一种目标距离探测方法、装置及系统与流程

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种可以探测目标距离的探测方法及系统，并可以区分探测目标的类型。

背景技术：

基于飞行时间法的脉冲式三维激光雷达由于采用了脉冲式激光器作为光源，具有测量距离远、频率高、功耗低等特点，被广泛用于三维建模、环境感知等领域。飞行时间法的脉冲式三维激光雷达记录激光脉冲发射时刻与漫反射回波脉冲接收时刻的时间差δt，乘以光速c，可以计算出激光雷达与被测物体的往返距离。通过俯仰方向与水平方向光束扫描，便可得到被测物体的三维形貌信息。

现有技术中影响距离测量精度的一个重要因素是激光脉冲发射时刻与回波接收时刻的时间差δt的测量精度。根据飞行时间法测距公式：

l＝1/2(c*δt)

式中，l为被测距离，c为光速。从上式可以算出，1ns的计时误差会引入15cm的测距误差。由于发射激光脉冲经不同反射率物体漫反射后，回波脉冲幅值变化很大。对于激光脉冲宽度为5至10纳秒脉冲式激光雷达，通过恒定电平来判断回波脉冲到来时刻会引起纳秒级时间测量误差，也就是几十厘米的距离测量误差，严重影响了三维激光雷达的应用范围和测量精度。

文献1：cn107272011a，公开了本发明涉及一种时点鉴别方法、时点鉴别系统及激光测距系统，其特征在于将测量时探测得到的回波脉冲分为两路；一路进行峰值保持处理，峰值保持处理用于将回波脉冲转化为一个直流电平，直流电平电压值为回波脉冲的峰值电压，并对直流电平进行设定比例的衰减；另一路进行延迟处理，延迟处理用于对回波脉冲进行纳秒级延迟，延迟量应确保大于峰值保持与衰减引起的时间延迟；将衰减后的直流电平和延迟后的回波脉冲进行电压值比较，并将电压值比较结果发生变化的时刻作为回波脉冲到来时刻，当回波脉冲的幅值发生变化时，时点鉴别电平的电压值也随之变化，实现不依赖与回波强度的时点鉴别。本发明广泛应用于脉冲式激光测距系统，或基于不同光束扫描方式的二维或三维激光雷达系统的测距中。

文献2：cn107340523a，公开了一种抗干扰能力好的基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法。测速测距系统包括激光器、光路发射组件、光路接收组件、处理器、分束器、合束器和焦平面阵列探测器；分束器的输入端与激光器的输出端相连；分束器分出的两路光信号中：一路光信号送入光路发射组件并投射到待测目标物上，另一路光信号直接送入合束器；光路接收组件接收所述回波信号，并进行滤波后汇聚到合束器的输入端；合束器用于将分束器分出的一路光信号和所述回波信号进行相干混频得到的差频信号；焦平面阵列探测器对差频信号进行采样、处理、模数转换后送入处理器；处理器获取待测目标物的速度和距离信息。

文献3：cn205941886u，公开了一种三维激光雷达测距系统，系统从上下依次设置有：用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部；用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构；用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部；所述激光雷达旋转部和激光雷达固定部通过所述旋转机构连接。本实用新型利用机械旋转扫描机构产生具有一定张角的激光，实现垂直方向上的一维扫描，利用旋转扫描机，实现水平方向上的一维扫描，从而实现一定范围的三维扫描，实现对目标地物的方位识别。

上述现有技术中均采用一个探测比较器来探测目标距离，然而由于探测比较器的校正系数是预先针对某个距离而确定的，但在实际探测时，不同探测距离对于校正系数的要求是不同的，此时单独的一个探测比较器确定的距离可能存在累计误差，从而导致探测精度不能满足实际需求。

此外，现有的激光测距仪，也无法区别具体探测目标的类型，在某些应用场景，对于不同类型的目标，是需要区别对待的。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种目标距离探测系统，包括：

