CN115876110A - 基于fmcw激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统 - Google Patents

基于fmcw激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统 Download PDF

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CN115876110A CN202110912289.4A CN202110912289A CN115876110A CN 115876110 A CN115876110 A CN 115876110A CN 202110912289 A CN202110912289 A CN 202110912289A CN 115876110 A CN115876110 A CN 115876110A
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熊玉勇
彭志科
李松旭
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Abstract

一种基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统，通过循环扫描发射线性频率调制的激光雷达信号，将本振激光信号与回波激光信号进行相干处理，得到的激光相干信号；从全场各测点中提取有效测点的激光相干信号的频率，计算出被测物体表面上各测点到信号发射源的距离，从而对被测目标进行定位并得到被测物体的点云；通过非线性相位解调从各测点激光相干信号的频率中提取每个循环遍历扫描周期内点云中各点，即测点的相位信息，经相位信息解卷绕处理得到全场各测点的形变与振动位移信息。本发明可以实现快速循环扫描式全场位移测量，操作便捷，实现全场大规模测点的实时振动位移监测以及精确的形变位移测量。

Description

基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种工程测量领域的技术，具体是一种基于调频连续波(frequency-modulated continues wave,FMCW)激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统。
背景技术
现有的工程结构振动响应监测方法中，基于加速度计的接触式测量方法在全场多点同步测试时需要复杂的线路排布，传感器组网复杂，测试前期准备周期长，同时加速度计的低频响应差，难以实现精确的形变与振动位移测量；激光多普勒振动测量方法通过多普勒效应进行速度测量，同样无法进行精确的形变与振动位移测量，主要为单点测量，且操作标定复杂；视觉测振方法中大量的图像数据流处理计算量大且耗时，难以实现实时振动测量，同时视觉振动测量精度低，对光线等条件敏感。现有的激光雷达通过混频信号处理仅能够实现测距和测速，受限于带宽，其无法实现精确的形变与振动位移测量以及多点/多目标的同步振动测量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法及系统，利用干涉信号相位信息反演形变与振动位移信息，可用于大型结构全场多测点的同步振动测量，可以实现快速循环扫描式全场位移测量，操作便捷，无需复杂的前期测点布置与组网排布；在实现大视场高分辨成像定位的同时，实现全场大规模测点的实时位移监测以及精确的形变位移测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，通过循环扫描发射线性频率调制的激光雷达信号，将本振激光信号与回波激光信号进行相干处理，得到的激光相干信号；从全场各测点中提取有效测点的激光相干信号的频率，计算出被测物体表面上各测点到信号发射源的距离，从而对被测目标进行定位并得到被测物体的点云；通过非线性相位解调从各测点激光相干信号的频率中提取每个循环遍历扫描周期内点云中各点，即测点的相位信息，经相位信息解卷绕处理得到全场各测点的形变与振动位移信息。
所述的循环扫描发射是指：FMCW激光雷达通过循环扫描的方式，持续发射一束或同时发射多束线性频率调制的激光信号，周期性地遍历扫描整个被测物体。
所述的遍历扫描，记录扫描过程中激光波束相对于初始位置在水平方向和竖直方向的夹角。
所述的遍历扫描，采用但不限于机械旋转式扫描、MEMS型扫描、Flash型扫描、光纤扫描和相控阵扫描的方式扫描。
所述的相干处理，采用FMCW LiDAR通过激光接收单元接收目标的回波激光信号，与本振信号进行相干处理后消除相干信号中的直流分量，其中：相干激光相干信号
Figure BDA0003204108000000021
Figure BDA0003204108000000022
其中：/>
