CN109964143B - 用于处理由相干激光雷达引起的信号的方法及相关激光雷达*** - Google Patents

用于处理由相干激光雷达引起的信号的方法及相关激光雷达*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于处理(50)由相干激光雷达引起的信号的方法，该相干激光雷达包括周期性地频率调制的相干源(L)；‑由光电探测器(D)基于具有本地振荡器频率(fOL(t))的被称为本地振荡器的光学信号与由激光雷达照射的目标(T)反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号(Sb)，所述差拍信号被数字化；‑本地振荡器频率(fOL(t))由平均值(f0)与由所述源的调制引起的调制频率(fmod(t))之和组成，调制频率根据调制周期(TFO)是周期性的，每个周期包括分别具有n个频率斜坡(αi)的n个线性部分，其中n大于或等于2，该方法包括在于以下的步骤：‑复数地调制(501)差拍信号(Sb)；‑通过n个解调频率(fdemod(i))复数地解调(502)调制信号(Smod)，每个解调频率具有等于调制频率(fmod)的相应频率斜坡(αi)的单个斜坡，以便获得n个解调信号(Sdemod(i))；‑确定(503)n个解调信号(Sdemod(i))的n个频谱密度(SP(i))；‑确定(504)n个特征频率(ναi)，‑基于所述n个特征频率(ναi)确定(505)关于目标(T)的速度(v)的信息和关于目标(T)的距离(d)的信息。

Description

用于处理由相干激光雷达引起的信号的方法及相关激光雷达 ***
技术领域
本发明涉及频率调制的相干激光雷达的领域，所述频率调制的相干激光雷达例如用于远程目标检测。
背景技术
相干激光雷达的原理在本领域中是公知的并且在图1中示出。相干激光雷达包括：相干源L，典型地是发射相干光波(在IR、可见或近UV域中)的激光器；允许一定体积的空间被照射的发射装置DE；以及接收装置DR，其收集由目标T反向散射的一部分光波。反向散射的波的多普勒频移νDop取决于目标T的径向速度v。
关于接收，所接收的频率为fs的反向散射的光波S和被称为本地振荡器波OL的一部分发射的波混合。这两个波之间的干涉由光电探测器D检测，并且来自探测器的电信号输出除了与所接收的功率和与本地振荡器功率成比例的项之外还具有被称为差拍信号Sb的振荡项。处理单元UT将该信号数字化并从其中提取关于目标T的速度v的信息。
优选地，处理单元在没有频移的情况下在以零频率为中心的窄带中对差拍信号Sb进行电子滤波(见下文)。
对于相干激光雷达，发射和接收装置优选地使用相同的光学器件(单件式激光雷达)。该特征允许获得良好的机械稳定性并且允许减少在长距离上大气湍流的影响，入射和反向散射的波的传播路径是相同的。
一种用于激光雷达测速/测距的解决方案在于产生一种能够实现频率调制的***。考虑到已经用基于纤维的激光源做出的进展，通常在雷达中使用的该技术当前是特别感兴趣的。借助于频率调制，时间/频率分析允许确定目标的距离d及其速度v。这种类型的激光雷达还允许执行激光风速测定功能。
用于频率调制的激光雷达20的光学架构的一个示例在图2中示出。相干源在频率上被调制使得本地振荡器的频率用被称为波形的预设函数调制，该波形由与处理单元UT同步的WFC模块控制。
发射的光学信号通过放大器EDFA放大，并且发射和接收使用相同的光学器件O并且使用环行器C分离。该光学信号可以可选地在频率上偏移，例如使用优选地位于放大器EDFA之前但是其也可以位于本地振荡器的路径上的声光调制器。在这种情况下，处理单元中的电子滤波是关于偏移频率执行的。延迟线LR允许本地振荡器和发射信号的光学路径被均衡(equalized)以便在RF域中对放置在放大器EDFA之后的光学部件中的缺陷(环行器C的串扰、发射/接收光学器件O的抗反射涂层中的瑕疵等)进行滤波。
相干频率调制的激光雷达的一个示例在以下文件中描述：“Lidar systems forprecision navigation and safe landing on planet bodies”，Farzin Amzajerdian等，Proc.SPIE 8192，关于光电子探测与成像的国际研讨会2011：激光传感与成像；以及光子学传感与成像的生物和医学应用，819202(2011年8月19日)。图3示出了该激光雷达的操作原理。
在下面的描述中，描述了其中光发射频率和本地振荡器的频率不使用声光调制器偏移的情况。本地振荡器的频率fOL以周期TFO周期性地用两个频率斜坡α0和α1线性地调制。该光学频率fOL可被写为射频域中的恒定光学频率f0(在此是激光的初始频率)与时间相关的调制频率fmod(t)(该频率通过调制激光源生成)之和：
fOL(t)＝f0+fmod(t)
