测量系统、测量方法和非暂时性计算机可读存储介质

技术领域

本公开涉及测量系统、测量方法和非暂时性计算机可读存储介质。

背景技术

正在开发LiDAR(Light Detection and Ranging，光检测和测距)以应用于汽车、自主机器人的周围环境识别传感器以及建筑和土木工程现场的形状测量。在LiDAR中，调频连续波(FMCW)类型的LiDAR使得能够降低峰值功率、扩大动态范围，并且具有出色的测距分辨率。因此，基于FMCW的LiDAR已经广泛应用于3D成像、气象观测、自主导航、遥感和自主驾驶。例如，相位分集(phase diversity)相干检测使得能够同时测量光学信号的强度和相位，从而增强LiDAR的性能。

然而，在一些应用(例如，自主导航)中，由于目标的移动，多普勒频移效应被添加到在与距离相关的啁啾频率，即，这种效应被叠加在其上。在FMCW-LiDAR中，通常采用三角波形调制，并且尝试分别测量距离和速度。然而，在常规的FMCW-LiDAR中，为了分离距离和速度，需要使用以下两者：(i)由三角波形调制的上行啁啾(up-chirp)获得的频率和(ii)由三角波形调制的下行啁啾(down-chirp)获得的频率。因此，不能在某个时刻同时获得关于距离和速度的信息。

在非专利文档1中描述的技术提出了基于相位分集相干光学接收机的FMCWLiDAR，该相位分集相干光学接收机实现对距离和速度的同时测量。该LiDAR采用使用副载波的FMCW方法，并且通过对副载波的频率进行啁啾以及通过部分执行外差检测作为参考光，来生成差拍信号以计算距离和速度。此外，通过使用相干检测进行外差检测来分离距离和速度。

[非专利文档1]Zhang等人的“Frequency-modulated continuous-wave lidarusing a phase-diversity coherent optical receiver for simultaneous rangingand velocimetry”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.31，NO.22，11月15日，1822(2019年)。

当接收由多个目标中的每一个目标反射的光时，针对到多个目标的距离中的每一个距离生成检测信号。由于每个检测信号对应于对应的单个目标，因此可以测量到目标中的每一个目标的距离。

然而，由于多个检测信号还是基于速度生成的，因此无法确定在多个目标中的一个目标(其对应于基于距离生成的检测信号)与基于速度生成的检测信号中的一个检测信号之间的对应。可以考虑基于检测信号中的每一个检测信号的强度将基于距离的检测信号与基于速度的检测信号进行关联的方法。然而，当反射强度在检测信号之间实质上相同时，这种方法不能确定目标中的哪一个对应于速度的检测信号中的哪一个。

而且，在原则上，当与目标的相对速度为零时，不生成速度峰值。因此，当速度峰值为特定值时，虽然可以掌握多个目标中的一些目标的相对速度，但就以下几个方面而言情况是无法确定的：(i)哪个目标的相对速度为零，或(ii)多个目标全部具有相同的速度。

发明内容

本公开的目的在于提供一种测量系统、测量方法和非暂时性计算机可读存储介质，以确定多个目标的距离检测信号与速度检测信号之间的对应。

根据本公开的方面，一种测量系统，其被配置为：朝向目标输出包括副载波的发射光，其中，频率是通过调制单频光源的载波来改变的；以及对由目标反射并且从目标接收到的接收光执行相干检测，以测量到目标的距离和目标的相对速度。

该测量系统包括：第一结果获取单元，其被配置为：对基于接收光的同相分量和正交分量两者生成的信号执行FFT处理；以及获取关于距离的峰值频率和关于相对速度的峰值频率作为第一结果。

该测量系统还包括：第二结果获取单元，其被配置为获取峰值频率作为第二结果，该峰值频率是通过对同相分量信号和正交分量信号中的至少一个执行FFT处理而被检测到的。

该测量系统还包括：组合确定单元，其被配置为基于第一结果和第二结果两者来确定距离与相对速度之间的对应的组合作为第三结果。

根据本公开的一个方面，组合确定单元使得能够基于第一结果和第二结果两者来确定距离与相对速度之间的对应的组合作为第三结果，由此使得能够确定多个目标的距离检测信号与速度检测信号之间的对应。

附图说明

本公开的目的、特征和优点将从以下参照附图进行的详细描述中变得更加明显，在附图中：

图1是示出根据第一实施例的配置的功能框图；

图2是示出处理流程的流程图。

图3是组合选择的处理图；

图4是示出第二实施例的处理流程的流程图；

图5是示出第三实施例中的第二结果获取单元的处理流程的流程图；以及

图6是示出第四实施例的处理流程的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述关于测量系统的多个实施例。在以下实施例中，与在前面的实施例中已经描述的元件相对应的元件由相同的附图标记表示，并且可以省略重复的描述。

