CN108459313B - 基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，该方法包括激光雷达发射激光脉冲，在微机电微振镜上发生反射，后照射到待测目标表面后被接收镜头接收，并汇聚在焦平面上的探测元内；S2、探测元输出光电信号，从中提取当前时间Tn，得到测距数据Dn，而后将测距数据Dn、探测元位置编号Pij，以及当前扫描角度数据θn进行封包而后存储；S3、按照预设的样本容量重复步骤S1、S2，直至得到满足所述预设样本容量的数据；S4、确定所述探测元的响应角度范围，最后约束所述探测元在对应的角度范围内进行响应。本发明无需额外高精度测量设备辅助，就可以完成对待测目标反射激光信号的接收角度进行检测、计算和确认。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统扫描技术领域，具体地说，涉及一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法。
背景技术
现有技术中的一种基于激光雷达的主动探测方法，其基本工作原理是通过激光雷达向待探测目标发射激光，激光照射到待探测目标后于待测目标表面发生反射，再通过接收器接收被待测目标反射的激光信号，测量激光信号的往返时间后得出激光雷达与待测目标之间的距离。因激光自身具有的高相干性、方向性以及单色性等特点，使得通过激光雷达主动探测的方式能够实现远距离、高精度测距的功能，并且被广泛运用于自动驾驶、建筑三维建模、地形测绘等诸多方面。
随着技术的革新，在构建轻量化成像激光雷达技术领域对镜面的体积、功耗等方面提出了新的要求。近年来发现，尺寸仅为数微米的微机电系统(MEMS)在轻量化成像激光雷达上具有很大的潜力，这类激光雷达是采用MEMS微振镜代替机械镜作为扫描机构，并且MEMS微振镜还具有较高的摆动频率，也有利于提高成像帧率。然而，在实践中发现，尺寸仅为数毫米的MEMS微振镜的镜面作为接受光学组件时口径较为有限，也因此限制了通过MEMS微振镜进行目标探测的探测距离和深度。为了解决上述技术问题，采用旁轴光学系统，也即是将MEMS微振镜仅用于发射激光，再由相较于MEMS微振镜口径较大且视场能够覆盖发射激光扫描角度的光学镜头接收回波光，通过这样的方式扩展了通过MEMS微振镜进行目标探测的探测距离和深度。
但是，上述方法虽然延伸了目标探测的距离和深度，但是又由于需要覆盖全部成像视野，接收光学系统的接收视场角大，导致接收到的背景光光强增强，背景光过强大大降低了信噪比，最终使得扫描精度降低，影响扫描质量。为降低信噪比，保证探测信号的有效性，可采用阵列探测器来进行回波信号的接收，这样可以通过降低单个探测器的光敏面面积，减少单个探测器接收到的背景光，接收到的背景光的强度降低，也就保证了系统的信噪比。
然而，上述的这种采用MEMS微振镜发射激光后，由光学镜头接收回波光扩大目标探测距离和深度，并且采用阵列探测器接收回波信号以降低信噪比的扫描探测方式，仍然需要确定每一探测元对应的响应角度范围，以与当前发射扫描角度配合，达到减少误触发或降低后续信号处理电路通道数的目的。现有技术下，每一探测元对应的响应角度范围可以通过发射扫描结构与接收光学及探测器的位置关系计算得到。但在实际应用时，装置自身的加工误差，人工安装时的安装误差等诸多因素导致最后得到的响应角度与理论结算存在较大的误差，使得扫描探测成像的精度受到较大影响，无法满足现有技术下不断提升的高精度扫描探测要求。另外，当待探测目标发生位移时，即目标距离发生变化时，落在探测器上的光斑发生不同程度的弥散，弥散现象容易使得多个探测器都对弥散处的光斑发生响应，这样会使最终计算结果出现较大误差。
有鉴于此，应当提供一种新的激光雷达回波处理方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种无需额外高精度测量设备辅助，就可以完成对待测目标反射激光信号的接收角度进行检测、计算和确认的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，该方法包括以下步骤：S1、激光雷达发射激光脉冲，所述激光脉冲在微机电微振镜上发生反射，然后照射到待测目标表面，再在所述待测目标表现发生反射后被接收镜头接收，并汇聚在焦平面上的探测元内；S2、所述探测元接收到所述激光脉冲后，输出光电信号，从所述光电信号中提取当前时间Tn，对所述当前时间Tn进行处理得到测距数据Dn，而后将所述测距数据Dn、探测元位置编号Pij，以及当前扫描角度数据θn进行封包而后存储；S3、按照预设的样本容量重复所述步骤S1、S2，直至得到满足所述预设样本容量的数据；S4、根据所述步骤S3中得到的数据，对多个所述探测元建立角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数，而后确定所述探测元的响应角度范围，最后约束所述探测元在对应的角度范围内进行响应。
优选地，在所述步骤S1中，所述激光雷达可以包括：发射模块，该发射模块发射激光脉冲；接收模块，该接收模块用于接收所述待测目标反射的激光脉冲；数据传输处理模块，该数据传输处理模块用于传输数据，并对接收到的所述激光脉冲进行处理；控制模块，该控制模块发送信号以控制所述发射模块、接收模块以及数据传输处理模块。
优选地，在所述步骤S1中，当多个所述探测元同时接受到所述激光脉冲，则可以随机选取多个探测元中的一个输出所述光电信号。
优选地，在所述步骤S2中，所述扫描角度信息数据θn可以包括两垂直方向上的扫描角度分量。
优选地，在所述步骤S4中，可以将所述角度-计数概率密度函数与所述角度-测距精度函数进行加权，得到所述探测元的角度范围-响应函数。
