一种适用于雨天的车载激光雷达系统

1.本发明涉及一种激光雷达，具体涉及一种车载激光雷达系统。


背景技术：

2.激光雷达具有精度高、视野广、稳定性较好的优点，能适用于大部分场景的运营需求，激光雷达被认为未来会被广泛运用于汽车的自动驾驶领域。虽然激光雷达的优势明显，但因激光具有波长短、穿透力不强的劣势，在遇到雨滴等对光线的传播具有影响的介质时，会发生折返现象，导致将雨滴等介质误测量为障碍物，从而给感知算法带来虚警点云，导致车载激光雷达误判，无法实现车辆在恶劣天气下清晰成像、精准测距的功能。
3.在激光雷达系统中，接收到的回波信号中除了有效的反射回波外，通常还伴随有各种噪声，这些噪声与来自目标的反射回波相叠加，导致接收回波信噪比降低，致使系统的测量精度严重降低，有效探测测程大大减小。接收激光回波的信噪比在极大程度上决定了系统的测距，扫描性能。
4.目前激光雷达一般使用滤波算法来过滤接收到的杂波信号，虽然滤波算法仍在被不断改进，但是一个滤波算法只能在一种特定场景下实现较为不错的过滤杂波信号的效果，尤其是在恶劣天气下，杂波信号的种类更加繁多，用滤波算法来过滤杂波信号也很有难度。
5.综上所述，如何实现车载激光雷达在恶劣天气下实现清晰成像、精准测距的功能是目前激光雷达领域中的一大难题。


技术实现要素：

6.发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于雨天的车载激光雷达系统，解决车载激光雷达在雨天时受杂波干扰严重的问题。
7.技术方案：一种适用于雨天的车载激光雷达系统，包括：雨量传感器、激光发射模块、接收模块、信号处理模块、测距模块；所述雨量传感器用于探测当前降雨量的大小，并判断降雨量的等级；所述激光发射模块用于按周期交替发射两束不同的激光束，其中激光束a的扫描目标为实时降落的雨滴，激光束b的扫描目标为车前方实时的路况，并根据降雨量的等级控制激光束a和激光束b的发射功率、波长以及发射距离；所述接收模块用于接收激光束反射回来的光信号，并对光信号进行背景光去噪处理；所述信号处理模块用于对所述接收模块输出的回波信号进行处理，根据激光束a的回波信号得到实时雨回波强度数值以及相对应的点云信号，然后剔除激光束b回波信号中的所述实时雨回波强度数值以及相对应的点云信号；所述测距模块用于根据所述信号处理模块输出信息，计算有效目标与车辆的距离。
8.进一步的，所述激光发射模块包括光学相控阵激光雷达芯片以及分别连接所述光学相控阵激光雷达芯片的三个可调谐激光器、三个透镜组；所述三个可调谐激光器用于分别控制输出不同波长及发射功率的激光束；所述三个透镜组用于分别控制输出不同发射距离的激光束。
9.进一步的，根据预先设定的数值范围，将降雨量分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨五个等级；根据降雨量的大小，降雨量大则对应输出波长长、功率小的激光束a，不同降雨量下的激光束a发射距离不变；根据降雨量的大小，降雨量大则对应输出波长长、功率大、发射距离远的激光束b。
10.进一步的，所述激光发射模块中，所述三个可调谐激光器对应的发射波长范围分别为532-540nm、1064-1070nm、1550-1560nm，发射功率有10mw、20mw、30mw、40mw，所述三个透镜组控制的发射距离分别为50m、100m、150m。
11.进一步的，对于激光束a：降雨量的等级为小雨时，选择可调节激光器一以及透镜组一，使得发射波长为532-540nm，发射功率为40mw，发射距离为50m；降雨量的等级为中雨时，选择可调节激光器一以及透镜组一，使得发射波长为532-540nm，发射功率为30mw，发射距离为50m；降雨量的等级为大雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为20mw，发射距离为50m；降雨量的等级为暴雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为10mw，发射距离为50m；对于激光束b：降雨量的等级为小雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为10mw，发射距离为50m；降雨量的等级为中雨时，选择可调节激光器二以及透镜组二，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为20mw，发射距离为100m；降雨量的等级为大雨时，选择可调节激光器三以及透镜组二，使得发射波长为1550-1560nm，发射功率为30mw，发射距离为100m；降雨量的等级为暴雨时，选择可调节激光器二以及透镜组三，使得发射波长为1550-1560nm，发射功率为40mw，发射距离为150m。
