CN111175779B - 用于相干探测激光雷达精确测量目标运动的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种相干探测激光雷达精确测量目标运动的系统及方法，依据激光雷达相干探测可得到物体运动的相位信息，该相位信息包含的距离信息由目标运动和本地振动共同影响，通过加速度传感器检测本地振动，进而补偿激光雷达测得的数据，从而得到纯粹的目标运动信息。本发明提供的补偿方案是将加速度传感器以螺柱支座方式安装在雷达出射口，对加速度传感器的安装要求低，可实现性高；相干探测相位方法可以反推出物体实时的运动信息，具有高精度和高实时性的特点；采集设备可同步采集激光雷达数据与加速度传感器数据，数据在时间上对齐利于补偿算法在时域和频域上的实现。
Description
技术领域
本发明涉及相干探测激光雷达测量领域，更具体的说，涉及一种用于相干探测激光雷达精确测量目标运动的系统及方法。
背景技术
Ben和Steve于2017年在Optics and Lasers in Engineering提出了激光多普勒测振仪本身振动的敏感性。该文献中，作者提出了一种可以对任意仪器振动进行测量修正的实用方案。该方案包括两个特殊放置(方位、相对位置)的三轴加速度传感器，同时在频域处理信道间的时延和信号积分。该方法在理论上能使激光多普勒测振仪在任意频率、任意振动方向都达到准确的补偿效果。然而，人工放置两个三轴加速度传感器并保持y轴，z轴方向严格相反具有一定难度(若x轴与光束方向相同)，且无法消除角误差。
Kim、Lee等人在Optical Engineering提出了一种在不需要任何外参考面的情况下消除激光多普勒测振仪自身振动引起的扰动。部分激光束通过分束器后引入阻尼器，测量安装在激光多普勒测振仪上的阻尼器的振动，并与参考光束相干混频。该文献采用最小均方自适应算法对输出信号进行处理，最终可以补偿自身振动信号，并且提取出目标振动信号。然而该方法仅在慢变特性(1～5hz)下是有效的，不具有普适性，并且对阻尼器的特性要求较高，装置复杂。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种将加速度传感器和激光雷达相干探测相结合，提高激光雷达检测目标运动精度的方法。通过采集单轴加速度传感器数据和激光雷达测得的总位移信息，对加速度传感器数据进行积分运算后可以实现位移的补偿。
本发明的技术解决方案如下：
一种相干探测激光雷达精确测量目标运动的系统，其特点在于，包括：
单频激光发生模块，用于给运动目标提供单频激光；
振动信号引入与准直器模块，用于接收被目标运动和本地振动共同调制后的信号光，并与本地信号进行拍频；
桥接器与光电平衡探测器模块，用于将拍频后的信号分为正交两路，并传输至信号采集处理与补偿模块；
加速度传感器模块，用于检测本地振动数据，并将数据传输至信号采集处理与补偿模块；
信号采集处理与补偿模块，用于接收正交两路信号和加速度传感器信号，并处理得到两地的相对位移和速度，通过对系统进行补偿，得到测量目标的运动信息。
所述单频激光发生模块为1550nm连续波激光器；所述振动信号引入与准直器模块包括光纤分束器、光纤环形器和光纤准直器；所述桥接器与光电平衡探测器模块包括光学90°桥接器和光电平衡探测器；所述加速度传感器模块为加速度传感器，所述信号采集处理与补偿模块包括采集设备和计算机；
所述1550nm连续波激光器的输出端与光纤分束器的入射端相连，该光纤分束器的信号端与所述光纤环形器的端口1连接，所述光纤环形器的端口2与光纤准直器相连；
所述的光学90°桥接器的入射端分别与所述光纤环形器的端口3和光纤分束器的本振光输出端相连，接收回波信号光与本振光拍频，输出两路相位正交的拍频信号至所述光电平衡探测器，所述光电平衡探测器的输出端与所述采集设备的入射端相连；
所述加速度传感器的测量轴与经光纤准直器准直的光束出射方向一致，该加速度传感器的输出端通过加速度传感器数据传输线缆与所述采集设备的入射端相连；
所述采集设备将数据送入计算机，并在计算机中进行实时的补偿处理。
