基于连续线性调频激光器的测距方法

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基于调频连续波激光雷达的测距算法研究及其球坐标测量

摘要作为一种激光测距方法，调频连续波激光测距是通过频率线性调制的发射信号与回波信号形成的稳定的拍频信号，再对拍频信号通过快速傅里叶变换来提取出待测目标距离信息的。

较其他激光测距方法相比，该方法具有较高的测距精度和分辨率、测距范围大、且可实现无合作目标的非接触测量等特点，故在10~100米大尺寸测量范围内受到广泛的应用。

目前关于如何提高该测距系统的测距精度和分辨率是激光测距领域重要的研究方向之一。

本文主要工作如下：1.深入对等光频间隔重采样算法的研究，提出了一种新的等间隔重采样方法，即同时取出拍频信号峰谷值位置的点和零点位置的点，并在以上位置处进行重采样，可以将辅助信号的采样频率较之前的采样方法相比提升一倍。

本方法增加了一倍的系统测距量程，同时也可以在待测距离不变的情况下，减小因辅助光纤长度过长带来的光纤色散。

2.提出了一种基于等光频间隔重采样的相位差频率估计算法。

这种方法相当于对傅里叶频谱进行了进一步的细化，可以对傅里叶频谱中两个点之间的信息进行进一步的获取，提高了测距的精度，并从算法仿真和实验的角度进行了验证。

3.对双光路干涉系统光路进行了原理分析和研究，并提出了一种新的思路，即在原双光路干涉系统的基础上引入一个分光镜和一个1/4波片构成一个新的光路，在待测目标位置不变的情况下增加了其一倍的光程，并推导证实改进后的光路能够将测距分辨率提高一倍。

4.掌握了双光路干涉系统、信号处理系统以及二维转台操作系统后，实现三维球坐标测量。

关键词：调频连续波，三维球坐标，相位差频率估计测频法，重采样ABSTRACTAs a laser ranging measurement method, Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) laser ranging is a stable beat frequency signal which is formed by the frequency linear modulated transmitting signal and echo signal, and then the distance information of the target is extracted by the fast Fourier pared with other laser ranging methods, the method has the characteristics of high ranging accuracy and resolution, wide ranging range and it is suitable for non-contact measurement without cooperative targets, so it is widely used in the 10-100 meter large-scale measurement range. At present, how to improve the ranging accuracy and resolution of the ranging system is one of the important research directions in the field of laser ranging.The main works of this paper are as follows:1.The equispaced-phase resampling algorithm was deeply researched and then a new resampling method is proposed.That is, taking out the peak-valley position and the zero position of the beat signal at the same time and then resampling at the above position, the sampling frequency of the auxiliary signal can be doubled compared with the previous sampling method. This method has doubled the range of system ranging and reduces the fiber dispersion caused by the length of auxiliary fiber when the distance to be measured is constant.2.A phase difference frequency estimation algorithm based on equispaced-phase resampling nonlinearity correction is proposed. This method is equivalent to a further refinement of Fourier spectrum, which can further obtain the information between two points in the Fourier spectrum and improve the ranging accuracy. The algorithm simulation and experiment are also carried out to verify the method.3.The principle of dual interferometer FMCW laser ranging system is analyzed and a new idea is proposed. A spectroscope and a 1/4 wave plate are introduced to form a new measurement optical path on the basis of the original dual-path interferometry system, and the optical path is doubled when the position of the target to be measured is unchanged, and the modification is proved by derivation. The new optical path can double the range resolution.4.The three-dimensional spherical coordinate measurement is realized aftermastering the dual interferometer FMCW laser ranging system, signal processing system and two-dimensional turntable operating system.KEY WORDS: FMCW, Three-dimensional spherical coordinates, Phase difference frequency estimation algorithm, Resampling.IV目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.2.1 国外研究现状 (3)1.2.2 国内研究现状 (4)1.3 课题来源及主要研究内容 (5)第2章 FMCW激光测距原理及等光频间隔重采样算法 (7)2.1 调频连续波激光测距原理 (7)2.2 FMCW测距精度及分辨率主要影响因素 (8)2.2.1 FMCW测距精度的主要影响因素 (8)2.2.2 FMCW测距分辨率的主要影响因素 (10)2.3 重采样算法原理 (11)2.4 调频连续波激光测距信号处理系统 (18)2.5 本章小结 (18)第3章调频连续波激光测距新算法和光路研究 (21)3.1 基于辅助信号的新重采样方法原理 (21)3.2 新采样算法仿真验证分析 (22)3.3 基于等光频间隔重采样相位差频率估计算法原理 (25)3.4 算法测距仿真分析 (27)3.5 算法实验验证分析 (30)3.6 双光路干涉测距系统研究 (32)3.7 本章小结 (35)第4章调频连续波激光测距误差分析 (37)4.1 激光器光源 (37)4.2 数据采集系统 (41)4.3 测量距离 (45)4.4 本章小结 (46)第5章基于调频连续波激光测距的球坐标测量 (49)5.1 高精密二维转台概述 (49)5.1.1 二维转台系统简介 (49)5.1.2 二维转台主要技术指标以及操作流程 (51)5.2 基于调频连续波激光雷达三维球坐标测量 (53)5.3 本章小结 (58)第6章总结与展望 (59)6.1 全文总结 (59)6.2 论文创新点 (60)6.3 工作展望 (61)参考文献 (63)发表论文和参加科研情况说明 (67)致谢 (69)第1章绪论第1章绪论1.1 研究背景与意义目前随着现代化工业不断创新，高新科技层出不穷，社会对于大尺寸测量的需求与日俱增且趋多元化。

