CN113376644B - 一种提高激光测距精度的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光测距精度的方法与装置，当检测到回波信号的斜率在最小预设范围内持续达预设时间时，进入特异回波计算流程：以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，并基于第一函数确定虚拟回波的初略飞行时间；根据虚拟回波的初略飞行时间、虚拟回波的峰值对应时间和第二回波的峰值对应时间，得到第二回波的初略飞行时间；根据第二回波的初略飞行时间、第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间和高度，计算第二回波中被叠加隐去部分的回波强度；第一函数为正常回波的上升沿时间宽度与峰值高度之间的函数关系式。上述方案可保证存在雾、霾等干扰源的场景中测距过程不受干扰源影响，准确稳定地计算出目标距离。

Description

一种提高激光测距精度的方法与装置

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，更具体地，涉及一种提高激光测距精度的方法与装置。

背景技术

激光雷达可用于探测周围环境的三维空间信息，并完成三维点云系统的重建，在多个领域存在广泛的应用，具体的应用场景也很多。同时，激光雷达也会应用在多种环境下，尤其是工业领域应用时，大部分都应用在户外的环境。户外环境较为恶劣，很容易受到雾、霾、灰尘等干扰源的干扰，从而影响激光雷达的正常探测。

目前，激光雷达去除雾、霾、灰尘等影响的技术手段是采用多回波技术，即将雾、霾、灰尘等干扰源所引起的回波和目标有效回波一起探测，并通过系统进行筛选和滤除。以干扰源为烟雾为例，如图1所示，当烟雾和目标距离较远时，干扰回波和目标回波在时间轴上是分开的，通过多回波算法可以有效识别并滤除干扰回波，实现对目标的清晰和稳定探测。其中，由于雾、霾这类干扰源具有一定的厚度，因此其波形不像目标回波那样具有一个明显的尖锐波峰，而是有一段比较平缓的波峰，这一段内波形的上升沿斜率在最小预设范围内会持续一段时间，这个最小预设范围在很多情况下就是0或接近0，但由于干扰源位置和反射率的关系也可能比较大。

但如果干扰源和目标距离过近，且都和激光雷达设备距离较近的时候，由于激光雷达设备发射的探测回波在空间中传输距离不远，光强还没有过多衰减，且光斑的发散尺寸也不大，此时，干扰源和目标所产生的回波不能有效分开。如图2所示，当烟雾和目标距离较近时，烟雾造成的干扰回波和目标回波重叠在一起，此时多回波算法不能有效识别并滤除干扰回波，造成激光雷达在某些特殊场景应用下，会受到雾、霾、灰尘等干扰源的影响。

鉴于此，克服上述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，本发明提供了一种提高激光测距精度的方法与装置，其目的在于当干扰源反射的回波与目标反射的回波叠加时，对叠加产生的特异回波信号进行识别和计算，得到目标回波的回波强度，由此解决某些特殊应用场景下，多回波技术无法有效识别并滤除雾、霾、灰尘等干扰源对激光雷达影响的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高激光测距精度的方法，当检测到回波信号上升沿的斜率在最小预设范围内持续达预设时间时，进入特异回波计算流程，具体为：

以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致，并基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx；

根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T；

根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S；

其中，所述第一回波为接收到的第一个回波信号，所述第二回波为接收到的最后一个回波信号，所述第一函数为正常回波的上升沿时间宽度与峰值高度之间的函数关系式。

优选地，在所述特异回波计算流程中，通过定标确定所述第一函数，具体为：

采集多个正常回波，进而获取多组上升沿时间宽度和对应的峰值高度；其中，所述多个正常回波的峰值位置相同；

基于上升沿时间宽度和对应峰值高度的多组数据，定标得到用于表征上升沿时间宽度与峰值高度之间关系的所述第一函数；

其中，所述上升沿时间宽度是指从回波信号的初略飞行时间到峰值对应时间之间的时间宽度。

优选地，所述以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致，并基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx，具体为：

以所述第一回波为中心在时间轴上创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致；

基于所述第一函数和所述虚拟回波的峰值高度H2，计算所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2；

结合计算出的所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2和所述虚拟回波的峰值对应时间T1，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx。

优选地，在基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx时，所述方法还包括：

基于所述第一函数和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1，计算所述第一回波的上升沿时间宽度W1；

结合计算出的所述第一回波的上升沿时间宽度W1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1和所述第一回波的初略飞行时间T0，计算挤压误差E1；

当计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx之后，利用所述挤压误差E1对计算出的初略飞行时间Tx进行补偿修正。

优选地，所述根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T，具体为：

根据所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx和所述第二回波的初略飞行时间T之间的偏差E2；

根据所述偏差E2和所述虚拟回波的初略飞行时间Tx，计算得到所述第二回波的初略飞行时间T。

优选地，所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S，具体为：

根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，借助三角形面积比例关系计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2；

