外差探测激光多普勒雷达系统性能研究

外差探测激光多普勒雷达由于具有测速精度高和可辨别速度方向等优点而广泛应用于测风、流体测速以及着陆导航等方面。对外差激光多普勒雷达的测速原理、误差来源和系统噪声进行了分析,并给出了系统的信噪比和探测精度的仿真结果。搭建了全光纤外差探测激光多普勒系统。用研制的高精度运动目标模拟器开展了相关测速实验。实验结果表明,速度测量精度优于6.7 cm/s,而且与速度大小基本无关,这与仿真分析结果相一致。     

脉冲激光雷达的改进

本专利详细叙述了一个探测运动目标并测量目标速度的光雷达系统。在一般的电磁探测系统中,装置选取运动目标并测定目标速度都是基于探测接收信号和发射信号之间的频率差,由于目标相对于雷达有位移,故利用“多普勒”效应来实现,这就是多普勒雷达。这种工作在高频或微波段的雷达的缺点是目标定位和测速精度受到限制,例如测速精度是10％数量级,角分辨率是1°数量级。若使用相干光源(如激光器)作为发射源,则可大大增加发射束的锐度和雷达的工作频率,从而明显地改进了测量精度。     

基于FPGA的多普勒雷达测速系统设计

为了实现对车辆速度进行高实时性、高精度的测量,设计了一种基于FPGA的多普勒雷达测速系统。系统以Spartan 6系列FPGA作为核心处理器,使用高精度ADC采集微波雷达模块输出的混频信号,将数据通过FPGA进行快速傅里叶变换(FFT)处理并利用Welch算法进行频谱分析,提取出运动车辆的多普勒频移,进而根据多普勒效应计算出被测车辆的运动速度。该设计利用FPGA在并行处理方面的速度优势对算法进行了优化,有效地降低了系统延时、提高了系统的处理速度和实时性。仿真和实验结果表明：系统工作稳定,具有较高的实时性,测量精度小于1km/h。     

激光多普勒测速中的频谱校正及其应用

由于激光多普勒测速(LDA)系统的动态测试范围宽,信噪比低,单个散射粒子的渡越时间短,能采集到的信号长度有限,因此必须探索合适的频谱校正方法提高多普勒频率的精度来满足LDA的测量要求。将能量重心法、比值法、相位差法、频谱细化、频谱拟合等5种离散频谱校正方法应用于LDA信号处理中,通过仿真计算比较各种方法的优缺点,并选取比值法用于实时测量,取得了明显的效果。     

基于混合卷积窗的激光多普勒信号处理研究

快速傅里叶变换是激光多普勒测速系统信号处理的一种常用方法，但在异步采样时存在频谱泄漏和栏栅效应，其处理精度偏低。为了提高检测精度，提出基于Nuttall窗函数和五项最大旁瓣衰减窗函数的混合卷积窗改进六谱线插值校正算法。混合卷积窗在保证良好的旁瓣特性的同时也能保证主瓣不过宽，改进六谱线插值可有效抑制栏栅效应在参数估计过程中的负面影响，提高分析精度。为了避免解高次方程，提出三次B样条插值来拟合插值系数，并推导出改进六谱线插值的频率校正公式。搭建了双光束后向散射差动式激光多普勒测速平台，利用仿真数据和实测信号验证了本文算法在低信噪比环境下有较好的频率和速度测量精度。     

频谱细化及频谱校正技术在激光多普勒测速仪中的应用

提出了对多普勒信号先进行频谱细化,再进行频谱校正的方法,阐述了几种常见的离散频谱细化和频谱校正算法的基本原理,并运用它们对不同频率的理想正弦信号和实测的多普勒信号进行谱仿真和实测研究。理论分析和实验结果表明:频谱细化算法中Goertzel细化算法所需的运算量最少,计算速度最快;频谱校正算法中比值校正算法校正公式简单,运算量少,且校正精度较高;频谱细化和频谱校正技术大大提高了频谱分辨率,将其运用于频谱分析型激光多普勒测速仪中切实可行。     

激光多普勒测速仪中的频谱分析技术

为了提高激光多普勒测速仪的测速精度,将频谱分析技术应用于多普勒信号的处理中,先对信号进行频谱细化,再对细化后的频谱进行校正。阐述了几种常见的频谱细化和频谱校正算法的基本原理,并对它们的频谱分析精度和运算量进行了比较。在Matlab平台上将它们应用于理想正弦信号进行仿真,比较了各种算法的优缺点,最后将频谱细化和频谱校正技术应用于实测多普勒信号的处理中。仿真和实验结果表明:频谱细化技术可以大大提高激光多普勒信号的频谱分辨率,频谱校正技术可以准确地校正多普勒频率,减小信号处理的误差。将其运用于激光多普勒测速仪中切实可行,为设计高精度的激光多普勒测速仪创造了条件。     

