CN107436441A - 混合闪光激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

用于测定至视角中设置的目标对象的距离的改善的闪光光检测和测距(本文也称为"闪光LIDAR")系统和方法。闪光LIDAR系统可包括照明器阵列、光检测器阵列和信号处理器/控制器、以及具有这样的视角，其中可设置目标对象。闪光LIDAR系统可以有效地将视角分成多个分段，并且照明器阵列中的每个照明器可以对应于视角的特定分段。闪光LIDAR系统还可以有效地将光检测器阵列分为多个亚组的光检测器。像照明器阵列中的各照明器一样，光检测器阵列中的光检测器的每个亚组可以对应于视角的特定分段。

Description

混合闪光激光雷达系统
技术领域
本申请通常涉及闪光LIDAR系统和方法，更具体地涉及闪光LIDAR系统和方法，其利用分段的视角，并可以在照明时间和/或照明方向上使用随机化在分段中扫描视角。
背景技术
闪光光检测和测距(本文中也称为“闪光LIDAR”)系统和方法是已知的，其采用照明源将脉冲光束引向视角内的目标对象，以及光检测器阵列以接收从目标对象反射的光。对于引向目标对象的每个脉冲光束，光检测器阵列可以接收对应于数据帧的反射光。此外，使用一个或多个数据帧，可以通过确定照射源在脉冲光束的传输和光检测器的反射光的接收之间经过的时间来获得与目标对象的测距或距离。这种闪光LIDAR系统和方法已被广泛应用于汽车、工业和军事领域。
常规闪光LIDAR系统可包括照射源、光检测器阵列和控制器。照射源可以包括单个照明器(例如激光器)或照明器阵列，并且光检测器阵列可以包括像素接收器元件阵列(例如光电二极管)。在典型的操作模式中，控制器可以操作照射源以产生一个或多个脉冲光束，并且在一个或多个方向上引导脉冲光束以照亮其中设置目标对象的视角。例如，控制器可以通过移动照明器或照明器阵列来引导脉冲光束。或者，闪光LIDAR系统可以包括可移动镜，并且控制器可以移动镜子以光栅扫描方式跨越视角扫描由照明器产生的脉冲光束。或者闪光LIDAR系统可被构造为包括多个线性布置的照明器/光检测器对，并且控制器可以将照明器/光检测器对布置旋转高达360度，以便照亮视场并接收从目标对象反射的光。在照射视角并接收反射光的同时，闪光LIDAR系统可以获得由照射源产生的每个脉冲光束的数据帧，并且使用数据帧确定与目标对象的距离有关的范围信息。
发明内容
依照本申请，公开改善的闪光光检测和测距(本文也称为"闪光LIDAR")系统和方法以测定至设置在视角中的目标对象的距离。在一个方面，闪光LIDAR系统可包括照明器阵列、光检测器阵列、信号处理器/控制器、以及其中可设置目标对象的视角。闪光LIDAR系统可有效地将视角分为多个分段，并且可使用照明器阵列中的各自照明器利用一个或多个脉冲的光束依次照射视角的各分段。照明器阵列中的各照明器可对应视角的特定分段，并且可用于在信号处理器/控制器的控制下选择性照射视角的其相应分段。信号处理器/控制器可以控制照明器阵列中的各自照明器，以在照射时间和/或照明方向上使用随机化扫描分段中的视角。闪光LIDAR系统还可以有效地将光检测器阵列分为多个亚组的光检测器。如同照明器阵列中的各自照明器，光检测器阵列中的光检测器的各亚组可对应视角的特定分段。由于各自照明器扫描分段中的视角，并用一个或多个脉冲光束照射每个分段，光检测器的各亚组可以接收从设置在视角的其相应分段中的至少一部分目标对象反射的光。具有扫描分段中的视角并接收从至少一些分段中的目标对象反射的光，对于每个分段，信号处理器/控制器可以获得从分段接收的每个脉冲光束的数据帧，并且将获得的数据帧用于各自分段，来确定与目标对象的距离有关的范围信息。通过有效地将其视角分成多个分段，获得从各自分段接收的光的每个脉冲光束的数据帧，并且使用针对各自分段获得的数据帧来确定与目标对象的距离有关的范围信息，公开的闪光LIDAR系统可以有利地改善其操作范围。此外，通过在照明时间和/或照明方向上使用随机化扫描分段中的视角，所公开的闪光LIDAR系统可以有利地提供改善的抗干扰性。
在某些实施方案中，公开闪光LIDAR系统，具有视角，其被构造为包括至少一部分目标对象。闪光LIDAR系统包括：包括多个照明器的闪光照明器阵列、包括多个光检测器的闪光检测器阵列、和信号处理器/控制器。闪光检测器阵列被分成多个亚组的光检测器，和视角被分成多个分段。多个照明器各自操作性照射所述视角的相应分段，所述多个照明器进一步分别向所述视角的相应分段依次操作性传输一个或多个光束脉冲。响应所述传输的一个或多个光束脉冲，所述多个亚组的光检测器操作性地依次通过所述各自照明器以分别从所述视角的多个分段接收一个或多个反射的光束脉冲。信号处理器/控制器操作性确定通过所述各自照明器一个或多个光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个反射的光束脉冲的接收之间的消逝时间，以获取至所述目标对象的范围。
在某些进一步实施方案中，公开一种操作闪光LIDAR系统的方法，其中闪光LIDAR系统具有被构造为包括至少一部分目标对象的视角。该方法包括：提供闪光LIDAR系统，包括具有多个照明器的闪光照明器阵列、具有多个光检测器的闪光检测器阵列和信号处理器/控制器。闪光检测器阵列被分成多个亚组的光检测器，并且视角被分成多个分段。该方法还包括通过分别向所述视角的相应分段依次传输一个或多个光束脉冲，由所述多个照明器分别照射所述视角的相应分段。该方法甚至还包括响应传输的一个或多个光束脉冲，所述多个亚组的光检测器依次通过所述各自照明器以分别从所述视角的多个分段接收一个或多个反射的光束脉冲。该方法还包括：所述信号处理器/控制器确定通过所述各自照明器一个或多个光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个反射的光束脉冲的接收之间的消逝时间，以获取至所述目标对象的范围。
在某些另外的实施方案中，公开校准闪光LIDAR系统的方法。该方法包括提供闪光LIDAR系统，包括具有多个照明器的闪光照明器阵列、具有多个光检测器的闪光检测器阵列、和信号处理器/控制器。该方法还包括：由所述多个照明器依次传输一个或多个光束脉冲朝向校准反射器，所述校准反射器具有基本均匀的反射器表面。该方法甚至还包括：响应传输的一个或多个光束脉冲，由所述多个照明器依次在所述多个光检测器处接收来自所述校准反射器的一个或多个反射的光束脉冲；以及由信号处理器/控制器分别测量在所述多个光检测器处所述闪光检测器阵列的多个光强度水平。该方法还包括基于测量的光强度水平，由信号处理器/控制器在所述闪光检测器阵列上绘制出多个亚组的光检测器。光检测器的各亚组用于接收响应来自各自照明器的进一步传输的光束脉冲的进一步反射的光束脉冲。
