CN111257900A - 激光雷达测距方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达测距方法及装置，所述激光雷达测距方法包括：向被测区域发射脉冲激光并记录发射时间；对反射的回波信号进行光子检测，并记录、存储多个光子到达的时间数据；将所述时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；计算相邻时间数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。所述激光雷达装置适于远距离、全天候测量。本发明降低激光雷达测距系统的开发难度和系统成本，提高系统测量精度抗干扰能力，减小系统装置体积、重量。

Description

激光雷达测距方法及装置
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，特别是涉及一种激光雷达测距方法及装置。
背景技术
由于激光具有单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化、集成化，激光测距技术被广泛利用，与光电测距相比，激光测距不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，甚至可以使测量人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
激光雷达的测距原理是根据光飞行的时间计算光所行走的路程，从而确定目标物的距离。基于飞行时间测量法(TOF)测距的激光雷达，通过测量发射和接收到的激光脉冲的时间间隔来获得探测目标的距离，这一测量方法的前提是所述激光雷达需要从光电探测器接收到脉冲信号。通常距离越远，目标越黑，返回的脉冲信号就越微弱。目前检测脉冲大多采用阈值法，即设定一个电压阈值，一旦波形中有信号超过阈值，既认为接收到了一次脉冲信号。阈值必须高于波形的环境光噪声和电子学系统噪声，否则就会造成误触发导致探测噪点。因此波形信噪比决定了激光雷达的探测能力，信噪比越高，探测能力越强。当系统的电子学噪声优化到极限后，提高测距能力只能依赖于提高发射光功率，增大接收透镜口径来改善信号的信噪比，然而这显然会导致系统的功耗增加、人眼安全风险提高、激光器可靠性下降、成本上升和体积增大等问题。同时，由于在现实环境中背景光和设备缺陷造成的影响，设备所感知光子到达时间会产生较大误差，使测距结果产生偏差，另外，现有的激光雷达测距方法模块逻辑复杂，逻辑电路面积大，造成芯片成本高昂。
发明内容
本发明的目的：
基于此，有必要针对如何解决测距结果偏差及模块逻辑复杂的问题，提供一种激光雷达测距方法及装置，降低激光雷达测距系统的开发难度和系统成本，提高系统测量精度、分辨率和抗干扰能力，减小系统装置体积、重量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种激光雷达测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤 1：通过激光发射器向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据；
步骤2：通过激光接收器对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据；
步骤 3：获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；
步骤4：对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；；
步骤5：对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；
步骤6：根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。
进一步地，为了节省大量存储空间，所述步骤3中，对多个光子到达的时间数据进行直接存储。
进一步地，为了加快测试速度，同时简化逻辑电路，步骤4中对多个光子到达的时间数据进行预处理是直接处理，伴随激光重频时间间隔处整理产生信号。
进一步地，为了方便下一步过滤模块参与数据运算，使信号传输更加可靠，所述步骤4中对多个时间数据进行预处理是在所有时间数据存储完成之后进行。
进一步地，为了加快测试速度，同时可以提高测距精度，所述步骤4中对多个光子到达的时间数据进行排序整理采用冒泡排序。
一种雷达测距装置，其特征在于，包括：
激光发射器，用于向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据；
激光接收器，用于对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据；
信号存储模块，用于获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；
信号预处理模块，用于对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；
信号处理模块，用于对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；
信号输出模块，用于根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。
进一步地，为了加快测试速度，同时简化逻辑电路，所述信号预处理模块对多个时间数据进行预处理是直接处理，伴随激光重频时间间隔处整理产生信号。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明摒弃了传统地直方图统计方式，直方图统计方式占用大量内存，且随距离增加，直方图也需增加相应深度，本发明将离散的时间数据存储下来，由于在实际的运用场景中，测量的样本数量不多，那么将时间数据直接存储下来即可节省大量存储空间，本发明在距离指数级增长的同时内存消耗和其他资源消耗量可实现低线性度增长。（2）本发明可在计算远距离时保证测量精度不丢失，可满足多目标探测需求，反馈多种信息，不局限于距离数据。数字过滤模块根据信号样本的离散程度完成区分噪声(背景光和器件缺陷)和有效信号的操作，信号是具体的且未被压缩精度，运算时根据密集程度完成了噪声过滤的操作，且所得有效信号的精度也得以保留，最后将结果有交由输出模块将信号及其相关信息一并输出。（3）本算法的计算时间固定且短暂，本算法不使用乘法器等复杂电路模块，同时本发明需求数据量相对较少，无需开辟大存储区域，从而节约电路面积，所以芯片面积得以大幅度减少。
附图说明
图1为本发明一个实施例的一种激光雷达测距方法的流程示意图。
图2为本发明实施例提供的一种激光雷达测距装置的结构示意图。
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用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
为此，本发明实施例提供一种激光雷达测距方法及装置，能够在无需提高发射光功率的前提下，改善激光雷达探测激光脉冲的能力，进而提高其测距能力和测距精度。
为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，下面结合附图对本发明实施例的激光雷达测距方法和装置加以详细的说明。
参考图1，图1是本发明一个实施例的激光雷达测距方法的流程图。
在一些实施例中，步骤110：通过激光发射器向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据；在一般正常工作的情况下，激光发射到目标对象后，会产生反射回波。
步骤120：通过激光接收器对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据；当反射回波的光子撞击激光接收器时，激光接收器可以感知光子到达信号，从而记录光子到达时间，在现实环境中会有背景光和设备缺陷造成的影响。故而采用统计的方案，收集多次光子到达的时间点，本发明其他步骤处理多个光子到达的时间数据，从而鉴别真实的光子到达信号，计算物体真实距离。
步骤130：获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；此时存储的时间数据在时域上离散。
步骤140：对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；整理数据的目的是为了方便下一步对时间数据进行过滤和运算。
步骤150：对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；出现两个及两个以上的数值发生阶跃变化，则说明探测到多物体。
步骤160：根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。目标数据即真实的光子到达时间数据，结合脉冲激光发射的时间数据，可以计算出光行走的时间，确定光所行走的路程。
在一些实施例中，步骤130对多个光子到达的时间数据进行直接存储。本发明摒弃了直方图统计方式，直方图统计方式占用大量内存，且随距离增加，直方图也需增加相应深度，本发明不采用直方图统计方式，直接将离散的时间数据存储下来，可以节省大量存储空间，以14bit的测量范围为例，直方图存储则至少需要214M bit的存储空间 (M为直方图Bin的深度)，而直接存储固定样本数量(N) 的内存空间为14×N bit。由此可知, 当N < (214/14) ×M = 1170.29×M，直接存储所需内存空间将会少于直方图内存。直方图的统计方式的优势在于大数据量统计，但是对于本发明，在测量次数不多情况下，将数据直接存储下来即可节省大量存储空间。
在一些实施例中，步骤140中对多个光子到达的时间数据进行预处理是直接处理，伴随激光重频时间间隔处整理信号。这样做的目的是为了提高工作效率。
在一些实施例中，所述步骤140中对多个时间数据进行预处理是在所有时间数据存储完成之后进行。
在一些实施例中，所述步骤140中对多个光子到达的时间数据进行排序整理采用冒泡排序。从第一个时间数据开始，比较相邻时间数据的数值大小，如果前面的数值比后面的数值大，就交换位置，对每一对相邻元素做同样的工作，直至最后一个时间数据，此时，最后一个时间数据的数值最大，继续对所有的元素重复前述的步骤，直到没有任何一对数字需要比较。
本发明实施例还提供一种激光雷达装置。参考图2，图2是本发明一个实施例的激光雷达200的结构框图。
在一些实施例中，所述激光雷达装置200可以包括：
激光发射器210，用于向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据。激光发生器210可以由激光器、用于驱动激光器的激光器驱动电路、窄波发生器和方波发生器组成。激光器驱动电路与窄波发生器和方波发生器相连。
激光接收器220，用于对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据。激光接收器220由接收芯片、光学镜头组成。接收芯片内包括了单光子检测器，用于探测激光反射回波中的光子；淬火与复位电路与所述单光子检测器连接，用于将所述单光子检测器进行复位以等待下次的触发；相干判决电路。
信号存储模块230，用于获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；
信号预处理模块240，用于对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照升序或者降序进行排列整理；
信号处理模块250，用于对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；
输出模块260，用于根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。
在一些实施例中，所述信号预处理模块对多个时间数据进行预处理是直接处理，伴随激光重频时间间隔处整理产生信号。

