SiPM接收器和激光雷达的动态阈值调节方法以及激光雷达与流程

本申请大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种可用于sipm接收器的动态阈值调节方法、可用于激光雷达的动态阈值调节方法以及激光雷达。

背景技术：

激光雷达lidar是激光主动探测传感器设备的一种统称，其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。根据激光线束的多少，通常有例如单线激光雷达、4线激光雷达、8/16/32/64线激光雷达等。一个或多个激光束在竖直方向沿着不同的角度发射，经水平方向扫描，实现对目标区域三维轮廓的探测。多个测量通道(线)相当于多个倾角的扫描平面，因此垂直视场内激光线束越多，其竖直方向的角分辨率就越高，激光点云的密度就越大。

激光接收器可采用多种元器件来感测回波，例如雪崩二极管或者硅光电倍增器sipm。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

公开内容

针对现有技术中的至少一个缺陷，本公开提供一种用于sipm接收器的动态阈值调节方法，包括：

通过所述sipm接收器接收入射光；

获得所述入射光的强度；和

根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器的阈值。

根据本公开的一个方面，所述获得入射光的强度包括：基于所述sipm接收器的阈值的当前值，对所述入射光产生的高于所述当前值的脉冲进行计数，获得入射光计数值，表征所述入射光的强度。

根据本公开的一个方面，调节所述sipm接收器的阈值包括：调节量正比于所述入射光计数值与一最佳计数值的差值。

本公开还提供一种可用于激光雷达的动态阈值调节方法，其中所述激光雷达包括多个sipm接收器，所述多个sipm接收器可在多个角度上感测入射光，所述动态阈值调节方法包括：

通过一sipm接收器在当前角度接收入射光；

获得所述入射光的强度；

根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器在下一角度的阈值。

根据本公开的一个方面，所述获得入射光的强度包括：通过所述sipm接收器在所述当前角度的阈值，对所述入射光产生的高于所述当前值的脉冲进行计数，获得入射光计数值。

根据本公开的一个方面，调节所述sipm接收器在下一角度的阈值包括：调节量正比于所述入射光计数值与一最佳计数值的差值。

根据本公开的一个方面，所述的动态阈值调节方法还包括：根据所述多个sipm接收器在多个角度的获得的入射光的强度，形成一灰度图，其中所述灰度图中的每一个像素对应于其中一个sipm接收器在其中一个角度获得的入射光强度。

根据本公开的一个方面，所述通过一sipm接收器在当前角度接收入射光的步骤，在所述sipm接收器未进行测距时进行。

本公开还提供一种激光雷达，包括：

多个sipm接收器，所述sipm接收器可接收入射光并产生电脉冲，每个sipm接收器具有与其相对应的阈值；

信号处理装置，与所述sipm接收器相耦合并接收所述电脉冲，并当所述电脉冲大于所述sipm接收器的阈值时，输出该电脉冲；和

控制单元，与所述多个sipm接收器耦合，并可根据所述电脉冲获得入射光的强度，并根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器的阈值。

根据本公开的一个方面，所述获得入射光的强度包括：对所述入射光产生的高于所述当前值的脉冲进行计数，获得入射光计数值。

根据本公开的一个方面，所述激光雷达具有多个探测角度，调节所述sipm接收器的阈值包括：以正比于所述入射光计数值与一最佳计数值的差值作为调节量，调节所述sipm在下一探测角度的阈值。

根据本公开的一个方面，所述控制单元配置成：根据所述多个sipm接收器在多个角度的获得的入射光的强度，形成一灰度图，其中所述灰度图中的每一个像素对应于其中一个sipm接收器在其中一个角度获得的入射光强度。

根据本公开的一个方面，所述通过一sipm接收器在当前角度接收入射光的步骤，在所述sipm接收器未进行测量时进行。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了sipm接收器的回波信号和环境噪音的示意图；

图2示出了根据本申请一个实施例的一种用于sipm接收器的动态阈值调节方法；

图3a和3b示出了根据本申请实施例的sipm产生的信号脉冲；

图4示出了多个激光器例如大致沿着竖直方向排布的示意图；

图5示出了根据本公开一个实施例的可用于激光雷达的动态阈值调节方法；

图6示出了多个sipm探测器形成的灰度图；

图7示出了激光雷达的发射端和接收端的示意图；和

图8示出了根据本公开一个实施例的激光雷达。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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公开和简化描述，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公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

