激光雷达回波信号处理方法及装置、激光雷达探测系统与流程

本发明涉及信号处理，具体涉及一种激光雷达回波信号处理方法及装置、激光雷达探测系统。

背景技术：

1、随着高级驾驶辅助系统(advanced driving assistance system，adas)到自动驾驶(automated driving，ad)技术的不断探索和发展，用于道路及障碍物的人工智能(artificial intelligence，ai)识别技术不断提高。对道路及障碍物的感知识别技术包括感知障碍物的精确距离、形状、以及道路类型等感知特征。这些特征感知获取的主流方法之一便是基于直接测量飞行时间(direct time-of-flight，dtof)原理的激光雷达探测，形成由场景深度信息描绘成的物体形状点云图。

2、dtof是通过发出短脉冲光然后测量发射的光返回所需的时间来检测与物体的距离，适用于工业机器人等需快速进行测距避障检测的应用、增强现实(augmented reality，ar)应用等多种领域。但现有的基于dtof原理的激光雷达探测装置还普遍存在测距能力不足、功耗开销较大的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种激光雷达回波信号处理方法及装置、激光雷达探测系统，以提高基于dtof的回波处理能力，进而提升激光雷达系统的测距性能和精度。

2、为此，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一方面，本发明实施例提供一种激光雷达回波信号处理方法，所述方法包括：

4、获取接收信号，所述接收信号包括多个脉冲及其对应的时间信息和强度信息；

5、将所述接收信号在每个统计单元的强度值分解为直流分量和交流分量，所述统计单元为时刻点或时钟节拍；

6、根据所述接收信号的脉冲信息筛选所述多个脉冲得到候选脉冲，所述脉冲信息包括所述直流分量和所述交流分量；

7、从所述候选脉冲中选择一个脉冲的到达时间作为tof值。

8、可选地，所述每个统计单元的直流分量为所述接收信号的当前统计单元之前的历史统计单元的强度统计值；所述每个统计单元的交流分量为所述当前统计单元的强度值减去所述直流分量。

9、可选地，所述方法还包括对所述脉冲进行波形重塑，得到重塑后的接收信号，所述波形重塑包括：判断当前统计单元的信号强度值是否处于波谷，且所述当前统计单元的信号强度与前一脉冲的峰值强度之差是否大于所述当前统计单元的交流分量的关联摆幅，所述交流分量的关联摆幅为所述当前统计单元的交流分量与预设系数的乘积；若是，则将当前统计单元的强度值归为零；若否，则保持当前统计单元的强度值不变。

10、可选地，所述根据所述接收信号的脉冲信息筛选所述多个脉冲得到候选脉冲包括：

11、从所述多个脉冲中选择峰值强度最高的设定数量的脉冲为第一筛选脉冲；

12、计算每个所述第一筛选脉冲的脉冲宽度，并根据所述直流分量和所述交流分量计算每个所述第一筛选脉冲的信噪比；

13、如果所述第一筛选脉冲的脉冲宽度小于第一阈值，且所述第一筛选脉冲的信噪比小于第二阈值，则删除所述第一筛选脉冲，否则保留所述第一筛选脉冲为候选脉冲。

14、可选地，所述方法还包括：计算每个所述第一筛选脉冲或每个所述候选脉冲的到达时间。

15、可选地，所述从所述候选脉冲中选择一个脉冲的到达时间作为tof值包括：

16、从所述候选脉冲中选择强度值最大的脉冲的到达时间作为tof值；或者

17、从所述候选脉冲中选择到达时间最早并且强度值大于设定值的脉冲的到达时间作为tof值；或者

18、从所述候选脉冲中选择到达时间最晚并且强度值大于设定值的脉冲的到达时间作为tof值。

19、可选地，所述计算每个所述第一筛选脉冲或每个所述候选脉冲的到达时间包括：

20、根据所述脉冲的峰值时刻确定所述脉冲的边沿时刻；

21、根据所述边沿时刻至所述峰值时刻的时间段内脉冲的强度计算到达强度；

22、根据所述到达强度计算所述脉冲的到达时间。

23、可选地，所述根据所述脉冲的峰值时刻确定所述脉冲的边沿时刻包括：

24、确定所述脉冲的峰值时刻和所述脉冲的开始时刻；

25、确定距离所述峰值时刻前预设时间差的时刻为阈值时刻；

26、判断所述开始时刻是否在所述阈值时刻至所述峰值时刻之间；

27、若是，则确定所述开始时刻为所述脉冲的边沿时刻；

28、若否，则确定所述阈值时刻为所述脉冲的边沿时刻。

29、可选地，所述根据所述边沿时刻至所述峰值时刻的时间段内脉冲的强度计算到达强度包括：计算所述边沿时刻至所述峰值时刻之间的脉冲强度的中位值或均值为到达强度。

30、可选地，所述根据所述到达强度计算所述脉冲的到达时间包括：

31、确定与所述到达强度最近的两个强度为第一强度和第二强度，确定所述第一强度对应的时刻为第一时刻，所述第二强度对应的时刻为第二时刻；

32、根据所述到达强度、所述第一强度和所述第二强度计算得到时间权重；

33、根据所述第一时刻、所述第二时刻和所述时间权重计算得到所述脉冲的到达时间。

34、可选地，所述方法还包括：对所述接收信号进行滤波，以平滑所述接收信号。

35、可选地，所述方法还包括：对所述tof值进行校准。

36、可选地，所述方法还包括：获取关联时间及关联空间内探测单元产生的电信号；将所述电信号转换为数字信号，所述数字信号为所述接收信号。

37、可选地，所述关联空间包括：回波信号在探测单元阵列中对应的理论区域以及相邻区域，所述相邻区域与所述理论区域不重叠或部分重叠；所述关联时间与所述统计单元对应。

38、可选地，所述将所述电信号转换为数字信号包括：利用时间数字转换方法将所述电信号转换为数字信号；或者利用模数转换方法将所述电信号转换为数字信号。

39、可选地，所述利用时间数字转换方法将所述电信号转换为数字信号包括：基于关联时间及关联空间内点亮的所述探测单元的数量，生成一组直方图；根据所述直方图得到所述数字信号。

