激光雷达及其脉冲采样方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及激光雷达及其脉冲采样方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.随着移动机器人等新型智能产品的发展，激光测距技术广泛应用于无人驾驶，无人机自动避障规划，同时对激光测距技术测距性能，测距精度，功耗，体积，稳定性，可靠性提出了新的要求。脉冲激光雷达有着测量范围大、对光源相干性要求低等优点，广泛应用于军事探测，航天航空、机器人等领域，因此，提高脉冲激光测距精度是激光测距技术未来重点发展方向之一。
3.目前常见的激光探测为脉冲直接探测方式。系统在工作过程中发射一个或数个激光脉冲信号，当这些发射脉冲照射到目标物时会对应的反射一部分能量从而被探测系统接收，探测系统通过计量发射和接收时刻之间的时间差获取激光脉冲的飞行时间来根据光在空气中的速度来测量目标距离d＝
△
t*c/2。
4.接收到的激光脉冲的飞行时间计算获取方法分为两种。一种是以激光发射时刻为起始时刻，对接收到的激光脉冲信号进行光电转换后，用过比较器获得激光脉冲回来的时刻，再通过tdc(时间—数字转换)芯片得到激光脉冲飞行时间
△
t。另一种方法是以激光发射时刻为起始时刻，对接收到的激光脉冲信号进行光电转换后，用adc(模拟—数字转换)芯片采集回波脉冲信号的波形信息，再通过数字信号处理的方法得到激光脉冲回来的时刻信息，从而根据adc采样时钟信息得到激光脉冲飞行时间
△
t。
5.使用tdc电路获取激光飞行时刻时，需要设置严格的信号接收阈值。当阈值设置过大时小信号将无法接收；而当阈值设置过小时，噪声信号常常超过设定阈值从而引入较多的噪声脉冲，处理不好会引入较多的噪声点。
6.使用adc方案时，由于激光雷达所发射的脉冲较窄，往往只有数个ns(～5ns)，要有效捕捉到回波脉冲信号的脉冲波形，需要相当高速度的adc芯片，成本和功耗都较高。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种激光雷达及其脉冲采样方法、装置及存储介质，旨在解决由于adc芯片采样速率受限，难以采集到回波脉冲的全部信息的问题。
8.第一方面，本发明提供了一种激光雷达，包括：控制单元、采样芯片和光电转换电路，所述控制单元、所述采样芯片和所述光电转换电路依次连接，所述光电转换电路包括依次连接的光电二极管、跨阻放大器、放大器，所述光电二极管用于接收回波脉冲信号以进行光电转换得到待采样信号，所述光电转换电路还包括：信号复用电路，与所述放大器连接，用于将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输；延时电路，与所述信号复用电路连接，用于对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输；相加电路，输入端与所述延时电路连接，输出端与所述采样芯片连接，用于将每路通道中经相
位延时后的待采样信号相加后汇总给所述采样芯片；所述采样芯片用于对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列；控制单元分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
9.进一步地，所述信号复用电路包括功率分配器，所述功率分配器的输入端与所述放大器的输出端连接，所述功率分配器的输出端与所述延时电路连接。
10.进一步地，所述延时电路包括延时线，所述延时线的输入端与所述功率分配器的输出端连接，所述延时线的输出端与所述相加电路连接。
11.进一步地，所述相加电路包括加法器，所述加法器的输入端与所述延时线连接，所述加法器的输出端与所述采样芯片连接。
12.进一步地，所述激光雷达还包括激光器、收发光模块和扫描模块，所述控制单元控制所述激光器发射探测光脉冲经所述收发光模块至所述扫描模块，所述扫描模块利用探测光脉冲探测待测物体并接收探测物体返回的回波脉冲信号，经所述收发光模块发送给所述光电转换电路。
13.进一步地，相邻通道之间的延时时间差大于通道中传输的待采样信号的脉冲宽度。
14.进一步地，相邻通道之间的延时时间差为：
15.δt
延
＝xy*t y*t/n
16.其中，δt
延
为延时时间差，n为通道的数量，t为采样芯片的采样间隔，y为通道的编号，x为对应此通道y的整数。
17.第二方面，本发明还提供一种激光雷达的脉冲采样方法，包括：获取回波脉冲信号并进行光电转换得到待采样信号；将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输；对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输；将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加；对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列；分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
18.第三方面，本发明还提供一种激光雷达的脉冲采样装置，包括：光电转换单元，用于获取回波脉冲信号并进行光电转换得到待采样信号；复用单元，用于将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输；延时单元，用于对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输；相加单元，用于将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加；采集单元，用于对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列；重组单元，用于分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
