CN112147623B - 一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法及系统，方法包括：由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；参考信号及探测信号依次通过光纤分束器及信号处理模块，分别得到参考电流信号及探测电流信号；参考电流信号及探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。本发明具有稳定且高的测距分辨率，强大的抗噪性能以及测量复杂形状中多区域目标位置矢量所需的低相对误差低，对智能精密加工和复杂形状目标质量检测有很大的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及纺织品分拣技术领域，特别是涉及一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法及系统。
背景技术
随着人工智能的飞速发展，激光雷达通过感知周围环境，有望实现以下功能：目标精确测距，高质量3D成像，目标跟踪和识别，自动定位和地图绘制。
目前，大多数激光雷达测距方案都使用脉冲激光器和连续波激光器作为光源，以获得更好的信噪比和测量范围。但是，基于脉冲激光器和连续波激光器的雷达测距存在分辨率低，拦截概率高，抗干扰能力弱，成本高等缺点。
与使用脉冲激光器和连续波激光器进行测距相比，通过使用具有光反馈或光注入的半导体的非线性动力学产生的基于混沌激光雷达(CLR)的测距具有许多优势，例如拦截概率低，抗干扰能力强和低成本。此外，得益于光学混沌的宽带宽，它同时具有高分辨率。最后，由于混沌雷达对激光参数的敏感性，它很容易生成和控制。
但是，首先，CLR测距的分辨率在很大程度上受到混沌激光器带宽的限制，测距分辨率的进一步提高需要具有大调制带宽的超快速混沌激光器。其次，目前CLR测距的工作中，测量的目标平面是光滑且平坦的，CLR通常用于目标中的固定点，很难将它们应用于智能精密加工和复杂形状目标的质量检测；CLR测距的方案和方法不能完全检测目标不同区域的距离，不适合复杂形状目标中整个区域的精确测距。最后，基于CLR的探测波形在目标测距之前没有调制过，这降低了目标测距的分辨率和精度。
发明内容
本发明提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法及系统，通过利用随机噪声调制的两个混沌偏振波形，实现两个复杂形状目标的多个区域的精确测距。
本发明一个实施例提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，包括：
由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；
所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；
所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号；
所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。
进一步地，所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，包括：
所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形；
所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器；
所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射；
所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号。
进一步地，所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，还包括：
所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形；
所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
进一步地，所述参考电流信号及所述探测电流信号计算模块生成所述第一测距目标的位置矢量，包括：
通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性；
通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
进一步地，所述由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束，包括：
所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束；
所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
本发明一个实施例提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，包括：
偏振控制器分割模块，用于由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；
光纤偏振分束器分割模块，用于所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；
参考电流信号及探测电流信号获取模块，用于所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号；
位置矢量计算模块，用于所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。
