CN115128625A - 一种激光雷达测距方法及探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达测距方法及探测系统，包含驱动信号发生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路作用于激光源，所述激光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光序列；阵列型返回光接收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信号，并产生返回信号，处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部产生的驱动信号产生调制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测物的距离信息，本发明利用驱动信号驱动光源发射脉冲型的激光序列，一方面使得发射的能量能够被大幅减小，另一方面通过与返回光产生的信号按照预设规则运算得到距离相关信号保证了探测结果的准确性。
Description
技术领域
本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种激光雷达测距方法及探测系 统。
背景技术
距离探测尤其利用激光源实现的主动型探测系统，其原理为通过光源 主动发射探测的发射光，例如近红外类型的探测光，其波长可以选择为 800-1200nm范围内，此处并不限定于此，采用近红外类型的探测波也能够 保证在视场内存在以人为对象时的安全性，因此近红外类型的主动探测系 统越来越普遍地应用于各种场景中，例如后续的自动驾驶、智能门锁、安 防摄像、手机三维摄像等等。
飞行时间(“TOF”)光检测和测距(“LIDAR”)是一种用于远程距离测量的 技术。TOFLIDAR传感器通过测量激光脉冲在仪器和物体之间传播所需 的时间来确定包括传感器和物体的仪器之间的距离。
目前应用较广泛的探测方法包含间接飞行时间(ITOF)测量方案和直 接飞行时间(DTOF)测量方案。大部分的间接飞行时间测量方案都是采用 了测相位偏移的方法，即发射波与接收波之间的相位差，发射和接收波的 横坐标是时间t，纵坐标是光强，根据二者的相位差便可获得飞行时间t， 从而根据D＝ct/2计算获得探测物体的距离。直接飞行时间测量方案一般通 过皮秒级分辨率的测量系统(多采用SPAD+TDC)，直接获得发射与对应的 接收端触发的时间差，即为飞行时间t，从而计算探测物体的距离。当然还 有一种类型称为相干探测，相干的激光信号和本机激光振荡信号在满足波 前匹配的条件(即在整个激光探测器的光敏表面上保持相同的相位关系)下， 一起入射到探测器光敏表面上，产生拍频或相干叠加，探测器输出电信号 大小正比于待测激光信号波和本机激光振荡波之和的平方的探测方式，当 然上述的探测方式有其自身优势，但是对于像素级、快速处理和发射能量 的高效利用方面还是具有很大的不足。
近年来一些直接飞行时间探测(非相干)的激光雷达原理也被开发出 来，逐渐变成了一种为更多人所了解的探测技术，专利申请号 CN202010604232.3名称为一种新型激光测距方法及激光雷达系统，提出了 一种新类型的探测机理，在光路上不采用相干光原理，而在电信号阶段进 行相关运算，进一步通过电信号的相关运算获得最终的被探测物的距离或 者其他信息，然而实际上这种方法还存在如下的局限性特点(1)由非相干 啁啾信号调幅连续波激光三维成像原理可知，差频信号由延迟的啁啾信号 与本振信号相乘产生。从能量利用角度看，由于对差频信号进行了A/D， 因此A/D采样间隔内的差频信号能量未被利用，又由于延迟的啁啾信号能 量与连续波激光器发射能量呈正比，因此造成现有技术(非相干啁啾信号 调幅连续波激光三维成像)的激光平均发射功率较高，测距范围较小；(2) 现有技术采用了宽带放大器、混频器和A/D等器件，这些器件的动态范围 限制了接收激光信号的动态范围，从而限制了现有技术的动态接收范围； (3)利用现有技术实现的激光三维成像系统性能受啁啾信号调频线性度和 调频平坦度影响较大。
因此为了克服前述的技术问题，亟需开发一种更高效的探测方法和探 测系统，在能效上能够更大限度地利用发射激光的回波能量，在抗干扰方 面能够适应更多探测系统存在于视场内的状况下高效地识别出被探测物， 并且能给出准确的距离信息。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种获取距离 信息的探测方法及探测系统，以准确稳定地输出视场内各个距离范围内被 探测物的稳定且准确的距离结果。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例第一方面提供了一种激光雷达测距方法包含驱动信号发 生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路作用于激光源，所述激 光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光序列；阵列型返回光接 收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信号，并产生返回信号， 处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部产生的驱动信号产生调 制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述 处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测物的距离信息。
