激光接收装置及降噪方法、激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域,具体而言,涉及一种激光接收装置及降噪方法、激光雷达。
背景技术
随着科学技术的不断进步,自动驾驶汽车、可自动移动的机器人等逐步进入到人们的视野当中。作为自动驾驶汽车的眼睛,具有超高的距离分辨和空间分辨能力的激光雷达被认为是自动驾驶最关键的组成部分。测距范围、空间分辨率、点频是激光雷达最主要的性能指标。其中,激光雷达的测距范围会受到噪声的影响,当激光雷达在户外、白天或有强烈背景光噪声的环境中工作时,激光雷达接收到的不仅有经目标反射回的回波信号,还会收到背景光噪声以及其诱发的电流噪声,这些噪声对激光雷达的回波信号处理造成影响,大大缩短了激光雷达的最远可探测距离范围,降低其探测精度,导致激光雷达不能提供可靠的探测数据和成像图像。
目前,激光雷达中消除背景光噪声的方法,是利用光学滤波片,将接收光中探测光波段之外的背景光噪声过滤掉,只允许探测光波段内的光进入激光雷达接收装置。但是,由于通过光学滤波片进行接收光中背景光噪声的过滤,无法将与探测光波段相同的背景光噪声过滤消除,并且实际环境中与探测光波段相同的背景光噪声的强度仍然很大,所以目前采用光学滤波片消除噪声的激光雷达受到背景光噪声的影响依旧较大,导致激光雷达在全工况和全时段下的可靠性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光接收装置及降噪方法、激光雷达,能够减少激光雷达接收到的背景光噪声和干扰信号,进而提高激光雷达在全工况和全时段下的可靠性。
本发明的实施例是这样实现的:
本发明实施例的一方面,提供一种激光接收装置,包括:位于同一平面的第一滤光片和第二滤光片,第一滤光片接收探测光和背景光噪声、第二滤光片接收背景光噪声,在第一滤光片和第二滤光片的出光侧分别设置有光电探测器,光电探测器用于将第一滤光片过滤后的探测光和背景光噪声、第二滤光片过滤之后的背景光噪声转换为电信号,光电探测器与线性滤波器矩阵的滤波器一一对应连接,线性滤波器矩阵滤除背景光噪声转换的电信号,并将滤波后的探测光转换的电信号输出,其中,第一滤光片和第二滤光片的通带宽度均与探测光的波段重合。
可选地,第二滤光片包括多个,多个第二滤光片均位于同一平面。
可选地,第一滤光片和第二滤光片相互间隔设置,且间隔距离小于第二滤光片与探测光出射点之间距离的十分之一。
可选地,第一滤光片和第二滤光片一体成型制作为一滤光层。
可选地,光电探测器还分别与自适应装置连接,自适应装置与线性滤波器矩阵的滤波器分别连接,自适应装置用于根据第二滤光片过滤后的背景光噪声转换成的电信号的特征,自适应调节线性滤波器矩阵各滤波器的系数。
可选地,线性滤波器矩阵的滤波器为具有一组有限冲激响应滤波系数的滤波器。
本发明实施例的另一方面,提供一种激光雷达,包括:上述任意一项的激光接收装置。
本发明实施例的又一方面,提供一种降噪方法,包括:第一滤光片接收探测光和背景光噪声,滤除探测光波段以外的背景光噪声后出射,第二滤光片接收背景光噪声,滤除探测光波段以外的背景光噪声后出射;由第一滤光片出射的探测光和背景光噪声、由第二滤光片出射的背景光噪声,分别通过对应的光电探测器转换为电信号;线性滤波器矩阵的滤波器分别接收对应的光电探测器输出的电信号,滤除电信号中的背景光噪声,并对滤除背景光噪声后的电信号输出,其中,线性滤波器矩阵各滤波器的系数,根据第二滤光片对应的光电探测器转换后的电信号的特征进行设定。
可选地,激光接收装置还包括自适应装置;线性滤波器矩阵各滤波器的系数,根据第二滤光片对应的光电探测器转换后的电信号的特征进行设定包括:自适应装置分别接收经光电探测器转换后的电信号;自适应装置根据第二滤光片对应的光电探测器转换的电信号的特征,计算并调节线性滤波器矩阵各滤波器的系数。
可选地,自适应装置根据第二滤光片对应的光电探测器转换的电信号的特征,计算并调节线性滤波器矩阵各滤波器的系数包括:自适应装置采用基于最小均方准则的功率倒置算法,计算得出线性滤波器矩阵各滤波器的系数。
本发明实施例的有益效果包括:
本发明实施例提供的一种激光接收装置,包括第一滤光片和第二滤光片,其中第一滤光片接收探测光和背景光噪声,即探测光由第一滤光片入射,第二滤光片只接收背景光噪声。由于第一滤光片和第二滤光片的通带宽度均与探测光的波段重合,所以背景光噪声通过第一滤光片和第二滤光片过滤后,均保留了探测光波段重合的部分,而探测光能够由第一滤光片正常通过,即第一滤光片出射的光包括探测光和与探测光波段重合的背景光噪声、第二滤光片出射的光为与探测光波段重合的背景光噪声。在第一滤光片和第二滤光片的出光侧分别设有光电探测器,通过光电探测器对经第一滤光片过滤之后的探测光和背景光噪声(即与探测光波段重合的背景光噪声)、经第二滤光片过滤后的背景光噪声(即与探测光波段重合的背景光噪声)进行转换,形成对应的电信号,光电探测器与线性滤波器矩阵的滤波器一一对应连接,上述电信号对应传输至线性滤波器矩阵的各滤波器,通过对线性滤波器矩阵各滤波器系数的调节设定,线性滤波器矩阵能够对第二滤波片对应的光电探测器传输的电信号进行消除(即消除与探测光波段重合的背景光噪声转换的电信号)。由于第二滤波片对应的光电探测器传输的电信号是与探测光波段重合的背景光噪声(第二滤光片出射的光),其与第一滤光片出射的光(探测光和与探测光波段重合的背景光噪声)中的背景光噪声的特性相近或相同,所以当线性滤波器矩阵对第二滤波片对应的光电探测器传输的电信号进行消除的同时,第一滤波片对应的光电探测器传输的电信号中的背景光噪声也能够被线性滤波器矩阵减弱或消除,所以通过线性滤波器矩阵能够输出消除背景光噪声后的电信号。从而使该激光接收装置既可以消除探测光波段以外的背景光噪声,还可以减弱或消除与探测光波段重合的背景光噪声,具有较良好的背景光噪声消除效果,提高了激光接收装置在全工况和全时段下的可靠性。
本发明实施例提供的一种激光雷达采用上述的激光接收装置,具有较良好的背景光噪声消除效果,增加了最远可探测距离范围以及探测精度。
本发明实施例提供的一种降噪方法,通过第一滤光片和第二滤光片消除探测光波段以外的背景光噪声,再通过光电探测器分别对第一滤光片和第二滤光片出射的光进行转换形成电信号,根据第二滤光片对应的光电探测器转换的电信号,设定线性滤波器矩阵各滤波器的系数,以消除第二滤光片过滤后保留的与探测光波段相同的背景光噪声,由于第二滤光片过滤后保留的背景光噪声与第一滤光片过滤后保留的背景光噪声的特性相近或相同,因此线性滤波器矩阵消除第二滤光片对应的电信号的同时,与第一滤光片出射的光对应的电信号中与探测光波段相同的背景光噪声也能够被减弱或消除,从而增强激光接收装置对背景光噪声的消除效果,提高了激光接收装置在全工况和全时段下的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的激光接收装置的结构示意图之一;
图2为本发明实施例提供的激光接收装置的结构示意图之二;
图3为本发明实施例提供的激光接收装置消除噪声的方法的流程示意图之一;
图4为本发明实施例提供的激光接收装置消除噪声的方法的流程示意图之二。
图标:111-第一滤光片;112-第二滤光片;120-光电探测器;130-线性滤波器矩阵;131-滤波器;140-自适应装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
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定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的一种激光接收装置,结合图1和图2所示,包括:位于同一平面的第一滤光片111和第二滤光片112,第一滤光片111接收探测光和背景光噪声、第二滤光片112接收背景光噪声,在第一滤光片111和第二滤光片112的出光侧分别设置有光电探测器120,光电探测器120用于将第一滤光片111过滤后的探测光和背景光噪声、第二滤光片112过滤之后的背景光噪声转换为电信号,光电探测器120与线性滤波器矩阵130的滤波器131一一对应连接,线性滤波器矩阵130滤除背景光噪声转换的电信号,并将滤波后的探测光转换的电信号输出,其中,第一滤光片111和第二滤光片112的通带宽度均与探测光的波段重合。
其中,探测光为激光雷达(或光源)出射的激光经出射方向上的物体反射之后,射入该激光接收装置的光。