激光测距仪发射器，用于向探测目标发射探测激光束；

激光测距仪接收器包括：多个振幅比较器、一个探测比较器和一个信号处理器；

所述激光测距仪接收器接收从探测目标返回的反射激光束，对所述反射激光束进行处理后得到反射信号，将反射信号发送给所述多个振幅比较器和探测比较器；

所述多个振幅比较器将比较结果输出给信号处理器，得到校正阈值；

所述探测比较器根据反射信号和校正阈值确定探测目标距离。

根据本发明的系统，优选的，根据所述反射信号的电平大小激活一个或多个振幅比较器。

根据本发明的系统，优选的，所述信号处理器根据被激活振幅比较器的输出信号和振幅比较器的振幅阈值确定校正阈值。

根据本发明的系统，优选的，预先确定所述多个振幅比较器的不同校正系数和振幅阈值，不同校正系数和振幅阈值对应不同的探测距离范围；

并向所述多个振幅比较器输入不同的振幅阈值。

根据本发明的系统，优选的，还包括：红外探测器(ir)，用于检测探测目标的温度，并根据所述温度确定探测目标类型。

根据本发明的系统，优选的，还包括信号接收模块、放大器模块、噪声电平处理模块、时间-电压转换模块；

所述信号接收模块接收反射激光束电平信号，并发送给所述放大器模块进行信号放大处理；

所述放大器模块将经过放大处理的电平信号分别发送给所述探测比较器、噪声电平处理模块和多个振幅比较器；

所述多个振幅比较器接收不同的振幅阈值，并根据接收的电平信号被激活或不被激活，被激活的一个或多个振幅比较器根据输入的电平信号和振幅阈值，输出比较信号到信号处理器；

所述信号处理器根据输入的一个或多个比较信号确定校正阈值，并输出给探测比较器；

噪声电平处理模块根据接收的电平信号确定并输出噪声电平；

所述探测比较器根据输入的电平信号、噪声电平和校正阈值确定产生一个探测脉冲，并发送给时间-电压转换模块；

时间-电压转换模块根据探测脉冲确定激光束从发射激光到到达探测目标的时间差。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种确定目标速度的方法，通过上述之一的方法探测一个目标在不同位置的距离差和时间差，并根据距离差和时间差计算得到目标的运动速度矢量，包括：速度大小和速度方向。

根据本发明的方法，优选的，预先设定一个速度阈值，根据目标运动速度和速度阈值的关系，确定目标类型。

根据本发明的方法，优选的，根据目标位置，确定目标的运动轨迹，并根据目标运动轨迹，预测目标的运动轨迹。

根据本发明的方法，优选的，根据所述目标运动轨迹，确定目标类型。

根据本发明的方法，优选的，通过判断目标是否突然改变速度大小和方向来确定目标类型。为解决上述技术问题，本发明提供了一种目标探测信息共享系统，其特征在于，包括上述之一所述的探测装置，各个探测装置探测得到的目标距离信息相互共享。

