CN115552284A - LiDAR设备和处理 - Google Patents

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Abstract

一种由LiDAR设备的信号处理部件执行的LiDAR处理，包括：接收LiDAR信号数据，该LiDAR信号数据表示在LiDAR设备的光接收器处接收到的信号并且包括由LiDAR设备的光发射器发射并用已知数字信号编码的光信号的散射和/或反射部分，所发射的光信号的散射和/或反射部分从与LiDAR设备间隔一定距离的对象散射和/或反射，并且由于对象相对于LiDAR设备的径向运动而具有多普勒频移角频率；对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，该对应的频率补偿信号数据表示与所接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了多普勒频移角频率并且将已知数字信号编码为频率补偿信号的幅度；以及将频率补偿信号与已知数字信号的模板相关联，以生成对象与LiDAR设备的距离的相应测量结果。

Description

LiDAR设备和处理
技术领域
本发明涉及LiDAR(光检测和测距)技术，特别涉及用于测量距离和速度的LiDAR设备和处理。
背景技术
大多数商用LiDAR传感器使用脉冲激光来测量距离，通过对短脉冲光从远处对象散射并返回传感器所需的时间进行计时。由于脉冲LiDAR的技术成熟，脉冲LiDAR已经在商业上销售了数十年，但是在自主车辆应用方面存在若干缺点。首先，脉冲LiDAR传感器不能直接测量速度。其次，由于它们对它们接收到的光强度敏感，因此它们非常容易受到来自其他光源(例如，太阳)和其他LiDAR传感器的干扰。这种对干扰的灵敏性也使它们难以在有灰尘、雾和雪的情况下始终如一地工作，从而对可靠性产生显著影响。最后，脉冲LiDAR传感器不容易适应动态操作条件。
一种新兴类型的LiDAR技术，被称为频率调制连续波(FMCW)LiDAR，旨在通过测量不仅仅是接收光的强度来提高自主车辆应用的性能。与脉冲LiDAR相比，FMCW LiDAR对接收光的强度和频率两者都灵敏。这使得FMCW LiDAR对由于散射激光束的多普勒频移引起的频率变化敏感，使其能够测量对象相对于传感器的径向速度。因此，FMCW LiDAR能够同时测量距离和速度。但是，虽然FMCW传感器测量速度的能力比脉冲LiDAR传感器具有明显优势，但它们仍然容易受到其他LiDAR传感器的干扰。FMCW LiDAR也比脉冲LiDAR更昂贵，因为它需要更灵敏、更专业的光学器件和电子器件。
期望提供一种克服现有技术的一个或更多个困难的LiDAR设备和处理，或者至少提供一种有用的替选方案。
发明内容
根据本发明，提供了一种由LiDAR设备的信号处理部件执行的LiDAR处理，包括：
接收LiDAR信号数据，所述LiDAR信号数据表示在LiDAR设备的光接收器处接收到的信号并且包括由LiDAR设备的光发射器发射并用已知数字信号编码的光信号的散射和/或反射部分，所发射的光信号的散射和/或反射部分从与LiDAR设备相隔一定距离的对象散射或反射并且由于对象相对于LiDAR设备的运动而具有多普勒频移角频率；
对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，该对应的频率补偿信号数据表示与接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了多普勒频移角频率并且将已知数字信号编码到频率补偿信号的幅度中；以及
将频率补偿信号与已知数字信号的模板相关联，以生成对象与LiDAR设备的距离的相应测量结果。
在一些实施方式中，所述处理包括：
(i)对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的第二信号数据，所述对应的第二信号数据表示接收到的信号的复共轭和时移副本；以及
(ii)对LiDAR信号数据和第二信号数据进行处理，以通过将接收到的信号乘以接收到的信号的复共轭和时延副本来生成频率补偿数据。
在一些实施方式中，已知数字信号被相位编码在光信号中，并且光信号的多普勒频移部分由下式给出：
Figure BDA0003809624030000021
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，时变相位为θ[nTs]，以及c[nTs]为使用调制深度β以相位编码的所述已知数字信号；
接收到的信号的复共轭和时移副本由下式给出：
Figure BDA0003809624030000022
