激光雷达回波数据提取方法及提取装置与流程

本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体地说，涉及一种激光雷达回波数据提取方法及提取装置。

背景技术：

现有技术中的一种基于激光雷达的主动探测方法，其基本工作原理是通过激光雷达向待探测目标发射激光，激光照射到待探测目标后于待测目标表面发生反射，再通过接收器接收被待测目标反射的激光信号，测量激光信号的往返时间后得出激光雷达与待测目标之间的距离。因激光自身具有的高相干性、方向性以及单色性等特点，使得通过激光雷达主动探测的方式能够实现远距离、高精度测距的功能，并且被广泛运用于自动驾驶、建筑三维建模、地形测绘等诸多方面。

在现有技术中，激光雷达通常采用的飞行时间测距法是一种通过向目标物体连续发送光脉冲，再采用传感器接收从目标物体返回的光束，通过探测光脉冲的飞行往返时间来得到光源距离目标物体的距离。其中，上述的这种连续光脉冲具有短时长、高峰值功率的特点，当得到某一光脉冲的返回时间时，将该返回时间与该光脉冲的发送时间进行比较，得到激光没冲往返目标物体的时长，进而将得到的该飞行时长与光速相乘，得到目标物体距离光源的距离数据。

在这种现有的飞行时间测距法中，所述的传感器除了得到目标物体距离光源的距离数据外，还可以从返回数据中得到光脉冲的幅度数据，通过光脉冲的幅度数据，进一步得出该目标物体的反射率，该反射率数据可以用于胡须光脉冲数据应用分析的有效依据。

现有技术中，通常采用的幅度信息方法是通过采用峰值保持电路与采用模数转换器相结合以测量光脉冲幅度数据，显然这种方法需要提供额外的峰值保持电路等电路资源，在另一种现有技术中，通过高速模数转换器同时提取激光雷达回波脉冲的幅度与时间数据，然而自身性能可以满足实际使用需要的转换速率达到10g的高速模数转换器的功耗极大，且造价昂贵，使用这种高速模数转换器的成本过高，另外，这种高速模数转换器的体积也较大，在小型化的激光雷达上无法适用。

因为在发射激光峰值功率以及用于接收目标物体反射的光脉冲的接收镜头等其他设备因素保持一定的前提下，被激光雷达接收到的反射光脉冲的光强会随着目标物体与发射光源之间的距离增加而降低，相应的，接收到的回波电信号的幅值也会随着成比例下降，继而，由于光强的减弱和回波电信号的幅值的下降，使得当目标物体距离发射光源的距离较远时候，会较大程度地降低通过飞行时间测距法测距的精度。人们在长期的实践中提出了可以采用提高发射激光峰值功率和增大所述的接收镜头的口径两种方法以解决现有技术中存在的上述技术问题，然而这两种方法也存在各自的缺点：

1)在一种可行的办法中，可以采用提高发射激光峰值功率的方法来提高测距的精度并延伸激光雷达的可探测距离，然而相应的，提高发射光源的峰值功率会使得激光雷达的电功耗也相应增加，这势必会增加激光雷达设备整体设备的系统负担，另外，过高的激光峰值功率所发射的连续激光脉冲对操作人员的视力也造成一定程度的损害，不利于连续测量或者长期测量，显然这样的方法虽然能够解决激光雷达远距离测距的精度不够的问题，但是也限制了该种方式适用性。

2)在另一种可行的方法中，可以采用增大接收镜头的口径来提高测距的精度。然而，增大接收镜头的口径一方面势必会增加设备整体的质量，更重要的是增大接收镜头也必然会使得进入接收视场的背景光增强，这样反而会降低了系统的信噪比。

针对上述的技术问题，现有技术中为了弥补该性能恶化，提出了一种恒比甄别器，恒比甄别器采用专用脉冲边缘提取电路，但是恒比甄别器需要对其参数的设置要求极为严格以保证其正常工作，导致使用这种设备测量队操作人员的要求进一步提升，且因其繁琐的设置过程反而提高了测量的难度。有鉴于此，应当提供一种新的测量方法以及测量装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种易于实现、且能够在保证测量精度的前提下，具有更小的功耗，且适用于高性能小型化激光雷达系统的激光雷达回波数据提取方法及提取装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种激光雷达回波数据提取方法，该方法包括以下步骤：s1、获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，并对所述回波脉冲集进行归一化，而后得到不同距离以及不同反射率下的平均响应回波脉冲plusmean；s2、根据所述的平均响应回波脉冲plusmean生成不同幅度的仿真回波脉冲plussim，设置阈值，并将仿真回波脉冲plussim内的每个数据分别与所述阈值进行比对，并构筑脉冲幅度-阈值时间宽度表；s3、对真实回波并行触发，测量真实回波穿越所述阈值的穿越时刻数据，并得到触发时间的可信时间戳组，再将所述真实回波穿越所述阈值的时间相减得到所述真实回波的当前脉冲的阈值时间宽度组；s4、根据所述脉冲幅度-阈值时间宽度表与所述阈值时间宽度组得到当前脉冲的幅度估计值ampest；s5、根据所述幅度估计值ampest和平均响应回波脉冲plusmean、触发时间的可信时间戳组对当前脉冲plusrecon进行重构，以得到当前脉冲plusrecon，，最后得到所述当前脉冲plusrecon的到达时间数据。

