【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種激光雷達相位噪聲補償方法，尤其涉及一種調頻連續波(fmcw)激光雷達相位噪聲補償方法及裝置，屬于激光雷達。
技術介紹
1、調頻連續波(fmcw)激光雷達是一種新興的測距和成像技術，廣泛應用于自動駕駛、無人機、環境監測等領域。其基本原理是通過發射一個線性調頻的激光信號，接收從目標反射回來的信號，比較兩者之間的頻率差感知目標信息。根據多普勒效應，目標物體的速度可以通過分析回波信號中的頻移來獲得。這一過程使得fmcw激光雷達能夠實現高精度和實時性的測距與測速。與傳統脈沖激光雷達相比，fmcw激光雷達具有多個顯著優勢。首先，fmcw雷達能夠提供更高的分辨率，因為它使用了連續波形而非離散脈沖，這樣可以在短時間內獲取更多的數據點，從而提高成像質量和細節表現。其次，由于持續發射和接收信號，fmcw雷達在低能量的條件下仍然能有效探測遠處目標，使其在復雜環境中表現更為出色。此外，fmcw雷達對小型物體和低反射率表面的敏感性更強，有助于在各種應用場景中提升檢測能力。
2、fmcw激光雷達可以通過兩種主要方式實現信號調制：外調制和內調制。外調制是在激光器發射后，通過額外的設備對已發出的激光信號進行頻率調制。這一過程增加了系統的體積和成本，同時也可能引入額外的噪聲和延遲。內調制是指在激光器內部直接對發射的激光束進行頻率變化，通常通過改變激光器的驅動電流或溫度來實現。相較之下，內調制具有多個顯著優勢。首先，由于所有操作均在激光器內部完成，減少了組件之間的連接，這有助于提高系統穩定性和可靠性。其次，內調制通常具備更高的頻率響應
3、然而，基于內調制的fmcw激光雷達系統的性能受限于多重影響因素，如掃頻非線性、相位噪聲等。其中掃頻非線性可以通過預處理的調制電流信號進行校準。然后，相位噪聲主要源于激光器的自發輻射和外部環境的變化。由于fmcw激光雷達通過比較發射和接收信號的頻率差來計算目標距離，這種噪聲會導致發射信號與接收信號之間的頻率偏移，從而直接影響測距和測速的準確性。同時，隨著測量距離的增加，相位噪聲的影響還會加劇。在檢測移動物體時，通過分析回波信號的頻率偏移來獲取速度信息。如果存在較大的相位噪聲，這種頻率偏移將被掩蓋，導致速度估算出現顯著誤差。
4、因此有必要對相位噪聲進行消除或補償，從而提高fmcw激光雷達系統的測量距離和精度。文獻[1]提出了一種基于數字處理的相位噪聲補償方法。該方法將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的光信號經過一個具有固定頻移的電光調制器后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；最后通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行數字處理來實現測量路徑相位噪聲的補償。該方案提高了相位噪聲的補償精度，降低了對激光器線寬和輔助硬件的需求，進一步提升了距離測量的動態范圍。然而，該方案并未準確的估計測量路徑的相位噪聲，而是通過遍歷一定范圍內相位噪聲的時延參數，進而根據不同相位噪聲補償的結果選擇最優解，并且該文獻中并未說明如何確定上述時延范圍。此外，為了獲得更好的效果，需要不斷細化該范圍，這一過程顯著增加了數據處理的計算負擔。
5、參考文獻：
6、[1]xu?c,et?al.adaptive?carrier-phase-noise-canceled?lidar?for?range-doppler?imaging?beyond?hundreds?of?laser?coherence?length[j].optics?letters,2024,49(15):4150-4153.
