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CN115712107A - 用于激光雷达的信号处理方法、探测方法以及激光雷达 - Google Patents

用于激光雷达的信号处理方法、探测方法以及激光雷达 Download PDF

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CN115712107A CN202110967923.4A CN202110967923A CN115712107A CN 115712107 A CN115712107 A CN 115712107A CN 202110967923 A CN202110967923 A CN 202110967923A CN 115712107 A CN115712107 A CN 115712107A
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Abstract

本发明提供一种用于激光雷达的信号处理方法，包括：S11：获取探测激光脉冲自物体反射的回波脉冲；S12：基于第一阈值获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，基于第二阈值获取所述回波脉冲的第二阈值脉宽，其中第一阈值低于第二阈值；S13：计算所述第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值；和S14：根据所述差值与参考脉宽差值，获取所述回波脉冲的坡度。本发明在输出点云基本信息(如距离、反射率)的基础上，额外输出每个脉冲的坡度，作为探测物体特征的补充信息，综合距离、反射率、脉冲坡度特征，来做物体的检测、识别和分类，可以实现更高的识别和感知的准确率。

Description

用于激光雷达的信号处理方法、探测方法以及激光雷达
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种用于激光雷达的信号处理方法、一种激光雷达的探测方法以及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达通过主动发射激光脉冲、然后接收目标物返回的激光脉冲来探测距离。同时，根据激光雷达返回的脉冲强度和发射强度的比值，以及距离修正，可以测量得出目标物的反射率。目前，主流的车载激光雷达输出的点云都是仅包含距离和反射率信息。回波脉冲坡度的变化(展宽情况)通常与某些特定的反射情况或目标物相关联，因此获取回波脉冲坡度的变化对于反射情况或目标物的判断至关重要。如何提高目标物的识别和感知的准确率，为定位、导航、避障等提供有力的保障，是目前激光雷达领域研究的方向之一。
图1是激光雷达探测激光脉冲斜入射目标物的情况。如图1所示，探测激光脉冲倾斜投射在目标物上形成光斑，对于同一个探测激光脉冲，在目标斜面的不同位置反射的回波的时刻不一样，导致合成后的回波脉冲坡度变小。
图2示出了激光雷达探测激光脉冲投射到弥散的颗粒物上的情况。如图2所示，常见于扬尘、雨雾、树冠等，探测激光脉冲一部分透射一部分被颗粒物反射，不同的位置处的颗粒物反射回波的时刻不相同，叠加出来的回波脉冲的坡度变小。
当激光雷达的探测器接收到的激光脉冲不饱和(强度较弱)时，可以通过建立正入射时回波脉冲强度-脉宽关系的曲线来获得参考脉宽，其中正入射是指激光雷达发出的激光脉冲垂直于目标物入射，正入射时回波脉冲的脉宽即为参考脉宽。如图3所示，横坐标为参考脉宽Wn，纵坐标为脉冲峰值强度peakn，根据该曲线获得实际脉冲峰值强度对应的正入射时的参考脉宽，进而通过参考脉宽与实际脉宽的对比得知实际脉冲的展宽情况。
但在一些情况下，如激光脉冲投射到高反射目标物上，激光雷达的探测器接收到的脉冲可能是饱和的，如图4所示，它的峰值信息是无法反映接收信号的真实峰值强度的，因此也无法依据图3中的回波脉冲强度-脉宽关系的曲线来获得参考脉宽，进而无法将参考脉宽(或称标准脉宽)与实际脉宽进行对比，无法进行进一步的判断。
