一种优化激光雷达通光罩影响的方法与装置与流程

本发明属于激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种优化激光雷达通光罩影响的方法与装置。

背景技术：

激光雷达可用于获取周围环境目标的三维信息，并将点云数据传输给后台处理系统，属于光电行业的高精尖设备。激光雷达的主要组成部分包括发射光源、接收探测器、光学系统、光束扫描系统、通光罩等。其中，发射光源是激光雷达探测光信号的发送部分，接收探测器是激光雷达的光信号接收部分，光学系统是进行光斑准直整形的部分，光束扫描部分是控制光束进行空间扫描的的结构，通光罩是将激光雷达光机系统进行密封保护并能让光信号无损通过的元件。

其中，通光罩虽然不是核心功能指标元件，但也是关键元器件，其性能直接影响激光雷达的整体性能指标。目前，大部分激光雷达的标定和测试都是不含通光罩完成的，即将发射光源、接收探测器、光学系统等组装在一起，但先不组装通光罩。发射光源、接收探测器和光学系统组装好了之后，系统完成标定和测试，指标合格之后，再将通光罩安装上去。此时，通光罩会对探测信号光进行一定程度的衰减，而此部分的光衰减会直接影响激光雷达的距离探测精度，且对不同反射率物体的距离影响不一致，无法通过二次标定进行消除。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种优化激光雷达通光罩影响的方法与装置，其目的在于通过在正式使用之前对通光罩进行预先标定，在正式使用时消除通光罩的影响，提高激光雷达的测距精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种优化激光雷达通光罩影响的方法，包括：

在通光罩安装至激光雷达上之前，利用预设光强的光信号对所述通光罩进行标定，得到所述通光罩的光能量损耗；

在通光罩安装至激光雷达上之后，利用所述激光雷达探测实际光能量，并根据所述实际光能量和所述通光罩的光能量损耗计算标定光能量；

根据所述标定光能量确定目标与所述激光雷达之间的距离。

优选地，所述利用预设光强的光信号对所述通光罩进行标定，得到所述通光罩的光能量损耗，具体为：

选择一个或多个标定距离，分别在每个标定距离下计算预设光强的光信号通过所述通光罩之前的光能量ef以及通过所述通光罩之后的光能量eb，并利用映射表保存每个标定距离与对应光能量ef之间的映射关系；

分别在每个标定距离下利用对应的光能量ef和光能量eb计算出对应的光能量损耗值γ，进而确定所述通光罩的光能量损耗γ'。

优选地，所述根据所述标定光能量确定目标与所述激光雷达之间的距离，具体为：

根据所述标定光能量查找所述映射表，确定与该标定光能量值对应的标定距离，进而确定目标与所述激光雷达之间的距离。

优选地，光能量ef以及光能量eb的计算过程具体为：

对所述预设光强的回波信号进行时间轴上的采样，并基于采样得到的多个回波信号强度进行曲线拟合，得到回波信号的拟合函数；

根据回波信号曲线确定回波信号的起始时间和结束时间；

根据回波信号的拟合函数、起始时间和结束时间，计算出对应光能量。

优选地，所述根据回波信号曲线确定回波信号的起始时间和结束时间，具体为：

根据回波信号曲线与信号门限的两个时间交点，确定回波信号的起始时间和结束时间；其中，两个时间交点中较小的时间点作为回波信号的起始时间，较大的时间点作为回波信号的结束时间。

优选地，所述根据回波信号曲线确定回波信号的起始时间和结束时间，具体为：

对所述拟合函数进行反向时间推演，使回波信号强度逼近零值，进而计算出回波信号的起始时间；

对所述拟合函数进行正向时间推演，使回波信号强度逼近零值，进而计算出回波信号的结束时间；或将所述起始时间利用所述回波信号曲线的对称轴进行对称，确定回波信号的结束时间。

优选地，所述回波信号的拟合函数具体如下：

其中，v(t)代表回波信号强度，随着时间的变化而发生改变；系数a代表回波信号曲线尖峰的高度；系数c代表回波信号曲线在时间轴上的横向展开宽度；tp代表回波信号曲线上回波信号强度最大值对应的时间。

