一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置与流程

本发明属于调频连续波激光雷达测距的技术领域，尤其涉及一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，以及一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置。

背景技术：

调频连续波激光雷达进行距离解算的过程，本质上是对调频连续波激光雷达采集得到的中频信号序列进行相关频率函数值解算，因此频率解算精度直接影响到距离解算精度。其中，存在以下因素影响调频连续波激光雷达的距离解算精度：一是中频信号序列中存在的高斯白噪声序列；二是对中频信号序列进行截取时点数有限且较难做到整周期截取，因此在对其使用传统离散傅里叶变换过程中就会产生“栅栏效应”以及频谱泄漏现象。

目前，提高中频信号序列频率解算精度的方法大致分为两个类型：一类是在对中频信号序列进行传统傅里叶变换时进行补零操作，使离散傅里叶变换点数补偿为2的整数次幂，尽管可以在一定程度上减小“栅栏效应”的影响，但补零操作相当于对中频信号序列进行矩形窗运算，在一定程度上又会产生频谱泄露现象；另一类是针对中频信号序列的频谱细化方法，如能量重心法、比值法、相位差法、复调制细化法(zfft)和线性调频z变换法(chirp-z)等，这些方法虽然可以提高中频信号序列频率解算精度，但受高斯白噪声影响较为严重。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。

本发明的技术方案是：这种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其包括以下步骤：

(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；

(2)对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

(3)利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

本发明首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，并根据相关模态向量的频域特征获得子序列的噪声估计序列，之后对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，得到去噪后的中频信号序列；其次在时域上对去噪后的中频信号序列进行预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值，因此能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。

还提供了一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，其包括：周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；时域分解模块，其配置来对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

迭代模块，其配置来利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

附图说明

图1为根据本发明的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

如图1所示，这种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其包括以下步骤：

(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；

(2)对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

(3)利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

本发明首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，并根据相关模态向量的频域特征获得子序列的噪声估计序列，之后对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，得到去噪后的中频信号序列；其次在时域上对去噪后的中频信号序列进行预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值，因此能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。

优选地，所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)在中添加βm⁽¹⁾em⁽¹⁾(wm⁽ⁱ⁾)，得到i组的子序列其中：

并由该子序列计算的第一个残差rm⁽¹⁾：

其中，wm⁽ⁱ⁾表示在中添加的第i个均值为0、方差为1的高斯白噪声序列，序列长度为n；em^(k)(g)表示取第k次经验模态分解结果的运算符；βm^(k)表示调节信噪比的第k个参数；mm(g)表示计算每个序列上包络线与下包络线平均值的运算符；<g>m表示计算所有序列平均值的运算符；

(2.2)计算的第一个模态向量

(2.3)在的第k-1个残差rm^(k-1)中添加βm^(k)em^(k)(wm⁽ⁱ⁾)，计算的第k个模态向量

(2.4)取k＝2,3,k,k-1,k，重复步骤(2.3)，得到的k组模态向量

(2.5)对步骤(2.4)中获得的k组模态向量做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱图像，对前x(x＜k/2)个无明显尖峰的模态向量求和，得到的噪声估计序列

优选地，所述步骤(3)包括以下分步骤：

(3.1)计算和的第n个增益向量km⁽ⁿ⁾：

其中，pm^(n-1)表示的第n-1个误差相关矩阵，当n＝1时，该矩阵为一个l×l的单位矩阵；λm表示的遗忘因子；表示在第n至n l-1点之间值的倒序排列向量；

(3.2)计算和的第n个误差值em(n)：

其中，表示在第n个点的值；wm^(n-1)表示的权系数向量，当n＝1时，该向量为一个长度为l的零向量；

(3.3)计算和的第n个权系数向量wm⁽ⁿ⁾：

wm⁽ⁿ⁾＝wm^(n-1) km⁽ⁿ⁾em(n)(10)

(3.4)计算和的第n个误差相关矩阵pm⁽ⁿ⁾：

(3.5)取n＝1,2,k,n-l-1,n-l，重复步骤(3.1)至(3.4)，得到去

噪后的第m组中频信号序列sm：

sm＝em(12)

其中，em表示em(n)组成的序列，共n-l个点。

优选地，所述步骤(4)包括以下分步骤：

(4.1)取sm中第1至2j-1点之间的序列，得到其时移前的序列sm^f，其中j＝[(n-l)/3]，[g]为取整符号；

(4.2)对sm^f的每j个连续点序列加窗，得到sm^f的j组子序列，并对这些子序列做周期延拓并竖直排列；

(4.3)对步骤(4.2)中sm^f的j组子序列进行竖直方向加窗、截取、对齐、求和等处理，得到sm的第一组时域序列sm⁽¹⁾；

(4.4)取sm第j 1至3j-1点之间的序列，得到其时移后的序列sm^b，重复步骤(4.2)和(4.3)，得到sm的第二组时域序列sm⁽²⁾；

(4.5)对sm⁽¹⁾和sm⁽²⁾分别做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱和相位谱图像，并找出sm⁽¹⁾功率谱图像中峰值谱线序号qm^*，其为在sm⁽¹⁾和sm⁽²⁾的相位谱图像中分别获得相位谱值和

(4.6)根据步骤(4.1)和(4.5)获得的参数计算，得到sm的频率值fm：

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：rom/ram、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该装置包括：

