调频连续波激光探测频谱的生成方法

1.本发明涉及激光探测领域，具体地，涉及一种调频连续波激光探测频谱的生成方法。


背景技术：

2.激光探测采用主动发射接收激光进行目标探测，从激光反射回波中获取目标距离、速度、方位等信息，作为多维环境感知的信息源头，是实现目标探测、智能交通、周界安防等应用场景的关键传感器。相比于传统的tof(飞行时间)激光探测，fmcw(调频连续波)激光探测由于采用了相干探测技术，因而具有良好的抗干扰特性，除此之外还有探测精度高、光功率要求低等优势，且能同时测量距离和速度。fmcw技术实现的核心是进行接收拍频信号的高速高精度频率估计，测距与测速功能都是依靠鉴频技术来实现，而鉴频技术的实用性必须依赖于fft(快速傅里叶变换)方法的性能。2020年，韩国世宗大学信息与通信工程系团队结合数字下变频技术与功率谱分析技术，最终降低了fft运算点数来对fft算法进行加速。2020年，中国科学院上海光机所空间激光通信与探测技术重点实验室团队利用多相fft技术，将fft运算过程进行并行化处理达到硬件加速的目的。
3.虽然现有技术方案可以通过相关算法进行fft运算的加速，但是同时带来的硬件资源的开销显著增大，数字信号处理系统的功耗由于硬件资源的开销增大也会显著提升。如上海光机所多相fft全并行处理方法中，使用了四路全并行fft方法，虽然fft的处理速度提高了近四倍，fft的硬件资源开销却也提高了近四倍。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对上述问题，本发明提供了一种调频连续波激光探测频谱的生成方法，通过将实数序列长度降低为二分之一序列长度的复数序列，在不增加硬件资源开销的前提下显著提高了频谱生成的速度。
6.(二)技术方案
7.本发明实施例一个方面提供了一种调频连续波激光探测频谱的生成方法，包括：对激光信号进行线性调频，得到线性调频信号；将线性调频信号分束为本振光和用于探测目标对象的第一信号光；合束本振光和第二信号光，得到拍频信号，其中，第二信号光为第一信号光经目标对象反射回来的信号光；利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列；基于二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱。
8.在本发明一实施例中，利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列包括：对拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱；基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列；基于初始复数序列，利用二分之一序列点
长度的快速傅里叶变换得到二分之一序列长度的复数序列。
9.在本发明一实施例中，对拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0010][0011]
其中，x[k]代表信号序列的频谱，n代表信号序列的长度，n代表信号序列的序列点，k代表信号序列的频谱点，x(n)代表探测过程中n点的信号序列，j代表虚数单位符号，
[0012][0013]
代表偶数部分傅里叶变换的频谱，
[0014][0015]
代表奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0016]
在本发明一实施例中，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列包括：获取拍频信号的实数部分，实数部分包括x[k]对应的时域序列中的偶数部分x(2n)；获取拍频信号的虚数部分，虚数部分包括x[k]对应的时域序列中的奇数部分x(2n+1)；基于实数部分和虚数部分，构建得到初始复数序列；初始复数序列的计算方式为：
[0017]
y(n)＝x(2n)+x(2n+1)*j
[0018]
其中，y(n)代表初始复数序列。
[0019]
在本发明一实施例中，基于二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱包括：基于二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数；利用频谱函数计算得到偶数部分傅里叶变换的频谱；利用频谱函数计算得到中间变量；利用中间变量结合坐标旋转数字算法计算得到奇数部分傅里叶变换的频谱；基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱。
[0020]
在本发明一实施例中，基于二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数的计算方式为：
[0021][0022]
其中，y[k]代表频谱函数。
[0023]
在本发明一实施例中，利用频谱函数计算得到偶数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0024]
[0025]
其中，f[k]代表偶数部分傅里叶变换的频谱。
[0026]
在本发明一实施例中，利用频谱函数计算得到中间变量的计算方式为：
[0027][0028]
其中，g[k]代表中间变量。
[0029]
在本发明一实施例中，利用中间变量结合坐标旋转数字计算机计算得到奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0030][0031]
其中，wg[k]代表奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0032]
在本发明一实施例中，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱的计算方式为：
[0033]
x[k]＝f[k]+wg[k]
[0034]
其中，x[k]代表信号序列的频谱。
[0035]
(三)有益效果
[0036]
本发明实施例提供的一种调频连续波激光探测频谱的生成方法，通过fft运算的特性将实数序列长度降低为二分之一序列长度的复数序列，节约了fft的运算点数，在不增加硬件资源开销的前提下显著提高了频谱生成的速度，同时利用cordic(坐标旋转数字计算机)算法在不需要消耗过多存储器资源的前提下保证了信号解析输出数据的精度。
附图说明
[0037]
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做简单的介绍，显而易见的，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它的附图。
[0038]
图1示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法的流程图。
[0039]
图2示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中拍频信号采集后的处理模块结构图。
[0040]
图3示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中频谱生成模块的原理图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部
件。
[0042]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[0045]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0046]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0047]
图1示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法。
[0048]
如图1所示，本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法，可以包括：
[0049]
s1，对激光信号进行线性调频，得到线性调频信号。
[0050]
s2，将线性调频信号分束为本振光和用于探测目标对象的第一信号光。
[0051]
s3，合束本振光和第二信号光，得到拍频信号，其中，第二信号光为第一信号光经目标对象反射回来的信号光。
[0052]
s4，利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列。
[0053]
其中，在利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列之前，还包括：
[0054]
利用adc(模拟数字转换器)采集模块采集拍频信号。本实施例中fpga(现场可编程门阵列)数据来自adc对平衡探测器接收拍频信号的采集。对于大量应用中fmcw激光探测系统的拍频信号频率，本实施例可使用lvds(低电压差分信号)数据传输接口类型的adc，该类
