CN115616521A - 用于激光雷达的数据处理方法及激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于激光雷达的数据处理方法，包括S101：采用初始探测窗口进行k次探测扫描，获得k次探测扫描的结果，作为第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；S102：基于第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在初始探测窗口中的位置；S103：根据回波脉冲的位置调整探测窗口，使得调整后的探测窗口包括回波脉冲的位置，且小于初始探测窗口；S104：采用调整后的探测窗口进行n次探测扫描，获得n次探测扫描的结果，作为第二组探测数据，其中n为整数，n≥1；S105：基于第一组探测数据和第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。本发明的设计，只精细存储障碍物数据，压缩原始信号的同时还保存原始信号的波形，使用较低的存储空间并获得更高精度的测距能力。

Description

用于激光雷达的数据处理方法及激光雷达
技术领域
本公开涉及光电探测领域，尤其涉及一种用于激光雷达的数据处理方法以及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达是以发射激光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，是一种将激光技术与光电探测技术相结合的先进探测方式。激光雷达因其分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小及重量轻等优势，被广泛应用于自动驾驶、交通通讯、无人机、智能机器人、资源勘探等领域。
激光雷达通常包括多个探测通道，每个探测通道例如包括一个或者多个激光器和一个或者多个探测器，当一个激光器发射出探测激光束后，与之探测视场对应的探测器在预先设置的时间窗口内开启或者激活，处于能够探测回波的状态。为了能够确保完整地探测到回波，通常会将时间窗口设置的较大，例如根据激光雷达的最大探测距离来设置时间窗口。而在实际工作过程中，探测器仅仅在非常小的时间范围内接收到回波，该时间范围在时间窗口中所占比例很小，因此该时间窗口的大部分时间中，探测器并未接收到有效的回波，而是接收到环境噪声或者干扰信号。接收到的回波、环境噪声以及干扰信号都会通过信号处理电路进行采样和存储。因此现有的激光雷达存储和测距方法，需要容量极大的存储器，消耗极大的存储空间。特别是为了提高测远能力，为获得一帧点云，需要增大重复测量的次数，这样对存储空间的要求也不断增大。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种用于激光雷达的数据处理方法，所述数据处理方法包括：
S101：采用初始探测窗口进行k次探测扫描，获得所述k次探测扫描的结果，作为第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；
S102：基于所述第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置；
S103：根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得所述调整后的探测窗口包括所述回波脉冲的位置，且小于所述初始探测窗口；
S104：采用所述调整后的探测窗口进行n次探测扫描，获得所述n次探测扫描的结果，作为第二组探测数据，其中n为整数，n≥1；和
S105：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，或者基于所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个方面，其中所述第一组探测数据和所述第二组探测数据包括在探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，所述步骤S102还包括：
基于所述第一组探测数据生成第一直方图；和
在所述第一直方图上，将幅值的最大值所对应的时刻确定为所述回波脉冲的位置，或者将幅值超过预设阈值的时间范围确定为所述回波脉冲的位置。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S103还包括：以所述回波脉冲的位置为中心，调整所述探测窗口。
根据本发明的一个方面，其中所述初始探测窗口的范围与所述激光雷达的预设最大探测距离相关，所述步骤S104还包括：对于所述调整后的探测窗口的范围外的探测数据，不进行存储，或者在所述调整后的探测窗口范围外关闭接收单元，不进行探测。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S105包括：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率，并基于所述第二组探测数据，校准所述目标物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个方面，所述第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储，其中所述第一存储方式包括以第一时间精度按照所述时间信息的权重存储；所述第二存储方式包括按照所述激光雷达的时间分辨率存储；其中所述第一时间精度为所述时间分辨率的m倍，并且m>1。
根据本发明的一个方面，其中所述第一组探测数据按照所述第一存储方式存储，所述第二组探测数据按照所述第二存储方式存储。
根据本发明的一个方面，其中所述权重包括第一权重和第二权重，所述第一权重与所述时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第二权重与所述时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第一存储方式包括：以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
根据本发明的一个方面，其中所述k次探测扫描和n次探测扫描共同完成对三维环境中的一个点的一次探测，k＞n。
本发明还提供一种激光雷达，包括：
发射单元，配置为可向三维环境发射激光脉冲以进行多次探测扫描；
接收单元，配置为接收所述激光脉冲在目标物上反射后的回波脉冲，并将所述回波脉冲转换为电信号；
时间数字转换器，与所述发射单元和所述接收单元耦接，以确定探测数据；
存储器，与所述时间数字转换器耦接，配置为存储所述探测数据；
处理单元，与所述时间数字转换器和存储器耦接，并执行以下操作：
S201：对于前k次探测扫描，获得并存储初始探测窗口内的第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；
S202：基于所述第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置；
S203：根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得所述调整后的探测窗口包括所述回波脉冲的位置，且小于所述初始探测窗口；
