CN109031341A - 一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，利用气体吸收池对不同频率的光吸收程度不同，从而根据吸收峰的变化趋势(气体吸收池对频率低的光信号吸收峰短，对频率高的光信号吸收峰长)，可以判断可调谐激光器的频率扫描方向，进一步根据第一测量拍频信号的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。通过两个频率扫描方向相反的频率扫描信号，产生两个测量拍频信号，然后用重采样信号同时对两个测量拍频信号重采样以消除调频非线性，最后将两个重采样后的测量拍频信号相乘并低通滤波，根据其频率与速度成正比这一关系解算出速度值，且无需知道物体静止时刻的位置，适用范围较广。

Description

一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法

技术领域

本发明涉及调频连续波激光雷达领域，特别涉及一种连续调频激光雷达装置测量物体运动速度的方法。

背景技术

目前常用的一些测量物体运动速度的方法有：迈克尔逊干涉仪、多普勒测速仪、激光测距仪。迈克尔逊干涉仪分别用多普勒效应理论和干涉过程导出频移和干涉条纹变化与反射镜运动速度的关系，进而解算出物体运动速度，然而迈克尔逊干涉仪无法对漫反射目标进行测量，有一定局限性；多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，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，然而只能进行速度测量，功能较为单一；激光测距仪间隔一定时间来测定物体与观测者的距离来测量速度，一般用于匀速或近似匀速的运动。

发明内容

针对现有测量物体运动速度方法的不足，本发明提出一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，利用同时产生的两个不同频率段的频率扫描信号，获取两个测量拍频信号和两个辅助拍频信号，辅助拍频信号的拍频频率是已知的，利用两个辅助拍频信号产生等光频重采样信号，将等光频重采样过后的两个测量拍频信号进行处理，解算物体的运动速度大小，速度方向根据物体运动产生的多普勒频移相对于物体静止时的频谱偏移方向判断。本发明可用于测量匀速或非匀速物体的运动速度，对漫反射物体也可进行测量，且无需知道物体静止时刻所处的位置。

本发明所采用的技术方案是：一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，利用可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统产生两个信号的辅助拍频信号，将两个辅助拍频信号相乘并高通滤波的结果作为等光频重采样信号，取等光频重采样信号的峰谷值位置点对两个测量拍频信号进行重采样，以消除可调谐激光器调频非线性的影响，将两个重采样后的测量拍频信号相乘并低通滤波得到一个新信号，通过对新信号快速傅里叶变换求得新信号的频率，进一步解算得到物体的运动速度大小；同时，利用气体吸收池对不同频率的光吸收程度不同，从而根据吸收峰的趋势走向，判断可调谐激光器的频率扫描方向，进一步根据测量干涉系统产生的第一测量拍频信号的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。

进一步的，一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，具体包括以下步骤：

测距信号的产生：

1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号；固定激光器产生固定频率的光信号；将频率扫描信号经过第四分束器分为G路和H路，G路激光进入方向判别系统，固定频率的光信号和H路激光在第一耦合器汇合，依次经过偏振控制器、掺铒光纤放大器，再送入到光子晶体光纤，通过所述光子晶体光纤中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统和辅助干涉系统；

1-2步骤、进入方向判别系统的频率扫描信号经过气体吸收池，并通过第五光电探测器探测气体吸收池对可调谐激光器输出的频率扫描信号的吸收峰曲线，形成吸收峰信号；

1-3步骤、测量干涉系统产生第一测量拍频信号和第二测量拍频信号；

1-4步骤、辅助干涉系统产生第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号；

同步数据采集：

同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号、辅助干涉系统产生的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号以及方向判别系统产生的吸收峰信号进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间、采样频率；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到的第一测量拍频信号、第二测量拍频信号、第一辅助拍频信号、第二辅助拍频信号以及判别方向系统产生的吸收峰信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

数据处理：

3-1步骤、通过同步数据采集系统采集到的气体吸收池的吸收峰信号，由于气体吸收池对不同频率的光吸收程度不同，频率低的吸收峰短，从而根据吸收峰的趋势走向，判断可调谐激光器的频率扫描方向，进一步根据第一测量拍频信号的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向；

3-2步骤、将经过同步数据采集系统的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-3步骤、将3-2步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号分别进行等光频重采样；

