车载激光雷达距离速度测量方法
【专利摘要】本发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，由激光驱动电路驱动激光器产生幅度连续的窄线宽单频激光；步骤二,分光器将激光器输出的窄线宽单频激光中测量光输出到电光调制器，剩余的参考光通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信号；步骤三，本地脉冲产生电路生成伪随机码，获得激光雷达的探测信号；步骤四，将探测信号通过掺铒光纤放大器使光信号峰值功率放大到100W量级以上形成放大光信号；步骤五，将放大光信号与参考信号混频输出外差信号；步骤六，计算外差信号与调制码的相关函数，进而获得目标的距离；以及步骤七，分析外差信号采样获得的非等间隔数据，从而获得运动目标的速度。
【专利说明】
车载激光雷达距离速度测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及为激光雷达技术领域，特别涉及一种车载激光雷达距离速度测量方 法。
【背景技术】
[0002] 在汽车工业中，毫米波雷达使用频率调制连续波的方式实现了道路目标距离和速 度的同步检测，该技术在汽车辅助驾驶和自动驾驶中获得了广泛的应用。然而，毫米波雷达 的空间分辨率较差，其对道路环境的成像能力不足。例如，在多目标环境中很容易将两个目 标识别为单个目标，造成决策端的错误判决，潜在引发交通事故。为了提高目标检测空间分 辨率，选用激光作为发射光源是最佳的选择，因为激光具有优良的准直效果。尽管激光雷达 相比于毫米波雷达具有很多优点，但目前车载激光雷达只能测量目标的距离，不能使用多 普勒信息同步测量目标的速度。
[0003] 现有的商业车载激光雷达通过计算目标距离变化率的方式获取目标的速度。这种 方法获得的速度，与多普勒方式相比，其误差较大且获取时间较长。在研究方面，目前也有 基于连续波方式的激光雷达实现距离和速度的同步测量，其距离和速度的测量精度均能满 足智能驾驶的需求。但是，由于发射信号都是连续波，其峰值功率受器件的影响被限制在毫 瓦以下，因此很容易到达激光雷达的理论探测极限。另外，连续波的方式是通过本地信号与 接收信号混频获取频差的方式来测量目标距离和速度，当工作与多目标环境下，该方式的 工作性能不稳定。为了确保道路目标的稳定检测，汽车行业建议使用脉冲式激光雷达，这也 是到目前为止商业车载激光雷达都采用脉冲方式实现距离测量的原因。
[0004] 日本丰田中央研究所提出了一种在伪随机码中插入周期码构成调制码的方式来 实现道路目标距离和速度的同步测量。发送端使用调制码调制发射光信号的幅度，接收端 通过计算接收反射信号与调制码的相关函数获得激光飞行时间从而测量出目标的距离。通 过将接收反射信号与本地参考信号混频输出外差信号，分析外差信号的频率获得多普勒频 率从而测量出目标的速度。由于接收信号幅度受伪随机码调制，光电转换器输出的外差信 号不再是连续的正弦波，而是分段连续。如果调制码中不插入周期码，将无法获得对多普勒 信号的等间隔采样数据，进而无法使用快速傅里叶变换方法分析多普勒信号的频率。虽然 插入周期码的方式能够实现脉冲式激光雷达的距离速度同步测量，但是插入的周期码使得 伪随机码的自相关特性变差，影响激光雷达的距离检测性能。另一方面，对多普勒信号的采 样只发生在周期码位置，采样率低，限制了多普勒信号的最高频率范围，即限制了可测量的 最高速度。再则，这种激光雷达的接收端使用一个分光器将接收信号分为两路，一路直接输 出，另一路与本地信号混频输出外差信号，使得本地接收机对接收到的弱信号使用效率低， 影响激光雷达的检测性能。接收端使用两个光电转换器分别输出接收信号与外差信号，这 也增加了激光雷达的设备成本。因此，虽然丰田中央研究所的脉冲式方法从原理上可以实 现距离和速度的同步测量，但在测量性能以及成本方面还远不能满足车载激光雷达的要 求。例如，在高速公路上，法定速度可达120km/h，当两辆车相对运动时其相对速度为240km/ h。考虑到实际中的超速驾驶的情况，最大速度还会进一步增加。还有前方车辆以一定速度 远离本车时，其速度极限在法定情况下可考虑为_120km/h(负号表示方向，即远离本车），这 也是丰田中央研究所的方法无法测量的。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种同步测量，效率高，性能 高，测量范围广的车载激光雷达距离速度测量方法。
[0006] 本发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，由激光驱动电路驱动激光器产生幅度连续的窄线宽单频激光；