优选地，每个标定距离下对应光能量损耗值γ的计算方法具体为：

其中，t0f和t1f分别为预设光强的光信号通过所述通光罩之前，对应回波信号的起始时间和结束时间；t0b和t1b分别为预设光强的光信号通过所述通光罩之后，对应回波信号的起始时间和结束时间；vf(t)为预设光强的光信号通过所述通光罩之前，对应回波信号的拟合函数；vb(t)为预设光强的光信号通过所述通光罩之后，对应回波信号的拟合函数。

优选地，所述方法还包括：

每隔预设周期使所述激光雷达发射预设光强的光信号，在任一标定距离下计算预设光强的光信号通过所述通光罩之后的光能量eb'；

根据当前选择的标定距离查找所述映射表，确定与该标定距离对应的光能量ef，并根据查找到的光能量ef和光能量eb'更新所述通光罩的光能量损耗γ'。

按照本发明的另一方面，提供了一种优化激光雷达通光罩影响的装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成第一方面所述的优化激光雷达通光罩影响的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明提供的方案中，在激光雷达正式安装通光罩使用前，预先选定一个光强对通光罩进行标定，计算出加入通光罩前后的光信号能量变化，得到通光罩对光强的影响；在激光雷达正式安装通光罩使用时，再利用通光罩的影响对实际探测到的光信号能量进行二次算法标定，并利用标定后的光信号能量进行距离计算，从而可以消除通光罩的影响，提高激光雷达的测距精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达的使用场景示意图；

图2是本发明实施例提供的一种未经过通光罩和经过通光罩的回波信号示意图；

图3是本发明实施例提供的一种优化激光雷达通光罩影响的方法流程图；

图4是本发明实施例提供的一种未经过通光罩和经过通光罩的回波信号的光能量示意图；

图5是本发明实施例提供的一种光信号经过通光罩前后的衰减示意图；

图6是本发明实施例提供的一种光能量的计算方法流程图；

图7是本发明实施例提供的一种对通光罩进行标定修正的方法流程图；

图8是本发明实施例提供的一种优化激光雷达通光罩影响的装置架构图。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

激光雷达的使用场景如图1所示，不同角度的探测光信号从激光雷达的发射光源发出，经过通光罩之后，朝着目标探测传输；接收探测器接收到目标返回的光信号之后，将光信号转换成电信号。当光信号经过通光罩之后，发生衰减，反应在接收探测器上的表征就是回波信号衰减了。如图2所示，曲线1和曲线2分别是没有经过通光罩和经过通光罩的光电响应曲线(即回波信号曲线)，横坐标是时间轴，纵坐标是接收探测器的电压信号。从图2可以清晰地看出，曲线2的整体响应幅度降低了，电压信号的高度整体衰减了，且信号的宽度也存在一定的缩减。

激光雷达的接收探测器在进行光信号接收时，是将光信号转换成电信号，但因为系统存在噪声等干扰因素，接收系统里面存在一定的底部噪声；如果回波信号被底部噪声淹没，则信号无法有效识别。因此，通常会设定一个信号门限，用于将底部噪声排除掉，以实际超出信号门限的信号为可测试基准。在进行回波信号飞行时间计算时，两个回波信号的光电响应曲线和信号门限的时间交点发生变化，如图2中的a点和b点，可知通光罩会引起信号接收时间的判定误差，进而影响回波信号飞行时间的计算。同时，由于生产工艺和流程的原因，部分激光雷达产品不能先装上通光罩，然后再进行标定。因此，必须通过其它技术手段解决通光罩安上之后，所引起的回波信号飞行时间判定误差的问题。

实施例1

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种优化激光雷达通光罩影响的方法，通过算法进行逆向模拟，可以去除通光罩对光信号飞行时间判定误差的影响。如图3所示，本发明实施例提供的方法主要包括以下步骤：

步骤101，在通光罩安装至激光雷达上之前，利用预设光强的光信号对所述通光罩进行标定，得到所述通光罩的光能量损耗。

光信号在经过通光罩的时候，其损耗主要体现在光能量的反射和吸收，而探测器只能将回波信号从光信号转换成电信号。因此，需要将电信号在时间轴上进行积分，得到光信号对应的能量，即光能量。对通光罩而言，每次对光信号的能量损耗是按照一定比例进行的。因此在通光罩安装之前可以通过某一预设光强进行预先探测，分别确定预设光强的光信号通过所述通光罩之前的光能量ef以及通过所述通光罩之后的光能量eb，两个光能量相比(eb/ef)即可确定所述通光罩的光能量损耗。具体过程如下：

