[发明专利]一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法

说明书

本发明涉及信号处理与分析技术领域，进一步涉及一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法，用于快速计算调频连续波干涉信号的初相位，进而对目标的位移或者与位移相关的物理量(温度、压力等)进行高速解调，提高调频连续波干涉系统的精度和动态特性。本发明提供的一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法，首先定位干涉信号的波峰和波谷，然后计算干涉信号中多个特征点的相位，最终由特征点的相位计算干涉信号的初相位。该方法鉴相速度快，实时性强,可以提高调频连续波干涉系统对目标运动速度的适应范围。同时，该方法不受激光器的强度调制和非线性调频影响，鉴相精度高。

技术领域

本发明涉及信号处理与分析技术领域，尤其涉及一种快速鉴相方法，进一步涉及一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法。

背景技术

调频连续波(FMCW)激光干涉技术采用激光调频连续波干涉原理，可以测量位移，以及与位移有光的应变、应力、温度等多种物理量。调频连续波干涉位移传感器通过对半导体激光器的驱动电流进行调制，从而实现激光器输出激光的连续线性调频。电流调制波形可以为锯齿波或者三角波。线性调频的激光一部分在光路内部反射回到探测器，做为光外差探测的参考光，另一部分准直后照射在目标上，在目标表面反射后耦合进入光路，再回到探测器，做为光外差探测的信号光。由于参考光与信号光所传输光程不同，从而在到达光电探测器时两束光的延迟不相等，光学频率也不相等。由于两束光之间存在频差，两束光合束后在探测器光敏面上产生光学拍频。探测器响应光学光频，输出干涉信号。该干涉信号的频率与目标距离有关，同时，干涉信号初始相位的变化(即相移)与目标的相对位移有关。通过对干涉信号进行鉴频、鉴相可计算目标的绝对距离以及相对位移，并可实现与位移有关的应力、温度等多种物理量的测量。

对于调频连续波干涉位移传感器，相邻两次鉴相期间如果位移变化超过激光波长的1/4，则无法判断位移的方向以及位移增量。因此，调频连续波干涉位移传感器能适应的目标速度上限v_max为：

式中λ为激光波长，f为位移解调频率。

可见，要提高调频连续波干涉位移传感器能适应的目标速度上限，就必须提高鉴相的实时性，进而提高位移解调频率。调频连续波干涉信号的频率会随着目标距离的改变而变化，同时驱动电流的调制导致干涉信号的幅值也连续变化。因此，调频连续波干涉信号的鉴相比较困难，目前的鉴相方法是定位干涉信号的过零点或者峰值点，采用信号的峰值位置来表征干涉信号的初相位，并使用峰值位置的移动量以及干涉信号周期来计算相移。该方法为了避免采样间隔对测量精度和分辨率造成影响，需要对干涉信号进行曲线拟合，由拟合曲线计算信号的峰值点。该方法计算量大，解调速率低。

同时，由于半导体激光器自身的非线性，半导体激光器的连续调频也存在一定的非线性，这导致干涉信号多个波峰的间隔不相等，由波峰间隔计算信号周期时出现明显的跳动。信号周期的跳动必然导致初相位以及相移计算的跳动，从而产生较大的非线性误差。

发明内容

本发明提供一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法，要克服现有技术存在的鉴相速度慢和非线性误差大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是:

一种调频连续波干涉信号的快速鉴相方法，包括以下步骤：

步骤1，定位干涉信号的波峰和波谷；

步骤2，计算多个特征点的瞬时幅值和零偏：

首先定位与特征点V_i相邻的两个波峰和两个波谷，然后通过线性插值计算特征点处的波峰高度C_i和波谷高度T_i，最后计算特征点处的幅值A_i和零偏B_i：

步骤3：计算多个特征点的相位；