基于偽隨機(jī)碼調(diào)制的車載激光雷達(dá)距離速度同步測(cè)量方法

鄭 剛，程用志，毛雪松

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

基于偽隨機(jī)碼調(diào)制的車載激光雷達(dá)距離速度同步測(cè)量方法

鄭 剛，程用志，毛雪松*

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

針對(duì)雙檢測(cè)器激光雷達(dá)系統(tǒng)用于同步測(cè)量道路目標(biāo)距離和速度時(shí)存在的成本高、回波利用效率低的問(wèn)題，提出了一種基于偽隨機(jī)(PN)碼調(diào)制的脈沖式多普勒激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)模型，研究使用單個(gè)光外差接收器同步測(cè)量目標(biāo)距離和速度的可行性并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證方法的性能。首先，給出激光雷達(dá)的系統(tǒng)模型，分析模型在脈沖方式下用于距離和速度測(cè)量時(shí)存在的問(wèn)題；然后，討論通過(guò)單個(gè)光外差接收器輸出的電信號(hào)計(jì)算目標(biāo)距離和速度的方法，即計(jì)算輸出信號(hào)與本地調(diào)制碼的相關(guān)函數(shù)確定激光飛行時(shí)間進(jìn)而得出目標(biāo)距離和使用非等間隔采樣信號(hào)頻譜分析方法確定輸出信號(hào)的多普勒頻率進(jìn)而得出目標(biāo)的速度；最后通過(guò)仿真驗(yàn)證所提出的方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的穩(wěn)定檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在道路環(huán)境中該方法可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的穩(wěn)定可靠測(cè)量，與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，測(cè)量的靈敏度可提高10 dB以上，且與回波的到達(dá)時(shí)間、多普勒頻率的大小無(wú)關(guān)。

車載激光雷達(dá)；偽隨機(jī)碼調(diào)制；非等間隔采樣；道路信息感知；光外差檢測(cè)

0 引言

智能駕駛汽車要求通過(guò)相機(jī)、超聲波、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等途徑獲取道路目標(biāo)的距離、速度、方位角等信息。這些設(shè)備獲取的信息構(gòu)成了道路環(huán)境的復(fù)合畫(huà)面，其中毫米波雷達(dá)在目前扮演最重要的角色。毫米波雷達(dá)使用調(diào)制連續(xù)播的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)距離和速度的同步測(cè)量[1]，并在汽車工業(yè)中得到了重要的應(yīng)用[2-3]。然而，毫米波雷達(dá)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(dá)。激光具有良好的準(zhǔn)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(dá)，目前激光雷達(dá)價(jià)格昂貴、體積大且笨重、易受天氣因素影響。特別地，目前市場(chǎng)上銷售的激光雷達(dá)均只能測(cè)量目標(biāo)的距離，不能利用多普勒頻率實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量目標(biāo)速度的功能。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，有關(guān)激光雷達(dá)距離和速度同步測(cè)量的研究主要分為兩類：一類是采用調(diào)制連續(xù)波的方式[4-5]，通過(guò)測(cè)量反射回波信號(hào)與本振信號(hào)的頻差求出目標(biāo)距離和速度；另一類采用脈沖序列方式[6-7]，分別通過(guò)測(cè)量激光飛行時(shí)間和多普勒頻率獲取目標(biāo)的距離和速度。然而，連續(xù)波的方式因發(fā)射峰值功率低、存在多徑干擾等原因，不適合于道路環(huán)境目標(biāo)的檢測(cè)，汽車安全領(lǐng)域使用的激光雷達(dá)傾向于使用脈沖方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的測(cè)量[8]。文獻(xiàn)[6-7]提出的脈沖式激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的同步測(cè)量，但調(diào)制碼由偽隨機(jī)碼插入周期碼構(gòu)成，一方面降低了偽隨機(jī)碼的相關(guān)性能，另一方面速度測(cè)量的范圍有限，最高速度只有40 km/h。為了改善調(diào)制碼的相關(guān)特性，同時(shí)擴(kuò)大速度測(cè)量的范圍，文獻(xiàn)[9]提出了非等間隔采樣多普勒信號(hào)的頻率計(jì)算方法。雖然通過(guò)方法的改進(jìn)， 速度的測(cè)量范圍可以達(dá)到180 km/h，但是由于本振信號(hào)未作頻率偏移，因此不能判別速度的方向。另外，為了測(cè)量距離和速度，接收端使用了兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器和一個(gè)光分路器，設(shè)備成本較高且對(duì)接收信號(hào)的使用效率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在文獻(xiàn)[9]工作的基礎(chǔ)上，提出一種新的脈沖式多普勒激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)模型，研究在該模型下實(shí)現(xiàn)道路目標(biāo)距離和速度同步測(cè)量的可行性和可靠性。

