本發(fā)明屬于激光測(cè)距，具體涉及一種基于重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的激光雷達(dá)測(cè)距方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)是一種利用激光進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和距離測(cè)量的高效測(cè)量技術(shù)，它通過比較發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的相位、頻率和其他信息來獲得目標(biāo)的距離信息。激光雷達(dá)具有分辨率高、指向性強(qiáng)、波束寬度窄等優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境感知、氣象研究和高精度測(cè)距中不可或缺。

2、雖然激光雷達(dá)的性能不斷提高，但是激光雷達(dá)測(cè)距仍然存在挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)通過測(cè)量解線性調(diào)頻信號(hào)的頻率獲取目標(biāo)的距離信息，解線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬由觀測(cè)場(chǎng)景的距離決定。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，采樣頻率必須大于帶寬的兩倍。寬闊的觀測(cè)場(chǎng)景需要更高的采樣率、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)處理能力。這些需求隨著帶寬和觀測(cè)場(chǎng)景范圍的增加而增加。此外，與微波信號(hào)相比，激光雷達(dá)信號(hào)衰減迅速，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)信噪比低，影響高精度遠(yuǎn)距離測(cè)距。

3、目前，針對(duì)提高雷達(dá)測(cè)距性能的研究，主要分為兩方面，一方面是通過改進(jìn)的譜估計(jì)方法，來提高系統(tǒng)的理論測(cè)距精度，該方法滿足奈奎斯特采樣定理，對(duì)于超寬帶寬、測(cè)距范圍大的雷達(dá)信號(hào)按照奈奎斯特采樣定理的采樣率會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大，難以高效處理；另一種方法是采用多通道技術(shù)、壓縮感知技術(shù)或深度學(xué)習(xí)技術(shù)來提高測(cè)距精度。壓縮感知往往采用隨機(jī)采樣，難以實(shí)現(xiàn)，容易產(chǎn)生時(shí)間誤差，雖然多通道技術(shù)有望提高測(cè)距性能，但它通常忽略了通道之間的時(shí)間誤差。因此，現(xiàn)有的技術(shù)通過改進(jìn)譜估計(jì)方法來提高激光雷達(dá)測(cè)距性能，對(duì)于超寬帶寬、測(cè)距范圍大的雷達(dá)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)量巨大，占用硬件資源大，硬件上實(shí)現(xiàn)困難；利用壓縮感知技術(shù)進(jìn)行隨機(jī)采樣，雖然降低了數(shù)據(jù)量，但是技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，容易產(chǎn)生時(shí)間采樣誤差；多通道技術(shù)通常忽略了通道之間的時(shí)間采樣誤差，使得測(cè)距精度難以保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的激光雷達(dá)測(cè)距方法及系統(tǒng)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的激光雷達(dá)測(cè)距方法，所述方法包括：

3、利用各互質(zhì)通道對(duì)激光雷達(dá)回波進(jìn)行采樣，得到解線性調(diào)頻信號(hào)頻譜；

4、基于所述解線性調(diào)頻信號(hào)頻譜，得到各互質(zhì)通道的頻譜和時(shí)域頻譜；基于所述時(shí)域頻譜和各互質(zhì)通道中采樣到的目標(biāo)點(diǎn)的相位信息，分別得到粗采樣時(shí)間誤差和精采樣時(shí)間誤差，從而得到多通道采樣時(shí)間誤差；

5、基于各互質(zhì)通道的頻譜的相位誤差因子和所述多通道采樣時(shí)間誤差，建立采樣時(shí)間誤差補(bǔ)償下的第一測(cè)距模型；

6、根據(jù)所述激光雷達(dá)回波得到初始的激光雷達(dá)距離像，基于所述初始的激光雷達(dá)距離像得到稀疏約束系數(shù)；

7、基于所述第一測(cè)距模型和所述稀疏約束系數(shù)，建立自適應(yīng)混合重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的第二測(cè)距模型，從而得到估計(jì)距離像；

8、基于當(dāng)前的估計(jì)距離像，利用預(yù)設(shè)處理方式得到目標(biāo)距離像；其中，所述預(yù)設(shè)處理方式包括：根據(jù)當(dāng)前的估計(jì)距離像得到目標(biāo)重加權(quán)權(quán)重矩陣，基于所述目標(biāo)重加權(quán)權(quán)重矩陣得到目標(biāo)重加權(quán)近似hessian矩陣，基于所述近似hessian矩陣，利用共軛梯度法得到目標(biāo)距離像；

