CN116430354B - 一种fmcw激光雷达目标信息解算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FMCW激光雷达目标信息解算方法及系统，所述方法包括：上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集；对目标数据集进行降采样处理；对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息；本发明的优点在于：减轻硬件计算负担，消耗较少硬件资源的同时提升处理速度。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达信号处理领域，更具体涉及一种FMCW激光雷达目标信息解算方法及系统。
背景技术
激光雷达通过主动式感知捕获周围环境从而实现高清实时3D图像，同时它具有独特的高精度、高分辨率测距和抗干扰能力强等优势，在自动驾驶、无人机、环境监测和可穿戴电子等领域有着重要的应用。FMCW(调频连续波式)激光雷达主要通过发射调制后的信号光和未调制的本振光进行混频得到中频信息，进而通过中频信号的频率来解算目标的距离，同时针对动目标探测，激光在其探测传输过程中会产生多普勒频移，因此可以借助多普勒频移的信息来获得探测目标的速度信息。但在实际使用中，不同于传统毫米波雷达，激光雷达由于以激光为载波，激光载波信号具有高带宽和高频等特性，因此混频后的中频信号也具有频率高，带宽大等信息，因此在实际信号采集和解算中，对于后端硬件的性能要求较高，后端硬件FFT计算负担大，消耗的硬件资源多。因此，在FMCW激光雷达信息处理过程中如何减轻后端硬件FFT计算负担，实现在消耗较少硬件资源的情况下获得高精度距离、速度解算信息，提升FMCW激光雷达信息处理的速度成为行业内新的研究方向。
中国专利公开号CN114994636A，公开了一种激光雷达数据处理方法及装置，包括：采集激光激光雷达信号，其中所述激光雷达信号中包括激光种子源发射的本振信号和目标反射的回波信号；对所述激光激光雷达信号进行数字下变频处理，以获得第一信号，所述第一信号为复信号向量；在频域，对所述第一信号进行脉冲压缩处理，其中所述脉冲压缩处理基于所述第一信号、模板信号实现，以获得第二信号，所述第二信号为实数向量；基于所述第二信号，确定有效信号的时刻，以基于所述有效信号的时刻确定出目标的距离信息。实现了将脉冲压缩实际应用在脉冲调制激光雷达中，并且在一些示例中利用GPU的并行计算极大提高了数据的处理效率。但是该专利申请并不是对FMCW激光雷达信息进行处理，并且利用GPU的并行计算提高处理效率的方式极大的增加了硬件资源，硬件处理负担大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于在FMCW激光雷达信息处理过程中如何减轻后端硬件计算负担，消耗较少硬件资源的同时提升处理速度。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，所述方法包括：
步骤a：分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转到步骤b，若是跳转到步骤g；其中，L是设定的迭代次数；
步骤b：上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；
步骤c：对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；
步骤d：对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；
步骤e：低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；
步骤f：对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回步骤a；
步骤g：对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息。
进一步地，所述步骤a包括：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转到步骤b，若是跳转到步骤g。
更进一步地，所述步骤b包括：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第一数据集如下
其中，表示低通滤波器的上一次的输出，/>表示第/>次采样，/>表示当前上扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第二数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第三数据集如下
其中，表示当前上扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第四数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数。
更进一步地，所述步骤c包括：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第一数据集进行功率谱测量得到第一功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第二数据集进行功率谱测量得到第二功率数据集为
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第三数据集进行功率谱测量得到第三功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第四数据集进行功率谱测量得到第四功率数据集为
。
更进一步地，所述步骤d包括：
第三数据集进行数字下变频处理得到第一基带数据集为
其中，表示低通滤波操作；
第四数据集进行数字下变频处理得到第二基带数据集为
。
更进一步地，所述步骤e包括：
第一功率数据集与第三功率数据集/>比较选择出第一最大集，第二功率数据集/>与第四功率数据集/>比较选择出第二最大集，第一最大集和第二最大集均为目标数据集；相关公式如下
通过公式
判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿，其中，是第一最大集的频带信息，/>是第二最大集的频带信息；
若第一最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；/>表示总的采样数据个数；
若第二最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果。
更进一步地，所述步骤f包括：
第一最大集和第二最大集/>均按照2：1比例进行抽取，产生降采样后的数据/>和/>，迭代次数加1得到第i+1次循环的上扫频中频信号的降采样数据x fb1 [n] i+1和下扫频中频信号的降采样数据x fb2 [n] i+1，/>、/>实质上分别与x fb1 [n] i+1、x fb2 [n] i+1等同。
更进一步地，所述步骤g包括：
对和/>做FFT运算，两者分别产生的数据量为/>和，通过以下公式
查找和/>中具有的最大功率谱的位置，其中，/>表示第一最大功率谱位置，/>表示第二最大功率谱位置；
