[发明专利]一种大动态范围厘米级精度激光测距方法

说明书

本发明属于激光测距领域，具体涉及一种大动态范围厘米级精度激光测距方法，根据以下数据综合算法流程得到准确的距离信息：如果AD脉冲幅度没有达到设定饱和阈值，根据系统标定结果，进行AD距离信息校正，根据脉冲幅度得到强度信息。如果AD脉冲幅度达到设定阈值，替换为TDC距离信息，根据脉冲宽度和系统标定结果，对TDC距离信息进行校正，并根据脉冲宽度得到相应的回波强度。更进一步，通过对不同距离及不同目标反射率的回波强度定标，利用距离信息和回波强度可以估计目标反射率。本发明结合波形采样和阈值比较的处理方法，在大动态范围回波条件下，准确获取目标距离和回波强度，测距精度可达到厘米级，并根据回波强度估计目标反射率。

技术领域

本发明属于激光测距领域，具体涉及一种大动态范围厘米级精度激光测距方法。

背景技术

环境感知是无人驾驶、自主地面无人平台移动机器人研究的关键技术之一。激光雷达能直接获取目标距离，可实现周围环境三维感知，被认为是众多传感器中最有价值的传感器之一。基于脉冲激光飞行时间测距法(TOF)的激光雷达由于具备测量速度快、处理简单、不存在距离二义性等特点，在上述场景中应用最为广泛。以下所述激光雷达都是指基于TOF原理，不再赘述。

根据平台的应用条件不同，激光雷达的作用距离需要达到100米-200米，甚至到300米，同时要保证近距离盲区尽可能小，最近距离低至0.5米以下。激光雷达应用场景复杂，目标反射率变化剧烈，既有反射率较低的目标，如黑色的沥青路面，也可能存在近镜面反射目标，如车辆反光镜等。对激光雷达接收机来说，动态范围变化剧烈。

根据雷达方程，在激光发射功率Pt一定的情况下，接收回波功率Pr和目标距离R、目标反射率ρ有如下关系：

其中k表示是与系统参数有关的常数，T表示相应的大气透过率。

如图3所示，假如考虑目标分布范围从5米到100米，目标反射率设为0.1，则回波变化超过400倍。假定目标反射率的变化从0.1到0.9，回波功率动态范围超过了3000倍。如果作用距离更远、考虑镜面反射目标，则回波动态范围更为剧烈。

为了解决大动态范围的探测问题，常用的方法有：

根据上一次的回波饱和程度，调节下一次发射功率或者放大器倍率，虽然有不少算法来优化这个过程，但对动态变化的场景，比如，前一次探测是近处的高反射率目标，下一次可能会是远处的暗弱障碍，算法判断当前信号接近饱和，降低了下一次发射功率或者降低放大器增益，可能会导致下一次无法探测。这对无人驾驶等应用来说是不可靠不安全的。

为保证对弱小目标的探测能力，采用AD采样加数字处理算法，提高探测灵敏度。但近距离信号饱和后，算法无法得到准确的回波强度，同时可能距离精度也会不同程度的下降。无法得到准确的回波强度意味着可能无法分辨交通标志牌或者是地面标示，如果没有其他有效地传感器信息冗余，同样是不可靠的。

采用对数放大器或者是时变增益控制放大器等方式试图使得信号动态范围缩小。但不幸的是，由于带宽及增益控制速度等问题导致很难实现。

还有通过在光电探测器前端加入二极管泄放电路，当光电流超过一定程度后，自动分流进入放大器的信号，或者是采用负反馈等办法避免放大器进入饱和状态。问题仍然是丢失了一部分回波强度，而且由于非线性响应还会导致波形变形。

还有其他一些与以上方法相近的手段，但都无法解决同时准确获知大动态范围条件下的距离信息和回波强度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：现有大动态范围探测方法无法解决同时准确获知大动态范围条件下的距离信息和回波强度。

(二)技术方案