CN108387886A - 一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法及装置，激光雷达发射激光脉冲信号到探测目标；接收镜头接收由探测目标反射的光信号并传递到光电探测器；将光信号转变成电信号；后端处理电路设定高低两个电压阈值ThresholdH、ThresholdL，回波电信号过阈值后将会产生触发信号。低阈值产生触发信号TrigL通过高精度时间测量模块提取触发时间信息TL，高阈值产生触发信号TrigH通过延迟模块进行延迟；在接收到TrigL触发后短时间窗TW内能够接收到TrigH，则认为是有效回波事件触发，如在时间窗内未能接收到TrigH则认为是探测器暗计数产生的噪声信产生的错误响应；如为噪声信号则不后续处理，如为真实回波信号，将TL作为其到达时间与发射时间的差值作为脉冲飞行时间，根据光速求解目标距离，而降低虚警率。
Description
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背景暗噪声响应消除方法及装置。
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；
考虑到上述因素，激光输出功率无法无限提升，需要采用高灵敏度的光电探测器对回波进行探测，以提高激光雷达的探测距离，由于背景光噪声干扰和高灵敏度光电探测器本身暗计数干扰的影响，此时激光雷达探测电路接收到的干扰信号也大大增多，通常采用提高回波幅值判别阈值的方式排除噪声，但该方法将带来严重的时间漂移问题：回波信号经过光电转换后将成为电脉冲信号，其上升沿通常持续纳秒级的时间，对于同一距离下不同反射率的目标进行探测时，将获得具有不同幅值的回波脉冲信号，此时采用同一电压判别阈值得到的脉冲到达时刻会有差异，最终造成测距误差，且该差异随着电压阈值的增大而恶化，为避免该问题，需要设计出一种新型的激光雷达脉冲回波处理方法，既能滤除噪声带来的误触发，又能保证良好的测距精度。
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
本文提出了一种激光雷达背景暗噪声消除方法，解决了回波信号中光电探测器本身暗计数噪声干扰问题，可有效降低虚警率。
为实现前述目的，本发明提供一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法，包括步骤：
1)激光雷达发射激光脉冲信号到探测目标；
2)接收镜头接收由探测目标反射的光信号并传递到光电探测器；
3)光电探测器将光信号转变成电信号；
4)后端处理电路设定高低两个电压阈值ThresholdH、ThresholdL，回波电信号过阈值后将会产生触发信号。低阈值产生的触发信号TrigL通过高精度时间测量模块提取触发时间信息TL，高阈值产生的触发信号TrigH通过延迟模块进行延迟；
5)在接收到TrigL触发后的短时间窗TW内能够接收到TrigH，则认为是有效回波事件触发，如在时间窗内未能接收到TrigH则认为是探测器暗计数产生的噪声信产生的错误响应；
6)如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将TL作为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。
进一步的，步骤(4)中所述低阈值的触发信号通过高速低延迟电压比较器进行产生，高阈值的触发信号可采用普通电压比较器进行产生；所述高精度时间测量模块通过专用高性能时间数字转换器芯片或在FPGA通过进位链插值实现；所述延迟模块通过专用延迟线芯片或时钟移位寄存实现。
进一步的，所述后端处理电路包括低阈值触发模块，高阈值触发模块，激光驱动电路，主控和信号处理模块。
本发明还可采用如下技术方案：
一种激光雷达暗噪声响应消除装置，包括，高阈值触发模块、低阈值触发模块、高精度时间测量模块、延迟模块、时间窗符合模块、回波测距处理模块。
进一步的，高阈值触发模块，由电压阈值设定电路和电压比较电路组成；
进一步的，低阈值触发模块，由电压阈值设定电路和高速电压比较电路组成；
进一步的，高精度时间测量模块：由时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路组成；
进一步的，延迟模块：由移位寄存电路组成；
进一步的，时间窗符合模块：对两路触发信号进行符合，判断是否处于同一个事件触发，甄别暗计数噪声和真实回波信号；
进一步的，回波测距处理模块，为激光发射模块提供触发信号，比较触发时间与接收到的回波时间，计算距离。
进一步的，上述装置的工作流程为：
