CN109073376A - 以变化的照射强度进行基于lidar的3-d成像 - Google Patents

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Abstract

本文描述了以不同的照射强度分布执行三维LIDAR测量的方法和系统。从LIDAR系统发射测量脉冲的重复序列，每一个序列具有不同的照射强度分布。每一个重复序列中的一个或多个脉冲具有与该序列中的另一脉冲不同的照射强度。照射强度分布是变化的，以减少总能耗和LIDAR系统产生的热量。在一些实施例中，照射强度分布基于LIDAR装置的定向而改变。在一些实施例中，照射强度分布基于所检测到的物体与LIDAR装置之间的距离而改变。在一些实施例中，照射强度分布基于LIDAR装置或另一成像系统所检测的物体的存在性而改变。

Description

以变化的照射强度进行基于LIDAR的3-D成像
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年3月20日提交的题为“LIDAR Based 3-D Imaging WithVarying Illumination Intensity”的美国专利申请序列号15/464,234的优先权，后者依据35U.S.C.§119要求2016年3月21日提交的题为“LIDAR Based 3-D Imaging WithVarying Illumination Intensity”的美国临时专利申请序列号62/311,296的优先权，它们的主题被整体以引用方式并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及基于LIDAR的3-D点云测量系统。
背景技术
LIDAR系统采用光脉冲、基于每个光脉冲的飞行时间(TOF)来测量至一物体的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远处的物体相互作用。一部分光从所述物体反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射和检测到返回的光脉冲之间经过的时间来估算距离。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。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。距离是从时间测量中高精度地得出的。
一些LIDAR系统采用单一激光发射器/检测器组合与旋转镜组合以有效地扫描平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且所捕获的距离点被形成2-D(即，单一平面)点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟数千转)旋转。
在许多操作场景中需要3-D点云。已经采用了许多方案来三维地询问周围的环境。在一些示例中，2-D仪器通常在万向节上上下和/或前后动作。这在本领域中通常称为使传感器“眨眼”或“点头”。因此，可以采用单一光束LIDAR单元来捕获整个3-D距离点阵列，尽管一次一个点。在相关示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有略微不同的竖直角度。这模拟了上述的点头效果，但传感器本身没有动作。
在所有的上述示例中，单一激光发射器/检测器组合的光路被设法改变以实现比单一传感器更宽的视场。由于单一激光器的脉冲重复率的限制，这种装置每单位时间能够产生的像素数固有地受到限制。光束路径的任何改变，无论是通过镜子、棱镜还是实现更大覆盖区域的该装置的动作，都以降低点云密度为代价。
如上所述，3-D点云系统存在若干种配置。但是，在许多应用中，有必要看到广泛的视场。例如，在自主车辆应用中，竖直的视场应尽可能向下延伸，以便看到车辆前方的地面。此外，如果汽车在道路上倾斜，竖直的视场应该在地平线上方延伸。此外，必须在现实世界中发生的动作与这些动作的成像之间具有最小的延迟。在一些示例中，可以期望每秒提供至少五次的完整的图像更新。为了满足这些要求，开发了一种包括多个激光发射器和检测器阵列的3-D LIDAR系统。该系统在2011年6月28日授权的美国专利No.7,969,558中描述了，其主题被整体以引用方式并入本文。
在许多应用中，脉冲的序列被发射。每个脉冲的方向依次、快速连续地变化。在这些示例中，与每一个单个脉冲相关联的距离测量可以被认为是像素，并且被快速连续发射和捕获的像素集合(即，“点云”)可以呈现为图像或出于其他原因(例如，检测障碍物)被进行分析。在一些示例中，采用查看软件将得到的点云渲染为对用户来说显示为三维的图像。可以使用不同的方案将该距离测量结果描绘成看似好像是通过实景摄像机拍摄的3-D图像。
现有的LIDAR系统采用光束以在任何给定时间询问特定体积(volume)的周围环境。返回信号的检测包括重要的测量噪声源，所述测量噪声随着测量范围被扩展而加剧。在许多应用中，所测量的信号的信噪比通过增加激光脉冲强度而得到改善。
另外，成像分辨率取决于LIDAR系统产生的3-D“点云”的密度。通常，为了提高成像分辨率，通过增加相应返回信号的脉冲发射和捕获的速率来增加3-D“点云”的密度。
脉冲速率、脉冲强度或两者的增加需要增加光发射，以及由于与光源和功率电子器件相关的能量损失而导致的能量消耗和发热的增加。特别是，额外的发热是不希望的，特别是当3-D LIDAR系统的尺寸持续缩小时。
