利用两个彼此周期性交错序列的相位调制进行环境检测的相干式激光雷达系统的制作方法

本发明涉及尤其用于机动车辆环境检测的一种相干工作的激光雷达系统。相干式激光雷达系统利用相位调制进行工作，该相位调制根据本发明包含两个彼此周期性交错的序列，其中一个序列主要用于确定对象的相对速度，另一序列用于确定对象的距离。

背景技术：

1、越来越多的机动车辆配备了驾驶辅助系统，这类驾驶辅助系统借助传感器系统检测环境，并从由此识别的交通情形中启动车辆的自动反应和/或对驾驶员作出指示，尤其是提出警告。在此，在舒适性功能与安全性功能之间存在差别。

2、如今正朝着更进一步的方向发展。不仅会对驾驶员提供协助，而且驾驶员的任务将越来越多地由车辆自主完成，即驾驶员的操控将越来越多地被取代；这被称为自主驾驶。

3、自主驾驶尤其需要传感器提供高度精准并易于机器解读的环境信息。雷达系统的角度精度和角度分辨能力有限，至少目前还无法单独或与摄像系统结合，满足这些高检测要求。因此，人们同时使用激光雷达系统，它具有与摄像装置类似的(水平和垂直)高角度分辨率，还能在每个像素中提供距离信息和距离分辨能力。如今，人们主要使用所谓的飞行时间激光雷达系统，这种系统将电磁辐射视为粒子，所属系统只能直接测量距离，不能直接测量相对速度。不过，相干工作的激光雷达系统如今也正日益成为关注重点，这种系统(与雷达系统一样)从波的角度处理电磁辐射，由此也可通过多普勒效应直接测量对象的相对速度。相干激光雷达系统的其他优点还包括，系统一方面对(例如由其他激光雷达系统或日光等)其他来源的干扰具有鲁棒性；另一方面对较远距离具有更高的灵敏度，因此可实现更远的作用范围。此外，相干激光雷达系统在半导体高集成度方面具有更高的潜力，这有望降低制造成本。

4、在相干激光雷达系统中，要发送的电磁波经过调制，即电磁波在振幅、频率或相位中至少有一个参数会随时间变化，否则就无法进行距离测量。相干激光雷达系统中最常用的调制方式是线性频率调制(fmcw＝频率调制连续波)，它通常由两个斜率符号相反的频率斜坡构成。然而，这种调制方式尤其在同一波束方向有多次反射的情况下存在模糊性问题，此外，产生高度线性的频率变化也是复杂的。在(例如通过离散相位值进行伪随机切换等)相位调制中不会出现或较少出现这些缺点，但接收信号的数字化分析评估更为复杂，而且现有技术中提出的方法尤其在灵敏度和与之相关的作用范围方面也存在缺点。

技术实现思路

1、本发明的任务是为具有相位调制的相干激光雷达系统提供一种解决方案，它至少接近尽可能大的检测灵敏度、检测精度和检测分离能力，并且不需要过高的数字化计算工本。

2、该任务原则上通过根据权利要求1所述激光雷达系统完成。在从属权利要求中提出了根据使用目的所述的本发明设计方案。其核心想法是，相位调制序列包括两个彼此周期性交错的序列，其中一个序列主要用于确定对象的相对速度，另一序列用于确定对象距离。

3、本发明的优点在于，可实现性能更高、价格更低的激光雷达系统。

4、在根据本发明的用于检测环境的相干工作的激光雷达系统中，发送相位调制信号，其中，该信号的相位是通过离散值——即来自相位值序列的值——之间的切换生成的，相位的这些切换的时间点构成等距时间网格的子集。此外，接收由对象反射的信号，该反射的信号相对于发送信号由于与距离相关的传输时间而延迟，该反射的信号相对于发送信号在频率方面由于与相对速度相关的多普勒效应而前移，这些信号通过混频转换为一低频信号，并被数字化为一接收序列，其中，在数字信号处理装置中从该接收序列确定由对象反射的信号的可变维度(变化的尺度)，即时移和频移。在此，相位调制序列包含两个彼此周期性交错的序列，其中，第一序列具有恒定的或周期性的相位值并主要用于确定频移，第二序列基本上不规则地在多个相位值之间变换并被用于确定时移。

