CN111257902A - 一种基于四象限探测器的调频测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于四象限探测器的调频测距系统及方法，通过对四个象限探测器所接收到的信号回波进行频域相关处理，实现FMCW(连续波调频)激光测距，提高自然环境干扰情况下的激光测距系统的回波信噪比和测距精度。本发明基于四象限探测器的调频激光测距系统及方法，解决现有激光测距系统在烟雾等自然环境干扰下性能不佳的问题，通过对四个象限探测器所接收到的信号回波进行频域相关处理，可提高自然环境干扰情况下的激光测距系统的回波信噪比和测距精度。

Description

一种基于四象限探测器的调频测距系统及方法
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，尤其涉及一种基于四象限探测器的调频测距系统及方法，用于烟雾等恶劣天气下的连续波调频激光测距。
背景技术
激光测距按原理可以分为飞行时间法激光测距和非飞行时间法激光测距两大类，飞行时间法激光测距主要有脉冲法激光测距和相位法激光测距，而非飞行时间激光测距主要就是三角法激光测距和干涉法激光测距。不管是哪种原理，现有的激光测距系统包括激光发射单元、接收单元和距离计算单元，其中激光收发单元一般为单发单收模式，在实际应用中，激光测距容易受到环境噪声干扰，例如，在存在烟、雾、雨等较差环境下，激光回波信号容易受到环境干扰噪声的影响，导致激光测距仪无法获取激光回波信号或者所获取的激光回波信号不准确，进而降低测距精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于四象限探测器的调频测距系统及方法，通过对四个象限探测器所接收到的信号回波进行频域相关处理，实现FMCW(连续波调频)激光测距，提高自然环境干扰情况下的激光测距系统的回波信噪比和测距精度。
为实现上述目的，本发明的一种基于四象限探测器的调频测距系统，包括激光发射子系统与激光接收子系统，激光发射子系统发射调频连续波激光信号，还包括信号处理模块，激光接收子系统采用四象限光电探测器和四象限混频器；
其中，所述调频连续波激光信号作为本振信号传送到四象限混频器中；目标反射的激光回波信号首先经由接收光学系统汇聚至四象限光电探测器，四象限光电探测器将激光信号转化为相应的电信号，所述四象限光电探测器将各个象限对应的电信号均与本振信号进行混频，生成包含目标信息的四象限差频信号，四象限差频信号发送到信号处理模块；
所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
其中，所述激光发射子系统包括FPGA、数字频率合成器、跨导放大器、半导体激光二极管以及发射光学系统；
由FPGA通过控制接口对数字频率合成器进行配置产生线性调频信号，线性调频信号通过跨导放大器进行压流转换后驱动半导体激光二极管，产生强度受所述调频信号调制的调频连续波激光信号，发射光学系统将调频连续波激光信号准直发射到空间中。
其中，所述激光接收子系统还包括四象限低通滤波器和四象限自动控制增益；所述四象限差频信号经由低通滤波器滤波后进行自动控制增益放大。
其中，所述信号处理模块对四象限回波的差频信号进行频域相关运算公式和信号总频谱如下式所示：
Figure BDA0002322360470000021
|RALL(ω)|＝KT(ω)+KS(ω)＝|α1α2α3α4Xt(ω)|+β1β2β3β4Xs(ω)|
|RALL(ω)|＝KT(ω)KS(ω)＝|α1α2α3α4Xt(ω)|+|β1β2β3β4Xs(ω)|
其中，RAB(ω)、RCD(ω)分别为各自下标对应的两个频域信号的互相关函数；RALL(ω)为RAB(ω)、RCD(ω)的互相关函数，Yη(ω)为四象限探测器第η象限所接收到的时域信号yη(t)对应的频域信号，其中η＝A,B,C,D)，代表四个象限；αn、βn为归一化参数，其中，n＝1,2,3,4，分别对应A、B、C、D四象限；τm为各段信号的起止时刻点，其中m＝sa,sb,sd,sc,ta,tb,td,tc，代表各段信号；Xt为目标信号频域函数；Xs为烟雾干扰后信号的频域函数；KT为目标信号幅频函数；KS为烟雾干扰后信号的幅频函数。
