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632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

张欣雨 蒋莉莉 宋冉 张治军 李冰冰 苏娟 吴锜

张欣雨, 蒋莉莉, 宋冉, 张治军, 李冰冰, 苏娟, 吴锜. 632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(3): 20240093. doi: 10.3788/IRLA20240093
引用本文: 张欣雨, 蒋莉莉, 宋冉, 张治军, 李冰冰, 苏娟, 吴锜. 632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(3): 20240093. doi: 10.3788/IRLA20240093
Zhang Xinyu, Jiang Lili, Song Ran, Zhang Zhijun, Li Bingbing, Su Juan, Wu Qi. Application of 632 nm FMCW lidar for simultaneous velocity and distance measurement in humid environment[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(3): 20240093. doi: 10.3788/IRLA20240093
Citation: Zhang Xinyu, Jiang Lili, Song Ran, Zhang Zhijun, Li Bingbing, Su Juan, Wu Qi. Application of 632 nm FMCW lidar for simultaneous velocity and distance measurement in humid environment[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(3): 20240093. doi: 10.3788/IRLA20240093

632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

doi: 10.3788/IRLA20240093
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
详细信息
    作者简介:

    张欣雨,女,硕士生,主要从事基于调频连续波技术的流速测量方面的研究

  • 中图分类号: TN958.98

Application of 632 nm FMCW lidar for simultaneous velocity and distance measurement in humid environment

Funds: Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou) Foundation (GML2021GD0808)
  • 摘要: 在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10~130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10~125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。
  • 图  1  基于FMCW技术的激光雷达系统示意图与实验装置。(a) 基于FMCW技术的632 nm激光雷达系统的示意图。(BS:分光镜,PD:光电探测器,DSO:数字存储示波器);(b) FMCW 激光雷达系统的实验装置

    Figure  1.  Schematic diagram and experimental setup of the FMCW lidar system using 632 nm. (a) Schematic diagram of the FMCW lidar system using 632 nm. BS: beam splitter, PD: photodetector, DSO: digital storage oscilloscope; (b) Experimental setup of the FMCW lidar system

    图  2  基于FMCW技术的632 nm激光雷达系统的距离和速度测量实验结果。(a) FMCW 系统距离测量实验结果及理论预测之间的线性拟合曲线; (b) FMCW 系统和 CW 系统速度测量实验结果及其与参考速度之间的线性拟合关系

    Figure  2.  Experimental results of distance and velocity measurement of the FMCW lidar system using 632 nm. (a) The linear fit between the measured distance and the reference distance for the FMCW system; (b) Comparison of the measured speeds and their linear fits in the FMCW and CW systems

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-05
  • 修回日期:  2024-02-26
  • 刊出日期:  2024-03-21

632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

doi: 10.3788/IRLA20240093
    作者简介:

    张欣雨,女,硕士生,主要从事基于调频连续波技术的流速测量方面的研究

基金项目:  南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
  • 中图分类号: TN958.98

摘要: 在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10~130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10~125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。

English Abstract

  • 在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机安全着艇很有必要。在强风大浪和水汽环境中,常用的GPS导航[1]和视觉导航只适用于测量相对距离但无法测量相对速度,易出现动态定位精度不足等问题。若能同时精确测量无人机和无人艇的相对距离和速度,并实时反馈给控制系统,可以确保精确着陆。调频连续波(FMCW)激光雷达能够同时测量速度和距离,且无距离盲区,在无人机/艇协同自主精准着艇的应用有着广泛的前景。

    FMCW激光雷达的光载波根据不同的测量目的有不同的频率调制方式[2]。常用的频率调制方式有三角波、锯齿波和正弦波三种。使用三角波形调制的FMCW激光雷达同时测量速度和距离是一种经济、方便的方法[3]。三角波调制时调制波形包含上升段和下降段,当目标移动时,上升段和下降段的拍频频率不相等,同时获取两段的拍频频率可以解调出准确的距离和速度信息。

