CN112105954B - 基于频率调制连续波(fmcw)的系统及用于fmcw范围估计的方法 - Google Patents

基于频率调制连续波(fmcw)的系统及用于fmcw范围估计的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于频率调制连续波(FMCW)的系统包括：发射器，其向场景发射至少一个线性调制的辐射波；以及接收器，其接收发送波的来自场景中位于不同位置的一个或更多个对象的反射。该系统用接收器接收的发送波的反射来干扰发射器输出的波的副本，以产生具有与来自场景的不同位置的反射相对应的谱峰的差拍信号。差拍信号由于调制的非线性而失真。该系统包括处理器，其检测失真差拍信号中的谱峰的数量，并且仅响应于检测到多个谱峰而联合确定近似调制的非线性的基函数的系数和距场景中的具有引起反射而导致失真差拍信号中的谱峰的对象的不同位置的距离。

Description

基于频率调制连续波(FMCW)的系统及用于FMCW范围估计的 方法
技术领域
本发明总体上涉及感测频率调制，并且尤其涉及使用频率调制信号的范围和/或速度估计。
背景技术
声波、无线电和光频率范围内的线性扫掠源已经被用于以高分辨率、低硬件成本和轻量信号处理来估计反射器的范围(距离)。频率调制连续波(FMCW)雷达、光频域反射仪(OFDR)和扫掠源光学相干断层扫描(SS-OCT)是线性扫掠源的典型应用。结合多次扫掠，基于FMCW的感测系统能够同时估计反射器的范围和(径向)速度。如果使用基于FMCW的传感器的阵列，则除了范围和速度估计之外，还能够估计反射器的方位角方向。
例如，FMCW雷达发送其频率模式相对于时间遵循锯齿或三角模式的线性频率调制连续波。来自各种感兴趣对象的反射信号与用于生成发送信号的本地振荡器信号混合，以产生模拟差拍信号并经由模数转换器(ADC)输出数字差拍信号。由于差拍信号的频率与对象的距离成正比，因此差拍信号的标准快速傅立叶变换(FFT)能够用于识别峰并估算距离。在移动对象的情况下，差拍信号的频率还取决于FMCW雷达与对象之间的径向速度。能够通过跨多个线性FM扫描的第二FFT来估计该速度。
类似地，OFDR干涉仪提供由两个光信号之间的光学干涉产生的差拍信号：一个基准信号源自线性啁啾高相干光源，另一个来自被测光纤的光路的反射或后向散射。按照可调谐激光源(TLS)的光频率的函数来收集所得的干扰信号。然后使用FFT将该频域信息转换为空间信息。
类似地，SS-OCT采用线性扫频激光仪以提供用于成像应用的高精度范围分辨率测量。利用以高扫掠速度和窄的瞬时线宽扫描宽频率范围的可调谐激光源，SS-OCT从反射光信号与固定基准信号之间的干扰信号的频谱中获取单轴扫描中的所有范围信息。
与全部三种应用相关的一个共有问题是当扫掠源未被完全线性调制时，范围分辨率降低。源的非线性可能是由于激光源的非线性调谐和相位噪声、低成本压控振荡器(VCO)的损害、以及激光源的温度敏感性而引起的。非线性导致差拍信号的频谱扩散，因此使空间分辨率和灵敏度下降。非线性效应还取决于范围：测量距离短时较小，而在测量距离长时较大。
最新的计算方法使用已知的基准分支来实现非线性校正。具体而言，调制源的未知非线性导致范围估计的未知移位，从而使整个估计系统的确定性不足。为此，一些系统使用已知距离的专用路径，以从范围估计中消除至少一个未知数并估计调制的非线性。但是，使用专用路径需要额外的硬件资源，这对于一些应用程序来说是不希望的。
发明内容
一些实施方式公开了一种适于使用在频域中线性调制的信号来估计距场景中的至少一个对象的距离的范围估计系统和方法。一些实施方式公开了这样一种范围估计系统及方法，其能够在不依赖于引起发射信号的已知延迟的专用基准系统的情况下补偿调制信号的非线性。
一些实施方式公开了一种适于使用在频域中线性调制的信号而不使用基准分支，来估计距场景中至少一个对象的距离和速度的距离-速度估计系统及方法。例如，一些实施方式公开了一种适于使用在频域中线性调制的信号而不使用基准分支，来同时估计距场景中至少一个对象的距离、速度和方位角的范围-速度-方位角估计系统及方法。
一些实施方式基于以下认识：线性调制源信号和该信号的来自场景中位于不同位置处的一个或多个对象的反射的干扰产生差拍信号，该差拍信号的谱峰处于与从调制信号的源到场景中的那些不同位置的距离成比例的频率。当没有源的非线性(即，信号的线性调制确实是线性的)时，能够从差拍信号在频域中的峰位置来确定距对象的距离。
然而，信号调制会受到损害，这些损害在调制信号中导致不期望的非线性，进而导致差拍信号的失真(包括谱峰的扩散和移位)，这降低了范围估算的精确度。不幸地是，调制的非线性可能由包括硬件的老化和/或周围温度的各种因素引起，这些因素随时间而变化并且难以提前预测。
一些实施方式基于以下认识：差拍信号的失真不仅取决于非线性的类型，而且取决于距反射调制信号的对象的距离。以这种方式，失真差拍信号取决于两种类型的未知数：调制的非线性和距反射对象的距离。例如，调制的不同非线性可能导致由调制信号的来自相同对象的反射所引起的差拍信号的峰的扩散和移位不同。但是，调制的不同非线性可能导致由调制信号的来自距非性线源不同距离的对象的反射所引起的差拍信号的峰的扩散和移位相同。
因此，失真差拍信号的表示是不适定的，即，欠定的，这是因为非线性和距对象的距离的值的不同组合能够导致相同的失真差拍信号。
然而，一些实施方式基于以下认识：具有与线性调制信号的多个反射相对应的多个峰的失真差拍信号的表示是适定(即，确定的)，这是因为只有一个非线性函数能够导致特定的多峰失真。具体而言，该实现基于以下理解：调制信号的来自场景中某个位置的反射携带关于调制的非线性和指示距该位置的距离的反射器相关范围/延迟参数二者的信息。对于多反射M，差拍信号是由M个延迟参数所表征的M个响应与调制的非线性的公共源之和。
为此，一些实施方式基于以下认识：当用参数化函数，例如，将调制的非线性的未知数的数量减少到系数的数量的系数的基函数来表示调制的非线性时，并且当失真差拍信号产生多个谱峰时，可以联合确定近似调制的非线性的基函数的系数和距场景中的不同位置的距离，该场景具有引起导致失真差拍信号中的谱峰的反射的对象。即，当相对于彼此分析差拍信号的谱峰的扩散和移位时，可以从所有峰的扩散和移位解决非线性/距离组合的歧义性，这是因为对于已知的源非线性函数，与某个对象相对应的峰的扩散和移位能够转换为与另一对象相对应的另一峰的扩散和移位。因此，一些实施方式能够估计同时补偿多个峰失真的源非线性。
例如，一个实施方式选择基函数的系数的值和距场景中的位置的距离的值，使得用基函数的系数的所选值和频率与距场景中的位置的距离的所选值对应的频率分量重构的差拍信号近似于失真差拍信号。例如，通过测试非线性函数和多个距离的不同组合来完成该同时多峰补偿过程。例如，从差拍信号的频谱中，一些实施方式能够识别两个失真峰，该两个失真峰指示不同距离的两个对象以及存在源非线性。对于同时多峰补偿过程，一些实施方式能够挑选源非线性函数的候选并测试两个对象的距离附近的相应转换的峰失真。如果这两个假设的峰失真与差拍信号的频谱相匹配，则挑选出的源非线性的候选和所测试的距离是非线性函数和对象距离的估计。
