一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统及方法

技术领域

本申请涉及激光雷达检测技术领域，尤其涉及一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统及方法。

背景技术

当激光雷达在正常工作时，参见图1，图1为传统激光雷达工作原理图，激光雷达发射脉冲激光，脉冲激光被目标反射，产生的回波信号被探测器接收后，当回波信号强度达到触发阈值，即认为检测到物体，记录发射脉冲激光信号和回波信号之间的时间间隔，通过计算得到目标的距离信息。

然而，在实际使用过程中，在雨、雾霾、粉尘等恶劣天气环境下工作的激光雷达，一方面激光传输路径上存在介质，例如雨、雾霾、粉尘等会吸收激光能量，降低激光雷达的探测距离；另一方面，介质的后向散射/反射会在目标的回波信号前形成一个干扰回波信息，造成虚假报警，现有的激光雷达通常采用获取最强回波或最后回波的方式进行检测，但两种方式均存在严重不足，例如：当雨、雾霾或粉尘很大时，后向散射回波峰值超过目标反射回波峰值，最强回波技术把后向散射回波作为有效回波，造成虚警和漏警，或者由于雨、雾霾、粉尘的吸收和散射，使得很少的脉冲激光能量照射到目标上，目标反射回消失，最强回波技术和最后一次回波技术均把后向散射回波作为有效回波，造成虚警和漏警，当目标距离较近时，后向散射回波和目标回波叠加形成一个波峰，难以区分后向散射回波和目标回波，多次回波技术虽然能检测到目标，但是目标定位精度很差，导致目前激光雷达的应用领域范围小、检测精度较差。

发明内容

本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统，以解决现有激光雷达在用于雨、雾霾或粉尘环境的使用过程中，检测精度较差，容易产生误报或漏报的问题。

第一方面，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统，包括：

激光发射单元1、发射透镜2、第一偏振元件3、第二偏振元件4、接收透镜5、信号转换单元6和信号处理单元7；

所述激光发射单元1用于发射脉冲激光；

所述发射透镜2用于将所述脉冲激光进行准直处理；

所述第一偏振元件3用于改变所述经过准直的脉冲激光的偏振态，输出偏振脉冲激光；

所述第二偏振元件4用于接收回波信号，并对所述回波信号进行偏振检波处理，所述回波信号由所述偏振脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；

所述接收透镜5用于对经过偏振检波的回波信号进行聚焦；

所述信号转换单元6用于将聚焦后的所述回波信号转化为电信号，将所述电信号发送给所述信号处理单元7；

所述信号处理单元7用于根据所述电信号得到雷达检测结果。

所述第一偏振元件3为线偏振片，所述线偏振片的起偏方向为p偏振光方向。

所述第二偏振元件4为线偏振片，所述线偏振片的起偏方向为s偏振光方向。

还包括反射镜8，所述反射镜8与发射透镜2的光轴呈45°放置，所述反射镜8用于将透过所述第一偏振元件3的脉冲激光反射。

所述反射镜8还被设置为可以围绕与发射透镜2的光轴平行的轴转动。

还包括控制单元9，所述控制单元9用于控制所述激光发射单元1发射脉冲激光，还被用于控制所述信号转换单元6的时序和驱动信号。

第二方面，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测方法，包括以下步骤：

发射脉冲激光；

对所述脉冲激光进行准直处理；

改变经过准直处理的脉冲激光的偏振态，输出偏振脉冲激光；

接收来自被检测目标的回波信号，所述回波信号由所述偏振脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；

对所述回波信号进行偏振检波处理；

对经过偏振检波处理的回波信号进行聚焦；

将所述回波信号转化为电信号；

根据所述电信号得到雷达检测结果。

进一步的，改变经过准直处理的脉冲激光的偏振态，具体包括以下步骤：

对所述脉冲激光的s偏振光进行过滤；

对所述脉冲激光的p偏振光进行保留。

进一步的，对所述回波信号进行偏振检波处理，具体包括以下步骤：

对所述回波信号的p偏振光进行过滤；

对所述回波信号的s偏振光进行保留。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统及方法，所述系统包括：激光发射单元1、发射透镜2、第一偏振元件3、第二偏振元件4、接收透镜5、信号转换单元6和信号处理单元7；所述激光发射单元1用于发射脉冲激光；所述发射透镜2用于将所述脉冲激光进行准直处理；所述第一偏振元件3用于改变所述经过准直的脉冲激光的偏振态；所述第二偏振元件4用于接收回波信号，并对所述回波信号进行偏振检波处理，所述回波信号由所述脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；所述接收透镜5用于对经过偏振检波的回波信号进行聚焦；所述信号转换单元6用于将聚焦后的所述回波信号转化为电信号，将所述电信号发送给所述信号处理单元7；所述信号处理单元7用于根据所述电信号得到雷达检测结果。

