CN112470026A - 激光雷达及其探测方法、存储介质和探测系统 - Google Patents

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CN112470026A
CN112470026A CN202080004044.5A CN202080004044A CN112470026A CN 112470026 A CN112470026 A CN 112470026A CN 202080004044 A CN202080004044 A CN 202080004044A CN 112470026 A CN112470026 A CN 112470026A
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Abstract

本申请实施例涉及雷达技术领域，提供了一种激光雷达的探测方法、存储介质、探测系统及激光雷达。方法包括：探测阵列分为N个探测部，探测窗口时间分为N个子窗口时间，N为大于1的整数，在一个探测窗口时间中，第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；遍历i的所有取值，并执行第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据的步骤，得到N组原始点云数据；将原始点云数据进行拼接得到一帧探测点云数据。本申请实施例提高了对太阳光背景辐射的环境免疫性。

Description

激光雷达及其探测方法、存储介质和探测系统
技术领域
本申请实施例涉及雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达探测方法、存储介质、探测系统及激光雷达。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的系统，已被广泛应用于测距系统、低飞目标的跟踪测量、武器制导、大气监测、测绘、预警、交通管理等领域。
激光雷达包括机械式激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。Flash激光雷达一般为全固态激光雷达，发射系统、探测系统无需任何机械运动且能够同时记录整个探测场景获取探测目标距离信息、灰度成像信息等，避免了在扫描过程中由于目标或激光雷达自身移动带来的干扰，系统负载低，光机寿命长，便于模块化，装配复杂度低。目前，flash激光雷达主要应用于自动驾驶领域的近场补盲与辅助测距、近场状态检测等场景。
Flash激光雷达由于采用面阵型的探测阵列接收回波信号，所有像元接收回波信号的同时也会积累更多的背景环境光子，环境光子免疫性较差，在室外太阳光背景较强烈的环境光下几乎无法实现有效的信号探测。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本申请实施例的主要目的在于提供一种激光雷达的探测方法、存储介质、探测系统和激光雷达，解决了现有技术中的激光雷达对环境光子免疫性较差的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种激光雷达的探测方法，所述激光雷达的探测阵列分为N个探测部，探测窗口时间分为N个子窗口时间，N为大于1的整数，所述方法包括：
在一个探测窗口时间中，第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；
遍历i的所有取值，并执行所述第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，得到1组原始点云数据的步骤，得到N组所述原始点云数据；
将所述原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
第二方面，本申请实施例提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的方法步骤。
第三方面，本申请实施例提供一种激光雷达的探测系统，探测窗口时间分为N个子窗口时间，系统包括：
探测阵列，分为N个探测部，N为大于1的整数；
控制单元，在一个探测窗口时间中，发送控制指令在第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光；按照预设时序发送控制指令，使每个所述子窗口时间对应的所述探测部依次开启，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；重复上一步骤，遍历i的所有取值，得到N组所述原始点云数据；
处理单元，将所述原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
第四方面，本申请实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达包括发射系统、控制系统和如上所述的探测系统；
所述发射系统用于发射出射激光；
所述探测系统用于接收回波激光，并基于所述出射激光和所述回波激光得到探测区域内物体的探测点云数据；
所述控制系统用于控制所述发射系统发射所述出射激光和所述探测系统接收所述回波激光。
