CN109901177A - 一种提升激光雷达测距能力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升激光雷达测距能力的方法及装置，该方法包括：获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔；获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔；根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。本发明解决了常规的3D扫描式激光雷达传感器测距能力受限于激光线数这一问题，并且基于光路和发光时序解决了同时发光带来的干扰问题。

Description

一种提升激光雷达测距能力的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体涉及一种提升激光雷达测距能力的方法及装置。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，激光雷达向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的回波信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别，因此，在激光雷达技术中，发射信号与回波信号间的计时上限从原理上决定了激光雷达的测距能力。

现有技术中，常规的3D扫描式激光雷达传感器的测距能力多数局限于两点：1)常规的3D扫描式激光雷达传感器多由多线激光组合而成，为了简化电路，多采用分时发光分时接收的方式，相邻两次发光时间之间的间隔对应测距时长，根据该时长上限值即可得到最大测距范围。在转速固定的情况下，以系统旋转一周为一个周期，多路激光分时发光将一个整周期分割，导致单路激光测距时长上限缩短，测距能力降低。2)常规的同时发光的时序处理方式在实际应用过程中会带来隔路干扰，影响测距效果的不良影响。这一现象导致该方式虽然理论可行，但实际应用中很少被使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种提升激光雷达测距能力的方法及装置，本发明基于同时发光的原理解决了常规的3D扫描式激光雷达传感器测距能力受限于激光线数这一问题，并且基于光路及结构设计，避免了同时发光带来的隔路干扰问题，同时简化了后级处理电路的结构。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种提升激光雷达测距能力的方法，包括：

获取激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息，并根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔；

获取激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息，并根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔；

根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。

进一步地，所述根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔，包括：

根据以下公式一获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

进一步地，所述根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔，包括：

根据以下公式二获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。

第二方面，本发明还提供了一种基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置，包括：激光雷达和FPGA系统；

其中，所述激光雷达包括：M个激光发射单元和M个激光接收单元，M≥1；

所述FPGA系统包括：FPGA时序控制模块、激光发射驱动模块、激光接收驱动模块、时刻鉴别模块、回波选通模块以及计时模块；所述FPGA时序控制模块分别与所述激光发射驱动模块和所述激光接收驱动模块连接；

其中，所述FPGA时序控制模块用于通过内部时钟对整周期进行分割，得到多个发光时刻；所述FPGA时序控制模块还用于根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元的工作时序；

所述激光发射驱动模块用于在每个发光时刻根据所述FPGA时序控制模块配置好的各激光发射单元的工作时序驱动对应的激光发射单元进行工作，以使所述激光雷达发射的多路激光互不干扰；

相应地，所述FPGA时序控制模块还用于根据所述激光雷达在同一时间接收激光的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光接收单元的工作时序；

所述激光接收驱动模块用于根据所述FPGA时序控制模块配置好的各激光接收单元的工作时序驱动对应的激光接收单元进行工作，以使所述激光雷达接收的多路激光回波信号互不干扰；

所述时刻鉴别模块，包括M个时刻鉴别单元，每个时刻鉴别单元用于检测一路激光回波信号的边沿信息，并将检测到的边沿信息发送给所述回波选通模块；其中，所述边沿信息包括上升沿信息和下降沿信息；

所述回波选通模块，用于根据各激光发射单元的工作时序将相邻路的激光回波信号的边沿信息发送给计时模块中的不同计时单元分别进行计时；

所述计时模块，包括M个计时单元，计时单元个数与激光发射单元、激光接收单元数量相同，每个计时单元用于根据接收到的边沿信息计算激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

进一步地，所述时刻鉴别单元包括数字差分比较器子单元和边沿检测子单元；

其中，所述数字差分比较器子单元通过差分比较将激光回波信号这一模拟信号转换为数字信号，所述边沿检测子单元通过边沿检测得到数字信号的边沿信息。

进一步地，所述计时单元包括逐位加法器子单元、步进校准子单元以及运算子单元；

其中，所述逐位加法器子单元用于在得到计时起始信号后开始加法进位运算，当信号边沿到来时，输出边沿对应的当前逐位加法器进位数量；

所述步进校准子单元用于对所述逐位加法器的步进进行校准得到计时的单位步长；

所述运算子单元用于根据所述逐位加法器的进位数量以及所述步进校准子单元输出的单位步长计算得出激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

进一步地，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式一计算所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

进一步地，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式二计算所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。

由上面技术方案可知，本发明提供的提升激光雷达测距能力的方法，首先根据激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔，然后根据激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔，最后根据激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。可见，本发明提供的提升激光雷达测距能力的方法及装置，解决了常规的3D扫描式激光雷达传感器测距能力受限于激光线数这一问题，并且基于光路和发光时序解决了同时发光带来的干扰问题。