    由于频率可以通过简单的电流调制来实现,分布式反馈激光二极管(DFB-LD)、分布式布拉格反射激光器(DBR-LD)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)常被用于FMCW激光雷达系统。出于对人眼安全的考虑,波长1550 nm以上的激光器被广泛应用在许多测速与测距中。然而在水/汽界面应用中,红外波段的光吸收严重。文中提出了采用近水汽透光窗口的632 nm分布式布拉格反馈(DBR)半导体激光器及基于FMCW技术的激光雷达系统,通过注入电流直接调制激光器波长来实现对称三角波的线性频率调制,其系统示意图如图1(a)所示,实验装置如图1(b)所示。激光器发出的调制光分成两路,一路作为探测光发射到目标物体上,另一路作为本振光。探测光照到被测目标上后被散射,散射光与本振光拍频,接收端的光电探测器采用相干外差探测技术接受拍频信号。同时,拍频信号由数字存储示波器(DSO)记录。此拍频信号的频率携带着目标距离和速度信息。将拍频信号进行快速傅里叶变换(FFT)等处理可以计算出目标距离和速度信息。经实验验证该系统调制带宽为12.5 GHz、调制周期为5 kHz(0.2 ms),可探测的距离范围为10~130 cm,速度范围为10~125 cm/s。

    图  1  基于FMCW技术的激光雷达系统示意图与实验装置。(a) 基于FMCW技术的632 nm激光雷达系统的示意图。(BS:分光镜,PD:光电探测器,DSO:数字存储示波器);(b) FMCW 激光雷达系统的实验装置

    Figure 1.  Schematic diagram and experimental setup of the FMCW lidar system using 632 nm. (a) Schematic diagram of the FMCW lidar system using 632 nm. BS: beam splitter, PD: photodetector, DSO: digital storage oscilloscope; (b) Experimental setup of the FMCW lidar system

    在距离FMCW系统10~130 cm处,以5 cm的步进移动被测目标物,验证了FMCW系统测量距离的准确性。FMCW系统测距实验结果与理论预测结果具有良好的相关性,如图2(a)所示,线性拟合曲线斜率为1.00121,R2为1,最大相对标准偏差RSD为1.5%。RSD由公式(1)定义。

    图  2  基于FMCW技术的632 nm激光雷达系统的距离和速度测量实验结果。(a) FMCW 系统距离测量实验结果及理论预测之间的线性拟合曲线; (b) FMCW 系统和 CW 系统速度测量实验结果及其与参考速度之间的线性拟合关系

    Figure 2.  Experimental results of distance and velocity measurement of the FMCW lidar system using 632 nm. (a) The linear fit between the measured distance and the reference distance for the FMCW system; (b) Comparison of the measured speeds and their linear fits in the FMCW and CW systems

    $$ RSD=\frac{S}{\bar{x}}\times 100\mathrm{\%}=\frac{\sqrt{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}{\left({x}_{i}-\bar{x}\right)}^{2}}/({n-1})}}{\bar{x}}\times 100\mathrm{\%} $$ (1)

    式中:S为标准偏差(也可表示为 SD);$ \stackrel{-}{x} $为平均值。

    再减小移动步进,进行距离分辨率实验验证,实验结果显示该系统测量距离的分辨率为1.5 cm。

    通过测量标准转盘上某点的线速度,验证了FMCW激光雷达系统的测速性能。同时与连续波(CW)激光测速系统进行了对比实验,测量结果如图2(b)所示。线性拟合结果显示,在速度范围10~125 cm/s内,FMCW系统测量结果与参考速度的线性拟合曲线斜率为0.99991,R2为0.99999,测量分辨率为0.5 cm/s,最大相对标准偏差RSD为0.6%。而CW系统测量结果与参考速度的拟合曲线斜率为1.00214,R2为0.99999,最大相对标准偏差RSD为1.2%,大于FMCW系统。实验结果表明FMCW激光雷达系统不仅实现了目标速度和距离的同步测量,而且比连续波(CW)激光测速系统的测速精度更高。

参考文献 (3)

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