采用线性调频脉冲的几种高分辨测距技术

第蒹葱篙刍期２００４年１２月
制ＩＩＤ导ＡＣ与Ｅ＆＆引ＦＺＵ信ＺＥＥ
文章编号：１６７１—０５７６（２００４）０４—０００１—０６
００４Ｎｏ．ＧＵＩＤＡＮＣＥ
Ｖｏ呲Ｌ１圯．巳２５ “” ４
利用线性调频脉冲的几种高分辨测距技术
高烽，李朝全
（上海航天技术研究院８０２所，上海２０００９０）
摘要：介绍了线性调频脉冲信号高分辨测距的两种基本方法：时域压缩测距和频域压
采用线性调频脉冲进行测距，若导弹和目标存在相对运动，应对回波信号进行速度补偿，否则将引起测距误差。测距误差的计算式为‘２１
ＡＲ＝鲁
式中，ｃ为光速；ｕ为雷达与目标的相对径向速度；Ｔ为脉宽；Ｂ为带宽；Ａ为波长。
通常，线性调频脉冲压缩是指将线性调频宽脉冲压缩为窄脉冲。压缩前的时宽（Ｔ）带宽（Ｂ）积远大于１，压缩后ＴＢ积近似为１，压缩比为
７ｃ丁（１一ｌｒｌ／丁）（＾＋口ｒ）
（９）
距离模糊函数和速度模糊函数分别为
…讪）ｈｅｃｔ（寿）（１一早）·
ｓｉｍｒ／＿ｒＴ（１－［，，．ｒ．．．．．．．Ｉ．．．．／．．．．．．．Ｔ．．．．—）— 丌，ｕｖＴ（１一Ｉｒｌ／Ｔ）
ｘ（ｏ，＾）Ｊ＝‘ｓｉｎ丁丌ｆＦｄＴ
（１０）
线性调频信号具有刀刃型模糊图，线性调频信号模糊图的刀刃走向可由下式来表征：
（５）
艿，的倒数称为信号的持续时宽，或称为有效相关时间，可表示为
Ｔ，＝÷
（６）
０／ｄ
相应的速度分辨力为
艿。２焘氓２２７。ｏ（麦）
（７）
式中，ｃ为光速；ｆｏ为载频。Ｔ。越宽，砖就越窄，速度分辨力也越高。
以ｒ～，ｄ为平面坐标，Ｉｚ（ｒ，ｆｄ）ｌ为纵坐标绘制的三维图形称为信号的模糊图，在低于模糊图峰值的某一高度，作平行于ｆ～＾的平面切割模糊图，将所得的截面投影到ｒ～＾平面上的图形，称为二维模糊图。图１给出了三种不同类型的高分辨二维模糊图。