12.进一步的，所述接收模块包括光准直透镜组、背景光去噪模块、信号放大电路；所述光准直透镜组用于对由激光束a和激光束b反射回来的光信号进行准直处理；所述背景光去噪模块包括可调谐滤波器、四个光电探测器、第一至第三滤光片以及第一至第四控制开关；四个光电探测器并排设置，第一至第三光电探测器的入射端分别设置一个滤光片，第一至第四光电探测器的信号输出端分别通过一个控制开关连接可调谐滤波器的输入端；其中，第一至第三滤光片分别对应波长为532-540nm、1064-1070nm、1550-1560nm；第一至第四控制开关由主控模块控制开启和关闭，在打开时，可调谐滤波器可接收到对应光电探测器输出的信号；具体的，在激光束相邻发射周期的间隔时间内，第四光电探测器连接的第四控制开关开启，第一至第三控制开关关闭，此时第四光电探测器输出的信号仅包括背景光噪信号；然后主控模块根据激光束下一发射周期内发出激光束a和激光束b的波长，按激光束发射时间分别开启相同波长滤光片对应的光电探测器连接的控制开关，即通过滤光片以及开关的作用使得仅有对应波段的探测回波信号及该波段的背景光噪信号能够输入到可调谐滤波器；可调谐滤波器去除第一至第三光电探测器输出信号中与第四光电探测器输出信号同波段的信号，该同波段的信号即为激光束a或激光束b同波段的背景光噪信号，从而实现去除背景光噪的效果；
所述信号放大电路用于将去除背景光噪后的电信号进行整形及放大处理。
13.进一步的，所述信号处理模块包括信号计算单元和过滤无用回波信号单元；所述信号计算单元用于根据所述接收模块输出信号计算得到经背景光去噪后剩余回波信号中每个点云信号对应量化的强度值；所述过滤无用回波信号单元用于所述信号计算单元输出结果作如下处理：步骤一：将所述信号计算单元计算处理后的激光束a的回波点云信号对应量化的强度值与雨回波强度数据库中的数值范围进行对比；步骤二：剔除掉除雨回波强度数值范围以外的所有强度数值以及相对应的点云信号；步骤三：保存剩余点云信号的强度数值，记录为实时雨回波强度数值；步骤四：将所述信号计算单元计算处理后的激光束b的回波点云信号对应量化的强度值与所述实时雨回波强度数值对比，剔除掉回波信号中与所述实时雨回波强度数值相同的值以及相对应的点云信号；其中，所述雨回波强度数据库存储有所述车载激光雷达系统预先测试得出在不同降雨量强度下，激光器处于不同发射波长、发射功率、发射距离状态下的雨回波强度数值。
14.进一步的，还包括图像生成模块，用于根据所述信号处理模块输出信号，整合有效点云信号的信息后成像。
15.进一步的，所述图像生成模块包括有效目标判别模块、点云数据整合模块以及成像模块；所述目标判别模块用于根据接收到各个点云信号的方向、角度、强度值，进行归类，判定得到若干有效目标；所述点云数据整合模块用于将强度值和有效目标的距离信息整合；所述成像模块用于将整合后的点云数据进行成像处理，最终在显示屏上显示成像与距离。
16.有益效果：本发明通过检测雨天环境下的雨量，根据雨量来调整激光发射模块的配置参数，实现激光束a与激光束b的周期交替发射，并且使激光束a与激光束b在不同降雨量等级的情况下能够更好探测到各自的有用目标，使有用目标产生足够多的回波信号，使系统最终能得到更为精确的点云数据。接着通过信号接收模块以及信号处理模块，对激光束a、激光束b的回波信号中的杂波信号进行分级处理，最终从激光束b产生的回波信号中得到更为精确的有用目标点云信号，最后通过测距模块以及图像生成模块，实现对有用目标清晰成像、精准测距的功能。本发明解决了车载激光雷达在雨天时受杂波干扰严重的问题。
附图说明
17.图1为一种适用于雨天的车载激光雷达系统的结构图；图2为opa激光雷达芯片结构示意图；图3为背景光去噪系统结构示意图；图4为过滤无用回波信号模块的流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