19.第四方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时可实现如第二方面所述方法的步骤。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置信号复用电路、延时电路和相加电路，信号复用电路将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输，延时电路对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输，相加电路将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加后汇总给采样芯片，采样芯片对相加后的待采样信号进
行采集以产生采样脉冲序列，控制单元分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号，由此，相对于现有的光电转换电路增加了信号复用、延时和累加功能，通过多路延时的方式，对同一个待采样信号以不同的相位延时进行重复采样，可以以较低采样速率adc硬件的情况下获得高采样速率同样的效果，降低了系统软硬件成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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。
22.图1展示了本发明实施例激光雷达的系统示意图；
23.图2展示了现有技术中光电转换电路的电路图；
24.图3展示了激光雷达探测脉冲波形的示意图；
25.图4展示了现有技术中adc采样的脉冲波形；
26.图5展示了本发明实施例激光雷达的光电转换电路的电路图；
27.图6展示了本发明实施例激光雷达的脉冲信号波形图；
28.图7展示了本发明实施例激光雷达的脉冲采样方法的步骤流程示意图；
29.图8展示了本发明实施例激光雷达的脉冲采样装置的示意图；
30.10、控制单元；20、光电转换电路；21、光电二极管；22、跨阻放大器；23、放大器；24、信号复用电路；25、延时电路；26、相加电路；30、采样芯片。
具体实施方式
31.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。
32.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
34.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
35.首先对本技术的背景技术进行进一步地阐述。激光雷达通常包含激光器、收发光、系统控制及信号处理、电源管理、以及扫描模块。扫描模块可以是一维扫描或者二维扫描。扫描方式常可分为机械扫描、mems扫描、opa扫描等，如图1所示为一种2d扫描方案，在此仅做说明，不做限制。
36.激光雷达工作以获取环境点云数据为目的，要获取三维的点云数据，必须准确制
定每个探测点的方向和距离。方向信息由扫描模块来确定；目标距离信息由系统控制及信号处理模块来处理收发光模块获取到的回波光脉冲来获得。
37.脉冲式激光雷达在工作时，激光器通过收发光模块发射出探测激光脉冲，激光脉冲照射到目标后一部分光能量被反射回激光雷达系统，镜收发光模块会聚后到光电转换电路，将光能量信号转换为电信号进行处理。
38.如图2所示，常见的光电转换电路包括apd(雪崩光电二极管)、tia(跨阻放大器)和amp(放大器)，apd、tia和amp依次连接，对apd施加偏置电压，apd接收回波脉冲信号并进行光电转换为电信号，再由tia和amp放大后给到采样芯片进行采集。
39.经光电转换电路处理后得到的电脉冲信号如图3所示，它的形状与发射激光脉冲相似，时间上有所延迟。脉冲式激光雷达工作过程中，通过获取此相对信号延迟即得到激光脉冲的飞行时间
△
t和已知的光速c来获取目标的距离：d＝
△
t*c/2。
40.出于成本的考虑，系统所用adc芯片往往速率受限，无法采集到回波脉冲的全部信息。原有的连续波形被采样为离散波形，如图4所示，往往只能采集到波形的几个点，无法采集到完整的波形。
41.示例性的，由于采样率受限，当使用1gsps对信号进行采集时，采样点之间的时间间隔为1ns，对应的时间延迟可知距离精度为15cm，不能满足应用要求，实际使用中要对采样到的信号进行一些处理以提高距离测量精度。
42.总而言之，现有的方案中，在采用adc方案时，实际中往往采用较低速率(～1gsps)的adc芯片，采集到的脉冲信号仅有数个点。要得到精细的激光脉冲飞行时间，往往需要复杂的高次插值算法来恢复信号脉冲，计算量较大。而且插值也无法有效还原某些快速变化的信号特征，影响测距精度的提升。
43.为此，本技术设计了一种信号延时重复采样的方法，可以在adc芯片速率受限的情况下，获取更高等效采样速率的数字信号。具体如下：
44.参照图5，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括：控制单元10、采样芯片30和光电转换电路20，所述控制单元10、所述采样芯片30和所述光电转换电路20依次连接，所述光电转换电路20包括依次连接的光电二极管21、跨阻放大器22、放大器23，所述光电二极管21用于接收回波脉冲信号以进行光电转换得到待采样信号，所述光电转换电路20还包括：信号复用电路24，与所述放大器23连接，用于将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输；延时电路25，与所述信号复用电路24连接，用于对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输；相加电路26，输入端与所述延时电路25连接，输出端与所述采样芯片30连接，用于将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加后汇总给所述采样芯片30；所述采样芯片30用于对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列；控制单元10分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
