一种激光雷达系统、光信号接收处理装置以及光信号接收处理方法

摘要

本发明涉及一种激光雷达系统，属于激光雷达及激光测距领域，用于解决现有技术难以克服复杂环境下信号弱、频率高、背景噪声复杂的缺陷。激光雷达系统包括：光信号发射单元、光信号接收处理单元、测距处理单元、主控处理单元；主控单元用于产生激光触发脉冲信号至光信号发射单元；光信号接收处理单元包括依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；主控处理单元能够根据所述二级可调增益放大器的输出结果调整光接收器的供电电压、二级可调增益放大器的放大增益以及可调阈值比较器的阈值电压。本发明还包括一种光信号接收处理装置以及光信号接收处理方法。本发明的一个应用是激光雷达系统设计。

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达及激光测距领域，具体涉及一种激光雷达系统、光信号接收处理装置以及光信号接收处理方法。

背景技术

激光雷达实现的功能是测量目标距离和位置，应用于精确测量、目标定位、自动驾驶等领域。激光雷达有多线扫描方式和基于MEMS振镜扫描两种方式，使用光飞行时测量法进行距离测量的方式比较普遍，该方式通过测量光收发的时间差经计算后得到目标距离。

基于MEMS振镜方式则具有体积小，成本低的优势，是激光雷达未来设计发展的主要方向。激光雷达系统受环境因素影响大，外部环境中光信号的对激光雷达测量精度影响很大。激光雷达电气系统的实现涉及到光电信号转换技术，测量性能与光电信号转换电路设计密切相关。经光信号转换的电信号具有信号弱、信号频率高、背景噪声复杂的特点，对信号处理系统的增益、带宽和降噪性能要求高。

发明内容

本发明的一个目的是解决现有技术的激光雷达系统受环境影响较大，难以克服复杂环境下信号弱、频率高、背景噪声复杂的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种激光雷达系统，包括：光信号发射单元、光信号接收处理单元、测距处理单元、主控处理单元；主控单元用于产生激光触发脉冲信号至光信号发射单元，光信号发射单元驱动激光器件发出光脉冲信号，同时将同步信号发送至测距处理单元；光脉冲信号经目标物表面反射后由光信号接收处理单元转换为电信号；其中光信号接收处理单元包括依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；主控处理单元能够根据所述二级可调增益放大器的输出结果调整光接收器的供电电压、二级可调增益放大器的放大增益以及可调阈值比较器的阈值电压。

优选地，所述光接收器的供电电压可调范围为40V～90V。

优选地，所述二级可调增益放大器的增益可调范围为-10dB～30dB。

优选地，主控处理单元用于判断所述输出结果是否符合预设的要求，若不符合，则依次调节二级可调增益放大器的放大增益、光接收器的供电电压和可调阈值比较器的阈值电压，直至处理后的信号符合预设要求。

优选地，根据输出结果的幅度、信号重复频率以及信号到达时刻判断输出结果是否符合预设要求。

优选地，还包括数据通信单元，通过以太网驱动芯片以及以太网收发器实现主控处理单元与上位机的通信功能。

优选地，所述激光雷达系统用于多云和夜晚的光线环境。

根据本发明的第二方面，提供一种用于激光雷达系统的光信号接收处理装置，包括依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；其中光接收器能够响应来自主控单元的供电电压控制信号，实现自身供电电压调节；二级可调增益放大器能够响应来自主控单元的增益调节信号，实现增益调节；可调阈值比较器能够响应来自主控单元的阈值调节信号，实现阈值调节。

优选地，所述光接收器的供电电压可调范围为40V～90V；所述二级可调增益放大器的增益可调范围为-10dB～30dB。

根据本发明的第三方面，提供一种激光雷达系统的光信号接收处理方法，是基于本发明第二方面的用于激光雷达系统的光信号接收处理装置的，方法包括：根据输出结果的幅度、信号重复频率以及信号到达时刻判断二级可调增益放大器的输出结果是否符合预设的要求，若不符合，则依次调节二级可调增益放大器的放大增益、光接收器的供电电压和可调阈值比较器的阈值电压，直至处理后的信号符合预设要求。

