一种激光雷达成像重构方法、系统、设备以及存储介质

1.本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达成像重构方法、系统、设备以及存储介质。


背景技术：

2.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。其工作原理为：向目标发射探测信号(激光束),然后对接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)进行处理后重构目标，获取目标成像，根据目标成像可分析出目标姿态、目标形状、目标距离、目标方位、目标高度、目标速度等参数，因此，激光雷达可以用于对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。传统技术中在对从目标反射回来的信号进行成像重构时，成像效果较差且效率较低。


技术实现要素：

3.以下是对本文详细描述的主题的概述，本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
4.本发明实施例提供了一种激光雷达成像重构方法、系统、设备以及存储介质，有助于提高激光雷达系统的成像重构效果。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种激光雷达成像重构方法，所述方法包括：
6.获取激光雷达系统输出的目标探测物的目标探测频谱；
7.将所述目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域；
8.在所述目标探测频谱上连续移动探测窗口，得到多个通过探测窗口提取的深度信息；
9.在所述探测窗口连续移动过程中，当所述探测窗口到达所述目标探测区域，调小所述探测窗口下一次移动的移动步长并在当所述探测窗口到达所述非目标探测区域时，调大所述探测窗口下一次移动的的移动步长；
10.根据多个所述深度信息进行成像重构，得到所述目标探测物的成像。
11.本发明第一方面的实施例至少具有以下有益效果：本发明通过将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，且当探测窗口到达目标探测区域时，调小探测窗口的移动步长，使得相邻窗口之间的重叠区域变大，进而使得获得的目标探测区域的深度信息更精细，而当探测窗口到达非目标探测区域时，调大探测窗口的移动步长，使得获得的目标探测区域的深度信息较稀疏，因此，本发明有助于提高目标探测物的成像信息的获取精度，进而有助于提高成像效果，且本发明可以简化非目标探测区域的检测过程，有助于提高检测效率。
12.根据本发明第一方面的一些实施例，所述激光雷达系统包括第三耦合器、探测臂和参考臂，所述第三耦合器用于将激光雷达系统的原始光信号进行分光后得到第一光信号和第二光信号分别输入所述探测臂和所述参考臂，所述获取激光雷达系统输出的目标探测
物的目标探测频谱，包括：
13.获取通过所述探测臂采用第一光信号对所述目标探测物进行探测后输出的初始拍频信号；
14.获取通过所述参考臂对所述第二光信号进行干涉处理后输出的参考拍频信号；
15.根据所述参考拍频信号对所述初始拍频信号进行校正，得到目标拍频信号；
16.对所述目标拍频信号进行傅里叶变换，得到目标探测频谱。
17.根据本发明第一方面的一些实施例，所述探测臂包括第一耦合器、环形器、二维色散器件、第一延时光纤和第一平衡探测器，所述第一光信号经第一耦合器进行分光后输出第一路激光和第二路激光，所述第一路激光依次经过所述环形器、所述二维色散器件向所述目标探测物发射，所述环形器将所述二维色散器件接收到的与所述第一路激光对应的反射光输至所述第一平衡探测器；所述第二路激光经过所述第一延时光纤输至所述第一平衡探测器，所述初始拍频信号为所述第一平衡探测器输出的信号。
18.根据本发明第一方面的一些实施例，所述参考臂包括第二耦合器、第二延时光纤和第二平衡探测器，所述第二光信号经所述第二耦合器进行分光后输出第三路激光和第四路激光，所述第三路激光输至所述第二平衡探测器，所述第四路激光经过所述第二延时光纤输至所述第二平衡探测器，所述参考拍频信号为所述第二平衡探测器输出的信号。
19.根据本发明第一方面的一些实施例，所述将所述目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，包括：
20.使用边缘检测算法对所述目标探测频谱进行目标检测，得到多个目标探测区域；
21.根据所述目标探测区域的区域坐标以及所述目标探测频谱的范围，在所述目标探测频谱中确定非目标探测区域。
22.根据本发明第一方面的一些实施例，所述将所述目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，包括：
23.将所述目标探测频谱上频率满足预设的频段条件的区域划定为目标探测区域。
24.根据本发明第一方面的一些实施例，在所述在所述目标探测频谱上移动探测窗口之前，所述方法还包括：
