CN115685099A - 一种运动方向测量方法及激光雷达系统 - Google Patents

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汝洪武
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陈海明
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Abstract

本申请适用于雷达技术领域，提供了一种运动方向测量方法及激光雷达系统，通过控制发射信号的上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致的方式实现时频变换后上升沿的频谱峰值和下降沿的频谱峰值高低不一致，实现上扫频信号和下扫频信号的区域，进而实现速度方向的测量，只通过一次性测量就能够确定出目标对象的速度方向，在保持计算精度的同时不会增加系统体积，且提高了测量速度方向的效率同时降低了算法的复杂程度，也不再需要存储上一次测量结果。

Description

一种运动方向测量方法及激光雷达系统
技术领域
本申请属于雷达技术领域，尤其涉及一种运动方向测量方法及激光雷达系统。
背景技术
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave Radar，FMCW)雷达，是指发射频率受特定信号调制的连续波雷达。
FMCW雷达能准确地测量出目标对象的距离和速度大小，然而由于解算得到的距离和速度的两个频谱峰值高度相近，且相对大小不固定，导致只能测量出目标对象的运动速度的大小，而不能准确地测量出目标对象的运动方向。
发明内容
本申请实施例提供了一种运动方向测量方法及激光雷达系统，可以解决FMCW雷达只能测量出目标对象的运动速度的大小，而不能准确地测量出目标对象的运动方向的问题。
第一方面，提供了一种运动方向测量方法，应用于FMCW雷达，所述运动方向测量方法包括：
控制所述FMCW雷达发射发射信号，所述发射信号经目标对象反射后形成回波信号；其中，所述发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，所述上扫频信号的线性度与所述下扫频信号的线性度不一致；
控制所述FMCW雷达接收所述回波信号，并将所述回波信号和所述发射信号进行混频，得到差频信号；
将所述差频信号进行时频变换，得到频域信号；
基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向。
在第一方面的一种可能实现方式中，在控制所述FMCW雷达发射后发射信号之前，还包括：
以第一线性度调节所述上扫频信号的扫描频率；
以第二线性度调节所述下扫频信号的扫描频率；
所述第一线性度与所述第二线性度不相等。
在第一方面的一种可能实现方式中，所述基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向，包括：
基于所述频域信号确定第一主峰的频率和第二主峰的频率，其中，所述第一主峰为幅值大的主峰，所述第二主峰为幅值小的主峰；
根据所述第一主峰的频率和所述第二主峰的频率计算所述目标物体的运动方向。
在第一方面的一种可能实现方式中，根据所述第一主峰的频率和所述第二主峰的频率计算所述目标物体的运动方向的计算公式为：
v＝coe*(fb-fs)；
其中，coe为速度与频率差的换算系数，fb是第一主峰的频率，fs是第二主峰的频率；
若v为正数，则目标物体的运动方向为标定正方向，若v为负数，则目标物体的运动方向为标定负方向。
在第一方面的一种可能实现方式中，还包括：基于第一线性度和第二线性度设置所述换算系数。
在第一方面的一种可能实现方式中，在将所述差频信号进行时频变换，得到频域信号之后，还包括：
根据所述频域信号计算所述目标对象的距离和速度大小。
第二方面，提供了一种激光雷达系统，包括：
调制模块，用于为信号收发模块提供调制信号，所述调制信号用于调节发射信号的频率，所述发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，所述上扫频信号的线性度与所述下扫频信号的线性度不一致；
信号收发模块，与所述调制模块连接，用于发射所述发射信号和接收目标对象反射的回波信号；
所述信号处理模块，与所述信号收发模块连接，用于对所述发射信号和所述回波信号进行处理，以测量出所述目标对象的运动方向。
在第二方面的一种可能实现方式中，所述调制模块具体用于以第一线性度调节所述上扫频信号的扫描频率；以第二线性度调节所述下扫频信号的扫描频率；所述第一线性度与所述第二线性度不相等。
在第二方面的一种可能实现方式中，所述信号收发模块包括发射机、接收机以及聚焦模块；
所述发射机，用于发射所述发射信号；
所述聚焦模块，用于集中发射的发射信号的能量和接收的回波信号的能量；
所述接收机，用于接收所述回波信号。
