一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置

摘要

本发明公开了一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置，引入分两个阶段对激光源发出的激光进行频率调制的调制信号，基于后续混频信号中相应的两个阶段的频率信息解算出目标物体速度和距测试设备的距离，与现有技术中全周期的三角波调制方式相比，可大大提高速度解算的信噪比，消除调制信号的线性度对测速测距造成的影响。同时，本发明在同一装置中采用相干探测的方式，分两阶段对激光进行频率调制，既能测量运动物体距离信息，也能得到运动物体速度信息，而且保证了测量的精度和作用范围。

权利要求

1.一种利用相干探测激光测速测距的方法，其特征在于，包括：

采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波调制；

将所述调频信号分为两路，一路照射到目标物体并反射回波信号，另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号；

将混频信号进行光电转换后得到混频电信号，基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离；

所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率信息的获取过程，包括：对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值；

所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定；所述信号放大的倍数由光电转换的接收灵敏度确定；

所述基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，具体包括：将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度；

所述基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离，具体包括：设激光源距离目标物体的距离为R，则R的计算公式如下：

其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δf为调制信号的最大频偏。

2.一种利用相干探测激光测速测距的装置，其特征在于，包括：

调制模块，用于采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波调制；

分光模块，用于将所述调频信号分为两路；

探测混频模块，用于将分光模块分出的一路调频信号照射到目标物体并反射回波信号，将另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号；

光电转换模块，用于将混频信号进行光电转换后得到混频电信号；

解算模块，用于基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离；

所述解算模块，具体包括：

频率信息获取模块，用于对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值；

所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定；所述信号放大的倍数由光电转换模块的接收灵敏度确定；

所述解算模块，还包括：

速度解算模块，用于将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度；

距离解算模块，用于根据下面的公式计算出激光源距离目标物体的距离为R，则，其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δf为调制信号的最大频偏。

说明书

一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置。

背景技术

[0002] 测速测距相干激光雷达是激光雷达技术、相干探测技术、信号处理技术的综合应用之一。广泛的应用在航空航天、目标监控、风场测量等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。

[0003] 目前的激光雷达大多单一测量目标的速度或者距离信息，测速测距主要有以下几种方法：第一种是采用微波雷达探测的方式，但是与激光雷达探测方式相比，微波雷达波束宽、角分辨率低、抗干扰能力不强。第二种是采用激光雷达直接探测的方式，直接探测与相干探测相比，其探测灵敏度大大降低，从而降低了激光雷达的作用距离。第三种是采用激光回波频率调制相干的方式，这种方式要加入体积功耗大的声光移频器，信噪比不高，导致测量作用距离和精度不高。第四种是采用对激光发射信号进行频率三角波调制的方式进行探测，采用三角波调制时，三角波信号的非线性会导致测量精度降低。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是，提供一种利用相干探测激光测速测距的方法及装置，克服现有技术测量作用距离近、精度低、以及测量设备体积重量大的缺陷。

[0005] 本发明采用的技术方案是，所述利用相干探测激光测速测距的方法，包括：

[0006] 采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波或三角波调制；

[0007] 将所述调频信号分为两路，一路照射到目标物体并反射回波信号，另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号；

[0008] 将混频信号进行光电转换后得到混频电信号，基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离。

[0009] 进一步的，所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率信息的获取过程，包括：

[0010] 对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频率；

[0011] 基于混频电信号的频率分别确定所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0012] 进一步的，所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率信息的获取过程，包括：

[0013] 对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

[0014] 基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0015] 进一步的，所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定；

[0016] 所述信号放大的倍数由光电转换的接收灵敏度确定。

[0017] 进一步的，所述基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，具体包括：

[0018] 将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度；

[0019] 所述基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离，具体包括：

[0020] 设激光源距离目标物体的距离为R，则R的计算公式如下：

[0021]

[0022] 其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δf为调制信号的最大频偏。

[0023] 本发明还提供一种利用相干探测激光测速测距的装置，包括：

[0024] 调制模块，用于采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波或三角波调制；

[0025] 分光模块，用于将所述调频信号分为两路；

[0026] 探测混频模块，用于将分光模块分出的一路调频信号照射到目标物体并反射回波信号，将另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号；

