CN112904357B - 处理激光信号的方法、驱动车辆的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了处理激光信号的方法、驱动车辆的方法。处理用于利用激光装置照射和捕捉外部场景(ES)的激光信号的方法，所述外部场景以像素(Pi)划分，所述方法包括以下步骤：在上啁啾和下啁啾中对激光信号进行频率调制；照射所述外部场景(ES)；接收反射激光信号；测量上差拍信号(fb,up)；测量下差拍信号(fb,down)，其特征在于：对于至少一个像素(Pi)，用向上啁啾和用向下啁啾同时照射外部场景(ES)，和/或对至少两个相邻像素(Pi)的经调制的激光信号进行振幅调制，使得所述计算单元(40)能够区分两个相邻像素(Pi)的反射激光信号。

Description

处理激光信号的方法、驱动车辆的方法
技术领域
本公开涉及处理用于利用激光装置照射和捕捉外部场景的激光信号方法。具体地，本公开涉及利用实现激光光源的激光雷达(Lidar)(光检测和测距)来分析外部场景。
背景技术
频率调制连续波(FMCW)激光雷达被认为是下一代自主驾驶传感器的有前途的技术，因为其允许高角度分辨率、强信噪比(SNR)、对环境光的抗扰性以及同时具备大测量范围和高速度。通常，发射和反射的激光信号以具有恒定斜率的连续的向上及向下啁啾来调制，并且如果相对速度不等于0m/s，则由于多普勒频移可以确定上差拍信号和下差拍信号。
然而，由于时间延迟(对于给定像素，等待反射激光信号返回的时间)，并且为了避免处理相邻像素的反射信号的模糊性，该方法对于具有大量像素的大视场需要高的像素吞吐量。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的上述缺点，并且首先提出一种处理用于由激光装置照射和捕捉外部场景的激光信号的方法，该方法即使对于大量的像素也具有高角分辨率、强信噪比、对环境光的抗扰性以及同时的大测量范围和高速度。
以此为目标，本公开的第一方面是一种处理利用激光装置照射和捕捉外部场景的激光信号的方法，该外部场景以像素来划分，该方法包括以下步骤：
用第一调制单元以上啁啾和下啁啾对激光信号进行频率调制，
用照射单元用经调制的激光信号的至少第一部分照射外部场景，经调制的激光信号的第二部分用于生成基准信号，
用接收单元接收针对各个像素的具有所接收的上啁啾、下啁啾的反射激光信号，
其特征在于：
对于至少一个像素，用经调制的激光信号的上啁啾并且用经调制的激光信号的下啁啾同时照射外部场景，和/或
在照射外部场景之前：利用第二调制单元根据至少两个不同的振幅调制对至少两个相邻像素的经频率调制的激光信号进行振幅调制，使得计算单元基于这两个不同振幅调制能够区分两个相邻像素的反射激光信号。
上述方法包括利用(或发出)上啁啾和下啁啾同时照射或基本同时照射外部场景的步骤，从而没有在上啁啾之后发送下行啁啾的半个周期的等待时间。另外，用不同的振幅调制来调制至少两个相邻像素的激光信号允许基于振幅调制而不是基于时间来区分与各个像素相关的信号。因此，可以在没有时间约束的情况下执行计算，从而可以避免等待时间。特别地，应当注意的是，与利用经调制的激光信号的上啁啾然后利用下啁啾依次照射外部场景相比，本公开允许并行地执行这些步骤。那么，至少节省了一半时间。
