CN110168402A - 激光功率校准和校正 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了LIDAR系统发射激光脉冲，其中每个脉冲与功率水平相关联。在LIDAR系统的操作期间，使用与激光器相关联的功率分布数据来调整激光发射器。功率分布数据在校准过程期间获得并且包括将激光器电源的充电持续时间与激光器的实际功率输出相关联的信息。在LIDAR系统的操作期间可以使用功率分布。可以发射激光脉冲，接收和分析来自脉冲的反射光，并且可以基于激光器的功率分布内的查找来调整下一个脉冲的功率。例如，如果从脉冲返回的功率太高(例如，高于某个指定阈值)，则基于功率分布将下一个脉冲的功率减小到特定值。

Description

激光功率校准和校正
相关申请的交叉引用
本专利为于2017年4月13日递交的序列No.15/487,170的美国申请的PCT国际申请，本专利申请要求于2016年12月30日递交的序列No.62/440,734的美国临时申请的优先权的权益。该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
“激光雷达(LIDAR)”是指通过发射光并测量光的反射特征来测量可见表面的距离的技术。术语“LIDAR”是“光检测和测距”的首字母缩写，并且有时被称为“激光扫描”或“3D扫描”。在一些情况下，LIDAR系统包括多个激光发射器和/或多个光传感器。替代地或另外地，LIDAR系统可以物理地移动一个或多个激光器和/或传感器以扫描场景，同时重复地测量不同的表面点。
通常，光发射器可包括激光器，其在物体或表面的方向上引导高度聚焦的光。光传感器可以包括光电探测器，例如光电倍增管或雪崩光电二极管(APD)，其将光强度转换成对应的电信号。根据LIDAR系统的特定性质，诸如透镜的光学元件可以用在光传输和接收路径中以聚焦光。
LIDAR系统具有信号处理部件，该信号处理部件分析反射光信号，以确定距所发射激光所反射的表面的距离。例如，当光信号从激光器行进到表面并返回到光传感器时，系统可以测量光信号的“飞行时间”。然后，基于飞行时间和已知的光速计算距离。
LIDAR系统可用于通知诸如可用于自动驾驶载具的引导、导航和控制系统。在诸如此类的系统中，一个或多个LIDAR装置被配置为产生指示围绕载具的可见表面点的3D坐标的表面地图。引导、导航和控制系统分析该数据以识别障碍物，执行避障以及确定期望的行进路径。开发和创建既准确又具有特定应用所需分辨率的LIDAR系统可能成本高且具有挑战性。
附图说明
参考附图描述详细说明。在附图中，附图标记的最左边的一个或多个数字标识首次出现该附图标记的图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的部件或特征。
图1示出了激光功率校准和校正系统的示例。
图2示出了可用于执行距离或测距测量的示例性LIDAR距离测量系统的逻辑元件。
图3示出了用于调节激光发射器的充电时间以产生指定功率水平的光脉冲的示例性过程。
图4示出了用于产生激光发射器的功率分布的示例性过程。
图5A和5B示出了可以用作LIDAR传感器装置或系统的一部分的可旋转传感器组件的示例性配置。
图6是可以在图5A和5B的LIDAR组件中使用的示例性光传感器的代表性俯视图。
图7是示例性光传感器的代表性俯视图，示出了示例性封装充装设置。
图8是可以在图5A和5B的LIDAR组件中使用的示例性激光光源的代表性俯视图。
图9是可以在测量信道中使用以产生单个激光脉冲的示例性电路的示意图。
图10A是可以在测量信道中使用以产生一对激光脉冲的示例性电路的示意图。
图10B是可以在测量信道中使用以激活激光发射器的触发电路的示意图。
具体实施方式
以下详细描述涉及用于激光功率校准和校正的技术。本文描述了用于产生激光光源的功率分布，然后使用功率分布在操作期间调节发射光脉冲的功率的技术。访问功率分布以确定将使光源产生并发射指定功率水平光脉冲的充电时间。与缓慢改变发射光脉冲的功率相反，本文描述的技术使用存储在一个或多个功率分布内的充电持续时间来产生期望功率水平的光脉冲。以这种方式，可以调整每个随后发射光脉冲的功率以具有期望的功率水平。
功率分布包括指示激光光源在不同充电持续时间所输出的平均功率的数据。在一些配置中，代替使用单个功率分布来表示LIDAR系统内的激光器，为LIDAR系统内的每个激光器产生单独的功率分布。例如，当在LIDAR系统内使用三十八个激光发射器时，产生用于每个激光发射器的功率分布。以这种方式，与使用用于LIDAR系统的激光器的代表性功率分布相比，可以更好地考虑在LIDAR系统的每个激光发射器中使用的物理部件之间的差异。
在一些示例中，在校准循环期间确定功率分布，该校准循环可以在布设LIDAR系统之前或之后执行。在校准循环期间，激光发射器瞄准参考表面。通常，参考表面与激光发射器相距指定距离并具有已知的反射特征。如上面简要讨论的，每个激光发射器的功率分布包括由使用不同充电时间的激光发射器所发射的光脉冲的平均功率。功率分布内所包括的充电持续时间和相应功率值的数量可以在不同应用之间改变。例如，一些应用可以包括五对值，而另一个应用可以具有二十对或更多对值。通常，在功率分布内记录的数据越多，激光发射器的功率输出就可以在LIDAR系统内越精细地控制。在对充电电路充电达确定充电持续时间之后，电容电路驱动激光发射器，以产生输出光脉冲。可以使用不同充电持续时间中的每个来产生数千个不同的光脉冲，以便获得激光器在特定充电时间下的准确功率。