25.确定所述探测窗口的尺寸大小。
26.第二方面，本发明实施例提供了一种激光雷达成像重构系统，其特征在于，包括：
27.目标探测频谱输出模块，用于输出目标探测物的目标探测频谱；
28.激光雷达成像重构模块，包括：
29.获取单元，用于获取所述目标探测频谱输出模块输出的所述目标探测频谱；
30.区域划分单元，用于将所述目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域；
31.探测窗口单元，包含有若干具有不同尺寸的探测窗口，所述探测窗口用于提取所述目标探测频谱上的多个深度信息；
32.控制单元，用于控制所述探测窗口在所述目标探测频谱的移动，其中，在所述探测窗口连续移动过程中，当所述探测窗口到达所述目标探测区域，调小所述探测窗口下一次移动的移动步长并在所述探测窗口到达所述非目标探测区域时，调大所述探测窗口的移动步长；
33.成像重构单元，用于根据多个所述深度信息进行成像重构，得到所述目标探测物的成像。
34.根据本发明第二方面的一些实施例，所述目标探测频谱输出模块包括：
35.第三耦合器，用于将激光雷达系统的原始光信号进行分光，得到第一光信号和第二光信号；
36.探测臂，用于输出采用所述第一光信号对所述目标探测物进行探测后得到的初始拍频信号；
37.参考臂，用于输出对所述第二光信号进行干涉处理后的参考拍频信号。
38.第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本技术第一方面任意一项所述的方法。
39.第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行时实现本技术第一方面任意一项所述的方法。
40.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
41.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
42.图1为本发明实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的激光雷达成像重构方法的流程图；
44.图3为本发明实施例提供的探测窗口在目标探测频谱上的移动轨迹示意图；
45.图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“上”、“下”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。
48.需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
49.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，术语“安装”、“连接”等词
语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
50.在2020年，jalali在其时间拉伸的激光雷达系统中提到通过改变啁啾形状来控制离散的波长分布，形成频空复用模式不同的弯曲照明，可以实现变焦功能。在2021年6月21日，速腾聚创推出了其车规级智能固态激光雷达产品m1，其最大的亮点是在之前固态激光雷达的技术基础上，融合了“凝视”功能，可随时将扫描聚焦在驾驶者关心的重点感知区域。通过改变扫描线数分布，实现分辨率调节，从而实现变焦功能。然而，因为这两者都是控制线数分布，聚焦到某一目标上，我们不关心的目标之外的区域同样也被探测到，就必然会造成检测点数的浪费，聚焦的范围不够精确。所以我们的发明希望能够使聚焦范围更加精准，更加智能，降低系统的功耗。
51.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。其工作原理为：向目标发射探测信号(激光束),然后对接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)进行处理后重构目标，获取目标成像，根据目标成像可分析出目标姿态、目标形状、目标距离、目标方位、目标高度、目标速度等参数，因此，激光雷达可以用于对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。传统技术中在对从目标反射回来的信号进行成像重构时，成像效果较差且效率较低。
52.基于此，本发明实施例提供了一种激光雷达成像重构方法、设备以及存储介质，有助于提高成像效果，且有助于提高检测效率。
53.参照图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图，包括光源、第三耦合器、探测臂和参考臂，探测臂包括第一耦合器、环形器、二维色散器件和第一平衡探测器，参考臂包括第二耦合器和第二平衡探测器。
54.基于图1所示的激光雷达系统的结构示意图，参照图2，图2为本发明实施例提供的一种激光雷达成像重构方法的流程图，该方法包括但不限于以下步骤201至步骤204。
55.步骤201：获取激光雷达系统输出的目标探测物的目标探测频谱；
