[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

说明书

本发明涉及一种基于多频外差原理和光载微波干涉的距离测量方法，包括：选定一组微波调制频率，得到对应的相位参考主值；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；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；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；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；依据所得相位变化展开值计算出对应的待测距离。

技术领域

本发明涉及一种非接触式、高精度且大尺度的距离测量。特别是涉及一种基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法。

背景技术

随着科学研究与工业生产的不断发展，距离测量在航空航天、自动驾驶、生物医学等众多领域中逐渐占有了重要的地位。为满足日益增加的测距需求，若干研究提出了多种基于不同原理的距离测量方法，主流的包括激光法、微波法及微波光子学方法等。以激光干涉测量仪为代表的激光类方法，已被广泛应用于高精度测距场景中。但是，该类方法通常对光源及系统硬件要求严苛，制造难度高，对外界环境要求较高，且大多数的测量范围有限。微波技术常用于各类雷达测量系统中，其制造难度较低、穿透性良好、测量范围大、抗干扰能力较强，但测量精度有限，且不适合应用于点对点测量场景。微波光子学结合了激光和微波的特点及优势，近年来取得了许多新的技术突破和进展，逐渐被应用于许多传感领域。

光载微波干涉技术基于微波光子学原理，通过将光载微波信号进行相干叠加，并分析所得的干涉信号特性来实现对距离等参数的测量。光载微波干涉技术对光源和系统器件要求较低，制造成本低，能够实现分布式传感。在该技术中，光信号作为载波来辅助微波携带信息传播，其信号的远距离传输能力和信号质量都较好，且对波导种类和光偏振形态不敏感。光载微波干涉技术同时具备了激光和微波的诸多特点和优势，是可应用于高精度距离测量的一种理想方法。

光载微波干涉测距方法通过提取信号的相位信息来计算出对应的待测距离。在开展距离测量、特别是远距离测量时，常会遇到相位模糊问题，即所得到的相位主值并不是完整的原始相位值，从而导致对应的距离估计值出现错误。通过采用基于多频外差原理的测量方法，可以有效实现无歧义相位展开，解决相位模糊问题，在保证高测距精度的同时实现大尺度的测距范围。

发明内容

本发明提供一种可以有效实现距离测量，并能够实现高精度和大尺度测量范围的基于多频外差原理和光载微波干涉技术的距离测量系统及方法。本发明所采用的技术方案是：

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：