基于所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第二回波的结束飞行时间T4，根据所述第二回波的拟合函数计算所述第二回波中未被叠加隐去部分的回波强度S1；

将所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2和未被叠加隐去部分的回波强度S1相加，得到所述第二回波的总回波强度S。

优选地，所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，借助三角形面积比例关系计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，具体包括：

根据所述第二回波的初略飞行时间T和其余回波参数，借助三角形面积比例关系计算出所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0与所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2的比值；

基于所述第一回波的初略飞行时间T0和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1，根据所述第一回波上升沿的拟合函数计算所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0；

根据计算出的回波强度比值和所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0，计算出所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2；

其中，所述其余回波参数包括所述第一回波的初略飞行时间T0、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1、所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的高度H3。

优选地，在所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S之后，所述方法还包括：

根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第二回波的总回波强度S、所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算目标与激光雷达之间的距离。

优选地，所述根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第二回波的总回波强度S、所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算目标与激光雷达之间的距离，具体为：

根据所述第二回波的总回波强度S计算出第一时间校准值；

根据所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算出第二时间校准值；

根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第一时间校准值和所述第二时间校准值，计算出激光飞行时间；

根据所述激光飞行时间和光速，计算出目标与激光雷达之间的距离。

按照本发明的另一方面，提供了一种提高激光测距精度的装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成第一方面所述的提高激光测距精度的方法。

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：本发明提供的提高激光测距精度的方案中，可基于波形斜率变化对特异回波进行识别，并进入特异回波计算流程，计算时巧妙利用了正常回波的上升沿时间宽度-峰值高度函数关系式，借助干扰回波、目标回波的虚拟回波得到目标回波的初略飞行时间，进而计算出目标回波中被叠加隐去部分的回波强度，最终得到目标回波的总回波强度，进行距离计算。通过上述方案，在存在雾、霾、灰尘等干扰源的场景中，可保证测距过程不受干扰源影响，准确稳定地计算出多回波叠加中目标回波的距离，即目标与激光雷达之间的距离。

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是烟雾类干扰源与目标距离较远时的回波信号示意图；

图2是烟雾类干扰源与目标距离较近时的回波信号叠加示意图；

图3是本发明实施例提供的相同距离下多组正常回波的波形示意图；

图4是本发明实施例提供的存在烟雾类干扰源时特异回波的波形示意图；

图5是本发明实施例提供的一种特异回波计算流程的流程图；

图6是雨滴类干扰源与目标距离较远时的回波信号示意图；

图7是雨滴类干扰源与目标距离较近时的回波信号叠加示意图；

图8是本发明实施例提供的存在一个干扰源时特异回波的波形示意图；

图9是本发明实施例提供的存在多个干扰源时特异回波的波形示意图；

图10是本发明实施例提供的另一种特异回波计算流程的流程图；

图11是本发明实施例提供的一种提高激光测距精度的装置架构图。

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。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。

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。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1

在存在雾、霾、灰尘等干扰源的应用场景中，当激光信号到达目标和干扰源时均会反射产生回波信号。如果目标和干扰源的回波信号叠加，就会对激光测距产生影响，此时多回波技术无法有效识别并滤除干扰源对激光雷达的影响。为解决上述问题，本发明实施例提供了一种提高激光测距精度的方法：

当接收到回波信号后，首先检测回波信号的上升沿在信号门限上方的斜率变化。如果检测到回波信号上升沿在信号门限上方的斜率在最小预设范围内持续达预设时间，证明接收到的回波信号为存在雾、霾、灰尘等具有一定厚度的干扰源时造成的特异回波，且目标和干扰源的回波发生叠加，则进入特异回波计算流程；如果未检测到回波信号上升沿在信号门限上方的斜率在最小预设范围内持续达预设时间，证明接收到的回波信号为正常回波，即不存在干扰源或存在干扰源但目标和干扰源的回波未发生叠加，则进入正常回波计算流程。其中，所述最小预设范围是指在斜率最小值的一定波动范围内，而斜率最小值通常为0或接近为0，当上升沿的斜率在最小预设范围内时，波形的高度变化很小，处于平缓状态；所述预设时间具体可根据实际经验进行取值，当上升沿的斜率在最小预设范围持续达预设时间时，认为回波是具有一定厚度的干扰源对应的干扰回波。

