本发明涉及fmcw(frequencymodulatedcontinuouswave,调频连续波)激光雷达技术,尤其涉及fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法和采用该解耦方法的fmcw激光雷达、以及具有多个fmcw激光雷达的激光雷达系统。
背景技术:
激光雷达能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状,探测、识别、分辨和跟踪目标。按工作方式可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达。
典型的激光雷达系统是,通过发射激光束并用探测器从附近环境中接收该物体的反射光束,从而计算出目标的位置、速度等特征量信息。基于该特征量信息,通过有效计算,能够得到诸如避障场景中的路径规划、位置点确定等主要位置信息特征,从而能够更清楚地重构环境的几何形状。激光雷达技术被广泛应用于计算机视觉领域,特别是汽车计算机视觉领域。
然而,在汽车视觉等领域中,如何设计激光雷达系统以区分它们各自的雷达回波,实现多发射源之间的激光信号串扰的解耦已成为该领域中巨大的技术难题。例如,当汽车利用给定的激光雷达系统在交通系统中行驶时,通常涉及许多发送彼此非常接近的激光信号的雷达系统,这将导致给定的激光雷达系统的接收器所接收的光信号不仅包括来自本系统发射后反射回的激光信号(称为“本机信号”),还会包括来自其他雷达系统的发射激光和反射激光信号(称为“它机信号”)。因此,实际应用中需要考虑雷达接收器对复杂噪声光信号(包含环境噪声以及其它激光雷达对射/反射的激光信号)的检测,并且需要能够在操作应用时实时区分出“自身”雷达信号和噪声信号内的“干扰”激光,实现激光雷达中多源信号串扰的解耦。
传统fmcw连续波激光雷达通过发射激光对目标进行照射,并接收其回波,相干接收后,根据回波和发射波之间的时间差(延时)、频率变化(多普勒频率)等获得目标的距离、相对速度等信息。然而有多部雷达在探测范围内同时使用的场合,例如汽车防撞雷达或者汽车自适应巡航控制用的雷达,若它们使用的激光器波长、调制频段、采用的体制相同,就会出现多部雷达共存之间的相互干扰问题,如果不在设备上或者计算方法上进行相应的处理,对它们进行辨别,就会得到错误的目标识别结果,产生虚警。因此,对于可能在探测范围内同时使用的同频段同机制的多部雷达,在设计时需要考虑如何抑制雷达之间的信号串扰,实现激光雷达中多源信号串扰的解耦,消除由此产生的错误目标判断。
然而,目前,针对激光雷达的多源串扰问题的解决方案甚少。现有的多源串扰解决方案多是应用于基于fmcw技术的连续波微波雷达系统的,且在系统完备性、可靠性、实现复杂度方面存在问题。
例如,在专利文献1中,公开了通过不同的雷达发射器在连续的雷达脉冲之间采用不同的延迟来编码不同的激光雷达源的技术方案,从而实现雷达接收器可区分“自己的”雷达脉冲和“干扰”雷达脉冲。但该方案使用光强度维度进行的编码,适用于脉冲激光雷达场景,无法用于连续波激光雷达系统中的多源信号串扰解决。
另外,在专利文献2中,采用对不同的雷达分配不同的伪随机编码,用该伪随机编码调制三角形线性调频发射信号的起始频率的方法来抗干扰。这种方法能在一定程度上减少干扰,但本质上而言,当雷达发射信号的调频频率和带宽之和有重叠时,仍然存在雷达之间相互干扰的可能;而且,同时使用的随机分布的这种雷达的数量越多,发生相互干扰的概率越高。
专利文献3中公开了一种能够抗相互间干扰的汽车防撞雷达,发射端有两路毫米波随机二相码发生器,一路用(超)高速伪随机码调相来测距测速;另一路用幅度键控调相载频二次调制,由随机序列控制收/发开关,使收/发信号不重复的、极快的交叉变化,从而达到抗干扰的目的。但该发明的整个系统过于复杂。
在专利文献4中公开了一种区分虚假目标的汽车防撞雷达,通过发射不同编码的梯形调制波形,使得其他雷达的干扰信号能够在信号处理电路中被解耦出来,实现消除其他虚假目标的干扰。但该发明的调制方式使得系统调制带宽变得不确定,系统精度在时间上也在不断变化,牺牲了测量精度,同时增加了系统复杂度。
需要说明的是,专利文献2~4的方案都是明确针对微波雷达机制设计的方案,无法应用于本发明的激光雷达系统、特别是连续波激光雷达系统。
现有技术文献
专利文献1:美国us2018/0239000a1
专利文献2:cn101089653a
专利文献3:cn201259551y
专利文献4:cn102707266b
技术实现要素:
本发明要解决的技术问题
鉴于上述现有技术中存在的问题,本发明为了解决多部相同/不同波长同机制的fmcw激光雷达使用时,相互干扰而产生目标物错判的问题,提供fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法和采用该解耦方法的fmcw激光雷达、以及具有多个fmcw激光雷达的激光雷达系统。
解决技术问题的手段
本发明在传统fmcw机制连续波激光雷达的基础上,通过限制性改变不同调制周期的起始频率点,引入m进制(典型,二进制)编码,在发射端增加信息维度;在接收端,使用接收阈值判决技术进行解码,通过dsp算法可近实时的有效解决多源雷达信号的串扰问题。
作为本发明的第一方式,提供一种fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法,
(1)一种fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法,其特征在于,规定区域内的多个不同的所述激光雷达被分配了彼此不同的包括n位码元的m进制的地址编码,其中n为大于2的正整数,m为2的幂次方,
所述解耦方法包括:
步骤s1:提供三角波连续调频射频信号,其中,同一雷达的每个三角波连续调制周期的调频起点经0/1地址码调制,且所述三角波连续调频射频信号中的n个三角波连续调制周期对应于所述地址编码中的一个码元,所述三角波连续调频射频信号包括与n个码元对应的三角波连续调制周期;
步骤s2:将所生成的三角波连续调频射频信号作为带地址编码的射频信号调制到激光载波中,并作为发射波发射;
步骤s3:相干接收包括所述发射波在目标物的反射回波在内的回波信号,将该回波信号与本振激光进行混合后平衡探测接收,转换为中频电信号,并将该中频电信号与未带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物的距离信息和/或速度信息的电信号;
步骤s4:对所述电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
(2)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,n=log2m。
(3)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s1包括:
步骤s11:生成未带地址编码的三角波型的本振射频电信号;
步骤s12:针对所述本振射频电信号,进行电平偏置,用0/1地址码对同一雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行编码,其中,设0码调制频率起点为f0,1码调制频率起点为f0+δf+b,其中,δf为最大多普勒频移量,b为一个三角波连续调制周期内的三角波连续调频带宽;和
步骤s13:电频调制出带有地址编码信息的三角波连续调频射频信号。
(4)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,各三角波连续调制周期包括:
从起始频率f0+x经调谐上升至频率f0+b+x的上扫频阶段;和
从频率f0+b+x经调谐下降至起始频率f0+x的下扫频阶段,
其中,当是0编码时,x=0,当是1编码时,x=b+δf。
(5)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s2包括:
步骤s21:将在步骤s1生成的带地址编码的射频信号调制到激光波长上而生成调制光信号;
步骤s22:根据测距范围,将所述调制光信号放大;
步骤s23:将放大后的所述调制光信号定向发射到自由空间中。
(6)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s3包括:
步骤s31:相干接收回波信号,所述回波信号为步骤s2中发射出的调制光信号遇到目标物时,反射回来的一部分光信号;
步骤s32:将接收的所述回波信号与所述本振激光进行混合,并将混合的光信号转换为接收的射频电信号;
步骤s33:将所述接收的射频电信号进行平衡探测接收而转换为中频电信号,将该中频电信号与未带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和/或速度信息的电信号。
(7)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s4包括:
步骤s41:将在步骤s3中得到的所述包含目标物距离信息和/或速度信息的电信号经低通滤波和数模转换而获得相应的数字信号;
步骤s42:对得到的所述数字信号进行信号分析而得到该电信号的频谱信息;
步骤s43:通过设定阈值来解出0/1地址码序列,并将地址码序列与目标雷达的地址编码进行比对来确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
(8)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s1还包括:
附加前向纠错编码的步骤。
(9)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s1还包括:
附加高阶编码的步骤。
(10)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,在步骤s43中,
若将在步骤s42中得到的电信号的上扫频阶段的中频频率绝对值表示为f+、下扫频阶段的中频频率绝对值表示为f-,则当满足f+/f-<b的关系时,判断为0编码,当满足b<f+/f-<2b+δf的关系时,判断为1编码。
(11)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,若在步骤s3中接收的光信号包括2个多源信号时,
对基于2个多源信号的电信号各自的上扫频阶段的中频频率绝对值、下扫频阶段的中频频率绝对值共计4个中频频率绝对值进行比较,
若处于中间值的两个中频频率绝对值的差值大于b+δf,则判断为:中频频率绝对值处于中间值的该两个中频信号为同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
若4个中频频率绝对值中两绝对值的最大差值小于b+δf,则将4个中频信号中任意两中频信号的强度差与规定值δ进行比较,若小于该规定值δ,则判定为该两中频信号是同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号,
对同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号进行步骤s43的处理。
(12)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,设在步骤s3中接收的光信号包括p+q个多源信号,p表示中频频率绝对值在0到b+δf之间的中频信号的个数,q表示中频频率绝对值在b+δf到2(b+δf)之间的中频信号的个数,当p+q>2时,
记录每个中频信号的频率值和强度值,当(freq-(b+δf))为正值则cod取1,为负值则code取0,并且计算每个中频信号所对应的距离信息,将这些信息记录为一数组信息[freq,amp,dis,cod]其中,freq为该中频信号的频值,amp为该中频信号的强度值,dis为该中频信号所对应的目标物距离值,cod为该中频信号所对应的地址码;
对每个中频信号执行下述剔除距离和强度突变值的处理,
剔除距离突变值得处理:若设上一周期的中频点为pre1_a[pre1_freq,pre1_amp,pre1_dis,pre1_cod],距离步进阈值为δd,本周期的某中频点为a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i],若本周期的某中频点a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i]的距离值处于(pre1_dis±δd)范围内,则判断为:该中频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;若未落入(pre1_dis±δd)范围内,则将该中频点从本次采样中剔除;
剔除强度突变值得处理:设强度差阈值为δa,若本周期的某中频点的幅度值amp_i处于(pre1_amp±δa)范围内,则判断为该中频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;若未落入(pre1_amp±δa)范围内,则将该中频点从本次采样中剔除;
将未被剔除的中频信号的地址序列与目标雷达的地址编码进行比对,若仅有两个中频信号a_i和a_j的地址码得到匹配,则将该匹配的两中频信号作为目标雷达目标物的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
若有多于两个中频信号得到匹配,则将匹配的中频信号中任意两中频信号的强度差与规定值δ进行比较,若小于该规定值δ,则判定为该两中频信号是同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
对同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号进行步骤s43的处理
本发明的另一方式提供一种fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法。
(13)一种fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法,其特征在于,
规定区域内的多个不同的所述激光雷达被分配了彼此不同的包括n位码元的m进制的地址编码,其中n为大于2的正整数,
所述解耦方法包括:
步骤s100:提供三角波连续调频射频信号,其中,同一雷达的每个三角波连续调制周期的调频起点经奇/偶数值编码调制,且所述三角波连续调频射频信号中的nj个三角波连续调制周期对应于所述地址编码中的一个码元,所述三角波连续调频射频信号包括与n个码元对应的三角波连续调制周期;
步骤s200:将所生成的三角波连续调频射频信号作为带地址编码的射频信号调制到激光载波中,并作为发射波发射;
步骤s300:相干接收包括所述发射波在目标物的反射回波在内的回波信号,将该回波信号与本振激光进行混合后平衡探测接收,转换为中频电信号并将该中频电信号与带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和/或速度的信息的电信号;
步骤s400:对所述电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
(14)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,nj的大小取决于所述地址编码的码值。
(15)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s100包括:
步骤s101:生成未带地址编码的三角波型的本振射频电信号;
步骤s102:针对所述本振射频电信号,进行电平偏置,用奇/偶数值编码对同一雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行编码,其中,设奇/偶数值中的一方值码调制频率起点为f0,另一方值码调制频率起点为f0+δf+b,其中,δf为最大多普勒频移量,b为一个三角波连续调制周期内的三角波连续调频带宽;和
