專利名稱：：一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學(xué)和電子應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置和方法。
背景技術(shù)：
：激光雷達(dá)是以激光波束為信息載體的雷達(dá)。激光雷達(dá)不僅可精確測(cè)距，而且還能精確測(cè)速、精確跟蹤和高分辨率成像。激光雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，可用于軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。多普勒測(cè)速激光雷達(dá)是以光學(xué)多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種激光雷達(dá)，可以用來(lái)測(cè)量液體、氣體的流動(dòng)速度或固體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，在科學(xué)和工業(yè)技術(shù)中有非常廣泛的應(yīng)用。多普勒測(cè)速激光雷達(dá)采用主動(dòng)探測(cè)方式，系統(tǒng)發(fā)射一定波形的激光照射到被測(cè)目標(biāo)上，通過(guò)對(duì)被測(cè)目標(biāo)反射或散射的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲得被測(cè)目標(biāo)的速度信息。多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的探測(cè)形式可分為直接探測(cè)和相干探測(cè)兩種。在外差相干探測(cè)多普勒測(cè)速激光雷達(dá)中，在接收到回波信號(hào)后，對(duì)該回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后得到輸出的多普勒信號(hào)，該多普勒信號(hào)頻率氣與被測(cè)目標(biāo)的被測(cè)速度<9之間存在如下的計(jì)算公式<9=^~公式1上述7^式中的^為光束傳#番方向與#皮測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。現(xiàn)有技術(shù)中的第一種獲取上述多普勒信號(hào)頻率的方法為計(jì)數(shù)法(過(guò)零才企測(cè)法)。該方法的主要工作原理為從一個(gè)過(guò)零點(diǎn)開始以非常高的時(shí)鐘脈沖對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，來(lái)獲取多普勒信號(hào)中的N個(gè)信號(hào)周期所需的時(shí)間(固定周期數(shù)計(jì)數(shù)法)；或者，獲取多普勒信號(hào)中的一定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)的信號(hào)周期個(gè)數(shù)(固定閘門時(shí)間計(jì)數(shù)法)。然后，根據(jù)獲取的上述時(shí)間或信號(hào)周期個(gè)數(shù)信息得到多普勒信號(hào)頻率?，F(xiàn)有技術(shù)中的第一種獲取上述多普勒信號(hào)頻率的方法的缺點(diǎn)為該方法對(duì)噪聲比較敏感，不適用于噪聲較強(qiáng)的情況。并且測(cè)量精度要受計(jì)數(shù)誤差、晶體振蕩頻率誤差的影響?，F(xiàn)有技術(shù)中的第二種獲取上述多普勒信號(hào)頻率的方法為雙鉗位自相關(guān)法。該方法的主要工作原理為獲取回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)上述公式中的;c(,')和4+/)分別為回波信號(hào)的離散JV位和M位采樣值。i(/)是j'個(gè)采樣延時(shí)的自相關(guān)函數(shù)。若AT和A/大于1，則為多位自相關(guān)。若W大于1，而M等于1，則是單鉗位自相關(guān)，若W和M都等于1，則是雙鉗位自相關(guān)。一個(gè)無(wú)量綱的理想自相關(guān)系數(shù)l/i的的值應(yīng)該為1。由于信號(hào)和噪聲是相互獨(dú)立的過(guò)程，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義，信號(hào)只與信號(hào)本身相關(guān)，而與噪聲不相關(guān)。因此，該方法計(jì)算出雙鉗位自相關(guān)情況下的上述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的頻率，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，該頻率與上述多普勒信號(hào)頻率相同?，F(xiàn)有技術(shù)中的第二種獲取上述多普勒信號(hào)頻率的方法的缺點(diǎn)為該方法不適用于噪聲較強(qiáng)的情況，對(duì)于信噪比較低的應(yīng)用場(chǎng)合，獲得的速度測(cè)量精度較差
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置和方法，從而可以解決現(xiàn)有技術(shù)方案中噪聲門限高、測(cè)量結(jié)果的精度較差的缺點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，包括信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)被測(cè)目標(biāo)的回波信號(hào)，該回波信號(hào)為經(jīng)過(guò)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)信號(hào)處理DSP模塊，用于讀取所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中的回波信號(hào)并進(jìn)行快速傅立葉變換FFT,求得信號(hào)的功率譜，根據(jù)所述功率語(yǔ)得到粗估計(jì)頻率值；對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到校正頻率值，將所述粗估計(jì)頻率值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所迷被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，包括對(duì)被測(cè)目標(biāo)返回的經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的回波信號(hào)進(jìn)行FFT，根據(jù)FFT后的回波信號(hào)的功率譜獲取所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值，對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到所述回波信號(hào)的校正頻率值；將所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。