一种探测方法及使用其的探测系统与流程

1.本技术涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种探测方法及使用其的探测系统。


背景技术：

2.随着激光雷达的技术发展，飞行时间测距法(time of flight，tof)被受到了越来越多的关注，tof原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离，目前采用较多的方法包含直接飞行时间检测(主要是利用发射激光和返回激光的直接时间差来获得目标距离)，和间接飞行时间检测(主要是获得发射光和返回光的相位差，从而利用相位差获得最终的飞行时间计算目标的距离)，目前探测系统采用较多的是垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel)，该激光发射源为阵列型排布的多个激光发射单元，激光源发射出探测光，经过被探测物的反射之后进入探测单元，进而转化为光生电荷，通过后级的信号处理电路从而获得被探测物的目标距离或者目标图像完成探测。
3.在正常的测距过程中，利用直接或者间接的飞行时间测量方法可以在不接触物体的情况下获得被探测物的距离，当采用多点探测时也有可能通过多点测量的设置来获得物体的形状轮廓，配和后处理可以实现三维图像的输出等等，然而在实际的探测过程中尤其是测距的过程中，阵列型光源的发射光需要具有一定的扩散角以保证视场范围足够，然而在保证视场范围时光源投射的发射光又具有较大的扩散角，在这种情况下视场内的探测物将比较复杂，例如在自动驾驶中市场内存在路面，障碍物，人等等的复杂成分，又例如在扫地机器人应用中市场内存在地面、墙角、障碍物等等，再比如在安防摄像头视场内存在地面，墙角人物等等，当然此处也只是示例性地列举几种应用场景并不限定于此。在这种情况下存在一种可能性比如视场内存在障碍物a、被探测物b的情况，光源发射的探测激光存在这种情况，发射光中部分被被探测物b反射返回探测器，但是还存在发射光中的部分被障碍物a反射返回光并未直接返回探测器，而是指向了被探测物b经过b的反射之后返回了探测器，尤其是当视场内存在高反射特性的探测对象时，或者探测器载体处于角落附近时这种现象尤其严重，这种现象会在探测器阵列中的输出结果引起距离探测的假值，这种现象引起的探测结果的干扰属于探测中的多径干扰，这种现象对于探测器的应用和精确探测的实现存在着非常严重的制约，“cn205621076u，具有多路径干扰减轻的尺寸标注系统”提出了一种改善和制约该多径干扰现象的方法，其实现方式为设计一个光束场景的自适应调节结构，例如可调整的镜头，通过自适应地先进行探测获得视场基本信息进而调整发射光的投射光束，从而使得光源输出的投射光限定了扩散角，对于感兴趣的物体或者对象进行重点投射，从而获得准确的探测结果消除了多径现象的影响，这种方法具有一定的实用性，但是对于视场内多对象关注的场景具有一定的限制性，同时在需要配合图像获取或者处理方法同时配合扩散角调整方案使得整个方案的复杂性较高，如何能够实现在具有足够的扩散角保证视场范围足够的前提下，又能够针对化地只对于特定区域输出针对性的发射光进而实
现现有技术中的约束光束对于感兴趣的物品进行重点投射，实现对于多径现象减弱或者消除的方案是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测方法及探测系统，以设计出一种能够针对不同区域进行特定投射，并利用此来较弱或者消除背景技术中存在的多径干扰的技术问题。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
6.1.第一方面，本技术实施例提供了一种探测方法，包括包括：
7.光发射模块、处理模块、以及光接收模块；所述光发射模块包括至少两个发射区域；所述光接收模块包括n个接收区(其中n为大于等于2的整数)，所述接收区每相邻两个接收区以不同的偏振角接收探测物体返回的光；至少部分时间段内，所述光接收模块中至少部分接收区接收到至少两个具有不同偏振角的经被探测物反射的返回光，所述接收模块对应于不同偏振返回光的至少部分区域，仅被至少之一偏振角的返回光部分或者全部滤除后的返回光所激发产生光生电信号；所述处理模块依据所述接收模块经过滤除之后的返回光所激发的光生电信号处理获得最终被探测物的目标信息。
