CN108037511A - 一种抑制背景光噪声系统及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测距技术领域，尤其涉及一种抑制背景光噪声系统及激光雷达。一种抑制背景光噪声系统，包括：与光电传感器相连接的噪声幅值检测单元，与噪声幅值检测单元相连接的滞环比较器，与发射器和光电传感器相连接的发射与积分时间控制器，所述滞环比较器通过对噪声幅值检测单元的检测数值与设定阈值的比较结果对应输出调整选项，所述发射器根据接收到的调整选项的信息调整发射数量，所述光电传感器根据接收到的调整选项的信息调整积分时间。还提供了一种激光雷达，其具有所述的抑制背景光噪声系统。通过所述光电传感器、噪声幅值检测单元、滞环比较器和发射与积分时间控制器的设置，解决了仅靠光电传感器自身无法调控的通道增益的问题。

Description

一种抑制背景光噪声系统及激光雷达

技术领域

本发明涉及光学测距技术领域，尤其涉及一种抑制背景光噪声系统及激光雷达。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用光束，通过飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）、三角测量法等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、光接收模块。光发射模块发出光束，光学镜头位于光发射模块的光路上，光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束被反射到接收芯片上，光接收模块通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。目前广泛应用于机器人环境扫描、规划路径、避障导航、安防检测等。面阵激光雷达作为固态激光雷达的一种，具有设定的发散角度和俯仰角，其相对于单点雷达测距更为准确，在设定扫描范围内信息更为清楚全面。

对于激光雷达，两米处目标和两百米处目标发射能量差一万倍。而光电转换等传感器，每个像素不可能做太大，积分电容是非常小的，需要保证200m处的反射信号能被检测到，2m处的反射信号不饱和，这就要求激光雷达接收通道需要具有高灵敏度和大动态范围的特点。现有激光雷达其光电芯片通常采用二极管等制成，因材料本身性质的限制，其接收通道增益是固定的，或者可调的幅度有限。因此，怎样通过外部的干预调整光电传感器的增益，并扩大光电传感器增益的幅度，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的提出一种抑制背景光噪声系统，所述光电传感器、噪声幅值检测单元、滞环比较器和发射与积分时间控制器的设置，通过判断噪声幅值的大小来调整发射器发射脉冲的数量以及光电传感器接收积分的时间，通过变换接收积分的时间来实现接收通道增益的控制。解决了仅靠光电传感器自身无法调控的通道增益的问题。

还提供了一种激光雷达，其具有所述的抑制背景光噪声系统。通过抑制背景光噪声系统的设置，调整光电传感器的增益以适用环境光噪声的变化，提高测试的准确度和适用范围。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种抑制背景光噪声系统，包括：与光电传感器相连接的噪声幅值检测单元，与噪声幅值检测单元相连接的滞环比较器，与发射器和光电传感器相连接的发射与积分时间控制器，所述滞环比较器通过对噪声幅值检测单元的检测数值与设定阈值的比较结果对应输出调整选项，所述发射器根据接收到的调整选项的信息调整发射数量，所述光电传感器根据接收到的调整选项的信息调整积分时间。

作为本技术方案的优选方案之一，所述滞环比较器根据检测数值X与设定阈值Y₀的比较结果至少包括三个区间，当X-Y₀＜-a时，（-∞，-a）为正向调整选项，发射器的发射数量和光电传感器的积分时间同比增大；当-a≤X-Y₀≤a时，（-a，a）为保持不变选项；当X-Y₀＞a时，（a，+∞）为反向调整选项，发射器的发射数量和光电传感器的积分时间同比减小，其中X、Y₀和a为正常数。

作为本技术方案的优选方案之一，所述正向调整选项包括至少N个正向子选项：从正向第1挡选项到正向第N挡选项，发射数量和积分时间的增速呈递增排列；和/或，所述反向调整选项包括至少M个反向子选项：从反向第1挡选项到反向第M挡选项，发射数量和积分时间的减速呈递增排列，所述N和M均为大于等于1的正整数。

