CN111060920B

CN111060920B - 一种消除调频连续波激光测距系统多普勒误差的方法

Info

Publication number: CN111060920B
Application number: CN201911315386.4A
Authority: CN
Inventors: 邵斌; 张伟; 陈伟民
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: CN111060920A

Abstract

本发明涉及一种消除调频连续波激光测距系统多普勒误差的方法，属于激光测距领域，包括步骤：S1：获取原始测距信号；S2：计算各调频周期对应的伪距离；S3：计算伪距离数组对应的目标振动周期；S4：确定振动周期对应的采样信号长度；S5：截取原始信号，获得目标信号；S6：计算目标信号Zero‑Padding FFT；S7：确定频率谱有效频率区间，并计算质心；S8：计算真实距离。本发明不仅能消除目标振动引起的多普勒测量误差，还不受目标运动速度或旋转频率的限制，在降低动态测距系统复杂度的同时，提升了系统的可靠性。

Description

一种消除调频连续波激光测距系统多普勒误差的方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，涉及一种消除调频连续波激光测距系统多普勒误差的方法

背景技术

调频连续波激光测距技术具有测量精度高、可测范围大、抗干扰能力强等优点，在民用设施与国防军备中应用广泛。典型的调频连续波光纤激光测距系统如图1所示，扫频激光器产生的线性调频激光经由环形器到达光纤探头，探头端面反射光与目标表面反射光分别形成参考光与测量光；由于探头端面与目标表面之间存在距离L，相较参考光，测量光到达光电探测器表面时存在时延τ，两束光进而形成拍频信号，其中拍频频率f_B正比于距离L。

因此，当待测目标在一个扫频周期内静止时，通过估计拍频信号频率，可实现高精度绝对距离测量。然而，不同于静态目标，当目标运动时，光电探测器得到的拍频频率f_B(t)由两部分构成：实际距离对应的拍频频率f_L(t)与多普勒效应产生的伪拍频频率f_Doppler(t)，其中f_L(t)恒为正，f_Doppler(t)正负由目标速度决定。对于动态目标，f_Doppler(t)作为测量误差的主要来源不可忽略，且测量过程中f_L(t)与f_Doppler(t)均为未知量。所以，对于动态目标，f_L(t)无法确定，进而使调频连续波测距系统产生测量失效的问题。

针对该问题，当前通用做法是通过增加扫频激光测距系统的复杂度，将含有拍频频率参数f_B的欠定方程组转化为适定方程组，进而确定动态距离L(t)。通常采用下述两种方式实现该转换。一是在图1所示系统中，继续增加额外的调频连续波测距光路，同时要保证各光路对应的激光调频速率不同，这种方式不仅增加了系统成本，而且在实际测量过程中，需要严格控制多路调频激光的扫描周期以实现同步扫描，同时需要采用多波段器件以满足多路调频激光的传输，还需要面对成倍增加的测量数据量。二是周期性改变输出激光的调频速率，进而模拟多路调频连续波，此方式要求待测目标速度在一个测量周期内保持恒定，因此无法适应快速振动或高速旋转的目标。

对于静态目标，环境振动诱发的多普勒测量误差不可避免；对于动态目标，高精度绝对距离测量的需求仍在激增。因此，如何在复杂度低、可靠性高、成本低廉的单激光器测距系统中有效地消除多普勒效应对测距精度的影响，就成为提升调频连续波激光测距系统性能的关键，也成为规模推广此类系统应用于动态测量前的必解难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于调频连续波激光测距系统的多普勒误差消除方法，该方法不仅能消除目标振动引起的多普勒测量误差，同时不受目标运动速度或旋转频率的限制。此外，该方法仅要求一个激光器朝一个方向调频，在降低动态测距系统复杂度的同时，还能提升系统的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种消除调频连续波激光测距系统多普勒误差的方法，对锯齿状调频的激光干涉测距系统，当待测目标运动时，探测器测得的拍频信号建模为：

