CN116008964A - 激光雷达及其反射率标定方法和反射率测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种激光雷达及其反射率标定方法和反射率测量方法，所述反射率标定方法包括：在雷达校准场中布置具有单一的固定的表面反射率的校准用目标板，以模拟具有期望的表面反射率的目标板；采集包括探测值的雷达数据以及所述校准用目标板的相关参数；基于所述校准用目标板的相关参数根据激光雷达方程计算理论回波功率；基于采集的所述雷达数据和计算的理论回波功率建立回波功率与探测值的关系模型，其中，每个校准用目标板的相关参数包括入射距离、入射角度和表面反射率。按照所述反射率标定方法能够降低激光雷达的生产成本。

Description

激光雷达及其反射率标定方法和反射率测量方法

技术领域

本公开涉及激光雷达领域，尤其涉及一种激光雷达及其反射率标定方法和反射率测量方法。

背景技术

高性能的激光雷达的测量精准度高，应用广泛。尤其是高性能的多线激光雷达不仅可以输出三维空间的坐标信息，还可以输出所探测到目标的表面反射率信息。为了实现准确地输出目标的反射率信息，激光雷达在出厂时需要对反射率探测系统进行标定。通常的标定方法是：在标定场地放置标准目标板，该标准目标板的反射率已知，且同一块目标板上包含以多梯度或者连续渐变的形式展现的多种反射率。激光雷达探测到指定反射率区域时，用目标板的已知的标准反射率值对探测原始值进行标定以在标准反射率值和探测原始值之间形成一一对应的映射关系。为了得到更好的标定效果，标准目标板需要更多的反射率区域，导致标准目标板的加工难度较大，成本较高，这增加了激光雷达的生产成本。

发明内容

有鉴于此，本公开的实施例提供一种能够降低生产成本的激光雷达的反射率标定方法和一种激光雷达。

此外，本公开的实施例还提供一种适于实时计算的激光雷达的反射率测量方法。

第一方面，本公开的实施例提供一种激光雷达的反射率标定方法，所述反射率标定方法包括：在雷达校准场中布置具有单一的固定的表面反射率的校准用目标板，以模拟具有期望的表面反射率的目标板；采集包括探测值的雷达数据以及所述校准用目标板的相关参数；基于所述校准用目标板的相关参数根据激光雷达方程计算理论回波功率；基于采集的所述雷达数据和计算的理论回波功率建立回波功率与探测值的关系模型，其中，每个校准用目标板的相关参数包括入射距离、入射角度和表面反射率。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述校准用目标板可以包括多个校准用目标板，其中，所述多个校准用目标板具有相同的表面反射率和不同的等效表面反射率，其中，所述校准用目标板的等效表面反射率等效于具有预定的入射距离和预定的入射角度的一个目标板的表面反射率。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，每个校准用目标板的相关参数还可以包括接收系统的通光面积变化系数，其中，所述接收系统的通光面积变化系数可以是基于所述每个校准用目标板的入射角度和所述预定的入射角度的。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述关系模型可以是通过数据拟合得到的。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，每个校准用目标板的至少一部分能够接收到所述激光雷达发出的激光。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述探测值可以是脉宽、幅度或灰度。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述激光雷达方程可以如下：

其中，P_r为进入所述激光雷达的接收系统的回波功率，P₀为所述激光雷达的发射功率，A_r为所述激光雷达的接收系统的通光面积，r为目标表面反射率，θ为激光光束相对目标表面的入射角度，d为激光束的入射距离，α为与所述激光雷达的系统参数相关的参考值，其中，所述激光雷达的系统参数至少包括激光波长和大气衰减系数。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述参考值可以是固定值。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述校准用目标板的等效表面反射率的计算公式可以如下：

其中，r₁为校准用目标板的等效表面反射率，r₀为所述标准目标板的表面反射率，d₀为所述预定的入射距离，θ₀为所述预定的入射角度，d₁为所述校准用目标板的入射距离，θ₁为所述校准用目标板的入射角度。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述预定的入射角度可以为0度。

