CN106125067B - 阵列激光雷达系统中的伪随机序列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阵列激光雷达系统中的伪随机序列，公开了一种采用阵列激光雷达系统执行测距和探测的方法，并且所述阵列激光雷达系统包括第一照明器以发射第一伪随机二进制脉冲序列，所述第一伪随机脉冲序列产生第一反射；和第二照明器以发射第二伪随机脉冲序列，所述第二伪随机脉冲序列与所述第一伪随机脉冲序列的发射至少部分地同时发射，所述第二伪随机脉冲序列产生第二反射。接收器接收所述第一反射和所述第二反射，并且基于将所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列相关的结果和将所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列相关的结果将所述第一反射与所述第一照明器相关联，所述接收器包括光探测器阵列和处理器。

Description

阵列激光雷达系统中的伪随机序列
相关申请的交叉引用
本申请是于2015年5月7日提交的美国临时申请No. 62/158,281的非临时申请，其公开的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本主题发明涉及阵列激光雷达系统中的伪随机序列。
背景技术
激光雷达（其可被称为光雷达或激光阵列光探测和测距），通常指代向物体发射光并且接收和处理所产生的反射。可在激光雷达系统中使用照明器的阵列，以获得来自相比于采用单个照明器可能实现的视场更加宽广的视场的反射。尽管可以依次使用阵列激光雷达的照明器，但阵列的同时发射可以产生不易在接收器处分辨（resolve）的反射。因此，希望提供有助于同时发射和简化所接收的反射的处理的阵列激光雷达系统。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，一种阵列激光雷达系统包括第一照明器，其构造成发射第一伪随机二进制脉冲序列，所述第一伪随机脉冲序列产生第一反射；第二照明器，其构造成发射第二伪随机脉冲序列，所述第二伪随机脉冲序列与所述第一伪随机脉冲序列的发射至少部分地同时发射，所述第二伪随机脉冲序列产生第二反射；以及接收器，其构造成接收所述第一反射和所述第二反射，并且基于使所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列相关的结果和使所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列相关的结果将所述第一反射与第一照明器相关联，所述接收器包括光探测器阵列和处理器。
根据另一示例性实施例，一种采用阵列激光雷达系统执行测距和探测的方法包括使用第一照明器发射第一伪随机二进制脉冲序列（PRBS）；使用第二照明器发射第二PRBS，发射所述第一PRBS与发射所述第二PRBS是至少部分同时的；接收由发射所述第一PRBS产生的第一反射；接收由发射所述第二PRBS产生的第二反射；以及基于使所述第一反射与所述第一PRBS相关的结果和使所述第一反射与所述第二PRBS相关的结果来将所述第一反射与所述第一照明器相关联。
本发明还包括以下方案：
方案1.一种阵列激光雷达系统，包括：
第一照明器，其构造成发射第一伪随机二进制脉冲序列，所述第一伪随机脉冲序列产生第一反射；
第二照明器，其构造成发射第二伪随机脉冲序列，所述第二伪随机脉冲序列与所述第一伪随机脉冲序列的发射至少部分地同时发射，所述第二伪随机脉冲序列产生第二反射；以及
接收器，其构造成接收所述第一反射和所述第二反射，并且基于将所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列相关的结果和将所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列相关的结果将所述第一反射与所述第一照明器相关联，所述接收器包括光探测器阵列和处理器。
方案2. 如方案1所述的系统，其中，所述第一伪随机二进制脉冲序列的长度与所述第二伪随机二进制脉冲序列的长度不同。