本申请的其他特征、功能和方面将从下面的详细描述中显而易见。
附图说明
并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本文所述的一个或多个实施例，并且与详细说明一起解释这些实施例。在图中：
图la是依照本申请在机动车中实施的示例性闪光光检测和测距("闪光LIDAR")系统的图；
图1b是示出可通过图la的闪光LIDAR系统传输的示例性光束脉冲的计时图；
图lc是示出可通过图la的闪光LIDAR系统接收的示例性反射的光束脉冲的计时图；
图1d是图la的闪光LIDAR系统的框图；
图2a是图la的闪光LIDAR系统的示例性分段的视角的图；
图2b是图la的闪光LIDAR系统中包括的示例性照明器阵列的图；
图2c是图la的闪光LIDAR系统中包括的示例性光检测器阵列的图；
图2d-2i是示出使用图la的闪光LIDAR系统的示例性方案的图；
图2j和2k是示出扫描分段中的图2a的视角的第一示例性方案的图；
图2l和2m是示出扫描分段中的图2a的视角的第二示例性方案的图；
图3a是图1a的闪光LIDAR系统包括的示例性跨阻抗放大器的示意图；
图3b是图1a的闪光LIDAR系统包括的示例性多路复用器/跨阻抗放大器对的示意图；
图3c是图1a的闪光LIDAR系统包括的示例性信号处理/控制电路的示意图；
图4是操作图1a的闪光LIDAR系统的示例性方法的流程图；
图5是校准图2c的光检测器阵列并在光检测器阵列中绘制出多个亚组的光检测器的示例性方法的流程图；
图6是示出校准图2c的光检测器阵列的第一示例性方案的图；
图7a-7d是示出校准图2c的光检测器阵列的第二示例性方案的图；以及
图8是初始校准图2c的光检测器阵列的示例性方法的流程图。
具体实施方式
用于测定至视角中设置的目标对象的距离的改善的闪光光检测和测距(本文也称为"闪光LIDAR")系统和方法。闪光LIDAR系统可包括照明器阵列、光检测器阵列和信号处理器/控制器、以及具有这样的视角，其中可设置目标对象。闪光LIDAR系统可以有效地将视角分成多个分段，并且照明器阵列中的每个照明器可以对应于视角的特定分段。闪光LIDAR系统还可以有效地将光检测器阵列分为多个亚组的光检测器。像照明器阵列中的各照明器一样，光检测器阵列中的光检测器的每个亚组可以对应于视角的特定分段。
公开的闪光LIDAR系统和方法可以避免常规闪光LIDAR系统和方法的至少一些缺点，其在操作过程中，通常需要使用一个或多个脉冲光束照射整个视角，并接收从响应照射整个视角的目标对象反射的任何光。然而，对于这种传统的闪光LIDAR系统和方法，随着与目标对象的范围或距离的增加，视角的总面积呈指数增长，降低了目标对象上的照射密度并限制了系统的范围。
为了改善闪光LIDAR系统和方法的范围，公开的闪光LIDAR系统的照明器可扫描分段中的视角，用一个或多个脉冲光束选择性地照射各自分段的每个较小区域。所公开的闪光LIDAR系统的光检测器的各亚组可以操作以接收从设置在视角的其相应分段中的至少一部分目标对象反射的光。具有扫描分段中的视角并接收从至少一些分段中的目标对象反射的光，公开的闪光LIDAR系统的信号处理器/控制器可以获得从各自分段中的目标对象接收的每个反射的脉冲光束的数据帧。然后，使用数据帧，信号处理器/控制器可以确定与目标对象的距离有关的范围信息。通过将视角有效地划分成多个分段，获得从各自分段中的目标对象接收的每个反射的脉冲光束的数据帧，并且使用数据帧确定与目标对象的距离有关的范围信息，随着至目标对象的范围或距离增加，公开的闪光LIDAR系统可以有利地减轻目标对象上的照射密度的降低，从而改善其操作范围。
图1a示出依照本申请在机动车100中实施的示例性闪光LIDAR系统109的示意性实施方案。注意，闪光LIDAR系统109在此参考用于说明目的的汽车应用描述，并且闪光LIDAR系统109可以替代地在任何其他合适的机动车、工业或军事应用中使用。如图la中所示，闪光LIDAR系统109可包括闪光照明器阵列110和闪光检测器阵列120。例如，闪光照明器阵列110可包括多个红外(IR)发光二极管(LED)、多个激光器二极管或多个任何其他合适的照明器。另外，闪光检测器阵列120可包括多个像素接收元件(例如光电二极管)或多个任何合适的光检测器。
在操作的示例性模式中，在机动车100在道路102或任何其他合适的表面行驶或停放时，闪光照明器阵列110可传输从机动车100的前面100E朝向目标对象105(例如墙)指向的一个或多个光束脉冲106，照射包括至少一部分目标对象105的二维视角108。对于指向目标对象105的每个光束脉冲106，闪光检测器阵列120可以接收对应于至少一个数据帧的至少一个反射的光束脉冲107。使用一个或多个这种数据帧，可以通过确定闪光照明器阵列110的光束脉冲106的传输和在闪光检测器阵列120处反射的光束脉冲107的接收之间的消逝时间来获得从闪光LIDAR系统109到目标对象105之间的范围或距离。
图1b示出可通过闪光LIDAR系统109的闪光照明器阵列110传输的光束脉冲106的示例性系列。如图1b中所示，各光束脉冲106具有预定的振幅103和脉冲宽度161。另外，光束脉冲106的系列可以限定各自光束脉冲106之间的期限162(例如，从时间"0"至时间"1"；参见图1b)。由闪光照明器阵列110传输的每个光束脉冲106可以至少部分地从目标对象105反射以产生反射的光束脉冲，例如光束脉冲107(参见图lc)。注意，传输的光束脉冲(例如光束脉冲106)可以随着传输源的距离而消散或减弱。例如，传输的电磁信号可能会随着从其传输器的距离的平方而减弱。类似地，反射的光束脉冲(例如其从其光束脉冲107的距离)可以随着距离其反射点的距离而消失或减弱，这参考闪光LIDAR系统109(参见图1a)，可以对应于由视角108包围的目标对象105的部分。
