CN116148817A - 基于双波长的tof激光雷达系统及其抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双波长的TOF激光雷达系统及其抗干扰方法，其中主要涉及到了基于双波长的激光雷达系统设计、双波长激光雷达的工作方式及其控制方案、激光雷达系统的抗干扰方法以及激光管雷达抗干扰工作模式选择；具体内容包括：激光雷达系统架构，采用双波长发射和双探测器接收的设计方案；激光发射单元排布方式；发射光学系统结构；接收光学系统结构；激光脉冲发射模式；激光雷达工作模式；抗干扰模式和实现方法；轮询模式下控制和信号处理模块进行干扰信息处理方法；同步模式下控制和信号处理模块进行干扰信息处理方法。本发明通过双波长的轮询切换和协同工作的模式，实现激光雷达系统的抗干扰能力。

Description

基于双波长的TOF激光雷达系统及其抗干扰方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其是一种基于双波长的TOF激光雷达系统及其抗干扰方法。

背景技术

激光雷达是激光探测和测距系统的简称，通过发射并接收激光光束探测目标的三维结构、空间位置、表面反射率、运动状态等信息。基于飞行时间法（Time Of Flight, TOF）激光雷达通过测量激光光束的飞行时间、分析回波信号进行目标信息的感知。飞行时间法激光雷达在实际工作中通常会面临同频信号的干扰，影响激光雷达的探测性能，干扰源包括自然光、照明光源、同频激光雷达、同频恶意干扰源。激光雷达系统通常采用单一波长的激光脉冲进行目标的感知，系统架构包括单一波长激光源、光学系统、光束偏转装置、探测器等组件。

现有的单一波长的TOF激光雷达采用的抗干扰技术包括有限脉冲编码、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲间隔调制等。这些抗干扰技术可以在一定程度上减弱干扰源的影响，但是不能很好地应对复杂的使用场景，尤其是针对自动驾驶领域的使用场景。

其中，有限脉冲编码技术和脉冲间隔调制技术在消除一部分干扰信号源的同时，会同时对激光雷达的扫描频率带来影响，增加激光雷达的设计复杂度和硬件成本，这两种技术的激光雷达系统也很容易被干扰源致盲。脉冲幅度调制技术通过提高激光脉冲的能量，进而增加回波信号的信噪比来达到抗干扰的效果，这种技术对自然光和照明光源的干扰有效果，对于同频激光雷达和恶意干扰源，效果不是很明显。脉冲宽度调制技术通过改变激光脉冲的脉冲形状，在回波信号处理时加入脉冲宽度门限鉴别实现抗干扰的作用，这种技术无法消除同频干扰源的影响，同时对激光雷达测距性能也有一定影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种基于双波长的TOF激光雷达系统及其抗干扰方法，通过双波长的轮询切换和协同工作的模式，实现激光雷达系统的抗干扰能力。

根据本发明实施例的基于双波长的TOF激光雷达系统的抗干扰方法，激光雷达配置在抗干扰模式，第一探测器和第二探测器均配置在使能状态，具体包括以下步骤：

第1步骤、启动激光雷达系统；

第2步骤、控制和信号处理模块配置进入抗干扰模式；

第3步骤、

第一种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₁模式时，则第二探测器进入干扰监测状态，随后，判断第二探测器是否监测到干扰；

当第二探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₂模式，第一探测器进入干扰监测状态；

当第二探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第二种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₂模式时，则第一探测器进入干扰监测状态，随后，判断第一探测器是否监测到干扰；

当第一探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₁模式，第二探测器进入干扰监测状态；

当第一探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第4步骤、在轮询模式时，当第一探测器进行信号探测时，则第二探测器进入干扰监测状态；当第二探测器进行信号探测时，则第一探测器进入干扰监测状态；控制和信号处理模块抗干扰处理；

第5步骤、

第一种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号大于设定阈值时，则自动切换到同步模式，控制和信号处理模块抗干扰处理，并进行干扰程度判定；