可选地，所述阵列型返回光接收模块为由单光子雪崩二极管所组成的 SPAD阵列模块。
可选地，所述返回光信号为所述返回的脉冲光序列激发产生的光子计 数序列。
可选地，所述驱动信号以L次(其中L为大于等于1的整数)驱动所 述光源发射L次激光序列，所述接收模块接收所述L次激光序列的返回光， 所述处理模块依据所述不大于所述L次返回光信号的统计结果产生统计的 光子计数序列。
可选地，所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计 的光子计数序列。
可选地，所述调制信号为由所述驱动信号发生部所产生的驱动信号按 照所述发射光脉冲序列类似规则生成的非连续型的调制序列。
可选地，所述单次发射的激光序列包含M个脉冲激光激发高值单元， 或者脉冲序列在接收模块所激发的光子计数序列的计数单元数为M个。
可选地，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列 按照相乘的运算得到运算计数序列。
可选地，所述预设规则还包含所述运算计数序列执行分段累加获得所 述距离相关信号。
可选地，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列 分别执行相同的分段累加获得中间值序列，所述两个中间值序列按照相乘 的运算获得所述距离相关信号。
可选地，所述距离相关信号在所述处理模块中执行时频域转换运算获 得距离相关的信号频谱，所述处理模块依据所述信号频谱的特征输出视场 内被探测物的距离信息。
可选地，所述驱动信号发生部产生的驱动信号为啁啾信号。
可选地，所述距离相关信号在所述处理模块中执行的信号处理还包含 阈值检测和信息解算等。
第二方面，本发明提出一种使用第一方面的激光雷达测距方法的探测 系统，包含驱动信号发生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路 作用于激光源，所述激光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光 序列；阵列型返回光接收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信 号，并产生返回信号，处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部 产生的驱动信号产生调制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测 物的距离信息。
可选地，所述阵列型返回光接收模块为由单光子雪崩二极管所组成的 SPAD阵列模块。
可选地，所述返回光信号为所述返回的脉冲光序列激发产生的光子计 数序列。
可选地，所述驱动信号以L次(其中L为大于等于1的整数)驱动所 述光源发射L次激光序列，所述接收模块接收所述L次激光序列的返回光， 所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计的光子计数序 列。
可选地，所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计 的光子计数序列。
可选地，所述调制信号为由所述驱动信号发生部所产生的驱动信号按 照所述发射光脉冲序列类似规则生成的非连续型的调制序列。
可选地，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列 按照相乘的运算得到运算计数序列。
可选地，所述预设规则还包含所述运算计数序列执行分段累加获得所 述距离相关信号。
可选地，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列 分别执行相同的分段累加获得中间值序列，所述两个中间值序列按照相乘 的运算获得所述距离相关信号。