CN114442106A - 激光雷达***的校准方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光雷达测距技术领域，具体涉及一种激光雷达***的校准方法及装置。克服现有校准方法存在的精度低、成本高、效率低以及无法适用于共轴光学***激光雷达的技术问题。校准***包括校准平台、标准反射板、并行放置在校准平台上的脉冲激光发射光源与待校准激光雷达。利用外置脉冲激光发射光源，发出激光脉冲，打到标准反射板上，并由待校准激光雷达接收其反射回来的回波光能量；通过控制，使得每次激光脉冲发射后，不管是共轴或异轴光学***均可以快捷的得到尽可能多的强度不同的回波电信号，且在校准过程中以回波脉宽作为特征点，对回波电信号进行分类，对不同类别的回波电信号时刻值进行不同方式的时间补偿值计算，达到更高的校准精度。

Description

激光雷达***的校准方法及装置
技术领域
本发明属于激光雷达测距技术领域，具体涉及一种激光雷达校准方法及装置。
背景技术
激光雷达通过发射激光到目标，对目标反射光信号进行处理来探测目标的位置，位移等特征。利用激光雷达可以快速准确的获取周围物体的空间信息。因不同距离及不同反射率物体产生的反射光信号(以下简称“回波信号”)强度不同，处理器在对回波信号进行处理时，不同强度回波信号计算出的距离与真实距离存在不确定的差值。为了在各种条件下都能得到准确的测距值，需要对激光雷达进行校准。准确校准有利于提高雷达的测距精度，保证雷达工作的可靠性。
现有的激光雷达校准方法通常需要多个标准反射板或某种特制的具有多个反射率区域的反射板进行校准，以获得足够多的不同强度的反射光信息。采用上述类型的反射板标定需要多次更换反射板以及改变反射板与雷达的相对位置，得到的数据量有限，使得校准精度较低且校准效率较低，成本较高。
专利CN109001713A中提出了一种校准***，其利用挡板对激光雷达发射的激光束进行遮挡，以达到调节出射激光能量的效果，进而使激光雷达接收***得到多种不同强度的回波能量，此种方法无需多次更换反射板或改变反射板与雷达的相对位置，达到了简化校准过程的效果。但此种方式适用于发射窗口与接收窗口独立的异轴激光雷达，对于发射与接收共用窗口的共轴激光雷达则存在缺陷：挡板遮挡部分发射窗口时，相当于同时遮挡了发射与接收窗口，在挡板处被遮挡的激光能量会直接被接收光路所接收，进而转变成回波信号，影响对待测物体真实回波信号的判断，导致校准精度较低。
因此有必要提供一种精度高、低成本、效率高、且对共轴光学***和异轴光学***都适用的激光雷达校准***及校准方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于共轴光学***及异轴光学***激光雷达***的校准方法及装置，以克服现有校准方法存在的精度低、成本高、效率低以及无法适用于共轴光学***激光雷达的技术问题。
本发明的技术方案是提供一种激光雷达***的校准方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、确定激光雷达测距公式；
Figure BDA0003494396620000021
其中，公式(1)针对不饱和回波信号，公式(2)针对脉冲宽度小于分界值的饱和回波信号，公式(3)针对脉冲宽度大于等于分界值的饱和回波信号；
其中，y为激光雷达与物体之间的距离，a为实际激光传播速度，b为电路延迟，Δt等于(t2-t1)/2，t1为脉冲激光发射光源发出激光脉冲的时刻，t2为激光雷达***处理器计算的回波信号的峰值时刻点；C1为(t3-t2)/2，t3为饱和回波信号的真实回波峰值时刻点；Δt'为(t4-t1)/2，t4为激光雷达***处理器计算的饱和回波信号的上升沿时刻点，c2为(t3-t4)/2；