由上述本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例將自相關(guān)技術(shù)與基于頻偏校正的頻率估計(jì)改進(jìn)算法相結(jié)合，可以有效地計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的速度，并且保證測(cè)量結(jié)果的精度，通過(guò)采取減少算法計(jì)算量的措施，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波處理方法的一種處理流程圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述頻偏校正改進(jìn)算法的處理流程圖。具體實(shí)施例方式在本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)先設(shè)定不同的濾波頻率范圍分別對(duì)應(yīng)不同的采樣率，并且相鄰的濾波頻率范圍之間互相重疊，將各個(gè)濾波頻率范圍和對(duì)應(yīng)的采樣率進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存。根據(jù)所述放大后的回波信號(hào)的初始頻率值，查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述初始頻率值對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和采樣率，按照該濾波頻率范圍對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，按照所述采樣率對(duì)所述濾波處理后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣獲取的模擬回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)所述存儲(chǔ)的數(shù)字的回波信號(hào)進(jìn)行讀取，對(duì)讀取的的回波信號(hào)進(jìn)行2倍采樣點(diǎn)的FFT(快速4專立葉變才奐，F(xiàn)astFourierTransform)，求取FFT后的回波信號(hào)的功率譜，搜索該功率譜的最大譜峰對(duì)應(yīng)的離散譜線，根據(jù)該離散譜線、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值；對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，利用所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值對(duì)該自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行移頻處理，求取移頻后信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在指定點(diǎn)的自相關(guān)值，根據(jù)該自相關(guān)值計(jì)算出所述回波信號(hào)的校正頻率值。將所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。進(jìn)一步地，判斷所述多普勒頻率與當(dāng)前濾波頻率范圍、采樣率是否對(duì)應(yīng)，如果是，則按照所述當(dāng)前濾波頻率范圍、采樣率繼續(xù)采集后續(xù)回波信號(hào)；否則，按照重新選擇的所述多普勒頻率對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和采樣率繼續(xù)采集后續(xù)回波信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例所述多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括如下模塊放大處理模塊、濾波處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換;漠塊、信號(hào)存儲(chǔ)模塊、DSP(數(shù)據(jù)信號(hào)處理，DigitalSignalProcessing)模塊、顯示模塊等。放大處理模塊，用于接收多普勒測(cè)速激光雷達(dá)中的探測(cè)器輸出的回波信號(hào)，將該回波信號(hào)放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的幅度，將放大后的回波信號(hào)傳輸給濾波處理模塊。探測(cè)器輸出的回波信號(hào)具有較大的帶寬，大約為25MHz，且含有較大的噪聲，因此，該放大處理模塊必須包含大帶寬、低噪聲的放大電路。濾波處理模塊，用于接收放大處理模塊傳輸?shù)姆糯蠛蟮幕夭ㄐ盘?hào)，對(duì)該回波信號(hào)中的噪聲、雜波和干擾進(jìn)行濾波處理，該噪聲包括散粒噪聲、熱噪聲和量化噪聲等多種噪聲。將進(jìn)行了濾波處理后的回波信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊。濾波處理模塊在進(jìn)行濾波處理時(shí)，可以根據(jù)所述回波信號(hào)的粗測(cè)頻率值查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述頻率值對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍，按照該濾波頻率范圍對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。