CN112114326A - Fmcw距离测量的扫频信号拼接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法及装置涉及一种信号处理方法及装置，目的是为了克服现有FMCW距离测量中信号拼接具有的相位跳变问题时，导致激光雷达探测识别精度低问题，其中方法具体包括：引入辅助干涉仪，得到第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位；根据第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位，以及拼接后的辅助干涉信号，得到拼接后的辅助干涉信号的相位信息；通过拼接后的辅助干涉信号的相位信息，得到用于相位跳变消除的正交基；利用正交基消除拼接后的测量干涉信号中由拼接产生的相位跳变。

Description

FMCW距离测量的扫频信号拼接方法及装置
技术领域
本发明涉及一种信号处理方法及装置，具体涉及一种消除FMCW激光雷达的扫频信号拼接产生的相位跳变的方法和装置。
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调频连续波系统中得到应用，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，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，通过测量峰值处频率，可以解算出目标的距离。对于测距系统来说，其测距分辨率和精度正比于扫频带宽，可以通过增加扫频带宽的方法提高测距系统分辨率。可以通过半导体激光器的扫频带宽方法，通过频谱拼接的方式实现宽带的扫频测量。
然而，拼接后信号中存在的相位不连续性也会对测距结果带来负面影响，在测距信号存在拼接导致的相位跳变问题时，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。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有FMCW距离测量中信号拼接具有的相位跳变问题时，导致激光雷达探测识别精度低问题，提供了一种FMCW距离测量的扫频信号拼接方法及装置。
本发明的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，具体包括如下步骤：
步骤一、令第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光分别通过气体吸收室，得到第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光的气体吸收峰重合峰的位置；
第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光顺序通过测量干涉仪，分别得到第一测量干涉信号和第二测量干涉信号；并根据重合峰的位置对第一测量干涉信号和第二测量干涉信号进行拼接得到拼接后的测量干涉信号；
第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光分别通过辅助干涉仪，分别得到第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号；并根据重合峰的位置对第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号进行拼接得到拼接后的辅助干涉信号；
第一扫频激光器和第二扫频激光器为两个连续扫频的激光器，且第一个扫频激光器扫频频率的末端与第二个扫频激光器扫频频率的起始端存在重合；
步骤二、对第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号分别进行希尔伯特变换，得到第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位；
步骤三、根据第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位，以及拼接后的辅助干涉信号，得到拼接后的辅助干涉信号的相位信息；
步骤四、通过拼接后的辅助干涉信号的相位信息，得到用于相位跳变消除的正交基；
步骤五、利用正交基消除拼接后的测量干涉信号中由拼接产生的相位跳变。
进一步地，步骤一中，第一测量干涉信号表示为：
Figure BDA0002693150740000021
其中，zm为待测距离，c为光速，f1表示第一扫频激光器的出射激光的频率，n＝1～N表示采样点序列，N表示单次采样点数；
第二测量干涉信号表示为：
Figure BDA0002693150740000022
其中f2表示第二扫频激光器的出射激光的频率；
拼接后的测量干涉信号表示为：
sm合＝[sm1(1:N1),sm2(N2:N)]