Figure BDA0003204108000000023
Figure BDA0003204108000000024
λc为激光中心频率对应的波长。I1和I2分别为本振和反射光束的光场强度，忽略二次项的影响，本振信号的光场强度幅值/>
Figure BDA0003204108000000025
Figure BDA0003204108000000026
反射信号的光场强度幅值/>
Figure BDA0003204108000000027
Figure BDA0003204108000000028
Figure BDA0003204108000000029
为时间延迟，R为激光器到测点之间的距离，x(t)是目标振动引起的位移，c为光速，B为FMCW激光信号的带宽，Ts为单个循环遍历扫描时间长度，f0为发射信号的初始频率，
Figure BDA00032041080000000210
为初始相位。
所述的有效测点，通过采集LiDAR在扫描过程中，在一个循环遍历扫描周期T内各方向上的激光相干信号，判断各测点相干信号的强度是否低于阈值，得到高于阈值的有效测点信号，即有效测点，具体为：生成激光相干信号矩阵
Figure BDA00032041080000000211
其中：M为激光器发射均匀线性分布激光束的个数，L为单个循环遍历扫描周期内发射线性频率调制激光信号的个数。
所述的被测物体表面上各测点到信号发射源的距离
Figure BDA00032041080000000212
其中：fD(q)为有效测点Iq上激光相干信号的频率，q为测点的序号。
所述的定位是指：根据待测物体表面上各测点到激光器的距离，然后通过测点距离以及发射激光波束在竖直和水平方向的角度信息对被测目标进行定位。
所述的点云成像是指：通过被测物体表面各测点的位置信息所形成的点云，对被测物体进行成像。
所述的每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息，通过通过希尔伯特变换将所接收到的激光相干信号转换为复数信号H(q，nTs)＝Hilbert(Iq，iT)，根据提取的第q个测点激光相干信号的频率fD(q)，通过非线性相位解调方法提取得到每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息
Figure BDA00032041080000000213
其中：T为循环遍历扫描周期，angle()为取复数信号的相位角运算，i为循环遍历扫描周期的序号，q为目标序号。
所述的相位信息解卷绕处理是指：计算前后两个相邻循环遍历扫描周期的相位差
Figure BDA00032041080000000214
当大于π时，则后一个循环遍历扫描周期的相位加2π；当小于-π时，则后一个循环遍历扫描周期的相位减去2π，利用接卷绕后的相位反演得到全场各测点的形变与振动位移信息：/>
Figure BDA0003204108000000031
其中：mean()为取均值，/>
Figure BDA0003204108000000032
为激光光束视线和形变与振动位移方向的夹角。
技术效果
本发明整体解决了现有技术在远距离多点/目标同步形变与振动非接触式测量方面存在的不足、以加速度计为代表的接触式测量方法线路排布和传感器组网复杂、准备周期长和低频响应差以及激光多普勒测振方法中只能进行速度测量无法实现精确的形变与位移测量的问题；本发明通过非线性相位解调从各测点激光相干信号的频率中提取每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息，经相位信息解卷绕处理得到全场各测点的形变与振动位移信息。与现有技术相比，本发明能够实现精确的形变与振动位移测量，其次通过扫描的方法，实现全场多测点/目标的同步测量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明系统示意图。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例涉及一种基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量系统，包括：FMCW激光雷达模块、信号采集模块、目标探测定位与成像模块、形变与振动位移提取模块和显示与保存模块，其中：FMCW激光雷达模块对待测物体进行全场扫描，采集回波激光信号并输出激光相干信号，信号采集模块将采集到的激光相干信号传输至目标探测定位与成像模块和形变与振动位移提取模块，目标探测定位与成像模块对激光相干信号进行处理，进行目标探测，然后根据激光方向与探测距离信息对目标进行定位，最后根据目标点云信息对被测目标进行成像；形变与振动位移提取模块根据目标探测定位与成像模块得到的目标位置信息以及在扫描过程中采集得到的激光相干信号，提取待测点的形变与振动位移信息；显示与保存模块用于显示目标点云成像结果和形变与振动位移信息，并进行保存。
