CN113204005A - 一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置 - Google Patents

一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置，能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。该方法首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，噪声估计序列即可根据相关模态向量的频域特征获得，其次对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，同时对得到的去噪后的中频信号序列在时域上做预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值。

Description

一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置
技术领域
本发明属于调频连续波激光雷达测距的技术领域，尤其涉及一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，以及一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置。
背景技术
调频连续波激光雷达进行距离解算的过程，本质上是对调频连续波激光雷达采集得到的中频信号序列进行相关频率函数值解算，因此频率解算精度直接影响到距离解算精度。其中，存在以下因素影响调频连续波激光雷达的距离解算精度：一是中频信号序列中存在的高斯白噪声序列；二是对中频信号序列进行截取时点数有限且较难做到整周期截取，因此在对其使用传统离散傅里叶变换过程中就会产生“栅栏效应”以及频谱泄漏现象。
目前，提高中频信号序列频率解算精度的方法大致分为两个类型：一类是在对中频信号序列进行传统傅里叶变换时进行补零操作，使离散傅里叶变换点数补偿为2的整数次幂，尽管可以在一定程度上减小“栅栏效应”的影响，但补零操作相当于对中频信号序列进行矩形窗运算，在一定程度上又会产生频谱泄露现象；另一类是针对中频信号序列的频谱细化方法，如能量重心法、比值法、相位差法、复调制细化法(ZFFT)和线性调频Z变换法(Chirp-Z)等，这些方法虽然可以提高中频信号序列频率解算精度，但受高斯白噪声影响较为严重。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。
本发明的技术方案是：这种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其包括以下步骤：
(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure BDA0003054767020000021
进行周期分解，分为M组子序列
Figure BDA0003054767020000022
其中每组子序列点数均为N个；
(2)对第m组子序列
Figure BDA0003054767020000023
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure BDA0003054767020000024
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure BDA0003054767020000025
的噪声估计序列
Figure BDA0003054767020000026
(3)利用
Figure BDA0003054767020000027
和
Figure BDA0003054767020000028
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到
Figure BDA0003054767020000029
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure BDA00030547670200000210
的频率值fIF：
Figure BDA00030547670200000211
(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure BDA00030547670200000212
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
本发明首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，并根据相关模态向量的频域特征获得子序列的噪声估计序列，之后对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，得到去噪后的中频信号序列；其次在时域上对去噪后的中频信号序列进行预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值，因此能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。
还提供了一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，其包括：周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure BDA0003054767020000031
进行周期分解，分为M组子序列
Figure BDA0003054767020000032
其中每组子序列点数均为N个；时域分解模块，其配置来对第m组子序列
Figure BDA0003054767020000033
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure BDA0003054767020000034
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure BDA0003054767020000035
的噪声估计序列
Figure BDA0003054767020000036
迭代模块，其配置来利用
Figure BDA0003054767020000037
和
Figure BDA0003054767020000038
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到
Figure BDA0003054767020000039
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure BDA00030547670200000310
的频率值fIF：
Figure BDA0003054767020000041
精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure BDA0003054767020000042
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
附图说明
图1为根据本发明的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，这种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其包括以下步骤：
(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure BDA0003054767020000051
进行周期分解，分为M组子序列
Figure BDA0003054767020000052
其中每组子序列点数均为N个；
(2)对第m组子序列
Figure BDA0003054767020000053
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure BDA0003054767020000054
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure BDA0003054767020000055
的噪声估计序列
Figure BDA0003054767020000056
(3)利用
Figure BDA0003054767020000057
和
Figure BDA0003054767020000058
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到
Figure BDA0003054767020000059
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure BDA00030547670200000510
的频率值fIF：
Figure BDA00030547670200000511
(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure BDA00030547670200000512
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
