CN118050740A - 一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统，首先利用高速数模转换器对FMCW中频信号进行精确采样；然后选择频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比；通过离散FSWT变换得到时频分布矩阵，基于时频分布图，选择感兴趣的频率区间，并进行iFSWT变换获取时域信号；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号。最后，结合发射波长根据频率参数进行精确计算，获得目标的准确距离信息。本发明将时频分析方法FSWT引入到FMCW信号分析，利用FSWT变换实现多尺度FMCW信号时频分布，便于更有效地处理FMCW信号，实现更高精度的目标距离和速度测量。

Description

一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达测距技术领域，特别是涉及一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统。

背景技术

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）激光雷达是一种基于频率调制的连续波雷达技术，通过调制发射信号的频率实现对目标距离和速度等信息的测量。常见应用于：①自动驾驶和驾驶辅助系统：用于实时检测和跟踪道路上的车辆、行人和障碍物，以支持自动避障和智能跟车功能。②工业制造：用于测量生产线上物体的位置和运动状态，支持自动化生产和机器人操作。

FMCW激光雷达测距的工作原理是将发射信号的频率随时间进行连续调制，形成一种频率递增或递减的信号。接收到目标反射的信号经过混频处理后得到中频信号，其中频率与目标距离成正比。接着，通过距离和速度测量的处理步骤，可以获取目标的距离和速度等信息。最终，通过目标识别与跟踪，实现对目标的精确探测和跟踪功能；FMCW激光雷达具备高精度的目标探测和跟踪能力。

在FMCW中频信号处理的方法中，以FFT（快速傅里叶变换）方法和CZT（Chirp Z-transform）方法较为常用：FFT用于将接收到的FMCW信号从时域转换为频域，以获得频谱信息，进而进行距离和速度测量。CZT方法则可在频域对信号进行插值和处理，以提高频率分辨率，进一步提升距离和速度测量的精度。FFT和CZT方法在FMCW雷达信号处理中都有局限性。FFT的主要缺陷包括在非2的幂次方长度信号时需要零填充，影响计算效率，以及对信号能量进行聚集可能降低测量精度。CZT方法的缺陷在于计算复杂度与信号长度成正比，处理长时域信号时效率较低，同时实时性不如FFT。虽然CZT方法能提高频率分辨率，但在信号长度和采样率受限的情况下，可能无法满足极高精度的测量要求。

因此，如何能够更有效地处理FMCW雷达信号，实现更高精度的目标距离和速度测量，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了至少可以解决上述部分技术问题的一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统，将时频分析方法FSWT引入到FMCW信号分析，利用FSWT变换实现多尺度FMCW信号时频分布，能够在高频段减少能量发散，从而提高了通过瞬时频率计算距离参数的鲁棒性；便于更有效地处理FMCW雷达信号，有助于实现更高精度的目标距离和速度测量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

第一方面，本发明实施例提供一种调频连续波激光雷达信号分析方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

S2、构造或选取频率切片函数，将观测频率设置为全频段；

S3、选取频率分辨率和预期幅值响应比，计算尺度参数；

S4、进行离散FSWT变换，得到时频分布矩阵，并绘制时频分布图；

S5、进行时频分布图分析，选取感兴趣的频率区间；

S6、根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；

S7、对分解后的单组分信号进行判断；若分解效果符合预期，则对这些信号分量进行频率参数估计，否则返回步骤S5；

S8、根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。

优选的，所述步骤S2中，构造频率切片函数的条件包括：

（1）频率切片函数零频率对应幅值非零；

（2）频率切片函数为有限能量；

（3）频率切片函数频率无穷大时幅值为0；

（4）频率切片函数为关于零频率对称的偶函数。

优选的，所述步骤S3中，频率分辨率的选取方法为：

式中，表示信号的频率分辨率，/>表示带宽，/>表示观测频率，/>表示/>的频率中心，/>表示调频连续波激光雷达经过模数转换后得到数字信号，其傅里叶变换为。

优选的，所述步骤S3中，通过狄利克雷函数建立不等式方程确定所述预期幅值响应比的范围。

优选的，所述步骤S4中，FSWT的离散形式为：

式中，表示能量系数，/>表示频率切片序列长度，/>表示重采样的点数，/>为采样率的百分比，/>表示经过FSWT变换得到的子切片序列，是一个复矩阵，/>表示该子序列的支撑长度，/>表示子序列的序号。

优选的，所述步骤S8中，根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息的公式为：

其中，表示目标物体与雷达之间的距离，/>表示光速，/>表示接收到的信号频率与发送的信号频率之间的差值，/>表示时间，/>表示发射波信号带宽，/>是目标物体相对于雷达的速度，/>是信号的波长。

第二方面，本发明实施例还提供一种调频连续波激光雷达信号分析系统，应用上述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，有效地处理FMCW雷达信号，实现更高精度的目标距离和速度测量，该系统包括：

