CN112099038B - 一种基于fmcw激光雷达的多物体识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法及装置，所述识别方法包括以下步骤：步骤一、对单个啁啾周期的时域采样K点，通过FFT计算K点的频谱，若单个啁啾周期的频谱存在两个或两个以上的差频，则将K点按照采样先后顺序分成N个时间窗口，每个时间窗口包括M个点；步骤二、对每个时间窗口内的采样序列进行M点的FFT计算获得独立的频谱，找出存在额外差频的窗口；步骤三、分析存在额外差频窗口和前后窗口的特征，根据差频数量的变化规律可以判断出被扫描的多目标物体先后顺序及位置关系，并解算多目标的距离值与速度值。本发明通过采用两个不同点数的FFT计算和频谱分析来处理同一啁啾周期的差频信息，最终解算出不同物体的距离和速度。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达信号处理方法领域，具体涉及一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法及装置。
背景技术
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)体制是一种重要的雷达类型，有着高精度和可以测量速度的优点，配合扫描系统可以实现3D空间的信号捕捉。
线性扫描的FMCW激光雷达系统，上下啁啾扫描会产生不同的差频信号，这两个差频信号通过解方程组的方式可以得出目标物体与扫描系统之间的距离和速度关系。若扫描对象是多物体，在扫描过程中，很有可能会扫描到物体的边缘，此时单个啁啾周期的扫描过程中会在频谱上得到两个不同的差频信号。例如，两个同样高度的被测物体2在被测物体1之前并部分遮挡被测物体1，在一个啁啾周期内采样K个点，被测物体1和被测物体2的差频信息会同时存在于FFT后的频谱上，而在下一个啁啾周期内就没有被测物体1的差频信息，这种情况下无法计算出被测物体1的距离和速度。
同时，由于激光雷达的光斑在激光发射点距离目标较远时可能很大，较大的光斑会照射到更多的物体上，最终产生的差频信号很可能大于两个，如何区分不同的差频信号和被测物体的对应关系也是需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，本发明通过同时使用不同点数的FFT,配合扫描顺序，推断出不同被扫描物体的空间位置关系。此外，本发明还要提供一种基于FMCW激光雷达的多物体识别装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，包括以下步骤：
步骤一、在激光雷达扫描的过程中，光斑会照射到被扫描物体，物体的反射通过光学系统和光电转换成为连续的模拟电信号。对单个啁啾周期的电信号进行连续采样K点，通过K点的FFT计算获得这个啁啾周期的频谱，若单个啁啾周期的频谱上存在两个或两个以上的差频，则将K点按照采样先后顺序分成N个时间窗口，每个时间窗口包括M个点，K＝M*N；
步骤二、对每个时间窗口内的M个采样点单独进行FFT计算获得频谱，找出在频谱上存在多个差频的窗口；
步骤三、分析存在多个差频窗口和前后窗口的状态，差频数量出现变化的相邻窗口可以确定空间中被光斑扫描到的物体数量在这一时间段发生了变化，从而判断出多个物体在空间上的先后顺序及位置关系，进而根据该关系和前后啁啾的判断结果解算出多目标的距离值与速度值。
作为优选的技术方案，所述步骤三中，若存在两个差频的窗口只有一个，根据该窗口在采样序列的位置可以判断被扫描到的物体在何时发生了变化：当该窗口在序列第一个时，可以认为在第一个窗口内被扫描到的物体从两个变化成一个；当该窗口在序列最后一个时，可以认为在最后一个窗口内被扫描到的物体从一个变化成两个。只有单一差频的窗口的频谱可以获得差频f1′，有两个频率分量的窗口同时有差频f1′和f2′，则可以认为差频f2′对应了额外增加的那个物体。根据以上分析的结果和前后啁啾周期的分析结果可以解算出这二个被扫描物体的速度与距离信息。需要特别注意的是，当存在两个差频的窗口即不在序列第一个，也不在最后一个时，说明该物体较小，只能解算出近似的距离。
