CN112327272B - 一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法，激光雷达装置包括：主控制器、发射器和探测器，连续激光器用于发射光功率稳定的第一连续激光信号；调制单元用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；脉冲调制光阀用于按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将探测脉冲射向目标物体；探测器用于接收目标物体返回的反射脉冲；主控制器用于根据反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取目标物体的点云数据。在本发明中，每个探测脉冲的调顶形状不一致，间接实现对探测脉冲的编码，具有较高的信号有效识别率。

Description

一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法

技术领域

本发明属于激光雷达领域，更具体地，涉及一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法。

背景技术

目前，激光雷达的主流技术包括两种，分别是连续相位探测型和脉冲探测型，而其中又尤以脉冲探测型激光雷达，应用更为广泛。目前的脉冲探测型激光雷达，通过向目标发射一系列的激光探测脉冲，对目标进行多次的重复扫描探测，获取目标的多个点云数据。但脉冲探测型激光雷达，也存在一定的应用局限，即各个激光脉冲之间存在干扰，在前一个脉冲回到探测器之前，下一个脉冲不能被探测器接收，不然，探测器无法区分发射和接收脉冲的一一对应关系。尤其是将激光雷达应用在快速扫描、远距离探测的场景时，上述限制直接决定了激光雷达的指标。

针对上述限制，业界的解决方案是针对脉冲频率进行编码，并结合实际应用场景进行解码，找到对应的解码方式。此种解码方式的出错率较高，不能实时得到点云数据，需要通过后期处理。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法，其目的在于通过连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号，即，第一连续激光信号是平顶的信号，通过调制单元对第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号，即，第二连续激光信号的顶部具有不同的形状，再结合脉冲调制光阀的快速开关操作，将连续的激光信号转换为探测脉冲，且每个探测脉冲的调顶形状不一致，根据探测脉冲的调顶形状可以区分不同的脉冲信号，间接实现对探测脉冲的编码，具有较高的信号有效识别率，且能快速完成点云数据计算，相对于现有的技术方案，探测效率有了很大提升，由此解决对于脉冲频率进行编码的场景，解码出错率较高，不能实时得到点云数据的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脉冲可编码的激光雷达装置，所述激光雷达装置包括：主控制器、发射器和探测器，所述主控制器分别与所述发射器和所述探测器连接；所述发射器包括连续激光器、调制单元和脉冲调制光阀，所述连续激光器与所述调制单元连接，所述调制单元与所述脉冲调制光阀连接；

所述连续激光器用于发射光功率稳定的第一连续激光信号；

所述调制单元用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；

所述脉冲调制光阀用于按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；

所述探测器用于接收所述目标物体返回的反射脉冲；

所述主控制器用于根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

优选地，所述调制单元为可调光衰减器；所述可调光衰减器用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号。

优选地，所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

优选地，所述探测器用于将所述反射脉冲转换为离散的数字信号，再对数字信号进行多灰阶采样和重建拟合，以恢复所述反射脉冲的脉冲形状。

优选地，所述激光雷达装置还包括通信单元，所述通信单元与所述主控制器连接，所述通信单元用于与外部系统进行通信。

优选地，所述激光雷达装置还包括光束扫描单元，所述光束扫描单元与所述发射器连接，所述光束扫描单元用于将所述探测脉冲射向所述目标物体。

优选地，所述脉冲调制光阀为基于光电调制晶体的光阀、基于硅光电调制的光阀、基于MEMS调制的光阀或基于磁控调制的光阀。

按照本发明的另一方面，提供了一种激光雷达装置的检测方法，所述检测方法包括：

所述连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号；

所述调制单元根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；

所述脉冲调制光阀按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；

所述探测器接收所述目标物体返回的反射脉冲，所述主控制器根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

优选地，所述调制单元为可调光衰减器；

所述调制单元根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号包括：

所述可调光衰减器根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号。

优选地，所述检测方法还包括：

在产生所述探测脉冲的过程中，控制所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明提供一种脉冲可编码的激光雷达装置及其检测方法，所述激光雷达装置包括：主控制器、发射器和探测器，所述主控制器分别与所述发射器和所述探测器连接；所述发射器包括连续激光器、调制单元和脉冲调制光阀，所述连续激光器与所述调制单元连接，所述调制单元与所述脉冲调制光阀连接；所述连续激光器用于发射光功率稳定的第一连续激光信号；所述调制单元用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；所述脉冲调制光阀用于按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；所述探测器用于接收所述目标物体返回的反射脉冲；所述主控制器用于根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

