一种基于互相关驱动的自适应双域增强方法，用于光学相干调制光谱仪（OCMSI）的测量

《Optics and Lasers in Engineering》：A cross-correlation driven adaptive dual-domain enhancement method for OCMSI measurement

光学载波微波扫描干涉ometry（OCMSI）在低信噪比环境下采用时频域双域去噪结合互相关检测方法提升测距精度。通过微波频率扫描同步解调提取信号幅度频谱，经逆离散傅里叶变换（IDFT）优化生成匹配参考信号，再计算互相关函数合成增强参考信号，有效抑制噪声并补偿误差。实验表明测距精度优于±50μm，较传统方法提升50%。

　　本文介绍了一种新的高精度光学载波微波扫描干涉测量（OCMSI）技术，该技术旨在解决在低信号-噪声比（SNR）环境下对弱信号进行有效提取的问题。随着现代制造业的迅速发展，高精度绝对距离测量技术已经成为工业和科学领域不可或缺的基础技术。然而，传统的接触式测量方法可能会干扰光学场并损坏敏感样品，因此非接触式测量方法逐渐成为主流。尽管非接触式测量在高精度实验中具有诸多优势，但在实际应用中仍然面临一些挑战和限制。例如，当测量距离增加，光学返回路径变得不那么有效时，检测到的信号强度会显著减弱，常常低于传统电子设备的检测阈值。此外，环境背景光、热噪声或电磁干扰等噪声源会掩盖这些弱信号，从而需要额外的滤波、放大电路和处理算法来提高信号-噪声比。

为了实现非接触式测量，人们提出了多种方法，每种方法在特定的应用场景中都有其独特的优势。激光干涉仪（LI）因其高分辨率和实时性被广泛应用于非接触式测量中。然而，LI 对环境振动和热漂移非常敏感，因此通常只能用于短距离位移测量或振动测量。相比之下，频率扫描干涉测量（FSI）利用宽带、线性频率调制的连续波（LFMCW）激光，可以在低信噪比的环境下实现高精度的绝对距离测量，甚至适用于非合作目标。同样，基于可调谐激光的频率调制连续波（FMCW）测距技术也具有清晰的测距能力、强抗干扰性能和高精度。得益于频率扫频机制，FMCW 方法特别适合在嘈杂环境中进行大规模非接触测量，且在精密计量和遥感应用中越来越受到重视。

OCMSI 是一种新颖的距离测量方法，能够在长距离上实现高精度测量。在非接触式测量中，随着测量距离的增加和环境扰动的加剧，信号-噪声比会显著下降。因此，如何在高噪声背景下准确提取目标信号，成为精密光学计量中的关键挑战。目前，常用的弱信号识别方法包括滤波、采样积分、数字平均和快速傅里叶变换（FFT）等。尽管这些方法被广泛应用，但它们在实际应用中仍然存在一些固有的局限性。例如，传统的滤波技术虽然旨在抑制不需要的噪声，但可能会去除或扭曲对准确表示目标信号至关重要的频谱成分，从而影响后续分析的完整性。同样，基于采样积分和数字平均的方法依赖于在较长的采集时间内积累大量数据集来实现有效的噪声抑制，但其性能会随着底层噪声统计特性随时间波动而下降，往往导致即使增加测量时间，改善效果也有限。

此外，虽然基于 FFT 的方法在中等或高信号-噪声比的环境下对频谱分析非常有效，但在弱信号或高度受损信号的情况下，其精度和频率分辨率会显著下降，限制了其在复杂实验条件下的可靠性。因此，本文提出了一种新的方法，结合双域去噪与交叉相关检测，以提升 OCMSI 框架下弱信号的提取能力。该方法通过构建匹配的参考频谱信号，并在频域中应用交叉相关函数（CCF），能够在低信号-噪声比的环境下增强弱信号的提取，减少环境噪声和信号衰减的影响，从而提高整体测量精度。

为了验证该方法的可行性与有效性，本文进行了仿真研究。仿真中创建了一个标准的正弦波信号，并将其与随机噪声信号混合，生成了一个信号-噪声比为 -10 的噪声信号。仿真结果表明，交叉相关检测方法能够有效抑制噪声，提取出所需的信号，而自相关检测方法则在相同条件下表现出较差的性能。这一结果证明了交叉相关检测方法在低信号-噪声比环境下的优越性。在实际应用中，没有一种弱信号检测方案能在所有测量模式下都达到最佳效果，因为每种方法都有其独特的优点和局限性。因此，识别并采用适当的测量与检测策略，是实现远距离信号提取的关键。

本文提出的方法的主要贡献包括以下三个方面：第一，提出了一种结合双域去噪与交叉相关检测的弱信号检测框架，该框架能够在低信号-噪声比条件下稳健地提取弱光学信号，而无需过长的采集时间或对滤波器设计有过度依赖。第二，设计了一种基于 IDFT 频域分析的匹配频谱参考构建机制。该机制能够找到最适合的扩展因子，构建匹配的参考信号，从而提高相关精度，并增强对波形失真的抵抗能力，减少由参考信号与真实信号不匹配所带来的残余噪声。第三，本文在基于 OCMSI 的非接触测距系统中实验实现了该方法，展示了其在远距离测量中相较于传统 FFT 或小波方法的更高测量精度和更强的鲁棒性。

