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CN113447941B - 基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法 - Google Patents

基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法 Download PDF

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CN113447941B CN202110684372.0A CN202110684372A CN113447941B CN 113447941 B CN113447941 B CN 113447941B CN 202110684372 A CN202110684372 A CN 202110684372A CN 113447941 B CN113447941 B CN 113447941B
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Abstract

一种基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法，装置包括：信号产生与发射模块、光源模块、信号接收与调制模块、光电探测模块、电滤波模块、电模数转换模块、数字信号处理单元和锁相模块。本发明可以大大提高测速测距信号的工作频率，在光域上实现对于测速测距信号回波的高频窄带抗干扰接收，大大降低了系统对于模数转换器的精度要求及测速测距信号的频率限制，可以实现对运动物体的高精度测速测距。

Description

基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法
技术领域
本发明涉及物体测速测距，具体是一种基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法。
背景技术
待测物体的大范围高精度测速测距在电子战、自动驾驶等领域都有广泛的应用。
目前，绝大部分测速雷达采用了测量多普勒频移的方式实现物体的测速。根据多普勒频移公式，更大的速度测量范围与更高的速度测量精度需求意味着更高的微波信号频率。同时，为了避免回波信号中较强的自身频率干扰，往往还需要在工作频段处进行滤波对其进行抑制。
当前的电子雷达系统由于“电子瓶颈”的限制，在接收和处理超高频信号时面临巨大的挑战，逐渐难以满足现有和未来的应用需求。光子技术有着电子技术所不具备的超宽带、超高速、高精度等优势，能有效克服电子技术的不足。基于光子技术的信号接收系统已成为目前研究关注的热点。但目前还没有见到基于光学接收的测速测距方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光学接收的测速测距装置及测速测距方法。该装置可以在光域上实现对于测速测距信号回波的接收，同时完成对回波信号的模拟域滤波及数字化，大大降低了系统对于模数转换器的精度要求及测速测距信号的频率限制，可以实现对运动物体的高精度测速测距。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于光学接收的测速测距装置，包括信号产生与发射模块、光源模块、信号接收与调制模块，其特点在于所述的信号产生与发射模块由信号发生器和发射天线构成；所述的信号接收与调制模块由接收天线和电光强度调制器构成；沿所述的光源模块的光输出方向依次是所述的电光强度调制器、光电探测模块、电滤波模块、电模数转换模块和数字信号处理单元，所述的数字信号处理单元的第一输出端与所述的信号发生器的控制端相连，所述的数字信号处理单元的第二输出端与所述的光源模块的控制端相连，所述的光源模块的同步输出端与锁相模块的第一端口相连接，所述的锁相模块的第二端口与所述的电模数转换模块的第三端口相连。
所述的电滤波模块是带宽为Δf的低通滤波器。
利用上述基于光学接收的测速测距装置进行测速测距的方法，包括下列步骤：
1)所述的信号产生与发射模块和数字信号处理单元根据应用需求，适时地进行测速模式或测距模式的配置；
当进行测速模式配置时，所述的信号发生器根据所述的数字信号处理单元的配置产生频率为f0的单音信号脉冲序列，所述的信号发生器产生信号的单音脉冲序列周期T1满足：
Figure BDA0003123873830000021
或
Figure BDA0003123873830000022
其中，f1为所述的光源模块产生光信号的光强时域波形频率，Δf为所述的电滤波模块(5)的带宽，并通过所述的发射天线向探测目标发射；
当进行测距模式配置时，所述的信号发生器根据所述的数字信号处理单元的配置产生单音脉冲序列，其周期T2大于信号经过系统最大探测距离的往返时间，并通过所述的发射天线向探测目标发射；
2)所述的接收天线接收经过探测目标的回波信号并输入所述的电光强度调制器；
3)所述的光源模块在数字信号处理单元的配置下产生光强时域外形为频率为f1的可调单音信号与直流叠加的光信号，并输入所述的电光强度调制器，由所述的回波信号进行强度调制；调制后的光信号先送入所述的光电探测模块转化为电信号后再送入所述的电滤波模块中进行滤波；所述的电模数转换模块对电滤波模块输出信号进行采样量化并送入所述的数字信号处理单元；
