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CN116569069A - 激光雷达系统和操作方法 - Google Patents

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CN116569069A
CN116569069A CN202180069921.1A CN202180069921A CN116569069A CN 116569069 A CN116569069 A CN 116569069A CN 202180069921 A CN202180069921 A CN 202180069921A CN 116569069 A CN116569069 A CN 116569069A
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samples
light output
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雅各布·希拉德
克里斯多佛·巴卡
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Red Leader Technologies Inc
Original Assignee
Red Leader Technologies Inc
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Abstract

一种激光雷达系统，优选地包括以下中的一个或更多个：光发射器、光检测器、光束导向器、和/或处理模块。一种激光雷达系统的操作方法，优选地包括：确定信号，输出信号，接收一个或更多个回波信号，和/或分析回波信号。

Description

激光雷达系统和操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年10月13日提交的序列号为63/091,055的美国临时申请的权益，该美国临时申请通过该引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及目标检测(object detection)和/或成像领域，并且更具体地，涉及目标检测和/或成像领域中的新的且有用的激光雷达系统(lidar system)和操作方法。
背景
典型的激光雷达系统和方法依赖于光的脉冲来表征其周围的目标。此外，由于在发射下一个光脉冲之前需要等待每个光脉冲返回，因此它们(例如在侦测范围(range)、分辨率、精度等方面的)性能通常受到显著限制。因此，在目标检测领域需要创建新的和有用的激光雷达系统和操作方法。
附图简述
图1A至图1B分别是方法的实施例和该实施例的示例的流程图表示。
图2A是系统的实施例的示意表示。
图2B是使用中的系统的实施例的示意表示。
图3A-图3B是确定信号的示例的示意表示。
图4A-图4B分别是一组相位有界低互相关码(phase-bounded low cross-correlation codes)的第一示例的互相关和自相关的表示。
图4C是一组相位有界低互相关码的第二示例的互相关的表示。
图5A-图5B是分析回波信号(return signal)的示例的示意表示。
图6A-图6B分别是在时域中应用匹配滤波器的第一示例和第二示例的示意表示。
图7是分析回波信号的具体示例的示意表示。
优选实施例的描述
对本发明优选实施例的以下描述并不旨在将本发明限于这些优选实施例，而是旨在使本领域的任何技术人员能够制作和使用本发明。
1.概述。
激光雷达系统操作的方法100优选地包括：确定信号S110；输出信号S120；接收回波信号S130；和/或分析回波信号S140(例如，如图1A-图1B所示)。然而，方法100可以另外或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。方法100优选地使用激光雷达系统200执行，但可以另外或可替代地使用任何其他合适的系统执行。
许多激光雷达系统和方法基于(例如，与由系统发射的光的脉冲相关联的)时间延迟来表征到其周围目标的距离。相比而言，本文描述的方法100和/或激光雷达系统200的实施例使用(例如，诸如下面更详细描述的，由激光雷达系统200发射的编码光信号(诸如周期信号)的)相位延迟来表征到它们周围目标的距离(和/或与目标相关联的其他信息)。由于这些相位延迟与距离有关(例如，并且被用于表征潜在未知的和/或不断变化的目标布置)，所使用的编码通常是异步的。因此，本文描述了符合本申请的一种新型编码。
2.系统。
激光雷达系统200优选地包括一个或更多个以下元件：光发射器210；光检测器220；光束导向器230；和/或处理模块240(例如，如图2A-图2B所示)。
光发射器210优选地用于(例如，可操作以)发射一个或更多个光信号。光信号优选地为光束状的(例如，激光束)，但可以另外或可替代地具有任何其他合适的光学特性。
光发射器优选地包括一个或更多个激光器(例如，二极管激光器)。激光器可以包括例如边发射激光器、面发射激光器(例如，VCSEL)、光纤耦合激光器和/或任何其他合适类型的激光器。激光器优选地为连续波激光器(例如，可操作以和/或被配置为发射基本上连续的波辐射)，但可以另外或可替代地包括脉冲激光器(例如，可操作以和/或被配置为发射辐射的脉冲)和/或任何其他合适的激光器。在一个具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为900nm(例如，890nm-910nm、875nm-925nm等)的光。在第二具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为1550nm(例如，1540nm-1560nm、1525nm-1575nm等)的光。在第三具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为835nm(例如，820nm-850nm、800-870nm等)的光。激光器发射的光强度优选地低于或等于监管标准规定的限度(例如，激光器可以符合IEC-60825、IEC-62471等)，但可以可替代地更高。信号功率可以在监管限度内(例如，小于阈值功率，诸如5W、2W、l W、500mW、200mW、100mW、50mW、20mW、10mW、5mW、2mW、1mW、0.5mW、0.2mW或0.1mW等)，优选地小于1mW，但可以可替代地更高或更低。然而，激光器可以另外或可替代地包括任何其他合适的激光器。
每个光发射器210优选地包括一个或更多个调制器。每个调制器优选地可操作以调制由发射器发射的光的一个或更多个方面(例如，相位、强度、波长等)。然而，系统200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光发射器。
光检测器220优选地用于(例如，可操作以)响应于光学检测而生成电信号(例如，电流、电压等)(例如，代表检测到的光信号)，但可以另外或可替代地响应于光信号检测而生成任何其他合适的信号(例如，代表检测到的光信号)。例如，光检测器可以包括一个或更多个光电二极管(例如，雪崩光电二极管)。光检测器220可以任选地包括(和/或辅以)一个或更多个解调器(例如，数字解调器，诸如计算实现的解调器；模拟解调器电路；等等)，诸如与调制器互补的解调器(例如，被配置为将编码信号转换回原始序列)。然而，系统200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光检测器。
光束导向器230优选地用于在系统200的各个方面和外部环境之间引导光信号。例如，光束导向器230可以将从光发射器210发射的光信号(例如，光束)引导到外部位置30(在外部环境内)，其中光信号从外部位置30(和/或其他外部位置)反射。光信号优选地被反射回光束导向器230，其将反射信号引导到光检测器220。然而，光信号可以另外或可替代地反射到另一个光束导向器230(例如，其将信号引导到光检测器220)、反射到光检测器220，和/或反射到系统200的任何其他合适的元件。每个光束导向器230可以引导一个或更多个发射信号和一个或更多个反射信号，并且可以在一个或更多个光发射器210、外部位置30和/或光检测器220之间引导信号(例如，如图2B所示)。在一个示例中，光束导向器230包括一个或更多个反射镜，优选地为移动和/或可移动的反射镜，诸如旋转反射镜(例如，连续旋转)和/或基于MEMS的反射镜(例如，被配置为响应于控制输入而移动)，其可以随时间推移而将光信号引导到许多外部位置30(例如，当反射镜旋转时将光束扫过各个位置)。然而，系统200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光束导向器，或不包括光束导向器。
