CN110622032A - 利用脉冲编码降低距离模糊度的激光雷达发射器和探测器系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达系统包括：发射器，用不同脉冲特性对连续发射脉冲进行编码；和接收器，探测每个接收(散射或反射)脉冲的脉冲特性并基于探测到的脉冲特性区分接收的脉冲。因此，激光雷达系统通过将相同或不同扫描周期中的扫描位置的脉冲编码为具有不同的脉冲特性(例如不同的脉冲宽度或不同的脉冲包络形状)来解决距离模糊。接收器包括：脉冲解码器，配置成探测所接收脉冲的相关脉冲特性；和解析器，确定所接收脉冲的脉冲特性是与当前扫描位置的脉冲特性匹配还是与先前扫描位置的脉冲特性匹配。

Description

利用脉冲编码降低距离模糊度的激光雷达发射器和探测器 系统
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62/477,900的美国临时申请和于2018年3月10日提交的申请号为15/917,628的美国申请的优先权，其内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及激光雷达系统，以及更特别地，涉及利用脉冲编码降低距离模糊度的激光雷达发射器和探测器系统。
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
通常，扫描激光雷达系统具有最大探测距离，该最大探测距离被确定为目标可以与发射器相距的最大距离，该最大距离使得所发射的脉冲可以行进到目标，从目标散射或反射，并且在探测器仍然指向所发射的脉冲的方向时(即，在系统的特定扫描位置或扫描位置时间期间)返回到探测器。然而，当发射器在前一扫描位置时间(不同于当前扫描的当前扫描位置时间)发射的脉冲(例如在前一扫描中以相同方向发送的脉冲或者在当前扫描期间在前一扫描位置时间发送的脉冲)从位于最大探测距离之外的高度协作目标反射并在系统当前扫描周期的当前扫描位置时间期间返回到探测器时，可能发生距离模糊，因为系统仅期望来自当前扫描周期的当前扫描位置时间期间产生的脉冲的反射。在这种情况下，先前的脉冲被探测到，并且在系统看来，该脉冲是由于在当前扫描的当前扫描位置时间期间发送的当前脉冲而从目标反射的脉冲，接收器将其解析为在系统的探测距离内。这种现象导致距离模糊，因为接收器不能确定探测到的脉冲是当前扫描位置时间的当前脉冲从探测距离内的目标反射的结果，还是探测到的脉冲是先前扫描位置时间的先前脉冲从系统的探测距离之外的目标反射的结果。
激光雷达系统包括发射器和接收器，发射器用不同脉冲特性对连续发射脉冲进行编码，接收器探测每个接收(散射或反射)的脉冲的脉冲特性并基于探测到的脉冲特性区分接收的脉冲，从而减少或消除距离模糊。该激光雷达系统可以区分连续脉冲，使得先前脉冲不会与当前脉冲混淆。更特别地，激光雷达系统通过将连续扫描位置和/或扫描周期的脉冲编码为具有不同的脉冲特性，例如不同的脉冲宽度或不同的脉冲包络(振幅)形状(例如，单峰脉冲或双峰脉冲)来解决距离模糊。接收器包括：脉冲解码器，配置成探测接收的脉冲的相关脉冲特性；和解析器，确定接收的脉冲的脉冲特性是与当前扫描周期的当前扫描位置的脉冲特性匹配还是与先前扫描位置或扫描周期的脉冲特性匹配。然后，接收器可以忽略具有先前扫描位置或扫描周期的脉冲特性的探测到的脉冲，从而减少由超出系统最大探测距离的高度协作目标引起的距离模糊。
在一种情况下，脉冲解码器可以使用多个时间数字转换器(TDC)来探测每个接收到的脉冲的脉冲特性。此外，脉冲编码器可以是外部光学调制器，或者脉冲编码器可以包括在光源(例如，能够产生各种脉冲模式的电流调制种子二极管激光器)中，随后是光学放大器。该系统还可以用不同的波长对脉冲进行编码，例如通过在两个波长之间交替脉冲来对脉冲进行编码。在这种情况下，接收器可以包括二向色滤光片(其分离两个波长)和两个APD，分离的APD配置成探测不同的波长。
在一个实施例中，扫描系统包括发射器，该发射器包括光源、脉冲编码器和控制器。光源被配置成发射光脉冲；脉冲编码器被配置成用一个或多个脉冲特性对光源的光脉冲进行编码；并且控制器被配置成使得编码器用至少一个不同脉冲特性对不同扫描位置的光脉冲进行编码。该系统还包括扫描器和接收器，扫描器配置成扫描二维观测场内的多个扫描位置，每个扫描位置由不同的矢量坐标组限定，并且在每个扫描位置将编码的光脉冲引导向远程目标，接收器配置成探测由远程目标散射的光脉冲，接收器包括光探测器部件、脉冲解码器和解析器。在这种情况下，脉冲解码器确定探测到的光脉冲的脉冲特性，以及解析器基于探测到的光脉冲的脉冲特性确定与探测到的光脉冲相关联的发射光脉冲的扫描位置。
在另一个实施例中，一种用于发射和接收光脉冲的方法包括在二维观测场内的多个扫描位置中的每一个处发射一个或多个光脉冲，每个扫描位置由不同的矢量坐标组限定，用至少一个不同脉冲特性值对不同扫描位置的光脉冲进行编码，接收由远程目标散射的光脉冲，探测散射的光脉冲，识别探测到的光脉冲的脉冲特性值，并根据探测到的光脉冲的脉冲特性值确定与探测到的光脉冲相关联的发射光脉冲的扫描位置的一组矢量坐标。
在又一实施例中，距离探测系统包括能够发射光脉冲的光源、控制器、扫描器、探测器、耦合到探测器的脉冲解码器以及解析器。控制器被配置成引导脉冲编码器用第一组脉冲特性值对第一发射光脉冲进行编码，并用第二组脉冲特性值对第二发射光脉冲进行编码，使得第一组和第二组脉冲特性值不同。扫描器被配置成在二维观测场内的第一扫描位置引导第一发射光脉冲，并在二维观测场内的第二扫描位置引导第二发射光脉冲，每个扫描位置由不同的矢量坐标组限定。脉冲解码器使用电信号探测散射光脉冲的一个或多个脉冲特性值，并将该探测到的一个或多个脉冲特性值提供给解析器。解析器确定该探测到的一个或多个脉冲特性值是与第一发射脉冲的第一组脉冲特性值匹配还是与第二发射脉冲的第二组脉冲特性值匹配。此外，如果探测到的脉冲特性值与第一组脉冲特性值匹配，则距离探测器基于第一发射光脉冲计算到远程目标的距离，或者如果探测到的脉冲特性值与第二组脉冲特性值匹配，则距离探测器基于第二发射光脉冲计算到远程目标的距离。
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示出了具有直接设置在专用集成电路(ASIC)上的激光雷达探测器的接收器，该专用集成电路处理由接收器生成的激光探测信号；
图13示出了包括多个时间-数字转换器(TDC)以实现增强的脉冲包络和距离探测的示例激光雷达探测系统；
图14描绘了可以由图13的包络探测器产生的探测点的示例图；
图15描绘了示出距离走动的曲线图，距离走动与在相同距离内探测从具有不同反射率的目标散射或反射的脉冲相关联；
图16示出了校正距离模糊的示例激光雷达探测系统；
图17示出了执行脉冲编码和解码以补偿距离模糊的示例激光雷达探测系统；以及
