CN117233787B - 点云图像获取方法、装置和激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种点云图像获取方法、装置和激光雷达。该方法应用于激光雷达，激光雷达包括发射端和阵列探测器；阵列探测器中，多个微像素被划分至一个；该方法包括：发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；以宏像素为单位处理回波信号得到目标物对应的点云图像。采用本方法能够获得超分辨率的点云图像。
Description
技术领域
本申请涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种点云图像获取方法、装置和激光雷达。
背景技术
随着自动驾驶技术的普及、自动驾驶系统等级的提升，激光雷达因为其高精度、高分辨率的感知能力得到广泛应用。激光雷达在自动驾驶系统中的装配率快速提升，进入实用阶段。
激光雷达为主动探测工作方式，发射一定脉宽的激光，通过测量回波信号实现对目标物体的位置、距离等的精确估计。目前，激光雷达的核心性能指标角度分辨率是直接决定传感器对于真实世界的感知能力的关键指标，同时也是感知算法和SLAM（Simultaneouslocalization and mapping，同步定位与建图）算法对于目标识别和场景构建的核心参数。对于激光雷达的多种实际场景应用，如自动驾驶、智能驾驶、建筑测量与测绘、实时3D SLAM等，一般都需要通过点云信息“复现”真实物理世界的物体尺度信息，算法识别和目标的预判等，以实现更为精准的信息感知，为决策层提供更全面的信息输入。
为了实现较高的角度分辨率，传统的激光雷达技术方案中，一般通过使用更大规模后端探测器、使用更复杂的扫描结构实现更密集的空间能量投射图案、复杂的数据处理和点云超分辨算法、提升激光器重频或压缩时域窗口、更为密集的收发单元的排列与组合、使用错位排列的点云映射（硬件或软件层面配置）、多帧累积或部分数据的累积复用、特殊的非均匀曲率镜头或超镜头等方式，提高激光雷达的角分辨率。虽然以上技术手段被广泛应用于目前现有的各类技术方案的激光雷达，但是均存在一定的短板或不足，能够实现的分辨率指标或视场角范围受到限制。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现超分辨率的点云图像获取方法、装置、激光雷达、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种点云图像获取方法，应用于激光雷达，激光雷达包括发射端和阵列探测器；阵列探测器中，多个微像素被划分至一个宏像素；方法包括：
发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
在其中一个实施例中，多个微像素为有效微像素；第一方向的完整区域为第一方向的完整有效微像素区域。
在其中一个实施例中，第一方向为行方向或列方向。
在其中一个实施例中，阵列探测器包括第一完整区域和第二完整区域；以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像包括：
第一完整区域内的回波信号处理完成后，将第二完整区域更新为第一完整区域，重复执行发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；以宏像素为单位处理回波信号的步骤，直至得到目标物对应的点云图像；
其中，第二完整区域和第一完整区域在第二方向上相邻且存在复用微像素，第二方向和第一方向相垂直。
在其中一个实施例中，以宏像素为单位处理回波信号，包括：
在接收回波信号的完整区域内，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号；且，在上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在部分复用像素，直至得到完整区域内的所有测量点数据。
在其中一个实施例中，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号，直至得到完整区域内的所有测量点数据，包括：
对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；
将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；
将下一时刻读取信号的宏像素更新为宏像素，重复执行对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将下一时刻读取信号的宏像素更新为宏像素的步骤，直至回波信号的完整区域内的微像素所接收的回波信号读取完成，得到多个宏像素对应的测量点数据；
