频率调制连续波激光雷达测量技术的非线性校正综述

现代测量技术中,频率调制连续波激光雷达结合了传统雷达和激光干涉测量的优点,凭借其非接触性、测量范围大、分辨率高和抗干扰能力强等特性,在大尺寸空间精密测量、微小测量以及生物计量等领域发挥着至关重要的作用。但实际应用中,激光光源的频率调制不能呈现出完全线性,使得频率调制连续波激光雷达技术的测量精度严重下降。所以,如何抑制激光的调频非线性带来的影响成为频率调制连续波激光雷达测量领域的一项研究热点。本文介绍了频率调制连续波激光雷达的工作原理,根据频率调制非线性校正方案的不同,针对性地介绍和分析了四种应用较为广泛和部分特殊的非线性校正方法,并进行了总结和展望。

采用调频连续波的高速动目标检测方法

调频连续波雷达的低发射功率使其具有低截获、隐蔽性好、抗反辐射导弹能力强的特点.提出了一种利用三角波调制调频连续波进行地面高速运动目标检测的新方法,根据三角波调制调频连续波正、负调频导致动目标成像结果在径向反向移动的特点,通过对正、负调频信号分别成像,在补偿了载机平台的连续运动以及正、负调频信号之间的时间差对图像的影响后,将两幅图像通过偏置相位中心天线(DPCA)处理,检测出高速动目标.当检测出动目标后,进一步提取出两幅图中的动目标图像,将动目标图像作相关处理,估算出动目标成像结果的径向移动量,解算出动目标的径向速度,完成对动目标的真实定位.仿真数据的处理结果验证了本方法的有效性.

基于调频连续波雷达的多目标生命体征实时检测

针对多目标场景提出了一种基于调制连续波(FMCW)雷达的非接触式生命体征检测方法。通过动目标显示(MTI)、指数加权平均滤波与递推平均滤波,去除了回波信号包含的静态杂波与背景噪声,大幅提升了信噪比(SNR);采用单元平均恒虚警率(CA-CFAR)自适应检测门限、设置最小距离阈值的方法,实现多目标检测,并结合最邻近关联算法与卡尔曼滤波实现多目标跟踪;提取多个目标的相位信息,处理得到呼吸与心跳信号,结合快速傅里叶变换与自相关方法估计呼吸率与心率。实验证明:所提方法能够准确、稳定地实现多目标生命体征的实时检测。

双波长智能协同激光制导方法研究

针对激光制导武器当前面临着激光有源干扰而难以发挥其应有作战效能的现实,提出了双波长多模智能协同激光制导方法和具有强抗干扰能力的激光制导技术。基于激光制导武器国内外发展现状及其发展趋势,提出1.06μm脉冲激光、0.808μm连续波调制激光与北斗卫星导航系统(BDS)的双波长多模智能协同制导的总体构想。该方案通过多模智能协同制导攻击、双波长多模激光同一化探测和多模激光制导抗干扰技术实现双波长多模激光制导,1.06μm脉冲制导阶段采用随机脉冲编码防破译抗激光欺骗干扰,0.808μm连续波调制激光制导采用窄带滤波、相关检测等方法抗阳光反射干扰。所提方案提升了现有激光制导武器的制导性能、抗干扰能力以及智能探测与识别攻击目标能力。

以半导体激光器线性频率调制为基础的距离测量

给出一种以频率调制连续波（ＦＭＣＷ）技术为基础的进行无接触、无累加误差和较大动态范围距离测量方法。由可调谐半导体激光器产生一个啁啾信号，通过测量拍信号频率计算距离。用商用ＧａＡｌＡｓ激光器组成的测量系统的动态范围为１ｍ，测距精度达１０－３。

HL-2A装置上的快扫Q波段微波反射系统研制

介绍了在HL-2A装置上发展的一套快速扫频的Q波段外差微波反射系统，用于高时空分辨测量等离子体边缘到约束区的电子密度分布。该系统采用外差式连续波扫频调制技术（VCO），由外部任意波电压控制，工作频率为33～50GHz，全波段扫频周期达到6μs。在台面标定中发展了 VCO 源的动态标定技术，并解决了微波源及器件的非线性响应、波导的色散特性等因素造成差频频率动态范围过大的问题，使反射面固定时系统输出的差频为定频信号，有利于降低噪声干扰和数据处理。同时发展了直接相位处理技术，实现快速的电子密度分布反演。实验中用该微波反射系统测得了L模、H模等不同等离子体放电条件下的电子密度分布，观测ELM爆发前后台基区的形成与垮塌过程。