一些实施方式使用基函数进一步近似调制的非线性函数。这样的近似将非线性函数的点的确定减少为基函数的系数的确定。例如，一个实施方式使用多项式相位基函数在时域中近似调制的非线性函数。类似地，另一实施方式使用多项式基函数在相域中近似调制的非线性函数。该近似允许在小的近似误差内通过少量未知系数来分解一般平滑非线性函数，并因此用更少的差拍信号样本来恢复未知的非线性函数。
一些实施方式基于以下认识：场景中存在的反射器越多，在同时多峰补偿过程中存在的歧义性越小，实施方式能够确定更准确的近似。例如，一个实施方式基于差拍信号中谱峰的数量来选择多项式基函数的阶数。差拍信号的多个峰的失真越多，多项式的阶数越高，并且近似越准确。
一个实施方式使用发射器，该发射器发射广扩散空间(方位角/仰角)束。该实施方式允许通过单个束来捕获场景中的多个对象。在该实施方式中，两个谱峰能够对应于广扩散束的来自场景中的两个不同对象的反射。
附加地，或另选地，一个实施方式可以在空间域中旋转线性扫掠辐射源，以一次捕获来自处于某个方位角或仰角的单个对象的单个反射。通过分析来自多个方位角或仰角的多个差拍信号，一些实施方式应用同时多峰补偿过程，并识别源非线性和在不同方位角或仰角处的多个对象的距离。例如，在一个实施方式中，发射器发射低扩散束。在那些实施方式中，发射器可以包括线性扫掠辐射源和/或电动机或相控阵列，以在空间域中机械地/数字地旋转线性扫掠源。在这些实施方式中，两个谱峰能够对应于两个低扩散束的来自场景中两个不同对象的反射，并且实施方式将多个反射信号组合为具有多个谱峰的单个失真差拍信号以执行信号重构。
附加地或另选地，在一个实施方式中，场景中的对象移动，并且发射器包括线性扫掠辐射源和电动机，以在空间域中旋转线性扫掠源以跟踪对象。在该实施方式中，两个谱峰能够对应于来自相同对象在场景中的两个不同位置的反射。在一些实施方式中，该实施方式还确定距在两个时间点处检测到的对象的两个不同位置的距离，并且从对象在两个时间点处的两个位置确定对象的径向速度。
附图说明
[图1A]
图1A是根据一些实施方式的适用于范围和/或速度估计的基于频率调制连续波(FMCW)的系统的框图。
[图1B]
图1B是根据一个实施方式的联合确定近似调制的非线性的基函数的系数与距场景中的不同位置的距离的示意图。
[图1C]
图1C是根据另一实施方式的用于联合确定近似调制的非线性的基函数的系数与距场景中的不同位置的距离的方法的框图。
[图2A]
图2A是根据一些实施方式的实现为基于FMCW的电磁感测系统的基于FMCW的系统的示意图。
[图2B]
图2B是根据一些实施方式的实现为基于FMCW的扫掠源光学相干感测(SS-OCT)系统的基于FMCW的系统的示意图。
[图3]
图3是例示了根据一些实施方式的FMCW系统进行范围和速度估计所使用的多扫描波形的示意图。
[图4A]
图4A是例示了根据一些实施方式的对差拍信号进行采样并执行范围/速度估计的接收器的框图。
[图4B]
图4B是例示了根据一些实施方式的时域FMCW波形的示意图。
[图4C]
图4C是例示了根据一些实施方式的发送的FMCW波形和反射的FMCW波形的时频图案的示意图。
[图4D]
图4D是例示了根据一些实施方式的通过将反射波形与发送波形混合而得到的差拍信号的时域波形的示意图。
[图4E]
图4E是例示了根据一些实施方式的通过将反射波形与发送波形混合而得到的差拍信号的时频图案的示意图。
[图5A]
图5A是例示了根据一些实施方式的在存在源非线性的情况下发送的FMCW波形和反射的FMCW波形的时频图案的示意图。
[图5B]
图5B是例示了根据一些实施方式的在存在源非线性的情况下在两个距离处的两个反射器的差拍信号的时频图案的示意图。
[图6A]
图6A是例示了根据一些实施方式的理想FMCW源波形的频谱图的示意图。
[图6B]
图6B是例示了根据一些实施方式的没有源非线性的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。
[图6C]
图6C是例示了根据一些实施方式的在存在正弦非线性的情况下的FMCW源波形的频谱图的示意图。
[图6D]
图6D是例示了根据一些实施方式的在存在正弦非线性的情况下的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。
[图7A]
图7A是根据一些实施方式的将理想的FMCW源和在存在多项式非线性时扰动的FMCW源之间的时频图案进行比较的示意图。
[图7B]
图7B是例示了根据一些实施方式的在时频域中的理想的FMCW源波形和在存在多项式非线性时扰动的FMCW源波形之间的差异的示意图。
[图7C]
图7C是例示了根据一些实施方式的与具有理想FMCW源波形的两个反射器相对应的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。
[图7D]
图7D是例示了根据一些实施方式的与在存在多项式非线性时的两个反射器相对应的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。
[图8]
图8是例示了根据一些实施方式的基于基准的非线性校正方法的框图。
[图9]
图9是例示了根据一些实施方式的估计由基于基准的非线性校正方法所使用的源非线性函数的参数化步骤的框图。
[图10]
图10是例示了根据一些实施方式的用估计的非线性函数来校正差拍信号的基于时间重采样的步骤的框图。
[图11]
图11是例示了根据一些实施方式的用估计的非线性函数校正差拍信号的基于偏斜消除(deskew)滤波的步骤的框图。
[图12A]
图12A是例示了根据一些实施方式的在差拍信号的频谱中，小的非线性函数估计误差对距离估计的影响的示意图。
[图12B]
图12B是例示了根据一些实施方式的在差拍信号的频谱中，大的非线性函数估计误差对距离估计的影响的示意图。
[图13A]
图13A是例示了根据一些实施方式的在时频域中由汽车雷达所使用的77GHz处的、理想的FMCW波形和在存在多项式非线性时扰动的FMCW波形之间的差异的示意图。
[图13B]
图13B是例示了根据一些实施方式的当汽车雷达发送理想的FMCW波形时，与具有不同距离和速度的三个反射器相对应的差拍信号的基于二维FFT的频谱的示意图。
[图13C]
图13C是例示了根据一些实施方式当汽车雷达发送通过多项式非线性函数扰动的FMCW波形时，与具有不同距离和速度的三个反射器相对应的差拍信号的基于二维FFT的频谱的示意图。
[图14]
图14是例示了根据一些实施方式的在相域中的三阶多项式非线性函数和三阶多项式非线性函数的数学定义的示例的示意图。
[图15]
图15是例示了根据一些实施方式的具有三阶多项式非线性函数的两个反射器的差拍信号的频谱图及其产生的差拍信号的数学定义的示例的示意图。
[图16]
图16是例示了根据一些实施方式的无基准非线性校正方法的框图。
