CN115061119A - 一种增强的高动态范围激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种增强的高动态范围激光雷达，有效的解决了激光雷达在量程范围内的精确探测问题；包括一个光学发射系统以及一个或多个接收光学装置，光学发射系统包括发射模块和发射光学装置，接收光学装置后方依次连接有距离测量模块、距离融合单元以及信号处理单元，光学发射系统照射出去的光信号照射到被测物上，然后被测物通过反射回来的光波进入到接收光学装置，进而通过光飞行时间原理获得整个视场角内每个测距信息；本发明与现有技术相比，能够通过特定的计算单元或者软件算法来实现不同测距范围内的高动态范围激光雷达，来使得不同测距范围以及不同反射率的被测物均能够获得准确的测距信息。

Description

一种增强的高动态范围激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种增强的高动态范围激光雷达。

背景技术

随着激光雷达的进一步普及，其广泛应用于自动驾驶、安防监控、移动机器人、智慧城市等各项领域。用于制造激光雷达的技术己持续以迅猛的速度进步，举例来说，对更高分辨率及更远测距的需求以促进激光雷达的进一步集成化和智能化。

高动态范围（HDR）是指用于扩展激光雷达置信度范围的技术。目标是使激光雷达看到更动态范围的距离信息。HDR激光雷达可探测比使用传统方法的激光雷达获得更大的探测范围和信息，这在含有极端近距离高反物体或远距离低反的场景中最明显。

以往实现高动态测距的激光雷达通常的替代方法可能需要昂贵的设备来实现相同的效果，或者仅能输出特定动态范围内的距离，低于置信度或者高于置信度的距离往往被滤掉或者丢弃，造成整个测距视野内某些物体或者区域的丢失和距离失准。

相比于现有的激光雷达在动态范围方面，通常仅能输出特定动态范围内的距离，低于置信度或者高于置信度的距离往往被滤掉或者丢弃，造成整个测距视野内某些被测物的丢失，当有激光雷达没有做置信度判断而直接输出全部距离信息，造成错误的距离输出，给到后端错误的距离数值，进而无法满足相关应用；

于此同时，也有激光雷达采用非常广的动态范围输入，然而这需要非常昂贵的设备来实现，造成整个激光雷达产品成本非常高。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种增强的高动态范围激光雷达，有效的解决了激光雷达在量程范围内的精确探测问题。

其解决技术问题的技术方案是：一种增强的高动态范围激光雷达，包括一个光学发射系统以及一个或多个接收光学装置，光学发射系统包括发射模块和发射光学装置，接收光学装置后方依次连接有距离测量模块、距离融合单元以及信号处理单元，光学发射系统照射出去的光信号照射到被测物上，然后被测物通过反射回来的光波进入到接收光学装置，进而通过光飞行时间原理获得整个视场角内每个测距信息；

距离测量模块俘获至少一个近动态距离范围以及至少一个远动态距离范围的多动态距离序列；

距离融合单元对所获得的远近距离信息通过置信度的设置进行处理和融合；

信号处理单元将所获得的距离数据进行结算及输出融合后的距离信息。

优选的，所述的光学发射装置可以是一个或多个，每个发射模块的发射角度为0-360°，对应的接收光学装置的接收视场角为0-360°。

优选的，所述的距离测量模块的探测器分辨率≥1 Pixel，可以是单点、线阵、面阵探测器中的一种。

优选的，所述的距离融合单元可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式。

优选的，所述的信号处理单元可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式。

优选的，所述的距离融合单元和信号处理单元可以是分开独立的功能模块，也可以是组合在一起的物理计算器件、软件或算法。

一种基于增强的高动态范围激光雷达的距离置信度处理方法，包括以下步骤：

步骤一：用距离测量模块俘获距离信息序列，所述距离信息序列至少一个近动态距离范围以及至少一个远动态距离范围的多动态距离序列；

步骤二：对于所有低动态距离以及远动态距离进行处理，将近动态距离范围内低于或高于置信度的距离信息滤除掉，留下满足置信度设置的近距离信息；将远动态距离范围内低于或高于置信度的距离信息滤除掉，留下满足置信度设置的远距离信息；

