CN103163513A - 基于相位解调方法的fmcw激光雷达高精度信号测量方法 - Google Patents

Abstract

基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，它涉及一种抗激光器调频非线性干扰的信号解调方法。它为了解决现有的用于工件形貌检测的基于FMCW技术的激光雷达信号测量方法在提取拍频信号频率的解调技术上受激光器调频非线性的影响，并且在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，因此使测量精度低的问题。采用相位解调方法，获得调频激光雷达光路中的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时间延时τ的关系，计算出被测距离值R，实现FMCW激光雷达高精度信号测量方法。本发明适用于高精度FMCW激光雷达测距领域。

Description

基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法

技术领域

本发明涉及基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，特别是一种抗激光器调频非线性干扰的信号解调方法，属于高精度FMCW激光雷达测距领域。

背景技术

工件形貌检测在现代科技应用中日益普遍，如大飞机机身外形、大型汽轮机叶片形状、车间机械自动装配等检测是各个领域中极为频繁的工作。目前用于大型工件三维坐标检测的方法主要有视觉测量系统、激光跟踪仪、三坐标机、光电经纬仪等。基于调频连续波技术（FMCW）的相干探测激光雷达综合了精度高、非接触、高效率等优势，在各行业获得了的高度重视。由于激光器的调频曲线具有非线性，如图4所示，测量光和参考光拍频干涉信号的频率会随着时间而改变，如图5所示。其对应的傅立叶变化谱如图6所示，显然拍频信号的谱峰值区域被严重扩展，导致在提取拍频频率f_IF时引入一个较大的误差。同时，激光器调频的非线性是无法采用优化激光器参数等方式完全消除，只能通过校正与补偿尽量削弱其导致的测量误差。

现有的用于工件形貌检测的基于FMCW技术的激光雷达信号测量方法在提取拍频信号频率的解调技术上受激光器调频非线性的影响，并且在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，因此使测量精度低。

发明内容

本发明为了解决现有的用于工件形貌检测的基于FMCW技术的激光雷达信号测量方法在提取拍频信号频率的解调技术上受激光器调频非线性的影响，并且在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，因此使测量精度低的问题。而提出基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法。

基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，它由以下步骤实现：

步骤1、采用激光器测量基于FMCW技术的激光雷达光路，测量时，对激光器进行线性啁啾调制，得到激光器输出的激光器的调频函数为：

f(t)=f₀+αt+f_e(t)

式中：f₀为激光初始频率，α=Ω/T_m，Ω为调频范围，T_m是啁啾调制周期，f_e(t)为调频非线性项，t为时间；

步骤2、采用相位解调方法，获得调频激光雷达光路中的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时间延时τ的关系，其具体方法为：

计算激光器的调频函数所对应的光相位函数为：

式中：θ₀为初始时刻的光相位，为调频非线性项f_e在时间0到t内的积分,dξ表示时间t的微分；

利用调频激光雷达光路原理，当测量光和参考光在探测器PD处产生拍频干涉时，测量光路光相位

与参考光路相位

差拍混频形成拍信号相位为：

式中：τ为测量光路的延时时间，

为调频非线性项f_e在时间t-τ到t内的积分；

当

时，上式拍信号相位简化为：

式中：

为拍信号相位；

在时间[t₀，t₀+T]内，得到的拍信号相位改变量为：

式中：

时间内的拍信号相位，

时间内的拍信号相位，f(t₀+T)为（t₀+T）时间内的激光器的调频函数，f(t₀)为t₀时间内的激光器的调频函数；

将步骤1中的激光器的调频函数f(t)=f₀+αt+f_e(t)带入拍信号相位改变量中，获得函数：

式中：f_e(t₀+T)-f_e(t₀)=0，f_e(t₀+T)为（t₀+T）时间内的调频非线性项，f_e(t₀)为t₀时间内的调频非线性项；

根据公式：

得到拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系；

步骤3、根据步骤2中获得的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系，计算被测距离R，实现FMCW激光雷达高精度信号测量方法。

本发明通过采用上述相位解调方法，克服了提取拍频信号频率的解调技术受激光调频非线性影响的问题，并且克服了在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，进而使测量精度提高了10倍以上，达到1/300。

附图说明

图1是基于FMCW技术的激光雷达光路示意图，其中，1为调频控制信号，2为调频激光器，3为分光镜，4为反射镜，5为孔径，6为发射接收系统，7为被测物体表面，8为PA，9为探测器PD；

