CN115616596A - 激光雷达的测距方法、激光雷达及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光雷达的测距方法，所述测距方法包括：S101：获取多帧对三维环境的探测数据；S102：至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；S103：在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口的范围；S104：仅根据在调整后的探测窗口内的回波信息，计算所述至少一点的测距信息。通过本发明提供的测距方法，根据探测结果的反馈来调整探测窗口的范围，只在有障碍物的距离范围内进行探测，从而节约存储空间、降低计算需求或节约功耗。

Description

激光雷达的测距方法、激光雷达及计算机可读存储介质
技术领域
本公开涉及光电探测领域，尤其涉及一种激光雷达的测距方法、一种激光雷达及一种计算机可读存储介质。
背景技术
激光雷达通常包括发射单元、光电探测单元和信号处理单元，其中发射单元用于向激光雷达周围的三维环境发射探测激光束，探测激光束在三维环境中的目标物上发生漫反射，部分回波返回到激光雷达，由光电探测单元接收并转换为电信号，信号处理单元与所述光电探测单元耦接以接收所述电信号，并基于所述电信号计算回波的飞行时间，并计算所述障碍物的测距信息，例如距离和方位等。
通常，发射单元在发射探测激光束，对应的光电探测单元和/或信号处理单元在预先设置好的探测窗口范围内始终保持开启，用于接收回波，该探测窗口通常是根据所述激光雷达的预设最大探测距离确定的。通过这样的方式，能够确保光电探测单元以及信号处理单元能够接收并处理到来自目标物的回波，但同时，也使得在该探测窗口内，光电探测单元和信号处理单元接收并处理了大量的来自周围环境的噪声光信号或者背景光信号，使得激光雷达接收到的回波信号具有较低的信噪比以及耗费电量，因此会降低距离计算的精度和速度。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明设计了一种激光雷达的测距方法，根据探测数据的反馈调整探测窗口的范围，只在有障碍物的距离范围内进行探测，从而节约存储空间、降低计算需求或节约功耗。
本发明设计一种激光雷达的测距方法，所述测距方法包括：
S101：获取多帧对三维环境的探测数据；
S102：至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；
S103：在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口的范围；和
S104：仅根据在调整后的探测窗口内的回波信息，计算所述至少一点的测距信息。
根据本发明的一个方面，其中所述探测数据包括与激光雷达的相对方位和/或距离，其中所述步骤S101包括：基于初始探测窗口范围获取k帧对三维环境的探测数据，所述初始探测窗口范围与所述激光雷达的预设最大探测距离有关。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S102包括：
识别所述障碍物的类型；
根据所述障碍物的类型和所述前k帧的探测数据，计算所述障碍物的速度；和
根据所述障碍物的速度，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S102还包括：结合目标识别技术，根据所述探测数据中多个点的相互关系，确定所述障碍物的尺寸和/或运动参数。
根据本发明的一个方面，其中所述k>1，所述步骤S102包括：
根据所述障碍物的前k次探测中的相对位置变化以及相邻探测之间的时间间隔，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S103包括：
根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的任意一点，获得相应的预测飞行时间；
将相应的探测窗口的中心位置调整为预测飞行时间，相应的探测窗口的范围调整为[预测飞行时间-时间窗,预测飞行时间+时间窗]，其中所述时间窗为预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
根据本发明的一个方面，所述时间窗随着所述障碍物的尺寸和/或速度的增大而增大。
根据本发明的一个方面，其中所述激光雷达包括接收单元，所述接收单元包括光电探测器、时间数字转换器和存储器，其中所述光电探测器用于接收回波并转换为电信号，所述时间数字转换器配置成可接收所述电信号并输出所述回波的飞行时间，所述存储器可存储所述回波的飞行时间，所述步骤S104还包括：
根据本发明的一个方面，在所述调整后的探测窗口范围内开启所述激光雷达的光电探测器，在所述调整后的探测窗口范围外，关闭所述光电探测器；或者
根据本发明的一个方面，始终保持所述光电探测器和所述时间数字转换器开启，所述存储器仅存储所述调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的所述回波的飞行时间；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器开启，仅在所述调整后的探测窗口范围内使得所述时间数字转换器开启。
根据本发明的一个方面，还包括：
S105：在进行第k+1次探测时，所述调整后的探测窗口范围内未探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围调整为所述初始探测窗口范围。
本发明还设计一种激光雷达，包括：
发射单元，配置成可发射探测激光束，用于探测三维环境；
光电探测单元，包括多个光电探测器，配置成可接收来自障碍物的回波并转换为电信号；
信号处理单元，所述信号处理单元与所述光电探测单元耦接以接收所述电信号，并基于所述电信号计算所述障碍物的测距信息；和
控制器，所述控制器与所述光电探测单元和所述信号处理单元耦接，并配置成可执行以下操作：
获取多帧对三维环境的探测数据；
至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；和
在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口范围；
所述信号处理单元配置成在进行第k+1次探测时，仅根据在调整后的探测窗口范围内的回波信息，计算所述障碍物上的所述至少一点的测距信息。
根据本发明的一个方面，其中所述探测数据包括与激光雷达的相对方位和/或距离，所述获取多帧对三维环境的探测数据的操作包括：基于初始探测窗口范围获取k帧对三维环境的探测数据，其中所述初始探测窗口范围与所述激光雷达的预设最大探测距离有关。
根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的位置：
识别所述障碍物的类型；
根据所述障碍物的类型和前k帧的探测数据，计算所述障碍物的速度；和
根据所述障碍物的速度，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个方面，所述控制器结合目标识别技术，根据所述探测数据中多个点的相互关系，确定所述障碍物的尺寸和/或运动参数。
根据本发明的一个方面，其中所述k>1，所述控制器配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的距离：
根据所述障碍物的前k次探测中的相对位置变化以及相邻探测之间的时间间隔，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个方面，其中所述控制器通过以下方式调整第k+1次探测时的探测窗口的范围和位置：
