CN113933811B - 激光雷达的探测方法、激光雷达以及计算机存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光雷达的探测方法，所述激光雷达包括扫描装置，所述探测方法包括：S101：发射第一组探测光束；S102：通过所述扫描装置将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波，获取第一点云；S103：发射第二组探测光束；和S104：通过所述扫描装置将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达的外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波，获取第二点云；其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。本发明通过分时探测、控制激光器的光强和探测器的偏压以及点云融合，有效解决同轴收发系统的激光雷达中存在测距盲区的问题，并能够自由调节不同探测范围的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种激光雷达的探测方法、激光雷达以及计算机存储介质。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达因其分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、体积小及重量轻等优势，被广泛应用于自动驾驶等领域。具体地，激光雷达向周围的三维环境发射探测光束，探测光束在三维环境中的障碍物上发生反射形成回波，回波被接收后转换为电信号，激光雷达中的信号处理单元接收电信号并计算障碍物的特征信息，例如距离、方位以及反射率等。
图1示出了同轴收发系统的激光雷达示意图，激光雷达包括发射单元和接收单元，其中发射单元发出的探测光束L经过准直部件和分光部件，最后由扫描部件将探测光束L反射到激光雷达的外部，被障碍物反射的回波L`经由扫描部件、分光部件以及会聚部件后被接收单元接收。由图1可见，发射光路和接收光路存在共用部分。由于内部发射光路和接收光路无法做到完全隔离导致在激光雷达内部会有杂散光，例如发射单元中的激光器发射出的部分探测光束会入射到接收单元的探测器上形成杂散光，杂散光会导致激光雷达近距离的探测能力下降，会导致激光雷达存在近距离盲区。
图2示意图说明了激光雷达的杂散光如何影响近距离探测。如图2所示，当杂散光过强时，杂散光产生的回波信号与目标回波叠加导致无法识别出目标，即在杂散光持续时间内(t1-t2)，如果有目标回波，目标回波会被杂散光回波掩盖而无法区分，同时会导致探测器的基线被短暂拉高，一段时间内激光雷达探测性能变弱，即近距离目标的回波波形会变弱，之后才能恢复探测能力。在此期间，激光雷达无法识别回波信号，从而形成近距离盲区。
背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
在现有的激光雷达同轴收发系统中，由于内部发射光路和接收光路无法做到完全隔离导致会有杂散光，而杂散光会导致近距离的探测能力下降，进而导致激光雷达存在近距离盲区。因此，本发明涉及一种激光雷达的探测方法，用于解决激光雷达存在近距离盲区的问题，所述激光雷达包括扫描装置，所述探测方法包括：
S101：发射第一组探测光束；
S102：通过所述扫描装置将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波，获取第一点云；
S103：发射第二组探测光束；和
S104：通过所述扫描装置将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达的外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波，获取第二点云；
其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。
根据本发明的一个方面，其中所述扫描装置包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，所述步骤S102包括通过所述第一反射面将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部并且接收所述第一组回波，所述步骤S104包括通过所述第二反射面将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达外部并且接收所述第二组回波。
根据本发明的一个方面，其中所述第一反射面的有效反射面积大于所述第二反射面的有效反射面积。
根据本发明的一个方面，其中所述第一反射面和第二反射面的有效反射面积的比例根据所述第一点云和所述第二点云对应的探测范围的比例确定。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S102包括：控制所述扫描装置以第一转速转动；所述步骤S104包括：控制所述扫描装置以第二转速转动。
根据本发明的一个方面，还包括：根据所述激光雷达的探测场景或分辨率，调节所述第一转速和/或第二转速。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括光发射装置，其中所述步骤S101包括：控制所述光发射装置以第一功率发射第一组探测光束；所述步骤S103包括：控制所述光发射装置以第二功率发射第二组探测光束，其中，所述第一功率大于所述第二功率。
