CN116299308A - 激光雷达的信号处理方法及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达的信号处理方法，包括：S101：发射探测脉冲；S102：通过探测装置接收回波脉冲；S103：获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置；和S104：根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。本发明还提供一种激光雷达。采用本发明的信号处理方法，根据回波脉冲的接收时刻以及光斑位置，不论对于多脉冲探测还是单脉冲探测，能够有效确定回波脉冲与探测脉冲是否相对应，此外，还可以通过缩短探测周期的时间间隔提高探测精度，节省时间资源，从而获得更准确的探测结果。

Description

激光雷达的信号处理方法及激光雷达

技术领域

本公开涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达的信号处理方法及激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种常用的测距传感器，广泛应用于无人驾驶、智能机器人、无人机、军事武器等领域，具有探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻等优点。激光雷达基于飞行时间法(TOF)对障碍物进行测距，即通过发射探测脉冲，测量探测脉冲在激光雷达和障碍物之间往返的飞行时间进行测距。为了实现更精确的探测扫描，激光雷达的点云密度越来越高，即在相同时间内需要发射更多的探测信号，因此需要多通道同时发光，并行测量。

现有的扫描式激光雷达主要有两种类型。一种是多线光源依次线性排列，多线光源轮巡发光，即一个激光器与一个探测器之间形成探测通道，线列上的光源依次发光、对应的探测器接收数据；另一个方向上采用扫描器或机械旋转的方法进行扫描，从而实现二维扫描。另一种方案是采用一个或少数几个激光器和对应的探测器，通过二维扫描器进行二维扫描。

所述探测通道是指激光器与相对应的探测器形成的虚拟通道，并不是物理意义上的道路。激光器发射探测光束之后，同一探测通道的探测器接收在一定时间窗口内该探测光束被障碍物反射的回波，该时间窗口即探测窗口，探测窗口的长度通常要保证位于激光雷达最大探测距离处的障碍物产生的回波能够返回被并探测器接收到。随着激光雷达线数的增加和总探测时间的限制，多线光源一一发光、对应的探测器在相应的探测窗口内依次接收回波，会占用过长的探测时间，所以即使是轮巡发光的架构，在同一时序也会有多个光源同时发光，相应的多个探测器接收数据，也即多个探测通道并行工作，也就会存在通道间串扰问题。对于基于二维扫描器的激光雷达，因为只有一个或少数几个激光器和探测器，就更容易收到上一个探测周期发出的光产生的回波，如果被误判为本周期回波，就会产生噪点。

一种解决并行工作的多个通道间串扰问题的方案是激光脉冲的编码，比如发射双脉冲时，并行工作的多个通道间采用不同的脉冲间隔，通过对回波信号解码判断是否为本通道回波。但是多脉冲编码会使一个探测窗口的时间要包括多脉冲的脉宽以及脉冲间时间间隔，使得时间资源更加紧张。

尤其是对于同轴激光雷达，因为发射出的探测光会被内部器件反射到接收端，探测器会收到一个很强的杂散光信号，此时无法区分回波信号，从而造成近距离盲区，多脉冲就会使得该盲区范围更大。

背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有的一个或多个缺陷，本发明提供一种激光雷达的信号处理方法，包括：

S101：发射探测脉冲；

S102：通过探测装置接收回波脉冲；

S103：获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置；和

S104：根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S104包括：

根据所述光斑位置，获取所述回波脉冲的第一飞行时间；

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

当所述第一飞行时间与所述第二飞行时间相接近时，确定所述回波脉冲与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个方面，其中所述根据光斑位置获取所述第一飞行时间的步骤包括：

确定所述光斑位置相对于基准位置的偏移量；

根据所述偏移量，获取所述第一飞行时间。

根据本发明的一个方面，其中所述根据光斑位置获取所述回波脉冲的第一飞行时间的步骤包括：

基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述光斑位置对应的第一飞行时间。

根据本发明的一个方面，其中所述步骤S104包括：

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

根据所述第二飞行时间，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置；

当所述光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

根据本发明的一个方面，其中所述根据第二飞行时间获得预期光斑位置的步骤包括：基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述第二飞行时间对应的预期光斑位置。

根据本发明的一个方面，其中所述预设的飞行时间与光斑位置的对应关系基于以下一个或多个因素确定：

所述激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

所述激光雷达的扫描装置偏转产生的光斑位置偏移；

障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

根据本发明的一个方面，其中所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器包括多个探测单元，所述步骤S103包括：将接收到所述回波脉冲的多个探测单元的中心位置，作为所述光斑位置。