根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的任意一点，获得相应的预测飞行时间；
将相应的探测窗口的中心位置调整为预测飞行时间；
将相应的探测窗口的范围调整为[预测飞行时间-时间窗,预测飞行时间+时间窗]，其中所述时间窗为预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
根据本发明的一个方面，所述时间窗随着所述目标物的尺寸和/或速度的增大而增大。
根据本发明的一个方面，其中所述激光雷达还包括时间数字转换器和存储器，所述时间数字转换器配置成可接收所述电信号并输出所述回波的飞行时间，所述存储器可存储所述回波的飞行时间，
其中在所述第k+1次探测中，在所述调整后的探测窗口范围内开启所述激光雷达的光电探测器，在所述调整后的探测窗口范围外，关闭所述光电探测器；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器和所述时间数字转换器开启，所述存储器仅存储所述调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的所述回波的飞行时间；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器开启，仅在所述调整后的探测窗口范围内使得所述时间数字转换器开启。
根据本发明的一个方面，其中所述控制器配置成：在进行第k+1次探测时，所述调整后的探测窗口范围内未探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围调整为所述初始探测窗口范围。
本发明还设计一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如权利要求1-9任一项所述的测距方法。
通过本发明提出的方案，根据测距的探测结果反馈来调整探测窗口范围，只在有障碍物的距离范围内进行探测，可以降低计算需求和节约存储空间及电量消耗，还可能带来提高信噪比的效果。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明一个实施例的方法流程图；
图2示出了本发明一个实施例的光电探测单元的模块图；
图3a示出了本发明一个实施例的第1次探测的场景图；
图3b示出了本发明一个实施例的第2次探测的场景图；
图3c示出了本发明一个实施例的第3次探测的场景图；
图3d示出了本发明一个实施例的第4次探测的场景图；
图4示出了本发明一个实施例的探测场景的俯视图；
图5示出了激光雷达多次探测扫描过程中单光子雪崩二极管的触发示意图；
图6示出了激光雷达多次探测扫描叠加后形成的直方图；
图7a示出了本发明一个实施例的激光雷达共400次的探测视场以及直方图；
图7b示出了本发明一个实施例的激光雷达前300次的探测视场以及直方图；
图7c示出了本发明一个实施例的激光雷达后100次的探测视场以及直方图；
图8示出了本发明一个实施例的数据处理方法的示意图；
图9示出了根据现有技术的数据存储方法示意图；
图10和图11示出了本发明一个优选实施例的存储方式的示意图；
图12示出了本发明一个实施例的存储效果示意图；
图13示出了本发明一个实施例的激光雷达模块图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明设计了一种激光雷达的测距方法，根据探测数据的反馈调整探测窗口的范围，只在有障碍物的距离范围内进行探测，从而节约存储空间、降低计算需求或节约功耗，以及提高信噪比。
通常，激光雷达的发射单元在发射探测激光束，对应的光电探测单元和或后续的信号处理单元在预先设置好的探测窗口范围内始终保持开启，用于接收回波，该探测窗口通常是根据所述激光雷达的预设最大探测距离确定的。通过这样的方式，能够确保光电探测单元以及信号处理单元能够接收并处理到来自目标物的回波，但同时，也使得在该探测窗口内，光电探测单元和信号处理单元接收并处理了大量的来自周围环境的噪声光信号或者背景光信号，使得激光雷达接收到的回波信号具有较低的信噪比以及大量的能量消耗，因此会降低距离计算的精度和速度。
本发明提供一种改进的方案，可以至少部分基于前面一帧或多帧的探测数据，预测第k+1次探测时障碍物所处的位置，并在进行第k+1次探测时，根据所预测的位置信息，调整探测窗口的位置，仅根据调整后的探测窗口内的回波信息，来进行距离计算。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种激光雷达的测距方法10，下面参考附图详细描述。
在步骤S101：激光雷达扫描整个视场，获取多帧对三维环境的探测数据。
对于机械式激光雷达，可以围绕其旋转轴以10Hz或者20Hz的频率转动，每旋转一圈，每个探测通道(例如包括一个激光器和一个探测器)以一定的角分辨率(例如0.1度或者0.2度)进行激光发射和回波接收，如果探测器接收到有效回波(例如回波的幅值超过阈值)，则根据该有效回波的信息来计算探测数据，例如包括目标物的距离和/或相对于激光雷达的方位，从而生成某一个点。机械式激光雷达旋转一圈形成的点的集合构成一帧点云。对于固态激光雷达或者半固态激光雷达，类似地，所有的探测通道完成探测后形成的点云集合也构成一帧点云。
在步骤S101中，激光雷达通过扫描视场获得多帧探测数据，可供后续步骤使用。所述探测数据例如可包括探测到的目标物与激光雷达的相对方位和/或距离以及反射率。
在步骤S102：至少基于部分前k帧的探测数据，可以预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置。其中k为整数，k≥1。
在步骤S102，根据前几帧(比如前3帧)探测获得的点云信息，来预测下一帧(比如第4帧)障碍物的大致变化。例如，根据本发明的一个实施例，根据前k帧的点云分别识别出三维环境中的障碍物，然后根据同一个障碍物在前k帧点云中的位置变化，可预测激光雷达进行第k+1次探测时该障碍物所处的位置及方位。
在步骤S103：在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整其对应的探测窗口的范围。
在步骤S103，当激光雷达进行第k+1次探测时，基于步骤S102预测到的障碍物的位置，针对障碍物上的至少一点或者所有点或者一定视场(FOV)范围内的点，调整探测这些选定点时的探测窗口的范围，例如可缩小探测窗口。下文将详细描述调整探测窗口范围的具体方式。
激光雷达扫描完整个预设探测视场后，会得到一帧完整的点云信息，其中一次探测(可以包括多次扫描sweep)可以获取一帧点云信息，这些点云信息将用于后面步骤的预测。可以理解的，所使用的帧数越多，点云信息越丰富，预测的结果越接近现实，但会带来更多的计算量和功耗，可以根据实际需要平衡计算的实时性、计算量和功耗。
在步骤S104：仅根据在调整后的探测窗口内的回波信息，计算所述的至少一点的测距信息。
在步骤S103针对障碍物上的至少一点调整了探测窗口的范围，在步骤S104中，仅根据调整后的探测窗口内的回波来计算测距信息，从而能够减少计算量或者节约激光雷达的功耗，以及提高信噪比。下文将详细描述具体的实现方式。
下面参考图2和图3a-3d详细描述根据本发明的一个优选实施例的测距方法。
