CN113109799B - 基于原子接收机的fmcw雷达系统及距离测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于原子接收机的FMCW雷达系统和距离测量方法。所述系统使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号，使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号，使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。上述系统可以直接基于时间‑频率数据得到差频信号并计算目标距离，避免了传统FMCW雷达在距离测量中需要对差频信号进行离散采样和FFT变换引入频率量化误差的问题，能够提高测距结果的精度；并且可以降低系统硬件复杂度、实现系统小型化。
Description
技术领域
本申请涉及雷达测距技术领域，特别是涉及一种基于原子接收机的FMCW雷达系统及距离测量方法。
背景技术
雷达作为探测空间目标的主要手段之一，在民用领域及军用领域得到了广泛应用，典型的雷达系统包括毫米波汽车防撞雷达、液位计测量雷达、合成孔径成像雷达等。FMCW雷达因具有架构简单、发射功率低、成本低的优点而得到广泛使用。现有FMCW雷达系统通常采用零中频架构接收机，其工作原理为：由接收天线收集空间微波信号，将收集到的信号经过下变频混频器后转化为基带信号，最后对该基带信号进行数据采集并处理，完成目标参数估计。
这类雷达系统的缺陷在于：雷达系统接收机的天线孔径尺寸受限于chu极限[ChuL J.Physical limitations of omni-directional antennas[J].Journal of appliedphysics,1948,19(12):1163-1175.]，其天线孔径尺寸与雷达工作波长相比拟，雷达工作波长越长，所需的天线孔径尺寸越大；此外，零中频架构接收机需要通过下变频获得基带信号，雷达系统必须包含下变频混频器、中频滤波器等模块，因此，雷达系统的硬件复杂度难以降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供能够在确保测距精度的同时降低系统复杂度的一种基于原子接收机的FMCW雷达系统及距离测量方法。
一种基于原子接收机的FMCW雷达系统，包括FMCW信号源、原子接收机和信号处理模块。
FMCW信号源用于根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
原子接收机用于在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
信号处理模块用于处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，FMCW信号源发送的FMCW信号的频率为：
f＝f0+(B/T)*t
其中，f0为FMCW信号的起始频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期，t为FMCW信号的在调制周期T内的信号发射时间。
其中一个实施例中，信号处理模块计算目标的距离测量值的方式为：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率。
其中一个实施例中，原子接收机包括探测激光器、耦合激光器、探测光二向色镜、耦合光二向色镜、原子气室和光电探测器。
探测激光器发射的探测光经探测光二向色镜穿过所述原子气室。
耦合激光器发射的耦合光经耦合光二向色镜穿过所述原子气室。
原子气室产生的透射光由光电探测器转换为电信号，电信号为原子接收机的输出信号。
其中一个实施例中，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿。
其中一个实施例中，碱金属原子为铯原子或铷原子。
一种基于原子接收机的距离测量方法，包括：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
其中一个实施例中，根据FMCW信号和EIT谱信号获得差频信号，得到目标的距离测量值的方式包括：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
与现有技术相比，上述一种基于原子接收机的FMCW雷达系统、距离测量方法、计算机设备和存储介质，使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号，使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号，使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。本申请基于原子接收机使用FMCW信号进行距离测量，可以直接基于时间-频率数据得到差频信号，进而计算距离测量结果，避免了传统FMCW雷达在距离测量中需要对差频信号进行离散采样和FFT变换所引入的量化误差问题，能够提高测距精度；并且由于原子接收机的尺寸和系统的工作频率无关，因此可以实现系统的小型化，且降低系统硬件复杂度。
附图说明
图1为一个实施例中基于原子接收机的FMCW雷达系统的设备组成示意图；
图2为一个实施例中原子接收机的接收信号的时间-幅度和时间-频率的曲线图；
图3为一个实施例中FMCW雷达系统的发射信号、接收信号和差频信号的时间-频率曲线示意图；
图4为另一个实施例中原子接收机的设备组成示意图；
图5为一个实施例中一种基于原子接收机的距离测量方法的步骤图；
图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
其中一个实施例中，提供了一种基于原子接收机的FMCW雷达系统，包括FMCW信号源、原子接收机和信号处理模块。