45.通过实施本实施例，设置信号复用电路24、延时电路25和相加电路26，信号复用电路24将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输，延时电路25对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输，相加电路26将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加后汇总给采样芯片30，采样芯片30对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列，控制单元分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应
的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号，由此，相对于现有的光电转换电路20增加了信号复用、延时和累加功能，通过多路延时的方式，对同一个待采样信号以不同的相位延时进行重复采样，可以以较低采样速率adc硬件的情况下获得高采样速率同样的效果，降低了系统软硬件成本。
46.在一实施例中，所述信号复用电路24包括功率分配器，所述功率分配器的输入端与所述放大器的输出端连接，所述功率分配器的输出端与所述延时电路25连接。所述延时电路25包括延时线，所述延时线的输入端与所述功率分配器的输出端连接，所述延时线的输出端与所述相加电路26连接。所述相加电路26包括加法器，所述加法器的输入端与所述延时线连接，所述加法器的输出端与所述采样芯片30连接。
47.具体地，功率分配器具有多个输出端，每个输出端代表一路通道，功率分配器将待采样信号进行复用并通过多路通道进行传输。在其他实施例中，相加电路26还可以使用信号分束来实现。延时线是用于将电信号延迟一段时间的元件或器件。本实施例可以采用光纤延迟线或者是光波导延迟线，每根延迟线分别延迟一对应的相位延时，相位延时预先设置好。示例性地，若设有n路通道，第一路通道的相位延时为t1，第二路通道的相位延时t2，第n路的通道相位延时为t(n-1)。加法器将每个通道相位延时后的脉冲信号进行累加，按照相位延时的顺序依次传输给采样芯片30采样。即使得采样芯片30先采样t1对应的波形，再采样t2对应的波形，以此类推。由此，输入给采样芯片30的波形即为按照延时的顺序依次排列的多个脉冲信号组成的波形。那么，采样芯片30按照一定的采样间隔对输入的脉冲信号进行采样，得到依序排列的多个脉冲波形即采样脉冲序列，每个脉冲波形具有稀疏的采样点；控制单元再将每个脉冲信号按照其对应的相位延时移动，使得多个具有稀疏采样点的波形重叠得到一个具有密集采样点的脉冲波形，该脉冲波形即为采样信号。由此，实现了提升脉冲信号的采样率，能够完整的采集到脉冲信号，抓住其中快速变化的信息，有利于提升系统测量精度。
48.在一实施例中，参照图1，所述激光雷达还包括激光器、收发光模块和扫描模块，所述控制单元10控制所述激光器发射探测光脉冲经所述收发光模块至所述扫描模块，所述扫描模块利用探测光脉冲探测待测物体并接收探测物体返回的回波脉冲信号，经所述收发光模块发送给所述光电转换电路20。其中，所述激光器包括脉冲驱动，种子光源、光放大器和光分束器，激光器发射探测激光时，由脉冲驱动控制种子光源发射探测激光束依次经过光放大器和光分束器后出射到激光器外，探测激光光束再经由收发光模块和扫描系统照射到待测物体上从而探测待测物体的距离。探测激光照射到待测物体上会返回一个回波脉冲信号，回波脉冲信号依次经过扫描模块、收发光模块进入到光电转换电路20，再由光电转换电路20进行光电转换从而得到待采样信号。本实施例中的扫描模块为二维扫描模块，通过机械扫描的方式来扫描待测物体。
49.在本实施例中，相邻通道之间的延时时间差大于通道中传输的待采样信号的脉冲宽度。由于采用相加电路26将多路延时的待采样信号进行相加，若每路通道之间的延时时间差太小，会出现待采样信号相加后两个脉冲波形重叠的情况。因此，避免多个脉冲叠加采集的情况，需要保证相邻通道之间的延时时间差要大于通道中传输的待采样信号的脉冲宽度，由此可以提高脉冲采样的准确性和可靠性。
50.在具体实施中，相邻通道之间的延时时间差为：
51.δt
延
＝xy*t y*t/n
52.其中，δt
延
为延时时间差，n为通道的数量，t为采样芯片30的采样间隔，y为通道的编号，x为对应此通道y的整数。在系统内，adc采样间隔为t(即采样频率为1/t)，当设计有n(n≥1)路延时时，每一路延时之间的时间差要大于信号脉冲的宽度，避免多个脉冲叠加采集。且每一路脉冲之间的延时时间差为xy*t y*t/n。其中y为延时通道的编号，即通过n路延时来将adc的采样间隔t进行n均分。xy为一个对应此延时通道y的整数，以保证每一路脉冲不互相重叠为准。由于激光雷达的探测脉冲为窄时间宽度，在脉冲间隔之间没有激光功率，即adc采样值为0，相加电路26效果为将经过多路延时的脉冲信号依给到相位延时的顺序依次送入adc进行采样，在信号处理过程对采样脉冲序列依次减去该通道对应的时延整数x，重新组合为等效采样间隔为t/n即采样频率提高n倍的脉冲信号。提升脉冲信号等效采样速率有利于抓住其中快速变化的信息，有利于提升系统测量精度。
53.参照图7，本发明实施例还提供一种激光雷达的脉冲采样方法，本实施例的脉冲采样方法可以应用到上述实施例的激光雷达中，也可以是其他实施例的激光雷达。该脉冲采样方法包括步骤s101-s106。
54.s101、获取回波脉冲信号并进行光电转换得到待采样信号。
55.s102、将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输。
56.s103、对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输。
57.s104、将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加。
