[发明专利]基于能量重心和全相位FFT的联合动态测距方法

说明书

本发明公开了一种基于能量重心和全相位FFT的联合动态测距方法，主要解决现有方法无法实现高精度动态测距的问题。包括：1)基于双边带频率扫描干涉测距系统，获取包含距离信息的干涉信号；2)使用能量重心FFT和全相位FFT分别对上下边带的相位差进行粗测和细测，解决相位模糊问题，联合得到高精度相位差计算结果；3)构建基于双边带频率扫描干涉测距系统的动态测距公式，将结果代入公式解算出绝对距离；4)基于滑动窗口多次重复测距并对测距结果取平均值，减小随机测距误差；5)获取每个扫频周期内的平均值，实现被测目标的动态跟踪测量。本发明的绝对测距精度达到亚微米量级，实现了远距离高精度动态绝对距离测量。

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，进一步涉及动态测距方法，具体为一种基于能量重心和全相位快速傅里叶变换FFT(fast Fourier transform)的联合动态测距方法，可用于远距离高精度动态绝对距离测量。

背景技术

高精度的绝对距离测量技术，无论对基础科学研究还是先进制造都具有至关重要的意义。特别是在空间科学领域，以欧洲“达尔文计划”、“引力波计划”以及“觅音计划”为代表的航天器编队飞行技术对在轨测量提出了极高的精度要求。光频扫描干涉绝对测距技术(FSI)可以实现静态的绝对距离测量，具备硬件系统结构简单、无需导轨、精度高、没有非模糊距离限制等应用优势，是当下最具应用前景以及研究价值的绝对测距技术之一。然而绝对静止的被测目标在真实的测量场景中并不存在，被测目标的机械振动噪声、测量环境的温度波动等多种因素，都会导致FSI绝对测距系统的被测光程差在光频率扫描过程中发生动态变化。与此同时，FSI对目标的微小运动极其敏感，上千倍的运动误差放大会湮没绝对静止状态下的测距精度，造成极大的测距误差。因此，改进FSI系统对光程差变化异常敏感这一固有缺陷，实现高精度动态绝对距离测量，是FSI绝对测距技术中最具挑战的问题。

2017年，Di Mo在《应用物理学B辑:激光与光学》期刊上发表的《用于远距离动态绝对测量的双边带频率扫描干涉方法》一文，其提出一种双边带频率扫描干涉测量系统，使用固定频率激光器和马赫-曾德调制器来产生两个相反频率的扫描信号，通过IQ解调来区分两个信号的频率，抵消目标运动引起的测距误差。但此测距方法由于直接使用FFT频谱中的主谱线来求上下边带的相位差，使得频谱泄露和栅栏效应造成的频谱误差很大，无法得到高精度的绝对距离测量结果。

2018年，Keshu Zhang在《光学通讯》期刊上发表的《户外环境中用于距离测量的双边带频率扫描干涉方法》一文，其沿用了相同的双边带频率扫描干涉测量系统，提出了一种All-phase FFT(apFFT)的相位测量方法，能有效抑制频谱泄漏引起的相位估计误差，静止条件下千米距离测量的标准偏差为16.59um，实现了户外远距离高精度测量。但此方法仅适用于被测目标静止或者做匀速运动的情况，干涉信号频率几乎不变。而对于实际环境中更普遍存在的匀加速运动、简谐运动等情况，干涉信号频率会随之变化，从而造成极大的频谱展宽，测距算法失效。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，基于双边带频率扫描干涉测量系统，给出被测目标任意运动规律下的绝对距离测量公式，并提出一种基于能量重心FFT和全相位FFT的联合动态测距方法。当被测目标做动态运动，通过双边带频率扫描干涉测距系统得到干涉信号，使用能量重心快速傅里叶变换FFT和全相位快速傅里叶变换FFT对上下边带的相位差分别进行粗测和细测，构建动态测距公式，利用相位差求出绝对距离，使用滑动窗口进一步提高测距精度，得到被测目标在各种运动状态下的高精度绝对距离测量结果。本发明在对动态测距误差免疫的基础上，最终实现了对远距离运动目标的动态跟踪测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：