处理模块240优选地用于：控制系统200的其他元件，诸如光发射器210(例如，控制光发射和/或调制)和/或光束导向器230(例如，控制光束的方向)；从系统200的其他元件(诸如光检测器220)接收数据(例如，接收与光检测相关联的信号)；和/或处理(例如，解释)所接收的数据，诸如以确定关于外部环境的信息(例如，外部位置30的定位)。处理模块240优选地通信地(例如电子地)耦合到光发射器210、光检测器220、光束导向器230和/或系统的任何其他合适的元件。处理模块240优选地包括一个或更多个处理器(例如，CPU、GPU、微处理器、FPGA、ASIC等)和/或存储单元(例如，闪存、RAM等)，但可以另外或可替代地包括任何其他合适的元件。在一些变型中，处理模块240(和/或补充的处理模块)可以与激光雷达系统的其他元件物理分离(例如，其中激光雷达系统包括被配置为与处理模块通信的通信模块，诸如无线通信模块)。例如，处理模块240可以是远程计算系统(例如，互联网连接的服务器)，并且激光雷达系统可以与远程计算系统通信(例如，其中方法的一些或全部计算由远程计算系统执行)。然而，系统200可以另外或可替代地包括任何其他合适的处理模块。
在一些实施例中，激光雷达系统200包括一个或更多个元件，诸如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method of Operation”的美国专利申请16/663,142和/或在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method of Operation”的美国专利申请16/663,249中描述的元件，这两个美国专利申请中的每一个通过该引用以其全部内容并入本文；例如，激光雷达系统200可以包括美国专利申请16/663,142的整个“激光雷达系统200”、美国专利申请16/663,249的整个“激光雷达系统10”、一者或两者的子集、和/或两者的元件和/或功能的任何其他合适组合。然而，系统200可以另外或可替代地在任何合适布置中包括任何其他合适的元件。
3.编码。
信号可以用许多不同的方式编码。在一些实施例中，信号编码可以包括低互相关码(LCC)。典型的LCC(例如，金氏码(Gold codes)、Kasami码、Hadamard码、Zadoff-Chu序列等)，诸如零互相关码(ZCC)，可以在许多应用中使用。这些代码可以表现出低(例如，零)互相关，但仅用于同步应用(例如，同步CDMA)。为了实现低互相关，需要不同信号(使用这种编码编码的信号)之间的相位对齐。相比而言，在异步应用中(例如，其中不同信号之间的相位偏移是未知的、不受控制的和/或不断变化的)，使用这种ZCC和/或其他LCC通常将导致不比使用伪随机噪声(例如，扩展序列)所实现的互相关更好(例如，类似或更差)的互相关。例如，对于基本完美的相位对齐(例如，零相位偏移)，两个ZCC之间的互相关可能为零，但是对于任何非零相位偏移，两个ZCC之间的互相关可能较高(例如，类似于在伪随机噪声的情况下看到的水平)。
我们在本文中描述了一种新的用于进行低互相关编码的相位有界方法。这些相位有界低互相关码(PB-LCC)可以定义相位界限，其中一组PB-LCC在相位界限内的相位对齐范围内(例如，在零阈值相移内，诸如在+/-5°、10°、15°、20°、25°、35°、45°、60°、0°-10°、10°-30°和/或30°-90°等内，其中360°相移与等于编码的全周期的延迟相关)表现出低互相关，但是在该相位界限之外表现出较高互相关(例如，类似于由伪随机噪声所表现出的互相关)(例如，如图4A所示)。另外，这些PB-LCC优选地还表现出低自相关旁瓣(例如，对于非零相位偏移的低自相关，诸如所有非零相位偏移、相位界限内的非零相位偏移、不同于互相关相位界限的第二相位界限内的非零相位偏移等)，如通过图4B中的示例所示。
在一些实施例中，可以通过数值优化来确定一组或更多组PB-LCC。例如，可以使用基于互相关和/或自相关的目标函数来执行优化。目标函数可以基于相位界限内的编码之间的互相关。例如，目标函数可以基于(例如，等于或成比例于)在相位界限内任何地方的该组中的任意两个编码之间的最高互相关(该最大界限内互相关可以表示为C最大)。目标函数可以另外或可替代地基于在相位界限内和/或对于任何相位偏移的自相关(例如，基于除零相移之外的任何地方的最高自相关；该最大界限内自相关可以表示为A最大)。执行数值优化可以包括迭代地修改该组中的一个或更多个编码，以便使C最大和/或A最大减小；例如，以使基于C最大和/或A最大的目标函数(例如，对于任何合适的常数a以及c，优选非负常数，目标函数f＝aA最大+cC最大)减小。
一组PB-LCC可以由一个或更多个特征比来定义。在一些示例中，该组PB-LCC可以由界限内抑制比R抑制＝C最大/A0来定义，其中A0是最小零相位偏移自相关。请注意，不是互相关的均方根(或其它平滑表示)，而是C最大优选地被用于该抑制比，因为C最大的值增加表示单个错误检测事件的概率增加(在一些实施例中，这优选地是被避免的)。在一些示例中(例如，使用16个信号，每个信号具有2048的编码长度)，类似的总抑制比(例如，对于PB-LCC、对于伪随机噪声等)可以具有典型地大约17dB-20dB的值，其中总抑制比是基于最大总互相关而不是最大界限内互相关来定义的。相比而言，在相位界限内，抑制比可以比在相位界限外更大(优选地大得多)。例如，界限内抑制比可以大于信号处理硬件的动态范围(例如，大于30dB、40dB、50dB、60dB、70dB、25dB-40dB、40dB-60dB和/或60dB-80dB等)。
该一组编码可以另外或可替代地定义交叉界限比(cross-bound ratio)RCB。交叉界限比优选地被定义为最大带内互相关与最大带外互相关的比率。在其中将所有编码归一化为单位幂(例如方差)的一些示例中(例如，对于16个信号，每个信号具有2048的编码长度和±3.125％的相位界限)，C最大可以具有大约为0.3的值，而最大界限外互相关可以具有大约为200的值，对应于大于600的交叉界限比。例如，使用较小相位界限，可以实现较低的C最大的值(例如，最大界限外互相关没有的显著变化)，导致较高的交叉界限比；而较大的相位界限可导致较高的C最大的值，且因此导致较低的交叉界限比。在其他示例中，RCB可以是大约10、30、100、300、1000、3000、10-100、100-1000、1000-10000和/或任何其他合适的值。
在一些变型中，PB-LCC可以在除了与较高互相关相关联的一个或更多个相位对齐(或相位对齐范围)之外的大部分相位界限内表现出低互相关。例如，在一些这样的变型中，一些PB-LCC对可以在整个相位界限内表现出低互相关，而其他PB-LCC对除了对于单个相位对齐(或小范围的相位对齐)互相关增加之外，可以在相位界限内表现出低互相关(例如，如图4C所示)。在具体示例中，一组PB-LCC可以包括多个对，其中每个这样的PB-LCC对在整个相位界限内表现出低互相关，并且来自该组的两个PB-LCC的(不同于这些对的)任何其他组合除了对于单个相位对齐互相关增加之外，在整个相位界限内都表现出低互相关。在这样的变型中，该方法可以任选地包括执行校正以补偿这些较高互相关的部分(和/或补偿由代码之间的互相关引起的任何其他合适的干扰)，诸如下面关于S1422更详细地描述的。
对于其中相位界限内的互相关表现出具有较高互相关值的一个或更多个小区域(例如，仅与单个相位对齐仓(bin)相关联，其中仓大小基于编码的序列长度)的变型，目标函数可以基于相位界限内除这些具有较高互相关的一个或更多个小区域之外任何地方的该组的任意两个编码之间的最高互相关。这种除小区域之外的最大界限内互相关可以被表示为本领域技术人员将认识到，当C最大的方面如本文所述时，在包括具有较高互相关的小区域的这样的变型中，/>可以表现出相似的性质。此外，在这样的变型中，对于基于如本文所描述的C最大的任何值，当用/>替换C最大时，类似的值可以类似地被确定和/或应用。
