结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统及方法
阅读说明：本技术 结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统及方法 (Non-cooperative target ranging system and method combining frequency sweep and heterodyne interferometer ) 是由 路程 许梓艺 刘国栋 刘炳国 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统及方法,本发明涉及非合作目标测距领域。解决了现有技术中对于非合作目标的测距系统存在测量精度低的问题。本发明中外差干涉仪与扫频干涉仪采用共路结构,可以同步测量目标的振动和距离,振动测量结果用于校正扫频干涉信号I-(1)(k)中的由于多普勒效应引起的振动,校正振动对测距结果的影响。本发明主要用于对非合作目标距离的测量。(The invention discloses a non-cooperative target ranging system and a non-cooperative target ranging method combining a frequency sweep interferometer and a heterodyne interferometer, and relates to the field of non-cooperative target ranging. The problem of among the prior art to the range finding system of non-cooperative target have measurement accuracy low is solved. The heterodyne interferometer and the frequency-sweeping interferometer adopt a common-path structure, can synchronously measure the vibration and the distance of a target, and the vibration measurement result is used for correcting a frequency-sweeping interference signal I 1 (k) Due to the doppler effect, the influence of the vibration on the ranging result is corrected. The invention is mainly used for measuring the distance of the non-cooperative target.)
技术领域
本发明涉及非合作目标测距领域。
背景技术
在大型组件正在组装或机器正在运行的工业环境(航空航天工业或其他重型制造)中执行高精度绝对距离测量的能力变得越来越重要。由于频率扫描激光器的发展，频率扫描干涉测量(FSI)作为一种具有高精度和无测距盲区的技术，在绝对距离测量中越来越受到关注。
对于基本FSI，其中测量干涉仪的光程差(OPD)变化，测量误差比实际OPD变化大数百倍。这是由振动引入多普勒效应引起的，也即由于振动导致测距准确度低。
为了克服这个问题，2001年，Schneider等人。使用两个同时在频率上向上和向下调谐的激光二极管，并使用辅助干涉仪来校正频率扫描非线性。
2014年，Matthew·Warden等人。使用两个外腔激光器开发了一种类似于RichardSchneider的设置。外腔激光器具有较大的扫频范围，可以提高FSI的精度。双频扫描方法可以获得较好的校正结果，但成本太高。
2018年，Zhang等人提出结合FSI和多波长干涉测量距离，其中HeNe激光器是用于监测测量距离的波动。
2020年，Bin等人提出使用定频干涉仪来消除多普勒效应误差。
2016年，我们使用外差干涉仪来校正FSI中的多普勒效应系统。