所述光纤准直器和加速度传感器固定在支架上，确保所述加速度传感器的测量轴与经光纤准直器准直的光束出射方向一致，在光纤准直器输出端所述加速度传感器数据传输线缆通过胶带固定部分长度的线缆，避免线缆的振动干扰。
所述光电平衡探测器的探测上限高于目标运动产生的多普勒频率。
所述采集设备包括位数为8位模数转换器，采样率不小于多普勒频率的两倍。
所述光纤分束器的分束比为1：9。
一种利用上述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统进行目标运动测量的方法，其特点在于，包括如下步骤：
步骤1，计算机接收光电平衡探测器输出的正交信号iQ(t)，iI(t)和加速度传感器的输出信号ai；
步骤2，通过正交两路信号反正切运算以及相位解缠绕，计算相位
随位移R(t)变化的关系，公式如下：
式中，λ为激光出射的光波长；
步骤3，对加速度传感器的输出信号ai进行积分处理得到本地振动的速度及位移，公式如下：
其中，v(i·Δt)为i时刻振动速度，S(i·Δt)为i时刻振动位移。
步骤4，在时域中，通过时域位移数据相减得到纯粹的目标运动状态，即：R(t)-S(i·Δt)；
在频域中，相干探测得到的调制频率在频域上的表现形式为一系列的频谱分布，包括目标与本地的特征频率，通过设计适当带宽的滤波器可将合成频率中对应的本地频率滤除，则经滤波后的相干探测的数据仅包含目标的特征频率，进而得到最后的目标位移信息。
进一步讲：
所述单频激光发生模块为1550nm连续波激光器，用于给激光雷达精确测量目标运动系统提供光信号；
所述振动信号引入与准直器模块包括1分2光纤分束器、光纤环形器、光纤准直器，所述1分2光纤分束器将1550nm连续波激光器分成本振光和信号光，分束比为1：9；所述光纤环形器的端口1与1分2光纤分束器的信号光端口连接，并通过端口2输出信号光，信号光经过光纤准直器后出射，光纤准直器以自发自收的形式在端口3接收回波信号光；
所述桥接器与光电平衡探测器模块包括光学90°桥接器、光电平衡探测器，上述的回波信号光与本振光拍频后，经过光学90°桥接器后得到两路相位正交的拍频信号，所述光电平衡探测器的探测上限高于目标运动产生的多普勒频率；
所述加速度传感器模块包括加速度传感器、加速度传感器数据传输线缆，加速度传感器的测量轴与激光雷达的光束出射方向一致，并以螺柱支座方式固定安装在雷达出射口；所述加速度传感器数据传输线缆在端口连接附近通过胶带固定部分长度的线缆，避免线缆的振动干扰；
所述信号采集处理与补偿模块包括采集设备及计算机，采集设备中模数转换器的位数为8位，采样率不小于多普勒频率的两倍；所述采集设备将三路数据送入计算机，在计算机中进行实时的补偿处理。
该系统补偿可以在时域和频域上实现，在时域中，可通过时域位移数据相减得到纯粹的目标运动状态；在频域中，相干探测得到的调制频率在频域上的表现形式为一系列的频谱分布，包括目标与本地的特征频率，本地的特征频率可以由加速度传感器11的数据得到，通过将合成频率中的对应频域置零，得到仅包含目标特征频率的fd'(t)，最后的目标位移信息可由下式得到
本发明具有如下特点：
1、加速度传感器的安装简便，不需要严格要求两个三轴加速度传感器保持y轴，z轴方向相反。
2、相干探测测相位可以反推出物体实时的运动信息，在实际应用中具有优越性。
3、采集设备可同步采集激光雷达数据与加速度传感器数据，数据在时间上对齐利于补偿算法在时域和频域上的实现。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明的一个实施例的结构图。由图可见，本发明的光路图中包括1550nm激光器1、1分2光纤分束器2、光纤环形器3、光纤准直器4、本地振动平台5、光学90°桥接器6、光电平衡探测器7、数字示波器8、目标物体9、目标运动平台10、加速度传感器11、加速度传感器数据传输线缆12、采集设备13、计算机14。
1550nm激光器1一般采用相干探测的方法测量高频振动物体的瞬态位移信号，其基本原理是将本振光与信号光混频，对探测器得到的中频信号进行后续处理和分析。
