CN113156397B - 一种高灵敏度激光雷达及其信号处理方法、定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度激光雷达及其信号处理方法、定位方法，通过将若干个相互并联的单元光电传感器组成一个微型光电阵列，当扫描环境的激光信号从目标物反射后回到激光雷达上的微型光电阵列时，接收到该激光信号的各个单元光电传感器进行光电信号转换，各个单元光电传感器的输出信号以及噪音信号均进行叠加，而噪音信号具有相反极性的部分，叠加以后有部分的噪音信号通过正负叠加而消失，输出信号叠加后信号加强，此消彼长，基于这两个因素可在低延时情况下得到较大的信噪比，且在提高信噪比后再由信号放大器进行信号放大，使得这样的激光雷达能采集到较为微弱的信号。本发明可用于智能驾驶的主动安全技术、无人驾驶、无人机、机器人等需要应用精密传感器的领域。

Description

一种高灵敏度激光雷达及其信号处理方法、定位方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种高灵敏度激光雷达及其信号处理方法、定位方法。
背景技术
在雷达通讯与传感器技术中，设备接收***是否能够高度灵敏地感知外界物理信息无疑往往是至关重要的，由于传感器中存在着各种不依赖于外来信号而存在的噪音，当接收***接收的信号微弱时，这种噪音往往会把被检测的信号掩盖（即信噪比小于接受***的阈值）而导致***检测工作的失效。这个情况在雨雪雾天、远距离以及小目标或者反射性能差的目标上尤为显著。这个问题成了无人驾驶甚至安全驾驶辅助***必定要克服的障碍。
现有技术中有相位检测、同步检测等技术，这些技术主要是利用前后信号呈现的关系，对同一信号进行累加，或者根据数据之间的相关性进行判断，从而得到较高的信噪比，但这些做法共同的问题是进行数据的积累需要较长的时间。其中以CCD（(ChargeCoupled Device）器件为例，采用面阵的时间延迟积分TDI-CCD应用于弱光高速成像，从结构上看其像一个矩形面阵的CCD器件，其成像区可以看成由一列垂直CCD寄存器组成，TDI器件一般用于长线列推扫，目标图像将依次扫过各级TDI像元，第一级像元在第一个曝光积分周期内收集信号电荷，此信号电荷并不直接输出而是转移至第二级像元，在第二个积分周期，第二级像元在上级转入信号电荷的基础上对同一目标进行曝光并收集信号电荷，再转移至第三级像元，以此类推，将最后一行（N行）像元收集到的信号电荷与前N-1此收集到的信号电荷累加移到输出寄存器中并输出。因此TDI方向的电荷转移为串行移位方式，每级像元将电荷转出的同时也接收前级转入的信号电荷，并在下一个积分周期对下一个目标进行曝光，所以每经过一个积分周期，TDI-CCD将输出一行视频信号。TDI-CCD是可以通过增加积分时间提高信噪比，TDI器件一般用于长线列推扫，使用时严格要求TDI的时间延迟与光机推扫同步，以保证TDI的积分是对同一目标不同时刻光生电荷的累加。但在实际应用中，这些延时时间是不被允许的，例如激光雷达，瞬间就可能导致事故的发生。
随着智能化物联网技术的扩展，激光雷达也更多地应用到无人设备和机器人，与GPS定位导航技术在无人设备和机器人上的应用相比，GPS定位导航技术的定位误差较大，使无人设备和机器人无法精确地到达指定目标点，而激光雷达在这些范围较小或周围环境复杂的地方具有更好的技术优势。
发明内容
发明要解决的技术问题
激光雷达如何在低延时情况下提高信噪比以及在GPS定位不准确情况下如何利用激光雷达实现精确定位的技术问题。
技术方案
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种高灵敏度激光雷达的信号处理方法，包括步骤
S30，光电传感器模组接收外部反射的激光信号，所述光电传感器模组上形成按照m行*n列排列的微型光电阵列， 所述步骤S30包括以下步骤， S301，所述微型光电阵列接收外部反射的激光信号，所述微型光电阵列包括m*n个相互并联的单元光电传感器，所述单元光电传感器的输出端汇集于同一负载电阻上； S302，受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号并汇流到负载电阻上，使负载电阻上通过由各个受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号的叠加输出信号及由各个单元光电传感器输出的叠加噪音信号； S303，所述单元光电传感器上的噪音信号具有正负两种相反极性的部分，噪音信号叠加以后有部分的噪音信号通过正负叠加而抵消，所述输出信号叠加后信号加强，随受到激光反射的单元光电传感器数目的增加，提高负载电阻输出端的信噪比。