P max_fb1被每次迭代中频率补偿值还原得到第一频谱功率值P e_fb1，计算公式为；其中，/>表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
P max_fb2被每次迭代中频率补偿值还原得到第二频谱功率值P e_fb2，计算公式为；其中，/>表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到距离信息
其中，表示光速，/>表示扫频时间，/>表示扫频带宽，/>表示经过抗混叠滤波器后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的信号采样率。
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到速度信息
其中，表示FMCW激光雷达的激光波长。
本发明还提供一种FMCW激光雷达目标信息解算系统，所述系统包括：
判断模块，用于分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块；其中，L是设定的迭代次数；
滤波模块，用于上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；
频谱测量模块，用于对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；
数据处理模块，用于对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；
频率补偿模块，用于低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；
降采样模块，用于对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回执行判断模块；
信息解算模块，用于对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息。
进一步地，所述判断模块还用于：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块。
更进一步地，所述滤波模块还用于：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第一数据集如下
其中，表示表示低通滤波器的上一次的输出，/>表示第/>次采样，/>表示当前上扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第二数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第三数据集如下
其中，表示当前上扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第四数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数。
更进一步地，所述频谱测量模块还用于：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第一数据集进行功率谱测量得到第一功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第二数据集进行功率谱测量得到第二功率数据集为
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第三数据集进行功率谱测量得到第三功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第四数据集进行功率谱测量得到第四功率数据集为
。
更进一步地，所述数据处理模块还用于：
第三数据集进行数字下变频处理得到第一基带数据集为
其中，表示低通滤波操作；
第四数据集进行数字下变频处理得到第二基带数据集为
。
更进一步地，所述频率补偿模块还用于：
第一功率数据集与第三功率数据集/>比较选择出第一最大集，第二功率数据集/>与第四功率数据集/>比较选择出第二最大集，第一最大集和第二最大集均为目标数据集；相关公式如下
通过公式
判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿，其中，是第一最大集的频带信息，/>是第二最大集的频带信息；
若第一最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；/>表示总的采样数据个数；
若第二最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果。
更进一步地，所述降采样模块还用于：
第一最大集和第二最大集/>均按照2：1比例进行抽取，产生降采样后的数据/>和/>，迭代次数加1得到第i+1次循环的上扫频中频信号的降采样数据x fb1 [n] i+1和下扫频中频信号的降采样数据x fb2 [n] i+1，/>、/>实质上分别与x fb1 [n] i+1、x fb2 [n] i+1等同。
更进一步地，所述信息解算模块还用于：
对和/>做FFT运算，两者分别产生的数据量为/>和，通过以下公式
查找和/>中具有的最大功率谱的位置，其中，/>表示第一最大功率谱位置，/>表示第二最大功率谱位置；
P max_fb1被每次迭代中频率补偿值还原得到第一频谱功率值P e_fb1，计算公式为；其中，/>表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
P max_fb2被每次迭代中频率补偿值还原得到第二频谱功率值P e_fb2，计算公式为；其中，/>表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到距离信息
其中，表示光速，/>表示扫频时间，/>表示扫频带宽，/>表示经过抗混叠滤波器后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的信号采样率。
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到速度信息
其中，表示FMCW激光雷达的激光波长。
本发明的优点在于：
（1）本发明在进行FFT运算之前对FMCW激光雷达混频后的中频信号先进行低通滤波和高通滤波滤除杂散波的干扰，提高信号处理的准确性，同时在每次迭代过程中均做了降采样以及数字下变频处理，大大降低了硬件处理负担，消耗较少硬件资源的同时提升处理速度。
（2）本发明仅需要较少的FFT计算点数便可实现对探测目标较高的距离和速度信息计算分辨率，同时该信号处理架构易于在FPGA、DSP等硬件端进行实现，可以保证FMCW激光雷达产品对探测信号的实时性处理需求。
附图说明
图1为FMCW激光雷达距离测量原理示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
FMCW激光雷达距离测量原理如附图1所示，距离信息和速度信息分别由下(1)式和(2)式计算出：
（1）
（2）
上式(1)是FMCW激光雷达的距离解算公式，(2)式是其中FMCW激光雷达的速度解算公式，和/>分别代表的是的激光上下扫频后的获得的中频信号频率，如附图1所示，/>代表的是一个周期内的扫频时间，c代表的是光速，为3*108m/s，/>代表的是激光器扫频带宽。一般扫频时间/>、光速c、扫频带宽/>为已知量，所以最后只需要获得上、下扫频的中频信息和/>后，所探测目标的距离和速度信息便可由式(1)和(2)进行解算。