图2示出了根据本发明的一个优选实施例的光电探测单元的示意图，其中使用单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)作为光电探测器。如图2所述，光电探测单元22包括多个探测单元221，在图2中示为221-1、221-2……221-n，每个探测单元221例如与激光雷达的发射单元的一个或者多个激光器相对应，或者说，与雷达探测得到的点云中一个点对应。光电探测单元22还包括多个时间数字转换器222(图示为222-1、222-2……222-n)和存储器223(图示为223-1、223-2……223-n)。在图2的实施例中，每个探测单元221包括多个(比如图示的9个或者4个)光电探测器2211，以单光子雪崩二极管SPAD为例，每个探测单元221的单光子雪崩二极管的输出端连接(不一定是直接连接，可能是将输出经过放大或者滤波处理后的信号)到时间数字转换器222，每个探测单元221的探测窗口的范围独立可调，即可以独立地控制每个探测单元221处于开启状态(可以接收回波的状态)或者关闭状态(无法接收回波的状态)。回波入射到探测单元221-1、221-2……221-n上之后，触发单光子雪崩二极管SPAD并产生电信号。每个探测单元221耦接到时间数字转换器(TDC)222，时间数字转换器222可以确定回波的到达时间，或者计算回波的飞行时间，并将结果存储在存储器223中。
图2的实施例中，以单光子雪崩二极管SPAD为例进行了说明，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，也可以采用其他类型的光电探测器2211，包括但不限于雪崩光电二极管APD、硅光电倍增管SiPM等。另外在图2的实施例中，每个探测单元221分别具有与其相对应的时间数字转换器222和存储器223，也可以复用所述时间数字转换器222和存储器223，即一个时间数字转换器222和存储器223对应于多个探测单元221，这些都在本发明的保护范围内。
在步骤S102中，在激光雷达获得的点云的基础上，可以识别所述障碍物的类型和计算所述障碍物的速度。例如可以根据点云中各点的位置关系，结合AI识别等技术，根据点云中多个点的彼此相互关系，通过目标识别等方式，确定这些点属于同一个障碍物，进而对障碍物的类型加以识别和确认，并计算障碍物的尺寸。例如，可以根据多个点的反射率来辅助判断这些点是否属于同一个障碍物。例如相邻的点之间的反射率通常比较接近，因此可以当相邻的点的反射率的差值或者变化幅度超过阈值时，可以判断相邻的点不属于同一个障碍物或目标物。
另外，根据障碍物的类型，该障碍物在多帧点云中的相对位置变化，以及各帧点云之间的时间间隔，可以计算获得障碍物的速度或其他运动参数。然后根据障碍物的速度以及前k帧的探测数据，预测激光雷达在进行第k+1次探测(为了获得第k+1帧点云的探测)时该障碍物所处的位置。更进一步地，可以根据障碍物增加或减少，距离或近或远的可能改变，来调整下一帧预测的障碍物上的探测参数。另外，障碍物的类型可以辅助判断探测的需求，比如是一颗树，这种静态物体并非无人驾驶关注的重点，此时可以把对应点的探测窗口缩减的更小。如果是个行人或者是高速运动的车辆，这种动态物体很关心，则可以为对应的点预留更大的探测窗口，以确保更好更精确的探测。
所述步骤S102可以由激光雷达内部的控制器或者信号处理单元来实现，也可以由激光雷达外部的数据处理器来执行。通过外部数据处理器执行的优点在于，外部数据处理器通常计算能力更强，计算速度更快。当激光雷达用于无人驾驶车辆时，外部数据处理器可以为电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤S101中，基于初始探测窗口范围获取多帧(k≥1)对三维环境的探测数据，所述初始探测窗口范围例如与激光雷达的最大探测距离范围相关。如果需要的最大探测距离为Dmax，对应的飞行时间为win_Dmax，需要的最小探测距离为Dmin，对应的飞行时间为win_Dmin，则初始探测窗口范围为[win_Dmin,win_Dmax]，其中win_Dmin≥0，win_Dmax可以小于等于激光雷达实际可探测的最大探测距离所对应的飞行时间。
比如，需要光电探测器最大能测距30m，即需要的最大探测距离Dmax＝30m，那么根据公式win_Dmax＝2Dmax/c，c为光速，则可以计算出对应的飞行时间win_Dmax为200ns，若***预设win_Dmin为0，则初始探测窗口范围为[0,200ns]。
图3a-3d示出了在步骤S103中对探测窗口的范围进行调整的过程。如图3a所示，激光雷达LiDAR例如安装在车辆的车头位置处，用于探测车辆前方的目标物。在第1次探测时，回波的飞行时间为Tof_detected0。如图3b所示，在第2次探测时，回波的飞行时间为Tof_detected1，其中Tof_detected1小于Tof_detected0，表明激光雷达在接近目标物。如图3c所示，在第3次探测时，回波的飞行时间为Tof_detected2，其中Tof_detected2小于Tof_detected1，表明激光雷达在进一步接近目标物。
基于前3次的探测数据，可预测第4次探测时回波的飞行时间为Tof_predicted。例如，可以根据前三次的探测数据，计算出所述目标物的相对于车辆(激光雷达)的运动速度和方向，然后根据第4次探测与第3次探测之间的时间间隔，预测在第4次探测时目标物的位置(至少包括距离及方位)，然后计算该位置所对应的飞行时间Tof_predicted。在步骤S103将相应的探测窗口的中心位置调整为Tof_predicted，并将相应的探测窗口的范围调整为[Tof_predicted-△T,Tof_predicted+△T]，其中所述△T为时间窗，可以是预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
可以根据不同的情况，设定△T的取值。根据本发明的一个优选实施例，可以根据经验或者仿真结果将△T预设为固定值。根据本发明的另一个优选实施例，根据对障碍物预测的情况而确定△T，例如如果障碍物的移动速度缓慢(速度小于阈值)，不会出现快速变化，则可以使用一个较小的探测窗口，△T可以设置的较小；如果预测障碍物移动速度较快，则应该给一个较大的探测窗口，△T可以设置的较大；如果预测障碍物的不确定性较高，亦即，无法准确确定障碍物的移动速度快慢，则应该给一个较大的探测窗口。根据本发明的另一个优选实施例，△T的取值可以与障碍物的尺寸相关，如果障碍物的尺寸较大，则△T也可以设置的较大；如果障碍物的尺寸较小，则△T可以设置的较小。由此，所述△T随着所述障碍物的尺寸和/或速度的增大而增大。△T的设置还可以参考其他因素，只要△T的数值，可以使得该障碍物(至少一个探测点)在下一帧中出现在预测的窗口内，最好在窗口较为中心的位置，并且整个探测窗口并没有很大即可，这些设置方式的选择都在本发明的保护范围内。
根据本发明，在步骤S104中仅根据在调整后的探测窗口内的回波信息来计算测距信息，可以通过不同的方式来实现，下面参考图2详细描述。
根据本发明的一个实施例，在第k+1次探测中，在调整后的探测窗口范围内开启光电探测器，在调整后的探测窗口范围外，关闭光电探测器。即光电探测器在探测窗口范围外关闭，不进行探测，直到本次探测结束，进行下一次探测时，继续根据预测的探测结果调整探测窗口范围，再根据探测窗口范围打开或者关闭相应的光电探测器。参考图2所示，当探测单元221-1对应的激光器发射探测激光束时(此时可以作为探测窗口开始的时间点，也可以提早一定的时长)，仅在调整后的探测窗口的范围内开启探测单元221-1内的光电探测器(单光子雪崩二极管SPAD)，从而探测单元221-1仅在调整后的探测窗口范围内接收回波并转换为电信号，该电信号由时间数字转换器TDC接收并计算回波接收时间或者飞行时间。通过本实施例，可以降低激光雷达的功耗。