根据本发明的系统，优选的，该系统采用上述之一的方法确定目标的速度、类型或运动轨迹，各个探测装置相互共享如下信息：所述目标的速度、类型或运动轨迹。

为解决上述技术问题，本发明还公开了一种目标距离探测方法，包括以下步骤：

步骤s1，接收从探测目标返回的反射激光束。

步骤s2，对所述反射激光束进行处理得到反射信号。

步骤s3，通过所述反射信号确定多个振幅比较器中的其中一个作为实际使用的振幅比较器。

根据所述反射信号的电平大小激活一个或多个振幅比较器。

如果激活的振幅比较器大于一个，则根据所述反射信号的电平大小和不同振幅比较器的振幅阈值确定采用所述激活的多个振幅比较器中的一个作为实际采用的振幅比较器。

预先确定所述多个振幅比较器的不同校正系数和振幅阈值，不同校正系数和振幅阈值对应不同的探测距离范围；

并向所述多个振幅比较器输入不同的振幅阈值。

步骤s4，通过所述实际使用的振幅比较器确定校正阈值。

步骤s5，根据所述反射信号和所述校正阈值确定探测目标距离。

此外，还可以检测探测目标的温度，并根据所述温度确定探测目标类型。

比较器根据所述反射信号和所述校正阈值确定激光束从发射激光到到达探测目标的时间差，并根据飞行时间技术确定探测目标的距离。

采用本发明的技术方案，取得了以下技术效果：可以精确探测目标的距离；具有红外探测功能的激光雷达探测功能，可以探测目标类型；分析目标运动的轨迹和速度，并评估探测目标是人体感应警报还是错误警报；目标信息共享：追踪入侵者并将其特征和轨迹传送给相邻传感器。

附图说明

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为现有技术中的目标距离探测系统的结构示意图；

图2是现有技术中激光测距仪发射器的组成图；

图3是现有技术中激光测距仪接收器的组成图；

图4是本发明中激光测距仪接收器的组成图；

图5是本发明中的目标距离探测系统的结构示意图；

图6是本发明利用目标距离探测系统探测目标速度和轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，标准的激光雷达探测器包括：激光测距仪发射器1、激光测距仪接收器2、反射镜3、电机4、通信与控制模块5和信号处理器6。由激光测距仪发射器1产生的激光束通过反射镜发3生旋转。电机4的运动由控制和通讯模块5控制。激光测距仪激光束接触任何物体后，会被反射至反射镜3，并从反射镜3再被反射到激光测距仪接收器2。该信号由信号处理器6进行处理，如探测到真实目标物，则会将信息发送给用户。

图2是激光测距仪发射器1的组成框图。激光测距仪发射器1包括：定时器11、开关模式电源12、电流驱动器13、激光二极管14、电源15。

通过发射触发信号触发激光发射定时器11，定时器11发送一个激光开启信号给电流驱动器13。同时定时器发送关闭脉冲信号给开关模式电源12，而开关模式电源12由电源15提供电源，开关模式电源12通过脉冲信号激励，向电流驱动器13发送高电平，同时向激光测距仪发射器2发送apd电平。电流驱动器13接收激光开启信号和高电平，发送一个电流脉冲给激光二极管14从而向外发送激光束。同时，电流驱动器13可以向激光测距仪发射器2发送开始测量的信号。

图3是现有技术中激光测距仪接收器2的组成框图。激光测距仪接收器2包括：电压温度校正模块21、apd22、放大器23、噪声电平模块24、探测比较器模块25、时间-电压变换模块26、电压27、缓冲器28。

电压温度校正模块21接收从激光测距仪发射器1发送的apd电压，对该apd电压进行电压温度校正后发送给apd22。apd22同时接收从探测目标反射回来的激光束。apd22对接收的光信号进行转换得到电平信号，发送给放大器23，放大器23对接收的电平信号进行放大处理后，同时发送给噪声电平模块24和探测比较器模块25。噪声电平模块24提取接收的电平信号中的噪声校正电平，并发送给探测比较器模块25，同时将探测阈值输入给探测比较器模块25。探测比较器模块25的探测阈值略高于噪声校正电平。当接收的电平信号高于探测阈值时，比较器会产生一个探测脉冲。探测脉冲会进入时间-电压或时间-数字变换模块26，并转换为范围值，发送给缓冲器28，从而得到距离模拟脉冲。电源模块27位上述各模块提供电源。

然而，对于图3所示的激光测距仪接收器2，由于探测比较器的校正系数是预先针对某个距离而确定的，但在实际探测时，不同探测距离对于校正系数的要求是不同的，此时单独的一个探测比较器确定的距离可能存在累计误差，从而导致探测精度不能满足实际需求。