8.可选地，所述n个接收区的部分接收区接收到被探测物体返回的至少两个不同偏振角的光。
9.可选地，所述n个接收区，至少部分时间段内，接收到视场内之一区域的被探测目标之一将至少部分具有第一偏振角发射光反射至另一区域的另一被探测目标的回波。
10.可选地，所述被滤除的偏振角返回光占该偏振角总返回光的比例不低于20％。
11.可选地，所述光接收模接收区数量n为大于等于2的偶数。
12.可选地，所述光接收模块接收区数量n为4，所述对角布置的两个接收区接收光的偏振角度相差90
°
。
13.可选地，所述光接收模接收区数量n为4，所述对角布置的两个接收区接收光的偏振角度相差45
°
14.第二方面，本技术实施例提供了一种探测探测系统，应用于上述第一方面所述的探测方法，所述探测系统包括：
15.2.光发射模块、处理模块、以及光接收模块；所述光发射模块包括至少两个发射区域；所述光接收模块包括
16.n个接收区(其中n为大于等于2的整数)，所述接收区每相邻两个接收区以不同的偏振角接收探测物体返回的光；至少部分时间段内，所述光接收模块中至少部分接收区接收到至少两个具有不同偏振角的经被探测物反射的返回光，所述接收模块对应于不同偏振返回光的至少部分区域，仅被至少之一偏振角的返回光部分或者全部滤除后的返回光所激发产生光生电信号；所述处理模块依据所述接收模块经过滤除之后的返回光所激发的光生电信号处理获得最终被探测物的目标信息。
17.3.可选地，所述n个接收区，至少部分时间段内，接收到视场内之一区域的被探测目标之一将至少部分具有第一偏振角发射光反射至另一区域的另一被探测目标的回波。
18.可选地，所述被滤除的偏振角返回光占该偏振角总返回光的比例不低于20％。
19.本技术的有益效果是：
20.本技术实施例提供的一种探测方法，该探测方法包括光发射模块、处理模块、以及光接收模块；所述光发射模块包括至少两个发射区域；所述光接收模块包括
21.n个接收区(其中n为大于等于2的整数)，所述接收区每相邻两个接收区以不同的偏振角接收探测物体返回的光；至少部分时间段内，所述光接收模块中至少部分接收区接收到至少两个具有不同偏振角的经被探测物反射的返回光，所述接收模块对应于不同偏振返回光的至少部分区域，仅被至少之一偏振角的返回光部分或者全部滤除后的返回光所激发产生光生电信号；所述处理模块依据所述接收模块经过滤除之后的返回光所激发的光生电信号处理获得最终被探测物的目标信息，由此设计可以保证探测方法应用于对象距离获取时，探测器接收部分被分割为n个不同区域，并且每相邻两个接收具有不同的偏振角的回波，因此每个区域接收的光具有一定的可被识别的特征，因此利用本方案实现了保证探测视场范围的前提下又能够针对性性地接收回波，配合返回光至接收端之间的光路或者直接在接收端上设置对应的偏振滤除结构，从而实现对于指向性发射光对应的反射返回光的重点识别，由此实现了重点区域的重点对象探测并且可以减弱甚至消除多径干扰的技术效果。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本技术实施例提供的一种探测系统的模块示意图；
24.图2为本技术实施例提供的一种多径干扰对于探测影响示意图；
25.图3为本技术实施例提供的一种存在多径干扰时探测结果示意图；
26.图4为本技术实施例提供的又一种多径干扰现象示意图；
27.图5为本技术实施例提供的一种偏振结构示意图与简化图；
28.图6为本技术实施例提供的一种发射端和接收端实现多径弱化的系统示意图；
29.图7为本技术实施例提供的一种发射端和位于至少之一像平面的偏振部实现多径弱化的系统示意图；
30.图8为本技术实施例提供的一种当完全不考虑多路径效果时，接收端a、b、c、d四个区域所接收到的信号示意图；
31.图9为本技术实施例提供的一种当考虑多路径干扰，接收端a、b、c、d四个区域所接收到的信号示意图；
32.图10为本技术实施例提供的一种采用了偏振选择像素降低多路径效果之后，接收端a、b、c、d四个区域所接收到的信号示意图。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
