一种FMCW激光雷达信号处理方法及系统

本发明涉及激光雷达信号处理方法设计领域，具体涉及一种fmcw激光雷达信号处理方法。

背景技术：

1、fmcw(frequency modulated continuous wave,调频连续波)激光雷达作为一种新型的高精度非接触式测距技术,其测距原理是基于连续光的频率调制,通过分析回波信号的频移信息来回推目标距离,相比传统的脉冲式激光雷达,具有测距精度高、距离不模糊等优点。随着激光、光电子器件制造工艺的进步，fmcw激光雷达经历了高速发展,并在军事领域和民用领域找到了广泛的应用。但是提取精细的距离信息也对fmcw激光雷达的信号处理算法和系统提出了更高的要求。

2、fmcw激光雷达起源于频调制激光测距技术,经历了从脉冲fmcw、模拟fmcw到全数字fmcw的发展过程。早期的fmcw系统主要应用于军事领域,随着激光雷达核心器件的进步，特别是高速数字信号处理芯片的应用，fmcw技术快速向各类民用领域渗透。例如汽车激光雷达就是fmcw技术成熟的标志之一。与此同时，fmcw技术本身也在不断优化，从单路fmcw到多路接收，从机械扫描到相控阵。这些发展为fmcw激光雷达提供了更强的成像能力和更好的实时性。例如公布号为cn102788980a的现有发明专利申请文献《一种调频连续波汽车防撞雷达系统》，该现有包括：雷达传感器，滤波器，自动增益控制放大器，模数转换器，数字信号处理器以及相应的预警装置。经过雷达传感器后得到信号，其中包含有泄露的调制信号，中频信号和高频信号，用滤波器滤除泄露调制波及高频成分。在数字信号处理中用fft进行频谱分析，将频率测量结果转化成距离信息和速度信息。根据测量结果的不同采取不同的报警方式。然而，对于回波信号精细特征的解析，提出了更高的挑战。例如公布号为cn112099038a的《一种基于fmcw激光雷达的多物体识别方法及装置》的现有发明专利申请文献，该现有方法包括：对单个啁啾周期的时域采样k点，通过fft计算k点的频谱，若单个啁啾周期的频谱存在两个或两个以上的差频，则将k点按照采样先后顺序分成n个时间窗口，每个时间窗口包括m个点；对每个时间窗口内的采样序列进行m点的fft计算获得独立的频谱，找出存在额外差频的窗口；分析存在额外差频窗口和前后窗口的特征，根据差频数量的变化规律可以判断出被扫描的多目标物体先后顺序及位置关系，并解算多目标的距离值与速度值。然而，前述传统的基于fft的频谱分析方法存在误差较大、距离分辨率有限等问题。另外，对数字化回波信号的要求也在提高，低精度的adc难以满足测距需求。为了实现厘米级甚至毫米级等更高的距离分辨率，fmcw激光雷达的信号处理在方法和架构上需要进行改进与创新。

3、综上，现有技术存在±1个字的计数误差，导致待测中频信号的周期、探测目标的距离计算精度较低的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中存在±1个字的计数误差，导致待测中频信号的周期、探测目标的距离计算精度较低的技术问题。

2、本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种fmcw激光雷达信号处理方法包括：

3、s1、利用激光器产生激光信号，通过第一比例耦合器，按照第一预置比例划分处理激光信号，得到测量光信号、第一本振光信号；

4、s2、将测量光信号输入至光调制器，利用信号发生器产生调制后正弦波扫频信号，对测量光信号进行调制处理，以得到调制测量光信号；

5、s3、放大处理调制测量光信号，得到测量光放大信号，利用环形器、准直镜将测量光准直信号发射至探测目标，接收反射测量光信号；

6、s4、利用第二比例耦合器，按照第二预置比例耦合处理反射测量光信号、第一本振光信号，得到能量增强光信号，将能量增强光信号输入至平衡探测器，以进行光电信号转换，得到转换电信号；

7、s5、利用跨阻放大器，放大处理转换电信号，利用信号发生器产生的第二本振信号，在混频器中对转换电信号、第二本振信号进行电混频操作，以得到并输出中频信号；

8、s6、对中频信号进行低通滤波处理，以去除中频信号中的高频混频成分，得到低通滤波信号，利用信号处理系统，对低通滤波信号进行基于电容的模拟插值处理，其中，信号处理系统包括：第一高速比较器comp1、第二高速比较器comp2，与门、非门、第一恒定电流源cs1、第二恒定电流源cs2、积分电容以及计时器；

