CN109521222B - 一种提高激光测速精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光测速精度的方法，属于激光测速技术领域，该方法包含如下步骤，一种提高激光测速精度的方法，该方法包括，S1：在当前时刻，探测激光源发出的本振光与目标物体反射的回波信号的混频信号；S2：获取混频信号中的距离与速度数据，计算出距离与速度数据中的速度分量；S3：对当前时刻的速度信息进行预估，并根据预估值对所述速度分量进行滤波计算。本发明方法解决了现有技术中简单地将幅频特性中幅值最高点频率作为多普勒频率值产生的较大误差问题，同时通过滤波计算进一步提高了激光测速的精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光测速技术领域，尤其涉及一种提高激光测速精度的方法。
背景技术
激光多普勒测速仪是通过测量运动目标反射的激光多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，因此激光多普勒测速相对于微波雷达测速应用方面具有显著优势。激光测速技术可广泛应用在流体的测量、风场测量、车载自主导航、飞行器着陆时精确速度测量等应用场合。
现有的激光多普勒测速一般通过测量激光多普勒频移来测量速度。激光多普勒频移的测量精度就关系到测速精度。激光多普勒测速由于快速傅里叶变换(Fast FourierTransformation，FFT)计算结果在频率上并不连续，其精度取决于采样率和FFT点数，简单地将幅频特性中幅值最高点频率作为多普勒频率值，会产生较大的误差。
发明内容
本发明实施例提供一种提高激光测速精度的方法，用以解决现有技术中存在的较大误差的问题。
本发明实施例提供一种提高激光测速精度的方法，该方法包含如下步骤，
激光源与其它部件通过光纤连接，经过调频的本振光与经过目标物体反射的回波信号混频后，利用PIN型硅光电二极管探测混频信号；
对探测到的电信号进行滤波、信号放大、FFT运算，然后对距离与速度信息进行解算。
FFT运算可以采用FPGA来实现，放大后信号在FPGA内进行FFT变换前，放大后信号与汉宁窗系数进行逐点相乘。
为减小频谱泄露，对信号用与FFT点数一样的窗长的汉宁窗加权，进行FFT运算，则可以得到一组频谱值，频谱中最大值对应谱线记做n，取最大谱线n左边两条谱线n-1和n-2，右边两条谱线n+1和n+2以及最大谱线本身n组成一组5点谱线来进行校正。得到矫正值为
式中，S(n)表示n点处的FFT谱值。
以上为对n点数据做FFT运算后对每点频谱值的修正。根据公式
可算出运动物体速度，其中λ为波长，θ为激光波束方向与物体运动方向的夹角。
对计算出的速度分量进行滤波：
a：设置***初始值以及初始系数；
b：预估当前时刻的速度值，满足vj＝vi，其中，vj为当前时刻速度值的预估值，vi表示***速度值；
c：预估当前时刻速度的方差，满足
其中pj为当前时刻速度方差的预估值，q1为系数，pi为当前***速度值对应的方差；
d：计算增益值，满足：
其中，其中q2为系数；
e：通过当前时刻速度值的预估值与实测速度计算获得当前时刻的速度值，满足：
vt＝vj+kg(v-vj)
其中，v表示实测速度；
f：计算当前时刻速度的方差，满足
g：更新***值，vi＝vt，pi＝pt；
h：在目标物体出于探测区域内或手动停止计算前，重复步骤b-g，对任意后续时刻的速度分量进行滤波计算，获取任意时刻准确的速度值。
本发明实施例通过提取混频信号并对混频信号进行信号处理，并对其中的速度信息进行滤波计算，由此解决了现有技术中简单地将幅频特性中幅值最高点频率作为多普勒频率值产生的较大误差问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为激光多普勒测速***图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一实施例提供一种提高激光测速精度的方法，如图1所示，该方法对应的***为激光测速***，包含激光器以及与激光器连接的激光器控制电路，其中，激光器还连接至光纤电路，光纤电路分别连接至PIN光电二极管以及收发镜头，收发镜头采集目标物体相关信息。PIN光电二极管采集的信息通过放大电路将采集到的信号传输值信号采集和处理电路，最后由信号采集和处理电路对所采集到的信号处理后进行输出显示。
本实施例中采用激光器为窄线宽单频光纤激光器，其体积小、重量轻、功耗低，同时其线宽要求不大于10kHz。本发明的原理为激光源与其它部件通过光纤连接，经过调频的本振光与经过目标物体反射的回波信号混频后，利用PIN型硅光电二极管探测混频信号，对探测到的电信号进行滤波、信号放大、FFT运算，然后对距离与速度信息进行解算。
具体的，本发明方法可描述为如下步骤：
步骤S1：利用PIN型硅光电二极管探测光纤激光器发出的本振光与目标物体反射的回波信号的混频信号。
步骤S2：对探测到的混频信号进行信号处理，获取混频信号中的距离与速度数据，计算出距离与速度数据中的速度分量。
步骤S3：根据上一时刻的速度信息，对下一时刻的速度信息进行预估，并根据预估值对速度分量进行滤波计算。