包括采樣率和濾波頻率范圍分段設(shè)置模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于接收濾波處理模塊輸出的進(jìn)行了濾波處理后的模擬的回波信號(hào)，根據(jù)該模擬的回波信號(hào)的頻率值預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述頻率值對(duì)應(yīng)的采樣率，按照該采樣率對(duì)所述模擬的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣獲取的模擬的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的回波信號(hào)，將該數(shù)字的回波信號(hào)傳輸給信號(hào)存儲(chǔ)模塊。包括采樣率和濾波頻率范圍分段設(shè)置模塊。信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于接收A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)臄?shù)字的回波信號(hào)。該信號(hào)存儲(chǔ)模塊可以通過(guò)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，F(xiàn)ieldProgrammableGateArray)來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSP模塊，用于讀取所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中的回波信號(hào)并進(jìn)行FFT，根據(jù)FFT后的回波信號(hào)的功率譜譜峰值獲取粗估計(jì)頻率值，對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到頻率較正值，將所述粗估計(jì)頻率值和較正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。包括信號(hào)讀取模塊、粗估計(jì)頻率值計(jì)算模塊、校正頻率值計(jì)算模塊、運(yùn)動(dòng)速度獲取模塊和當(dāng)前濾波頻率范圍和釆樣率控制模塊。顯示模塊，用于將所述DSP模塊所獲取的被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)液晶等方式進(jìn)行顯示。上述的濾波處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊中的采樣率和濾波頻率范圍分段設(shè)置模塊，用于設(shè)定不同的濾波頻率范圍分別對(duì)應(yīng)不同的采樣率，并且各段濾波頻率范圍中的相鄰兩段之間互相重疊，將各個(gè)濾波頻率范圍和對(duì)應(yīng)的采樣率進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存。上述的DSP模塊中的信號(hào)讀取模塊，用于對(duì)所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的回波信號(hào)進(jìn)行讀耳又。上述的DSP模塊中的粗估計(jì)頻率值計(jì)算模塊，用于對(duì)所述信號(hào)讀取模塊所讀取的回波信號(hào)進(jìn)行2倍采樣點(diǎn)的FFT,求取回波信號(hào)的功率譜，搜索該功率譜的最大譜峰對(duì)應(yīng)的離散譜線，根據(jù)該離散譜線、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出粗估計(jì)頻率值；上述的DSP模塊中的校正頻率值計(jì)算模塊，用于對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，利用所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值對(duì)該自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行移頻處理，求取移頻后的自相關(guān)函數(shù)在指定點(diǎn)的自相關(guān)值，根據(jù)該自相關(guān)值計(jì)算出校正頻率值；上述的DSP模塊中的運(yùn)動(dòng)速度獲取模塊，用于將所述粗估計(jì)頻率值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率以及激光束與被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。上述的DSP模塊中的當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率控制模塊，用于判斷運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算模塊獲取的多普勒頻率與當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率是否對(duì)應(yīng)，如果是，則維持當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率不變；否則，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算模塊獲取的多普勒頻率查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，重新確定當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率。上述DSP模塊可以設(shè)置在PC(個(gè)人計(jì)算機(jī)，PersonalComputer)機(jī)中，信號(hào)存儲(chǔ)模塊通過(guò)USB接口或RS-232接口將存儲(chǔ)的回波信號(hào)傳輸給PC機(jī)，通過(guò)PC中DSP模塊進(jìn)行上述計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度的處理過(guò)程。本發(fā)明實(shí)施例所述多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波處理方法的一種處理流程如圖2所示，包括如下步驟步驟2-1、對(duì)探測(cè)到的回波信號(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)放大后的回波信號(hào)的頻率值和預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取放大后的回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍，并進(jìn)4亍濾波處理。