声表面波射频识别系统的FMCW信号源设计

频率调制连续波(FMCW)的产生(即FMCW信号源)是声表面波射频识别系统频域采样阅读器的重要组成部分。为了满足扫频速度、带宽和线性度等要求,采用直接数字频率合成器(DDS)与锁相环(PLL)混频,并结合IQ调制的方式设计了超高频FMCW信号源。实际制作了信号源电路,DDS芯片输出I、Q两路正交信号,并分别以差分形式传输至IQ调制芯片进行上变频。测试了DDS输出信号的差分、正交特性,分别对信号源产生的单频信号和扫频信号进行了测试。最后搭建系统对声表面波标签进行测试。测试结果表明信号源设计的有效性。

全数字强度调制激光雷达

在诸如防撞之类的应用中,快速探测不同障碍同时出现的装置必不可少。一般说来,这些应用对分辨率要求并不高,但必须确保装置具备较高的可靠性,即便是在比较苛刻的状态下也应保证:比如在部分透明的环境中或多个物体(意味着延迟时间不同的多个回波)出现的场景里。本文叙述了基于线性调频脉冲光学载体的激光探测与测量装置(激光雷达)的算法、构造和运行情况。与脉冲方式相比,该技术的优势主要在于能够降低激光的峰值功率。在本论文介绍的结构体系中,信号处理的所有算法都是运用数字硬件执行的。这个方法具有其特有的优势:提高了探测性能(动态、距离和分辨率均被提升);增强了探测不同回波幅度的多个障碍物的能力;降低了噪声效果;削减了最终设备的成本、体积和重量。借助全数字化进行的这种改进在不同的应用中都深具实用潜力,如:防撞系统、3D环境绘图及总体对动态和距离要求较广的遥控感应系统。

基于频率调制连续波的干涉型光纤声传感器信号检测技术

针对光纤干涉仪存在的相位衰落问题,讨论了基于正弦波形的频率调制连续波(FMCW)和锯齿波FMCW两种干涉型光纤声传感器的信号检测原理,并给出了数字化信号解调方案。采用7.5 m臂差的光纤声传感器和具备调频功能的半导体激光器,对10 kHz正弦波FMCW和锯齿波FMCW两种调频方式进行了信号解调实验对比。解调结果表明,两种调制解调方案均能稳定检测出加在声传感器上的模拟声信号,消除了光纤干涉仪的相位衰落。但在实际工程应用中,与正弦波FMCW检测方案相比,锯齿波FMCW方案无需检测混频信号的初始相位,检测灵敏度高且稳定,算法实现更为简单,而且使用不同臂差的光纤传感器可实现传感器的频分复用。

连续波差分吸收激光雷达测量大气CO2

研制了一套接收硬目标回波的差分吸收激光雷达系统以用于全天候监测大气CO2浓度变化.系统采用10和12 kHz正弦波分别对处在CO2吸收峰内和吸收峰外的波长进行强度调制,利用单频检测技术提取回波信号.提出了一种利用激光扫频推算系统精度的方法,从而弥补了长期以来只能在理论上计算差分吸收激光雷达系统精度的不足,给实际系统自定标问题提供了一种解决方案.该系统采用全光纤结构,结构可靠,便于移动.利用此系统获得了上海市多天CO2浓度变化曲线,在450 m的积分路径长度上,1 s的积分时间取得了优于3.39×10-6的测量精度.

DDS技术在数字激光相位测距仪中的应用

本文介绍了直接数字合成(DDS)技术在激光相位测距仪中的应用。使用该技术研制的数字激光相位测距仪具有操作简便、携带方便、性能可靠的特点,测相精度优于千分之一。

LD泵油Nd:YVO_4激光器的测距应用(英文)

将ＬＤ泵浦的Ｎｄ：ＹＶＯ４激光与连续波频率调制技术相结合，提出一种绝对距离测量新方案。小尺寸的Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体提高了光源的时间相干性，这一点对于长距离测量有重要意义。通过引入补偿通道，消除ＰＺＴ非线性调制的影响。实验结果证明了该方案的可行性。

道路环境中激光雷达互干扰的仿真研究

为解决汽车激光雷达的相互干扰造成目标检测与跟踪性能的严重下降的问题,从空间、时间和调制频率等方面出发,研究脉冲方式和频率调制连续波方式激光雷达在道路环境中可能存在的各种干扰,通过仿真计算干扰发生的概率、分析干扰的特征,以及干扰对测量性能下降的影响。针对可能存在的干扰问题,指出使用伪随机码调制连续波激光器输出幅度的方式可以有效降低干扰发生的概率,保证激光雷达在道路环境中有效可靠地工作。