步骤s103:电频调制出带有地址编码信息的三角波连续调频射频信号。
(16)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,
各三角波连续调制周期包括:
从起始频率f0+x经调谐上升至频率f0+b+x的上扫频阶段;和
从频率f0+b+x经调谐下降至起始频率f0+x的下扫频阶段,
(17)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s200包括:
步骤s201:将在步骤s100生成的带地址编码的射频信号调制到激光波长上而生成调制光信号;
步骤s202:根据测距范围,将所述调制光信号放大;
步骤s203:将放大后的所述调制光信号定向发射到自由空间中。
(18)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s300包括:
步骤s301:相干接收回波信号,所述回波信号在步骤s200中发射出的调制光信号遇到目标物时,反射回来的一部分光信号;
步骤s302:将接收的所述回波信号与所述本振激光进行混合,并将该混合的光信号转换为接收的射频电信号;
步骤s303:将所述接收的射频电信号与带地址编码的三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和/或速度信息的电信号。
(19)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,所述步骤s400包括:
步骤s401:将在步骤s300中得到的所述包含目标物距离信息和/或速度信息电信号经低通滤波和数模转换而获得相应的数字信号;
步骤s402:对得到的所述数字信号进行信号分析而得到该电信号的频谱信息;
步骤s403:通过设定阈值来解出地址码序列,并将地址码序列与目标雷达的地址编码进行比对来确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
(20)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,在步骤s403中,
若将在步骤s402中得到的电信号的上扫频阶段的中频频率绝对值表示为f+、下扫频阶段的中频频率绝对值表示为f-,则当满足f+/f-<b的关系时,判断为0编码,当满足b<f+/f-<2b+δf的关系时,判断为1编码。
(21)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,若在步骤s300中接收的光信号包括2个多源信号时,
对基于2个多源信号的电信号各自的上扫频阶段的中频频率绝对值、下扫频阶段的中频频率绝对值共计4个中频频率绝对值进行比较,
若处于中间值的两个中频频率绝对值的差值大于b+δf,则判断为:中频频率绝对值处于中间值的该两个中频信号为同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
若4个中频频率绝对值中两绝对值的最大差值小于b+δf,则将4个中频信号中任意两中频信号的强度差与规定值δ进行比较,若小于该规定值δ,则判定为该两中频信号是同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号,
对同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号进行步骤s403的处理。
(22)在上述的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦方法中,可选的是,设在步骤s300中接收的光信号包括p+q个多源信号,p表示中频频率绝对值在0到b+δf之间的中频信号的个数,q表示中频频率绝对值在b+δf到2(b+δf)之间的中频信号的个数,当p+q>2时,
记录每个中频信号的频率值和强度值,当(freq-(b+δf))为正值则cod取1,为负值则code取0,并且计算每个中频信号所对应的距离信息,将这些信息记录为一数组信息[freq,amp,dis,cod]其中,freq为该中频信号的频值,amp为该中频信号的强度值,dis为该中频信号所对应的目标物距离值,cod为该中频信号所对应的地址码;
对每个中频信号执行下述剔除距离和强度突变值的处理,
剔除距离突变值得处理:若设上一周期的中频点为pre1_a[pre1_freq,pre1_amp,pre1_dis,pre1_cod],距离步进阈值为δd,本周期的某中频点为a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i],若本周期的某中频点a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i]的距离值处于(pre1_dis±δd)范围内,则判断为:该中频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;若未落入(pre1_dis±δd)范围内,则将该中频点从本次采样中剔除;
剔除强度突变值得处理:设强度差阈值为δa,若本周期的某中频点的幅度值amp_i处于(pre1_amp±δa)范围内,则判断为该中频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;若未落入(pre1_amp±δa)范围内,则将该中频点从本次采样中剔除;
将未被剔除的中频信号的地址序列与目标雷达的地址编码进行比对,若仅有两个中频信号a_i和a_j的地址码得到匹配,则将该匹配的两中频信号作为目标雷达目标物的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
若有多于两个中频信号得到匹配,则将匹配的中频信号中任意两中频信号的强度差与规定值δ进行比较,若小于该规定值δ,则判定为该两中频信号是同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号;
对同一组信号的上扫频阶段的中频信号和下扫频阶段的中频信号进行步骤s403的处理。
本发明的再一方式提供一种fmcw激光雷达。
(23)一种fmcw激光雷达,包括:发射机,发射本振激光;接收机,接收该本振激光的回波信号,其特征在于,采用上述(1)至(12)中任一项所述的多源串扰的解耦方法来识别本机的所述本振激光的所述回波信号而排除多源串扰。
(24)在上述的fmcw激光雷达中,可选的是,
所述发射端包括:
激光模块,发射规定波长的激光;
电编码模块,输出带地址编码的三角波连续调频射频信号和未带地址编码的三角波连续调频射频信号;
光强调制模块,将所述电编码模块生成的带地址编码的三角波连续调频射频信号调制到作为载波的所述激光上。
(25)在上述的fmcw激光雷达中,可选的是,
所述接收端包括:
相干接收模块,相干接收由所述发射端发出的激光信号的回波信号;
耦合器,将所接收到的回波信号与本振激光混合;
平衡探测模块,对混合后的光信号进行探测接收,转换为中频电信号;
混频模块,将所述中频电信号与来自所述发射端的未带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物的距离信息和/或速度信息的电信号;和
数字信号处理模块,根据混频模块的输出对所述电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
本发明的再一方式提供一种fmcw激光雷达。
(26)一种fmcw激光雷达,包括:发射机,发射本振激光;接收机,接收该本振激光的回波信号,其特征在于,采用上述(13)至(22)中任一项所述的多源串扰的解耦方法来识别本机的所述本振激光的所述回波信号而排除多源串扰。