根据本发明的另一个实施例，在第k+1次探测中，始终保持光电探测器和时间数字转换器开启，存储器仅存储调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的探测数据。因此在本实施例中，光电探测器可以一直开启，一直进行探测，时间数字转换器也一直开启，但存储器只存储跟障碍物有关的探测数据。参考图2所示，当探测单元221-1对应的激光器发射探测激光束时，在初始探测窗口范围内，始终保持探测单元221-1内的光电探测器(单光子雪崩二极管SPAD)处于开启状态，将接收到的光信号转换为电信号并通过时间数字转换器进行处理，但是存储器中只存储在调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的数据。通过本实施例，存储器只存储跟障碍物有关的探测数据，对超出调整后的探测窗口范围的数据，即偏离预测飞行时间过多的探测数据，不存储也不处理，从而减少了数据，降低了存储需求，进而减少了计算需求，同时也无需频繁地开启和关闭光电探测器，降低了控制的复杂度。
根据本发明的另一个实施例，在第k+1次探测中，始终保持光电探测器开启，仅在调整后的探测窗口范围内开启时间数字转换器。即光电探测器可以一直开启，一直进行探测，时间数字转换器仅在调整后的探测窗口范围内开启。参考图2所示，当探测单元221-1对应的激光器发射探测激光束时，在初始探测窗口范围内，始终保持探测单元221-1内的光电探测器(单光子雪崩二极管SPAD)处于开启状态，将接收到的光信号转换为电信号，但时间数字转换器TDC仅在调整后的探测窗口范围内开启。通过本实施例，关闭时间数字转换器可以降低激光雷达的功耗。
以上三个实施例中，分别通过在调整后的探测窗口范围内开启光电探测器、存储器仅存储调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器的输出、以及在调整后的探测窗口范围内开启时间数字转换器TDC，实现了仅获得调整后的探测窗口内的回波信息，用于后续计算测距信息。
如果在步骤S103对第k+1次的预测结果准确的话，在对第k+1次实际探测时，依然能跟随所述障碍物，对落在其上的探测点进行测距信息的计算。但如果由于其他原因，在第k+1次探测中没有探测到有效的目标物(即没有接收到有效回波)，即在调整后的探测窗口范围内没有探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围恢复为所述初始探测窗口范围，确保在第k+2次探测时，激光雷达不会遗漏回波信息。而如果在第k+1次探测中探测到有效的目标物(即接收到有效回波)，那么可以重复步骤S102、S103和S104，调整第k+2次探测时的探测窗口的范围并进行探测。
通过上述步骤，基于前k次的探测数据预测第k+1次的探测数据，然后调整第k+1次探测时的探测窗口范围并对探测窗口范围内的回波进行处理和计算测距信息。继续地，可以基于前几帧(比如前2帧，即第k次和第k+1次)的探测数据继续预测第k+2次探测时的探测数据，然后调整第k+2次探测时的探测窗口范围并对探测窗口范围内的回波进行处理和计算测距信息，重复步骤S102-S104直至测量结束。
优选地，对于面阵收发***来说，预测距离变化的工作可以通过外部具有更强计算能力的上位机来处理，其可以与能够实现目标追踪机制的模块进行结合来预测，从而在整个环境场景中更智能的选择探测窗口，以更有效的降低功耗。
图4是本发明一个实施例的场景的俯视图，C1、C2和C3为小汽车，C4为大货车，在向前行进途中，C4落入C1的激光雷达的探测视场内。首先，激光雷达获取多帧对三维环境的探测数据(例如3帧或更多帧，图4中示意性示出了2帧)，基于前3帧的探测数据预测第4帧时C4所处的位置。其中，基于前3帧的探测数据可以获得C1和C4的相对速度、C4的距离以及反射率。在预测第四帧时C4的距离(或位置)时，可以以C4为整体来进行预测，因此可以在前3帧的点云中识别出属于C4的点。根据本发明的一个优选实施例，可以根据相邻点的反射率差或者距离差来进行判断。在一帧中，属于同一物体的相邻点的反射率通常应该比较接近(差值小于阈值)，如果相邻点的反射率发生突变，那么可以推断这两个点不属于同一物体。或者也可以根据点云中相邻点之间的距离来进行判断，如果两个相邻点属于同一物体，那么这两个相邻点之间的距离比较接近(距离小于阈值)，如果相邻点的距离发生突变，那么可以推断这两个点不属于同一物体。另外，也可以结合相邻点的反射率和距离，来判断二者书否属于同一物体。
通过这样的方式，可以大致确定C4的轮廓以及位于视场中的方位(例如点云中各点的三维坐标)，进而基于C4与C1的相对速度预测第4帧时C4位于视场中的方位。激光雷达探测帧率速度以及C1和C4的相对速度关系对预测方位的偏差值有影响。在第4帧时，根据与C4对应的至少一点，调整探测窗口的范围，只在有障碍物的距离范围内进行探测，从而节约存储空间、降低计算需求或节约功耗，以及提高信噪比。
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)是工作在盖格模式状态下，可以进行单光子探测的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)。光子探测的具体过程如下：给雪崩光电二极管加上一定的反向偏压Vbias，携带能量的光子射入P-N结，会把能量传递给共价键上的电子，使电子挣脱共价键形成电子-空穴对，也称为光生载流子。若反向偏压Vbias足够大，耗尽层的光生载流子就能获得足够高的动能，进而在与晶格碰撞时就能够使共价键断裂产生更多的电子-空穴对，该过程也称为碰撞电离。新的载流子又会不断产生新的碰撞电离，形成连锁效应，造成载流子的雪崩倍增效应，进而得到一个大到可被检测的如mA级的脉冲电流，从而实现单个光子的探测。光子探测效率(PhotonDetection Efficiency，PDE)是SPAD的重要参数，表征了光子进入SPAD后能够激发雪崩并被检测到的平均概率，可以采用如下公式1表示：
PDE＝εgeo*QE*εtrigger (公式1)
其中，εgeo表征几何填充因子，QE表征量子效率，即生成电子-空穴对的概率，εtrigger表征电子-空穴对进一步激发雪崩的概率。
同时，PDE也代表着SPAD探测单光子信号的能力，可以表示为：被探测到的光子数/入射总光子数。
为了提高信噪比，对于采用SPADs阵列的测距装置，通常采用时间相关单光子计数法(Time Correlated Single Photon Counting，TCSPC)进行测距，测量光子时间信息的基本思想是将光子看作一个随机事件，对光子重复进行多个周期的测量后进行统计。换言之，可以采用包括多次扫描(sweep)，多次扫描获得的光子数直方图用于计算该次飞行时间测量的准确飞行时间，从而计算目标物的距离，进而获得点云中的一个点。
在激光雷达的探测过程中，如果以单光子雪崩二极管SPAD(s)构成的探测器阵列为例，因为SPAD工作于盖格模式，可被单个光子触发雪崩效应，因此容易受到环境光噪声的影响；另一方面，SPAD(s)对于激光雷达常用探测光波段的光子探测效率PDE较低，单次探测获得的信号强度相对较弱。如图5所示，对于任意一个点，一次探测扫描过程中，可能在探测时间窗口内只发生了几次触发(图5中为两次触发)，并且无法区分是被目标物反射的回波信号触发还是被环境光噪声触发。为了提高激光雷达的测远性能及信噪比，如图5所示，激光雷达在对同一视场范围的任意一个目标物点进行的一次探测(或测量)过程中，可以进行多次重复探测扫描(sweep，重复次数可达400-500次，也可以更多次或更少次)，多次探测扫描(sweep)的结果累积得到一个直方图，并根据对该直方图进行进一步的计算和处理，来测得距离，进而获得激光雷达点云上的一个点的距离及反射率信息。
