基于偽隨機碼調制的車載激光雷達距離速度同步測量方法

鄭 剛，程用志，毛雪松

(武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081) (*通信作者電子郵箱xsmao@wust.edu.cn)

基于偽隨機碼調制的車載激光雷達距離速度同步測量方法

鄭 剛，程用志，毛雪松*

(武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081) (*通信作者電子郵箱xsmao@wust.edu.cn)

針對雙檢測器激光雷達系統用于同步測量道路目標距離和速度時存在的成本高、回波利用效率低的問題，提出了一種基于偽隨機(PN)碼調制的脈沖式多普勒激光雷達結構模型，研究使用單個光外差接收器同步測量目標距離和速度的可行性并通過計算機仿真驗證方法的性能。首先，給出激光雷達的系統模型，分析模型在脈沖方式下用于距離和速度測量時存在的問題；然后，討論通過單個光外差接收器輸出的電信號計算目標距離和速度的方法，即計算輸出信號與本地調制碼的相關函數確定激光飛行時間進而得出目標距離和使用非等間隔采樣信號頻譜分析方法確定輸出信號的多普勒頻率進而得出目標的速度；最后通過仿真驗證所提出的方法可同時實現目標距離和速度的穩定檢測。實驗結果表明，在道路環境中該方法可實現目標距離和速度的穩定可靠測量，與直接檢測系統相比，測量的靈敏度可提高10 dB以上，且與回波的到達時間、多普勒頻率的大小無關。

車載激光雷達；偽隨機碼調制；非等間隔采樣；道路信息感知；光外差檢測

0 引言

智能駕駛汽車要求通過相機、超聲波、毫米波雷達、激光雷達等途徑獲取道路目標的距離、速度、方位角等信息。這些設備獲取的信息構成了道路環境的復合畫面，其中毫米波雷達在目前扮演最重要的角色。毫米波雷達使用調制連續播的方式實現了對目標距離和速度的同步測量[1]，并在汽車工業中得到了重要的應用[2-3]。然而，毫米波雷達的空間分辨率較差，為了提高空間分辨率，有必要研制車載激光雷達。激光具有良好的準直性能，因此它具有更好的空間分辨能力，但是，相比于毫米波雷達，目前激光雷達價格昂貴、體積大且笨重、易受天氣因素影響。特別地，目前市場上銷售的激光雷達均只能測量目標的距離，不能利用多普勒頻率實現同步測量目標速度的功能。

在實驗室內，有關激光雷達距離和速度同步測量的研究主要分為兩類：一類是采用調制連續波的方式[4-5]，通過測量反射回波信號與本振信號的頻差求出目標距離和速度；另一類采用脈沖序列方式[6-7]，分別通過測量激光飛行時間和多普勒頻率獲取目標的距離和速度。然而，連續波的方式因發射峰值功率低、存在多徑干擾等原因，不適合于道路環境目標的檢測，汽車安全領域使用的激光雷達傾向于使用脈沖方式實現對目標的測量[8]。文獻[6-7]提出的脈沖式激光雷達實現目標距離和速度的同步測量，但調制碼由偽隨機碼插入周期碼構成，一方面降低了偽隨機碼的相關性能，另一方面速度測量的范圍有限，最高速度只有40 km/h。為了改善調制碼的相關特性，同時擴大速度測量的范圍，文獻[9]提出了非等間隔采樣多普勒信號的頻率計算方法。雖然通過方法的改進， 速度的測量范圍可以達到180 km/h，但是由于本振信號未作頻率偏移，因此不能判別速度的方向。另外，為了測量距離和速度，接收端使用了兩個光電轉換器和一個光分路器，設備成本較高且對接收信號的使用效率低。

針對上述問題，本文在文獻[9]工作的基礎上，提出一種新的脈沖式多普勒激光雷達結構模型，研究在該模型下實現道路目標距離和速度同步測量的可行性和可靠性。

1 激光雷達系統模型

圖1給出本文將研究的脈沖式車載激光雷達系統結構框圖，由該系統實現目標距離和速度的同步測量。光源使用窄線寬偏振激光，工作于連續波的模式下，輸出峰值功率通常在幾毫瓦。光分離器將大部分激光分路到電光調制器，并將少部分光分路到聲光調制器。考慮到物理可實現性，這里可以選擇99∶1的光分路器。聲光調制器將光的頻率下移80 MHz后用作本振參考信號。電光調制器按照偽隨機碼的幅度變化模式調制輸入光的幅度，將輸入的連續光調制為脈沖光并輸出到光纖放大器。經光纖放大器對電光調制器輸出的脈沖光放大后，峰值功率很容易達到數十瓦。放大后的脈沖光序列經透鏡準直后，發射到空間待測目標。

