CN110658510B - 一种激光雷达和测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达及测距方法，该激光雷达包括：发射装置、接收装置和控制处理装置；接收装置包括感光传感器和设置于所述感光传感器外部的光开关器件；发射装置，用于发射光脉冲；控制处理装置，用于对发射装置进行控制，并若监测到发射装置发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差，再次向光开关器件发送控制信号；光开关器件，用于响应到控制信号，控制感光传感器接收当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲，直至接收设定次数的反射脉冲；控制处理装置，还用于根据感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体的距离。本发明可减少激光雷达的成本，可精确进行测距。

Description

一种激光雷达和测距方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达和测距方法。

背景技术

激光雷达是以发射光束来探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标物体发射探测光束，然后将接收到的从目标物体反射回来的反射光束与发射的探测光束进行比较，作适当处理后，就可获得目标物体的有关信息，例如距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状、图像等参数。

但是，现有技术中的激光雷达在进行测量目标物体的距离时，对激光雷达中的接收装置中感光传感器的要求较高、依懒性较强，造成激光雷达的成本较大。

发明内容

本发明实施例提供一种激光雷达和测距方法，可以降低生产成本，并且可以精确测量目标物体的距离。

第一方面，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括：发射装置、接收装置和控制处理装置；

其中，所述接收装置包括感光传感器和设置于所述感光传感器外部的光开关器件；

所述发射装置，用于间隔设定时间依次发射光脉冲；

所述控制处理装置分别与所述发射装置和所述光开关器件连接，用于对所述发射装置进行控制，并当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，再次向所述光开关器件发送控制信号；

所述光开关器件，用于响应所述控制信号时，控制所述感光传感器接收当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲，直至接收设定次数的反射脉冲；

控制处理装置，还用于根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定所述激光雷达与所述目标物体之间的距离。

第二方面，本发明实施例还提供了一种激光雷达测距方法，包括：

控制发射装置间隔设定时间依次发射光脉冲；

当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，再次向设置在传感器外部的光开关器件发送控制信号，所述控制信号，用于指示所述光开关器件控制感光传感器接收所述当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲；

将所述发射装置下一次发射的光脉冲作为当前光脉冲，返回向所述光开关器件发送控制信号的操作，直至控制所述感光传感器接收设定次数的反射脉冲；

根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与所述目标物体之间的距离。

本发明实施例提供的技术方案，通过在感光传感器外部设置光开关器件，通过光开关器件控制感光传感器接收到不同相位的反射脉冲，并通过各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体之间的距离，降低对感光传感器的要求，减少激光雷达的成本，可以精确测量目标物体的距离。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构框图；

图1b是本发明实施例提供的接收装置的结构示意图；

图1c是本发明实施例提供的激光雷达的测距原理图；

图2是本发明实施例提供的一种激光雷达测距方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的一种激光了雷达测距装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1a是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构框图，如图1a所示，本发明实施例提供的激光雷达包括：发射装置110、接收装置120和控制处理装置130。

其中，接收装置120包括感光传感器122和设置于感光传感器122外部的光开关器件121。发射装置110，用于间隔设定时间依次发射光脉冲；可选的，光脉冲可以包括正弦波、三角波或方波。可选的，设定时间可以根据需要进行设定，并且发射装置110每次发射光脉冲的间隔时间可以相同，也可以不相同。可选的，发射装置110可以包括面照明光源，其中，面照明光源可以是面光源，如半导体激光器LD光源，或者发光二级管LED光源等。面照明光源也可以是点光源通过扫描形成的面光源。其中，在激光雷达中采用面光源发射光脉冲，可以探测到目标物体上的多个位置，从而可以提高对目标物体的分辨率。

其中，控制处理装置130分别与发射装置110和光开关器件121连接，用于对发射装置110进行控制，并当监测到发射装置110发射的当前光脉冲与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位差为设定相位差时，再次向光开关器件121发送控制信号。