[0027] 光电转换模块，用于将混频信号进行光电转换后得到混频电信号；

[0028] 解算模块，用于基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离。

[0029] 进一步的，所述解算模块，具体包括：

[0030] 频率信息获取模块，用于对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频率；

[0031] 基于混频电信号的频率分别确定所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0032] 进一步的，所述解算模块，具体包括：

[0033] 频率信息获取模块，用于对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

[0034] 基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0035] 进一步的，所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定；

[0036] 所述信号放大的倍数由光电转换模块的接收灵敏度确定。

[0037] 进一步的，所述解算模块，还包括：

[0038] 速度解算模块，用于将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度；

[0039] 距离解算模块，用于根据下面的公式计算出激光源距离目标物体的距离为R，则，[0040]

[0041] 其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δf为调制信号的最大频偏。

[0042] 采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

[0043] 本发明所述利用相干探测激光测速测距的方法及装置，引入了分两个阶段对激光源发出的激光进行频率调制的调制信号，基于后续混频信号中相应的两个阶段的频率信息解算出目标物体速度和距测试设备的距离，与现有技术中全周期的三角波调制方式相比，可大大提高速度解算的信噪比，消除调制信号的线性度对测速测距造成的影响。同时，本发明在同一装置中采用相干探测的方式，分两阶段对激光进行频率调制，既能测量运动物体距离信息，也能得到运动物体速度信息，而且保证了测量的精度和作用范围。

附图说明

[0044] 图1为本发明第一实施例的利用相干探测激光测速测距的方法流程图；

[0045] 图2为本发明第二实施例的利用相干探测激光测速测距的装置组成示意图；

[0046] 图3为本发明应用实例的测试设备执行测速测距的过程示意图；

[0047] 图4为本发明应用实例的经调制信号调制后的本振信号及回波信号示意图。

具体实施方式

[0048] 为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

[0049] 本发明第一实施例，一种利用相干探测激光测速测距的方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0050] 步骤S101，采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波或三角波调制。

[0051] 步骤S102，将所述调频信号分为两路，一路照射到目标物体并反射回波信号，另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号。

[0052] 步骤S103，将混频信号进行光电转换后得到混频电信号，基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离。

[0053] 具体的，所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率信息的获取过程，包括：

[0054] 对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频率；基于混频电信号的频率分别确定所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0055] 考虑到实际应用中能够进一步提高测量结果的精度，优选的，所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率信息的获取过程，包括：

[0056] 对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

[0057] 基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0058] 进一步的，所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定，所述信号放大的倍数由光电转换的接收灵敏度确定。

[0059] 在步骤S103中，所述基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，具体包括：

[0060] 将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度v；

[0061] 具体的，多普勒效应公式为： 其中，f1为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值，θ激光波束方向与目标物体运动方向的夹角，λ为激光源发出的激光的波长，本发明可以选用的激光波长包括：1064nm和1550nm，优选的，采用1550nm的效果更好。

[0062] 在步骤S103中，所述基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离，具体包括：

[0063] 设激光源距离目标物体的距离为R，则R的计算公式如下：

[0064]

[0065] 其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δ为调制信号的最大频偏。

[0066] 本发明第二实施例，一种利用相干探测激光测速测距的方法，如图2所示，包括以下组成部分：

[0067] 调制模块100，用于采用调制信号对激光源发出的激光进行频率调制得到调频信号，所述调制信号的每个周期分为两个阶段，其中第一阶段对所述激光进行恒定频率调制，第二阶段对所述激光进行正弦波或三角波调制。

[0068] 分光模块200，用于将所述调频信号分为两路。

[0069] 探测混频模块300，用于将分光模块200分出的一路调频信号照射到目标物体并反射回波信号，将另一路作为本振光与所述回波信号进行混频后得到混频信号。

[0070] 光电转换模块400，用于将混频信号进行光电转换后得到混频电信号。

[0071] 具体的，光电转换模块400可以选用PIN型硅光电二极管或者APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）。

