CN110196420B - 激光雷达的回波模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供激光雷达的回波模拟装置及方法，以解决无法模拟近距离目标的问题。上述回波模拟装置包括：主控单元、光学收发单元以及回波模拟光学链路。在激光雷达发射周期到来之前，主控单元会根据距离参数来确定回波模拟光学链路的目标延时时间。这样在激光信号到来后，激光信号先被光学收发单元接收，然后进入回波模拟光学链路，在回波模拟光学链路中被延时目标延时时间后，再经由光学收发单元发射出去。从激光信号进入光学收发单元至发射出去的过程中，对激光信号进行的是光学延时处理，没有光电或电光转换，从而不存在因光电转换、电光转换带来的时延，因此，本发明实施例所提供的技术方案可用于模拟近距离目标。

Description

激光雷达的回波模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达测试技术领域，特别涉及激光雷达的回波模拟装置及方法。

背景技术

激光雷达通常以红外波段的窄脉冲(纳秒量级)激光为光源，利用飞行时间法来确定物体(目标)的距离，经过扫描机构扫描获取周围环境的厘米量级的点云信息，可以对车辆周围的环境进行精准的建模。一般认为L3(高度自动驾驶)等级以上的智能车辆必须安装激光雷达传感器。

仿真测试验证是智能驾驶系统开发流程中必不可少的环节，然而，目前针对激光雷达尚无相对成熟的回波模拟器。虽然存在激光测距仪的模拟器，但此类模拟器多采用如下方式模拟回波信号：

模拟器中的光电探测器接收激光雷达的光信号，将光信号转化为电信号；

FPGA等启动计时器计时，来模拟回波延时，待计时器超时后，再触发光源发光作为激光测距仪的回波信号。

然而，由于电子设备的特性，计时器的最短计时时限(一般为20us)受限制，小于10ms的计时则无法实现，因此，不能模拟近距离目标。此外，光电转化、电光转化也会存在有一定时延。因此，现有的模拟器无法模拟近距离目标。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供激光雷达的回波模拟装置及方法，以解决无法模拟近距离目标的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种激光雷达的回波模拟装置，所述激光雷达以预设的发射周期发射激光信号；其特征在于，所述回波模拟装置包括：主控单元、光学收发单元以及回波模拟光学链路；

所述主控单元用于：

获取被模拟目标的回波模拟参数；所述回波模拟参数至少包括距离参数；

在所述激光雷达的发射周期到来之前，根据所述距离参数确定所述回波模拟光学链路的目标延时时间；

所述光学收发单元用于：

将所述激光雷达发射的激光信号传输至所述回波模拟光学链路，以及，发射来自所述回波模拟光学链路的激光信号；其中，传输至所述回波模拟光学链路的激光信号为源激光信号；所述光学收发单元发射出去的激光信号为模拟回波信号；

所述回波模拟光学链路用于：对所述源激光信号进行光学延时处理以延时达到所述目标延时时间后，传输至所述光学收发单元。

一种激光雷达的回波模拟方法，其特征在于，基于上述的回波模拟装置；

所述方法包括：

所述主控单元获取被模拟目标的回波模拟参数；所述回波模拟参数至少包括距离参数；

在所述激光雷达的发射周期到来之前，所述主控单元根据所述距离参数确定所述回波模拟光学链路的目标延时时间。

可见，在本发明实施例中，在激光雷达发射周期到来之前，主控单元会根据距离参数来确定回波模拟光学链路的目标延时时间。这样在激光信号到来后，激光信号先被光学收发单元接收，然后进入回波模拟光学链路，在回波模拟光学链路中被延时目标延时时间后，再经由光学收发单元发射出去。从激光信号进入光学收发单元至发射出去的过程中，对激光信号进行的是光学延时处理，没有光电或电光转换，从而不存在因光电转换、电光转换带来的时延，因此，本发明实施例所提供的技术方案可用于模拟近距离目标。

附图说明

图1为本发明实施例提供的回波模拟装置的示例性结构图；

图2为本发明实施例提供的测量多次回波的回波模拟装置的示例性结构图；

图3a为本发明实施例提供的、针对单点激光雷达的回波模拟装置的一种示例性结构；

图3b为本发明实施例提供的、针对单点激光雷达的回波模拟装置的另一示例性结构；

图4a为本发明实施例提供的、针对同轴机械旋转式多线激光雷达所设计的回波模拟装置的一种示例性结构；

图4b为本发明实施例提供的、针对同轴机械旋转式多线激光雷达所设计的回波模拟装置的另一示例性结构；

图5a为本发明实施例提供的、针对离轴旋转式激光雷达所设计的回波模拟装置的一种示例性结构；

图5b为本发明实施例提供的、针对离轴旋转式激光雷达所设计的回波模拟装置的另一示例性结构；

图5c为本发明实施例提供的、针对离轴旋转式激光雷达所设计的回波模拟装置的又一示例性结构；

图6a为本发明实施例提供的多个光学收发单元排列成阵列的示意图；

图6b为本发明实施例提供的针对MEMS微镜型激光雷达或Flash激光雷达所设计的回波模拟装置的一种示例性结构；

图7为本发明实施例提供的回波模拟方法的一种示例性流程。

具体实施方式

本发明提供激光雷达的回波模拟装置及方法，以解决无法模拟近距离目标的问题。

请参见图1，上述回波模拟装置至少包括：主控单元1、光学收发单元2和回波模拟光学链路3。

其中：

主控单元1用于：获取被模拟目标的回波模拟参数。

在硬件在环测试中，主控单元1可从上位机处获取回波模拟参数，回波模拟参数至少包括距离参数。

激光雷达是以预设的发射周期发射激光信号，上位机可在测试之前预先下达回波模拟参数，例如，若拟在激光雷达第i个发射周期(i大于等于0)进行测试，则在第i个发射周期到来之前下达回波模拟参数。