在一次测量开始时，激光雷达发射出的光信号经过目标反射后的传输到接收信号的光电探测器，转变成电信号后与两路预先设定的电压阈值一起输入到阈值触发模块，阈值触发模块在信号的电压幅值大于或小于电压阈值时将输出翻转信号，根据两路触发的时候是否在时间窗内，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如在窗内，则将高精度时间测量模块输出时刻与触发时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，否则不进行处理，以达到排除误计数，减小虚警率的目的。
本发明有益效果：所发明的方法能够有效区分真实信号和暗计数噪声信号，从而有效降低了错误响应，提高了距离测量的准确率。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1、方法简单易实现：通过增加一路高阈值判别的方法完成暗计数噪声和真实回波信号的快速甄别区分，使用效果好，功耗开销小，易于实现与集成。
2、实时性好：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。
附图说明
图1为本发明的系统实现框架的示意图；
图2为本发明的激光雷达工作示意图；
图3为本发明的系统滤除暗噪声响应原理的示意图。
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。
请参图1至3所示，一种激光雷达12背景暗噪声响应消除方法及装置包括：
1)激光雷达12发射激光脉冲信号到探测目标5；
2)接收镜头21接收由探测目标5反射的光信号并传递到光电探测器22；
3)光电探测器22将光信号转变成电信号；
4)后端处理电路设定高低两个电压阈值ThresholdH、ThresholdL，回波电信号过阈值后将会产生触发信号。低阈值产生的触发信号TrigL通过高精度时间测量模块提取触发时间信息TL，高阈值产生的触发信号TrigH通过延迟模块进行延迟；
5)在接收到TrigL触发后的短时间窗TW内能够接收到TrigH，则认为是有效回波事件触发，如在时间窗内未能接收到TrigH则认为是光电探测器暗计数产生的噪声信产生的错误响应；
6)如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将TL作为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。
步骤(4)中所述低阈值的触发信号通过高速低延迟电压比较器进行产生，高阈值的触发信号可采用普通电压比较器进行产生；所述高精度时间测量模块通过专用高性能时间数字转换器芯片或在FPGA通过进位链插值实现；所述延迟模块通过专用延迟线芯片或时钟移位寄存实现。
本发明还提供了一种激光雷达暗噪声响应消除装置，包括，高阈值触发模块31、低阈值触发模块32、高精度时间测量模块、延迟模块、时间窗符合模块、回波测距处理模块。
高阈值触发模块31，由电压阈值设定电路和电压比较电路组成；
低阈值触发模块32，由电压阈值设定电路和高速电压比较电路组成；
高精度时间测量模块：由时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电阻组成；
延迟模块：由移位寄存电路组成；
时间窗符合模块：对两路触发信号进行符合，判断是否处于同一个事件触发，甄别暗计数噪声和真实回波信号；
回波测距处理模块，为激光发射模块提供触发信号，比较触发时间与接收到的回波时间，计算距离。
上述装置的工作流程为：在一次测量开始时，激光雷达12发射出的光信号经过探测目标5反射后的传输到接收信号的光电探测器22，转变成电信号后与两路预先设定的电压阈值一起输入到阈值触发模块，阈值触发模块在信号的电压幅值大于或小于电压阈值时将输出翻转信号，根据两路触发的时候是否在时间窗内，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如在窗内，则将高精度时间测量模块输出时刻与触发时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，否则不进行处理，以达到排除误响应，减小虚警率的目的。
本发明方法的系统实现范例如图2所示：采用扫描成像激光雷达12进行成像，激光雷达12包括发射光学13，电子学系统包括光电探测器22及后端处理电路，所述后端处理电路包括低阈值触发模块32，高阈值触发模块31，激光驱动电路11，主控和信号处理模块4。另外包括由接受光学镜头21。光电探测器22采用SIPM硅光电倍增管，光敏元大小6mm*6mm。激光器采用905nm，峰值功率1W，激光器配合扫描频率每发出1000000个触发脉冲。暗噪声响应消除装置中高低阈值分别设置为8mV、32mV。高精度时间测量模块通过FPGA中采用高精度进位链进行实现，延迟模块通过时钟移位寄存实现。符合时间窗设置为10ns。