希望改进LIDAR系统的功率管理，同时保持高水平的成像分辨率和范围。
发明内容
本文描述了以不同的照射强度分布执行三维LIDAR测量的方法和系统。从LIDAR系统发射测量脉冲的重复序列，每一个序列具有不同的照射强度分布。每一个重复序列中的一个或多个脉冲具有与该序列中的另一脉冲不同的照射强度。照射强度分布是变化的，以减少总能耗和LIDAR系统产生的热量。
一些LIDAR系统包括与公共控制器协同操作的许多脉冲照射系统。在另一方面中，从每一个脉冲照射系统发射的照射光脉冲的照射强度分布被独立地控制
在一些实施例中，脉冲照射源和光敏检测器被安装到LIDAR装置的旋转框架。该旋转框架相对于LIDAR装置的基架旋转。在另一方面中，LIDAR装置包括测量旋转框架相对于基架的定向的定向传感器。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架的定向的指示并基于该定向改变照射强度分布。
在一些实施例中，LIDAR系统被安装到在道路上行驶的车辆。LIDAR系统提供“点云”数据至图像处理系统，该图像处理系统基于“点云”数据在车辆在道路上行驶时生成车辆周围的环境的图像。在一些操作场景中，可能希望获得车辆前方和车辆的一侧或两侧的物体的高分辨率图像。然而，可能不必须获得车辆后方的物体的高分辨率图像。在这些示例中，LIDAR系统被配置为当照射束指向车辆前方和一侧或两侧时利用整个强度发布。然而，当照射束指向车辆后方时，改变照射强度分布，以降低所收集的数据的分辨率。
在一些实施例中，基于LIDAR装置与在三维环境中检测到的物体之间的距离而改变照射强度分布。在一个示例中，当LIDAR装置与在三维环境中检测到的物体之间的距离小于预定阈值时，调节照射强度分布以降低平均脉冲强度一段时间。以这种方式，利用LIDAR系统以较低的平均功率对相对靠近LIDAR装置(例如，25米或更近，10米或更近等)的物体进行采样。由于旋转扫描的LIDAR装置的视域径向地延伸，所以，相对靠近LIDAR装置的物体以比相对远离LIDAR装置的物体以更少的光学损失采样。因此，对于相对靠近LIDAR装置的物体，可能不需要这种高强度的采样来生成靠近的物体的足够精确的图像。在这些示例中，调整照射强度分布以降低平均采样强度。
在一些实施例中，照射强度分布基于在三维环境中是否检测到物体而变化。在一个示例中，当在脉冲照射束的视场内未检测到物体超过预定时间段时，调整脉冲照射束的照射强度分布以便在一时间段内降低脉冲的平均强度。例如，当与脉冲照射束相关联的检测器检测到的信号的值在预定的时间段内是可忽略的(例如，低于阈值)时，控制器降低从脉冲照射源发射的光的照射强度分布。以这种方式，当照射束指向没有物体的空间体积(例如，朝向地平线，朝向天空等)时，能耗和热量的产生减少。然而，随后，当与脉冲照射束相关联的检测器检测到的信号上升到阈值以上时，控制器提高从脉冲照射源发射的光的照射强度分布的平均强度。在一些示例中，必须在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段内检测到物体，控制器140才提高该平均强度。这些阈值防止伪信号导致照射强度的快速波动。
在一些实施例中，LIDAR系统包括或通信地链接到一成像装置，该成像装置被配置用于生成脉冲照射源的视场的至少一部分的图像。在一些实施例中，成像装置是计算系统，其被配置为从LIDAR装置生成的“点云”的多个点生成图像。在这些实施例的一些中，计算系统与LIDAR装置是分离的并且通信地链接到LIDAR装置。在其他实施例中，LIDAR系统的计算系统被配置为从“点云”数据生成图像。在一些其他实施例中，成像装置包括单独的成像传感器(例如，相机)，其捕获脉冲照射源的视场的至少一部分的图像。在这些实施例的一些中，成像传感器集成在LIDAR装置中。在一些其他实施例中，成像传感器与LIDAR装置是分离的并且通信地链接到LIDAR装置。
在这些实施例中，基于在脉冲照射源的视场的至少一部分的图像中是否检测到物体，来改变脉冲照射源的照射强度分布。在一些示例中，当在脉冲照射源的视场的图像中没有检测到物体时，降低照射强度分布的平均强度。在一些其他示例中，当在脉冲照射源的视场的图像中检测到物体时，提高照射强度分布的平均强度。
在一些实施例中，脉冲照射源的照射强度分布基于3-D LIDAR装置的操作温度的指示而变化。
以上是概要，因此必然包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解该概述仅是说明性的而不以任何方式进行限制。本文所描述的装置和/或过程的其他方面、发明性特征和优点将在本文阐述的非限制性详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是示意在至少一个新颖方面中的3-D LIDAR系统100的一个实施例的简化图。
图2是示意在至少一个新颖方面中的3-D LIDAR系统10的另一实施例的简化图。
图3绘示了在一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图。
图4绘示了3-D LIDAR系统100的光发射/收集引擎112的视图。
图5更详细地绘示了3-D LIDAR系统100的收集光学器件116的视图。
图6绘示了3-D LIDAR系统100的收集光学器件116的剖切图，示意出每一束被收集的光118的成形。
图7绘示了3-D LIDAR系统的元件，包括脉冲照射系统130、光检测系统150和控制器140。
图8绘示了脉冲测量光束的发射和返回测量脉冲的捕获的定时的图示。
图9绘示了包括具有不同脉冲强度的不同重复模式的脉冲触发信号。
