一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統及方法技術方案

本發明專利技術提供一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，該系統是一種一發多收式的多站分布式探測系統，其包括：一臺主發射激光雷達和若干臺接收激光雷達；所述若干接收激光雷達與所述主發射激光雷達共面，且所述主發射激光雷達位于該平面的中心。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及分布式光學系統探測
，特別涉及一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統及方法。
技術介紹
振動是大千世界各類動目標的一類普遍運動形式。無論是在浩渺宇宙中橫亙穿越的碎片，還是空間探索中直沖云霄的火箭及其運載的設備，以及自然界的人和昆蟲等，都一定程度存在著振動這種運動特性。振動與運動目標的質量、材質類型以及結構分布等密切相關。通過對振動目標的振動參數的測量與提取，一方面能夠基于振動頻率等特性，為振動目標的識別提供依據；另一方面能夠快速掌握當前振動目標的運行狀態，為有效控制與干預振動目標提供支持，從而降低實施風險與技術成本。目前，對動目標的振動特征參數的測量與提取還存在一定的難度。從探測系統來看，現有的提取方法是基于電磁雷達探測系統來實現的，且只有一個電磁雷達進行探測，而且不能滿足對厘米級的動目標的空間探測分辨率要求；從振動特征參數提取方法來看，傳統的提取振動特征參數的方法是基于一個電磁雷達的發射和接收數據來進行探測，只能獲取視線投影方向上的振動頻率，不能提取動目標在三維空間下的真實振動頻率，振動方位，振動幅度，初始相位，方向角和俯仰角等這些精細特征參數；從振動探測實施來看，盡管激光雷達在提升探測精度上有很大優勢，但是在現有的提取振動特征參數的方法過程中，通過本振光傳遞相參處理方式對分布式系統布設增加了復雜性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，為解決在三維空間下提取動目標的振動特征參數的提取方法存在上述缺陷，本專利技術提供了一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，該系統是一種一發多收式的多站分布式探測系統，其包括：一臺主發射激光雷達和若干臺接收激光雷達。所述若干接收激光雷達與所述主發射激光雷達共面，且所述主發射激光雷達位于該平面的中心，通過每個所述接收激光雷達分別與動目標和所述主發射激光雷達連線的方式構成一個夾角，用于多角度探測并獲取動目標的回波信號。基于上述一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，本專利技術還提供了一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的方法。該方法具體包括：步驟1基于上述一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，建立一個以所述主發射激光雷達為原點的三維參考坐標系Q(X,Y,Z)；步驟2建立并在理論上推導出基于上述三維參考坐標系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷達的微動效應數學模型，即所述接收雷達Qi接收到的微多普勒頻率fmdi，用如下公式表示：其中，f0為所述主發射雷達的載頻，R0是動目標的振動中心O(U0，V0，W0)與所述主發射雷達Q0的初始距離，αi是第i個接收雷達Qi在三維坐標系中的方向角，Ri是動目標的中心O(U0，V0，W0)與所述接收激光雷達Qi的距離，αp是動目標在三維坐標系中的方向角，βp是動目標在三維坐標系中的俯仰角，fv是動目標的振動頻率，Dv是動目標的振動幅度，c是光速，t是動目標的運動時間,是動目標的初始相位；步驟3根據步驟2建立的理論上的微動效應模型和公式(14)，確定所述接收激光雷達的個數；步驟4根據建立的基