CN111352095A - 一种激光雷达接收系统及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达接收系统，用于接收激光雷达的反射光束；包括：感光接收阵面，包括至少一个感光阵列，每个感光阵列包括2n个感光元件，n大于1，2n个感光元件中至少2个感光元件既不位于同行也不位于同列；感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，以使得激光雷达的反射光束照射在感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个感光阵列中的全部感光元件；至少一个信号处理电路，与至少一个感光阵列一一对应设置，每个信号处理电路连接对应的感光阵列中的2n个感光元件，用于对对应的感光阵列中的2n个感光元件输出的信号进行乘法运算，得到并输出目标信号。本发明可以提升输出的信号的信噪比。本发明还公开了一种激光雷达。

Description

一种激光雷达接收系统及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光雷达接收系统及激光雷达。

背景技术

激光雷达以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，在自动驾驶领域中应用广泛。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行探测、跟踪和识别。

在实际工作中，激光雷达很容易受到环境中的干扰光的影响，在环境噪声较大时甚至会出现信号无法正常检测的问题，因此如何得到信噪比较高的输出信号一直是激光雷达生产过程中需要解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提出了一种激光雷达接收系统及激光雷达。

一种激光雷达接收系统，所述系统用于接收激光雷达的反射光束；所述激光雷达接收系统包括：感光接收阵面，包括至少一个感光阵列，每个所述感光阵列包括2n个感光元件，n大于1，所述2n个感光元件中至少2个所述感光元件既不位于同行也不位于同列；所述感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，以使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件；至少一个信号处理电路，与所述至少一个感光阵列一一对应设置，每个所述信号处理电路连接对应的所述感光阵列中的所述2n个感光元件，用于对对应的所述感光阵列中的所述2n个感光元件输出的信号进行乘法运算，得到目标信号，并输出所述目标信号。

其中，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件呈矩阵排列。

其中，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件沿周向设置。

其中，所述感光元件的形状为扇形，同一个所述感光阵列中的各感光元件的圆心相互靠近。

其中，每个所述感光阵列包括至少四个具有相同结构的感光元件，且各所述感光元件的圆弧位于同一圆周上。

其中，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件的光敏面面积不完全相等。

其中，每个所述信号处理电路包括：2n个放大器，与所述2n个感光元件一一对应连接，用于对所述2n个感光元件输出的信号进行放大；和/或每个所述信号处理电路还包括：2n个低通滤波器，与所述2n个感光元件一一对应连接，用于对所述2n个感光元件输出的信号进行滤波。

其中，每个所述感光阵列中相邻两个感光元件之间的间隙小于预设间隙值。

一种激光雷达，包括：激光发射模块，用于生产激光光束后向目标区域进行发射，所述目标区域内的物体对所述激光光束进行反射得到反射光束；以及激光雷达接收系统，采用如上所述的激光雷达接收系统。

其中，所述激光发射模块反射的激光光束的光斑大小与所述预设面积相适应。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

设置感光接收面上的感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件，各感光元件输出的信号对应于同一反射光斑，因而具有相关性，将这些信号进行乘法运算可以增强有效信号，有效消除噪声，从而提升了输出的信号的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

其中：

图1是本发明提供的激光雷达接收系统的第一实施例的结构示意图；

图2是未改善的信号与经过图1所示激光雷达接收系统的输出信号的对比图；

图3是本发明提供的激光雷达接收系统的第二实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第一实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第二实施例的结构示意图；

图6是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第三实施例的结构示意图；

图7是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第四实施例的结构示意图；

图8是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第五实施例的结构示意图；

图9是本发明提供的激光雷达的第一实施例的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在同轴激光雷达的接收系统中，光斑在感光接收阵面上的位置是固定的，容易受到环境中的干扰光的影响，在环境噪声较大时甚至会出现信号无法正常检测的问题，相关检测是一种利用信号相关性和噪声随机性的特点，通过相关运算去除噪声检测信号的技术。