1 激光雷達(dá)系統(tǒng)模型

圖1給出本文將研究的脈沖式車載激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的同步測(cè)量。光源使用窄線寬偏振激光，工作于連續(xù)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(diào)制器，并將少部分光分路到聲光調(diào)制器?？紤]到物理可實(shí)現(xiàn)性，這里可以選擇99∶1的光分路器。聲光調(diào)制器將光的頻率下移80 MHz后用作本振參考信號(hào)。電光調(diào)制器按照偽隨機(jī)碼的幅度變化模式調(diào)制輸入光的幅度，將輸入的連續(xù)光調(diào)制為脈沖光并輸出到光纖放大器。經(jīng)光纖放大器對(duì)電光調(diào)制器輸出的脈沖光放大后，峰值功率很容易達(dá)到數(shù)十瓦。放大后的脈沖光序列經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，發(fā)射到空間待測(cè)目標(biāo)。

圖1 距離和速度同步測(cè)量的激光雷達(dá)系統(tǒng)模型

目標(biāo)的反射信號(hào)經(jīng)接收鏡頭收集后耦合到光纖，并與本振參考信號(hào)合波輸入到光電轉(zhuǎn)換器(PhotoDiode, PD)。因光電轉(zhuǎn)換器為幅度敏感器件，因此其輸出為本振參考信號(hào)與激光雷達(dá)回波信號(hào)的差頻信號(hào)。如果激光雷達(dá)系統(tǒng)中未引入聲光調(diào)制器，則激光本振參考信號(hào)可表示為：

s1(t)=A1cos(2πft+φ1)

(1)

其中：A1、ft和φ1分別為本振信號(hào)的幅度、頻率和相位。激光雷達(dá)的回波信號(hào)為：

s2(t)=A2cos[2π(ft+fD)t+φ2]

(2)

其中：A2、fD和φ2分別為激光雷達(dá)回波的幅度、多普勒頻率和相位。對(duì)于靜止目標(biāo)，多普勒頻率fD為0，光電轉(zhuǎn)換器的輸出正比于cos(φ2-φ1)。由于回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)性，光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的幅度也發(fā)生隨機(jī)變化，因此在單光電轉(zhuǎn)換器的情況下必須對(duì)本振參考信號(hào)的頻率作適當(dāng)?shù)钠啤?/p>

對(duì)激光與人眼化學(xué)反應(yīng)研究結(jié)果[10]表明，波長(zhǎng)為1 550nm的激光相比當(dāng)前車載激光雷達(dá)采用的903nm波長(zhǎng)的激光對(duì)道路周圍行人更加安全，因此本文選擇1 550nm波長(zhǎng)的激光源作為研究對(duì)象。在這一波長(zhǎng)下，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)遠(yuǎn)離激光雷達(dá)的速度為180km/h(兩車同向運(yùn)動(dòng)的最大相對(duì)速度)時(shí)，將產(chǎn)生下移64.5MHz的多普勒頻率；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)靠近激光雷達(dá)的速度為360km/h(兩車反向運(yùn)動(dòng)的最大相對(duì)速度)時(shí)，將產(chǎn)生上移129MHz的多普勒頻率。使用聲光調(diào)制器將本振參考信號(hào)的頻率下移80MHz則將上述頻率范圍映射到15.5MHz～209MHz。當(dāng)光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)頻率為80MHz時(shí)，表明目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)頻率小于80MHz時(shí)，表明目標(biāo)遠(yuǎn)離激光雷達(dá)；而當(dāng)頻率大于80MHz時(shí)，表明目標(biāo)靠近激光雷達(dá)。圖2給出光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的波形舉例，可以看出輸出信號(hào)為分段連續(xù)的正弦波。

圖2 光電轉(zhuǎn)換器輸出波形

在偽隨機(jī)碼1碼處，光電轉(zhuǎn)換器輸出的是截取于正弦波的連續(xù)信號(hào)，在0碼處，輸出為0，因此光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的平均幅度下降。另一方面，1碼處信號(hào)的幅值按正弦規(guī)律變化，特別是在1碼位于輸出信號(hào)過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，輸出信號(hào)幅值趨近于零，對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)產(chǎn)生影響。