本发明首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，并根据相关模态向量的频域特征获得子序列的噪声估计序列，之后对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，得到去噪后的中频信号序列；其次在时域上对去噪后的中频信号序列进行预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值，因此能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。
优选地，所述步骤(2)包括以下分步骤：
(2.1)在
Figure BDA0003054767020000061
中添加βm (1)Em (1)(wm (i))，得到I组
Figure BDA0003054767020000062
的子序列
Figure BDA0003054767020000063
其中：
Figure BDA0003054767020000064
并由该子序列
Figure BDA0003054767020000065
计算
Figure BDA0003054767020000066
的第一个残差rm (1)：
Figure BDA0003054767020000067
其中，wm (i)表示在
Figure BDA0003054767020000068
中添加的第i个均值为0、方差为1的高斯白噪声序列，序列长度为N；Em (k)(g)表示取第k次经验模态分解结果的运算符；βm (k)表示调节信噪比的第k个参数；Mm(g)表示计算每个序列上包络线与下包络线平均值的运算符；<g>m表示计算所有序列平均值的运算符；
(2.2)计算
Figure BDA0003054767020000069
的第一个模态向量
Figure BDA00030547670200000610
Figure BDA00030547670200000611
(2.3)在
Figure BDA00030547670200000612
的第k-1个残差rm (k-1)中添加βm (k)Em (k)(wm (i))，计算
Figure BDA00030547670200000613
的第k个模态向量
Figure BDA00030547670200000614
Figure BDA00030547670200000615
(2.4)取k＝2,3,K,K-1,K，重复步骤(2.3)，得到
Figure BDA00030547670200000616
的K组模态向量
Figure BDA00030547670200000617
(2.5)对步骤(2.4)中获得的K组模态向量做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱图像，对前X(X＜K/2)个无明显尖峰的模态向量求和，得到
Figure BDA0003054767020000071
的噪声估计序列
Figure BDA0003054767020000072
Figure BDA0003054767020000073
优选地，所述步骤(3)包括以下分步骤：
(3.1)计算
Figure BDA0003054767020000074
和
Figure BDA0003054767020000075
的第n个增益向量km (n)：
Figure BDA0003054767020000076
其中，Pm (n-1)表示
Figure BDA0003054767020000077
的第n-1个误差相关矩阵，当n＝1时，该矩阵为一个L×L的单位矩阵；λm表示
Figure BDA0003054767020000078
的遗忘因子；
Figure BDA0003054767020000079
表示
Figure BDA00030547670200000710
在第n至n+L-1点之间值的倒序排列向量；
(3.2)计算
Figure BDA00030547670200000711
和
Figure BDA00030547670200000712
的第n个误差值em(n)：
Figure BDA00030547670200000713
其中，
Figure BDA00030547670200000714
表示
Figure BDA00030547670200000715
在第n个点的值；wm (n-1)表示
Figure BDA00030547670200000716
的权系数向量，当n＝1时，该向量为一个长度为L的零向量；
(3.3)计算
Figure BDA00030547670200000717
和
Figure BDA00030547670200000718
的第n个权系数向量wm (n)：
wm (n)＝wm (n-1)+km (n)em(n) (10)
(3.4)计算
Figure BDA00030547670200000719
和
Figure BDA00030547670200000720
的第n个误差相关矩阵Pm (n)：
Figure BDA00030547670200000721
(3.5)取n＝1,2,K,N-L-1,N-L，重复步骤(3.1)至(3.4)，得到去
噪后的第m组中频信号序列sm：
sm＝em (12)
其中，em表示em(n)组成的序列，共N-L个点。
优选地，所述步骤(4)包括以下分步骤：
(4.1)取sm中第1至2J-1点之间的序列，得到其时移前的序列sm f，其中J＝[(N-L)/3]，[g]为取整符号；
(4.2)对sm f的每J个连续点序列加窗，得到sm f的J组子序列，并对这些子序列做周期延拓并竖直排列；
(4.3)对步骤(4.2)中sm f的J组子序列进行竖直方向加窗、截取、对齐、求和等处理，得到sm的第一组时域序列sm (1)；
(4.4)取sm第J+1至3J-1点之间的序列，得到其时移后的序列sm b，重复步骤(4.2)和(4.3)，得到sm的第二组时域序列sm (2)；
(4.5)对sm (1)和sm (2)分别做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱和相位谱图像，并找出sm (1)功率谱图像中峰值谱线序号qm *，其为在sm (1)和sm (2)的相位谱图像中分别获得相位谱值
Figure BDA0003054767020000081
和
Figure BDA0003054767020000082
(4.6)根据步骤(4.1)和(4.5)获得的参数计算，得到sm的频率值fm：
Figure BDA0003054767020000083
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该装置包括：
周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure BDA0003054767020000091
进行周期分解，分为M组子序列
Figure BDA0003054767020000092
其中每组子序列点数均为N个；
时域分解模块，其配置来对第m组子序列
Figure BDA0003054767020000093
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure BDA0003054767020000094
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure BDA0003054767020000095
的噪声估计序列
Figure BDA0003054767020000096
迭代模块，其配置来利用
Figure BDA0003054767020000097
和
Figure BDA0003054767020000098
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到
Figure BDA0003054767020000099
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure BDA00030547670200000910
的频率值fIF：
Figure BDA00030547670200000911
精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure BDA00030547670200000912
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure FDA0003054767010000011
进行周期分解，分为M组子序列
Figure FDA0003054767010000012
其中每组子序列点数均为N个；
(2)对第m组子序列
Figure FDA0003054767010000013
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure FDA0003054767010000014
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure FDA0003054767010000015
的噪声估计序列
Figure FDA0003054767010000016
(3)利用
Figure FDA0003054767010000017
和
Figure FDA0003054767010000018
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到
