CN110612456B - 动态控制激光功率的方法 - Google Patents

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Abstract

为了动态地控制激光雷达系统中的功率，控制器识别触发事件并向激光雷达系统中的光源提供控制信号，以调整由光脉冲提供的光脉冲的功率。触发事件可以包括超过阈值速度、位于人或其他对象的阈值距离内、大气状况等。在某些场景中，调整功率以解决人眼安全问题。

Description

动态控制激光功率的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月28日提交的申请号为62/477,847的美国临时申请和于2017年11月28日提交的申请号为15/824,416的美国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及激光雷达系统，尤其是根据触发事件调整由激光雷达系统中的光源提供的功率的量。
背景技术
本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的背景。当前署名的发明人的工作(就背景技术部分所描述的范围)，以及在提交时说明书中不必认为是现有技术的各方面描述，既不明确也不隐含地被公认为针对本公开的现有技术。
光探测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光学接收器。光源可以是，例如，发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可能位于，例如，电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源向目标发射光，然后目标散射光。一些被散射的光被接收器接收回来。系统基于与返回的光相关联的一个或多个特性，确定到目标的距离。例如，系统可以基于返回的光脉冲的飞行时间，确定到目标的距离。
发明内容
本公开的技术的一个示例实施例是一种动态改变激光雷达系统中的激光功率的量的方法。该方法包括：由激光雷达系统中的光源发射光脉冲；由激光雷达系统中的控制器识别用于调整由光源提供的后续光脉冲的功率的量的触发事件，该触发事件包括运载工具或大气状况；以及由控制器向光源提供控制信号，该控制信号基于触发事件调整由光源提供的后续光脉冲的功率的量。
本公开的技术的另一个示例实施例是一种激光雷达系统，包括：光源，配置为发射光脉冲；扫描器，配置为扫描激光雷达系统的观测场，包括：相对于运载工具的前向方向以不同角度将光脉冲引导向观测场内的不同点，以照射光源的视场；以及探测器，配置为探测来自被一个或多个远程目标散射的光脉冲中的一些光脉冲的光，以识别返回的光脉冲并生成相应的像素。激光雷达系统还包括控制器，该控制器配置为调整由光源发射的后续光脉冲的功率的量。更具体地，该控制器被配置为识别包括运载工具或大气状况的触发事件，并基于触发事件使光源发射具有调整的功率量的后续光脉冲。
本公开的技术的又一个示例性实施例是一种激光雷达系统中的控制器。该控制器包括一个或多个处理器；以及非暂时性计算机可读存储器，耦合到该一个或多个处理器并且在该存储器上存储指令。该指令在被一个或多个处理器执行时使控制器：向光源提供控制信号，以发射具有一定功率量的光脉冲；识别包括运载工具或大气状况的触发事件；以及响应于识别触发事件，向光源提供控制信号，以基于触发事件发射具有调整的功率量的后续光脉冲。
附图说明
图1是示例光探测和测距(激光雷达(lidar))系统的框图，本公开的技术可以在该系统中实施；
图2更详细地示出了可以在图1的系统中操作的几个组件；
图3示出了图1的组件通过旋转罩壳中的窗口扫描360度观测场的示例配置；
图4示出了图1的组件通过基本透明的固定罩壳扫描360度观测场的另一种配置；
图5示出了图1的激光雷达系统在识别观测场内的目标时可以产生的示例扫描模式；
图6示出了图1的激光雷达系统在使用多个光束识别观测场内的目标时可以产生的示例扫描模式；
图7示意性地示出了可以在图1的激光雷达系统中操作的光源和探测器的视场(FOV)；
图8示出了图1的激光雷达系统或另一合适的激光雷达系统的示例配置，在该配置中激光器设置在远离传感器组件的位置；
图9示出了示例运载工具，图1的激光雷达系统可以在该运载工具中操作；
图10示出了可以在图1的激光雷达系统中操作的示例InGaAs雪崩光电二极管；
图11示出了耦合到脉冲探测电路的示例光电二极管，其可以在图1的激光雷达系统中操作；
图12示出了基于探测触发事件而动态调整功率的示例技术，该技术可以在图1的激光雷达系统中实施；
图13是示出返回脉冲的示例分析的图，该分析可以在图1的激光雷达系统中探测到大气状况时实施；
图14示出了动态调整激光雷达系统中的功率的示例方法的流程图；
具体实施方式
概述
一般而言，运载工具内的激光雷达系统中的光源(例如，光纤激光器或二极管激光器)根据各种触发状况和/或事件，以可变量的功率或能量发射光脉冲。一种技术包括：向光源提供控制信号以发射具有第一功率的量或第一能量的量(例如100W的峰值功率)的光脉冲；探测触发事件；以及向光源提供另一控制信号以发射具有第二功率的量或第二能量的量(例如，1kW的峰值功率)的光脉冲，第二功率或能量的量不同于第一功率或能量的量。在一些实施方式中，功率或能量的量增加或减少了10倍。
这样，当行人或乘客可能在附近时，激光雷达系统可以为了人眼安全而减少功率或能量的量。当行人或乘客不在附近时，激光雷达系统可以增加功率或能量的量，并且，当例如基于运载工具的速度，人不可能在激光雷达系统的阈值距离内，且人眼安全成为不太重要的因素时，使激光雷达系统到达更远的距离。此外，激光雷达系统可以增加功率或能量的量以穿透雨、雪、雾、烟或昆虫，使得光脉冲在完全从雨、雪、雾、烟或昆虫散射之前具有足够的功率或能量到达对象。此外，激光雷达系统可以减少功率或能量的量，以节省功率或能量。例如，当激光雷达系统处的环境光的量低于阈值光水平时，可以响应于来自环境光的较低噪声量而降低功率或能量的量。这样，当在最大距离探测从对象散射的光的最小输出功率或能量的量减小时，激光雷达系统可以节省功率或能量。
在一些实施方式中，探测到多个触发事件，其中一个触发事件与增加功率或能量的量相关联，以及另一个触发事件与减少功率或能量的量相关联。在这种情况下，激光雷达系统可以保持相同量的功率或能量，使得触发事件彼此抵消。在其他实施方式中，激光雷达系统权衡触发事件的组合，并基于每个触发事件确定是增加还是减少功率或能量的量。例如，当仅探测到大气状况时，激光雷达系统增加功率或能量的量以穿透雨、雪、雾、烟或昆虫；当激光雷达系统探测到大气状况和附近行人或乘客的组合时，由于在激光雷达系统在人的阈值距离范围内时增加功率或能量的量会引起安全风险，可能不会增加功率或能量的量。在一些实施方式中，触发事件具有各自的优先级(例如，对于附近行人或乘客人眼安全是最高优先级)，并且可以基于触发事件各自的优先级来确定是否增加或减少功率或能量的量。在其他实施方式中，可以基于触发事件的任何合适的组合来确定是否增加或减少功率或能量的量。本文使用的术语“功率”和“能量”可以互换使用，表示由激光雷达系统发射的光学脉冲的平均功率、峰值功率或脉冲能量。例如，调整由激光雷达系统发射的光脉冲的功率的量可以指调整发射的脉冲的平均功率、峰值功率或脉冲能量。
触发事件可以包括运载工具状况，例如运载工具的速度超过阈值速度(例如60mph)，对象(其可能是人)在激光雷达系统的阈值距离内(例如3英尺)，来自其他操作激光雷达系统的运载工具的信号，在阈值时间内接近运载工具或其他对象，或任何其他合适的运载工具状况。触发事件还可以包括大气状况，例如雨、雪、雾、烟、昆虫(例如一群昆虫)或任何其他合适的触发事件。触发事件还可以包括光在往返激光雷达系统时穿过的窗口的清洁度。
在一些实施方式中，接收器确定返回的光脉冲的特性，返回的光脉冲对应于由远程目标散射的发射光脉冲。然后，接收器将这些特性提供给控制器，控制器至少部分地基于所提供的特性来确定触发事件是否已经发生。在其他实施方式中，控制器、激光雷达系统或运载工具内的另一传感器、或外部服务探测触发事件。在其他实施方式中，控制器从运载工具和/或外部服务中的多个传感器获得数据。例如，为了探测大气状况，控制器可以与运载工具内的全球定位系统(GPS)通信，以获得运载工具的当前位置。然后，控制器向气象数据服务机构(例如国家气象服务机构)发送请求以获取当前位置的气象数据。然后，该气象数据服务机构可以提供该地理位置的当前大气状况的指示，例如雾或雨。在任何情况下，控制器随后将控制信号提供给光源，以增加或减少后续光脉冲的功率或能量的量。
在一些实施方式中，在探测到触发事件后，控制器提供控制信号以增加功率或能量的量。例如，当运载工具以阈值速度(例如，60mph)或超过阈值速度行驶时，控制器增加功率或能量的量，因为在该速度下人无法在离运载工具很近的距离(例如，1m)内，以及因此人眼安全成为不太重要的因素。在另一示例中，触发事件包括运载工具(例如，安装了激光雷达系统的运载工具)的速度，并且基于运载工具的速度来调整功率或能量的量。在又一示例中，在探测到大气状况(如雾或雨)后，该大气状况导致光脉冲在到达对象(“硬”目标)之前先经过雾或雨(“软”目标)而导致一些衰减(例如散射或吸收)或失真，控制器增加功率或能量的量，使得后续光脉冲在完全被雨或雾散射之前具有足够的功率或能量到达对象，以补偿先前发射的光脉冲的衰减或失真。
在其他实施方式中，在探测到触发事件后，控制器提供控制信号以减少功率或能量的量。例如，当激光雷达系统在对象的阈值距离内时，控制器减少功率或能量的量，以防止接收器因附近目标散射的返回光脉冲的大量功率或能量而过载，特别是当目标具有高反射性时。这种功率或能量的减少可以使激光雷达系统探测到与激光雷达系统相对较近的对象(例如，减少功率或能量可以导致激光雷达系统的最小探测距离减小)。作为一个示例，当在默认的功率或能量下操作时，激光雷达系统可以探测到位于大于或等于5米位置处的对象(例如，从位于5米以内位置处的对象散射的光可能使接收器过载或饱和)。如果功率或能量的量减少，激光雷达系统就可以探测到位于大于或等于2米位置处的对象(例如，最小距离从5米减少到2米)。在另一示例中，当激光雷达系统在人的阈值距离内时，控制器出于安全原因减少功率或能量的量。
控制器可以以连续或离散方式增加或减少功率或能量的量(例如，从低功率或能量值(如100W)到高功率或能量值(如1kW))。控制器还可以逐步增加功率或能量的量，以节省功率或能量，或者逐步减少功率或能量的量，以避免不必要地减小探测距离。更具体地，控制器可以以预定增量(例如，100W)从低功率值(例如，100W)或高功率值(例如，1kW)增加或减少功率或能量的量。例如，在以预定增量增加功率或能量的量之后，控制器可以确定光脉冲在完全从雨、雪、雾、烟或昆虫散射之前是否到达对象。当光脉冲到达对象时，控制器可以不再继续以预定增量增加功率或能量的量。否则，控制器可以以预定增量再次增加功率或能量的量，并且可以继续这样做直到达到高功率值(例如，1kW)。
大气状况可以通过多种方式探测。例如，当有雨或雾时，由于发射的光脉冲从“软”目标(如雨或雾)部分散射，返回的光脉冲可能会出现拖尾。因此，接收器可以探测返回的光脉冲中指示返回的光脉冲的衰减或失真的拖尾效应。更具体地，当下降沿的下降时间或持续时间超过阈值持续时间时，可以探测到拖尾效应。拖尾效应的指示可以被提供给控制器并被解释为大气状况，例如雨或雾。在另一示例中，当脉冲持续时间超过阈值时，可以探测到大气状况。在又一示例中，大气状况可由雨传感器或探测雨(例如，在挡风玻璃上)或另外的大气状况的其他气象传感器探测。
除了调整光脉冲的功率外，激光雷达系统还可以响应于探测到的大气状况或其他触发事件，调整光脉冲的其他特性。例如，控制器调整光脉冲的脉冲持续时间、脉冲率、脉冲能量、波长等，如下面更详细地描述的。在另一示例中，控制器向光源提供控制信号，以在不同时间的实例(包括像素到像素、行到行、帧到帧等)下，在高功率和低功率光脉冲之间切换。在另一示例中，控制器可以向光源提供控制信号，以在阈值时间段内调整功率或能量的量。例如，控制器可以向光源提供控制信号，以在2秒内增加功率或能量的量。在2秒时间结束后，功率或能量的量恢复到默认的功率或能量的量。
激光雷达系统还可以响应于探测到的大气状况或其他触发事件，调整接收器的特性。例如，控制器向接收器提供控制信号，以调整阈值电压，调整增益等。如同光源一样，控制器可以提供控制信号，以在不同时间的实例(包括像素到像素、行到行、帧到帧等)下，在阈值电压或增益值之间切换。在另一实施方式中，控制器根据能见度调整阈值电压。例如，阈值电压可以与激光雷达系统100处的环境光的量成比例地增大或减小。当激光雷达系统100处或其周围的环境光的量小于阈值光水平时，来自环境光的噪声量减小，并且阈值电压也可能减小。在另一示例中，能见度的量可以基于激光雷达系统100处是否存在大气状况，例如雾、雪、雨或烟。当探测到雾、雪、雨或烟时，由于光脉冲从雾、雪、雨或烟散射，能见度较低，噪声量可能较高。因此，在这种情况下，阈值电压可能会增加。
接下来参照图1-4，考虑可以实施这些技术的示例激光雷达系统，随后讨论激光雷达系统可以实施以扫描观测场和生成各个像素的技术(图5-7)。然后，参照图8和图9讨论在运载工具中的示例实施方式。然后，参照图10和图11讨论示例光探测器和示例脉冲探测电路。
系统概述
图1示出了示例激光探测和测距(激光雷达(lidar))系统100。激光雷达系统100可称为激光测距系统、激光无线电探测系统(laser radar system)、LIDAR系统、激光雷达传感器或激光探测和测距(LADAR或ladar)系统。激光雷达系统100可以包括光源110、镜115、扫描器120、接收器140以及控制器150。光源110可以是，例如，发射具有特定工作波长的光的激光器，该工作波长位于电磁光谱的红外线、可见光或紫外线部分。作为一个更具体的示例，光源110可以包括工作波长在约1.2μm至1.7μm之间的激光器。
在操作中，光源110发射输出光束125，该输出光束可以是连续波，脉冲的或以任何合适的方式调制以用于指定应用。输出光束125顺发射方向指向远程目标130，远程目标130位于与激光雷达系统100相距距离D的位置，并至少部分地包含在系统100的观测场内。例如，根据激光雷达系统100的场景和/或实现方法，D可以在1m到1km之间。
