CN109254300A - 用于光学测距系统的发射信号设计 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于光学测距系统的发射信号设计。一种用于测距的光学发射系统102，其包括信号发生器304、激光二极管308和光学器件310，该激光二极管308耦合到信号发生器304。信号发生器304被配置为生成第一多个电信号。激光二极管308被配置为生成与第一多个电信号对应的第一多个光学波形152。光学器件310被配置为接收第一多个光学波形152，并将第一多个光学波形152朝向第一多个扫描点定向，第一多个扫描点在视场(FOV)内形成扫描区域。第一多个光学波形152的第一信号类型、第一信号持续时间、第一信号振幅或第一信号重复频率是基于第一多个扫描点的第一期望范围。

Description

用于光学测距系统的发射信号设计
背景技术
光学探测和测距(LiDAR、LIDAR、lidar、LADAR)是通过使激光脉冲序列(单个窄脉冲或调制窄脉冲序列)反射离开一个或更多个物体并分析反射光来测量到物体的距离的系统。更具体地，LiDAR系统通常通过分析反射光信号和发射光信号之间的相关或相位偏移，来确定激光脉冲从激光器发射到物体并返回到该系统的飞行时间(time of flight(TOF))。然后可以基于TOF确定到物体的距离。这些系统可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR系统来监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用由LiDAR系统所确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一个交通工具)是否太近，并自动应用制动。
许多LiDAR系统使用旋转光学测量系统来确定在其视场(FOV)中的物体的距离信息。反射光的强度是针对通过完整360度旋转的几个垂直平面测量的。
发明内容
根据本公开的至少一个实施例，一种光学测距系统包括发射器和接收器。发射器被配置为生成在第一时间段内的第一多个光学波形以及在第二时间段内的第二多个光学波形，并且将第一多个光学波形朝向第一物体以及将第二多个光学波形朝向第二物体定向。第一多个光学波形被配置为是与所述第二多个光学波形不同的信号类型或具有与所述第二多个光学波形不同的信号持续时间、信号振幅或信号重复频率。接收器被配置为接收反射离开第一物体的第一多个光学波形和反射离开所述第二物体的第二多个光学波形，基于从发射器到第一物体并返回到接收器的第一飞行时间确定到第一物体的第一距离，以及基于从发射器到第二物体并返回到接收器的第二飞行时间确定到第二物体的第二距离。
另一个说明性实施例是一种用于光学测距的光学发射系统，其包括信号发生器、激光二极管和光学器件，该激光二极管耦合到信号发生器。信号发生器被配置为生成第一多个电信号。激光二极管被配置为生成与第一多个电信号相对应的第一多个光学波形。光学器件被配置为接收第一多个光学波形，并将第一多个光学波形定向到第一多个扫描点，第一多个扫描点形成视场(FOV)内的扫描区域。第一多个光学波形的第一信号类型、第一信号持续时间、第一信号振幅或第一信号重复频率是基于第一多个扫描点的第一期望范围。
又一个说明性实施例是一种用于确定到多个物体的距离的方法。该方法包括由发射器针对第一期望范围生成第一多个光学波形。第一多个光学波形是第一信号类型并且具有第一信号持续时间、第一信号振幅和第一信号重复频率。第一信号类型、第一信号持续时间、第一信号振幅和第一信号重复频率是基于第一期望范围。该方法还包括将第一多个光学波形导向(steer)到在视场(FOV)内形成扫描区域的多个扫描点。该方法还包括由发射器针对与第一期望范围不同的第二期望范围生成第二多个光学波形。第二多个光学波形是第二信号类型，并且具有第二信号持续时间、第二信号振幅和第二信号重复频率。第二信号类型、第二信号持续时间、第二信号振幅和第二信号重复频率是基于第二期望范围。该方法还包括将第二多个光学波形导向到多个扫描点。
附图说明
针对各种的示例的详细说明，现在将参考附图，其中：
图1根据各种的示例示出了光学测距系统；
图2根据各种的示例示出了FOV内的说明性扫描区域，该扫描区域由光学测距系统扫描；
图3根据各种的示例示出了用于光学测距系统的说明性发射器；
图4根据各种的示例示出了用于光学测距系统的说明性接收器；
图5根据各种的示例示出了用于各种范围扫描的说明性振幅与时间的曲线图；以及
图6根据各种的示例示出了用于确定到多个物体的距离的方法的说明性流程图。
具体实施方式
