[发明专利]基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，特别是一种抗激光器调频非线性干扰的信号解调方法，属于高精度FMCW激光雷达测距领域。

背景技术

工件形貌检测在现代科技应用中日益普遍，如大飞机机身外形、大型汽轮机叶片形状、车间机械自动装配等检测是各个领域中极为频繁的工作。目前用于大型工件三维坐标检测的方法主要有视觉测量系统、激光跟踪仪、三坐标机、光电经纬仪等。基于调频连续波技术（FMCW）的相干探测激光雷达综合了精度高、非接触、高效率等优势，在各行业获得了的高度重视。由于激光器的调频曲线具有非线性，如图4所示，测量光和参考光拍频干涉信号的频率会随着时间而改变，如图5所示。其对应的傅立叶变化谱如图6所示，显然拍频信号的谱峰值区域被严重扩展，导致在提取拍频频率f_IF时引入一个较大的误差。同时，激光器调频的非线性是无法采用优化激光器参数等方式完全消除，只能通过校正与补偿尽量削弱其导致的测量误差。

现有的用于工件形貌检测的基于FMCW技术的激光雷达信号测量方法在提取拍频信号频率的解调技术上受激光器调频非线性的影响，并且在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，因此使测量精度低。

发明内容

本发明为了解决现有的用于工件形貌检测的基于FMCW技术的激光雷达信号测量方法在提取拍频信号频率的解调技术上受激光器调频非线性的影响，并且在提取拍频信号频率时信号细分数受限于整个采样时间段内信号质量的缺陷，因此使测量精度低的问题。而提出基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法。

基于相位解调方法的FMCW激光雷达高精度信号测量方法，它由以下步骤实现：

步骤1、采用激光器测量基于FMCW技术的激光雷达光路，测量时，对激光器进行线性啁啾调制，得到激光器输出的激光器的调频函数为：

f(t)=f₀+αt+f_e(t)

式中：f₀为激光初始频率，α=Ω/T_m，Ω为调频范围，T_m是啁啾调制周期，f_e(t)为调频非线性项，t为时间；

步骤2、采用相位解调方法，获得调频激光雷达光路中的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的时间延时τ的关系，其具体方法为：

计算激光器的调频函数所对应的光相位函数为：

式中：θ₀为初始时刻的光相位，为调频非线性项f_e在时间0到t内的积分,dξ表示时间t的微分；

利用调频激光雷达光路原理，当测量光和参考光在探测器PD处产生拍频干涉时，测量光路光相位与参考光路相位差拍混频形成拍信号相位为：

式中：τ为测量光路的延时时间，为调频非线性项f_e在时间t-τ到t内的积分；

当时，上式拍信号相位简化为：

式中：为拍信号相位；

在时间[t₀，t₀+T]内，得到的拍信号相位改变量为：

式中：时间内的拍信号相位，时间内的拍信号相位，f(t₀+T)为（t₀+T）时间内的激光器的调频函数，f(t₀)为t₀时间内的激光器的调频函数；

将步骤1中的激光器的调频函数f(t)=f₀+αt+f_e(t)带入拍信号相位改变量中，获得函数：

式中：f_e(t₀+T)-f_e(t₀)=0，f_e(t₀+T)为（t₀+T）时间内的调频非线性项，f_e(t₀)为t₀时间内的调频非线性项；

根据公式：

得到拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系；

步骤3、根据步骤2中获得的拍频信号相位变化量与测量光路相对于参考光路的延时时间τ的关系，计算被测距离R，实现FMCW激光雷达高精度信号测量方法。