在本发明中，通过连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号，即，第一连续激光信号是平顶的信号，通过调制单元对第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号，即，第二连续激光信号的顶部具有不同的形状，再结合脉冲调制光阀的快速开关操作，将连续的激光信号转换为探测脉冲，且每个探测脉冲的调顶形状不一致，根据探测脉冲的调顶形状可以区分不同的脉冲信号，间接实现对探测脉冲的编码，具有较高的信号有效识别率，且能快速完成点云数据计算，相对于现有的技术方案，探测效率有了很大提升。更进一步，本发明的方案还适用于激光雷达抗干扰的应用场景，可以给不同激光雷达的脉冲信号进行不一样的编码，可有效排除干扰信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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。

图1是本发明实施例提供的一种脉冲可编码的激光雷达装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种脉冲可编码的激光雷达装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的现有技术中脉冲信号的波形示意图；

图4是本发明实施例提供的调顶操作的激光信号的波形变化示意图；

图5是本发明实施例提供的探测脉冲的波形示意图；

图6是本发明实施例提供的经过探测器采样重建之后的反射脉冲的波形示意图；

图7是本发明实施例提供的一种激光雷达装置的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

参阅图1，本发明实施例提供了一种脉冲可编码的激光雷达装置，所述激光雷达装置包括：主控制器、发射器和探测器，所述主控制器分别与所述发射器和所述探测器连接；所述发射器包括连续激光器、调制单元和脉冲调制光阀，所述连续激光器与所述调制单元连接，所述调制单元与所述脉冲调制光阀连接。

其中，主控制器是激光雷达装置的主要控制单元，主要完成数据的桥接和外部系统的通信，同时提供激光雷达内部所需要的整体控制信息。

其中，发射器是激光雷达的核心光模块，主要用于完成探测光信号的产生和发射。

其中，激光器采用连续发光的激光器，不间断发射稳定的激光信号。相较于脉冲激光器，连续激光器具有更加稳定的功率和长时间的工作稳定性，性能表现更加优异。同一个激光雷达使用同一个波长，不同的激光雷达可以使用不一样的波长，更有效去除不同激光雷达之间的光信号串扰。

其中，脉冲调制光阀控制连续激光信号的关断，将连续激光信号转换成可以进行测量的脉冲信号。目前，实现脉冲调制光阀的主要技术有光电调制晶体、硅光电调制、MEMS(Microelectro Mechanical Systems，简写为MEMS)调制、磁控调制等技术，所述脉冲调制光阀为基于光电调制晶体的光阀、基于硅光电调制的光阀、基于MEMS调制的光阀或基于磁控调制的光阀。其中，基于光电调制晶体的光阀和基于硅光电调制的光阀可以实现微秒级别的信号调制周期，基于磁控调制的光阀可以实现几十微秒的信号调制周期，基于MEMS调制的光阀可以实现毫秒级别的调制周期。在实际使用中，可以根据实际应用场景进行针对性的选择，并结合成本要求，选择更具性价比的方案。

其中，所述探测器用于将所述反射脉冲转换为离散的数字信号，再对数字信号进行多灰阶采样和重建拟合，以恢复所述反射脉冲的脉冲形状。

在可选的实施例中，所述调制单元为可调光衰减器；所述可调光衰减器用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号。其中，可调光衰减器为快速连续可调光衰减器，可调光衰减器优选实现技术有硅基光电衰减器，通过对集成硅基波导进行电压的调节，即可实现光功率的快速可变衰减，响应时间速度达到微秒级别，可以满足激光雷达的快速光功率衰减要求，进而完成每个脉冲光信号的调顶编码技术要求。

在实际应用场景下，所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

在本实施例中，发射器将探测脉冲经过准直光学系统发射出去，在空间准直传输，由目标物体反射回来，再经过接收光学系统接收至探测器，通过探测器完成每个脉冲的高频率数字化采样。每个脉冲通过数字化采样重建之后，可以恢复成对应的脉冲形状，主控制器通过与探测脉冲进行比对，即可实现探测脉冲和反射脉冲的一一对应，且排除每个脉冲之间的相互干扰，不受脉冲传输时间和重复频率的影响。