在一些变型中，每个PB-LCC包括多个子序列(其中一组的每个PB-LCC包括相同数量的子序列)，其中总体PB-LCC之间的互相关可能不低(例如，即使在相位界限内)，但是可以(例如，在数学上，诸如通过线性操作)组合子序列的互相关以生成低互相关信号。在一个示例中，每个PB-LCC包括N个子序列，其中第一PB-LCC的每个子序列对应于该组中一个或更多个其他PB-LCC的相关联的子序列(例如，其中相对应的子序列意在被同时输出)，并且相对应的子序列的互相关可以被求和(或以其他方式被组合)以生成低(或零)互相关信号。每个子序列优选地具有相同的持续时间，但是子序列可以可替代地具有任何合适的持续时间。在具体示例中，该组的每个PB-LCC包括两个子序列(例如，代码1包括子序列1A以及1B，代码2包括子序列2A以及2B，等等)。在这个具体的示例中，该组的任何两个代码的互相关在任何相位界限内可能都不低；然而，第一子序列的互相关(例如，子序列1A与2A的互相关)可以与第二子序列的互相关(例如，子序列1B与2B的互相关)组合(例如，求和)，其中该组合(例如，求和)在相位界限内(例如，在整个相位界限内，在除了具有较大值的一个或更多个有限范围之外的相位界限内，等等)将是低的(例如，基本上为零)。因此，该性质可以被用于从接收到的信号中恢复与这种PB-LCC相关联的响应，诸如下面关于该方法所描述的。
然而，该一组(多组)PB-LCC可以另外或可替代地具有任何其他合适的特性和/或可以以任何其他合适的方式确定。此外，可以另外或可替代地使用任何其他合适的编码组对信号进行编码。
4.方法。
4.1确定信号。
确定信号S110优选地用于确定激光雷达系统输出的信号，其可用于控制目标检测性能的各个方面。确定信号S110优选地包括确定序列S112和/或对序列进行编码S113以及可以任选地包括确定序列长度S111(例如，如图3A所示)。然而，S110可以另外或可替代地包括任何其他合适的要素。
4.1.1确定序列长度。
确定序列长度S111可以用于控制各种系统性能指标之间的折衷(例如，如下面进一步详细描述的)。序列长度优选地是与序列大小相关联的指标，诸如对应于其中序列可能取不同值(例如，不同输出强度)的基本上相等持续时间的时间间隔的数量。在示例中，序列长度可以是序列中的连续(或伪连续)赋值的输出强度(例如，表示为数字数值表示(诸如整数或浮点表示)、表示为模拟强度等)、位长度(例如，其中序列是二进制序列)、序列中的符号数量(例如，非二进制数字)、等于信号持续时间乘以系统带宽的有效序列长度或与该有效序列长度成比例的值(例如，其中，对于连续变化的信号，有效序列长度表示系统可以在信号中解析的样本的近似数量)，和/或与序列大小相关联的任何其他合适的度量。相同的序列长度优选地用于多个序列，诸如同时发射的序列(例如，其中多个序列基本上同时输出，诸如每个序列由系统的不同光发射器输出；图3B所示的示例)和/或串行序列(例如，由系统的单个光发射器发射的多个序列的时间序列)。可替代地，不同的序列长度可以用于单个连续信号和/或更多个同时发射的信号。
序列长度优选地如2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Methodof Operation”的美国专利申请16/663,142中所述(例如，如关于“确定序列长度S 111(determining a sequence length S111)”所述)那样来确定，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，但是可以另外或可替代地以任何其他合适的方式确定。
在一些实施例中，序列长度被选择为在10位-10000位的范围内(例如，在100位和5000位之间)。然而，S111可以另外或可替代地包括选择任何其他合适的序列长度。
序列长度优选地基于一个或更多个所期望的性能指标(例如，至少实现针对第一组指标的最低性能水平、最大化根据第二组指标的性能，等)来确定。
在示例中，序列长度可以：基于操作背景，诸如地理位置、系统运动学(例如，速度、加速度)、给定物理侦测范围内检测到的目标的存在、性能指标值和/或其他背景变量来自动确定(例如，选择、计算等)；基于(例如，从用户接收的、基于操作背景确定的)一组目标(target)性能指标值来自动确定；手动确定；和/或以其他方式确定。例如，该方法可以包括：接收针对一个或更多个性能指标的目标值，以及选择与所接收的性能指标目标值相关联的序列长度(例如，从序列长度-性能指标值表或其他数据结构中选择)。性能指标值与序列长度之间的关联可以：预先确定(例如，计算、测试)、迭代确定和/或以其他方式确定。在另一个示例中，该方法可以包括：调整序列长度，直到性能指标满足一组性能指标目标值。然而，序列长度可以另外或可替代地以任何其他合适的方式确定。
性能指标可以包括精度、侦测范围、分辨率、时延(latency)、功耗和/或任何其他合适的指标(例如，诸如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method ofOperation”的美国专利申请16/663,142中所使用的指标，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文)。
侦测范围优选地为在实现方法200时可以可靠地检测到目标的最大距离(例如，不存在诸如由输出信号的周期性引起的混叠和/或侦测范围模糊问题的可能性；同时将失败概率保持在阈值以下，诸如小于0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、5％或10％的完全错过概率，优选地小于1％的完全错过概率；同时接收足够强的回波信号以可靠地执行方法；等等)。因为信号周期通常随着序列长度而增加(例如，对于固定的符号率，信号周期线性增加)，所以，侦测范围通常随着更长的序列而增加(例如，其中为了避免潜在的周期性侦测范围模糊，侦测范围小于或等于信号在一个信号周期期间传播的距离的一半，该距离对应于信号反射离开最大侦测范围处的目标的往返传播时间)。然而，侦测范围可能更典型地受到信号强度的限制，诸如受到系统接收到的回波信号的强度的限制(例如，其中从环境中较远的目标反射的回波信号可能比从较近的目标反射的那些信号更弱)。增加序列长度可以提高匹配滤波器的辨别能力和/或可以增加检测积累时间，这可以使得能够更可靠地检测环境中更远的目标(和/或其他弱回波目标)。在一些示例中，选择序列长度(和/或其他信号参数，诸如符号率)，使得侦测范围(例如，模糊限制侦测范围、回波信号强度限制侦测范围等)大于、不小于和/或大致等于阈值距离，诸如50m、100m、150m、200m、250m、275m、300m、325m、350m、400m、450m、500m、600m、10m-50m、50m-150m、150m-450m或450m-1000m。在第一具体示例中，阈值距离为300m。在第二具体示例中，阈值距离为200m，受回波信号强度的限制，其可以对应于使得能够实现1km-5km(例如，大约2km)的模糊限制侦测范围的序列长度。在第二具体示例的变型中，阈值距离为500m，受回波信号强度的限制，其可以对应于使得能够实现3km-10km(例如，大约5km)的模糊限制侦测范围的序列长度。
精度可以包括检测失败概率(例如，“完全错过”概率)、检测到的距离精度(例如，“克拉美-罗下限(Cramer-Rao lower bound)”或“CRLB”)和/或任何其他合适的精度指标。时延优选地为每次扫描(sweep)的时间量(例如，在特定光束取向处的连续信号输出之间(诸如对应于在所有被探测外部位置处的光束输出)的时间)。分辨率优选地为相邻光束方向之间的角间距(例如，在光发射器到两个相邻外部位置中的每个外部位置的矢量之间所限定的角度)。
然而，S110可以可替代地包括使用预定序列长度(如，而不是动态确定序列长度)，和/或，可以以任何其他合适的方式确定序列长度。
4.1.2确定序列。
确定序列S112优选地用于确定一个或更多个唯一序列(例如，所有序列都具有特定的序列长度，诸如在S111中确定的序列长度)。每个序列可以是数字序列(例如，二进制序列、非二进制数字序列等)、模拟(例如，连续值和/或伪连续值)序列，诸如整数和/或实数序列(例如，以数字、模拟和/或任何其他合适的表示的序列)和/或任何其他合适的序列。在一些实施例中，可以如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method ofOperation”的美国专利申请16/663,142中所述那样来确定序列，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，但是可以附加地或替代地以任何其他合适的方式确定序列。