对多个宏像素对应的测量点数据进行拼接处理，得到完整区域内的所有测量点数据。
在其中一个实施例中，该方法还包括：
当阵列探测器为面阵探测器时，发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器的所有宏像素所在的完整区域同时接收；
阵列探测器将所有宏像素所在的完整区域划分为多个子区域；每个子区域为至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域；
阵列探测器以宏像素为单位处理每个子区域所接收的回波信号，并对多个子区域处理得到的测量点数据进行拼接，得到目标物对应的点云图像。
在其中一个实施例中，该方法还包括：
根据点云图像，在阵列探测器的有效微像素区域对应的不同的角度空间，采用不同的移动量配置第一方向上相邻宏像素的间隔；
返回至发射端向目标物发射探测光的步骤，以重新获取目标物对应的点云图像。
第二方面，本申请还提供了一种点云图像获取装置，包括：
发射模块，用于控制发射端向目标物发射探测光，探测光所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
探测模块，用于控制阵列探测器以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
第三方面，本申请还提供了一种激光雷达，包括发射端和阵列探测器；激光雷达用于实现以下步骤：
发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
上述点云图像获取方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，发射端向目标物发射探测光，阵列探测器中至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域会同时处于上电的工作状态，并同时接收探测光所形成的回波信号，以宏像素为单位处理回波信号，可实现在设计规则范围内任意拓扑形态的点云数据的采集和输出，实现全视场内灵活配置分辨率，有利于实现超分辨率，以满足激光雷达对于真实物理世界的高精细度感知，亦可以更好的满足自动驾驶领域对于激光雷达高分辨率的性能需求。另外，本方法完全不依赖于扫描器、光学设计等其他系统模块，降低了系统复杂度；无需复杂的数据后处理算法，基于真实的原始数据，所见即所得；无需牺牲系统功耗、激光器大幅提高帧率或降低系统帧率等额外代价；可兼容场景变化和外部工作工况变化的自适应性，解决了传统技术存在的短板或不足。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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为一个实施例中点云图像获取方法的流程示意图；
图2为一个实施例中探测器的微像素阵列及数据合并的规则示意图；
图3为一个实施例中面阵探测器的探测步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中线阵探测器拓展为面阵探测器的示意图；
图5为一个实施例中有效微像素区域中的完整区域示意图；
图6为一个实施例中探测器的宏像素2D寻址扫描读出的规则示意图；
图7为一个实施例中点云图像获取装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了实现较高的角度分辨率，传统的激光雷达技术方案中，一般通过使用更大规模后端探测器、使用更复杂的扫描结构实现更密集的空间能量投射图案、复杂的数据处理和点云超分辨算法、提升激光器重频或压缩时域窗口、更为密集的收发单元的排列与组合、使用错位排列的点云映射（硬件或软件层面配置）、多帧累积或部分数据的累积复用、特殊的非均匀曲率镜头或超镜头等方式，提高激光雷达的角分辨率。
以上技术手段被广泛应用于目前现有的各类技术方案的激光雷达，但是均存在一定的短板或不足，能够实现的分辨率指标或视场角范围受到限制：
1、系统架构的复杂度较高或存在其他的代价，如体积大、功耗高、扫描器件控制的复杂度高和可靠性差，以及需要的控制算法复杂，鲁棒性差；
2、通过光学设计实现，需要复杂的光学设计，成本高且实现的分辨率线性度差；
3、需要更多数量的元器件组合或者排列，整体尺寸大，成本高；
4、半导体工艺和材料外延工艺的限制，探测器或激光器的芯片制程的限制；
5、牺牲了一定的系统性能，如点云的实时性和帧率、速度检测准确度变差、运动目标的畸变等；
6、适配性和灵活度不够：尚不能实现在全视场范围内任意某些角度范围内灵活配置分辨率实现ROI区域（Region of Interest， 感兴趣区域），ROI内的分辨率一般为某固定参数不能实现多档位配置甚至根据场景需求动态调整视场内的分辨率网络的拓扑等。
