一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，该系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统，其包括：一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达；所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面，且所述主发射激光雷达位于该平面的中心。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及分布式光学系统探测
，特别涉及一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统及方法。
技术介绍
振动是大千世界各类动目标的一类普遍运动形式。无论是在浩渺宇宙中横亘穿越的碎片，还是空间探索中直冲云霄的火箭及其运载的设备，以及自然界的人和昆虫等，都一定程度存在着振动这种运动特性。振动与运动目标的质量、材质类型以及结构分布等密切相关。通过对振动目标的振动参数的测量与提取，一方面能够基于振动频率等特性，为振动目标的识别提供依据；另一方面能够快速掌握当前振动目标的运行状态，为有效控制与干预振动目标提供支持，从而降低实施风险与技术成本。目前，对动目标的振动特征参数的测量与提取还存在一定的难度。从探测系统来看，现有的提取方法是基于电磁雷达探测系统来实现的，且只有一个电磁雷达进行探测，而且不能满足对厘米级的动目标的空间探测分辨率要求；从振动特征参数提取方法来看，传统的提取振动特征参数的方法是基于一个电磁雷达的发射和接收数据来进行探测，只能获取视线投影方向上的振动频率，不能提取动目标在三维空间下的真实振动频率，振动方位，振动幅度，初始相位，方向角和俯仰角等这些精细特征参数；从振动探测实施来看，尽管激光雷达在提升探测精度上有很大优势，但是在现有的提取振动特征参数的方法过程中，通过本振光传递相参处理方式对分布式系统布设增加了复杂性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决在三维空间下提取动目标的振动特征参数的提取方法存在上述缺陷，本专利技术提供了一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，该系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统，其包括：一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达。所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面，且所述主发射激光雷达位于该平面的中心，通过每个所述接收激光雷达分别与动目标和所述主发射激光雷达连线的方式构成一个夹角，用于多角度探测并获取动目标的回波信号。基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，本专利技术还提供了一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法。该方法具体包括：步骤1基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，建立一个以所述主发射激光雷达为原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z)；步骤2建立并在理论上推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷达的微动效应数学模型，即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi，用如下公式表示：其中，f0为所述主发射雷达的载频，R0是动目标的振动中心O(U0，V0，W0)与所述主发射雷达Q0的初始距离，αi是第i个接收雷达Qi在三维坐标系中的方向角，Ri是动目标的中心O(U0，V0，W0)与所述接收激光雷达Qi的距离，αp是动目标在三维坐标系中的方向角，βp是动目标在三维坐标系中的俯仰角，fv是动目标的振动频率，Dv是动目标的振动幅度，c是光速，t是动目标的运动时间,是动目标的初始相位；步骤3根据步骤2建立的理论上的微动效应模型和公式(14)，确定所述接收激光雷达的个数；步骤4根据建立的基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，依据理论推导出的第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t)，采用时频分析方法，得到回波信号的微多普勒效应的频率随时间变换的规律，针对不同方向上的不同接收激光雷达接收的回波信号，开展基于伪winger-ville变换的时频变换，通过伪winger-ville变换，提取微多普勒频率随时间变化的频率曲线的轮廓信息，即每一个时刻对应一个区间范围内的微多普勒效应的频率值；所述第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t)，即公式(10)：其中，j是复数信号处理中常见表示系数，λc是光速的波长，是t时刻动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量，是t时刻动目标的振动中心O到所述第i个接收激光雷达Qi的矢量；步骤5采用谱图峰值估计法，对经过伪winger-ville变换后的微多普勒频率进行谱图峰值估计，获得每一个时刻所对应的微多普勒效应的瞬时频率，进而获得在一个时间范围内的针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信号中的微多普勒效应信息；步骤6对步骤5中得到的所述微多普勒效应的瞬时频率进行采样，并利用拟合工具cftool对采样后的数据按照正弦形式f(x)＝a*sin(b*x+c)进行拟合，从而可以得到动目标的振动频率fv，动目标的初始相位对应于每一个所述接收激光雷达捕获到的微多普勒频率正弦系数值，并假设将其表示为Ai，Ai可表示为：步骤7依据步骤6中的公式(15)和每个所述接收激光雷达接收的每组回波信号进行关联处理，构建回波信号的非线性方程组，解算出动目标的振动幅度Dv，动目标在三维坐标系中的方向角αp，动目标在三维坐标系中的俯仰角βp，这三个振动特征参数。所述步骤2中，所述微动效应数学模型是用于描述所述主发射激光雷达发射的载频信号经过动目标的调制后并对所述接收激光雷达接收的回波信号产生调制的过程；其中，所述回波信号隐含有振动目标的振动频率fv，振动幅度Dv，初始相位方向角αp和俯仰角βp这些特征参数。所述步骤2中，推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷达的微动效应数学模型，即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi，具体过程如下：基于以所述主发射激光雷达Q0为原点建立的三维参考坐标系Q(X,Y,Z)，所述主发射激光雷达的发射信号是单频正弦信号，f0为所述主发射激光雷达的载频。