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的一种激光雷达测距方法及探测系统，包含驱动信 号发生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路作用于激光源，所 述激光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光序列；阵列型返回 光接收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信号，并产生返回信 号，处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部产生的驱动信号产 生调制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测物的距离信息，本 发明利用驱动信号驱动光源发射脉冲型的激光序列，一方面使得发射的能 量能够被大幅减小，另一方面通过与返回光产生的信号按照预设规则运算 得到距离相关信号保证了探测结果的准确性，进一步本发明通过单光子雪 崩二极管阵列或者类似的APD阵列型探测器的多于一次的光子触发统计结 果，与调制序列进行预设的运算，可以减少实际的运算次数，使得整个统计和运算的复杂度大大降低，保证了整个探测系统和测距方法的高效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需 要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些 实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种探测系统模块化工作原理的示意图；
图2为现有技术提供的一种探测方案的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种脉冲化探测方案实现示意图；
图4为本申请实施例提供的一种阵列型接收模块示意图；
图5为本申请实施例提供的一种预设规则运算模块示意图；
图6为本申请实施例提供的一种发射L次激光序列的返回光统计的计 数序列结果示意图；
图7为一种利用驱动信号产生离散型的调制序列Y的示意图；
图8为本申请实施例提供的一种利用预设规则运算模块获取距离相关 信号的示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种利用预设规则运算模块获取距离相 关信号的示意图；
图10为本申请实施例提供的一种获得距离相关信号的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。 通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配 置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限 制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本 申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一 旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步 定义和解释。
目前采用的探测系统基本包括：光源模块110、处理模块120、以及光 接收模块130，光源模块110包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、 也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用 垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)或者边 发射半导体激光器EEL(edge-emittinglaser)，此处仅为示例性说明并不作 具体限定，光源模块110发射出正弦波或者方波或者三角波，或者脉冲波 等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激 光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测 物140可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光 接收模块130捕获，所述光接收模块130可以包含光电转化部，其中ITOF 测距中其可以最常用的四相位延时接收获得0°、90°、180°和270°的 延时接收信号，利用四相位的距离计算方案此处以正弦波的方法为示例进 行说明，在四个等距点(例如90°或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度：
A1和A3的差值与A2和A4的差值的比等于相位角的正切值。ArcTan 实际上是双变量反正切函数，可映射至适当的象限，当A2＝A4并且A1>A3 或A3>A1时，分别定义为0°或180°。
到目标物的距离由以下公式确定：
至此，还需要确定发射激光的频率即可来进行距离测算，其中c是光 速，
是相位角(以弧度来度量)，f是调制频率。通过上述的方案可以实现 对于视场内被探测物的距离探测的效果，这一方案被称为四相位延时方案 获得探测结果，当然接收模块光电转化生成不同的信息，在某些情况下也 使用0°和180°两相位方案实现被探测物的信息获取，也有文献公开了 0°、120°和240°三相位获得目标信息，甚至有文献也公开了五相位差延 时方案，本发明并不具体限定.
