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CN108885263B - 具有可变脉冲重复的基于lidar的3d成像 - Google Patents

具有可变脉冲重复的基于lidar的3d成像 Download PDF

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CN108885263B CN201780019396.6A CN201780019396A CN108885263B CN 108885263 B CN108885263 B CN 108885263B CN 201780019396 A CN201780019396 A CN 201780019396A CN 108885263 B CN108885263 B CN 108885263B
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Abstract

本文描述了利用不同脉冲重复模式执行三维LIDAR测量的方法和系统。每个重复模式随着时间重复的测量脉冲的序列。在一方面，从LIDAR系统发射的照明光的脉冲光束的重复图案被改变以降低由LIDAR系统生成的总能量消耗和热量。在一些示例中，通过跳过多个脉冲来改变重复模式。在一些示例中，通过改变所发射的脉冲序列的重复率来改变从LIDAR系统发射的照明光的脉冲的重复模式。在一些示例中，基于LIDAR设备的方位来改变脉冲重复模式。在一些示例中，基于由LIDAR设备或另一成像系统检测的对象来改变重复模式。

Description

具有可变脉冲重复的基于LIDAR的3D成像
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年3月20日提交的、标题为“LIDAR Based 3-D ImagingWith Varying Pulse Repetition”的美国专利申请序列号15/464,221的优先权，该申请进而要求于2016年3月21日提交的、标题为“LIDAR Based 3-D Imaging With Varying PulseRepetition”的美国临时专利申请序列号62/311,283在35U.S.C.§119下的优先权，其主题通过全文引用的方式并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及基于LIDAR的3D点云测量系统。
背景技术
LIDAR系统利用光脉冲，以基于每个光脉冲的渡越时间(TOF)来测量到对象的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远端对象相互作用。光的一部分从对象反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于在发射光脉冲和检测到返回的光脉冲之间所经过的时间，来估计距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器产生。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。对激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所需的时间进行测量。从高精度的时间测量中得出距离。
一些LIDAR系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合，以有效地扫描整个平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且所采集的距离点被呈现为2D(即，单平面)点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟几千转)旋转。
在许多操作场景中，需要3D点云。许多方案已经用于询问三维空间中的周围环境。在一些示例中，2-D仪器被上下驱动和/或来回驱动，通常在万向节上。这在本领域内一般被称为“眨眼”或“点头”传感器。因此，单光束LIDAR单元可以用于采集整个3D阵列的距离点，尽管是一次一个点。在相关的示例中，棱镜用于将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有稍微不同的竖直角度。这模拟了上面所述的点头效应，但是没有传感器本身的驱动。
在上述所有示例中，单个激光发射器/检测器组合的光路以某种方式改变，以实现比单个传感器更宽的视场。由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，这样的器件每单位时间所能产生的像素数量固有地受到限制。光束路径的任何改变，无论是通过反射镜、棱镜，还是通过驱动设备来实现更大的覆盖面积，都以降低点云密度为代价。
如上所述，3D点云系统存在于若干配置中。然而，在许多应用中，需要看到广阔的视场。例如，在自主式车辆应用中，竖直视场应该尽可能向下延伸，以便看到车辆前方的地面。此外，如果汽车进入道路下坡处，则竖直视场应当在地平线上方延伸。此外，在现实世界中发生的动作和这些动作的成像之间必须具有最小的延迟。在一些示例中，期望提供至少每秒五次的完整图像更新。为了满足这些要求，已经开发了包括多个激光发射器和检测器的阵列的3D LIDAR系统。该系统在2011年6月28日发布的美国专利7,969,558中描述，该专利的主题通过全文引用的方式并入本文。
