CN115877395A - 一种激光雷达及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种激光雷达及其测距方法。包括：激光发射单元用于向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号；激光接收单元用于将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，并接收电流调节单元对脉冲电信号强度的调整；控制单元用于控制激光扫描信号和反射台转镜的参数，并向电流调节单元发送电流调节信号；电流调节单元分别与所述控制单元和所述激光接收单元连接，用于根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。本发明可以让激光雷达测距范围更广，信号更易处理精度更高，增加激光雷达的测距兼容范围。

Description

一种激光雷达及其测距方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种激光雷达及其测距方法。

背景技术

目前常见的激光雷达接收部分如图1所示，由传感器A1、前级信号放大A2和次级信号放大器A3组成，通过传感器A1进行光电信号转换，由前级信号放大A2和次级信号放大器A3进行信号放大，将待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲转换为脉冲电信号。再由高速ADC（Analogto Digital Converter，模拟数字转换器）A4对脉冲电信号进行采集，并转换为能够由处理器A5处理的数字信号，使处理器获取到激光返回脉冲对应的雷达数据，处理器将雷达数据与设定阈值进行比较，得出激光扫描信号的往返飞行时间。其中，阈值下限用于区分激光返回脉冲与噪声，对应测量范围的最远距离；阈值上限为可能产生过饱和的信号强度，对应测量范围的最近距离。获得激光返回脉冲后，根据超出阈值下限部分的回波面积S获得激光返回脉冲的波形强度信息，然后通过时间随回波面积S的变化关系得到标定关系，从计算到精确激光雷达与待测物体之间的距离。

在实际应用中，由于激光扫描信号的激光强度会随距离减弱，因此，对于同样强度的激光扫描信号，测量距离越近激光返回脉冲的强度越强，测量距离越远激光返回脉冲的强度越弱。为了避免测量远距离待测物体时激光返回脉冲强度过弱，例如产生图2中右侧的远距离的激光返回脉冲信号，导致回波信号强度无法超过阈值下限或仅有尖峰处超过阈值下限，导致回波面积S计算误差较大，因此需要用峰值很强的激光扫描信号才能够检测到回波。但是，使用峰值很强的激光扫描信号时，就会导致图3中右侧的近距离的激光返回脉冲信号，会引起信号的过饱和失真，并且产生时间很长的拖尾，无法准确的计算到波形面积，最终导致标定不准确，测量精度下降。其中，图2和图3中横坐标表示时间，纵坐标表示激光返回脉冲信号的幅值。

目前的技术发展中，为了解决这一问题，需要对不同距离范围的待测物体使用不同功率的激光扫描信号，该方法需要多次尝试寻找合适的功率或对扫描信号强度进行限制，还可能需要由使用者根据测量距离进行档位切换，通过调整激光扫描信号强度避免激光返回脉冲过于饱和。上述方法限制了距离测量的范围，使激光的雷达的灵活性大大降低，还会因为增加档位切换功能而生产效率降低、生产成本环节增多。

鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，解决激光雷达接收信号过饱和的现象，是本技术领域待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明解决了通过单一功率的激光扫描信号对不同距离范围的待测物体进行测量时，近距离物体所反射回来的激光雷达接收信号过饱和，导致测距不准的问题。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种激光雷达，其特征在于，包括：激光发射单元1、激光接收单元2、控制单元3和电流调节单元4，具体的：所述激光发射单元1与所述控制单元3连接，用于根据控制单元3发送的激光信号参数和反射台转镜12的参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号；所述激光接收单元2与电流调节单元4连接，用于接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，并接收电流调节单元4对脉冲电信号强度的调整，将调整后的电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元3；所述控制单元3与激光发射单元1的控制接口连接，用于控制激光扫描信号和反射台转镜12的参数，控制单元3与激光接收单元2连接，用于数字信号，控制单元3与电流调节单元4的控制接口连接，用于向电流调节单元4发送电流调节信号；所述电流调节单元4分别与所述控制单元3和所述激光接收单元2连接，用于根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元4的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