1)选择一个或多个标定距离，分别在每个标定距离下计算预设光强的光信号通过所述通光罩之前的光能量ef以及通过所述通光罩之后的光能量eb，利用映射表保存每个标定距离与对应光能量ef之间的映射关系。

其中，选择的标定距离数量越多，标定次数就越多，最终得到的标定结果就越准确，具体的标定距离数量可根据实际精度需求选取，在此不做具体限定。在每个标定距离下，先使预设光强的光信号直接传输至标定物，基于接收探测到的回波信号计算出对应的光能量，也就是光信号通过所述通光罩之前的光能量ef；再使预设光强的光信号通过所述通光罩之后再传输至标定物，基于接收探测到的回波信号计算出对应的光能量，也就是光信号通过所述通光罩之后的光能量eb。每次标定后，利用映射表保存对应标定距离与光能量ef之间的映射关系；也就是说，所述映射表中会保存多组距离-光能量的映射关系，以便在后续探测距离时直接查表使用。

如图4所示，曲线1和曲线2分别是没有经过通光罩和经过通光罩的回波信号曲线，曲线1在时间轴上所覆盖的面积即为光能量ef，曲线2在时间轴上所覆盖的面积即为光能量eb，光能量均可通过式(1)计算：

其中，v(t)为回波信号强度，t0和t1分别表示回波信号的起始时间和结束时间，t0到t1即为回波信号飞行时间。

2)分别在每个标定距离下利用对应的光能量ef和光能量eb计算出对应的光能量损耗值γ，进而确定所述通光罩的光能量损耗γ'。

对通光罩而言，每次对光信号的能量损耗是按照一定比例进行的。如图5所示，通过所述通光罩之后回波信号曲线对应的光能量衰减，此处不能直接对电压值进行衰减计算，而是需要对光能量进行衰减计算；因此，在每个标定距离下，对应的光能量损耗值通过对各标定距离下得到的光能量损耗值γ进行综合分析处理，得到所述通光罩的光能量损耗γ'；例如，可对各光能量损耗值γ取平均、取众数、取中位数等等，在此不做具体限定。当仅选择一个标定距离时，则直接将该标定距离下计算出的光能量损耗值γ作为所述通光罩的光能量损耗γ'即可。

步骤102，在通光罩安装至激光雷达上之后，利用所述激光雷达探测实际光能量，并根据所述实际光能量和所述通光罩的光能量损耗计算标定光能量。

完成所述通光罩的标定后即可将所述通光罩安装在激光雷达上，然后利用安装通光罩之后的所述激光雷达进行探测。设所述激光雷达探测到的实际光能量为e′i，所述步骤101中标定出的所述通光罩的光能量损耗为γ'，则所述标定光能量ei的计算方法具体为：ei＝e′i/γ'。

步骤103，根据所述标定光能量确定目标与所述激光雷达之间的距离。

由于所述步骤101中已经保存了多个标定距离和光能量ef之间的映射关系，因此这里可直接根据所述标定光能量查找所述映射表，确定与该标定光能量值对应的标定距离，进而确定目标与所述激光雷达之间的距离。其中，所述实测光能量是包含了通光罩影响的，这里转换为所述标定光能量之后进行距离的计算，而非直接根据所述实测光能量进行距离的计算，也就消除了通光罩的影响，可得到实际正确的距离值。

综上所述，本发明实施例提供的上述方法中，在激光雷达正式安装通光罩使用前，预先选定一个光强对通光罩进行标定，计算出加入通光罩前后的光信号能量变化，得到通光罩对光强的影响；在激光雷达正式安装通光罩使用时，再利用通光罩的影响对实际探测到的光信号能量进行二次算法标定，并利用标定后的光信号能量进行距离计算，从而可以消除通光罩的影响，提高激光雷达的测距精度。