为便于理解，在对所述特异回波计算流程和所述正常回波计算流程进行介绍之前，首先做以下说明：

在相同探测距离下，针对不同反射率目标采集的多个正常回波如图3所示，单从上升沿波形来看具有以下特点：峰值高度H越高，对应的上升沿时间宽度W越宽，上升沿时间宽度W与峰值高度H大致呈线性关系，且多个正常回波的峰值位置相同（即峰值处于同一时间轴线上）。其中，所述上升沿时间宽度W是指从回波信号的初略飞行时间到峰值对应时间之间的时间宽度，而所述初略飞行时间则是指回波上升沿与信号门限的时间交点。例如，图3中的A、B、C、D、E对应的时间点分别为回波信号1、2、3、4、5的初略飞行时间，O点为各回波的峰值对应时间，AO、BO、CO、DO、EO分别为回波信号1、2、3、4、5的上升沿时间宽度；而且，回波信号按1、2、3、4、5的顺序峰值高度H逐渐增大，因此上升沿时间宽度AO、BO、CO、DO、EO依次增加。

根据以上特点，针对所述特异回波计算流程可先通过定标得到用于表征正常回波中上升沿时间宽度W与峰值高度H之间关系的第一函数W=f1(H)，具体为：首先，在同一探测距离下采集不同反射率目标反射回的多个正常回波，进而获取多组上升沿时间宽度W和对应的峰值高度H，即多组（W，H）数据；然后，基于上升沿时间宽度W和对应峰值高度H的多组（W，H）数据，通过拟合定标得到用于表征上升沿时间宽度W与峰值高度H之间关系的第一函数。其中，由图3可知上升沿时间宽度W与峰值高度H大致呈线性关系，相应地，所述第一函数W=f1(H)为一个线性函数。

当激光雷达产生的激光先打到具有一定厚度的干扰源产生反射再打到目标产生反射时，所得到的回波信号如图4所示，整体来看包括两个重叠的回波，很显然，时间轴上的第一个回波具有一段平缓的波峰，该回波为干扰回波，第二个回波为目标回波。其中，第一个回波有可能是一个干扰回波，也有可能是多个干扰回波的叠加。为方便描述，将接收到的第一个回波信号记为第一回波，对应干扰回波；将接收到的最后一个回波信号记为第二回波，即目标回波。

在图4中，T0到T3时间段内的波形即为第一回波中未被隐蔽的部分，T3到T4时间段内的波形即为第二回波中未被隐蔽的部分。T0是所述第一回波的上升沿与信号门限的时间交点，即所述第一回波的初略飞行时间；T1是所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间，即上升沿的峰值对应时间；T2是所述第二回波的峰值对应时间；T3是所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间；T4是所述第二回波的下降沿与信号门限的时间交点，即所述第二回波的结束飞行时间；H1是所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度，即上升沿的峰值高度；H2是所述第二回波的峰值高度；H3是所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的高度，以上各参数均可通过回波信号的波形直接获取。将所述第二回波的上升沿反向延伸，可得到所述第二回波的上升沿与信号门限的时间交点T，即所述第二回波的初略飞行时间。由图可知，所述第二回波的波形从T到T3这一段被叠加隐去，如果要获取所述第二回波的回波强度，就需要计算出所述第二回波的初略飞行时间T。

如图5所示，基于以上说明，所述特异回波计算流程具体如下：

步骤101，以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致，并基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx。

首先，以所述第一回波为中心在时间轴上创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致，均为T1。结合图4和图5，所述虚拟回波的上升沿如图中虚线波形所示，其波形与所述第二回波的波形相同；所述虚拟回波的上升沿与信号门限的时间交点为Tx，即所述虚拟回波的初略飞行时间为Tx。

然后，基于所述第一函数和所述虚拟回波的峰值高度H2，计算所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2。其中，根据所述第一函数W=f1(H)，可得所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2=T1-Tx=f1(H2)。

最后，结合计算出的所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2和所述虚拟回波的峰值对应时间T1，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx。具体地，根据W2=T1-Tx=f1(H2)，可得到Tx=T1-f1(H2)。

进一步地，以所述第一回波为例，根据所述第一函数有T1-T0=f1(H1)，但由于存在多峰时峰与峰之间会出现挤压，二者并不严格相等，即T1-T0≠f1(H1)，存在一定的挤压误差。为保证初略飞行时间Tx计算的准确性，在确定初略飞行时间Tx时还需要考虑这部分挤压误差，具体如下：

首先，基于所述第一函数和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1，计算所述第一回波的上升沿时间宽度W1；需要说明的是，虽然所述第一回波没有目标回波那样的尖锐波峰，但其上升沿时间宽度W1和高度H1（相当于是上升沿的峰值高度）仍具有与正常回波同样的线性关系，也就是说其上升沿时间宽度W1和高度H1仍符合正常回波的第一函数，因此有W1=f1(H1)。然后，结合计算出的所述第一回波的上升沿时间宽度W1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1和所述第一回波的初略飞行时间T0，计算挤压误差E1：E1=T1-T0-W1=T1-T0-f1(H1)。当计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx之后，利用所述挤压误差E1对计算出的初略飞行时间Tx进行补偿修正，则可得到最终的Tx如下：Tx=T1-f1(H2)+E1=T1-f1(H2)+T1-T0-f1(H1)=2T1-T0-f1(H1)-f1(H2)。