本发明的有益效果是：

1、本发明可显著提高激光雷达系统在复杂环境下的测量精度，如多云、夜晚环境都正常测量，满足用户复杂的使用环境需求。例如在多云情况下，由于杂散光线比较多，接收单元会接收到杂散信号使目标测量结果产生很大的波动，在信号中表现为连续接收到多个回波信号，影响测量精度，通过自适应控制调节算法对降低偏压参数设定并适当提高增益，参数配置适当时能够有效抑制杂散光产生的噪声信号，提高测量精度；

2、能够动态调节参数，通过自适应算法控制参数调节。可在环境杂散光复杂或目标物表面漫反射不理想的情况下完成精准测量。在此种情况形下，自适应控制算法调节偏压和增益参数配比，并调节阈值设置，达到提高信噪比，获得目标回波信号，完成测量；

3、能够实现高精度测量目标位置信息，设计实例实现目标物测量距离在150米内时测量精度可达5cm；

4、简单的系统设计，体积小，易于实现，系统成本低。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一个实施例的激光雷达系统原理框图；

图2为本发明一个实施例的光信号接收处理单元的电路连接结构图；

图3为本发明一个实施例的自适应控制算法的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

<实施方式一>

本实施方式提供一种激光雷达系统，如图1所示，包括：

光信号发射单元1、光信号接收处理单元2、测距处理单元3、主控处理单元4；主控单元4用于产生激光触发脉冲信号至光信号发射单元1，光信号发射单元1驱动激光器件发出光脉冲信号，同时将同步信号发送至测距处理单元3；光脉冲信号经目标物表面反射后由光信号接收处理单元2转换为电信号。其中光信号接收处理单元3包括依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；主控处理单元4能够根据所述二级可调增益放大器的输出结果调整光接收器的供电电压、二级可调增益放大器的放大增益以及可调阈值比较器的阈值电压。

光信号发射单元1通过驱动控制电路驱动光学器件激发产生光信号。该单元包括驱动电源和信号驱动器两个部分，驱动电源提供光器件所需的电源条件，信号驱动器根据控制信号驱动光器件产生光信号，并产生同步信号用于测距处理，该驱动器由MOSFET驱动芯片和少数的阻容器件构成。

光信号接收单元2的主要功能组成是：①光接收器偏置电压发生电路；②信号放大处理电路；③信号触发阈值控制电路。其中光接收器偏置电压发生电路可动态调节偏置电压，电压范围可覆盖光电器件的工作区间。信号放大处理电路可动态调节信号放大增益，增益范围-10dB～30dB。信号触发阈值控制电路可动态调节触发阈值。动态调节过程由主控处理单元进行控制，显著提高了光信号接收处理能力，提高光接收单元在复杂光环境下的适应能力。

测距处理单元3包含测距解算单元和主控逻辑处理单元。测距解算单元应用一种高度集成的测时处理芯片通过测量激光信号发射单元的光信号发出时刻与光信号接收处理单元的光信号到达时刻的时间差，存储于内部数据区，为主控处理元的提供测距解算数据。

主控处理单元4实现了测距数据解算和误差补偿算法，并设计一种环境自适应参数调节控制算法，该算法负责控制系统的所有控制处理逻辑，包括：驱动发射信号的发生、光接收器偏置电压控制、信号放大增益控制、信号触发阈值控制、测时过程控制和读取、数据算法实现、数据通信协议实现。工作过程中主控处理单元还接收处理MEMS驱动控制系统的位置信号，应用算法对控制要素的进行动态调节控制，实现测距和数据传输功能。

