632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10~130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10~125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。

较粗空间分辨率影响下FMCW 激光雷达测距方法研究

由于环境中杂散光和电磁干扰等原因,以及不同路径的长度和反射特性的差异,FMCW激光雷达系统在接收目标回波信号时会受到多径干扰的影响,存在噪声干扰,使得目标测距结果准确性较低。为此,提出较粗空间分辨率影响下FMCW激光雷达测距方法。根据FMCWN激光雷达系统的发射信号与回波信号获取中频信号;采用EMD算法分解中频信号,计算信号IMF分量之间的互相关系数,确定并剔除存在噪声的IMF分量;采用SFFT算法对去噪后的中频信号频谱局部细化处理,获取其估计值,确定修正方向,修正频率估计值,利用中频信号修正后的频率确定被测目标的距离。实验结果表明,所提方法具有良好的去噪效果、频谱估计精度、测距精度高,测距效率高,测距均方根误差均在0.04以内,耗时最长仅为0.23 ms。

基于测速测距激光雷达的飞行器地形匹配导航方法

针对中低空飞行器地形匹配与惯导组合中惯导误差累积导致高程图变形限制地形匹配精度、二维地形匹配运算量大和地形匹配失效时定位可用性差的问题,提出一种基于测速测距激光雷达的地形匹配导航方法。利用激光测速信息辅助构建高程图,减小高程图变形从而提高匹配精度,同时降低匹配结果与惯导的相关性;设计集成尺度不变特征变换(SIFT)特征与分步核验的地形匹配算法,提高匹配的实时性;采用激光测速信息辅助校正惯导,提高地形匹配失效时定位的可用性。典型场景地形数据的测试结果表明,基于激光测速辅助构建的高程图较基于惯导构建的高程图的地形匹配定位精度提高了36.6%,所提的卡方初始化随机抽样一致性地形特征误匹配检测算法(TCI-RANSAC)相比于RANSAC算法缩短了55.6%的核验时间,且测速信息的引入将组合定位精度提高了65.9%,具备较高的工程应用价值。

面向FMCW激光雷达的修正Rife算法设计与硬件实现

FMCW激光雷达以其高精度、抗干扰能力强、同时测距测速等特点得到了广泛研究。针对FFT固有栅栏效应引入测距、测速误差的问题,通过分析频谱幅值和相角的规律,并结合正弦函数原理提出了一种易于硬件实现的修正Rife算法,有效地降低了传统Rife算法在估计频率接近FFT量化频率点时的误差。通过仿真和FPGA验证,修正Rife算法在信噪比为-10dB时相较于传统Rife算法平均误差降低了69.6%,均方根误差降低了50.7%,而计算量仅增加了两个乘法和加法,与N点FFT计算量相比可忽略不计。最后,通过搭建光学测试平台,模拟激光雷达中频回波信号验证了该算法的有效性。测试结果显示,该算法可在112m范围内实现同时测距测速,测距误差不大于5cm,测速误差不大于0.16km/h,满足实时性要求。

提高FMCW激光雷达距离分辨率的研究

随着物联网技术的发展,距离分辨率是FMCW激光雷达用来在环境监测领域测量颗粒物、臭氧、温度和湿度的变化等的重要影响因素。本文把IQ调制器应用于FMCW激光雷达对信号的幅度和相位同时进行调制,通过仿真实验验证了可行性,搭建了系统的实验平台,实验结果表明该FMCW激光雷达的距离分辨率提高了一倍。为了优化激光雷达的调制过程,利用IQ调制器的同相(I)和正交(Q)分量相互正交、互不相干的特性,同时利用同相(I)和正交(Q)两个信道,通过后处理使线性啁啾信号的I、Q分量的相位保持连续,成倍地提高了FMCW激光雷达的距离分辨率。

基于相位拼接的调频连续波激光雷达跳模影响消除方法

为了消除激光跳模对调频连续波激光测距的影响,提出了一种基于重采样信号相位拼接的跳模影响消除方法。该方法利用重采样信号相位展开求导的结果来定位激光跳模发生的时间,并对重采样信号跳模处两端的峰值进行相位拼接来去除跳模段的重采样信号。通过对相位拼接后的重采样信号进行Chirp-Z变换可以得到不受激光跳模影响的目标距离谱。系统对光程约为21.16m的延时光纤进行多次测量,实验效果证明此方法可以消除调频激光跳模对距离测量的影响,并实现了12μm的测距标准差。

调频连续波激光雷达技术进展

调频连续波激光雷达将调频连续波测距与激光探测技术相结合,具有测距范围大、距离分辨率高、可进行多普勒测速、有利于片上集成等优点。本文首先对调频连续波激光雷达的测量原理进行分析。随后,根据光源不同将调频连续波激光雷达分为三类,分别对其技术特点和研究现状进行阐述。最后,对目前调频连续波激光雷达的前沿应用进行了简单介绍。