实施例2

在上述实施例1的基础上，本发明实施例进一步对所述步骤101中每个标定距离下光能量ef以及光能量eb的计算方法展开介绍。由实施例1中式(1)可知，如果要计算光能量e，需要知道对应的回波信号强度的函数关系式和回波信号飞行时间范围。因此，光能量ef以及光能量eb的计算过程可参考图6，具体如下：

步骤201，对所述预设光强的回波信号进行时间轴上的采样，并基于采样得到的多个回波信号强度进行曲线拟合，得到回波信号的拟合函数。

利用接收探测器可以采样得到大致呈抛物线形状的多个离散的回波信号强度，然后基于多个回波信号强度进行曲线拟合，即可得到回波信号的拟合函数。设回波信号强度最大值对应的时间为tp，为更好地计算出单个脉冲对应的光能量，本发明优选拟合函数如下：

其中，v(t)代表回波信号强度，随着时间的变化而发生改变；系数a代表回波信号曲线尖峰的高度，即回波信号强度的高度；系数c代表回波信号曲线在时间轴上的横向展开宽度。式(2)可以较好地拟合出回波信号强度的变化，不同系数代表回波信号强度的高度及横向展开幅度，具体拟合过程可借助现有的数学模型来实现，在此不做具体赘述。通过高速采样得到离散回波信号强度后，虽然底部噪声淹没了时间轴上的起点，但基于信号门限以上的采样值仍然可以有效地重建出回波信号的拟合函数。此处需特别引起注意的是，回波信号强度的采样值越多，采样间隔越密，重建的拟合函数越准确，越能贴合实际值。

步骤202，根据回波信号曲线确定回波信号的起始时间和结束时间。这里有两种方法可以确定：

第一种，根据回波信号曲线与信号门限的两个时间交点，确定回波信号的起始时间t0和结束时间t1。结合实施例1所述可知，为排除底部噪声，通常会设定一个信号门限，以实际超出信号门限的信号为可测试基准。参考图4，由于回波信号曲线呈抛物线形状，每个回波信号曲线与信号门限有两个时间交点，因此可将两个时间交点中较小的时间点作为回波信号的起始时间t0，较大的时间点作为回波信号的结束时间t1。例如，在图5中，光信号未经过所述通光罩时(对应曲线1)回波信号的起始时间对应点a，结束时间对应点d；光信号经过所述通光罩时(对应曲线2)回波信号的起始时间对应点b，结束时间对应点c。采用这种方法时，曲线1和曲线2对应确定的起始时间和结束时间都是不同的。

由图5可知，第一种方法获取的起止时间并不是回波信号真正的起止时间，真正的起止时间应该是图中的点e和f，但是被底部噪声覆盖的，无法直接从回波信号曲线中获取，而与信号门限的时间交点可以直接获取。因此，为操作计算方便，可近似将与信号门限的时间交点作为起止时间来进行计算，确保每次进行光能量计算时都采用同样的起止时间获取方法即可，保证计算过程的一致性。

第二种，对所述拟合函数进行反向时间推演，使回波信号强度逼近零值，进而计算出回波信号的起始时间。对所述拟合函数进行正向时间推演，使回波信号强度逼近零值，进而计算出回波信号的结束时间；或将所述起始时间利用所述回波信号曲线的对称轴进行对称，确定回波信号的结束时间。

理论上，式(2)中的v(t)取值不会等于零，意味着无法反向计算得到零值；因此，本发明接着提出一种逼近零值的计算方法，用于代替实际零值，进而计算得到起始时间，如下所示：v(t)≤ε。其中，小量ε的选取应结合实际精度要求进行对应的计算，基本规律是：小量ε的值选取越小，最终计算出的起始时间的时间精度越高。例如，在图5中，光信号未经过所述通光罩时(对应曲线1)回波信号的起始时间对应点e，结束时间对应点f；光信号经过所述通光罩时(对应曲线2)回波信号的起始时间对应点e，结束时间对应点f。由此可知，采用第二种方法时两个曲线对应的起始时间和结束时间都是相同的，都对应的是真正的起止时间，相比第一种方法来说在飞行时间的计算上更为精确。

