CN116699556A - 一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达，方法包括：控制光发射器以初始发射功率发射探测光；在曝光时间结束时，获取光子探测器阵列输出的直方图数据；根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；若不满足预设性能条件，则根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。通过动态调整光发射器的功率，使得全固态激光雷达的探测性能满足预设性能条件，确保探测效果的同时避免能量浪费。

Description

一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达

技术领域

本发明涉及深度传感技术领域，尤其涉及一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达。

背景技术

激光雷达通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点被广泛应用于消费电子、自动驾驶、遥感探测、AR/VR等领域。

激光雷达通过计算光从发射端(Transmitter，TX)发射，在目标物体反射回接收端(Receiver,RX)的飞行时间(Time-of-flight,ToF)来计算距离。加工简单可靠性高的垂直腔面激光发射器(VCSEL)是激光雷达中常见的激光发射器，光子探测器则包括光电二极管(PD)，雪崩光电二极管(APD)，单光子雪崩二极管(SPAD)以及硅基光电倍增管(SiPM)等。

不同于机械式和MEMS激光雷达利用机械结构移动或者微镜旋转来提高空间分辨率，装配有大面阵单光子探测器的全固态激光雷达具有装配简单、可靠性高的优势。然而大面阵、海量像素对能量的消耗也十分显著，同时由于太阳光等环境噪声的存在，通常采用提高激光功率来提高信噪比，这同样增加了能耗。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达，以降低激光雷达的探测功耗，避免能量浪费。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明第一方面提供一种全固态激光雷达动态曝光方法，包括如下步骤：

控制光发射器以初始发射功率发射探测光；

在曝光时间结束时，获取光子探测器阵列输出的直方图数据；

根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；

若不满足预设性能条件，则根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。

在一个实施例中，所述根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件，包括：

根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，以及确认信噪比是否处于预设区间；

当存在过曝现象和/或信噪比不处于预设区间时，确认当前探测性能不满足预设性能条件。

在一个实施例中，所述根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，包括：

根据所述直方图数据构建对应的直方图；

对所述直方图进行寻峰，并计算信号峰的半峰宽；

当所述半峰宽小于预设宽度时，确认存在过曝现象。

在一个实施例中，所述根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，具体指：

当存在过曝现象时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比大于预设上限值时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比小于预设下限值时，提高所述初始发射功率。

在一个实施例中，所述控制光发射器以初始发射功率发射探测光之前，所述方法还包括：

出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。

在一个实施例中，所述控制光发射器以初始发射功率发射探测光，具体指：

控制所述指定发射区域以第一发射功率发射探测光，控制所述光发射器中其它区域以第二发射功率发射探测光，所述第一发射功率小于所述第二发射功率。

在一个实施例中，所述指定发射区域由与所述预设探测范围对应的发光散点的行列坐标确定。

本发明第二方面提供一种全固态激光雷达动态曝光装置，包括：

光发射器，用于发射探测光；

光子探测器阵列，用于接收经目标反射回的探测光并输出直方图数据；

数据处理模块，用于在曝光时间结束时获取光子探测器阵列输出的直方图数据；以及根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；

控制模块，用于控制光发射器以初始发射功率发射探测光；以及在不满足预设性能条件时根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。

在一个实施例中，所述装置还包括：

标定模块，用于出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。

本发明第三方面提供一种激光雷达，包括如上所述的全固态激光雷达动态曝光装置。

本发明的有益效果为：提供一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达，通过动态调整光发射器的功率，使得全固态激光雷达的探测性能满足预设性能条件，确保探测效果的同时避免能量浪费。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中全固态激光雷达动态曝光方法的流程图；

图2为本发明实施例中光子数随距离变化的关系图；

图3为本发明实施例中一种指定发射区域和指定接收区域的示意图；

图4为本发明实施例中一种应用场景示意图；

图5为本发明实施例中一种距离探测方法的流程图；

图6为本发明实施例中全固态激光雷达动态曝光装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实施例和简化描述，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该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供的全固态激光雷达动态曝光方法应用于基于飞行时间(timeof flight，TOF)方法的全固态激光雷达探测系统，该全固态激光雷达探测系统至少包括控制器、发射器和接收器，控制器分别与发射器和接收器连接，其中，发射器用于向目标物体发射探测光束，至少部分的探测光束会经过目标物体反射形成反射光；接收器包括由多个像素组成的像素阵列，用于接收经所述目标物体反射回的反射光；控制器用于同步控制光的发射和接收，对接收器接收的光子以时间箱(时间bin)区分进行直方图统计，后续再通过直方图计算光子的飞行时间，进而测出目标物体的距离。

