CN108279407A - 一种激光雷达回波处理系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达回波处理系统与方法，所述激光雷达回波信号处理系统包括：用以发射脉冲激光的发射模块，包括激光驱动电路、激光器、光束整形模块；用以接受反射光的接收模块，包括接收光学镜头、光电探测器；用以进行采样分析的采样模块，包括电压阈值设定电路和电压比较电路；以及主控和信号处理模块，所述主控和信号处理模块用以为激光发射模块提供触发信号，采集回波时间宽度信号，甄别暗计数噪声和真实回波信号，进行飞行时间测量。如此，本发明通过回波信号处理过程中增加筛选机制滤除噪声，无需增加系统功耗和镜头口径即可降低虚警率。

Description

一种激光雷达回波处理系统与方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达回波处理系统与方法。

背景技术

激光雷达是一种空间信息主动探测手段，其基本工作原理与传统雷达类似：激光雷达向待探测目标发射激光，然后由接收器收集被目标反射的光信号，通过测量发射信号的往返时间来确定目标的距离，由于激光具有的高相干性、方向性、单色性等优点，激光雷达系统能够实现远距离、高精度的测距功能，已经在自动驾驶、建筑物三维建模、地形测绘、交会对接等诸多场合得到应用。

激光雷达常采用脉冲飞行时间法进行距离信号的提取，其基本原理为向目标发射短时长，高峰值功率的激光脉冲光束，由目标反射的光被激光雷达的接收镜头收集，并记录其到达时间信息，将其与发送脉冲时刻相减，得到激光脉冲往返目标点的时间，进而由光速求取出目标距离信息。

在发射激光峰值功率、接收镜头等其他因素保持不变时，被激光雷达接收到的反射光强将随着目标距离变远迅速降低，导致信噪比降低，进而影响测距精度，提高了虚警率和漏警率。为了补偿该性能恶化，一般采用提高发射激光峰值功率和增大接收镜头的口径进行弥补，然而提高激光峰值功率将使得电功耗也相应的成倍增长，增加了系统负担，且过高的激光峰值功率容易对人眼造成伤害，限制了激光雷达的应用；而增大接收镜头的口径不仅导致设备重量变大，也使得进入接收视场的背景光增强，降低了信噪比。

因此，有必要对现有技术进行改进以克服上述技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决回波信号中探测器本身暗计数噪声干扰问题且有效降低虚警率的激光雷达回波处理系统与方法。

为实现前述目的，本发明提供一种激光雷达回波信号处理系统，所述激光雷达回波信号处理系统包括：

用以发射脉冲激光的发射模块，包括激光驱动电路、激光器、光束整形模块；

用以接受反射光的接收模块，包括接收光学镜头、光电探测器；

用以进行采样分析的采样模块，包括电压阈值设定电路和电压比较电路；以及

主控和信号处理模块，所述主控和信号处理模块用以为激光发射模块提供触发信号，采集回波时间宽度信号，甄别暗计数噪声和真实回波信号，进行飞行时间测量。

作为本发明的进一步改进，所述激光雷达回波信号处理系统的工作流程包括：

在一次测量开始时，主控和信号处理模块产生触发信号到发射模块，驱使发射模块发射激光，经光束整形模块变成具有方向性的脉冲激光出射到目标点表面，经过目标反射后的反射光由接收模块的光学镜头传输到光电探测器，转变成电信号后与预先设定的若干个电压阈值一起输入到电压比较电路，电压比较电路在信号的电压幅值大于或小于所述某个电压阈值的瞬间将分别输出正向翻转和负向翻转信号，根据正向和负向翻转信号的时间差，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如为真实回波信号，则将其正向翻转时刻与激光发射触发信号产生时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，如为暗计数噪声信号则不进行处理，以达到排除误计数，减小虚警率的目的。