步骤2、标定C1和C2；
步骤2.1、***搭建；
将脉冲激光发射光源与待校准激光雷达并行放置在校准平台上；在距离校准平台固定已知距离处放置一标准反射板；
步骤2.2、获得不同强度的回波信号；
脉冲激光发射光源发出激光脉冲，打到标准反射板上，并由待校准激光雷达接收其反射回来的回波光能量；
调节激光脉冲或控制待校准激光雷达内部旋转部件转动，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号；
步骤2.3、对不同强度回波信号，进行分类处理，获得关于C1和C2与饱和回波信号脉冲宽度一一对应的关系列表；
步骤3、标定a、b；
标定激光雷达测距公式中的a，b，完成校准。
进一步地，步骤2.3具体包括以下步骤：
步骤2.31、确定不饱和回波信号的真实峰值时刻点；
将激光雷达***处理器计算的回波峰值时刻点作为不饱和回波信号的真实峰值时刻点；
步骤2.32、确定饱和回波信号的真实峰值时刻点；
步骤2.321、以步骤2.31确定的不饱和回波信号的真实峰值时刻点作为基准时刻点；
步骤2.322、针对不同脉冲宽度的饱和回波信号，计算处理器计算的回波信号时刻点与基准时刻点的差值，作为时间补偿值；其中回波信号时刻点为回波信号的峰值时刻点或上升沿时刻点；
步骤2.323、把不同饱和回波信号的脉冲宽度与对应的时间补偿值作为校准参数表存储在激光雷达内部存储器中；即获得了获得关于C1和C2与饱和回波信号脉冲宽度一一对应的关系列表；实现C1和C2的标定。
进一步地，步骤2.1中标准反射板的反射率大于95％。
进一步地，为提高准确性，步骤2.31中，选取多个不饱和回波信号的回波峰值时刻点，计算其平均时刻点，将该平均时刻点作为不饱和回波信号的真实峰值时刻点。
进一步地，步骤2.2中调节激光脉冲使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号，具体为：
调节脉冲激光发射光源以不同的出射角度出设激光脉冲，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号；
或，
通过设置在出设光路中的挡板，遮挡部分激光脉冲或接收窗口面积，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号。
进一步地，步骤3具体为：
通过测量距雷达不同已知距离处标准反射板的峰值时刻点，得到若干组对应的Δt、Δt+c1与距离y，并拟合出Δt、Δt+c1与y的关系曲线，即可确定y＝aΔt+b、y＝a(Δt+c1)+b中的a，b；
通过测量距雷达不同已知距离处标准反射板的上升沿时刻点，得到若干组对应的Δt'+c2与距离y，并拟合出Δt'+c2与y的关系曲线，即可确定y＝a(Δt'+c2)+b中的a，b。
本发明还提供一种激光雷达***的校准装置，其特殊之处在于：包括校准平台、并行放置在校准平台上的脉冲激光发射光源与待校准激光雷达以及在距离校准平台固定已知距离处放置的标准反射板。
进一步地，为了得到饱和程度尽可能大的回波信号，标准反射板的反射率大于95％。
进一步地，校准装置还包括滑轨，校准平台放置在滑轨，且能够沿滑轨移动；标准反射板为i组，i为大于等于2的正整数；i组标准反射板与滑轨相互平行，沿滑轨长度方向依次排布在距滑轨不同距离处；以使待校准激光雷达在沿滑轨移动时，出射激光可打在不同距离处的标准反射板上。
进一步地，校准装置还可以包括滑轨，校准平台放置在滑轨，且能够沿滑轨移动；标准反射板为1组，与滑轨相互垂直，放置在出射激光出射光路中，以使待校准激光雷达在沿滑轨移动时，出射激光可打在标准反射板上。
