专利名称：基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统及其实现方法
技术领域：
本发明提出了一类基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统及其实现方法，给出了激光测距系统的原理框图和相应的组织结构图。本发明产品借助于恒指数谱混沌系统的幅度与相位调控特性，构建了两个距离检测通道，实现相互验证，并可以通过数学平均，提高测距的精度。本系统结构简单，电路制作成本低。本产品属于通信电子产品，可广泛应用于通信系统与检测系统中，属通信与检测系统应用领域。可以用 于空间体尺寸的检测，比如长度、面积、体积测量设备中，也可以与其它光电设备配合使用，用于测量、物品检测与鉴别以及物联网等智能应用系统中。
背景技术：
激光测距仪是用激光为工作媒质来工作的。激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示D = ct/2式中D——测站点A、B两点间距离c——光在大气中传播的速度t——光往返A、B 一次所需的时间由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。脉冲法测距原理为测距仪发射一束激光，这束激光遇到被测物体反射，反射后的激光被测距仪接收。测距仪通过记录激光往返的时间来获得距离信息。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度较低，通常达到米。相位式激光测距原理为用连续调制的激光波束照射被测目标，根据测量光束往返中造成的相位延迟，计算得到被测目标的距离。这种方法采用间接方法测定出光经往返测量所需的时间。连续波相位式激光测距体积小、重量轻，功耗低，采用数字测相技术，距离测量精度达毫米级。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。有时为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪配置了被称为合作目标的反射镜。要用激光作为传递信息的工具，通常要解决如何将传输信号加到激光上去的问题，信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。激光起到了"携带"低频信号的作用，是一种载波，起控制作用的低频信号，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅，调频，调相以及脉冲调制等形式。因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化，故激光调制多采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制方法有机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制和电源调制等，其中电光调制器开关速度快，结构简单，故在激光调制技术及混合型光学双稳器件方面有广泛应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用混沌信号的相关特性进行测量是一种很重要的遥感技术。混沌信号的宽带、无周期类随机性、无模糊自关联性使其具有广阔的应用前景。混沌激光测距系统利用混沌激光的类噪声特性，独特的自相关特性，实现了具有强抗干扰能力、高分辨率的测量，其中混沌激光波形的状态决定了其自相关曲线的半峰全宽和旁瓣水平，因此测距性能，如分辨率、抗噪声能力、测量范围等，与所用的混沌激光状态密切相关。目前有多种混沌激光的产生方法，根据应用领域的不同，混沌激光的产生装置也不尽相同，但都是在满足实验需要的情况下利用尽可能简单的装置产生宽带的混沌，引入外部混沌信号源输出混沌信号调制半导体激光器产生混沌激光信号便是其中的一种方法。本发明以低频段恒指数谱混沌信号源作为测量用的连续波，利用混沌信号的宽频谱特性和相关特性，得到被测目标的距离信息。同时，利用恒指数谱混沌信号源的幅度可控特性，调节相关度的值；利用倒相特性以构建基于反相信号的求和检测通道，从而得到另一 个距离信息。两个链路的距离信息在原理上完全一致的，据此也可以判断两个链路的工作质量，同时通过平均，提高距离测量的精度。

发明内容
