一种激光雷达信号校正方法及装置

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达信号校正方法及装置。

背景技术

在测量目标的距离时，激光雷达的脉冲激光器发射激光，激光照射到目标上经目标反射后形成回波信号，激光雷达的探测器接收到回波信号，根据接收到的回波信号，计算出目标的距离。

在只考虑面目标的情况下，根据辐射传输定律，激光雷达接收到的回波信号的回波强度与目标距离满足平方反比定律，随着距离的增加回波强度单调下降。但是对于同轴激光雷达来说，发射透镜和接收透镜的中心重叠，发射透镜的光机结构对接收视场存在视场遮挡，并且激光光斑的能量并非均匀分布，导致实际应用中，回波信号的回波强度呈现先增大后减小的现象，并不符合根据辐射传输定律计算出来的传统的激光雷达方程。进而导致根据传统的激光雷达方程测量得到的目标距离不准确。

发明内容

本申请提供了一种激光雷达信号校正方法及装置，以解决采用传统的激光雷达方程测量得到的目标距离不准确的问题。

一方面，本申请提供一种激光雷达信号校正方法，包括：

获取激光雷达参数，所述激光雷达参数包括发射透镜半径、接收透镜半径、发射透镜外圈机构宽度、激光发散角和接收视场角。

根据激光雷达的发射视场和接收视场将接收区域划分为盲区、过渡区和明区。

根据所述激光雷达参数和所述盲区、所述过渡区、所述明区计算所述接收区域内的激光雷达的有效接收范围。

根据所述有效接收范围，计算所述接收区域内的激光光斑能量的累积分布函数。

根据所述累积分布函数计算校正系数。

根据所述校正系数对激光雷达方程进行校正，获取校正信号。

基于不同的接收区域，根据激光光斑能量分布获取校正系数，根据校正系数校正激光雷达方程，得到校正后的回波信号，校正后的信号强度随距离分布符合实际测量规律，使测量结果更加准确。可以基于校正后的激光雷达方程建立模型，根据不同的测量环境，调整激光雷达的参数，减少环境对测量结果的影响。

可选的，所述盲区为所述发射视场与所述接收视场不交叠的区域，所述过渡区为所述发射视场与所述接收视场部分交叠的区域，所述明区为所述发射视场与所述接收视场完全交叠的区域。

可选的，根据激光雷达的发射视场和接收视场将接收区域划分为盲区、过渡区和明区的步骤，包括：

根据所述激光雷达参数计算盲区边界距离和过渡区边界距离。所述盲区的边界距离为所述盲区与所述过渡区的交界面与激光雷达之间的距离，所述过渡区的边界距离为所述过渡区与所述明区的交界面与激光雷达之间的距离。

