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CN112099037A - 一种基于fmcw激光雷达高点云获取量的目标检测方法及装置 - Google Patents

一种基于fmcw激光雷达高点云获取量的目标检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法及装置，所述检测方法包括以下步骤：步骤一、向目标发送呈线性变化的调频连续波，调频连续波的频率为f；步骤二、接收目标返回的回波信号，回波信号的频率为f＇；步骤三、获取点云；单一扫描周期包括上啁啾与下啁啾，采样前一个单一扫描周期的上啁啾与下啁啾参数作为第N个计算点，采样前一个单一扫描周期的下啁啾与后一个单一扫描周期的上啁啾作为第N+1个计算点，采样后一个单一扫面周期的上啁啾与下啁啾作为第N+2个计算点；步骤四、计算距离与速度。本发明通过复用每半个周期产生的差频信号，以提高FMCW激光雷达单位时间内获得的点云数量，能够解算出更多的距离和速度信息。

Description

一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法及装置
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法及装置。
背景技术
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)体制是一种重要的雷达类型，有着高精度和可以测量速度的优点，配合扫描系统可以实现3D空间的信号捕捉。
线性扫描的FMCW激光雷达系统，上下啁啾扫描会产生不同的差频信号，这两个差频信号通过解方程组的方式可以得出目标物体与扫描系统之间的距离和速度关系。在单一扫描周期中，同时需要上下两个啁啾的结果才能解算出距离和速度。由以上可知，FMCW激光雷达在单位时间内获得的点云数量受制于单位扫描时间Tm。在一个Tm周期中包含了两个啁啾周期，每个啁啾周期t包含了无法测量的时间和固定采样部分，被测物体距离越远，无法测量的时间越长；受限于ADC的采样率和FFT的精度要求固定采样部分的时间也不能过短。但是如果想增加FMCW激光雷达分辨率，提高帧率或者提高可视角度都需要提高单位时间内点云的获取数量。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法，本发明能够提高单位时间内点云的获取量，翻倍解算出速度和距离信息，在相同的扫描周期内提高检测精度。此外，本发明还要提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法，包括以下步骤：
步骤一、向目标发送呈线性变化的调频连续波，调频连续波的频率为f，f＝f0±at，f0为初始频率，a为频率变化速率，t为单一啁啾扫描时间；
步骤二、接收目标返回的回波信号，回波信号的频率为f＇；
步骤三、获取点云；单一扫描周期包括上啁啾与下啁啾，采样前一个单一扫描周期的上啁啾与下啁啾参数作为第N个点云，采样前一个单一扫描周期的下啁啾与后一个单一扫描周期的上啁啾作为第N+1个点云，采样后一个单一扫面周期的上啁啾与下啁啾作为第N+2个点云，以此类推至所有的扫描周期采样结束；
步骤四、计算距离与速度；
Figure BDA0002687406460000021
R为目标在该点云处的距离，V为目标在该点云处的速度，Tm为每个点云对应的扫描周期即2t，c为光速，Ω是调频连续波的带宽；f1为下啁啾对应的差频即f＇-f，f2为上啁啾对应的差频即f-f＇。
作为优选的技术方案，所述步骤一中，调频连续波的带宽为1.5GHz，单个啁啾周期为10us。
作为优选的技术方案，所述步骤一中，调频连续波按照特定的运动轨迹扫描通过视场，根据运动轨迹分析对应的空间物体关系。
作为优选的技术方案，调频连续波的运动轨迹为蛇形，其纵向运动周期为4ms，横向运动周期为2s。
作为优选的技术方案，调频连续波的横向视场角为60°，纵向视场角为12°。
本发明的第二方面，提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置，应用于上述的目标检测方法，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的机械结构、用于采集点云信息的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。
作为优选的技术方案，所述机械结构为MEMS振镜。
作为优选的技术方案，所述采集模块为ADC芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明改变了点云的计算周期，第一次计算选取第一个采样周期的上啁啾和下啁啾产生的差频，第二次计算选取第一个采样周期的下啁啾产生的差频与第二个周期的下啁啾产生的差频，第三次计算选取第二个采样周期的上啁啾和下啁啾产生的差频，以此类推，通过复用每半个周期产生的差频信号，以提高FMCW激光雷达单位时间内获得的点云数量，能够解算出更多的距离和速度信息，提高FMCW激光雷达分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为现有技术中FMCW雷达探测原理图。
图2为本发明FMCW雷达探测原理图。
图3为现有技术MEMS振镜的扫描轨迹示意图。
图4为本发明MEMS振镜的扫描轨迹示意图之一。
图5为本发明MEMS振镜的扫描轨迹示意图之二。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付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。
如图1所示，雷达信号的频率以三角波的形式线性变化，其频率为f，f＝f0±at，f0为初始频率，a为频率变化速率，t为单一啁啾扫描时间。图中，实线为出射雷达信号，虚线为回波信号，回波信号的频率为f＇。出射雷达信号与回波信号之间产生相对的延时dt，
Figure BDA0002687406460000031