图18示出了用作四维相机的示例激光雷达系统，该四维相机确定在二维观测场中的点目标的位置、到观测场中特定点的点目标的距离以及在观测场中特定点的点目标的反射强度或反射率。
具体实施方式
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实施示例。然后，参照图10-12讨论示例光电探测器和示例脉冲探测电路。参照图13-18讨论激光雷达系统中与距离走动补偿相关的各种技术。
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2·RMAX/c1.33μs。
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155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(AR)。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或脉冲发光二极管(LED)，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。在本文中，将扫描路径描述为包括不同的扫描位置，在这些位置处，扫描器顺发射方向朝向例如目标发射光束或脉冲。可以将每个这种扫描位置描述为在一些二维或三维坐标系中包括一组唯一的二维(或三维)矢量坐标。这种二维或三维坐标系可以是笛卡尔坐标系(x，y，z)、极坐标系或圆坐标系(角度、角度)或任何其他期望的坐标系。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包括一个或多个光电二极管，例如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，例如，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，所述360度观测场在两个维度的每一个维度中具有多个扫描位置。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。单个光束足以跟踪螺旋扫描模式，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，每个像素与不同的扫描位置相关联，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。
图5中所示的在两个维度(例如水平和垂直)横向延伸的FOR可以被称为二维观测场。在一些实施例中，FOR可以包括三维观测场、可以是三维观测场的一部分、或者可以被称为三维观测场，该观测场还沿着第三维度(例如轴向)延伸。作为一个示例，三维FOR可以用于距离选通(range-gating)应用中，其中激光雷达系统100被配置为在特定距离范围(例如，距离激光雷达系统50m到100m)内操作。在一些实施例中，二维观测场可以是三维观测场的一部分或可以配置为三维观测场。例如，通过加入表示距激光雷达系统100的距离范围的距离参数，二维观测场可以被配置为三维观测场。作为一个示例，通过加入50-100米的距离参数，覆盖角度范围100°×20°的二维观测场可以被配置为三维观测场。
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(angularcone)。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可以集成到运载工具(例如汽车)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接近或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351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351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351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351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。
来自多个传感头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350)，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。
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，InGaAsAPD 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，例如，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(例如)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。
在一种情况下，激光雷达系统包括：具有光源的发射器，其产生在本质上人眼安全的波长(例如1550nm)的激光；以及接收器，具有线性模式雪崩光电二极管(APD)探测器。相对于其他车用LIDAR系统通常工作的905nm波长，1550nm波长下每mW能量的光子数有所增加。此外，1550nm波长更符合人眼安全的要求。一般来说，该系统使用线性模式雪崩探测器(APD)，以更好地利用1550nm波长下从反射目标返回的数目增加的光子。与目前车用激光雷达系统中使用的典型单光子探测器(在探测到“单”个光子时产生固定输出)相反，线性模式雪崩探测器产生的输出取决于(例如，正比于)特定时间段内入射到探测器上的光子数。使用这种类型的探测器能够探测返回脉冲的上升沿和下降沿、强度和振幅特性，从而提供更长距离的探测以及更稳健和更准确的探测系统。
如上所述，使用线性模式APD(例如在大约1550nm波长下)提供了对从目标接收到的反射光脉冲执行增强探测活动的机会，以及下面将更详细地描述这些增强探测活动中的一些以及配置以执行这些增强探测活动的系统。需要注意的是，虽然这些系统被描述为使用发射大约1550nm波长的光脉冲的发射器，但是发射器可以替代地发射其他波长的光脉冲(或者在多波长系统中)。例如，发射器可以发射波长在大约1900纳米以下、波长在大约1500纳米到1600纳米之间、波长在大约1100纳米以上、1400纳米以上、在1400纳米到1900纳米之间、在1530纳米至1580纳米之间等等的脉冲。在这些情况下，系统可使用由铟砷化镓(InGaAs)半导体材料形成的线性模式APD。更进一步地，在某些情况下，下面描述的系统可以使用发射波长在1100纳米以下(例如在900纳米到1000纳米之间，大约950纳米等等)的光脉冲的发射器。在这些情况下，系统可以使用由硅半导体材料形成的APD。