3-4步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘，然后通过低通滤波，得到一个新信号；对于速度恒定的物体，新信号的频率是一个与速度成正比关系的定值，通过快速傅里叶变换求得新信号的频谱峰值频率，进而解算出物体运动速度；对于速度不恒定的物体，以设定时间的时间窗口对采集到的数据的不同段进行快速傅里叶变换，通过不同段数据的频谱峰值频率解算得到物体的运动速度随时间的变化曲线。

本发明的有益效果是：

相比较于迈克尔逊干涉仪，本发明可以测量漫反射物体，而迈克尔逊干涉仪无法测量漫反射物体，有一定局限性；相比较于多普勒测速仪，本发明涉及的装置可同时实现测距和测速的功能，功能更为全面；相比较于激光测距仪，本发明可测量非匀速目标，而激光测距仪多用于测量匀速运动的物体。

由于激光测距具有非接触式测量、抗干扰能力强、测量范围大、测距精度高等优点，故一直以来都是大尺寸高精度测量领域的研究热点，而激光雷达中的调频连续波激光测距技术，是一种可对多目标进行测量且不需要合作目标进行辅助测量的绝对测距方式，拥有高测距精度和高测距分辨力的优势。本发明巧妙地利用调频连续波激光测距技术，并在此基础上进行了改进，使之具有同时测量距离和速度的功能，且无需知道静止时刻物体所处位置，便可测量其运动速度，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法的流程图；

图2为本发明所用的连续调频激光雷达装置的结构示意图；

图3为本发明的发射激光信号；

图4a为本发明的气体吸收池的吸收峰谱线；

图4b为图4a的8点高斯拟合谱线；

图5为本发明在静止时刻和匀速运动时刻对S1进行快速傅里叶变换得到的频谱图；

图6为本发明对匀速运动时刻的S5进行快速傅里叶变换得到的频谱图；

附图标注：1、固定激光器；2、可调谐激光器；3、第一耦合器；4、偏振控制器；5、掺铒光纤放大器；6、光子晶体光纤；7、光纤光栅；8、第二分束器；9、光环形器；10、准直透镜；11、反射镜；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、第三光电探测器；15、第四光电探测器；16、第一粗波分复用器；17、第二耦合器；18、第三分束器；19、延时光纤；20、第三耦合器；21、第二粗波分复用器；22、同步数据采集系统；23、数据处理系统；24、第一分束器；25、测量干涉系统；26、辅助干涉系统；27、第四分束器；28、气体吸收池；29、第五光电探测器；30、方向判别系统；

S1、第一测量拍频信号；S2、第二测量拍频信号；S3、第一辅助拍频信号；S4、第二辅助拍频信号；S5、重采样后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘并低通滤波得到的信号；S6、吸收峰信号。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明所用的连续调频激光雷达装置可同时完成测距和测速的功能，测距功能在申请号为2018105811330的专利申请中做了详细说明，同时，利用该装置可以测量物体的运动速度大小，其速度方向通过添加一个气体吸收池以及结合第一测量拍频信号的频谱便可进行判断，且无须知道物体静止时刻所处的位置，便可测量物体(包括漫反射物体)的测度。

所述连续调频激光雷达装置如附图2所示，包括固定激光器1、可调谐激光器2、第一耦合器3。所述可调谐激光器2的输出端连接有第四分束器27，所述可调谐激光器2的输出经过所述第四分束器27分为G路和H路，所述G路进入方向判别系统30，所述H路和所述固定激光器1的输出端并列连接至所述第一耦合器3，所述第一耦合器3的输出端依次连接有偏振控制器4和掺铒光纤放大器5，所述掺铒光纤放大器5的输出端通过光子晶体光纤6连接至光纤光栅7的输入端。所述可调谐激光器2用于产生频率扫描信号；所述固定激光器1用于产生固定频率的光信号；所述气体吸收池28和所述第五光电探测器29用于确定可调谐激光器2的频率扫描方向及确定速度方向；所述偏振控制器4用于使所述可调谐激光器2和所述固定激光器1输出的光的偏振态基本一致，最大化光子晶体光纤6的非线性效应；将已调节偏振态的组合光输入20m长的光子晶体光纤6，通过所述光子晶体光纤6中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；其中，所述可调谐激光器2与所述固定激光器1输出的光频率的分离是满足相干长度条件的；所述光纤光栅7的输出包含所述频率扫描信号及所述镜像频率扫描信号；所述光纤光栅7的输出经过第一分束器24分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统25，所述B路进入辅助干涉系统26。