40、可选地，所述基于关联时间及关联空间内点亮的所述探测单元的数量，生成一组直方图包括：计算每个所述统计单元中关联空间内点亮的所述探测单元总数，根据每个所述统计单元的所述总数，生成一组直方图；或者统计每个所述统计单元中所述理论区域内点亮的探测单元的数量，以及，统计每个所述统计单元中所述相邻区域内点亮的探测单元的数量，根据所述理论区域内点亮的探测单元的数量和所述相邻区域内点亮的探测单元的数量，生成一组直方图。

41、可选地，所述利用模数转换方法将所述电信号转换为数字信号包括：获取关联时间及关联空间内探测单元对应的电流信号或电压信号，将所述电流信号或电压信号转换为数字信号。

42、另一方面，本发明实施例还提供一种激光雷达回波信号处理装置，所述装置包括：

43、信号获取模块，用于获取接收信号，所述接收信号包括多个脉冲及其对应的时间信息和强度信息；

44、直交分量计算模块，用于将所述接收信号在每个统计单元的强度值分解为直流分量和交流分量，所述统计单元为时刻点或时钟节拍；

45、脉冲检测模块，用于根据所述接收信号的脉冲信息筛选所述多个脉冲得到候选脉冲，所述脉冲信息包括所述直流分量和所述交流分量；

46、tof分析模块，用于计算各脉冲的到达时间；

47、tof决策模块，用于从所述候选脉冲中选择一个脉冲的到达时间作为tof值。

48、可选地，所述装置还包括：重采样滤波模块，用于对所述接收信号进行滤波，以平滑所述接收信号。

49、可选地，所述装置还包括：波形重塑模块，用于对所述脉冲进行波形重塑，得到重塑后的接收信号；所述波形重塑包括：判断当前统计单元的信号强度值是否处于波谷，且所述当前统计单元的信号强度与前一脉冲的峰值强度之差是否大于所述当前统计单元的交流分量的关联摆幅，所述交流分量的关联摆幅为所述当前统计单元的交流分量与预设系数的乘积；若是，则将当前统计单元的强度值归为零；若否，则保持当前统计单元的强度值不变；

50、可选地，所述脉冲检测模块，具体用于从所述多个脉冲中选择峰值强度最高的设定数量的脉冲为第一筛选脉冲；计算每个所述第一筛选脉冲的脉冲宽度，并根据所述直流分量和所述交流分量计算每个所述第一筛选脉冲的信噪比；如果所述第一筛选脉冲的脉冲宽度小于第一阈值，且所述第一筛选脉冲的信噪比小于第二阈值，则删除所述第一筛选脉冲，否则保留所述第一筛选脉冲为候选脉冲。

51、可选地，所述tof分析模块，具体用于计算每个所述第一筛选脉冲，或者计算每个所述候选脉冲的到达时间。

52、可选地，所述装置还包括：tof校准模块，用于对所述tof值进行校准。

53、可选地，所述信号获取模块包括：信号采集模块，用于获取关联时间及关联空间内探测单元产生的电信号，将所述电信号转换为数字信号，所述数字信号为所述接收信号。

54、可选地，所述信号采集模块包括tdc模块或者adc模块；

55、所述tdc模块，用于利用时间数字转换方法将所述电信号转换为数字信号；

56、所述adc模块，用于利用模数转换方法将所述电信号转换为数字信号。

57、另一方面，本发明实施例还提供一种激光雷达探测系统，用于根据tof时间确定探测物体的距离，所述系统包括：发射装置、接收装置以及前面所述的激光回波信号处理装置；

58、所述发射装置，用于发射光脉冲信号；

59、所述接收装置，包括多个探测单元，用于接收光信号生成接收信号；

60、所述激光回波信号处理装置，与所述接收装置相连，用于根据接收信号确定发射光脉冲信号的tof时间，根据所述tof时间确定探测物体的距离。

61、本发明提供的激光雷达回波信号处理方法及装置、激光雷达探测系统，获取接收信号，将接收信号中每个统计单元的强度值分解为直流分量和交流分量，根据这些信息对接收信号中的多个脉冲进行筛选，筛选出最有可能的候选脉冲，最后从候选脉冲中选择一个脉冲的到达时间作为tof值。本发明方案在提高了dtof回波处理能力的同时，降低了硬件实现的功耗及开销，降低了应用的复杂度，可以极大提升产品的工程化与产品化。

62、进一步地，在确定每个统计单元的直流分量时，只需采集前向历史值作为参考，即只考虑本统计单元和之前统计单元的数据，而非采集所有统计单元的数据后再进行计算，从而可以逐个统计单元计算统计值，不仅可以极大提高信号处理的实时性，而且还可节省额外的存储开销。本发明方案易于芯片化实现或fpga实现，且硬化实现逻辑简单，不需要大量的片上ram作缓存。

63、进一步地，在对多个脉冲进行筛选时，综合考虑了脉冲的峰值强度、脉冲宽度、信噪比，排除了由于干扰而产生的不符合要求的脉冲，使最终的tof值更准确。