CN107505626A - 基于双边带调制的激光测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双边带调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息。将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；然后以所产生的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；将回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；最后从电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。本发明还公开了一种基于双边带调制的激光测量装置。本发明可同时实现对待测物体的距离信息、速度信息进行实时准确地测量。

Description

基于双边带调制的激光测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于双边带调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息。

背景技术

激光测距和激光测速是激光技术的重要应用。激光具有的高相干性、方向性、单色性等优点，可以实现远距离、高精度的测距功能。同时，运动物体的反射光会引入多普勒频移，通过测量多普勒频移即可实现激光测速。

目前，激光测距测速系统主要两种体制。第一种采用激光脉冲作为探测光，通过测量激光脉冲的飞行时间获取待测物体的位置信息。此类方法测距精度受限于脉冲宽度，测速则需要引入另外一套多普勒频移测量系统。第二种则采用调制连续光作为探测光，通过探测回波的调制信息获得待测物体的距离和速度信息。其中，频率调制是一种常用的调制方式，一般地，在激光测距测速系统中，发射端采用扫频信号调制探测光，接收端采用相干探测的方法测量回波的瞬时频率。最后，通过瞬时频率可以获得待测物体的距离和速度信息。典型的频率调制方案包括锯齿波形和三角波波形两种，前者将探测得到的微波信号与本振微波信号进行混频去斜，可以获得一个正比于激光回波延时的差频信号，通过回波延时可以确定物体距离信息。但是该方案中多普勒频移会叠加在差频信号中，难以剔除，不但造成测距误差，更限制了其在激光测速中的应用。后者探测器所得信号与本振信号混频后，三角形调频信号的升频与降频部分产生两个不同的差频信号，两个信号的频率之和正比于激光回波延时，之差正比于多普勒频移。因此，三角形频率调制可以同时实现激光测距与测速。然而该方案的缺点在于：两个不同的差频信号分别出于不同的时间段，不仅需要在采集信号后进行计算，更无法实现真正意义上的实时测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于双边带调制的激光测量方法及装置，可同时实现对待测物体的距离信息、速度信息进行实时准确地测量。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于双边带调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；首先将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；然后以所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，所述本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；最后从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

作为本发明的一个优选技术方案，所述本振光信号为从所述光载波中分束得到；具体按照以下方法从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息：利用从所述线性调频微波信号中分束得到的本振微波信号作为参考，通过电混频器对所述电信号进行去啁啾处理，获得两个不同的啁啾差频信号以及这两个啁啾差频信号的和频信号、差频信号；然后从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息。

作为本发明的又一优选方案，所述本振光信号为从所述载波抑制的双边带调制光信号中分束得到；具体按照以下方法从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息：对所述电信号进行自混频，产生所述电信号的两个单频成分的和频信号、差频信号；然后从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息。

优选地，所述线性调频微波信号为锯齿形波形。

基于相同发明思路还可以得到以下技术方案：

一种基于双边带调制的激光测量装置，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；该装置包括：

双边带调制单元，用于将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；

发射单元，用于以双边带调制单元所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；

接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；

光电探测单元，用于将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，所述本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；

信息提取单元，用于从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

作为其中一个优选方案，所述本振光信号为从所述光载波中分束得到；所述信息提取单元包括：

电混频器，用于以从所述线性调频微波信号中分束得到的本振微波信号作为参考，对所述电信号进行去啁啾处理，获得两个不同的啁啾差频信号以及这两个啁啾差频信号的和频信号、差频信号；

频率测量与数据处理模块，用于从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

作为其中另一优选方案，所述本振光信号为从所述载波抑制的双边带调制光信号中分束得到；所述信息提取单元包括：

电混频器，用于对所述电信号进行自混频，产生所述电信号的两个单频成分的和频信号、差频信号；

频率测量与数据处理模块，用于从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

优选地，所述线性调频微波信号为锯齿形波形。

进一步地，所述发射单元和接收单元共用一套光束准直系统，并利用光环行器实现探测光和回波信号的分离。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明针对现有调制连续光激光测距测速方法的不足，利用线性调频微波信号调制于光载波上所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光；由于探测光是双边带调制信号，则可以同时产生正负两条边带；又由于采用线性调频微波信号作为调制信号，则被调制的光信号的两条边带具有相反的啁啾方向和瞬时频率偏移，可产生类似于三角形频率调制中的两个不同的啁啾差频信号，不同的是，这里的两个啁啾差频信号同时出现，因此可以通过自混频获得它们的和频与差频信号。该和频与差频信号分别带有回波信号的延时信息和多普勒频移信息，最终通过它们获取待测物体的实时的距离和速度信息。