[0008] 步骤二，分光器将激光器输出的窄线宽单频激光中测量光输出到电光调制器，剩 余的参考光通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信号；
[0009] 步骤三，本地脉冲产生电路生成伪随机码，并由伪随机码驱动电光调制器对窄线 宽单频激光的幅度调制，获得激光雷达的探测信号；
[0010] 步骤四，将探测信号通过掺铒光纤放大器使光信号峰值功率放大到100W量级以上 形成放大光信号，并将放大光信号通过准直镜头投射到测量目标上；
[0011] 步骤五，将放大光信号与参考信号混频输出外差信号；
[0012] 步骤六，计算外差信号与调制码的相关函数，由相关函数峰值确定窄线宽单频激 光飞行时间，进而获得目标的距离；以及
[0013] 步骤七，分析外差信号采样获得的非等间隔数据，得到运动目标产生的多普勒信 号的频率，从而获得运动目标的速度。
[0014] 发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，步骤二中 声光调制器对本地参考信号产生频率偏移的偏移值大小以将负频率整体搬移到正频率范 围为准则，且最低频率要满足外差信号一个周期小于发射信号的长度。
[0015] 发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，外差信号 表示为：
[0016] ,v/; (/) = ￡', E? (1) c〇s{2^'/;/ + (p2-(p^) ^
[0017] Ei为本地参考光功率，
[0018] E2(t)为接收信号光功率，
[0019] fD为接收光与参考光之间的频差，
[0020] 以脉冲宽度为采样周期对外差信号采样，得到的采样数据与调制码计算相关函 数。
[0021] 发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，非等间隔 数据的采样信号频率分析方法：
[0022]根据傅里叶变换公式：
[0023] ^W= - (1)
[0024] 这里f(t)为时域信号，
[0025]为了在计算机上获得连续信号的频谱，必须先对连续信号加窗，假设窗函数为一 个定义在[0，T]区间上的矩形函数，幅度为1，则公式(1)变换为：
[0026] ° (2：)
[0027] 对积分区间用N点采样，公式(2)变换为下面的求和式：
[0028] F{co)^V ^'AT, 糾 (3)
[0029] t为采样数据点的时间位置，
[0030] ATi(i = 0，l，."，N_2)为区间[ti，ti+i]的间隔，若 ATi= AT2 =…=A Tn-2= A T， 公式(4)就可变换为有限序列的傅里叶变换：
[0032] FS = 1/AT 为采样率，
[0033]经典数字信号处理中，离散傅里叶变换定义为：
[0035] k为数字频率，
[0036]比较式(4)和式(5)，可以得到：
[0037] ti = to+n A T (6)
[0039]由式(6)和式(7)，可以根据数字值n和k求出模拟时间和模拟频率，对公式(3)进行 变换使之具有公式(4)的形式：
[0041] = 对于幅度受调制的外差信号，A h为两个1码之间的时间间隔。
[0042]发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征：其中，对公式 (3)进行变换使之具有公式(4)的形式是为了使快速傅里叶变换算法能够用于非等间隔采 样模拟信号，将信号幅度乘以两个1码间隔的过程称为信号幅度修正，经幅度修正后的信号 就可以直接使用快速傅里叶变换完成外差信号的频率分析。
[0043]发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，窄线宽单 频激光为脉冲序列，可通过使用掺铒光纤放大器放大发射信号的峰值功率。
[0044]发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，激光器为 窄线宽单频半导体激光器。
[0045] 发明提供的车载激光雷达距离速度测量方法，还具有这样的特征:其中，分光器采 用99 :1分光器将激光器输出的窄线宽单频激光中99 %测量光输出到电光调制器，剩余的 1%通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信号。
[0046] 发明作用与效果
