CN111750972A - 一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法 - Google Patents

一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法 Download PDF

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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提供了一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，能够实现对高频率振动目标振动信息的测量。通过使用线性调频Z变换的方法，对雷达本振信号和回波信号频率谱进行分析，通过使用二次频谱细化的方式，解决了因双频激光拍频频率过高导致的傅里叶频谱频率分辨率和一次频谱细化频谱分辨率不足的问题；以及解决了在采样频率固定的条件下，振动速度多普勒频移较小和傅里叶频谱分辨率不足这一矛盾，利用对目标微小振动速度的测量，进而得到目标的整个振动情况，实现了对高频率振动目标振动信息的测量。同时，本发明拥有良好的准确性、速度分辨率，计算复杂度不高，可以基本满足日常中的振动情况测量的需求。

Description

一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法
技术领域
本发明属于双频激光雷达振动测量技术领域，具体涉及一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法。
背景技术
振动测量是航空航天、机械工程、土木工程、生物医学等众多领域中的一个重要应用。通常，测量目标物体的振动主要有机械测量、光学测量和微波测量三种方法。其中，微波测量振动基于雷达遥感和差分干涉测量技术，通过向被测量物体发射微波，以获得目标振动的多普勒频移信息，再通过差分干涉测量计算出目标不同时刻反射回波的相位差，得到物体的振动位移，从而进一步得到一个时间段内目标表面的振动信息。但受限于微波较长的波段，此类系统无法达到一个很高的探测精度。光学测量由于非接触、精度高、范围广等特点，具有十分优秀的应用前景。光学测量中最常用的方法是激光多普勒技术，其利用多普勒原理，通过分析回波信号中的频移，反演出目标的振动速度。目前，从使用的光源上分，有单频激光多普勒技术与双频激光多普勒技术。单频激光通过信号光与本振光进行相干，使得频移信号位于探测器可探测的中频段，对频率进行解调后做时频分析，以得到目标的振动信息。单频激光振动测量虽然能够产生较大的频移、得到较好的分析结果，但是其易受大气扰动影响，对结果造成干扰，同时时频分析计算复杂度高，需要大量的计算资源。双频激光克服了大气湍流的影响，但是其观测到的多普勒频移较小，所需采样频率较高，导致了采集数据量大，频率分辨率不足，难以通过传统的快速傅里叶变换及时频分析快速得到精确的目标振动信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，能够实现对高频率振动目标振动信息的测量。
为实现上述目的，本发明一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法技术方案如下：
获得本振信号和回波信号的傅里叶频谱及其频谱分辨率f0，获得本振信号以及回波信号的傅里叶频谱频率；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的傅里叶频谱分别进行一次频谱细化，获得一次频谱细化频谱及其分辨率f0’、本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号的傅里叶频谱频率为中心，选取中心正负N个频谱分辨率f0对应的范围，确定一次频谱细化的起始频率及步长；N根据需求设定；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的一次频谱细化频谱分别进行二次频谱细化，获得二次频谱细化后的本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号峰值频率为中心，选取中心正负M个频谱分辨率f0’对应的范围，确定二次频谱细化的起始频率及步长；M根据需求设定；
将二次频谱细化后的本振信号和回波信号峰值频率之差做为因目标移动产生的多普勒频移，通过多普勒频移公式得出目标运动速度；
将目标运动速度按照时间顺序进行排序，获得目标的振动速度序列；
根据目标的振动速度序列，得到目标振动方程，完成目标振动测量。
其中，所述本振信号和回波信号的获得方式为：
将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到双频激光源；
将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号；另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经探测器探测接收后得到所述回波信号。
其中，所述傅里叶频谱分辨率根据采样率及采样点数获得。
其中，通过以下公式分别计算本振信号和回波信号的细化频谱：
Figure BDA0002509614790000031
其中，x(n)为经AD采集到的离散信号，包括所述本振信号和回波信号；A0、W0在计算时取1，θ0为待分析信号起始频率，
Figure BDA0002509614790000035
为频率步长，r为。
其中，通过以下公式计算探测目标的运动速度：
Figure BDA0002509614790000032
其中，f22为二次频谱细化后得到的回波信号峰值频率，f12二次频谱细化后得到的本振信号峰值频率，fL为双频激光拍频信号频率，c为光速。