根据本发明的一个方面，其中所述第二功率是所述第一功率的1％-10％。
根据本发明的一个方面，还包括：根据探测结果动态调节所述第一组探测光束的发射重频和/或第二组探测光束的发射重频。
根据本发明的一个方面，其中所述探测结果包括：障碍物所在区域和/或感兴趣区域。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括光接收装置，其中所述步骤S102包括：所述光接收装置被施加第一偏置电压；所述步骤S104包括：所述光接收装置被施加第二偏置电压；其中，所述光接收装置在第一偏置电压下的探测性能高于在所述第二偏置电压下的探测性能。
根据本发明的一个方面，还包括：基于所述第一组探测光束的强度、第二组探测光束的强度、障碍物距离、障碍物反射率和最大探测距离中的一个或多个调节所述第一偏置电压和/或第二偏置电压。
根据本发明的一个方面，其中所述扫描装置包括多个第一反射面和多个第二反射面，所述探测方法还包括：将对应所述多个第一反射面分别获取的多个点云中的至少两个融合成所述第一点云，将对应所述多个第二反射面获取的多个点云中的至少两个融合成所述第二点云。
根据本发明的一个方面，还包括：
将所述第一点云与所述第二点云进行融合，获取所述激光雷达探测范围内的一帧点云。
根据本发明的一个方面，还包括：基于所述激光雷达的运动信息，将所述第一点云与所述第二点云进行时间同步，进而融合。
根据本发明的一个方面，还包括：从所述第一点云中筛选对应于所述第二点云的探测范围外的点与所述第二点云进行融合。
根据本发明的一个方面，还包括：将所述第一点云中对应于所述第二点云的探测范围内的点与所述第二点云进行融合。
本发明还涉及一种计算机存储介质，包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如本发明的上述任一实施方式所述的探测方法。
本发明还涉及一种激光雷达，包括：
光发射装置，包括至少一个激光器，配置为可分别发射探测光束；
光接收装置，包括至少一个探测器，配置为可分别接收所述探测光束在障碍物上的回波；
扫描装置，配置为将所述光发射装置发射的第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波；还配置为将所述光发射装置发射的第二组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波；
处理单元，耦接到所述光发射装置和所述光接收装置，配置为根据所述第一组回波获取第一点云，根据所述第二组回波获取第二点云；
其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。
根据本发明的一个方面，其中所述扫描装置包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，通过所述第一反射面将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部并接收所述第一组回波，通过所述第二反射面将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达外部并接收所述第二组回波。
根据本发明的一个方面，其中所述第一反射面的有效反射面积大于所述第二反射面的有效反射面积。
根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置为执行如上所述的探测方法，以获取第一点云和第二点云并融合为一帧点云。
本发明的技术效果可概括如下：
(1)获取不同探测范围的点云，基于后处理算法并结合激光雷达的运动信息，将不同探测范围的点云进行融合以解决近距离盲区的问题；
(2)进一步通过控制激光器的光强和探测器的偏置电压来抑制杂散光，避免无法识别近距离目标回波的问题；
(3)进一步通过调节电机转速和调节发射重频以实现自由调控不同探测范围的分别率，改变特定区域的分辨率。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了同轴收发系统的激光雷达示意图；；
图2示出了激光雷达的杂散光影响近距离探测的示意图；
图3示出了本发明一个实施例的激光雷达的探测方法流程图；
图4示出了本发明一个实施例的激光雷达探测示意图；
图5A示出了本发明一个实施例的通过第一反射面进行探测的示意图；
图5B示出了本发明一个实施例的通过第二反射面进行探测的示意图；
图6示出了本发明一个实施例的反射面与入射光的示意图；
图7示出了本发明一个实施例的4面转镜的探测时间和功率示意图；
图8示出了本发明一个实施例的杂散光回波与目标回波示意图；
图9示出了本发明一个实施例的激光雷达模块示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，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"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"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。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
图1示出了同轴收发系统的激光雷达示意图。同轴收发系统的激光雷达通常包括分光部件，例如偏振分光镜、小孔反射镜和小反射镜等。