当判定干扰程度连续K帧小于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到轮询模式；

当判定干扰程度连续K帧大于或等于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到同步模式；

第二种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧不能同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号小于或等于设定阈值时，则自动切换到轮询模式。

本发明还提供一种实现抗干扰方法的基于双波长的TOF激光雷达系统，包括控制和信号处理模块、发射单元、发射光学系统、光束偏转装置、探测目标、接收光学系统以及探测器；所述控制和信号处理模块用于控制发射单元的激光发射、探测器接收和回波信号的处理；所述发射单元用于发射激光脉冲，所述发射单元包括用于发射波长为λ₁的激光脉冲的第一发射单元和用于发射波长为λ₂的激光脉冲的第二发射单元；所述发射光学系统由第一发射单元的发射光路和第二发射单元的发射光路组成；所述光束偏转装置用于激光光束的偏转，以实现一定视场范围的现扫描；所述探测目标为探测视场角范围内的可探测物体；所述接收光学系统由第一探测器和第二探测器的接收光路组成；所述探测器包括第一探测器和第二探测器，第一探测器用于探测波长为λ₁的激光脉冲信号，第二探测器用于探测波长为λ₂的激光脉冲信号。

本发明的有益效果是，采用双光源和双探测器模式，实现双波长激光雷达系统设计；通过双光源和双探测器的轮询切换，实现对干扰的实时监测；通过双光源和双探测器的协同工作，实现激光雷达对干扰信号的处理；本发明的抗干扰方法，可以很好的应对各种干扰源，具有较高的抗干扰能力。

根据本发明一个实施例，在轮询模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第①步骤、计算第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第②步骤、比较第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第③步骤、确定一级数据和二级数据；

第④步骤、输出一级数据和二级数据。

根据本发明一个实施例，在同步模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第一步骤、第一探测器和第二探测器的单次探测信息，包括但不限于距离、角度、反射率和反射强度；

第二步骤、判断第一探测器和第二探测器的探测数据是否在一定偏差范围内或者满足一定关系，确定该次探测是否存在干扰；

第三步骤、当存在干扰时，则该次探测无效；当不存在干扰时，则该次探测数据有效；

第四步骤、第一探测器和第二探测器的有效数据同时输出。

根据本发明一个实施例，所述第一发射单元采用的是垂直腔面发射激光器、边缘发射激光器和光纤激光器中的任意一种，所述第二发射单元采用的是垂直腔面发射激光器、边缘发射激光器和光纤激光器中的任意一种。

根据本发明一个实施例，所述第一发射单元和所述第二发射单元采用的是同类型的激光光源，或者，所述第一发射单元和所述第二发射单元采用的是不同类型的激光光源。

根据本发明一个实施例，所述第一发射单元和所述第二发射单元均采用的是单点激光器，或者，所述第一发射单元和所述第二发射单元均采用的是激光器阵列。

根据本发明一个实施例，所述发射光学系统包括第一光阑、第二光阑、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜以及第二反射镜，

所述第一光阑、第一准直透镜和第二反射镜构成第一发射单元的发射光路；

所述第二光阑、第二准直透镜、第一反射镜和第二反射镜构成第二发射单元的发射光路；

第一发射单元和第二发射单元发出的激光光束经过第二反射镜后，光路重合，合路后的光束发射至光束偏转装置。

根据本发明一个实施例，所述接收光学系统包括第三反射镜、第四反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第一接收透镜组、第二接收透镜组以及第三光阑；

所述第三反射镜、第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑构成第一探测器的接收光路；

所述第三反射镜、第四反射镜、第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑构成第二探测器的接收光路；

从光束偏转装置发射过来的波长为λ₁和/或λ₂的激光脉冲到达第一反射镜后，λ₁和/或λ₂中的一种波长的激光脉冲会被第三反射镜全发射后经第四反射镜反射后通过第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑到达第二探测器，另一种波长的激光脉冲从第三反射镜透射过去，经第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑到达第一探测器。