在激光雷达的发射周期到来之前，主控单元1还用于根据上述距离参数确定回波模拟光学链路3的目标延时时间；

光学收发单元2用于：

将激光雷达发射的激光信号，将其传输至回波模拟光学链路3，以及，发射来自回波模拟光学链路3的激光信号；

为方便称呼，可将传输至回波模拟光学链路3的激光信号称为源激光信号，与之相对应，光学收发单元2发射出去的激光信号为模拟回波信号。

回波模拟光学链路3用于：

对源激光信号进行光学延时处理以延时达到目标延时时间后，传输至光学收发单元2。

在一个示例中，仍请参见图1，上述回波模拟光学链路3可包括光学延时单元31。

光学延时单元31可用于对源激光信号进行光学延时处理，其最大延迟时间由激光雷达的最大测量距离决定，延迟的精度需要比激光雷达的测量精度高。

更具体的，光学延时单元31可包括可调光纤延迟线。

可调光纤延迟线的通路长度可调，其可采用级联的不同长度的光纤和光开关实现。

则主控单元1可根据上位机提供的距离参数调节可调光纤延迟线的通路长度，以使进入光纤延迟线的激光信号的传输时间等于目标延时时间。

需要说明的是，在激光信号进入可调光纤延迟线之前所走过的距离是为固定值，可将距离参数减去该固定值即可得到可调光纤延迟线的通路长度。

在本发明实施例中，在激光雷达发射周期到来之前，主控单元会根据距离参数来确定回波模拟光学链路的目标延时时间。这样在激光信号到来后，激光信号先被光学收发单元接收，然后进入回波模拟光学链路，在回波模拟光学链路中被延时目标延时时间后，再经由光学收发单元发射出去。从激光信号进入光学收发单元至发射出去的过程中，对激光信号进行的是光学延时处理，没有光电或电光转换，从而不存在因光电转换、电光转换带来的时延，因此，本发明实施例所提供的技术方案可用于模拟近距离目标。

在实际中，因目标具有一定的反射率以及距离等原因，回波信号与激光雷达发射出的激光信号之间相比，强度上会存在一定衰减。

则在本发明其他实施例中，请参见图1，回波模拟光学链路3还可包括光学可调衰减器32。

可调衰减器32可基于偏振的原理对光进行衰减。

为了模拟信号衰减，上位机提供的回波模拟参数还可包括：被模拟目标的反射率参数。

相应的，在激光雷达发射周期到来之前，主控单元1还可用于：根据上述反射率参数和距离参数确定光学可调衰减器32的目标衰减倍率。

而光学可调衰减器32则可用于：对源激光信号进行光学衰减处理以达到上述目标衰减倍率。

在实际中，激光雷达发射出的激光信号在传输过程中还可能受到太阳光谱背景光噪声的干扰，为进一步与实际相符，在本发明其他实施例中，仍请参见图1，上述所有实施例中的回波模拟装置还可包括背景光模拟单元4和光纤合路器5。

其中，光纤合路器5的两输入端分别连接背景光模拟单元4和回波模拟光学链路3的输出端，光纤合路器5的合路输出端与光学收发单元2相连接。

为了模拟背景光噪声，上位机提供的回波模拟参数还可包括：背景光信息。背景光信息可包括强度、频率等。

背景光的频率所在波段一般与激光雷达的激光信号的波段相同。

相应的，在激光雷达发射周期到来之前，主控单元1还可用于：根据背景光信息控制背景光模拟单元4发出与源激光信号波段相同的背景光噪声。

光纤合路器5则用于：对背景光噪声与回波模拟光学链路3输出的激光信号进行合路，并将合路后的激光信号传输给光学收发单元2发射出去。

在一个示例中，可用与激光波段相同的LED光源耦合进光纤(可使用光纤耦合透镜将光耦合进光纤)，来实现背景光模拟单元4的功能。

主控单元1可通过驱动电路调节LED光源的光强，从而模拟出不同强度的背景光噪声。

此外，考虑下述情况：在距离激光雷达10米处有玻璃，在距离激光雷达100米处有一棵树。那么，激光雷达应可收到两次回波，一次在10米处，一次在100米处。

当然，现实中还可能有更多次回波的情况。若要测量P次回波(P不小于2)，则请参见图2(图2省略了主控单元1未画)，可用光纤分路器6将光路分为P路，每一路都接一回波模拟光学链路3，再用光纤合路器5将多条回波模拟光学链路3的输出光纤合成一路。