Claims (7)

1.一种激光雷达测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过激光发射器向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据；
步骤2：通过激光接收器对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据；
步骤3：获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；
步骤4：对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；
步骤5：对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；
步骤6：根据所述目标数据计算距离信息，并输出距离信息。
2.如权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于：所述步骤3中对多个光子到达的时间数据进行直接存储。
3.如权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于：所述步骤4中对多个光子到达的时间数据进行预处理是直接处理，在激光重频时间间隔处进行排列整理。
4.如权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于：所述步骤4中对多个时间数据进行预处理是在所有时间数据存储完成之后进行。
5.如权利要求3或4所述的激光雷达测距方法，其特征在于：所述步骤4中对多个光子到达的时间数据进行排序整理采用冒泡排序。
6.一种激光雷达测距装置，其特征在于，包括：
激光发射器，用于向被测区域发射脉冲激光，并记录脉冲激光发射的时间数据；
激光接收器，用于对反射的回波信号进行光子检测，并记录多个光子到达的时间数据；
信号存储模块，用于获取多个光子到达的时间数据，并进行存储；
信号预处理模块，用于对所述的多个光子到达的时间数据进行预处理，将所述的多个光子到达的时间数据按照时间升序或者降序进行排列整理；
信号处理模块，用于对排列后的多个光子到达的时间数据进行数据过滤，计算相邻数据的差值并累计差值，时间窗口从第一个数据移动至最后一个数据进行滑动计算，将累计差值与时间窗口作比较，确定当前滑动时间窗口多个光子到达的时间数据的数值变化，当多个光子到达的时间数据的数值发生阶跃变化时，则当前时间数据为目标数据；
信号输出模块，用于输出目标数据，并根据所述目标数据计算距离信息。
7.根据权利要求6所述的一种激光雷达测距装置，其特征在于，所述信号预处理模块对多个时间数据进行预处理是直接处理，伴随激光重频时间间隔处整理产生信号。
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