在使用时,背景光噪声伴随着探测光入射第一滤光片111,同时探测光光路附近的背景光噪声会入射第二滤光片112。通过第一滤光片111和第二滤光片112对接收到的光进行过滤,使探测光波段以外的背景光噪声被消除。被第一滤光片111和第二滤光片112过滤之后的光分别通过光电探测器120转换为电信号,再根据第二滤光片112对应的光电探测器120传输的电信号的特征对线性滤波器矩阵130进行设置,使线性滤波器矩阵130能够将经第一滤光片111和第二滤光片112过滤的光中,依旧保留的与探测光波段重合的背景光噪声转换成的电信号进行减弱或消除。其中,对线性滤波器矩阵130进行设置所根据的电信号特征,可以是相位、极化、幅度、频率和功率等。
需要说明的是,第一,由于入射第二滤光片112的背景光噪声位于入射第一滤光片111的探测光的光路附近的,所以其与伴随探测光入射第一滤光片111的背景光噪声的特性相近或相同,所以根据第二滤光片112对应的光电探测器120传输的电信号,对线性滤波器矩阵130进行设置以消除第二滤光片112过滤后保留的与探测光波段相同的背景光噪声时,线性滤波器矩阵130也会对伴随探测光一同入射第一滤光片111的背景光噪声进行减弱或消除。
线性滤波器矩阵130由多个通过输出端并路连接的滤波器131组成(滤波器131均为线性滤波器),通过设定一定的滤波器131的系数,能够根据信号的相位、极化、幅度、频率和功率等特性(特征)对信号进行过滤。因此通过线性滤波器矩阵130能够对与探测光波段重合(相同)的背景光噪声在频率特性以外的其他特性上进行区分消除。其中,由于无法获知探测光中混合的背景光噪声的特性,所以需要根据第二滤光片112对应的光电探测器120传输的电信号(探测光光路附近与探测光波段重合(相同)的背景光噪声),来估计经第一滤光片111过滤后的与探测光混合且波段重合(相同)的背景光噪声的特性,以设置线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数,从而消除第二滤光片112过滤后的与探测光波段重合(相同)背景光噪声,以及减弱或消除第一滤波片过滤后与探测光波段重合(相同)的背景光噪声。
第二,线性滤波器矩阵130各滤波器131可以设置为维纳滤波器,当然,在实际应用中线性滤波器矩阵130各滤波器131还可以设置为卡尔曼滤波器等,此处不做限制。
本发明实施例提供的一种激光接收装置,包括第一滤光片111和第二滤光片112,其中第一滤光片111接收探测光和背景光噪声,即探测光由第一滤光片111入射,第二滤光片112只接收背景光噪声。由于第一滤光片111和第二滤光片112的通带宽度均与探测光的波段重合,所以背景光噪声通过第一滤光片111和第二滤光片112过滤后,均保留了探测光波段重合的部分,而探测光能够由第一滤光片111正常通过,即第一滤光片111出射的光包括探测光和与探测光波段重合的背景光噪声、第二滤光片112出射的光为与探测光波段重合的背景光噪声。在第一滤光片111和第二滤光片112的出光侧分别设有光电探测器120,通过光电探测器120对经第一滤光片111过滤之后的探测光和背景光噪声(即与探测光波段重合的背景光噪声)、经第二滤光片112过滤后的背景光噪声(即与探测光波段重合的背景光噪声)进行转换,形成对应的电信号,光电探测器120与线性滤波器矩阵130的滤波器131一一对应连接,上述电信号对应传输至线性滤波器矩阵130的各滤波器131,通过对线性滤波器矩阵130各滤波器131系数的调节设定,线性滤波器矩阵130能够对第二滤波片对应的光电探测器120传输的电信号进行消除(即消除与探测光波段重合的背景光噪声转换的电信号)。由于第二滤波片对应的光电探测器120传输的电信号是与探测光波段重合的背景光噪声(第二滤光片112出射的光),其与第一滤光片111出射的光(探测光和与探测光波段重合的背景光噪声)中的背景光噪声的特性相近或相同,所以当线性滤波器矩阵130对第二滤波片对应的光电探测器120传输的电信号进行消除的同时,第一滤波片对应的光电探测器120传输的电信号中的背景光噪声也能够被线性滤波器矩阵130减弱或消除,所以通过线性滤波器矩阵130能够输出消除背景光噪声后的电信号。从而使该激光接收装置既可以消除探测光波段以外的背景光噪声,还可以减弱或消除与探测光波段重合的背景光噪声,具有较良好的背景光噪声消除效果,提高了激光接收装置在全工况和全时段下的可靠性。