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，依據理論推導出的第i個接收激光雷達接收到的回波信號Sri(t)，采用時頻分析方法，得到回波信號的微多普勒效應的頻率隨時間變換的規律，針對不同方向上的不同接收激光雷達接收的回波信號，開展基于偽winger-ville變換的時頻變換，通過偽winger-ville變換，提取微多普勒頻率隨時間變化的頻率曲線的輪廓信息，即每一個時刻對應一個區間范圍內的微多普勒效應的頻率值；所述第i個接收激光雷達接收到的回波信號Sri(t)，即公式(10)：其中，j是復數信號處理中常見表示系數，λc是光速的波長，是t時刻動目標的振動中心O到所述主發射激光雷達Q0的矢量，是t時刻動目標的振動中心O到所述第i個接收激光雷達Qi的矢量；步驟5采用譜圖峰值估計法，對經過偽winger-ville變換后的微多普勒頻率進行譜圖峰值估計，獲得每一個時刻所對應的微多普勒效應的瞬時頻率，進而獲得在一個時間范圍內的針對不同方向上的不同所述接收激光雷達接收的回波信號中的微多普勒效應信息；步驟6對步驟5中得到的所述微多普勒效應的瞬時頻率進行采樣，并利用擬合工具cftool對采樣后的數據按照正弦形式f(x)＝a*sin(b*x+c)進行擬合，從而可以得到動目標的振動頻率fv，動目標的初始相位對應于每一個所述接收激光雷達捕獲到的微多普勒頻率正弦系數值，并假設將其表示為Ai，Ai可表示為：步驟7依據步驟6中的公式(15)和每個所述接收激光雷達接收的每組回波信號進行關聯處理，構建回波信號的非線性方程組，解算出動目標的振動幅度Dv，動目標在三維坐標系中的方向角αp，動目標在三維坐標系中的俯仰角βp，這三個振動特征參數。所述步驟2中，所述微動效應數學模型是用于描述所述主發射激光雷達發射的載頻信號經過動目標的調制后并對所述接收激光雷達接收的回波信號產生調制的過程；其中，所述回波信號隱含有振動目標的振動頻率fv，振動幅度Dv，初始相位方向角αp和俯仰角βp這些特征參數。所述步驟2中，推導出基于上述三維參考坐標系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷達的微動效應數學模型，即所述接收激光雷達Qi接收到的微多普勒頻率fmdi，具體過程如下：基于以所述主發射激光雷達Q0為原點建立的三維參考坐標系Q(X,Y,Z)，所述主發射激光雷達的發射信號是單頻正弦信號，f0為所述主發射激光雷達的載頻。動目標的振動中心O(U0,V0,W0)表示為：O(U0,V0,W0)＝O(R0cosαcosβ,Rosinαcosβ,R0sinβ)其中，α0是動目標在三維坐標系中的初始方向角，β0是動目標在三維坐標系中的初始俯仰角。則所述主發射激光雷達Q0視線方向的單位向量是：部署Q1,Q2...Qi...Qn共n個接收激光雷達，則Qi可以表示為：Qi(Ricosαicosβi,Risinαicosβi,Risinβi)其中，Ri是第i個所述接收激光雷達Qi在三維坐標系中的初始距離，βi是第i個所述接收激光雷達Qi在三維坐標系中的初始俯仰角；為了便于分析，假設動目標在宏觀上的速度為零，只存在關于動目標的振動中心O(U0,V0,W0)的振動。假設動目標在三維坐標系中的振動方向為：方位角αp，俯仰角βp，同時動目標的振動形式Dt為：其中，Dv是動目標的振動幅度，ωv是動目標的振動角頻率，即ωv＝2πfv；則在t時刻，從動目標的振動中心O到所述主發射激光雷達Q0的矢量為：其中，是所述主發射雷達與振動中心O的距離矢量；則動目標的振動中心O與所述主發射激光雷達Q0之間的距離R0(t)為：其中，U0，V0，W0分別是振動中心O在三維坐標系中的位置坐標；通常情況下Rt＞＞Dt，則(4)式可以近似為R0(t)≈R0+Dt[cos(α0-αp)cosβ0cosβp+sinβ0sinβp](5)因此，在t時刻，從動目標的振動中心O到所述接收激光雷達Qi的矢量為：其中，是所述主發射雷達Q與振動中心O的距離矢量；動目標的中心點O與所述接收激光雷達Qi的距離Ri(t)為：為了計算方便，假設動目標的中心點O在三維坐標系Q(X,Y,Z)中的Z軸上，則α0＝0，第i個所述接收激光雷達本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，其特征在于，該系統是一種一發多收式的多站分布式探測系統，其包括：一臺主發射激光雷達和若干臺接收激光雷達。

