CN111175786A - 一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明显示了一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，以下简称宽视场高分辨率固态激光雷达，多路指大于等于2路接收通道，包括中央控制系统、发射通道系统、接收通道系统，发射通道系统包括激光器、发射控制系统、发射光学系统，发射控制系统与发射光学系统之间具有若干个激光通路，激光器发射激光通过发射控制系统调节由若干个激光通路照射至发射光学系统上，发射光学系统将不同激光通路激光射出形成若干个激光扫描场，激光扫描场中至少有两个激光扫描场的扫描区域重合，激光在激光扫描场对应的激光通路中具有不同飞行时间。本发明宽视场高分辨率固态激光雷达解决现有技术中多路宽视场高分辨率固态激光雷达存在发射和接收信号干扰问题。

Description

一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达

技术领域

本发明涉及一种多路宽视场高分辨率固态激光雷达，特别是涉及一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达。

背景技术

激光雷达是无人驾驶技术依赖的关键传感器，通过采用激光雷达，无人驾驶控制系统可以获得高精度的环境信息，并且，激光雷达可以穿过大雾。因为激光雷达自带光源，可以克服摄像头的对环境光的依赖，因此激光雷达技术的进步大大推动了无人驾驶技术的发展。此外激光雷达也应用于监控安防、测绘、火灾救援等各种场景。

传统固态激光雷达视场一般比较窄，例如某型号激光雷达的视场角为水平45度，垂直23度。这样的固态激光雷达虽然分辨率较高，并且因为没有宏观运动机构因此工作寿命较长，但是能看到的视场较小，应用范围受到了很大的限制。而非固态激光雷达，例如同轴激光雷达，有一个旋转马达，可以在270-360度的范围内扫描，视场很宽，在机器人领域得到了很广泛的应用，但是扫描分辨率偏低，一般纵向仅为16线以下，16线以上由于结构复杂，制造难度很大，成本很高，并且因为有高速马达存在导致系统寿命受限严重，因此无法大规模推广使用。

为了解决以上矛盾问题，本专利描述了一种消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，通过本专利中描述的技术，有效消除多路接收通道的固态激光雷达很容易产生的串扰，净化了输出的点云，从而显著提高了点云质量和系统可用性，为用户提供了一种低成本高可靠性的宽视场高分辨率的固态激光雷达解决方案。

发明内容

本发明提供了一种多路接收通道的消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，以至少解决现有技术中多路宽视场高分辨率固态激光雷达存在不同接收通道的发射和接收数据相互干扰的问题。

本发明提供了一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，包括中央控制系统、发射通道系统、接收通道系统，所述发射通道系统包括激光器、发射控制系统、发射光学系统，所述系统控制模块分别与发射通道系统、接收通道系统相接，所述系统控制模块控制激光器的启动，所述发射控制系统与所述发射光学系统之间具有若干个激光通路，所述激光器发射的激光通过发射控制系统调节由所述若干个激光通路照射至所述发射光学系统上，所述发射光学系统将不同激光通路的激光射出并形成若干个激光扫描场，所述激光通路与所述激光扫描场一一对应，所述激光扫描场中至少有两个激光扫描场的扫描区域部分重合，所述激光在所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路中具有不同的飞行时间。

进一步地，所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路长度不同。

进一步地，所述激光通路中的一条或多条具有光纤延长线结构。

进一步地，所述接收通道系统包括接收光学系统、转换器、光电探测器，所述接收光学系统、转换器与光电探测器依次，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

更进一步地，所述接收通道系统还包括放大器，所述接收光学系统为光学天线，所述转换器为带通滤波器，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

进一步地，所述中央控制系统包括系统控制模块、数据处理模块、显示模块，所述接收通道系统通过数据处理模块与显示模块相连，所述系统控制模块与激光器相连。

更进一步地，所述数据处理模块消除串扰方法如下：

步骤1：将激光扫描场分割为干扰区、无扰区、重合区，所述干扰区、重合区以无扰区为中央对称；

步骤2：接收通道系统数据收集激光扫描场中的物体信息，并传送给数据处理模块，由数据处理模块形成点云信息；

步骤3：数据处理模块采集干扰区、重合区的点云信息并进行对比，若干扰区、重合区的点云分别以无扰区为中央对称，则干扰区的点云信息为串扰虚假点云，并删除；

步骤4：数据处理模块将处理后的点云信息送至显示模块，由显示模块进行点云显示。

更进一步地，所述接收光学系统由若干个光敏感器件组组成，所述光敏感器件组与激光扫描场一一对应，所述光敏感器件组由若干个光敏感器件组成，所述同一光敏感器件组的不同光敏感器件分别检测激光扫描场的不同区域。