[图17]
图17是例示了根据一些实施方式的在无基准非线性校正方法中使用的联合参数估计步骤和转换步骤的框图。
[图18]
图18是例示了根据一些实施方式的基于源非线性函数的多项式模型的无基准非线性校正方法的框图。
[图19]
图19是例示了根据一些实施方式的由图18中的无基准非线性校正方法所使用的多分量多项式相位信号的联合参数估计的框图。
具体实施方式
尽管上面标识的附图阐述了当前公开的实施方式，但是如讨论中所指出的，其它实施方式也是可预期的。本公开通过代表而非限制的方式呈现了示例性实施方式。本领域技术人员能够设计出落入当前公开的实施方式的原理的范围和精神内的许多其它修改和实施方式。
图1A示出了根据一些实施方式的适用于范围和/或速度估计的基于频率调制连续波(FMCW)的系统100的框图。系统100包括至少一个发射器110以向场景发射至少一个辐射波115。在各种实现中，发射器包括线性调制器，使得发送波在频域中被线性调制。例如，发射器能够包括产生FMCW波形的源组件、功率放大器和向介质发送波形的天线。FMCW波形的调制受到损害，导致发送波在频域中的调制的非线性。例如，调制的非线性可能是由随时间而变化的、硬件的老化和/或周围温度而引起的。
系统100还包括至少一个接收器120以接收发送波的来自场景中的位于不同位置的一个或更多个对象/反射器的反射125。系统100还包括可操作地连接到发射器110和接收器120的混频器130，以用由接收器接收的发送波的反射125来干涉由发射器输出的波115的副本，以产生差拍信号135。例如，接收器能够包括接收天线、低噪声放大器(LNA)以及将接收波形与源FMCW波形相乘的混频器。由于差拍振动，致使差拍信号135包括与来自场景中的不同位置的反射相对应的峰。然而，差拍信号135由于调制的非线性而失真。这种失真可能包括或导致差拍信号的谱峰的扩散和移位中的一个或组合，从而降低了范围估计的精确度。
一些实施方式基于以下认识：差拍信号的失真不仅取决于非线性的类型，而且取决于距反射调制信号的对象的距离。以这种方式，失真差拍信号取决于两种类型的未知数：调制的非线性和距反射对象的距离。例如，调制的不同非线性可能导致由调制信号的来自相同对象的反射所引起的差拍信号的峰的扩散和移位不同。但是，调制的不同非线性可能导致由调制信号的来自距非性线源不同距离的对象的反射所引起的差拍信号的峰的扩散和移位相同。因此，失真差拍信号的表示是不适定的，即，欠定的(underdetermined)，这是因为非线性和距对象的距离的值的不同组合能够导致相同的失真差拍信号。
然而，一些实施方式基于以下认识：具有与线性调制信号的多个反射相对应的多个峰的失真差拍信号的表示将不适定问题转化为适定(即，确定的)问题，这是因为只有一个非线性函数能够导致特定的多峰失真。具体而言，该实现基于以下理解：调制信号的来自场景中的某个位置的反射携带关于调制的非线性和指示距该位置的距离的反射器相关范围/延迟参数二者的信息。对于多反射M，差拍信号是由M个延迟参数所表征的M个响应与调制的非线性的公共源之和。
为此，系统100包括处理器140，该处理器140被配置为解决(150)在确定距场景中的多个对象的距离时的失真歧义性。处理器能够存储、数字化采样和处理数据，以估计场景中的多个反射器的范围和速度信息。最后，输出接口能够用于渲染多个反射器的位置和速度。
具体地，处理器140被配置为检测(160)失真差拍信号中的谱峰的数量。例如，处理器将失真差拍信号中的谱峰的数量与定义了距离估计的精确度的阈值进行比较，以检测多个谱峰。如果未检测到多个峰(165)，则范围估计问题是不适定的。然而，当检测到多个峰(175)时，范围估计问题变为适定的。即，当相对于彼此来分析差拍信号的谱峰的扩散和移位时，可以解决来自所有峰的扩散和移位的非线性/距离组合的歧义性，这是因为对于已知的源非线性函数，与某个对象相对应的峰的扩散和移位能够转换为与另一对象相对应的另一峰的扩散和移位。因此，一些实施方式能够估计同时补偿多个峰失真的源非线性。
因此，处理器140仅响应于检测到多个谱峰而联合确定(170)调制的非线性以及距场景中的具有引起反射而导致失真差拍信号中的谱峰的对象的不同位置的距离(145)。
在一些实施方式中，处理器联合确定近似调制的非线性的基函数的系数以及距场景中的具有引起反射而导致失真差拍信号中的谱峰的对象的不同位置的距离。这些实施方式基于以下认识：用参数化函数(例如，系数的基函数)表示调制的非线性将调制的非线性的未知数的数量减少到系数的数量，以简化搜索并且减轻处理器140的计算负担。
图1B示出了根据一个实施方式的联合确定近似调制的非现性的基函数的系数和距场景中的不同位置的距离的示意图。例如，该实施方式选择(180)基函数的系数的值181和距场景中的位置的距离的值182，使得用基函数的系数的所选值和频率与距场景中的位置的距离的所选值相对应的频率分量重构的差拍信号近似失真差拍信号。
为此，一些实施方式使用所选的值181和182来重构(190)差拍信号191，并且将重构的差拍信号191与混频器130产生的失真差拍信号135进行比较195。能够使用各种信号处理技术来重构差拍信号191。例如，能够使用估计的距离182和系数值181来重构差拍信号。当比较结果195表明重构的差拍信号191和失真差拍信号135彼此匹配时，例如，它们的差小于阈值时，距场景中的位置的距离的所选值182被输出为最终距离145。否则，用新值181和/或182更新(185)选择(180)以重构新差拍信号。
例如，通过测试非线性函数和多个距离的不同组合来实现该同时多峰补偿过程。例如，从差拍信号的频谱中，一些实施方式能够识别两个失真的峰，这表示处于不同距离的两个对象以及存在源非线性。对于同时多峰补偿过程，一些实施方式能够挑选源非线性函数的候选并测试在两个对象的距离附近的相应变换的峰失真。如果这两个假设的峰失真与差拍信号的频谱相匹配，则挑选的源非线性的候选和所测试的距离是非线性函数和对象距离的估计值。在一个实施方式中，处理器测试基函数的系数的不同值和距场景中的位置的距离的不同值的一组组合，以产生一组重构的差拍信号，并选择得到最接近失真差拍信号的重构差拍信号的系数和距离。
一些实施方式使用基函数进一步近似调制的非线性函数。这样的近似将非线性函数的点的确定减少为基函数的系数的确定。例如，一个实施方式使用多项式相位基函数在时域中近似调制的非线性函数。类似地，另一实施方式使用多项式基函数在相域中近似调制的非线性函数。
该近似允许在小的近似误差内通过少量未知系数来分解一般平滑非线性函数，并因此用更少的差拍信号样本来恢复未知的非线性函数。另外，这种近似允许解析地确定基函数的系数以及距场景中的对象的距离。
图1C示出了根据另一实施方式的用于联合确定近似调制的非线性的基函数的系数和距场景中的不同位置的距离的方法的框图。在该实施方式中，处理器形成(171)代表复正弦信号的未知参数的函数。正弦信号的未知参数包括基函数的系数和谱峰的频率。在一些实施方式中，系数的数量由基函数的阶数定义，例如，对于三阶基函数，该数量为三，而频率的数量由处理器所计数的失真差拍信号中的谱峰的数量来定义。