贯穿随后的说明书和权利要求中使用的某些术语指的是特定的系统组件。正如本领域的技术人员所理解的，公司可能会用不同的名称来指代一个组件。本文档不意图区分名称不同而不是功能不同的组件。在随后的讨论和在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，并且因此应该被解释为意味着“包括但不限于……”。另外，术语“耦合”(“couple”或“couples”)意图意味着间接连接或直接连接。因此，如果第一器件耦合到第二器件，该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他器件和连接的间接连接。列举“基于”意图意味着“至少部分基于”。因此，如果X是基于Y的，那么X可以是基于Y和任何数量的其他因素。
以下讨论针对本公开的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或更多个可以是优选的，但公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解，随后的说明书具有广泛的应用，而对任何实施例的讨论仅仅意味着是对该实施例的示例性说明，而不意图暗示本公开(包括权利要求)的范围受限于该实施例。
光学测距系统(诸如LiDAR系统)可以利用光学信号(例如，光信号)到物体及其反射离开物体回到LiDAR系统(返回信号)的飞行时间(TOF)确定到各种物体的距离。这些系统可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR系统，其监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用LiDAR系统确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一交通工具)是否太近，并自动应用制动。
一些LiDAR系统扫描它们的FOV(例如，使用旋转光学系统)，以确定其FOV中物体的距离信息。反射光的强度是针对通过完整360度旋转的几个垂直平面测量的。例如，这些LiDAR系统可以使用一套旋转的发射和接收光学器件。对于每个扫描平面，光波束在旋转系统的每个角位置处被发射和接收(例如，光波束被发射到FOV中的网格模式中的若干扫描点，并被反射离开位于扫描点处的物体)。完成后，可以生成FOV的三维(3D)图像。
在传统的系统中，发射信号被设计为用于期望测量的最大距离。因此，发射的光学信号总是以全功率被发射。如果多个物体在FOV内，来自近距离物体的反射可以非常强，从而由于接收光学探测器传感器的饱和和恢复时间而妨碍来自更远物体的延迟的较弱反射被检测到。对于单目LiDAR系统(例如，为发射器和接收器使用单一透镜来定向光学信号的系统)，污垢、水滴、其他异物和/或其他杂质会导致发射信号强烈反射回到接收器。这种由接收器接收的反射信号(或在反射离开其他近物体之后由接收器接收的任何其它反射信号)可以非常强，从而使接收器的前端饱和。然而，如果发射信号太小，对于较远物体的在反射信号中的功率可能是如此之低以致于它丢失在噪声中。因此，需要开发一种光学测距系统，该系统可靠地检测离系统近和远的物体。
根据各种示例，提供一种光学测距系统，该系统为发射信号而交错各种功率电平，使得可靠地检测到FOV内的近物体和远物体。换句话说，可以基于特定扫描的期望范围来调整发射信号。在一个实施例中，对于短范围扫描(例如，对于小于10米的扫描)，使用具有相对短的信号持续时间、相对低的峰值光学功率(例如，相对低的信号振幅)以及相对高的信号重复频率的脉冲信号。脉冲信号提供了允许更高的分辨率的快速的上升时间。在一个实施例中，对于较长范围扫描(例如，对于大于10米的扫描)，使用具有相对较长信号持续时间、相对较高峰值光学功率以及相对较低信号重复频率的脉冲序列或连续调幅信号。更一般地，可以基于任何特定扫描的期望范围调整信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复频率，从而优化性能。
图1根据各种的示例示出了说明性光学测距系统100。光学测距系统100包括发射器102、接收器110和控制器112。在一些实施例中，由控制器112将发射器102配置为生成多个光学波形152。在一些实施例中，光学波形152是单音(tone)(例如，连续波)、具有相位调制的单音(例如，相移键控)、具有固定频率的多音(例如，频移键控)、具有在频率范围上的频率调制的信号(例如，线性调频信号(chirp))和/或具有窄带、脉冲位置调制的信号。在一些实施例中，由发射器102生成的光学波形的类型是基于扫描的期望范围(例如，系统要测量物体的期望距离)。例如，对于短范围扫描(例如，小于10米)，光学波形152是单音。对于较长范围的扫描(例如，大于10米)，光学波形152是具有脉冲位置调制(即，脉冲序列)和/或连续调幅波形的信号。
