CN110297225A - 光调制激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

激光雷达系统包括将第一激光束投射到空间光调制器，例如硅上液晶(LCOS)器件上的激光器，以投射具有由相对低强度区域彼此分开的相对高强度点图案的第二光束。第一相机具有第一视场，并产生第二光束的点图案的图像信号，该图像信号覆盖在第一视场内的一个或多个物体的图像上。图片创建模块生成点图案并将其传送到空间光调制器。图像处理模块使用图像信号检测一个或多个物体的位置和距离。图片创建模块可以生成多个不同图案之一以增加激光雷达系统的空间分辨率。

Description

光调制激光雷达系统
背景技术
LIDAR表示光检测和测距，是一种遥感方法，其通过用激光照射目标对象并用传感器测量反射光，使用激光来测量到目标对象的距离。LIDAR(激光雷达)系统基于雷达的相同一般原理工作，但是使用激光代替射频辐射。激光雷达系统通常使用脉冲激光来测量距离。然后，激光返回时间和波长的差异可用于对目标进行数字3D表示。激光雷达系统具有多种应用，包括制图、勘测，以及在车辆应用中作为可以为增强的或自主的驾驶系统提供有用数据的信息源。
发明内容
公开了一种激光雷达系统，其包括激光器，该激光器将第一激光束投射到空间光调制器(SLM)上，该空间光调制器被配置成调制第一光束以投射第二光束，该第二光束具有由相对低强度的区域彼此分开的相对高强度的点图案。
该激光雷达系统包括第一相机，其具有第一视场以生成第二光束的点图案的图像信号，该图像信号覆盖在第一视场内的一个或多个物体的图像上。
激光雷达系统进一步包括控制器，该控制器包括用于生成点图案并将该点图案传送到空间光调制器的图片创建模块，并且包括与第一相机通信以从其接收图像信号并使用该图像信号检测一个或多个物体的位置和距离的图像处理模块。
还提供了用于操作激光雷达系统20的方法100。方法100包括步骤102，通过激光器将第一激光束投射到空间光调制器(SLM)。方法100还包括步骤110，通过空间光调制器调制第一光束，以投射具有变化强度的点图案的第二光束。
方法100还包括步骤112，通过具有第一视场的第一照相机观察实际图像，该实际图像包括重叠在一个或多个物体的图像上的第二光束的图案。方法100还包括步骤114，由第一相机生成表示实际图像的图像信号。方法100还包括步骤116，将图像信号从第一相机传送到图像处理模块。方法100还包括步骤118，通过比较点图案与实际图像，由图像处理模块检测一个或多个物体的位置和距离。
附图说明
本发明的设计的进一步细节、特征和优点从以下参考相关附图对实施例示例的描述中得到。
图1是示出激光雷达系统的实施例的框图；
图2是示出激光雷达系统的另一实施例的框图；
图3A是第一点图案的图；
图3B是第二点图案的图；
图3C是第三点图案的图；
图4是根据激光雷达系统的实施例的动态衍射光学元件的图；
图5A是用于操作激光雷达系统的方法的流程图；
图5B是图5A所示方法中的附加步骤的流程图；而且
图5C是图5A所示方法中的附加步骤的流程图。
具体实施方式
重复的特征在图中用相同的附图标记表示。公开了激光雷达(LIDAR)系统20。如图1的框图所示，激光雷达系统20的示例性实施例包括激光器22，其将第一激光光束24投射到空间光调制器(SLM)26上，空间光调制器26是硅上液晶(LCOS)设备，其被配置为调制第一光束24并投射具有相对高强度的点30的图案的第二光束28，点30由相对低强度的区域彼此分隔开。硅上液晶(LCOS)空间光调制器(SLM)26是固态器件的示例，因此，本实施例的激光雷达系统可以被称为″固态激光雷达″。这与具有振荡或旋转激光器的现有技术的一些激光雷达系统是有区别的。
如图1所示，激光雷达系统20还包括第一相机32，其具有第一视场34，以生成第二光束28的点30的图案的图像信号36，该图像信号36覆盖在第一视场内的一个或多个物体的图像38上。第一相机32及其相关图像38可以包括任何类型的光学传感器和相关光学装置，例如透镜、光圈和/或快门。第一相机32及其相关图像38可以被配置用于任何类型的视觉，包括例如：黑白、可见光波长的颜色、红外(IR)或弱光操作，例如″夜视″。
如图1所示，激光雷达系统20还包括控制器40，其可以是片上系统(SoC)类型的设备，包括处理器42和计算机可读非暂时性存储器44以及图片创建模块46，用于生成点30的图案，并将点30的图案传送到空间光调制器。控制器40还包括与第一相机32通信的图像处理模块48，以从其接收图像信号36并使用图像信号36检测一个或多个物体的位置和距离。