在DTOF测距中由于阵列传感器的像素单元为SPAD(单光子雪崩光电 二极管)器件，其工作在盖革模式下，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸 收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对 被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结 果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时SPAD的 增益理论上是无穷的，单个光子就能够使SPAD的光电流达到饱和，因此SPAD成为高性能单光子探测系统的首选，测距原理实际非常简单，光源发 射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射 返回处于包含雪崩状态SPAD的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探 测单元可以接收返回的信号，经过处理模块的处理可以输出探测系统至探 测目标之间的距离，从而完成探测，其中为了获得高可信度的结果可以发 射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结 果的处理可以获得更精确的距离，如下表1为本发明的申请人对于应用较 多的两种比较典型的ITOF测距方法和DTOF测距方法，通过表1的比较可 以看到这两种应用较多的飞行时间测距方案具有一定的局限性，也需要开 发一种新型的探测方法来获得更准确和抗干扰能力更强的结果。
表1.ITOF与DTOF测距方法对比
图2为现有技术公开的一种利用非相干(直接探测方案)实现对于被 探测物距离等信息进行获取的方案，驱动信号发生部产生驱动信号，此处 的驱动信号可以为具有标识功能的驱动信号，例如信号的周期逐渐增加或 者逐渐递减，当然也可以通过一些特定的函数或者内部算法获得具有一定 特征和标识作用的驱动信号，此处以啁啾信号为示例，但是实际实现不限 于此信号，驱动信号通过激光调制电路作用于激光发射器，此处为连续波激光器，从而发射出具有与驱动信号相类似规律的探测激光，在视场内经 过被探测物的反射之后形成返回的激光信号，由于视场内的被探测物存在 距离上的差异，因而光接收模块的不同区域可以获得延时的返回光信号在 接收模块通过光电转化而获得的延时启动信号，经过带宽放大器之后，在 混频器内部与驱动信号进行相关获得混频之后的输出信号，信号处理器对 于所述混频后的输出信号进行处理可以获得差频信号，其中信号处理器可以包含低通的滤波电路，对于杂波干扰进行滤除获得真正的有用的差频信 号，差频放大器可以对滤波之后的差频信号进行放大，进而获得传输抗干 扰能力强且信号更真实的待处理差频信号，最后经过A/D转换器转换得到 数字信号，转化后的数字类型差频信号，被传递至时频域转化模块，其可 以通过时频域转化获得差频信号的频谱，最终通过频谱的特征例如峰值特 征识别出最终的与频谱特征相关的例如被探测物的速度、距离等信息的探 测结果，当然为了保证频域转化的信号满足探测需求，时频域转换模块还 包含阈值检测单元和信息解算单元等等，在图2中，以驱动信号发生器为 啁啾信号发生器为例进行进一步的说明，啁啾信号发生器产生两路啁啾信 号，一路作为混频器的本振信号，另一路送入激光调制驱动电路，使得连 续波激光器发射的激光功率按照如下规律变化：
Pt(t)＝Pt0[1+mtcos(2πf0t+πkt2+θ0)]，t∈[0,T] (3)
式中，Pt0为激光平均发射功率；mt为发射调制深度；f0为啁啾信号起 始频率；t为时间；k为调频斜率且k＝B/T(B为啁啾信号带宽，T为啁啾信 号周期)，θ0为初始相位。
接收光学系统将由目标反射回的激光信号聚焦到光电探测器，经光电 转换得到延迟的啁啾信号，该信号经过放大后与本振信号混频，经过低通 滤波后得到差频信号。其中，延迟的啁啾信号为：
Ar(t)＝Ar0[1+mtcos(2πf0(t-τ)+πk(t-τ)2+θ0+φ0)]，t∈[τ,T+τ] (4)
式中，Ar0为延迟的啁啾信号的平均幅度；φ0为目标反射引入的附加相 位；τ＝2R/c(R为目标相对距离，c为真空中光速)为激光往返于目标和测 距仪的时间。
本振信号为：
ALO(t)＝ALO0[1+mLOcos(2πf0t+πkt2+θLO)]，t∈[0,T] (5)
式中，ALO0为本振信号平均幅度，mLO为本振信号调制深度，θLO为本 振信号初始相位。
差频信号为：
式中，AIF为差频信号幅度，
为差频信号相位。
将差频信号放大后进行A/D，并通过快速傅里叶变换(FFT)得到其频 谱，对其频谱进行阈值检测，得到差频信号频率为：
根据差频信号频率与目标相对距离间的关系，得到目标相对距离为：
虽然这种非相干类型的探测技术可以在一定程度上补充ITOF与DTOF 甚至是相干探测方法所存在的一些缺陷，但是上述的现有技术在探测中仍 然由如下的局限性：