步骤三：将至少一个满足置信度的近距离范围数据和至少一个满足置信度的远距离范围数据进行组合，生产增强的高动态范围距离信息。

本发明与现有技术相比，能够通过特定的计算单元或者软件算法来实现不同测距范围内的高动态范围激光雷达，使得激光雷达在硬件、光学、机械、结构不变的情况下，对于不同测距、不同场景的被测物（人、物）分别进行调整并进行距离信息处理，来使得不同测距范围以及不同反射率的被测物均能够获得准确的测距信息。

附图说明

图1是本发明中测距系统的示意图。

图2是本发明中有效置信度示例。

图3是本发明的高动态激光雷达及置信度示例。

图4是本发明中测距范围与置信度关系示意图。

图5是本发明中距离融合单元的原理示意图。

图6是应用本发明简化测距的示例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图6可知，如图1所示，一种增强的高动态范围激光雷达，包括一个光学发射系统以及一个或多个接收光学装置106，光学发射系统包括发射模块101和发射光学装置102，接收光学装置106后方依次连接有距离测量模块107、距离融合单元108以及信号处理109单元，光学发射系统照射出去的光信号照射到不同角度、不同距离、不同形状的被测物104上，然后被测物104通过反射回来的接收光形105进入到接收光学装置106，然后进一步照射到距离测量模块107上，距离测量模块107经配置以俘获至少一个近动态距离（NDR：Near Distance Range）范围以及至少一个远动态距离（FDR：Far Distance Range）范围的多动态距离序列，并在距离融合单元108上进行置信度的判断进而将满足置信度的距离信息进行熔化和，最后输出融合后的距离信息给到后端的信号处理109单元进行距离的结算、标定补偿、数据输出等处理。

在本发明中，光学发射装置可以是一个或多个，每个发射模块101的发射角度为0-360°，对应的接收光学装置106的接收视场角为0-360°，距离测量模块107的探测器分辨率≥1Pixel，可以是单点、线阵、面阵探测器中的一种。

在本发明中，距离融合单元108可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式，信号处理109单元可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式，距离融合单元108和信号处理109单元可以是分开独立的功能模块，也可以是组合在一起的物理计算器件、软件或算法。

如图2所示，此处为了便于理解置信度的范围，设定其动态有效范围是100X-2000X，实际动态置信度范围可以根据不同的探测器类型及应用场景需求进行设置。

当设置特定动态范围内的置信度时，若X轴置信度度数值A值小于100X时，噪声会明显上升造成测距的不稳定，若X轴置信度读数值A值大于2000X时，测距探测器会过曝，导致测距的不准。

当设置动态范围为整个100X-2000X时，由于置信度的范围较大，因而可能需要非常昂贵的设备来实现大范围的置信度。

在一个实例中，

（1）产生的置信度以确定某特定的动态范围内，滤除置信度较低的距离信息，以便获得较少噪声的良好距离信息：滤除置信度饱和的距离信息，以便获得准确的距离信息。

（2）通过置信度的设置，确定一个或多个近距离范围内满足置信度范围内的准确距离信息；

（3）通过置信度的设置，确定一个或多个远距离范围内满足置信度范围内的准确距离信息：

应注意，在一个实例中，置信度的设置近距离范围信息与远距离范围信息直接的差异部分被扩展。换句话说，置信度的设置在近距离范围和远距离范围的差异部分可标称地延伸超出实际差异区域的边界，以确保这些区域范围内获得良好的距离信息并在融合的距离信息序列中不遗失距离信息；并且，若在两个相邻的距离范围内，可以在图像融合时，选取置信度较高的作为最终的距离，以替代较低置信度的距离信息。