相位噪声对脉冲多普勒雷达性能的影响

讨论了频率源相位噪声对脉冲多普勒雷达杂波可见度、测速精度、速度分辨力性能的影响,给出了一种用频谱分析仪测量杂波可见度的方法,最后进行了实例分析     

姿态误差对机载激光多普勒三维速度测量精度的影响

激光多普勒测速系统可实现空中运动平台的速度测量,平台的姿态测量误差是影响其测速精度的重要因素。为实现运动平台三维速度的测量,以相干探测原理为基础,设计并搭建了全光纤三光束激光多普勒测速系统,建立了运动平台三维速度测量的数学物理模型,对系统测速相对误差进行了数值模拟研究。研究结果表明,姿态测量误差对测速精度的影响不可忽略;随着俯仰角度的不同,俯仰误差与旋转误差对测速精度的影响程度会发生变化;测速精度与旋转误差呈线性关系,而与俯仰误差存在着非线性关系。研究结果可为激光多普勒测速系统的设计以及速度修正提供理论依据。     

基于频谱校正的中国余数定理多普勒频率估计算法

脉冲多普勒(PD)雷达能够检测目标多普勒频率和有效抑制杂波,该优势使得PD雷达得到了广泛应用。但速度模糊的存在,往往对PD目标检测带来困难。该文紧密结合PD雷达体制的特点,在基于PD雷达参差重频模式下,提出一种基于全相位离散傅里叶变换(DFT)相位差频谱校正的最优余数封闭式鲁棒中国余数定理(CFRCRT)的多普勒频率估计算法。理论分析和仿真实验表明该文算法在测量精度和实时性能上可以满足工程上应用的需求。     

脉冲雷达测速方法的改进研究

雷达测速是通过对目标回波信号的多普勒频率测量来实现的,在大加速度情况下目标回波谱线会出现发散问题,对测速精度造成影响。针对这一情况,提出了一种利用加速度平台进行加速度补偿的方法,在原有的测速回路基础上增加加速度补偿模块,建立了加速度识别和补偿机制,实现测速精度的提高。文中使用MATLAB对所建平台进行建模仿真,仿真结果表明:该算法可以明显提高大加速度下的脉冲多普勒测速精度,且具有较好的实用性和有效性。     

激光多普勒测速中连续波调频非线性的分析与校正

基于多普勒效应的线性调频激光测速系统的原理是:激光照射到运动目标,引起光束频率发生改变,返回的光束与本振光进行相干混频后得到多普勒频移,进而可以推算出目标的相对运动速度值,但调频的非线性严重影响了测量结果的准确性。仿真分析了调频非线性对测量的影响,调频非线性会使混频后频移产生误差,造成速度测量不准,并且影响速度极性的判断,验证了激光调频线性度对测速有很大影响的结论,并对校正调频非线性提出了可行的方法,完成了调频线性化的矫正,降低了系统测量误差。     

单纵模VCSEL自混合多普勒测速传感系统的设计

基于激光自混合原理研制了多普勒测速传感系统,应用单纵模垂直腔面发射激光器(VCSEL),简化了光路设计;应用差频模拟锁相环技术处理微弱自混合多普勒信号,提高了测速精度和动态范围;应用单片机进行数字采样测量多普勒频移和计算物体的运动速度,实现了传感系统的集成化和小型化.实验结果表明,该传感系统在采样时间为0.1S的条件下,测速精度优于1%,测速范围达到30～500 mm/s,具有非接触式测量、测速精度高、动态范围大、结构简单、成本低和易于集成化等优点,在生物工程测量等领域有着广泛的应用前景.

Abstract：

The Doppler velocity sensor system based on laser self-mixing effect applies single-longitudinal-mode vertical-cavity surface-emitted laser (VCSEL),simplifying the optical path.And it uses difference frequency analogy phase locked loop (APLL) to process the self-mixing Doppler signal,so both the velocity measurement accuracy and dynamic range can be improved obviously.And it uses microcontroller unit (MCU) to make digital sampling and measure the Doppler signal frequency to obtain the velocity of the target,realizing the integration and miniaturization of velocity sensor systems.The experimental results show that,with the sampling time of 0.Is,the velocity measurement accuracy is better than 1%,and the dynamic range is from 30mm/s to 500 mm/s.The Doppler velocity sensor system has advantages of non-touch measurement,high accuracy of velocity measurement,wide dynamic range,simple configuration,low cost,and convenience in integration,so it has wide applications in such fields as bioengineering measurement.     

