在调频连续波(FMCW)激光雷达系统中跨帧改变波形技术方案

本文档描述了用于在激光雷达系统中跨帧改变波形的技术和系统。所描述的激光雷达系统针对连续帧的相同像素发射具有不同波形的信号，以避免返回信号与噪声尖峰或另一返回信号的频率分量重叠。对于连续帧的相同像素，可以使用不同的频率调制、不同的振幅调制、或它们的组合来形成不同的波形。激光雷达系统可以自动地或响应于确定初始帧的返回信号的信噪比低于阈值，来改变针对后续帧的相同像素的发射信号的波形。通过这种方式，激光雷达系统可以增大返回信号的信噪比。这些改进允许激光雷达系统增大其确定反射返回信号的对象的特性的准确性。准确性。准确性。

【技术实现步骤摘要】
在调频连续波(FMCW)激光雷达系统中跨帧改变波形

技术介绍

[0001]汽车激光雷达(lidar)系统使用激光信号来确定静止的对象和移动的对象(例如其他交通工具(vehicle)、行人、障碍物)的速度和距离(distance)。调频连续波(FMCW)激光雷达是用于下一代自主驾驶传感器的一项很有前途的技术，因为它具有很强的信噪比(SNR)、对环境光的免疫、以及对附近对象的距离和距离变化率(range rate)的直接测量。
[0002]FMCW激光雷达系统可以通过比较被反射的返回信号与其对应的射出的激光信号来测量距离和距离变化率信息。在一些情况下，激光雷达系统可能具有与返回信号重叠的噪声尖峰(spike)。噪声尖峰可能来自外部源和内部源。外部噪声源可包括阳光、来自其他激光雷达系统的杂散激光信号、以及其他返回信号。内部噪声源可包括接收器或检测器的噪声以及伴随激光雷达系统的部件的热噪声。激光雷达系统将噪声尖峰与返回信号分开可能具有挑战性。因此，重叠噪声可降低FMCW激光雷达系统的准确度，这可使激光雷达系统不适用于许多汽车应用。