接下来，处理器确定(172)包括系数和频率的未知参数，以用复正弦信号来重构失真差拍信号。不同的实施方式能够使用不同的技术来重构失真差拍信号，以确定未知参数。例如，一个实施方式使用相位展开(phase unwrapping)来确定未知参数。例如，该实施方式对接收到的失真差拍信号的相位进行展开，并且使用最小二乘法将展开的相位拟合在复正弦信号的模型上。附加地或另选地，另一实施方式使用时频分析来确定未知参数。例如，该实施方式确定接收到的失真差拍信号的相位的频率，并且使用最小二乘法将所确定的频率相位拟合在复正弦信号的模型上。
在确定了(172)复正弦信号的未知参数之后，一些实施方式根据所确定的频率来确定(173)距场景中的不同位置的距离。
基于FMCW的感测系统能够使用不同类型的发射器来发送线性调制信号。例如，一个实施方式使用发射广扩散空间(方位角/仰角)束的发射器。该实施方式允许通过单个束来捕获场景中的多个对象。在该实施方式中，两个谱峰能够对应于来自场景中的两个不同对象的广扩散束的反射。
附加地或另选地，另一实施方式在空间域中旋转线性扫掠辐射源，以一次捕获来自处于某个方位角或仰角的单个对象的单个反射。通过分析来自多个方位角或仰角的多个差拍信号，一些实施方式应用同时多峰补偿过程，并识别源非线性和在不同方位角或仰角处多个对象的距离。例如，在一个实施方式中，发射器发射低扩散束。在那些实施方式中，发射器能够包括线性扫掠辐射源和/或电动机或相控阵列，以在空间域中机械地/数字地旋转线性扫掠源。在这些实施方式中，两个谱峰能够对应于来自场景中两个不同对象的两个低扩散束的反射，并且实施方式将多个反射信号组合成具有多个谱峰的单个失真差拍信号以执行信号重构。
附加地或另选地，在另一实施方式中，场景中的对象移动，并且发射器包括线性扫掠辐射源和电动机，以在空间域中旋转线性扫掠源以跟踪对象。在该实施方式中，两个谱峰能够对应于来自相同对象在场景中的两个不同位置处的反射。在一些实施方式中，该实施方式还确定距在两个时间点检测到的对象的两个不同位置的距离，并且从对象在两个时间点的两个位置来确定对象的径向速度。
图2A示出了根据一些实施方式的实现为基于FMCW的电磁感测系统的基于FMCW的系统100的示意图。根据不同的实施方式，基于FMCW的电磁感测系统向反射器发射波形，接收反射的波形，将反射的波形与发送的波形混合，并生成差拍信号。基于FMCW的电磁感测系统包括在短时间段内扫描频率(例如，用于汽车雷达的[77,81]GHz)的FMCW源211。源FMCW波形能够由基带FMCW波形(例如，[-2,2]GHz)和上变频器来生成，以将基带FMCW波形调制为例如79GHz的载波频率。然后，源FMCW波形在被馈送到发送天线213中之前由功率放大器212放大。发送天线朝向场景进行发送以检测潜在的反射器214。从至少一个反射器214反射的波形被接收天线215捕获。接收的波形然后穿过LNA 216以增加信噪比(SNR)。然后，接收到的波形通过混频器217与源FMCW波形进行混合，从而生成差拍信号218。
图2B示出了根据一些实施方式的实现为基于FMCW的扫频源光学相干感测(SS-OCT)系统的基于FMCW的系统100的示意图。在一些实现中，扫掠源OCT系统包括基准臂、样本臂和光电检测器。光从具有诸如图案231之类的时频图案的扫频激光源221产生，通过光分束器223分割为基准镜222和感兴趣的样本224二者。来自样本的后向散射和反射的光与来自基准镜的反射相干涉，具有诸如图案232之类的时频图案。然后，由检测器225检测差拍信号，例如诸如差拍信号233之类的差拍信号。在固定的扫掠速率下，不同的差拍频率对应于不同的延迟或样本中来自不同深度的反射。因此，通过对干涉信号234进行线性化和傅立叶变换，一些实施方式获得了反射幅度与深度的轴向分布。结合x-y扫描，能够使用多个轴向扫描来创建2D和3D综合的体积数据集，该数据集能够用于构造任意截面图像，沿任意轴的投影或类似于MRI或CT的渲染。
图3是例示了根据实施方式的由FMCW测距系统使用的多扫描波形的示意图。对于每次扫描，发送的波形拥有在时间段T上的线性频率图案301以及类似于302的时域波形，随后具有短的静默时段。在脉冲重复间隔(PRI)TPRI之后，线性扫频波形在总持续时间TCPI内被重复发送M次。对于每次扫描，基于FMCW的感测系统能够检测多个反射器的距离。如果目标从一次扫描移动到另一次扫描，则能够估计速度。
图4A是例示了根据一个实施方式的对差拍信号进行采样并执行距离估计的接收器的框图。在该实施方式中，模数转换器(ADC)401将模拟差拍信号135采样为数字信号。然后，数字差拍信号被傅立叶变换器(FFT)402变换到傅立叶域。差拍信号在频率上的频谱403描述了在范围域上的反射能量分布。为了确定强反射器的数量的范围信息，能够识别其相应的峰频率，然后将峰频率转换为它们的距离信息404。
图4B是例示了由一些实施方式使用的时域FMCW波形302的示意图。图4C是例示了由一些实施方式发送的FMCW波形的时频图案301的示意图。图4E是例示了由一些实施方式确定的差拍信号的时频图案的示意图。由于从发送器到单个反射器的往返延迟，反射的FMCW波形的时频图案405如图4C所示向右移位。混频器生成如图4D所示的差拍信号406。对于单个反射器，差拍信号在与其自身距发送器的距离相对应的一个频率上占主导。换句话说，图4E中的差拍信号的时频图案407平行于时间轴。
图5A是例示了根据一些实施方式的在存在源非线性的情况下所发送的FMCW波形和所反射的FMCW波形的时频图案的示意图。基于FMCW的感测系统需要理想线性频率图案以从差拍信号确定反射器的距离。当存在由硬件缺陷、低成本组件和开环VCO引起的源非线性时，时频图案501不再完全线性。对于距发送器的不同距离的两个反射器，反射信号的时频图案根据相应的往返延迟而移位。例如，较近的反射器的时频图案由虚线502给出，而另一反射器具有由虚线503给出的时频图案。当来自两个不同反射器的两个反射信号与源信号混合时，差拍信号包括由于源非线性而表现不同失真的两个分量。特别地，较近的反射器给出具有时频图案504的差拍信号，而另外的反射器给出具有时频图案505的差拍信号。即使给定相同的源非线性，其对差拍信号的频谱的影响也是范围相关的。当源非线性函数和反射器的范围信息二者均是未知的时，人们可能无法减轻差拍信号中的失真。
图6A是例示了理想FMCW源波形的频谱图的示意图。图6B是例示了在没有源非线性的情况下单个反射器的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。在没有源非线性的情况下，差拍信号的频谱示出了明显的峰，该峰的幅度比频谱底强60dB。
图6C是例示了根据一些实施方式的在存在正弦非线性的情况下的扰动的FMCW源波形的频谱图的示意图。图6D是例示了根据一些实施方式的在存在正弦非线性的情况下单个反射器的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。可以看出，对于这种特殊类型的正弦非线性，差拍信号的频谱受到周期性的峰的污染，这对估计单个反射器的距离带来了挑战。
