CN109683171A - 激光雷达及其测距方法 - Google Patents

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向少卿
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Abstract

一种激光雷达及其测距方法，激光雷达包括：至少两个激光器；激光器控制器，控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；合束器，将至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；探测器，接收回波脉冲；测时器，对探测器接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；分析模块，如果测时器测量得到的时间间隔与预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与预设脉冲幅度序列相匹配，则判定回波脉冲是由至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。本发明技术方案可以提高激光雷达测距的准确性。

Description

激光雷达及其测距方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种激光雷达及其测距方法。
背景技术
远距离的激光雷达可以用于测距。通常基于直接飞行时间法，也即通过发射宽度很窄但峰值功率高的激光脉冲，测量脉冲光到障碍物之间来回的光飞行的时间进行测距。
但是，在同一测量范围内，同时有多台激光雷达在工作的场景下，例如，在一台车上安装多台激光雷达时，或者多辆安装有激光雷达的车辆相距较近时，由于激光雷达的测量原理是基于对发射激光脉冲的飞行时间进行测量，如果每台激光雷达无法判别收到的光脉冲是不是自己发出的，那么有一定概率接收到其他雷达发出的光脉冲时，也会被判定为回波信号，从而导致测距结果的错误。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何提高激光雷达测距的准确性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光雷达，激光雷达包括：
至少两个激光器；激光器控制器，控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；合束器，将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；探测器，接收回波脉冲；测时器，对所述探测器接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；分析模块，如果所述测时器测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
可选的，所述分析模块还利用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距。
可选的，所述预设时间间隔序列是在预设时间取值范围内随机选取组合的，所述预设脉冲幅度序列是在预设幅度取值范围内随机选取组合的。
可选的，所述激光器控制器控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔在不同的时刻分别发射所述激光脉冲。
可选的，所述激光器控制器控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔与所述预设脉冲幅度序列指示的各个脉冲幅度的组合，在不同的时刻采用对应的幅度分别发射所述激光脉冲。
可选的，所述测时器对所述接收到的各个回波脉冲的到达时间进行测量，以得到所述接收到的各个回波脉冲之间的时间间隔。
可选的，所述测时器根据所述接收到的各个回波脉冲的波形峰值得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度；或者，所述测时器通过测量幅值达到设定阈值的回波持续时间得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度。
本发明实施例还公开了一种激光雷达测距方法，激光雷达测距方法包括：
控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；接收回波脉冲；对接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；如果测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
可选的，所述激光雷达测距方法还包括：利用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距。
可选的，所述控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲包括：控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔与所述预设脉冲幅度序列指示的各个脉冲幅度的组合，在不同的时刻采用对应的幅度分别发射所述激光脉冲。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案的雷达包括至少两个激光器；激光器控制器，控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；合束器，将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；探测器，接收回波脉冲；测时器，对所述探测器接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；分析模块，如果所述测时器测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。本发明技术方案通过激光器控制器控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列分别发射激光脉冲，可以使得探测器接收到的回波脉冲也具有预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列的信息，从而使得分析模块可以利用回波脉冲的时间间隔、脉冲幅度以及预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列来区分回波脉冲的来源，进而判定回波脉冲是否是来自同一雷达，提高了激光雷达的抗干扰能力；此外，还可以保证雷达测距的准确性。