在产生功率分布之后，可以在LIDAR系统的操作期间使用来自功率分布的信息。例如，可以产生激光脉冲，接收和分析来自脉冲的反射光，并且可以基于激光器的功率分布内的查找来调整下一个脉冲的功率。例如，如果从脉冲返回的功率太高(例如，高于某个指定阈值)，则可以基于功率分布将下一个脉冲的功率减小到特定值。类似地，如果从脉冲返回的功率太低(例如，低于某个指定阈值)，则可以基于功率分布将下一个脉冲的功率增加到特定值。当脉冲返回的功率太高或太低时，范围数据可能不准确。例如，LIDAR系统使用的ADC可能未配置为精确表示反射脉冲。
代替必须连续地调整激光器的充电时间以缓慢地朝向期望的功率水平收敛，功率分布指定用于下一个激光脉冲的处于期望功率水平的校正充电持续时间。这样，可以发射连续的激光脉冲，使得反射光的功率处于期望的范围内。此外，由于LIDAR系统并不总是保持在相同的功率水平或者朝指定功率水平缓慢收敛，因此LIDAR系统使用的功率降低。
根据一些示例，LIDAR系统包括安装在机架中的激光发射器、光传感器、模数转换器(ADC)以及电源，该机架围绕竖直旋转轴旋转以水平扫描场景。在机架旋转期间，以不同竖直方向和不同水平方向发射激光脉冲。通过使用位于机架内的不同位置处的激光器来改变光发射竖直角度。光发射水平角度随着机架的旋转而改变。该设备具有一个或多个透镜，其限定了围绕该设备的场景的视场。当机架旋转时，视场会水平移动或扫描。以下关于图1-10提供更多细节。
图1示出了激光功率校准和校正系统的示例。如图所示，系统100包括测距装置102，其包括一个或多个激光光源104、充电电路106、一个或多个传感器108、模数转换器(ADC)110、控制器112以及存储功率分布116的数据存储器114。
在当前示例中，测距装置102被配置为产生从一个或多个激光光源104的视角可见的表面的三维坐标。在一些示例中，测距装置102可以由自动驾驶载具(例如汽车、飞机、船等)的引导、导航和控制系统。测距装置还可以用于需要实时、多点、扫描距离测量的其他应用中。一个或多个激光光源可以包括一个或多个激光发射器，例如图5-10中所示的示例性测距装置。
系统100具有控制器112，其实现用于测距装置102的控制和分析逻辑。控制器112可以部分地由FPGA(现场可编程门阵列)、微处理器、DSP(数字信号处理器)、或者这些和其他控制和处理元件中的一个或多个的组合实现，并且可以具有用于存储相关程序和数据的相关存储器。
为了启动单个距离测量，控制器112指示充电电路106充电指定充电持续时间。激光光源使用由充电电路产生的信号以产生光脉冲。在一些示例中，控制器112使充电电路106对一个或多个电容器充电指定充电持续时间段。在充电指定时间段之后，控制器112或一些其他部件可以使激光光源104产生并发射处于与充电电路106的充电时间相关的功率水平的光脉冲。
如图所示，对于单个距离测量，激光光源104由控制器112控制，以沿向外路径发射一个或多个激光脉冲。在当前示例中，激光光源104发射撞击物体118A的第一脉冲122A。假设发射的激光从物体118A反射，传感器108接收反射光并产生由ADC 110使用的返回信号，以产生信号的数字表示。
返回信号通常具有与激光光源104产生的光脉冲相同的形状，尽管其可能由于不同发射器/传感器对之间的噪声、干扰、串音，来自其他LIDAR装置的干扰信号等等而在某种程度上不同。返回信号也将相对于由激光光源104发射的光脉冲延迟与发射激光脉冲的往返传播时间相对应的量。ADC 110接收并数字化返回信号，以产生数字化返回信号，该数字化返回信号是指示返回信号随时间的幅值的数字值流。
根据一些配置，控制器112在测距装置102的操作期间调节充电电路106的充电持续时间，以便针对激光脉冲可能撞击的不同物体的不同反射特征进行调节。例如，物体118A可能不会反射与物体118B一样多的光。这样，传感器108响应于从物体118A反射的光脉冲而接收的信号可能不具有足够的强度来产生距物体118A的精确距离。类似地，如果诸如物体118B的物体反射太多光，则返回信号的幅值可能无法由ADC 110正确识别。结果，还可能降低范围测量的精度。为了获得更准确的结果，在一些示例中，控制器112被配置为调整后续光脉冲的功率，使得光脉冲的功率处于预定范围内。由于在某些情况下功率降低，而在其他情况下激光功率受限，因此LIDAR系统的功耗和眼睛安全性也得到改善。以这种方式，从物体反射的光脉冲产生的返回信号将落在预定范围内，并且提高了LIDAR系统的精度。在其他配置中，激光光源的功率受到眼睛安全功率水平的限制。例如，激光光源可以是美国国家标准协会(ANSI)1级激光器，使得激光光源产生的最大功率仍然对眼睛是安全的。
为了进一步阐明，将呈现非限制性示例。在当前示例中，第一光脉冲122A由控制器112识别为低于期望功率水平(例如，由测距装置102的授权用户/操作者设定)。响应于确定功率水平低于期望功率水平，控制器112指示充电电路106充电与期望功率水平相关联的充电持续时间。与缓慢改变充电时间以达到所需功率水平相反，控制器112访问数据存储器114内的功率分布116，以确定充电电路106的充电持续时间，以产生处于期望功率水平的光脉冲。以这种方式，在激光移动到环境内的另一个物体之前，可以经常调节所发射光脉冲的功率。通常，功率分布116包括指示激光器在不同充电时间下输出的平均功率的数据。在一些示例中，针对LIDAR系统中的不同激光器中的每个，功率分布116将电容器电荷能量与所发射激光强度相关联。
