一种适用于双频连续激光雷达的单像元二维速度测量方法技术

本发明专利技术是一种适用于单像素双频连续激光雷达的空间物体速度测量方法。此方法使用压缩感知(CS)算法，利用数字微透镜阵列(DMD)对面阵回波信号进行编码，将经过AD转换的激光雷达回波信号分别与本振信号和参考信号混频，再对混频后的两个信号进行采样时间长度的积分和带通滤波，然后对处理后的两个信号进行压缩感知恢复运算，得到两个二维强度分布信息。通过计算恢复后得到的强度分布信息的对应像元强度比值与参考信号频率和拍频频率的频差的积的相反数，获得多普勒频移。进一步由多普勒频移与探测信号频率关系获得空间物体运动速度。移与探测信号频率关系获得空间物体运动速度。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于双频连续激光雷达的单像元二维速度测量方法

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[0001]本专利技术涉及单像素双频激光雷达二维速度测量技术，特别是涉及利用多普勒频移及压缩感知单像素成像技术获取目标运动速度的二维速度测量技术。

技术介绍
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[0002]速度测量是航空航天、机械工程、土木工程、生物医学等众多领域中的一个重要应用。通常，测量目标物体的速度主要有机械测量、光学测量和微波测量三种方法。其中，光学测量由于非接触、精度高、范围广等特点，具有十分优秀的应用前景。光学测量中最常用的方法是激光多普勒技术，其利用多普勒原理，通过分析回波信号中的频移，反演出目标的运动速度。目前，从使用的光源上分，有单频激光多普勒技术与双频激光多普勒技术。单频激光通过信号光与本振光进行相干，使得频移信号位于探测器可探测的中频段，对频率进行解调后做时频分析，以得到目标的振动信息。双频激光克服了大气湍流的影响，同时由于双频激光拍频频率可调，从而能够通过调整拍频频率来应对不同速度的运动目标，具有大动态范围的速度测量能力。但是，上述激光测速的应用均为一维单点测速。另外，由于可见光波段外的面阵探测器制造难度大、成本高，目前常见探测器多为单像素或低像素数的面阵探测器，其分辨能力和探测帧率也远远低于可见光面阵探测器。而目前非可见光波段尤其是红外波段的探测技术已较为成熟。故非可见光面阵探测在一定程度上受到了约束。为了解决上述问题，现提出了一种使用单像素探测器和双频激光的二维目标速度探测方法。本专利技术利用多普勒频移及压缩感知单像素成像技术等方法，利用数字微透镜阵列(DMD)对回波信号进行空间编码，对回波信号与本振信号和参考信号混频、滤波和积分后的数据组进行恢复运算，再通过恢复结果与本振、参考信号频率差的关系得到二维的目标多普勒频移，由多普勒频移与探测波长、移动速度的关系，得到二维平面上目标的运动速度。