FMCW信号源用于根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
原子接收机用于在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
信号处理模块用于处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
里德堡原子是指原子中有一个电子处于高能态且其能级跃迁满足里德堡方程的一类原子。原子接收机基于里德堡原子实现，其实现原理是电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency，EIT)效应，由原子接收天线内的激光器产生探测光和耦合光，两束光与碱金属原子发生非线性量子相互作用，此时原子接收机中的光电探测器可以接收到探测光的透射峰，称为EIT透射峰。当原子接收机收到FMCW信号时，该信号会使EIT透射峰产生AT分裂，且EIT透射峰的幅度随FMCW发射信号的频率呈线性变化。
利用这一原理，本实施例构建了一个基于原子接收机的雷达测距系统，由FMCW信号源发送用于测距的FMCW信号，并监测原子接收机的EIT透射峰。当空间中存在目标并反射了FMCW信号时，产生的回波信号会进入原子接收机并引起其EIT透射峰值的变化，根据这一变化值可以得到回波信号的频率值，进而得到FMCW信号经目标反射后产生的频率差，进而基于FMCW测距原理计算出该目标的距离值。
本实施例提供的系统基于原子接收机使用FMCW信号进行距离测量，可以直接基于时间-频率数据得到差频信号，进而计算距离测量结果，避免了传统FMCW雷达在距离测量中需要对差频信号进行离散采样和FFT变换所引入的量化误差的问题，能够提高测距结果的精度；并且由于原子接收机的尺寸和系统的工作频率无关，因此可以实现系统的小型化，且降低系统硬件复杂度。
其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于原子接收机的FMCW雷达系统，包括原子接收机、数据采集模块、信号处理模块、时序控制模块、FMCW信号源、功率放大器和发射天线。
时序控制模块用于设置FMCW信号源和原子接收机的工作时序。
FMCW信号源在时序控制模块的控制下产生FMCW信号，其频率为：
f＝f0+(B/T)*t
其中，f0为FMCW信号的起始频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期，t为FMCW信号的在调制周期T内的信号发射时间。
功率放大器用于放大FMCW信号功率，放大后的FMCW信号经过发射天线辐射至自由空间。
原子接收机在时序控制模块的控制下接收目标回波信号。
数据采集模块用于采集原子接收机的接收信号。
信号处理模块用于处理目标回波信号数据进而实现距离参数估计，其计算目标的距离测量值的方式为：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率。
在进行距离测量时，FMCW信号源在t＝0时发射FMCW信号，数据采集模块的采样率为fs，则发射信号频率以采样率fs离散化，得到发射信号时间-频率数据。当空间不存在目标，即没有目标回波信号时，EIT谱信号保持稳定，设此时数据采集模块采集的EIT透射峰幅度为A0。当空间存在一个距离为R的静止目标时，目标回波信号导致EIT谱产生AT分裂，EIT透射峰幅度随FMCW发射信号的频率呈线性变化，设FMCW发射信号的频率为f0+B时，数据采集模块采集的EIT透射峰幅度为A0+H。
信号处理模块在进行信号处理时，首先根据原子接收机输出的EIT透射峰幅度区间(A0～A0+H)与FMCW发射信号的频率(f0～f0+B)的映射关系，将数据采集模块采集到的EIT透射峰的时间-幅度数据转化为原子接收机接收到的接收信号的时间-频率数据。具体地，信号处理模块接收并处理原子接收机的输出EIT谱信号，可以得到输出EIT谱信号的时间-幅度数据；通过时域对应关系，可以得到原子接收机的输出EIT谱信号的时间-幅度数据和其接收信号的时间-频率数据之间的映射关系，如图2所示。
图3所示为本实施例提供系统的发射信号、接收信号和差频信号的时间-频率曲线示意图。其中，差频信号的时间-频率数据的获得方式为将发射信号的时间-频率数据减去接收信号的时间-频率数据。差频信号的频率表示为Δf，则可以基于FMCW测距原理计算目标的距离测量值。
其中一个实施例中，如图4所示，原子接收机包括探测激光器401、耦合激光器402、探测光二向色镜403、耦合光二向色镜404、原子气室405和光电探测器406。探测激光器发射的探测光经探测光二向色镜穿过原子气室。耦合激光器发射的耦合光经耦合光二向色镜穿过原子气室。原子气室产生的透射光由光电探测器转换为电信号，该电信号为原子接收机的输出信号。
具体地，假设探测激光器输出探测光的波长为λ1，耦合激光器输出耦合光的波长为λ2，原子气室中的碱金属原子在这两束激光的作用下，被激发到里德堡态，产生EIT效应，光电探测器输出EIT谱信号。当空间不存在目标，即没有目标回波信号时，EIT谱信号保持稳定，设此时数据采集模块采集的EIT透射峰幅度为A0。当空间存在一个距离为R的静止目标时，目标回波信号导致EIT谱产生AT分裂，EIT透射峰幅度随FMCW发射信号的频率呈线性变化，设FMCW发射信号的频率为f0+B时，数据采集模块采集的EIT透射峰幅度为A0+H。
进一步地，原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿，其中的碱金属原子可以是铯原子或铷原子。
其中一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于原子接收机的距离测量方法，包括以下步骤：