根据本公开的一个方面，图像处理模块48可以在检测一个或多个物体的位置和距离时使用一个或多个相对高强度的点30的位置及其相对于图像信号36内的相邻区域的幅度。换句话说，图像信号36内的未被照射的相邻区域可以提供参考以确定相对高强度的照射点30的相对强度。点30的图案可以是动态的并且随时间而改变。例如，点可以移动以在空间的不同区域上扫描。
根据本公开的一个方面，图片创建模块46生成点30的图案作为多个不同图案30′、30″、30″′中的一个，以增加激光雷达系统20的空间分辨率。如图3A所示，多个不同图案30′、30″、30″′可以包括第一图案30′，其具有以水平直线和垂直直线的二维阵列布置的多个点，并且其中，这些水平直线的每一条中的点与这些水平直线的相邻直线中的点在水平方向上对齐。如图3B所示，多个不同图案30′、30″、30″′可以包括第二图案30″，其具有以水平直线的二维阵列布置的多个点，并且其中，这些水平直线的每一条中的点在水平方向上偏移这些水平直线的相邻直线中的点。如图3C所示，多个不同图案30′、30″、30″′可以包括第三图案30″′，该第三图案30″′包括具有第一点密度的第一区域50和包括具有比第一点密度高的第二点密度的第二区域52。
如图1所示，激光雷达系统20还可以包括第二相机54，其具有作为第一视场34的子集的第二视场54，以改善远离激光雷达系统20的物体的距离估计。
如图2所示，激光雷达系统20可以包括第二相机54，该第二相机54具有与第一视场32无关的第二视场56，以提供激光雷达系统20周围的宽区域的环绕视图。第二视场56与第一视场32“无关”是它基本上覆盖不同的区域。视场32、56可以根据需要具有一些重叠以提供无缝视图。激光雷达系统20还可以包括多个空间光调制器，每个空间光调制器将不同的第二光束投射到视场中的对应视场。激光雷达系统20可以包括多个激光器，其中每个激光器利用相应的第一光束照射空间光调制器中的相应一个。
本激光雷达系统20仅需要有限数量的图案，并且可以在空间光调制器26是可在两个或更多个不同状态之间切换的液晶设备的情况下实现。如图4所示，激光雷达系统20可以包括动态衍射光学元件26′，该动态衍射光学元件26′包括两个或更多个衍射元件58，每个衍射元件58具有不同的图案，并且可以选择性地移动到与来自激光器22的第一光束24相交的位置。换句话说，动态衍射光学元件26′被配置成选择性地移动两个或更多个衍射元件58中的所选一个以与第一光束24相交，从而在第二光束28中产生点30的对应图案。
衍射元件58例如可以安装到盘60，该盘60被旋转以将这些衍射元件58中被选择的一个放置在与第一光束24相交的位置，并在第二光束28中产生相关联的点30。
如图5A-5C的流程图所示，还提供了用于操作激光雷达系统20的方法100。方法100包括步骤102，通过激光器22将第一激光束24投射到空间光调制器(SLM)26上。
方法100还包括步骤104，通过图片创建模块46生成点30的图案。图3A-3C中示出了点30的这些图案的示例。点30的图案可以是动态的并且随时间而改变。例如，这些点可以移动以在空间的不同区域上扫描。
方法100还包括步骤106，将点30的图案从图片创建模块46传送到空间光调制器26。该传送可以是例如数字的或模拟的，并且可以电子地或光学地传送。
方法100还包括步骤108，从图片创建模块46向图像处理模块48传送点30的图案。该传送可以是例如数字的或模拟的，并且可以电子地或光学地传送。
方法100还包括步骤110，由空间光调制器26对第一光束24进行调制，以投射具有不同强度的点30的图案的第二光束28。在图1和2所示的例子中，空间光调制器是具有液晶单元阵列的硅上液晶(LCOS)器件，这些液晶单元被配置成将入射光束调制成由控制信号设定的图案。
方法100还包括步骤112，通过具有第一视场34的第一相机32观察实际图像，该实际图像包括覆盖在一个或多个物体的图像上的第二光束28的点30的图案。
方法100还包括步骤114，由第一相机32产生表示实际图像的图像信号38。
方法100还包括步骤116，将图像信号38从第一相机32传送到图像处理模块48。
方法100还包括步骤118，通过比较点30的图案与实际图像，由图像处理模块48检测一个或多个物体的位置和距离。换句话说，图像处理模块48将直接从图片创建模块46传送的点30的图案与来自第一相机32的实际图像进行比较，以便检测一个或多个物体的位置和距离。该步骤118可以包括子步骤118A，其由图像处理模块48使用一个或多个相对高强度的点的位置及其相对于实际图像内的相邻区域的幅度。