信号采样模块，用于通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

频率参数优化模块，用于构造或选取频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比；

信号处理模块，用于进行离散FSWT变换，得到时频分布矩阵，并绘制时频分布图；

信号分析与优化模块，用于进行时频分布图分析，选取感兴趣的频率区间；根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；对分解后的单组分信号进行判断；若分解效果符合预期，则对这些信号分量进行频率参数估计；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号；

距离信息计算模块，用于根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1.本发明提供了一种调频连续波激光雷达信号分析方法及系统，将时频分析方法FSWT引入到FMCW信号分析，利用FSWT变换实现多尺度FMCW信号时频分布，能够在高频段减少能量发散，从而提高了通过瞬时频率计算距离参数的鲁棒性；便于更有效地处理FMCW雷达信号，有助于实现更高精度的目标距离和速度测量。

2.本发明中，首先利用高速数模转换器对FMCW中频信号进行精确采样；然后，选择频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比，以最大程度提高信号处理的准确性和效率。进一步地，本发明中通过离散FSWT变换得到时频分布矩阵绘制时频分布图，为后续分析提供基础：基于时频分布图，选择感兴趣的频率区间；并进行iFSWT变换获取时域信号；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号，为后续处理奠定基础。最后，结合FMCW的发射波长，根据频率参数进行精确计算，获得目标的准确距离信息，为雷达测距提供可靠数据支持。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图用于提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例提供的一种调频连续波激光雷达信号分析方法流程示意图。

图2为本发明实施例提供的FMCW信号的频谱示意图。

图3为本发明实施例提供的利用STFT方法分析FMCW信号的时频分布示意图。

图4为本发明实施例提供的利用FSWT方法分析FMCW信号的时频分布示意图。

图5为本发明实施例提供的STFT方法和FSWT方法的计算耗时对比示意图。

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中的附图，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。

在本发明的描述中，需要说明的是：在本申请说明书及附图等描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行。此外，各种序号等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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：

参见图1所示，本发明提供了一种调频连续波激光雷达信号分析方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤1、通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

步骤2、构造或选取频率切片函数，将观测频率设置为全频段；

步骤3、选取频率分辨率和预期幅值响应比/>；其中，/>，/>，优选的，取/>，/>，/>或/>，然后计算尺度参数；

步骤4、进行离散FSWT变换，得到FMCW信号的时频分布矩阵，分析时频分布图；

步骤5、分析时频分布图，选取感兴趣的频率区间；

步骤6、根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；

步骤7、判断分解后是否得到了理想的单组分信号；如果分解效果理想，则对这些信号分量进行频率参数估计，否则，重复步骤5；

步骤8、根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。

下面对本发明方法所涉及的相关理论以及具体实施方式进行详细说明：

一、FSWT变换的定义

设有限向量空间，/>为实数集合，信号/>，其傅里叶变换/>。若函数/>的傅里叶变换/>存在，则频率切片小波变换(FSWT)的频域表达式为：

(1)

式中，表示尺度因子，且/>；/>表示能量系数，为非零常数或/>和t的函数；t表示观测时间；/>表示观测频率；/>表示评估频率；/>表示表示共轭；/>表示频率切片函数。/>表示复指数，是虚数单位。尺度因子/>控制频率切片函数的频窗，观测频率/>控制频率切片函数频窗在频率轴的平移。引入的频率切片函数，使傅里叶变换获得了可变的时频窗和时频分析能力。

二、频率切片函数的设计方式

构造频率切片函数(Frequency Slice Function，FSF)的方式有很多种，本发明实施例中，下面给出了几个设计频率切片函数的条件，但不必同时满足：

(1) 频率切片函数零频率对应幅值非零，即：

或/>；

(2) 频率切片函数为有限能量，即：

；

(3) 频率切片函数频率无穷大时幅值为0，即：

；

(4) 频率切片函数为关于零频率对称的偶函数，即：

，或/>。

在本实施例中，关于设计条件(4)，有下列补充条件：

若，那么/>。反之亦然，若/>，那么。根据设计条件，还可直接选择如下切片函数：

FSF 1：；

FSF 2：；

FSF 3：；

FSF 4：；

其中，表示FSWT的初始频率。

三、频率分辨率和预期幅值响应比的选取方法

在本实施例中，在频率切片小波变换处理信号的过程中，尺度因子要比能量系数重要的多。一般情况下，设定/>。不同于短时傅里叶变换的是，此处的/>是一个灵活的范围，而非一个常数。根据小波变换的思想，当/>时，FSWT变换会有更好的实用效果。令：，则有：

(2)

