粗测和精测距离信号处理方法、处理模块及基于该模块的啁啾调制光子计数激光雷达系统，涉及激光雷达技术领域，具体涉及基于相位后处理方法的啁啾调制光子计数激光雷达测距技术领域。为了解决现有啁啾调制光子计数雷达测距误差大的问题。先通过中频频谱质心算法获得一个粗测的距离值，再通过对中频波形的相位后处理获得一个精细的距离测量值，将粗测值和精细值的互补在一起，从而有效的提高测距精度。本发明专利技术适用于啁啾调制光子计数激光雷达测距系统。
【技术实现步骤摘要】
粗测和精测距离信号处理方法、处理模块及基于该模块的啁啾调制光子计数激光雷达系统
本专利技术涉及激光雷达
，具体涉及基于相位后处理方法的啁啾调制光子计数激光雷达测距技术。
技术介绍
啁啾调制光子计数雷达是一种新型的雷达体制，它结合了光子计数和啁啾调制两大技术，这使得它既拥有Gm-APD的单光子响应的极高探测灵敏度，能极大的增加探测距离，还拥有啁啾调制外差探测高精度的特点。但是啁啾调制光子雷达探测器采用的是Gm-APD，它由于工作在盖革模式下，信号的到来会引起雪崩效应造成饱和输出电流，如果不及时抑制，饱和电流将会击穿探测器，这就需要一定的时间来抑制饱和电流、并将探测器重置到盖革模式以准备下一次的探测，这个时间就是死时间。由于死时间的存在造成了Gm-APD啁啾调制光子雷达的探测是离散采样的，因此经过傅里叶变换的处理，中频频谱也是离散的，对应的距离间隔为δR＝c/2B，其中，δR为中频频率的固有间隔，c为光速，B为啁啾调制信号的带宽。由于无法准确的确定目标位于间隔内的位置，从而造成大的测距误差。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有啁啾调制光子计数雷达测距误差大的问题，从而提供粗测和精测距离信号处理方法、处理模块及基于该模块的啁啾调制光子计数激光雷达系统。粗测和精测距离信号处理方法，该方法包括以下步骤：参数设定步骤：设定f0＝B，f0是啁啾调制信号的载波频率，即基频，B是啁啾调制信号的带宽；粗测距离值计算步骤：获得中频频域信号，从中频频谱上获得中频峰的数据(wm，Pm)，m是整数，表示第m个测量点，wm表示第m个测量点的频率位置，Pm表示第m个测量点的中频频谱强度；采用质心算法估计粗测距离值，中频峰值的频率fIF|WCLA表示为：其中，l是中频信号的半峰宽度；粗测距离值Rraw为：Rraw＝(fIF|WCLA/k)·c/2(2)其中，k＝B/T，k是啁啾调制信号的斜率，T是啁啾调制信号的时间长度，c为光速；精测距离值计算步骤：获得中频时域信号SIF(t)，其中，M是激光信号衰减的系数，I0是发射激光的强度，ε(t)表示噪声；根据粗测距离值计算步骤获得的Rraw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2Rraw/c；根据回波延迟时间τ，产生I/Q信号，该信号的Q分量信号、I分量信号分别为SQ(t)＝cos(kτt)(4a)SI(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)中频时域信号SIF(t)分别与I分量信号和Q分量信号相乘，并经滤波，得到的Q分量信号和I分量信号的积分结果为：Q分量信号和I分量信号的积分结果相除，得到其中，n是非负整数，表示重复循环的周期数；则相位差从而相位精测的距离值Rfine为：其中，ΔR＝c/(2f0)，ΔR是相位测距的周期；粗测和精测的距离值融合步骤：利用粗测距离值将表示真正回波峰值的精测的距离值即目标的距离值R挑选出来，目标的距离值R是一系列精测的距离值Rfine中距离粗测距离值Rraw最近的一个精测的距离值。