基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法，主要解决现有技术测距精度低的问题，其方案是：通过稳频激光器产生一束通信测距一体化光束，并通过分光棱镜将其分为参考端和测量端光束；将参考端光束通过参考偏振片发生干涉并通过光电转换器转换为参考端电信号；将测量端光束通过偏振分光棱镜分为频率不同的两束光，再将其分别通过参考角反射镜和测量角反射镜反射到测量偏振片上发生干涉，并通过光电转换器转换为测量端电信号；对参考端和测量端的电信号进行相位解算得到两路正余弦信号；利用这两路信号算出相位的整数和小数部分，再通过相位算出物体的相对位移。本发明专利技术极大地提高了测距精度，可用于卫星通信与测距一体化。卫星通信与测距一体化。卫星通信与测距一体化。

【技术实现步骤摘要】
基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法


[0001]本专利技术属于通信
，特别涉及一种外差干涉位移测量方法，可用于卫星通信与测距一体化。

技术介绍

[0002]现代超精密仪器设备加工、超大规模集成电路加工以及纳米量级测量技术等国际前沿尖端技术需要超精密测量技术的强大支撑与精细标定。外差激光干涉测量系统作为超精密技术的重要组成部分，以其高测量分辨力与精度、非接触式测量、较强的抗干扰能力以及很好的量值溯源复现性等优点，已经被普遍地应用于各种超精密测量加工领域。
[0003]《皮米分辨力双频激光干涉仪相位细分技术研究》提出基于外差干涉测量系统的双频正交锁相放大测相技术实现了高精度的位移测量，在不考虑光学误差的情况下，此方法可以达到pm级的测量精度，但是此方法只能用于实现单一的测距情况，无法用于实现通信测距一体化情况。
[0004]但是随着星载激光系统的不断完善，依靠搭载的激光通信和激光测距机，可为航天器间提供通信和相对定位的技术手段。受限于卫星平台对重量、体积、功耗的约束越来越低高，在满足项目任务指标要求的前提下，通信和测距的一体化设计是未来趋势。
[0005]Richard S.Orr在2018年提出《用于通信和测距的组合GMSK调制和伪随机码测距》，在此设计中，测距和通信共用同一个信号光，采用伪随机码测距方法来实现激光测距。伪随机码测距分为主站和从站两大部分，首先，在主站上，码发生器产生时钟码和伪随机码，经载波调制传输给从站；其次，从站的码跟踪环经过解调与计算，恢复时钟码与伪随机码，从而在从站上产生下行复合码，经调制后发回给主站；再次，主站的码跟踪环解析出时钟码与伪随机子码，并通过分别对时钟码和伪随机码进行相位比较得出粗测与精测的结果；最后，经过一系列的信号与数据处理，得出测距的结果。此测距方法由于是对绝对距离的测量，其测距精度只能达到厘米级，无法实现高精度测距。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法，以实现相对位移的测量，提高位移测量精度，使其可达纳米级。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：
[0008]1.一种基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法，所述系统包括稳频激光器、分光棱镜BS、偏振分光棱镜PBS、参考角反射镜P
r
、测量角反射镜P
m
、参考偏振片PA1、测量偏振片PA2、光电转换器件PT和可编程逻辑门阵列FPGA，其特征在于，实现步骤包括如下：
[0009](1)通过稳频激光器产生两束频率分别为f1和f2的正交偏振光，并将频率为f2的光束作为载波通过二进制相移键控BPSK对基带数据d(t)进行调制，得到调制后的光束E2(t)，
再将其与频率为f1的光束合成一条光束E发出；
[0010](2)通过普通无偏振态功率分光棱镜BS将发出的光束E分为测量端和参考端；
[0011](3)将参考端光束直接通过与偏振光成45夹角的参考偏振片PA1进行干涉，再通过光电转换器件PT得到参考端电信号f
r
；
[0012](4)获得测量端电信号f
m
：
[0013](4a)将测量端光束直射到偏振分光棱镜PBS，以把光束E中分为频率分别为f1和f2的正交光束；