如图5B的流程图所示，并且如图1所示，方法100还可以包括步骤120，由第二相机54观察作为第一视场34的子集的第二视场56。这可以为第二视场提供更详细的分辨率和/或聚焦，其可以用于例如远离相机32、54(即远离激光雷达系统20)的远距离物体。
方法100还可以包括步骤122，将相应的图像信号从第二照相机54传送到图像处理模块48。图像处理模块48然后可以使用该对应的图像信号来改进位于远离激光雷达系统20的物体的距离估计。
如图5C的流程图所示，并且如图2所示，方法100还可以包括步骤124，由第二相机54观察与第一视场34无关的第二视场56，以提供激光雷达系统20周围的宽区域的环绕视图。两个视场34、56可以具有一些重叠以防止其间的间隙。例如，视场34、56可以被组合以提供无缝全景视图。
方法100还可以包括步骤126，通过多个空间光调制器26中的每一个将不同的第二光束28投射到视场34、56中的相应视场。
方法100还可以包括步骤128，由多个激光器22中的每一个用相应的第一光束24照射空间光调制器26中相应的一个。
上述系统、方法和/或过程及其步骤可以以硬件、软件或适于特定应用的硬件和软件的任何组合来实现。硬件可包括通用计算机和/或专用计算设备或特定计算设备或特定计算设备的特定方面或组件。这些过程可以在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程设备以及内部和/或外部存储器中实现。这些过程还可以或者可替换地在专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑或者可以被配置成处理电子信号的任何其他设备或设备组合中实现。还将理解，一个或多个过程可以被实现为能够在机器可读介质上执行的计算机可执行代码。
计算机可执行代码可以使用诸如C的结构化编程语言、诸如C++的面向对象的编程语言、或者可以被存储、编译或解释以运行在以上设备之一上的任何其他高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言、以及数据库编程语言和技术)、以及处理器架构的异构组合、或不同硬件和软件的组合、或能够执行程序指令的任何其他机器来创建。
因此，在一个方面，上述每种方法及其组合可以在计算机可执行代码中实现，当在一个或多个计算设备上执行时，执行其步骤。在另一方面，所述方法可以在执行其步骤的系统中实施，并且可以以多种方式分布在多个设备上，或者所有功能可以集成到专用的、独立设备或其他硬件中。在另一方面，用于执行与上述过程相关联的步骤的装置可以包括上述硬件和/或软件中的任何一个。所有这些排列和组合都将落入本公开的范围内。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以不同于具体描述的方式实施。

Claims (20)

1.一种激光雷达系统，包括：
激光器，其将第一激光束投射到空间光调制器(SLM)上，所述空间光调制器被配置成调制所述第一光束以投射具有相对高强度的点的图案的第二光束，所述相对高强度的点由相对低强度的区域彼此分开；
第一相机，其具有第一视场，并且生成所述第二光束的点图案的图像信号，该图像信号覆盖在所述第一视场内的一个或多个物体的图像上；
图片创建模块，用于生成所述点图案，并将所述点图案传送到所述空间光调制器；而且
图像处理模块，与所述第一相机通信以从其接收所述图像信号并使用所述图像信号检测所述一个或多个物体的位置和距离。
2.如权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述图像处理模块在检测所述一个或多个物体的位置和距离时，使用一个或多个相对高强度的点的位置及其相对于所述图像信号内的相邻区域的幅度。
3.如权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述图片创建模块生成所述点图案作为多个不同图案之一，以提高所述激光雷达系统的空间分辨率。
4.如权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述多个不同图案包括第一图案，该第一图案具有以水平直线和垂直直线的二维阵列布置的点，并且其中，所述水平直线中的每一条中的点在水平方向上与所述水平直线中的相邻水平直线中的点对齐。