另外，或者另选地，经频率调制的激光信号(以产生固有地呈现随时间变化的频率的上啁啾和下啁啾)附加地用针对各个像素的特定振幅调制来进行调制。这允许避免在扫描一行或一列像素时的任何等待时间。实际上，在没有该幅度上的第二调制的情况下，计算单元应当在给定像素的照射时间期间接收并积分或处理反射信号，以避免任何模糊。换句话说，基于时间来区分像素。利用第二振幅调制，利用各个像素的特定特性，计算单元基于特定调制特性可以将接收到的反射激光信号区分(或分配)到正确的且相应的像素，即使信号是在所述像素的照射时段之后接收到的。因此，可以容易地减少照射时间或周期。在优选实施方式中，照射时间限于计算单元的积分时间或处理时间。
换句话说，第二振幅调制是对已根据频率调制而调制的激光信号并且是在照射外部场景之前执行的。可以认为照射单元向外部场景发出经调幅调制的-频率调制的激光信号。最后，照射单元同时或基本上同时发出：经振幅调制的上啁啾和经振幅调制的下啁啾。换句话说，频率调制恒定波(FMCW)激光雷达对由第一调制单元产生的连续信号执行振幅调制，该振幅调制是逐个像素地变化或调整的。
有利地，对于至少多个相邻像素，在相邻像素之间没有任何啁啾复位的情况下，利用经调制的激光信号的上啁啾并且用经调制的激光信号的下啁啾同时照射或几乎同时照射外部场景。为了避免所发出的信号中的任何突然的阶跃，当从一个像素到相邻的一个像素时，上啁啾和下啁啾不被复位。这避免了对信号的诸如平滑或切割或采样的处理操作。这还允许在没有任何等待时间的情况下照射相邻像素。
因此，经频率调制的激光信号的上啁啾和下啁啾可以在给定的时间点上彼此交叠或交叉，该时间点以下称为交叠时间To。
有利地，经调制的激光信号的上啁啾和下啁啾各自以特定的偏振来进行偏振。因此，即使在交叠时间To，也可以区分上啁啾和下啁啾。换句话说，该方法包括设置特定偏振给上啁啾(例如垂直偏振)和下啁啾(例如水平偏振)的步骤。除了区分上啁啾与下啁啾的步骤外，上啁啾和下啁啾的特定偏振可以允许识别不同道路或目标状况的步骤。
有利地，至少在上啁啾和下啁啾的交叠期间使用匹配滤波器。详细地，该方法可以包括将已知的延迟发射信号(所发射的上啁啾和下啁啾)与接收信号相关以在接收的反射信号中识别和选择发射信号的存在的步骤，从而识别和/或分配和/或分束反射信号的相关部分，该相关部分源自或将要分配给所发射的上啁啾或下啁啾。
应当注意，当对上啁啾和下啁啾应用特定的偏振时，照射信号的偏振可能在目标上的反射期间改变，并且通过在接收单元侧上使用分束器，上啁啾和下啁啾的一部分将被混合，其可以使用匹配滤波来考虑在内。
有利地，该方法还可以考虑在交叠时间To之前或稍早(例如，通常在几微秒的时间帧内)接收到的反射上啁啾和下啁啾信号的部分，以预测和/或比较在交叠时间To处的反射信号，从而识别和/或分配和/或分束反射信号的相关部分，该相关部分源自或将被分配给所发射的上啁啾或下啁啾。
有利地，用经调制的激光信号的上啁啾并且用经调制的激光信号的下啁啾同时照射外部场景，以同时从外部场景接收各个像素的所接收的上啁啾、下啁啾。
有利地，对于至少一个像素：
根据上振幅调制对经调制的激光信号的上啁啾进行振幅调制，
根据与该上振幅调制不同的下振幅调制对经调制的激光信号的下啁啾进行振幅调制。
根据上述实施方式，为了帮助由计算单元区分信号，对于同一像素，根据特定调制来调制上啁啾，并且根据另一特定调制来调制下啁啾。该实施方式可以在执行激光信号的频率调制的同时或之后，由第一调制单元执行。这是对由第二调制单元执行的振幅调制的补充。
有利地，该方法包括以下步骤：
在照射外部场景之前和/或在对经调制的激光信号进行振幅调制之前：用激光分束器单元对经调制的激光信号进行分束，以将经调制的激光信号的第一部分发送到照射单元，并且利用经调制的激光信号的用作基准本地振荡信号的第二部分来产生基准信号，
在测量各个像素的上、下差拍信号之前：将接收的反射激光信号与基准本地振荡信号的第二部分混合。
