CN110268282A - 从动态位置提供接收光的动态视场 - Google Patents

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Abstract

一种用于在扫描激光雷达系统中提供动态复合视场的系统和方法，例如用于改善检测到的光的信噪比。动态复合视场可以包括可用的检测器像素的子集，并且因此可以减少噪声源引入的噪声，噪声源可以用检测器区域缩放，例如暗电流和可能由光电检测器的电容引起的增益峰值。

Description

从动态位置提供接收光的动态视场
要求优先权
该专利要求2017年1月24日提交的临时专利申请序列号62/499,716的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开涉及用于提高从移动源接收光的系统的精度的系统和方法，例如在扫描激光测距系统或自由空间光通信系统中。
发明内容
某些系统，例如激光雷达系统，可以扫描目标区域的光束，并检测由目标区域反射或散射的扫描光束。除了别的以外，发明人已经认识到，当光束扫过目标区域时，可以提供动态视场，例如可以提供检测到的光的改善的信噪比。在所附权利要求中提供了本公开的其他特征，除非在本文件的其他地方另有明确说明，否则这些特征可任选地以任何排列或组合彼此组合。
在一方面，本公开可表征为一种在具有光敏检测器的激光雷达系统中动态调整复合视场的方法。该方法可包括选择第一组检测器像素，例如用于检测朝向目标区域发射的光束的一部分。该方法还可包括调整向所述目标区域发射的光束的角度。该方法还可包括然后选择第二组检测器像素，例如用于检测具有调整角度的光束的一部分。该方法还可包括从所述第一组检测器像素中减去至少一个检测器像素，并将所述至少一个检测器像素添加到所述第一组检测器像素，例如以形成第二组检测器像素。检测的光束可包括对应于M个像素的区域，以及所述第一组检测器像素和所述第二组检测器像素可包括M+1个像素，并且所述光敏检测器可包括N个像素，其中N大于M+1。该方法还可包括以图案扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素来记录检测的光束的位置。该方法还可包括使用检测的光束的记录位置来选择所述第一和第二组检测器像素。该方法还可包括在处理之前将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之前将所述第二组检测器像素中的像素相加。该方法还可包括在处理之后将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之后将所述第二组检测器像素中的像素相加。该方法还可包括使用选择的第一组检测器像素来检测光束的位置，并且当检测的光束位置的中心位于所述第一组检测器像素中的两个像素之间的边界时，选择所述第二组检测器像素。该方法还可包括扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素来确定每次光束穿过两个检测器像素之间的边界的角度。该方法还可包括扫描所述目标区域上的光束，并且每次光束的角度对应于所确定的角度之一时，选择新组的M+1个检测器像素。
在一方面，本公开可表征为一种用于动态调整激光雷达系统中的复合视场的系统。该系统可包括发射器，被配置为以第一角度然后以第二角度朝向目标区域发射光束。该系统还可包括光电检测器，包括多个像素。该系统还可包括控制电路，被配置为选择第一组检测器像素以接收来自所述目标区域的第一角度的光束的一部分，并且选择第二组检测器像素以接收来自所述目标区域的第二角度的光束的一部分。控制电路可被配置为从所述第一组检测器像素中减去至少一个检测器像素，并将所述至少一个检测器像素添加到所述第一组检测器像素，例如以形成第二组检测器像素。光束的接收部分可包括对应于M个检测器像素的区域，以及所述第一组检测器像素和所述第二组检测器像素可包括M+1个检测器像素，并且所述光敏检测器可包括N个检测器像素，其中N可大于M+1。发射器可被配置为以图案扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素，例如来记录检测的光束的位置。控制电路可被配置为使用检测的光束的记录位置来选择所述第一和第二组检测器像素。该系统还可包括求和电路，可在处理之前将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之前将所述第二组检测器像素中的像素相加。该系统还可包括求和电路，以在处理之后将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之后将所述第二组检测器像素中的像素相加。