在本实施例中，为了解决上述问题，提供了一种激光雷达接收系统，可以有效提高接收信号的信噪比。

请参阅图1，图1是本发明提供的激光雷达接收系统的第一实施例的结构示意图。激光雷达接收系统10用于接收激光雷达的反射光斑，激光雷达接收系统10包括感光接收阵面11，感光接收阵面11包括两个感光阵列111和112，在其他实施场景中，感光阵列111的个数可以根据用户使用需要设置，例如1个、3个、5个等等。激光雷达接收系统10还包括信号处理电路12和13，信号处理电路12与感光阵列111对应设置，信号处理电路13与感光阵列112对应设置。当感光接收阵面11包括的感光阵列的个数越多时，信号处理电路的个数也会相应增加，以实现和感光阵列的对应设置。在其他的实施例中，也可以是多个感光阵列112对应一个信号处理电路13，也即一个信号处理电路13能够负责多个感光阵列112的信号处理。

感光阵列111和112的结构一致，因此以感光阵列111为例进行阐述。感光阵列111包括2n个感光元件，n大于1。例如，本实施场景中，n＝2，则感光阵列111包括4个感光元件1111、1112、1113和1114，其中，感光元件1111和1114即不位于同行也不位于同列。例如，如图1中所示的，4个感光元件1111、1112、1113和1114呈矩阵排列。感光阵列111的面积小于预设面积值，使得激光雷达的反射光斑能够同时击中感光阵列111中的全部感光元件(感光元件1111、1112、1113和1114)。需要注意的是，本案所提及的击中全部感光元件是指光斑能够落在各感光元件上，可以是光斑完全覆盖全部的感光元件，也可以是光斑仅仅覆盖感光元件的部分区域。

4个感光元件1111、1112、1113和1114与信号处理电路12连接，信号处理电路12用于对4个感光元件1111、1112、1113和1114输出的信号进行乘法运算。由于4个感光元件1111、1112、1113和1114接收到的光脉冲对应于同一反射光斑，因此4个感光元件1111、1112、1113和1114输出的信号具有相关性。因此这4路信号进行乘法运算时会将其中的有效信号(相关的部分信号)放大，而将大小不一的噪声(不相关的部分信号)变小或抹平，从而可以保留并增强原本被噪声淹没的有效信号。

在本实施场景中，可以将4路信号两两相乘后，再将两个乘积相乘，以获取目标信号，在其他实施场景中，可以先选择2路信号相乘，再依次与剩余的2路信号相乘，以获取目标信号。

请结合参阅图2，图2是未改善的信号与经过图1所示激光雷达接收系统的输出信号的对比图，从图2中可以看出，其信噪比得到了极大的提升，有利于将有效的光信号从噪声中识别出来，进而确保探测的精准度。

通过上述描述可知，本实施例中通过设置感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件，各感光元件输出的信号对应于同一反射光斑，因而具有相关性，将这些信号进行乘法运算可以增强有效信号，有效消除噪声，从而提升了输出的信号的信噪比。

请参阅图3，图3是本发明提供的激光雷达接收系统的第二实施例的结构示意图。激光雷达接收系统20包括感光接收阵面21，感光接收阵面21包括一个感光阵列211。感光阵列211包括4个感光元件2111、2112、2113和2114。在本实施例中，感光元件2111、2112、2113和2114为APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)，是一种利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的探测器。在其他实施例中，还可以是其他具有光电转化功能的元件，例如SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)、硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM，部分也称之为MPPC探测器(multi-pixelphotoncounter)或本领域技术人员可知的其他类型的光电探测器。激光雷达接收系统20还包括信号处理电路22。信号处理电路22包括4个放大器2211、2212、2213和2214，以及4个低通滤波器2221、2222、2223和2224，以及相关检测乘法器223。

在本实施场景中，4个放大器2211、2212、2213和2214与4个感光元件2111、2112、2113和2114对应连接，4个低通滤波器2221、2222、2223和2224与4个感光元件2111、2112、2113和2114对应连接。具体地说，感光元件2111连接放大器2211的输出端，放大器2211对感光元件2111输出的信号进行放大，获得放大后的信号。放大器2211的输出端连接低通滤波器2221的输入端，低通滤波器2221对放大后的信号进行滤波，获得滤波后的信号。类似地，感光元件2112连接放大器2212的输出端，放大器2212的输出端连接低通滤波器2222的输入端。感光元件2113连接放大器2213的输出端，放大器2213的输出端连接低通滤波器2223的输入端。感光元件2114连接放大器2214的输出端，放大器2214的输出端连接低通滤波器2224的输入端。低通滤波器2221、2222、2223和2224的输出端连接相关检测乘法器223。相关检测乘法器223对低通滤波器2221、2222、2223和2224输出的信号进行乘法运算，可以增强有效信号，有效消除噪声。

