基于相位噪声补偿的超相干扫频干涉测量方法研究

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扫频干涉测量技术是一种相干检测的绝对距离测量技术,它具有测量精度高、无测量距离模糊、抗噪声能力强并且可以进行非合作目标测量等优势。在实际测量中,相位噪声的存在会影响扫频干涉测量系统的测量距离和空间分辨率,可调谐激光器调谐非线性和激光器光源固有线宽是产生相位噪声的主要因素。相位噪声补偿方法研究是扫频干涉测量系统能够实现远距离测量和高空间分辨率的重要研究方向。因此本文主要对扫频干涉测量系统中的相位噪声补偿方法进行了研究。主要研究工作如下:(1)分析了扫频干涉测量的基本原理,对外腔可调谐激光器的调谐原理和线宽进行了分析,分析了由于调谐非线性和光源线宽引起的相位噪声对测量系统的影响,根据扫频干涉测量的理论模型和相位噪声模型研究了相位噪声补偿方法。(2)提出了基于移相法的相位噪声补偿算法。通过级联移相和等频率间隔重采样的方式对相位噪声进行补偿,对于不同距离的测量目标可以设置不同移相倍数来实现准确的相位噪声补偿。分析了频率采样法测量精度的影响因素,推导了基于移相法的相位噪声补偿算法处理后测量信号的功率谱模型,验证该算法对相位噪声补偿的有效性。(3)研究基于去斜滤波器的相位噪声补偿算法。该方法可以对整个测量范围内的相位噪声进行补偿,根据去斜滤波器特性将测量信号变换到频域上通过去斜滤波器将相位噪声变为距离无关项进而消除。分析了影响该算法测量精度的主要因素,研究了基于气室的辅助路长度标定和相位噪声精确估算方法,通过仿真验证了该算法对相位噪声补偿的有效性。(4)搭建超相干扫频干涉测量系统进行实验研究。通过单模长光纤对光程为4800m和19500m的测量目标进行了1.2倍相干长度和4.8倍相干长度的超相干测量实验,通过实验证明了两种补偿算法的有效性。基于移相法的相位噪声补偿算法测量标准差分别为112.2μm和880.5μm,空间分辨率为2.097mm和28.316mm;基于去斜滤波器的相位噪声补偿算法测量标准差为393.3μm和4.1137mm,空间分辨率为8.753mm和178.677mm。
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