其中，时延频率ωKTs表示相对于未偏移信号s[n]的恒定相移φ，并且其中，频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[nTs]·c[(n-K)Ts]·eiφ
在一些实施方式中，已知数字信号是伪随机比特序列，并且频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[(n-M)Ts]·eiφ
在一些实施方式中，所述处理包括根据下式来估计多普勒频移角频率fd：
Figure BDA0003809624030000031
其中，Fs＝1/Ts表示用于根据接收的光信号来生成LiDAR信号数据的采样频率。
在一些实施方式中，已知数字信号被幅度编码在光信号中，并且所述处理包括：
i)确定接收到的信号的同相分量和正交分量；以及
ii)将频率补偿信号确定为与接收到的信号的同相分量和正交分量对应的复矢量的幅值。
在一些实施方式中，所述处理包括：
用已知数字信号对光信号进行编码；
使LiDAR设备的光发射器朝向对象发射经编码的光信号；以及在LiDAR设备的光接收器处接收信号。
根据本发明的一些实施方式，提供了一种LiDAR处理，包括：
接收LiDAR信号数据，所述LiDAR信号数据表示在LiDAR设备的光接收器处接收到的信号并且包括由LiDAR设备的光发射器发射并用已知数字信号编码的光信号的散射和/或反射部分，所发射的光信号的散射和/或反射部分从与LiDAR设备相隔一定距离的对象散射或反射并且由于对象相对于LiDAR设备的运动而具有多普勒频移角频率；
在不依赖多普勒频移角频率的情况下对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，所述对应的频率补偿信号数据表示与接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了多普勒频移角频率并且将已知数字信号编码到频率补偿信号的幅度中；以及
将频率补偿信号与已知数字信号的模板相关联，以生成对象与LiDAR设备的距离的相应测量结果。
根据本发明的一些实施方式，提供了至少一种计算机可读存储介质，其上存储有处理器可执行指令，当所述处理器可执行指令由LiDAR设备的至少一个处理器执行时使至少一个处理器执行上述LiDAR处理中任一项的处理。
根据本发明的一些实施方式，提供了至少一种非易失性存储介质，其上存储有现场可编程门阵列(FPGA)配置数据，当所述FPGA配置数据用于配置FPGA时使FPGA执行根据上述LiDAR处理中任一项的处理。
根据本发明的一些实施方式，提供了至少一种非易失性存储介质，其上存储有处理器可执行指令和FPGA配置数据，当所述处理器可执行指令和FPGA配置数据分别由LiDAR设备的至少一个处理器执行并用于配置FPGA时使至少一个处理器和FPGA执行上述LiDAR处理中任一项的的处理。
根据本发明的一些实施方式，提供了一种LiDAR设备，包括：
激光器，其用于生成光信号；
光调制器，其用于用已知数字信号对光信号进行编码；
光发射器，其用于朝向与LiDAR设备间隔一定距离的对象发射经编码的光信号；
光接收器，其用于接收包括发射的光信号的从对象散射和/或反射的一部分的信号，所发射的光信号的散射和/或反射部分由于对象相对于LiDAR设备的运动而具有多普勒频移角频率；以及
数字信号处理器，其被配置成执行上述LiDAR处理中任一项的处理。
根据本发明的一些实施方式，提供了一种LiDAR设备，包括：
激光器，其用于生成光信号；
光调制器，其用于用已知数字信号对光信号进行编码；
光发射器，其用于朝向与LiDAR设备间隔一定距离的对象发射经编码的光信号；
光接收器，其用于接收包括发射的光信号的从对象散射和/或反射的一部分的信号，发射的光信号的散射和/或反射部分由于对象相对于LiDAR设备的径向运动而具有多普勒频移角频率；以及
数字信号处理部件，其被配置成：
接收表示由光接收器接收到的信号的LiDAR信号数据；
对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，所述对应的频率补偿信号数据表示与接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了多普勒频移角频率并且将已知数字信号编码到频率补偿信号的幅度中；以及
将频率补偿信号与已知数字信号的模板相关联，以生成对象与LiDAR设备的距离的相应测量结果。
在一些实施方式中，对LiDAR信号数据的处理包括以下步骤：
(i)对LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的第二信号数据，所述对应的第二信号数据表示接收到的信号的复共轭和时移副本；以及