一旦输出光束125到达顺发射方向的目标130，目标130可以散射或反射(在某些情况下)来自输出光束125的至少一部分光，并且一些散射或反射的光可以返回到激光雷达系统100。在图1的示例中，散射或反射的光由输入光束135表示，输入光束135穿过扫描器120，扫描器120可以被称作光束扫描器、光学扫描器或激光扫描器。输入光束135通过扫描器120到达镜115，镜115可以被称为重叠镜、叠加镜或合束镜。镜115转而将输入光束135引导向接收器140。输入光束135可以只包含来自输出光束125的相对较小的一部分光。例如，输入光束135的平均功率、峰值功率或脉冲能量与输出光束125的平均功率、峰值功率或脉冲能量之比可约为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9、10-10、10-11或10-12。作为另一个示例，如果输出光束125的脉冲具有1微焦耳(μJ)的脉冲能量，则输入光束135的相应脉冲的脉冲能量可约为10纳焦耳(nJ)、1nJ、100皮焦耳(pJ)、10pJ、1pJ、100飞焦耳(fJ)、10fJ、1fJ、100阿托焦耳(aJ)、10aJ或1aJ。
输出光束125可以被称为激光光束、光线光束、光学光束、发射光束或光束；以及输入光束135可以被称为返回光束、接收光束、返回光、接收光、输入光、散射光或反射光。本文所用的散射光可以指被目标130散射或反射的光。输入光束135可以包括：来自输出光束125的光，该光被目标130散射；来自输出光束125的光，该光被目标130反射；或来自目标130的散射光和反射光的组合。
例如，激光雷达系统100的工作波长可以位于电磁光谱的红外线、可见光或紫外线部分。太阳也产生这些波长范围内的光，以及因此太阳光可以充当背景噪声，其使激光雷达系统100探测到的信号光变得模糊。这种太阳背景噪声可以导致假阳性探测或者可以以其他方式破坏激光雷达系统100的测量，特别是当接收器140包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器(其可以是高度敏感的)时。
一般来说，穿过地球大气层并到达基于地面的激光雷达系统(如系统100)的太阳光，可以为该系统建立光学背景噪声基底。因此，为了能够探测到来自激光雷达系统100的信号，该信号必须高于背景噪声基底。通常可以通过提高输出光束125的功率级来增加激光雷达系统100的信噪比(SNR)，但是在某些情况下，可能需要将输出光束125的功率级保持在相对较低的水平。例如，增加输出光束125的传输功率级可以导致激光雷达系统100对人眼不安全。
在一些实施方式中，激光雷达系统100在大约1400nm到大约1600nm之间的一个或多个波长下工作。例如，光源110可以产生大约1550nm的光。
在一些实施方式中，激光雷达系统100在大气吸收相对较低的频率下工作。例如，激光雷达系统100可以在大约980nm到1110nm或1165nm到1400nm的波长范围内工作。
在其他实施方式中，激光雷达系统100在大气吸收高的频率下工作。例如，激激光雷达系统100可以在大约930nm到980nm、1100nm到1165nm或1400nm到1460nm的波长范围内工作。
根据一些实施方式，激光雷达系统100可以包括人眼安全激光器，或者激光雷达系统100可以被分类为人眼安全激光系统或人眼安全激光产品。人眼安全激光器、人眼安全激光系统或人眼安全激光产品可以指发射波长、平均功率、峰值功率、峰值强度、脉冲能量、光束尺寸、光束发散度、曝光时间或扫描的输出光束使得从激光器发射的光对人的眼睛造成损害的可能性很小或无损害的系统。例如，光源110或激光雷达系统100可以被分类为在所有正常使用条件下均安全的第1类激光产品(根据国际电工技术委员会(IEC)60825-1标准的规定)或第I类激光产品(根据美国联邦法规(CFR)第1040.10节第21条的规定)。在一些实施方式中，光源110可以被分类为人眼安全激光产品(例如，具有第1类或第I类分类)，其配置为在大约1400nm到大约2100nm之间的任何合适的波长下工作。在一些实施方式中，光源110可以包括工作波长在大约1400nm到大约1600nm之间的激光器，并且激光雷达系统100可以以人眼安全的方式操作。在一些实施方式中，光源110或激光雷达系统100可以是人眼安全激光产品，该激光产品包括工作波长在大约1530nm到大约1560nm之间的扫描激光器。在一些实施方式中，激光雷达系统100可以是第1类或第I类激光产品，该激光产品包括工作波长在大约1400nm到大约1600nm之间的光纤激光器或固态激光器。
接收器140可以接收或探测来自输入光束135的光子，并生成一个或多个代表性信号。例如，接收器140可以生成代表输入光束135的输出电信号145。接收器可以将该电信号145发送给控制器150。根据该实施方式，控制器150可以包括一个或多个处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他合适的电路，它们配置为分析电信号145的一个或多个特性，以确定目标130的一个或多个特性，比如其顺发射方向与激光雷达系统100的距离。更特别地，控制器150可以分析由光源110发射的光束125的飞行时间或对由光源110发射的光束125进行相位调制。如果激光雷达系统100测量的飞行时间为T(例如，T表示发射的光脉冲从激光雷达系统100行进到目标130并返回到激光雷达系统100的往返飞行时间)，则从目标130到激光雷达系统100的距离D可以表示为D＝c·T/2，其中，c为光速(约3.0×108m/s)。
作为更具体的示例，如果激光雷达系统100测量的飞行时间为T＝300ns，则激光雷达系统100可以确定从目标130到激光雷达系统100的距离约为D＝45.0m。作为另一个示例，激光雷达系统100测量的飞行时间为T＝1.33μs，并据此确定从目标130到激光雷达系统100的距离约为D＝199.5m。从激光雷达系统100到目标130的距离D可以被称为目标130的距离、深度或(感知)距离。本文所用的光速c指的是在任何合适的介质(例如空气、水或真空)中的光速。在真空中光速约为2.9979×108m/s，以及在空气(其折射率约为1.0003)中光速约为2.9970×108m/s。
目标130可以位于距激光雷达系统100的距离为D的位置，该距离D小于或等于激光雷达系统100的最大测程RMAX。该激光雷达系统100的最大测程RMAX(其也可以被称为最大距离)可以对应于激光雷达系统100配置为感测或识别在激光雷达系统100的观测场中出现的目标的最大距离。激光雷达系统100的最大测程可以是任何合适的距离，例如25m、50m、100m、200m、500m或1km。作为一个具体示例，最大测程为200m的激光雷达系统可以被配置为感测或识别位于距离激光雷达系统至多为200m的各种目标130。对于最大测程为200m(RMAX＝200m)的激光雷达系统，与最大测程相对应的飞行时间约为
在一些实施方式中，光源110、扫描器120和接收器140可以一起封装在单个罩壳155内，罩壳155可以是容纳或包含激光雷达系统100的全部或部分的盒、箱或外壳。罩壳155包括窗口157，光束125和135穿过该窗口。在一个示例实施方式中，激光雷达系统罩壳155包含激光雷达系统100的光源110、重叠镜115、扫描器120和接收器140。控制器150可以与组件110、120和140位于同一罩壳155内，或者控制器150可以位于远离罩壳的位置。
此外，在一些实施方式中，罩壳155包括多个激光雷达传感器，每个传感器包括各自的扫描器和接收器。根据特定的实施方式，多个传感器中的每一个可以包括单独的光源或公共光源。根据该实施方式，多个传感器可配置为覆盖不重叠的相邻观测场或部分重叠的观测场。
罩壳155可以是气密或水密结构，防止水蒸气、液态水、污垢、灰尘或其他污染物进入罩壳155内。罩壳155可以填充干燥或惰性气体，例如干燥空气、氮气或氩气。罩壳155可以包括一个或多个电连接，用于将电功率或电信号传送到罩壳或从罩壳传送电功率或电信号。
窗口157可以由任何合适的基底材料制成，例如玻璃或塑料(例如聚碳酸酯、丙烯酸、环烯烃聚合物或环烯烃共聚物)。窗口157可以包括内表面(表面A)和外表面(表面B)，并且表面A或表面B可以包括在特定波长具有特定反射率值的介电涂层。介电涂层(其可以被称为薄膜涂层、干涉涂层或涂层)可以包括具有特定厚度(例如厚度小于1μm)和特定折射率的介电材料(例如SiO2、TiO2、Al2O3、Ta2O5、MgF2、LaF3或AlF3)的一个或多个薄膜层。可以使用任何合适的沉积技术(例如，溅射沉积或电子束沉积)将介电涂层沉积到窗口157的表面A或表面B上。
介电涂层在特定波长下可以具有高反射率或在特定波长下可以具有低反射率。高反射率(HR)介电涂层在任何合适波长或波长组合下可具有任何合适的反射率值(例如，反射率大于或等于80％、90％、95％或99％)。低反射率介电涂层(其可以被称为防反射(AR)涂层)在任何合适波长或波长组合下可以具有任何合适的反射率值(例如，反射率小于或等于5％、2％、1％、0.5％或0.2％)。在特定实施例中，介电涂层可以是在特定波长下具有高或低反射率值的特定组合的二向色涂层。例如，二向色涂层在大约1550-1560nm下的反射率可以小于或等于0.5％，以及在大约800-1500nm下的反射率可以大于或等于90％。
在一些实施方式中，表面A或表面B可以具有介电涂层，该介电涂层在包含在外壳155内的一个或多个光源110的工作波长下具有防反射性。表面A和表面B上的AR涂层可以增加在光源110的工作波长下透射通过窗口157的光的量。另外，在光源110的工作波长下，AR涂层可以减少来自输出光束125的入射光的量，入射光由窗口157反射回罩壳155。在示例实施方式中，在光源110的工作波长下，表面A和表面B可以各自具有反射率小于0.5％的AR涂层。作为一个示例，如果光源110的工作波长约为1550nm，则在约1547nm至约1553nm的波长下，表面A和表面B可以各自具有反射率小于0.5％的AR涂层。在另一实施方式中，在光源110的工作波长下，表面A和表面B可以各自具有反射率小于1％的AR涂层。例如，如果罩壳155用各自的光源包围两个传感头，第一光源以大约1535nm的波长发射脉冲，以及第二光源以大约1540nm的波长发射脉冲，则在约1530nm到约1545nm的波长下，表面A和表面B可以各自具有反射率小于1％的AR涂层。
窗口157可以具有光学透过性，该光学透过性大于一个或多个光源110(包含在罩壳155内)的一个或多个波长的任何合适值。作为一个示例，窗口157在光源110的波长下可以具有大于或等于70％、80％、90％、95％或99％的光学透过性。在一个示例实施方式中，窗口157可以在光源110的工作波长下透射大于或等于95％的光。在另一实施方式中，窗口157在封装在罩壳155内的光源的工作波长下透射大于或等于90％的光。
表面A或表面B可以具有二向色涂层，该二向色涂层在一个或多个光源110的一个或多个工作波长下具有防反射性，以及在远离该一个或多个工作波长的波长下具有高反射性。例如，对于光源110的工作波长，表面A可以具有AR涂层，并且表面B可以具有二向色涂层，该二向色涂层在光源工作波长下为AR，并且对于远离该工作波长的波长下为HR。对于远离光源工作波长的波长，HR涂层可以防止大多数不需要的波长的入射光透射经过窗口117。在一个实施方式中，如果光源110发射波长约为1550nm的光学脉冲，则在约1546nm到约1554nm的波长下，表面A可以具有反射率小于或等于0.5％的AR涂层。另外，表面B可以具有二向色涂层，该二向色涂层在约1546-1554nm下为AR，并且在约800-1500nm和约1580-1700nm下为HR(例如，反射率大于或等于90％)。
窗口157的表面B可以包括疏油、疏水或亲水涂层。疏油涂层(或疏脂涂层)可将油(例如指纹油或其他非极性材料)从窗口157的外表面(表面B)排出。疏水涂层可以将水从外表面排出。例如，表面B可以涂有既疏油又疏水的材料。亲水涂层吸引水，使水趋于湿润，并在亲水表面形成膜(而不是形成像在疏水表面上出现的水珠)。如果表面B具有亲水涂层，则落在表面B上的水(例如雨水)可以在该表面上形成膜。与具有非亲水涂层或疏水涂层的表面相比，水的表面膜可能导致输出光束125的变形、偏转或遮挡更小。
继续参照图1，光源110可以包括脉冲激光器配置为产生或发射具有一定脉冲持续时间的光脉冲。在示例实施方式中，脉冲激光器的脉冲持续时间或脉冲宽度约为10皮秒(ps)至20纳秒(ns)。在另一实施方式中，光源110是脉冲激光器，该脉冲激光器产生脉冲持续时间约为1-4ns的脉冲。在又一实施方式中，光源110是脉冲激光器，该脉冲激光器以约100kHz至5MHz的脉冲重复频率或约200ns至10μs的脉冲周期(例如，连续脉冲之间的时间)产生脉冲。根据该实施方式，光源110可以具有基本恒定的或可变的脉冲重复频率。作为一个示例，光源110可以是脉冲激光器，该脉冲激光器以约640kHz(例如，每秒640,000个脉冲)的基本恒定的脉冲重复频率(对应于约1.56μs的脉冲周期)产生脉冲。作为另一个示例，光源110的脉冲重复频率可以在约500kHz至3MHz之间变化。本文所用的光脉冲可以被称为光学脉冲、脉冲光或脉冲，以及脉冲重复频率可以被称为脉冲率。
通常，输出光束125可以具有任何合适的平均光功率，并且输出光束125可以包括具有任何合适脉冲能量或峰值光功率的光学脉冲。输出光束125的平均功率的一些示例包括1mW、10mW、100mW、1W和10W的近似值。输出光束125的脉冲能量的示例值包括0.1μJ、1μJ、10μJ、100μJ和1mJ的近似值。输出光束125中包含的脉冲的峰值功率值的示例为10W、100W、1kW、5kW、10kW的近似值。持续时间为1ns且脉冲能量为1μJ的示例光学脉冲的峰值功率约为1kW。如果脉冲重复频率为500kHz，则在本示例中，具有1μJ脉冲的输出光束125的平均功率约为0.5W。