作为本技术方案的优选方案之一，所述滞环比较器的调整选项以数字的形式输出，所述正向调整选项为[+1，+N]，所述保持不变选项为0，所述反向调整选项为[-1，-M]。

作为本技术方案的优选方案之一，所述正向调整选项为+1，+2，所述保持不变选项为0，所述反向普减选项为-1，-2。

作为本技术方案的优选方案之一，所述噪声幅值检测单元在设定测量周期T内检测出光电传感器输出的电信号的幅值，所述滞环比较器将所述幅值与设定好的参考值进行对比，以对应输出调整选项。

作为本技术方案的优选方案之一，所述幅值为设定测量周期T内噪声幅值检测单元实时检测出光电传感器的电信号周期幅值的均值。

作为本技术方案的优选方案之一，所述幅值为设定测量周期T内噪声幅值检测单元实时检测出光电传感器的电信号周期幅值经滤波处理后的处理值。

作为本技术方案的优选方案之一，还包括连接在光电传感器和噪声幅值检测电路之间的模数转换器，所述模数转换器将光电传感器输出的电信号转换为数字信号。

一种激光雷达，其特征在于，具有所述的抑制背景光噪声系统。

有益效果：通过所述光电传感器、噪声幅值检测单元、滞环比较器和发射与积分时间控制器的设置，解决了仅靠光电传感器自身无法调控的通道增益的问题，在接收处理中，添加噪声幅值检测单元，通过判断噪声幅值的大小来调整发射器发射脉冲的数量以及光电传感器接收积分的时间，通过变换接收积分的时间来实现接收通道增益的控制。当日照很强或者目标反射率很高时，减少减分时间降低接收增益来保证光电转换等传感器不饱和；当日照很弱或者目标反射率很低时，增加积分时间来提高通道增益，保证接收灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的抑制背景光噪声系统的结构示意图。

图2是本发明实施例4提供的抑制背景光噪声系统的结构示意图。

图中：1、噪声幅值检测单元；2、滞环比较器；3、发射与积分时间控制器；4、发射器；5、光电传感器；6、障碍物；7、模数转换器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本发明提供了一种抑制背景光噪声系统，如图1所示，包括：与光电传感器5相连接的噪声幅值检测单元1，与噪声幅值检测单元1相连接的滞环比较器2，与发射器4和光电传感器5相连接的发射与积分时间控制器3，所述滞环比较器2通过对噪声幅值检测单元1的检测数值与设定阈值的比较结果对应输出调整选项，所述发射器4根据接收到的调整选项的信息调整发射数量，所述光电传感器5根据接收到的调整选项的信息调整积分时间。

通过所述光电传感器5、噪声幅值检测单元1、滞环比较器2和发射与积分时间控制器3的设置，解决了仅靠光电传感器5自身无法调控的通道增益的问题，在接收处理中，添加噪声幅值检测单元1，通过判断噪声幅值的大小来调整发射器4发射脉冲的数量以及光电传感器5接收积分的时间，通过变换接收积分的时间来实现接收通道增益的控制。当日照很强或者目标反射率很高时，减少减分时间降低接收增益来保证光电转换等传感器不饱和；当日照很弱或者障碍物6反射率很低时，增加积分时间来提高通道增益，保证接收灵敏度。

所述噪声幅值检测单元1在设定测量周期T内检测出光电传感器5输出的电信号的幅值，所述滞环比较器2将所述幅值与设定阈值进行对比，以对应输出调整选项。所述设定阈值可以通过外部输入设置或对原始设置进行变更，也可以是滞环比较器2内部自带设定阈值。优选的，100µs≤T≤1ms。当测试周期T在100µs和1ms之间的时，及时对光电传感器5的积分时间进行调整，保证激光传感器具有足够的测试频率。