本申请实施例的有益效果是：本申请实施例通过将探测阵列分为N个探测部，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在其中的一个子窗口时间工作，而没有在整个探测窗口时间工作，减小了每个探测部采集信号的时间窗口长度，降低了探测部接收回波激光时的噪声累计，提高了系统的信噪比，提高了对环境光子的免疫性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本申请实施例提供的激光雷达的探测方法的流程示意图；
图2是本申请实施例中探测阵列的探测窗口时间划分示意图；
图3是本申请实施例中探测阵列的像元组成示意图；
图4是本申请实施例中探测阵列按列划分探测部的示意图；
图5是本申请另一实施例中探测阵列按列划分探测部的示意图；
图6是本申请又一实施例中探测阵列按列划分探测部的示意图；
图7是本申请实施例中点云数据拼接示意图；
图8是本申请另一实施例提供的激光雷达的探测方法的流程示意图；
图9是本本申请另一实施例中剔除部分点云数据的流程示意图；
图10是本申请实施例提供的激光雷达的探测系统的示意性框图；
图11是本申请实施例提供的激光雷达的示意性框图；
图12是本申请实施例提供的激光雷达的光路示意图。
具体实施方式中的附图标号如下：
激光雷达100，发射系统1，探测系统2，控制与信号处理系统3，接收光学系统4；
激光雷达的探测系统700，探测阵列701，控制单元702，处理单元703。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个以上(含两个)，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
Flash激光雷达的基本工作原理是：发射系统将出射激光一次性地照亮整个探测视场，与此同时探测系统不断接收探测视场内的回波激光，通过一定的解算方法反演光子的飞行时间，最终得到目标的距离信息。Flash激光雷达的主要优点是：发射系统、探测系统无需任何机械运动且能够同时记录整个探测视场内的场景获取目标的距离信息、灰度成像信息等，避免了在扫描过程中由于目标或激光雷达自身移动带来的干扰，系统负载低，光机寿命长，便于模块化，装配复杂度低。
Flash激光雷达可以采用时间飞行法进行测距，发射系统中的光源发射周期性的短脉冲信号作为出射激光，出射激光射向探测视场后被探测视场内的物体发射，反射的回波激光也是短脉冲信号，探测系统接收回波激光，通过发射出射激光和接收回波激光的时间差直接得到光子的飞行时间，进而获得距离信息。
由于flash激光雷达的探测系统采用面阵接收，可同时得到探测视场范围的物体形貌、轮廓等信息，相比机械式激光雷达、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)激光雷达等，具有更多维度的信息获取能力。但是，相比其他扫描式的激光雷达，flash激光雷达由于直接采用面阵型的探测阵列接收回波激光，所有像元接收回波激光的同时也会积累更多的背景环境光子，特别是在室外强烈太阳光背景辐照的条件下，即使采用通带更窄、阻带衰减系数更高的滤光片滤除环境光子，激光雷达实际的环境光子免疫性依旧较差；在室外太阳光背景较强烈的环境光下几乎无法实现有效的信号探测。探测系统探测阵列的像元数越多，系统的视场角越大，探测距离越远(积分时间越长)，所累积的噪声光子就越多，系统的信噪比也越差。Flash激光雷达一般适用于雷达方程的小目标模型，回波激光的强度下降随距离的增加近似呈二次方关系，系统的积分时间与设计的最远探测距离相关。环境中的太阳光背景噪声一般为加性噪声，环境光子强度与累积时间、探测系统探测阵列的接收面积均成正比。
现有技术中，为了实现更远的探测，需要增加积分时间或者提高发射系统的光源功率，由此带来的代价是系统热功耗飙升，稳定性和可靠性下降，安全性降低，成本增加，环境光子免疫性更差。
下面结合具体的实施例对本申请进行详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，特提出了一种激光雷达的探测方法，可以提高系统对环境光子的免疫性。该方法可依赖于计算机程序实现，可运行于基于冯诺依曼体系的激光雷达探测系统或激光雷达上。该计算机程序可集成在应用中，也可以作为独立的工具类应用运行。
请参考图1所示，本实施例提供的激光雷达的探测方法包括：
步骤101：在一个探测窗口时间中，第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数。
探测窗口时间即为激光雷达探测系统的积分时间，探测窗口时间与激光雷达探测系统的接收距离有关。容易理解，发射系统发射出射激光时，探测系统打开并进入探测窗口时间；光子飞行的距离越远，其回到探测系统的时间越久；相应的，探测系统的接收距离越远，探测窗口时间越长；因此，探测窗口时间由探测系统的最远接收距离决定。而从大于最远接收距离处返回的光子，其飞行时间超过探测窗口时间，到达探测系统时探测系统已关闭，无法接收到。基于此，发射系统发射出射激光的发射时间间隔必须大于探测窗口时间。由前述可知，发射第一出射激光后进入第一探测窗口时间；若第一探测窗口时间仍未结束时，发射第二出射激光，探测系统无法分辨接收到的回波激光是来自第一出射激光还是第二出射激光，故而引起串扰无法准确探测。发射系统的出射激光的发射时间间隔大于探测窗口时间，使每个探测窗口时间接收到的回波激光来自唯一确定的出射激光，避免测距错误。
