本发明专利技术公开一种动态的激光多普勒频谱校正法，传统的激光多普勒频谱校正方法只是对频谱的固定位置噪声进行了抑制处理，由于不同的激光测速仪系统所对应的多普勒频谱噪声位置不一定相同，因此该方法不具有普适性，并且该方法的抑制效果较差，仍存在频谱噪声不稳定现象，对测速仪系统的频谱解算造成干扰，因此提出了一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱校正法。本发明专利技术基于功率谱分析进行信号抑制，具有很好的普适性，频谱噪声抑制效果明显，频谱噪声稳定，为后续频谱解算准确提取出多普勒信号奠定基础。号奠定基础。
【技术实现步骤摘要】
一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱校正方法
[0001]本专利技术涉及一种激光多普勒频谱校正方法，特别是一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱校正法。
技术介绍
[0002]与里程计相比，激光多普勒测速仪即Laser Doppler Velocimeter，属于非接触测量设备，利用激光的多普勒效应实现车辆载体机动速度的高精度测量，能够隔离车辆载体轮胎胎压变化、转弯机动、打滑等因素的不利影响，是解决车辆载体高精度自主定位适应性的有效途径之一，具有响应速度快、空间分辨率高、测量范围大等突出优点。激光多普勒频率信号的精确提取，在实现高精度激光测速的工程实践中至关重要，直接影响速度测量的精度。
[0003]但是由于电路噪声因素的干扰，通常会对信号的正确解算带来影响，严重时会解算出错误速度输出至定位定向设备，导致定位误差增大。
技术实现思路
[0004]本专利技术目的在于提供一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱校正法，解决激光多普勒频谱噪声不稳定问题。
[0005]一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱噪声抑制方法的具体步骤为：
[0006]第一步 搭建基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统
[0007]基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统，包括：频谱采集模块和频谱处理模块。
[0008]频谱采集模块的功能为：实现高精度多普勒频域信号的采集，通过FPGA芯片将A/D转换得到的数字多普勒存信号储于系统内部的先进先出FIFO单元，供频谱处理模块使用。
[0009]频谱处理模块的功能为：以ARM芯片STM32H743为核心，先进先出FIFO单元经过时序控制将频谱信号传输给ARM芯片，然后对多普勒信号功率谱进行频谱噪声校正处理，提取出功率谱背景噪声并进行抑制处理。
[0010]第二步 频谱采集模块采集多普勒信号功率谱
[0011]频谱采集模块将光电探测器获取的激光多普勒信号转换为光电流信号，再通过前置放大滤波，最后将模拟量信号转换为数字量的时域多普勒信号。通过FPGA芯片将探测到的时域多普勒信号用快速傅里叶变换FFT转换成频谱，该频谱即为多普勒信号的功率谱。
[0012]激光测速的核心即为在功率谱中找出最高的频点所对应的频率值，根据该频率值从而计算出速度值。
[0013]第三步 频谱处理模块提取静态功率谱背景噪声
[0014]多普勒信号功率谱不仅含有激光测速仪探测的多普勒有效信号，同时还混有电路噪声带来的噪声信号，噪声信号随机分布在功率谱的各个频点位置。当不对电路噪声进行抑制处理时，一旦电路噪声信号幅值超过了有效的多普勒信号幅值，噪声信号便会被误判
定为有效信号从而解算出错误的速度值。因此需要对电路噪声信号进行抑制处理。
[0015]噪声信号虽然随机分布在功率谱的各频点位置，但是噪声信号在功率谱中的包络形状不会改变。根据噪声信号的分布特点，频谱处理模块将噪声信号的包络提取出来。测速仪静态放置过程中，无多普勒信号输出，功率谱只包含电路噪声信息，故采集400帧功率谱作为样本，每一帧功率谱由8192个频点组成，并计算功率谱每个频点平均幅值，用公式(1)表示：
[0016][0017]其中F
i
表示第i帧的功率谱，求得的均值功率谱可反应电路噪声的包络分布，将该包络分布作为背景噪声。
[0018]第四步 频谱处理模块进行静态功率谱基底噪声分析
[0019]频谱处理模块采集400帧静态功率谱背景噪声的同时，对功率谱的基底噪声进行分析，用公式(2)表示：
[0020][0021]该基底噪声为后续计算信噪比时使用。
[0022]第五步 频谱处理模块进行功率谱信噪比分析
[0023]频谱处理模块确定测速仪功率谱信噪比，用公式(3)表示：
[0024][0025]公式(3)中，F为当前的采集到的功率谱，信噪比Q代表了当前采集的功率谱中最高峰值频率的强弱。
[0026]当激光测速仪静止放置时，测速仪不会敏感到效多普勒信号，信噪比Q稳定保持在100以下，且不受有电路噪声干扰。
[0027]当激光测速仪随载体运动时，测速仪会敏感到有效多普勒信号，在整个功率谱中的表现为有明显的尖峰信号，该尖峰信号的信噪比Q通常大于1000，可准确根据该尖峰在功率谱中的位置解算出速度。
[0028]第六步 频谱处理模块进行背景噪声和基底噪声动态更新