在一方面，本公开可表征为一种动态调整激光雷达系统中复合视场的方法。该方法可包括向目标区域发射光束。该方法还可包括从所述目标区域接收响应光束到对应于第一复合视场的第一组像素。该方法还可包括调整发射光束的角度，并基于所述发射光束的调整角度，从所述第一组像素中移除至少一个像素，并将所述至少一个像素添加到所述第一组像素以形成对应于第二复合视场的第二组像素。该方法还可包括然后以调整角度向所述目标区域发射光束，并从所述目标区域接收响应光束到与第二视场对应的第二组像素。该方法还可包括顺序扫描跨越所述目标区域的光束，和确定发射光束的接收部分与至少两个像素的边界对准的光束的至少一个角度。当所述发射光束的接收部分的中心与至少两个像素的边界对准时，可以确定光束的至少一个角度。
附图说明
现在将参考附图通过示例描述本公开，其中：
图1示出了扫描激光雷达系统的示图。
图2示出了用于动态调整复合FOV的方法的图。
图3示出了用于动态调整复合FOV的方法的图。
图4示出了用于动态调整复合FOV的电气系统的示图。
图5示出了扫描激光雷达系统的操作方法。
图6示出了扫描的激光雷达系统中的信号路径。
具体实施方式
图1示出了激光雷达系统100的一部分的示例。激光雷达系统100可包括控制电路104、照明器105、扫描元件106、光学系统116、光敏检测器120和检测电路124。控制电路104可以连接到照明器105、扫描元件106和检测电路124。光敏检测器120可以连接到检测电路124。在操作期间，控制电路104可以向照明器105和扫描元件106提供指令，例如使照明器105向扫描元件106发射光束并使扫描元件106将光束导向目标区域112。在一个示例中，发光器105可以包括激光器，并且扫描元件可以包括矢量扫描器，例如电光波导。电光波导可以基于从控制电路104接收的指令调整光束的角度。目标区域112可以对应于光学系统116的视场。电光波导可以在一系列扫描段114中扫描目标区域112上的光束。光学系统116可以从目标区域112接收至少一部分光束，并且可以将扫描的区段114成像到光敏检测器120上(例如，CCD)。检测电路124可以从光敏检测器120接收和处理扫描点的图像，以便形成帧。在示例中，控制电路104可以选择感兴趣的区域，该感兴趣的区域是光学系统的视场的子集，并指示电光波导扫描感兴趣的区域。在示例中，检测电路124可以包括用于数字化接收的图像的电路。在一个示例中，激光雷达系统100可以安装在汽车中，以便于自动驾驶自动驾驶汽车。光学系统116的视场可以与光敏检测器120相关联，例如光学系统116将光成像到光敏检测器120上。光敏检测器120可以包括并被分成检测器像素121的阵列，并且光学系统的视场(FOV)可以被划分为像素FOV 123的阵列，其中光学系统的每个像素FOV对应于光敏检测器120的像素。
在一个示例中，来自一组检测器像素121的一个或多个信号(例如，测量的电荷或电流)可以被加在一起，以便形成复合FOV(例如，检测器像素FOV的总和)。复合FOV可以是小于完整FOV的子集。通过改变哪些像素被加在一起，可以动态地调整复合FOV。求和可以以各种方式完成。例如，可以数字地执行求和，诸如在有源复合FOV中的每个像素的一些处理之后。也可以通过直接(例如，通过直接从光电二极管求和光电流，或通过将光电流转换为电压，例如用跨阻抗放大器，然后对电压求和)从入射在光检测器上的光产生的光电流中加入电流来进行求和。也可以在信号路径中稍后利用求和放大器执行求和，例如图6中所示的信号路径600，其可以包括向跨阻抗放大器(TIA)620提供信号的光电检测器(PD)610，向求和电路640或第二放大级提供信号的跨阻抗放大器620，然后是模数转换器(ADC)650。第一和第二多路复用器630可以分别处理光敏检测器的偶数和奇数检测器像素。在检测器像素可以连续编号的示例中，偶数检测器像素可以指偶数编号的检测器像素，奇数检测器像素可以指奇数编号的检测器像素。