图2是本发明中参考光束与测量光束的频率随时间成线性变化曲线图，其中：m为中值频率IF，曲线a表示参考光束的频率随时间成线性变化的曲线，曲线b表示测量光束的频率随时间成线性变化的曲线；

图3是本发明中拍频信号在在定频率1/IF内成正弦变化的曲线图；

图4是本发明中激光器调频非线性曲线图，其中：曲线d表示f=t-τ，τ=2R/c时，其中，c为光速，激光器的调频曲线，曲线e表示f=t时，激光器的调频曲线；

图5是本发明中拍频信号的频率随时间变化的曲线图；

图6是本发明中拍频信号的频率随时间变化的傅里叶变化曲线图；

图7是本发明中具有非线性时拍信号的时域曲线图；

图8是本发明中理想情况下拍信号的时域曲线图；

图9是本发明中具有非线性时拍信号的傅里叶曲线图；

图10是本发明中理想情况下拍信号的傅里叶曲线图；

图11是本发明中具有非线性时拍信号的时间相位图；

图12是本发明中理想情况下拍信号的时间相位图；

图13是本发明中四通道移相同步探测器的原理图，其中，n为第一1/4波片，g为第一分光镜，h为第二1/4波片，i为第二分光镜，j为第三分光镜。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，它由以下步骤实现：

步骤1、采用激光器测量基于FMCW技术的激光雷达光路，测量时，对激光器进行线性啁啾调制，得到激光器输出的激光器的调频函数为：

f(t)=f₀+αt+f_e(t)

式中：f₀为激光初始频率，α=Ω/T_m，Ω为调频范围，T_m是啁啾调制周期，f_e(t)为调频非线性项，t为时间；

步骤2、采用相位解调方法，获得调频激光雷达光路中的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时间延时τ的关系，其具体方法为：

计算激光器的调频函数所对应的光相位函数为：

式中：θ₀为初始时刻的光相位，

为调频非线性项f_e在时间0到t内的积分,dξ表示时间t的微分；

利用调频激光雷达光路原理，当测量光和参考光在探测器PD处产生拍频干涉时，测量光路光相位

与参考光路相位

差拍混频形成拍信号相位为：

式中：τ为测量光路的延时时间，

为调频非线性项f_e在时间t-τ到t内的积分；

当

时，上式拍信号相位简化为：

式中：

为拍信号相位；

在时间[t₀，t₀+T]内，得到的拍信号相位改变量为：

式中：为（t₀+T）时间内的拍信号相位，

为t₀时间内的拍信号相位，f(t₀+T)为（t₀+T）时间内的激光器的调频函数，f(t₀)为t₀时间内的激光器的调频函数；

将步骤1中的激光器的调频函数f(t)=f₀+αt+f_e(t)带入拍信号相位改变量中，获得函数：

式中：f_e(t₀+T)-f_e(t₀)=0，f_e(t₀+T)为（t₀+T）时间内的调频非线性项，f_e(t₀)为t₀时间内的调频非线性项；

根据公式：

得到拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系；

步骤3、根据步骤2中获得的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系，计算被测距离R，实现FMCW激光雷达高精度信号测量方法。

本实施方式中，调频激光雷达光路原理如图1所示，激光由可谐激光器2中的激光二极管激发产生，经过准直镜准直后被分光镜3分为均匀的两路。其中一束光作为参考光，被反射镜4反射，进入探测器PD9；另一束作为测量光，聚焦到被测物体的表面7，部分激光反射回探测器PD9。参考激光与测量激光在探测器PD9附近进行叠加干涉，在PD中形成拍频电流i(t)。

测量时，对调谐激光器进行线性啁啾调制，得到参考光束与测量光束的频率随时间成线性变化曲线图，如图2所示。由于参考光路与测量光路的光程差不为零，探测器PD获得的电信号i(t)将是某个定频率的正弦时变信号，如图3所示。该频率与测量光路的延时时间τ成正比，从而可通过提取该信号频率的方法计算出被测距离值。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法的不同点在于，步骤3中根据拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时延τ的关系计算被测距离R是通过公式：

实现的；

式中：c为光速，Ω为调频范围。

本发明对比激光器的调频函数具有非线性情况下和理想情况下拍信号的各类曲线：当调频范围Ω=0.25GHZ，调频周期T_m=5ms，非线性率η=10%，其中η=max(f_e(t))/Ω，被测距离R=12m，理想拍频为f₀=4kHz。在激光器存在非线性时，如图7所示，拍信号随时间为非均匀的变化，相对于理想情况波形疏密不稳定；从而导致其傅立叶谱展宽，无法准确体现4kHz的拍信号频率，如图9所示，同时，拍信号的相位随时间也呈现出与激光器调频函数类似的非线性，如图11所示。而理想情况下拍信号随时间为均匀的变化，疏密稳定，如图8所示，从而导致其傅立叶谱能够体现4kHz的拍信号频率，如图10所示，同时，拍信号的相位随时间也呈现出线性变化，如图12所示。