【技術特征摘要】
1.一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，其特征在于，該系統是一種一發多收式的多站分布式探測系統，其包括：一臺主發射激光雷達和若干臺接收激光雷達。2.根據權利要求1所述的一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，其特征在于，所述若干接收激光雷達與所述主發射激光雷達共面，且所述主發射激光雷達位于該平面的中心。3.根據權利要求1-2任一所述的一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統實現的一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的方法，其特征在于，該方法具體包括：步驟1基于上述一發多收的多站式分布探測系統，建立一個以所述主發射激光雷達為原點的三維參考坐標系Q(X,Y,Z)；步驟2建立并在理論上推導出基于上述三維參考坐標系Q(X,Y,Z)下的不同方向上的不同所述接收激光雷達的微動效應數學模型，即所述接收雷達Qi接收到的微多普勒頻率fmdi，用如下公式表示：其中，f0為所述主發射雷達的載頻，R0是動目標的振動中心O(U0，V0，W0)與所述主發射雷達Q0的初始距離，αi是第i個接收雷達Qi在三維坐標系中的方向角，Ri是動目標的中心O(U0，V0，W0)與所述接收激光雷達Qi的距離，αp是動目標在三維坐標系中的方向角，βp是動目標在三維坐標系中的俯仰角，fv是動目標的振動頻率，Dv是動目標的振動幅度，c是光速，t是動目標的運動時間,是動目標的初始相位；步驟3根據步驟2建立的理論上的微動效應模型和公式(14)，確定所述接收激光雷達的個數；步驟4根據建立的基于分布式激光雷達提取振動特征參數的系統，依據理論推導出的第i個接收激光雷達接收到的回波信號Sri(t)，采用時頻分析方法，得到回波信號的微多普勒效應的頻率隨時間變換的規律，針對不同方向上的不同接收激光雷達接收的回波信號，開展基于偽winger-ville變換的時頻變換，通過偽winger-ville變換，提取微多普勒頻率隨時間變化的頻率曲線的輪廓信息，即每一個時刻對應一個區間范圍內的微多普勒效應的頻率值；所述第i個接收激光雷達接收到的回波信號Sri(t)，即公式(10)：其中，j是復數信號處理中常見表示系數，λc是光速的波長，是t時刻動目標的振動中心O到所述主發射激光雷達Q0的矢量，是t時刻動目標的振動中心O到所述第i個接收激光雷達Qi的矢量；步驟5采用譜圖峰值估計法，對經過偽winger-ville變換后的微多普勒頻率進行譜圖峰值估計，獲得每一個時刻所對應的微多普勒效應的瞬時頻率，進而獲得在一個時間范圍內的針對不同方向上的不同所述接收激光雷達接收的回波信號中的微多普勒效應信息；步驟6對步驟5中得到的所述微多普勒效應的瞬時頻率進行采樣，并對采樣后的數據進行擬合，從而得到動目標的振動頻率fv，動目標的初始相位對應于每一個所述接收激光雷達捕獲到的微多普勒頻率正弦系數值，并假設將其表示為Ai，Ai表示為：步驟7依據步驟6中的公式(15)和每個所述接收激光雷達接收的每組回波信號進行關聯處理，構建回波信號的非線性方程組，解算出動目標的三個振動特征參數，即動目標的振動幅度Dv，動目標在三維坐標系中的方向角αp，動目標在三維坐標系中的俯仰角βp。4.根據權利要求3所述的一種基于分布式激光雷達提取振動特征參數的方法，其特征在于，所述步驟2中，所述微動效應數學模型是用于描述所述主...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李立鋼，沈菲菲，段永強，
申請(專利權)人：中國科學院國家空間科學中心，
類型：發明
國別省市：北京;11