OCMSI 技术的核心原理基于激光与微波信号的相互作用。该系统主要由宽带激光源、微波扫描信号、电光调制器、光电探测器、信号处理单元和数据采集单元组成。干涉仪包括测量路径和参考路径，传输信号在光电探测器处汇聚并转换为电信号。经过预处理后，输出信号被采集。该技术利用光学载波和微波扫描信号之间的干涉效应，实现对目标距离的高精度测量。通过微波频率扫描，可以获取干涉信号的幅度-频率谱，并结合同步解调技术，进一步提取有用信息。随后，通过应用逆离散傅里叶变换（IDFT）对干涉频谱进行处理，生成最优的参考信号，再通过计算互相关函数，合成增强的参考信号。这种跨域处理策略能够有效分离并增强干涉特征，为后续的噪声抑制和误差补偿提供基础。

OCMSI 技术的原理不仅涉及光学信号的处理，还融合了微波扫描信号的特性。在测量过程中，激光源发射的光信号经过电光调制器调制，形成带有特定频率信息的信号。该信号在测量路径和参考路径中传播，并在光电探测器处发生干涉。干涉信号被转换为电信号后，通过信号处理单元进行分析，以提取目标距离信息。通过微波频率扫描，可以实现对光信号频率的精确控制，从而在测量过程中获得高精度的干涉信号。这种结合光学与微波信号的方法，使得 OCMSI 在长距离测量中表现出色，同时在低信号-噪声比的环境下也能保持较高的测量精度。

为了进一步提升 OCMSI 的性能，本文提出了一种基于时间与频域相结合的循环互相关方法。该方法通过在时间域中提取干涉信号的幅度-频率谱，然后在频域中应用 IDFT 生成参考信号，从而实现对弱信号的增强提取。通过计算互相关函数，可以合成更加精确的参考信号，以提高信号的检测精度和抗干扰能力。这种跨域处理策略能够有效分离并增强干涉信号，从而减少环境噪声和信号衰减的影响，提高整体测量的稳定性与精度。

在实际应用中，OCMSI 技术的性能受到多种因素的影响，包括环境噪声、信号衰减以及系统本身的稳定性。为了克服这些挑战，本文提出的方法不仅在频域中应用了 IDFT 生成参考信号，还在时间域中进行了信号处理，以提高对弱信号的提取能力。通过这种双域处理策略，可以有效提高 OCMSI 在低信号-噪声比环境下的测量精度。此外，该方法还结合了交叉相关检测技术，能够在复杂环境中实现对目标信号的准确提取，从而提高系统的鲁棒性。

本文的仿真结果显示，该方法在信号-噪声比为 -10 的条件下，能够有效提取出目标信号，并且在处理过程中表现出较低的误差率。实验结果进一步证明了该方法在实际应用中的有效性，其测量精度优于 ±50 微米，相较于传统直接处理方法提高了 50%。这一结果表明，该方法在低信号-噪声比环境下具有良好的检测效果和稳定性。此外，该方法在处理过程中能够有效抑制环境噪声，提高信号的信噪比，从而增强测量的可靠性。

OCMSI 技术的应用前景广阔，尤其在需要高精度测量的工业和科学研究领域。随着对高精度测量需求的不断增长，OCMSI 技术的优势变得愈加明显。该技术不仅能够实现远距离测量，还能在复杂环境中保持较高的测量精度。通过结合双域去噪与交叉相关检测，本文提出的方法能够有效解决传统方法在低信号-噪声比环境下的局限性，从而提升 OCMSI 的整体性能。此外，该方法还能够适应不同的应用场景，提高测量的灵活性和实用性。

在实际应用中，OCMSI 技术需要考虑多个方面，包括系统设计、信号处理算法以及环境因素。通过优化系统设计，可以提高 OCMSI 的测量精度和稳定性。同时，改进信号处理算法，能够有效提高对弱信号的提取能力，减少噪声的影响。此外，针对不同的环境条件，可以采用不同的处理策略，以确保 OCMSI 在各种条件下都能保持良好的性能。

本文的研究不仅为 OCMSI 技术的发展提供了新的思路，也为高精度测量技术的创新提供了重要的参考。通过结合双域去噪与交叉相关检测，该方法能够在低信号-噪声比的环境下实现对弱信号的准确提取，提高测量的精度和稳定性。此外，该方法还能够适应不同的应用场景，提高测量的灵活性和实用性。因此，本文的研究成果对于推动高精度测量技术的发展具有重要意义。

综上所述，本文提出了一种新的 OCMSI 技术，该技术通过结合时间与频域的处理方法，有效解决了在低信号-噪声比环境下对弱信号的提取问题。通过构建匹配的参考信号，并应用交叉相关检测技术，该方法能够在复杂环境中实现对目标信号的准确提取，提高测量的精度和稳定性。实验结果表明，该方法在实际应用中表现出色，其测量精度优于 ±50 微米，相较于传统方法提高了 50%。因此，该方法在高精度测量领域具有广阔的应用前景。