基于上述问题，提出了一种点云图像获取方法。
在一个示例性的实施例中，如图1所示，提供了一种点云图像获取方法，以该方法应用于图1中的激光雷达为例进行说明，包括以下步骤102至步骤106。其中：
步骤102，发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收。
其中，激光雷达是一种常用于三维环境感知和测量的传感器。它通过向目标物发射一定脉宽的探测光并接收反射回来的回波信号来获取目标物的位置和形状信息，从而生成点云图像。激光雷达包括发射端和阵列探测器。阵列探测器多个微像素被划分至一个宏像素，即采用宏像素作为最小探测单元。如图5所示，假设第一方向为列方向（Y方向），左图中每个方框代表一个微像素（比如一个SPAD单元），则可以将微像素1~16合并为一个宏像素1，则发射端向目标物发射激光，所形成的回波信号，被宏像素1，也即是微像素1~6所在的列内的所有微像素所接收（也即是，宏像素1所在的列方向的所有微像素在同一时间被激活，进行数据采集）。
可选地，也可以激活至少两个宏像素所在的第一方向的完整区域，该至少两个宏像素之间存在部分复用像素。比如说，假设宏像素1和宏像素3（包括微像素5~8、13~16、25~28、29~32）所在的列方向的所有微像素被同时激活，此时宏像素1和宏像素3之间存在复用像素。
可选地，本实施例中的激光雷达对于阵列探测器的要求不限，但不能为单点探测器，可以是线阵探测器或面阵探测器，不限制为SPAD（Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）、SIPM（SiliconPhotomultiplier，硅光电倍增管）、PD（SiliconPhotomultiplier，硅光电倍增管）、APD（AvalanchePhotodiode，雪崩光电二极管）等阵列探测器。阵列探测器用于接收和转换光信号为电信号，并获得点云图像。
其中，线阵探测器是一维探测器，其感光元件排列成一条线，一次只接收到一个方向上的回波信号，其视野范围相对较窄。而面阵探测器是二维探测器，感光元件排列成一个矩阵，可以同时接收到多个方向上的回波信号。面阵探测器由于具有二维排列的感光元件，可以同时接收到更广泛的视野范围。
整个线阵探测器通过光学设计和扫描结构与真实的被探测空间中的某一视场区域对应，通过某种方式的拼接最终实现激光雷达完整视场的拼接。若采用面阵探测器则可能无需采用任何扫描元件，面阵探测器直接通过接收端光学系统与真实的被探测空间中的某一视场区域（激光雷达的全视场）对应。
步骤104，以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域接收到回波信号后，该完整区域会以宏像素为单位处理回波信号。宏像素内所有的微像素采集到的信号在光电转换前或完成光电转换后进行直接的合并（卷积或积分/时域叠加）等，最终通过被探测后端的信号采集模块输出，如底层的TDC阵列（Time-to-Digital Converter，用于测量和记录时间间隔的器件）和数字电路ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）或TIA（TransimpedanceAmplifier，转导放大器）/LNA（Low-Noise Amplifier，低噪声放大器）/ADC（Analog-to-DigitalConverter，模数转换器）等模拟信号电路等。
在该完整区域的回波信号处理完后，移动至下一完整区域，重复执行步骤102和步骤104，直至得到目标物对应的点云图像。
可选地，完整区域可以通过2D寻址方式，以宏像素为单位处理回波信号，获得完整区域的测量点数据，并根据阵列探测器的所有完整区域的测量点数据得到目标物对应的点云图像。其中，2D寻址逻辑方式是指在一个二维数据结构中进行寻址或定位的方式。测量点数据是指激光雷达获取到的目标物的位置数据，其中的每个测量点由一个三维坐标表示，通常是以笛卡尔坐标系 (x, y, z) 的形式给出。其中，x和y表示水平平面上的位置，z 表示垂直方向上的位置或高度。通过使用多个测量点的位置信息，可以构建出目标物体的三维点云图像。通过2D寻址方式读取回波信号，具有2D的配置灵活性，可实现在设计规则范围内任意拓扑形态的点云数据的采集和输出，实现全视场内灵活配置分辨率。
上述点云图像获取方法中，向目标物发射探测光，阵列探测器中至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域会同时处于上电的工作状态，并同时接收探测光所形成的回波信号，以宏像素为单位处理回波信号，可实现在设计规则范围内任意拓扑形态的点云数据的采集和输出，实现全视场内灵活配置分辨率，有利于实现超分辨率，以满足激光雷达对于真实物理世界的高精细度感知，亦可以更好的满足自动驾驶领域对于激光雷达高分辨率的性能需求。另外，本方法完全不依赖于扫描器、光学设计等其他系统模块，降低了系统复杂度；无需复杂的数据后处理算法，基于真实的原始数据，无需牺牲系统功耗、激光器大幅提高帧率或降低系统帧率等额外代价；可兼容场景变化和外部工作工况变化的自适应性，解决了传统技术存在的短板或不足。