根据一些示例，在测距装置102的一个或多个校准循环期间，针对测距装置102的每个光源104测试对于不同充电时间的平均功率值。在一些配置中，以不同充电时间测试每个光源104的功率值。例如，控制器112可以发射使用相同充电持续时间的光脉冲达一时间段，并且平均由光源发射的光的功率。在记录功率分布116内的充电持续时间和平均功率之后，控制器112可以使用不同的充电时间来获得不同的功率值。控制器112或一些其他部件可以针对许多不同的充电持续时间(例如，1μs，2μs……Nμs执行该操作。
如简要讨论的，代替使用单个功率分布作为LIDAR系统内的所有激光光源104的代表性功率分布，可以针对LIDAR系统内的每个激光器产生和存储单独的功率分布。例如，当使用三十八个激光发射器(或使用一些其他数量的激光发射器)时，产生针对每个激光发射器的功率分布。以这种方式，与使用用于LIDAR系统的激光器的代表性功率分布相比，可以更好地考虑LIDAR系统的激光器中的每个所使用的物理部件之间的差异。例如，产生处于期望功率水平的光脉冲所需的充电时间可以根据激光发射器在LIDAR系统内的位置，电容器、电感器和/或用于产生脉冲的其他电子元件之间的差异等而改变。在一些示例中，功率分布与相关联的充电电路106和相关联的光源104相关联。
在校准循环期间，激光光源104瞄准参考表面。通常，参考表面与激光发射器相距指定距离，并具有已知的反射特征。如上面简要讨论的，用于每个激光发射器的功率分布包括由使用不同充电时间的激光发射器所发射的光脉冲的平均功率。功率分布114内所包括的充电时间和对应的功率值的数量可以在不同的应用之间改变。例如，一些应用可以包括五对值，而另一个应用程序可以具有二十对或更多对值。通常，在功率分布116内记录的数据越多，则可以更精细地控制激光发射器的功率输出。在对充电电路106充电确定的充电时间之后，所存储的电荷用于产生输出光脉冲。可以使用不同充电时间中的每个产生数千种光脉冲，以便获得处于特定充电时间的准确激光功率。
返回到以上示例，在控制器112确定将后续光脉冲的功率调节到指定值(或在可接受的范围内)之后，控制器112访问与光源104相关联的功率分布116，以确定充电持续时间。在一些示例中，控制器112识别与返回信号的数字表示的中点相关联的功率值，并确定与中点相关联的充电持续时间的值。以这种方式，高于或低于期望的反射信号仍然可以处于可接受的范围内。一旦确定了用于期望功率水平的充电持续时间，则控制器112就对充电电路106充电指定持续时间，然后使后续的光脉冲122B发射。出于说明的目的，与实线122B-122D相比，虚线122A和122E表示较低的功率。
控制器112可以被配置为针对第每N个脉冲确定是否调整每个发射光脉冲的功率，或者在确定何时调整光源的功率时使用一些其他度量。在当前示例中，控制器112确定返回信号在范围内，直到从122D接收反射光。例如，与物体118A相比，物体118B可以具有更高的反射率，并且因此控制器112确定降低光脉冲122E的功率。
图2示出了可用于执行距离或测距测量的LIDAR距离测量系统200的逻辑元件。虽然示出了一个测量信道，但是LIDAR系统可以包括许多不同的测量信道。
测量信道包括一个激光光源(例如激光发射器104)和相应的传感器元件108。对于单个距离测量，控制激光发射器104以沿着向外路径202通过透镜208A发射一个或多个激光脉冲。脉冲串被场景的表面204反射、通过透镜208B、并沿着返回路径206反射到传感器元件108。
透镜208B设计为使得来自处于测距装置102内的不同物理位置处的激光发射器的光束被以不同角度向外引导。具体地，透镜208B被设计成在相应且唯一的方向上引导来自特定信道的激光发射器104的光。透镜208A设计成使得信道的相应传感器元件108接收来自相同方向的反射光。
系统200具有控制器112，其实现用于多个信道的控制和分析逻辑。为了启动使用单个信道的单个距离测量，控制器112产生信号210。信号210由充电电路106接收。响应于接收信号210，充电电路106提供信号214，以对电容驱动器216充电指定持续时间。
在充电达指定持续时间之后，电容驱动器216提供发射器驱动信号218。发射器驱动信号218连接到激光发射器104，以脉冲激光发射器104，并产生激光脉冲。
假设所发射激光从表面204反射，传感器元件108接收反射光并产生返回信号220。返回信号220通常具有与发射器驱动信号218相同的形状，尽管由于不同发射器/传感器对之间的噪声、干扰、串音、来自其他LIDAR装置的干扰信号等而可能在一定程度上有所不同。返回信号220也将相对于发射器驱动信号218延迟与所发射的激光脉冲串(laser burst)的往返传播时间相对应的量。
ADC 110接收并数字化返回信号220，以产生数字化返回信号224。数字化返回信号224是指示返回信号220随时间的幅值的数字值流。
互相关部件226接收数字化返回信号224并执行数字化返回信号224与参考波形228之间的互相关，以产生互相关信号230。在一些配置中，互相关部件226的功能可以由控制器112执行。在其他示例中，可以使用其他机制来执行脉冲检测。