所述方向判别系统30产生吸收峰信号S6，用于与所述抑制振动效应的调频连续波激光测距装置的测量干涉系统25结合，共同判断物体速度方向。所述方向判别系统30包括与所述第四分束器27输出端相连接的气体吸收池28和与所述气体吸收池28输出端相连接的第五光电探测器29，所述第五光电探测器29的输出端连接至同步数据采集系统22；所述方向判别系统30包括与所述第四分束器27输出端相连接的气体吸收池28和与所述气体吸收池28输出端相连接的第五光电探测器29，所述第五光电探测器29的输出端连接至所述抑制振动效应的调频连续波激光测距装置的同步数据采集系统22。所述气体吸收池28对不同频率的光吸收程度不同，从而根据气体吸收池28的吸收峰的趋势走向，可以判断所述可调谐激光器2的频率扫描方向，进一步根据所述测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。所述第五光电探测器29用于探测气体吸收池28对所述可调谐激光器2输出的调频连续波的吸收峰的变化趋势(气体吸收池28对频率低的光信号吸收峰短，对频率高的光信号吸收峰长)，并形成吸收峰信号S6。

所述测量干涉系统25用于对被测目标镜进行探测，产生两个测量拍频信号。所述测量干涉系统25包括与所述第一分束器24的输出端相连接的第二分束器8，所述第二分束器8的输出端分为C路和D路。C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。所述D路上依次连接有第二耦合器17、第一粗波分复用器16，所述第一粗波分复用器16的输出端并列连接有第一光电探测器12和第二光电探测器13，所述第一光电探测器12和第二光电探测器13的输出端共同连接至所述同步数据采集系统22的输入端。所述C路上包括光环形器9、准直透镜10和反射镜11，所述反射镜11设置在所述准直透镜10的前端，所述光环形器9采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光环形器，所述光环形器9的第一端口与所述第二分束器8相连接，第二端口与所述准直透镜10相连接，第三端口连接至所述第二耦合器17的另一输入端。所述第二耦合器17能发生所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号的分别干涉。所述第一粗波分复用器16用于将所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分开。所述第一光电探测器12和第二光电探测器13分别用于探测所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分别发生干涉后所形成的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2。

所述辅助干涉系统26产生两个辅助拍频信号，利用所述两个辅助拍频信号消除所述可调谐激光器2的光频调制的非线性。所述辅助干涉系统26包括与所述第一分束器24的输出端相连接的第三分束器18，所述第三分束器18的输出端分为E路和F路。E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。所述F路上依次连接有第三耦合器20、第二粗波分复用器21，所述第二粗波分复用器21的输出端并列连接有第三光电探测器14和第四光电探测器15，所述第三光电探测器14和第四光电探测器15的输出端共同连接至所述同步数据采集系统22的输入端。所述E路上连接有长度恒定且已知光程差的延时光纤19，所述延时光纤19的输出端连接至所述第三耦合器20的另一输入端。所述第三耦合器20能发生所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号的分别干涉。所述第二粗波分复用器21用于将所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分开。所述第三光电探测器14和第四光电探测器15分别用于探测所述频率扫描信号和所述镜像频率扫描信号分别发生干涉后所形成的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4。

所述测量干涉系统25、所述辅助干涉系统26以及所述方向判别系统30的输出端共同连接至同步数据采集系统22的输入端，所述同步数据采集系统22的输出端连接至数据处理系统23。

本发明一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，利用可调谐激光器2、固定激光器1、光子晶体光纤6、光纤光栅7产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统25产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统26产生两个信号的辅助拍频信号，将两个辅助拍频信号相乘并高通滤波的结果作为等光频重采样信号，取等光频重采样信号的峰谷值位置点对两个测量拍频信号进行重采样，以消除可调谐激光器2调频非线性的影响，将两个重采样后的测量拍频信号相乘并低通滤波，通过对新信号快速傅里叶变换求得新信号的频率，进一步解算得到物体的运动速度大小；同时，利用气体吸收池28对不同频率的光吸收程度不同，从而根据吸收峰的趋势走向，判断可调谐激光器2的频率扫描方向，进一步根据测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。

按照图2所示搭建实验装置，然后如图1所示，连续调频激光雷达装置所有设备接通电源后预热，装置进行初始化，包括将待测物体放置于导轨之上，设定导轨的移动速度让物体以恒定速度运动、设定激光器的扫描带宽及扫描速度、示波器的采样频率及采样时间。

