基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法技术方案

基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法，本发明专利技术涉及动态扫频干涉测距系统及测距方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题。系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环子系统、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数字分频、数据采集卡。本发明专利技术用于扫频干涉测量、FMCW激光雷达技术领域。

Dynamic Frequency Sweeping Interferometry Ranging System and Method Based on Digital Phase Locked Nonlinear Correction

The invention relates to a dynamic frequency sweeping interferometric ranging system and method based on digital phase locked non-linear correction, and relates to a dynamic frequency sweeping interferometric ranging system and a ranging method. The aim of the present invention is to solve the problem that the non-linear sampling clock provided by the auxiliary interferometer can not only correct the non-linearity of the sweeping interferometric signal, but also cause the non-linearity of the vibration measurement signal, resulting in the broadening of the spectrum of the motion measurement signal, the decrease of the signal-to-noise ratio, and seriously affecting the accuracy of the motion phase measurement, thereby affecting the ranging accuracy. The system includes sweeping frequency interferometry ranging optical path, motion measurement optical path, phase-locked loop subsystem, external cavity laser, visible laser, single frequency laser, No. 1 optical fiber coupler, auxiliary interferometer, No. 1 detector, digital frequency division, data acquisition card. The invention is used in the technical field of frequency sweep interferometry and FMCW lidar.