根据本发明的一个方面，其中所述中心位置根据所述多个探测单元的几何质心计算。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达包括至少一个激光器和至少一个探测器，所述激光器以预设的时间间隔发射探测脉冲，所述探测器接收回波脉冲，根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测器上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达包括多个激光器和多个探测器，所述激光器分别与至少一个探测器之间形成探测通道，根据回波脉冲的接收时刻，以及所述回波脉冲在所述探测通道中的探测器上的光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

本发明还涉及一种激光雷达，包括：

发射装置，配置成发射探测脉冲；

探测装置，配置成接收回波脉冲；

处理装置，配置成获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置，并根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置成：

根据所述光斑位置，获取所述回波脉冲的第一飞行时间；

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

当所述第一飞行时间与所述第二飞行时间相接近时，确定所述回波脉冲与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置成：

确定所述光斑位置相对于基准位置的偏移量；

根据所述偏移量，获取所述第一飞行时间。

根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述光斑位置对应的第一飞行时间。

根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置成：

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

根据所述第二飞行时间，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置；

当所述光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

根据本发明的一个方面，其中所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的关系，获得所述第二飞行时间对应的预期光斑位置。

根据本发明的一个方面，其中所述预设的飞行时间与光斑位置的对应关系基于以下中的一个或多个因素确定：

所述激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

所述激光雷达的扫描器产生的光斑位置偏移；

障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

根据本发明的一个方面，其中所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器包括多个探测单元，所述探测单元包括单光子雪崩二极管，所述处理装置配置成：将接收到的所述回波脉冲的多个探测单元的中心位置，作为所述光斑位置，所述中心位置根据所述多个探测单元的几何质心计算。

根据本发明的一个方面，其中所述发射装置包括激光器，所述激光器配置为以预设的时间间隔发射探测脉冲；所述处理装置配置成：根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测单元上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

根据本发明的一个方面，所述发射装置包括多个激光器，所述探测装置包括多个探测器，所述激光器分别与至少一个探测器之间形成探测通道，所述处理装置配置成：根据回波脉冲的接收时刻，以及所述回波脉冲在所述探测通道中的探测器上的光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

采用本发明的信号处理方法，根据回波脉冲的接收时刻以及光斑位置，不论对于多脉冲探测还是单脉冲探测，不需要在探测窗口中预留脉冲编码时间，就能够有效确定回波脉冲与探测脉冲是否相对应。能够节省时间资源，同时准确判断被障碍物反射的有效回波信号，滤除干扰信号，提高探测结果准确性。

本发明的优选实施例中，通过缩短探测周期的时间间隔，提高探测效率，节省时间资源，同时能够降低通道间的串扰。结合回波脉冲的接收时刻以及光斑位置，能够对回波脉冲的判定获得更准确的探测结果。

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示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的示意图；

图2示出了本发明激光雷达的信号处理方法的流程图；

图3示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的探测装置的示意图；

图4示意性示出了激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

图5示意性示出了障碍物距离导致的光斑位置偏移；

图6A和6B示出了根据本发明实施例确定回波脉冲是否与探测脉冲相对应的过程；

图7示出了单光子雪崩二极管的示意图；和

图8示出了采用本发明的实施例进行激光雷达探测的示意图。

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。

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示出了激光雷达的原理示意图。如图1所示，激光雷达10包括发射装置11、探测装置12和处理装置13，其中从发射装置11发射出的探测脉冲L入射到障碍物上并且发生漫反射，回波脉冲L’返回到探测装置12，由探测装置12转换为电信号，处理装置13根据探测脉冲L的发射时间与回波脉冲L’的接收时间之间的时间间隔，来计算障碍物的距离。为了准确计算障碍物的距离，需要确保回波脉冲L’与探测脉冲L相对应，即回波脉冲L’是由探测脉冲L被反射产生的。如果用于计算障碍物距离的回波脉冲L’与探测脉冲L并不相对应，则会对于激光雷达的测量精准度产生不利影响。

图2示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的信号处理方法100，用于确定回波脉冲是否与探测脉冲相对应；图3示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的探测装置12的示意图。下面参考图2以及图1和图3详细描述。