经调制的激光信号的第二部分用作基准信号，以与接收的反射信号比较。通常，计算单元包括相干传感器，以测量上差拍信号和下差拍信号。
有利地，所述方法包括：
对于各个像素，利用计算单元根据基准信号与接收的上啁啾之间的差来测量上差拍信号，
对于各个像素，利用计算单元根据基准信号与接收的下啁啾之间的差来测量下差拍信号。
有利地，计算单元执行快速傅立叶变换(对经混合的调制经的反射激光信号)，以区分两个相邻像素的反射激光信号。这种快速傅立叶变换提供了一种基于振幅调制来区分反射信号的可靠方法，因为边带将示出针对各个像素的特定频率、以及上啁啾和下啁啾。
有利地，对于至少两个相邻像素，利用第一调制单元以具有恒定斜率的连续上啁啾和下啁啾来调制激光信号的步骤是根据至少两个不同的频率调制进行调制的步骤。该实施方式为区分相邻像素提供了附加的可靠性，因为各个像素被以特定的(在频率上)经调制的激光信号照射。可以考虑具体调整针对像素的带宽。对于一行或一列像素，可以为各个像素分配特定的频率调制。
根据实施方式，上啁啾和/或下啁啾可以呈现恒定或几乎恒定的斜率。
本发明的第二方面涉及一种用于驱动车辆的方法，所述车辆优选地是自主车辆，所述方法包括外部场景处理阶段，所述外部场景处理阶段实现根据本发明的第一方面的处理激光信号的方法的步骤。
本公开的第三方面涉及一种外部场景分析模块，所述外部场景分析模块包括至少：
第一调制单元，
激光装置的照射单元，
接收单元，
计算单元，
第二调制单元，
并且被配置为实现根据本公开的第一方面的用于处理激光信号的方法。
本发明的第四方面涉及一种包括根据本发明的第三方面的外部场景分析模块的车辆。
附图说明
本公开的其他特征和优点将从以下对本公开的特定非限制性示例的详细描述中更清楚地显现，这些示例由附图示出，其中：
图1表示配备有包括用于实现根据本公开的处理激光信号的方法的激光装置的外部场景分析模块的车辆；
图2表示根据现有技术将激光信号频率调制成上下连续啁啾的步骤；
图3的(a)表示根据本公开的发送上行和下行啁啾的步骤；
图3的(b)表示对外部场景的相邻像素的信号进行振幅调制的步骤。
具体实施方式
图1表示配备有包括照射单元10和接收单元20的激光装置的车辆。通常，激光装置优选地是激光雷达。该车辆还包括第一调制单元31和第二调制单元32、以及计算单元40，其用于处理由激光装置产生的用于照射和捕捉表示在车辆前方的外部场景ES的激光信号。
然而，外部场景ES不限于车辆的前方环境。外部场景ES可以包括车辆的侧面和后侧。
此外，车辆通常包括主控制器单元50、用于使车辆转向的转向单元60和用于控制车辆速度的动力单元70。在本图1中，所有单元都是车辆的一部分，但是一些单元(例如第一调制单元31、第二调制单元32或计算单元40)可以位于车辆之外，并且通过无线电波连接链接到车辆。
如图1所描绘的，外部场景ES被分割或划分为像素Pi，并且根据本公开的方法基于频率调制连续波激光雷达。
特别地，并且如图2对于现有技术所示，频率调制的连续波激光雷达正在实现发射单元10利用激光信号照射外部场景ES(该激光信号先前根据频率调制来调制)，利用接收单元20接收反射的激光信号(由外部场景ES中存在的目标(未示出)反射)，并且利用调制的激光信号的分束来测量反射的激光信号的差拍信号。通常，激光信号由激光光源产生，然后由第一调制单元31调制(频率调制)以产生上啁啾和下啁啾，由激光分束器单元分束，第一部分被发送到照射单元10，第二部分用作本地振荡。使得由接收单元20接收的反射激光信号可以与本地振荡与经调制的激光信号的第一部分混合，以测量差拍信号。