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

τ B
整形作为发射光源 (测量臂), 回波信号再经准直镜头接收, 经环形器后跟另一束激光通过耦合器合为一束, 在光电探测器表面发生干涉. 干涉信号的频率 f 可由图 2 简单推导得出. f =2· B · OPD n·B·z =4· , Tm · c Tm · c (1)
Tm ࣀ થ η Ղ f
ण௑Аጜ FC ܱᑿरԻូៈ ༏А٨ ᏹՌ٨ FC FC FC
率以及降低对激光器调谐带宽的要求, 且根据双光路调频连续波测距系统的特性, 提出了简易快速的测量数据处理方案, 集成方便紧凑的测距系统.
2 测距原理及提高测距分辨率方案
双光路调频连续波激光测距系统的原理图如图 1 所示. 系统光源为可调谐激光器, 发射激光为线性调制激光, 其光频按照周期性三角波的规律变化, 如图 2 所示, 纵坐标为光频, 横坐标为时间. 该系统的测量干涉光路 (下半部分) 和辅助干涉光路 (上半部分) 均为马赫曾德尔干涉光路, 辅助干涉光路可与测量光路同光源同时工作, 且光程差远大于测量光路, 因此可对测量光路获得的干涉信号进行等光频间隔采样, 从而补偿光源频率调制的非线性引入的测量误差. 对多次不同测量的等光频间隔采样的信号进行拼接可实现对激光光源调制带宽的拓展, 从而提高测距分辨率.
64232015230601范围为1通过新技术或者对调谐激光器进行补偿的方法如使用光学频率梳对激光光源扫描波长锁定或重采样技术规避或补偿由于激光光源代入的系统误差已经取得了较大进展如2009年roos利用光纤自混频技术对光源系统进行了改进且对距离15m的目标进行测量测距分辨率达到了312013年baumann利用学频率梳对激光器的光频进行校正将测距分辨率提高到了130重复精度达到了6nm12本课题组于2012年开始进行提高调频连续波激光测距系统分辨率的研究采用重采样的方法对测量分辨率进行优化取得了一定的进展1314但是大范围扫频带来的频率调制非线性依然是一个未解决的难题本文开展研究解决这一问题

有限带宽调频连续波激光引信精准测距方法

有限带宽调频连续波激光引信精准测距方法引信作为一种关键的军事装备，具有巨大的战略意义。

在实际应用中，精准测距是引信技术的一个重要方面。

本文将介绍一种基于有限带宽调频连续波激光的引信精准测距方法。

在传统的引信测距方法中，常常使用超声波或者雷达等技术。

然而，这些方法存在着一些局限性，如精度不高、受环境条件影响较大等问题。

而基于有限带宽调频连续波激光的测距方法可以有效地解决这些问题。

该方法的基本原理是利用激光的特性进行测距。

具体而言，通过调制激光的频率，利用其传播延时和频率变化之间的关系，可以实现对目标距离的测量。

在测距过程中，首先通过激光器产生一束带有一定频率范围的激光，然后通过光学系统将激光束发射到目标上。

目标表面将反射一部分激光回来，然后通过接收器接收到反射光信号。

接下来，通过信号处理算法，可以计算出激光从发射到接收的时间延时，从而得到目标距离。

在实际应用中，有限带宽调频连续波激光引信精准测距方法具有以下几个优点。

首先，该方法具有较高的测距精度。

由于调频连续波激光的频率范围较大，可以实现对目标距离的高精度测量。

其次，该方法对环境条件的适应性较强。

由于激光具有较高的方向性和抗干扰能力，可以有效地避免环境条件对测距结果的影响。

此外，该方法的测距速度较快，可以实现对目标距离的实时测量。

然而，有限带宽调频连续波激光引信精准测距方法也存在一些挑战和限制。

首先，该方法对激光器的要求较高。

激光器需要具备稳定的调频特性和较高的功率输出，以保证测距的准确性和可靠性。

其次，该方法对接收器的要求也较高。

接收器需要具备高灵敏度和高速度的信号处理能力，以实现对反射光信号的准确接收和处理。

此外，在实际应用中，由于大气吸收和散射等因素的存在，有限带宽调频连续波激光引信精准测距方法的测距范围可能会受到一定的限制。

基于有限带宽调频连续波激光的引信精准测距方法是一种具有广泛应用前景的测距技术。

该方法通过调制激光的频率，利用其传播延时和频率变化之间的关系，可以实现对目标距离的高精度测量。

调频连续波测距原理

调频连续波测距原理
调频连续波测距原理是一种常用的测距方法，它利用调频连续波的特性，通过测量信号的时间延迟和频率变化，来计算出目标物体与测距设备之间的距离。

调频连续波测距原理的基本思想是，将一定频率范围内的连续波信号，通过调频的方式使其频率不断变化，然后将这个信号发射出去，当信号遇到目标物体时，会发生反射，反射信号会被接收器接收到。