58.s105、对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列。
59.s106、分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
60.具体地，结合图6进行说明。首先第一个波形是未经过延时的原脉冲信号的波形图，该原脉冲信号通过一路通道传输。待采样信号经过复用后在多路通道中进行传输，如图中的第二波形和第三波形，分别表示待采样信号在不同的两个通道中进行传输的波形。其中，由于对不同的通道设置对应不同的相位延时，因此，第二波形的脉冲信号经过了t1时间的延时，第三波形的脉冲信号经过了t(n-1)时间的延时。在对每路通道的待采样信号进行相应的延时后，再将延时后的每路通道的待采样信号进行相加，即得到具有多个脉冲信号的波形，如第四个波形所示。再而采样芯片30以采样间隔t来采集相加后的待采样信号，得到采样脉冲序列，即第五个波形，由于adc的采用速率受限，每个波形采集了较少的采样点，也即第五个波形中脉冲信号上较为稀疏的几个采样点。最后，再将多个脉冲信号进行重组，将每个脉冲信号按照其对应的相位延时移动，也即将多个脉冲信号重叠在一起，如第六个波形所示，由此得到一个具有密集采集点的脉冲波形，也就是说通过多个脉冲波形的重叠还原成原来的采样脉冲信号，该采样脉冲信号相对于adc直接采样具有更多的采集点，能够完整的采集到脉冲波形，提升脉冲信号等效采样速率有利于抓住其中快速变化的信息，有利于提升系统测量精度。
61.得到等效的高采样速率信号之后，可以用各种距离测定算法计算得到目标的距离。距离测定算法常见的有重心法、恒比定时法等，不做限定。波形匹配算法常见有欧拉距离判定法、脉冲压缩算法等，不做限定。
62.本实施例通过多路延时的方法，对同一个脉冲信号以不同的相位延时进行重复采
样，在一定程度上可以以较低采样速率adc硬件的情况下获得高采样速率同样的效果，降低了系统软硬件成本。
63.图8是本发明实施例提供的一种激光雷达的脉冲采样装置200的示意性框图。如图8所示，对应于以上激光雷达的脉冲采样方法，本发明还提供一种激光雷达的脉冲采样装置200。该激光雷达的脉冲采样装置200包括用于执行上述激光雷达的脉冲采样方法的单元，该装置可以被配置于激光雷达中。具体地，请参阅图8，该激光雷达的脉冲采样装置200包括：光电转换单元201、复用单元202、延时单元203、相加单元204、采集单元205以及重组单元206。
64.201、光电转换单元，用于获取回波脉冲信号并进行光电转换得到待采样信号。
65.202、复用单元，用于将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输。
66.203、延时单元，用于对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输。
67.204、相加单元，用于将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加。
68.205、采集单元，用于对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列。
69.206、重组单元，用于分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
70.需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述激光雷达的脉冲采样装置200和各单元的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
71.本领域普通技术人员可以理解的是实现上述实施例的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。该计算机程序包括程序指令，计算机程序可存储于一存储介质中，该存储介质为计算机可读存储介质。该程序指令被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现上述方法的实施例的流程步骤。
72.因此，本发明还提供一种存储介质。该存储介质可以为计算机可读存储介质。该存储介质存储有计算机程序，其中计算机程序包括程序指令。该程序指令被处理器执行时使处理器执行如下步骤：获取回波脉冲信号并进行光电转换得到待采样信号；将待采样信号进行复用发送到不同的通道中进行传输；对不同的通道按照不同的预设相位延时对待采样信号进行相位延时传输；将每路通道中经相位延时后的待采样信号相加；对相加后的待采样信号进行采集以产生采样脉冲序列；分别对所述采样脉冲序列中的每一个采样脉冲按照其对应的所述预设相位延时移动以重组得到采样信号。
73.所述存储介质可以是u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机可读存储介质。
74.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
75.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其
它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，各个单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
76.本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。本发明实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。
77.该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，终端，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
78.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。