序列优选地被确定为实现高度的正交性(例如，不同序列之间的正交性、对应于不同序列的编码信号之间的正交性、对环境噪声的正交性等)。因此，优选地序列被确定为满足一个或更多个以下标准(例如，诸如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar Systemand Method of Operation”的美国专利申请16/663,142中所述，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文)：在零时间延迟(零相位偏移)下的高自相关；偏离零时间延迟(非零相位偏移)的低自相关；和/或与系统环境中存在的其它信号(例如，一组中的其它序列)的低互相关。对于一些或所有相位偏移，可以表现出低互相关(例如，对于一组PB-LCC，对于由该一组PB-LCC定义的相位界限内的相位偏移，可以表现出低互相关；可替代地，如上面关于“编码”的更详细描述的，对于相位界限内的、除了已知PB-LCC表现出较高互相关的一个或更多个小相位对齐范围之外的所有相位偏移，可以表现出低互相关)。
S112可以任选地包括确定检测范围限制(和相对应的相位界限)和/或以其他方式确定相位界限。检测范围限制优选地与其它系统限制一致(例如，不比其它系统限制更多地限制)(但可替代地可以更多地限制)。例如，检测范围限制可以与将检测范围限制到阈值距离D1(例如500m)的硬件和/或监管考虑(例如，光强度、光电检测器灵敏度、硬件噪底等)一致。在该示例中，编码序列长度可以对应于更大的距离D2(例如，5km)，优选地，其中D2＝tc/2，其中t是编码序列周期并且c是光速。因此，在该示例中，可以将相位界限设置为大于或等于D1/D2；对于D1＝500m且D2＝5km，D1/D2＝周期的10％，对应于等于或宽于+/-36°的相位界限。相位界限可以是(例如，基于系统校准和/或性能指标、基于历史数据、基于任何其他合适的信息等)预定的、(例如，基于当前和/或最近的系统性能和/或其他数据)动态确定的和/或以任何其他合适的方式确定的。
优选地，S112包括确定多个序列(例如，与不同系统的不同发射器(诸如该系统的不同发射器)相关联的每个序列，等等)，优选地每个序列具有相同的序列长度(例如，S111中确定的单个序列长度)。在一些实施例中，S112包括确定一组PB-LCC(例如，如上文更详细描述的，诸如关于“编码”的)。在这样的实施例中，S112优选地包括基于相位界限(例如，如上所述确定的相位界限)确定该组PB-LCC，更优选地，其中这个组表现出等于(或宽于)如上所述确定的相位界限的相位界限。
确定序列可以包括从多个预定编码中进行选择(例如，基于一个或更多个参数，诸如序列长度和/或相位界限进行选择)，动态生成(例如，计算)编码(例如，基于(诸如响应于确定和/或接收到)一个或更多个参数，诸如序列长度和/或相位界限来生成)，和/或以任何其他合适的方式确定编码。例如，系统可以针对多个序列长度和/或相位界限中的每一个维护正交序列组(如，PB-LCC组)的数据库。该数据库可以任选地包括用于每个正交序列组的匹配滤波器组(例如，序列和/或对应编码信号中的每个的傅里叶变换和/或离散傅里叶变换)。
然而，可以另外或可替代地以任何其他合适的方式确定序列。
在示例中，序列可以包括以下一个或更多个：连续(或伪连续)赋值的输出强度(例如，被表示为数字数值表示(诸如整数或浮点表示)、被表示为模拟强度等)、二进制输出(例如，高和低(诸如开和关)的值)、符号(例如，对应于非二进制数字)、连续变化的输出和/或任何其他合适的序列元素。
4.1.3对序列进行编码。
对序列进行编码S113优选地用于基于序列生成编码信号(例如，对于在S112中确定的每个序列，生成对应的编码信号)。生成的信号优选地为周期性的，重复该编码序列，更优选地，其中，重复序列之间没有(或基本上没有)时间间隔(例如，其中编码序列在上一次迭代结束后立即重新开始)，但可替代地，在一些或所有序列重复之间包括大的时间间隙。然而，所生成的信号可以可替代地是非周期性的和/或具有任何其他合适的特性。生成编码信号优选地包括调制载波信号(更优选地，连续波或基本连续波的载波信号)，诸如具有基本恒定振幅或基本周期性变化的振幅(例如正弦波、方波等)的光学载波(例如，激光输出)。S 113优选地如2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method ofOperation”的美国专利申请16/663,142中所述那样来执行，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，但是可以另外或可替代地以任何其他合适的方式来执行。
该序列可以被编码用于调幅连续波(AMCW)激光雷达系统、调频连续波(FMCW)激光雷达系统和/或任何其他合适的激光雷达系统。因此，对序列进行编码优选地包括对载波信号(例如，连续波的载波信号)执行振幅调制和/或光频率调制。例如，二进制序列可以被编码用于AMCW系统，或者模拟(或伪模拟)序列可以被编码用于FMCW系统。可以使用调制方法(或多种方法)，优选地使用数字调制方法(例如，调制到载波信号(诸如正弦波)上)对序列进行编码。调制方法优选地为相移键控(例如，BPSK、QPSK、8-PSK、高阶PSK等)，但可以另外或可替代地包括正交振幅调制(QAM)、脉冲振幅调制(PAM)、频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)和/或任何其他合适的调制方法。可替代地，可以不使用载波信号和/或调制方法。在第一该示例中，S113包括将位和/或符号直接映射到输出强度。在该示例的第一具体示例中，S113包括将0值位映射到低强度或大致为零的强度，并将1值位映射到高强度，反之亦然。在该示例的第二具体示例中，S113包括将序列值(例如，整数值、诸如浮点值的实数值等)映射到相对应的输出强度(例如，其中序列值和诸如输出功率的输出强度定义基本线性关系)。在第二该示例中，S113包括将位和/或符号直接映射到输出强度的变化，诸如将0值位映射到未变化的强度以及将1值位映射到强度的变化(例如，从一个电平翻转到另一个电平)，反之亦然。
然而，序列可以另外或可替代地以任何其他合适的方式编码。
4.2输出信号。
输出信号S120优选地用于发射包括要输出的信号(例如，S110中确定的信号)的输出(例如，光束，优选地为光柱)。S120可以包括控制换能器(优选地为诸如如上所述的光发射器(例如，激光器))以输出信号。例如，可以采用调制器(例如，如上诸如关于系统200所述)，诸如通过基于信号调制光载波(例如，连续波激光束)的振幅、光频率和/或任何其他合适的特性来将信号包括在输出中。S120优选地包括连续输出信号(例如，对于周期性信号)，但可以可替代地包括单次输出信号和/或以任何合适的定时来输出信号任何其他合适的次数。在包括多个换能器(例如，多个光发射器，诸如多个激光器)的实施例中，S120优选地包括(更优选地，同时或基本上同时地)发射多个输出(例如，连续或基本上连续地发射所有输出，在彼此基本上相同的时间发射脉冲输出和/或零星输出等)。然而，多个输出可以另外或可替代地以任何其他合适的定时发射。
在S120期间，光束导向器优选地被控制以将输出信号引导朝向一个或更多个外部位置30(例如，如上所述，诸如关于系统200所述)。在到达外部位置后，光束可以被反射(例如，朝向系统往回反射)。在一个示例中，可以控制光束导向器在第一停留时间间隔(例如，基本上等于信号的一个周期)内基本上在第一方向上引导光束，然后在第二停留时间间隔(优选地持续时间基本上等于第一停留时间间隔)在第二方向上引导光束，以此类推，最终基本上返回到第一方向并连续重复(例如，直到输出参数(诸如序列长度、分辨率、符号率等)被改变)。
S120如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method ofOperation”的美国专利申请16/663,142中所述那样来执行，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，但是可以另外或可替代地以任何其他合适的方式执行。
4.3接收回波信号。
接收回波信号S130优选地用于检测输出信号的一个或更多个反射(例如，来自系统周围环境内的一个或更多个目标，诸如在外部位置处的目标的反射)。该信号可以在换能器(例如，系统的换能器，诸如靠近和/或以其他方式与系统的光发射器或其他输出换能器并置)，优选地为光检测器(例如，光电二极管，诸如雪崩光电二极管(APD)等)处接收，如上文关于系统200所述。在一些实施例中(例如，其中多个信号基本上同时输出)，可以在S130期间在换能器处接收到多个信号(例如，不同输出信号的反射、单个输出信号的不同反射等)(例如，基本上同时接收和/或以其他方式在时间上重叠)。回波信号优选地为输出信号的反射(例如，直接反射、镜面反射等)。然而，S130可以另外或可替代地包括接收与输出信号相关联(例如，由输出信号引起)的任何回波信号，和/或接收任何其他合适的信号。