光源110可以包括激光二极管，例如法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在光源110中工作的激光二极管可以是铝砷化镓(AlGaAs)激光二极管、铟砷化镓(InGaAs)激光二极管或铟镓砷磷(InGaAsP)激光二极管，或任何其他合适的二极管。在一些实施方式中，光源110包括峰值发射波长约为1400-1600nm的脉冲激光二极管。此外，光源110可以包括经电流调制以产生光学脉冲的激光二极管。
在一些实施方式中，光源110包括脉冲激光二极管，随后是一个或多个光学放大级。例如，光源110可以是光纤激光模块，该光纤激光模块包括峰值波长约为1550nm的经电流调制的激光二极管，随后是单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)。作为另一个示例，光源110可以包括连续波(CW)或准连续(CW)激光二极管，随后是外部光学调制器(例如，电光调制器)，并且该调制器的输出可以被馈送到光学放大器中。在另一实施方式中，光源110可以包括脉冲固态激光器或脉冲光纤激光器。在其他实现中，光源110可以包括脉冲固态激光器或脉冲光纤激光器。
在一些实施方式中，由光源110发射的输出光束125可以是准直光学光束，该准直光学光束具有任何合适的光束发散度，例如，约0.1-3.0毫弧度(mrad)的发散度。输出光束125的发散度可以指当输出光束125远离光源110或激光雷达系统100时，光束尺寸(例如，光束半径或光束直径)增加的角度度量。输出光束125可以具有基本为圆形的截面，该截面的光束发散度用单个发散值来表征。例如，在距激光雷达系统100 100m的距离处，具有圆形截面且发散度为1mrad的输出光束125的光束直径或光斑尺寸约为10cm。在一些实施方式中，输出光束125可以是像散光束，或可以具有基本椭圆的截面，并且可以用两个发散值来表征。作为一个示例，输出光束125可以具有快轴和慢轴，其中快轴发散度大于慢轴发散度。作为另一个示例，输出光束125可以是具有2mrad的快轴发散度和0.5mrad的慢轴发散度的像散光束。
光源110发射的输出光束125可以是非偏振的或随机偏振的，可以没有明确的或固定的偏振(例如，偏振可能随时间变化)，或者可以具有特定的偏振(例如，输出光束125可以是线偏振的、椭圆偏振的或圆偏振的)。作为一个示例，光源110可以产生线偏振光，并且激光雷达系统100可以包括四分之一波片，其将该线偏振光转换成圆偏振光。激光雷达系统100可以发射圆偏振光作为输出光束125，并且接收输入光束135，输入光束135可以基本上或至少部分是圆偏振的，与输出光束125的偏振方式相同(例如，如果输出光束125是右旋圆偏振的，则输入光束135也可以是右旋圆偏振的)。输入光束135可穿过同一个四分之一波片(或不同的四分之一波片)，从而使输入光束135转换为线偏振光，相对于光源110产生的线偏振光，该线偏振光是正交偏振的(例如，以直角偏振的)。作为另一个示例，激光雷达系统100可以采用偏振分集探测，其中对两个偏振分量分别被探测。输出光束125可以是线偏振的，且激光雷达系统100可以将输入光束135分成两个偏振分量(例如，s-偏振和p-偏振)，分别由两个光电二极管(例如，包括两个光电二极管的平衡光接收器)探测。
继续参照图1，输出光束125和输入光束135可以基本上是同轴的。换句话说，输出光束125和输入光束135可以至少部分地重叠或共用公共传播轴，使得输入光束135和输出光束125沿基本上相同的光路(尽管方向相反)行进。当激光雷达系统100在观测场中扫描输出光束125时，输入光束135可以跟随输出光束125，从而保持两个光束之间的同轴关系。
激光雷达系统100还可以包括一个或多个光学组件，这些组件配置为对输出光束125和/或输入光束135进行调节、成形、过滤、修改、指引或引导。例如，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜、镜、滤光片(例如，带通或干涉滤光片)、分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如，半波片或四分之一波片)、衍射元件或全息元件。在一些实施方式中，激光雷达系统100可以包括望远镜、一个或多个透镜或一个或多个镜，以将输出光束125扩展、聚焦或准直到期望的光束直径或发散度。作为一个示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜，以将输入光束135聚焦到接收器140的有源区上。作为另一个示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个平面镜或曲面镜(例如凹面镜、凸面镜或抛物面镜)，以指引或聚焦输出光束125或输入光束135。例如，激光雷达系统100可以包括离轴抛物面镜，以将输入光束135聚焦到接收器140的有源区上。如图1所示，激光雷达系统100可以包括镜115，其可以为金属镜或介质镜。镜115可以被配置为使光束125穿过镜115。作为一个示例，镜115可以包括输出光束125穿过的孔、缝或孔径。作为另一个示例，镜115可以被配置为使至少80％的输出光束125穿过镜115，并且至少80％的输入光束135被镜115反射。在一些实施方式中，镜115可使输出光束125和输入光束135基本上同轴，使得这两个束沿基本上相同的光路(方向相反)行进。
一般来说，扫描器120沿一个或多个方向顺发射方向指引输出光束125。例如，扫描器120可以包括一个或多个扫描镜和一个或多个致动器，该致动器驱动镜围绕一个或多个轴以成角度的方式旋转、倾斜、枢转、或移动该镜。例如，扫描器的第一镜可以沿第一方向扫描输出光束125，以及第二镜可以沿与第一方向基本正交的第二方向扫描输出光束125。下面参照图2更详细地讨论扫描器120的示例实施方式。
扫描器120可以被配置为在5度角范围、20度角范围、30度角范围、60度角范围或任何其他合适的角范围内扫描输出光束125。例如，扫描镜可以被配置为在15度范围内周期性地旋转，其导致输出光束125在30度范围内扫描(例如，扫描镜旋转Θ度导致输出光束125进行2Θ度的角扫描)。激光雷达系统100的观测场(FOR)可以指激光雷达系统100可以被配置为扫描或捕获距离信息的地区、区域或角范围。当激光雷达系统100在30度扫描范围内扫描输出光束125时，激光雷达系统100可以被称为具有30度角的观测场。作为另一个示例，具有在30度范围旋转的扫描镜的激光雷达系统100，可以产生在60度范围(例如60度FOR)扫描的输出光束125。在各种实施方式中，激光雷达系统100可具有约10°、20°、40°、60°、120°的FOR或任何其他合适的FOR。FOR也可以被称为扫描区域。
扫描器120可以被配置为水平地和垂直地扫描输出光束125，以及激光雷达系统100可具有沿水平方向的特定FOR和沿垂直方向的另一特定FOR。例如，激光雷达系统100的水平FOR为10°至120°，以及垂直FOR为2°至45°。
扫描器120的一个或多个扫描镜可以通信地耦合到控制器150，控制器150可以控制该扫描镜，以在期望的方向顺发射方向或沿着所期望的扫描模式导引输出光束125。通常，扫描模式可以指输出光束125沿其被引导的模式或路径，并且也可以被称为光学扫描模式、光学扫描路径或扫描路径。作为一个示例，扫描器120可以包括两个扫描镜，它们配置为在60°水平FOR和20°垂直FOR内扫描输出光束125。可以控制这两个扫描镜，以跟随基本上覆盖60°×20°FOR的扫描路径。激光雷达系统100可以利用扫描路径以生成像素基本覆盖60°×20°FOR的点云。像素可以大约均匀分布在60°×20°FOR内。可替代地，像素可以具有特定的非均匀分布(例如，像素可以分布在60°×20°FOR的全部或部分内，并且像素可以在60°×20°FOR的一个或多个特定区域中具有较高的密度)。
在操作中，光源110可以发射光脉冲，扫描器120在激光雷达系统100的FOR内扫描这些光脉冲。目标130可以散射所发射的脉冲中的一个或多个，并且接收器140可以探测由目标130散射的光脉冲的至少一部分。
接收器140可以被称为(或可以包括)光接收器、光学接收器、光学传感器、探测器、光电探测器或光学探测器。在一些实施方式中，接收器140接收或探测输入光束135的至少一部分并产生与输入光束135相对应的电信号。例如，如果输入光束135包括光学脉冲，那么接收器140可以产生与接收器140探测到的光学脉冲相对应的电流或电压脉冲。在一个示例实施方式中，接收器140包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。在另一实施方式中，接收器140可以包括一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型区域和n型区域之间的未掺杂的本征半导体区域形成的光电二极管结构)。
接收器140可以具有包括硅、锗或InGaAs的有源区或雪崩倍增区。接收器140的有源区可以具有任何合适的尺寸，例如直径或宽度约为50-500μm。接收器140可以包括电路系统，该电路系统执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模拟-数字转换、时间-数字转换、脉冲探测、阈值探测、上升沿探测或下降沿探测。例如，接收器140可以包括跨阻放大器，该跨阻放大器将接收到的光电流(例如，由APD响应于接收到的光学信号产生的电流)转换为电压信号。接收器140可以将电压信号引导至脉冲探测电路，该电路产生模拟或数字输出信号145，该模拟或数字输出信号对应于接收到的光学脉冲的一个或多个特性(例如，上升沿、下降沿、振幅或持续时间)。例如，脉冲探测电路可以执行时间-数字转换，以产生数字输出信号145。接收器140可以将电输出信号145发送至控制器150用以进行处理或分析，例如，以确定与接收到的光学脉冲相对应的飞行时间值。
控制器150可以与光源110、扫描器120或接收器140中的一个或多个电耦合或通信耦合。控制器150可以从光源110接收电触发脉冲或边沿，其中，每个脉冲或边沿对应于由光源110发射的光学脉冲。控制器150可向光源110提供指令、控制信号或触发信号，指示光源110何时应产生光学脉冲。例如，控制器150可以发送包括电脉冲的电触发信号，其中，光源110响应于每个电脉冲发射光学脉冲。此外，控制器150可使光源110调整由光源110产生的光学脉冲的频率、周期、持续时间、脉冲能量、峰值功率、平均功率或波长中的一个或多个。
控制器150可以基于定时信息确定光学脉冲的飞行时间值，该定时信息与光源110何时发射脉冲以及接收器140何时探测到或接收到脉冲(例如，输入光束135)的一部分相关联。控制器150可以包括电路系统，该电路系统执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模拟-数字转换、时间-数字转换、脉冲探测、阈值探测、上升沿探测或下降沿探测。
如上所述，激光雷达系统100可以用于确定到一个或多个顺发射方向的目标130的距离。通过在观测场内扫描激光雷达系统100，该系统可用于将距离映射到观测场内的多个点。这些深度映射的点中的每一个都可以被称为像素或体素。连续捕获的像素集合(可以称为深度图、点云或帧)可以被呈现为图像，或者可以进行分析，以识别或探测对象，或者确定FOR内的对象的形状或距离。例如，深度图可以覆盖水平延伸60°和垂直延伸15°的观测场，并且该深度图的可以包括水平方向100-2000个像素乘以垂直方向4-400个像素的一帧。
激光雷达系统100可以被配置为，以约0.1帧/秒(FPS)到约1,000FPS之间的任何合适的帧速率，重复捕获或生成观测场的点云。例如，激光雷达系统100可以以约0.1FPS、0.5FPS、1FPS、2FPS、5FPS、10FPS、20FPS、100FPS、500FPS或1,000FPS的帧速率生成点云。在一个示例实施方式中，激光雷达系统100被配置为以5×105脉冲/秒的速率产生光学脉冲(例如，该系统可以每秒确定500,000像素距离)，并扫描1000×50像素的帧(例如，50,000像素/帧)，其对应于每秒10帧的点云帧速率(例如，每秒10个点云)。根据该实施方式，点云帧速率可以基本固定，或者可以动态调整。例如，激光雷达系统100可以以特定的帧速率(例如，1Hz)捕获一个或多个点云，以及然后切换到以不同的帧速率(例如，10Hz)捕获一个或多个点云。通常，激光雷达系统可以使用较慢的帧速率(例如，1Hz)来捕获一个或多个高分辨率点云，并使用较快的帧速率(例如，10Hz)来快速捕获多个低分辨率点云。
激光雷达系统100的观测场可以重叠、包括或包围目标130的至少一部分，目标130可以包括相对于激光雷达系统100正在移动或静止的对象的全部或部分。例如，目标130可包括一个人的全部或者部分、运载工具、摩托车、卡车、火车、自行车、轮椅、行人、动物、道路标志、交通灯、车道标志、路面标志、停车位、塔架、护栏、交通栅栏、坑洞、铁路交叉口、道路上或附近的障碍物、路缘、停在路上或路边的运载工具、电线杆、房屋、建筑物、垃圾桶、邮箱、树、任何其他合适的对象，或两个或更多个对象的全部或部分的任何合适组合。
现在参照图2，扫描器162和接收器164可以分别作为扫描器120和接收器140在图1的激光雷达系统中操作。更普遍地，扫描器162和接收器164可以在任何合适的激光雷达系统中操作。
扫描器162可以包括由任何合适数量的机械致动器驱动的任何合适数量的镜。例如，扫描器162可以包括检流计扫描器、共振扫描器、压电致动器、多边形扫描器、旋转棱镜扫描器、音圈电机、直流(DC)电机、无刷直流(DC)电机、步进电机或微电子机械系统(MEMS)装置或任何其他合适的致动器或机构。
检流计扫描器(其也可以被称为检流计致动器)可以包括基于检流计的带磁铁和线圈的扫描电机。当向线圈提供电流时，磁铁上受到旋转力，这使得附接在检流计扫描器上的镜旋转。可以控制施加于线圈的电流，以动态地改变检流计镜的位置。共振扫描器(其可以被称为共振致动器)可以包括由致动器驱动的弹簧状机构，以在基本上固定的频率(例如1kHz)下产生周期振荡。基于MEMS的扫描装置可以包括直径约为1至10mm的镜，其中该镜利用电磁致动或静电致动进行旋转。音圈电机(其可以被称为音圈致动器)可以包括磁铁和线圈。当向线圈提供电流时，磁铁上受到平移力，这使得附接至磁铁的镜移动或旋转。