具体地，发射器包括驱动器和光源等，光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、皮秒激光器等等，光源在驱动器的驱动控制下向外发射探测光束，该探测光束可以是可见光、红外光、紫外光等等，探测光束的至少部分向目标物体发射，至少部分的探测光束经过目标物体反射产生的反射光被接收器接收。

接收器包括像素阵列和接收光学元件等，接收光学元件可以是透镜、微透镜阵列、反射镜等等形式中的一种或多种组合，通过接收光学元件接收反射光并引导至像素阵列上，像素阵列包括多个采集光子的像素，在一个实施例中，像素阵列由多个单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成，SPAD可以对入射的单个光子进行响应，当然在其它实施例中，还可采用例如雪崩光电二极管、光电倍增管、硅光电倍增管等等光电转换器件。

目前全固态激光雷达探测系统具有装配简单、可靠性高的优势，然而大面阵、海量像素对能量的消耗也十分显著，同时由于太阳光等环境噪声的存在，通常会采用提高激光功率来提高信噪比，这进一步增加了能耗，因此以下通过应用于全固态激光雷达探测系统的动态曝光方法来描述如何解决这一问题，以从发射角度降低激光雷达的探测功耗，确保探测效果的同时避免能量浪费。

如图1所示，图1为本发明一个实施例中全固态激光雷达动态曝光方法的流程图，该方法具体包括如下步骤：

S101、控制光发射器以初始发射功率发射探测光。

本实施例中，在开始距离探测时，基于设定的初始发射功率控制光发射器向目标发射探测光，该初始发射功率可以有多种设置方式，例如按比例设置，即将初始发射功率与最大发射功率之间的比例设为预设比例(50％、60％)；或者按数值设置，即将初始发射功率设定为用户输入的指定功率值；或者按默认设置，即将初始发射功率默认设定为系统记录的上一次发射功率，具体的设置方式可根据实际需求选择，本实施例对此不作限定。

S102、在曝光时间结束时，获取光子探测器阵列输出的直方图数据。

在发射探测光的同时，开启光子探测器阵列在曝光时间内接收反射回的探测光。基于接收到的反射光，通过TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转换器)将时间信息转换成数字信息，以确认每次接收到的光子落入的时间箱(时间bin)。因此随着曝光的持续进行，可根据TDC光子触发数据对相应时间箱的值进行加1统计，在曝光时间结束时即可获取到与反射光相对应的直方图数据，以分析全固态激光雷达在初始发射功率以及当前环境下的探测情况。

S103、根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件。

对获取到的直方图数据进行性能分析，确认在当前环境下以初始发射功率进行探测的性能是否满足预设性能条件。该预设性能条件是对全固态激光雷达的探测效果和功耗等进行评估的量化标准，通过具有量化标准的预设性能条件评估当前全固态激光雷达的工作状态，以便能更好地平衡探测效果与探测功耗。

S104、若不满足预设性能条件，则根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。

若在初始发射功率下的探测结果不满足预设性能条件，表明此时全固态激光雷达的初始发射功率难以满足探测效果的要求，或者初始发射功率存在能量浪费等情况，因此根据直方图数据的性能分析结果对初始发射功率进行动态调整，并继续基于新获取的直方图数据继续性能分析与判断，直到探测性能满足预设性能条件，此时表明全固态激光雷达在确保了探测效果的同时也将功耗控制在了合理水平，避免了能量浪费。

在一个实施例中，步骤S103包括：

根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，以及确认信噪比是否处于预设区间；

当存在过曝现象和/或信噪比不处于预设区间时，确认当前探测性能不满足预设性能条件。

本实施例中，预设性能条件包括探测不存在过曝现象以及信噪比的预设区间。在对直方图数据进行性能分析时，可根据直方图数据构建对应的直方图并计算得到探测的信噪比，进一步判断当前曝光轮次是否存在过曝现象，以及信噪比是否处于预设区间，若存在过曝现象或者信噪比不处于预设区间，或者存在过曝现象的同时信噪比也不处于预设区间，则确认当前的探测性能不满足预设性能条件。例如存在过曝现象时可能存在发射功率过大导致能量浪费的情况，而信噪比不处于预设区间时可能存在探测准确性较低的情况，均会影响全固态激光雷达的探测性能。因此通过对直方图数据的分析来准确判断当前的探测性能是否符合预期，以便后续进行针对性的发射功率动态调整。