根据本公开的实施例的一种具体实现方式，所述多个校准用目标板具有不同的入射角度和/或入射距离。

第二方面，本公开的实施例提供一种激光雷达，其中，所述激光雷达的反射率是按照如前所述的反射率标定方法进行标定的。

第三方面，本公开的实施例提供一种激光雷达的反射率测量方法，适用于如前所述的激光雷达，所述方法可以包括：获取激光雷达的一次测量数据，所述测量数据包括目标入射距离、目标表面入射角度、激光雷达的接收系统的通光面积和探测值；将所述探测值代入所述关系模型以计算回波功率；根据激光雷达方程计算目标表面反射率。

本公开的实施例提供的激光雷达及其反射率标定方法，通过仅使用单一反射率的目标板对激光雷达的反射率进行标定，而不需要使用复杂昂贵的多反射率目标板，能够降低激光雷达的生产成本。此外，以上述方式标定的激光雷达能够实现实时的反射率计算。

附图说明

图1为本公开的实施例的激光雷达的反射率计算原理示意图；

图2示出了用于本公开的实施例的激光雷达的反射率标定的校准场的平面布置图；

图3示出了本公开的实施例的激光雷达的反射率标定方法流程图；

图4是示出了本公开的实施例的激光雷达的回波功率-脉宽的关系模型的曲线图；

图5为本公开的实施例的激光雷达的反射率测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开的实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。此外，在此描述的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种替代形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本公开的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施。

通常，激光雷达反射率的标定方式为，具有多个不同的表面反射率的一块目标板相对于激光雷达固定距离，当以预定的发射功率朝向目标板发射激光时，由于目标板上不同的反射率会产生不同的回波功率，这些回波功率被激光雷达的接收系统采集后转化为具体的测量数据(也被成为探测值数据)，这些具体的测量数据被用于与真实反射率进行对比标定。根据激光雷达的探测原理和/或数据处理方式的不同，探测值可以为幅度、脉宽、灰度或任何其它合适的测量数据。

下面将参照图1以脉宽数据为例详细解释激光雷达的探测值数据的产生过程，以此作为基础进一步阐述根据本公开的实施例的激光雷达的反射率标定方法和实时输出激光雷达探测的目标的表面反射率的反射率测量方法。

当一帧激光被目标板反射而产生的目标回波进入激光雷达的接收系统后，经过光电探测器件和放大电路后，被数字系统采集，生成幅度、脉宽或灰度这样的雷达探测值数据。

具体地，如图1所示，含有目标表面入射角度、目标表面反射率和目标距离或入射距离的回波信息的目标回波以指向角度的通光面积被雷达系统的接收系统接收，被接收的回波的信号对应于一定的回波功率，在被激光雷达内的光电探测器件、放大电路和数字系统处理后，产生了诸如脉宽、灰度和幅度这样的雷达探测值数据，其中，雷达探测值数据唯一由进入接收系统的回波功率P_r确定。

下面将结合激光雷达方程以脉宽数据为例详细描述本公开的激光雷达反射率标定的方法和对应的标定原理。

具体地，如图1所示，含有目标表面入射角度、目标表面反射率和目标距离或入射距离的回波信息的目标回波以指向角度的通光面积被雷达系统的接收系统接收，被接收的回波的信号对应于一定的回波功率，在被激光雷达内的光电探测器件、放大电路和数字系统处理后，产生了诸如脉宽、灰度和幅度这样的雷达探测值数据，其中，雷达探测值数据唯一由进入接收系统的回波功率P_r确定。

下面将结合激光雷达方程以脉宽数据为例详细描述本公开的激光雷达反射率标定的方法和对应的标定原理。

激光雷达方程形式如下：

其中，P_r为进入接收系统的回波功率，P₀为发射功率，A_r为接收系统通光面积，r为目标表面反射率，θ为激光光束相对目标表面的入射角度，d为目标距离，α为与激光波长、大气衰减系数等其他系统参数相关的参量，可以设为固定值。