所接收的信号优选地以足够的速率进行采样(例如，通过电路(诸如模数转换器电路)进行采样，该电路对换能器的电输出进行采样，电输出为诸如换能器响应于接收所接收的信号而生成的电流和/或电压)，以解析信号，诸如以至少两倍于预期信号的带宽的速率进行采样。在一个示例中，所接收的信号以至少2.5倍于输出信号的符号率的速率进行采样(例如，对于100MHz的符号率，对应于125MHz的输出信号带宽，以至少250MHz的速率进行采样)。
S130优选地如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System and Method ofOperation”的美国专利申请16/663,142中所述那样来执行，该美国专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，但是可以另外或可替代地以任何其他合适的方式执行。
4.4分析回波信号。
分析回波信号S140优选地用于确定一个或更多个外部位置(例如，信号从其反射离开)相对于系统的定位。分析回波信号S140优选地包括从回波信号选择样本S141、对样本进行滤波S142，和/或基于信号确定信息S143(例如，如图5A所示)。然而，分析回波信号S140可以另外或可替代地包括确定附加信息S144和/或任何其他合适的要素。
从回波信号选择样本S141优选地用于选择回波信号的一部分进行分析。所选样本优选地为所接收的信号的连续窗口。采样窗口的持续时间优选地为足够长，以捕获输出信号的整个周期。在一个示例中，采样持续时间优选地不小于信号周期(例如，等于序列长度除以符号率)和最大传播延迟(例如，等于侦测范围的两倍除以信号传播速度(诸如系统周围环境中的光速)，这对应于从位于等于该侦测范围的距离处的外部位置反射离开的输出信号的往返传播时间)之和。然而，S141可以另外或可替代地包括选择任何其他合适的持续时间的窗口，和/或选择任何其他合适的样本。
对样本进行滤波S142优选地用于分离出与对应输出信号相关联(例如，基本上匹配)的样本的部分。S142优选地包括执行数字滤波过程(例如，以计算方式执行)，诸如由处理模块(例如，如上所述)实现的滤波过程。然而，S142可以另外或可替代地包括以其他方式执行滤波过程(例如，模拟和/或数字滤波过程，诸如由滤波器电路实现的滤波过程)。应用于样本的滤波器优选地为用于对应输出信号的匹配滤波器(或基本上匹配的滤波器)，但可以另外或可替代地是任何其他合适的滤波器。
在一个实施例中，S142包括确定输出信号与样本的卷积S1421(例如，循环卷积)，优选地其中两者中的一者被时间反转(例如，周期性输出信号的时间反转版本与样本的卷积，或周期性输出信号与样本的时间反转版本的卷积)，诸如周期性输出信号的时间反转版本与样本的循环卷积。尽管在本文被描述为确定样本与输出信号的卷积，但本领域技术人员将认识到，S142可以类似地包括确定样本与输出信号的相关性。
在第一变型中，在频域中(部分地或全部地)确定卷积。例如，确定卷积可以包括：确定样本的傅里叶变换(例如，离散傅里叶变换，诸如FFT)、确定输出信号的傅里叶变换(例如，离散傅里叶变换)(和/或检索输出信号的先前确定的傅里叶变换，诸如为S142的先前迭代确定的傅里叶变换)、将变换后的输出信号与变换后的样本相乘(例如，确定变换后的输出信号与变换后的样本的Hadamard乘积)，并确定乘积的傅里叶逆变换(例如逆离散傅里叶变换)(这是两者的卷积)。
在第二变型(例如，其中PB-LCC是二进制码)中，在时域中(例如，完全在时域中，且不变换到频域和/或不从频域变换)确定卷积。在该变型的一些示例中，如果PB-LCC是二进制码，则与确定卷积相关联的计算要求可以显著降低(与用于模拟码和/或包括多个电平的数字码的PB-LCC的计算相比)。例如，计算可以仅包括延迟和求和操作，这(在一些示例中)可以容易地在GPU、FPGA和/或ASIC中实现和/或只需要最少的计算资源来执行。
在一个这样的示例中，确定卷积包括基于二进制码来确定一组延迟时间，基于该一组延迟时间生成样本的一组延迟副本，以及对延迟副本求和。优选地确定该一组延迟时间，使得其包括与二进制码中的每个“高”电平发生(例如，“1”位)相关联的一个延迟时间(例如，使得该组延迟时间统一指示二进制码)，其中延迟时间优选地等于相关联的“高”电平发生(相对于参考时间，例如代码开始时间)的发生时间；在一些情况下(例如，其中代码的第一位是“1”)，延迟时间之一可以是0，对应于无延迟。对于每个延迟时间，优选地生成样本的相对应的延迟副本；在延迟时间为0(表示没有延迟)的情况下，原始样本可以被用作该组中的延迟时间之一，并且本领域技术人员将理解，在这些情形下，原始样本可以用作“相对应的延迟副本”，即使在一些示例中，可以不执行延迟操作来生成该延迟副本。在这个示例中，卷积等于对该组的延迟副本的求和，且因此优选地确定该组的延迟副本的和。在第一具体示例中(例如，如图6所示)，二进制码01010000将导致一组两个延迟时间(对应于两个“1”位)：分别为1个位持续时间(其中一个“位持续时间”是输出信号中连续的位之间的时间长度)和3个位持续时间。因此，在该具体示例中，优选地生成两个延迟副本并对其求和以确定卷积：一个延迟(t-1)个位持续时间，而另一个延迟(t-3)个位持续时间，其中t可以是任何恒定的附加延迟(例如，t可以等于代码持续时间；或者可替代地可以等于所有延迟时间中的最大被减数，使得相对应的延迟时间为零)。在第二具体示例中，二进制码1011010将导致一组四个延迟时间(对应于四个“1”位)：0个位持续时间、3个位持续时间、4个位持续时间和6个位持续时间。因此，在该具体示例中，优选地生成四个延迟副本并求和以确定卷积：第一个延迟(t-0)＝t个位持续时间，第二个延迟(t-3)个位持续时间，第三个延迟(t-4)个位持续时间，以及第四个延迟(t-6)个位持续时间(其中，与前面一样，t可以是任何恒定的附加延迟)。
在该示例的变型中，可以生成已被时间反转的样本的延迟副本(而不是原始样本的延迟副本)，该延迟副本的相对延迟等于上述延迟的负数。按照上面的第一个具体示例，二进制码01010000将导致延迟时间为1和3。任选地，任何恒定的附加延迟可以被均匀地添加到所有延迟副本(或从所有的延迟副本中均匀地减去)，并且匹配滤波器可以类似于上面的描述来应用。在该变型中，所得到的经滤波样本通常将相对于由上述示例产生的经滤波样本进行时间反转，并且可能在时间上偏移。
然而，S1421可以另外或可替代地包括以任何其他合适的方式确定卷积。
S142可以任选地包括校正一个或更多个信号以用于代码(例如，PB-LCC)之间的互相关S1422，优选地，该代码对应于不同的同时(或基本上同时)传输的光输出。要校正的信号优选地是在一个或更多个先前滤波步骤(诸如应用匹配滤波器(例如，如上面关于S1421所述))之后的样本，但是可以另外或可替代地包括接收到的样本和/或任何其他合适的信号。
在一个示例中，同时传输N个不同的光输出(例如，在S120中)，每个光输出对应于不同的代码(例如，不同的PB-LCC)，并且在N个代码中的每个代码上执行S1421，导致N个经滤波样本。N个代码中两个代码的每种组合对应于相应的互相关，表示为代码i和j的互相关Ci,j。对于与特定代码i(以及用代码i编码的特定光输出i)相关联的任何特定的经滤波样本i(表示为Si)，可以基于该特定代码与其他N-1个代码的互相关(例如，基于其部分，诸如在由PB-LCC定义的相位界限内的每个互相关的部分)和基于其他N-1个经滤波样本来执行校正。在一个示例中，校正经滤波样本1(在t1具有峰值，其对应于相移t1)可以包括，对于其它经滤波样本Sj中的每一个(在tj处具有峰值，其对应于相移tj)，其中j∈{2,……,N}(即经滤波样本2至N)：基于经滤波样本Sj(t)、相关联的互相关C1,j(τ)和它们之间相对相移Δt1,j＝tj-t1，确定经滤波样本S1中预期由用代码j编码的光信号产生的预期干扰I1,j，以及从经滤波样本Si减去该干扰I1,j；在一个示例中，干扰Ii,j(t)可以被计算为相移的经滤波样本Sj(t-Δti,j)与相关联的互相关Ci,j(Δti,j)的乘积(即，Ii,j(t)＝Sj(t-Δti,j)Ci,j(Δti,j))，但是可以另外或可替代地以任何其他合适的方式确定。因此，校正后的样本S1 ′可以基于公式计算。类似地，对于任何给定的值i∈{1,……,N}，以及相关联的经滤波样本Si，校正后的样本Si ′可以通过减去Ii,j计算出，对于每个j≠i：Si ′＝Si-∑j≠iIi,j。在替代变型中，可以仅基于其他经滤波样本的子集(例如，且因此仅基于互相关的子集)来执行校正。例如，如果两个代码之间的互相关在整个感兴趣范围(例如，由两个PB-LCC定义的相位界限)中是低的，则为了这些校正的目的，这些互相关可以被忽略(例如，被视为对于所有相位偏移这些互相关都等于零)，从而降低校正的计算要求。