其中，光开关器件121，用于当响应控制信号时，控制感光传感器122接收当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲，直至接收设定次数的反射脉冲。控制处理装置130，还用于根据感光传感器122接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体的距离。其中，控制信号，用于指示光开关器件121控制感光传感器122接收光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲。可选的，设定相位差可以是

也可以是其他相位差。可选的，设定次数可以是4次。其中，当控制处理装置130发送控制信号时，发射装置110发射的光脉冲对应一个相位，当发射装置发射的光脉冲的相位满足设定的条件，控制处理装置才发送控制信号，其中设定的条件可以是当前光脉冲的相位与上一次发射控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差。

可选的，感光传感器122可以是互补金属氧化物半导体CMOS器件、电荷耦合器件CCD或者飞行时间TOF测量元件。可选的，光开关器件121包括但不局限于磷酸二氢钾(KDP)晶体、磷酸二氘钾(KD*P)晶体和液晶光开关。其中，当光开关器件121也可以称为为光闸。

其中，控制信号可以是电平信号，通过对KDP晶体或者KD*P晶体输入电平信号，从而控制反射脉冲是否可以通过；或者对KDP晶体或者KD*P晶体输入磁场信号，从而控制反射脉冲的是否可以通过。当输入电平信号或者磁场信号时，KDP晶体或者KD*P晶体可以使反射脉冲通过，从而感光传感器122可以接收反射脉冲，当没有输入电平信号或者磁场信号时，KDP晶体或者KD*P晶体不能透过反射脉冲，所以感光传感器122不能接收反射脉冲。其中，感光传感器122可以将接收到的各反射脉冲分别转换成电信号，并将电信号发送给控制处理装置，控制处理装置可以根据各电信号的强度确定激光雷达与目标物体的距离。

当光开关器件121为液晶光开关时，液晶光开关可以包括两个电极板，两个电极板之间的液晶分子层，以及两个互相垂直的偏振片。控制信号可以是电平信号，当电极板上加电平信号时，液晶分子发生偏转，从而使液晶光开关为开通或者关闭状态。当液晶光开关为开通状态时，可以使感光传感器122接收到反射脉冲，当液晶光开关为关闭状态时，可以使感光传感器122不再接收反射脉冲。

现有技术中，感光传感器内嵌有控制感光传感器接收光信号的芯片，这种感光传感器制作成本较高，本发明实施例通过在普通感光传感器(CMOS器件、CCD器件或者TOF测量元件)外部设置光闸或者液晶光开关，可以控制普通感光传感器接收反射脉冲以进行测距，可以减少感光传感器的制作成本，从而可以减少激光雷达的制作成本。

在本发明的一个实施例中，如图1a所示，发射装置110可以包括面照明光源，可以使目标物体的更多的位置反射光脉冲，感光传感器122可以采用面阵感光传感器，可以接收目标物体的不同位置反射回来的反射脉冲，可以提高目标物体的分辨率；通过光开关器件121控制感光传感器122的曝光窗口，可以控制感光传感器122接收到不同相位的反射脉冲，从而根据反射脉冲的强度确定激光雷达到目标物体之间的距离，降低了激光雷达的生产成本，有利于批量生产和推广，并且可以精确控制反射脉冲的接收时间，精确进行距离测量。

可选的，如图1b所示，接收装置120包括光开关器件121和感光传感器122，可选的，还可以包括：镜头123和过滤元件124；镜头123，用于收集反射脉冲；过滤元件124，用于对环境光进行过滤。其中，过滤元件124可以是滤镜。镜头123可以收集视场内的光，并将视场内的物体成像，当接收装置接收发射装置发射的光脉冲在目标物体上的反射脉冲时，环境光也会通过镜头123进入接收装置内，通过过滤元件124可以将环境光进行滤除，从而避免环境光对反射脉冲的影响，提高信噪比。

