一种具有表面污物快速检测的激光雷达及其实现方法与流程

1.本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种具有表面污物快速检测的激光雷达及其实现方法。


背景技术：

2.对于车载激光雷达而言，其面对的共性问题就是外在环境对于激光雷达表面的污垢的影响，相应的污垢的影响不仅会造成原本有效探测距离的变化，严重的还会造成在一轮探测周期内，相应的数据无法进行有效的分析，甚至带来错误的判定结果。
3.而实际情况则是，为了提高车载雷达检测的准确性，车载激光雷达多是被设置在车体外壳上，即暴露在外界环境之中，这样一来无论是特定环境下带来的概率性的污垢影响，还是因为长久没有清理产生的沉积式污垢影响，现有技术均缺乏一种精准识别和过渡改善手段。
4.鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了提高车载雷达检测的准确性，车载激光雷达多是被设置在车体外壳上，即暴露在外界环境之中，这样一来无论是特定环境下带来的概率性的污垢影响，还是因为长久没有清理产生的沉积式污垢影响，现有技术均缺乏一种精准识别和过渡改善手段。
6.本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供了一种具有表面污物快速检测的激光雷达，包括激光器1、mems芯片2、离轴抛物面反射镜3、多芯光纤阵列4、过滤片5，以及与多芯数量相适配的探测器阵列6，具体的：
8.所述mems芯片2包括一可转动的反射镜面，使所述反射镜面发生机械转动，进而通过旋转来改变源自激光器1的激光雷达信号，并将所述激光雷达信号反射到所述离轴抛物面反射镜3的指定点位；
9.所述离轴抛物面反射镜3包括一抛物面，用于准直所述mems芯片2反射的发散光束到多芯光纤阵列4中的对应位置的光纤中；
10.所述多芯光纤阵列4以预设的空间角度偏斜，使得从各个纤芯射出的激光雷达信号能够整体完成激光雷达所要覆盖的空间区域；
11.所述过滤片5设置在所述离轴抛物面反射镜3和多芯光纤阵列4之间，具有对离轴抛物面反射镜3向多芯光纤阵列4方向激光雷达信号透射，对多芯光纤阵列4向离轴抛物面反射镜3方向的激光雷达反射信号起到反射作用；
12.所述探测器阵列6设置在经由所述过滤片5发射后的激光雷达反射信号光路上。
13.优选的，位于激光器1和mems芯片2之间还设置有成像透镜7，用于将激光器1发射的激光雷达信号聚焦到所述mems芯片2的反射镜面上；其中，所述离轴抛物面反射镜3的焦
点与所述mems芯片2反射镜面的中心点重合，从而将接收自所述mems芯片2发散的激光雷达信号转换为平行光传递给所述多芯光纤阵列4。
14.优选的，所述多芯光纤阵列4中的每一个光纤的激光雷达信号进光侧设置有透镜阵列8，所述透镜阵列8用于将离轴抛物面反射镜3反射过来的平行光聚焦到多芯光纤阵列4中相应纤芯的入光面上。
15.优选的，所述多芯光纤阵列4中的每一个光纤的激光雷达信号出光面都制作有透镜41，用于将光纤传输过来的激光雷达信号以预设发散角度发射出去。
16.优选的，所述多芯光纤阵列4具体为包含9根纤芯的，并且排列成3-3-3阵列的结构。
17.第二方面，本发明还提供了一种具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法，使用第一方面所述的具有表面污物快速检测的激光雷达，方法包括：
18.通过控制mems芯片2上的发射镜面，依次通过多芯光纤阵列4中的指定纤芯，将源自激光器1的激光雷达信号发射出去，并接收相应的激光雷达反射信号完成激光雷达检测过程；
19.其中，激光雷达反射信号被多芯光纤阵列4中的各纤芯捕获，并传递给探测器阵列6中与各自匹配的探测器；通过解析各探测器探测的信号强度差，确定当前表面存在污物干扰的位置，所述存在污物干扰位置由相应的纤芯的在激光雷达的端面映射位置确定。
20.优选的，在确定了被污物干扰的纤芯所在位置后，所述方法还包括：
21.若相应的受影响的纤芯占多芯光纤阵列4总的纤芯数量小于预设阈值，则在后续的激光雷达检测周期中，控制所述mems芯片2上的发射镜面，使其跳过相应的受影响的纤芯；
22.并且，在对探测器阵列6中与所述受影响的纤芯适配的探测器进行标注，在后续的解析过程中，相应被标注的探测器进入自定义的解析周期，在抵达相应解析周期时，通过对比相应被标注的探测器和周边探测器所检测到的光强度差小于预设参数值，则确定相应纤芯映射在激光雷达端面处已经被清洗，恢复相应的纤芯的激光雷达信号的正常出光，以及与之匹配的探测器的正常工作；其中，在解析周期之外，则对相应被标注的探测器不做数据解析操作。
23.优选的，若相应的受影响的纤芯占多芯光纤阵列4总的纤芯数量大于等于预设阈值，或者相邻的纤芯数量超过第二预设值，则发出强行清理告警。
24.优选的，所述受影响的纤芯具体包括：