在一个示例实施方式中，扫描器162包括配置为沿单个方向扫描输出光束170的单个镜(例如，扫描器162可以为沿水平或垂直方向扫描的一维扫描器)。该镜可以是附接到扫描器致动器或机构上的平面扫描镜，该扫描器致动器或机构在特定角度范围内扫描该镜。该镜可以由一个致动器(例如，检流计)或两个致动器驱动，该致动器配置为以推挽式配置驱动镜。当两个致动器以推挽式配置在一个方向驱动镜时，这两个致动器可能位于镜的对端或对侧。这两个致动器可以以合作的方式工作，使得当一个致动器推动镜时，另一个致动器拉动镜，反之亦然。在另一示例实施方式中，以推挽式配置布置的两个音圈致动器沿水平或垂直方向驱动镜。
在一些实现方式中，扫描器162可以包括配置为沿两个轴被扫描的一个镜，其中，以推挽式配置布置的两个致动器提供沿每个轴的运动。例如，以水平推挽式配置布置的两个共振致动器可以沿水平方向驱动镜，以及以垂直推挽式配置布置的另外一对共振致动器可以沿垂直方向驱动镜。在另一示例实施方式中，两个致动器沿两个方向(例如水平和垂直)扫描输出光束170，其中每个致动器提供沿特定方向或围绕特定轴的旋转运动。
扫描器162还可以包括由两个致动器驱动的一个镜，这两个致动器配置为沿两个基本上正交的方向扫描该镜。例如，共振致动器或检流计致动器可以沿基本水平的方向驱动一个镜，以及检流计致动器可以沿基本垂直的方向驱动该镜。作为另一个示例，两个共振致动器可以沿两个基本上正交的方向驱动镜。
在一些实施方式中，扫描器162包括两个镜，其中一个镜沿基本水平的方向扫描输出光束170，以及另一个镜沿基本垂直的方向扫描输出光束170。在图2的示例中，扫描器162包括两个镜，镜180-1和镜180-2。镜180-1可以沿基本水平的方向扫描输出光束170，以及镜180-2可沿基本垂直的方向扫描输出光束170(反之亦然)。镜180-1或镜180-2可以是平面镜、曲面镜或具有两个或更多个反射面的多边形镜。
在其它实施方式中，扫描器162包括驱动相应的镜的两个检流计扫描器。例如，扫描器162可以包括沿第一方向(例如垂直方向)扫描镜180-1的一个检流计致动器，以及扫描器162可包括沿第二方向(例如水平方向)扫描镜180-2的另一个检流计致动器。在又一实施方式中，扫描器162包括两个镜，其中检流计致动器驱动一个镜，并且共振致动器驱动另一个镜。例如，检流计致动器可以沿第一方向扫描镜180-1，并且共振致动器可以沿第二方向扫描镜180-2。第一和第二扫描方向可以基本上彼此正交，例如，第一方向可以基本上垂直，以及第二方向可以基本上水平。在又一实施方式中，扫描器162包括两个镜，其中一个镜是由电机(例如，无刷直流电机)在一个方向(例如，顺时针或逆时针)旋转的多边形镜。例如，镜180-1可以是沿基本水平的方向扫描输出光束170的多边形镜，以及镜180-2可以沿基本垂直的方向扫描输出光束170。多边形镜可以具有两个或更多个反射面，并且该多边形镜可以在一个方向上连续旋转，使得输出光束170从每个反射面依次被反射。多边形镜可以具有与多边形相对应的截面形状，其中多边形的每一侧都具有反射面。例如，具有方形截面形状的多边形镜可以具有四个反射面，以及具有五边形截面形状的多边形镜可以具有五个反射面。
为了沿着特定的扫描模式引导输出光束170，扫描器162可以包括同步驱动单个镜的两个或更多个致动器。例如，该两个或更多个致动器可以沿着两个基本上正交的方向同步驱动镜，以使输出光束170遵循具有基本上笔直的线的扫描模式。在一些实施方式中，扫描器162可以包括两个镜和两个致动器，这两个致动器同步驱动这两个镜以生成包括基本笔直的线的扫描模式。例如，一个检流计致动器可以以基本上为线性的往复运动驱动镜180-2(例如，检流计可以以基本上为正弦或三角形的波形被驱动)，这使得输出光束170描绘基本上水平的往复模式，而另一个检流计致动器可以沿着基本垂直的方向扫描镜180-1。两个检流计可以同步，使得，对于每64条水平轨迹，输出光束170沿垂直方向形成一条轨迹。无论使用一个或两个镜，基本笔直的线可以基本上水平地、垂直地或沿任何其他适当方向被引导。
随着输出光束170沿基本水平的方向被扫描(例如，使用检流计致动器或共振致动器)，扫描器162还可以沿垂直方向施加动态调整的偏转(例如，使用检流计致动器)，来实现直线。如果不施加垂直偏转，则输出光束170可以在从一侧扫描到另一侧时描绘曲线路径的轨迹。在一些实施方式中，扫描器162使用垂直致动器在水平扫描输出光束170时施加动态调整的垂直偏转，以及在每个水平扫描之间施加离散的垂直偏移(例如，以将输出光束170步进到扫描模式的后续行)。
继续参照图2，在本示例实施方式中，重叠镜190配置为将输入光束172和输出光束170重叠，使得光束170和172基本上同轴。在图2中，重叠镜190包括输出光束170穿过的孔、缝或孔径192，以及向接收器164反射输入光束172的至少一部分的反射面194。重叠镜190可以定向成使得输入光束172和输出光束170至少部分重叠。
在一些实施方式中，重叠镜190可以不包括孔192。例如，可以引导输出光束170从镜190的旁边通过，而不是穿过孔径192。输出光束170可以沿着镜190的边通过，并且可以相对于输入光束172的方向以小角度定向。作为另一示例，重叠镜190可以包括配置为反射输出光束170的小反射部分，并且重叠镜190的其余部分可以具有配置为透射输入光束172的AR涂层。
输入光束172可以穿过透镜196，透镜196将光束聚焦到接收器164的有源区166上。有源区166可以指接收器164可接收或探测输入光的区域。有源区可以具有任何合适的尺寸或直径d，例如直径约为25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm。重叠镜190的反射面194可以基本是平的，或者反射面194可以是弯曲的(例如，镜190可以是离轴抛物面镜，配置为将输入光束172聚焦到接收器140的有源区上)。
孔径192可以具有任何合适的尺寸或直径Φ1，输入光束172可以具有任何合适的尺寸或直径Φ2，其中Φ2大于Φ1。例如，孔径192的直径Φ1可以约为0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm或10mm，输入光束172的直径Φ2可以约为2mm、5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm或50mm。在一些实施方式中，重叠镜190的反射面194可以向接收器164反射70％或更多的输入光束172。例如，如果反射面194在光源160的工作波长下具有反射率R，则引导向接收器164的输入光束172的分数(fraction)可以表示为R×[1－(Φ1/Φ2)2]。作为一个更具体的示例，如果R为95％，Φ1为2mm，Φ2为10mm，则约91％的输入光束172可通过反射面194引导向接收器164。
图3示出了示例配置，在该配置中激光雷达系统100的几个组件可以操作以扫描360度观测场。一般来说，在这种配置中，光源的视场遵循圆形轨迹，并因此在二维平面上限定圆形扫描模式。根据一个实施方式，轨迹上的所有点相对于地平面保持同一高度。在这种情况下，单独的光束可以遵循圆形轨迹，彼此之间具有一定的垂直偏移。在另一个实施方式中，轨迹的点可以在三维空间中限定出螺旋扫描模式。单个光束足以描绘出螺旋扫描模式，但若期望，可以使用多个光束。
在图3的示例中，旋转扫描模块200围绕中心轴在所指示的一个或两个方向上转动。例如，电机可以驱动旋转扫描模块200以恒定速度围绕中心轴转动。旋转扫描模块200包括扫描器、接收器、重叠镜等。旋转模块200的组件可以类似于扫描器120、接收器140和重叠镜115。在一些实施方式中，子系统200还包括光源和控制器。在其它实施方式中，光源和/或控制器设置成与旋转扫描模块200分开，和/或通过相应链路与旋转扫描模块200的组件交换光学信号和电信号。
旋转扫描模块200可以包括带有窗口212的罩壳210。与图1的窗口157类似，窗口212可以由玻璃、塑料或任何其他合适的材料制成。窗口212允许入站光束和返回信号穿过罩壳210。由窗口212限定的弧长可以对应于罩壳210的周长的任何合适的百分比。例如，弧长可以对应于周长的5％、20％、30％、60％，或者甚至可能是100％。
现在参照图4，旋转扫描模块220通常类似于旋转扫描模块200。然而，在该实施方式中，旋转扫描模块220的组件设置在平台222上，该平台222在固定的圆形罩壳230内旋转。在该实施方式中，圆形罩壳230对于激光雷达系统工作波长的光基本透明，以使入站和出站光信号通过。圆形罩壳230在某种意义上限定了类似于窗口212的圆形窗口，并且可以由类似的材料制成。
在观测场内生成像素
图5示出了图1的激光雷达系统100可以产生的示例扫描模式240。激光雷达系统100可以被配置为沿着一个或多个扫描模式240扫描输出光学光束125。在一些实施方式中，扫描模式240对应于在任何合适的观测场(FOR)内的扫描，该FOR具有任何合适的水平FOR(FORH)和任何适合的垂直FOR(FORv)。例如，某一扫描模式可以具有由角度尺寸(例如，FORH×FORv)40°×30°、90°×40°或60°×15°表示的观测场。作为另一示例，某一扫描模式的FORH可以大于或等于10°、25°、30°、40°、60°、90°或120°。作为又一示例，某一扫描模式的FORv可以大于或等于2°、5°、10°、15°、20°、30°或45°。在图5的示例中，参考线246表示扫描模式240的观测场的中心。参考线246可以具有任何合适的定向，例如，0°的水平角(例如，参考线246可以被定向为正前方)和0°的垂直角(例如，参考线246可以具有0°的倾角)，或者参考线246可以具有非零水平角或非零倾角(例如，+10°或-10°的垂直角)。在图5中，如果扫描模式240具有60°×15°的观测场，则扫描模式240相对于参考线246覆盖±30°的水平范围，相对于参考线246覆盖±7.5°的垂直范围。此外，图5中的光学光束125相对于参考线246具有大约-15°水平和+3°垂直的定向。光束125可以被称为相对于参考线246具有-15°的方位角和+3°的高度。方位(其可以被称为方位角)可以表示相对于参考线246的水平角，而高度(其可以被称为高度角、高低或高低角)可以表示相对于参考线246的垂直角。
扫描模式240可以包括多个像素242，并且每个像素242可以与一个或多个激光脉冲和一个或多个相应的距离测量相关联。扫描模式240的循环可以包括总共Px×Py个像素242(例如，Px乘Py个像素的二维分布)。例如，扫描模式240可以包括尺寸为沿水平方向大约100-2,000个像素242和沿垂直方向大约4-400个像素242的分布。又例如，对于扫描模式240的每个循环总共有64,000个像素，扫描模式240的分布可以为沿水平方向1,000个像素242乘以沿垂直方向64个像素242(例如，帧尺寸为1000×64个像素)。沿水平方向的像素242的数量可以被称为扫描模式240的水平分辨率，以及沿垂直方向的像素242的数量可以称为扫描模式240的垂直分辨率。作为一个示例，扫描模式240可以具有大于或等于100个像素242的水平分辨率和大于或等于4个像素242的垂直分辨率。作为另一示例，扫描模式240可以具有100-2,000像素242的水平分辨率和4-400像素242的垂直分辨率。
每个像素242可以与距离(例如，到目标130的一部分的距离，相关联的激光脉冲从该部分被散射)或一个或多个角度值相关联。例如，像素242可以与距离值和两个角度值(例如方位角和高度)相关联，该角度值表示像素242相对于激光雷达系统100的角度位置。到目标130的一部分的距离可以至少部分地基于相应脉冲的飞行时间测量来确定。角度值(例如，方位角或高度)可对应于输出光束125的角度(例如，相对于参考线246)(例如，当从激光雷达系统100发射相应的脉冲时)或输入光束135的角度(例如，当激光雷达系统100接收到输入信号时)。在一些实施方式中，激光雷达系统100至少部分基于扫描器120的组件的位置确定角度值。例如，与像素242相关联的方位角或高度值可以根据扫描器120的一个或多个相应扫描镜的角度位置确定。
在一些实施方式中，激光雷达系统100在观测场中同时引导多个光束。在图6的示例实施方式中，激光雷达系统生成输出光束250A、250B、250C…250N等，每个光束遵循线性扫描模式254A、254B、254C…254N。平行线的数目可以是2、4、12、20或任何其他合适的数目。激光雷达系统100可以将光束250A、250B、250C…250N成角度地分开，使得例如在某一距离处光束250A和250B之间的间距可以是30cm，以及在更长距离处相同的光束250A和250B之间的间距可以是50cm。
与扫描模式240类似，每个线性扫描模式254A-N包括与一个或多个激光脉冲和距离测量相关联的像素。图6示出了分别沿着扫描模式254A、254B和254C的示例像素252A、252B和252C。本示例中的激光雷达系统100可以同时生成像素252A-252N的值，从而增加确定像素值的速率。
根据该实施方式，激光雷达系统100可以输出相同波长或不同波长的光束250A-N。例如，光束250A可以具有1540nm的波长，光束250B可以具有1550nm的波长，光束250C可以具有1560nm的波长等等。激光雷达系统100使用的不同波长的数目不需要与光束的数目相匹配。因此，图6的示例实施方式中的激光雷达系统100可以使用具有N个光束的M个波长，其中1≤M≤N。
接下来，图7示出了激光雷达系统100的示例光源视场(FOVL)和接收器视场(FOVR)。当扫描器120在观测场(FOR)中扫描FOVL和FOVR时，光源110可以发射光脉冲。光源视场可以指在特定时刻被光源110照射的角锥(angular cone)。同样地，接收器视场也可以指角锥，通过该角锥，接收器140可以在特定时刻接收或探测到光，而接收器视场之外的任何光都不能被接收或探测到。例如，当扫描器120在观测场中扫描光源视场时，激光雷达系统100可以在光源110发射脉冲时沿FOVL所引导的方向发射光脉冲。光脉冲可以散射离开目标130，以及接收器140可以接收和探测沿FOVR引导或包含在FOVR中的散射光的一部分。
