CN112051583B - Fmcw距离测量系统中拍频信号非线性校正方法 - Google Patents

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Abstract

一种FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，解决了现有借助辅助干涉仪比相的非线性校正受调频非线性的影响导致信噪比低的问题，属于信号处理技术领域。本发明包括：S1、对辅助干涉仪的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪信号的相位信息，利用该相位信息获取用于非线性校正的正交基，该正交基包含调频非线性信息；S2、对测量干涉仪信号进行采样，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换，完成非线性校正。本发明采用辅助干涉仪对光源信号进行采样，利用辅助干涉仪的信号作为谱分析方法中使用的正交基，代替原有的线性相位正交基对测量路信号进行谱分析，可以有效的消除调频非线性以及光源跳模带来的影响。

Description

FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法
技术领域
本发明涉及一种信号非线性校正方法，特别涉及一种FMCW激光雷达拍频信号非线性校正方法，属于信号处理技术领域。
背景技术
为适应高精密、高速度测量技术的需求，多种不同的光源在激光FMCW(FrequencyModulated Continuous Wave，频率调制连续波)距离测量系统中得到应用，这些扫频光源所具有的特性对测量系统最终指标有着直接的影响。光源的扫频带宽直接影响测量精度，而扫频速度也会直接决定系统的测量速度。在光源以更高带宽进行扫频时，如图1所示，其拍频频率与被测距离成正比，相应的在频谱图上会形成更精密峰值，如图2所示，通过测量峰值处频率，可以解算出目标的距离。在光源存在扫频非线性时，会导致目标的距离谱发生展宽，从而无法准确提取目标对应频率，影响激光雷达对目标的探测识别。
为了消除上述影响，人们往往使用非线性消除方法对拍频信号进行预处理。常用的方法有光电锁相环法和比相法等。
锁相环对非线性的控制最为直接，以此进行绝对距离测量信噪比高，可以实现非合作目标测量。但该方案结构复杂，实现难度较大，并且目前无法对激光器实现全调频范围的非线性校正。
借助辅助干涉仪进行比相的方案结构简单，容易实现。但该方案的非线性校正是在后续的信号处理阶段进行的，这导致直接采集到的信号受调频非线性的影响信噪比很低。
发明内容
针对现有借助辅助干涉仪比相的非线性校正受调频非线性的影响导致信噪比低的问题，本发明提供一种提高拍信号谱分析精度的FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法。
本发明的一种FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，所述方法包括：
S1、对辅助干涉仪的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪信号的相位信息，利用该相位信息获取用于非线性校正的正交基，该正交基包含调频非线性信息；
S2、对测量干涉仪信号进行采样，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换，完成非线性校正。
作为优选，所述S1中，辅助干涉仪信号的相位信息φaux(n)：
Figure BDA0002649593480000021
其中，f(n)表示激光频率，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速；
用于非线性校正的正交基
Figure BDA0002649593480000022
Figure BDA0002649593480000023
其中，zp表示一系列距离值，在目标可能出现的范围内进行选择。
作为优选，所述S2中，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换为：
Figure BDA0002649593480000024
其中，测量干涉仪信号sm(n)的长度为N。
作为优选，所述方法还包括：
绘制X(zp)的曲线，X(zp)取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm。
作为优选，所述测量信号为激光雷达信号、微波雷达信号、光纤通信中振动信号或光纤反射信号。
本发明的有益效果：为了消除调频非线性带来的影响，本发明采用辅助干涉仪对光源信号进行采样，利用辅助干涉仪的信号作为谱分析方法中使用的正交基，代替原有的线性相位正交基对测量路信号进行谱分析，仿真实验证明该方法可以有效的消除调频非线性以及光源跳模带来的影响，提高信噪比。
附图说明
图1为非线性扫频下的时域信号；
图2为图1的频域信号；
图3为使用CZT变换方法的信号频谱图，横坐标表示频率，纵坐标表示幅值；
图4为使用本发明的信号频谱图，横坐标表示频率，纵坐标表示幅值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在FMCW距离测量系统中，测量干涉仪干涉信号表示为：
Figure BDA0002649593480000031
Figure BDA0002649593480000032
其中n表示采样点序号，与时间成正比。