[0014](4b)将频率为f1的光束传输至固定不动的参考角反射镜P
r
，再反射回到偏振分光棱镜PBS；将频率为f2的光束传输至可移动的测量角反射镜P
m
，得到频率变为f2±
Δf的光束再将其反射回偏振分光棱镜PBS，其中；为多普勒频移影响产生的频差，v为测量角反射镜P
m
的移动速度，λ为稳频激光器发出激光的波长；
[0015](4c)将返回偏振分光棱镜PBS的两光束经过测量偏振片PA2进行干涉，再通过光电转换器件PT转换，得到测量端电信号f
m
；
[0016](6)通过编程在FPGA内部产生的两路正交信号sin和cos，并将其分别与参考端电信号f
r
和测量端电信号f
m
进行混频，得到四路混频信号sin A1、cos A1、sin B1和cos B1；
[0017](7)将混频信号sin A1与cos A1，sin B1与cos B1再分别进行混频，并将混频结果在FPGA内部进行低通数字滤波，得到两路正弦信号sin A3和sin B3；
[0018](8)将上述四路混频信号sin A1与cos A1，sin B1与cos B1再分别进行平方后做差，然后在FPGA内部进行低通数字滤波，得到两路余弦信号cos A3和cos B3；
[0019](9)将两路正弦信号sin A3、sin B3和两路余弦信号cos A3、cos B3信号在FPGA内部进行相位解算，得到两路正余弦信号sin C和cos C；
[0020](10)根据两路正余弦信号sin C和cos C计算出待测目标间的相对距离。
[0021](10a)将两路正余弦信号sin C和cos C通过四细分辨相的相位处理方法计算出相位的整数部分；
[0022](10b)将两路正余弦信号相除得到信号tan，并通过cordic算法求得到相位的小数部；
[0023](10c)将相位小数部分与相位整数部分相加得到整体相位值通过整体相位值解算出相对距离s。
[0024]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0025]第一，本专利技术由于采用外差干涉测量系统进行通信测距一体化，相比于传统的用伪随机码测距方法来实现通信测距一体化，不仅极大地提高了测距精度，即将测距精度从cm级提升到了nm级别，而且可实现对相对位移的测量；
[0026]第二，本专利技术由于在相位解算部分新增了一次混频和平方后做差操作，解决了二进制相移键控BPSK调制方式易造成测距信号相位不连续，无法进行相位解算的问题，可使外差干涉测量系统用于通信测距一体化情况下，不受通信端的影响，实现高精度的相对位移测量。
附图说明
[0027]图1是现有的外差干涉系统原理图；
[0028]图2是本专利技术的实现原理图；
[0029]图3是用现有方法实现通信测距一体化的测距精度图；
[0030]图4是用本专利技术方法实现通信测距一体化的测距精度图。
具体实施方式
[0031]以下结合附图对本专利技术的实施例和效果做进一步详细描述：
[0032]本实例的具体实现是基于外差干涉系统对通信测距一体化目标进行位移测量。
[0033]参照图1，本实例使用的外差干涉系统，包括稳频激光器LASER、分光棱镜BS、参考偏振片PA1、偏振分光棱镜PBS、参考角反射镜P
r
、测量角反射镜P
m
、测量偏振片PA2、光电转换器件PT和可编程逻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于外差干涉系统的通信测距一体化目标位移测量方法，所述系统包括稳频激光器、分光棱镜BS、偏振分光棱镜PBS、参考角反射镜P
r
、测量角反射镜P
m
、参考偏振片PA1、测量偏振片PA2、光电转换器件PT和可编程逻辑门阵列FPGA，其特征在于，实现步骤包括如下：(1)通过稳频激光器产生两束频率分别为f1和f2的正交偏振光E1(t)和E2(t)，并将频率为f2的光束作为载波通过二进制相移键控BPSK对基带数据d(t)进行调制，得到调制后的光束E2′
(t)，再将其与频率为f1的光束E1(t)合成一条光束E发出；(2)将合成光束E通过分光棱镜BS传输的路径分为测量端和参考端，即将通过透过分光棱镜BS继续向前传输的光束E
r
作为参考端，将通过分光棱镜BS发生反射后垂直向下传输的光束E
m
