一种谐振腔增强的非合作目标激光扫频载波测距方法及系统

本发明属于激光精密测量，具体涉及一种谐振腔增强的非合作目标激光扫频载波测距方法及系统。

背景技术：

1、激光因其高单色性、高方向性、非接触测量等特性，被广泛应用于测距、振动测量、速度检测等领域。其中，激光扫频干涉（frequency-swept interferometry, fsi）测距技术凭借测量过程稳定、测量精度与分辨率高等优势，成为绝对距离精密测量的主流技术之一，可实现对被测目标绝对距离、微振动、运动速度等物理量的高精度检测，在工业精密测量、大尺寸部件装配、生物医学检测、引力波探测等领域具备广泛的应用前景。然而，fsi技术实现精密测量依赖于目标表面具有较强的反射率，以确保目标回馈激光具有较高的功率，从而与参考光形成高质量的干涉信号。在工业测量、生物检测等实际工程场景中，大量被测目标为非合作目标，包括黑色氧化表面、粗糙曲面、圆柱面、液体、非金属多孔材料等，此类目标无法安装高反射率反射镜，测量光在目标表面发生漫反射与散射，导致返回的目标回馈光功率极低，传统fsi技术难以获得高质量的干涉信号，无法实现稳定、高精度的测量。

2、针对非合作目标弱回馈光的测量难题，现有技术主要通过三类方案进行改进。具体如下：

3、第一类为硬件性能提升方案，通过采用高功率外腔可调谐激光器或光功率放大器提升输出光功率，或采用高灵敏度、高增益探测器探测弱回馈光信号，部分空间目标激光测距应用中还采用激光能量多级放大技术提升输出能量，但此类方案仅能在一定程度上改善测量效果，无法从本质上提升干涉信号的信噪比，同时大幅增加了系统成本与结构复杂度，不利于工程化落地与小型化应用。

4、第二类为信号处理算法优化方案，通过频域拟合、时域滤波、高频调制解调等算法对干涉信号进行处理，例如基于稀疏傅里叶变换（sparse fourier transform, sft）和s-rife算法的fsi信号快速检测方法、基于光学频率反演的残余非线性补偿方法等，在12米至25米范围内对非合作目标可实现微米级测距精度，等光频间隔采样技术也被广泛用于消除光源扫频非线性对系统的影响，但此类方法受限于测量系统本身的信号质量，当回馈光功率极低时，算法优化对测量精度的提升效果极其有限，无法解决根本问题。

5、第三类为激光回馈干涉技术方案，如频率扫描回馈干涉（frequency-sweptfeedback interferometry, fsfi）技术利用激光回馈效应使回馈光返回外腔可调谐激光器谐振腔实现自发放大，拍频信号与外腔可调谐激光器弛豫振荡发生谐振作用时调制对比度增益可达104倍，实现了亚毫瓦级探针光功率下对百米级靶距非合作目标的绝对距离测量，但现有fsfi技术系统结构复杂，需要搭配稳频外腔可调谐激光器、声光调制器进行测量结果补偿，同时受外腔可调谐激光器带宽与扫频速度限制，无法满足高精度测量场景需求，且传统方案多采用幅度调制（amplitude modulation, am）探测方式，其弱信号探测能力仍有较大提升空间。

6、针对使用调频探测的激光回馈干涉技术，对于微弱信号的响应探测能力有所提升，但由于大带宽扫频激光源所带来的分辨率和色散失配的矛盾，该测量技术的测量分辨率、测量精度受到限制。

7、综上，现有技术无法同时满足非合作目标弱光探测、高测量精度、高分辨、系统结构紧凑低成本的核心需求，亟需开发一种新型的激光测距技术，从物理机制、算法优化层面提升测量信号质量，实现非合作目标的高精度、高灵敏度、高分辨率测距。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种谐振腔增强的非合作目标激光扫频载波测距方法及系统，解决了现有技术中非合作目标回馈光功率极低导致测量信号质量差、传统fsi技术难以实现稳定高精度测量，以及现有改进方案无法兼顾弱光探测能力、测量精度与系统结构紧凑性的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明公开了一种谐振腔增强的非合作目标激光扫频载波测距方法，包括以下步骤：