其中，所述光电探测器为APD探测器。
其中，所述调频连续波激光信号为锯齿波或者三角波调频信号。
本发明的一种基于四象限探测器的调频测距方法，采用本发明的基于四象限探测器的调频测距系统进行测距，包括如下步骤：
步骤1，激光发射子系统发射调频连续波激光信号；
所述调频连续波激光信号作为本振信号传送到四象限混频器中；
步骤2，接收光学系统将目标反射的激光回波信号汇聚至四象限光电探测器，四象限光电探测器将激光信号转化为相应的电信号；
步骤3，所述四象限光电探测器将各个象限对应的电信号均与本振信号进行混频，生成包含目标信息的差频信号，并将差频信号发送到信号处理模块；
步骤4，所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
有益效果：
本发明基于四象限探测器的调频激光测距系统及方法，解决现有激光测距系统在烟雾等自然环境干扰下性能不佳的问题，通过对四个象限探测器所接收到的信号回波进行频域相关处理，可提高自然环境干扰情况下的激光测距系统的回波信噪比和测距精度。
本发明的调频激光测距系统探测器采用APD(雪崩二极管)探测器，测量效果准确、结构简单、成本低。
附图说明
图1为单一收发单元FMCW激光测距系统不同能见度情况下的中频回波信号曲线；
图2为本发明实施例提供的一种基于四象限APD探测器FMCW激光测距系统原理示意图；
图3为本发明实施例提供的频域信号处理模块示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于四象限APD探测器频域相关运算原理示意图；
图5为本发明单象限激光发射工作原理示意图。
图6为本发明单象限激光接收工作原理示意图。
图7为本发明经四象限频域相关处理后的回波信号频域曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
目前尚未有将激光调频连续波应用于四象限探测器的激光测距系统。针对现有激光测距技术在自然环境恶劣条件下的使用缺陷，本发明提供了一种使用四象限APD探测器的激光测距系统，使用连续波调频技术调制激光发射和测距。当经过FMCW调制的激光经过烟雾干扰产生的回波信号被探测器接收时，通过APD接收器的四个象限回波信号在频域相关运算提高回波信噪比，使系统能更有效地从被噪声干扰的信号中提取到回波信号，分离出目标的有效信息。然后对信号进行频域分析，对回波差频信号进行频率计算，频率分辨精度决定了测距精度，通过选择FMCW的调制带宽、调制周期可以达到很高的测距精度，具有较强的抗烟雾干扰能力。
现有的FMCW激光测距系统一般包括激光发射电路部分、接收电路部分，在激光发射电路部分调频连续波信号发生器，将产生的调频信号作用于半导体激光二极管，调制激光光强，经过激光发射光学系统将发散的光束进行准直后向目标发射；在接收电路部分，调制激光在遇到目标后产生反射，反射回波经过激光接收光学系统聚集后由APD光敏面接收并进行光电转化，通常得到的微安级别的光电流需要由跨阻放大器放大到几百毫伏的电压信号后才能进行后续的信号处理。将本振信号与经过一定时间延迟的目标回波信号混频输出差频信号，差频信号包括了目标距离信息，经过滤波和自动增益的进一步调整，保证信号输出的稳定性后，由AD模数转换芯片采样后进行数字信号处理得到差频频率，由下式计算得到目标距离R。
Figure BDA0002322360470000051
其中，Tm为三角波调频调制周期，c为光速，B为三角波调频调制带宽，fIF为差频信号频率，可见目标的距离测量转换为差频信号的频率测量。在没有烟雾的环境下，FMCW激光回波信号良好，信号频谱单一，经过频域分析处理后可得到高分辨率的差频信号。但在一定浓度的烟雾环境下，激光回波信号受到噪声干扰信噪比下降，差频信号频谱中出现不同频率分量造成测距误差，如图1。