根据本发明一个实施例，所述第一探测器位于第一接收透镜组的焦平面位置，所述第二探测器位于第二接收透镜组的焦平面位置。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明中激光雷达系统的架构图一；

图2是激光雷达系统中发射单元的排布结构示意图；

图3是激光雷达系统中发射光学系统的结构示意图；

图4是激光雷达系统中接收光学系统的结构示意图；

图5是激光雷达系统中探测器的视场范围示意图；

图6是本发明中激光脉冲发射模式示意图；

图7是本发明中激光雷达工作模式示意图；

图8是本发明中抗干扰模式流程图；

图9是轮询模式下控制和信号处理模块进行干扰信息处理流程图；

图10是同步模式下控制和信号处理模块进行干扰信息处理流程图；

图11是本发明中激光雷达系统的架构图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面参考附图具体描述本发明实施例的基于双波长的TOF激光雷达系统及其抗干扰方法。

见图1，本发明的基于双波长的TOF激光雷达系统，通过双波长的轮询切换和协同工作实现激光雷达系统的抗干扰能力，包括控制和信号处理模块、发射单元、发射光学系统、光束偏转装置、探测目标、接收光学系统以及探测器。

控制和信号处理模块用于控制发射单元的激光发射、探测器接收和回波信号的处理。

发射单元用于发射激光脉冲，发射单元包括用于发射波长为λ₁的激光脉冲的第一发射单元和用于发射波长为λ₂的激光脉冲的第二发射单元，例如，λ₁=905nm, λ₂=1550nm。

发射光学系统由第一发射单元的发射光路和第二发射单元的发射光路组成，具体地，发射光学系统包含激光准直透镜、反射镜以及光阑等；发射光学系统包括第一光阑、第二光阑、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜以及第二反射镜，第一光阑、第一准直透镜和第二反射镜构成第一发射单元的发射光路；第二光阑、第二准直透镜、第一反射镜和第二反射镜构成第二发射单元的发射光路。

光束偏转装置用于激光光束的偏转，以实现一定视场范围的现扫描，比如120°*25°，可以是旋转棱镜、振镜、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)振镜。

探测目标为探测视场角范围内的可探测物体。

接收光学系统由第一探测器和第二探测器的接收光路组成，具体地，接收光学系统包含透镜、反射镜以及光阑等；接收光学系统包括第三反射镜、第四反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第一接收透镜组、第二接收透镜组以及第三光阑；第三反射镜、第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑构成第一探测器的接收光路；第三反射镜、第四反射镜、第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑构成第二探测器的接收光路。

探测器包括第一探测器和第二探测器，第一探测器用于探测波长为λ₁的激光脉冲信号，第二探测器用于探测波长为λ₂的激光脉冲信号，第一探测器采用的是PIN光电二极管、雪崩二极管(APD)、硅光电倍增管以及单光子雪崩二极管(SPAD)等中的任意一种，同理，第二探测器采用的是PIN光电二极管、雪崩二极管(APD)、硅光电倍增管以及单光子雪崩二极管(SPAD)等中的任意一种。

见图2，第一发射单元采用的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser, VCSEL)、边缘发射激光器(Edge Emitting Laser, EEL)和光纤激光器等激光发射光源中的任意一种。

第二发射单元采用的是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser, VCSEL)、边缘发射激光器(Edge Emitting Laser, EEL)和光纤激光器等激光发射光源中的任意一种。

第一发射单元发射波长为λ₁的激光脉冲，第二发射单元发射波长为λ₂的激光脉冲。第一发射单元和第二发射单元的位置可以对等互换。

第一发射单元和第二发射单元采用的是同类型的激光光源，或者，第一发射单元和第二发射单元采用的是不同类型的激光光源。

第一发射单元和第二发射单元均采用的是单点激光器，或者，第一发射单元和第二发射单元均采用的是激光器阵列。当发射单元采用的是激光器矩阵时，则发射单元至少包括一个第一发射单元和一个第二发射单元。