步骤102，根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述第一回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T。

所述虚拟回波的波形与所述第二回波的波形相同，因此借助所述虚拟回波的初略飞行时间Tx可确定所述第二回波的初略飞行时间T，具体如下：首先，根据所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx和所述第二回波的初略飞行时间T之间的偏差E2：E2=T-Tx=T2-T1。然后，根据所述偏差E2和所述虚拟回波的初略飞行时间Tx，计算得到所述第二回波的初略飞行时间T：T=T2-T1+Tx。当Tx=2T1-T0-f1(H1)-f1(H2)时，T=T2+T1-T0-f1(H1)-f1(H2)。

步骤103，根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S。

所述第二回波的总回波强度S也就是从T到T4这段时间的回波强度，其中T3到T4这段时间的回波强度S1可以直接根据波形求出，而T到T3部分没有波形，可将T到T3这段时间的波形近似成一条高度从0到H3的直线，计算出T到T3的回波强度S2，将两部分回波强度相加得到总的回波强度S。具体过程如下：

首先，根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，借助三角形面积比例关系计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2。具体计算过程将在后文中介绍，在此不做赘述。

然后，基于所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第二回波的结束飞行时间T4，根据所述第二回波的拟合函数计算所述第二回波中未被叠加隐去部分的回波强度S1。其中，正常回波均为抛物线形状，所述第二回波也是抛物线形状，其对应的拟合函数可通过T3到T4时间段内采样的多个回波信号数据进行曲线拟合得到，然后根据所述拟合函数即可得到T3到T4时间段的回波强度S1。

最后，将所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2和未被叠加隐去部分的回波强度S1相加，得到所述第二回波的总回波强度S，即S=S1+S2。

步骤104，根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第二回波的总回波强度S、所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算目标与激光雷达之间的距离。

首先，根据所述第二回波的总回波强度S计算出对应的第一时间校准值，即f2(S)，其中f2是基于回波强度的时间校准函数，可通过定标得到。

其次，根据所述第一回波的斜率在最小预设范围的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算出第二时间校准值，即f3(T3-T1,M)。由于干扰源是成片出现，使得能量的损耗无法忽略，所以需要使用所述第一回波从斜率进入最小预设范围到离开最小预设范围的宽度（T3-T1）对激光飞行时间进行校准；同时在斜率没有到0时说明H1的位置并不是所述第一回波的峰值，因此需要使用斜率最小值对激光飞行时间进行校准。其中f3是基于持续时间（T3-T1）和斜率最小值M的时间校准函数，可通过定标得到。当然，如果斜率最小值为0，则斜率最小值M对应的校准值为0，此时只使用所述第一回波的上升沿斜率在最小预设范围内的持续时间（T3-T1）计算第二时间校准值即可。

然后，根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第一时间校准值f2(S)和所述第二时间校准值f3(T3-T1,M)，计算出激光飞行时间T’，即T’=[T+f2(S)+f3(T3-T1,M)]/2，除以2是由于T的时间是从发射激光开始算起，到收到激光结束，经过了2倍的时间。

最后，根据所述激光飞行时间T’和光速c，计算出目标与激光雷达之间的距离L，即L=T’*c=[T+f2(S)+f3(T3-T1,M)]*c/2。

进一步结合图4，由于波形的上升沿时间宽度W与峰值高度H大致呈线性关系，因此所述第一回波在T0到T1时间段的波形（即所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的波形）区域可近似为一个三角形，记为第一三角形；所述第二回波在T到T3时间段的波形（即所述第二回波中被叠加隐去部分的波形）区域也可近似为一个三角形，记为第二三角形。则在所述步骤103中，所述回波强度S2的计算方法具体如下：

首先，根据所述第二回波的初略飞行时间T和其余回波参数，借助三角形面积比例关系计算出所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0与所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2的比值；其中，所述其余回波参数包括所述第一回波的初略飞行时间T0、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1、所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的高度H3。具体可结合图4，所述第一三角形的底边为T1-T0，高为H1；所述第二三角形的底边为T3-T，高为H3。为便于计算，可创建一个过渡三角形，其底边与所述第二三角形的底边相同，即T3-T；高与所述第一三角形的高相同，即H1，其面积可记为S0’。以三角形面积表示对应时间段区域内的回波强度，根据三角形面积比例关系，近似有以下关系：S0/S0’=（T1-T0）/（T3-T），S2/S0’=H3/H1，由此可得S0/S2=[(T1-T0)/(T3-T)]*(H1/H3)。