如图2所示，本实施例将探测阵列的探测窗口时间分为N个子窗口时间，在每一个子窗口时间内探测阵列接收回波激光。每个子窗口时间能够接收对应距离范围内的回波激光。例如，探测窗口时间从头至尾分为1、2、……、N子窗口时间，1子窗口时间接收0-L1距离范围内的回波激光，2子窗口时间接收L1-L2距离范围内的回波激光，以此类推，N子窗口时间接收LN-1-LN距离范围内的回波激光；其中LN小于或等于探测系统的量程。探测窗口时间可以均匀分为N个子窗口时间，这样每个子窗口时间对应接收的距离范围也是相同的。均匀分割探测窗口时间为N个子窗口时间能够简化探测系统的设计和控制方法，使系统设计更为规整，易于实现；同时，每个子窗口时间因为积分时间相同引入的环境光子噪声也相同或相近，避免因积分时间不同影响各子窗口时间的信噪比，有利于激光雷达的准确性。探测窗口时间也可以不均匀的分为N个子窗口时间，针对某些环境光子噪声对信噪比的影响相对小的距离范围，可以适当延长该距离范围对应的子窗口时间，减少探测窗口时间分割的个数，简化探测过程。
探测阵列分为N个探测部，如第1个探测部、第2个探测部、……、第N个探测部。由前述可知，flash激光雷达的探测系统采用面阵接收，探测系统的探测阵列可以由m×k个像元规律排列而成。探测阵列的每个像元对应一个子视场，m×k个子视场连接在一起形成探测阵列的整个探测视场。例如，探测阵列由3×3个像元构成，如图3所示，由左至右、上至下依次为像元1、像元2、……、像元9；探测阵列的探测视场在水平方向上覆盖-6°～6°，在竖直方向上覆盖-10°～2°；那么，像元1的子视场在水平方向上覆盖-6°～-2°、在竖直方向上覆盖-2°～2°，像元2的子视场在水平方向上覆盖-2°～2°、在竖直方向上覆盖-2°～2°，像元3的子视场在水平方向上覆盖2°～6°、在竖直方向上覆盖-2°～2°，像元4的子视场在水平方向上覆盖-6°～-2°、在竖直方向上覆盖-6°～-2°，以此类推，像元9的子视场在水平方向上覆盖2°～6°、在竖直方向上覆盖-10°～-6°。因此，探测阵列的每个像元在垂直于距离方向的坐标系中对应一个坐标范围。
探测阵列可以均匀的分为N个探测部，每个探测部所包含的像元数量相同，这样每个探测部对应的子视场覆盖的视场大小相同，便于后续原始点云数据的拼接；同时，每个探测部的像元数量相同，累积的太阳光干扰也相同，便于后续的去噪处理。每个探测部包含的像元可以是连续的，也可以是离散的。优选的，一个探测部包含的像元是连续的；探测阵列中某一区域的多个像元构成一个探测部，该探测部内的多个像元连结成一个整体进行工作；同理，相邻像元的两个子视场相接，该探测部的多个像元对应的子视场也连结成一个整体，成为该探测部对应的视场。探测部的像元连续能够对整体视场中某一区域进行探测，便于从连续的原始点云数据中获取更多信息，也能够降低原始点云数据拼接的复杂度。进一步的，探测阵列可以按行或者按列分为多个探测部。以按列分割为例：3×3的探测阵列(如图4所示)，可以按列分为3个探测部，第1个探测部包含第1列像元(即像元1、像元4、像元7)，第2个探测部包含第2列像元(即像元2、像元5、像元8)，第3个探测部包含第3列像元(即像元3、像元6、像元9)。探测阵列按列分为多个探测部时，每个探测部也可以包含多列像元。例如：6×6的探测阵列，按列分为3个探测部，每个探测部包含两列像元(如图5所示)。探测部包含的像元越多，积分时间相同的情况下，累积的环境光子噪声越多，对信噪比有不利影响；但另一方面，探测部包含的像元越多，对系统设计和控制方法的简化均有利。因此，探测阵列分为N个探测部的分割方法根据实际应用需求取舍。探测部包含的像元也可以是离散的；多个像元离散的分布于探测阵列中，相应的该探测部对应的视场也由分散在整体视场中的多个子视场构成。采用像元离散分布的探测部进行探测能够同时对整体视场中不同区域进行快速探测，获取各个区域的粗略信息，便于激光雷达后续进行探测参数的调整。
探测阵列也可以不均匀的分为N个探测部，每个探测部所包含的像元数量不全都相同。同前述，一方面探测部包含的像元越多，对信噪比有不利影响，另一方面，探测部包含的像元越多，对系统设计和控制方法的简化均有利。探测阵列可以根据周围环境情况划分探测部，以满足整体视场中不同区域的探测需求，具有更好的适应性和灵活性。
探测阵列分为N个探测部，探测窗口时间分为N个子窗口时间。在一个探测窗口时间内，每个子窗口时间内对应开启一个探测部。经过一个探测窗口时间，探测阵列的N个探测部分别开启一次接收回波激光。
在一个探测窗口时间中，第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在后续连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部。i为小于或等于N的正整数。N个探测部开启的预设顺序可以有下列选择：
1.第一个子窗口时间开启第1(i＝1时)个探测部，第2个子窗口时间开启第2个探测部……以此类推，直至第N个子窗口时间开启第N个探测部。