图3示出了频率fOL(t)和fs(t)随时间的变化，为了更清楚，已减去了光学频率f0。如图3a中所示出的，频率fs(t)的反向散射的信号由于到测量区域(目标T)的传播并且因此与目标的距离d有关而以时间τ在时间上偏移，并且由于与本地振荡器频率fOL(t)相关的多普勒效应而在频率上以值νDop偏移。
检测到的差拍信号Sb具有频率分量fs-fOL。图3b示出了fs-fOL随时间的变化。可以看出，该频率差包括在特征频率να0和να1处作为时间的函数的两个系列平台(plateaus)，所述特征频率να0和να1与目标的距离D以及与其径向速度v通过以下方程直接相关：
Figure BDA0002035352370000021
以及/>
Figure BDA0002035352370000022
通过测量差拍信号Sb的这两个特征频率να0和να1，例如通过对其进行傅立叶变换，可以确定d和v。
然而，当到目标的距离导致比通过频率斜坡的数量(在该示例中为2)归一化的波形的持续时间TFO长的飞行时间时，通过傅立叶变换的直接分析产生不令人满意的结果。特别地，本地振荡器与反向散射的信号的混合导致平台的消失以及导致持续可变的瞬时频率，在通过傅立叶变换分析之后，该瞬时频率将不产生峰值。
图4中示出了该效应的一个示例，针对以两个频率斜坡α0＝2MHz/μs和α1＝-2MHz/μs以及以30m/s的速度移动的目标的本地振荡器调制。
图4a示出了针对1800m的距离d，fs关于fOL以及Sb的频率分量fs-fOL的时间变化，图4b示出了针对14000m的距离d的所述变化，并且图4c示出了针对20000m的距离d的所述变化。
在这种情况下，无论激光的功率如何，激光雷达的范围都因此受到信号的处理的限制。理论上有可能延长波形的调制周期TFO，但由于某些激光的调制范围受到限制，因此该延长不允许在长距离下同时实现高分辨率。特别地，给定激光的受限调制带宽，有可能在减少频率斜坡的同时增加周期TFO以便覆盖相同的调制带宽。在这种情况下，较长距离下将存在频率平台，但是对于傅立叶变换持续时间TFFT，频率平台是恒定的且短于调制频率TFO，在TFFT期间覆盖的调制带宽将较小并且因此与该带宽成比例的纵向分辨率将劣化。
本发明的一个目的是通过提供一种差拍信号处理方法来弥补上述缺点，该差拍信号处理方法通过允许再次获得具有特征频率平台的信号而允许克服该限制。
发明内容
本发明的一个主题是一种用于处理由相干激光雷达生成的信号的方法，该相干激光雷达包括在频率上周期性地调制的相干源，
-由光电探测器从具有本地振荡器频率的被称为本地振荡器的光学信号与由激光雷达照射的目标反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号，所述差拍信号被数字化，
-本地振荡器频率由平均值以及通过调制源生成的调制频率之和组成，调制频率是周期性的，具有调制周期，每个周期包括分别具有n个频率斜坡的n个线性部分，n高于或等于2，
该方法包括以下步骤：
-以复数方式用调制频率调制差拍信号以便获得调制信号，
-以复数方式用n个解调频率解调调制信号，每个解调频率具有等于调制频率的相应频率斜坡的单个斜坡，以便获得n个解调信号，
-确定n个解调信号的n个频谱密度，
-分别确定对应于n个谱密度中的最大值的n个特征频率，
-从所述n个特征频率确定关于目标的速度的信息和关于目标的距离的信息。
根据一个实施例，确定每个谱密度的步骤包括以下子步骤：
-确定短于或等于调制周期的多个时间间隔的多个基本频谱密度，
-从所述多个基本谱密度之和确定所述频谱密度。
优选地，每个基本频谱密度通过快速傅立叶变换或FFT确定，并且频谱密度等于各基本频谱密度的平均值。
有利地，每个解调频率是周期性的，具有调制周期。
有利地，频率斜坡由从0变化到n-1的索引i索引，并且其中具有索引i的斜坡的每个解调频率在时间上关于调制频率偏移取决于于i、取决于n以及取决于调制周期的偏移时间。
根据一个变型，波形包括4个斜坡α0、α1、α2、α3，其中：
α1＝-α0并且α3＝-α2
本发明还涉及一种相干激光雷达***，其包括：
-在频率上周期性地调制的相干源，
-用于发射由相干源生成的光学信号的装置和用于接收由激光雷达照射的目标反向散射的信号的装置，
-光电探测器，其被配置为从具有本地振荡器频率的被称为本地振荡器的光学信号与反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号，本地振荡器频率由平均值与通过调制源生成的调制频率之和组成，调制频率是周期性的，具有调制周期，每个周期包括分别具有n个频率斜坡的n个线性部分，n高于或等于2，
-处理单元，其被配置为：
*数字化差拍信号，
*以复数方式用调制频率调制差拍信号以便获得调制信号，
*以复数方式用n个解调频率解调调制信号，每个解调频率具有等于调制频率的相应频率斜坡的单个斜坡，以便获得n个解调信号，
*确定n个解调信号的n个频谱密度，
*分别确定对应于n个频谱密度中的最大值的n个特征频率，
*从所述n个特征频率确定关于目标的速度的信息和关于目标的距离的信息。