作为优选的技术方案，所述步骤三中，若存在两个差频的窗口大于一个，且存在两个差频的窗口是连续的，则同样可以根据这几个窗口在整个采样序列中的位置来判断被扫描物体的位置关系：当该组窗口在序列开始的位置时，可以认为在这组窗口内有两个物体被扫描到并且在这组窗口的最后一个窗口内被扫描到的物体从两个变为一个；当该组窗口在序列最后的位置时，可以认为在这组窗口内有两个物体被扫描到并且在这组窗口的第一个窗口内被扫描到的物体从一个变为两个。同样可以通过差频的变化关系区分出两个物体在空间上的关系并根据差频进行解算。两种特殊的情况：当所有的窗口都有两个差频时，可以认为一直有两个物体被扫描到，这种情况下需要利用到不同物体反射率有差异的特性，同时结合前后两个啁啾的信息，对前后啁啾的差频信号进行频谱强度匹配，来确定物体关系；如果窗口组即不在序列开始也不在序列结束部分，同样说明该物体较小，只能解算出近似的距离。
作为优选的技术方案，若存在多差频的窗口内差频数量大于2个，依然可以根据之前的规律进行分析：当存在有A个差频的窗口和B个差频的窗口，同时A大于B，那么当差频数量发生变化的相联两个窗口，可以认为差频较多的那个窗口被扫描的物体数量发生了变化，同时A窗口额外的差频即对应额外的物体，再根据前后啁啾周期的分析结果进行差频匹配，最后解算出对应物体的速度和距离。
作为优选的技术方案，单个啁啾周期为10us，其对应的调频连续波的带宽为1.5GHz。
本发明的第二方面，提供一种基于FMCW激光雷达的多物体识别装置，应用于上述的多物体识别方法，其特征在于，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的机械结构、用于采集采样点的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。
作为优选的技术方案，所述机械结构为MEMS振镜，所述采集模块为ADC芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过采用两个不同点数的FFT处理同一啁啾周期的差频信息，观察被扫描物体的差频变化规律，从而推断出物体的空间关系，最终解算出不同物体的距离和速度关系，区分不同物体的空间位置关系。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为FMCW激光雷达的探测原理图。
图2为实施例1多物体识别的方法原理图。
图3为实施例2多物体识别的方法原理图。
图4为实施例4多物体识别的方法原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，雷达信号的频率以三角波的形式线性变化，其频率为f，f＝f0±at，f0为初始频率，a为频率变化速率，t为单一啁啾扫描时间。图中，实线为出射雷达信号，虚线为回波信号，回波信号的频率为f＇。出射雷达信号与回波信号之间产生相对的延时dt，其中R为雷达和反射物体的距离，c为光速。雷达信号与回波信号通过混频器或者耦合器，经过ADC采样，再经过FFT计算分别获得上啁啾和下啁啾对应的频谱，通过频谱分析可分别得到差频f2和f1，通过公式能够计算出对应点云处的速度与距离，即R为目标在该点云处的距离，V为目标在该点云处的速度，Tm为每个点云对应的扫描周期即2t，c为光速，Ω是调频连续波的带宽；f1为下啁啾对应的差频即f＇-f，f2为上啁啾对应的差频即f-f＇。值得注意的是，差频信号在扫描转折时是变化的，不能用于计算距离和速度信息。如果缺失一个啁啾周期的信息，则只能假定f2＝f1，从而计算出一个近似距离，而速度则无法获得。
若要使用激光雷达获得3D空间的信息，则需要配合扫描系统，扫描系统可以基于MEMS振镜或者机械结构，可以是旋转棱镜也可以旋转镜头，本实施例中采用的是MEMS振镜。扫描系统的核心是将FMCW激光以一定的运动轨迹扫描通过视场，然后和返回的光信号进行混频来获得差频信号，然后分析出扫描轨迹对应的空间物体关系。