在步骤S101中，发射探测脉冲。

参考图1，激光雷达10的发射装置11向激光雷达10周围的三维环境中发射探测脉冲L，其中探测脉冲L可以是单个脉冲，也可以是经编码的多脉冲序列。本发明不对探测脉冲的具体形式进行限制。

在步骤S102中，通过探测装置接收回波脉冲。

探测脉冲L入射到障碍物上发生漫反射，回波脉冲L’返回激光雷达并且由探测装置12接收，并转换为电信号。

在步骤S103中，获取回波脉冲的接收时刻以及回波脉冲在探测装置上的光斑位置。

参考图1，处理装置13与探测装置12耦合，从而获取探测装置12产生的电信号。处理装置13根据电信号，确定回波脉冲L’的接收时刻。根据本发明的一个优选实施例，处理装置13将电信号的波形超过预设阈值的时刻作为回波脉冲L’的接收时刻，从而可以减轻或者消除环境光以及噪声的影响。该预设阈值可以是固定的，也可以根据环境光的强弱而动态调整。

如图3所示，探测装置12包括一个或多个探测器120，探测器120通常具有较大的光敏面用于接收回波脉冲L’，如图3中矩形虚线框出的区域，从而确保能够接收激光雷达视场内的各个方位的障碍物返回的回波。对于一个回波脉冲L’，通常将照射在探测器120的一个局部区域上，如图3中圆形虚线示出的光斑S示出的。光敏面的位于光斑S范围内的光电器件将会被回波脉冲L’触发并且产生电信号。该光电器件例如是基于盖革模式的探测单元阵列。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，探测器120包括多个可寻址的探测单元121，每个探测单元121均可响应于入射到其上的光信号产生电信号，从而根据那些产生电信号的探测单元121即可确定光斑S的位置。如图3所示，位于探测器120的大致中间位置的9个探测单元121(以深色方框示出)产生了电信号输出，可以将这9个探测单元121的区域作为光斑区域，可以将接收到所述回波脉冲的多个探测单元121的中心位置(例如几何质心)作为光斑位置。

在步骤S104中，根据接收时刻以及光斑位置，确定回波脉冲是否与探测脉冲相对应。本申请的发明人发现，可以在激光雷达的探测脉冲飞行时间与光斑位置之间建立一定的对应关系，根据该对应关系，基于接收时刻和光斑位置就可以确定回波脉冲是否与探测脉冲相对应。下面描述根据本发明的各个优选实施例。

根据本发明的一个优选实施例，在步骤S104，可以根据在步骤S103获得的光斑位置来计算或者估算回波脉冲L’的第一飞行时间。对于激光雷达，探测脉冲的飞行时间与光斑位置之间具有一定的对应关系，具体的，可以设定一个光斑的基准位置，在探测脉冲的飞行时间与光斑位置相对于该基准位置的偏移量之间建立对应关系，下面将详细描述该对应关系。在步骤S104，根据该光斑位置，并基于所述对应关系，就可以获得回波脉冲L’的第一飞行时间，其中第一飞行时间为预估的理论飞行时间。

根据回波脉冲L’的接收时间与探测脉冲L的发射时刻，可以获得实际的飞行时间，作为第二飞行时间。

然后可以将第一飞行时间与所述第二飞行时间进行比较，也就是将根据实际光斑位置估算的理论飞行时间与实际飞行时间进行比较，当二者相接近时，可确定所述回波脉冲L’与所述探测脉冲L相对应。根据本发明一个实施例，当第一飞行时间与所述第二飞行时间之间的差值的绝对值小于预设的阈值时，可认为二者相接近。另外可替换的，可以计算二者之间的相对差值，例如计算

当结果不超过预设阈值(例如10％，或者5％，或者1％)时，认为二者相接近。相反，如果上述计算结果超过预设阈值，第一飞行时间与所述第二飞行时间差异较大，此时可确定所述回波脉冲L’并非是由探测脉冲L所产生的，不应当根据回波脉冲L’来计算障碍物距离。

或者可替换的，在步骤S104，根据所述回波脉冲L’接收时刻与探测脉冲L的发射时刻之间的时间间隔，获得实际飞行时间，作为第二飞行时间；然后根据第二飞行时间，并基于所述对应关系，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置，然后判断实际光斑位置与预期光斑位置是否相接近，当所述实际光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