优选地，处理单元被进一步被配置为针对每个频谱密度确定对于短于或等于调制周期的多个时间间隔的多个基本频谱密度，所述频谱密度由所述多个基本频谱密度之和确定。
有利地，每个基本频谱密度通过快速傅立叶变换确定，并且其中所述频谱密度等于各基本频谱密度的平均值。
有利地，处理单元包括n个信道，每个斜坡一个信道，每个信道与其它信道并行操作并且被配置为确定相关联的频率。
附图说明
在参考附图阅读以下详细描述的基础上，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见，所述附图通过非限制性示例的方式给出，并且其中：
已经描述过的图1示出相干激光雷达的原理。
已经描述过的图2示出用于频率调制的激光雷达的光学架构的示例。
已经描述过的图3a示出频率fOL(t)和fs(t)随时间的变化。已经描述过的图3b示出fs-fOL随时间的变化。
已经描述过的图4a示出针对1800m的距离d，fs关于fOL以及Sb的频率分量fs-fOL的时间变化，图4b示出针对14000m的距离d的所述变化，并且图4c示出针对20000m的距离d的所述变化。
图5示出根据本发明的用于处理由相干激光雷达生成的信号的方法。
图6示意性地示出作为时间的函数的调制频率fmod(t)的周期性波形，所述波形由4个斜坡α0、α1、α2和α3的序列组成。
图7示出在12km的距离处以40m/s的速度移动的目标的情况，对于1.55μm的平均激光频率，信号fmod的波形包括2个斜坡α0＝0.2MHz/μs以及α1＝-0.2MHz/μs。
图7a示出本地振荡器频率fOL(t)和信号频率fs(t)作为时间的函数的变化。图7b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL-fs。图7c示出所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。图7d和图7e分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)作为时间的函数的变化。图7f和图7g分别示出解调信号Sdemod(0)和Sdemod(1)作为时间的函数的变化。
图8a和图8b示出从信号Sdemod(0)和Sdemod(1)确定的频谱的频谱密度SP(0)(图8a)和SP1(图8b)。
图9等同于图7，但是针对位于18km的距离处的目标。图9a示出本地振荡器频率fOL(t)和信号频率fs(t)作为时间的函数的变化。图9b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL-fs。图9c示出所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。图9d和图9e分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)作为时间的函数的变化。图9f和图9g分别示出解调信号Sdemod(0)和Sdemod(1)作为时间的函数的变化。
图10a示出频率fOL(t)和fs(t)随时间的变化，并且图10b示出针对其中fmod具有4个斜坡的情况fs-fOL随时间的变化。
图11a示出频率fOL(t)和fs(t)随时间的变化，图11b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL–fs，并且图11c示出针对包括4个斜坡的波形，所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。
图12a、12b、12c和12d分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)、fmod(2)(针对斜坡α2)以及fmod(3)(针对斜坡α3)作为时间的函数的变化，以及图12e、12f、12g和12h分别示出解调信号Sdemod(0)、Sdemod(1)、Sdemod(2)和Sdemod(3)作为时间的函数的变化。
图13示意性地示出根据本发明的激光雷达***。
图14示出根据本发明的激光雷达的处理单元中的并行架构的实现的示例。
具体实施方式
根据本发明的用于处理由相干激光雷达生成的信号的方法50在图5中示出。相干激光雷达包括用RF信号周期性地调制的相干源L。RF调制可以经由激光器的注入电流直接实现或经由外部部件实现。通过RF意味的是具有包括在1Hz与10GHz之间并且优选地在0.1kHz与10MHz之间的频率的波。
差拍信号Sb由光电探测器D从具有本地振荡器频率fOL(t)的光学信号(称为本地振荡器OL)与由激光雷达照射的目标T反向散射的光学信号fs(t)之间的干涉生成。差拍信号被数字化以便被处理。
本地振荡器频率fOL(t)由平均值f0与通过调制源生成的调制频率fmod(t)之和组成。
FOL(t)＝f0+fmod(t)
