基于硬件的等光频间隔采样及频谱分析方法

提出一种基于硬件的等光频间隔采样消除调频连续波(FMCW)激光测距系统调频非线性的改进措施。改进后的等光频间隔采样通过硬件数据采集即可一步实现,无需再进行后续繁杂的软件处理过程,极大地节省了内存空间和数据处理时间,并且较之基于软件的等光频间隔重采样方法采样位置更准确。研究了调频非线性对调频连续波激光测距系统测距精度的影响以及等光频间隔采样消除调频非线性的原理。在此基础上,针对等光频间隔采样方法在时域上为非均匀采样,传统频谱分析方法不再适用的问题,对其进行新的频谱分析,并推导出了重采样之后频谱峰值频率计算公式以及测距系统的距离求取公式,通过仿真验证了新的频谱分析公式的正确性。实验结果表明,基于硬件的等光频间隔采样方法比基于软件的等光频间隔重采样方法更简单并且具有更好的非线性消除效果、更高的测距分辨力和稳定性。

光频扫描干涉测距信号快速采集与处理方法

光频扫描干涉绝对距离测量系统需校正光频扫描非线性、细化信号距离谱,因此系统的数据采集及处理效率低,难以满足大尺度数字化制造场景中长度测量需求。本文设计的数据采集与处理系统,引入辅助干涉信号作为数字信号采集系统时钟,在信号采集过程中,同时校正等光频采样的光频扫描非线性,因此效率较高。并采用稀疏快速傅里叶变换确定距离谱细化区间,基于细化-快速傅里叶变换实现距离谱细化,有效提高距离的精密解算效率。实验结果表明:本文设计的系统,在数据处理速度方面,较使用线性调频Z变换的传统系统提高10倍以上;与商用干涉仪比对,在15.4~16.1 m等效空间距离范围内,测量结果误差保持在10μm以下,测量重复性优于6μm。

一种扫频干涉激光测距系统设计

在风云四号微波探测卫星任务中,需要设计一种适合在轨应用和地面应用的高精度激光测距系统,对卫星天线面型进行实时测量。提出扫频干涉激光测距系统设计,使用等光频间隔采样技术,通过对干涉拍频信号进行重采样,以消除光源扫频非线性对系统产生的影响;使用双激光器进行同步反向扫频,在对称的测量光路中对目标进行测距,并通过系统标定的方法对多普勒频移进行校正,以减小因空气扰动、机械振动、目标运动等原因带来的测量误差;使用光纤和无源器件设计全固态内光路,满足小型化、模块化、高可靠性的系统要求。根据系统设计方案搭建了工程样机进行实验,对被测距离为2.5 m的目标进行测量,系统测量线性度优于2.14×10^(-6),重复测量标准差优于17.00μm,目前已达到卫星地面测试的要求。

基于相位差测频的调频连续波激光测距技术

针对调频非线性和快速傅里叶变换(FFT)精度不高的问题,基于等光频间隔重采样的调频连续波测距系统,采用相位差测频法测量了待测目标点的距离;对调频连续波激光测距原理进行分析和推导,并依靠该系统进行了测距稳定性和测距误差的分析实验。结果表明:在8.3～9.3 m测量范围内,相位差测频法的测距单点稳定性范围为50～95μm,测得的距离与理论距离的残余误差不超过100μm;所提算法比快速傅里叶变换具有更好的测距精确性和稳定性。

调频连续波激光测距系统的振动补偿仿真研究

在双光路调频连续波激光测距过程中,振动将光程差变化转为拍频信号不需要的相位调制,并在拍频信号中引入多普勒频移,导致拍频信号的频谱发生严重展宽和频移,无法根据拍频频率计算距离值。为解决该问题,提出一种基于四波混频效应的振动补偿方法,该方法利用四波混频技术产生与原频率扫描信号扫描方向相反的新频率扫描信号,通过两个频率扫描信号的测量拍频信号计算距离值。结果表明:当扫描带宽为10nm,待测距离为5m,待测目标以2Hz的频率进行行程为100μm的周期性位移时,基于四波混频效应的振动补偿方法能有效消除振动对测距的影响,测量标准差由补偿前的1.062mm减小为29μm;该方法无需测量振动位移便可直接获取消除振动影响的距离值,极大地简化了系统的硬件部分。