CN117008147A - 一种基于组合编码的测距测速及成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于组合编码的测距测速及成像方法和装置，所述装置包括：激光器，编码信号发生器，光相位调制器，光放大器，光收发系统，光解调器，光电探测器，模数转换器和信号处理机。所述方法利用所述装置将数个不同编码序列拼接为一个组合编码对激光进行调制，利用各编码序列在传输过程中的特性实现相应功能。本发明无需增加额外设备即可有效获取目标多普勒信息并进行补偿，解决了传统相位编码激光雷达多普勒容限低、适用范围小的问题；此外，通过嵌入信息编码段，可实现信息传递，提高雷达间抗干扰能力。

Description

一种基于组合编码的测距测速及成像方法和装置
技术领域
本发明属于激光雷达领域，主要应用于雷达测距测速及远距离目标超分辨成像。
背景技术
激光雷达是一种现代重要的测距测速传感器，而相干激光雷达有探测灵敏度高、调制灵活等的优点，是激光雷达重要的发展方向之一。目前相干激光雷达主要采用较为成熟的FMCW方案，相位编码方案由于线性度要求低、不存在距离-多普勒耦合、放大器效率高、抗截获能力强、波形设计多样等的优点，目前也在进行相关研究。相位编码是多普勒敏感信号，随着回波多普勒频移的增加，探测能力急剧下降，因此仅适用于静止或低速运动目标。随着激光雷达使用数量的增加，对抗雷达间串扰的能力也提出了更高的要求；在要求多机协同的应用场景中，雷达间的信息互联能力也尤为重要。
在先技术之一(参见Xuesong Mao,Daisuke Inoue,Hiroyuki Matsubara,andManabu Kagami,Demonstration of in-car doppler laser radar at 1.55um for rangeand speed measurement,IEEE Transactions on Intelligent TransportationSystems,2013,VOL.14,NO.2,599-607)中，在伪随机码中插入周期码构成调制码，利用相关运算获取目标距离信息的同时，通过采样周期码的外差信号分析多普勒频率。但伪随机码插入周期码后降低了其自相关特性，且速度测量范围有限。
在先技术之二(参见王岩飞,樊邦奎,李和平,韩松.一种基于编码阵列实现同时成像与探测的方法及系统.CN114236491A[P].2022-03-25.)中，对雷达阵列中每个阵元赋予可分离的单独的信号，各阵元接收回波信号后分别进行分离处理，可灵活调整成像性能和运动目标检测性能。该系统传输N个正交信号需N个雷达辐射阵元、N路编码信号、N个发射接收机以及N个数据采集器，系统复杂且成本较高。
在先技术之三(参见郜峰利,李思达,陶敏等.一种同时实现激光测距与通信的系统与方法.CN112953645B[P].2023-02-28.)中，利用基于双脉冲间隔调制的方法，由脉冲间时间长短表示逻辑的0与1，同时利用回波飞行时间进行测距。该测距通信方法抗干扰性较差，在多雷达工作场景中，一旦接收机短时间内采集到两个及以上不同雷达数据，只能将这段采集的信号视为无效数据丢弃，工作效率较差。
综上所述，当前相位编码激光雷达系统在实现测距、测速、多普勒补偿、成像及通信的方案中，在探测能力、系统复杂度或抗干扰性上各有所取舍。
发明内容
本发明提供了一种基于组合编码的测距测速及成像方法和装置，用以克服现有相位编码相干激光雷达多普勒容限低导致应用范围较小的问题；此外也提高了抗雷达间串扰的能力。
本发明所提供的的技术方案如下：
一种基于组合编码的测距测速及成像方法，该方法主要包括以下步骤：
S1：生成组合编码作为驱动信号调制激光；
S2:输出经调制的激光信号，并且所述经调制的激光信号照射在待测目标上，并产生后向散射光；从所述后向散射光提取回波信号，将所述回波信号中的最强单频分量作为目标径向多普勒完成测速，并通过信号处理对目标径向多普勒进行补偿；
S3：使用匹配滤波器从所述回波信号获取目标距离信息，同时确定所述目标距离信息的数据中的各组合编码的起始点以将回波信号重新排列为数据矩阵；
S4：基于组合编码分布的先验信息，将所述数据矩阵分割成不同的子矩阵；
S5：对所述子矩阵中的雷达数据子矩阵使用合成孔径成像算法实现超分辨成像，以及对所述子矩阵中的局域信息子矩阵进行载波恢复后完成密钥解码实现信息获取。
进一步的，所述组合编码中的雷达数据段长度为N，其两端具有长度不短于N/2的0值区间；所述雷达数据子矩阵由多个脉冲的所述雷达数据段组合而成。
进一步的，所述0值区间在组合编码中具有一定占比，以使得单频信号频谱强度高于宽谱区域，从而精确提取并补偿目标径向多普勒。
进一步的，所述组合编码中嵌入以正交码为密钥调制后的信号，通过对所述密钥解码获取信息，从而能够实现雷达间的局域信息互联。
进一步的，所述组合编码嵌入本机识别码。