[0047]根据本实施例所涉及车载激光雷达距离速度测量方法，窄线宽单频激光为脉冲序 列，可提高激光雷达的探测稳定性，同时满足激光安全使用标准;使用单个光电检测器一方 面可以提高接收信号的使用效率，另一方面可以节约一个分光器和一个光电转换器，降低 设备成本;伪随机码调制光源幅度对光源的调制可通过外部调制方式实现，相比于光频率 调制、相位调制具有操作简单，价格低廉的优点；使用伪随机码调制发射光源幅度，不需要 向调制码中插入周期码，使调制码的相干性得到保持，另外提高了速度测量的范围，使道路 环境中的运动目标速度均可以被检测；使用相干检测的方法可通过本地信号放大接收信 号，相比于直接检测具有探测灵敏度高的优点;对接收的外差信号做简单的幅度修正后，直 接使用快速傅里叶变换算法分析外差信号的频率，具有运算速度快、抗噪性能好的特点，且 有专用FFT硬件模块完成该工作，系统成本低;可工作于多目标环境。
【附图说明】
[0048]图1是本发明在实施例中的激光雷达的结构原理图；
[0049] 图2是本发明在实施例中的光电转换器输出外差信号波形；
[0050] 图3是本发明在实施例中的使用外差法与直接检测法光电转换器输出信号与调制 码相关函数的比较图；
[0051] 图4是本发明在实施例中的给出不同多普勒频率下，相关函数峰值受接收信号相 位影响的情况，也给出相关函数最大峰值与次峰值的比较图；
[0052] 图5是本发明在实施例中的给出光电转换器输出的外差信号波形以及用于分析多 普勒信号频率的经幅度修正的外差信号波形图；以及
[0053]图6是本发明在实施例中的给出非等间隔采样信号频谱分析方法获得的各种频率 信号的频谱图。
【具体实施方式】
[0054]以下参照附图及实施例对本发明所涉及的车载激光雷达距离速度测量方法作详 细的描述。
[0055]图1是本发明在实施例中的激光雷达的结构原理图。
[0056]如图1所示用于测量目标距离车载激光雷达结构原理框图，所使用的激光器为窄 线宽单频半导体激光器，输出光保持线偏振。
[0057]步骤一:激光驱动模块驱动激光器工作于连续波模式，输出幅度连续的窄线宽单 频激光，进入步骤二。
[0058] 步骤二:99:1分光器将激光器输出的窄线宽单频激光中的99 % (测量光)输出到电 光调制器，剩余的1% (参考光)通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信号，进 入步骤三。
[0059]如果不对本地参考信号产生频率偏移，当外部目标为静止时，接收端输出外差信 号的幅度受接收信号相位的影响，而相位是一个随机值，因而检测性能不稳定。另外，运动 目标有靠近和远离两种运动方式，为了辨别运动方向，也需要将频率产生一定的偏移。偏移 值的大小以将负频率整体搬移到正频率范围为准则，且最低频率要满足外差信号一个周期 小于发射信号的长度。
[0060]测量光与本地光功率分配方案：
[0061 ]参考光可放大接收信号光功率，但参考光的噪声也被引入并被放大，故本地参考 光不宜过强。用于车载激光雷达的光电检测器可以容易地检测微瓦级光信号，激光器输出 光在毫瓦级，故用于测量光与本地光的分光器选用99:1分光器。
[0062]步骤三：电光调制器调制连续光的幅度，使光幅度的变化符合伪随机码的规律，即 良好的自相关特性。本地脉冲产生电路生成伪随机码，并由伪随机码驱动电光调制器对窄 线宽单频激光的幅度调制，获得激光雷达的探测信号，进入步骤四。
[0063]步骤四：将探测信号通过掺铒光纤放大器使光信号峰值功率放大到100W量级以上 形成放大光信号，并将放大光信号通过准直镜头投射到测量目标上，进入步骤五。
[0064] 步骤五:发射至声光调制器的窄线宽单频激光经声光调制器将光频率下移用作本 地的参考信号，下移的值要满足输出外差信号的频率均位于正频率，进入步骤六。
[0065]声光调制器使本地参考光频率下移的值：
[0066] 使用1550nm波长的激光器作为光源时，本车静止，对方车辆以180km/h的速度远离 本车时，激光雷达接收到的反射信号频率下移64.5MHz;本车与对方车辆均以180km/h速度 相对运动时，激光雷达接收到的反射信号频率将上移129MHz。为了使输出外差信号频率均 位于正频率范围内，本地参考信号频率至少下移64.5MHz。另外，如果输出外差信号频率过 低，会引起输出信号幅度受相位影响而发生随机变化。例如，本地参考信号与接收信号同频 且相位正交时，输出信号幅度为零，将无法测量目标的距离和速度。还有，从声光调制器实 现的难易度方面考虑，本激光雷达装置可选用声光调制器，将本地参考光下移频率80MHz， 输出外差信号的频率位于15.5MHz到209MHz之间。
[0067] 步骤六:本地参考信号与接收信号混频，经光电转换器输出外差信号，如图2所示。 计算外差信号与调制码的相关函数，由相关函数峰值确定窄线宽单频激光飞行时间，进而 获得目标的距离，进入步骤七。
[0068] 外差信号与调制码相关函数的计算：