(ii)对LiDAR信号数据和第二信号数据进行处理，以通过将接收到的信号乘以接收到的信号的复共轭和时延副本来生成频率补偿数据。
在一些实施方式中，已知数字信号被相位编码在光信号中，并且光信号的多普勒频移部分由下式给出：
Figure BDA0003809624030000051
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，时变相位为θ[nTs]，以及c[nTs]为使用调制深度β以相位编码的所述已知数字信号；
接收到的信号的复共轭和时移副本由下式给出：
Figure BDA0003809624030000052
其中，时延频率ωKTs表示相对于未偏移信号s[n]的恒定相移φ，并且其中，频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[nTs]·c[(n-K)Ts]·eiφ
在一些实施方式中，已知数字信号是伪随机比特序列，并且频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[(n-M)Ts]·eiφ
在一些实施方式中，数字信号处理部件还被配置成根据下式来估计多普勒频移角频率fd：
Figure BDA0003809624030000061
其中，Fs＝1/Ts表示用于根据接收的光信号来生成LiDAR信号数据的采样频率。
在一些实施方式中，已知数字信号被幅度编码在光信号中，并且对LiDAR信号数据的处理包括以下步骤：
ii)确定接收到的信号的同相分量和正交分量；以及
iii)将频率补偿信号确定为与接收到的信号的同相分量和正交分量对应的复矢量的幅值。
在一些实施方式中，数字信号处理部件还被配置成：
使得用已知数字信号对光信号进行编码；以及
使得光发射器朝向对象发射经编码的光信号。
附图说明
在下文中，参照附图仅通过示例的方式描述本发明的一些实施方式，在附图中：
图1至图5是根据本发明的各个实施方式的分别使用下述情形的相位编码的LiDAR设备的示意图：
图1：使用90度光耦合器进行的复杂检测；
图2：时间分离的同相/正交(I/Q)和正交相移键控(QPSK)检测；
图3：使用120度多模干涉光耦合器进行的复杂检测；
图4：用作光环行器的偏振光学器件；以及
图5：双静止的望远镜；
图6是由图1至图5的设备的数字信号处理器执行以计算具有频率补偿的飞行时间的LiDAR处理的示意图；
图7是由图2至图5的设备的数字信号处理器执行以计算输入信号的频率的LiDAR处理的示意图；
图8和图9是分别示出对于位于距离LiDAR设备的LiDAR传感器3.26米的静止对象而言根据图7的LiDAR处理的原始信号和频率补偿信号的图；
图10和图11与图8和图9相同，但是对于以2.5米每秒移动并且位于距离LiDAR设备的LiDAR传感器3.6米的对象而言；
图12是由图7的处理确定的作为时间的函数的测量输入信号频率的图；
图13和图14分别是基于交叉频谱的计算进行的原始输入信号和解码输入信号的频率分量图；
图15是根据本发明的实施方式的具有复杂检测的幅度编码的LiDAR系统的示意图；
图16是由图15的设备的数字信号处理器执行以计算具有频率补偿的飞行时间的LiDAR处理的示意图；
图17是LiDAR设备的信号处理部件的框图；以及
图18包括示出根据本发明的实施方式的幅度编码的LiDAR处理的性能的图。
具体实施方式
本发明的实施方式包括LiDAR(光检测和测距)设备和处理，所述LiDAR(光检测和测距)设备和处理能够同时地且有效地测量远程对象的距离和速度，减少了在自主应用中执行安全关键决策所需的处理时间。所描述的LiDAR设备和处理也不受附近正在操作的其他LiDAR传感器的干扰，对于自主车辆，随着利用LiDAR的自主车辆数目的持续增长，这种干扰将变得越来越关键。
本文中描述的LiDAR设备和处理保留了现有FMCW系统的优点，同时提供了改进的抗串扰和干扰能力，并且同时地测量距离和速度的能力可以用于基于对象的运动来对对象进行优先级排序，以提高自主车辆的安全性和可靠性。
光学子系统
相位编码的LiDAR
图1至图5是使用数字信号的相位编码的LiDAR设备的各个实施方式的示意图。在图1的实施方式中，激光器102生成相干光束，该光束被分成两个路径104、106。电光调制器(“EOM”)108用于用已知数字信号对出射光的相位进行编码。所得的调制光经由光束扩展器110从LiDAR设备发射以照亮远程对象(未示出)的至少一部分，该远程对象将调制光的一部分散射和/或反射回LiDAR设备的光学接收器112。(为了描述方便，该部分光在下文中被描述为仅从对象“散射”，但词语“散射”应当被宽泛地理解，特别是在其更严格的技术意义上包括散射和反射两者。)