当没有使用偏移声学调制器时，频率f0等于源L的初始光学频率。当信号OL通过声光调制器而在频率上偏移时，频率f0等于偏移的源的光学频率。
调制频率fmod(t)是周期性的，具有调制周期TFO，并且源自源的周期性RF调制，但是由于激光的非线性行为而不等同于后者。典型地，周期TFO包括在1ns与1秒之间，并且优选地包括在100ns与10ms之间。
为了使根据本发明的方法正确地工作，调制频率fmod(t)必须为使得每个周期包括在顶点处相遇的n个线性部分，即n个频率斜坡αi，其中i为从0变化到n-1的索引。斜坡的数量n高于或等于2。
有利地，n是偶数，因为如下所述，这允许斜坡αi的符号交替并且从而简化信号处理。
实践中，假定调制频率带宽对于当前激光可获取，难以在这些顶点处获得锐角，并且如在针对由4个斜坡α0、α1、α2和α3的序列组成的频率fmod(t)的图6所示，所述顶点大体上是圆化的。fmod的调制信号随周期TFO的形状被称为波形。
优选地，索引i+1的斜坡αi+1具有与索引i的斜坡αi相反的符号。这允许覆盖的频带较窄，同时保持对于每个斜坡的周期TFO的相同部分(并且因此对于每个频率斜坡，线强度(line intensity)的相同数量级)。
优选地，非偶数索引的斜坡等于偶数索引的斜坡的相反。
对于具有两个斜坡的信号fmod，α1＝-α0。
对于具有四个斜坡的信号fmod，α1＝-α0并且α3＝-α2。
在后一种情况下，波形可以被分成四个相等的部分(导致四条相似强度的线)，而无需对频率不连续性做出追索(recourse)。优选地，斜坡αi包括在0.1MHz/μs与几百MHz/μs之间。
将注意，获得如图6中所示的用一系列预设线性斜坡调制的本地振荡器光学频率并不容易。为此，有必要预先校正源的RF调制信号。例如在专利申请FR No.1500603中描述的。对于本发明的应用，假设已知fmod的波形具有相当的精度。
在描述根据本发明的方法50的步骤之前，将定义所采用的术语。
在于将频率添加到初始信号的操作被称为调制并且在于从初始信号中减去频率的操作被称为解调。从而，以+f的调制等同于以-f的解调，反之亦然。
在时域中，调制或解调在于将初始时间信号S0(t)乘以一个数，该数对于实数调制/解调(余弦)是实数并且对于复数调制/解调是复数。
例如，以复数方式用频率f调制等同于将S0(t)乘以exp(2jπft)。类似地，以复数方式用频率f解调等同于将S0(t)乘以exp(-2jπft)。
当频率f(t)是时间的函数时，对于调制推荐乘以
Figure BDA0002035352370000081
并且对于解调推荐乘以/>
Figure BDA0002035352370000082
根据本发明的方法50由通过相干激光雷达生成的信号的特定数字处理以确定关于由激光雷达照射的目标的速度和距离的信息组成。更具体地，该方法可适用于激光雷达差拍信号Sb的处理。对于具有两个斜坡α0和α1的信号fmod的情况，该方法的第一步骤在图7中示出。
根据本发明的方法50包括第一步骤501，该第一步骤501在于以复数方式用调制频率fmod调制差拍信号Sb以便获得调制信号Smod。
图7a示出本地振荡器频率fOL(t)和信号频率fs(t)作为时间的函数的变化，为了更清楚，已经减去平均光学频率f0。
图7b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL-fs。特别地，由于其是实数，其具有正频率分量和负频率分量。
图7c示出所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。实数激光雷达差拍信号Sb以复数方式用与波形相关联的频率(即fOL-f0)数字地调制，其中f0是激光源L的平均频率。然后为调制信号Smod重建瞬时频率，该瞬时频率对应于：
fs-fOL+(fOL-f0)＝fs-f0
fOL-fs+(fOL-f0)＝2fOL–f0–fs
接下来，步骤502在于以复数方式用n个解调频率fdemod(i)解调调制信号Smod，所述n个解调频率fdemod(i)分别具有等于调制频率fmod的一个频率斜坡αi的单个斜坡，以便获得n个解调信号Sdemod(i)。从而，使用单个斜坡αi的n个数字信号fdemod(i)来施加n个复数解调。
为了考虑波形的周期性，推荐波形定期返回零。解调频率fdemod(i)优选地是周期性的，具有TFO的倍数，并且优选地具有等于TFO的周期。这种相等性使得有可能使各种分析的波形周期的频率平台(并且因此频谱分析后的线)一致：对于每个频率斜坡αi，相关联的线将出现在相同频率να1处，并且因此，在时频分析之后与目标信号相关联的能量将集中在相同的线中。
图7d和图7e分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)作为时间的函数的变化。