图10绘示了示例性图示180，示出了来自十六个脉冲照射系统中每一个脉冲照射系统的光发射的定时和强度。
图11绘示了示意出在至少一个新颖方面中用不同脉冲强度分布执行LIDAR测量的方法200的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考背景示例和本发明的一些实施例，其示例在附图中示出。
图1是示意出在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统100的实施例的图示。3-DLIDAR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(例如，波长在700至1,700纳米的光谱范围内的光)透明的材料构成的圆顶形壳元件103。在一个示例中，圆顶形壳元件103对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图1中所示，多个光束105被从3-D LIDAR系统100通过圆顶形壳元件103在角度范围α上发射，该角度范围是从中心轴线104测量的。在图1所示的实施例中，每个光束被投射到由x和y轴限定的平面上、彼此间隔开的多个不同位置处。例如，光束106被投射到xy平面上的位置107处。
在图1中描绘的实施例中，3-D LIDAR系统100被配置为围绕中心轴线104扫描所述多个光束105中的每一个。被投射到xy平面上的每个光束跟踪以中心轴线104和xy平面的交叉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勾勒出以中心轴线104为中心的圆形轨迹108。
图2是示意出在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统10的另一实施例的图示。3-D 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(例如，波长在700至1,700纳米的光谱范围内的光)透明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所示的，多个光束15被从3-D LIDAR系统10通过圆柱形壳元件103在角度范围β上发射。在图2所示的实施例中，示出了每个光束的主光线。每个光束被在多个不同的方向上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上。在一些实施例中，从系统10发射的每个光束略微发散。在一个示例中，从系统10发射的光束照亮在距系统10 100米距离处直径为20厘米的光斑尺寸。以这种方式，每个照射光束是从系统10发射的照射光锥。
在图2中绘示的实施例中，3-D LIDAR系统10被配置为围绕中心轴线14扫描所述多个光束15中的每一个。出于示意目的，光束15被以相对于3-D LIDAR系统10的非旋转坐标框架的一个角度定向示出，并且光束15'以相对于该非旋转坐标框架的另一角度定向示出。当光束15围绕中心轴线14旋转时，被投射到周围环境中的每个光束(例如，与每个光束相关联的每个照射光锥)随着其围绕着中心轴线14扫过而照亮对应于该锥形形状的照射光束的环境空间。
图3绘示了一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图。3-D LIDAR系统100还包括围绕中心轴线104旋转的光发射/收集引擎112。在至少一个新颖方面中，光发射/收集引擎112的中心光轴117相对于中心轴线104以角度θ倾斜。如图3中所示，3-D LIDAR系统100包括相对于下壳体101安装在固定位置中的静止电子板110。旋转电子板111设置在静止电子板110上方并且被配置为相对于静止电子板110以预定转速(例如，大于200转/分钟)旋转。电功率信号和电子信号通过一个或多个变压器、电容器或光学元件在静止电子板110和旋转电子板111之间传送，形成这些信号的非接触式传输。光发射/收集引擎112相对于旋转电子板111以固定关系定位，因此以预定的角速度ω围绕中心轴线104旋转。
如图3中所示，光发射/收集引擎112包括发光元件阵列114和光检测元件阵列113。从每个发光元件114发射的光被引向镜子(未示出)。从镜子反射的光通过一系列照射光学器件115，这些照射光学器件115将发射的光准直成从3-D LIDAR系统100发射的光束阵列105，如图1所示的。通常，可以布置任何数量的发光元件以从3-D LIDAR系统100同时发射任何数量的光束。从环境中的物体反射的光通过收集光学器件116收集。收集的光通过收集光学器件116，在这里光被聚焦到检测元件阵列113的每个检测元件上。在通过收集光学器件116之后，所收集的光从镜子(未示出)反射到每个检测器元件上。
图4绘示了光发射/收集引擎112的另一视图。在又另一个创新方面中，光发射/收集引擎112包括在旋转电子板111与光发射/收集引擎112的各元件之间提供机械支撑和电连接性的中间电子板121，122和123。例如，光检测元件阵列113中的每一个光检测元件被安装到中间电子板121。中间电子板121又被机械地和电地耦合到旋转电子板111。类似地，发光元件阵列114中的每一个发光元件被安装到中间电子板123。中间电子板123又被机械地和电地耦合到旋转电子板111。在另一示例中，照射光学器件115和收集光学器件116被机械地安装到中间电子板122。在本例子中，中间电子板122将照射光学器件115和收集光学器件116在空间上和光学上分开，以避免污染被收集的光和照射光。中间电子板122被机械地和电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连接性，以及用于安装3-D LIDAR系统100的操作所需的电气部件的附加板区域。