明渠水声信号测速方法研究

发射波束与目标之间的相对运动会产生多普勒效应。根据多普勒频移可以测量目标的速度。利用此原理可以测明渠水流速。但由于噪声、主频的干扰,又由于离散频谱存在栅栏效应和假频现象,有些情况下回波的谱峰与真实的谱峰值相差很远,因此在搜索回波信号的多普勒频移时就无法对准其真实的频率,也就无法得到正确的流速。"叠加法"去随机干扰,"谱减法"去主频干扰,"全相位频谱校正"可避免信号离散化的影响。将三者综合运用,可以使测量到的谱峰值与真实值间基本一致。通过多组测试统计,证明该方法能够测得明渠水速,并且有较高的测量精度。     

基于多普勒耦合估计的弹道目标测距方法

反导预警与空间监视雷达通常采用高频段、大脉宽探测远距离目标,此时距离多普勒耦合对于雷达精确测距有较大影响。同时,距离多普勒耦合的准确修正是稳定跟踪目标的必要条件,然而传统的处理方法不能适用于弹道目标等高机动目标的准确处理。本文提出了基于多普勒耦合估计的弹道目标高精度测距方法：首先采用旁路速度-加速度估计方法求解目标的径向速度,对目标测量距离进行距离多普勒耦合修正,再进行IMM-UKF滤波完成目标距离估计。该方法具有以下优势：利用当前帧的测量数据,同时考虑了目标径向加速度对于耦合的影响,提高了距离和速度的估计精度;相比跟踪时增加测速波形的方法,节约了雷达的资源,同时避免了速度测量与航迹误关联的问题;距离和速度的精确估计能够提升航迹关联成功率。仿真实验中与传统的距离多普勒耦合处理方法进行了比较,实验结果显示该方法大幅提高了雷达测距的精度。     

SAR/GMTI方法的改进与动目标在雷达图像上的再定位处理

SAR雷达是一种高分辨成像雷达,GMTI是SAR的一种工作模式,主要用于地面动目标搜索及跟踪,而雷达图像则可为检测出的动目标提供地理定位参考。传统的GMTI方法对动目标速度估值不够准确,作者改进了原来的方法,提高了动目标速度估值准确性,更便于后续的航迹相关处理。当动目标轨迹得到后,其在雷达图像上因为多普勒效应产生了移位,本文介绍了通过频谱搬移将动目标在雷达图像上重新定位的方法,得到了真实的动目标轨迹。文章最后利用雷达实测数据进行处理,得到了较满意的结果。     

星载SAR斜视模式运动目标方位多通道信号重建方法

在星载方位多通道SAR斜视模式下,方位斜视角度和运动目标的速度分别导致回波多普勒频谱发生2次混叠和通道失衡,影响运动目标方位多通道信号重建。针对该问题,该文提出一种适用于多通道斜视模式下的运动目标的重建方法。首先通过方位向去斜预处理消除了斜视导致的2次多普勒混叠,然后通过修正的多通道重建矩阵来解决目标速度导致的通道失衡。此外,该文还研究了通道冗余情况下的杂波抑制能力,分析了估计速度误差带来的残余相位误差,给出了一种星载方位多通道SAR斜视模式下的运动目标速度快速估计搜索方法。最后,通过点目标仿真验证了方法的有效性。     

基于混合卷积窗六谱线插值的多普勒信号处理

激光多普勒测速系统信号处理的过程中,通常采用快速傅里叶变换提取多普勒频移进而计算出被测物体运动速度,由于频谱泄露和栏栅效应的影响,会导致测量精度降低。本文提出了一种四项Nuttall窗和五项Rife Vincent窗的混合卷积窗函数结合改进的六谱线插值算法来降低频谱泄露和栏栅效应所带来的影响,从而提高激光多普勒信号处理精度。搭建了双光束后向散射差动式激光多普勒测速平台,通过仿真和实测得出在加入了RSN=-10dB的高斯白噪声的情况下使用该混合卷积窗所测量的最小相对误差为00027,而分别使用两个单一的窗函数测量的最小相对误差分别为00103和00461。从而验证了本方法的有效性。     

一种基于广域高分SAR/GMTI系统的高精度径向速度估计方法

方位向多通道广域高分合成孔径雷达运动目标指示（SAR/GMTI）系统的各通道回波存在多普勒模糊,参数估计时会出现严重的速度模糊。针对这一问题,本文提出了一种高精度无模糊径向速度估计方法。首先利用动目标Chirp傅里叶变换（CFT）后的空时谱在空间维度上无模糊的特点,在空域自适应滤波时避免了动目标模糊分量的影响,降低了算法所需通道数目;然后分别使用谱估计和Radon变换的方法估计基带径向速度和模糊数,最终得到高精度无模糊的径向速度。仿真结果验证了当待检测距离单元内存在多个运动目标时该方法的有效性。