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是本发明一实施例提供的提升激光雷达测距能力的方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息示意图；

图3是本发明一实施例提供激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息示意图；

图4是本发明另一实施例提供的基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置的结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置的工作时序示意图。

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、完整的描述，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作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。

本发明一实施例提供了一种提升激光雷达测距能力的方法，参见图1，该方法包括如下步骤：

步骤101：获取激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息，并根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔。

步骤102：获取激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息，并根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔。

步骤103：根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。

在一种优选实施方式中，所述根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔，包括：

根据以下公式一获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，参见图2，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

在一种优选实施方式中，所述根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔，包括：

根据以下公式二获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，参见图3，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。

由上面技术方案可知，本实施例提供的提升激光雷达测距能力的方法，首先根据激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔，然后根据激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔，最后根据激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。可见，本实施例提供的提升激光雷达测距能力的方法，解决了常规的3D扫描式激光雷达传感器测距能力受限于激光线数这一问题，并且基于光路和发光时序解决了同时发光带来的干扰问题。

本发明另一实施例提供了一种基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置，参见图4，该装置包括：激光雷达1和FPGA系统2；

其中，所述激光雷达1包括：激光发射阵列11和激光接收阵列12，所述激光发射阵列11中包含有M个激光发射单元，所述激光接收阵列12中包含有M个激光接收单元，M≥1；

所述FPGA系统2包括：FPGA时序控制模块21、激光发射驱动模块22、激光接收驱动模块23、时刻鉴别模块24、回波选通模块25以及计时模块26；所述FPGA时序控制模块21分别与所述激光发射驱动模块22和所述激光接收驱动模块23连接；

其中，所述FPGA时序控制模块21用于通过内部时钟对整周期进行分割，得到多个发光时刻；所述FPGA时序控制模块21还用于根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元的工作时序；

所述激光发射驱动模块22用于在每个发光时刻根据所述FPGA时序控制模块21配置好的各激光发射单元的工作时序驱动对应的激光发射单元进行工作，以使所述激光雷达发射的多路激光互不干扰；

相应地，所述FPGA时序控制模块21还用于根据所述激光雷达在同一时间接收激光的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光接收单元的工作时序；

所述激光接收驱动模块23用于根据所述FPGA时序控制模块21配置好的各激光接收单元的工作时序驱动对应的激光接收单元进行工作，以使所述激光雷达接收的多路激光回波信号互不干扰；

所述时刻鉴别模块24，包括M个时刻鉴别单元，每个时刻鉴别单元用于检测一路激光回波信号的边沿信息，并将检测到的边沿信息发送给所述回波选通模块；其中，所述边沿信息包括上升沿信息和下降沿信息；可以理解的是，在激光回波信号进入时刻鉴别模块24之前，还可以利用放大电路对激光回波信号进行放大，以便时刻鉴别模块24处理。

所述回波选通模块25，用于根据各激光发射单元的工作时序将相邻路的激光回波信号的边沿信息发送给计时模块中的不同计时单元分别进行计时；

所述计时模块26，包括M个计时单元，计时单元个数与激光发射单元、激光接收单元数量相同，每个计时单元用于根据接收到的边沿信息计算激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

需要说明的是，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式一计算所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

需要说明的是，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式二计算所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。

可以理解的是，所述时刻鉴别单元进一步包括数字差分比较器子单元和边沿检测子单元；

其中，所述数字差分比较器子单元通过差分比较将激光回波信号这一模拟信号转换为数字信号，所述边沿检测子单元通过边沿检测得到数字信号的边沿信息。

可以理解的是，所述计时单元进一步包括逐位加法器子单元、步进校准子单元以及运算子单元；

其中，所述逐位加法器子单元用于在得到计时起始信号后开始加法进位运算，当信号边沿到来时，输出边沿对应的当前逐位加法器进位数量；

所述步进校准子单元用于对所述逐位加法器的步进进行校准得到计时的单位步长；

所述运算子单元用于根据所述逐位加法器的进位数量以及所述步进校准子单元输出的单位步长计算得出激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

优选地，所述激光发射驱动模块22与所述激光接收驱动模块23还包括全局缓冲单元；其中，所述全局缓冲单元通过全局层走线减少同一时刻发射驱动信号与接收驱动信号的信号扇出带来的影响。

