平码五不中公式规律
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一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统及方法.pdf

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一种 基于 分布式 激光雷达 提取 振动 特征 参数 系统 方法
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摘要
申请专利号:

CN201610815564.X

申请日:

2016.09.09

公开号:

CN106483518A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/487申请日:20160909|||公开
IPC分类号: G01S7/487 主分类号: G01S7/487
申请人: 中国科学院国家空间科学中心
发明人: 李立钢; 沈?#21697;? 段永强
地址: 100190 ?#26412;?#24066;海淀区中关村南二条1号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#26041;安思达知识产权代理有限公司 11472 代理人: 王宇杨;杨青
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610815564.X

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2019.01.22|||2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,该系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统,其包括:一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达;所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面,且所述主发射激光雷达位于该平面的中心。

权利要求书

1.一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,其特征在于,该系统是一种一
发多收式的多站分布式探测系统,其包括:一台主发射激光雷达和若干台接收激光雷达。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,其特征
在于,所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面,且所述主发射激光雷达位于该
平面的中心。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统实
现的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法,其特征在于,该方法具体包括:
步骤1基于上述一发多收的多站式分布探测系统,建立一个以所述主发射激光雷达为
原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z);
步骤2建立并在理论上推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不
同所述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi,
用如下公式表示:

其中,f0为所述主发射雷达的载频,R0是动目标的振动中心O(U0,V0,W0)与所述主发射雷
达Q0的初始距离,αi是第i个接收雷达Qi在三维坐标系中的方向角,Ri是动目标的中心O(U0,
V0,W0)与所述接收激光雷达Qi的距离,αp是动目标在三维坐标系中的方向角,βp是动目标在
三维坐标系中的俯仰角,fv是动目标的振动频?#21097;珼v是动目标的振动幅度,c是光速,t是动目
标的运动时间,是动目标的初始相位;
步骤3根据步骤2建立的理论上的微动效应模型和公式(14),确定所述接收激光雷达的
个数;
步骤4根据建立的基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,依据理论推导出的
第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t),采用时频分析方法,得到回波信号的微多普
勒效应的频率随时间变换的规律,针对不同方向上的不同接收激光雷达接收的回波信号,
开展基于伪winger-ville变换的时?#24403;?#25442;,通过伪winger-ville 变换,提取微多普勒频率
随时间变化的频?#26159;?#32447;的轮廓信息,即每一个时刻对应一个区间?#27573;?#20869;的微多普勒效应的
频率值;
所述第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t),即公式(10):

其中,j是复数信号处理中常见表示系数,λc是光速的波长,是t时刻动目标的振动
中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量,是t时刻动目标的振动中心O到所述第i个接收
激光雷达Qi的矢量;
步骤5采用谱图峰值估计法,对经过伪winger-ville变换后的微多普勒频?#24335;?#34892;谱图
峰值估计,获得每一个时刻所对应的微多普勒效应的瞬时频?#21097;?#36827;而获得在一个时间?#27573;?br />内的针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信号中的微多普勒效应信息;
步骤6对步骤5中得到的所述微多普勒效应的瞬时频?#24335;?#34892;采样,并对采样后的数据进
?#24515;?#21512;,从而得到动目标的振动频率fv,动目标的初始相位对应于每一个所述接收激光
雷达捕获到的微多普勒频?#25910;?#24358;系数值,并假设将其表示为Ai,Ai表示为:

步骤7依据步骤6中的公式(15)和每个所述接收激光雷达接收的每组回波信号进行关
联处理,构建回波信号的非线性方程组,解算出动目标的三个振动特征参数,即动目标的振
动幅度Dv,动目标在三维坐标系中的方向角αp,动目标在三维坐标系中的俯仰角βp。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法,其特征
在于,所述步骤2中,所述微动效应数学模型是用于描述所述主发射激光雷达发射的载频信
号经过动目标的调制后并对所述接收激光雷达接收的回波信号产生调制的过程;其中,所
述回波信号隐含有动目标的特征参数,即动目标的振动频率fv,振动幅度Dv,初始相位动
目标在三维坐标系中的方向角αp和动目标在三维坐标系中的俯仰角βp。
5.根据权利要求3所述的一种基于分布式激光雷达的提取振动特征参数的方法,其特
征在于,所述步骤6中,利用拟合工具cftool,对所述采样后的数据按照正弦形式f(x)=a*
sin(b*x+c)进?#24515;?#21512;。
6.根据权利要求3所述的一种基于分布式激光雷达的提取振动特征参数的方法,其特
征在于,所述步骤2中,推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所
述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi,
具体过程如下:
基于以所述主发射激光雷达Q0为原点建立的三维参考坐标系Q(X,Y,Z),所述主发射激
光雷达的发射信号是单频正弦信号,f0为所述主发射激光雷达的载频;动目标的振动中心O
(U0,V0,W0)表示为:
O(U0,V0,W0)=O(R0cosαcosβ,Rosinαcosβ,R0sinβ)
其中,α0是动目标在三维坐标系中的初始方向角,β0是动目标在三维坐标系中的初始俯
仰角;
则所述主发射激光雷达Q0视线方向的单位向量是:

部署Q1,Q2...Qi...Qn共n个接收激光雷达,则Qi表示为:
Qi(Ricosαicosβi,Risinαicosβi,Risinβi)
其中,Ri是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始距离,βi是第i个所述接收
激光雷达Qi在三维坐标系中的初始俯仰角;
为了便于分析,假设动目标在宏观上的速度为零,只存在关于动目标的振动中心O(U0,
V0,W0)的振动;
假设动目标在三维坐标系中的的振动方向为:方位角αp,俯仰角βp,同时动目标的振动
形式Dt为:

其中,Dv是动目标的振动幅度,ωv是动目标的振动角频?#21097;?#21363;ωv=2πfv;
则在t时刻,从动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量为:

其中,是所述主发射雷达与振动中心O的距离矢量;
则动目标的振动中心O与所述主发射激光雷达Q0之间的距离R0(t)为:

其中,U0,V0,W0分别是振动中心O在三维坐标系中的位置坐标;
通常情况下Rt>>Dt,则(4)式近似为
R0(t)≈R0+Dt[cos(α0-αp)cosβ0cosβp+sinβ0sinβp] (5)
因此,在t时刻,从动目标的振动中心O到所述接收激光雷达Qi的矢量为:

其中,是所述主发射雷达Q与振动中心O的距离矢量;
动目标的中心点O与所述接收激光雷达Qi的距离Ri(t)为:

为?#24605;?#31639;方便,假设动目标的中心点O在三维坐标系Q(X,Y,Z)中的Z轴上,则α0=0,
第i个所述接收激光雷达Qi在xQ0y平面上,则βi=0;
则公式(4)和(7)化简成:
R0(t)≈R0+Dtsinβp (8)

其中,x=Ricos(αi-αp)cosβp+R0sinβp,y=Ri2+R02-x2;
第i个所述接收激光雷达接收到的回波信号:

对公式(10)进行相位求导,并除以2π后,即是所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频
?#21097;?#21017;用如下公式表示:

再对Ri(t)求导有

通常情况下,Ri>>Dt,Rt>>Dt所以

所以:

即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率为:

说明书

一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统及方法

技术领域

本发明涉及分布式光学系统探测技术领域,特别涉及一种基于分布式激光雷达提
取振动特征参数的系统及方法。

背景技术

振动是大千世界各类动目标的一类普遍运动形式。无论是在浩渺宇宙中横亘穿越
的碎片,还是空间探索中?#32972;?#20113;霄的火箭及其运载的设备,以及自然界的人和昆虫等,都一
定程度存在着振动这种运动特性。振动与运动目标的质量、材质类型以及结构分布等密切
相关。通过对振动目标的振动参数的测量与提取,一方面能够基于振动频?#23454;?#29305;性,为振动
目标的识别提供依据;另一方面能够快速掌握当前振动目标的运行状态,为有效控制与干
预振动目标提供支持,从而?#26723;?#23454;施风险与技术成本。

