CN114690171A - 利用调频连续波进行探测的方法和激光雷达 - Google Patents

利用调频连续波进行探测的方法和激光雷达 Download PDF

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CN114690171A CN202011623330.8A CN202011623330A CN114690171A CN 114690171 A CN114690171 A CN 114690171A CN 202011623330 A CN202011623330 A CN 202011623330A CN 114690171 A CN114690171 A CN 114690171A
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Abstract

本发明提供了一种利用调频连续波进行探测的方法，包括：S11：按照预设扫频波形发射探测波以探测目标物；S12：接收所述探测波在所述目标物上反射后的回波；和S13：根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度，其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成。

Description

利用调频连续波进行探测的方法和激光雷达
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及利用调频连续波进行探测的方法以及激光雷达。
背景技术
图1示出了一种调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave， FMCW)雷达(简称FMCW雷达)的结构图，通过耦合器1将调频光(图中调制单元未示出)分束为本振光与探测光，探测光经准直单元后出射，经振镜向空间扫描，被目标物反射的探测光(探测光回波)被振镜反射并被准直单元接收，重新进入系统与本振光进行相干拍频。根据拍频信号的频率(始终为正值)可以解析目标的距离和速度信息。图1中探测光回波经环形器后被探测器接收，随后探测光回波与本振光在耦合器2中混频，处理单元例如包括低通滤波单元、A/D采样单元,探测光回波与本振光混频后低通滤波，得到拍频信号，经过模数转换后，进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform， FFT)，获得发射信号(探测光)与接收信号(探测光回波)的拍频信号的频率及其对应的幅度。
由于回波光相对于本振光存在时间延时，实际有效的拍频时间段为当前线性调频的时长与回波延迟时间之差，其余区段为时间延时造成的无效拍频区，如图2所示。
为了同时获取回波信号的延时和多普勒频移，可采用两种斜率的线性扫频信号组合，最常见为三角波，如图3A和图3B所示,图3A为不考虑多普勒频移的情况，图3B为考虑多普勒频移的情况。
三角波上升沿、下降沿的拍频信号的频率f1、f2分别可表示为：
f1＝|fZ-fv| (1)
f2＝|fZ+fv| (2)
其中，fZ为不考虑多普勒频移的上升沿/下降沿的频移(即频率差),如图3A所示,fv为多普勒频移。根据上式(1)和(2)可以得出四组关于fZ与fv的解。由于距离恒大于零：fZ>0，可以去除两组解。然而，如4所示，对于可能信号1，|fv|＞|fZ|，对于可能信号2，|fv|＜|fZ|，二者的回波信号与本地信号的拍频结果相同，两者无法区分。因此，导致三角波调频无法处理近距离高速物体的测量。
同时，FMCW激光雷达也会面临多回波的问题，例如当振镜扫描过快又处于物体边沿时，使得上升沿和下降沿拍频信号中包括了前后不同的被测物；而当振镜扫描过慢又处于物体边沿时，上升沿和下降沿拍频信号中很可能携带了前后多种物体的反射信息，这会带来如何正确匹配的问题。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个问题，本发明提供一种利用调频连续波进行探测的方法，包括：
S11：按照预设扫频波形发射探测波以探测目标物；
S12：接收所述探测波在所述目标物上反射后的回波；和
S13：根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度，
其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成。
根据本发明的一个方面，在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连。
根据本发明的一个方面，在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离。
根据本发明的一个方面，所述步骤S13包括：
S131：确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值；
S132：根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv；和
S133：根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。
根据本发明的一个方面，所述步骤S132包括：
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近 fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，
当|f2-f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000031
当|f2+f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000032
若f1＜f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000033
Figure RE-RE-GDA0002978458390000034
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：选择满足
Figure RE-RE-GDA0002978458390000035
或
Figure RE-RE-GDA0002978458390000036
的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