技术实现思路
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[0003]本专利技术利用压缩感知单像素成像技术，通过数字微透镜阵列(DMD)对双频激光雷达回波信号进行编码，利用FPGA和多通道采集卡对回波信号进行采集、数字混频、带通滤波和数字积分，得到编码数据组，并对其进行恢复运算，根据恢复结果与本振和参考信号频率差之间的关系获得二维空间上物体的多普勒频移，再根据多普勒频移与探测波长、移动速度的关系，得到二维空间物体的运动速度。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]S1：将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到所述双频激光源；
[0006]S2：将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号如下式，其傅里叶频谱频率为f1；
[0007][0008]S3：根据图像大小M
×
N，按测量需要计算所需测量次数K。
[0009]S4：另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经DMD进行K次空域编码，每次编码矩阵为c
kij
，其中k＝1,2,...,K， i＝1,2,...,M，j＝1,2,...,N，由探测器探测接收得到所述K组回波信号,其中第k组为：
[0010][0011]其中，Δf
ij
为第i行第j列像元的多普勒频移。
[0012]S5：将回波信号分别与本振信号、参考信号混频，得到如下结果：
[0013][0014][0015]S6：将上式(3)和(4)进行时间长度为T的积分，得到编码数据d1(k)和d2(k)；
[0016]S7：通过对K次编码测量得到的d1(k)和d2(k)数据分别进行压缩感知恢复运算，得到恢复结果r1(i,j)和r2(i,j)；
[0017]S8：通过以下公式计算探测目标的运动速度：
[0018][0019]S9：根据多普勒频移与探测波长、物体运动速度的关系，得到每一个像素对应的物体运动速度v
ij
；
[0020]本专利技术具有的有益效果是：
[0021]本专利技术提供了一种应用于双频连续激光雷达的单像素二维速度测量方法，通过使用压缩感知单像素成像的方法，对雷达回波信号进行空间编码，将激光测量的高精度和双频激光抗大气扰动能力强的优点充分发挥出来。通过运用压缩感知技术，解决了红外波长探测器因多像素面阵探测器制造瓶颈而无法利用红外激光进行面阵速度探测的问题。通过对回波信号进行空间编码，与本振信号、参考信号进行混频，在恢复运算获得恢复结果后由简单的运算即可准确的获得二维平面上目标的移动速度。本方法拥有良好的准确性、速度分辨率，计算复杂度不高，具有较好的发展前景，可以基本满足实际中单像素探测器二维速度测量的需求。
附图说明：
[0022]无。
具体实施方式：
[0023]以下对本专利技术的优选实施例进行详细说明；此优选实施例仅为更好地对本专利技术的具体实施方式进行说明，并非为限制本专利技术的保护范围。
[0024]本专利技术使用的基于多普勒频移及压缩感知单像素成像技术的双频激光雷达二维测速方法，包括以下步骤：
[0025]S1：将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到所述双频激光源；
[0026]S2：将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号如下式，其傅里叶频谱频率为f1；
[0027][0028]S3：根据图像大小M
×
N，按测量需要计算所需测量次数K。
[0029]S4：另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经DMD进行K次空域编码，每次编码矩阵为c
kij
，其中k＝1,2,...,K， i＝1,2,...,M，j＝1,2,...,N，由探测器探测接收得到所述K组回波信号,其中第k组为：
[0030][0031]其中，Δf
ij
为第i行第j列像元的多普勒频移。
[0032]S5：将回波信号分别与本振信号、参考信号混频，得到如下结果：
[0033][0034][0035]S6：将上式(3)和(4)进行时间长度为T的积分，得到编码数据d1(k)和d2(k)；
[0036]S7：通过对K次编码测量得到的d1(k)和d2(k)数据分别进行压缩感知恢复运算，得到恢复结果r1(i,j)和r2(i,j)；
[0037]S8：通过以下公式计算探测目标的运动速度：
[0038][0039]S9：根据多普勒频移与探测波长、物体运动速度的关系，得到每一个像素对应的物体运动速度v
ij
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多普勒频移及压缩感知单像素成像技术的双频连续激光雷达二维物体运动速度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将种子激光源出射的单频激光进行分束，令其中一束通过声光调制器进行频率调制，另一束激光不进行处理；再把调制的激光与另一束激光进行合束，得到所述双频激光源；S2：将合束后得到的所述双频激光源再次进行分束，令其中一束直接经探测器探测接收，得到所述本振信号如下式，其傅里叶频谱频率为f1；S3：根据图像大小M
×
N，按测量需要计算所需测量次数K。S4：另一束双频激光经功率放大器及光机系统进行出射，照射探测目标，光机系统接收目标散射反射光，经DMD进行K次空域编码，每次编码矩阵为c
kij
，其中k＝1,2,...,K，i＝1,2,...,M，j＝1,2,...,N，由探测器探测接收得到所述K组编码回波信号,其中第k组为：其中，Δf
ij
为第i行第j列像元的多普勒频移。S5：将回波信号分别与本振信号、参考信号混频，得到如下结果：S5：将回波信号分别与本振信号、参考信号混频，得到如下结果：S6：将上式(3)和(4)进行时间长度为T的积分，得到编码数据d1(k)和d2(k)；S7：通过对K次编码测量得到的d1(k)和d2(k)数据分别进行压缩感知恢复运算，得到恢复结果r1(i,j)和r2(i,j)；S8：通过以下公式计算探测目标的运动速度：S9：根据多普勒频移与探测波长、物体运动速度的关系，得到每一个像素对应的物体运动速度v
ij
；2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子龙，李亚弼，赵长明，张海洋，赵苏怡，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：