本实施方式的一个工作流程是：由主控处理单元4对光信号发射单元1、光信号接收处理单元2、测距处理单元3进行初始配置，配置完成后，主控处理单元4产生触发信号经光信号发射单元1驱动光电转换器件激发产生光信号并通过光学系统发出，同时驱动电路输出同步电信号送至测距处理单元3。光信号到达目标表面后进行反射，其反射光信号经接收光学系统到达光电器件表面后，光电转换器件产生电信号。该电信号经光信号接收处理单元2处理后分别送至测距处理单元3和主控处理单元4，经主控处理单元4分析处理后，依据控制算法对光信号接收处理单元2参数进行调节，当信号达到要求后控制测距处理单元3对光信号发射单元1、光信号接收处理单元2传输的电信号进行测距处理，并等待测距处理单元3发出处理完成通知。当主控处理单元4接收到测距处理单元3发生出的通知后，读取测距数据和MEMS驱动系统的当前位置信息，进行运算处理后缓存。当缓存数据达到发送要求时,依据通信协议经由数据通信单元发送给上位机,形成点云数据，完成扫描过程。

本实施方式的光信号接收处理单元2进一步包括：依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；主控处理单元能够根据所述二级可调增益放大器的输出结果调整光接收器的供电电压、二级可调增益放大器的放大增益以及可调阈值比较器的阈值电压。

如图2所示，即主控处理单元与光接收器的供电输入端、二级可调增益放大器的输出端以及可调阈值比较器的阈值设定端均连接。主控处理单元用于判断所述输出结果是否符合预设的要求，若不符合，则依次调节二级可调增益放大器的放大增益、光接收器的供电电压和可调阈值比较器的阈值电压，直至处理后的信号符合预设要求。图2中，二级可调增益放大器输出的信号分为两路相同的信号，一路正常进入比较器与设定的阈值进行比较，另一路发送至主控处理单元作为反馈信号，主控处理单元能够根据该反馈信号判断信号是否符合要求，如果不符合要求，则调节增益、电压和阈值，使输出的信号能够达到要求。其中，判断信号是否符合要求，可以根据二级可调增益放大器输出结果的幅度、信号重复频率以及信号到达时刻进行判断。也可以通过其他电信号的参数特性进行判断。即本实施方式能够自适应调节电路参数，使采集到的信号足够清晰，能够准确表征测距结果。

在一个实施例中，光接收器的供电电压可调范围为40V～90V；二级可调增益放大器的增益可调范围为-10dB～30dB。

本实施方式还可以包括数据通信单元，通过以太网驱动芯片以及以太网收发器实现主控处理单元与上位机的通信功能。

本实施方式尤其适用于多云和夜晚等光线环境，即当光纤环境较差时，本系统具有较好的环境适应性，能够实现复杂光环境下的精确测量，能够提高电信号质量，具有信号处理调节范围宽、调节分辨率高的特点。

需要说明的是，主控处理单元对放大增益、供电电压和阈值的调整是依次进行的，即当判断出二级可调增益放大器的输出结果需要调整时，先调节放大增益，若调节后仍然不符合要求，则调节供电电压，若仍不符合要求再调节阈值。经过多次实验发现按照上述顺序进行调节能够以更快的速度和更佳的精度完成测量过程。即本实施方式的一个贡献在于，发现了在复杂环境下对信号质量存在明显影响的因素，并进行自适应调节；并且对这些影响因素的重要程度进行了确定，便于以最佳的效率完成信号调节过程。

<实施方式二>

本实施方式提供一种用于激光雷达系统的光信号接收处理装置，如图2所示。其原理与实施方式一相似。本实施方式是一种电路结构和控制逻辑相结合的方案。具体包括：依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器；其中光接收器能够响应来自主控单元的供电电压控制信号，实现自身供电电压调节；二级可调增益放大器能够响应来自主控单元的增益调节信号，实现增益调节；可调阈值比较器能够响应来自主控单元的阈值调节信号，实现阈值调节。

即本实施方式旨在提供一种电路结构，用于接收并处理光信号，使最终得到的测距结果精度更高，减少干扰信号的影响。实现手段是将光接收器的供电部分、二级可调增益放大器的输出和增益部分以及可调阈值比较器的阈值设定输入端均与主控处理单元连接，使主控单元能够通过调节放大增益、供电电压以及阈值来自适应调节放大器的输出。主控处理单元可以根据输出结果的幅度、信号重复频率以及信号到达时刻判断输出结果是否符合预设要求。若不符合，则依次调节二级可调增益放大器的放大增益、光接收器的供电电压和可调阈值比较器的阈值电压，直至处理后的信号符合预设要求。

