一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法及系統(tǒng)，通過對本振信號和回波信號進(jìn)行多次相干和共軛相關(guān)處理，消除了激光信號頻率及相位抖動所引入的誤差，還消除了目標(biāo)的徑向速度對微多普勒測量的影響，提高了對目標(biāo)微運(yùn)動引起的相位差的測量精確度，同時降低了微多普勒信息提取的難度，完全在時域進(jìn)行信號處理，沒有頻域的轉(zhuǎn)換，大大降低了運(yùn)算量；本發(fā)明還提供了一種利用雙脈沖激光信號來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)微多普勒特征的系統(tǒng)，通過采用分束鏡對激光信號進(jìn)行分束，采用光電探測器對激光信號進(jìn)行相干處理，采用DSP處理模塊進(jìn)行共軛相關(guān)處理，通過簡單器件的組合實(shí)現(xiàn)了高精度目標(biāo)微多普勒特征的測量，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
【專利說明】-種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征 的方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] -個目標(biāo)或其組成部分的機(jī)械振動或轉(zhuǎn)動會對雷達(dá)回波信號產(chǎn)生附加頻率調(diào)制， 導(dǎo)致在目標(biāo)的多普勒頻率兩側(cè)產(chǎn)生邊帶，這種頻率調(diào)制稱為微多普勒效應(yīng)。
[0003] 目標(biāo)的微多普勒特性反映了目標(biāo)的電磁散射特性、幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特征，為雷達(dá) 目標(biāo)特征提取和目標(biāo)識別提供了新的途徑。多普勒現(xiàn)象對工作頻率敏感，而相干激光雷達(dá) 工作頻率高，相對于微波雷達(dá)探測微多普勒信息具有明顯的優(yōu)勢。
[0004] 為了分析隨時間變化的微多普勒信息，傳統(tǒng)的傅里葉變換已經(jīng)不再適用，一種有 效的分析時變頻率的方法稱為時頻分析，但該種方法存在幾個缺點(diǎn)，首先，時頻分析運(yùn)算量 比較大，很難保證系統(tǒng)的實(shí)時性；其次，在進(jìn)行時頻分析時，目標(biāo)的徑向運(yùn)動所引入多普勒 頻移將會對微多普勒的提取造成極大的影響，有時調(diào)制邊帶甚至淹沒在徑向速度引起的多 普勒頻移中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法及系統(tǒng)， 在時域?qū)﹄p脈沖激光信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的微小速度的測量，同時能夠消除激光器頻 率及相位的不穩(wěn)定對測量結(jié)果的影響以及目標(biāo)徑向運(yùn)動所引入的多普勒的影響，提高了測 量精度，并且降低了運(yùn)算量。保證了實(shí)時測量的要求。
[0006] 本發(fā)明的一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1、產(chǎn)生雙脈沖激光信號并將其分成兩束；
[0008] 步驟2、對所述雙脈沖激光信號進(jìn)行調(diào)制，得到附帶中頻頻率信息的雙脈沖激光信 號，將經(jīng)過調(diào)制的雙脈沖激光信號分成兩束，將其中一束與步驟1產(chǎn)生的其中一束雙脈沖 激光信號進(jìn)行相干，得到包含有中頻調(diào)制相位的中頻本地參考信號I ;將經(jīng)過調(diào)制的雙脈 沖激光信號的另一束作為探測信號向目標(biāo)發(fā)射；
[0009] 步驟3、將從目標(biāo)反射的雙脈沖回波信號與步驟1產(chǎn)生的另一束雙脈沖激光信號 進(jìn)行相干處理，得到包含有中頻調(diào)制相位、目標(biāo)徑向運(yùn)動引起的相位以及目標(biāo)微速度引起 的相位的中頻雙脈沖回波信號I ;
[0010] 步驟4、首先，將步驟2得到的中頻本地參考信號I中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處 理，得到含有中頻調(diào)制相位差的中頻本地參考信號II ;