所述的FMCW激光雷达模块包括：激光发射器、激光接收器、干涉接收单元和扫描控制单元，其中：激光发射器将线性频率调制的激光源信号一分为二，一路作为本振信号，一路作为发射信号进行目标探测与感知，激光接收器接收目标反射的激光信号；干涉接收单元将本振信号与接收到的目标发射激光信号进行相干处理，并得到的激光相干信号；扫描控制单元控制激光束的方向，实现目标的全场扫描。
所述的激光发射器包括一个或多个激光发射探头。
所述的全场形变与振动测量系统中进一步设有显示与存储模块，该模块与目标探测定位与成像模块和形变与振动位移提取模块相连接，用于显示目标定位信息、点云成像结果和相变与振动位移测试结果，并将上述结果进行保存。
如图1所示，为本实施例基于上述系统的全场形变与振动测量方法，包括以下步骤：
步骤1，循环扫描发射并接收线性频率调制的激光雷达信号；
步骤1.1，FMCW激光雷达持续发射一束或同时发射多束线性频率调制的激光信号；
步骤1.2，通过循环扫描的方式，使激光信号以周期T遍历扫描整个被测物体，并记录扫描过程中激光波束相对于初始位置在水平方向和竖直方向的夹角；
步骤1.3，FMCW LiDAR通过激光接收单元接收目标的反射信号。
步骤2，本振激光信号与接收回波激光信号进行相干处理，得到的激光相干信号；
步骤2.1，接收的目标反射信号与本振信号在干涉接收单元进行相干处理。
步骤2.2，通过相干处理得到混频的激光信号，其光场强度的相干形式为：
Figure BDA0003204108000000041
其中：I1和I2分别为本振和反射光束的光场强度，忽略二次项的影响，相干激光相干信号为：/>
Figure BDA0003204108000000042
其中：/>
Figure BDA0003204108000000043
Figure BDA0003204108000000044
λc为激光中心频率对应的波长。
步骤2.3，消除相干信号中的直流分量I1和I2，得到只包含目标运动信息的激光相干信号分量
Figure BDA0003204108000000045
步骤3，全场各测点或目标探测、定位与成像，包括以下步骤：
步骤3.1，采集LiDAR在扫描过程中，在一个循环遍历扫描周期T内各方向上的激光相干信号：
Figure BDA0003204108000000046
其中：M为激光器发射均匀线性分布激光束的个数，L为单个循环遍历扫描周期内发射线性频率调制激光信号的个数。
步骤3.2，判断各测点相干信号的强度是否低于阈值，得到高于阈值的有效测点信号，并提取有效测点Iq上激光相干信号的频率fD(q)，其中q为测点的序号。
步骤3.3，计算物体表面上各测点到激光器的距离，然后通过测点距离以及发射激光波束在竖直和水平方向的角度信息对被测目标进行定位；
步骤3.4，通过被测物体表面各测点的位置信息所形成的点云，对被测物体进行成像。
步骤4所述的提取各测点或被测目标的形变与振动位移信息方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤4.1，通过希尔伯特变换将所接收到的激光相干信号转换为复数信号；
步骤4.2，根据步骤3.2提取的各测点激光相干信号的频率，通过非线性相位解调方法提取每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息；
步骤4.3，由于激光波长很短，微小的位移会造成较大的相位变化，因此相邻循环遍历扫描周期内解调的相位可能会出现跳变现象，需要对提取的相位信息进行相位解卷绕操作减小突变测量误差，具体为：计算前后两个相邻循环遍历扫描周期的相位差
Figure BDA0003204108000000051
当大于π时设置下一个循环遍历扫描周期的相位加2π；当小于-π时设置下一个循环遍历扫描周期的相位减去2π。
步骤4.4，全场各测点的形变与振动位移信息提取：利用接卷绕后的相位反演得到全场各测点的形变与振动位移信息：
Figure BDA0003204108000000052
与现有技术相比，本方法能够实现精确的全场多测点形变与振动位移测量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征在于，通过循环扫描发射线性频率调制的激光雷达信号，将本振激光信号与回波激光信号进行相干处理，得到的激光相干信号；从全场各测点中提取有效测点的激光相干信号的频率，计算出被测物体表面上各测点到信号发射源的距离，从而对被测目标进行定位并得到被测物体的点云；通过非线性相位解调从各测点激光相干信号中提取每个循环遍历扫描周期内点云中各点的相位信息，经相位信息解卷绕处理得到全场各测点的形变与振动位移信息。