本发明需要对于同一啁啾周期的时域采样K点，在激光雷达扫描的过程中，光斑会照射到被扫描物体，物体的反射通过光学系统和光电转换成为连续的模拟电信号，对单个啁啾周期的电信号进行连续的K点采样，分别使用两种点数的FFT计算处理采样的K点的差频：将K点采样按照采样先后顺序分成N个窗口，每个窗口内包括M个采用点，对每个窗口的M个采样点单独进行FFT计算可以得出每个采用窗口内被测物体的差频，相当于将一个啁啾周期细分为N个小的时间窗口进行测量。
因为啁啾扫描周期和空间扫描系统在时间上一一映射，观察每个小的时间窗口出现的差频，当发生扫描至物体边沿的情况时，对应窗口的FFT计算的结果不再是单一的差频信号，根据变化的发生在哪个小窗口就可以推断出被测物体在空间上是先被扫描到还是后被扫描到。根据此关系，先被扫描到的物体差频需要和前一个啁啾的差频进行计算，后一个被扫描的物体差频需要和后一个啁啾的差频计算,进而根据该位置关系和前后啁啾的判断结果解算出多目标的距离值与速度值。
因为FFT点数较少而频率精度较低，在计算时，可以对整个K点进行FFT计算获得整个啁啾周期的频谱，这个计算结果中包括了所有在这个啁啾周期中被测物体的差频。在不需要频率精度的应用场合可以直接用小窗计算的FFT差频进行距离和速度计算。但是在需要高精度的频率时，需要使用K点FFT的计算结果：如果在单一啁啾周期内被扫描到的物体有两个的时候，频谱分析的结果上会有两个差频分量，所以要根据小窗频谱进行分析。先被扫到的物体的差频在小窗的频谱上和整个啁啾周期的频谱中的某一个差频分量在频率值上接近，后被扫到的物体的差频在小窗的频谱和整个啁啾周期的频谱中的另一个频率分量在频率值上接近，根据此关系可以推断出K点FFT的计算结果这两个频率分量对应的物体是哪个。当该存在两个差频的窗口在序列第一个时，可以认为在第一个窗口内被扫描到的物体从两个变化成一个；当该存在两个差频的窗口在序列最后一个时，可以认为在最后一个窗口内被扫描到的物体从一个变化成两个；若连续的存在两个差频的窗口即不在序列开始部分也不在序列结束部分，则额外增加的物体的体积相对另一个物体较小，只能解算出的额外增加的物体的近似距离。
需要注意的是该结论无法适用于速度极快的场合，此时的系统响应速度无法根上物体的距离变化量，但是依然可以根据小窗分析出物体的距离变化趋势。当N个时间窗口同时存在2个频率时，可以认为扫描一直沿着物体边缘进行，这个时候需要根据FFT计算结果的强度信息来进行被测物体的匹配。通过在小窗中寻找前一个啁啾或者后一个啁啾中强度相近的差频信号，来和本啁啾的差频信号的强度进行比对计算，将强度差值较小的信号匹配在一起，然后解算出距离和速度。
当存在多差频的窗口内差频数量大于2个时，依然可以根据之前的规律进行分析：当存在有A个差频的窗口和B个差频的窗口，同时A大于B，如果差频数量发生变化的是相联两个窗口，可以认为在差频较多的那个窗口A窗口被扫描的物体数量发生了变化，同时A窗口额外的差频即对应额外的物体，再根据前后啁啾周期的分析结果进行差频匹配，最后解算出对应物体的速度和距离。
下面通过几个具体的实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
如图2所示，两个同样高度的被测物体2在被测物体1之前且部分遮挡被测物体1，ADC芯片采集K个采样点，将K点序列分成4个窗口，每个窗口包括四分之K个采样点，即N＝K,M＝K/4。