优选的，所述激光发射单元1包括：半导体激光器11和反射台转镜12，具体的：所述半导体激光器11用于根据控制单元3发送的激光扫描信号参数发射相应的激光扫描信号，将激光扫描信号的光源发射至反射台转镜12的发射面上；所述反射台转镜12用于根据控制单元3发送的反射台转镜12的参数转动参数进行旋转，通过旋转将激光扫描信号的光源发射至不同角度，形成线激光扫描信号。

优选的，所述激光接收单元2包括：APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23和ADC转换器24，具体的：所述APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23和ADC转换器24依次连接，所述控制单元3与所述ADC转换器24连接，所述电流调节单元4设置在所述APD传感器21与所述前级信号放大器22之间；所述APD传感器21用于接收待测物体反射回的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为对应的脉冲电信号，脉冲电信号经所述电流调节单元4进行强度调整后，依次进入前级信号放大器22和次级信号放大器23进行信号放大，放大后的信号由ADC转换器24转换为对应的数字信号后输出至控制单元3。

优选的，所述激光接收单元2还包括：当激光返回脉冲对应的脉冲电信号强度高于阈值下限时，激光返回脉冲对应的脉冲电信号在APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23中产生积累，直至脉冲电信号的信号强度达到阈值上限。

优选的，所述控制单元3包括：激光发射驱动器31、转镜控制器32和处理器33，具体的：所述激光发射驱动器31与处理器33连接，用于接收处理器33发送的激光信号参数，根据激光信号参数生成驱动信号，以根据驱动信号控制激光发射单元1发射激光扫描信号；所述转镜控制器32与处理器33连接，用于接收处理器33发送的转动参数，根据转动参数生成反射台转镜12的控制信号，以根据控制信号驱动反射台转镜12转动；所述处理器33与所述电流调节单元4连接，用于将电流调节信号发送至电流调节单元4。

优选的，所述电流调节单元4为射频三极管41，具体的：射频三极管41的基极与控制单元3连接，用于接收控制单元3发送的电流调节信号，以选择性开启所述射频三极管41；射频三极管41的集电极与激光接收单元2连接，射频三极管41的发射极接地，以便在激光接收单元2接收到的激光返回脉冲强度高于阈值上限时，将激光返回脉冲对应的脉冲电信号中的过剩脉冲信号导入到地电平进行截流。

另一方面，本发明提供了一种激光雷达的测距方法，其特征在于，使用第一方面提供的激光雷达，具体的：激光发射单元1根据控制单元3发送的激光信号参数和转动参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号；激光接收单元2接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，将脉冲电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元3；控制单元3根据数字信号生成电流调节信号，根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元4的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流；控制单元3根据数字信号提取波形信息，根据波形信息测量距离。

优选的，所述控制单元3根据数字信号生成电流调节信号包括：当数据信号的强度大于阈值上限，所述控制单元3产生预设宽度的脉冲信号；电流调节单元4根据该脉冲信号开启所述电流调节单元4的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

优选的，所述测距方法还包括：当所述数字信号的强度小于阈值下限的时长超过预设时长时，提示超出测量范围。

优选的，所述激光发射单元1根据控制单元3发送的激光信号参数和转动参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号包括：激光发射单元1根据控制单元3发送的激光信号参数发射相应的激光扫描信号，将激光扫描信号发射至反射台转镜12的发射面上；控制单元3向转镜控制器32发送转动参数，转镜控制器32控制反射台转镜12根据参数对应的角分辨率进行转动，将半导体激光器11发射的激光扫描信号进行反射，使激光扫描信号依次对不同角度发射激光，形成线激光扫描信号。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：使用电流调节单元控制激光返回脉冲的电流强度，使激光返回脉冲的信号强度锁定在一个合理的范围中，对过强的信号就有限制削弱的作用；同时，通过激光接收单元中电路的积累效应，对弱小信号具有放大和保护作用。本发明实施例中的设备和方法可以让激光雷达测距范围更广，信号更易处理精度更高，信号的作用时间被限制住，不会出现拖尾影响下一次的测量，增加激光雷达的测距兼容范围。

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为现有激光扫描接收部分雷达结构示意图；

图2为激光返回脉冲的强度微弱时的波形示意图；

图3为激光返回脉冲的强度过强时出现过饱和的波形示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光雷达中激光发射单元结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种激光雷达中激光接收单元结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种激光雷达的测距方法的流程图示意图；

