CN103837870A - 调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了调频连续波激光测距雷达光源调频非线性响应系数测量方法：信号发生器产生锯齿波调频信号输入到驱动电路中并驱动激光器工作，激光器输出的调制信号光通过第一耦合器分为两路光，一路光通过环形器发射到被测物体，由被测物体返回的回光由环形器接收，回光与另一路光由第二耦合器耦合，第二个耦合器输出的光被光电探测器接收，通过信号处理电路对的到的拍频信号进行处理，通过计算机软件处理得到差频频率并计算出非线性调频系数。本发明不仅可以精确测量出调频非线性的系数而且给***进行调频非线性校正提供了十分关键的参数，对提高了调频连续波激光雷达测距雷达的调频线性度以及***速度和距离测量的精度有着重要的意义。

Description

调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法和装置

技术领域

本发明涉及调频连续波激光雷达测量技术，尤其涉及一种调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法和装置。

背景技术：

由于受到窄线宽激光器技术和线性调频技术的制约，最早采用调频连续波技术的雷达并非激光雷达而是微波雷达，但调频连续波微波雷达受到探测精度等因素的制约，因此，随着激光调制技术和窄线宽激光器技术的发展，调频连续波激光雷达在空间飞行任务对距离和速度测量中得到广泛应用。

调频连续波激光雷达通过向目标发射线性调制的激光信号，接收目标反射回的回波信号，发射信号和回波信号混频后输出差频信号，通过计算差频信号频率推算出目标的距离和速度信息。在实际中由于受到环境以及器件本身响应的影响，由激光器发出的调制信号光并不是理想的线性调频信号，使得发射信号和回波信号混频后的差频信号不再是单一的频率，差频信号的提取会出现误差从而导致了***测距和测速精度降低。因此线性调频连续波激光雷达的测距测速精度取决于调频信号的线性度。

发明内容：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，能够校正调频连续波激光雷达测距***的调频非线性从而能够获得被测目标的高精度距离信息和速度信息。

本发明所要解决的次要技术问题是提供一种实现上述调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法的装置。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，包括以下步骤：

1）信号发生器产生锯齿波信号作为调制信号加载到驱动电路中，所述驱动电路通过恒流源驱动模块和所述信号发生器输入的调制信号产生调制电流驱动半导体激光器处于调频工作状态；取锯齿波上升时间段的中心点为时间轴的原点(t=0)，该时间点处对应于激光调频输出的中心工作频率f₀，则激光输出的调频频率表达式为：

f(t)=f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴    ①

其中，k为线性调频的斜率，

B为调制深度，T为锯齿波调制周期；α为二阶调频非线性系数，β为三阶调频非线性系数，γ为四阶调频非线性系数；锯齿波上升沿阶的时间段对应于①式中-T/2<t<T/2这个取值范围。

2）所述半导体激光器发出的调频激光输入到第一耦合器中，所述第一耦合器将所述调制激光分为两部分，一部分作为发射信号由所述第一耦合器的第一输出端口输出到环形器的第一输入端口；另一部分作为本振光信号由所述第一耦合器的第二输出端口输出到第二耦合器的第一输入端口；

所述本振光信号的频率为：

f₁(t)=f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴    ②

3）所述环形器的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线向被测物体所在空间发射所述发射信号，被测物体接收到所述发射信号后将会反射一部分光回信号到所述接收天线，所述回光信号传入到所述环形器的第二输入端口，并由所述环形器的第二输出端口输入到所述第二耦合器的第二输入端口；

所述回光信号的频率为：

f₂(t)=f₀+k(t-τ)+α(t-τ)²+β(t-τ)³+γ(t-τ)⁴    ③

其中τ为延迟时间，

R为被测物体与雷达间的距离，c为光波在空间传输的速度

4）所述第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，并将所述差频信号通过所述第二耦合器的输出端输入到光电探测器中；

由②式减去③式，可得差频信号的频率表达式为：

f_b=(kτ-ατ²+βτ³-γτ⁴)+(2ατ-3βτ²+4γτ³)t+(3βτ-6γτ²)t²+4γτt³    ④

5）所述光电探测器将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集，将采集到的数据输入到计算机中进行处理；

6）当所述被测物体距离固定时，所述延迟时间τ也为固定；所述计算机将采集到的差频电信号数据均匀分段，记录各段中点所对应的时间，对每段进行傅里叶变换，在功率谱中最大幅度所对应的频率值即是每段的频率值，得到差频信号频率曲线，将所述差频信号频率曲线进行曲线拟合，通过计算得出调频非线性系数；

所述曲线拟合的公式为：

p(t)=c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³    ⑤

比较⑤与④式，令两个多项式对应的各阶系数相等建立方程组，即可得到所述光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数的计算式为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{c_3}{4\mathrm{\&tau;}}.$     ⑥

