CN113702946A - 同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置 - Google Patents

同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置 Download PDF

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CN113702946A CN202111001034.9A CN202111001034A CN113702946A CN 113702946 A CN113702946 A CN 113702946A CN 202111001034 A CN202111001034 A CN 202111001034A CN 113702946 A CN113702946 A CN 113702946A
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Abstract

本发明公开了一种同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置，将光信号分为N个通道的光信号，每个通道的光信号先经过移频再分为本振信号和发射信号；将N个通道的发射信号并行发射至目标并接收回波信号，每个通道对应不同距离的视场，每个通道各自的发射/接收视场的完全匹配，实现每个通道视场的中心同轴；回波信号与本振光信号通过相干光混频，采用平衡接收获得中频信号，经滤波和采样后进行实时的并行快速傅里叶变换，实现N个通道距离和速度的同步测量，在上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。本发明可以同时扩大激光雷达视场角和提高角分辨率，并能有效克服同轴多视场探测过程中的串扰。

Description

同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法及装置。
背景技术
调频连续波(FMCW)激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波测距与激光探测技术相结合，在时间域线性调制发射信号的频率，并测量回波信号与本振信号的差拍信号瞬时频率的方法来获得目标距离信息和径向速度信息。相较于脉冲激光雷达，调频连续波激光雷达具有同步测距测速、测距/测速范围大、测距测速精度高等优势，在自动驾驶、高精度三维成像和遥感测绘等领域得到了广泛应用。
光束扫描系统控制激光雷达的光束指向，将激光脉冲投射到周围环境中形成三维激光点云，是决定激光雷达环境感知能力的关键模块。目前激光雷达采用的扫描方式包括机械扫描、微机电系统(MEMS)扫描和Risley扫描。通过光束扫描，激光雷达系统产生呈矩形形状、椭圆形形状或任何其他形状的均匀或非均匀的激光点阵列，这个点阵决定了激光雷达系统的二维视场角，包含水平视场角与垂直视场角。角分辨率是指两个雷达数据点之间的角度，分为水平角分辨率和垂直分辨率，其大小决定了激光雷达可以探测到的最小物体的直径。水平视场角与垂直视场角内的扫描线数分别决定了水平角分辨率和垂直角分辨率。对于一定的角分辨率，近距离处，扫描线的周期小，点云密度高，目标的空间分辨率高；距离越远，扫描线的周期越大，点云密度越低，目标空间扫描分辨率越低。
一方面，为实现对雷达平台周边的无盲区环境感知，激光雷达要求尽可能大的水平视场角与垂直视场角；另一方面，为了保证远距离目标(比如行人、车辆)能够被有效分辨，必须有足够的水平角分辨率和垂直角分辨率。
在先机械扫描激光雷达的以成熟的旋转反射镜为主，能够在水平方向采用机械旋转，在垂直方向通过层叠形成非机械式的光学扫描，其垂直角分辨率由两个相邻模块之间的间隔和光学系统的焦距来确定。为了提高水平和垂直角分辨率，机械扫描激光雷达需要不断提高发射频率和扫描线数，通过密集扫描来满足远距离探测的空间扫描分辨率。但是这种方案要求高频激光雷达在垂直方向密集排布，不仅尺寸大成本高，对散热和工艺等的要求也很高。在先MEMS扫描激光雷达雷达通过微振镜的方式改变单个发射器的发射角度进行扫描，实现微米级面阵扫描，结构简单、尺寸小，垂直角分辨率已经可以达到0.1°，而且可以动态调整扫描模式，以此来聚焦特定物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别。但是由于单个MEMS的视场角小，需要采用多视场拼接的方法扩大视场，而且微振镜的高频振动可控实现很困难，对硬件的要求很高，成本很高。Risley棱镜一般由两片或两片以上共轴楔形棱镜组成，通过控制棱镜的相对转动，Risley棱镜可以精确控制光束指向，实现大角度范围的高精度二维扫描。但是Risley棱镜中两片棱镜各自转角的调整与出射光束运动轨迹的改变之间呈现出复杂的非线性关系，产生的点云分布非常不均匀。
在先激光雷达不管是采用哪种扫描方式，可以通过以下方法扩大视场角和提高角分辨率。第一种方法是，通过压缩发射信号的调制周期提高发射重复频率，可以在一定扫描视场角下提高激光雷达系统的角分辨率，但是高重频高线性度的宽带线性调频难以实现；第二种方法是，通过多路雷达视场的拼接，可以在一定角分辨率下提高激光雷达系统的扫描视场角，但是成本高昂，而且需要消除多路间的串扰。能够同时扩大视场角和提高角分辨率的测距测速激光雷达装置至今还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法。本发明可以实现不同距离(即远、中、近距离)同轴多视场融合探测，能够同时扩大视场角和提高角分辨率，并能有效克服同轴多视场探测过程中的串扰。
本发明的技术方案：同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，在雷达平台的发射端，线性调频连续波激光光源产生的光信号经过放大后，通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号，每个通道的光信号先经过移频，再经光学分束器分为本振信号和发射信号；将N个通道的发射信号通过各自通道的光学器件并行发射至目标，N个通道并行发射/接收，每个通道对应不同距离的视场，每个通道各自的发射/接收视场的完全匹配，并且实现每个通道视场的中心同轴；在雷达平台的接收端，每个通道接受目标的回波信号，回波信号与本振光信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，经滤波和采样得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换，从而实现N个通道距离和速度的同步测量，最终在上位计算机实现不同距离(即远、中、近距离)同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。
