CN112034475A - Fmcw激光雷达扫频光源跳模补偿方法 - Google Patents

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Abstract

FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，涉及消除激光雷达扫频光源跳模的技术领域。本发明为解决现有距离测量***无法消除激光雷达扫频光源跳模影响的问题。本发明首先对辅助干涉仪输出的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)，利用该相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure DDA0002673673510000011
该正交基
Figure DDA0002673673510000012
包含扫频跳模信息；其次、对测量干涉仪输出的信号进行采样，正交基
Figure DDA0002673673510000013
对测量干涉仪输出的信号进行卷积，获得距离谱，完成跳模消除。本发明主要用于对扫描光源的跳模影响进行消除。

Description

FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法
技术领域
本发明具体涉及消除激光雷达扫频光源跳模影响的技术领域。
背景技术
为适应高精密、高速度测量技术的需求，多种不同的光源在激光FMCW(FrequencyModulated Continuous Wave，频率调制连续波)距离测量***中得到应用，这些扫频光源所具有的特性对测量***最终指标有着直接的影响。光源的扫频带宽直接影响测量精度，而扫频速度也会直接决定***的测量速度。在光源以更高带宽进行扫频时，其测量信号的拍频频率与被测距离成正比，相应的在频谱图上会形成更精密峰值，通过测量峰值处频率，可以解算出目标的距离。在光源存在跳模问题时，会导致目标的距离谱发生展宽，从而无法准确提取目标对应频率，影响激光雷达对目标的探测识别，具体参见图1和图2，图1为无扫频跳模时的信号频谱图，图2为发生跳模时的信号频谱图。因此如何消除激光雷达扫频光源跳模的影响亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有距离测量***无法消除激光雷达扫频光源跳模影响的问题，本发明提供了一种FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法。
FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，该跳模补偿方法用于对扫频光源的跳模进行消除，所述跳模补偿方法包括：
S1、对辅助干涉仪输出的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)，利用该相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure BDA0002673673490000011
该正交基
Figure BDA0002673673490000012
包含扫频跳模信息；
S2、对测量干涉仪输出的信号进行采样，利用S1中的正交基
Figure BDA0002673673490000013
对测量干涉仪输出的信号进行卷积，获得距离谱，完成跳模消除。
优选的是，所述S1中，辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)的表达式为：
Figure BDA0002673673490000014
其中，f(n)表示激光频率，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速。
优选的是，所述S1中，利用相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure BDA0002673673490000021
的实现方式为：
Figure BDA0002673673490000022
其中，zp表示一系列距离值。
优选的是，所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，还包括获得测量干涉仪待测光程差zm的过程；
所述获得测量干涉仪待测光程差zm的过程的实现方式为：
首先，利用S1中的正交基
Figure BDA0002673673490000023
对测量干涉仪输出的信号进行分解，获得分解后的值X(zp)′；
Figure BDA0002673673490000024
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；
其次，绘制X(zp)′的曲线，当X(zp)′取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm。
优选的是，所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，还包括根据测量干涉仪待测光程差zm，获得目标距离的过程；所述目标距离等于
Figure BDA0002673673490000025
优选的是，所述S2中，距离谱为X(zp)：
Figure BDA0002673673490000026
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；A为抽样点的矢量半径长度。
本发明带来的有益效果是：为了消除跳模带来的影响，本发明采用辅助干涉仪对光源信号进行采样，利用辅助干涉仪的信号作为谱分析方法中使用的正交基，代替原有的线性相位正交基对测量路信号进行谱分析，由于辅助干涉仪采集的信号中包含与从目标探测回的信号相同的跳模，在进行卷积过程中正交基中跳模可与探测回的信号中的跳模抵消，在进行跳模消除的过程中不会因跳模消除，导致获得的距离谱展开，从而提高测距精度。仿真实验证明该方法可以有效的消除光源跳模带来的影响。
本发明提出的以利用辅助干涉仪对光源信号进行采样，利用辅助干涉仪的信号作为谱分析方法中使用的正交基进行谱分析，保留了FFT运算速度快，以及CZT频谱分辨率高的优点，同时又避免了其缺点，实现了在辅助干涉仪的信号具有相位不连续的情况下，可对整段信号实现高精度频率提取的要求。
CZT英文全称为Chirp Z Transform，中文翻译为线性调频Z变换；
FFT英文全称为Fast Fourier transform，中文翻译为快速傅里叶变换。
附图说明
图1是无扫频跳模时的信号频谱图；
图2是发生跳模时的信号频谱图；
图3为采用CZT方法为例进行频谱分析获得距离谱的频谱图；
图4为采用本发明FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法获得的距离谱的频谱图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在FMCW距离测量***中，测量干涉仪和辅助干涉仪输出的信号表示为：
Figure BDA0002673673490000031
Figure BDA0002673673490000032
其中n表示采样点序号，与时间成正比。
f(n)表示激光频率，zm表示测量干涉仪待测光程差，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速，sm(n)表示测量干涉仪输出的信号；saux(n)表示辅助干涉仪输出的信号；
若扫频光源不存在跳模，则f(n)为线性连续的，干涉信号的相位也是连续的，通过傅里叶变换即可得到待测光程差zm。但实际上某些激光器在扫频时存在跳模，并且跳模发生没有规律。为了克服这个问题，本实施方式提出了下述跳模消除方法。
本实施方式所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，该跳模补偿方法用于对扫频光源的跳模进行消除，所述跳模补偿方法包括：
