CN111624614A

CN111624614A - 一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统

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Publication number: CN111624614A
Application number: CN202010520369.0A
Authority: CN
Inventors: 鞠有伦; 姜晓帆; 吴佳泽
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: CN111624614B

Abstract

本发明公开了一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统，其中所述测距的方法包括：将激光发射光中的一部分作为本振光，另一部分经移频处理后作为信号光；将所述本振光与所述信号光回波进行混频及光电转换等处理，得到混频电信号；对所述混频电信号进行数据处理，获得目标的距离。本发明可进行高精度距离探测，探测能力强、灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性和可靠性高。

Description

一种通过激光相干探测进行测距的方法及系统

技术领域

本发明涉及激光测距方法的技术领域。

背景技术

相较于微波而言，激光具有良好的带宽和更好的方向指向性，因此是更理想的测距测速工具。常用的激光探测方式包括直接探测和相干探测，其中传统的激光测距主要通过测距雷达的直接探测进行，但其灵敏度较低，抗干扰能力弱，应用受到的限制大。而相对于直接探测，相干探测具有探测能力更强、稳定性和可靠性更高的优势，但其在现有技术中主要应用于测速，难以直接、高效地应用于测距中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过激光相干探测进行测距的方法，其可以进行高精度的距离探测，探测能力强、灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性和可靠性高。

本发明首先提供了如下的技术方案：

一种通过激光相干探测进行测距的方法，其包括：

将激光发射光中的一部分作为本振光，另一部分经移频处理后作为信号光；

将所述本振光与所述信号光回波进行混频处理，得到混频光信号，其中所述回波包括所述信号光在雷达镜面上的回波及其在目标物体上的回波，即镜面回波与目标回波；

对所述混频光信号进行光电转换，得到混频电信号；

对所述混频电信号进行数据处理，获得目标的距离。

在一些具体实施方式中，所述数据处理过程包括：

获得所述混频电信号的时域图；

截取所述时域图中的一段信号，对其进行傅里叶变换，得到截取信号的频域图；

自所述频域图中找出幅值强度最大的点对应的频率，即为回波信号的中心频率；

对所述时域图中的全部信号进行滑动截取，并对每段截取信号进行傅里叶变换，得到每段截取信号的频率-模值图；

自所述频率-模值图中找出所述中心频率对应的模值，将其与该信号在时域图中的时间进行对应，得到时间-模值图；

根据所述时间-模值图获得目标距离。

在一些具体实施方式中，所述混频电信号通过数据采集卡采集并数据化。

优选的，所述数据采集卡为高速数据采集卡。

在一些具体实施方式中，在获得所述频域图时，对所述时域图的截取长度为：

其中，T表示脉冲激光的宽度，Fs表示所述采集卡的采样率。

上述方案中，所述滑动截取是指的自起始信号开始，顺次向后截取一定长度的信号段，从而得到多个用以进行后续处理的信号段的过程。

优选的，每个信号段的起始信号与其前一个信号段的起始信号相邻。

在一些具体实施方式中，所述信号段的长度为N。

优选的，在截取段长度大于所述时域图中剩余信号的数量时，对所述时域图进行数据补充。

补充数据优选为0。

在一些具体实施方式中，所述傅里叶变换选自快速傅里叶变换。

在一些具体实施方式中，所述目标为静止目标。

在一些具体实施方式中，所述静止目标的距离通过下式得到：

其中，c表示光速，△t＝t₂-t₁，且：

其中，x₁及x₂表示所述镜面回波信号在所述时间-模值图中与有效模值区间对应的起始时间值与终止时间值，x₃及x₄表示所述目标回波信号在所述时间-模值图中与有效模值区间对应的起始时间值与终止时间值。