(第一实施例)

参考图1-3描述第一实施例。测量系统1例如安装在汽车上，并且用于检测在作为目标A的主体车辆周围的其他车辆、行人等以避免碰撞，从而确保可靠且安全的驾驶。如图1中示出的，测量系统1包括调制光输出单元2、扫描仪3和测量单元4。

调制光输出单元2包括激光器5和调幅器6。测量单元4包括相干检测器8、A/D 9和DSP(数字信号处理器)10。扫描仪3由发射扫描仪和接收扫描仪组成。包括发射扫描仪和接收扫描仪的扫描仪3例如由反射镜或棱镜组成，该反射镜或棱镜具有用于改变角度的机构、光学相控阵(OPA)等。

激光器5由DFB(分布式反馈)激光器、DBR(分布式布拉格反射器)激光器、外部共振类型的激光器等组成。激光器5输出载波作为单频光源。

调幅器6通过使用例如Mach-Zehnder调制器来生成频率被改变的副载波。当从激光器5输入振荡光时，调幅器6基于从外部输入的AC信号和DC偏置来调制输入的振荡光。调幅器6对由激光器5输出的激光束的载波进行调制，以生成并输出具有副载波的发射光。

调幅器6线性地改变副载波的频率。副载波的频率被线性地改变，然而要注意的是，它可以从预定频率改变为上行啁啾或下行啁啾。发射光被分为两束光，其中一束光进入相干检测器8作为参考光，并且另一束光通过光学环行器11进入扫描仪3。

当发射扫描仪3通过光学环行器11接收到光时，输入光被输出到空间。当输出光撞击目标A并且被反射时，反射光入射在接收扫描仪3上作为入射光。接收扫描仪3通过光学环行器11将接收光输出到相干检测器8。

相干检测器8通过使用90°光学混合器8a和平衡光电二极管8b进行配置。当接收光通过光学环行器11从扫描仪3输入时，相干检测器8检测在输入的接收光与参考光之间关于幅度和相位的差异，并且生成并输出差拍信号的同相分量I和正交分量Q。

在这种情况下，基于与从测量系统1到目标A的距离相对应的调制光的往返时间差，在副载波频率分量中在反射光与参考光之间生成频率差异。此外，在反射光与参考光之间，频率改变作为载波频率分量中的多普勒频移发生，其对应于在测量系统1与目标A之间的相对速度v。这些频率分量改变的差异在差拍信号中显现。

相干检测器8通过A/D 9将差拍信号的同相分量I和正交分量Q输出到DSP 10。当DSP 10输入差拍信号的数字信号时，DSP 10通过执行各种过程来获取距离R和相对速度v。

例如，DSP 10获取由相干检测器8的平衡光电二极管8b检测到的同相分量I和正交分量Q的平方和的平方根作为幅度分量。然后，DSP 10通过对幅度分量执行FFT处理来获取峰值的峰值频率fR。这对应于本实施例的第一结果。此外，DSP 10通过将同相分量I除以正交分量Q来获取除法值，获取该除法值的反正切作为相位分量，并对相位分量执行FFT处理。DSP 10通过执行数字FFT处理来获取峰值频率fd。这也是本实施例的第一结果。参见图2中示出的第一结果获取单元B1。即，第一结果获取单元B1输出峰值频率作为第一结果，该峰值频率是通过对基于接收光的同相分量I和正交分量Q两者生成的信号执行FFT处理而被获取的。

此后，DSP 10根据这些峰值频率来计算距离R和相对速度v。距离R可以被计算为取决于峰值频率fR的值。相对速度v可以被计算为取决于峰值频率fd的值。当存在一个目标A时，获取对应于该一个目标A的峰值频率fR和峰值频率fd。因此，可以计算出相对于该一个目标A的距离R和相对速度v。

在下文中，描述了测量多个目标A的情况。这里，目标的数量被指定为m。如上面所描述的，当反射光从多个目标A入射时，可以通过检测对应的峰值频率来测量到多个目标A中的每一个目标的距离R。然而，由于还检测到关于速度的多个峰值频率，因此无法确定在多个目标A中的一个目标(其对应于基于距离的检测到的峰值中的一个峰值)与基于速度的检测到的峰值中的一个峰值之间的对应。

因此，在本实施例中，DSP 10按照图2中示出的流程执行处理，并且分别计算关于m个目标A的距离R和相对速度v。详细内容在下面描述。首先，当输入同相分量I和正交分量Q时，DSP10在S101i和S101q中校正在同相分量I和正交分量Q中生成的失真。