进一步的，探测阵列可以按列分为N个列探测部时，如图6所示，从左至右依次为第1个列探测部、第2个列探测部、……第N个列探测部。探测阵列的N个探测部开启的顺序即为：第一个子窗口时间开启第1个列探测部，第2个子窗口时间开启第2个列探测部……以此类推，直至第N个子窗口时间开启第N个列探测部。以前述实施例为例，如图4所示，探测阵列包括3×3个像元，按列分为3个列探测部；探测窗口时间也分为3个子窗口时间；第一个子窗口时间开启第1个列探测部，即打开像元1、像元4和像元7；第二子窗口时间开启第2个列探测部，即打开像元2、像元5和像元8；第三子窗口时间开启第3个列探测部，即打开像元3、像元6和像元9。
探测阵列按行分为N个行探测部时，其开启的预设顺序与列探测部类似，此处不再赘述。
当然，也可以按照探测部序号递减的方式，在每个子窗口时间打开对应的探测部。第一个子窗口时间开启第N个探测部，第2个子窗口时间开启第N-1个探测部……以此类推，直至第N个子窗口时间开启第1个探测部。
2.第一个子窗口时间开启第i(1＜i≤N时)个探测部，第2个子窗口时间开启第i+1个探测部……第(N-i+1)个子窗口时间开启第N个探测部，第(N-i+2)个子窗口时间开启第1个探测部，第(N-i+3)个子窗口时间开启第2个探测部，……以此类推，直至第N个子窗口时间开启第(i-1)个探测部。
优选的，与前述类似，探测阵列按列分为N个列探测部时，也可以按此预设顺序开启列探测部。例如，探测阵列包括5×2个像元，按列分为5个列探测部，每个列探测部包括1×2个像元；探测窗口时间分为5个子窗口时间；第一个子窗口时间开启第4(i＝4时)个列探测部，第二个子窗口时间开启第5个列探测部，第三个子窗口时间开启第1个列探测部，第四个子窗口时间开启第2个列探测部，第五个子窗口时间开启第3个列探测部。
探测阵列按行分为N个行探测部时，其开启的预设顺序与列探测部类似，此处不再赘述。
同理，也可以按照探测部序号递减的方式，在每个子窗口时间打开对应的探测部。以前述实施例为例，第一个子窗口时间开启第4(i＝4时)个列探测部，第二个子窗口时间开启第3个列探测部，第三个子窗口时间开启第2个列探测部，第四个子窗口时间开启第1个列探测部，第五个子窗口时间开启第5个列探测部。
3.任意顺序开启。如前述，在一个探测窗口时间内，每个子窗口时间内对应开启一个探测部。开启N个探测部时也可以不按照探测部序号的顺序依次开启，可以按任意顺序开启探测部。只需满足：在一个探测窗口时间内，每个探测部均开启过一次，且每个子窗口时间内仅开启一个探测部。
在第一探测窗口时间内，当探测阵列的所有探测部均完成其子窗口时间内的探测后，则完成了第1组的原始点云数据的采集。
步骤102：遍历i的所有取值，并执行第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据的步骤，得到N组原始点云数据。
在完成第1组原始点云数据采集后，进入下一个探测窗口时间。
以探测阵列中的任意一个探测部为示例探测部进行说明。
在步骤101中，在第一探测窗口时间内，示例探测部仅在对应的子窗口时间内开启接收回波激光，也就是说：示例探测部仅对其子视场中的某一距离范围进行了探测，该距离范围为示例探测部开启的子窗口时间对应的距离范围。示例探测部在一个探测窗口时间内仅探测一距离范围，需在后续探测窗口时间内将其余距离范围均探测完，才能够获取子视场中的全部原始点云数据。由前述可知，一个探测窗口时间分为N个子窗口时间，每个子窗口时间的探测距离分别对应探测系统的量程内的一个距离范围。因此，示例探测部在所有子窗口时间内均开启过，即可对其子视场中量程以内完整探测。一个探测窗口时间内，示例探测部仅在对应的子窗口时间内开启一次；需要经过至少N个探测窗口时间，示例探测部才能获得子视场中的全部原始点云数据。为了提高示例探测部的探测效率和输出的原始点云数据的实时性，在连续的N个探测窗口时间内，示例探测部需在不同的子窗口时间内均开启一次，没有重复。
示例探测部是探测阵列中的任意一个探测部。每个探测部均在同样连续的N个探测窗口时间内，在不同的子窗口时间内均开启一次，能够快速获得整体视场完整的探测点云数据。
为了简化探测系统的设计和探测方法，遍历i的所有取值并执行步骤101。每个探测窗口时间，第一个子窗口时间开启的探测部均不同；步骤101中每个探测部会按照预设顺序在对应的子窗口时间开启，经过N个探测窗口时间，每个探测部在所有的子窗口时间内均开启过。
进一步的，以探测阵列按列分为多个探测部为例，探测阵列包括第1个列探测部、第2个列探测部、……第N个列探测部。i由小到大取值时，第一个探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第1(i＝1时)个列探测部，第二个子窗口时间开启第2个列探测部，……第N个子窗口时间开启第N个列探测部。第二个探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第2个列探测部，第二个子窗口时间开启第3个列探测部，……第(N-1)个子窗口时间开启第N个列探测部，第N个子窗口时间开启第1个列探测部。以此类推，第N个探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第N个列探测部，第二个子窗口时间开启第1个列探测部，第三个子窗口时间开启第2个列探测部，……第N个子窗口时间开启第(N-1)个列探测部。经过N×N个子窗口时间后，完成N组原始点云数据的采集。当前探测窗口时间和前一探测窗口时间相比，相同序号的子窗口时间对应开启的列探测部的序号往后顺延1个。i也可以由小到大取值，当前探测窗口时间和前一探测窗口时间相比，子窗口时间对应开启的列探测部的序号往前顺延1个；具体开启方式与前述i由小到大取值时类似，此处不再赘述。
