CN109521436A - 一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，利用可调谐激光器产生频率扫描信号，测量干涉系统产生测量拍频信号，辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行等光频重采样以消除调频非线性的影响，然后对测量拍频信号进行处理实现运动物体的动态距离测量。本发明无需添加其他硬件，只需要传统的双光路调频连续波激光测距装置便可消除多普勒效应对调频连续波激光测距带来的影响。对等光频重采样过后的测量拍频信号进行处理，实现运动物体的动态距离测量，本方法硬件系统较为简便，降低了硬件系统的成本，软件算法也较为简单，使得数据处理时间大大缩短，进一步提高了物体测量的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及调频连续波激光雷达领域，特别涉及一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法。
背景技术
利用调频连续波激光测距装置进行测量时，物体运动引起的多普勒效应会造成测量结果偏差，且距离解算值会将物体运动位移放大f1/B倍，这个倍数通常能达到几百或上千，对测量影响非常大。针对物体运动时调频连续波激光测距技术出现的距离-多普勒耦合现象，比较简单的方法就是可调谐激光器使用三角形扫频，将上下扫频的频率作差，以此消除距离-多普勒耦合现象，但此种方法并不适用于低速目标的探测。
发明内容
针对现有使用调频连续波测距技术进行动态测量方法的不足，本发明提出一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，利用传统的双光路调频连续波激光测距装置即可实现运动目标的动态距离测量，无需加入其他硬件，仅利用数据处理便可得出物体运动的动态距离值。
本发明所采用的技术方案是：一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，利用可调谐激光器产生频率扫描信号，测量干涉系统产生测量拍频信号，辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行等光频重采样以消除调频非线性的影响，然后对测量拍频信号进行处理实现运动物体的动态距离测量。
进一步的，一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，具体包括以下步骤：
测距信号的产生：
1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号，频率扫描信号通过第一分束器分为E路和F路，E路进入测量干涉系统，F路进入辅助干涉系统；
1-2步骤、进入测量干涉系统的频率扫描信号经过第二分束器分为A路和B路，A路和B路的输入均为频率扫描信号；其中，A路激光经过光环形器、准直透镜，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入第一耦合器；B路激光与A路激光在第一耦合器汇合并发生干涉，在第一光电探测器上产生测量拍频信号；
1-3步骤、进入辅助干涉系统的频率扫描信号经过第三分束器分为C路和D路，C路和D路的输入均为频率扫描信号；C路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第二耦合器与D路激光汇合并发生干涉，在第二光电探测器上产生辅助拍频信号；
其中，C路和D路形成了参考干涉光路，A路和B路形成了测量光路；
同步数据采集：
同步数据采集系统对测量干涉系统产生的测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：
2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间ts、采样频率fs；
2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到的测量拍频信号、辅助拍频信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；
数据处理：
由于可调谐激光器输出的光频率并非完全线性调制，故需要对测量拍频信号进行等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：
3-1步骤、取辅助拍频信号的峰谷值位置点并在这些位置点对测量拍频信号进行重采样，经过重采样后，可调谐激光器的调频非线性影响得以消除；
3-2步骤、假定目标在M个调频周期内运动速度保持不变，利用希尔伯特变换提取目标在M个调频周期内的初始相位，由这M个初始相位值组成一个序列S，通过对序列S进行傅里叶变换解算目标在这M个调频周期内的运动速度，速度方向由M个初始相位值的增大或减小趋势判断；
3-3步骤、根据调频连续波激光测距原理可得到多普勒效应引起的测距偏差，测距偏差数值与速度成正比，将3-2步骤得到的运动速度值代入，计算得到测距偏差，结合3-2步骤判断的速度方向将测距偏差补偿得到正确的动态位移值。
本发明的有益效果是：
为实现高精度的动态距离测量，采用调频连续波激光测距系统装置。但当物体存在速度时，传统的双光路调频连续波激光测距技术会出现距离-多普勒耦合现象，解算得到的测距值会将运动位移放大f1/B倍，通常这个倍数能达到几百或上千，大大降低了测距精度。为此本发明提出一种算法，无需添加额外的硬件装置，通过数据处理便可解算得到正确的运动位移值。且算法也较为简便，大大缩短了数据处理时间，提高了数据处理的实时性，适用于对测量精度要求较高的场合。
附图说明
图1为本发明一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法的流程图；
图2为本发明所用的双光路调频连续波激光测距装置的结构示意图；