散射光的一小部分(“回波”)被捕获并与本地振荡器106相干地干涉。在所描述的实施方式中，使用光纤环行器114将入射光与出射光分离。在一些实施方式中，使用光纤偏振分束器替代光纤环行器114。生成接收到的光信号相对于本地振荡器的同相(I)和正交(Q)投影；例如，使用90度光耦合器116，如图1所示。两个平衡光电检测器118用于将由90度耦合器116产生的电场转换成电压波形。平衡光电检测器118还消除共模噪声。由光电检测器118生成的电压信号使用单独的模数转换器(ADC)离散地采样。由ADC生成的离散时间信号在本文中被统称为LiDAR信号数据，并且由信号处理部件120使用数字信号处理进行处理，如图6和图7所示并在下面描述。
图2是替选实施方式或“第二”实施方式的示意图，其中接收到的光信号的I和Q投影使用本地振荡器106的路径中的第二电光调制器202来测量，以周期性地将其相位在0与-π/2弧度之间偏移。相对于图1的“第一”实施方式，该实施方式通过消除对专用的90度的复杂耦合器116的需求，而用光纤耦合器204(例如，在一些实施方式中为3dB耦合器)来替代它，来将复杂性从光学系统转移到数字信号处理中。在一些实施方式中，从0到-π/2弧度的周期性相移与调制到出射光的相位上的数字信号组合以产生四级QPSK码，从而完全消除了在本地振荡器的路径中对第二电光调制器202的需求。
图3是第三实施方式的示意图，其中120度多模干涉耦合器302用于生成接收到的光信号相对于本地振荡器的三个投影，每个投影相对于彼此旋转120度，并且因此使得在信号处理中能够重建I和Q。光电检测器304用于测量接收到的信号和本地振荡器106的干涉。
图4是第四实施方式的示意图，其中使用两个望远镜402、404、偏振分束器(PBS)406和四分之一波片408来在具有空间模式交叠的双静止(bi-static)的布置中创建自由空间光环行器。这样做是为了防止由于内部散射和菲涅耳反射造成的回射光干扰平衡光电检测器118处的期望的信号的测量。在一些实施方式中，四分之一波片408略微倾斜以防止回射光耦合回接收望远镜404。在其他实施方式中，将部分反射器放置在四分之一波片408之外以产生即时背反射以用作实时距离校准的参考。
图5是第五实施方式的示意图，其中两个望远镜502、504以空间分离模式被定位成彼此接近，以提供对由内部散射和菲涅耳反射引起的干扰的改进的抗扰性。
图6和图7是表示由图1到5的设备的信号处理部件120执行的数字信号处理步骤的框图。信号处理部件120执行如所示出的LiDAR处理，该LiDAR处理能够同时地和独立地测量对象的瞬时距离和径向速度(相对于LiDAR设备)。LiDAR需要光的时变属性。对于幅度调制LiDAR传感器，该属性是强度。对于频率调制连续波(FMCW)LiDAR，该属性是频率。在相位编码的LiDAR中，时变属性是相位。在一些实施方式中，时变属性是编码到透射光的相位中的已知数字信号。
由于多普勒效应，对象相对于LiDAR设备的径向运动使由对象散射的光的频率偏移，其中频率偏移的幅值与相对径向速度除以透射光的波长成比例。作为示例，在1550nm的激光波长下，由50km/h的相对速度引起的多普勒频移为约18MHz。对于给定的径向速度，波长越短，由于多普勒引起的相对频移越大。
光信号频率的多普勒频移带来了挑战，因为匹配模板滤波用于提取距离信息。由于匹配模板滤波依赖于接收到的信号与本地模板之间的相关性，因此尽可能准确地定义模板很重要，这需要考虑多普勒频移。这可以通过将接收到的信号与针对相应不同径向速度的距离的不同模板相关联来解决。当这种技术可接受在延长的时间段内计算一系列相关性时，这种技术在后处理或“离线”环境下工作得很好。然而，为了使LiDAR传感器在汽车场景中是有用的，信号处理必须能够以低延迟和确定的时序测量距离。不幸的是，在多普勒频移(速度)和目标延迟(距离)两者上实时地覆盖足够二维(“2D”)相关空间所需的信号处理资源需要大量并行信号处理资源。实时地实现这样强力的方法需要极其强大的处理器，而目前这些处理器对于汽车LiDAR来说并不具有成本效益。
为了解决这个困难，发明人开发了LiDAR处理，通过使用LiDAR处理的频率补偿处理从接收到的信号中去除(多普勒频移)角频率，避免了将接收到的信号与许多模板相关联的计算负担，如下所述，这与多普勒频移角频率无关。换句话说，如下所述，频率补偿处理对接收到的信号进行处理以生成相应的信号，该相应的信号在本文中被称为“频率补偿”信号，它不取决于角频率(即，在频率补偿信号的表达式中没有角频率项)，并且处理不依赖或不知道接收到的信号的多普勒频移角频率。