设备预热及初始化以后，开始进行连续调频激光雷达测速实验，具体步骤如下：

测距信号的产生：

1-1步骤、可调谐激光器2产生频率扫描信号；固定激光器1产生固定频率的光信号；将频率扫描信号经过第四分束器27分为G路和H路，G路激光进入方向判别系统30，固定频率的光信号和H路激光在第一耦合器3汇合，依次经过偏振控制器4、掺铒光纤放大器5，再送入到光子晶体光纤6，通过所述光子晶体光纤6中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅7的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统25和辅助干涉系统26。

1-2步骤、进入方向判别系统30的频率扫描信号经过气体吸收池28，并通过第五光电探测器29探测气体吸收池28对可调谐激光器2输出的频率扫描信号的吸收峰曲线，形成吸收峰信号S6。

1-3步骤、进入测量干涉系统25的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第二分束器8分为C路和D路，C路和D路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。其中，C路激光经过光环形器9、准直透镜10，由反射镜11反射后，原路返回进入所述光环形器9，再进入第二耦合器17；D路激光与C路激光在第二耦合器17汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第二耦合器17分别发生干涉，并由第一粗波分复用器16分开，在第一光电探测器12和第二光电探测器13分别产生第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2。

1-4步骤、进入辅助干涉系统26的频率扫描信号和镜像频率扫描信号经过第三分束器18分为E路和F路，E路和F路的输入均为含有频率扫描信号和镜像频率扫描信号的组合光信号。E路激光经过长度恒定且已知光程差的延时光纤19后进入第三耦合器20与F路激光汇合，频率扫描信号和镜像频率扫描信号在第三耦合器20分别发生干涉，并由第二粗波分复用器21分开，在第三光电探测器14和第四光电探测器15分别产生第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4。

其中，E路和F路形成了参考干涉光路，C路和D路形成了测量光路。

同步数据采集

同步数据采集系统22对测量干涉系统25产生的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2、辅助干涉系统26产生的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4以及方向判别系统30产生的吸收峰信号S6进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统22的初始化，设置采样时间、采样频率；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统22采集到第一测量拍频信号S1、第二测量拍频信号S2和第一辅助拍频信号S3、第二辅助拍频信号S4以及判别方向系统产生的吸收峰信号S6进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤。

数据处理

由于气体吸收池28对不同频率的光吸收程度不同，频率低的吸收峰短，从而根据吸收峰的变化趋势(气体吸收池28对频率低的光信号吸收峰短，对频率高的光信号吸收峰长)，可以判断可调谐激光器2的频率扫描方向是频率向上扫描或者向下扫描，进一步根据第一测量拍频信号S1的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。

由于现在的可调谐激光器2均不能达到频率调制完全线性，故调制过程中会存在波动，导致测量拍频信号和辅助拍频信号的频谱发生展宽，测量精度大大降低。故在此利用两个辅助拍频信号生成等光频重采样信号，使用等光频重采样信号对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2进行同步等光频重采样，且所述参考干涉光路的光程差大于所述测量光路的光程差两倍以上，使得辅助干涉系统26的辅助拍频信号的频率是测量干涉系统25的测量拍频信号的频率的2倍以上，具体包括以下步骤：

3-1步骤、通过同步数据采集系统22采集到的气体吸收池28的吸收峰信号S6，由于气体吸收池28对不同频率的光吸收程度不同，频率低的吸收峰短，从而根据吸收峰的变化趋势(气体吸收池28对频率低的光信号吸收峰短，对频率高的光信号吸收峰长)，判断可调谐激光器2的频率扫描方向，进一步根据第一测量拍频信号S1的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。

3-2步骤、将经过同步数据采集系统22的第一辅助拍频信号S3和第二辅助拍频信号S4相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-3步骤、将3-2步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2分别进行等光频重采样；

3-4步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2相乘，然后通过低通滤波，得到一个新信号S5。对于速度恒定的物体，新信号S5的频率是一个与速度成正比关系的定值，通过快速傅里叶变换便可求得新信号S5频谱峰值频率，进而解算出物体运动速度；对于速度不恒定的物体，可以以极短时间的时间窗口(如1μs)对采集到的数据的不同段进行快速傅里叶变换，通过不同段数据的频谱峰值频率解算得到物体的运动速度。

图3示出了本发明的发射激光信号，f₀为固定激光器1的发射信号的频率，可调谐激光器2发射信号为频率f₁到f₂的频率扫描信号，而新生成的另一信号为频率f₃到f₄的频率扫描信号，两个扫描信号的频率是关于f₀对称的(图中f₁和f₀之间与f₃和f₀之间的差值均为Δf)，两个频率扫描信号产生的测量拍频信号可分别表示为