S204：对于后n次探测扫描，获得并存储所述调整后的探测窗口内的第二组探测数据，其中n为正数，n≥1；和
S205：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，或者基于所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个方面，其中所述探测数据包括在每次探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，所述步骤S202还包括：
基于所述第一组探测数据生成第一直方图；和
在所述第一直方图上，将幅值的最大值所对应的时刻确定为所述回波脉冲的位置，或者将幅值超过预设阈值的时间范围确定为所述回波脉冲的位置。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S203包括：以所述回波脉冲的位置为中心，调整所述探测窗口。
根据本发明的一个方面，其中所述初始探测窗口的范围与所述激光雷达的预设最大探测距离相关，所述步骤S204还包括：对于所述调整后的探测窗口的范围外的探测数据，不进行存储，或者在所述调整后的探测窗口范围外关闭所述接收单元，不进行探测。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S205还包括：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率，并基于所述第二组探测数据，校准所述目标物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个方面，所述第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储，其中所述第一存储方式包括以第一时间精度按照所述时间信息的权重存储；所述第二存储方式包括按照所述激光雷达的时间分辨率存储；其中所述第一时间精度为所述时间分辨率的m倍，并且m>1。
根据本发明的一个方面，其中所述第一组探测数据按照所述第一存储方式存储，所述第二组探测数据按照所述第二存储方式存储。
根据本发明的一个方面，其中所述权重包括第一权重和第二权重，所述第一权重与所述时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第二权重与所述时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第一存储方式包括：以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
根据本发明的一个方面，其中所述接收单元包括单光子雪崩二极管阵列，所述探测数据包括在所述单光子雪崩二极管阵列被光子激发的时间和被激发的单光子雪崩二极管的数量。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质,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数据处理方法。
本发明的技术方案，通过只精细存储有障碍物的数据，在压缩原始信号的同时，可以保存下原始信号的脉冲波形，从而在相对较低的存储空间的基础上，可以获得更高精度的测距能力。
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示出了激光雷达多次探测扫描过程中单光子雪崩二极管的触发示意图；
图2示出了激光雷达多次探测扫描叠加后形成的直方图；
图3示出了本发明一个实施例的数据处理方法流程图；
图4示出了本发明一个实施例的激光雷达的探测模块；
图5示出了根据现有技术的数据存储方法示意图；
图6和图7示出了本发明一个优选实施例的存储方式的示意图；
图8示出了本发明一个实施例的存储效果示意图；
图9示出了本发明一个实施例的数据处理方法的示意图；
图10示出了本发明一个实施例的激光雷达模块图；
图11示出了本发明一个实施例的数据处理方法流程图。
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。
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)是工作在盖格模式状态下，可以进行单光子探测的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)。光子探测的具体过程如下：给雪崩光电二极管加上一定的反向偏压Vbias，携带能量的光子射入P-N结，会把能量传递给共价键上的电子，使电子挣脱共价键形成电子-空穴对，也称为光生载流子。若反向偏压Vbias足够大，耗尽层的光生载流子就能获得足够高的动能，进而在与晶格碰撞时就能够使共价键断裂产生更多的电子-空穴对，该过程也称为碰撞电离。新的载流子又会不断产生新的碰撞电离，形成连锁效应，造成载流子的雪崩倍增效应，进而得到一个大到可被检测的如mA级的脉冲电流，从而实现单个光子的探测。光子探测效率(PhotonDetection Efficiency，PDE)是SPAD的重要参数，表征了光子进入SPAD后能够激发雪崩并被检测到的平均概率，可以采用如下公式1表示：
PDE＝εgeo*QE*εtrigger (公式1)
其中，εgeo表征几何填充因子，QE表征量子效率，即生成电子-空穴对的概率，εtrigger表征电子-空穴对进一步激发雪崩的概率。
同时，PDE也代表着SPAD探测单光子信号的能力，可以表示为：被探测到的光子数/入射总光子数。
在激光雷达的探测过程中，如果以单光子雪崩二极管SPAD(s)构成的探测器阵列为例，因为SPAD工作于盖格模式，可被单个光子触发雪崩效应，因此容易受到环境光噪声的影响；另一方面，SPAD(s)对于激光雷达常用探测光波段的光子探测效率PDE较低，单次探测获得的信号强度相对较弱。
为了提高信噪比，对于采用SPADs阵列的测距装置，通常采用时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated single photon counting)进行测距，测量光子时间信息的基本思想是将光子看作一个随机事件，对光子重复进行多个周期的测量后进行统计。
如图1所示，对于任意一个点，一次探测(获得点云中一个点的距离及反射率等数据信息)过程中，可能在探测时间窗口(SPAD仅在预设的时间窗口内处于工作模式，即能够被光子触发雪崩效应的状态，该时间窗口称为“探测时间窗口”)内只发生了几次触发(图1中为两次触发)，并且无法区分是被目标物反射的回波信号触发还是被环境光噪声触发。为了提高激光雷达的测远性能及信噪比，如图1所示，激光雷达在对同一视场范围的任意一个目标物点进行的一次探测(或测量)过程中，可以进行多次重复探测扫描(sweep，重复次数可达400-500次，也可以更多次或更少次)，多次探测扫描(sweep)的结果累积得到一个直方图，并根据对该直方图进行进一步的计算和处理，来测得距离，进而获得激光雷达点云上的一个点的距离及反射率信息。