探测阵列按行分为N个行探测部时，其开启的预设顺序与列探测部类似，此处不再赘述。
步骤103：将原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
将所有的点云数据按照距离信息和方位信息的对应关系拼接后，即可得到一帧完整的探测点云数据，如图7所示。
由前述可知，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在一个子窗口时间内开启接收回波激光，也即仅探测一个距离范围。从某一探测部来看，在连续的N个探测窗口时间后，该探测部在量程以内的所有距离范围所对应的子窗口时间内均开启过；根据原始点云数据中的距离信息，将该探测部在不同距离范围的原始点云数据进行拼接，即可得到该探测部对应的子视场的原始点云数据。每个探测部的子视场对应整体视场中的一个区域，根据原始点云数据中的方位信息，将N个探测部对应的N个子视场的原始点云数据进行拼接，即可得到整体视场的完整的探测点云数据。
本申请实施例通过将探测阵列分为N个探测部，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在其中的一个子窗口时间工作，而没有在整个探测窗口时间工作，减小了每个探测部采集信号的窗口时间长度，降低了接收回波激光时累积的噪声，提高了系统的信噪比，提高了对环境光子的免疫性。
发射系统采用泛光照明，探测系统接收回波激光时并没有在一个很长的窗口时间内持续接收，这样可以降低环境光子的累计。同时，由于每一个子窗口时间仅驱动开启探测阵列中的特定探测部接收回波激光，减少了环境光子的接收面积。因此，降低了环境中太阳光对回波激光的干扰，提高了系统的信噪比，相同的积分时间条件下，系统的信噪比可以提高2logN倍，噪声的累积可以降低N2倍。
请参见图8，图8是本申请提出的一种激光雷达的探测方法的另一种实施例的流程示意图。
步骤201：在一个探测窗口时间中，第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数。
具体可参见步骤101，此处不再赘述。
步骤202：遍历i的所有取值，并执行第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光，在连续的每个子窗口时间内按照预设顺序开启探测部，得到1组原始点云数据的步骤，得到N组原始点云数据。
具体可参见步骤102，此处不再赘述。
步骤203：根据原始点云数据的子窗口时间，确定原始点云数据的距离信息。
由前述可知，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在一个子窗口时间内开启接收回波激光，也即仅探测一个距离范围。根据获取原始点云数据对应的子窗口时间，可以获知每个原始点云数据对应探测的距离范围，该距离范围即为原始点云数据的距离信息。以前述实施例为例，如图4所示，探测阵列包括3×3个像元，按列分为3个列探测部；第一探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第1个列探测部，得到原始点云数据D11，第二子窗口时间开启第2个列探测部，得到原始点云数据D12，第三子窗口时间开启第3个列探测部，得到原始点云数据D13；经过第一探测窗口时间后，3个列探测部均开启过一次，得到第1组原始点云数据。第1组原始点云数据中，D11对应的距离范围为0-L1；D12对应的距离范围为L1-L2；D13对应的距离范围为L2-L3。同理，第二探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第2个列探测部，得到原始点云数据D22，对应的距离范围为0-L1；第二子窗口时间开启第3个列探测部，得到原始点云数据D23，对应的距离范围为L1-L2；第三子窗口时间开启第1个列探测部，得到原始点云数据D21，对应的距离范围为L2-L3；经过第二探测窗口时间后，得到第2组原始点云数据。第三探测窗口时间内，第一个子窗口时间开启第3个列探测部，得到原始点云数据D33，对应的距离范围为0-L1；第二子窗口时间开启第1个列探测部，得到原始点云数据D31，对应的距离范围为L1-L2；第三子窗口时间开启第2个列探测部，得到原始点云数据D32，对应的距离范围为L2-L3；经过第三探测窗口时间后，得到第3组原始点云数据。
步骤204：根据探测部在探测阵列中的位置，确定原始点云数据的方位信息。
