CN108445506A - 一种驱动发射电路、激光雷达及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种驱动发射电路、激光雷达及测量方法。一种激光雷达的驱动发射电路，包括：相并联的第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路和光源发射电路，所述光源发射电路包括激光管，所述光源发射电路分别在第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路作用下输出设定的低功率光束和高功率光束。本发明还提供了一种激光雷达。本发明还提供了一种测量方法。通过所述第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路，使得发射光源按照设定的工作模式分别发出设定的低功率光束和高功率光束。通过低功率光束和高功率光束的测试结果准确判断障碍物的准确位置和方位，减小了激光雷达在雾霾环境中盲区较大的问题。

Description

一种驱动发射电路、激光雷达及测量方法

技术领域

本发明涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种驱动发射电路、激光雷达及测量方法。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）、三角测量法等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、接收并处理信号的光电芯片。光发射模块的发射光源发出光束，光学镜头位于发射光源的光路上，经过会聚的光束发射到障碍物表面，被障碍物反射后的光束入射到光电芯片上，光电芯片通过测量发射到接收之间的时间或相位差根据已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。

由于雾霾的小颗粒反射面远小于实体的反射面，所以光束照射到雾霾上引发的回波都发生在近距离，利用多回波技术可以穿透雾霾检测到被测物体，但是需要被测物体与雾霾反射回波有一定的距离，根据雾霾的反射度一般数米到10米。否则被测物体的回波会和雾霾反射回波重合造成无法测量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种驱动发射电路，通过驱动发射电路发出设定的低功率光束和高功率光束，通过低功率光束和高功率光束交替测试的测试结果准确判断出障碍物的准确位置和方位，减小了激光雷达在雾霾环境中盲区较大的问题，解决了多回波技术在处理雾霾环境下激光雷达的测量技术计算复杂且准确度不高的问题。

本发明的另外一个目的，提出了一种激光雷达，其具有所述的驱动发射电路，通过驱动发射电路的设置，使得激光雷达在雾霾测量环境中根据回波信号的数量、顺序和是否在误差范围判断出障碍物位于近距离区域或远距离区域，解决了多回波处理方式存在的盲区较大和运算处理负荷过大的问题，提高了测量效率和测量准确度。

本发明的第三个目的，提出了测量方法，通过高功率发射光束和低功率发射光束交替发射的测量方法，准确判断出测量环境和障碍物的所在区域，快速准确，同时减小了激光雷达在雾霾环境下的盲区。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光雷达的驱动发射电路，包括：相并联的第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路和光源发射电路，所述光源发射电路包括激光管，所述光源发射电路分别在第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路作用下输出设定的低功率光束和高功率光束。

作为本技术方案的优选方案之一，所述低功率光束的射程控制在近距离区域内，所述高功率光束的射程覆盖近距离区域和远距离区域。

作为本技术方案的优选方案之一，所述第一发射功率调整电路包括串联的第一功率场效应管和电阻R2，所述第二发射功率调整电路包括串联的第二功率场效应管和电阻R3，所述电阻R2和电阻R3具有设定的倍率差，所述电阻R2和电阻R3接地。

作为本技术方案的优选方案之一，所述功率场效应管为MOS场效应管或GaN场效应管。

作为本技术方案的优选方案之一，所述电阻R3=K×R2，且75≤K≤115。

作为本技术方案的优选方案之一，R3=105×R2。

作为本技术方案的优选方案之一，还包括与发射电路相串联的充电电路，所述充电电路包括充电电源、与激光管相串联的电容和充电电阻R1，以及与激光管相并联的的二极管，所述充电电阻R1分别串联第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路，所述激光管和二极管均接地。

作为本技术方案的优选方案之一，所述充电电阻R1的阻值可调，通过减小充电电阻R1的阻值来提高电容充电速率。

一种激光雷达，包括发射模块、接收模块和主控板，所述发射模块包括发射光源和所述的驱动发射电路，所述接收模块包括与驱动发射电路相连接的光电芯片，所述主控板与光电芯片和驱动发射电路相连接，所述主控板根据光电芯片得到的低功率光束和高功率光束的回波计算障碍物的距离和位置信息。