对于每一次探测扫描而言，激光雷达的控制器在发射时刻t1触发控制发射端的光源发出用以探测的光脉冲以及记录该发射时刻t1，该光脉冲遇到外界的障碍物，被障碍物所反射且回到激光雷达，被接收端的光电探测器于时刻t2所接收。当光电探测器为SPAD(s)阵列时，环境光也可能造成SPAD被触发雪崩。一旦SPAD接收到光子，产生雪崩电信号，传输至时间数字转换器TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号以及同一时刻t2被触发的SPAD的数量信号(这是当1个像素包括多个SPADs时会存在的情况，如果1个像素只有1个SPAD,则没有这个数量信号，而只有触发与不触发两种状态)，后续的存储器存储SPAD的触发时间t2减去发射时刻t1获得的时间戳timestamp(相关于图5和6横轴表示的时间信息)和该时间戳timestamp下的触发数量(以下简称cnt)信号。
将每次探测扫描得到的触发数量cnt根据时间戳timestamp存入相应的存储器位置中，当某个时间戳timestamp对应位置处有新的触发数量cnt到达时，将原来存储的值与新的触发数量cnt累加然后更新到该位置，多次探测扫描叠加后存储器内保存的数据即构成了一个直方图，如图6所示，直方图反映了多次探测扫描统计体现出来的在时间轴上不同时间戳timestamp对应的触发数量cnt总和，这样使用直方图计算重心等操作获得回波脉冲对应的飞行时间，然后获得测距结果。
因此根据上述实施例，在激光雷达对于一个视场范围内的每一个点的一次距离或者反射率信息的测量中，激光雷达实际上执行了多次探测扫描(多个发射-接收的循环)，扫描的数量可从数十次到数百次，在一时间段内对一个视场范围内任意一个点进行多次扫描，将多次扫描中探测器于相同时间信息接收到的强度信息的曲线叠加作为所述强度信息-时间信息曲线。例如如图5所示，在第1次、第2次、…、第i次扫描中，每次扫描仅接收到数量极为有限的回波或者光子，但是将i次扫描的探测结果叠加之后，获得该视场范围一次飞行时间测量的光子数直方图，如图6所示，其中横坐标的刻度为时间信息，时间轴上的刻度宽度通常等于激光雷达中的时间数字转换器的分辨率，也就是激光雷达的探测时间的分辨率。
本发明的上下文中，区分“测量”(或“探测”)与“探测扫描”(或“扫描”)。具体而言，一次“测量”是对应于在激光雷达的一个探测周期内(即生成一帧点云的周期内)内对某一视场范围进行飞行时间测量从而生成一帧点云图中的一个或者多个(一列或者多列或者一块)“点”，所有视场范围的测量均完成后得到一帧完整的点云；而“探测扫描”是指在一次测量过程中，一个探测通道内的激光器完成一次发射、探测器完成相应的接收的过程。一次“测量”可包括一次“探测扫描”，也可以包括对同一目标点的多次“探测扫描”，例如数百次。
优选地，为了进一步提高信噪比，对于任意一个点的一次“测量”(包括m次探测扫描＝x+y)过程，也可以在前面x次开启全视场的激光器，后面y次仅开启有障碍物的视场内的激光器如图7所示，图7a表示共m次探测(例如400次)，图7b表示前面x次探测(例如300次)，开启全视场的激光器，只有绿色原点对应的视场范围有障碍物，图7c表示后面y次(例如100次)探测时，仅仅打开绿色圆点的激光器即可。
另外类似地，对于每一帧点云中的一个点的探测可以进行多次重复探测扫描，对这1个点的探测，可以只精细存储障碍物数据，压缩原始信号的同时还保存原始信号的波形，使用较低的存储空间并获得更高精度的测距能力。参考图8，前300次在初始探测窗口内进行，获得第一组探测数据；然后在有障碍物的探测窗口范围内，进行后100次探测扫描，获得第二组探测数据。对于第一组探测数据进行粗存储，对于第二组探测数据进行细存储。
对于多次重复探测扫描获得的探测数据，采用的数据处理方法和存储方法具体描述如下：
参考图2所示的光电探测单元探测模块22，对于一次探测扫描而言，激光雷达的控制器通过给SPAD供应高压的方式来选通部分(一行或一列或任意感兴趣的形状)探测单元221，然后发送同步信号通知发射端的激光器可以发光，发射端的激光器于时刻ta(a表示第a次探测扫描)发出用以探测的光脉冲，该光脉冲遇到外界的障碍物，被障碍物所反射且回到激光雷达，可被接收端的光电探测器所接收。当光电探测器为SPAD(S)阵列时，一旦SPAD接收到光子，产生雪崩电信号，传输至TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号t1a以及同一时刻被触发的SPAD的数量信号cnt1a(此处1a即表示第a次探测扫描的第1次触发)，经过相减程序计算t1a-ta的触发时刻timestamp1a(以下简称tp1a)，将tp1a和该触发时刻的触发数量cnt1a信号传输并存储在存储器中。一个探测单元221内包括多个SPAD，且SPAD在死时间之后可以再次探测，所以在一次探测扫描中，可能在另一时刻又发生了SPAD触发，存储器存储这一次触发的tp2a和cnt2a(2a即表示第a次探测扫描的第2次触发)。一次探测扫描中的多次触发均需要按时间信息进行存储。
在下一次探测扫描b，激光雷达的控制器按照预设程序，再次发送信号控制发射端于tb时刻发出探测光脉冲。一旦SPAD接收到光子，雪崩电信号传输至TDC，由TDC输出SPAD触发的时间信号t1b以及同一时刻被触发的SPAD的数量信号cnt1b(第b次探测的第1次触发)，后续的存储器存储SPAD触发时间t1b-tb的触发时刻timestamp1b(以下简称tp1b)和该触发时刻的触发数量cnt1b信号。一个探测单元221内包括多个SPAD，且SPAD在死时间之后可以再次探测，所以在一次探测扫描中，可能在另一时刻又发生了SPAD触发，存储器存储这一次触发的tp2b和cnt2b。
几百次探测扫描中，将每次探测扫描得到的触发数量cnt根据触发时刻timestamp存入相应的存储器位置中，当同样触发时刻timestamp对应位置处有新的触发数量cnt到达时，将原来存储的值与新的触发数量cnt累加然后更新到该位置，n次探测扫描叠加后存储器内即保存了一个直方图，如图6所示，直方图反映了时间轴上不同触发时刻timestamp对应的触发数量cnt总和，这样使用直方图计算重心或前沿时间等操作获得回波对应的时间信息，作为用于距离计算的飞行时间，生成点云上的一个点。
图9的数据存储方法中，横坐标为时间t，横坐标的刻度间隔为TDC的时间分辨率，每一时间刻度对应一个存储位置R(寄存器)。比如某一次探测扫描a，在时间刻度0发生SPAD触发，根据发射时间和TDC传输的触发时间计算获得触发时刻tp1(触发时间-本次发射时间)和触发数量信息cnt1a，将cnt1a存储在tp1时刻对应的存储位置R1；在时间刻度4如果发生了SPAD触发，获得时间信息tp5和cnt5a，将cnt5a存储在tp5对应的存储位置R5。在另一次探测扫描b，在时间刻度4也发生了SPAD触发，获得时间信息tp5和cnt5b，cnt5b也对应存储位置R5，此时将cnt5a读出，再将cnt5b与cnt5a相加的值更新到R5。a表示第a次探测扫描，b即第b次探测扫描，数字表示对应的时间刻度和相应的存储位置；存储位置R与时间刻度一一对应，存储器只存储触发数量cnt，数据处理电路读取数据时根据存储位置即可获知触发数量cnt对应的时间。
参考图6和图9可知，一个直方图由很多次探测扫描(400-500次)的数据累加获得，在几百次探测扫描的结果叠加成一个直方图，获得点云中一个点的过程中，某一时间刻度对应的存储位置存储的是该时刻发生触发的所有触发数量cnt累加的和。虽然一次探测扫描中并不会在每个时间刻度处都发生SPAD触发，但如图5所示，一个直方图数据是由很多次探测结果叠加的，每一个时间刻度处都有可能在某一次探测扫描过程中发生SPAD触发，使存储器收到对应的数据。因此，对于一个TDC，每个时间刻度都需要有一个对应的存储位置，多次探测扫描获得的所有的触发数量cnt均存储在与时刻相对应的存储位置内，tp的时间间隔、即TDC的分辨率达到ps量级，需要非常大空间的寄存器。