2.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的循环扫描发射是指：FMCW激光雷达通过循环扫描的方式，持续发射一束或同时发射多束线性频率调制的激光信号，周期性地遍历扫描整个被测物体并记录扫描过程中激光波束相对于初始位置在水平方向和竖直方向的夹角。
3.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的相干处理，采用FMCW LiDAR通过激光接收单元接收目标的回波激光信号，与本振信号进行相干处理后消除相干信号中的直流分量，其中：相干激光相干信号
Figure FDA0003204107990000011
Figure FDA0003204107990000012
其中：/>
Figure FDA0003204107990000013
λc为激光中心频率对应的波长，I1和I2分别为本振和反射光束的光场强度，忽略二次项的影响，本振信号的光场强度幅值
Figure FDA0003204107990000014
Figure FDA0003204107990000015
反射信号的光场强度幅值/>
Figure FDA0003204107990000016
Figure FDA0003204107990000017
Figure FDA0003204107990000018
为时间延迟，R为激光器到测点之间的距离，x(t)是目标振动引起的位移，c为光速，B为FMCW激光信号的带宽，Ts为单个扫描时间长度，f0为发射信号的初始频率，/>
Figure FDA0003204107990000019
为初始相位。
4.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的有效测点，通过采集LiDAR在扫描过程中，在一个循环遍历扫描周期T内各方向上的激光相干信号，判断各测点相干信号的强度是否低于阈值，得到高于阈值的有效测点信号，即有效测点，具体为：生成激光相干信号矩阵
Figure FDA00032041079900000110
其中：M为激光器发射均匀线性分布激光束的个数，L为单个循环遍历扫描周期内发射线性频率调制激光信号的个数。
5.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的被测物体表面上各测点到信号发射源的距离
Figure FDA0003204107990000021
其中：fD(q)为有效测点Iq上激光相干信号的频率，q为测点的序号；
所述的定位是指：根据待测物体表面上各测点到激光器的距离，然后通过测点距离以及发射激光波束在竖直和水平方向的角度信息对被测目标进行定位。
6.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息，通过希尔伯特变换将所接收到的激光相干信号转换为复数信号H(q，nTs)＝Hilbert(Iq，iT)，根据提取的第q个测点激光相干信号的频率fD(q)，通过非线性相位解调方法提取得到每个循环遍历扫描周期内各测点的相位信息
Figure FDA0003204107990000022
其中：T为循环遍历扫描周期，angle()为取复数信号的相位角运算，i为循环遍历扫描周期的序号，q为目标序号。
7.根据权利要求1所述的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量方法，其特征是，所述的相位信息解卷绕处理是指：计算前后两个相邻循环遍历扫描周期的相位差
Figure FDA0003204107990000023
当大于π时，则后一个循环遍历扫描周期的相位加2π；当小于-π时，则后一个循环遍历扫描周期的相位减去2π，利用接卷绕后的相位反演得到全场各测点的形变与振动位移信息：/>
Figure FDA0003204107990000024
其中：mean()为取均值，/>
Figure FDA0003204107990000025
为激光光束视线和形变与振动位移方向的三维空间夹角。
8.一种实现权利要求1～7中任一所述方法的基于FMCW激光雷达的全场形变与振动测量系统，其特征在于，包括：FMCW激光雷达模块、信号采集模块、目标探测定位与成像模块、形变与振动位移提取模块和显示与保存模块，其中：FMCW激光雷达模块对待测物体进行全场扫描，采集回波激光信号并输出激光相干信号，信号采集模块将采集到的激光相干信号传输至目标探测定位与成像模块和形变与振动位移提取模块，目标探测定位与成像模块对激光相干信号进行处理，进行目标探测，然后根据激光方向与探测距离信息对目标进行定位，最后根据目标点云信息对被测目标进行成像；形变与振动位移提取模块根据目标探测定位与成像模块得到的目标位置信息以及在扫描过程中采集得到的激光相干信号，提取待测点的形变与振动位移信息；显示与保存模块用于显示目标点云成像结果和形变与振动位移信息，并进行保存。
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