另一方面，本发明还提供了一种基于组合编码的测距测速及成像装置，所述装置包括：激光器，编码信号发生器，光相位调制器，光放大器，光收发系统，光解调器，光电探测器，模数转换器和信号处理机，其中，
所述激光器输出两路信号，一路信号为本振信号，另一路信号为待调制信号；所述本振信号输入至所述光解调器，所述待调制信号输入至光相位调制器，
所述编码信号发生器产生组合编码信号，所述组合编码信号输入至光相位调制器将待调制信号进行调制，以产生经调制的激光信号，所述经调制的激光信号输出至所述光放大器；
所述光放大器放大所述经调制的激光信号并将其输出至所述光收发系统，所述收发系统发射经放大的激光信号，所述激光信号照射到待测目标上并产生后向散射信号，所述后向散射信号被光收发系统中的接收镜接收并被提取为目标回波信号；所述目标回波信号和所述本振信号两者被输入所述光解调器；光解调器的输出连接至光电探测器，光电探测器的输出信号由模数转换器进行采样后输入至信号处理机。
进一步的，所述相位调制器前设有用于闭环控制的光移频器，信号处理机计算得到目标多普勒输出至光移频器，从而控制该光移频器产生对应频移，以实现目标运动补偿。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1、仅通过调整编码信号即可实现目标多普勒的提取，可简单有效地解决相位编码相干激光雷达多普勒容限低的问题。
2、通过信息的嵌入，提高了抗雷达间串扰的能力，同时能够实现雷达间局域的信息互联。
附图说明
图1为基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像方法流程图。
图2为一种组合编码的实现方案。
图3为一种基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像装置示意图。
图4为另一种基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像装置示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：1.激光器；2.光相位调制器；3.编码信号发生器；4.光放大器；5.光收发系统；6.光解调器；7.光电探测器；8.模数转换器；9.信号处理机；10.光移频器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
参见附图1所示，图1为本发明实施例的基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像方法流程图。
本发明实施例的基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像方法，包括以下步骤：
S1：生成组合编码作为驱动信号调制激光；
S2:输出经调制的激光信号，并且所述经调制的激光信号照射在待测目标上，并产生后向散射光；从所述后向散射光提取回波信号，将所述回波信号中的最强单频分量作为目标径向多普勒完成测速，并通过信号处理对目标径向多普勒进行补偿；
S3：使用匹配滤波器从所述回波信号获取目标距离信息，同时确定所述目标距离信息的数据中的各组合编码的起始点以将回波信号重新排列为数据矩阵；
S4：基于组合编码分布的先验信息，将所述数据矩阵分割成不同的子矩阵；
S5：对所述子矩阵中的雷达数据子矩阵使用合成孔径成像算法实现超分辨成像，以及对所述子矩阵中的局域信息子矩阵进行载波恢复后完成密钥解码实现信息获取。
其中，在所述步骤S1中，组合编码中必须包含一段自相关性能较好的码型作为雷达数据段用于匹配滤波实现目标测距及确定回波信号中组合编码的起始点。
其中，在所述步骤S1中，若组合编码中雷达数据段长度为N，则其两端各需要长度不短于N的0值区间来保证后续对回波信号进行匹配滤波时的相关性能。
其中，在所述步骤S1中，0值区间在组合编码中需保证一定占比使得单频信号频谱强度高于宽谱区域，从而精确提取并补偿目标径向多普勒。
其中，在所述步骤S1中，组合编码中可嵌入以特定正交码为密钥调制后的信号，唯有以该密钥解码方可获取信息，可实现雷达间的局域信息互联；若以该方式嵌入本机识别码等，可提高抗雷达间串扰的能力。
其中，在所述步骤S1中，组合编码可进行更多类型数据的嵌入，固定好通信协议即可。
参见附图2所示，图2为一种组合编码的实现方案，所述组合编码包含雷达数据段、局域信息段和0值区间，所述组合编码中的雷达数据段长度为N，其两端具有长度不短于N/2的0值区间，由此保证后续对回波信号进行匹配滤波时无其他信号干扰。所述0值区间在组合编码中的具有一定占比，以使得单频信号频谱强度高于宽谱区域，从而保证精确提取并补偿目标径向多普勒。所述组合编码可由FPGA或AWG直接生成。在另外的实施例中，还可以根据脉冲压缩比或雷达间通信需求增减对应数据段长度，为增加信号传输可靠性可在组合编码中嵌入CRC校验等。