激光雷达技术体制较多，例如有机械旋转式(同轴机械旋转式多线激光雷达、离轴旋转式激光雷达)，MEMS微镜扫描式等。下面将基于上述共性介绍，针对不同技术体制的激光雷达，对本发明实施例做进一步详细说明。

先从最简单的单点激光雷达说明。

单点激光雷达可认为是复杂技术体制的激光雷达的最基本的功能单元。单点激光雷达包括发射机用来发射一个窄的光脉冲，一个接收机用来接收目标反射回来的回波信号，其还具体信号处理单元，用于计算发出的激光信号与接收到的回波信号的时间间隔，并根据光速推算出距离。

针对单点激光雷达的回波模拟器的一种示例性结构请参见图3a，包括：

主控单元1、光学收发单元2、光学延时单元31、光学可调衰减器32(光学延迟单元31和光学可调衰减器32的位置可互换)、背景光模拟单元4、光纤合路器5以及光纤环路器7，光学收发单元2通过光纤与光纤环路器7相连，光纤环路器7还分别与光学可调衰减器32和光纤合路器5相连。

在本发明实施例中，光纤环路器5用于控制接收光和发射光的传输路径，光学延时单元31用于将单点激光雷达发射的激光延迟一定的时间来模拟测量距离，光学可调衰减器32用于对单点激光雷达发射的激光信号进行衰减来模拟目标的反射率特性，背景光模拟单元4用于模拟太阳光谱的背景噪声，主控单元1用于接收上位机的回波模拟参数并控制光学延时单元31、光学可调衰减器32和背景光模拟单元4；光纤环路器7用于将接收和发射信号分开。

单点激光雷达所发射的激光信号在回波模拟器各单元中的传输过程如下：

光学收发单元2收到的单点激光雷达的激光信号，经光纤环路器7的1a端口进，由a2端口出，进入光学可调衰减器32。

光学可调衰减器32在主控单元1的控制下可对激光信号进行衰减，用来模拟回波信号的强度。

经过光学可调衰减器32的激光信号再经光学延时单元31延迟目标延迟时间后，与背景光模拟单元4模拟的背景光噪声经光纤合路器5合路后进入光纤环路器的a3端口，并由a1端口输出，原路返回光学收发单元2，最后经光学收发单元2准直扩束后输出到单点激光雷达的接收器内。

在一个示例中，上述光学收发单元2具体包括光纤耦合透镜，用于将单点激光雷达发射机发出的光耦合进光纤内，同时又可以将光纤内的光准直(让发散的光变成准直的光)后输出至单点激光雷达的接收机内。

光纤耦合透镜的光学口径、视场角等参数需与单点激光雷达的发射和接收光学系统匹配，以保证光纤耦合透镜可以全部收到单点激光雷达的光，而单点激光雷达也可以收到回波模拟器模拟的回波信号。

对于N次回波测量的场景，以两次回波测量为例，请参见图3b，则需要在光纤环路器7的2管脚之后用光纤分路器6将光路分为多路，每一路都接一个光学延时单元31和光学可调衰减器32，再用光纤合路器5将多个光学延迟单元31的输出光纤合成一路。

下面，针对同轴机械旋转式多线激光雷达，对本发明实施例的回波模拟装置做进一步详细说明。

目前最常见的360°水平视场的同轴机械旋转式多线激光雷达，其一般采用层叠的多对接收和发射单元分时发光测量的方式获取三维点云，在某一时刻只有一对收发单元工作，相当于有多个单点激光雷达分时工作。

具体的，同轴机械旋转式多线激光雷达包括M个同轴旋转的雷达收发单元(或称为基本单元)，每一雷达收发单元可视为一个收发通道。在竖直方向上，每一收发通道对应不同的角度，例如，1度对应第1个收发通道，2度对应第2个收发通道，等等。在水平视场上，同轴机械旋转式多线激光雷达每隔一定时间会转过固定角度(例如为0.2度)，然后M个雷达收发单元按时序先后处于选通状态。以在垂直方面上有16个雷达收发单元为例，这16个雷达收发单元同轴旋转。在水平方向上，转至水平0度时，16个雷达收发单元依次按时序选通，同理，转至水平x度时上述16个雷达收发单元依次按时序选通，以此类推，不作赘述。

考虑下述模拟场景：

目标1位于水平0度、竖直2度(对应收发通道2)方向上，距离为100米，目标2在水平方向90度、竖直1度(对应收发通道1)方向上，距离为20米。

这样，回波模拟装置需要在同轴机械旋转式多线激光雷达转到水平0度、收发通道2选通时，模拟100米的距离；而在同轴机械旋转式多线激光雷达转到水平90度、收发通道1选通时，模拟20米的距离。

为了实现模拟上述场景，上位机下发的回波模拟参数至少需包括：被模拟目标的水平方位。

在本发明其他实施例中，为了更精确模拟回波，除被模拟目标的水平方位外，上述回波模拟参数还可包括被模拟目标所对应的目标雷达收发通道，目标雷达收发通道以通道数(编号)表示。