示例距离走动补偿技术
通常，图12示出了配置为光探测器602的接收器600的框图，该探测器(可以是例如图10中示出的APD或其他探测器400)直接设置在专用集成电路(ASIC)604上。在这种情况下，ASIC 604是其上具有电路系统的集成电路，该电路系统处理由光探测器602响应于探测到的光信号而产生的电信号。光探测器602可以直接安装在ASIC 604上，并且可以具有电连接到ASIC 604的输入的任何输出。更特别地，图12示出了直接凸点键合到ASIC 604的光探测器602，ASIC 604可以包括或配置为包括读出集成电路(ROIC)。一般来说，ASIC是为特定用途定制的任何集成电路(IC)，而ROIC是为读取/处理来自探测器的信号而设计的特定类型的ASIC。例如，光探测器602可以被配置为耦合到ROIC的CCD阵列，ROIC从CCD的每个像素接收和累积电荷。然后，ROIC可以向电路(例如，ASIC 604的其它部分)提供输出信号以供读出(以确定累积的电荷的量)。然而，这里描述的ROIC可能不同于传统的ROIC，因为图12的系统中的ROIC可以做的远不止累积电荷和提供读出值。在这里，ROIC执行电流-电压转换(使用TIA)、电压放大、滤波、边沿/电平探测、定时和TDC(时间-数字转换)。因此，在本说明书中，术语ASIC和ROIC可以互换使用。
此外，探测器602通过“凸点键合(bump bonding)”(其中，小焊料球附接在表面上形成焊料“凸点”)与ASIC 604电(和机械)连接。例如，凸点可附接在ASIC 604的焊盘上，以及然后，探测器封装的相应的连接器可以与凸点接触。然后，通过加热将这两个装置“凸点键合”(或焊接)在一起，以允许焊料凸点回流。与其他类型的电连接器相比，凸点键合具有以下优点包括：整体尺寸更小(例如，与使用线或线键合连接ASIC和探测器相比)、可靠性更好、电速度更高(凸点键合提供的较短距离具有较低的寄生电容或寄生电感)、且电噪声更少(信号从探测器行进到ASIC的距离相对较短，这意味着信号因拾取噪声而退化或破坏的可能性较小)。图13更详细地示出了图12的接收器600，特别是描绘了一组可以设置在图12的接收器600的ASIC 604上的示例电路系统。特别地，图13示出了直接耦合到ASIC 604的探测器602，探测器602可以是如本文所描述的任何合适的光探测器。ASIC 604的电路系统在图13中以框图的形式示出，但是应当理解，该电路系统可以以任何合适的方式设置在集成电路(例如基于硅的集成电路)上。在任何情况下，探测器602的输出包括由于探测到到达探测器602的光或光子而产生的一个或多个电信号，以及在本文中被称为光探测信号。这些光探测信号被提供给ASIC 604上的一组并联连接的振幅探测电路608。每个并联连接的振幅探测电路608示为包括放大器609、比较器610和时间-数字转换器(TDC)612(然而，也可以使用或替代地使用模拟数字转换器)。每个振幅探测电路608的输出被提供给包络探测电路614，包络探测电路614具有连接到距离探测电路616的一个或多个输出。振幅探测电路608可以包括比较器610和TDC 612，振幅探测电路608可以被称为振幅探测器、幅度探测电路或幅度探测器。
更特别地，放大器609放大来自光探测器602的光探测信号，并将放大的信号提供给比较器610。虽然图13的电路系统示为包括设置在每个并联连接的振幅探测电路608中的单独的放大器609，但是一个或多个放大器(例如，TIA 510和/或增益电路512)可以被配置为，在激光探测信号被分离并被提供给单独的振幅探测电路608之前，放大来自探测器602的光探测信号。无论如何，每个放大器609的输出被提供给相关联的比较器610，该比较器610将放大的光探测信号与特定阈值进行比较，并输出指示何时满足比较标准的正信号或其他信号。在这种情况下，单独的比较器(标记为610A、610B、……610N)示为设置在每个振幅探测电路608中。更特别地，比较器610中的每一个接收输入阈值信号T(更具体地由附图标记T1、T2、……Tn指示)，并将放大的光信号与相关联的阈值进行比较。优选地，每个阈值信号T1–Tn都是不同值，从最小值到最大值不等，并且这些阈值T将是由探测器602产生的光探测信号的探测振幅的预期范围内的各种值。部分或全部阈值T可以线性排列(例如，可以等距分开)，或者可以非线性排列(例如，可以非等距分开)。例如，在振幅探测范围的顶部、振幅探测范围的底部或下部、振幅探测范围的中间等处可以有更多的阈值。此外，在ASIC 604中可以提供任意数量的振幅探测电路608(以及相关联的比较器610和TDC 612)。一般来说，所提供的振幅探测电路越多，可以由包络探测器614执行的包络探测越大或越好。
此外，如图13所示，可以存在与每个特定阈值(例如，T1)相关联的两个振幅探测电路608。特别地，比较器610有两种类型，包括用加号(+)指示的上升沿比较器和用减号(-)指示的下降沿比较器。应当理解的是，上升沿比较器确定在其输入处提供的放大光探测信号沿正方向或上升方向何时达到或上升到阈值T以上(即，从较低的值到达阈值)。另一方面，下降沿比较器确定或探测在其输入处的放大光探测信号沿负方向或下降方向何时达到或降到相关联的阈值T以下(即，从更高的值到达阈值)。因此，比较器610A+提供入射光探测信号与阈值T1之间的比较，并确定入射光探测信号沿正方向何时达到阈值T1的水平，而比较器610A-确定该光信号沿负方向或下降方向何时达到阈值T1。在确定光探测信号满足来自正确方向的相关联的阈值时，比较器产生指示这种条件(即，满足比较标准)的输出信号。如图13所示，每个比较器610的输出信号(可以是直流(DC)信号、上升沿或下降沿信号，或者指示比较状态(例如，满足或不满足)的数字位)被提供给相关联的TDC 612。
如上文所解释，每个TDC(包括TDC 612)包括非常精确和高速的计数器或计时器，并且当TDC 612从相关联的比较器610接收到适当的(例如，正的)输入时，TDC 612记录、存储和/或输出相关联的计时器的一个或多个值。此外，TDC 612中的每一个接收定时初始化信号t0，该定时初始化信号t0通常可以指示激光雷达系统发射器产生和/或发射与当前扫描的当前观测场相关联的光脉冲的时间。该初始定时信号t0可以作为来自控制器(控制发射器)的电信号，由传感器提供，该传感器感测光脉冲实际何时从发射器发射等。此外，定时初始化信号t0可以由发射器基于或为了符合发射光脉冲的上升沿、发射光脉冲的下降沿、发射光脉冲的峰值或中心或发射光脉冲上的任何其他期望点或位置而生成。因此，应当理解的是，TDC 612在接收到t0初始化信号时重置并启动计数器，并且当从相关联的比较器610接收到信号(该信号指的是探测到的入射光脉冲在上升方向或下降方向上已经达到某一阈值T)时，将计数器值记录或存储为数字输出信号。TDC 612可以输出指示入射光探测信号在适当方向上满足阈值的一个或多个时间的数字信号，并且这些输出信号被提供给包络探测器614。