然后，基于所述第一回波的初略飞行时间T0和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1，根据所述第一回波上升沿的拟合函数计算所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0，也就是T0到T1时间段内抛物线波形区域的面积。其中，所述第一回波上升沿的拟合函数可通过T0到T1时间段内采样的多个回波信号数据进行曲线拟合得到。

最后，根据计算出的回波强度比值S0/S2和所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0，计算出所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2。其中，S2=S0*[(T3-T)/(T1-T0)]*(H3/H1)。

通过上述方法，可以比较准确地计算出所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2。另外，在可选的实施例中，为进一步简化计算，还可直接根据T、T3和H3，利用三角形面积公式计算S2，即S2=(T3-T)*H3/2；或者，还可以直接基于T和T3，根据所述第二回波的拟合函数计算回波强度S2。但这两种方法都没有借助于第一回波的真实波形，而是直接以所述第二回波中被叠加隐去部分的波形计算，因此相比于第一种方法都比较粗糙，准确率有所降低，但优势在于计算更快捷简便，在对误差要求较低的情况下，可采用这种方法进行快速计算。

需要说明的是，通过前两种方法计算S2时，都是将所述第二回波在T到T3时间段的波形近似为三角形，也就是将所述第二回波的上升沿近似为直线。然而，实际波形中的上升沿仍存在一定的弧度，并不是完全的直线，因此近似后仍会存在一定的误差；为减小这部分误差，在激光发射时可进行一定的硬件电路设计或软件设计，使得接收到的回波信号的上升沿尽量接近于一条直线。实际波形的上升沿越接近直线，此处近似为三角形处理时计算得到的回波强度就越准确，最终的测距精度也就越高。

进一步地，当接收到的回波信号为正常回波时，时间轴上只有一个目标回波，或者有多个回波但可明确区分出目标回波，此时对应的所述正常回波计算流程具体为：根据目标回波的初略飞行时间、目标回波的结束飞行时间以及正常回波的拟合函数，直接得到目标回波的总回波强度S。

综上所述，本发明实施例提供的方法可基于波形斜率变化对特异回波进行识别，并进入特异回波计算流程，计算时巧妙利用了正常回波的上升沿时间宽度-峰值高度函数关系式，借助干扰回波、目标回波的虚拟回波得到目标回波的初略飞行时间T，进而计算出目标回波中被叠加隐去部分的回波强度，最终得到目标回波的总回波强度T，进行距离计算。通过上述方案，在存在雾、霾、灰尘等干扰源的场景中，可保证测距过程不受干扰源影响，准确稳定地计算出多回波叠加中目标回波的距离，即目标与激光雷达之间的距离。

实施例2

在上述实施例1中，对应的是存在雾、霾、灰尘等干扰源的应用场景，这类干扰源具有一定的厚度，因此产生的干扰回波的波形与目标回波不同，不存在尖锐的波峰，而是存在比较宽的波峰，如图1所示，重叠后如图2和图4所示。而对于雨雪类的干扰源，则厚度很小，因此产生的干扰回波的波形与目标回波类似，都有一个尖锐的波峰，如图6所示，重叠后如图7、图8和图9所示。针对这类厚度较小的干扰源造成的影响，本发明实施例进一步提供了另一种提高激光测距精度的方法：

当接收到回波信号后，首先检测回波信号的波形在信号门限上方是否存在凹点。如果存在凹点，证明接收到的回波信号为存在雨雪灰尘等干扰源时造成的特异回波，且目标和干扰源的回波发生叠加，则进入特异回波计算流程；如果不存在凹点，证明接收到的回波信号为正常回波，即不存在干扰源或存在干扰源但目标和干扰源的回波未发生叠加，则进入正常回波计算流程。为便于理解，在对所述特异回波计算流程和所述正常回波计算流程进行介绍之前，首先做以下说明：

当激光雷达产生的激光先打到一个干扰源产生反射再打到目标产生反射时，所得到的回波信号如图8所示，包括两个重叠的回波，很显然，时间轴上的第一个回波为干扰回波，第二个回波为目标回波。当激光雷达产生的激光先打到多个干扰源产生反射再打到目标产生反射时，所得到的回波信号如图9所示，包括多个重叠的回波，很显然，时间轴上的最后一个回波为目标回波，目标回波之前的所有回波均为干扰回波。为方便描述，将接收到的第一个回波信号记为第一回波，对应干扰回波；将接收到的最后一个回波信号记为第二回波，即目标回波。