图3为本方法滤除背景暗噪声响应的原理，根据两路触发的时候是否在时间窗内，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如在窗内，则将高精度时间测量模块输出时刻与触发时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，否则对数据丢弃不进行处理。对扫描激光雷达12的接收装置用镜头盖进行阻挡，不进行回波接收，此时引起的响应时间全部为背景暗噪声响应，通过上位机采集并统计每秒事件数为448个/秒，对比不采用暗噪声消除方法的扫描成像激光雷达12，背景暗计数为19200个/秒，可以看到本方法有效的滤除了背景暗噪声响应，提高了系统的信噪比。
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)
1.一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法，其特征在于：包括步骤：
1)激光雷达发射激光脉冲信号到探测目标；
2)接收镜头接收由探测目标反射的光信号并传递到光电探测器；
3)光电探测器将光信号转变成电信号；
4)后端处理电路设定高低两个电压阈值ThresholdH、ThresholdL，回波电信号过阈值后将会产生触发信号，低阈值产生的触发信号TrigL通过高精度时间测量模块提取触发时间信息TL，高阈值产生的触发信号TrigH通过延迟模块进行延迟；
5)在接收到TrigL触发后的短时间窗TW内能够接收到TrigH，则认为是有效回波事件触发，如在时间窗内未能接收到TrigH则认为是探测器暗计数产生的噪声信产生的错误响应；
6)如为噪声信号则不进行后续处理，如为真实回波信号，将TL作为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。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法，其特征在于：步骤(4)中所述低阈值的触发信号通过高速低延迟电压比较器进行产生，高阈值的触发信号可采用普通电压比较器进行产生；所述高精度时间测量模块通过专用高性能时间数字转换器芯片或在FPGA通过进位链插值实现；所述延迟模块通过专用延迟线芯片或时钟移位寄存实现。
3.根据权利要求1所述的一种激光雷达背景暗噪声响应消除方法，其特征在于：所述后端处理电路包括低阈值触发模块，高阈值触发模块，激光驱动电路，主控和信号处理模块。
4.一种激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：包括，高阈值触发模块、低阈值触发模块、高精度时间测量模块、延迟模块、时间窗符合模块、回波测距处理模块。
5.根据权利要求4所述的激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：所述高阈值触发模块由电压阈值设定电路和电压比较电路组成。
6.根据权利要求4所述的激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：所述低阈值触发模块由电压阈值设定电路和高速电压比较电路组成。
7.根据权利要求4所述的激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：所述高精度时间测量模块由时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路组成。
8.根据权利要求4所述的激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：所述延迟模块由移位寄存电路组成。
9.根据权利要求4所述的激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：所述时间窗符合模块对两路触发信号进行符合，判断是否处于同一个事件触发，甄别暗计数噪声和真实回波信号；所述回波测距处理模块，为激光发射模块提供触发信号，比较触发时间与接收到的回波时间，计算距离。
10.根据权利要求4所述的一种激光雷达暗噪声响应消除装置，其特征在于：上述装置的工作流程为：
在一次测量开始时，激光雷达发射出的光信号经过目标反射后的传输到接收信号的光电探测器，转变成电信号后与两路预先设定的电压阈值一起输入到阈值触发模块，阈值触发模块在信号的电压幅值大于或小于电压阈值时将输出翻转信号，根据两路触发的时候是否在时间窗内，判断该信号为暗计数噪声信号还是真实回波信号，如在窗内，则将高精度时间测量模块输出时刻与触发时刻求取差值得到脉冲飞行时间，进而换算成目标距离，否则不进行处理，以达到排除误计数，减小虚警率的目的。
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