(27)在上述的fmcw激光雷达中,可选的是,
所述发射端包括:
激光模块,发射规定波长的激光;
电编码模块,输出带地址编码的三角波连续调频射频信号;
光强调制模块,将所述电编码模块生成的带地址编码的三角波连续调频射频信号调制到作为载波的所述激光上。
(28)在上述的fmcw激光雷达中,可选的是,
所述接收端包括:
相干接收模块,相干接收由所述发射端发出的激光信号的回波信号;
耦合器,将所接收到的回波信号与本振激光混合;
平衡探测模块,对混合后的光信号进行探测接收,转换为中频电信号;
混频模块,将所述中频电信号与来自所述发射端的带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物的距离信息和/或速度信息的电信号;和
数字信号处理模块,根据混频模块的输出对所述电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
本发明的再一方式还提供一种fmcw激光雷达系统。
(29)一种fmcw激光雷达系统,在规定区域内包括多个激光雷达,规定区域内的多个不同的所述激光雷达被分配了彼此不同的包括n位码元的m进制的地址编码,其中n为大于2的正整数,所述多个激光雷达是上述任意的激光雷达。
发明的效果
通过本发明的多源串扰的fmcw激光雷达多源串扰解耦方法和应用了该方法的fmcw激光雷达系统,能够有效且可靠地解耦fmcw的激光雷达系统中的多源串扰。
在系统发射端的连续波调制的基础上使用附加的调制频率对发射信号进行编码,在接收端混频解调后进行阈值解码,从而区分fmcw激光雷达系统中的本机信号与它机信号,实现不同发射源间的串扰解耦。
通过使地址编码周期为fmcw调制周期的整数倍,能够应接收机端数据处理算法时延特性进行适应性调整。
另外,在频谱地址编码的基础上,引入可扩展维度来增加系统可区分的雷达个体数量。在发射/接收机端引入高阶调制机制,能够拓展同码元数编码的数量,能够区分更多的雷达信号。
另外,发射机激光器使用不同的工作波长,使得相干接收仅能对本机波长点的信号进行解调,达到排除它源信号串扰的目的。
另外,考虑目标漫反射存在接收机丢码错码可能性,在激光雷达系统中引入纠错码编码,提升系统鲁棒性。
另外,在发射机端地址编码后加入信道编码(纠错码),同时在接收机端增加解码模块,能够解决系统丢码错码问题。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本公开。
附图说明
图1是在实际行车场景下多部汽车雷达信号间相互串扰的情况的示意图。
图2示出了传统三角波线性调频连续波雷达的测量原理,其中(a)示出了发射信号/回波信号的时频关系图,(b)示出了所述发射信号及回波信号与接收机射频混频后的时频关系图。
图3是本发明第一实施方式的系统结构图。
图4是本发明第一实施方式的地址编码示意图。
图5是本发明第一实施方式的0/1编码所对应的频率调制示意图。
图6示出了本发明第一实施方式中三角波线性调频连续波激光雷达的发射/回波信号的时频关系图,以及所述发射信号及回波信号与接收机射频混频后的时频关系图。
图7是本发明第一实施方式的它机雷达回波信号接收数量示意图
图8是本发明第一实施方式的单干扰源的接收频谱示意图;
图9是本发明第一实施方式的多干扰源的接收频谱示意图;
图10是本发明第一实施方式的加入前向纠错编码与高阶编码的系统结构示意图;
图11是本发明“fmcw激光雷达中多源串扰解耦方法”的系统结构图
图12是本发明地址编码示意图;
图13是本发明奇数/偶数编码所对应的频率调制示意图;
图14是雷达波形发生器产生的调制波形在一个大周期内的m进制编码实例
图15是本发明中三角波线性调频连续波激光雷达的发射/回波信号的时频关系图与接收机射频混频后的时频关系图,(a)为本机雷达信号接收时频关系,(b)为它机雷达信号接收时频关系;
图16是它源回波干扰信号接收数量示意图
图17是单干扰源的接收频谱示意图;
图18是多干扰源的接收频谱示意图。
附图标记说明
lidar激光雷达;
lidara本机雷达;lidarb它机雷达(第一它机雷达);
lidarc它机雷达(第二它机雷达);s目标物
fmcw调频连续波;fec前向纠错(前向纠错码);dsp数字信号处理;
fft快速傅里叶变换;平衡pd模块平衡光电探测模块。
具体实施方式
下面,将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明中,以将fmcw激光雷达用作汽车防撞雷达为例来进行说明。当然,本发明不限于在汽车防撞雷达中的应用。
首先,关于三角波线性调频连续波雷达的测距测速原理进行说明。
图1示出了在实际行车场景下多部汽车雷达信号间相互串扰的情况。如图1所示,车辆1(以下也称本车1)和另外的车辆2、3都安装有同波长、同调制频段、同工作机制的激光防撞雷达(以下简称“防撞雷达”)lidar,将安装于车辆1的防撞雷达作为本机雷达lidara,将车辆2、3各自所安装的防撞雷达分别称为它机雷达lidarb、lidarc。相对于车辆1,车辆2为同向行驶车辆,车辆3为相向行驶车辆。如图1所示,本机雷达lidara检测接收到的信号可能包括三个:反射信号a,目标物体s反射本机雷达的回波,此为有用的待测信号,含有目标物体s(例如为目标车)的距离、速度等信息;反射信号b,目标物s反射的由它机雷达lidarb所发射的电磁波;直射信号c,它机雷达lidarc直接发射的电磁波。反射信号b及直射信号c这两种电磁波信号对于本机雷达lidara而言即为雷达之间的多源信号串扰,将会影响系统性能,例如导致基于本机雷达lidara的探测结果做出虚假目标判断,因此需要采取措施消除由此产生的虚假目标判断。
图2示出了传统三角波线性调频连续波雷达的测量原理,其中图2的(a)示出了发射信号(即,本振信号)与回波信号的时间-瞬时频率关系图,图2的(b)示出了上述的两信号(本振信号与回波信号)混频后中频信号的时间-瞬时频率关系图。图2(a)中,实线三角波是雷达本振信号的瞬时频率;点虚线三角波是运动目标物体的回波信号;短虚线三角波是静止目标物体的回波信号。这里所说的“运动目标物体”和“静止目标物体”都是相对发出本振信号的雷达而言。若τ是目标物体回波的延时,fs是静止目标的回波信号的中频频率,f+、f-分别是运动目标的回波在上扫频和下扫频的中频频率(取正值),t是上/下扫频周期,fd是运动目标引起的多普勒频率。b是线性调频的扫频带宽,f0是线性调频的起始频率,则线性调频的中心频率(载波)对应的波长为:
图中,b/t=fs/τ,fs=f--fd=f++fd。故而可得,
τ=tfs/b,fd=(f--f+)/2,fs=(f-+f+)/2。
设目标物体s距离本机雷达距离为r、相对速度为v,则r=τc/2,其中c为光速。综上可知,目标物体距离与速度如下所示:
以上为传统三角波线性调频连续波雷达测距测速原理,该方案仅适用于单一雷达使用场景,不能区分同一场景下它机雷达所引入的多源串扰。
第一实施方式
本发明的第一实施方式是在传统fmcw激光雷达技术基础上,引入m进制(m值取2的幂次,如2、4、8、16等)的编码信息,对工作区域内不同的雷达分配不同的地址编码,扩充解调后信号的信息元素。对同一雷达每个三角波线性调频周期进行频率起点的编码,n(n为整数且n≥1)个周期组成一组地址码,由此唯一地标识出该雷达,接着将该微波信号调制到光波上并发射出去,然后用本振光与接收光信号进行相干接收,通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号,将接收的微波信号与本地未编码的三角波连续调频微波信号进行混频,再进行滤波,最后按照三角形线性调频信号处理方法进行处理,即得到目标的高分辨率距离和速度信息,同时对处理后的信号进行地址解码,使得可区分非本机多源串扰信号。
图3示出了本发明第一实施方式的抗多源串扰fmcw激光雷达系统的结构框架。该系统主要包括发射端和接收端。