在一个具体实施例中，其中光接收器的供电电压可调范围为40V～90V；二级可调增益放大器的增益可调范围为-10dB～30dB。

一个信号处理过程的实施例是：光接收器在预定的工作电压下收到由光发射器发出的、经过目标表面反射回来的光信号，经过光电转换后发送给跨阻放大器、一级信号放大器和二级可调增益放大器，输出时一路送入比较器进行阈值比较，另一路作为反馈信号发送给主控处理单元。主控处理单元根据反馈信号按照优先级依次调整二级可调增益放大器、光接收器的供电电压以及比较器的阈值，直至反馈信号符合预期值。

<实施方式三>

本实施方式提供一种激光雷达系统的光信号接收处理方法，该方法是基于实施方式二的接收处理装置的，如图3所示，包括：根据输出结果的幅度、信号重复频率以及信号到达时刻判断二级可调增益放大器的输出结果是否符合预设的要求，若不符合，则依次调节二级可调增益放大器的放大增益、光接收器的供电电压和可调阈值比较器的阈值电压，直至处理后的信号符合预设要求。

<实施例>

本实施例包括一种激光雷达系统，如图1所示，包括光信号发射单元、光信号接收单元、信号处理单元、测距处理单元、主控处理单元、数据通信单元和MEMS振镜及驱动模块。

设计采用光飞行时间法测量目标位置，主控处理单元采用STM32芯片进行设计，实现功能包括：

(1)产生激光触发信号，信号的脉冲宽度及频率可变，依据激光器件特性进行设置调节，支持ns级脉冲宽度设置。

(2)经由通信总线控制光接收器的供电电压调节，并通过D/A输出调节放大器增益参数和比较器的比较信号电压，调节参数经信号处理算法计算得出。

(3)接收MEMS驱动模块反馈的信号，获得MEMS振镜的位置信息，并通过与测距单元通信读取目标距离信息，通过算法将位置数据进行合并处理，生成目标的位置数据。

(4)实现以太网通信功能，将测得的目标位置信息使用UDP协议经数据通信单元传送给上位机，形成三维点云数据。

本实施例中，由主控处理单元产生激光触发脉冲信号送至光信号发射单元，光信号发射单元驱动激光器件发出光脉冲信号，同时将同步信号送至测距处理单元。发射单元实现12V～25V静态可调的供电输出，完成75W的激光器件驱动控制。光信号经光学系统处理聚焦准直后由MEMS振镜折射发出，经目标物表面反射后再次经光学系统会聚后由光接收器件转换为电信号。

本实施例中信号处理单元完成接收单元的电信号处理，包括跨阻放大器、可调增益运算放大器、可调阈值比较器。如图2所示，主控处理单元通过A/D采集获得二级放大器输出的电信号强度信息，计算出适合的光接收器的供电电压、放大增益、比较器阈值电压等参数并控制信号处理单元进行调整。形成多级闭环控制并由软件控制实现参数动态调整。

自适应控制算法运行流程图如图3所示。该算法通过连续读取接收信号进行分析，对接收信号的幅度和信号重复频率，以及信号到达时刻等信号，进行解算处理，得到信号参数调节的目标值，并根据各参数的可调节范围进行相应调节，将参数调节配置结果进行更新，并对已达到调节极值的参数进行调整，改变调节策略，实现配置参数继续可调，直至信号符合测量要求或返回算法失调为止。

比较器输出信号连接至测距处理单元用于测距。光接收器的供电电压可调范围40V～90V，运算放大器具有两级放大功能，二级放大增益可调范围-10dB～30dB。

本实施例中测距处理单元通过发射同步信号和比较输出信号测得目标物距离数据。该数据经算法补偿处理后可获得高精度的距离信息，实现150m内目标测距精度达到5cm以内。

本实施例中数据通信单元由100Mbit/s的以太网驱动芯片和以太网收发器构成，由主控处理单元实现UDP协议，实现与上位机的高速度通信功能。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。