如图1a所示，激光雷达的工作的过程是：控制处理装置130向发射装置110发送控制指令，当发射装置110接收到控制指令时，发射光脉冲；当控制处理装置130监测到发射装置110发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，再次向光开关器件121发送控制信号。接收装置120中的光开关器件121响应控制信号，控制感光传感器122接收当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲。控制处理装置130重复向发射装置110发送控制指令的操作，以及重复发送控制信号的操作，直至感光传感器122接收到设定次数的反射脉冲。控制处理装置130根据感光传感器122接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体的距离。其中，控制处理装置130当监测到发射装置110第一次发射的光脉冲的相位为设定相位时，向接收装置120中的光开关器件121发送控制信号，以控制感光传感器122接收第一次发射的光脉冲在目标物体上发射回来的反射脉冲。可选的，设定相位可以是0，

等，也可以是其他相位。

对激光雷达的工作过程进行举例说明，如图1a所示，当控制处理装置130监测到发射装置110第一次发射的光脉冲的相位为

时，向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122第一次接收反射脉冲。当控制处理装置130监测到发射装置110第二次发射的光脉冲的相位与第一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差是

时，即当控制处理装置130监测到发射装置110第二次发射的光脉冲的相位为π时，向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122第二次接收反射脉冲。当控制处理装置130监测到发射装置110第三次发射的光脉冲的相位与第二次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差是

时，即当控制处理装置130监测到发射装置110第三次发射的光脉冲的相位为

时，向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122第三次接收反射脉冲。当控制处理装置130监测到发射装置110第四次发射的光脉冲的相位与第三次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为

即当控制处理装置130监测到发射装置110第四次发射的光脉冲的相位为2π时，向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122第四次接收反射脉冲。最后，控制处理装置130根据感光传感器122接收到四次反射脉冲的强度确定目标物体与激光雷达的距离。

如图1c所示，当发射装置发射的每次发射的光脉冲1分别是

π、

和2π时，感光传感器对应接收到的反射脉冲2的相位各不相同，且接收到的反射脉冲2的强度也并不相同。其中，图1c中，

为：光脉冲1与光脉冲1在目标物体上反射回来的反射脉冲2的相位差。其中，如图1a和图1c所示，感光传感器122每次接收反射脉冲的时间相同。其中，接收反射脉冲的时间为感光传感器122从开始接收反射脉冲开始到结束接收反射脉冲所经历的时间。感光传感器122接收反射脉冲的时间小于发射装置110发射出的光脉冲的周期，可选的，感光传感器122接收反射脉冲的时间可以小于光脉冲的半个周期。

其中，控制处理装置130发送控制信号可以通过两种实现方式。其中一种是：控制处理装置130控制发射装置110依次发送相同相位的光脉冲(例如，每次发送的光脉冲都是0相位)，当控制处理装置130监测到发射装置110发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，控制处理装置130向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122接收反射脉冲。其中，控制处理装置130对发射装置110发送的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的相位之间的相位差的监测可以通过时间来进行监测。例如，控制处理装置130监测发射装置110发射的当前光脉冲与控制处理装置130发送控制信号所经历的时间，以及上一次发射装置110发射光脉冲与控制处理装置130发送控制信号所经历的时间，并检测两者之间的时间间隔为是否为设定时间间隔。

另一种方法是：控制处理装置130控制发射装置110依次发送不同相位的光脉冲，控制每次发送的光脉冲的相位差为设定相位差。当控制处理装置130监测到发射装置110发射的当前光脉冲与上一次发射的光脉冲的相位之差是设定相位差时，向光开关器件121发送控制信号，以使光开关器件121控制感光传感器122接收反射脉冲。

在本发明一个实施例中，当设定次数为4次，设定相位差为

时，控制处理装置130，用于基于如下公式确定激光雷达目标物体之间的距离：

其中，D_TOFsine为激光雷达与目标物体之间的距离，m为距离单位米；c为光脉冲在空气中的传播速度，可以是3.0×10⁸m/s，f_LD为光脉冲的频率；DCS0为感光传感器第一次接收到的反射脉冲的强度，DCS1为感光传感器第二次接收到的反射脉冲的强度，DCS2为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度，DCS3为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度；D_OFFSET为激光雷达的偏置距离。