作为优选：所述曲线拟合的非线性校正项达到3个。

作为优选，所述第一耦合器为10:90的光耦合器，其中10%的所述调频激光作为所述本振光信号，90%的所述调频激光作为发射信号。

作为优选，所述第二耦合器为5:95的光耦合器，其中5%为所述本振光信号，95%为所述回光信号。

一种调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量装置，包括：

信号发生器，所述信号发生器输出周期性线性锯齿波信号；

驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述信号发生器的输出端连接；

半导体激光器，所述半导体激光器的输入端与所述驱动电路的输出端连接；

第一耦合器，所述第一耦合器的输入端口接收所述半导体激光器输出端输出的信号；所述第一耦合器的第一输出端口与环形器的第一输入端连接；所述第一耦合器的第二输出端口与第二耦合器的第一输入端连接；

环形器，所述环形器的第一输出端口发射信号到天线；所述环形器的第二输入端接收所述天线的回光信号；所述环形器的第二输出端口与所述第二耦合器的第二输入端连接；

天线，所述天线分为发射天线和接收天线；所述发射天线向被测物体发送信号，所述接收天线接收被测物体反射的回光信号；

第二耦合器，所述第二耦合器将其第一输入端口和第二输入端口的信号耦合，所述第二耦合器的输出端与光电探测信号的输入端连接；

光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；所述光电探测器的输出端与信号处理电路的输入端连接；

信号处理电路，所述信号处理电路分为信号放大模块、滤波模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块；所述信号处理电路的数据输出端与计算机连接。

作为优选：所述第一耦合器为10:90的光耦合器。

作为优选：所述第二耦合器为5:95的光耦合器。

相对于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明提供的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法不仅可以准确测量评判***调频线性度的优劣程度，而且对***的调频非线性进行校正，对提高***的发射信号和接收信号的调频线性度、被测目标的高精度距离信息和速度信息的测量有着重大的意义。

2.本发明还提供了一种可以实现上述调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法的装置。

附图说明

图1是本发明优选实施例的装置示意图。

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量装置，包括：信号发生器1，驱动电路2，激光器3，第一耦合器4，环形器5，发射天线6，接收天线7，被测物体8，第二耦合器9，光电探测器10，信号处理电路11，以及计算机12，工作流程如下：

1)实验中取镜面为待测物体8，放置在距离测量装置的距离R=1.5m的地方，则激光往返所造成的时间延迟为

2)设置信号发生器1，使之产生周期为T=0.5ms，工作电压中心点V₀=2.1V，线性电压变化范围为ΔV=200mV的锯齿波信号。该信号作为调制信号加载到驱动电路2中，所述驱动电路2通过恒流源驱动模块和所述信号发生器1输入的调制信号产生调制电流驱动波长为1550nm的窄线宽半导体激光器3处于调频工作状态。

3）半导体激光器3发出的调频激光输入到第一耦合器4中，第一耦合器4将调频激光按1：9分为两部分，90%的调频激光作为发射信号由所述第一耦合器4的第一输出端口输出到环形器5的第一输入端口；10%的所述调频激光作为本振光信号由所述第一耦合器4的第二输出端口输出到第二耦合器9的第一输入端口。

4）环形器5的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线6向被测物体8所在空间发射所述发射信号，被测物体8接收到所述发射信号后将会反射一部分光回信号到所述接收天线7，所述回光信号传入到所述环形器5的第二输入端口，并由所述环形器5的第二输出端口输入到所述第二耦合器9的第二输入端口。

5）第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，耦合比例为本振光信号5%，回光信号95%；并将所述差频信号通过所述第二耦合器9的输出端输入到光电探测器10中。

6）所述光电探测器10将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路11中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集。采样频率为1MHz，即采样周期为Δt=0.001ms，并将采集到的数据输入到计算机12中进行处理。

7）从采集数据中任意抽取对应于锯齿波线性调频上升阶段（时长为调制周期T=0.5ms）的一组差频电信号，共有T/Δt=500个点。因数据的前段和后段数据锯齿调制波形发生跳变的地方，宜将其去除。这里前段和后段数据各去除50个数据点，剩余400个数据点。

8)将剩余的400个采样数据点，以中间第200个数据点为中心，按照20个点一组，往前往后各取10个组数据组。总共有20个组，按照前后顺序编为第1组、第2组、...、第20组。第200个数据点为第11组的第一个数据点，其对应的时间设定为时间起始点t=0。

9)对每组的20个数据分别进行4096个点（补零）的快速傅里叶变换(FFT)运算，对结果取模后求得离散幅频曲线，曲线最大值点所对应的频率为该组数据所对应的频率值。

10)进行上一步操作后共取得对应于20组数据的20个频率值，记为{f_b1，f_b1,f_b1,...,f_b20}。它们对应的时间点为{t₁,t₂,...,t₂₀}，其中第i组对应的平均时间点为t_i=[(i-11)20+9]Δt。

11)对上述20个时间点{t₁,t₂,...,t₂₀}为自变量和20个离散频率{f_b1，f_b1,f_b1,...,f_b20}为函数进行三阶多项式曲线拟合，根据⑤式，可以计算求得各拟合系数为：

c₀=1.020×10⁵s^-1，c₁=6.521×10⁷s^-2，c₂=-3.610×10¹¹s^-3，c₃=1.231×10¹⁵s^-4。

12)再根据本发明中所述的各阶系数计算式⑥，即可求得光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数分别为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}=1.020\&times;{10}^{13}{s}^{-2}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}=3.260\&times;{10}^{15}{s}^{-3}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}=-1.203\&times;{10}^{19}{s}^{-4}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{c_3}{4\mathrm{\&tau;}}=3.078\&times;{10}^{22}{s}^{-5}.$