优选地执行S1422以校正每个经滤波样本(但是可以可替代地仅对经滤波样本的子集执行)。每个经滤波样本优选地基于其他经滤波样本(例如，没有校正，或者已经经历了与当前正被校正的样本相同数量的校正迭代)进行校正。然而，在替代变型中，用于执行校正的一些或所有其他样本可能已经被校正(例如，已经经历了比当前正被校正的样本更多的校正)，和/或可替代地已经经历了比当前正被校正的样本更少的校正(例如，没有经历任何校正)。在第一示例中(例如，在校正经滤波样本1之后但在校正任何其他经滤波样本之前执行)，基于校正后的样本1和(未校正的)经滤波样本3至N来校正经滤波样本2： 在第二示例中(例如，在校正了除经滤波样本N之外的所有经滤波样本之后执行)，经滤波样本N基于校正后的样本1到N-1进行校正：/>
在一些实施例中，S1422可以(例如，迭代地)被执行多次，诸如以基于校正后的样本来确定进一步校正后的样本。例如，每个进一步校正后的样本S″i可以基于校正后的样本和互相关来确定为S″i(t)＝S′i(t)-∑j≠iS′j(t-Δti,j)Ci,j(Δti,j)，以此类推以进行附加的迭代。在具体示例中，执行S1422的两次迭代，并且进一步校正后的样本S″i在随后的方法要素(例如，下面描述的那些要素，诸如S143和/或S144)中被用作“经滤波样本”。
S142优选地生成经滤波样本，其是延迟时间的函数。经滤波样本通常是离散函数(例如，样本和/或输出信号仅包括在离散时间点的数据，计算是在延迟时间中的离散点进行的，等等)，但可以可替代地是连续函数和/或任何其他合适的函数。
S142可以任选地包括对该样本进行零填充(例如，其中一个或更多个零值点被插入到样本中，诸如在S130中确定的样本的每个观察点之间)。可以在执行滤波之前对样本进行零填充，和/或在滤波之后对经滤波样本进行零填充。
然而，S142可以另外或可替代地包括以任何其他合适的方式对样本进行滤波。
基于信号确定信息S143优选地用于检测环境中目标(例如，输出信号被反射离开的外部位置)的存在和/或不存在(和/或确定关于目标的信息，诸如距离、光学性质等)。S143优选地基于在S142中生成的经滤波样本(例如，在S1421中生成的经滤波样本、在S1422中生成的校正或进一步校正的样本等)执行，但可以另外或可替代地使用在S141中选择的所接收的样本和/或与信号(例如，所接收的信号)相关联的任何其他合适的信息执行。
S143可以任选地包括确定样本的本底噪声。可以基于S141中选择的样本、基于校准样本(其优选地在输出信号未发射时(例如，当没有输出信号发射时、当所有其他输出信号正被发射时等)收集)、基于任何其他合适的样本、(例如，基于典型条件)估计来确定本底噪声，和/或以任何其他合适的方式确定本底噪声。本底噪声可以基于(例如，等于)用于确定本底噪声的样本(例如，S141中选择的样本、校准样本等)的功率谱的测量值(例如，中位数、平均值、α-微调平均值、四分位数间平均值等)来确定。
S143优选地包括确定对应于数据的极值(例如，样本(优选地为经滤波样本)的最大值)的延迟时间。该延迟时间优选地使用一种或更多种插值技术确定(例如，其中确定的延迟时间对应于最大值的插值点)。此种插值可以具有几个好处，包括例如改善检测精度和/或使得能够实现CRLB估计。
例如，S143可以包括通过执行以下插值技术来确定插值延迟时间(interpolateddelay time)(例如，对应于插值数据的极值)：连续曲线插值(例如，抛物线插值、多项式插值(诸如使用阶数为2、3、4、5、6、7-10的多项式或任何其他合适阶数的多项式)、正弦函数插值、泰勒序列插值等)、基于离散傅里叶变换的插值(例如，对与数据的离散傅里叶变换相关联的频谱进行零填充、将零填充的频谱与插值内核(诸如正弦函数内核)卷积，并通过确定卷积的逆离散傅里叶变换生成插值的时域数据)，和/或任何其他合适的插值技术。插值优选地仅使用(或基本上仅使用)线性计算操作来执行，这可以实现快速计算，但可以另外或可替代地使用任何其他合适的操作来执行。延迟时间可以另外或可替代地使用一种或更多种回归技术来确定(例如，以确定连续曲线，诸如上面描述的关于插值的类型中的一种的曲线和/或任何其他合适类型的曲线，该曲线适合数据或其子集，诸如接近极值的子集)。
S143可以任选地包括应用延迟时间校正法(例如，在插值和/或回归之后)。例如，该方法可以包括基于以下关系来校正插值延迟时间：插值延迟时间与经校正的延迟时间之间的校正关系(例如，预先确定的关系，诸如在系统校准期间确定的、对所有此类系统固定的关系，等等)，诸如与分析曲线(例如，多项式，诸如2、3、4、5、6、7-10阶的多项式或任何其他合适阶数的多项式)相关联的关系和/或数值关系(例如，存储在查找表中)。
在一个示例中，通过使用三个数据点执行抛物线插值来确定插值延迟时间：极值数据点和两侧上与极值数据点相邻的点。在该示例的变型中，然后根据多项式校正关系(例如，与插值延迟时间的六阶多项式相关联)对插值延迟时间进行校正。
然而，S143可以可替代地包括在不进行插值的情况下确定延迟时间(例如，其中确定的延迟时间是对应于样本的最大值离散点的时间)，和/或以任何其他合适的方式确定延迟时间。在其中确定本底噪声的实施例中，如果确定的延迟时间对应于超过本底噪声的点(例如，大于本底噪声、与本底噪声成比例的值、大于超过阈值量等；考虑单个点、包括至少阈值数量的点的峰等)，则延迟时间可被认为代表回波(例如，检测事件)，而未超过本底噪声的点优选地不被认为代表回波。如果没有确定本底噪声，则如这里所述确定的任何延迟时间优选地被认为代表回波。
该延迟时间(例如，如果认为代表回波)对应于输出信号的传播时间(例如，从光发射器发射与在光检测器处接收之间的时间)。因此，延迟时间通常对应于到光束从其反射的外部位置的距离(例如，其中延迟时间等于距离的两倍除以信号传播速度(通常是光速))。
S143中确定的信息(例如，延迟时间和/或对应于每个回波的距离)优选地与以下信息相关联地存储：与检测到的目标相对于系统的取向(例如，光束方向)相关联的信息。例如，可以存储目标相对于系统的相对位置(例如，其中许多此类回波引起确定和/或存储代表系统周围环境的点云)，诸如存储为三维空间中的点(例如，其中空间的原点代表系统)。任选地，其他信息可以与该信息相关联地存储，诸如对应值(例如，原始和/或插值样本的对应值)、相位信息和/或任何其他合适的信息。
另外或可替代地，S143可以包括选择用于下游分析的数据(例如，并且不包括确定一个或多个特定延迟时间)。在一个实施例中，S143可以包括选择样本(例如，经滤波样本)的一个或更多个部分作为感兴趣的部分。例如，这些部分可以包括与样本中的一个或更多个最大值相对应的一个或更多个时间(例如，阈值时间窗口周围的时间，诸如位持续时间)。在该示例中，这些一个或更多个感兴趣的部分(其可以近似对应于可能已经如上所述被确定的延迟时间)可以被提供用于下游分析(例如，空间和/或时间滤波，诸如基于对应于环境中不同时间和/或位置的多个样本进行分析)，在下游分析中可以做出关于这些部分的确定(例如，针对噪声的真实回波的滤波、确定精确的回波定时等)。
然而，S143可以另外或可替代地包括以任何合适的方式确定任何其他合适的信息。
S140可以任选地包括确定附加信息S144。在一些实施例中，S144可用于检测单个样本中的多个极值(例如，对应于多个反射)。例如，S144可以使得能够识别“多次回波”事件(例如，其中光束入射在目标的边缘上，因此光束的第一部分被目标反射，而光束的第二部分继续在该目标上，可能被第二目标反射；其中光束入射在半透明目标上，因此光束部分地被目标反射并部分地透射通过目标，可能被第二目标反射；等等)。优选地，S144包括检测所有可辨别的感兴趣极值(例如，高于本底噪声的最大值)。