4)所述的锁相模块接收所述的光源模块输出的同步信号，为所述的电模数转换模块提供采样时钟，所述的电模数转换模块的采样率为f1/，其中，N为正整数，且采样时刻与所述的光源模块产生的光信号的时域波形相位锁定；所述的基于光学接收的测速测距装置的频响通带为[f1-Δf,f1+Δf]；
5)数字信号处理单元根据应用需求，适时地工作于测速模式或测距模式：
当工作在测速模式时，所述的数字信号处理单元对采样得到的数字信号进行频谱分析，计算得到回波信号的频率与发射信号频率f0之间的频差δf，进而求得待测目标的速度
Figure BDA0003123873830000031
其中，c为传输介质中的光速；所述的待测目标的速度测量范围为：
Figure BDA0003123873830000032
当工作在测距模式时，所述的数字信号处理单元记录信号发生器输出信号的时刻，并根据采样得到的数字信号判断出接收到回波信号的时刻，得到脉冲信号发射到接收回波的时间间隔为δt，计算出待测目标的距离为
Figure BDA0003123873830000033
所述的待测目标的距离测量范围为：
Figure BDA0003123873830000034
装置可根据应用需求，交替地工作于测速模式及测距模式，或者仅工作于其中一种工作模式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)结合了微波光子滤波以及光模数转换，在光域上实现对于测速测距信号回波的滤波与接收。光子器件的带宽优势使得装置的工作频率范围大大提升，具备轻量化、低功耗等优势，以及集成的潜力。同时，对于回波信号的高频窄带滤波可以有效抑制干扰，大大降低了装置对于模数转换器的精度要求。
2)所述的测速测距方法可以使得装置根据需要适时地工作于测速或测距模式下，获取待测目标的速度和距离信息。装置的高工作频点可以有效提升待测目标的速度测量精度。另外，通过分别获取待测目标的速度和距离信息可以使两者互相校正，进一步提高测量精度。
附图说明
图1是本发明基于光学接收的测速测距装置的框图。
图2是测速测距两个模式下信号接收过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例的系统框图如图1所示，由图可见，一种基于光学接收的测速测距装置包括：信号产生与发射模块1、光源模块2、信号接收与调制模块3、光电探测模块4、电滤波模块5、电模数转换模块6、数字信号处理单元7和锁相模块8。
所述的信号产生与发射模块1由信号发生器1-1(为微波源)和发射天线1-2构成，所述的信号发生器1-1在数字信号处理单元7的控制下，产生频率为f0的单音脉冲序列，其频谱如图2(a)所示，并向探测区域发射。
所述的光源模块2(为强度可调制的连续光光源)，在数字信号处理单元7的配置下产生的光信号是光强时域外形，是频率为f1的可调单音信号与直流的叠加。
所述的信号接收与调制模块3由接收天线3-1和电光强度调制器3-2(为马赫-曾德尔电光调制器)构成，所述的接收天线3-1接收经过探测目标的回波信号并输入所述的电光强度调制器3-2，对所述的光源模块2产生的光信号进行调制；
所述的光电探测模块4(为光电二极管)与电滤波模块5(为低通滤波器)将调制后的光信号转换为电信号，并完成对电信号的滤波，将滤波信号输入所述的电模数转换模块6。
所述的电模数转换模块6根据锁相模块8输入的时钟信号，在采样时刻对输入信号进行采样及量化，并将数字结果送入数字信号处理单元7中。
所述的数字信号处理单元7接收用户指令，分别对信号产生与发射模块1和光源模块2进行配置：
使得工作于测速模式时，回波信号频率成分中有且仅有一个频率成分落在接收系统的频响通带内，如图2(a)所示，所述的数字信号处理单元7将对采样得到的数字信号进行频谱分析，计算得到回波信号频率与发射信号频率f0之间的频差δf，求得待测目标的速度为
Figure BDA0003123873830000051
其中，c为传输介质中的光速；
工作于测距模式时，单音脉冲序列的周期大于信号经过系统最大探测距离的往返时间，如图2(b)所示，所述的数字信号处理单元7将记录所述的信号发生器1-1输出信号的时刻，并根据数字信号判断出接收到回波信号的时刻，根据脉冲信号发射到接收的时间间隔δt，得到待测目标的距离
Figure BDA0003123873830000061
所述的锁相模块8，根据光源模块2的同步端输出的同步信号，为电模数转换模块6提供采样时钟，所述的电模数转换模块6的采样率为f1/，其中N为正整数，且采样时刻与所述的光源模块2产生光信号的时域波形相位锁定。
装置可根据应用需求，交替地工作于测速模式及测距模式，或者仅工作于其中一种工作模式。
实验表明，本发明可以大大提高测速测距信号的工作频率，在光域上实现对于测速测距信号回波的高频窄带抗干扰接收，大大降低了系统对于模数转换器的精度要求及测速测距信号的频率限制，可以实现对运动物体的高精度测速测距。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光学接收的测速测距装置，其特征在于，包括由信号发生器(1-1)和发射天线(1-2)构成的信号产生与发射模块(1)，光源模块(2)，由接收天线(3-1)和电光强度调制器(3-2)构成的信号接收与调制模块(3)，光电探测模块(4)、电滤波模块(5)、电模数转换模块(6)、数字信号处理单元(7)和锁相模块(8)；