按照所述盲区边界距离和所述过渡区边界距离将接收区域划分为所述盲区、所述过渡区和所述明区。

根据激光雷达的发射视场和接收视场的交叠程度，划分接收区域，便于根据不同接收区域计算校正系数。

可选的，按照下式根据所述激光雷达参数计算盲区边界距离和过渡区边界距离：

其中，h

通过边界距离表示各个接收区域的范围。

可选的，根据激光雷达参数和所述盲区、所述过渡区、所述明区计算所述接收区域内的激光雷达的有效接收范围，包括：

获取h距离处的所述接收视场的内侧边界与光轴的距离x

若待测目标在所述盲区，则所述有效接收范围为0；

若待测目标在所述过渡区，则所述有效接收范围为，外圆半径为x

若待测目标在所述明区，则所述有效接收范围为，半径为x

可选的，获取h距离处的所述接收视场的内侧边界与光轴的距离x

按照下式计算x

x

其中，h为待测目标距离，L为所述发射透镜外圈机构宽度，t为所述激光发散角，k所述接收视场角,d为所述发射透镜半径。

可选的，计算所述接收区域内的激光光斑能量的累积分布函数，包括：

获取激光光斑能量的概率密度函数。

对所述概率密度函数积分运算，获取激光光斑能量的累积分布函数CDF(h,r)。

其中，r为h距离的激光光斑横截面内某光斑点与光轴的距离。

可选的，根据所述累积分布函数计算校正系数，包括：

根据所述过渡区和所述明区计算校正系数E，公式为：

可选的，根据所述校正系数对激光雷达方程进行校正，获取校正信号，包括：

获取激光雷达方程，公式为：

其中，P

按照下式对激光雷达方程进行校正，得到所述校正信号：

其中，P

另一方面，本申请提供一种激光雷达信号校正装置，包括：

数据获取模块，被配置为获取激光雷达参数，所述激光雷达参数包括发射透镜半径、接收透镜半径、发射透镜外圈机构宽度、激光发散角和接收视场角。

判断模块，被配置为根据激光雷达的发射视场和接收视场将接收区域划分为盲区、过渡区和明区。

计算模块，被配置为：

根据所述激光雷达参数和所述盲区、所述过渡区、所述明区计算所述接收区域内的激光雷达的有效接收范围；

根据所述有效接收范围，计算所述接收区域内的激光光斑能量的累积分布函数；

根据所述累积分布函数计算校正系数；

根据所述校正系数对激光雷达方程进行校正，获取校正信号。

本申请提供一种激光雷达信号校正方法及装置，根据激光雷达的发射视场和接收视场的交叠程度将接收区域划分为盲区、过渡区和明区，计算各个接收区域的有效接收范围，并计算有效接收范围内的激光光斑能量的累积分布函数，根据累积分布函数计算各个接收区域的校正系数，根据校正系数对原激光雷达方程进行校正，得到校正信号，校正信号的强度随距离的变化与实际测量相符合。通过本申请校正方法得到的激光雷达方程测量距离，可以基于校正后的激光雷达方程建立模型，根据不同的测量环境，调整激光雷达的参数，减少环境对测量结果的影响，提高测量结果的准确度。

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为本申请实施例提供的一种同轴激光雷达光机结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种同轴激光雷达不考虑遮挡时视场交叠示意图；

图3为本申请实施例提供的一种同轴激光雷达考虑遮挡时视场交叠示意图；

图4为本申请实施例提供的一种同轴激光雷达考虑遮挡时视场交叠简化示意图；

图5为本申请实施例提供的一种高斯光束光斑能量分布示意图；

图6为本申请实施例提供的一种激光雷达回波信号强度随距离变化曲线示意图；

图7为本申请实施例提供的一种抑制雾的向后散射回波强度示意图；

图8为本申请实施例提供的一种激光雷达信号校正装置结构示意图。

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。

同轴激光雷达的发射透镜和接收透镜的中心在同一轴线上，参见图1，本申请实施例提供一种同轴激光雷达光机结构示意图，发射透镜外圈设有机械结构(以下简称为外圈机构)，发射透镜通过外圈机构镶嵌在接收透镜中心。对于面目标来说，在对待测目标的距离进行测量时，激光器发出的发射激光穿过发射透镜发射出去，形成发射视场，发射激光被发射视场内的待测目标反射，形成回波信号，回波信号通过接收透镜被探测器接收，根据回波信号和激光雷达方程便可获取待测目标的距离。

按照辐射传输定律得出的传统的激光雷达方程为：

其中，P

由传统的激光雷达方程可以得出，回波信号的强度P

基于以上问题，本申请提供一种基于同轴激光雷达的信号校正方法及装置，通过对接收到的回波信号的激光光斑能量进行校正，得到校正后的激光雷达方程和校正信号，校正后的回波信号的强度随距离变化与实际测量结果一致，根据校正后的激光雷达方程测得的距离更准确。

本申请实施例中，一种同轴激光雷达在不考虑发射透镜的外圈机构对接收视场遮挡的情况下，发射视场和接收视场参见图2。发射透镜上方，边界线01和边界线02之间的区域为发射视场。接收透镜上方，边界线11和边界线21、边界线12和边界线22之间的区域为接收视场。只有在发射视场和接收视场交叠时，待测目标反射的回波信号才能被接收透镜接收。本申请实施例中，有效接收范围为距离激光雷达h处的平面内，发射视场与接收视场交叠的区域。

由于发射透镜的外圈机构会对接收视场造成遮挡，在实际应用中，接收视场并非如图2所示，因此需要对接收视场进行校正。参见图3，本申请实施例提供一种同轴激光雷达考虑遮挡时视场交叠示意图，根据发射透镜的外圈机构将边界线11修正为边界线31，边界线12修正为边界线32。通常接收透镜半径D大于d+L+b×tan k，其中d为发射透镜半径，L为外圈机构的宽度，b为外圈机构的高度，k为接收视场角，并且接收视场角大于激光发散角，因此接收视场外侧边界线不会影响发射视场与接收视场的交叠，可以将边界线21简化为边界线41，将边界线22简化为边界线42。基于校正后的接收视场，对图3进行简化，得到本申请实施例提供的一种同轴激光雷达考虑遮挡时视场交叠简化示意图，参见图4。