接下来，DSP 10在S102i中获取同相分量I和正交分量Q的平方和的平方根作为幅度分量，并且在S102q中通过将同相分量I除以正交分量Q来获取相位分量，作为反正切。接下来，DSP 10在S103i和S103q中对S102i和S102q的处理结果单独执行数字FFT处理。

接下来，DSP 10在S103i中根据在S102i中获取的值来检测m个关于距离的峰值频率fR，并且在S103q中根据在S102q中获取的值来检测m个关于速度的峰值频率fd。至此，处理内容与上面描述的第一结果获取单元B1的处理内容相同。

另一方面，DSP 10在S105i和S105q中对同相分量I和正交分量Q的频谱执行FFT处理，并且在S106中添加频谱。以这种方式，对同相分量I和正交分量Q进行平均以去除噪声，并且在S107中检测峰值频率f。该检测到的峰值对应于根据本实施例的第二结果。参见图2中的第二结果获取单元B2。该峰值频率f对应于差拍信号的原始信号的频率。

DSP 10在S108中计算峰值频率的峰值组合fR±fd。该过程是作为根据本申请的组合确定单元的操作。这里，当测量m个目标A时，计算组合(m fR)±(m fd)。在下文中，为了方便，将(m个fR的)检测到的峰值频率被标记为fR→fRx1、……、fRxm，将(m个fd的)检测到的峰值频率被标记为fd→fdx1、……、fdxm。然后，DSP 10针对多个目标A中的每一个目标，基于在S107中获取的差拍信号的原始信号的峰值频率f，来导出在相对于距离R的峰值频率与相对于相对速度v的峰值频率之间的对应。

图3示出了以数量m＝2来测量目标A的示例。在检测到的峰值频率fRx1和fRx2关于距离并且检测到的峰值频率fdx1和fdx2关于速度时，在S108中获取的频率的所有组合是fRx1±fdx1、fRx1±fdx2、fRx2±fdx1和fRx2±fdx2，它们被视为组合候选。

针对目标A中的每一个目标的检测到的峰值原则上表现为原始信号(I

例如，使用原始信号的峰值频率f来确定在关于距离R的检测到的峰值频率fRx1或fRx2附近是否存在检测到的峰值的任何组合，即，是否存在这样的分离条件：其满足关于检测到的峰值频率fRx1或fRx2找到一对峰值，其由关于相对速度的检测到的峰值频率的量fdx1和fdx2相等地分离，并且选择满足这种条件的组合作为检测到的峰值的组合。通过执行上述确定，可以确定性地导出关于如下的对应：关于距离R的检测到的峰值频率fRx1和fRx2中的哪一个对应于关于相对速度v的检测到的峰值频率fdx1和fdx2中的哪一个。

这里，已经描述了其中使用两个目标A作为检测目标的示例。然而，即使当存在要检测的三个或更多个目标A时，这些关系可类似地确定。

以这种方式，可以确定目标A中的哪一个目标(其对应于基于距离的检测到的峰值中的一个峰值)对应于基于速度的检测到的峰值中的一个峰值。因此，可以针对多个目标A中的每一个目标确定在距离R的检测到的峰值与相对速度v的检测到的峰值之间的对应。

当选择关于距离R的检测到的峰值频率fRx1和fRx2和关于相对速度v的检测到的峰值频率fdx1和fdx2的组合时，可以分别基于从关于检测到的距离的峰值频率fRx1和fRx2到选定的峰值频率fdx1和fdx2的频率差异来计算相对速度v。以这种方式，可以确定多个目标A中的每一个目标以什么相对速度v移动。

(第二实施例)

参考图4描述第二实施例。如图4中示出的，在执行S101i至S104i、S105i和S105q、S106和S107的过程之后，DSP 10在S208中计算在S107中获取的峰值频率f与关于距离的峰值频率fR之间的频率差异fΔ。另一方面，DSP 10并行执行S101q至S104q的过程。之后，执行S209的过程。

在S209中，DSP 10验证以下两项是否匹配(i)在S104q中获取的关于相对速度v的m个峰值频率fd和(ii)仅从S104i和S107获取的差异频率fΔ。当DSP 10确定它们匹配时，DSP10能够确定在峰值频率fd与峰值频率fR之间的对应。这些S208和S209的处理示出了作为组合确定单元的处理。

然后，在基于针对其确定出对应的峰值计算每个目标A的相对速度v之后，可以通过比较以下两项来确定相对速度v的符号(即，+或-)：(i)在S208中检测到的峰值频率fΔ和(ii)在S104q中检测到的峰值频率fd。以这种方式，每个目标A的行进方向是可确定的。

DSP 10在S210中输出在峰值频率fR与峰值频率fd之间的对应以及相对速度v的方向。通过确定它们是否匹配，DSP 10可以通过考虑相对速度v的相位分量来确定相对速度v的符号，并且可以确定目标A正在远离还是接近。