根据激光雷达方程以及前面的描述可知，回波功率P_r由指向角的通光面积A_r、目标表面入射角度θ、目标表面反射率r、目标距离d等因素确定，而脉宽唯一由进入接收系统的回波功率P_r确定。在目标距离d(也可被成为入射距离)和入射角度θ固定的情况下，如果忽略接收系统的通光面积的变化造成的影响，目标板的表面反射率、激光雷达探测到的脉宽和回波功率之间存在着固定的对应关系，脉宽唯一由进入接收系统的回波功率P_r确定。因此，在标定激光雷达的反射率时，由于目标板被预先布置在校准场中，其入射角度和入射距离是已知的，因此一旦建立了回波功率和脉宽之间的关系模型，就可以根据激光雷达方程直接得到对应的反射率。因此获取回波功率与脉宽之间的关系模型是激光雷达的反射率标定的关键步骤，建立了回波功率与脉宽之间的关系模型就可以视为完成了激光雷达的反射率标定。这是因为模型建立后，通过脉宽数据就可以得到回波功率，进而根据激光雷达方程计算目标表面反射率。

为此，本公开的实施例以在激光雷达校准场中布置具有单一已知表面反射率的目标板的方式来模拟具有期望的表面反射率的目标板。在通常的激光雷达反射率的标定过程中，一块目标板上具有多种反射率区域。在标定过程中，照射到具有多种表面反射率的目标板上的激光的入射角度、入射距离以及激光雷达的接收系统的通光面积基本是相同的，因此，影响回波功率或激光雷达的脉宽的因素基本上仅为目标板的表面反射率。因此，在激光雷达的发射功率相同的情况下，如果得到的回波功率相同，则可以认为实际布置在校准场中的目标板与具有期望的入射角度、期望的入射距离和期望的表面反射率的目标板对激光的反射作用是等同的或等效的。由此，通过改变布置在校准场中的具有已知表面反射率的目标板的入射距离和入射角度，可以在反射率标定过程中模拟具有期望的表面反射率、期望的入射角度和期望的入射距离的目标板的激光反射效果。

为此，在本公开的实施例中，通过在校准场地中以不同的距离和角度布置多个具有单一的相同的表面反射率的目标板可以等效于在布置一块包含不同反射率的目标板，用于反射率标定。此外，根据激光雷达类型的差异和/或已有的目标板的情况，可以根据具体的反射率标定需要在校准场地中仅布置一个目标板，或者布置两个目标板或两个以上的目标板，以模拟期望的目标表面反射率。此外，基于前面描述的模拟原理，用于标定反射率的校准用目标板的表面反射率可以是相同的，也可以是不同的，还可以是两个或更多个校准用目标板具有相同的表面反射率。

也就是说，在本公开的实施例对应的激光雷达的反射率标定方法中，在激光雷达的发射功率相同的情况下，为了得到等同的P_r或模拟等同的表面反射率r，通过使用具有固定单一反射率的目标板并改变目标板的距离d和入射角度θ来实现。再根据激光雷达方程将目标板的实际的入射距离d和入射角度θ和表面反射率的数值折算成具有期望的入射距离和期望的入射角度的目标板的等效的表面反射率，用于反射率标定。

也就是说，根据激光雷达方程可以得知，假设一个目标板的表面反射率为r₀，放置在目标距离为d₀的位置并且入射角度为θ₀。如果将该目标板放置在目标距离d₁的位置，入射角度为θ₁，若该目标板等效于目标距离d₀、入射角度为θ₀且表面反射率为r₁的目标板时，r₁与r₀的关系为：

为了简化计算，可以选择将入射角度θ₀设为0度，此时，r₁与r₀的关系被简化为：

因此，在校准场地的不同的距离和角度，布置具有单一固定反射率的目标板，可以等效同一块包含不同反射率目标板的数据，用于反射率标定。优选地，布置在校准场地中的所有目标板具有相同的固定表面反射率。然而，本领域技术人员应当理解，任意两个目标板具有不同的表面反射率也是可行的。

通常，为了标定激光雷达的距离，校准场中布置有不同距离的多个目标板，本公开的技术构思可以考虑借用距离标定的校准场实现对激光雷达反射率的标定。

图2示出了用于本公开的实施例的激光雷达的反射率标定的校准场10的平面布置图。如图2所示，在校准场10中布置有多个具有相同的固定的表面反射率的目标板11作为标准目标板或校准用目标板。由于每个标准目标板11在校准场10中的位置是不同的，所以当激光雷达进行探测时，各个标准目标板11具有不同的入射角度和入射距离。