图9为本发明实施例提供的一种消除激光雷达信号过饱和影响的效果示意图；

其中，附图标记如下：

1、激光发射单元，11、半导体激光器，12、反射台转镜；

2、激光接收单元，21、APD传感器，22、前级信号放大器，23、次级信号放大器，24、ADC转换器；

3、控制单元，31、激光发射驱动器，32、转镜控制器，33、处理器，

4、电流调节单元，41、射频三极管。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

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：

为了解决通过单一功率的激光扫描信号对不同距离范围的待测物体进行测量时，近距离物体所反射回来的激光雷达接收信号过饱和，导致测距不准的问题，本发明提供了一种激光雷达。

本实施例提供的装置，在原有硬件结构上加入了一个简单的截流器件，并结合软件的采集触发，进行限流控制的策略，限制了信号电流的输入范围。同时，由于电路带宽限制和电路里元器件的电容特性，信号电流会在电路里产生积累和滞留，导致信号延时拖尾，本实施例的装置利用信号电流在电路中的滞留现象，可以让激光回波在信号很弱的时候累积起来、适中的时候正常采集测量、过强的时候截断信号源电流，最终可以让设备同时兼容远中近等多种复杂的环境，提升产品整体性能。

如图4所示，本实施例提供的激光雷达包括：激光发射单元1、激光接收单元2、控制单元3和电流调节单元4。

激光发射单元1与控制单元3连接，根据控制单元3发送的激光信号参数和反射台转镜12的参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号。

激光接收单元2与电流调节单元4连接，用于接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，并接收电流调节单元4对脉冲电信号强度的调整，将调整后的电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元3。激光接收单元2中，包含电容等电器元件，这些元件会使脉冲电信号的电流在电路中产生积累和滞留，导致激光返回脉冲过强时的拖尾。但是，这一特性也会在激光返回脉冲信号较为微弱时，对弱小信号进行放大和保护，将其放大至测量阈值范围内。

控制单元3与激光发射单元1连接，用于控制激光信号参数和反射台转镜12的参数，控制单元3与激光接收单元2的输出接口连接，用于处理激光接收单元2发送的数字信号，控制单元3与电流调节单元4的控制接口连接，用于向电流调节单元4发送电流调节信号。

具体地，控制单元3用于根据数字信号生成电流调节信号；用于根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元4的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

在实际使用中，不同角度的待测物体与到激光发射单元1的距离不一样，因此激光接收单元2接收到的激光返回脉冲也会有强弱，近处的待测物体反射回的激光返回脉冲较强，远处的待测物体反射回的激光返回脉冲会很弱。为了避免激光返回脉冲较强时出现过饱和和拖尾现象，本实施例提供的装置中还使用了电流调节单元4。电流调节单元4与控制单元3连接，接收控制单元3发送的电流调节信号，与激光接收单元2连接，在激光接收单元2接收到的激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

使用上述装置进行激光雷达扫描，可以通过电流调节单元4在激光返回脉冲的强度过大时对其电信号的电流进行截流，并通过激光接收单元2在激光返回脉冲的强度过小时对其电信号进行放大，以适应使用同样的雷达扫描信号强度时不同距离待测物体的测量需要。

进一步的，如图5所示，激光发射单元1包括：半导体激光器11和反射台转镜12。

半导体激光器11根据控制单元3发送的激光信号参数，将激光扫描信号发射至反射台转镜12的发射面上。

反射台转镜12根据控制单元3发送的反射台转镜12的参数进行旋转，通过旋转将激光扫描信号的光源发射至不同角度，形成线激光扫描信号。

由于半导体激光器11发出的激光为单一线性激光，作为激光扫描雷达使用时，还需要使用反射台转镜12将其反射至不同角度，形成线性的激光扫描信号。设备上电后，先由处理器33发送各种命令初始化激光雷达的各个单元，并启动反射台转镜12使其开始转动，反射台转镜12根据设定的角分辨率转动时，会随着转动角度的增加，依次对不同角度发射激光，使光源发出的激光形成线性的激光扫描信号。