其中，对于计算激光雷达与目标物体之间的距离，可以先计算感光传感器接收反射脉冲的时间与发射装置发射对应的光脉冲的时间之间的时间差，即发射装置发射光脉冲与感光传感器接收对应反射脉冲之间的延迟时间，根据该延迟时间计算激光雷达与目标物体之间的距离。其中，发射装置发射光脉冲与感光传感器接收对应反射脉冲之间的延迟时间基于如下公式进行计算：

其中，T_TOFsine为发射装置发射光脉冲与感光传感器接收对应反射脉冲之间的延迟时间，T_OFFSET为激光雷达的偏置时间，其中，T_OFFSET为常数，可以将激光雷达测量一个已知距离的物体，通过该物体与激光雷达的实际距离计算发射的光脉冲与接收到的对应反射脉冲之间的实际时间，并通过激光雷达得的发射的光脉冲与接收到的对应反射脉冲之间的测量时间，其中，实际时间与测量时间的时间差可以作为T_OFFSET。当前T_OFFSET的确定也可以是其他方法。当计算得到T_TOFsine后，通过光脉冲的速度以及T_TOFsine就可以确定激光雷达与目标物体之间的距离。

由此，本发明实施例中，通过在感光传感器外部设置光开关器件，通过光开关器件控制感光传感器接收到不同相位的反射脉冲，并通过各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体之间的距离，解决了现有技术中在感光传感器中内嵌芯片导致成本较高的问题，减少激光雷达的成本，并且可以精确测量目标物体的距离。

图2是本发明实施例提供的一种激光雷达测距方法流程图，其中，本实施例提供的方法可以应用于上述实施例提供的激光雷达。如图2所示，本发明实施例提供的技术方案包括：

S210：控制发射装置间隔设定时间发射光脉冲。

S220：当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位差为设定相位差时，再次向接收装置向设置在感光传感器外部的光开关器件发送控制信号，所述控制信号，用于指示所述光开关器件控制感光传感器接收所述当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲；

S230：将所述发射装置下一次发射的光脉冲作为当前光脉冲。

S240：判断感光传感器是否接收到设定次数的反射脉冲。

若是，执行S250，若否，返回S210。

S250：根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与所述目标物体的距离。

进一步的，所述光开关器件包括光闸或液晶光开关。

本实施例提供的激光雷达的测距方法还包括：当监测到所述发射装置第一次发射的光脉冲的相位为设定相位时，控制所述感光传感器接收第一次发射的光脉冲在所述目标物体上反射回来的反射脉冲。

可选的，当所述设定次数为4次，所述设定相位差为

时，根据所述接收装置接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与所述目标物体的距离，包括：

基于如下公式确定所述激光雷达目标物体之间的距离：

其中，所述D_TOFsine为所述激光雷达与所述目标物体之间的距离，所述m为距离单位米；所述c为光脉冲在空气中的传播速度，所述f_LD为光脉冲的频率；所述DCS0为感光传感器第一次接收到的反射脉冲的强度，DCS1为感光传感器第二次接收到的反射脉冲的强度，DCS2为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度，DCS3为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度；所述D_OFFSET为所述激光雷达的偏置距离。

本发明实施例提供的激光雷达的测距方法，通过设置在感光传感器外的光开关器件控制感光传感器接收到不同相位的反射脉冲，并通过各反射脉冲的强度确定激光雷达与目标物体之间的距离，减少激光雷达的成本，可以精度测量目标物体的距离。

图3是本发明实施例提供的一种激光雷达测距装置的结构框图，如图3所示，所述激光雷达测距装置包括：

控制模块310，用于控制发射装置间隔设定时间发射光脉冲；

控制信号发送模块320，用于当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位差为设定相位差时，再次向设置在感光传感器外部的光开关器件发送控制信号，所述控制信号，用于指示所述光开关器件控制感光传感器接收所述当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲；

