本實(shí)用新型涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域,特別涉及一種采用冗余測量的方式實(shí)現(xiàn)防干擾的激光雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù):
激光雷達(dá)是一種光電測量儀器,隨著激光技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展有力推進(jìn)了激光雷達(dá)技術(shù)的迅猛發(fā)展。憑借其能夠精確、快速獲取目標(biāo)三維空間信息的優(yōu)勢,激光雷達(dá)已成功應(yīng)用于智能交通、地形測繪、電力巡線,農(nóng)業(yè)植被和文物保護(hù)等領(lǐng)域。近年來,隨著自動(dòng)駕駛汽車,無人機(jī)和智能機(jī)器人等新興智能設(shè)備的興起,激光雷達(dá)系統(tǒng)正日益顯現(xiàn)其巨大的應(yīng)用潛力。
但現(xiàn)有的激光雷達(dá)在正常工作的情況下,有相互干擾的問題。若多臺(tái)激光雷達(dá)同時(shí)工作,掃描同一片區(qū)域時(shí),激光雷達(dá)無法區(qū)分接收到的信號(hào)光是自己或是其他設(shè)備的信號(hào)光,產(chǎn)生錯(cuò)誤的測距數(shù)據(jù)。在測繪領(lǐng)域這個(gè)問題可能僅僅是產(chǎn)生了一些測量錯(cuò)誤點(diǎn),但若在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域則可能會(huì)引發(fā)一起嚴(yán)重的交通事故。2015年,在歐洲的Black Hat Europe Security Conference中Jonathan Petit演示了,僅采用一只低成本的半導(dǎo)體激光器和光電管,就欺騙了無人駕駛汽車的激光雷達(dá),使其產(chǎn)生了錯(cuò)誤的測距數(shù)據(jù),足以導(dǎo)致汽車的錯(cuò)操作,并得出了目前的傳感器產(chǎn)品并未達(dá)到完全可依賴級(jí)別的結(jié)論。
目前,傳感器廠家并未在生產(chǎn)的激光雷達(dá)產(chǎn)品中引入抗干擾的硬件設(shè)計(jì),使用者需要在物體識(shí)別或者其他的軟件處理層面將這些干擾信息過濾掉。這不僅加重了使用者的工作量,還可能由于復(fù)雜的環(huán)境信息或者過濾方法的不完善造成誤處理。這在自動(dòng)駕駛或無人機(jī)避障等應(yīng)用領(lǐng)域,是絕對(duì)不能允許出現(xiàn)的。因此,增強(qiáng)激光雷達(dá)的抗干擾能力,獲得可靠的原始數(shù)據(jù),對(duì)于激光雷達(dá)的應(yīng)用是非常重要和有價(jià)值的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
(一)要解決的技術(shù)問題
本實(shí)用新型目要解決的技術(shù)問題是激光雷達(dá)系統(tǒng)在進(jìn)行激光發(fā)射和接收時(shí),可能被干擾或者相互干擾導(dǎo)致測距數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問題,本實(shí)用新型的提供了一種激光雷達(dá)系統(tǒng),包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和主控系統(tǒng);
所述激光發(fā)射系統(tǒng)向探測物發(fā)射激光信號(hào);
所述激光接收系統(tǒng)接收探測物漫反射回來的激光信號(hào);
所述主控系統(tǒng)根據(jù)激光信號(hào)發(fā)射和接收的時(shí)刻差計(jì)算探測物的距離信息;
其中,所述激光信號(hào)包括特征屬性互不相同的測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào);
所述主控系統(tǒng)對(duì)所述特征屬性互不相同的測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào)的所有光信號(hào)的特征屬性進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。
其中,所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源單元、合束單元和光學(xué)發(fā)射單元;
所述激光光源單元用于產(chǎn)生測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào);
所述合束單元用于將測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào)的所有光信號(hào)合成一束信號(hào)探測光;
所述光學(xué)發(fā)射單元用于將所述信號(hào)探測光進(jìn)行準(zhǔn)直并向探測物發(fā)射。