动目标的振动中心O(U0,V0,W0)表示为：O(U0,V0,W0)＝O(R0cosαcosβ,Rosinαcosβ,R0sinβ)其中，α0是动目标在三维坐标系中的初始方向角，β0是动目标在三维坐标系中的初始俯仰角。则所述主发射激光雷达Q0视线方向的单位向量是：部署Q1,Q2...Qi...Qn共n个接收激光雷达，则Qi可以表示为：Qi(Ricosαicosβi,Risinαicosβi,Risinβi)其中，Ri是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始距离，βi是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始俯仰角；为了便于分析，假设动目标在宏观上的速度为零，只存在关于动目标的振动中心O(U0,V0,W0)的振动。假设动目标在三维坐标系中的振动方向为：方位角αp，俯仰角βp，同时动目标的振动形式Dt为：其中，Dv是动目标的振动幅度，ωv是动目标的振动角频率，即ωv＝2πfv；则在t时刻，从动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量为：其中，是所述主发射雷达与振动中心O的距离矢量；则动目标的振动中心O与所述主发射激光雷达Q0之间的距离R0(t)为：其中，U0，V0，W0分别是振动中心O在三维坐标系中的位置坐标；通常情况下Rt＞＞Dt，则(4)式可以近似为R0(t)≈R0+Dt[cos(α0-αp)cosβ0cosβp+sinβ0sinβp](5)因此，在t时刻，从动目标的振动中心O到所述接收激光雷达Qi的矢量为：其中，是所述主发射雷达Q与振动中心O的距离矢量；动目标的中心点O与所述接收激光雷达Qi的距离Ri(t)为：为了计算方便，假设动目标的中心点O在三维坐标系Q(X,Y,Z)中的Z轴上，则α0＝0，第i个所述接收激光雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，其特征在于，该系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统，其包括：一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达。

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，其特征在于，该系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统，其包括：一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达。2.根据权利要求1所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，其特征在于，所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面，且所述主发射激光雷达位于该平面的中心。3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统实现的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法，其特征在于，该方法具体包括：步骤1基于上述一发多收的多站式分布探测系统，建立一个以所述主发射激光雷达为原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z)；步骤2建立并在理论上推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷达的微动效应数学模型，即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi，用如下公式表示：其中，f0为所述主发射雷达的载频，R0是动目标的振动中心O(U0，V0，W0)与所述主发射雷达Q0的初始距离，αi是第i个接收雷达Qi在三维坐标系中的方向角，Ri是动目标的中心O(U0，V0，W0)与所述接收激光雷达Qi的距离，αp是动目标在三维坐标系中的方向角，βp是动目标在三维坐标系中的俯仰角，fv是动目标的振动频率，Dv是动目标的振动幅度，c是光速，t是动目标的运动时间,是动目标的初始相位；步骤3根据步骤2建立的理论上的微动效应模型和公式(14)，确定所述接收激光雷达的个数；步骤4根据建立的基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统，依据理论推导出的第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t)，采用时频分析方法，得到回波信号的微多普勒效应的频率随时间变换的规律，针对不同方向上的不同接收激光雷达接收的回波信号，开展基于伪winger-ville变换的时频变换，通过伪winger-ville变换，提取微多普勒频率随时间变化的频率曲线的轮廓信息，即每一个时刻对应一个区间范围内的微多普勒效应的频率值；所述第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t)，即公式(10)：其中，j是复数信号处理中常见表示系数，λc是光速的波长，是t时刻动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量，是t时刻动目标的振动中心O到所述第i个接收激光雷达Qi的矢量；步骤5采用谱图峰值估计法，对经过伪winger-ville变换后的微多普勒频率进行谱图峰值估计，获得每一个时刻所对应的微多普勒效应的瞬时频率，进而获得在一个时间范围内的针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信号中的微多普勒效应信息；步骤6对步骤5中得到的所述微多普勒效应的瞬时频率进行采样，并对采样后的数据进行拟合，从而得到动目标的振动频率fv，动目标的初始相位对应于每一个所述接收激光雷达捕获到的微多普勒频率正弦系数值，并假设将其表示为Ai，Ai表示为：步骤7依据步骤6中的公式(15)和每个所述接收激光雷达接收的每组回波信号进行关联处理，构建回波信号的非线性方程组，解算出动目标的三个振动特征参数，即动目标的振动幅度Dv，动目标在三维坐标系中的方向角αp，动目标在三维坐标系中的俯仰角βp。4.根据权利要求3所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述微动效应数学模型是用于描述所述主...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立钢，沈菲菲，段永强，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11