考虑到激光器的温度漂移，需要满足以下条件：

其中，

表示第一发射单元在激光雷达工作温度范围内的最大波长温漂范围；

表示第二发射单元在激光雷达工作温度范围内的最大波长温漂范围。

见图3，第一光阑和第二光阑用于减少激光光束之间的串扰，起到激光器之间的隔离作用。

第一准直透镜组用于第一发射单元发射的激光光束的准直，可以包含X方向(横向)的准直和Y方向(纵向)的准直，也可以只包含单个方向的准直，第一准直透镜是可选的设置，可根据第一发射单元的激光光束是否需要准直而设置。

第二准直透镜组用于第二发射单元发射的激光光束的准直，可以包含X方向(横向)的准直和Y方向(纵向)的准直，也可以只包含单个方向的准直，第二准直透镜是可选的设置，可根据第二发射单元的激光光束是否需要准直而设置。

第一反射镜是λ₂全反射镜，第二反射镜对于λ₁是透明的，对于λ₂是全反射的。第一发射单元和第二发射单元发出的激光光束经过第二反射镜后，光路重合，合路后的光束发射至光束偏转装置。

见图4，从探测目标反射回来的激光脉冲经光束偏转装置后到达第三反射镜。第三反射镜对于λ₁是透明的，对于λ₂是全反射的，第四反射镜是λ₂全反射镜。第一滤光片对λ₁的反射回波是增透的，可以滤除λ₂的反射回波，第二滤光片对λ₂的反射回波是增透的，可以滤除λ₁的反射回波。第一接收透镜组和第二接收透镜组用来对接收回波进行汇聚。第三光阑起到不同探测单元之间光线隔离的作用，以降低不同探测器单元之间的串扰。第一探测器位于第一接收透镜组的焦平面位置，第二探测器位于第二接收透镜组的焦平面位置。第一探测器和第二探测器的位置是对等互换的。

从光束偏转装置发射过来的波长为λ₁和/或λ₂的激光脉冲到达第一反射镜后，λ₁和/或λ₂中的一种波长的激光脉冲会被第三反射镜全发射后经第四反射镜反射后通过第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑到达第二探测器，另一种波长的激光脉冲从第三反射镜透射过去，经第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑到达第一探测器。

见图5，视场范围FOV(Field Of View)，第一探测器和第二探测器共同覆盖的区域作为激光雷达系统的视场范围FOV，对某一空间位置进行探测时，发光单元一和发光单元二会同时或者依次向该位置发射激光脉冲。

见图6，激光脉冲发射模式，图6中的符号t表示的是时间，t10、t11、t12、t13、t14…表示第一发射单元发射激光脉冲的时刻，t20、t21、t22、t23、t24…表示第二发射单元发射激光脉冲的时刻。

激光雷达有四种脉冲发射模式，四种脉冲发射模式分别为轮询模式、同步模式、λ1模式和λ2模式。

在轮询模式时，第一发射单元和第二发射单元依次轮询发射激光脉冲，同一发射单元两个脉冲的时间间隔可以设置为相同，也可以设置为不同；第一发射单元和第二发射单元相邻脉冲之间的发射时间间隔可以设置为相同，也可以设置为不同；在轮询模式下，可以先后输出来自第一发射单元和第一探测器与来自第二发射单元和第二探测器的点云数据。