对于每一次探测扫描而言，激光雷达的控制器在发射时刻t1触发控制发射端的光源发出用以探测的光脉冲以及记录该发射时刻t1，该光脉冲遇到外界的障碍物，被障碍物所反射且回到激光雷达，被接收端的光电探测器于时刻t2所接收。当光电探测器为SPAD(s)阵列时，环境光也可能造成SPAD被触发雪崩。一旦SPAD接收到光子，产生雪崩电信号，传输至时间数字转换器TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号以及同一时刻t2被触发的SPAD的数量信号(这是当1个像素包括多个SPADs时会存在的情况，如果1个像素只有1个SPAD,则没有这个数量信号，而只有触发与不触发两种状态)，后续的存储器存储SPAD的触发时间t2减去发射时刻t1获得的时间戳timestamp(相关于图1和2横轴表示的时间信息)和该时间戳timestamp下的触发数量(以下简称cnt)信号。
将每次探测扫描得到的触发数量cnt根据时间戳timestamp存入相应的存储器位置中，当某个时间戳timestamp对应位置处有新的触发数量cnt到达时，将原来存储的值与新的触发数量cnt累加然后更新到该位置，多次探测扫描叠加后存储器内保存的数据即构成了一个直方图，如图2所示，直方图反映了多次探测扫描统计体现出来的在时间轴上不同时间戳timestamp对应的触发数量cnt总和，这样使用直方图计算重心等操作获得回波脉冲对应的飞行时间，然后获得测距结果。
因此根据上述实施例，在激光雷达对于一个视场范围内的每一个点的一次距离或者反射率信息的测量中，激光雷达实际上执行了多次探测扫描(多个发射-接收的循环)，扫描的数量可从数十次到数百次，在一时间段内对一个视场范围内任意一个点进行多次扫描，将多次扫描中探测器于相同时间信息接收到的强度信息的曲线叠加作为所述强度信息-时间信息曲线。例如如图1所示，在第1次、第2次、…、第i次扫描中，每次扫描仅接收到数量极为有限的回波或者光子，但是将i次扫描的探测结果叠加之后，获得该视场范围一次飞行时间测量的光子数直方图，如图2所示，其中横坐标的刻度为时间信息，时间轴上的刻度宽度通常等于激光雷达中的时间数字转换器的分辨率，也就是激光雷达的探测时间的分辨率。
本发明的上下文中，区分“测量”(或“探测”)与“探测扫描”(或“扫描”)。具体而言，一次“测量”是对应于在激光雷达的一个探测周期内(即生成一帧点云的周期内)内对某一视场范围进行飞行时间测量从而生成一帧点云图中的一个或者多个(一列或者多列或者一块)“点”，所有视场范围的测量均完成后得到一帧完整的点云；而“探测扫描”是指在一次测量过程中，一个探测通道内的激光器完成一次发射、探测器完成相应的接收的过程。一次“测量”可包括一次“探测扫描”，也可以包括对同一目标点的多次“探测扫描”，例如数百次。
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。
本发明涉及一种用于激光雷达的数据处理方法，如图3所示，所述数据处理方法100包括：
在步骤S101，采用初始探测窗口进行k次探测扫描(sweep)，获得k次探测扫描的结果，作为第一组探测数据，其中k为整数，k≥1。
图4示出了根据本发明一个实施例的探测模块22，可用于激光雷达。探测模块22包括多个探测单元221-1、221-2……221-n。每个探测单元(对应1个像素)包括多个(比如图示的9个，也可以为3个、4个、……，具体可以包括p个，p为≥1的正整数)SPAD(s)，每个探测单元的SPAD(s)的输出端连接到TDC，每个探测单元的探测窗口(即SPAD能够感测入射光子的时间段)的范围独立可调，即可以独立地控制每个探测单元处于激活状态(SPAD处于盖革模式下，即在SPAD上施加大于击穿电压的反向偏压，使得SPAD在接收到光子时能够触发雪崩效应)或者去激活状态(无法被光子触发雪崩的状态)。
光子入射到探测单元221-1、221-2、……以及221-n上之后，触发SPAD并产生电信号。每个探测单元耦接到TDC，TDC可以确定光子的到达时间。TDC连接的数据处理装置(图5中未示出)可以获取或者提供探测激光束发射时间，因此TDC可以确定光子到达时间与探测激光束发射时间之间的时间差，作为时间信息，并存储在存储器中。
以图4所示的探测单元22为例，在k次探测扫描过程中获得的第一组探测数据包括在每次探测扫描中获得的时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，其中所述时间信息为探测单元中一个或多个SPAD的触发时刻timestamp，即从激光器发射的时间与SPAD被触发的时间之间的时间差，所述强度信息为在该触发时间被触发的SPAD的数量，即通过被触发的SPAD的数量来表征光信号的强度。所述第一组探测数据例如图1所示的，其中对于每一次探测扫描，都可以获知SPAD的触发时刻以及每次触发的SPAD数量。
初始探测窗口的范围例如与激光雷达的预设最远探测距离相关，例如可以设置为等于或略微小于与最远探测距离相对应的时间，或者与存储器的容量相关。根据本发明的一个实施例，具有光子触发的触发时刻的范围可认为是初始探测窗口，如图2中的初始探测窗口Win-Ori所示。
本发明中，每一次测量例如包括k+n次探测扫描。k+n的选值将影响最后的探测结果，例如，在一定范围内，k+n的选值越大，探测结果的精度会更高，但需要的计算量和存储空间也更大。
图5的实施例中，以SPAD为例对时间信息和强度信息进行了说明，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，也可以采用其他类型的光电探测器，包括但不限于雪崩光电二极管APD、硅光电倍增管SiPM等。对于不同的光电探测器，可用不同的参数表征强度信息。例如光电探测器为SPAD阵列，可采用对应时间信息的同时触发的SPAD数量作为强度信息；若光电探测器为SiPM，可采用对应时间信息的输出电平/电流强度表示光信号强度信息。
在步骤S102，基于第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在初始探测窗口中的位置。
具体地，按照图1所示的方式，进行了k次探测扫描之后获得第一组探测数据，基于第一组探测数据生成第一直方图，如图2所示，根据第一直方图可以大致确定回波脉冲到达的时刻，并与环境光的触发时刻区分开。
根据本发明的一个实施例，在第一直方图上，将幅值或者触发数量的最大值所对应的时刻，确定为回波脉冲到达时刻在初始探测窗口中的位置。或者，将幅值或者触发数量超过预设阈值(如图2中虚线所示)的时间范围，确定为回波脉冲到达时刻在初始探测窗口中的位置，如图2中的窗口Win-Mod所示。在本发明中，步骤S102确定的回波脉冲的位置也可以称为“粗略位置”。这是因为本次测量只进行了前k次探测扫描，尚未结束，根据前k次探测扫描的探测结果确定了回波脉冲的粗略位置。
在步骤S103，根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得调整后的探测窗口包括回波脉冲的位置，且小于初始探测窗口。
在步骤S102确定了回波脉冲的粗略位置之后，在本次测量的接下来的扫描过程中，回波脉冲通常也会位于该粗略位置处或者附近。因此在步骤S103，可以根据该粗略位置来调整探测窗口，从而在接下来的扫描过程中无需在初始探测窗口的整个范围上进行接收和数据处理，而是可以仅仅在调整后的较小的探测窗口内进行接收和数据处理。在调整探测窗口时，需要确保回波脉冲的该粗略位置位于调整后的探测窗口内，同时可以使得调整后的探测窗口小于初始的探测窗口。