此外，现有的激光测距仪，也无法区别具体探测目标的类型，在某些应用场景，对于不同类型的目标，是需要区别对待的。

如图4，是本发明提出的激光测距仪接收器2。如图所示，激光测距仪接收器2除设置有现有技术中的功能模块之外，还设置有附加的4个振幅比较器29-32，具有4个振幅阈值，将输入信号范围分成4个等级。允许对信号电平进行估测。4个振幅比较器的输出信号连接至信号处理器，并用于校正范围值。对于这4个等级，每个等级都有一个校正系数，校正系数会被算入探测范围。在激光测距仪测量距离时，设定校正系数。按如下方式进行：

1.在多个测定距离上放置不同尺寸的目标。与较大的目标相比，较小的目标产生的信号更小。

2.在将校正值计算在内之前，读取激光测距仪的距离。

3.将校正值计算在内之前，测定距离与到激光测距仪的距离，二者之差即为校正系数。

被激活的振幅比较器个数取决于接收到的信号电平。对于低电平信号，例如从小反射目标或弱反射目标反射过来的信号，只能激活一个振幅比较器，而从强反射或大目标反射来的信号会将4个振幅比较器全部激活。

由此产生的校正范围是非常准确的，且能够区分两个相近的目标。例如，可以探测到爬行的入侵者或走近围墙的目标。

通过图4提供的本发明的方案，可以更精确地探测距离，尤其对于小型的，距离相近有可能难以区分的物体，譬如爬行的人与地面，贴着墙站立的人与墙体等。

如图3所示，现有的激光测距仪接收器只有一个比较器，设定了一定的距离范围，如0-40米。而本发明的多个振幅比较器29-32可以把同样距离范围分为不同层次，如在4个振幅比较器的情形下，每个振幅比较器负责覆盖10米的距离。由于每个振幅比较器都需要录入校正系数，而误差是累计的，因此在一定距离范围内经过多次校正的探测比较器相较于仅仅一次校正的探测比较器测量得到的距离更加准确。假设4个振幅比较器29-32分别负责的探测距离是0-10米，10-20米，20-30米，30-40米4个探测范围。如一个物体实际距离为15.2米，在不考虑其他因素的情形下，则落入第二个振幅比较器30的探测范围即10-20米这一区间，由此由第二个振幅比较器30来对其进行信号电平的估测更加准确。

校正系数的计算方式为：如实际距离为15.2米，测量读出的距离为15.5米，则校正值为上述距离之差0.3米，或换算为百分比。

振幅比较器的激活由被测物体的信号电平的大小决定。信号电平的大小由被测物体的大小、反射度以及距离等因素决定。而其中距离对信号电平的影响最大。假如某物体实际距离15.2米，而其反射电平很大足以激活所有振幅比较器29-32。当振幅比较器29-32将比较结果电平1-电平4输出给信号处理器之后，信号处理器将根据信号电平的大小确定将第二个振幅比较器30的结果作为最终的探测阈值。即最终仍是由第二个振幅比较器30探测其距离，而其他三个被激活的比较器即使被激活也不会做任何事情。

如图5所示，在本项发明中，激光测距仪接收器2也结合使用了一个红外探测器7。该红外探测器7独立于激光测距仪接收器2而工作。在扫描过程中，反射镜3将在接收器视场中探测到的区域热辐射反射给该红外探测器7。信号处理器6则测算出背景温度的统计数字并创建红外探测阈值。当入侵者穿过扫描区域时，在特定视场中测定的温度会发生改变，并发出报警信号。

因此，结合图4-5的描述，本发明的激光雷达探测器具有以下功能：

a.具有热探测/红外探测功能的激光雷达探测功能。

b.目标行为：分析目标运动的轨迹和速度，并评估探测目标是人体感应警报还是错误警报。

c.目标信息共享：追踪入侵者并将其特征和轨迹传送给相邻传感器。

如图6，描述了目标行为分析功能，该功能需由多个激光雷达探测器完成。在图6中，激光雷达探测器的工作原理为快速激光扫描，确保被测物体在其扫描范围内被多点探测以勾画出行动轨迹并计算出速度。速度是通过记录探测时间和距离(即tof飞行时间技术)计算得到的。