在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向以快速连续的方式按顺序变化。在这些示例中，与每个单独脉冲相关联的距离测量可以被视为像素，并且以快速连续的方式发射和采集的像素集合(即，“点云”)可以被呈现为图像或者出于其它原因(例如，检测障碍)被分析。在一些示例中，查看软件用于将得到的点云呈现为用户看来是三维的图像。不同的方案可以用于将距离测量描绘为3D图像，这些3D图像看起来好像它们是由实时动作相机采集的。
现有的LIDAR系统采用光束来在任何给定时间询问特定体积的周围环境。检测返回信号包括测量噪声的重要来源，随着测量范围的扩大，这些噪声加剧。在许多应用中，通过增加激光脉冲强度来提高测量信号的信噪比。
此外，成像分辨率取决于LIDAR系统所产生的3D“点云”的密度。通常，为了提高成像分辨率，通过增加脉冲发射速率和对应返回信号的采集来增加3D“点云”的密度。
脉冲速率、脉冲强度或这两者的增加要求发光增加，并因此由于与光源和电力电子器件相关联的能量损失而导致能量消耗和热量产生增加。具体而言，额外的热量产生是不期望的，特别是当3D LIDAR系统的尺寸继续缩小时。
期望改进LIDAR系统的功率管理，同时期望保持高水平的成像分辨率和范围。
发明内容
本文描述了用不同脉冲重复模式进行三维LIDAR测量的方法和系统。每个重复模式是随时间重复的测量脉冲序列。在一个方面，改变从LIDAR系统发射的脉冲照明光束的重复图案以减少LIDAR系统产生的总能量消耗和热量。
在一些示例中，通过跳过多个脉冲来改变重复模式。在这些示例中，除了任何跳过的脉冲(其为零值)，每个脉冲具有非零值。在一些示例中，零值脉冲的模式是伪随机的。
在一些示例中，通过改变发射脉冲序列的重复速率，改变从LIDAR系统发射的照明光脉冲的重复模式。
一些LIDAR系统包括与公共控制器协同工作的多个脉冲照明系统。在另一方面，独立控制从每个脉冲照明系统发射的照明光脉冲的重复模式。
在一些实施例中，脉冲照明源和光敏检测器安装在LIDAR设备的旋转框架上。该旋转框架相对于LIDAR设备的基础框架旋转。在另一个方面，LIDAR设备包括方位传感器，该方位传感器测量旋转框架相对于基础框架的方位。在这些实施例中，LIDAR系统的计算系统周期性地接收旋转框架相对于基础框架的方位的指示，并且基于该方位改变脉冲重复模式。
在一些实施例中，LIDAR系统安装到在道路上运行的车辆上。LIDAR系统向图像处理系统提供“点云”数据，图像处理系统基于“点云”数据生成车辆在道路上运行时其周围环境的图像。在一些操作场景中，可能期望获得位于车辆前方和车辆一侧或两侧的对象的高分辨率图像。然而，可能不需要获得车辆后方的对象的高分辨率图像。在这些示例中，LIDAR系统被配置为当照明光束指向车辆的前方和一侧或两侧时利用全分辨率重复模式(即，没有跳过脉冲)。然而，当照明光束指向车辆后部时，改变重复模式以降低所收集的数据的分辨率(例如，跳过脉冲、降低重复率或两者)。
在一些实施例中，重复模式基于LIDAR设备和在三维环境中检测到的对象之间的距离而变化。在一个示例中，当LIDAR设备和在三维环境中检测到的对象之间的距离小于预定阈值时，调整重复图案以减少脉冲的数量一段时间。以这种方式，与LIDAR设备相对接近的对象(例如，25米或更小、10米或更小等)被具有较低频率的LIDAR系统采样。由于旋转扫描LIDAR设备的视场径向延伸，对于给定的脉冲重复频率，相对接近LIDAR设备的对象以比相对远离LIDAR设备的对象更高的分辨率被采样。然而，对于相对接近LIDAR设备的对象，这种高采样分辨率可能不是渲染接近的对象的足够精确的图像所必需的。在这些示例中，调整脉冲重复模式以减少相对接近的对象的采样分辨率。
在一些实施例中，重复模式基于三维环境中检测到的对象的存在而改变。在一个示例中，调整脉冲照明光束的重复模式以在脉冲照明光束的视场内超过预定时间段没有检测到对象的时间段内减少脉冲的数量。例如，当由与脉冲照明光束相关联的检测器检测到的信号在预定时间段内的值可忽略不计(例如，低于阈值)时，控制器减少从脉冲照明源发射的光的重复图案。以这种方式，当照明光束指向没有对象的空间体积(例如，朝向地平线、朝向天空等)时，能量消耗和热量产生减少。然而，随后，当由与脉冲照明光束相关联的检测器检测到的信号上升到阈值以上时，控制器增加从脉冲照明源发射的光的重复图案。在一些示例中，在控制器140增加重复模式之前，必须在第一预定时间段之后的第二预定时间段内检测对象。这些阈值防止杂散信号引起重复模式的快速波动。
在一些实施例中，LIDAR系统包括成像设备或者通信地链接到成像设备，该成像设备被配置为生成脉冲照明源的视场的至少一部分的图像。在一些实施例中，成像设备是被配置为从由LIDAR设备生成的“点云”的多个点生成图像的计算系统。在这些实施例中的一些中，计算系统与LIDAR设备分离，并通信地链接到LIDAR设备。在其它实施例中，LIDAR系统的计算系统被配置为从“点云”数据生成图像。在一些其它实施例中，成像设备包括单独的成像传感器(例如，相机)，其采集脉冲照明源的视场的至少一部分的图像。在这些实施例中的一些中，成像传感器集成到LIDAR设备中。在一些其它实施例中，成像传感器与LIDAR设备分离并通信地链接到LIDAR设备。
在这些实施例中，脉冲照明源的重复模式基于在脉冲照明源的视场的至少一部分的图像中是否检测到对象而变化。在一些示例中，当在脉冲照明源的视场的图像中没有检测到对象时，重复图案减少(即，给定时间段内的脉冲数量减少)。在一些其它示例中，当在脉冲照明源的视场的图像中检测到对象时，重复图案增加。
在一些实施例中，基于3D LIDAR设备的工作温度的指示，改变脉冲照明源的重复模式。
