号Im(m)进行分解；同时对步骤四中信号的距离谱的分辨率进行优化得到被测距离Rm，即将公式(15)变化为：P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)(R2-R1Mk+R1)]---(16)]]>其中，k＝1,2…M，M为变换点数，(R2-R1)/M为距离谱的分辨率。结合公式(11)和公式(16)可得，P(k)取最大值时，对应被测距离Rm，即Rm=R2-R1Mkmax+R1]]>其中，kmax为P(k)最大值对应的序号。专利技术效果本专利技术提出了一种用于频率调制连续波FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)绝对距离测量技术中色散失配校正新的算法。由于色散导致测量结果变为一个啁啾信号，并且啁啾量随目标距离变化而变化。为了克服这一影响，本专利技术提出了将信号分解为一系列啁啾信号的和，以各啁啾分量的系数作为信号的距离谱，即可消除色散的影响，求出目标距离值。即P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)ng0R0cNk]k=1,2...N---(15)]]>为了降低运算量，可以先对信号进行一次傅里叶变换，大致判断目标距离范围R1～R2，然后在该范围内对信号进行分解。同时可以对距离谱的分辨率进行优化，通常有效的分辨率与信号的信噪比有关系。此时上式可以变化为P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)(R2-R1Mk+R1)]k=1,2...M---(16)]]>其中，(R2-R1)/M为距离谱的分辨率。该分辨率与系统固有精度之间的比值与信号信噪比有关。实验中发现该方法可以有效的消除色散带来的影响，图2为不同扫频范围时不进行色散校正和利用该方法进行色散校正后的距离谱，其中实线为不进行色散校正时得到的距离谱，虚线为利用该方法进行色散校正得到的距离谱。从结果中发现该方法在不同扫频范围均可以得到良好的效果。色散失配会对测量精度带来影响，为了验证该方法对绝对距离测量精度的提高，在不同扫频范围时，分别在不进行色散校正、利用传统方式进行色散校正以及新方法进行色散校正时进行精度分析。其中得到的不确定度(k＝2)如表一所示，结果显示该方法可以有效的提高绝对距离测量精度。附图说明图1为具体实施方式一提出的FMCW绝对距离测量技术光路结构简图；图2(a)为具体实施方式一提出的为扫频范围为1.07THz时不进行色散校正和利用该方法进行色散校正后的距离谱；其中实线为不进行色散校正时得到的距离谱，虚线为利用该方法进行色散校正得到的距离谱；图2(b)为具体实施方式一提出的扫频范围为1.6THz时不进行色散校正和利用该方法进行色散校正后的距离谱；其中实线为不进行色散校正时得到的距离谱，虚线为利用该方法进行色散校正得到的距离谱；图2(c)为具体实施方式一提出的扫频范围为2.13THz时不进行色散校正和利用该方法进行色散校正后的距离谱；其中实线为不进行色散校正时得到的距离谱，虚线为利用该方法进行色散校正得到的距离谱；图2(d)为具体实施方式一提出的扫频范围为2.66THz时不进行色散校正和利用该方法进行色散校正后的距离谱；其中实线为不进行色散校正时得到的距离谱，虚线为利用该方法进行色散校正得到的距离谱；图2(e)为具体实施方式一提出的扫频范围为3.19THz时不进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法，其特征在于，具体是按照以下步骤进行的：步骤一、采用光纤搭建辅助干涉仪，得到辅助干涉仪存在色散的辅助干涉仪信号I(f)；步骤二、若以存在色散的辅助干涉仪信号I(f)作为数据采集卡采样时钟，数据采集卡采样时钟每经过坐标轴中0时，得到一个采样点，采样点组成测量干涉仪信号I总；其中，每一个采样点对应的激光器频率变化量为f(m)；测量干涉仪信号I总分为两个部分，一部分干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考光干涉信号Iend(f)，另一部分干涉仪测量光由端面出射，经目标反射后回到光路中与参考光干涉信号Im(f)；步骤三、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)和步骤二的光纤端面反射光与参考光干涉信号Iend(f)计算出光纤端面反射光与参考光干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信号Iend(m)；步骤四、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)与干涉信号Im(f)计算得到目标反射光的干涉信号与参考光的干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信号Im(m)，即Im(m)=Amcos[2πRendmR0+2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)Rmc]---(11)]]>其中，Am为测量信号振幅，Rend为干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考路之间的光程差；R0为辅助干涉仪两路长度差；m为采样点序列；c表示光速；ng0为初始频率对应的光纤群折射率；Rm是激光在自由空间中走过的光程即待测距离；df为光纤系数；步骤五、将数值信号Im(m)分解为啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)，以啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)作为信号的距离谱；其中，j为虚部符号；k＝1,2…N；P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)ng0R0cNk]---(15)]]>步骤六、将信号Im(m)进行一次傅里叶变换，判断被测目标距离范围为R1～R2；其中，R1为被测目标的距离的下限；R2为被测目标的距离的上限；步骤七、在被测目标距离范围R1～R2内对信号Im(m)进行分解；同时对步骤四中信号的距离谱的分辨率进行优化得到被测距离Rm，即将公式(15)变化为：P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)(R2-R1Mk+R1)]---(16)]]>其中，k＝1,2…M，M为变换点数，(R2‑R1)/M为距离谱的分辨率。结合公式(11)和公式(16)可得，P(k)取最大值时，对应被测距离Rm，即Rm=R2-R1Mkmax+R1]]>其中，kmax为P(k)最大值对应的序号。...