多普勒測(cè)速激光雷達(dá)中的探測(cè)器探測(cè)到目標(biāo)的回波信號(hào)后，將該回波信號(hào)傳輸給放大處理模塊。該回波信號(hào)具有較大的帶寬，大約為25MHz,且含有較大的噪聲。放大處理模塊將上述回波信號(hào)放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的幅度，將放大后的回波信號(hào)傳輸給濾波處理模塊。上述放大處理模塊必須包含大帶寬、低噪聲的》文大電^各。如果在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)采用同一種采樣率對(duì)上述回波信號(hào)進(jìn)行采樣，則在對(duì)測(cè)量頻率范圍的下限頻率進(jìn)行離散頻i普分析時(shí)所需的FFT(快速傅立葉變換)點(diǎn)數(shù)將非常大。為解決該問(wèn)題，在本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)先設(shè)定不同濾波頻率范圍對(duì)應(yīng)不同的采樣率，對(duì)采樣率按照不同濾波頻率范圍分6段設(shè)置，該采樣率分段設(shè)置的情況如下述表1所示，系統(tǒng)上電時(shí)，默認(rèn)采樣率為80MSPS，對(duì)應(yīng)的帶通濾波頻率范圍為1kHz-25MHz:表1:采樣率分段設(shè)置<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>將每個(gè)濾波頻率范圍對(duì)應(yīng)的頻率分辨率與頻率范圍的下限值的比值設(shè)定為固定值，這樣在后續(xù)的信號(hào)頻譜分析中，就可以采用通用的算法程序在每個(gè)濾波頻率范圍，對(duì)采樣獲取的回波信號(hào)分別進(jìn)行離散頻譜分析處理，從而降低頻i普分析的難度，并且可以使信號(hào)處理算法的相對(duì)精度穩(wěn)定在一個(gè)近似相同的水平。相鄰的兩個(gè)濾波頻率范圍之間存在相互重疊，可以避免在頻率分界點(diǎn)附近，采樣率的頻繁切換。濾波處理模塊接收到放大處理模塊傳輸?shù)腏:大后的回波信號(hào)后，按照上述表1中默認(rèn)的濾波頻率范圍對(duì)該回波信號(hào)中的噪聲、雜波和千擾進(jìn)行濾波處理，該噪聲包括散粒噪聲、熱噪聲和量化噪聲等多種噪聲。將進(jìn)行了濾波處理后的回波信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊。濾波處理模塊在進(jìn)行濾波處理時(shí)，可以按照預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍通過(guò)兩個(gè)雙四選一模擬開關(guān)切換進(jìn)行分段濾波處理，從而進(jìn)一步地濾除非信號(hào)頻段的干擾和防止頻率混疊，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信噪比。步驟2-2、根據(jù)濾波處理后的回波信號(hào)的頻率值和預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取濾波處理后的回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的采樣率，并進(jìn)行采樣處理，將釆樣后的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。A/D轉(zhuǎn)換模塊接收上述進(jìn)行了濾波處理后的回波信號(hào)，按照上述表1中默認(rèn)的采樣率對(duì)該回波信號(hào)進(jìn)行釆樣處理，將采樣后的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)DSP模塊進(jìn)行粗測(cè)獲取該數(shù)字信號(hào)的初始頻率值。根據(jù)所述初始頻率值，查詢上述表1所示的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述初始頻率值對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和釆樣率，并作為當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率。按照所述當(dāng)前濾波頻率范圍，濾波處理模塊重新對(duì)上述放大處理模塊傳輸?shù)姆糯蠛蟮幕夭ㄐ盘?hào)進(jìn)行帶通濾波，A/D轉(zhuǎn)換模塊再按照所述當(dāng)前采樣率對(duì)所述濾波處理后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣獲取的模擬回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)傳輸給FPGA模塊，并存儲(chǔ)在FPGA模塊中的RAM(隨才幾存耳又存i者器，RandomAccessMemory)中。由于上述回波信號(hào)的頻率值是變化的，當(dāng)該頻率值變化到另外一個(gè)頻率范圍內(nèi)時(shí)，則濾波處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊需要根據(jù)變化后的頻率值查詢上述表1所示的濾波頻率范圍和釆樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，重新獲取當(dāng)前濾波頻率范圍和釆樣率。FPGA模塊產(chǎn)生不同頻率的方波信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘信號(hào)，以控制A/D轉(zhuǎn)換模塊在表1所述的六種采樣率下完成回波信號(hào)的采集。步驟2-3、對(duì)釆樣后存儲(chǔ)的回波信號(hào)運(yùn)用將自相關(guān)技術(shù)與基于頻偏校正的頻率估計(jì)相結(jié)合的頻率估計(jì)改進(jìn)算法獲取多普勒信號(hào)的頻率，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)速度值。