采用偏振分光镜时，激光器阵列发射出的探测光束经过偏振分光镜和扫描器之后出射到激光雷达外部。被障碍物反射后的回波再次经过扫描器和偏振分光镜后，入射到探测器阵列上。其中偏振分光镜配置成根据光束偏振方向的不同而分别允许光束透射或反射，例如对于激光器阵列发出的激光的偏振态，允许该激光被反射；对于返回的回波，允许其透射并入射到探测器阵列上。
采用小孔反射镜时，激光器阵列发射出的探测光束对准反射镜上的小孔，从而能够通过该小孔并入射到正透镜上，进而通过反射镜和扫描器，出射到激光雷达的外部。而探测光束被障碍物反射后的回波经过扫描器、反射镜和正透镜之后，入射到该反射镜的边缘区域上，并被反射到探测器阵列上。
采用小反射镜时，激光器阵列发射出的探测光束被小反射镜反射后，通过正透镜、反射镜以及扫描器，出射到激光雷达的外部。而探测光束被障碍物反射后的回波经过扫描器、反射镜和正透镜之后，经过该小反射镜的边缘入射到探测器阵列上。
采用上述分光部件的同轴收发系统，激光雷达内部都会形成杂散光，杂散光产生的回波信号与目标回波叠加导致无法识别出目标，形成近距离盲区。
因此，本发明提出一种激光雷达的探测方法，所述激光雷达包括扫描装置，所述探测方法包括：S101：发射第一组探测光束；S102：通过所述扫描装置将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波，获取第一点云；S103：发射第二组探测光束；和S104：通过所述扫描装置将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达的外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波，获取第二点云；其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。
本发明提出在扫描装置的系统架构下，分别进行不同范围的探测，从而有效解决同轴收发系统的激光雷达中存在近距离盲区的问题。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图3示出了本发明一个实施例的激光雷达的探测方法，激光雷达20包括扫描装置21(如图4所示)，扫描装置21包括反射面，并可360度旋转或者在一定角度范围内旋转，用于将探测光束反射到激光雷达的外部，并且用于接收探测光束在障碍物上的回波并反射到激光雷达的光接收装置上。扫描装置21的具体结构将在下文的优选实施例中具体描述。首先参考图3详细描述所述探测方法10。
在步骤S101，发射第一组探测光束L1。图4示出了本发明一个实施例的激光雷达探测示意图，激光雷达20还包括光发射装置22，光发射装置22发射第一组探测光束L1。其中，光发射装置22例如包括设置在同一发射电路板上的多个激光器(例如垂直腔面发射激光器VCSEL或者边发射激光器EEL)，多个激光器可以沿竖直方向间隔排布形成一维线阵阵列；也可以至少两个一维线阵阵列的激光器阵列沿竖直方向交错排列或者矩阵式排列形成二维面阵阵列，其中所述一维线阵阵列的激光器阵列也是沿竖直方向间隔排布形成一维线阵阵列。一维线阵阵列或二维面阵阵列的激光器阵列中的激光器采用分时间隔发射，具体地，可以是一列或多列激光器同时或沿竖直方向按预设时序分时间隔发射，也可以是一行激光器同时或按预设时序分时间隔发射，本发明并不对激光器的数量、排布以及发光时序做限定，所述第一组探测光束L1是多个激光器发射的探测光束的集合，其中每个激光器可以在对应的发射时间内发射多个编码的探测光束，也可以发射单个探测光束。
在步骤S102，通过扫描装置21将第一组探测光束L1反射到激光雷达20外部，并且接收第一组探测光束L1在障碍物上的第一组回波L1’，获取第一点云。激光雷达20还包括光接收装置23和处理单元(图4中未示出)，光接收装置23接收第一组回波L1’并转换为电信号，处理单元可基于该电信号获取第一点云。例如，光发射装置22中的多个激光器发射的第一组探测光束L1，通过扫描装置21转动，根据扫描装置21转动到不同角度将第一组探测光束L1反射到空间中的不同角度形成多个子扫描视场，第一组探测光束L1被障碍物反射形成第一组回波L1’，通过扫描装置21转动到不同角度将第一组回波L1’反射并被光接收装置23接收，处理单元将多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，其中多个子扫描视场中点数据的集合形成第一点云。其中，光接收装置23例如包括设置在同一接收电路板上的多个探测器(例如Si PM、SPAD、APD等光电探测器)，多个探测器与多个激光器对应设置，并且打开和关闭的控制时序也与对应的激光器同步。但本发明不对探测器的数量、排布以及与激光器的对应关系做限定。
在步骤S103，发射第二组探测光束L2。其中，光发射装置22发射第二组探测光束L2。光发射装置22例如包括设置在同一发射电路板上的多个激光器，原理同上，此处不再赘述。所述第二组探测光束L2是多个激光器发射的探测光束的集合，其中每个激光器可以在对应的发射时间内发射多个编码的探测光束，也可以发射单个探测光束。
在步骤S104，通过扫描装置21将第二组探测光束L2反射到激光雷达20的外部，并且接收第二组探测光束L2在障碍物上的第二组回波L2’，获取第二点云。其中，光接收装置23接收第二组回波L2’并转换为电信号，处理单元可基于该电信号获取第二点云。例如，光发射装置22中的多个激光器发射的第二组探测光束L2，通过扫描装置21转动，根据扫描装置21转动到不同角度将第二组探测光束L2反射到空间中的不同角度形成多个子扫描视场，第二组探测光束L2被障碍物反射形成第二组回波L2’，通过扫描装置21转动到不同角度将第二组回波L2’反射并被光接收装置23接收。处理单元将多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，其中多个子扫描视场中点数据的集合形成第二点云。