进一步，所述预设时间间隔序列是在预设时间取值范围内随机选取组合的，所述预设脉冲幅度序列是在预设幅度取值范围内随机选取组合的。本发明技术方案在控制激光器发射激光脉冲时，通过在预设时间取值范围内随机组合形成预设时间间隔序列，或者在预设幅度取值范围内随机选取组合形成预设脉冲幅度序列，可以降低激光器控制器的逻辑复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例一种激光雷达的结构示意图；
图2是本发明实施例一种具备预设时间间隔序列信息和/或预设幅度序列信息的激光脉冲的示意图；
图3是本发明实施例一种激光雷达测距方法的流程图。
具体实施方式
如背景技术中所述，在同一测量范围内，同时有多台激光雷达在工作的场景下，例如，在一台车上安装多台激光雷达时，或者多辆安装有激光雷达的车辆相距较近时，由于激光雷达的测量原理是基于对发射激光脉冲的飞行时间进行测量，如果每台激光雷达无法判别收到的光脉冲是不是自己发出的，那么有一定概率接收到其他雷达发出的光脉冲时，也会被判定为回波信号，从而导致测距结果的错误。
为了防止多台雷达在测量范围内同时工作时，出现接收到其他雷达发出的脉冲，造成测量错误的情况。需要使激光雷达能够区分哪些激光脉冲是自己发出的，而不是其他雷达发出的。
本发明技术方案通过激光器控制器控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列分别发射激光脉冲，可以使得探测器接收到的回波脉冲也具有预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列的信息，从而使得分析模块可以利用回波脉冲的时间间隔、脉冲幅度以及预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列来区分回波脉冲的来源，进而判定回波脉冲是否是来自同一雷达，避免了雷达间的信号干扰，提高了激光雷达的抗干扰能力；此外，还可以保证雷达测距的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明实施例一种激光雷达的结构示意图。
图1所示激光雷达可以包括激光器控制器101、至少两个激光器102、合束器103、探测器104、测时器105和分析模块106。
其中，激光器控制器101控制所述至少两个激光器102按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲。
具体实施中，激光器控制器101可以控制激光器102发射激光脉冲。在本发明实施例中，激光器控制器101可以分别驱动和控制所述至少两个激光器102。激光器控制器101在控制至少两个激光器102发射激光脉冲后，所述激光脉冲之间具备预设时间间隔序列的信息，或者所述激光脉冲具备预设幅度序列指示的各个幅度的信息，或者，所述激光脉冲具备预设时间间隔序列的信息以及预设幅度序列指示的各个幅度的信息的组合信息。
本领域技术人员可以理解的是，使激光脉冲之间具备预设时间间隔序列的信息和/或预设幅度序列指示的各个幅度的信息的过程可以是对激光脉冲进行编码的过程；预设时间间隔序列的信息和/或预设幅度序列指示的各个幅度的信息可以是编码信息。
下面以激光雷达包括3个激光器101为例，对激光脉冲的编码信息进行详细的描述。
如图2所示，3个激光器101分别发射激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3。在图2所示的A场景下，激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3的脉冲幅度均为A1，激光脉冲p1和激光脉冲p2之间的时间间隔为t1，激光脉冲p2和激光脉冲p3之间的时间间隔为t2。此时合束激光脉冲携带了时间间隔为t1和时间间隔为t2的激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3的编码信息。
在图2所示的B场景下，激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3的时间间隔均为t1，激光脉冲p1的脉冲幅度为A2，激光脉冲p2的脉冲幅度为A3，激光脉冲p3的脉冲幅度为A4。此时合束激光脉冲携带了脉冲幅度A2、脉冲幅度A3和脉冲幅度A4的激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3的编码信息。
在图2所示的C场景下，激光脉冲p1和激光脉冲p2之间的时间间隔为t1，激光脉冲p2和激光脉冲p3之间的时间间隔为t2，激光脉冲p1的脉冲幅度为A5，激光脉冲p2的脉冲幅度为A6，激光脉冲p3的脉冲幅度为A7。此时合束激光脉冲携带了时间间隔为t1和时间间隔为t2，以及脉冲幅度A5、脉冲幅度A6和脉冲幅度A7的激光脉冲p1、激光脉冲p2和激光脉冲p3的编码信息。
本发明实施例利用时间间隔和脉冲幅度，使得激光脉冲之间的编码方式更加丰富和多样化，更有利于避免雷达之间的串扰。
进一步地，所述预设时间间隔序列是在预设时间取值范围内随机选取组合的，所述预设脉冲幅度序列是在预设幅度取值范围内随机选取组合的。