在步骤S102确定的回波脉冲的位置可能为一个具体的触发时刻，也可能为一个时间范围。当回波脉冲位置为一个或多个触发时刻时，可以以每个触发时刻为中心，叠加一个预设窗口，亦即，将触发时刻前后的一段时间作为调整后的探测窗口。
优选地，也可以不以触发时刻为中心，只要叠加的预设窗口包含该触发时刻即可。当回波脉冲位置为一个或多个时间范围时，可以以该时间范围作为调整后的探测窗口。或者可替换的，可以以每个时间范围为中心，叠加一个预设窗口，亦即，将时间范围及其前后一段时间作为调整后的探测窗口。或者也可以不以触发时刻为中心，只要叠加的预设窗口包含该时间范围即可。根据本发明的一个实施例，当回波脉冲位置为一个或多个时间范围时，可以将该时间范围分别向左和向右展宽一定比例，例如10％或20％，作为调整后的探测窗口。
在步骤S104，采用调整后的探测窗口进行n次探测扫描，获得n次探测扫描的结果，作为第二组探测数据，其中n为整数，n≥1。
在步骤S103中调整了探测窗口之后，对于本次测量剩余的n次探测扫描，将采用调整后的探测窗口进行测量，获得第二组探测数据。所述第二组探测数据例如包括在每次探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息。
根据本发明的一个优选实施例，k次探测扫描和n次探测扫描共同完成对三维环境中的一个点的一次测量。换句话说，为完成一次测量，需要先进行k次探测扫描并存储为第一组探测数据，再进行n次探测扫描并存储为第二组探测数据。优选地，k＞n，以提高测距精度，亦即，相对于k≤n，可提高测距的精度。
根据本发明的一个优选实施例，在n次探测扫描中，对于调整后的探测窗口的范围外的探测数据，可以采取一定措施，例如，对超出调整后的探测窗口范围的数据不进行存储，以减少计算量和存储空间。因为在确定回波脉冲的粗略位置并调整探测窗口后，相当于将探测窗口范围之外的探测数据当做环境噪声或干扰信号，对这些数据不进行存储，可以提高探测效率及信噪比。又或者，在调整后的探测窗口范围外关闭接收单元(例如光电探测器或TDC等)，不进行探测，以降低系统功耗。
在步骤S105，基于第一组探测数据和第二组探测数据，或者基于第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
具体地，基于第一组探测数据和第二组探测数据，生成与图2类似的第二直方图，从而根据第二直方图可以计算回波脉冲的飞行时间，然后确定目标物的距离，还可以确定目标物的反射率。或者可替换的，也可以仅基于第二组探测数据产生的直方图来计算回波脉冲的飞行时间，然后确定目标物的距离。
根据本发明的一个优选实施例，基于第一组探测数据和第二组探测数据确定目标物的距离和反射率，然后基于第二组探测数据对目标物的距离和反射率进行校准。通过对两组探测数据的组合应用，以获取目标物的更精确的信息。例如，基于第一组探测数据确定目标物的粗略位置，再基于第二组数据进行校准，以得到更加精确的位置。
又例如，综合两组探测数据，得到目标物的精确位置。再例如，综合两组探测数据，得到目标物的粗略位置，再基于第二组数据进行校准。本领域技术人员可以理解，将一次探测分为两组或多组探测扫描，采用靠前扫描的数据指导或者调整靠后的探测扫描的参数，进而得到两组或多组探测数据，然后根据两组或多组探测数据确定目标物的距离，这些都在本发明的保护范围内。
上面描述的实施例中，每一次测量例如包括k+n次探测扫描，将k+n次探测扫描分为两组，前k次探测扫描和后n次探测扫描，其中通过前k次探测扫描能够获得回波脉冲的粗略位置，然后使用该粗略位置来指导后n次探测扫描，具体的，根据该粗略位置调整后n次探测扫描的探测窗口，使得后n次探测扫描的过程中，无需在整个初始探测窗口上都进行信号接收以及输出处理，而是仅需要在调整后的探测窗口上接收信号和/或数据处理，因此能够节约激光雷达的功耗、存储量以及数据处理量。
在一些激光雷达的时间数字转换器TDC中，在其时间分辨率的每个时间刻度都需要有一个对应的存储位置，多次探测扫描获得的所有的触发的SPAD个数cnt均存储在与时刻相对应的存储位置内，而TDC的时间分辨率能够达到皮秒ps的量级，因此需要非常大空间的寄存器。
图5示出了根据现有技术数据存储方法，其中对于每一个触发时刻timestamp，都设置了一个存储器，如其中的存储器R1、R2、…、R16所示的。下面参考图4和图5详细描述该存储方案。
图4示出本发明一个实施例的激光雷达的探测模块，探测模块22包括多个探测单元，在图4中示为探测单元221-1、221-2以及221-n。每个探测单元包括多个(比如图示的9个，也可以为3个、4个、……，具体可以包括p个，p为≥1的正整数)单光子雪崩二极管SPAD，每个探测单元的单光子雪崩二极管的输出端连接到时间数字转换器(time to digitalconverter,TDC)，每个探测单元的探测窗口(即SPAD能够感测入射光子的时间段)的范围独立可调，即可以独立地控制每个探测单元处于激活状态(SPAD处于盖革模式下，即在SPAD上施加大于击穿电压的反向偏压，使得SPAD在接收到光子时能够触发雪崩效应)或者去激活状态(无法被光子触发雪崩的状态)。光子入射到探测单元221-1、221-2以及221-n上之后，触发单光子雪崩二极管SPAD并产生电信号。
每个探测单元耦接到时间数字转换器TDC，时间数字转换器TDC可以确定光子的到达时间。TDC连接的数据处理装置(图未示)可以获取探测光发射时间，确定光子到达时间与探测光发射时间的时间差，并将结果存储在存储器中。
以图4所示的探测模块22为例，多个SPAD的输出端连接到同一TDC，作为一个宏像素(pixel)，时间信息为宏像素中一个或多个单光子雪崩二极管SPAD被触发的时间，强度信息为在该触发时间被触发的单光子雪崩二极管SPAD的数量，即通过被触发的单光子雪崩二极管SPAD的数量来表征光信号的强度。
图4的实施例中，以单光子雪崩二极管SPAD为例进行了说明，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，也可以采用其他类型的光电探测器，包括但不限于雪崩光电二极管APD、硅光电倍增管SiPM等。
通过图4所示的探测模块22，对于一次探测扫描而言，激光雷达的控制器通过给SPAD供应高压的方式来选通部分(一行或一列或任意感兴趣的形状)宏像素，然后发送同步信号通知发射端的激光器可以发光，发射端的激光器于时刻ta(a表示第a次探测扫描)发出用以探测的光脉冲，该光脉冲遇到外界的障碍物，被障碍物所反射且回到激光雷达，可被接收端的光电探测器所接收。
当光电探测器为SPAD(S)阵列时，一旦SPAD接收到光子，产生雪崩电信号，传输至TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号t1a以及同一时刻被触发的SPAD的数量信号cnt1a(此处1a即表示第a次探测扫描的第1次触发)，经过相减程序计算t1a-ta的触发时刻timestamp1a(以下简称tp1a)，将tp1a和该触发时刻的触发数量cnt1a信号传输并存储在存储器中。一个宏像素内包括多个SPAD，且SPAD在死时间之后可以再次探测，所以在一次探测扫描中，可能在另一时刻又发生了SPAD触发，存储器存储这一次触发的tp2a和cnt2a(2a即表示第a次探测扫描的第2次触发)。一次探测扫描中的多次触发均需要按时间信息进行存储。