在一个实施例中，发射器102也被配置为将光学波形152朝向FOV 106定向。在一些实施例中，波束导向器件(未显示)可以从发射器102接收光学波形152，并且将光学波形152导向到FOV 106。更具体地，发射器102和/或波束导向器件将光学波形152定向/导向到多个扫描点。例如，发射器102和/或波束导向器件(在一些实施例中，其是具有可控微镜或相控阵的固态器件、附接到激光器的机动平台、可旋转反射镜和/或用于波束导向的任何其他器件)被配置为将一个光学波形定向/导向到FOV 106中的第一扫描点，并将第二光学波形定向/导向到FOV 106中的第二扫描点。以这种方式，执行一个或更多个扫描区域的扫描，每个扫描区域包含FOV内的若干扫描点。
每个光学波形152可以反射离开在FOV 106内的物体。然后每个反射的光学波形152由接收器110接收。在一些实施例中，附加的波束导向器件(未显示)将每个反射的光学波形152导向到接收器110。在一些实施例中，接收器110直接从FOV 106中的物体接收每个反射的光学波形152。
接收器110被配置为接收每个反射的光学波形152，并基于每个光学波形152从发射器102到物体并返回到接收器110的TOF，确定到FOV 106内的物体的距离。例如，光速是已知的，所以到物体的距离是用TOF来确定和/或估计的。也就是说，距离被估计为其中d是到物体的距离，c是光速，并且TOF是飞行时间。光速乘以TOF的一半用来解释光学波形到物体的行进以及来自物体的光学波形的行进。在一些实施例中，除了接收反射离开FOV106内的物体的每个反射的光学波形152外，接收器110还被配置为直接从发射器102接收每个光学波形152或每个光学波形152的一部分。在一个实施例中，接收器110被配置为将光学信号转换成电信号，接收的信号对应于每个反射的光学波形152，并且参考信号对应于直接从发射器102接收的每个光学波形152。然后，在一个实施例中，接收器110使用参考信号和接收的信号执行相关函数。相关函数中的峰值对应于每个接收的反射的光学波形152的时延(即，TOF)。然后可以利用上面讨论的公式估计距离。在其他实施例中，可以对接收的信号执行快速傅里叶变换(FFT)。音的相位然后用于估计接收的信号中的延迟(即，TOF)。然后可以使用上面讨论的公式估计距离。
如上文所述，可以生成多个光学波形152，并且每个波形被定向到FOV106内的扫描区域的不同的扫描点。因此，由系统100确定每个扫描点处的物体的距离信息。因此，系统100可以基于在FOV 106内的扫描区域的测距来提供“图像”。
在一个实施例中，光学测距系统100被配置为全部以上述相同的方式对FOV 106进行多次扫描。在一个实施例中，每一次扫描都可以定向位于不同范围处的FOV 106内的物体。例如，第一次扫描可以具有期望的范围(例如，期望被扫描的FOV 106中的距离)，其为距离光学测距系统100的短距离(例如，小于10米)，而第二次扫描可以具有针对较长距离(例如，大于10米)设定的期望范围。因此，在一个实施例中，发射器102被配置为基于期望范围发射光学波形152。因此，发射的信号的类型(即，信号类型)、信号的持续时间(即，信号持续时间)、发射的信号的功率(即，信号振幅)和/或信号发射的重复频率(即，信号重复频率)都是基于期望范围。换句话说，虽然传统的光学测距系统具有固定的信号类型、固定的信号持续时间、固定的信号振幅和固定的信号重复频率发射方案，但是光学测距系统100基于期望的扫描范围改变信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复频率。因此，该系统可以基于计算的FOV中的物体的范围来更有效地调节发射的光学功率，以满足眼睛安全要求。
在一个实施例中，对于短范围扫描(例如，小于10米)，发射器102被配置为生成脉冲光学波形152。这些脉冲光学波形提供快速上升时间。因为范围精度是基于脉冲的上升时间，所以这些快速上升时间脉冲为距离确定提供了相对高的分辨率。在一些实施例中，因为范围短，因为由于从发射器102到物体并返回到接收器110的往返时间(round trip time)短而造成来自其他光学测距系统的干扰是不可能的，所以脉冲光学波形152不被调制。在一个实施例中，对于较长的范围扫描(例如，大于10米)，发射器102被配置为生成脉冲的序列和/或连续的调幅波形作为光学波形152。
在一个实施例中，针对短范围扫描(例如，小于10米)的信号持续时间被设置为其中duration是信号持续时间，dmin是用于光学测距系统100的最小距离，以及c是光速。这种配置允许在接收反射的光学波形152的任何部分之前完全发射光学波形152。对于较长的范围扫描(例如大于10米)，信号持续时间小于前面的光学波形152的往返时间(例如，光学波形152从发射器102行进到FOV 106内的物体并且反射的光学波形152由接收器110接收的时间)。因此，期望的范围越近，信号持续时间越短。