圖1 距離和速度同步測量的激光雷達系統模型

目標的反射信號經接收鏡頭收集后耦合到光纖，并與本振參考信號合波輸入到光電轉換器(PhotoDiode, PD)。因光電轉換器為幅度敏感器件，因此其輸出為本振參考信號與激光雷達回波信號的差頻信號。如果激光雷達系統中未引入聲光調制器，則激光本振參考信號可表示為：

s1(t)=A1cos(2πft+φ1)

(1)

其中：A1、ft和φ1分別為本振信號的幅度、頻率和相位。激光雷達的回波信號為：

s2(t)=A2cos[2π(ft+fD)t+φ2]

(2)

其中：A2、fD和φ2分別為激光雷達回波的幅度、多普勒頻率和相位。對于靜止目標，多普勒頻率fD為0，光電轉換器的輸出正比于cos(φ2-φ1)。由于回波信號到達時間的隨機性，光電轉換器輸出信號的幅度也發生隨機變化，因此在單光電轉換器的情況下必須對本振參考信號的頻率作適當的偏移。

對激光與人眼化學反應研究結果[10]表明，波長為1 550nm的激光相比當前車載激光雷達采用的903nm波長的激光對道路周圍行人更加安全，因此本文選擇1 550nm波長的激光源作為研究對象。在這一波長下，運動目標遠離激光雷達的速度為180km/h(兩車同向運動的最大相對速度)時，將產生下移64.5MHz的多普勒頻率；運動目標靠近激光雷達的速度為360km/h(兩車反向運動的最大相對速度)時，將產生上移129MHz的多普勒頻率。使用聲光調制器將本振參考信號的頻率下移80MHz則將上述頻率范圍映射到15.5MHz～209MHz。當光電轉換器輸出信號頻率為80MHz時，表明目標處于靜止狀態；當頻率小于80MHz時，表明目標遠離激光雷達；而當頻率大于80MHz時，表明目標靠近激光雷達。圖2給出光電轉換器輸出信號的波形舉例，可以看出輸出信號為分段連續的正弦波。

圖2 光電轉換器輸出波形

在偽隨機碼1碼處，光電轉換器輸出的是截取于正弦波的連續信號，在0碼處，輸出為0，因此光電轉換器輸出信號的平均幅度下降。另一方面，1碼處信號的幅值按正弦規律變化，特別是在1碼位于輸出信號過零點附近時，輸出信號幅值趨近于零，對目標的檢測產生影響。

2 距離速度同步測量方法

2.1 目標距離的測量方法

目標的距離通過測量激光的飛行時間獲得。通常，激光雷達的接收信號淹沒在接收機的噪聲中，無法通過設置閾值直接判決的方式確定脈沖的到達時刻。為了確定接收信號的位置，可以計算光電轉換器的輸出信號與本地調制碼的相關函數：

(3)

其中:c為本地調制碼，s為光電轉換器的輸出信號，N為調制碼的個數，m表示時延。偽隨機碼的自相關函數具有尖銳的峰值，因此根據式(3)找出相關函數峰值對應的時間點就是激光的飛行時間。在實際計算中，為了使相關函數峰值尖銳，通常將調制碼由0、1單極性碼變換為-1、1雙極性碼。

2.2 目標速度的測量方法

運動目標使激光雷達回波信號與發射信號之間產生頻率偏移，這個頻率偏移稱為多普勒頻率，其大小與運動目標的速度成正比：

fD=(2v)/λt

(4)

通過測量回波的多普勒頻率即可計算出運動目標的速度。然而，當發射信號為偽隨機脈沖序列時，光電轉換器的輸出信號如圖2所示，只有在1碼的位置出現連續的正弦波，因此不能得到對多普勒信號的等間隔采樣。

有大量的研究分析非等間隔采樣信號的頻率，典型的方法有插值法[11]、濾波器組法[12]、最小二乘法[13]等，這些方法對信號的分布格局具有特殊的要求，且計算量較大、抗信噪比能力低。文獻[9]提出的方法對接收信號的幅度作簡單調整后，可直接使用快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)的方法完成信號頻率的計算。由于工業上有專用芯片實現FFT的計算，因此這一方法對于車載激光雷達具有實用意義，本文沿用這一方法計算多普勒信號的頻率。

3 仿真結果與分析

仿真中設置的參數：激光波長為1 550nm，調制碼寬度為2ns，調制碼的個數為512。聲光調制器將激光輸出信號的頻率下移80MHz后作為本地參考信號。運動目標的速度范圍為-180km/h～360km/h，其中負號表示目標遠離激光雷達，這一速度范圍充分考慮了道路環境中目標的可能速度。根據式(4)，可計算出激光雷達接收的光信號頻率位于ft- 64.5 MHz ～ft+ 129 MHz。本地參考信號的頻率為ft-80 MHz，因此光電轉換器輸出信號的頻率位于15.5～209 MHz內。

