【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自混合测速测距，具体涉及一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的系统及其测量方法。
技术介绍
1、自混合干涉(self-mixing interference,smi)效应是指从激光器发射的光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉。由于反射回激光腔的反馈光经过外部物体反射时携带了外部物体的信息，再与腔内光发生干涉，会调制激光器的输出特性，从而可以实现对目标物体的物理量的测量。基于自混合干涉效应开发的自混合测量系统相较于传统干涉测量系统，其不需要参考光路，具有结构紧凑简单、易准直的优点。目前该系统可以应用于对速度、距离、位移、振动等的测量，但是现存的无论是基于激光自混合效应开发的多普勒测速仪还是测距仪，都只能实现对单一物理量的测量，难以满足现存的需要同时获取物体距离和移动速度的现实需求。
2、公开号为[cn106802165a]的专利申请，公开了一种基于激光自混合干涉的速度与距离同步测量方法及装置，采用三角波函数对激光器的驱动电压进行调制；激光器发射出的激光耦合进入到光纤分束器中，被光纤分束器分成两束激光，一束经光纤准直器射到待测物体表面，被待测物体表面反射或后向散射后，再返回到激光器的谐振腔中发生激光自混合干涉；另一束输入至光电探测器中。光电探测器检测激光器的输出功率，获取激光自混合干涉时的时域信号，将该时域信号转换为频域信号；根据激光自混合干涉的频域信号，求得待测物体的运动速度及到光纤准直器出射端面的距离。但是，其系统中使用的光纤分束器、光纤准直器和外置光电探测器增加了自混合干涉测量系统
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于vmd提高自混合测速测距精度系统及其测量方法，通过信号发生器1发生的三角波对激光控制器2的注入电流进行调制，使用集成光电探测器4的半导体激光器3实现了收发同源，同时使用变分模态分解方法(vmd)对自混合信号进行了去噪处理，提高了信号的信噪比，可使信号频率的有效提取，提高了测速测距系统的测量精度。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的系统，包括信号发生器1，信号发生器1的低频信号输出端连接激光控制器2的低频信号接收端，激光控制器2的控制信号输出端连接半导体激光器3的控制信号接收端，所述半导体激光器3集成光电探测器4，光电探测器4的信号输出端连接跨阻放大器5的信号输入端，跨阻放大器5的信号输出端连接采集卡6的数据输入端，采集卡6的数据输出端连接计算机7的数据输入端。
4、所述的信号发生器1可产生不对称度50％的三角波电压信号。
5、所述的半导体激光器3出射端前设置有聚焦透镜31。
6、一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的测量方法，包括以下步骤：
7、步骤1：使用信号发生器1发生的三角波对激光控制器2的注入电流进行调制，使半导体激光器3注入电流；
8、步骤2：经步骤1中三角波调制注入电流后的半导体激光器3发出激光，通过聚焦透镜31聚焦到运动物体表面，经过运动物体的反射和散射后，再经过聚焦透镜31回到半导体激光器3的内腔中与腔内光进行混合，同时产生的自混合信号被集成在半导体激光器3内部的光电探测器4探测到；
9、步骤3：步骤2中探测到的自混合信号通过跨阻放大器5进行电流-电压转换及放大，再由数据采集卡6采集数据并传输至计算机7；
10、步骤4：使用变分模态分解方法(vmd)对步骤3采集到的自混合信号进行分解，去除多余的噪声，之后让去噪后的自混合信号进行三角波中和，再对完成三角波中和的自混合信号进行频谱变换，最后提取自混合信号上升沿的频率信息ν1和自混合信号下降沿的频率信息ν2；
11、步骤5：通过步骤4获得的自混合信号上升沿的频率信息ν1和自混合信号下降沿的频率信息ν2，同步计算速度和距离信息。
12、所述步骤1中的半导体激光器3的输出电流与信号发生器1的调制电压有以下关系：
13、ild＝ild.set+ild.max·umod/10v，其中，ild为半导体激光器3实时输出电流，ild.set为激光电流设定值，ild.max为最大激光电流，umod为调制输入电压。
14、所述步骤4中变分模态分解方法(vmd)具体包括以下步骤：
15、变分模态分解方法(vmd)将信号分解为k个中心频率为ωk的模态函数uk，构造以下含有约束的变分模型：
16、
17、其中，{uk}为模态函数集，{ωk}为中心频率集，δ(t)为单位脉冲函数，为预估中心频率，为函数对时间t的偏导；
18、再引入二次惩罚项α和拉格朗日乘子λ(t)将上式转化为如下非约束模型：