作为本技术方案的优选方案之一，所述主控板上连接有用于根据雾霾浓度调整近距离发射光束的发射功率的雾霾浓度测量模块，第一发射功率调整电路的电阻R2和/或第二发射功率调整电路的电阻R3的阻值可调。

一种提高激光雷达透雾性能的方法，通过采用高功率发射光束和在设定的近距离区域无回波的低功率发射光束的交替测量的测量结果，判断激光雷达的测量环境有无雾霾，判断障碍物位于与低功率发射光束对应的近距离区域还是与高功率发射光束对应的远距离区域，确定障碍物回波并计算出测量结果。

作为本技术方案的优选方案之一，

分别采用低功率发射光束和高功率发射光束交替测量一次；

当光电芯片对应低功率发射光束测量和高功率发射光束测量分别检测到一个回波，且两个回波的差值在设定误差范围内，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果；

当光电芯片仅对应高功率发射光束检测到一个回波，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果；

当光电芯片对应高功率发射光束检测到两个回波，对应低功率发射光束未检测到回波，判断测量环境有雾霾，取光电芯片对应高功率发射光束的第二个回波计算测试结果；

当光电芯片分别对应低功率发射光束和高功率发射光束分别检测到一个回波，且两个回波的差值超出设定的误差范围，则判断测量环境有雾霾，取光电芯片接收到的对应低功率发射光束的回波计算测试结果。

作为本技术方案的优选方案之一，所述近距离区域的距离取值范围L的取值范围为：2m≤L≤10m。

作为本技术方案的优选方案之一，所述近距离区域的距离取值范围L的取值为2m。

有益效果：所述第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路的设置，使得发射光源可以按照设定的工作模式分别发出功率不同的设定的低功率光束和高功率光束，所述低功率光束和高功率光束是相对于激光雷达不同的测距范围而设定的。通过驱动发射电路发出设定的低功率光束和高功率光束交替测试的测试结果准确判断出障碍物的准确位置和方位，减小了激光雷达在雾霾环境中盲区较大的问题，解决了多回波技术在处理雾霾环境下激光雷达的测量技术计算复杂且准确度不高的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的驱动发射电路的结构示意图。

图中：

1、第一MOS管；2、第二MOS管；3、激光管；4、二极管；5、电容；6、充电电源。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，成为新的技术方案。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本发明提供了一种驱动发射电路，如图1所示，包括：相并联的第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路和光源发射电路，二极管所述光源发射电路包括激光管3，所述光源发射电路分别在第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电作用下输出设定的低功率光束和高功率光束。所述第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路均连接有脉冲电源，用于导通第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路，优选的，所述第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路共用一个脉冲电源，所述脉冲电源分时段工作，按照测量需要导通第一发射功率调整电路或第二发射功率调整电路。

所述第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路的设置，使得发射光源（激光管3）可以按照设定的工作模式分别发出功率不同的设定的低功率光束和高功率光束，所述低功率光束和高功率光束是相对于激光雷达不同的测距范围而设定的，近距离区域和远距离区域的设定是相对的，所述远距离区域对应在雾霾环境下可通过多回波技术进行测量的范围，所述近距离区域是相对于远距离区域的概念，其对应的是远距离区域和激光雷达之间的在雾霾环境中不满足多回波技术的测量范围。所述低功率光束的射程控制在近距离区域内，所述高功率光束的射程覆盖近距离区域和远距离区域。通过驱动发射电路发出设定的低功率光束和高功率光束，通过低功率光束和高功率光束交替测试的测试结果准确判断出障碍物的准确位置和方位。减小了激光雷达在雾霾环境中盲区较大的问题，解决了多回波技术在处理雾霾环境下激光雷达的测量技术计算复杂且准确度不高的问题。

为了保证第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路具有设定的倍率差，并做到快速调节，所述第一发射功率调整电路包括串联的第一功率场效应管和电阻R2，所述第二发射功率调整电路包括串联的第二功率场效应管和电阻R3，所述电阻R2和电阻R3具有设定的倍率差，所述电阻R2和电阻R3接地。可选择的，所述功率所述功率场效应管为MOS场效应管（简称MOS管）或GaN场效应管（简称GaN管），也就是所述第一功率场效应管和第二功率场效应管分别为第一MOS管和第二MOS管；或者，所述第一功率场效应管和第二功率场效应管分别为第一GaN管和第二GaN管。优选的，所述第一功率场效应管和第二功率场效应管分别为第一MOS管和第二MOS管。