发射端包括激光模块、光强调制模块、光放大器和电编码模块(如图3中上部虚线框所示)。激光模块用于为系统提供高质量激光光束,作为一例,可以选择波长在c波段的窄线宽单纵模激光器(线宽<100khz)。光强调制模块用于将fmcw射频信号调制到光载波上,例如可选用调制带宽较宽的镍酸锂调制器,调制带宽要大于f0+2*(δf+b),f0为调制起始点频率,fd为常规情况下运动车辆的最大多普勒频移量(设车辆最高时速300km/h,由于
接收端包括平衡光电探测模块(下文简称“平衡pd模块”)、低噪放大模块、混频模块和数字信号处理模块dsp。平衡pd模块主要用于将接收到的反射信号与本振光进行相干探测,得到较高信噪比的射频接收信号。低噪放大模块是将上级输入的弱射频接收信号进行低噪放大,进一步提升接收信号功率,为下一步进行射频混频做准备。混频模块用于将由低噪放大模块放大得到的射频接收信号与本振射频信号进行混频,得到由于时延引起的差频信号。数字信号处理模块dsp的作用是利用差频信号计算出目标物的距离和速度信息,并进行解码,再通过解出的地址码配合恰当算法(后面详细介绍)进行多源信号解耦。
下面,对本发明第一实施方式的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦检测方法进行更为详细的说明。为了使下面关于步骤的描述更为清楚,附加了序号,但是应当理解,这些序号并非旨在限制步骤的顺序;关于步骤的顺序没有特别的限定,除非在后步骤的实施是基于在前步骤的输出或结果的情况。
步骤s1:提供三角波连续调频射频信号,其中,同一雷达的每个三角波连续调制周期的调频起点经0/1地址码调制,且三角波连续调频射频信号中的n个三角波连续调制周期对应于地址编码中的一个码元,三角波连续调频射频信号包括与n个码元对应的三角波连续调制周期。
图4示出了本发明的第一实施方式的地址编码示意图。设计n位码元的m进制地址编码,n取大于2的正整数,每一位码元对应n个三角波调制周期,n取大于等于1的正整数(n的取值取决于系统所采用进制数),故地址编码可有mn种,每一种都可作为激光雷达的唯一标识,解码后可作为多源信号解耦的重要依据。这里,三角波调制周期称为小周期(第一周期),n位地址编码称为大周期(第二周期)。作为一个例子,当m=2时,地址编码为二进制编码,根据位数n,该地址编码可有2n种。
另外,用0/1地址码调制三角线性调频微波信号的调频起点,m进制对应log2m个小调制周期,并如图4所示,给在工作区域内的每个雷达匹配一个m进制的n位地址编码,且各雷达对应的地址编码互不相同,m进制对应log2m个小调制周期。
结合图3、图4来进行详细说明步骤s1。步骤s1具体包括下述步骤。
步骤s11:由比特序列发生模块、三角波发生模块生成未带地址编码的三角波型的本振射频电信号frf。
步骤s12:针对由比特序列发生模块、三角波发生模块生成的本振射频电信号frf,进行电平偏置,用0/1地址码对同一雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行编码,其中,设0码调制频率起点为f0,1码调制频率起点为f0+δf+b,其中,δf为最大多普勒频移量,b为一个三角波连续调制周期内的三角波连续调频带宽;
此处,三角波连续调制信号周期为最小周期单元tw,由n个小周期tw按照一定规则构成单一码元,n的大小取决于地址编码所采取的进制类别,如2进制编码n取值1,4进制编码n取值2。
如图5所示,用0/1地址码调制三角线性调频微波信号的调频起点,即:用0/1地址码对雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行编码,例如图5所示,可设0码调制频率起点为f0,1码调制频率起点为f0+δf+b,δf为常规情况下运动车辆的最大多普勒频移量(设车辆最高时速300km/h,由于
每一小周期调制结构兼容传统的三角波线性调频连续波雷达,共分为两段,分别是:从起始频率f0+x经调谐上升至频率f0+b+x的上扫频阶段,及从频率f0+b+x经调谐下降至起始频率f0+x的下扫频阶段,其中x值由当前0/1编码决定。当是0编码时,x=0,当是1编码时,x=b+δf(设车辆最高时速300km/h,由于
步骤s13:通过电频调制模块将经电偏置模块调制后的信号调制成带有地址编码信息的三角波连续调频射频信号。
地址编码以码元为基本单元,使用n个码元按照一定的编码规则生成唯一标识该雷达的地址编码,可有mn种地址编码。
步骤s2:将在步骤s1中生成的三角波连续调频射频信号作为带地址编码的射频信号调制到激光载波中,并作为发射波发射。
具体地说,步骤s2包括下述步骤。
步骤s21:将在步骤s1生成的带地址编码的射频信号调制到激光波长上而生成调制光信号;
步骤s22:根据测距范围,将所述调制光信号放大;
步骤s23:将放大后的所述调制光信号定向发射到自由空间中。
另外,发射机激光器使用不同的工作波长,使得相干接收仅能对本机波长点的信号进行解调,达到排除它源信号串扰的目的。
步骤s3:相干接收包括所述发射波在目标物的反射回波在内的回波信号,将该回波信号与本振激光进行混合后平衡探测接收,转换为中频电信号,并将该中频电信号与未带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物的距离信息和/或速度信息的电信号。
具体而言,当在步骤s2中发射出的调制激光信号遇到目标物时,一部分激光信号作为回波信号反射回来,回波信号被接收端相干接收(步骤s31)。在耦合器将接收的回波信号与本振激光进行混合,并将混合的光信号转换为接收的射频电信号(步骤s32)。将所述接收的射频电信号进行平衡探测接收而转换为中频电信号,将该中频电信号与未带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和/或速度信息的电信号(步骤s33)。
步骤s4:对电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
具体而言,步骤s4包括下述处理。
步骤s41:将在步骤s3中得到的所述包含目标物距离信息和/或速度信息的电信号经低通滤波和数模转换而获得相应的数字信号。
步骤s42:对得到的所述数字信号进行信号分析而得到该电信号的频谱信息。
具体信息获取情况及结果见图6,图6示例了0与1两种编码的接收信号的时频关系图。由于接收机的电混频的本振信号使用的是未编码的射频信号(与编码信号同步),而接收信号是经过编码后的,故混频后的电信号中除目标物的距离与速度信息外,还会包含可唯一标识雷达的编码信息。在0编码下,其中频信号的频率绝对值可表示为:上扫频阶段f+和下扫频阶段f-(f+/f-<b);在1编码下,其中频信号的频率绝对值可表示为:上扫频阶段f+`和下扫频阶段f-`(b<f+/f-<2b+δf)。
步骤s43:通过设定阈值来解出0/1地址码序列,并将地址码序列与目标雷达的地址编码进行比对来确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
首先,地址解码通过设定阈值来判决,得到地址序列码(步骤s431);
具体而言,基于如上所述得到的频谱信息对接收到的中频信号进行解码。将得到的中频信号频率值减b,如结果小于0,则该调制周期的编码为0,如大于0,则该调制周期的编码为1,对每个小周期都进行如此判决。假设小周期非常短,则在地址编码周期下,中频信号在一小范围内波动,首先使用频率阈值与幅度阈值对它机干扰进行去耦,如仍存留干扰信号,再通过多个编码周期判决,便可得到该中频信号下的地址编码序列。
然后,将混频信号去除相对应的地址编码(步骤s432)。
关于如上所述得到的地址编码序列,通过地址码比较模块进行地址码比对,以剔除其它源雷达信号的干扰,实现干扰信号的解耦。
假设在fft信号处理后,接收到的独立信号有j个,n个周期时间内,目标位置和速度信息不会突变,故而在时间轴上可得到独立的j个地址码,便可与本机雷达所设定地址编码进行比对,由于地址编码的唯一性,从而可去除j-1个虚假目标信息。