作为测量端；(3)将参考端光束直接通过参考偏振片PA1进行干涉，再通过光电转换器件PT得到参考端电信号f
r
；(4)获得测量端电信号f
m
：(4a)将测量端光束直射到偏振分光棱镜PBS，以把光束E中分为频率分别为f1和f2的正交光束；(4b)将频率为f1的光束传输至固定不动的参考角反射镜P
r
，再反射回到偏振分光棱镜PBS；将频率为f2的光束传输至可移动的测量角反射镜P
m
，得到频率变为f2±
Δf的光束再将其反射回偏振分光棱镜PBS，其中；为多普勒频移影响产生的频差，v为测量角反射镜P
m
的移动速度，λ为稳频激光器发出激光的波长；(4c)将返回偏振分光棱镜PBS的两光束经过测量偏振片PA2进行干涉，再通过光电转换器件PT转换，得到测量端电信号f
m
；(6)通过编程在FPGA内部产生的两路正交信号sin和cos，并将其分别与参考端和测量端电信号f
r
和f
m
进行混频，得到四路混频信号sinA1、cosA1、sinB1和cosB1；(7)将混频信号sinA1与cosA1，sinB1与cosB1再分别进行混频，并将混频结果在FPGA内部进行低通数字滤波，得到两路正弦信号sinA3和sinB3；(8)将上述四路混频信号sinA1与cosA1，sinB1与cosB1再分别进行平方后做差，然后在FPGA内部进行低通数字滤波，得到两路余弦信号cosA3和cosB3；(9)将两路正弦信号sinA3、sinB3和两路余弦信号cosA3、cosB3信号在FPGA内部进行相位解算，得到两路正余弦信号sinC和cosC；(10)根据两路正余弦信号sinC和cosC计算出待测目标间的相对距离。(10a)将两路正余弦信号sinC和cosC通过四细分辨相的相位处理方法计算出相位的整数部分；(10b)将两路正余弦信号相除得到信号tan，并通过cordic算法求得到相位的小数部；(10c)将相位小数部分与相位整数部分相加得到整体相位值通过整体相位值解算出相对距离s。2.根据权利要求1与所述的方法，其特征在于，步骤(1)中得到调制后的光束E2′
(t)，表示如下：
其中，D(t)根据实际通信下发送端和接收端的基带数据d(t)不同步，分别表示为D
r
(t)和D
m
(t)。3.根据权利要求1与所述的方法，其特征在于，步骤(3)将参考端光束直接通过与偏振光成45夹角的参考偏振片PA1进行干涉，实现如下：(3a)设频率为f1的偏振光束光波为E1(t)，频率为f2的偏振光束光波为E2′
(t)，E1和E2的表示如下：其中，w1和w2分别为偏振光束光波E1和E2的角频率，D
r
(t)表示发送端的基带数据：(3b)将两个偏振光束光波E1(t)和E2′
(t)通过参考偏振片PA1引导在同一平面上产生干涉，得到一条干涉光束：E
R
(t)＝D
r
(t)cos(w1t
‑
w2t)。4.根据权利要求1与所述的方法，其特征在于，步骤(4c)将返回偏振分光棱镜PBS的两光束经过测量偏振片PA2进行干涉，实现如下：(4c1)设频率为f1的偏振光束光波表示为E1，频率为f2±
Δf的偏振光束光波表示为E3，将两光束的光振动方程表示为：其中，w1和w2+Δw分别为偏振光束光波E1和E3的角频率，D
m
(t)表示接收端的基带数据：(4c2)将两个偏振光束光波E1(t)和E3通过测量偏振片PA2引导在同一平面上产生干涉，得到一条干涉光束：E
M
(t)＝D
m
(t)cos(w1t
‑
(w2+Δw)t)。5.根据权利要求1与所述的方法，其特征在于，步骤(6)中得到四路混频信号，分别表示如下：如下：如下：如下：其中，w
r
和w
m
分别为参考端电信号f
r
和测量端电信号f
m
的角频率，w3为FPGA内部产生的
正交信号sin和cos的角频率，D
r
(t)表示发送端的基带数据：D
m
(t)表示接收端的基带数据：6.根据权利要求1与所述的方法，其特征在于，步骤(7)中得到两路正弦信号sinA3和sinB3，分别表示如下：，分别表示如下：其中，w
r
和w
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海峰，沈利荣，王树震，邓忠文，李小平，杨敏，刘彦明，姚鑫，杨克元，刘智惟，王之，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：