作为本发明的进一步改进，其中所述激光驱动电路驱使脉冲激光器发射激光，经光束整形模块整形成小发散角的光束后照射到目标点表面。

作为本发明的进一步改进，所述进行暗计数噪声区别的方式包括根据多个电压阈值对应翻转持续时间的比例关系进行甄别的方法。

作为本发明的进一步改进，所述进行暗计数噪声区别的方式包括对翻转时刻拟合后提取形状参数用以根据暗计数脉冲固有的时域信息进行甄别的方法。

作为本发明的进一步改进，所述主控和信号处理模块为分立的主控模块和信号处理模块，或一体式模块。

本发明还采用如下技术方案：

一种激光雷达回波信号处理方法，包括：

步骤一、激光雷达发射激光脉冲信号到待探测目标；

步骤二、接收镜头接收由待探测目标反射的光脉冲信号并传递到光电探测器；

步骤三、光电探测器将光脉冲信号转变成电脉冲信号；

步骤四、后端处理电路设定若干个电压阈值，采集回波探测通道的电脉冲信号超过相应电压阈值的时间宽度信息；

步骤五、根据时间宽度信息，区分该信号是探测器暗计数产生的噪声信号还是真实的回波信号；

步骤六、如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将获取其到达时间与发射时间的差值作为脉冲飞行时间，进而根据光速求解出目标距离。

作为本发明的进一步改进，其中步骤一包括激光驱动电路驱使脉冲激光器发射激光，经光束整形模块整形成小发散角的光束后照射到目标点表面。

作为本发明的进一步改进，所述进行暗计数噪声信号和真实信号区分的方式包括根据多个电压阈值对应翻转信号的持续时间及比例关系进行甄别的方法。

作为本发明的进一步改进，所述进行暗计数噪声信号和真实信号区分的方式包括对翻转时刻拟合后提取形状参数用以根据暗计数脉冲固有的时域信息进行甄别的方法。

本发明有益效果：本发明通过回波信号处理过程中增加筛选机制滤除噪声，如此设置，无需增加系统功耗和镜头口径即可降低虚警率。

附图说明

图1为本发明的系统实现框架的示意图；

图2为本发明的系统滤除暗计数原理的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施例对本发明进行详细描述。

应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明激光雷达回波信号处理系统，所述激光雷达回波信号处理系统包括：

用以发射脉冲激光的发射模块，包括激光驱动电路11、激光器12、光束整形模块13；

用以接受反射光的接收模块，包括接收光学镜头21、光电探测器22；

用以进行采样分析的采样模块，包括电压阈值设定电路31和电压比较电路32；以及

主控和信号处理模块4，所述主控和信号处理模块4用以为激光发射模块提供触发信号，采集回波时间宽度信号，甄别暗计数噪声和真实回波信号，进行飞行时间测量。

所述激光雷达回波信号处理系统的工作流程包括：

在一次测量开始时，主控和信号处理模块4产生触发信号到发射模块，驱使发射模块发射激光，经光束整形模块13变成方向性良好的脉冲激光出射到目标点表面，经过目标反射后的反射光由接收模块的光学镜头21传输到光电探测器22，转变成电信号后与预先设定的若干个电压阈值一起输入到电压比较电路32，电压比较电路32在信号的电压幅值大于或小于某个电压阈值的瞬间将分别输出正向翻转和负向翻转信号，根据正向和负向翻转信号的时间差，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如为真实回波信号，则将其正向翻转时刻与激光发射触发信号产生时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，如为暗计数噪声信号则不进行处理，以达到排除误计数，减小虚警率的目的。

其中所述激光驱动电路11驱使脉冲激光器12发射激光，经光束整形模块13整形成小发散角的光束后照射到目标点表面。

本发明还提供一种激光雷达回波信号处理方法，包括：

步骤一、激光雷达发射激光脉冲信号到待探测目标5；

步骤二、接收镜头接收由待探测目标5反射的光信号并传递到光电探测器22；

步骤三、光电探测器22将光信号转变成电信号；

步骤四、后端处理电路设定若干个电压阈值，采集回波探测通道的信号超过相应电压阈值的时间宽度信息；

步骤五、根据时间宽度信息，区分该信号是探测器暗计数产生的噪声信号还是真实的回波信号；

步骤六、如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将获取其到达时间与发射时间的差值作为脉冲飞行时间，进而根据光速求解出目标距离。

由于光电探测器22内部暗计数所产生的电脉冲信号的时域特性已知，可据此区分所探测到的脉冲信号为探测器暗计数产生干扰信号还是激光雷达所接收到的真实反射光脉冲信号，从而提高信噪比，降低虚警率。