技术实现思路

[0003]本文档描述了用于在FMCW激光雷达系统中跨帧改变波形的技术和系统。例如，本文档描述了一种用于在FMCW激光雷达系统中跨帧改变波形的方法。所描述的方法针对连续帧的相同像素发射和接收具有不同波形的信号。波形包括频率调制、振幅调制或它们的组合。两个连续帧中的后续帧的发射信号的波形具有与两个连续帧中的初始帧的发射信号的波形不同的频率调制或振幅调制。该方法通过将返回信号与发射信号混合来确定每一帧的返回信号的拍频(beat frequency)。后续帧的返回信号的拍频的中心频率或边带频率分别与初始帧的返回信号的拍频的中心频率或边带频率不同。
[0004]本文档还描述了激光雷达系统，包括包括用于执行以上总结的方法的装置的激光雷达系统或包括存储指令的计算机可读存储介质的激光雷达系统，该指令当被激光雷达系统的处理器执行时，致使激光雷达系统执行以上总结的方法和本文中阐述的其他方法。
[0005]本
技术实现思路
介绍了用于在FMCW激光雷达系统中跨帧改变波形的简化概念，下面将在具体实施方式和附图中进一步描述该简化概念。本
技术实现思路
并非旨在标识出要求保护的主题的必要特征，亦非旨在用于确定要求保护的主题的范围。
附图说明
[0006]本文档中参考以下附图描述了在FMCW激光雷达系统中跨帧改变波形的一个或多个方面的细节。贯穿附图通常使用相同的数字来引用相似的特征和部件：图1示出了在其中实现了具有跨帧改变波形的FMCW激光雷达系统的示例环境；图2示出了作为交通工具的一部分的所描述的FMCW激光雷达系统的示例实现；图3
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1示出了所描述的跨帧改变波形的FMCW激光雷达系统的示例操作；图3
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2示出了所描述的FMCW激光雷达系统的多个像素的发射信号和返回信号的频率
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时间图以及返回信号的振幅
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时间图；
图4示出了所描述的FMCW激光雷达系统的示例收发器和处理器；图5
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1和图5
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2示出了所描述的FMCW激光雷达系统的发射器、接收器和处理器的示例操作；以及图6示出了由跨帧改变波形的FMCW激光雷达系统执行的示例方法。
具体实施方式
概述
[0007]汽车激光雷达系统是重要的感测技术，一些基于交通工具的系统依靠它来获取与周围环境有关的关键信息。激光雷达系统具有视场，该视场表示空间体积，激光雷达系统在该空间体积内寻找对象。视场由许多像素(例如，一百万个像素)组成。激光雷达系统扫描视场内的每一个像素(例如，收集所有像素的信息)所花费的时间是一帧。在扫描一序列帧中的每个像素时，根据发射的信号的特性，激光雷达系统可以确定附近对象的距离和距离变化率信息(例如分别为距离和径向速度)以及角度信息。
[0008]FMCW激光雷达系统通过射出调频激光信号并通过检测返回信号来扫描每个像素。在一些情况下，激光雷达系统可包括与返回信号的各部分重叠的噪声尖峰。如上所述，噪声尖峰可能来自外部源和内部源。外部噪声源可包括阳光和来自其他激光雷达系统的杂散激光信号。内部噪声源可包括半导体噪声和伴随激光雷达系统的部件的热噪声。一些激光雷达系统很难将噪声尖峰与返回信号分开。因此，这些激光雷达系统可能包含与返回信号重叠的噪声尖峰，这会降低返回信号的信噪比。降低的信噪比降低了这些激光雷达系统的准确度，使它们不太适合许多汽车应用。
[0009]在其他情况下，激光雷达系统可以同时接收与不同像素相对应的多个返回信号。对于一些激光雷达系统来说，将返回信号相互分离具有挑战性。一些FMCW激光雷达系统包括在每个像素之间发射信号时的延迟时间，该延迟时间用于隔离返回信号并避免将返回信号与它们的对应像素相关联时的含糊。该延迟基于所期望的检测范围和置信度而变化(例如，一到十微秒)。发射信号之间的额外时间会降低这些激光雷达系统的帧速率。因此，降低的帧速率可缩短激光雷达系统的反应时间，这可使得它不适用于许多汽车应用。
[0010]本文档描述了用于在FMCW激光雷达系统中跨帧改变波形的技术和系统。该技术和系统针对连续帧的相同像素发射和接收具有不同波形的信号。不同的波形避免返回信号与噪声尖峰或另一返回信号的频率分量重叠。具体地，应用于初始帧的像素的波形与应用于后续帧的相同像素的波形具有不同的调制。不同的调制可以是不同的频率调制、振幅调制、相位调制、或它们的组合。该技术和系统可以自动地或响应于确定连续帧中的初始帧的返回信号的信噪比低于阈值，来改变针对后续帧的相同像素的发射信号的调制。此外，可以针对后续帧中的每个像素或者针对后续帧中的像素子集改变调制。
[0011]该技术和系统在初始帧和后续帧两者中通过将返回信号与其对应的发射信号混合，来确定返回信号的拍频。在后续帧中确定的返回信号的拍频可以与在初始帧中确定的返回信号的拍频进行比较。该技术和系统还可以针对初始帧和后续帧两者基于返回信号的拍频，来确定反射返回信号的对象的特性。所描述的FMCW激光雷达系统通过改变连续帧的相同像素的发射信号的波形来增大返回信号的信噪比。增大的信噪比提高了由所描述的FMCW激光雷达系统确定的距离、距离变化率和角度信息的准确性。
[0012]本文档还描述了通过改变跨连续帧的连续像素的发射信号的波形，来提高将返回信号与其对应像素相关联的置信度的技术和系统。该技术和系统针对连续帧中的初始帧的连续像素发射具有不同振幅调制的信号。该技术和系统随后接收返回信号并将它们在频域中与至少两个模板信号进行比较。模板信号分别包括两个连续像素中的初始像素和后续像素的波形。该技术和系统基于在频域中与模板信号的比较来确定返回信号所对应的像素。在一些情况下，该技术和系统可以改变后续帧的相同像素的发射信号的波形，以解析将返回信号与其对应像素相关联的含糊。在后续帧中，该技术和系统可以改变频率调制、振幅调制、或它们的组合。