所述幅值可以是设定测量周期T内噪声幅值检测单元1实时检测出来的光电传感器5的电信号的真实幅值，但是因为测量周期T内具有多个电信号的幅值，实时测量，实时对比的话，会造成噪声幅值检测单元1和滞环比较器2的计算负荷过大，同时也会造成发射与积分时间控制器3的操作过于频繁，因此，优选的，所述幅值优选为设定测量周期T内噪声幅值检测单元1实时检测出光电传感器5的电信号周期幅值的均值，也就是一个测量周期T内均值幅值和设定阈值比较一次，大大减小了噪声幅值检测单元1的计算量，保持了噪声幅值检测单元1的工作稳定性。此处的周期幅值指的是电信号在其周期内的幅值。

进一步的，为了保证测量周期T内，所述幅值的输出更为准确，为设定测量周期T内噪声幅值检测单元1实时检测出光电传感器5的电信号周期幅值经滤波处理后的处理值。经过滤波处理后的幅值滤掉了异常数值，更为准确，提高了系统运行的稳定性。

具体的，所述滞环比较器2根据检测数值X与设定阈值Y₀的比较结果至少包括三个区间，当X-Y₀＜-a时，（-∞，-a）为正向调整选项，发射器4的发射数量和光电传感器5的积分时间同比增大；当-a≤X-Y₀≤a时，（-a，a）为保持不变选项；当X-Y₀＞a时，（a，+∞）为反向调整选项，发射器4的发射数量和光电传感器5的积分时间同比减小，其中X、Y₀和a为正常数。通过将检测数值X与设定阈值Y₀的比较结果划分为三个区间以对应正向、反向和不变三个调整方向，实现了对于发射与积分时间控制器3的控制方向的快速反应和输出选项，提高了整个抑制背景光噪声系统的运行效率。

所述正向调整选项对应1个正向子选项，所述反向调整选项对应1个反向子选项。所述滞环比较器2将上述调整选项以数字的形式输出，所述正向子选项为对应的输出数值为+1,所述保持不变选项对应的输出数值为0，所述反向子选项为-1。当然，所述正向子选项和反向子选项的输出数值的绝对值包含但不限于1，也可以是任意正整数，其主要用于与保持不变旋转的输出数值0进行区分。

本发明还提供了一种激光雷达，其特征在于，具有所述的抑制背景光噪声系统。所述激光雷达可以是采用三角测量法、TOF时间飞行法或脉冲法的任一激光雷达。

实施例2

与实施例1不同的是所述正向调整选项包括2个正向子选项：从正向第1挡选项到正向第2挡选项，发射数量和积分时间的增速呈递增排列；所述反向调整选项包括至少2个反向子选项；从反向第1挡选项到反向第2挡选项，发射数量和积分时间的减速呈递增排列。

为了加快计算速度，所述滞环比较器2的调整选项以数字的形式输出，所述正向调整选项为+1，+2，所述保持不变选项为0，所述反向普减选项为-1，-2。所述正向第2挡选项对发射器4的发射数量和光电传感器5的积分时间的正向调整幅度要大于正向第1当选项；同理，所述反向第2挡选项对发射器4的发射数量和光电传感器5的积分时间的反向调整幅度要大于正向第1当选项。所述正向第2挡和反向第2挡的设置，针对背景光变化较大或者障碍物6反光率变化较大的情况，做到快速准确的反应，提高了光电传感器5的测试准确性和数据的可靠性，以及环境变化的普适性。

实施例3

与实施例1和实施例2不同的是，所述正向调整选项包括至少N个正向子选项：从正向第1挡选项到正向第N挡选项，发射数量和积分时间的增速呈递增排列；和/或，所述反向调整选项包括至少M个反向子选项：从反向第1挡选项到反向第M挡选项，发射数量和积分时间的减速呈递增排列，所述N和M均为大于等于3的正整数。

所述滞环比较器2的调整选项以数字的形式输出，所述正向调整选项为[+1，+N]，所述保持不变选项为0，所述反向调整选项为[-1，-M]。

正向调整选项和反向调整选项均包括多个挡位的设置，适应长距离的激光雷达测距，因为环境光的多种变化以及障碍物6反射率不同的多种变化，均量化为对应的第N挡选项，使得激光雷达的测试数据更为准确，对多变的外界环境的适应性更强，也是的激光雷达的数据更为可靠。