上文描述的优选实施例中使用了探测脉冲的飞行时间与光斑位置之间的对应关系，例如探测脉冲的飞行时间与光斑位置相对于基准位置的偏移量之间的对应关系，该对应关系通常由激光雷达的类型、本身固有的参数以及一些外部参数决定，例如包括以下一个或多个因素：

(1)激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

(2)激光雷达的扫描装置偏转产生的光斑位置偏移；

(3)障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

本发明一些实施例中，基准位置是飞行时间为零时的光斑位置。随着飞行时间的延长，激光雷达的旋转、扫描装置的偏转、障碍物距离等一个或多个因素会使得回波脉冲的光斑在探测器上的位置相对于基准位置发生偏移。

对于机械式激光雷达，其光机转子通常包括多个激光器和多个探测器，至少一个激光器和至少一个探测器相对应从而形成探测通道，光机转子内包括多个探测通道。每个探测通道内激光器的发光方向对应于竖直方向的一个视场或一个角度，不同探测通道在竖直方向对应的视场或角度不同，从而实现在竖直方向上一定视场范围的探测。另一方面，光机转子围绕竖直轴线旋转，实现水平方向360度的扫描和探测，从而形成激光雷达的一帧点云数据。对于其中一个探测通道，其在旋转过程中，每隔一定的旋转角度(即激光雷达的水平角分辨率，例如0.1度)发射一次探测脉冲，激光雷达的探测装置接收该探测脉冲在障碍物上漫反射后的回波脉冲。

机械式激光雷达在探测过程中，光机转子始终处于旋转状态，因此机械激光雷达旋转将导致回波脉冲的角度偏移。当探测脉冲发出后，在不同的飞行时间下，激光雷达的探测装置的角度偏移量不同，因此回波脉冲的光斑落在探测装置上的位置也不尽相同。而且，该偏移量与飞行时间呈正相关，即飞行时间越长，光斑落在探测装置上的位置的偏移量越大。

下面参考图4详细说明激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移。不考虑光学路径引起的光斑位置偏移，假设激光雷达发射探测脉冲L后，回波脉冲L’沿原路返回。假设在t1时刻激光雷达的发射装置11发射探测脉冲L，此时激光雷达的探测装置12处于第一位置，如图4中的POS1所示。如果障碍物的距离为0，即飞行时间Tof为0，那么回波脉冲L’将在t1时刻返回，如图4所示，光斑位置如S1所示，该光斑位置S1可作为基准位置(可以以光斑的中心作为光斑位置)。但在实际中，障碍物的距离不可能为0，回波脉冲L’将在t2时刻返回，从t1时刻到t2时刻，激光雷达的光机转子连同其上的探测装置12在持续旋转，如图4中的顺时针箭头R所示，探测装置12从位置POS1旋转到位置POS2，因此在t2时刻，回波脉冲L’在探测装置12上的光斑位置如S2所示，光斑位置S2相对于光斑位置S1发生了偏离，该偏移量记为SHIFTa。光斑位置在探测器上的偏移方向与激光雷达光机转子旋转方向相反，且光斑位置偏移量与Tof时间正相关。

偏移量SHIFTa与飞行时间Tof满足以下关系：

SHIFTa＝ω*tof*f

式中，ω为激光雷达转动的角速度，f为透镜组焦距，tof为飞行时间。上述关系式代表了探测脉冲的飞行时间与光斑位置之间的对应关系。根据如上关系式，当激光雷达的角速度ω、透镜组焦距f以及偏移量SHIFTa、飞行时间tof这四个参数中，其中任意三个参数确定后，就可以计算出另一个参数。

上述分析过程和关系式同样适用于通过扫描器扫描的激光雷达，包括一维方向扫描的激光雷达以及二维方向扫描的激光雷达。在此情况下，ω为扫描器转动的角速度。

基于扫描器的激光雷达，包括一个或多个激光器，激光器与至少一个探测器也构成探测通道，激光雷达包括一个或多个探测通道；扫描器包括一维扫描器或二维扫描器。对于采用一维扫描器的激光雷达，每个探测通道内激光器的发光方向对应于竖直方向的一个视场或一个角度，不同探测通道在竖直方向对应的视场或角度不同，从而实现在竖直方向上一定视场范围的探测。另一方面，一维扫描器绕转轴旋转，该转轴为竖直方向时，一维扫描器通过旋转，将激光器发出的探测脉冲在水平方向上偏转到不同的角度，从而实现水平方向一定视场范围的扫描和探测。在其他实施例中，多个探测通道沿水平方向排列，即不同探测通道在水平方向对应的视场或角度不同，从而实现在水平方向上一定视场范围的探测。一维扫描器的旋转轴为水平方向，将探测脉冲在竖直方向上偏转到不同角度，从而实现竖直方向上一定视场范围的探测。