本发明进一步设置为还包括步骤S40，所述负载电阻输出端的信号输入至信号放大器，经信号放大器放大后的信号输入至控制器。
本发明进一步设置为还包括步骤S10，所述控制器向激光发射器发送控制信号，激光发射器接收控制器的控制信号向周围环境发射激光光束；步骤S20，发射到周围环境目标物上的激光反射到光电传感器模组上。
一种高灵敏度激光雷达，采用上述的信号处理方法，包括激光发射器、光电传感器模组和控制器，所述激光发射器与控制器电连接，激光发射器接收控制器的控制信号向周围环境发射光束；所述光电传感器模组包括若干个相互并联且形成阵列的单元光电传感器，所述单元光电传感器的输出端汇集于同一负载电阻上。
本发明进一步设置为负载电阻与信号放大器的输入端电连接，所述信号放大器将各个单元光电传感器的输出信号合并后进行放大，将输出放大信号至控制器的输入端。
本发明进一步设置为还包括壳体，所述控制器、所述激光发射器均位于壳体内部，所述光电传感器模组上的单元光电传感器环绕布置在壳体的外周。
一种高灵敏度激光雷达的定位方法，基于上述高灵敏度激光雷达，还包括以下步骤，
S50，预设标记物形成封闭区域，控制器获得激光雷达在第一采集点的第一采集数据，以第一采集点为基点进行全局建模，将第一采集数据转化成对应的第一坐标轴信息；S60，将封闭区域和第一坐标轴信息比较来判断第一采集数据是否满足预设要求；若所述第一坐标轴信息满足预设要求，执行步骤S80；若所述第一坐标轴信息不满足预设要求，执行步骤S70； S70，在预设采集次数x内，根据已获得的坐标轴信息，控制激光雷达向未采集到坐标轴信号的预设标记物的所在区域进行移动，到达下一个采集点进行周围环境的采集并得到下一坐标轴信息，将已获得的坐标轴信息进行整合，直至已获得的坐标轴信息的叠加满足预设要求；达到预设采集次数x后，仍存在已获得的坐标轴信息的叠加不满足预设要求，则放弃定位采集； S80，完成区域定位采集，将所有采集到的坐标轴信息进行保存，构建出完整的全局坐标轴信息，激光雷达与云服务器形成通信连接，云服务器对激光雷达的全局坐标轴信息进行保存，移动设备终端与云服务器连接形成，接收来自云服务器的信息反馈，同时发送指令至云服务器，对激光雷达进行操作管理。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）通过将若干个相互并联的单元光电传感器组成一个微型光电阵列，当扫描环境的激光信号从目标物反射后回到激光雷达上的微型光电阵列时，接收到该激光信号的各个单元光电传感器进行光电信号转换，各个单元光电传感器的输出信号以及噪音信号均进行叠加，而噪音信号具有相反极性的部分，叠加以后有部分的噪音信号通过正负叠加而消失，输出信号叠加后信号加强，此消彼长，基于这两个因素可在低延时情况下得到较大的信噪比，而该高信噪比的获得方式不同于面阵的CCD器件的工作方式，本光电传感器模组并不需要通过时间延迟积分来提高信噪比，且具有超高性价比，同时使本技术方案能在其所不适用的场合，例如要求响应时间较快的场合：物联网无人驾驶等领域。
（2）受到激光反射信号的单元光电传感器输出电流信号并汇流到负载电阻上，负载电阻上获得较大的叠加功率，提高信噪比后再由信号放大器进行信号放大，使得这样的激光雷达能采集到较为微弱的信号，尤其在雨雪雾天、远距离以及小目标或者反射性能差的目标上尤为显著。
（3）基于该激光雷达的信号处理方法可以应用于要求精度较高的区域定位检测，通过激光雷达检测到的坐标轴信息，与预设标记物构成的封闭区域进行匹配，可实现区域环境的精准定位。
附图说明
图1为本发明实施例高灵敏度激光雷达的信号处理方法中步骤S30流程示意图。
图2为本发明实施例高灵敏度激光雷达的信号处理方法流程示意图。
图3为本发明实施例高灵敏度激光雷达的定位方法流程示意图。