[0069]光电转换器输出的外差信号可表不为：
[0070] sb (t) = E^E2 (t) cos{27ifDt + (p2-(px) (9)
[0071] 其中Ei为本地参考光功率，E2(t)为接收信号光功率，fD表示接收光与参考光之间 的频差。
[0072] 以脉冲宽度为采样周期对输出信号采样，得到的采样数据与本地调制码计算相关 函数。
[0073]步骤七:信号处理单元模块通过计算外差信号与调制码的相关函数，由相关函数 峰值位置确定激光飞行时间，即可计算出目标的距离。分析外差信号采样获得的非等间隔 数据，通过由本发明提供的非等间隔傅里叶频谱分析方法计算多普勒信号的频率，即可计 算出测量目标的径向运动速度。
[0074]非等间隔采样信号频率分析方法：
[0075]根据定义，傅里叶变换为：
[0077] 这里f(t)为时域信号。为了在计算机上获得连续信号的频谱，必须先对连续信号 加窗。假设窗函数为一个定义在[0，T]区间上的矩形函数，幅度为1，则公式(1)变换为：
[0078] F(fo>) =,f/(/)(，."'V/. :〇 (2:)
[0079] 对积分区间用N点采样，公式(2)变换为下面的求和式：
[0080] F{(?)= I j\l； )e !l，>，' fc〇: (3):
[0081] 这里U、六1'1(1 = 0，1，"_，^2)分别表示采样数据点的时间位置以及区间[七131+1] 的间隔。如果AT 1= AT2 =…=ATn-2= AT，公式⑶就可变换为有限序列的傅里叶变换：
[0083] 这里Fs = 1/A T表示采样率。
[0084]经典数字信号处理中，离散傅里叶变换定义为：
[0086] 这里k表示数字频率。
[0087]比较公式(4)和公式(5)，可以得到：
[0088] ti = to+n A T (6)
[0090]由公式(7)和公式(8)，可以根据数字值n和k求出模拟时间和模拟频率。因此当模 拟信号等间隔采样时，快速傅里叶变换方法可以用来计算模拟信号的频谱。为了使快速傅 里叶变换算法能够用于非等间隔采样模拟信号，需要对公式(3)做适当的变换使之具有公 式(4)的形式：
[0092] 这里△石:对于幅度受调制的外差信号，△ L为两个1码之间的时间间 ...〇 隔。将信号幅度乘以两个1码间隔的过程称为信号幅度修正，经幅度修正后的信号就可以直 接使用快速傅里叶变换完成外差信号的频率分析。
[0093] 下面具体举例对本发明进行说明：
[0094] 例一：
[0095]调制码宽度设为2ns，信号长度为770ns，接收信号多普勒频率为129MHz，计算外差 信号与调制码的相关函数，观察相关函数峰值受多普勒频率调制的影响，结果如图3虚线所 示。同等信号峰值功率情况下，直接检测(接收信号未被多普勒频率调制)输出的相关函数 峰值由实线表示。因为多普勒频率的调制效应使输出相关函数的峰值有所下降，但注意到 相干检测本地信号对接收信号具有放大作用，实际检测性能是优于直接检测。
[0096]例二：
[0097] 距离检测性能主要由相关函数峰值决定，本实施例考察最大峰值与次峰值之间的 差值，差值越大表明抗噪声性能越好。另外，从公式(9)可以看出，输出的外差信号瞬时功率 受相位影响。本实施例考察在相位从〇到231之间变化时，相关函数峰值与次峰的变化，结果 如图4所示。接收信号多普勒频率选取16MHz、60MHz、129MHz和209MHz四个典型值，均位于 15.5~209MHz区间范围内。结果表明最大峰值与次峰值之间的差值几乎不受相位的影响， 表明接收信号到达时间的随机性不影响激光雷达的检测性能，因此计算外差信号与调制码 相关函数可用于距离检测。
[0098] 例三：
[0099]本实施例检验非等间隔采样信号频谱分析方法用于分析多普勒信号频率的可行 性。同样选取16MHz、60MHz、129MHz和209MHz四个典型值，对四个频率的信号按调制码宽度 的采样周期采样，对采样数据按公式(8)做幅度修正，然后采用经典快速傅里叶变换算法对 幅度修正的数据做傅里叶分析，可求出多普勒信号的频率，分析结果如图6所示。
[0100] 实施例的作用与效果
[0101] 根据本实施例所涉及车载激光雷达距离速度测量方法，窄线宽单频激光为脉冲序 列，可提高激光雷达的探测稳定性，同时满足激光安全使用标准;使用单个光电检测器一方 面可以提高接收信号的使用效率，另一方面可以节约一个分光器和一个光电转换器，降低 设备成本;伪随机码调制光源幅度对光源的调制可通过外部调制方式实现，相比于光频率 调制、相位调制具有操作简单，价格低廉的优点；使用伪随机码调制发射光源幅度，不需要 向调制码中插入周期码，使调制码的相干性得到保持，另外提高了速度测量的范围，使道路 环境中的运动目标速度均可以被检测；使用相干检测的方法可通过本地信号放大接收信 号，相比于直接检测具有探测灵敏度高的优点;对接收的外差信号做简单的幅度修正后，直 接使用快速傅里叶变换算法分析外差信号的频率，具有运算速度快、抗噪性能好的特点，且 有专用FFT硬件模块完成该工作，系统成本低;可工作于多目标环境。