图5更详细地绘示了收集光学器件116的视图。如图5中所示，收集光学器件116包括四个透镜元件116A-D，其布置成将收集的光118聚焦到检测元件阵列113的每一个检测元件上。通过收集光学器件116的光从镜子124反射并被引导到检测元件阵列113的每一个检测元件上。在一些实施例中，收集光学器件116的光学元件中的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，该预定波长范围包括由发光元件阵列114的每一个发光元件发射的光的波长。在一个示例中，透镜元件中的一个或多个透镜元件由塑料材料构成，该塑料材料包括着色剂添加剂，以吸收波长小于由发光元件阵列114的每一个发光元件产生的红外光的光。在一个示例中，着色剂是可从Aako BV(荷兰)获得的Epolight 7276A。通常，可以将任何数量的不同着色剂添加到收集光学器件116的任何的塑料透镜元件中以滤除不期望的光谱。
图6绘示了收集光学器件116的剖切图，以示意每个被收集的光束118的成形。
如前面所述，收集光学器件116的光学元件中的一个或多个光学元件由吸收预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成，所述预定波长范围包括由发光元件阵列114的每一个发光元件发射的光的波长。然而，一般来说，照射光学器件115的光学元件中的一个或多个光学元件也可以由吸收包括由发光元件阵列114的每一个发光元件发射的光的波长的预定波长范围之外的光的一种或多种材料构成。
LIDAR系统，比如图2中绘示的3-D LIDAR系统10和图1中绘示的系统100，包括脉冲照射源，其从LIDAR装置发射脉冲照射光束到周围环境中。在一些实施例中，脉冲照射源是基于激光的。在一些实施例中，脉冲照射源基于一个或多个发光二极管。通常，可以设想任何适当的脉冲照射源。
在一个方面中，从LIDAR系统发射的重复的照射脉冲序列的照射强度分布被改变，以便减少总能耗和LIDAR系统产生的热量。
图7绘示了LIDAR系统的元件，包括脉冲照射系统130、光检测系统150和控制器140。
脉冲照射系统130包括脉冲发光装置137。脉冲发光装置137响应于被提供至该脉冲发光装置的脉冲电流信号136而产生脉冲光发射。由脉冲发光装置137产生的光通过LIDAR系统的一个或多个光学元件聚焦并投射到周围环境中的特定位置138上。在一个示例中，由脉冲发光装置137发射的光通过照射光学器件115聚焦并投射到特定位置，所述照射光学器件115将被发射的光准直成从3-D LIDAR系统10发射的脉冲光束16，如图2所示的。
脉冲照射系统130包括选择性地耦合到脉冲发光装置137的电能存储元件132。在一些示例中，该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发光装置137。开关元件139被配置为根据控制信号(例如，数字控制信号MPC)的状态在两个状态之间切换。在第一状态中，开关元件139实质上不导电。在这种状态下，能量存储元件132有效地与脉冲发光装置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，以有效地对电能存储元件充电。在第二状态中，开关元件实质上是导电的。在这种状态下，能量存储元件132电耦合到脉冲发光装置137。在这种状态下，电能从能量存储元件流到脉冲发光装置137。
如图7中所示，电能存储元件132选择性地耦合到脉冲发光装置137。以这种方式，提供至脉冲发光装置137的电流信号136的定时和形状通过控制器140产生的控制信号MPC有效地控制。因此，从LIDAR装置发射的光脉冲的定时由控制器140控制。
通常，脉冲照射系统130可包括以并联形式选择性地与脉冲发光装置耦合的任何数量的电能存储元件。此外，电能存储元件中的一个或多个可以具有与其他电能存储元件中的一个或多个不同的能量存储容量。以这种方式，提供给脉冲发光装置137的电流信号136的振幅和定时由控制信号MPC控制。在这些实施例中，通过控制被耦合到脉冲发光装置137的能量存储元件的定时和数量来实现电流信号136的振幅和定时。在一些实施例中，通过将多个能量存储元件顺序地耦合到脉冲发光装置137，为每个LIDAR测量发射多个脉冲。在一些其他实施例中，通过选择同时耦合到脉冲发光装置137的能量存储元件的数量来控制电流信号136的振幅。通常，由控制器140经由控制信号MPC命令的每个脉冲在大小和持续时间上可以变化。
在一些实施例中，重复的照射脉冲序列从LIDAR系统发出。重复序列是随时间重复的测量脉冲序列，具有与该重复序列中的每个脉冲的强度相关联的特定照射强度分布。在一个方面中，该重复序列中的一个或多个脉冲具有与该序列内的另一个脉冲不同的照射强度。换句话说，照射强度分布包括至少一个强度振幅与另一个脉冲不同的脉冲。
例如，图9描绘了由控制器140产生的脉冲触发信号167(例如，图7中所示的信号MPC)，该信号是周期性的，具有周期Tp。脉冲触发信号167包括三个不同的照射脉冲重复序列167A-C。在区段167A中，重复序列具有重复周期Trepa，对于六个连续的脉冲来说脉冲强度是恒定的，在中间值处。在区段167B中，重复序列具有重复周期Trepb，脉冲强度在高强度设定值和低强度设定值之间交替。该序列重复两次。在区段167C中，重复序列具有重复周期Trepc，并且在每一个重复序列内，脉冲强度被保持为在一个脉冲处为高、在两个相继的脉冲处为低。此序列重复三次。通常，LIDAR系统可以被配置为基于逐个的脉冲、以任何期望的方式变化脉冲强度分布以节省能量。在一些实施例中，脉冲强度的分布是伪随机的。通常，控制器140命令的每个脉冲在大小和持续时间上都可以变化。