根据本发明的一个方面，所述步骤S103包括：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于所述幅度阈值时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000041
Figure RE-RE-GDA0002978458390000042
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：
基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F；
选择
Figure RE-RE-GDA0002978458390000043
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
本发明还提供一种激光雷达，包括：
发射单元，所述发射单元配置成按照预设扫频波形发射探测波，其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成；
扫描单元，所述扫描单元配置成可接收所述探测波并将所述探测波反射后出射，以探测目标物；
接收单元，其中所述探测波在所述目标物上反射的回波经所述扫描单元反射后入射到所述接收单元上；和
处理单元，所述处理单元与所述发射单元和接收单元耦接，所述处理单元配置成根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度。
根据本发明的一个方面，在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连。
根据本发明的一个方面，在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值；
根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv；和
根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近 fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，
当|f2-f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000051
当|f2+f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000052
若f1＜f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000053
Figure RE-RE-GDA0002978458390000054
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：选择满足
Figure RE-RE-GDA0002978458390000055
或
Figure RE-RE-GDA0002978458390000056
的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于幅度阈值时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000061
Figure RE-RE-GDA0002978458390000062
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：
基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F；
选择
Figure RE-RE-GDA0002978458390000063
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
本发明要解决当前基于三角波扫频的FMCW激光雷达存在解调错误，无法处理近距离高速物体的测量的问题，以及FMCW激光雷达的多回波问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了一种调频连续波雷达的结构图；
图2示出了图1的调频连续波雷达中的有效拍频区与无效拍频区的示意图；
图3A示出了不考虑多普勒频移时采用三角波扫频的探测波以及回波；
图3B示出了考虑多普勒频移时采用三角波扫频的探测波以及回波；
图4示出了采用三角波扫频探测近距离高速物体时存在可能解调错误的情形；
图5示出了根据本发明一个实施例的利用调频连续波进行探测的方法；
图6A示出了根据本发明一个实施例的预设扫频波形的示意图；
图6B示出了根据本发明另一个实施例的预设扫频波形的示意图；
图6C示出了根据本发明又另一个实施例的预设扫频波形的示意图；
图7示出了根据本发明的实施例水平区域探测波与回波之间的拍频信号的频率及其对应的幅度的示意图；
图8、图9和图10分别示出了根据本发明的实施例在三种情形下的探测波和回波；
图11中示出了根据本发明的一个实施例进行多回波匹配的示意图；和
图12示出了根据本发明的一个实施例的激光雷达的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、" 第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图5示出了根据本发明一个实施例的利用调频连续波进行探测的方法 10，下面参考附图详细描述。
在步骤S11：按照预设扫频波形发射探测波以探测目标物，其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成。
图6A示出了根据本发明一个实施例的预设扫频波形的示意图。如图6A 所示，所述预设扫频波形的一个周期T包括三段，分别为上升沿、水平区域和下降沿。在图6A的预设扫频波形中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连，即水平区域的频率值与上升沿和下降沿频率值的最大值基本相等。图 6B示出了根据本发明另一个实施例的预设扫频波形的示意图。如图6B所示，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离，图中水平区域的频率值与上升沿和下降沿频率值的最大值不相同，同时上升沿和下降沿频率值的最大值可以相同也可以不同，图6B中仅示出了基本相同的情况。可替换的，所述水平区域也可以位于上升沿和下降沿的上方，如图6C所示，这些都在本发明的范围内。
本发明可以采用图6A、图6B和图6C所示的预设扫频波形，三者的解调方式基本相同。下面以图6A所示的预设扫频波形为例进行描述。
在步骤S12：接收所述探测波在所述目标物上反射后的回波。按照预设扫频波形发射探测波后，探测波在目标物上发生漫反射，部分回波返回，由探测装置接收并转换为电信号。
