基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法，包括绝对距离测量、微小相对位移测量。本发明专利技术的方法只需对校正非线性色散效应后的二维光谱进行一次二维傅里叶变换，即可获得与距离信息相关的特征参数，继而反解出距离信息或相对位移信息，步骤简洁、引入误差量少、测量更快、精度更高；在绝对距离测量时本发明专利技术只要求光梳重频F

【技术实现步骤摘要】
基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法


[0001]本专利技术属于光谱数据处理方法
，具体涉及一种基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法。

技术介绍

[0002]自2000年，日本产业技术综合研究所(AIST)的Minoshima等人首次提出采用飞秒激光脉冲进行绝对长度测量的新概念后，各国研究人员相继提出并实现了非相干和相干原理相结合的测距法、基于时间飞行原理的非干涉测距法等多种原理的光频梳测距方法。特别是建立在2006年K.N.Joo和S.W.Kim首次提出的光谱干涉测量法之上，2012年荷兰科学家S.A.Berg等人提出的光梳测距新技术，使用具有极高分辨率的VIPA(Virtually Imaged Phased
‑
Array)光谱仪将光频梳的各梳齿干涉信息在二维探测器上独立呈现出来，以便结合多波长干涉法，实现大量程、高精度的绝对距离测量。
[0003]S.A.Berg等人提出的技术中，距离信息的精确获取主要取决于对二维光谱信息的处理。首先，需要对二维光谱信息进行抽谱，即对探测到的每一个梳齿进行高精度频率定标，并精确地获取每一个梳齿的干涉强度，从而精确地获得“梳齿强度——频率”的关系曲线，即一维光谱干涉数据。随后，对抽取的一维光谱干涉数据进行傅里叶变换得到“伪时域谱”，并把“伪时域谱”内含有距离信息的成分单独滤出进行逆傅里叶变换，从而得到只对距离信息敏感且各梳齿间相对强弱相同的“标准化功率谱”。最后，解出每个梳齿功率对应的相位并进行相位解包裹，得到待测距离下的“梳齿频率——相位”变化曲线。通过精确拟合出“梳齿频率——相位”变化曲线的斜率即可精确获取待测的距离信息。
[0004]但是S.A.Berg等人提出的技术中，涉及到的二维光谱数据处理流程复杂，各步骤对应的处理算法不仅会直接引入一定的测量误差，同时还约束了整体测量的速率，限制了距离的实时测量。另外，光频梳自身的功率谱存在一定抖动，会导致二维光谱中的梳齿频率定标及强度定标精确度存在一定程度的误差，从而使得抽取的一维光谱不准确，所以光频梳自身功率谱的抖动也会对后续各处理步骤间接地引入一定程度的误差，从而影响最终的距离测量精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法，包括绝对距离测量、微小相对位移测量；
[0008]其中绝对距离测量包括如下步骤：
[0009]步骤一、非线性色散校正；基于VIPA与光栅的色散模型对所获得的二维光谱数据进行非线性校正，获得梳齿与空间位置呈线性关系的二维光谱数据；
[0010]步骤二、将距离接近0(λ0/10以内)的非线性校正后的二维光谱作为参考光谱，对
参考光谱进行二维傅里叶变换，得到其幅度谱，即梳齿背景结构；从中准确获取梳齿背景结构的空间频率成分v
cl
与方向θ
cl
；
[0011]步骤三、将待测距离为D的非线性校正后的二维光谱作为待解调光谱，并进行二维傅里叶变换得到幅度谱；
[0012]步骤四、根据距离信息引入的光谱能量调制关系：
[0013][0014]其中，为梳齿背景结构幅度谱的0频分量，为距离D≠0时二维光谱幅度谱的0频分量，K为调制系数；将梳齿背景结构从步骤三得到的幅度谱中消去，更准确地获取线性校正后的待解调光谱的包络条纹空间频率v
ef
与方向θ
ef
；
[0015]步骤五、根据包络条纹的空间周期T
ef
与梳齿列的强度变化周期T
cl
间的关系：T
cl
＝T
ef
/cosγ，其中γ是梳齿列与包络条纹周期方向的夹角、T
cl
是与距离信息D有关的函数；使用步骤二中获得的梳齿背景结构的方向θ
cl
以及步骤四中获得的v
ef
、θ
ef
，求解出距离信息D；
[0016]其中微小相对位移测量包括如下步骤：
[0017]步骤一、非线性色散校正；基于VIPA与光栅的色散模型对所获得的二维光谱数据进行非线性校正，获得梳齿与空间位置呈线性关系的二维光谱数据；
