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

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，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。本发明适用于啁啾调制光子计数激光雷达测距系统。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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(w_m，P_m)，m是整数，表示 第m个测量点，w_m表示第m个测量点的频率位置，P_m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f_IF|_WCLA表示为：

${f_{IF}|}_{WCLA}=\frac{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m{w}_m}{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m}---\left(1\right)$

其中，l是中频信号的半峰宽度；

粗测距离值R_raw为：

R_raw＝(f_IF|_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S_IF(t)，

$S_{IF}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}rect\left(\frac{t-\tau /2}{T-\tau }\right)cos(f_0\tau +kt\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)+ϵ\left(t\right)---\left(3\right)$

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R_raw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2R_raw/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

S_Q(t)＝cos(kτt)(4a)

S_I(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)

中频时域信号S_IF(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：

$Q=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}cos(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5a\right)$

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}sin(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5b\right)$

Q分量信号和I分量信号的积分结果相除，得到

$tan(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)=I/Q---\left(6\right)$

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R_fine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R_fine中距离粗测距离值R_raw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(w_m，P_m)，m是整数，表示 第m个测量点，w_m表示第m个测量点的频率位置，P_m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f_IF|_WCLA表示为：

${f_{IF}|}_{WCLA}=\frac{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m{w}_m}{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m}---\left(1\right)$

其中，l是中频信号的半峰宽度；

粗测距离值R_raw为：

R_raw＝(f_IF|_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S_IF(t)，

$S_{IF}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}rect\left(\frac{t-\tau /2}{T-\tau }\right)cos(f_0\tau +kt\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)+ϵ\left(t\right)---\left(3\right)$

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R_raw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2R_raw/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

S_Q(t)＝cos(kτt)(4a)

S_I(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)

中频时域信号S_IF(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：

$Q=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}cos(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5a\right)$

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}sin(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5b\right)$

经过I/Q除法器得到

$tan(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)=I/Q---\left(6\right)$

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R_fine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R_fine中距离粗测距离值R_raw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。本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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 发明所述的系统将粗测值和精细值互补在一起，从而有效的提高啁啾调制光子计数激光雷 达测距精度。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的粗测和精测距离信号处理方法的原理图；

图2是具体实施方式一中的中频频谱和相位差精测值曲线图；

图3是具体实施方式三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 数激光雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的粗测和 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(w_m，P_m)，m是整数，表示 第m个测量点，w_m表示第m个测量点的频率位置，P_m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f_IF|_WCLA表示为：

${f_{IF}|}_{WCLA}=\frac{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m{w}_m}{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m}---\left(1\right)$

其中，l是中频信号的半峰宽度；

粗测距离值R_raw为：

R_raw＝(f_IF|_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S_IF(t)，

$S_{IF}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}rect\left(\frac{t-\tau /2}{T-\tau }\right)cos(f_0\tau +kt\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)+ϵ\left(t\right)---\left(3\right)$

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R_raw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2R_raw/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

S_Q(t)＝cos(kτt)(4a)

S_I(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)

中频时域信号S_IF(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：

$Q=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}cos(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5a\right)$

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}sin(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5b\right)$

Q分量信号和I分量信号的积分结果相除，得到

$tan(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)=I/Q---\left(6\right)$

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R_fine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R_fine中距离粗测距离值R_raw最近的一个精测的距离值。

计算机产生一个I/Q信号，它的频率为kτ，它的初始相位0对应于啁啾信号发射的0 时刻，I/Q分量经过正交检相探测得到Q分量信号和I分量信号的积分结果，再经反正切 的解算得到相位差。由于三角函数是周期性函数，所以相位测距量程周期性重复，它的周 期为ΔR＝c/(2f₀)，为了将相位和频率两种测距方法结合在一起，令相位方法的重复周期 ΔR等于中频频率的固有间隔δR，即ΔR＝δR，由于δR＝c/(2B)以及ΔR＝c/(2f₀)，那么 需要满足f₀＝B，如图2所示，图2中a为b的局部放大图，A、B、C、D和E所在曲线 为中频频谱图，A、B、C、D和E为五个测量点，相邻测量点频率的间隔为δR，a为相 位差精测值曲线图，相位差精测值能给出中频峰值在两个测量点间隔内的具体位置，但是 无法给出中频峰值的相位差精测值具体在哪个间隔(周期)内，从而得到一系列相位差精 测值，如图a中的F、G和H，最后利用粗测距离值将真正中频峰值的相位差精测值挑选 出来,，该相位差精测值对应的距离值即为目标距离值R。

具体实施方式二：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(w_m，P_m)，m是整数，表示 第m个测量点，w_m表示第m个测量点的频率位置，P_m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f_IF|_WCLA表示为：

${f_{IF}|}_{WCLA}=\frac{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m{w}_m}{\underset{m=-l}{\overset{m=l}{\Sigma }}{P}_m}---\left(1\right)$

其中，l是中频信号的半峰宽度；

粗测距离值R_raw为：

R_raw＝(f_IF|_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S_IF(t)，

$S_{IF}\left(t\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}rect\left(\frac{t-\tau /2}{T-\tau }\right)cos(f_0\tau +kt\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)+ϵ\left(t\right)---\left(3\right)$

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R_raw，得到粗测的回波延迟时间τ，τ＝2R_raw/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

S_Q(t)＝cos(kτt)(4a)

S_I(t)＝cos(kτt+π/2)(4b)

中频时域信号S_IF(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：

$Q=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}cos(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5a\right)$

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{MI}}_{0}sin(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)---\left(5b\right)$

经过I/Q除法器得到

$tan(f_0\tau -\frac{1}{2}{\mathrm{k\tau }}^2)=I/Q---\left(6\right)$

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R_fine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R_fine中距离粗测距离值R_raw最近的一个精测的距离 值。

在软件设计中，从一系列精测的距离值R_fine中选取距离粗测距离值R_raw最近的一个精 测的距离值，是从一系列精测的距离值R_fine|_{n＝0,1,2,…}中在由R_raw-ΔR/2至R_raw+ΔR/2的范围内 取交集，即：R＝{R_fine|_{n＝0,1,2,…}}∩(R_raw-ΔR/2,R_raw+ΔR/2)，从而实现从一系列精测的距离值 R_fine中选取距离粗测距离值R_raw最近的一个精测的距离值。

具体实施方式三：结合图3具体说明本实施方式，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，它包括啁啾信号发生器1、激光器2、发射光学系 统3、接收光学系统4、Gm-APD探测器5、混频模块6、低通滤波器7、傅里叶变换器8 及信号处理器9；

啁啾信号发生器1的控制信号输出端一连接激光器2的控制信号输入端，激光器2 出射的激光经发射光学系统3的准直和扩束后发射，接收光学系统4接收目标反射回的激 光，接收光学系统4的输出端连接Gm-APD探测器5的输入端，Gm-APD探测器5的输 出端连接混频模块6的光信号输入端，啁啾信号发生器1的控制信号输出端二连接混频模 块6的电信号输入端，混频模块6的输出端连接低通滤波器7的输入端，低通滤波器7 的输出端同时连接傅里叶变换器8的输入端及信号处理器9的输入端一，傅里叶变换器8 的输出端连接信号处理器9的输入端二；

信号处理器9内嵌入有软件实现的粗测和精测距离信号处理模块。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一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作进一步说明，本实施方式中，接收光学系统 4还设置有窄带滤光片。窄带滤光片能够滤除非工作波长的背景噪声。