25.在进行探测器阵列6中各个探测器的检测结果进行信号强度匹对，若相应的至少两个探测器所检测信号强度保持相近，并且，出现其他探测器所检测信号强度明显下降，则认定出现检测信号强度明显下降的一个或者多个探测器所关联的纤芯为受影响的纤芯。
26.优选的，方法还包括：
27.记录有各个探测器的历史检测信号强度变化浮动区间，若出现连续的全部探测器所检测信号强度都低于所述浮动区间，则发出强行清理告警。
28.第三方面，本发明还提供了一种具有表面污物快速检测的装置，用于实现第二方面所述的具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法，所述装置包括：
29.至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存
储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行第二方面所述的具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法。
30.第四方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第二方面所述的具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法。
31.本发明提出了一种激光雷达装置，不仅能够满足相应激光雷达的检测覆范围，并且，能够利用mems芯片控制下的多芯光纤择一发射激光雷达信号，并通过多芯光纤阵列整体采集激光雷达反射信号，配以纤芯同样数量的探测器，实现了纤芯数量级分辨率的污物检测。
32.在本发明的优选实现方案中，还基于检测污物结果，实现了在进行必要清洗之前的折中检测过程改进，即减小了不必要的能量损耗，也提高了检测精度和有效性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
34.图1是本发明实施例提供的一种具有表面污物快速检测的激光雷达装置结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种激光雷达装置中多芯光纤阵列结构示意图；
36.图3是本发明实施例提供的一种改进型的具有表面污物快速检测的激光雷达装置结构示意图；
37.图4是本发明实施例提供的一种改进型的具有表面污物快速检测的激光雷达装置结构示意图；
38.图5是本发明实施例提供的一种激光雷达装置中改进型的多芯光纤阵列结构示意图；
39.图6是本发明实施例提供的一种多芯光纤阵列端面结构示意图；
40.图7是本发明实施例提供的一种具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法示意图；
41.图8是本发明实施例提供的一种具有表面污物快速检测的激光雷达在确定了被污物干扰的纤芯所在位置后实现方法流程示意图；
42.图9是本发明实施例提供的一种具有表面污物快速检测的激光雷达另一判断逻辑分支方法流程示意图；
43.图10是本发明实施例提供的一种具有表面污物快速检测的激光雷达实现装置结构示意图。
具体实施方式
44.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。
45.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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。
46.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。
47.实施例1:
48.本发明实施例1提供了一种具有表面污物快速检测的激光雷达，如图1所示，包括激光器1、mems芯片2、离轴抛物面反射镜3、多芯光纤阵列4、过滤片5，以及与多芯数量相适配的探测器阵列6，具体的：
49.所述mems芯片2包括一可转动的反射镜面，使所述反射镜面发生机械转动，进而通过旋转来改变源自激光器1的激光雷达信号，并将所述激光雷达信号反射到所述离轴抛物面反射镜3的指定点位。
50.所述离轴抛物面反射镜3包括一抛物面，用于准直所述mems芯片2反射的发散光束到多芯光纤阵列4中的对应位置的光纤中。
51.所述多芯光纤阵列4以预设的空间角度偏斜（例如5-10
°
），使得从各个纤芯射出的激光雷达信号能够整体完成激光雷达所要覆盖的空间区域。参考图2所示的示意图，与图1中的相应编号关联起来理解，其中，纤芯4-1和纤芯4-2为z轴向延伸的光纤，且向y轴正向偏斜；纤芯4-3为z轴向延伸的光纤，未做其他方向的偏斜适合于激光雷达信号检测正前方的空间；纤芯4-4和纤芯4-5为z轴向延伸的光纤，且向y轴负向偏斜，若以当前xoz面作为水平面将多芯光纤阵列4布局在车顶，并且图2所示的端面超向车头方向，则图中的纤芯4-4和纤芯4-5较为适用生成临近汽车范围内的路面情况。