采用这样的存储和测距方法，由于触发时刻timestamp的精度单位为ps量级，需要较长tof探测时，存储一个完整的直方图需要消耗极大的存储器，消耗极大的存储空间。特别是为了提高测远能力，需要增大探测的时长和重复探测扫描次数，对存储空间的要求也不断增大。
根据本申请的一个实施例，使用“加权累加”的数据存储方法，在保留测距精度的情况下对原始信号做压缩，极大的减少存储直方图所需的存储空间。在确定了目标物的大致范围后，通过开窗测量可以在保持观测到目标物的基础上降低生成直方图所需的计算量，从而降低***功耗。
图10中，横坐标为飞行时间，横坐标的时间刻度的间隔例如为激光雷达的时间分辨率，例如TDC的时间分辨率，可达到皮秒ps的量级。如图10所示，在激光雷达的时间分辨率的基础上设置了第一时间刻度，如图10中的A和A+1所示，相邻的两个第一时间刻度之间跨过16个激光雷达的时间分辨率的间隔。当在时刻x处探测到光子时(例如图4所示的接收单元22中的一个探测单元221中一个或多个SPAD被触发)，按照所述时刻x的权重来存储探测到的强度值。时刻x表示该时刻与其左侧相邻的第一时间刻度A的时间间隔为x倍的时间分辨率。
本领域技术人员容易理解，由于激光雷达的时间分辨率较小，第一时间刻度的间隔较大，因此对应于激光雷达时间分辨率的时间刻度也可称为“细刻度”，第一时间刻度也可称为“粗刻度”。
如图10所示，所述时刻x的权重包括第一权重和第二权重，第一权重与所述时刻x和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，第二权重与所述时刻x与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联。确定了第一权重和第二权重之后，以第一时间精度，分别按照所述第一权重和第二权重，存储所述强度信息。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一权重与所述时刻x和其左侧相邻的第一时间刻度A之间的时间间隔相关联，第一权重例如为(16-x)，所述第二权重为所述时刻x和其右侧相邻的第一时间刻度A+1之间的时间间隔相关联，第二权重例如为x。因此，将时刻x用其在相邻的两个粗刻度(A,A+1)处的权重来替代表示，其中x在粗刻度A处的权重为(16-x)，在粗刻度A+1的权重为x(x表征该时刻距离A的距离)，以此来等效该时刻x的细刻度。换言之，通过将x作为权重，将细刻度处的数据存储到相邻两个粗刻度对应地址上，来表示刻度x的数值，而非存储刻度x本身。这个过程用等式表示如下：
A*(16-x)+(A+1)*x＝A*16+x (公式2)
公式2中，等号左边为按照粗刻度存储、粗刻度起始值和结束值施加权重的和，等号右边为触发时刻的具体值。用粗刻度+权重的存储方法能够表征触发时刻的具体值。
类似的，当触发得到的信号除了触发时刻还包括表示触发的数目或者强度等信息的触发数量cnt时，粗刻度A上新增的强度信息为cnt*(16-x)，粗刻度A+1上新增的强度信息为cnt*x，在多次扫描中分别进行累加即可。参考图11进行详细描述。细刻度表示时间数字转换器TDC时间分辨率。对于某个触发时刻timestamp，其粗刻度的起始值为A，其细刻度在其粗刻度中对应的0-15细标尺x刻度处。
参考图11，为每一个粗刻度分配了一个寄存器，横坐标的粗刻度间隔为16倍的TDC分辨率，每一粗刻度对应一个寄存器。在某一次探测扫描a过程中，在时间刻度0处发生了SPAD触发，获得时间信息tp1(对应的x1a＝0)和触发数量信息cnt1a，分别在粗刻度A对应的寄存器A存储cnt1a*(16-x1a)，在粗刻度A+1对应的寄存器A+1存储cnt1a*x1a；在另一时间刻度5，获得时间信息tp6(对应的x6a＝5)和触发数量信息cnt6a，将在粗刻度A对应的寄存器A内存储的数据读出，加上cnt6a*(16-x6a)后再存储在寄存器A；将粗刻度A+1对应的寄存器A+1的数据读出，加上cnt6a*x6a后重新存储在寄存器A+1。一个粗刻度时间(细刻度0～15)内，所有的触发数量信息cnt均施加权重，与原有数据求和后存储在存储位置A和A+1对应的寄存器内。下一个粗刻度时间内的触发数量信息cnt施加权重后存储在粗刻度A+1和A+2对应的寄存器中，例如时刻2′处发生了SPAD触发，获得时间信息tp3′和cnt3a′，则在粗刻度A+1对应的寄存器A+1内存储的数据加上cnt3a′*(16-x3a′)，在粗刻度A+2对应的寄存器A+2内存储cnt3a′*x3a′。
下一次探测扫描b的过程中，收到的信号tp2和cnt2b，分别在粗刻度A和A+1分配权重cnt2b*(16-x2b)和cnt2b*x2b，分别与原存储数据求和后存储在粗刻度A和A+1对应的寄存器中。一个直方图由很多次扫描的数据累加获得，若干次扫描中，在时刻0～15对应发生触发的所有触发数量cnt均在粗刻度A和A+1对应的寄存器中进行存储。
粗刻度与细刻度的对比关系如图12所示，相对于每个细刻度处都需要一个寄存器进行数据存储的方案，本发明的实施例采用了加权累加存储方法，只需要在图12中0～n+1的粗刻度对应设置寄存器，所需要的寄存器数量缩减到原来的1/16，虽然每个寄存器存储的位宽增大，占用的空间变大，但因为需要分配的存储位置大大减少，加权累加的数据存储方法可将总的存储空间减小到原来的1/10范围。
图10-11的实施例中，相邻的第一时间刻度(粗刻度)的时间间隔为雷达探测数据时间分辨率(细刻度)的16倍，即使用16为权重进行数据压缩。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，这里权重可以是任何较大的正整数，优选为2m，m为正整数，从而便于在FPGA或者ASIC中实现。
上述实施例中，所述第一权重为(16-x)，所述第二权重为x，本发明不限于此，所述第一权重可以为x，所述第二权重为(16-x)，或者所述第一权重可以为1-(x/n)，所述第二预设权重为x/n，只要第一权重与所述时刻x和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联、第二权重与所述时刻x与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联即可。
图9-11所示的存储方法可以应用于上述数据处理方法中第一组探测数据和第二组探测数据的存储。
根据本发明的一个优选实施例，第一组探测数据和第二组探测数据通过第一存储方式或第二存储方式进行存储。具体地，第一存储方式包括以第一时间精度(即图10中粗刻度对应的精度)按照时间信息的权重存储，第一时间精度可选为激光雷达的时间分辨率的倍数，例如m倍，并且m为大于1的整数。在一定范围内，m的取值越小，探测结果的精度越高，需要的计算量和存储空间也越大。第二存储方式包括按照激光雷达的时间分辨率存储(即图12中的细刻度)。激光雷达的时间分辨率，亦即TDC的时间分辨率，是TDC工作时可以识别的最小时间间隔。换句话说，将待测量的一段时间用时间间隔较小的参考信号来表示，参考信号的时间间隔即为测量精度，其值越小，TDC的时间分辨率就越高。
因为第一存储方式以第一时间精度存储，第二存储方式以第二时间精度存储，第一时间精度要低于第二时间精度，所以第一存储方式相对于第二存储方式使用更少的存储空间。