36.图1为本技术实施例提供的一种探测系统的模块示意图。如图1所示，该探测装置包括：光发射模块110、处理模块120、以及光接收模块130，此处以itof测距为例进行说明，光发射模块110发射出正弦波或者方波或者三角波等等，在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测物150可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光接收模块130接收，所述光接收模块可以包含光电转化部，例如cmos、ccd等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处，其可以最常用的四相位方案接收而获得0
°
、90
°
、180
°
和270
°
的延时接收信号，利用四相为的距离计算方案此处以正弦波的方法为示例进行说明，在四个等距点(例如90
°
或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度：
[0037][0038]
a1和a3的差值与a2和a4的差值的比等于相位角的正切值。arctan实际上是双变量反正切函数，可映射至适当的象限，当a2＝a4并且a1》a3或a3》a1时，分别定义为0
°
或180
°
。
[0039]
到目标物的距离由以下公式确定：
[0040][0041]
至此，还需要确定发射激光的频率即可来进行距离测算，其中c是光速，是相位角(以弧度来度量)，f是调制频率。通过上述的方案可以实现对于视场内被探测物的距离探测的效果，也就是存在如图2所述的光通过其他路径回到目标上对于测距信号产生干扰，从而对于实际测距结果产生的误差和干扰。如图2中所示，正常的路径为光源(a)
→
目标(b)
→
接收端(c)，此时接收到波形、发射波形之间的时间关系如图2中所示。当目标b附近有其他的物体会对信号光进行多次反射时，会产生额外的路径，即为图2中的光源(a)
→
反射物(d)
→
目标(b)
→
接收端(c)。图3示意了多路径及对于波形产生的影响，其中(1)为本身发射的信号光，(2)为正常路径(a
→b→
c)接收到的回波，(3)为通过额外路径产生的回波(a
→d→b→
c),(4)为正常路径和额外路径共同作用下接收到的回波效果。在图1中的场景下由于光的运动路径中多了一次反射，且光程相较之前增加了一段距离，导致在接收到的信号端产生了一段强度较弱，且时序相对靠后的回波信号。在通过积分的方法进行测试的时候，会对于不同的积分通积分得到的电荷量产生一定的干扰，从而对于实际测距结果产生干扰，影
响结果的正确性。
[0042]
由之前背景技术中提及的方案通过对于重点区域的预先识别从而进行重点投射，这样可以避免对于干扰区域投射从而识别多径干扰，进一步可以获得消除了多径干扰的探测结果。然而对比文件中存在效率和复杂性等的问题。因此设计出一种能够针对性发射的方案是有助于多径干扰的减少或者消除的，之前的研究给出了一种分区发射方案来解决这一问题，已经递交的中国专利“202011040936.9-一种飞行时间距离测量装置及方法”阐述了一种通过将发射端分区，进而分时发射，再通过合成的方式组成完整视场被探测物距离信息的方案，这种方案克服了背景技术的对比文件对于视场局限的特性，通过具有手动选择、自适应等等方式进入该模式，从而实现了在大视场需求中消除多径干扰问题的可行方案。为了进一步保证高效连续地消除和降低多径干扰，本发明进行了更深入地研究，普通的tof传感器进行测距过程中，实际上如果将发射端和接收端都分为n个区域(其中n为大于等于2的整数)，这些区域在一组成像系统中成共轭关系，即需要对于发射端的区域a发射出的光通过接收系统(这里的接收系统包括不仅限于透镜成像、小孔成像等)在接收端的区域a上成实像。也就是说在整个视场内，将发射端人为地划分为不同的n个区域时，这n个发射端区域的发射光将对应于视场中的n个区域，在正常的探测过程中，由于成像的对应性接收端也将对应接收各个不同视场内的反射返回光，也就是接收端也被对应地分为n个区域，如果引入多径干扰，结合图4来进行进一步阐述，图4中的发射端被看作是a、b、c、d四个区域的结合。