由前述可知，探测阵列的每个像元对应一个子视场，该子视场投射到垂直于距离方向的坐标系中对应一个坐标范围，多个子视场连接在一起形成探测阵列的整个探测视场。根据获取原始点云数据对应的探测部在探测阵列中的位置，即可获知该探测部的子视场在整个探测视场中的位置，即为方位信息。以前述实施例为例，如图4所示，探测阵列包括3×3个像元，按列分为3个列探测部，探测阵列的探测视场在水平方向上覆盖-6°～6°，在竖直方向上覆盖-10°～2°。第1个列探测部位于探测阵列的最左侧，其对应的子视场也位于整个探测视场的同一侧，在水平方向上覆盖-6°～-2°，在竖直方向上覆盖-10°～2°，即为第1列探测部得到的原始点云数据的方位信息。同理，第2个列探测部探测得到的原始点云数据的方位信息为：在水平方向上覆盖-2°～2°，在竖直方向上覆盖-10°～2°；第3个列探测部探测得到的原始点云数据的方位信息为：在水平方向上覆盖2°～6°，在竖直方向上覆盖-10°～2°。
步骤206：将原始点云数据对应的距离信息和方位信息进行拼接合并，得到一帧探测点云数据。
经过步骤203和步骤204后，能够获得每个原始点云数据的距离信息和方位信息，即该原始点云数据对应的是整个探测视场中哪一个区域的子视场、对应的是量程范围内的哪一个距离范围。经过N×N个子窗口时间后，将N×N个原始点云数据的距离信息和方位信息拼接后，得到覆盖整个探测视场和整个量程的点云数据，即为一帧探测点云数据。
在一些实施例中，可以在进行点云数据的拼接合并前，将某些原始点云数据预先剔除。因此，如图9所示，在步骤206之前，还可以包括如下步骤：
步骤2051：将方位信息相同的所有原始点云数据记为点云组。
由前述可知，方位信息相同的原始点云数据，即为同一个探测部经过N个探测窗口时间后得到的N个原始点云数据，每个原始点云数据对应量程以内不同的距离范围。如图3所示，探测阵列包括3×3个像元，按行分为3个行探测部，第1行探测部对应像元1、像元2和像元3，第2行探测部对应像元4、像元5和像元6，第3行探测部对应像元7、像元8和像元9。每个行探测部的子视场不变，获得的原始点云数据方位信息相同，将这些方位信息相同的原始点云信息标记为点云组。
步骤2052：根据方位信息获取测距范围。
本步骤中，测距范围可以是根据实际应用需求预先设定的，例如整个探测视场的某些区域，所需的测距距离较近，例如朝向天空或地面的子视场；而某些区域，需要的测距距离较远，例如朝向前方的子视场。总之，可根据探测需求预先设定每个方位(对应于每个探测部)的测距范围。
以步骤2051中的实施例为例，第1行探测部的子视场朝向上，用于探测上方的障碍物。由于上方的障碍物对运输工具的运行影响不大，通常不需要大量程；可以将第1行探测部的测距范围设置为0-La，例如La＝20m。第2行探测部的子视场朝向前方，需要获得更远更精确的障碍物信息，通常需要大量程、高分辨率；可以将第2行探测部的测距范围设置为0-Lb，其中，Lb＞La，例如Lb＝150m。第3行探测部的子视场朝向下方，该子视场内的出射激光很快射到地面，并被地面反射后返回回波激光，通常也不需要大量程；可以将第3行探测部的测距范围设置为0-Lc，其中，Lb＞Lc，例如Lc＝15m。La和Lb可以相等也可以不等，根据探测需求设定即可。
步骤2053：剔除点云组中的部分原始点云数据，剔除的原始点云数据的距离信息不包含在测距范围内。
从点云组中将超出该点云组对应的测距范围的原始点云数据剔除。通过该方式，剔除不需要的数据，可以减少后续数据拼接合并的时间，提高拼接效率。以步骤2051、步骤2052中的实施例为例，第1行探测部探测到的原始点云数据中，剔除0-La测距范围以外的原始点云数据。若La＝L1，则剔除部分原始点云数据的操作更便捷，将第2子窗口时间和第3子窗口时间探测的部分原始点云数据剔除即可。同理，第2行探测部探测到的原始点云数据中，剔除0-Lb测距范围以外的原始点云数据，通常，第2行探测部期望获得大量程，Lb可以是探测系统的量程；第3行探测部探测到的原始点云数据中，剔除0-Lc测距范围以外的原始点云数据。
本申请实施例通过将探测阵列分为N个探测部，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在其中的一个子窗口时间工作，而没有在整个探测窗口时间工作，减小了每个探测部采集信号的窗口时间长度，降低了接收回波激光时累积的噪声，提高了系统的信噪比，提高了对环境光子的免疫性。
本申请实施例还通过从点云组中将该点云组对应的视场区域中，其所需的测距范围以外的原始点云数据剔除，再进行原始点云数据的拼接，减少后续数据拼接合并的运算量，提高数据处理的效率。
本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质可以存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如上述图1-图9所示实施例的所述激光雷达的探测方法，具体执行过程可以参见图1-图9所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。所述计算机存储介质为非易失性计算机可读存储介质。
本申请还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行如上述图1-图9所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。
下述为本申请装置实施例，可以用于执行本申请方法实施例。对于本申请装置实施例中未披露的细节，请参照本申请方法实施例。
请参见图10，其示出了本申请一个示例性实施例提供的激光雷达的探测系统的示意图。该探测系统可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为装置的全部或一部分。该探测系统包括探测阵列、控制单元和处理单元。