4、s1：外腔可调谐激光器输出频率随时间线性变化的扫频探测激光，经探测光路入射至被测非合作目标表面；

5、s2：所述被测非合作目标表面的漫反射回馈光沿原探测光路返回至所述外腔可调谐激光器的谐振腔内，漫反射回馈光与谐振腔内本征扫频激光发生干涉，形成携带目标距离信息的腔内干涉信号，腔内干涉信号调制外腔可调谐激光器增益介质的载流子浓度，对外腔可调谐激光器输出光的瞬时频率进行相位调制，生成携带目标距离信息的激光扫频载波；

6、s3：所述激光扫频载波经所述外腔可调谐激光器尾纤输出至解调光路，通过马赫-曾德尔干涉仪进行频率调制解调，输出包含目标距离信息的干涉信号；所述马赫-曾德尔干涉仪中延迟光纤的长度小于被测目标的距离；

7、s4：采集所述包含目标距离信息的干涉信号，对干涉信号进行预处理，得到预处理信号；对所述预处理信号进行混频处理，分离出和频分量与差频分量；

8、以所述包含目标距离信息的干涉信号为等光频间隔的频率标尺，对分离出的和频分量与差频分量分别进行等光频重采样，得到和频分量与差频分量的重采样干涉信号；对所述和频分量与差频分量的重采样干涉信号分别进行色散补偿，得到色散补偿后的和频分量信号采样点序列与差频分量信号采样点序列；对色散补偿后的和频分量信号采样点序列与差频分量信号采样点序列进行频谱分析，解算出被测目标的绝对距离值。

9、进一步，s3中，所述包含目标距离信息的干涉信号经平衡光电探测器转换后，其时域频谱包含以下三种频率成分：

10、主载波频率，由马赫-曾德尔干涉仪延迟光纤的固定时延与外腔可调谐激光器扫频速率决定；

11、和频分量，由主载波频率与目标特征频率叠加生成；

12、差频分量，由主载波频率与目标特征频率相减生成；

13、其中，所述目标特征频率与探测光往返被测目标的时延成正比，是携带目标绝对距离信息的频率分量。

14、进一步，s4中，所述等光频重采样采用双路并行重采样架构，以所述马赫-曾德尔干涉仪产生的干涉信号为等光频间隔的频率标尺，通过配置重采样因子，以长度小于被测目标距离的马赫-曾德尔干涉仪延迟光纤为参考，对分离出的差频分量和和频分量分别进行等光频重采样。

15、进一步，s4中，对和频分量与差频分量的重采样干涉信号进行色散补偿，色散补偿方法具体包括以下步骤：

16、对两种重采样干涉信号分别进行希尔伯特变换，构造解析信号并提取瞬时相位；

17、对所述瞬时相位进行解包络处理后，采用最小二乘法进行二阶多项式拟合，得到相位拟合曲线；所述相位拟合曲线表达式为：

18、；

19、其中，为二次项系数；为一次项系数，为常数项；

20、将所述二次项系数作为色散补偿因子，将色散补偿因子补偿到重采样干涉信号的复信号上，得到色散补偿的干涉信号复信号，取其实部则得到色散补偿后的干涉信号，表示为：；

21、其中，为色散补偿后的干涉信号；为目标特征频率分量经希尔伯特变换后构造的复解析信号；为重采样点索引；为根据瞬时相位曲线二次拟合得到的色散二次相位系数；为第个重采样点处需要抵消的二次非线性相位；为与色散相位方向相反的单位模补偿因子。