其中，N1为第一扫频激光器的出射激光的第一吸收峰尖端对应的采样点序号，N2为第二扫频激光器的出射激光的第二吸收峰尖端对应的采样点序号；且第一吸收峰和第二吸收峰为相对应的重合峰。
进一步地，步骤一中，第一辅助干涉信号为：
Figure BDA0002693150740000023
其中，zaux为辅助干涉仪的光程差；
第二辅助干涉信号为：
Figure BDA0002693150740000024
拼接后的辅助干涉信号为：
Saux合＝[Saux1(1:N1),Saux2(N2:N)]。
进一步地，步骤二中，第一辅助干涉信号的相位为：
Figure BDA0002693150740000031
第二辅助干涉信号的相位为：
Figure BDA0002693150740000032
进一步地，步骤三中，拼接后的辅助干涉信号的相位信息为：
Figure BDA0002693150740000033
进一步地，步骤四中，用于相位跳变消除的正交基为：
Figure BDA0002693150740000034
其中，zp为一系列距离值。
进一步地，步骤五中，
利用正交基消除拼接后的测量干涉信号中由拼接产生的相位跳变影响的具体步骤如下：
步骤五一、利用正交基对拼接后的测量干涉信号进行分解，得到：
Figure BDA0002693150740000035
其中，X(zp)为距离信息判据，当X(zp)取最大值时，对应的zp即为待测距离zm；N-N2+N1+1为拼接后的测量干涉仪信号长度；
步骤五二、绘制公式一的曲线，取最大值时，消除拼接产生的相位跳变。
本发明的FMCW距离测量的扫频信号拼接装置，用于上述的方法，装置包括激光器阵列、耦合器、气体吸收室、测量干涉仪、辅助干涉仪和数据接收模块；
激光器阵列包括多个扫频激光器，扫频激光器用于发出出射激光；各扫频激光器能够分别扫频不同的波段，各扫频激光器的扫频范围连续且重叠；
耦合器的光输入端与激光器阵列的出射信号端连接，用于将扫频激光器的出射激光分为三路输出；
耦合器的第一输出端与气体吸收室的光输入端连接，用于将出射激光发送至气体吸收室；
耦合器的第二输出端与辅助干涉仪的光输入端连接，用于将出射激光发送至辅助干涉仪；
耦合器的第三输出端与测量干涉仪的光输入端连接，用于将多个连续波段的出射激光顺序发送至测量干涉仪；
气体吸收室，用于接收出射激光并吸收出射激光中设定波长的能量，生成吸收后的出射激光曲线；
辅助干涉仪，用于将出射激光转换为辅助干涉信号；
数据接收模块，同时与气体吸收室和辅助干涉仪信号输出端连接，用于根据吸收后的出射激光曲线得到出射激光的吸收峰；以及接收辅助干涉信号；
测量干涉仪，用于将多个连续波段的出射激光转换为多个波段连续的测量干涉信号，并将多个波段连续的测量干涉信号拼接为拼接测量干涉信号；以及发出拼接测量干涉信号至待测物，接收从待测物返回的拼接测量干涉信号，根据发出和接收的拼接测量干涉信号得到待测光程差，即待测距离zm。
进一步地，任意两个扫频范围连续的扫频激光器所发出的出射激光分别为第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光。
本发明的有益效果是：本发明提出的以辅助干涉仪的信号作为频谱分析正交基的谱分析算法保留了FFT快速傅里叶变换运算速度快，以及CZT线性调频Z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。
附图说明
图1为本发明的FMCW距离测量的扫频信号拼接装置的结构示意图；
图2为本发明的方法中扫频信号经过气体吸收室得到的吸收后扫频信号曲线；
图3为两个扫频范围连续的单管激光器所发出的扫频信号曲线。
具体实施方式
具体实施方式一，本实施方式的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法中，当使用FMCW进行测距时，测量臂返回信号相对参考臂返回信号存在一个时延τ，由于调频激光器一直在做快速扫频，因此参考信号和测量信号之间会存在一个外差拍频fb。如果能准确测量扫频速度以及拍频信号的大小，那么就能计算时延，从而间接得到目标距离值。为了提高探测距离分辨力，最直接的办法就是增加光源的输出可调谐带宽。一种常见是使用多个输出波段相连的激光器，依次顺序发光并保持频率线性调谐。在上述测量过程中，拼接形成的合成光谱连续性对系统的测量精度有着举足轻重的作用。
如图1所示，激光器阵列1为DFB激光器阵列，其内部包含多个半导体单管激光器(扫频激光器)，可分别扫频不同的波段，扫频范围存在重叠部分。多管扫频激光器出射激光，分三部分，分别进入气体吸收室3、辅助干涉仪5、测量干涉仪4。
气体吸收室3会将固定波长的激光能量吸收，吸收后的信号曲线如图2所示
激光器阵列1中，单管激光器的扫频范围小，仅能覆盖几条吸收峰，如图3所示。两个单管激光器存在扫频交叉的区域，如图3左图的后两条吸收峰和右图的前两条吸收峰是相同的。
第一个单管激光器(第二扫频激光器)扫频时，测量干涉信号分别表示为
Figure BDA0002693150740000051