上述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，所述的实现N个通道距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得雷达平台与目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到发射端与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。
前述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，线性调频连续波激光光源产生对称三角波线性调频的连续相干激光经过激光放大器放大后，再通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号；其中，第n通道的光信号首先经过光学移频器移频fn，光场表示为：
Figure BDA0003235377420000041
其中，t是时间，E0是振幅，T为调频周期，f0为调频初始频率，fshift_n是第n通道光信号的移频量，
Figure BDA0003235377420000051
为调频速率，B为调频带宽，φup(n)为第n通道激光脉冲上升段的初始位相，φdown(n)为第n通道激光脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，
Figure BDA0003235377420000052
前述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，所述第n通道的光信号经过移频后，再经过1×2分束器分束分成本振信号和发射信号；
所述本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，光场表示为：
Figure BDA0003235377420000053
其中，EL是本振信号振幅，φLO是本振信号的噪声位相；
所述发射信号经过光学环形器，再通过光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure BDA0003235377420000054
其中，ES是回波光束振幅，φS是回波光束的噪声位相；
目标的回波光束和本振信号合束后光场表示为：
Figure BDA0003235377420000061
回波光束的时间延迟τS与本振信号的时间延迟τL的关系表示为：
Figure BDA0003235377420000062
其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，
所述的第n通道回波光束和本振信号经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure BDA0003235377420000063
Figure BDA0003235377420000071
其中，φN-n是第n通道光信号混频噪声位相，IS是和回波光束有关的直流量；Io是和本振信号有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure BDA0003235377420000072
所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure BDA0003235377420000073
其中kin是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φi-n和φq-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；
将同相和正交通道的振幅用下式来代替：
Figure BDA0003235377420000081
正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure BDA0003235377420000082
负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure BDA0003235377420000083
同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波，由模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
Figure BDA0003235377420000084
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure BDA0003235377420000091
两通道进行互谱处理：
Figure BDA0003235377420000092
其中，*表示共轭运算；
最后仅取虚部得到：
Img＝δ2(f-fn)-δ2(f+fn)，
通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值：
Figure BDA0003235377420000093
由上式可以得到：
Figure BDA0003235377420000094
上式中，fn-up是正向调频过程中的中频频率值，fn-down是负向调频过程中的中频频率值；
由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为
Figure BDA0003235377420000101
式中，λ是光信号的波长，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
由上式得到目标点的距离：
Figure BDA0003235377420000102
式中，
Figure BDA0003235377420000103
为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期；
从而实现第n通道距离和速度的测量；
最终，实现N个通道的距离和速度的同步测量。
前述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号，具体是，所述串扰信号表示为：
Figure BDA0003235377420000104
ES_m表示为串扰的第m通道回波光束振幅，ELO_n表示为第n个回波光束对应的本振信号振幅；
串扰信号数据中包含频率为|fshift_n-fshift_m|项，通过低通滤波器对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路光信号的探测精度。
前述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示，具体是，上位计算机采集的光学扫描器的角度信息
Figure BDA0003235377420000111
换算得到目标点P的三维空间坐标：
Figure BDA0003235377420000112
线性调频连续波激光光源的发射频率为PRF，经过分束的N个通道的发射重复频率也为PRF；每个通道对应不同距离的视场，各个视场沿视线方向中心同轴；其中，视场1的二维视场角为(H1,V1)，其最大探测距离R1，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000113