在一个示例性的实施例中，多个微像素为有效微像素；第一方向的完整区域为第一方向的完整有效微像素区域。
阵列探测器包括有效微像素区域，有效微像素区域为被激活的有效像素所在的区域。通过阵列探测器的有效微像素区域进行回波信号的接收和处理。有效微像素区域中的多个微像素被划分至一个宏像素。
具体的，当发射端向目标物发射探测光后，阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整有效微像素区域同时接收探测光所形成的回波信号。
探测器的微像素阵列及数据合并的规则示意图如图2所示，以线阵探测器为例，探测器的像素数为J×L（区域1），其中被激活使用的有效像素（微像素Micropixel）数量为M×N（区域2），也就是较为靠近边缘的微像素数据不采信。探测器工作时一般会按照像素合并的规则将若干个有效区域内的微像素合并为一个宏像素作为探测器实际的最小分辨率单元。
在本实施例中，通过阵列探测器中的有效微像素区域接收探测光所形成的回波信号，能够提高信号处理准确性。
在一个示例性的实施例中，第一方向为行方向或列方向。也即是，如图5所示，可以按照X或者Y方向进行宏像素移动。
也即是，阵列探测器在接收回波信号时，既可以通过阵列探测器中，至少一个宏像素所在的行方向的完整区域同时接收回波信号，也可以通过阵列探测器中，至少一个宏像素所在的列方向的完整区域同时接收回波信号。
在本实施例中，阵列探测器接收回波信号的方式可以灵活设置，实现灵活采集回波信号。
在上述实施例的一种可选方式中，阵列探测器包括第一完整区域和第二完整区域；以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像包括：第一完整区域内的回波信号处理完成后，将第二完整区域更新为第一完整区域，重复执行发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；以宏像素为单位处理回波信号的步骤，直至得到目标物对应的点云图像；其中，第二完整区域和第一完整区域在第二方向上相邻且存在复用微像素，第二方向和第一方向相垂直。
阵列探测器包括多个完整区域，在本实施例中以在第二方向上相邻的第一完整区域和第二完整区域为例进行说明。第一方向为行方向或列方向，第二方向与第一方向相垂直，则为列方向或行方向。
具体的，如图5左图所示，探测阵列中第一完整区域（宏像素1所覆盖的列方向内的所有微像素）在处理完接收到的回波信号后，发射端会再次向目标物发射探测光，阵列探测中的第二完整区域会同时接收该探测光所形成的回波信号，其中，第二完整区域包括宏像素3（包括微像素5~8、13~16、25~28、29~32）所在的列方向的所有微像素，可以看出，第一完整区域和第二完整区域在行方向上相邻且存在部分复用微像素（微像素5~8、13~16）。
与第一完整区域相似，第二完整区域以宏像素为单位处理接收到的回波信号，以此类推，阵列探测器的各完整区域均重复执行上述接收回波信号并以宏像素为单位处理接收到的回波信号的步骤，直至阵列探测器的所有完整区域的回波信号均处理完成，得到目标物对应的点云图像。各相邻的完整区域之间均存在复用微像素。
在一个示例性的实施例中，以宏像素为单位处理回波信号，包括：在接收回波信号的完整区域内，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号；且，在上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在部分复用像素，直至得到完整区域内的所有测量点数据。
由于阵列探测器中至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收回波信号，在该完整区域内，可以通过2D寻址方式，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号。在顺位读取回波信号过程中，上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在复用微像素。完整区域内的回波信号处理完成后，得到完整区域内的所有测量点数据。
在本实施例中，通过顺位读取方式，实现复用上一时刻读取信号的宏像素的微像素，最终得到完整区域内的测量点数据，由于存在复用微像素，因此所形成的最终的数据量会增大，实现较大的分辨率。