图4为本发明实施例高灵敏度激光雷达应用时信号传输示意图。
图5为本发明实施例光电传感器模组与信号放大器连接电路原理图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。同一实施例中的多个技术方案，以及不同实施例的多个技术方案之间，可进行排列组合形成新的不存在矛盾或冲突的技术方案，均在本发明要求保护的范围内。
实施例1
结合附图1、图2、图4，本发明技术方案是一种高灵敏度激光雷达的信号处理方法，包括以下步骤，
S10，所述控制器向激光发射器发送控制信号，激光发射器接收控制器的控制信号向周围环境发射激光光束；
S20，发射到周围环境目标物上的激光反射到光电传感器模组上；
S30，光电传感器模组接收外部反射的激光信号，提高其输出端的信噪比，所述光电传感器模组上形成按照m行*n列排列的微型光电阵列，所述步骤S30包括以下步骤，
S301，所述微型光电阵列接收外部反射的激光信号，所述微型光电阵列包括m*n个相互并联的单元光电传感器，所述单元光电传感器的输出端汇集于同一负载电阻上；
S302，受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号并汇流到负载电阻上，使负载电阻上通过由各个受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号的叠加输出信号及由各个单元光电传感器输出的叠加噪音信号；
S303，所述单元光电传感器上的噪音信号具有正负两种相反极性的部分，噪音信号叠加以后有部分的噪音信号通过正负叠加而抵消，所述输出信号叠加后信号加强，随受到激光反射的单元光电传感器数目的增加，提高负载电阻输出端的信噪比；
S40，所述负载电阻输出端的信号输入至信号放大器，经信号放大器放大后的信号输入至控制器。
以下分析论证并联输出微型光电阵列的提高信噪比的工作原理：
设：P(S)代表并列微型光电阵列的总输出信号功率；
P0(S)代表单元光电传感器的输出信号功率；
M代表上述微型光电阵列中受到激光反射信号的单元光电传感器的数目；
P(N)代表并列微型光电阵列的噪音总功率；
P0(N)代表单元光电传感器的输出噪音功率；
λ是接收电路的信噪比，接收电路是指多个单元光电传感器组建的并联微型光电阵列的参数；
λ0是一个单元光电传感器构建的接收电路信噪比。
设噪音的形式为多股噪音源组成，即：
Figure 347441DEST_PATH_IMAGE001
由于
Figure 997865DEST_PATH_IMAGE002
包含正负两部分，
Figure 656380DEST_PATH_IMAGE003
备注：在通讯技术的电路中，
Figure 290623DEST_PATH_IMAGE004
P+(N)代表噪音中的正极性部分功率之总和；P-(N)代表噪音中的负极性部分功率之总和。
Figure 325575DEST_PATH_IMAGE005
从抛掷钱币数据分析样本空间扩大对偏离度的收敛作用出发，来类比本发明技术方案中 由多个单元光电传感器构建的并联汇总输出微型光电阵列对噪音功率叠加的实际影响。
下表中的实验数据是来自于北京大学出版社出版的祖力和邝雪松主编的《工程数学》。
Figure 96085DEST_PATH_IMAGE006
表中代号注释：抛掷的次数不同，引起正反面比列的偏离中值即0.5程度都不同，次数越多，偏离越小。我们把每批钱币正面朝上的概率相对于0.5的偏离量和0.5的比值定义为偏离度σ。即σ=（该批次抛掷正面朝上概率-中值0.5）/中值0.5。
根据抛掷钱币数据分析样本空间扩大对偏离度的收敛作用，具有正态分布规律，将由此可得呈相反极性的单元光电传感器的噪音信号叠加后，其并列微型光电阵列的噪音总功率与单元光电传感器的输出噪音功率的比值符合上述理论关系，可得
Figure 191080DEST_PATH_IMAGE007
。
而各个单元光电传感器的电流信号叠加，使微型光电阵列输出的电流信号是单元光电传感器输出的电流信号的M倍，可以得到：
Figure 545576DEST_PATH_IMAGE008
Figure 649798DEST_PATH_IMAGE009