为了重置各种频率，索引i(对应于斜坡αi)的解调频率以偏移时间tdi偏移，该偏移时间tdi取决于i、取决于n以及取决于调制周期TFO。优选地，偏移时间等于：
tdi＝i/n*TFO
从而，对于2个斜坡，fmod(0)不偏移并且fmod(1)以TFO/2偏移(参见图7e)。
图7f和图7g分别示出解调信号Sdemod(0)和Sdemod(1)作为时间的函数的变化。
每个解调对应于对所有距离框(distance boxes)中感兴趣的信号的搜索。然后在索引i的解调信号中找到特征频率ναi的平台。对于2个斜坡的情况，Sdemod(0)允许确定να0，而Sdemod(1)允许确定να1。频率ναi对应于在fs(t)-f0具有频率斜坡αi的时间处测量的解调频率fmod(i)与频率fs(t)-f0之间的偏离，该频率ναi本身已经使用具有频率fOL-f0的差拍信号的调制重建。
每个频率ναi对应于在fs(t)-f0具有频率斜坡αi的时间处测量的解调频率fmod(i)与频率fs(t)-f0之间的偏离，该频率ναi本身已经使用具有频率fOL-f0的差拍信号的调制重建。
在图7f中，最宽的平台对应于+να0，而较窄的平台对应于-να0。特别地，解调函数针对感兴趣的频率(此处为+να0(目标正的径向速度))调整。以与图7g中相同的方式，最宽的平台对应于+να0，而较窄的平台对应于-να1。
为了测量这些特征频率，根据本发明的方法50还包括确定n个解调信号Sdemod(i)的n个频谱密度SP(i)的步骤503。这是进行时间/频率分析(即信号Sdemod(i)(t)的频率变换)的问题，以便使特征频率ναi以峰的形式出现。有利地，有可能包括取决于分析距离范围以及取决于分析频率斜坡的时间窗口化(temporal windowing)。
图8示出从信号Sdemod(0)和Sdemod(1)确定的频谱的频谱密度SP(0)(图8a)和SP(1)(图8b)。所寻求的特征频率ναi具有最高的频谱密度。在相反的频率处找到较弱的峰。零频率处的负峰是由于信号在低频下的滤波。
接下来，根据本发明的方法包括分别确定对应于n个频谱密度SP(i)中的最大值的n个特征频率ναi的步骤504。特别地，在信号Sdemod/i(t)中具有最宽平台的频率(其对应于所寻求的特征频率)是具有最高频谱密度的频率。
还存在不太长的持续时间(并且因此导致在频谱分析之后不太强的线)的第二平台，但是对应频率具有比特征频率低的频谱密度。该信号源自关于差拍信号的另一分量(即由实数检测生成的分量(如果目标信号对应于正频率则为负频率分量，或者相反，如果目标信号对应于负频率分量则为正频率分量))的上述调制和解调。
最后，方法50包括使用以下公式从所述n个特征频率ναi确定关于目标T的速度v的信息以及关于目标T的距离D的信息的步骤505：
Figure BDA0002035352370000101
对于2个频率斜坡：
Figure BDA0002035352370000102
以及/>
Figure BDA0002035352370000103
将注意，当激光的频率没有通过声光调制器偏移时，以上公式是有效的。当情况是这样时，其中fMAO是频移，特征频率用以下公式计算：
Figure BDA0002035352370000104
本发明当然与这种偏移兼容，只要相应地调整从特征频率的值确定d和v的步骤505即可。
图7对应于在12km的距离处以40m/s的速度移动的目标，并且对于1.55μm(即193.41THz)的平均激光频率，信号fmod的波形包括2个斜坡α0＝0.2MHz/μs和α1＝-0.2MHz/μs。周期TFO等于532μs。
检测到的特征频率为να0＝35.6MHz以及να1＝67.6MHz。对于Smod(0)，较弱的峰保持在-35.6MHz，并且对于Smod(1)，较弱的峰保持在对应于最窄的平台的-67.6MHz。
图9等同于图7，但是针对位于18km的距离处的目标。
图9a示出本地振荡器频率fOL(t)和信号频率fs(t)作为时间的函数的变化。
图9b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL-fs。
图9c示出所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。
图9d和图9e分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)作为时间的函数的变化。
图9f和图9g分别示出解调信号Sdemod(0)和Sdemod(1)作为时间的函数的变化。
可以看出，即使在较长距离处，平台也会重新出现。检测到的特征频率为να0＝27.6MHz和να1＝75.6MHz。在-27.6MHz和-75.6MHz处几乎没有留下峰。
因此，所提出的方法避免测试所有距离框(计算上昂贵的解决方案)并且允许经由简单的调制/解调操作确定目标的距离，只要激光的功率保持充足。从反向散射的信号生成的峰重新出现，从而允许获得不再受到信号的处理限制、而是仅受到激光的功率限制的方法。