在一些实施方式中，扫描器120可以被配置为，在激光雷达系统100的观测场中扫描光源视场和接收器视场。当扫描器120在观测场中扫描FOVL和FOVR时，激光雷达系统100可以发射和探测到多个光脉冲，与此同时描绘出扫描模式240。在一些实施方式中，光源视场和接收器视场相对于彼此同步被扫描器120扫描。在这种情况下，当扫描器120在扫描模式240中扫描FOVL时，FOVR以相同的扫描速度跟随基本相同的路径。另外，当扫描器120在观测场中扫描FOVL和FOVR时，FOVL和FOVR可以保持相同的相对位置。例如，FOVL可以与FOVR基本重叠或居中于FOVR内(如图7所示)，并且扫描器120可以在整个扫描过程中保持FOVL和FOVR之间的相对位置。作为另一个示例，在整个扫描过程中，FOVR可以滞后于FOVL一个特定的固定量(例如，FOVR可以在与扫描方向相反的方向上偏离FOVL)。
FOVL可以具有角度尺寸或范围ΘL，ΘL与输出光束125的发散度基本相同或对应，以及FOVR可以具有角度尺寸或范围ΘR，ΘR对应于一个角度，接收器140在该角度内可以接收和探测到光。接收器视场相对于光源视场可以是任何合适的尺寸。例如，接收器视场可以小于、基本上等于、或大于光源视场的角范围。在一些实施方式中，光源视场的角范围小于或等于50毫弧度，并且接收器视场的角范围小于或等于50毫弧度。FOVL可以具有任何合适的角范围ΘL，例如，约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad或50mrad。同样地，FOVR可以具有任何合适的角范围ΘR，例如，约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad或50mrad。光源视场和接收器视场可以具有近似相等的角范围。作为一个示例，ΘL和ΘR都可以近似等于1mrad、2mrad或3mrad。在一些实施方式中，接收器视场可以大于光源视场，或者光源视场可以大于接收器视场。例如，ΘL可以近似等于1.5mrad，而ΘR可以近似等于3mrad。
像素242可以表示或对应于光源视场。当输出光束125从光源110传播时，输出光束125的直径(以及相应像素242的尺寸)可以根据束发散度ΘL增大。作为一个示例，如果输出光束125的ΘL为2mrad，则在与激光雷达系统100相距100m的距离处，输出光束125的尺寸或直径可约为20cm，相应像素242的相应尺寸或直径也可约为20cm。在与激光雷达系统100相距200m的距离处，输出光束125和相应像素242各自的直径可约为40cm。
在运载工具中操作的激光雷达系统
如上所述，一个或多个激光雷达系统100可集成到运载工具中。在一个示例实施方式中，多个激光雷达系统100可以集成到汽车中，以在该汽车周围提供完整得360度水平FOR。作为另一个示例，可以将4-10个激光雷达系统100(每个系统具有45度到90度水平FOR)组合在一起，形成感测系统，该感测系统提供覆盖360度水平FOR的点云。激光雷达系统100可以定向，以使相邻的FOR具有一定量的空间重叠或角重叠，从而允许来自多个激光雷达系统100的数据组合或拼接在一起，以形成单个或连续的360度点云。作为一个示例，每个激光雷达系统100的FOR可能与相邻的FOR有大约1-15度的重叠。在特定实施例中，运载工具可以指配置为运输人或货物的移动机器。例如，运载工具可包括、可采用以下形式或可称为汽车、轿车、机动车、卡车、公共汽车、货车、拖车、越野车、农用车、割草机、施工机具、高尔夫球车、房车、出租车、摩托车、滑板车、自行车、滑板、火车、雪地车，船只(如船或舟)、飞机(如固定翼飞机、直升机或飞艇)或航天器。在特定实施例中，运载工具可以包括为运载工具提供推进力的内燃机或电动机。
在一些实施方式中，一个或多个激光雷达系统100可以作为高级驾驶辅助系统(ADAS)的一部分包含在运载工具中，以在驾驶过程中协助运载工具驾驶员。例如，激光雷达系统100可以是ADAS的一部分，ADAS向驾驶员提供信息或反馈(例如，以警示驾驶员潜在的问题或危险)，或自动控制运载工具的一部分(例如，刹车系统或转向系统)，以避免碰撞或意外。激光雷达系统100可以是运载工具ADAS的一部分，ADAS提供自适应巡航控制、自动刹车、自动停车、防撞、警示驾驶员危险或其他运载工具、将运载工具保持在正确的车道上，或如果对象或其他运载工具处于盲点则提供警告。
在某些情况下，一个或多个激光雷达系统100可作为自主运载工具驾驶系统的一部分集成到运载工具中，。在一个示例实施方式中，激光雷达系统100可以向自主运载工具的驾驶系统提供有关周围环境的信息。自主运载工具驾驶系统可以包括一个或多个计算系统，该计算系统从激光雷达系统100接收有关周围环境的信息，分析接收到的信息，并向运载工具的驾驶系统(例如方向盘、油门、刹车或转向灯)提供控制信号。作为一个示例，集成到自主运载工具中的激光雷达系统100可以每0.1秒为自主运载工具驾驶系统提供点云(例如，点云的更新速率为10Hz，表示每秒10帧)。自主运载工具驾驶系统可以分析接收到的点云，以感测或识别目标130及其各自的位置、距离或速度，并且自主运载工具驾驶系统可以基于这些信息更新控制信号。作为一个示例，如果激光雷达系统100探测到前方运载工具正在减速或停车，则自主运载工具驾驶系统可发送松开油门并施加刹车的指令。
自主运载工具可以被称为自主汽车、无人驾驶汽车、自动驾驶汽车、机器人汽车或无人驾驶运载工具。自主运载工具可以指配置为在很少或无人工干预的情况下感测其环境并导航或驾驶的运载工具。例如，自主运载工具可以被配置为在整个行程中行驶到任何合适的位置并控制或执行所有安全关键功能(例如，驾驶、转向、刹车、停车)，而驾驶员预期不会在任何时候控制运载工具。作为另一个示例，自主运载工具可以让驾驶员安全地将注意力从特定环境(如高速公路)中的驾驶任务转移开，或者自主运载工具可以在除少数环境外的所有环境中提供对运载工具的控制，只需要很少的或不需要驾驶员的干预或注意。
自主运载工具可以被配置为在运载工具中有驾驶员在场的情况下进行驾驶，或者自主运载工具可以被配置为在没有驾驶员在场的情况下操作运载工具。作为一个示例，自主运载工具可以包括驾驶座，其具有相关控制装置(例如，方向盘、油门踏板和刹车踏板)，并且该运载工具可以被配置为，在无人坐在驾驶座上或坐在驾驶座上的人很少或没有进行干预的情况下驾驶。作为另一个示例，自主运载工具可以不包括任何驾驶座或相关的驾驶员控制装置，并且该运载工具可以在没有人工干预的情况下执行绝大部分驾驶功能(例如，驾驶、转向、刹车、停车和导航)。作为另一个示例，自主运载工具可以被配置为在没有驾驶员的情况下进行操作(例如，该运载工具可以被配置为在运载工具内没有驾驶员在场的情况下运输乘客或货物)。作为另一个示例，自主运载工具可以被配置为在没有任何乘客的情况下进行操作(例如，该运载工具可以被配置为在没有任何乘客在运载工具上的情况下运输货物)。
在一些实施方式中，激光雷达系统的光源位于远离激光雷达系统的某些其他组件(例如扫描器和接收器)的位置。此外，在运载工具中实施的激光雷达系统包括的光源可以少于扫描器和接收器。
图8示出了示例配置，在该配置中激光器-传感器链路320包括耦合在激光器300和传感器310之间的光学链路330和电链路350。激光器300可以被配置为发射光脉冲，并且可以被称为激光系统、激光头或光源。激光器300可以包括或可以类似于图1所示和上文讨论的光源110、或可以是图1所示和上文讨论的光源110的一部分、或可以基本上与图1所示和上文讨论的光源110相同。此外，扫描器302、接收器304、控制器306和镜308可以类似于上文讨论的扫描器120、接收器140、控制器150和镜115。在图8的示例中，激光器300通过激光器-传感器链路320(其可以被称为链路)耦合到位于远处的传感器310。传感器310可以被称为传感头，并且可以包括镜308、扫描器302、接收器304和控制器306。在一个示例实施方式中，激光器300包括脉冲激光二极管(例如，脉冲分布式反馈(DFB)激光器)，随后是光学放大器，并且来自激光器300的光通过合适长度的激光器-传感器链路320的光纤传送到位于远处的传感器310中的扫描器120。
激光器-传感器链路320可以包括任何合适数量的光学链路330(例如0、1、2、3、5或10)和任何合适数量的电链路350(例如0、1、2、3、5或10)。在图8所示的示例配置中，激光器-传感器链路320包括从激光器300到输出准直器340的一个光学链路330和将激光器300连接到控制器150的一个电链路350。光学链路330可以包括在激光器300和传感器310之间传送、传递、运输或传输光的光纤(可以称为光纤电缆或光纤)。光纤可以是，例如，单模(SM)光纤、多模(MM)光纤、大模场面积(LMA)光纤、保偏(PM)光纤、光子晶体或光子带隙光纤、增益光纤(例如，用于光学放大器的掺稀土光纤)或其任何合适的组合。输出准直器340接收由光学链路330从激光器300传送的光学脉冲，并产生包括光学脉冲的自由空间光学光束312。输出准直器340引导自由空间光学光束312穿过镜308并到达扫描器302。
电链路350可以包括电线或电缆(例如，同轴电缆或双绞电缆)，其在激光器300和传感器310之间传送或传输电功率和/或一个或多个电信号。例如，激光器300可以包括电源或功率调节器，该电源或功率调节器向激光器300提供电功率，并且另外，该电源或功率调节器可以经由一个或多个电链路350向传感器310的一个或多个组件(例如扫描器304、接收器304和/或控制器306)提供功率。在一些实施方式中，电链路350可以传送包括模拟或数字形式的数据或信息的电信号。此外，电链路350可以提供从传感器310到激光器300的联锁信号。如果控制器306探测到指示传感器310或整个激光雷达系统存在问题的故障情况，则控制器306可以改变联锁线上的电压(例如，从5V到0V)，指示激光器300应关闭、停止发射光或降低所发射出的光的功率或能量。故障情况可由扫描器302的失效、接收器304的失效、或通过进入到传感器310的阈值距离内(例如，在0.1m、0.5m、1m、5m或任何其他合适距离内)的人或物体触发。
如上所述，激光雷达系统可以包括一个或多个处理器，以确定到目标的距离D。在图8所示的实施方式中，控制器306可以位于激光器300或传感器310中，或者控制器306的一些部分可以分布在激光器300和传感器310之间。在一个示例实施方式中，激光雷达系统的每个传感头310包括配置为接收或处理来自接收器304或来自接收器304的APD或SPAD的信号的电子器件(例如，电子滤波器、跨阻放大器、阈值探测器或时间-数字(TDC)转换器)。另外，激光器300可以包括处理电子器件，该处理电子器件配置为基于经由电链路350从传感头310接收的信号，确定飞行时间值或到目标的距离。
接下来，图9示出了具有激光雷达系统351的示例运载工具354，该激光雷达系统351包括具有多个传感头360的激光器352，该多个传感头360经由多个激光器-传感器链路370耦合到激光器352。在一些实施方式中，激光器352和传感头360可以类似于上文讨论的激光器300和传感器310。例如，每个激光器-传感器链路370可以包括一个或多个光学链路和/或一个或多个电链路。图9中的传感头360定位或定向成提供运载工具周围环境的大于30度的视图。更普遍地，具有多个传感头的激光雷达系统可以提供运载工具周围的大约30°、45°、60°、90°、120°、180°、270°或360°的水平观测场。每个传感头可以被附接到或合并到保险杠、挡泥板、网格状护栏、侧板、气流偏导器、车顶、前照灯总成、尾灯总成、后视镜总成、引擎盖、后备箱、车窗口或运载工具的任何其他合适部件上。
在图9的示例中，四个传感头360位于或靠近运载工具的四个角(例如，传感头可以合并到灯总成、侧板、保险杠或挡泥板中)，并且激光器352可以位于运载工具内(例如，在后备箱中或附近)。这四个传感头360可以各自提供90°-120°的水平观测场(FOR)，并且这四个传感头360可以定向成使得它们一起提供运载工具周围的完整的360°视图。作为另一个示例，激光雷达系统350可以包括位于运载工具上或运载工具周围的六个传感头360，其中每个传感头360提供60°-90°的水平FOR。作为另一个示例，激光雷达系统350可以包括八个传感头360，并且每个传感头360可以提供45°-60°的水平FOR。作为又一个示例，激光雷达系统350可以包括六个传感头360，其中每个传感头360提供70°的水平FOR，相邻FOR之间的重叠大约为10°。作为另一个示例，激光雷达系统350可以包括两个传感头360，它们一起提供大于或等于30°的前向水平FOR。
来自传感头360中的每一个的数据可以组合或拼接在一起，以生成覆盖运载工具周围大于或等于30度的水平视图的点云。例如，激光器352可以包括控制器或处理器，该控制器或处理器从每个传感头360接收数据(例如，经由相应的电链路370)，并处理接收到的数据，以构建覆盖运载工具周围360度的水平视图的点云或确定到一个或多个目标的距离。点云或来自点云的信息可以经由相应的电、光学或无线电链路370提供给运载工具控制器372。在一些实施方式中，通过在包含在激光器352内的控制器组合来自多个传感头360中的每一个的数据来生成点云，并将其提供给运载工具控制器372。在其他实施方式中，每个传感头360包括控制器或处理器，该控制器或处理器针对运载工具周围360度水平视图的一部分构建点云，并将各自的点云提供给运载工具控制器372。然后，运载工具控制器372组合或拼接来自各自传感头360的点云，以构建覆盖360度水平视图的组合点云。此外，在一些实施方式中，运载工具控制器372与远程服务器通信以处理点云数据。
在任何情况下，运载工具354可以是自主运载工具，其中运载工具控制器372向运载工具354内的各个组件390提供控制信号，以操纵和控制运载工具354的操作。仅为了便于说明，在图9的展开视图中描绘了组件390。组件390可以包括油门374、刹车376、运载工具发动机378、转向机构380、灯382(如刹车灯、前照灯、倒车灯、应急灯等)、档位选择器384，和/或实现和控制运载工具354的移动的其他合适组件。档位选择器384可以包括驻车档、倒车档、空档、驱动档等。每个组件390可以包括接口，组件经由该接口接收来自运载工具控制器372的命令，例如“加速”、“减速”、“左转5度”，“启动左转向灯”等，并且在某些情况下，向运载工具控制器372提供反馈。