在又一实施例中，LIDAR系统，比如在图2中描绘的LIDAR系统10，包括与公共控制器(例如，控制器140)协同操作的多个脉冲照射系统。图10描绘了示例性图示181，示出了来自十六个脉冲照射系统中的每一个脉冲照射系统的光发射的定时。在另又一方面中，从每一个脉冲照射系统发射的照射光脉冲的重复模式都是可独立控制的。因此，与每一个脉冲照射系统相关联的强度分布被独立地控制。
如图10中所示，一测量脉冲被从第一脉冲照射系统发射。在延迟时间TDELAY之后，一测量脉冲被从LIDAR装置的第二脉冲照射系统发射。以这种方式，在测量时段TMEASUREMENT期间，十六个测量脉冲的序列被从LIDAR装置在不同方向上发射。在上述测量时段之后的充电时段TCHARGE期间，对与十六个脉冲照射系统中的每一个脉冲照射系统相关联的能量存储元件充电。充电时段之后，在随后的测量时段期间另一个测量脉冲被从每一个脉冲照射系统中发射。在另一个充电时段之后，又另一个测量脉冲被从每一个脉冲照射系统中发射，以此类推。请注意，第十四个脉冲照射系统按照图9中描绘的脉冲触发信号167的区段167B触发。因此，第十四个脉冲照射系统呈现出具有重复周期Trepb的强度分布，该重复周期Trepb不同于与脉冲触发信号167相关联的常规周期Tp。如图9中所示，在区段167B期间，输出强度在较高的值和较低的值之间交替。脉冲A，B和C在图9和10中都被特别标出了。请注意脉冲A和C具有较高的值而脉冲B具有相对较低的值。
总体上，与每一个脉冲照射系统相关联的脉冲强度分布可以独立于LIDAR系统的其它脉冲照射系统改变。
在一些实施例中，延迟时间被设置为大于所述测量脉冲到达和来自位于LIDAR装置的最大范围处的物体的飞行时间。以这种方式，在十六个脉冲照射系统中的任何脉冲照射系统之间不存在串扰。
在一些其他实施例中，在从另一个脉冲照射系统发射的测量脉冲有时间返回到LIDAR装置之前，可以从一个脉冲照射系统发射测量脉冲。在这些实施例的一些中，应注意保证在被每个光束访问的周围环境的区域之间具有充分的空间间隔以避免串扰。
如图7中所示，从位置138反射的光通过光检测器155检测。光检测器155产生输出信号151，该输出信号通过模拟跨阻抗放大器152放大。通常，输出信号151的放大可以包括多个放大器级。在这个意义上讲，模拟跨阻抗放大器152被以非限制性示例的方式提供，在本专利文件的范围内可以设想许多其他的模拟信号放大方案。
放大的信号153被传送到控制器140。采用控制器140的模数转换器(ADC)144将模拟信号153转换为数字信号，以进行进一步处理。控制器140产生启用/禁用信号145，该信号与控制信号MPC一致地被用于控制ADC 144的数据采集的定时。
图8绘示了与测量脉冲的发射和返回的测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。如图8中所示，测量开始于由控制器140产生的脉冲触发信号(pulse firing signal)161(例如，MPC[1])。由于内部系统的延迟，被从多脉冲触发信号161移位了一时间延迟TD的脉冲编号信号162被确定出来。该时间延迟包括与从LIDAR系统发射光相关联的已知延迟(例如，信号传送延迟和与开关元件、能量存储元件和脉冲发光装置相关联的延迟(latency))、以及与收集光和产生表示所收集的光的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中所示，返回信号163响应于特定位置的照射而被LIDAR系统检测到。测量窗口(即，一时间段，在该时间段期间被收集的返回信号数据与特定的测量脉冲相关联)通过启用从光检测元件150的数据采集而启动。控制器140控制测量窗口的定时，以与响应于测量脉冲的发射而预期的返回信号的时间窗口相对应。在一些示例中，测量窗口在上述测量脉冲被发射的时间点被启用，并且在与LIDAR系统的范围的两倍的距离上的光飞行时间相对应的时间后被禁用。以这种方式，测量窗口打开，以收集从与LIDAR系统相邻的物体(即，飞行时间忽略不计)至位于LIDAR系统的最大范围处的物体的返回光。以这种方式，拒绝所有其他不可能有助于有用返回信号的光。
如图8中所示，返回信号163包括与所发射的测量脉冲相对应的两个返回测量脉冲。通常，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接近的信号(即，返回测量脉冲的第一实例)、最强信号和最远信号(即，测量窗口中的返回测量脉冲的最后一个实例)。任何这些实例都可以被LIDAR系统报告为潜在有效的距离测量。例如，飞行时间TOF1可以由与图8中绘示的被发射测量脉冲相对应的最接近的(即，最早的)返回测量脉冲计算。
在一些实施例中，比如参考图1和图2描述的实施例，脉冲照射源和光敏检测器被安装到LIDAR装置的旋转框架。该旋转框架相对于LIDAR装置的基架旋转。在另一方面中，LIDAR装置还包括定向传感器，其测量旋转框架相对于基架的定向。在这些实施例中，LIDAR系统的计算系统(例如，图7中绘示的控制器140)周期性地接收旋转框架相对于基框的定向的被更新的指示。在这些实施例的一些中，脉冲照射源的照射强度分布的变化基于该定向。