19、
20、其中，为原始信号；
21、之后通过交替方向乘法子(admm)求解上式最优解，uk和ωk的求解式如下：
22、
23、
24、
25、其中，γ为噪声容忍度，满足信号分解保真度要求，为的傅里叶变换，ui(ω)为ui(t)的傅里叶变换，f(ω)为f(t)的傅里叶变换，λ(ω)为λ(t)的傅里叶变换；
26、变分模态分解方法(vmd)迭代求解过程如下：
27、s1：初始化λ1，迭代次数n和最大迭代次数n，n←0；
28、s2：步骤s1初始化完成后，利用公式(1)更新uk、公式(2)更新ωk、公式(3)更新λ；
29、s3：精度收敛判据ε＞0，若不满足且n<n，则返回步骤s2，否则完成迭代，输出最终的uk，ωk。
30、所述步骤4中去噪后的自混合信号进行三角波中和具体为：
31、将自混合信号通过计算机7中的高通滤波器，高通滤波器的截止频率高于三角波的调制频率且需小于自混合信号的有效值。
32、所述步骤5具体为：
33、自混合信号的光谱含有两个不同的主峰，分别为：
34、
35、联立上式并改写为：
36、通过联立后的两式计算速度ν和距离l的关系式，其中，λ为激光波长，γ为频率调制系数，δi为电流变化量，t为三角波调制周期。
37、相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
38、1.本专利技术使用集成光电探测器4的半导体激光器3完成了激光信号的收发同源，结合三角波调频干涉，通过获得运动物体产生的自混合信号的频率信息，具有可同时计算物体运动速度和实时距离的特点。
39、2.本专利技术使用变分模态分解方法(vmd)对自混合信号进行噪声分离，极大的改善了信号的信噪比，提高了频率信息的提取精度，从而提高测速测距系统的测量精度，解决了传统自混合测量系统测量精度过低的问题。
40、综本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，包括信号发生器(1)，信号发生器(1)的低频信号输出端连接激光控制器(2)的低频信号接收端，激光控制器(2)的控制信号输出端连接半导体激光器(3)的控制信号接收端，所述半导体激光器(3)集成光电探测器(4)，光电探测器(4)的信号输出端连接跨阻放大器(5)的信号输入端，跨阻放大器(5)的信号输出端连接采集卡(6)的数据输入端，采集卡(6)的数据输出端连接计算机(7)的数据输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，所述的信号发生器(1)可产生不对称度50％的三角波电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，所述的半导体激光器(3)出射端前设置有聚焦透镜(31)。
4.基于权利要求1～3所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的测量方法，其特征在于，所述步骤1中的半导
6.根据权利要求4所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的测量方法，其特征在于，所述步骤4中变分模态分解方法(VMD)具体包括以下步骤：
7.根据权利要求4所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的测量方法，其特征在于，所述步骤4中去噪后的自混合信号进行三角波中和具体为：
8.根据权利要求4所述的一种基于VMD可提高自混合测速测距精度的测量方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，包括信号发生器(1)，信号发生器(1)的低频信号输出端连接激光控制器(2)的低频信号接收端，激光控制器(2)的控制信号输出端连接半导体激光器(3)的控制信号接收端，所述半导体激光器(3)集成光电探测器(4)，光电探测器(4)的信号输出端连接跨阻放大器(5)的信号输入端，跨阻放大器(5)的信号输出端连接采集卡(6)的数据输入端，采集卡(6)的数据输出端连接计算机(7)的数据输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，所述的信号发生器(1)可产生不对称度50％的三角波电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于vmd可提高自混合测速测距精度的系统，其特征在于，所述的半导体激光器(3)出射端前设置有聚焦透镜...
【专利技术属性】
技术研发人员：安甲林，范元龙，安思懿，邵晓鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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