在传统FMCW激光雷达系统中，混频后的中频信号将在被ADC采集后直接参与FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)计算，之后从频谱中直接读出中频信号的频率信息。但是由于FMCW激光雷达的中频信号频率通常很高，因此对于信号采集和FFT处理部分便提出了很高的要求，不方便进行实时性处理。同时由于FFT的数据计算量大，使得硬件结构变得很复杂，不易于部署到硬件终端。根据这种情况，本发明提出了一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，主要采用了数字下变频技术和算法迭代来降低FFT所需计算的点数，在保证距离计算精度的前提下降低了硬件资源的开销，使得其易于部署到FMCW激光雷达信号处理的硬件端，如FPGA或DSP等。如图2所示，所述方法包括：
步骤a：分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转到步骤b，若是跳转到步骤g；其中，L是设定的迭代次数；具体过程为：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转到步骤b，原始采样数据将分别进入一个设定好截止频率的低通滤波器和高通滤波器，若是跳转到步骤g，其中，i的初始值为0，L是由寄存器设定的迭代次数，根据总采样点数和实际FFT解算点数和解算时间需求来调整。
步骤b：上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；具体过程为：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第一数据集如下
（3）
其中，表示低通滤波器的上一次的输出，/>表示当前上扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第二数据集如下
（4）
其中，表示当前下扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第三数据集如下
（5）
其中，表示当前上扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第四数据集如下
（6）
其中，表示当前下扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数。
步骤c：对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；具体过程为：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第一数据集进行功率谱测量得到第一功率数据集为
（7）
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第二数据集进行功率谱测量得到第二功率数据集为
（8）
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第三数据集进行功率谱测量得到第三功率数据集为
（9）
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第四数据集进行功率谱测量得到第四功率数据集为
（10）。
步骤d：对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理，将信号虚部进行滤除，经过下变频处理后的数据和/>的频带移动了f Si/2，；具体过程为：
第三数据集进行数字下变频处理得到第一基带数据集为
（11）
其中，表示低通滤波操作；
第四数据集进行数字下变频处理得到第二基带数据集为
（12）。
步骤e：低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；具体过程为：
第一功率数据集与第三功率数据集/>比较选择出第一最大集，第二功率数据集/>与第四功率数据集/>比较选择出第二最大集，第一最大集和第二最大集均为目标数据集；相关公式如下
为了确定最后是哪个频带的信号被选择，并计算在第i次迭代后FFT原始频率窗口的位置，根据式(13)—(14)得到数据选择和频率偏移记录模块将在第i次迭代后产生频带信息选择B fb1和B fb2，根据选择的频带是低通滤波后的数据还是高通滤波后的数据进而分别确定是0还是1，如果是1将在后续(15)—(16)式中来进行频率补偿，具体公式如下
（13）
（14）
判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿，其中，是第一最大集的频带信息，/>是第二最大集的频带信息；
若第一最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
（15）
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；/>表示总的采样数据个数；
若第二最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
（16）
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果。
步骤f：对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回步骤a；具体过程为：
经过上述处理后需要对已经比较完的数据集进行降采样处理，具体是第一最大集和第二最大集/>均按照2：1比例进行抽取，产生降采样后的数据和/>，迭代次数加1得到第i+1次循环的上扫频中频信号的降采样数据x fb1 [n] i+1和下扫频中频信号的降采样数据x fb2 [n] i+1，/>、/>实质上分别与x fb1 [n] i+1、x fb2 [n] i+1等同。
迭代次数加1，返回步骤a判断迭代次数是否满足开始设定值L并选择进入下次循环还是进行快速傅里叶变换。如果，进行快速傅里叶变换则执行步骤g，如果进入下次循环则执行步骤a到步骤f。
步骤g：对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息；具体过程为：
对和/>做FFT运算，这时将要计算的总数据量也减少到上一次循环前输入数据的一半，如果迭代L次，那么FFT计算数据将减小到N0/2L个，两者分别产生的数据量为/>和/>，通过以下公式
（17）
（18）
查找和/>中具有的最大功率谱的位置，其中，/>表示第一最大功率谱位置，/>表示第二最大功率谱位置；/>
由于P max_fb1和P max_fb2是有部分数据由经过高通滤波后通过数字下变频后再进行FFT得到的，所以P max_fb1将必须被每次迭代中频率补偿值还原得到第一频谱功率值P e_fb1，计算公式为
（19）
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
P max_fb2将必须被每次迭代中频率补偿值还原得到第二频谱功率值P e_fb2，计算公式为
（20）
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累进一步提升中频信号的信噪比，然后信息解算得到距离信息
（21）