图1c示出对应于由光束脉冲106产生的反射的光束脉冲107的示例性光束脉冲，其可以在时间0由闪光照明器阵列110传输(参见图1b)，并且最终在时间0和时间1之间被目标对象105反射(还参见图1c)。注意，如图lc的光束脉冲107，另一反射的光束脉冲(未示出)可以由在时间1由闪光照明器阵列110传输的闪光脉冲106创建(参见图1b)，并且最终在时间1之后的某个时刻被目标对象105反射。如图lc所示，光束脉冲107具有所得幅度104和脉冲宽度171。例如，光束脉冲107可以是红外光束脉冲，其可以随距离其反射点的行进距离的平方消散或减弱(例如，由视角108包围的目标对象105的部分)。因此，反射的光束脉冲107的振幅104可以小于传输的光束脉冲106的振幅103。注意，闪光照明器阵列110的光束脉冲106的传输和在闪光检测器阵列120处其对应的反射的光束脉冲107的接收之间的消逝时间本文也称为光束脉冲106、107的“飞行时间”。
图1d示出图la的闪光LIDAR系统109的示意性实施方案。如图1d中所示，闪光LIDAR系统109可包括闪光照明器阵列110、闪光检测器阵120和信号处理器/控制器130。信号处理器/控制器130可以(1)通过控制线112控制闪光照明器阵列110的一个或多个照明器，以用一个或多个传输的光束脉冲106扫描视角108；(2)在闪光检测器阵列120处接收一个或多个反射的光束脉冲107，经由控制线114同步光束脉冲106的传输；(3)通过数据线116获得在闪光检测器阵列120处接收的各反射的光束的数据帧；以及(4)使用一个或多个这样的帧确定传输的/反射的光束脉冲106、107的飞行时间，以获得与从闪光LIDAR系统109至目标对象105的距离有关的范围信息。
在某些实施方案中，闪光LIDAR系统109可有效地将二维视角108分为多个分段，并且可以使闪光照明器阵列110的每个照明器照射视角108的相应分段。例如，视角108可以有效地划分为视角108的总区域的多个分段108a-108f(参见图2a)或视角108的任何其他合适的多个分段。另外，闪光照明器系列110可以包括多个照明器110a-110f(参见图2b)，其可以用于分别照射视角108的相应的多个分段108a-108f。在某些实施方案中，闪光照明器阵列110的多个照明110a-110f中的每个可包括一个照明装置、或多于一个这种照明装置。
闪光LIDAR系统109还可有效地将闪光检测器阵列120分成多个亚组的光检测器，其中闪光检测器阵列120的光检测器的各亚组可用于接收来自视角108的相应分段的一个或多个反射的光束脉冲。例如，闪光检测器阵列120可以有效地分为多个亚组的光检测器120a-120f(参见图2c)，其可以用于分别从视角108的对应的多个分段108a-108f接收反射的光束脉冲。另外，多个亚组120a-120f中的每一个可以被绘制到闪光检测器阵列120上，以包括一个或多个光检测器组，例如包括在亚组120a中的光检测器120a1-120a9，光检测器120b1-120b9包括在亚组120b中，光检测器120c1-120c9包括在亚组120c中，光检测器120d1-120d9包括在亚组120d中，光检测器120e1-120e9包括在亚组120e中，并且光检测器120f1-120f9包括在亚组120f中(参见图2d-2i)。如图2b和2c中所示，闪光检测器阵列120的多个亚组120a-120f中包括的光检测器(例如光电二极管)的总数量可超过闪光照明器阵列110的照明器(例如IR LED)110a-110f的总数量。
公开的闪光LIDAR系统109将参考以下示意性例子和图2d-2i进一步理解。在该例子中，闪光LIDAR系统109的信号处理器/控制器130可以控制闪光照明器阵列110的各自照明器110a-110f以扫描分段中的视角108的总面积，从而用传输的光束脉冲106a-106f分别依次选择性地照射视角108的各自分段108a-108f的较小区域。然后，闪光检测器阵列120的各亚组120a、120b、120c、120d、120e或120f可以操作以依次接收来自视角108的其相应分段108a、108b、108c、108d、108e或108f包围的目标对象105的部分的反射的光束脉冲107a、107b、107c、107d、107e或107f。
在该例子中，信号处理器/控制器130控制照明器110a-110f以从分段108a开始依次选择性地照射各自分段108a-108f，并继续到分段108f。在某些实施方案中，闪光LIDAR系统109可以包括合适的光学器件和/或可移动的反射镜，以及实现闪光照明器阵列110的照明器110a-110f的适当定位，以便引导每个传输的光束脉冲106a-106f朝向视角108的其相应分段。在某些进一步的实施方案中，闪光照明器阵列110可以被构造为使得传输的光束脉冲106a-106f中的每一个可以被制成穿过具有可控制折射角的介质或器件(例如，铌酸锂(LiNbO3)晶体介质、液晶波导装置)，其可以由信号处理器/控制器130控制，以将传输的光束脉冲引导到视角108的其相应分段。以这种方式，闪光LIDAR系统109可以有利地实现为基本上没有移动部件。
如图2d中所示，闪光照明器阵列110的照明器110a可以通过传输一个或多个光束脉冲106a开始扫描视角108的总面积，以照射分段108a的较小区域。如本文所述，二维视角108可包括至少一部分目标对象105(例如墙)。在该例子中，由视角108包围的目标对象105的部分可以填充视角108的整个区域，因此由照明器110a传输的光束脉冲106a可以在分区108a的整个较小区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108a包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106a，包括在闪光检测器阵列120的亚组120a中的光检测器120a1-120a9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107a。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的亚组120a中的光检测器120a1-120a4和120a7被示出为接收反射的光束脉冲107a，并且在亚组120a中的剩余的光检测器120a5、120a6、120a8和120a9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107a。
