CN109870678B - 激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置，其通过存储器预先对激光雷达扫描目标物体的回波信号数据进行存储，扫描前，提取扫描位置相邻的多个位置的回波信号，得到多个回波信号的原始幅值，而后对回波信号的原始幅值进行加权，计算得到待扫描位置的回波信号幅值，最后根据该扫描位置的增益参数配置激光雷达的发射激光脉冲，并接收待扫描位置返回的回波信号，从返回的回波信号中提取回波信号数据并进行存储，这样，无需提高发射激光峰值功率或是通过增大接收电路的放大系数等现有技术中的方法，即可以提高对较远目标物体的扫描精度，并且系统自身可以不断对回波数据信息进行更新存储。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达扫描技术领域，具体地说，涉及一种激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置。
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，使得上述这种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。
在现有技术中，激光雷达通常采用的飞行时间测距法是一种通过向目标物体连续发送光脉冲，再采用传感器接收从目标物体返回的光束，通过探测光脉冲的飞行往返时间来得到光源距离目标物体的距离。其中，上述的这种连续光脉冲具有短时长、高峰值功率的特点，当得到某一光脉冲的返回时间时，将该返回时间与该光脉冲的发送时间进行比较，得到激光没冲往返目标物体的时长，进而将得到的该飞行时长与光速相乘，得到目标物体距离光源的距离数据。
因为在发射激光峰值功率以及用于接收目标物体反射的光脉冲的接收镜头等其他设备因素保持一定的前提下，被激光雷达接收到的反射光脉冲的光强会随着目标物体与发射光源之间的距离增加而降低，相应的，接收到的回波电信号的幅值也会随着成比例下降，继而，由于光强的减弱和回波电信号的幅值的下降，使得当目标物体距离发射光源的距离较远时候，会较大程度地降低通过飞行时间测距法测距的精度。人们在长期的实践中提出了可以采用提高发射激光峰值功率和增大接收电路的放大电路倍数两种方法以解决现有技术中存在的上述技术问题，然而这两种方法也存在各自的缺点：
1)在一种可行的办法中，可以采用提高发射激光峰值功率的方法来提高测距的精度并延伸激光雷达的可探测距离，然而相应的，提高发射光源的峰值功率会使得激光雷达的电功耗也相应增加，这势必会增加激光雷达设备整体设备的系统负担，另外，过高的激光峰值功率所发射的连续激光脉冲对操作人员的视力也造成一定程度的损害，不利于连续测量或者长期测量，显然这样的方法虽然能够解决激光雷达远距离测距的精度不够的问题，但是也限制了该种方式适用性；
2)在另一种可行的办法中，可以通过增大接收电路的放大系数来提高对距离较远的目标物体的测距精度，然而，增大接收电路的放大系数会导致电路噪声增强，当回波信号的幅度足够时，反而降低了信噪比。
并且，上述的两种现有技术中的方法都难以根据周界环境特性或目标物体的特效的变化，实时且动态地实现对激光雷达系统激光发射功率以及系统回波增益进行自适应调节，使得现有技术下的激光雷达的适用性和动态范围存在较大的局限性。
有鉴于此，应当对现有技术进行改进，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，其目的是提供一种能够无需增加专用电路或者设置复杂参数，即可以使得激光雷达扫描装置实现根据周界环境及目标特效变化，自适应地对激光发射功率及系统增益进行调节，能够提高激光雷达扫描适应性及扫描动态范围的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，所述激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法包括以下步骤：S1、激光雷达通过扫描装置进行目标物体扫描成像，并对扫描过程中多个列周期内回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数进行存储；S2、根据下一扫描点的待扫描位置，读取与该待扫描位置相邻的多个位置的回波信号，并计算所述相邻的多个位置的回波信号的原始幅值；S3、对所述的多个位置的回波信号的原始幅值进行加权，再根据回波信号幅度偏差值计算所述的待扫描位置的回波信号幅值；S4、根据所述的回波信号幅值计算该待扫描位置的增益参数，再根据所述增益参数配置所述激光雷达的发射激光脉冲，而后接收所述的待扫描位置的回波信号，再从接收到的回波信号中提取回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数并进行存储，继而对所述回波信号幅度偏差值进行更新。
优选地，在所述步骤S1中，可以通过一维和/或二维机械扫描镜对所述目标物体进行扫描。
优选地，在所述步骤S2中，可以建立扫描点空间坐标，得到下一扫描点的待扫描位置Pt，x,在预先存储的回波信号的回波信息中，可以提取与待扫描位置相邻n个窗口阈值以及相邻m个周期的多个时间邻域内的待扫描位置Pt-m，x±n的回波信号。
进一步优选地，在所述步骤S2中，所述相邻的多个位置的回波信号的原始幅值Areal(t，x)可以满足：原始幅值Areal(t，x)＝回波信号幅值A(t，x)/增益参数G(t，x)。