其中，表示光速，/>表示扫频时间，/>表示扫频带宽，/>表示经过抗混叠滤波器后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的信号采样率。
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累进一步提升中频信号的信噪比，然后信息解算得到速度信息
（22）
其中，表示FMCW激光雷达的激光波长。
通过以上技术方案，本发明在进行FFT运算之前对FMCW激光雷达混频后的中频信号先进行低通滤波和高通滤波滤除杂散波的干扰，提高信号处理的准确性，同时在每次迭代过程中均做了降采样以及数字下变频处理，大大降低了硬件处理负担，消耗较少硬件资源的同时提升处理速度。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例2还提供一种FMCW激光雷达目标信息解算系统，所述系统包括：
判断模块，用于分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块；其中，L是设定的迭代次数；
滤波模块，用于上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；
频谱测量模块，用于对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；
数据处理模块，用于对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；
频率补偿模块，用于低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；
降采样模块，用于对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回执行判断模块；
信息解算模块，用于对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息。
具体的，所述判断模块还用于：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块。
更具体的，所述滤波模块还用于：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第一数据集如下
其中，表示表示低通滤波器的上一次的输出，/>表示第/>次采样，/>表示当前上扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第二数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第三数据集如下
其中，表示当前上扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第四数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数。
更具体的，所述频谱测量模块还用于：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第一数据集进行功率谱测量得到第一功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第二数据集进行功率谱测量得到第二功率数据集为
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第三数据集进行功率谱测量得到第三功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第四数据集进行功率谱测量得到第四功率数据集为
。
更具体的，所述数据处理模块还用于：
第三数据集进行数字下变频处理得到第一基带数据集为
其中，表示低通滤波操作；
第四数据集进行数字下变频处理得到第二基带数据集为
。
更具体的，所述频率补偿模块还用于：
第一功率数据集与第三功率数据集/>比较选择出第一最大集，第二功率数据集/>与第四功率数据集/>比较选择出第二最大集，第一最大集和第二最大集均为目标数据集；相关公式如下
通过公式
判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿，其中，是第一最大集的频带信息，/>是第二最大集的频带信息；
若第一最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；/>表示总的采样数据个数；/>
若第二最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果。
更具体的，所述降采样模块还用于：
第一最大集和第二最大集/>均按照2：1比例进行抽取，产生降采样后的数据/>和/>，迭代次数加1得到第i+1次循环的上扫频中频信号的降采样数据x fb1 [n] i+1和下扫频中频信号的降采样数据x fb2 [n] i+1，/>、/>实质上分别与x fb1 [n] i+1、x fb2 [n] i+1等同。
更具体的，所述信息解算模块还用于：
对和/>做FFT运算，两者分别产生的数据量为/>和，通过以下公式
查找和/>中具有的最大功率谱的位置，其中，/>表示第一最大功率谱位置，/>表示第二最大功率谱位置；
P max_fb1被每次迭代中频率补偿值还原得到第一频谱功率值P e_fb1，计算公式为；其中，/>表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
P max_fb2被每次迭代中频率补偿值还原得到第二频谱功率值P e_fb2，计算公式为；其中，/>表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到距离信息
其中，表示光速，/>表示扫频时间，/>表示扫频带宽，/>表示经过抗混叠滤波器后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的信号采样率。
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到速度信息
其中，表示FMCW激光雷达的激光波长。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤a：分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转到步骤b，若是跳转到步骤g；其中，L是设定的迭代次数；
步骤b：上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；
步骤c：对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；
步骤d：对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；
步骤e：低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；
步骤f：对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回步骤a；
步骤g：对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤a包括：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转到步骤b，若是跳转到步骤g。