在闪光照明器组110的照明器110a的光束脉冲106a的传输以及闪光检测器阵列120的亚组120a处的反射的光束脉冲107a的接收之后，照明器110b可传输一个或多个光束脉冲106b来照射视角108的分段108b的区域，如图2e所示。由于由视角108包围的目标对象105的部分可以填充视角108的整个区域，所以由照明器110b传输的光束脉冲106b可以在分段108b的整个较小区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108b包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106b，闪光检测器阵列120的亚组120b中包括的光检测器120b1-120b9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107b。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的光检测器120b1-120b4和120b7被示出为接收反射的光束脉冲107b，并且在亚组120b中的剩余的光检测器120b5、120b6、120b8和120b9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107b。
类似地，在照明器阵列110的光束脉冲106b的传输以及闪光检测器阵列120的亚组120b处的反射的光束脉冲107b的接收之后，照明器110c可传输一个或多个光束脉冲106c来照射视角108的分段108c的区域，如图2f所示。由照明器110c传输的这种光束脉冲106c可以在分段108c的整个区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108c包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106c，闪光检测器阵列120的亚组120c中包括的光检测器120c1-120c9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107c。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的光检测器120c1-120c4和120c7被示出为接收反射的光束脉冲107c，并且在亚组120c中的剩余的光检测器120c5、120c6、120c8和120c9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107c。
在闪光照明器阵列110的照明器110c的光束脉冲106c的传输以及闪光检测器阵列120的亚组120c处的反射的光束脉冲107c的接收之后，照明器110d可传输一个或多个光束脉冲106d来照射分段108d的区域，如图2g所示。由照明器110d传输的这种光束脉冲106d可以在分段108d的整个区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108d包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106d，闪光检测器阵列120的亚组120d中包括的光检测器120d1-120d9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107d。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的亚组120d的光检测器120d1-120d4和120d7被示出为接收反射的光束脉冲107d，并且在亚组120d中的剩余的光检测器120d5、120d6、120d8和120d9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107d。
类似地，在照明器阵列110的光束脉冲106d的传输以及闪光检测器阵列120的亚组120d处的反射的光束脉冲107d的接收之后，照明器110e可传输一个或多个光束脉冲106e来照射分段108e的区域，如图2h所示。由照明器110e传输的这种光束脉冲106e可以在分段108e的整个区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108e包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106e，闪光检测器阵列120的亚组120e中包括的光检测器120e1-120e9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107e。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的亚组120e的光检测器120e1-120e4和120e7被示出为接收反射的光束脉冲107e，并且在亚组120e中的剩余的光检测器120e5、120e6、120e8和120e9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107e。
在闪光照明器阵列110的照明器110e的光束脉冲106e的传输以及闪光检测器阵列120的亚组120e处的反射的光束脉冲107e的接收之后，照明器110f可传输一个或多个光束脉冲106f来照射分段108f的区域，如图2i所示。由照明器110f传输的这种光束脉冲106f可以在分段108f的整个区域内撞击目标对象105。对于撞击由分段108f包围的目标对象105的部分的每个光束脉冲106f，闪光检测器阵列120的亚组120f中包括的光检测器120f1-120f9可以各自接收对应于数据帧的反射的光束脉冲107f。注意，为了清楚起见，仅闪光检测器阵列120的亚组120f的光检测器120f1-120f4和120f7被示出为接收反射的光束脉冲107f，并且在亚组120f中的剩余的光检测器120f5、120f6、120f8和120f9也可以以同样的方式接收反射的光束脉冲107f。
还注意到，闪光LIDAR系统109的信号处理器/控制器130可以继续控制闪光照明器阵列110的各自照明器110a-110f，从而以分段108a至108f的相同序列或以分段108a-108f的任何其他合适的顺序或次序扫描视角108。例如，信号处理器/控制器130可以控制照明器110a-110f以从分区108a开始选择性地照射相应的分段108a-108f，并且依次继续分段108e和分段108c(参见图2j)，然后分段108d、分段108b和分段108f(参见图2k)，从而选择地照射分段中视角108的整个区域。