其中,所述激光接收系統(tǒng)包括光學(xué)接收單元、分束單元和光電探測單元;
所述光學(xué)接收單元用于收集探測物漫反射回來的激光信號(hào);
所述分束單元用于將光學(xué)接收單元收集的探測物漫反射回來的所有光信號(hào)互相分離;
所述光電探測單元用于將探測物漫反射回來的所有光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
其中,所述主控系統(tǒng)包括計(jì)時(shí)測距單元、校驗(yàn)單元和控制單元;
所述計(jì)時(shí)測距單元用于采集測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào)的所有光信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)刻,并根據(jù)時(shí)間差分別計(jì)算出探測物的距離;
所述校驗(yàn)單元用于分析對(duì)比測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào)的所有光信號(hào)之間的測距數(shù)據(jù)偏差和/或發(fā)射與接收時(shí)間延遲和/或脈寬,并對(duì)其進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn);
所述控制單元用于向激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)提供控制指令。
其中,所述特征屬性互不相同的測距激光信號(hào)和至少一束冗余校驗(yàn)光信號(hào)中的特征屬性為波長、發(fā)射時(shí)刻、光強(qiáng)、脈寬、偏振態(tài)和加載有調(diào)制信息中的一種或多種組合。
(三)有益效果
本實(shí)用新型所提供的激光雷達(dá)系統(tǒng)的有益效果是,通過向測距信號(hào)光中增加冗余的校驗(yàn)光信號(hào),每次測距時(shí),都需要對(duì)此次測量進(jìn)行校驗(yàn),確保此次測量獲得的數(shù)據(jù)可靠性。冗余的校驗(yàn)光信號(hào),不僅能作為測距信號(hào)光的參考信號(hào),感知是否有干擾信號(hào)的存在。還能充當(dāng)備用的測距信號(hào)光,提供測距信息。因此,本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅能夠判斷出每次測量數(shù)據(jù)是否受到了干擾,還能夠通過采用冗余校驗(yàn)光信號(hào)獲得的冗余測距數(shù)據(jù),保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性。
附圖說明
為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖4為本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)測距方法的流程示意圖
附圖標(biāo)記:1.激光發(fā)射系統(tǒng)、2.激光接收系統(tǒng)、3.主控系統(tǒng)、4.探測物、1a.激光光源單元、1b.合束單元、1c.光學(xué)發(fā)射單元、2a.光學(xué)接收單元、2b.分束單元、2c.光電探測單元、3a.計(jì)時(shí)測距單元、3b.校驗(yàn)單元、3c.控制單元。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例,對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型,但不能用來限制本實(shí)用新型的范圍。
如圖1所示,本實(shí)施例的激光雷達(dá)系統(tǒng),包括:激光發(fā)射系統(tǒng)1、激光接收系統(tǒng)2和主控系統(tǒng)3。所述激光發(fā)射系統(tǒng)1為測距信號(hào)源,用于向探測物發(fā)射激光信號(hào)。所述的激光信號(hào)包括測距激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào),其中,冗余的校驗(yàn)光信號(hào)為確保激光信號(hào)單一性的標(biāo)識(shí)信息。所述激光接收系統(tǒng)2為測距信號(hào)接收裝置,用于接收探測物漫反射回來的激光信號(hào);所述激光接收系統(tǒng)2利用同一套光路系統(tǒng),將激光信號(hào)中的測距激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào)一起接收回來,保證測距和校驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)。所述主控系統(tǒng)3為激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要控制單元,用于控制激光發(fā)射系統(tǒng)向探測物發(fā)射激光信號(hào),并記錄發(fā)射激光的時(shí)刻。