进一步的，如图6所示，激光接收单元2包括：APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23和ADC（analog to digitalconverter，模拟数字转换器）转换器24。

APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23和ADC转换器24依次连接，所述控制单元3连接在激光接收单元2中的APD传感器21和前级信号放大器22之间。

APD传感器21接收待测物体反射回的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为对应的脉冲电信号，脉冲电信号经控制单元3进行强度调整后，依次进入前级信号放大器22和次级信号放大器23进行信号放大，放大后的信号由ADC转换器24转换为对应的数字信号后输出至控制单元3。

由于处理器33仅能处理数字信号，因此，激光接收单元2需要将接收到的激光返回脉冲通过APD传感器21进行光电转换变成模拟电信号，再经过ADC的模数转换变成数字信号。

进一步的，在APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23中，都包含有电容元件，可以实现对激光返回脉冲的积累。当激光返回脉冲对应的脉冲电信号强度高于阈值下限时，激光返回脉冲对应的脉冲电信号在APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23中产生的积累，直至脉冲电信号的信号强度达到阈值上限。如果激光返回脉冲不是很微弱，可以在激光接收单元2的APD传感器21、前级信号放大器22、次级信号放大器23中产生一定的积累，直至当信号强度达到阈值上限后，产生截断信号。当激光返回脉冲过于微弱，没有达到阈值下限时，并超过了设定的时间，可判断激光返回信号过于微弱，超出处理范围。

进一步的，如图7所示，设备中的控制单元3包括：激光发射驱动器31、转镜控制器32、处理器33。

激光发射驱动器31与处理器33连接，接收处理器33发送的激光扫描信号的参数，与激光发射单元1的控制接口连接，根据参数生成半导体激光器11的驱动信号发送至激光发射单元1。

转镜控制器32与处理器33连接，接收处理器33发送的反射台转镜12的参数转动参数，与激光发射单元1的控制接口连接，根据参数生成反射台转镜12的控制信号发送至激光发射单元1。

处理器33与激光发射驱动器31连接，向激光发射驱动器31发送激光扫描信号的参数，与转镜控制器32连接，向转镜控制器32发送反射台转镜12的参数，与激光接收单元2连接，根据激光接收单元2获取的数字信号生成电流调节信号，与电流调节单元4连接，将电流调节信号发送至电流调节单元4。

在具体实施中，可选择的处理器33为现场可编程逻辑门阵列（FieldProgrammable Gate Array，简写为FPGA）、单片机和工控机中的任一种。由于本装置的控制和计算逻辑并不复杂，因此优选使用FPGA作为处理器，既能满足控制需要，又减少了成本、体积和功耗。

进一步的，如图8所示，电流调节单元4包括射频三极管41。通过射频三极管器件自身的特性，简单且低成本的实现激光返回脉冲中过剩脉冲信号的截流。

射频三极管41的基极与控制单元3连接，接收控制单元3发送的电流调节信号，以选择性开启所述射频三极管41。当处理器33判断激光返回脉冲的强度超过阈值上限，信号强度可能出现过饱和，处理器33向射频三极管41发送足够宽度的脉冲电信号，控制射频三极管41开始进行截流，由于激光信号本身的脉冲宽度是极小的，但在传感器上过强的信号电荷都会积累在传感器本身上，所以要给出足够宽度的脉冲来达到电流释放的目的。

设传感器自身结电容为C,放电阻抗为R,为了电荷放的够干净，放电时间至少为t=5*RC，这样电荷至少释放了99%，足以让测量不受影响。

射频三极管41的集电极与激光接收单元2连接，射频三极管41的发射极接地，以便在激光接收单元2接收到的激光返回脉冲强度高于阈值上限时，将激光返回脉冲对应的脉冲电信号中的过剩脉冲信号导入到地电平进行截流。通过截流，可以使用功率较大的激光脉冲作为激光扫描信号，以兼容很远距离测量的信号强度需要。同时，通过截流，使用功率较大的激光扫描信号进行近距离测量时，激光返回脉冲的信号也不会过于饱和，从而对远近距离的信号都稳定测量，而不需要根据距离范围更换雷达或者切换档位，提高了使用的便捷性，并减少了设备的复杂性和成本。