在某些实施方案中，信号处理器/控制器130可以控制闪光照明器阵列110的各自照明器110a-110f，以在照射方向使用随机化扫描分段中的视角108。更具体地，信号处理器/控制器130可以通过将传输的光束脉冲106a-106f随机地指向相应的分段108a-108f来控制照明器110a-110f，以选择性地照射视角108的分段108a-108f。例如，信号处理器/控制器130可以控制照明器110a、110c、110d以随机地将光束脉冲106d、光束脉冲106a和光束脉冲106c依次引向分段108d、分段108a和分段108c，如图2I所示。信号处理器/控制器130还可以进一步控制照明器110b、110e、110f以随机地将光束脉冲106f、光束脉冲106b和光束脉冲106e依次引向分段108f、分段108b和分段108e，如图2m所示，从而选择地照射分段中视角108的整个区域。
信号处理器/控制器130不仅可以控制闪光照明器阵列110的各自照明器110a-110f，以在照射方向使用随机化扫描分段中的视角108，而且其还可以控制各自照明器110a-110f以在照射时间使用随机化扫描分段中的视角108。更具体地，信号处理器/控制器130可以控制照明器110a-110f以选择性地照射视角108的分段108a-108f，同时在相应光束脉冲106a-106f的连续传输之间插入随机延迟时间。例如，参照图2I，信号处理器/控制器130可以控制照明器110a、110c和110d以在照射分段108d的光束脉冲106d的传输和照射分段108a的光束脉冲106a的传输之间插入4微秒的第一随机延迟时间，并且在光束脉冲106a的传输和照射分段108c的光束脉冲106c的传输之间插入10微秒的第二随机延迟时间。另外，参照图2m，信号处理器/控制器130可以控制照明器110b、110e和110f在光束脉冲106c的传输和照射分段108f的光束脉冲106f的传输之间插入7微秒的第三随机延迟时间，在光束脉冲106f的传输和照射分段108b的光束脉冲106b的传输之间插入12微秒的第四随机延迟时间，并且在光束脉冲106b的传输和照射分段108e的光束脉冲106e的传输之间插入9微秒的第五随机延迟时间。通过在照明方向和/或照明时间使用随机化扫描分段中的视角108，闪光LIDAR系统109可以有利地提供改善的抗干扰性。
如本文所述，闪光检测器阵列120的各亚组120a、120b、120c、120d、120e或120f可以操作以依次接收来自视角108的其相应分段108a、108b、108c、108d、108e或108f包围的目标对象105的部分的反射的光束脉冲107a、107b、107c、107d、107e或107f。注意，在相应的亚组120a-120f的一个或多个中与至少一个像素接收元件(例如光电二极管)相关联的寄生电容上的电荷可不得不在该像素接收元件可以向信号处理器/控制器130提供准确信息之前被放电。与光检测器120a1相关联的寄生电容Cp如图3a所示。如图3a所示，光检测器120a1的输出通过多路复用器(MUX)301(还可参见图3b)可连接到跨阻抗放大器311，该跨阻抗放大器311可以操作以将电流信号I1(由响应其上撞击的光束脉冲107的光检测器120a1产生)转化为相应电压信号V1。注意，电流信号I1的幅度通常是撞击光检测器120a1的光束脉冲107的强度的函数。在某些实施方案中，跨阻抗放大器311可包括运算放大器320、反馈电阻器Rf以及一个或多个开关SW1、SW2。
如本文进一步描述的，闪光LIDAR系统109的信号处理器/控制器130可以控制闪光照明器阵列110的各自照明器110a-110f以扫描分段中的视角108，从而依次分别选择性地照射具有传输的光束脉冲106a-106f的视角108的各自分段108a-108f。在某些实施方案中，由于分段108a-108f中的每一个被选择性地照射，所以信号处理器/控制器130可以在光束脉冲106a-106f中的一个的传输和光束脉冲106a-106f中的下一个的传输之间插入预定或随机的延迟时间(例如至少一微秒或几十微秒)。在一个或多个这样的预定或随机延迟时间中，信号处理器/控制器130可以致动以下各项中的至少一个：跨阻抗放大器311的开关SW1、SW2，以便对与光检测器120a1相关联的寄生电容Cp上的任何电荷进行放电。信号处理器/控制器130也可在闪光检测器阵列120的剩余光检测器120a2-120a9、120b1-120b9、120c1-120c9、120d1-120d9、120e1-120e9、120f1-120f9相关的寄生电容上引起任何电荷，从而以同样的方式放电。以这种方式，闪光LIDAR系统109可以确保闪光检测器阵列120的各亚组120a-120f中的光检测器在由信号处理器/控制器130调用时提供准确的信息(例如数据帧)。
图3b示出可包括在图la的闪光LIDAR系统109中的多个示例性多路复用器/跨阻抗放大器对130a。如图3b中所示，多个多路复用器/跨阻抗放大器对130a包括MUX 301、多路复用器(MUX)302-309、跨阻抗放大器311和跨阻抗放大器312-319。MUX 301与跨阻抗放大器311配对，MUX302与跨阻抗放大器312配对，直到跨阻抗放大器319配对MUX 309。注意，每个跨阻抗放大器312-319可以类似跨阻抗放大器311构造。跨阻抗放大器311可以操作以将当前信号I1(由响应其上撞击的光束脉冲107的光检测器120a1、120b1、…或120f1产生)转换为相应的电压信号V1，跨阻抗放大器312可以操作以将电流信号I2(由响应其上撞击的光束脉冲107的光检测器120a2、120b2、…或120f2产生)转换为相应的电压信号V2，直到跨阻抗放大器319，其可以操作以将电流信号I9(由响应其上撞击的光束脉冲107的光检测器120a9、120b9、…或120f9产生)转换为相应的电压信号V9。