(1)由非相干啁啾信号调幅连续波激光三维成像原理可知，差频信号 由延迟的啁啾信号与本振信号相乘产生。从能量利用角度看，由于对差频 信号进行了A/D，因此A/D采样间隔内的差频信号能量未被利用，又由于 延迟的啁啾信号能量与连续波激光器发射能量呈正比，因此造成现有技术 (非相干啁啾信号调幅连续波激光三维成像)的激光平均发射功率较高， 测距范围较小；
(2)由图2和系统工作原理描述可知，现有技术采用了宽带放大器、 混频器和A/D等器件，这些器件的动态范围限制了接收激光信号的动态范 围，从而限制了现有技术的动态接收范围；
(3)利用现有技术实现的激光三维成像系统性能受啁啾信号调频线性 度和调频平坦度影响较大。
正是由于现有的非相干类型的探测方法所存在的技术问题和数据处理 上所存在的复杂性数据量巨大等等的问题，本发明的发明人提出了一种改 进类型的探测方法和探测系统，如图3所示，系统采用脉冲型的激光器， 从而发射的主动型探测激光为由脉冲序列所组成的脉冲激光序列片段，系 统中驱动信号发生部产生驱动信号，此处的驱动信号可以采用类似之前示 例的啁啾信号，也可以采用其他类型的驱动信号，此处的驱动信号的本质特征在于对于设备发射激光进行调制以获得具有可识别特征的发射光信 号，驱动信号通过激光调制驱动电路作用于脉冲型激光器上，激光器可以 利用驱动信号的至少部分特征，例如驱动信号的总周期作为脉冲序列片段 的周期，脉冲片段内的单个脉冲可以选择为峰值相同或者相近，峰值持续 时间相同或者相近的方案，或者驱动信号的幅度信息作为脉冲序列的峰值 依据，此时被包含于脉冲序列中的峰值可以不同，甚至可以将驱动信号的 片段内小周期的递减或递增规律作为发射的激光片段内脉冲触发概率的依 据从而产生非等间距配置的脉冲型激光片段等等，此处并不限定脉冲激光 源发射的脉冲激光片段具体实现方案，发射的脉冲激光序列被视场内被探 测物的反射产生返回光信号，返回光信号被光电探测器接收形成光子计数 序列，此时处理模块内部包含的预设规则运算模块一方面利用驱动信号产 生非连续的调制序列Y，另一方面可以通过对于光子计数序列与调制序列Y按照预设规则运算得到距离相关信号，所述的距离相关信号再经过时频域 转化模块得到距离相关信号转换的频谱信号，再利用该频谱信号的特征， 例如峰值特征(包含最高峰值信息、次高峰值信息或者关心区域内的峰值 信息等等)输出包含被探测物距离信息，还可以包含速度信息等等，此处 不进行具体限定，类似地对于脉冲类型的非连续性探测方案，时频域转换 模块内包含可以进行时频域转化处理的单元，其可以执行例如小波运算、 分段FFT、FFT、chirp-Z运算、DFT等等，当然此处对于具体的算法实现 不再详细赘述，此处也只是进行示例性地列举，当然时频域转换模块还可 以包含阈值检测单元和/或信息解算单元，此处也不限定。
光接收模块可以采用如图4所示的阵列型接收模块，阵列型接收模块 中包含二极管组成的像素单元410，在实际的实现中可以采用M*N个像素 单元组成阵列型接收模块的有源区，其组成的像素单元可以为上万数万乃 至数十万等等的量级，此处并不限定，阵列型接收模块可以包含透镜部4301 和探测单元基体部4302，透镜部4301包含多个透镜单元，透镜单元可以为 具有预定曲率的微透镜单元组成，当然为了保证对于返回光的最大限度的 利用透镜部也可以包含多于1层的结构，此处并不限定具体的实现方案， 在更优的情况下基体部4302可以设置于透镜部4301对应的焦平面位置， 这样可以保证探测像素单元能够最大限度地获取准确的返回光信息，在此 情况下透镜部4301的透镜能构建一个光通道，使得探测单元的光敏部接收 的信号处于相应的焦点位置附近，探测单元基体部4302中包含阵列型布置 的光敏像素阵列，此处为了配合非连续型的探测需求，此处的光敏像素单元的二极管可以为具有单光子敏感度的单光子雪崩二极管阵列(SPAD)，也 可以采用盖革模式的探测器单元阵列APD，或者具有线性放大系数的光子 计数型的探测像素单元组成的阵列型探测器等等，此处并不限定。由于本 发明的探测器阵列中直接输出的信号为光子计数序列，实现了数字信号的 直接输出和传递，预设规则运算模块以驱动信号为母本，获得调制序列Y， 其也为非连续性的序列型信号，甚至直接获得数字化的调制序列Y，两者 均不是现有技术中类似的模拟信号，因此不需要经过A/D模数转化而直接 在预设规则运算模块中进行相关运算。
此处仍以啁啾信号发生器为例进行示例性的说明，一方面，啁啾信号 发生器产生一路啁啾信号作为调制序列Y，此处的调至序列可以为前述对 于示例中的连续信号的离散化，并最终转换为数字类型的调制序列信号， 此处激光发射的周期选择为啁啾信号周期T(也就是发射激光的片段内总持 续时间选择为啁啾信号的周期特征)，另一方面，啁啾信号发生器控制激光 调制驱动电路产生脉冲激光器驱动信号，脉冲激光器驱动信号控制脉冲激 光器发射激光脉冲序列，发射光学系统将激光脉冲序列投射到目标区域； 激光脉冲序列中各激光脉冲能量相等，此处也只是示例性地列举了一种情 况，接收系统包括接收光学系统、光电探测器、数字相关器、数字积分累 加器等，其中接收光学系统将目标反射回的激光脉冲序列聚焦到光电探测 器，光电探测器在发射激光脉冲序列时开始探测，得到激光脉冲序列发射 周期内的光子计数结果，为了保证后续的计算结果运算量较小，首先利用L 