黃少偉，雷閏龍，毛雪松

(1.肇慶學(xué)院，計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院/大數(shù)據(jù)學(xué)院，肇慶 526061；2.武漢科技大學(xué)，信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

距離和速度是在動(dòng)態(tài)場景中完成智能駕駛路徑規(guī)劃所必須兩個(gè)重要的參數(shù)，目前能夠完成這兩個(gè)參數(shù)同時(shí)測量的設(shè)備只有毫米波雷達(dá)[1]。但是由于毫米波雷達(dá)發(fā)射的波束較寬，不能實(shí)現(xiàn)對測量空間的3D成像。隨著智能駕駛技術(shù)的發(fā)展和駕駛場景趨于復(fù)雜化，研制激光雷達(dá)成為一個(gè)必要的需求。

應(yīng)用于智能駕駛的激光雷達(dá)發(fā)射一個(gè)短脈沖，通過測量脈沖的飛行時(shí)間獲取目標(biāo)的距離，為了提高距離測量的精度，這種方法使用的脈沖長度只有幾納秒[2]。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在光頻上產(chǎn)生的多普勒頻率范圍為幾兆到上百兆赫茲，因此如果使用外差檢測法，光脈沖的長度遠(yuǎn)小于多普勒信號的一個(gè)頻率周期，而使用傅里葉變換計(jì)算信號頻率要求信號的長度大于多普勒頻率的一個(gè)周期?；谶@一原因，目前激光雷達(dá)不能在測量目標(biāo)距離的同時(shí)，利用多普勒測量目標(biāo)的速度，而只是根據(jù)所測對象相對于時(shí)間的距離變化率來給出速度的估值，所需時(shí)間長、誤差較大。

毫米波雷達(dá)測量目標(biāo)距離和速度使用頻率調(diào)制連續(xù)波[3-4]，從技術(shù)上看，目前還不能在光頻上制作出性能良好的三角啁啾信號，因此在激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)中不能借鑒毫米波雷達(dá)的測量方法。

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的同時(shí)測量，本課題組提出使用非等間隔脈沖序列的方式，并用數(shù)據(jù)累加增強(qiáng)接收機(jī)的抗噪聲性能，研制非等間隔信號頻譜分析方法，計(jì)算包含在回波內(nèi)的多普勒信號的頻率[5-7]。在這些方法中，脈沖位置幅度調(diào)制方法具有良好的抗干擾性能、僅需單個(gè)光電檢測器即可實(shí)現(xiàn)距離速度同時(shí)測量。為了生成位置幅度調(diào)制的光脈沖序列，需要產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖序列[8]，本文基于信號狀態(tài)機(jī)，在FPGA上實(shí)現(xiàn)脈沖位置調(diào)制序列，并利用可編程放大模塊，根據(jù)脈沖間隔實(shí)現(xiàn)對信號的放大，從而得到位置幅度調(diào)制的脈沖序列。該序列可作用與電光調(diào)制器的RF端口，使電光調(diào)制器輸出相應(yīng)的光脈沖序列[9]，再經(jīng)光放大器線性放大，即可作為激光雷達(dá)的發(fā)送信號，使其具備同時(shí)測量目標(biāo)距離和速度的能力。

1 位置幅度調(diào)制信號的格式

首先，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)激光雷達(dá)測量的空間點(diǎn)數(shù)確定脈沖序列的長度。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)的測量點(diǎn)數(shù)為M，則完成一次測量的信號長度最大為1/M。設(shè)激光雷達(dá)的最大測量距離為d，則每個(gè)脈沖的飛行時(shí)間為τ=2d/c。為了等待脈沖序列中最后一個(gè)脈沖到達(dá)激光雷達(dá)的接收機(jī)，在兩次測量之間需要設(shè)置長度為τ的空閑時(shí)間間隔，因此脈沖序列的長度取1/M-τ。

然后，將序列長度1/M-τ劃分為N個(gè)等間隔的時(shí)間片段，在每個(gè)時(shí)間端內(nèi)的隨機(jī)位置處放置一個(gè)脈沖，即可構(gòu)成位置調(diào)制的脈沖序列，如圖1(a)所示。使用這種調(diào)制格式可以利用數(shù)據(jù)累加為距離測量獲得良好的抗噪聲性能[7]。

圖1 位置調(diào)制脈沖序列的格式

將窄脈沖序列看作采樣脈沖，則由位置調(diào)制脈沖序列構(gòu)成的回波與本地連續(xù)激光相干輸出為多普勒信號的不等間隔采樣，而快速傅里葉變換算法僅適用于等間隔采樣數(shù)據(jù)，因此需要對接收到的回波預(yù)處理。根據(jù)傅里葉變換的定義

(1)