另外，各光检测器120a1、120b1、120c1、120d1、120e1、120f1的输出通过多路复用器301可连接到跨阻抗放大器311，各光检测器120a2、120b2、120c2、120d2、120e2、120f2的输出各自通过MUX 302可连接到跨阻抗放大器312，并且依次到相应的光检测器120a9、120b9、120c9、120d9、120e9、120f9的输出，其通过MUX 309可连接到跨阻抗放大器319。信号处理器/控制器130可以分别向MUX 301、302、...309提供控制信号Sell、Se12、...Se19，以便选择要连接各个光检测器的哪个输出到跨阻抗放大器311、312、...319。通过在光束脉冲106a-106f的传输之间插入预定或随机的延迟时间，并且在一个或多个这样的预定或随机的延迟时间期间，驱动各个跨阻抗放大器311-319的开关SW1、SW2中的至少一个，以用于对与各个光检测器120a1、120b1、...120f1、120a2、120b2、...120f2、...120a9、120b9、...120f9相关联的寄生电容Cp放电任何电荷，闪光LIDAR系统109可以有利地确保闪光检测器阵列120的各亚组120a-120f中的光检测器向信号处理器/控制器130提供准确的信息。此外，通过将各光检测器120a1、120b1、...120f1、120a2、120b2、...120f2、...120a9、120b9、...120f9分别复用到MUX 301、302、...309中，可以有利地减少操作闪光LIDAR系统109所需的跨阻抗放大器的数量。
图3c示出可包括在图la的闪光LIDAR系统109中的示例性信号处理/控制电路130b。这种信号处理/控制电路130b在2015年7月21日授权的题目为“SYSTEM AND METHODFOR LIDAR SIGNAL CONDITIONING”的美国专利No.9,086,275中被描述，其公开内容通过引用整体并入本文。如图3c中所示，信号处理/控制电路103b可以包括开关网络，其由下列组成：开关330和模拟双向多路复用器(MUX)332、多模拟存储元件(例如电容器)334.1、334.2、...334.n、控制器338、模拟-至-数字(A-至-D)转换器336、处理器340和存储器342。注意，信号处理/控制电路130b在图3c中参考在跨阻抗放大器311的输出处提供的电压信号V1描述(参考图3b)，并且可以提供对应的信号处理/控制电路来处理由跨阻抗放大器312、313、...319产生的电压信号V2、V3、...V9。
在操作的示例性模式中，控制器338可以通过控制线342将控制信号Se10提供给开关330，以便选择用于连接到模拟双向MUX 332的电压信号V1输出。将电压信号V1输出连接到模拟双向MUX 332，控制器338可以通过控制线344提供一个或多个另外的控制信号，以使得模拟双向MUX 332将模拟存储元件334.1、334.2、...334.n中的每一个依次耦合到电压信号V1输出。模拟双向MUX 332可以通过将电压信号V1输出连续地耦合到模拟存储元件334.1、334.2、...334.n中的每一个而在电压信号V1的连续时间获得多个连续的采样。例如电压信号V1输出可以在第一时间段(例如一个或几十微秒)耦合到模拟存储元件334.1，然后在第二时间段(例如一个或几十微秒)耦合到模拟存储元件334.2，以及依此类推，直到电压信号V1输出连续耦合到模拟存储元件334.1、334.2、...334中的相应时间段，从而允许模拟存储元件334.1、334.2、...334.n获取并存储电压信号V1的多个连续样本。
获得并存储电压信号V1的多个顺序样本后，控制器338可以通过控制线342将另外的控制信号Se10提供给开关330，以将模拟双向MUX 332连接到A-至-D转换器336。控制器338还可以通过控制线344提供一个或多个另外的控制信号，以使模拟双向MUX 332分别耦合模拟存储元件334.1、334.2、...334.n中的每一个。在控制线338(通过控制线346)的控制下，A-至-D转换器336可以将存储在每个模拟存储元件334.1、334.2、...334从模拟形式到数字形式，并且将数字形式的电压提供给处理器340用于后续处理，和/或向存储器342提供存储。分别由跨阻抗放大器311-319产生的电压信号V1-V9导出的这种数字化电压可以形成多个数据帧，处理器340从该数据帧可以确定闪光照明器阵列110的光束脉冲106的传输和在闪光检测器阵列120处反射的光束脉冲107接收之间的消逝时间，从而获得与目标对象105的范围或距离101。
在分别处理由跨阻抗放大器311-319产生的电压信号V1-V9之后，控制器338可以通过控制线342将另一个控制信号Se10提供给开关330，以便连接模拟双向MUX 332。另外，控制器338还可以通过控制线344提供一个或多个附加控制信号，以使模拟双向MUX 332分别耦合模拟存储元件334.1、334.2、...334.n到地电势348，从而允许每个模拟存储元件334.1、334.2、...334.n将其累积电荷放电到地。以这种方式，可以准备模拟存储元件334.1、334.2、...334.n来处理由跨阻抗放大器311、312、...319产生的新的电压信号V1、V2、...V9集。
下面参考图4描述使用闪光LIDAR系统109的方法。如框402所示，提供闪光LIDAR系统109，包括具有多个照明器的闪光照明器阵列110、闪光检测器阵列120和信号处理器/控制器130。闪光LIDAR系统109具有二维视角108，包括至少一部分目标对象105。如框404所示，二维视角108被有效地分为多个分段。闪光照明器阵列110的每个照明器操作性照射视角108的相应分段。如框406所示，闪光检测器阵列120被有效地分成多个亚组的光检测器。闪光检测器阵列120的光检测器的各亚组操作性接收来自视角108的相应分段的一个或多个反射的光束脉冲。如框408所示，一个或多个光束脉冲分别由多个照明器依次朝向视角108的多个分段传输。如框410所示，响应依次由各自照明器传输的一个或多个光束脉冲，从视角108的多个分段的目标对象105反射的一个或多个光束脉冲分别在多个亚组的光检测器被接收。如框412所示，确定各自照明器的一个或多个传输的光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个接收的光束脉冲的接收之间的消逝时间，以获得与目标对象的范围或距离。