此后,重新进行计算即可得到对应的目标距离与速度。运算规则同三角波线性调频连续波雷达的测量原理。
下面,区分场景来说明本发明的串扰解耦方法。
在同一区域内有多个激光雷达工作时,在接收端将有(p+q)个反射回的多源信号,如图7所示。对这些串扰信号的处理,具体方法实施可分为两大类,一是单干扰信号场景(p+q=2);二是通用场景(p+q>2)。
(i)单干扰信号场景
所谓单干扰信号场景,是指仅有一有效干扰信号串扰入本机雷达接收系统,可覆盖实际行车中大多数情况。该场景简化了系统模型,轻量化解决fmcw激光雷达大概率场景下的多源串扰问题。
具体而言,依据雷达使用的距离范围,以及激光在大气中的衰减情况,距离最远处反射回的光波进行fft后信号的幅度具有一确定值,设为e,可作为有效信号的阈值线,大于e的频率峰值认为是有效距离信号,小于e的频率峰值认为是噪声信号。故如仅有一干扰信号进入本机雷达接收系统,在fft后的频谱图上共会有4个频率峰值超过阈值e,可作为有效信号。
此时,可分为3种情况进行讨论,如图8所示,情况一:当4个中频信号两两分别落在两个编码频率区间时,即中间两个频率差值大于b+δf时,如图8(a)所示,可知各自编码区间的两个频率值为同一组信号的上扫频和下扫频的中频信号,可分别进行地址解码,比对当前本机信号地址码值,以区分本机信号与干扰信号。
情况二和三:当4个中频信号都落在同一个编码空间时,即两个频率最大差值小于b+δf时,如图8(b)与(c),需要通过两两信号之间的强度差来区分组别。由于非本机的信号共有2种,如图1,串扰信号由于距离和入射角度等原因,大概率其中频信号强度要明显弱于本机雷达回波信号,故可通过两两信号强度差来进行分组区分,当两信号强度差值小于规定的阈值δ(可经验设定)时,可认为是同一组信号的上扫频和下扫频的中频信号,反之不是同一组。通过强度差值的阈值判断,将4个差频信号分为两组,可分别求出两目标物的距离/速度信息,并通过解码模块,得到该码源的地址码,结合之前码源地址信息与距离/速度信息(通常距离/速度不会突变),与本机雷达唯一标识地址进行比对,取出它源串扰,得到本机信号。
(ii)通用场景
所谓通用场景,是指有(p+q)个有效干扰信号串扰入本机雷达接收系统,q≥0且p≥0,理论上涵盖了实际行车中所有的多源串扰情况,对该场景下串扰解耦问题的研究是十分必要的。
具体而言,对接收到的多源串扰信号进行fft变换,得到如图9的频谱图,图中大于有效信号阈值e的频率峰值有(p+q)个,可将这些信号分为两组,一组是0编码范围内的中频信号,其值在0到(b+δf)之间,共有q个(f1、f2…fq-1、fq);另一组是1编码范围内的中频信号,其值在(b+δf)到2(b+δf)之间,共有p个(f1`、f2`…fp-1`、fp`)。此时,由于接收到的中频信号数量较多且数量不定,无法使用单场景时的方法找到同组的上扫频和下扫频的中频信号,需处理的情况相对较复杂。
在该场景下,对信号串扰的解耦分为如下三个步骤进行。为了进行解耦,将每个差频信号使用一个数组[freq,amp,dis,cod]进行标记,freq为该差频信号的频值,amp为该差频信号的强度值,dis为该差频信号所对应的目标物距离值,cod为该中频信号所对应的地址码。由于本机雷达当前编码值已知,可对比当前接收信号的码值,剔除与之不符的部分干扰信号。
第一步,不区分上/下扫频,记录每个差频信号的频率值frequency和强度值amp;同时对该信号进行解码,当(freq-(b+δf))为正值则cod取1,反之为负值则code取0;计算每个差频信号所对应的距离信息,
第二步,剔除距离\强度突变值,再回溯剩余差频点的地址编码序列。例,设上一周期的差频点pre1_a[pre1_freq,pre1_amp,pre1_dis,pre1_cod],因目标物的距离不会发生突变,设距离步进阈值δd(设车辆最高时速300km/h,小周期t=5×10-6,因δd=v×t,则δd可取5mm,当系统距离分辨率大于5mm时,δd取该分辨率值),故当本周期的某差频点a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i]的距离值应落在(pre1_dis±δd)范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;相反,如未落入(pre1_dis±δd)范围内,可将该差频点从本次采样中剔除。而且,由于目标物反射回波的强度主要与发射功率与距离衰减相关,故本机反射回波的强度信息也不会发生明显突变,因此,可设定幅度差阈值δa(经验值),当本周期该点的幅度值amp_i落在(pre1_amp±δa)范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;相反,如未落入(pre1_amp±δa)范围内,可将该差频点从本次采样中剔除。经过以上两次阈值判断,可解耦大部分串扰信号。如仍有两个以上信号存在,对落入距离阈值范围内的这些点进行编码记录,可分别回溯得到一完整周期的n×n长度的地址码序列[pre(n×n-1)_cod_i,pre(n×n-2)_cod_i,…pre1_cod_i,cod_i],并存储记录。
第三步,地址码对比,解耦剩余串扰信号。将所有回溯的地址序列与本机的地址编码序列进行比对,相同者才可判定为本机雷达回波,反之可剔除。
情况一,如仅有两个差频点a_i和a_j的地址码得到匹配,则为当前本机目标物的上/下扫频信号点,可进一步计算出当前速度值,完成串扰解耦。
情况二,如仍有大于两个的差频点匹配了地址编码(小概率),可进一步利用速度信息进行剔除。在不丢失测量点的前提下,可通过两两信号之间的强度差来区分组别,当两信号强度差值小于阈值δ(可经验设定)时,可认为是同一组信号的上扫频和下扫频的中频信号,反之不是同一组;分组完成后,可进一步计算出当前各点速度值。由于速度也不会发生明显突变,可设速度差阈值δv(可计算得),当本周期该点的速度值落在上周期速度±δv范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;相反,如未落入范围内,可将该差频点从本次采样中剔除。如仍然小概率存留部分串扰信号,可继续步骤一、二,记录每一点信号的编码值,并进行地址码比对,由于每个雷达的地址码的唯一性,可对串扰信号解耦。
理论上该方法能大概率解决fmcw激光雷达多数场景下的多源串扰问题。
以上方法基本满足多数多源串扰的场景,可实现干扰信号的解耦,但前提是无信号丢失。如在某些有信号丢失的场景,可在本检测方法的基础上加入前向纠错编码模块,以适用该情况。
如图10所示,在发射端的电编码部分引入fec编码模块,加在地址编码器之后;与之相应的在接收端的dsp部分引入fec解码模块,加在地址码比较模块之前,使系统具有了错码纠正的作用。如在某时刻有信号丢失,即在fft后未有该频率点信息,但在下个周期或几个周期后(不多于w个周期,与fec码型相关),该频率信号又重新出现在频谱图上,则在接收端该频率位置补入0编码,可能是错误码,但可通过fec解码将其进行纠正,其余步骤的方法不变,从而以上串扰解耦方法还可适用。
另外,为了提升了系统编码容量,使得在相同码元数下,能够区分更多的雷达数目,引入了高阶编码,将编码0/1两个电平的编码拓展到多电平编码上。如图10所示,在发射端的电编码部分引入高阶编码模块,加在fec编码之后;与之相应的在接收端的dsp部分引入高阶解码模块,加在fec解码模块之前,拓展了激光雷达可编码数量。其余步骤的方法不变。
以上fec与高阶编码在图10中都是虚框标注,表示为可选模块,可单独选择,也可全部选择。
本发明地址编码信息也可赋予信息含义,例如可将雷达系统信令信息通过该方法传递给其他雷达组。
以上技术方案可用于车规级fmcw工作机制的激光雷达场景下的多源串扰解耦,但不局限于车规激光雷达,也普遍适用于其它使用激光雷达测距测速的多源串扰场景。
第二实施方式