优选地，在所述步骤S3中，待扫描位置的回波信号幅值可以满足：
其中，Areal(t，x)为回波信号的原始幅值，λt-1为t-1时刻的回波信号幅度偏差值，W(t，x)为回波信号幅值加权函数，所述回波信号幅值加权函数可以为高斯函数。
优选地，在所述步骤S4中，可以预先设置回波接收幅值的期望值Ae，则增益参数G(t，x)可以满足：
增益参数G(t，x)＝待扫描位置的回波信号幅值/回波接收幅值期望值Ae。
优选地，在所述步骤S4中，所述回波信号幅度偏差值λt可以满足：
其中，λT可以为调整步长，λTH、λTL为幅值偏差的上极限值和下极限值。
优选地，在所述步骤S4中，增益参数可以为总增益值，可以采用查找表将所述增益参数分解到激光器增益、光电探测器响应增益、回波信号放大器增益。
相应的，本发明还提供了一种基于上述内容所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置，所述装置包括：主控模块，该主控模块控制激光器的发射并产生同步信号；激光发射模块，该激光发射模块包括电控振镜和激光器；回波接收模块，该回波接收模块包括接收光学与光电传感器和放大电路；回波信息提取模块，该回波信息提取模块包括阈值触发电路、多高精度测量电路以及峰值测量电路；存储模块，该存储模块包括非掉电易失性存储器，所述存储模块用于存储时间邻域与空间邻域的回波信息；增益计算与分配模块，该增益计算与分配模块计算待扫描位置所需的回波增益参数，并进行增益配置，其中，当所述激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置工作时，于待扫描位置扫描前，从所述存储模块中提取待扫描位置对应的时间与空间邻域的回波信号，计算回波信号的幅度，并根据预先存储的回波信号幅度偏差进行计算待测量位置的幅度偏差值，再根据增益调节参数与所述幅度偏差值调整配置发射激光信号，激光信号经过目标物体反射后传输至所述回波接收模块的光电探测器，转变成电信号后获得当前脉冲的信息并进行存储，并利用当前的脉冲信息对预先存储的回波偏差值进行更新。
优选地，所述电控振镜可以为一维和/或二维机械扫描镜。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置中，通过存储器预先对激光雷达扫描目标物体的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数进行存储，当需要对待扫描位置进行扫描之前，从存储器中提取该待扫描位置相邻的多个位置的回波信号，并根据提取的回波信息得到相邻多个位置回波信号的原始幅值，而后对多个位置的回波信号的原始幅值进行加权，并根据回波信号幅度偏差值计算得到待扫描位置的回波信号幅值，最后根据该待扫描位置的增益参数配置激光雷达的发射激光脉冲，并接收待扫描位置返回的回波信号，从返回的回波信号中提取回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数并进行存储，这样，无需提高发射激光峰值功率或是通过增大接收电路的放大系数等现有技术中的方法，即可以提高对较远目标物体的扫描精度，并且系统自身可以不断对回波数据信息进行更新存储，并通过回波数据信息不断更新回波信号幅度偏差值，以进一步提高扫描精度。综上所述，本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置能够无需增加专用电路或者设置复杂参数，即可以使得激光雷达扫描装置实现根据周界环境及目标特效变化，自适应地对激光发射功率及系统增益进行调节，能够提高激光雷达扫描适应性及扫描动态范围，解决了现有技术下激光雷达电功率过高增加设备整体系统负担，且对操作人员的视力造成损害的技术问题，且可以保持系统信噪比，降低扫描成本，延长设备整体使用寿命。
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激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法的流程；
图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置的结构。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置的实施例。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激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法的流程。如图1所示，在本发明的该实施例中所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法包括：S1、激光雷达通过扫描装置进行目标物体扫描成像，并对扫描过程中多个列周期内回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数进行存储；S2、根据下一扫描点的待扫描位置，读取与该待扫描位置相邻的多个位置的回波信号，并计算所述相邻的多个位置的回波信号的原始幅值；S3、对所述的多个位置的回波信号的原始幅值进行加权，再根据回波信号幅度偏差值计算所述的待扫描位置的回波信号幅值；S4、根据所述的回波信号幅值计算该待扫描位置的增益参数，再根据所述增益参数配置所述激光雷达的发射激光脉冲，而后接收所述的待扫描位置的回波信号，再从接收到的回波信号中提取回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数并进行存储，继而对所述回波信号幅度偏差值进行更新。