当然，所有TDC 612彼此并联同时操作，使得各种振幅探测电路608确定探测到的光脉冲在上升方向和下降方向上达到与阈值T1-Tn相关联的各种振幅的各种不同的定时(相对于定时t0)。
在一些实施例中，ASIC 604可以包括模拟-数字转换器(ADC)。作为一个示例，ASIC604不使用多个TDC并联连接的布置，而是可以包括配置为产生接收到的脉冲的数字表示的ADC。该ADC可以位于图11中的跨阻放大器510或增益电路512之后，并且可以产生与接收到的脉冲的包络相对应的一系列的点(类似于图14中所示的)。
如上所述，包络探测器614接收TDC 612的输出，并分析这些信号，以重建或产生探测到的光信号包络随时间变化的振幅的指示。图14示出了可以由包络探测器614产生的这种重建的包络(其可以包括指示在各个时间点的光信号的振幅或幅度的点)的示例。在图14的曲线图中，接收到的入射光脉冲基于来自与各种阈值T1到T6相关联的TDC 612的信号重建。更特别地，图14的曲线图中的点指示(x轴上)的时间，在这些时间，图13的振幅探测电路608中的一个测量到：探测到的光信号在上升方向或下降方向上通过振幅阈值T1-T6(y轴上)中的一个。图14中的时间值t1到t11可以被称为时间位置。在图14的曲线图中，应当理解的是，探测到的光信号在时间t1(其是具有比较器610A+的图13的振幅探测电路的输出)沿正方向通过阈值T1，在时间t11(其是具有比较器610A-的振幅探测电路的输出)沿负方向通过阈值T1，在时间t2(其是具有比较器610B+的振幅探测电路的输出)沿正方向通过阈值T2，在时间t10(其是具有比较器610B-的振幅探测电路的输出)沿负方向通过阈值T2等等。以这种方式，包络探测器614可以通过按照由振幅探测电路608的TDC 612的输出确定的时间顺序标绘与各个振幅探测电路608相关联的阈值，来重建在不同时间接收到的脉冲的值、振幅或包络。
一旦对振幅探测电路608的输出进行了标绘或排序，包络探测器614便可以基于这些振幅点来确定、填充或估计接收或探测到的光脉冲的一个或多个特性，以创建完整的与接收到的光脉冲、散射光脉冲或光信号相关联的振幅或幅度包络。例如，包络探测器614可以通过将这些点用曲线拟合例程(通常包括使用三个或更多点来执行脉冲包络估计)连接或直线连接来估计接收脉冲的形状(例如，图14中的虚线)，包络探测器614可以将探测到的光脉冲的振幅确定为最高探测阈值，或者基于曲线拟合例程确定最高探测阈值，包络探测器614可以基于包络的上升沿和下降沿以某种统计方式确定探测到的光脉冲的宽度，包络探测器614可以基于包络的上升沿和下降沿确定探测到的光脉冲的峰值或中心，和/或包络探测器614可以确定探测到的脉冲的包络的任何其它期望的特性。在图14的情况中，包络探测电路614可以确定探测到的光脉冲通常是最大阈值为T6的正弦脉冲。
当然，包络探测器614可以确定关于探测到的脉冲的其他信息，例如脉冲的形状、宽度、峰值、中心等，并且可以将这些信息的部分或全部提供给图13的距离探测器电路616。特别地，距离探测器电路616可以使用各种已知技术或新技术，基于探测到的脉冲返回探测器所用的往返时间和适当介质(例如空气)中的光速，探测目标(探测到的脉冲从该目标被反射)的距离。例如，这样的距离探测器电路616可以使用与探测到的脉冲上的上升沿、下降沿、峰值、中心或某个其它点相关联的探测时间。当然，距离探测器616可以使用常用的数学方法，基于探测到的收到反射脉冲的时间和适当介质(例如空气)中的光速来确定从激光雷达系统到目标的距离。例如，距离探测器电路616可以使用与探测到的脉冲的上升沿的第一阈值相关联的探测时间和与探测到的脉冲的下降沿的第二阈值相关联的探测时间来确定探测到的脉冲的脉冲宽度，并使用查找表、矩阵或其他数据结构，基于探测到的脉冲的脉冲宽度确定接收时间。
在一种情况下，激光雷达探测系统，例如图13的探测系统600，可以用于补偿被称为距离走动的距离探测现象。一般来说，距离走动是一种由于以下事实而产生的现象，即从具有相同距离但具有不同反射率的目标反射的光脉冲将导致反射脉冲具有不同强度(其基于目标的反射率)。特别地，随着目标的反射率的增加，反射脉冲的强度通常会增加，尽管反射脉冲的强度也取决于发射脉冲的功率、到目标的距离和大气条件。然而，发生距离走动是因为基于探测返回脉冲的上升沿或下降沿脉冲来确定到目标的距离会使距离测量取决于接收到的脉冲强度，这导致了距离探测误差。
图15描绘了用于示出距离走动现象的曲线图。特别地，图15描绘了示出两个探测到的脉冲652和654的曲线图650，这两个脉冲从相同距离但具有不同反射率的目标反射。脉冲652(用实线示出)是从具有高反射率的目标反射特定发射脉冲产生的结果，而脉冲654(用虚线示出)是从相同距离但具有较低反射率的目标反射相同的发射脉冲产生的结果。图15中的水平线示出了脉冲652和654通过特定探测阈值TD的时间点(针对脉冲652和654的上升沿和下降沿)。在这里，探测阈值TD选择在返回脉冲的最大值和系统的零或噪声水平之间。如图15示出，探测到的脉冲652和654到达阈值TD的实际时间不同，因为低强度脉冲654具有较低的最大振幅，导致该脉冲在时间上比脉冲652晚到达探测阈值TD。然而，当基于探测到的脉冲的上升沿或下降沿达到探测阈值TD的时间来执行距离探测时，对于两个脉冲652和654，计算出的到目标的距离将略有不同，特别是，将基于脉冲652和654达到阈值TD的时间之间的时间差tRW导致距离差。事实上，所探测到的到目标的距离将因光在时间tRW期间传播的距离而不同。同样地，如果距离探测从652和654的下降沿被切断，则会发生类似的距离走动探测误差。
类似于或基于图13的系统的探测系统可以被配置为校正或消除距离走动误差或现象。特别地，在这种情况下，当接收到的光脉冲的包络通过特定的探测(振幅)阈值T时，探测器系统被配置为探测接收到的光脉冲的上升沿和下降沿。然后，探测器系统内的探测电路系统将接收到的光脉冲的中心确定为接收到的光脉冲的探测到的上升沿和下降沿之间在时间上等距的点，其中，假设所计算的探测脉冲的中心时间与脉冲的峰值相关。然后，系统的距离探测器使用与接收到的光脉冲的中心相关联的时间来确定到目标(从该目标接收到反射光脉冲)的距离，并补偿距离走动，因为接收到脉冲的中间值或最大值的时间一般不受目标反射率的影响。因此，该系统补偿了距离走动现象，距离走动现象由于以下事实而出现：接收反射光脉冲的上升沿和下降沿的探测时间都取决于反射光脉冲的总振幅，而反射光脉冲的总振幅又取决于目标的反射率，从而导致在同一距离具有不同反射率的目标似乎在稍微不同的距离。然而，由于这种新系统基于接收到的脉冲的中心的接收时间来确定距离，而接收到的脉冲的中心的接收时间不取决于目标的反射率，因此这种新系统不会有太多的(如果有的话)距离走动。