在实际使用中，所述连续激光器用于发射光功率稳定的第一连续激光信号；所述调制单元用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；所述脉冲调制光阀用于按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；所述探测器用于接收所述目标物体返回的反射脉冲；所述主控制器用于根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

在本实施例中，通过连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号，即，第一连续激光信号是平顶的信号，通过调制单元对第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号，即，第二连续激光信号的顶部具有不同的形状，再结合脉冲调制光阀的快速开关操作，将连续的激光信号转换为探测脉冲，且每个探测脉冲的调顶形状不一致，根据探测脉冲的调顶形状可以区分不同的脉冲信号，间接实现对探测脉冲的编码，具有较高的信号有效识别率，且能快速完成点云数据计算，相对于现有的技术方案，探测效率有了很大提升。更进一步，本实施例的方案还适用于激光雷达抗干扰的应用场景，可以给不同激光雷达的脉冲信号进行不一样的编码，可有效排除干扰信号。

结合图2，所述激光雷达装置还包括通信单元，所述通信单元与所述主控制器连接，所述通信单元用于与外部系统进行通信。所述激光雷达装置还包括电源单元，电源单元是激光雷达装置的整体供电模块，提供激光雷达正常工作所需要的能源。所述激光雷达装置还包括扫描单元，所述扫描单元与所述发射器连接，所述扫描单元主要负责探测脉冲的空间扫描，从而将所述探测脉冲射向所述目标物体，实现技术有电机扫描、MEMS扫描或相控阵扫描等。

下面结合图3～图6，详细阐述本实施例对激光信号进行编码的方案。连续激光器输出光功率稳定的第一连续激光信号(如图4所示)，调制单元根据需求对第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号(如图4所示)，脉冲调制光阀快速进行光信号的开关，实现连续光信号到脉冲光信号的转换，得到一系列的探测脉冲(如图5所示)。在实际调制过程中，脉冲调制光阀和调制单元进行操作同步，脉冲调制光阀每进行一次光脉冲的调制时，调制单元进行一次脉冲的调顶，如图5所示，n个脉冲都可以调制成不同的顶端形状，每个脉冲的调顶编码不一样，即实现了脉冲的可编码。如图3所示，现有激光雷达的脉冲形状是高斯形状的，按照本方案编码后的脉冲信号具有不同的顶端形状，与图3中现有激光雷达的脉冲形状完全不同，在进行目标物体检测时，可以通过脉冲的顶端形状将探测信号和反射信号形成对应关系，从而完成目标物体的探测。

发射器将探测脉冲经过准直光学系统发射出去，在空间准直传输，由目标物体反射回来，再经过接收光学系统接收至探测器，通过探测器完成每个脉冲的高频率数字化采样。每个脉冲通过数字化采样重建之后，可以恢复成对应的脉冲形状(如图6所示)，主控制器通过与探测脉冲进行比对，即可实现探测脉冲和反射脉冲的一一对应，且排除每个脉冲之间的相互干扰，不受脉冲传输时间和重复频率的影响。在实际使用中，可以通过快速ADC(Analog-to-Digital Converter，简写为ADC)芯片进行采样，有效识别每个调顶脉冲信号，再和发射信号进行一一对应。

实施例2：

结合实施例1的激光雷达装置，本实施例提供一种激光雷达装置的检测方法，参阅图7，所述检测方法包括：

步骤101：所述连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号。

其中，激光器采用连续发光的激光器，不间断发射稳定的激光信号。相较于脉冲激光器，连续激光器具有更加稳定的功率和长时间的工作稳定性，性能表现更加优异。同一个激光雷达使用同一个波长，不同的激光雷达可以使用不一样的波长，更有效去除不同激光雷达之间的光信号串扰。

步骤102：所述调制单元根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号。

在可选的实施例中，所述调制单元为可调光衰减器，所述可调光衰减器根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号。