优选地，在所述步骤s1中，可以通过高速比较器或高速模数转换器获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，且所述高速比较器或高速模数转换器的采样率不低于10g，然后可以对所述回波脉冲集进行归一化后得到的回波脉冲信号对齐后计算其均值，以得到所述的平均响应回波脉冲plusmean。

优选地，在所述步骤s2中，所述阈值可以为多路，所述仿真回波脉冲plussim可以通过平均响应回波脉冲plusmean乘以多个幅度系数得到。

优选地，在所述步骤s4中，可以将所述当前阈值时间宽度组与脉冲幅度-阈值时间宽度表中不同的幅度数值对应的时间宽度组进行最小二乘加权拟合，再将拟合误差最小的所述幅度数值作为所述当前脉冲的幅度估计值ampest。

优选地，在所述步骤s5中，对当前脉冲plusrecon进行重构时，可以将plusrecon中幅度为0的时间位置作为当前回波脉冲的到达时间值。

优选地，在所述步骤s5中，所述当前脉冲plusrecon可以满足：plusrecon(x)＝ampest·plusmean(x-t)，其中，t为时间偏移量，x为到达时间。

相应的，本发明还提供了一种基于上述内容的激光雷达回波数据提取装置，该装置包括以下模块：

存储模块、回波测距处理模块、时间测量模块、控制模块、多通道触发模块、激光发射模块、回波数据提取模块，其中存储模块和回波测距处理模块电性连接，回波测距处理模块再跟时间测量模块连接，时间测量模块再跟多通道触发模块连接，多通道触发模块再跟回波数据提取模块连接，控制装置单独跟激光发射模块连接。

进一步的，该装置包括以下模块：

其中激光发射模块，该激光发射模块用于完成激光发射，所述激光发射模块包括电控振镜与激光器；控制模块，该控制模块实现控制逻辑，并控制所述激光器的发射并产生同步信号；回波接收模块，该回波接收模块包括接收光学与光电传感器；多通道触发模块，该多通道触发模块包括多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路；存储模块，该存储模块用于预存平均响应脉冲数据与所述脉冲幅度-阈值时间宽度表；时间测量模块，该时间测量模块包括时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路；回波数据提取模块，该回波数据提取模块对接收到的时间戳组信号进行匹配和重构，并完成回波时间数据与幅度数据的提取，其中，在所述的激光雷达回波数据提取装置工作时，在一次测量开始时，激光信号经过目标物体反射后传输到所述回波接收模块，所述回波接收模块将接收到的所述激光信号转换成电信号后进入所述多通道触发模块，所述多通道触发模块中的所述多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路将所述激光信号在其内的触发信号输入所述时间测量模块中得到触发时间的可信时间戳组，对触发时间的可信时间戳组进行计算后提取，得到当前脉冲的阈值时间宽度组，利用所述阈值时间宽度组与所述存储模块中预存的平均响应脉冲数据以及所述脉冲幅度-阈值时间宽度表进行匹配，并估算出当前脉冲的幅度，最后利用当前脉冲的幅度、平均响应脉冲数据以及所述触发时间的可信时间戳组对当前脉冲进行重构，最后得到当前脉冲的到达时间信息。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种激光雷达回波数据提取方法及提取装置中，通过多路高速比较器和高速模数转换器预先获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，并将回波脉冲集存储在存储器内，然后对回波脉冲集进行归一化后得到的回波脉冲信号进行对齐后计算均值，得到平均响应回波脉冲，根据平均响应回波脉冲生成不同幅度的仿真回波脉冲，而后将仿真回波脉冲与阈值比对，构筑脉冲幅度-阈值时间宽度表，并将脉冲幅度-阈值时间宽度表也存储在所述存储器内，然后对真实回波并行触发，测量当前真实回波穿越阈值的时刻并得到触发时间的戳组，而后得到真实回波的当前脉冲的阈值时间宽度组，继而估算当前脉冲的幅度估计值，最后通过幅度估计值对当前脉冲进行重构，以得到当前脉冲的到达时间数据，与现有技术相比，本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置无需提高发射激光峰值功率，无需额外的峰值保持电路或高速采样adc，也无需增大接收镜头的口径或者采用恒比甄别器就可以准确地对当前脉冲进行重构，并且可以通过多路高速比较器完成回波脉冲的稀疏采用，能够一次性获取幅度信息与时间信息的同时，还有效的降低了设备整体的功耗，且可以有效适用于高性能、小型化的激光雷达系统，提高了本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置的适用性，降低了测量成本，还保障了测量人员的安全。