随着时间的推移，基于数字化的差拍信号Sb(t)执行计算。
数学上，用频率fmod(t)＝fOL(t)-f0调制的步骤501相当于将信号Sb(t)乘以复数C(t)，该复数C(t)也被数字化，其等于：
Figure BDA0002035352370000111
也就是说，Smod(t)＝C*Sb(t)
f0：没有调制的激光的频率
fOL：本地振荡器的频率
接下来，在解调步骤502中，每个解调相当于将信号Smod(t)乘以如下定义的复数Ci(t)：
Figure BDA0002035352370000121
其中i是斜坡αi的索引，其中i从0变化到n-1，
TFO是波形的周期，
Figure BDA0002035352370000122
floor是向下舍入函数(例如floor(2.6)＝2以及floor(-3.2)＝-4)，
也就是说，最终：
Figure BDA0002035352370000123
Figure BDA0002035352370000124
部分αiu对应于线性部分，部分n/2·gi(u)·TFO/2表示定期返回零以及时移，并且部分floor(i+1/2)*TFO/2对应于频率上的偏移，允许其中目标的速度和距离为零的情况偏移到零频率。后一频率上的偏移补偿由与函数gi(u)相关联的时移产生的寄生效应。
将注意，如果波形的顶点是圆化的，则这些方程保持有效，因为在Smod(t)的定义中考虑了该圆化形状。
获得频谱密度SP(i)的步骤503典型地通过频率变换、通过取时间信号Sdemod/i(t)的傅立叶变换的模数的平方来进行：
Figure BDA0002035352370000125
优选地，确定每个频谱密度的步骤503包括以下子步骤：
-确定对于短于或等于调制周期TFO的多个时间间隔δt的多个基本频谱密度，
-从所述多个基本频谱密度之和确定索引i的每个频谱密度SP(i)。
优选地，通过快速傅立叶变换(FFT)确定每个基本频谱密度。
特别地，为了简化处理，可以直接求和(功率上)在波形周期期间进行的傅立叶变换。因此，进行基本频谱密度的非相干累积，然后对其平均。
该操作允许执行快速计算，每个基本频谱密度在短时间δt内计算。
例如，对于125MHz的采样频率和500μs的周期TFO，在30μs的δt(对应于4000个点)中进行多次FFT计算比在TFO的总持续时间(太多点)内进行计算有效得多。
另外，通过审慎选择累积信号的时刻，在周期TFO期间对某个数量的FFT进行平均允许在没有信息的损失的情况下提高SPi(ν)的信噪比。特别地，噪声总体上受光子噪声的限制。信号和噪声具有chi2统计分布，并且因此信噪比降低为1/sqrt(N)，其中N是被平均的频谱密度的数量。图8a和图8b对应于在几百个FFT(N＝864)内进行的频谱密度SP(0)和SP(1)的平均。
由各平台之间的瞬时频率描述的信号具有与在频率平台中集中的信号的功率成比例的功率，但是该信号分布在明显更高数量的频谱信道上。在时间/频率分析之后，该信号因此在分析带中被稀释并导致：
-在短距离处降低信噪比(SNR)的附加噪声。然而，该降低不是重要的，因为在短距离处SNR较高。根据一个实施例，如果期望避免该降低，则添加搜索导致频率平台的时间范围的步骤以保证最大SNR。
-在长距离处(对于较低的SNR)，附加噪声保持少于检测噪声(具体地是本地振荡器的光子噪声)，但是减少累积时间到仅存在信号的那些时刻允许降低检测噪声。
此外，在周期TFO期间执行一定数量的FFT的平均允许将傅立叶变换的持续时间设置为目标的相干时间(其具体取决于该目标的移动)，这也优化了信噪比。
所计算的频谱密度优选地等于基本频谱密度的平均值，以便总是获得归一化的数值。
从实践的观点来看，调制/解调计算，然后实时地随着差拍信号被数字化执行FFT计算和模数的平方的计算。接下来，在某个累积时间的结束时，通过执行累积的基本频谱密度的平均来获得频谱密度SP(i)(参见下面的图14)。
本发明适用于高于或等于2的n的任何值。图7示出针对n＝2应用的方法。为了消除与任何重叠相关联的模糊，优选使用具有4个频率斜坡α0、α1、α2、α3的波形。特别地，4个特征频率的确定导致具有2个未知数v和d的4个方程的***。这允许获得冗余并且因此所述方程中的一个用于去除与任何频谱重叠相关联的模糊并且另一个作为置信度参数。该置信度参数可以例如是频率ναi与距离和径向速度之间的反演(inversion)的余数。可以通过最小二乘技术、可选地迭代加权最小二乘(IRLS)技术来获得该反演。
正如针对2个斜坡波形的情况的图7，图10a示出频率fOL(t)和fs(t)随时间的变化，为了更清楚，已经减去平均光学频率f0。图10b示出针对4斜坡情况fs-fOL随时间的变化。在图10b中可以看出，频率随时间的该变化包含对应于4个特征频率的4个平台。