其中A为信号强度，B为激光器调频范围，T为激光器调频周期，c为光速，L(t)为实时距离，f(t)为扫频激光频率，

为初始相位；

由式(1)得，目标运动时，任意时刻拍频频率f_B(t)由f_L(t)与f_Doppler(t)两部分组成，其中 fL(t)为真实距离对应的频率分量，fDoppler(t)为多普勒效应对应的频率分量：

式2-a中L₀为初始距离，v(t)为目标运动速度；目标振动时，f_Doppler(t)的正负随速度方向同步改变；

对于高速振动或旋转的目标，在极短的运动周期内，目标速度方向在平衡位置L₀附近周期性变化，因此，在一个振动周期内目标的位移变化量近似为0，即

其中VP(Vibration period)为目标振动周期；

由于f(t)＝f₀+B/Tt，存在如下关系：

其中f₀为扫频激光器起始扫频频率，k为扫频激光器扫频速率；

由于目标运动速度v(t)<<c，存在如下关系

其中f_avg＝(f₀+B)/2为调频均值频率；

在一个振动周期内，多普勒伪拍频频率的时间积分满足：

因此存在如下关系：

通过计算拍频信号频率在目标振动周期上的积分，能有效消除运动引起的多普勒测量误差，并给出正确的距离值L。由调和分析可知，瞬时频率均值可由原始测量信号的功率密度谱质心表示，因此距离值可表示为

其中n，m均为正整数，且满足n<m，Centroid表示求取质心。

进一步，利用上述方法进行激光测距，包括以下步骤：

S1：获取调频连续波原始测距信号；

S2：求解各调频周期对应的含多普勒误差的伪距离；

S3：对伪距离数组{L(i)_fake}实施频谱变换，并求解该数组峰值频率f_VP对应的时域周期 VP＝1/f_VP，其中L(i)_fake表示第i个扫频周期对应的伪距离；

S4：根据目标振动周期VP，确定待测目标在一个振动周期内对应的原始调频干涉信号长度N

N＝VP·f_sa (9)

其中f_sa为数据采集模块的采样率；

S5：根据步骤S4所得长度N，对原始测量信号进行截断处理，截断信号表示为

其中n，m均为正整数，且满足n<m，T_sa＝1/f_sa为采样时间间隔，j为离散信号序列；

S6：计算s_cut[j]的Zero-Padding FFT，获得S_CUT[j]；

S7：确定S_CUT[j]的有效频率区间，并计算本有效频谱的加权质心；

S8：采用下式求解距离值L；

其中B为激光器调频范围，T为激光器调频周期，c为光速，I_j为频谱下标，P_j为下标I_j对应的谱功率密度。

进一步，步骤S2中，利用FFT法求取频谱峰值获得各调频周期对应的含多普勒误差的伪距离。

进一步，步骤S7中，确定S_CUT[j]的有效频率区间的原则为e^-1或FWHM原则。

进一步，步骤S7中，采用下式计算本有效频谱的加权质心：

本发明的有益效果在于：本方法不仅能消除目标振动引起的多普勒测量误差，同时不受目标运动速度或旋转频率的限制。此外，该方法仅要求一个激光器朝一个方向调频，在降低动态测距系统复杂度的同时，还能提升系统的可靠性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述调频连续波激光测距系统结构示意图；

图2为本发明所述适用于调频连续波激光测距系统的多普勒误差消除方法流程图；

图3(a)为步骤3中根据伪距离数组{L(i)_fake}求得的目标振动频率f_VP；

图3(b)为步骤5中根据振动周期VP截断的测量信号s_cut[j]；

图3(c)为步骤6求得的Zero-Padding FFT，S_CUT[j]；

图3(d)表示采用本发明所述方法补偿动态多普勒误差后的绝对距离测量结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种适用于调频连续波激光测距系统的多普勒误差消除方法，该方法不仅能消除目标振动引起的多普勒测量误差，同时不受目标运动速度或旋转频率的限制。此外，该方法仅要求一个激光器朝一个方向调频，在降低动态测距系统复杂度的同时，还提升了系统的可靠性，其实现原理如下。