在步骤S13：根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度。即，利用快速傅里叶变换(FFT)，获得所述回波和所述探测波在各段的拍频信号的频率及其对应的幅度，再基于拍频信号的频率获得所述目标物的距离和/或速度。本发明中，通过采用三段式波形扫频，包括上升沿+水平区域+下降沿，并以该三段式为一个周期，能够解决近距离高速物体回波频率 (相对于探测波)发生反转导致的误判和/或多回波匹配问题。下面详细描述根据本发明优选实施例的解调过程。
根据本发明的一个方面，所述步骤S13包括：
在步骤S131：确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd是否大于等于幅度阈值。
回波的频率-时间波形通常与探测波的频率-时间波形相同或者接近。本发明中，探测波的扫频波形包括上升沿、水平区域和下降沿，因此回波的频率波形也包括上升沿、水平区域和下降沿。图7示出了探测波的扫频波形和回波的频率波形。在接收到回波之后，将回波与探测波进行拍频，经变换运算，获得回波和探测波在上升沿、水平区域和下降沿的拍频信号的频率及其对应的幅度，然后读取水平区域的拍频信号的频率fd及其对应的幅度，水平区域的拍频信号的频率fd即水平区域内探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，随后判断水平区域的拍频信号的频率fd对应的幅度是否大于等于幅度阈值。
本发明中，水平区域探测波与回波之间的拍频信号的频率fd与速度频移分量fv紧密相关联，二者的绝对值相同，但fd始终为正值，fv根据其方向性而可能为正值也可能为负值。在步骤S132：根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv。下面描述根据本发明一个优选实施例的计算方式。
图7示出了水平区域探测波与回波之间的拍频信号的频率及其对应的幅度的示意图。图中水平区域探测波与回波之间的拍频信号的频率fd对应的幅度为Ad，幅度阈值为Adth,图中Ad大于Adth。所述的幅度阈值由无回波时的噪声幅度决定，例如Adth为无回波时的噪声幅度的6倍，也可以根据实际情况进行设定。
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近 fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值。
当|f2-f1|/2更接近fd时，例如当|f2-f1|/2≈fd时，说明|fZ|＞|fv|，表明此时上下沿未出现频率符号变化(即在上升沿，回波位于探测波的下方；在下降沿，回波位于探测波的上方)，此时存在多普勒频移(速度频移分量)，但速度频移分量fv小于距离频移分量fz，探测波与所述回波的频率如图8所示，因此按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000111
当|f2+f1|/2更接近fd时，例如当|f2+f1|/2≈fd时，说明|fZ|＜|fv|，此时按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，此时存在多普勒频移，但速度频移分量fv大于距离频移分量fz，且速度频移分量 fv为负，探测波与所述回波的频率如图9所示(在上升沿，回波位于探测波的下方；在下降沿，回波位于探测波的下方，下降沿出现了翻转)，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000112
若f1＜f2，此时存在多普勒频移，但速度频移分量fv大于距离频移分量fz，且速度频移分量fv为正，探测波与所述回波的频率如图10所示(在上升沿，回波位于探测波的上方，上升沿出现了翻转；在下降沿，回波位于探测波的上方)，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000113
根据本发明的一个方面，所述步骤S132包括：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于所述幅度阈值时，即此时Ad小于Adth，可认为不存在fd，这种情况通常是由于距离远、回波信号小或运动速度过小导致的。此时可按照以下方式计算所述距离频移分量 fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000114
在步骤S133：根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。在获得了距离频移分量fz和速度频移分量fv之后，就可以分别用于计算目标物的距离和速度。在lidar系统中，距离系数factor_z 和速度系数factor_v为前期标定值，在获得了距离频移分量fz和速度频移分量fv之后，就可以分别乘以距离系数factor_z和速度系数factor_v计算得到目标物的距离和速度。
图8、图9和图10中仅示出了一个回波的频率波形。在激光雷达探测时，当振镜扫描过快又处于物体边沿时，会出现多个回波的频率波形，上升沿和下降沿拍频信号中包括了前后不同的被测物；而当振镜扫描过慢又处于物体边沿时，上升沿和下降沿拍频信号中很可能携带了前后多种物体的反射信息，因而需要正确的匹配。
根据本发明的一个实施例，可以判断是否存在多回波，并且在存在多回波的情况下，进行匹配，即保留上升沿范围内和下降沿范围内的相匹配的f1和f2组。例如当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，上升沿范围内频率差的绝对值f1个数和下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目只要有一方大于1，就认为存在多回波(例如图4所示的情形)，需要匹配，此时只要寻找满足
Figure RE-RE-GDA0002978458390000121
或
Figure RE-RE-GDA0002978458390000122
的一组f1和f2，认为此时的f1和f2是匹配的一对。保留满足上述条件的一对f1和f2，丢弃其他的f1和f2。图11中示出了多回波匹配的示意图，其中上方示出了上升沿拍频频谱，下方示出了下降沿拍频频谱。如图 11所示，在上升沿产生了两个f1，在下降沿同样产生了两个f2。通过上述的匹配方式，上升沿的第一回波与下降沿的第一回波满足上述匹配关系，予以保留。排除其他回波，用于后续的数据处理。