然而，上面显示的所有方法都旨在测量合作目标，例如：球面反射目标或光滑镜面，并且忽略了多径干扰的影响。在这种情况下，当测量粗糙的物体(非合作目标)时，由于不可忽略多径干扰的影响，受多径干扰的影响导致对非合作目标测量精度低，特别是当距离大于10m时精度不超过10μm。因此，针对现有技术中对于非合作目标的测距系统存在测量精度低的缺陷亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中对于非合作目标的测距系统存在测量精度低的问题，本发明提供了一种结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统及方法。
结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统，包括外腔式激光器、单频激光器、第一辅助干涉仪、第二辅助干涉仪、测量干涉仪、1号分束器、2号分束器、3号分束器、4号分束器、5号分束器、声光调制器AOM、数据采集器和处理器；
第一辅助干涉仪和测量干涉仪构成扫频干涉仪；
第二辅助干涉仪和测量干涉仪构成外差干涉仪；
外腔式激光器输出的激光经1号分束器分束后，生成的两路激光，其中，一路送至第一辅助干涉仪进行干涉及光电转化后形成的信号送至数据采集器，作为数据采集器的采样时钟，另一路送入2号分束器进行分束后形成的两路激光均送至测量干涉仪，且2号分束器输出的一路激光作为探测光，其输出的另一路激光作为参考光；
单频激光器输出的激光经3号分束器分束后，生成两路激光，其中，
3号分束器输出的一路激光经过4号分束器分束成两路激光，且4号分束器输出的一路激光送至测量干涉仪，4号分束器输出的另一路激光送至第二辅助干涉仪；
3号分束器输出的另一路激光经声光调制器AOM调频后送至5号分束器，5号分束器对接收的激光进行分束后形成两路激光分别送至测量干涉仪和第二辅助干涉仪；
测量干涉仪，用于根据接收的4路激光对被测目标进行探测，获得携带有振动信息的距离信号，并将该信号通过数据采集器送至处理器；
第二辅助干涉仪，用于对接收的两路激光进行干涉及光电转化后，生成差频信号Ia(k)，并将该差频信号Ia(k)通过数据采集器送至处理器；其中，k为整数，表示采样点；
处理器，利用差频信号Ia(k)对携带有振动信息的距离信号进行振动补偿，从而获得目标真实距离Rm0。
优选的是，第一辅助干涉仪包括6号分束器、1号耦合器和1号光电探测器PD1；
6号分束器，用于对1号分束器输出的一路激光进行分束后，形成的两束激光通过光纤送至1号耦合器进行耦合后，送至1号光电探测器PD1进行光电转化，并将形成的信号送至数据采集器。
优选的是，测量干涉仪包括1号波分复用器、2号波分复用器、2号耦合器、光纤循环器、光纤尾纤FP、汇聚透镜组和2号光电探测器PD2；
1号波分复用器，用于对2号分束器输出的探测光和4号分束器输出的一路激光进行耦合后，送至光纤循环器，光纤循环器的第一输出端输出激光通过光纤尾纤FP送至汇聚透镜组汇聚后入射至被测目标，经被测目标反射的光按原路依次经过汇聚透镜组、光纤尾纤FP返回至光纤循环器，并通过光纤循环器的第二输出端送至2号耦合器；
2号波分复用器，用于对2号分束器输出的参考光和5号分束器输出的一路激光进行耦合后送至2号耦合器；
2号耦合器对接收的两路激光进行耦合后，送至2号光电探测器PD2进行光电转化后，生成携带有振动信息的距离信号。
优选的是，第二辅助干涉仪包括3号耦合器和3号光电探测器PD3；
3号耦合器，用于对接收的4号分束器输出的另一路激光和5号分束器输出的另一路激光耦合后，送至3号光电探测器PD3进行光电转化生成差频信号Ia(k)。
优选的是，1号分束器、2号分束器、3号分束器和4号分束器的分光比均为99:1，5号分束器的分光比为50:50的分束器；
6号分束器和1号耦合器的分光比均为50:50；
2号耦合器的分光比为50:50；
3号耦合器的分光比为50:50。
采用所述的结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统实现的测距方法，该方法包括如下步骤：
S1、处理器接收到差频信号Ia(k)和携带有振动信息的距离信号之后，先对携带有振动信息的距离信号进行滤波，获得扫频干涉信号I1(k)和外差干涉信号I2(k)；