以目标1位于水平0度、竖直2度方向为例，目标雷达收发通道是收发通道2，则回波模拟参数中可包括通道数“2”。

图4a示出了针对同轴机械旋转式多线激光雷达所设计的回波模拟装置的一种示例性结构。

由于同轴机械旋转式多线激光雷达在同一时段仅有一收发通道选通，本实施例中的回波模拟装置只使用一个光学延时单元31即可。

与图3a所示的回波模拟装置相比，图4a所示的回波模拟装置新增了光纤分路器6、圆对称凹面反射镜、第一光电探测器8和第二光电探测器9。

上述圆对称凹面反射镜与同轴机械旋转式多线激光雷达之间的位置应满足如下条件：

同轴机械旋转式多线激光雷达的旋转轴与圆对称凹面反射镜的对称轴重合，并且，需要保证圆对称凹面反射镜的所有反射光线汇聚至一点。

圆对称凹面反射镜可将同轴机械旋转式多线激光雷达发出的不同垂直视场和水平视场的光都汇聚在光学收发单元2。而根据光路可逆，光学收发单元2发射出的模拟回波信号，也可被圆对称凹面反射镜反射至同轴机械旋转式多线激光雷达的发光区，或者光学收发单元2发射出的模拟回波信号可通过圆对称凹面反射镜覆盖整个同轴机械旋转式多线激光雷达的发光区。

同轴机械旋转式多线激光雷达在某一时刻只有一收发通道工作，其他的接收通道都处于未选通状态，因此光学收发单元2的模拟回波信号只会进入当前选通的收发通道。

为了与同轴机械旋转式多线激光雷达的旋转角度同步，第一光电探测器8可放置在水平视场的固定位置，例如，在水平0°方向安装第一光电探测器8，每当激光雷达转到水平0°方向，第一光电探测器8将接收到激光信号后转换为第一电脉冲信号输给主控单元1。

主控单元1接收到第一电脉冲信号即可判断雷达转到水平视场的固定位置(例如水平0°方向)，该固定位置可作为水平初始角度，到第二次接收到第一电脉冲信号时，则可推算出雷达已旋转360度转回该固定位置。

在光纤环路器7之后的光纤分路器6可分出一小部分激光信号至第二光电探测器9。

光纤分路器6可将光学收发单元2接收的激光信号分路至回波模拟光学链路和第二光电探测器9。

第二光电探测器9用于：将接收到激光信号后转换为第二电脉冲信号传输给主控单元1。由于光学收发单元2可接收到每一收发通道的激光信号，因此，第二光电探测器9产生的第二电脉冲信号的数目要多于第一电脉冲信号。

由于同轴机械旋转式多线激光雷达每一收发通道的发光时序和时间都是固定的，电机转速也是恒定的，主控单元1对收到的第二电脉冲信号进行计数，即可推算出当前收发通道所在的通道数(对应竖直角度)，再结合第一电脉冲信号，则可推算出同轴机械旋转式多线激光雷达当前对应的水平角度和通道数，即可得知该脉冲所对应的激光信号是发射至空间的哪一方向。

以第一光电探测器9放置在水平视场的0°方向为例，在主控单元1收到第一电脉冲信号后，收到的第1个第二电脉冲信号对应第1个收发通道，第2个第二电脉冲信号对应第2个收发通道，……，当收到第M+1个脉冲时，又对应到下一水平视场位置(0.2度)的第1个收发通道。

主控单元1可在同轴机械旋转式多线激光雷达转至被模拟目标的所在的水平方位之前，或者，在同轴机械旋转式多线激光雷达已转至被模拟目标的所在的水平方位、目标雷达收发通道被选通之前，根据回波模拟参数来控制光学延时单元31、光学可调衰减单元32和背景光模拟单元4。

假定需要模拟的目标方位为水平0度、竖直1度，距离为100米，上位机下发的回波模拟参数会包括目标的水平方位(0度)、收发通道的编号(1)、距离参数(100米)、反射率参数(取值为0-100％)、背景光信息。

假定M＝16，主控单元1会根据第一电脉冲信号得知同轴机械旋转式多线激光雷达已转至水平0度，在第1个第二电脉冲信号到来之前，根据距离参数(100米)调节光学延时单元31的目标延时时间，根据距离参数和反射率参数确定光学可调衰减器32的目标衰减倍率，根据背景光信息控制背景光模拟单元4发出背景光噪声。

这样，当同轴机械旋转式多线激光雷达转到水平0度，根据接收到的回波信号可测量出与目标的距离为100米。

需要说明的是，在本实施例中，前述的“在激光雷达发射周期到来之前”可具体细化为“在同轴机械旋转式多线激光雷达转至被模拟的目标所在的水平方位之前”。

此外，对于N次回波测量的场景，以两次回波测量为例，请参见图4b，则需要在光纤环路器7的2管脚之后用光纤分路器6将光路分为多路，每一路都接一个光学延时单元31和光学可调衰减器32，再用光纤合路器5将多个光学延迟单元31的输出光纤合成一路。

下面将针对离轴旋转式激光雷达，对本发明实施例的回波模拟装置做进一步详细说明。

离轴旋转式激光雷达工作原理与同轴旋转式激光雷达不同，离轴旋转式激光雷达包括激光收发模组(包括激光器和接收器)和转镜，旋转的是转镜，激光收发模组则保持不动，并且，这种激光雷达的测距方式为单发多收式：