9、s7、测量低通滤波信号的周期，根据周期计算中频信号频率值，通过在t0内进行n0个脉冲的计数操作，得到当前时刻值t0。

10、本发明通过在传统的fmcw激光雷达脉冲测量方法基础上结合电容模拟插值法提出了新的硬件架构和中频频率解算方法，可实现高精度和高效率的fmcw激光雷达信号测量，因此本文设计的fcmw激光雷达信号处理方法在架构、成本和探测精度等方面都具备较高的优势和应用前景。本发明通过简单的架构即可对fmcw激光雷达实现高精度的中频信号频率测量，具有成本低和分辨率高等优点。

11、在更具体的技术方案中，s1中，激光器包括：分布反馈式激光器以及垂直腔表面发射激光器。

12、在更具体的技术方案中，s1包括：

13、s11、使本振光信号进入到第二比例耦合器的第一输入端口；

14、s12、使测量光信号进入到光调制器中，对光调制器供给外部偏压；

15、s13、利用信号发生器产生正弦扫频调制波，将正弦扫频调制波分别给至光调制器、后端电路混频器。

16、在更具体的技术方案中，s3包括：

17、s31、利用掺铒光纤放大器edfa放大处理调制测量光信号，得到测量光放大信号；

18、s32、使测量光放大信号，进入环形器的第一端口，并从环形器的第二端口输出环形器输出信号；

19、s33、使环形器输出信号进入准直镜，利用准直镜，对环形器输出信号进行光束准直处理，得到并发射准直光信号至探测目标；

20、s34、探测目标反射回的反射测量光信号，反射测量光信号进入准直镜，从环形器的第二端口进入，从环形器的第三端口输出。

21、在更具体的技术方案中，s4包括：

22、s41、利用平衡探测器，将能量增强光信号转换为电信号；

23、s42、利用平衡探测器，对能量增强光信号进行直流成分消除操作、共模噪声消除操作。

24、在更具体的技术方案中，s6包括：

25、s61、利用第一高速比较器comp1，将中频信号fx进行脉冲方波化，得到方波化中频信号；

26、s62、将方波中频信号输入至与门的第一端口，使预置频率的参考时钟信号将通过1个非门进入与门的第二端口，以得到与门输出信号，以调节第一开关s1、第二开关s2的开关状态；

27、s63、根据开关状态，控制第一恒定电流源cs1、第二恒定电流源cs2对积分电容c1的充电、放电操作。

28、本发明采用电容部署到跨阻放大器(tia)和高速比较器之后，待比较器将中频信号波形转变为方波后，之后通过逻辑电路控制电容的充放电过程，计时器将分别记录中频信号的时间信息，之后利用电容放电过程中将波形信息进行展宽，并借助于高精度计数器对脉冲在一个周期内进行计数最后来测量波形的频率，最终提高fmcw激光雷达的距离信息精度。

29、在更具体的技术方案中，s63还包括：

30、s631、根据电容的放电时间mta、充电时间mtb，利用下述逻辑，处理得到时间间隔t：

31、t＝t0+ta-tb                              (1)

32、式中，t0为通过计数n0个脉冲得到的时间值，ta是第一个待测信号脉冲到来置高电平时与参考时钟信号到来时上升沿之间的时间长度，tb是第二个待测信号脉冲和参考时钟信号到来时上升沿之间的时间长度；

33、s632、在ta期间采用第一恒定电流源cs1对电容c1充电；

34、s633、采用第二恒定恒流源cs2以电流ib＝ia/m对电容进行放电，直至电压低于第二比较器comp2的参考电压值。由充放电电荷相等原理推得：

35、

36、式中，充电电流大小为ia；

37、s634、利用第一比较器comp2，记录放电时间通过信息、比较器参考电压vref2进行记录，并输出、保存至计时器。

38、本发明基于电容模拟插值法进行fmcw激光雷达信号处理，利用电容充放电过程中所存储的波形展宽的特点，再使用高精度参考时钟插值获得信号中频频率测量。

39、在更具体的技术方案中，s7包括：

40、s71、通过电容c1，分别对第一个待测信号脉冲到来置高电平时与参考时钟信号到来时上升沿之间的时间长度ta、第二个待测信号脉冲和参考时钟信号到来时上升沿之间的时间长度tb进行扩展，得到第一扩展时间范围t′a、第二扩展时间范围t′b；

41、s72、对第一扩展时间范围t′a、第二扩展时间范围t′b，分别通过参考时钟信号为fs的脉冲计数，测量时间值t0；其中，利用参考时钟fs对放电时间进行计时，根据下述逻辑，处理得到计时脉冲个数n′a、n′b：