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1）信号发生器产生锯齿波信号作为调制信号加载到驱动电路中，所述驱动电路通过恒流源驱动模块和所述信号发生器输入的调制信号产生调制电流驱动半导体激光器处于调频工作状态；取锯齿波上升时间段的中心点为时间轴的原点(t=0)，该时间点处对应于激光调频输出的中心工作频率f₀，则激光输出的调频频率表达式为：

f(t)=f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴    ①

其中，k为线性调频的斜率，

B为调制深度，T为锯齿波调制周期；α为二阶调频非线性系数，β为三阶调频非线性系数，γ为四阶调频非线性系数；锯齿波上升沿阶的时间段对应于①式中-T/2<t<T/2这个取值范围。

2）所述半导体激光器发出的调频激光输入到第一耦合器中，所述第一耦合器将所述调制激光分为两部分，一部分作为发射信号由所述第一耦合器的第一输出端口输出到环形器的第一输入端口；另一部分作为本振光信号由所述第一耦合器的第二输出端口输出到第二耦合器的第一输入端口；

所述本振光信号的频率为：

f₁(t)=f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴    ②

3）所述环形器的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线向被测物体所在空间发射所述发射信号，被测物体接收到所述发射信号后将会反射一部分光回信号到所述接收天线，所述回光信号传入到所述环形器的第二输入端口，并由所述环形器的第二输出端口输入到所述第二耦合器的第二输入端口；

所述回光信号的频率为：

f₂(t)=f₀+k(t-τ)+α(t-τ)²+β(t-τ)³+γ(t-τ)⁴    ③

其中τ为延迟时间，

R为被测物体与雷达间的距离，c为光波在空间传输的速度。

4）所述第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，并将所述差频信号通过所述第二耦合器的输出端输入到光电探测器中；

由②式减去③式，可得差频信号的频率表达式为：

f_b=(kτ-ατ²+βτ³-γτ⁴)+(2ατ-3βτ²+4γτ³)t+(3βτ-6γτ²)t²+4γτt³    ④

5）所述光电探测器将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集，将采集到的数据输入到计算机中进行处理；

6）当所述被测物体距离固定时，所述延迟时间τ也为固定；所述计算机将采集到的差频电信号数据均匀分段，记录各段中点所对应的时间，对每段进行傅里叶变换，在功率谱中最大幅度所对应的频率值即是每段的频率值，得到差频信号频率曲线，将所述差频信号频率曲线进行曲线拟合，通过计算得出调频非线性系数；

所述曲线拟合的公式为：

p(t)=c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³    ⑤

比较⑤与④式，令两个多项式对应的各阶系数相等建立方程组，即可得到所述光源调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数的计算式为：

$k=\frac{c_0}{\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\mathrm{\&tau;}}{6}$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{c_1}{2\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\mathrm{\&tau;}}{4}$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{c_2}{3\mathrm{\&tau;}}+\frac{c_3}{2}$

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{c_3}{4\mathrm{\&tau;}}.$     ⑥

2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，其特征在于：所述曲线拟合的非线性校正项达到3个。

3.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，其特征在于：所述第一耦合器为10:90的光耦合器，其中10%的所述调频激光作为所述本振光信号，90%的所述调频激光作为发射信号。

4.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，其特征在于：所述第二耦合器为5:95的光耦合器，其中5%为所述本振光信号，95%为所述回光信号。

5.调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量装置，其特征在于装置包括：

信号发生器，所述信号发生器输出周期性线性锯齿波信号；

驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述信号发生器的输出端连接；

半导体激光器，所述半导体激光器的输入端与所述驱动电路的输出端连接；

第一耦合器，所述第一耦合器的输入端口接收所述半导体激光器输出端输出的信号；所述第一耦合器的第一输出端口与环形器的第一输入端连接；所述第一耦合器的第二输出端口与第二耦合器的第一输入端连接；

环形器，所述环形器的第一输出端口发射信号到天线；所述环形器的第二输入端接收所述天线的回光信号；所述环形器的第二输出端口与所述第二耦合器的第二输入端连接；

天线，所述天线分为发射天线和接收天线；所述发射天线向被测物体发送信号，所述接收天线接收被测物体反射的回光信号；

第二耦合器，所述第二耦合器将其第一输入端口和第二输入端口的信号耦合，所述第二耦合器的输出端与光电探测信号的输入端连接；

光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；所述光电探测器的输出端与信号处理电路的输入端连接；

信号处理电路，所述信号处理电路分为信号放大模块、滤波模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块；所述信号处理电路的数据输出端与计算机连接。

6.根据权利要求5所述的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量装置，其特征在于：所述第一耦合器为10:90的光耦合器。

7.根据权利要求5所述的调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量装置，其特征在于：所述第二耦合器为5:95的光耦合器。

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