【技术实现步骤摘要】
基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法
本专利技术涉及动态扫频干涉测距系统及方法。
技术介绍
扫频干涉测量具有发射功率低、无模糊测距、无需导轨与合作目标、可实现高分辨率等突出优点，因而在高精度绝对距离测量方面得到了广泛的应用，如调频连续波激光雷达、光学频域计、光学相干断层扫描等领域。其基本原理是利用发射的测量扫频光信号与被测目标反射的扫频测量光信号之间因时间差而产生的频率差来确定目标距离，依靠较容易处理的信号频域特征来反映目标的距离参数。高线性的宽带扫频测量光可以得到很高的距离分辨率与测距精度，但这种测量方法对目标的运动极为敏感，由目标运动引起的位移在多普勒效应的作用下，导致最终测量距离产生几百至上千倍的误差，严重影响距离测量精度，必须对其进行补偿。现有主要方法是使用两台扫频激光器沿不同方向扫频或者使用一台激光器进行三角波扫频。前者将直接导致昂贵的扫频激光器成本翻倍，而后者将无法对运动速度过快的目标进行有效地补偿，因此，研究一种低成本的扫频干涉运动补偿方法一直是该种测量方式的研究重点。现有提出的基于超外差的同步运动测量与补偿技术(图1)可以是一种有效的解决方法，该方法中利用单频激光器与双声光调制器模块形成的超外差干涉仪对目标的相对运动信息进行在线检测，测量结果同步补偿扫频干涉测量信号中多普勒效应导致的放大误差项。该方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有方法中由辅助干涉仪提供的非线性采样时钟在校正扫频干涉测量信号非线性的同时会引起测振信号产生非线性，造成运动测量信号频谱展宽，信噪比下降，严重影响运动相位测量精度，继而影响测距精度的问题，而提出基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统及方法。基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环模块、外腔式激光器、可见激光器、单频激光器、1号光纤耦合器、辅助干涉仪、1号探测器、数字分频、数据采集卡；所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器，6号光纤耦合器、7号光纤耦合器、8号光纤耦合器、偏振保持分束器PBS、波分复用器WDM、聚焦光学子系统、1/4波片以及平衡探测器组成；所述运动测量光路由3号光纤耦合器、1号声光调制器、2号声光调制器、4号光纤耦合器、5号光纤耦合器、9号光纤耦合器以及2号光电探测器构成；外腔式激光器输出的激光入射至1号光纤耦合器进行分路；1号光纤耦合器输出的1路光经辅助干涉仪入射至1号探测器，经1号探测器后输出信号分别输入至数据采集卡和经数字分频入射至锁相环模块；辅助干涉仪信号经数字分频后为锁相提供锁相参考信号；辅助干涉仪信号作为数据采集卡的外部时钟输入信号，控制数据采集卡对1号探测器、2号光电探测器、平衡探测器的信号进行采样；1号光纤耦合器输出的99路光入射至2号光纤耦合器进行分路；单频激光器输出的激光入射至3号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的99路光经1号声光调制器入射至4号光纤耦合器进行分路，3号光纤耦合器输出的1路光经2号声光调制器入射至5号光纤耦合器进行分路；2号光纤耦合器输出的99路光与4号光纤耦合器输出的99路光经6号光纤耦合器合束后入射至偏振保持分束器PBS的A号端口，经偏振保持分束器PBS的B号端口输出的光与可见激光器输出的激光经波分复用器WDM复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统和1/4波片后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM，经波分复用器WDM解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS的B号端口，再在偏振保持分束器PBS的C号端口出射；2号光纤耦合器输出的1路光与5号光纤耦合器输出的50路光经7号光纤耦合器进行合束，7号光纤耦合器合束后的光与偏振保持分束器PBS的C号端口出射的光经8号光纤耦合器合束后入射至平衡探测器，平衡探测器的输出信号输入至数据采集卡；4号光纤耦合器输出的1路光与5号光纤耦合器输出的50路光经9号光纤耦合器合束后入射至2号光电探测器，2号光电探测器的输出信号直接作为被锁定信号同时输入给锁相环模块和数据采集卡；经锁相环模块输出的信号相位同步入射至2号声光调制器，通过改变2号声光调制器的移频量，使2号光电探测器输出的信号与锁相参考信号相位相同。基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法具体过程为：步骤一、当被测目标为动态目标时，经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的输出信号为im(k)；平衡探测器探测到的经运动测量光路输出信号为i1(t)；2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i2(t)；步骤二、将辅助干涉仪输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i′2(t)；步骤三、将锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)和锁相后2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号为i′2(t)经外腔式激光器输出光频f(t)同步采样后，平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号以及2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号分别为i1(k)和i2(k)；步骤四、提取步骤一中信号im(k)、步骤三中信号i1(k)、i2(k)中的相位变化量ΔΦm(k)、ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)，由ΔΦ1(k)、ΔΦ2(k)得到对应被测目标的群延时差变化量Δτm(k)，将Δτm(k)带入ΔΦm(k)后得对应的被测目标产生的群延时差τm0，根据Δτm(k)和τm0得到动态被测目标的距离R(k)；所述步骤一中当被测目标为动态目标时，由公式(1)可知，经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的输出信号为：其中，Am为经扫频干涉测距光路平衡探测器探测到的信号的振幅，τ0为辅助干涉仪臂长差产生的时延差，k为采样点，τm0表示对应的被测目标产生的群延时差；f0表示外腔式激光器起始输出光频率；Δτm(k)表示对应被测目标的群延时差变化量；平衡探测器探测到的经运动测量光路输出信号i1(t)为：2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号i2(t)为：i2(t)＝A2cos[2π(fAOM1-fAOM2)t]＝A2cos[2πΔfAOMt](3)其中，A1表示平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号i1(t)的振幅，A2表示2号光电探测器探测到的1号声光调制器和2号声光调制器差频信号i2(t)的振幅，t为采样点，fAOM1表示1号声光调制器的移频量，fAOM2表示2号声光调制器的移频量，ΔfAOM表示1号声光调制器和2号声光调制器移频差，f′0表示单频激光器的输出光频率；τm(t)表示对应的被测目标产生的群延时差；Δτm(t)表示对应被测目标的群延时差变化量；所述步骤二中辅助干涉仪输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环模块(24)、外腔式激光器(1)、可见激光器(5)、单频激光器(16)、1号光纤耦合器(15)、辅助干涉仪(2)、1号探测器(3)、数字分频(25)、数据采集卡(4)；所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器(6)，6号光纤耦合器(7)、7号光纤耦合器(8)、8号光纤耦合器(10)、偏振保持分束器PBS(9)、波分复用器WDM(11)、聚焦光学子系统(12)、1/4波片(13)以及平衡探测器(14)组成；所述运动测量光路由3号光纤耦合器(17)、1号声光调制器(18)、2号声光调制器(19)、4号光纤耦合器(20)、5号光纤耦合器(21)、9号光纤耦合器(22)以及2号光电探测器(23)构成；外腔式激光器(1)输出的激光入射至1号光纤耦合器(15)进行分路；1号光纤耦合器(15)输出的1路光经辅助干涉仪(2)入射至1号探测器(3)，经1号探测器(3)后输出信号分别输入至数据采集卡(4)和经数字分频(25)入射至锁相环模块(24)；辅助干涉仪(2)信号经数字分频(25)后为锁相提供锁相参考信号；辅助干涉仪(2)信号作为数据采集卡(4)的外部时钟输入信号，控制数据采集卡(4)对1号探测器(3)、2号光电探测器(23)、平衡探测器(14)的信号进行采样；1号光纤耦合器(15)输出的99路光入射至2号光纤耦合器(6)进行分路；单频激光器(16)输出的激光入射至3号光纤耦合器(17)进行分路，3号光纤耦合器(17)输出的99路光经1号声光调制器(18)入射至4号光纤耦合器(20)进行分路，3号光纤耦合器(17)输出的1路光经2号声光调制器(19)入射至5号光纤耦合器(21)进行分路；2号光纤耦合器(6)输出的99路光与4号光纤耦合器(20)输出的99路光经6号光纤耦合器(7)合束后入射至偏振保持分束器PBS(9)的A号端口，经偏振保持分束器PBS(9)的B号端口输出的光与可见激光器(5)输出的激光经波分复用器WDM(11)复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统(12)和1/4波片(13)后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM(11)，经波分复用器WDM(11)解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS(9)的B号端口，再在偏振保持分束器PBS(9)的C号端口出射；2号光纤耦合器(6)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经7号光纤耦合器(8)进行合束，7号光纤耦合器(8)合束后的光与偏振保持分束器PBS(9)的C号端口出射的光经8号光纤耦合器(10)合束后入射至平衡探测器(14)，平衡探测器(14)的输出信号输入至数据采集卡(4)；4号光纤耦合器(20)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经9号光纤耦合器(22)合束后入射至2号光电探测器(23)，2号光电探测器(23)的输出信号直接作为被锁定信号同时输入给锁相环模块(24)和采集卡采集卡(4)；经锁相环模块(24)输出的信号相位同步入射至2号声光调制器(19)，通过改变2号声光调制器(19)的移频量，使2号光电探测器(23)输出的信号与锁相参考信号相位相同。...