f(n)表示激光频率，zm表示测量干涉仪待测光程差，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速。
若不存在调频非线性，则f(n)为线性的，干涉信号的相位也是线性的，通过傅里叶变换即可得到待测光程差zm。但实际上激光器频率调制无法做到线性，并且该非线性没有规律。为了克服这个问题，本实施方式提出了下述非线性校正方法。
本实施方式的FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，包括：
步骤一、对辅助干涉仪的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪信号的相位信息，利用该相位信息获取用于非线性校正的正交基，该正交基包含调频非线性信息；
步骤二、对测量干涉仪信号进行采样，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换，完成非线性校正。
本实施方式中辅助干涉仪信号的相位信息和测量干涉仪信号具有相同的非线性及相位跳变特征，可相互抵消，则最终运算结果与该特征无关。
优选实施例中，对辅助干涉仪信号saux(n)进行希尔伯特变换，得到辅助干涉仪信号的相位φaux(n)：
Figure BDA0002649593480000033
则用于非线性校正的正交基表示为：
Figure BDA0002649593480000041
其中zp为一系列距离值，在目标可能出现的范围内进行选择。该正交基中包含激光器调频非线性信息。
本实施方式的步骤二，可用上述正交基对测量干涉仪信号sm(n)进行分解，其变化为：
Figure BDA0002649593480000042
其中，测量信号的序列sm(n)的长度为N；
从公式中可以看出，当zp＝zm时，X(zp)取最大值。
因此绘制X(zp)的曲线，X(zp)取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm，消除了调频非线性的影响。本实施方式可应用FMCW距离测量系统应用在激光雷达、微波雷达、光纤通信中振动测量或利用光纤反射对光纤中断点检测等应用中。
以传统CZT方法为例，测量信号的序列x(n)的长度为N，分析Z平面上某频点
Figure BDA0002649593480000043
(θ0为起始采样点的相角)附近的M点频谱采样值，则采样点zp为：
Figure BDA0002649593480000044
其中，A0表示起始取样点的半径长度，W0表示螺旋线的伸缩率，当A0＝1、W0＝1时，可以实现在单位圆上细化，
Figure BDA0002649593480000045
为相邻抽样点的角度差，即采样间隔；
计算抽样点处的Z变换：
Figure BDA0002649593480000046
式中A-nWnp为一具有线性相位特性的正交基，由于待分析信号x(n)具有非线性，此时二者进行运算后，无法消除非线性，导致频谱展宽。
当使用同样具有非线性的辅助干涉仪信号φaux(n)代替原线性相位项后，原式变为：
Figure BDA0002649593480000047
此时，由于x(n)、φaux(n)均具有相同的非线性及相位跳变特征，可相互抵消，则最终运算结果与该特征无关。
对同样信号使用CZT与本实施方式方法的对比结果如图3和图4所示。
本实施例以辅助干涉仪信号作为频谱分析正交基的谱分析算法保留了FFT运算速度快，以及CZT变换频谱分辨率高的优点，同时又避免了其缺点，实现了在拍频信号具有非线性或相位不连续的条件下，可对整段信号实现高精度频率提取的要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、对辅助干涉仪的信号进行希尔伯特变换，获得辅助干涉仪信号的相位信息，利用该相位信息获取用于非线性校正的正交基，该正交基包含调频非线性信息；
用于非线性校正的正交基
Figure FDA0003542743820000011
Figure FDA0003542743820000012
其中，zp表示一系列距离值，在目标出现的范围内进行选择；φaux(n)表示辅助干涉仪信号的相位信息，zaux表示辅助干涉仪光程差，c表示光速；
S2、对测量干涉仪信号进行采样，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换，完成非线性校正；
所述S2中，利用S1中的正交基对测量干涉仪信号进行变换为：
Figure FDA0003542743820000013
其中，测量干涉仪信号sm(n)的长度为N。
2.根据权利要求1所述的FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，其特征在于，所述S1中，辅助干涉仪信号的相位信息φaux(n)：
Figure FDA0003542743820000014
其中，f(n)表示激光频率。
3.根据权利要求1所述的FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，其特征在于，所述方法还包括：
绘制X(zp)的曲线，X(zp)取最大值时，zp＝zm，即可得到测量干涉仪待测光程差zm。
4.根据权利要求3所述的FMCW距离测量系统中拍频信号非线性校正方法，其特征在于，测量干涉仪信号为激光雷达信号、微波雷达信号、光纤通信中振动信号或光纤反射信号。
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