1550nm激光器1输出的电场强度为
其中，A表示光场振幅，f0表示光波频率，
表示光场的相位噪声。激光输出光信号通过1分2光纤分束器2后分成两路光信号，其中一路作为本振信号，表示为
另一路进入光纤环形器3的端口1，作为光纤环形器的发射信号，发射信号经过光纤准直器4将高斯光准直为平行光，在自由空间传播R(t)距离后，回波信号再次经过光纤准直器4后，传输到光纤环形器的端口2，并在光纤环形器的端口3被接收，所以，回波信号的电场强度可表示为
本振信号与回波信号相干拍频在光电平衡探测器7的光敏面上可视为电场叠加，光电场表达式为：
光电平衡探测器7输出光电流为
光电平衡探测器7可以响应一定频率范围内的信号，输出光电流可以转化为
其中，
为回波和本振探测的直流分量，分析过程中可不考虑。
所述光学90°桥接器6，可将本振信号调整成两路具有90°相位差的信号，与信号光分别拍频后形成4路相位相差90°的信号输出，两两信号由平衡探测器接收，形成正交信号，正交I，Q信号可表示为：
所述反正切算法，是将I，Q两路信号做相除运算，再通过反正切和相位解缠绕算法解调振动信息。
所述相位解缠绕算法可实现相位信息连续输出，相位
包含目标振动和本地振动共同引起的相位变化；振动的位移信息R(t)可表示为
对其进行一次求导和二次求导即可分别得到振动的速度和加速度信息。
R(t)＝r0+∫Δv(t)dt＝r0+∫vtarget(t)dt+∫vlocal(t)dt
相干探测中目标运动产生的多普勒调制频率为
其中，vtarget(t)为目标随时间变化的振动速度，λ为相干探测系统中激光的波长。
本地振动平台5和目标运动平台10提供本地与目标的振动与运动。
若光纤准直器4受到振动平台5的振动干扰，速度表示为vlocal(t)，本地振动会将干扰或噪声引入测量数据。则相干探测系统中接收到的多普勒调制频率为
所述加速度传感器11以螺柱支座方式安装在光纤准直器上，螺柱安装方式可检测大动态范围频率的振动，并能保证加速度传感器和光纤准直器在振动平台上的同步振动。
沿光束方向的本地振动会影响到最终目标的检测结果，通过采集设备13采集该加速度传感器11的振动加速度为a，通过一次积分和二次积分可以得到振动速度和振动位移。
所述单轴加速度传感器11检测到的沿光束方向的振动速度为vi，可由i时刻采集设备13的采样值ai确定
所述单轴加速度传感器11检测到的沿光束方向的振动位移为Si，Si可由vi确定
所述采集设备13的采样频率为fs，采样时间间隔为Δt。根据奈奎斯特采样定律，该采集设备可以采集振动速度在
以下的振动数据。
所述补偿算法可以在时域和频域上实现。若假设目标的振动包括多个频率和振幅叠加的正弦振动信号，可以表示为
本地振动包括另一频谱段的多个频率和振幅叠加的正弦振动信号，可以表示为
两者频谱段范围不重叠。位移数据R(t)可表示为
加速度传感器得到的数据通过二次积分可得到本地振动位移
在时域上补偿后可得到纯粹的目标运动状态
相干探测得到的调制频率fd(t)在频域上的表现形式为一系列的频谱分布，包括fi和fj，fi可以由加速度传感器11的数据得到，通过设计合理的滤波器将fd(t)中的本地频率滤除，即滤除fi成分，得到仅包含fj的调制频率fd'(t)。最后的目标位移信息可由下式得到
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种相干探测激光雷达精确测量目标运动的系统，其特征在于，包括：
单频激光发生模块，用于给运动目标提供单频激光；
振动信号引入与准直器模块，用于接收被目标运动和本地振动共同调制后的信号光，并与本地信号进行拍频；
桥接器与光电平衡探测器模块，用于将拍频后的信号分为正交两路，并传输至信号采集处理与补偿模块；
加速度传感器模块，用于检测本地振动数据，并将数据传输至信号采集处理与补偿模块；
信号采集处理与补偿模块，用于接收正交两路信号和加速度传感器信号，并处理得到两地的相对位移和速度，通过对系统进行补偿，得到测量目标的运动信息。