42、

43、s73、根据参考时钟信号，计算周期t，处理得到中频信号频率值fx。

44、在更具体的技术方案中，s73中，利用下述逻辑，求取周期t：

45、

46、本发明采用电容模拟插值法实现fmcw激光雷达信号处理方法，通过先将中频信号转换为方波脉冲信号，在后端再将分别通过待测信号和参考时钟信号组成的逻辑门电路控制两个开关的闭合和断开，对电容进行快速充电和缓慢放电的方式消除了传统脉冲计数测量方法存在的±1个字的计数误差，进而能够准确地得到待测中频信号的周期，并换算出待测中频信号的频率并可给探测目标的距离精确解算提供重要前提。

47、在更具体的技术方案中，一种fmcw激光雷达信号处理系统包括：

48、激光器，用以利用激光器产生激光信号；第一比例耦合器，用以按照第一预置比例划分处理激光信号，得到测量光信号、第一本振光信号，第一比例耦合器与激光器连接；

49、光调制器，用以将测量光信号输入至光调制器，利用信号发生器产生调制后正弦波扫频信号，对测量光信号进行调制处理，以得到调制测量光信号，光调制器与第一比例耦合器连接；

50、掺铒光纤放大器edfa、用以放大处理调制测量光信号，得到测量光放大信号，掺铒光纤放大器edfa与光调制器连接；环形器及准直镜，用以将测量光准直信号发射至探测目标，接收反射测量光信号，掺铒光纤放大器edfa与环形器及准直镜连接；

51、第二比例耦合器，用以按照第二预置比例耦合处理反射测量光信号、第一本振光信号，得到能量增强光信号，将能量增强光信号输入至平衡探测器，第二比例耦合器与环形器及准直镜连接；平衡探测器，用以进行光电信号转换，得到转换电信号，平衡探测器与第二比例耦合器连接；

52、跨阻放大器，用以放大处理转换电信号，跨阻放大器与平衡探测器连接；信号发生器，用以产生第二本振信号，混频器，用以对转换电信号、第二本振信号进行电混频操作，以得到并输出中频信号，混频器与跨阻放大器连接；

53、低通滤波器，用以对中频信号进行低通滤波处理，以去除中频信号中的高频混频成分，得到低通滤波信号，低通滤波器与混频器连接；信号处理系统，用以低通滤波信号进行基于电容的模拟插值处理，信号处理系统与低通滤波器连接，其中，信号处理系统包括：第一高速比较器comp1、第二高速比较器comp2，与门、非门、第一恒定电流源cs1、第二恒定电流源cs2、积分电容以及计时器；

54、测量低通滤波信号的周期，根据周期计算中频信号频率值，通过在t0内进行n0个脉冲的计数操作，得到当前时刻值t0。

55、本发明相比现有技术具有以下优点：

56、本发明通过在传统的fmcw激光雷达脉冲测量方法基础上结合电容模拟插值法提出了新的硬件架构和中频频率解算方法，可实现高精度和高效率的fmcw激光雷达信号测量，因此本文设计的fcmw激光雷达信号处理方法在架构、成本和探测精度等方面都具备较高的优势和应用前景。本发明通过简单的架构即可对fmcw激光雷达实现高精度的中频信号频率测量，具有成本低和分辨率高等优点。

57、本发明采用电容部署到跨阻放大器(tia)和高速比较器之后，待比较器将中频信号波形转变为方波后，之后通过逻辑电路控制电容的充放电过程，计时器将分别记录中频信号的时间信息，之后利用电容放电过程中将波形信息进行展宽，并借助于高精度计数器对脉冲在一个周期内进行计数最后来测量波形的频率，最终提高fmcw激光雷达的距离信息精度。

58、本发明基于电容模拟插值法进行fmcw激光雷达信号处理，利用电容充放电过程中所存储的波形展宽的特点，再使用高精度参考时钟插值获得信号中频频率测量。

59、本发明采用电容模拟插值法实现fmcw激光雷达信号处理方法，通过先将中频信号转换为方波脉冲信号，在后端再将分别通过待测信号和参考时钟信号组成的逻辑门电路控制两个开关的闭合和断开，对电容进行快速充电和缓慢放电的方式消除了传统脉冲计数测量方法存在的±1个字的计数误差，进而能够准确地得到待测中频信号的周期，并换算出待测中频信号的频率并可给探测目标的距离精确解算提供重要前提。

60、本发明解决了现有技术中存在±1个字的计数误差，导致待测中频信号的周期、探测目标的距离计算精度较低的技术问题。