激光雷达中，可采用多种元器件作为激光接收器件来感测雷达回波信号，例如雪崩二极管或者硅光电倍增器sipm。硅光电倍增器sipm的基本结构单位包括具有单光子探测能力的雪崩光电二极管spad和串联的淬灭电阻。硅光电倍增器sipm接收到光子后，光子会按照一定的概率激发出电子，并触发雪崩效应。从光信号转换成电信号的具体过程是：当光子入射到工作在盖革模式下的spad时，按一定几率产生一个光电子，该电子将在耗尽区产生诱导雪崩效应，产生一个恒定的电脉冲输出，这时称这个像素点处于点燃状态。

雪崩后，spad处在淬灭状态下，其他入射光子将不能再引起雪崩效应。因此每个像素点只能提供光子的“有”“无”信息。由于输出端口并联，每个像素输出的电脉冲叠加为一个巨脉冲，通过测量巨脉冲的电量或者幅值，可以算出被点燃像素的个数，反演出入射光子的分布特性，也就是回波特性。

硅光电倍增器sipm具有从近紫外到近红外的光谱响应范围，光子技术能力强，单光子级别灵敏度高。当采用sipm作为激光雷达的接收器时，在这种以sipm作为接收器件时候背景光(这里的背景光主要指的是环境光照在障碍物，反射光进入探测器而产生的随机噪声)会抬高sipm输出的底噪，如图1所示回波的示意图，如果比较器的阈值过低，就会使得大量的噪声脉冲进入后续的用于分析信号并生成回波的器件(例如tdc)中，而器件的处理能力有限，为了避免信号脉冲被大量噪声淹没，需要抬高比较器阈值。

但是同时，又需要控制阈值在尽量低的水平，以尽量扩大探测距离。另外在不同的天气下，不同的目标反射率，都会导致不同的底噪水平或者环境噪声大小。所以，动态阈值调节方法的性能，对激光雷达测距性能影响非常大。

图2示出了根据本申请一个实施例的一种用于sipm接收器的动态阈值调节方法100。下面参考图2详细描述。

在步骤s101，通过所述sipm接收器接收入射光。

sipm接收器所接收的入射光，可以是激光雷达的回波信号(即激光雷达的激光发射器发射出的激光束，在外部物体上反射后，返回到sipm接收器的反射激光信号)，或者可以是激光雷达所处环境的背景光，诸如日光，或者既包括回波信号，也包括背景光，这些都在本公开的保护范围内。

在步骤s102，获得所述入射光的强度。

所述入射光的强度可通过多种方式来表征，例如所述入射光所产生的电流和/或电压的幅度，或者脉冲的数量等。根据一个实施例，可以根据入射光产生的电脉冲的数量来表征入射光的强度。本领域技术人员也可以构思出其他的表征入射光强度的方式，这些都在本公开的保护范围内。

另外，本领域技术人员理解，所述入射光的强度，除了可以从sipm接收器产生的电脉冲获得以外，还可以从其他方式获得，例如从另外的专用于测量入射光或环境光强度的光电传感器获得，这些都在本公开的保护范围内。

在步骤s103，根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器的阈值th。

根据步骤s102获得的入射光的强度，可以在步骤s103中动态地调节所述sipm接收器的阈值th。例如，当所述入射光强度过高时，例如sipm接收器处于强烈的日光照射环境中时，可以提高sipm接收器的阈值th，以避免大量的噪声脉冲进入后续的用于分析信号而生成回波的器件或电路，这样可以避免信号脉冲被大量噪声淹没。相反，当所述入射光强度较低时，例如sipm接收器在夜晚无灯环境下进行探测时，可以降低sipm接收器的阈值th，以保证正常回波信号不会被过滤掉，能够进入后续信号分析和生成回波的器件或电路。

在为该sipm接收器调整阈值之后，后续的器件或者电路或者软件可以使用该调整后的阈值来滤除噪声信号或者背景光信号。例如在sipm接收器由于入射光而产生的电脉冲中，对于那些幅值等于或高于调整后的阈值的电脉冲，将其识别为有效回波信号；而对于那些幅值低于调整后的阈值的电脉冲，将其识别为噪声信号或者背景光信号，直接过滤掉，提高激光雷达的信噪比，有效的对回波信号进行分析，增加雷达测距的准确性和可靠性。

