一种激光雷达光功率自动增益调节方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种激光雷达光功率自动增益调节方法、装置及系统。

背景技术

当前激光雷达测距过程中，通常采用固定的光功率发射激光进行测距，但当激光照射到被测目标表面时，激光功率过大或过小都对激光雷达测距精度产生较大影响：①激光功率过大，对近距离被测物体反射的回波信号容易产生饱和失真；②激光功率过小，对远距离被测物体反射的回波信号容易产生幅度小，抖动大，还有可能信号太弱没有返回回波信号。激光雷达采用先进的电源控制技术，可以方便地通过PWM（脉宽调制）信号的占空比快速的控制激光功率的大小。然而究竟多大的光功率值照射在被测物体表面最为合适，在测距研究中发现，被测物体处于不同的距离范围、以及被测物体反射面的反射率的不同，对应的适合的PWM占空比信号及光功率大小不同。

因此，在期望通过调节PWM占空比信号以快速控制光功率大小从而提高激距精度的前提下，如何快速自动的调节PWM占空比信号以合适的光功率进行测距以提高激光雷达测距精度成为亟待解决的技术问题。

发明内容

基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种激光雷达光功率自动增益方法、装置及系统，通过调节PWM占空比信号以控制光功率大小从而提高激距精度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节方法，应用于激光雷达测距，光功率的大小通过调节PWM信号实现自动调节，激光雷达光功率自动增益方法包括步骤：

S1，距离初测：向被测目标发射一次预设的第一PWM占空比信号，接收被测目标反射的第一PWM占空比回波信号，从第一PWM占空比回波信号中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息；

S2，PWM占空比信号匹配：将初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息与预设的参数对照表进行匹配获取第二PWM占空比信号信息，其中所述预设的参数对照表由距离分段信息和脉宽强度分级信息及其对应的PWM占空比信息组成；

S3，距离精测：向被测目标以预设的发光次数发射第二PWM占空比信号进行精确测距。

可选地，第一PWM占空比采用高占空比的固定脉宽，预设的第一PWM占空比不少于90%，从而通过与高占空比成正比的较大发射光功率获得基本全量程初测数据。

可选地，预设的参数对照表其行属性为距离分段数据、列属性为脉宽分级数据或其行属性为脉宽分级数据、列属性为距离分段数据，所述行和列交叉处的数据为该距离分段和脉宽分级对应的第二PWM点空比。

可选地，距离分段数据是将激光雷达的测量量程等分为若干段距离范围形成，等分为若干段中距离范围的分段规则为：将激光雷达的最大测量量程均分为20-30等分。

可选地，脉宽分级数据的分级方式为：将脉宽强度全范围信号值0-2

激光雷达光功率自动增益方法包括步骤：S4，计算精测距离：从被测目标反射的精确探测信号回波信号中获取激光雷达到被测目标的精测距离。

可选地，预设的发光次数m的计算公式为：

其中，m为发光次数，f是激光雷达的发射频率，θ是激光雷达的角分辩率，r是激光雷达的扫描频率；

精测距离的计算方法为：取m次发射精确探测信号测距的距离值进行中值平均滤波算法处理得到精测距离。

第二方面，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节装置，应用于激光测距，光功率的大小通过调节PWM占空比信号实现自动增益调节，激光雷达光功率自动增益调节装置包括：

距离初测模块：用于向被测目标发射一次预设的第一PWM占空比信号，接收被测目标反射的第一PWM占空比回波信号，从第一PWM占空比回波信号中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息；

PWM占空比信号匹配模块：用于将初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息与预设的参数对照表进行匹配获取第二PWM占空比信号信息，其中所述预设的参数对照表由距离分段信息和脉宽强度分级信息及其对应的PWM占空比信息组成；

距离精测模块：用于向被测目标以预设的发光次数发射第二PWM占空比信号进行精确测距。

可选地，激光雷达光功率自动增益调节装置还包括：

计算精测距离模块：用于从被测目标反射的精确探测信号回波信号中获取激光雷达到被测目标的精测距离。

第三方面，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节系统，应用于激光测距，光功率的大小通过调节PWM占空比信号实现自动增益调节，激光雷达光功率自动增益调节系统包括中心处理单元，分别连接于中心处理单元的自动增益控制单元、激光发射单元和激光接收单元，以及连接于中心处理单元和激光发射单元之间的PWM输出单元和高压驱动单元，PWM输出单元连接于中心处理单元，高压驱动单元连接于PWM输出单元，激光发射单元连接于PWM输出单元；