短范围扫描的信号振幅也低于较长范围扫描的信号振幅，以便不用高功率反射波形使接收器110饱和。在一个实施例中，短范围扫描(例如，小于10米)的信号振幅是基于最小反射率和最大范围的最坏情况条件下的本底噪声(noise floor)(利用特定性能可检测到的)。因此，期望的范围越近，信号振幅就越低。在一个实施例中，对于较长范围扫描(例如，大于10米)，选择信号振幅，使得接收到的反射的光学波形152是利用指定性能可检测到的。在一些实施例中，峰值功率在增加脉冲长度之前最大化，以优化信噪比(SNR)权衡。
针对短范围扫描的信号重复频率可以比针对较长范围扫描的更高。在一个实施例中，信号重复频率是基于光学波形152从发射器102到物体并返回到接收器110的往返时间(例如，发射器102在接收器110接收第一光学波形后生成后续的光学波形)。因为短范围扫描比较长范围扫描具有较低的往返时间，所以光学波形152是以相比针对较长范围扫描更高的频率针对短范围扫描由发射器102生成。
在一些实施例中，接收器110还包括静默期(silence period)，其基于期望的扫描范围变化。在一个实施例中，对于短范围扫描(例如，小于10米)，接收器110被配置为忽略从期望范围以外(例如，从10米以外)接收的信号。因此，测量期望扫描范围内的到物体的距离，而忽略其他物体。在一个实施例中，对于较长范围的扫描(例如，大于10米)，接收器110被配置为忽略在发射期间接收的任何信号。因此，忽略较近范围物体信号(例如，可使接收器110饱和的10米内的信号)，而测量具有较长范围(例如，大于10米)的到物体的距离。在另一个实施例中，在已经在短范围处检测到物体的位置(例如，扫描点)处，避免长范围扫描，以避免使接收器110饱和。
在一些实施例中，控制器112计算对扫描区域内物体的测距，并且在一些实施例中，基于期望的范围确定由发射器102生成的光学波形152的参数。控制器112可以是任何类型的处理器、控制器、微控制器和/或微处理器，其体系结构被优化用于处理从接收器110接收的测距数据，并控制发射器102。例如，控制器112可以是数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)、精简指令集计算(RISC)内核(诸如进阶RISC机器(ARM)内核)、混合信号处理器(MSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
图2根据各种的示例示出了FOV 106内的说明性扫描区域202，该扫描区域202由光学测距系统100扫描。在图2所示的示例中，FOV 106包括扫描区域202。在FOV 106和扫描区域202内的是物体206、208、210和212。在一些示例中，物体206、208、210和212可以与光学测距系统100的距离不同(例如，物体206和208可以比物体210和212更接近光学测距系统100)。在一个实施例中，扫描区域202是覆盖整个或大部分FOV 106的矩形均匀扫描区域。扫描区域202包括覆盖整个扫描区域202的多个扫描点204。因此，在一个实施例中，第一光学波形152被定向到扫描点204a，并对位于扫描点204a处的任何物体进行测距。第二光学波形152被定向到扫描点204b，并对位于扫描点204b处的任何物体进行测距，这样，扫描所有扫描点204并确定到物体(包括物体206、208、210和212)的距离。
如上所述，在一个实施例中，进行的扫描区域202的扫描多于一次。换句话说，在不同的时间确定到每个扫描点204处的物体的距离。在一个实施例中，至少两个扫描具有不同的期望范围，并且因此，利用不同的发射信号设计(例如，信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复)。例如，对于第一次扫描，控制器112可致使发射器102生成用于短范围(例如，小于10米)扫描的光学波形152。因此，如上文所讨论的，发射器102将针对短范围扫描而优化的具有信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复频率的光学波形152发射到扫描点204。一旦第一次扫描完成，对于第二次扫描，控制器112可致使发射器102生成用于较长范围(例如，大于10米)扫描的光学波形152。因此，如上文所讨论的，发射器102将具有针对较长范围扫描而优化的信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复频率的光学波形152发射到扫描点204。光学测距系统100可进行针对任何期望范围而优化的多次扫描。