作为一个示例，图16的探测器系统670可以用于在不依赖目标反射率来确定到目标的精确距离方面补偿或消除距离走动问题。特别地，图16的探测器系统670包括探测器602(其可以是图13的探测器602)、两个并联连接的振幅探测电路608(具有比较器610和TDC612，如图16所示)、中心探测器(或处理器)674和距离探测器(或处理器)676。事实上，图16的系统670可以使用图13所示和描述的探测器系统的振幅探测电路608的子集。在这种情况下，比较器610中的每一个接收共同的或相同的阈值T，但是比较器中的第一比较器(610A)是上升沿比较器，其探测所探测到的光脉冲的振幅何时在上升方向通过阈值T，以及比较器中的第二比较器(610B)是下降沿比较器，其探测所探测到的光脉冲的振幅何时在下降方向通过阈值T。应该理解的是，TDC 612根据图13描述的方式确定在脉冲的上升沿和下降沿期间接收到的脉冲穿过或通过相同探测阈值T的时间(相对于时间t0)，并且TDC 612将这些时间输出到中心探测器674。中心探测器674接收这两个探测时间作为接收到的脉冲的上升沿和下降沿探测时间，并且基于这些值计算或确定脉冲中心被接收的时间。例如，中心探测器674可以将与接收到的脉冲的中心的接收相关联的时间(时间tc)确定为TDC 612输出的阈值T探测时间之间的等距时间。然后，中心探测器674输出指示中心时间tc的信号，并将该信号提供给距离探测器676，距离探测器676基于与接收到的脉冲的中心相关联的时间，确定到目标的距离。接收到的脉冲的中心通常与接收到的脉冲的最大振幅或强度匹配，以及使用此中心时间(tc)对目标执行距离探测将使相对于具有不同反射率的目标的距离测定标准化，从而使从相同距离但具有不同反射率的目标反射的脉冲将被探测为彼此处于相同距离。因此，该系统提供了一致的距离探测，而不存在距离走动问题，即探测距离不受目标反射率的影响或不基于目标反射率。
当然，虽然图16的系统可以在简单的情况下用于基于两个并联连接的振幅探测电路608(即，两个TDC 612)来确定脉冲的中心，但是其他并且更复杂的探测器系统(例如图13的探测器系统)，可以用于确定接收到的脉冲的中心。即，图13的包络探测器614可以基于两个以上TDC 612的输出、基于与最大探测阈值相关联的一个或多个TDC 612的输出、基于(根据脉冲重建或探测到的包络确定的)接收脉冲的探测或估计的接收中心(例如使用曲线拟合例程来确定接收到的脉冲的中心)等探测或确定接收脉冲的中心。
扫描激光雷达系统中常见的另一个问题是距离模糊问题。通常，扫描激光雷达系统通过访问与扫描相关联的预定视场或观测场(例如，水平和/或垂直观测场)内的多个扫描点或扫描位置来执行(一组连续扫描中的)每一次扫描。在这种情况下，激光雷达系统针对特定扫描在每个扫描位置花费有限的时间(本文称为扫描位置时间)，并且当激光雷达系统已经扫描过观测场中的每个扫描位置时，激光雷达系统执行新的扫描(通过在新的扫描过程中，重新访问观测场中的每个扫描位置)。此外，在每个扫描位置，即在扫描位置的特定扫描位置时间内，扫描激光雷达系统通常将激光雷达系统的发射器指向与扫描位置相关联的特定方向(其可以由一组二维矢量坐标限定)，沿特定方向发送发射脉冲，接收来自特定方向的反射脉冲(如果有的话)，并对扫描位置的反射脉冲(如果有)执行距离探测。从接收器的角度来看，发射光脉冲的最后一个扫描位置被称为“当前扫描位置”。然后，激光雷达系统移动到下一个扫描位置并重复此过程，直到扫描中已访问了所有扫描位置。
因此，通常假设扫描激光雷达系统具有最大探测距离，该最大探测距离被确定为目标可以距发射器的最大距离，该最大距离使得发射的脉冲可以针对特定扫描位置行进到发射器的观测场内的目标，从目标反射，以及返回到探测器，而同时在同一个扫描位置时间内，探测器仍然指向发射脉冲的方向。然而，当发射器在先前扫描位置(即，非当前扫描位置的扫描位置)发射的脉冲从位于假设的最大探测距离之外的高度协作目标反射以及在当前扫描位置时间内(其中探测系统仅期望在当前扫描位置时间内发射的脉冲反射)返回到探测器并被探测器探测到时，可能发生距离模糊。例如由于当发射器定向为在先前扫描期间的相同扫描位置发射时由发射器发送脉冲，或者由于当发射器定向为在当前扫描期间的不同扫描位置发射时由发射器发送发射脉冲，例如在当前扫描的前一扫描位置(例如紧挨着的先前扫描位置)发送的脉冲，可能发生从位于比系统最大距离更大的距离处的目标进行反射。在这两种情况下，由于先前发射的脉冲引起的反射在探测器处被探测到，并且对探测系统而言看似是从目标反射的脉冲(由于在当前扫描的当前扫描位置时间期间(当前扫描位置)发送的发射脉冲)，接收器将其解析为在系统的最大探测距离内。例如，在典型系统中，如果系统的最大距离是200米，并且先前发射的脉冲(来自先前扫描位置)从位于250米位置的反射目标散射，那么来自先前脉冲的反射可以被误认为是来自位于50米位置处的目标的当前脉冲的反射。
这种现象导致距离模糊，因为接收器无法确定探测到的脉冲是与当前扫描位置相关联的发射脉冲的反射或散射的结果(在这种情况下，探测到的目标在最大探测距离内)，还是与当前扫描或甚至先前扫描的先前扫描位置相关联的发射脉冲的反射结果(在这种情况下，探测到的目标超出了最大距离)。
为了补偿和潜在地消除距离模糊，激光雷达系统包括：发射器，该发射器对具有不同脉冲特性的连续或不同发射脉冲进行编码；以及接收器，该接收器探测每个接收(反射)脉冲的脉冲特性，以至少在某种程度上能够区分反射脉冲是与在当前扫描位置时间内发送的当前扫描位置的发射脉冲相关联，还是与先前扫描位置时间甚至先前扫描的发射脉冲相关联。因此，该激光雷达系统使用脉冲编码来区分在不同扫描位置时间或不同扫描位置发送的发射脉冲的反射，以使在先前扫描位置时间内或先前扫描位置期间发射的脉冲从目标的反射或散射不会与在当前扫描位置时间内或在当前扫描位置期间发送的发射脉冲从目标的反射或散射相混淆。更特别地，新的激光雷达系统通过对连续或不同扫描位置和/或扫描(扫描周期)的脉冲进行编码，使其具有不同的脉冲特性，例如不同的脉冲宽度或不同的脉冲包络形状(例如单峰脉冲或双峰脉冲)，或不同波长，或任何其他可探测的脉冲特性，来解决距离模糊问题。接收器包括：脉冲解码器，配置为探测接收到的脉冲的相关脉冲特性；以及解析器，该解析器确定接收到的脉冲的脉冲特性是否与当前扫描位置(或扫描位置时间)或扫描周期或先前扫描位置(或扫描位置时间)或扫描周期的发射脉冲特性相匹配。然后，接收器可以忽略探测到的具有先前扫描位置或扫描周期的脉冲特性的脉冲，从而减少由于高度协作的目标超出系统的最大探测距离而引起的距离模糊。在这种或其他情况下，解析器可以将接收到的光脉冲与发送或发射具有相同编码的光脉冲的扫描位置(例如限定为在二维或三维坐标系中的一组矢量坐标)相关联，以及因此解析器可以基于探测到的光脉冲的脉冲特性值来确定与探测到的光脉冲相关联的发射光脉冲的扫描位置的一组矢量坐标。