通过上述描述可知，本实施例中，采用放大器可以增强信号强度，从而增强了有效信号，采用低通滤波器可以有效除去高频噪声，从而更加有效地提升了目标信号的信噪比。在其他的实施例中，也可以仅仅设置低通滤波器或者放大器。

请参阅图4，图4是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第一实施例的结构示意图。感光阵列30包括4个感光元件31、32、33和34。感光元件31、32、33和34呈矩阵排列，且感光元件31、32、33和34的光敏面面积不完全相等。例如，感光元件31和33的光敏面面积较大，感光元件32和34的光敏面面积较小。不同的光敏面面积具有不同的感光能力，即针对同一反射光斑，感光元件31和33输出的信号和感光元件32和34输出的信号具有不同的增益。若反射光束是由较近的目标反射或者是由高反射率的目标反射，则该反射光束较强，感感光元件32和34的光敏面面积小，感光能力较弱，对应该反射光束生成的信号强度不会过高。若反射光束是由较远的目标反射或者是由低反射率的物体反射，则该反射光束强度较弱，感光元件31和33的光敏面面积大，感光能力较强，对应该反射光束生成的信号强度不会过低。在另一实施例中，也可以将对角的两个感光元件的面积设置为相同，同一行/列的两个感光元件面积不同。

在本实施场景中，无论反射光束的强弱，均存在至少两个感光元件(31和33或者32和34)输出的信号强度适中，这样感光元件31、32、33和34输出的信号输出至信号处理电路进行乘法运算时，可有效避免输入信号的强度过高或者过低造成信噪比较低。

在本实施例中，感光元件31、32、33和34中任意两者之间的间隙d小于0.3mm，可以将反射光斑的能量有效集中。进一步地，感光元件31、32、33和34之间的间隙d小于0.1mm，能进一步提升信噪比。

通过上述描述可知，本实施例中感光阵列中感光元件具有不同的光敏面面积，从而具有不同的感光能力，从而使得感光阵列所在的激光雷达接收系统接收强度不同的反射光束时生成的采样信号中至少存在一路增益合适的采样信号，可有效避免强度过高或者过低的信号输入处理电路进行乘法运算，有效提高了信号的信噪比。

请参阅图5，图5是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第二实施例的结构示意图。感光阵列40包括9个感光元件41、42、43、44、45、46、47、48和49。9个感光元件41、42、43、44、45、46、47、48和49呈矩阵排列，且9个感光元件41、42、43、44、45、46、47、48和49的光敏面面积不完全相等。其中，感光元件41、42、43、44、46、47、48和49的光敏面面积较大，感光元件45的光敏面面积较小。感光元件41、42、43、44、46、47、48和49位于感光阵列40的外围，增大感光元件41、42、43、44、46、47、48和49的光敏面面积，可以有效提升其获取到的反射光斑的光脉冲的效率。

此外，本实施例中将9个感光元件41、42、43、44、45、46、47、48和49输出的9路信号进行乘法运算，可以有效消除噪声，并增强有效信号，从而提升了输出的信号的信噪比。

通过上述描述可知，本实施例中感光阵列外围的感光元件光敏面积较大，可以有效提升获取到的反射光斑的光脉冲的效率，从而有效增强有效信号，提升了输出的信号的信噪比。

请参阅图6，图6是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第三实施例的结构示意图。感光阵列50包括4个感光元件51、52、53和54。感光元件51、52、53和54沿周向设置。在本实施例中，沿周向设置的感光元件51、52、53和54可以同时被反射光斑击中，生成具有相关性的信号。

通过上述描述可知，本实施例中感光元件沿周向设置，容易被反射光斑同时击中，各感光元件输出的信号对应于同一反射光斑，因而具有相关性，从而有效增强有效信号，提升了输出的信号的信噪比。