本发明以恒指数谱混沌信号源(包括基本李氏恒Lyapunov指数谱系统、改进系统，推广系统，双绝对值系统以及它们的复合系统和其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统)作为连续混沌波发生单元，利用不同距离门的原相位信号与测试链路所返回的混沌信号进行相关运算，分析得到目标的距离信息；同时，利用经过不同距离门的倒相信号与测试链路所返回的混沌信号进行求和运算，同样分析得到目标的距离信息。综合两个链路的测量结果信息，平均得到系统的距离量。本发明的技术解决方案选择恒指数谱混沌信号源所输出的混沌信号(常取倒相控制参数较少的那一维信号，即z维信号)作为检测信号。将检测信号同时送入到激光调制器和延时距离门。经过混沌信号调制的激光照射到目标上，返回回来，经过解调，送到相关检测端口与求和检测端口。与此同时，原检测信号以及其倒相信号经过延时门，也分别送到相关检测端口与求和检测端口，如图I所示，经过检测运算以后，进一步送到判别分析系统，从而得到准确的距离信息。本发明的技术解决方案，其特征在于包括I、基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统及其实现方法，其特征是包括低频段恒指数谱混沌信号源、控制系统、相关测试通道、求和测试通道以及判别分析系统。2、低频段恒指数谱混沌信号源，其特征是采用恒指数谱混沌系统作为产生混沌信号的信号源。恒指数谱混沌系统包括基本恒Lyapunov指数谱混沌系统、改进系统、推广系统、双绝对值系统等李氏恒指数谱混沌系统以及其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统。该类系统存在幅度调节参数与倒相参数，可以实现混沌信号幅度的自由调控以及相位的倒相控制。3、控制系统，其特征是包含同步控制机构，倒相控制按钮。利用一个同步控制机构，同时打开恒指数谱混沌系统的倒相控制按钮与延时距离门，得到不同延时的恒指数谱混沌系统倒相信号。同步控制机构可以由恒指数谱混沌信号源的同步响应系统所替代，倒相控制按钮可以由接在驱动系统与响应系统之间的反相同步控制器所替代。4、相关测试通道，其特征是包含激光调制电路，激光信道，激光解调电路，以及延时距离门和相关检测系统。通过将原混沌信号的延时信号与经过调制、信道以及解调以后的混沌信号进行相关，得到目标的距离信息。5、求和测试通道，其特征是包含激光调制电路，激光信道，激光解调电路，以及倒相信号延时距离门和求和检测系统。通过将倒相混沌信号的延时信号与经过调制、信道以及解调以后的混沌信号进行求和检测，得到目标的距离信息。 6、判别分析系统，其特征是将相关测试通道与相关测试通道得到的距离信息进行数学平均，从而得到高精度的距离信息。本发明中相关检测通道与求和检测通道具有相对的独立性，可以分时段单独通过其中任意一条链路，得到所测目标的距离信息。一般来说，求和运算简单准确，因此，通过求和检测通道，可以得到相对较高的测距精度。另外，也可以在混沌信号发出进入调制器和延时距离门以后，构造的反相同步系统(替代倒相控制)输出的反相信号进入延时距离门，一次性完成相关与求和检测，最后综合两个链路的信息，得到精确的结果。本发明的优点系统采用低频段的混沌信号，可以避开高频电路的特殊要求，电路简单。同时，又充分发挥了混沌信号的宽频谱特性，通过相关检测得到所要测量的距离信息。另外，恒指数谱混沌系统的幅度可调特性，可以通过对直流供电电压的简单调控，实现混沌信号幅度的自由调控，省却了混沌信号放大器的开销。恒指数谱混沌系统的相位可控特性，也为距离信号的求和检测提供了可能，求和运算简单准确，也大大提高了检测精度。


图I基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统原理框2基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统组织结构3低频段李氏恒指数谱混沌信号源的典型混沌吸引子
具体实施例方式I激光测距系统的结构与连接对照图2，I是幅度调节旋钮、2是倒相控制按钮、3是恒指数谱混沌信号源、4是电源系统、5是同步控制机构、6是中央处理器、7是激光调制电路、8是激光解调电路、9是晶振、10是显示单元测距仪中，恒指数谱混沌信号源3接出两个控制端钮，分别是幅度调节旋钮I和倒相控制按钮2。幅度调节旋钮I与电源系统4相接，倒相控制按钮2与同步控制机构5相连。恒指数谱混沌信号源3与激光调制电路7相连，恒指数谱混沌信号源3、同步控制机构
5、激光解调电路8等皆连接到中央处理器6。中央处理器6还与晶振9、显示单元10、电源系统4相连，将需要的距离信息在显示单元10上显示出来。