背景技术部分的内容仅仅是公开发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的一个或多个缺陷，本发明设计一种用于激光雷达的信号处理方法，包括：
S11：获取探测激光脉冲自物体反射的回波脉冲；
S12：基于第一阈值获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，基于第二阈值获取所述回波脉冲的第二阈值脉宽，其中第一阈值低于第二阈值；
S13：计算所述第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值；和
S14：根据所述差值与参考脉宽差值，获取所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，其中所述探测激光脉冲正入射物体时的回波脉冲为参考回波脉冲，所述参考回波脉冲在所述第一阈值的第一阈值参考脉宽与其在所述第二阈值的第二阈值参考脉宽的差值为所述参考脉宽差值。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S14包括：将所述参考脉宽差值和所述第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值的比值作为所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述第一阈值参考脉宽与所述参考脉宽差值的第一关系曲线。
根据本发明的一个方面，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述第二阈值参考脉宽与所述参考脉宽差值的第二关系曲线。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S14还包括：在步骤S12获得所述第一阈值脉宽后，基于所述第一关系曲线获得所述参考脉宽差值。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S14还包括：在步骤S12获得所述第二阈值脉宽后，基于所述第二关系曲线获得所述参考脉宽差值。
根据本发明的一个方面，其中所述步骤S11还包括：获取所述回波脉冲的峰值，当所述峰值大于或等于所述第二阈值时，执行所述步骤S12-S14；否则，基于所述第一阈值获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，根据所述回波脉冲的峰值确定第一阈值参考脉宽，并根据所述第一阈值参考脉宽和第一阈值脉宽的比值获取所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述峰值与所述第一阈值参考脉宽的第三关系曲线。
根据本发明的一个方面，其中所述根据第一阈值脉宽和第一阈值参考脉宽获取所述回波脉冲的坡度的步骤包括：根据所述回波脉冲的峰值，基于所述第三关系曲线获得所述第一阈值参考脉宽。
根据本发明的一个方面，还包括：
S15：输出所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，还包括：当所述回波脉冲的坡度在预设坡度范围外时，输出所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，所述探测激光脉冲为单脉冲或脉冲序列。
本发明还设计一种激光雷达的探测方法，包括：
S21：发射探测激光脉冲；
S22：接收所述探测激光脉冲经过物体反射后的回波脉冲；
S23：根据所述回波脉冲，确定所述物体的距离和/或反射率；和
S24：执行如上所述的信号处理方法，获得所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个方面，还包括：