2 距離速度同步測(cè)量方法

2.1 目標(biāo)距離的測(cè)量方法

目標(biāo)的距離通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間獲得。通常，激光雷達(dá)的接收信號(hào)淹沒(méi)在接收機(jī)的噪聲中，無(wú)法通過(guò)設(shè)置閾值直接判決的方式確定脈沖的到達(dá)時(shí)刻。為了確定接收信號(hào)的位置，可以計(jì)算光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)與本地調(diào)制碼的相關(guān)函數(shù)：

(3)

其中:c為本地調(diào)制碼，s為光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)，N為調(diào)制碼的個(gè)數(shù)，m表示時(shí)延。偽隨機(jī)碼的自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的峰值，因此根據(jù)式(3)找出相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)就是激光的飛行時(shí)間。在實(shí)際計(jì)算中，為了使相關(guān)函數(shù)峰值尖銳，通常將調(diào)制碼由0、1單極性碼變換為-1、1雙極性碼。

2.2 目標(biāo)速度的測(cè)量方法

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)使激光雷達(dá)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間產(chǎn)生頻率偏移，這個(gè)頻率偏移稱為多普勒頻率，其大小與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度成正比：

fD=(2v)/λt

(4)

通過(guò)測(cè)量回波的多普勒頻率即可計(jì)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。然而，當(dāng)發(fā)射信號(hào)為偽隨機(jī)脈沖序列時(shí)，光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)如圖2所示，只有在1碼的位置出現(xiàn)連續(xù)的正弦波，因此不能得到對(duì)多普勒信號(hào)的等間隔采樣。

有大量的研究分析非等間隔采樣信號(hào)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(duì)信號(hào)的分布格局具有特殊的要求，且計(jì)算量較大、抗信噪比能力低。文獻(xiàn)[9]提出的方法對(duì)接收信號(hào)的幅度作簡(jiǎn)單調(diào)整后，可直接使用快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)的方法完成信號(hào)頻率的計(jì)算。由于工業(yè)上有專用芯片實(shí)現(xiàn)FFT的計(jì)算，因此這一方法對(duì)于車載激光雷達(dá)具有實(shí)用意義，本文沿用這一方法計(jì)算多普勒信號(hào)的頻率。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真中設(shè)置的參數(shù)：激光波長(zhǎng)為1 550nm，調(diào)制碼寬度為2ns，調(diào)制碼的個(gè)數(shù)為512。聲光調(diào)制器將激光輸出信號(hào)的頻率下移80MHz后作為本地參考信號(hào)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度范圍為-180km/h～360km/h，其中負(fù)號(hào)表示目標(biāo)遠(yuǎn)離激光雷達(dá)，這一速度范圍充分考慮了道路環(huán)境中目標(biāo)的可能速度。根據(jù)式(4)，可計(jì)算出激光雷達(dá)接收的光信號(hào)頻率位于ft- 64.5 MHz ～ft+ 129 MHz。本地參考信號(hào)的頻率為ft-80 MHz，因此光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的頻率位于15.5～209 MHz內(nèi)。

光電轉(zhuǎn)換器的輸出波形如圖2所示，對(duì)這個(gè)信號(hào)采樣，采樣頻率等于調(diào)制碼的寬度，下面通過(guò)分析采樣獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)的距離和速度。

3.1 目標(biāo)距離測(cè)量的仿真結(jié)果

在光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的信噪比為-80dB到20dB的范圍內(nèi)，按照式(3)的定義計(jì)算該信號(hào)與本地調(diào)制碼的相關(guān)函數(shù)。首先使用統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤測(cè)量概率的方法檢驗(yàn)回波信號(hào)與本地參考信號(hào)之間相位差對(duì)激光雷達(dá)距離測(cè)量性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 回波與參考信號(hào)相位差對(duì)測(cè)距性能的影響

由于π到2π之間的信號(hào)只是在0到π之間信號(hào)前加上負(fù)號(hào)，所以圖中只分析了相位差在0到π之間的情況?？v軸表示錯(cuò)誤測(cè)量概率，定義為測(cè)量得到的距離與實(shí)際距離不相等的事件發(fā)生概率。在仿真中，使用激光雷達(dá)做10 000次測(cè)量，統(tǒng)計(jì)測(cè)量錯(cuò)誤發(fā)生的概率。圖3中激光雷達(dá)回波與參考信號(hào)的頻差假定為209MHz，可以看出相位差對(duì)錯(cuò)誤測(cè)量的影響幾乎可以忽略，決定錯(cuò)誤測(cè)量概率的主要因素為光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)信噪比。在15MHz到209MHz范圍內(nèi)，改變頻差作相似的計(jì)算，可以得到同樣的結(jié)果，表明相關(guān)函數(shù)對(duì)激光雷達(dá)回波的相位不敏感。