由于知道了行为轨迹和速度，可以预测到被测物体大约何时何地出现下一个探测器的扫描范围内，因此，第二个探测器可以降低探测阈值以便更好地再次探测到物体。如果物体的行动轨迹非自然，譬如有非常突然的转向变化等，可以做出某些判定譬如非人类，可能是大型鸟类。

热传感探测器7与激光雷达一起持续工作，热传感探测器7的任务是消除由探测信号弱引起的误报率，此时探测临界值设置的非常低以提高探测效果。此种情况下，热传感探测器用于消除误报率。这种方式可以降低激光雷达探测临界值，以扩大探测范围。

为了通过探测目标的速度对目标进行区分，及不会去计算以非自然方式运动的目标。需要设置一个速度阈值，当探测目标的速度比设定的速度阈值高时，可以判断该探测目标为非想要探测的目标，比如人类。因此，可以屏蔽鸟类和快行车，只对人类入侵者报警。此外，如果目标突然改变了运动方向，则也可以判断该目标非人类入侵。

如图6，描述了本发明的小组信息共享功能，是指一个传感器从它附近的传感器处得知入侵者正在接近它。

此特性用于几个传感器对一个较大区域或围界进行防护的情况。当目标到达扫描区域的边界时，它的尺寸、速度和位置通过通信协议传递到入侵者有可能会进入的传感器扫描区域内。这提高了探测率并降低了误报率。

目标由1号激光雷达探测器探测和追踪。入侵者的路径a传送到2号激光雷达探测器。随后，2号激光雷达探测器预计会在d点周围探测到入侵者。在d点探测较小且反射率较低的目标会有些困难。在知道入侵者会进入2号激光雷达探测器扫描区域d点的情况下，通过暂时降低临界值让2号激光雷达探测器认为目标信号比探测临界值低。2号激光雷达探测器会探测目标并追踪路径b。

本发明还公开了一种目标距离探测方法，包括以下步骤：

步骤s1，接收从探测目标返回的反射激光束。

步骤s2，对所述反射激光束进行处理得到反射信号。

步骤s3，通过所述反射信号确定多个振幅比较器中的其中一个作为实际使用的振幅比较器。

根据所述反射信号的电平大小激活一个或多个振幅比较器。

如果激活的振幅比较器大于一个，则根据所述反射信号的电平大小和不同振幅比较器的振幅阈值确定采用所述激活的多个振幅比较器中的一个作为实际采用的振幅比较器。

预先确定所述多个振幅比较器的不同校正系数和振幅阈值，不同校正系数和振幅阈值对应不同的探测距离范围；

并向所述多个振幅比较器输入不同的振幅阈值。

步骤s4，通过所述实际使用的振幅比较器确定校正阈值。

步骤s5，根据所述反射信号和所述校正阈值确定探测目标距离。

此外，还可以检测探测目标的温度，并根据所述温度确定探测目标类型。

比较器根据所述反射信号和所述校正阈值确定激光束从发射激光到到达探测目标的时间差，并根据飞行时间技术确定探测目标的距离。

通过本发明的方案，取得以下技术效果：

可以具有热探测/红外探测功能的激光雷达探测。

可以精确探测目标的距离；具有热探测功能的激光雷达探测功能，可以探测目标类型；分析目标运动的轨迹和速度，并评估探测目标是人体感应警报还是错误警报；目标信息共享：追踪入侵者并将其特征和轨迹传送给相邻传感器。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式发送机或其他可编程数据发送终端设备的发送器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据发送终端设备的发送器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的系统。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据发送终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据发送终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的发送，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种目标探测方法及系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。