在同步模式时，第一发射单元和第二发射单元同步发射激光脉冲，同一发射单元的两个脉冲的时间间隔可以设置为相同，也可以设置为不同。

在λ1模式时，仅有第一发射单元发射激光脉冲，两个脉冲之间的时间间隔可以设置为相同，也可以设置为不同。

在λ2模式时，仅有第二发射单元发射激光脉冲，两个脉冲之间的时间间隔可以设置为相同，也可以设置为不同。

每一次第一发射单元的脉冲发射，第一探测器处于使能状态(开启状态)，第二探测器可以配置为使能状态，也可以配置为不使能状态(关闭状态)。

同理，每一次第二发射单元的脉冲发射，第二探测器处于使能状态(开启状态)，第一探测器可以配置为使能状态，也可以配置为不使能状态(关闭状态)。

激光管雷达系统在完成一个完整帧的探测后，在下一帧开始时进行激光脉冲发射模式切换。

见图7，激光雷达工作模式，激光雷达可以工作在普通模式，也可以工作在抗干扰模式。当激光雷达工作在普通模式时，激光雷达激光脉冲发射模式可以配置在轮询模式、同步模式、λ₁模式和λ₂模式中的任一种。λ₁模式仅输出来自于第一发射单元和第一探测器的点云数据，第二探测器处在不使能状态。λ₂模式仅输出来自于第二发射单元和第二探测器的点云数据，第一探测器处在不使能状态。轮询模式相比于λ₁模式和λ₂模式，可以先后输出来自第一发射单元和第一探测器的点云数据与来自第二发射单元和第二探测器的点云数据。同步模式相比于λ₁模式和λ₂模式，同一时刻可以输出两帧点云，其中的一帧来自于第一发射单元和第一探测器，另一帧来自于第二发射单元和第二探测器。配置在抗干扰模式时，轮询模式、同步模式、λ₁模式和λ₂模式可以根据干扰情况进行切换，以实现抗干扰功能。激光管雷达系统在完成一个完整帧的探测后，在下一帧开始时进行工作模式切换。

见图8，基于双波长的TOF激光雷达系统的抗干扰方法，激光雷达配置在抗干扰模式，第一探测器和第二探测器均配置在使能状态，具体包括以下步骤：

第1步骤、启动激光雷达系统；

第2步骤、控制和信号处理模块配置进入抗干扰模式；

第3步骤、

第一种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₁模式时，则第二探测器进入干扰监测状态，随后，判断第二探测器是否监测到干扰；

当第二探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₂模式，第一探测器进入干扰监测状态；

当第二探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第二种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₂模式时，则第一探测器进入干扰监测状态，随后，判断第一探测器是否监测到干扰；

当第一探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₁模式，第二探测器进入干扰监测状态；

当第一探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第4步骤、在轮询模式时，当第一探测器进行信号探测时，则第二探测器进入干扰监测状态；当第二探测器进行信号探测时，则第一探测器进入干扰监测状态；控制和信号处理模块抗干扰处理；

第5步骤、

第一种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号大于设定阈值时，则自动切换到同步模式，控制和信号处理模块抗干扰处理，并进行干扰程度判定；

当判定干扰程度连续K帧小于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到轮询模式；

当判定干扰程度连续K帧大于或等于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到同步模式；

第二种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧不能同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号小于或等于设定阈值时，则自动切换到轮询模式。

在轮询模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第①步骤、计算第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第②步骤、比较第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第③步骤、确定一级数据和二级数据；

第④步骤、输出一级数据和二级数据。

在同步模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第一步骤、第一探测器和第二探测器的单次探测信息，包括但不限于距离、角度、反射率和反射强度；

第二步骤、判断第一探测器和第二探测器的探测数据是否在一定偏差范围内或者满足一定关系，确定该次探测是否存在干扰；

第三步骤、当存在干扰时，则该次探测无效；当不存在干扰时，则该次探测数据有效；

第四步骤、第一探测器和第二探测器的有效数据同时输出。

需要说明的是，当激光雷达配置在抗干扰模式时，第一探测器和第二探测器均配置在使能状态，脉冲激光发射模式默认状态进入λ₁模式，也可默认进入λ₂模式，λ₁模式和λ₂模式在默认状态设置上是可以对等互换的。