频率补偿处理确定接收到的光信号的同相投影和正交投影，并且使用它们来生成相应的复数。这可以以若干方式实现，例如，包括但不限于使用90度光耦合器、120度光耦合器、光外差检测或正交相移键控编码处理。
在所描述的相位编码的LiDAR实施方式中，频率补偿处理通过将输入信号投影到静止参考平面内的单个点而开始，如下。
将输入信号定义为：
Figure BDA0003809624030000101
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，时变相位为θ[nTs]，以及使用调制深度β以相位编码的已知数字信号为c[nTs]。离散时间步长nTs由离散样本数n和离散时间步长(采样周期)Ts表示。频率补偿处理的第一步是生成由K个样本延迟的输入信号的复共轭副本：
Figure BDA0003809624030000102
假设角频率ω和相位在延迟周期ω内是恒定的，式(2)可以重写为：
Figure BDA0003809624030000103
这是因为时延频率ωKTs表示相对于未偏移信号s[n]的恒定相移φ。例如，如果相位编码模式的调制深度为β＝π(即，对于二进制相移键控编码方案)，则式(1)和(3)分别可以表示为：
Figure BDA0003809624030000111
以及：
Figure BDA0003809624030000112
频率补偿处理的第二步是将未偏移的输入信号乘以共轭时间延迟副本，如下：
Figure BDA0003809624030000113
式(6)演示了从输入信号中去除角频率ω和相位θ，同时保留了有关数字信号的信息，这些信息现在看起来已编码到所得的频率补偿信号的幅度中。
如果数字信号是最大长度序列，则数字信号与其自身的时间延迟版本相乘产生相同的数字信号，该相同的数字信号具有相对于原始数字信号的固定的采样延迟M：
q[nTs]＝A2·c[(n-M)Ts]·eiφ (7)
将式(7)的频率补偿信号与原始数字信号的模板相关联产生与距离成比例的测量值，该测量值可以通过恒定延迟M进行补偿。
频率补偿处理的主要优势在于它补偿了多普勒频移的影响，使得能够使用单个模板计算距离，并且将计算密集型2D搜索空间有效地折叠到单个相关计算中。
本文中描述的频率补偿处理还避免了测量和校正接收到的信号上的频移的需求，例如，这可以通过在匹配模板滤波之前用参考本地振荡器解调输入信号来实现。
频率补偿处理还可以通过认识到q[nTs]中的恒定相移φ与由于K个采样时间段内的多普勒频移引起的总相位偏移成比例，根据下式来同时地估计多普勒频率：
Figure BDA0003809624030000114
其中，Fs＝1/Ts表示信号采样频率。通过测量φ，因此可以根据下式来估计多普勒频率fd：
Figure BDA0003809624030000121
为了计算φ，数字信号c[(n-M)Ts]被移除。这可以通过将q[nTs]提高到R的幂来完成，其中R表示相移键控(PSK)星座中的点数(例如，对于BPSK，R＝2，以及对于QPSK，R＝4)：
q[nTs]R＝A2R·c[(n-M)Ts]R·eiRφ＝A2ReiRφ
应用欧拉公式，这个结果可以分为实分量和虚分量，如下：
ei2φ＝cos(Rφ)+i sin(Rφ)
允许使用反正切函数提取相位：
Figure BDA0003809624030000122
多普勒频率然后可以计算为：
Figure BDA0003809624030000123
然而，这种估计多普勒频率的方法受限于它可以明确解析的频率范围，这由下式给出：
Figure BDA0003809624030000124
替选地，多普勒频率也可以经由原始输入信号的交叉频谱分析来估计。为了提高测量频率的信噪比，原始输入信号可以用通过频率补偿信号的匹配模板相关性来测量的正确的延迟的数字信号来解码，。
总之，上述用于相位编码的LiDAR的LiDAR处理将计算昂贵的2D搜索空间折叠成可以同时地执行的两个单个1D搜索空间，提高了计算效率，从而可以在较低成本、较低功耗的处理硬件上确定LiDAR的距离和速度信息。
幅度编码的LiDAR
针对幅度编码的LiDAR，可以实现同样的计算效率改进，其中时变数字信号被编码为透射光的幅度。利用接收到的信号的复测量(例如，使用90度耦合器)，通过计算由接收到的信号的同相分量和正交分量产生的复矢量的幅值来消除多普勒效应。让接收到的输入信号为：
Figure BDA0003809624030000131
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，相位为θ，以及使用调制深度α∈[0,1]以幅度编码的已知数字信号为c[nTs]∈[0,1]。