其中，根据目标的振动速度序列得到目标振动方程的方式为：
通过以下公式计算目标物体振动位移曲线：
Figure BDA0002509614790000033
取其极值即可得到目标物体振动幅度A；对振动幅度曲线进行正弦曲线拟合，求拟合曲线相邻零点的时间间隔t，物体的振动频率f即为1/(2t)；
通过以下公式计算目标物体加速度曲线：
Figure BDA0002509614790000034
得到目标振动方程y(t)＝Acos(2πf)。
有益效果：
本发明提供了一种应用于双频连续激光雷达的振动速度测量方法，通过使用线性调频Z变换的方法，对雷达本振信号和回波信号频率谱进行分析，将激光测量的高精度和双频激光抗大气扰动能力强的优点充分发挥出来。通过使用二次频谱细化的方式，解决了因双频激光拍频频率过高导致的傅里叶频谱频率分辨率和一次频谱细化频谱分辨率不足的问题；以及解决了在采样频率固定的条件下，振动速度多普勒频移较小和傅里叶频谱分辨率不足这一矛盾，利用对目标微小振动速度的测量，进而得到目标的整个振动情况，实现了对高频率振动目标振动信息的测量。同时，本发明拥有良好的准确性、速度分辨率，计算复杂度不高，可以基本满足日常中的振动情况测量的需求。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
本发明利用了傅里叶变换和线性调频Z变换以及多普勒原理，对速度频谱进行细化，通过对目标振动频率和速度求解得到目标振动方程，仅需对较短的信号回波段进行计算即可得到目标的振动情况，较传统方法而言计算量小、精确度高，且系统结构简单稳定。
本发明适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，包括如下步骤：
获得本振信号和回波信号的傅里叶频谱及其频谱分辨率f0，获得本振信号以及回波信号的傅里叶频谱频率；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的傅里叶频谱分别进行一次频谱细化，获得一次频谱细化频谱及其分辨率f0’、本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号的傅里叶频谱频率为中心，选取中心正负N个频谱分辨率f0对应的范围，确定一次频谱细化的起始频率及步长；N根据需求设定；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的一次频谱细化频谱分别进行二次频谱细化，获得二次频谱细化后的本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号峰值频率为中心，选取中心正负M个频谱分辨率f0’对应的范围，确定二次频谱细化的起始频率及步长；M根据需求设定；
将二次频谱细化后的本振信号和回波信号峰值频率之差做为因目标移动产生的多普勒频移，通过多普勒频移公式得出目标运动速度；
将单个目标速度按时间组合成速度序列，得到目标振动速度，完成目标振动测量。
其中，本振信号和回波信号的傅里叶频谱分辨率相同。
结合具体实施例，本发明包括以下具体步骤：
步骤1，将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到所述双频激光源；双频激光源的拍频频率为fB；
步骤2，将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号，通过模拟信号处理电路进行降频处理后，其傅里叶频谱频率为f1；另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经探测器探测接收后得到所述回波信号，通过模拟信号处理电路进行降频处理后，其傅里叶频谱频率为f2；
步骤3，使用采样率为fs，采样点数为P，采集数据序列长度为L，得到所述傅里叶频谱分辨率为f0；
步骤4，通过以下公式分别计算本振信号和回波信号的细化频谱：
Figure BDA0002509614790000051
其中，x(n)为经AD采集到的离散信号，A0、W0在计算时取1，θ0为待分析信号起始频率，计算时取f1-f0，
Figure BDA0002509614790000053
为频率步长，计算时取2f0，即N＝1；经一次频谱细化后得到本振信号峰值频率f11和回波信号峰值频率f21；
步骤5，通过步骤4中的公式计算本振信号和回波信号的二次频谱细化频谱，此时θ0计算时取f11-f0’，
Figure BDA0002509614790000054
取2f0’，即M＝1，其中f0’为步骤4得到的一次频谱细化频谱的分辨率；经二次频谱细化后得到本振信号峰值频率f12和回波信号峰值频率f22；
步骤6，通过以下公式计算探测目标的运动速度：
Figure BDA0002509614790000052
其中，fB为双频激光拍频信号频率，c为光速；
步骤7，以采样点数为单个序列长度，重复步骤3至步骤6，继续顺序计算整个数据序列的目标运动速度。计算完整个数据序列后，将所得速度按顺序构成速度序列，此序列即为目标振动速度序列。
步骤8，根据步骤7所得目标的振动速度序列，通过以下公式计算目标物体振动位移曲线：
Figure BDA0002509614790000061
取其极值即可得到目标物体振动幅度A；对振动幅度曲线进行正弦曲线拟合，求拟合曲线相邻零点的时间间隔t，物体的振动频率f即为1/(2t)；
通过以下公式计算目标物体加速度曲线：
Figure BDA0002509614790000062
根据上述计算结果，可得到目标振动方程为：
y(t)＝Acos(2πf)
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 (6)

