[发明专利]一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，利用光电探测器采集由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号；利用辅助测量干涉仪光路的拍频信号对测量拍频信号进行零均值点重采样；通过Hilbert变换获取重采样之后的信号包络；对重采样信号进行解包络并再次采用希尔伯特变换法计算包裹相位，根据扫频方向进行相位解包裹，对解包裹的相位进行二次函数拟合确定色散补偿系数；对新构建的信号进行快速傅里叶变换获得被测物的远距离信息。本发明的色散补偿方法能够进行快速实时补偿，提高了测量效率和测距精度，特别适用于合成孔径雷达、无人驾驶测量、医学相干层析、激光测振等领域。

技术领域

本发明属于精密计量领域，特别涉及一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，应用于激光调频连续波远距离大带宽高精度测量场景。

背景技术

工业技术的迅猛发展给当今的生活带来越来越多的便捷。然而，工业技术的发展离不开工业制造。随着时代的发展，人们对制造精度和制造的复杂度的要求越来越严苛，寻求一种快速高精度原位测量的手段迫在眉睫。激光调频测量技术，也称调频激光雷达技术，它具有快速、高动态范围、高精度的特点，引起越来越多人的关注。区别于工业现场常用的测量仪器激光跟踪仪，调频激光雷达无需靶标引导，可快速实现多目标的三维成像。近些年来，调频激光雷达的这些优点，让其在医学相干层析、合成孔径雷达、光学频率反射计、无人驾驶等高精尖领域得到了广泛的应用。

调频激光雷达技术的测量精度受到光源调制非线性的影响十分严重，为了消除这部分影响，常常采用双光纤干涉仪的结构设计：利用大于测量光路两倍光程以上的干涉仪对主测量光路进行等光频重采样，来获得频率单一的重采样信号，从而方便解调距离信息。然而，随着测量距离的增加，由于光纤色散的引入，辅助干涉光路和主测量光路的色散不匹配会导致重采样的误差。在远距离大带宽的测量场景，这种误差将会十分严重，如不消除，将不能准确获取距离信息。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，目的是在于消除调频激光远距离测距技术中存在的色散不匹配现象，采用两次希尔伯特(Hilbert)变换法对重采样信号进行处理，消除低频包络噪声，补偿色散引起的相位误差，获得精确的距离信息。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于激光调频连续波远距离测距的色散补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建激光双干涉仪光路远距离测量系统，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器分别采集由主测量干涉仪光路和辅助测量干涉仪光路构成的两路干涉仪光路的拍频信号；

步骤2：利用辅助测量干涉仪光路的拍频信号对包含长距离信息的主测量干涉仪光路信号进行零均值点重采样，消除调频非线性的影响，获得重采样信号；

步骤3：将重采样信号进行希尔伯特变换，获取移相90度的重采样信号，根据正交分量特性，提取包含低频噪声的包络；对重采样信号进行解包络，并再次采用希尔伯特变换法计算包裹相位，并根据扫频方向进行相位解包裹；

步骤4：利用最小二乘法对解包裹的相位进行二次函数拟合，确定色散补偿系数；

步骤5：对重采样信号和相位补偿系数进行相乘，并对新构建的信号进行快速傅里叶变换获得被测物的远距离信息。

进一步讲，本发明所述的色散补偿方法，步骤2中所述的采用辅助干涉仪光路拍频信号的零均值点对主测量干涉仪光路拍频信号进行重采样，具体算法如下：

2-1、零均值重采样的方法是采用确定光程差为被测光程2倍以上的干涉仪对主测量干涉仪光路进行零均值点采样，以满足奈圭斯特采样定理，获取频谱相对单一的重采样信号；首先，利用雪崩光电探测器和平衡光电探测器探测到的两路干涉仪光路的拍频信号分别表示主测量干涉仪光路拍频信号U_mea和辅助干涉仪光路拍频信号U_ref：