附图说明

图1为流程图图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达回波数据提取方法的步骤；

图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达回波数据提取装置的框架结构；

图3为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中对回波进行多通道触发；

图4为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中提取回波接收时间；

图5为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中对回波进行重构；

图6为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中对回波进行重构后，计算脉冲幅度估计百分比误差分布；

图7为示意图，示出了通过图6所示的脉冲幅度估计百分比误差分布得出的脉冲时间估计百分比误差分布。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1为流程图图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达回波数据提取方法的步骤。如图1所示，在本发明的该实施例中所述的激光雷达回波数据提取方法包括以下步骤：s1、获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，并对回波脉冲集进行归一化，而后得到不同距离以及不同反射率下的平均响应回波脉冲plusmean；s2、根据所述的平均响应回波脉冲plusmean生成不同幅度的仿真回波脉冲plusim，设置阈值，并将仿真回波脉冲plusim内的每个数据分别与所述阈值进行比对，并构筑脉冲幅度-阈值时间宽度表；s3、对真实回波并行触发，测量真实回波穿越所述阈值的穿越时刻数据，并得到触发时间的可信时间戳组，再将所述真实回波穿越所述阈值的时间相减得到所述真实回波的当前脉冲的阈值时间宽度组；s4、根据所述脉冲幅度-阈值时间宽度表与所述阈值时间宽度组得到当前脉冲的幅度估计值ampest；s5、根据所述幅度估计值ampest和平均响应回波脉冲plusmean、触发时间的可信时间戳组对当前脉冲plusrecon进行重构，以得到当前脉冲plusrecon，，最后得到所述当前脉冲plusrecon的到达时间数据。

具体地说，在步骤s1中，通过高速比较器或高速模数转换器获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，且高速比较器或高速模数转换器的采样率保持不低于10g，然后对回波脉冲集进行归一化后得到的回波脉冲信号对齐后计算其平均值，以得到平均响应回波脉冲plusmean。

在本发明的该实施例中的步骤s2中，可以设置有多路阈值，而仿真回波脉冲plussim是通过平均响应回波脉冲plusmean乘以多个不同的幅度系数得到。为了满足生产需要，幅度系数的数量需要满足可能接受到的回波幅度范围以及对应的幅度分辨率。

在步骤s3中，通过多路高速比较器对真实回波进行触发，对回波脉冲穿越阈值的时刻进行高精度测量，以得到触发时间的可信时间戳组，在本发明的该实施例中，将触发时间的可信时间戳组标记为[tspos(1)，tsneg(1)，...，tspos(n)，tspos(n)]。而后计算同一阈值上下穿越时间的差值得到当前脉冲的阈值时间宽度组，在本发明的该实施例中，将当前脉冲的阈值时间宽度组标记为[tw(1)，...，tw(n)]。另外，在步骤s3中，多路高速比较器按照脉冲幅度-阈值时间宽度表时所用阈值进行设置，高精度测量可以通过专用测时芯片或可编程逻辑器件中的进位链插值实现。

在步骤s4中，将当前阈值时间宽度组与脉冲幅度-阈值时间宽度表中不同的幅度数值对应的时间宽度组进行最小二乘加权拟合，再将拟合误差最小的幅度数值作为当前脉冲的幅度估计值ampest。

在步骤s5中，对当前回波脉冲plusrecon进行重构时，将plusrecon中幅度为0的时间位置作为当前回波脉冲的到达时间值。并且，在步骤s5中，当前脉冲plusrecon满足如下公式：

plusrecon(x)＝ampest·plusmean(x-t)，其中，t为时间偏移量，x为到达时间。

相应的，本发明还提供了一种基于上述方法的激光雷达回波数据提取装置，图2为示意图，示出了本发明的一个实施例中所述的激光雷达回波数据提取装置的框架结构。如图2所示，本发明的一个实施例中所述的激光雷达回波数据提取装置包括激光发射模块1、控制模块2、回波接收模块3、多通道触发模块4、存储模块5、时间测量模块6以及回波数据提取模块7。

其中存储模块和回波测距处理模块电性连接，回波测距处理模块再跟时间测量模块连接，时间测量模块再跟多通道触发模块连接，多通道触发模块再跟回波数据提取模块连接，控制装置单独跟激光发射模块连接。