在一些实施例中，利用图2中描绘的扫描区域202的扫描来识别感兴趣的物体。例如，在一个实施例中，控制器112计算到扫描区域202内的物体206-212的测距，并基于对均匀扫描区域202的扫描确定要进一步聚焦/聚集(focus)于FOV 106内的哪些感兴趣的物体。例如，如果确定物体210和212相对于系统100以高于阈值水平的相对速度移动，则控制器112确定物体210和212是感兴趣的物体。响应于感兴趣的物体的确定，在一个实施例中，控制器112致使发射器102生成并发射光学波形152，其以大约等于到感兴趣的物体的距离的范围而被优化，以继续对扫描区域202扫描。例如，如果到物体210和212的距离是20米，那么控制器112致使发射器102生成并发射针对20米的期望范围优化的具有信号类型、信号持续时间、信号振幅和/或信号重复频率的光学波形152。
然后，在一个实施例中，光学测距系统100继续扫描优化到感兴趣的(一个或更多个)物体的期望范围的扫描区域202。然而，在一些实施例中，以任何频率与优化到感兴趣的物体的期望范围的扫描交错的是，优化到一个或更多个其他期望范围，以确定是否有任何新的和/或其他物体应添加到要跟踪的感兴趣的物体中的扫描。以这种方式，光学测距系统100可靠地检测离系统近和远的两种物体，并且可以连续跟踪这些物体，而不会使接收器110饱和或在噪声中丢失反射的光学波形152。
图3根据各种的示例示出了测距系统100的说明性发射器102。发射系统102包括调制信号发生器302、信号发生器304、发射驱动器306、激光二极管308和光学器件310(例如，透镜)。调制信号发生器302被配置为提供用于较长范围扫描(例如，大于10米)的相位、频率、振幅和/或位置调制参考信号。在一个实施例中，对于短范围扫描(例如，小于10米)，调制信号发生器302不生成任何调制参考信号。在一些实施例中，调制信号发生器302被配置为生成单音(即，连续波)、具有相位调制的单音(例如，相移键控)、具有调幅的单音(例如，幅移键控)、具有固定频率的多音(例如，频移键控)、在窄带频率范围上具有频率调制的信号(例如，线性调频信号)和/或具有窄带宽、脉冲位置调制的信号。信号发生器304被配置为使用来自调制信号发生器302的参考信号生成脉冲序列和/或连续波形，用于更长范围(例如，大于10米)扫描。信号发生器304用作使用调制信号作为参考的脉冲序列发生器和/或连续波形发生器。在一个实施例中，对于短范围扫描(例如，小于10米)，信号发生器304被配置为生成单个脉冲。发射驱动器306生成电流驱动信号以操作诸如激光二极管308之类的光学发射器，该光学发射器生成对应于由信号发生器304生成的电信号的光学波形152。光学器件310(例如，透镜)被配置以将光学波形152(例如，调制光学信号和/或光脉冲)朝向FOV106中的扫描点204定向(例如，聚集)。例如，光学器件310可以将光学波形152直接定向到FOV 106中的扫描点204和/或定向到波束导向器件，该波束导向器件进一步将光学波形152导向到FOV 106中的扫描点204。
图4根据各种的示例示出了用于测距系统100的说明性光学接收器110。在一个实施例中，接收器110包括：一个光学器件410(例如，透镜)、两个光电二极管402和412、两个跨阻抗放大器(TIA)404和414、两个模数转换器(ADC)406和416以及一个接收器处理器408。如上所述，在一个实施例中，反射光学波形152由接收器110从FOV 106接收。在一个实施例中，光学器件410接收每个反射的光学波形152。光学器件410将每个反射的光学波形152定向(例如，聚集/聚焦(focus)))到光电二极管412。光电二极管412被配置为接收每个反射的光学波形152，并将每个反射的光学波形152转换成电流接收信号452(与接收的反射光的强度成比例的电流)。TIA 414被配置为接收电流接收信号452，并将电流接收信号452转换为电压信号，该电压信号被指定为对应于电流接收信号452的电压接收信号454。ADC 416被配置为接收电压接收信号454并将电压接收信号454从模拟信号转换为对应的数字信号，该数字信号被指定为数字接收信号456。附加地，在一些实施例中，在被TIA 414接收之前，对电流接收信号452进行滤波(例如，带通滤波)和/或在被ADC 416接收之前对电压接收信号454进行滤波。在一些实施例中，电压接收信号454可以由时间数字转换器(TDC)(未示出)接收，以提供接收电压接收信号454的时间的数字表示。
在一个实施例中，光电二极管402直接从发射器102接收每个光学波形152或每个光学波形152的一部分，并将每个光学波形152转换成电流参考信号462(与直接从发射器102接收的光的强度成比例的电流)。TIA 404被配置为接收电流参考信号462，并将电流参考信号462转换为电压信号，该电压信号被指定为对应于电流参考信号462的电压参考信号464。ADC 406被配置为接收电压参考信号464，并将电压参考信号464从模拟信号转换为对应的数字信号，该数字信号被指定为数字参考信号466。附加地，在一些实施例中，在被TIA404接收之前，对电流参考信号462进行滤波(例如，带通滤波)和/或在被ADC 406接收之前对电压参考信号464进行滤波。在一些实施例中，电压参考信号464可以由TDC(未示出)接收，以提供接收电压参考信号464的时间的数字表示。
