CN108205142A - 一种激光雷达系统及测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光雷达系统及测距方法，通过激光发射系统向探测物发射特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；激光接收系统接收探测物漫反射回来的激光信号；主控系统根据激光信号发射和接收的时刻差计算出测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的特征属性信息并对其进行比对校验。本发明的激光雷达系统及测距方法不仅能够判断出每次测量数据是否受到了干扰，还能够通过采用冗余校验光信号获得的冗余测距数据，保证测量数据的准确可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种采用冗余测量的方式实现防干扰的激光雷达系统及测距方法。
背景技术
激光雷达是一种光电测量仪器，随着激光技术和电子学技术的发展有力推进了激光雷达技术的迅猛发展。凭借其能够精确、快速获取目标三维空间信息的优势，激光雷达已成功应用于智能交通、地形测绘、电力巡线，农业植被和文物保护等领域。近年来，随着自动驾驶汽车，无人机和智能机器人等新兴智能设备的兴起，激光雷达系统正日益显现其巨大的应用潜力。
但现有的激光雷达在正常工作的情况下，有相互干扰的问题。若多台激光雷达同时工作，扫描同一片区域时，激光雷达无法区分接收到的信号光是自己或是其他设备的信号光，产生错误的测距数据。在测绘领域这个问题可能仅仅是产生了一些测量错误点，但若在自动驾驶领域则可能会引发一起严重的交通事故。2015年，在欧洲的Black Hat EuropeSecurity Conference中Jonathan Petit演示了，仅采用一只低成本的半导体激光器和光电管，就欺骗了无人驾驶汽车的激光雷达，使其产生了错误的测距数据，足以导致汽车的错操作，并得出了目前的传感器产品并未达到完全可依赖级别的结论。
目前，传感器厂家并未在生产的激光雷达产品中引入抗干扰的硬件设计，使用者需要在物体识别或者其他的软件处理层面将这些干扰信息过滤掉。这不仅加重了使用者的工作量，还可能由于复杂的环境信息或者过滤方法的不完善造成误处理。这在自动驾驶或无人机避障等应用领域，是绝对不能允许出现的。因此，增强激光雷达的抗干扰能力，获得可靠的原始数据，对于激光雷达的应用是非常重要和有价值的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明目要解决的技术问题是激光雷达系统在进行激光发射和接收时，可能被干扰或者相互干扰导致测距数据错误。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种激光雷达系统，包括激光发射系统、激光接收系统和主控系统；
所述激光发射系统向探测物发射激光信号；
所述激光接收系统接收探测物漫反射回来的激光信号；
所述主控系统根据激光信号发射和接收的时刻差计算探测物的距离信息；
其中，所述激光信号包括特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
所述主控系统对所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的特征属性进行比对校验。
其中，所述激光发射系统包括激光光源单元、合束单元和光学发射单元；
所述激光光源单元用于产生测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
所述合束单元用于将测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号合成一束信号探测光；
所述光学发射单元用于将所述信号探测光进行准直并向探测物发射。
其中，所述激光接收系统包括光学接收单元、分束单元和光电探测单元；
所述光学接收单元用于收集探测物漫反射回来的激光信号；
所述分束单元用于将光学接收单元收集的探测物漫反射回来的所有光信号互相分离；
所述光电探测单元用于将探测物漫反射回来的所有光信号转化为电信号。
其中，所述主控系统包括计时测距单元、校验单元和控制单元；
所述计时测距单元用于采集测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的发射和接收时刻，并根据时间差分别计算出探测物的距离；
所述校验单元用于分析对比测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号之间的测距数据偏差和/或发射与接收时间延迟和/或脉宽，并对其进行比对校验；
所述控制单元用于向激光发射系统和激光接收系统提供控制指令。
其中，所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号中的特征属性为波长、发射时刻、光强、脉宽、偏振态和加载有调制信息中的一种或多种组合。
本发明还提供了一种激光雷达系统的测距方法，包括以下步骤：