S2、利用差频信号Ia(k)对外差干涉信号I2(k)进行解调，从而获得II(k)和IQ(k)，再利用最小二乘法对II(k)和IQ(k)进行圆拟合，从而获得α和β的值；
其中，
II(k)为外差干涉信号I2(k)的同相分量；
IQ(k)为外差干涉信号I2(k)的正交分量；
α为同相分量II(k)的直流偏置；
β为正交分量IQ(k)的直流偏置；
S3、利用S2中获得的α和β的值，对II(k)和IQ(k)进行修正及处理，从而获得目标振动信息ΔRm(k)；
S4、利用目标振动信息ΔRm(k)对扫频干涉信号I1(k)进行振动补偿，从而获得目标绝对距离Icor(k)，再对目标绝对距离Icor(k)进行线性调频Z变换，从而获得距离谱，并将距离谱中的最大值作为目标真实距离Rm0。
优选的是，S1中，差频信号Ia(k)的表达式为：Ia(k)＝Aacos[2πΔfAOMt(k)](公式一)；
其中，
Aa为第二辅助干涉仪的幅值；
ΔfAOM为声光调制器AOM的差频；
t(k)为第k个采样点所对应的时间；
S1中，对携带有振动信息的距离信号进行滤波，获得扫频干涉信号I1(k)和外差干涉信号I2(k)的实现方式为：
其中，
A1为扫频干涉信号I1(k)的幅值；
R0为第一辅助干涉仪的光程差；
c为光速；
f0为外腔式激光器的起始频率；
A2为外差干扰信号I2(k)的幅值；
fAOM为声光调制器AOM的频移；
t(k)为第k个采样点所对应的时间；
f1为单频激光器的光频。
优选的是，S2中，
其中，
A2为外差干扰信号I2(k)的幅值；
f为外腔式激光器(1)的瞬时频率；
A3为杂散光干扰信号的幅值；
为杂散光干扰信号的初相位；
α为同相分量II(k)的直流偏置，
β为正交分量IQ(k)的直流偏置，
优选的是，S3中，利用S2中获得的α和β的值，对II(k)和IQ(k)进行修正及处理，从而获得目标振动信息ΔRm(k)的实现方式为：
其中，f1为单频激光器的光频。
c为光速。
优选的是，S4中，利用目标振动信息ΔRm(k)对扫频干涉信号I1(k)进行振动补偿，从而获得目标绝对距离Icor(k)的实现方式为：
其中，HT[·]为希尔伯特变换；
所述的目标真实距离Rm0的表达式为：Rm0＝arcmax(czt(Icor(k)))，其中，
czt(·)为线性调频Z变换。
本发明提供了一种结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统，该系统与外差干涉仪相结合。外差干涉仪与扫频干涉仪采用共路结构，可以同步测量目标的振动和距离，振动测量结果用于校正扫频干涉信号I1(k)中的由于多普勒效应引起的振动。
为了校正扫频干涉信号I1(k)，本发明采用附加外差干涉仪来监测目标的振动，其中，单频激光器的输出分为两个部分，其中一部分进入第一辅助干涉仪和测量干涉仪，另一部分经过声光调制器AOM后再进入第二辅助干涉仪和测量干涉仪。
本发明所述采用结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统实现的测距方法中，使用与扫频干涉仪平行的附加外差干涉仪来测量目标的振动，分析多径干扰的影响，然后采用后处理算法校正多普勒效应并提取距离，具体为，在使用圆拟合来校正多径干扰的影响，多径干扰会损害振动测量结果，尤其是在非合作目标测量中。然后，通过振动补偿消除了含多径效应的振动干扰，最终提高了测距精度。
附图说明
图1是本发明所述结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统的结构示意图；
图2是利用差频信号Ia(k)对外差干涉信号I2(k)进行解调获得II(k)和IQ(k)的原理示意图；其中，LPF为低通滤波器，HT为希尔伯特变换；
图3是获得目标真实距离的原理示意图；
图4为应用本发明测距方法对由于多普勒效应引起的振动效应的校正仿真图；
图4(a)为外差干扰信号I2(k)的波形图；
图4(b)为同相分量II(k)和正交分量IQ(k)的波形图；
图4(c)为同相分量II(k)和正交分量IQ(k)的李萨如曲线；
图4(d)为未校正多径干涉得到的目标振动曲线；
图4(e)为采用圆拟合校正多径干涉后的目标振动曲线；
