基于調焦清晰度評價函數的激光頻率掃描干涉儀色散相位補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高分辨率激光頻率掃描干涉儀色散補償方法。
【背景技術】
[0002] 激光頻率掃描干涉儀在工業零件測量、飛行器表面加工、物體三維形貌建模等領 域發揮著重要作用。隨著生產的發展，對更高分辨率的頻率掃描干涉儀提出了要求。提高 測量分辨率的關鍵是增大掃頻帶寬，然而，隨著掃頻帶寬的增加，用于校正測量信號拍頻非 線性的輔助干涉儀光纖色散隨之增大，測量信號經輔助干涉儀校正非線性后，導致目標頻 譜發生展寬，降低了測量分辨率。因此，輔助干涉儀光纖色散對測量信號的影響需要進行補 償。
【發明內容】
[0003] 本發明是要解決現有方法測量分辨率低并且對測量信號的影響需要進行補償的 問題，而提供了基于調焦清晰度評價函數的激光頻率掃描干涉儀色散相位補償方法。
[0004] 基于調焦清晰度評價函數的激光頻率掃描干涉儀色散相位補償方法，其特征在于 它按以下步驟實現：
[0005] ( -）建立高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測量信號拍頻模型；
[0006] (二）采用相位法對測量信號拍頻模型的光纖色散進行補償：
[0007] (1)將測量信號乘以復相位補償項，通過調節色散補償系數補償測量信號中的色 散相位畸變，當測量信號的色散相位畸變得到補償時，信號的頻譜半高全寬將變窄；
[0008] (2)提出調焦清晰度評價函數作為判斷測量信號拍頻模型的相位畸變是否得到補 償的標準；
[0009] (3)采用三分法尋找最佳色散補償系數對激光頻率掃描干涉儀光纖色散進行補 償。
[0010] 發明效果：對距離2. 44m處的高度差為200 μ m的臺階進行測量，色散補償前目標 峰值產生偽峰，且無法分辨該高度差。采用本方案補償后，目標峰值清晰可辨，且測得高度 差為201. 1 μ m，與實際值相比誤差為L 1 μ m，實現了大尺寸高分辨率測量。
【附圖說明】
[0011]圖1是激光頻率掃描干涉儀測量系統圖；
[0012] 圖2是頻率采樣法校正測量信號拍頻非線性過程；其中，（a)測量路拍信號，（b)輔 助干涉儀拍信號（觸發信號）；
[0013] 圖3(a)是經校正非線性后的測量信號（采樣后信號）；(b)采樣后信號的Fourier 變換頻譜圖；
[0014] 圖4是考慮光纖色散情況下的輔助干涉儀拍頻；
[0015] 圖5是考慮輔助干涉儀光纖色散情況下的頻率采樣法；其中（a)測量路拍信號， (b)輔助干涉儀拍信號（觸發信號）；
[0016] 圖6是經校正非線性后的測量信號（采樣后信號）；其中，（a)采樣后信號時域圖， (b) 采樣后信號的Fourier變換頻譜圖；
[0017] 圖7是測量信號譜峰輪廓隨S值的變化過程；
[0018] 圖8是補償系數與S值的變化關系；
[0019] 圖9是三步法尋找最佳補償系數的原理；
[0020] 圖10是單目標情況下，對目標峰值的補償；其中，（a)補償前；(b) S = 691230638 ; (c) S = 719881503 ;(d)S = 673929306 ;
[0021] 圖11是兩個目標情況下，對目標峰值的補償；其中，（a)補償前；(b) S = 9.8126X1015;(c)S = 1.0279X 1016;(d)S = 1.0151X1016。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0022] 一：基于調焦清晰度評價函數的色散相位補償方法，它按以下步驟 實現：
[0023] (三）建立高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測量信號拍頻模型；
[0024] (四）采用相位法對測量信號拍頻模型的光纖色散進行補償：
[0025] (1)將測量信號乘以復相位補償項，通過調節色散補償系數補償測量信號中的色 散相位畸變，當測量信號的色散相位畸變得到補償時，信號的頻譜半高全寬將變窄；
[0026] (2)提出調焦清晰度評價函數作為判斷測量信號拍頻模型的相位畸變是否得到補 償的標準；補償的測量信號頻譜半高全寬變窄的同時，調焦清晰度評價函數的值在增大，通 過比較調焦清晰度評價函數的值判斷測量信號色散是否得到補償，當調焦清晰度評價函數 的值最大時，測量信號色散被完全補償，此時，頻譜最窄，測量分辨率最高；