向探测物发射特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
收集探测物漫反射回来的信号探测光；
根据激光信号发射和接收的初始特征值和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的特征信息进行比对校验。
其中，还包括以下步骤：
将测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号合为一束信号探测光后向探测物发射；
将收集的探测物漫反射回来的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号互相分离，且将分离后的所有光信号转化为电信号。
其中，还包括以下步骤：
对测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号之间的发射与接收时间延迟和/或脉宽进行比对校验；并且发出发射和接收控制指令。
其中，所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号中的特征属性为波长、发射时刻、光强、脉宽、偏振态和加载有调制信息中的一种或多种组合。
(三)有益效果
本发明所提供的激光雷达系统及测距方法的有益效果是，通过向测距信号光中增加冗余的校验光信号，每次测距时，都需要对此次测量进行校验，确保此次测量获得的数据可靠性。冗余的校验光信号，不仅能作为测距信号光的参考信号，感知是否有干扰信号的存在。还能充当备用的测距信号光，提供测距信息。因此，本发明的激光雷达系统不仅能够判断出每次测量数据是否受到了干扰，还能够通过采用冗余校验光信号获得的冗余测距数据，保证测量数据的准确可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的激光雷达系统的结构示意图
图2为本发明的激光雷达系统的发射系统的结构示意图
图3为本发明的激光雷达系统的接收系统的结构示意图
图4为本发明的激光雷达系统测距方法的流程示意图
附图标记：1.激光发射系统、2.激光接收系统、3.主控系统、4.探测物、1a.激光光源单元、1b.合束单元、1c.光学发射单元、2a.光学接收单元、2b.分束单元、2c.光电探测单元、3a.计时测距单元、3b.校验单元、3c.控制单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例的激光雷达系统，包括：激光发射系统1、激光接收系统2和主控系统3。所述激光发射系统1为测距信号源，用于向探测物发射激光信号。所述的激光信号包括测距激光信号和冗余的校验光信号，其中，冗余的校验光信号为确保激光信号单一性的标识信息。所述激光接收系统2为测距信号接收装置，用于接收探测物漫反射回来的激光信号；所述激光接收系统2利用同一套光路系统，将激光信号中的测距激光信号和冗余的校验光信号一起接收回来，保证测距和校验功能的实现。所述主控系统3为激光雷达系统的主要控制单元，用于控制激光发射系统向探测物发射激光信号，并记录发射激光的时刻。当所述激光接收系统2探测到漫反射回来的激光信号后，所述主控系统3也要记录返回激光的时刻，通过与发射激光时刻做差，计算得到探测物的距离信息，此外，还要检验冗余的校验光信号。若两者各自计算所得的测距信息差距小于测距精度，则视为有效测距数据，若两者测距信息差距大于数倍的测距精度，则视为测距数据被干扰。这里应该说明的是，激光测距的重复测量精度误差通常符合正态分布，超出三倍测距精度的概率应小于0.27％，此时受到干扰的可能性极大。故一般可取3或4倍测距精度的偏差值作为被干扰的标准线。
如图2所示，所述激光发射系统1包括激光光源单元1a、合束单元1b和光学发射单元1c。其中，所述激光光源单元1a用来接收来自主控系统3的发光控制信号，产生脉冲的测距激光信号，以及冗余的校验光信号。通常为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或LED等能产生脉冲光信号的光源中的一种或多种混合使用。
为获得较好的防干扰效果，测距激光信号和冗余的校验光信号应采用两种或多种发光参数差异较大的光源，例如波长相差50纳米以上，偏振方向垂直或脉宽相差20纳秒以上等，保证不易被同时干扰。
所述合束单元1b用于将激光光源单元产生的一束测距激光信号和其余的冗余校验光信号合成为一束信号探测光。其中，若光源采用光纤光源，可采用光纤合束器，将多束探测光源合为一束。若信号探测光采用半导体或固体激光器，可采用镀膜式合束镜片或偏振片进行合束。
所述光学发射单元1c，用于将合束单元合成的一束信号探测光利用同一套光路进行准直，保证所有的信号探测光均能发射到同一探测点。其中，准直发射光路可采用单片或多片式准直透镜、自聚焦透镜、菲涅尔透镜和二元光学镜片等具有准直效果的光学元件。
如图3所示，所述激光接收系统2包括光学接收单元2a、分束单元2b和光电探测单元2c。其中，所述光学接收单元2a用于收集从探测物漫反射回来的信号探测光。所述分束单元2b与合束单元1b的作用相反，用于将光学接收单元收集的信号探测光中包括的冗余校验光信号和测距激光信号分离开，以便于后续的信号处理。所述分束单元2b可采用分光棱镜、光纤分束器、分束偏振片和镀膜式分束镜片等分束光电器件。所述光电探测单元2c分别将测距的激光信号和冗余的校验光信号转化为电信号，并发送到主控系统进行后续的信号处理。