DSP模塊從FPGA模塊中的RAM區(qū)讀取采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)運(yùn)用基于頻偏校正的頻率估計(jì)改進(jìn)算法估計(jì)出多普勒信號(hào)的頻率。該頻率估計(jì)改進(jìn)算法的處理流程如圖3所示，具體處理過(guò)程如下DSP模塊啟動(dòng)一次采集過(guò)程，默認(rèn)濾波頻率范圍為1kHz25MHz,采樣率厶為最大值(即為80M),—次從FPGA模塊中的RAM區(qū)讀取N點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。對(duì)于較短的采樣間隔2^iV/y;(w為采樣點(diǎn)數(shù)，y;為采樣頻率)內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)，可以看作幅值恒定，則得到的離散采樣序列為x(")=ae"w。",)++)。上述信號(hào)x(")中的"為采樣信號(hào)幅度，f。為信號(hào)頻率，0。為信號(hào)的初始相位，u(n)為零均值的高斯白噪聲。對(duì)上述信號(hào)x("),":0，1,2,…,V-1補(bǔ)7V個(gè)零，并對(duì)信號(hào)x(")做2W點(diǎn)FFT，求取信號(hào)的功率譜。該^點(diǎn)FFT需要Ar(l+log2AO次復(fù)數(shù)乘法和2W(1+log2W)次復(fù)數(shù)加法。在0~y;/2范圍內(nèi)搜索功率譜中的最大譜峰對(duì)應(yīng)的離散譜線yt。，并求得對(duì)應(yīng)的頻率值/。=^/;/(2^，將該io作為多普勒信號(hào)的粗估計(jì)頻率值。上述譜峰搜索過(guò)程僅需要很小的運(yùn)算量。然后，再對(duì)功率譜做逆變換得到X(/7)的自相關(guān)函數(shù)，"=0，1，2，'"2^-1。上述逆變換需要與做W點(diǎn)FFT同樣次數(shù)的乘法和加法。由于信號(hào)和噪聲是相互獨(dú)立的過(guò)程，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定義，信號(hào)只與信號(hào)本身相關(guān)與噪聲不相關(guān)，而噪聲之間一般也是不相關(guān)的，r(")與原信號(hào)x(n)具有相同的頻率，因此，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算可以有效的去除干擾，提高信號(hào)的信噪比，而且不影響信號(hào)的頻率特性。用粗估計(jì)得到的頻率值/。創(chuàng)建一個(gè)w點(diǎn)的新序列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>將該新序列與自相關(guān)函數(shù)相乘，即對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行移頻處理，得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>設(shè)最終的多普勒信號(hào)的頻率值為/,頻率偏差/^:/。-./。。求取的自相關(guān)函數(shù)在m點(diǎn)的自相關(guān)值:^的相位0=2;/>為厶的一次函數(shù)，且相位0〈；r，因此，利用/2的反正切值可以無(wú)模糊的得到進(jìn)而可以得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>在實(shí)際應(yīng)用中，可以取w二n，貝寸<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中r(AO可以根據(jù)自相關(guān)函數(shù)/^)得出，且由FFT因子的對(duì)稱性可知<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>就可以省去iV次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。查詢上述表1獲得上述/。對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和采樣率。然后，按照該查詢得到的濾波頻率范圍和采樣率繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，繼續(xù)運(yùn)用基于頻偏校正的頻率估計(jì)改進(jìn)算法重新獲取多普勒信號(hào)的頻率。判斷該重新獲取的頻率是否上述/。對(duì)應(yīng)的頻率范圍，如果是，則按照當(dāng)前的濾波頻率范圍和釆樣率繼續(xù)釆集后續(xù)數(shù)據(jù)；否則，查詢上述表1獲得上述重新獲取的頻率對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和采樣率，并作為當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率，按照該當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。最后，按照上述公式1，根據(jù)多普勒信號(hào)的頻率/。計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)速度值。DSP模塊將得到的目標(biāo)速度值輸出給液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，并且將目標(biāo)速度值輸出給FPGA模塊進(jìn)行保存。上述DSP模塊可以設(shè)置在PC機(jī)中，此時(shí)，PC機(jī)通過(guò)通信接口從FPGA模塊讀取數(shù)據(jù)，運(yùn)用上述基于頻偏校正的頻率估計(jì)改進(jìn)算法獲取多普勒信號(hào)的頻率，計(jì)算出#:測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)速度值。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例將自相關(guān)技術(shù)與基于頻偏校正的頻率估計(jì)算法相結(jié)合，可以有效地計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，保證在整個(gè)頻段范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果的誤差比較平緩，性能穩(wěn)定，能夠適用于噪聲較強(qiáng)的情況。