方案3. 如方案1所述的系统，其中，所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列的相关产生峰，所述峰高于由所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列的相关产生的峰。
方案4. 如方案1所述的系统，其中，所述第二伪随机脉冲序列是所述第一伪随机脉冲序列的时间移位形式。
方案5. 如方案1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列的频率与所述第二伪随机脉冲序列的频率不同。
方案6. 如方案1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列与所述第二伪随机脉冲序列在区域中的重叠产生第三伪随机脉冲序列，所述第三伪随机脉冲序列引起从所述区域的反射。
方案7. 如方案6所述的系统，其中，所述接收器接收来自所述区域的由所述第三伪随机脉冲序列产生的第三反射并且通过使用所述第三伪随机脉冲序列执行相关。
方案8. 如方案1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列和所述第二伪随机脉冲序列不同于由第二阵列激光雷达系统同时发射的伪随机脉冲序列。
方案9. 如方案1所述的系统，其中，基于处理所述第一反射改变由所述第一照明器发射的后续伪随机二进制脉冲序列的功率或长度。
方案10. 如方案1所述的系统，其中，基于所述第一照明器发射一系列所述第一伪随机二进制脉冲序列，将由所述系列产生的反射与所述系列的聚合相关。
方案11. 如方案1所述的系统，其中，基于所述第一照明器发射一系列所述第一伪随机二进制脉冲序列，将由所述系列产生的反射平均并且与第一伪随机二进制脉冲序列相关。
方案12. 一种采用阵列激光雷达系统执行测距和探测的方法，所述方法包括：
使用第一照明器发射第一伪随机二进制脉冲序列（PRBS）；
使用第二照明器发射第二PRBS，发射所述第一PRBS与发射所述第二PRBS是至少部分同时的；
接收由发射所述第一PRBS产生的第一反射；
接收由发射所述第二PRBS产生的第二反射；以及
基于将所述第一反射与所述第一PRBS相关的结果和将所述第一反射与所述第二PRBS相关的结果，将所述第一反射与所述第一照明器相关联。
方案13. 如方案11所述的方法，其中，将所述第一反射与所述第一照明器相关联包括确定将所述第一反射与所述第一PRBS相关的结果的振幅大于将所述第一反射与所述第二PRBS相关的结果的振幅。
方案14. 如方案11所述的方法，还包括基于处理所述第一反射调节由所述第一照明器发射的后续PRBS的功率或长度。
方案15. 如方案11所述的方法，还包括使用所述第一照明器发射一系列所述第一PRBS。
方案16. 如方案15所述的方法，还包括将由所述系列产生的反射与所述系列的聚合相关。
方案17. 如方案15所述的方法，还包括平均从所述系列产生的反射以获得平均并且将所述平均与所述第一PRBS相关。
附图说明
其他特征、优势以及细节仅以示例方式显示于实施例的以下详细描述中，详细描述参考附图，附图中：
图1是根据实施例的阵列激光雷达系统的框图；
图2是根据实施例的用于示例性阵列激光雷达的示例性发射方案；
图3示出根据实施例的示例性伪随机二进制序列（PRBS）和所产生的自相关结果；
图4示出根据实施例的由阵列激光雷达系统的发射器部段和接收器部段执行的进程；以及
图5示出根据实施例的阵列激光雷达系统的示例性发射。
具体实施方式
如上文指出的，激光雷达系统用于探测和测距。激光雷达系统在诸如滑坡调查、考古学、油气勘探、气象学以及在机动车应用中的导航（例如，障碍物探测）的领域中具有多种多样的应用。如也指出的那样，从阵列的多个照明器同时发射光产生多个反射，其必须被分辩以消除模糊性和获得有意义的信息。现有阵列激光雷达系统已通过在时分多址（TDMA）方案中依次从阵列的每一个照明器发射避免了反射之间的干涉。本文所讨论的系统和方法的实施例涉及采用阵列激光雷达的两个或更多个照明器同时发射脉冲序列，其有助于与每个照明器相关联的反射在接收器侧上的分辨和鉴别（differentiation）。具体地，来自每个照明器的发射是成序列的（开、关和脉冲持续时间的特定模式）。选择由每个照明器发射的序列以使其不同于由阵列激光雷达中的任何其他照明器发射的序列。进一步地，由阵列激光雷达中的任何照明器发射的每个序列是伪随机序列（例如，伪随机二进制序列PRBS），使得所接收的反射与并非对应的发射序列的序列的相关将产生低（靠近零）峰，并且自相关（所接收的反射与对应的发射序列的相关）将产生高（靠近一）峰。这样，可基于执行与发射序列的相关在接收器侧分辨产生的反射。尽管激光器阵列在本文中作为示例性阵列激光雷达被具体地讨论，但是所讨论的实施例不旨在限制于激光器并且也应用于其他照明器（例如，发光二极管（LED））。