如图1所示，所述主控系统3包括计时测距单元3a，校验单元3b和控制单元3c。
其中，计时测距单元3a可以采用TDC芯片或者FPGA等能够实现计时功能的芯片，用于采集信号探测光中测距激光信号和冗余校验光信号的所有光信号的发射和接收时刻，并根据两者各自的飞行时间差分别计算出探测物的距离，以及它们的发射时间延迟和接收时间延时。计时测距单元3a可以通过读取光源驱动电路的发光驱动信号作为发射时刻，也可以增加一个光电探测器在光源附近检测发光时的散射光信号作为发射时刻，接收时刻由各自的光电探测单元提供。
所述校验单元3b可以采用MCU芯片、FPGA或者DSP等能够实现数据分析处理的芯片，根据计时测距单元3a提供的信号探测光中所有光信号的发射和接收时刻，分析对比测距激光信号和冗余校验光信号之间的测距数据偏差，或者分析对比它们的发射时间延迟和接收时间延迟，或者分析对比它们的光信号脉宽等冗余校验信息，以此确认此次测距数据是否有效或被干扰。其中，测距激光信号和冗余校验光信号之间的测距数据偏差值取3、4倍的测距精度作为标准偏差值；测距激光信号和冗余校验光信号之间，两者的发射时间延迟和接收时间延迟的偏差值，应小于3、4倍测距精度对应的光速运动时间值；测距激光信号和冗余校验光信号之间，两者的发射光脉宽之比和接收光脉宽之比的偏差值，应小于0.3或0.4。
所述控制单元3c用于给激光发射系统和激光接收系统提供控制指令，并根据校验单元提供的校验结果判断此次的测距数据是否有效或被干扰，并传输有效的测距数据，标记被干扰的测距数据。具体的，控制单元要分别给测距激光信号和冗余校验光信号发光控制信号，为方便校验和不易复制性，它们之间的发光延时会在10-100纳秒间随机选择，并将此随机发光延时发送给校验单元；控制单元要在给出发光控制信号的同时，控制激光接收系统开启接收光信号的功能，并在1毫秒(对应于150米的量程)后停止接收光信号，减小受到干扰的可能性。
进一步的，若为了确保获得非常可靠的测距数据，也可以设置多路的冗余校验光信号。当控制单元判断出此次测量被干扰后，还能对比多路的校验光信号获得的测距数据是否满足校验要求，若符合，也可以采用校验光信号作为测距数据。
如图4所示，基于本发明的激光雷达系统，本发明还提出了一种防干扰的激光测距方法，包括步骤如下：
当本激光雷达系统通电后，并开始正常工作时，会依照步骤401至步骤409顺次进行，完成一次测距工作；并重复上述方式进行新的一次测距工作，直至停止工作。
步骤401中，控制单元根据程序生成一个随机的校验初始数据，以防被干扰方轻易破解。这个随机的校验初始数据通常也会被限定在一个范围内，例如测距激光信号和冗余校验光信号之间的发光延时要限定在10-100纳秒之间。
步骤402中，控制单元根据随机的校验初始数据发送驱动信号给激光发射系统和激光接收系统，控制各个激光光源依照随机延时开始发光，并同时控制各个光电探测单元开始接收信号。
步骤403中，计时测距单元会读取各个激光光源的发光时刻和脉宽，计算它们的发光延时后，发送给检验单元，作为一组校验初始数据。计时测距单元可以读取控制单元发送给各个光源的驱动控制信号作为它们各自的发光时刻，也可以通过外加几个光电探测器探测各个光源发光时的漫反射光作为各自的发光时刻。
步骤404中，激光发射系统通过合束系统将测距激光信号和冗余的校验光信号合成一束，经过镜片准直后同向发射至探测物。
步骤405中，激光接收系统通过光学镜片收集从探测物漫反射回来的信号探测光，经过分束系统将测距激光信号和校验光信号分离开，分别传送至各自的光电探测器，将它们转化为电信号。
步骤406中，控制单元在驱动激光发射系统开始发光后，延时1毫秒(对应于150米的量程)后停止激光接收系统的工作，减小受到干扰的可能性。控制单元控制测距激光信号和冗余的校验光信号先后分别发光后，也分别延时1毫秒后，先后控制对应的接收光电探测单元的停止工作，不再接收任何光信号，直至控制单元驱动它们再次工作。
步骤407中，计时测距单元读取光电探测器转化的电信号，记录测距激光信号和校验光信号各自的接收时刻，脉宽，以及两者间的接收时刻延时，并发送给校验单元，作为一组待校验的测距数据。计时测距单元可以采用阈值法，分别读取脉冲光信号的前沿和后沿，前沿作为接收时刻，两者的差作为脉宽。此外也可以采用高通阻容或恒比定值等其他方式的时刻鉴别电路。
步骤408中，检验单元读取计时测距单元提供的信号探测光中所有光信号的发射和接收时刻，分析对比测距激光信号和冗余校验光信号之间的测距数据偏差，或者分析对比它们的发射时间延迟和接收时间延迟，或者分析对比它们的光信号脉宽等冗余校验信息，以此确认此次测距数据是否有效或被干扰。其中，测距激光信号和冗余校验光信号之间的测距数据偏差值取3、4倍的测距精度作为标准偏差值；测距激光信号和冗余校验光信号之间，两者的发射时间延迟和接收时间延迟的偏差值，应小于3、4倍测距精度对应的光速运动时间值；测距激光信号和冗余校验光信号之间，两者的发射光脉宽之比和接收光脉宽之比的偏差值，应小于0.3或0.4。