进一步地，所述参考电流信号及探测电流信号获取模块，包括：探测电流信号获取子模块，用于以下步骤：
所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形；
所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器；
所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射；
所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号。
进一步地，所述参考电流信号及探测电流信号获取模块，还包括：参考电流信号获取子模块，用于以下步骤：
所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形；
所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
进一步地，所述位置矢量计算模块，还用于：
通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性；
通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
进一步地，所述偏振控制器分割模块，还用于：
所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束；
所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明一个实施例提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，包括：由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；所述参考信号及探测信号依次通过光纤分束器及信号处理模块，分别得到参考电流信号及探测电流信号；所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。本发明具有稳定且高的测距分辨率，强大的抗噪性能以及测量复杂形状中多区域目标位置矢量所需的低相对误差低，对智能精密加工和复杂形状目标质量检测有很大的潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法的流程图；
图2是本发明另一实施例提供的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法的流程图；
图3是本发明对两个复杂形状目标的多个区域实现精确测距的示意图；
图4是本发明复杂形状目标的任意小面积测距的几何图；
图5是本发明光束在噪声调制后的时间轨迹图；
图6是本发明光束相关性的函数图像；
图7是本发明光束时间与空间相关性的函数图像；
图8是本发明复杂形状目标10个小区域的测距的几何图；
图9是本发明接收信号的时间与空间相关性的函数图像；
图10是本发明测距分辨率随噪声强度β的变化的函数图像；
图11是本发明某一实施例提供的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统的装置图；
图12是本发明另一实施例提供的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统的装置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
第一方面。
基于光注入光泵浦自旋VCSEL，我们提出了一种对两个复杂形状目标中的多个区域进行精确测距的新方案，通过使用随机噪声调制两个混沌偏振雷达。这里，两个调制混沌偏振雷达具有时空不相关，飞秒级动态学的优秀特征。利用这些特征，可以将反射回来的多束带有延时信号的混沌偏振探测波形和相对应的参考波形进行相关计算，来实现对两个复杂形状目标的多个区域的位置矢量的精确测距。进一步的研究表明，对多区域小目标的测距具有非常低的相对误差，误差低于0.23％。它们的距离分辨率很稳定，达到了0.2mm，并具有出色的强抗噪声性能。通过光注入光泵浦自旋VCSEL对多区域小目标的精确测距，为智能精确加工和复杂形状目标的质量检测中的潜在应用提供了很好的前景。
请参阅图1，本发明某一实施例提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，包括：
S10、由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束。
S20、所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号。
S30、所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号。
S40、所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。
请参阅图2，在某一具体实施例中，S30、所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，包括：
S311、所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形。
S312、所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器。
S313、所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射。
S314、所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号。
请参阅图2，在某一具体实施例中，S30、所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，包括：