单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000114
视场2的二维视场角为(H2,V2)，最大探测距离R2，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000115
则单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000116
视场3的二维视场角为(H3,V3)，最大探测距离R3，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000117
则单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000118
依次类推；
最终，上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。
实现如前述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法的装置，包括激光光源，所述激光光源的输出端连接有激光放大器，所述激光放大器的输出端经1×N分束器连接有N个光学移频器；每个所述的光学移频器均连接有1×2分束器，1×2分束器连接有光学环形器；
所述光学环形器的输出端依次连接有光束扫描器和光学望远镜；所述光学环形器和1×2分束器一同连有光学桥接器；所述光学桥接器的输出端依次连接有光电平衡探测器和低通滤波器；所述低通滤波器经模数转换器连接有现场可编程门阵列；所述现场可编程门阵列的输出端连接有上位计算机；所述现场可编程门阵列还与光束扫描器连接。
与现有技术相比，本发明将线性调频连续波激光光源产生的光信号经过放大后，通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号，每个通道的光信号先经过移频，再经光学分束器分为本振信号和发射信号；将N个通道的发射信号通过各自通道的光学器件并行发射至目标，N个通道并行发射/接收，每个通道对应不同距离的视场，每个通道各自的发射/接收视场的完全匹配，并且实现每个通道视场的中心同轴；；在雷达平台的接收端，每个通道接受目标的回波信号，回波信号与本振光信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，经滤波和采样得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换，从而实现N个通道距离和速度的同步测量，最终在上位计算机实现不同距离(即远、中、近距离)同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。由此本发明采用同轴多视场融合能够同时扩大激光雷达视场角和提高角分辨率，并能有效克服同轴多视场探测过程中的串扰，在车载、机载和星载等领域具有良好的发展前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2给出对称三角线性调频连续波回波-本振信号的波形关系及频率差示意图；
图3给出激光雷达扫描视场坐标系示意图；
图4给出远、中、近距离同轴多视场示意图。
附图中的标记为：1、激光光源；2、激光放大器；3、1×N分束器；4、光学移频器；5、1×2分束器；6、光学环形器；7、光束扫描器；8、光学望远镜；9、光学桥接器；10、光电平衡探测器；11、低通滤波器；12、模数转换器；13、现场可编程门阵列；14、上位计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，在雷达平台的发射端，线性调频连续波激光光源产生的光信号经过放大后，通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号，每个通道的光信号先经过移频，再经光学分束器分为本振信号和发射信号；将N个通道的发射信号通过各自通道的光学器件并行发射至目标，N个通道并行发射/接收，每个通道对应不同距离的视场，每个通道各自的发射/接收视场的完全匹配，并且实现每个通道视场的中心同轴；在雷达平台的接收端，每个通道接受目标的回波信号，回波信号与本振光信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，经滤波和采样得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换，从而实现N个通道距离和速度的同步测量，所述的实现N个通道距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得雷达平台与目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到发射端与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离；最终在上位计算机实现不同距离(即远、中、近距离)同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。
实现上述方法的装置，如图1所所示，包括激光光源1，所述激光光源1的输出端连接有激光放大器2，所述激光放大器2的输出端经1×N分束器3连接有N个光学移频器4；每个所述的光学移频器4均连接有1×2分束器5，1×2分束器5连接有光学环形器6；所述光学环形器6的输出端依次连接有光束扫描器7和光学望远镜8；所述光学环形器6和1×2分束器5一同连有光学桥接器9；所述光学桥接器9的输出端依次连接有光电平衡探测器10和低通滤波器11；所述低通滤波器11经模数转换器12连接有现场可编程门阵列13；所述现场可编程门阵列13的输出端连接有上位计算机14；所述主现场可编程门阵列13还与光束扫描器7连接，用于控制光束扫描器7。上位计算机14实现不同距离(即远、中、近距离)同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示，以及其他传感器数据采集和决策任务。
实施例2：同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，如图1所示，包括线性调频连续波激光光源1，采用人眼安全的1550nm单模窄线宽光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，采用调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号的混频信号作为光纤相位调制器的射频驱动信号，驱动光纤相位调制器产生调频激光信号，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频。图2给出对称三角线性调频连续波回波-本振信号的波形关系及频率差示意图，并通过光学滤波器抑制谐波保留所需阶次的调频激光信号,产生的调频连续波激光的调频带宽2.5GHz，调频速率5×1016Hz/s，调频周期10μs，重复频率100kHz。线性调频连续波激光光源1产生对称三角波线性调频的连续相干激光，经过在线起偏/控制器，确保偏振消光比大于25dB，经过激光放大器2放大至1W，再通过1×3光学分束器3分为3个通道的光信号，考虑到插损，第1通道功率约50mW，第2通道功率约300mW，第3通道功率约600mW；