图1是根据实施例的示例性阵列激光雷达系统100的框图。阵列激光雷达110指的是成阵列的两个或更多个激光器111的布置，成阵列的布置使得激光器111的发射构成视场135。图1中所示的示例性阵列激光雷达系统110包括每行五个激光器的两行激光器111a至111e和111f至111j。图示来自阵列激光雷达110的发射的透视俯视图示出了一行激光器111产生的五条激光光束126。图1中示出的示例性阵列激光雷达系统100包括半透性镜115，其使来自阵列激光雷达110的每个激光器111的光集中通过透镜125。透镜125使由每个激光器111发射的激光光束分散遍及视场135。光学探测器阵列120接收由阵列激光雷达110的发射产生的反射127。控制器或者处理系统130可以包括一个或多个处理器131和一个或多个存储器装置132以及其他公知部件，以便控制阵列激光雷达110的激光器111中的每一个的发射以及由光学探测器阵列120对所接收到的反射127的处理。在替代性实施例中，对所接收到的反射127的处理可以由与控制阵列激光雷达110的处理系统130通信的另一处理系统130完成。
如下文进一步讨论的，阵列激光雷达110中的激光器111中的每个发射包括脉冲序列的激光束126。如图1示出的，阵列激光雷达110可用于以方位角112和仰角113两者扫描视场135。进一步地，由每个激光器111发射的每个脉冲序列与距视场135中的目标的距离相关联。因此，阵列激光雷达110提供三维图像，其中由激光器111发射的每个脉冲产生的每个反射127可被视为图像中的像素。因此，通过增加阵列激光雷达110中激光器111的数量或根据替代性实施例通过共同使用两个或多个阵列激光雷达110可以增加阵列激光雷达系统100的空间分辨率。根据实施例，当使用相同数量的激光器111时，通过采用相邻激光器111发射两个序列（例如，PRBS 220，图2，这两个序列产生在该两个序列的重叠区域中的第三序列）也可以增加阵列激光雷达系统100的空间分辨率。通过将所接收的反射127与第三序列以及与由激光器111发射的两个序列相关联，可以识别从两个激光器111的照明区域之间的区域（两个相邻激光器111的重叠照明区域）接收的反射127，从而增加空间分辨率。因此，通过控制每个激光器111的发射（例如，脉冲持续时间、脉冲频率）可以控制采用阵列激光雷达110获得的图像的分辨率。
图2是用于根据实施例的示例性阵列激光雷达110的示例性发射方案。示例性阵列激光雷达110包括八个激光器111。阵列激光雷达110的每个激光器111例如可以是垂直腔面发射激光器（VCSEL）210的阵列。VCSEL 210例如是一种类型的半导体激光二极管，其中对于边缘发射半导体激光器而言，激光束126从顶表面垂直而不是处于面内。示例性阵列激光雷达110包括八个激光器111（VCSEL 210）。示出时间220中每个VCSEL 210的发射。如示出的，每个VCSEL 210发射出按时从阵列激光雷达110中的所有其他（every other）VCSEL 210的发射移位的伪随机二进制序列（PRBS）220。阵列激光雷达110内的每个激光器111的时间移位是不同的，并且每个时间移位长于探测距离以确保模糊性分离。