具体地说，在本发明的该实施例中，一维MEMS振镜的角分辨率为0.1度，半导体激光器的峰值采用905纳米，峰值功率为76瓦，光电探测器采用硅光电倍增管，光敏元大小为6毫米*6毫米，供电电压在24伏到30伏的范围内。回波放大电路增益在1至100倍的范围内。通过峰值保持测得回波信号幅值在30mV到1000V的范围内。在扫描开始前，设置时间邻域范围m＝1，空间窗口阈值n＝2，窗口函数选择二维高斯函数，高斯函数的两个方差分别设置为σi＝1，σj＝2。幅值下限ATL设置为300mV,幅值下限ATH设置为500mV,调整步长λ0＝0，λT＝0.1。
在所述步骤S1中，建立扫描点空间坐标，在下一次扫描开始时，从存储器预先存储的数据中提取待扫描位置对应的时间与空间邻域的回波信号，在本发明的该实施例中，计算对应的时间与空间邻域的7个回波信号的幅度，再根据预先存储的历史幅度偏差计算得到下一扫描位置的幅度估计值。
在步骤S2中，根据待扫描位置的空间位置Pt，x，在预先存储的回波信号的回波信息中，提取与待扫描位置相邻n个窗口阈值以及相邻m个周期的7个时间邻域内的待扫描位置Pt-m，x±n的回波信号，再计算原始幅值Areal(t，x)，原始幅值Areal(t，x)满足：原始幅值Areal(t，x)＝回波信号幅值A(t，x)/增益参数G(t，x)。
在步骤S3中，计算待扫描位置的回波信号幅值，其满足：
其中，W(t，x)为回波信号幅值加权函数，所述回波信号幅值加权函数为高斯函数。
在步骤S4中，预先设置回波接收幅值的期望值Ae，则增益参数G(t，x)满足：增益参数G(t，x)＝待扫描位置的回波信号幅值/回波接收幅值期望值Ae。并且，使得回波信号幅度偏差值λt满足：
其中，λT为调整步长，λTH、λTL为幅值偏差的上极限值和下极限值。
在本发明的该实施例中，步骤S4中增益参数为总增益值，当得到增益参数后采用查找表将所述增益参数分解到激光器增益、光电探测器响应增益、回波信号放大器增益。根据所述幅度估计值计算所需的增益调节参数，再根据计算获得的增益调节参数配置激光雷达发射激光信号，激光信号经过目标物体反射后传输至接收信号的光电探测器，转变成电信号后计算出当前脉冲的信息并进行存储，并利用当前的脉冲信息对预先存储的回波估计偏差进行更新。
相应的，本发明的实施例中还提供了一种基于上述内容的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置，图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置的结构。如图2所示，在本发明的该实施例中所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置中包括主控模块1、激光发射模块2、回波接收模块3、回波信息提取模块4、存储模块5以及增益计算与分配模块6。
主控模块1控制激光器的发射并产生同步信号；激光发射模块2，包括电控振镜和激光器；回波接收模块3包括接收光学与光电传感器和放大电路；回波信息提取模块4包括阈值触发电路、多高精度测量电路以及峰值测量电路；存储模块5包括非掉电易失性存储器，存储模块5用于存储时间邻域与空间邻域的回波信息；增益计算与分配模块6计算待扫描位置所需的回波增益参数，并进行增益配置，
当本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置工作时，于待扫描位置扫描前，从存储模块5中提取待扫描位置对应的时间与空间邻域的回波信号，计算回波信号的幅度，并根据预先存储的回波信号幅度偏差进行计算待测量位置的幅度偏差值，再根据增益调节参数与幅度偏差值调整配置发射激光信号，激光信号经过目标物体反射后传输至回波接收模块3的光电探测器，转变成电信号后获得当前脉冲的信息并进行存储，并利用当前的脉冲信息对预先存储的回波偏差值进行更新。
根据上面的描述和实践可知，本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置中，通过存储器预先对激光雷达扫描目标物体的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数进行存储，当需要对待扫描位置进行扫描之前，从存储器中提取该待扫描位置相邻的多个位置的回波信号，并根据提取的回波信息得到相邻多个位置回波信号的原始幅值，而后对多个位置的回波信号的原始幅值进行加权，并根据回波信号幅度偏差值计算得到待扫描位置的回波信号幅值，最后根据该待扫描位置的增益参数配置激光雷达的发射激光脉冲，并接收待扫描位置返回的回波信号，从返回的回波信号中提取回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数并进行存储，这样，无需提高发射激光峰值功率或是通过增大接收电路的放大系数等现有技术中的方法，即可以提高对较远目标物体的扫描精度，并且系统自身可以不断对回波数据信息进行更新存储，并通过回波数据信息不断更新回波信号幅度偏差值，以进一步提高扫描精度。