步骤502，使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
步骤504，使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
步骤506，使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
具体地，根据FMCW信号和EIT谱信号的差频信号，得到目标的距离测量值的方式包括：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期。
应该理解的是，虽然图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
关于基于原子接收机的距离测量方法的具体限定可以参见上文中对于基于原子接收机的距离测量系统的限定，在此不再赘述。上述基于原子接收机的距离测量方法中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储FMCW信号参数和EIT谱信号数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于原子接收机的距离测量方法。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号。
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收FMCW信号经目标反射产生的回波信号。
使用信号处理模块处理原子接收机收到回波信号后输出的EIT谱信号，根据EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到FMCW信号和回波信号间的差频信号，得到目标的距离测量值。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，Δf表示差频信号频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于原子接收机的FMCW雷达系统，其特征在于，所述系统包括FMCW信号源、原子接收机和信号处理模块；
所述FMCW信号源用于根据预设的信号发射周期发送FMCW信号；
所述原子接收机用于在预设的信号接收周期接收所述FMCW信号经目标反射产生的回波信号；
所述信号处理模块用于处理所述原子接收机收到所述回波信号后输出的EIT谱信号，根据所述EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到所述FMCW信号和所述回波信号间的差频信号，得到所述目标的距离测量值；
所述信号处理模块还用于接收并处理原子接收机的输出EIT谱信号，得到输出EIT谱信号的时间-幅度数据；通过时域对应关系，得到原子接收机的输出EIT谱信号的时间-幅度数据和其接收信号的时间-频率数据之间的映射关系，基于所述时间-频率数据得到差频信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述FMCW信号源发送的FMCW信号的频率为：
，
其中，f 0为FMCW信号的起始频率，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期，t为FMCW信号的在调制周期T内的信号发射时间。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块计算所述目标的距离测量值的方式为：
，
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，/>表示所述差频信号。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述原子接收机包括探测激光器、耦合激光器、探测光二向色镜、耦合光二向色镜、原子气室和光电探测器；
所述探测激光器发射的探测光经所述探测光二向色镜穿过所述原子气室；
所述耦合激光器发射的耦合光经所述耦合光二向色镜穿过所述原子气室；
所述原子气室产生的透射光由所述光电探测器转换为电信号，所述电信号为原子接收机的输出信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述原子气室是由碱金属原子蒸气填充的密闭玻璃器皿。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述碱金属原子为铯原子或铷原子。
7.一种基于原子接收机的距离测量方法，其特征在于，所述方法包括：
使用FMCW信号源根据预设的信号发射周期发送FMCW信号；
使用原子接收机在预设的信号接收周期接收所述FMCW信号经目标反射产生的回波信号；
使用信号处理模块处理所述原子接收机收到所述回波信号后输出的EIT谱信号，根据所述EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到所述FMCW信号和所述回波信号间的差频信号，得到所述目标的距离测量值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述EIT谱信号的EIT透射峰值的变化得到所述FMCW信号和所述回波信号间的差频信号，得到所述目标的距离测量值的方式包括：
，
其中，表示目标的距离测量值，c表示自由空间的光速，/>表示所述差频信号，B为FMCW信号的频率带宽，T为FMCW信号的调制周期。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7或8所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7或8所述方法的步骤。
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