19.如图1所示，一种适用于雨天的车载激光雷达系统包括：显示屏、主控模块、雨量传感器、激光发射模块、接收模块、信号处理模块、测距模块、图像生成模块。其中，激光发射模块包括可调谐激光器、光学相控阵（opa）激光雷达芯片、电压控制模块。接收模块包括光准直透镜组、背景光去噪模块、信号放大模块。信号处理模块包括信号计算单元和过滤无用回波信号单元。测距模块包括微秒计时器和测距系统。图像生成模块包括有效目标判别模块、点云数据整合模和成像模。
20.如图2所示，opa激光雷达芯片包括耦合器、mmi分束器、1
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n路电光开关s1、1
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m路电光开关s2、n个电光移相器组1、m个电光移相器组2、光栅天线。耦合器的输出端连接mmi分束器的输入端，mmi分束器的输出端分别连接1
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n路电光开关 s1、1
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m路电光开关s2的输入端。1
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n路电光开关 s1与n个电光移相器组1调节同一波导组，通过光栅天线发出激光束a；1
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m路电光开关s2与m个电光移相器组2调节同一波导组，通过光栅天线发出激光束b。
21.通过显示屏开启车载激光雷达系统，主控模块收到启动信号后打开雨量传感器。雨量传感器用于探测当前实时降雨量的大小，并判断降雨量的等级。根据预先设定的数值范围，将降雨量分为无雨、小雨、中雨、大雨、暴雨五个等级。
22.主控模块根据当前降雨量的等级，对激光发射模块做出调节。具体的，主控模块通过控制电压控制模块对1
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n路电光开关s1和1
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m路电光开关s2施加不同电压，两个电光开关处于开启与关闭的交替状态，一个发射周期内开关s1和s2开启时间各为50μs，即激光束a与激光束b交替各发射50μs时间；相邻发射周期之间间隔10μs。
23.主控模块通过控制电压控制模块对n个电光移相器组1和m个电光移相器组2进行相位调节，使激光束a与激光束b的扫描方向，扫描范围不同。对于激光束a，主要扫描区域为车的斜上方区域，扫描的主要目标为实时降落的雨滴。对于激光束b，主要扫描区域为车的前方区域，包括左前方区域和右前方区域，扫描的目标为车前方实时的路况。
24.不同波长、不同发射功率、不同发射距离的激光束在不同降雨等级下发射，雨滴的后向散射系数以及对雨滴的穿透系数都是不同的。根据激光束a、激光束b的不同作用，在不同降雨情况下对其选择合适的参数配置，即根据降雨量的等级控制激光束a和激光束b的发射功率、波长以及发射距离。若降雨量大则对应输出波长长、功率小的激光束a，不同降雨量下的激光束a发射距离不变；降雨量大则对应输出波长长、功率大、发射距离远的激光束b。降雨等级为无雨时，关闭1
×
n路电光开关s1，仅打开1
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m路电光开关s2。
25.优选的,激光发射模块中，三个可调谐激光器对应的发射波长范围分别为532-540nm、1064-1070nm、1550-1560nm，发射功率有10mw、20mw、30mw、40mw，三个透镜组控制的发射距离分别为50m、100m、150m。
26.对激光束a：对于激光束a：降雨量的等级为小雨时，选择可调节激光器一以及透镜组一，使得发射波长为532-540nm，发射功率为40mw，发射距离为50m；降雨量的等级为中雨时，选择可调节激光器一以及透镜组一，使得发射波长为532-540nm，发射功率为30mw，发射距离为50m；降雨量的等级为大雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为20mw，发射距离为50m；降雨量的等级为暴雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为10mw，发射距离为50m。