前文是发明内容，并且从而在必要时包含对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，该发明内容仅是说明性的，并且不以任何方式加以限制。在本文阐述的非限制性具体实施方式中，本文所述的设备和/或过程的其它方面、发明特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是示出至少一个新颖方面的3D LIDAR系统100的一个实施例的简化图。
图2是示出至少一个新颖方面的3D LIDAR系统10的另一实施例的简化图。
图3描绘了一个示例性实施例中的3D LIDAR系统100的分解视图。
图4描绘了3D LIDAR系统100的光发射/收集引擎112的视图。
图5更详细地描述了3D LIDAR系统100的收集光学器件116的视图。
图6描绘了3D LIDAR系统100的收集光学器件116的剖视图，该剖视图示出了每个收集光束118的成形。
图7描绘了包括脉冲照明系统130、光检测系统150和控制器140的3D LIDAR系统的元件。
图8描绘了发射脉冲测量光束和采集返回测量脉冲的时序的图示。
图9描绘了脉冲触发信号，该脉冲触发信号包括具有与脉冲触发信号的标称周期不同的周期的重复模式。
图10描绘了示出从16个脉冲照明系统中每个系统发射光的时序的示例性图180。
图11描绘了示出在至少一个新颖的方面中用不同的脉冲重复模式执行LIDAR测量的方法200的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景示例和一些实施例，其示例在附图中示出。
图1是一个示例性操作场景中的示出3D LIDAR系统100的实施例的图。3D LIDAR系统100包括下壳体101和上壳体102，上壳体102包括由对红外光透明(例如，具有700至1700纳米光谱范围内的波长的光)的材料构成的半球形壳元件103。在一个示例中，半球形壳元件103对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图1所描绘的，多个光束105在角度范围α(从中心轴104测量)内从3D LIDAR系统100发射通过半球形壳元件103。在图1所描绘的实施例中，每个光束被投射到由x轴和y轴限定的平面上、在彼此间隔开的多个不同位置处。例如，光束106被投射到xy平面上、在位置107处。
在图1所描绘的实施例中，3D LIDAR系统100被配置为扫描围绕中心轴104的多个光束105中的每一个。投射到xy平面上的每个光束都沿着以中心轴线104和xy平面的交点为中心的圆形图案。例如，随着时间的推移，投射到XY平面上的光束106描绘出以中心轴线104为中心的圆形轨迹108。
图2是一个示例性操作场景中的示出3D LIDAR系统10的另一个实施例的图。三维LIDAR系统10包括下壳体11和上壳体12，上壳体12包括由对红外光透明(例如，具有700至1700纳米光谱范围内的波长的光)的材料构成的圆柱形壳元件13。在一个示例中，圆柱形壳元件13对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图2所描绘的，多个光束15在角度范围β内从3D LIDAR系统10发射通过圆柱形壳元件13。在图2所描绘的实施例中，示出了每个光束的主光线。每个光束以多个不同的方向向外投射到周围环境中。例如，光束16被投射到周围环境中的位置17。在一些实施例中，从系统10发射的每个光束稍微发散。在一个示例中，从系统10发射的光束在距离系统10 100米处照射出直径为20厘米的光斑大小。以这种方式，每个照明光束是从系统10发射的照明光的锥体。
在图2所描绘的实施例中，3D LIDAR系统10被配置为扫描围绕中心轴14的多个光束15中的每一个。出于说明的目的，光束15以相对于3D LIDAR系统10的非旋转坐标系的一个角度方向树池，并且光束15’以相对于非旋转坐标系的另一角度方向示出。当光束15围绕中心轴14旋转时，投射到周围环境中的每个光束(例如，与每个光束相关联的照明光的每个椎体)在围绕中心轴14扫描时照亮与锥形照明光束相对应的环境的体积。
图3描绘了一个示例性实施例中的3D LIDAR系统100的分解视图。3-D LIDAR系统100还包括围绕中心轴104旋转的光发射/收集引擎112。在至少一个新颖的方面，光发射/收集引擎112的中心光轴117相对于中心轴104以角度θ倾斜。如图3所描绘的，3D LIDAR系统100包括固定电子板110，固定电子板110安装在相对于下壳体101的固定位置。旋转电子板111设置在固定电子基板110上方，并且被配置为以预定的旋转速度(例如，每分钟超过200转)相对于固定电子板110旋转。电功率信号和电子信号在固定电子板110和旋转电子板111之间通过一个或多个变压器、电容或光学元件传送，从而产生这些信号的无接触传输。光发射/收集引擎112相对于旋转电子板111固定定位，并且从而以预定的角速度围绕中心轴104旋转。
如图3所描绘的，光发射/收集引擎112包括发光元件114的阵列和光检测元件113的阵列。从每个发光元件114发射的光朝向反射镜(未示出)。从反射镜反射的光通过一系列照明光学器件115，这些照明光学器件115将发射的光准直成光束阵列105，光束阵列105从3D LIDAR系统100发射，如图1所描绘的。一般来说，任何数量的发光元件可以被布置为同时从3D LIDAR系统100发射任何数量的光束。由环境中的对象反射的光由收集光学器件116收集。收集的光通过收集光学器件116，聚焦在检测元件113的阵列的每个检测元件上。在通过收集光学器件116之后，收集的光从反射镜(未示出)反射到每个检测器元件上。