(第三实施例)

参考图5描述第三实施例。在上面描述的实施例中，在图2或图4的第二结果获取单元B2的示例中，示出了通过在对同相分量I和正交分量Q中的每一个进行FFT处理之后添加频谱来对原始信号进行平均。与之相比，如图5中示出的，第二结果获取单元B3可能也是可行的，其中在S305将同相分量I和正交分量Q的信号相加，然后在S306进行数字FFT处理，并且在S307中检测峰值。以这种方式，可实现与上面描述的实施例相同的效果。

(第四实施例)

参考图6描述第四实施例。描述了一种用于检测m个目标A的方法。首先，在图6中示出的S401a中，关于距离R的峰值频率被标记为fR1、fR2、……、fRm。在S401b中，关于相对速度v的峰值频率被标记为fv1、fv2、……、fvm。然后，在S402中，由同相分量I或正交分量Q检测到的频率被标记为f1、f2、……、fn。

这些频率fR1、fR2、……、fRm、fv1、fv2、……、fvm和f1、f2、……、fn可通过执行与在第一实施例至第三实施例中描述的第一结果获取单元B1、第二结果获取单元B2、B3相同的处理来检测。

接下来，DSP 10生成由以下各项之间的差异组成的频率差异组Rx：(i)由同相分量I和正交分量Q检测到的原始信号的频率f1、f2、……、fn和(ii)关于距离的峰值频率fR1、fR2、……、fRm。在图6的S403至S405中，通过以x为变量重复n次来生成频率差异组Rx。生成结果如下。

组R1 f1-fR1，f1-fR2，f1-fRm

组R2 f2-fR1，f2-fR2，f2-fRm

……

组Rn fn-fR1，fn-fR2，fn-fRm

然后，DSP 10以升序或降序重新排列通过上面在S407中的计算获取的所有频率的绝对值。此时，将通过排序获取的n×m个频率差异定义为fΔ1、fΔ2、……、fΔn×m。

然后，DSP 10在S408中设置变量k的初始值，并且在S409中，执行搜索以找到其中频率差异fΔi和频率差异fΔi+1匹配或彼此接近的组合，即，具有频率差异fΔi到频率差异fΔi+1之间的差的小绝对值的组合。

然后，在S410中，确定所有搜索到的频率差异组合(fΔi，fΔi+1)是否属于组Rx。如果它们都属于组Rx，则在S411中认为该组合对应于关于距离的峰值频率fRx。然后，在S413中从搜索目标中排除fΔi和fΔi+1，并在S414中改变变量k，将S409到S412的过程重复n次，使得针对所有目标A都获取了关于距离R和相对速度v的峰值频率组合。示出了作为本申请所涉及的组合确定单元的处理内容。

当存在不具有对应组合的组Rx时，即，S412的“是”确定，在S415中将与该距离R的检测到的峰值相对应的目标A的相对速度v视为零，即，目标A被确定为静止物体。以这种方式，对于所有检测到的目标A，距离R和相对速度v都是可掌握的。

(其他实施例)

本公开不应限于上面描述的实施例，并且在不脱离本公开的精神的情况下还可以进行各种修改。例如，可以进行以下修改和扩展。

在上面描述的实施例中，在FFT处理以及添加之后对同相分量I和正交分量Q进行平均，然后检测峰值。此外，在上面描述的实施例中，同相分量I和正交分量Q通过按原样添加波形来进行平均，然后检测峰值。然而，本公开不限于此。

可以通过FFT处理对同相分量I或正交分量Q中的任一个的信号进行处理，并且可以对这样的处理结果执行峰值检测以用作第二结果。即，通过对同相分量I和正交分量Q的信号中的至少一个信号进行FFT处理而获取的峰值可以用作第二结果。

根据本公开中描述的DSP 10的方法可以由专用计算机来实现，该专用计算机是通过配置被编程以执行由计算机程序体现的一个或多个功能的处理器和存储器而提供的。可替代地，本公开中描述的DSP 10及其方法可以由专用计算机来实现，该专用计算机是通过配置具有一个或多个专用硬件逻辑电路的处理器而提供的。可替代地，本公开中描述的DSP10及其方法可以由一个或多个专用计算机实现，该专用计算机被配置作为被编程以执行一个或多个功能的处理器和存储器的组合以及由一个或多个硬件逻辑电路组成的处理器。此外，计算机程序还可以存储在计算机可读非暂时性有形的记录介质上作为由计算机执行的指令。

已经根据上面描述的实施例描述了本公开。然而，应当理解，本公开不限于实施例和结构。本公开包括在等同物的范围内的各种修改和变型。另外地，各种模式/组合、向其添加/从其减少的一个或多个元素也可以被认为是本公开并且被理解为其技术思想。