下面结合图5说明本实施例提供的基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置的时序工作原理。

假设该装置中的激光发射阵列包含M个激光发射单元，激光接收阵列包含M个激光接收单元，根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔确定出可以同时发光的激光发射单元的数量为n(n＜M)。若装置扫描一圈用时为T，则装置扫描频率F＝1/T；在一个扫描周期T内对于单个激光发射单元，共完成N次发光，发光间隔时间为T0，则单个激光发射单元发光间隔时间T0与发光次数N的关系为N＝T/T0；在一次发光周期T0内，M个激光发射单元完成整周期分割以及发光准备所需时间T1，完成发光所需时间为T2，其中T0＝T1+T2，顺次发光的时间间隔为T3，T3＝T2×n/M，其中T3即为本次激光测距的计时上限，根据激光飞行时间计算公式，可以算出最大测距能力为S＝3×10^8×(T2×n/M)/2。可以理解的是，当一个发光周期内同时发光的激光发射单元数量n越大时，装置的测距能力S越强。

可见，本实施例提供的基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置，基于多路同时收发的驱动方式和多路并行处理的硬件架构，解决了常规的3D扫描式激光雷达传感器测距能力受限于激光线数这一问题，并且有效地降低了电路的复杂程度，简化了后级处理电路的结构，使其易于实现。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种提升激光雷达测距能力的方法，其特征在于：包括：

获取激光雷达中各激光发射单元发射激光光束的空间分布信息，并根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔；

获取激光雷达中各激光接收单元接收激光回波信号的视场范围信息，并根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔；

根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔以及所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元和各激光接收单元的工作时序，以使所述激光雷达发射的多路激光在互不干扰的前提下完成同时测距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述空间分布信息获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔，包括：

根据以下公式一获取所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述视场范围信息获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔，包括：

根据以下公式二获取所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。

4.一种基于FPGA提升激光雷达测距能力的装置，其特征在于，包括：激光雷达和FPGA系统；

其中，所述激光雷达包括：M个激光发射单元和M个激光接收单元，M≥1；

所述FPGA系统包括：FPGA时序控制模块、激光发射驱动模块、激光接收驱动模块、时刻鉴别模块、回波选通模块以及计时模块；所述FPGA时序控制模块分别与所述激光发射驱动模块和所述激光接收驱动模块连接；

其中，所述FPGA时序控制模块用于通过内部时钟对整周期进行分割，得到多个发光时刻；所述FPGA时序控制模块还用于根据所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光发射单元的工作时序；

所述激光发射驱动模块用于在每个发光时刻根据所述FPGA时序控制模块配置好的各激光发射单元的工作时序驱动对应的激光发射单元进行工作，以使所述激光雷达发射的多路激光互不干扰；

相应地，所述FPGA时序控制模块还用于根据所述激光雷达在同一时间接收激光的激光接收单元的最小间隔配置所述激光雷达中各激光接收单元的工作时序；

所述激光接收驱动模块用于根据所述FPGA时序控制模块配置好的各激光接收单元的工作时序驱动对应的激光接收单元进行工作，以使所述激光雷达接收的多路激光回波信号互不干扰；

所述时刻鉴别模块，包括M个时刻鉴别单元，每个时刻鉴别单元用于检测一路激光回波信号的边沿信息，并将检测到的边沿信息发送给所述回波选通模块；其中，所述边沿信息包括上升沿信息和下降沿信息；

所述回波选通模块，用于根据各激光发射单元的工作时序将相邻路的激光回波信号的边沿信息发送给计时模块中的不同计时单元分别进行计时；

所述计时模块，包括M个计时单元，计时单元个数与激光发射单元、激光接收单元数量相同，每个计时单元用于根据接收到的边沿信息计算激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述时刻鉴别单元包括数字差分比较器子单元和边沿检测子单元；

其中，所述数字差分比较器子单元通过差分比较将激光回波信号这一模拟信号转换为数字信号，所述边沿检测子单元通过边沿检测得到数字信号的边沿信息。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述计时单元包括逐位加法器子单元、步进校准子单元以及运算子单元；

其中，所述逐位加法器子单元用于在得到计时起始信号后开始加法进位运算，当信号边沿到来时，输出边沿对应的当前逐位加法器进位数量；

所述步进校准子单元用于对所述逐位加法器的步进进行校准得到计时的单位步长；

所述运算子单元用于根据所述逐位加法器的进位数量以及所述步进校准子单元输出的单位步长计算得出激光飞行时间，进而得到当前测距信息。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式一计算所述激光雷达在同一时间发射激光的激光发射单元的最小间隔：

Δ₁＝2f₁×D₁/L₁ 公式一

其中，L₁表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光发射单元之间形成的发射盲区的投影长度，D₁表示发射透镜的口径，f₁表示发射透镜的焦距。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述FPGA时序控制模块还用于通过如下公式二计算所述激光雷达在同一时间接收激光回波信号的激光接收单元的最小间隔：

Δ₂＝2f₂×D₂/L₂ 公式二

其中，L₂表示所述激光雷达中任意两个相邻的激光接收单元之间形成的接收盲区的投影长度，D₂表示接收透镜的口径，f₂表示接收透镜的焦距。