式中，表示频域上的尺度参数，且/>。

参数和观测频率/>、评估频率/>没有直接关系，但可通过调整/>来调整时频分辨率，使FSWT对时间或频率更敏感。根据海森堡测不准原理，无法同时在时域和频域同时获得较高的分辨率。本实施例中，引入用于估计/>和/>的两个折中参数：信号的频率分辨率/>和预期幅值响应比/>。

(3)

其中，为带宽：

(4)

通常一个系统中存在的一个最小值，/>越小，分析越困难。

预期振幅响应比用于区分FSWT中拥有两个不同频率成分其范围：

(5)

优选的，，/>或/>。本实施例中，通过狄利克雷函数/>建立不等式方程确定/>的范围：

(1)若，且FSWT满足/>，那么：

(6)

(7)

(2)若，且FSWT满足/>，那么：

(8)

(9)

式中，。在实际运算中，式(7)容易满足，但参数/>在式(9)很难满足。例如，当切片函数/>时，式(9)就很难满足。因此，本实施例中，优选的只使用式(7)得到/>的范围为：

(10)。

四、频率切片和频率切片小波变换的离散形式

在本实施例中，输入信号常为离散序列，经过/>点采样后，记作。其离散化的傅里叶变换为/>。频率切片函数通常为快速衰减的有限带宽信号，因此频率切片函数能够被分解为有限长度的离散序列，即：

(11)

式中，，且/>。

每一个向量都称作频率切片序列(Frequency Slice sequence)，长度为/>。其非零子序列/>为频率切片函数的支撑集(Support Set，SS)。每一个支撑集的元素数量是支撑集的支撑长度(Support Length，SL)，。

由于对应/>的第/>位，故部分向量/>被自动地截断于始末：

(12)

在本实施例中，频率切片序列同频率切片函数一样，设计灵活，简便。可以根据不同观测频率/>的需要在/>处进行逐点定义。频率切片序列通常可以由连续的频率切片函数截取得到，即：

(13)

基于离散的频率切片函数，频率切片小波变换可以离散化得到。式1和2可以改写为：

(14)

注意到中的元素大多为0，且支撑长度/>，因此公式1和2可以通过傅里叶变换在时域将采样计算。重采样的点数记作/>，/>为采样率的百分比。FSWT的离散形式如下：

(15)

式中，表示能量系数，/>表示频率切片序列长度，/>表示重采样的点数，/>为采样率的百分比，/>表示经过FSWT变换得到的子切片序列，是一个复矩阵，/>表示该子序列的支撑长度，/>表示子序列的序号。

五、根据频率参数计算距离信息的方法

在FMCW雷达系统中，发送的信号是一种连续调频的波形，频率随时间线性变化。这种信号经过发射后，与目标物体发生反射，然后被接收器接收。当接收到的信号经过混频处理后，可以得到一个包含距离信息的信号。设定初始频率为，终止频率为/>，调频周期为/>。在发送端，频率/>随时间变化，用以下公式表示：

其中，为时间。当信号发射后，与目标物体发生反射后，接收到的信号的频率将发生变化。假设目标物体与雷达之间的距离为/>，则接收到的信号频率/>与发送的信号频率之间的差值为：

其中，是目标物体相对于雷达的速度，/>是信号的波长。根据多普勒效应，目标物体的速度会导致接收到的信号的频率发生变化。通过以下关系式来计算：

通过测量，可以计算目标物体与雷达之间的距离/>。

下面以具体的FMCW信号分析实验对本发明进行验证：

1.采样和FFT频谱分析

首先，根据FMCW雷达信号特性，利用高速数模转换器对中频信号进行了精确采样，并对采样信号进行FFT频谱分析。通过FFT分析，可以得到了信号的频谱图，如图2所示，展示了FMCW信号的频率特征。

2.传统STFT时频分析

为了进一步探索信号的时频特性，如图3所示，采用传统的短时傅里叶变换（STFT）方法进行时频分析。然而，由于FMCW信号往往存在较高的噪声干扰，因此采用STFT方法耗时较长，并且得到的时频分布图噪声较多，难以准确识别信号的频率特征。

3.FSWT时频分析

鉴于STFT方法的局限性，采用频率切片小波变换（FSWT）方法进行时频分析。通过FSWT方法，得到了时频分布图（如图4所示），相比于STFT方法，从图4中可以看出，该方法的时频分布图噪声较低，且信号的中频特征更加清晰可辨。

4.计算时间比较

最后，为了全面评估两种方法的性能，本实施例中综合计算了它们的计算时间，并将结果展示在图5中。从图5中可以明显看出，FSWT方法分析FMCW信号的耗时明显短于STFT方法，且效率更高，符合专利要求的高效率和精确性。