优选的，所述镜面回波信号的有效模值区间为δ1，所述目标回波信号的有效模值区间为δ2，其中：

δ₁＝1/e²*D_max1；δ₂＝1/e²*D_max2；

其中，所述D_max1表示所述时间-模值图中与所述镜面回波信号相对应的峰的峰值，所述D_max2表示所述时间-模值图中与所述目标回波信号相对应的峰的峰值。

在一些具体实施方式中，所述移频处理选用的移频频率f_IF可根据市场产品进行选择。

考虑到现有示波器产品对信号观测的便利性，优选所述移频处理选用的移频频率f_IF为整数频率，如100MHz。

在一些具体实施方式中，对所述混频电信号进行采集时的采样率不小于所述混频信号的差频项频率的2倍。

优选的，所述采样率不小于所述混频信号频率的4倍。

该采样率基于奈奎斯特采样定理，在实际选择时，可根据信号频率的上、下限等进行估计。如针对静止目标，采用100MHz的移频，则探测到的混频信号的差频项频率也是100MHz，但实际应用时，应考虑到移频器器件的不稳定性可能带来的实际工作带宽，可取移频器极限情况工作频率为0-200MHz中某一值，则最大可能的实际工作频率为200MHz，优选的，则采样率Fs应大于2*200MHz＝400MHz＝4f_IF。

采样率越高信号失真越小，因此具体实施时，采样率的上限可根据设备及其他的允许选择最大。

在一些具体实施方式中，所述激光发射光的脉冲宽度不小于3/f_IF。

理论上，所述发射光的脉冲宽度越短越好，但通常情况下其脉冲不应小于1/f_IF。这是由于初始位置镜面回波的存在，使得雷达具有测距盲区，若目标回波信号在镜面回波信号之内，则无法进行距离分辨，若发射光脉冲宽度小于1/f_IF，则采集不到完整的拍频周期，无法进行后续处理。

同时，在本发明中，考虑到后续处理需要对收集到的信号进行长度N的截取，而N中最好包含3个以上的完整移频周期，因此脉冲宽度优选≥3/f_IF。

本发明进一步提供了一种通过激光相干探测进行测距的系统，其用于上述方法中。

在一些具体实施方式中，所述系统包括激光发生装置、分光装置、移频装置、发射装置、接收装置、混频装置、光电转换装置、信号放大装置、滤波装置、高速采集卡和数据存储及处理装置。

本发明具备如下有益效果：

本发明的测距方法可有效解决传统激光测距灵敏度较低，抗干扰能力弱等缺点，特别适合远距离高精度探测。

本发明不需要对混频信号进行多段调制与解调处理，仅通过对发射光进行单一移频处理，再对回波信号与本振信号光的混频进行测算，即可得到目标的距离信息。

本发明能够对目标物的距离进行快速准确的测算，同时，因移频处理的存在，还能够对运动的目标物的运动方向和速度进行探测。

在雷达能量足够高使其能够接收到回波信号的前提下，本发明可测量至无限远距离，并具有较高的精度及准确性。

附图说明

图1为具体实施方式中所述系统结构图；

图2为具体实施方式中所述方法流程图；

图3为具体实施方式中所述时域统计图；

图4为具体实施方式中所述傅里叶转换后的频域图；

图5为具体实施方式中所述时间-模值统计图；

图6为具体实施方式中所述距离测算示意图；

图7为具体实施方式所述仿真实验中所述时域统计图；

图8为具体实施方式所述仿真实验中所述截取后信号图；

图9为具体实施方式所述仿真实验中所述频域(频谱)图；

图10为具体实施方式所述仿真实验中所述补0后信号图；

图11为具体实施方式所述仿真实验中所述时间-模值统计图；

图12为具体实施方式所述仿真实验中所述距离测算图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施方式和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

通过如附图1所示的系统经附图2所示的流程进行测距，包括：

S1：

由固体激光器产生激光，经过分光器将其分为两路，其中一路作为本振光Es(t)，一路经移频器进行频移后作为信号光E_L(t)通过发射镜头发出，其中信号光E_L(t)为大能量脉冲激光(通常激光脉宽为10ns—500ns)，本振光和信号光可分别表示为：

ω_s＝ω_L+ω_AOM+ω_H (1-3)