步骤103：所述脉冲调制光阀按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同。

其中，脉冲调制光阀控制连续激光信号的关断，将连续激光信号转换成可以进行测量的脉冲信号。目前，实现脉冲调制光阀的主要技术有光电调制晶体、硅光电调制、MEMS调制、磁控调制等技术，所述脉冲调制光阀为基于光电调制晶体的光阀、基于硅光电调制的光阀、基于MEMS调制的光阀或基于磁控调制的光阀。其中，光电调制晶体和硅光电调制晶体可以实现微秒级别的信号调制周期，磁控调制技术可以实现几十微秒的信号调制周期，MEMS调制可以实现毫秒级别的调制周期。在实际使用中，可以根据实际应用场景进行针对性的选择，并结合成本要求，选择更具性价比的方案。

步骤104：所述探测器接收所述目标物体返回的反射脉冲，所述主控制器根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

其中，所述探测器用于将所述反射脉冲转换为离散的数字信号，再对数字信号进行多灰阶采样和重建拟合，以恢复所述反射脉冲的脉冲形状。主控制器通过与探测脉冲进行比对，即可实现探测脉冲和反射脉冲的一一对应，且排除每个脉冲之间的相互干扰，不受脉冲传输时间和重复频率的影响。

在产生所述探测脉冲的过程中，控制所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

在本实施例中，通过连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号，即，第一连续激光信号是平顶的信号，通过调制单元对第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号，即，第二连续激光信号的顶部具有不同的形状，再结合脉冲调制光阀的快速开关操作，将连续的激光信号转换为探测脉冲，且每个探测脉冲的调顶形状不一致，根据探测脉冲的调顶形状可以区分不同的脉冲信号，间接实现对探测脉冲的编码，具有较高的信号有效识别率，且能快速完成点云数据计算，相对于现有的技术方案，探测效率有了很大提升。更进一步，本实施例的方案还适用于激光雷达抗干扰的应用场景，可以给不同激光雷达的脉冲信号进行不一样的编码，可有效排除干扰信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉冲可编码的激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置包括：主控制器、发射器和探测器，所述主控制器分别与所述发射器和所述探测器连接；所述发射器包括连续激光器、调制单元和脉冲调制光阀，所述连续激光器与所述调制单元连接，所述调制单元与所述脉冲调制光阀连接；

所述连续激光器用于发射光功率稳定的第一连续激光信号；

所述调制单元用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；

所述脉冲调制光阀用于按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；

所述探测器用于接收所述目标物体返回的反射脉冲；

所述主控制器用于根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述调制单元为可调光衰减器；所述可调光衰减器用于根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行光功率衰减，得到光功率变化的第二连续激光信号。

3.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

4.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述探测器用于将所述反射脉冲转换为离散的数字信号，再对数字信号进行多灰阶采样和重建拟合，以恢复所述反射脉冲的脉冲形状。

5.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置还包括通信单元，所述通信单元与所述主控制器连接，所述通信单元用于与外部系统进行通信。

6.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置还包括光束扫描单元，所述光束扫描单元与所述发射器连接，所述光束扫描单元用于将所述探测脉冲射向所述目标物体。

7.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述脉冲调制光阀为基于光电调制晶体的光阀、基于硅光电调制的光阀、基于MEMS调制的光阀或基于磁控调制的光阀。

8.一种如权利要求1~7任一项所述的激光雷达装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

所述连续激光器发射光功率稳定的第一连续激光信号；

所述调制单元根据脉冲的调顶需求，在指定时刻对所述第一连续激光信号进行调顶操作，得到光功率变化的第二连续激光信号；

所述脉冲调制光阀按照指定的时间间隔执行光信号的开关操作，以将所述第二连续激光信号转换为多个探测脉冲，并将所述探测脉冲射向目标物体，其中，在同一周期内，每个所述探测脉冲的脉冲形状均不相同；

所述探测器接收所述目标物体返回的反射脉冲，所述主控制器根据所述反射脉冲的脉冲形状确定与其相对应的探测脉冲，从而获取所述目标物体的点云数据。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

在产生所述探测脉冲的过程中，控制所述调制单元和所述脉冲调制光阀的操作同步，其中，当所述脉冲调制光阀处于关闭状态时，所述调制单元停止对所述第一连续激光信号进行调顶操作；当所述脉冲调制光阀处于打开状态时，所述调制单元执行对所述第一连续激光信号的调顶操作。

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