在步骤S101，多个激光器例如通过分时发射第一组探测光束L1(形成一列或者多列光束)，扫描装置21通过转动将第一组探测光束L1反射到不同的探测角度，形成多个子扫描视场，多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，完成对第一探测范围的探测；在步骤S103，多个激光器重复同样的发光操作，扫描装置21通过转动将其发射的第二组探测光束L2反射到不同的探测角度，形成多个子扫描视场，多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，完成对第二探测范围的探测。相对应的，在步骤S102和S104通过扫描装置21分别接收第一组回波L1’和第二组回波L2’，以获取对应的第一点云和第二点云。其中，第一点云和第二点云分别对应不同的探测范围。探测范围不同是指激光雷达的探测距离不同。例如第一点云对应第一探测范围，亦即对应从激光雷达20到其最大探测距离的范围；第二点云对应第二探测范围，亦即对应从激光雷达20到预设距离的范围。具体地，第一点云包括从激光雷达20到最大探测距离内的所有扫描点，第二点云包括从激光雷达20到预设距离的范围内的所有扫描点。例如，激光雷达20最大探测距离为200米，预设距离为50米，则第一点云对应0-200米的探测范围，第二点云对应0-50米的探测范围。
上面的描述中，按照先发射第一组探测光束L1、然后发射第二组探测光束L2的顺序进行了描述，本发明不限于上述顺序，也可以按照先发射第二组探测光束L2、然后发射第一组探测光束L1的顺序实施，这些都在本发明的范围内。
综上所述，本发明通过扫描装置21实现分时测量不同的探测范围，相比于远距离和近距离同时探测的技术方案，将远距离探测和近距离探测分开，可以针对近距离探测时调整激光雷达的控制参数(例如调整激光器的光强和探测器的偏压等)以抑制杂散光，从而解决近距离盲区问题。关于如何调整激光雷达的控制参数以抑制杂散光，以下通过优选实施例进一步描述。
根据本发明的一个优选实施例，其中扫描装置21包括至少一个第一反射面211和至少一个第二反射面212，所述步骤S102包括：通过第一反射面211将第一组探测光束L1反射到激光雷达20外部并且接收第一组回波L1’，所述步骤S104包括通过第二反射面212将第二组探测光束L2反射到激光雷达20外部并且接收第二组回波L2’。
继续参考图4，激光雷达20包括光发射装置22、光接收装置23以及扫描装置21。其中，扫描装置21包括至少一个第一反射面211和至少一个第二反射面212。光发射装置22发射第一组探测光束L1，通过扫描装置21的第一个反射面211反射后出射到激光雷达20的外部，随着扫描装置21的转动，第一反射面211依次停留在多个角度，使得第一组探测光束L1形成空间中的多个子扫描视场，多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，完成对第一探测范围的一次探测，并通过光接收装置23获取第一点云；光发射装置22发射第二组探测光束L2，通过扫描装置21的第二个反射面212反射后出射到激光雷达20的外部，随着扫描装置21的转动，第二反射面212依次停留在多个角度，使得第二组探测光束L2形成空间中的空间中的多个子扫描视场，多个子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，完成对第二探测范围的一次探测，并通过光接收装置23获取第二点云。其中，第一探测范围和第二探测范围对应不同的探测距离。
图5A示出了本发明一个实施例的通过第一反射面进行探测的示意图，扫描装置21为四面转镜，包括两个第一反射面211和两个第二反射面212。第一反射面211将第一组探测光束L1反射到激光雷达20的外部，并且接收第一组探测光束L1在障碍物上反射的第一组回波L1’。具体地，光发射装置22包括激光器阵列，激光器阵列依照预设时序发射一列或多列探测光束，此时第一反射面211位于θ1角度，第一反射面211将激光器阵列发出的一列或多列探测光束反射到激光雷达20的外部，形成第一子扫描视场；下一时刻，激光器阵列依照预设时序继续发射一列或多列探测光束，第一反射面211相应地转动到θ2角度，第一反射面211将激光器阵列发出的一列或多列探测光束反射到激光雷达20的外部，形成第二子扫描视场；重复此过程，直到第一反射面211停止反射探测光束，共形成N个子扫描视场，N≥2。整个过程中，激光器阵列发出的一列或多列探测光束形成第一组探测光束L1，通过扫描装置21的转动，第一反射面211转动到不同角度将第一组探测光束L1反射到空间中的不同角度形成多个子扫描视场，第一组探测光束L1在障碍物上反射后形成第一组回波L1’，再通过扫描装置21的转动，第一反射面211转动到不同角度将全部第一组探测光束L1对应的第一组回波L1’接收，全部子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，其中的点数据集合形成第一点云。