对于采用二维扫描器的激光雷达，扫描器具有两个成一定角度的转轴，因而扫描器可以在两个方向上将激光器发出的探测脉冲反射到不同的角度，实现二维扫描。在其他的实施例中，二维扫描器包括两个一维扫描器，两个一维扫描器的转轴成一定角度，也能够实现二维扫描。在一些实施例中，所述角度为直角。

在一些实施例中，扫描器包括转镜、振镜、摆镜中的至少一种。

除此之外，障碍物的距离也会产生光斑位置偏移。对于异轴光路的激光雷达来说，在探测过程中，发射装置发射的探测脉冲和探测装置接收的回波脉冲使用不同的光学组件，因此障碍物与激光雷达之间的距离不同，落在探测装置上的光斑位置也不同，这就是由于异轴光路的远近效应造成的光斑偏移。该原因造成的偏移量也与飞行时间相关。如图5所示，对于障碍物O1，回波脉冲在探测装置上的光斑位置为S1；对于障碍物O2，回波在探测装置上的光斑位置为S2。障碍物O1比障碍物O2距离激光雷达更远，回波脉冲的光斑落在探测装置上的位置S1比S2更靠近发射装置一侧。

本发明一些实施例中，以对应激光雷达最远目标探测距离处的障碍物的回波位置S0为基准位置，计算实际光斑位置(如光斑位置S1和光斑位置S2)相对于该基准位置S0的偏移量SHIFTb。此时，光斑位置在探测器上的偏移量与飞行时间反相关，即随着障碍物的距离增大，对应的飞行时间随之增大，光斑落在探测器上的位置逐渐向基准位置靠近。

本发明一些实施例中，对于异轴光路的激光雷达，由于障碍物的远近造成的光斑偏移量SHIFTb与障碍物距离或飞行时间满足以下关系：

式中，D_AX为异轴收发***中心间距(如图5所示)，L为障碍物距离，f为发射光学组件的焦距。

以上描述了导致光斑偏移的三种常见原因。需要注意的是，本发明只是以这三种原因为例说明光斑偏移的产生原因，事实上，除了前文所述的三种原因之外，还可能有其他原因导致光斑偏移，这里不再赘述。

另外，对于不同类型的激光雷达，会由于以上(1)、(2)和(3)中一个或多个因素而产生光斑位置偏移。例如对于机械式的异轴光路激光雷达，会由于第(1)和第(3)个因素而产生光斑位置偏移，因此在确定对应关系时，需要将SHIFTa和SHIFTb相结合；对于基于扫描器的异轴光路激光雷达，会由于第(2)和第(3)个因素而产生光斑位置偏移；对于同轴光路激光雷达，会由于第(2)个因素而产生光斑位置偏移。对于具体的激光雷达，可以根据激光雷达的类型来确定会产生光斑位置偏移的因素。

需要注意的是，在实际的探测过程中，根据雷达转动方向的不同，SHIFTa和SHIFTb的方向可能相同，也可能相反，即雷达旋转或扫描器旋转造成的光斑偏移方向与异轴***远近效应造成的光斑偏移方向可能相同、也可能相反；对于振镜、摆镜等扫描器，在不同时间可能朝不同方向偏转，使得光斑偏移方向不同，需要根据实际情况将两个分量相加或相减，得到实际的偏移量，再得到第一飞行时间。

下面参考图6A和6B详细描述通过本发明实施例来确定回波脉冲是否与探测脉冲相对应的过程。

如图6A所示，发射装置发射第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2，二者间隔的时间为T_CH。第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2发出之后，探测装置接收到第一回波脉冲echo1和第二回波脉冲echo2，回波脉冲的光斑落在探测装置上，但是第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2与第一回波脉冲echo1和第二回波脉冲echo2的对应关系未知。如图6B所示，其中示出了三个圆，左边虚线圆S0为光斑的基准位置。中间圆S1和右边圆S2为第一回波脉冲echo1和第二回波脉冲echo2的光斑。