为了进一步确保闪光LIDAR系统109内的闪光检测器阵列120的像素接收元件(例如光电二极管)提供的信息的准确性，信号处理器/控制器130可以操作以校准闪光检测器阵列120的光检测器，并且基于光检测器校准在闪光检测器阵列120上绘制(或调整之前绘制)多个亚组的光检测器。下面参考图5描述校准闪光检测器阵列120的光检测器并绘制出多个亚组的光检测器的示意性方法。在图5的方法中，目标对象105(参见图1d)被具有基本均匀的反射器表面的校准反射器代替。如框502所示(参见图5)，一个或多个光束脉冲106由闪光照明器阵列110(参见图1d)的各自照明器指向校准反射器。如框504所示，在闪光检测器阵列120(参见图1d)处接收到反射出校准反射器的一个或多个光束脉冲107。如框506所示，由信号处理器/控制器130(参见图1d)测量在闪光检测器阵列120的每个光检测器处检测到的光强度水平。如框508所示，信号处理器/控制器130在闪光检测器阵列120的各光检测器处检测到的关于光强度水平的信息被存储在存储器中。如框510所示，重复框502、504、506和508中所示的操作，直到闪光照明器阵列110的每个照明器110a、110b、110c、110d、110e、110f已经指向，依次为一个或多个光束脉冲106朝向校准反射器。如框512所示，基于由闪光检测器阵列120的各光检测器检测到的光强度水平，多个亚组的光检测器由信号处理器/控制器130在闪光检测器阵列120上绘制。
关于框512(参见图5)，基于具有源自由闪光照明器阵列110的相应的照明器产生一个或多个光束脉冲的检测的预定的光强度水平的亚组中的各光检测器，光检测器的各亚组可以绘制在闪光检测器阵列120上。在某些实施方案中，多个亚组的光检测器可以绘制在闪光检测器阵列120上，使得各亚组的面积小于闪光检测器阵列120的面积，其中光检测器检测为至少预定的光强度水平。例如，如图6中所示，亚组120b的绘制面积(还参见图2e)可以小于闪光检测器阵列120的面积602，其中光检测器(例如光检测器120a3、120a6、120a9、120c1、120c4、120c7、120d3、120e1、120e2、120e3和120f1；参见图2d)检测为源自由照明器110b产生的光束脉冲106b的至少预定的光强度水平。
在某些进一步实施方案中，多个亚组的光检测器可以绘制在闪光检测器阵列120上，使得各亚组的面积大于闪光检测器阵列120的面积，其中光检测器检测为至少预定的光强度水平。例如，如图7a所示，亚组120a的绘制面积可以大于闪光检测器阵列120的面积702(还参见图2d)，其中光检测器(例如光检测器120a1、120a2、120a4和120a5；参见图7a)检测为源自由照明器110a产生的光束脉冲106a的至少预定的光强度水平。类似地，亚组120a的绘制面积可以大于闪光检测器阵列120的面积704(参见图7b)，其中光检测器(例如光检测器120a5、120a6、120a8和120a9，参见图7b)检测为至少预定的光强度水平；亚组120a的绘制面积可以大于闪光检测器阵列120的面积706(参见图7c)，其中光检测器(例如光检测器120a2、120a3、120a5和120a6；参见图7c)检测为至少预定的光强度水平；以及亚组120a的绘制面积可以大于闪光检测器阵列120的面积708(参见图7d)，其中光检测器(包括光检测器120a4、120a5、120a7和120a8；参见图7d)检测为至少预定的光强度水平。以这种方式，可以有利地避免闪光激光雷达系统109内闪光检测器阵列120的有时容易出错的机械校准。
如果闪光检测器阵列120的光检测器与闪光照明器阵列110的照明器没有良好的光谱匹配或灵敏度的变化，则还可以进行闪光检测器阵列120的光检测器的初始校准。下面参考图8描述这种初始校准的示意性方法。在图8的方法中，目标对象105再次被具有基本均匀的反射器表面的校准反射器代替。另外，闪光照明器系列110被均匀地照射整个视角108的均匀的照明器代替，该整个视角108包括至少一部分校正反射器。如框802所示(参见图8)，一个或多个光束脉冲由均匀照明器指向校准反射器。如框804所示，由校准反射器发射的一个或多个光束脉冲在闪光检测器组120处接收，从而照射闪光检测器阵列120的整个区域。如框806所示，信号处理器/控制器130测量在闪光检测器阵列120的每个光检测器处检测到的光强度的水平。如框808所示，由闪光检测器阵列120的各光检测器检测到的关于光强度水平的信息由信号处理器/控制器130存储在存储器中。如框810所示，使用由闪光检测器阵列120的各光检测器检测出的光强水平，在闪光检测器阵列120的整个区域上获得有效的均匀检测灵敏度。
对于框810(参见图8)，在某些实施方案中，通过对由各自光检测器检测的光强度水平进行软件调整，在闪光检测器阵列120的整个区域上可以获得有效的均匀检测灵敏度。在某些进一步的实施方案中，由信号处理器/控制器130通过调整一个或多个跨阻抗放大器301-309的增益(通过一个或多个控制信号Adj1、Adj2、…Adj9；参见图3b)，在闪光检测器阵列120的整个区域上可以获得这样有效的均匀检测灵敏度。注意，可以使用任何其他合适的技术来在闪光检测器阵列102上获得均匀检测灵敏度。
应当理解，本申请的各种实施例可以至少部分地在任何常规计算机编程语言中实现。例如，一些实施例可以以过程编程语言(例如“C”)或面向对象的编程语言(例如“C++”)来实现。本申请的其他实施例可以被实现为预编程的硬件元件(例如专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP))或其他相关组件。
在替代实施方案中，所公开的系统、装置和方法可以被实现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这种实现可以包括固定在诸如非瞬时计算机可读介质(例如，软盘、CD-ROM、ROM或固定盘)的有形介质上的一系列计算机指令。一系列计算机指令可以体现本文先前关于所公开的系统所描述的全部或部分功能。
本领域技术人员还应该理解，这样的计算机指令以多种编程语言编写以便与许多计算机体系结构或操作系统一起使用。此外，这样的指令可以存储在诸如半导体、磁性、光学或其他存储器件的任何存储器件中，并且可以使用诸如光学、红外、微波或其它传输技术的任何通信技术来传输。
除了其他方式之外，这样的计算机程序产品可以作为可移动介质分发，其中附带有印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)，预先加载有计算机系统(例如，在系统ROM或固定盘上)，或从服务器或电子公告板(例如，互联网或万维网)。本申请的一些实施例可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。本申请的其他实施例可以被实现为完全硬件或完全软件。