图7A是比较理想的FMCW源和在存在多项式非线性时扰动的FMCW源之间的时频图案的示意图。图7B是示出了根据一些实施方式的在时频域中的理想的FMCW源波形和在存在多项式非线性时扰动的FMCW源波形之间的差异的示意图。可以看出，该多项式非线性在时间间隔的开始和结束处导致更大的频率差。
图7C是例示了当所发送的波形没有源非线性时，与分别在距离源1m和2m处的两个反射器相对应的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。图7D是例示了当存在多项式非线性时与两个反射器相对应的差拍信号的基于FFT的频谱的示意图。可以看出，由于范围相关效应，对于相同的非线性，两个反射波形的频谱具有不同的失真。
在一些实施方式中，基于FFT被设计为与引起发射信号的已知延迟的专用基准系统协作。这些实施方式基于以下理解：即使利用来自已知距离的基准差拍信号，所估计的非线性函数仍经受使用在本公开中描述的原理补偿的估计误差。附加地或另选地，一些实施方式公开了这样一种范围估计系统和方法，其能够在不依赖于引起发射信号的已知延迟的专用基准系统的情况下补偿调制信号的非线性。
图8是例示了根据一些实施方式的基于基准的非线性校正方法的框图。基于基准的非线性校正方法包括两种类型的差拍信号：一种108/205来自于具有未知范围信息的反射器，并且另一种801来自具有已知距离的反射器或延迟线或基准。基准差拍信号由ADC401进行数字采样。由于我们知道在基准差拍信号中反射器的距离，因此处理数字基准差拍信号能够得到对源非线性函数的估计802。然后，通过许多非线性校正方法804，将估计出的源非线性函数803与对应于未知反射器的差拍信号805一起使用，以恢复未知反射器的距离信息404。
图9是例示了根据一些实施方式的估计由基于基准的非线性校正方法所使用的源非线性函数的参数化步骤的框图。图9中的步骤802例示了使用从已知距离反射的基准差拍信号801来估计源非线性函数的参数化方法。假设源非线性函数能够由具有未知系数的多项式函数表示。该特定方法包括三个步骤：步骤901使用整个基准差拍信号801或选择其一部分。然后，步骤902使用高阶模糊函数(HAF)来处理所选择的差拍信号，并输出多项式函数的参数化系数。最后，步骤903使用估计的参数化系数来重构源非线性函数803。
图10是例示了根据一些实施方式的用估计的非线性函数来校正差拍信号的基于时间重采样的步骤的框图。图10中的步骤804例示了使用来自未知反射器的差拍信号805和根据基准差拍信号所估计的非线性函数803的非线性校正方法。步骤1001使用估计的多项式非线性函数对原始时间索引重新采样。然后通过FFT 402将重新采样的差拍信号变换到频域1002。能够通过重新采样的差拍信号的频谱403来确定未知反射器的范围信息404。
图11是例示了根据一些实施方式的用估计的非线性函数校正差拍信号的基于偏斜消除滤波的步骤的框图。图11中的步骤804例示了仍然基于来自未知反射器的差拍信号805和根据基准差拍信号估计的非线性函数803的不同的非线性校正方法。步骤1101首先使用估计的非线性函数803去除在差拍信号805中从发送器侧产生的非线性。步骤1102将偏斜消除滤波器应用于初始补偿的差拍信号。偏斜消除滤波器对输入信号应用范围相关/频率相关的时移。换句话说，对于不同的频率分量，时移量是不同的。由于频率与针对差拍信号的范围直接相关，因此偏斜消除滤波器的目的是针对不同反射器补偿范围相关失真，使得其余失真与范围无关。步骤1103借助于估计的非线性函数803针对所有频率/范围去除其余的范围无关失真。然后，通过FFT 402将完全补偿的差拍信号变换到频域。未知反射器的范围信息404能够由其频谱403来确定。
图12A是例示了根据一些实施方式的小的非线性函数估计误差对差拍信号的频谱的影响的示意图。即使使用已知距离的基准差拍信号，估计的非线性函数仍然会经受估计误差。在非线性估计误差小的情况下，如图12A的放大窗口所示，基于偏斜消除滤波器的非线性校正方法能够检测到在1m和相应2m处的两个强反射器。但是，与完全已知非线性函数的情况相比，噪声底增加。
图12B是例示了根据一些实施方式的在差拍信号的频谱中，大的非线性函数估计误差对距离估计的影响的示意图。在非线性估计误差大的情况下，如图12B的放大窗口所示，基于偏斜消除滤波器的非线性校正方法不能宣布检测到两个反射器，因为噪声底几乎处于与反射器的大小相同的水平。
图13A是示出了根据一些实施方式的在时频域中由汽车雷达使用的77GHz处的、理想的FMCW波形和在存在多项式非线性时扰动的FMCW波形之间的差异的示意图。可以看出，与理想的FMCW波形相比，扰动的FMCW波形在给定的时间处实际上具有更高的扫掠频率。
图13B是例示了当汽车雷达发送理想的FMCW波形时与具有不同距离和速度的三个反射器相对应的差拍信号的基于二维FFT的频谱的示意图。清楚地看到三个主峰。它们的坐标给出了三个反射器的距离和速度信息。
图13C是例示了当汽车雷达发送通过多项式非线性函数扰动的FMCW波形时，与具有不同距离和速度的三个反射器相对应的差拍信号的基于二维FFT的频谱的示意图。值得注意的是，因为三个峰的扩展在范围域中不同，所以源非线性的影响是范围相关的。此外，速度域中源非线性的影响看起来忽略不计。
如关于图1C所讨论的，在一些实施方式中，处理器形成未知参数的函数，例如表示复正弦信号的基函数，并确定未知参数以用复正弦信号来重构失真差拍信号。在一些实现中，基函数是多项式相位基函数，其使得未知参数的函数成为具有包括基函数的系数以及距离在内的系数的未知参数的多项式函数。这些实施方式能够实现在不依赖于引起发射信号的已知延迟的专用基准系统的情况下补偿调制信号的非线性的范围估计系统及方法。
图14是例示了一些实施方式使用的相域中的三阶多项式非线性函数1401的示例的示意图。在此示例中，三阶多项式非线性函数的数学定义在具有未知系数的多项式基上对源非线性函数进行参数化。具体而言，在发送信号的相位中源非线性函数的多项式参数化模型1402表示能够以具有适当系数β0、β1、β2、β3的基t0、t1、t2、t3来近似非线性函数。根据魏尔斯特拉斯(Weierstrass)定理，在闭合区间上的任何平滑函数能够由尽可能接近的多项式函数来近似。因此，只要非线性函数在一段时间上是平滑的，就能够用多项式模型来近似非线性函数。如果时间段增加，则多项式函数的阶数可以更高。凭借非线性函数的该多项式模型，不需要估计未知非线性函数的每个值。相反，一些实施方式估计多项式系数β以重构非线性函数并从基准差拍信号恢复源非线性函数。