以具有恒定斜率K＝±B/T(B：带宽，T：像素照射或扫描时间)的连续上啁啾和下啁啾调制激光频率f0，如果车辆与目标之间的相对速度ν不等于0m/s，则对于各个像素P1、P2，由于多普勒频移而给出两个差拍信号(fb,up,fb,down)。
因此，频移由下式给出：
多普勒频移由下式给出：
上差拍信号和下差拍信号分别由下式给出：
fb,up＝|fr-fDoppler|，fb,down＝|fr+fDoppler|
其中，R是目标距离，c是光速，T是像素照射或扫描时间，B是调制带宽。
因此，视场中的各个像素Pi分别在一个啁啾周期T上扫描，逐个啁啾给出距离和速度信息。
根据本公开，并且为了允许单个帧的快速扫描，同时发出上啁啾和下啁啾，以在一个斜坡内扫描完整的像素行或列，而不需要任何等待时间并且不需要对各个像素进行任何啁啾复位，如图3的(a)所示。
应当注意，上啁啾和下啁啾被同时或几乎同时地发出以照射外部场景，这意味着在用上啁啾和下啁啾照射外部场景时可能存在微小的时间差。也就是说，关于图3的(a)和图3的(b)所示的像素照射时间T'，发送上啁啾和下啁啾的这种微小时间差是小的。优选地，利用上啁啾和下啁啾照射外部场景的时间差小于像素照射时间T’的50％，更优选地，利用上啁啾和下啁啾照射外部场景的时间差小于像素照射时间T’的20％。更优选地，利用上啁啾和下啁啾照射外部场景的时间差小于像素照射时间T’的5％，更优选地，利用上啁啾和下啁啾照射外部场景的时间差小于像素照射时间T’的2％。因此，反射的上啁啾和下啁啾以相同的方式同时或几乎同时被接收。
作为图3的(a)的示例，如果各个像素Pi被利用1GHz的带宽调制的激光信号照射，则有可能在没有任何啁啾复位的情况下，一次扫描(一行或一列)大约一千个像素Pi的序列，导致大约1THz的总带宽。
针对各个像素的信号显示时间必须保证足够的信噪比(SNR)，但是由于用振幅调制标记各个像素信号而不需要任何等待时间。这在图3的(b)中例示，其中(除了频率调制外还)用不同的特征频率对针对各个像素的激光信号进行了振幅调制。这些频率可以用检测到的混合信号的快速傅立叶变换来识别，作为围绕各个差拍信号的边带。该方法保证即使在对应于像素n+1的时间窗中检测到各个接收信号，也可以将其分配给对应的像素n。可以不同地选择用于上啁啾和下啁啾的频率和振幅调制，以减少源于不同像素的信号之间的模糊性。
因此，图3的(a)和图3的(b)所示的像素照射时间T’比图2所示的照射时间T短。
用于像素n的上啁啾和下啁啾的电场方程因此由下式给出：
其中i和n表示针对上啁啾和下啁啾和各个像素的振幅频率可以不同地选择，是发射激光信号与接收激光信号之间的相位延迟。
当然，可以理解，对于本领域技术人员来说，可以实现明显的改进和/或修改，这仍然在本公开的范围内。特别地，提到提供两个调制单元，但是可以仅提供一个调制单元用于执行频率调制和振幅调制。

Claims (11)

1.一种处理激光信号的方法，所述激光信号用于利用激光装置照射和捕捉外部场景(ES)，该外部场景(ES)以像素(Pi)划分，该方法包括以下步骤：
用第一调制单元(31)以上啁啾和下啁啾对激光信号进行频率调制，
对所述上啁啾和所述下啁啾各自以特定的偏振来进行偏振，
用照射单元(10)用经调制的激光信号的至少一部分来照射所述外部场景(ES)，
用接收单元(20)接收针对各个像素(Pi)的具有所接收的上啁啾、下啁啾的反射激光信号，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对于至少一个像素(Pi)，用经调制的激光信号的上啁啾并且用经调制的激光信号的下啁啾同时照射所述外部场景(ES)，