在下一次探测扫描b，激光雷达的控制器按照预设程序，再次发送信号控制发射端于tb时刻发出探测光脉冲。一旦SPAD接收到光子，雪崩电信号传输至TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号t1b以及同一时刻被触发的SPAD的数量信号cnt1b(第b次探测的第1次触发)，后续的存储器存储SPAD触发时间t1b-tb的触发时刻timestamp1b(以下简称tp1b)和该触发时刻的触发数量cnt1b信号。一个宏像素内包括多个SPAD，且SPAD在死时间之后可以再次探测，所以在一次探测扫描中，可能在另一时刻又发生了SPAD触发，存储器存储这一次触发的tp2b和cnt2b。
几百次探测扫描中，将每次探测扫描得到的触发数量cnt根据触发时刻timestamp存入相应的存储器位置中，当同样触发时刻timestamp对应位置处有新的触发数量cnt到达时，将原来存储的值与新的触发数量cnt累加然后更新到该位置，n次探测扫描叠加后存储器内即保存了一个直方图，如图2所示，直方图反映了时间轴上不同触发时刻timestamp对应的触发数量cnt总和，这样使用直方图计算重心或前沿时间等操作获得回波对应的时间信息，作为用于距离计算的飞行时间，生成点云上的一个点。
图5的数据存储方法中，横坐标为时间t，横坐标的刻度间隔为TDC的时间分辨率，每一时间刻度对应一个存储位置R(寄存器)。比如某一次探测扫描a，在时间刻度0发生SPAD触发，根据发射时间和TDC传输的触发时间计算获得触发时刻tp1(触发时间-本次发射时间)和触发数量信息cnt1a，将cnt1a存储在tp1时刻对应的存储位置R1；在时间刻度4如果发生了SPAD触发，获得时间信息tp5和cnt5a，将cn5a存储在tp5对应的存储位置R5。在另一次探测扫描b，在时间刻度4也发生了SPAD触发，获得时间信息tp5和cnt5b，cnt5b也对应存储位置R5，此时将cnt5a读出，再将cnt5b与cnt5a相加的值更新到R5。a表示第a次探测扫描，b即第b次探测扫描，数字表示对应的时间刻度和相应的存储位置；存储位置R与时间刻度一一对应，存储器只存储触发数量cnt，数据处理电路读取数据时根据存储位置即可获知触发数量cnt对应的时间。
参考图2和图5可知，一个直方图由很多次探测扫描(400-500次)的数据累加获得，在几百次探测扫描的结果叠加成一个直方图，获得点云中一个点的过程中，某一时间刻度对应的存储位置存储的是该时刻发生触发的所有触发数量cnt累加的和。虽然一次探测扫描中并不会在每个时间刻度处都发生SPAD触发，但如图1所示，一个直方图数据是由很多次探测结果叠加的，每一个时间刻度处都有可能在某一次探测扫描过程中发生SPAD触发，使存储器收到对应的数据。因此，对于一个TDC，每个时间刻度都需要有一个对应的存储位置，多次探测扫描获得的所有的触发数量cnt均存储在与时刻相对应的存储位置内，tp的时间间隔、即TDC的分辨率达到ps量级，需要非常大空间的寄存器。
采用这样的存储和测距方法，由于触发时刻timestamp的精度单位为ps量级，需要较长tof探测时，存储一个完整的直方图需要消耗极大的存储器，消耗极大的存储空间。特别是为了提高测远能力，需要增大探测的时长和重复探测扫描次数，对存储空间的要求也不断增大。
根据本申请的一个实施例，使用“加权累加”的数据存储方法，在保留测距精度的情况下对原始信号做压缩，极大的减少存储直方图所需的存储空间。在确定了目标物的大致范围后，通过开窗测量可以在保持观测到目标物的基础上降低生成直方图所需的计算量，从而降低系统功耗。
图6中，横坐标为飞行时间，横坐标的时间刻度的间隔例如为激光雷达的时间分辨率，例如TDC的时间分辨率，可达到皮秒ps的量级。如图6所示，在激光雷达的时间分辨率的基础上设置了第一时间刻度，如图6中的A和A+1所示，相邻的两个第一时间刻度之间跨过16个激光雷达的时间分辨率的间隔。当在时刻x处探测到光子时(例如图4所示的接收单元22中的一个探测单元中一个或多个SPAD被触发)，按照所述时刻x的权重来存储探测到的强度值。时刻x表示该时刻与其左侧相邻的第一时间刻度A的时间间隔为x倍的时间分辨率。
本领域技术人员容易理解，由于激光雷达的时间分辨率较小，第一时间刻度的间隔较大，因此对应于激光雷达时间分辨率的时间刻度也可称为“细刻度”，第一时间刻度也可称为“粗刻度”。
如图6所示，所述时刻x的权重包括第一权重和第二权重，第一权重与所述时刻x和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，第二权重与所述时刻x与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联。确定了第一权重和第二权重之后，以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一权重与所述时刻x和其左侧相邻的第一时间刻度A之间的时间间隔相关联，第一权重例如为(16-x)，所述第二权重为所述时刻x和其右侧相邻的第一时间刻度A+1之间的时间间隔相关联，第二权重例如为x。因此，将时刻x用其在相邻的两个粗刻度(A,A+1)处的权重来替代表示，其中x在粗刻度A处的权重为(16-x)，在粗刻度A+1的权重为x(x表征该时刻距离A的距离)，以此来等效该时刻x的细刻度。换言之，通过将x作为权重，将细刻度处的数据存储到相邻两个粗刻度对应地址上，来表示刻度x的数值，而非存储刻度x本身。这个过程用等式表示如下：
A*(16-x)+(A+1)*x＝A*16+x (公式2)
公式2中，等号左边为按照粗刻度存储、粗刻度起始值和结束值施加权重的和，等号右边为触发时刻的具体值。用粗刻度+权重的存储方法能够表征触发时刻的具体值。
类似的，当触发得到的信号除了触发时刻还包括表示触发的数目或者强度等信息的触发数量cnt时，粗刻度A上新增的强度信息为cnt*(16-x)，粗刻度A+1上新增的强度信息为cnt*x，在多次扫描中分别进行累加即可。参考图7进行详细描述。细刻度表示时间数字转换器TDC时间分辨率。对于某个触发时刻timestamp，其粗刻度的起始值为A，其细刻度在其粗刻度中对应的0-15细标尺x刻度处。
参考图7，为每一个粗刻度分配了一个寄存器，横坐标的粗刻度间隔为16倍的TDC分辨率，每一粗刻度对应一个寄存器。在某一次探测扫描a过程中，在时间刻度0处发生了SPAD触发，获得时间信息tp1(对应的x1a＝0)和触发数量信息cnt1a，分别在粗刻度A对应的寄存器A存储cnt1a*(16-x1a)，在粗刻度A+1对应的寄存器A+1存储cnt1a*x1a；在另一时间刻度5，获得时间信息tp6(对应的x6a＝5)和触发数量信息cnt6a，将在粗刻度A对应的寄存器A内存储的数据读出，加上cnt6a*(16-x6a)后再存储在寄存器A；将粗刻度A+1对应的寄存器A+1的数据读出，加上cnt6a*x6a后重新存储在寄存器A+1。一个粗刻度时间(细刻度0～15)内，所有的触发数量信息cnt均施加权重，与原有数据求和后存储在存储位置A和A+1对应的寄存器内。下一个粗刻度时间内的触发数量信息cnt施加权重后存储在粗刻度A+1和A+2对应的寄存器中，例如时刻2′处发生了SPAD触发，获得时间信息tp3′和cnt3a′，则在粗刻度A+1对应的寄存器A+1内存储的数据加上cnt3a’*(16-x3a′)，在粗刻度A+2对应的寄存器A+2内存储cnt3a′*x3a′。