中心处理单元用于控制激光发射单元向被测目标发射预设的第一PWM占空比信号，接收激光接收单元传输的由被测目标反射的第一PWM占空比回波信号信息，从第一PWM占空比回波信号信息中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息后传输到自动增益控制单元，将自动增益控制单元输出的第二PWM占空比信号信息传输到PWM输出单元，接收激光接收单元按预设的发光次数m传输的mh 被测目标反射的第二PWM占空比回波信号信息，并从m次第二PWM占空比回波信号信息中分别提取距离信息进行中值平均滤波算法处理得到精测距离；

自动增益控制单元用于根据中心处理单元传输的初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息匹配第二PWM占空比信号信息，再将第二PWM占空比信号信息通过中心处理单元传输到PWM输出单元；

激光发射单元用于根据中心处理单元的指令发射第一PWM占空比信号，以及用于根据高压驱动单元输出的高压发射第二PWM占空比信号；

激光接收单元用于接收被测目标反射的第一PWM占空比信号回波信号和第二PWM占空比回波信号，并将第一PWM占空比信号回波信号信息和和二PWM点空比回波信号信息传输到中心处理单元；

PWM输出单元用于接收中心处理单元传输的第二PWM占空比信号信息驱动高压驱动单元输出高压；

高压驱动单元用于向激光发射单元输出由PWM输出单元传输的根据第二PWM占空比信号信息驱动的高压。

有益效果

本发明通过首次发射高PWM占空比信号，以快速获取被测目标的初测距离和回波脉宽强度信息，再根据初测距离和回波脉宽强度信息调制与该被测目标相适应的第二PWM占空比信号，快速自动调节与被测目标离激光雷达的距离和被测目标表面反射率相适应的光功率大小，从而实现对被测物体进行精确测距，减少激光雷达测距误差，提高激光雷达测距精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的激光雷达光功率自动增益调节方法流程图一；

图2是本发明实施例提供的激光雷达光功率自动增益调节方法流程图二；

图3是本发明实施例提供的距离初测和距离精测的发光次数示意图；

图4是本发明实施例提供的激光雷达光功率自动增益调节装置结构示意图一；

图5是本发明实施例提供的激光雷达光功率自动增益调节装置结构示意图二；

图6是本发明实施例提供的激光雷达光功率自动增益系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

第一方面，请参考图1，为了向被测目标发射大小合适的光功率信号进行精准测距，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节方法，应用于激光雷达测距，光功率的大小通过调节PWM占空比信号大小实现快速自动增益，激光雷达光功率自动增益调节方法包括步骤：

S1，距离初测：向被测目标发射一次预设的第一PWM占空比信号，接收被测目标反射的第一PWM占空比回波信号，从第一PWM占空比回波信号中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息；

S2，PWM占空比信号匹配：将初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息与预设的参数对照表进行匹配获取第二PWM占空比信号信息，其中所述预设的参数对照表由距离分段信息和脉宽强度分级信息及与对应的PWM占空比信息组成；

S3，距离精测：向被测目标以预设的发光次数发射第二PWM占空比信号进行精确测距。

具体地，激光测距过程中，在无被测目标的距离信息和反射面的反射率信息的情况下，无法发射光功率大小相适应的PWM占空比信号，为此，先采用高PWM占空比信号进行初次探测，可以获得被测目标的初测距离信息和回波脉宽强度信息，做为进行精确测距的光功率即PWM点空比调制的参考数据，初次探测通过发射一次信号即可以快速测量得到被测物体与激光雷达之间的大致距离，从而可以做为后续调节PWM占空比信号到与被测目标相适应的参考数据。

在获取初测距离信息和回波脉宽强度信息后，即可以与由距离分段信息和脉宽分级信息分别为行属性或列属性的参数信息表进行比对匹配，匹配到的PWM占空比信号值即为与后续进行多次精确测距的相适应的第二PWM占空比信号，从而实现精准测距。

需要说明的是，光前激光雷达采用先进的电源控制技术，系统可以方便地通过PWM( 脉宽调制）信号的占空比快速的控制激光功率的大小，即通过调节PWM占空比大小实现光功率大小的自动增益。

为了在距离精探时能获得基本全量程的测试数据，第一PWM占空比采用高占空比的固定脉宽，预设的第一PWM占空比不少于90%，从而通过与高占空比成正比的较大发射光功率获得基本全量程初测数据。

具体地，高PWM占空比信号采用的PWM占空比值越高越好，能实现获取基本全量测的测试数据，但由于激光雷达性能的不同，部分激光雷达很难达到100%的PWM占空比，因此本方案采用90%以上的PWM占空比进行设置，能满足大部分激光雷达自主设置的需求。需要说明的是，虽然初次探测时使用高PWM占空比进行一次探测，可能因为被测目标的距离或被测目标反射面的反射率等问题使初次探测的初测距离信息和回波脉宽强度信息存在误差，精确度不会很高，但这个误差的差异不足以影响到初次探测距离的数据参考价值，其初测距离信息和回波脉宽强度信息足以做调节后续发射第二PWM占空比信号的参考。