上述本申请的实施例仅仅是示例性的。许多变化和修改对于本领域技术人员是显而易见的。所有这些变化和修改旨在在如本申请的范围内，如在所附权利要求中所限定的。

Claims (20)

1.具有被构造为包括至少一部分目标对象的视角的闪光LIDAR系统，包括：
包括多个照明器的闪光照明器阵列；
包括多个光检测器的闪光检测器阵列，所述闪光检测器阵列被分为多个亚组的光检测器；和
信号处理器/控制器，
其中所述视角被分成多个分段，
其中所述多个照明器各自操作性照射所述视角的相应分段，所述多个照明器进一步分别向所述视角的相应分段依次操作性传输一个或多个光束脉冲，
其中响应所述传输的一个或多个光束脉冲，所述多个亚组的光检测器操作性地依次通过所述各自照明器以分别从所述视角的多个分段接收一个或多个反射的光束脉冲，以及
其中所述信号处理器/控制器操作性确定通过所述各自照明器一个或多个光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个反射的光束脉冲的接收之间的消逝时间，以获取至所述目标对象的范围。
2.权利要求1所述的系统，还包括：
具有可控制折射角的多个可控制介质或装置，
其中至少一些所述多个照明器中的每个分别通过多个可控制介质或装置中的相应的一个、分别向所述视角的相应分段操作性传输一个或多个光束脉冲。
3.权利要求2所述的系统，其中所述信号处理器/控制器进一步操作性控制每个可控介质或装置的折射角以分别通过多个照明器将传输的一个或多个光束脉冲引导到所述视角的相应分段。
4.权利要求2所述的系统，其中所述多个可控制介质或装置包括铌酸锂(LiNbO3)晶体介质和液晶波导装置中的至少一种。
5.权利要求1所述的系统，其中所述多个照明器操作性依次传输一个或多个光束脉冲分别朝向在预定次序的分段中所述视角的相应分段。
6.权利要求1所述的系统，其中所述多个照明器操作性依次传输一个或多个光束脉冲分别朝向在随机顺序的分段中所述视角的相应分段。
7.权利要求1所述的系统，其中所述信号处理器/控制器进一步通过在一个或多个连续脉冲的一个或多个连续传输之间插入随机时间延迟来分别操作性控制一个或多个光束脉冲传输朝向所示视角的相应分段。
8.权利要求1所述的系统，其中多个亚组的光检测器中的每一个都包括预定数量的光检测器，其中该系统还包括等于各亚光中光检测器的预定数量的量的多路复用器/跨阻抗放大器对。
9.权利要求8所述的系统，其中跨越多个亚组的光检测器的相应光检测器耦合各自多路复用器/跨阻抗放大器对的电流输入。
10.权利要求9所述的系统，其中所述信号处理器/控制器进一步操作性提供第一控制信号至各自多路复用器/跨阻抗放大器对，以在多个多路复用器/跨阻抗放大器对的电流输入处选择相应的光检测器。
11.权利要求10所述的系统，其中所述信号处理器/控制器进一步操作性提供第二控制信号至各自多路复用器/跨阻抗放大器对，以控制由各自多路复用器/跨阻抗放大器对提供的放大器增益。
12.权利要求11所述的系统，其中所述信号处理器/控制器耦合各自多路复用器/跨阻抗放大器对的电压输出，基于多路复用器/跨阻抗放大器对的各自电压输出处提供的电压，所示信号处理器/控制器进一步操作性确定通过所述各自照明器一个或多个光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个反射的光束脉冲的接收之间的消逝时间。
13.一种操作具有被构造为包括至少一部分目标对象的视角的闪光LIDAR系统的方法，该方法包括：
提供闪光LIDAR系统，包括：具有多个照明器的闪光照明器阵列、具有多个光检测器的闪光检测器阵列和信号处理器/控制器，所述闪光检测器阵列被分为多个亚组的光检测器，所述视角被分为多个分段；
通过分别向所述视角的相应分段依次传输一个或多个光束脉冲，由所述多个照明器分别照射所述视角的相应分段；
响应传输的一个或多个光束脉冲，所述多个亚组的光检测器依次通过所述各自照明器以分别从所述视角的多个分段接收一个或多个反射的光束脉冲，以及
所述信号处理器/控制器确定通过所述各自照明器一个或多个光束脉冲的传输和在各自亚组的光检测器处一个或多个反射的光束脉冲的接收之间的消逝时间，以获取至所述目标对象的范围。
14.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光束脉冲的传输包括依次传输一个或多个光束脉冲分别朝向在预定次序的分段中所述视角的相应分段。
15.权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个光束脉冲的传输包括依次传输一个或多个光束脉冲分别朝向在随机顺序的分段中所述视角的相应分段。
16.权利要求13所述的方法，还包括：通过在一个或多个连续脉冲的一个或多个连续传输之间插入随机时间延迟，信号处理器/控制器来分别控制一个或多个光束脉冲传输朝向所示视角的相应分段。
17.一种校准闪光LIDAR系统的方法，该方法包括：
提供闪光LIDAR系统，包括具有多个照明器的闪光照明器阵列、具有多个光检测器的闪光检测器阵列、和信号处理器/控制器；
由所述多个照明器依次传输一个或多个光束脉冲朝向校准反射器，所述校准反射器具有基本均匀的反射器表面；
响应传输的一个或多个光束脉冲，由所述多个照明器依次在所述多个光检测器处接收来自所述校准反射器的一个或多个反射的光束脉冲；
由信号处理器/控制器分别测量在所述多个光检测器处所述闪光检测器阵列的多个光强度水平；以及
基于测量的光强度水平，由信号处理器/控制器在所述闪光检测器阵列上绘制出多个亚组的光检测器，光检测器的各亚组用于接收响应来自各自照明器的进一步传输的光束脉冲的进一步反射的光束脉冲。
18.权利要求17所述的方法，其中在闪光检测器阵列上绘制出多个亚组的光检测器包括绘制出多个亚组，使得各自亚组中的各光检测器具有等于至少预定的光强度水平的测量的光强度水平。
19.权利要求17所述的方法，其中在闪光检测器阵列上绘制出多个亚组的光检测器包括绘制出光检测器的至少一个亚组的面积小于闪光检测器阵列的总面积，其中至少一个光检测器等于至少预定的光强度水平的测量的光强度水平。
20.权利要求17所述的方法，其中在闪光检测器阵列上绘制出多个亚组的光检测器包括绘制出光检测器的至少一个亚组的面积大于闪光检测器阵列的总面积，其中至少一个光检测器等于至少预定的光强度水平的测量的光强度水平。
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