返回模块330，用于将所述发射装置下一次发射的光脉冲作为当前光脉冲，返回向所述接收装置中的感光传感器发送控制信号的操作，直至控制所述感光传感器接收设定次数的反射脉冲；

距离确定模块340，用于根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与所述目标物体的距离。

进一步的，控制模块310，还用于当监测到所述发射装置第一次发射的光脉冲的相位为设定相位时，控制所述感光传感器接收第一次发射的光脉冲在所述目标物体上反射回来的反射脉冲。

可选的，当所述设定次数为4次，所述设定相位差为

时，距离确定模块340，用于基于如下公式确定所述激光雷达目标物体之间的距离：

其中，所述D_TOFsine为所述激光雷达与所述目标物体之间的距离，所述m为距离单位米；所述c为光脉冲在空气中的传播速度，所述f_LD为光脉冲的频率；所述DCS0为感光传感器第一次接收到的反射脉冲的强度，DCS1为感光传感器第二次接收到的反射脉冲的强度，DCS2为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度，DCS3为感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度；所述D_OFFSET为所述激光雷达的偏置距离。

本发明实施例所提供的激光雷达测距装置可执行本发明任意实施例所提供的激光雷达测距方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：发射装置、接收装置和控制处理装置；

其中，所述接收装置包括感光传感器和设置于所述感光传感器外部的光开关器件；

所述发射装置，用于间隔设定时间依次发射光脉冲；

所述控制处理装置分别与所述发射装置和所述光开关器件连接，用于对所述发射装置进行控制，并当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，再次向所述光开光器件发送控制信号；

所述光开关器件，用于响应所述控制信号，控制所述感光传感器接收当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲，直至接收设定次数的反射脉冲；

控制处理装置，还用于根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定所述激光雷达与所述目标物体之间的距离。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光开关器件包括磷酸二氢钾晶体、磷酸二氘钾晶体或液晶光开关。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述控制处理装置，还用于当监测到所述发射装置第一次发射的光脉冲的相位为设定相位时，控制所述感光传感器接收所述发射装置第一次发射的光脉冲在所述目标物体上反射回来的反射脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述设定次数为4次，所述设定相位差为

所述控制处理装置，用于基于如下公式确定所述激光雷达与目标物体之间的距离：

其中，所述D_TOFsine为所述激光雷达与所述目标物体之间的距离，所述m为距离单位米；所述c为光脉冲在空气中的传播速度，所述f_LD为光脉冲的频率；所述DCS0为所述感光传感器第一次接收到的反射脉冲的强度，DCS1为所述感光传感器第二次接收到的反射脉冲的强度，DCS2为所述感光传感器第三次接收到的反射脉冲的强度，DCS3为所述感光传感器第四次接收到的反射脉冲的强度；所述D_OFFSET为所述激光雷达的偏置距离。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述接收装置还包括：镜头和过滤元件；

所述镜头，用于收集所述反射脉冲；

所述过滤元件，用于对环境光进行过滤。

6.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述发射装置包括面照明光源。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述感光传感器为面阵感光传感器。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述感光传感器包括互补金属氧化物半导体CMOS器件、电荷耦合器件CCD或者飞行时间TOF测量元件。

9.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述光脉冲包括正弦波、三角波或方波。

10.一种激光雷达测距方法，其特征在于，包括：

控制发射装置间隔设定时间发射光脉冲；

当监测到所述发射装置发射的当前光脉冲的相位与上一次发送控制信号时对应的光脉冲的相位之差为设定相位差时，再次向设置在感光传感器外部的光开关器件发送控制信号，所述控制信号，用于指示光开关器件控制感光传感器接收所述当前光脉冲在目标物体上反射回来的反射脉冲；

将所述发射装置下一次发射的光脉冲作为当前光脉冲，返回向所述光开关器件发送控制信号的操作，直至所述感光传感器接收设定次数的反射脉冲；

根据所述感光传感器接收到的各反射脉冲的强度确定激光雷达与所述目标物体之间的距离。

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