激光雷达系统及其控制方法与流程

1.本公开涉及激光雷达技术，尤其涉及激光雷达的抗干扰方法和系统。


背景技术：

2.激光雷达在实际使用中，会受到环境光源的干扰。环境光源一般包含三类：与所述激光雷达同频光源、与所述激光雷达不同频光源、以及随机频率的光源。例如多个相同激光雷达所发出的激光属于同频光源，不同的激光雷达发出的光源属于不同频光源，路上的路灯、太阳光、建筑灯光等其它发光体发出的光源具有随机性，为随机频率的光源。
3.现有技术对同频光源和不同频光源，通常在激光雷达的发射端加入编码以判断接收的回波信号是否为自身激光雷达发射的信号。这种做法的关键之处在于获得目标点反射回来的激光脉冲，以识别其脉冲编码，并与发射端编码进行比较。然而，激光雷达会受到环境光和目标点的影响，并不能准确检测到回波激光脉冲，且在比较脉冲编码时容易造成误差，影响雷达的准确性。另外，就随机频率光源所产生的干扰，现有技术一般对回波信号设置阈值以过滤干扰。但是，所述阈值需要根据随机光源的强度进行设置。由于随机光源的强度会随时变换，阈值也需要相应地做出调整，从而会增加激光雷达的使用难度。


技术实现要素：

4.本公开针对现有技术的缺陷，改进了激光雷达的相关技术做进一步改进，以提高激光雷达系统的便利性和准确性。
5.一方面，提供一种用于激光雷达系统的控制方法，该方法包括：
6.生成用于控制激光脉冲发射时点的时间序列，该时间序列中的每个序列时间为重复出现的周期时间和随机产生的随机时间之和、并且分隔为多个时间单元；
7.根据所述时间序列依次向探测区域发射激光脉冲；
8.在每次发射激光脉冲的过程中，记录光电探测器的预定像素单元在所述多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
9.在根据所述时间序列完成全部激光脉冲发射后，统计所述预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量，并针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
10.有益的是，所述时间序列的第一个序列时间的随机时间被替换为零。
11.有益的是，所述周期时间大于或等于所述预设的多个时间单元的累积时长。
12.有益的是，所述光电探测器为单光子雪崩二极管芯片。
13.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的单个像素。
14.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的两个或两个以上像素。
15.有益的是，所述预定像素单元为光电探测器的单个像素单元。
16.有益的是，所述预定像素单元为光电探测器的两个或两个以上像素单元。
17.另一方面，提供另一种用于激光雷达系统的控制方法，该方法包括：
18.控制激光器在第一时间后发射第一次激光脉冲，并记录光电探测器的预定像素单元在预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
19.控制激光器在第二时间后发射第二次激光脉冲，该第二时间为所述第一时间和一个随机生成的时间之和，并记录光电探测器的预定像素单元在所述预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
20.重复前一步骤至预定次数后，统计光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量；
21.针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
22.有益的是，所述第一时间大于或等于所述预设的多个时间单元的累积时长。
23.有益的是，所述光电探测器为单光子雪崩二极管芯片。
24.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的单个像素。
25.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的两个或两个以上像素。
26.有益的是，所述预定像素单元为光电探测器的所有像素单元。
27.有益的是，所述预定像素单元为光电探测器的两个或两个以上像素单元。
28.又一方面，提供一种激光雷达系统，包括：
29.激光器，其被设置为向探测区域发射激光脉冲；
30.光电探测器，其被设置为在接收到光子信号时发生光激发信号；
31.控制器，其被设置为生成用于控制激光器的激光脉冲发射时点的多个时间序列，每个时间序列包括多个重复的周期时间和多个随机产生的随机时间；