图4描绘了光发射/收集引擎112的另一个视图。在又一个发明方面，光发射/收集引擎112包括中间电子板121、122和123，它们提供旋转电子板111和光发射/收集引擎112的各个元件之间的机械支撑和电连接。例如，每个光检测元件阵列113安装到中间电子板121。中间电子板121依次机械地和电气地耦合到旋转电子板111。类似地，每个发光元件114的阵列安装到中间电子板123。中间电子板123依次机械地和电气地耦合到旋转电子板111。在另一个示例中，照明光学器件115和收集光学器件116机械地安装到中间电子板122。在这个示例中，中间电子板122在空间上和光学上分离照明光学器件115和收集光学器件116，以避免收集的光被照明光污染。中间电子板122依次机械地和电气地耦合到旋转电子板111。以这种方式，中间电子板提供机械和电气连接以及用于安装对于3D LIDAR系统100的操作所需的电气部件的附加板区域。
图5更详细地描绘了收集光学器件116的视图。如图5所描绘的，收集光学器件116包括四个透镜元件116A-D，其被布置为将收集的光118聚焦到检测元件113的阵列中的每个检测元件上。通过收集光学器件116的光从反射镜124反射，并被引导到检测元件113的阵列中的每个检测元件上。在一些实施例中，收集光学器件116的一个或多个光学元件由一种或多种材料构成，所述一种或多种材料吸收预定波长范围之外的光，所述预定波长范围包括由发光元件114的阵列中的每个发光元件发射的光的波长。在一个示例中，一个或多个透镜元件由塑料材料构成，所述塑料材料包括用于吸收波长小于由发光元件114的阵列中的每个发光元件产生的红外光的着色剂添加剂。在一个示例中，着色剂是从Aako BV(荷兰)获得的Epolight 7276A。一般而言，任何数量的不同着色剂可以被添加到收集光学器件116的任何塑料透镜元件中，以滤除不希望的光谱。
图6描绘了收集光学器件116的剖视图，以示出收集的光118的每个光束的成形。
如前文中所述，收集光学器件116的一个或多个光学元件由一种或多种材料构成，所述一种或多种材料吸收预定波长范围之外的光，所述预定波长范围包括由发光元件114的阵列中的每个发光元件发射的光的波长。然而，一般而言，照明光学元件115的一个或多个光学元件也可以由一种或多种材料构成，这些材料吸收预定波长范围之外的光，所述预定波长范围包括由发光元件114的阵列中的每个发光元件发射的光的波长。
一种LIDAR系统(例如图2所描绘的3D LIDAR系统10，以及图1所描绘的系统100)包括脉冲照明源，该脉冲照明源将脉冲照明光束从LIDAR设备发射到周围环境中。在一些实施例中，脉冲照明源是基于激光的。在一些实施例中，脉冲照明源是基于一个或多个发光二极管的。一般而言，可以设想任何合适的脉冲照明源。
在一个方面中，从LIDAR系统发射的脉冲照明光束的重复模式发生变化，以降低总能量消耗和由LIDAR系统产生的热量。
图7描绘了包括脉冲照明系统130、光检测系统150和控制器140的LIDAR系统的元件。
脉冲照明系统130包括脉冲光发射设备137。脉冲光发射设备137响应于脉冲电流信号136产生脉冲光发射，脉冲电流信号136被提供到脉冲光发射设备。由脉冲光发射设备137产生的光通过LIDAR系统的一个或多个光学元件被聚焦并投射到周围环境中的特定位置138上。在一个示例中，由脉冲光发射设备137发射的光通过照明光学器件115被聚焦并投射到特定位置，照明光学器件115将所发射的光准直成从3D LIDAR系统10发射的脉冲光束16，如图2所描绘的。
脉冲照明系统130包括电能存储元件132，电能存储元件132选择性地耦合到脉冲光发射设备137。在一些示例中，能量存储元件是电容器。电压源131电耦合到能量存储元件。电压源131向电能存储元件132提供电能。电能存储元件132通过开关元件(例如，开关元件139)选择性地耦合到脉冲光发射设备137。开关元件139被配置为根据控制信号的状态(例如，数字控制信号，MPC)在两种状态之间切换。在第一状态下，开关元件139大体上是不导电的。在这种状态下，能量存储元件139有效地与脉冲光发射设备137断开。在这种状态下，电能从电压源131流到能量存储元件132，从而有效地给电存储元件充电。在第二状态下，开关元件大体上是导电的。在这种状态下，能量存储元件132电耦合到脉冲光发射设备137。在这种状态下，电能从能量存储元件流向脉冲光发射设备137。
如图7所描绘的，电存储元件132选择性地耦合到脉冲光发射设备137。以这种方式，提供给脉冲光发射设备137的电流信号136的时序和形状由控制器140所产生的控制信号MPC有效地控制。因此，由LIDAR设备发射的光脉冲的时序由控制器140控制。
一般而言，脉冲照明系统130可以包括任何数量的电能存储元件，电能存储元件选择性地与脉冲光发射设备并联耦合。此外，一个或多个电能存储元件可以具有不同于一个或多个其它电能存储元件的能量存储容量。以这种方式，提供给脉冲光发射设备137的电流信号136的幅度和时序由控制信号MPC控制。在这些实施例中，电流信号136的幅度和时序是通过控制耦合到脉冲光发射设备137的能量存储元件的时序和数量来实现的。在一些实施例中，通过顺序地将多个能量存储元件耦合到脉冲光发射设备137，为每个LIDAR测量发射多个脉冲。在一些其它实施例中，通过选择同时耦合到脉冲光发射设备137的多个能量存储元件来控制电流信号136的幅度。
一般而言，由控制器140命令的每个脉冲可以在大小和持续时间上变化。在一些示例中，测量脉冲序列的一个脉冲具有比其它脉冲更大的幅度。