式s[nTs]可以表示为：
s[nTs]＝A·(1-αc[nTs])[cos(ωnTs+θ)+i sin(ωnTs+θ)]
多普勒频移可以通过对信号s[nTs]的实分量和虚分量的平方求和来被从信号s[nTs]中去除，如下：
Re[s[nTs]]2+Im[s[nTs]]2＝A2·(1-αc[nTs])2
替选地，将s[nTs]与其复共轭相乘相当于计算其幅值的平方：
s[nTs]·s*[nTs]＝A2·(1-αc[nTs])2
频率补偿信号仅表示可以与单个模板相关联以计算距离的时变模式。例如，通过计算输入信号s[nTs]的复数FFT(快速傅里叶变换)并且找到FFT频谱中的最大幅值峰的频率，可以经由对原始接收到的信号进行交叉频谱分析来提取速度。
图15示出了幅度调制LiDAR系统的光学系统的实施方式。电光幅度调制器1502用于将数字信号编码到光的幅度上。在所描述的实施方式中，电光幅度调制器1502是具有偏置控制的马赫-曾德尔调制器。然而，对于本领域的技术人员来说将明显的是，电光幅度调制器1502可以在其他实施方式中由其他类型的调制器来实现。双正交检测器1504用于在两个平衡光电检测器1506处测量接收光的相对于参考本地振荡器的同相状态和正交状态。
信号处理部件(电子子系统)
在所描述的实施方式中，LiDAR处理实现成存储在相应LiDAR设备的信号处理部件1700的非易失性存储介质1704(例如，固态存储器驱动器(SSD)或硬盘驱动器(HDD))上的现场可编程门阵列(FPGA)1702的配置数据的形式，如图17所示。然而，对于本领域技术人员来说将明显的是，至少部分的LiDAR处理可以替选地以其他形式来实现，例如，实现为由至少一个微处理器和/或图形处理单元(GPU)执行的软件部件或模块的可执行指令、以及/或者作为一个或更多个专用硬件部件(例如，专用集成电路(ASIC))、或者这些形式的任意组合。
信号处理部件1700还包括随机存取存储器(RAM)1706、至少一个FPGA(或处理器，视情况而定)1708、以及外部接口1710、1712、1714，所有这些部件都通过至少一个总线1716互连。外部接口可以包括用于将LiDAR设备连接至通信网络的网络接口连接器(NIC)1712，并且可以包括通用串行总线(USB)接口1710，其中的至少一个可以连接至键盘1718和诸如鼠标1719的定点装置，并且外部接口可以包括显示适配器1714，该显示适配器1714可以连接至诸如面板显示器1722的显示装置。信号处理部件1700还包括诸如Linux或MicrosoftWindows的操作系统1724。
示例
如上所述和如图4所示的相位编码的LiDAR设备和处理被应用于使用两个单独的光学望远镜402、404作为发送和接收如图4所示的双静止的配置中的光学元件来测量80％反射朗伯表面的距离和相对径向速度。图8和图9示出了当对象静止(即相对速度为0km/h)并相对于望远镜402、404位于12.26米的实际距离时的频率补偿处理的性能。具体地，图8和图9分别示出了未经多普勒消除处理和使用多普勒频率补偿的原始输入信号的匹配模板滤波结果。来自自由空间环行器光学器件(即偏振分束器406和四分之一波片408)的反射802在图8中在7.61m的表观距离处可见。来自远处对象的回波804在10.87m的表观距离处可见。即时反射802可以用作参考，从该参考中解析传感器与对象之间的实际距离(在本示例中为3.26m)，从而提供对距离的实时校准。图9示出了利用所应用的频率补偿处理进行的相同测量。因为该示例中由于对象静止而没有多普勒分量，所以结果显示与频率补偿处理相关联的信噪比略有改善，该频率补偿处理还补偿了接收到的同相信号与正交信号之间的相关相位噪声。
图10和图11示出了在线性平移台上以约2.5米/秒移动并位于距离望远镜402在3米与4米之间的对象的相应匹配模板滤波结果：a)没有频率补偿(图10)；b)具有频率补偿(图11)。来自自由空间环行器光学器件的即时反射在图10中可见为位于7.61m的表观距离处的小峰1002。在约3.6m的距离处来自移动对象的回波1004几乎不可见，这是因为匹配滤波器没有考虑回波的3.23MHz多普勒频移。图11示出了具有频率补偿的距离的测量。通过频率补偿，可以将移动对象的距离解析为位于11.17米的表观距离处的峰1102，该峰1102当参考7.61米处的即时反射峰1002时对应于3.56米的自校准距离，这与移动对象在测量点处的估计距离一致。
在另一示例中，上述幅度编码的LiDAR设备和处理被应用于使用如图1所示的单个“单静止”望远镜装置来测量40％反射朗伯表面的距离和频率偏移。朗伯目标位于距离望远镜约8.4米。使用具有高返回损耗的光环行器来使由于通过环行器的泄漏和来自光纤末端和望远镜光学器件的菲涅耳反射引起的即时反射的幅值最小化。