在图8和图9中，T0是所述第一回波的上升沿与信号门限的时间交点，即所述第一回波的初略飞行时间；T1是所述第一回波的峰值对应时间，T2是所述第二回波的峰值对应时间；T3是最后一个凹点的对应时间；T4是所述第二回波的下降沿与信号门限的时间交点，即所述第二回波的结束飞行时间；H1是所述第一回波的峰值高度，H2是所述第二回波的峰值高度；H3是最后一个凹点的峰值高度，以上各参数均可通过回波信号的波形直接获取。将所述第二回波的上升沿反向延伸，可得到所述第二回波的上升沿与信号门限的时间交点T，即所述第二回波的初略飞行时间。由图可知，所述第二回波的波形从T到T3这一段被叠加隐去，如果要获取所述第二回波的回波强度，就需要计算出所述第二回波的初略飞行时间T。

如图10所示，基于以上说明，此时所述特异回波计算流程具体如下：

步骤201，以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波与所述第一回波的峰值对应时间一致，并基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx。

首先，以所述第一回波为中心在时间轴上创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的峰值对应时间一致，均为T1，即所述虚拟回波的峰值和所述第一回波的峰值同轴。结合图8和图9，所述虚拟回波的上升沿如图中虚线波形所示，其波形与所述第二回波的波形相同；所述虚拟回波的上升沿与信号门限的时间交点为Tx，即所述虚拟回波的初略飞行时间为Tx。

然后，基于所述第一函数和所述虚拟回波的峰值高度H2，计算所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2。其中，根据所述第一函数W=f1(H)，可得所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2=T1-Tx=f1(H2)。

最后，结合计算出的所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2和所述虚拟回波的峰值对应时间T1，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx。具体地，根据W2=T1-Tx=f1(H2)，可得到Tx=T1-f1(H2)。

进一步地，以所述第一回波为例，根据所述第一函数有T1-T0=f1(H1)，但由于存在多峰时峰与峰之间会出现挤压，二者并不严格相等，即T1-T0≠f1(H1)，存在一定的挤压误差。为保证初略飞行时间Tx计算的准确性，在确定初略飞行时间Tx时还需要考虑这部分挤压误差，具体如下：

首先，基于所述第一函数和所述第一回波的峰值高度H1，计算所述第一回波的上升沿时间宽度W1：W1=f1(H1)。然后，结合计算出的所述第一回波的上升沿时间宽度W1、所述第一回波的峰值对应时间T1和所述第一回波的初略飞行时间T0，计算挤压误差E1：E1=T1-T0-W1=T1-T0-f1(H1)。当计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx之后，利用所述挤压误差E1对计算出的初略飞行时间Tx进行补偿修正，则可得到最终的Tx如下：Tx=T1-f1(H2)+E1=T1-f1(H2)+T1-T0-f1(H1)=2T1-T0-f1(H1)-f1(H2)。

步骤202，根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T。

所述虚拟回波的波形与所述第二回波的波形相同，因此借助所述虚拟回波的初略飞行时间Tx可确定所述第二回波的初略飞行时间T，具体如下：首先，根据所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx和所述第二回波的初略飞行时间T之间的偏差E2：E2=T-Tx=T2-T1。然后，根据所述偏差E2和所述虚拟回波的初略飞行时间Tx，计算得到所述第二回波的初略飞行时间T：T=T2-T1+Tx。当Tx=2T1-T0-f1(H1)-f1(H2)时，T=T2+T1-T0-f1(H1)-f1(H2)。

步骤203，根据所述第二回波的初略飞行时间T、最后一个凹点的对应时间T3和最后一个凹点的峰值高度H3，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S。

所述第二回波的总回波强度S也就是从T到T4这段时间的回波强度，其中T3到T4这段时间的回波强度S1可以直接根据波形求出，而T到T3部分没有波形，可将T到T3这段时间的波形近似成一条高度从0到H3的直线，计算出T到T3的回波强度S2，将两部分回波强度相加得到总的回波强度S。具体过程如下：

首先，基于所述第二回波的初略飞行时间T、最后一个凹点的对应时间T3和最后一个凹点的峰值高度H3，根据三角形面积公式计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2。此处将T到T3这段时间的波形近似成一条直线，则对应区域近似为一个三角形，因此可通过三角形面积公式计算对应的回波强度S2，即S2=(T-T3)*H3/2。

然后，基于最后一个凹点的对应时间T3和所述第二回波的结束飞行时间T4，根据所述第二回波的拟合函数计算所述第二回波中未被叠加隐去部分的回波强度S1。其中，正常回波均为抛物线形状，所述第二回波也是抛物线形状，其对应的拟合函数可通过T3到T4时间段内采样的多个回波信号数据进行曲线拟合得到，然后根据所述拟合函数即可得到T3到T4时间段的回波强度S1。