32.采集器，其被设置为在每次激光器根据所述多个时间序列发射激光脉冲的过程中，记录光电探测器的预定像素单元在预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
33.比较器，其被设置为在完成所述多个时间序列的激光脉冲发射后，统计光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量，并且针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
34.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的单个像素。
35.有益的是，所述像素单元为所述光电探测器的两个或两个以上像素。
36.有益的是，所述预定像素单元为光电探测器的所有像素单元。
37.又一方面，提供一种电子设备，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，该存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行以执行本发明所述的方法。
附图说明
38.以下将结合附图进一步详细介绍本公开方案的其他细节和优点，其中：
39.图1示出了根据一个或多个实施例的激光雷达系统的实施例的结构框图；
40.图2示出了根据一个或多个实施例的用于激光雷达系统的控制方法流程图；
41.图3示出了根据一个或多个实施例所应用的一种单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode,下称spad)传感器的像素示意图；
42.图4示出了根据一个或多个实施例的另一种用于激光雷达系统的环境光感知方法；
43.图5示出了图4所示方法的一个或多个实例中获取预定像素单元的光激发信号数量的步骤示意图。
具体实施方式
44.图1示出了根据一个或多个实施例的激光雷达系统的实施例的结构框图，图中仅示出了激光雷达系统的部分组成单元、电子器件或者功能模块。本领域技术人员在明白相应原理后可以想到，为了实现相关内容，图中系统需要或者可以增加其他相关的单元、器件或者模块。
45.所述激光雷达系统包括激光器1和控制器2，其中激光器1在控制器2的控制下向探测区域3发射激光脉冲，该激光脉冲以激光束的形式在检测区域表面形成漫反射回波被激光雷达系统检测，以实现例如探测区域的距离测量等功能。
46.所述激光器1可以为本领域已知的任何形式的激光器，例如分布式反馈激光器或垂直腔面发射激光器等半导体激光器。在一个或多个实例中，控制器根据预设的时间序列向激光器发出脉冲信号，激光器在收到脉冲信号后向探测区域发射激光脉冲。
47.所述控制器2用于向激光器发出工作指令，例如脉冲信号等，以实现激光器的开启、关闭以及调节激光脉宽、重频、能量参数等功能。所述控制器可以为专用的电子控制器件，也可以通过中央处理器来实现所述控制功能。尤其是，所述控制器设置时间控制单元，其生成用于控制激光器的激光脉冲发射时点的多个时间序列，每个时间序列包括多个重复的周期时间和多个随机产生的随机时间。例如，所述周期时间被设置为重复出现的δt，而所述随机时间为随机产生的δt1、δt2、δt3……
δt
n,
,从而构成时间序列(δt δt1)、(δt δt2)、(δt δt3)
……
(δt δtn)，该序列中的每个时间为激光器开始发送激光脉冲的时点，序列中n或者激光脉冲的发送次数可以根据需要进行设定。
48.所述激光雷达系统还包括光电探测器4，其被设置为在接收到外部光波时发生光激发信号。所述光电探测器4例如为ccd光传感器、cmos传感器、pd光电二极管、apd雪崩二极管、spad单光子雪崩二极管等。在一个或多个实例中，本发明采用spad芯片(单光子雪崩二极管)作为光电探测传感器。spad芯片是一种数字芯片，具有由多个像素组成的像素阵列，每个像素在外加高电压差下，处于雪崩状态(在一些特殊场景下其放大倍数非最大状态，也可以为线性放大状态的盖革模式)。在雪崩状态下，各个像素在接收到激光漫反射回波或者外部环境光的光子信号时，被光子信号激发放电，输出值为“1”，如果没有接收激光漫反射回波或者外在环境光则不被激发，不输出任何值或输出值为“0”。
49.所述激光雷达系统还包括采集器5，其被设置为在激光器根据所述时间序列发射每次激光脉冲的过程中，记录光电探测器的预定像素单元在预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量。例如，可以设置每次激光发射模块向探测区域发射一束激光脉冲时，开始计时，每隔一个时间单元t