步骤409中，控制单元读取校验单元的校验结果，并传输此次测量的结果。其中，若此次的测距结果通过了校验，则直接传输；若此次的测量结果表示受到了干扰，则对比多路的校验光信号之间获得的测距数据是否满足校验要求，若符合，也可以采用校验光信号作为测距数据输出，并标示出被干扰。若此次的测量结果表示受到了干扰，多路的校验光信号之间也未能通过校验，则丢弃此次测量结果,并标示出被严重干扰。
本发明的防干扰激光雷达系统，通过增加冗余的校验光源，每次测距时，通过主控系统引入随机的标识信息，并将此次获得的测距数据和校验数据进行比对校验，确保此次测量获得的数据可靠性。冗余的校验光信号，不仅能作为测距信号光的校验参考信号，使主控系统判断出测量数据是否受到了干扰，还能够通过采用冗余校验光信号获得的冗余测距数据，提高激光雷达系统的防干扰能力。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射系统、激光接收系统和主控系统；
所述激光发射系统向探测物发射激光信号；
所述激光接收系统接收探测物漫反射回来的激光信号；
所述主控系统根据激光信号发射和接收的时刻差计算探测物的距离信息；
其中，所述激光信号包括特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
所述主控系统对所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的特征属性信息进行比对校验。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射系统包括激光光源单元、合束单元和光学发射单元；
所述激光光源单元用于产生测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
所述合束单元用于将测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号合成一束信号探测光；
所述光学发射单元用于将所述信号探测光进行准直并向探测物发射。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收系统包括光学接收单元、分束单元和光电探测单元；
所述光学接收单元用于收集探测物漫反射回来的激光信号；
所述分束单元用于将光学接收单元收集的探测物漫反射回来的所有光信号互相分离；
所述光电探测单元用于将探测物漫反射回来的所有光信号转化为电信号。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述主控系统包括计时测距单元、校验单元和控制单元；
所述计时测距单元用于采集测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的发射和接收时刻，并根据时间差分别计算出探测物的距离；
所述校验单元用于分析对比测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号之间的测距数据偏差和/或发射与接收时间延迟和/或脉宽，并对其进行比对校验；
所述控制单元用于向激光发射系统和激光接收系统提供控制指令。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号中的特征属性为波长、发射时刻、光强、脉宽、偏振态和加载有调制信息中的一种或多种组合。
6.一种激光雷达系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
向探测物发射特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号；
收集探测物漫反射回来的信号探测光；
根据激光信号发射和接收的初始特征值和至少一束冗余校验光信号的所有光信号的特征属性进行比对校验。
7.根据权利要求6所述的测距方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号合为一束信号探测光后向探测物发射；
将收集的探测物漫反射回来的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号互相分离，且将分离后的所有光信号转化为电信号。
8.根据权利要求6所述的测距方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对测距激光信号和至少一束冗余校验光信号的所有光信号之间的发射与接收时间延迟和/或脉宽进行比对校验；并且发出发射和接收控制指令。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的测距方法，其特征在于，所述特征属性互不相同的测距激光信号和至少一束冗余校验光信号中的特征属性为波长、发射时刻、光强、脉宽、偏振态和加载有调制信息中的一种或多种组合。
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