处理器408是任何类型的处理器、控制器、微控制器和/或微处理器，其具有经优化用于处理数字接收信号456和/或数字参考信号466的体系结构。例如，处理器408可以是数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)、精简指令集计算(RISC)内核(诸如，进阶RISC机器(ARM)内核)、混合信号处理器(MSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等。在一些实施例中，处理器408是控制器112的一部分。在一个实施例中，处理器408用于解调数字接收信号456和数字参考信号466。在一些实施例中，处理器408还可以接收电压接收信号456和数字参考信号466被接收的时间的数字表示。然后，在一个实施例中，处理器408通过如上所述使用参考信号和接收信号执行相关函数来确定到物体(诸如，物体206、208、210和/或212)中的一个或更多个的距离。相关函数中的峰值对应于每个接收的反射的光学波形152的时间延迟(即，TOF)。可以使用上面讨论的公式来估计到FOV 106内的物体的距离。在其他实施例中，对接收的数字信号456执行FFT。然后，使用音的相位来估计接收信号中的延迟(即，TOF)。然后可以使用上面所讨论的公式来估计距离。
图5根据各种的示例示出了用于各种范围扫描的说明性振幅与时间的曲线图500。该曲线图500包括三个不同的扫描范围，短范围(例如，小于10米)扫描、中等范围(例如，10米至30米之间)扫描和长范围(例如，大于30米)扫描。对于短范围，单个脉冲502作为光学波形152被生成和发射。对于中等范围，脉冲序列和/或连续调幅波形504作为光学波形152被生成和发射。类似地，对于长范围，脉冲序列和/或连续调幅波形506作为光学波形152被生成和发射。如上文所讨论以及如曲线图500所示，随着距离发射器102的距离的范围的增加，生成的光学波形的振幅也增大。因此，在曲线图500中，短范围脉冲502具有最低振幅，长范围信号506具有最高振幅，而中等范围信号504具有介于脉冲502和信号506的振幅之间的振幅。
此外，如上文所讨论以及如曲线图500所示，随着距离发射器102的距离的期望的范围增加，生成的光学波形的信号持续时间也增加。因此，在曲线图500中，短范围脉冲502具有最短的信号持续时间，长范围信号506具有最长的信号持续时间，而中等范围信号504具有介于脉冲502和信号506的信号持续时间之间的信号持续时间。在一些实施例中，生成的光学波形的相同信号持续时间可用于不同范围的扫描。然而，如上文所讨论的，在这些实施例中，长范围扫描的振幅(例如，较高)可以不同于短范围扫描的振幅(例如，较低)。
附加地，如上文所讨论的以及如曲线图500所示，随着距离发射器102的距离中的期望的范围增加，从发射器102到物体并返回到接收器110的信号往返时间也增加。因此，在曲线图500中，短范围脉冲502具有最短的往返时间，长范围信号506具有最长的往返时间，而中等范围信号504具有介于脉冲502和信号506的往返时间之间的往返时间。由于信号重复频率与往返时间成反比，所以短范围扫描具有最高信号重复频率，长范围扫描具有最低信号重复频率，而中等范围扫描具有的信号重复频率介于短范围扫描和长范围扫描的信号重复频率之间。
虽然图5显示了三个不同的扫描范围，但可以定义任意数量的要扫描的范围，并且可以为这些范围中的每个优化生成的光学波形152。因此，光学测距系统100可以为任何范围生成优化的光学波形152。换句话说，随着距离扫描的发射器102的期望距离在长度上增加，可以相应地优化光学波形152。
图6根据各种的示例示出了用于确定到多个物体的距离的方法600的说明性流程图。虽然为了方便按顺序描绘，但可以不同的顺序和/或并行执行所示的至少一些动作。附加地，一些实施例可以只执行一些所示的动作。在一些实施例中，方法600的操作中的至少一些以及本文描述的其他操作由发射器102(包括调制信号发生器302、信号发生器304、发射驱动器306、激光二极管308和/或光学器件310)、接收器110(包括光学器件410、光电二极管402和/或412、TIA 404和/或414、ADC 406和/或416和/或处理器408)和/或控制器112执行以及在逻辑电路(logic)中和/或由执行存储在非临时计算机可读存储介质中的指令的处理器实施。