unit
，对该时间单元内光电探测器的每个预定像素单元的光激发信号的输出情况进行采集记录，总计m个时间单元，共需tsum时间，并将m个时间单元结果例如存入寄存器。
50.在一个或多个实例中，所述采集器5包括tdc电路(time-distance convert时间距
离准换)，其与spad芯片连接，以确定激光发射以及spad光电探测器检测到激光漫反射回波的时间差，以计算出探测区域到激光雷达的距离，计算公式为：s＝光速
×
时间差/2。tdc电路通过将激光脉冲从发射激光至收到漫反射回波的时间差直接计算成激光雷达系统与检测区域之间的距离，省去使用其他感光元件时所需的光信号-模拟信号-数字信号的信号变化流程，具有更高的执行效率。
51.所述激光雷达系统还包括比较器6，其被设置为在完成所述多个时间序列的激光脉冲发射后，统计光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量，并且针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间，用于例如计算监测点相距发射点的距离。
52.所述激光雷达系统还包括存储器7，其例如为一种非易失性计算机可读存储介质，用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块等。存储在存储器中的非易失性软件程序、指令以及模块等由控制器或者其他的处理器运行，以执行系统的各种功能应用以及数据处理。存储器可以包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储例如操作系统、至少一个功能所需要的应用程序等；数据存储区可存储例如选项列表、光强阈值表等。在一些实施例中，存储器可包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至外接设备，所述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
53.图2示出了根据本发明的一种用于激光雷达系统的环境光感知方法，该方法包括：
54.s101：生成时间序列。
55.在一个或多个实例中，激光雷达系统的控制器中的时间控制单元生成用于控制激光器发射激光脉冲的发射时点的多个时间序列，每个时间序列包括多个重复的周期时间和多个随机产生的随机时间。
56.例如，所述周期时间被设置为重复出现的δt，所述随机时间为随机产生的δt1、δt2、δt3……
δt
n,
,从而构成时间序列(δt δt1)、(δt δt2)、(δt δt3)
……
(δt δtn)，该序列中的每个时间即序列时间为激光器开始发送激光脉冲的时点，序列中n或者激光脉冲的发送次数可以根据需要进行设定。
57.s102：根据时间序列依次向探测区域发射激光脉冲。
58.激光脉冲作为检测信号源，可以是为了检测环境光而单独发射的激光脉冲，也可以是激光雷达在实际探测工作中所发射的激光脉冲。在一个或多个实例中，激光雷达系统的激光器在控制器的控制下向探测区域发射激光脉冲，该激光脉冲以激光束的形式在检测区域表面形成漫反射回波并被光电探测器接收而发生光激发信号。例如，根据激光雷达系统的控制器发出的工作指令，激光器在预定时间开始工作，发出具有预定脉宽、重频、能量等参数的激光束。
59.尤其是，控制器控制激光器根据预先产生的时间序列多次向探测区域发射激光脉冲。例如，首先在时间序列(δt δt1)发射第一束激光脉冲，然后在时间序列(δt δt2)发射第二束激光脉冲，一直到在时间序列(δt δtn)完成最后一次激光脉冲发射。
60.s103：记录光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内分别发生的光激发信号数量。
61.光电探测器一般设置有多个像素单元。在一个或多个实例中，所述像素单元例如
被设置为光电探测器上的单个像素。在另一个或多个实例中，所述像素单元例如被设置为光电探测器上的两个或两个以上像素。每个像素在接收到光子信号时，被光子信号激发产生电信号，即光激发信号，该光激发信号可以被合适的采集器进行检测和累加统计。
62.在激光器每一次根据所述时间序列发射激光脉冲的过程划分为多个时间单元，采集器在每个时间单元对各个像素的光激发信号进行检测和纪录。例如，可以设置每次激光发射模块向探测区域发射一束激光脉冲时，开始计时，对每个隔一个时间单元t
unit
，对光电探测器的每个预定像素单元是否产生光激发信号进行检测和纪录。