由上述实施例的描述，本领域技术人员可获知：本发明提供了一种调频连续波激光雷达信号分析方法，首先利用高速数模转换器对FMCW中频信号进行精确采样，并通过离散FSWT变换得到时频分布矩阵，为后续分析提供基础。进一步地，选择频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比，以最大程度提高信号处理的准确性和效率。进一步地，本发明中基于时频分布图，选择感兴趣的频率区间，并进行iFSWT变换获取时域信号；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号，为后续处理奠定基础。最后，结合FMCW的发射波长，根据频率参数进行精确计算，获得目标的准确距离信息，为雷达测距提供可靠数据支持。本发明方法具有以下特点：

1：首次将时频分析方法FSWT引入到FMCW信号分析领域，为该领域带来了新的技术视角和方法。

2：提出了一种利用FSWT变换实现多尺度FMCW信号时频分布的方法，这一技术突破了以往在FMCW信号分析中单一尺度的限制，为更全面、精准地理解FMCW信号特性提供了新途径。

3：所提出的方法具有低冗余度和高计算效率的特点，能够快速实现多组分FMCW信号的时频观测。

4：相较于传统的STFT方法，新方法利用FSWT具有紧支性的特性，在观测FMCW信号时，能够在高频段减少能量发散，从而提高了通过瞬时频率计算距离参数的鲁棒性。

实施例2：

本发明还提供了一种调频连续波激光雷达信号分析系统，应用于上述实施例中的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，可以更有效地处理FMCW雷达信号，实现更高精度的目标距离和速度测量；该系统包括：

信号采样模块，用于通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

频率参数优化模块，用于构造或选取频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比；

信号处理模块，用于进行离散FSWT变换，得到时频分布矩阵，并绘制时频分布图；

信号分析与优化模块，用于进行时频分布图分析，选取感兴趣的频率区间；根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；对分解后的单组分信号进行判断；若分解效果符合预期，则对这些信号分量进行频率参数估计；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号；

距离信息计算模块，用于根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。

实施例3：

本发明实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算设备可读的一个或多个程序，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行上述实施例中的一种调频连续波激光雷达信号分析方法。

本发明实施例中，存储介质例如可以是电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备以及上述的任意合适的组合。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品等。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

应当注意的是，词语“包括”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

S2、构造或选取频率切片函数，将观测频率设置为全频段；

S3、选取频率分辨率和预期幅值响应比，计算尺度参数；

S4、进行离散FSWT变换，得到时频分布矩阵，并绘制时频分布图；

S5、进行时频分布图分析，选取感兴趣的频率区间；

S6、根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；

S7、对分解后的单组分信号进行判断；若分解效果符合预期，则对这些信号分量进行频率参数估计，否则返回步骤S5；

S8、根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，构造频率切片函数的条件包括：

（1）频率切片函数零频率对应幅值非零；

（2）频率切片函数为有限能量；

（3）频率切片函数频率无穷大时幅值为0；

（4）频率切片函数为关于零频率对称的偶函数。

3.根据权利要求1所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，频率分辨率的选取方法为：

；

式中，表示信号的频率分辨率，/>表示带宽，/>表示观测频率，/>表示/>的频率中心，/>表示调频连续波激光雷达经过模数转换后得到数字信号，其傅里叶变换为。

4.根据权利要求1所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过狄利克雷函数建立不等式方程确定所述预期幅值响应比的范围。

5.根据权利要求3所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，所述步骤S4中，FSWT的离散形式为：

；

式中，表示能量系数，/>表示频率切片序列长度，/>表示重采样的点数，/>为采样率的百分比，/>表示经过FSWT变换得到的子切片序列，是一个复矩阵，/>表示该子序列的支撑长度，/>表示子序列的序号。

6.根据权利要求5所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，其特征在于，所述步骤S8中，根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息的公式为：

；

；

其中，表示目标物体与雷达之间的距离，/>表示光速，/>表示接收到的信号频率与发送的信号频率之间的差值，/>表示时间，/>表示发射波信号带宽，/>是目标物体相对于雷达的速度，/>是信号的波长。

7.一种调频连续波激光雷达信号分析系统，其特征在于，应用如权利要求1-6任一项所述的一种调频连续波激光雷达信号分析方法，该系统包括：

信号采样模块，用于通过高速数模转换器对FMCW中频信号进行信号采样；

频率参数优化模块，用于构造或选取频率切片函数，并设置全频段观测频率，同时根据实际需求调整频率分辨率和幅值响应比；

信号处理模块，用于进行离散FSWT变换，得到时频分布矩阵，并绘制时频分布图；

信号分析与优化模块，用于进行时频分布图分析，选取感兴趣的频率区间；根据所选频段进行iFSWT变换，得到若干组时域信号；对分解后的单组分信号进行判断；若分解效果符合预期，则对这些信号分量进行频率参数估计；通过反复优化和判断分解效果，确保获得理想的单组分信号；

距离信息计算模块，用于根据频率参数结合FMCW的发射波长计算距离信息。