9、基于判斷標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前的目標(biāo)距離像是否滿足要求，若是，則根據(jù)當(dāng)前的目標(biāo)距離像得到目標(biāo)距離信息；否則，將得到的目標(biāo)距離信息替代估計(jì)距離像，返回所述基于當(dāng)前的估計(jì)距離像，利用預(yù)設(shè)處理方式得到目標(biāo)距離像的步驟，得到新的目標(biāo)距離像，直至新的目標(biāo)距離像滿足要求，從而得到目標(biāo)距離信息。

10、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述時(shí)域頻譜和各互質(zhì)通道中采樣到的目標(biāo)點(diǎn)的相位信息，分別得到粗采樣時(shí)間誤差和精采樣時(shí)間誤差，從而得到多通道采樣時(shí)間誤差，包括：

11、利用互相關(guān)函數(shù)對(duì)所述時(shí)域頻譜進(jìn)行互相關(guān)處理，得到粗采樣時(shí)間誤差；

12、根據(jù)各互質(zhì)通道中采樣到的目標(biāo)點(diǎn)的相位信息，得到精采樣時(shí)間誤差；

13、基于所述粗采樣時(shí)間誤差和所述精采樣時(shí)間誤差，利用相位解耦的方法得到多通道采樣時(shí)間誤差。

14、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采樣時(shí)間誤差補(bǔ)償下的第一測(cè)距模型，表示為：

15、min||a||1，s.t.[smco_g＝(θ⊙φmco)a+n]；

16、其中，||·||1表示l1范數(shù)，s.t.表示約束條件，smco_g表示基于具有采樣時(shí)間誤差的多通道互質(zhì)低采樣得到的回波，θ表示采樣時(shí)間誤差的相位誤差矩陣，⊙表示哈達(dá)瑪積，φmco表示不存在互質(zhì)采樣誤差的感測(cè)矩陣，a表示要重建的距離像，n表示噪聲。

17、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述初始的激光雷達(dá)距離像得到稀疏約束系數(shù)，包括：

18、基于所述初始的激光雷達(dá)距離像得到估計(jì)噪聲方差和估計(jì)尺度因子；

19、基于所述估計(jì)噪聲方差和所述估計(jì)尺度因子得到所述稀疏約束系數(shù)。

20、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述初始的激光雷達(dá)距離像得到估計(jì)噪聲誤差和估計(jì)尺度因子，包括：

21、對(duì)所述初始的激光雷達(dá)距離像進(jìn)行區(qū)分處理，得到所述初始的激光雷達(dá)距離像中的目標(biāo)區(qū)域和噪聲區(qū)域；

22、對(duì)所述噪聲區(qū)域中不包含目標(biāo)的噪聲單元進(jìn)行向量化，得到噪聲向量ano；

23、基于所述噪聲向量ano，利用第一公式得到所述估計(jì)噪聲方差；其中，所述第一公式如下：

24、σ2＝e{(ano)hano}；

25、其中，σ表示估計(jì)噪聲方差，e{·}表示平均計(jì)算，(ano)h表示ano的共軛轉(zhuǎn)置；

26、將拉普拉斯因子作為所述估計(jì)尺度因子；所述拉普拉斯因子的表達(dá)式如下：

27、γ＝m/||a||1；

28、其中，m表示理想奈奎斯特采樣下激光雷達(dá)的采樣點(diǎn)數(shù)，a表示要重建的距離像，||·||1表示l1范數(shù)。

29、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述估計(jì)噪聲方差和所述估計(jì)尺度因子得到所述稀疏約束系數(shù)，包括：

30、基于所述估計(jì)噪聲方差和所述估計(jì)尺度因子，利用第二公式得到所述稀疏約束系數(shù)；所述第二公式如下：

31、μ＝σ2γ；

32、其中，σ表示估計(jì)噪聲方差，γ表示估計(jì)尺度因子。

33、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，自適應(yīng)混合重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的第二測(cè)距模型，表示為：

34、

35、其中，表示定義域中取得最小值的參數(shù)值，smco_g表示基于具有采樣時(shí)間誤差的多通道互質(zhì)低采樣得到的回波，θ表示采樣時(shí)間誤差的相位誤差矩陣，⊙表示哈達(dá)瑪積，φmco表示不存在互質(zhì)采樣時(shí)間誤差的感測(cè)矩陣，a表示要重建的距離像，表示l2范數(shù)，μ表示所述稀疏約束系數(shù)，wa表示距離的加權(quán)分布，||·||1表示l1范數(shù)。