具体实施中，所述近距离区域的范围一般是小于等于10m，所述远距离区域的范围一般大于10m，因此，为了保证低功率光束和高功率光束的功率满足测量和区分的设定，所述电阻R3=K×R2，且75≤K≤115，所述K为正常数。优选的，R3=105×R2。

为了提高光源发射电路的发射频率和发射效率，所述驱动发射电路还包括充电电路，所述充电电路包括充电电源6、与激光管3相串联的电容5和充电电阻R1，以及与激光管3相并联的二极管4；所述二极管4与所述激光管3的导通方向相反，以使得充电时激光管3处于断开状态，二极管4处于导通状态，放电时激光管3处于导通状态，二极管4处于断开状态。所述充电电阻R1用于调整电容5的充电速度，所述充电电阻R1越小，所述电容5的充电速率越快。所述二极管4用于电容5充电。所述充电电阻R1分别串联第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路，所述激光管3和二极管4均接地。

具体实施时，在脉冲电源没有发射脉冲时，第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路均未导通，所述电容5通过充电电源6和充电电阻R1对电容5进行充电，且充电电流的方向与激光管3激发的方向相反，因此激光管3处于不被激发状态；当电容5充满电后，充电电路断开，首先通过脉冲电源发出脉冲触发第一发射功率调整电路的第一MOS管1导通，将第一发射功率调整电路导通，此时因为激光管3和电阻R2均接地，电容5快速放电，高压电流流入激光管3，使得激光管3激发出低功率光束，之后，第一MOS管1因不再接收到脉冲而断开，第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路处于均未导通状态，所述电容5通过充电电源6和充电电阻R1对电容5进行充电，且充电电流的方向与激光管3激发的方向相反，当电容5充满电后，充电电路断开，通过脉冲电源发出脉冲触发第二发射功率调整电路的第二MOS管2导通，也就是第二发射功率调整电路导通，此时因为激光管3和电阻R3均接地，电容5快速放电，高压电流流入激光管3，使得激光管3激发出高功率光束。

优选的，为了兼顾不同使用环境和测量频率的要求，所述充电电阻R1的阻值可调，通过减小充电电阻R1的阻值来提高电容5充电速率，通过增大充电电阻R1的阻值来降低电容5充电速率。充电电阻R1阻值可调的设置，提高驱动发射电路的性能稳定和使用寿命，同时满足多种测量要求。

本发明还提供了一种激光雷达，包括发射模块、接收模块和主控板，所述发射模块包括发射光源和所述的驱动发射电路，所述接收模块包括与驱动发射电路相连接的光电芯片，所述主控板与光电芯片和驱动发射电路相连接，所述主控板根据光电芯片得到的低功率光束和高功率光束的回波计算障碍物的距离和位置信息。所述发射光源优选为激光管。

通过驱动发射电路的设置，使得激光雷达在雾霾测量环境中根据回波信号的数量、顺序和是否在误差范围判断出障碍物位于近距离区域或远距离区域，解决了多回波处理方式存在的盲区较大和运算处理负荷过大的问题，提高了测量效率和测量准确度。

为了进一步提高不同雾霾浓度环境下对近距离范围、远距离范围、低功率光束和高功率光束的高效配比，所述主控板上连接有用于根据雾霾浓度调整近距离发射光束的发射功率的雾霾浓度测量模块，第一发射功率调整电路的电阻R2的阻值可调。通过电阻R2和/或电阻R3的阻值调整，可以改变低功率光束的功率，以适应不同雾霾浓度，使得低功率光束既能覆盖近距离范围，又无法达到远距离区域的要求，也就是低功率光束在远距离区域无法测量出有效回波的要求。

本发明还提供了一种测量方法，通过采用高功率发射光束和在设定的近距离区域无回波的低功率发射光束的交替测量的测量结果，判断激光雷达的测量环境有无雾霾，判断障碍物位于与低功率发射光束对应的近距离区域还是与高功率发射光束对应的远距离区域，确定障碍物回波并计算出测量结果。

