[发明专利]一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法

说明书

本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法，所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；通过选取与多频混合信号中低频信号频率相同的正弦波信号作为本振信号，与多频混合信号进行下变频混频处理，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现粗测信号的提取；通过混频器本振信号端与射频端相连，使多频混合信号自混频，利用混频器后的RC电路滤除自混频输出信号中的干扰信号，并通过差分LC滤波电路，滤除DC信号，实现精测信号的提取。本发明保证了精测、粗测信号相位测量的同步性，并减小了测量误差。

技术领域

本发明属于绝对测距测量信号处理技术领域，特别是涉及一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法。

背景技术

在所有绝对距离测量方法中，激光测距法具有精度高、量程大、可溯源、可多通道分光测量等特点，是当前最有效、最主要的大尺寸、高精度测量方法。常用的激光测距方法主要有脉冲激光测距法、扫频干涉测距法、多波长测距法、飞秒频率梳测距法。脉冲激光技术虽光路结构简单，但该方法受光电探测及信号处理速度限制，测距精度最高很难提高到微米级别，无法满足高精度测量需求；扫频干涉测距法的测量原理限制其测量速度，动态性能差，且测尺稳定性较低，一般在10^-7左右难以提高；飞秒频率梳测距技术主要通过光源技术突破提高测距性能，但其价格高昂、系统庞大复杂，难以应用于工业环境中。多波长测距法通过构建合成波长链同时满足测距精度和测量范围的矛盾，应用于高精度大尺度绝对距离测量场景中。

绝对距离测量中常用的相位差测量方法主要包括模拟测相和数字测相。测距过程中，为了提高测量精度，选用的精测尺调制频率往往高达几十MHz，甚至是几百MHz。模拟测相电路中选用的基本为模拟元器件，面对兆级别的高频信号，模拟电路使用过程中产生的寄生电容、寄生电感造成的影响不可忽略，对模拟元器件的选择和电路板卡的布局也提出了更加严格的要求，因此传统的模拟测相技术测量精度也普遍偏低，不满足高精度的测量要求。此外，模拟测相电路中的模拟器件的参数与调制信号的特定频率对应。不同的调制频率需要对应不同的相位测量模块，无疑增加了相位测量的复杂性，限制了模拟测相技术的进一步推广和应用。

相比较模拟测相，数字测相在保证测相精度的同时，则更加的灵活，是相位测量的首选方法。常用的数字测相方法包括移相鉴相法、基于快速傅里叶变换(FFT)鉴相法和自动数字鉴相法。移相鉴相法利用机械灵敏度度量相位差，对设备要求高，操作复杂；FFT鉴相法在测量过程中需要一直进行傅里叶变换，计算量大，算法复杂，且测量精度受芯片精度限制；自动数字鉴相法是目前使用最广泛的数字测相方法，该方法测量精度高，便于集成。

哈尔滨工业大学朱鹏飞[朱鹏飞，基于外差与超外差结合式激光测距方法关键技术研究，万方数据库，2018年10月26日]利用下变频方法同时对粗测尺、精测尺进行降频以满足测相需求，但这种方法要求本振信号频率较高，即对信号发生器或DDS信号源要求较高，在实际电路处理中易引入噪声，影响测相精度；清华大学张存满[张存满等，超外差干涉绝对距离测量研究综述，光学技术1998，(1)：7-9.]采用超外差方法降低了信号的处理频率，但该方法仅对高频干涉信号有效，无法对粗测尺进行同步测相，且在超外差处理过程中将引入显著的直流信号偏置。

发明内容

本发明针对单光源多频混合外差式激光绝对测距系统中多频信号难以同步分离、提取的问题，提出了一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多频混合外差式干涉信号同步分离与同步测相系统，所述系统包括多频混合信号输入端、下变频电路、自混频电路、滤波电路、第一差分滤波电路、第一比较整形电路、第二比较整形电路和相位测量电路；