图5B示出了本发明一个实施例的通过第二反射面进行探测的示意图，扫描装置21为四面转镜，通过第二反射面212将第二组探测光束L2反射到激光雷达20的外部，并且接收第二组探测光束L2在障碍物上反射的第二组回波L2’。过程同上所述，激光器阵列发出的一列或多列探测光束形成第二组探测光束L2，通过扫描装置21的转动，第一反射面211转动到不同角度将第二组探测光束L2反射到空间中的不同角度形成多个子扫描视场，第二组探测光束L2在障碍物上反射后形成第二组回波L2’，再通过扫描装置21的转动，第二反射面212转动到不同角度将全部第二组探测光束L2对应的第二组回波L2’接收，全部子扫描视场拼接构成激光雷达的总探测视场，其中的点数据集合形成第二点云。
由此可见，通过扫描装置21的不同反射面实现将远距离探测和近距离探测分开，进而调整激光雷达的控制参数(例如调整激光器的光强和探测器的偏压等)以抑制杂散光，从而解决近距离盲区问题。
根据本发明的一个优选实施例，其中第一反射面211的有效反射面积大于第二反射面212的有效反射面积。一般来说，探测范围与反射面的有效反射面积成正比。图6示出了本发明一个实施例的反射面与入射光的示意图，假设反射面的总面积为S，则反射面的有效反射面积为S*cosθ，其中θ为反射面与入射光光轴的垂直方向的夹角。例如第一反射面211的总面积为S1，有效反射面积S1*cosθ1；第二反射面212的总面积为S2，有效反射面积S2*cosθ2，则S1*cosθ1＞S2*cosθ2时，第一探测范围大于第二探测范围。
根据本发明的一个优选实施例，其中第一反射面211和第二反射面212的有效反射面积的比例根据第一点云和第二点云对应的探测范围的比例确定。
具体地，第一反射面211的总面积为S1，有效反射面积S1*cosθ1；第二反射面212的总面积为S2，有效反射面积S2*cosθ2；则第一反射面211和第二反射面212的有效反射面积的比例为S1*cosθ1/S2*cosθ2，其比值与第一探测范围和第二探测范围的比例相关。例如，第一探测范围为200米，第二探测范围为50米，则第一反射面211和第二反射面212的有效反射面积的比例大概在1/4-1/3。因此，设置第一反射面211和第二反射面212的有效反射面积的比例，可以调整第一点云和第二点云对应的探测范围，进而实现不同的探测范围对应不同的测距性能，例如在第二点云对应的探测范围内具有更高的探测分辨率。
以上通过优选实施例详细说明了扫描装置21的有效反射面积与探测范围的关系，采用本发明的设计方案，还可以自由调控激光雷达的控制参数，以解决近距离盲区问题。以下通过优选实施例详细描述。
根据本发明的另一个优选实施例，探测方法10中的步骤S101包括：控制光发射装置22以第一功率发射第一组探测光束L1；步骤S103包括：控制光发射装置22以第二功率发射第二组探测光束L2，其中，所述第一功率大于第二功率。如图7所示，扫描装置21例如为四面转镜，在旋转360度的一个旋转周期内，两个第一反射面211对应两次第一探测范围的探测，两个第二反射面212对应两次第二探测范围的探测，共获得4帧点云。在第一探测范围对应的探测时间内，光发射装置22以第一功率发射第一组探测光束L1,以实现较大的测距能力；在第二探测范围对应的探测时间内，光发射装置22以低于第一功率的第二功率发射第二组探测光束L2，以降低杂散光强度，使得杂散光量级控制为不会导致光接收装置23饱和或者不会导致无法识别目标回波，从而解决近距离盲区的问题。
根据本发明的一个优选实施例，其中第二功率是第一功率的1％-10％。例如，在第一探测范围对应的探测时间内，光发射装置22以100％功率发射第一组探测光束L1,以实现最大的测距能力；在第二探测范围对应的探测时间内，光发射装置22以第一功率的1％-10％的相对功率发射第二组探测光束L2，以抑制杂散光对激光雷达的干扰。
根据本发明的另一个优选实施例，探测方法10中的步骤S102包括：光接收装置23被施加第一偏置电压；步骤S104包括：光接收装置23被施加第二偏置电压；其中，光接收装置23在第一偏置电压下的探测性能高于在第二偏置电压下的探测性能。激光雷达20的光接收装置23通常工作在一定的偏置电压下，其探测性能与偏置电压相关，在一定的范围内，偏置电压越高，探测性能也越高，或者探测灵敏度越高。
以光接收装置23包括至少一个光电探测器231为例，光电探测器231例如为硅光电倍增管Si PM，通过调整Si PM的偏置电压来抑制探测饱和。具体地，在第一探测范围内，提高施加于Si PM的第一偏置电压，使得Si PM的响应能力提高；在第二探测范围内，降低施加于SiPM的第二偏置电压，以降低单光子探测效率(Photon detection efficiency,PDE)，使得SiPM响应能力变弱，不易饱和。
另外，可根据激光雷达20的探测光束的发射时刻来动态地调节激光雷达20的光接收装置23的偏置电压，例如可以在探测光束发射时刻之前，将光接收装置23的偏置电压调节的较低，以减小光接收装置23对杂散光的响应。在探测光束发射时刻之后，逐步将光接收装置23的偏置电压恢复至正常的工作电压，使其响应能力恢复至正常水平，以接收回波信号，从而抑制杂散光对光接收装置23的干扰，同时抑制由于偏置电压切换产生的串扰影响。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：基于第一组探测光束L1的强度、第二组探测光束L2的强度、障碍物距离、障碍物反射率和最大探测距离中的一个或多个调节第一偏置电压和/或第二偏置电压。基于探测光束的强度、探测距离、障碍物距离和反射率来调节偏置电压，能够避免光接收装置23饱和，扩大光接收装置23的动态范围。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：基于上一次回波的强度调节第一偏置电压和/或第二偏置电压。随着上一次回波强度的增大，降低第二偏置电压。