应注意，在一个实例中，由于实际的测距环境非常复杂，例如不同物体的反射率、光线在物体上不同的入射角及反射角、不同的空间环境、不同的光谱曲线、不同的曝光时间等等因素，会获得一个或多个动态范围，因此置信度的数量设置需要使用者根据不同应用来确定。

应注意，在一个实例中，近动态距离与远动态距离之间可能存在差异，这是因为被测距的物体在图像获取之间移动。

在一个实例中，融合距离信息包含使用置信度以：

（1）使用置信度判断后，获得一个或多个近距离信息满足置信度要求后的部分距离信息：

（2）使用置信度判断后，获得一个或多个远距离信息满足置信度要求后的部分距离信息；

（3）使用置信度判断后，获得近距离或远距离均满足置信度要求的部分，判断选用高置信度的距离部分：

通过融合上述各部分的距离信息，以获得全部的增强高动态距离信息。

在一个或多个实例中，进行若干融合步奏以形成最终组合的高动态全分辨率距离信息。首先，将测距范围（1）满足置信度的距离信息与测距范围（2）满足置信度的距离信息进行融合。类似地，将融合后的距离信息与测距范围（3）满足置信度的距离信息进行融合，依次类推，最终经过多次的距离融合，产生增强的高动态范围激光雷达距离信息。

为总结在图一中所描绘的实例，距离测量模块107用于产生高质量的测距信息，可俘获NDR距离以及FDR距离。NDR信息将可能获取更多的近距离信息的许多细节，但由于有限的动态范围，无法正确的获得远距离或低反射率的区域距离信息。相反，FDR距离将展示比NDR距离更多的远距信息的细节。此外，在NDR距离与FDR距离之间可能存在距离重合，这是为了防止动态范围之间的缺失而损失潜在的距离区域信息。

如图3所示，距离测量模块107，包括像素阵列，在一个实例中，像素阵列是指光电二极管、图像传感器像素或感光器件（例如，P1、P2…Px）的二维阵列。

如图所示，像素阵列布置成行（例如，行Rl到Rx）以及列（例如，列Cl到Cx）以获取人员、物体、其他被测物104等等的距离信息，其能够随后用于呈现人员、物体、被测物104等等的距离信息。

在一个实例中，距离融合单元108或者信号处理109单元均可以产生控制信号来控制距离测量模块107来获得从像素阵列中的多个距离信息。举例来说，产生的控制信号是全局快门信号，用于同时使像素阵列的所有像素在单个获取窗期间同时俘获其相应的距离信息。在另一个实例中，产生的控制信号是卷帘门或分区域信号，该控制信号可以是分时操作亦或者是分域操作，以用于获取受控像素阵列的距离信息，来获取更多智能的动态范围选取。

图4描述距离测量模块107的实例方法。展示了用于俘获距离的实例方法，喊不同距离范围200（1）、200（2）、200（3）、200（n），以便获取最终合成距离200（X），控制整体激光雷达使其在不同的曝光／积分时间下进行测距，以便获得不同距离范围的距离信息，并将不同曝光／积分时间下获得的不同距离信息送入距离融合单元108。

控制激光雷达发射端的不同驱动光功率下，使其在不同的光强度下进行测距，以便获得不同距离范围的距离信息，并将不同的发射光强下获得的不同距离信息送入距离融合单元108。

控制激光雷达发射端的不同光源数量下，使其在不同的光强下进行测距，以便获得不同距离范围的距离信息，并将不同的发射光强下获得的不同距离信息送入距离融合单元108。

图5是距离融合单元108的结构原理图，将距离测量模块107俘获的不同距离范围进行置信度处理。

与此同时，置信度设置lOODN为可接受的噪声置信度，2000DN为可接受的饱和置信度；实际操作时，将所设置的置信度范围用于获得的第一个NDR（1）距离范围数据选取满足置信度范围的距离信息：将所设置的置信度范围用于获得的第二个NDR（2）距离范围数据选取满足置信度范围的距离信息：将所设置的置信度范围用于获得的第n个NDR（n）距离范围数据选取满足置信度范围的距离信息；然后将所有满足置信度处理后的不同距离信息进行距离的融合，以获得完整的全阵列像素融合距离。最后将获得的完整全阵列像素融合距离送入信号处理109单元进行最终的距离解算、标定补偿、数据滤波、图像输出等操作。