其中，第n通道的光信号首先经过光学移频器4移频fn，光场表示为：
Figure BDA0003235377420000161
其中，t是时间，E0是振幅，T为调频周期，f0为调频初始频率，fshift_n是第n通道光信号的移频量，
Figure BDA0003235377420000162
为调频速率，B为调频带宽，φup(n)为第n通道激光脉冲上升段的初始位相，φdown(n)为第n通道激光脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，
Figure BDA0003235377420000163
所述第n通道的光信号经过移频后，再经过1×2分束器分束分成本振信号和发射信号；
所述本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，光场表示为：
Figure BDA0003235377420000164
其中，EL是本振信号振幅，φLO是本振信号的噪声位相；
所述发射信号经过光学环形器，再通过光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure BDA0003235377420000171
其中，ES是回波光束振幅，φS是回波光束的噪声位相；
在本实施例中，第1通道不经过移频，经1×2光纤分束器分为本振光束和发射光束，小部分能量(约2mW)作为本振信号，大部分能量(约45mW)作为发射信号，每路经过三端口光纤环形器6，再通过MEMS扫描器(光束扫描器7)发射至目标。采用3个MEMS水平视场拼接的方法，每个MEMS视场为20°×20°，合视场为60°×20°(水平×垂直)，MEMS发射口径为3mm，无发射/接收望远镜。MEMS采用逐行线扫描，垂直方向慢轴三角波，水平方向快轴谐振，垂直扫描线数为100线，帧频10Hz。
第2通道首先经过光纤移频器移频500MHz，再经1×2光学分束器分为本振光束和发射光束，小部分能量作为本振信号，大部分能量作为发射信号，经过三端口光纤环形器，再通过MEMS扫描器发射至目标，MEMS视场为20°×10°，MEMS有效发射口径为3mm，无发射/接收望远镜。MEMS采用逐行线扫描，垂直方向慢轴三角波，水平方向快轴谐振，垂直扫描线数为100线，帧频10Hz。
第3通道首先经过光纤移频器移频1GHz，再经1×2光学分束器分为本振光束和发射光束，小部分能量作为本振信号，大部分能量作为发射信号，经过三端口光纤环形器，再通过MEMS扫描器发射至目标，MEMS视场为20°×10°，MEMS有效发射口径为5mm，发射/接收望远镜口径18mm，倍率为4倍，总的视场为5°×2.5°。MEMS采用逐行线扫描，垂直方向慢轴三角波，水平方向快轴谐振，垂直扫描线数为100线，帧频10Hz。
第1通道对应距离50米以内的视场，第2通道对应距离100米以内的视场，第3通道对应距离300米以内的视场。每个通道的各自的发射/接收视场的完全匹配，3个通道的视场实现完全中心同轴。
每个通道目标回波光束和本振光输入2×490°光纤桥接器实现正交相干接收，其中目标的回波光束和本振信号合束后光场表示为：
Figure BDA0003235377420000181
回波光束的时间延迟τS与本振信号的时间延迟τL的关系表示为：
Figure BDA0003235377420000182
其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，
所述的回波光束和本振信号经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure BDA0003235377420000191
Figure BDA0003235377420000192
其中，φN-n是第n通道光信号混频噪声位相，IS是和回波光束有关的直流量；Io是和本振信号有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure BDA0003235377420000193
所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure BDA0003235377420000201
其中kin是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φi-n和φq-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；
将同相和正交通道的振幅用下式来代替：
Figure BDA0003235377420000202
正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure BDA0003235377420000203
负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure BDA0003235377420000204
同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波，由模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
Figure BDA0003235377420000211
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure BDA0003235377420000212
两通道进行互谱处理：
Figure BDA0003235377420000213
其中，*表示共轭运算；
最后仅取虚部得到：
Img＝δ2(f-fn)-δ2(f+fn)，
通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值：
Figure BDA0003235377420000214
由上式可以得到：
Figure BDA0003235377420000221
上式中，fn-up是正向调频过程中的中频频率值，fn-down是负向调频过程中的中频频率值；
由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为
Figure BDA0003235377420000222
式中，λ是光信号的波长，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
由上式得到目标点的距离：
Figure BDA0003235377420000223
式中，
Figure BDA0003235377420000224
为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期；