附图说明

图1为本发明的基本原理示意图；

图2为本发明激光测量装置的一个优选实施例的结构示意图；

图3为本发明激光测量装置的另一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对现有调制连续光激光测距测速方法的不足，利用线性调频微波信号调制产生的载波抑制双边带调制光信号作为探测光；由于调制输出光信号的两条边带具有相反的啁啾方向和瞬时频率偏移，因此可获得两个不同的啁啾差频信号，进而可通过混频获得分别带有回波信号的延时信息和多普勒频移信息的和频与差频信号，最终获取待测物体的实时的距离和速度信息。

具体地，本发明激光测量方法首先将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；然后以所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号；最后从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

本发明激光测量装置包括：

双边带调制单元，用于将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；

发射单元，用于以双边带调制单元所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；

接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；

光电探测单元，用于将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，所述本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；

信息提取单元，用于从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

本发明方法的基本原理如图1所示，在仅小信号正负一阶边带的前提下，利用双边带调制器产生的载波抑制的光双边带信号可以由以下表达式表示：

E(t)＝A₁exp[j(2π(f_c+f_M)t)]+A_-1exp[j(2π(f_c-f_M)t)]

其中，J_-1(m)＝-J₁(m)，分别为正负一阶贝塞尔函数；A为电场振幅；f_c和f_M分别为光载波和线性调频微波信号的频率。以采用锯齿形线性调频信号作为微波调制信号为例，在一个啁啾周期内调制频率可以表示为：

该条件下载波抑制的双边带光信号可以表示为：

其中，f₁和f₂分别为调制频率的下限和上限，T为调制信号的周期。因此，如图1上图所示的双边带光信号，其两条边带相对于光载波具有相反的啁啾和

上述载波抑制双边带调制光信号信号作为探测光投射到待测物体上，并对其反射的激光回波进行探测。当待测物体运动时，激光回波不仅具有相对延时τ，还将产生多普勒频移f_d，即反射光的电场可以表示为：

对上述电场进行去啁啾处理，两条边带可以分别获得两个不同的啁啾差频信号。

如图1下图所示。这两个不同的啁啾差频信号的频率分别为：从中提取相对延时τ和多普勒频移f_d，进而通过数据处理就可以最终获得待测物体的距离信息和速度信息。

为便于公众理解，下面以两个优选实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。

实施例1：

本实施例中激光测量装置的基本结构如图2所示，包括：微波源、光源、功分器、光分束器、光合束器、双边带调制器、光电探测器、电混频器、频率测量与数据处理模块、激光发射模块和激光接收模块。微波源发出的线性调频微波信号被功分器分为两路，分别输入双边带调制器的微波输入口和电混频器的输入口。光源输出被光分束器分为两路，一路作为光载波输入双边带调制器；另一路作为本振光，通过光合束器与激光接收模块接收的激光回波合束后，一起输入光电探测器。双边带调制器的输出端连接激光发射模块，光电探测器的输出端与电混频器的输入口连接，电混频器的输出端连接频率测量与数据处理模块。其中的激光发射模块和激光接收模块可以单独设置，也可以集成在一起，例如两者共用一套光束准直系统，并利用光环行器实现探测光和回波信号的分离。

该装置的基本工作过程和原理如下：

所述本振光为未调制光信号。将激光回波和本振光同时导入利用光电探测器，产生拍频信号。该拍频信号为双边带调制信号的两条边带相对于光载波的瞬时频率偏移：

本振微波信号由所述线性调频微波信号中分束得到，可以表示为：

电信号的去啁啾处理通过与本振微波信号在电混频器中进行混频实现。两者混频后，可以获得两个啁啾差频信号：

与此同时，两个不同的啁啾差频信号在该电混频器中进行自混频过程，分别产生两个不同的啁啾差频信号的和频与差频信号：

该双频信号中，第一部分仅包含激光回波的延时信息，可用于获取待测物体距离；第二部分仅包含激光回波的多普勒频移信息，可用于获取待测物体的速度。根据以下公式，通过频率测量与数据处理模块进行数据处理可以最终获得待测物体的距离信息和速度信息。