综上所述，本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置能够无需增加专用电路或者设置复杂参数，即可以使得激光雷达扫描装置实现根据周界环境及目标特效变化，自适应地对激光发射功率及系统增益进行调节，能够提高激光雷达扫描适应性及扫描动态范围，解决了现有技术下激光雷达电功率过高增加设备整体系统负担，且对操作人员的视力造成损害的技术问题，且可以保持系统信噪比，降低扫描成本，延长设备整体使用寿命。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法及调节装置，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.激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，所述激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法包括以下步骤：
S1、激光雷达通过扫描装置进行目标物体扫描成像，并对扫描过程中多个列周期内回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数进行存储；
S2、根据下一扫描点的待扫描位置，读取与该待扫描位置相邻的多个位置的回波信号，并计算所述相邻的多个位置的回波信号的原始幅值；
S3、对所述的多个位置的回波信号的原始幅值进行加权，再根据回波信号幅度偏差值计算所述的待扫描位置的回波信号幅值，
在所述步骤S3中，待扫描位置的回波信号幅值满足：
其中，Areal(t，x)为回波信号的原始幅值，λt-1为t-1时刻的回波信号幅度偏差值，W(t，x)为回波信号幅值加权函数，所述回波信号幅值加权函数为高斯函数；
S4、根据所述的回波信号幅值计算该待扫描位置的增益参数，再根据所述增益参数配置所述激光雷达的发射激光脉冲，而后接收所述的待扫描位置的回波信号，再从接收到的回波信号中提取回波信号的回波信号幅值、目标物理距离以及增益参数并进行存储，继而对所述回波信号幅度偏差值进行更新。
2.如权利要求1所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过一维和/或二维机械扫描镜对所述目标物体进行扫描。
3.如权利要求1所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S2中，建立扫描点空间坐标，得到下一扫描点的待扫描位置Pt，x,在预先存储的回波信号的回波信息中，提取与待扫描位置相邻n个窗口阈值以及相邻m个周期的多个时间邻域内的待扫描位置Pt-m，x±n的回波信号。
4.如权利要求3所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述相邻的多个位置的回波信号的原始幅值Areal(t，x)满足：原始幅值Areal(t，x)＝回波信号幅值A(t，x)/增益参数G(t，x)。
5.如权利要求1所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S4中，预先设置回波接收幅值的期望值Ae，则增益参数G(t，x)满足：
增益参数G(t，x)＝待扫描位置的回波信号幅值/回波接收幅值期望值Ae。
6.如权利要求1所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述回波信号幅度偏差值λt满足：
其中，λT为调整步长，λTH、λTL为幅值偏差的上极限值和下极限值。
7.如权利要求1所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节方法，其特征在于，在所述步骤S4中，增益参数为总增益值，采用查找表将所述增益参数分解到激光器增益、光电探测器响应增益、回波信号放大器增益。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置，其特征在于，所述装置包括：
主控模块，该主控模块控制激光器的发射并产生同步信号；
激光发射模块，该激光发射模块包括电控振镜和激光器；
回波接收模块，该回波接收模块包括接收光学与光电传感器和放大电路；
回波信息提取模块，该回波信息提取模块包括阈值触发电路、多高精度测量电路以及峰值测量电路；
存储模块，该存储模块包括非掉电易失性存储器，所述存储模块用于存储时间邻域与空间邻域的回波信息；
增益计算与分配模块，该增益计算与分配模块计算待扫描位置所需的回波增益参数，并进行增益配置，其中，
当所述激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置工作时，于待扫描位置扫描前，从所述存储模块中提取待扫描位置对应的时间与空间邻域的回波信号，计算回波信号的幅度，并根据预先存储的回波信号幅度偏差进行计算待测量位置的幅度偏差值，再根据增益调节参数与所述幅度偏差值调整配置发射激光信号，激光信号经过目标物体反射后传输至所述回波接收模块的光电探测器，转变成电信号后获得当前脉冲的信息并进行存储，并利用当前的脉冲信息对预先存储的回波偏差值进行更新。
9.如权利要求8所述的激光雷达发射功率及回波增益自动调节装置，其特征在于，所述电控振镜为一维和/或二维机械扫描镜。
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