如在图2中指示的，重复PRBS 220使得对于阵列激光雷达110中的所有激光器111而言发射是连续并且同时的。在替代性实施例中，发射之间可实施休止时段（例如参见图5）。这样的休止时段例如可减少由阵列激光雷达110生成的热。每个序列（每个PRBS 220重复）的持续时间是扫描周期240。示例性扫描周期240可以例如少于40毫秒（msec）。在图2示出的示例性实施例中，阵列激光雷达110的每个激光器111发射相同的PRBS 220。在替代性实施例中，由每个激光器111发射的每个PRBS 220可以是不同的（而不是时间移位的相同PRBS 220）或可以具有不同频率。在其他实施例中，由阵列激光雷达110的不同激光器111a至111d发射的PRBS 220可以具有不同长度（例如参见图5）。在图2中，例如，取代发射相同长度的PRBS 220，激光器111-1可发射100微秒（ms）的序列，同时激光器111-2发射150 ms的序列。出于功率管理的目的可以减少后续序列的长度，或可以增加后续序列的长度以增加距离分辨率。根据本文的实施例，从同时发射产生的反射127以直接方式被分辨，因为PRBS220是时间移位的或不同的PRBS 220是共同发射的。这是因为，通过限定，任何PRBS是自相关函数仅具有两个值的二进制序列。如下文进一步讨论的，根据本文的实施例的系统及方法利用该特征以分辨由一个激光器111发射PRBS 220产生的反射127和另一个激光器111发射不同的或时间位移形式的PRBS 220产生的反射127。当使用多于一个阵列激光雷达110时，每个阵列激光雷达110可以发射不同的PRBS 220（或每个阵列激光雷达110的每个激光器111可以发射不同的PRBS 220）。
图3示出根据实施例的示例性PRBS 220和所产生的自相关结果320。随时间230示出PRBS 220并且振幅305在垂直轴线上表明。PRBS 220的持续时间t限定距离R的分辨率。最大距离由以下给出：
[等式1]
在给定光速c为3*108米/秒（m/s）的情况下，等式1简化为：
[等式2]
即，根据等式2，以毫微秒t ns 为单位的持续时间t给出以米（m）为单位的距离。因此，例如，当序列的持续时间t是0.5微秒时，根据等式2，可探测到的目标的最大距离是75 m。在图3中也示出自相关结果310。将在光探测器阵列120的每个探测器处接收的信号与由阵列激光雷达110的任何激光器111发射的每个PRBS 220相关。当从PRBS 220的发射产生的反射127与（正确的）PRBS 220（即，产生反射127的PRBS 220）相关时，获得自相关结果310。该自相关结果310与光探测器阵列120的探测器中的一个相关联。与光探测器阵列120的相同探测器相关联的另一自相关结果320在图3中示出。该自相关结果320可与由另一个激光器111发射的PRBS 220（晚于产生自相关结果310的PRBS 220的发射的时间）产生的反射127的自相关相关联。
图4示出根据实施例的由阵列激光雷达系统100的发射器部段410和接收器部段420执行的进程。发射器部段410和接收器部段420的功能可由使用处理器131和存储装置132的一个或多个处理系统130执行。即，控制阵列激光雷达110和光探测器阵列120的一个或多个处理系统130可以被单独使用或以已知分布方式与其他处理系统300通信。因此，如图4中的功能的集合不旨在限制可用于实施功能的硬件、软件以及固件。根据下文讨论的各种实施例，可单独地或共同地处理由光探测器阵列120的每个探测器接收的反射127。
在框411处，生成伪随机序列涉及生成例如如图2所示的PRBS 220。根据替代性实施例，其中不同的PRBS 220由每个激光器111发射而不是相同的PRBS 220的时间延迟形式，框411处的进程包括生成两个或多个不同的PRBS 220。当多于一个的阵列激光雷达系统100共享处理器（130）时，与每个阵列激光雷达系统100相关联的阵列激光雷达110可以发射不同的PRBS 220。在框412处生成脉冲群涉及选择扫描周期240。在框413处实施延迟线和多路分离器指代供应到阵列激光雷达110的每个激光器111的每一组脉冲群具有与PRBS 220相关联的不同延迟。在框414处，完成多路分离以便有利于向（一个或多个阵列激光雷达系统100的）阵列激光雷达110的不同激光器111提供每个不同地延迟的PRBS 220。如图4所指示的，将脉冲群（在框412处生成的）和延迟信息（来自框413）提供到接收器部段420，如下文进一步讨论的。来自阵列激光雷达110的每个激光器111的脉冲群的发射从目标430反射。