进一步地，校准装置还可以包括设置在脉冲激光发射光源前或待校准激光雷达前的电动挡板，通过遮挡发射光源或接收窗口面积，调节接收光能量。
本发明的有益效果是：
本发明激光雷达***的校准***，利用外置脉冲激光发射光源，发出激光脉冲，打到标准反射板上，并由待校准激光雷达接收其反射回来的回波光能量；通过调节激光脉冲或控制待校准激光雷达内部旋转部件转动，使得每次激光脉冲发射后，不管是共轴光学***或异轴光学***均可以方便快捷的得到尽可能多的强度不同的回波电信号，且在校准过程中通过以回波脉宽作为特征点，对回波电信号进行分类，对不同类别的回波电信号时刻值进行不同方式的时间补偿值计算，以达到更高的校准精度。
附图说明
图1为激光雷达发射及接收信号处理过程；
图2为发射脉冲信号与不饱和回波脉冲信号；
图3为发射脉冲信号与饱和回波脉冲信号；
图4为a、b的计算方法示意图；
图5为校准装置示意图一；
图中附图标记为：1-脉冲激光发射光源，2-待校准激光雷达，3-校准平台；
图6为雷达标定***构成方案一(标定a、b)；
图中附图标记为：2-待校准激光雷达，4-滑轨，51-第一标准反射板，52-第二标准反射板，53-第三标准反射板，54-第四标准反射板，55-第五标准反射板；
图7为雷达标定***构成方案二(标定a、b)；
图中附图标记为：2-待校准激光雷达，4-滑轨，5-标准反射板；
图8为发射脉冲信号与较大饱和程度的回波脉冲信号；
图9为实施例三光路收发示意图；
图10为校准装置示意图二；
图中附图标记为：1-脉冲激光发射光源，2-待校准激光雷达，3-校准平台，6-电控挡板。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例中使用的校准装置，如图5所示，校准平台3上并行放置一个脉冲激光发射光源1及一台待校准激光雷达2。在距离校准平台3固定已知距离处放置一标准反射板，标准反射板反射率一般大于95％。使脉冲激光发射光源按照设定频率发出激光脉冲，打到标准反射板上，并由待校准雷达接收其反射回来的回波光能量。由于待校准雷达光路中存在旋转部件，因此，可接收到不同的回波能量。
激光雷达的测距原理是飞行时间法，即：激光脉冲打到被测物体后，反射的光信号被光电探测器接收，并经由电路转换成可被处理器识别的电信号。从发出激光脉冲到反射光信号接收的时间为激光脉冲一次往返时间，除以2即为激光脉冲到达被测物体的单程时间，再根据“距离＝时间*速度”计算出激光雷达至被测物体的距离。如图1所示为激光雷达发射及接收信号处理过程的简单示意。信号处理器可以是FPGA、SOC或其他有数据运算能力的集成电路。信号处理器通过激光驱动电路控制外部激光发射光源(激光器)，使其按照预设脉宽及频率发出脉冲激光。激光打到被测物体后产生的反射光即回波光被光电探测器接收，产生微弱脉冲光电流信号。脉冲光电流信号经信号放大电路转换成易于识别的脉冲电压信号。模数转换器对脉冲电压信号进行采集，并把采集到的模拟电压数据转换成数字信号并发送给信号处理器。信号处理器对模数转换器输出的数字信号进行处理和运算，可得到回波信号峰值时刻点，并通过计算得到最终距离值。
如图2所示，信号处理器在t1时刻发出激光脉冲P1，t2时刻为激光脉冲打到标准反射板上后，反射光产生的回波信号P2的峰值时刻，t2由信号处理器计算得到。激光雷达测距公式为：
y＝aΔt+b (1)
其中a为实际激光传播速度，Δt为(t2-t1)/2，b为电路延迟。由于空气密度，温湿度等因素，a的值需要通过标定来具体确定。Δt由处理器直接计算得到。电路延迟b受到电路构造等诸多因素影响，也需要通过标定来确定。
