一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

基于旋转不变技术信号参数估计的激光扫频干涉测量方法

激光扫频干涉测量技术具有无测距盲区、非接触、单次测量多目标的能力.通过傅里叶变换可提取目标拍频频率,进而解算距离.然而受激光器调频带宽限制,通过傅里叶变换得到的目标分辨率受限于固有分辨率.为解决该问题,本文提出采用基于旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)算法对测量信号进行频谱分析.实验通过插值拟合法校正测量信号拍频非线性,进而采用ESPRIT算法测量目标距离,结果表明在傅里叶变换算法无法区分临近目标频率的情况下,采用ESPRIT算法可以区分出目标的频率,通过计算可得被测目标的厚度为2.08 mm.从而为诸如光纤临近损伤点、薄台阶高度或小孔等测量提供了思路.     

非合作目标光频扫描干涉信号快速检测方法

研究非合作目标光频扫描干涉信号的快速检测方法,采用稀疏傅里叶变换算法快速求解距离谱,通过引入综合Rife算法精密校正距离谱,可大幅提升解算效率,保证解算精度。实验结果表明,所设计的硬件检测单元能够高效采集并处理不同粗糙度、入射距离及入射角度的非合作目标干涉信号,2 MB数据的处理时间为0.1224 s,在12 m范围内测距误差小于13μm,标准差优于10μm。     

光学频率梳基于光谱干涉实现绝对距离测量

详细分析了光学频率梳光谱干涉的原理, 建立了较全面的光谱干涉的数学模型, 为实现绝对距离测量提供理论分析基础. 基于光谱干涉, 指出通过光谱干涉条纹的振荡频率, 即一次傅里叶变换, 可以实现绝对距离测量, 数值模拟结果表明, 最大测量误差为1.5 nm; 提出了一种等效的多波长并行零差干涉的方法, 分析了多波长并行零差干涉法的测距原理. 数值模拟结果表明, 多波长并行零差干涉法的最大误差为8.7 nm; 通过脉冲啁啾实现绝对测距, 分析了基于脉冲啁啾实现绝对测距的原理, 数值模拟结果表明, 最大测距误差为5.3 nm.     

光学频率梳啁啾干涉实现绝对距离测量

本文提出一种基于光学频率梳的啁啾脉冲干涉绝对距离测量的方法.通过一对衍射光栅啁啾参考脉冲,分析参考脉冲和测量脉冲的干涉光谱,得到脉冲的中心频率偏移量,从而解算出被测距离.文中详细分析了脉冲啁啾原理和啁啾脉冲干涉测距原理,以及影响测距范围的因素并给出仿真.搭建了改进的Michelson干涉结构,实验得出测距范围受啁啾参数的影响,并与理论分析吻合;在地下长导轨上,进行大范围测距实验.实验结果表明当,在65 m范围内,测量结果与参考测距仪相比,测距精度为33μm,相对精度达到5.1×10~(-7).此外,根据理论分析,通过实验优化了实验装置的测量不确定度.     

浅海中利用单水听器的声源被动测距

针对浅海声波导中远距离脉冲声源被动测距问题,提出了一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法。理想水下声波导中,接收信号warping变换输出的傅里叶变换频谱中具有不变性频率特征,即与声源距离无关的各简正波截止频率;信号自相关函数中不同简正波相干成分也存在不变性频率特征;推导了未知声源距离时特征频率提取值与不变性频率特征之间的近似关系式。这些规律可推广到实际浅海声波导,并用于声源被动测距。利用声场计算模型来提供具有不变性频率特征的频谱,对2011年12月北黄海海域水声实验中单水听器接收的脉冲声数据进行了处理,验证了方法的有效性,测距结果和实际距离符合良好,平均测距误差在10%以内。      

基于方向-频率分解的旋转不变性纹理分类

提出了一种用于纹理分类的旋转不变性特征提取的新算法.该算法是将一定大小的图像进行二维傅里叶变换;其次在变换后的图像中央选择一个圆盘区域,并在方向[0°,180°]内进行等间隔角度频率抽样,实现方向分解,使用一组复Morlet小波对每个方向上的映射切片进行小波变换,从而实现多通道频率分解;在各个频率通道中计算均值和方差作为特征,并利用线性回归模型计算频率通道之间的关系特征;将特征沿方向进行一维傅里叶变换并取其幅值,从而得到旋转不变性特征.实验结果表明所提取的特征具有较好的旋转不变性,与其它算法相比具有更好的分类性能,并且对无旋转纹理分类也能产生较好的分类结果.     