当扫描通过第一个小窗时，只能采样到被测物体1的差频f1‘，当通过第二个小窗时，可以观察到有两个差频，当通过第三个和第四个小窗时，只剩下被测物体2的差频f2‘。因为光源在空间扫描的顺序是从第一个小窗到第四个小窗，所以可以认定小窗1获得的差频f1‘和前一个啁啾相关，如果对于FFT精度要求不高，可以直接用f1‘和前一个啁啾周期的信息解算出被测物体1的距离和速度。如果需要高精度FFT计算，则需要使用经过K点FFT计算的结果。此时K点计算的结果会有两个差频分量f1和f2：假定f1和第一个小窗计算出的被测物体1的频率f1‘在差频上接近；f2和第三，四个小窗计算出的被测物体2的差频f2‘在频率上接近，我们可以认为f1就是被测物体1在这个啁啾周期内对应的差频，f2为被测物体2在这个啁啾周期内对应的差频。定义这个啁啾周期的上一个啁啾周期内对应的差频为f3，这个啁啾周期的下一个啁啾周期内对应的差频为f4，则f1与f3分别对应被测物体1相邻的下啁啾和上啁啾所对应的差频值，由此计算出被测物体1的速度和距离信息；则f2与f4分别对应被测物体2相邻的下啁啾和上啁啾所对应的差频值，由此计算出被测物体1和被测物体2的速度和距离信息。
需要申明的是，本方法所取的FFT点数K，和小窗的数量4并不限于文中假设的数量。
实施例2
如图3所示，本实施例是基于实施例1的延伸，被测物体1与被测物体2存在高度差，被测物体2无法遮挡被测物体1。ADC芯片采集K个采样点，将K点序列分成4个窗口，每个窗口包括四分之K个采样点，即N＝K,M＝K/4。
当扫描通过第一个小窗时，只能采样到被测物体1的差频f1‘，当通过第二个小窗时，可以观察到有两个差频，此时扫描通过第三窗和第四窗的时候，依然能获得两个物体的差频f1‘与f2‘，因为光源在空间扫描的顺序是从第一个小窗到第四个小窗，所以可以认定被测物体1对应差频f1‘既前一个啁啾相关又和后一个啁啾相关，在计算时，分别与前一个啁啾周期与后一个啁啾周期进行计算，被测物体2对应的差频f2‘只和后一个啁啾相关。
由于后一个啁啾周期出现两个被测物体的差频，两个被测物体的距离和速度需要分开计算。具体如下：取本啁啾周期第四窗口的两个差频f1‘与f2‘，下一个啁啾周期的第一窗口的两个差频f3‘和f4‘，将强度近似的两个差频认定为同一个物体的两个啁啾周期的差频，例如，f1‘和f3‘接近，f2‘和f4‘接近，再将各个啁啾周期采用K点计算差频，假定，本啁啾周期的两个差频分量为f1和f2，下一个啁啾周期的两个差频分量为f3和f4，则f1与f3分别对应被测物体1相邻的下啁啾和上啁啾所对应的差频值，由此计算出被测物体1的速度和距离信息；则f2与f4分别对应被测物体2相邻的下啁啾和上啁啾所对应的差频值，由此计算出被测物体1的速度和距离信息。
实施例3
基于实施例1的延伸，如果4个窗口均测量到差频f1‘和f2‘，那么可以认为扫描光斑一直照射到了两个物体，比如在物体边缘进行扫描。此时的计算过程如下：本啁啾周期的两个差频分量为f1和f2，上一个啁啾周期的两个差频分量为f3和f4，下一个啁啾周期的两个差频分量为f5和f6，将强度近似的两个差频认定为同一个物体的两个啁啾周期的差频，例如f1、f3、f5接近，f2、f4、f6接近，则f1与f3一组，f1与f5一组，分别计算被测物体1的距离和速度信息；f2与f4一组，f2与f6一组分别计算被测物体2的距离和速度信息。如果光斑足够大，可能同时照射到3个及以上物体，和上述的处理方式一样，依然需要强度匹配，再进行计算。
实施例4
一种很特殊的情况需要考虑，在被测物体在较远距离或者被测物体很小的情况下，当物体对应的差频只出现在某个小窗或者部分小窗的时候，我们是无法通过前后啁啾计算出物体的实际速度和距离的。这个时候我们可以根据静态的距离公式计算出该物体的近似距离，但是需要告知后端的系统该物体的特殊性。
本发明还提供一种基于FMCW激光雷达的多物体识别装置，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的机械结构、用于采集采样点的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。机械结构为MEMS振镜，采集模块为ADC芯片。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (8)