参考波形228表示由激光发射器104实际发射的光的定时和强度。在某些示例中，可以在校准循环期间获得参考波形228。例如，在一些示例中，可以存在参考表面，在该参考表面处，可以瞄准激光发射器的输出。参考表面可以与透镜208A和208B相距已知的、相对小的距离。当激光发射器104的输出被朝参考表面引导时，电容驱动器216驱动激光发射器104，以产生输出脉冲串。然后，传感器元件108和ADC 110用于捕获对应于从参考表面反射的光的波形。该捕获的波形可以用作参考波形228。参考波形228可以针对每个信道唯一地捕获，可以被存储并用于多个后续测量，并且可以随时间被更新以考虑热漂移和/或其他变量。在一些示例中，参考波形228可以在机架的每次旋转中更新至少一次。
在其他示例中，一个或多个不同的传感器可以用于在激光发射器104的一个或多个校准发射期间捕获参考波形228。此外，多个读数可以被执行并对其进行平均以产生参考波形228。
控制器112接收互相关信号，并检测和/或分析互相关信号230以及可能的一个或多个其他信号，例如数字化信号224。控制器可以确定信号230的幅值以及确定找到其最高峰值，其指示从激光发射器104发射的光脉冲以及在传感器元件108处接收的光脉冲之间的相位差或时移。控制器112还可以确定返回信号的功率是否在可接受的范围内(即，不太高或太低)。
图3和4示出了激光功率校准和调整的示例性过程。示例性过程将被描述为在具有一个或多个LIDAR测量信道的环境中执行，所述一个或多个LIDAR测量信道用于执行相应的距离测量。在所描述的示例中，每个测量信道包括为激光发射器104和相应的光传感器108供电的充电电路106。激光发射器和传感器可以如本文所述或以各种不同方式进行设置。在本文描述的环境中，所描述的任何动作可以至少部分地由参考图1和图2的控制器112执行、控制或监督。
图3示出了用于调节激光发射器的充电时间以产生处于指定功率水平的光脉冲的示例性过程300。动作302包括对充电电路106充电预定时间。如本文所述，一个或多个电容器可以是充电电路106的一部分，该充电电路106由光源104使用以发射激光脉冲。通常，充电持续时间越长，发射光脉冲的功率越大。
动作304包括使用所存储的电荷产生并发射一个或多个光脉冲。在一些示例中，可以发射多于一个光脉冲。当所发射的脉冲串包括多于一个光脉冲时，脉冲在时间上以具有一定持续时间的时间间隔分开。
动作306包括感测对应于发射光脉冲的反射光脉冲。该动作由对应于激光发射器104的信道的传感器元件108执行，所发射的光脉冲源自该激光发射器104。
动作308包括确定与反射光脉冲相关联的功率。在一些配置中，动作308包括数字化由传感器元件108产生的信号，以产生数字化返回光信号。数字化由与信道相关联的ADC110执行。
动作310包括确定反射光的功率是否处于指定范围内。如上所述，指定功率水平可以是单个值或值的范围。在一些配置中，指定功率水平被设置为处于ADC 110的分辨率的中点处或中点附近的值。可以使用更高或更低的值。当功率处于指定范围内时，过程300流向动作302，其中可以利用相同的充电时间来产生下一个光脉冲。当功率不在指定范围内时，过程300流向动作312。
动作312包括访问与光源相关联的功率分布。如上所述，功率分布116包括指示与由使用不同充电时间的激光器所发射的光脉冲相关联的平均功率的数据。在一些配置中，功率分布116可以存储在数据存储114或一些其他存储器中。
动作314包括识别激光器的产生处于指定范围的发射光脉冲的充电持续时间。在一些示例中，控制器112执行查找操作，该查找操作将指定功率定位在功率分布116内(或指定功率水平附近的值)，并识别相关联的充电持续时间。
动作316包括将充电持续时间设置为从功率分布识别的时间。然后，过程300可以返回到动作302。
图4示出了用于产生激光发射器的功率分布的示例性过程400。动作402包括对激光光源104的充电电路106充电一充电持续时间。如本文所述，一个或多个电容器可以是充电电路106的一部分，该充电电路106由光源104使用以发射激光脉冲。
动作404包括使用充电达充电持续时间的充电电路106产生并发射光脉冲。如上所述，激光光源104可以由控制器112控制，以产生使用相同的充电持续时间的光脉冲达指定时间段。
动作406感测反射光脉冲。如上所述，传感器元件108感测对应于发射光脉冲的反射光脉冲。
动作408包括确定与反射光脉冲相关联的平均功率。在一些配置中，动作408包括使用ADC 110数字化由传感器元件108产生的信号，以产生数字化返回光信号。与脉冲相关联的平均功率水平可以是通过将总功率除以激光光源104发射的脉冲数来确定。
动作410包括将充电持续时间的功率值存储在与激光光源104相关联的功率分布内。如上所述，功率分布可包括许多不同的充电持续时间和平均功率值对。
动作412包括调整充电持续时间。例如，充电持续时间可以递增/递减某设定量(例如，±5μs，10μs，......)。然后，过程400可以返回到动作402。
图5A和5B示出了可旋转传感器组件500的示例性配置，其可以用作LIDAR传感器装置或系统的一部分。
传感器组件500包括围绕旋转轴线504旋转的机架502。在某些示例中，旋转轴是竖直的。在其他示例中，旋转轴可以自竖直方向倾斜，或者可以处于适合于使用传感器组件500的特定环境的任何定向。
机架502具有大体关于旋转轴线504对称的外轮廓。机架502具有呈圆柱形外轮廓的下部部段506(a)、呈圆柱形外轮廓的上部部段506(b)、以及呈在下部506部段(a)的较大直径和上部部段506(b)的较小直径之间形成圆锥台的外轮廓的中间部段506(c)。