附图标注：1、可调谐激光器；2、第一分束器；3、第二分束器；4、光环形器；5、第一耦合器；6、准直透镜；7、反射镜；8、测量干涉系统；9、辅助干涉系统；10、第三分束器；11、延时光纤；12、第二耦合器；13、第二光电探测器；14、第一光电探测器；15、同步数据采集系统；16、数据处理系统；
S1、测量拍频信号；S2、辅助拍频信号。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明所用的双光路调频连续波激光测距装置如附图2所示，包括所述可调谐激光器1以及与之相连的第一分束器2，所述可调谐激光器1输出的频率扫描信号经第一分束器2分为E路和F路，所述E路进入测量干涉系统8，所述F路进入辅助干涉系统9，可调谐激光器1的频率采用三角波调制。
所述测量干涉系统8用于对被测目标进行探测，产生测量拍频信号S1。所述测量干涉系统8包括与所述第一分束器2的输出端相连接的第二分束器3，所述第二分束器3的输出端分为A路和B路。A路和B路的输入均为频率扫描信号。所述B路连接至第一耦合器5的一个输入端，所述A路上包括光环形器4、准直透镜6和反射镜7，所述反射镜7设置在所述准直透镜6的前端，所述光环形器4采用带有第一、第二、第三端口、用来将光循环地从第一端口传输到第二端口、从第二端口传输到第三端口的3端口光环形器，所述光环形器4的第一端口与所述第二分束器3相连接，第二端口与所述准直透镜6相连接，第三端口连接至所述第一耦合器5的另一输入端。所述第一耦合器5能发生所述频率扫描信号的干涉。所述第一光电探测器14用于探测所述频率扫描信号发生干涉后所形成的测量拍频信号S1。
所述辅助干涉系统产生辅助拍频信号S2，利用所述辅助拍频信号S2消除所述可调谐激光器1的光频调制的非线性。所述辅助干涉系统9包括与所述第一分束器2的输出端相连接的第三分束器10，所述第三分束器10的输出端分为C路和D路。C路和D路的输入均为频率扫描信号。所述D路连接至第二耦合器12的一个输入端，所述C路上连接有长度恒定且已知光程差的延时光纤11，所述延时光纤11的输出端连接至所述第二耦合器12的另一输入端。所述第二耦合器12能发生所述频率扫描信号的干涉。所述第二光电探测器13用于探测所述频率扫描信号发生干涉后所形成的辅助拍频信号S2。
所述第一光电探测器14和第二光电探测器13的输出端共同连接至同步数据采集系统15的输入端，所述同步数据采集系统15的输出端连接至数据处理系统16。
本发明一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，图1为本发明的一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法的流程图，利用可调谐激光器1产生频率扫描信号，测量干涉系统8产生测量拍频信号S1，辅助干涉系统9产生辅助拍频信号S2，由于可调谐激光器1输出的光频率并非完全线性调制，故利用辅助拍频信号S2对测量拍频信号S1进行等光频重采样以消除调频非线性的影响，然后对测量拍频信号S1进行处理实现运动物体的动态距离测量。其具体实现的步骤如下：
测距信号的产生：
1-1步骤、可调谐激光器1产生频率扫描信号，频率扫描信号通过第一分束器2分为E路和F路，E路进入测量干涉系统8，F路进入辅助干涉系统9；
1-2步骤、进入测量干涉系统8的频率扫描信号经过第二分束器3分为A路和B路，A路和B路的输入均为频率扫描信号；其中，A路激光经过光环形器4、准直透镜6，由反射镜7反射后，原路返回进入所述光环形器4，再进入第一耦合器5；B路激光与A路激光在第一耦合器5汇合并发生干涉，在第一光电探测器14上产生测量拍频信号S1；
1-3步骤、进入辅助干涉系统9的频率扫描信号经过第三分束器10分为C路和D路，C路和D路的输入均为频率扫描信号；C路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤11后进入第二耦合器12与D路激光汇合并发生干涉，在第二光电探测器13上产生辅助拍频信号S2；
其中，C路和D路形成了参考干涉光路，A路和B路形成了测量光路；
同步数据采集
同步数据采集系统15对测量干涉系统8产生的测量拍频信号S1以及辅助干涉系统产生9的辅助拍频信号S2进行同步采样，步骤如下：
2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间ts、采样频率fs；
2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统15采集到的测量拍频信号S1、辅助拍频信号S2进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；
数据处理
由于可调谐激光器1输出的光频率并非完全线性调制，故需要对测量拍频信号S1进行等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统的辅助拍频信号S2的频率是测量干涉系统的测量拍频信号S1的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：
3-1步骤、取辅助拍频信号S2的峰谷值位置点并在这些峰谷值位置点对测量拍频信号S1进行重采样，经过重采样后，可调谐激光器1的调频非线性影响得以消除；
3-2步骤、利用希尔伯特变换提取目标在M个调频周期内的初始相位(假定目标在M个调频周期内运动速度保持不变)，由这M个内的初始相位值组成一个序列S，此序列S的频率与目标的运动速度成正比，因此通过对序列S进行傅里叶变换解算目标在这M个调频周期内的运动速度，速度方向可以由M个初始相位值的增大或减小趋势来判断；
3-3步骤、根据调频连续波激光测距原理可得到多普勒效应引起的测距偏差，其测距偏差数值与速度成正比，将3-2步骤得到的运动速度值代入，计算得到测距偏差，结合3-2步骤判断的速度方向将测距偏差补偿可得正确的动态位移值。
下面结合具体公式对本发明一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法作进一步说明：