在一些实施方式中，运载工具控制器372经由链路370从激光器352或传感头360接收点云数据，并分析接收到的点云数据，以感测或识别目标130及其各自的位置、距离、速度、形状、尺寸，目标类型(例如，运载工具、人、树、动物)等。然后，运载工具控制器372经由链路370向组件390提供控制信号，以基于所分析的信息来控制运载工具的操作。例如，运载工具控制器372可以基于点云数据识别交叉路口，并确定该交叉路口是进行左转的适当位置。因此，运载工具控制器372可以向转向机构380、油门374和刹车376提供控制信号，以进行适当的左转。在另一示例中，运载工具控制器372可基于点云数据识别交通信号灯，并确定运载工具354需要停下来。因此，运载工具控制器372可以提供控制信号以松开油门374并踩下刹车376。
示例接收器实施方式
图10示出了示例InGaAs雪崩光电二极管(APD)400。回到参考图1，接收器140可以包括一个或多个APD 400，其配置为接收和探测来自输入光(例如光束135)的光。更普遍地，APD 400可以在任何合适的输入光接收器中工作。APD 400可以被配置为探测被目标散射的一部分光脉冲，该目标位于激光雷达系统(APD 400在其内工作)的顺发射方向的位置。例如，APD 400可以接收由图1所示的目标130散射的一部分光脉冲，并且生成与接收到的光脉冲相对应的电流信号。
APD 400可以包括任何合适的半导体材料(例如硅、锗、InGaAs、InGaAsP或磷化铟(InP))的掺杂或未掺杂层。另外，APD 400可以包括用于将APD 400耦合到电路的上电极402和下电极406。例如，APD 400可以电耦合到向APD 400提供反向偏置电压V的电压源。另外，APD 400可以电耦合到跨阻放大器，该跨阻放大器接收由APD 400生成的电流并产生对应于接收到的电流的输出电压信号。上电极402或下电极406可包括任何合适的导电材料，例如金属(例如，金、铜、银或铝)、透明导电氧化物(例如，铟锡氧化物)、碳纳米管材料或多晶硅。在一些实施方式中，上电极402部分透明或具有开口，以允许输入光410穿过，到达APD 400的有源区。在图10中，上电极402可以具有至少部分包围APD 400的有源区的环状结构，其中有源区是指APD 400可以接收和探测到输入光410的区域。有源区可以具有任何合适的尺寸或直径d，例如，直径约为25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm。
APD 400可以包括具有任何合适的掺杂(例如，n掺杂、p掺杂或本征未掺杂材料)的任何合适的半导体层的任何合适的组合。在图10的示例中，InGaAs APD 400包括p掺杂InP层420、InP雪崩层422、具有n掺杂InGaAs或InGaAsP的吸收层424和n掺杂InP衬底层426。根据实施方式，APD 400可以包括单独的吸收层和雪崩层，或者单个层可以同时充当吸收区和雪崩区。APD 400可以作为PN二极管或PIN二极管进行电操作，并且在操作期间，APD 400可以通过相对于上电极402施加到下电极406的正电压V而反向偏置。施加的反向偏置电压V可以具有任何合适的值，例如大约5V、10V、20V、30V、50V、75V、100V或200V。
在图10中，输入光410的光子可以主要在吸收层424中被吸收，从而生成电子-空穴对(其可以被称为光生载流子)。例如，吸收层424可以被配置为吸收与激光雷达系统100的工作波长(例如，在大约1400nm和大约1600nm之间的任何合适的波长)相对应的光子。在雪崩层422中，在吸收层424中产生的载流子(例如，电子或空穴)与吸收层424的半导体晶格碰撞并通过碰撞电离产生附加载流子的情况下，发生雪崩倍增过程。这种雪崩过程可以重复很多次，因此一个光生载流子可以导致生成多个载流子。作为一个示例，吸收层424中吸收的单个光子可以通过雪崩倍增过程产生大约10、50、100、200、500、1000、10,000或任何其他合适数量的载流子。APD 400中产生的载流子可以产生耦合到电路的电流，该电路可以执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模拟-数字转换、时间-数字转换、脉冲探测、阈值探测，上升沿探测，或下降沿探测。
由单个光生载流子产生的载流子的数量可以随着施加的反向偏置V的增加而增加。如果施加的反向偏置V增加到高于特定值(被称为APD击穿电压)，则单个载流子可以触发自维持雪崩过程(例如，不管输入光电平如何，APD 400的输出都是饱和的)。在击穿电压或高于击穿电压下工作的APD 400可以被称为单光子雪崩二极管(SPAD)，并且可以被称为在盖革模式或光子计数模式下工作。在低于击穿电压下工作的APD 400可以被称为线性APD，并且由APD 400产生的输出电流可以被发送到放大器电路(例如跨阻放大器)。接收器140(见图1)可以包括：配置为操作为SPAD的APD，和配置为当SPAD中发生雪崩事件时减小施加到SPAD的反向偏置电压的猝灭电路。配置为作为SPAD操作的APD 400可以耦合到电子猝灭电路，当雪崩探测事件发生时，该电路将施加的电压V降低到低于击穿电压。降低施加的电压可以使雪崩过程停止，然后可以重新设置施加的反向偏置电压以等待后续的雪崩事件。另外，APD 400可以耦合到当发生雪崩事件时产生电输出脉冲或沿的电路。
在一些实施方式中，APD 400或与跨阻放大器一起的APD 400具有小于或等于100个光子、50个光子、30个光子、20个光子或10个光子的噪声等效功率(NEP)。例如，APD 400可以作为SPAD操作，并且可以具有小于或等于20光子的NEP。作为另一个示例，APD 400可以耦合到跨阻放大器，该跨阻放大器产生具有小于或等于50个光子的NEP的输出电压信号。APD400的NEP是根据APD 400能够探测到的最小信号(或最小光子数)来量化APD 400的灵敏度的度量。NEP可对应于导致信噪比为1的光功率(或光子数)，或NEP可表示阈值光子数，超过这个阈值就可以探测到光学信号。例如，如果APD 400具有20个光子的NEP，则具有20个光子的输入光束410，可以被探测到具有约为1的信噪比(例如，APD 400可以从输入光束410接收20个光子并生成电信号，该电信号表示输入光束410具有约为1的信噪比)。同样地，具有100个光子的输入光束410可以被探测到具有约为5的信噪比。在一些实施方式中，相对于使用PN或PIN光电二极管的传统激光雷达系统而言，具有小于或等于100个光子、50个光子、30个光子、20个光子或10个光子的NEP的激光雷达系统100(具有APD 400或APD 400与跨阻放大器的组合)提高了探测灵敏度。例如，在传统激光雷达系统中使用的InGaAs PIN光电二极管的NEP大约为104到105个光子，并且具有InGaAs PIN光电二极管的激光雷达系统中的噪声级可以比具有InGaAs APD探测器400的激光雷达系统100中的噪声级大103到104倍。
回到参考图1，接收器140的前面可以设有光学滤光片，该光学滤光片配置为透射光源110的一个或多个工作波长的光，并且衰减周围波长的光。例如，光学滤光片可以是位于图10的APD 400前面的自由空间光谱滤光片。该光谱滤光片可以透射光源110的工作波长(例如，在大约1530nm和1560nm之间)的光，并且衰减该波长范围之外的光。作为一个更具体的示例，波长约为400-1530nm或1560-2000nm的光可以被衰减任何合适的量，例如，至少5dB、10dB、20dB、30dB或40dB。
接下来，图11示出了耦合到示例脉冲探测电路504的APD 502。APD 502可以类似于上面参照图10讨论的APD 400，或者可以是任何其他合适的探测器。脉冲探测电路504可以作为接收器140的一部分在图1的激光雷达系统中操作。此外，脉冲探测电路504可以在图2的接收器164、图8的接收器304或任何其他合适的接收器中操作。脉冲探测电路504可选地可以在控制器150、控制器306或另一合适的控制器中实施。在一些实施方式中，脉冲探测电路504的一些部分可以在接收器中操作，并且脉冲探测电路504的其他部分可以在控制器中操作。例如，组件510和512可以是接收器140的一部分，以及组件514和516可以是控制器150的一部分。
脉冲探测电路504可以包括电路系统，该电路系统接收来自探测器的信号(例如，来自APD 502的电流)并执行电流-电压转换、信号放大、采样、滤波、信号调节、模拟-数字转换、时间-数字转换、脉冲探测、阈值探测、上升沿探测、或下降沿探测。脉冲探测电路504可以确定APD 502是否接收到光学脉冲，或者可以确定与APD 502接收到光学脉冲相关联的时间。另外，脉冲探测电路504可以确定接收到的光学脉冲的持续时间。在示例实施方式中，脉冲探测电路504包括跨阻放大器(TIA)510、增益电路512、比较器514和时间-数字转换器(TDC)516。
TIA 510可以被配置为从APD 502接收电流信号并产生与接收到的电流信号相对应的电压信号。例如，响应于接收到的光学脉冲，APD 502可以产生与光学脉冲相对应的电流脉冲。TIA 510可以从APD 502接收电流脉冲并产生与接收到的电流脉冲相对应的电压脉冲。TIA 510还可以用作电子滤波器。例如，TIA510可以被配置为低通滤波器，通过衰减高于特定频率(例如，高于1MHz、10MHz、20MHz、50MHz、100MHz、200MHz或任何其它合适频率)的信号来去除或衰减高频电噪声。
增益电路512可以被配置为放大电压信号。作为一个示例，增益电路512可以包括一个或多个电压放大级，其放大从TIA 510接收到的电压信号。例如，增益电路512可以从TIA 510接收电压脉冲，并且增益电路512可以将该电压脉冲放大任意合适的量，例如，大约3dB、10dB、20dB、30dB、40dB或50dB的增益。另外，增益电路512还可以用作配置为去除或衰减电噪声的电子滤波器。
比较器514可以被配置为从TIA 510或增益电路512接收电压信号，并在接收到的电压信号高于或低于特定阈值电压VT时产生电-边沿信号(例如上升沿或下降沿)。作为一个示例，当接收到的电压高于VT时，比较器514可以产生上升沿数字-电压信号(例如，从大约0V步进到大约2.5V、3.3V、5V或任何其它合适的数字-高电平的信号)。作为另一个示例，当接收到的电压低于VT时，比较器514可以产生下降沿数字-电压信号(例如，从大约2.5V、3.3V、5V或任何其它合适的数字-高电平步进下降到大约0V的信号)。比较器514接收到的电压信号可以从TIA 510或增益电路512接收，并且可以对应于APD 502产生的电流信号。例如，比较器514接收到的电压信号可以包括电压脉冲，该电压脉冲对应于由APD 502响应于接收的光学脉冲而产生的电流脉冲。比较器514接收的电压信号可以是模拟信号，以及由比较器514产生的电-边沿信号可以是数字信号。
时间-数字转换器(TDC)516可以被配置为从比较器514接收电-边沿信号，并确定光源发射光脉冲与接收到电-边沿信号之间的时间间隔。TDC 516的输出可以是对应于由TDC 516确定的时间间隔的数值。在一些实施方式中，TDC 516具有内部计数器或计时器，该计数器或计时器具有任何合适的周期，例如，5ps、10ps、15ps、20ps、30ps、50ps、100ps、0.5ns、1ns、2ns、5ns或10ns。例如，TDC 516可以具有周期为20ps的内部计数器或计时器，并且TDC 516可以确定脉冲的发射和接收之间的时间间隔等于25,000个周期，对应于大约0.5微秒的时间间隔。回到图1，TDC 516可以将数值“25000”发送到激光雷达系统100的处理器或控制器150，该系统可以包括处理器，该处理器配置为至少部分地基于由TDC 516确定的时间间隔来确定从激光雷达系统100到目标130的距离。该处理器可以从TDC 516接收数值(例如，“25000”)，并且基于所接收的值，处理器可以确定从激光雷达系统100到目标130的距离。
动态调整功率的示例技术
如上文参照图1所述的，光源110可以是脉冲激光器，该脉冲激光器产生具有特定峰值功率或脉冲能量的光脉冲。如上所述，图1所示的输出光束125中包含的光脉冲的峰值功率值的示例包括10W、100W、1kW、5kW和10kW的近似值。输出光束125中包含的光脉冲的脉冲能量值的示例包括0.1μJ、1μJ、10μJ、100μJ、1mJ的近似值。根据该实施方式，光脉冲可以具有可变的峰值功率值或脉冲能量值。作为一个示例，光源110可以发射具有从50W到2kW的峰值功率值的光脉冲。作为另一个示例，光源110可以发射具有从0.1μJ到4μJ的脉冲能量值的光脉冲。在一些实施方式中，控制器150向光源110提供指令、控制信号或触发信号，指示光脉冲的峰值功率或脉冲能量。光脉冲的峰值功率(P)可以通过表达式E＝P·τ与脉冲能量(E)相关，其中，τ是脉冲的持续时间，并且脉冲的持续时间可以被定义为脉冲最大持续时间的一半处的全宽。例如，具有1-ns持续时间和1-kW峰值功率的脉冲具有约1μJ的脉冲能量。因此，如果脉冲持续时间是固定的，则调整峰值功率可以相当于调整脉冲能量，因为增加或减少峰值功率会导致脉冲能量成比例地增加或减少。
峰值功率或脉冲能量可以根据触发事件的探测而变化。在一些实施方式中，如图1所示，控制器150与接收器140通信，接收器140探测返回的光脉冲，返回的光脉冲对应于被远程目标130散射的发射光脉冲。例如，当对应于入射光的电压信号超过如图11所示的阈值电压VT时，脉冲探测电路504可以探测到返回的光脉冲。脉冲探测电路504还可以探测返回的光脉冲的特性。然后，脉冲探测电路504可以将返回的光脉冲的特性提供给控制器150，控制器150进而可以分析这些特性以探测触发事件。然后，控制器150可以根据触发事件增加或减少峰值功率或脉冲能量(例如，通过向光源提供控制信号)。