36、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述近似hessian矩陣，利用共軛梯度法得到目標(biāo)距離像，包括：

37、基于所述近似hessian矩陣和第三公式，利用共軛梯度法得到所述目標(biāo)距離像；所述第三公式如下：

38、

39、其中，表示第k次目標(biāo)距離像對(duì)應(yīng)的近似hessian矩陣，表示距離像的第k次對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離像，表示第k+1次對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離像，θ表示采樣時(shí)間誤差的相位誤差矩陣，⊙表示哈達(dá)瑪積，φmco表示不存在互質(zhì)采樣誤差的感測(cè)矩陣，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置處理，smco_g表示基于具有采樣時(shí)間誤差的多通道互質(zhì)低采樣得到的回波。

40、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，判斷標(biāo)準(zhǔn)，包括：

41、

42、其中，表示迭代第k+1次對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離像，表示第k次對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離像，||·||2表示l2范數(shù)，ρ表示預(yù)設(shè)門限。

43、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的激光雷達(dá)測(cè)距裝置，所述裝置包括：

44、采樣模塊，用于利用各互質(zhì)通道對(duì)激光雷達(dá)回波進(jìn)行采樣，得到解線性調(diào)頻信號(hào)頻譜；

45、誤差獲取模塊，用于基于所述解線性調(diào)頻信號(hào)頻譜，得到各互質(zhì)通道的頻譜和時(shí)域頻譜；基于所述時(shí)域頻譜和各互質(zhì)通道中采樣到的目標(biāo)點(diǎn)的相位信息，分別得到粗采樣時(shí)間誤差和精采樣時(shí)間誤差，從而得到多通道采樣時(shí)間誤差；

46、第一測(cè)距模型建立模塊，用于基于各互質(zhì)通道的頻譜的相位誤差因子和所述多通道采樣時(shí)間誤差，建立采樣時(shí)間誤差補(bǔ)償下的第一測(cè)距模型；

47、約束系數(shù)獲取模塊，用于根據(jù)所述激光雷達(dá)回波得到初始的激光雷達(dá)距離像，基于所述初始的激光雷達(dá)距離像得到稀疏約束系數(shù)；

48、估計(jì)距離像獲取模塊，用于基于所述第一測(cè)距模型和所述稀疏約束系數(shù)，建立自適應(yīng)混合重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的第二測(cè)距模型，從而得到估計(jì)距離像；

49、目標(biāo)距離像獲取模塊，用于基于所述估計(jì)距離像，利用預(yù)設(shè)處理方式得到目標(biāo)距離像；其中，所述預(yù)設(shè)處理方式包括：根據(jù)所述估計(jì)距離像得到目標(biāo)重加權(quán)權(quán)重矩陣，基于所述目標(biāo)重加權(quán)權(quán)重矩陣得到目標(biāo)重加權(quán)近似hessian矩陣，基于所述近似hessian矩陣，利用共軛梯度法得到目標(biāo)距離像；

50、判斷處理輸出模塊，用于判斷所述目標(biāo)距離像是否滿足要求，若是，則根據(jù)當(dāng)前的目標(biāo)距離像得到目標(biāo)距離信息；否則，控制所述目標(biāo)距離像獲取模塊不斷將得到的目標(biāo)距離像替代所述估計(jì)距離像，利用所述目標(biāo)距離像獲取模塊進(jìn)行迭代處理得到新的目標(biāo)距離像，直至新的目標(biāo)距離像滿足所述判斷模塊的判斷，從而得到目標(biāo)距離信息。

51、本發(fā)明的有益效果：

52、本發(fā)明所提供的方案中，結(jié)合粗采樣時(shí)間誤差和精采樣時(shí)間誤差得到多通道采樣時(shí)間誤差，并對(duì)誤差進(jìn)行了配準(zhǔn)補(bǔ)償，基于第一測(cè)距模型和稀疏約束系數(shù)，建立自適應(yīng)混合重加權(quán)l(xiāng)1范數(shù)最小化的第二測(cè)距模型，將距離估計(jì)轉(zhuǎn)化為了稀疏表示的優(yōu)化問題，在迭代求解過程中逐漸細(xì)化，利用較短的觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了使用較小的激光雷達(dá)回波樣本，在遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣定律的采樣率下的目標(biāo)測(cè)距，并提高了測(cè)距精度；進(jìn)一步地，在稀疏求解的過程中，根據(jù)激光雷達(dá)回波得到初始的激光雷達(dá)距離像，考慮了噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)了低信噪比下目標(biāo)的高性能激光雷達(dá)測(cè)距。