56.步骤202：将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域；
57.步骤203：在目标探测频谱上连续移动探测窗口，得到多个通过探测窗口提取的深度信息；在探测窗口连续移动过程中，当探测窗口到达目标探测区域，调小探测窗口下一次移动的移动步长并在当探测窗口到达非目标探测区域时，调大探测窗口下一次移动的的移动步长；
58.步骤204：根据多个深度信息进行成像重构，得到目标探测物的成像。
59.可以理解的是，本发明通过将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，且当探测窗口到达目标探测区域时，调小探测窗口的移动步长，使得相邻窗口之间的重叠区域变大，进而使得获得的目标探测区域的深度信息更精细，而当探测窗口到达非目标探测区域时，调大探测窗口的移动步长，使得获得的目标探测区域的深度信息较稀疏，因此，本发明有助于提高目标探测物的成像信息的获取精度，进而有助于提高成像效果，且本发明可以简化非目标探测区域的检测过程，有助于提高检测效率。
60.在一个实施例中，激光雷达系统包括第三耦合器、探测臂和参考臂，第三耦合器用于将激光雷达系统的原始光信号进行分光后得到第一光信号和第二光信号分别输入探测臂和参考臂，步骤201：获取激光雷达系统输出的目标探测物的目标探测频谱，包括：
61.步骤2011：获取通过探测臂采用第一光信号对目标探测物进行探测后输出的初始拍频信号；
62.步骤2012：获取通过参考臂对第二光信号进行干涉处理后输出的参考拍频信号；
63.步骤2013：根据参考拍频信号对初始拍频信号进行校正，得到目标拍频信号；
64.步骤2014：对目标拍频信号进行傅里叶变换，得到目标探测频谱。
65.需要补充说明的是，原始光信号由光源发出，光源可以为可调谐激光器。本发明基于调频连续波(fmcw)激光雷达的扫描测距同步进行的技术来实现。我们使用1550nm的可调谐固态光源，该光源调谐范围最高可达100nm，且该波段的光对人眼安全。
66.在一个实施例中，探测臂包括第一耦合器、环形器、二维色散器件、第一延时光纤和第一平衡探测器，第一光信号经第一耦合器进行分光后输出第一路激光和第二路激光，第一路激光依次经过环形器、二维色散器件向目标探测物发射，环形器将二维色散器件接收到的与第一路激光对应的反射光输至第一平衡探测器；第二路激光经过第一延时光纤输至第一平衡探测器，初始拍频信号为第一平衡探测器输出的信号。
67.在一个实施例中，参考臂包括第二耦合器、第二延时光纤和第二平衡探测器，第二光信号经第二耦合器进行分光后输出第三路激光和第四路激光，第三路激光输至第二平衡探测器，第四路激光经过第二延时光纤输至第二平衡探测器，参考拍频信号为第二平衡探测器输出的信号。
68.在一个实施例中，步骤202：将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，包括：使用边缘检测算法对目标探测频谱进行目标检测，得到多个目标探测区域；根据目标探测区域的区域坐标以及目标探测频谱的范围，在目标探测频谱中确定非目标探测区域。
69.在一个实施例中，步骤202：将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域，包括：将目标探测频谱上频率满足预设的频段条件的区域划定为目标探测区域。
70.需要补充说明的是，可以人为预设探测窗口的尺寸，也可以从若干候选探测窗口中智能选取具有合适尺寸的探测窗口，例如：在1至100号探测窗口中遍历选取出适用于目标探测物的频谱且提取频率信息精度最高的窗口。
71.参照图1，为本发明实施例提供的一种激光雷达成像重构系统，包括：
72.目标探测频谱输出模块，用于输出目标探测物的目标探测频谱；
73.激光雷达成像重构模块，包括：
74.获取单元，用于获取目标探测频谱输出模块输出的目标探测频谱；
75.区域划分单元，用于将目标探测频谱划分为目标探测区域和非目标探测区域；
76.探测窗口单元，包含有若干具有不同尺寸的探测窗口，探测窗口用于提取目标探测频谱上的多个深度信息；
77.控制单元，用于控制探测窗口在目标探测频谱的移动，其中，在探测窗口连续移动过程中，当探测窗口到达目标探测区域，调小探测窗口下一次移动的移动步长并在探测窗口到达非目标探测区域时，调大探测窗口的移动步长；
78.成像重构单元，用于根据多个深度信息进行成像重构，得到目标探测物的成像。
79.在一个实施例中，目标探测频谱输出模块包括：第三耦合器，用于将激光雷达系统的原始光信号进行分光，得到第一光信号和第二光信号；探测臂，用于输出采用第一光信号
对目标探测物进行探测后得到的初始拍频信号；参考臂，用于输出对第二光信号进行干涉处理后的参考拍频信号。
80.下面以一个具体实施例来描述本发明的激光雷达成像重构方法的具体实施过程：