可选地,第二滤光片112包括多个,多个第二滤光片112均位于同一平面。
将第二滤光片112设置为多个,进而使设置线性滤波器矩阵130各滤波器131系数时,可供估计经第一滤光片111过滤后的与探测光混合且波段重合(相同)的背景光噪声特性的可参考的电信号增多,从而提高对与探测光混合且波段重合(相同)的背景光噪声的特性的估计的准确性,提高线性滤波器矩阵130减弱或消除背景光噪声的效果。
可选地,结合图1所示,第一滤光片111和第二滤光片112相互间隔设置,且间隔距离小于第二滤光片112与探测光出射点之间距离的十分之一。
其中,探测光出射点为激光雷达(或光源)激光出射方向上的物体反射激光形成探测光的位置。第二滤光片112与探测光出射点之间的距离即为激光雷达的探测距离。
将第一滤光片111和第二滤光片112之间的间距控制在激光接收装置与被测物之间距离的十分之一内,即第一滤光片111和第二滤光片112之间的距离相对较近,从而使第二滤光片112接收到的背景光噪声与伴随探测光入射第一滤光片111的背景光噪声之间具有较强的关联性,从而提高对与探测光混合且波段重合(相同)的背景光噪声的特性的估计的准确性。
可选地,第一滤光片111和第二滤光片112相互连接一体成型制作为一滤光层。
第一滤光片111和第二滤光片112相互连接,通过一体成型进行设置。即第一滤光片111和第二滤光片112为一滤光层(一整片滤光波片)上的对应分区。当然,在实际应用中,滤光透镜还可以为第一滤光片111和第二滤光片112连接形成的拼装体设置。
第一滤光片111和第二滤光片112相互连接,整体性更强,便于整体安装和设置。
可选地,结合图1和图2所示,光电探测器120还分别与自适应装置140连接(如图2所示x1、x2……xN分别为光电探测器120与线性滤波器矩阵130的滤波器131连线),自适应装置140与线性滤波器矩阵130的滤波器131分别连接,自适应装置140用于根据第二滤光片112过滤后的背景光噪声转换成的电信号的特征,自适应调节线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数。
需要说明的是,自适应装置140可以通过基于功率倒置理论的自适应算法来实现,当然在本发明实施例中也可以通过其他算法实现,此处不做限制。
通过自适应装置140的设置,使线性滤波器矩阵130的各滤波器131系数,能够根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换的电信号的变化自适应的进行调节,即使得线性滤波器矩阵130能够根据不断变化的背景光噪声自适应调节,以保持稳定准确的对背景光噪声进行消除,使该激光接收装置能够在更加复杂的工况下进行良好的背景光噪声消除,提高可靠性。
示例地,自适应装置140采用基于最小均方准则的功率倒置算法。
假设第k时刻的滤波器131系数为w(k)={w1(k),w2(k),……,wN(k)}T,输入为x(k)={x1(k),x2(k),……,xN(k)}T,则优化后的线性滤波器矩阵130的系数递推公式为:
上式中,s={1,0,……,0}T,s中的1对应于含有有效回波信号的那一路,u是步长因子,初始系数w(0)={1,0,……,0}T,w(0)中的1也对应于含有有效回波信号的那一路。
通过该算法能够更加准确,快速的将线性滤波器矩阵130各滤波器131系数收敛于目标函数,从而使自适应装置140能够及时的调节线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数。
可选地,线性滤波器矩阵130的滤波器131为具有一组有限冲激响应滤波系数的滤波器。并且线性滤波器矩阵130为模拟电路。
需要说明的是,第一,在本发明实施例中,线性滤波器矩阵130还可以通过模数转换器与数字电路共同来实现。即通过数模转换器将电信号转换为数字信号,然后输入数字电路。
第二,在本发明实施例中,线性滤波器矩阵130的滤波器131还可以为具有单一系数,或具有一组无限冲激响应滤波系数的滤波器。