并有效利用進(jìn)行頻率粗估計(jì)時(shí)得到的信號(hào)功率譜，減少整個(gè)算法的計(jì)算量。本發(fā)明實(shí)施例采用分段濾波與變采樣率相結(jié)合，可以有效的提高信噪水平，使得在DSP模塊中可采用通用的算法進(jìn)行處理，達(dá)到相同的估計(jì)精度。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1、一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，其特征在于，包括信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)被測(cè)目標(biāo)的回波信號(hào)，該回波信號(hào)為經(jīng)過(guò)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)信號(hào)處理DSP模塊，用于讀取所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中的回波信號(hào)并進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，求得信號(hào)的功率譜，根據(jù)所述功率譜得到粗估計(jì)頻率值；對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到校正頻率值，將所述粗估計(jì)頻率值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述裝置還包括濾波處理模塊，用于接收放大處理后的回波信號(hào)，根據(jù)所述回波信號(hào)的頻率值查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述頻率值對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍，按照該濾波頻率范圍對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，將濾波處理后的回波信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)所述回波信號(hào)的頻率值查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述頻率值對(duì)應(yīng)的采樣率，按照該采樣率對(duì)所述濾波處理模塊輸出的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣獲取的模擬的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的回波信號(hào)，將該數(shù)字的回波信號(hào)傳輸給信號(hào)存儲(chǔ)模塊。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述裝置還包括放大處理模塊，用于接收多普勒測(cè)速激光雷達(dá)中的探測(cè)器輸出的回波信號(hào)，將該回波信號(hào)放大到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的幅度，將放大后的回波信號(hào)傳輸給濾波處理模塊；顯示模塊，用于將所述DSP模塊所獲取的被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行顯示。4、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的濾波處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊包括采樣率和濾波頻率范圍分段設(shè)置模塊，用于設(shè)定不同的濾波頻率范圍分別對(duì)應(yīng)不同的采樣率，并且各段濾波頻率范圍中的相鄰兩段之間互相重疊，將各個(gè)濾波頻率范圍和對(duì)應(yīng)的采樣率進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置，其特征在于，所述的DSP模塊具體包括信號(hào)讀取模塊，用于對(duì)所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的回波信號(hào)進(jìn)行讀取；粗估計(jì)頻率值計(jì)算模塊，用于對(duì)所述信號(hào)讀取模塊所讀取的回波信號(hào)進(jìn)行2倍采樣點(diǎn)的FFT,求取FFT后的回波信號(hào)的功率譜，搜索該功率譜的最大譜峰對(duì)應(yīng)的離散譜線，根據(jù)該離散譜線、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值；校正頻率值計(jì)算模塊，用于對(duì)所述功率i普進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，利用所述粗估計(jì)頻率值對(duì)該自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行移頻處理，求取移頻處理后信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在指定點(diǎn)的自相關(guān)值，根據(jù)該自相關(guān)值計(jì)算出所述回波信號(hào)的校正頻率值；運(yùn)動(dòng)速度獲取模塊，用于將所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率和激光束與被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度；當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率控制模塊，用于判斷運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算模塊獲取的多普勒頻率與當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率是否對(duì)應(yīng)，如果是，則維持當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率不變；否則，根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算模塊獲取的多普勒頻率查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，重新確定當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率。