最后，将所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2和未被叠加隐去部分的回波强度S1相加，得到所述第二回波的总回波强度S，即S=S1+S2。

步骤204，根据所述第二回波的初略飞行时间T和所述第二回波的总回波强度S，计算目标与激光雷达之间的距离。

首先，根据所述第二回波的总回波强度S计算出对应的时间校准值，即f2(S)，其中f2是基于回波强度的时间校准函数，可通过定标得到。

然后，根据所述第二回波的初略飞行时间T和所述时间校准值f2(S)，计算出激光飞行时间T’，即T’=[T+f2(S)]/2，除以2是由于T的时间是从发射激光开始算起，到收到激光结束，经过了2倍的时间。

最后，根据所述激光飞行时间T’和光速c，计算出目标与激光雷达之间的距离L，即L=T’*c=[T+f2(S)]*c/2。

在上述特异回波计算流程中，所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2是直接按照三角形面积计算公式得到。在可选的实施例中，也可按照图8和图9所示，在所述第一回波的上升沿上找到高度为H3的点，并在所述第一回波的上升沿上确定高度H3对应的时间Ty；确定Ty后，可根据所述第一回波的拟合函数计算所述第一回波中T0到Ty时间段的回波强度S2’；根据三角形面积比例关系有S2’/S2=(Ty-T0)/(T3-T)，因此可得到S2=S2’*(T3-T)/(Ty-T0)。其中，所述第一回波的拟合函数可通过T0到T3时间段内采样的多个回波信号数据进行曲线拟合得到。在另一个可选的实施例中，还可以直接基于T和T3，根据所述第二回波的拟合函数计算回波强度S2。经模拟计算对比发现，不同方法计算得到的S2之间的差别较小，因此可根据实际需求选择不同方法进行计算。

需要说明的是，当采用第一种方法计算S2时，是将所述第二回波在T到T3时间段的波形近似为三角形，也就是将所述第二回波的上升沿近似为直线。然而，实际波形中的上升沿仍存在一定的弧度，并不是完全的直线，因此近似后仍会存在一定的误差；为减小这部分误差，在激光发射时可进行一定的硬件电路设计或软件设计，使得接收到的回波信号的上升沿尽量接近于一条直线。实际波形的上升沿越接近直线，此处近似为三角形处理时计算得到的回波强度就越准确，最终的测距精度也就越高。

另外需要说明的是，对于图9中存在多个干扰源进而产生多个干扰回波的情况，波形中存在多个凹点，此时在计算所述第二回波（即目标回波）的初略飞行时间T和总回波强度S时，只需要借助第一个干扰回波的上升沿和最后一个凹点，具体计算方法与存在一个干扰源时是相同的，均按照步骤201-步骤204的顺序进行。

进一步地，当接收到的回波信号为正常回波时，时间轴上只有一个目标回波，或者有多个回波但可明确区分出目标回波，此时对应的所述正常回波计算流程具体为：根据目标回波的初略飞行时间、目标回波的结束飞行时间以及正常回波的拟合函数，直接得到目标回波的总回波强度S。

综上所述，本发明实施例提供的方法可基于波形是否存在凹点对特异回波进行识别，并进入特异回波计算流程，计算时巧妙利用了正常回波的上升沿时间宽度-峰值高度函数关系式，借助干扰回波的初略飞行时间、干扰回波的峰值对应时间、目标回波的虚拟回波等得到目标回波的初略飞行时间T，进而计算出目标回波中被叠加隐去部分的回波强度，最终得到目标回波的总回波强度T，进行距离计算。通过上述方案，在存在雨雪灰尘等干扰源的场景中，可保证测距过程不受干扰源影响，准确稳定地计算出多回波叠加中目标回波的距离，即目标与激光雷达之间的距离。

实施例3

在上述实施例1和实施例2提供的提高激光测距精度的方法的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法的提高激光测距精度的装置，如图11所示，是本发明实施例的装置架构示意图。本实施例的提高激光测距精度的装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图11中以一个处理器21为例。

所述处理器21和所述存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图11中以通过总线连接为例。

所述存储器22作为一种提高激光测距精度的方法非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如实施例1中的提高激光测距精度的方法。所述处理器21通过运行存储在所述存储器22中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行提高激光测距精度的装置的各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1和实施例2的提高激光测距精度的方法。

所述存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，所述存储器22可选包括相对于所述处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至所述处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1和实施例2中的提高激光测距精度的方法，例如，执行以上描述的图5和图10所示的各个步骤。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、磁盘或光盘等。

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)