不同的测试距离、不同反射率的目标物，测得的回波光能量不一致。受电路限制，当回波能量较高时，回波信号将达到饱和状态。如图3，t1时刻发出激光脉冲P1，t3时刻为真实回波信号峰值时刻，t2时刻为信号处理器计算得到的回波信号P2的峰值时刻。若直接使用t2作为回波信号的峰值时刻，将会引入较大的测距误差，且该误差随着回波信号饱和程度的增加而增大。因此本发明提供一种根据t2以及回波信号脉冲宽度来找出真实回波峰值时刻t3的方法，即当回波信号饱和时，根据不同的回波信号脉冲宽度，得到不同的时间补偿值c1。因此在使用公式(1)计算激光雷达与被测物体的距离时，需要对光的飞行时间进行补偿，即：
y＝a(Δt+c1)+b (2)
为了获得更为精确的各种不同脉冲宽度的饱和回波信号的补偿值，需要大量采集到各种不同饱和程度的回波信号。本实施例中采取的方法为：在距离校准平台某一固定位置处，放置一标准反射板，为了得到饱和程度尽可能大的回波信号，反射板反射率大于95％。使脉冲激光发射光源按照固定频率连续发出激光脉冲，同时使待校准激光雷达内部旋转部件正常工作，得到不同幅度的回波信号，包括不饱和回波信号与各种不同程度的饱和回波信号。其中，不饱和回波信号经由信号处理器可直接计算出回波峰值时刻点t3，t3即为真实回波峰值时刻点，为提高准确性，可对不饱和回波信号的t3进行平均运算。对于饱和回波信号，可得到每个回波信号的脉冲宽度和t2。因此可以通过计算，得到不同脉冲宽度的饱和回波信号对应的时间补偿值c1，c1＝(t3-t2)/2。
按照处理器采集回波信号的最小分辨率，对于不饱和回波脉宽，其对应c1＝0，对每一个饱和回波脉宽，计算得到其时间补偿值c1，最终得到回波脉宽与时间补偿值的一一对应关系列表。把此参数表存储在激光雷达内部存储器中，激光雷达在距离计算时实时进行参数读取。
标定a,b的方法为：测量距雷达不同已知距离处物体的回波时刻点，得到若干组对应的Δt+c1与距离y，并拟合出Δt+c1与y的关系曲线，即可确定a，b。标定至少两个距离即可得到a、b的值，但为提高数据精确度，可标定多个距离，提高拟合精度。假设共放置5块标准反射板，5次测量后，得到5组Δt+c1与y，分别为(Δt1，y1)，(Δt2，y2)，(Δt3，y3)，(Δt4，y4)，(Δt5，y5)。如图4所示，对5组数据进行线性拟合，即可得到a、b的值。雷达与被测物体间的距离调节有多种方式，图6所示为其中一种方式：待校准激光雷达2放置在滑轨4上进行水平方向的移动，在与其移动方向垂直的不同位置处，放置多个标准反射板，分别为：第一标准反射板51，第二标准反射板52，第三标准反射板53，第四标准反射板54，第五标准反射板55；以使雷达在水平移动时，出射激光可打在不同距离处的标准反射板上。图7所示为另外一种雷达与被测物体间的距离调节方式，仅使用一块标准反射板5，通过控制待校准激光雷达2沿滑轨4前后移动的距离，调整待校准激光雷达2与标准反射板5之间的距离。两种装置部署方式不同，但数据处理方式相同。
实施例2
本实施例中使用的校准装置与实施例1完全相同，但在校准数据采集及处理上提出了不同的处理方法。参考图8，当回波信号过于饱和时，受限于电路构造，回波脉冲宽度随回波能量变化不明显，且回波脉冲后沿抖动较大。如果仍对回波光峰值时刻点进行校准，校准参数准确度有所下降。但当回波信号过于饱和时，回波信号上升沿非常稳定，更适合使用上升沿时刻点进行校准，上升沿时刻点是由信号处理器经过阈值判断得到。这时需要测得上升沿飞行时间补偿参数，此时测距公式为：
y＝a(Δt'+c2)+b (3)
其中Δt'为(t4-t1)/2，t4为回波信号上升沿时刻点，c2为上升沿飞行时间补偿值(t3-t4)/2。