2.根据权利要求1所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统，其特征在于，所述单频激光发生模块为1550nm连续波激光器(1)；所述振动信号引入与准直器模块包括光纤分束器(2)、光纤环形器(3)和光纤准直器(4)；所述桥接器与光电平衡探测器模块包括光学90°桥接器(6)和光电平衡探测器(7)；所述加速度传感器模块为加速度传感器(11)，所述信号采集处理与补偿模块包括采集设备(13)和计算机(14)；
所述1550nm连续波激光器(1)的输出端与光纤分束器(2)的入射端相连，该光纤分束器(2)的信号端与所述光纤环形器(3)的端口1连接，所述光纤环形器(3)的端口2与光纤准直器(4)相连；
所述的光学90°桥接器(6)的入射端分别与所述光纤环形器(3)的端口3和光纤分束器(2)的本振光输出端相连，接收回波信号光与本振光拍频，输出两路相位正交的拍频信号至所述光电平衡探测器(7)，所述光电平衡探测器(7)的输出端与所述采集设备(13)的入射端相连；
所述加速度传感器(11)的测量轴与经光纤准直器(4)准直的光束出射方向一致，该加速度传感器(11)的输出端通过加速度传感器数据传输线缆(12)与所述采集设备(13)的入射端相连；
所述采集设备(13)将数据送入计算机(14)，并在计算机(14)中进行实时的补偿处理。
3.根据权利要求2所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统，其特征在于，所述光纤准直器(4)和加速度传感器(11)固定在支架上，确保所述加速度传感器(11)的测量轴与经光纤准直器(4)准直的光束出射方向一致，在光纤准直器(4)输出端所述加速度传感器数据传输线缆(12)通过胶带固定部分长度的线缆，避免线缆的振动干扰。
4.根据权利要求2所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统，其特征在于，所述光电平衡探测器(7)的探测上限高于目标运动产生的多普勒频率。
5.根据权利要求2所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统，其特征在于，所述采集设备(13)包括位数为8位模数转换器，采样率不小于多普勒频率的两倍。
6.根据权利要求2所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统，其特征在于，所述光纤分束器的分束比为1：9。
7.一种利用权利要求1-6任一所述相干探测激光雷达精确测量目标运动系统进行目标运动测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，计算机(14)接收光电平衡探测器(7)输出的正交信号iQ(t)，iI(t)和加速度传感器(11)的输出信号ai；
步骤2，通过正交两路信号反正切运算以及相位解缠绕，计算相位
随位移R(t)变化的关系，公式如下：
式中，λ为激光出射的光波长；
步骤3，对加速度传感器(11)的输出信号ai进行积分处理得到本地振动的速度及位移，公式如下：
其中，v(i·Δt)为i时刻振动速度，S(i·Δt)为i时刻振动位移；
步骤4，在时域中，通过时域位移数据相减得到纯粹的目标运动状态，即：R(t)-S(i·Δt)；
在频域中，相干探测得到的调制频率在频域上的表现形式为一系列的频谱分布，包括目标与本地的特征频率，通过设计适当带宽的滤波器可将合成频率中对应的本地频率滤除，则经滤波后的相干探测的数据仅包含目标的特征频率，进而得到最后的目标位移信息。
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2020
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| 振动条件下机载合成孔径激光雷达成像处理;马萌;《雷达学报》;20141031;第592-602页 * |
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