1.一种提高激光测距精度的方法，其特征在于，当检测到回波信号上升沿的斜率在最小预设范围内持续达预设时间时，进入特异回波计算流程，具体为：

以第一回波为中心创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致，并基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx；

根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T；

根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S；

其中，所述第一回波为接收到的第一个回波信号，所述第二回波为接收到的最后一个回波信号，所述第一函数为正常回波的上升沿时间宽度与峰值高度之间的函数关系式；

其中，所述预设时间具体根据实际经验进行取值，当上升沿的斜率在最小预设范围持续达预设时间时，认为回波是具有一定厚度的干扰源对应的干扰回波；

其中，以所述第一回波为中心在时间轴上创建第二回波的虚拟回波，使所述虚拟回波的峰值对应时间与所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间一致；基于所述第一函数和所述虚拟回波的峰值高度H2，计算所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2；结合计算出的所述虚拟回波的上升沿时间宽度W2和所述虚拟回波的峰值对应时间T1，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx；

其中，所述上升沿时间宽度是指从回波信号的初略飞行时间到峰值对应时间之间的时间宽度。

2.如权利要求1所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，在所述特异回波计算流程中，通过定标确定所述第一函数，具体为：

采集多个正常回波，进而获取多组上升沿时间宽度和对应的峰值高度；其中，所述多个正常回波的峰值位置相同；

基于上升沿时间宽度和对应峰值高度的多组数据，定标得到用于表征上升沿时间宽度与峰值高度之间关系的所述第一函数。

3.如权利要求1所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，在基于第一函数确定所述虚拟回波的初略飞行时间Tx时，所述方法还包括：

基于所述第一函数和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1，计算所述第一回波的上升沿时间宽度W1；

结合计算出的所述第一回波的上升沿时间宽度W1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1和所述第一回波的初略飞行时间T0，计算挤压误差E1；

当计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx之后，利用所述挤压误差E1对计算出的初略飞行时间Tx进行补偿修正。

4.如权利要求1所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，所述根据所述虚拟回波的初略飞行时间Tx、所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，得到所述第二回波的初略飞行时间T，具体为：

根据所述虚拟回波的峰值对应时间T1和所述第二回波的峰值对应时间T2，计算出所述虚拟回波的初略飞行时间Tx和所述第二回波的初略飞行时间T之间的偏差E2；

根据所述偏差E2和所述虚拟回波的初略飞行时间Tx，计算得到所述第二回波的初略飞行时间T。

5.如权利要求1所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S，具体为：

根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，借助时间幅度坐标系中表征回波强度S0的三角形面积与表征回波强度S2的三角形面积之间的三角形面积比例关系计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2；

基于所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第二回波的结束飞行时间T4，根据所述第二回波的拟合函数计算所述第二回波中未被叠加隐去部分的回波强度S1；

将所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2和未被叠加隐去部分的回波强度S1相加，得到所述第二回波的总回波强度S；

其中，三角形面积比例关系具体为：S0/S2=

；

其中，T0是所述第一回波的初略飞行时间，T1是所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间，T3是所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间，H1是所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度，H3是所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的高度。

6.如权利要求5所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，借助三角形面积比例关系计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，具体包括：

根据所述第二回波的初略飞行时间T和其余回波参数，借助三角形面积比例关系计算出所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0与所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2的比值；

基于所述第一回波的初略飞行时间T0和所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1，根据所述第一回波上升沿的拟合函数计算所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0；

根据计算出的回波强度比值和所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0，计算出所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2；

其中，所述其余回波参数包括所述第一回波的初略飞行时间T0、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的时间T1、所述第一回波的斜率进入最小预设范围时的高度H1、所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的时间T3和所述第一回波的斜率离开最小预设范围时的高度H3。

7.如权利要求1-6任一所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，在所述根据所述第一回波在斜率进入最小预设范围之前的回波强度S0和所述第二回波的初略飞行时间T，计算所述第二回波中被叠加隐去部分的回波强度S2，并最终得到所述第二回波的总回波强度S之后，所述方法还包括：

根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第二回波的总回波强度S、所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算目标与激光雷达之间的距离。

8.如权利要求7所述的提高激光测距精度的方法，其特征在于，所述根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第二回波的总回波强度S、所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算目标与激光雷达之间的距离，具体为：

根据所述第二回波的总回波强度S计算出第一时间校准值；

根据所述第一回波的斜率在最小预设范围内的持续时间T3-T1和所述第一回波的斜率最小值M，计算出第二时间校准值；

根据所述第二回波的初略飞行时间T、所述第一时间校准值和所述第二时间校准值，计算出激光飞行时间；

根据所述激光飞行时间和光速，计算出目标与激光雷达之间的距离。

9.一种提高激光测距精度的装置，其特征在于，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-8任一所述的提高激光测距精度的方法。

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