粗测和精测距离信号处理模块，该模块包括以下模块：参数设定模块：设定f0＝B，f0是啁啾调制信号的载波频率，即基频，B是啁啾调制信号的带宽；粗测距离值计算模块：获得中频频域信号，从中频频谱上获得中频峰的数据(wm，Pm)，m是整数，表示第m个测量点，wm表示第m个测量点的频率位置，Pm表示第m个测量点的中频频谱强度；采用质心算法估计粗测距离值，中频峰值的频率fIF|WCLA表示为：其中，l是中频信号的半峰宽度；粗测距离值Rraw为：Rraw＝(fIF|WCLA/k)·c/2(2)其中，k＝B/T，k是啁啾调制信号的斜率，T是啁啾调制信号的时间长度，c为光速；精测距离值计算模块：获得中频时域信号SIF(t)，其中，M是激光信号衰减的系数，I0是发射激光的强度，ε(t)表示噪声；根据粗测距离值计算模块获得的Rraw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2Rraw/c；根据回波延迟时间τ，产生I/Q信号，该信号的Q分量信号、I分量信号分别为SQ(t)＝cos(kτt)(4a)SI(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)中频时域信号SIF(t)分别与I分量信号和Q分量信号相乘，并经滤波，得到的Q分量信号和I分量信号的积分结果为：经过I/Q除法器得到其中，n是非负整数，表示重复循环的周期数；则相位差从而相位精测的距离值Rfine为：其中，ΔR＝c/(2f0)，ΔR是相位测距的周期；粗测和精测的距离值融合模块：利用粗测距离值将表示真正回波峰值的精测的距离值即目标的距离值R挑选出来，目标的距离值R是一系列精测的距离值Rfine中距离粗测距离值Rraw最近的一个精测的距离值。基于上述模块的啁啾调制光子计数激光雷达系统，它包括啁啾信号发生器、激光器、发射光学系统、接收光学系统、Gm-APD探测器、混频模块、低通滤波器、傅里叶变换器及信号处理器；啁啾信号发生器的控制信号输出端一连接激光器的控制信号输入端，激光器出射的激光经发射光学系统的准直和扩束后发射，接收光学系统接收目标反射回的激光，接收光学系统的输出端连接Gm-APD探测器的输入端，Gm-APD探测器的输出端连接混频模块的光信号输入端，啁啾信号发生器的控制信号输出端二连接混频模块的电信号输入端，混频模块的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端同时连接傅里叶变换器的输入端及信号处理器的输入端一，傅里叶变换器的输出端连接信号处理器的输入端二；信号处理器内嵌入有软件实现的粗测和精测距离信号处理模块。由于Gm-APD的死时间，Gm-APD的采样探测是离散的，因此外差和傅里叶变化后的中频频谱也是离散的。当中频频谱的峰值在两个离散测量点之间，由于无法准确的给出峰值的位置从而造成了测距误差，限制了测距精度。本专利技术所述的粗测和精测距离信号处理方法，先通过中频频谱质心算法获得一个粗测的距离值，再通过对中频波形的相位后处理获得一个精细的距离测量值，将粗测值和精细值的互补在一起，从而有效的提高测距精度。本专利技术所述的粗测和精测距离信号处理模块，先通过粗测距离值模块获得一个粗测的距离值，再通过精测距离值模块获得一个精细的距离测量值，将粗测值和精细值的互补在一起，得到的目标的距离值即为所求距离值，本专利技术能准确的确定目标位于频谱间隔内的位置，有效的提高测距精度。本专利技术所述的基于粗测和精测距离信号处理模块的啁啾调制光子计数激光雷达系统，首先由啁啾信号发生器产生啁啾调制的电信号控制激光器产生幅度受啁啾调制的激光信号，该被调制的激光信号经过发射光学系统的准直和扩束后发射出去，经过往返大气的衰减，由目标反射回来的激光信号到达接收光学系统，然后通过接收光学系统将回波信号收集到Gm-APD探测器上，回波信号光子的到达率受啁啾信号发生器调制，Gm-APD响应回波光子到达率输出一系列疏密相间的脉冲串，脉冲密集的地方信号光子到达率高，反之脉冲稀疏的地方信号光子到达率低，这样Gm-APD探测器探测的结果携带着调制信息，与啁啾信号发生器产生的另一路啁啾调制电信号在混频器进行混频，再经过低通滤波器滤除高频的信号得到中频信号的时域信号，再经过傅里叶变换器的转换又可以得到中频信号的频域信号，最后将中频信号时域和频域信号同时输入到信号处理器进行数据后处理。本专利技术所述的系统将粗测值和精细值互补在一起，从本文档来自技高网...