[0027] (3)采用三分法尋找最佳色散補償系數對高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散 進行補償。
[0028] 本實施方式的采用寬帶外腔調頻激光器進行測量，所構建掃頻干涉儀的系統原理 圖如圖1所示。外腔調頻激光器經光學隔離器、耦合器1后分為兩路光，一路光經過環形 器、光纖端面、發射接收系統到達目標，由目標返回的光與本振光疊加在平衡探測器B上形 成外差干涉，該部分為測量干涉儀，所形成的電信號為測量拍信號。實際中，激光器無法實 現理想線性調頻形式，所形成的拍信號頻率不是單一頻率，發生頻譜展寬，將導致很大的測 量誤差。為解決該問題，可采用頻率采樣法校正測量信號拍頻非線性，光經過兩臂長差不等 的光纖后在平衡探測器A上疊加進行外差干涉，該部分為輔助干涉儀，形成的信號為觸發 信號，采集卡記錄觸發信號相位每次經過2 π的時刻，利用該時刻序列對進入采集卡的測 量拍信號進行同步采樣，可校正測量信號的拍頻非線性，如圖2所示。圖3為經頻率采樣法 校正非線性后的測量信號，采樣后信號經Fourier變換后的頻譜由展寬變為單峰。
[0029] 然而，實際中為實現大尺寸高分辨率測量，通常要求輔助干涉儀光纖長度很長，此 時，光纖色散效應將隨寬帶光源的掃頻帶寬增加而增大。經頻率采樣法采樣后，測量信號的 拍頻將隨掃頻帶寬增大產生變化，導致測距峰值發生展寬，測量分辨率下降，其模型如下。
[0030] 考慮光纖色散情況下的輔助干涉儀的拍頻圖如圖4所示。
【具體實施方式】 [0031] 二：本實施方式與一不同的是：步驟（一）具體為：
[0032] (1)由高分辨率激光頻率掃描干涉儀的輔助干涉儀形成的拍頻表示為式 (6)：
[0033]
(6)
[0034] 其中，所述表示輔助干涉儀中兩光纖臂長差對應的時延，μ為調頻斜率，β 2 =-20ps2/km表示單模光纖的群速度色散，u g表示群速度，t表示激光器調頻時間；
[0035] (2)由于測量干涉儀與輔助干涉儀的拍頻與時延成正比，因此，采用頻率采樣法對 測量信號采樣后，測量干涉儀與輔助干涉儀的時延比值變為：
[0036] m
[0037] 其中，所述測量干涉儀對應于被測目標形成的拍信號，輔助干涉儀為馬赫澤德干 涉儀，其形成的拍信號用來校正測量干涉儀信號的非線性，所述τ表示測量干涉儀的時 延，對應于被測目標的時延；T aux(t)表示隨調頻時間變化的輔助干涉儀時延；
[0038] (3)調諧波長選擇1542nm~1562nm，等效于調頻帶寬yt = 2.4911ΤΗΖ，由于 2 31 μ P2ugt << 1，忽略二次以上的項后，式（7)表示如下：
[0039]
(S)
[0040] (4)對應于 220m 光程差的時延為 τ aux= 733ns，則 I 2 π μ β 2 υ g τ aux I < 10 9,其 影響忽略，對式（8)整理后，得到高分辨率激光頻率掃描干涉儀光纖色散條件下的測量信 號拍頻模型如式（9)所示：
[0041 ]
ψ)
[0042] 考慮輔助干涉儀光纖色散情況下的頻率采樣法過程如圖5所示。經過采樣后的測 量信號如圖6所示，可以看出信號中含有啁嗽分量，信號頻譜發生了展寬。
[0043] 其它步驟及參數與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0044] 三：本實施方式與一或二不同的是：步驟（二）（1)具 體為：
[0045] (1)表示每次調節相位補償因子后，計算S值，看其是否達到最大，當S值最大時， 即認為完成了色散補償。但是，在此過程中通常設置固定的步長改變相位補償因子，并每次 判斷S值，直到使得S值達到最大，補償速度比較慢。而（2)通過三分法避免了設置固定的 步長，可以通過較少的計算次數，找到S的最大值，因此，三分法提高了補償的效率。
[0046] 通過計算調焦清晰度評價函數的S值是否達到最大實現色散補償，將采樣后測量 信號乘以復相位補償項，補償采樣后測量信號的相位畸變I b，如式（10):
[0047] CN 105136021 A 兄明書 4/5 頁
(10)
[0048] 其中Pr為本振光的光強，P T為出射光的光強，ξ H為外差效率，為米樣后信號 的畸變相位，主要由輔助干涉儀光纖與測量