根据本发明的一个优选实施例，第一组探测数据按照第一存储方式存储，第二组探测数据按照第二存储方式存储。因为第一存储方式相对于第二存储方式使用更少的存储空间，所以第一组探测数据的数据量更少，计算量更少，基于第一组探测数据得到的目标物的位置也较为粗略。
根据本发明的一个优选实施例，第一存储方式还涉及权重，所述权重包括第一权重和第二权重，第一权重与时间信息和其中一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联，第二权重与时间信息与另一个相邻的第一时间刻度之间的时间间隔相关联。
本发明还提供一种激光雷达20，如图13所示，包括发射单元21、光电探测单元22、信号处理单元23和控制器24。其中发射单元21配置成可发射探测激光束，用于探测三维环境。光电探测单元22的结构例如如图4所示的，包括多个光电探测器2211，配置成可接收来自障碍物的回波并转换为电信号。所述信号处理单元23与所述光电探测单元22耦接以接收所述电信号，并基于所述电信号计算所述障碍物的测距信息。所述控制器24与所述光电探测单元22和所述信号处理单元23耦接，并配置成可执行以下操作：
获取多帧对三维环境的探测数据；
至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；
在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口范围；和
所述信号处理单元23配置成在进行第k+1次探测时仅根据在调整后的探测窗口范围内的回波信息，计算所述障碍物上的所述至少一点的测距信息。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述探测数据包括与激光雷达20的相对方位和/或距离，所述获取多帧对三维环境的探测数据的操作包括：基于初始探测窗口范围获取k帧对三维环境的探测数据，其中所述初始探测窗口范围与所述激光雷达的预设最大探测距离有关。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述控制器24配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的位置：
识别所述障碍物的类型；
根据所述障碍物的类型和前k帧的探测数据，计算所述障碍物的速度；和
根据所述障碍物的速度，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个优选实施例，所述控制器24结合目标识别技术，根据所述探测数据中多个点的相互关系，确定所述障碍物的尺寸和/或运动参数。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述k>1，所述控制器24配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的距离：
根据所述障碍物的前k次探测中的相对位置变化以及相邻探测之间的时间间隔，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述控制器24通过以下方式调整第k+1次探测时的探测窗口的范围和位置：
根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的任意一点，获得相应的预测飞行时间；
将相应的探测窗口的中心位置调整为预测飞行时间；
将相应的探测窗口的范围调整为[预测飞行时间-时间窗,预测飞行时间+时间窗]，其中所述时间窗为预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
根据本发明的一个优选实施例，所述时间窗随着所述目标物的尺寸和/或速度的增大而增大。
根据本发明的一个优选实施例，所述激光雷达还包括时间数字转换器222和存储器223，所述时间数字转换器配置成可接收所述电信号并输出所述回波的飞行时间，所述存储器可存储所述回波的飞行时间，
其中，在所述第k+1次探测中，在调整后的探测窗口范围内开启光电探测器2211，在调整后的探测窗口范围外，关闭光电探测器2211。即光电探测器2211在探测窗口范围外关闭，不进行探测，直到本次探测结束，进行下一次探测时，继续根据预测的探测结果调整探测窗口范围，再根据探测窗口范围打开或者关闭相应的光电探测器2211。参考图4所示，当探测单元221-1对应的激光器发射探测激光束时，仅在调整后的探测窗口的范围内开启光电探测器，从而探测单元221-1内的光电探测器2211(单光子雪崩二极管SPAD)仅在调整后的探测窗口范围内接收回波并转换为电信号，该电信号由时间数字转换器222接收并计算回波接收时间或者飞行时间。通过本实施例，理论上可以降低激光雷达的功耗。
在所述第k+1次探测中，始终保持光电探测器2211和时间数字转换器222开启，所述存储器223仅存储调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器222输出的探测数据，即探测激光束在所述障碍物上的回波的飞行时间。即光电探测器2211可以一直开启，一直探测，时间数字转换器222也一直开启，但存储器223只存储跟障碍物有关的探测数据。参考图4所示，当探测单元221对应的激光器发射探测激光束时，在初始探测窗口范围内，始终保持探测单元221内的光电探测器2211(单光子雪崩二极管SPAD)处于开启状态，将接收到的光信号转换为电信号并通过时间数字转换器222进行处理，但是存储器223中只存储在调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器222输出的数据。通过本实施例，存储器223只存储跟障碍物有关的探测数据，对超出调整后的探测窗口范围的数据，即偏离预测飞行时间过多的探测数据，不存储也不处理，从而减少了数据，降低了存储面积，进而减少了计算需求，同时也无需频繁地开启和关闭光电探测器2211，降低了控制的复杂度。
根据本发明的另一个实施例，在第k+1次探测中，始终保持光电探测器2211开启，仅在所述调整后的探测窗口范围内开启时间数字转换器222。即光电探测器2211可以一直开启，一直探测，时间数字转换器222仅在调整后的探测窗口范围内开启。参考图4所示，当探测单元221对应的激光器发射探测激光束时，在初始探测窗口范围内，始终保持探测单元221内的光电探测器2211(单光子雪崩二极管SPAD)处于开启状态，将接收到的光信号转换为电信号，但时间数字转换器222仅在调整后的探测窗口范围内开启。。通过本实施例，关闭时间数字转换器222可以降低激光雷达的功耗。
以上三个实施例中，分别通过在调整后的探测窗口范围内开启光电探测器2211、存储器223仅存储调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器222输出的所述回波的飞行时间、以及在调整后的探测窗口范围内开启时间数字转换器222，实现了仅获得调整后的探测窗口内的回波信息，用于后续计算测距信息。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述控制器24配置成：在进行第k+1次探测时，所述调整后的探测窗口范围内未探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围调整为所述初始探测窗口范围。
通过调整探测窗口的范围限制进入后续处理的探测数据，可以减少不必要的计算量，或者在探测窗口范围外关闭部分光电探测器2211或时间数字转换器222，可以降低激光雷达20的功耗。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如上所述的测距方法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种激光雷达的测距方法，所述测距方法包括：