【技术保护点】
粗测和精测距离信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：参数设定步骤：设定f0＝B，f0是啁啾调制信号的载波频率，即基频，B是啁啾调制信号的带宽；粗测距离值计算步骤：获得中频频域信号，从中频频谱上获得中频峰的数据(wm，Pm)，m是整数，表示第m个测量点，wm表示第m个测量点的频率位置，Pm表示第m个测量点的中频频谱强度；采用质心算法估计粗测距离值，中频峰值的频率fIF|WCLA可以表示为：fIF|WCLA=Σm=-lm=lPmwmΣm=-lm=1Pm---(1)]]>其中，l是中频信号的半峰宽度；粗测距离值Rraw为：Rraw＝(fIF|WCLA/k)·c/2 (2)其中，k＝B/T，k是啁啾调制信号的斜率，T是啁啾调制信号的时间长度，c为光速；精测距离值计算步骤：获得中频时域信号SIF(t)，SIF(t)=12MI0rect(t-τ/2T-τ)cos(f0τ+ktτ-12kτ2)+ϵ(t)---(3)]]>其中，M是激光信号衰减的系数，I0是发射激光信号的强度，ε(t)表示噪声；根据粗测距离值计算步骤获得的Rraw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2Rraw/c；根据回波延迟时间τ，产生I/Q信号，该信号的Q分量信号、I分量信号分别为SQ(t)＝cos(kτt) (4a)SI(t)＝cos(kτt+π/2) (4b)中频时域信号SIF(t)分别与I分量信号和Q分量信号相乘，并经滤波，得到的Q分量信号和I分量信号的积分结果为：Q=12MI0cos(f0τ-12kτ2)---(5a)]]>I=12MI0sin(f0τ-12kτ2)---(5b)]]>Q分量信号和I分量信号的积分结果相除，可以得到tan(f0τ-12kτ2)=I/Q---(6)]]>其中，n是非负整数，表示重复循环的周期数；则相位差从而相位精测的距离值Rfine为：其中，△R＝c/(2f0)，△R是相位测距的周期；粗测和精测的距离值融合步骤：利用粗测距离值将目标的距离值R挑选出来，目标的距离值R是一系列精测的距离值Rfine中距离粗测距离值Rraw最近的一个精测的距离值。...
【技术特征摘要】
1.粗测和精测距离信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：参数设定步骤：设定f0＝B，f0是啁啾调制信号的载波频率，即基频，B是啁啾调制信号的带宽；粗测距离值计算步骤：获得中频频域信号，从中频频谱上获得中频峰的数据(wm，Pm)，m是整数，表示第m个测量点，wm表示第m个测量点的频率位置，Pm表示第m个测量点的中频频谱强度；采用质心算法估计粗测距离值，中频峰值的频率fIF|WCLA可以表示为：其中，l是中频频域信号的半峰宽度；粗测距离值Rraw为：Rraw＝(fIF|WCLA/k)·c/2(2)其中，k＝B/T，k是啁啾调制信号的斜率，T是啁啾调制信号的时间长度，c为光速；精测距离值计算步骤：获得中频时域信号SIF(t)，其中，M是激光信号衰减的系数，I0是发射激光信号的强度，ε(t)表示噪声；根据粗测距离值计算步骤获得的Rraw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2Rraw/c；根据回波延迟时间τ，产生I/Q信号，该信号的Q分量信号、I分量信号分别为SQ(t)＝cos(kτt)(4a)SI(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)中频时域信号SIF(t)分别与I分量信号和Q分量信号相乘，并经滤波，得到的Q分量信号和I分量信号的积分结果为：Q分量信号和I分量信号的积分结果相除，可以得到其中，n是非负整数，表示重复循环的周期数；则相位差从而相位精测的距离值Rfine为：其中，ΔR＝c/(2f0)，ΔR是相位测距的周期；粗测和精测的距离值融合步骤：利用粗测距离值将目标的距离值R挑选出来，目标的距离值R是一系列精测的距离值Rfine中距离粗测距离值Rraw最近的一个精测的距离值。2.粗测和精测距离信号处理模块，其特征在于，该模块包括以下模块：参数设定模块：设定f0＝B，f0是啁啾调制信号的载波频率，即基频，B是啁啾调制信号的带宽；粗测距离值计算模块：获得中频频域信号，从中频频谱上获得中频峰的数据(wm，Pm)，m是整数，表示第m个测量点，wm表示第m个测量点的频率位置，Pm表示第m个测量点的中频频谱强度；采用质心算法估计粗测距离值，中频峰值的频率fIF|WCLA表示为：
【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，赵远，靳辰飞，张勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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