下一次探测扫描b的过程中，收到的信号tp2和cnt2b，分别在粗刻度A和A+1分配权重cnt2b*(16-x2b)和cnt2b*x2b，分别与原存储数据求和后存储在粗刻度A和A+1对应的寄存器中。一个直方图由很多次扫描的数据累加获得，若干次扫描中，在时刻0～15对应发生触发的所有触发数量cnt均在粗刻度A和A+1对应的寄存器中进行存储。
粗刻度与细刻度的对比关系如图8所示，相对于每个细刻度处都需要一个寄存器进行数据存储的方案，本发明的实施例采用了加权累加存储方法，只需要在图8中0～n+1的粗刻度对应设置寄存器，所需要的寄存器数量缩减到原来的1/16，虽然每个寄存器存储的位宽增大，占用的空间变大，但因为需要分配的存储位置大大减少，加权累加的数据存储方法可将总的存储空间减小到原来的1/10范围。
图6-8的实施例中，相邻的第一时间刻度(粗刻度)的时间间隔为雷达探测数据时间分辨率(细刻度)的16倍，即使用16为权重进行数据压缩。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，这里权重可以是任何较大的正整数，优选为2m，m为正整数，从而便于在FPGA或者ASIC中实现。
上述实施例中，所述第一权重为(16-x)，所述第二权重为x，本发明不限于此，所述第一权重可以为x，所述第二权重为(16-x)，或者所述第一权重可以为1-(x/n)，所述第二预设权重为x/n，只要第一权重与所述时刻x和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联、第二权重与所述时刻x与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联即可。
图5-8所示的存储方法可以应用于上述数据处理方法100中第一组探测数据和第二组探测数据的存储。
根据本发明的一个优选实施例，第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储。具体地，第一存储方式包括以第一时间精度(即图6中粗刻度对应的精度)按照时间信息的权重存储，第一时间精度可选为激光雷达的时间分辨率的倍数，例如m倍，并且m为大于1的整数。在一定范围内，m的取值越小，探测结果的精度越高，需要的计算量和存储空间也越大。第二存储方式包括按照激光雷达的时间分辨率存储(即图5中的细刻度)。激光雷达的时间分辨率，亦即TDC的时间分辨率，是TDC工作时可以识别的最小时间间隔。换句话说，将待测量的一段时间用时间间隔较小的参考信号来表示，参考信号的时间间隔即为测量精度，其值越小，TDC的时间分辨率就越高。
因为第一存储方式以第一时间精度存储，第二存储方式以第二时间精度存储，第一时间精度要低于第二时间精度，所以第一存储方式相对于第二存储方式使用更少的存储空间。
根据本发明的一个优选实施例，第一组探测数据按照第一存储方式存储，第二组探测数据按照第二存储方式存储。因为第一存储方式相对于第二存储方式使用更少的存储空间，所以第一组探测数据的数据量更少，计算量更少，基于第一组探测数据得到的目标物的位置也较为粗略。
根据本发明的一个优选实施例，第一存储方式还涉及权重，所述权重包括第一权重和第二权重，第一权重与时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，第二权重与时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联。
图9示出了本发明一个实施例的数据处理方法的示意图，其中(a)图的坐标系的横轴是时间，每个时间刻度的间隔是T，纵轴是触发的SPAD数量(对应强度信息)，所示的波形对应k＝300时，即前300次探测扫描叠加后形成的直方图；(b)图的坐标系的横轴也是时间，每个时间刻度的间隔是T'，纵轴是SPAD的触发数量，所示的波形对应n＝100时，即后100次探测扫描叠加后形成的直方图。(a)图坐标系的1个刻度可以包括(b)图坐标系的16个刻度，这是因为一个高精度触发时刻tp的值，其二进制表示占用较多的比特位宽，而(a)图对其作了压缩，存储的单位时间为(b)图的16倍。图中按照4bit位宽进行存储来示意，实际位宽可根据系统要求替换为其他任意值。
4bit位宽的粗刻度包括16个细刻度，可参考图8示出的粗刻度和细刻度的对比关系。纵轴上，对(a)图而言，其为使用加权累加的数据存储方式压缩后得到的直方图，对(b)图而言，是所有SPAD触发数量累加和，生成的原始数据的直方图。(a)图是将(b)图中的16个细刻度攒成1个粗刻度，然后在第A至第A+1的粗刻度上的第x个细刻度上到达的光子的触发时刻以及SPAD触发数量采用了不同(加权累加)的存储方式。
具体地，在进行前300次探测扫描时，存储器均按照加权累加的方法存储第一组探测数据，探测数据包括触发时刻tp和触发数量cnt，例如，1个探测单元对应有9个SPADs，则cnt∈(0，9)，也就是最多一共是9个SPAD均被激发，最少是无SPAD被激发。在300次扫描后，读取存储器内的数据，可以获取一个初步的直方图，如图9中(a)图所示，这个直方图的时间分辨率较低，是0.8ns。然后根据初步的直方图，可以获得可能的回波脉冲的粗位置。对纵坐标，可以设定某一阈值，超过该阈值的对应横坐标的时间范围，确定为回波脉冲对应粗略位置。或者，不设置阈值，而直接使用最大的值作为可能的回波脉冲的粗略位置。
在获取回波脉冲的粗略位置后，调整后续探测扫描的探测窗口，在调整后的探测窗口内，按照图5所示的方式将探测信息累加并存储。
具体地，参考图9，如图(a)所述的，根据前300次探测扫描的结果，可以确定回波的粗略位置的坐标在100-103之间，具体的时间在100×0.8ns-103×0.8ns内，因此在后100次探测扫描中，会在100×0.8ns-103×0.8ns范围内，进行开窗(zoom in)，对于在这个时间范围内的数据(根据触发时刻tp判断是否在窗口范围内)，可以按照图5所示的方式以相对更精细的时间刻度存储数据，即累加其cnt值保存下来生成原始信号的直方图，具体参考图5，横坐标为时间t，横坐标的刻度间隔为TDC的时间分辨率，每一时间刻度对应一个存储位置R(寄存器)。比如某一次探测，在时刻0发生SPAD触发，TDC传输时间信息tp1和触发数量信息cnt1，将cnt1存储在tp1时刻对应的存储位置R1；在时刻15如果发生了SPAD触发，TDC传输时间信息tp16和cnt16，将cnt16存储在tp16对应的存储位置R16。一个直方图(对应点云中的一个点)由100次探测扫描的数据累加获得，在100次探测扫描中，时刻0发生触发的所有cnt的和会被存储在R1，对于一个TDC，每个时间刻度都需要有一个对应的存储位置，100次探测扫描获得的所有的cnt信息均存储在与时刻相对应的存储位置内。
然后将前300次探测扫描获得的加权累加的直方图与后100次探测扫描获得的直方图累加，采用质心法或前沿法，确定飞行时间tof、目标物距离以及目标物反射率等信息。然后优选地利用后100次探测扫描中，存储的原始脉冲信号的一小段直方图，对飞行时间tof、目标物距离以及目标物反射率等信息进行校准。