在第二方面的一种可能实现方式中，所述信号收发模块具体用于将所述发射信号和所述回波信号进行混频，得到差频信号，信号处理模块具体用于将所述差频信号进行时频转换，得到频域信号，并基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过控制发射信号的上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致的方式实现时频变换后上升沿的频谱峰值和下降沿的频谱峰值高低不一致，实现上扫频信号和下扫频信号的区域，进而实现速度方向的测量，只通过一次性测量就能够确定出目标对象的速度方向，在保持计算精度的同时不会增加系统体积，且提高了测量速度方向的效率同时降低了算法的复杂程度，也不再需要存储上一次测量结果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种运动方向测量方法的实现流程示意图；
图3是本申请实施例提供的一种信号收发模块接收到的信号频率随时间变化的曲线示例图；
图4是图3所示的发射信号和回波信号进行混频后得到的差频信号的波形示意图；
图5是图4所示的差频信号进行时频转换后得到的频域信号的波形示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave Radar，FMCW)雷达可以快速地测量出目标对象的距离和速度大小。但用于解算距离和速度的两个频谱峰值高度相近，且相对大小不固定，导致只能计算出速度的大小，并不能准确的计算出运动方向。针对这一问题，目前FMCW雷达在确定目标对象的运动方向时，可以通过经过两次测量，再基于两次的测量结果中的位移差和时间差的比值进而确定出目标对象的运动方向，然而这种方式不仅需要存储上一次的测量结果，还会存在一定的时延效果，容易受到随机测量误差的干扰，导致测量结果不准确。或者通过触发信号控制采集时刻，分别对上升沿时间和下降沿时间各做一次时频变换，然后再进行计算，然而计算方式需要控制触发信号同步，且由于每次参与时频变换的数据量变少，频率分辨率变小，因此计算精度被降低了。
基于此，本申请实施例提供了一种运动方向测量方法及激光雷达系统，通过控制发射信号的上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致的方式实现时频变换后上升沿的频谱峰值和下降沿的频谱峰值高低不一致，实现上扫频信号和下扫频信号的区域，进而实现速度方向的测量，只通过一次性测量就能够确定出目标对象的速度方向，在保持计算精度的同时不会增加系统体积，且提高了测量速度方向的效率同时降低了算法的复杂程度，也不再需要存储上一次测量结果。
请参阅图1，本申请实施例提供了一种激光雷达系统10。如图1所示，激光雷达系统10包括调制模块110、信号收发模块120以及信号处理模块130。
调制模块110用于为信号收发模块120提供调制信号。
其中，调制信号用于调节发射信号的频率，发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，所述上扫频信号的线性度与所述下扫频信号的线性度不一致。
在此，上述上扫频信号是指发射信号的频率增加的信号区间，下扫频信号是指发射信号的频率减少的信号区间。
信号收发模块120，与调制模块110连接，用于发射发射信号和接收目标对象反射的回波信号。
信号收发模块120发射出的发射信号，在空间中经过目标对象的反射形成回波信号，信号收发模块120会接收在其可接收范围内的回波信号。
信号处理模块130，与信号收发模块120连接，用于对发射信号和回波信号进行处理，以测量出所述目标对象的运动方向。
在本申请一实施例中，调制模块110具体用于以第一线性度调节上扫频信号的扫描频率；以第二线性度调节下扫频信号的扫描频率。
其中，第一线性度与第二线性度不相等。在实际应用中，可以设置第一线性度优于第二线性度，也可以设置第二线性度优于第一线性度，本申请对此不加以限制。
具体地，调制模块110可以控制调制信号的线性度，进而实现对上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度进行调节。
在本申请一实施例中，信号收发模块120包括发射机、接收机以及聚焦模块。
发射机用于发射上述发射信号。
聚焦模块用于集中发射的发射信号的能量和接收的回波信号的能量；
接收机用于接收回波信号。
在本申请一实施例中，信号收发模块120具体用于将发射信号和回波信号进行混频，得到差频信号。
信号处理模块130具体用于将差频信号进行时频转换，得到频域信号，并基于频域信号确定目标对象的运动方向。
在本申请实施例中，上述将差频信号进行时频转换，得到频域信号可以通过傅里叶变换和逆傅里叶变换等频域变换方式来实现，本申请在此不加以赘述。
信号处理模块130还可以对变换后的频域信号进行频谱细化、频谱增强等处理，其中频谱细化可以通过CZT算法和ZoomFFT算法等频谱细化方式来实现，频谱增强可以通过累加算法和累乘算法等频谱增强方式来实现，本申请对此不加以赘述。