在本公开的实施例中，在利用如图2所示的校准场进行反射率标定时，激光雷达可以位于场地左侧中心，水平向右探测。标准目标板11按照一定的角度差异排布，以此确保在雷达的视场中所有目标板都不会被前方的目标板遮挡。此时，所有的标准目标板相对于激光雷达的目标距离、入射角度和表面反射率已知。然而，本领域技术人员应当理解，目标板是否被遮挡并不重要，重要的是能够反射激光的目标板产生的回波数据能够足以建立期望的关系模型即可。显然，如果某个目标板被全部遮挡，则该目标板不能向激光雷达的接收系统反射回波，因此在校准场中是无效设置。

下面将参照图3和图4进一步描述根据本公开的实施例的基于上述标定原理的激光雷达的反射率标定过程。其中，图3示出了本公开的实施例的激光雷达的反射率标定方法流程图，图4是示出了本公开的实施例的激光雷达的回波功率-脉宽的关系模型的曲线图。

如图3所示，本公开的实施例的激光雷达的反射率标定方法包括如下步骤：S110、向校准场地10中的目标板11一次性地或依次地发送预定发射功率的激光，并采集校准场地的激光雷达数据，其中激光雷达数据至少包括脉宽；S10、获取所有目标板11的参数数据，其中，所述数据至少包括每个目标板11的入射距离、入射角度和表面反射率；S130、基于目标板11的入射距离、入射角度和表面反射率根据激光雷达方程计算理论回波功率；S140、基于计算的理论回波功率和采集激光雷达数据建立回波数据与脉宽的关系模型。

在如图3所示的反射率标定过程中，根据获得的理论回波功率与脉宽的对应数据，可以通过拟合数据来建立关系模型，如图4中所示的曲线图。在数据拟合完成之后，建立了回波功率与脉宽的对应关系就等同于建立了回波功率与脉宽的关系模型，就完成了对激光雷达的反射率标定。

在上面描述的方法中，以脉宽为激光雷达的探测数据描述了反射率的标定方法，然而本领域技术人员理解，探测数据还可以是灰度或幅度这样的数据。

此外，在上面描述的方法中，虽然按照一定的顺序描述了反射率的标定方法涉及的相关步骤，但是本公开的实施例不限于此。例如，可以在采集雷达数据之前获取目标板11的参数数据，甚至于可以在布置校准场地之前设计或确定目标板11的参数数据。因此，本公开的实施例并无任何必要限制校准场的雷达数据和目标板的参数数据的获取顺序和获取方式，只要能够得到建立回波功率与雷达探测值所需的数据获取步骤和获取方式都是允许的。换句话说，无论本公开的实施例或权利要求书以何种顺序描述了校准场的雷达数据和目标板的参数数据的获取，本公开均不限制校准场的雷达数据和目标板的参数数据的获取顺序和获取方式。

下面将参照图5描述按照上述的反射率标定方法进行反射率标定的激光雷达的反射率实时测量方法。

总的来说，所述反射率测量方法包括如下步骤：

S210、获取激光雷达的一次实时测量数据，其中，所述测量数据包括脉宽、目标距离、目标表面入射角度和通光面积；

S220、将脉宽代入回波功率与脉宽的关系模型，计算回波功率；

S230、根据激光雷达方程计算目标表面反射率并输出。

上面的表面反射率测量方法计算量少，适于激光雷达实时测量目标表面的反射率。此外，如前面所描述的，激光雷达的探测值不限于脉宽，因此根据本公开的技术构思，还可以建立回波功率与其他雷达探测值的关系模型，来标定激光雷达的反射率。此外，激光雷达的类型也不限于多线激光雷达，也可以是单线激光雷达。