图18示出了频率偏移为-158.48kHz的幅度编码的LiDAR传感器的性能，成功地测距了位于距离望远镜约8.4米的40％朗伯表面。由来自望远镜光学器件的菲涅耳反射和通过光环行器的泄漏引起的即时反射可见为位于0米的距离处的小峰1802。当应用上述平方和频率补偿技术时，目标清晰可见，如上方的图所示。在没有平方和频率校正的情况下，无法解析目标距离。
图12示出了使用图7中描述的频率估计处理进行的输入信号频率的测量。在10微秒周期内测量的频率范围为约2.65MHz至3.7MHz，对应于10秒周期内估计的2.06m/s与2.86m/s之间的径向速度。
图13示出了在对原始输入信号进行解码并使用抽取有限脉冲响应滤波器对其进行抽取之后基于交叉频谱的计算进行的输入信号频率的测量。对象的径向速度被测量为2.46m/s。
在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员来说将是明显的。

Claims (18)

1.一种由LiDAR设备的信号处理部件执行的LiDAR处理，包括：
接收LiDAR信号数据，所述LiDAR信号数据表示在LiDAR设备的光接收器处接收到的信号，并且包括由所述LiDAR设备的光发射器发射并用已知数字信号编码的光信号的散射和/或反射部分，所发射的光信号的散射和/或反射部分从与所述LiDAR设备间隔一定距离的对象散射和/或反射，并且由于所述对象相对于所述LiDAR设备的径向运动而具有多普勒频移角频率；
对所述LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，所述对应的频率补偿信号数据表示与所接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了所述多普勒频移角频率并且将所述已知数字信号编码到所述频率补偿信号的幅度中；以及
将所述频率补偿信号与所述已知数字信号的模板相关联，以生成所述对象与所述LiDAR设备的所述距离的相应测量结果。
2.根据权利要求1所述的处理，其中，所述处理包括：
(i)对所述LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的第二信号数据，所述对应的第二信号数据表示所接收到的信号的复共轭和时移副本；以及
(ii)对所述LiDAR信号数据和所述第二信号数据进行处理，以通过将所接收到的信号乘以所接收到的信号的复共轭和时延副本来生成频率补偿数据。
3.根据权利要求2所述的处理，其中，所述已知数字信号被相位编码在光信号中，并且所述光信号的多普勒频移部分由下式给出：
Figure FDA0003809624020000011
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，时变相位为θ[nTs]，以及c[nTs]为使用调制深度β以相位编码的所述已知数字信号；
所接收到的信号的复共轭和时移副本由下式给出：
Figure FDA0003809624020000012
其中，时延频率ωKTs表示相对于未偏移信号s[n]的恒定相移φ，并且其中，所述频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[nTs]·c[(n-K)Ts]·eiφ。
4.根据权利要求3所述的处理，其中，所述已知数字信号是伪随机比特序列，并且所述频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[(n-M)Ts]·eiφ。
5.根据权利要求3或4所述的处理，包括：根据下式来估计所述多普勒频移角频率fd：
Figure FDA0003809624020000021
其中，Fs＝1/Ts表示用于根据接收到的光信号来生成所述LiDAR信号数据的采样频率。
6.根据权利要求1所述的处理，其中，所述已知数字信号被幅度编码在光信号中，并且所述处理包括：
i)确定所接收到的信号的同相分量和正交分量；以及
ii)将所述频率补偿信号确定为与所接收到的信号的同相分量和正交分量对应的复矢量的幅值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的处理，包括：
用所述已知数字信号对光信号进行编码；
使所述LiDAR设备的光发射器朝向所述对象发射经编码的光信号；以及
在所述LiDAR设备的光接收器处接收信号。
8.至少一种计算机可读存储介质，其上存储有处理器可执行指令，当由LiDAR设备的至少一个处理器执行所述处理器可执行指令时使所述至少一个处理器执行根据权利要求1至7中任一项所述的处理。