为改善这个问题，本发明采用了四象限APD探测器，激光发射信号经目标反射后进入不同象限进行光电转换，然后进行混频得到差频信号，经AD处理后在信号处理模块中进行频谱处理，四象限探测器先两两进行频域相关运算，然后再做一次相关运算，这就可以将回波信号中的环境噪声及电路模块中的噪声滤掉，从而使回波差频信号频谱单一化(如图4和图7)。可见，本发明能够降低环境噪声对激光测距时的影响，提高激光测距时的精确度。
本实施例提供的一种基于四象限APD探测器FMCW激光测距系统原理示意图如图2所示；包括激光发射子系统与激光接收子系统，其中激光发射子系统由FPGA通过控制接口对DDS(数字频率合成器)芯片进行配置产生锯齿波或者三角波调频信号，线性调频信号通过跨导放大器进行压流转换后驱动半导体激光二极管，产生强度受线性调频信号调制的调频连续波激光信号，实现对激光载波的强度进行调制，同时把这个信号传送到接收系统的混频器，作为本振信号，经调制后的激光光强调频信号通过发射光学系统的准直发射到空间中，如图5所示。
激光接收子系统结构框图如图6所示，该系统包括接收光学系统、四象限光电探测器、四象限混频器、四象限低通滤波器和四象限AGC(自动控制增益)等部分。目标反射的激光回波信号首先经由接收光学系统汇聚至光电探测器，光电探测器将激光信号转化为相应的电信号，再与本振信号进行混频，生成包含目标信息的差频信号，经由低通滤波器滤除高频噪声后进行AGC放大，增大系统的动态范围。激光接收系统具有很高的光电灵敏度、较宽的信号带宽、较高的信号增益和较低的噪声。
本发明采用调频连续波的工作原理，将发射的本振信号与经过一定时间延迟的目标回波信号混频输出差频信号，这个差频信号就包括了目标的距离信息，经过滤波和自动增益的进一步调整，保证信号输出的稳定性后，由模数转换芯片采样，将离散的差频信号进行数字信号处理。四象限探测器都经过上述流程处理后的信号送入信号处理模块后，进行频域相关运算以提高信噪比，得到处理后的差频信号测量频率，再由调频连续波的测距公式
Figure BDA0002322360470000071
计算得到目标距离。
其中，所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合(AB/CD、AC/BD或AD/BC)，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
信号处理模块基于FPGA控制DDS产生调频信号，对四象限回波的差频信号进行频域相关运算，提高了回波信号信噪比，信息处理方式如图3所示。以AB/CD象限组合为例，所述频域相关运算如图4所示，频域相关运算前后回波差频信号的频谱曲线如图7所示，所述信号处理模块对四象限回波的差频信号进行频域相关运算公式和信号总频谱如下式所示：
Figure BDA0002322360470000072
|RALL(ω)|＝KT(ω)+KS(ω)＝|α1α2α3α4Xt(ω)|+|β1β2β3β4Xs(ω)|
其中，RAB(ω)、RCD(ω)分别为各自下标对应的两个频域信号的互相关函数；RALL(ω)为RAB(ω)、RCD(ω)的互相关函数，Yη(ω)为四象限探测器第η象限所接收到的时域信号yη(t)对应的频域信号，其中η＝A,B,C,D)，代表四个象限；αn、βn为归一化参数，其中，n＝1,2,3,4，分别对应A、B、C、D四象限；τm为各段信号的起止时刻点，其中m＝sa,sb,sd,sc,ta,tb,td,tc，代表各段信号；Xt为目标信号频域函数；Xs为烟雾干扰后信号的频域函数；KT为目标信号幅频函数；KS为烟雾干扰后信号的幅频函数。
本发明还提供了一种基于四象限探测器的调频测距方法，包括如下步骤：
步骤1，激光发射子系统发射调频连续波激光信号；
所述调频连续波激光信号作为本振信号传送到四象限混频器中；
步骤2，接收光学系统将目标反射的激光回波信号汇聚至四象限光电探测器，四象限光电探测器将激光信号转化为相应的电信号；