在一种情况下，脉冲解码器可以使用多个时间-数字转换器(TDC)来探测每个接收到的脉冲的脉冲特性。此外，脉冲编码器可以是外部光学调制器，或者脉冲编码器可以包含在光源(例如，能够产生各种脉冲模式的电流调制的种子二极管激光器)中，随后是光学放大器。该系统还可以例如通过使脉冲在两个波长之间交替来用不同的波长对脉冲进行编码。在这种情况下，接收器可以包括二向色滤光片(其分离两个波长)和两个APD，单独的APD配置为探测不同波长。
图17示出了具有发射器和接收器/探测器的示例激光雷达系统700，该发射器具有脉冲编码器，该接收器/探测器具有脉冲解码器，脉冲解码器可用于向从发射器发送的脉冲提供脉冲编码，以及对接收到的脉冲进行解码以区分基于不同扫描或同一扫描的不同扫描位置时间段的不同发射脉冲的反射。特别地，图17包括的光源701，光源701连接到脉冲编码器702，该脉冲编码器702以某种方式对光源701产生的脉冲进行编码。然后，编码的光脉冲被提供给扫描发射器系统704，扫描发射器系统704在每次扫描的每个特定扫描位置时间(与每个扫描位置相关联)期间发射一个或多个编码的光脉冲。系统700还包括控制器706，控制器706可以控制脉冲编码器702在不同时间对光源701提供的各种不同脉冲进行编码，以使在不同扫描位置时间发送的发射脉冲彼此不同。因此，脉冲编码器702包括将脉冲编码为具有至少两个不同脉冲特性中的一个或具有同一特性的不同值的能力。例如，脉冲编码器702可以对不同的脉冲进行编码以具有不同的脉冲宽度、脉冲形状(例如，单峰脉冲或双峰脉冲)、波长等。作为一些附加示例，脉冲编码器702可以改变脉冲的上升时间和/或下降时间、可以将各种不同的频率分量插入不同的脉冲中、可以编码具有不同频率啁啾的脉冲、可以调制具有更高频率分量的一个或多个脉冲、可以改变脉冲的偏振状态、可以移动不同脉冲的中心拍频、可以使用不同的脉冲串(burst trains)产生脉冲等。脉冲编码器702可以使用两种或更多种不同的脉冲特性中的任何一种对发射脉冲进行编码，并且可以以任何期望的方式交错编码以减少或消除距离模糊。例如，脉冲编码器702可以用相同脉冲特性对特定扫描的所有脉冲进行编码，但是用不同的脉冲特性对连续扫描的发射脉冲进行编码，脉冲编码器702(响应于来自脉冲编码控制器706的信号)可以用不同的脉冲特性对连续扫描位置时间或扫描位置的发射脉冲进行编码，或者脉冲编码器702可以执行这些或其他脉冲编码交换技术的任何组合。如上所述，脉冲编码器702可以是外部光学调制器，或者脉冲编码器702可以包含在光源701(例如，能够产生各种脉冲模式的电流调制的种子二极管激光器)中，随后是光放大器。脉冲编码器702也可以或者替代地例如通过使脉冲在两个或更多个波长之间交替来用不同的波长对脉冲进行编码。在这种情况下，接收器可以包括二向色滤光片(其分离两个波长)和两个APD，单独的APD配置为探测不同波长。在另一种情况下，可以控制光源在两个不同的脉冲特性(例如，两个不同的脉冲宽度，或波长，或单峰脉冲与双峰脉冲交替等)之间交替。在这种情况下，偶数脉冲具有一种特性，奇数脉冲具有不同特性。当然，如果期望，光源可以在两个、三个或任何其他数量的特性之间交替。
在图17的系统700的一个示例中，发射器可以通过在不同扫描位置、扫描位置时间或扫描处产生单峰脉冲和双峰脉冲来对脉冲进行编码。然后，发射脉冲从扫描器704发送并从目标708反射，且由探测器710探测，探测器710向脉冲解码器712提供指示探测到的光脉冲的信号。在一个示例中，解码器712可以使用图13的并联振幅探测电路608(即比较器610和TDC 612)和包络探测电路614对接收到的一个或多个脉冲执行包络探测，以探测脉冲的包络特性(当使用脉冲包络操作执行脉冲编码时)。在任何情况下，脉冲解码器712可以探测接收到的脉冲的相关脉冲特性，并将探测到的脉冲的探测到的脉冲特性提供给扫描解析器714。
扫描解析器714在某种程度上解析扫描和/或扫描内的扫描位置，在该扫描中，导致了反射和接收的脉冲的发射脉冲从发射器发出，以解析接收到的脉冲是与当前扫描内的当前扫描位置相关联，还是来自不同的扫描位置或扫描。在简单情况下，扫描解析器714可以简单地确定接收到的脉冲的脉冲特性是否与当前扫描位置或扫描位置时间的发射脉冲(即，针对当前扫描的当前扫描位置发送的发射脉冲)特性相匹配，并且如果接收到的脉冲的特性与当前扫描位置时间的发射脉冲的脉冲特性相匹配，则可以允许距离探测器716基于该脉冲进行距离探测。另一方面，当接收到的脉冲的特性与当前扫描位置时间的发射脉冲的脉冲特性不匹配时，扫描解析器714可以防止系统或距离探测器716使用探测到的脉冲进行目标和/或距离探测。在更复杂的系统中，扫描解析器714可以通过基于接收到的脉冲的特性解析与接收到的脉冲相关联的扫描位置时间和/或扫描，并且使距离探测器716能够基于该扫描位置时间的发射时间而非当前扫描位置时间的发射时间执行距离探测来使目标和/或距离探测超出系统的标准最大距离。根据实施例和期望的复杂程度，扫描解析器714可以实施为ASIC或可由控制器(例如，诸如控制器706)执行的指令。
在另一个系统中，图13的电路系统可以用于提供主动短波红外(SWIR)相机系统，该相机系统用于在二维观测场中每个点确定四维图像。特别地，该相机系统包括：发射器，在二维观测场中特定位置或坐标发射光脉冲(优选地在短波红外光谱)；以及探测器，探测从与该特定位置一致的观测场中的从目标反射的返回脉冲。该相机系统包括：距离测定单元，基于返回脉冲的定时，确定到特定位置的目标的距离(或感知距离)；以及强度测量单元，确定返回脉冲的振幅或强度，这些信息提供在观测场中特定点的目标的相对反射率或绝对反射率(在某些情况下)的指示。因此，相机系统探测二维观测场中每个像素的四个分量，包括在二维成像平面中的x位置和y位置、指示到x和y位置的目标的感知距离或距离的z位置、以及在x、y和z位置的目标的强度或反射率。
在一个示例中，距离测定单元和强度测量单元可以使用多个振幅探测电路(包括比较器和TDC，如图13所示)和包络探测器(如图13的包络探测器614)来确定返回脉冲的包络，该包络转而可以被处理以确定到目标的高精确距离以及返回脉冲的强度分布。在这种情况下，返回脉冲的强度分布可以用于表征脉冲，并基于校准信息(例如，存储的测试测量值、已知的物理或数学原理、查找表、曲线拟合参数等等)确定目标的绝对反射率或相对反射率。距离测定单元可以包括距离探测器或测距器616、676、716或816，以及强度测量单元可以包括强度探测器818，如下所述。通常，距离测定单元和强度测量单元可以在硬件(例如ASIC)或在固件/软件中实施，作为存储在持久性或易失性内存中并可由处理单元(如控制器150或306)执行的指令集。