预设时间取值范围可以包括多个时间间隔的取值，预设幅度取值范围可以包括多个脉冲幅度的取值。继续参照图2，时间间隔为t1和时间间隔为t2可以在多个时间间隔的取值之间随机选取，脉冲幅度A1至A7可以在多个脉冲幅度的取值之间随机选取，从而进一步提高了激光脉冲的编码信息的丰富性，进一步提高了雷达的抗干扰能力。
可以理解的是，预设时间取值范围和预设幅度取值范围会受到系统特性的限制，例如时间间隔不能短到单个激光脉冲的脉宽的量级，这样会导致脉冲叠在一起无法分辨。时间间隔也不能过长，例如不能超过某次飞行时间测量的总时间(典型值为1到几微秒)。同理，预设幅度取值也会受到约束，例如单个激光脉冲的幅度不能超过人眼安全的限制。
进一步而言，每台雷达在每次测量时的编码方式可以是随机的。例如，当前测量的编码方式是按照预设时间间隔序列在不同的时刻发射激光脉冲，下次测量时，可以按照预设脉冲幅度序列发射激光脉冲。多台激光雷达由于各自在每次测量时的编码方式都是随机的，在某次测量中两台激光雷达的编码方式完全相同的概率极低，因此可以实现抑制激光雷达之间的干扰。
继续参照图1，合束器103可以将所述至少两个激光器102发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射。具体实施中，至少两个激光器102发射了至少两路激光脉冲，为了将至少两路激光脉冲合成为一路激光脉冲输出，可以使用合束器103将至少两路激光脉冲进行合并为一路激光脉冲。
优选地，合束器103可以是光纤合束器。本领域技术人员可以理解的是，合束器103也可以是其他任意可实施合束功能的器件，本发明实施例对此不做限制。
继续参照图1，探测器104可以接收回波脉冲。具体而言，经过合束器103后的激光脉冲还可以经过准直透镜(未标示)准直由扫描装置(未标示)偏转出射，形成出射光束。出射光束经过障碍物反射后形成回波脉冲，并经过会聚透镜(未标示)会聚至探测器104。
具体地，扫描装置可以是扫描振镜、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)或者类MEMS微振镜。
继续参照图1，测时器105对所述探测器104接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量，可以得到各个回波脉冲之间的时间间隔，和/或各个回波脉冲各自的脉冲幅度。
优选地，测时器105对所述接收到的各个回波脉冲的到达时间进行测量，以得到所述接收到的各个回波脉冲之间的时间间隔。
优选地，测时器105根据所述接收到的各个回波脉冲的波形峰值得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度；或者，所述测时器105通过测量幅值达到设定阈值的回波持续时间得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度。
具体实施中，可以利用测量时间来测量脉冲幅度信息，例如幅度越大的信号，超过设定阈值的时间(time over threshold)就会越长。因此可以利用测量达到设定阈值的持续时间，来判断回波脉冲信号的脉冲幅度大小。
具体而言，测时器105可以是测时电路。例如可以是时间数字转换器(Time-Digital Converter,TDC)或者幅度数字转换器(Amplitude-Digital Converter,ADC)等。进一步地，回波脉冲不饱和时，可以根据所述接收到的各个回波脉冲的波形峰值得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度；回波脉冲饱和时，可以通过测量幅值达到设定阈值的回波持续时间得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度。
继续参照图1，分析模块106在所述测时器105测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器101发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
本实施例中，分析模块106通过比对测时器105测量得到的时间间隔、脉冲幅度与预设时间间隔序列、预设脉冲幅度序列，可以判断所述回波脉冲是否是由所述至少两个激光器101发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
进一步地，如果所述回波脉冲是由所述至少两个激光器101发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的，则所述分析模块106还利用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距，从而可以保证测距的准确性。
在本发明的另一个具体应用场景中，可以采用直接飞行时间法进行编码，该方案需要在纳秒量级的时间间隔下，控制激光器发射激光脉冲，进行快速精确的开关动作。由于激光雷达发出的光脉冲宽度通常在纳秒量级，因此要对激光脉冲进行编码，要求在纳秒量级的时间间隔下，多次发射激光脉冲。对于单个激光器和驱动电路，在纳秒量级进行快速精确的开关动作难度较大，对驱动电路的速度、控制精度、激光器的额定功率等指标提出了高的挑战，实现难度大。
继续参照图1，本发明实施例中的每台激光雷达包括至少两个激光器101，至少两个激光器101发射的至少两路激光脉冲之间的时间间隔可以小于单个激光器101发射的两次激光脉冲之间的时间间隔，可以满足在纳秒量级的时间间隔下，多次发射激光脉冲。
本实施例中，由于激光雷达中每个激光脉冲的宽度很短(例如几纳秒)，并且激光脉冲的定时测量精度在百皮秒量级，因此在实现有效编码的情况下，多个激光脉冲之间的时间间隔可控制在一百纳秒以内。而在一百纳秒的时间尺度内，周围的障碍物相对雷达静止(例如在转速为10Hz的情况下，100ns雷达转动的角度为万分之3.6度，在200m处对应的长度为1.3mm，远小于光斑在200米的尺寸)。回波信号的多个激光脉冲之间会保持良好的时间关系和幅度相对关系，从而可以利用发射的激光脉冲和回波脉冲可以判断是否来自同一雷达。