请参阅图7，图7是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第四实施例的结构示意图。感光阵列60包括4个感光元件61、62、63和64。感光元件61、62、63和64的形状为扇形，沿周向设置。感光元件61、62、63和64拼接而成的感光阵列60为圆形。感光元件61、62、63和64的圆心相互靠近。在本实施场景中，感光元件61、62、63和64的光敏面为扇形，在其他实施场景中，光敏面还可以是三角形、正方形、菱形等其他形状。

在本实施例中，感光阵列60包括4个具有相同结构的感光元件61、62、63和64，在其他实施场景中，一个感光阵列可以包括5个、6个甚至更多个具有相同或者相似结构的感光元件，这些感光元件的圆弧位于同一圆周上。

在本实施例中，光敏面也为扇形，感光元件61、62、63和64的光敏面拼接成较小的圆形，对反射光斑的直径要求更低，即使是直径较小的反射光斑也可以同时击中感光元件61、62、63和64的光敏面。

通过上述描述可知，本实施例中感光元件形状为扇形，且周向设置，感光元件的光敏面远离所述扇形的弧线侧设置，可以有效提升反射光斑同时击中全部感光元件的光敏面的概率，降低对反射光斑的直径的要求，使得反射光斑在感光接收阵面的位置调整难度降低，可以有效提升工作效率降低工作成本。

请参阅图8，图8是本发明提供的激光雷达接收系统中感光阵列的第五实施例的结构示意图。感光阵列70包括7个感光元件71、72、73、74和75。感光元件71、72、73、74和75的形状为扇形，沿周向设置。感光元件71、72、73、74和75拼接而成的感光阵列70为圆形。感光元件71、72、73、74和75的圆心相互靠近。其中，感光元件72和73的光敏面面积小于感光元件71、74和75的光敏面面积。

无论反射光束的强弱，均存在至少两个感光元件(72和73或者71、74和75)输出的信号强度适中，这样感光元件71、72、73、74和75输出的信号输出至信号处理电路进行乘法运算时，可有效避免输入信号的强度过高或者过低造成信噪比较低。

光敏面也为扇形，感光元件71、72、73、74和75的光敏面拼接成较小的圆形，对反射光斑的直径要求更低，即使是直径较小的反射光斑也可以同时击感光元件71、72、73、74和75的光敏面。

通过上述描述可知，本实施例中感光元件具有不同的光敏面面积，具有不同的感光能力，从而使得感光阵列所在的激光雷达接收系统接收强度不同的反射光束时生成的采样信号中至少存在一路增益合适的采样信号，可有效避免强度过高或者过低的信号输入处理电路进行乘法运算，有效提高了信号的信噪比，感光元件的光敏面远离所述扇形的弧线侧设置，可以有效提升反射光斑同时击中全部感光元件的光敏面的概率，降低对反射光斑的直径的要求，使得反射光斑在感光接收阵面的位置调整难度降低，可以有效提升工作效率降低工作成本。

请参阅图9，图9是本发明提供的激光雷达的第一实施例的结构示意图。本发明提供的激光雷达80包括激光发射模块81和激光雷达接收系统82，其中，激光雷达接收系统82包括图1和图3所示的激光雷达接收系统和/或具有图4-图8所示的感光阵列。

如图8所示，激光发射模块81用于生产激光光束后向目标区域进行发射，目标区域内的物体对激光光束进行反射得到反射光束。进一步地，激光雷达80还包括准直镜83、穿孔反光镜84、振镜85和接收透镜组86，激光发射模块81射出的激光经过准直镜83后变成平行光射出，通过穿孔反光镜84射向振镜85，经过振镜85的反射射向目标区域，目标区域中的的物体对激光光束进行反射得到反射光束，反射光束经过振镜85的反射射向穿孔反光镜84的反光面，穿孔反光镜84将反射光束反射向接收透镜组86，反射光束经过接收透镜组86聚焦后射向激光雷达接收系统82。