根据本发明的实施例，可以首先确定中间圆S1相对于基准位置的偏移量。将中间圆的光斑位置相对于基准位置的偏移量计算出来，记为SHIFT1；将右边圆S2的光斑位置相对于基准位置的偏移量计算出来，并记为SHIFT2。

根据所述光斑位置相对于基准位置的偏移量SHIFT1和SHIFT2，并基于激光雷达的预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得与所述光斑位置对应的第一飞行时间TIME1和TIME2。

参见图6A，在第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2发出之后，探测装置收到两个回波脉冲echo1和echo2，两两组合，可以计算出四个时间间隔，也就是第二飞行时间，分别为:

t1＝echo1-pulse1 t2＝echo1-pulse2

t3＝echo2-pulse1 t4＝echo2-pulse2

将TIME1和TIME2分别与t1、t2、t3和t4进行比较和匹配，从t1、t2、t3和t4中选择出与TIME1和TIME2相匹配的时间间隔，假设分别为t1和t4，从而可以确定第一回波脉冲echo1对应于第一探测脉冲pulse1，二者之前的时间差即为飞行时间Tof1；第二回波脉冲echo2对应于第二探测脉冲pulse2，二者之间的时间差即为飞行时间Tof2，如图6A所示的。

假设t2和t3分别与TIME1和TIME2相匹配，那么可以确定第二回波脉冲echo2对应于第一探测脉冲Pulse1，第一回波脉冲echo1对应于第二探测脉冲Pulse2。所述匹配，可以是两个时间值完全相同，或者两个时间值的差值小于预设匹配阈值。若t1和t2不与TIME1和TIME2中的任何一个相匹配，可以确定echo1为噪声，进而将其滤除。

可替换的，也可以首先根据发射脉冲的时间与回波脉冲的时间计算第二飞行时间(如上所述的t1、t2、t3和t4)，然后计算与每个第二飞行时间所对应的光斑位置偏移量SHIFT(SHIFT-Ⅰ，SHIFT-Ⅱ，SHIFT-Ⅲ，SHIFT-Ⅳ)，通过将SHIFT-Ⅰ、SHIFT-Ⅱ、SHIFT-Ⅲ、SHIFT-Ⅳ分别与SHIFT1和SHIFT2比对，找到相互匹配两个SHIFT，从而可以确定发射脉冲与回波脉冲的匹配关系，此处不再赘述。

本发明一些实施例中，预先确定光斑位置与飞行时间的对应关系，在实际应用中，获得光斑位置后，可以查找该对应关系，确定对应的第一飞行时间；或在获得第二飞行时间后，查找该对应关系，确定第二飞行时间对应的光斑位置。

根据本发明的一个优选实施例，激光雷达的探测装置包括至少一个探测器，探测器包括多个探测单元，探测单元包括单光子雪崩二极管SPAD。

图7示出了单光子雪崩二极管SPAD的结构图。单光子雪崩二极管SPAD是一种高灵敏度半导体器件，能够探测到低强度信号(低到单个光子)，利用光电效应将光信号转换成电信号。单光子雪崩二极管SPAD施加高于击穿电压的反向偏置电压，当单光子雪崩二极管SPAD接收到回波脉冲时，回波脉冲触发单光子雪崩二极管SPAD雪崩并输出电流，超过阈值的雪崩电流将通过比较器后输出“1”，没超过阈值的雪崩电流将通过比较器后输出“0”，由此可以判断出每个单光子雪崩二极管SPAD的触发状态。将单光子雪崩二极管SPAD作为探测单元，以并联的方式形成探测单元阵列，构成图3所示的探测器。发射装置发出探测脉冲，探测装置接收回波脉冲之后，根据探测装置上的探测器上每个探测单元即每个单光子雪崩二极管SPAD的触发状态，获知光斑位置。如触发状态为“1”，对应的单光子雪崩二极管SPAD发光；触发状态为“0”，对应的单光子雪崩二极管SPAD不发光，由此可以获得该单光子雪崩二极管SPAD阵列的[0 1]图像，该图像对应的发光区域即可获知光斑位置。

需要注意的是，关于探测装置，本发明采用单光子雪崩二极管SPAD作为探测单元，采用单光子雪崩二极管SPAD阵列作为探测器，这都是本发明的一个实施例，并不构成对本发明的限制。