如果采樣間隔不相等則將ΔT修改為ΔTi，得到

(2)

比較(1)式和(2)式，可以看出如果采樣數(shù)據(jù)間隔不相等，只需將數(shù)據(jù)和間隔相乘，得到的新數(shù)據(jù)就可以利用FFT來計(jì)算信號的頻譜，所得到的頻譜與真實(shí)頻譜之間僅有幅度上的差異。用多普勒測量目標(biāo)的速度，僅需通過頻譜計(jì)算求出多普勒信號的頻率，對頻譜的幅度不關(guān)心，因此在激光雷達(dá)的回波信號處理中可以使用這一方法。

然而，雷達(dá)回波通常淹沒在噪聲中，利用(2)式對回波脈沖幅度調(diào)整需要知道回波的位置，因此實(shí)際上需要首先利用數(shù)據(jù)累加方法確定出脈沖序列的位置，該方法存在速度測量對距離測量的依賴性。實(shí)際上，光信號的衰減和發(fā)射光強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，可以將幅度與間隔相乘這一過程調(diào)整到發(fā)射端，即將序列中每個(gè)脈沖的幅度放大到原來的ΔTi倍，構(gòu)成新的位置幅度同時(shí)調(diào)制的脈沖序列，如圖1(b)所示。發(fā)射這種格式的光信號，則可以將接收數(shù)據(jù)直接使用FFT就可以得到多普勒信號的頻率。為了得到這種格式的光信號，需要產(chǎn)生相應(yīng)格式的電信號。

2 位置幅度調(diào)制序列的生成方法

為演示位置幅度調(diào)制脈沖序列的生成方法，本文選擇利用FPGA生成偽隨機(jī)序列，并利用信號放大模塊放大脈沖幅度，系統(tǒng)的原理如圖2所示。為比較原始位置調(diào)制脈沖序列和位置幅度調(diào)制序列，從DA模塊引出兩個(gè)輸出，一個(gè)連接到示波器用于觀察，另一個(gè)輸出到信號放大模塊。

圖2 脈沖序列生成的原理

作為原理演示，本文選用的FPGA型號為STEP MAXO2-V2小腳丫開發(fā)板，DA模塊選取MCP4822，其自身帶有參考電壓源，可作為最大電壓完成軌到軌輸出，并用SPI協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，其LDAC引腳可用于鎖定DAC同時(shí)輸出，通過軟件編寫設(shè)定增益選擇位可選擇單位增益或雙倍增益輸出。信號放大模塊選用AD623，是一款可編程增益放大器，由單電源供電，供電范圍3V～12V。

模塊之間的通信采用SPI通信模式，根據(jù)SPI通信的特點(diǎn)，采用一個(gè)簡單的線性有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，即每到一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)需要完成對應(yīng)的工作。選擇使用CASE語句完成計(jì)數(shù)器的時(shí)間判斷，可以很好地在對應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成對底層基本的數(shù)據(jù)傳送。

偽隨機(jī)碼可以通過m多項(xiàng)式產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)中需要在一定時(shí)間T內(nèi)的M個(gè)不同時(shí)間段中分別放置1個(gè)碼元表示脈沖的位置，為此使用循環(huán)移位寄存器，圖3為設(shè)計(jì)中使用的簡單移位寄存器。按照位置幅度調(diào)制脈沖序列的構(gòu)成原則，第一個(gè)脈沖幅度保持不變，然后對其后的0計(jì)數(shù)，直到遇到下一個(gè)1碼元為止，0的個(gè)數(shù)為N，則將遇到的該碼元放大N倍，依次形成幅度隨脈沖間隔距離變化的波形?？紤]到器件最大供給電壓為5V，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意到1碼元對應(yīng)最小幅值應(yīng)為1V，對電壓放大按照倍數(shù)來算最大能放大到5V，按照倍數(shù)關(guān)系，也就是說兩個(gè)1碼元間隔最多為4。照此確定下來，時(shí)間片M中可以有3個(gè)碼元，時(shí)間片M可以是5個(gè)這樣時(shí)間T為15個(gè)碼元的寬度。

圖3 移位寄存器結(jié)構(gòu)圖示例

按照前述的原理，主要是在隨機(jī)序列上進(jìn)行判斷然后進(jìn)行處理，使用一段式狀態(tài)機(jī)，如圖4所示，在狀態(tài)S0中，遇到第一個(gè)碼元，先不進(jìn)行判斷，接下來跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)S1，在S1狀態(tài)中分為兩種情況，第一種情況是目前狀態(tài)是檢測到0，另一種狀態(tài)是檢測到1，在檢測到0的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)數(shù)用一個(gè)變量AM_X進(jìn)行存儲(chǔ)，一直重復(fù)在S1的狀態(tài)，直到檢測到下一個(gè)1時(shí)，然后清除AM_X的數(shù)據(jù)，給它賦值為0。然后跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)狀態(tài)S2，在S2狀態(tài)下開始檢測，若檢測到0，進(jìn)行計(jì)數(shù)AM_X自加一，然后在S2狀態(tài)下繼續(xù)檢測，繼續(xù)直到檢測到1時(shí)，跳出S2狀態(tài)，然后對AM_X進(jìn)行清零，并且進(jìn)入S1狀態(tài)中。