次发射的脉冲序列对于视场内场景进行照射(其中L为大于等于1的整数)， 更优化地为了获得更为准确的探测结果可以选择L为数百数千等等的量级 此处并不进行限定，当然为了保证数据的准确性或者运算精确快速等等的 效果，此处也不限定为对于这L次的所有探测结果进行统计获得统计值， 此处可以为利用小于等于L次返回光的激发信息获得的统计结果产生统计 后的光子计数序列X，例如下述场景为一种示例性地说明统计后的光子序 列X产生和构造方案，对目标反射回的激光脉冲序列进行L(L为正整数 且L≥1)次累积探测，每次累积探测包括M(M为正整数且M≥1)个探 测脉冲，第d(d为正整数且1≤d≤L)次累积探测中的第i(i为正整数且 1≤i≤M)个探测脉冲得到的光子计数结果为xdi，由此得到由M个探测脉 冲计数结果组成的基本计数序列X为：
先进行L次累积探测，得到L次累积探测后得到的基本计数序列X(X 为L个Xd的累加)，然后让X与Y相乘得到Z(Z为L个Zd的累加)，然后 对Z进行分段累加得到S
上述的步骤在原理上可以表示为图5的方案，其中单次发射的激光序 列为最顶部示意的情况，每次发射的激光序列中包含M个探测脉冲，激光 源以L次的形式输出L次的脉冲激光序列，再通过探测模块获得不超过L 次发射的探测光的返回光的触发信息获得统计的光子计数序列，如式9所 示，最终构造出的统计的光子计数序列如图5最下部所示意的结果。
预设运算模块可以包含如图6的结构，其包含了数字乘法器单元和数 字积分累加器单元，通过预设运算模块中包含的乘法器单元和数字积分累 加单元，可以实现对于探测视场内场景的自适应，并且随场景的变化可以 自适应调整探测最大距离实现探测精度等的自调整，也能够通过所述的乘 器单元实现信号之间的相关运算进而提升系统的抗干扰能力。也就是可以 按照如下示例的方案得到，前述由L次的脉冲光发射获得了返回光的统计 光子计数序列X，图7为一种利用驱动信号产生离散型的调制序列Y的示 意图，驱动信号的函数表达式为f(x)，利用离散化方案获得与驱动发射激 光脉冲类似的离散型调制序列Y，其中所述单次发射的激光序列包含M个 脉冲激光激发高值单元，或者脉冲序列在接收模块所激发的光子计数序列 的计数单元数为M个，所述调制序列也包含M个脉冲高值单元，或者调制 序列的脉冲高值单元与光子计数序列的计数单元数相同。所述调制信号为 由所述驱动信号发生部所产生的驱动信号按照所述发射光脉冲序列类似规 则生成的非连续型的调制序列，结果如下式10所示。
Y＝{yi|yi＝f(i) i＝1，2，...，M} (10)
获得了发射光返回所激发的统计光子计数序列与调制序列之后，预设 规则运算模块可以按照模块内的单元对两组序列进行相关运算，从而获得 两组序列的相关运算结果，图8和图9分别示意了两种不同的方案，按照 图8的运算方案可以对于统计的光子计数序列与调制序列执行乘法运算， 也就是可以利用数字乘法器得到调制计数序列Zd：
Zd＝{zdi|zdi＝xdi·yi，i＝1，2，...，M} (11)
完成乘法运算单元的计算之后，数字积分累加器可以对调制序列执行 分段累加，其中分段累加，其中累加区间为执行累加操作的区间片段，处 理模块可以依照一定的规则设置出累加区间的实际大小，在累加区间内执 行有效叠加区域内的乘法结果序列的分段累加，可以获得信号的增强效果， 同时也能保证探测的准确性，其中有效叠加区域内的叠加单元数量为N， 因此执行分段累加操作之后的最终得到分段累加计数序列Sd：
式中，N0为数值最接近M/N的整数，也就是其代表了累加区间的数量， K为整数且K为不大于N的正整数，也就是代表了有效叠加区间内叠加单 元的数量(其中K为与系统最大可探测距离相关的参数)。最后利用数字积 分累加器，将在L(L为正整数且L≥d)个激光脉冲序列发射周期内得到L 个分段累加计数序列累加，得到累加计数序列S：
当然图9为另一种实现思路，参照附图，我们可以得到相关运算模块 实现的另一种方案，该模块内的各个单元首先对于序列执行分段累加操作， 也就是之前所述的统计光子计数序列X和调制序列Y首先分为累加区间内 的有效叠加区间内分别执行分段累加操作，完成之后再对两者执行相乘运 算，两种顺序所产生的运算结果可以不相同，此处并不限定，但是两者均 可以包含与被探测物距离、速度等等物理特征相关联的结果相关信息，信 号处理系统包括时频域转换、阈值检测和信息解算等，时频域转换实现对 累加计数序列S的频谱按照例如小波运算、分段FFT、FFT、chirp-Z运算、 DFT等等转化计算，阈值检测实现对累加计数序列S的频谱峰值特征的检 测，包含最高峰值信息、次高峰值信息或者关心区域内的峰值信息等等， 信息解算根据累加计数序列S的频谱信息得到目标相对距离、相对速度和 三维图像等信息。
图10也可以解释为实现本发明方案的又一种详细方案描述，结合图10 来进行阐述，激光源发射L次的脉冲序列输出，视场内被探测物的反射探 测激光再接收端形成返回光的光子统计结果X，其可以为L次的返回结果， 调制序列可以按照每次输出调制序列并与每次的返回光子统计序列执行乘 法运算获得调制的统计序列Z，最终执行分段累计结果从而获得最终的计数 序列S，此种方案也是本发明所进行保护的一种方案，执行步骤为先利用一 次脉冲序列得到Xd，