[0011] 然后，將步驟3中得到的中頻雙脈沖回波信號I中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處理， 得到包含中頻調(diào)制相位差和目標(biāo)微運(yùn)動引起的附加相位的中頻雙脈沖回波信號II ;
[0012] 最后，將所述中頻本地參考信號II和所述中頻雙脈沖回波信號II進(jìn)行共軛相關(guān) 處理，得到只包含有目標(biāo)微運(yùn)動引起的附加相位的雙脈沖回波信號III ;
[0013] 步驟5、根據(jù)所述步驟4得到所述雙脈沖回波信號III提取目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈 沖中前、后兩脈沖的相位差；
[0014] 最后根據(jù)所述目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位差得到目標(biāo)的瞬時 微多普勒速度和對應(yīng)的微多普勒頻率，由此完成目標(biāo)微多普勒特征的探測。
[0015] 所述目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位差為：

【權(quán)利要求】
1. 一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、產(chǎn)生雙脈沖激光信號并將其分成兩束； 步驟2、對所述雙脈沖激光信號進(jìn)行調(diào)制，得到附帶中頻頻率信息的雙脈沖激光信號， 將經(jīng)過調(diào)制的雙脈沖激光信號分成兩束，將其中一束與步驟1產(chǎn)生的其中一束雙脈沖激光 信號進(jìn)行相干，得到包含有中頻調(diào)制相位的中頻本地參考信號I ;將經(jīng)過調(diào)制的雙脈沖激 光信號的另一束作為探測信號向目標(biāo)發(fā)射； 步驟3、將從目標(biāo)反射的雙脈沖回波信號與步驟1產(chǎn)生的另一束雙脈沖激光信號進(jìn)行 相干處理，得到包含有中頻調(diào)制相位、目標(biāo)徑向運(yùn)動引起的相位以及目標(biāo)微速度引起的相 位的中頻雙脈沖回波信號I ; 步驟4、首先，將步驟2得到的中頻本地參考信號I中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處理，得 到含有中頻調(diào)制相位差的中頻本地參考信號II ; 然后，將步驟3中得到的中頻雙脈沖回波信號I中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處理，得到 包含中頻調(diào)制相位差和目標(biāo)微運(yùn)動引起的附加相位的中頻雙脈沖回波信號II ; 最后，將所述中頻本地參考信號II和所述中頻雙脈沖回波信號II進(jìn)行共軛相關(guān)處理， 得到只包含有目標(biāo)微運(yùn)動引起的附加相位的雙脈沖回波信號III; 步驟5、根據(jù)所述步驟4得到所述雙脈沖回波信號III提取目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中 前、后兩脈沖的相位差； 最后根據(jù)所述目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位差得到目標(biāo)的瞬時微多 普勒速度和對應(yīng)的微多普勒頻率，由此完成目標(biāo)微多普勒特征的探測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法，其特征在 于，所述目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位差為： = anghicxp(^j2 ^ · exp(i'2 ^ MV + ΔΓ)) Α JPMF Α JPRF -(mgki f / (xf v J CKp( - Δ ΓΚ (-r. v) V (---))(14 · f / (.r, v) cxp( / Δ ? ? (v W (---f ' % ^ ' .fmF 氣 .乂 / ΡΛΚ 其中，Ρ代表產(chǎn)生的雙脈沖激光信號中各個脈沖對的序號；fPKF為脈沖對的重復(fù)頻率； Λ T是脈沖對中前后兩個脈沖的時間間隔；A表示光電探測器的接收面面積；I(x，y)為回 波信號的強(qiáng)度分布，V(x，y)代表目標(biāo)微動速度的空間分布，是前一個脈沖對應(yīng)的目 1 im 標(biāo)微運(yùn)動速度，+ 是后一個脈沖對應(yīng)的目標(biāo)微運(yùn)動速度； 1ΙΨΡ 當(dāng)把目標(biāo)看作點(diǎn)目標(biāo)時，忽略信號回波強(qiáng)度及目標(biāo)速度的空間分布，則目標(biāo)微運(yùn)動引 起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位差進(jìn)一步化簡為： 2. p . ?