一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统及方法与流程

1.本发明涉及激光多普勒测速技术领域，具体涉及一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统及方法。


背景技术：

2.激光多普勒测速系统具有响应速度快、测量精度高、测量动态范围宽、可测多维矢量速度等优点，被广泛应用于科研教育、工业测量、海洋测风和深空探测等领域。在一些特殊的应用领域，需要精确测量速度，对测速精度、测速分辨率和时间延迟也有更高的要求。特别是在低速测量时，一般的激光多普勒测速系统虽然能够测量目标速度，但由于噪声和分辨率等原因，无法得到令人满意的测量结果。
3.目前，为了提高整个系统信噪比和精确提取测量信号，国内外研究者做了大量的研究，要提高测量系统的信噪比，需要对光学系统、探测系统、采样处理系统提出更高的要求。例如：中国专利cn113447946a公开了一种微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，利用本振光和目标反射的信号光的相干性，将本振光与信号光的差频光信号频率与光子的时间分布进行耦合，获取光子的时间分布，根据光子的时间分布，恢复出差频光信号频率信息，获取目标的多普勒信息和微多普勒信息，在回波信号极其微弱情况下可以实现多普勒测量，提升探测系统的作用距离。中国专利cn111175724a公开了一种基于质心计算的目标微多普勒分量提取的方法，包括目标运动、回波信号的采集，数据分段，正交化处理，复数化处理，fft变换，设置阈值去除噪底，通过估算目标频带范围去除带外噪声，并求取频谱质心，得到质心后与原复数化信号进行混频，即可去除目标平动产生的多普勒量的干扰，提高了精度与实时性。另外，采用反射镜和棱镜等空间光信号实现测量，需要使用空间光路结构，稳定性较差，结构复杂，设备比较笨重；基于全光纤的光频率调制多普勒测速结构，虽有所创新，但稳定性、重复性、精度等实用性能并不好；精确提取测量信号的提取算法，受信噪比影响大，实时性差，对待检测目标先验运动信息要求高，在实际应用中具有局限性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统及方法，解决了目前激光多普勒测速系统测量精度低的技术问题。
5.本发明提供的基础方案为：一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统，包括：激光发射单元，所述激光发射单元用于产生超窄线宽的光源并将超窄线宽的光源分成本振光与信号光；所述激光发射单元连接有探测信号单元，所述探测信号单元用于发射信号光到运动目标得到反射信号光，将反射信号光与本振光相干拍频，得到测量信号；所述探测信号单元连接有信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于采集测量信号，并基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度。
6.本发明的工作原理及优点在于：在本方案中，采用超窄线宽的光源，比如说，利用超窄线宽激光器，减少了激光器的相位噪声对测量信号的输出功率谱的影响，提高了测量
信号的输出功率谱的信噪比，尤其是测量信号受到外界噪声影响时，利用超窄线宽激光器作为光源的测量信号受外界噪声的影响会极大程度的降低，进而提高了测量信号提取的精确度；与此同时，利用超窄线宽激光器作为光源也降低了由激光器相位噪声诱导的pin噪声，减少了低频噪声的影响，提高了速度测量的下限，使得更有利于低速的精确测量。此外，在高信噪比的输出信号功率谱的前提条件下，利用质心计算算法完成测量信号的精确提取，减小了以往单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
7.本发明采用超窄线宽的光源提高了测量信号的输出功率谱的信噪比，利用质心计算算法精确提取功率谱信号的频率分量减小了误差，解决了目前激光多普勒测速系统测量精度低的技术问题。
8.进一步，所述信号采集处理单元包括信号处理单元，所述信号处理单元基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度，包括：
9.进行fft变换，得到测量信号的功率谱信号；
10.归一化处理功率谱信号，根据“半高全宽原则”提取出符合质心计算条件的频率分量和功率谱值，筛选出功率谱信号和相应的频率分量；
11.根据筛选出的功率谱信号和相应的频率分量，利用质心计算算法得到最终的频率分量，根据最终的频率分量得到运动目标的测量速度。
12.有益效果在于：由于通过质心计算算法提取频率信号的精确度与信噪比成正比，利用质心计算算法精确提取功率谱信号的频率分量，减小了以往单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