52.需要补充说明的是，在本发明实施例中相应的多芯光纤阵列4的本质作用包括传递激光雷达信号，并将其发射出去；另一个作用就与用于捕捉从被检测对象上反射回来的激光雷达发射信号，因此，不能用常规的纤芯大小思路来套用本发明实现方案，在本发明实施例实现方式中，此处的纤芯同时兼具了传递光信号和捕捉光信号的作用，因此，可以将其制作满足实用场景中的直径粗度，其参数值受准备布局的纤芯数量和端面面积大小决定，前者纤芯数量关系到污物检测精密度而后者则由激光雷达所设计的体积大小决定。因此，图2仅仅是适应性的表现相应偏斜角度关系的示意图，不应该将其作为直接产品结构的实体图。
53.所述过滤片5设置在所述离轴抛物面反射镜3和多芯光纤阵列4之间，具有对离轴抛物面反射镜3向多芯光纤阵列4方向激光雷达信号透射，对多芯光纤阵列4向离轴抛物面反射镜3方向的激光雷达反射信号起到反射作用。
54.所述探测器阵列6设置在经由所述过滤片5发射后的激光雷达反射信号光路上。
55.本发明实施例提出了一种激光雷达装置，不仅能够满足相应激光雷达的检测覆范围，并且，能够利用mems芯片控制下的多芯光纤择一发射激光雷达信号，并通过多芯光纤阵列整体采集激光雷达反射信号，配以纤芯同样数量的探测器，实现了纤芯数量级分辨率的污物检测。
56.如图3所示作为本发明实施例优选实现方案之一，考虑到激光器1发射出的信号更
多呈现的是发散状态（当然，在本发明实施例可选实现方案中也不排除激光器自身就集成了准直透镜的解决方案），位于激光器1和mems芯片2之间还设置有成像透镜7，用于将激光器1发射的激光雷达信号聚焦到所述mems芯片2的反射镜面上；其中，所述离轴抛物面反射镜3的焦点与所述mems芯片2反射镜面的中心点重合，从而将接收自所述mems芯片2发散的激光雷达信号转换为平行光传递给所述多芯光纤阵列4。
57.在该优选方案中，成像透镜7多为非对称透镜，图3所示，成像透镜7左侧透镜面的焦点为激光器1的出光口，而相应成像透镜7右侧的透镜面的焦点则在所述mems芯片2的发射镜面的中心。这样的好处在于，无论mems芯片2的发射镜面如何绕着中心旋转，激光器1照射到其发射镜面上的效果都能保持强一致性。
58.如图4所示，为本发明实施例进一步为了提高光路稳定性和避免光信号散色造成损耗情况下所提出的改进方案。所述多芯光纤阵列4中的每一个光纤的激光雷达信号进光侧设置有透镜阵列8，所述透镜阵列8用于将离轴抛物面反射镜3反射过来的平行光聚焦到多芯光纤阵列4中相应纤芯的入光面上。图4所示的改进方案可以在图3所示的技术方案基础上实现，也可以单独结合图1所示的结构方案实现，在此没有一一附上组合附图，本领域技术人员可以根据合理的操作进行关联性组合得到的方案，都应该属于本发明技术方案保护范围内。
59.如图5所示，是本发明实施例提出的另一个改进点，相应改进技术点可以和上面已经提出来的技术方案各自分别进行组合，在此不一一就组合后的结构图进行呈现，而是以相关图1、图3和图4中共性的多芯光纤4示意图进行展示。如图5所示，所述多芯光纤阵列4中的每一个光纤的激光雷达信号出光面都制作有透镜41，用于将光纤传输过来的激光雷达信号以预设发散角度发射出去。
60.如图6所示，为本发明实施例提供的一种可选方案，所述多芯光纤阵列4具体为包含9根纤芯的，并且排列成3-3-3阵列的结构。在具体实现过程中，类似的还可以选择2-2阵列，4-4-4-4阵列，或者选用1中心5环绕的阵列图形等等，而此处所阐述的3-3-3是本发明所比较力推的，兼顾了激光雷达检测效率和经过雷达检测覆盖面，还考虑到了污物识别精度的要求，以及部分污物阻隔后仍然可用的鲁棒性之后得到的。
61.实施例2：
62.一种具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法，使用如实施例1所述的具有表面污物快速检测的激光雷达，如图7所示，方法包括：
63.在步骤201中，通过控制mems芯片2上的发射镜面，依次通过多芯光纤阵列4中的指定纤芯，将源自激光器1的激光雷达信号发射出去，并接收相应的激光雷达反射信号完成激光雷达检测过程。
64.在步骤202中，激光雷达反射信号被多芯光纤阵列4中的各纤芯捕获，并传递给探测器阵列6中与各自匹配的探测器。
65.在步骤203中，通过解析各探测器探测的信号强度差，确定当前表面存在污物干扰的位置，所述存在污物干扰位置由相应的纤芯的在激光雷达的端面映射位置确定。
66.本发明实施例提出了一种激光雷达装置，不仅能够满足相应激光雷达的检测覆范围，并且，能够利用mems芯片控制下的多芯光纤择一发射激光雷达信号，并通过多芯光纤阵列整体采集激光雷达反射信号，配以纤芯同样数量的探测器，实现了纤芯数量级分辨率的
污物检测。
67.结合本发明实施例，还基于检测污物结果，实现了在进行必要清洗之前的折中检测过程改进，即减小了不必要的能量损耗，也提高了检测精度和有效性。因此，在确定了被污物干扰的纤芯所在位置后，如图8所示，所述方法还包括：