5、根据相干工作的激光雷达系统一优选设计方案，第一序列可在相差约180°的两个相位值之间交替。

6、此外，第二序列可以要么在离散相位值之间伪随机地变换，要么由自相关(部分)具有低旁瓣的代码构成。

7、优选使用的是一种二元的相位调制，即相位调制仅由两个相差约180°的相位值构成。

8、有利的是，这两个序列可以是彼此交替的交错序列，即基于调制率的周期为二。

9、根据一具体的变型方案，由两个彼此周期性交错的序列构成的相位调制序列也可以周期性地重复，其中，尤其在激光束连续扫描的情况下，利用调制序列和接收序列的周期性特性，并在各不同方向上实现检测。

10、优选地，激光束连续地扫描，对于相继的多个检测方向使用——必要时可能是周期性的——长的相位调制序列的重叠部分，该长的相位调制序列包括两个彼此周期性交错的序列。

11、此外，根据本发明所述激光雷达系统，相位调制序列包括两个彼此周期性交错的序列，其中，相对于接收序列的采样时间该交错具有周期n1。为了确定对象的频移，在来自第一序列的周期性的网格的、以及来自所述网格的n1-1偏移的接收序列的值上计算n1个离散傅里叶变换，优选借助快速傅里叶变换计算离散傅里叶变换，必要时被零中断或以零扩展，其中所述偏移分别增加一个网格值。在n1个离散傅里叶变换的每次变换中，确定位于检测阈值以上的幅度峰值的相应频率，并根据各相应频率和各相应网格偏移，将第二序列周期性网格中相应偏移的接收序列进行频率回转，其中，在由此生成的序列与第二调制序列之间、从该相关性的数值、尤其是高于检测阈值的幅度峰值，以及各相应的网格偏移、各相应的时移分别确定一相关性，并由此确定对象的距离，并从各相应频率确定各相应对象的径向相对速度，其中，必要时借助离散傅里叶变换值和相关性之间的相位关系解决频率中的模糊性。

12、有利地，为确定离散傅里叶变换的幅度峰值，使用一第一检测阈值，将离散傅里叶变换的复数值和其幅度峰值处相关联的各相应复数值相加，必要时进行多次相加，并对可能的相移进行补偿，然后检查这些相加的和是否符合一第二检测阈值，其中，第一检测阈值应略高于噪声。

技术特征：

1.用于环境检测的、相干工作的激光雷达系统，该激光雷达系统

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，第一序列在相差约180°的两个相位值之间交替。

3.根据上述权利要求中任一权利要求所述的激光雷达系统，其中，第二序列要么在离散相位值之间伪随机地变换，要么由代码构成，所述代码的自相关具有低旁瓣。

4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的激光雷达系统，其中，使用的是二元相位调制，即仅由两个相差约180°的相位值构成。

5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的激光雷达系统，其中，两个序列是彼此交替的交错序列，即基于调制率的周期为二。

6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的激光雷达系统，其中，由两个彼此周期性交错的序列构成的相位调制序列周期性地重复，其中，尤其在激光束连续扫描的情况下，利用调制序列和接收序列的周期性特性，并在各不同方向上实现检测。

7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的激光雷达系统，其中，激光束连续地扫描，对于相继的多个检测方向使用——必要时可能是周期性的——长的相位调制序列的重叠部分，该长的相位调制序列包括两个周期性彼此交错的序列。

8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的雷达系统，其中，

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，为确定离散傅里叶变换的幅度峰值，使用第一检测阈值，将离散傅里叶变换的在该幅度峰值处的复数值和相对应的相关性在其幅度峰值处的相应复数值相加，必要时在对可能的相移进行补偿的情况下进行多次相加，然后基于第二检测阈值对这样的和进行检查，其中，第一检测阈值略高于噪声。

技术总结
本发明涉及一种用于环境检测的、相干工作的激光雷达系统，其发送相位调制信号，该信号的相位是通过在离散值——即来自相位值序列的值——之间的切换生成的，相位的切换的时间点构成一等距时间网格的子集；接收由对象反射的信号，其相对于发送信号由于与距离相关的传输时间而延迟并在频率方面由于与相对速度相关的多普勒效应而前移，并通过混频将反射的信号转换成低频信号并数字化为接收序列；在数字信号处理装置中由接收序列确定由对象反射的信号的可变维度，即时移和频移；相位调制序列包括两个彼此周期性交错的序列，第一序列具有恒定的或周期性的相位值并被主要用于确定频移，而第二序列基本上不规则地在各相位值之间变换并被用于确定时移。

技术研发人员：M·温特曼特尔
受保护的技术使用者：大陆智行德国有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18