圖4 信號處理狀態(tài)圖

整個(gè)處理過程的狀態(tài)始終在S1與S2中進(jìn)行循環(huán)，使發(fā)射機(jī)總是處于發(fā)射脈沖的狀態(tài)。信號放大N+1倍，不是通過程序直接倍乘，而是采用MCP41100與CP2102的聯(lián)合驗(yàn)證調(diào)試，將DA模塊的數(shù)值與MCP41100的數(shù)值結(jié)合起來，完成理論上的N+1倍的效果，這樣的思路就是在對應(yīng)的倍數(shù)上，使用CASE語句完成這個(gè)功能。

3 仿真結(jié)果

把程序編譯下載到開發(fā)板中，LED燈閃爍，表示偽隨機(jī)序列正在不斷地生成，將示波器通道一接到信號放大模塊的信號輸出端，通道二接到DA模塊的原始序列上，進(jìn)行觀察。如圖5所示，顯示了3個(gè)時(shí)間T的信號波形，明顯看到黃色(通道一)信號有很明顯的幅度起伏，對應(yīng)于位置幅度調(diào)制脈沖序列，而綠色信號(通道二)幅度不是有很大的起伏，對應(yīng)于位置調(diào)制脈沖序列。

圖5 示波器觀察的位置調(diào)制和位置幅度調(diào)制脈沖序列

將圖5的脈沖序列在時(shí)間軸上放大，如圖6所示，綠色信號為位置調(diào)制脈沖序列，標(biāo)號為①和②的黃色信號一個(gè)高一個(gè)低，因?yàn)?脈沖和2脈沖之間的間隔為0，所以標(biāo)號②對應(yīng)的脈沖放大(0+1)倍，也就是保持幅度不變，在標(biāo)號②與標(biāo)號③之間存在兩個(gè)0碼元間隔，則對應(yīng)的標(biāo)號③碼元的脈沖幅度幅度應(yīng)放大(2+1)倍。作為原理演示，觀察到兩個(gè)脈沖相鄰的情況，在激光雷達(dá)脈沖波形的實(shí)際制作中，可以通過程序避免這一情況的發(fā)生。

圖6 位置幅度調(diào)制脈沖序列的放大顯示

假設(shè)激光雷達(dá)的光源波長為1550nm，道路環(huán)境中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度范圍從行人步行速度的1m/s到高速公路兩車相向而行的最大360km/h，則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號頻從1.29MHz到129MHz。使用這一頻率范圍內(nèi)的多普勒信號去調(diào)制信號板生成的位置幅度電脈沖信號，得到對多普勒信號的不等間隔采樣，然后直接使用FFT計(jì)算多普勒信號的頻率。在仿真中，為了使數(shù)據(jù)能夠與激光雷達(dá)實(shí)際波形匹配，對電脈沖序列在時(shí)間軸上做了壓縮，因?yàn)樽鳛樵硌菔荆瑢?shí)驗(yàn)中使用的FPGA板無法產(chǎn)生超短脈沖序列。得到的信號頻譜如圖7所示，結(jié)果表明該位置幅度調(diào)制序列在速度測量方面產(chǎn)生的多普勒誤差小70kHz，對應(yīng)速度誤差低于0.054m/s。距離測量方面，可與文獻(xiàn)[10]一致，采用數(shù)據(jù)累加方法，獲得很高的抗噪聲性能。

圖7 位置幅度調(diào)制脈沖序列被多普勒調(diào)制后直接使用FFT計(jì)算得到的頻譜圖

4 結(jié)語

本文通過使用FPGA和信號放大模塊，實(shí)現(xiàn)了位置幅度同時(shí)調(diào)制的脈沖序列電信號，可以將該序列作用于電光調(diào)制器的RF端口，生成相應(yīng)的光脈沖序列。將位置和幅度同時(shí)調(diào)制的光脈沖序列作為汽車激光雷達(dá)的測量信號波形，可以在幾微秒的時(shí)間內(nèi)同時(shí)測量目標(biāo)的距離和速度，且具有良好的抗噪聲和干擾性能，在智能汽車道路環(huán)境感知中具有很好的應(yīng)用前景。