上述方法100可以连续地执行，从而动态地调节sipm接收器的阈值，以确保阈值能够处于合理的范围内。另外，在具有多个sipm接收器的阵列的情况下，可以对多个sipm接收器的阈值单独进行调节，也可以整体地进行调节。例如在单独调节的情形中，分别对于每个sipm接收器，执行上述步骤s101、s102、s103。在整体进行调节的情形中，例如可以通过其中一个sipm接收器获得入射光的强度，来动态地调节全部sipm接收器的阈值。后一种方式中，采用一个sipm接收器的入射光强度来代表其他sipm接收器的入射光强度，虽然准确性略低，但是处理速度更快，结构更简单。

根据本公开的一个实施例，通过对sipm接收器接收的脉冲进行计数来表征入射光的强度。对于每一个sipm接收器，可以设定一个初始值，该初始值可以是任何值。将该初始值作为阈值的当前值，并且将入射光产生的脉冲与该当前值进行比较，对高于该阈值当前值的脉冲进行计数，从而获得入射光计数值(或称入射光强度计数值)noisecount，该入射光计数值可用于表征入射光的强度。

例如如图3a所示，sipm接收器接收的入射光中既包括激光雷达的回波信号，也包括背景光信号。在一次tof时间内，入射光在sipm接收器上产生了共八个脉冲信号，其中一个脉冲信号对应于激光雷达的回波信号，另外七个脉冲信号对应于背景光信号。该sipm接收器的阈值当前值如图3a中所述，八个脉冲信号均高于该阈值的当前值。可以采用8作为入射光计数值noisecount，也可以排除激光雷达回的回波信号，采用7来作为入射光计数值noisecount，来表征入射光的强度，本领域技术人员可以根据需要来采用不同的方案。在区分背景光产生的脉冲信号与回波产生的脉冲信号时，可采用幅值来进行判断，通常，回波产生的脉冲信号的幅值较高，高于背景光产生的脉冲信号。因此，可以预设一回波信号阈值，将入射光产生的脉冲与该回波信号阈值进行比较，高于该回波信号阈值的脉冲为回波脉冲，反之为背景光产生的脉冲。本领域技术人员也可以构思其他的区分方式。

图3b中所示的情形中，sipm接收器所接收到的入射光中仅包括背景光信号，并且高于阈值当前值的脉冲数目为五个，因此采用5作为入射光计数值noisecount，来表征入射光的强度。

根据本公开的一个优选实施例，在调节所述sipm接收器的阈值时，调节量adj正比于所述入射光计数值noisecount与一最佳计数值optimumcount的差值，从而使得相邻的测量点能匹配目标的背景底噪。最佳计数值optimumcount是指能够真实反映背景光的强度所需要的计数值，本领域技术人员可根据需要设定该最佳计数值optimumcount。最佳计数值，是在有环境光时，阈值设置高的话，计数小但测不远；阈值设置低时，计数大但环境光脉冲过多，所以中间有个数值较为合适，是通过实验确定的数值，例如可设定为3。调节量adj通过以下公式1来计算。

adj∝(noisecount-optimumcount)(公式1)

另外本领域技术人员容易理解，所述调节量adj可以为正，也可以为负。

在获得了adj之后，通过公式2进一步修正该sipm接收器的阈值，

thn+1＝thn+adj(公式2)

其中thn是所述sipm接收器的阈值的当前值，thn+1是修正后的sipm接收器的阈值，例如用于下一次测量时的判断阈值。

激光雷达系统的发射端可具有多个激光器发射激光，下面以具有64个激光器为例进行说明。激光雷达的接收端具有64个sipm探测器接收回波信号，也称为64个接收通道。但本公开对于激光器和探测器的数目、排列和对应关系但都不做限制，根据需求进行选择和排列即可。

64个激光器例如大致沿着竖直方向排布，出射激光束形成一系列扫描线，如图4所示，示出了至少一部分的激光器的出射光束，从而实现激光雷达在竖直方向上的扫描，多个扫描线(line)构成一个扫描面。在一个扫描面上完成扫描之后，激光雷达的光机转子在水平面内旋转一定角度(例如0.1度)，在下一个扫描面内完成扫描。光机转子持续旋转，从而实现水平方向360度内的扫描。