本方案在改变不同调制周期的起始频率点的基础上,还对同一雷达对每个三角波线性调频周期的周期数量编码,确定周期数的地址码可唯一标识一个雷达,接着将该微波信号调制到光波上并发射出去,然后用本振光与接收光信号进行相干接收,通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号,将接收的微波信号与本地编码的三角波连续调频微波信号进行混频,再进行滤波,最后按照三角形线性调频信号处理方法进行处理,即得到目标的高分辨率距离和速度信息,同时对处理后的信号进行地址解码,使得可区分非本机多源串扰信号,该方法按以下步骤进行。
图11为本发明第二实施方式的抗多源串扰fmcw激光雷达系统的结构框架。该系统主要包括发射端和接收端。
发射端包括激光模块、光强调制模块、光放大器和电编码模块。激光模块用于为系统提供高质量光束,作为一例,可选择波长在c波段的窄线宽单纵模激光器(线宽<100khz)。光强调制器模块用于将fmcw射频信号调制到光载波上,例如可选调制带宽较宽的镍酸锂调制器,调制带宽要大于f0+2*(δf+b),f0为调制起始点频率,fd为常规情况下运动车辆的最大多普勒频移量(设车辆最高时速300km/h,由于
接收端包括平衡pd模块、低噪放大模块、混频模块和数字信号处理模块dsp。平衡pd模块主要用于将接收到的反射信号与本振光进行相干探测,得到较高信噪比的射频接收信号。低噪放大模块是将上级输入的弱射频接收信号进行低噪放大,进一步提升接收信号功率,为下一步进行射频混频做准备。混频模块用于将由低噪放大模块放大得到的射频接收信号与本振射频信号进行混频,得到由于时延引起的差频信号。数字信号处理模块dsp的作用是利用差频信号计算出目标物的距离和速度信息,并进行解码,再通过解出的地址码配合恰当算法(后面详细介绍)进行多源信号解耦。
下面,对本发明第二实施方式的fmcw激光雷达中多源串扰的解耦检测方法进行更为详细的说明。为了使下面关于步骤的描述更为清楚,附加了序号,但是应当理解,这些序号并非旨在限制步骤的顺序;关于步骤的顺序没有特别的限定,除非在后步骤的实施是基于在前步骤的输出或结果的情况。
步骤s100:提供三角波连续调频射频信号,其中,同一雷达的每个三角波连续调制周期的调频起点经奇/偶数值编码调制,且所述三角波连续调频射频信号中的nj个三角波连续调制周期对应于所述地址编码中的一个码元,所述三角波连续调频射频信号包括与n个码元对应的三角波连续调制周期。
图12示出了本发明第二实施方式的地址编码示意图。设计包含n位码元的m进制地址编码,n取大于2的正整数,每一位编码i对应ni个三角波调制周期,i取大于等于1的正整数(ni的取值取决于该编码值),故地址编码可有mn种,每一种都可作为激光雷达的唯一标识,解码后可作为多源信号解耦的重要依据。这里,三角波调制周期称为小周期(第一周期),n位地址编码称为大周期(第二周期)。
m进制下,编码值m对应该编码内小周期个数。如图12所示,给在工作区域内的每个雷达匹配一个m进制的n位地址编码,且各雷达对应的地址编码互不相同,编码值i对应ni个小调制周期。
奇/偶数值编码对应的三角线性调频信号的不同调频起点如图13所示。如图13所示,用奇/偶地址编码对雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行标注,可设偶值码调制频率起点为f0,奇值码调制频率起点为f0+δf+b,δf为常规情况下运动车辆的最大多普勒频移量(设车辆最高时速300km/h,由于
图14给出了雷达波形发生器产生的调制波形在一个大周期内的m进制编码实例。假设一个大周期内有m个编码,不同码元对应不同的周期数,如码元2c对应c个小周期调制信号,后面的编码的小周期个数与顺序重复上个大周期的调制波形。同时,同一部雷达在所述编码周期内的调制波形按照随机原则被设置得不相同,这样,多个目标的中频信号在不同的小周期会不相同,通过在信号处理电路进行分析,从而剔除虚假目标。
结合图11、图12来进行详细说明步骤s100。步骤s100具体包括下述步骤。
步骤s101:由比特序列发生模块、三角波发生模块生成未带地址编码的三角波型的本振射频电信号frf。
步骤s102:针对由比特序列发生模块、三角波发生模块生成的本振射频电信号,进行电平偏置,用奇/偶数值编码对同一雷达的每个三角波连续调制周期的频率起点进行编码,其中,设奇/偶数值中的一方值码调制频率起点为f0,另一方值码调制频率起点为f0+δf+b,其中,δf为最大多普勒频移量,b为一个三角波连续调制周期内的三角波连续调频带宽。
此处,三角波连续调制信号周期为最小周期单元tw,由nj个小周期tw按照一定规则构成单一码元,nj的大小取决于该编码码值,如码元2c或(2c+1)对应c个小周期调制信号。
如图13所示,每一小周期调制结构兼容传统的三角波线性调频连续波雷达,共分为两段,分别是:从起始频率f0+x经调谐上升至频率f0+b+x的上扫频阶段,及从频率f0+b+x经调谐下降至起始频率f0+x的下扫频阶段,其中x值由当前奇/偶编码值决定。当编码值为偶/奇数时,x=0,当编码值为奇/偶数时,x=b+δf(设车辆最高时速300km/h,由于
步骤s103:通过电频调制模块调制出带有地址编码信息的三角波连续调频射频信号。
m进制地址编码以码元为基本单元,使用n个码元按照一定的编码规则生成唯一标识该雷达的地址编码,可有mn种地址编码。
步骤s200:将在步骤s1中生成的三角波连续调频射频信号作为带地址编码的射频信号调制到激光载波中,并作为发射波发射。
具体地说,步骤s2包括下述步骤。
步骤s201:将在步骤s100生成的带地址编码的射频信号调制到激光波长上而生成调制光信号;
步骤s202:根据测距范围,将所述调制光信号放大;
步骤s203:将放大后的所述调制光信号定向发射到自由空间中。
另外,激光器引入dwdm技术,可物理上解耦不同工作波长的激光雷达。
步骤s300:由接收端相干接收包括所述发射波在目标物的反射回波在内的回波信号,将该回波信号与本振激光进行混合后平衡探测接收,转换为中频电信号并将该中频电信号与带地址编码的本地三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和/或速度的信息的电信号(差频电信号)。
具体而言,当在步骤s200中发射出的调制激光信号遇到目标物时,一部分激光信号作为回波信号反射回来,回波信号被接收端相干接收(步骤s301)。通过耦合器将接收的所述回波信号与所述本振激光进行混合,并将该混合的光信号通过平衡pd模块转换为接收的射频电信号(步骤s302)。将该探测得到的射频电信号进行低噪放大与滤波后,与带地址编码的三角波连续调频射频信号进行混频,解调出包含目标物距离信息和速度信息的差频电信号(步骤s303)。
步骤s400:对在步骤s300中解调出的上述差频电信号进行信号处理和地址解码,并将解码出的地址信息与目标雷达的地址编码进行比对,确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
具体而言,步骤s400包括下述处理。
步骤s401:将在步骤s300中得到的差频电信号进行低通滤波,然后送入ad转换器以获得相应的数字信号。
步骤s402:将得到的上述数字信号输入至fft频谱分析模块以得到该差频信号的频谱信息。
具体差频信息获取情况及结果见图15,图15分别示例了本机雷达与它机雷达接收信号的时频关系图。
步骤s403:通过设定阈值来解出地址码序列,并将地址码序列与目标雷达的地址编码进行比对来确定出目标雷达的回波信号而排除多源串扰。
混频后的差频信号中除目标物的距离与速度信息外,还会包含可唯一标识雷达的编码信息。故光电转换后的接收信号与本振编码信号进行混频后,同编码值的差频信号频率值将落在0~(b+δf)之间,非同编码值的差频信号频率值将落在(b+δf)~2(b+δf)之间,即小于b的信号为本机雷达的反射信号,大于b的信号为非本机雷达的反射信号,如图15所示。通过阈值判决,便可将非本机雷达信号探测的虚假目标进行剔除,实现多源串扰的解耦。