图4(f)为三种状态下的距离谱，其中，三种状态下的距离谱分别为理想距离谱，采用圆拟合校正多径干涉影响后的距离谱，未校正多径干涉影响的距离谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统，包括外腔式激光器1、单频激光器2、第一辅助干涉仪3、第二辅助干涉仪4、测量干涉仪5、1号分束器6、2号分束器7、3号分束器8、4号分束器9、5号分束器10、声光调制器AOM11、数据采集器和处理器；
第一辅助干涉仪3和测量干涉仪5构成扫频干涉仪；
第二辅助干涉仪4和测量干涉仪5构成外差干涉仪；
外腔式激光器1输出的激光经1号分束器6分束后，生成的两路激光，其中，一路送至第一辅助干涉仪3进行干涉及光电转化后形成的信号送至数据采集器，作为数据采集器的采样时钟，另一路送入2号分束器7进行分束后形成的两路激光均送至测量干涉仪5，且2号分束器7输出的一路激光作为探测光，其输出的另一路激光作为参考光；
单频激光器2输出的激光经3号分束器8分束后，生成两路激光，其中，
3号分束器8输出的一路激光经过4号分束器9分束成两路激光，且4号分束器9输出的一路激光送至测量干涉仪5，4号分束器9输出的另一路激光送至第二辅助干涉仪4；
3号分束器8输出的另一路激光经声光调制器AOM11调频后送至5号分束器10，5号分束器10对接收的激光进行分束后形成两路激光分别送至测量干涉仪5和第二辅助干涉仪4；
测量干涉仪5，用于根据接收的4路激光对被测目标进行探测，获得携带有振动信息的距离信号，并将该信号通过数据采集器送至处理器；
第二辅助干涉仪4，用于对接收的两路激光进行干涉及光电转化后，生成差频信号Ia(k)，并将该差频信号Ia(k)通过数据采集器送至处理器；其中，k为整数，表示采样点；
处理器，利用差频信号Ia(k)对携带有振动信息的距离信号进行振动补偿，从而获得目标真实距离Rm0。
本实施方式中，本发明提供了一种结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统，该系统与外差干涉仪相结合。外差干涉仪与扫频干涉仪采用共路结构，可以同步测量目标的振动和距离，振动测量结果用于校正扫频干涉信号I1(k)中的由于多普勒效应引起的振动。
进一步的，第一辅助干涉仪3包括6号分束器3-1、1号耦合器3-2和1号光电探测器PD1；
6号分束器3-1，用于对1号分束器6输出的一路激光进行分束后，形成的两束激光通过光纤送至1号耦合器3-2进行耦合后，送至1号光电探测器PD1进行光电转化，并将形成的信号送至数据采集器。
本优选实施方式中1号光电探测器PD1为平衡光电探测器。
更进一步的，测量干涉仪5包括1号波分复用器5-1、2号波分复用器5-2、2号耦合器5-3、光纤循环器5-4、光纤尾纤FP、汇聚透镜组5-5和2号光电探测器PD2；
1号波分复用器5-1，用于对2号分束器7输出的探测光和4号分束器9输出的一路激光进行耦合后，送至光纤循环器5-4，光纤循环器5-4的第一输出端输出激光通过光纤尾纤FP送至汇聚透镜组5-5汇聚后入射至被测目标，经被测目标反射的光按原路依次经过汇聚透镜组5-5、光纤尾纤FP返回至光纤循环器5-4，并通过光纤循环器5-4的第二输出端送至2号耦合器5-3；
2号波分复用器5-2，用于对2号分束器7输出的参考光和5号分束器10输出的一路激光进行耦合后送至2号耦合器5-3；
2号耦合器5-3对接收的两路激光进行耦合后，送至2号光电探测器PD2进行光电转化后，生成携带有振动信息的距离信号。
本优选实施方式中，给出了测量干涉仪5的一种具体结构，结构简单，便于实现，且2号光电探测器PD2优选为平衡光电探测器。
更进一步的，第二辅助干涉仪4包括3号耦合器4-1和3号光电探测器PD3；
3号耦合器4-1，用于对接收的4号分束器9输出的另一路激光和5号分束器10输出的另一路激光耦合后，送至3号光电探测器PD3进行光电转化生成差频信号Ia(k)。
本优选实施方式中，给出了第二辅助干涉仪4的结构，结构简单，便于实现，且3号光电探测器PD3优选为平衡光电探测器。
更进一步的，1号分束器6、2号分束器7、3号分束器8和4号分束器9的分光比均为99:1，5号分束器10的分光比为50:50的分束器；
6号分束器3-1和1号耦合器3-2的分光比均为50:50；