在一些实施例中，LIDAR系统被安装到在道路上行驶的车辆。LIDAR系统向图像处理系统提供“点云”数据，该图像处理系统基于“点云”数据在车辆在道路上行驶时生成车辆周围的环境的图像。在一些操作场景中，可能希望的是获得位于车辆前方和车辆的一侧或两侧的物体的高分辨率图像。然而，可能不必须获得车辆后方的物体的高分辨率图像。在这些示例中，LIDAR系统被配置为当照射束指向车辆前方和一侧或两侧时采用高照射强度(即，多数脉冲在相对高的照射强度水平)。然而，当照射束指向车辆后方时，降低平均强度(即，更多的脉冲的照射强度水平具有相对较低的值或零值)。
在一些实施例中，照射强度分布的变化基于LIDAR装置和在三维环境中检测到的物体之间的距离进行。在一个示例中，在LIDAR装置和在三维环境中检测到的物体之间的距离小于预定阈值的时间段期间，调整照射强度分布以降低脉冲的平均强度。以这种方式，通过LIDAR系统以较低的照射强度对相对靠近LIDAR装置(例如，25米或更近，10米或更近等)的物体进行采样。由于LIDAR装置的视域径向地延伸，所以，相对靠近LIDAR装置的物体比相对远离LIDAR装置的物体以更高的信噪比检测到。因此，对于相对靠近LIDAR装置的物体，可能不必须高照射强度来生成靠近的物体的足够精确的图像。在这些示例中，对于相对靠近的物体来说，调整所述脉冲照射强度以降低平均照射强度。
在一些实施例中，重复的照射脉冲序列的照射强度分布根据是否在三维环境中检测到物体而改变。在一个示例中，当在脉冲照射束的视场内没有检测到物体超过预定的时间段时，调整脉冲照射束的照射强度分布以降低平均照射强度一段时间。例如，当与脉冲照射束相关联的检测器检测到的信号在预定的时间段内具有可忽略的值(例如，低于阈值)时，控制器140降低从该脉冲照射源发射的光的照射强度分布。以这种方式，当照射束指向没有物体的空间体积(例如，朝向地平线，朝向天空等)时，能耗和热量的产生减少。然而，随后，当与脉冲照射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140提高从该脉冲照射源发射的照射强度分布的平均照射强度。在一些示例中，必须在第一预定时间段之后的第二预定时间段内检测到物体，控制器140才提高该平均照射强度。这些阈值防止伪信号引起平均照射强度的快速波动。
在一些实施例中，LIDAR系统包括或通信地链接到成像装置，该成像装置被配置为生成上述脉冲照射源的视场的至少一部分的图像。在一些实施例中，成像装置是计算系统，其被配置为从LIDAR装置生成的“点云”的多个点生成图像。在这些实施例的一些中，计算系统与LIDAR装置是分离的并且被通信地链接到LIDAR装置。在其他实施例中，LIDAR系统的计算系统被配置为从“点云”数据生成图像。在一些其他实施例中，成像装置包括单独的成像传感器(例如，相机)，其捕获上述脉冲照射源的视场的至少一部分的图像。在这些实施例的一些中，成像传感器被集成在LIDAR装置内。在一些其他实施例中，成像传感器与LIDAR装置是分离的并且被通信地链接到LIDAR装置。
在这些实施例中，基于在脉冲照射源的视场的至少一部分的图像中是否检测到物体来改变从脉冲照射源发射的重复的照射脉冲序列的照射强度分布。在一些示例中，当在脉冲照射源的视场的图像中没有检测到物体时降低平均照射强度(即，重复的照射脉冲序列的平均强度在持续的给定时间段内被降低)。在一些其他示例中，当在脉冲照射源的视场的图像中检测到物体时提高平均照射强度。
在一些实施例中，基于3-D LIDAR装置的操作温度的指示来改变从脉冲照射源发射的重复的照射脉冲序列的照射强度分布。在一些实施例中，操作温度的指示是测得的周围环境的温度。在一些实施例中，操作温度的指示基于3-D LIDAR装置上的一个或多个测得温度。例如，紧密靠近诸如照射源(例如，激光二极管)、照射源驱动器、跨阻抗放大器等的敏感电子部件的温度可以单独地或组合地测量，以获得操作温度的指示。在一些实施例中，测量来自照射源(例如，激光二极管)的照射输出的光谱偏移作为操作温度的指示。通常，任何温度测量、或3-D LIDAR装置内以及周围的温度测量的组合可以被用作3-D LIDAR装置的操作温度的指示，并且因此形成改变3-D LIDAR装置上的脉冲照射源中任何脉冲照射源的照射强度分布的基础。
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许多存储器143，所述程序代码当由处理器141执行时使处理器141实现如本文所述的脉冲重复模式。作为非限制性示例，控制器140可操作以经由通信链接与外部计算系统(未示出)通信。在一个示例中，控制器140将所测得的距离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实现的方法200。在一个方面中，认识到方法200的数据处理框可以经由通过计算系统140的一个或多个处理器执行的预编程算法来执行。虽然下面的描述在LIDAR系统10和100的背景下呈现，但在这里应认识到LIDAR系统10和100的特殊结构方面不具有限制性并且应该解释为仅仅是说明性的。
在框201中，从LIDAR装置发射具有第一重复模式的照射光脉冲的序列到三维环境中。
在框202中，检测从所述照射光脉冲中的每一个照射光脉冲照射的三维环境反射的光量。
在框203中，生成输出信号，所述输出信号表示所检测到的、与所述照射光脉冲中的每一个照射光脉冲相关联的光量。
在框204中，例如通过控制器140，接收表示所检测到的光量的所述输出信号。