本发明进行暗计数噪声区别的方式可以是根据多个电压阈值对应翻转持续时间的比例关系，也可以是对翻转时刻拟合后提取形状参数等任意能根据暗计数脉冲固有的时域信息进行甄别的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一方面，具有系统开销小的优点：通过数字信号处理的方法完成暗计数噪声和真实回波信号的区分，仅需要电压比较器和时间测量等在脉冲飞行时间测量的测距方案下已有的硬件电路，便能实现降低虚警率的效果，无需增加额外的重量、功耗开销。

另一方面，具有实时性好的优点：该方法下激光雷达回波探测通道处在连续工作模式，任意回波触发均能被实时甄别和进行相应的处理，实时性好，适用于高扫描速率的激光雷达系统。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：所述激光雷达回波信号处理系统包括：

用以发射脉冲激光的发射模块，包括激光驱动电路、激光器、光束整形模块；

用以接受反射光的接收模块，包括接收光学镜头、光电探测器；

用以进行采样分析的采样模块，包括电压阈值设定电路和电压比较电路；以及

主控和信号处理模块，所述主控和信号处理模块用以为激光发射模块提供触发信号，采集回波时间宽度信号，甄别暗计数噪声和真实回波信号，进行飞行时间测量。

2.根据权利要求1所述激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：所述激光雷达回波信号处理系统的工作流程包括：

在一次测量开始时，主控和信号处理模块产生触发信号到发射模块，驱使发射模块发射激光，经光束整形模块变成具有方向性的脉冲激光出射到目标点表面，经过目标反射后的反射光由接收模块的光学镜头传输到光电探测器，转变成电信号后与预先设定的若干个电压阈值一起输入到电压比较电路，电压比较电路在信号的电压幅值大于或小于所述某个电压阈值的瞬间将分别输出正向翻转和负向翻转信号，根据正向和负向翻转信号的时间差，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如为真实回波信号，则将其正向翻转时刻与激光发射触发信号产生时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，如为暗计数噪声信号则不进行处理，以达到排除误计数，减小虚警率的目的。

3.根据权利要求2所述激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：其中所述激光驱动电路驱使脉冲激光器发射激光，经光束整形模块整形成小发散角的光束后照射到目标点表面。

4.根据权利要求2所述激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：所述进行暗计数噪声区别的方式包括根据多个电压阈值对应翻转持续时间的比例关系进行甄别的方法。

5.根据权利要求1所述激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：所述进行暗计数噪声区别的方式包括对翻转时刻拟合后提取形状参数用以根据暗计数脉冲固有的时域信息进行甄别的方法。

6.根据权利要求1所述激光雷达回波信号处理系统，其特征在于：所述主控和信号处理模块为分立的主控模块和信号处理模块，或一体式模块。

7.一种激光雷达回波信号处理方法，包括：

步骤一、激光雷达发射激光脉冲信号到待探测目标；

步骤二、接收镜头接收由待探测目标反射的光脉冲信号并传递到光电探测器；

步骤三、光电探测器将光脉冲信号转变成电脉冲信号；

步骤四、后端处理电路设定若干个电压阈值，采集回波探测通道的电脉冲信号超过相应电压阈值的时间宽度信息；

步骤五、根据时间宽度信息，区分该信号是探测器暗计数产生的噪声信号还是真实的回波信号；

步骤六、如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将获取其到达时间与发射时间的差值作为脉冲飞行时间，进而根据光速求解出目标距离。

8.根据权利要求7所述激光雷达回波信号处理方法，其特征在于：其中步骤一包括激光驱动电路驱使脉冲激光器发射激光，经光束整形模块整形成小发散角的光束后照射到目标点表面。

9.根据权利要求7所述激光雷达回波信号处理方法，其特征在于：所述进行暗计数噪声信号和真实信号区分的方式包括根据多个电压阈值对应翻转信号的持续时间及比例关系进行甄别的方法。

10.根据权利要求7所述激光雷达回波信号处理方法，其特征在于：所述进行暗计数噪声信号和真实信号区分的方式包括对翻转时刻拟合后提取形状参数用以根据暗计数脉冲固有的时域信息进行甄别的方法。