实际校准应用中，可根据需要采用峰值时刻点补偿或上升沿时刻点补偿。当回波脉冲宽度较小时，峰值时刻点补偿方式精度更高；当回波脉冲宽度较大时，上升沿时刻点补偿方式精度更高。因此，在校准时，可以合理选择一个回波脉冲宽度分界值，当实际测得脉冲宽度小于分界值时，使用峰值时刻点补偿方式，当脉冲宽度大于分界值时，使用上升沿时刻点补偿方式。综上所述得到激光雷达测距标定公式：
Figure BDA0003494396620000111
其中，公式(1)针对不饱和回波信号，公式(2)针对脉冲宽度小于分界值的饱和回波信号，公式(3)针对脉冲宽度大于等于分界值的饱和回波信号。
实施例3
本实施例中使用的校准装置与实施例1完全相同。其中脉冲激光发射光源由单一角度出射光变更为多角度出射光，待校准激光雷达内部旋转部件处于不工作状态。即通过改变发射光方向，达到调整接收反射光能量的目的。参考图9，以脉冲激光发射光源出射光角度为-2°-2°为例，激光打到反射板上的不同位置，经过反射板反射到接收光路，并最终成像到光电探测器上时，由于不同的入射光角度，导致不同位置的光斑在光电探测器上的成像位置不同。0°出射光所形成的反射光可以完全成像在光电探测器上，而对着出射光偏移角度的增大，仅有部分光斑能成像在光电探测器上，即随着出射光角度增大，光电探测器接收到的会波光能量逐渐减小。通过这种方式，可得到不同的回波光能量。计算方法与实施例1、实施例2相同。
实施例4
参考图10。本实施例中使用的校准装置为：校准平台3上并行放置一个脉冲激光发射光源1及一台待校准激光雷达2。在脉冲激光发射光源1前或待校准激光雷达2前放置电动挡板6，通过遮挡发射光源或接收窗口面积，调节接收光能量。待校准激光雷达内部旋转部件无需工作，雷达接收视场角中心与脉冲激光发射光源发射视场角中心平行，即可接收到不同的回波光能量。回波光能量被待校准激光雷达接收光路所接收，并转换成处理器可识别的电信号，再对其进行补偿值的计算，计算步骤可参考实施例1与实施例2。
飞行时间补偿值计算完毕后，将补偿参数存储在激光雷达内部存储器中。下一步校准a、b，可继续使用外部发射光源，通过多距离测量计算得到a、b的值，也可关掉外置激光发射光源，使用待校准雷达自身发射光源，发射激光脉冲并处理回波信号，记录多个不同已知距离的Δt，计算得到a、b的值。

Claims (10)

1.一种激光雷达***的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、确定激光雷达测距公式；
Figure FDA0003494396610000011
其中，公式(1)针对不饱和回波信号，公式(2)针对脉冲宽度小于分界值的饱和回波信号，公式(3)针对脉冲宽度大于等于分界值的饱和回波信号；
其中，y为激光雷达与物体之间的距离，a为实际激光传播速度，b为电路延迟，Δt等于(t2-t1)/2，t1为脉冲激光发射光源发出激光脉冲的时刻，t2为激光雷达***处理器计算的回波信号的峰值时刻点；C1为(t3-t2)/2，t3为饱和回波信号的真实回波峰值时刻点；Δt'为(t4-t1)/2，t4为激光雷达***处理器计算的饱和回波信号的上升沿时刻点，c2为(t3-t4)/2；
步骤2、标定C1和C2；
步骤2.1、***搭建；
将脉冲激光发射光源与待校准激光雷达并行放置在校准平台上；在距离校准平台固定已知距离处放置一标准反射板；
步骤2.2、获得不同强度的回波信号；
脉冲激光发射光源发出激光脉冲，打到标准反射板上，并由待校准激光雷达接收其反射回来的回波光能量；
调节激光脉冲或控制待校准激光雷达内部旋转部件转动，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号；