正如针对2个斜坡波形的情况的图7，图11b示出激光雷达差拍信号Sb的两个频率分量fs-fOL和fOL-fs，并且图11c示出针对包括4个斜坡的波形，所获得的调制信号Smod的频率作为时间的函数的变化。图12a、12b、12c和12d分别示出解调频率fmod(0)(针对斜坡α0)和fmod(1)(针对斜坡α1)、fmod(2)(针对斜坡α2)以及fmod(3)(针对斜坡α3)作为时间的函数的变化，并且图12e、12f、12g和12h分别示出解调信号Sdemod(0)、Sdemod(1)、Sdemod(2)、Sdemod(3)作为时间的函数的变化。
对于4个斜坡，fmod(0)不偏移(参见图12a)，fmod(1)偏移TFO/4(参见图12b)，fmod(2)偏移TFO/2(参见图12c)，并且fmod(3)偏移3/4·TFO(参见图12d)。
图10和图11对应于目标位于12km处、以40m/s移动的情况，频率fmod具有以下斜坡值(光学频率f0＝1.55μm的激光)：
α0＝0.2MHz/μs
α1＝-0.2MHz/μs
α2＝0.3MHz/μs
α3＝-0.3MHz/μs
通过在频域中变换，检测特征频率(最长平台)：35.6MHz(α0)、67.6MHz(α1)、27.6MHz(α2)和75.6MHz(α3)。
在相反的频率处也存在较弱的峰。
本发明还涉及一种相干激光雷达***(在图13中示出)，其包括：
-在频率上周期性地调制的相干源L，
-用于发射由相干源生成的光学信号的装置DE以及用于接收由激光雷达照射的目标T反向散射的信号的装置DR，
-光电探测器D，其被配置为从具有本地振荡器频率fOL(t)的被称为本地振荡器的光学信号与反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号Sb，本地振荡器频率fOL(t)由平均值f0与通过调制源生成的调制频率fmod(t)之和组成，调制频率是周期性的，具有调制周期TFO，每个周期包括分别具有n个频率斜坡αi的n个线性部分，n高于或等于2，i从0变化到n-1，
-处理单元UT，其被配置为：
*数字化差拍信号，
*以复数方式用调制频率fmod调制差拍信号Sb以便获得调制信号Smod，
*以复数方式用n个解调频率fdemod(i)解调该调制信号Smod，每个解调频率具有等于调制频率的相应频率斜坡αi的单个斜坡，以便获得n个解调信号Sdemod(i)，
*确定n个解调信号的n个频谱密度SP(i)，
*分别确定对应于n个频谱密度SP(i)中的最大值的n个特征频率ναi，
*从所述n个特征频率ναi确定关于目标T的速度v的信息和关于目标T的距离d的信息。
有利地，处理单元UT被进一步被配置为针对每个频谱密度确定对于短于或等于调制周期TFO的多个时间间隔的多个基本频谱密度，从所述多个基本频谱密度之和确定频谱密度SP(i)。优选地，每个基本频谱密度通过快速傅立叶变换(FFT)确定。优选地，频谱密度等于各基本频谱密度的平均值。
优选地，处理单元UT包括n个信道，每个斜坡一个信道，每个信道与其它信道并行操作并且被配置为确定相关联的频率。特别地，调制和解调可以同时进行，从而导致低计算成本(由单个复数乘法组成)。
在图14中示出了处理单元UT中的并行4信道(4斜坡)架构的实现的示例。
使用模拟/数字转换器ADC(例如14位、125MHz转换器)将差拍信号Sb数字化，然后可选地通过频率滤波器F滤波。然后，经数字化和滤波的信号在4个信道之间分配。每个信道与其它信道并行操作并实现相同的处理链。只有解调频率fdemod(i)(及其时移)的值从一个链到下一个链是不同的。
模块2允许定义调制和解调函数C和fmod(i)的幅度和相位。然后在模块3中评估这些函数的乘积。
模块4允许进行经数字化的差拍信号Sb与在模块3中计算的函数的复数乘法(调制函数C与解调函数fmod(i)的乘积)。
模块5进行复数快速傅立叶变换(FFT)。模块6计算傅立叶变换的平方范数。
模块7在由模块12传递的特征(持续时间、重复率等)设定的时间期间对频谱功率密度求和。该结果在经由TCP服务器9被传送到信号处理的可以更缓慢地执行的第二部分并在该第二部分中被采用之前被传送到缓冲器8。该第二部分(图14中的模块11)允许进行峰的检测和频率的评估，并在考虑所有这些特征频率的同时计算v和d。该步骤可以例如使用最小二乘技术或迭代加权最小二乘(IRLS)技术来进行，这样的技术在文献中是已知的。
本发明还涉及一种包括代码指令的计算机程序产品，该代码指令允许执行根据本发明的处理方法的各步骤。
在根据本发明的***的各种变型实施例中，计算模块可以被布置在各种架构中，并且具体地，该方法的每个步骤可以由单独的模块实现，或者相反，所有步骤可以在单个计算模块内组在一起。
根据本发明的***包括的计算模块中的每个可以以软件和/或硬件形式产生。每个模块可以具体由处理器和存储器组成。处理器可以是通用处理器、特定处理器、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。

Claims (10)