光電轉換器的輸出波形如圖2所示，對這個信號采樣，采樣頻率等于調制碼的寬度，下面通過分析采樣獲得的數據計算目標的距離和速度。

3.1 目標距離測量的仿真結果

在光電轉換器輸出信號的信噪比為-80dB到20dB的范圍內，按照式(3)的定義計算該信號與本地調制碼的相關函數。首先使用統計錯誤測量概率的方法檢驗回波信號與本地參考信號之間相位差對激光雷達距離測量性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 回波與參考信號相位差對測距性能的影響

由于π到2π之間的信號只是在0到π之間信號前加上負號，所以圖中只分析了相位差在0到π之間的情況。縱軸表示錯誤測量概率，定義為測量得到的距離與實際距離不相等的事件發生概率。在仿真中，使用激光雷達做10 000次測量，統計測量錯誤發生的概率。圖3中激光雷達回波與參考信號的頻差假定為209MHz，可以看出相位差對錯誤測量的影響幾乎可以忽略，決定錯誤測量概率的主要因素為光電轉換器的輸出信號信噪比。在15MHz到209MHz范圍內，改變頻差作相似的計算，可以得到同樣的結果，表明相關函數對激光雷達回波的相位不敏感。

任意固定激光雷達的回波信號與本地參考信號的相位差，回波與本地參考信號的頻差對激光雷達測量性能的影響結果如圖4所示。圖中右邊曲線表示當激光雷達回波與本地參考信號具有15MHz、 80MHz和209MHz的情況下，通過仿真得到的表征激光雷達測量性能的一簇曲線。作為比較，左邊畫出當回波信號與參考信號同頻同相的情況下得到的最佳測量性能曲線。從圖中可以看出，不同頻差情況下激光雷達的誤檢概率曲線幾乎無法分開，即頻差對激光雷達的測量性能不產生影響。另一方面，多普勒頻率的調制使得輸出脈沖序列的幅度按正弦規律變化，與最佳性能曲線相比，激光雷達的距離測量靈敏度下降約8dB。實際中的最佳性能曲線對應于回波與參考信號同頻同相，這在激光雷達的應用中是不可實現的，因為回波的頻率和相位都是不可預測的，對其比較沒有實際意義。由于同頻同相時輸出的等幅脈沖序列與直接檢測系統的輸出類似，因此比較圖1的相干檢測系統與直接檢測系統的性能。根據文獻[14]，相干檢測系統的接收靈敏度相比直接檢測系統可提高20dB，因此雖然多普勒頻率調制使激光雷達的距離測量性能下降，但相比直接檢測系統，其測量靈敏度仍然可以提高12dB。

上述仿真與分析結果表明，圖1的相干檢測激光雷達系統距離測量靈敏度對激光雷達回波的頻率、相位不敏感，因此適合于道路目標的距離測量,同時，相比直接檢測系統，本文的相干檢測系統性能上有較大的提高。

圖4 回波與參考信號頻差對測距性能的影響

3.2 目標速度測量的仿真結果

由于只能在1碼時隙內獲得多普勒信號的采樣數據，而0碼內采樣獲得的是檢測器的噪聲，因此在偽隨機碼調制發射信號幅度的情況下，不可能獲得對多普勒信號的等間隔采樣。不等間隔采樣信號的頻率計算方法參考文獻[9]，這里對該方法用于速度測量的性能作進一步的分析。為了使用這一方法計算信號的頻率，必須知道信號的頭位置，然后根據調制碼的1碼間隔對信號幅度作調整。文獻[9]的雙檢測器系統為了找到信號的頭，必須知道兩路信號之間的延遲，在激光雷達大規模生產以及后期維護方面難度較大。這里使用單個光電檢測器，根據其計算相關函數的方法就可以確定信號的頭位置。

由于距離的穩定測量要求信噪比大于8dB，故在速度測量靈敏度測試時，不考慮信噪比低于8dB的情形。計算結果表明，在距離測量無誤檢的情況下，速度測量同樣不會出現錯誤測量。相比文獻[9]的激光雷達系統，圖1的系統減少了一個光電檢測裝置和一個分光器，既降低了設備制作成本，也提高了激光雷達的檢測靈敏度。

與等間隔采樣信號的FFT相比，非等間隔采樣信號的頻率計算誤差同樣由信號窗口長度決定。圖5給出在同等窗口長度的情況下，兩種采樣數據計算獲得頻率誤差的比較。仿真中，調制碼的寬度為2ns，碼的個數為512，故信號窗口長度為1 024ns，頻率誤差不大于0.98MHz。圖5中的圓圈點表示對不等間隔采樣數據計算得到的頻率誤差，叉號表示對等間隔采樣數據計算得到的頻率誤差。仿真結果表明，在15～209MHz的頻率范圍內，絕大部分頻率點處，由等間隔采樣和不等間隔采樣兩種數據計算得到的頻率誤差是一致的。雖然有個別頻率點處兩種誤差不等，但所屬的誤差范圍沒有變化，因此從誤差性能上看，本文采用的非等間隔采樣數據頻率計算方法得到的頻率誤差與等間隔采樣數據的FFT算法是一致的。

