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与流程

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，还是空间探索中直冲云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率等特性，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，从而降低实施风险与技术成本。

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难度。从探测系统来看，现有的提取方法是基于电磁雷达探测系统来实现的，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率，不能提取动目标在三维空间下的真实振动频率，振动方位，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杂性。

技术实现要素：

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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，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，α_i是第i个接收雷达Q_i在三维坐标系中的方向角，R_i是动目标的中心O(U₀，V₀，W₀)与所述接收激光雷达Q_i的距离，α_p是动目标在三维坐标系中的方向角，β_p是动目标在三维坐标系中的俯仰角，f_v是动目标的振动频率，D_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Sr_i(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变换的时频变换，通过伪winger-ville变换，提取微多普勒频率随时间变化的频率曲线的轮廓信息，即每一个时刻对应一个区间范围内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Sr_i(t)，即公式(10)：

其中，j是复数信号处理中常见表示系数，λ_c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Q_i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率进行谱图峰值估计，获得每一个时刻所对应的微多普勒效应的瞬时频率，进而获得在一个时间范围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率进行采样，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)进行拟合，从而可以得到动目标的振动频率f_v，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率正弦系数值，并假设将其表示为A_i，A_i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D_v，动目标在三维坐标系中的方向角α_p，动目标在三维坐标系中的俯仰角β_p，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f_v，振动幅度D_v，初始相位方向角α_p和俯仰角β_p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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，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,R_osinαcosβ,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...Q_i...Q_n共n个接收激光雷达，则Q_i可以表示为：

Q_i(R_icosα_icosβ_i,R_isinα_icosβ_i,R_isinβ_i)

其中，R_i是第i个所述接收激光雷达Q_i在三维坐标系中的初始距离，β_i是第i个所述接收激光雷达Q_i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α_p，俯仰角β_p，同时动目标的振动形式D_t为：

其中，D_v是动目标的振动幅度，ω_v是动目标的振动角频率，即ω_v＝2πf_v；

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R_t＞＞D_t，则(4)式可以近似为

R₀(t)≈R₀+D_t[cos(α₀-α_p)cosβ₀cosβ_p+sinβ₀sinβ_p] (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Q_i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Q_i的距离R_i(t)为：

为了计算方便，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Q_i在xQ₀y平面上，则β_i＝0；

则公式(4)和(7)可以化简成：

R₀(t)≈R₀+D_t sinβ_p (8)

其中，x＝R_i cos(α_i-α_p)cosβ_p+R₀sinβ_p，y＝R_i²+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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，则用如下公式表示：

再对R_i(t)求导有

通常情况下，R_i＞＞D_t,R_t＞＞D_t所以

所以：

即所述接收激光雷达Q_i接收到的微多普勒频率为：

本发明的优点在于：通过构建一发多收的分布式探测布局，这种收发分置探测，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；通过数据融合处理降低传统依赖本振光相参所带来的系统布设复杂性；引入了动目标的振动频率、俯仰角、初始相位、方向角、振动幅度、发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分之一之内，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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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α_i＝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.......Q_n。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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，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，α_i是第i个接收雷达Q_i在三维坐标系中的方向角，R_i是动目标的中心O(U₀，V₀，W₀)与所述主接收雷达Q_i的距离，α_p是动目标在三维坐标系中的方向角，β_p是动目标在三维坐标系中的俯仰角，f_v是动目标的振动频率，D_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f_v，振动幅度D_v，初始相位方向角α_p和俯仰角β_p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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，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,R_osinα₀cosβ₀,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...Q_i...Q_n共n个接收激光雷达，则Q_i可以表示为：

Q_i(R_icosα_icosβ_i,R_isinα_icosβ_i,R_isinβ_i)

其中，R_i是第i个所述接收激光雷达Q_i在三维坐标系中的初始距离，

β_i是第i个所述接收激光雷达Q_i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α_p，俯仰角β_p，同时动目标的振动形式D_t为：

其中，D_v是动目标的振动幅度，ω_v是动目标的振动角频率，即ω_v＝2πf_v；

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R_t＞＞D_t，则(4)式可以近似为

R₀(t)≈R₀+D_t[cos(α₀-α_p)cosβ₀cosβ_p+sinβ₀sinβ_p] (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Q_i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Q_i的距离R_i(t)为：

为了计算方便，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Q_i在xQ₀y平面上，则β_i＝0；

则公式(4)和(7)可以化简成：

R₀(t)≈R₀+D_t sinβ_p (8)

其中，x＝R_i cos(α_i-α_p)cosβ_p+R₀sinβ_p，y＝R_i²+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Q_i接收到的微多普勒频率，则用如下公式表示：

再对R_i(t)求导有

通常情况下，R_i＞＞D_t,R_t＞＞D_t所以

所以：

即所述接收激光雷达Q_i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α_i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R_i＝[5000,5000,5000,5000]。

假设动目标在理论上的振动幅度D_v'＝0.06m，振动频率f_v'＝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Q_i接收到的微多普勒频率f_mdi，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Sr_i(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变换的时频变换，通过伪winger-ville变换，提取微多普勒频率随时间变化的频率曲线的轮廓信息，即每一个时刻对应一个区间范围内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f_s＝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Sr_i(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率曲线的轮廓信息，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率，进而获得在一个时间范围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的单值频率曲线；将其与通过公式(13)在理论上计算获得的理论微多普勒频率进行校验，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率进行采样，采样率f_s1＝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行拟合，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Q_i在xQ₀y平面上，β_i＝0；则拟合得到的参数如下表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f_v，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f_mdi：

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f_v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A_i，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D_v，动目标的方向角，动目标的俯仰角这三个振动特征参数，即D_v＝0.0600m，α_p＝1.0481，β_p＝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、振动幅度、初始相位、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分之一之内，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，以上实施例仅用以说明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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。