更进一步地，所述接收通道系统工作方法如下：

所述接收通道系统对各个光敏感器件的检测区域进行依次扫描，当所述接收通道系统的扫描区域位于激光扫描场的重合区时，仅开启所述扫描区域对应的光敏感器件。

本发明相对于现有技术，采用非对称入射的方法，使具有重合的激光扫描场之间干扰位置不同，简化了串扰排除过程，实现多路宽视场激光雷达多路串扰信号删除的效果。

附图说明

图1为本发明实施例高分辨率固态激光雷达系统框图；

图2为本发明实施例一个振镜产生2个扫描场的示意图；

图3为本发明实施例高分辨率固态激光雷达直接探测法原理框图；

图4为本发明实施例双路宽视场高分辨率固态激光雷达扫描场扫描示意图；

图5为本发明实施例存在的第一类串扰出现的原理示意图；

图6为本发明实施例存在的第二类串扰产生原理示意图；

图7为本发明实施例存在的第一类串扰第二种消除方式示意图；

图8为本发明实施例存在的第二类串扰消除示意图；

图9为本发明实施例第二类串扰的光纤延长线圈示意图；

图10为狭长的走廊点云，中心点云两侧的点云都是串扰虚假点云；

图11为采用本发明专利的第二类串扰消除方法消除串扰后的走廊点云；

图12为大厅在消除串扰前的点云；

图13为大厅在采用本发明专利的第一类串扰第一种消除方法消除串扰后的点云；

图14为大厅在消除串扰前的点云；

图15为大厅在采用本发明专利的第一类串扰的第二种消除法消除串扰后的点云。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例公开了一种多路消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，如图1所示，包括中央控制系统、发射通道系统、接收通道系统，所述发射通道系统包括激光器、发射控制系统、发射光学系统，所述系统控制模块分别与发射通道系统、接收通道系统相接，所述系统控制模块控制激光器的启动，所述发射控制系统与所述发射光学系统之间具有若干个激光通路，所述激光器发射的激光通过发射控制系统调节由所述若干个激光通路照射至所述发射光学系统上，所述发射光学系统将不同激光通路的激光射出并形成若干个激光扫描场，所述激光通路与所述激光扫描场一一对应，所述激光扫描场中至少有两个激光扫描场的扫描区域部分重合，所述激光在所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路中具有不同的飞行时间。

其中，本发明实施例以双路高分辨率固态激光系统为例，图2显示了采用对称离轴入射的方式，同一个激光束经发射控制系统分为2束激光，通过各自的激光通路入射一个mems振镜（发射光学系统）产生了2个扫描场A和B，形成一个水平达到85度左右，垂直达到25度的宽视场激光雷达的扫描场。AB两个单独视场有3-5度重叠区域。

可选的，所述接收通道系统包括接收光学系统、转换器、光电探测器，所述接收光学系统、转换器与光电探测器依次，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

特别的，所述接收通道系统还包括放大器，所述接收光学系统为光学天线，所述转换器为带通滤波器，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

其中，如图3所示，显示了直接探测示意图，信号光通过镜头、光学滤光片、APD光电探测器件传送至数据处理模块。

可选的，所述中央控制系统包括系统控制模块、数据处理模块、显示模块，所述接收通道系统通过数据处理模块与显示模块相连，所述系统控制模块与激光器相连。

当采用直接探测原理对物体反射回来的激光进行探测，在如图2所示的工作模式下，由于区域重合，导致形成了扫描场和接收镜头不能对应的情况，出现串扰。图4显示了双路宽视场激光雷达扫描场扫描过程。