當(dāng)所述激光接收系統(tǒng)2探測到漫反射回來的激光信號(hào)后,所述主控系統(tǒng)3也要記錄返回激光的時(shí)刻,通過與發(fā)射激光時(shí)刻做差,計(jì)算得到探測物的距離信息,此外,還要檢驗(yàn)冗余的校驗(yàn)光信號(hào)。若兩者各自計(jì)算所得的測距信息差距小于測距精度,則視為有效測距數(shù)據(jù),若兩者測距信息差距大于數(shù)倍的測距精度,則視為測距數(shù)據(jù)被干擾。這里應(yīng)該說明的是,激光測距的重復(fù)測量精度誤差通常符合正態(tài)分布,超出三倍測距精度的概率應(yīng)小于0.27%,此時(shí)受到干擾的可能性極大。故一般可取3或4倍測距精度的偏差值作為被干擾的標(biāo)準(zhǔn)線。
如圖2所示,所述激光發(fā)射系統(tǒng)1包括激光光源單元1a、合束單元1b和光學(xué)發(fā)射單元1c。其中,所述激光光源單元1a用來接收來自主控系統(tǒng)3的發(fā)光控制信號(hào),產(chǎn)生脈沖的測距激光信號(hào),以及冗余的校驗(yàn)光信號(hào)。通常為半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、固體激光器或LED等能產(chǎn)生脈沖光信號(hào)的光源中的一種或多種混合使用。
為獲得較好的防干擾效果,測距激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào)應(yīng)采用兩種或多種發(fā)光參數(shù)差異較大的光源,例如波長相差50納米以上,偏振方向垂直或脈寬相差20納秒以上等,保證不易被同時(shí)干擾。
所述合束單元1b用于將激光光源單元產(chǎn)生的一束測距激光信號(hào)和其余的冗余校驗(yàn)光信號(hào)合成為一束信號(hào)探測光。其中,若光源采用光纖光源,可采用光纖合束器,將多束探測光源合為一束。若信號(hào)探測光采用半導(dǎo)體或固體激光器,可采用鍍膜式合束鏡片或偏振片進(jìn)行合束。
所述光學(xué)發(fā)射單元1c,用于將合束單元合成的一束信號(hào)探測光利用同一套光路進(jìn)行準(zhǔn)直,保證所有的信號(hào)探測光均能發(fā)射到同一探測點(diǎn)。其中,準(zhǔn)直發(fā)射光路可采用單片或多片式準(zhǔn)直透鏡、自聚焦透鏡、菲涅爾透鏡和二元光學(xué)鏡片等具有準(zhǔn)直效果的光學(xué)元件。
如圖3所示,所述激光接收系統(tǒng)2包括光學(xué)接收單元2a、分束單元2b和光電探測單元2c。其中,所述光學(xué)接收單元2a用于收集從探測物漫反射回來的信號(hào)探測光。所述分束單元2b與合束單元1b的作用相反,用于將光學(xué)接收單元收集的信號(hào)探測光中包括的冗余校驗(yàn)光信號(hào)和測距激光信號(hào)分離開,以便于后續(xù)的信號(hào)處理。所述分束單元2b可采用分光棱鏡、光纖分束器、分束偏振片和鍍膜式分束鏡片等分束光電器件。所述光電探測單元2c分別將測距的激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并發(fā)送到主控系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。
如圖1所示,所述主控系統(tǒng)3包括計(jì)時(shí)測距單元3a,校驗(yàn)單元3b和控制單元3c。
其中,計(jì)時(shí)測距單元3a可以采用TDC芯片或者FPGA等能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)時(shí)功能的芯片,用于采集信號(hào)探測光中測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)的所有光信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)刻,并根據(jù)兩者各自的飛行時(shí)間差分別計(jì)算出探測物的距離,以及它們的發(fā)射時(shí)間延遲和接收時(shí)間延時(shí)。計(jì)時(shí)測距單元3a可以通過讀取光源驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)光驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為發(fā)射時(shí)刻,也可以增加一個(gè)光電探測器在光源附近檢測發(fā)光時(shí)的散射光信號(hào)作為發(fā)射時(shí)刻,接收時(shí)刻由各自的光電探測單元提供。