[0018]步骤二、将距离接近0(λ0/10以内)的非线性校正后的二维光谱作为参考光谱，对参考光谱进行二维傅里叶变换，得到其幅度谱，即梳齿背景结构；从中准确获取梳齿背景结构的空间频率成分v
cl
与方向θ
cl
；
[0019]步骤三、将待测距离分别为D、D+δD的非线性校正后的二维光谱作为待解调光谱，并进行二维傅里叶变换得到幅度谱以及相位谱，其中δD为微小相对位移；
[0020]步骤四、当距离在纳米甚至更小的尺度变化时，对应的包络条纹空间频率v
ef
的变化在幅度谱中无法识别；根据步骤三获得的幅度谱中包络条纹的空间频率位置坐标，在相位谱的相同位置坐标处，取附近的3
×
3像素范围内相位的平均值作为此式包络条纹空间频率对应的相位按同样的处理方法获得距离为D+δD的线性校正二维光谱包络条纹空间频率对应的相位
[0021]步骤五、利用步骤四中获得的相位信息计算出相对位移前后包络条纹的相位差结合相位变化与包络条纹空间频率变化的关系：测量出微小的相对位移dD。
[0022]进一步的，步骤一中，在空间上将不同的空间间隔的梳齿进行移动，使得最终呈现出周期均匀，频率单一的包络条纹。
[0023]进一步的，步骤二中，所有的方向都表示为与竖直方向的夹角，且顺时针方向为正，逆时针方向为负。
[0024]进一步的，仅对校正后的二维光谱进行一次二维傅里叶变换，即可获得与距离信息相关的特征参数，继而反解出绝对距离信息或相对位移信息。
[0025]进一步的，在绝对距离测量时仅需要对光梳重频F
r
锁定，在微小相对位移测量时才需要F
r
、F0同时锁定。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027]1.本专利技术只需对校正后的二维光谱进行一次二维傅里叶变换，即可获得与距离信息相关的特征参数(包络条纹的空间周期、方向、相位)，继而反解出距离信息或相对位移信息。步骤简洁、引入误差量少、测量更快、精度更高。
[0028]2.在绝对距离测量时本专利技术只要求光梳重频F
r
锁定。只有在微小相对距离测量时才需要F
r
、F0同时锁定。所以在绝对距离测量时，常见的商用光梳完全满足要求。
[0029]3.本专利技术中，与待测距离相关的包络条纹空间频率对整体的条纹频率敏感度高，对光梳原始功率谱的抖动以及背景有很好的抗噪性。
附图说明
[0030]图1是实施例中待测距离为0和11mm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于二维傅里叶变换的极多波长干涉测距距离解调方法，其特征在于，包括绝对距离测量、微小相对位移测量；其中绝对距离测量包括如下步骤：步骤一、非线性色散校正；基于VIPA与光栅的色散模型对所获得的二维光谱数据进行非线性校正，获得梳齿与空间位置呈线性关系的二维光谱数据；步骤二、将距离接近0(λ0/10以内，λ0为中心波长)的非线性校正后的二维光谱作为参考光谱，对参考光谱进行二维傅里叶变换，得到其幅度谱，即梳齿背景结构；从中准确获取梳齿背景结构的空间频率成分v
cl
与方向θ
cl
；步骤三、将待测距离为D的非线性校正后的二维光谱作为待解调光谱，并进行二维傅里叶变换得到幅度谱；步骤四、根据距离引入的光谱能量关系：其中表示距离D≠0时的二维光谱，距离D≈0时的二维光谱，将梳齿背景结构乘以光谱能量调制系数K，并从步骤三得到的幅度谱中消去，更准确地获取线性校正后的待解调光谱的包络条纹空间频率v
ef
与方向θ
ef
；步骤五、根据包络条纹的空间周期T
ef
与梳齿列的强度变化周期T
cl
间的关系：T
cl
＝T
ef
/cosγ，其中γ是梳齿列与包络条纹周期方向的夹角、T
cl
是与距离信息D有关的函数；使用步骤二中获得的梳齿背景结构的方向θ
cl
以及步骤四中获得的v
ef
、θ
ef
，求解出距离信息D；其中微小相对位移测量包括如下步骤：步骤一、非线性色散校正；基于VIPA与光栅的色散模型对所获得的二维光谱数据进行非线性校正，获得梳齿与空间位置呈线性关系的二维光谱数据；步骤二、将距离接近0(λ0/10以内)的非线性校正后的二维光谱作为参考光谱，对参考光谱进行二维傅里叶变换，得到其幅度谱，即梳齿背景结构；从中准确获取梳齿背景结构的空间频率成分v
cl
与方向θ
cl
；步骤三、将待测距离分别为D、D+δD的非线...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晋平，谢欣桐，朱小明，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：