S321、所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形。
S322、所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
请参阅图2，在某一具体实施例中，S40、所述参考电流信号及所述探测电流信号计算模块生成所述第一测距目标的位置矢量，包括：
S41、通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性。
S42、通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
请参阅图2，在某一具体实施例中，S10、所述由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束，包括：
S11、所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束。
S12、所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
请参阅图3，在某一具体实施例中，在光注入光泵浦自旋VCSEL中使用两个混沌偏振波形对两个复杂形状目标的多个区域进行精确测距的实现。其中，DFB作为外部光源是分布式反馈激光器。下标为1-2的光学隔离器(OI)用于确保光波的单向传播。中性密度滤镜(NDF)用于控制来自DFB的注入光场的强度。为了确保将DFB的偏振光平行注入到光泵浦自旋VCSEL的x偏振分量(PC)和y-PC中，需要将来自DFB输出的偏振光通过偏振控制光路(PCOC)进行分割和调整为x-PC和y-PC。在PCOC中，x-PC和y-PC之间的切换是通过一些无源设备实现的，例如光纤偏振器(FP)，光纤偏振控制器(FPCO)，光纤去偏振器(FD)和光纤偏振耦合器(FPC)。目标1(T1)和目标T2是测量的复杂形状目标。PD是光电探测器。AM是幅度调制器。EA是电放大器。TA和RA分别是发射天线和接收天线。光纤偏振分束器(FPBS)将光注入光泵浦自旋VCSEL的产生的混沌光波分为两PCs，分别定义为x偏振混沌激光雷达(XP-CLR)和y偏振混沌激光雷达(YP-CLR)。XP-CLR被1×1光纤分束器1(FBS1)进一步分成两束光波。其中一个被用作参考信号(RS)，另一个被用作探测信号(PS)。为了便于讨论，它们分别被命名为XP-CLR-RS和XP-CLR-PS。同时，FBS2将YP-CLR进一步分为两束光，其中一束光用作RS，另一束光用作PS。它们分别被命名为YP-CLR-RS和YP-CLR-PS。
对于复杂形状目标T1的测距，XP-CLR-PS通过1×N FBS1分为N束混沌雷达探测波形，通过使用带有下标依次为11-1N的AMs进行随机噪声调制。这些调制后的探测波形被下标为11-1N的PDs转换为探针电流信号的N束，进而被下标依次为11-1N的EAs放大。这些放大的电流信号通过下标为11-1N的TAs发射到T1的多个区域。在被T1的多区域反射或散射之后，它们首先有延时信息，然后被RA1接收并由EA2放大。另一方面，XP-CLR-RS被1×N FBS2分成N束参考波形，对它们进行随机噪声调制通过使用下标依次为21-2N的AMs。这些调制后的参考波形被下标依次为21-2N的PDs转换为N束参考电流信号。探测电流信号与其对应的参考电流信号之间的相关性可以通过使用相关函数计算模块(CFCM)进行计算。通过观察相关性最大期望值的时间位置，T1多个区域的位置矢量可以使用目标测距计算模块(TRCM)进一步计算得出。同理，可以通过TRCM来得到T2的多个区域的位置矢量。
对于自旋VCSEL，由正交线性分量可以将光场的左旋和右旋圆偏振分量重新表达为：
其中，E+和E-分别为是左右圆偏振分量的复振幅，Ex和Ey分别为两个正交线性分量x-PC和y-PC的复振幅。由公式(1)，光注入光泵浦自旋VCSEL的四个耦合速率方程可以如下所示：
其中，下标x和y分别表示x-PC和y-PC。圆偏振场分量通过晶体双折射耦合，以速率γp和二向色性γa为特征。公式(2)-(5)的归一化的载流子变量M和n定义为M＝(n++n-)/2andn＝(n+-n-)/2，其中n+和n-分别是自旋下降和自旋上升电子的相应归一化密度。k是腔衰减速率，a是线宽增益因子。γ是电子密度衰减率。γs是自旋弛豫速率。η是总归一化泵浦功率。P是泵浦极化椭圆率。kxinj和kyinj分别是x-PC和y-PC的外部注入强度；β是自发散射系数，也称为噪声强度。ξ1和ξ2都是均值为0，方差为1的独立高斯白噪声，其中Δω是DFB的中心频率和自旋VCSEL的参考频率之间的频率失谐。
如图4所示，通过同时使用N束混沌偏振雷达探测波，可以检测到T1或T2中的任何一个小区域。在目标处反射或散射后，具有不同延迟的N束混沌偏振雷达探测波形同时被RA接收。在这种情况下，根据相关理论，为了容易地探测每个小区域的位置矢量，N束XP-CLR-PSs和N束YP-CLR-PSs需要满足在时间上正交不相关与空间正交不相关。为了满足这些条件，用随机噪声对N束XP-CLR-PSs和N束YP-CLR-PSs进行调制，即：
同理，用随机噪声对N束XP-CLR-RSs和N束YP-CLR-RSs进行调制，表示为：
其中，下标1和2分别表示PS和RS， 和分别为第j束XP-CLR-RSs和第j束YP-CLR-RSs的复振幅。同理，和分别为第j束XP-CLR-PSs和j束YP-CLR-PSs的复振幅。ζ是随机噪声。通过公式(6)-(9)，N束XP-CLR-PSs或N束YP-CLR-PSs彼此正交，在空间中用互相关可以表示为：
和
而且，XP-CLR-PSs中的第j束或YP-CLR-PSs的第j束是在不同时间是不相关的，用时间自相关表示为：