图6描述图3、图4及图5的方法的简化图形表示，具体来说图六中，获得距离测量模块107的近动态距离300（1），可见由于动态范围的因素，其无法探测远距离的物体：再然后获得距离测量模块107的远动态距离300（2），可见由于动态范围的因素，近距离的物体处于饱和置信度，使得测距不准。随后将所获得不同距离300（1）及300（2）送入距离融合单元108进行置信度处理和距离融合，以获得动态融合距离处理300（3），最后将数据传送给信号处理109单元并进一步处理后输出高动态距离融合信息300（4）。

应注意，上述实例为了让读者便于理解，特意将距离融合单元和信号处理单元分为两部分进行描述，实际实施过程中，该两部分单元可以分开亦可以融为一个单元，并且对应的单元可以是电路／逻辑的特定元件，也可以是代替逻辑上等效或类似的电路，且可在软件系统及硬件系统两者中实施。

不希望本发明的所说明实例的以上描述（包含摘要中所描述的内容）为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但相关领域的技术人员将认识到，本发明范围内的各种修改是可能的。

依据以上详细描述可对本发明做出这些修改，所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围全部由所附权利要求书确定，将根据权利要求解释的既定原则解释所附权利要求书。

Claims (7)

1.一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，包括一个光学发射系统以及一个或多个接收光学装置（106），光学发射系统包括发射模块（101）和发射光学装置（102），接收光学装置（106）后方依次连接有距离测量模块（107）、距离融合单元（108）以及信号处理（109）单元，光学发射系统照射出去的光信号照射到被测物（104）上，然后被测物（104）通过反射回来的光波进入到接收光学装置（106），进而通过光飞行时间原理获得整个视场角内每个测距信息；

距离测量模块（107）俘获至少一个近动态距离范围以及至少一个远动态距离范围的多动态距离序列；

距离融合单元（108）对所获得的远近距离信息通过置信度的设置进行处理和融合；

信号处理（109）单元将所获得的距离数据进行结算及输出融合后的距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，所述的光学发射装置可以是一个或多个，每个发射模块（101）的发射角度为0-360°，对应的接收光学装置（106）的接收视场角为0-360°。

3.根据权利要求1所述的一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，所述的距离测量模块（107）的探测器分辨率≥1 Pixel，可以是单点、线阵、面阵探测器中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，所述的距离融合单元（108）可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式。

5.根据权利要求1所述的一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，所述的信号处理（109）单元可以是单独的物理计算器件，也可以是独立的软件、算法形式。

6.根据权利要求1所述的一种增强的高动态范围激光雷达，其特征在于，所述的距离融合单元（108）和信号处理（109）单元可以是分开独立的功能模块，也可以是组合在一起的物理计算器件、软件或算法。

7.一种基于增强的高动态范围激光雷达的距离置信度处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：用距离测量模块（107）俘获距离信息序列，所述距离信息序列至少一个近动态距离范围以及至少一个远动态距离范围的多动态距离序列；

步骤二：对于所有低动态距离以及远动态距离进行处理，将近动态距离范围内低于或高于置信度的距离信息滤除掉，留下满足置信度设置的近距离信息；将远动态距离范围内低于或高于置信度的距离信息滤除掉，留下满足置信度设置的远距离信息；

步骤三：将至少一个满足置信度的近距离范围数据和至少一个满足置信度的远距离范围数据进行组合，生产增强的高动态范围距离信息。

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