双参考光半导体调频距离测量

利用半导体线性调频可以实现对距离的绝对测量,但半导体激光器的光频调制特性受环境温度变化的影响很大,限制了该方法的测量精度和稳定性,无法走出实验室。为了解决这一难题,本文提出一种采用双参考光的绝对测量方法。通过测量两个拍信号频率,消除了温度的影响,提高了测量精度。这种方法对促进距离绝对测量的实用化有重要的意义。

基于FMCW的光缆线路异常检测方法

针对目前常见的同时需要大动态范围和高空间分辨率的应用,提出了基于频率调制连续波(FMCW)技术的光缆线路异常检测方法,分析了系统空间分辨率与光源扫描速率、频谱分析仪分辨率带宽之间的关系,讨论了非线性扫频、相位噪声对系统空间分辨率的影响,搭建了FMCW检测实验系统,得到了光纤后向散射曲线,分别在24.54 km和49.55 km的单模光纤检测中得到了8.22 m和11.32 m的反射事件的空间分辨率,提高了反射事件的空间分辨率。

周期性调制波场的塔尔博特效应

基于Akhmediev呼吸子解,讨论周期调制波场在非线性介质和线性介质中传输时所出现的塔尔博特现象。结果表明,通过适当地调节频率因子F,可以展示出塔尔博特自成像现象。这种特殊的光学现象是由衍射光束的相干性引起的,它们在光通信领域有着潜在的应用。

一种地面侦察雷达信号形式

提出了一种新的三调制连续波雷达(PN+BPSK+FM),它在原理上克服了最大作用距离和目标最大运动速度测量的矛盾,同时加强了多目标的识别能力,并从中频前就减少了接收机动态,较强地抑制了一部分发射信号的泄漏,适合于毫米波地面测量与侦察,使单天线远距离雷达成为可能(连续波).对三调制连续波雷达在信号形式、工作原理上进行了叙述,并给出了实现的原理功能框图,也做了一些初步的性能分析和误差分析.

基于TDC 的自动驾驶激光雷达测距方法研究

在应用于自动驾驶的相位调制连续波(PhMCW)激光雷达测距系统中,测量中频(IF)信号的脉冲宽度是关键问题,时间数字转换器(TDC)模块对IF信号的测量决定了PhMCW激光雷达的测距范围与精度。然而传统的TDC实现方法测量范围很小,且实现大测量范围时系统复杂度高,难以应用于自动驾驶。为了实现高精度大范围的TDC模块,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)的严格计数链法,在保证比较高的测量精度的前提下,增加很少的资源使用量就可以扩大测量范围,设计简单。该TDC模块能够实现1.24μs的时间测量范围,对应最大探测距离为186 m。利用信号源产生不同脉宽的被测信号进行实际测试,获得了最佳为26.42 ps的测量精度,对应测距精度为3.96 mm,优于现有商用激光雷达50 mm的测距精度。对200 ns脉宽的过采样数据包进行了频谱分析,证明了TDC测试结果受开关电源噪声影响。最后,搭建PhMCW激光雷达系统进行应用验证,实现了0.3~7 m飞行时间探测,从而证明了该TDC测量方法的可行性。该方法在激光雷达测距领域具有广阔的应用前景。

分布式全光纤微振动传感器研究

振动主动控制是消除干扰和提高机械加工精度的主要手段之一。振动主动控制的前提是对频率在5kHz以上微振动信号进行准确测量。针对现有光纤光栅传感器在测量高频微振动信号上存在的频率低、结构复杂、无法分布式测量等不足,采用频率调制连续波(FMCW)技术结合光强度调制,设计了一种全光纤分布式微振传感器,并通过压电换能器(PZT)微振测量实验和仿真对传感器的性能进行验证,能够分布式测量频率最高为60kHz的微振动信号。

FMCW反射计检测距离影响因素分析

频率调制连续波(FMCW)反射计以其高动态范围和窄的空间分辨率优势,在光网络检测、集成光路诊断和光纤传感等领域有着广泛的应用前景。在介绍FMCW反射计基本原理的基础上,分析了光源扫描重复频率、光源功率与FMCW反射计检测距离之间的关系,并探讨了光源相干长度和相位噪声对检测距离的影响。理论分析表明,当待测光纤的长度接近光源的相干长度时,中频信号和相位噪声之间的信噪比会急剧下降,所以FMCW反射计要使用高相干性的光源和一定的相位噪声补偿方法才能应用于长距离的光纤检测。