由于XP-CLR-RS和YP-CLR-RS分别是XP-CLR-PS和YP-CLR-PS的复刻样本，因此第j束XP-CLR-PS中及其对应的参考信号是相互正交的。同理，第j束YP-CLR-PS及其对应的参考信号的同样能实现相互正交。它们在空间中用互相关表示为：
第j束XP-CLR-PS与其对应的参考信号在时间上的互相关和第j束YP-CLR-PS与其对应的参考信号在时间上的互相关表示为：
由公式(10)-(17)，我们可以分别得出N束XP-CLR-PSs和N束YP-CLR-PSs在时间和空间上的相关函数，如下所示：
N束XP-CLR-PSs与其相对应的参考信号以及N束YP-CLR-PSs与其相对应参考信号在时间和空间上的相关函数可以表示为：
如图4所示，我们把调制的N束XP-CLR-PSs和N束YP-CLR-PSs用于探测T1(T2)的小区域中的目标点(A)，通过RA1(RA2)接收反射或者散射回来的信号。因此，RA1和RA2的接收信号可以写为
其中，τ1,j和τ2,j分别是从TA1j到RA1和从TA2j到RA2的时间延迟。因此，根据公式(20)-(22)，可以得到来自RA1的接收信号和第j束XP-CLR-RS的互相关函数为
和得到来自RA1的接收信号和第j束YP-CLR-RS的互相关函数为
其中，Tint是有效的相关时间。时间延迟τ1,j和τ2,j分别可以估计为最大位置所对应的值，表示如下
其中，是期望值。如图4所示，将A点的实际位置矢量设为rA，将要测量的第j束XP-CLR-PS或第j束YP-CLR-PS的其位置矢量设为rAj。发送天线TA1j和TA2j的位置矢量分别被设置为r1j和r2j。接收天线RA1和RA2的位置矢量设置为rr1和rr2。根据A点的几何关系，我们得到
由公式(26)，我们可以通过求解个几乎相等方程来解得A点的位置矢量。我们将其平均值作为A点的精确位置向量，表示为
表1.用于计算中系统的参数值
表1中给出了用于以下计算的参数值。通过公式(6)-(9)，我们计算了和由随机噪声调制后的时间轨迹，如图5所示。图中，和分别是第一束XP-CLR-PS和第一束YP-CLR-PS。和分别是第一束XP-CLR-RS和第一束YP-CLR-RS。从图5中可以看到，和的时间轨迹都呈现出混沌状态和飞秒级的快速动态特征，表明XP-CLR-PS，YP-CLR-PS，XP-CLR-RS和YP-CLR-RS呈现出具有快速动态特征的混沌时间轨迹。这些来自XP-CLR-PS或YP-CLR-PS的调制混沌雷达元均满足时间和空间上的不相关性(请参见等式(10)-(13))。为了理解它们的不相关性，我们以第5束XP-CLR-PS和第5束YP-CLR-PS为例来计算它们在不同时间的自相关(TPx和TPy)以及在空间上的互相关(RPx和RPy)，如图6所示。
从图6中，我们可以知道TPx和TPy的最大值出现在t＝0处。除t＝0外，在TPx和TPy其他时间上的值几乎都为0。RPx和RPy的峰值出现在j＝5处。在除5之外的其他j值上，它们的值等于0。根据公司(18)-(21)，对于10束XP-CLR-PSs和10束YP-CLR-PSs的相关函数的时空演化，在图7(a)和7(b)分别表示为和图7(c)给出了10束XP-CLR-PSs与10束XP-CLR-RSs在时间和空间上的相关性图7(c)给出了10束YP-CLR-PSs与10束YP-CLR-RSs在时间和空间上的相关性从图7(a)和7(b)中可以知道，对于第N束XP-CLR-PS，的最大值出现在t＝0和j＝N处(N＝1,2,3,…,10,下同)。对于第N束XP-CLR-PS的最大值出现在t＝0和j＝N处。如图7(c)所示，对于第N束XP-CLR-PS和第N束XP-CLR-RS的最大值出现在t＝0和j＝N处。从图7(d)中可以看出，对于第N束YP-CLR-PS和第N束YP-CLR-RS的最大值出现在t＝0和j＝N处。这些表明XP-CLR-PS和YP-CLR-PS具有时间和空间不相关的特征。同理，N束XP-CLR-PSs与其对应的参考信号的时空不相关性，以及N束YP-CLR-PSs与其对应的参考信号的时空不相关性都能实现。下面，根据它们的时空不相关性，以复杂形状目标T1和T2中12个小区域为例，讨论对它们的测距。
如图8所示，我们给出了复杂形状目标T1和T2中12个小区域的测距几何图。由图8(a)可以知道，T1中12个小区域被定义为A1-A12，然后将其位置矢量依次视为通过发射天线(TA1,1-TA1,10)发射的10束XP-CLR-PSs用于依次探测目标A1-A12的距离。这些发射天线的位置矢量依次假定为r1,1-r1,10。如图8(b)所示，T2中12个小区域被定义为A’1-A’12，其位置矢量依次视为通过发射天线(TA2,1-TA2,10)发射的10束XP-CLR-PSs用于依次探测目标A’1-A’12的距离。这些发射天线的位置矢量依次假定为r2,1-r2,10。此外，这些发射天线(TA1,1-TA1,10和TA2,1-TA2,10)呈线性排列，天线和天线的距离为0.5m。
为了验证对10个目标的两组小区域进行测距的可行性，我们假设目标A1-A12的实际距离分别假定为目标A’1-A’12的实际距离分别假定为这些实际距离的值在表(3)和表(4)中给出。表2中列出了两组发射天线(TA1,1-TA1,10和TA2,1-TA2,10)的位置矢量。为了进一步描述两组12个目标的小区域的准确性，我们引进了它们的相对误差，如下所示：
其中，j＝1,2,3,…,12。