信号处理模块130基于频域信号确定目标对象的运动方向，可以通过已有的距离速度解调算法来实现对目标对象的运动大小和目标对象的距离的解算，对于目标对象的运动方向可以参见运动方向测量方法的实施例中的说明，本申请在此不加以赘述。
以上可以看出，本申请实施例提供的激光雷达系统，通过调制模块控制发射信号的上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致的方式实现时频变换后上升沿的频谱峰值和下降沿的频谱峰值高低不一致，实现上扫频信号和下扫频信号的区域，进而实现速度方向的测量，只通过一次性测量就能够确定出目标对象的速度方向，在保持计算精度的同时不会增加系统体积，且提高了测量速度方向的效率同时降低了算法的复杂程度，也不再需要存储上一次测量结果。
基于图1所示的激光雷达系统，本申请实施例提供了一种运动方向测量方法，应用于FMCW雷达。
请参阅图2，图2示出了本申请实施例提供的一种运动方向测量方法的实现流程示意图。如图2所示，本申请实施例提供的运动测量方法包括S11～S14，详述如下：
S11：控制FMCW雷达发射发射信号。
其中，发射信号经目标对象反射后形成回波信号。
发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，上扫频信号的线性度与下扫频信号的线性度不一致。
在本申请实施例中，通过FMCW雷达中的调制模块对上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度进行调节，使得上扫频信号的线性度与下扫频信号的线性度不一致。
上扫频信号是指发射信号的频率增加的信号区间，下扫频信号是指发射信号的频率减少的信号区间。
示例性的，图3示出了信号收发模块接收到的信号频率随时间变化的曲线示意图，由图3可以看出，上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致(上扫频信号的频率变化表现为直线，下扫频信号的频率变化存在波动)。
在具体应用中，可以通过聚焦模块来发射上述发射信号，这样可以有效地聚集发射信号的能量。
在本申请一实施例中，在S11之前，还包括以下步骤：
以第一线性度调节上扫频信号的扫描频率；
以第二线性度调节下扫频信号的扫描频率；
其中，第一线性度与第二线性度不相等。
在具体应用中，可以通过调制模块发送调制信号给到信号收发模块，以实现以第一线性度调节上扫频信号的扫描频率，以第二线性度调节下扫频信号的扫描频率的效果。
S12：控制FMCW雷达接收回波信号，并将回波信号和发射信号进行混频，得到差频信号。
在具体应用中，通过接收机接收上述回波信号后，通过聚焦模块对回波信号进行聚焦，与此同时，还可以将回波信号和发射信号进行混频，进而得到差频信号。
示例性的，如图3所示的发射信号和回波信号进行混频后得到的差频信号的波形如图4所示。
S13：将差频信号进行时频变换，得到频域信号。
在具体应用中，在得到差频信号后，可以通过信号处理模块进行时频转换和解算处理。
上述将差频信号进行时频变换，得到频域信号可以通过傅里叶变换和逆傅里叶变换等频域变换方式来实现，本申请在此不加以赘述。
在具体应用中，还可以对变换后的频域信号进行频谱细化、频谱增强等处理，其中频谱细化可以通过CZT算法和ZoomFFT算法等频谱细化方式来实现，频谱增强可以通过累加算法和累乘算法等频谱增强方式来实现，本申请对此不加以赘述。
示例性的，如图4所示的差频信号进行时频变换后，就可以得到如图5所示的频域波形。由图5可以看出，频域信号中存在两个主峰，其中第一主峰是指幅值较大的主峰，第二主峰是指幅值较小的主峰。
S14：基于频域信号确定目标对象的运动方向。
在本申请实施例中，在确定出频域信号中的两个主峰后，就可以基于频域信号中的两个主峰来确定目标对象的运动方向。
在本申请一实施例中，S14具体包括以下步骤：
基于频域信号确定第一主峰的频率和第二主峰的频率，其中，第一主峰为幅值大的主峰，第二主峰为幅值小的主峰；
根据第一主峰的频率和第二主峰的频率计算目标物体的运动方向。
上述根据第一主峰的频率和第二主峰的频率计算目标物体的运动方向的计算公式为：
v＝coe*(fb-fs)；
其中，coe为速度与频率差的换算系数，fb是第一主峰的频率，fs是第二主峰的频率；
若v为正数，则目标物体的运动方向为标定正方向，若v为负数，则目标物体的运动方向为标定负方向。
在本申请实施例中，可以基于第一线性度和第二线性度设置换算系数，具体地可以基于第一线性度和第二线性度设置换算系数的正负值。具体地，可以在第一线性度大于第二线性度时，设置换算系数为正，在第一线性度小于第二线性度时，设置换算系数为负。当然，也可以在第一线性度大于第二线性度时，设置换算系数为负，在第一线性度小于第二线性度时，设置换算系数为正，本申请对此不加以限制。
在本申请实施例中，可以定义远离FMCW雷达的运动方向为正方向，靠近FMCW雷达的运动方向为负方向。当然，也可以离FMCW雷达的运动方向为负方向，靠近FMCW雷达的运动方向为正方向，本申请对此不加以限制。