22、进一步，马赫-曾德尔干涉仪的延迟光纤长度为1m至5m。

23、进一步，s4中，对干涉信号进行预处理，包括以下子步骤：

24、对采集的干涉信号进行隔直处理，滤除直流分量；

25、进行带通滤波，滤除带外环境噪声与电路噪声；

26、对滤波后的信号进行幅值归一化处理，消除外腔可调谐激光器输出功率波动与光路损耗变化带来的幅值不稳定影响。

27、进一步，步骤s4中，对色散补偿后的和频分量信号采样点序列与差频分量信号采样点序列进行频谱分析，解算出被测目标的绝对距离值，具体为：

28、对色散补偿后的和频分量信号采样点序列与差频分量信号采样点序列分别进行快速傅里叶变换，获取和频分量频谱与差频分量频谱，在差频分量频谱中确定差频分量频谱峰所在的采样点索引值，在和频分量频谱中确定和频分量频谱峰所在的采样点索引值；

29、基于补偿后的差频分量频谱峰所在的采样点索引值和补偿后的和频分量频谱峰所在的采样点索引值，采用距离解算公式计算出差频分量对应的距离值与和频分量对应的距离值，取两者的平均值作为被测目标的最终绝对距离值；

30、所述距离解算公式为：

31、；

32、；

33、其中，为差频分量对应的距离值，为和频分量对应的距离值；p1为主载波频率分量在重采样后频谱中峰值对应的采样点索引值，p2为目标特征频率分量在重采样后频谱中峰值对应的采样点索引值；为差频分量频谱峰值点索引值，为和频分量频谱峰值点索引值；n为系统预设的重采样因子，lmzi为马赫-曾德干涉仪延迟光纤的固定长度；为差频分量重采样后频谱的总采样点数，为和频分量重采样后频谱的总采样点数。

34、进一步，所述探测光路包括沿光传输方向依次设置的偏振控制器和可调光衰减器；所述偏振控制器用于调节探测激光与回馈激光的偏振态，以提升干涉信号信噪比；所述可调光衰减器用于调节探测激光输出功率，避免回馈光功率过高影响外腔可调谐激光器谐振腔的工作状态。

35、进一步，所述解调光路还包括光纤布拉格光栅触发支路，所述光纤布拉格光栅触发支路通过光纤耦合器从外腔可调谐激光器尾纤分出部分光功率，光纤布拉格光栅后端串联高速光电探测器；当激光瞬时波长扫过光纤布拉格光栅中心波长时，所述高速光电探测器产生尖峰电脉冲作为触发信号，所述触发信号用于：锁定单个完整扫频周期的起止区间、区分外腔可调谐激光器正向扫频与反向扫频区间、触发数据采集卡启动硬件同步采样，实现外腔可调谐激光器扫频动作与数据采集的时钟完全对齐。

36、本发明公开了一种谐振腔增强的非合作目标激光扫频载波测距系统，包括：

37、外腔可调谐激光器，用于输出探测激光，其谐振腔用于接收目标回馈光并与腔内本征光作用，生成携带目标距离信息的激光扫频载波；

38、探测光路模块，设置于所述外腔可调谐激光器的输出光路上，包括沿光传输方向依次设置的偏振控制器和可调光衰减器，用于将探测激光传输至被测非合作目标表面，并使目标回馈光沿原路返回外腔可调谐激光器谐振腔；

39、解调光路模块，包括光纤耦合器、马赫-曾德尔干涉仪和平衡光电探测器，所述马赫-曾德尔干涉仪具有固定长度的延迟光纤，用于接收所述激光扫频载波并进行频率调制解调，输出包含目标距离信息的干涉信号；

40、数据采集与处理模块，包括数据采集卡和信号处理单元，用于采集所述包含目标距离信息的干涉信号并进行信号处理，所述信号处理至少包括：预处理、混频处理、等光频重采样、色散补偿和距离解算，输出被测目标的绝对距离值。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

42、本发明通过将等光频重采样方法与相位校正型色散补偿方法相结合，实现了扫频非线性误差与光纤色散误差的解耦处理。具体地，首先利用efrs方法将非线性扫频信号转换为等光频采样序列，抑制扫频激光器调谐非线性对距离解调的影响；随后基于希尔伯特变换提取目标距离分量的瞬时相位，并通过二阶多项式拟合获得色散补偿因子，从而对色散引起的二次相位误差进行校正。该方法能够有效避免扫频非线性与光纤色散耦合造成的谱峰展宽和峰值偏移，提高距离谱峰定位精度。