实施例2

本实施例中激光测量装置的基本结构如图3所示，包括：微波源、光源、光分束器、光合束器、双边带调制器、光电探测器、电混频器、频率测量与数据处理模块、激光发射模块和激光接收模块。微波源发出的线性调频微波信号输入双边带调制器的微波输入口，光源向双边带调制器输出光载波。双边带调制器输出的载波抑制的双边带调制光信号被光分束器分为两路，一路作为探测光经由激光发射模块向待测物体发射；一路作为本振光信号通过光合束器与激光接收模块接收的激光回波合束后一起输入光电探测器。光电探测器的输出端与电混频器的输入口连接，电混频器的输出端连接频率测量与数据处理模块。

该装置的基本工作过程和原理如下：

本振光为载波抑制双边带调制光信号分束得到，其电场可表示为：

激光回波的电场经历延时τ，并产生多普勒频移f_d后，其电场可表示为：

利用光电探测器直接将激光回波和本振光进行拍频，输出电信号：

上式仅列出前两项单频成分，分别为进行啁啾处理后获得的两个不同的啁啾差频信号。该电信号通入电混频器进行自混频。前两项混频所获得的频率之和包含位置信息，频率之差包含速度信息：

与实施例1类似地，通过频率测量与数据处理模块进行数据处理就可以最终获得待测物体的距离信息和速度信息。

Claims (9)

1.一种基于双边带调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；其特征在于，首先将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；然后以所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，所述本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；最后从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述本振光信号为从所述光载波中分束得到；具体按照以下方法从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息：利用从所述线性调频微波信号中分束得到的本振微波信号作为参考，通过电混频器对所述电信号进行去啁啾处理，获得两个不同的啁啾差频信号以及这两个啁啾差频信号的和频信号、差频信号；然后从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述本振光信号为从所述载波抑制的双边带调制光信号中分束得到；具体按照以下方法从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息：对所述电信号进行自混频，产生所述电信号的两个单频成分的和频信号、差频信号；然后从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息。

4.如权利要求1～3任一项所述方法，其特征在于，所述线性调频微波信号为锯齿形波形。

5.一种基于双边带调制的激光测量装置，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；其特征在于，该装置包括：

双边带调制单元，用于将线性调频微波信号调制于光载波上，产生载波抑制的双边带调制光信号；

发射单元，用于以双边带调制单元所产生的载波抑制的双边带调制光信号作为探测光向待测物体发射；

接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；

光电探测单元，用于将待测物体所反射的回波信号与本振光信号进行拍频，得到同时包含回波信号的延时信息和多普勒频移信息的电信号，所述本振光信号为从所述光载波或双边带调制光信号中分束得到；

信息提取单元，用于从所述电信号中提取出回波信号的延时信息和多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述本振光信号为从所述光载波中分束得到；所述信息提取单元包括：

电混频器，用于以从所述线性调频微波信号中分束得到的本振微波信号作为参考，对所述电信号进行去啁啾处理，获得两个不同的啁啾差频信号以及这两个啁啾差频信号的和频信号、差频信号；

频率测量与数据处理模块，用于从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

7.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述本振光信号为从所述载波抑制的双边带调制光信号中分束得到；所述信息提取单元包括：

电混频器，用于对所述电信号进行自混频，产生所述电信号的两个单频成分的和频信号、差频信号；

频率测量与数据处理模块，用于从所述和频信号中提取出回波信号的延时信息，从所述差频信号中提取出回波信号的多普勒频移信息，并依据所述延时信息获得待测物体的距离信息，依据所述多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。

8.如权利要求5～7任一项所述装置，其特征在于，所述线性调频微波信号为锯齿形波形。

9.如权利要求5～7任一项所述装置，其特征在于，所述发射单元和接收单元共用一套光束准直系统，并利用光环行器实现探测光和回波信号的分离。