干涉IQ周期级自校准和闭合补圈方法、设备、存储介质和程序产品与流程

本发明属于激光干涉测量领域，特别涉及了一种iq信号处理技术。

背景技术：

1、反射式激光干涉位移测量中，被测位移与干涉相位满足如下关系：

2、

3、

4、其中为激光波长。对于单波长干涉系统，i/q信号通常可表示为：

5、

6、

7、其中、为硬件直流偏置或等效圆心偏置，、为两路幅值，为非正交误差。工程中通常需要先扣除i/q圆心，再校正幅值不一致和非正交误差，之后通过atan2和相位展开还原位移。

8、现有方法包括固定圆心标定、整段椭圆拟合、滑动均值去直流、heydemann椭圆校正、二阶统计正交化以及普通atan2加unwrap相位展开。这些方法在连续正弦振动、相位覆盖完整或i/q半径稳定时具有较好效果。但是，在周期性方波位移测量中，方波周期包含较长的静止基线段、快速上升沿、平台段、快速下降沿和回零段。静止段样本数量通常远多于边沿运动样本，若采用整周期均值或滑动均值估计i/q圆心，估计结果容易被静止相位点拉偏，并不能代表真实i/q圆心。若滑动均值在静止段内快速逼近当前静止工作点，还可能把有效i/q半径扣成接近零，导致atan2相位由噪声主导。

9、此外，方波边沿处位移变化快，i/q轨迹短时间内跨越较大相位弧段，边沿样本比静止平台样本更包含圆心、幅值比例和非正交关系信息。当边沿速度较高、i/q半径塌陷或噪声较大时，普通相位展开可能漏计或错计一个或多个相位周期。对于反射式单波长系统，这表现为位移结果相差整数个。仅依靠相邻采样点相位差，难以判断漏圈发生在第一边沿还是第二边沿。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了干涉iq周期级自校准和闭合补圈方法、设备、存储介质和程序产品。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

3、一种干涉iq周期级自校准和闭合补圈方法，包括以下步骤：

4、（1）获取原始iq采样流；

5、（2）对原始iq采样流估计其粗速度，当所述粗速度的绝对值超过设定的阈值时进入边沿候选区间，在一个边沿候选区间内只保留粗速度绝对值最大的样本作为边沿点，找到两个方向相反且时间间隔满足设定要求的速度峰值后，确定第一组完整方波的第一边沿样本和第二边沿相对偏移；

6、（3）建立固定周期时间栅格，基于步骤（2）得到的第一边沿样本和第二边沿相对偏移，递推确定第k个周期的边沿样本，并根据第k个周期的边沿样本确定第k个周期的时间窗口；

7、（4）对于当前周期，确定两条边沿附近的iq样本集合；

8、（5） 对所述两条边沿附近的iq样本集合中的iq样本求统计值，得到当前周期的圆心，并从当前周期的全部iq样本中扣除该圆心，得到扣除圆心的iq数据；

9、（6）基于步骤（5）得到的扣除圆心的iq数据实现当前周期的iq校准；

10、（7）利用当前周期的校准后iq数据，计算展开相位，并基于所述展开相位计算反射式干涉位移；

11、（8）在当前周期的第一边沿前选取一段静止基线区间，计算该段区间的位移中值，将所述反射式干涉位移与该位移中值作差，得到当前周期的归零位移；

12、（9）基于步骤（8）得到的归零位移，在第一边沿与第二边沿之间选取平台段，并计算原始的平台段位移；在第二边沿后选取回零段，并计算原始的闭合误差；

13、（10）根据步骤（9）得到原始的闭合误差确定当前周期的候选补偿量，并判断所述候选补偿量的补偿位置；

14、（11）根据当前周期的候选补偿量进行补偿，计算补偿后的平台段位移和闭合误差，基于补偿后的平台段位移和闭合误差判断当前周期是否有效，若连续m个周期无效，则退出当前建立的固定周期时间栅格，返回步骤（2），重新进行第一组完整方波的边沿检测。

15、进一步地，在步骤（2）中，首先对原始iq采样流做粗圆心估计，扣除粗圆心后计算粗相位，对所述粗相位进行相邻点展开并换算为粗位移，对所述粗位移做低通平滑后差分得到所述粗速度。

16、进一步地，在步骤（3）中，第k个周期的边沿样本的计算方法如下：

17、

18、

19、上式中，和分别为第k个周期的第一边沿样本和第二边沿样本，为步骤（2）得到的第一边沿样本，为步骤（2）得到的第二边沿相对偏移，，为采样率，为方波标称周期，表示四舍五入运算；

20、第k个周期的时间窗口的计算方法如下：

21、

22、

23、上式中，为窗口起始点，为窗口终止点，，，为第一边沿前缓存时长，为第一边沿后缓存时长。

24、进一步地，在步骤（4）中，对于第k个周期，定义两个边沿附近的样本集合：

25、

26、

27、上式中，和分别为第k个周期的两个边沿附近的样本集合，和分别为第k个周期的第一边沿样本和第二边沿样本，表示周期内的第个样本，为边沿样本半窗宽度，为采样率。

28、进一步地，在步骤（10）中，根据原始的闭合误差确定候选补偿圈数，进而确定候选补偿量：

29、

30、

31、上式中，为候选补偿圈数，为原始的闭合误差，为反射式干涉位移的相位周期，为候选补偿量。

32、进一步地，在步骤（10）中，判断补偿位置的方法为，假设将候选补偿量补偿在第一边沿后，则补偿后的平台段位移为，其中为原始的平台段位移，为候选补偿量，若的绝对值位于设定的期望范围内，则补偿位置应在第一边沿后，否则补偿位置应在第二边沿后。

33、进一步地，在建立了固定周期时间栅格后，对每个当前周期缓存一整个周期的原始iq数据。

34、其次，本发明还设计了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实施上述干涉iq周期级自校准和闭合补圈方法。

35、再次，本发明还设计了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上执行时，实施上述干涉iq周期级自校准和闭合补圈方法。

36、最后，本发明还设计了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被处理器执行时实现上述干涉iq周期级自校准和闭合补圈方法。

37、采用上述技术方案带来的有益效果：

38、1、圆心估计更适合方波场景：本发明利用方波边沿运动样本估计圆心，避免静止段样本主导全周期均值造成圆心偏移。

39、2、iq校正更完整：本发明通过边沿样本最小二乘椭圆拟合获得周期级校正矩阵，可同时修正幅值不一致、非正交误差和线性串扰。

40、3、平台和回零位移更稳定：本发明将周期级圆心和最小二乘校正矩阵应用到该周期全部iq数据，使平台段和回零段位移还原更稳定。

41、4、可修正lambda/2整数倍漏圈误差：本发明使用回零闭合误差估计普通相位展开中的整数圈漏计量，能够修正边沿处低半径、高噪声或相位步进接近pi时产生的整数倍位移偏差。

42、5、可判断补圈发生位置：本发明不仅根据闭合误差计算补偿量，还结合平台幅值约束判断补偿应施加于第一边沿后还是第二边沿后，减少补偿位置错误导致的平台失真。

43、6、适合实时硬件实现：本发明每周期仅需一周期iq缓存、最小二乘累加器、相位或位移缓存以及若干诊断寄存器，适合fpga或嵌入式实时实现。

44、7、无需外部方波同步信号：本发明可从iq流自身检测第一组方波边沿并建立周期时间栅格，降低系统依赖。

45、8、支持停振后重新锁定：当被测物体停振、重新启动或周期失效时，本发明可根据平台幅值和闭合误差触发重锁，提高连续测量可靠性。