Xd＝{xdi|i＝1，2，...，M} (14)
与前述方案类似获得非连续的调制序列Y，然后让Xd与Y相乘得到Zd，
Zd＝{zdi|zdi＝xdi·yi，i＝1，2，...，M} (15)
然后对Zd进行分段累加得到Sd，类似于式13所示的分段累加方案，当 然此处也只是示意性地阐述图示的一种情况，实际实现不限于此种方式。 与之前不同在于该方案可能需要更大的计算量，在快速输出的要求下需要 采用更优化的方案来实现探测，此处并不限定。
综合来看，现有技术除上文所述非相干啁啾信号调幅连续波激光三维 成像技术(下文简称技术1)外，主要还包括非相干正弦/脉冲调幅激光三 维成像技术(itof，下文简称技术2)和脉冲光子计数激光三维成像技术(dtof， 下文简称技术3)，与上述技术相比，本发明有如下优点：
(1)相比技术1，本发明使用脉冲激光进行探测，避免了技术1在A/D 采样间隔内激光发射能量浪费的问题，因此大幅提高了能量利用率，减小 了激光平均发射功率；
(2)相比技术1，本发明在接收系统中，不再采用宽带放大器、混频 器和A/D等器件，避免了上述器件限制接收激光信号动态范围的问题，从 而使得本发明的接收系统具有更大的动态接收范围；
(3)相比技术1，本发明在接收系统中，使用数字化的啁啾信号作为 调制序列，使用数字乘法器实现序列相乘，减小了啁啾信号调频线性度和 调频平坦度对测距性能的影响；
(4)相比技术2，本发明由于采用啁啾信号进行相关接收，因此具有 距离分辨力，可有效避免多径效应影响；
(5)相比技术2，本发明由于采用相关接收、傅里叶分析、频谱检测 提高了抗光干扰能力，因此测距性能受光干扰影响更小，相同探测情况下 所需的激光能量更小；
(6)相比技术2，本发明不再采用A/D，具有更大的动态接收范围；
(7)相比技术3，本发明需要传输处理的是累加计数序列，而非光子 计数序列，因此大幅减少了数据传输量；
(8)相比技术3，本发明从频谱上提取目标距离信息，减小了脉冲形 状畸变对测距性能的影响；
(9)相比技术3，本发明由于采用相关接收、傅里叶分析、频谱检测 提高了抗光干扰能力，因此测距性能受光干扰影响更小。
本发明利用多次直接接收，形成距离-幅度谱(频域)，以频域过阈值检 测，频谱峰值来确定飞行时间，在具体实现中频谱幅度阈值可以自适应设 定；频谱峰值也可以被准确判定，方案整体上为数字框架结构类型，可以 通过较多的FFT点数以保证精度；在较大的运算量的前提下能够保证探测 的准精确性和精确性，曝光时间内以累积电荷形式引入，通过FFT和相关 接收(零均值的FMCW相关信号)从算法层面抑制了背景光干扰的问题， 在能量利用方面发射功率完全被接收，实现了最高效率的能量利用整个系 统和方法解决了现有的方案中所存在的一些方法本身问题，具有广泛的应 用前景和推广价值。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅 包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这 种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下， 由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、 物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于 本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请 的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似 项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对 其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不 用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和 变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (22)
1.一种激光雷达测距方法，其特征在于，包含驱动信号发生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路作用于激光源，所述激光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光序列；阵列型返回光接收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信号，并产生返回信号，处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部产生的驱动信号产生调制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测物的距离信息。