为了快速自动调节光功率大小到与被测目标相适应，本申请采用预设参数对照表，该参数对照表其行属性为距离分段数据、列属性为脉宽分级数据或其行属性为脉宽分级数据、列属性为距离分段数据，所述行和列交叉处的数据为该距离分段和脉宽分级对应的第二PWM点空比。

由于不同的激光雷达的测距量程差异很大，如智能扫地机器人，商场的指引机器人等，其测距量程可能在几米或几十米范围内，而新能源汽车测距雷达的测距量程可能达到200-300米，而距离分段的距离越短，其测量越精确，但增加了设设生产的复杂程度，且计算数据量大，若距离分段的距离越长，则具有操作性容易的优势，但在一些恶劣环境中则无法测量，因此，本方案的距离分段数据是将激光雷达的测量量程等分为若干段距离范围形成，等分为若干段中距离范围的分段规则为：将激光雷达的最大测量量程均分为20-30等分。

反射率是指被测目标表面反射的光线强度与入射光线强度之比。因此，通过初次探测发射的入射光强度和初次探测回波信号，获得目标物体的反射率。进而，在后续的精确探测中，根据获得目标物体的反射率去反向确定该目标物体相适应的光强度。不同的被测物体，其反射面的反射率不一样，如：反射能力强的是高反光率景物，如白雪反光率为98%；反射能力弱的是低反光率景物，如碳黑的反光率是2%；通常可摄对象中高反光率和低反光率的物体不是一样多，平均反光率约为12.5%，所以12.5%为“中性灰”。专家通过实验得知，白种及黄种人外露皮肤的反光率在18%左右，根据大部分常见不同物体的反射面的脉宽分级数据的分级方式为：将脉宽强度全范围信号值0-2

以下为一个某个激光雷达进行测距具体的参数对照表实施例：

上表中，s为激光雷达的全量程；n为激光雷达的信号通道数，范围采用的符号“（”或“）”表示不包含该符号紧挨的范围值，范围采有的符号“[”或“]”表示包含该符号紧挨的范围值，若初测距离信息和回波信息匹配到行属性和列属性交叉的内容PWM1,1、PWM1,2、……、PWM30,4、PWM30,5即为第二PWM占空比信号信息。

请参考图2，获得以第二PWM占空比信号发射进行的m次测距信息后，激光雷达光功率自动增益调节方法还包括步骤：S4，计算精测距离：从被测目标反射的精确探测信号回波信号中获取激光雷达到被测目标的精测距离。

请参考图3，激光雷达的角分辨率不同，则发光周期不同，在同一个周期，可以发射多次光，但是在同一个周期发射多次光进行测距会产生较大能耗和计算数据，因此，为了简化计算和减少能耗，保持在一个周期发射一次光即可以获得测距的信息，因此根据激光雷达的发光频率、扫描频率和角分辨率，即可以计算在同一个同期发光一次的情况下，激光雷达的发光次数，减掉初次探测已发射一次光，预设的发光次数m的计算公式为：

其中，m为发光次数，f是激光雷达的发射频率，θ是激光雷达的角分辩率，r是激光雷达的扫描频率；

为了计算简单及良好的抑制不同周期数据的干扰，采用中值平增多滤波算法对m次第二PWM点空比信号采集的距离进行计算，具体精测距离的计算方法为：取m次发射精确探测信号测距的距离值进行中值平均滤波算法处理得到精测距离。

第二方面，请参考图4，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节装置，应用于激光雷达测距，光功率的大小通过调节PWM占空比信号实现自动增益调节，该装置用于实现上述第一方面所述的激光雷达光功率自动增益调节方法，激光雷达光功率自动增益调节装置包括：

距离初测模块：用于向被测目标发射一次预设的第一PWM占空比信号，接收被测目标反射的第一PWM占空比回波信号，从第一PWM占空比回波信号中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息；

PWM占空比信号匹配模块：用于将初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息与预设的参数对照表进行匹配获取第二PWM占空比信号信息，其中所述预设的参数对照表由距离分段信息和脉宽强度分级信息及与对应的PWM占空比信息组成；