13.进一步，所述信号处理单元还用于对测量信号进行自相关处理。
14.有益效果在于：可以滤除随机噪声。
15.进一步，所述信号采集处理单元包括数据采集单元，所述数据采集单元用于采集测量信号。
16.有益效果在于：携带测量信息的反射信号光与本振光经第二耦合器和光电探测器完成相干拍频之后，快速采集测量信号。
17.进一步，所述激光发射单元包括激光器，所述激光器为超窄线宽激光器，所述激光器连接有光纤隔离器，所述光纤隔离器连接有第一耦合器。
18.有益效果在于：超窄线宽激光器发射出线宽很窄的准单色激光，经隔离器和第一耦合器之后，可以很好地将准单色激光分成本振光和信号光并输出。
19.进一步，所述探测信号单元包括环形器，所述环形器连接有光束收发装置与第二耦合器，所述第二耦合器连接有光电探测器。
20.有益效果在于：环形器包括一端口、二端口与三端口，当信号光由环形器一端口输入并由二端口输出，经光束收发装置出射到需要被测的运动目标，携带被测的运动目标的径向速度信息的反射信号光，经光束收发装置返回环形器二端口，并由环形器三端口输出，携带测量信息的反射信号光与本振光经第二耦合器和光电探测器完成相干拍频，以实现探测。
21.进一步，所述第一耦合器1
×
2耦合，所述第二耦合器2
×
2耦合。
22.有益效果在于：第一耦合器采用1
×
2耦合，第二耦合器采用2
×
2耦合，便于实现。
23.基于上述一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统，本发明还提供一种基于质
心计算的高精度多普勒测量方法，包括：
24.s1、产生超窄线宽的光源，并将超窄线宽的光源分成本振光与信号光；
25.s2、发射信号光到运动目标得到反射信号光，将反射信号光与本振光相干拍频，得到测量信号；
26.s3、采集测量信号，并基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度。
27.本发明的工作原理及优点在于：采用超窄线宽的光源，减少了激光器的相位噪声对测量信号的输出功率谱的影响，提高了测量信号的输出功率谱的信噪比，也降低了由激光器相位噪声诱导的pin噪声，减少了低频噪声的影响，提高了速度测量的下限，使得更有利于低速的精确测量。此外，在高信噪比的输出信号功率谱的前提条件下，利用质心计算算法完成测量信号的精确提取，减小了以往单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
28.进一步，s3中，基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度，包括：
29.进行fft变换，得到测量信号的功率谱信号；
30.归一化处理功率谱信号，根据“半高全宽原则”提取出符合质心计算条件的频率分量和功率谱值，筛选出功率谱信号和相应的频率分量；
31.根据筛选出的功率谱信号和相应的频率分量，利用质心计算算法得到最终的频率分量，根据最终的频率分量得到运动目标的测量速度。
32.有益效果在于：由于通过质心计算算法提取频率信号的精确度与信噪比成正比，这样可以减小单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
附图说明
33.图1为本发明一种基于质心计算的高精度多普勒测量系统实施例的系统结构框图。
34.图2为本发明一种基于质心计算的高精度多普勒测量方法实施例的流程图。
具体实施方式
35.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
36.实施例1
37.实施例基本如附图1所示，包括：激光发射单元，所述激光发射单元用于产生超窄线宽的光源并将超窄线宽的光源分成本振光与信号光；所述激光发射单元连接有探测信号单元，所述探测信号单元用于发射信号光到运动目标得到反射信号光，将反射信号光与本振光相干拍频，得到测量信号；所述探测信号单元连接有信号采集处理单元，所述信号采集处理单元用于采集测量信号，并基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度。
38.在本实施例中，具体实施过程如下：
39.s1、激光发射单元产生超窄线宽的光源，并将超窄线宽的光源分成本振光与信号光，以进行备用。所述激光发射单元包括激光器，所述激光器为超窄线宽激光器，所述激光器连接有光纤隔离器，所述光纤隔离器连接有第一耦合器，所述第一耦合器1
×
2耦合，超窄
线宽激光器发射出线宽很窄的准单色激光，经隔离器和第一耦合器之后，可以很好地将准单色激光分成本振光和信号光并输出。
40.s2、探测信号单元发射信号光到运动目标得到反射信号光，将反射信号光与本振光相干拍频，得到测量信号。所述探测信号单元包括环形器，所述环形器连接有光束收发装置与第二耦合器，所述第二耦合器2
×