在框205中，基于在脉冲从LIDAR装置发射的时间与光敏检测器检测到从照射光脉冲照射的物体反射的光量的时间之间的差，来确定LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离。
在框206中，生成命令信号，所述命令信号致使该脉冲照射源将照射光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，所描述的功能可以以硬件、软件、固件或它们的任何组合实施。如果以软件实施，则可以将这些功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，包括便于将计算机程序从一个地方转移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。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可包括RAM，ROM，EEPROM，CD-ROM或其他光盘存储器，磁盘存储器或其他磁性存储装置，或者能够被用于以指令或数据结构的形式承载或存储所需的程序代码手段并且能够由通用或专用计算机或通用或专用处理器访问的任何其他介质。而且，任何连接都被适当地称为计算机可读介质。例如，如果软件被使用同轴电缆，光纤电缆，双绞线，数字用户线(DSL)，或诸如红外、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或其他远程源传输，则介质的定义中包括同轴电缆，光纤电缆，双绞线，DSL或诸如红外、无线电和微波的无线技术。如这里所使用的磁盘(disk)和光盘(disc)包括压缩盘(CD)，激光盘，光盘，数字通用盘(DVD)，软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘用激光光学地复制数据。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
尽管在上面出于说明目的描述了某些特殊实施例，但是该专利文档的教导具有普遍适用性并且不限于上面的特殊实施例。因此，在不脱离权利要求中阐述的本发明的范围的情况下可以对所描述的实施例的各特征进行各种修改、适应性改变和组合。

Claims (20)

1.一种光检测和测距(LIDAR)装置，包括：
脉冲照射源，其从LIDAR装置发射照射光脉冲的序列到三维环境中，所述照射光脉冲的序列具有脉冲强度的第一重复模式，其中所述第一重复模式的一个或多个照射光脉冲具有与所述第一重复模式的另一个照射光脉冲不同的照射强度；
光敏检测器，其检测从被所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲照射的三维环境反射的光量，并且产生输出信号，所述输出信号表示所检测到的、与所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲相关联的光量；和
计算系统，其被配置用于：
接收表示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在脉冲从LIDAR装置发射的时间与所述光敏检测器检测到从照射光脉冲照射的物体反射的光量的时间之间的差，来确定LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离；和
生成命令信号，所述命令信号致使该脉冲照射源将所述照射光脉冲的序列改变为第二重复模式，所述第二重复模式具有与所述第一重复模式不同的脉冲强度分布。
2.根据权利要求1所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是伪随机的。
3.根据权利要求1所述的LIDAR装置，其中，所述第二重复模式的所述照射光脉冲的序列中的一个或多个照射光脉冲具有零值。
4.根据权利要求1所述的LIDAR装置，其中，所述脉冲照射源和所述光敏检测器被安装到所述LIDAR装置的旋转框架，所述旋转框架相对于所述LIDAR装置的基架旋转，并且所述LIDAR装置还包括：
被配置用于检测旋转框架相对于基架的定向的定向传感器，其中将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是基于所述定向。
5.根据权利要求1所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是基于LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离。
6.根据权利要求5所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离小于预定阈值时，降低脉冲的平均强度一给定时间段。
7.根据权利要求5所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当所述输出信号持续第一时间段都是可忽略的值时，降低脉冲的平均强度一给定时间段。
8.根据权利要求7所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，在所述第一时间段之后的紧接着第二时间段内所述输出信号是不可忽略的值时，提高所述平均强度持续所述给定时间段。
9.根据权利要求1所述的LIDAR装置，还包括：