在一个实施例中，所述根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，包括：

根据所述直方图数据构建对应的直方图；

对所述直方图进行寻峰，并计算信号峰的半峰宽；

当所述半峰宽小于预设宽度时，确认存在过曝现象。

本实施例中，对直方图数据构建得到的直方图进行寻峰处理，确认信号峰的位置并计算得到信号峰的半峰宽，通过半峰宽来进行量化的过曝现象判断，在半峰宽小于预设宽度时，则确认存在过曝现象。

由于受限于工作原理，光子探测器如SPAD在检测到一个光子后，需要一段时间恢复才能进行下一次检测，这个时间即为死区时间，当目标物体反射率过高或距离过近，光子探测器会出现过曝现象，即探测器被大量先到的光子触发，导致直方图变得很窄，最终导致测距不准。因此针对预设性能条件中过曝现象的判断，可通过直方图的半峰宽表征其波形特性，以此进行量化的过曝现象判断，提高过曝现象判断的可靠性。

在一个实施例中，所述根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，具体指：

当存在过曝现象时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比大于预设上限值时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比小于预设下限值时，提高所述初始发射功率。

本实施例中，由于在dToF激光雷达中，如果控制激光功率和重频不变，接收到的信号光能量和距离成平方反比关系，而根据普朗克黑体辐射定律，光能量和光子数成正比。由此可得，如果不受光子探测器死区时间影响，如图2所示，探测器接收到的信号光光子数和距离成平方反比关系，探测器记录的环境光等背景噪声导致的光子数与距离无关。根据上述特性，可以通过动态调整激光器功率来实现在降低实际功耗的时候，仍然能保证高信噪比的探测和高精准度的测量。

具体的，在存在过曝现象或者信噪比大于预设上限值时，降低初始发射功率以减少功耗，而在信噪比小于预设下限值时，提高初始发射功率以改善测量效果，通过动态调整光发射器的发射功率来平衡全固态激光雷达的探测效果和探测功耗。

在一个实施例中，步骤S101之前，方法还包括：

出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。

本实施例中，在全固态激光雷达出厂前，对光发射器和光子探测器阵列进行区域标定。如图3中的(a)所示，光子探测器阵列由多个探测器像素(pixel)组成，如图3中的(b)所示，光发射器采用垂直腔面激光发射器(VCSEL)，且VCSEL上由多个发光散点(Dot)，每个dot的发光相互独立可控。在曝光探测时，不同位置的发光散点发出的光，在经其探测范围内的物体反射后会被对应位置的像素接收。基于此，为实现更加精准的分区调整，可在出厂前确定与预设探测范围对应的指定反射区域和指定接收区域，具体的指定发射区域由与所述预设探测范围对应的发光散点的行列坐标确定，从而实现更小范围的精准区域曝光控制，例如指定发射区域可以是某一行、某一列或者若干个不连续的离散点等等。

在一个实施例中，所述控制光发射器以初始发射功率发射探测光，具体指：

控制所述指定发射区域以第一发射功率发射探测光，控制所述光发射器中其它区域以第二发射功率发射探测光，所述第一发射功率小于所述第二发射功率。

本实施例中，在出厂前进行了区域标定的基础上，可实现更加灵活的功率动态调整。控制指定发射区域和其它区域以不同的发射功率发出探测光，从而降低部分区域的光功率，节约整体的功耗。

如图4所示，全固态激光雷达在应用于车载场景对道路上的物体进行探测时，由于视场角的存在，激光雷达向下部的路面射出激光信号，由路面反射被光子探测器阵列接收，这部分的测量距离远小于远处路面其他物体的距离，不需要过高的发射光功率。因此，可在出厂前提前标定探测范围朝向路面的指定发射区域和指定接收区域，并且降低指定发射区域的发射功率使其小于其它区域的发射功率，在不影响探测效果的同时也降低了系统整体的功耗。

以下结合图5，对应用了全固态激光雷达动态曝光方法的距离探测过程进行介绍：

在实际距离测量中，开启一轮曝光时，控制光发射器发射激光，光子探测器接收并存储了关于时间箱和光子数的直方图，其中包含了光发射器发出的信号光和背景噪声。计算单元(Processing unit，PU)根据直方图，首先判断是否存在过曝现象，如果有过曝，则控制单元(Control Unit,CU)降低光发射器的光功率，等待下次曝光；若不存在过曝现象则继续计算并判断信噪比，若信噪比过低，则可以提高光功率，改善测量；若信噪比不过低，则可计算输出距离后等待下一轮曝光；若信噪比过高，则可适当降低光功率，以减少功耗，最终实现平衡了功耗的高精准度的测量。