S1、对辅助干涉仪输出的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)，利用该相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure BDA0002673673490000041
该正交基
Figure BDA0002673673490000042
包含扫频跳模信息；
S2、对测量干涉仪输出的信号进行采样，利用S1中的正交基
Figure BDA0002673673490000043
对测量干涉仪输出的信号进行卷积，获得距离谱，完成跳模消除。
本实施方式中辅助干涉仪信号的相位信息和测量干涉仪信号具有相同的跳模导致的相位跳变特征，可相互抵消，则最终运算结果与该特征无关。
进一步的，所述S1中，辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)的表达式为：
Figure BDA0002673673490000044
其中，f(n)表示激光频率，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速。
更进一步的，所述S1中，利用相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure BDA0002673673490000045
的实现方式为：
Figure BDA0002673673490000046
其中，zp表示一系列距离值，在目标可能出现的范围内进行选择。该正交基
Figure BDA0002673673490000047
中包含激光器扫频跳模信息。
更进一步的，所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，还包括获得测量干涉仪待测光程差zm的过程；
所述获得测量干涉仪待测光程差zm的过程的实现方式为：
首先，利用S1中的正交基
Figure BDA0002673673490000048
对测量干涉仪输出的信号进行分解，获得分解后的值X(zp)′；
Figure BDA0002673673490000051
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；
其次，绘制X(zp)′的曲线，当X(zp)′取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm。
本优选实施方式获得的测量干涉仪待测光程差zm可利用FMCW距离测量***应用在激光雷达、微波雷达、光纤通信中振动测量或利用光纤反射对光纤中断点检测等应用中。
更进一步的，所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，还包括根据测量干涉仪待测光程差zm，获得目标距离的过程；所述目标距离等于
Figure BDA0002673673490000052
更进一步的，所述S2中，距离谱为X(zp)：
Figure BDA0002673673490000053
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；A为抽样点的矢量半径长度。
验证试验：
以传统CZT方法为例，测量信号的序列sm(n)的长度为N，分析Z平面上某频点的矢量半径A，
Figure BDA0002673673490000054
(θ0为起始采样点的相角)附近的M点频谱采样值，则获得zp为：
Figure BDA0002673673490000055
其中，zp表示一系列距离值，M为整数，A0表示起始取样点的半径长度，θ0为起始抽样点的相角，W为分析信号x(n)在Z域上的弧长，p为频率，W0表示螺旋线的伸缩率，当A0＝1、W0＝1时，可以实现在单位圆上细化，
Figure BDA0002673673490000056
为相邻抽样点的角度差，即采样间隔。
计算抽样点处的Z变换，获得：
Figure BDA0002673673490000057
式中A-nWnp为一具有线性相位特性的正交基，由于待分析信号sm(n)具有跳模导致的相位跳变，此时二者进行运算后，无法消除该跳变，导致频谱展宽。
而本发明当使用同样具有该跳变的辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)代替原线性相位项后，原式变为：
Figure BDA0002673673490000061
其中，
Figure BDA0002673673490000062
此时，由于sm(n)、φaux(n)均具有相同的相位跳变特征，可相互抵消，则最终运算结果与该特征无关。
本实施方式中，以传统CZT方法为例进行频谱分析获得距离谱为图3，采用本申请***获得的距离谱为图4，从图4中可看出本申请频谱图中不存在跳模，而图3的频谱中存在跳模。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，该跳模补偿方法用于对扫频光源的跳模进行消除，其特征在于，所述跳模补偿方法包括：
S1、对辅助干涉仪输出的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)，利用该相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure FDA0002673673480000011
该正交基
Figure FDA0002673673480000012
包含扫频跳模信息；
S2、对测量干涉仪输出的信号进行采样，利用S1中的正交基
Figure FDA0002673673480000013
对测量干涉仪输出的信号进行卷积，获得距离谱，完成跳模消除。
2.根据权利要求1所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，其特征在于，所述S1中，辅助干涉仪输出信号的相位信息φaux(n)的表达式为：
Figure FDA0002673673480000014
其中，f(n)表示激光频率，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速。
3.根据权利要求2所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，其特征在于，所述S1中，利用相位信息φaux(n)获取用于消除跳模的正交基
Figure FDA0002673673480000015
的实现方式为：
Figure FDA0002673673480000016
其中，zp表示一系列距离值。
4.根据权利要求1所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，其特征在于，还包括获得测量干涉仪待测光程差zm的过程；
所述获得测量干涉仪待测光程差zm的过程的实现方式为：
首先，利用S1中的正交基
Figure FDA0002673673480000017
对测量干涉仪输出的信号进行分解，获得分解后的值X(zp)′；
Figure FDA0002673673480000018
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；
其次，绘制X(zp)′的曲线，当X(zp)′取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm。
5.根据权利要求4所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，其特征在于，还包括根据测量干涉仪待测光程差zm，获得目标距离的过程；所述目标距离等于
Figure FDA0002673673480000021
6.根据权利要求1所述的FMCW激光雷达扫频光源跳模补偿方法，其特征在于，所述S2中，距离谱为X(zp)：
Figure FDA0002673673480000022
其中，sm(n)为测量干涉仪输出的信号，N为测量干涉仪输出的信号sm(n)的长度；A为抽样点的矢量半径长度。
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