成像装置，其被配置用于生成所述脉冲照射源的视场的至少一部分的图像，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中没有检测到物体时，降低脉冲的平均强度一给定时间段，并且将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中检测到物体时，提高所述平均强度持续所述给定时间段。
10.根据权利要求9所述的LIDAR装置，其中，所述成像装置是通信地耦合到所述LIDAR装置的相机。
11.根据权利要求9所述的LIDAR装置，其中，所述成像装置是通信地耦合到所述LIDAR装置的成像模块，其中，所述成像模块基于LIDAR装置产生的多个距离测量结果来生成周围三维环境的那部分的图像。
12.一种光检测和测距(LIDAR)装置，包括：
脉冲照射源，其从LIDAR装置发射照射光脉冲的序列到三维环境中，所述照射光脉冲的序列具有脉冲强度的第一重复模式，其中所述第一重复模式的一个或多个照射光脉冲具有与所述第一重复模式的另一个照射光脉冲不同的照射强度；
光敏检测器，其检测从被所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲照射的三维环境反射的光量，并且产生输出信号，所述输出信号表示所检测到的、与所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲相关联的光量；和
包括计算机可读指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读指令当被计算系统读取时致使所述计算系统：
接收表示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在脉冲从LIDAR装置发射的时间与所述光敏检测器检测到从照射光脉冲照射的物体反射的光量的时间之间的差，来确定LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离；和
生成命令信号，所述命令信号致使该脉冲照射源将所述照射光脉冲的序列改变为第二重复模式，所述第二重复模式具有与所述第一重复模式不同的脉冲强度分布。
13.根据权利要求12所述的LIDAR装置，其中，所述第二重复模式的所述照射光脉冲的序列中的一个或多个照射光脉冲具有零值。
14.根据权利要求12所述的LIDAR装置，其中，所述脉冲照射源和所述光敏检测器被安装到所述LIDAR装置的旋转框架，所述旋转框架相对于所述LIDAR装置的基架旋转，并且所述LIDAR装置还包括：
被配置用于检测旋转框架相对于基架的定向的定向传感器，其中将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是基于所述定向。
15.根据权利要求12所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是基于LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离。
16.根据权利要求15所述的LIDAR装置，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离小于预定阈值时，降低脉冲的平均强度一给定时间段。
17.根据权利要求12所述的LIDAR装置，还包括：
成像装置，其被配置用于生成所述脉冲照射源的视场的至少一部分的图像，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中没有检测到物体时，降低脉冲的平均强度一给定时间段，并且将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中检测到物体时，提高所述平均强度持续所述给定时间段。
18.一种方法，包括：
从LIDAR装置发射照射光脉冲的序列到三维环境中，所述照射光脉冲的序列具有脉冲强度的第一重复模式，其中所述第一重复模式的一个或多个照射光脉冲具有与所述第一重复模式的另一个照射光脉冲不同的照射强度；
检测从被所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲照射的三维环境反射的光量；
产生输出信号，所述输出信号表示所检测到的、与所述照射光脉冲的序列中的每一个照射光脉冲相关联的光量；
接收表示所检测到的光量的所述输出信号；
基于在脉冲从LIDAR装置发射的时间与所述光敏检测器检测到从照射光脉冲照射的物体反射的光量的时间之间的差，来确定LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离；和
生成命令信号，所述命令信号致使该脉冲照射源将所述照射光脉冲的序列改变为第二重复模式，所述第二重复模式具有与所述第一重复模式不同的脉冲强度分布。
19.根据权利要求18所述的方法，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布是基于LIDAR装置与所述三维环境中的物体之间的距离。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
对所述脉冲照射源的视场的至少一部分进行成像，其中，将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中没有检测到物体时，降低脉冲的平均强度一给定时间段，并且将上述脉冲的序列改变为不同的脉冲强度分布包括，当在所述脉冲照射源的视场的所述图像中检测到物体时，提高所述平均强度持续所述给定时间段。
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