图9的实施例，是对前300次探测扫描的数据进行加权累加存储，确定目标物的粗略位置信息，然后在调整后的探测窗口内，对后100次探测扫描的数据进行精细存储，再对目标物信息进行校准。也可以有其他变形实施例，例如对前300次探测扫描的数据进行加权累加存储，确定目标物的粗位置，然后在调整后的探测窗口内，对后100次探测扫描的数据进行精细存储，确定目标物的信息。又或者，对400次探测扫描的数据进行加权累加存储，确定目标物的粗略信息，在其中的后100次探测扫描的数据同时进行精细存储，最后对目标物的粗略信息进行校准。本领域技术人员可以理解，将一次探测分成两组或多组探测扫描，然后对不同组采用不同的存储方式，这些都在本发明的保护范围内。
综上所述，通过本发明设计的加权累加的数据存储方法，在保留测距精度的情况下对原始信号做压缩，极大的减少存储直方图所需的存储空间。并且通过开窗限制进入后续处理的触发时刻，可以减少不必要的计算量，降低系统的功耗。更进一步地，加权累加在FPGA实现或者IC实现中计算量由触发数目决定，故而在确定了目标物大致范围的后续测量中开窗测量可以在保持观测到目标物的基础上降低生成直方图所需的运算，进而降低系统功耗。
本发明还提供一种激光雷达，如图10所示，激光雷达10包括：
发射单元11，配置为可向三维环境发射激光脉冲以进行多次探测扫描；
接收单元12，配置为接收所述激光脉冲在目标物上反射后的回波脉冲，并将所述回波脉冲转换为电信号；
时间数字转换器13，与所述发射单元11和所述接收单元12耦接，以确定探测数据；
存储器14，与所述时间数字转换器13耦接，配置为存储所述探测数据；
处理单元15，与所述时间数字转换器13和存储器14耦接，按照如图11所示的流程图，执行方法200如下：
在步骤S201对于前k次探测扫描，获得并存储初始探测窗口内的第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；
在步骤S202基于所述第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置；
在步骤S203根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得所述调整后的探测窗口包括所述回波脉冲的位置，且小于所述初始探测窗口；
在步骤S204对于后n次探测扫描，获得并存储所述调整后的探测窗口内的第二组探测数据，其中n为正数，n≥1；和
在步骤S205基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个实施例，其中所述探测数据包括在每次探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，所述步骤S202还包括：
基于所述第一组探测数据生成第一直方图；和
在所述第一直方图上，将幅值的最大值所对应的时刻或者将幅值超过预设阈值的时间范围，确定为所述回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置。
根据本发明的一个实施例，其中所述步骤S203还包括：以所述回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置为中心，调整所述探测窗口。
根据本发明的一个实施例，其中所述初始探测窗口的范围与所述激光雷达10的预设最大探测距离相关，所述步骤S204还包括：对于所述调整后的探测窗口的范围外的探测数据，不进行存储，或者在所述调整后的探测窗口范围外关闭所述接收单元12，不进行探测。
根据本发明的一个实施例，其中所述步骤S205还包括：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率，并基于所述第二组探测数据进行校准。
根据本发明的一个实施例，所述第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储，其中所述第一存储方式包括以第一时间精度按照所述时间信息的权重存储；所述第二存储方式包括按照所述激光雷达的时间分辨率存储；其中所述第一时间精度为所述时间分辨率的m倍，并且m>1。
根据本发明的一个实施例，其中所述第一组探测数据按照所述第一存储方式存储，所述第二组探测数据按照所述第二存储方式存储。
根据本发明的一个实施例，其中所述权重包括第一权重和第二权重，所述第一权重与所述时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第二权重与所述时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第一存储方式包括：以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
根据本发明的一个实施例，其中所述接收单元包括单光子雪崩二极管阵列，所述探测数据包括在所述单光子雪崩二极管阵列被光子激发的时间和被激发的单光子雪崩二极管的数量。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质,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数据处理方法。
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 (19)

1.一种用于激光雷达的数据处理方法，所述数据处理方法包括：
S101：采用初始探测窗口进行k次探测扫描，获得所述k次探测扫描的结果，作为第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；
S102：基于所述第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置；
S103：根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得所述调整后的探测窗口包括所述回波脉冲的位置，且小于所述初始探测窗口；
S104：采用所述调整后的探测窗口进行n次探测扫描，获得所述n次探测扫描的结果，作为第二组探测数据，其中n为整数，n≥1；和
S105：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，或者基于所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
2.如权利要求1所述的数据处理方法，其中所述第一组探测数据和所述第二组探测数据包括在探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，所述步骤S102还包括：
基于所述第一组探测数据生成第一直方图；和
在所述第一直方图上，将幅值的最大值所对应的时刻确定为所述回波脉冲的位置，或者将幅值超过预设阈值的时间范围确定为所述回波脉冲的位置。
3.如权利要求1所述的数据处理方法，其中所述步骤S103还包括：以所述回波脉冲的位置为中心，调整所述探测窗口。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述初始探测窗口的范围与所述激光雷达的预设最大探测距离相关，所述步骤S104还包括：对于所述调整后的探测窗口的范围外的探测数据，不进行存储，或者在所述调整后的探测窗口范围外关闭接收单元，不进行探测。