一个激光器发出具有一定竖直发散角的光线，接收部分有P个探测器(例如4个)将接收通道分为P路，这样，激光器发光一次，将同时产生P个测量距离，接收和反射被一个转镜反射从而同步进行水平方向扫描。

本实施例所提供的回波模拟装置与前述实施例的不同之处主要包含以下两点：

一，为了同时给P路探测器产生模拟回波信号，回波模拟装置需要有P路光学延时单元。

需要说明的是，之前实施例所提及的光学收发单元，其光学接收通道和光学发射通道可共享光学透镜；而在本实施例中，光学接收通道和光学发射通道并不采用同轴的方式接收和发射，需要予以分开。

二，本实施例中回波模拟装置的光学收发单元包括P个光学发射通道，这P个光学发射通道与P组回波模拟光学链路组一一对应连接。

需要说明的是，对于不需要进行N次回波测量的场景的情况，每一回波模拟光学链路组包括一条回波模拟光学链路，而对于N次回波测量的场景，每一回波模拟光学链路组包括N条回波模拟光学链路。

相应的，上位机下发的点云信息包括P个接收通道对应的回波模拟参数(被模拟目标的水平方位、反射率参数、背景光信息、目标延时时间等)。主控单元1接收上位机的点云信息后，会将其转化为各个通道各个位置的距离和强度信息的控制信号，控制各个光学延迟单元31和光学可调衰减器32，乃至背景光模拟单元4。

以P＝4为例，图5a示出了不需要进行N次回波测量的场景的情况下，针对离轴旋转式激光雷达所设计的回波模拟装置的一种示例性结构(为了称呼简便，本实施例后续将离轴旋转式激光雷达称为激光雷达)，其中：

光学收发单元包含一路光学接收通道和4路光学发射通道。

光学接收通道进一步包括：第一水平柱透镜21，第一竖直柱透镜22和光纤耦合透镜23；4个光学发射通道中的任一通道则进一步包括：光纤输出透镜24，第二竖直柱透镜25和第二水平柱透镜26。

为实现在整个水平和竖直视场内，均可将离轴旋转式激光雷达发射的激光信号耦合进光纤，在进行仿真测试时，第一水平柱透镜21和第一竖直柱透镜22的光轴需对准，并且，二者组成的透镜整体的一个焦点在激光雷达上，另一个焦点在光纤耦合透镜23的中心。

此外，光纤耦合透镜位于两个柱面镜的焦点处，保证激光在扫描过程中的光都可以汇聚至光线耦合透镜内。

需要说明的是，为简单起见，图5a中未画出背景光模拟单元，在需要进行背景光噪声模拟时，可酌情添加背景光模拟单元；此外，为简单起见，图5a也未画出主控单元1与各光学延迟单元31、第一光电探测器8、光学可调衰减器32之间的连接关系。后续的图5b-图5c与图5a相同，也未画出背景光模拟单元，以及，主控单元1与各光学延迟单元31、第一光电探测器8、光学可调衰减器32之间的连接关系。

图5a所示的回波模拟装置的工作原理如下：

激光信号经第一水平柱透镜21和第一竖直柱透镜22聚集，通过光纤耦合透镜23耦合进光纤内；然后，经光纤分路器6分成四路后，每一路经过一组回波模拟光学链路组(光学延迟单元31和四路光学可调衰减器32)传输后，由光纤输出透镜24准直输出，再次经过第二竖直柱透镜25和第二水平柱透镜26汇聚在激光雷达的四通道接收器之一上。第二竖直柱透镜25、第二水平柱透镜26、光纤输出透镜24的光学参数和光纤输出透镜的位置需进行调整以保证每一路输出光对应相应的四通道探测器中的一个通道。

为了与激光雷达的旋转角度同步，可在某个固定水平方向(比如激光雷达水平视场左侧开始的位置)安装第一光电探测器8，用以进行角度同步。在光纤环路器7之后的光纤分路器6可分出一小部分激光信号至第二光电探测器9。

每当激光雷达转到上述固定水平方向，第一光电探测器8将接收到激光信号后转换为第一电脉冲信号输给主控单元1。

主控单元1接收到第一电脉冲信号即可判断雷达转到水平视场的固定位置(例如左侧开始的位置)，该固定位置可作为水平初始角度，到第二次接收到第一电脉冲信号时，则可推算出雷达已转回该固定位置。

而每当激光雷达的转镜转过一个角度，第二光电探测器会接收到一个激光信号，将其转换为第二电脉冲输给主控单元1，主控单元1便开始控制各个单元产生该方向的模拟回波信号。

光学收发单元2可接收到多个水平方位下激光雷达发射的激光信号，因此，第二光电探测器9产生的第二电脉冲信号的数目要多于第一电脉冲信号。

由于激光雷达中发光单元(即激光器)的发光周期都是固定的，电机的转速也是恒定的，主控单元1对收到的第二电脉冲信号进行计数，结合水平初始角度，即可以推算出转镜反射的激光所对应的当前水平角度，即这个光脉冲是发射至空间的某个水平方向的。