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，可準確估計測量路徑的相位噪聲并據此進行相噪補償，而無需遍歷所有可能來確定最優解，且可自動化實現，避免對人工干預的需求。
2、本專利技術具體采用以下技術方案解決上述技術問題：
3、一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，所述調頻連續波激光雷達將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的調頻連續光信號經過一個具有固定延時差τr的馬赫-曾德爾干涉儀后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行以下數字處理得到測量路徑的相位噪聲，然后對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：
4、先初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍，然后使用線性調頻z變換方法在初步搜索出的頻率范圍內確定測量路徑拍頻信號的頻率同時，提取出輔助路徑拍頻信號中的相位噪聲根據下式估計出測量路徑的相位噪聲
5、
6、其中，round[·]表示四舍五入到最接近的整數，γτr為輔助路徑拍頻信號的拍頻頻率，
7、優選地，使用改良二分法初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍，具體如下：將整個頻帶區間分割為三個部分，這三部分每兩相鄰部分之間存在重疊；計算三個部分的平均功率并選取平均功率最大的部分重復以上過程；依次迭代，直到最終選出的部分頻帶寬度達到預設要求。
8、優選地，使用以下方法對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：根據所估計出的測量路徑的相位噪聲構造補償因子然后用補償因子與測量路徑拍頻信號相乘。
9、基于同一專利技術構思還可以得到以下技術方案：
10、一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置，所述調頻連續波激光雷達將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的調頻連續光信號經過一個具有固定延時差τr的馬赫-曾德爾干涉儀后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行以下數字處理得到測量路徑的相位噪聲，然后對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償，具體包括：
11、頻率范圍搜索模塊，用于初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍；
12、頻率估計模塊，用于使用線性調頻z變換方法在初步搜索出的頻率范圍內確定測量路徑拍頻信號的頻率
13、相位噪聲提取模塊，用于提取出輔助路徑拍頻信號中的相位噪聲測量路徑相噪估計模塊，用于根據下式估計出測量路徑的相位噪聲
14、
15、其中，round[·]表示四舍五入到最接近的整數，γτr為輔助路徑拍頻信號的拍頻頻率，
16、相噪補償模塊，用于對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償。
17、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，所述調頻連續波激光雷達將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的調頻連續光信號經過一個具有固定延時差τr的馬赫-曾德爾干涉儀后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；其特征在于，通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行以下數字處理得到測量路徑的相位噪聲，然后對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：
2.如權利要求1所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，其特征在于，使用改良二分法初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍，具體如下：將整個頻帶區間分割為三個部分，這三部分每兩相鄰部分之間存在重疊；計算三個部分的平均功率并選取平均功率最大的部分重復以上過程；依次迭代，直到最終選出的部分頻帶寬度達到預設要求。
3.如權利要求1所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，其特征在于，使用以下方法對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：根據所估計出的測量路徑的相位噪聲構
4.一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置，所述調頻連續波激光雷達將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的調頻連續光信號經過一個具有固定延時差τr的馬赫-曾德爾干涉儀后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；其特征在于，所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行以下數字處理得到測量路徑的相位噪聲，然后對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償，具體包括：
5.如權利要求4所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置，其特征在于，頻率范圍搜索模塊使用改良二分法初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍，具體如下：將整個頻帶區間分割為三個部分，這三部分每兩相鄰部分之間存在重疊；計算三個部分的平均功率并選取平均功率最大的部分重復以上過程；依次迭代，直到最終選出的部分頻帶寬度達到預設要求。
6.如權利要求4所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償裝置，其特征在于，相噪補償模塊使用以下方法對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：根據所估計出的測量路徑的相位噪聲構造補償因子然后用補償因子與測量路徑拍頻信號相乘。
...【技術特征摘要】
1.一種調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，所述調頻連續波激光雷達將調頻連續光信號分為兩路：測量路徑和輔助路徑；測量路徑的調頻連續光信號被分為兩路，一路作為參考光信號，另一路作為探測光信號向目標發射，將接收到的目標反射光信號與參考光信號進行拍頻，得到測量路徑拍頻信號；輔助路徑的調頻連續光信號經過一個具有固定延時差τr的馬赫-曾德爾干涉儀后進行拍頻，得到輔助路徑拍頻信號；其特征在于，通過對輔助路徑拍頻信號和測量路徑拍頻信號進行以下數字處理得到測量路徑的相位噪聲，然后對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：
2.如權利要求1所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，其特征在于，使用改良二分法初步搜索出測量路徑拍頻信號所處的頻率范圍，具體如下：將整個頻帶區間分割為三個部分，這三部分每兩相鄰部分之間存在重疊；計算三個部分的平均功率并選取平均功率最大的部分重復以上過程；依次迭代，直到最終選出的部分頻帶寬度達到預設要求。
3.如權利要求1所述調頻連續波激光雷達相位噪聲補償方法，其特征在于，使用以下方法對所得到的測量路徑的相位噪聲進行補償：根據所估計出的測量路徑的相位噪聲構造補償因子然后用補償因子與測量路徑拍頻信號相乘。
4.一種調頻連續波激光雷達相位噪...
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐忠揚，盧航天，潘時龍，孫修遠，王成，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。