周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；

时域分解模块，其配置来对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

迭代模块，其配置来利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；

(2)对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

(3)利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

(4)对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

(5)重复步骤(2)至步骤(4)，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

(6)计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

2.根据权利要求1所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)在中添加βm⁽¹⁾em⁽¹⁾(wm⁽ⁱ⁾)，得到i组的子序列其中：

并由该子序列计算的第一个残差rm⁽¹⁾：

其中，wm⁽ⁱ⁾表示在中添加的第i个均值为0、方差为1的高斯白噪声序列，序列长度为n；em^(k)(g)表示取第k次经验模态分解结果的运算符；βm^(k)表示调节信噪比的第k个参数；mm(g)表示计算每个序列上包络线与下包络线平均值的运算符；<g>m表示计算所有序列平均值的运算符；

(2.2)计算的第一个模态向量

(2.3)在的第k-1个残差rm^(k-1)中添加βm^(k)em^(k)(wm⁽ⁱ⁾)，计算的第k个模态向量

(2.4)取k＝2,3,k,k-1,k，重复步骤(2.3)，得到的k组模态向量

(2.5)对步骤(2.4)中获得的k组模态向量做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱图像，对前x(x＜k/2)个无明显尖峰的模态向量求和，得到的噪声估计序列

3.根据权利要求2所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下分步骤：

(3.1)计算和的第n个增益向量

其中，pm^(n-1)表示的第n-1个误差相关矩阵，当n＝1时，该矩阵为一个l×l的单位矩阵；λm表示的遗忘因子；表示在第n至n l-1点之间值的倒序排列向量；

(3.2)计算和的第n个误差值em(n)：

其中，表示在第n个点的值；wm^(n-1)表示的权系数向量，当n＝1时，该向量为一个长度为l的零向量；

(3.3)计算和的第n个权系数向量wm⁽ⁿ⁾：

wm⁽ⁿ⁾＝wm^(n-1) km⁽ⁿ⁾em(n)(10)

(3.4)计算和的第n个误差相关矩阵pm⁽ⁿ⁾：

(3.5)取n＝1,2,k,n-l-1,n-l，重复步骤(3.1)至(3.4)，得到去噪后的第m组中频信号序列sm：

sm＝em(12)

其中，em表示em(n)组成的序列，共n-l个点。

4.根据权利要求3所述的提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下分步骤：

(4.1)取sm中第1至2j-1点之间的序列，得到其时移前的序列sm^f，其中j＝[(n-l)/3]，[g]为取整符号；

(4.2)对sm^f的每j个连续点序列加窗，得到sm^f的j组子序列，并对这些子序列做周期延拓并竖直排列；

(4.3)对步骤(4.2)中sm^f的j组子序列进行竖直方向加窗、截取、对齐、求和等处理，得到sm的第一组时域序列sm⁽¹⁾；

(4.4)取sm第j 1至3j-1点之间的序列，得到其时移后的序列sm^b，重复步骤(4.2)和(4.3)，得到sm的第二组时域序列sm⁽²⁾；

(4.5)对sm⁽¹⁾和sm⁽²⁾分别做快速傅里叶变换，得到其频域内的功率谱和相位谱图像，并找出sm⁽¹⁾功率谱图像中峰值谱线序号qm^*，其为在sm⁽¹⁾和sm⁽²⁾的相位谱图像中分别获得相位谱值和

(4.6)根据步骤(4.1)和(4.5)获得的参数计算，得到sm的频率值fm：

5.一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的装置，其特征在于：其包括：

周期分解模块，其配置来依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，分为m组子序列其中每组子序列点数均为n个；

时域分解模块，其配置来对第m组子序列在时域上进行分解，得到k个模态向量并根据这些模态向量的频域特征获得的噪声估计序列

迭代模块，其配置来利用和进行迭代计算，得到去噪后的第m组中频信号序列sm；

预处理模块，其配置来对sm在时域上做预处理，得到sm的两组时域子序列{sm⁽¹⁾,sm⁽²⁾}，并根据这两组子序列的频域特征获得sm的频率值fm；

均值模块，其配置来重复执行时域分解模块、迭代模块、预处理模块，得到所对应的频率值{f1,f2,k,fm,k,fm-1,fm}，并对其做均值运算，得到的频率值fif：

精度提高后距离值计算模块，其配置来计算精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值r：

其中，t为调频连续波激光雷达本振信号的调频周期，b为调频连续波激光雷达本振信号的调频带宽，c为光速。

技术总结
一种提高调频连续波激光雷达距离解算精度的方法及装置，能够较大程度下消除高斯白噪声影响，且有效地解决“栅栏效应”以及频谱泄漏现象，进而实现调频连续波激光雷达高精度距离解算。该方法首先依据时域特征对调频连续波激光雷达所获得的中频信号序列进行周期分解，再对得到的每个子序列在时域上分解求取模态向量，噪声估计序列即可根据相关模态向量的频域特征获得，其次对子序列和噪声估计序列进行迭代计算，同时对得到的去噪后的中频信号序列在时域上做预处理，每个子序列对应的频率值即可根据预处理结果的频域特征获得，最后对所有频率值取均值并代入公式计算，即可获得精度提高后的调频连续波激光雷达所测距离值。

技术研发人员：宋萍;郝熠;王炫权
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.05.07
技术公布日：2021.08.03