一种FMCW激光测距路径判别方法和装置与流程

本发明属于激光测距领域，特别涉及了一种fmcw激光测距技术。

背景技术：

1、fmcw激光测距通过将目标回光与本振光相干混频，根据拍频获得传播时延和多普勒频移。在玻璃、半透明材料、金属边缘、多层结构或多个邻近目标场景中，上、下扫频均可能出现多个候选谱峰，不同谱峰组合会形成多个形式上有效的距离—速度假设。

2、毫米波fmcw雷达已广泛采用多斜率chirp、多目标峰值配对、附加波形消歧和多假设数据关联。因此，仅在检测到歧义时改变激光扫频斜率，容易被视为通用fmcw信号处理在光学载波上的应用。

3、相干激光测距还具有毫米波雷达不同的散斑复场问题。粗糙表面多个微区反射的光场相干叠加，目标运动、入射角变化或光斑漂移会使回光复幅值在散斑相关时间后显著去相关。若在去相关前后直接比较目标拍频复相位，散斑相位突变可能被误认为传播路径变化。另一方面，激光器扫频非线性和不同chirp起始相位也会形成跨波形相位差，不能仅用目标通道自身区分。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种fmcw激光测距路径判别方法和装置。

2、为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

3、一种fmcw激光测距路径判别方法，包括以下步骤：

4、发射第一组上扫频和下扫频调频连续激光，获取目标回光与本振光相干形成的第一组相干光电信号，并从所述第一组相干光电信号中提取若干候选谱峰；

5、根据候选谱峰、第一组扫频参数和fmcw距离—速度模型，建立包含至少两个候选配对假设的假设集合，每个候选配对假设至少包括候选传播时延和候选多普勒频移；

6、根据目标回光复包络在多个调频周期之间的时间相关性确定散斑相关时间；

7、在候选配对歧义达到触发条件时，针对所述假设集合确定验证扫频参数，所述验证扫频参数满足接收带宽和距离分辨率约束，且对应的验证调频周期被安排在所述散斑相关时间内；

8、在所述散斑相关时间内发射所述验证调频周期，获取目标路径的验证相干光电信号，并获取具有已知光程差的固定延迟光学参考路径在第一组扫频和验证调频周期下形成的参考拍频信号；

9、根据所述参考拍频信号确定第一组扫频与验证调频周期之间的瞬时频率映射校正关系和起始相位校正量；

10、利用所述瞬时频率映射校正关系和起始相位校正量，对目标路径的验证相干光电信号进行校正，并根据校正后的跨波形距离—速度残差和目标回光复相位残差，排除与验证相干光电信号不一致的候选配对假设；

11、在验证前、后的目标回光复包络相关性满足散斑可比条件时，采用所述目标回光复相位残差确定验证结果；在不满足散斑可比条件时，取消本次目标回光复相位残差对应的验证结果，保留多假设输出或者改变光学分集状态后重新执行验证；

12、在获得唯一有效候选配对假设时输出对应距离，在未获得唯一有效候选配对假设时输出多假设标志，并降低对应距离的可信度。

13、进一步地，对于所述散斑相关时间的确定，根据目标回光复包络的归一化自相关函数首次下降至阈值t1的时延来确定散斑相关时间，或者根据相干幅值相关系数、复相干系数或谱峰复幅值相关系数中的至少一种来确定散斑相关时间。

14、进一步地，对于所述验证扫频参数的确定，设所述假设集合中第j个候选配对假设的候选传播时延τj和候选多普勒频移fdj，预测扫频斜率k下的验证拍频位置fj(k)=kτj+fdj；从若干可选验证扫频参数中，选择使任意两个候选配对假设的归一化可分离度达到阈值t2的验证扫频参数。

15、进一步地，所述归一化可分离度根据两个预测的验证拍频位置的间隔与对应频率估计标准差、谱峰主瓣宽度或克拉美罗下界的比值来确定。

16、进一步地，若存在两个及以上的验证扫频参数能使两个候选配对假设的归一化可分离度达到阈值t2，选择其中验证时间、激光照射能量或频率标尺外推误差最小的验证扫频参数。