在本公开的实施例中，以标准目标板模拟期望的反射率时忽略了入射角度对激光雷达的通光面积的影响。为了进一步提高激光雷达的反射率标定精度和反射率测量精度，可以在进行等效反射率计算时进一步考虑激光的入射角度对激光雷达的接收系统的通光面积的影响。例如，可以为每个校准用目标板设置接收系统的通光面积变化系数。如本领域技术人员所理解的，所述接收系统的通光面积变化系数可以是基于每个校准用目标板的入射角度和前面提及的预定的或期望的入射角度的。这样，前面描述的r₁与r₀的关系可以改变为：

其中，β为所述接收系统的通光面积变化系数。这里，通光面积变化系数可以根据激光雷达的结构特点而不同。

根据本公开的实施例，在校准场地以不同的距离和角度布置具有相同反射率的目标板获得的激光雷达数据，可以等效同一块包含不同反射率目标板的激光雷达数据。在以这种等效方法进行激光雷达的反射率标定过程中，可以利用具有相同反射率的目标板来满足对多反射率目标板的需求，从而无需制备具有各种反射率配置的目标板，能够有效地降低激光雷达的生产成本。

需要说明的是，在本文中，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……”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要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成或辅助完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。

虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本公开的所有可能形式。更确切地说，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种改变。此外，各种实施的实施例的特征可被组合以形成本公开的进一步的实施例。

Claims (13)

1.一种激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述反射率标定方法包括：

在雷达校准场中布置具有单一的固定的表面反射率的校准用目标板，以模拟具有期望的表面反射率的目标板；

采集包括探测值的雷达数据以及所述校准用目标板的相关参数；

基于所述校准用目标板的相关参数根据激光雷达方程计算理论回波功率；

基于采集的所述雷达数据和计算的理论回波功率建立回波功率与探测值的关系模型，

其中，每个校准用目标板的相关参数包括入射距离、入射角度和表面反射率。

2.根据权利要求1所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述校准用目标板包括多个校准用目标板，其中，所述多个校准用目标板具有相同的表面反射率和不同的等效表面反射率，其中，所述校准用目标板的等效表面反射率等效于具有预定的入射距离和预定的入射角度的一个目标板的表面反射率。

3.根据权利要求2所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，每个校准用目标板的相关参数还包括接收系统的通光面积变化系数，其中，所述接收系统的通光面积变化系数是基于所述每个校准用目标板的入射角度和所述预定的入射角度的。

4.根据权利要求1所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述关系模型是通过数据拟合得到的。

5.根据权利要求2所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，每个校准用目标板的至少一部分能够接收到所述激光雷达发出的激光。

6.根据权利要求1所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述探测值是脉宽、幅度或灰度。

7.根据权利要求1所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述激光雷达方程如下：

其中，P_r为进入所述激光雷达的接收系统的回波功率，P₀为所述激光雷达的发射功率，A_r为所述激光雷达的接收系统的通光面积，r为目标表面反射率，θ为激光光束相对目标表面的入射角度，d为激光束的入射距离，α为与所述激光雷达的系统参数相关的参考值，其中，所述激光雷达的系统参数至少包括激光波长和大气衰减系数。

8.根据权利要求7所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述参考值是固定值。

9.根据权利要求2所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述校准用目标板的等效表面反射率的计算公式如下：

其中，r₁为校准用目标板的等效表面反射率，r₀为所述标准目标板的表面反射率，d₀为所述预定的入射距离，θ₀为所述预定的入射角度，d₁为所述校准用目标板的入射距离，θ₁为所述校准用目标板的入射角度。

10.根据权利要求9所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述预定的入射角度为0度。

11.根据权利要求2所述的激光雷达的反射率标定方法，其特征在于，所述多个校准用目标板具有不同的入射角度和/或入射距离。

12.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达的反射率是按照如权利要求1至11中的任一项所述的反射率标定方法进行标定的。

13.一种激光雷达的反射率测量方法，其特征在于，所述反射率测量方法适用于如权利要求12所述激光雷达，所述反射率测量方法包括：

获取激光雷达的一次测量数据，所述测量数据包括目标入射距离、目标表面入射角度、激光雷达的接收系统的通光面积和探测值，

将所述探测值代入所述关系模型以计算回波功率；

根据激光雷达方程计算目标表面反射率并输出。

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