探测阵列701，分为N个探测部，N为大于1的整数；
控制单元702，在一个探测窗口时间中，发送控制指令在第一个子窗口时间开启第i个探测部接收回波激光；按照预设时序发送控制指令，使每个子窗口时间对应的探测部依次开启，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；重复上一步骤，遍历i的所有取值，得到N组原始点云数据；
处理单元703，将原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
在一些实施例中，控制单元702进一步用于：当i＝1时，第一个所述子窗口时间开启第1个所述探测部；
第二个所述子窗口时间开启第2个所述探测部；
以此类推，第N个所述子窗口时间开启第N个所述探测部。
在一些实施例中，控制单元702进一步用于：当i＞1时，第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部；
第二个所述子窗口时间开启第(i+1)个所述探测部；
以此类推，第(N-i+1)个所述子窗口时间开启第N个所述探测部；
第(N-i+2)个所述子窗口时间开启第1个所述探测部；
以此类推，第N个所述子窗口时间开启第(i-1)个所述探测部。
在一些实施例中，处理单元703进一步用于：
根据原始点云数据的子窗口时间，确定原始点云数据的距离信息；
根据探测部在探测阵列中的位置，确定原始点云数据的方位信息；
将原始点云数据对应的距离信息和方位信息进行拼接合并，得到一帧探测点云数据。
在一些实施例中，处理单元703进一步用于：
将所述方位信息相同的所有所述原始点云数据记为点云组；
根据所述方位信息获取测距范围；
剔除所述点云组中的部分所述原始点云数据，剔除的所述原始点云数据的所述距离信息不包含在所述测距范围内。
在一些实施例中，所述探测阵列分为N个列探测部，所述探测阵列沿垂直于列方向的一端至另一端依次为第1个所述列探测部、第2个所述列探测部、……、第N个所述列探测部；
或者，所述探测阵列分为N个行探测部，所述探测阵列沿垂直于行方向的一端至另一端依次为第1个所述行探测部、第2个所述行探测部、……、第N个所述行探测部。
在一些实施例中，所述列探测部包括p列像元，或者所述行探测部包括p行像元，p为正整数。
在一些实施例中，所述激光雷达的出射激光的发射时间间隔大于所述探测窗口时间。
在一些实施例中，所述探测窗口时间均匀分为N个子窗口时间。
本申请实施例通过将探测阵列分为N个探测部，在一个探测窗口时间内，每个探测部仅在其中的一个子窗口时间工作，而没有在整个探测窗口时间工作，减小了每个探测部采集信号的时间窗口长度，降低了探测部接收回波激光时的噪声累计，提高了系统的信噪比，提高了对环境光子的免疫性。
请参见图11和图12，其示出了本申请一个示例性实施例提供的激光雷达100的示意图。该激光雷达包括发射系统1、探测系统2和控制系统3。
发射系统1用于发射出射激光；探测系统2用于接收回波激光，回波激光为出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光，并给予出射激光和回波激光得到探测区域内物体的探测点云数据。控制系统3用于控制发射系统1和控制探测系统2。
发射系统1采用泛光照明，通常采用面阵型光源。发射系统1包括光源构成的发射阵列，发射阵列的光源可以为各种类型，例如脉冲激光器(Pulsed laser deposition,PLD)、激光二极管(Laser Diode，LD)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)、边发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)、发光二极管(LightEmitting Diode，LED)等器件中的一种或者多种的组合。发射系统1还包括发射控制单元，用于控制发射阵列发射出射激光。
激光雷达100一般还包括发射光学系统(图中未示出)，可以采用透镜、透镜组、光纤、微透镜组、微透镜阵列等中的一种或者多种的组合，将发射系统发射的出射激光一次性的均匀出射至整个探测视场。
探测系统2包括像元构成的探测阵列，可以是一维探测阵列，也可以是二维探测阵列。探测阵列的像元可以采用积分型元件如雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)、多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter，MPPC)、硅光电倍增管(Siliconphotomultiplier，SiPM)、快速电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等器件中的一种或者多种的组合。探测系统的控制单元控制探测阵列的接收和采样，采用积分型元件得到回波激光的信号能量，再利用算法恢复信号波形，采样后获取回波时间。根据回波时间获得距离信息、根据探测阵列中像元对应的子视场获得方位信息，得到原始点云数据。探测系统的处理单元将原始点云数据进行拼接合并，得到一帧完整的探测点云数据。