方法600在块602中开始，生成第一期望范围的第一多个光学波形。例如，发射器102生成光学波形152。第一多个光学波形属于第一类型(例如，单个脉冲、脉冲序列和/或连续调幅波形)，其具有第一信号持续时间、第一信号振幅以及第一信号重复频率。第一类型、第一信号持续时间、第一信号振幅以及第一信号重复频率是基于第一期望范围。例如，如果第一期望范围是短范围(例如，小于10米)，则第一多个光学波形是单个脉冲，其具有相对短的信号持续时间、相对低的信号振幅以及相对高的信号重复频率。
在块604中，方法600继续将第一多个光学波形朝向形成扫描区域的多个扫描点定向。例如，在一个实施例中，光学器件310被配置为将第一组光学波形152直接定向到扫描区域202或定向到波束导向器件，其进一步将第一组光学波形152导向到扫描区域202。
方法600在块606中继续，接收反射离开扫描区域内的第一物体的第一多个光学波形中的一个。例如，在反射离开扫描区域202内的物体之后，接收器110接收反射的光学波形152。在一些实施例中，第一物体位于到发射器102的第一期望范围处或者相比第一期望范围更接近发射器102。换句话说，第一物体在扫描的期望范围内。方法600在块608中继续，基于第一多个光学波形的一个反射的光学波形的TOF确定到第一物体的距离。例如，接收器110将反射离开第一物体反射的一个反射的光学波形152转换成接收的电信号，诸如接收的数字信号456，并基于对应于直接从发射器102接收的光学波形152的参考信号与接收的电信号之间的比较来确定这一个反射的光学波形152的TOF。然后基于TOF确定距离。
在块610中，方法600继续生成第二期望范围的第二多个光学波形。第二多个光学波形属于第二类型(例如，单脉冲、脉冲序列和/或连续调幅波形)，其具有第二信号持续时间、第二信号振幅和第二信号重复频率。第二类型、第二信号持续时间、第二信号振幅和第二信号重复频率是基于第二期望范围。附加地，在一个实施例中，第二类型、第二信号持续时间、第二信号振幅和第二信号重复频率不同于第一类型、第一信号持续时间、第一信号振幅和第一信号重复频率。例如，如果第二期望范围是更长的范围(例如，大于10米)，则在一些实施例中，第二多个光学波形是脉冲序列和/或连续调幅波形，其具有相对较长的信号持续时间、相对较高的信号振幅和/或相对较低的信号重复频率。
在块612中，方法600继续将第二多个光学波形朝向形成扫描区域的多个扫描点定向。例如，在一个实施例中，光学器件310被配置为将第二组光学波形152直接定向到扫描区域202或者定向到波束导向器件，该波束导向器件进一步将第二组光学波形152导向到扫描区域202。
方法600在块614中继续，接收扫描区域内反射离开第二物体的第二多个光学波形中的一个。例如，在反射离开扫描区域202内的物体之后，接收器110接收第二组反射的光学波形152。在一些实施例中，第二物体与发射器102的距离比第一期望的范围远。换句话说，该第二物体与该发射器的距离比第一期望的距离远，但是在第二期望范围内。方法600在块616中继续，基于第二多个光学波形的一个反射的光学波形的TOF确定到第二物体的距离。例如，接收器110将反射离开第二物体反射的一个反射的光学波形152转换为接收的电信号，诸如接收的数字信号456，并基于对应于直接从发射器102接收的光学波形152的参考信号与接收的电信号之间的比较来确定这一个反射的光学波形152的TOF。然后基于TOF确定距离。
上述讨论意图说明本公开的原则和各种实施例。一旦充分理解上述公开，许多变化和修改对本领域的技术人员将变得明显。意图将随附的权利要求解释为包含所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种光学测距系统，包含：
发射器，其被配置为生成第一时间段的第一多个光学波形和第二时间段的第二多个光学波形，并将所述第一多个光学波形朝向第一扫描区域以及将所述第二多个光学波形朝向第二扫描区域定向，所述第一多个光学波形被配置为是与所述第二多个光学波形不同的信号类型或具有与所述第二多个光学波形不同的信号持续时间、信号振幅或信号重复频率；以及
接收器，其被配置为接收反射离开所述第一扫描区域中的第一物体的所述第一多个光学波形，以及反射离开所述第二扫描区域中的第二物体的所述第二多个光学波形，基于从所述发射器到所述第一物体并返回到所述接收器的第一飞行时间确定到所述第一物体的第一距离，并且基于从所述发射器到所述第二物体并返回到所述接收器的第二飞行时间确定到所述第二物体的第二距离。
2.根据权利要求1所述的光学测距系统，其中所述第一距离小于所述第二距离。
3.根据权利要求2所述的光学测距系统，其中所述发射器进一步被配置为生成所述第一多个光学波形作为脉冲信号以及所述第二多个光学波形作为连续调幅波形。
4.根据权利要求2所述的光学测距系统，其中所述发射器进一步被配置为生成具有第一信号持续时间的所述第一多个光学波形和具有第二信号持续时间的所述第二多个光学波形，所述第一信号持续时间小于所述第二信号持续时间。