【技术特征摘要】
1.基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述系统包括扫频干涉测距光路、运动测量光路、锁相环模块(24)、外腔式激光器(1)、可见激光器(5)、单频激光器(16)、1号光纤耦合器(15)、辅助干涉仪(2)、1号探测器(3)、数字分频(25)、数据采集卡(4)；所述扫频干涉测距光路由2号光纤耦合器(6)，6号光纤耦合器(7)、7号光纤耦合器(8)、8号光纤耦合器(10)、偏振保持分束器PBS(9)、波分复用器WDM(11)、聚焦光学子系统(12)、1/4波片(13)以及平衡探测器(14)组成；所述运动测量光路由3号光纤耦合器(17)、1号声光调制器(18)、2号声光调制器(19)、4号光纤耦合器(20)、5号光纤耦合器(21)、9号光纤耦合器(22)以及2号光电探测器(23)构成；外腔式激光器(1)输出的激光入射至1号光纤耦合器(15)进行分路；1号光纤耦合器(15)输出的1路光经辅助干涉仪(2)入射至1号探测器(3)，经1号探测器(3)后输出信号分别输入至数据采集卡(4)和经数字分频(25)入射至锁相环模块(24)；辅助干涉仪(2)信号经数字分频(25)后为锁相提供锁相参考信号；辅助干涉仪(2)信号作为数据采集卡(4)的外部时钟输入信号，控制数据采集卡(4)对1号探测器(3)、2号光电探测器(23)、平衡探测器(14)的信号进行采样；1号光纤耦合器(15)输出的99路光入射至2号光纤耦合器(6)进行分路；单频激光器(16)输出的激光入射至3号光纤耦合器(17)进行分路，3号光纤耦合器(17)输出的99路光经1号声光调制器(18)入射至4号光纤耦合器(20)进行分路，3号光纤耦合器(17)输出的1路光经2号声光调制器(19)入射至5号光纤耦合器(21)进行分路；2号光纤耦合器(6)输出的99路光与4号光纤耦合器(20)输出的99路光经6号光纤耦合器(7)合束后入射至偏振保持分束器PBS(9)的A号端口，经偏振保持分束器PBS(9)的B号端口输出的光与可见激光器(5)输出的激光经波分复用器WDM(11)复用后，依次经光纤端面、聚焦光学子系统(12)和1/4波片(13)后入射至被测目标，经被测目标反射后返回至波分复用器WDM(11)，经波分复用器WDM(11)解复用后的光入射至偏振保持分束器PBS(9)的B号端口，再在偏振保持分束器PBS(9)的C号端口出射；2号光纤耦合器(6)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经7号光纤耦合器(8)进行合束，7号光纤耦合器(8)合束后的光与偏振保持分束器PBS(9)的C号端口出射的光经8号光纤耦合器(10)合束后入射至平衡探测器(14)，平衡探测器(14)的输出信号输入至数据采集卡(4)；4号光纤耦合器(20)输出的1路光与5号光纤耦合器(21)输出的50路光经9号光纤耦合器(22)合束后入射至2号光电探测器(23)，2号光电探测器(23)的输出信号直接作为被锁定信号同时输入给锁相环模块(24)和采集卡采集卡(4)；经锁相环模块(24)输出的信号相位同步入射至2号声光调制器(19)，通过改变2号声光调制器(19)的移频量，使2号光电探测器(23)输出的信号与锁相参考信号相位相同。2.根据权利要求1所述基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述5号光纤耦合器(21)、6号光纤耦合器(7)、7号光纤耦合器(8)、8号光纤耦合器(10)、9号光纤耦合器(22)均为3dB耦合器。3.根据权利要求2所述基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述1号光纤耦合器(15)为1:99分路光纤耦合器。4.根据权利要求3所述基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统，其特征在于：所述2号光纤耦合器(6)、3号光纤耦合器(17)、4号光纤耦合器(20)均为99:1分路光纤耦合器。5.根据权利要求1所述基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距系统的方法，其特征在于：基于数字锁相非线性校正的动态扫频干涉测距方法具体过程为：步骤一、当被测目标为动态目标时，经扫频干涉测距光路平衡探测器(14)探测到的输出信号为im(k)；平衡探测器(14)探测到的经运动测量光路输出信号为i1(t)；2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i2(t)；步骤二、将辅助干涉仪(2)输出信号作为锁相参考信号Δf分(t)，将i1(t)、i2(t)的相位锁定在锁相参考信号Δf分(t)，则锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光路输出信号为i′1(t)；锁相后2号光电探测器(23)探测到的1号声光调制器(18)和2号声光调制器(19)差频信号为i′2(t)；步骤三、将锁相后平衡探测器(14)探测到的运动测量光...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘雨，刘国栋，庄志涛，于泽浩，
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