本发明提供的技术方案如图2所示，下面做详细解释。

对锯齿状调频的激光干涉测距系统，当待测目标运动时，探测器测得的拍频信号可建模为：

其中A为信号强度，B为激光器调频范围，T为激光器调频周期，c为光速，L(t)为实时距离，f(t)为扫频激光频率，φ为初始相位。分析式1可得，目标运动时，任意时刻拍频频率 f_B(t)由f_L(t)与f_Doppler(t)两部分组成，

式2-a中L₀为初始距离，v(t)为目标运动速度。目标振动时，f_Doppler(t)的正负随速度方向同步改变。

为消除多普勒效应的影响，实现对动态目标绝对距离的准确测量，下面从信号处理的角度加以阐述。

对于振动或旋转目标，在测量光传播方向上，待测目标速度方向周期性变化，因此，在一个振动周期内动态目标对应的位移为0，即

其中VP(Vibration period)为目标振动周期。由于f(t)＝f₀+B/Tt，因此存在如下关系

同时，由于目标运动速度v(t)<<c，存在如下关系

其中f_avg＝(f₀+B)/2为调频均值频率。因此，在一个振动周期内，多普勒伪拍频频率的时间积分应满足：

为此，应存在如下关系：

分析7式可知，通过计算拍频信号频率在目标振动周期上的积分，可以有效消除运动引起的多普勒测量误差，并给出正确的距离值L。由调和分析可知，瞬时频率均值可由原始测量信号的功率密度谱质心表示，因此距离值可表示为

其中n，m均为正整数，且满足n<m，Centroid表示求取质心。

利用上述方法对调频连续波激光测距系统进行测距的具体实施步骤如下：

如图1所示，参考光与测量光产生的拍频信号经光电转换后在数据采集模块完成离散化，最后在信号处理模块借助本方法完成距离值的解调。本方法如图2所示，主要包括以下几个步骤。

步骤1：获取调频连续波原始测距信号；

步骤2：求解各调频周期对应的含多普勒误差的伪距离(利用FFT法求取频谱峰值获得)， L(i)_fake表示第i个扫频周期对应的伪距离；

步骤3：对伪距离数组{L(i)_fake}实施频谱变换，并求解该数组峰值频率f_VP对应的时域周期VP＝1/f_VP；

步骤4：根据周期VP，确定待测目标在一个振动周期内对应的原始调频干涉信号长度N

N＝VP·f_sa (9)

其中f_sa为数据采集模块的采样率，T为激光调频周期；

步骤5：根据步骤4所得长度N，对原始测量信号进行截断处理，截断信号可表示为

其中n，m均为正整数，且满足n<m，T_sa＝1/f_sa为采样时间间隔；

步骤6：计算s_cut[j]的Zero-Padding FFT，获得S_CUT[j]；

步骤7：采用e^-1或FWHM原则确定S_CUT[j]的有效频率区间，并利用下式计算本有效频谱的加权质心

其中I_j为频谱下标，P_j为下标I_j对应的谱功率密度；

步骤8：采用下式求解距离值L。

其中B为激光器调频范围，T为激光器调频周期，c为光速。

为验证本方法的有效性，搭建如图1所示测量系统，系统调频频率2.056kHz，系统多普勒放大系数为39.8，同时设置PZT振动频率256Hz，振动幅值7μm，采用正弦电压驱动。

图3(a)为步骤3中根据伪距离数组{L(i)_fake}求得的目标振动频率f_VP；图3(b)为步骤五中根据振动周期VP截断的测量信号s_cut[j]；图3(c)为步骤6求得的Zero-Padding FFT，S_CUT[j]，其中虚线所夹区域为采用e^-1最大幅值原则确定的有效频率区域；图3(d)中虚线表示采用本发明所述方法补偿动态多普勒误差后的绝对距离测量结果，实线表示未补偿多普勒误差的原始测量结果，采用本方法补偿多普勒误差后，绝对距离测量误差(0.615μm)降至未补偿多普勒效应前(111.020μm)的0.54％。

实验结果表明，采用本方法可以有效消除多普勒误差，进而大幅提高距离测量精度，提升系统对于动态目标的适应性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。