图5示出了根据本公开一个实施例的可用于激光雷达的动态阈值调节方法200，其中所述激光雷达例如包括多个sipm接收器。随着激光雷达或者其光机转子的旋转，每个sipm接收器可在多个角度上感测入射光，例如在水平方向上，每隔0.1度进行感测，实现水平方向360度的扫描。下面参考图5描述该动态阈值调节方法200。

在步骤s201，通过一sipm接收器在当前角度接收入射光。

在激光雷达的当前旋转角度处，通过其中一sipm接收器接收入射光。所接收的入射光既可以是激光雷达的回波信号(即激光雷达的激光发射器发射出的激光束，在外部物体上反射后，返回到sipm接收器的反射激光束)，或者可以是激光雷达所处环境的背景光，诸如日光，或者既包括回波信号，也包括背景光。

在步骤s202，获得所述入射光的强度。

根据本公开的一个优选实施例，可通过所述sipm接收器在所述当前角度的阈值当前值，对所述入射光产生的高于所述阈值当前值的脉冲进行计数，获得入射光计数值。例如对于激光雷达的64个sipm接收器可以建立一张表格，记录64个通道的阈值初始值，阈值初始值可以是任何值，每个sipm接收器的阈值，可以取自该阈值初始值。将入射光产生的脉冲与该当前值进行比较，对高于该当前值的脉冲进行计数，计算电脉冲数量，从而获得入射光计数值(或称入射光强度计数值)noisecount，该入射光计数值可用于表征入射光的强度。

另外，本领域技术人员理解，所述入射光的强度，除了可以从sipm接收器产生的电脉冲获得以外，还可以从其他方式获得。例如，可以在激光雷达上设置一专用光电传感器，专用于测量入射光或背景光强度，对于激光雷达上的的全部或者部分sipm接收器，采用该专用光电传感器测得的入射光强度，来调节所述全部或者部分sipm接收器的阈值。或者，可以采用多个sipm接收器中的一个sipm接收器测得的入射光强度，近似作为其他sipm接收器的入射光强度，进行后续的阈值调节。

在步骤s203，根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器在下一角度的阈值。

根据本发明一个优选实施例，在调节所述sipm接收器的阈值时，调节量正比于所述入射光计数值与一最佳计数值的差值，如公式1所示。具体调节阈值的方式，如公式2所示。

在为该sipm接收器调整阈值之后，后续的器件或者电路或者软件可以使用该调整后的阈值来滤除噪声信号或者背景光。例如在sipm接收器由于入射光而产生的电脉冲中，对于那些幅值等于或高于调整后的阈值的电脉冲，将其识别为有效回波信号；而对于那些幅值低于调整后的阈值的电脉冲，将其识别为噪声信号或者背景光信号，直接过滤掉。

上述方法100可以连续地执行，从而动态地调节sipm接收器的阈值，以确保阈值能够处于合理的范围内。另外，激光雷达具有多个sipm接收器，可以对多个sipm接收器的阈值单独进行调节，也可以整体地进行调节。例如在单独调节的情形中，分别对于每个sipm接收器，执行上述步骤s201、s202、s203。在整体进行调节的情形中，例如可以通过其中一个sipm接收器获得入射光的强度，来动态地调节全部sipm接收器的阈值。后一种方式中，采用一个sipm接收器的入射光强度来代表其他sipm接收器的入射光强度，虽然准确性略低，但是处理速度更快，结构更简单。

另外根据本公开的一个优选实施例，可以根据所述多个sipm接收器在多个角度的获得的入射光的强度，形成一灰度图，其中所述灰度图中的每一个像素对应于其中一个sipm接收器在其中一个角度获得的入射光强度。例如其中一个sipm接收器获得的表征入射光强度的值为7(如图3a所示，不包括回波信号)，另一个sipm接收器获得的表征入射光强度的值为5(如图3b所示)那么可以根据上述两个sipm探测器的noisecount形成一个灰度图，如图6所示，最后64个通道可以形成完整的视场的灰度图的一列，随着激光雷达的旋转，灰度数据可以从一列生成一张二维图，进而生成和旋转频率同步的灰度视频。