综上所述，由多个单元光电传感器组建的并联微型光电阵列的信噪比λ与单元光电传感器构建的接收电路信噪比λ0是存在以下系数关系：
Figure 9235DEST_PATH_IMAGE010
由此可见，相对于单个单元光电传感器构建的接收电路信噪比，并联微型光电阵列的信噪比的提高倍数与单元光电传感器个数M存在以下关系，如下表，
M 16 100 225 625 900
信噪比的提高倍数 1.6*10<sup>4</sup> 10<sup>7</sup> 1.7*10<sup>8</sup> 6*10<sup>9</sup> 2.2*10<sup>10</sup>
例如，假设单个单元光电传感器构成的接收***检测到的信号是0.001PW，***内部噪音是1PW之时，单个单元光电传感器来处理信噪比是0.001；如果采用16个单元光电传感器构建的同质同构微型光电阵列，信噪比λ将变成0.001*16000=16。
可见本技术构建的检测***可以远离一般热噪音（thermal noise）的干扰。当然其他噪音，例如幅度可以很强的爆发性噪音（boost noise）的分布较为稀少，不服从正态分布规律，还可能造成干扰，但是由于它和信号同时存在的几率非常之低，已经非常不容易干扰到接收***，以及所有应用此种技术的通信***和传感仪器设备的检测工作，信噪比解决之后，倘若传感器的输出不够大，可以通过再加大模拟放大器效能把电信号放大。
实施例2
结合附图4和5，本发明技术方案是采用实施例1信号处理方法的一种高灵敏度激光雷达，包括激光发射器2、光电传感器模组3、控制器1、信号放大器4、壳体，所述激光发射器2与控制器1电连接，激光发射器2接收控制器1的控制信号向周围环境发射光束；光束照射至周围环境中的目标物后反射至光电传感器模组3；所述光电传感器模组3包括若干个相互并联且阵列排布的单元光电传感器31，所述单元光电传感器31的输出端汇集于同一负载电阻32上；所述负载电阻32与信号放大器4的输入端电连接，所述信号放大器4将各个单元光电传感器31的输出信号合并后进行放大，输出放大信号至控制器1的输入端，所述控制器1、所述激光发射器2均位于壳体内部，所述光电传感器模组3上的单元光电传感器31环绕布置在壳体的外周。
实施例3
结合附图1-3，本发明技术方案是基于实施例2高灵敏度激光雷达的基础上的一种定位方法，还包括以下步骤，
S50，预设标记物形成封闭区域，控制器获得激光雷达在第一采集点的第一采集数据，以第一采集点为基点进行全局建模，将第一采集数据转化成对应的第一坐标轴信息；
S60，将封闭区域和第一坐标轴信息比较来判断第一采集数据是否满足预设要求；若所述第一坐标轴信息满足预设要求，执行步骤S80；若所述第一坐标轴信息不满足预设要求，执行步骤S70；
S70，在预设采集次数x内，根据已获得的坐标轴信息，控制激光雷达向未采集到坐标轴信号的预设标记物的所在区域进行移动，到达下一个采集点进行周围环境的采集并得到下一坐标轴信息，将已获得的坐标轴信息进行整合，直至已获得的坐标轴信息的叠加满足预设要求；达到预设采集次数x后，仍存在已获得的坐标轴信息的叠加不满足预设要求，则放弃定位采集；
S80，完成区域定位采集，将所有采集到的坐标轴信息进行保存，构建出完整的全局坐标轴信息，激光雷达与云服务器形成通信连接，云服务器对激光雷达的全局坐标轴信息进行保存，移动设备终端与云服务器连接形成，接收来自云服务器的信息反馈，同时发送指令至云服务器，对激光雷达进行操作管理。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。本发明可用于智能驾驶的主动安全技术、无人驾驶、无人飞行器、机器人等需要应用精密传感器的领域。

Claims (6)

1.一种高灵敏度激光雷达的信号处理方法，其特征在于，包括：S10，控制器向激光发射器发送控制信号，激光发射器接收控制器的控制信号向周围环境发射激光光束；
S20，发射到周围环境目标物上的激光反射到光电传感器模组上；
S30，光电传感器模组接收外部反射的激光信号，所述光电传感器模组上形成按照m行*n列排列的微型光电阵列，
步骤S30包括以下步骤，
S301，所述微型光电阵列接收外部反射的激光信号，所述微型光电阵列包括m*n个相互并联的单元光电传感器，m*n个单元光电传感器构建的同质同构微型光电阵列，所述单元光电传感器的输出端汇集于同一负载电阻上；