通过高功率发射光束和低功率发射光束交替发射的测量方法，准确判断出测量环境和障碍物的所在区域，快速准确，同时减小了激光雷达在雾霾环境下的盲区。

具体实施时，所述测量方法还包括：

分别采用低功率发射光束和高功率发射光束交替测量一次；激光雷达优选采用脉冲激光发射器，低功率发射光束和高功率发射光束交替发射一次；

当光电芯片对应低功率发射光束测量和高功率发射光束测量分别检测到一个回波，且两个回波的差值在设定误差范围内，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果。

此种情况下，障碍物存在于近距离区域或者远距离局域内靠近近距离区域的范畴，在没有雾霾的情况下，低功率发射光束和高功率发射光束交替发射，光电芯片均能得到从障碍物发射后的回波，因为高功率光束的功率足，对应高功率光束的回波相对于对于低功率光束的回波信噪比好，因此取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果。

本情况中，如果两个回波的差值超出设定误差范围，则弃用本次测量结果，重复进行分别采用低功率发射光束和高功率发射光束交替测量一次。

当光电芯片仅对应高功率发射光束的测量检测到一个回波，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波对应计算测试结果；此种情况下，障碍物位于远距离区域，低功率发射光束未能达到障碍物或者低功率发射光束因能量不足其反射光束未能被光电芯片有效接收，因此，光电芯片仅能检测到对应高功率发射光束的一个回波，因此，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波对应计算测试结果，即可准确输出障碍物的距离和方位。

当光电芯片对应高功率发射光束测量检测到两个回波，对应低功率发射光束测量未检测到回波，判断测量环境有雾霾，取光电芯片对应高功率发射光束接收到的第二个回波计算测试结果；此种情况下，激光雷达所处的测量环境有雾霾，且近距离区域没有障碍物，因此光电芯片未能检测到低功率发射光束的回波，光电芯片顺次收到高功率发射光束的两个回波，其中光电芯片收到高功率发射光束的第一个回波为雾霾反射的回波，光电芯片收到高功率发射光束的第一个回波为远距离区域的障碍物反射的回波，因此取光电芯片对应高功率发射光束接收到的第二个回波计算测试结果，即可得出雾霾环境中远距离区域的障碍物的距离和方位。

当光电芯片对应低功率发射光束测量和高功率发射光束测量分别检测到一个回波，且两个回波的差值超出设定的误差范围，则判断测量环境有雾霾，取光电芯片接收到的对应低功率发射光束的回波计算测试结果。此种情况下，激光雷达所处的测量环境有雾霾，且障碍物位于近距离区域，高功率发射光束在测量过程中被雾霾反射的回波和被障碍物反射的回波混合后被光电芯片接收，因此光电芯片接收到的高功率发射光束较障碍物的实际距离要近，测量距离和实际距离的误差大于设定的误差；低功率发射光束因为总体能量较小，在测量过程中被雾霾反射的回波信号过弱无法被光电芯片检测到，或者，即使被光电芯片接收到，也作为噪声被忽略或过滤掉；因此，在测量过程中低功率发射光束被障碍物反射的回波被光电芯片接收，且与障碍物的实际距离误差小于设定误差范围，测量距离和实际距离的误差大于设定的误差；因此，取光电芯片接收到的对应低功率发射光束的回波计算测试结果，即可测出在雾霾环境下障碍物位于近距离区域的距离和方位。

具体实施时，近距离区域的距离取值范围L根据激光雷达的量程和雾霾浓度的大小进行调整，随着雾霾浓度的加大，近距离区域的距离取值范围L越小；所述近距离区域的距离取值范围L的取值范围为：2m≤L≤10m。进一步的，通过雾霾浓度测量模块的测量数据，对应调整电阻R2和/或电阻R3的阻值，调整近距离区域和远距离区域的设置。通过近距离区域和远距离区域的设置和配合，减小了使用多回波技术进行测量时盲区较大的问题。优选的，所述近距离区域的距离取值范围L的取值为2m。所述近距离区域的距离取值范围L的取值为2m的设置，满足了日常生活中雾霾的能见度在大于等于10米的范围内，可以满足激光雷达正常测量的要求。