以下以默认进入λ₁模式为例。在λ₁模式时，第二探测器进入干扰监测状态，第二探测器连续N帧(N 是大于等于1的正整数，N可根据需要进行设置)监测不到干扰，会自动切换到λ₂模式，如果不满足此条件，则进入轮询模式。在λ₂模式时，第一探测器进入干扰监测状态，第一探测器连续N帧(N 是大于等于1的正整数，N可根据需要进行设置)监测不到干扰，会自动切换到λ₁模式，如果不满足此条件，则进入轮询模式。

每一帧当中认为干扰存在的条件为：在一帧的探测周期时间内，探测器监测到的干扰个数与一帧数据的总点数的比值大于某一个阈值，则认为干扰存在。例如，激光雷达的一帧数据有100000个点，在λ₁模式时，第二探测器在一帧的时间周期产生了多于5000个探测响应（即至少是5001个探测响应），被认为干扰存在，此时阈值可以设定为5%。如果第一探测器在完成1个整帧的探测时间内，第二探测器共产生了5500个探测响应，被判定为存在波长为λ₂的干扰源，如果在此时间内第二探测器产生了4500个探测响应，则认为不存在波长为λ₂的干扰源。

在轮询模式时，第一探测器进行信号探测时，第二探测器进入干扰监测状态，第二探测器进行信号探测时，第一探测器进入干扰监测状态。在一帧开始时，激光雷达第一发射单元和第二发射单元轮询发光(可以是第一发射单元先发光，也可以是第二发射单元先发光，第一发射单元和第二发射单元是可以对等互换的)；第一发射单元发光时，第一探测器用于目标回波探测，第二探测器进行干扰监测；第二发射单元发光时，第二探测器用于目标回波探测，第二探测器进行干扰监测，由控制和信号处理模块进行干扰信息处理，分别计算第一探测器和第二探测器的干扰强度，干扰强度低的定义为一级数据，干扰强度差的定义为二级数据，激光雷达同时输出一级数据和二级数据，见图9。

第一探测器的干扰强度计算方式是，在第二探测器的一帧数据的完整探测周期内，第一探测器探测到干扰的次数与一帧数据总点数的比值。第二探测器的干扰强度计算方式是，在第一探测器的一帧数据的完整探测周期内，第二探测器探测到干扰的次数与一帧数据总点数的比值。当第一探测器和第二探测器都监测到干扰的存在，控制和信号处理模块会计算第一探测器和第二探测器干扰信号强度，满足一定条件时，进入同步模式；该条件的判定方法是：在第一探测器的一帧探测中，干扰信号的探测次数与一帧数据总点数的比值为T₁；在第二探测器的一帧探测中，干扰信号的探测次数与一帧数据总点数的比值为T₂；T₁大于等于第一探测器设定的阈值,T₂大于等于第二探测器设定的阈值，如果此种情况连续出现M帧(M是大于等于1的正整数，M可以结合具体实施例进行设置)，此时便认为满足进入同步模式的条件。例如，第一探测器的阈值设定为10%，第二探测器的阈值设定为15%，M=1，T₁=11%，T₂=20%时，出现一帧这样的情概况便进入同步模式。

在同步模式下，控制和信号处理模块会进行抗干扰处理，见图10，并且会计算当前模式下的干扰程度，当干扰程度大于等于某一阈值时，继续保持在同步模式；当干扰程度小于该阈值时，进入轮询模式。