图3是本发明实施例一种激光雷达测距方法的流程图。
图3所示的激光雷达测距方法可以包括以下步骤：
步骤S301：控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；
步骤S302：将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；
步骤S303：接收回波脉冲；
步骤S304：对接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；
步骤S305：如果测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
本发明实施例通过控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列分别发射激光脉冲，可以使得接收到的回波脉冲也具有预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列的信息，从而可以利用回波脉冲的时间间隔、脉冲幅度以及预设时间间隔序列和/或采用预设幅度序列来区分回波脉冲的来源，进而判定回波脉冲是否是来自同一雷达，避免了雷达间的信号干扰，提高了激光雷达的抗干扰能力；此外，还可以保证雷达测距的准确性。
图3所示的激光雷达测距方法可以包括以下步骤：用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距。
此外，步骤S301还可以包括以下步骤：控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔与所述预设脉冲幅度序列指示的各个脉冲幅度的组合，在不同的时刻采用对应的幅度分别发射所述激光脉冲。
关于所述激光雷达测距方法的工作原理、工作方式的更多内容，可以参照图1至图2中的相关描述，这里不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：
至少两个激光器；
激光器控制器，控制所述至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设脉冲幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；
合束器，将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；
探测器，接收回波脉冲；
测时器，对所述探测器接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；
分析模块，如果所述测时器测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述分析模块还利用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距。
3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述预设时间间隔序列是在预设时间取值范围内随机选取组合的，所述预设脉冲幅度序列是在预设幅度取值范围内随机选取组合的。
4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器控制器控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔在不同的时刻分别发射所述激光脉冲。
5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器控制器控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔与所述预设脉冲幅度序列指示的各个脉冲幅度的组合，在不同的时刻采用对应的幅度分别发射所述激光脉冲。
6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述测时器对所述接收到的各个回波脉冲的到达时间进行测量，以得到所述接收到的各个回波脉冲之间的时间间隔。
7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述测时器根据所述接收到的各个回波脉冲的波形峰值得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度；
或者，所述测时器通过测量幅值达到设定阈值的回波持续时间得到所述接收到的各个回波脉冲的脉冲幅度。
8.一种激光雷达测距方法，其特征在于，包括：
控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和/或采用预设脉冲幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲；
将所述至少两个激光器发出的激光脉冲合并至同一发射通道内进行发射；
接收回波脉冲；
对接收到的各个回波脉冲彼此之间的时间间隔和/或各自的脉冲幅度进行测量；
如果测量得到的时间间隔与所述预设时间间隔序列相匹配，和/或测量得到的脉冲幅度与所述预设脉冲幅度序列相匹配，则判定所述回波脉冲是由所述至少两个激光器发出的激光脉冲经由障碍物反射得到的。
9.根据权利要求8所述的激光雷达测距方法，其特征在于，还包括：
利用所述回波脉冲对所述障碍物进行测距。
10.根据权利要求8所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述控制至少两个激光器按照预设时间间隔序列在不同的时刻，和采用预设幅度序列指示的各个幅度分别发射激光脉冲包括：
控制所述至少两个激光器按照所述预设时间间隔序列指示的各个时间间隔与所述预设脉冲幅度序列指示的各个脉冲幅度的组合，在不同的时刻采用对应的幅度分别发射所述激光脉冲。
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