在本实施例中，基于上一次回波信号强弱来调节下一次探测时的偏置电压，进行预判，如果上一次回波强度较高，下一次探测时的第二偏置电压可以适当低一些。例如当发射功率变小时，可以提高第一偏置电压使得SiPM不完全关断，在控制杂散信号幅度的同时，减小电压跳变幅度，保留一定后续SiPM接收能力。本实施例中，基于探测光束的强度调节第一偏置电压，可以抑制偏置电压切换产生的串扰，同时能够较快恢复光接收装置23的接收能力，使得SiPM在关断状态下保留更多的接收能力(因为对基线的串扰小，能够响应和识别信号的等待时间变小)。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：基于探测激光束的发射时刻缓慢切换第一偏置电压或第二偏置电压。通过本发明的实施例，可以通过电压缓升，即第一偏置电压缓慢切换为第二偏置电压，来提高抑制杂散光的效果；基于探测光束的强度调节偏置电压，对电信号的基线的串扰较小，能够响应和识别信号的等待时间变短，因此可以抑制偏置电压切换产生的串扰同时能够较快恢复光接收装置23的接收能力。
综上所述，通过控制光发射装置22的发射功率和光接收装置23的偏压，可以抑制杂散光，从而提升测距能力。
采用本发明的设计方案，还可以自由调控不同探测范围的分辨率。以下通过优选实施例详细描述。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10中的步骤S102包括：控制扫描装置21以第一转速转动；步骤S104包括：控制扫描装置21以第二转速转动。
参考图4，激光雷达20还包括电机25和编码盘(未示出)，电机25配置为驱动扫描装置21转动。当电机25匀速旋转时，第一探测范围和第二探测范围的水平分辨率是完全相同的，这是因为第一探测范围和第二探测范围的视场角相同，例如都是120°视场，对应的编码盘旋转的角度都是60°，而对于同一系统的编码时间间隔相同(即编码盘刻度等间距，激光雷达根据编码盘刻度进行发光探测)。当扫描装置21匀速旋转的时候，测量第一探测范围和测量第二探测范围的持续时间和水平分辨率相同。
根据本发明的一个优选实施例，可以控制电机25的输出以改变扫描装置21的转速。例如在第一探测范围内，可以控制电机25以使得扫描装置21的转速比较快，而在第二探测范围内，可以控制电机25以使得扫描装置21的转速比较慢，从而发射出更多的探测光束并获得更多的回波，即可实现近距离更高的水平分辨率。或者当在第二探测范围内(例如近距离探测范围)不期望太高的分辨率而只为了实现避障时，可以控制电机25以使得适当加快对应第二探测范围的扫描装置21的转速，使得分辨率降低，但同时可以留给对应第一探测范围的第一组探测光束L1更多的飞行时间，使得激光雷达能够更精准地探测远距离范围内的障碍物。
使得第一组探测光束L1具有更多飞行时间的优势是激光雷达的测远性能提高，光发射装置22的不同激光器是串行的，如果每个通道的飞行时间窗口要求激光雷达的探测距离由200m扩展到300m,那么原来一个反射面对应的时间不太够，需要降低对应第一探测范围的第一反射面211的转速，那么第一探测范围的分辨率就下降，因而采用加快对应第二探测范围的第二反射面212的转速，将留给第一组探测光束L1更多飞行时间。
由此，通过调节电机25的转速，进而控制扫描装置21的转速，可以实现自由调控第一探测范围和第二探测范围的测量时间的占比，从而可以自定义激光雷达20的水平分辨率，并能根据系统需要提高测远性能。
根据本发明的另一个优选实施例，探测方法10还包括：根据激光雷达20的探测场景或分辨率，调节第一转速和/或第二转速。探测场景例如为高速公路或搜救场景，需要提高测远性能，可以通过加快第二转速，以使得在第一探测范围内有更多的飞行时间。又例如，探测场景为城区非规范道路或交通拥堵的路段，需要提高近距离的水平分辨率，可以通过降低第二转速，以使得在第二探测范围具有较高的水平分辨率。
根据本发明的另一个优选实施例，探测方法10还包括：根据探测结果动态调节第一组探测光束L1的发射重频和/或第二组探测光束L2的发射重频。其中，发射重频是指激光器发射激光脉冲的重复频率。例如，扫描装置21的转速不变，对于第一探测范围，缩短第一组探测光束L1的轮巡发光时间间隔，多出的空闲时间针对重点区域重复扫描。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述探测结果包括：障碍物所在区域和/或感兴趣区域。例如在第一探测范围探测到障碍物，提高第一组探测光束L1的发射重频，亦即，在较短的时间内发射完第一组探测光束L1，多出的空闲时间针对障碍物所在区域重复扫描，以提高该区域的空间分辨率；又例如需要在第二探测范围的某个感兴趣区域提高探测分辨率，通过缩短第二组探测光束L2的发射间隔，亦即，在较短的时间内发射完第二组探测光束L2，多出的空闲时间针对感兴趣区域进行重复扫描。通过对局部区域的重复扫描，实现局部分辨率的提高，从而可以自定义分辨率。例如，在交通拥堵场景或车辆转弯时，更关注近距离的障碍物，提高第二组探测光束L2的发射重频，对近距离障碍物所在区域重复扫描，有助于应对复杂场景。
综上所述，通过控制扫描装置21的转速和光发射装置22发射重频，实现自由调控不同探测范围的时间占比，从而可以自定义探测分辨率。
图8示出了本发明一个实施例的杂散光与目标回波(即第一组回波和第二组回波)的示意图，通过控制激光器的发光功率和探测器的偏置电压，可以看到处于第一探测范围时，当目标距离较远，时间上第一组回波与杂散光回波相距较远，所以即使杂散光比较高，第一组回波也不会受到影响；而处于第二探测范围时，目标距离较近，杂散光回波被降低到很低的量级，第二组回波也能够比较好的被识别出来。由此可见，本发明将远距离探测(对应第一探测范围)和近距离探测(对应第二探测范围)分开，并且针对近距离探测时调整激光雷达的控制参数(例如调整激光器的光强和探测器的偏压等)，有效抑制杂散光，从而解决近距离盲区问题。