步骤2.3、对不同强度回波信号，进行分类处理，获得关于C1和C2与饱和回波信号脉冲宽度一一对应的关系列表；
步骤3、标定a、b；
标定激光雷达测距公式中的a，b，完成校准。
2.根据权利要求1所述的激光雷达***的校准方法，其特征在于，步骤2.3具体包括以下步骤：
步骤2.31、确定不饱和回波信号的真实峰值时刻点；
将激光雷达***处理器计算的回波峰值时刻点作为不饱和回波信号的真实峰值时刻点；
步骤2.32、确定饱和回波信号的真实峰值时刻点；
步骤2.321、以步骤2.31确定的不饱和回波信号的真实峰值时刻点作为基准时刻点；
步骤2.322、针对不同脉冲宽度的饱和回波信号，计算处理器计算的回波信号时刻点与基准时刻点的差值，作为时间补偿值；其中回波信号时刻点为回波信号的峰值时刻点或上升沿时刻点；
步骤2.323、把不同饱和回波信号的脉冲宽度与对应的时间补偿值作为校准参数表存储在激光雷达内部存储器中。
3.根据权利要求2所述的激光雷达***的校准方法，其特征在于：步骤2.1中标准反射板的反射率大于95％。
4.根据权利要求3所述的激光雷达***的校准方法，其特征在于：步骤2.31中，选取多个不饱和回波信号的回波峰值时刻点，计算其平均时刻点，将该平均时刻点作为不饱和回波信号的真实峰值时刻点。
5.根据权利要求4所述的激光雷达***的校准方法，其特征在于：步骤2.2中调节激光脉冲使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号，具体为：
调节脉冲激光发射光源以不同的出射角度出设激光脉冲，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号；
或，
通过设置在出设光路中的挡板，遮挡部分激光脉冲或接收窗口面积，使得每次激光脉冲发射后，待校准激光雷达接收到不同强度的回波光能量，进而得到不同强度的回波信号。
6.根据权利要求5所述的激光雷达***的校准方法，其特征在于，步骤3具体为：
通过测量距雷达不同已知距离处标准反射板的峰值时刻点，得到若干组对应的Δt、Δt+c1与距离y，并拟合出Δt、Δt+c1与y的关系曲线，即可确定y＝aΔt+b、y＝a(Δt+c1)+b中的a，b；
通过测量距雷达不同已知距离处标准反射板的上升沿时刻点，得到若干组对应的Δt'+c2与距离y，并拟合出Δt'+c2与y的关系曲线，即可确定y＝a(Δt'+c2)+b中的a，b。
7.一种激光雷达***的校准装置，其特征在于：包括校准平台、并行放置在校准平台上的脉冲激光发射光源与待校准激光雷达以及在距离校准平台固定已知距离处放置的标准反射板。
8.根据权利要求7所述的激光雷达***的校准装置，其特征在于：标准反射板的反射率大于95％。
9.根据权利要求8所述的激光雷达***的校准装置，其特征在于：还包括滑轨，校准平台放置在滑轨，且能够沿滑轨移动；标准反射板为i组，i为大于等于2的正整数；i组标准反射板与滑轨相互平行，沿滑轨长度方向依次排布在距滑轨不同距离处；以使待校准激光雷达在沿滑轨移动时，出射激光可打在不同距离处的标准反射板上；
或，还包括滑轨，校准平台放置在滑轨，且能够沿滑轨移动；标准反射板为1组，与滑轨相互垂直，放置在出射激光出射光路中，以使待校准激光雷达在沿滑轨移动时，出射激光可打在标准反射板上。
10.根据权利要求8所述的激光雷达***的校准装置，其特征在于：包括设置在脉冲激光发射光源前或待校准激光雷达前的电动挡板，通过遮挡发射光源或接收窗口面积，调节接收光能量。
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