2.根据权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述阵列型返回光接收模块为由单光子雪崩二极管所组成的SPAD阵列模块。
3.根据权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述返回光信号为所述返回的脉冲光序列激发产生的光子计数序列。
4.根据权利要求3所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述驱动信号以L次(其中L为大于等于1的整数)驱动所述光源发射L次激光序列，所述接收模块接收所述L次激光序列的返回光，所述处理模块依据所述不大于所述L次返回光信号的统计结果产生统计的光子计数序列。
5.根据权利要求4所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计的光子计数序列。
6.根据权利要求4所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述调制信号为由所述驱动信号发生部所产生的驱动信号按照所述发射光脉冲序列类似规则生成的非连续型的调制序列。
7.根据权利要求6所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述单次发射的激光序列包含M个脉冲激光激发高值单元，或者脉冲序列在接收模块所激发的光子计数序列的计数单元数为M个。
8.根据权利要求6所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列按照相乘的运算得到运算计数序列。
9.根据权利要求8所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述预设规则还包含所述运算计数序列执行分段累加获得所述距离相关信号。
10.根据权利要求6所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列分别执行相同的分段累加获得中间值序列，所述两个中间值序列按照相乘的运算获得所述距离相关信号。
11.根据权利要求9或10所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述距离相关信号在所述处理模块中执行时频域转换运算获得距离相关的信号频谱，所述处理模块依据所述信号频谱的特征输出视场内被探测物的距离信息。
12.根据权利要求1所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述驱动信号发生部产生的驱动信号为啁啾信号。
13.根据权利要求11所述的激光雷达测距方法，其特征在于，所述距离相关信号在所述处理模块中执行的信号处理还包含阈值检测和信息解算等。
14.一种使用权利要求1的激光雷达测距方法进行距离探测的探测系统，其特征在于，包含驱动信号发生部，所述驱动信号发生部通过激光调制驱动电路作用于激光源，所述激光源接收所述驱动信号驱动发射出脉冲型探测激光序列；阵列型返回光接收模块，接收经由视场内被探测物反射的返回光信号，并产生返回信号，处理模块，所述处理模块依据所述驱动信号发生部产生的驱动信号产生调制信号，并与所述返回信号按照预设规则运算获得距离相关的信号，所述处理模块依照所述距离相关的信号输出最终被探测物的距离信息。
15.根据权利要求14所述的探测系统，其特征在于，所述阵列型返回光接收模块为由单光子雪崩二极管所组成的SPAD阵列模块。
16.根据权利要求14所述的探测系统，其特征在于，所述返回光信号为所述返回的脉冲光序列激发产生的光子计数序列。
17.根据权利要求16所述的探测系统，其特征在于，其特征在于，所述驱动信号以L次(其中L为大于等于1的整数)驱动所述光源发射L次激光序列，所述接收模块接收所述L次激光序列的返回光，所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计的光子计数序列。
18.根据权利要求17所述的探测系统，其特征在于，所述处理模块依据所述L次返回光信号的统计结果产生统计的光子计数序列。
19.根据权利要求17所述的探测系统，其特征在于，其特征在于，所述调制信号为由所述驱动信号发生部所产生的驱动信号按照所述发射光脉冲序列类似规则生成的非连续型的调制序列。
20.根据权利要求19所述的探测系统，其特征在于，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列按照相乘的运算得到运算计数序列。
21.根据权利要求20所述的探测系统，其特征在于，所述预设规则还包含所述运算计数序列执行分段累加获得所述距离相关信号。
22.根据权利要求19所述的探测系统，其特征在于，所述预设规则包含所述统计的光子计数序列与所述调制序列分别执行相同的分段累加获得中间值序列，所述两个中间值序列按照相乘的运算获得所述距离相关信号。
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