基于回波脉冲的坡度、点云图中的物体轮廓、物体的距离和反射率中的一项或多项，识别物体的类型。
根据本发明的一个方面，还包括发射探测激光脉冲序列，获取回波脉冲序列中第一个回波脉冲的坡度或者每个回波脉冲的坡度。
本发明还设计一种激光雷达，包括：
发射单元，配置为发射探测激光脉冲；
接收单元，配置为接收所述探测激光脉冲在物体上反射的回波脉冲；和
信号处理单元，配置为执行如上所述的信号处理方法。
根据本发明的一个方面，还包括：
存储单元，用于存储所述第一关系曲线、所述第二关系曲线和所述第三关系曲线中的一项或多项。
本发明在激光雷达点云基本信息(如距离、反射率)的基础上，额外输出每个脉冲的坡度，作为探测物体特征的补充信息，可以综合距离、反射率、脉冲坡度特征，来做目标物的检测、识别和分类，实现更高的识别和感知的准确率。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1是激光雷达探测激光脉冲斜入射目标物的情况；
图2示出了激光雷达探测激光脉冲投射到弥散的颗粒物上的情况；
图3示出了正入射情况下回波脉冲强度-脉宽关系曲线；
图4示出了不饱和脉冲及饱和脉冲的示意图；
图5示出了本发明一个实施例的用于激光雷达的信号处理方法流程图；
图6示出了本发明一个实施例的不饱和情况下第一阈值、第二阈值以及对应的脉宽的示意图；
图7示出了本发明一个实施例的饱和情况下第一阈值、第二阈值以及对应的脉宽的示意图；
图8示出了本发明一个实施例的正入射情况下的脉冲坡度的对比示意图；
图9示出了本发明一个实施例的正入射情况下不同参考回波脉冲强度的示意图；
图10示出了本发明一个实施例的基于第一阈值脉宽选择参考回波脉宽的示意图；
图11示出了本发明一个实施例正入射情况下第一阈值参考脉宽与参考脉宽差值之间的第一关系曲线；
图12示出了本发明一个实施例的实际回波的第一阈值脉宽和脉宽差值与正入射情况下第一关系曲线的示意图；
图13示出了本发明一个实施例的正入射情况下第一阈值脉宽与脉冲峰值的第三关系曲线；
图14示出了本发明一个实施例的激光雷达的探测方法流程图；
图15示出了本发明一个实施例的激光雷达的模块图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明提出的获得回波脉冲坡度的方法包括基于双阈值计算回波脉冲的脉宽差，再与激光雷达内部存储的正入射下的参考脉宽差标定值相比对，从而得出脉冲坡度，该方法不会受限于回波脉冲的强度，亦即，无论回波脉冲是否饱和，采用本发明的方法都可以输出可表征目标物状态的脉冲坡度值，进而可以让点云的使用者根据坡度值的显著特征实现更高准确度的目标物的过滤、识别和监测。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明设计一种用于激光雷达的信号处理方法10，如图5所示，信号处理方法10包括：
在步骤S11：获取探测激光脉冲自物体反射的回波脉冲。激光雷达通常包括发射单元、接收单元和信号处理单元，其中发射单元用于向激光雷达周围的三维环境发射探测激光脉冲，探测激光脉冲在三维环境中的目标物上发生漫反射，部分光即回波脉冲返回到激光雷达，由接收单元接收并转换为电信号，信号处理单元接收电信号并计算障碍物的测距信息。在此步骤，由发射单元发出探测激光脉冲，由接收单元接收来自物体反射的回波脉冲。
在步骤S12：基于第一阈值Th1获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，基于第二阈值Th2获取所述回波脉冲的第二阈值脉宽，其中第一阈值Th1低于第二阈值Th2。第一阈值Th1和第二阈值Th2可以是确定的值，也可以进行动态调整。例如，当系统噪声较高时，将较低的第一阈值提高，提高后的第一阈值低于第二阈值，系统噪声例如通过采样获得，可以根据系统噪声的均值和标准差来设置第一阈值。