型的adc可以很好地支持与拍频信号频率相吻合的较大范围的采样频率。
[0055]
其中，利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列包括：
[0056]
s40，对拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0057]
其中，对拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0058][0059]
其中，x[k]代表信号序列的频谱，n代表信号序列的长度，n代表信号序列的序列点，k代表信号序列的频谱点，x(n)代表探测过程中n点的信号序列，j代表虚数单位符号，
[0060][0061]
代表偶数部分傅里叶变换的频谱，
[0062][0063]
代表奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0064]
s41，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列。
[0065]
其中，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列包括：
[0066]
s410，获取拍频信号的实数部分。该实数部分包括x[k]对应的时域序列中的偶数部分x(2n)。
[0067]
s411，获取拍频信号的虚数部分。该虚数部分包括x[k]对应的时域序列中的奇数部分x(2n+1)。
[0068]
s412，基于实数部分和虚数部分，构建得到初始复数序列。
[0069]
该初始复数序列的计算方式为：
[0070]
y(n)＝x(2n)+x(2n+1)*j
[0071]
其中，y(n)代表初始复数序列。
[0072]
s42，基于初始复数序列，利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换得到二分之一序列长度的复数序列。
[0073]
s5，基于二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱。
[0074]
其中，基于二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱包括：
[0075]
s50，基于二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数。
[0076]
其中，基于二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数的计算方式为：
[0077][0078]
其中，y[k]代表频谱函数。
[0079]
s51，利用频谱函数计算得到偶数部分傅里叶变换的频谱。
[0080]
其中，利用频谱函数计算得到偶数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0081][0082]
其中，f[k]代表偶数部分傅里叶变换的频谱。
[0083]
s52，利用频谱函数计算得到中间变量。
[0084]
其中，利用频谱函数计算得到中间变量的计算方式为：
[0085][0086]
其中，g[k]代表中间变量。
[0087]
s53，利用中间变量结合坐标旋转数字算法计算得到奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0088]
其中，利用中间变量结合坐标旋转数字计算机计算得到奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：
[0089][0090]
其中，wg[k]代表奇数部分傅里叶变换的频谱。
[0091]
s54，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱。
[0092]
其中，基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱的计算方式为：
[0093]
x[k]＝f[k]+wg[k]
[0094]
其中，x[k]代表信号序列的频谱。
[0095]
在s53的处理过程中需要获得指数旋转因子，在大量应用中指数函数数据采用rom(只读存储器)存储波形表的方法存储，但是本实施例提出用于解析输出数据的指数函数数据的计算，使用cordic算法实时计算而不使用rom表的方法可以解决使用rom存储波形表精度不够等问题。假设n点个数为2048，则需要存储n/2即1024个点的指数数据，随着n点个数的增加以及数据精度的增加，则需要存储数据的硬件资源(rom表的位宽和深度)将显著增加。cordic算法作为经典的求取三角函数的算法的突出优势包括：不需要硬件乘法器，所有运算只有移位累加；可使用流水线方法，以提高工作频率；也可使用循环迭代方法，以节约硬件资源。使用cordic算法替代rom表的做法在不明显增加硬件设计难度的情况下大量节约了硬件资源。
[0096]
经过s41～s54的处理后，原本传统方法获得x[k]所需的n点fft，降低为n/2点fft，通过优化整体处理流程的算法，相比较于现有的其他fft硬件加速的技术方案，该方法在不显著增加硬件资源开销的前提下显著提高了频谱分析(获得x[k])的处理速度，尤其适用于
精度要求高、探测频点大的处理系统，且功耗有所下降。
[0097]
本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法，通过fft运算的特性将实数序列长度降低为二分之一序列长度的复数序列，节约了fft的运算点数，在不增加硬件资源开销的前提下显著提高了频谱生成的速度，同时利用cordic(坐标旋转数字计算机)算法在不需要消耗过多存储器资源的前提下保证了信号解析输出数据的精度。
[0098]
图2示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中拍频信号采集后的处理模块结构图。
[0099]
如图2所示，本实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中拍频信号采集后的处理模块，可以包括：adc采集模块、数据预处理模块、频谱生成模块、cordic指数运算模块和fmcw测距/测速模块。
[0100]
其中，adc采集模块用于采集拍频信号。
[0101]
数据预处理模块用于利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对所述拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列。
[0102]
频谱生成模块用于基于所述二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱。
[0103]
cordic指数运算模块用于解析输出数据的指数函数。
[0104]
fmcw测距/测速模块用于根据目标频谱得到测距/测速数据。
[0105]
为了在不损失处理精度并获得测量频率高的fmcw激光探测结果，整个系统的各个模块都可以处在流水线模式工作下，从而产生较大的系统吞吐量，并且整个系统利用fpga来构造相对简单，只需要利用加法器、乘法器、fifo(先入先出队列)和输入原语等fpga内部丰富的硬件资源。
[0106]
需要说明的是，本发明的实施例中拍频信号采集后的处理模块与本发明的实施例中调频连续波激光探测频谱的生成方法部分是相对应的，其具体实施细节及带来的技术效果也是相同的，在此不再赘述。
[0107]
图3示意性示出了本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中频谱生成模块的原理图。
[0108]
如图3所示，本发明实施例提供的调频连续波激光探测频谱的生成方法中频谱生成模块的原理包括：利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列，然后基于二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数，利用频谱函数计算得到偶数部分傅里叶变换的频谱，接着利用频谱函数计算得到中间变量，再利用中间变量结合坐标旋转数字算法计算得到奇数部分傅里叶变换的频谱，最后基于偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱。
[0109]
需要说明的是，本发明的实施例的原理与本发明的实施例的处理模块部分是相对应的，其具体实施细节及带来的技术效果也是相同的，在此不再赘述。
[0110]
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
[0111]
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
[0112]
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