本发明实施例的另一方面,提供一种激光雷达,包括:上述任意一项的激光接收装置。
该激光雷达采用上述的激光接收装置,具有较良好的背景光噪声消除效果,增加了最远可探测距离范围以及探测精度。
本发明实施例的又一方面,提供一种降噪方法,如图3所示,包括:
步骤210:第一滤光片111接收探测光和背景光噪声,滤除探测光波段以外的背景光噪声后出射,第二滤光片112接收背景光噪声,滤除探测光波段以外的背景光噪声后出射。
步骤220:由第一滤光片111出射的探测光和背景光噪声、由第二滤光片112出射的背景光噪声,分别通过对应的光电探测器120转换为电信号。
步骤230:线性滤波器矩阵130的滤波器131分别接受对应的光电探测器120输出的电信号,滤除电信号中的背景光噪声,并对滤除背景光噪声后的电信号输出,其中,线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数,根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换后的电信号的特征进行设定。(结合图1和图2所示)
通过第一滤光片111和第二滤光片112分别消除其接收到的光中探测光波段以外的背景光噪声,再通过光电探测器120分别对第一滤光片111和第二滤光片112出射的光进行转换形成电信号,根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换的电信号的特征,设定线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数,以消除第二滤光片112过滤后保留的与探测光波段相同的背景光噪声,由于第二滤光片112过滤后保留的背景光噪声与第一滤光片111过滤后保留的背景光噪声的特性相近或相同,因此线性滤波器矩阵130消除第二滤光片112对应的电信号的同时,与第一滤光片111出射的光对应的电信号中与探测光波段相同的背景光噪声也能够被减弱或消除,从而增强激光接收装置对背景光噪声的消除效果,提高了激光接收装置在全工况和全时段下的可靠性。
可选地,激光接收装置还包括自适应装置140,线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数,根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换后的电信号的特征进行设定,如图4所示包括:
步骤231:自适应装置140分别接收经光电探测器120转换后的电信号;
步骤232:自适应装置140根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换的电信号的特征,计算并调节线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数。(结合图1和图2所示)
通过自适应装置140的设置,能够使线性滤波器矩阵130的各滤波器131系数,根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换的电信号的变化自适应的进行调节,即使得线性滤波器矩阵130能够根据不断变化的背景光噪声自适应调节,以保持稳定准确的对背景光噪声进行消除,使该激光接收装置能够在更加复杂的工况下进行良好的背景光噪声消除,提高可靠性。
可选地,自适应装置140根据第二滤光片112对应的光电探测器120转换的电信号的特征,计算并调节线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数包括:自适应装置140采用基于最小均方准则的功率倒置算法,计算得出线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数。
通过该算法能够更加准确,快速的将线性滤波器矩阵130各滤波器131系数收敛于目标函数,从而使自适应装置140能够及时的调节线性滤波器矩阵130各滤波器131的系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。