相位调制激光雷达信号处理算法及其数据采集系统的研究
发布时间：2021-01-23 01:05
相位调制激光多普勒频移测量方法可以兼顾直接探测和相干探测两种频移测量方法的优势,具有良好的发展前景。然而由于相位调制多普勒频移测量方法问世较晚,在一些方面的研究尚不够完善,尤其是其动态测量范围较低,难以满足实际的测量需求。另外,正是因为对相位调制多普勒激光雷达的研究较少,针对此方法目前尚未有与之匹配的数据采集系统。基于此,本文主要开展了以下两项工作:一是以提高相位调制多普勒频移测量方法的动态范围为目的,提出一种新的信号处理方法,并验证了该方法的正确性;二是针对此信号处理方法设计了相对应的数据采集系统,对系统的硬件部分展开了设计,并通过实验验证了该系统能够满足设计要求。本文提出了“星迹图”矢量方法来测量相位调制信号光的多普勒频移,该方法利用相位调制信号的交流和直流分量中所有的鉴频参量在二维或三维坐标系的变化来实现频移测量,该方法不但具有相干探测测量精度高的优点,还兼顾直接探测结构简单、环境适应性强的优势,经分析,该方法可以将测量动态范围提高约10倍,并且通过实验证明了该方法的正确性和有效性。本文对相位调制多普勒激光雷达后端的数据采集系统同样展开了研究,主要从总体方案设计,硬件选型、FPG...
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多普勒雷达的测速原理图
哈尔滨师范大学硕士学位论文8cffvcos201（2-3）由式（2-3）可知，在雷达发射频率已知的情况下，接收器只要能够检测出波的多普勒频移量，雷达就可以得到目标的运动速度。2.2相位调制多普勒激光雷达测速原理2.2.1相位调制激光多普勒频移测量原理相位调制多普勒激光雷达是通过调制回波信号光的正弦相位，使其能够产生多阶正、负边带，并保留其中的正负一阶边带，接着通过F-P标准具调整原有载波和正负一阶边带的振幅和相位，使其能够得到频率稳定的拍频信号，拥有拍频信号就可以得出信号光的频移量，根据多普勒测速原理就可以得到运动目标的速度，相位调制多普勒激光雷达测速原理框图如图2-2所示。图2-2相位调制多普勒激光雷达测速原理框图Figure2-2velocitymeasurementprincipleblockdiagramofphasemodulatedDopplerlidar图2-2中，计算机系统先发出指令使本振光从激光器射出，由相位调制器对其进行相位调制，经过偏振棱镜和1/4波片到达被测目标，然后经过反射的信号光进入过1/4波片和偏振分光棱镜处理，再由扩束器对其进行扩束后，垂直入射到F-P干涉仪上，然后透射过去的信号光又由光电探测器进行收集测量，光电探测器的信号经数据采集系统采集后由计算机处理，最终得到被测目标的运动速度。单频信号光通过相位调制器调制后，其场强可表示为[33]：expin0E=Eiωt+βsinΩt（2-4）式（2-4）中，0E为本振光的初始光强，为相位调制器的调制深度，为相位调制器的调制频率，为本振光的频率。应用贝塞尔函数变换对式（2-4）进行展开，可得到：001exp1expninnnnnEEJintJint（2-5）式（2-5）中，经相位调制器调制后的场强由载波（等式第一项）与一系列正负边
第2章相位调制多普勒激光雷达信号处理算法研究9频带叠加（等式第二项）组成。根据式（2-5）可以得出相位调制光的频谱分布和边带能量随调制深度的变化如图2-3，图2-4所示。由图2-1可以看出对应的边带在相反相位的情况下其振幅大小相等。图2-4中，信号光的频率会随着调制深度的增加而改变，可以看出，当调制深度小于0.9rad/V时，二阶以上的边带（包括二阶）的振幅远小于原载波的振幅，因此将其忽略，则场强可简化为载波以及正、负一阶边带之和，有：in0011EEJexpitJexpitJexpit（2-6）图2-3相位调制频谱分布图图2-4能量分布随调制深度的变化Figure2-3spectrumdistributionofphasemodulationFig.2-4changeofenergydistributionwithmodulationdepth经F-P干涉仪进行标准化操作，其对称性会遭到破坏，从而产生拍频信号，此时场强可表示为：out0011EEJTexpitJTexpitJTexpit（2-7）在接收信号光后，探测器会产生感应电流i，分别由直流di、一倍调制频率i和二倍调制频率2i组成，因此电流可由下式表达：2d2outiiiiE（2-8）式（2-8）中，直流di、一倍调制频率i和二倍调制频率2i分别可由下式表达：22222222d01010iEJTJTJTEh（2-9）2*2*0010012*2*001001expexpexpexpiEJJTTitEJJTTitEJJTTitEJJTTit（2-10）22*20122*01exp2exp2iEJTTitEJTTit（2-11）在频移测量过程中，通常使用一倍调制频率项，由欧拉公式对式（2-10）进行