图15是例示了一些实施方式所使用的具有三阶多项式非线性函数的两个反射器的差拍信号的频谱图1502及其产生的差拍信号的数学定义的示例的示意图。与使用具有附加硬件成本和误差传播的专用基准信道相反(如图12A和图12B所示)，所提出的无基准方法直接在来自未知反射器的差拍信号上工作。为了实现这个目标，它建立在源非线性函数的参数化建模之上，例如，多项式模型。具体而言，如果源非线性函数能够由具有未知系数(β0、β1、β2、β3)的三阶多项式函数近似，则能够由式1501来在数学上描述具有往返延迟τk的多个(K)反射器的差拍信号sb(t)，其中Ak是反射幅度。未知延迟(或等同于，距离)τk和多项式系数(β0、β1、β2、β3)与已知扫掠速率α一起出现在差拍信号的每个分量的相位中。因此，如果我们能够在差拍信号的相位中恢复这些未知参数，则能够通过估计的多项式系数(β0、β1、β2、β3)恢复多个反射器的距离τk以及源非线性函数。从式1501得出，(在总值内的)差拍信号的每个分量是线性FM或啁啾信号，该线性FM或啁啾信号具有作为扫掠速率α、距离τk和两个多项式系数(β2和β3)的函数的新的中心频率(在t中)以及作为距离τk和多项式系数β3的函数的新的扫掠速率(在t2中)。这通过具有三阶多项式非线性函数的两个(K＝2)反射器的差拍信号的频谱图来验证。频谱图清楚地示出了具有不同扫掠速率(β3τk)和中心频率的两个啁啾分量。
图16是例示了一些实施方式针对范围估计所使用的无基准非线性校正的框图。与图8中需要基准差拍信号803的基于基准的方法相比，无基准非线性校正仅需要来自多个未知反射器的数字差拍信号135。ADC 401将模拟差拍信号135采样为数字信号1600。校正1601旨在直接从差拍信号同时恢复多个反射器的延迟(或距离)参数和源非线性函数的参数化系数。源非线性函数的参数化模型的一种选择是多项式基。在估计出延迟参数之后，实施方式能够输出多个反射器的范围信息404。
图17是例示了根据实施方式的在无基准非线性校正中使用的联合参数估计步骤和转换步骤的框图。无基准非线性校正包括两个步骤：步骤1701使用数字差拍信号来从多个信号分量联合估计未知相位参数，并输出所有信号分量的估计的相位参数。例如，三阶多项式非线性函数，步骤1701直接从差拍信号估计式1501中的全部K个信号分量的全部中心频率和扫掠速率。下一步骤1702将K组估计的相位参数转换为K个反射器的延迟参数和源非线性函数的参数化系数。从转换后的延迟参数获得范围信息404。
图18是例示了根据实施方式的基于源非线性函数的三阶多项式模型的无基准非线性校正方法的示意图。假设源非线性函数是三阶多项式函数，用式1501的数学表达式来表示差拍信号1600。根据该数学表达式，步骤1801利用各种估计方法来恢复多分量多项式相位信号的相位参数，并输出估计的中心频率ak和扫掠速率bk。估计的中心频率和扫掠速率与式1803中的延迟参数和参数化系数有关。步骤1802使用列出的式1805，将K组估计的相位参数转换为K个反射器的延迟参数和源非线性函数的参数化系数。从转换后的延迟参数获得范围信息404。
图19是例示了根据一些实施方式的由图18中的无基准非线性校正所使用的多分量多项式相位信号的联合参数估计的框图。图19中的步骤1801例示了以迭代方式估计差拍信号中的每个分量的相位参数的过程。它从步骤1901开始，该步骤1901集中于差拍信号中的最强分量，并且仅输出与最强分量相对应的估计的相位参数。步骤1902使用估计的相位参数重构最强分量的时域波形，并且步骤1903从差拍信号去除最强分量的贡献并暴露出下一重要分量。对新的差拍信号重复该过程。因此，步骤1901针对一次迭代仅输出其余残差信号中最强分量的相位参数。在K次迭代之后，能够获得所有K组相位参数1803。
(示例公式)
考虑FMCW感测系统按照以下形式发送单位幅度线性调频信号：
其中，t是时间变量，fc是载波频率，α是扫掠频率或啁啾速率，并且ε(t)是源非线性相位函数。对于理想线性扫掠源，ε(t)＝0。在图4B至图4D中示出了线性调频发送信号的示例。图4B和图4C分别示出了线性调频信号的时域表示和时频表示。
对于距离为R的静止反射器，接收信号是发送信号的延迟且衰减/增强的副本
其中，A与静止对象的反射率成比例，并且τ＝2R/c是时间延迟。图4C示出了接收信号的时频表示以τ的延迟向发送的时频图案的右侧移位。然后将其与发送信号混合以生成差拍信号。
对于理想的线性扫掠源，在(3)中ε(t)-ε(t-τ)＝0，并且差拍信号是具有fb＝ατ(或者等效于，角频率ωb＝2πατ)的复正弦信号。图4D示出了在不存在源非线性的情况下与单个对象相对应的差拍信号的时域波形。图4E示出了具有主要峰的相应频谱，该主要峰给出了fb的估计，因此给出了τ的时间延迟。利用τ的估计，通过R＝cτ/2能够恢复距离R。
在存在源非线性ε(t)的情况下，由于ε(t)-ε(t-τ)≠0，(3)中的差拍信号不再是正弦信号。结果，差拍信号的谱峰被扩展，导致范围分辨率和信噪比(SNR)降低。图6C示出了经受了正弦非线性的线性扫掠源的时-频谱。因为谱峰以多个细峰扩展，所以在图6D中清楚地看出对范围估计的影响。
一些实现将以上分析延伸到在距离R1,…,RK处的K>1个反射器的情况。利用与(1)中相同的发送信号，接收信号由以下给出
差拍信号由以下给出
当ε(t)＝0时，差拍信号由频率为的多个正弦信号组成。在源非线性的情况下，由于项ε(t)-ε(t-τk)，在差拍信号处产生的相位失真是范围有关的。图7A和图7B示出了三阶多项式非线性函数，并且在图7D中示出其对两个反射器的范围估计的影响。值得注意的是，在两个反射器的谱失真不同的图7D中的范围有关的非线性失真。
这里感兴趣的问题是当存在源非线性函数ε(t)时估计延迟参数τi。
用于非线性校正的一些计算方法使用已知的基准点。具体而方，一种方法使用一阶局部展开来近似相位误差项ε(t)-ε(t-τref)。
ε(t)-ε(t-τref)≈τrefε′(t) (6)
其中，τref是来自基准(即，延迟线或在已知距离处的反射器)的延迟，并且通常较小以使局部展开有效。将(6)代回(3)中并假设τref是已知的，我们能够从基准差拍信号sb(t)的相位估计ε′(t)。换句话说，使用基准，在|t-τref|受限制的前提下，能够估计作为t的函数的源非线性函数的一阶导数因此，能够使用估计的来近似针对反射器的非线性引起的相位误差项
其中，ζ是小的量。然后，在与非线性函数中的最高频率分量相比延迟τ小的前提下，能够通过使用时间规整的概念用估计的进行补偿。
注意，当感兴趣的范围间隔增加时，应用时间规整的条件不再有效。而且，在长范围OFDR应用中，要注意的是，(7)中的近似误差随着测量距离变长而聚集。
通过偏斜校正滤波器非线性校正算法去除了对短范围应用的以上限制。仍然建立在源非线性函数的估计(请注意，局部相位导数)上，它在整个感兴趣范围内去除了差拍信号中的非线性影响。具体地，由图11中的三个步骤组成。首先，从(3)的差拍信号中去除源自发送器侧的源非线性项ε(t)
然后，将具有范围相关时移的偏斜消除滤波引入到以上初始补偿的s2(t)中。具体地，通过乘以的项，能够在频率中简单地实现范围相关时移
其中，s2(f)是s2(t)的谱，并且