图18描绘了基于激光雷达的示例相机系统800，该相机系统在很大程度上可以基于图13的配置。特别地，系统800包括：发射器(未示出)；以及具有探测器802(其可以是图13的探测器或APD 602)的接收器；一组具有放大器(未示出)、比较器810和TDC 812的并联振幅探测器808；以及包络探测电路814。这些组件可以以上文关于图13-15描述的任何方式操作。然而，在这种情况下，可将包络探测器814的一个或多个输出提供给距离探测器816(也称为测距器)和强度探测器818，距离探测器816的操作可以与图13的距离探测器616或图15的距离探测器676相同或类似。包络探测器814和距离探测器816可以以与上文描述的方式相同的方式操作，以产生或探测返回脉冲的包络，并基于所确定的包络或包络中的点找到到目标的距离。在一种情况下，包络探测器816可以提供与收到的探测到的脉冲的中心(时间tc)相关联的时间来执行距离探测。
如图18所示，然后，系统可以将对象的三维位置(在点云中)，确定为与当前发射脉冲相关联的观测场中的x位置和y位置，以及z位置(由距离探测器816输出)，z位置为到目标的距离。定义二维观测场中的点的x坐标和y坐标的x位置和y位置可以由发射器或扫描控制器(图18中未示出)提供。然而，在图18中示出的来自探测器的这些值是基于探测器的二维位置。重要的是，强度探测器818可以基于反射脉冲的最大振幅、基于探测到的脉冲的宽度(与发射脉冲的宽度相比)、脉冲的总功率或能量、或其一些组合来确定返回脉冲的强度。因此，可以根据包络探测器814产生的包络的特性来确定反射脉冲的强度。
如前面所讨论的，反射脉冲的最大强度取决于目标的反射率。因此，强度探测器818可以使用反射脉冲的确定强度来确定目标的反射率。在一个示例中，强度探测器818可以基于经验计算(即，使用已知的物理或数学原理)来确定目标的反射率。特别地，探测器818知道或可以接收发射脉冲的强度指示(例如，发射脉冲的宽度、发射脉冲的最大振幅等)，或者可以接收当脉冲从发射器发出时所测量的发射脉冲的强度的测量值。探测器818还从距离探测器或测距器816接收到探测到的目标的确定距离，并使用这些值，使用已知的光传播模型计算在该距离内全反射目标的预期反射率(例如，R＝1.0或R＝100)，所述已知模型定义了光在该距离内传播往返于目标时的强度降低。这些模型可以解释光在特定介质(例如空气)、真空等中的传播。然后，探测器818可以将探测到的光脉冲的探测强度与(完全反射目标的)预期最大强度进行比较，以确定目标的反射率。另一方面，探测器818可以基于发射的或射出的光脉冲的强度简单地计算目标的反射率，该反射率将提供从确定距离的目标反射的反射光脉冲的测量强度。在另一示例中，强度探测器818可以存储校准信息，例如，查找表820，该查找表820针对在已知测试条件下(例如，使用具有已知的和/或与相机发射器相同的功率或能量并在已知的大气条件下发射的发射脉冲)确定的各种距离的目标，存储目标反射率值。此外，针对每个目标反射率，查找表820可以存储在已知条件下发射脉冲时已知的或测量的反射脉冲强度值或其他反射脉冲特性(针对具有已知反射率的目标)。然后，强度探测器818可以将由距离探测器816确定的距离内接收到的脉冲的确定强度特性与查找表820中存储目标的存储强度特性进行比较，以确定目标的绝对反射率。替代地或除了除查找表820之外，强度探测器818也可以存储包括曲线拟合参数的校准信息，曲线拟合参数定义一条或多条曲线或方程，这些曲线或方程指示在已知测试条件下确定的反射率值与距离的关系。在另一种情况下，强度探测器818可以基于从相同距离(甚至不同距离)的不同目标接收的脉冲来确定目标的相对反射率，而无需使用如上文所描述的反射率计算器或查找表。在某些情况下，强度探测器818可以将接收到的反射脉冲的最大振幅或脉冲宽度与已知的发射脉冲的强度特性进行比较，以确定反射脉冲的强度与发射脉冲的强度的比值。这一比值也可以或替代地用于经由查找表或根据经验确定目标的反射率。
因此，图18的系统可以针对二维观测场中的每个点产生四个值，包括该点的x位置和y位置、在该点处的目标的距离以及针对该点的强度或反射率指示。
在某些情况下，激光雷达系统可以接收来自外部光源的光，并且可以确定目标的反射率大于100％。激光雷达系统可以将从外部光源接收到的光归因于来自激光雷达系统发射的脉冲的散射光，以及因此，可能会异常地赋予目标超过100％的反射率值。作为一个示例，激光雷达系统的探测器部件可以探测太阳光、来自另一个激光雷达系统的光、来自街灯或运载工具前照灯的光、来自发光二极管(LED)或激光器的光，或者激光雷达系统外部的任何其他合适的光源。从外部光源接收到的光可能是偶然或无意发生的，或者接收到的光可能与使用外部光源“干扰”或“遮蔽”激光雷达系统而有意破坏激激光雷达系统的操作有关。如果确定的目标反射率大于100％，则激光雷达系统可能会忽略此反射率值，并可能将异常反射率值归因于存在来自外部光源的光。此外，如果确定了多个异常反射率值，则激光雷达系统可能会将此归因于有意干扰激光雷达系统。
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 (36)

1.一种系统，包括：
发射器，包括光源、脉冲编码器和控制器，所述光源配置成发射光脉冲，所述脉冲编码器配置成用一个或多个脉冲特性编码所述光源的光脉冲，以及所述控制器配置成使所述编码器用所述一个或多个脉冲特性的至少一个不同的脉冲特性值编码不同扫描位置时间的光脉冲以产生编码光脉冲；
扫描器，配置成扫描二维观测场内的多个扫描位置，每个扫描位置由不同的矢量坐标组限定，并且在每个所述扫描位置处向远程目标发射一个或多个编码光脉冲；以及
接收器，配置成探测由所述远程目标散射的光脉冲，所述接收器包括光探测器部件、脉冲解码器和解析器，其中所述脉冲解码器确定探测到的光脉冲的脉冲特性值，并且所述解析器基于所述探测到的光脉冲的所述脉冲特性值来确定与所述探测到的光脉冲相关联的发射光脉冲的扫描位置的一组矢量坐标。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个不同的脉冲特性值包括不同的波长值。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述接收器还包括二向色滤光片，并且所述光探测器部件包括第一光电二极管和第二光电二极管，并且其中如果所述散射光脉冲具有第一波长，则所述二向色滤光片将所述散射光脉冲引导向所述第一光电二极管，并且如果所述散射光脉冲具有第二波长，则将所述散射光脉冲引导向所述第二光电二极管。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个不同的脉冲特性值包括不同的脉冲宽度值。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个不同的脉冲特性值包括不同的脉冲形状。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器还包括多个振幅探测器，以及其中；