5.如权利要求1-4中任一项所述的数据处理方法，其中所述步骤S105包括：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率，并基于所述第二组探测数据，校准所述目标物的距离和/或反射率。
6.如权利要求1所述的数据处理方法，所述第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储，其中所述第一存储方式包括以第一时间精度按照所述时间信息的权重存储；所述第二存储方式包括按照所述激光雷达的时间分辨率存储；其中所述第一时间精度为所述时间分辨率的m倍，并且m>1。
7.如权利要求6所述的数据处理方法，其中所述第一组探测数据按照所述第一存储方式存储，所述第二组探测数据按照所述第二存储方式存储。
8.如权利要求6或7所述的数据处理方法，其中所述权重包括第一权重和第二权重，所述第一权重与所述时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第二权重与所述时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第一存储方式包括：以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
9.如权利要求1-4中任一项所述的数据处理方法，其中所述k次探测扫描和n次探测扫描共同完成对三维环境中的一个点的一次探测，k＞n。
10.一种激光雷达，包括：
发射单元，配置为可向三维环境发射激光脉冲以进行多次探测扫描；
接收单元，配置为接收所述激光脉冲在目标物上反射后的回波脉冲，并将所述回波脉冲转换为电信号；
时间数字转换器，与所述发射单元和所述接收单元耦接，以确定探测数据；
存储器，与所述时间数字转换器耦接，配置为存储所述探测数据；
处理单元，与所述时间数字转换器和存储器耦接，并执行以下操作：
S201：对于前k次探测扫描，获得并存储初始探测窗口内的第一组探测数据，其中k为整数，k≥1；
S202：基于所述第一组探测数据，确定回波脉冲到达时刻在所述初始探测窗口中的位置；
S203：根据回波脉冲的位置，调整探测窗口，使得所述调整后的探测窗口包括所述回波脉冲的位置，且小于所述初始探测窗口；
S204：对于后n次探测扫描，获得并存储所述调整后的探测窗口内的第二组探测数据，其中n为正数，n≥1；和
S205：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，或者基于所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率。
11.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述探测数据包括在每次探测扫描中获得时间信息和与所述时间信息对应的强度信息，所述步骤S202还包括：
基于所述第一组探测数据生成第一直方图；和
在所述第一直方图上，将幅值的最大值所对应的时刻确定为所述回波脉冲的位置，或者将幅值超过预设阈值的时间范围确定为所述回波脉冲的位置。
12.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述步骤S203包括：以所述回波脉冲的位置为中心，调整所述探测窗口。
13.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述初始探测窗口的范围与所述激光雷达的预设最大探测距离相关，所述步骤S204还包括：对于所述调整后的探测窗口的范围外的探测数据，不进行存储，或者在所述调整后的探测窗口范围外关闭所述接收单元，不进行探测。
14.如权利要求10-13中任一项所述的激光雷达，其中所述步骤S205包括：基于所述第一组探测数据和所述第二组探测数据，确定目标物的距离和/或反射率，并基于所述第二组探测数据，校准所述目标物的距离和/或反射率。
15.如权利要求10所述的激光雷达，所述第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储，其中所述第一存储方式包括以第一时间精度按照所述时间信息的权重存储；所述第二存储方式包括按照所述激光雷达的时间分辨率存储；其中所述第一时间精度为所述时间分辨率的m倍，并且m>1。
16.如权利要求15所述的激光雷达，其中所述第一组探测数据按照所述第一存储方式存储，所述第二组探测数据按照所述第二存储方式存储。
17.如权利要求15或16所述的激光雷达，其中所述权重包括第一权重和第二权重，所述第一权重与所述时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第二权重与所述时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，所述第一存储方式包括：以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
18.如权利要求10-13中任一项所述的激光雷达，其中所述接收单元包括单光子雪崩二极管阵列，所述探测数据包括在所述单光子雪崩二极管阵列被光子激发的时间和被激发的单光子雪崩二极管的数量。
19.一种计算机可读存储介质,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1-9任一项所述的数据处理方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115793988A (zh) * 2023-01-30 2023-03-14 苏州识光芯科技术有限公司 一种存储空间的动态调整方法、装置、设备及存储介质

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9985071B2 (en) * 2016-04-15 2018-05-29 Qualcomm Incorporated Active area selection for LIDAR receivers
EP3646057A1 (en) * 2017-06-29 2020-05-06 Apple Inc. Time-of-flight depth mapping with parallax compensation
JP6874714B2 (ja) * 2018-02-22 2021-05-19 株式会社豊田中央研究所 光検出器及び光学測距装置
CN110609293B (zh) * 2019-09-19 2022-05-27 深圳奥锐达科技有限公司 一种基于飞行时间的距离探测系统和方法
JP2021092437A (ja) * 2019-12-10 2021-06-17 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光装置および受光回路
CN111812661A (zh) * 2020-06-22 2020-10-23 深圳奥锐达科技有限公司 一种距离测量方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115793988A (zh) * 2023-01-30 2023-03-14 苏州识光芯科技术有限公司 一种存储空间的动态调整方法、装置、设备及存储介质

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