步骤203，根据回波信号的拟合函数、起始时间和结束时间，计算出对应光能量。

结合图4，光能量ef以及光能量eb的计算公式分别如下：

其中，t0f和t1f分别为预设光强的光信号通过所述通光罩之前，对应回波信号的起始时间和结束时间；t0b和t1b分别为预设光强的光信号通过所述通光罩之后，对应回波信号的起始时间和结束时间；vf(t)为预设光强的光信号通过所述通光罩之前，对应回波信号的拟合函数；vb(t)为预设光强的光信号通过所述通光罩之后，对应回波信号的拟合函数。如图5所示，通过通光罩之前的光强曲线为vf(t)，通过通光罩之后的光强曲线衰减为vb(t)。

将式(3)和(4)代入实施例1中的则每个标定距离下对应的光能量损耗值γ具体为：

以上所述即为光能量ef以及光能量eb的具体计算过程，在所述步骤102中，当所述激光雷达进行实际探测时，对应的实际光能量同样可参考上述方法进行计算，在此不做赘述。

实施例3

考虑到激光雷达会应用在多种环境下，尤其是工业领域应用时，大部分都应用在户外的环境。户外环境较为恶劣，所述通光罩在使用一段时间之后，表面很可能会覆盖雨雪灰尘等干扰物，使得所述通光罩对光强的影响进一步发生变化。在这种情况下，为保证测距精度，可在激光雷达使用过程中周期性进行标定修正，进而修正所述通光罩的光能量损耗γ'，以便后续利用新的光能量损耗γ'完成计算。

如图7所示，对通光罩进行标定修正的过程具体如下：

步骤301，每隔预设周期使所述激光雷达发射预设光强的光信号，在任一标定距离下计算预设光强的光信号通过所述通光罩之后的光能量eb'。

此处可每隔预设周期之后进行一次标定修正：由实施例1可知，在对所述通光罩进行预先标定时选取了一个或多个标定距离，修正时可在所述一个或多个标定距离中任选其中某个标定距离d，在所述激光雷达前方距离d处设置一标定物，控制所述激光雷达向标定物发射预设光强的光信号(与最初标定时的光强保持一致)，则光信号会经过所述通光罩之后传输至标定物。然后接收探测对应的回波信号，并根据回波信号曲线计算出对应的光能量eb'，具体计算过程可参考实施例2，在此不做赘述。

步骤302，根据当前选择的标定距离查找所述映射表，确定与该标定距离对应的光能量ef，并根据查找到的光能量ef和光能量eb'更新所述通光罩的光能量损耗γ'。

所述映射表中已经保存了多个标定距离和对应光能量ef之间的映射关系，为确保更新结果的准确性，最好选择同一标定距离下的两个光能量相比，确定新的光能量损耗。所述步骤301中选择在标定距离d下重新探测计算得到光能量eb'，因此这里需要从所述映射表中找出与标定距离d对应的光能量ef，则新的光能量损耗完成更新之后，后续在计算标定光能量时即可利用最新的γ′完成计算。

每隔预设周期，便重复一次步骤301和步骤302，对所述通光罩进行一次标定修正，可充分考虑雨雪灰尘等干扰物对所述通光罩的影响，从而更有效地提高激光雷达的测距精度。

实施例4

在上述实施例1-实施例3提供的优化激光雷达通光罩影响的方法的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法的优化激光雷达通光罩影响的装置，如图8所示，是本发明实施例的装置架构示意图。本实施例的优化激光雷达通光罩影响的装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图8中以一个处理器21为例。

所述处理器21和所述存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。

所述存储器22作为一种优化激光雷达通光罩影响的方法非易失性计算机可读存储介质，可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，如实施例1中的优化激光雷达通光罩影响的方法中的数据分析处理部分。所述处理器21通过运行存储在所述存储器22中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行优化激光雷达通光罩影响的装置的各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1-实施例3的优化激光雷达通光罩影响的方法中的数据分析处理部分。

所述存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，所述存储器22可选包括相对于所述处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至所述处理器21。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。

所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1中的优化激光雷达通光罩影响的方法，例如，执行以上描述的图3、图6和图7所示的各个步骤中的数据分析处理部分。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

本领域的技术人员容易理解，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。