可以通过公式(26)和(27)来得到两组12个小区域中目标的测量位置矢量。两组延迟时间(τ1,1-τ1,10和τ2,1-τ2,10)可以通过运用公式(25)中给出的相关运算CC1和CC2的最大期望值来得到。下面，以小区域A1为例来说明其测距过程。来自RA1的接收信号，其中包括来自TA1,1-TA1,10发射天线的10束XP-CLR-PSs，用于探测目标A1，我们计算来自RA1的接收信号和10束XP-CLR-RSs在时间和空间上的互相关(CC1,1-CC1,10)，如图9(b)所示。从图中可以知道，互相关的最大期望值依次位于10个不同的时间延迟上。10个时间延迟可以通过图9(a)和9(c)得出：τ1＝34.149ns；τ2＝32.770ns；τ3＝31.443ns；τ4＝30.182ns；τ5＝29.004ns；τ6＝27.932ns；τ7＝26.994ns；τ8＝26.222ns；τ9＝25.652ns；τ10＝25.316ns。基于这些时间延迟，我们可以用公式(26)-(28)获得目标的精确测量位置矢量 同理，可以得到T1中其余小区域(A2-A12)的测量位置矢量，如表3所示。同样的办法，可以计算得出T2中小区域(A’1-A’12)的位置矢量，如图6所示。因此，根据公式(29)，我们得到了T1和T2中12个小区域测距的相对误差，如表3和表4中所示。从表3和表4中我们可以观察到A1-A12的小目标的测距相对误差在0.04％和0.23％之间。对区域A’1-A’12的12个小目标的百测距相对误差在0到0.23％之间。这些结果表明，两个复杂形状目标的多区域测距具有较小的相对误差，且小于0.23％。
表2.两组发射雷达的位置矢量(TA1,1-TA1,10和TA 2,1-TA2,10)
表3.T1中12个小区域中目标的实际位置矢量和测量的位置矢量以及它们的相对误差。
表4.T2中12个小区域中目标的实际位置矢量和测量的位置矢量以及它们的相对误差。
众所周知，相关峰的半峰全宽(FWHM)通常用于描述测距分辨率。如图9(d)所示，CC1,1的相应峰值FWHM为4/3ps，测距分辨率为0.2mm。通过图9(c)可以知道，相关运算(CC1,1-CC1,10)的FWHMs均为4/3ps，这意味着在T1中的所有小目标A1-A12的测距分辨率均能达到0.2mm。同理，在T2中的所有小目标A’1-A’12的测距分辨率也均能达到0.2mm。为了观察注入强度和噪声强度这两个关键参数对测距分辨率的影响，图10给出了在注入强度kxinj(kyinj.)和噪声强度β的改变下，对目标A1-A12和A’1-A’12测距分辨率的影响。从该图可以看出，它们的范围分辨率始终保持0.2mm，并且与注入强度和噪声强度无关。结果表明，通过使用由随机噪声调制的两个混沌偏振雷达，可以实现两个复杂形状目标的多个区域的测距且测距分辨率高达0.2mm。它们同时具有出色的强抗噪性能。
综上所述，我们提出了一种新颖的对两个复杂形状目标中多个区域精确测距的方案，通过光注入光泵浦自旋VCSEL产生的两个混沌偏振雷达，其中通过用随机噪声对两个混沌偏振雷达进行调制。这两个调制混沌极化雷达具有时空不相关，飞秒量级的快速动态特征等优秀的特性。利用这些特性，可以通过观察混沌偏振探测波形及其相应的参考波形之间的互相关的最大期望值对应的时间位置来获得来自多个区域的延迟时间。基于这些延迟时间，可以准确地测量出两个复杂形状目标中多个区域的位置矢量。研究结果表明，多区域小目标的测距相对误差很低且小于0.23％。它们的分辨率非常稳定，高达0.2mm，并且具有出色的强抗噪性能。我们提出的用于对多区域小目标进行测距方案的吸引人的优势是：具有稳定且高的测距分辨率，强大的抗噪性能以及测量复杂形状中多区域目标位置矢量所需的低相对误差低。我们的方案中提出的测距思路和方法对智能精密加工和复杂形状目标质量检测有很大的潜力。
第二方面。
请参阅图11，本发明一个实施例提供一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，包括：
偏振控制器分割模块10用于由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束。
在某一具体实施方式中，所述偏振控制器分割模块10，还用于：
所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束；
所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
光纤偏振分束器分割模块20用于所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号。
参考电流信号及探测电流信号获取模块30用于所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号。
位置矢量计算模块40用于所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块。
在某一具体实施方式中，所述位置矢量计算模块40，还用于：
通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性；
通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
请参阅图12，在某一具体实施方式中，所述参考电流信号及探测电流信号获取模30，包括：探测电流信号获取子模块31，用于以下步骤：
所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形；
所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器；
所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射；
所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号。
请参阅图12，在某一具体实施方式中，所述参考电流信号及探测电流信号获取模块30，还包括：参考电流信号获取子模块32，用于以下步骤：
所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形；
所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
Claims (8)