一种光学频率梳绝对测距的新方法

采用光学频率梳的高精度绝对距离测量技术在航空航天、科学研究和工业生产等领域都发挥着重要作用.提出一种利用光学频率梳技术,通过检测光强实现绝对距离测量的新方法,研究了光学频率梳发出脉冲的时间相干性,分析了光强与被测距离之间的关系、干涉条纹峰值点位置与被测距离之间的关系.建立了基于Michelson干涉原理的测距系统,通过测量光强信息得到被测距离.以高精度纳米位移平台的位移量作为长度基准进行了绝对测距实验,在每个被测距离点都重复进行了10次实验,将10次实验测得的光强值取平均后用于距离的计算.实验结果表明,该方法可以实现绝对距离测量,在10μm测量范围内,最大误差为47 nm.因此,该方法可以应用于大尺寸高精度的绝对距离测量.     

无透镜傅里叶变换数字全息术中非共面误差的自动补偿算法

无透镜傅里叶变换数字全息术对活细胞进行显微相衬成像测量时,由于细胞处于运动状态导致记录物体与参考点源难以共面,从而引入成像误差.本文提出了一种有效可靠的基于位相分布的自动对焦再现算法,只需通过一幅全息图,即可确定出记录距离的优化数值解,并结合一次位相线性拟合,成功补偿掉非共面误差.将这种算法应用到活体宫颈癌细胞的相衬成像实验中获得了较为理想的实验结果,表明了这种自动补偿非共面误差算法的可行性. 关键词： 数字全息 无透镜傅里叶变换全息 自动对焦 位相畸变校正     

基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对测距

提出了一种基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对距离测量方法,通过检测测量信号与参考信号的相关条纹,实现了绝对距离测量。研究了一阶相关函数的测量模型,建立了基于非平衡迈克耳孙干涉光路的测量系统,通过拟合一阶相关函数包络并提取其峰值精确判断脉冲重合位置,获得了被测距离。设计并配合长导轨进行了3 m的绝对距离测量实验,并与商用干涉仪测量结果进行实时比对。基于大量实验数据,针对环境因素及系统误差进行了分析,并进行了误差消除与补偿。研究结果表明,所提方法在500 min长期测量中,在3 m的测量范围内的最大测量误差为5.85μm,测量标准差为2.20μm。     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

多速率STFT超宽带信号瞬时频率估计研究

提出多速率短时傅里叶变换(Multi Rate Short Time Fourier Transform,MR-STFT)瞬时频率估计算法,提高了超宽带信号瞬时频率估计精度。该方法将多速率信号处理算法与短时傅里叶变换(STFT)技术相结合,兼顾采样频率和被测频率,将宽频范围进行分段采样,对分段处理结果进行拟合,构成多速率STFT算法,实现超宽带信号瞬时频率的高精度测量。论文通过对仿真信号和实测信号进行处理,研究了方法的可行性和频率估计精度,结果表明MR-STFT算法较大提高了超宽带信号瞬时频率估计精度,尤其对低信噪比的超宽带信号效果显著。     

基于三次样条插值的光纤F-P传感器傅里叶变换解调研究

从傅里叶变换原理入手,对不插值傅里叶变换解调和高斯频谱插值方法的误差进行了分析.介绍了三次样条插值的原理,通过三次样条插值得到输出光强信号对光频率均匀采样光谱.从光纤F-P传感器的腔长由20 μm以0.02 μm步长匀速增加至120 μm的仿真分析得出,经过三次样条插值后再进行傅里叶变换解调的精度相对频率插值法更高.在此基础上,采用美国Ocean Optics公司生产的USB2000型光谱仪和Melles Griot公司的17MAX600型光纤对准微动台(精度达0.01 μm)搭建了实验系统并进行了对比实验.结果表明,基于三次样条插值的傅里叶变换解调方法误差在0.06 μm以内.     

三光路结构的调频连续波重采样测距方法

调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精度。在实际测量过程中,测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响,导致待测距离及辅助光纤长度发生变化,引入测距误差。针对这个问题,分析了振动对重采样测量结果产生的误差:(1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量;(2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。为了弥补这两种误差,提出了一种三光路结构的补偿方法,在辅助光路中,使用一种光路结构简单小巧,且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪,实时的监测信号光的瞬时频率。在测量光部分,在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号,并通过FFT算法产生频谱。频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差,通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。实验证明,传统的重采样测距方法精度为23.6μm,三光路测距方法的精度可达到11μm,可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。     

基于Lomb-Scargle算法的激光扫频干涉非线性校正方法

激光扫频干涉测量技术因其精度高、抗干扰能力强等优势成为研究热点.而激光器调频的非线性问题一直是影响测量精度的关键因素,非线性带来的直观结果就是拍信号的频谱严重展宽,造成测距精度下降.为解决该问题,本文提出了一种基于Lomb-Scargle算法的非线性校正方法,搭建了具有辅助干涉仪的激光扫频干涉测量系统,通过对辅助路拍信号进行希尔伯特变换提取相位,再基于提取到的相位信息生成一个新的时间序列,结合Lomb-Scargle算法,将非线性校正与拍信号频率计算同时进行.作为验证,对于0.5—1.3 m范围内的目标进行了测量,最大误差为14μm.区别于传统频率采样法校正原理,本文提出的校正方法并不是以辅助路的拍信号对测量路进行重采样,所以无需满足辅助干涉仪光程差大于测量路光程差两倍的条件,因而可为增大测距量程提供一种思路.     