81.如图1所示，用第三耦合器将光源发出的线性调制频率的连续激光分成两路光，即初始激光和参考激光，参考激光用作参考臂，初始激光用作探测臂。探测臂则用来对目标探测物进行探测。进入探测臂中的初始激光由第一耦合器分成第一路激光和第二路激光，第一路激光经过环形器后，进入二维色散器件，第一路激光中的具有不同波长的光束被二维色散器件在空间中分开并照射向目标探测物，经目标探测物反射后的光又被二维色散器件吸收，并输向光环形器，然后经由光环形器输至第一平衡探测器，此时，经过一定距离延迟光纤的第二路激光也进入第一平衡探测器，且第一路激光和第二路激光在第一平衡探测器中形成干涉，第一路激光和第二路激光在第一平衡探测器中产生初始拍频信号。进入参考臂中的参考激光由第二耦合器分成第三路激光和第四路激光，由于两路光的光纤长度不同，因此在经过一定距离光纤延迟后均输入到第二平衡探测器中，在第二平衡探测器中形成干涉输出参考拍频信号，以用于对初始拍频信号作非线性校正。将经过校正后的初始拍频信号(即目标拍频信号)进行短时傅里叶变换，得到目标探测频谱(拍频信号的频率)，之后便可以计算出目标探测物对应空间位置的深度信息。在本发明中，使用一种聚焦可变式频谱窗口(以下简称探测窗口)对目标探测频谱进行聚焦探测，具体表现为：根据需要实现探测窗口的密集分布或者稀疏分布，其中，密集分布的探测窗口能对同一区域得到尽可能多的深度信息，而稀疏分布的探测窗口则得到较少的深度信息。为了实现聚焦式频谱窗口，首先需要确定探测窗口的尺寸大小，一个探测窗口即对应一个位置的深度信息。如图3所示，对于想了解的区域(目标探测区域)，将减小探测窗口移动的步长，使得相邻探测窗口之间有部分重叠区域，当重叠的部分越大，说明该部分的深度信息获得更精细。而对于不关心的区域(非目标探测区域)，将调大探测窗口移动的步长，使得该部分的深度信息获得就相对稀疏，因此，本技术具有类似于人眼的凝视功能，且相比于传统的短时傅里叶变换来说，每个探测窗口的大小固定，频谱窗口不重叠。本发明的探测窗口可根据实际情况进行调节，因此，有助于提高目标探测物的成像信息的获取精度，进而有助于提高成像效果，且有助于简化非目标探测区域的检测过程，进而提高检测效率。
82.本发明能够基于激光雷达的探测数据，对目标探测区域实现聚焦探测，相较于相关技术，本发明通过聚焦可变式频谱窗口使聚焦范围更精确，且分辨率调节范围较大。
83.参照图4，图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。电子设备400包括：存储器401、处理器402及存储在存储器401上并可在处理器402上运行的计算机程序，计算机程序运行时用于执行上述的方法。
84.处理器402和存储器401可以通过总线或者其他方式连接。
85.存储器401作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如本发明实施例描述的方法。处理器402通过运行存储在存储器401中的非暂态软件程序以及指令，从而实现上述的方法。
86.存储器401可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述的方法。此外，存储器401可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个储存设备存储器
件、闪存器件或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器401可选包括相对于处理器402远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该电子设备400。上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。
87.实现上述的方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器401中，当被一个或者多个处理器402执行时，执行上述的方法。
88.本发明实施例还提供了计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行上述的方法。
89.在一实施例中，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可以实现上述的方法。
90.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
91.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、储存设备存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包括计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
92.还应了解，本发明实施例提供的各种实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
93.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。