[发明专利]基于卡尔曼滤波算法的高精度啁啾激光相干融合测距方法

说明书

本发明公开了一种基于卡尔曼滤波算法的啁啾激光雷达融合测距方法，本发明中的激光雷达采用现场可编程门阵列(FPGA)控制数字频率合成器(DDS)产生连续线性调频信号用于发射激光调制。通过高速ADC对混频信号进行采集，由数字信号处理模块实时提取目标的距离及径向速度信息。系统在外差测距模式下采用带宽为120MHz、周期为90μs的线性调频激光进行相干测距，相干测距的精度达到1.373m；零差测速模式下采用200MHz的单频激光进行相干测速，相干测速精度达到0.00946m/s。本发明在不增加系统功耗的前提下，采用卡尔曼滤波算法将目标信息进行实时数据融合，获取连续高精度测距信息，将系统的测距精度提高一个数量级以上，并且提高了激光相干测距的准确度。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，特别涉及一种基于卡尔曼滤波算法的高精度啁啾激光相干融合测距方法，可应用于相干测距激光雷达系统，大大提高了相干测距的精度和准确度，大大削弱了相干测距系统由于激光调制所带来的噪声影响，同时解决了远距离运动目标距离信息难以提取的问题，有效提高了距离探测动态范围。

背景技术

“大动态范围相干测距测速激光雷达”技术在空间目标相对定位及飞行器自主导航方面具有重要应用价值。如何实现更大距离范围内的探测，如何实现高频次的探测，如何有效地提高距离和速度的测量精度，是当前技术的空白，也是亟需解决的难题[3]。

在海军空军和导弹防御组织的支持下，美国林肯实验室在1967年演示了第一个相干CO2激光雷达，随后在激光功率、宽带探测器、收发望远镜口径上进行了改进。[1]在1972年开始研究陆宽带、高功率、距离-多普勒雷达用于空间防御，该雷达波长为10.6um，称为“火池”(Firepond)雷达。该激光雷达使用了CO₂激光器和四象限HgCdTe探测器，通过该探测器可对目标进行精密跟踪。在1977年该激光雷达成功地实现了对带有角反射器的卫星和飞机的跟踪，其跟踪精度为1μrad。1981年火池激光雷达加装了高功率放大系统(LRPA)，形成了一个庞大的系统，且需要用水冷却，激光波长10.59μm，望远镜口径1.2m，光束发散度为10μrad[1,2]。

采用线性调频进行远距离相干测距测速的体制中，为达到较高的测距测速精度，对发射激光信号的调制提出了苛刻的要求。线性调频体制测距测速，其测距测速精度与线性调频的线性度有非常直接的关系。线性度不好，将导致回波和本振相干后信号频谱被展宽，信噪比变差，难以得到精确的频率值，进而难以精确获得目标距离和速度。

国内中国科学院上海技术物理研究所对啁啾调幅的零差和外差探测进行了多年的研究。2010年孟昭华在实验室内采用马赫曾德尔幅度调制器(M-Z intensitymodulator)对激光进行幅度调制，采用DDS(直接频率合成器，Direct DigitalSynthesizer)实现高精度线性调频驱动马赫曾德尔幅度调制器，得到了宽带高线性度的啁啾调幅激光，并进一步搭建了外差全光纤实验系统。实验对 1km左右的光纤进行了探测，得到的距离分辨能力优于0.15m(时间上1ns)，在本振功率1mW时可实现最小探测灵敏度优于0.1nW。[4]

在啁啾调频外差测距系统中，将会产生由线性调频所引发的“斜坡干扰”，并且该噪声和信号耦合，难以直接消除，将会影响系统测距的准确度，有时会产生误差较大的错误数据点，导致测距信号难以连续准确地提取。并且由于受到调频带宽的限制，目前调频的范围有限，只能通过改变调频周期或回波采样率来提高分辨率，而无法提高测距的精度。

参考文献

[1]A.B.Gschwendtner,W.E.Keicher.Development of Coherent Laser Radarat Lincoln Laboratory[J].Lincoln Laboratory Journal,2000,12(2)

[2]孙建锋,闫爱民,刘德安,et al.远距离激光成像雷达进展[J].激光与光电子学进展,2009,46(8):49-54.