如此再来重新分析多径干扰问题，此时如果视场中的d区域存在探测物1，同时存在探测物2，a区域存在探测物3，，也就是此时发射端的d区域发射的激光投射至视场的d区域，可能存在探测物1将激光发射，可能的方向之一是探测物2，也可能被反射至探测物3，在这种场景下，由于探测物1和探测物2处于同一发射区d的范围内，因此由于反射引起的干扰将比较弱，对于最终我们需要获得的距离信息干扰较小，同时这种差异也可以由更多划分发射区n的数量进行进一步的减弱，这种情况下其实跨越区域的多径干扰将成为影响探测结果准确性的重要原因。在这种场景下原来正确的反射返回光为《2》，但是由于d区域的探测物1反射的激光进入了a区域，因此同时返回的反射光还包含了由于视场内存在多径反射而引起的多径干扰光《1》,也就是在至少部分时间段内，至少两个不同发射区域的发射光被反射返回指向相同区域的接收端，承接对比文件的技术思路，如果将发射端不同的区域设计为具有不同特性的光源，例如利用偏振特性，将各个发射区域设置为具有不同偏振角度的发射区，且每相邻两个发射区的发射光具有不同的偏振角，如此就实现了对于视场内探测区域的区分，也就是实现了通过设置n个区域可以将每个区域发射光投射视场变化为整个视场的1/n,同时由n个发射区又组成了完整的视场，因此利用本方案实现了保证探测视场范围的前提下又能够针对性性地投射，配合返回光至接收端之间的光路或者直接在接收端上设置对应的偏振滤除结构，如图5所示，从而实现对于指向性发射光对应的反射返回光的重点识别，由此实现了重点区域的重点对象探测并且可以减弱甚至消除多径干扰的技术效果，同时也避免了需要多次探测合成结果的效果，当然也可以配合之前的分区发射方案来使用，此处并不进行限定，当然上述图中也只是示例性说明，实际实现中可以为4个区域也可以为8个区域6个区域等等，最优地n为大于等于2的偶数，如此实现了分区的可靠性，此处并不限定布置规则按照相邻的两个发射区域的出射光具有不同的偏振角度即可，进一步地相邻的两个发射区域的出射光偏振角相差不小于45
°
。
[0043]
图6为一种偏振片结构，配合地将所述光源分为不同的四个区，将阵列型的发射端系统称为vcsel+diffuser的发光系统，可以采用和diffuser等大的偏振片置于diffuser之上，偏振片上根据发射端分区的需要划分出n个区域，每个区域具有不同的偏振方向，偏振片不同区域的偏振方向与系统设计相同，当然偏振片也可设计为可以变化的类型，例如利用电压控制等实现的不同偏振角度的输出，也可以按照实际的需求布置为所述对角布置的两个发射区发射光的偏振角度相差90
°
或所述对角布置的两个发射区发射光的偏振角度相差45
°
的情况，也可以当偏振模块具有可调整功能时设定地或者自适应地调整不同区域的偏振角度，此处并不限定偏振实现方式，当然偏振设置也不一定采用0
°
、45
°
、90
°
和180
°
这四种的组合，其余偏振角度也可以实现本发明的效果，需要保证所述被滤除的偏振角返回光能量占该偏振角总返回光能量的比例不低于20％，从而实现对于偏振影响减弱的效果，采用本发明的方案在测距的时候，发射端所有区域和接收端所有区域均同时进行工作，同时得到测距的结果，避免了需要多次对于多个探测结果进行合成得到最终结果的目的。
[0044]
接收端进行偏振处理是配合发射端对于产生多径影响进行区分的一种方式，对于像素的处理是在像素上面增加一层线光栅，光栅的材质、周期、和刻线宽度等其他参数根据信号光使用的波长决定。线光栅的主要作用是全部或者部分过滤掉与其对应区域的发射光偏振方向不相匹配的光，也就是接收模块中至少之一接收到至少两个发射区输出的具有不同偏振角的返回光，利用光栅可以全部或者部分滤除该区域所不对应的偏振角度的多径现象引起的干扰光。
[0045]
图6为配合发射端的偏振，在接收端也设置相同的n个区域，每相邻两个区域的偏振角不同，将接收端和发射端分为四个区域，其中四个区域的偏振方向如图6所示，可以看出，四个区域分别采用了四种不同的偏振发射，那么对应的四个区域也将采用对应的偏振接收，当然也可以在返回光至接收端的光路中设置偏振部，接收光学系统中，通过光学元件(包括不仅限于透镜、透镜组、波带片、菲涅尔透镜、小孔成像等元件或方式)在被测物体与光电传感器阵列之间行成一个或者多个可以成实像的像面，这些像面的关系如图7所示，在上述的若干个像面中，选择一个作为偏振选择的像面，将一个与发射光调制偏振分区域位置和方向相匹配的分区域偏振滤镜，(包括不限于偏振片、1/2波长波片、液晶光调制器等)置于此像面。当接收的光通过偏振滤镜之后，与滤镜的偏振方向不同的光分量将会大幅度降低。通过这种方法可以有效减少不是从光电探测器上的区域所对应的发射端分区所发射出来的光，有效降低多路径效应对于itof测距所带来的误差，如此接收端上不需要做各种特殊处理，保证原始设置即可。