探测阵列分为N个探测部，N为大于1的整数。探测部的分布可以参考前述方法实施例，此处不再赘述。
激光雷达100一般还包括接收光学系统4。接收光学系统4用于会聚回波激光，并将会聚后的回波激光射向探测系统2中的每个像元。接收光学系统4可以采用透镜、透镜组、光纤、微透镜组、微透镜阵列等中的一种或者多种的组合。
控制系统3可采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、系统级芯片(SystemonChip,SoC)等中的一种或者多种的组合。控制系统3可以包括发射系统1的发射控制单元和探测系统2的控制单元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种激光雷达的探测方法，其特征在于，所述激光雷达的探测阵列分为N个探测部，探测窗口时间分为N个子窗口时间，N为大于1的整数，所述方法包括：
在一个探测窗口时间中，第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；
遍历i的所有取值，并执行所述第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，得到1组原始点云数据的步骤，得到N组所述原始点云数据；
将所述原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，包括：
当i＝1时，第一个所述子窗口时间开启第1个所述探测部；
第二个所述子窗口时间开启第2个所述探测部；
以此类推，第N个所述子窗口时间开启第N个所述探测部。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光，在连续的每个所述子窗口时间内按照预设顺序开启所述探测部，包括：
当i＞1时，第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部；
第二个所述子窗口时间开启第(i+1)个所述探测部；
以此类推，第(N-i+1)个所述子窗口时间开启第N个所述探测部；
第(N-i+2)个所述子窗口时间开启第1个所述探测部；
以此类推，第N个所述子窗口时间开启第(i-1)个所述探测部。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据，包括：
根据原始点云数据的子窗口时间，确定原始点云数据的距离信息；
根据探测部在探测阵列中的位置，确定原始点云数据的方位信息；
将原始点云数据对应的距离信息和方位信息进行拼接合并，得到一帧探测点云数据。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将原始点云数据对应的距离信息和方位信息进行拼接合并之前，还包括：
将所述方位信息相同的所有所述原始点云数据记为点云组；
根据所述方位信息获取测距范围；
剔除所述点云组中的部分所述原始点云数据，剔除的所述原始点云数据的所述距离信息不包含在所述测距范围内。
6.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述探测阵列分为N个列探测部，所述探测阵列沿垂直于列方向的一端至另一端依次为第1个所述列探测部、第2个所述列探测部、……、第N个所述列探测部；
或者，所述探测阵列分为N个行探测部，所述探测阵列沿垂直于行方向的一端至另一端依次为第1个所述行探测部、第2个所述行探测部、……、第N个所述行探测部。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述列探测部包括p列像元，或者所述行探测部包括p行像元，p为正整数。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述激光雷达的出射激光的发射时间间隔大于所述探测窗口时间。
9.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述探测窗口时间均匀分为N个子窗口时间。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1～9任意一项的方法步骤。
11.一种激光雷达的探测系统，其特征在于，探测窗口时间分为N个子窗口时间，系统包括：
探测阵列，分为N个探测部，N为大于1的整数；
控制单元，在一个探测窗口时间中，发送控制指令在第一个所述子窗口时间开启第i个所述探测部接收回波激光；按照预设时序发送控制指令，使每个所述子窗口时间对应的所述探测部依次开启，得到1组原始点云数据；i为小于或等于N的正整数；重复上一步骤，遍历i的所有取值，得到N组所述原始点云数据；
处理单元，将所述原始点云数据进行拼接，得到一帧探测点云数据。
12.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括发射系统、控制系统和权利要求11所述的探测系统；
所述发射系统用于发射出射激光；
所述探测系统用于接收回波激光，并基于所述出射激光和所述回波激光得到探测区域内物体的探测点云数据；
所述控制系统用于控制所述发射系统和所述探测系统。
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