S302，受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号并汇流到负载电阻上，使负载电阻上通过由各个受到激光反射的单元光电传感器输出电流信号的叠加输出信号及由各个单元光电传感器输出的叠加噪音信号；
S303，所述单元光电传感器上的噪音信号具有正负两种相反极性的部分，噪音信号叠加以后有部分的噪音信号通过正负叠加而抵消，所述叠加输出信号加强，随受到激光反射的单元光电传感器数目的增加，提高负载电阻输出端的信噪比；
设：P(S)代表并联微型光电阵列的总输出信号功率；
P0(S)代表单元光电传感器的输出信号功率；
M代表上述微型光电阵列中受到激光反射信号的单元光电传感器的数目；
P(N)代表并联微型光电阵列的噪音总功率；
P0(N)代表单元光电传感器的输出噪音功率；
λ是微型光电阵列接收电路的信噪比，微型光电阵列接收电路是若干个相互并联的单元光电传感器构建成的；
λ0是一个单元光电传感器构建成的接收电路信噪比；
P(N)与P0(N)的比值和单元光电传感器的数目M的关系，如下式(1)
Figure FDA0003246244830000011
P(S)与P0(S)的比值和单元光电传感器的数目M的关系，如下式(2)
Figure FDA0003246244830000012
λ与λ0的比值和单元光电传感器的数目M的关系，如下式(3)
Figure FDA0003246244830000021
可得由若干个单元光电传感器组建的并联微型光电阵列接收电路的信噪比与一个单元光电传感器构建的接收电路的信噪比的比值为M3.5。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度激光雷达的信号处理方法，其特征在于，还包括：
S40，所述负载电阻输出端的信号输入至信号放大器，经信号放大器放大后的信号输入至控制器。
3.一种高灵敏度激光雷达，其特征在于，采用权利要求1-2之一所述的信号处理方法，包括激光发射器、光电传感器模组和控制器，所述激光发射器与控制器电连接，激光发射器接收控制器的控制信号向周围环境发射光束；
所述光电传感器模组包括若干个相互并联且阵列排布的单元光电传感器，所述单元光电传感器的输出端汇集于同一负载电阻上。
4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度激光雷达，其特征在于，所述负载电阻与信号放大器的输入端电连接，所述信号放大器将负载电阻的输出信号进行放大，输出放大信号至控制器的输入端。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度激光雷达，其特征在于，还包括壳体，所述控制器、所述激光发射器均位于壳体内部，所述光电传感器模组上的单元光电传感器环绕布置在壳体的外周。
6.一种高灵敏度激光雷达的定位方法，其特征在于，基于权利要求3-5之一所述的高灵敏度激光雷达，还包括以下步骤，
S50，预设标记物形成封闭区域，控制器获得激光雷达在第一采集点的第一采集数据，以第一采集点为基点进行全局建模，将第一采集数据转化成对应的第一坐标轴信息；
S60，将封闭区域和第一坐标轴信息比较来判断第一采集数据是否满足预设要求；若所述第一坐标轴信息满足预设要求，执行步骤S80；若所述第一坐标轴信息不满足预设要求，执行步骤S70；
S70，在预设采集次数x内，根据已获得的坐标轴信息，控制激光雷达向未采集到坐标轴信号的预设标记物的所在区域进行移动，到达下一个采集点进行周围环境的采集并得到下一坐标轴信息，将已获得的坐标轴信息进行整合，直至已获得的坐标轴信息的叠加满足预设要求；达到预设采集次数x后，仍存在已获得的坐标轴信息的叠加不满足预设要求，则放弃定位采集；
S80，完成区域定位采集，将所有采集到的坐标轴信息进行保存，构建出完整的全局坐标轴信息，激光雷达与云服务器形成通信连接，云服务器对激光雷达的全局坐标轴信息进行保存，移动设备终端与云服务器连接形成，接收来自云服务器的信息反馈，同时发送指令至云服务器，对激光雷达进行操作管理。
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