在本申请一实施例中，在将差频信号进行时频变换，得到频域信号之后，除了可以测量出目标对象的运动方向，还可以根据频域信号计算目标对象的距离和速度大小。
以上可以看出，本申请实施例提供的运动方向测量方法，同样能够通过控制发射信号的上扫频信号的线性度和下扫频信号的线性度不一致的方式实现时频变换后上升沿的频谱峰值和下降沿的频谱峰值高低不一致，实现上扫频信号和下扫频信号的区域，进而实现速度方向的测量，只通过一次性测量就能够确定出目标对象的速度方向，在保持计算精度的同时不会增加系统体积，且提高了测量速度方向的效率同时降低了算法的复杂程度，也不再需要存储上一次测量结果。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不可以是电载波信号和电信信号。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/节点设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/节点设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运动方向测量方法，其特征在于，应用于FMCW雷达，所述运动方向测量方法包括：
控制所述FMCW雷达发射发射信号，所述发射信号经目标对象反射后形成回波信号；其中，所述发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，所述上扫频信号的线性度与所述下扫频信号的线性度不一致；
控制所述FMCW雷达接收所述回波信号，并将所述回波信号和所述发射信号进行混频，得到差频信号；
将所述差频信号进行时频变换，得到频域信号；
基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向。
2.如权利要求1所述的运动方向测量方法，其特征在于，在控制所述FMCW雷达发射后发射信号之前，还包括：
以第一线性度调节所述上扫频信号的扫描频率；
以第二线性度调节所述下扫频信号的扫描频率；
所述第一线性度与所述第二线性度不相等。
3.如权利要求1所述的运动方向测量方法，其特征在于，所述基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向，包括：
基于所述频域信号确定第一主峰的频率和第二主峰的频率，其中，所述第一主峰为幅值大的主峰，所述第二主峰为幅值小的主峰；
根据所述第一主峰的频率和所述第二主峰的频率计算所述目标物体的运动方向。
4.如权利要求3所述的运动方向测量方法，其特征在于，根据所述第一主峰的频率和所述第二主峰的频率计算所述目标物体的运动方向的计算公式为：
v＝coe*(fb-fs)；
其中，coe为速度与频率差的换算系数，fb是第一主峰的频率，fs是第二主峰的频率；
若v为正数，则目标物体的运动方向为标定正方向，若v为负数，则目标物体的运动方向为标定负方向。
5.如权利要求4所述的运动方向测量方法，其特征在于，还包括：
基于第一线性度和第二线性度设置所述换算系数。
6.如权利要求1至5任一项所述的运动方向测量方法，其特征在于，在将所述差频信号进行时频变换，得到频域信号之后，还包括：
根据所述频域信号计算所述目标对象的距离和速度大小。
7.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：
调制模块，用于为信号收发模块提供调制信号，所述调制信号用于调节发射信号的频率，所述发射信号包括上扫频信号和下扫频信号，所述上扫频信号的线性度与所述下扫频信号的线性度不一致；
信号收发模块，与所述调制模块连接，用于发射所述发射信号和接收目标对象反射的回波信号；
所述信号处理模块，与所述信号收发模块连接，用于对所述发射信号和所述回波信号进行处理，以测量出所述目标对象的运动方向。
8.如权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述调制模块具体用于以第一线性度调节所述上扫频信号的扫描频率；以第二线性度调节所述下扫频信号的扫描频率；所述第一线性度与所述第二线性度不相等。
9.如权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述信号收发模块包括发射机、接收机以及聚焦模块；
所述发射机，用于发射所述发射信号；
所述聚焦模块，用于集中发射的发射信号的能量和接收的回波信号的能量；
所述接收机，用于接收所述回波信号。
10.如权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述信号收发模块具体用于将所述发射信号和所述回波信号进行混频，得到差频信号，信号处理模块具体用于将所述差频信号进行时频转换，得到频域信号，并基于所述频域信号确定所述目标对象的运动方向。
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