根据上述描述可知，激光雷达接收系统82包括感光接收阵面821，感光接收阵面821包括至少一个感光阵列8211，每个感光阵列包括2n个感光元件(n大于1)，2n个感光元件中至少2个感光元件既不位于同行也不位于同列；感光阵列8211的面积小于或者等于预设面积值，以使得激光雷达80的反射光束照射在感光接收阵面821上时形成的反射光斑能够同时击中一个感光阵列8211中的全部感光元件。进一步地，感光阵列中的感光元件之间的间隙小于预设间隙值，以使得激光雷达80的反射光束照射在感光接收阵面821上时形成的反射光斑能够同时击中一个感光阵列8211中的全部感光元件。具体地说，当相邻两个感光元件之间的间隙小于0.1mm时，要求光斑直径大于0.1mm，当相邻两个感光元件之间的间隙大于0.3mm时，要求光斑直径大于0.55mm。

激光雷达接收系统82还包括至少一个信号处理电路，与至少一个感光阵列8211一一对应设置，每个信号处理电路连接对应的感光阵列8211中的2n个感光元件，用于对对应的感光阵列8211中的2n个感光元件输出的信号进行乘法运算，得到目标信号，并输出目标信号。

其中，每个感光阵列中的2n个感光元件呈矩阵排列。

其中，每个感光阵列中的2n个感光元件沿周向设置。

其中，感光元件的形状为扇形，同一个感光阵列中的各感光元件的圆心相互靠近。

其中，每个感光阵列包括至少四个具有相同结构的感光元件，且各感光元件的圆弧位于同一圆周上。

其中，每个感光阵列中的2n个感光元件的光敏面面积不完全相等。

其中，每个信号处理电路包括：2n个放大器，与2n个感光元件一一对应连接，用于对2n个感光元件输出的信号进行放大。

其中，每个信号处理电路还包括：2n个低通滤波器，与2n个感光元件一一对应连接，用于对2n个感光元件输出的信号进行滤波。

通过上述描述可知，本实施例中激光雷达的激光雷达接收系统的感光接收阵面的感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件，各感光元件输出的信号对应于同一反射光斑，因而具有相关性，将这些信号进行乘法运算可以增强有效信号，有效消除噪声，从而提升了输出的信号的信噪比。

区别于现有技术，本发明中感光接收阵面的感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件，各感光元件输出的信号对应于同一反射光斑，因而具有相关性，将这些信号进行乘法运算可以增强有效信号，有效消除噪声，从而提升了输出的信号的信噪比。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统用于接收激光雷达的反射光束；所述激光雷达接收系统包括：

感光接收阵面，包括至少一个感光阵列，每个所述感光阵列包括2n个感光元件，n大于1，所述2n个感光元件中至少2个所述感光元件既不位于同行也不位于同列；所述感光阵列的面积小于或者等于预设面积值，以使得所述激光雷达的反射光束照射在所述感光接收阵面上时形成的反射光斑能够同时击中一个所述感光阵列中的全部感光元件；

至少一个信号处理电路，与所述至少一个感光阵列一一对应设置，每个所述信号处理电路连接对应的所述感光阵列中的所述2n个感光元件，用于对对应的所述感光阵列中的所述2n个感光元件输出的信号进行乘法运算，得到目标信号，并输出所述目标信号。

2.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件呈矩阵排列。

3.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件沿周向设置。

4.根据权利要求3所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述感光元件的形状为扇形，同一个所述感光阵列中的各感光元件的圆心相互靠近。

5.根据权利要求4所述的激光雷达接收系统，其特征在于，每个所述感光阵列包括至少四个具有相同结构的感光元件，且各所述感光元件的圆弧位于同一圆周上。

6.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，每个所述感光阵列中的所述2n个感光元件的光敏面面积不完全相等。

7.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，每个所述信号处理电路包括：

2n个放大器，与所述2n个感光元件一一对应连接，用于对所述2n个感光元件输出的信号进行放大；和/或

2n个低通滤波器，与所述2n个感光元件一一对应连接，用于对所述2n个感光元件输出的信号进行滤波。

8.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，

每个所述感光阵列中相邻两个感光元件之间的间隙小于预设间隙值。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射模块，用于生产激光光束后向目标区域进行发射，所述目标区域内的物体对所述激光光束进行反射得到反射光束；以及

激光雷达接收系统，采用如权利要求1～8任一所述的激光雷达接收系统。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块反射的激光光束的光斑大小与所述预设面积相适应。

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