在框421处，接收反射127包括使用光探测器阵列120。如先前指出的，例如，针对接收器部段420所指示的进程可以针对所有所接收的反射127共同地完成，或可以被分配并且与每个阵列激光雷达系统100的每个光探测器阵列120的每个探测器相关联。在框422处，将反射127与每个时间移位的脉冲群（220）（与激光器111发射的每个相关联）相关有利于在框423处探测目标和将目标分类。反射127将基于由激光器111发射的PRBS 220与最大（自相关）的反射127之间的相关与给定激光器111发射相关联。在框424处，提取所探测目标的位置涉及使用与最大相关（框422处）的脉冲群相关联的时间移位，因为时间移位对应于到目标的距离。在框425处，提供在先前执行的进程中获得的信息包括将信息提供到安装有阵列激光雷达系统100的平台（例如车辆）的中央控制器或处理器，或结合来自光探测器阵列120的所有探测器的接收的信息。中央处理器可将来自光探测器阵列120的不同探测器的信息与来自其他传感器（例如雷达、摄像机）的信息聚合（aggregated）或合成，以做出与平台相关的决策（例如防撞）。可联接与光探测器阵列120的每个探测器相关联的接收器部段420，使得上述处理在接收的反射127的结合上完成。如由图4指示的，从光探测器阵列120获得的信息可用于控制阵列激光雷达110。
如上文指出的，可以在由光探测器阵列120的不同探测器接收的反射127的结合上完成接收器部段420的处理。此外，在框425处，通过处理一个或多个反射127获得的信息可用于控制后续发射。例如，基于自相关结果（310、320）的振幅305，可以增加或减少由对应激光器111发射的下一个PRBS 220的功率。基于自相关结果（310、320）也可以使PRBS 220更长或更短。随着脉冲持续时间下降，距离精确性增加。因此，一旦以小于由当前PRBS 220的持续时间促进的最大距离的给定距离识别出目标430，那么就可以减小持续时间以增加该目标430的距离精确性。当由两个或多个激光器111发射相同的更短PRBS 220时，可在接收器侧420平均或合计反射127。基于短PRBS 220聚合接收的反射127可产生与一组发射的PRBS220的长期相关。
图5示出根据实施例的阵列激光雷达系统100的示例性发射。示出与四个激光器111a、111b、111c以及111d相关联的发射。与激光器111a相关联的每个PRBS 220a相对较短，并且在相继的PRBS 220之间插入休止时段。可根据若干个实施例中的一个处理光探测器阵列120的每个探测器处产生的反射127。根据一个示例性实施例，可在一组聚合的PRBS 220a和一组反射127之间执行相关。根据另一实施例，可以平均反射127并且将其与一个PRBS220相关。在又一实施例中，在每个休止时段之后可不发射相同的PRBS 220a。
如图5指示的，激光器111b和111c同时发射。这样，在PRBS 220b和PRBS 220c重叠的区域中，反射第三PRBS（其是PRBS 220b和PRBS 220c）的结合。因此，接收到的反射127的相关必须也包括与第三PRBS的相关，以便区分由重叠产生的反射127与由PRBS 220b或PRBS220c中的任一者单独产生的反射127。如图5还指示的，由激光器111d发射的序列的长度被减小。根据示例性实施例，从PRBS 220d-1的发射产生的反射127的处理可指示自相关结果超过阈值振幅。在该情况下，激光器111d的后续发射可以具有更短的持续时间（PRBS 220d-2）。在替代性实施例中，相对的情况可以是真实的。基于接收到的反射127落在阈值信噪比（SNR）之下，可增加后续发射的序列的长度。
尽管已参考示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且等价物可以替代其元件。此外，可以做出许多修改以使具体情形或材料适应于本发明的教导而不偏离其本质范围。因此，目的在于本发明不限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在本申请的范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种阵列激光雷达系统，包括：
第一照明器，其构造成发射第一伪随机脉冲序列，所述第一伪随机脉冲序列产生第一反射；