任意固定激光雷達(dá)的回波信號(hào)與本地參考信號(hào)的相位差，回波與本地參考信號(hào)的頻差對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量性能的影響結(jié)果如圖4所示。圖中右邊曲線表示當(dāng)激光雷達(dá)回波與本地參考信號(hào)具有15MHz、 80MHz和209MHz的情況下，通過(guò)仿真得到的表征激光雷達(dá)測(cè)量性能的一簇曲線。作為比較，左邊畫(huà)出當(dāng)回波信號(hào)與參考信號(hào)同頻同相的情況下得到的最佳測(cè)量性能曲線。從圖中可以看出，不同頻差情況下激光雷達(dá)的誤檢概率曲線幾乎無(wú)法分開(kāi)，即頻差對(duì)激光雷達(dá)的測(cè)量性能不產(chǎn)生影響。另一方面，多普勒頻率的調(diào)制使得輸出脈沖序列的幅度按正弦規(guī)律變化，與最佳性能曲線相比，激光雷達(dá)的距離測(cè)量靈敏度下降約8dB。實(shí)際中的最佳性能曲線對(duì)應(yīng)于回波與參考信號(hào)同頻同相，這在激光雷達(dá)的應(yīng)用中是不可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榛夭ǖ念l率和相位都是不可預(yù)測(cè)的，對(duì)其比較沒(méi)有實(shí)際意義。由于同頻同相時(shí)輸出的等幅脈沖序列與直接檢測(cè)系統(tǒng)的輸出類似，因此比較圖1的相干檢測(cè)系統(tǒng)與直接檢測(cè)系統(tǒng)的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，相干檢測(cè)系統(tǒng)的接收靈敏度相比直接檢測(cè)系統(tǒng)可提高20dB，因此雖然多普勒頻率調(diào)制使激光雷達(dá)的距離測(cè)量性能下降，但相比直接檢測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)量靈敏度仍然可以提高12dB。

上述仿真與分析結(jié)果表明，圖1的相干檢測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)距離測(cè)量靈敏度對(duì)激光雷達(dá)回波的頻率、相位不敏感，因此適合于道路目標(biāo)的距離測(cè)量,同時(shí)，相比直接檢測(cè)系統(tǒng)，本文的相干檢測(cè)系統(tǒng)性能上有較大的提高。

圖4 回波與參考信號(hào)頻差對(duì)測(cè)距性能的影響

3.2 目標(biāo)速度測(cè)量的仿真結(jié)果

由于只能在1碼時(shí)隙內(nèi)獲得多普勒信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)，而0碼內(nèi)采樣獲得的是檢測(cè)器的噪聲，因此在偽隨機(jī)碼調(diào)制發(fā)射信號(hào)幅度的情況下，不可能獲得對(duì)多普勒信號(hào)的等間隔采樣。不等間隔采樣信號(hào)的頻率計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[9]，這里對(duì)該方法用于速度測(cè)量的性能作進(jìn)一步的分析。為了使用這一方法計(jì)算信號(hào)的頻率，必須知道信號(hào)的頭位置，然后根據(jù)調(diào)制碼的1碼間隔對(duì)信號(hào)幅度作調(diào)整。文獻(xiàn)[9]的雙檢測(cè)器系統(tǒng)為了找到信號(hào)的頭，必須知道兩路信號(hào)之間的延遲，在激光雷達(dá)大規(guī)模生產(chǎn)以及后期維護(hù)方面難度較大。這里使用單個(gè)光電檢測(cè)器，根據(jù)其計(jì)算相關(guān)函數(shù)的方法就可以確定信號(hào)的頭位置。

由于距離的穩(wěn)定測(cè)量要求信噪比大于8dB，故在速度測(cè)量靈敏度測(cè)試時(shí)，不考慮信噪比低于8dB的情形。計(jì)算結(jié)果表明，在距離測(cè)量無(wú)誤檢的情況下，速度測(cè)量同樣不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤測(cè)量。相比文獻(xiàn)[9]的激光雷達(dá)系統(tǒng)，圖1的系統(tǒng)減少了一個(gè)光電檢測(cè)裝置和一個(gè)分光器，既降低了設(shè)備制作成本，也提高了激光雷達(dá)的檢測(cè)靈敏度。