1.一种适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，获得本振信号和回波信号的傅里叶频谱及其频谱分辨率f0，获得本振信号以及回波信号的傅里叶频谱频率；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的傅里叶频谱分别进行一次频谱细化，获得一次频谱细化频谱及其分辨率f0’、本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号的傅里叶频谱频率为中心，选取中心正负N个频谱分辨率f0对应的范围，确定一次频谱细化的起始频率及步长；N根据需求设定；
利用线性调频Z变换对本振信号和回波信号的一次频谱细化频谱分别进行二次频谱细化，获得二次频谱细化后的本振信号以及回波信号的峰值频率；其中，以各自信号峰值频率为中心，选取中心正负M个频谱分辨率f0’对应的范围，确定二次频谱细化的起始频率及步长；M根据需求设定；
将二次频谱细化后的本振信号和回波信号峰值频率之差做为因目标移动产生的多普勒频移，通过多普勒频移公式得出目标运动速度；
将目标运动速度按照时间顺序进行排序，获得目标的振动速度序列；
根据目标的振动速度序列，得到目标振动方程，完成目标振动测量。
2.如权利要求1所述的适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，所述本振信号和回波信号的获得方式为：
将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到双频激光源；
将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号；另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经探测器探测接收后得到所述回波信号。
3.如权利要求1所述的适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，所述傅里叶频谱分辨率根据采样率及采样点数获得。
4.如权利要求1所述的适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，通过以下公式分别计算本振信号和回波信号的细化频谱：
Figure FDA0002509614780000021
其中，x(n)为经AD采集到的离散信号，包括所述本振信号和回波信号；A0、W0在计算时取1，θ0为待分析信号起始频率，
Figure FDA0002509614780000022
为频率步长，r为。
5.如权利要求1所述的适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，通过以下公式计算探测目标的运动速度：
Figure FDA0002509614780000023
其中，f22为二次频谱细化后得到的回波信号峰值频率，f12二次频谱细化后得到的本振信号峰值频率，fL为双频激光拍频信号频率，c为光速。
6.如权利要求5所述的适用于双频连续激光雷达的目标振动测量方法，其特征在于，根据目标的振动速度序列得到目标振动方程的方式为：
通过以下公式计算目标物体振动位移曲线：
Figure FDA0002509614780000024
取其极值即可得到目标物体振动幅度A；对振动幅度曲线进行正弦曲线拟合，求拟合曲线相邻零点的时间间隔t，物体的振动频率f即为1/(2t)；
通过以下公式计算目标物体加速度曲线：
Figure FDA0002509614780000025
得到目标振动方程y(t)＝Acos(2πf)。
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