此后,重新进行计算即可得到对应的目标距离与速度。运算规则同三角波线性调频连续波雷达的测量原理。
下面,区分场景来说明本发明的串扰解耦方法。
在同一区域内有多个激光雷达工作时,在接收端将有(p+q)个反射回的多源信号,如图16所示。对这些串扰信号的处理,具体方法实施可分为两大类,一是单干扰信号场景(p+q=2);二是通用场景(p+q>2)。
(i)单干扰信号场景
所谓单干扰信号场景,是指仅有一有效干扰信号串扰入本机雷达接收系统,可覆盖实际行车中大多数情况,简化了系统模型,轻量化解决fmcw激光雷达大概率场景下的多源串扰问题。依据雷达使用的距离范围,以及激光在大气中的衰减情况,距离最远处反射回的光波进行fft后信号的幅度具有一确定值,设为e,可作为有效信号的阈值线,大于e的频率峰值认为是有效距离信号,小于e的频率峰值认为是噪声信号。故如仅有一干扰信号进入本机雷达接收系统,在fft后的频谱图上共会有4个频率峰值超过阈值e,可作为有效信号。此时,可分为3种情况进行讨论,如图17所示。
情况一,当4个差频信号两两分别落在两个编码频率区间时,即中间两个频率差值大于(b+δf)时,如图17(a)所示,可知大于(b+δf)中频信号为它机干扰信号,可直接剔除,而小于(b+δf)差频信号为本机雷达信号。以(b+δf)为判决点,以区分本机信号与干扰信号。
情况二和三,当4个差频信号都落在同一个编码空间时,即两个频率最大差值小于(b+δf)时,如图17(b)与(c),需要通过两两信号之间的强度差来区分组别。由于非本机的信号共有2种,如图1,串扰信号由于距离和入射角度等原因,大概率其差频信号强度要明显弱于本机雷达回波信号,故可通过两两信号强度差来进行分组区分,当两信号强度差值小于阈值δ(可经验设定)时,可认为是同一组信号的上扫频和下扫频的中频信号,反之不是同一组。通过强度差值的阈值判断,将4个差频信号分为两组,可分别求出两目标物的距离/速度信息,并通过解码模块,得到该码源的地址码,结合之前码源地址信息与距离/速度信息(通常距离/速度不会突变),与本机雷达唯一标识地址进行比对,取出它源串扰,得到本机信号。
(ii)通用场景
该场景是指有(p+q)个有效干扰信号串扰入本机雷达接收系统,q≥0且p≥0,理论上涵盖了实际行车中所有的多源串扰情况,对该场景下串扰解耦问题的研究是十分必要的。对接收到的多源串扰信号进行fft变换,得到如图18的频谱图,图中大于有效信号阈值e的频率峰值有(p+q)个,可将这些信号分为两组,一组是有效编码范围内的差频信号,即其值在0到(b+δf)之间,共有q个:f1、f2…fq-1、fq;另一组是无效编码范围内的差频信号,即其值在(b+δf)到2(b+δf)之间,共有p个:f1`、f2`…fp-1`、fp`,可直接剔除。此后仅对落在0~(b+δf)范围内的q个差频信号(f1、f2…fq-1、fq)进行解耦分析即可。然而,剩余的差频信号数量较多且个数不确定,无法使用上文中方法找到同组的上扫频和下扫频的中频信号,需处理的情况相对较复杂。
在该场景下,对剩余的信号串扰的解耦分为如下三个步骤进行。为了进行解扰,将每个差频信号使用一个数组[freq,amp,dis,cod]进行标记,freq为该差频信号的频值,amp为该差频信号的强度值,dis为该差频信号所对应的目标物距离值,cod为该差频信号所对应的地址码。
第一步,不区分上/下扫频,记录每个差频信号的频率值frequency和强度值amp;计算每个差频信号所对应的距离信息,
第二步,剔除距离\强度突变值,再回溯剩余差频点的地址编码序列。例,设上一周期的差频点pre1_a[pre1_freq,pre1_amp,pre1_dis],因目标物的距离不会发生突变,设距离步进阈值δd(设车辆最高时速300km/h,小周期t=5×10-6,因δd=v×t,则δd可取5mm,当系统距离分辨率大于5mm时,δd取该分辨率值),故当本周期的某差频点a_i[freq_i,amp_i,dis_i,cod_i]的距离值应落在(pre1_dis±δd)范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波,则暂时判定为真实目标;相反,如未落入(pre1_dis±δd)范围内,则判定为虚假目标,可将该差频点从本次采样中剔除。同时,目标物反射回波的强度主要与发射功率与距离衰减相关,故本机反射回波的强度信息也不会发生明显突变,可设幅度差阈值δa(经验值),当本周期该点的幅度值amp_i落在(pre1_amp±δa)范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波,暂时判定为真是目标;相反,如未落入(pre1_amp±δa)范围内,则判定为虚假目标,可将该差频点从本次采样中剔除。如仍有大于两个的差频点匹配了地址编码(小概率),可进一步利用速度信息进行剔除。在不丢失测量点的前提下,可通过两两信号之间的强度差来区分组别,当两信号强度差值小于阈值δ(可经验设定)时,可认为是同一组信号的上扫频和下扫频的中频信号,反之不是同一组;分组完成后,可进一步计算出当前各点速度值。由于速度也不会发生明显突变,可设速度差阈值δv(可计算得),当本周期该点的速度值落在上周期速度±δv范围内时,则认为该差频点a_i与上一周期测量点pre_a为同一雷达同一目标物的回波;相反,如未落入范围内,可将该差频点从本次采样中剔除。如仍然小概率存留部分串扰信号,可继续步骤一、二,记录每一点信号的编码值,并进行地址码比对,由于每个雷达的地址码的唯一性,可对串扰信号解耦。
第三步,结果判定,解耦串扰信号。经过第二步的阈值判断,可解耦大部分串扰信号,如仍然小概率存留部分串扰信号,则保留结果,以备与下个小周期的结果重复第一、二步,进行比较。由于每个雷达的地址码的唯一性,循环执行以上两步操作,完成串扰解耦,得到唯一真实目标的距离速度信息。
理论上该方法能大概率解决fmcw激光雷达多数场景下的多源串扰问题。
以上技术方案可用于车规级fmcw工作机制的激光雷达场景下的多源串扰解耦,但不局限于车规激光雷达,也普遍适用于其它使用激光雷达测距测速的多源串扰场景。
基于以上说明,为了解决现有的雷达抗干扰方法存在的问题,本发明提出的激光雷达信号设计及信号处理方法,在多个车规激光雷达同时工作环境中具有抗干扰能力强、虚警率低、测量精度高,抗干扰设计成本低的特点。
(1)本发明在传统fmcw激光雷达体制基础上引入了地址编码,仍保留原有系统架构与测量机理,仅在发射机端进行了略微改动,而普通fmcw雷达体制具有工程实现容易、成本低的优点,所以本发明的方法也具有成本低易于实现的优点;由于地址编码的引入,使其具有抗干扰能力,所以可以在多个雷达的环境下可靠工作,可以多雷达协同工作或雷达组网。
(2)由于信号处理方法与普通fmcw雷达兼容,所以也具有整机实现简单,成本低,可同时测距测速的优点。
(3)由于采用了独特的m进制地址编码规则,使得它机雷达对本机雷达造成的多源串扰得到有效的排除,而且不管有无其他雷达的干扰,所需的信号处理步骤是相同。
(4)另外方案一种通过在地址码前端额外引入纠错码编码,可覆盖接收丢码的场景,使得接收算法鲁棒性更强。
本文描述了多种技术,各技术方案分别/组合使用,实现多场景下应用实用性。本文描述的频谱编码技术还可以用于检测和跟踪在不同雷达之间采用不同频谱地址编码的环境中的其他雷达系统的存在。此外,利用各种光学数据通信技术,通过地址编码的fmcw激光雷达发送和接收消息数据。
根据本发明的原理对说明性实施例的描述旨在结合附图理解,它们将认为是整个书面描述的一部分。在此处所公开的本发明的实施例的描述中,任何提及方向或取向仅仅是为了便于说明,而不是意欲以任何方式限制本发明的范围。
此外,本发明的特征和益处通过参考示例性实施例进行说明。相应地,本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例,这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本公开的真正范围和精神由权利要求指出。