其中E_S表示信号光的振幅，ω_s表示信号光角频率，

表示信号光的初相位，E_L表示本振光的振幅，ω_L表示本振光角频率，

表示本振光的初相位，ω_AOM表示移频器角频率，ω_H表示目标回波光的多普勒频移的角频率，对静止目标，ω_H＝0，t表示时间变量。

S2：

信号光发出后少量在照射至雷达自身镜面后返回形成镜面回波，如当发射镜镀增透膜透过率为99％时，1％的发射光会反射形成镜面回波；大部分发射光通过镜头照射至目标物后返回形成目标回波，由镜面回波和目标回波组成的回波信号通过接收镜头被接收到，其后与本振光在混频器内进行混频，得到混频光信号。

S3：

通过光电探测器如PIN光电二极管对混频光信号进行光电转换、放大及滤波处理，得到混频电信号。

设信号光与本振光有很好的波前匹配，其后垂直入射探测器，则经混频后探测器的理论输出电流为：

将式(1-1)和式(1-2)代入，可得：

从式(1-4)可以看出，所得混频电流信号中，前两项为探测器响应的直流项，后两项为交流项。由于激光测类雷达的工作波长为光频率，信号光与本振光的频率ω_S、ω_L较大，使得它们的和频项(ω_S+ω_L)更大，探测器无法响应频率过高的和频项，但可以响应差频项，因此探测器响应后的输出电流为：

其中，ω_IF＝2πf_IF为信号光与本振光的差频项角频率，若目标静止则其为移频器角频率ω_AOM，若目标运动则为移频器频率与目标多普勒频移的和项ω_H+ω_AOM。

其后通过放大器将输出电流放大，并经中频滤波器后将直流项滤除，可得到含有频移信息的混频电信号如下：

S4：

通过高速数据采集卡采集所述混频电信号，得到进行距离解算的基础数据，以系统接收到的第一个镜面回波信号为基准信号，亦为信号处理的数据起点，即统计图表中时间坐标为零时对应的点，对基础数据进行如下的处理：

S40：对回波信号进行时域统计：

统计采集到的一段时间内信号随时间的变化情况，该段时间自基准信号始至获得目标信号以后，可得到如附图3所示的信号时域图，其包含两组峰，第一组峰表示镜片回波，第二组峰表示目标回波。

S41：截取统计时域内自基准信号开始的前N个数据点组成的曲线，并对其进行傅里叶变换，更优选的，对其进行快速傅里叶变换，得到如附图4所示的频域图，以其中振幅值最大的点对应的频率，即该点的横坐标的值为回波信号的中心频率，对于静止目标，其中心频率即为移频器频率ω_AOM，将其作为基准频率，对于运动目标，其中心频率即为移频器频率与目标的多普勒频移的和项ω_H+ω_AOM，其中：

截取长度N优选为：

其中，T表示脉冲激光的宽度；Fs表示采集卡的采样率，其可以基于采样定理的要求进行适当的选择。

上述步骤中，因信号光带有固定的移频量，故其对应的回波信号也具有该移频量，而本振光未移频，两者的混频进行傅里叶变换后，频域图中的中心频率在移频器频率附近。若测距目标静止，只需提取中心频率所对应的点作为基准频率；若测距目标是运动的，则其中心频率除了移频器移频外，还带有多普勒移频量，通过多普勒移频与移频器移频的对比，可分辨出目标物是在远离还是靠近，即分辨出目标物的运动方向(正/负方向)。

以下步骤以静止目标为例，本领域技术人员可在以下实施方式的基础上，对运动目标进行类似地分离和处理过程。

S42：截取统计时域内自基准信号开始的每N个数据点组成的曲线，对其分别进行滑动傅里叶变换，更优的，对其分别进行滑动的快速傅里叶变换，即首先对数据点1～N进行傅里叶变换，其后对基准信号之后的第二个数据点开始的前N个数据点，即数据点2～N+1进行傅里叶变换，类似地，对数据点3～N+2、4～N+3等至M～M+N依次进行傅里叶变换，其中M表示统计时域内的最后一个采样数据点。并统计每一次滑动变换后该段数据中所述基准频率对应的信号点的模值。