3.根据权利要求2所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤b包括：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第一数据集如下
其中，表示低通滤波器的上一次的输出，/>表示第/>次采样，/>表示当前上扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后，获取的第二数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到低通滤波器的滤波器系数；
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第三数据集如下
其中，表示当前上扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数；
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后，获取的第四数据集如下
其中，表示当前下扫频中频信号输入到高通滤波器的滤波器系数。
4.根据权利要求3所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤c包括：
上扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第一数据集进行功率谱测量得到第一功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入低通滤波器以后得到的第二数据集进行功率谱测量得到第二功率数据集为
上扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第三数据集进行功率谱测量得到第三功率数据集为
下扫频中频信号的降采样数据进入高通滤波器以后得到的第四数据集进行功率谱测量得到第四功率数据集为
。
5.根据权利要求4所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤d包括：
第三数据集进行数字下变频处理得到第一基带数据集为
其中，表示低通滤波操作；
第四数据集进行数字下变频处理得到第二基带数据集为
。
6.根据权利要求5所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤e包括：
第一功率数据集与第三功率数据集/>比较选择出第一最大集/>，第二功率数据集/>与第四功率数据集/>比较选择出第二最大集/>，第一最大集和第二最大集均为目标数据集；相关公式如下
通过公式
判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿，其中，是第一最大集的频带信息，/>是第二最大集的频带信息；
若第一最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；/>表示总的采样数据个数；
若第二最大集是高通滤波后的数据，则通过下式进行频率补偿
其中，表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果。
7.根据权利要求6所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤f包括：
第一最大集和第二最大集/>均按照2：1比例进行抽取，产生降采样后的数据/>和/>，迭代次数加1得到第i+1次循环的上扫频中频信号的降采样数据x fb1 [n] i+1和下扫频中频信号的降采样数据x fb2 [n] i+1，/>、分别与x fb1 [n] i+1、x fb2 [n] i+1等同。
8.根据权利要求7所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算方法，其特征在于，所述步骤g包括：
对和/>做FFT运算，两者分别产生的数据量为/>和，通过以下公式
查找和/>中具有的最大功率谱的位置，其中，/>表示第一最大功率谱位置，/>表示第二最大功率谱位置；
P max_fb1被每次迭代中频率补偿值还原得到第一频谱功率值P e_fb1，计算公式为；其中，/>表示第一最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
P max_fb2被每次迭代中频率补偿值还原得到第二频谱功率值P e_fb2，计算公式为；其中，/>表示第二最大集是高通滤波后的数据时第/>次循环的频率补偿结果；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到距离信息
其中，表示光速，/>表示扫频时间，/>表示扫频带宽，/>表示经过抗混叠滤波器后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的信号采样率；
对第一频谱功率值和第二频谱功率值进行频谱积累以及信息解算得到速度信息
其中，表示FMCW激光雷达的激光波长。
9.一种FMCW激光雷达目标信息解算系统，其特征在于，所述系统包括：
判断模块，用于分别获取上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据，判断当前迭代次数是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块；其中，L是设定的迭代次数；
滤波模块，用于上扫频中频信号和下扫频中频信号的降采样数据均进入低通滤波器以及高通滤波器；
频谱测量模块，用于对低通滤波器输出的数据以及高通滤波器输出的数据分别进行功率谱测量；
数据处理模块，用于对高通滤波器输出的数据还进行数字下变频处理；
频率补偿模块，用于低通滤波器经功率谱测量的数据与高通滤波器经功率谱测量的数据比较，选择出目标数据集，同时判断目标数据集属于哪个频带的信号并标记频带信息，如果是高通滤波后的数据则进行频率补偿；
降采样模块，用于对目标数据集进行降采样处理，迭代次数加1并返回执行判断模块；
信息解算模块，用于对数据做FFT运算，查找数据中具有的最大功率谱的位置并被频率补偿值还原，得到还原后的频谱功率值，对其进行频谱积累以及信息解算得到距离信息和速度信息。
10.根据权利要求9所述的一种FMCW激光雷达目标信息解算系统，其特征在于，所述判断模块还用于：
利用模数转换器采集FMCW激光雷达系统混频后的中频信号，设定模数转换器的采样速率为f s0，原始采样点数为N 0，x fb1 [n]和x fb2 [n]分别定义为模数转换器的第n次采样后的上扫频中频信号和下扫频中频信号的数据集，x fb1 [n] i和x fb2 [n] i定义为第i次循环后降采样的数据，包含了N 0/2i个采样点数，采样速度为f Si且f Si=f S0/2i，在开始进行迭代前，判断当前迭代次数i是否等于L，若否跳转执行滤波模块，若是跳转执行信息解算模块。
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- 2023-06-13 CN CN202310695232.2A patent/CN116430354B/zh active Active
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