而当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于所述幅度阈值、并且上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，可以基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F，然后选择使得
Figure RE-RE-GDA0002978458390000123
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。在这种情况下，车辆前进导致环境物体的相对速度产生的频移为F，F可通过车辆的速度传感器或实时分析环境中物体的速度获得，基于速度的多回波匹配，优先选择多回波中来自于静止物体的回波信号。
因此在存在多回波的情况下，通过上述的方式进行匹配，保留一组f1和 f2，然后通过下面的方式来分别计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000131
上面描述的本发明的实施例中，采用三段式的周期波形进行扫频，能够解决现有采用三角波扫频带来的近距离高速物体测量时的误解调问题，以及多回波不能匹配问题。
图12示出了根据本发明一个实施例的激光雷达100，可用于实施上述方法10。下面参考附图详细描述。
如图12上述，激光雷达100包括发射单元101、接收单元102、扫描单元103以及处理单元104。其中所述发射单元101配置成按照预设扫频波形发射探测波L1，其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成，如图6A、6B和6C所示的。探测波L1入射到扫描单元103上，扫描单元103可以包括振镜或者转镜，通过摆动或转动的方式将探测波L1沿着不同的方向反射后出射到周围的空间中，覆盖激光雷达的视场，用于探测目标物OB。探测波L1在目标物上发生漫反射，回波L1’返回激光雷达100，同样可以由扫描单元103接收并反射到接收单元102上。接收单元102包括光电探测器，配置成接收所述探测波L1在所述目标物OB上反射的回波L1＇并转换为电信号。发射单元101和接收单元102例如还包括光束整形单元，如图1所示的准直单元，用于出射探测波或回波的准直。处理单元103与所述发射单元101和接收单元102耦接，所述处理单元103配置成根据所述回波L1＇和所述探测波L1，获得所述目标物的距离和/或速度。本领域技术人员容易理解，图12示出的是激光雷达100的功能框图，而非实际的结构图。激光雷达100优选地可采用图1所示的FMCW激光雷达的结构，其中发射单元 101可以包括激光器以及信号发生单元，例如产生调制波形的DAC，其中激光器发射出激光束，信号发生单元用于产生预设的扫频波形，然后利用所述预设扫频波形来调制激光束，产生探测波L1。接收单元102可包括图1所示的振镜和准直单元，其中振镜用于接收回波L1＇并将其反射到准直单元上，准直单元对回波L1＇进行汇聚。所述处理单元103根据探测波L1和回波L1＇来进行计算和处理。
根据本发明的一个方面，在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连，如图6A所示的波形；或者所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离，如图6B和图6C所示的波形。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值；
根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv；和
根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近 fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，
当|f2-f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000141
当|f2+f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000142
若f1＜f2，则
Figure RE-RE-GDA0002978458390000143
Figure RE-RE-GDA0002978458390000151
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：选择满足
Figure RE-RE-GDA0002978458390000152
或
Figure RE-RE-GDA0002978458390000153
的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于幅度阈值时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure RE-RE-GDA0002978458390000154
Figure RE-RE-GDA0002978458390000155
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
根据本发明的一个方面，所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：
基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F；
选择
Figure RE-RE-GDA0002978458390000156
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种利用调频连续波进行探测的方法，包括：
S11：按照预设扫频波形发射探测波以探测目标物；
S12：接收所述探测波在所述目标物上反射后的回波；和
S13：根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度，
其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤S13包括：
S131：确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值；
S132：根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv；和
S133：根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述步骤S132包括：
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，