在一些实施例中，从LIDAR系统发射照明光脉冲的重复模式。重复模式是随时间重复的测量脉冲序列。在一些示例中，重复图案通过跳过多个脉冲而变化。例如，图9描绘了由控制器140生成的脉冲生成信号167，该脉冲触发信号是标称地周期性的，周期为Tp。然而，在这个示例中，每第三个脉冲被跳过(每第三个脉冲为零值)以减少能量消耗。由此产生的重复模式具有周期Trep。一般而言，LIDAR系统可以被配置为跳过每第N个脉冲，其中N是整数。在一些其它实施例中，除了每第N个脉冲外，所有脉冲都是零值，其中N是整数。在一些其它实施例中，零值脉冲的模式是伪随机的。
在一些实施例中，通过改变发射脉冲序列的重复速率，改变从LIDAR系统发射的照明光脉冲的重复模式。例如，图9所描绘的TP被减少以降低能量消耗或被增加以增加测量分辨率。
在另外的实施例中，LIDAR系统(例如图2所描绘的LIDAR系统10)包括与公共控制器(例如，控制器140)协调操作的多个脉冲照明系统。图10描绘了示例性图180，其示出了来自16个脉冲照明系统中的每个系统的光发射时序。在另一个方面，从每个脉冲照明系统发射的照明光脉冲的重复图案可独立控制。因此，与每个脉冲照明系统相关联的重复模式被独立地控制。
如图10所描绘的，从第一脉冲照明系统发射测量脉冲。在延迟时间TDELAY之后，从LIDAR设备的第二脉冲照明系统发射测量脉冲。以这样的方式，在测量周期TMEASUREMENT期间沿着不同的方向发射16个测量脉冲的序列。与16个脉冲照明系统中的每个相关联的能量存储元件是在充电周期TCHARGE的测量期之后充电的。在充电周期之后，另一个测量脉冲在随后的测量周期内从每个脉冲照明系统发射。在另一个充电周期之后，又一个测量脉冲从每个脉冲照明系统发射，除了第14个脉冲照明系统以外。注意，第14个脉冲照明系统根据图9所描绘的脉冲触发信号进行触发。因此，第14个脉冲照明系统呈现出具有重复周期Trep的重复图案，重复周期Trep不同于与脉冲触发信号相关联的标称周期Tp。如图9所描绘的，每第三个脉冲为零值。脉冲A、B和C是图9和图10两者中的具体参考。注意，脉冲A和B为非零值，并且脉冲C为零值。一般而言，与每个脉冲照明系统相关联的重复图案可以独立于LIDAR系统的其它脉冲照明系统而变化。
在一些实施例中，延迟时间被设置为大于测量脉冲序列往返于位于LIDAR设备的最大范围内的对象的渡越时间。以这种方式，在16个脉冲照明系统中的任何脉冲照明系统之间都不存在串扰。
在一些其它实施例中，可以在从另一个脉冲照明系统发射的测量脉冲有时间返回到LIDAR设备之前，从一个脉冲照明系统发射测量脉冲。在一些实施例中，注意保证在周围环境的被每个光束询问的区域之间有足够的空间分离，以避免串扰。
如图7所描绘的，由光检测器155检测从位置138反射的光。光检测器155产生由模拟跨阻抗放大器152放大的输出信号151。一般而言，输出信号151的放大可以包括多个放大器级。在这个意义上，模拟跨阻抗放大器152通过非限制性示例的方式提供，因为很多其它的模拟信号放大方案可以在该专利文件范围内考虑。
放大信号153与控制器140通信。在所描绘的实施例中，控制器140的模数转换器(ADC)144用于将模拟信号153转换成数字信号以用于进一步处理。在一些示例中，控制器140确定与特定的脉冲测量相关联的距离并且将测量距离146的指示传送到外部计算系统。控制器140生成启用/禁用信号145，该启用/禁用信号145用于与控制信号MPC协调地控制ADC144进行的数据采集的时序。
图8描绘了与发射测量脉冲序列和采集返回测量脉冲序列相关联的时序的图示。如图8所描绘的，测量开始于由控制器140产生的脉冲触发信号161(例如，MPC[1])。由于内部系统延迟，脉冲指数信号162被确定为从多脉冲触发信号161移位时间延迟TD。时间延迟包括与从LIDAR系统发射光相关联的已知延迟(例如，与开关元件、能量存储元件和脉冲光发射设备相关联的信号通信延迟和延迟)以及与收集光和指示收集的光的生成信号相关联的已知延迟(例如，放大器延迟、模数转换延迟等)。
如图8所描绘的，返回信号163响应于特定位置的照明由LIDAR系统检测。通过实现从光检测元件150的数据采集，启动测量窗(即，收集的返回信号数据与特定测量脉冲序列相关联的时间段)。控制器140控制测量窗的时序以对应于期望响应于发射测量脉冲序列而返回信号的时间窗。在一些示例中，在发射测量脉冲序列的时间点启用测量窗，并且在与光在距离为LIDAR系统范围的两倍的距离上的渡越时间对应的时间禁用测量窗。以这种方式，测量窗被打开，以收集来自与LIDAR系统相邻的对象(即，可忽略的渡越时间)到位于LIDAR系统最大范围内的对象的返回光。以这种方式，不能有助于有用返回信号的所有其它光被拒绝。
如图8所描绘的，返回信号163包括与发射的测量脉冲相对应的两个返回测量脉冲。一般而言，对所有检测到的测量脉冲执行信号检测。可以执行进一步的信号分析以识别最近的信号(即，返回测量脉冲的第一实例)、最强的信号和最远的信号(即，测量窗中的返回测量脉冲的最后实例)。这些实例中的任何一个可以被报告为LIDAR系统的潜在有效距离测量。例如，渡越时间TOF1可以从与图8中所描绘的发射的测量脉冲相对应的最近的(即，最早的)返回测量脉冲来计算。
在一些实施例中，例如参考图1和图2描述的实施例，脉冲照明源和光敏检测器安装到LIDAR设备的旋转框架上。该旋转框架相对于LIDAR设备的基础框架旋转。在另一个方面，LIDAR设备还包括方位传感器，该方位传感器测量旋转框架相对于基础框架的方位。在这些实施例中，LIDAR系统的计算系统(例如，图7中所描绘的控制器140)周期性地接收旋转框架相对于基础框架的定向的指示。在这些实施例中的一些实施例中，脉冲重复模式基于方位而变化。