本文编号：2994238
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多普勒雷达的测速原理图
哈尔滨师范大学硕士学位论文8cffvcos201（2-3）由式（2-3）可知，在雷达发射频率已知的情况下，接收器只要能够检测出波的多普勒频移量，雷达就可以得到目标的运动速度。2.2相位调制多普勒激光雷达测速原理2.2.1相位调制激光多普勒频移测量原理相位调制多普勒激光雷达是通过调制回波信号光的正弦相位，使其能够产生多阶正、负边带，并保留其中的正负一阶边带，接着通过F-P标准具调整原有载波和正负一阶边带的振幅和相位，使其能够得到频率稳定的拍频信号，拥有拍频信号就可以得出信号光的频移量，根据多普勒测速原理就可以得到运动目标的速度，相位调制多普勒激光雷达测速原理框图如图2-2所示。图2-2相位调制多普勒激光雷达测速原理框图Figure2-2velocitymeasurementprincipleblockdiagramofphasemodulatedDopplerlidar图2-2中，计算机系统先发出指令使本振光从激光器射出，由相位调制器对其进行相位调制，经过偏振棱镜和1/4波片到达被测目标，然后经过反射的信号光进入过1/4波片和偏振分光棱镜处理，再由扩束器对其进行扩束后，垂直入射到F-P干涉仪上，然后透射过去的信号光又由光电探测器进行收集测量，光电探测器的信号经数据采集系统采集后由计算机处理，最终得到被测目标的运动速度。单频信号光通过相位调制器调制后，其场强可表示为[33]：expin0E=Eiωt+βsinΩt（2-4）式（2-4）中，0E为本振光的初始光强，为相位调制器的调制深度，为相位调制器的调制频率，为本振光的频率。应用贝塞尔函数变换对式（2-4）进行展开，可得到：001exp1expninnnnnEEJintJint（2-5）式（2-5）中，经相位调制器调制后的场强由载波（等式第一项）与一系列正负边
第2章相位调制多普勒激光雷达信号处理算法研究9频带叠加（等式第二项）组成。根据式（2-5）可以得出相位调制光的频谱分布和边带能量随调制深度的变化如图2-3，图2-4所示。由图2-1可以看出对应的边带在相反相位的情况下其振幅大小相等。图2-4中，信号光的频率会随着调制深度的增加而改变，可以看出，当调制深度小于0.9rad/V时，二阶以上的边带（包括二阶）的振幅远小于原载波的振幅，因此将其忽略，则场强可简化为载波以及正、负一阶边带之和，有：in0011EEJexpitJexpitJexpit（2-6）图2-3相位调制频谱分布图图2-4能量分布随调制深度的变化Figure2-3spectrumdistributionofphasemodulationFig.2-4changeofenergydistributionwithmodulationdepth经F-P干涉仪进行标准化操作，其对称性会遭到破坏，从而产生拍频信号，此时场强可表示为：out0011EEJTexpitJTexpitJTexpit（2-7）在接收信号光后，探测器会产生感应电流i，分别由直流di、一倍调制频率i和二倍调制频率2i组成，因此电流可由下式表达：2d2outiiiiE（2-8）式（2-8）中，直流di、一倍调制频率i和二倍调制频率2i分别可由下式表达：22222222d01010iEJTJTJTEh（2-9）2*2*0010012*2*001001expexpexpexpiEJJTTitEJJTTitEJJTTitEJJTTit（2-10）22*20122*01exp2exp2iEJTTitEJTTit（2-11）在频移测量过程中，通常使用一倍调制频率项，由欧拉公式对式（2-10）进行
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