根据本发明的一个优选实施例，其中扫描装置21包括多个第一反射面211和多个第二反射面212，探测方法10还包括：将对应多个第一反射面211分别获取的多个点云中的至少两个融合成第一点云，将对应多个第二反射面212获取的多个点云中的至少两个融合成第二点云。例如，扫描装置21为6面转镜，包括三个第一反射面211和三个第二反射面212，在一个旋转周期内，三个第一反射面211对应三次第一探测范围的探测，三个第二反射面212对应三次第二探测范围的探测，共获得6帧点云。将对应三个第一反射面211获取的至少两个融合成第一点云；将对应三个第二反射面212获取的至少两个融合成第二点云。在本实施例中，将相同探测范围的多个点云进行融合。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：将第一点云与第二点云进行融合，获取激光雷达探测范围内的一帧点云。在本实施例中，将不同探测范围的点云进行融合拼接。例如，第一点云对应0-200米的探测范围，第二点云对应0-20米的探测范围，将第一点云与第二点云融合为一帧点云。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：基于激光雷达20的运动信息，将第一点云与第二点云进行时间同步，进而融合。因为分时进行测量的第一点云和第二点云存在时间差，可以通过提高转镜的转速，优化拼接效果；也可以在特定转速，比如10Hz，将两帧点云通过后处理算法融合成一帧点云，常用的后处理算法包括根据特征匹配进行配准、正态分布变换算法(Normal Distribution Transform，NDT)、最近点迭代算法(Iterative Closest Point，ICP)。基于激光雷达20的运动信息对第一点云和第二点云进行时间同步处理，其中运动信息包括激光雷达20的速度、位姿等。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：从第一点云中筛选对应于第二点云的探测范围外的点与第二点云进行融合。参考图4，例如第一探测范围为0-200米，第二探测范围为0-50米，从第一点云中筛选出50-200米的点，与第二点云进行融合。
根据本发明的一个优选实施例，探测方法10还包括：将第一点云中对应于第二点云的探测范围内的点与第二点云进行融合。参考图4，例如第一探测范围为0-200米，第二探测范围为0-50米，将第一点云中0-50米的点与第二点云进行融合。
综上所述，通过分时探测、控制激光器的光强和探测器的偏压以及点云融合，有效解决同轴收发系统的激光雷达方案中近距离盲区问题，并能够自定义调节不同探测范围的分辨率。
本发明还涉及一种计算机存储介质，包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如上所述的探测方法10。
本发明还涉及一种激光雷达30，参考图9，激光雷达30包括：
光发射装置32，包括至少一个激光器321，例如激光器321-1、……、激光器321-n，配置为可分别发射探测光束；
光接收装置33，包括至少一个探测器331，例如探测器331-1、……、探测器331-n，配置为可分别接收所述探测光束在障碍物上的回波；
扫描装置31，配置为将所述光发射装置32发射的第一组探测光束L1反射到所述激光雷达30外部，并且接收所述第一组探测光束L1在障碍物上的第一组回波L1'；还配置为将所述光发射装置32发射的第二组探测光束L2反射到所述激光雷达30外部，并且接收所述第二组探测光束L2在障碍物上的第二组回波L2'；
处理单元34，耦接到所述光发射装置32和所述光接收装置33，配置为根据所述第一组回波L1'获取第一点云，根据所述第二组回波L2'获取第二点云；
其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述扫描装置31包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，通过所述第一反射面将所述第一组探测光束L1反射到所述激光雷达30外部并接收所述第一组回波L1'，通过所述第二反射面将所述第二组探测光束L2反射到所述激光雷达30外部并接收所述第二组回波L2'。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述第一反射面的有效反射面积大于所述第二反射面的有效反射面积。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述处理单元34配置为执行如上所述的探测方法10，以获取第一点云和第二点云并融合为一帧点云。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种激光雷达的探测方法，所述激光雷达包括同轴收发系统以及包括多个反射面的扫描装置，所述探测方法包括：
S101：发射第一组探测光束；
S102：通过所述扫描装置将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波，获取第一点云；
S103：发射第二组探测光束；和