以水平初始角度定义为0°举例，假设激光器1us发一次激光，电机转速恒定，1us转0.1°，则第一次收到第二电脉冲信号，激光器所发光的水平角度在0°，第二次收到第二电脉冲信号时，激光器所发光的水平角度是0.1°，以此类推。

主控单位根据回波模拟参数中被模拟目标的水平方位，以及该水平方向所应当模拟的距离和强度值，在激光信号转至该水平方向之前，控制光学延时单元、可调衰减单元和背景光模拟单元工作。

如何控制请参见本文前述记载，在此不作赘述。

此外，对于N次回波测量的场景，以两次回波测量为例，请参见图5b或图5c，每一回波模拟光学链路组(每一虚线框代表一回波模拟光学链路组)包括两条回波模拟光学链路。

最后，针对MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)微镜型激光雷达和Flash激光雷达，对本发明实施例的回波模拟装置做进一步详细说明。

对于MEMS微镜型激光雷达，一般采用点光源扫描。

MEMS微镜可在水平方向上转动以及在竖直方向上振动，以实现逐行扫描：当点光源发出的光打到MEMS微镜上，MEMS微镜先水平方向偏转，在水平方向上扫描一行完毕，再竖直方向偏转一个角度，再水平方向偏转，从而对下一行进行扫描。

MEMS微镜型激光雷达一般采用点探测器或阵列探测器接收。为了扩大视场，还常用多组激光收发单元共用一个MEMS微镜，并将各组激光收发单元2的视场拼接起来，扫描的图样不是很规则。

Flash激光雷达不像MEMS会去进行扫描，而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，使用面阵探测器同时接受回波信号。

上述两种激光雷达很难像前述实施例一样，采用一路或几路光学延迟单元即可实现整个激光雷达扫描点的回波模拟。

针对上述两种制式的激光雷达，本实施例提供一种通用的回波模拟装置，图6a和图6b共同示出了一种示例性的结构：多个光学收发单元2紧密排列成阵列(图6a)，每一光学收发单元2像素的位置对应激光雷达的一个测量方向(包含水平角度和竖直角度)。每一光学收发单元2(包含收发透镜)都连接光纤环路器7、光学延迟单元31和光学可调衰减器32(图6b)，光纤环路器7、光学延迟单元31和光学可调衰减器32之间的连接关系可参照图3a，所有光学收发单元2可以同时工作。

需要说明的是，为简单起见，图6b中未画出背景光模拟单元，在需要进行背景光噪声模拟时，可酌情添加背景光模拟单元；此外，为简单起见，图6b也未画出主控单元1与各光学延迟单元31、光学可调衰减器32之间的连接关系。

理想的情况是光学收发单元2的像素个数与激光雷达扫描点的像素一一对应。但这样可能造成系统复杂，成本高，因此可以根据实际情况设计令一个光学收发单元2与多个激光雷达扫描点的像素对应，从而降低光学收发单元2和光学延时单元等的个数，降低成本。

上位机预先下发的回波模拟参数具体可包括各测量方向上对应的回波模拟参数。

主控单元1可在MEMS微镜型激光雷达或Flash激光雷达发射激光信号之前，根据各测量方向上的回波模拟参数来调节相应光学延时单元31的目标延时时间、光学可调衰减单元32的目标衰减倍率，以及，在有背景光模拟单元时，根据背景光信息控制各背景光模拟单元发出背景光噪声。

此外，对于N次回波测量的场景，以两次回波测量为例，可在每一光纤环路器7的2管脚之后用光纤分路器将光路分为多路，每一路都接一个光学延时单元31和光学可调衰减器32，再用光纤合路器将多个光学延迟单元31的输出光纤合成一路。

综上，本发明提出的回波模拟器，将激光雷达自身发出的光延迟一定时间再原路返回，回波模拟器的光学收发单元以及回波模拟光学链路采用无源器件，具有结构简单、成本低、可扩展性强的优点。

本发明实施例还要求保护基于上述回波模拟装置的回波模拟方法，图7示出了回波模拟方法的一种示例性流程，包括：

S1：主控单元获取被模拟目标的回波模拟参数；

其中，回波模拟参数至少包括距离参数。

相关描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。

S2：在激光雷达的发射周期到来之前，主控单元根据上述距离参数确定回波模拟光学链路的目标延时时间。

相关描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。

在本发明其他实施例中，上述回波模拟装置还可包括背景光模拟单元，上述回波模拟参数还可包括：背景光信息；

相应的，上述回波模拟方法还可包括如下步骤：在激光雷达的发射周期到来之前，主控单元根据背景光信息控制背景光模拟单元发出与源激光信号波段相同的背景光噪声。

相关描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。

在本发明其他实施例中，上述回波模拟光学链路还可包括光学可调衰减器；上述回波模拟参数还可包括：反射率参数；

相应的，上述回波模拟方法还可包括如下步骤：在激光雷达的发射周期到来之前，主控单元根据反射率参数和距离参数确定光学可调衰减器的目标衰减倍率。

在本发明其他实施例中，前述的激光雷达具体可为同轴机械旋转式多线激光雷达，同轴机械旋转式多线激光雷达的相关介绍请参见本文前述记载。

相应的，上述回波模拟装置还包括圆对称凹面反射镜、光纤分路器、第一光电探测器和第二光电探测器；

第一光电探测器放置于同轴机械旋转式多线激光雷达水平视场的特定位置；第一光电探测器在同轴机械旋转式多线激光雷达转至特定位置时，接收到激光信号。

在进行回波模拟时，圆对称凹面反射镜用于：将激光雷达发出的不同垂直视场和水平视场的激光信号都汇聚在光学收发单元上；以及，反射光学收发单元发射的模拟回波信号至同轴机械旋转式多线激光雷达的发光区；