5.如权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述多个不同图案包括第二图案，该第二图案具有以水平直线的二维阵列布置的点，并且其中，所述水平直线中的每一条中的点在水平方向上偏离所述水平直线中的相邻水平直线中的点。
6.如权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述多个不同图案包括第三图案，所述第三图案包括具有第一点密度的第一区域和具有比所述第一点密度高的第二点密度的第二区域。
7.如权利要求1所述的激光雷达系统，还包括第二相机，其具有作为所述第一视场的子集的第二视场，以改善远离所述激光雷达系统的物体的距离估计。
8.如权利要求1所述的激光雷达系统，还包括第二相机，其具有独立于所述第一视场的第二视场，以提供所述激光雷达系统周围的宽区域的环绕视图。
9.如权利要求8所述的激光雷达系统，还包括多个空间光调制器，每个空间光调制器将不同的第二光束投射到所述视场中的相应视场。
10.如权利要求9所述的激光雷达系统，还包括多个激光器，每个激光器利用相应的第一光束照射所述空间光调制器中的相应一个空间光调制器。
11.如权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述空间光调制器包括动态衍射光学元件，该动态衍射光学元件具有两个或更多个衍射元件，每个衍射元件具有不同的图案；并且
其中，所述动态衍射光学元件被配置成选择性地移动两个或更多个衍射元件中的选定衍射元件以与所述第一光束相交。
12.如权利要求11所述的激光雷达系统，其中所述动态衍射光学元件包括安装到盘上的所述两个或更多个衍射元件；并且
其中所述盘被配置成旋转以移动所述两个或更多个衍射元件中的所述选定衍射元件以与所述第一光束相交。
13.一种激光雷达系统，包括：
激光器，其将第一激光束投射到空间光调制器(SLM)上，所述空间光调制器是硅上液晶(LCOS)装置，其被配置成调制所述第一光束以投射具有相对高强度的点的图案的第二光束，所述相对高强度的点由相对低强度的区域彼此分开；
第一相机，其具有第一视场，并且生成第二光束的点图案的图像信号，该图像信号覆盖在所述第一视场内的一个或多个物体的(可视/红外/低光，例如″夜视″)图像上；
控制器，包括与所述第一相机通信的图像处理模块，以从所述第一相机接收图像信号并使用所述图像信号检测所述一个或多个物体的位置和距离；而且
其中，所述图像处理模块在检测所述一个或多个物体的位置和距离时，使用一个或多个相对高强度的点的位置及其相对于图像信号内的相邻区域的幅度。
14.一种用于操作激光雷达系统的方法，包括：
通过激光器将第一激光束投射到空间光调制器(SLM)上；
通过所述空间光调制器调制所述第一光束，以投射具有变化强度的点图案的第二光束；
通过具有第一视场的第一相机观察包括重叠在一个或多个物体的图像上的第二光束的图案的实际图像；
由所述第一相机生成表示所述实际图像的图像信号；
将来自所述第一相机的所述图像信号传送到所述图像处理模块；
通过比较所述点图案与所述实际图像，由所述图像处理模块检测所述一个或多个物体的位置和距离。
15.如权利要求14所述的用于操作激光雷达系统的方法，还包括：
通过图片创建模块生成所述点图案；
将所述点图案从所述图片创建模块传送到所述空间光调制器；以及
将所述点图案从所述图片创建模块传送到图像处理模块。
16.如权利要求14所述的用于操作激光雷达系统的方法，其中，由所述图像处理模块检测所述一个或多个物体的位置和距离的步骤还包括：由所述图像处理模块使用相对高强度的一个或多个点的位置及其相对于所述实际图像内的相邻区域的幅度。
17.如权利要求14所述的用于操作激光雷达系统的方法，还包括：
通过第二相机观察作为第一视场的子集的第二视场；以及
将对应的图像信号从所述第二相机传送到所述图像处理模块，以改进位于远离所述激光雷达系统的物体的距离估计。
18.如权利要求14所述的用于操作激光雷达系统的方法，还包括：
通过第二相机观察与所述第一视场不同的第二视场，以提供所述激光雷达系统周围的宽区域的环绕视图。
19.如权利要求18所述的用于操作激光雷达系统的方法，还包括：通过多个空间光调制器中的每一个，将不同的第二光束投射到所述视场中的相应视场。
20.如权利要求19所述的用于操作激光雷达系统的方法，还包括：由多个激光器中的每一个用相应的第一光束照射所述空间光调制器中的相应一个。
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