所述校驗(yàn)單元3b可以采用MCU芯片、FPGA或者DSP等能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理的芯片,根據(jù)計(jì)時(shí)測距單元3a提供的信號(hào)探測光中所有光信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)刻,分析對(duì)比測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間的測距數(shù)據(jù)偏差,或者分析對(duì)比它們的發(fā)射時(shí)間延遲和接收時(shí)間延遲,或者分析對(duì)比它們的光信號(hào)脈寬等冗余校驗(yàn)信息,以此確認(rèn)此次測距數(shù)據(jù)是否有效或被干擾。其中,測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間的測距數(shù)據(jù)偏差值取3、4倍的測距精度作為標(biāo)準(zhǔn)偏差值;測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間,兩者的發(fā)射時(shí)間延遲和接收時(shí)間延遲的偏差值,應(yīng)小于3、4倍測距精度對(duì)應(yīng)的光速運(yùn)動(dòng)時(shí)間值;測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間,兩者的發(fā)射光脈寬之比和接收光脈寬之比的偏差值,應(yīng)小于0.3或0.4。
所述控制單元3c用于給激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)提供控制指令,并根據(jù)校驗(yàn)單元提供的校驗(yàn)結(jié)果判斷此次的測距數(shù)據(jù)是否有效或被干擾,并傳輸有效的測距數(shù)據(jù),標(biāo)記被干擾的測距數(shù)據(jù)。具體的,控制單元要分別給測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)發(fā)光控制信號(hào),為方便校驗(yàn)和不易復(fù)制性,它們之間的發(fā)光延時(shí)會(huì)在10-100納秒間隨機(jī)選擇,并將此隨機(jī)發(fā)光延時(shí)發(fā)送給校驗(yàn)單元;控制單元要在給出發(fā)光控制信號(hào)的同時(shí),控制激光接收系統(tǒng)開啟接收光信號(hào)的功能,并在1毫秒(對(duì)應(yīng)于150米的量程)后停止接收光信號(hào),減小受到干擾的可能性。
進(jìn)一步的,若為了確保獲得非??煽康臏y距數(shù)據(jù),也可以設(shè)置多路的冗余校驗(yàn)光信號(hào)。當(dāng)控制單元判斷出此次測量被干擾后,還能對(duì)比多路的校驗(yàn)光信號(hào)獲得的測距數(shù)據(jù)是否滿足校驗(yàn)要求,若符合,也可以采用校驗(yàn)光信號(hào)作為測距數(shù)據(jù)。
如圖4所示,基于本實(shí)用新型的激光雷達(dá)系統(tǒng),其測距步驟如下:
當(dāng)本激光雷達(dá)系統(tǒng)通電后,并開始正常工作時(shí),會(huì)依照步驟401至步驟409順次進(jìn)行,完成一次測距工作;并重復(fù)上述方式進(jìn)行新的一次測距工作,直至停止工作。
步驟401中,控制單元根據(jù)程序生成一個(gè)隨機(jī)的校驗(yàn)初始數(shù)據(jù),以防被干擾方輕易破解。這個(gè)隨機(jī)的校驗(yàn)初始數(shù)據(jù)通常也會(huì)被限定在一個(gè)范圍內(nèi),例如測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間的發(fā)光延時(shí)要限定在10-100納秒之間。
步驟402中,控制單元根據(jù)隨機(jī)的校驗(yàn)初始數(shù)據(jù)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)給激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng),控制各個(gè)激光光源依照隨機(jī)延時(shí)開始發(fā)光,并同時(shí)控制各個(gè)光電探測單元開始接收信號(hào)。
步驟403中,計(jì)時(shí)測距單元會(huì)讀取各個(gè)激光光源的發(fā)光時(shí)刻和脈寬,計(jì)算它們的發(fā)光延時(shí)后,發(fā)送給檢驗(yàn)單元,作為一組校驗(yàn)初始數(shù)據(jù)。計(jì)時(shí)測距單元可以讀取控制單元發(fā)送給各個(gè)光源的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)作為它們各自的發(fā)光時(shí)刻,也可以通過外加幾個(gè)光電探測器探測各個(gè)光源發(fā)光時(shí)的漫反射光作為各自的發(fā)光時(shí)刻。
步驟404中,激光發(fā)射系統(tǒng)通過合束系統(tǒng)將測距激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào)合成一束,經(jīng)過鏡片準(zhǔn)直后同向發(fā)射至探測物。