9.至少一种非易失性存储介质，其上存储有FPGA配置数据，当所述FPGA配置数据被用于配置FPGA时使所述FPGA执行根据权利要求1至7中任一项所述的处理。
10.至少一种非易失性存储介质，其上存储有处理器可执行指令和FPGA配置数据，当所述处理器可执行指令和FPGA配置数据分别由LiDAR设备的至少一个处理器执行并用于配置FPGA时使所述至少一个处理器和所述FPGA执行根据权利要求1至7中任一项所述的处理。
11.一种LiDAR设备，包括：
激光器，其用于生成光信号；
光调制器，其用于用已知数字信号对所述光信号进行编码；
光发射器，其用于朝向与所述LiDAR设备间隔一定距离的对象发射经编码的光信号；
光接收器，其用于接收包括所发射的光信号的从所述对象散射和/或反射的一部分的信号，所发射的光信号的散射和/或反射部分由于所述对象相对于所述LiDAR设备的运动而具有多普勒频移角频率；以及
数字信号处理部件，其被配置成执行根据权利要求1至7中任一项所述的处理。
12.一种LiDAR设备，包括：
激光器，其用于生成光信号；
光调制器，其用于用已知数字信号对所述光信号进行编码；
光发射器，其用于朝向与所述LiDAR设备间隔一定距离的对象发射经编码的光信号；
光接收器，其用于接收包括所发射的光信号的从所述对象散射和/或反射的一部分的信号，所发射的光信号的散射和/或反射部分由于所述对象相对于所述LiDAR设备的径向运动而具有多普勒频移角频率；以及
数字信号处理部件，其被配置成：
接收表示由所述光接收器接收到的信号的LiDAR信号数据；
对所述LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的频率补偿信号数据，所述对应的频率补偿信号数据表示与所接收到的信号对应的频率补偿信号，但其中去除了所述多普勒频移角频率并且将所述已知数字信号编码到所述频率补偿信号的幅度中；以及
将所述频率补偿信号与已知数字信号的模板相关联，以生成所述对象与所述LiDAR设备的距离的相应测量结果。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，对所述LiDAR信号数据的处理包括以下步骤：
(i)对所述LiDAR信号数据进行处理，以生成对应的第二信号数据，所述对应的第二信号数据表示所接收到的信号的复共轭和时移副本；以及
(ii)对所述LiDAR信号数据和所述第二信号数据进行处理，以通过将所接收到的信号乘以所接收到的信号的复共轭和时延副本来生成频率补偿数据。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述已知数字信号被相位编码在所述光信号中，并且所述光信号的多普勒频移部分由下式给出：
Figure FDA0003809624020000041
其中，幅度为A，角频率为ω＝2πf，时变相位为θ[nTs]，以及c[nTs]为使用调制深度β以相位编码的已知数字信号；
所接收到的信号的复共轭和时移副本由下式给出：
Figure FDA0003809624020000042
其中，时延频率ωKTs表示相对于未偏移信号s[n]的恒定相移φ，并且其中，所述频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[nTs]·c[(n-K)Ts]·eiφ。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述已知数字信号是伪随机比特序列，并且所述频率补偿信号由下式给出：
q[nTs]＝A2·c[(n-M)Ts]·eiφ。
16.根据权利要求14或15所述的设备，其中，所述数字信号处理部件还被配置成根据下式来估计多普勒频移角频率fd：
Figure FDA0003809624020000043
其中，Fs＝1/Ts表示用于根据所接收到的光信号来生成LiDAR信号数据的采样频率。
17.根据权利要求12所述的设备，其中，已知数字信号被幅度编码在所述光信号中，并且对所述LiDAR信号数据的处理包括以下步骤：
i)确定所接收到的信号的同相分量和正交分量；以及
ii)将所述频率补偿信号确定为与所接收到的信号的同相分量和正交分量对应的复矢量的幅值。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的设备，其中，所述数字信号处理部件还被配置成：
使得用所述已知数字信号对光信号进行编码；以及
使得所述光发射器朝向所述对象发射经编码的光信号。
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