本申请采用光学偏振检测的技术对前端光学信号进行光学滤波，从物理层面对信号源头进行处理、消除或减小后向散射回波，对后向散射回波具有更好的抑制作用,能进一步提高激光雷达对雨、雾霾、粉尘等干扰的对抗能力。解决了现有激光雷达在用于雨、雾霾或粉尘环境的使用过程中，检测精度较差，容易产生误报或漏报的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统激光雷达的工作原理图；

图2为现有技术中激光雷达检测的一种雷达波形图；

图3为现有技术中激光雷达检测的第二种雷达波形图；

图4为现有技术中激光雷达检测的第三种雷达波形图；

图5为现有技术中激光雷达检测的第四种雷达波形图；

图6为本申请提供的一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统的结构示意图；

图7为本申请提供的一种实施例的结构示意图；

图8为本申请提供的一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测方法的流程示意图。

其中，1-激光发射单元、2-发射透镜、3-第一偏振元件、4-第二偏振元件、5-接收透镜、6-信号转换单元、7-信号处理单元、8-反射镜和9控制单元。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

当激光雷达在正常工作时，激光雷达发射脉冲激光，脉冲激光被目标反射，产生的回波信号被探测器接收后，当回波信号强度达到触发阈值，即认为检测到物体，记录发射脉冲激光信号和回波信号之间的时间间隔，通过计算得到目标的距离信息。

然而，在雨、雾霾、粉尘等恶劣天气环境下工作的激光雷达，一方面激光传输路径上的介质(雨、雾霾、粉尘)会吸收激光能量，降低激光雷达的探测距离；另一方面，由于介质的后向散射/反射会在目标的回波信号前形成一个干扰回波，造成虚假告警。严重限制激光雷达在港口、矿山、自动驾驶等领域的应用，是国内外激光雷达业界普遍面临的问题。

现有的针对雨、雾霾、粉尘的对激光雷达干扰的处理方案通常采用多次回波技术，最常见的处理方法是采用最强回波或最后一次回波。在雨、雾霾、粉尘环境中工作的激光雷达，激光雷达发出的脉冲激光部分被目标前方的雨、雾霾、粉尘散射，形成后向散射回波；剩余部分激光可以穿透雨、雾霾、粉尘打到目标上并反射，形成反射回波信号，如图2所示。一方面由于一般雨、雾霾、粉尘的反射率低于目标，因此通常后向散射回波弱于目标反射回波，最强回波技术取后向散射回波和目标反射回波两者里峰值最大者作为有效回波。另一方面通过将最后一次回波作为目标回波信号，因此忽略前边的回波，可以消除雨、雾霾、粉尘的造成的后向散射回波的误报警。

但多次回波的作用是有局限性的，当雨、雾霾、粉尘很大时，后向散射回波峰值超过目标反射回波峰值，最强回波技术把后向散射回波作为有效回波，造成虚警和漏警，如图3所示；或者由于雨、雾霾、粉尘的吸收和散射，使得很少的脉冲激光能量照射到目标上，目标反射回消失，最强回波技术和最后一次回波技术均把后向散射回波作为有效回波，造成虚警和漏警，如图4所示；当目标距离较近时，后向散射回波和目标回波叠加形成一个波峰，难以区分后向散射回波和目标回波，多次回波技术虽然能检测到目标，但是目标定位精度很差，如图5所示。

第一方面，参见图6，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统，包括：

激光发射单元1、发射透镜2、第一偏振元件3、第二偏振元件4、接收透镜5、信号转换单元6和信号处理单元7；

所述激光发射单元1用于发射脉冲激光；

所述发射透镜2用于将所述脉冲激光进行准直处理；通过发射透镜2对脉冲激光进行准直处理，能够有效减小脉冲激光的发散角，有利于光的传输，提升雷达检测结果的准确性。

所述第一偏振元件3用于改变所述经过准直的脉冲激光的偏振态；需要说明的是，当光线以非垂直角度穿透光学元件的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。在本申请的一个实施例中，采用线偏振片作为第一偏振元件，对所述脉冲激光的s偏振光进行过滤，对所述脉冲激光的p偏振光进行保留。