68.在步骤301中，若相应的受影响的纤芯占多芯光纤阵列4总的纤芯数量小于预设阈值，则在后续的激光雷达检测周期中，控制所述mems芯片2上的发射镜面，使其跳过相应的受影响的纤芯。
69.此处的预设阈值根据设定的纤芯数量不同和布局方式不同都会有所改变，而设定此参数值的用意是考虑到一旦受污物影响的纤芯端面达到此预设阈值，则会造成经由剩余纤芯发射的激光雷达信号无法有效覆盖其所负责的检测范围。此处需要说明的是，在多芯光纤阵列4中纤芯数量越多，那么相应的预设值会呈现影响的纤芯位置的不同，动态变化的情况，原因就在于在同样的受影响纤芯数量上，受影响的纤芯分布的越分散，会比受影响的纤芯分布集中而言，对激光雷达正常检测的影响更小。这也是因为，一旦受影响的纤芯相对分散，那么就可以通过其相邻的纤芯做适当的检测补偿。
70.在步骤302中，在对探测器阵列6中与所述受影响的纤芯适配的探测器进行标注。
71.在步骤303中，在后续的解析过程中，相应被标注的探测器进入自定义的解析周期，在抵达相应解析周期时，通过对比相应被标注的探测器和周边探测器所检测到的光强度差小于预设参数值，则确定相应纤芯映射在激光雷达端面处已经被清洗，恢复相应的纤芯的激光雷达信号的正常出光，以及与之匹配的探测器的正常工作。
72.其中，预设参数值是根据实际测试过程中设定的，即通过无污物情况测试，也通过带入不同污物对象之后进行的测试，综合生成。这个过程实际就是取上述两种测试过程中的分界值，已经属于本领域技术人员可以凭借经验去计算得到，至此，本发明实施例不在过多赘述。
73.其中，在解析周期之外，则对相应被标注的探测器不做数据解析操作。例如，以图6的布局为例，一旦通过比较确认纤芯4-1对配套的探测器所检测到的能量数据比其他纤芯（如4-2和4-3）配套的探测器所检测到的信号强度差大于等于预设参数值，则后续在进行mems芯片2控制激光雷达信号发射时，就会跳过相应纤芯4-1的发射流程，并作为优选方案而言，可以进一步提高轮到其相邻的两个纤芯（4-2和4-4）发射流程时的激光器的输出功率大小，从而由其相邻的两个纤芯检测周期一定程度上弥补纤芯4-1缺失时，对激光雷达工作的影响。
74.在上述步骤301的实现过程中，还存在另一判断逻辑分支，如图9所示，方法还包括：
75.在步骤304中，若相应的受影响的纤芯占多芯光纤阵列4总的纤芯数量大于等于预设阈值，或者相邻的纤芯数量超过第二预设值，则发出强行清理告警。
76.所述受影响的纤芯具体包括：在进行探测器阵列6中各个探测器的检测结果进行信号强度匹对，若相应的至少两个探测器所检测信号强度保持相近，并且，出现其他探测器所检测信号强度明显下降，则认定出现检测信号强度明显下降的一个或者多个探测器所关联的纤芯为受影响的纤芯。
77.记录有各个探测器的历史检测信号强度变化浮动区间，若出现连续的全部探测器
所检测信号强度都低于所述浮动区间，则发出强行清理告警。
78.实施例3：
79.如图10所示，是本发明实施例的具有表面污物快速检测的激光雷达实现装置的架构示意图。本实施例的具有表面污物快速检测的激光雷达实现装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图10中以一个处理器21为例。
80.处理器21和存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。
81.存储器22作为一种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和非易失性计算机可执行程序，如实施例1中的具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法。处理器21通过运行存储在存储器22中的非易失性软件程序和指令，从而执行具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法。
82.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，存储器22可选包括相对于处理器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。
83.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中的具有表面污物快速检测的激光雷达实现方法，例如，执行以上描述的图7-图9所示的各个步骤。
84.值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
85.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，read only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁盘或光盘等。
86.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。