当回波脉冲不饱和时，参考图6，采用第一阈值Th1和第二阈值Th2分别划过回波脉冲时，基于第一阈值Th1获得第一阈值脉宽Wl1，基于第二阈值Th2获得第二阈值脉宽Wh1；当回波脉冲饱和时，参考图7，采用第一阈值Th1和第二阈值Th2划过回波脉冲时，基于第一阈值Th1获得第一阈值脉宽Wl2，基于第二阈值Th2获得第二阈值脉宽Wh2。
在步骤S13：计算第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值。参考图6，回波脉冲不饱和时，第一阈值脉宽Wl1与第二阈值脉宽Wh1的差值ΔW1＝Wl1-Wh1；参考图7，回波脉冲饱和时，第一阈值脉宽Wl2与第二阈值脉宽Wh2的差值ΔW2＝Wl2-Wh2。可见脉宽差值的计算不依赖于回波脉冲是否饱和，只要回波脉冲的峰值超过了第二阈值，就可以计算出脉宽差值。回波脉冲的峰值低于第二阈值的情况，将在后续段落介绍。
在步骤S14：根据回波脉宽差值与参考脉宽差值，获取回波脉冲的坡度。在步骤S13获得了回波脉冲的脉宽差值，与参考脉宽差值进行比对，可以获取回波脉冲的坡度值。本发明中，回波脉冲的坡度是用于表征回波脉冲的上升沿和/或下降沿的陡峭程度的指标。
根据本发明的一个优选实施例，探测激光脉冲正入射物体时的回波脉冲为参考回波脉冲，所述参考回波脉冲在第一阈值Th1的第一阈值参考脉宽与其在第二阈值Th2的第二阈值参考脉宽的差值为参考脉宽差值。参考图8，正入射情况下的回波脉冲，可能是不饱和的，也可能是饱和的，两种情况都不影响基于双阈值获取参考脉宽差值。具体地，在校准标定所述激光雷达时，发射单元发出的探测激光脉冲垂直于目标物入射，接收单元接收经目标物反射的参考回波脉冲，基于第一阈值Th1获得第一阈值参考脉宽Wln，基于第二阈值Th2获得第二阈值参考脉宽Whn，进而得出第一阈值参考脉宽Wln与第二阈值参考脉宽Whn的脉宽差值ΔWn＝Wln-Whn。在校准标定激光雷达时，相同的探测激光脉冲在正入射情况下可对应多个不同强度的参考回波脉冲，与目标物的反射率有关。参考图8和图9，例如，在相同距离处设置不同反射率的目标物(例如不同反射率的标准反射板)，相同的探测激光脉冲正入射到不同反射率的目标物上，经过不同反射率的目标物反射后的参考回波脉冲的展宽情况不同，脉冲强度也不同，参考脉宽差值也不同。如何选择与实际回波脉冲相对应的参考脉宽差值，将在后续段落详细描述。
根据本发明的一个优选实施例，在步骤S14包括：将参考脉宽差值和第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值的比值作为回波脉冲的坡度。亦即，在步骤S13获得了实际回波脉冲的脉宽差值ΔW(回波脉冲饱和时为ΔW2；回波脉冲不饱和时为ΔW1)，其对应的参考脉宽差值为ΔWn，计算出相对脉宽差
Figure BDA0003224847710000081
相对脉宽差越大，说明坡度相对越小。由此得出坡度的计算公式为：
Figure BDA0003224847710000082
综上所述，信号处理方法10基于双阈值获得回波脉冲在两个阈值处的脉宽差值，然后基于参考脉宽差值，根据两者的关系获得回波脉冲坡度，优选地，根据两者的比值计算坡度。
关于如何选择与实际回波脉冲相对应的参考脉宽差值，根据本发明的一个实施例，参考图10，在校准标定所述激光雷达时，发射单元发出探测激光脉冲，正入射具有第一反射率的第一目标物，获得参考回波脉冲1；发射单元发出相同的探测激光脉冲，正入射具有第二反射率的第二目标物，获得参考回波脉冲2。其中第二反射率高于第一反射率，因此如图10所示，参考回波脉冲2的峰值高于参考回波脉冲1的峰值，并且参考回波脉冲2的宽度也更宽。图10中示意性地示出了参考回波脉冲1和2，在实际标定校准激光雷达时，可根据需要获得更多数目的参考回波脉冲，每个参考回波脉冲对应一个反射率的目标物。