在其中检测到的感兴趣对象的图像(例如，照射目标区域的光束的反射或散射部分)可以小于完整FOV的示例中，减小诸如本文描述的FOV可以具有许多优点。例如，通过使用减小的FOV来有效地减小光电检测器的有效区域，可以减少诸如由光电检测器的面积缩放的一个或多个噪声源引入的噪声。可以通过减小光电检测器的有效区域来减少噪声或其他伪影的示例可以包括光电检测器中的暗电流和运算放大器电路中的增益峰值，例如由光电检测器的电容引起的峰值。另外，可以减少背景光的影响，并且可以减少(并且在一些示例中，可以消除)在有源复合FOV中不存在但在整个系统FOV中存在的任何寄生光信号。
可替代地或另外地，可以独立地完全处理来自单个像素的信号，然后可以在后处理中执行求和或一种或多种其他技术。这可能具有为每个单独像素复制大部分完整信号链的缺点(例如，对于每个单独像素的读出电子器件而不是对于少至一个复合像素的读出电子器件)。这种重复可能发生在硬件中(因此可能导致发热和功耗以及物理空间)，或者另外，在软件和数据处理中，并且在许多情况下，可能是不可行的。
可能与将光电检测器划分为光电检测器的较小区域的子集相关联的问题可以是感兴趣的信号可以存在于两个(或更多个)像素的FOV之间。在这样的示例中，当读取单个像素时可以减少观察到的信号，因为大部分光可以击中非活动像素。通过动态调整复合FOV，可以减少该问题，同时仍然保持具有降低的FOV的益处。在一个例子中，用于求和像素的技术可包括改变复合FOV，例如跟踪移动目标(例如，扫描目标区域上的光束)，同时完全捕获来自目标的光。可以动态地调整复合FOV，例如基于目标的位置、目标的大小和每个像素的FOV的校准中的一个或多个。在示例中，当目标跨越至少两个像素之间的边界时，可以自动调整复合FOV。
图2示出了用于动态调整激光雷达系统中的复合FOV的方法，例如图1中所示的激光雷达系统100。在所示方法中，为了清楚起见，已经简化为包括少量(例如少于10)检测器像素121，光敏检测器可以包括五个检测器像素121，目标204可以具有沿扫描方向的尺寸大于一个检测器像素，但是小于两个检测器像素，并且可以将一次三个检测器像素相加以形成复合FOV。如图2所示，被求和的检测器像素可以是无阴影的。在所示的方法中，当光束扫描目标区域时，目标(例如，照射目标区域的光束的反射或散射部分)可以从光学检测器的五个检测器像素上从左向右移动(从低像素索引到高像素索引)。当目标从左向右移动时，可以动态地调整复合FOV，以便提供由形成复合FOV的检测器像素捕获整个目标。在一个示例中，可以从形成复合FOV的检测器像素的总和中去除具有最低索引的像素，并且可以将目标运动方向上的下一个像素(例如更高的索引)添加到形成复合FOV的检测器像素的总和，例如当目标居中或以其他方式跨越复合FOV中的两个检测器像素时。在一个示例中，光敏检测器可以包括N个检测器像素，目标的大小可以由m个检测器像素捕获，并且复合FOV可以通过对m+1个检测器像素求和来形成。在图2所示的示例中，目标可以以线性图案移动，但是动态调整合成FOV的技术可以应用于一维或二维中的任意图案，只要可以预先确定任意图案即可。另外或替代地，可以在一维或二维中应用对像素求和以形成复合FOV的技术。
在诸如图1所示的扫描激光雷达系统中，目标可以由激光器发射的光脉冲成像，该光脉冲可以从目标区域反射或散射回到接收光学系统。可以基于光脉冲可以从激光器发射的角度来确定目标位置，以便基于激光的扫描模式确定目标的图案。
在目标可以比任何背景信号更亮的示例中，例如在如图1所示的有源激光雷达系统中，或者在自由空间光通信系统中，可以根据复合FOV中的每个相应检测器像素收集的相应信号来确定目标的位置。在目标图像仅击中两个检测器像素的示例中，每个单独的检测器像素的信号强度的差异可用于确定相对于两个像素的目标位置。通过在两个检测器像素之间平衡或划分信号强度时调整哪些像素被求和以及相应的复合FOV，可以实时自动处理像素切换。
在目标改变方向的示例中，可以基于每个像素的信号强度来检测目标的方向的改变。在这样的示例中，与检测器像素信号的更新速率相比，目标的运动可能较慢，激光雷达系统可以跟踪目标的运动。可以通过图像处理来自光敏检测器的数据或来自另一传感器或一组传感器(例如照相机、惯性测量单元(IMU)或GPS)的数据来确定目标的位置。