使用在经频率调制的激光信号的上啁啾和下啁啾彼此交叉的交叠时间(To)之前的时间帧内接收到的反射上啁啾和下啁啾信号的部分来预测在所述交叠时间(To)处的反射信号，从而识别反射信号的源自所发射的上啁啾或下啁啾激光信号的相关部分，以及
利用第二调制单元根据至少两个不同振幅调制对至少两个相邻像素(Pi)的经频率调制的激光信号进行振幅调制，使得计算单元(40)基于所述两个不同振幅调制能够区分两个相邻像素(Pi)的反射激光信号，然后针对至少一个像素(Pi)用经调制的激光信号的所述上啁啾和经调制的激光信号的所述下啁啾同时照射所述外部场景(ES)。
2.根据权利要求1所述的处理激光信号的方法，其中，对于至少多个相邻像素(Pi)，在相邻像素(Pi)之间没有任何啁啾复位的情况下，利用经调制的激光信号的上啁啾并且利用经调制的激光信号的下啁啾同时照射所述外部场景(ES)。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的处理激光信号的方法，其中，利用经调制的激光信号的上啁啾并且利用经调制的激光信号的下啁啾同时照射所述外部场景(ES)，以从所述外部场景(ES)同时接收针对各个像素的所接收的上啁啾、下啁啾。
4.根据权利要求1所述的处理激光信号的方法，其中，对于至少一个像素(Pi)：
根据上振幅调制对所述经调制的激光信号的所述上啁啾进行振幅调制，
根据与所述上振幅调制不同的下振幅调制对经调制的激光信号的所述下啁啾进行振幅调制。
5.根据权利要求1所述的处理激光信号的方法，包括以下步骤：
在不进行振幅调制的情况下在照射所述外部场景(ES)之前，或者在进行振幅调制的情况下在对经调制的激光信号进行振幅调制之前：用激光分束器单元对经调制的激光信号进行分束，以将经调制的激光信号的第一部分发送到所述照射单元(10)，并且利用经调制的激光信号的用作基准本地振荡信号的第二部分来产生基准信号，
在测量针对各个像素(Pi)的上差拍信号和下差拍信号之前：将接收到的反射激光信号与所述基准本地振荡信号混合。
6.根据权利要求5所述的处理激光信号的方法，所述方法包括以下步骤：
对于各个像素(Pi)，利用所述计算单元(40)根据所接收的上啁啾与所述基准本地振荡信号之间的差来测量上差拍信号(fb,up)，
对于各个像素(Pi)，利用所述计算单元(40)根据所接收的下啁啾与所述基准本地振荡信号之间的差来测量下差拍信号(fb,down)。
7.根据权利要求1所述的处理激光信号的方法，其中，所述计算单元(40)执行快速傅立叶变换，以区分两个相邻像素(Pi)的反射激光信号。
8.根据权利要求1所述的处理激光信号的方法，其中，对于至少两个相邻像素(Pi)，利用所述第一调制单元(31)以具有恒定斜率的连续上啁啾和下啁啾来调制激光信号的步骤是根据至少两个不同频率调制进行调制的步骤。
9.一种驱动车辆的方法，该方法包括外部场景处理阶段，该外部场景处理阶段实施根据权利要求1至8中的任一项所述的处理激光信号的方法的步骤。
10.一种外部场景分析模块，所述外部场景分析模块包括至少：
第一调制单元(31)，
激光装置的照射单元(10)，
接收单元(20)，
计算单元(40)，
第二调制单元，
并且被配置为实现根据权利要求1至8中的任一项所述的处理激光信号的方法。
11.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求10所述的外部场景分析模块。
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