高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法技术

高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法，涉及扫描干涉仪色散补偿技术领域。本发明专利技术是为了解决辅助干涉仪光纤色散效应引起的校正后的测量干涉仪信号拍频随调频带宽和被测距离增大而产生线性变化导致的测量分辨率较低和测距误差较大的问题。本发明专利技术将光纤马赫泽德干涉仪频率采样法校正非线性后的信号乘以复相位补偿项后，得到根据补偿相位为将Ib表示为选择相位补偿系数αcomp，使-πσdispn2+παcompn2最小，得到经过色散相位补偿的测量信号Ib，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿。本发明专利技术适用于扫描干涉仪的色散补偿。

【技术实现步骤摘要】
高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法
本专利技术涉及扫描干涉仪色散补偿

技术介绍
随着航空航天、船舶工业、重型机械、发电设备等行业的发展，大尺寸高精度测量问题突出涌现，如飞机大部件安装位置的测量、水汽轮机主轴长度的测量、大型精密机床床身的测量及水电站发电机组转子定子直径的测量等。三坐标机、经纬仪以及视觉测量等传统大型工件检测方法存在着接触被测工件、精度低、成本高及效率低等缺点，难以满足加工制造过程与现代科学研究中大尺寸高精度绝对距离测量的需求。频率扫描干涉仪具有非接触测量、测量精度高、低信噪比探测等优点，因此，在表面形貌测量、计量、及三维激光雷达领域中得到广泛应用。现代工业生产及计量要求测量具有高精度高分辨率的特点，高分辨率频率扫描干涉仪的分辨率能够达到亚毫米甚至几十微米。频率扫描干涉仪采用频率采样法校正测量信号拍频非线性，但实际发现，提供外部采样时钟信号的辅助干涉仪光纤色散效应将引起校正非线性后的测量干涉仪信号拍频随调频带宽和被测距离增大产生线性变化，导致测量分辨率下降和测距误差增大。该现象主要由于辅助干涉仪由单模光纤构成，而测量干涉仪在空气中，两者色散系数不匹配，辅助干涉仪的光纤色散无法与测量干涉仪抵消，导致测量信号拍频频谱展宽。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决辅助干涉仪光纤色散效应引起的校正后的测量干涉仪信号拍频随调频带宽和被测距离增大而产生线性变化导致的测量分辨率较低和测距误差较大的问题。高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法，包括以下步骤：经光纤马赫泽德干涉仪频率采样法校正非线性后的信号可表示为式(14)其中，Ib为测量信号，AT为经目标反射回来的信号能量，AR是本振光信号能量；ηH为干涉效率，n为采样点序号；为采样后信号的畸变相位，主要由辅助干涉仪光纤色散引起；σdisp为相位畸变系数；τ和τaux分别表示高分辨率频率扫描干涉仪中测量干涉仪和辅助干涉仪对应的时间延迟；将式(14)表示为复数形式，则有其中，j为复数；将采样后信号乘以复相位补偿项补偿采样后信号的相位畸变，如式(16)：其中，补偿相位为αcomp表示相位补偿系数；选择相位补偿系数αcomp，使-πσdispn2+παcompn2最小，得到经过色散相位补偿的测量信号Ib′，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿。由于并不能直接获得σdisp的具体值，所以不能直接选取αcomp对采样后信号的相位畸变进行补偿；从式(16)可以看出当αcomp值逐渐趋近于σdisp时，采样后信号的啁啾分量将会减小，则其对应的频谱谱峰FWHM也将减小，当αcomp＝σdisp时，则采样后信号的啁啾分量为0，表明相位畸变被完全消除；提高测量分辨率的关键在于选择合理的αcomp值，使其满足αcomp＝σdisp的条件。通过测量谱峰FWHM是否接近测量理论分辨率，可以判断信号相位畸变是否得到消除；当谱峰FWHM接近理论分辨率时，相位畸变逐渐得到补偿，反之，则相位畸变增大；但在实际中，由于目标表面特性影响，多个峰值发生严重频谱干涉时，将增加测量频谱FWHM的困难，且多个峰值无法区分时，只能测量整体峰值的FWHM，无法实现对每个峰值的最佳补偿。本专利技术通过分析峰值幅度变化与峰值FWHM之间的关系，发现在峰值FWHM减小的同时，峰值幅度呈现逐渐增大的趋势，从而为通过测量峰值幅度来判断峰值FWHM是否达到最小提供了依据。所述选择相位补偿系数αcomp，使-πσdispn2+παcompn2最小，得到经过色散相位补偿的测量信号Ib′，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿；包括以下步骤：分析采样后信号函数的特点，将采样后信号的频谱幅度平方表示为式(17)：其中，ξ1表示频谱成分，Fresnelc(·)表示菲涅尔余弦积分函数、Fresnels(·)表示菲涅尔正弦积分函数，T表示采样后信号的时间长度；令由式(17)可知，的基本形状只与有关；由于菲涅尔积分较为复杂，为方便分析，采用数值仿真的方法研究M与测量信号频谱之间的关系；假设T＝1s，分别设置σdisp＝6.5，σdisp＝4.9，σdisp＝3.3，σdisp＝1.7，σdisp＝0.1，则对应的M＝3.6056，M＝3.1305，M＝2.5690，M＝1.8439，M＝0.4472。谱峰随M值的变化如图5所示。图5中，σdisp越大，则M越大，谱峰展宽越严重，说明该信号含有的色散越大，此时，对应的谱峰峰值越小；而当M逐渐变小，谱峰展宽同时变小，此时，对应的谱峰峰值变大；因而可以通过谱峰变化判断色散是否消除。令σd′isp＝|αcomp-σdisp|，则经过每次色散相位补偿后的采样后信号的频谱幅度平方表示为：调整αcomp，将每次色散补偿后的采样后信号以公式(18)的频谱形式表现出来，即根据公式(18)绘制随变化波形图，在绘制的波形图中选择峰值最高的波形图作为补偿效果最好的频谱，选取此时对应的αcomp对相位畸变进行消除，即选取此时对应的αcomp使得-πσdispn2+παcompn2最小；得到经过色散相位补偿的测量信号Ib′，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿。本专利技术提出基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法，将补偿后信号频谱峰值幅度变化作为判断标准并结合相位补偿方法，可实现对色散影响补偿，提高测量分辨率，降低误差。该方法具有对所有频谱峰值进行最佳补偿的优点，且算法复杂度低，判断方便。对自由空间中2.4352m距离处的200μm高度差台阶进行测量，对采样后信号进行色散影响补偿前，峰值发生展宽，由于频谱干涉效应，谱峰形状产生畸变，无法区分真实目标峰值，导致测量错误。采用本专利技术提出的方法对采样后信号进行色散影响补偿后，可清晰分辨台阶两个面形成的距离峰值，且谱峰FWHM变窄，提高了测量分辨率，测量台阶高度为199.5μm，实现了大尺寸高精度高分辨率测量。附图说明图1为频率扫描干涉仪测量系统示意图图2为光纤色散效应对辅助干涉仪本振光及发射光的影响图；图3为采样后信号随调频带宽增大的距离峰变化图；图4(a)-图4(f)分别为采样后信号在20nm扫频带宽下谱峰随距离增加的变化图；图5为谱峰随不同M值的变化图；图6(a)为由四个点目标形成的拍信号时域图；图6(b)为由四个点目标形成的拍信号频谱图；图7(a)为选择补偿系数48800对测量信号进行相位补偿后的频谱图；图7(b)为选择补偿系数50000对测量信号进行相位补偿后的频谱图；图7(c)为选择补偿系数50400对测量信号进行相位补偿后的频谱图；图7(d)为选择补偿系数50800对测量信号进行相位补偿后的频谱图；图8(a)为采样后信号的未进行色散影响补偿的距离峰效果图；图8(b)为采样后信号的进行色散影响补偿后距离峰效果图；图9(a)为对自由空间中2.4352m距离处的200μm高度差台阶测量结果图(未进行色散影响补偿的距离峰效果图)；图9(b)为对自由空间中2.4352m距离处的200μm高度差台阶测量结果图(进行色散影响补偿后距离峰效果图)。具体实施方式分析频率扫描干涉仪测量原理：采用锯齿波对激光器进行线性调频，激光器出射角频率可表示为式(1)：ωL(t)＝2π(f0+μt)(1)其中，f0为激光调频起始频率，μ为调频本文档来自技高网...