目前,对动目标的振动特征参数的测量与提取还存在一定的?#35759;取?#20174;探测系统来
看,现有的提取方法是基于电磁雷达探测系统?#35789;?#29616;的,且只有一个电磁雷达进行探测,而
且不能满足对厘米级的动目标的空间探测分辨率要求;从振动特征参数提取方法来看,传
统的提取振动特征参数的方法是基于一个电磁雷达的发射和接收数据来进行探测,只能获
取视线投影方向上的振动频?#21097;?#19981;能提取动目标在三维空间下的真实振动频?#21097;?#25391;动方位,
振动幅度,初始相位,方向角和俯仰角等这些精细特征参数;从振动探测实施来看,尽管激
光雷达在提升探测精度上有很大优势,但是在现有的提取振动特征参数的方法过程中,通
过本振光传递相参处理方式对分布式系统布设增加了复?#26377;浴?br />

发明内容

本发明的目的在于,为解决在三维空间下提取动目标的振动特征参数的提取方法
存在上述缺陷,本发明提供了一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,该系统
是一种一发多收式的多站分布式探测系统,其包括:一台主发射激光雷达和若干台接收激
光雷达。所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达共面,且所述主发射激光雷达位于
该平面的中心,通过每个所述接收激光雷达分别与动目标和所述主发射激光雷达连线的方
式构成一个夹角,用于多角度探测并获取动目标的回波信号。

基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,本发明还提供了一
种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法。该方法具体包括:

步骤1基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,建立一个以
所述主发射激光雷达为原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z);

步骤2建立并在理论上推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上
的不同所述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率
fmdi,用如下公式表示:



其中,f0为所述主发射雷达的载频,R0是动目标的振动中心O(U0,V0,W0)与所述主发
射雷达Q0的初始距离,αi是第i个接收雷达Qi在三维坐标系中的方向角,Ri是动目标的中心O
(U0,V0,W0)与所述接收激光雷达Qi的距离,αp是动目标在三维坐标系中的方向角,βp是动目
标在三维坐标系中的俯仰角,fv是动目标的振动频?#21097;珼v是动目标的振动幅度,c是光速,t是
动目标的运动时间,是动目标的初始相位;

步骤3根据步骤2建立的理论上的微动效应模型和公式(14),确定所述接收激光雷
达的个数;

步骤4根据建立的基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,依据理论推导
出的第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t),采用时频分析方法,得到回波信号的微
多普勒效应的频率随时间变换的规律,针对不同方向上的不同接收激光雷达接收的回波信
号,开展基于伪winger-ville变换的时?#24403;?#25442;,通过伪winger-ville变换,提取微多普勒频
率随时间变化的频?#26159;?#32447;的轮廓信息,即每一个时刻对应一个区间?#27573;?#20869;的微多普勒效应
的频率值;

所述第i个接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t),即公式(10):



其中,j是复数信号处理中常见表示系数,λc是光速的波长,是t时刻动目标的
振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量,是t时刻动目标的振动中心O到所述第i个
接收激光雷达Qi的矢量;

步骤5采用谱图峰值估计法,对经过伪winger-ville变换后的微多普勒频?#24335;?#34892;
谱图峰值估计,获得每一个时刻所对应的微多普勒效应的瞬时频?#21097;?#36827;而获得在一个时间
?#27573;?#20869;的针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信号中的微多普勒效应信
息;

步骤6对步骤5中得到的所述微多普勒效应的瞬时频?#24335;?#34892;采样,并利用拟合工具
cftool对采样后的数据按照正弦形式f(x)=a*sin(b*x+c)进?#24515;?#21512;,从而可以得到动目标
的振动频率fv,动目标的初始相位对应于每一个所述接收激光雷达捕获到的微多普勒频
?#25910;?#24358;系数值,并假设将其表示为Ai,Ai可表示为:



步骤7依据步骤6中的公式(15)和每个所述接收激光雷达接收的每组回波信号进
行关联处理,构建回波信号的非线性方程组,解算出动目标的振动幅度Dv,动目标在三维坐
标系中的方向角αp,动目标在三维坐标系中的俯仰角βp,这三个振动特征参数。

所述步骤2中,所述微动效应数学模型是用于描述所述主发射激光雷达发射的载
频信号经过动目标的调制后并对所述接收激光雷达接收的回波信号产生调制的过程;其
中,所述回波信号隐含有振动目标的振动频率fv,振动幅度Dv,初始相位方向角αp和俯仰
角βp这些特征参数。

所述步骤2中,推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同
所述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率
fmdi,具体过程如下:

基于以所述主发射激光雷达Q0为原点建立的三维参考坐标系Q(X,Y,Z),所述主发
射激光雷达的发射信号是单频正弦信号,f0为所述主发射激光雷达的载频。动目

标的振动中心O(U0,V0,W0)表示为:

O(U0,V0,W0)=O(R0cosαcosβ,Rosinαcosβ,R0sinβ)

其中,α0是动目标在三维坐标系中的初始方向角,β0是动目标在三维坐标系

中的初始俯仰角。

则所述主发射激光雷达Q0视线方向的单位向量是:


部署Q1,Q2...Qi...Qn共n个接收激光雷达,则Qi可以表示为:

Qi(Ricosαicosβi,Risinαicosβi,Risinβi)

其中,Ri是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始距离,βi是第i个所述
接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始俯仰角;

为了便于分析,假设动目标在宏观上的速度为零,只存在关于动目标的振动中心O
(U0,V0,W0)的振动。

假设动目标在三维坐标系中的振动方向为:方位角αp,俯仰角βp,同时动目标的振
动形式Dt为:


其中,Dv是动目标的振动幅度,ωv是动目标的振动角频?#21097;?#21363;ωv=2πfv;

则在t时刻,从动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量为:



其中,是所述主发射雷达与振动中心O的距离矢量;

则动目标的振动中心O与所述主发射激光雷达Q0之间的距离R0(t)为:



其中,U0,V0,W0分别是振动中心O在三维坐标系中的位置坐标;

通常情况下Rt>>Dt,则(4)式可以近似为

R0(t)≈R0+Dt[cos(α0-αp)cosβ0cosβp+sinβ0sinβp] (5)

因此,在t时刻,从动目标的振动中心O到所述接收激光雷达Qi的矢量为:


其中,是所述主发射雷达Q与振动中心O的距离矢量;

动目标的中心点O与所述接收激光雷达Qi的距离Ri(t)为:


为?#24605;?#31639;方便,假设动目标的中心点O在三维坐标系Q(X,Y,Z)中的Z轴上,则α0=
0,第i个所述接收激光雷达Qi在xQ0y平面上,则βi=0;

则公式(4)和(7)可以化简成:

R0(t)≈R0+Dt sinβp (8)



其中,x=Ri cos(αi-αp)cosβp+R0sinβp,y=Ri2+R02-x2;

第i个所述接收激光雷达接收到的回波信号:


对公式(10)进行相位求导,并除以2π后,即是所述接收激光雷达Qi接收到的微多
普勒频率fmdi,则用如下公式表示:


再对Ri(t)求导有


通常情况下,Ri>>Dt,Rt>>Dt所以


所以:


即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率为:


本发明的优点在于?#21644;?#36807;构建一发多收的分布式探测布局,这种收发?#31181;?#25506;测,稀
疏分布部署,从而增大探测基线,实现多角度的激光探测回波信号的获取,为三维振动特征
提取与参数反演提供探测构型支持;通过数据融合处理?#26723;?#20256;统?#35272;?#26412;振光相参所带来的
系统布设复?#26377;裕?#24341;入了动目标的振动频率、俯仰角、初始相位、方向角、振动幅?#21462;?#21457;送及
接收方位角度等多个因子,是对三维空间下的分布式激光雷达探测的微动效应的精确描
述,同时得到的这些参数的真实值与理论值的误差控制在理论值的千?#31181;?#19968;之内,具有较
高的解算精度,能够实现对动目标的三维振动参数提取,证明了本发明提出的一种基于分
布式激光雷达的提取振动特征参数的方法的正确性和有效性。

附图说明

图1是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统的示意图改成
探测构型设计

图2是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统的仿真实例中
分布式激光雷达布局图

图3(a)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=0时,接收激光雷达接收的回波信号经过伪Winger-Ville变换的波形图

图3(b)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/12时,接收激光雷达接收的回波信号经过伪Winger-Ville变换的波形图

图3(c)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/6时,接收激光雷达接收的回波信号经过伪Winger-Ville变换的波形图

图3(d)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/4接收激光雷达接收的回波信号经过伪Winger-Ville变换的波形图

图4(a)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=0时,谱图峰值估计检测到的瞬时频率波形图

图4(b)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=0时的理想微多普勒频率波形

图4(c)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/12时,谱图峰值估计检测到的瞬时频率波形图

图4(d)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/12时的理想微多普勒频率波形

图4(e)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/6时,谱图峰值估计检测到的瞬时频率波形图

图4(f)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/6时的理想微多普勒频率波形

图4(g)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/4时,谱图峰值估计检测到的瞬时频率波形图

图4(h)是本发明的一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法的仿真实
例中αi=5*pi/4时的理想微多普勒频率波形

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示,本发明提供了一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,该
系统是一种一发多收式的多站分布式探测系统,其包括:一台主发射激光雷达Q0和若干台
接收激光雷达,即Q1,Q2,Q3,Q4.......Qn。所述若干接收激光雷达与所述主发射激光雷达Q0
共面,且所述主发射激光雷达Q0位于该平面的中心,通过每个所述接收激光雷达分别与动
目标和所述主发射激光雷达Q0连线的方式构成一个夹角,用于多角度探测并获取动目标的
回波信号。

基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,本发明还提供了一
种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的方法。该方法具体包括:

步骤1基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,建立一个以
所述主发射激光雷达为原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z);

步骤2建立并在理论上推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上
的不同所述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率
fmdi,用如下公式表示:


其中,f0为所述主发射雷达的载频,R0是动目标的振动中心O(U0,V0,W0)与所述主发
射雷达Q0的初始距离,αi是第i个接收雷达Qi在三维坐标系中的方向角,Ri是动目标的中心O
(U0,V0,W0)与所述主接收雷达Qi的距离,αp是动目标在三维坐标系中的方向角,βp是动目标
在三维坐标系中的俯仰角,fv是动目标的振动频?#21097;珼v是动目标的振动幅度,c是光速,t是动
目标的运动时间,是动目标的初始相位;

所述步骤2中,所述微动效应数学模型是用于描述所述主发射激光雷达发射出的
信号经过振动目标反射并由所述接收激光雷达接收回波信号的过程;其中,所述回波信号
隐含振动目标的振动频率fv,振动幅度Dv,初始相位方向角αp和俯仰角βp这些特征参数。

所述步骤2中,推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同
所述接收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率
fmdi,具体过程如下:

基于以所述主发射激光雷达Q0为原点建立的三维参考坐标系Q(X,Y,Z),所述主发
射激光雷达的发射信号是单频正弦信号,f0为所述主发射激光雷达的载频。动目标的振动
中心O(U0,V0,W0)表示为:

O(R0cosα0cosβ0,Rosinα0cosβ0,R0sinβ0),

其中,α0是动目标在三维坐标系中的初始方向角,β0是动目标在三维坐标系中的初
始俯仰角。

则所述主发射激光雷达Q0视线方向的单位向量是:


部署Q1,Q2...Qi...Qn共n个接收激光雷达,则Qi可以表示为:

Qi(Ricosαicosβi,Risinαicosβi,Risinβi)

其中,Ri是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始距离,

βi是第i个所述接收激光雷达Qi在三维坐标系中的初始俯仰角;

为了便于分析,假设动目标在宏观上的速度为零,只存在关于动目标的振动中心O
(U0,V0,W0)的振动。

假设动目标在三维坐标系中的的振动方向为:方位角αp,俯仰角βp,同时动目标的
振动形式Dt为:


其中,Dv是动目标的振动幅度,ωv是动目标的振动角频?#21097;?#21363;ωv=2πfv;

则在t时刻,从动目标的振动中心O到所述主发射激光雷达Q0的矢量为:


其中,是所述主发射雷达与振动中心O的距离矢量;

则动目标的中心点O与所述主发射激光雷达Q0之间的距离R0(t)为:



通常情况下Rt>>Dt,则(4)式可以近似为

R0(t)≈R0+Dt[cos(α0-αp)cosβ0cosβp+sinβ0sinβp] (5)

因此,在t时刻,从动目标的振动中心O到所述接收激光雷达Qi的矢量为:


其中,是所述主发射雷达Q与振动中心O的距离矢量;

动目标的中心点O与所述接收激光雷达Qi的距离Ri(t)为:


为?#24605;?#31639;方便,假设动目标的中心点O在三维坐标系Q(X,Y,Z)中的Z轴上,则

α0=0,第i个所述接收激光雷达Qi在xQ0y平面上,则βi=0;

则公式(4)和(7)可以化简成:

R0(t)≈R0+Dt sinβp (8)



其中,x=Ri cos(αi-αp)cosβp+R0sinβp,y=Ri2+R02-x2

第i个所述接收激光雷达接收到的回波信号:


对公式(10)进行相位求导,并除以2π后,即是所述接收激光雷达Qi接收到的微多
普勒频?#21097;?#21017;用如下公式表示:


再对Ri(t)求导有


通常情况下,Ri>>Dt,Rt>>Dt所以


所以:


即所述接收激光雷达Qi接收到的微多普勒频率为:


步骤3根据步骤2建立的理论上的微动效应模型和公式(14),确定所述接收激光雷
达的个数为4个,则所述基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统如图2所示,该系统
是一种一发多收式的多站分布式探测系统,其包括:一台主发射激光雷达Q0和第一台接收
激光雷达Q1,第二接收激光雷达Q2,第三台接收激光雷达Q3和第四台接收激光雷达Q4。所述
第一台接收激光雷达Q1,所述第二接收激光雷达Q2,所述第三台接收激光雷达Q3,所述第四
台接收激光雷达Q4与所述主发射激光雷达Q0共面,且所述主发射激光雷达Q0位于该平面的
中心,通过每个所述接收激光雷达分别与动目标和所述主发射激光雷达连线的方式构成一
个夹角,用于多角度探测并获取动目标的回波信号。所述主发射激光雷达Q0的波长是
1550nm,其发射信号的载频的激光频率f0=193Thz。

基于上述一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,建立一个以所述主
发射激光雷达为原点的三维参考坐标系Q(X,Y,Z);以所述主发射激光雷达Q0作为三维参考
坐标系Q(X,Y,Z)原点,动目标的中心点O位于Z轴上,即O(0,0,5000),所述四个接收激光雷
达在xQy平面上,所述接收激光雷达方向角αi分别为0°,75°,150°,225°,同时所述四个接收
雷达分别与原点Q0的距离Ri=[5000,5000,5000,5000]。

假设动目标在理论上的振动幅度Dv'=0.06m,振动频率fv'=4hz,初始相位

建立并推导出基于上述三维参考坐标系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接
收激光雷达的微动效应数学模型,即所述接收雷达Qi接收到的微多普勒频率fmdi,用如下公
式表示:


步骤4根据所述基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统,依据理论推导出
的第i个所述接收激光雷达接收到的回波信号Sri(t),对每个所述接收激光雷达接收的回
波信号采用时频分析方法,观察不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信号的微
多普勒效应的频率随时间变换的规律,再针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的
回波信号,开展基于伪winger-ville变换的时?#24403;?#25442;,通过伪winger-ville变换,提取微多
普勒频率随时间变化的频?#26159;?#32447;的轮廓信息,即每一个时刻对应一个区间?#27573;?#20869;的微多普
勒效应的频率值,PWVD仿真结果如图3(a),3(b),3(c)和3(d)所示,其中,信号采样率是fs=
10000hz,时间间隔选取0.5s,选择的窗函数宽度为47;所述第i个接收激光雷达接收到的回
波信号Sri(t),即公式(10):



步骤5采用谱图峰值估计法,对每个所述接收激光雷达接收的回波信号经过伪
winger-ville变换后的微多普勒频率随时间变化的频?#26159;?#32447;的轮廓信息,进行谱图峰值估
计,如图4(a),4(c),4(e),4(f)所示,获得每一个时刻所对应的一个微多普勒效应的瞬时频
?#21097;?#36827;而获得在一个时间?#27573;?#20869;的针对不同方向上的不同所述接收激光雷达接收的回波信
号的单值频?#26159;?#32447;;将其与通过公式(13)在理论上计算获得的理论微多普勒频?#24335;?#34892;校
验,如图4(a)-4(h)所示,经过谱图峰值估计的微多普勒瞬时频率和理论上计算获得的理论
微多普勒频率在幅度和相位上的误差很小;

步骤6对步骤5中的所述为多普勒效应的瞬时频?#24335;?#34892;采样,采样率fs1=10000hz,
因此,在0.5s时间内可得到5000组数据,由于有四个所述接收激光雷达,则可以得到4*500
=20000组数据,利用拟合工具cftool对采样后得到的数据进?#24515;?#21512;,拟合公式采用正弦形
式:f(x)=a*sin(b*x+c)。假设第i个所述接收激光雷达Qi在xQ0y平面上,βi=0;则拟?#31995;?#21040;
的参数如下表1:

表1曲线拟合参数列表



通过拟合可以得到动目标的振动频率fv,动目标的初始相位具体过程如下:

动目标的初始相位计算过程如下:


根据:

以及理论上推导的动目标的微
多普勒频率fmdi:


其中,动目标的微多普勒频率的形式是

因此,仿真得到的动目标的初始相位为:


动目标的振动频率fv计算过程如下:


假设对应于每一个所述接收激光雷达所拟合的正弦系数值为Ai,则有如下表达
式:


步骤7依据步骤6中的公式(15)和每个所述接收激光雷达接收的每组回波信号进
行关联处理,构建回波信号的非线性方程组,如下所示:


再结合步骤6中的计算结果,通过运用matlab中的fsolve函数可以解算出动目标
的振动幅度Dv,动目标的方向角,动目标的俯仰角这三个振动特征参数,即Dv=0.0600m,αp
=1.0481,βp=1.0474。

表2给出了本实例解算结果与理论值的误差比较,从表2可以看出,振动频率、振动
幅?#21462;?#21021;始相位、振动方向等参数的解算结果与理论值的误差控制在理论值的千?#31181;?#19968;之
内,具有?#32454;?#30340;解算精度,能够实现对动目标的三维振动参数提取,证明了本发明所提方法
的正确性和有效性。

表2微振动参数理论值和测量值



最后所应说明的是,以上实施例仅用?#36816;?#26126;本发明的技术方案而非限制。尽管参
照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方
?#38468;?#34892;修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和?#27573;В?#20854;均应涵盖在本发明
的权利要求?#27573;?#24403;中。

关于本文
本文标题:一种基于分布式激光雷达提取振动特征参数的系统及方法.pdf
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