上部部段506(b)具有形成平坦表面508的切口，该平坦表面508相对于机架502面向向前方向510(也称为z方向)。平坦表面508具有一个或多个开口，以容纳第一透镜512和第二透镜114。第一和第二透镜512和514安装成使得其主轴大致垂直于旋转轴线504，并且大体平行于向前方向510。实际上，第一和第二透镜512和514中的每个可以包括多个透镜，例如三元件透镜或“三透镜”，并因此可以具有多个单独的透镜元件。
第一透镜512和第二透镜514具有场景的共同视场。机架502的旋转使得视场在场景上沿扫描方向516(也称为x方向)移动或扫描。在所示的旋转轴线504是竖直的示例中，扫描方向516是水平的。
机架502具有部分二等分的内壁518，其在机架502的两个侧向侧中的每一个上形成隔室。在图5A中，传感器隔室520显示在机架502的一侧上。在图5B中，发射器隔室522显示在机架502的另一侧上。传感器隔室520容纳光传感器524。发射器隔室容纳激光光源526。
第一透镜512通常在传感器隔室520上方并且在光传感器524的前方。第二透镜514通常在发射器隔室522上方并且在激光光源526的前方。
一个或多个镜528在第一和第二透镜512和514后面定位于机架502内，以在不同方向(例如水平和竖直方向)之间重定向发射和接收的光。所接收的光大体水平地从第一透镜512进入机架，并且被一个或多个镜528朝向光传感器524向下重定向。激光光源526沿向上方向发射激光。所发射的光打到一个或多个镜528并且被水平向外重定向从而沿着向前方向510通过第二透镜514。
第一透镜512将图像投影到光传感器524的传感器框架530上。传感器框架530是具有x轴线534的区域，该x轴线534光学上对应于扫描方向516。当机架502旋转时，场景的图像沿传感器框架530的x轴线534进行扫描。因此，传感器框架530的x轴线有时可被称为传感器框架530的扫描轴线。在所示的旋转轴线504是竖直的定向中，x轴线534在光学上对应于投影图像的水平方向。
传感器框架530具有垂直于x轴线的y轴线536。在所示的旋转轴线504为竖直的定向中，传感器框架530的y轴线536在光学上对应于投影图像的竖直方向。
光源526的发射器框架532内的激光发射器将激光通过第二透镜514投影到场景中。发射器框架532具有x轴线538(也称为扫描轴线)，其光学上对应于扫描方向516。当机架502旋转时，投影光沿扫描方向516扫描。发射器框架532具有垂直于x轴线538的y轴线540。在所示的旋转轴线504为竖直的定向中，发射器框架532的x轴线538在光学上对应于激光所投影到其中的场景的水平方向。发射器框架532的y轴线540在光学上对应于激光所投影到其中的场景的竖直方向。
通常，激光光源526具有多个激光发射器，并且光传感器524具有多个对应传感器元件。每个激光发射器对应于相应的传感器元件，并且包括发射器和相应的传感器元件的对被称为信道。术语“信道”还可以包括与发射器/传感器对相关联的支持电路。如下所述，信道用于发射激光脉冲串，并测量脉冲串的反射的特征。
虽然本文描述的示例包括多个测量信道(例如，2-100)，并且因此包括相应数量的激光发射器和分别对应的光传感器，但是不同的示例可以根据期望的传感器分辨率和覆盖角度而使用单个信道或不同数量的信道，其中覆盖角度对应于相对于水平的视场。
图6示出了关于光传感器524的进一步细节。在一些配置中，光传感器524包括单个传感器元件602的阵列。在某些示例中，传感器元件602包括雪崩光电二极管(APD)。
传感器元件602安装在平面印刷电路板604上。传感器元件602位于传感器框架530内，传感器框架530是第一透镜512将外部场景的图像投影到其中的区域。图6示出了x轴线534，其是与机架502相对于场景的扫描方向516对应的轴线。x轴线534(在此也称为扫描轴线)表示当机架502旋转时场景的图像平移所沿的轴线。
传感器元件602设置成多个平行的行，其中交替的行交错以实现更高的封装密度。每行沿着相对于x轴线534成角度的线延伸，使得每个传感器元件602相对于y轴线536处于不同标高处，其中，y轴线536与扫描轴线534正交。
图7示出了关于如何封装传感器元件602以实现相对高的封装密度和相应的精细y轴线间距的进一步细节。在图7中，与每个传感器元件602相关联的区域被示为六边形702，并且六边形702被封装为使得其彼此相邻。这被称为六边形封装。每个六边形702表示由传感器元件602和可位于传感器元件602附近的任何相关电路所占据的区域。
图8示出了关于激光光源104的示例性实施例的细节。激光光源104包括多个单独的激光发射器802，其类似于图6所示的传感器进行设置。在所描述的实施例中，激光发射器包括注入式激光二极管(ILD)。
激光发射器802定位在发射器框架532内，发射器框架532是透镜514从其投影的区域。图8示出了x轴线538，其是与机架502相对于场景的扫描方向516对应的轴线。在该示例中，激光发射器802如传感器元件702一样以相同(或基本相似)的间隔进行设置。激光发射器802可以沿着印刷电路板(也称为发射器板)的边缘安装，其中每个发射器板用于定位激光发射器802的相应行。
图9示出了用于驱动激光光源的示例性电路900。在该示例中，电路900提供单个发射光脉冲。然而，其他电路配置可以提供多个脉冲。例如，另一电路(未示出)可以配置为提供两个或更多个发射光脉冲。