本发明的上述方法既可用于单通道激光雷达，也可以用于多通道激光雷达，可用于匹配一个激光器发射出的多个探测脉冲与接收到的多个回波脉冲之间的对应关系，也可以用于匹配多个激光器发射出的多个探测脉冲与接收到的多个回波脉冲之间的对应关系。例如对于一个激光器，以预设的时间间隔发射探测脉冲，探测器接收回波脉冲，根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测器上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

采用本发明的判断方法，即便是单通道雷达，也可以突破飞行时间TOF的限制。单通道雷达采用一个激光器周期性发射探测光、结合扫描器进行扫描的方法，此时探测窗口TCH等于最远探测距离回波脉冲的飞行时间。通常在一个激光器发射探测光之后，需要等待该探测窗口才能再进行下一次发射。但通过本发明的实施例，可以使得激光器的发射周期ΔTCH小于探测窗口TCH，可以缩短探测周期的时间间隔，在一定的扫描周期时间内，可以提高点云数据率，从而提高探测效率。

如图8所示，在探测过程中，激光器以ΔTCH的时间间隔发射第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2，得到第一回波脉冲Echo1和第二回波脉冲Echo2，其中ΔTCH小于TCH。虽然存在Pulse1的回波与Pulse2的探测窗***叉的问题，但通过采用本发明的光斑位置和回波脉冲的接收时刻来判断探测脉冲是否与回波脉冲相对应的方法，仍然能够区分出发射第一探测脉冲Pulse1和第二探测脉冲Pulse2与第一回波脉冲Echo1和第二回波脉冲Echo2的对应关系，避免串扰问题，因此可以在提高雷达数据率的同时，获得高探测精度。

本发明还涉及一种激光雷达10，如图1所示，包括发射装置11、探测装置12、处理装置13。发射装置11配置成发射探测脉冲L，探测装置12配置成接收回波脉冲L’,处理装置13配置成获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置，并根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个优选实施例，所述处理单元配置成：

根据所述光斑位置，获取所述回波脉冲的第一飞行时间；

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

当所述第一飞行时间与所述第二飞行时间相接近时，确定所述回波脉冲与所述探测脉冲相对应。

根据本发明的一个优选实施例，所述处理单元配置成：

确定所述光斑位置相对于基准位置的偏移量；

根据所述偏移量，获取所述第一飞行时间。

根据本发明的一个优选实施例，所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述光斑位置对应的第一飞行时间。

根据本发明的一个优选实施例，所述处理单元配置成：

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

根据所述第二飞行时间，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置；

当所述光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

根据本发明的一个优选实施例，所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的关系，获得所述第二飞行时间对应的预期光斑位置。

根据本发明的一个优选实施例，所述预设的飞行时间与光斑位置的对应关系基于以下中的一个或多个因素确定：

所述激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

所述激光雷达的扫描器产生的光斑位置偏移；

障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

根据本发明的一个优选实施例，所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器包括多个探测单元，所述探测单元包括单光子雪崩二极管，所述处理装置配置成：将接收到的所述回波脉冲的多个探测单元的中心位置，作为所述光斑位置，所述中心位置根据所述多个探测单元的几何质心计算。

根据本发明的一个优选实施例，所述发射装置包括激光器，所述激光器配置为以预设的时间间隔发射探测脉冲；所述处理装置配置成：根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测单元上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

根据本发明的一个优选实施例，所述发射装置包括多个激光器，所述探测装置包括多个探测器，所述激光器分别与至少一个探测器之间形成探测通道，所述处理装置配置成：根据回波脉冲的接收时刻，以及所述回波脉冲在所述探测通道中的探测器上的光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

采用本发明的技术方案，根据回波脉冲的接收时刻以及光斑位置，不论对于多脉冲探测还是单脉冲探测，不需要在探测窗口中预留脉冲编码时间，就能够有效确定回波脉冲与探测脉冲是否相对应。能够节省时间资源，同时准确判断被障碍物反射的有效回波信号，滤除干扰信号，提高探测结果准确性。

根据本发明的优选实施例，通过缩短探测周期的时间间隔，可以节省时间资源，从而提高探测效率，同时能够降低通道间的串扰，提高探测精准度。

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 (21)