2号耦合器5-3的分光比为50:50；
3号耦合器4-1的分光比为50:50。
本优选实施方式中，给出了各分束器和耦合器的最优分光比。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统实现的测距方法，该方法包括如下步骤：
S1、处理器接收到差频信号Ia(k)和携带有振动信息的距离信号之后，先对携带有振动信息的距离信号进行滤波，获得扫频干涉信号I1(k)和外差干涉信号I2(k)；
S2、利用差频信号Ia(k)对外差干涉信号I2(k)进行解调，从而获得II(k)和IQ(k)，再利用最小二乘法对II(k)和IQ(k)进行圆拟合，从而获得α和β的值；
其中，
II(k)为外差干涉信号I2(k)的同相分量；
IQ(k)为外差干涉信号I2(k)的正交分量；
α为同相分量II(k)的直流偏置；
β为正交分量IQ(k)的直流偏置；
S3、利用S2中获得的α和β的值，对II(k)和IQ(k)进行修正及处理，从而获得目标振动信息ΔRm(k)；
S4、利用目标振动信息ΔRm(k)对扫频干涉信号I1(k)进行振动补偿，从而获得目标绝对距离Icor(k)，再对目标绝对距离Icor(k)进行线性调频Z变换，从而获得距离谱，并将距离谱中的最大值作为目标真实距离。
进一步的，S1中，差频信号Ia(k)的表达式为：Ia(k)＝Aacos[2πΔfAOMt(k)](公式一)；
其中，
Aa为第二辅助干涉仪(4)的幅值；
ΔfAOM为声光调制器AOM(11)的差频；
t(k)为第k个采样点所对应的时间；
进一步的，S1中，对携带有振动信息的距离信号进行滤波，获得扫频干涉信号I1(k)和外差干涉信号I2(k)的实现方式为：
其中，
A1为扫频干涉信号I1(k)的幅值；
R0为第一辅助干涉仪3的光程差；
c为光速；
f0为外腔式激光器1的起始频率；
A2为外差干扰信号I2(k)的幅值；
fAOM为声光调制器AOM 11的频移；
t(k)为第k个采样点所对应的时间；
f1为单频激光器2的光频。
更进一步的，具体参见图2，S2中，
其中，
Aa为第二辅助干涉仪4的幅值；
A2为外差干扰信号I2(k)的幅值；
c为光速；
f为外腔式激光器1的瞬时频率；
A3为杂散光干扰信号的幅值；
为杂散光干扰信号的初相位；
α为同相分量II(k)的直流偏置，
f1为单频激光器2的光频；
β为正交分量IQ(k)的直流偏置，
更进一步的，具体参见图2和图3，S3中，利用S2中获得的α和β的值，对II(k)和IQ(k)进行修正及处理，从而获得目标振动信息ΔRm(k)的实现方式为：
其中，f1为单频激光器2的光频。
c为光速。
更进一步的，参见图3，S4中，利用目标振动信息ΔRm(k)对扫频干涉信号I1(k)进行振动补偿，从而获得目标绝对距离Icor(k)的实现方式为：
其中，HT[·]为希尔伯特变换；
更进一步的，所述的目标真实距离Rm0的表达式为：Rm0＝arcmax(czt(Icor(k)))，
其中，czt(·)为线性调频Z变换。
具体应用时，应用本发明所述的采用结合扫频和外差干涉仪的非合作目标测距系统的测量方法进行应用时仿真图，具体参见图4，在仿真中，目标位于10m处，多径干扰信号的振幅是有用信号的0.8倍。外差干扰信号如图4(a)所示。为了提取变化，应首先获得II(k)和IQ(k)信号，如图4(b)所示。受多径干扰的影响，II(k)和IQ(k)信号有明显的偏差。在这种影响下，李萨如曲线如图4(c)所示，圆心偏离零点。采用最小二乘法得到拟合圆，拟合中心为(-0.21，0.34)。如果忽略多径干扰的影响，计算的振动曲线如图4(d)所示。利用曲线的拟合中心，可通过公式六获得精确计算的振动曲线，也即：目标振动信息ΔRm(k)，结果如图4(e)所示，其与预设振动信息相似。计算出的振动可用于校正扫频干涉信号I1(k)中的多普勒效应，如公式七所示，校正多径干扰影响后的距离谱如图4(f)中的采用圆拟合校正多径干涉影响后的距离谱，图4(f)中没有校正多径干扰影响的距离谱，多径干扰具有明显的失真。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
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