S104：通过所述扫描装置将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达的外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波，获取第二点云；
其中，随着所述扫描装置的转动，所述扫描装置的不同反射面分别反射所述第一组探测光束和所述第二组探测光束，以获取所述第一点云和所述第二点云；
将所述第一点云与所述第二点云进行融合，获取所述激光雷达探测范围内的一帧点云，
其中，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围。
2.根据权利要求1所述的探测方法，其中所述扫描装置包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，所述步骤S102包括通过所述第一反射面将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部并且接收所述第一组回波，所述步骤S104包括通过所述第二反射面将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达外部并且接收所述第二组回波。
3.根据权利要求2所述的探测方法，其中所述第一反射面的有效反射面积大于所述第二反射面的有效反射面积。
4.根据权利要求3所述的探测方法，其中所述第一反射面和第二反射面的有效反射面积的比例根据所述第一点云和所述第二点云对应的探测范围的比例确定。
5.根据权利要求1所述的探测方法，其中所述步骤S102包括：控制所述扫描装置以第一转速转动；所述步骤S104包括：控制所述扫描装置以第二转速转动。
6.根据权利要求5所述的探测方法，还包括：根据所述激光雷达的探测场景或分辨率，调节所述第一转速和/或第二转速。
7.根据权利要求1所述的探测方法，所述激光雷达还包括光发射装置，其中所述步骤S101包括：控制所述光发射装置以第一功率发射第一组探测光束；所述步骤S103包括：控制所述光发射装置以第二功率发射第二组探测光束，其中，所述第一功率大于所述第二功率。
8.根据权利要求7所述的探测方法，其中所述第二功率是所述第一功率的1％-10％。
9.根据权利要求1所述的探测方法，还包括：根据探测结果动态调节所述第一组探测光束的发射重频和/或第二组探测光束的发射重频。
10.根据权利要求9所述的探测方法，其中所述探测结果包括：障碍物所在区域和/或感兴趣区域。
11.根据权利要求1所述的探测方法，所述激光雷达还包括光接收装置，其中所述步骤S102包括：所述光接收装置被施加第一偏置电压；所述步骤S104包括：所述光接收装置被施加第二偏置电压；其中，所述光接收装置在第一偏置电压下的探测性能高于在所述第二偏置电压下的探测性能。
12.根据权利要求11所述的探测方法，还包括：基于所述第一组探测光束的强度、第二组探测光束的强度、障碍物距离、障碍物反射率和最大探测距离中的一个或多个调节所述第一偏置电压和/或第二偏置电压。
13.根据权利要求2所述的探测方法，其中所述扫描装置包括多个第一反射面和多个第二反射面，所述探测方法还包括：将对应所述多个第一反射面分别获取的多个点云中的至少两个融合成所述第一点云，将对应所述多个第二反射面获取的多个点云中的至少两个融合成所述第二点云。
14.根据权利要求1所述的探测方法，还包括：基于所述激光雷达的运动信息，将所述第一点云与所述第二点云进行时间同步，进而融合。
15.根据权利要求1所述的探测方法，还包括：从所述第一点云中筛选对应于所述第二点云的探测范围外的点与所述第二点云进行融合。
16.根据权利要求1所述的探测方法，还包括：将所述第一点云中对应于所述第二点云的探测范围内的点与所述第二点云进行融合。
17.一种计算机存储介质，包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如权利要求1-16中任一项所述的探测方法。
18.一种激光雷达，包括：同轴收发系统；
光发射装置，包括至少一个激光器，配置为可分别发射探测光束；
光接收装置，包括至少一个探测器，配置为可分别接收所述探测光束在障碍物上的回波；
扫描装置，配置为将所述光发射装置发射的第一组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第一组探测光束在障碍物上的第一组回波；还配置为将所述光发射装置发射的第二组探测光束反射到所述激光雷达外部，并且接收所述第二组探测光束在障碍物上的第二组回波；
处理单元，耦接到所述光发射装置和所述光接收装置，配置为根据所述第一组回波获取第一点云，根据所述第二组回波获取第二点云；
其中，所述扫描装置包括多个反射面，随着所述扫描装置的转动，所述扫描装置的不同反射面分别反射所述第一组探测光束和所述第二组探测光束，以获取所述第一点云和所述第二点云，所述第一点云和所述第二点云分别对应不同的探测范围；
所述处理单元配置为执行如权利要求1-16中任一项所述的探测方法，以获取所述第一点云和所述第二点云并融合为一帧点云。
19.根据权利要求18所述的激光雷达，其中所述扫描装置包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，通过所述第一反射面将所述第一组探测光束反射到所述激光雷达外部并接收所述第一组回波，通过所述第二反射面将所述第二组探测光束反射到所述激光雷达外部并接收所述第二组回波。
20.根据权利要求19所述的激光雷达，其中所述第一反射面的有效反射面积大于所述第二反射面的有效反射面积。
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