其中f1表示第二扫频激光器的出射激光的频率，n＝1～N表示采样点序列，N表示单次采样点数。
第二个单管激光器(第二扫频激光器)扫频时，测量干涉信号分别表示为
Figure BDA0002693150740000052
其中f2表示第二扫频激光器的出射激光的频率。
若对信号进行拼接，则信号的扫频范围可以加大，从而提高测量精度。若采用图3中1对应的峰进行拼接，假设第一个扫频激光器扫频时，吸收峰1的尖端对应的采样点序号为N1，第二个扫频激光器扫频时，吸收峰1的尖端对应的采样点序号为N2，则拼接后的信号可以表示为
sm合＝[sm1(1:N1),sm2(N2:N)]
此时拼接后的信号包含两个单管激光器的扫频信息。但是拼接后的信号通常相位不是连续的，这是因为气体吸收室的尖端位置不一定准确，并且采样是离散的，导致上式中的N1、N2对应的波长不是绝对相等的，从而导致相位不连续。
为了克服相位不连续的影响，本实施方式提出了下述扫频信号拼接解算方法。该方法需要借助辅助干涉仪，两个单管激光器扫频时，辅助干涉信号分别为
Figure BDA0002693150740000053
Figure BDA0002693150740000054
步骤一、分别对第一个扫频激光器和第二个扫频激光器的扫频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相位跳变消除的正交基，该正交基包含扫频相位跳变信息；
步骤二、利用上述正交基信号对测量干涉仪信号进行变换，实现目标距离测量。
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，由于上述两信号经过拼接，包含拼接导致的相位跳变项。分别对两个管扫频时的辅助干涉仪信号saux1(n)、saux2(n)，进行希尔伯特变换，得到辅助干涉仪信号的相位
Figure BDA0002693150740000061
Figure BDA0002693150740000062
Figure BDA0002693150740000063
利用气体吸收室重合峰的位置，得到拼接后的辅助干涉仪相位信息
Figure BDA0002693150740000064
则用于相位跳变消除的正交基表示为：
Figure BDA0002693150740000065
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。该正交基中包含扫频信号相位跳变信息。
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合(n)进行分解，其变化为：
Figure BDA0002693150740000066
其中，拼接后的测量干涉仪信号长度为N-N2+N1+1；
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，消除了拼接带来的相位跳变的影响。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。

Claims (9)

1.FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、令第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光分别通过气体吸收室，得到第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光的气体吸收峰重合峰的位置；
第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光顺序通过测量干涉仪，分别得到第一测量干涉信号和第二测量干涉信号；并根据所述重合峰的位置对第一测量干涉信号和第二测量干涉信号进行拼接得到拼接后的测量干涉信号；
第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光分别通过辅助干涉仪，分别得到第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号；并根据所述重合峰的位置对第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号进行拼接得到拼接后的辅助干涉信号；
所述第一扫频激光器和第二扫频激光器为两个连续扫频的激光器，且第一个扫频激光器扫频频率的末端与第二个扫频激光器扫频频率的起始端存在重合；
步骤二、对第一辅助干涉信号和第二辅助干涉信号分别进行希尔伯特变换，得到第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位；
步骤三、根据第一辅助干涉信号的相位和第二辅助干涉信号的相位，以及拼接后的辅助干涉信号，得到拼接后的辅助干涉信号的相位信息；
步骤四、通过拼接后的辅助干涉信号的相位信息，得到用于相位跳变消除的正交基；