將圖5關于多普勒頻率誤差的結果代入式(4)可以得出，信號長度1 024ns的情況下，測量目標的徑向速度誤差低于1m/s(行人步行速度)。為進一步提高速度測量精度，可增加發射信號的長度，但信號長度過長會降低激光雷達成像的掃描速度，另一方面，受激光安全標準的限制，發射的激光的容許峰值功率下降，降低激光雷達目標測量的靈敏度。在實際應用中，應綜合考慮實際的場景選擇恰當的脈沖序列長度。

圖5 非等間隔采樣信號頻率誤差與等間隔采樣信號頻率誤差比較

4 結語

激光雷達在道路環境信息感知的應用中，目前只能測量目標的距離，而不能測量目標的速度。前期工作提出的雙檢測器激光雷達系統從原理上可以實現距離和速度的同步測量，但存在成本高、回波利用效率低等問題，所以本文提出了一種使用單檢測器的脈沖式多普勒激光雷達系統結構模型，研究該模型用于同步測量目標距離和速度的可行性。針對模型中使用的外差檢測系統存在多普勒頻率使得距離測量性能下降的現象，對比了本模型與當前通用的直接檢測方法，指出即使存在多普勒頻率，基于外差檢測的激光雷達檢測靈敏度仍高于基于直接檢測的激光雷達。另外，針對偽隨機碼調制的輸出信號不能等間隔采樣的問題，從傅里葉變換的定義出發推導了一種簡單實用的非等間隔采樣信號頻譜分析方法，并使用該方法分析了由道路目標相對運動產生的多普勒信號的頻率，最后指出在感興趣的頻率范圍內該方法與快速傅里葉變換方法具有相同的誤差性能。本文結果表明，只使用單個光檢測器的激光雷達系統可穩定測量目標的距離和速度，對降低車載激光雷達制造成本、提高目標檢測性能具有應用價值。

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ThisworkispartiallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61605147),theNaturalScienceFoundationofHubeiProvince(2014CFB815).

ZHENG Gang, born in 1991, M. S. candidate. His research interests include laser radar signal processing.

CHENG Yongzhi, born in 1984, Ph. D., lecturer. His research interests include theory, design and application of optic and electromagnetic metamaterial.

MAO Xuesong, born in 1975, Ph. D., professor. His research interests include laser sensing system, nonlinear fiber optics and road target sensing.

Simultaneous range and speed measurement by vehicle laser radar based on pseudo-random noise code modulation

ZHENG Gang, CHENG Yongzhi, MAO Xuesong*

(SchoolofInformationScienceandEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,WuhanHubei430081,China)

To solve the problems of high cost and low echo signal utilization efficiency in recently proposed laser radar systems integrated with double optical receivers for measuring range and speed of road targets, a pulsed Doppler laser radar system based on Pseudo-random Noise (PN) code modulation was proposed. The possibility of measuring range and speed simultaneously by the system integrated with single optical receiver was studied. The performance of the proposed method was verified by computer simulation. Firstly, the system model of vehicle laser radar was demonstrated and the existing problem for measuring range and speed by the model was analyzed when it works in pulsed mode. Then, the schematic diagram method for range and speed measurement by analyzing electric signal output from single optical heterodyne receiver was discussed, i.e. the correlation function of the electric signal and local modulation codes was computed for obtaining light flight time, and then target range; the spectrum of the electric signal was computed by non-uniformly sampled signal spectrum analysis method for obtaining Doppler frequency, and then the target speed. Finally, the stability of the proposed method for range and speed measurement was verified by computer simulation. The experimental results show that the method achieves stable range and speed measurement in road environments. Compared to direct detection system, the sensitivity of measurement is improved over 10 dB, which has no relation to echo arrival time and amount of Doppler frequency.

vehicle laser radar; pseudo-random code modulation; non-uniform sampling; road target sensing; optical heterodyne detection

2016- 08- 26;

2016- 10- 13。

國家自然科學基金資助項目(61605147)；湖北省自然科學基金資助項目(2014CFB815)。

鄭剛(1991—)，男，湖北仙桃人，碩士研究生，主要研究方向：激光雷達信號處理； 程用志(1984—)，男，湖北咸寧人，講師，博士，主要研究方向：光學與電磁超材料； 毛雪松(1975—)，男，江蘇鹽城人，教授，博士，主要研究方向：激光檢測系統、非線性光纖光學、道路環境感知。

1001- 9081(2017)03- 0911- 04

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.03.911

TN911.6

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