根据本发明的一个实施例，可以根据回波脉冲的第一阈值脉宽来确定与其相对应的参考回波脉冲。在实际应用时，接收单元接收到实际回波脉冲后,基于第一阈值获得实际回波脉冲的第一阈值脉宽Wl，由图10可见，参考回波脉冲2的第一阈值参考脉宽等于该实际回波脉冲的第一阈值脉宽，可以将参考回波脉冲2作为该实际回波脉冲的参考回波脉冲，然后通过信号处理方法10，计算实际回波脉冲的脉宽差值，再与参考回波脉冲2的参考脉宽差值相比对，进而获得脉冲坡度值。在实际应用中，实际回波脉冲的展宽情况较为复杂，需要预先存储尽量多的参考回波脉宽差标定值以提高脉冲坡度的计算精确度。
根据本发明的一个优选实施例，信号处理方法10还包括：校准标定所述激光雷达，建立参考回波脉冲的第一阈值参考脉宽与参考脉宽差值的第一关系曲线。具体地，在校准标定所述激光雷达时，探测激光脉冲垂直于目标物入射，接收单元接收经目标物反射的参考回波脉冲。例如，在固定距离处设置不同反射率的目标物，对于每个目标物测得参考回波脉冲的第一阈值参考脉宽和参考脉宽差值，基于多组数值拟合出第一阈值参考脉宽与参考脉宽差值的第一关系曲线，或者可替换的，将多组数值点通过线段连接，即可获得第一关系曲线。如图11所示，横坐标为第一阈值对应的第一阈值参考脉宽Wln，纵坐标为正入射下参考回波脉冲的参考脉宽差值ΔWn，其中，ΔWn是与距离无关的值，所以在校准标定过程中目标平面是否设置在固定距离处不会对本发明的技术方案产生影响，本发明也不限制校准标定过程的具体实施方式。
根据本发明的一个优选实施例，其中步骤S14还包括：在步骤S12获得第一阈值脉宽后，基于第一关系曲线获得参考脉宽差值。具体地，对于实际的回波脉冲，根据第一阈值获得第一阈值脉宽,如图6中的Wl1，根据第二阈值获得第二阈值脉宽，如图6中的W1，计算回波脉冲的脉宽差值为ΔW1＝Wl1-Wh1，然后在图11所示的第一关系曲线中确定与第一阈值脉宽Wl1对应的参考脉宽差值ΔWn1，亦即，与第一阈值脉宽Wl1相等的第一阈值参考脉宽Wln1所对应的参考脉宽差值ΔWn1，进而得到对应的坡度值：
Figure BDA0003224847710000101
同理，对于图7中的第一阈值脉宽Wl2及第二阈值脉宽Wh2，计算回波脉冲的脉宽差值为ΔW2＝Wl2-Wh2，然后在图11所示的第一阈值参考脉宽与参考脉宽差值的关系曲线中确定与第一阈值脉宽Wl2对应的参考脉宽差值ΔWn2，亦即，与第一阈值脉宽Wl2相等的第一阈值参考脉宽Wln2所对应的参考脉宽差值ΔWn2，进而得到对应的坡度值：
Figure BDA0003224847710000102
图12示出了本发明一个实施例的实际回波的第一阈值脉宽和脉宽差值与正入射情况下第一关系曲线的示意图，图12中离散的点表示实际的回波，曲线表示正入射情况下第一关系曲线。实际回波脉冲1例如图6中所示的回波脉冲，第一阈值脉宽为Wl1，脉宽差值为ΔW1，与之对应的第一阈值参考脉宽为Wln1，对应到第一关系曲线上的参考脉宽差值为ΔWn1，参考图12，脉宽差值ΔW1在第一关系曲线的上方；实际回波脉冲2例如图7中所示的回波脉冲，第一阈值脉宽为Wl2，脉宽差值为ΔW2，与之对应的第一阈值参考脉宽为Wln2，对应到第一关系曲线上的参考脉宽差值为ΔWn2，参考图12，脉宽差值ΔW2在第一关系曲线的上方。明显地，实际回波脉冲1和2的脉宽差值均大于对应的参考脉宽差值，且越远离第一关系曲线差值越大，对应回波脉冲的坡度越小。
以上描述了基于第一关系曲线获得参考脉宽差值进而获得脉冲坡度，根据本发明的另一个优选实施例，信号处理方法10还可以包括：校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述第二阈值参考脉宽与所述参考脉宽差值的第二关系曲线。具体方法与第一关系曲线的建立方法类似，只是横坐标变为第二阈值对应的第二阈值参考脉宽Whn，纵坐标为正入射下参考回波脉冲的参考脉宽差ΔWn。