接收器会测量反射信号的时间延迟和频率变化，然后根据这些数据计算出目标物体与测距设备之间的距离。

具体来说，调频连续波测距原理的实现需要以下几个步骤：
1. 发射信号：将一定频率范围内的连续波信号通过调频的方式使其频率不断变化，然后将这个信号发射出去。

2. 接收信号：接收器接收到反射信号，并记录下反射信号的时间延迟和频率变化。

3. 计算距离：根据反射信号的时间延迟和频率变化，计算出目标物体与测距设备之间的距离。

调频连续波测距原理的优点是测距精度高、测距范围广、抗干扰能力强等。

它可以应用于多种领域，如雷达测距、无线电测距、声纳测距等。

在军事、航空、航天、地质勘探等领域中，调频连续波测
距技术得到了广泛的应用。

调频连续波测距原理是一种基于调频连续波的测距方法，它通过测量信号的时间延迟和频率变化，来计算出目标物体与测距设备之间的距离。

这种测距方法具有测距精度高、测距范围广、抗干扰能力强等优点，可以应用于多种领域。

基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质

专利名称：基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质专利类型：发明专利
发明人：熊亮,王北镇,隆祖亿,朱建强
申请号：CN202111606246.X
申请日：20211226
公开号：CN113970744A
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质，包括以下步骤：定时发射第一线性调频超声波信号，并同步将第一线性调频超声波信号转换为第一脉冲信号；保存第一脉冲信号中第一目标电平的脉宽，并保存第一目标电平上升沿或下降沿的时间；接收第二线性调频超声波信号，将第二线性调频超声波信号转换为第二脉冲信号；获取第二脉冲信号中的第二目标电平的脉宽，若存在与第二目标电平的脉宽相同的第一目标电平，根据脉宽相同的第一目标电平和第二目标电平对应的上升沿或下降沿的时间计算渡越时间，然后根据渡越时间和当前温度下的声速计算当前距离。

本发明克服了现有技术中测量精度的不高的缺点并且降低了计算复杂度。

申请人：湖南天羿领航科技有限公司
地址：410100 湖南省长沙市长沙县经济技术开区科技新城B18-1栋
国籍：CN
代理机构：湖南兆弘专利事务所(普通合伙)
代理人：刘畅舟
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调频法测距原理

2021/4/13
哈尔滨工业大学电子工程系
16
三角波调频测距
三角波调制是指发射频率按周期性三角波的规律变化。
当目标固定不动时，回波信号与发射信号的差频fb除了在调制频率换方向变化的区域外，其余时间段均是常数fb= fR=KtR=2RΔf/c/T。
相对静止目标
回波
相对运动目标
回波
2021/4/13
脉冲法——粗测距
调频法——精测距
参考： R.H. Khan et al, Target detection and tracking with a high frequency ground wave radar,
IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol.19, No.4, Oct. 1994, pp540~548
个扫频周期的回波初相，fR对应当前目标位置所产生的频率。这样先对一个扫频周期内的采样点序列进行第一维FFT处理，可近似得到目标的近似距离(一般fd的影响可在对速度精确测量后补偿掉)。
时域开关信号的影响分析详见讲义：笼统地讲，开关信号对差频信号的影响主要在频域上。时域相乘，对应频域卷积，而开关码为周期重复序列，其频谱为离散谱，谱线间隔为开关码重复频率，若出现频谱混叠则需要采取方法解模糊。
21
将多普勒频移为fd的运动目标回波的差频信号展开成三角级数，级数中各项就是调制频率的谐波：
rb (t) J0 (D) cos(2fd t 0 ) 2J1(D)sin(2fdt 0 ) cos(2fmt m ) 2J2 (D) cos(2fdt 0 ) cos 2(2fmt m ) 2J3 (D)sin(2fd t 0 ) cos 3(2fmt m ) 2J 4 (D) cos(2fd t 0 ) cos 4(2fmt m ) 2J5 (D)

基于线性调频信号的多频测距算法

基于线性调频信号的多频测距算法
陈玉桃;易波;许广廷
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2007(033)016
【摘要】分析了基于线性调频信号多频测距时出现的二次相位问题,提出了利用测速系统速度信息进行相位消除的方法.对于测距中出现的模糊问题,利用了中国余数定理(孙子定理)来解决.与传统算法相比,该算法具有简单、实现方便、测距精度高等特点.给出了仿真结果,表明该算法具有较高的测距精度.
【总页数】3页(P226-227,236)
【作者】陈玉桃;易波;许广廷
【作者单位】湖南大学计算机与通信学院,长沙,410082;湖南大学计算机与通信学院,长沙,410082;湖南大学计算机与通信学院,长沙,410082
【正文语种】中文
【中图分类】TN95
【相关文献】
1.基于Rife法的线性调频连续波雷达测距算法及实现 [J], 詹启东;涂亚庆
2.基于局部解线性调频的多频连续波雷达实时加速度补偿算法 [J], 江志红;曹延伟;程翥;皇甫堪
3.井下人员定位系统基于线性调频扩频UWB技术的分析信号传输到达时间差(TDOA)的测距模式 [J], 王韶伟
4.一种基于信号功率的水声通信线性调频同步信号自适应阈值检测算法 [J], 全宇;
戚肖克;李宇;黄海宁;张春华
5.基于插值傅里叶系数的线性调频连续波雷达测距算法 [J], 许云龙
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