5.根据权利要求2所述的光学测距系统，所述发射器进一步被配置为生成具有第一信号振幅的所述第一多个光学波形和具有第二信号振幅的所述第二多个光学波形，所述第一信号振幅小于所述第二信号振幅。
6.根据权利要求2所述的光学测距系统，所述发射器进一步被配置为生成具有第一信号重复频率的所述第一多个光学波形和具有第二信号重复频率的所述第二多个光学波形，所述第一信号重复频率大于所述第二信号重复频率。
7.根据权利要求1所述的光学测距系统，其中所述发射器被配置为生成具有与所述第二多个光学波形不同的信号类型、信号持续时间、信号振幅和信号重复频率的所述第一多个光学波形。
8.根据权利要求1所述的光学测距系统，其中所述第一多个光学波形的所述信号类型、信号持续时间、信号振幅和信号重复频率是基于到所述第一物体的所述第一距离，而所述第二多个光学波形的所述信号类型、信号持续时间、信号振幅和信号重复频率是基于到所述第二物体的所述第二距离。
9.一种用于测距的光学发射系统，包含：
信号发生器，其被配置为生成第一多个电信号；
激光二极管，其耦合到所述信号发生器，所述激光二极管被配置为生成与所述第一多个电信号相对应的第一多个光学波形；以及
光学器件，其被配置为接收所述第一多个光学波形并将所述第一多个光学波形朝向在视场即FOV内形成扫描区域的第一多个扫描点定向，
其中，所述第一多个光学波形的第一信号类型、第一信号持续时间、第一信号振幅或第一信号重复频率是基于所述第一多个扫描点的第一期望范围。
10.根据权利要求9所述的光学发射系统，其中：
所述信号发生器进一步被配置为生成第二多个电信号；
所述激光二极管进一步被配置为生成与所述第二多个电波形相对应的第二多个光学波形；
所述光学器件进一步被配置为接收所述第二多个光学波形并将所述第二多个光学波形朝向所述扫描区域内的第二多个扫描点定向；
其中，所述第二多个光学波形的第二信号类型、第二信号持续时间、第二信号振幅或第二信号重复频率是基于所述第二多个扫描点的第二期望范围。
11.根据权利要求10所述的光学发射系统，其中所述第一期望范围小于所述第二期望范围。
12.根据权利要求11所述的光学发射系统，其中所述第一信号类型为脉冲信号，以及所述第二信号类型为连续调幅波形。
13.根据权利要求11所述的光学发射系统，其中所述第一信号振幅小于所述第二信号振幅。
14.根据权利要求13所述的光学发射系统，其中所述第一信号重复频率大于所述第二信号重复频率。
15.根据权利要求11所述的光学发射系统，其中所述第一信号类型是单脉冲信号，以及所述第二信号类型是脉冲的序列。
16.一种用于确定到多个物体的距离的方法，包含：
由发射器针对第一期望范围生成第一多个光学波形，所述第一多个光学波形为第一信号类型，并且具有第一信号持续时间、第一信号振幅以及第一信号重复频率，所述第一信号类型、所述第一信号持续时间、所述第一信号振幅以及所述第一信号重复频率是基于所述第一期望范围；
将所述第一多个光学波形朝向在视场即FOV内形成扫描区域的多个扫描点定向；
由所述发射器针对与所述第一期望范围不同的第二期望范围生成第二多个光学波形，所述第二多个光学波形为第二信号类型，并且具有第二信号持续时间、第二信号振幅以及第二信号重复频率，所述第二信号类型、所述第二信号持续时间、所述第二信号振幅以及所述第二信号重复频率是基于所述第二期望范围；以及
将所述第二多个光学波形朝向所述多个扫描点定向。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包含：
接收反射离开所述扫描区域内的第一物体的所述第一多个光学波形中的一个；以及
基于所述第一多个光学波形中的所述一个的飞行时间确定到所述第一物体的距离。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包含：
接收反射离开所述扫描区域内的第二物体的所述第二多个光学波形中的一个；以及
基于所述第二多个光学波形中的所述一个的飞行时间确定到所述第二物体的距离，
其中，所述第一物体位于所述扫描区域内的位置在到所述发射器所述第一期望范围处或相比所述第一期望范围更接近所述发射器，并且所述第二物体相比所述第一期望范围位于距离所述发射器更远的位置。
19.权利要求16所述的方法，其中响应于确定所述第二期望范围小于所述第一期望范围：
所述第二信号持续时间小于所述第一信号的往返时间；
所述第二信号振幅小于所述第一信号振幅；以及
所述第二信号重复频率大于所述第一信号重复频率。
20.根据权利要求16所述的方法，其中响应于确定所述第二期望范围小于所述第一期望范围：
所述第二信号持续时间小于所述第一信号的往返时间；
所述第二信号振幅大于所述第一信号振幅；以及
所述第二信号重复频率大于所述第一信号重复频率。
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