μ ρ ~ f 2 - ATI' (-； ))) * exp( /2 - ATV(-:--ΔΤ1))， 乂 ./pm·' 又 / 冊. 其中，ωτ表示目標(biāo)微運(yùn)動的頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的方法，其特征在 于，當(dāng)目標(biāo)的微運(yùn)動速度為余弦函數(shù)時，則目標(biāo)微運(yùn)動引起的雙脈沖中前、后兩脈沖的相位 差為：
目標(biāo)的瞬時微多普勒速度戈
，對應(yīng)的微多普勒頻率為
4. 一種利用雙脈沖探測目標(biāo)微多普勒特征的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括主動激光 器、從動激光器、第一分束鏡、第二分束鏡和第三分束鏡，第一光電探測器和第二光電探測 器、光學(xué)收發(fā)開關(guān)、望遠(yuǎn)鏡、第一帶通濾波器和第二帶通濾波器以及DSP處理模塊； 主動激光器分別向從動激光器和第二分光棱鏡發(fā)射雙脈沖激光信號； 所述從動激光器接收主動激光器發(fā)射的雙脈沖激光信號，并對其進(jìn)行所述的調(diào)制處 理，然后將經(jīng)調(diào)制的雙激光脈沖信號發(fā)射至所述第一分光棱鏡的分光面；第一分光棱鏡將 所述調(diào)制后的雙激光脈沖信號一部分透射至所述光學(xué)收發(fā)開關(guān)，另一部分反射至所述第二 分光棱鏡； 第二分光棱鏡將從主動激光器接收的雙脈沖激光信號進(jìn)行分束，其中一束反射至第一 光電探測器，將另一束透射至第三分束鏡；同時，第二分光棱鏡將從第一分光棱鏡接收的經(jīng) 調(diào)制的雙脈沖激光信號透射至所述第一光電探測器；所述第一光電探測器將所述雙脈沖激 光信號和經(jīng)調(diào)制后的雙脈沖激光信號在其接收面相干后形成的中頻本地參考信號I發(fā)送 給所述第一帶通濾波器； 光學(xué)收發(fā)開關(guān)將接收到的經(jīng)調(diào)制的雙激光脈沖信號發(fā)送給望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡再將雙脈沖 激光信號向目標(biāo)發(fā)射，后又接收從目標(biāo)反射的雙脈沖回波信號，最后再將雙脈沖回波信號 送至光學(xué)收發(fā)開關(guān)，光學(xué)收發(fā)開關(guān)將雙脈沖回波信號發(fā)給第三分束鏡； 所述第三分束鏡將從第二分束鏡接收的雙脈沖激光信號反射至第二光電探測器，同 時，將從光學(xué)收發(fā)開關(guān)接收的雙脈沖回波信號透射至第二光電探測器； 所述第二光電探測器將所述未經(jīng)調(diào)制的雙脈沖激光信號與雙脈沖回波信號在其接收 面相干后形成的中頻雙脈沖回波信號I發(fā)送給所述第二帶通濾波器； 所述第一帶通濾波器和第二帶通濾波器分別對接收到的中頻本地參考信號I和中頻 雙脈沖回波信號I濾除雜波后發(fā)給DSP處理模塊； 所述DSP處理模塊將中頻本地參考信號I中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處理，得到只包 含有中頻調(diào)制相位差的中頻本地參考信號Π ;所述DSP處理模塊將中頻雙脈沖回波信號I 中的兩個脈沖進(jìn)行共軛相關(guān)處理，得到包含中頻調(diào)制相位差和目標(biāo)微運(yùn)動引起的附加相位 的中頻雙脈沖回波信號II ;最后將中頻本地參考信號II與中頻雙脈沖回波信號II進(jìn)行共 軛相關(guān)處理，得到雙脈沖回波信號III;根據(jù)中頻雙脈沖回波信號III中由目標(biāo)微運(yùn)動引起 的前、后兩脈沖的相位差，最后得到目標(biāo)的瞬時微多普勒速度和對應(yīng)的微多普勒頻率。
【文檔編號】G01S17/02GK104111450SQ201410222681
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】張海洋, 鄭征, 趙長明, 楊蘇輝, 張德華 申請人:北京理工大學(xué)