下面，基于图4，对本申请实施例激光雷达信号校正方法进行详细说明。从图4中可以看出，随着距离的变化，发射视场和接收视场存在不交叠、部分交叠和完全交叠三种情况，发射视场和接收视场交叠程度不同，对应的接收区域也不同，为了后续计算，需要对不同交叠情况下对应的接收区域分别进行校正，因此需要对接收区域进行划分。

划分接收区域首先需要获取同轴激光雷达的参数(以下简称为激光雷达参数)，激光雷达参数包括发射透镜半径d、接收透镜半径D、发射透镜外圈机构宽度L、激光发散角t和接收视场角k。其中，激光发散角t为边界线01(边界线02)与竖直方向的夹角，接收视场角k为边界线31(边界线32)与竖直方向的夹角。根据发射视场与接收视场的交叠程度可以把接收区域划分为盲区、过渡区和明区。其中，盲区为发射视场与接收视场不交叠的区域，过渡区为发射视场和接收视场部分交叠的区域，明区为发射视场与接收视场完全交叠的区域。

为了区分各个接收区域，需要计算出盲区的边界距离和过渡区的边界距离，盲区的边界距离h

对接收区域进行划分后，分别计算各个接收区域的有效接收范围。激光雷达的有效接收范围随待测目标距离h变化，首先，获取h距离处的接收视场的内侧边界与光轴的距离x

接下来计算校正系数，通过校正系数对激光雷达方程进行校正，得到校正信号。首先计算激光光斑能量的概率密度函数PDF(h,r)，对概率密度函数进行积分运算获激光光斑的累积分布函数CDF(h,r)，再根据累积分布函数计算校正系数。其中，r为h距离处的激光光斑横截面内某光斑点与光轴的距离。

在一种实施方式中，以激光光斑能量为高斯分布为例，参见图5，为本申请实施例提供的一种高斯光束光斑能量分布示意图，激光光斑的概率密度函数

接下来根据累积分布函数计算校正系数，当h

其中，因为待测目标在盲区时，接收透镜不能接收到回波信号，所以在本申请实施例中不考虑盲区的校正系数。

将校正系数与原激光雷达方程

其中，P

在一种实施方式中，根据校正后的激光雷达方程建立模型，可以预测出回波信号强度随距离变化的曲线，可以根据预测曲线调整激光雷达的参数，以得到符合测量需求的激光雷达系统。

在一种实施方式中，可以基于校正后的激光雷达方程建立模型，根据不同的测量环境，例如雨、雪、雾等天气，调整激光雷达的参数，减少环境对测量结果的影响。例如在有雾的时候，空气中的雾会对发射激光向后散射，形成向后散射回波信号，在此时进行测距会导致结果不准确，因此需要调整激光雷达参数，抑制雾的向后散射回波信号强度。参见图7，为本申请实施例提供的一种抑制雾的向后散射回波强度示意图，从图7可以看出，通过增加接收透镜的焦距，可以抑制雾的向后散射回波强度，减少对测量结果的影响。

参见图8，本申请实施例还提供一种激光雷达信号校正装置，包括：

数据获取模块，被配置为获取激光雷达参数，所述激光雷达参数包括发射透镜半径、接收透镜半径、发射透镜外圈机构宽度、激光发散角和接收视场角。

判断模块，被配置为根据激光雷达的发射视场和接收视场将接收区域划分为盲区、过渡区和明区。

计算模块，被配置为：

根据所述激光雷达参数和所述盲区、所述过渡区、所述明区计算所述接收区域内的激光雷达的有效接收范围；

根据所述有效接收范围，计算所述接收区域内的激光光斑能量的累积分布函数；

根据所述累积分布函数计算校正系数；

根据所述校正系数对激光雷达方程进行校正，获取校正信号。

本申请提供的激光雷达信号校正方法及装置，根据激光雷达的发射视场和接收视场的交叠程度将接收区域划分为盲区、过渡区和明区，分别计算盲区、过渡区和明区的有效接收范围，并计算有效接收范围内的激光光斑能量的累积分布函数，根据累积分布函数计算各个接收区域的校正系数，根据校正系数对原激光雷达方程进行校正，得到校正信号，校正信号的强度随距离的变化与实际测量相符合。通过本申请校正方法得到的激光雷达方程测量距离，可以基于校正后的激光雷达方程建立模型，根据不同的测量环境，调整激光雷达的参数，减少环境对测量结果的影响，提高测量结果的准确度。

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。