【技术特征摘要】
1.一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法，其特征在于，具体是按
照以下步骤进行的：
步骤一、采用光纤搭建辅助干涉仪，得到辅助干涉仪存在色散的辅助干涉仪信号I(f)；
步骤二、若以存在色散的辅助干涉仪信号I(f)作为数据采集卡采样时钟，数据采集卡
采样时钟每经过坐标轴中0时，得到一个采样点，采样点组成测量干涉仪信号I总；
其中，每一个采样点对应的激光器频率变化量为f(m)；测量干涉仪信号I总分为两个
部分，一部分干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考光干涉信号Iend(f)，另一部分干涉仪
测量光由端面出射，经目标反射后回到光路中与参考光干涉信号Im(f)；
步骤三、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)和步骤二的光纤端面反射光与参考
光干涉信号Iend(f)计算出光纤端面反射光与参考光干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信
号Iend(m)；
步骤四、根据步骤二得到的激光器频率变化量f(m)与干涉信号Im(f)计算得到目标反
射光的干涉信号与参考光的干涉信号经辅助干涉仪采样后的数值信号Im(m)，即
Im(m)=Amcos[2πRendmR0+2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)Rmc]---(11)]]>其中，Am为测量信号振幅，Rend为干涉仪测量光的光纤端面反射光与参考路之间的光
程差；R0为辅助干涉仪两路长度差；m为采样点序列；c表示光速；ng0为初始频率对应的
光纤群折射率；Rm是激光在自由空间中走过的光程即待测距离；df为光纤系数；
步骤五、将数值信号Im(m)分解为啁啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)，以啁
啾信号的和中各啁啾信号分量的系数P(k)作为信号的距离谱；
其中，j为虚部符号；k＝1,2…N；
P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)ng0R0cNk]---(15)]]>步骤六、将信号Im(m)进行一次傅里叶变换，判断被测目标距离范围为R1～R2；其中，

\tR1为被测目标的距离的下限；R2为被测目标的距离的上限；
步骤七、在被测目标距离范围R1～R2内对信号Im(m)进行分解；同时对步骤四中信号的
距离谱的分辨率进行优化得到被测距离Rm，即将公式(15)变化为：
P(k)=Σm=0N-1Im(m)exp[-j2πRendmR0-j2π(cmng0R0-dfc2m22ng03R02)(R2-R1Mk+R1)]---(16)]]>其中，k＝1,2…M，M为变换点数，(R2-R1)/M为距离谱的分辨率。
结合公式(11)和公式(16)可得，P(k)取最大值时，对应被测距离Rm，即
Rm=R2-R1Mkmax+R1]]>其中，kmax为P(k)最大值对应的序号。
2.根据权利要求1所述一种用于FMCW绝对距离测量技术中色散失配校正方法，其
特征在于：步骤一中辅助干涉仪存在色散的辅助干涉仪信号I(f)表示为：
I(f)≈A0cos(2π∫0...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国栋，甘雨，刘炳国，路程，陈凤东，许新科，庄志涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23