图5显示了第一类串扰出现的原理。第一类串扰是指由于左右扫描场的重合区域的真实物体导致的两个扫描场的特定区域出现虚假点云的情况。每个扫描场独立的按照从左到右，从上到下的顺序发射激光束并等待遇到物体反射回来后计算Tof（飞行时间），并且根据振镜此刻的姿态角确定点云点的空间坐标。每个扫描场有一个自己对应的光接收通道。当右侧B扫描场发射的激光运行到B扫描场的最左侧，此时左侧A扫描场发射的激光运行到A扫描场最左侧，此时右侧扫描场的激光打到中间交叉区域的物体，反射的激光进入左侧接收镜头，根据此时振镜姿态计算出的点云坐标将出现在A扫描场的最左侧，即图中所显示的虚假点云1，同理，B扫描场最右侧会出现虚假点云2。

图6显示了第二类串扰出现的机理。当扫描场A中出现一个类似玻璃的强反射物体1，将入射的激光以某种角度几乎全部反射到扫描场B中的物体B，之后反射的激光大部分被接收镜B接收到，此时点云成像将出现在扫描场A的不定区域，显然，这个点云像是虚假的。这被称为第二类串扰。

根据上述原理描述，可知，第一类串扰是第二类串扰在特定情况下的特例。

可选的，所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路长度不同。

可选的，所述激光通路中的一条或多条具有光纤延长线结构。

其中，本发明实施例对于第二类串扰的消除，采取非对称入射的方法。就是激光从激光器分光出来后，采用非对称入射的方式入射到振镜上，即采用延长入射距离的方式，如图8和图9所示，例如A入射端增加一根50米的光纤，增加A入射端与C出射端之间激光通路的长度（激光的飞行时间延长），而B入射端与D出射端之间激光通路长度不变（激光的飞行时间不变），导致左半场点云整体后移约37.5米。光纤延长线圈的长度和点云被推后的深度存在着如下的对应关系：

Dis=l× c2/c1×1/2 … … … …(5)

其中，l代表光纤线圈的长度，c1代表光在空气中的传播速度，c2代表光在光纤中的传播速度，Dis代表有延长线入射端的对应的扫描场的点云被推后的深度。光在光纤中的传输速度为c1= QUOTE

m/s，光在空气中的传播速度为c2= QUOTE

m/s。

通过增加光纤延长线，可以让左右场点云实现空间错位，根据上述的第二类串扰机理，从图8中可见，A区域真实点云产生的串扰将出现在C区域，D区域真实点云产生的串扰将出现在B区域，从图中明显可见，当激光扫描区域小于Dis长度，则串扰点云和真实点云将被隔离开，这样可以通过空间距离过滤将B和C区域的虚假点云过滤，然后由数据处理模块减掉相应区域点云的延长Dis，将A区域点云后退Dis长度从而实现将串扰消除的目的。这种消除方式对于空间较小的场景的串扰消除比较有效。

特别的，所述数据处理模块消除串扰方法如下：

步骤1：根据整体点云数据分析，决定采取何种过滤方法；

步骤2：如果是小范围场景，采取消除第二类串扰的方法；

步骤3：如果是大范围场景，采取消除第一类串扰的两种方法；

步骤4：数据处理模块将处理后的点云信息送至显示模块，由显示模块进行点云显示。

其中，本发明实施例将扫描场内点的空间位置设置坐标分别为行row、列column，原点定为接收透镜所在位置。对于第一类串扰，由于虚假点云出现的位置与真实物体所在的行row相同，列column分别在整个扫描场起始和终止的地方，比如扫描场尺度为row=720，column=1800，则虚假点云位于column=0到ka列的区域，row则没有约束，真实物体处于AB扫描场交叉的区域。因此，将AB扫描场交叉区域分为L层，每层对应d米，整个探测距离为DisN米，对每一层再由上向下分为t个区域，总共L×t个区域。对所有AB场重合区域的点云，根据每个点的空间坐标，放入L×t个区域，获取坐标。设定阈值K，当此区域内的有效点大于K，则将点数和块位置信息存入中央重合区域对应数组X中，X=[x1,x2,x3,x4,x5 … … ]，例如：设定数组存储上限为300，即可以最多记录300个高密度可能导致串扰区域。