电路900具有电感升压充电部段，其包括电感器902和晶体管904。晶体管904可以包括FET，例如GaN FET。电感器902的第一端子连接到电源906，该电源906具有相对于接地参考908的正电压。例如，电源906可以是5伏DC(直流)电压源。电感器的第二端子连接到晶体管904的漏极。晶体管904的源极连接到接地参考908。
电路900具有能量储存电容器910。能量储存电容器910被标记为具有正(+)端子和负(-)端子，以指示在电路操作期间，+端子相对于-端子正向充电。
能量储存电容器910通过二极管912连接到电感器902的第二端子，以利用由电感器902供应的电流进行充电。具体地，二极管912的阳极连接到电感器902的第二端子。二极管912的阴极连接到能量储存电容器910的+端子。电容器910的-端子连接到接地参考908。
激光发射器104的阳极连接到能量储存电容器910的+端子。晶体管914连接在激光发射器104的阴极和接地参考908之间。具体地，晶体管914的漏极连接到激光发射器104的阴极，并且晶体管的漏极连接到接地参考908。
在操作中，晶体管904的栅极连接到充电信号916。当充电信号916导通晶体管904时，电流从电源906流过电感器902、流过晶体管904、并且流到接地参考908。
当通过电感器902的电流接近电感器902的饱和点时，晶体管904截止，然后电感器电流流到电容器910，相对于-端子对+端子充电。
晶体管914的栅极连接到触发信号918，触发信号918用于在适当的时间导通晶体管914，以从激光发射器发射脉冲。导通晶体管914使得由能量储存电容器910储存的能量通过激光发射器104释放。
在该实施例中，晶体管914包括n型GaN FET，但是可以实施类似的电路以用于与具有适当切换能力的任何FET一起使用。
如上所述，激光发射器的充电和触发可以至少部分地由控制器112控制。
图10A示出了用于驱动单个激光发射器104，特别是用于在激光发射器104上激发两个短脉冲的脉冲串的示例性电路1000。在该示例中，激光发射器104包括具有阳极和阴极的注入式激光二极管。每个测量信道具有电路1000的示例。注意，尽管该示例中的电路1000被配置为产生两个脉冲，但是电路1000可以被扩展以产生任意数量的脉冲，并且还可以被修改以仅产生单个脉冲。
电路1000具有电感升压充电部段，其包括电感器1002和晶体管1004。在某些实施例中，晶体管1004包括FET(场效应晶体管)或增强型GaN FET(氮化镓场效应晶体管)，称为eGaN FET。电感器1002的第一端子连接到电源1006，电源1006具有相对于接地参考1008的正电压。例如，电源1006可以是5伏DC(直流)电压源。电感器的第二端子连接到晶体管1004的漏极。晶体管1004的源极连接到接地参考1008。
电路1000具有第一和第二能量储存电容器1010(a)和1010(b)，其在一些实施例中可包括非极化陶瓷电容器。出于讨论的目的，这些电容器中的每一个被标记为具有“A”端子和“B”端子。在电路操作期间，A端子相对于B端子正向充电。
能量储存电容器1010(a)和1010(b)通过对应的阻塞二极管1012(a)和1012(b)连接到电感器1002的第二端子，以利用由电感器1002提供的电流充电。具体地，阻塞二极管1012(a)和1012(b)的阳极连接到电感器1002的第二端子。阻塞二极管1012(a)的阴极连接到第一能量储存电容器1010(a)的A端子。阻塞二极管1012(b)的阴极连接到第二能量储存电容器1010(b)的A端子。
电容器1010(a)和1010(b)的B端子共同连接到激光发射器104的阴极。
注意，在一些情况下，由电容器1010(a)和1010(b)中的每一个表示的电容可以由多个并联的电容器提供。
第一和第二晶体管1014(a)和1014(b)分别与第一和第二能量储存电容器1010(a)和1010(b)相关联。在所描述的实施例中，晶体管1014(a)和1014(b)中的每一个包括FET，并且在一些实施例中可以包括GaN FET。第一晶体管1014(a)的漏极连接到第一能量储存电容器1010(a)的A端子。第二晶体管1014(b)的漏极连接到第二能量储存电容器1010(b)的A端子。第一和第二晶体管1014(a)和1014(b)的源极连接到接地参考1008。激光发射器104的阳极也连接到接地参考1008。
电路1000还可以具有一个或多个反激二极管1016。每个反激二极管1016的阳极连接到激光发射器104的阴极。每个反激二极管1016的阴极连接到激光发射器的阳极并且连接到接地参考1008。反激二极管限制了可以在激光发射器104的阳极处感应的负电压。
在操作时，晶体管1004的栅极连接到充电信号1018。当充电信号1018导通晶体管1004时，电流从电源1006流过电感器1002、流过晶体管1004、且流到接地参考1008。
当通过电感器1002的电流接近电感器1002的饱和点时，晶体管1004截止，然后电感器电流流到电容器1010，并且相对于B端子对A端子正向充电。对电容器1010充电的相对电压在此将称为充电电压。
在所描述的实施例中，晶体管1004导通大约2微秒。当晶体管1004截止时，电容器1010充电大约需要500纳秒。因此，总充电时间为2.5微秒或更长。