1.一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在激光雷达扫描的过程中，光斑会照射到被扫描物体，物体的反射通过光学系统和光电转换成为连续的模拟电信号，对单个啁啾周期的电信号进行连续的K点采样，通过K点的FFT计算获得这个啁啾周期的频谱，若单个啁啾周期的频谱上存在两个或两个以上的差频，则将K点按照采样先后顺序分成N个时间窗口的序列，每个时间窗口包括M个点，K＝M*N；
步骤二、对每个时间窗口内的M个采样点单独进行FFT计算获得频谱，找出在频谱上存在额外差频的窗口；
步骤三、分析存在额外差频窗口和前后窗口的状态，根据差频数量出现变化的相邻窗口确定空间中被光斑扫描到的物体数量在该时间段发生了变化，从而判断出多个物体在空间上的先后顺序及位置关系，进而根据位置关系和前后啁啾的判断结果解算出多目标的距离值与速度值。
2.如权利要求1所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，所述步骤三中，若存在两个差频的窗口只有一个，根据该窗口在采样序列的位置判断被扫描到的物体在何时发生了变化，即当存在两个差频分量的窗口在序列第一个时，认为在第一个窗口内被扫描到的物体从两个变化成一个；当存在两个差频分量的窗口在序列最后一个时，认为在最后一个窗口内被扫描到的物体从一个变化成两个；只有单一差频分量的窗口的频谱可以获得差频f1 ′，有两个频率分量的窗口同时有差频f1 ′和f2 ′，则认为差频f2 ′对应了额外增加的那个物体，根据差频的分析结果和前后啁啾周期的分析结果解算出这两个被扫描物体的速度与距离信息。
3.如权利要求1所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，所述步骤三中，若存在两个差频的窗口大于一个，且存在两个差频的窗口是连续的，则根据出现连续两个差频的窗口在整个采样序列中的位置来判断被扫描物体的位置关系，即当该组窗口在序列开始的位置时，认为在这组窗口内有两个物体被扫描到并且在这组窗口的最后一个窗口内被扫描到的物体从两个变为一个；当该组窗口在序列最后的位置时，可以认为在这组窗口内有两个物体被扫描到并且在这组窗口的第一个窗口内被扫描到的物体从一个变为两个。
4.如权利要求3所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，若所有的窗口都存在两个差频，认为一直有两个物体被扫描到，则利用不同物体反射率的差异，结合前后相邻的两个啁啾，对前后相邻的两个啁啾的差频信号进行频谱强度匹配，确定两个被扫描物体的位置关系。
5.如权利要求1所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，所述步骤三中，若存在多差频的窗口内差频数量大于2个，当存在有A个差频的窗口和B个差频的窗口，同时A大于B，若差频数量发生变化是相联两个窗口，认为在差频较多的A窗口被扫描的物体数量发生了变化，同时A窗口额外的差频即对应额外的物体，根据前后啁啾周期的分析结果进行差频匹配，最后解算出对应物体的速度和距离。
6.如权利要求1所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别方法，其特征在于，单个啁啾周期为10us，其对应的调频连续波的带宽为1.5GHz。
7.一种基于FMCW激光雷达的多物体识别装置，应用于权利要求1-6任一项所述的多物体识别方法，其特征在于，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的机械结构、用于采集采样点的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。
8.如权利要求7所述的一种基于FMCW激光雷达的多物体识别装置，其特征在于，所述机械结构为MEMS振镜，所述采集模块为ADC芯片。
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