在一些实施例中，LIDAR系统安装到在道路上运行的车辆上。LIDAR系统向图像处理系统提供“点云”数据，图像处理系统基于“点云”数据生成车辆在道路上运行时车辆周围的环境的图像。在一些操作场景中，可能期望获得位于车辆前方和车辆一侧或两侧的对象的高分辨率图像。然而，可能不需要获得车辆后方的对象的高分辨率图像。在这些示例中，LIDAR系统被配置为当照明光束指向车辆的前方和一侧或两侧时利用全分辨率重复模式(即，没有跳过脉冲)。然而，当照明光束指向车辆的后方时，重复的模式变化，以降低采集数据的分辨率(例如，跳过脉冲、降低重复率或这两者)。
在一些实施例中，该重复模式的变化是基于LIDAR设备与三维环境中检测到的对象之间的距离的。在一个示例中，重复的模式被调整为在LIDAR设备与三维环境中检测到的对象之间的距离小于预定阈值时减少脉冲的数量。以这种方式，相对接近LIDAR设备(例如，25米或更小，10米或更小等)的对象由具有较低频率的LIDAR系统采样。因为，对于给定的脉冲重复频率，旋转扫描LIDAR设备的视场径向延伸，相对接近LIDAR设备的对象在比相对远离LIDAR设备的更高分辨率下采样。然而，对于相对接近LIDAR设备的对象，这种高采样分辨率可能不需要渲染接近对象的足够准确的图像。在这些示例中，调整脉冲重复模式以减少相对接近对象的采样分辨率。
在一些实施例中，重复模式是基于在三维环境中所检测的对象的存在而变化的。在一个示例中，当对象在超过预定时间段内没有在脉冲照明光束的视场内检测到时，脉冲照明光束的重复模式被调整以在一时间段内降低脉冲数量。例如，当由与脉冲照明光束相关联的检测器检测到的信号在预定的时间段内的值是可以忽略不计的(例如，低于一个阈值)时，控制器140减少了从脉冲照明源发射的光的重复模式。以这种方式，当照明光束指向没有对象的空间体积(例如，向地平线、向天空等)时，减少能量消耗和热量产生。然而，随后，当与脉冲照明光束相关联的检测器检测到的信号高于阈值时，控制器140增加从脉冲照明源发射的光的重复模式。在一些示例中，必须在第一预定时间段之后、在控制器140增加重复模式之前的第二预定时间段内检测对象。这些阈值防止杂散信号引起重复模式的快速波动。
在一些实施例中，LIDAR系统包括成像设备或通信地链接到成像设备，成像设备被配置为生成脉冲照明源的视场的至少一部分的图像。在一些实施例中，成像设备是被配置为从LIDAR设备所产生多点的“点云”生成图像的计算系统。在这些实施例中的一些实施例中，计算机系统与LIDAR设备分开，并通信地链接到LIDAR设备。在其它实施例中，LIDAR系统的计算机系统被配置为从“点云”数据生成图像。在一些其它实施例中，成像设备包括单独的成像传感器(如相机)采集脉冲源的视场的至少一部分的图像。在这些实施例中的一些实施例中，成像传感器被集成到LIDAR设备中。在一些其它实施例中，成像传感器与LIDAR设备分开并通信地链接到LIDAR设备。
在这些实施例中，脉冲照明源的重复模式是基于对象是否是在脉冲照明源的视场的至少一部分的图像中被检测到而变化的。在一些示例中，当没有对象在脉冲照明源的视场的图像中被检测到时，减少重复模式(即，在给定的时间段内的脉冲数减少)。在一些其它示例中，当在脉冲照明源的视场的图像中检测到对象时重复模式增加。
在一些实施例中，基于3D LIDAR设备的工作温度的指示，改变脉冲照明源的重复模式。在一些实施例中，工作温度的指示是周围环境的测量温度。在一些实施例中，工作温度的指示是基于3D LIDAR设备上的一个或多个测量温度的。例如，可以单独地或组合地测量接近诸如照明源(例如，激光二极管)、照明源驱动器、跨阻抗放大器等敏感电子部件的温度，以获得工作温度的指示。在一些实施例中，作为工作温度的指示，测量从照明源(例如，激光二极管)输出的照明的光谱位移。一般来说，任何温度测量或3D LIDAR设备内和周围的温度测量的组合都可以用作3D LIDAR设备的工作温度的指示，并且从而形成改变3D LIDAR设备上的任何脉冲照明源的重复模式的基础。
控制器140包括处理器141和存储器142。处理器141和存储器142可以通过总线147通信。存储器142包括存储程序代码的存储器143的量，当程序代码由处理器141执行时，使得处理器141实施如本文所述的脉冲重复模式。通过非限制性示例的方式，控制器140可操作以通过通信链路与外部计算系统(未示出)通信。在一个示例中，控制器140将测量距离146的指示传送到外部计算系统。
图11示出了适用于本发明的LIDAR系统10和100的实施方式的方法200。在一个方面，要认识到的是，方法200的数据处理块可以通过由计算系统140的一个或多个处理器执行的预编程算法来执行。虽然以下描述是在LIDAR系统10和100的背景下给出的，但是在本文要认识到，LIDAR系统10和100的特定结构方面不代表限制，而应仅被解释为说明性的。
在方框201中，将具有第一重复图案的照明光脉冲的序列从LIDAR设备发射到三维环境中。
在方框202中，检测由每个照明光脉冲照射的三维环境反射的光量。
在方框203中，生成指示与每个照明光脉冲相关联的所检测到的光量的输出信号。
在方框204中，例如，通过控制器140接收指示所检测到的光量的输出信号。
在方框205中，基于在从LIDAR设备发射脉冲时的时间与在光敏检测器检测到从对象(其由照明光的脉冲照明)反射的光量时的时间之间的差来确定LIDAR设备与三维环境中的对象之间的距离。
在方框206中，生成命令信号，该命令信号使得脉冲照明源将照明光的脉冲序列改变为不同于第一重复模式的第二重复模式。