第一晶体管1014(a)的栅极连接到第一触发信号1020(a)，其用于在激光发射器104要发射第一脉冲时导通第一晶体管1014(a)。导通第一晶体管1014(a)使A端子处的电压几乎降低到接地参考电压1008的电压，并且因此还将B端子的电压降低大约等于充电电压的量。因此，激光发射器104的阴极现在将相对于阳极处于负电位，并且电容器的储存能量通过激光发射器104释放。通过激光发射器104的产生电流使得激光发射器104发光。
第二晶体管1014(b)的栅极连接到第二触发信号1020(b)。第二触发信号1020(b)用于通过激光发射器104使第二电容器1010(b)放电，以产生第二脉冲。
在操作中，第一晶体管1014(a)被导通以启动激光脉冲串的第一脉冲，并且第二晶体管1014(b)在不久之后导通以启动第二脉冲。
尽管电路1000被示为对于晶体管1014使用n型或增强型GaN FET，但是也可以使用类似电路，该类似电路使用p型或耗尽型GaN FET。此外，该电路可以扩展，以支持产生任意数量的脉冲，用于顺序地激发任何数量的激光发射器。
在一些实施例中，可以添加缓冲器，以减少驱动电流中可能由于寄生电容和电感而发生的电压振荡。如果允许出现这样的振荡，则可能需要等待直到这些振荡在激发激光发射器104之前平息。缓冲器可以包括连接在电感器1002的第二端子和接地参考1008之间的电阻器1022和电容器1024，以用于抑制电感器1002的第二端子处的任何电压和电流振荡。
可以修改电路1000，以产生任何数量的激光脉冲，包括单个脉冲或多于两个脉冲。在图10A使用虚线以示出第一和第二激发电路1026(a)和1026(b)的部件。可以根据需要复制这些激发电路，以产生任意数量的脉冲。为了产生单个驱动脉冲，可以使用单个激发电路1026。为了产生三个驱动脉冲，可以使用三个激发电路1026，这些激发电路各自连接到电感器1002和发射器104，如图10A所示。
图10B示出了可以在诸如图10A中所示的激发电路1026的一些实施例中使用的额外元件。
与晶体管1014及其相关部件和互连相关联的寄生电容和电感在某些情况下可能限制由激发电路1026产生的脉冲的缩短，并且可能期望产生比可能更短的脉冲。在这些情况下，可以在能量储存电容器1010的A端子和晶体管1014的漏极之间放置相对小的电阻1028。与寄生电容和电感相结合，电阻1028产生谐振，使得在电容器1010的A端子处的电压振荡，以产生比可能出现的更短的初始电流脉冲。在一些实施例中，还可以在电容器1010的A端子和接地参考1008之间添加电容1030，以增强或进一步调整该效果。在一些实施例中，可以类似地在电容器1010的B端子和接地参考1008之间添加电容1032，以进一步增强该效果。基于具体实施方式的特征计算或确定所添加的电阻和电容的值，以便实现期望的初始脉冲持续时间。
在一些情况下，晶体管1014可以是二重的，使得两个这样的晶体管并联使用，以驱动来自能量储存电容器1010的电流。使用并联的两个晶体管可以减小寄生电感和电容的影响。
尽管上面的讨论阐述了所描述的技术的示例性实施方式，但是可以使用其他架构来实现所描述的功能，并且旨在落入本公开的范围内。此外，尽管已经用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了主题，但应理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于所描述的具体特征或动作。而是，具体特征和动作被公开为实现权利要求的示例性形式。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
电路，其配置为产生驱动信号，其中，所述驱动信号与第一充电持续时间相关联；
激光光源，其联接到所述电路，所述激光光源配置成接收所述驱动信号并发射处于第一功率水平的第一光脉冲；
光传感器，其响应于感测到对应于所述第一光脉冲的反射光而产生光信号；
控制器，其通信地联接到所述光传感器，其中，所述控制器能够操作为：
至少部分地基于与所述光信号相关联的一个或多个特征来调整从所述激光光源发射的第二光脉冲的功率，
识别对与电路相关联的待改变的一个或多个参数的一个或多个值的改变，其中，对所述一个或多个值的改变至少基于在对所述激光光源进行校准例程期间所识别的数据，以及
使所述激光光源使用所述一个或多个值来产生第二光脉冲，其中，所述第二光脉冲以不同于所述第一功率水平的第二功率水平发射。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，识别待改变的所述一个或多个值包括：至少部分地基于在对所述激光光源进行校准期间所识别的数据来识别充电持续时间，并且其中，使所述激光光源使用所述一个或多个值包括：使所述电路使用所述充电持续时间来产生所述第二光脉冲。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，识别对所述一个或多个值的改变包括：访问与所述激光光源和所述电路相关联的功率分布，以及至少部分地基于指定功率水平检索充电持续时间。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述功率分布包括与第一光脉冲的第一功率相关联的第一充电持续时间、与第二光脉冲的第二功率相关联的第二充电持续时间，以及与第三光脉冲的第三功率相关联的第三充电持续时间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路还包括：
电感器；以及
联接到所述电感器的电容器，