在其他实施方式中，控制器与激光雷达系统100或运载工具内的其他传感器、外部服务机构或这些的任何合适的组合通信，以探测触发事件。图12示出了基于探测到触发事件(如运载工具状况)来动态调整功率的示例技术。在此示例场景中，运载工具600包括激光雷达系统100，并且在另一运载工具602后面行驶，两辆运载工具之间的距离为d。虽然运载工具600示为在其顶上具有一个激光雷达系统100，但这仅仅是一个示例性实施方式。在其他实施方式中，运载工具内包括若干激光雷达系统100，这些激光雷达系统100放置在运载工具600上、周围或内部的任何合适位置。
运载工具600也以60mph的速度行驶，这是由运载工具内的速度计、加速计、GPS或任何其他合适的探测速度的传感器探测到的。图形表示610示出了光脉冲的峰值功率与速度之间的关系。在图形表示610中，对于大约0到30mph的速度，峰值功率值较低(例如，100W)。然后，从约30mph到50mph，对于速度达到或超过约50mph的阈值速度，在达到高功率值(例如，1kW)之前，功率值迅速增加。这样，当运载工具以超过阈值速度行驶时，激光雷达系统100增加光脉冲的峰值功率值，因为在这些速度下人无法靠运载工具600很近(例如，1m)。因此，光源110的功率可以增加，而不会遭受额外的安全风险。
如上所述，运载工具600与另一运载工具602的距离为d。在一些实施方式中，当激光雷达系统100接近对象(如运载工具602)时会探测到触发事件。这样，激光雷达系统100在接近载有乘客的运载工具时避免了潜在的安全风险。图形表示620示出了光脉冲的峰值功率与从激光雷达系统100到其他对象(如运载工具602)的距离之间的关系。在图形表示620中，当运载工具600与运载工具602的距离在0到100m之间时，峰值功率值较低(例如，100W)。然后，当运载工具600与运载工具602的距离超过100m时，峰值功率值迅速增加。虽然图形表示620示出了峰值功率值和距离之间的关系，但是控制器150可以基于触发事件的组合，例如运载工具600的速度和到附近对象(如运载工具602)的距离，调整峰值功率值(或脉冲能量)。例如，可以根据到运载工具602的距离的变化来调整峰值功率，以在运载工具600接近另一运载工具602时降低峰值功率。更具体地，当激光雷达系统100和运载工具602之间的距离在预定时间段内减小超过阈值量时，控制器150发送控制信号以减小来自光源110的功率。
此外，图12所示的示例技术中包含的触发事件仅仅是运载工具状况的几个示例，这些运载工具状况可以被识别为触发事件。触发事件还可以包括附加的或替代的运载工具状况，例如人处于激光雷达系统100的阈值距离内等。另一触发事件可以基于激光雷达系统100中或其周围存在的环境光的量。环境光可以与由接收器140探测到的光学噪声相关联。激光雷达系统100可以包括光学传感器，该光学传感器配置为测量存在的环境光(例如，太阳光、来自街灯或汽车前照灯或其他光源的光)的量，或者环境光的量可以由接收器140测量。另外，运载工具600可以包括光学传感器，该光学传感器配置为测量环境光的量。当环境光的量低于阈值光水平时，激光雷达系统100可以降低光脉冲的峰值功率值。这样，峰值功率值响应于来自环境光的较低噪声量而降低。另一方面，当环境光的量处于或高于阈值光水平(例如，指示存在太阳光或其他光源)时，激光雷达系统100可以将光脉冲的功率增加到默认量。此外，触发事件也可能包括大气状况。
另一触发事件可能基于来自其他运载工具的信号。例如，当运载工具600是自主运载工具时，运载工具600可以在预定距离内与其他操作激光雷达系统的自主运载工具通信和/或接收来自其他操作激光雷达系统的自主运载工具的信号。基于运载工具600与其他运载工具之间的通信，运载工具600中的激光雷达系统100可以调整功率或能量的量，以降低串扰的概率。例如，当多个运载工具在彼此的预定距离内时，运载工具600和其他运载工具可以通信，以识别减少功率或能量的量的时间间隔。在第一时间间隔，运载工具中的激光雷达系统100可以减少功率或能量的量，而另一运载工具中的激光雷达系统可以以默认功率或能量的量继续发射光脉冲。然后，在第二时间间隔，另一运载工具中的激光雷达系统可以减少功率或能量的量，而运载工具600中的激光雷达系统100以默认功率或能量的量发射光脉冲。然而，这仅仅是激光雷达系统的一个示例技术，用于基于来自其他操作激光雷达系统的运载工具的信号来调整各自的功率或能量水平。激光雷达系统可以基于来自其他操作激光雷达系统的运载工具的信号，以任何合适方式来调整各自的功率或能量水平。
另一触发事件可以基于输出光束125或输入光束135通过的窗口(例如，图1的窗口157)的清洁度。例如，窗口157可能积聚污垢、灰尘、油脂或其他残留物(例如来自道路用盐)，这些物质使输入或输出光束衰减，并且可以增加输出光束125的功率或能量来补偿这种衰减。可以使用外部装置(例如照相机、或者LED和光探测器)来监测窗口的清洁度，或者激光雷达系统100可以基于接收到的脉冲的振幅来确定窗口是干净的还是脏的。
另一触发事件可以包括安装有激光雷达系统的运载工具的速度，并且可以基于运载工具的速度动态调整功率或能量的量。可以随着车速的增加而增加发射的光脉冲的功率或能量，且可以随着车速的降低而减少发射的光脉冲的功率或能量。可以随着车速的变化以基本上连续的方式动态调整功率或能量。可以基于与车速的数学关系改变发射的光的功率或能量(例如，可以根据与汽车速度成比例、线性、指数或对数关系改变发射的光的功率或能量)。
除了根据触发事件动态地改变峰值功率外，激光雷达系统100还可以改变光脉冲的平均功率、脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲率、脉冲波长或任何其他合适的特性。
为了探测大气状况(如雾或雨)，激光雷达系统100可以与运载工具600内的传感器(如雨或气象传感器)、定位传感器(如GPS)或外部服务机构(如国家气象服务机构)通信。例如，运载工具600包括雨传感器，该雨传感器通过从运载工具内在挡风玻璃处发射光学脉冲来探测雨。当挡风玻璃潮湿时，至少有一些光学脉冲没有被散射，以及然后被雨传感器接收。在其他实施方式中，激光雷达系统100包括在激光雷达系统100的罩壳内的雨传感器，该雨传感器在窗口处发射光学脉冲。
在另一示例中，控制器150与接收器140通信，以基于返回的光脉冲探测大气状况。图13示出了用于探测大气状况的示例技术。返回的光脉冲700可以由APD 502和脉冲探测电路504探测，如图11所示，并由脉冲探测电路504分析，以将返回的光脉冲700的光学信号转换为电压信号并识别返回的光脉冲的特性。
返回的光脉冲的特性可以包括：返回的光脉冲的上升时间702，指示返回的光脉冲上升沿的持续时间；下降时间704，指示返回的光脉冲下降沿的持续时间；返回的光脉冲的脉冲持续时间706，等。当探测到对应于返回的光脉冲的第一电压信号高于最小阈值电压VTmin(例如，2.5V)时，激光雷达系统100可以开始探测上升沿，直到探测到对应于返回的光脉冲的第二电压信号达到最大阈值电压VTmax(例如，4.8V)。当探测到对应于返回的光脉冲的第三电压信号低于VTmax(例如，4.8V)时，激光雷达系统100可以开始探测下降沿，直到探测到对应于返回的光脉冲的第四电压信号达到VTmin(例如，2.5V)。
返回的光脉冲的特性可以提供给控制器150(例如，由TDC 516)，并且控制器150可以分析返回的光脉冲的特性以探测大气状况。例如，当上升时间702超过阈值上升时间，下降时间704超过阈值下降时间，脉冲持续时间706超过阈值持续时间和/或这些的任何合适组合时，探测到大气状况。
响应于探测到大气状况，控制器150向光源110提供控制信号，该控制信号调整由光源发射的光脉冲的特性，以说明雾或其他大气状况。在一些实施方式中，控制器150向光源110提供控制信号，以增加光脉冲的峰值功率，增加光脉冲的平均功率，增加光脉冲的脉冲能量，增加光脉冲的脉冲持续时间，改变光脉冲的脉冲率，改变光脉冲的波长，或调整这些的任何合适组合。控制器150还可以提供控制信号，指示光源110在不同时间的实例(包括像素到像素、行到行、帧到帧等)下，在高功率和低功率光脉冲之间切换或交替。此外，控制器150可以向光源110提供控制信号，以在阈值时间段(例如，1ms、2ms、10ms等)内增加光脉冲的峰值功率或调整光脉冲的其他特性。然后，控制器150可以周期性地确定大气状况是否持续。当雾、雨或其他大气状况不再存在时，控制器150可以向光源110提供控制信号，以发射具有默认特性(如默认峰值功率、默认平均功率、默认脉冲能量、默认脉冲持续时间、默认脉冲率、默认波长等)的光脉冲。
动态调整功率的示例方法
图14描绘了用于动态调整激光雷达系统中的功率的示例方法800的流程图。该方法可以由如图1所示的激光雷达系统100的各种组件来实施，这些组件包括光源110、扫描器120、接收器140和控制器150。仅为了便于说明，下面可以参考激光雷达系统100的特定组件来描述方法800的一些步骤。然而，每个方法步骤可以由任何合适的组件以任何合适的方式实施。在一些实施例中，该方法或其一部分可以在一组指令中实施，这一组指令存储在计算机可读存储器上并可在一个或多个处理器或控制器150上执行。
在块802，光源110发射光脉冲。在一些实施方式中，控制器150通过向光源110提供指示光源110何时应产生光脉冲的指令、控制信号或触发信号来引导光源110发射光脉冲。然后，发射具有特定特性的光脉冲，例如特定脉冲率或脉冲重复频率、峰值功率、平均功率、脉冲能量、脉冲持续时间、波长等。
在块804，发射的光脉冲经由扫描器120相对于运载工具前向方向以各种扫描角度或定向被引导。以这种方式，发射的光脉冲在水平FOR(例如，相对于运载工具的前向方向从-60度到+60度)中进行扫描。在一些实施方式中，控制器150向扫描器120提供驱动信号，用于在水平FOR中旋转扫描镜，以将光脉冲引导向水平FOR内的不同点。也可以经由扫描器120在垂直FOR(例如，从-15度垂直到+15度垂直)中引导发射的光脉冲。在一些实施方式中，控制器150向扫描器120提供驱动信号，用于在垂直FOR中旋转同一扫描镜或另一扫描镜，以将光脉冲引导向垂直FOR内的不同点。例如，扫描器120可以以第一垂直定向(例如，+15度垂直)在水平FOR中引导光脉冲生成扫描线。然后，扫描器120可以以另一垂直定向(例如，+14度垂直)在水平FOR中引导光脉冲生成另一扫描线。
在块806，来自一些光脉冲的光被远程目标(如目标130)散射(如图1所示)，并且由接收器140探测，以(例如)识别与发射的光脉冲相对应的返回光脉冲。然后，利用返回光脉冲的特性来生成具有各自的像素的点云。
在块808，识别用于调整光源110发射的后续光脉冲的功率的量的触发事件。触发事件可以是运载工具状况或大气状况，并且可以以任何合适的方式确定。运载工具状况可包括运载工具的速度、运载工具阈值距离内的对象、运载工具处的环境光的量等。
当触发事件是运载工具的速度超过阈值速度或在运载工具探测到大气状况(如雨或雾)(块810)时，可以增加后续光脉冲的峰值功率值(块812)。例如，控制器150可以向光源110提供控制信号，以将峰值功率值从100W增加到1kW。
为了探测运载工具的速度，控制器150可以与运载工具内的速度计、加速计或GPS通信，并且可以将探测到的速度与阈值速度进行比较。为了探测大气状况(如雾或雨)，控制器150可以与运载工具600内的传感器(如雨或气象传感器)、定位传感器(如GPS)或外部服务机构(如国家气象服务机构)通信。例如，运载工具600包括雨传感器，该雨传感器通过从运载工具内部在挡风玻璃处发射光脉冲来探测雨。当挡风玻璃潮湿时，至少有一些光脉冲没有被散射，以及然后被雨传感器接收。在其他实施方式中，激光雷达系统100包括在激光雷达系统100的罩壳内的雨传感器，该雨传感器在窗口处发射光脉冲。在另一示例中，控制器150与接收器140通信，以基于返回的光脉冲的特性(例如，返回的光脉冲的上升时间、下降时间或脉冲持续时间)来探测大气状况。
当触发事件是对象在运载工具的阈值距离内或运载工具处的环境光的量小于阈值光水平(块810)时，可以降低后续光脉冲的峰值功率值(块814)。例如，控制器150可以向光源110提供控制信号，以将峰值功率值从1kW减小到100W。
为了探测运载工具阈值距离内的对象，可以利用返回的光脉冲的特性生成具有各自像素的点云。点云可以例如由如图9所示的运载工具控制器372进行分析，以感测或识别目标130及其相对于运载工具的各自位置和距离，以及它们各自的类型(例如运载工具、人、树、动物)。然后，控制器150可以与运载工具控制器372通信，以确定对象与运载工具之间的距离，并且可以将该距离与阈值距离进行比较。在一些实施方式中，运载工具控制器372提供特定类型的对象的位置和距离，这些特定类型的对象可能会受到大量光的伤害或者可能包含其他可能受到大量光伤害的对象，例如运载工具、人、动物等。
为了探测运载工具处的环境光，控制器150可以与光学传感器通信，该光学传感器配置为测量存在的环境光(例如，太阳光、来自街灯或汽车前照灯或其他光源的光)的量。在其他实施方式中，控制器150与接收器140通信，以在光源110不发射光脉冲时通过探测光来探测环境光。然后，控制器150可以将环境光的量与阈值光水平进行比较。
虽然峰值功率值可以基于触发事件从第一值增加或减少到第二值，但峰值功率值也可以以连续的方式进行调整。例如，峰值功率值可随运载工具的速度成比例增加，或在运载工具接近对象时呈指数下降。在其他实施方式中，控制器可以逐步增加或减少功率或能量的量。例如，控制器可以以预定增量(例如，100W)从低功率值(例如，100W)或高功率值(例如，1kW)增加或减少功率或能量的量。在以预定增量增加或减少功率或能量的量之后，控制器可以确定例如脉冲特性的中间结果。
更具体地，在探测到大气状况后，当以预定增量增加功率或能量的量时，控制器可以确定从后续光脉冲探测到的光是从硬目标还是软目标散射。当光或阈值量的光从硬目标散射时，控制器可能不再增加功率或能量的量。另一方面，当光或阈值量的光从软目标散射时，控制器可以继续以预定的增量增加功率或能量的量，直到散射光或阈值量的散射光是来自硬目标。