第二照明器，其构造成发射第二伪随机脉冲序列，所述第二伪随机脉冲序列与所述第一伪随机脉冲序列的发射至少部分地同时发射，所述第二伪随机脉冲序列产生第二反射；
其中，所述第一伪随机脉冲序列和所述第二伪随机脉冲序列分别照射视场中的目标并产生相关反射；
其中，所述第一伪随机脉冲序列和所述第二伪随机脉冲序列能够是其间存在时间位移的相同脉冲序列；以及
接收器，其构造成接收所述第一反射和所述第二反射，并且基于将所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列相关的结果和将所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列相关的结果将所述第一反射与所述第一照明器相关联，所述接收器包括光探测器阵列和处理器。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列的长度与所述第二伪随机脉冲序列的长度不同。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一反射与所述第一伪随机脉冲序列的相关产生峰，所述峰高于由所述第一反射与所述第二伪随机脉冲序列的相关产生的峰。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二伪随机脉冲序列是所述第一伪随机脉冲序列的时间移位形式。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列的频率与所述第二伪随机脉冲序列的频率不同。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列与所述第二伪随机脉冲序列在区域中的重叠产生第三伪随机脉冲序列，所述第三伪随机脉冲序列引起从所述区域的反射。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述接收器接收来自所述区域的由所述第三伪随机脉冲序列产生的第三反射并且通过使用所述第三伪随机脉冲序列执行相关。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一伪随机脉冲序列和所述第二伪随机脉冲序列不同于由第二阵列激光雷达系统同时发射的伪随机脉冲序列。
9.如权利要求1所述的系统，其中，基于处理所述第一反射改变由所述第一照明器发射的后续伪随机脉冲序列的功率或长度。
10.如权利要求1所述的系统，其中，基于所述第一照明器发射一系列所述第一伪随机脉冲序列，将由所述系列产生的反射与所述系列的聚合相关。
11.如权利要求1所述的系统，其中，基于所述第一照明器发射一系列所述第一伪随机脉冲序列，将由所述系列产生的反射平均并且与第一伪随机脉冲序列相关。
12.一种采用阵列激光雷达系统执行测距和探测的方法，所述方法包括：
使用第一照明器发射第一伪随机二进制脉冲序列（PRBS）；
使用第二照明器发射第二PRBS，发射所述第一PRBS与发射所述第二PRBS是至少部分同时的；
接收由发射所述第一PRBS产生的第一反射；
接收由发射所述第二PRBS产生的第二反射；以及
基于将所述第一反射与所述第一PRBS相关的结果和将所述第一反射与所述第二PRBS相关的结果，将所述第一反射与所述第一照明器相关联；
其中，所述第一PRBS和所述第二PRBS分别照射视场中的目标并产生相关反射；
其中，所述第一PRBS和所述第二PRBS能够是其间存在时间位移的相同脉冲序列。
13.如权利要求12所述的方法，其中，将所述第一反射与所述第一照明器相关联包括确定将所述第一反射与所述第一PRBS相关的结果的振幅大于将所述第一反射与所述第二PRBS相关的结果的振幅。
14.如权利要求12所述的方法，还包括基于处理所述第一反射调节由所述第一照明器发射的后续PRBS的功率或长度。
15.如权利要求12所述的方法，还包括使用所述第一照明器发射一系列所述第一PRBS。
16.如权利要求15所述的方法，还包括将由所述系列产生的反射与所述系列的聚合相关。
17.如权利要求15所述的方法，还包括平均从所述系列产生的反射以获得平均并且将所述平均与所述第一PRBS相关。
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