1.一种激光雷达的信号处理方法，包括：

S101：发射探测脉冲；

S102：通过探测装置接收回波脉冲；

S103：获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置；和

S104：根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其中所述步骤S104包括：

根据所述光斑位置，获取所述回波脉冲的第一飞行时间；

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

当所述第一飞行时间与所述第二飞行时间相接近时，确定所述回波脉冲与所述探测脉冲相对应。

3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其中所述根据光斑位置获取所述第一飞行时间的步骤包括：

确定所述光斑位置相对于基准位置的偏移量；

根据所述偏移量，获取所述第一飞行时间。

4.根据权利要求2所述的信号处理方法，其中所述根据光斑位置获取所述回波脉冲的第一飞行时间的步骤包括：

基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述光斑位置对应的第一飞行时间。

5.根据权利要求1所述的信号处理方法，其中所述步骤S104包括：

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

根据所述第二飞行时间，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置；

当所述光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

6.根据权利要求5所述的信号处理方法，其中所述根据第二飞行时间获得预期光斑位置的步骤包括：基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述第二飞行时间对应的预期光斑位置。

7.根据权利要求4或6所述的信号处理方法，其中所述预设的飞行时间与光斑位置的对应关系基于以下一个或多个因素确定：

所述激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

所述激光雷达的扫描装置偏转产生的光斑位置偏移；

障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的信号处理方法，其中所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器包括多个探测单元，所述步骤S103包括：将接收到所述回波脉冲的多个探测单元的中心位置，作为所述光斑位置。

9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其中所述中心位置根据所述多个探测单元的几何质心计算。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的信号处理方法，所述激光雷达包括至少一个激光器和至少一个探测器，所述激光器以预设的时间间隔发射探测脉冲，所述探测器接收回波脉冲，根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测器上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的信号处理方法，所述激光雷达包括多个激光器和多个探测器，所述激光器分别与至少一个探测器之间形成探测通道，根据回波脉冲的接收时刻，以及所述回波脉冲在所述探测通道中的探测器上的光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

12.一种激光雷达，包括：

发射装置，配置成发射探测脉冲；

探测装置，配置成接收回波脉冲；

处理装置，配置成获取所述回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测装置上的光斑位置，并根据所述接收时刻以及光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

13.根据权利要求12所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：

根据所述光斑位置，获取所述回波脉冲的第一飞行时间；

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

当所述第一飞行时间与所述第二飞行时间相接近时，确定所述回波脉冲与所述探测脉冲相对应。

14.根据权利要求13所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：

确定所述光斑位置相对于基准位置的偏移量；

根据所述偏移量，获取所述第一飞行时间。

15.根据权利要求12所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的对应关系，获得所述光斑位置对应的第一飞行时间。

16.根据权利要求12所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：

根据所述接收时刻与探测脉冲的发射时刻之间的时间间隔，获得第二飞行时间；

根据所述第二飞行时间，获得与该第二飞行时间相对应的预期光斑位置；

当所述光斑位置与所述预期光斑位置相接近时，确定所述回波脉冲对应于所述探测脉冲。

17.根据权利要求16所述的激光雷达，其中所述处理单元配置成：基于预设的飞行时间与光斑位置的关系，获得所述第二飞行时间对应的预期光斑位置。

18.根据权利要求15或17所述的激光雷达，其中所述预设的飞行时间与光斑位置的对应关系基于以下中的一个或多个因素确定：

所述激光雷达的旋转产生的光斑位置偏移；

所述激光雷达的扫描器产生的光斑位置偏移；

障碍物的距离产生的光斑位置偏移。

19.根据权利要求12-17中任一项所述的激光雷达，其中所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器包括多个探测单元，所述探测单元包括单光子雪崩二极管，所述处理装置配置成：将接收到的所述回波脉冲的多个探测单元的中心位置，作为所述光斑位置，所述中心位置根据所述多个探测单元的几何质心计算。

20.根据权利要求19所述的激光雷达，其中所述发射装置包括激光器，所述激光器配置为以预设的时间间隔发射探测脉冲；所述处理装置配置成：根据每个回波脉冲的接收时刻以及所述回波脉冲在所述探测单元上的光斑位置，确定每个回波脉冲与所述探测脉冲的对应关系。

21.根据权利要求19所述的激光雷达，所述发射装置包括多个激光器，所述探测装置包括多个探测器，所述激光器分别与至少一个探测器之间形成探测通道，所述处理装置配置成：根据回波脉冲的接收时刻，以及所述回波脉冲在所述探测通道中的探测器上的光斑位置，确定所述回波脉冲是否与所述探测脉冲相对应。

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