1.一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，其特征在于，包括：
由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；
所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；
所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号；
所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块；
所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，包括：
所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形；
所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器；
所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射；
所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号；
所述第一噪声调制器用于将所述混沌雷达探测波形调制为在时间上正交不相关与空间上正交不相关。
2.如权利要求1所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，其特征在于，所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号，还包括：
所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形；
所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
3.如权利要求1所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，其特征在于，所述参考电流信号及所述探测电流信号计算模块生成所述第一测距目标的位置矢量，包括：
通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性；
通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
4.如权利要求1所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距方法，其特征在于，所述由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束，包括：
所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束；
所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
5.一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，其特征在于，包括：
偏振控制器分割模块，用于由分布式反馈激光器发射的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束；其中，所述偏振分量光束包括x偏振分量光束及y偏振分量光束；
光纤偏振分束器分割模块，用于所述偏振分量光束通过光纤偏振分束器分为参考信号及探测信号；
参考电流信号及探测电流信号获取模块，用于所述参考信号及探测信号分别依次通过光纤分束器及信号处理模块，得到参考电流信号及探测电流信号；
位置矢量计算模块，用于所述参考电流信号及所述探测电流信号通过计算模块，生成第一测距目标的位置矢量；所述计算模块包括：相关函数计算模块及目标测距计算模块；
所述参考电流信号及探测电流信号获取模块，包括：探测电流信号获取子模块，用于以下步骤：
所述探测信号通过第一光纤分束器分为至少一束混沌雷达探测波形；
所述混沌雷达探测波形通过信号处理模块，得到入射光电流信号；其中，所述信号处理模块包括：第一噪声调制器、第一信号转换器、信号放大器及信号发射器；
所述第一噪声调制器用于将所述混沌雷达探测波形调制为在时间上正交不相关与空间上正交不相关；
所述入射光电流信号发射至所述第一测距目标，经过光学反应得到出射光电流信号；其中，所述光学反应包括：反射和/或散射；
所述出射光电流信号依次经过信号接收器及信号放大器得到探测电流信号。
6.如权利要求5所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，其特征在于，所述参考电流信号及探测电流信号获取模块，还包括：参考电流信号获取子模块，用于以下步骤：
所述参考信号通过第二光纤分束器分为至少一束混沌雷达参考波形；
所述混沌雷达参考波形通过信号处理模块，得到参考电流信号；所述信号处理模块包括：第二噪声调制器、第二信号转换器。
7.如权利要求5所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，其特征在于，所述位置矢量计算模块，还用于：
通过相关函数计算模块，计算所述参考电流信号及所述探测电流信号的信号相关性；
通过目标测距计算模块及所述信号相关性，生成所述第一测距目标的位置矢量。
8.如权利要求5所述的一种基于混沌偏振雷达的多区域测距系统，其特征在于，所述偏振控制器分割模块，还用于：
所述分布式反馈激光器发射的光束通过光学隔离器生成单向传播的光束；
所述单向传播的光束通过偏振控制器进行分割，生成偏振分量光束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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