在变换过程中，若出现数据空缺现象，则对空缺处进行填0，以满足数据循环，如数据总长度为M，截取长度N＝500，N<M，则于M末尾处填499个0，以满足最后500次的数据滑动傅里叶变换。

上述过程中，因时域图中每个回波信号的振幅不同，其在滑动傅里叶变换后对应的中心频率的模值即不相同。在经过M次滑动傅里叶变换后，即会得到中心频率对应的M个模值。

S43：将通过步骤S42获得的每段变换后的所述模值与该信号点在其时域图中的时间进行对应，得到如附图5所示的时间-模值统计图。图中的两个峰即分别对应基准信号和目标信号。

S44：如附图6所示，自所述时间-模值统计图中分别获取基准信号峰及目标信号峰的模值峰值D_max1，D_max2，将其分别乘以

后，即得到有效区间对应的模值δ₁与δ₂，在统计图中进一步找到δ₁对应的基准信号起始点坐标x₁及终止点坐标x₂，具体的，可通过如下的方式：自模值δ₁处画出与横轴平行的辅助线，使其与基准信号的曲线图相交，所得的两个交点的横坐标即为x₁及x₂，其分别代表基准信号有效模值区间对应的起始时间与终止时间；类似地，找到δ₂对应的目标信号起始点坐标x₃及终止点坐标x₄，其分别代表目标回波信号有效模值区间对应的起始时间与终止时间；其后通过基准信号即镜面回波信号与目标回波信号间的时间关系，得到两者的距离关系。

具体的，如：

以基准信号有效模值区间对应的起始时间与终止时间的中间值作为接收器接受到镜面回波的时间t₁：

以目标回波信号有效模值区间对应的起始时间与终止时间的中间值作为接收器接受到目标回波的时间t₂：

进一步可得到两点之间的时间差△t，即激光飞行时间，亦即激光发射初始时刻到激光回波探测时刻的时间间隔：

△t＝t₂-t₁：

其后由时间飞行法计算出单点目标的距离L：

其中，c表示光速，在不考虑大气折射率的影响时即光在真空中的速度。

根据以上测距方法进行仿真实验，

其中，静止目标与雷达的实际距离为229.5m，设置高速数据采集卡的采样率Fs为5GHz，激光脉冲宽度为300ns，移频器的移频频率为100MHz，回波信号中模拟实际情况加入高斯白噪声。根据以上步骤S1-S4进行测距。

其中，在经过步骤S1-S3及S40的时域统计后，可得到如附图7所示的时域图，所得时域图中共含有16384个数据点。

在图7的基础上，根据式(1-8)

确定截取长度N＝500对其进行截取，截取后信号图如附图8所示。

对附图8中的信号进行FFT处理，得到其频域图，如附图9所示，从图中可以看出，该信号段的中心频率为100MHz，与移频器的移频频率吻合，该频率亦即前述基准频率。

在图7的基础上，对数据点1～500、2～501、……至16384～16883进行滑动FFT处理，因所得时域图中实际只含有16384个数据点，即数据点1～16384，需要在16385～16883处进行补0，共需补充499个0，可得到如附图10所示的补0后信号图。

在滑动FFT处理后，找到每次处理的数据段中频率为100MHz即基准频率对应的数据点的模值，将该模值与该数据点在时域图中的时间进行对应，得到其时间-模值统计图，如附图11所示。

其后如附图12所示，根据步骤S44得到目标距离，其中：

D_max1＝16523.64957693302；D_max2＝2680.386055061393；

δ₁＝2236.232795596766；δ₂＝362.7508059452005；

x₁＝0.1762μs；x₂＝0.7700μs；

x₃＝1.7092μs；x₄＝2.3000us；

可得

测距起点位置时间

测距目标位置时间

可得两点时间差△t＝t₂-t₁＝1.5315μs

则距离

由上述仿真结果可知，测距结果与实际设定情况相差0.066m，误差<0.1m。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的一些具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。