63.图3示出了本发明所应用的一种具体光电探测器的像素示意图，该光电探测器例如为spad传感器，该传感器设置有像素阵列(20
×
10)，包括20个像素单元42，每个像素单元包括10个像素41，每个像素在接收到激光漫反射回波或者外在环境光的光子信号时，被光子信号激发放电输出，输出值为“1”，如果没有被激发，则不输出任何值或输出值为“0”。如图中所示，在一个特定时间序列的激光发射过程的特定时间单元，所述像素单元内的10个像素被光信号激光，采集器采集每个像素每个时间单元内的激光量。其他的像素单元也以同样的方法进行检测，以确定各个像素单元在该时间序列的激光发射过程的特定时间单元的光激发信号数量。
64.s104：统计各个时间单元内的光激发信号总量，并分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
65.在根据所述时间序列完成全部激光脉冲发射后，统计光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量，并针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
66.图4示出了根据本发明的另一种用于激光雷达系统的环境光感知方法，该方法包括：
67.s201：控制激光器在第一时间后发射第一次激光脉冲，并记录光电探测器的预定像素单元在预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
68.s202：控制激光器在第二时间后发射第二次激光脉冲，该第二时间为所述第一时间和一个随机生成的时间之和，并记录光电探测器的预定像素单元在所述预设的多个时间单元内分别发生的光激发信号数量；
69.s203:重复前一步骤s202至预定次数后，统计光电探测器的预定像素单元在各个时间单元内所发生的光激发信号总量；
70.s204：针对各个预定像素单元，分别选取光激发信号总量最高的时间单元作为回波反射时间。
71.图5示出了图4所示方法的一个或多个实例中获取预定像素单元的光激发信号数量的步骤示意图。
72.首先，时间控制单元产生第一时间序列δt，并向激光发射模块发出第一次脉冲信号，激光器向探测区域发射第一次激光脉冲。该第一次激光脉冲发射的过程被分隔成16个时间单元t
unit
。从开始发射激光脉冲时，tdc开始计时，每隔一个时间单元t
unit
，对该时间单元内每一个spad光电探测器像素的输出情况进行记录，总计m个时间单元，共需t
sum
时间，并将m个时间单元结果例如存入寄存器。
73.之后，时间控制单元产生第二时间序列δt δt1＇，并在该第二时间序列后发出第
二次信号脉冲。与前一步骤一样，该第二次激光脉冲发射的过程被分隔成16个时间单元t
unit
。从开始发射激光脉冲时，tdc开始计时，每隔一个时间单元t
unit
，对该时间单元内每一个spad光电探测器像素的输出情况进行采集记录，总计m个时间单元，共需t
sum
时间，并将m个时间单元结果例如存入寄存器。
74.重复前一步骤n-1次，以完成预定的n次激光脉冲发射测试。
75.在激光雷达发出n次脉冲信号后，读取每一像素的每个时间单元的光激发信号输出情况并进行累加运算，生成直方图，选取直方图中最高的值所对应的时间为目标回波反射的时间，并换算成距离。
76.以上步骤的时间序列包括重复出现的周期时间δt和随机生产的随机时间δt1＇、δt2＇、δt3＇
……
δt
n-1
＇,,从而构成时间序列(δt δt1＇)、(δt δt2＇)、(δt δt3＇)
……
(δt δt
n-1
＇)，该序列中的每个序列时间为激光器开始发送激光脉冲的时点，序列中n或者激光脉冲的发送次数可以根据需要进行设定。
77.在本实施例中，对三种不同的干扰光源所造成的信号光干扰问题，都有很好的抗干扰效果。本方案无需对激光脉冲信号进行编码，对光电传感器接收到的信号也无需判断其编码是否与激光脉冲编码匹配，因此大大简化了激光雷达测试目标区域的流程，使激光雷达更高效，准确性和稳定性更高。本方案也无需对接收的回波信号设置阈值，因此不用根据随机光源的强度调整阈值，激光雷达使用简单，增加了激光雷达的使用便利性。
78.本领域技术人员可以明白，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件予以执行，该程序存储在存储介质中，包括若干指令以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器执行本技术各实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种能够存储程序代码的介质。