同步模式下控制和信号处理模块的抗干扰处理方法是，第一探测器和第二探测器探测的信息，包括但不限于距离、角度、反射率、反射强度等数据，当第一探测器和第二探测器的两者的探测数据在一定偏差范围内时或者满足一定关系时，该次探测被认为无干扰探测，否则被认为有干扰探测，偏差的大小可以根据具体实施例进行设定。例如，距离偏差±10以内，角度偏差0.1°以内，反射率偏差在10%以内，反射强度偏差在10%以内。满足一定关系指的是在进行综合判断时，可以给各探测数据增加权重值。在控制和信号处理模块进行抗干扰处理，若某次同步探测被认为是有干扰探测，则相应的探测1和第二探测器的探测被认为无效。第一探测器和第二探测器无效探测的数据直接丢弃，有效探测的数据一并从激光雷达输出。在一帧探测当中，干扰程度用无效探测的比例表示，即干扰强度等于一帧探测时间内无效探测数和一帧数据的总点数的比值。干扰强度的阈值可以设定为某一值，例如10%，当干扰强度大于等于10%时，保持在同步模式，干扰强度小于10%时，且连续K帧(K是大于等于1的正整数，K可以结合具体实施例进行设置)出现这种情况，进入轮询模式。

见图11，第一发射单元也可以称之为λ₁波长发射模块，第二发射单元也可以称之为λ₂波长发射模块，第一探测器也可以称之为λ₁波长接收模块，第二探测器也可以称之为λ₂波长接收模块。

本发明的基于双波长的TOF激光雷达系统，通过双波长的轮询切换和协同工作实现激光雷达系统的抗干扰能力和对干扰信号的处理。激光雷达系统架构，包含控制和信号处理模块、λ₁波长发射模块、λ₂波长发射模块、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片、探测目标、接收光学系统、λ₁波长接收模块以及λ₂波长接收模块。窗口片对于λ₁波长激光和λ₂波长激光是透明的，会阻碍其它波长的光进入激光雷达内部，此外，窗口片还可具有防尘防水、防脏污耐清洗、耐碎石冲击、除霜除雾设计。控制和信号处理模块控制发射模块的激光发射、接收模块接收和回波信号的处理。λ₁波长发射模块发射波长为λ₁的激光脉冲，λ₂波长发射模块发射波长为λ₂的激光脉冲。本发明采用双光源和双探测器配置，可以实现双波长激光雷达系统设计，通过双光源和双探测器的轮询切换和协同工作，实现对干扰的实时监测和对干扰信号的处理。本发明的系统设计和抗干扰方法，可以很好的应对各种干扰源，具有较高的抗干扰能力，实现激光雷达的高效探测。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双波长的TOF激光雷达系统的抗干扰方法，其特征在于，激光雷达配置在抗干扰模式，第一探测器和第二探测器均配置在使能状态，具体包括以下步骤：

第1步骤、启动激光雷达系统；

第2步骤、控制和信号处理模块配置进入抗干扰模式；

第3步骤、

第一种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₁模式时，则第二探测器进入干扰监测状态，随后，判断第二探测器是否监测到干扰；

当第二探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₂模式，第一探测器进入干扰监测状态；

当第二探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第二种情形：当脉冲激光发射模式默认状态进入λ₂模式时，则第一探测器进入干扰监测状态，随后，判断第一探测器是否监测到干扰；

当第一探测器连续N帧监测不到干扰时，其中，N是大于等于1的正整数，则自动切换到λ₁模式，第二探测器进入干扰监测状态；

当第一探测器监测到干扰时，则自动切换到轮询模式；

第4步骤、在轮询模式时，当第一探测器进行信号探测时，则第二探测器进入干扰监测状态；当第二探测器进行信号探测时，则第一探测器进入干扰监测状态；控制和信号处理模块抗干扰处理；

第5步骤、

第一种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号大于设定阈值时，则自动切换到同步模式，控制和信号处理模块抗干扰处理，并进行干扰程度判定；

当判定干扰程度连续K帧小于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到轮询模式；

当判定干扰程度连续K帧大于或等于阈值，其中，K是大于等于1的正整数，则自动切换到同步模式；

第二种情形：当第一探测器和第二探测器连续M帧不能同时监测到干扰，其中，M是大于等于1的正整数，且干扰信号小于或等于设定阈值时，则自动切换到轮询模式。

2.根据权利要求1所述的抗干扰方法，其特征在于，在轮询模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第①步骤、计算第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第②步骤、比较第一探测器和第二探测器的干扰强度；