不同的波形可以提高所描述的激光雷达系统在解析像素间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由调频连续波激光雷达系统执行的方法，包括：在两个连续帧中的初始帧期间：针对两个连续像素中的初始像素发射具有第一波形的第一发射信号，所述第一波形包括第一频率调制、第一振幅调制、或它们的组合；接收第一返回信号，所述第一返回信号包括所述第一发射信号的被对象反射的版本；以及通过将所述第一返回信号与所述第一发射信号混合，来生成第一差拍信号；在所述两个连续帧中的后续帧期间：针对相同的所述初始像素发射具有第二波形的第二发射信号，所述第二波形包括第二频率调制、第二振幅调制、或它们的组合，所述第二频率调制和所述第二振幅调制中的至少一者具有分别与所述第一频率调制和所述第一振幅调制不同的调制；接收第二返回信号，所述第二返回信号包括所述第二发射信号的被所述对象反射的版本；以及通过将所述第二返回信号与所述第二发射信号混合，来生成第二差拍信号，所述第二差拍信号的中心峰值或边带峰值中的至少一者具有分别与所述第一差拍信号的中心峰或边带峰不同的频率；以及将所述第二差拍信号与所述第一差拍信号进行比较，以增大检测所述对象或确定所述对象的特性的置信度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在所述初始帧期间：针对所述两个连续像素中的后续像素发射具有第三波形的第三发射信号，所述第三波形包括第三频率调制、第三振幅调制、或它们的组合；接收第三返回信号，所述第三返回信号包括所述第三发射信号的被其他对象反射的版本；以及通过将所述第三返回信号与所述第三发射信号混合，来生成第三差拍信号；在所述后续帧期间：针对所述后续像素发射具有第四波形的第四发射信号，所述第四波形包括第四频率调制、第四振幅调制、或它们的组合，所述第四频率调制和所述第四振幅调制中的至少一者具有分别与所述第三频率调制和所述第三振幅调制不同的调制；接收第四返回信号，所述第四返回信号包括所述第四发射信号的被所述其他对象反射的版本；以及通过将所述第四返回信号与所述第四发射信号混合，来生成第四差拍信号，其中：所述第四差拍信号的中心峰值或边带峰值中的至少一者包括分别与所述第三差拍信号的中心峰值或边带峰值不同的频率；所述第三频率调制和所述第三振幅调制中的至少一者具有分别与所述第一频率调制和所述第一振幅调制不同的调制；并且所述第四频率调制和所述第四振幅调制中的至少一者具有分别与所述第二频率调制和所述第二振幅调制不同的调制；以及将所述第四差拍信号与所述第三差拍信号进行比较，以增大检测所述其他对象或确定
所述其他对象的特性的置信度。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一波形包括第一频率斜率和第一振幅调制；所述第二波形包括第二频率斜率和第二振幅调制；所述第二频率斜率或所述第二振幅调制中的至少一者分别与所述第一频率斜率和所述第一振幅调制不同；所述第三波形包括第三频率斜率和第三振幅调制；所述第三频率斜率等于所述第一频率斜率，并且所述第三振幅调制不同于所述第一振幅调制；所述第四波形包括第四频率斜率和第四振幅调制；并且所述第四频率斜率等于所述第二频率斜率，并且所述第四振幅调制等于或不同于所述第三振幅调制。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：在针对所述初始帧的所述第一发射信号和所述第三发射信号的至少一部分被发射的检测窗口期间，接收所述第一返回信号和所述第三返回信号，所述第一返回信号和所述第三返回信号形成第一复合返回信号；通过在频域中将所述第一复合返回信号与具有所述第一振幅调制的第一模板信号进行比较，来生成第一比较结果；通过在所述频域中将所述第一复合返回信号与具有所述第三振幅调制的第三模板信号进行比较，来生成第三比较结果；基于所述第一比较结果和所述第三比较结果，确定所述两个连续像素中与所述第一返回信号相对应的第一相应像素和所述两个连续像素中与所述第三返回信号相对应的第三相应像素；在针对所述后续帧的所述第二发射信号和所述第四发射信号的至少一部分被发射的检测窗口期间，接收所述第二返回信号和所述第四返回信号，所述第二返回信号和所述第四返回信号形成第二复合返回信号；通过在所述频域中将所述第二复合返回信号与具有所述第二振幅调制的第二模板信号进行比较，来生成第二比较结果；通过在所述频域中将所述第二复合返回信号与具有所述第四振幅调制的第四模板信号进行比较，来生成第四比较结果；以及基于所述第二比较结果和所述第四比较结果，确定所述两个连续像素中与所述第二返回信号相对应的第二相应像素以及所述两个连续像素中与所述第四返回信号相对应的第四相应像素，其中在所述频域中的比较包括互相关、卷积或匹配滤波过程。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，发射所述第二波形有效地使所述第二差拍信号的所述中心峰值或所述边带峰值中的至少一者移动远离噪声峰值或其他差拍信号中的至少一者。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一波形包括具有第一啁啾模式的至少两个啁啾；并且
所述第二波形包括具有第二啁啾模式的至少两个啁啾，所述第二啁啾模式不同于所述第一啁啾模式。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一波形包括第一频率斜率和第一振幅调制；所述第二波形包括第二频率斜率和第二振幅调制；并且存在以下各项中的至少一项：所述第二频率斜率不同于所述第一频率斜率、或者所述第二振幅调制不同于所述第一振幅调制。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一发射信号具有第一波形持续时间；所述第二发射信号具有第二波形持续时间；并且所述第二频率斜率小于所述第一频率斜率，并且所述第二波形持续时间大于所述第一波形持续时间；或者所述第二频率斜率大于所述第一频率斜率，并且所述第二波形持续时间小于所述第一波形持续时间。9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：确定所述第一返回信号的信噪比低于阈值、或者所述激光雷达系统将所述第一返回信号与所述初始像素进行关联的置信度低于第二阈值；以及调整所述第二波形的所述第二频率调制或所述第二振幅调制中的至少一者，以增大所述激光雷达系统将所述第二返回信号与所述初始像素进行关联的置信度，对所述第二频率调制的调整导致所述第二频率调制不同于所述第一频率调制，并且对所述第二振幅调制的调整导致所述第二振幅调制不同于所述第一振幅调制。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：基于所述第一差拍信号和所述第二差拍信号确定所述对象的特性，其中所述对象的特性包括：从所述激光雷达系统到所述对象的距离、或所述对象相对于所述激光雷达系统的径向速度中的至少一者；以及确认基于所述第二差拍信号确定的所述对象的特性与基于所述第一差拍信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝承晖，M，
申请(专利权)人：安波福技术有限公司，
类型：发明
国别省市：