所述多个振幅探测器中的每一个包括比较器和时间数字转换器，所述时间数字转换器耦合到所述比较器，用以产生在所述光脉冲中的一个被发射时与所述散射光脉冲被探测时之间的时延的表示。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述脉冲解码器基于由所述多个振幅探测器确定的所述时延来确定所述探测到的光脉冲的所述脉冲特性值。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述接收器还包括耦合到所述多个振幅探测器的包络探测器，以及其中；
所述包络探测器基于由所述多个振幅探测器确定的所述时延来确定所述探测到的光脉冲的振幅包络，以及
所述脉冲解码器使用由所述包络探测器确定的所述振幅包络来确定所述探测到的光脉冲的所述脉冲特性值。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器还包括多个振幅探测器，并且其中所述振幅探测器中的每一个包括模拟数字转换器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉冲编码器包括所述光源外部的光学调制器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源和所述脉冲编码器集成在一起作为一个公共单元。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述光源和所述脉冲编码器包括脉冲编码光源。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述脉冲编码光源包括电流调制的种子二极管激光器。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述扫描器还包括距离探测器，以及其中
当与所述探测到的光脉冲相关联的所述扫描位置与当前扫描位置的编码光脉冲的脉冲特性值匹配时，所述解析器允许所述距离探测器使用所述探测到的光脉冲来对所述当前扫描位置进行距离探测。
15.根据权利要求14所述的系统，其中当与所述探测到的光脉冲相关联的所述扫描位置与除所述当前扫描位置之外的扫描位置的编码光脉冲的脉冲特性值匹配时，所述解析器允许所述距离探测器使用所述探测到的脉冲来对除所述当前扫描位置之外的扫描位置进行距离探测。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源是激光器。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括激光二极管。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括光电二极管。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述光探测器部件包括雪崩光电二极管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述光探测器部件包括单光子雪崩光电二极管。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源、扫描器和接收器一起封装在单个罩壳内，并且其中所述单个罩壳包括具有外表面和内表面的窗口。
22.根据权利要求21所述的系统，其中在所述窗口的所述内表面和所述外表面中的至少一个上包括介电涂层。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述介电涂层在所述光源的工作波长下具有防反射性。
24.一种用于发射和接收光脉冲的方法，所述方法包括：
在二维观测场内的多个扫描位置中的每一个位置发射一个或多个光脉冲，每个所述扫描位置由不同的矢量坐标组限定；
用至少一个不同的脉冲特性值编码不同扫描位置的光脉冲；
接收由远程目标散射的光脉冲；
探测散射的光脉冲；
识别探测到的光脉冲的脉冲特性值；
根据所述探测到的光脉冲的所述脉冲特性值确定与所述探测到的光脉冲相关联的发射光脉冲的所述扫描位置的一组矢量坐标。
25.根据权利要求24所述的方法，其中用所述至少一个不同的脉冲特性值编码不同扫描位置的光脉冲包括用不同的脉冲宽度值编码光脉冲。
26.根据权利要求24所述的方法，其中用所述至少一个不同的脉冲特性值编码不同扫描位置的光脉冲包括用不同的脉冲形状编码光脉冲。
27.根据权利要求24所述的方法，其中识别所述探测到的光脉冲的所述脉冲特性值包括确定所述探测到的光脉冲在沿着所述探测到的光脉冲的多个位置处的振幅，并产生所述探测到的光脉冲的振幅包络。
28.根据权利要求24所述的方法，其中用所述至少一个不同的脉冲特性值编码不同扫描位置的光脉冲包括用不同的波长值编码光脉冲。
29.根据权利要求28所述的方法，其中接收由所述远程目标散射的光脉冲还包括使用二向色滤光片分离不同波长的散射光脉冲。
30.根据权利要求24所述的方法，还包括基于与所述探测到的光脉冲相关联的所述发射光脉冲的所述扫描位置来计算到所述远程目标的距离。
31.根据权利要求30所述的方法，其中基于与所述探测到的光脉冲相关联的所述扫描位置计算到所述远程目标的距离包括确定与所述探测到的光脉冲的中心相关联的时间。
32.一种距离探测系统，包括：
光源，能够发射光脉冲；
控制器，配置成引导脉冲编码器用第一组脉冲特性值编码第一发射光脉冲，以及用第二组脉冲特性值编码第二发射光脉冲，其中第一组和第二组脉冲特性值不同；
扫描器，配置成在二维观测场内的第一扫描位置引导所述第一发射光脉冲，并且在所述二维观测内的第二扫描位置引导所述第二发射光脉冲，每个扫描位置由不同的矢量坐标组限定；
探测器，配置成探测由远程目标散射的光脉冲，并产生指示散射光脉冲的电信号；
脉冲解码器，耦合到所述探测器，所述探测器使用所述电信号探测所述散射光脉冲的一个或多个脉冲特性值；
解析器，确定探测到的一个或多个脉冲特性值是与所述第一发射脉冲的所述第一组脉冲特性值匹配还是与所述第二发射脉冲的所述第二组脉冲特性值匹配，以及
距离探测器，如果所述探测到的脉冲特性值与所述第一组脉冲特性值匹配，则基于所述第一发射光脉冲计算到所述远程目标的距离，或者如果所述探测到的脉冲特性值与所述第二组脉冲特性值匹配，则基于所述第二发射光脉冲计算到所述远程目标的距离。
33.根据权利要求32所述的距离探测系统，还包括中心探测器，配置成确定与所述探测到的光脉冲的中心相关联的时间，并且其中所述距离探测器在计算到所述远程目标的所述距离时使用与所述探测到的光脉冲的所述中心相关联的所述时间。
34.根据权利要求32所述的距离探测系统，其中所述第一组脉冲特性值和所述第二组脉冲特性值指示不同的脉冲形状。
35.根据权利要求32所述的距离探测系统，其中所述第一组脉冲特性值和所述第二组脉冲特性值指示不同的脉冲宽度。
36.根据权利要求32所述的距离探测系统，其中所述第一组脉冲特性值和所述第二组脉冲特性值指示不同的波长。
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