其中，所述电感器对所述电容器充电，并且其中，所述电容器放电以产生所述驱动信号。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器联接到所述光传感器并且被配置为产生数字化信号，所述数字化信号是所述光信号的数字化表示；并且其中，识别对所述一个或多个值的改变包括：至少部分地基于所述光信号的所述数字化表示来确定所述值。
7.一种装置，包括：
电路，其包括充电电路，其中，所述电路被配置为至少部分地基于第一充电持续时间产生驱动信号；
激光光源，其联接到所述电路，所述激光光源配置成接收所述驱动信号并发射处于第一功率水平的第一光脉冲；
光传感器，其响应于感测到对应于所述第一光脉冲的反射光而产生光信号；
控制器，其通信地联接到所述光传感器，其中，所述控制器能够操作为：
至少部分地基于所述光信号的一个或多个特征识别为将所述第一充电持续时间改变为第二充电持续时间，
至少部分地基于与所述激光光源相关联的校准数据确定所述第二充电持续时间的值，以及
使所述激光光源使用所述第二充电持续时间的所述值以发射处于不同于所述第一功率水平的第二功率水平的第二光脉冲。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，使所述激光光源使用所述第二充电时间的所述值包括：使所述电路对一个或多个电容器充电达所述第二充电时间的所述值。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，识别为将所述第一充电持续时间改变为所述第二充电持续时间包括：确定所述光信号的所述一个或多个特征中的至少一个特征落在预定范围之外，并且其中，还至少部分地基于所述预定范围确定所述第二充电持续时间的所述值。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，确定所述第二充电持续时间的所述值包括：访问与所述激光光源相关联的功率分布，其中，所述功率分布与所述激光光源的校准相关联。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述功率分布包括与第一光脉冲的第一功率相关联的第一充电持续时间、与第二光脉冲的第二功率相关联的第二充电持续时间、以及与第三光脉冲的第三功率相关联的第三充电持续时间。
12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电路还包括：
电感器，以及
联接到所述电感器的电容器，
其中，所述电感器至少部分地基于由所述控制器提供的充电时间对所述电容器充电。
13.根据权利要求7所述的装置，还包括：
模数转换器(ADC)，其联接到所述光传感器并配置成产生数字化信号，所述数字化信号是所述光信号的数字化表示；并且其中，确定所述第二充电持续时间的所述值包括：至少部分地基于所述光信号的所述数字化表示来确定所述值。
14.根据权利要求7所述的装置，其中，所述控制器进一步能够操作为确定与所述光信号相关联的功率，且其中，确定所述第二充电持续时间的所述值包括：确定与期望功率范围相关联的功率值，并访问位于与所述期望功率范围相关联的校准数据内的所述第二充电持续时间的所述值。
15.根据权利要求7所述的装置，还包括：
用于所述激光光源的壳体，所述壳体能够旋转以在扫描方向上光学地扫描光脉冲，所述扫描方向对应于所述激光光源的扫描轴线；以及
其中，所述激光光源包括多行激光发射器，所述激光发射器中的各个激光发射器与功率分布相关联，其中，所述功率分布包括与第一光脉冲的第一功率相关联的第一充电持续时间、与第二光脉冲的第二功率相关联的第二充电持续时间、以及与第三光脉冲的第三功率相关联的第三充电持续时间。
16.一种方法，包括：
使用包括充电电路的电路至少部分地基于第一充电持续时间产生驱动信号；
使用联接到所述电路的激光光源发射处于第一功率水平的第一光脉冲；
使用光传感器感测对应于所述第一光脉冲的反射光；
至少部分地基于所述反射光产生光信号；
至少部分地基于所述光信号的一个或多个特征来确定改变所述第一充电持续时间；
至少部分地基于与所述激光光源相关联的校准数据来确定第二充电持续时间的值；以及
使所述激光光源使用所述第二充电持续时间的所述值来发射处于第二功率水平的第二光脉冲。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，使所述激光光源使用所述第二充电持续时间的所述值包括：使所述电路的所述充电电路对一个或多个电容器充电所述第二充电持续时间的所述值。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，确定所述第二充电时间的所述值包括：访问与所述激光光源相关联的功率分布，其中，所述功率分布与所述激光光源的校准相关联。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括根据所述第二充电持续时间的所述值对所述充电电路的一个或多个电容器进行充电。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使用联接到所述光传感器的模数转换器(ADC)产生数字化信号，所述数字化信号是所述光信号的数字化表示，且其中，确定所述第二充电持续时间的所述值包括：至少部分地基于所述光信号的所述数字化表示来确定所述值。
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