在上述实施例的一种可选方式中，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号，直至得到完整区域内的所有测量点数据，包括：对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将下一时刻读取信号更新为宏像素，重复执行对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将下一时刻读取信号的宏像素更新为宏像素的步骤，直至回波信号的完整区域内的微像素所接收的回波信号读取完成，得到多个宏像素对应的测量点数据；对多个宏像素对应的测量点数据进行拼接处理，得到完整区域内的所有测量点数据。
以图5左图为例，当宏像素1所在的列方向所覆盖的所有微像素同时点亮后，首先，宏像素1内的所有微像素的数据合并读取和处理，该宏像素的数据将分配至与该宏像素中心所对应的空间位置。
接下来，假设宏像素1沿着列方向向下移动2个步长，得到宏像素2，此时，宏像素2内包括的微像素为9~12、13~16、17~20、21~24，宏像素1和宏像素2之间存在复用微像素，宏像素2按照类似宏像素1的方式进行数据合并处理。完成后，宏像素2继续向下移动.......直至宏像素1所在的列方向所覆盖的所有微像素均完成数据读取。进而对多个宏像素对应的测量点数据进行拼接处理，得到完整区域内的所有测量点数据。
在一个示例性的实施例中，当阵列探测器为线阵探测器时，若该线阵探测器在行方向上的微像素数量M远小于列方向上的微像素数量N，即M远小于N，则探测光所形成的回波信号被阵列探测器中，一个宏像素所在的列方向的完整区域同时接收。在接收回波信号的完整区域内，沿列方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号，直至得到完整区域内的所有测量点数据。
若该线阵探测器的M/N较大，则探测光所形成的回波信号被阵列探测器中，至少两个并列的宏像素所在的列方向的完整区域同时接收。在该完整区域内，至少两个并列的宏像素会同时沿列方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号。
可选地，对于线阵探测器，一般会有扫描器实现空间收发匹配的指向控制，所以单次照亮某个列区域的时间对应的就是一个波位，在这个波位内按照前述的方式读取数据，当该列区域的所有像素扫描完成，扫描器才会控制将收发指向调整到下一个波位，重复上述过程。
本实施例中，当阵列探测器为线阵探测器时，采取与线阵探测器原理相适应的2D寻址方式进行回波信号的读取与处理，能够实现线阵探测器的超分辨率探测。
在一个示例性的实施例中，将阵列探测器的所有有效微像素的位置用（i，j）表示，其中i∈[1，M]，j∈[1，N]，i和j均为正整数，M＜N。微像素数为N的一侧（定义为Y方向，即列方向），以H个微像素为一个单元，可将该方向的探测器微像素划分为N/H个区域，N在设计时为H的整数倍。在微像素为M的一侧（定义为X方向，即行方向），以P个微像素为一个单元，可将该方向的探测器微像素划分为M/P个区域，最终阵列探测器被划为N/H×M/P个Block，每个Block内包括H×P个微像素。此时，每个宏像素内可以包括若干个Block，宏像素在行或者列方向上移动时，也是以Block为单位。详细过程如下：
探测器在实际工作时可以按照Block对阵列内的微像素进行划分，Blcok是信号处理和像素移动的最小单位。以图5为例，假设图5中每个方框代表微像素，行列方向各两个，合计四个微像素合并为一个Block，即图中，微像素1、2、3、4合并为一个Block1（简称B1），微像素（5、6、7、8）合并为B2，微像素（9、10、11、12）合并为B3，微像素（13、14、15、16）合并为B4，微像素（17、18、19、20）合并为B5，微像素（21、22、23、24）合并为B6，微像素（25、26、27、28）合并为B7，微像素（29、30、31、32）合并为B8。每个Block内的微像素共用一个信号读取和处理电路，也即是，Block为底层信号处理的最小单元，每个Block内的微像素产生的信号的电流可合并处理并输出。
多个Block构成一个宏像素单元，即B1~B4合并为一个宏像素1。在每次读取数据时，宏像素1内的所有微像素1~16内的数据可以合并读取，在读取完成后，首先沿着Y方向，宏像素以Block为步长向下移动，也即是，下一时刻的宏像素变为宏像素2，包括B3、B4、B5（由微像素17~20构成）以及B6（由微像素21~24构成），然后宏像素2内的所有微像素数据合并读取，宏像素1和宏像素2中存在部分复用的微像素，也就是B3和B4中包括的所有微像素。