本实施例提供的激光雷达，在原有激光雷达的硬件结构上加入了电流调节单元，对过强的激光返回脉冲进行截流，限制了激光返回脉冲对应的脉冲电信号的电流输入范围，避免了信号的过饱和。同时，利用脉冲电信号在电路中的滞留现象，让脉冲电信号在信号很弱的时候累积起来，达到：信号强度微弱时积累、信号强度适中时正常采集测量、信号强度过强时截断信号源电流，最终可以让设备同时兼容远中近等多种复杂的环境，提升产品整体性能。

实施例2：

基于实施例1提供的激光雷达，本实施例提供了一种实施例1的激光雷达的测距方法。

本实施例提供的设备上电后，先由控制单元3发送各种命令初始化雷达的各个设备，并让反射台转镜12启动起来，然后根据设定的角分辨率，随着角度的增加依次对不同角度发射激光，并接收信号，来测量不同角度的物体到雷达的距离，形成线扫描雷达。但不同的角度物体到激光的距离不一样，接收到的返回激光信号也会有强弱，近处的会很强，远处的会很弱。

所以在软件处理上，首先处理器33控制激光发射驱动器31驱动半导体激光器11发光，然后立即控制不断采集返回路的激光脉冲电信号，当信号强度大于设定值是立马产生一个一定宽度的脉冲电信号，给用来截流的射频三极管41，它会把接下来的过剩脉冲信号导入到地电平，直到光电信号消失即可，上升信号的过程完整保留下来，又不会产生过饱和拖尾现象。如果返回激光信号不是很微弱，那么它可以在接收电路中产生一定的积累，当信号强度达到后又会产生截断信号；如果信号过于微弱，没有达到设定阈值，并超过了设定的时间，可判断激光返回信号过于微弱，超出处理范围。这样子处理，可以把激光脉冲的功率设置的很大，去兼容很远处的距离测量，然后完全不用怕近处的信号过于饱和，从而远近都可以稳定测量，不需要根据距离范围，更换雷达或者切换档位，使用起来会更方便。

激光雷达上电后，处理器33向激光雷达中的各单元发送相应的初始化指令和参数，以初始化设备中的各单元。然后，处理器33向转镜控制器32发送转动参数，启动反射台转镜12，转镜控制器32控制反射台转镜12根据参数对应的角分辨率进行转动，将半导体激光器11发射的激光扫描信号进行反射，使激光扫描信号随着角度的增加依次对不同角度发射激光形成线激光扫描信号，用来测量不同角度的物体到雷达的距离，形成线扫描雷达。并待测物体反射回的光信号射入激光接收单元2作为激光返回脉冲。

设备启动后，可以按照图8所示，使用本实施例提供的激光雷达信号强度控制的方法进行单次测量的处理。

步骤101：激光发射单元1根据控制单元3发送的激光信号参数和转动参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号。

在本实施例中，激光发射单元1根据控制单元3发送的激光信号参数发射相应的激光扫描信号，将激光扫描信号发射至反射台转镜12的发射面上；控制单元3向转镜控制器32发送转动参数，转镜控制器32控制反射台转镜12根据参数对应的角分辨率进行转动，将半导体激光器11发射的激光扫描信号进行反射，使激光扫描信号依次对不同角度发射激光，形成线激光扫描信号。

步骤102：激光接收单元2接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，将脉冲电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元3。

具体地，处理器33控制激光发射驱动器31驱动半导体激光器11发射指定参数的激光扫描信号，并立即控制激光接收单元2持续采集待测物体反射回的激光返回脉冲，获取激光返回脉冲对应的脉冲电信号。

处理器33控制激光发射驱动器31驱动半导体激光器11发光，然后立即控制激光接收单元2不断采集待测物体反射回的激光返回脉冲对应的脉冲电信号。

步骤103：控制单元3根据数字信号生成电流调节信号，根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

在本实施例中，当数据信号的强度大于阈值上限，所述控制单元3产生预设宽度的脉冲信号；电流调节单元根据该脉冲信号开启所述电流调节单元的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。当所述数字信号的强度小于阈值下限的时长超过预设时长时，提示超出测量范围。