沿所述的光源模块(2)的光输出方向依次是所述的电光强度调制器(3-2)、光电探测模块(4)、电滤波模块(5)、电模数转换模块(6)和数字信号处理单元(7)，所述的数字信号处理单元(7)的第一输出端与所述的信号发生器(1-1)的控制端相连，所述的数字信号处理单元(7)的第二输出端与所述的光源模块(2)的控制端相连，所述的光源模块(2)的同步输出端与锁相模块(8)的第一端口相连接，该锁相模块(8)的第二端口与所述的电模数转换模块(6)的控制端相连；
信号产生与发射模块(1)和数字信号处理单元(7)根据应用需求，适时地进行测速模式或测距模式的配置：
当进行测速模式配置时，信号发生器(1-1)根据所述的数字信号处理单元(7)的配置产生频率为f0，周期为T1的单音信号脉冲序列，条件如下：
Figure FDA0003733893350000011
或
Figure FDA0003733893350000012
其中，f1为光源模块(2)产生光信号的光强时域波形频率，Δf为所述的电滤波模块(5)的带宽；
当进行测距模式配置时，信号发生器(1-1)根据所述的数字信号处理单元(7)的配置产生频率为f0，周期为T2的单音信号脉冲序列，T2大于信号经过系统最大探测距离的往返时间。
2.根据权利要求1所述的基于光学接收的测速测距装置，其特征在于，所述的信号发生器(1-1)在数字信号处理单元(7)的控制下，产生单音脉冲序列并通过所述的发射天线(1-2)向探测区域发射；
所述的接收天线(3-1)接收经过探测目标的回波信号并输入所述的电光强度调制器(3-2)，对所述的光源模块(2)产生的光信号进行调制。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学接收的测速测距装置，其特征在于，所述的光源模块(2)在数字信号处理单元(7)的配置下产生的光信号的光强时域外形为可调单音信号与直流信号的叠加。
4.根据权利要求1所述的基于光学接收的测速测距装置，其特征在于，所述的光电探测模块(4)与电滤波模块(5)将调制后的光信号转换为电信号，并完成对电信号的滤波，将滤波信号输入所述的电模数转换模块(6)；
所述的电模数转换模块(6)根据锁相模块(8)输入的时钟信号，在采样时刻对输入信号进行采样及量化，并将数字结果送入数字信号处理单元(7)中。
5.根据权利要求4所述的基于光学接收的测速测距装置，其特征在于所述的电滤波模块(5)是带宽为Δf的低通滤波器。
6.根据权利要求1或4所述的基于光学接收的测速测距装置，其特征在于，所述的数字信号处理单元(7)接收用户指令，分别对信号产生与发射模块(1)和光源模块(2)进行配置。
7.利用权利要求1-6任一所述的基于光学接收的测速测距装置进行测速测距的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)信号产生与发射模块(1)和数字信号处理单元(7)根据应用需求，适时地进行测速模式或测距模式的配置：
当进行测速模式配置时，信号发生器(1-1)根据所述的数字信号处理单元(7)的配置产生频率为f0，周期为T1的单音信号脉冲序列，条件如下：
Figure FDA0003733893350000021
或
Figure FDA0003733893350000022
其中，f1为光源模块(2)产生光信号的光强时域波形频率，Δf为所述的电滤波模块(5)的带宽；
当进行测距模式配置时，信号发生器(1-1)根据所述的数字信号处理单元(7)的配置产生频率为f0，周期为T2的单音信号脉冲序列，T2大于信号经过系统最大探测距离的往返时间；
产生单音脉冲序列并通过所述的发射天线(1-2)向探测区域发射；
2)接收天线(3-1)接收经过探测目标的回波信号并输入所述的电光强度调制器(3-2)；
3)光源模块(2)在数字信号处理单元(7)的配置下产生光强时域外形为频率为f1的可调单音信号与直流信号叠加的光信号，并输入所述的电光强度调制器(3-2)，由所述的回波信号进行强度调制，调制后的光信号经光电探测模块(4)转化为电信号后，通过电滤波模块(5)进行滤波；所述的电模数转换模块(6)对电滤波模块(5)输出信号进行采样量化并传输入所述的数字信号处理单元(7)；
4)锁相模块(8)接收所述的光源模块(2)输出的同步信号，为所述的电模数转换模块(6)提供采样时钟，所述的电模数转换模块(6)的采样率为f1/N，其中N为正整数，且采样时刻与所述的光源模块(2)产生的光信号的时域波形相位锁定；所述的基于光学接收的测速测距装置的频响通带为[f1-Δf,f1+Δf]；
5)数字信号处理单元(7)根据应用需求，适时地工作于测速模式或测距模式；
当工作在测速模式时，所述的数字信号处理单元(7)对采样得到的数字信号进行频谱分析，计算得到回波信号的频率与发射的单音信号脉冲序列频率f0之间的频差δf，进而求得待测目标的速度
Figure FDA0003733893350000031
其中，c为传输介质中的光速；所述的待测目标的速度测量范围为：
Figure FDA0003733893350000032
当工作在测距模式时，所述的数字信号处理单元(7)记录信号发生器(1-1)输出信号的时刻，并根据采样得到的数字信号判断出接收到回波信号的时刻，得到脉冲信号发射到接收回波的时间间隔为δt，计算出待测目标的距离为
Figure FDA0003733893350000033
所述的待测目标的距离测量范围为：
Figure FDA0003733893350000041
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