在一个实施例中，S144包括在执行S143之后，改变样本(例如，经滤波样本)以去除包括S143中确定的延迟时间的峰(例如，如图7所示)。在第一示例中，去除峰包括通过在所确定的延迟时间(其对应于最大值)的每侧上寻找最接近的局部最小值来选择峰，并改变那些最小值之间的所有数据(例如，将最小值之间的所有值设置为零、在最小值之间线性插值等)。在第二示例中，去除峰包括执行峰拟合程序以选择峰(例如，确定对应于峰的峰拟合函数)，然后从样本的对应点中减去峰拟合值(例如，峰拟合函数的值)。在第三示例中，去除峰包括通过在所确定的延迟时间的每侧(优选地包括在所确定的延迟时间处的点)上选择点的窗口(例如，预先确定数量的点、预先确定的延迟时间窗口等)来近似化峰选择，并改变窗口内的所有数据(例如，将最小值之间的所有值设置为零、在刚好在窗口两侧外的点之间线性插值等)。然而，可以另外或可替代地以任何其他合适的方式去除峰(和/或以其他方式减小、标记为被忽略等)。
在该实施例中，在去除峰之后，使用改变的样本重复S143(例如，其中S143的该重复可以确定第二延迟时间，对应于改变的样本的最大值)。去除峰并然后使用新改变的样本重复S143的过程优选地被重复，直到没有找到另外的回波(例如，超过本底噪声的所有峰已被去除)。
在第二实施例中，S144包括执行S143的修改版本，其中多个极值(例如，在经滤波样本中)和/或相关联的延迟时间基本上同时确定(例如，在单次通过经滤波样本期间全部确定)。在该实施例中，S144优选地代替S143执行，但可以另外或可替代地在S143之后和/或以任何其他合适的定时执行。在该实施例中，S144优选地包括搜索经滤波样本以寻找局部极值(优选地为最大值，但任选地为最小值)，其中存储前几个或顶部(例如，最大或最小值)的几个极值。在该实施例的示例中，指定特定数量的缓冲区用于存储与极值相关联的信息(例如，延迟时间、大小等)。在找到极值后，相关联信息被存储在空缓冲区中。在第一变型中，如果没有空缓冲区剩余，搜索极值终止(例如，并且S144完成)。在第二变型中，如果没有空缓冲区剩余，则将当前极值的数值与最没有意义(例如，对于最大值为最小数值)的存储极值进行比较；如果当前极值更有意义，则将其相关联数据存储在缓冲区中，替换与较没有意义的极值相关联的先前存储的信息。
然而，S144可以另外或可替代地包括以任何合适的方式确定任何其他合适的信息。
在多个信号同时和/或在时间上接近地输出的实施例中(例如，其中几个此类信号可以在S130中同时接收)，优选地针对每个此类输出信号执行S140(例如，如图5B所示)。例如(例如，其中所有信号的序列长度和符号率相等)，可以为所有此类输出信号选择单个样本(如上文关于S141所述)，然后可以使用同一样本，为每个此类输出信号执行(例如，独立地执行)S140的一些或全部剩余要素(例如，S142、S143、S144等)。因为不同的输出信号优选地具有高的相互正交性(例如，如上所述，诸如在相位界限内具有高相互正交性的一组PB-LCC)，因此，可以通过该方法使得能够实现不同输出信号之间的高度辨别(例如，其中与其他输出信号相关联的大部分噪声在S142中被滤除)。该方法的实施例可以另外或可替代地实现高的相互干扰抵抗性(例如，对来自其他源的噪声干扰的抗扰性，诸如来自其他激光雷达系统和/或任何其他合适的发射器的干扰)，特别是对于较长的序列长度，因为这些噪声源通常也将对激光雷达系统使用的输出信号具有合理的高正交性。
在一些示例中，S140如在2019年10月24日提交的且标题为“Lidar System andMethod of Operation”的美国专利申请16/663,142中所述那样来执行，该专利申请通过该引用以其全部内容并入本文，和/或S140的一个或更多个要素如在美国专利申请16/663,142中相关所述那样来执行(例如，其中S140的一个或更多个其他要素如上所述来执行)。然而，S140可以另外或可替代地以任何其他合适的方式执行。
4.5方法的重复要素。
方法100可以任选地包括重复上述要素中的一个或更多个。一个实施例包括执行S120和/或S130(例如，连续执行S120和S130，优选地基本上同时执行)，优选地与此同时重复S140和/或改变光束方向(例如，在环境周围扫描光束，诸如如上所述)。在该实施例中，在S130中接收到的全部或基本上全部信号优选地在S140的迭代中进行分析(例如，其中对于S140的每次迭代，使用所接收的信号的不同样本，优选地紧接着前一个样本的样本)。
在该实施例的一个变型中，S110的一些或全部要素可以任选地重复(例如，周期性地重复，诸如在阈值时间段、S140的阈值迭代次数、光束的阈值扫描次数等之后；零星地重复；响应于触发器重复；等等)，其中S120、S130和/或S140可以继续执行(例如，基于S110的最近迭代中确定的新序列)。在该变型的第一示例中，选择新的序列长度(例如，以改变性能指标中的一些或全部，诸如精度、侦测范围、分辨率、时延等)，诸如上文关于S111所述，此后基于新序列长度执行S112。在第二示例中，使用与之前相同的序列长度选择新序列(或多个序列)(例如，具有不同的相位界限)(例如，如上文关于S112所述)。如果怀疑序列正交性(例如，对外部噪声源，诸如来自其他激光雷达系统的噪声的正交性)是差的(例如，如果信号辨别性能是差的)，则可以任选地执行该第二示例。例如，如果另一个附近的激光雷达系统(例如，其安装到在当前激光雷达系统附近操作的车辆)正在使用与当前激光雷达系统的目前输出信号中的一个或更多个类似(例如，与该目前输出信号中的一个或更多个不够正交)的一个或更多个输出信号，则该方法可能无法实现对该干扰源的足够抗扰性。因此，通过改变序列，可以实现更大的相互干扰抵抗性。在变型中，如果相位界限小于期望(例如，导致不期望的范围限制)和/或如果相位界限大于期望(例如，导致低抑制比，诸如其中高强度回波信号不能从低强度回波信号中被充分滤除，导致潜在的错误检测事件)，则可以另外或可替代地执行第二示例。该第二示例可以另外或可替代地周期性地、零星地和/或以任何其他合适的定时(例如，改变操作以诊断系统是否按期望操作)，和/或为任何其他合适的原因而执行。
然而，方法100可以另外或可替代地包括以任何其他合适的定时重复任何其他合适的要素。
虽然为简明起见而被省略，但是优选实施例包括各种系统部件和各种方法过程的每种组合和排列。此外，优选方法的各个过程可以至少部分地作为机器被体现或实现，该机器被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质。该指令优选地由优选地与系统集成的计算机可执行部件执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪存存储器、EEPROM、光学装置(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的装置。计算机可执行部件优选地是通用或专用处理子系统，但是任何合适的专用硬件装置或硬件/固件组合装置可以另外或可替代地执行指令。
附图示出了根据优选实施例、示例配置及其变型的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以代表模块、区段、步骤或代码的部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应注意，在一些可替代实现方式中，块中指出的功能可以不按附图中指出的顺序出现。例如，连续示出的两个块事实上可以基本上同时执行，或者块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图说明的每个块，以及框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由执行指定功能或行为的基于专用硬件的系统，或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
如本领域技术人员将从前面的详细描述并且从附图和权利要求认识到的，在不脱离所附权利要求中定义的本发明的范围的情况下，可以对本发明的优选实施例进行修改和改变。

Claims (21)

1.一种用于环境映射的方法，包括：
选择一组相位有界低互相关码(PB-LCC)，所述一组PB-LCC包括第一PB-LCC和第二PB-LCC，其中，所述一组PB-LCC定义相位界限；
生成代表第一输出信号的第一光输出，包括基于所述第一PB-LCC调制第一基本连续波的载波信号；
生成代表第二输出信号的第二光输出，包括基于所述第二PB-LCC调制第二基本连续波的载波信号；
在整个时间段内，将所述第一光输出和所述第二光输出同时传输到环境中；
在光学传感器处，接收回波信号，所述回波信号包括：
所述第一光输出的来自所述环境内的第一目标的第一反射；以及
所述第二光输出的来自所述环境内的第二目标的第二反射；
通过选择所述回波信号的连续时间窗口，来确定样本；
生成第一经滤波样本，包括基于所述第一PB-LCC对所述样本进行滤波；