由于是已知的，所以sRVP(t)也是如此。因此，最后一步是补偿s3(t)中的sRVP(t)。
其现在是频率为ατ的复正弦信号。
基于基准的方法需要以下步骤：从与给定基准(例如，延迟线或来自在已知距离处的反射器的响应)相对应的差拍信号来估计源非线性函数估计ε(t)。用于估计ε(t)的局部近似限制到短范围应用的适用性。为了提高ε(t)的估计精确度，一种方法使用参数模型(即，多项式函数)来描述作为时变平滑函数的非线性源函数，然后根据基准的响应来估计参数模型系数。然而，来自源非线性估计的估计误差传播到用于范围估计的相位补偿步骤。图12A和图12B的顶行示出了在OCT应用中的两个估计的源非线性函数ε(t)、三阶PPS。两个点对象分别置于距源1m和2m处。
当存在来自ε(t)的估计的误差时，从图12A和图12B证明，范围估计性能降低。具体而言，图12B示出了当ε(t)的估计具有大的误差时范围估计中的严重性能下降。
为此，一些实施方式使用无基准计算的非线性校正来减轻源非线性对范围估计的影响。仍然依赖于参数化建模，不限于多项式相位信号模型，实施方式旨在从差拍信号同时估计1)源非线性函数ε(t)和2)反射器的范围信息。实施方式使用以下理解：在给定源非线性函数ε(t)的参数模型的情况下，来自反射器的响应携带关于反射器相关范围/延迟参数τi和源非线性函数ε(t)(以及，因此ε(t-τi))的信息。对于M个反射器，差拍信号是由M个延迟参数表征的M个响应与公共源非线性函数ε(t)之和。
探索性情况研究：源非线性函数ε(t)由三阶多项式相位信号给出，
ε(t)＝2π(β0+β1t+β2t2/2+β3t3/3！), (12)
其中，是未知的模型系数。用上面的参数模型代替(5)中的ε(t)，我们得到
其中，从(13)看出，从K个反射器所得到的差拍信号sb(t)是K分量啁啾信号，该啁啾信号的每个分量由加权的复振幅中心频率和啁啾率0.5β3τk来表征。然后，多分量啁啾参数估计能够直接用于估计K个反射器中的每一个的三个参数。
表示来自多分量啁啾参数估计算法的以下啁啾参数估计
假设K对啁啾参数我们如下地恢复K个范围参数τ＝[τ1,…,τK]T和非线性模型系数首先，将所有K对啁啾参数估计分组为
a＝(α+β2)τ-0.5β3(τeτ)
b＝0.5β3τ (15)
其中，并且e表示逐元素的Hadamard(阿达马)乘积。
上式进一步等于
其中，γ＝[γ1,γ2]T能够估计为
其中，B＝[b,beb]。因此，我们能够将(α+β2)和β3估计为
并且，能够如下地估计范围参数τ
图15示出了当源非线性函数是相同的三阶多项式函数时(13)的差拍信号的频谱图。如(13)所示，差拍信号包括中心频率为并且啁啾率为0.5β3τk的两个啁啾信号。
推广到任意阶：一些实施方式将源非线性函数ε(t)的参数多项式函数模型推广到任意阶P，
其中，是未知的模型系数。给定延迟为τk，差拍信号中的由非线性引起的相位误差项为
如下给出二项式展开式：
这得到
结果，能够如下地简化(21)中的相位项
其是具有如下第l个系数的在t上的P-1阶的K个多项式函数之和
因此，
其中，
从式(26)得到：差拍信号现在是具有第p个系数γk,p-1(一阶系数γk,1+ατk除外)和幅度的P-1阶的K个多项式相位信号之和。因此，我们能够应用最新的PPS参数估计算法来提取相位参数。
将估计出的系数表示为
其中，l＝1,…,P-2。利用这些K(P-1)个估计的系数我们能够恢复延迟参数τk和非线性参数系数βp。
考虑式(27)和(28)，当l＝1时，根据(28)，
这得到
当l＝2,…,P-2时，根据(28)，
其中，(x)e(n)表示向量x的逐元素的第n阶。
利用(30)，该公式能够重写为
其中，κl＝[κl,0,κl,1,…,κl,l-1]T。
当l＝P-1时，根据(27)，
这相当于
其中，κP-1＝[κP-1,0,κP-1,1,…,κP-1,P-2]T。
利用(32)和(34)，
并且以上参数κ的估计由以下给出：
由于κ中的κl,0由以下给出：
获得βP的估计的一种方法是中κl,0的(P-2)个估计的平均值：
结果，一些实施方式恢复针对K个反射器的延迟参数
因此，能够从估计的延迟参数恢复距离参数。
能够以多种方式中的任何方式来实现本发明的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码能够在任何合适的处理器或处理器集上执行，无论其是设置在单台计算机中还是分布在多台计算机当中。这种处理器可以实现为集成电路，在集成电路组件中具有一个或更多个处理器。但是，处理器可以使用任何适当格式的电路来实现。
本文使用的术语“程序”或“软件”在一般意义上指代能够被采用以对计算机或其它处理器进行编程以实现如前所讨论的本发明的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令的集合。
计算机可执行指令可以是由一台或更多台计算机或其它装置执行的诸如编程模式之类的许多形式。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。通常，在各种实施方式中，程序模块的功能可以根据需要进行组合或分布。能够使用被编程为或以其它方式配置为执行功能的任何适当格式的电路来实现用于执行功能、执行功能或配置为执行功能的处理器，而无需另外的修改。
而且，本发明的实施方式可以体现为一种方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造这样的实施方式，其中以与所示出的次序不同的次序来执行动作，其可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在示例性实施方式中被示为顺序动作。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的优先权、优先级或次序，或者执行方法动作的时间次序，而仅用作标签以将具有一定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(除了使用序数词之外)的另一要素区分开，以区分权利要求要素。

Claims (18)

1.一种基于频率调制连续波FMCW的系统，该系统包括：
至少一个发射器，所述至少一个发射器被配置为向场景发送至少一个辐射波，其中，发送波在频域中被线性调制，其中，所述调制受到损害而导致所述发送波在频域中的调制的非线性；
至少一个接收器，所述至少一个接收器被配置为接收所述发送波的来自所述场景中位于不同位置处的多个对象的反射；
混频器，该混频器能操作地连接到所述发射器和所述接收器，并且被配置为用所述接收器接收的所述发送波的反射来干扰由所述发射器输出的所述波的副本，以产生具有与来自所述场景的所述不同位置的反射相对应的谱峰的差拍信号，其中，所述差拍信号由于所述调制的所述非线性而失真；以及
处理器，该处理器被配置为检测失真差拍信号中的谱峰的数量，