距离精测单元：用于向被测目标以预设的发光次数发射第二PWM占空比信号进行精确测距。

请参考图5，在可选的实施例中，激光雷达光功率自动增益调节装置还包括：

计算精测距离模块：用于从被测目标反射的精确探测信号回波信号中获取激光雷达到被测目标的精测距离。

第三方面，请参考图6，本发明提供一种激光雷达光功率自动增益调节系统，应用于激光测距，光功率的大小通过调节PWM占空比信号实现自动增益调节，该系统用于实现上述第一方面所述的激光雷达光功率自动增益调节方法，激光雷达光功率自动增益调节系统系统包括中心处理单元，分别连接于中心处理单元的自动增益控制单元、激光发射单元和激光接收单元，以及连接于中心处理单元和激光发射单元之间的PWM输出单元和高压驱动单元，PWM输出单元连接于中心处理单元，高压驱动单元连接于PWM输出单元，激光发射单元连接于PWM输出单元；

中心处理单元用于控制激光发射单元向被测目标发射预设的第一PWM占空比信号，接收激光接收单元传输的由被测目标反射的第一PWM占空比回波信号信息，从第一PWM占空比回波信号信息中提取初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息后传输到自动增益控制单元，将自动增益控制单元输出的第二PWM占空比信号信息传输到PWM输出单元，接收激光接收单元按预设的发光次数m传输的mh 被测目标反射的第二PWM占空比回波信号信息，并从m次第二PWM占空比回波信号信息中分别提取距离信息进行中值平均滤波算法处理得到精测距离；

自动增益控制单元用于根据中心处理单元传输的初次探测距离信息和初次探测回波脉宽强度信息匹配第二PWM占空比信号信息，再将第二PWM占空比信号信息通过中心处理单元传输到PWM输出单元；

激光发射单元用于根据中心处理单元的指令发射第一PWM占空比信号，以及用于根据高压驱动单元输出的高压发射第二PWM占空比信号；

激光接收单元用于接收被测目标反射的第一PWM占空比信号回波信号和第二PWM占空比回波信号，并将第一PWM占空比信号回波信号信息和和二PWM点空比回波信号信息传输到中心处理单元；

PWM输出单元用于接收中心处理单元传输的第二PWM占空比信号信息驱动高压驱动单元输出高压；

高压驱动单元用于向激光发射单元输出由PWM输出单元传输的根据第二PWM占空比信号信息驱动的高压。

以下为一具体的实施例，以对上述三个方面所述的激光雷达光功率自动增益调节方法、装置及系统实现激光雷达测距的方式进行具体描述，该实施例以某一具体性能的激光雷达为例，假设该激光雷达发光频率为500kHz、转速为20kHz，角度分辨率为0.36°；则一圈可发射光的次数为360°/0.36°= 1000次；且0.36°内包含发光周期：500kHz/20Hz/1000 =25个。设置每一个周期发光一次，首次发光为初次探测，后续24发光为精确探测。其光功率自动增益发光控制流程如下：

①第一次发光需要控制发光功率在合适的值，选择90%的占空比的pwm输出，第一次发光为初次探测，尽量选择较大的发光功率，这样可以基本获得全量程的待分析数据；

②控制第一发光后会获取到激光雷达到目标的距离L；

③同时得到此次激光打到目标反射的信号脉宽强度PW；

④根据距离L和脉宽PW进位自动增益调节，得到合适的发光功率w，后续24次发光功率按照w进行控制发光；

⑤对24次发光后获得的距离值进行中值平均滤波算法处理，最终输出一个距离；

⑥按照角度分辨率输出一个点，即为每隔0.36°出一个点；

本方案同样适用于不同发光频率和不同转速的激光雷达。

该激光雷达光功率自动增益调节内容包括：

自动增益调节包含距离分段控制和脉宽分级控制，根据雷达自身测距能力和光功率进行设置。

对距离分段控制的距离区间为：0~1m、1~2m、2~3m、......、23~24m、24~25m。

对脉宽分级的控制：取8位信号强度值表示脉宽强度（强度值从0到255），分为超高反射面（100~255）、高反射面（60~100）、中反射面（40~60）、低反射面（20~40）、弱反射面（0~20）。

根据第一个点得到的距离L和脉宽PW来进行查找表得到对应的PWMm,n，从而使后面的点都按照PWMm,n来进行发光控制，可以得到最佳的回波信号。

PWMm,n是根据实际测试获得的最佳占空比，能是激光雷达在待测距离下发射合适的光功率的激光打到被测物体上，从而使返回的回波信号即不饱和失真，也不至于过小和抖动大，是激光测距精度更高更稳定。

距离分段控制和脉宽分级设定不局限于本方案的设定方案。

第四方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一方面的方法步骤。

第五方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的方法步骤。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

需要说明的是：以上所述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“其” 也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。