实施例4

与实施例1-3不一样的是，为了进一步提高滞环比较器2的工作效率和工作稳定性，所述抑制背景光噪声系统还包括连接在光电传感器5和噪声幅值检测单元1之间的模数转换器7，如图2所示，所述模数转换器7将光电传感器5输出的电信号转换为数字信号，通过高通滤波法和/或低通滤波法对数字信号进行处理去除无效的信号，减少了噪声幅值检测单元1的计算量，提高了处理速度。

综上所述，通过所述光电传感器、噪声幅值检测单元、滞环比较器和发射与积分时间控制器的设置，解决了仅靠光电传感器自身无法调控的通道增益的问题，在接收处理中，添加噪声幅值检测单元，通过判断噪声幅值的大小来调整发射器发射脉冲的数量以及光电传感器接收积分的时间，通过变换接收积分的时间来实现接收通道增益的控制。当日照很强或者目标反射率很高时，减少减分时间降低接收增益来保证光电转换等传感器不饱和；当日照很弱或者目标反射率很低时，增加积分时间来提高通道增益，保证接收灵敏度。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。且上述实施例可任意组合成为新的实施例。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制背景光噪声系统，其特征在于，包括：与光电传感器相连接的噪声幅值检测单元，与噪声幅值检测单元相连接的滞环比较器，与发射器和光电传感器相连接的发射与积分时间控制器，所述滞环比较器通过对噪声幅值检测单元的检测数值与设定阈值的比较结果对应输出调整选项，所述发射器根据接收到的调整选项的信息调整发射数量，所述光电传感器根据接收到的调整选项的信息调整积分时间。

2.根据权利要求1所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述滞环比较器根据检测数值X与设定阈值Y₀的比较结果至少包括三个区间，当X-Y₀＜-a时，（-∞，-a）为正向调整选项，发射器的发射数量和光电传感器的积分时间同比增大；当-a≤X-Y₀≤a时，（-a，a）为保持不变选项；当X-Y₀＞a时，（a，+∞）为反向调整选项，发射器的发射数量和光电传感器的积分时间同比减小，其中X、Y₀和a为正常数。

3.根据权利要求2所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述正向调整选项包括至少N个正向子选项：从正向第1挡选项到正向第N挡选项，发射数量和积分时间的增速呈递增排列；和/或，所述反向调整选项包括至少M个反向子选项：从反向第1挡选项到反向第M挡选项，发射数量和积分时间的减速呈递增排列，所述N和M均为大于等于1的正整数。

4.根据权利要求3所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述滞环比较器的调整选项以数字的形式输出，所述正向调整选项为[+1，+N]，所述保持不变选项为0，所述反向调整选项为[-1，-M]。

5.根据权利要求4所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述正向调整选项为+1和+2，所述保持不变选项为0，所述反向普减选项为-1和-2。

6.根据权利要求1所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述噪声幅值检测单元在设定测量周期T内检测出光电传感器输出的电信号的幅值，所述滞环比较器将所述幅值与设定好的参考值进行对比，以对应输出调整选项。

7.根据权利要求6所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述幅值为设定测量周期T内噪声幅值检测单元实时检测出光电传感器的电信号周期幅值的均值。

8.根据权利要求6所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，所述幅值为设定测量周期T内噪声幅值检测单元实时检测出光电传感器的电信号周期幅值经滤波处理后的处理值。

9.根据权利要求1-8任一项所述的抑制背景光噪声系统，其特征在于，还包括连接在光电传感器和噪声幅值检测电路之间的模数转换器，所述模数转换器将光电传感器输出的电信号转换为数字信号。

10.一种激光雷达，其特征在于，具有如权利要求1-9任一项所述的抑制背景光噪声系统。