可以理解为，处理器33判断激光返回脉冲对应的脉冲电信号的强度，当脉冲电信号的强度高于阈值上限时，处理器33产生指定宽度的脉冲电信号作为电流调节信号，将电流调节信号发送至电流调节单元，以便于将后续接收的脉冲电信号进行截流。

当脉冲电信号信号强度大于阈值上限时，处理器33立刻产生一个指定宽度的脉冲电信号作为截断信号，发送给用来截流的射频三极管41，使射频三极管41把接下来的过剩脉冲电信号导入到地电平GND，直到脉冲电信号消失即可。截断信号的具体脉冲宽度可以根据脉冲电信号的信号强度以及阈值上限进行计算。

同时，在激光返回脉冲不低于阈值下限的情况下，可以在激光接收单元2中产生一定的电流积累，处理器33判断积累的信号强度达到阈值上限时，也会产生截断信号，避免电流积累导致过饱和。

经过本实施例中提供的步骤103后，即可通过简单的控制，将图3中右侧的过饱和信号转变为图9中右侧的正常信号，使激光返回脉冲对应的上升信号的过程完整保留下来，又不会产生过饱和拖尾现象。图9中，横坐标表示时间，纵坐标表示激光返回脉冲信号的幅值。

步骤104：控制单元3根据数字信号提取波形信息，根据波形信息测量距离。

在实际测量过程中，由于激光脉冲时间极短，大致只有2-5ns,而信号波形至少也是20ns以上的，所以接收到的所有激光波形信号，最有用的信息都集中在信号波形的上升沿上（前沿），后面的过饱和信息是无用的。所以本实施例提供的方法中，距离计算主要以波形前沿的时间点和上升曲率为主要参数；激光回波越强，其响应时间越短，上升沿越抖；相反，回波越弱响应时间越久，上升沿越缓。根据这两个主要信息进行距离计算。所以在本实施例中，控制单元3对数字信号进行采样后，即使对过饱和的波形进行了削弱，仍可以通过完整的上升信号提取到波形信息中需要使用的计算数据，再根据波形的上升沿信息测量激光雷达与待测物体之间的距离。

进一步的，为了避免测量中的噪音和误差，对于低于测量阈值下限的激光返回脉冲也要进行区分判断。当激光返回脉冲对应的脉冲电信号低于阈值下限的时长超过预设时限，判断激光返回脉冲过于微弱，超出处理范围。如果激光返回脉冲对应的脉冲电信号过于微弱，没有达到阈值下限，并超过了设定的时间，可判断激光返回信号过于微弱，可能为噪声或干扰，也可能超出处理范围，不对此信号进行处理。

本实施例提供的激光雷达信号强度控制的方法，通过对激光返回脉冲强度的判断，控制激光回波信号的电流，对微弱信号进行放大和保护，对过强信号就有限制消弱，让信号强度锁定在一个合理的范围中，以便让激光雷达测距范围更广，信号更易处理精度更高。同时，还对拖尾进行了抑制，使信号的作用时间被限制，不会因拖尾而影响下一次的测量。

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 (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：激光发射单元（1）、激光接收单元（2）、控制单元（3）和电流调节单元（4），具体的：

所述激光发射单元（1）与所述控制单元（3）连接，用于根据控制单元（3）发送的激光信号参数和反射台转镜（12）的参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号；

所述激光接收单元（2）与电流调节单元（4）连接，用于接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，并接收电流调节单元（4）对脉冲电信号强度的调整，将调整后的电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元（3）；

所述控制单元（3）与激光发射单元（1）的控制接口连接，用于控制激光扫描信号和反射台转镜（12）的参数，控制单元（3）与激光接收单元（2）连接，用于数字信号，控制单元（3）与电流调节单元（4）的控制接口连接，用于向电流调节单元（4）发送电流调节信号；

所述电流调节单元（4）分别与所述控制单元（3）和所述激光接收单元（2）连接，用于根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元（4）的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元（1）包括：半导体激光器（11）和反射台转镜（12），具体的：