另外，根据本公开的一个实施例，所述方法200还包括使用所述调节后的阈值，作为与其对应的sipm接收器在下一角度的阈值。例如，在当前角度0度，根据入射光强度调节了sipm接收器的阈值，激光雷达随后旋转到下一角度0.1度，那么之前调节的阈值，将作为在该下一角度的判断阈值。如此循环，可以连续动态地修正sipm接收器的阈值。这在一些情况中是非常有利的。例如当激光雷达一侧为阴影，一侧为日光照射的情况中，这种方法可以非常有效地调节阈值。

另外，根据本公开的一个实施例，可以对所述步骤s201的执行时机进行选择，以更精确的测量背景光。例如在一个sipm接收器未进行tof测距时，通过该sipm接收器在当前角度接收入射光。这样，可以保证该sipm接收器产生的脉冲信号中不包括或者尽量少地包括回波信号。

除了sipm探测器的直线排布方式，根据本公开的一个实施例，所述激光雷达的激光器以及sipm探测器可以具有其他排布方式。如图7所示，激光雷达的发射电路板703a上设置有四组发射光源(激光器)703b，四组发射光源703b在竖直方向上交错布置。图7中还示出了激光雷达的接收电路板704a上设置有四组光电传感元件704b，例如是sipm接收器。优选的，所述四组光电传感元件704b在竖直方向上交错布置。

激光雷达实际扫描的时候，对于一列扫描线而言，64个sipm对应的所接收到的区域可能对应不同的背景光环境，例如1～3个接收器接收的回波对应的背景光较强的扫描区域，5～8个接收器对应的背景光较弱。也就是说背景光强的话，噪音较多，将下一个扫描面对应的通道阈值调大一点，背景光弱，将下一个扫描面对应的通道的阈值调小一点。同时上述两个sipm单元的noisecount形成一个灰度图，如图6，最后64个通道可以形成完整的视场的灰度图的一列，随着激光雷达的旋转，灰度数据可以从一列生成一张图，进而生成和旋转频率同步的灰度视频。

如图8所示，本公开还涉及一种激光雷达300，包括多个sipm接收器301以及控制单元303。其中，所述sipm接收器可接收入射光并产生电脉冲，每个sipm接收器具有与其相对应的阈值。所述阈值的初始值例如是固定存储在激光雷达的内部存储器中。控制单元303与所述多个sipm接收器301耦合，并可根据所述电脉冲获得入射光的强度，并根据所述入射光的强度，调节所述sipm接收器的阈值。另外，本领域技术人员理解，所述控制单元303与sipm接收器301可以是直接连接，也可以通过其他电路或器件间接连接，这些都在本公开的保护范围内。

根据本公开的一个实施例，所述激光雷达还包括信号处理装置，信号处理装置与所述sipm接收器相耦合并接收所述电脉冲，并当所述电脉冲大于所述sipm接收器的阈值时，输出该电脉冲。

根据本公开的一个优选实施例，所述获得入射光的强度包括：对所述入射光产生的高于所述当前值的脉冲进行计数，获得入射光计数值。

根据本公开的一个优选实施例，所述激光雷达具有多个探测角度或多个探测方位，调节所述sipm接收器的阈值包括：以正比于所述入射光计数值与一最佳计数值的差值作为调节量，调节所述sipm在下一探测角度的阈值，如上面的公式1和公式2所示，此处不再赘述。

根据本公开的一个优选实施例，所述控制单元303配置成：根据所述多个sipm接收器在多个角度的获得的入射光的强度，形成一灰度图，其中所述灰度图中的每一个像素对应于其中一个sipm接收器在其中一个角度获得的入射光强度。

根据本公开的一个优选实施例，所述通过一sipm接收器在当前角度接收入射光的步骤，在所述sipm接收器未进行测量时进行。

通过本公开的实施例，sipm或者激光雷达的背景光强的话，噪音较多，将下一个扫描面对应的通道阈值调大一点；背景光弱，将下一个扫描面对应的通道的阈值调小一点。同时上述两个sipm单元的noisecount形成一个灰度图，如图6，最后多个通道可以形成完整的视场的灰度图的一列，随着激光雷达的旋转，灰度数据可以从一列生成一张图，进而生成和旋转频率同步的灰度视频。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。