(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210172519.2 (22)申请日 2022.02.24 (71)申请人 广州番禺职业 技术学院 地址 510000 广东省广州市番禺区沙湾镇 市良路1342号 (72)发明人 叶雯　张雪松　 (74)专利代理 机构 广州天河万研知识产权代理 事务所(普通 合伙) 44418 专利代理师 刘茂龙 (51)Int.Cl. G01N 21/45(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于全相位快速傅里叶变换的光载波微波 干涉相位 提取方法 (57)摘要 基于光载波的微波干涉测量(Optical   carrier‑based microwave  interferometry， OCMI)已被公认为各种传感应用的重要工具； 在 这项研究中， 距离测量是通过一种新的、 经济有 效的OCMI相位提取方法实现的； 该方法基于全相 位快速傅里叶变换(all ‑phase fast Fourier  transform， apFFT)， 能够有效抑制频谱泄漏， 准 确提取相位信息， 从而获得更好的距离估计性 能； 此外， 为了解决相位模糊问题， 设计并实现了 使用多个调制频率的相位解包裹程序， 避免了测 量范围和分辨率之间的不合适权衡； 从理论分析 验证了该方法的优越性； 本发明为OCMI研究人员 提供新的见解， 并为OCMI传感的未来发展做出贡 献。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 114563375 A 2022.05.31 CN 114563375 A 1.基于全相位快速傅里叶变换的光载波微波干涉相位提取方法， 其特征在于， 所述方 法包括： 通过全相位预处理过程需考虑所有可能的序列组合： 从信号中获取2N ‑1个样本， 并乘 以两个窗口函数的卷积， 所述样本为： x(－N+1)、 x(－N+2) …x(0)…x(N－1)； 创建N段数据 系列： yi′(n)(i＝0、 1、 …、 N－1)， 使得样本中间点x(0)循环移动到第一位； 由创建的N段数 据系列求和得到全相位数据集YN(n)； 所述全相位数据集YN(n)的求取函数为： y2N－1＝[x(‑N+1)，…x(0)，…x(N‑1)] 通过对YN(n)应用快速傅里叶变换 得出apFFT频谱的结果： 其中， β 和 分别是离散时间频率和初始相位， j 为虚数单位， n＝0、 1、 2、 …、 N－1， k＝0、 1、 2、…、 N－1。 2.根据权利要求1所述的基于全相位快速傅里叶变换的光载波微波干涉相位提取方 法， 其特征在于， 所述方法还 包括： 相位 解包裹过程； 所述相位 解包裹步骤分为： 第一步： 将最低调制频率f1作为扩展测量范围的工具， 推导出测量范围为： 其中， R为测量距离， c为真空中的光速， neff1为对应光路的折 射率； 第二步： 通过更高的调制频率f2，…fi用于提高分辨率， 考虑到相位模糊度， fi处的实际 相移由以下公式给 出： 其中， 为每个频率对应的参考值， 为对于测量距离引入的相移， 为相应的测量相位值， mi为每个频率对应的模糊顺 序， i＝2、…、 n； 第三步： 最后， 通过公式 得出距离的测量结果。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114563375 A 2基于全相位快速傅里叶变换的光载波 微波干涉相位提取方 法 技术领域 [0001]本发明涉及 光载波微波干涉技术领域， 尤其涉及 一种基于全相位快速傅里叶变换 的光载波微波干涉相位 提取方法。 背景技术 [0002]光纤干涉仪已广泛应用于分布式传感、 生物医学检测和结构健康监测等领域； 它 们因具有高灵敏度、 高响应频率和远距离传输能力而 备受青睐； 然而， 该技术面临着偏振衰 落效应、 多模干涉和高制造要求 等瓶颈。 [0003]光载波微波干涉术(OCMI)作为一种结合光学和微波优点的有用工具被提出； 由微 波信号调制的光波被分解并发送到具有不同传播延迟的光路中； 调制信号叠加后， 在传播 过程中以光波为信号载体， 产生微波域的干涉； OCMI能够提供高质量的信号， 而 无需对制造 或光波导类型提出严格要求。 [0004]现存的研究已经调查了在距离测量、 应变传感和温度传感领域集成OCMI的潜力； 研究大多使用向量网络 分析仪从干涉信号的振幅谱中解码信息； 然而， 在实际情况下， 向量 网络分析仪的成本通常太高； 另一种选择是从干涉信号中提取相位信息； 到目前为止， 有几 种方法常用于不同类型信号的相位解调， 包括最小二乘法、 互相关法、 正交解调法、 快速傅 里叶变换(FFT)等； 然而， 它们中的大多数并不完全符合OCMI测量的特点； 最小二乘法采用 正弦拟合算法来估计信号的参数； 不幸的是， 由于振幅检测的相对较大不确定性， 该算法可 能无法计算OCMI测量的正确结果； 互相关法通过 互相关计算对两个信号之间的相移进 行解 码； 它适用于声学、 振动和光学信号处理， 但对数据采集有严格要求； 正交解调已经在 几种 类型的干涉测量和反射测量中实现， 是OCMI中相位提取的一种可能解决方案； Ding等人报 道了一种OCMI测距系统， 通过基于希尔伯特变换的正交相位解调方法来补偿折射率误差； 然而， 这种方法容易受到噪声的影响， 并且在很大程度上 受信号质量的影响； 快速傅立叶变 换(FFT)从频域分析信号， 能够提供振幅和相位信息； 然而， 频谱泄漏会导致传统FFT 结果中 的估计误差 。 发明内容 [0005]为克服以上技术中存在的问题， 本发明提供基于全相位快速傅里叶变换的光载波 微波干涉相位 提取方法， 所述方法包括： [0006]通过全相位预处理过程需考虑所有可能的序列组合： 从信号中获取2N ‑1个样本， 并乘以两个窗口函数的卷积， 所述样本为： x(－N+1)、 x(－N+2) …x(0)…x(N－1)； 创建N段 数据系列： y ′i(n)(i＝0、 1、 …、 N－1)， 使得样本中间点x(0)循环移动到第一位； 由创建的N 段数据系列求和得到全相位数据集YN(n)。 [0007]全相位数据集YN(n)的求取函数为： [0008]y2N－1＝[x(‑N+1)，…x(0)，…x(N‑1)]说　明　书 1/6 页 3 CN 114563375 A 3