在另一示例中，控制器150可以基于激光雷达系统与对象(如行人或乘客)之间的距离来确定中间结果。当控制器150识别激光雷达系统的第一阈值距离(例如，100m)内的行人或乘客时，控制器150可以将功率或能量的量从默认功率值(例如，500W)减少第一预定增量(例如，100W)。在减少功率或能量的量后，控制器150可以再次确定行人或乘客与激光雷达系统之间的距离。当控制器确定行人或乘客或另一行人或乘客更靠近(例如，在第二阈值距离50m内)激光雷达系统时，控制器可以将功率或能量减少第二预定增量(例如，再减少100W)。另一方面，随着行人或乘客离激光雷达系统越来越远时，控制器150可以开始将功率或能量的量以预定增量增加，同时继续周期性地或连续地确定激光雷达系统与行人或乘客之间的距离。
在其他实施方式中，基于触发事件的组合来调整后续光脉冲的功率的量。例如，控制器150可以基于运载工具600的速度和到附近对象(例如，如图12所示的运载工具602)的距离的组合来调整峰值功率值。更具体地，可以根据到运载工具602的距离的变化来调整峰值功率，以在运载工具600接近另一运载工具602时降低峰值功率。更具体地，当激光雷达系统100和运载工具602之间的距离在预定时间段内减少超过阈值量时，控制器150发送控制信号以降低来自光源110的功率。
除了响应于探测到的触发事件而调整后续光脉冲的峰值功率外，还可以调整后续光脉冲的其他特性。例如，可以调整后续光脉冲的平均功率、脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲率、脉冲波长或任何其他合适的特性。
总论
在一些情况中，计算装置可用于实施本文公开的各种模块、电路、系统、方法或算法步骤。作为一个示例，本文所公开的模块、电路、系统、方法或算法的全部或部分可以由通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、任何其他合适的可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或其任何合适组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，或者是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实施为计算装置的组合，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、一个或多个与DSP内核结合的微处理器，或任何其他此类配置的组合。
在特定实施例中，本文所描述的主题的一个或多个实现方法可以被实施为一个或多个计算机程序(例如，在计算机可读的非暂时性存储介质上编码或存储的计算机程序指令的一个或多个模块)。作为一个示例，本文所公开的方法或算法的步骤可以在处理器可执行软件模块中实施，该模块可以驻留在计算机可读的非暂时性存储介质上。在特定实施例中，计算机可读的非暂时性存储介质可以包括任何合适的存储介质，该存储介质可以用于存储或传输计算机软件，并且可以被计算机系统访问。在本文中，在适当的情况下，计算机可读的非暂时性存储介质或媒介可以包括一个或多个基于半导体的或其他的集成电路(IC)(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))、硬盘驱动器(HDD)、混合硬盘驱动器(HHD)、光碟(例如，光盘(CD)、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘或激光光盘)、光盘驱动器(ODD)、磁光盘、磁光驱动器、软盘、软盘驱动器(FDD)、磁带、闪存、固态驱动器(SSD)、RAM、RAM驱动器、ROM、安全数字卡或驱动器、任何其他合适的计算机可读的非暂时性存储媒介，或这些中的两种或更多种的合适组合。在适当的情况下，计算机可读的非暂时性存储介质可以是易失性的、非易失性的，或者是易失性和非易失性的组合。
在一些情况中，本文在单独的实现方法的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现方法中被组合和实施。相反，在单个实现方法的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现中单独被实施，或者在任何合适的子组合中被实施。此外，尽管上述特征可以被描述为在某些组合中起作用，甚至最初要求是这样，但在某些情况下，来自要求的组合的一个或多个特征可以从组合中删除，并且要求的组合可以针对子组合或子组合的变型。
尽管操作在附图中可能被描述为以特定顺序出现，但不应理解为要求按所示的特定顺序或先后顺序执行此类操作，或执行所有操作。此外，附图可以以流程图或序列图的形式示意性地描述一个或多个示例过程或方法。然而，其他未描述的操作可以并入示意性示出的示例过程或方法中。例如，一个或多个其他操作可以在任何示出的操作之前、之后、之间执行，或与任何示出的操作同时执行。此外，在适当的情况下，可以重复图中描述的一个或多个操作。另外，图中描述的操作可以以任何合适的顺序执行。此外，尽管本文将特定组件、装置或系统描述为执行特定操作，但可以使用任何合适的组件、装置或系统的任何合适的组合来执行任何合适的操作或操作的组合。在某些情况下，可以执行多任务或并行处理操作。此外，在本文所描述的实现方法中的各种系统组件的分离不应理解为在所有实现方法中都需要这种分离，而应理解为所描述的程序组件和系统可以被集成在单个软件产品中或被封装进多个软件产品中。
已结合附图描述了各种实施方式。然而，应该理解的是，附图不一定是按比例绘制的。作为一个示例，图中所示的距离或角度是说明性的，不一定与所示装置的实际尺寸或布局有确切关系。
本公开的范围包括本领域普通技术人员所理解的对本文所描述的或示出的示例实施例的所有改变、替换、变更、更改和修改。本公开的范围不限于本文描述的或示出的实施例。此外，尽管本公开将本文中的各个实施例描述为或说明为包括特定的组件、元素、功能、操作或步骤，但这些实施例中的任何一个可以包括本领域普通技术人员能够理解的本文中任何地方描述的或示出的任何组件、元素、功能、操作或步骤的任何组合或排列。
除非另有明确说明或上下文另有说明，否则本文中使用的术语“或”应解释为包含或意指任何一种或任何组合。因此，在本文中，表述“A或B”指“A、B或A和B两者”。作为另一个示例，在本文中，“A、B或C”指以下至少一种：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C。如果元素、装置、步骤或操作的组合在某种程度上本质上相互排斥，将会出现此定义的例外。
本文所用的近似词，例如，但不限于，“近似”、“基本上”或“大约”是指这样一种情况，即当被如此修饰，应被理解为不一定是绝对的或完美的，但对本领域普通技术人员而言将被视为足够接近，以确保指定该情况存在。说明书可以变化的程度将取决于可以进行多大的变化，并且使本领域普通技术人员将修改后的特征识别为具有未修改特征的所需的特性或能力。一般而言，但须以上述讨论为准，本文中通过近似词(例如“大约”)修饰的数值可改变规定的值±0.5％、±1％、±2％、±3％、±4％、±5％、±10％、±12％或±15％。
本文所用的术语“第一”、“第二”、“第三”等可用作名词之前的标注，并且这些术语不一定意味着特定的顺序(例如，特定的空间、时间或逻辑顺序)。作为一个示例，系统可以描述为确定“第一结果”和“第二结果”，以及术语“第一”和“第二”可以不一定意味着第一结果是在第二结果之前确定的。
本文所用的术语“基于”和“至少部分基于”可用于描述或提出影响确定的一个或多个因素，并且这些术语不排除可能影响确定的其他因素。确定可以完全基于那些被提出的因素，或者至少部分基于那些因素。短语“基于B确定A”表示B是影响确定A的因素。在某些情况下，其他因素也可能有助于A的确定。在其他情况下，A可能仅基于B来确定。

Claims (15)

1.一种动态改变激光雷达系统中的激光功率的量的方法，所述方法包括：
由所述激光雷达系统中的光源发射光脉冲；
由所述激光雷达系统中的控制器识别用于调整由所述光源提供的后续光脉冲的功率的量的触发事件，识别所述触发事件包括探测大气状况；以及
由所述控制器向所述光源提供控制信号，以基于所述触发事件调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量，包括增加所述功率的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，识别所述触发事件还包括：探测包括所述激光雷达系统的运载工具的速度超过阈值速度；以及
调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量还包括：响应于识别所述运载工具超过所述阈值速度，增加由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述触发事件还包括：所述激光雷达系统的运载工具的速度；以及
调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量还包括：至少部分基于所述运载工具的速度动态地改变所述功率的量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，识别所述触发事件还包括：识别所述激光雷达系统的阈值距离内的对象；以及
调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量还包括：响应于识别所述激光雷达系统的所述阈值距离内的所述对象，减少由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，识别所述触发事件还包括：测量所述激光雷达系统中存在的环境光的量并确定所述环境光的量小于阈值光水平；以及
调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量还包括：响应于确定所述环境光的量小于所述阈值光水平，减少由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，以一个或多个预定增量调整所述后续光脉冲的所述功率的量并且还包括：
在以第一预定增量调整所述功率的量时，探测来自被一个或多个远程目标散射的一些所述后续光脉冲中的光，以识别返回的光脉冲的特性；以及
基于所述返回的光脉冲的所述特性，以第二预定增量调整所述功率的量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在识别所述激光雷达系统的第一阈值距离内的对象后，以一个或多个预定增量调整所述后续光脉冲的所述功率的量，并且还包括：
在以第一预定增量调整所述功率的量后，识别所述激光雷达系统的第二阈值距离内的所述对象，其中所述第二阈值距离小于所述第一阈值距离；以及
响应于识别所述激光雷达系统的所述第二阈值距离内的所述对象，以第二预定增量调整所述功率的量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，识别所述触发事件还包括：
识别多个触发事件，其中，所述多个触发事件中的至少一个与增加所述功率的量相关联，且所述多个触发事件中的至少另一个与减少所述功率的量相关联；
针对所述多个触发事件中的每一个确定优先级；以及
由所述控制器向所述光源提供控制信号，基于具有最高优先级水平的所述触发事件，调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，识别所述触发事件还包括：识别来自各自操作激光雷达系统的一辆或多辆自主运载工具的一个或多个信号，并且调整由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量包括：响应于来自所述一辆或多辆自主运载工具中的至少一辆的减少所述功率的量的指示，减少由所述光源提供的所述后续光脉冲的所述功率的量。
10.一种激光雷达系统，包括：
光源，配置为发射光脉冲；
扫描器，配置为在所述激光雷达系统的观测场中扫描所述光源的视场，包括：相对于包括所述激光雷达系统的运载工具的前向方向，以不同角度将所述光脉冲引导向所述观测场内的不同点；
探测器，配置为探测来自被一个或多个远程目标散射的所述光脉冲中的一些光脉冲的返回的光脉冲；以及
控制器，配置为调整由所述光源发射的后续光脉冲的功率的量，包括：
识别触发事件，所述触发事件包括运载工具或大气状况，其中，为了识别所述触发事件，所述控制器被配置为探测大气状况；以及
基于所述触发事件，使所述光源发射具有增加的功率的量的后续光脉冲。
11.根据权利要求10所述的激光雷达系统，其中，为了识别所述触发事件，所述控制器还被配置为探测包括所述激光雷达系统的所述运载工具的速度超过阈值速度；以及
为了调整由所述光源发射的所述后续光脉冲的所述功率的量，所述控制器被配置为响应于识别所述运载工具超过所述阈值速度而增加由所述光源发射的所述后续光脉冲的所述功率的量。
12.根据权利要求10所述的激光雷达系统，其中：
所述触发事件还包括：包括所述激光雷达系统的所述运载工具的速度；以及
至少部分地基于所述运载工具的速度动态调整所述后续光脉冲的所述功率的量。
13.根据权利要求10所述的激光雷达系统，其中，为了识别所述触发事件，所述控制器还被配置为识别所述激光雷达系统的阈值距离内的对象；以及
为了调整由所述光源发射的所述后续光脉冲的所述功率的量，所述控制器被配置为响应于识别所述激光雷达系统的所述阈值距离内的所述对象而减少由所述光源发射的所述后续光脉冲的所述功率的量。
14.一种激光雷达系统中的控制器，包括：
一个或多个处理器；以及
非暂时性计算机可读存储器，耦合到所述一个或多个处理器并且在所述存储器上存储指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时使所述控制器：
向光源提供控制信号，以发射具有一定功率的量的光脉冲；
识别触发事件，包括探测大气状况；以及
响应于识别所述触发事件，向所述光源提供控制信号，以基于所述触发事件发射具有增加的功率的量的后续光脉冲。
15.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述指令使所述控制器：向所述光源提供控制信号，以在阈值时间段内发射具有增加的功率的量的后续光脉冲，并且在所述阈值时间段结束时，所述光源发射具有默认功率的量的光脉冲。
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