步骤五、利用所述正交基消除拼接后的测量干涉信号中由拼接产生的相位跳变。
2.根据权利要求1所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤一中，所述第一测量干涉信号表示为：
Figure FDA0002693150730000011
其中，zm为待测距离，c为光速，f1表示第一扫频激光器的出射激光的频率，n＝1～N表示采样点序列，N表示单次采样点数；
所述第二测量干涉信号表示为：
Figure FDA0002693150730000012
其中f2表示第二扫频激光器的出射激光的频率；
所述拼接后的测量干涉信号表示为：
sm合＝[sm1(1:N1),sm2(N2:N)]
其中，N1为第一扫频激光器的出射激光的第一吸收峰尖端对应的采样点序号，N2为第二扫频激光器的出射激光的第二吸收峰尖端对应的采样点序号；且第一吸收峰和第二吸收峰为相对应的重合峰。
3.根据权利要求1或2所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤一中，所述第一辅助干涉信号为：
Figure FDA0002693150730000021
其中，zaux为辅助干涉仪的光程差；
所述第二辅助干涉信号为：
Figure FDA0002693150730000022
拼接后的辅助干涉信号为：
Saux合＝[Saux1(1:N1),Saux2(N2:N)]。
4.根据权利要求3所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤二中，所述第一辅助干涉信号的相位为：
Figure FDA0002693150730000023
所述第二辅助干涉信号的相位为：
Figure FDA0002693150730000024
5.根据权利要求4所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤三中，所述拼接后的辅助干涉信号的相位信息为：
Figure FDA0002693150730000025
6.根据权利要求5所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤四中，所述用于相位跳变消除的正交基为：
Figure FDA0002693150730000026
其中，zp为一系列距离值。
7.根据权利要求6所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接方法，其特征在于，步骤五中，
利用所述正交基消除拼接后的测量干涉信号中由拼接产生的相位跳变影响的具体步骤如下：
步骤五一、利用所述正交基对拼接后的测量干涉信号进行分解，得到：
Figure FDA0002693150730000031
其中，X(zp)为距离信息判据，当X(zp)取最大值时，对应的zp即为待测距离zm；N-N2+N1+1为拼接后的测量干涉仪信号长度；
步骤五二、绘制公式一的曲线，取最大值时，消除拼接产生的相位跳变。
8.FMCW距离测量的扫频信号拼接装置，其特征在于，用于权利要求1所述的方法，所述装置包括激光器阵列(1)、耦合器(2)、气体吸收室(3)、测量干涉仪(4)、辅助干涉仪(5)和数据接收模块(6)；
所述激光器阵列(1)包括多个扫频激光器，所述扫频激光器用于发出出射激光；各扫频激光器能够分别扫频不同的波段，各扫频激光器的扫频范围连续且重叠；
所述耦合器(2)的光输入端与激光器阵列(1)的出射信号端连接，用于将扫频激光器的出射激光分为三路输出；
耦合器(2)的第一输出端与气体吸收室(3)的光输入端连接，用于将出射激光发送至气体吸收室(3)；
耦合器(2)的第二输出端与辅助干涉仪(5)的光输入端连接，用于将出射激光发送至辅助干涉仪(5)；
耦合器(2)的第三输出端与测量干涉仪(4)的光输入端连接，用于将多个连续波段的出射激光顺序发送至测量干涉仪(4)；
所述气体吸收室(3)，用于接收出射激光并吸收出射激光中设定波长的能量，生成吸收后的出射激光曲线；
所述辅助干涉仪(5)，用于将出射激光转换为辅助干涉信号；
所述数据接收模块(6)，同时与气体吸收室(3)和辅助干涉仪(5)信号输出端连接，用于根据吸收后的出射激光曲线得到出射激光的吸收峰；以及接收辅助干涉信号；
所述测量干涉仪(4)，用于将多个连续波段的出射激光转换为多个波段连续的测量干涉信号，并将多个波段连续的测量干涉信号拼接为拼接测量干涉信号；以及发出拼接测量干涉信号至待测物，接收从待测物返回的拼接测量干涉信号，根据发出和接收的拼接测量干涉信号得到待测光程差。
9.根据权利要求8所述的FMCW距离测量的扫频信号拼接装置，其特征在于，任意两个扫频范围连续的扫频激光器所发出的出射激光分别为第一扫频激光器的出射激光和第二扫频激光器的出射激光。
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