2激光测距过程对照图I和图2，激光测距的物理过程如下。(I)调节幅度调节旋钮I，控制电源系统4注入到恒指数谱混沌信号源3中的信号幅度，使恒指数谱混沌信号源输出一定强度的混沌信号W。(2)混沌信号U1送至激光调制电路7，得到调制混沌光。(3)调制混沌光经过激光信道到达目标并返回。(4)返回的激光经过激光解调电路8解调，得到具有延时信息的返回混沌信号u2。(5)在(2)过程的同时，混沌信号U1送至中央处理器6，延时计算得到不同延时的混沛系列U1 (t_ T )。 (6)延时混沌系列U1 (t- T )与返回混沌信号U2进行相关运算，检测峰值所在处，得到距离信息Cl1 (可以输出作为距离检测量)。(7)倒相控制按钮2实现李氏混沌信号源反相信号，在同步控制机构5的作用下送至中央处理器6，延时计算得到不同延时的反相混沌系列-U1 (t- T )。(8)反相延时混沌系列-U1 (t- T )与返回混沌信号U2进行求和运算，检测谷值所在处，便得到距离信息d2 (可以输出作为距离检测量)。(9)距离信息Cl1和距离信息d2经中央处理器6判别分析，输出距离量。在本激光测距系统中，有些功能器件可以通过软件来实现。[I]激光测距系统原理框图中的延时距离门N与延时距离门P，相关检测器P与求和检测器N以及判别分析系统皆可以通过中央处理器6通过软件来实现，也可以通过各自的单元电路来硬件实现，但成本较高。[2]倒相控制按钮2将恒指数谱混沌信号源3的倒相信号在同步控制机构5的作用下，传递给中央处理器6进行反相信号的延时运算。由于这个反相混沌延时信号要与原来的信号进行相加求和检测，因此，有两种信号处理方案一是将前一个阶段的正相延时信号保存起来与此反相混沌延时信号进行求和运算，这一过程存储器开销大；另一个是将倒相控制按钮2与同步控制机构5进行改造，将同步控制机构5改造为恒指数谱混沌信号源3的同步响应系统，而倒相控制按钮2改造为在驱动系统与响应系统之间的反相同步控制器。此时的电路结构复杂，硬件开销大。此过程更具有普适性与自由度。[3]求和运算过程和相关运算过程，涉及到混沌信号源多次工作，其初始值设置要完全一致，否则由于混沌信号初值敏感性，不能取得好的效果。3典型混沌吸引子说明对照图3，可以看到李氏恒指数谱混沌信号源的典型混沌吸引子形状，分别是在x-y, x-z以及y_z上的投影。其中(a)-(c)为改进李氏系统的混沌吸引子；(d)-(f)为推广系统的混沌吸引子的一种形态，推广系统中引入的线性项会改变吸引子的延展形状；(g)-(i)为双绝对值项李氏恒指数谱混沌系统的混沌吸引子。
权利要求
1.基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统及其实现方法，其特征在于包括低频段恒指数谱混沌信号源、控制系统、相关测试通道、求和测试通道以及判别分析系统。
2.低频段恒指数谱混沌信号源，其特征是恒指数谱混沌系统包括基本恒Lyapunov指数谱混沌系统、改进系统、推广系统、双绝对值系统等李氏恒指数谱混沌系统以及其他恒Lyapunov指数谱锁定后的系统。该类系统存在幅度调节参数与倒相参数，可以实现混沌信号幅度的自由调控以及相位的倒相控制。
3.控制系统，其特征是包含同步控制机构，倒相控制按钮。利用一个同步控制机构，同时打开恒指数谱混沌系统的倒相控制按钮与延时距离门，得到不同延时的恒指数谱混沌系统倒相信号。同步控制机构可以由恒指数谱混沌信号源的同步响应系统所替代，倒相控制按钮可以由接在驱动系统与响应系统之间的反相同步控制器所替代。
4.相关测试通道，其特征是包含激光调制电路，激光信道，激光解调电路，以及延时距离门和相关检测系统。通过将原混沌信号的延时信号与经过调制、信道以及解调以后的混沌信号进行相关，得到目标距离信息。
5.求和测试通道，其特征是包含激光调制电路，激光信道，激光解调电路，以及倒相信号延时距离门和求和检测系统。将倒相混沌信号的延时信号与经过调制、信道以及解调以后的混沌信号进行求和检测，得到距离信息。
6.判别分析系统，其特征是将相关测试通道与相关测试通道得到的距离信息进行数学平均，从而得到高精度的距离信息。
全文摘要
本发明提出基于低频段恒指数谱混沌信号源的激光测距系统及其实现方法，采用低频段恒Lyapunov指数谱混沌信号作为调制信号，以光为载波，经激光调制、解调、相关检测与求和检测得到距离信息。激光测距系统包括信号源，求和检测与相关测试通道、调节控制机构与判别分析系统。求和检测利用恒指数谱混沌系统的倒相控制特性，而幅度调节又可获得检测所需要的信号强度。相关检测与求和检测可独立输出，两者相互校验。本发明还给出了激光测距实现方法。优点距离分辨力高、双通道检测、低成本。由于利用了低频段混沌信号，本系统可拓展利用其他混沌源。本发明属于通信电子产品，可广泛应用于通信系统、光电检测系统和物联网。
文档编号G01S17/32GK102680982SQ201210138448
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者张卫, 朱焕强, 李春彪, 沈威东, 王骏, 董李江 申请人:江苏经贸职业技术学院