式中，I_original是可调谐激光器2输出的频率扫描信号的测量拍频信号，为第一测量拍频信号S1，I_new是新生成的频率扫描信号的测量拍频信号，为第二测量拍频信号S2，f_d为多普勒频移，其方向与物体速度方向一致，多普勒频移是一个矢量(可由公式f_d＝±2v/λ＝±2v×f₁/c，式中v为物体速度，c为光速，λ为光波长)，由于f₁和f₃相差很小，故两拍频信号中引入的多普勒频移近似相等，A₁、A₂分别是两个测量拍频信号的振幅系数，α₁表示可调谐激光器2的调制速度，τ表示待测距离对应的时间延迟，t是时间，ε₁(t)表示偏离理想线性扫频的频率非线性误差，正负号与待测物体的速度相对于测量系统的方向有关。将两个信号产生的测量拍频信号分别经过等光频重采样，则重采样后的两个测量拍频信号变为

式中，I_original’是重采样后的第一测量拍频信号S1，I_new’是重采样后的第二测量拍频信号S2，k表示重采样后的数据点数，τ_r表示辅助干涉光路的光程差对应的时间延迟，由(3)式和(4)式可知，可调谐激光器2的调频非线性已经消除，然后将两个重采样后的测量拍频信号相乘并低通滤波，得到：

式中，I是新信号S5；

对于运动的物体，目标的瞬时回波延迟τ可以用下式表示

式中，R为物体静止时的单程距离，将(6)式代入(5)式可得

由(7)式可知，对于恒定的速度，(7)式为一个关于k的单频函数，利用快速傅里叶变换求出(7)式的频率，即(7)式k的系数即可进一步解算出待测目标的运动速度；若物体不以恒定速度运动，则以极短时间的时间窗口(如1μs)对采集到的数据的不同段进行快速傅里叶变换，在极短的时间窗口内，(7)式的频率仍然为一定值，且初始相位恒不变，故可得出物体速度随时间变化的曲线。

速度的方向可由方向判别系统30得到，具体为：根据气体吸收池28对可调谐激光器2不同频率的光的吸收程度不同，对于频率低的光吸收峰短，所以可通过判别吸收峰由短到长或由长到短的趋势，来确定可调谐激光器2的频率扫描方向是频率向上扫描或者向下扫描，进一步根据第一测量拍频信号S1的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。在以下的应用实例中，仅以物体以恒定速度运动作举例，但本发明不仅限于测量恒定的运动速度。

应用实例：

被测目标反射镜11放置在导轨上，控制导轨以200mm/s的速度运动，且速度方向是接近激光雷达的，导轨放置在距离激光雷达大约1m的地方，设置可调谐激光器2的带宽为10nm(1546.7nm-1556.7nm)，扫描速度为100nm/s，固定激光器1发射的激光频率为1543.7nm，按照本发明的测距方法，气体吸收池28用于判别运动速度方向，且本实验只采用了单次扫频周期的数据进行处理，根据同步数据采集系统22采集过后的气体吸收池28的吸收峰谱线图4a和图4b，可以看出，吸收峰在由长变短，故扫描频率在降低，可调谐激光器2处于下扫频阶段。光纤光栅7的输出包含1546.7nm-1556.7nm的频率扫描信号和1540.7nm-1530.7nm的频率扫描信号，此组合光通过第一分束器24分为A、B两路，其中，A路进入测量干涉系统25，B路进入辅助干涉系统26，辅助干涉系统26用于消除可调谐激光器2的光频调制的非线性，将经过同步数据采集系统22的第一辅助信号S3和第二辅助信号S4相乘并高通滤波，其结果作为等光频重采样信号，取等光频重采样信号的峰谷值位置点对第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2同时进行重采样以消除调频非线性，由于可调谐激光器2处于下扫频阶段，故其(3)式中的频率表示为(-α₁τ+f_d)/(4×α₁×τ_r)，其中f_d是矢量，由于频率均为正值，故可改写为(α₁τ-f_d)/(4×α₁×τ_r)，对待测物体静止时刻和匀速运动时刻的第一测量拍频信号S1分别进行快速傅里叶变换，频谱图如图5所示，由频谱图可知，运动时刻引入的多普勒频移导致相对于静止时刻的频率向右偏移，且由于物体运动使得第一测量拍频信号S1的快速傅里叶变化频谱展宽，由此得出速度为负值，即速度方向接近激光雷达系统，与实际相符。将重采样后的第一测量拍频信号S1和第二测量拍频信号S2相乘并低通滤波得到S5，对S5进行快速傅里叶变换，其频谱图如图6所示，根据其峰值频率为5.1616×10⁵Hz解算出待测物体运动速度为200.012mm/s，与实际符合，且频谱峰值频率与静止时刻的测距值无关，也就是说本发明无须知道静止时刻待测物体的具体位置，便可完成速度的测量。通过上述实例验证了本发明可以在不测量物体静止时刻位置的前提下，通过比较简单的系统和方法实现物体(包括漫反射物体)的速度测量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，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，并不是限制性的，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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，其特征在于，利用可调谐激光器、固定激光器、光子晶体光纤、光纤光栅产生不同频率段的频率扫描信号，测量干涉系统产生两个信号的测量拍频信号，辅助干涉系统产生两个信号的辅助拍频信号，将两个辅助拍频信号相乘并高通滤波的结果作为等光频重采样信号，取等光频重采样信号的峰谷值位置点对两个测量拍频信号进行重采样，以消除可调谐激光器调频非线性的影响，将两个重采样后的测量拍频信号相乘并低通滤波得到一个新信号，通过对新信号快速傅里叶变换求得新信号的频率，进一步解算得到物体的运动速度大小；同时，利用气体吸收池对不同频率的光吸收程度不同，从而根据吸收峰的趋势走向，判断可调谐激光器的频率扫描方向，进一步根据测量干涉系统产生的第一测量拍频信号的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向。

