车载激光雷达距离速度测量方法技术

本发明专利技术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。

Method for measuring range velocity of vehicle borne lidar

Vehicle laser radar speed measurement method provided by the invention has such characteristics, including the following steps: 1, the laser drive circuit drives the laser amplitude continuous narrow linewidth single frequency laser; step two, optical splitter narrow linewidth single frequency laser output in measuring light output to the electro-optic modulator, the remaining the reference light light modulator generates a frequency offset, as for the local reference signal; step three, the pulse generating circuit generates pseudo-random code, the detection signal gain of laser radar; step four, the detection signal is amplified to 100W order form light signal through the erbium-doped fiber amplifier of the optical signal peak power; step five. The light signal and the reference signal output of the heterodyne signal; step six, correlation function calculation and heterodyne signal modulation code, enter And the distance of the target is obtained, and the seven step is to analyze the unequal interval data obtained by the heterodyne signal sampling, so as to obtain the velocity of the moving target.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及为激光雷达
，特别涉及一种车载激光雷达距离速度测量方法。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，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；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；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，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。专利技术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。专利技术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：E1为本地参考光功率，E2(t)为接收信号光功率，fD为接收光与参考光之间的频差，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。专利技术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：根据傅里叶变换公式：F(ω)=∫-∞∞f(t)e-jωtdt---(1)]]>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：F(ω)=∫0Tf(t)e-jωtdt---(2)]]>对积分区间用N点采样，公式(2)变换为下面的求和式：F(ω)=Σi=0N-2f(ti)e-jωtiΔTi---(3)]]>ti为采样数据点的时间位置，ΔTi(i＝0,1,…,N-2)为区间[ti,ti+1]的间隔，若ΔT1＝ΔT2＝…＝ΔTN-2＝ΔT，公式(4)就可变换为有限序列的傅里叶变换：F(ω)=ΔTΣi=0N-2f(ti)e-jωti=1FsΣi=0N-2f(ti)e-jωti---(4)]]>Fs＝1/ΔT为采样率，经典数字信号处理中，离散傅里叶变换定义为：X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk---(5)]]>k为数字频率，比较式(4)和式(5)，可以得到：ti＝t0+nΔT(6)ω=2πf=2π(-12+kN)Fs(k=0,1,...,N-1)---(7)]]>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：F(ω)=Σi=0N-2f(ti)ΔTie-jωti=Σi=0N-2f~(ti)e-jωti---(8)]]>对于幅度受调制的外差信号，ΔTi为两个1码之间的时间间隔。专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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100W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。

【技术特征摘要】
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100W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，fD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：F(ω)=∫-∞∞f(t)e-jωtdt---(1)]]>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：F(ω)=∫0Tf(t)e-jωtdt---(2)]]>对积分区间用N点采样，公式(2)变换为下面的求和式：F(ω)=Σi=0N-2f(ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛雪松，王瑞东，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42