光纤分路器用于：将光学收发单元接收的激光信号分路至回波模拟光学链路和第二光电探测器；

第一光电探测器用于：将接收到激光信号转换为第一电脉冲信号传输给主控单元；

第二光电探测器用于：将接收到激光信号后转换为第二电脉冲信号传输给主控单元。

在本实施例中，上述回波模拟参数还可包括：被模拟目标对应的水平方位和目标雷达收发通道；

上述回波模拟方法还可包括如下步骤：

主控单元根据接收到的第一电脉冲信号和第二电脉冲信号，推算出同轴机械旋转式多线激光雷达当前对应的水平角度和雷达收发通道；

主控单元可在同轴机械旋转式多线激光雷达转至上述水平方位之前，或者，在同轴机械旋转式多线激光雷达已转至上述水平方位、但目标雷达收发通道被选通之前，根据距离参数调节光学延时单元的目标延时时间，根据距离参数和反射率参数确定光学可调衰减器的目标衰减倍率，根据背景光信息控制背景光模拟单元发出背景光噪声等。

相关描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。

在本发明其他实施例中，前述的激光雷达具体可为离轴旋转式激光雷达；离轴旋转式激光雷达包括P个接收通道；离轴旋转式激光雷达的转镜在水平视场上扫描。

前述的光学收发单元在本实施例中包括P个光学发射通道。这P个光学发射通道与P组回波模拟光学链路组一一对应连接；每一回波模拟光学链路组包括至少一条回波模拟光学链路组；

此外，本实施例中的回波模拟装置还包括光纤分路器、第一光电探测器和第二光电探测器。光纤分路器、第一光电探测器和第二光电探测器的作用请参见前述记载，在此不赘述。

在本实施例中，上述被模拟目标的回波模拟参数包括：被模拟目标在P个接收通道所对应的回波模拟参数；并且，回波模拟参数还包括水平方位；

上述回波模拟方法还可包括如下步骤：主控单元根据接收到的第一电脉冲信号和第二电脉冲信号，推算出转镜当前对应的水平角度。

主控单元可在转镜转至上述水平方位之前，根据距离参数调节光学延时单元的目标延时时间，根据距离参数和反射率参数确定光学可调衰减器的目标衰减倍率，根据背景光信息控制背景光模拟单元发出背景光噪声等。

相关描述请参见本文前述记载，在此不作赘述。

在本发明其他实施例中，前述的激光雷达具体可为微镜型激光雷达或Flash激光雷达；

前述的回波模拟装置可包括至少两个光学收发单元，该至少两个光学收发单元排列成阵列，每一光学收发单元像素的位置对应微镜型激光雷达或Flash激光雷达的一个测量方向；

每一光学收发单元与一组回波模拟光学链路组相连接；每一回波模拟光学链路组包括至少一条回波模拟光学链路组；

而前述被模拟目标的回波模拟参数包括：被模拟目标在各个测量方向所对应的回波模拟参数。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及模型步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或模型的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、WD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达的回波模拟装置，所述激光雷达以预设的发射周期发射激光信号；其特征在于，所述回波模拟装置包括：主控单元、光学收发单元以及回波模拟光学链路；

所述主控单元用于：

获取被模拟目标的回波模拟参数；所述回波模拟参数至少包括距离参数；

在所述激光雷达的发射周期到来之前，根据所述距离参数确定所述回波模拟光学链路的目标延时时间；

所述光学收发单元用于：

将所述激光雷达发射的激光信号传输至所述回波模拟光学链路，以及，发射来自所述回波模拟光学链路的激光信号；其中，传输至所述回波模拟光学链路的激光信号为源激光信号；所述光学收发单元发射出去的激光信号为模拟回波信号；