1.一种用于处理由相干激光雷达生成的信号的方法(50)，所述相干激光雷达包括在频率上周期性地调制的相干源(L)，
-由光电探测器(D)从具有本地振荡器频率(fOL(t))的被称为本地振荡器的光学信号与由所述激光雷达照射的目标(T)反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号(Sb)，所述差拍信号被数字化，
-所述本地振荡器频率(fOL(t))由平均值(f0)与通过调制所述源生成的调制频率(fmod(t))之和组成，所述调制频率是周期性的，具有调制周期(TFO)，每个周期包括分别具有n个频率斜坡(αi)的n个线性部分，n高于或等于2，
所述方法包括以下步骤：
-以复数方式用调制频率(fmod)调制(501)所述差拍信号(Sb)以便获得调制信号(Smod)，
-以复数方式用n个解调频率fdemod(i)解调(502)所述调制信号(Smod)，每个解调频率具有等于所述调制频率(fmod)的相应频率斜坡(αi)的单个斜坡，以便获得n个解调信号(Sdemod(i))，
-确定(503)所述n个解调信号(Sdemod(i))的n个频谱密度(SP(i))，
-分别确定(504)对应于所述n个频谱密度(SP(i))中的最大值的n个特征频率(ναi)，
-从所述n个特征频率(ναi)确定(505)关于所述目标(T)的速度(v)的信息和关于所述目标(T)的距离(d)的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定每个频谱密度的步骤包括以下子步骤：
-确定对于短于或等于所述调制周期(TFO)的多个时间间隔的多个基本频谱密度，
-从所述多个基本频谱密度之和确定所述频谱密度(SP(i))。
3.根据权利要求2所述的方法，其中每个基本频谱密度通过快速傅立叶变换(FFT)确定，并且其中所述频谱密度等于所述基本谱密度的平均值。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中每个解调频率fdemod(i)是周期性的，具有调制周期(TFO)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述频率斜坡(αi)由从0变化到n-1的索引i索引，并且其中具有索引i的斜坡的每个解调频率fdemod(i)关于所述调制频率(fmod)以偏移时间(tdi)在时间上偏移，所述偏移时间(tdi)取决于i、取决于n以及取决于所述调制周期(TFO)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述频率斜坡(αi)的波形包括4个斜坡α0、α1、α2、α3，其中：
α1＝-α0并且α3＝-α2。
7.一种相干激光雷达***，其包括：
-在频率上周期性地调制的相干源(L)，
-用于发射由所述相干源生成的光学信号的装置(DE)和用于接收由所述激光雷达照射的目标(T)反向散射的信号的装置(DR)，
-光电探测器(D)，其被配置为从具有本地振荡器频率(fOL(t))的被称为本地振荡器的光学信号与反向散射的光学信号之间的干涉生成差拍信号(Sb)，所述本地振荡器频率(fOL(t))由平均值(f0)与通过调制所述源生成的调制频率(fmod(t))之和组成，所述调制频率是周期性的，具有调制周期(TFO)，每个周期包括分别具有n个频率斜坡(αi)的n个线性部分，n高于或等于2，
-处理单元(UT)，其被配置为：
*数字化所述差拍信号，
*以复数方式用所述调制频率(fmod)调制所述差拍信号(Sb)以便获得调制信号(Smod)，
*以复数方式用n个解调频率fdemod(i)解调所述调制信号(Smod)，每个解调频率具有等于所述调制频率的相应频率斜坡(αi)的单个斜坡，以便获得n个解调信号(Sdemod(i))，
*确定所述n个解调信号的n个频谱密度SP(i)，
*分别确定对应于所述n个频谱密度(SP(i))中的最大值的n个特征频率，
*从所述n个特征频率(ναi)确定关于所述目标(T)的速度(v)的信息和关于所述目标(T)的距离d的信息。
8.根据权利要求7所述的激光雷达***，其中所述处理单元(UT)被进一步配置为针对每个频谱密度确定对于短于或等于所述调制周期(TFO)的多个时间间隔的多个基本频谱密度，所述频谱密度(SP(i))由所述多个基本频谱密度之和确定。
9.根据权利要求8所述的激光雷达***，其中每个基本频谱密度通过快速傅立叶变换(FFT)确定，并且其中所述频谱密度等于所述基本频谱密度的平均值。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的激光雷达***，其中所述处理单元(UT)包括n个信道，每个斜坡一个信道，每个信道与其它信道并行操作并且被配置为确定相关联的频率。
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