优选地，在所述步骤S4中，可以通过每一所述探测元及其相邻的八个探测元的角度-响应能力函数，得到所述探测元的最佳角度判决门限，再通过所述探测元的最佳角度判决门限，约束该探测元在所述最佳角度判决门限对应的角度范围内进行响应。
优选地，在所述步骤S4中，可以通过每一所述探测元在当前角度下的回波距离平均值与距离标准差得到所述探测元的角度-测距精度函数。
进一步优选地.角度-测距精度函数可以为：
其中，AvgstdD为该探测元全部响应角度下的标准差均值，Stdθn为某一个角度下的回波距离标准差，
优选地，在所述步骤S4中，可以通过模型法或插值法得到所述角度-计数概率密度函数。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法中，采用微机电微振镜对激光脉冲进行反射，再通过接受镜头接收后在焦平面上汇聚，既保留了摆动频率高、成像帧率高的特性，又解决了其限制目标探测距离和深度的不足。提取接收到的激光脉冲中的时间数据和测距数据等数据封包存储，反复发射直至存储足够样本容量的数据，并且对每一个探测元构建角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数，再将角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数进行加权得到每一探测元的响应角度范围，并通过数字电路开关约束每一探测元只在自己的响应角度范围。综上所述，本发明所述的一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，能够更加精确和快速地确定每个探测元的响应角度范围，不需要另外的设备就可以完成激光雷达回波接收处理，提高了设备整体的扫描效果、也提高了设备整体的探测质量和深度。
附图说明
图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法；
图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理装置的结构。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1为流程图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法。如图1所示，在本发明的该实施例中所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，包括以下步骤：S1、激光雷达发射激光脉冲，所述激光脉冲在微机电微振镜上发生反射，然后照射到待测目标表面，再在所述待测目标表现发生反射后被接收镜头接收，并汇聚在焦平面上的探测元内；S2、所述探测元接收到所述激光脉冲后，输出光电信号，从所述光电信号中提取当前时间Tn，对所述当前时间Tn进行处理得到测距数据Dn，而后将所述测距数据Dn、探测元位置编号Pij，以及当前扫描角度数据θn进行封包而后存储；S3、按照预设的样本容量重复所述步骤S1、S2，直至得到满足所述预设样本容量的数据；S4、根据所述步骤S3中得到的数据，对多个所述探测元建立角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数，而后确定所述探测元的响应角度范围，最后约束所述探测元在对应的角度范围内进行响应。
具体地说，图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理装置的结构。如图2所示，所述激光雷达包括：控制模块1、发射模块2、接收模块以及数据传输处理模块。其中，发射模块2包括触发电路、激光器、光束准直器件和微机电微振镜3。触发电路接收信号后触发激光器发射激光，光束准直器件对发射的激光进行准直调整，而微机电微振镜3控制激光微调并向多个角度反射。接收模块由接收光学镜头4、焦平面阵列探测器5组成，焦平面阵列探测器5表面为多个探测元51构成的阵列，接收光学镜头4接收待测目标反射的激光脉冲，然后激光脉冲在焦平面阵列探测器5表面的探测元51进行汇聚。数据传输处理模块用于传输数据，并对接收到的所述激光脉冲进行处理。控制模块，该控制模块发送信号以控制所述发射模块、接收模块以及数据传输处理模块，控制模块1为激光雷达的发射模块2提供触发信号，并对微机电微振镜3进行驱动，并进行反射角度采集。
在步骤S1中，探测元51对入射到其探测面上的激光脉冲进行响应，当多个探测元51同时接受到激光脉冲时，则随机选取多个探测元51中的一个输出光电信号。在本发明的该实施例中，采用竞争响应的方式进行选择，在本发明的其他实施例中，也可以选定一个响应的探测元51进行光电信号输出。
在步骤S2中，扫描角度信息数据θn包括两垂直方向上的扫描角度分量，可以为θn＝【θXn，θYn】，其中n为当前采集次数，当一维扫描时，则扫描角度信息数据θn仅为对应维度分量的数据信息，在本发明的其他实施方式中，当对应多维度扫描时，则扫描角度信息数据信息θn可以包括多个维度分量的数据信息。从光电信号中提取当前时间Tn，对当前时间Tn进行处理得到测距数据Dn，具体说，在光电信号中提取接收光信号的时间信息，在根据激光发射时间得到激光飞行时间差，再根据光速得到飞行距离，然后即可得到距离待测目标的距离Dn，最后将包含测距数据Dn、探测元位置编号Pij以及当前扫描角度数据θn按照【Pij、θn、Dn】的数据格式进行数据封包后存储。
在步骤S3中，预设的样本容量范围在一百万次至两百万次的范围内，在本发明的该实施例中，反复扫描存储一百万次并存储该一百万次扫描的响应事件。在本发明的其他实施例中可以根据实际的扫描精度和要求，对样本容量进行扩大或者缩小。
