1.55μm激光线性调频扫描成像的仿真与实验研究

论文摘要

激光雷达是目前解决高精度感知周围环境三维图像信息最有效的技术手段之一。激光雷达作为一种有源深度信息传感器,是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。它具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、极高的距离分辨率和极高的速度分辨率,测速范围广,能获得目标的多种图像,抗干扰能力强等。本论文采用线性调频技术获取目标距离信息,同时利用X-Y二维检流计式扫描振镜得到目标的二维平面信息,最终结合这两种技术获取目标的三维图像。LFMCW技术由于具有大的时宽带宽积,既能获得高的距离分辨率,又能获得远作用距离和高的速度分辨率,可解决普通雷达存在的远作用距离和高距离分辨率之间的矛盾。本文主要研究线性调频信号的差拍-傅里叶变换测距测速算法,并通过仿真和实验验证该算法的可行性。首先设计了1.55μm LFMCW扫描成像激光雷达的系统结构,分析了线性调频信号的时域及频域特性,对线性调频发射信号及目标回波信号进行了软件仿真,并讨论了信号的时宽带宽与激光雷达作用距离和距离分辨率及速度分辨率之间的关系。其次介绍了线性调频信号的脉冲压缩原理,并利用MATLAB软件仿真了目标回波信号的正交解调及匹配滤波的过程,详细介绍了通过MATLAB软件设计模拟滤波器的方法,并探讨了加窗技术对脉冲压缩信号的影响。以对称三角波信号为例,研究了线性调频信号差拍-傅里叶变换测距测速算法,对差拍时域信号进行了详细的分析,最后对不同距离、速度的目标进行了仿真实验,得出结论:对称三角波线性调频信号能够很好的解决目标距离速度耦合问题。最后在实验方面进行了线性调频测距实验,研究了差拍信号频率与测量距离、信号调制带宽以及调制周期之间的关系。在分别改变调制周期及调制带宽的情况下进行了4组测量实验,通过示波器观察拍频信号,分析了两种实验方案的实验结果,讨论了实验值与理论值之间存在偏差的原因,验证了线性调频信号差拍-傅里叶变换测距算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 成像激光雷达的发展
• 1.3 线性调频连续波雷达的发展
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 LFMCW激光雷达的基本理论
• 2.1 LFMCW激光雷达原理
• 2.1.1 连续波雷达
• 2.1.2 线性调频技术
• 2.1.3 线性调频连续波雷达的工作原理
• 2.2 X-Y检流计式振镜扫描原理
• 2.3 LFMCW雷达体制的距离分辨力
• 2.4 LFMCW激光雷达距离速度耦合问题
• 2.4.1 多普勒频率
• 2.4.2 LFMCW激光雷达速度分辨率
• 2.4.3 LFM模糊函数
• 2.4.4 LFMCW雷达距离多普勒耦合
• 2.5 A/D转化与数字滤波
• 2.5.1 抽样定理
• 2.5.2 滤波器的基本概念
• 2.5.3 窗函数的基本概念
• 2.6 1.55μM/LFMCW激光成像雷达系统初步设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 LFMCW激光雷达信号处理与仿真
• 3.1 LFMCW数字信号源模拟
• 3.2 LFMCW回波信号的仿真
• 3.3 线性调频信号的脉冲压缩技术与软件仿真
• 3.3.1 信号的时宽带宽与雷达作用距离和距离分辨率及速度分辨率之间的关系
• 3.3.2 脉冲压缩原理
• 3.3.3 LFM中频数字信号的正交变换和脉冲压缩仿真
• 3.4 LFMCW激光雷达多目标仿真实验
• 3.5 差拍-傅立叶变换测距测速算法
• 3.5.1 LFMCW雷达测距原理
• 3.5.2 LFMCW雷达测速原理
• 3.5.3 对称三角波线性调频雷达差拍时域信号的分析
• 3.6 LFMCW激光雷达测距测速仿真实验
• 3.7 本章小结
• 第4章 测距实验研究
• 4.1 实验原理与装置
• 4.1.1 光纤延时测距实验原理
• 4.1.2 自由空间线性调频测距实验方案
• 4.1.3 实验装置
• 4.2 实验结果与分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