步骤3，所述四象限光电探测器将各个象限对应的电信号均与本振信号进行混频，生成包含目标信息的差频信号，并将差频信号发送到信号处理模块；
步骤4，所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于四象限探测器的调频测距系统，包括激光发射子系统与激光接收子系统，激光发射子系统发射调频连续波激光信号，其特征在于，还包括信号处理模块，激光接收子系统采用四象限光电探测器和四象限混频器；
其中，所述调频连续波激光信号作为本振信号传送到四象限混频器中；目标反射的激光回波信号首先经由接收光学系统汇聚至四象限光电探测器，四象限光电探测器将激光信号转化为相应的电信号，所述四象限光电探测器将各个象限对应的电信号均与本振信号进行混频，生成包含目标信息的四象限差频信号，四象限差频信号发送到信号处理模块；
所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
2.如权利要求1所述的基于四象限探测器的调频测距系统，其特征在于，所述激光发射子系统包括FPGA、数字频率合成器、跨导放大器、半导体激光二极管以及发射光学系统；
由FPGA通过控制接口对数字频率合成器进行配置产生线性调频信号，线性调频信号通过跨导放大器进行压流转换后驱动半导体激光二极管，产生强度受所述调频信号调制的调频连续波激光信号，发射光学系统将调频连续波激光信号准直发射到空间中。
3.如权利要求1所述的基于四象限探测器的调频测距系统，其特征在于，所述激光接收子系统还包括四象限低通滤波器和四象限自动控制增益；所述四象限差频信号经由低通滤波器滤波后进行自动控制增益放大。
4.如权利要求1所述的基于四象限探测器的调频测距系统，其特征在于，所述信号处理模块对四象限回波的差频信号进行频域相关运算公式和信号总频谱如下式所示：
Figure RE-FDA0002436027530000021
|RALL(ω)|＝KT(ω)+KS(ω)＝|α1α2α3α4Xt(ω)|+|β1β2β3β4Xs(ω)|
其中，RAB(ω)、RCD(ω)分别为各自下标对应的两个频域信号的互相关函数；RALL(ω)为RAB(ω)、RCD(ω)的互相关函数，Yη(ω)为四象限探测器第η象限所接收到的时域信号yη(t)对应的频域信号，其中η＝A,B,C,D)，代表四个象限；αn、βn为归一化参数，其中，n＝1,2,3,4，分别对应A、B、C、D四象限；τm为各段信号的起止时刻点，其中m＝sa,sb,sd,sc,ta,tb,td,tc，代表各段信号；Xt为目标信号频域函数；Xs为烟雾干扰后信号的频域函数；KT为目标信号幅频函数；KS为烟雾干扰后信号的幅频函数。
5.如权利要求1所述的基于四象限探测器的调频测距系统，其特征在于，所述光电探测器为APD探测器。
6.如权利要求1所述的基于四象限探测器的调频测距系统，其特征在于，所述调频连续波激光信号为锯齿波或者三角波调频信号。
7.一种基于四象限探测器的调频测距方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项所述的基于四象限探测器的调频测距系统进行测距，包括如下步骤：
步骤1，激光发射子系统发射调频连续波激光信号；
所述调频连续波激光信号作为本振信号传送到四象限混频器中；
步骤2，接收光学系统将目标反射的激光回波信号汇聚至四象限光电探测器，四象限光电探测器将激光信号转化为相应的电信号；
步骤3，所述四象限光电探测器将各个象限对应的电信号均与本振信号进行混频，生成包含目标信息的差频信号，并将差频信号发送到信号处理模块；
步骤4，所述信号处理模块对接收到的四象限差频信号进行频谱处理，对所述四象限差频信号先两两组合，得到两个组合，每个组合内的差频信号之间进行频域相关运算，得到该组合的频域相关运算结果，将两个组合的频域相关运算结果再做一次相关运算，得到回波差频信号频谱，实现测距。
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