所述半导体激光器（11）用于根据控制单元（3）发送的激光扫描信号参数发射相应的激光扫描信号，将激光扫描信号的光源发射至反射台转镜（12）的发射面上；

所述反射台转镜（12）用于根据控制单元（3）发送的反射台转镜（12）的参数转动参数进行旋转，通过旋转将激光扫描信号的光源发射至不同角度，形成线激光扫描信号。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收单元（2）包括：APD传感器（21）、前级信号放大器（22）、次级信号放大器（23）和ADC转换器（24），具体的：

所述APD传感器（21）、前级信号放大器（22）、次级信号放大器（23）和ADC转换器（24）依次连接，所述控制单元（3）与所述ADC转换器（24）连接，所述电流调节单元（4）设置在所述APD传感器（21）与所述前级信号放大器（22）之间；

所述APD传感器（21）用于接收待测物体反射回的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为对应的脉冲电信号，脉冲电信号经所述电流调节单元（4）进行强度调整后，依次进入前级信号放大器（22）和次级信号放大器（23）进行信号放大，放大后的信号由ADC转换器（24）转换为对应的数字信号后输出至控制单元（3）。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收单元（2）还包括：

当激光返回脉冲对应的脉冲电信号强度高于阈值下限时，激光返回脉冲对应的脉冲电信号在APD传感器（21）、前级信号放大器（22）、次级信号放大器（23）中产生积累，直至脉冲电信号的信号强度达到阈值上限。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述控制单元（3）包括：激光发射驱动器（31）、转镜控制器（32）和处理器（33），具体的：

所述激光发射驱动器（31）与处理器（33）连接，用于接收处理器（33）发送的激光信号参数，根据激光信号参数生成驱动信号，以根据驱动信号控制激光发射单元（1）发射激光扫描信号；

所述转镜控制器（32）与处理器（33）连接，用于接收处理器（33）发送的转动参数，根据转动参数生成反射台转镜（12）的控制信号，以根据控制信号驱动反射台转镜（12）转动；

所述处理器（33）与所述电流调节单元（4）连接，用于将电流调节信号发送至电流调节单元（4）。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述电流调节单元（4）为射频三极管（41），具体的：

射频三极管（41）的基极与控制单元（3）连接，用于接收控制单元（3）发送的电流调节信号，以选择性开启所述射频三极管（41）；

射频三极管（41）的集电极与激光接收单元（2）连接，射频三极管（41）的发射极接地，以便在激光接收单元（2）接收到的激光返回脉冲强度高于阈值上限时，将激光返回脉冲对应的脉冲电信号中的过剩脉冲信号导入到地电平进行截流。

7.一种激光雷达的测距方法，其特征在于，使用权利要求1-6中任一项所述的激光雷达，具体的：

激光发射单元（1）根据控制单元（3）发送的激光信号参数和转动参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号；

激光接收单元（2）接收待测物体反射激光扫描信号形成的激光返回脉冲，将激光返回脉冲的光信号转换为相应的脉冲电信号，将脉冲电信号转换为相应的数字信号发送至控制单元（3）；

控制单元（3）根据数字信号生成电流调节信号，根据所述电流调节信号选择性开启所述电流调节单元（4）的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流；

控制单元（3）根据数字信号提取波形信息，根据波形信息测量距离。

8.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，所述控制单元（3）根据数字信号生成电流调节信号包括：

当数据信号的强度大于阈值上限，所述控制单元（3）产生预设宽度的脉冲信号；

电流调节单元（4）根据该脉冲信号开启所述电流调节单元（4）的截流功能，以在激光返回脉冲高于阈值上限时进行电流截流。

9.根据权利要求8所述的测距方法，其特征在于，所述测距方法还包括：

当所述数字信号的强度小于阈值下限的时长超过预设时长时，提示超出测量范围。

10.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，所述激光发射单元（1）根据控制单元（3）发送的激光信号参数和转动参数，向待测物体发出指定分辨率的激光扫描信号包括：

激光发射单元（1）根据控制单元（3）发送的激光信号参数发射相应的激光扫描信号，将激光扫描信号发射至反射台转镜（12）的发射面上；

控制单元（3）向转镜控制器（32）发送转动参数，转镜控制器（32）控制反射台转镜（12）根据参数对应的角分辨率进行转动，将半导体激光器（11）发射的激光扫描信号进行反射，使激光扫描信号依次对不同角度发射激光，形成线激光扫描信号。

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