图3示出了目标光束的尺寸可以小于单个检测器像素的示例。在图3所示的示例中，可以将每次两个检测器像素相加以形成复合FOV。在其中两个相邻的检测器像素被求和以形成复合FOV的这样的示例中，图4示出了用于执行求和的电子系统400的示例。电子系统400可以包括在检测电路中，例如检测电路124。在图4所示的示例中，奇数像素可以电连接到第一多路复用器404(MUX)的输入，偶数像素可以电连接到第二多路复用器408的输入。第一多路复用器404和第二多路复用器408的输出可以连接到求和放大器412，以便对相邻像素的任何组合(例如，像素1和像素2或像素2和像素3)求和。在一次可以将N个检测器像素相加以形成复合FOV的示例中，检测器像素可以分别连接到N个多路复用器的输入，并且各个多路复用器的输出可以相加以形成复合FOV。
在复合FOV小于完整FOV的示例中，复合FOV可以与感兴趣的动态区域匹配。将感兴趣的动态区域与复合FOV匹配可以降低噪声并使系统不易受到光电检测器的当前复合FOV之外的寄生信号的影响。例如，在扫描的激光雷达系统中，直射阳光或其他强光源可能使一些检测器像素失明或饱和，但如果这些盲法或饱和像素不是活动的检测器像素，则系统可能不会被该信号遮挡或饱和。在来自非致盲光源的噪声可以入射在不在有源复合FOV中的无效检测器像素的示例中，也可以避免来自非致盲光源的增加的噪声。在复合FOV包括单个检测器像素的示例中，当目标移动到单个像素的FOV之外并且在多个像素之间分割时，可以减小接收信号。
图5示出了扫描激光雷达系统的操作方法，例如图1中所示的激光雷达系统100。光束可以朝向第一目标发射(步骤510)。然后可以将反射或散射的光束从第一目标接收到对应于第一复合视场的第一组像素上(步骤520)。可以调整从激光器传输的光束的角度，并且基于发射光束的调整角度，可以从第一组像素中移除至少一个像素，并且可以将至少一个像素添加到第一组像素以形成第二组像素(步骤530)。去除至少一个像素和添加至少一个像素可以称为像素切换。然后可以将光束传输到第二目标，并且可以将反射光束从第二目标接收到对应于第二视场的第二组像素上(步骤540)。可以在目标区域上扫描光束，并且可以基于发射光束的接收部分可以与至少两个像素的边界对准的位置来确定至少一个角度(步骤550和560)。在示例中，发射光束的接收部分的中心可以与至少两个像素的边界对齐。
在像素切换可以与由照明器(例如图1中所示的照明器105)发射的光束的角度相关联的示例中，像素切换可以用作校准角度标记，例如以提供扫描激光雷达系统的波束控制部分(例如，扫描元件106)的变化的指示。像素切换可用于提供光束控制部分的重新校准，并且可用于补偿光束控制部分中的漂移，例如由于老化、未对准、机械冲击、温度漂移、激光波长漂移或任何其他会影响光束操纵者的因素。尽管已经在激光雷达系统的背景下描述了本文的一些示例，但是本公开同样适用于诸如自由空间光通信系统的无源接收系统。

Claims (20)

1.一种在具有光敏检测器的激光雷达系统中动态调整复合视场的方法，该方法包括：
选择第一组检测器像素，用于检测朝向目标区域发射的光束的一部分；
调整向所述目标区域发射的光束的角度；和
然后选择第二组检测器像素，用于检测具有调整角度的光束的一部分。
2.权利要求1所述的方法，包括从所述第一组检测器像素中减去至少一个检测器像素，并将所述至少一个检测器像素添加到所述第一组检测器像素，以形成第二组检测器像素。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中检测的光束具有对应于M个像素的区域，以及所述第一组检测器像素和所述第二组检测器像素包括M+1个像素，并且所述光敏检测器包括N个像素，其中N大于M+1。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，包括以图案扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素来记录检测的光束的位置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，包括使用检测的光束的记录位置来选择所述第一和第二组检测器像素。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，包括在处理之前将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之前将所述第二组检测器像素中的像素相加。