43、本发明不需要额外引入精确长度匹配的物理色散补偿光纤，而是通过软件算法完成色散补偿。由于mzi延迟光纤中的色散延迟与频率扫描范围及延迟光纤长度相关，传统物理补偿方式需要对补偿光纤长度和色散参数进行精确匹配，系统结构复杂、调试难度高。本发明通过对干涉信号相位中的二次项进行估计和反向补偿，即可消除主要色散误差，从而简化光路结构，降低系统装调复杂度和实现成本。

44、本发明所采用的色散补偿算法计算量小，适合快速距离解调。受色散影响的目标干涉信号可表示为含有线性相位项和二次相位项的形式，其中线性相位项对应目标距离信息，二次相位项对应光纤色散误差。本发明通过hilbert变换构造解析信号，提取瞬时相位后采用最小二乘二阶多项式拟合，即可直接得到色散补偿因子。相比依赖分数阶傅里叶变换等搜索型算法的补偿方式，本发明无需进行大范围参数搜索，计算过程简单，处理速度快，更适合工程测量中的实时或准实时应用。

45、本发明能够有效压缩由光纤色散引起的距离谱峰展宽，提高测距精度和分辨率。光纤色散会使mzi输出信号的瞬时频率随采样序号变化，导致原本集中的目标频率分量在频谱中发生展宽，进而降低谱峰定位精度。本发明通过对解析信号施加反向二次相位补偿，使目标距离分量恢复为近似单频信号，从而使频谱能量重新集中，谱峰更加尖锐，峰值位置更加准确，由此提高系统的距离解算精度和分辨率。

46、本发明能够缩短mzi延迟光纤长度，减小长光纤引入的色散误差和环境扰动。由于色散延迟随mzi延迟光纤长度增加而增大，过长的延迟光纤会加剧频谱泄漏和谐波干扰；而延迟光纤过短又会导致目标距离分量调制深度不足、信噪比降低。本发明利用efrs方法灵活设定重采样因子，使mzi延迟光纤长度不再受传统重采样方式的严格限制，可在保证目标频谱分量清晰可辨的前提下采用较短延迟光纤，从而在信噪比和色散抑制之间取得平衡，提高系统稳定性。

47、本发明适用于lfsc系统中多频率成分共存的复杂干涉信号。lfsc信号经mzi解调后会同时包含主光频拍频分量、目标距离相关分量以及由色散引入的混频分量。本发明通过滤波和归一化处理分离目标相关频率分量，并对该分量独立进行相位提取、二阶拟合和色散补偿，能够在多频干涉条件下准确恢复目标距离信息，提高系统在复杂信号环境下的解调可靠性。

48、本发明通过对和频分量与差频分量分别进行距离解算，并对所得距离结果取平均值，能够进一步抑制系统级误差。由于光纤色散、温度变化或mzi延迟量微小漂移会对和频、差频路径产生方向相反的误差影响，将两路距离结果平均后可实现共模误差抵消。同时，当某一路频谱分量受到电路噪声、机械振动或杂散光干扰时，另一路仍可提供有效距离信息，从而增强系统抗干扰能力。此外，当差频分量接近零频而难以检测时，和频分量仍可保持清晰，有利于克服测量死区，实现更连续、可靠的全量程测距。

49、本发明采用fbg产生扫频周期触发脉冲，能够简化周期标定结构并降低成本。当扫频激光波长扫过fbg反射峰时，fbg输出陡峭触发信号，可用于锁定每个扫频周期。相比采用气体吸收池作为波长标尺的方案，fbg方案无需引入精密气体池，仅需增加光纤光栅和探测器即可实现周期标记，结构更紧凑、成本更低、信号处理更简单。

50、本发明结合fbg触发标记与窗口化数据截取策略，能够避开扫频转折区域的机械振荡或抖动影响。以fbg脉冲峰值作为周期参考，选取干涉信号中心稳定区域用于距离计算，可避免电机正反向扫描转折点附近信号质量下降对测距结果造成影响，从而提高有效数据质量和距离解算稳定性。