17、进一步地，所述具有已知光程差的固定延迟光学参考路径包括固定延迟光纤、片上延迟波导和固定反射结构中的至少一种。

18、进一步地，根据参考拍频复相位扣除所述已知光程差对应的相位推进，得到所述起始相位校正量。

19、进一步地，在验证前、后分别获取长度不小于一个验证调频周期的目标回光复包络数据，计算二者在补偿目标预测相位推进后的复相关系数，该复相关系数达到可比阈值t3时即满足散斑可比条件。

20、进一步地，所述光学分集状态包括测量光偏振态、接收偏振态、接收孔径、发射光斑位置、接收视场、光学波长和受控扫描微偏转状态中的至少一种。

21、此外，本发明还包括一种fmcw激光测距路径判别装置，包括可调频激光光源、分光组件、具有已知光程差的固定延迟光学参考路径、第一相干接收组件、第二相干接收组件、采样模块和处理器；所述可调频激光光源输出相干光，经所述分光组件形成测量光、本振光和参考光，测量光照射目标后返回并与本振光在所述第一相干接收组件形成目标拍频，参考光进入所述具有已知光程差的固定延迟光学参考路径，并与本振光在所述第二相干接收组件形成参考拍频，所述采样模块对第一相干接收组件和第二相干接收组件进行采样，并将采样结果传送给所述处理器，所述处理器被配置为执行上述fmcw激光测距路径判别方法。

22、采用上述技术方案带来的有益效果：

23、本发明把通用fmcw多斜率消歧与光学散斑可比条件结合，避免在散斑去相关后错误使用相位证据。本发明通过具体已知光程差的固定延迟光学参考路径区分激光扫频变化与目标路径相位变化。本发明对验证失败原因进行分类，散斑不可比时切换光学状态，而不是无效地持续增加验证chirp。未经散斑条件和参考路径共同确认的距离不更新单假设运动模型，降低错误关联的连续传播。

1.一种fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，对于所述散斑相关时间的确定，根据目标回光复包络的归一化自相关函数首次下降至阈值t1的时延来确定散斑相关时间，或者根据相干幅值相关系数、复相干系数或谱峰复幅值相关系数中的至少一种来确定散斑相关时间。

3.根据权利要求1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，对于所述验证扫频参数的确定，设所述假设集合中第j个候选配对假设的候选传播时延τj和候选多普勒频移fdj，预测扫频斜率k下的验证拍频位置fj(k)=kτj+fdj；从若干可选验证扫频参数中，选择使任意两个候选配对假设的归一化可分离度达到阈值t2的验证扫频参数。

4.根据权利要求3所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，所述归一化可分离度根据两个预测的验证拍频位置的间隔与对应频率估计标准差、谱峰主瓣宽度或克拉美罗下界的比值来确定。

5.根据权利要求3所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，若存在两个及以上的验证扫频参数能使两个候选配对假设的归一化可分离度达到阈值t2，选择其中验证时间、激光照射能量或频率标尺外推误差最小的验证扫频参数。

6.根据权利要求1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，所述具有已知光程差的固定延迟光学参考路径包括固定延迟光纤、片上延迟波导和固定反射结构中的至少一种。

7.根据权利1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，根据参考拍频复相位扣除所述已知光程差对应的相位推进，得到所述起始相位校正量。

8.根据权利1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，在验证前、后分别获取长度不小于一个验证调频周期的目标回光复包络数据，计算二者在补偿目标预测相位推进后的复相关系数，该复相关系数达到可比阈值t3时即满足散斑可比条件。

9.根据权利要求1所述fmcw激光测距路径判别方法，其特征在于，所述光学分集状态包括测量光偏振态、接收偏振态、接收孔径、发射光斑位置、接收视场、光学波长和受控扫描微偏转状态中的至少一种。

10.一种fmcw激光测距路径判别装置，其特征在于，包括可调频激光光源、分光组件、具有已知光程差的固定延迟光学参考路径、第一相干接收组件、第二相干接收组件、采样模块和处理器；所述可调频激光光源输出相干光，经所述分光组件形成测量光、本振光和参考光，测量光照射目标后返回并与本振光在所述第一相干接收组件形成目标拍频，参考光进入所述具有已知光程差的固定延迟光学参考路径，并与本振光在所述第二相干接收组件形成参考拍频，所述采样模块对第一相干接收组件和第二相干接收组件进行采样，并将采样结果传送给所述处理器，所述处理器被配置为执行如权利要求1-9中任一项所述fmcw激光测距路径判别方法。