2.根据权利要求1所述的一种使用连续调频激光雷达装置的物体运动速度测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

测距信号的产生：

1-1步骤、可调谐激光器产生频率扫描信号；固定激光器产生固定频率的光信号；将频率扫描信号经过第四分束器分为G路和H路，G路激光进入方向判别系统，固定频率的光信号和H路激光在第一耦合器汇合，依次经过偏振控制器、掺铒光纤放大器，再送入到光子晶体光纤，通过所述光子晶体光纤中的非线性效应产生在频率上与频率扫描信号关于固定激光器频率中心对称的镜像频率扫描信号；光纤光栅的输出包含频率扫描信号以及镜像频率扫描信号；将频率扫描信号和镜像频率扫描信号形成的组合光同时送入测量干涉系统和辅助干涉系统；

1-2步骤、进入方向判别系统的频率扫描信号经过气体吸收池，并通过第五光电探测器探测气体吸收池对可调谐激光器输出的频率扫描信号的吸收峰曲线，形成吸收峰信号；

1-3步骤、测量干涉系统产生第一测量拍频信号和第二测量拍频信号；

1-4步骤、辅助干涉系统产生第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号；

同步数据采集：

同步数据采集系统对测量干涉系统产生的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号、辅助干涉系统产生的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号以及方向判别系统产生的吸收峰信号进行同步采样，步骤如下：

2-1、同步数据采集系统的初始化，设置采样时间、采样频率；

2-2、数据采集，采集过程中对同步数据采集系统采集到的第一测量拍频信号、第二测量拍频信号、第一辅助拍频信号、第二辅助拍频信号以及判别方向系统产生的吸收峰信号进行错误检测判断，如果没有错误则进行下一步骤，否则重新执行2-2步骤；

数据处理：

3-1步骤、通过同步数据采集系统采集到的气体吸收池的吸收峰信号，由于气体吸收池对不同频率的光吸收程度不同，频率低的吸收峰短，从而根据吸收峰的趋势走向，判断可调谐激光器的频率扫描方向，进一步根据第一测量拍频信号的频谱相对于物体静止时发生的频率偏移方向来判断物体速度方向；

3-2步骤、将经过同步数据采集系统的第一辅助拍频信号和第二辅助拍频信号相乘，并高通滤波，得到一个等光频重采样信号；

3-3步骤、将3-2步骤得到的等光频重采样信号对第一测量拍频信号和第二测量拍频信号分别进行等光频重采样；

3-4步骤、将等光频重采样过后的第一测量拍频信号和第二测量拍频信号相乘，然后通过低通滤波，得到一个新信号；对于速度恒定的物体，新信号的频率是一个与速度成正比关系的定值，通过快速傅里叶变换求得新信号的频谱峰值频率，进而解算出物体运动速度；对于速度不恒定的物体，以设定时间的时间窗口对采集到的数据的不同段进行快速傅里叶变换，通过不同段数据的频谱峰值频率解算得到物体的运动速度随时间的变化曲线。