其特征在于，所述处理器还被配置为仅响应于检测到多个谱峰而联合确定近似所述调制的所述非线性的基函数的系数和距所述场景的具有引起所述反射而导致所述失真差拍信号中的所述谱峰的对象的所述不同位置的距离，
其中，所述基函数是多项式相位基函数或多项式基函数，并且
其中，所述处理器被配置为将所述失真差拍信号中的谱峰的数量与定义所述距离估计的精确度的阈值进行比较，并且仅在所述失真差拍信号中的所述谱峰的数量大于所述阈值时确定距所述场景中的不同位置的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被配置为选择所述基函数的系数的值和距所述场景中的所述位置的距离的值，使得用所述基函数的所述系数的所选值和频率与距所述场景中的所述位置的距离的所选值对应的频率分量重构的差拍信号近似所述失真差拍信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器被配置为测试所述基函数的所述系数的不同值和距所述场景中的所述位置的距离的不同值的组合集，以产生重新创建的差拍信号的集合，并且选择得到最接近所述失真差拍信号的重新创建的差拍信号的所述系数和所述距离。
4.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述处理器被配置为形成代表复正弦信号的未知参数的函数，其中，所述未知参数包括所述基函数的所述系数和所述谱峰的频率，其中，所述系数的数量由所述基函数的阶数定义，其中所述频率的数量由所述处理器计数的所述失真差拍信号中的谱峰的数量定义，
其中，所述处理器被配置为确定包括所述系数和所述频率的所述未知参数，以用所述复正弦信号来重构所述失真差拍信号，并且
其中，所述处理器被配置为根据所确定的频率来确定距所述场景中的所述不同位置的距离。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理器被配置为使用相位展开来确定所述未知参数。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述处理器被配置为对所接收的失真差拍信号的相位进行展开，并且使用最小二乘法将所展开的相位拟合在所述复正弦信号的模型上。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理器被配置为使用时频分析来确定所述未知参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述处理器被配置为确定所接收的失真差拍信号的相位的频率，并且使用最小二乘法将所确定的频率相位拟合在所述复正弦信号的模型上。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述基函数是多项式相位基函数，其使得未知参数的函数为系数包括所述基函数的所述系数以及所述距离的未知参数的多项式函数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理器被配置为
使用高阶模糊函数HAF、高阶相位函数HPF和基于时频的方法的变型中的一种或组合，从所述失真差拍信号确定所述未知参数的多项式函数的所述系数；以及
从所述未知参数的多项式函数的所述系数联合估计所述基函数的所述系数以及所述距离。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述未知参数的多项式函数为
其中k是第k个对象的索引，tau_k是从所述发射器到所述第k个对象的往返延迟，gamma_{k,p}是非线性基系数和第k个延迟的函数，alpha是源频率扫掠速率，t是时间变量，fc是载波频率，并且A_k与所述第k个对象的反射率成比例，其中，所述未知参数的多项式函数的系数gamma包括所述基函数的所述系数以及所述距离。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辐射波包括广扩散空间束，其中，所述谱峰对应于所述广扩散空间束的来自相同探测场景中的不同对象的反射。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辐射波包括低扩散空间束，其中，所述发射器包括线性扫掠辐射源以及电动机或相控阵列，以在空间域中机械地或数字地旋转所述线性扫掠辐射源，其中，所述谱峰对应于多个低扩散空间束的来自两个探测场景中的两个不同对象的反射。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理器被配置为将多个低扩散空间束的反射组合，以形成具有多个谱峰的所述失真差拍信号。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述辐射波包括低扩散空间束，其中，所述发射器包括线性扫掠辐射源以及电动机或相控阵列，以在空间域中机械地或数字地旋转所述线性扫掠辐射源，其中，所述场景中的对象移动以使得至少两个谱峰对应于来自相同对象在所述场景中的两个不同位置的反射。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器被配置为确定距在两个时间点处检测到的所述对象的两个不同位置的距离，并且从所述对象在所述两个时间点处的所述两个位置来确定所述对象的径向速度。
17.一种用于频率调制连续波FMCW范围估计的方法，其中，该方法使用与存储的实现该方法的指令联接的处理器，其中，所述指令在由所述处理器执行时至少实施该方法的一些步骤，该方法包括以下步骤：
由发射器向场景发送至少一个辐射波，其中，发送波在频域中被线性调制，其中，所述调制受到损害而导致所述发送波在频域中的调制的非线性；
由接收器接收所述发送波的来自所述场景中位于不同位置的多个对象的反射；
用所述接收器接收到的所述发送波的反射来干扰由所述发射器输出的所述波的副本，以产生具有与来自所述场景的所述不同位置的反射相对应的谱峰的差拍信号，其中，所述差拍信号由于所述调制的所述非线性而失真；以及
检测失真差拍信号中的谱峰的数量，
其特征在于，该方法还包括：仅响应于检测到多个谱峰，联合确定近似所述调制的所述非线性的基函数的系数和距所述场景中的具有引起所述反射而导致所述失真差拍信号中的所述谱峰的对象的所述不同位置的距离，
其中，所述基函数是多项式相位基函数或多项式基函数，并且
其中，将所述失真差拍信号中的谱峰的数量与定义所述距离估计的精确度的阈值进行比较，并且仅在所述失真差拍信号中的所述谱峰的数量大于所述阈值时确定距所述场景中的不同位置的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，联合确定的步骤包括：
选择所述基函数的系数的值和距所述场景中的所述位置的距离的值，使得用所述基函数的所述系数的所选值和频率与距所述场景中的所述位置的距离的所选值对应的频率分量重构的差拍信号近似所述失真差拍信号。
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