具体地说，激光发射模块1用于完成激光发射，其包括电控振镜与激光器；控制模块2实现控制逻辑，并控制激光器的发射并产生同步信号；回波接收模块3包括接收光学与光电传感器；多通道触发模块4包括多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路；存储模块5用于预存平均响应脉冲数据与脉冲幅度-阈值时间宽度表；时间测量模块6包括时钟计数电路与延迟链高分辨时间内插电路；回波数据提取模块7对接收到的时间戳组信号进行匹配和重构，并完成回波时间数据与幅度数据的提取，其中，在激光雷达回波数据提取装置工作时，在一次测量开始时，激光信号经过目标物体反射后传输到回波接收模块3，回波接收模块3将接收到的激光信号转换成电信号后进入多通道触发模块4，多通道触发模块4中的多通道电压阈值设定电路和多通道电压比较电路将激光信号在其内的触发信号输入时间测量模块6中得到触发时间的可信时间戳组，对触发时间的可信时间戳组进行计算后提取，得到当前脉冲的阈值时间宽度组，利用阈值时间宽度组与存储模块5中预存的平均响应脉冲数据以及脉冲幅度-阈值时间宽度表进行匹配，并估算出当前脉冲的幅度，最后利用当前脉冲的幅度、平均响应脉冲数据以及触发时间的可信时间戳组对当前脉冲进行重构，最后得到当前脉冲的到达时间信息。

图3为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中对回波进行多通道触发。图4为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中提取回波接收时间。图5为示意图，示出了图1所示的激光雷达回波数据提取方法中对回波进行重构。如图3至图5所示，在本发明的该实施例所述的激光雷达回波数据提取方法的一次运用中，采用激光雷达进行测距，光电探测器采用硅光电倍增管，光敏元大小6mm*6mm。激光器采用905nm，峰值功率1w。通过峰值保持电路测得约50cm处回波信号幅值为1v。而后利用高采样率示波器采集8820个不同反射率下的回波脉冲，采样率保持为25gsps，参看图3，计算平均响应脉冲。

而后采用8路阈值进行脉冲触发，每路的触发阈值分别设置为[0.02，0.04，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6]v。利用平均响应脉冲在50mv到1v范围内的仿真脉冲，模拟触发如图4所示，得到脉冲幅度-阈值时间宽度表。

设置八路高速比较器进行真实回波触发，按照上文所述设置8路阈值，在接收到回波信号后得到触发阈值组。在接收到回波的同时纪录该回波的触发时间，得到触发时间戳组，再利用触发时间戳组计算得到阈值时间宽度组。

如图5所示，通过阈值时间宽度组在脉冲幅度-阈值时间宽度表中的数据进行匹配，估算出当前脉冲的幅度值，继而将幅度估计值、平均响应脉冲、触发时间戳组进行计算实现对当前脉冲的重构。如图6所示，经过上述过程后处理得到8000个脉冲，提取脉冲的幅度数据与时间数据，并与真实脉冲比较，计算脉冲幅度估计百分比误差分布，如图7所示，通过图6所示的脉冲幅度估计百分比误差分布得到平均幅度估计百分误差为2.9％，继而计算得到平均时间提取误差为101ps。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的一种激光雷达回波数据提取方法及提取装置中，通过多路高速比较器和高速模数转换器预先获得不同距离以及不同反射率下的回波脉冲集，并将回波脉冲集存储在存储器内，然后对回波脉冲集进行归一化后得到的回波脉冲信号进行对齐后计算均值，得到平均响应回波脉冲，根据平均响应回波脉冲生成不同幅度的仿真回波脉冲，而后将仿真回波脉冲与阈值比对，构筑脉冲幅度-阈值时间宽度表，并将脉冲幅度-阈值时间宽度表也存储在所述存储器内，然后对真实回波并行触发，测量当前真实回波穿越阈值的时刻并得到触发时间的戳组，而后得到真实回波的当前脉冲的阈值时间宽度组，继而估算当前脉冲的幅度估计值，最后通过幅度估计值对当前脉冲进行重构，以得到当前脉冲的到达时间数据，与现有技术相比，本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置无需提高发射激光峰值功率，也无需增大接收镜头的口径或者采用恒比甄别器就可以准确地对当前脉冲进行重构，并且可以通过多路高速比较器完成回波脉冲的稀疏采用，能够一次性获取幅度信息与实践信息的同时，还有效的降低了设备整体的功耗，且可以有效适用于高性能、小型化的激光雷达系统，提高了本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置的适用性，降低了测量成本，还保障了测量人员的安全。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明所述的激光雷达回波数据提取方法及提取装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的激光雷达回波数据提取方法及提取装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。