Figure FDA0003054767010000019
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure FDA00030547670100000110
的频率值fIF：
Figure FDA00030547670100000111
(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure FDA00030547670100000112
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
2.根据权利要求1所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：
(2.1)在
Figure FDA0003054767010000021
中添加βm (1)Em (1)(wm (i))，得到I组
Figure FDA0003054767010000022
的子序列
Figure FDA0003054767010000023
其中：
Figure FDA0003054767010000024
并由该子序列
Figure FDA0003054767010000025
计算
Figure FDA0003054767010000026
的第一个残差rm (1)：
Figure FDA0003054767010000027
其中，wm (i)表示在
Figure FDA0003054767010000028
中添加的第i个均值为0、方差为1的高斯白噪声序列，序列长度为N；Em (k)(g)表示取第k次经验模态分解结果的运算符；βm (k)表示调节信噪比的第k个参数；Mm(g)表示计算每个序列上包络线与下包络线平均值的运算符；<g>m表示计算所有序列平均值的运算符；
(2.2)计算
Figure FDA0003054767010000029
的第一个模态向量
Figure FDA00030547670100000210
Figure FDA00030547670100000211
(2.3)在
Figure FDA00030547670100000212
的第k-1个残差rm (k-1)中添加βm (k)Em (k)(wm (i))，计算
Figure FDA00030547670100000213
的第k个模态向量
Figure FDA00030547670100000214
Figure FDA00030547670100000215
(2.4)取k＝2,3,K,K-1,K，重复步骤(2.3)，得到
Figure FDA00030547670100000216
的K组模态向量
Figure FDA00030547670100000217
(2.5)对步骤(2.4)中获得的K组模态向量做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱图像，对前X(X＜K/2)个无明显尖峰的模态向量求和，得到
Figure FDA00030547670100000218
的噪声估计序列
Figure FDA00030547670100000219
Figure FDA00030547670100000220
3.根据权利要求2所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下分步骤：
(3.1)计算
Figure FDA0003054767010000031
和
Figure FDA0003054767010000032
的第n个增益向量
Figure FDA0003054767010000033
Figure FDA0003054767010000034
其中，Pm (n-1)表示
Figure FDA0003054767010000035
的第n-1个误差相关矩阵，当n＝1时，该矩阵为一个L×L的单位矩阵；λm表示
Figure FDA0003054767010000036
的遗忘因子；
Figure FDA0003054767010000037
表示
Figure FDA0003054767010000038
在第n至n+L-1点之间值的倒序排列向量；
(3.2)计算
Figure FDA0003054767010000039
和
Figure FDA00030547670100000310
的第n个误差值em(n)：
Figure FDA00030547670100000311
其中，
Figure FDA00030547670100000312
表示
Figure FDA00030547670100000313
在第n个点的值；wm (n-1)表示
Figure FDA00030547670100000314
的权系数向量，当n＝1时，该向量为一个长度为L的零向量；
(3.3)计算
Figure FDA00030547670100000315
和
Figure FDA00030547670100000316
的第n个权系数向量wm (n)：
wm (n)＝wm (n-1)+km (n)em(n) (10)
(3.4)计算
Figure FDA00030547670100000317
和
Figure FDA00030547670100000318
的第n个误差相关矩阵Pm (n)：
Figure FDA00030547670100000319
(3.5)取n＝1,2,K,N-L-1,N-L，重复步骤(3.1)至(3.4)，得到去噪后的第m组中频信号序列sm：
sm＝em (12)
其中，em表示em(n)组成的序列，共N-L个点。
4.根据权利要求3所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下分步骤：
(4.1)取sm中第1至2J-1点之间的序列，得到其时移前的序列sm f，其中J＝[(N-L)/3]，[g]为取整符号；
(4.2)对sm f的每J个连续点序列加窗，得到sm f的J组子序列，并对这些子序列做周期延拓并竖直排列；
(4.3)对步骤(4.2)中sm f的J组子序列进行竖直方向加窗、截取、对齐、求和等处理，得到sm的第一组时域序列sm (1)；
(4.4)取sm第J+1至3J-1点之间的序列，得到其时移后的序列sm b，重复步骤(4.2)和(4.3)，得到sm的第二组时域序列sm (2)；
(4.5)对sm (1)和sm (2)分别做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱和相位谱图像，并找出sm (1)功率谱图像中峰值谱线序号qm *，其为在sm (1)和sm (2)的相位谱图像中分别获得相位谱值
Figure FDA0003054767010000041
和
Figure FDA0003054767010000042
(4.6)根据步骤(4.1)和(4.5)获得的参数计算，得到sm的频率值fm：
Figure FDA0003054767010000043
5.一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，其特征在于：其包括：
周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列
Figure FDA0003054767010000044
进行周期分解，分为M组子序列
Figure FDA0003054767010000045
其中每组子序列点数均为N个；
时域分解模块，其配置来对第m组子序列
Figure FDA0003054767010000046
在时域上进行分解，得到K个模态向量
Figure FDA0003054767010000047
并根据这些模态向量的频域特征获得
Figure FDA0003054767010000048
的噪声估计序列
Figure FDA0003054767010000049
迭代模块，其配置来利用
Figure FDA00030547670100000410
和
Figure FDA00030547670100000411
进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；
预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm (1),sm (2)}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；
均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到
Figure FDA0003054767010000051
所对应的频率值{f1,f2,K,fm,K,fM-1,fM}，并对其做均值运算，得到
Figure FDA0003054767010000052
的频率值fIF：
Figure FDA0003054767010000053
精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值R：
Figure FDA0003054767010000054
其中，T为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，B为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。
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