6、一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，其特征在于，包括對(duì)被測(cè)目標(biāo)返回的經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的回波信號(hào)進(jìn)行FFT，根據(jù)FFT后的回波信號(hào)的功率譜獲取所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值，對(duì)所述功率謙進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到所述回波信號(hào)的校正頻率值；將所述信號(hào)頻率粗估計(jì)值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，其特征在于，所述方法之前還包括接收多普勒測(cè)速激光雷達(dá)中的探測(cè)器輸出的回波信號(hào)，將該回波信號(hào)放大到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的幅度，對(duì)放大后的回波信號(hào)按照默認(rèn)的濾波頻率范圍和采樣率分別進(jìn)行濾波處理和釆樣，對(duì)采樣的回波信號(hào)進(jìn)行粗測(cè)得到回波信號(hào)的初始頻率值；根據(jù)所述初始頻率值，查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲取所述初始頻率值對(duì)應(yīng)的濾波頻率范圍和采樣率，按照該濾波頻率范圍對(duì)所述放大后的回波信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，按照所述采樣率對(duì)所述濾波處理后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣獲取的模擬回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，其特征在于，所述預(yù)先設(shè)定的各段濾波頻率范圍中的相鄰兩段之間互相重疊。9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，其特征在于，所述的對(duì)被測(cè)目標(biāo)返回的經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的回波信號(hào)進(jìn)行FFT，根據(jù)FFT后的回波信號(hào)的功率譜獲取所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值，對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到所述回波信號(hào)的校正頻率值的過(guò)程，具體包括對(duì)所述存儲(chǔ)的數(shù)字的回波信號(hào)進(jìn)行讀取，對(duì)讀取的回波信號(hào)進(jìn)行2倍采樣點(diǎn)的FFT，求取FFT后的回波信號(hào)的功率譜，搜索該功率譜的最大譜峰對(duì)應(yīng)的離散譜線，根據(jù)該離散譜線、采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算出所述回波信號(hào)的粗估計(jì)頻率值；對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，利用所述粗估計(jì)頻率值對(duì)該自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行移頻處理，求取移頻后的自相關(guān)函數(shù)在指定點(diǎn)的自相關(guān)值，根據(jù)該自相關(guān)值計(jì)算出所述回波信號(hào)的校正頻率值。10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理方法，其特征在于，所述的方法還包括判斷所述多普勒頻率與當(dāng)前濾波頻率范圍、采樣率是否對(duì)應(yīng)，如果是，則維持當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率不變；否則，根據(jù)所述多普勒頻率查詢預(yù)先設(shè)定的濾波頻率范圍和采樣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，重新確定當(dāng)前濾波頻率范圍和采樣率。全文摘要本發(fā)明提供了一種多普勒測(cè)速激光雷達(dá)的回波信號(hào)處理裝置和方法。該裝置主要包括信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)被測(cè)目標(biāo)的回波信號(hào)，該回波信號(hào)為經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)；DSP模塊，用于讀取所述信號(hào)存儲(chǔ)模塊中的回波信號(hào)并進(jìn)行FFT，求得信號(hào)的功率譜，根據(jù)所述功率譜得到粗估計(jì)頻率值；對(duì)所述功率譜進(jìn)行逆FFT得到所述回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)該自相關(guān)函數(shù)得到校正頻率值，將所述粗估計(jì)頻率值和校正頻率值相加得到所述回波信號(hào)的多普勒頻率，根據(jù)該多普勒頻率計(jì)算出所述被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明將自相關(guān)技術(shù)與基于頻偏校正的頻率估計(jì)改進(jìn)算法相結(jié)合，可以有效地計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的速度。文檔編號(hào)G01S7/48GK101320086SQ20081011581公開日2008年12月10日申請(qǐng)日期2008年6月27日優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日發(fā)明者迪馮,張春熹,攀歐,王紀(jì)強(qiáng),倫田,賈豫東申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)