[发明专利]基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法

权利要求书

1.一种基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法，所采用的距离测量系统，包括信号发生部分和干涉测量部分，其中，

所述信号发生部分，包括用于提供光信号的激光器，用于提供和传输微波信号的可调频率的射频信号源及其驱动系统、用于实现信号强度调制的电光调制器；由激光器和射频信号源分别提供光波和微波信号，光波和微波信号经电光调制器调制后产生光载微波信号；

所述干涉测量部分，包括分光器，光学耦合器和光电探测器，从电光调制器输出的光载微波信号经分光器后分为测量光路和参考光路；所述测量光路上依次设置有发射端准直透镜和接收端准直透镜，两准直透镜之间的距离即为待测距离；所述测量光路与参考光路汇集于光学耦合器产生光载微波干涉信号，经所述光学耦合器的输出端传输至光电探测器，光电探测器接收到的信号经采样后变为离散数字序列，并被输入计算机中进行后续处理；

距离测量方法，包括如下步骤：

1)选定一组微波调制频率，并对距离测量系统在各个调制频率下的初始数据指标进行标定，得到对应的相位参考主值；

2)采集各个调制频率下的光载微波干涉信号序列，所述的光载微波干涉信号序列，其表达式为：

式中，z₁和z₂分别指测量光路和参考光路的光程；f为射频信号源工作时的调制频率；c为光速；n_eff1、n_eff2分别为测量光路和参考光路中的折射率；W为微波信号传输的电程；A₁、A₂为测量光路和参考光路中的幅值，g为调制深度，M为射频信号源所发出信号的幅值；由于光载微波干涉信号的相位与光程之间存在对应关系，通过解调信号的相位信息来计算待测距离；

3)使用高阶高斯滤波器对采样得到的离散数字序列进行预处理，滤除序列中的噪声和高次谐波；

4)对预处理后的光载微波干涉信号序列进行频谱分析，基于全相位快速傅里叶变换，根据信号的幅度谱和相位谱，提取并计算出在各个调制频率下的由待测距离所引入的相位变化主值；所述的相位变化主值，其值域在[0,2π]范围内，并随待测距离和频率变化而在值域内发生对应变化，形成周期性的相位变化主值函数；所述的相位变化主值与微波频率f及待测距离L之间的关系为：

式中，c为光速；

5)基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值；通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值；所述的基于多频外差原理生成合成频率和合成相位主值，是指利用所选用的一组由低到高的微波调制频率进行多次测量，并将其中任意两种不同频率的相位变化主值函数进行叠加，以合成出若干等效于频率更低的相位变化主值函数的过程；

通过相位展开，恢复出完整的相位变化展开值的方法如下：将所有参与相位展开的频率由低到高依次排序为f₁,f₂,…f_n，各频率对应的相位变化主值为各频率对应的相位变化展开值相位展开的过程由如下公式表示：

式中,m_i表示各频率下对应的相位模糊级数；

首先计算最低频率f₁下的相位变化展开值随后由低到高依次迭代计算出其余各频率f_i，i＝1,2,…n，下对应的相位模糊级数m_i及相位变化展开值其中相位模糊级数的计算公式为：

6)依据所得相位变化展开值计算出对应的待测距离：

式中，f_n和为最高频率及其对应的相位变化展开值。

2.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述的激光器为放大自辐射式激光器。

3.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述电光调制器接入一个偏置电压控制模块，以使其稳定于最佳工作点。

4.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述的驱动系统用于通过反馈控制实现自动调节增益，在不同的调制频率下保持稳定的微波信号输出。