在获得了第二关系曲线之后，还可以基于第二关系曲线获得参考脉宽差值。在步骤S14还包括：在步骤S12获得第二阈值脉宽后，基于第二关系曲线获得参考脉宽差值。具体地，在校准标定所述激光雷达时，探测激光脉冲垂直于目标物入射，接收单元接收经目标物反射的参考回波脉冲。例如，在固定距离处设置不同反射率的目标物，对于每个目标物测得参考回波脉冲的第二阈值参考脉宽和参考脉宽差值，基于多组数值拟合出第二阈值参考脉宽与参考脉宽差值的第二关系曲线，第二关系曲线的横坐标为第二阈值Th2对应的第二阈值参考脉宽Whn，纵坐标为正入射下参考回波脉冲的参考脉宽差ΔWn，其中，ΔWn是与距离无关的值。
在获得了参考脉宽差ΔWn之后，基于与上述类似的方式计算回波脉冲的坡度值，此处不再赘述。
根据本发明的一个优选实施例，其中步骤S11还包括：获取回波脉冲的峰值，当峰值大于或等于第二阈值时，执行上述步骤S12-S14；否则，基于第一阈值获取回波脉冲的第一阈值脉宽，根据回波脉冲的峰值确定第一阈值参考脉宽，并根据第一阈值参考脉宽和第一阈值脉宽的比值获取回波脉冲的坡度。
具体地，获取探测激光脉冲自物体反射的回波脉冲的峰值信息，例如通过采样获得，提取采样强度的最大值作为峰值。对于非饱和回波脉冲峰值信息反映接收信号的真实峰值强度，而对于饱和回波脉冲峰值信息不反映接收信号的真实峰值强度，但不论饱和与否，均可获得其峰值信息。或者可选地，采用比较器判断回波脉冲的峰值是否高/低于第一阈值Th1或第二阈值Th2而无须获得其采样强度的最大值。图9示出了不同回波脉冲强度的示意图(例如由探测距离或反射率导致强弱变化)，当回波脉冲峰值大于或等于第二阈值Th2时，基于第一阈值Th1和第二阈值Th2计算实际脉宽差值，然后根据第一关系曲线确定与第一阈值Th1对应的参考脉宽差值，最后根据两者的比值获得脉冲坡度；或者根据第二关系曲线确定与第二阈值Th2对应的参考脉宽差值，根据实际脉宽差值与参考脉宽差值的比值获得脉冲坡度，如上面所描述的。
当回波脉冲峰值小于第二阈值Th2时，基于第一阈值Th1获取回波脉冲的第一阈值脉宽Wl，根据回波脉冲的峰值强度peakn确定对应的第一阈值参考脉宽Wln，并根据第一阈值参考脉宽Wln和第一阈值脉宽Wl的比值获取回波脉冲的坡度。根据本发明的一个优选实施例，确定第一阈值参考脉宽的方法为：校准标定所述激光雷达，建立参考回波脉冲的峰值与第一阈值参考脉宽的第三关系曲线。
根据本发明的一个优选实施例，信号处理方法10还包括：校准标定所述激光雷达，建立参考回波脉冲的峰值强度与第一阈值参考脉宽的第三关系曲线。具体地，在校准标定所述激光雷达时，探测激光脉冲垂直于目标物入射，接收单元接收经目标物反射的参考回波脉冲。例如，在固定距离处设置不同反射率的目标物，对于每个目标物测得参考回波脉冲的峰值与第一阈值参考脉宽，基于多组数值拟合出参考回波脉冲的峰值强度与第一阈值参考脉宽的第三关系曲线，或者可替换的，将多组数值点通过线段连接，即可获得第三关系曲线。如图13所示，横坐标为参考回波脉冲的峰值强度peakn，纵坐标为第一阈值参考脉宽Wln。本发明不限制校准标定过程的具体实施方式，优选地，可以在校准标定激光雷达过程中，建立第一关系曲线和/或第二关系曲线时，将第三关系曲线也建立并保存。亦即，获取参考回波脉冲的峰值，当峰值大于或等于第二阈值时，建立第一关系曲线和/或第二关系曲线；当峰值小于第二阈值时，建立第三关系曲线。
根据本发明的一个优选实施例，其中根据第一阈值脉宽和第一阈值参考脉宽获取回波脉冲的坡度的步骤包括：根据所述回波脉冲的峰值，基于所述第三关系曲线获得所述第一阈值参考脉宽。
根据回波脉冲的峰值强度确定正入射时的第一阈值参考脉宽Wln，以及此时根据第一阈值获得的实际回波脉冲的第一阈值脉宽Wl，通过以下的公式可以计算出相对脉宽Wr：
Figure BDA0003224847710000131
相对脉宽越大，说明坡度相对越小。因此可以通过以下公式计算坡度：
Figure BDA0003224847710000132