步驟405中,激光接收系統(tǒng)通過光學(xué)鏡片收集從探測物漫反射回來的信號(hào)探測光,經(jīng)過分束系統(tǒng)將測距激光信號(hào)和校驗(yàn)光信號(hào)分離開,分別傳送至各自的光電探測器,將它們轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
步驟406中,控制單元在驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射系統(tǒng)開始發(fā)光后,延時(shí)1毫秒(對(duì)應(yīng)于150米的量程)后停止激光接收系統(tǒng)的工作,減小受到干擾的可能性??刂茊卧刂茰y距激光信號(hào)和冗余的校驗(yàn)光信號(hào)先后分別發(fā)光后,也分別延時(shí)1毫秒后,先后控制對(duì)應(yīng)的接收光電探測單元的停止工作,不再接收任何光信號(hào),直至控制單元驅(qū)動(dòng)它們再次工作。
步驟407中,計(jì)時(shí)測距單元讀取光電探測器轉(zhuǎn)化的電信號(hào),記錄測距激光信號(hào)和校驗(yàn)光信號(hào)各自的接收時(shí)刻,脈寬,以及兩者間的接收時(shí)刻延時(shí),并發(fā)送給校驗(yàn)單元,作為一組待校驗(yàn)的測距數(shù)據(jù)。計(jì)時(shí)測距單元可以采用閾值法,分別讀取脈沖光信號(hào)的前沿和后沿,前沿作為接收時(shí)刻,兩者的差作為脈寬。此外也可以采用高通阻容或恒比定值等其他方式的時(shí)刻鑒別電路。
步驟408中,檢驗(yàn)單元讀取計(jì)時(shí)測距單元提供的信號(hào)探測光中所有光信號(hào)的發(fā)射和接收時(shí)刻,分析對(duì)比測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間的測距數(shù)據(jù)偏差,或者分析對(duì)比它們的發(fā)射時(shí)間延遲和接收時(shí)間延遲,或者分析對(duì)比它們的光信號(hào)脈寬等冗余校驗(yàn)信息,以此確認(rèn)此次測距數(shù)據(jù)是否有效或被干擾。其中,測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間的測距數(shù)據(jù)偏差值取3、4倍的測距精度作為標(biāo)準(zhǔn)偏差值;測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間,兩者的發(fā)射時(shí)間延遲和接收時(shí)間延遲的偏差值,應(yīng)小于3、4倍測距精度對(duì)應(yīng)的光速運(yùn)動(dòng)時(shí)間值;測距激光信號(hào)和冗余校驗(yàn)光信號(hào)之間,兩者的發(fā)射光脈寬之比和接收光脈寬之比的偏差值,應(yīng)小于0.3或0.4。
步驟409中,控制單元讀取校驗(yàn)單元的校驗(yàn)結(jié)果,并傳輸此次測量的結(jié)果。其中,若此次的測距結(jié)果通過了校驗(yàn),則直接傳輸;若此次的測量結(jié)果表示受到了干擾,則對(duì)比多路的校驗(yàn)光信號(hào)之間獲得的測距數(shù)據(jù)是否滿足校驗(yàn)要求,若符合,也可以采用校驗(yàn)光信號(hào)作為測距數(shù)據(jù)輸出,并標(biāo)示出被干擾。若此次的測量結(jié)果表示受到了干擾,多路的校驗(yàn)光信號(hào)之間也未能通過校驗(yàn),則丟棄此次測量結(jié)果,并標(biāo)示出被嚴(yán)重干擾。
本實(shí)用新型的防干擾激光雷達(dá)系統(tǒng),通過增加冗余的校驗(yàn)光源,每次測距時(shí),通過主控系統(tǒng)引入隨機(jī)的標(biāo)識(shí)信息,并將此次獲得的測距數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn),確保此次測量獲得的數(shù)據(jù)可靠性。冗余的校驗(yàn)光信號(hào),不僅能作為測距信號(hào)光的校驗(yàn)參考信號(hào),使主控系統(tǒng)判斷出測量數(shù)據(jù)是否受到了干擾,還能夠通過采用冗余校驗(yàn)光信號(hào)獲得的冗余測距數(shù)據(jù),提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的防干擾能力。
以上實(shí)施方式僅用于說明本實(shí)用新型,而非對(duì)本實(shí)用新型的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換,都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍,均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。