可选的，本发明的FFT运算采用FPGA来实现，放大后信号在FPGA内进行FFT变换前，放大后信号与汉宁窗系数进行逐点相乘，这样可以减小由于信号时间上的截断而在频域内造成的频谱泄露。直接截断信号，会产生较大的频谱泄露，后续处理中泄露的频谱造成频谱混叠，影响目标速度的提取。为减小频谱泄露，对信号用与FFT点数一样的窗长的汉宁窗加权，进行FFT运算，则可以得到一组频谱值，频谱中最大值对应谱线记做n，取最大谱线n左边两条谱线n-1和n-2，右边两条谱线n+1和n+2以及最大谱线本身n组成一组5点谱线来进行校正。
上述步骤具体为如下步骤：
步骤S201：将信号用与FFT运算点数相同的窗长的汉宁窗加权，并进行FFT运算，获得一组对应的频谱值。
步骤S202：取该组频谱值中最大值的谱线记为n，取该谱线左边两条谱线记为n-1和n-2，右边两条谱线n+1和n+2，共5条谱线进行校正，校正值满足：
式中，S(n)表示n点处的FFT谱值，f0′表示校正值；
步骤S203：根据
计算出目标物体的速度，其中，λ为波长，θ为激光波束方向与物体运动方向的夹角。
根据所计算出的目标物体的速度值，对速度分量进行滤波，可选的该步骤如果是实时处理，则采用FPGA实现，如果是事后处理，则也可以采用通用计算机处理。
对速度分量进行滤波计算具体包含如下步骤：
S31：设置***初始值以及初始系数；
S32：预估当前时刻的速度值，满足vj＝vi，其中，vj为当前时刻速度值的预估值，vi表示***速度值；
S33：预估当前时刻速度的方差，满足
其中pj为当前时刻速度方差的预估值，q1为系数，pi为当前***速度值对应的方差；
S34：计算增益值，满足：
其中，其中q2为系数；
S35：通过当前时刻速度值的预估值与实测速度计算获得当前时刻的速度值，满足：
vt＝vj+kg(v-vj)
其中，v表示实测速度；
S36：计算当前时刻速度的方差，满足
S37：更新***值，vi＝vt，pi＝pt；
S38：在目标物体出于探测区域内或手动停止计算前，重复步骤S32-S37，对任意后续时刻的速度分量进行滤波计算，获取任意时刻准确的速度值。
上述步骤中，***的初始值以及初始系数的具体设置满足：速度初始值设置为0.5，对应的方差初始值设置为10，系数q1、q2分别设置为0.5和0.8。其中***的初始值以及初始系数的具体设置可在一定的范围内变化，最终均会收敛到上述设置值。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种提高激光测速精度的方法，其特征在于，该方法包括，
S1：在当前时刻，探测激光源发出的本振光与目标物体反射的回波信号的混频信号；
S2：获取混频信号中的距离与速度数据，计算出距离与速度数据中的速度分量；
S3：对当前时刻的速度信息进行预估，并根据预估值对所述速度分量进行滤波计算；
步骤S3具体包含如下步骤：
S301：设置***初始值以及初始系数；
S302：预估当前时刻的速度值，满足vj＝vi，其中，vj为当前时刻速度值的预估值，vi表示***速度值；
S303：预估当前时刻速度的方差，满足
其中pj为当前时刻速度方差的预估值，q1为系数，pi为当前***速度值对应的方差；
S304：计算增益值，满足：
其中，其中q2为系数；
S305：通过当前时刻速度值的预估值与实测速度计算获得当前时刻的速度值，满足：
vt＝vj+kg(v-vj)
其中，v表示实测速度；
S306：计算当前时刻速度的方差，满足
S307：更新***值，vi＝vt，pi＝pt；
S308：在目标物体出于探测区域内或手动停止计算前，重复步骤S302-S307，对任意后续时刻的速度分量进行滤波计算，获取任意时刻准确的速度值。
2.如权利要求1所述的提高激光测速精度的方法，其特征在于，步骤S2还包括：
对探测到的混频信号进行滤波、信号放大以及快速傅里叶变换FFT运算，获取混频信号中的距离与速度数据，计算出距离与速度数据中的速度分量。
3.如权利要求2所述的提高激光测速精度的方法，其特征在于，步骤S2还包括：
在对混频信号进行滤波和信号放大后，将放大后的混频信号与汉宁窗系数进行逐点相乘，之后再进行FFT运算。
4.如权利要求3所述的提高激光测速精度的方法，其特征在于，步骤S2中，所述再进行FFT运算包括：
S201：将放大后的混频信号用与FFT运算点数相同的窗长的汉宁窗加权，并进行FFT运算，获得一组对应的频谱值；
S202：取该组频谱值中最大值的谱线记为n，取该谱线左边两条谱线记为n-1和n-2，右边两条谱线n+1和n+2，共5条谱线进行校正，校正值满足：
式中，S(n)表示n点处的FFT谱值，f′0表示校正值；
S203：根据
计算出目标物体的实测速度，其中，λ为波长，θ为激光波束方向与物体运动方向的夹角。
5.如权利要求4所述的提高激光测速精度的方法，其特征在于，步骤S3具体为：
S31：预估当前时刻的速度信息；
S32：根据预估的速度信息与实测速度计算出当前时刻的速度信息；
S33：重复步骤S31-S32，连续对目标物体的速度分量进行滤波计算，直至目标物体脱离探测区域或手动停止计算。
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