所述第二偏振元件4用于接收回波信号，并对所述回波信号进行偏振检波处理，采用线偏振片实现，所述回波信号由所述偏振脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；

所述接收透镜5用于对经过偏振检波的回波信号进行聚焦；

所述信号转换单元6用于将聚焦后的所述回波信号转化为电信号，将所述电信号发送给所述信号处理单元7；

所述信号处理单元7用于根据所述电信号得到雷达检测结果。

所述第一偏振元件3为线偏振片，所述线偏振片的起偏方向为p偏振光方向。

所述第二偏振元件4为线偏振片，所述线偏振片的检偏方向为s偏振光方向。

参见图7，在本申请一实施例中，还包括反射镜8，所述反射镜8与发射透镜2的光轴呈45°放置，所述反射镜8用于将透过所述第一偏振元件3的脉冲激光反射。通过设置反射镜8使得激光雷达能够满足不同使用条件下的使用需求。

所述反射镜8还被设置为可以围绕与发射透镜2的光轴平行的轴转动。通过反射镜8的转动，能够增加激光雷达的检测范围，满足不同使用环境下的使用需求。

还包括控制单元9，所述控制单元9用于控制所述激光发射单元1发射脉冲激光，还被用于控制所述信号转换单元6的时序和驱动信号。

当本申请提供的雷达检测系统开始工作时，激光发射单元1发射脉冲激光，脉冲激光透过发射透镜2，减小脉冲激光的发射角，然后透过第一偏振元件3，改变脉冲激光的偏振态，此时脉冲激光向被检测目标发射，当处于雨、雾霾或粉尘环境下，脉冲激光接触到被检测目标和环境中的介质时，形成回波信号，通过第二偏振元件4对回波信号进行偏振检波处理，进行过滤，同时通过接收透镜5对回波信号进行聚焦，信号转换单元6将所述回波信号转换为电信号，最后通过信号处理单元7得到雷达检测结果。采用光学偏振检测的技术对前端光学信号进行光学滤波，从物理层面对信号源头进行处理、消除或减小后向散射回波，对后向散射回波具有更好的抑制作用，进一步提高激光雷达对雨、雾霾、粉尘等干扰的对抗能力。

第二方面，参见图8，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测方法，包括以下步骤：

S100：发射脉冲激光；

S110：对所述脉冲激光进行准直处理；

S120：改变经过准直处理的脉冲激光的偏振态，输出偏振脉冲激光；

S130：接收来自被检测目标的回波信号，所述回波信号由所述偏振脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；

S140：对所述回波信号进行偏振检波处理；

S150：对经过偏振检波处理的回波信号进行聚焦；

S160：将所述回波信号转化为电信号；

S170：根据所述电信号得到雷达检测结果。

进一步的，改变经过准直处理的脉冲激光的偏振态，具体包括以下步骤：

对所述脉冲激光的s偏振光进行过滤；

对所述脉冲激光的p偏振光进行保留。

进一步的，对所述回波信号进行偏振检波处理，具体包括以下步骤：

对所述回波信号的p偏振光进行过滤；

对所述回波信号的s偏振光进行保留。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种用于雨、雾霾或粉尘环境的激光雷达检测系统及方法，包括：激光发射单元1、发射透镜2、第一偏振元件3、第二偏振元件4、接收透镜5、信号转换单元6和信号处理单元7；所述激光发射单元1用于发射脉冲激光；所述发射透镜2用于将所述脉冲激光进行准直处理；所述第一偏振元件3用于改变所述经过准直的脉冲激光的偏振态；所述第二偏振元件4用于接收回波信号，并对所述回波信号进行偏振检波处理，所述回波信号由所述脉冲激光接触被检测目标后反射或散射得到；所述接收透镜5用于对经过偏振检波的回波信号进行聚焦；所述信号转换单元6用于将聚焦后的所述回波信号转化为电信号，将所述电信号发送给所述信号处理单元7；所述信号处理单元7用于根据所述电信号得到雷达检测结果。

本申请采用光学偏振检测的技术对前端光学信号进行光学滤波，从物理层面对信号源头进行处理、消除或减小后向散射回波，对后向散射回波具有更好的抑制作用，进一步提高激光雷达对雨、雾霾、粉尘等干扰的对抗能力。解决了现有激光雷达在用于雨、雾霾或粉尘环境的使用过程中，检测精度较差，容易产生误报或漏报的问题。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。