以图5为例，因为考虑到底层信号处理电路的复杂性，一般不会单独为每个微像素均配备独立的信号处理电路，因此将若干个微像素合并为一个Block，每个Block内的微像素共用一个信号处理电路，此时，宏像素的移动必须考虑到Block的物理限制，也即是，由于Block的尺寸为2×2，因此宏像素在垂直或者水平方向的移动可以以2个微像素为步长。此时不能以微像素为单位进行移动，比如不能将微像素3、4、7、8、9、10、11、12、13、14、17、18、21、22合并为宏像素2，因为这会导致底层的信号处理机制紊乱。
宏像素会按照上述机制，首先在Y方向上进行顺次读取和移动，待第一完整区域处理完毕后，宏像素仍旧会以Block为步长向X方向移动，进行第二完整区域内的数据处理。
在一个实施例中，如图3所示，该方法还包括：面阵探测器的探测步骤，该步骤包括步骤302至步骤306，其中：
步骤302，当阵列探测器为面阵探测器时，发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器的所有宏像素所在的完整区域同时接收。
步骤304，阵列探测器将所有宏像素所在的完整区域划分为多个子区域；每个子区域为至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域。
步骤306，阵列探测器以宏像素为单位处理每个子区域所接收的回波信号，并对多个子区域处理得到的测量点数据进行拼接，得到目标物对应的点云图像。
可选地，本申请的信号读取规则还可适用于面阵探测器，面阵探测器可以作为线阵探测器的拓展。当阵列探测器为面阵探测器时，阵列探测器的整个有效像素区域同时接收探测光，所形成的回波信号。如图4所示，为线阵探测器拓展为面阵探测器的示意图。面阵探测器可以如图所示地等效为若干组线阵探测器的拼接，每组矩形框表示一组线阵探测器，每一组线阵探测器中有效微像素的数量为M×N，宏像素的2D寻址读出逻辑类似于线阵探测器。具体的，阵列探测器将有效像素区域，即所有宏像素所在的完整区域划分为多个子区域。每个子区域为至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域。从而实现将面阵探测器等效为若干组线阵探测器的拼接。每组线阵探测器的信号读取方式可以参考上述实施例，即每个子区域内，均沿第一方向。以宏像素为单位顺位读取回波信号，得到每个子区域的测量点数据。阵列探测器通过对多个子区域的测量点数据进行拼接，得到目标物的测量点数据。
在本实施例中，阵列探测器还可以设置为面阵探测器，能够灵活配置激光雷达，实现超分辨率性能。
示例性地，由于线阵探测器的M远小于N，发射端每次照亮的范围需覆盖完整的列方向。上述方式适用于M/N较小的线阵探测器，实际上，对于M/N较大的线阵或者面阵，一般单次照亮的区域会包括若干个宏像素。
对于面阵可以通过电学扫描方式；对于线阵，一般会有扫描器实现空间收发匹配的指向控制，所以单次照亮某个区域的时间对应的就是一个波位，在这个波位内按照前边描述的方式读取数据，当一个区域内的所有像素扫描完成，扫描器才会控制将收发指向调整到下一个波位，重复上述过程。
在一个实施例中，该方法还包括：根据点云图像，在阵列探测器的有效微像素区域对应的不同的角度空间采用不同的移动量配置第一方向上相邻宏像素的间隔；返回至发射端向目标物发射探测光的步骤，以重新获取目标物对应的点云图像。
其中，移动量是指宏像素的步长。
在获取点云图像后，可以调整宏像素的滑动规则。具体的，根据点云图像和系统配置规则，在阵列探测器有效微像素区域对应的不同的角度空间，采用不同的移动量定义相邻宏像素的间隔，即输出点云的角分辨率，从而得到既定的不同角分辨率梯度的ROI区域。阵列中每一行和列的宏像素可按照不同的步长配置，即不同方向（行或列）的步长可以不同，且同一行或列内的步长也可以不同。比如，在非感兴趣区域内，宏像素每次移动可以复用1个Block，在感兴趣区域内，为了实现点云加密，宏像素每次移动可以复用2个Block。
实际工况中，如环境光的变化或存在高反射率目标等，可根据前帧采集的数据强度或点云数据信息，快速的处理并调整宏像素的滑动规则，如增大宏像素的滑动间距、对相邻或附近的宏像素做差值滤波等，从而改善高反射率目标等特殊目标对于周围宏像素的数据精度和准确度的影响。
示例性地，根据客户需求，可以配置自适应的策略，如场景中某些角度范围内识别到密集的目标，可以据此调整在特定的角度范围内增加宏像素的密度，提升这些区域的点云数据密度即提高了角分辨率。
如图6所示，为探测器的宏像素2D寻址扫描读出的规则示意图，其中，每个宏像素由24个微像素（包括4个Block）组成，如图中虚线框区域。若M=60，N=1000，则探测器底层最大需要20×500的TDC/ADC阵列。如图所示，发射光斑为线光斑时，60×1000个微像素组成的探测器有效像素区域所对应的视场被发射光斑同时照亮，此时探测器开始进行数据采集，若不采用2D寻址的宏像素配置，则最终得到的点云数据仅为10×250个。若采用在X方向按照步长3，Y方向按照步长2，配置宏像素的寻址输出，则点云数据提高到最大20×500，相当于水平和垂直方向的角分辨率同时提高了2倍。类似原理，在10行×250列宏像素对应的整个视场范围内，不同行和列对应的宏像素的滑动步长可预设或根据场景需求自适应的配置。