[0046]
在一个如图4所示目标体系中，假定至少一个区域将有10％的光将会串扰到其他区域中(或者假定每一个区域将有10％的光将会串扰到其他区域中)，并反射回到接收端所对应的区域。在四个区域的目标系统中，不同区域的反射率和串扰率对应关系如表1所示。
[0047]
表1.不同偏振选择像素与不同偏振光的透过率
[0048]
偏振方向0
°
45
°
90
°
135
°0°
100％50％1％50％45
°
50％100％45％1％90
°
1％50％100％50％135
°
50％1％50％100％
[0049]
由上表的结果可以得到，通过本发明的方案，可以使得多径干扰现象引起的需要被滤除的串扰至其他区域的偏振角返回光占该偏振角总返回光的比例不低于50％，由此实现了对于多径干扰问题的减弱或者消除的效果。
[0050]
假定每一个区域将有10％的光将会串扰到其他区域中，并反射回到接收端所对应的区域。当采用图5的偏振型接收端或者采用图6类似的在光路中至少之一相面设置偏振部的方式，可以得到如下表2的多径效应影响下的实际多径影响结果表。
[0051]
表2.不同目标多路径效应的反射率
[0052]
区域abcd反射率90％70％80％85％a-10％10％5％b10％-5％10％c10％5％-10％d5％10％10％-[0053]
当假定飞行时间延时20ns后返回，可以得到不同区域多径现象影响下的区域延时结果，如下表3所示。
[0054]
表3.不同目标多路径效应的反射率
[0055][0056][0057]
进一步，对于整个系统的测量结果进行统计可以获得最终的多径引起的光程差统计结果如下表4所示。
[0058]
表4.不同区域多路径的光程差
[0059]
区域abcd光延迟3m3m3m3ma-0.6m0.6m0.85mb0.6m-0.85m0.6mc0.6m0.85m-0.6md0.85m0.6m0.6m-[0060]
当没有串扰产生时，接收端a、b、c、d四个区域或者是经过单独某一像面偏振部滤除过的返回光对应的四个不同的接收区域，所接收到的信号分别如图8所示，当考虑了多路径串扰效应时，接收端a、b、c、d四个区域所接收到的总信号分别如图9所示(未采用偏振滤除方案)。而当采用了偏振接收的像素之后，接收端a、b、c、d四个区域所接收到的总信号分别如图10所示，由上述两个图中的结果可以看到，多径引起的干扰对于波形有一定的影响，
这也为其他后处理方案提供了可识别的技术方案，对于不同情况下在现有假定下进行结果核算，不考虑多路径效应、考虑多路径效应且未进行干扰消除操作时、考虑多路径效应且采用了偏振选择像素降低了多路径干扰后的测距结果，汇总如表5所示。
[0061]
表5.不同条件下测距结果比较
[0062][0063][0064]
由上述结果可以看到利用本方案对于至少之一区域的至少某一偏振角度的多径干扰光，进行至少50％的滤除后由于多径现象带来的误差明显减小，实际使用过程中多径干扰不限于发生在一个平面之内，本发明的设计所带来的优势是类似的，此处仅为一种情况下的核算和效果演示，此处并不限定多径现象为解释中的这种假定情况，当然由于对于偏振滤除带来的多径干扰光与实际的返回光其实已经存在差异也可以通过一些后处理方法进行识别，此处也不限定。
[0065]
总之采用了本发明的方法实现了至少如下的技术效果：
[0066]
1)可以大幅降低多路径效果所带来的测距误差；
[0067]
2)不需要对与发射端和接收端进行多余的调制操作；
[0068]
3)通过更换发射端和接收端的偏振片可以很好的改变。
[0069]
需要说明的是，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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0070]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。