从而实现第n通道距离和速度的测量；
最终，实现3个通道的距离和速度的同步测量。
在这之中，由于多通道之间会发生串扰，由此所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号，具体是，所述串扰信号表示为：
Figure BDA0003235377420000231
ES_m表示为串扰的回波光束振幅，ELO_n表示为第n个回波光束对应的本振信号振幅；
串扰信号数据中包含频率为|fshift_n-fshift_m|项，通过低通滤波器对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路光信号的探测精度。
在实现N个通道距离和速度的同步测量后，上位计算机采集的光学扫描器的角度信息
Figure BDA0003235377420000232
如图3所示，换算得到目标点P的三维空间坐标，：
Figure BDA0003235377420000233
线性调频连续波激光光源的发射频率为PRF，经过分束的N个通道的发射重复频率也为PRF；每个通道对应不同距离的视场，各个视场沿视线方向中心同轴；其中，如图4所示，视场1的二维视场角为(H1,V1)，其最大探测距离R1，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000234
单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000235
视场2的二维视场角为(H2,V2)，最大探测距离R2，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000236
则单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000237
视场3的二维视场角为(H3,V3)，最大探测距离R3，最大探测面积为
Figure BDA0003235377420000241
则单位面积的点云数密度为
Figure BDA0003235377420000242
依次类推；
最终，上位计算机实现远中近距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。本实施例中，远-中-近三档扫描具体参数分别为：
第一档，视场5°×2.5°，发射口径为18mm，角分辨率0.05°×0.025°(水平×垂直)，最大探测距离300米，最大探测面积为s1＝26.17m×13.08m＝303.06m2，对于300米处一个1.70米高的行人，可以检测到14条线。
第二档，视场20°×10°，发射口径为3mm，角分辨率0.2°×0.1°，最大探测距离100米，最大探测面积为s2＝34.73m×17.43m＝605.34m2，对于100米处一个1.70米高的行人，可以检测到10条线；
第三档，视场60°×20°，发射口径为3mm，角分辨率0.2°×0.2°，最大探测距离50米，最大探测面积为s2＝50m×17.36m＝868.24m2，对于50米处一个1.70米高的行人，可以检测到10条线。
综上所述，本发明采用同轴多视场融合能够同时扩大视场角和提高角分辨率，并能有效克服同轴多视场探测过程中的串扰，可以实现高重频高线性度的宽带线性调频。在车载、机载和星载等领域具有良好的发展前景。

Claims (7)

1.同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：在雷达平台的发射端，线性调频连续波激光光源产生的光信号经过放大后，通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号，每个通道的光信号先经过移频，再经光学分束器分为本振信号和发射信号；将N个通道的发射信号通过各自通道的光学器件并行发射至目标，N个通道并行发射/接收，每个通道对应不同距离的视场，每个通道各自的发射/接收视场的完全匹配，并且实现每个通道视场的中心同轴；在雷达平台的接收端，每个通道接受目标的回波信号，回波信号与本振光信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，经滤波和采样得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换，从而实现N个通道距离和速度的同步测量，最终在上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。
2.根据权利要求1所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：所述的实现N个通道距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得雷达平台与目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到发射端与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。
3.根据权利要求1所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：线性调频连续波激光光源产生对称三角波线性调频的连续相干激光经过激光放大器放大后，再通过1×N光学分束器分为N个通道的光信号；其中，第n通道的光信号首先经过光学移频器移频fn，光场表示为：
Figure FDA0003235377410000021
其中，t是时间，E0是振幅，T为调频周期，f0为调频初始频率，fshift_n是第n通道光信号的移频量，
Figure FDA0003235377410000022
为调频速率，B为调频带宽，φup(n)为第n通道激光脉冲上升段的初始位相，φdown(n)为第n通道发射激光脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，
Figure FDA0003235377410000023
4.根据权利要求3所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：所述第n通道的光信号经过移频后，再经过1×2分束器分束分成本振信号和发射信号；
所述本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，光场表示为：
Figure FDA0003235377410000024
Figure FDA0003235377410000031
其中，EL是本振信号振幅，φLO是本振信号的噪声位相；
所述发射信号经过光学环形器，再通过光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure FDA0003235377410000032
其中，ES是回波光束振幅，φS是回波光束的噪声位相；
目标的回波光束和本振信号合束后光场表示为：
Figure FDA0003235377410000033