S101：获取多帧对三维环境的探测数据；
S102：至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；
S103：在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口的范围；和
S104：仅根据在调整后的探测窗口内的回波信息，计算所述至少一点的测距信息。
2.如权利要求1所述的测距方法，其中所述探测数据包括与激光雷达的相对方位和/或距离，其中所述步骤S101包括：基于初始探测窗口范围获取k帧对三维环境的探测数据，所述初始探测窗口范围与所述激光雷达的预设最大探测距离有关。
3.如权利要求1所述的测距方法，其中所述步骤S102包括：
识别所述障碍物的类型；
根据所述障碍物的类型和所述前k帧的探测数据，计算所述障碍物的速度；和
根据所述障碍物的速度，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
4.如权利要求3所述的测距方法，其中所述步骤S102还包括：结合目标识别技术，根据所述探测数据中多个点的相互关系，确定所述障碍物的尺寸和/或运动参数。
5.如权利要求1所述的测距方法，其中所述k>1，所述步骤S102包括：
根据所述障碍物的前k次探测中的相对位置变化以及相邻探测之间的时间间隔，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
6.如权利要求1-5任一项所述的测距方法，其中所述步骤S103包括：
根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的任意一点，获得相应的预测飞行时间；
将相应的探测窗口的中心位置调整为预测飞行时间，相应的探测窗口的范围调整为[预测飞行时间-时间窗,预测飞行时间+时间窗]，其中所述时间窗为预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
7.如权利要求6所述的测距方法，所述时间窗随着所述障碍物的尺寸和/或速度的增大而增大。
8.如权利要求7所述的测距方法，其中所述激光雷达包括接收单元，所述接收单元包括光电探测器、时间数字转换器和存储器，其中所述光电探测器用于接收回波并转换为电信号，所述时间数字转换器配置成可接收所述电信号并输出所述回波的飞行时间，所述存储器可存储所述回波的飞行时间，所述步骤S104还包括：
在所述第k+1次探测中，在所述调整后的探测窗口范围内开启所述激光雷达的光电探测器，在所述调整后的探测窗口范围外，关闭所述光电探测器；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器和所述时间数字转换器开启，所述存储器仅存储所述调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的所述回波的飞行时间；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器开启，仅在所述调整后的探测窗口范围内使得所述时间数字转换器开启。
9.如权利要求1所述的测距方法，还包括：
S105：在进行第k+1次探测时，所述调整后的探测窗口范围内未探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围调整为所述初始探测窗口范围。
10.一种激光雷达，包括：
发射单元，配置成可发射探测激光束，用于探测三维环境；
光电探测单元，包括多个光电探测器，配置成可接收来自障碍物的回波并转换为电信号；
信号处理单元，所述信号处理单元与所述光电探测单元耦接以接收所述电信号，并基于所述电信号计算所述障碍物的测距信息；和
控制器，所述控制器与所述光电探测单元和所述信号处理单元耦接，并配置成可执行以下操作：
获取多帧对三维环境的探测数据；
至少基于部分前k帧的探测数据，预测第k+1次探测时所述三维环境中障碍物所处的位置，其中k为整数，k≥1；和
在进行第k+1次探测时，根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的至少一点，调整探测窗口范围；
所述信号处理单元配置成在进行第k+1次探测时，仅根据在调整后的探测窗口范围内的回波信息，计算所述障碍物上的所述至少一点的测距信息。
11.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述探测数据包括与激光雷达的相对方位和/或距离，所述获取多帧对三维环境的探测数据的操作包括：基于初始探测窗口范围获取k帧对三维环境的探测数据，其中所述初始探测窗口范围与所述激光雷达的预设最大探测距离有关。
12.如权利要求11所述的激光雷达，其中所述控制器配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的位置：
识别所述障碍物的类型；
根据所述障碍物的类型和前k帧的探测数据，计算所述障碍物的速度；和
根据所述障碍物的速度，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
13.如权利要求12所述的激光雷达，所述控制器结合目标识别技术，根据所述探测数据中多个点的相互关系，确定所述障碍物的尺寸和/或运动参数。
14.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述k>1，所述控制器配置成通过以下方式预测第k+1次探测时所述障碍物的距离：
根据所述障碍物的前k次探测中的相对位置变化以及相邻探测之间的时间间隔，预测第k+1次探测时所述障碍物所处的位置。
15.如权利要求10-14任一项所述的激光雷达，其中所述控制器通过以下方式调整第k+1次探测时的探测窗口的范围和位置：
根据预测的所述障碍物的位置信息，针对所述障碍物上的任意一点，获得相应的预测飞行时间；
将相应的探测窗口的中心位置调整为预测飞行时间；
将相应的探测窗口的范围调整为[预测飞行时间-时间窗,预测飞行时间+时间窗]，其中所述时间窗为预设值或与所述障碍物的尺寸和/或速度相关。
16.如权利要求15所述的激光雷达，所述时间窗随着所述目标物的尺寸和/或速度的增大而增大。
17.如权利要求16所述的激光雷达，其中所述激光雷达还包括时间数字转换器和存储器，所述时间数字转换器配置成可接收所述电信号并输出所述回波的飞行时间，所述存储器可存储所述回波的飞行时间，
其中在所述第k+1次探测中，在所述调整后的探测窗口范围内开启所述激光雷达的光电探测器，在所述调整后的探测窗口范围外，关闭所述光电探测器；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器和所述时间数字转换器开启，所述存储器仅存储所述调整后的探测窗口范围内所述时间数字转换器输出的所述回波的飞行时间；或者
在所述第k+1次探测中，始终保持所述光电探测器开启，仅在所述调整后的探测窗口范围内使得所述时间数字转换器开启。
18.如权利要求10所述的激光雷达，其中所述控制器配置成：在进行第k+1次探测时，所述调整后的探测窗口范围内未探测到障碍物时，将第k+2次探测窗口范围调整为所述初始探测窗口范围。
19.一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施如权利要求1-9任一项所述的测距方法。
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