综上所述，所述第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路的设置，使得发射光源可以按照设定的工作模式分别发出功率不同的低功率光束和高功率光束，所述低功率光束的射程控制在近距离区域内，所述高功率光束的射程覆盖近距离区域和远距离区域。通过低功率光束和高功率光束的测试结果准确判断出激光雷达所测的障碍物的准确位置和方位。减小了激光雷达在雾霾环境中盲区较大的问题，解决了多回波技术在处理雾霾环境下激光雷达的测量技术计算复杂且准确度不高的问题。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种驱动发射电路，其特征在于，包括：相并联的第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路和光源发射电路，所述光源发射电路包括激光管，所述光源发射电路分别在第一发射功率调整电路和第二发射功率调整电路作用下输出设定的低功率光束和高功率光束；

所述低功率光束的射程控制在近距离区域内，所述高功率光束的射程覆盖近距离区域和远距离区域。

2.根据权利要求1所述的驱动发射电路，其特征在于，所述第一发射功率调整电路包括串联的第一功率场效应管和电阻R2，所述第二发射功率调整电路包括串联的第二功率场效应管和电阻R3，所述电阻R2和电阻R3具有设定的倍率差，所述电阻R2和电阻R3接地。

3.根据权利要求2所述的驱动发射电路，其特征在于，所述功率场效应管为MOS场效应管或GaN场效应管。

4.根据权利要求2所述的激光雷达的驱动发射电路，其特征在于，所述电阻R3=K×R2，且75≤K≤115，所述K为正常数。

5.根据权利要求4所述的驱动发射电路，其特征在于，R3=105×R2。

6.根据权利要求1-5任一项所述的驱动发射电路，其特征在于，还包括充电电路，所述充电电路包括充电电源、与激光管相串联的电容和充电电阻R1，以及与激光管相并联的二极管，所述充电电阻R1分别串联第一发射功率调整电路、第二发射功率调整电路，所述激光管和二极管均接地。

7.根据权利要求6所述的驱动发射电路，其特征在于，所述充电电阻R1的阻值可调，通过减小充电电阻R1的阻值来提高电容充电速率。

8.一种激光雷达，其特征在于，包括发射模块、接收模块和主控板，所述发射模块包括发射光源和如权利要求1-7任一项所述的驱动发射电路，所述接收模块包括与驱动发射电路相连接的光电芯片，所述主控板与光电芯片和驱动发射电路相连接，所述主控板根据光电芯片得到的低功率光束和高功率光束的回波计算障碍物的距离和位置信息。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述主控板上连接有用于根据雾霾浓度调整近距离发射光束的发射功率的雾霾浓度测量模块，第一发射功率调整电路的电阻R2和/或第二发射功率调整电路的电阻R3的阻值可调。

10.一种测量方法，其特征在于，通过采用高功率发射光束和在设定的近距离区域无回波的低功率发射光束的交替测量的测量结果，判断激光雷达的测量环境有无雾霾，判断障碍物位于与低功率发射光束对应的近距离区域还是与高功率发射光束对应的远距离区域，确定障碍物回波并计算出测量结果。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，分别采用低功率发射光束和高功率发射光束交替测量一次；

当光电芯片对应低功率发射光束测量和高功率发射光束测量分别检测到一个回波，且两个回波的差值在设定误差范围内，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果；

当光电芯片仅对应高功率发射光束检测到一个回波，判断测量环境没有雾霾，取光电芯片接收到的对应高功率发射光束的回波计算测试结果；

当光电芯片对应高功率发射光束检测到两个回波，对应低功率发射光束未检测到回波，判断测量环境有雾霾，取光电芯片对应高功率发射光束的第二个回波计算测试结果；

当光电芯片分别对应低功率发射光束和高功率发射光束分别检测到一个回波，且两个回波的差值超出设定的误差范围，则判断测量环境有雾霾，取光电芯片接收到的对应低功率发射光束的回波计算测试结果。

12.根据权利要求10或11所述的测量方法，其特征在于，所述近距离区域的距离取值范围L的取值范围为：2m≤L≤10m。

13.根据权利要求12所述的测量方法，其特征在于，所述近距离区域的距离取值范围L的取值为2m。