参见附图3所示，图3为一种基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像装置示意图。所述装置包括：激光器1，编码信号发生器3，光相位调制器2，光放大器4，光收发系统5，光解调器6，光电探测器7，模数转换器8和信号处理机9，光移频器10。激光器1输出两路信号，一路信号为本振信号，另一路信号为待调制信号；所述本振信号输入至所述光解调器6，所述待调制信号输入至光相位调制器2，所述编码信号发生器3产生组合编码信号，所述组合编码信号输入至光相位调制器2将待调制信号进行调制，以产生经调制的激光信号，所述经调制的激光信号输出至所述光放大器4；
所述光放大器4放大所述经调整的激光信号并将其输出至所述光收发系统5，所述光收发系统5发射经放大的激光信号，所述激光信号照射到待测目标上并产生后向散射信号，所述后向散射信号被光收发系统中的接收镜接收并被提取为目标回波信号；所述目标回波信号和所述本振信号两者被输入所述光解调器6；光解调器6的输出连接至光电探测器7，光电探测器7的输出信号由模数转换器8进行采样后输入至信号处理机9。
其中，所述光相位调制器2前设有用于闭环控制的光移频器10，信号处理机9计算得到目标多普勒输出至光移频器10，从而控制该光移频器10产生对应频移，从而实现闭环控制，以在硬件上实现目标运动补偿。参见附图4所示，图4为另一种基于组合编码的相干激光雷达测距测速及超分辨成像装置示意图。
该装置在信号处理机9中提取目标多普勒后，需将接收信号转换至频域并根据多普勒值与模数转换器采样率补偿对应相位从而实现目标运动补偿。该装置相比于图3所示的装置省略了光移频器10，因此需要在信号处理机上实现目标运动补偿。
上述实例为本发明的实施方式之一，而不是全部实施例，其他未背离本发明实质原理下所作的改变、组合、简化等都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于组合编码的测距测速及成像方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：
S1：生成组合编码作为驱动信号调制激光；
S2:输出经调制的激光信号，并且所述经调制的激光信号照射在待测目标上，并产生后向散射光；从所述后向散射光提取回波信号，将所述回波信号中的最强单频分量作为目标径向多普勒完成测速，并通过信号处理对目标径向多普勒进行补偿；
S3：使用匹配滤波器从所述回波信号获取目标距离信息，同时确定所述目标距离信息的数据中的各组合编码的起始点以将回波信号重新排列为数据矩阵；
S4：基于组合编码分布的先验信息，将所述数据矩阵分割成不同的子矩阵；
S5：对所述子矩阵中的雷达数据子矩阵使用合成孔径成像算法实现超分辨成像，以及对所述子矩阵中的局域信息子矩阵进行载波恢复后完成密钥解码实现信息获取。
2.根据权利要求1中所述的一种基于组合编码的测距测速及成像方法，其特征在于，所述组合编码中的雷达数据段长度为N，其两端具有长度不短于N/2的0值区间；所述雷达数据子矩阵由多个脉冲的所述雷达数据段组合而成。
3.根据权利要求2中所述的一种基于组合编码的测距测速及成像方法，其特征在于，所述0值区间在组合编码中具有一定占比，以使得单频信号频谱强度高于宽谱区域，从而精确提取并补偿目标径向多普勒。
4.根据权利要求1中所述的一种基于组合编码的测距测速及成像方法，其特征在于，所述组合编码中嵌入以正交码为密钥调制后的信号，通过对所述密钥解码获取信息，从而能够实现雷达间的局域信息互联。
5.根据权利要求1中所述的一种基于组合编码的测距测速及成像方法，其特征在于，所述组合编码嵌入本机识别码。
6.一种基于组合编码的测距测速及成像装置，其特征在于，所述装置包括：激光器，编码信号发生器，光相位调制器，光放大器，光收发系统，光解调器，光电探测器，模数转换器和信号处理机，其中，
所述激光器输出两路信号，一路信号为本振信号，另一路信号为待调制信号；所述本振信号输入至所述光解调器，所述待调制信号输入至光相位调制器，所述编码信号发生器产生组合编码信号，所述组合编码信号输入至光相位调制器将待调制信号进行调制，以产生经调制的激光信号，所述经调制的激光信号输出至所述光放大器；
所述光放大器放大所述经调制的激光信号并将其输出至所述光收发系统，所述收发系统发射经放大的激光信号，所述激光信号照射到待测目标上并产生后向散射信号，所述后向散射信号被光收发系统中的接收镜接收并被提取为目标回波信号；所述目标回波信号和所述本振信号两者被输入所述光解调器；光解调器的输出连接至光电探测器，光电探测器的输出信号由模数转换器进行采样后输入至信号处理机。
7.根据权利要求6中所述的一种基于组合编码的测距测速及成像装置，其特征在于：所述光相位调制器前设有用于闭环控制的光移频器，信号处理机计算得到目标多普勒输出至光移频器，从而控制该光移频器产生对应频移，以实现目标运动补偿。
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