其中R为雷达和反射物体的距离，c为光速。雷达信号与回波信号通过混频器或者耦合器，经过ADC采样，在经过FFT计算获得上啁啾和下啁啾的频谱，分别分析上下啁啾的频谱可以得到上下啁啾对应的差频f2和f1,通过公式能够计算出对应点云处的速度与距离，即
Figure BDA0002687406460000032
R为目标在该点云处的距离，V为目标在该点云处的速度，Tm为每个点云对应的扫描周期即2t，c为光速，Ω是调频连续波的带宽；f1为下啁啾对应的差频即f＇-f，f2为上啁啾对应的差频即f-f＇。值得注意的是，差频信号在扫面转折时是变化的，不能用于计算距离和速度信息。
如图2所示，本实施例提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法，其具体步骤如下：
步骤一、向目标发送呈线性变化的调频连续波，调频连续波的频率为f，f＝f0±at，f0为初始频率，a为频率变化速率，t为单一啁啾扫描时间。
步骤二、接收目标返回的回波信号，回波信号的频率为f＇；
步骤三、获取点云；单一扫描周期包括上啁啾与下啁啾，采样前一个单一扫描周期的上啁啾与下啁啾参数作为第N个点云，采样前一个单一扫描周期的下啁啾与后一个单一扫描周期的上啁啾作为第N+1个点云，采样后一个单一扫面周期的上啁啾与下啁啾作为第N+2个点云，以此类推至所有的扫描周期采样结束；
步骤四、计算距离与速度；
Figure BDA0002687406460000041
R为目标在该点云处的距离，V为目标在该点云处的速度，Tm为每个点云对应的扫描周期即2t，c为光速，Ω是调频连续波的带宽；f1为下啁啾对应的差频即f＇-f，f2为上啁啾对应的差频即f-f＇。
若要使用激光雷达获得3D空间的信息，则需要配合扫描系统，扫描系统可以基于MEMS振镜或者机械结构，可以是旋转棱镜也可以旋转镜头，本实施例中采用的是MEMS振镜。扫描系统的核心是将FMCW激光以一定的运动轨迹扫描通过视场，然后和返回的光信号进行混频来获得差频信号，然后分析出扫描轨迹对应的空间物体关系。
在本实施例中，调频连续波的带宽为1.5GHz，单个啁啾周期为10us。MEMS振镜的运动轨迹为蛇形，其纵向运动周期为4ms，横向运动周期为2s。MEMS振镜的横向视场角为60°，纵向视场角为12°。在其他实施例中，上述参数也可以根据需要设置为其他值。
如图3及如图4所示，在调频连续波与MEMS振镜的参数均相同时，当采用传统的目标检测方法，等效点云的分辨率为500*100，横向角与纵向角的分辨率均为0.12°。采用本发明的目标检测方法，在单个纵向后期内增加了点云的数量，等效点云的分辨率为500*200，横向角的分辨率为0.12°，纵向角的分辨率为0.06°。
如图5所示，我们缩短MEMS振镜的纵向周期时间的一半，采用本发明的目标检测方法，等效点云的分辨率为1000*100，纵向角的分辨率为0.12°，横向视场角扩展到120°的同时，保证横向角的分辨率为0.12°。
同时，我们也可以保持原始的分辨率500*100，将横向扫描周期缩短至1S，此时的帧率为2FPS。
本实施例还提供一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置，应用于上述的目标检测方法，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的MEMS振镜、用于采集点云信息的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。采集模块为ADC芯片。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、向目标发送呈线性变化的调频连续波，调频连续波的频率为f，f＝f0±at，f0为初始频率，a为频率变化速率，t为单一啁啾扫描时间；
步骤二、接收目标返回的回波信号，回波信号的频率为f＇；
步骤三、获取点云；单一扫描周期包括上啁啾与下啁啾，采样前一个单一扫描周期的上啁啾与下啁啾参数作为第N个点云，采样前一个单一扫描周期的下啁啾与后一个单一扫描周期的上啁啾作为第N+1个点云，采样后一个单一扫面周期的上啁啾与下啁啾作为第N+2个点云，以此类推至所有的扫描周期采样结束；
步骤四、计算距离与速度；
Figure FDA0002687406450000011
R为目标在该点云处的距离，V为目标在该点云处的速度，Tm为每个点云对应的扫描周期即2t，c为光速，Ω是调频连续波的带宽；f1为下啁啾对应的差频即f＇-f，f2为上啁啾对应的差频即f-f＇。
2.如权利要求1所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法,其特征在于，所述步骤一中，调频连续波的带宽为1.5GHz，单个啁啾周期为10us。
3.如权利要求2所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法,其特征在于，所述步骤一中，调频连续波按照特定的运动轨迹扫描通过视场，根据运动轨迹分析对应的空间物体关系。
4.如权利要求3所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法,其特征在于，调频连续波的运动轨迹为蛇形，其纵向运动周期为4ms，横向运动周期为2s。
5.如权利要求4所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测方法,其特征在于，调频连续波的横向视场角为60°，纵向视场角为12°。
6.一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置，应用于权利要求1-5任一项所述的目标检测方法，其特征在于，包括用于发射调频连续波的激光雷达、用于控制激光雷达运动轨迹的机械结构、用于采集点云信息的采集模块及用于对点云信息进行计算的处理模块。
7.如权利要求6所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置，其特征在于，所述机械结构为MEMS振镜。
8.如权利要求6所述的一种基于FMCW激光雷达高点云获取量的目标检测装置，其特征在于，所述采集模块为ADC芯片。
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