确定与所述第一经滤波样本相关联的第一相位延迟，其中，所述第一相位延迟在所述相位界限内；
基于所述第一相位延迟，确定所述第一目标的相对位置；
生成第二经滤波样本，包括基于所述第二PB-LCC对所述样本进行滤波；
确定与所述第二经滤波样本相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述第二目标的相对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
生成代表第三输出信号的第三光输出，包括基于所述一组PB-LCC中的第三PB-LCC调制第三基本连续波的载波信号；
在整个所述时间段内，与将所述第一光输出和所述第二光输出传输到所述环境中同时地，将所述第三光输出传输到所述环境中；
生成第三经滤波样本，包括基于所述第三PB-LCC对所述样本进行滤波；
确定与所述第三经滤波样本相关联的第三延迟时间；以及
基于所述第三延迟时间，确定第三目标在所述环境内的相对位置；其中，所述回波信号还包括所述第三光输出的来自所述第三目标的第三反射。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
生成代表第四输出信号的第四光输出，包括基于所述一组PB-LCC中的第四PB-LCC调制第四基本连续波的载波信号；
在整个所述时间段内，与将所述第一光输出、所述第二光输出和所述第三光输出传输到所述环境中同时地，将所述第四光输出传输到所述环境中；
生成第四经滤波样本，包括基于所述第四PB-LCC对所述样本进行滤波；
确定与所述第四经滤波样本相关联的第四延迟时间；以及
基于所述第四延迟时间，确定第四目标在所述环境内的相对位置；其中，所述回波信号还包括所述第四光输出的来自所述第四目标的第四反射。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一组PB-LCC定义一组成对互相关，所述方法还包括：
基于所述一组成对互相关以及所述第二经滤波样本、所述第三经滤波样本和所述第四经滤波样本，针对与所述第二反射、所述第三反射和所述第四反射相关联的干扰校正所述第一经滤波样本；
基于所述一组成对互相关以及所述第一经滤波样本、所述第三经滤波样本和所述第四经滤波样本，针对与所述第一反射、所述第三反射和所述第四反射相关联的干扰校正所述第二经滤波样本；
基于所述一组成对互相关以及所述第一经滤波样本、所述第二经滤波样本和所述第四经滤波样本，针对与所述第一反射、所述第二反射和所述第四反射相关联的干扰校正所述第三经滤波样本；以及
基于所述一组成对互相关以及所述第一经滤波样本、所述第二经滤波样本和所述第三经滤波样本，针对与所述第一反射、所述第二反射和所述第三反射相关联的干扰校正所述第四经滤波样本。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一PB-LCC和所述第二PB-LCC定义互相关，所述方法还包括：
基于所述互相关和所述第二经滤波样本，针对与所述第二反射相关联的干扰校正所述第一经滤波样本；以及
基于所述互相关和所述第一经滤波样本，针对与所述第一反射相关联的干扰校正所述第二经滤波样本。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
基于所述互相关和所校正的第二经滤波样本，针对与所述第二反射相关联的干扰进一步校正所校正的第一经滤波样本；以及
基于所述互相关和所校正的第一经滤波样本，针对与所述第一反射相关联的干扰进一步校正所校正的第二经滤波样本。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一PB-LCC对所述样本进行滤波包括将与所述第一PB-LCC相关联的匹配滤波器应用于所述样本。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在频域中执行应用所述匹配滤波器。
9.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述第一PB-LCC是二进制码；以及
在时域中执行应用所述匹配滤波器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述匹配滤波器应用于信号包括：
基于一组延迟时间生成所述信号的一组延迟副本，包括对于所述一组延迟时间中的每个延迟时间，基于所述延迟时间生成所述一组延迟副本中的相应延迟副本，其中，所述一组延迟时间指示所述第一PB-LCC；以及
确定所述一组中的所述延迟副本的和。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光输出基本上是周期性的，以及所述第二光输出基本上是周期性的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
将所述第一光输出和所述第二光输出同时传输到所述环境中包括在整个所述时间段内基本上连续地传输所述第一光输出和所述第二光输出；以及
在所述时间段期间，在所述光学传感器处接收所述回波信号。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一PB-LCC调制所述第一基本连续波的载波信号包括执行光频率调制。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一PB-LCC调制所述第一基本连续波的载波信号包括执行振幅调制。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一相位延迟包括：
确定所述第一经滤波样本的极值；以及
基于所述极值，确定所述相位延迟。
16.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一光输出由第一激光器传输到所述环境中；以及
所述第二光输出由第二激光器传输到所述环境中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光学传感器包括光电二极管，其中，接收所述回波信号包括在所述光电二极管处同时接收所述第一反射和所述第二反射。
18.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一光输出沿第一方向传输到所述环境中；以及
所述第二光输出沿不同于所述第一方向的第二方向传输到所述环境中。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括在选择所述一组PB-LCC之前，选择序列长度，其中，一组中的每个PB-LCC的长度等于所述序列长度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述序列长度是基于第一组期望性能指标来选择的，所述第一组期望性能指标包括精度、侦测范围、分辨率或时延中的至少一个，所述方法还包括：
基于所述回波信号，选择与所述序列长度不同的第二序列长度；
选择第二组PB-LCC，所述第二组PB-LCC包括第三PB-LCC和第四PB-LCC，其中，所述第二组中的每个PB-LCC的长度等于所述第二序列长度；
生成代表第三输出信号的第三光输出，包括基于所述第三PB-LCC调制第三基本连续波的载波信号；
生成代表第四输出信号的第四光输出，包括基于所述第四PB-LCC调制第四基本连续波的载波信号；
在所述时间段之后的整个第二时间段内，将所述第三光输出和所述第四光输出同时传输到环境中；
在所述光学传感器处，接收第二回波信号，所述第二回波信号包括所述第一光输出或所述第二光输出中的至少一个的反射；
通过选择所述第二回波信号的连续时间窗口来确定第二样本；
生成第三经滤波样本，包括基于所述第三PB-LCC对所述第二样本进行滤波；以及
生成第四经滤波样本，包括基于所述第四PB-LCC对所述第二样本进行滤波。
21.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一PB-LCC包括第一子序列和第二子序列；
从所述回波信号的与所述第一子序列相关联的第一部分中选择所述样本；以及
基于所述第一PB-LCC对所述样本进行滤波包括：
通过从所述回波信号的第二部分选择第二连续时间窗口来确定第二样本，所述第二部分与所述第二子序列相关联；
组合所述第一样本和所述第二样本以生成组合样本；以及
将与所述第一PB-LCC相关联的匹配滤波器应用于所述组合样本。
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