如图2所示，假定光信号经过光环形器4、准直透镜6，由反射镜7反射后，原路返回进入所述光环形器4，再进入第一耦合器5所需时间为τ，此回波信号sR表达式为：
式中，η表示信号衰减系数，α为调频速度，f0为调频信号起始频率，A为振幅，为初始相位，t为时间，本振信号sLO表达式为：
将本振信号sLO与回波信号sR混合得拍频信号sbeat，其表达式为：
由拍频信号sbeat可知，当物体静止，即τ为常数时，拍频信号频率fbeat为：
fbeat＝ατ (4)
静止时刻待测距离值R表达式为：
式中，T为调频周期，B为调频带宽，c为光速。由此可以看出，静止时刻待测距离值R与拍频信号的频率fbeat成正比，通过快速傅里叶变换提取拍频信号的频率fbeat即可解算得到静止时刻待测距离值R。
当物体存在速度，即待测距离值随时间而改变，即：
R(t)＝R0-vt (6)
式中，R(t)为运动物体待测距离值，R0为物体静止时刻装置与物体之间的距离，v为物体运动速度；
由回波信号的表达式变为：
式中，sR'为运动物体回波信号，则运动物体回波信号sR'与本振信号sLO混合后的运动物体拍频信号sbeat'的表达式为：
拍频信号频率变为：
式中，fbeat'为运动物体拍频信号；由上式可以看出，物体运动使得拍频信号由单频变为线性调频，出现距离-速度耦合现象。
在一个调频周期内，由(8)式可以看出，运动物体拍频信号sbeat'的初始相位与待测距离值满足关系：
式中，为运动物体初始相位，R(t)为运动物体待测距离值；
假定在M个调频周期内，物体的运动速度保持不变，则有：
其中，为第k(1≤k≤M,k为正整数)个调频周期的拍频信号的初始相位，由这M个初始相位值组成的序列S为：
那么，可以根据序列的频率求出物体的运动速度v为：
式中，f为序列S的频率，因此通过对S序列进行快速傅里叶变换即可求出M个调频周期内物体的运动速度，M的取值根据测量环境以及待测目标的速度估计决定。
根据传统的调频连续波激光测距技术解算得到的待测距离值R'为：
式中，Rr为真实待测距离，ΔR为物体的移动位移，由ΔR＝vt计算得到，v由公式(13)计算得到，正负号由待测目标的速度相对于测量系统的方向决定。可以看出，根据传统的调频连续波激光测距原理计算待测距离值是会有一个放大系数的，且这个放大系数通常能达到几百或上千，所以测量精度大大降低。
由(13)式求出物体M个调频周期内的运动速度v，结合的增加或减小趋势判断出物体在M个调频周期内的的运动速度方向，即可对(14)式中的距离值进行补偿，得到真实距离值Rr。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，其特征在于，利用可调谐激光器产生频率扫描信号，测量干涉系统产生测量拍频信号，辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行等光频重采样以消除调频非线性的影响，然后对测量拍频信号进行处理实现运动物体的动态距离测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光路调频连续波的运动物体动态距离测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
测距信号的产生：
1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号，频率扫描信号通过第一分束器分为E路和F路，E路进入测量干涉系统，F路进入辅助干涉系统；
1-2步骤、进入测量干涉系统的频率扫描信号经过第二分束器分为A路和B路，A路和B路的输入均为频率扫描信号；其中，A路激光经过光环形器、准直透镜，由反射镜反射后，原路返回进入所述光环形器，再进入第一耦合器；B路激光与A路激光在第一耦合器汇合并发生干涉，在第一光电探测器上产生测量拍频信号；
1-3步骤、进入辅助干涉系统的频率扫描信号经过第三分束器分为C路和D路，C路和D路的输入均为频率扫描信号；C路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤后进入第二耦合器与D路激光汇合并发生干涉，在第二光电探测器上产生辅助拍频信号；
其中，C路和D路形成了参考干涉光路，A路和B路形成了测量光路；
同步数据采集：
同步数据采集系统对测量干涉系统产生的测量拍频信号以及辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样，步骤如下：
2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间ts、采样频率fs；
2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到的测量拍频信号、辅助拍频信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；
数据处理：
由于可调谐激光器输出的光频率并非完全线性调制，故需要对测量拍频信号进行等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：
3-1步骤、取辅助拍频信号的峰谷值位置点并在峰谷值位置点对测量拍频信号进行重采样，经过重采样后，可调谐激光器的调频非线性影响得以消除；
3-2步骤、假定目标在M个调频周期内运动速度保持不变，利用希尔伯特变换提取目标在M个调频周期内的初始相位，由这M个初始相位值组成一个序列S，通过对序列S进行傅里叶变换解算目标在这M个调频周期内的运动速度，速度方向由M个初始相位值的增大或减小趋势判断；
3-3步骤、根据调频连续波激光测距原理能得到多普勒效应引起的测距偏差，测距偏差数值与速度成正比，将3-2步骤得到的运动速度值代入，计算得到测距偏差，结合3-2步骤判断的速度方向将测距偏差补偿得到正确的动态位移值。
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