27.对于激光束b：降雨量的等级为小雨时，选择可调节激光器二以及透镜组一，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为10mw，发射距离为50m；降雨量的等级为中雨时，选择可调节激光器二以及透镜组二，使得发射波长为1064-1070nm，发射功率为20mw，发射距离为100m；降雨量的等级为大雨时，选择可调节激光器三以及透镜组二，使得发射波长为1550-1560nm，发射功率为30mw，发射距离为100m；降雨量的等级为暴雨时，选择可调节激光器二以及透镜组三，使得发射波长为1550-1560nm，发射功率为40mw，发射距离为150m。
28.接收模块接收激光束a和激光束b反射回来的光信号。接收模块的光准直透镜组用于对接收到的光信号进行准直处理。
29.如图3所示，背景光去噪模块包括四部分，分别为可调谐滤波器、四个光电探测器、第一至第三滤光片3~5以及第一至第四控制开关6~9。具体的，四个光电探测器并排设置，第一至第三光电探测器的入射端分别设置一个滤光片，第一至第四光电探测器的信号输出端分别通过一个控制开关连接可调谐滤波器的输入端。其中，第一至第三滤光片3~5分别对应波长为532-540nm、1064-1070nm、1550-1560nm；第一至第四控制开关6~9可由主控模块控制开启和关闭，在打开时，可调谐滤波器可接收到对应光电探测器输出的信号。
30.具体的，在激光束相邻发射周期的间隔时间内，第四控制开关9开启，第一至第三控制开关6~8关闭，此时第四光电探测器输出的信号仅包括背景光噪信号。然后主控模块根据激光束下一发射周期内发出激光束a和激光束b的波长，按激光束发射时间分别开启相同波长滤光片对应的光电探测器连接的控制开关，即通过滤光片以及开关的作用使得仅有对应波段的探测回波信号及该波段的背景光噪信号能够输入到可调谐滤波器。可调谐滤波器去除第一至第三光电探测器输出信号中与第四光电探测器输出信号同波段的信号，该同波段的信号即为激光束a或激光束b同波段的背景光噪信号，从而实现去除背景光噪的效果。
31.接收模块的信号放大电路将去除背景光噪后的电信号进行整形及放大处理。
32.信号处理模块的信号计算单元用于计算已剔除背景光噪后，经信号放大电路处理后的剩余回波信号，依次得出剩余回波信号中每个点云信号对应量化的强度值。
33.由于激光束a与激光束b处于周期交替的发射状态，故信号计算单元也是交替输出激光束a和激光束b的回波信号处理结果。如图4所示，过滤无用回波信号单元用于分别将激光束a回波信号与激光束b回波信号中剩余杂波信号进行剔除，具体步骤如下：步骤一：将所述信号计算单元计算处理后的激光束a的回波点云信号对应量化的强度值与雨回波强度数据库中的数值范围进行对比；步骤二：剔除掉除雨回波强度数值范围以外的所有强度数值以及相对应的点云信号；步骤三：保存剩余点云信号的强度数值，记录为实时雨回波强度数值；步骤四：将所述信号计算单元计算处理后的激光束b的回波点云信号对应量化的强度值与所述实时雨回波强度数值对比，剔除掉回波信号中与所述实时雨回波强度数值相同的值以及相对应的点云信号；雨回波强度数据库10是此激光雷达系统工作在理想环境下不断测试得出的，包括在处于小雨、中雨、大雨、暴雨的降雨量强度时，激光器发射波长为532-540nm、1064-1070nm、1550-1560nm时；发射功率为10mw、20mw、30mw、40mw时；通过透镜组的激光束的发射距离为50m、100m、150m时；已量化的较为精准的雨回波强度数值范围。
34.测距模块包括微秒计时器和测距系统。其中，微秒计时器记录从激光束b发射到得到各个有效目标的点云信号的时间组t{t1,t2...,tn}。测距模块根据到各个有效点云信号的先后顺序，计算各个形成有效点云信号的目标与此车辆的距离s，t0是光信号通过接收模块和信息处理模块所需的时间，计算公式为：s=v*(t-t0)/2，其中v为光速。图像生成模块先通过有效目标判别模块,根据接收到各个点云信号的方向、角度、量化强度值，进行归类，判定为若干个有效目标。数据整合模块用于将强度值和有效目标的距离信息整合。最终成像模块用于将整合好的点云数据进行成像处理，最终在显示屏上清晰成像与精准的距离。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。