本发明采用相位解调信号的方法不仅克服了激光器的非线性影响，还大大提高信号处理时的精度，并改善信号细分的效率。这是因为在目前采用的在频域内细分方式需要在傅立叶变换的基础上采用如Chirp_Z变换、ZFFT变换等复杂的数学运算，会增加处理时间。同时，传统傅里叶变换分析的频率分辨率为ΔR=c/2Ω（称为FMCW技术的固有精度），频域细分方法是在这个精度水平上的细分，进一步可提高的空间有限。而对于相位解调技术，其分辩能力由系统相位分辩能力所决定，由具体实施方式二中的公式可知：

只要

的测量精度达到1°，那么距离的分辨率为1/360·c/2Ω，同等精度下频域法需要频域细分数为1/360才能达到这个精度水平。

本发明获得如图12所示的理想情况下拍信号的时间相位图，其过程为：

如图13所示，在探测器PD处，拍信号通过第一1/4波片n被第一分光镜g分为两路光源，其中一路光源经第二1/4波片h透射到第二分光镜i，由第二分光镜i分出的两束信号分别经过探测器A和探测器C分解为（1）和（3）式所示的2个分量；另一路光源经过第三分光镜j分出的两束信号分别经过探测器B和探测器D分解为（2）和（4）式所示的2个分量，式中，Q为光路引入的共模干扰，

为某时刻拍信号的相位。通过简单的如式（5）、（6）所示运算后，即可消除系统的共模干扰Q，获得互为正余弦的两路信号I₁、I₂。再进一步，通过反正切运算以及相位解包络就能获得如图12中所示的拍信号相位随时间的改变曲线。

工作原理：

设激光器输出的激光频率函数为f(t)=f₀+αt+f_e(t)，其中f₀为激光初始频率，α为调频斜率，f_e(t)为调频非线性项。设初始时刻的光相位为θ₀，则激光瞬时光相位为

测量光相位

与参考光相位

混频形成拍信号瞬时相位为

利用近似处理

以及f_e(t₀+T)-f_e(t₀)=0，在对拍信号的观测时间[t₀，t₀+T]内，拍信号相位改变量为

从而可以导出被测距离R为：

Claims (2)

1.基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，其特征在于，它由以下步骤实现：

步骤1、采用激光器测量基于FMCW技术的激光雷达光路，测量时，对激光器进行线性啁啾调制，得到激光器输出的激光器的调频函数为：

f(t)=f₀+αt+f_e(t)

式中：f₀为激光初始频率，α=Ω/T_m，Ω为调频范围，T_m是啁啾调制周期，f_e(t)为调频非线性项，t为时间；

步骤2、采用相位解调方法，获得调频激光雷达光路中的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时间延时τ的关系，其具体方法为：

计算激光器的调频函数所对应的光相位函数为：

式中：θ₀为初始时刻的光相位，

为调频非线性项f_e在时间0到t内的积分,dξ表示时间t的微分；

利用调频激光雷达光路原理，当测量光和参考光在探测器PD处产生拍频干涉时，测量光路光相位

与参考光路相位

差拍混频形成拍信号相位为：

式中：τ为测量光路的延时时间，为调频非线性项f_e在时间t-τ到t内的积分

当

时，上式拍信号相位简化为：

式中：

为拍信号相位；

在时间[t₀，t₀+T]内，得到的拍信号相位改变量为：

式中：

时间内的拍信号相位，

为t₀时间内的拍信号相位，f(t₀+T)为（t₀+T）时间内的激光器的调频函数，f(t₀)为t₀时间内的激光器的调频函数；

将步骤1中的激光器的调频函数f(t)=f₀+αt+f_e(t)带入拍信号相位改变量中，获得函数：

式中：f_e(t₀+T)-f_e(t0)=0，f_e(t₀+T)为（t₀+T）时间内的调频非线性项，f_e(t₀)为t₀时间内的调频非线性项；

根据公式：

得到拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系；

步骤3、根据步骤2中获得的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系，计算被测距离R，实现FMCW激光雷达高精度信号测量方法。

2.根据权利要求1所述的基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，其特征在于，步骤3中根据拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时延τ的关系计算被测距离R是通过公式：

实现的；

式中：c为光速，Ω为调频范围。

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