第③步骤、确定一级数据和二级数据；

第④步骤、输出一级数据和二级数据。

3.根据权利要求1所述的抗干扰方法，其特征在于，在同步模式下，控制和信号处理模块进行干扰信息处理的步骤如下：

第一步骤、第一探测器和第二探测器的单次探测信息，包括但不限于距离、角度、反射率和反射强度；

第二步骤、判断第一探测器和第二探测器的探测数据是否在一定偏差范围内或者满足一定关系，确定该次探测是否存在干扰；

第三步骤、当存在干扰时，则该次探测无效；当不存在干扰时，则该次探测数据有效；

第四步骤、第一探测器和第二探测器的有效数据同时输出。

4.一种实现如权利要求1所述的抗干扰方法的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：

包括控制和信号处理模块、发射单元、发射光学系统、光束偏转装置、探测目标、接收光学系统以及探测器；

所述控制和信号处理模块用于控制发射单元的激光发射、探测器接收和回波信号的处理；

所述发射单元用于发射激光脉冲，所述发射单元包括用于发射波长为λ₁的激光脉冲的第一发射单元和用于发射波长为λ₂的激光脉冲的第二发射单元；

所述发射光学系统由第一发射单元的发射光路和第二发射单元的发射光路组成；

所述光束偏转装置用于激光光束的偏转，以实现一定视场范围的现扫描；

所述探测目标为探测视场角范围内的可探测物体；

所述接收光学系统由第一探测器和第二探测器的接收光路组成；

所述探测器包括第一探测器和第二探测器，第一探测器用于探测波长为λ₁的激光脉冲信号，第二探测器用于探测波长为λ₂的激光脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：所述第一发射单元采用的是垂直腔面发射激光器、边缘发射激光器和光纤激光器中的任意一种，所述第二发射单元采用的是垂直腔面发射激光器、边缘发射激光器和光纤激光器中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：所述第一发射单元和所述第二发射单元采用的是同类型的激光光源，或者，所述第一发射单元和所述第二发射单元采用的是不同类型的激光光源。

7.根据权利要求5所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：所述第一发射单元和所述第二发射单元均采用的是单点激光器，或者，所述第一发射单元和所述第二发射单元均采用的是激光器阵列。

8.根据权利要求4所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：

所述发射光学系统包括第一光阑、第二光阑、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜以及第二反射镜，

所述第一光阑、第一准直透镜和第二反射镜构成第一发射单元的发射光路；

所述第二光阑、第二准直透镜、第一反射镜和第二反射镜构成第二发射单元的发射光路；

第一发射单元和第二发射单元发出的激光光束经过第二反射镜后，光路重合，合路后的光束发射至光束偏转装置。

9.根据权利要求4所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：

所述接收光学系统包括第三反射镜、第四反射镜、第一滤光片、第二滤光片、第一接收透镜组、第二接收透镜组以及第三光阑；

所述第三反射镜、第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑构成第一探测器的接收光路；

所述第三反射镜、第四反射镜、第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑构成第二探测器的接收光路；

从光束偏转装置发射过来的波长为λ₁和/或λ₂的激光脉冲到达第一反射镜后，λ₁和/或λ₂中的一种波长的激光脉冲会被第三反射镜全发射后经第四反射镜反射后通过第二滤光片、第二接收透镜组和第三光阑到达第二探测器，另一种波长的激光脉冲从第三反射镜透射过去，经第一滤光片、第一接收透镜组和第三光阑到达第一探测器。

10.根据权利要求9所述的基于双波长的TOF激光雷达系统，其特征在于：所述第一探测器位于第一接收透镜组的焦平面位置，所述第二探测器位于第二接收透镜组的焦平面位置。

Images