上面描述了第一关系曲线、第二关系曲线和第三关系曲线。在校准标定所述激光雷达时，在固定距离处设置不同反射率的垂直目标平面，探测激光脉冲垂直于目标物入射，接收单元接收经目标物反射的参考回波脉冲，通过改变目标物的反射率可以获得多个参考回波脉冲。根据这些参考回波脉冲的峰值将其分为两组，第一组参考回波脉冲的峰值大于或等于所述第二阈值Th2，第二组参考回波脉冲的峰值低于所述第二阈值Th2。利用第一组参考回波脉冲，可获得所述第一关系曲线和/或第二关系曲线，利用第二组参考回波脉冲，可获得所述第三关系曲线。通过这样的方式，在一次校准标定过程中就可以获得多个关系曲线，以提高标定效率。
综上所述，在信号处理方法10中，当回波脉冲的峰值大于或等于第二阈值时，基于双阈值计算实际回波脉冲的脉宽差，基于第一阈值或第二阈值确定对应的参考回波脉冲的脉宽差，将两者比对以获取实际回波脉冲的坡度值；当回波脉冲的峰值小于第二阈值时，基于第一阈值计算实际回波的第一阈值脉宽，基于峰值确定对应的参考回波脉冲的第一阈值参考脉宽，将两者比对获取实际回波脉冲的坡度值。脉冲坡度的信息可以补充一些目标反射物的信息，如反射物相对探测激光脉冲是大角度倾斜设置或者反射物是雨雾、扬尘等，坡度值将大大偏离正入射物体下的值，此时坡度值将是一个显著的特征，可以让点云的使用者实现更高准确度的目标物的过滤、识别和监测。
根据本发明的一个优选实施例，信号处理方法10还包括：
在步骤S15：输出回波脉冲的坡度。根据坡度值判断不同的脉冲情况，并进行相应的处理，对于颗粒物(雨雾、扬尘等)和斜面的进一步判断，可以结合其形成的点云图进行判断(通常斜面的形状在点云图里有大致轮廓)，也可以与智能识别算法相结合，进一步判断目标物的形状或形态，例如激光雷达周围是否具有雨雾或扬尘，以及目标物是否具有较大的倾斜表面等。
根据本发明的一个优选实施例，还包括：当所述回波脉冲的坡度在预设坡度范围外时，输出所述回波脉冲的坡度。将超出坡度范围阈值的回波脉冲用于特定的入射情况或目标物的判断。上述坡度信息例如可提供给车辆的自动驾驶单元，自动驾驶单元可据此实现更高准确度的目标物的过滤、识别和监测。
根据本发明的一个优选实施例，所述探测激光脉冲为单脉冲或脉冲序列。上述信号处理方法10以单脉冲为例进行脉冲坡度的计算，本领域技术人员可以理解，当探测激光脉冲包括多个脉冲组成的一个序列时，同样可以采用信号处理方法10对其中的每一个脉冲的坡度单独计算，如果序列中多个脉冲的坡度均超出坡度范围阈值，则增强了将其识别为雨雾、扬尘等的可信度。
本发明还设计一种激光雷达的探测方法20，参考图14，探测方法20包括：
在步骤S21：发射探测激光脉冲；
在步骤S22：接收所述探测激光脉冲经过物体反射后的回波脉冲；
在步骤S23：根据所述回波脉冲，确定所述物体的距离和/或反射率；和
在步骤S24：执行如上所述的信号处理方法10，获得所述回波脉冲的坡度。
根据本发明的一个优选实施例，所述探测方法20还包括：基于回波脉冲的坡度、点云图中的物体轮廓、物体的距离和反射率中的一项或多项，识别物体的类型。
根据本发明的一个优选实施例，所述探测方法20还包括发射探测激光脉冲序列，获取回波脉冲序列中第一个回波脉冲的坡度或者每个回波脉冲的坡度。
本发明还设计一种激光雷达100，参考图15，激光雷达100包括：发射单元110、接收单元120和信号处理单元130。其中发射单元110配置为发射探测激光脉冲；接收单元120配置为接收所述探测激光脉冲在物体上反射的回波脉冲；信号处理单元130配置为执行如上所述的信号处理方法10。
根据本发明的一个优选实施例，所述激光雷达100还包括：存储单元140，用于存储所述第一关系曲线、所述第二关系曲线和所述第三关系曲线中的一项或多项。
上面描述了本发明的各个优选实施例。通过本发明各个实施例的方案，无论是在回波脉冲饱和(图7的回波脉冲)、不饱和(图6的回波脉冲)以及回波脉冲强度小(回波脉冲峰值小于第二阈值)的情况下，都能够准确地获得回波脉冲的坡度，点云的使用者可以综合距离、反射率、脉冲坡度特征，来做目标物的检测、识别和分类。通过增加回波脉冲这一信息维度，可以帮助点云的使用者实现更高的识别和感知的准确率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种用于激光雷达的信号处理方法，包括：