2耦合，所述第二耦合器连接有光电探测器，环形器包括一端口、二端口与三端口，当信号光由环形器一端口输入并由二端口输出，经光束收发装置出射到需要被测的运动目标，携带被测的运动目标的径向速度信息的反射信号光，经光束收发装置返回环形器二端口，并由环形器三端口输出，携带测量信息的反射信号光与本振光经第二耦合器和光电探测器完成相干拍频，以实现探测。
41.s3、信号采集处理单元采集测量信号，并基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度。所述信号采集处理单元包括数据采集单元与信号处理单元，所述数据采集单元采用数据采集卡，首先，所述数据采集单元采集测量信号，携带测量信息的反射信号光与本振光经第二耦合器和光电探测器完成相干拍频之后，可以快速采集测量信号；然后，所述信号处理单元基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度。
42.具体流程如附图2所示，首先，需要对测量信号进行自相关处理，以便滤除随机噪声；随后，进行fft变换，得到测量信号的功率谱信号，归一化处理功率谱信号，根据“半高全宽原则”提取出符合质心计算条件的频率分量和功率谱值，筛选出功率谱信号和相应的频率分量；根据筛选出的功率谱信号和相应的频率分量，利用质心计算算法得到最终的频率分量，根据最终的频率分量得到运动目标的测量速度。
43.例如说，测量信号，也即相干拍频后的拍频信号的输出光电场，可以用如下的式子来进行表示：
[0044][0045]
其中，β表示光电探测器的响应强度，i
lo
和i
sr
为反射信号光(也即回波信号光)与本振光在光电探测器中各自的输出分量，fd为被测对的运动目标运动所产生的多普勒频移，φ(t)表示光电探测器接收到本振光与反射信号光之间的相位差与整个系统和环境噪声所引起的随机相位干扰的总和。对测量信号进行自相关处理，滤除随机噪声之后，进行自相关信号fft变换，得到测量信号的功率谱信号；随后，对功率谱信号进行归一化处理，并利用“半高全宽原则”提取出符合质心计算条件的频率分量和功率谱值，完成测量信号的筛选，“半高全宽原则”的表达式如下：
[0046][0047]
其中，y
peak
为功率谱值中的峰值功率。接着，对筛选出的功率谱信号和相应的频率分量利用质心计算算法完成测量信号的精确提取，质心计算算法的公式如下：
[0048][0049]
其中，f
sc
为最终提取的频率分量，也即对应测量的多普勒频移；f1和f2为前一过程中筛选的频率分量中的最小值和最大值，s(fi)为频率分量相应的功率谱值，也是由前一过
程筛选得出，并和筛选出的频率分量对应。
[0050]
最后，计算得到运动目标的测量速度，计算公式如下：
[0051][0052]
其中，v表示运动目标的测量速度，λ为激光器输出光源的波长。由于通过质心计算算法提取频率信号的精确度与信噪比成正比，利用质心计算算法精确提取功率谱信号的频率分量，减小了以往单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
[0053]
在本方案中，采用超窄线宽的光源，激光器的线宽越窄，激光器的相位噪声就会越小，比如说，利用超窄线宽激光器，减少了激光器的相位噪声对测量信号的输出功率谱的影响，提高了测量信号的输出功率谱的信噪比，尤其是测量信号受到外界噪声影响的时候，利用超窄线宽激光器作为光源的测量信号受外界噪声的影响会大幅降低，进而提高了测量信号提取的精确度；与此同时，利用超窄线宽激光器作为光源也降低了由激光器相位噪声诱导的pin噪声，减少了低频噪声的影响，提高了速度测量的下限，使得更有利于低速的精确测量。此外，在高信噪比的输出信号功率谱的前提条件下，利用质心计算算法完成测量信号的精确提取，减小了以往单纯提取功率谱峰值频率作为测量频率带来的误差。
[0054]
实施例2
[0055]
与实施例1不同之处仅在于，基于上述实施例，本实施例公开一种基于质心计算的高精度多普勒测量方法：首先，产生超窄线宽的光源，并将超窄线宽的光源分成本振光与信号光；然后，发射信号光到运动目标得到反射信号光，将反射信号光与本振光相干拍频，得到测量信号；最后，采集测量信号，并基于质心计算算法处理测量信号，得到运动目标的测量速度，比如，先进行fft变换，得到测量信号的功率谱信号，归一化处理功率谱信号，并根据“半高全宽原则”提取出符合质心计算条件的频率分量和功率谱值，筛选出功率谱信号和相应的频率分量，随后根据筛选出的功率谱信号和相应的频率分量，利用质心计算算法得到最终的频率分量，根据最终的频率分量得到运动目标的测量速度。由于采用了超窄线宽的光源，提高了测量信号的输出功率谱的信噪比，利用质心计算算法精确提取功率谱信号的频率分量，减小了误差，提高了激光多普勒测速系统的测量精度。
[0056]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。