[0072] 解算模块500，用于基于所述混频电信号每个周期第一阶段的频率信息解算出目标物体的速度，基于所述混频电信号每个周期第二阶段的频率信息解算出激光源距离目标物体的距离。

[0073] 具体的，解算模块500，包括：

[0074] 频率信息获取模块51，用于对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频率；基于混频电信号的频率分别确定所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0075] 考虑到实际应用中能够进一步提高测量结果的精度，优选的，频率信息获取模块51，用于对经过光电转换后得到的混频电信号依次经过信号放大、带通滤波、以及快速傅里叶变换后得到混频电信号的频谱能量与频率的对应关系；

[0076] 基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率，然后分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段的频率平均值。

[0077] 进一步的，所述带通滤波的滤波范围根据多普勒效应由目标物体的速度范围确定；所述信号放大的倍数由光电转换模块的接收灵敏度确定。

[0078] 速度解算模块52，用于将所述滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值、激光波长、以及激光波束方向与目标物体运动方向的夹角带入多普勒效应公式，计算得出目标物体的速度v。

[0079] 具体的，多普勒效应公式为： 其中，f1为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值，θ激光波束方向与目标物体运动方向的夹角，λ为激光源发出的激光的波长，本发明可以选用的激光波长包括：1064nm和1550nm，优选的，采用1550nm的效果更好。

[0080] 距离解算模块53，用于根据下面的公式计算出激光源距离目标物体的距离为R，则，

[0081]

[0082] 其中，c为光速，f2为滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值，fm为调制信号的频率，Δf为调制信号的最大频偏。

[0083] 下面介绍一个本发明的应用实例：

[0084] 采用光纤激光器作为激光源，其体积小、重量轻、功耗低。本应用实例的测试设备执行测速测距过程如图3所示，用光纤激光器作为激光源，采用调制信号对激光发射频率进行调制得到调频信号，该调制信号选用在一个周期内第一阶段不调制即保持原激光频率恒定，第二阶段采用正弦波调制的方式。

[0085] 如图4所示，将调制后得到的调频信号分为两路，一路作为本振信号，另一路作为发射信号通过发射镜头照射到被测目标物体，通过接收镜头接收到从目标物体返回的回波信号，将回波信号与本振信号经过混频器进行混频，混频信号用PIN型硅光电二极管接收，将混频信号转换成混频电信号并进行信号放大、带通滤波、快速傅里叶变换FFT运算，得到混频信号的频谱能量与频率的对应关系。然后，基于频谱能量与频率的对应关系，分别滤除所述混频电信号每个周期内第一阶段和第二阶段中频谱能量低于设定阈值的噪声点频率。由于混频电信号每个周期第一阶段与第二阶段的频谱能量完全不同，需要分别设定阈值进行噪声频率的滤除。再分别确定滤除了噪声点频率的所述混频电信号每个周期第一阶段和第二阶段的频率平均值，即所述混频电信号每个周期第一阶段的频率平均值为不调制阶段的频率平均值f1，所述混频电信号每个周期第二阶段的频率平均值为正弦波调制阶段的频率平均值f2。

[0086] 对运动物体而言，根据公式 可算出运动物体速度v，其中λ为光纤激光器发出的激光波长，θ为激光波束方向与目标物体运动方向的夹角。根据公式解算目标物体距测试设备的距离，其中，c为光速，Δf为正弦调制信号最大频偏，fm为正弦调制信号的频率。

[0087] 本发明所述利用相干探测激光测速测距的方法及装置，引入了不调制信号阶段，与现有技术中全周期的三角波调制方式相比，可大大提高速度解算的信噪比，消除调制信号的线性度对测速测距造成的影响。同时，本发明在同一装置中采用相干探测的方式，分两阶段对激光进行频率调制，既能测量运动物体距离信息，也能得到运动物体速度信息，而且保证了测量的精度和作用范围。

[0088] 通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。