與等間隔采樣信號(hào)的FFT相比，非等間隔采樣信號(hào)的頻率計(jì)算誤差同樣由信號(hào)窗口長(zhǎng)度決定。圖5給出在同等窗口長(zhǎng)度的情況下，兩種采樣數(shù)據(jù)計(jì)算獲得頻率誤差的比較。仿真中，調(diào)制碼的寬度為2ns，碼的個(gè)數(shù)為512，故信號(hào)窗口長(zhǎng)度為1 024ns，頻率誤差不大于0.98MHz。圖5中的圓圈點(diǎn)表示對(duì)不等間隔采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到的頻率誤差，叉號(hào)表示對(duì)等間隔采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得到的頻率誤差。仿真結(jié)果表明，在15～209MHz的頻率范圍內(nèi)，絕大部分頻率點(diǎn)處，由等間隔采樣和不等間隔采樣兩種數(shù)據(jù)計(jì)算得到的頻率誤差是一致的。雖然有個(gè)別頻率點(diǎn)處兩種誤差不等，但所屬的誤差范圍沒(méi)有變化，因此從誤差性能上看，本文采用的非等間隔采樣數(shù)據(jù)頻率計(jì)算方法得到的頻率誤差與等間隔采樣數(shù)據(jù)的FFT算法是一致的。

將圖5關(guān)于多普勒頻率誤差的結(jié)果代入式(4)可以得出，信號(hào)長(zhǎng)度1 024ns的情況下，測(cè)量目標(biāo)的徑向速度誤差低于1m/s(行人步行速度)。為進(jìn)一步提高速度測(cè)量精度，可增加發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度，但信號(hào)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低激光雷達(dá)成像的掃描速度，另一方面，受激光安全標(biāo)準(zhǔn)的限制，發(fā)射的激光的容許峰值功率下降，降低激光雷達(dá)目標(biāo)測(cè)量的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮實(shí)際的場(chǎng)景選擇恰當(dāng)?shù)拿}沖序列長(zhǎng)度。

圖5 非等間隔采樣信號(hào)頻率誤差與等間隔采樣信號(hào)頻率誤差比較

4 結(jié)語(yǔ)

激光雷達(dá)在道路環(huán)境信息感知的應(yīng)用中，目前只能測(cè)量目標(biāo)的距離，而不能測(cè)量目標(biāo)的速度。前期工作提出的雙檢測(cè)器激光雷達(dá)系統(tǒng)從原理上可以實(shí)現(xiàn)距離和速度的同步測(cè)量，但存在成本高、回波利用效率低等問(wèn)題，所以本文提出了一種使用單檢測(cè)器的脈沖式多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，研究該模型用于同步測(cè)量目標(biāo)距離和速度的可行性。針對(duì)模型中使用的外差檢測(cè)系統(tǒng)存在多普勒頻率使得距離測(cè)量性能下降的現(xiàn)象，對(duì)比了本模型與當(dāng)前通用的直接檢測(cè)方法，指出即使存在多普勒頻率，基于外差檢測(cè)的激光雷達(dá)檢測(cè)靈敏度仍高于基于直接檢測(cè)的激光雷達(dá)。另外，針對(duì)偽隨機(jī)碼調(diào)制的輸出信號(hào)不能等間隔采樣的問(wèn)題，從傅里葉變換的定義出發(fā)推導(dǎo)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的非等間隔采樣信號(hào)頻譜分析方法，并使用該方法分析了由道路目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)的頻率，最后指出在感興趣的頻率范圍內(nèi)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(jié)果表明，只使用單個(gè)光檢測(cè)器的激光雷達(dá)系統(tǒng)可穩(wěn)定測(cè)量目標(biāo)的距離和速度，對(duì)降低車載激光雷達(dá)制造成本、提高目標(biāo)檢測(cè)性能具有應(yīng)用價(jià)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61605147)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(dá)信號(hào)處理； 程用志(1984—)，男，湖北咸寧人，講師，博士，主要研究方向：光學(xué)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(cè)系統(tǒng)、非線性光纖光學(xué)、道路環(huán)境感知。

1001- 9081(2017)03- 0911- 04

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.03.911

TN911.6

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