在一个或多个示例性实施例中，所述功能可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实施。如果用软件来实施，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或在计算机可读介质上传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，通信介质包括促进计算机程序从一个地方传输到另一个地方的任何介质。存储介质可以是可由通用或专用计算机访问的任何可用介质。通过示例而非限制的方式，这种计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备，或可用于以指令或数据结构的形式承载或存储所需程序代码模块和可由通用或专用计算机、通用或专用处理器访问的任何其它介质。而且，任何连接都被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波的无线技术被包含在介质的定义中。本文所使用的磁盘和光盘包括紧致盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常以磁的方式再现数据，而光盘则以激光的方式光学地再现数据。上述组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
尽管为了便于说明，上文描述了某些特定实施例，但本专利文件的教导具有普遍适用性，并且不限于上述特定实施例。因此，在不脱离权利要求书所阐述的本发明范围的情况下，可以实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、适应和组合。

Claims (20)

1.一种光检测和测距设备，包括：
脉冲照明源，其被配置为将具有第一重复模式的照明光的脉冲序列从所述光检测和测距设备发射到三维环境中；
光敏检测器，其被配置为检测从由所述照明光的脉冲中的每个脉冲照明的所述三维环境反射的光量，并且生成指示与所述照明光的脉冲中的每个脉冲相关联的所检测到的光量的输出信号；
一组能量存储元件，其被选择性地耦合到所述脉冲照明源；其中，通过调节被耦合到所述脉冲照明源的所述一组能量存储元件的时序和数量，来控制提供给所述脉冲照明源的电流信号的幅度和时序；以及
计算系统，其被配置为：
接收指示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在从所述光检测和测距设备发射脉冲时的时间与在所述光敏检测器检测到从由所述照明光的脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光量时的时间之间的差来确定所述光检测和测距设备与所述对象之间的距离；并且
生成命令信号，所述命令信号使得基于耦合到所述脉冲照明源的所述能量存储元件的数量来生成提供所述脉冲照明源的所述电流信号，以及使所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变为不同于所述第一重复模式的第二重复模式，其中，所述第一重复模式和所述第二重复模式具有不同的脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的光检测和测距设备，其中，所述第二重复模式的脉冲序列中的一个或多个是零值。
3.根据权利要求2所述的光检测和测距设备，其中，所述第二重复模式中的所述一个或多个零值脉冲的位置是伪随机的。
4.根据权利要求2所述的光检测和测距设备，其中，所述第二重复模式中的所述一个或多个零值脉冲位于每个第N个脉冲，其中，N为整数。
5.根据权利要求2所述的光检测和测距设备，其中，所述一个或多个零值脉冲位于除了每个第N个脉冲以外的每个脉冲，其中N是整数。
6.根据权利要求1所述的光检测和测距设备，其中，所述第二重复模式的脉冲序列的重复率与所述第一重复模式的脉冲序列的重复率不同。
7.根据权利要求1所述的光检测和测距设备，其中，所述脉冲照明源和所述光敏检测器安装到所述光检测和测距设备的旋转框架，所述光检测和测距设备的所述旋转框架相对于所述光检测和测距设备的基础框架旋转，并且其中，所述光检测和测距设备还包括：
方位传感器，其被配置为检测所述旋转框架相对于所述基础框架的方位，并且其中，使得所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变成所述第二重复模式的所述命令信号的生成是基于所述方位的。
8.根据权利要求1所述的光检测和测距设备，其中，使得所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变成所述第二重复模式的所述命令信号的生成是基于所述光检测和测距设备与所述三维环境中的所述对象之间的所述距离的。
9.根据权利要求8所述的光检测和测距设备，其中，当所述光检测和测距设备与所述三维环境中的所述对象之间的所述距离小于预定阈值时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更少的脉冲。
10.根据权利要求8所述的光检测和测距设备，其中，当所述输出信号在第一时间段内是能够忽略的值时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更少的脉冲。
11.根据权利要求10所述的光检测和测距设备，其中，所述计算系统还被配置为：当所述输出信号在紧接在所述第一时间段之后的第二时间段内是不能够忽略的值时，生成第二命令信号，所述第二命令信号使得所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变成不同于所述第二重复模式的第三重复模式，其中，相比于所述第二重复模式，所述第三重复模式在给定时间段内包括更多的脉冲。