在步骤S4中，将角度-计数概率密度函数与角度-测距精度函数进行加权，以得到探测元的角度响应范围函数。其中，对于每个探测元，统计其上的总回波事件计数，以及该探测元响应数据中不同角度上的事件的计数，然后根据上述数据通过模型法或插值法得到角度-计数概率密度函数Pi，j(θ)，再统计每个探测元上每个角度的测距信息并计算该角度下对应的测距精度，然后根据上述数据得到角度-测距精度函数Ai，j(θ)，再根据最大似然估计原理，设置加权系数α、β，并且使得α+β＝1，再建立Fi，j(θ)＝αPi，j(θ)+βAi，j(θ)的探测元角度响应角度函数。
在步骤S4中，通过每一探测元51在当前角度下的回波距离平均值与距离标准差得到探测元51的角度-测距精度函数。其中，角度-测距精度函数为：
其中，AvgstdD为该探测元全部响应角度下的标准差均值，Stdθn为某一个角度下的回波距离标准差。
通过每一探测元51及其相邻的八个探测元51的响应能力数据信息，得到该探测元51的最佳角度判决门限，再通过该探测元51的最佳角度判决门限，通过控制模拟开关的通断或者控制模块1对触发信号的响应约束该探测元51在其最佳角度判决门限对应的角度范围内进行响应。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法中，采用微机电微振镜对激光脉冲进行反射，再通过接受镜头接收后在焦平面上汇聚，既保留了摆动频率高、成像帧率高的特性，又解决了其限制目标探测距离和深度的不足。提取接收到的激光脉冲中的时间数据和测距数据等数据封包存储，反复发射直至存储足够样本容量的数据，并且对每一个探测元构建角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数，再将角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数进行加权得到每一探测元的响应角度范围，并通过数字电路开关约束每一探测元只在自己的响应角度范围。综上所述，本发明所述的一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，能够更加精确和快速地确定每个探测元的响应角度范围，不需要另外的设备就可以完成激光雷达回波接收处理，提高了设备整体的扫描效果、也提高了设备整体的探测质量和深度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (9)
1.一种基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、激光雷达发射激光脉冲，所述激光脉冲在微机电微振镜上发生反射，然后照射到待测目标表面，再在所述待测目标表现发生反射后被接收镜头接收，并汇聚在焦平面上的探测元内；
S2、所述探测元接收到所述激光脉冲后，输出光电信号，从所述光电信号中提取当前时间Tn，对所述当前时间Tn进行处理得到测距数据Dn，而后将所述测距数据Dn、探测元位置编号Pij，以及当前扫描角度数据θn进行封包而后存储；
S3、按照预设的样本容量重复所述步骤S1、S2，直至得到满足所述预设样本容量的数据；
S4、根据所述步骤S3中得到的数据，对多个所述探测元建立角度-计数概率密度函数和角度-测距精度函数，而后确定所述探测元的响应角度范围，最后约束所述探测元在对应的角度范围内进行响应。
2.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述激光雷达包括：
发射模块，该发射模块发射激光脉冲；
接收模块，该接收模块用于接收所述待测目标反射的激光脉冲；
数据传输处理模块，该数据传输处理模块用于传输数据，并对接收到的所述激光脉冲进行处理；
控制模块，该控制模块发送信号以控制所述发射模块、接收模块以及数据传输处理模块。
3.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，当多个所述探测元同时接受到所述激光脉冲，则随机选取多个探测元中的一个输出所述光电信号。
4.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述扫描角度信息数据θn包括两垂直方向上的扫描角度分量。
5.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S4中，将所述角度-计数概率密度函数与所述角度-测距精度函数进行加权，得到所述探测元的角度范围-响应函数。
6.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过每一所述探测元及其相邻的八个探测元的角度-响应能力函数，得到所述探测元的最佳角度判决门限，再通过所述探测元的最佳角度判决门限，约束该探测元在所述最佳角度判决门限对应的角度范围内进行响应。
7.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过每一所述探测元在当前角度下的回波距离平均值与距离标准差得到所述探测元的角度-测距精度函数。
8.如权利要求7所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，角度-测距精度函数为：其中，AvgstdD为该探测元全部响应角度下的标准差均值，Stdθn为某一个角度下的回波距离标准差。
9.如权利要求1所述的基于光学微机电系统的激光雷达回波处理方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过模型法或插值法得到所述角度-计数概率密度函数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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