在本实施例中，通过配置相邻宏像素的间隔，以实现探测视场内自定义ROI区域及其分辨率的梯度拓扑，从而可以更好的满足对于真实物理世界的高精细度精度感知，亦可以更好的满足自动驾驶领域对于激光雷达高分辨率的性能需求。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的点云图像获取方法的点云图像获取装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个点云图像获取装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于点云图像获取方法的限定，在此不再赘述。
在一个示例性的实施例中，如图7所示，提供了一种点云图像获取装置，包括：发射模块702和探测模块704，其中：
发射模块702，用于控制发射端向目标物发射探测光，探测光所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收。
探测模块704，用于控制阵列探测器以宏像素为单位处理回波信号，得到目标物对应的点云图像。
在一个示例性的实施例中，多个微像素为有效微像素；第一方向的完整区域为第一方向的完整有效微像素区域。
在一个示例性的实施例中，第一方向为行方向或列方向。
在一个示例性的实施例中，阵列探测器包括第一完整区域和第二完整区域；探测模块704，还用于第一完整区域内的回波信号处理完成后，将第二完整区域更新为第一完整区域，重复执行发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；以宏像素为单位处理回波信号的步骤，直至得到目标物对应的点云图像；其中，第二完整区域和第一完整区域在第二方向上相邻且存在复用微像素，第二方向和第一方向相垂直。
在一个示例性的实施例中，探测模块704，还用于在接收回波信号的完整区域内，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取回波信号；且，在上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在部分复用像素，直至得到完整区域内的所有测量点数据。
在一个示例性的实施例中，探测模块704，还用于对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将下一时刻读取信号的宏像素更新为宏像素，重复执行对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将下一时刻读取信号的宏像素更新为宏像素的步骤，直至回波信号的完整区域内的微像素所接收的回波信号读取完成，得到多个宏像素对应的测量点数据；对多个宏像素对应的测量点数据进行拼接处理，得到完整区域内的所有测量点数据。
在一个示例性的实施例中，发射模块702，还用于当阵列探测器为面阵探测器时，发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器的所有宏像素所在的完整区域同时接收；探测模块704，还用于控制阵列探测器将所有宏像素所在的完整区域划分为多个子区域；每个子区域为至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域；阵列探测器以宏像素为单位处理每个子区域所接收的回波信号，并对多个子区域处理得到的测量点数据进行拼接，得到目标物对应的点云图像。
在一个示例性的实施例中，该装置还包括：配置模块，用于根据点云图像，在阵列探测器的有效微像素区域对应的不同的角度空间，采用不同的移动量配置第一方向上相邻宏像素的间隔；返回至发射端向目标物发射探测光的步骤，以重新获取目标物对应的点云图像。
上述点云图像获取装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个示例性的实施例中，提供了一种激光雷达，其特征在于，包括发射端和阵列探测器；激光雷达用于实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实现上述各方法实施例中的步骤。
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，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random AccessMemory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种点云图像获取方法，其特征在于，应用于激光雷达，所述激光雷达包括发射端和阵列探测器；所述阵列探测器中，多个微像素被划分至一个宏像素；所述方法包括：
