[發明專利]基于相位解調方法的FMCW激光雷達高精度信號測量方法

無效

• 申請號: 201310079927.4
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103163513A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 甘雨;陳鳳東;唐烽;劉國棟;劉炳國;莊志濤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張果瑞

技術領域

本發明涉及基于相位解調方法的FMCW激光雷達高精度信號測量方法，特別是一種抗激光器調頻非線性干擾的信號解調方法，屬于高精度FMCW激光雷達測距領域。

背景技術

工件形貌檢測在現代科技應用中日益普遍，如大飛機機身外形、大型汽輪機葉片形狀、車間機械自動裝配等檢測是各個領域中極為頻繁的工作。目前用于大型工件三維坐標檢測的方法主要有視覺測量系統、激光跟蹤儀、三坐標機、光電經緯儀等。基于調頻連續波技術（FMCW）的相干探測激光雷達綜合了精度高、非接觸、高效率等優勢，在各行業獲得了的高度重視。由于激光器的調頻曲線具有非線性，如圖4所示，測量光和參考光拍頻干涉信號的頻率會隨著時間而改變，如圖5所示。其對應的傅立葉變化譜如圖6所示，顯然拍頻信號的譜峰值區域被嚴重擴展，導致在提取拍頻頻率f_IF時引入一個較大的誤差。同時，激光器調頻的非線性是無法采用優化激光器參數等方式完全消除，只能通過校正與補償盡量削弱其導致的測量誤差。

現有的用于工件形貌檢測的基于FMCW技術的激光雷達信號測量方法在提取拍頻信號頻率的解調技術上受激光器調頻非線性的影響，并且在提取拍頻信號頻率時信號細分數受限于整個采樣時間段內信號質量的缺陷，因此使測量精度低。

發明內容

本發明為了解決現有的用于工件形貌檢測的基于FMCW技術的激光雷達信號測量方法在提取拍頻信號頻率的解調技術上受激光器調頻非線性的影響，并且在提取拍頻信號頻率時信號細分數受限于整個采樣時間段內信號質量的缺陷，因此使測量精度低的問題。而提出基于相位解調方法的FMCW激光雷達高精度信號測量方法。

基于相位解調方法的FMCW激光雷達高精度信號測量方法，它由以下步驟實現：

步驟1、采用激光器測量基于FMCW技術的激光雷達光路，測量時，對激光器進行線性啁啾調制，得到激光器輸出的激光器的調頻函數為：

f(t)=f₀+αt+f_e(t)

式中：f₀為激光初始頻率，α=Ω/T_m，Ω為調頻范圍，T_m是啁啾調制周期，f_e(t)為調頻非線性項，t為時間；

步驟2、采用相位解調方法，獲得調頻激光雷達光路中的拍頻信號相位變化量與測量光路相對于參考光路的時間延時τ的關系，其具體方法為：

計算激光器的調頻函數所對應的光相位函數為：

式中：θ₀為初始時刻的光相位，為調頻非線性項f_e在時間0到t內的積分,dξ表示時間t的微分；

利用調頻激光雷達光路原理，當測量光和參考光在探測器PD處產生拍頻干涉時，測量光路光相位與參考光路相位差拍混頻形成拍信號相位為：

式中：τ為測量光路的延時時間，為調頻非線性項f_e在時間t-τ到t內的積分；

當時，上式拍信號相位簡化為：

式中：為拍信號相位；

在時間[t₀，t₀+T]內，得到的拍信號相位改變量為：

式中：時間內的拍信號相位，時間內的拍信號相位，f(t₀+T)為（t₀+T）時間內的激光器的調頻函數，f(t₀)為t₀時間內的激光器的調頻函數；

將步驟1中的激光器的調頻函數f(t)=f₀+αt+f_e(t)帶入拍信號相位改變量中，獲得函數：

式中：f_e(t₀+T)-f_e(t₀)=0，f_e(t₀+T)為（t₀+T）時間內的調頻非線性項，f_e(t₀)為t₀時間內的調頻非線性項；

根據公式：

得到拍頻信號相位變化量與測量光路相對于參考光路的延時時間τ的關系；

步驟3、根據步驟2中獲得的拍頻信號相位變化量與測量光路相對于參考光路的延時時間τ的關系，計算被測距離R，實現FMCW激光雷達高精度信號測量方法。