[0029]采集的400帧背景噪声和基底噪声虽然可以反映功率谱的包络形状，但是随着使用时间的积累，电路硬件温度会发生变化，对功率谱的包络形状会有一定的影响，频谱处理模块对背景噪声和基底噪声动态实时进行更新。
[0030]背景噪声的更新用公式(4)表示：
[0031]F
ave
＝k
·
F
ave1
+(1
‑
k)
·
F
ave2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0032]公式(4)中，F
ave
为更新后的背景噪声，F
ave1
为历史的背景噪声，F
ave2
为当前一帧的背景噪声，k为权重系数，由于功率谱包络每一帧的变化是很微小的，因此权重系数取k＝0.9995。
[0033]基底噪声的更新用公式(5)表示：
[0034][0035]公式(5)中，F
sqr
为更新后的背景噪声，F
sqr1
为历史的基底噪声，F
ave1
为历史的背景噪声，F为当前一帧的多普勒频谱，k为权重系数，权重系数取k＝0.9995。
[0036]至此，完成了一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱校正。
[0037]本专利技术基于功率谱分析进行信号抑制，具有很好的普适性，频谱噪声抑制效果明显，频谱噪声稳定，为后续频谱解算准确提取出多普勒信号奠定基础。
具体实施方式
[0038]一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱噪声抑制方法的具体步骤为：
[0039]第一步 搭建基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统
[0040]基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统，包括：频谱采集模块和频谱处理模块。
[0041]频谱采集模块的功能为：实现高精度多普勒频域信号的采集，通过FPGA芯片将A/D转换得到的数字多普勒存信号储于系统内部的先进先出FIFO单元，供频谱处理模块使用。
[0042]频谱处理模块的功能为：以ARM芯片STM32H743为核心，先进先出FIFO单元经过时序控制将频谱信号传输给ARM芯片，然后对多普勒信号功率谱进行频谱噪声校正处理，提取出功率谱背景噪声并进行抑制处理。
[0043]第二步 频谱采集模块采集多普勒信号功率谱
[0044]频谱采集模块将光电探测器获取的激光多普勒信号转换为光电流信号，再通过前置放大滤波，最后将模拟量信号转换为数字量的时本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于功率谱分析的激光多普勒频谱噪声抑制方法，其特征在于具体步骤为：第一步 搭建基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统基于功率谱分析的激光多普勒频谱处理系统，包括：频谱采集模块和频谱处理模块；第二步 频谱采集模块采集多普勒信号功率谱频谱采集模块将光电探测器获取的激光多普勒信号转换为光电流信号，再通过前置放大滤波，最后将模拟量信号转换为数字量的时域多普勒信号；通过FPGA芯片将探测到的时域多普勒信号用快速傅里叶变换FFT转换成频谱，该频谱即为多普勒信号的功率谱；激光测速的核心即为在功率谱中找出最高的频点所对应的频率值，根据该频率值从而计算出速度值；第三步 频谱处理模块提取静态功率谱背景噪声多普勒信号功率谱不仅含有激光测速仪探测的多普勒有效信号，同时还混有电路噪声带来的噪声信号，噪声信号随机分布在功率谱的各个频点位置；当不对电路噪声进行抑制处理时，一旦电路噪声信号幅值超过了有效的多普勒信号幅值，噪声信号便会被误判定为有效信号从而解算出错误的速度值；因此需要对电路噪声信号进行抑制处理；噪声信号虽然随机分布在功率谱的各频点位置，但是噪声信号在功率谱中的包络形状不会改变；根据噪声信号的分布特点，频谱处理模块将噪声信号的包络提取出来；测速仪静态放置过程中，无多普勒信号输出，功率谱只包含电路噪声信息，故采集400帧功率谱作为样本，每一帧功率谱由8192个频点组成，并计算功率谱每个频点平均幅值，用公式(1)表示：其中F
i
表示第i帧的功率谱，求得的均值功率谱可反应电路噪声的包络分布，将该包络分布作为背景噪声；第四步 频谱处理模块进行静态功率谱基底噪声分析频谱处理模块采集400帧静态功率谱背景噪声的同时，对功率谱的基底噪声进行分析，用公式(2)表示：该基底噪声为后续计算信噪比时使用；第五步 频谱处理模块进行功率谱信噪比分析频谱处理模块确定测速仪功率谱信噪比，用公式(3)表示：公式(3)中，F为当前的采集到的功率谱，信噪比Q代表了当前采集的功率谱中最高峰值频率的强弱；当激光测速仪静止放置时，测速仪不会敏感到效多普勒信号，信噪比Q稳定保持在100以下，且不受有电路噪声干扰；当激光测速仪随载体运动时，测速仪会敏感到有效...
【专利技术属性】
技术研发人员：崇泽辉，许永强，杨守波，刘攀，苑艳华，
申请(专利权)人：北京控制与电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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