基于校正多相位快速傅里叶变换算法的叠栅条纹相位差测量

叠栅条纹相位差测量是光栅位移测量中的关键技术,在两块光栅相对运动过程中,叠栅条纹信号的频率会因光栅夹角误差的存在而发生偏移,采用传统多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法计算任意时刻叠栅条纹相位值会产生测量误差,导致相位差测量不准确。为了减少频偏所产生的相位测量误差,提出了一种校正MPFFT相位测量算法,推导出了基于相位差校正法的MPFFT谱校正模型。仿真结果表明,在无噪声情况下,当光栅夹角误差为0.1°时,信号的最大频率偏移量约为4.19kHz,传统MPFFT相位测量误差大于100°,经相位校正后,相位测量误差小于0.2°,相位差测量误差小于0.004°;在高斯噪声和谐波干扰情况下,相位差测量误差小于0.2°,当取栅距为20μm时,相位差测量误差所产生的位移测量误差小于0.0111μm,为光栅位移纳米级测量提供了参考。     

单目图像中姿态角估计的坦克目标测距方法

为了克服经典成像测距对相机姿态和视差信息依赖的问题,以观瞄发控装置的电荷耦合器件获取的单目图像为研究对象,提出了基于姿态角估计的坦克目标测距方法.该方法首先利用多级尺度不变特征变换匹配算法实现目标姿态角的快速估计,获取与当前目标姿态偏差最小的模板;然后利用该模板和目标图像模拟立体视觉,建立不依赖于相机姿态和视差的单目测距模型.该模型在远距离测距和小角度偏差的前提下,将模板中的匹配特征点投影到等效平面世界坐标系中,建立被测坦克图像点及其空间点的映射关系,将测距问题转化为对相机外参量的标定,从而求解出相机中心到坦克中心的距离.采用200m到2 500m范围内的坦克验证测距方法的性能,对测量误差随距离的变化规律进行分析,并将其与不同射程时导弹末制导交班的最大容许误差进行对比.结果表明,该方法适用于观瞄发控装置获取的任意姿态图像,实现了野战条件下单兵反坦克武器系统的远距离、快速测距;测量结果中相对误差小于4.9%,绝对误差小于87.7m,满足导弹各个射程的最大容许误差的要求.     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具,飞秒激光具有优于传统激光技术的特性,已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题,对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理,提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法,并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先,根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应,介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上,结合传统的光学采样法原理,解释了扫频采样法的测距原理,推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后,搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统,在线性导轨上进行了远距离的测量实验,同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率,分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响,测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内,扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm,充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹,通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理,解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数,从而获取被测的距离信息。此外,为了减小系统的时间延迟误差,提高测量的准确性,采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上,分别对频率和距离进行差分处理,解算距离信息。实验结果表明,经过对比,采用基于距离差分的改进算法处理数据,性能结果较好。算法改进后,系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm,相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8,测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据,并与增量式激光干涉仪结果比对,测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm,最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8,测距稳定性明显提高。因此,该方法有较为优秀的大尺寸测距能力,具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力,在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

同轴全息术用于粒子场测量的数值模拟

 采用数值方法模拟了同轴全息术测量粒子场的过程,对两种不同的数值算法＿直接傅里叶变换算法和卷积算法,进行了分析和比较,结果表明卷积算法符合实际要求。分析了记录图像的空间频谱及其对图像采样频率的要求,得出了在记录波长、采样间隔等条件一定的情况下的最小记录距离。对于一幅512×512像素的数字图像,若像元尺寸为6.7 μm,所用光波长为532 nm,则最小记录距离为43.2 mm。在此基础上对实验记录的振幅和相位型静态粒子的数字全息图,均得到了满意的数值再现像。     

垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征

随着微机电系统的发展,器件设计和加工过程中的表征成为一个主要问题。提出了将扫描白光干涉表面轮廓测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上。测量系统采用了米劳显微干涉仪,利用压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向100μm范围内的精确扫描,并通过傅里叶变换算法获取条纹包络峰的位置,进而得到器件的整体集合尺寸信息,与相移干涉方法相比大大提高了测量范围。通过测量纳米台阶对该系统进行了精度标定,测量重复性在亚纳米量级。最后通过测量微谐振器和微压力传感器的几何尺寸说明了该方法的功能。