[0102] 上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于，包括： 步骤一，由激光驱动电路驱动激光器产生幅度连续的窄线宽单频激光； 步骤二，分光器将所述激光器输出的所述窄线宽单频激光中测量光输出到电光调制 器，剩余的参考光通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信号； 步骤三，本地脉冲产生电路生成伪随机码，并由所述伪随机码驱动所述电光调制器对 所述窄线宽单频激光的幅度调制，获得激光雷达的探测信号； 步骤四，将所述探测信号通过掺铒光纤放大器使光信号峰值功率放大到IOOW量级以上 形成放大光信号，并将所述放大光信号通过准直镜头投射到测量目标上； 步骤五，将所述放大光信号与所述参考信号混频输出外差信号； 步骤六，计算所述外差信号与调制码的相关函数，由所述相关函数峰值确定所述窄线 宽单频激光飞行时间，进而获得目标的距离；以及 步骤七，分析所述外差信号采样获得的非等间隔数据，得到运动目标产生的多普勒信 号的频率，从而获得所述运动目标的速度。2. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述步骤二中声光调制器对本地参考信号产生频率偏移的偏移值大小以将负频 率整体搬移到正频率范围为准则，且最低频率要满足所述外差信号一个周期小于发射信号 的长度。3. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述外差信号表示为：E1为本地参考光功率， E2(t)为接收信号光功率， ft为接收光与参考光之间的频差， 以脉冲宽度为采样周期对所述外差信号采样，得到的采样数据与所述调制码计算所述 相关函数。4. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述非等间隔数据的采样信号频率分析方法： 根据傅里叶变换公式：CD 这里f(t)为时域信号， 为了在计算机上获得连续信号的频谱，必须先对连续信号加窗，假设窗函数为一个定 义在[0，τ]区间上的矩形函数，幅度为1，则公式(1)变换为：(!) 对积分区间用N点采样，公式(2)变换为下面的求和式：为采样数据点的时间位置， ATi(i = 0，l，···，N-2)为区间[ti, ti+i]的间隔，若 ΔΤι= ΔΤ2=…=Δ Tn-2 = Δ T，公式 (4)就可夺拖为有限序列的俥里叶夺拖，FS = 1/AT为采样率， 经典数字信号处理中，离散傅里叶变换定义为：(51 k为数字频率， 比较式(4)和式(5)，可以得到： ti = to+n Δ T (6)·): 由式(6)和式(7)，可以根据数字值η和k求出模拟时间和模拟频率，对公式(3)进行变换 使之具有公式(4)的形式：觸 /(/,_) = /(/,_)△/；对于幅度受调制的所述外差信号，Δ T1为两个1码之间的时间间隔。 ... ... ...，5. 根据权利要求4所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，对所述公式(3)进行变换使之具有所述公式(4)的形式是为了使快速傅里叶变换 算法能够用于非等间隔采样模拟信号， 将信号幅度乘以两个1码间隔的过程称为信号幅度修正，经幅度修正后的信号就可以 直接使用所述快速傅里叶变换完成所述外差信号的频率分析。6. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述窄线宽单频激光为脉冲序列，可通过使用所述掺铒光纤放大器放大发射信 号的峰值功率。7. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述激光器为窄线宽单频半导体激光器。8. 根据权利要求1所述的车载激光雷达距离速度测量方法，其特征在于： 其中，所述分光器采用99:1分光器将所述激光器输出的所述窄线宽单频激光中99%测 量光输出到电光调制器，剩余的1 %通过生光调制器产生频率偏移，用于本地作为参考信 号。
【文档编号】G01S17/32GK105891841SQ201610259484
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】毛雪松, 王瑞东
【申请人】武汉科技大学