当|f2-f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure FDA0002878755110000021
当|f2+f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，则
Figure FDA0002878755110000022
若f1＜f2，则
Figure FDA0002878755110000023
6.如权利要求4或5所述的方法，还包括：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
7.如权利要求6所述的方法，其中当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：选择满足
Figure FDA0002878755110000024
或
Figure FDA0002878755110000025
的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述步骤S132包括：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于所述幅度阈值时，按照以下方式计算所述距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure FDA0002878755110000026
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
10.如权利要求9所述的方法，其中当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：
基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F；
选择
Figure FDA0002878755110000031
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
11.一种激光雷达，包括：
发射单元，所述发射单元配置成按照预设扫频波形发射探测波，其中所述预设扫频波形的一个周期由上升沿、水平区域和下降沿构成；
扫描单元，所述扫描单元配置成可接收所述探测波并将所述探测波反射后出射，以探测目标物；
接收单元，其中所述探测波在所述目标物上反射的回波经所述扫描单元反射后入射到所述接收单元上；和
处理单元，所述处理单元与所述发射单元和接收单元耦接，所述处理单元配置成根据所述回波和所述探测波，获得所述目标物的距离和/或速度。
12.如权利要求11所述的激光雷达，其中在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相连。
13.如权利要求11所述的激光雷达，其中在所述预设扫频波形的一个周期中，所述水平区域与所述上升沿和下降沿相分离。
14.如权利要求11所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：
确定在所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值；
根据所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度是否大于等于幅度阈值，分别依据预设方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv；和
根据所述距离频移分量fz和速度频移分量fv，计算所述目标物的距离和速度。
15.如权利要求14所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：
当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度大于等于幅度阈值时，判断|f2+f1|/2与|f2-f1|/2中哪一个更接近fd，其中f1是在所述上升沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，f2是在所述下降沿范围内所述探测波与所述回波之间的频率差的绝对值，
当|f2-f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure FDA0002878755110000041
当|f2+f1|/2更接近fd时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：若f1＞f2，则
Figure FDA0002878755110000042
若f1＜f2，则
Figure FDA0002878755110000043
16.如权利要求14或15所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
17.如权利要求16所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：选择满足
Figure FDA0002878755110000051
或
Figure FDA0002878755110000052
的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
18.如权利要求14所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：当所述水平区域内所述探测波与所述回波之间的拍频信号的频率fd所对应的幅度小于幅度阈值时，按照以下方式计算距离频移分量fz和速度频移分量fv：
Figure FDA0002878755110000053
19.如权利要求18所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：
当所述上升沿范围内的频率差的绝对值f1的数目和/或下降沿范围内的频率差的绝对值f2的数目大于1时，判断存在多回波；
当存在多回波时，进行回波匹配，保留上升沿范围内的一个f1以及下降沿范围内的一个f2。
20.如权利要求19所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：当存在多回波时，通过以下方式进行回波匹配：
基于发射所述探测波的装置的移动速度确定所产生的频移F；
选择
Figure FDA0002878755110000054
与F最接近的一组f1和f2，丢弃其他的f1和f2。
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