所述回波模拟光学链路用于：对所述源激光信号进行光学延时处理以延时达到所述目标延时时间后，传输至所述光学收发单元。

2.如权利要求1所述的回波模拟装置，其特征在于，还包括背景光模拟单元和光纤合路器；所述回波模拟参数还包括：背景光信息；

所述光纤合路器的两输入端分别连接所述背景光模拟单元和所述回波模拟光学链路的输出端，所述光纤合路器的合路输出端与所述光学收发单元相连接；

所述主控单元还用于：在所述激光雷达的发射周期到来之前，根据所述背景光信息控制所述背景光模拟单元发出与所述源激光信号波段相同的背景光噪声；

所述光纤合路器用于：对所述背景光噪声与所述回波模拟光学链路输出的激光信号进行合路，并将合路后的激光信号传输给所述光学收发单元发射出去。

3.如权利要求1所述的回波模拟装置，其特征在于，所述回波模拟光学链路包括光学延时单元；所述光学延时单元用于对所述源激光信号进行光学延时处理。

4.如权利要求3所述的回波模拟装置，其特征在于，所述回波模拟光学链路还包括光学可调衰减器；所述回波模拟参数还包括：被模拟目标的反射率参数；

所述主控单元还用于：在所述激光雷达发射周期到来之前，根据所述反射率参数和所述距离参数确定所述光学可调衰减器的目标衰减倍率；

所述光学可调衰减器用于：对所述源激光信号进行光学衰减处理以达到所述目标衰减倍率。

5.如权利要求2所述的回波模拟装置，其特征在于，

所述光学延时单元包括：可调光纤延迟线；所述光纤延迟线的通路长度可调；

在所述根据所述距离参数确定所述回波模拟光学链路的目标延时时间的方面，所述主控单元具体用于：

根据所述距离参数调节所述光纤延迟线的通路长度，以使进入所述光纤延迟线的激光信号的传输时间等于所述目标延时时间。

6.如权利要求1-5任一项所述的回波模拟装置，其特征在于，

所述激光雷达为同轴机械旋转式多线激光雷达；所述同轴机械旋转式多线激光雷达包括M个同轴旋转的雷达收发通道；

所述回波模拟参数还包括：被模拟目标对应的水平方位和目标雷达收发通道；

所述回波模拟装置还包括圆对称凹面反射镜、光纤分路器、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第一光电探测器放置于所述同轴机械旋转式多线激光雷达水平视场的特定位置；所述第一光电探测器在所述同轴机械旋转式多线激光雷达转至所述特定位置时，接收到激光信号；

在进行回波模拟时，所述圆对称凹面反射镜用于：

将不同垂直视场和水平视场的激光信号都汇聚在所述光学收发单元上；

以及，

反射所述光学收发单元发射的模拟回波信号至所述同轴机械旋转式多线激光雷达的发光区；

所述光纤分路器用于：将所述光学收发单元接收的激光信号分路至所述回波模拟光学链路和所述第二光电探测器；

所述第一光电探测器用于：将接收到激光信号转换为第一电脉冲信号传输给所述主控单元；

所述第二光电探测器用于：将接收到激光信号后转换为第二电脉冲信号传输给所述主控单元；

所述主控单元还用于：根据接收到的第一电脉冲信号和第二电脉冲信号，推算出同轴机械旋转式多线激光雷达当前对应的水平角度和雷达收发通道；

所述在所述激光雷达发射周期到来之前，包括：在所述同轴机械旋转式多线激光雷达转至所述水平方位之前，或者，在所述同轴机械旋转式多线激光雷达已转至所述水平方位、所述目标雷达收发通道被选通之前。

7.如权利要求1-5任一项所述的回波模拟装置，其特征在于，

所述激光雷达为离轴旋转式激光雷达；所述离轴旋转式激光雷达包括P个接收通道；所述离轴旋转式激光雷达的转镜在水平视场上扫描；

所述光学收发单元包括P个光学发射通道；所述P个光学发射通道与P组回波模拟光学链路组一一对应连接；每一回波模拟光学链路组包括至少一条回波模拟光学链路组；

所述被模拟目标的回波模拟参数包括：所述被模拟目标在所述P个接收通道所对应的回波模拟参数；

所述回波模拟参数还包括水平方位；

所述回波模拟装置还包括光纤分路器、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第一光电探测器放置于所述离轴旋转式激光雷达水平视场的特定位置；所述第一光电探测器在所述离轴旋转式激光雷达转至所述特定位置时，接收到激光信号；

所述光纤分路器用于：将所述光学收发单元接收的激光信号分路至所述回波模拟光学链路和所述第二光电探测器；

所述第一光电探测器用于：将接收到激光信号转换为第一电脉冲信号传输给所述主控单元；

所述第二光电探测器用于：将接收到激光信号后转换为第二电脉冲信号传输给所述主控单元；

所述主控单元还用于：

根据接收到的第一电脉冲信号和第二电脉冲信号，推算出转镜当前对应的水平角度；

所述在所述激光雷达发射周期到来之前，包括：在所述转镜转至所述水平方位之前。

8.如权利要求1-5任一项所述的回波模拟装置，其特征在于，

所述激光雷达为微镜型激光雷达或Flash激光雷达；

所述回波模拟装置包括至少两个光学收发单元，所述至少两个光学收发单元排列成阵列，每一光学收发单元像素的位置对应微镜型激光雷达或Flash激光雷达的一个测量方向；

每一光学收发单元与一组回波模拟光学链路组相连接；每一回波模拟光学链路组包括至少一条回波模拟光学链路组；

所述被模拟目标的回波模拟参数包括：所述被模拟目标在各个测量方向所对应的回波模拟参数。

9.一种激光雷达的回波模拟方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的回波模拟装置；

所述方法包括：

所述主控单元获取被模拟目标的回波模拟参数；所述回波模拟参数至少包括距离参数；

在所述激光雷达的发射周期到来之前，所述主控单元根据所述距离参数确定所述回波模拟光学链路的目标延时时间。

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