【技术保护点】
高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：经光纤马赫泽德干涉仪频率采样法校正非线性后的信号可表示为式（14）其中，Ib为测量信号，AT为经目标反射回来的信号能量，AR是本振光信号能量；ηH为干涉效率，n为采样点序号；为采样后信号的畸变相位；σdisp为相位畸变系数；τ和τaux分别表示高分辨率频率扫描干涉仪中测量干涉仪和辅助干涉仪对应的时间延迟；将式（14）表示为复数形式，则有其中，j为复数；将采样后信号乘以复相位补偿项补偿采样后信号的相位畸变，如式（16）：其中，补偿相位为αcomp表示相位补偿系数；选择相位补偿系数αcomp，使‑πσdispn2+παcompn2最小，得到经过色散相位补偿的测量信号Ib，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿。

【技术特征摘要】
1.高分辨率频率扫描干涉仪中基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：经光纤马赫泽德干涉仪频率采样法校正非线性后的信号可表示为式(14)其中，Ib为测量信号，AT为经目标反射回来的信号能量，AR是本振光信号能量；ηH为干涉效率，n为采样点序号；为采样后信号的畸变相位；σdisp为相位畸变系数；τ和τaux分别表示高分辨率频率扫描干涉仪中测量干涉仪和辅助干涉仪对应的时间延迟；将式(14)表示为复数形式，则有其中，j为复数；将采样后信号乘以复相位补偿项补偿采样后信号的相位畸变，如式(16)：其中，补偿相位为αcomp表示相位补偿系数；选择相位补偿系数αcomp，使-πσdispn2+παcompn2最小，得到经过色散相位补偿的测量信号Ib′，完成对频率扫描干涉仪色散影响的补偿：将采样后信号的频谱幅度平方表示为其中，σ′disp＝|αcomp-σdisp|；ξ1表示频谱成分，Fresnelc(·)表示菲涅尔余弦积分函数、Fresnels(·)表示菲涅尔正弦积分函数，T表示采样后信号的时间长度；调整αcomp，将每次色散补偿后的采样后信号以公式(18)的频谱形式表现出来，即根据公式(18)绘制随变化波形图，在绘制的波形图中选择峰值最高的波形图作为补偿效果最好的频谱，选...

【专利技术属性】
技术研发人员：许新科，甘雨，刘国栋，刘炳国，陈凤东，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