需要说明的是，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施例的描述可以理解，不同实施例中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。

本发明还相应提供全固态激光雷达动态曝光装置，如图6所示，图6为本发明一个实施例中全固态激光雷达动态曝光装置的结构图，其包括光发射器601、光子探测器阵列602、数据处理模块603和控制模块604，其中光子探测器阵列602、数据处理模块603和控制模块604依次连接，控制模块604还连接光发射器601和光子探测器阵列602。其中光发射器601用于发射探测光；光子探测器阵列602用于接收经目标反射回的探测光并输出直方图数据；数据处理模块603用于在曝光时间结束时获取光子探测器阵列602输出的直方图数据；以及根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；控制模块604用于控制光发射器601以初始发射功率发射探测光；以及在不满足预设性能条件时根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。由于上述方法实施例已对全固态激光雷达动态曝光过程进行了详细介绍，具体可参考上述对应的方法实施例，此处不做赘述。

在一个实施例中，全固态激光雷达动态曝光装置还包括标定模块，标定模块用于出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。由于上述方法实施例已对全固态激光雷达动态曝光过程进行了详细介绍，具体可参考上述对应的方法实施例，此处不做赘述。

本发明还相应提供一种激光雷达，其包括如上所述的全固态激光雷达动态曝光装置。由于上述方法实施例已对全固态激光雷达动态曝光过程进行了详细介绍，具体可参考上述对应的方法实施例，此处不做赘述。

综上，本发明提供公开的一种全固态激光雷达动态曝光方法、装置与激光雷达，方法包括：控制光发射器以初始发射功率发射探测光；在曝光时间结束时，获取光子探测器阵列输出的直方图数据；根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；若不满足预设性能条件，则根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。通过动态调整光发射器的功率，使得全固态激光雷达的探测性能满足预设性能条件，确保探测效果的同时避免能量浪费。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制光发射器以初始发射功率发射探测光；

在曝光时间结束时，获取光子探测器阵列输出的直方图数据；

根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；

若不满足预设性能条件，则根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。

2.根据权利要求1所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件，包括：

根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，以及确认信噪比是否处于预设区间；

当存在过曝现象和/或信噪比不处于预设区间时，确认当前探测性能不满足预设性能条件。

3.根据权利要求2所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述根据所述直方图数据确认是否存在过曝现象，包括：

根据所述直方图数据构建对应的直方图；

对所述直方图进行寻峰，并计算信号峰的半峰宽；

当所述半峰宽小于预设宽度时，确认存在过曝现象。

4.根据权利要求2所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，具体指：

当存在过曝现象时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比大于预设上限值时，降低所述初始发射功率；

当所述信噪比小于预设下限值时，提高所述初始发射功率。

5.根据权利要求1所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述控制光发射器以初始发射功率发射探测光之前，所述方法还包括：

出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。

6.根据权利要求5所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述控制光发射器以初始发射功率发射探测光，具体指：

控制所述指定发射区域以第一发射功率发射探测光，控制所述光发射器中其它区域以第二发射功率发射探测光，所述第一发射功率小于所述第二发射功率。

7.根据权利要求5所述的全固态激光雷达动态曝光方法，其特征在于，所述指定发射区域由与所述预设探测范围对应的发光散点的行列坐标确定。

8.一种全固态激光雷达动态曝光装置，其特征在于，包括：

光发射器，用于发射探测光；

光子探测器阵列，用于接收经目标反射回的探测光并输出直方图数据；

数据处理模块，用于在曝光时间结束时获取光子探测器阵列输出的直方图数据；以及根据所述直方图数据，确认当前探测性能是否满足预设性能条件；

控制模块，用于控制光发射器以初始发射功率发射探测光；以及在不满足预设性能条件时根据所述直方图数据动态调整所述初始发射功率，直到探测性能满足预设性能条件。

9.根据权利要求8所述的全固态激光雷达动态曝光装置，其特征在于，所述装置还包括：

标定模块，用于出厂前进行标定，确定与预设探测范围对应的指定发射区域和指定接收区域。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求8所述的全固态激光雷达动态曝光装置。