回波光束的时间延迟τS与本振信号的时间延迟τL的关系表示为：
Figure FDA0003235377410000034
其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
所述的第n通道回波光束和本振信号经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure FDA0003235377410000041
Figure FDA0003235377410000042
其中，φN-n是第n通道光信号混频噪声位相，IS是和回波光束有关的直流量；Io是和本振信号有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure FDA0003235377410000043
Figure FDA0003235377410000051
所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：
Figure FDA0003235377410000052
其中kin是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φi-n和φq-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；
将同相和正交通道的振幅用下式来代替：
Figure FDA0003235377410000053
正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure FDA0003235377410000054
负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：
Figure FDA0003235377410000055
同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波，由模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
Figure FDA0003235377410000061
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure FDA0003235377410000062
两通道进行互谱处理：
Figure FDA0003235377410000063
其中，*表示共轭运算；
最后仅取虚部得到：
Img＝δ2(f-fn)-δ2(f+fn)，
通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值：
Figure FDA0003235377410000064
由上式可以得到：
Figure FDA0003235377410000071
上式中，fn-up是正向调频过程中的中频频率值，fn-down是负向调频过程中的中频频率值；
由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为
Figure FDA0003235377410000072
式中，λ是光信号的波长，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
由上式得到目标点的距离：
Figure FDA0003235377410000073
式中，
Figure FDA0003235377410000074
为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期；
从而实现第n通道距离和速度的测量；
最终，实现N个通道的距离和速度的同步测量。
5.根据权利要求4所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号，具体是，所述串扰信号表示为：
Figure FDA0003235377410000081
ES_m表示为串扰的第m通道回波光束振幅，ELO_n表示为第n通道回波光束对应的本振信号振幅；
串扰信号数据中包含频率为|fshift_n-fshift_m|项，通过低通滤波器对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路光信号的探测精度。
6.根据权利要求1所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示；具体是，上位计算机采集的光学扫描器的角度信息
Figure FDA0003235377410000082
换算得到目标点P的三维空间坐标：
Figure FDA0003235377410000083
线性调频连续波激光光源的发射频率为PRF，经过分束的N个通道的发射重复频率也为PRF；每个通道对应不同距离的视场，各个视场沿视线方向中心同轴；其中，视场1的二维视场角为(H1,V1)，其最大探测距离R1，最大探测面积为
Figure FDA0003235377410000084
单位面积的点云数密度为
Figure FDA0003235377410000085
视场2的二维视场角为(H2,V2)，最大探测距离R2，最大探测面积为
Figure FDA0003235377410000086
则单位面积的点云数密度为
Figure FDA0003235377410000091
视场3的二维视场角为(H3,V3)，最大探测距离R3，最大探测面积为
Figure FDA0003235377410000092
则单位面积的点云数密度为
Figure FDA0003235377410000093
依次类推；
最终，上位计算机实现不同距离同轴多视场探测点云数据的融合和输出显示。
7.实现如权利要求1-6任一项所述的同轴多视场融合线性调频连续波测距测速方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)，所述激光光源(1)的输出端连接有激光放大器(2)，所述激光放大器(2)的输出端经1×N分束器(3)连接有N个光学移频器(4)；每个所述的光学移频器(4)均连接有1×2分束器(5)，1×2分束器(5)连接有光学环形器(6)；
所述光学环形器(6)的输出端依次连接有光束扫描器(7)和光学望远镜(8)；所述光学环形器(6)和1×2分束器(5)一同连有光学桥接器(9)；所述光学桥接器(9)的输出端依次连接有光电平衡探测器(10)和低通滤波器(11)；所述低通滤波器(11)经模数转换器(12)连接有现场可编程门阵列(13)；所述现场可编程门阵列(13)的输出端连接有上位计算机(14)；所述现场可编程门阵列(13)还与光束扫描器(7)连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117872322A (zh) * 2024-03-12 2024-04-12 北醒（北京）光子科技有限公司 一种调频连续波激光雷达和雷达导航系统

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