S11：获取探测激光脉冲自物体反射的回波脉冲；
S12：基于第一阈值获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，基于第二阈值获取所述回波脉冲的第二阈值脉宽，其中第一阈值低于第二阈值；
S13：计算所述第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值；和
S14：根据所述差值与参考脉宽差值，获取所述回波脉冲的坡度。
2.如权利要求1所述的信号处理方法，其中所述探测激光脉冲正入射物体时的回波脉冲为参考回波脉冲，所述参考回波脉冲在所述第一阈值的第一阈值参考脉宽与其在所述第二阈值的第二阈值参考脉宽的差值为所述参考脉宽差值。
3.如权利要求1或2中所述的信号处理方法，其中所述步骤S14包括：将所述参考脉宽差值和所述第一阈值脉宽与第二阈值脉宽的差值的比值作为所述回波脉冲的坡度。
4.如权利要求2所述的信号处理方法，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述第一阈值参考脉宽与所述参考脉宽差值的第一关系曲线。
5.如权利要求2所述的信号处理方法，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述第二阈值参考脉宽与所述参考脉宽差值的第二关系曲线。
6.如权利要求4所述的信号处理方法，其中所述步骤S14还包括：在步骤S12获得所述第一阈值脉宽后，基于所述第一关系曲线获得所述参考脉宽差值。
7.如权利要求5所述的信号处理方法，其中所述步骤S14还包括：在步骤S12获得所述第二阈值脉宽后，基于所述第二关系曲线获得所述参考脉宽差值。
8.如权利要求1或2所述的信号处理方法，其中所述步骤S11还包括：获取所述回波脉冲的峰值，当所述峰值大于或等于所述第二阈值时，执行所述步骤S12-S14；否则，基于所述第一阈值获取所述回波脉冲的第一阈值脉宽，根据所述回波脉冲的峰值确定第一阈值参考脉宽，并根据所述第一阈值参考脉宽和第一阈值脉宽的比值获取所述回波脉冲的坡度。
9.如权利要求8所述的信号处理方法，还包括：
校准标定所述激光雷达，建立所述参考回波脉冲的所述峰值与所述第一阈值参考脉宽的第三关系曲线。
10.如权利要求9所述的信号处理方法，其中所述根据第一阈值脉宽和第一阈值参考脉宽获取所述回波脉冲的坡度的步骤包括：根据所述回波脉冲的峰值，基于所述第三关系曲线获得所述第一阈值参考脉宽。
11.如权利要求1或2中所述的信号处理方法，还包括：
S15：输出所述回波脉冲的坡度。
12.如权利要求1或2中所述的信号处理方法，还包括：当所述回波脉冲的坡度在预设坡度范围外时，输出所述回波脉冲的坡度。
13.如权利要求1或2中所述的信号处理方法，所述探测激光脉冲为单脉冲或脉冲序列。
14.一种激光雷达的探测方法，包括：
S21：发射探测激光脉冲；
S22：接收所述探测激光脉冲经过物体反射后的回波脉冲；
S23：根据所述回波脉冲，确定所述物体的距离和/或反射率；和
S24：执行如权利要求1-13中任一项所述的信号处理方法，获得所述回波脉冲的坡度。
15.如权利要求14所述的探测方法，还包括：
基于回波脉冲的坡度、点云图中的物体轮廓、物体的距离和反射率中的一项或多项，识别物体的类型。
16.如权利要求14或15所述的探测方法，还包括发射探测激光脉冲序列，获取回波脉冲序列中第一个回波脉冲的坡度或者每个回波脉冲的坡度。
17.一种激光雷达，包括：
发射单元，配置为发射探测激光脉冲；
接收单元，配置为接收所述探测激光脉冲在物体上反射的回波脉冲；和
信号处理单元，配置为执行如权利要求1-13中任一项所述的信号处理方法。
18.如权利要求17所述的激光雷达，还包括：
存储单元，用于存储所述第一关系曲线、所述第二关系曲线和所述第三关系曲线中的一项或多项。
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