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，包括在处理之后将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之后将所述第二组检测器像素中的像素相加。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，包括使用选择的第一组检测器像素来检测光束的位置，并且当检测的光束位置的中心位于所述第一组检测器像素中的两个像素之间的边界时，选择所述第二组检测器像素。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，包括扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素来确定每次光束穿过两个检测器像素之间的边界的角度。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，包括扫描所述目标区域上的光束，并且每次光束的角度对应于所确定的角度之一时，选择新组的M+1个检测器像素。
11.一种用于动态调整激光雷达系统中的复合视场的系统，该系统包括：
发射器，被配置为以第一角度然后以第二角度朝向目标区域发射光束；
光电检测器，包括多个像素；和
控制电路，被配置为选择第一组检测器像素以接收来自所述目标区域的第一角度的光束的一部分，并且选择第二组检测器像素以接收来自所述目标区域的第二角度的光束的一部分。
12.权利要求11所述的系统，其中所述控制电路被配置为从所述第一组检测器像素中减去至少一个检测器像素，并将所述至少一个检测器像素添加到所述第一组检测器像素，以形成第二组检测器像素。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的系统，其中光束的接收部分具有对应于M个检测器像素的区域，以及所述第一组检测器像素和所述第二组检测器像素包括M+1个检测器像素，并且所述光敏检测器包括N个检测器像素，其中N大于M+1。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的系统，其中所述发射器被配置为以图案扫描所述目标区域上的光束并使用全部数量N个检测器像素来记录检测的光束的位置。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的系统，其中所述控制电路被配置为使用检测的光束的记录位置来选择所述第一和第二组检测器像素。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的系统，包括求和电路，以在处理之前将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之前将所述第二组检测器像素中的像素相加。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的系统，包括求和电路，以在处理之后将所述第一组检测器像素中的像素相加、以及在处理之后将所述第二组检测器像素中的像素相加。
18.一种动态调整激光雷达系统中复合视场的方法，该方法包括：
向目标区域发射光束；
从所述目标区域接收响应光束到对应于第一复合视场的第一组像素；
调整发射光束的角度，并基于所述发射光束的调整角度，从所述第一组像素中移除至少一个像素，并将所述至少一个像素添加到所述第一组像素以形成对应于第二复合视场的第二组像素；和
然后，以调整角度向所述目标区域发射光束，并从所述目标区域接收响应光束到与第二视场对应的第二组像素。
19.权利要求18所述的方法，还包括：
顺序扫描跨越所述目标区域的光束；和
确定发射光束的接收部分与至少两个像素的边界对准的光束的至少一个角度。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的方法，其中当所述发射光束的接收部分的中心与至少两个像素的边界对准时，确定光束的至少一个角度。
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