12.根据权利要求1所述的光检测和测距设备，还包括：
成像设备，其被配置为生成所述脉冲照明源的视场的至少一部分的图像，其中，当在所述脉冲照明源的所述视场的图像中没有检测到对象时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更少的脉冲，并且其中，当在所述脉冲照明源的所述视场的图像中检测到对象时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更多的脉冲。
13.根据权利要求12所述的光检测和测距设备，其中，所述成像设备是通信地耦合到所述光检测和测距设备的相机。
14.根据权利要求12所述的光检测和测距设备，其中，所述成像设备是通信地耦合到所述光检测和测距设备的成像模块，其中，所述成像模块基于由所述光检测和测距设备生成的多个距离测量结果来生成围绕的三维环境的部分的图像。
15.一种光检测和测距设备，包括：
脉冲照明源，其被配置为将具有第一重复模式的照明光的脉冲序列从所述光检测和测距设备发射到三维环境中；
光敏检测器，其被配置为检测从由所述照明光的脉冲中的每个脉冲照明的所述三维环境反射的光量，并且生成指示与所述照明光的脉冲中的每个脉冲相关联的所检测到的光量的输出信号；
一组能量存储元件，其被选择性地耦合到所述脉冲照明源；其中，通过调节被耦合到所述脉冲照明源的所述一组能量存储元件的时序和数量，来控制提供给所述脉冲照明源的电流信号的幅度和时序；以及
非暂时性计算机可读介质，其包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在被计算系统读取时使得所述计算系统：
接收指示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在从所述光检测和测距设备发射脉冲时的时间与在所述光敏检测器检测到从由所述照明光的脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光量时的时间之间的差来确定所述光检测和测距设备与所述对象之间的距离；并且
生成命令信号，所述命令信号使得基于耦合到所述脉冲照明源的能量存储元件的数量来生成提供所述脉冲照明源的所述电流信号，以及使所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变为不同于所述第一重复模式的第二重复模式，其中，所述第一重复模式和所述第二重复模式具有不同的脉冲序列。
16.根据权利要求15所述的光检测和测距设备，其中，所述第二重复模式的脉冲序列中的一个或多个是零值。
17.根据权利要求15所述的光检测和测距设备，其中，所述脉冲照明源和所述光敏检测器安装到所述光检测和测距设备的旋转框架，所述光检测和测距设备的旋转框架相对于所述光检测和测距设备的基础框架旋转，并且其中，所述光检测和测距设备还包括：
方位传感器，其被配置为检测所述旋转框架相对于所述基础框架的方位，并且其中，使得所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变成所述第二重复模式的所述命令信号的生成是基于所述方位的。
18.根据权利要求15所述的光检测和测距设备，其中，使得所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变成所述第二重复模式的所述命令信号的生成是基于所述光检测和测距设备与所述三维环境中的所述对象之间的所述距离的。
19.一种操作光检测和测距设备的方法，所述方法包括：
将具有第一重复模式的照明光的脉冲序列从光检测和测距设备的脉冲照明源发射到三维环境中；
其中，通过调节被选择性地耦合到所述脉冲照明源的一组能量存储元件的时序和数量，来控制提供给所述脉冲照明源的电流信号的幅度和时序；
检测从由所述照明光的脉冲中的每个脉冲照明的所述三维环境反射的光量；
生成指示与所述照明光的脉冲中的每个脉冲相关联的所检测到的光量的输出信号；
接收指示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在从所述光检测和测距设备发射脉冲时的时间与在光敏检测器检测到从由所述照明光的脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光量时的时间之间的差来确定所述光检测和测距设备与所述对象之间的距离；并且
生成命令信号，所述命令信号使得基于耦合到所述脉冲照明源的所述能量存储元件的数量来生成提供所述脉冲照明源的所述电流信号，以及使所述脉冲照明源将所述照明光的脉冲序列改变为不同于所述第一重复模式的第二重复模式，其中，所述第一重复模式和所述第二重复模式具有不同的脉冲序列。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
对所述脉冲照明源的视场的至少一部分进行成像，其中，当在所述脉冲照明源的所述视场的图像中没有检测到对象时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更少的脉冲，并且其中，当在所述脉冲照明源的所述视场的图像中检测到对象时，相比于所述第一重复模式，所述第二重复模式在给定时间段内包括更多的脉冲。
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