发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
在接收所述回波信号的完整区域内，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取所述回波信号；且，在上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在部分复用像素，直至得到所述完整区域内的所有测量点数据，得到目标物对应的点云图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多个微像素为有效微像素；所述第一方向的完整区域为第一方向的完整有效微像素区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一方向为行方向或列方向。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阵列探测器包括第一完整区域和第二完整区域；所述以宏像素为单位处理所述回波信号，得到目标物对应的点云图像包括：
第一完整区域内的回波信号处理完成后，将第二完整区域更新为第一完整区域，重复执行所述发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；以宏像素为单位处理所述回波信号的步骤，直至得到目标物对应的点云图像；
其中，第二完整区域和第一完整区域在第二方向上相邻且存在复用微像素，所述第二方向和所述第一方向相垂直。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取所述回波信号，直至得到所述完整区域内的所有测量点数据，包括：
对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；
将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；
将所述下一时刻读取信号的宏像素更新为所述宏像素，重复执行对每个宏像素中微像素所接收的回波信号进行合并读取，得到每个宏像素对应的测量点数据；将每个宏像素沿阵列探测器的第一方向进行移动，得到下一时刻读取信号的宏像素；将所述下一时刻读取信号的宏像素更新为所述宏像素的步骤，直至所述回波信号的完整区域内的微像素所接收的回波信号读取完成，得到多个宏像素对应的测量点数据；
对多个宏像素对应的测量点数据进行拼接处理，得到所述完整区域内的所有测量点数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阵列探测器中，多个微像素合并为一个Block，多个Block构成一个宏像素；所述宏像素以Block为单位顺位读取所述回波信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述阵列探测器为面阵探测器时，发射端向目标物发射探测光，所形成的回波信号被阵列探测器的所有宏像素所在的完整区域同时接收；
所述阵列探测器将所有宏像素所在的完整区域划分为多个子区域；每个子区域为至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域；
所述阵列探测器以宏像素为单位处理每个子区域所接收的回波信号，并对多个子区域处理得到的测量点数据进行拼接，得到目标物对应的点云图像。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述点云图像，在阵列探测器的有效微像素区域对应的不同的角度空间，采用不同的移动量配置第一方向上相邻宏像素的步长；
返回至所述发射端向目标物发射探测光的步骤，以重新获取目标物对应的点云图像。
9.一种点云图像获取装置，其特征在于，所述装置包括：
发射模块，用于控制发射端向目标物发射探测光，探测光所形成的回波信号被阵列探测器中，至少一个宏像素所在的第一方向的完整区域同时接收；
探测模块，用于控制阵列探测器在接收所述回波信号的完整区域内，沿第一方向、以宏像素为单位顺次读取所述回波信号；且，在上一时刻读取信号的宏像素与下一时刻读取信号的宏像素之间存在部分复用像素，直至得到所述完整区域内的所有测量点数据，得到目标物对应的点云图像。
10.一种激光雷达，其特征在于，包括发射端和阵列探测器；所述激光雷达用于实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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