由数据处理模块对整个点云遍历，根据当前遍历点云所在行列r1，c1，对应的中央重合区域数组X内的点数m，设定串扰可能区域比如column=0~n1，比较c1和n1，若c1<n1，且此点云与重合区域的点云对称，则判定此点云为串扰虚假点云，删除。以上是对第一类串扰的第一种消除法，这种消除方式对于空间大的场景比较合适。

特别的，所述接收光学系统由若干个光敏感器件组组成，所述光敏感器件组与激光扫描场一一对应，所述光敏感器件组由若干个光敏感器件组成，所述同一光敏感器件组的不同光敏感器件分别检测激光扫描场的不同区域。

特别的，所述接收通道系统工作方法如下：

所述接收通道系统对各个光敏感器件的检测区域进行依次扫描，当所述接收通道系统的扫描区域位于激光扫描场的重合区时，仅开启所述扫描区域对应的光敏感器件。

其中，如图7所示，以A扫描场，分为A1，A2，A3三个区域分别与开光敏感器件第一组的1号、2号、3号器件对应，其中3号器件扫描重合区，当扫描到特定区域时，如扫描到A1区域，则开光敏感器件第一组的1号、2号、3号器件。扫描到A2区域，则开1、2、3号器件。当扫描到A3区域，则开光敏感器件第一组的2号3号器件。当扫描到重合区域，则仅开3号器件，关闭2、1号器件。B扫描场类似。通过以上限制条件开放光敏感器件，可以在一定程度上消除串扰产生的虚假点云。以上是对第一类串扰的第二种消除法，这种消除方法对于不同场景都有一定作用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多路接收通道的消除串扰的宽视场高分辨率固态激光雷达，所述宽视场高分辨率固态激光雷达包括中央控制系统、发射通道系统、接收通道系统，所述发射通道系统包括激光器、发射控制系统、发射光学系统，所述系统控制模块分别与发射通道系统、接收通道系统相接，所述系统控制模块控制激光器的启动，所述发射控制系统与所述发射光学系统之间具有若干个激光通路，所述激光器发射的激光通过发射控制系统调节由所述若干个激光通路照射至所述发射光学系统上，所述发射光学系统将不同激光通路的激光射出并形成若干个激光扫描场，所述激光通路与所述激光扫描场一一对应，所述激光扫描场中至少有两个激光扫描场的扫描区域部分重合，其特征在于，所述激光在所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路中具有不同的飞行时间。

2.根据权利要求1所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述扫描区域部分重合激光扫描场对应的激光通路长度不同。

3.根据权利要求1所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述激光通路中的一条或多条具有光纤延长线结构。

4.根据权利要求1所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述接收通道系统包括接收光学系统、转换器、光电探测器，所述接收光学系统、转换器与光电探测器依次，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

5.根据权利要求4所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述接收通道系统还包括放大器，所述接收光学系统为光学天线，所述转换器为带通滤波器，所述光电探测器通过放大器与所述中央控制系统相接。

6.根据权利要求1所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述中央控制系统包括系统控制模块、数据处理模块、显示模块，所述接收通道系统通过数据处理模块与显示模块相连，所述系统控制模块与激光器相连。

7.根据权利要求6所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述数据处理模块消除串扰方法如下：

步骤1：将激光扫描场分割为干扰区、无扰区、重合区，所述干扰区、重合区以无扰区为中央对称；

步骤2：接收通道系统数据收集激光扫描场中的物体信息，并传送给数据处理模块，由数据处理模块形成点云信息；

步骤3：数据处理模块采集干扰区、重合区的点云信息并进行对比，若干扰区、重合区的点云分别以无扰区为中央对称，则干扰区的点云信息为串扰虚假点云，并删除；

步骤4：数据处理模块将处理后的点云信息送至显示模块，由显示模块进行点云显示。

8.根据权利要求4所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述接收光学系统由若干个光敏感器件组组成，所述光敏感器件组与激光扫描场一一对应，所述光敏感器件组由若干个光敏感器件组成，所述同一光敏感器件组的不同光敏感器件分别检测激光扫描场的不同区域。

9.根据权利要求8所述的宽视场高分辨率固态激光雷达，其特征在于，所述接收通道系统工作方法如下：

所述接收通道系统对各个光敏感器件的检测区域进行依次扫描，当所述接收通道系统的扫描区域位于激光扫描场的重合区时，仅开启所述扫描区域对应的光敏感器件。

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