技术特征：
1.一种调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，包括：对激光信号进行线性调频，得到线性调频信号；将所述线性调频信号分束为本振光和用于探测目标对象的第一信号光；合束所述本振光和第二信号光，得到拍频信号，其中，所述第二信号光为所述第一信号光经所述目标对象反射回来的信号光；利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对所述拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列；基于所述二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱。2.根据权利要求1所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对所述拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列包括：对所述拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱；基于所述偶数部分傅里叶变换的频谱和所述奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列；基于所述初始复数序列，利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换得到二分之一序列长度的复数序列。3.根据权利要求2所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述对所述拍频信号进行相位拆分，得到偶数部分傅里叶变换的频谱和奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：其中，x[k]代表信号序列的频谱，n代表信号序列的长度，n代表信号序列的序列点，k代表信号序列的频谱点，x(n)代表探测过程中n点的信号序列，j代表虚数单位符号，代表偶数部分傅里叶变换的频谱，代表奇数部分傅里叶变换的频谱。4.根据权利要求3所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述基于所述偶数部分傅里叶变换的频谱和所述奇数部分傅里叶变换的频谱构建初始复数序列包括：获取所述拍频信号的实数部分，所述实数部分包括x[k]对应的时域序列中的偶数部分
x(2n)；获取所述拍频信号的虚数部分，所述虚数部分包括x[k]对应的时域序列中的奇数部分x(2n+1)；基于所述实数部分和所述虚数部分，构建得到初始复数序列；所述初始复数序列的计算方式为：y(n)＝x(2n)+x(2n+1)*j其中，y(n)代表初始复数序列。5.根据权利要求4所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述基于所述二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱包括：基于所述二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数；利用所述频谱函数计算得到所述偶数部分傅里叶变换的频谱；利用所述频谱函数计算得到中间变量；利用所述中间变量结合坐标旋转数字算法计算得到所述奇数部分傅里叶变换的频谱；基于所述偶数部分傅里叶变换的频谱和所述奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱。6.根据权利要求5所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述基于所述二分之一序列长度的复数序列生成频谱函数的计算方式为：其中，y[k]代表频谱函数。7.根据权利要求6所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述利用所述频谱函数计算得到所述偶数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：其中，f[k]代表偶数部分傅里叶变换的频谱。8.根据权利要求7所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述利用所述频谱函数计算得到中间变量的计算方式为：其中，g[k]代表中间变量。9.根据权利要求8所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述利用所述中间变量结合坐标旋转数字计算机计算得到所述奇数部分傅里叶变换的频谱的计算方式为：其中，wg[k]代表奇数部分傅里叶变换的频谱。10.根据权利要求9所述的调频连续波激光探测频谱的生成方法，其特征在于，所述基
于所述偶数部分傅里叶变换的频谱和所述奇数部分傅里叶变换的频谱，得到目标频谱的计算方式为：x[k]＝f[k]+wg[k]其中，所述x[k]代表信号序列的频谱。

技术总结
本发明提供了一种调频连续波激光探测频谱的生成方法，涉及激光探测领域，该方法包括：对激光信号进行线性调频，得到线性调频信号；将线性调频信号分束为本振光和用于探测目标对象的第一信号光；合束本振光和第二信号光，得到拍频信号，其中，第二信号光为第一信号光经目标对象反射回来的信号光；利用二分之一序列点长度的快速傅里叶变换对拍频信号进行频谱分析，得到二分之一序列长度的复数序列；基于二分之一序列长度的复数序列计算生成目标频谱。频谱。频谱。


技术研发人员：朱精果 黄福德 刘汝卿 袁野 吴铭 李锋 蒋衍 姜成昊
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/14