CN111095018A - 固态光探测和测距(lidar)系统、用于提高固态光探测和测距(lidar)分辨率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器系统(110、210)可以包括具有多个单元的探测器(102、204、1502)，其中，探测器(102、204、1502)被配置为在第一配置中基于从一个或多个对象(103)上的第一多个点反射回来的光束的接收到的光子能量来产生第一组电信号。另外，探测器(102、204、1502)被配置为在第二配置中基于从一个或多个对象(103)上的第二多个点反射回来的光束的被接收到的光子能量产生第二组电信号，其中，第一配置和第二配置配置具有预定的相关性。此外，探测器(102、204、1502)可以基于第一组电信号和第二组电信号确定到一个或多个对象(103)上的第一多个点和第二多个点中的每一者的距离。

Description

固态光探测和测距(LIDAR)系统、用于提高固态光探测和测距 (LIDAR)分辨率的系统和方法
技术领域
所公开的实施例总体上涉及感测，并且更具体地但非排他性地涉及光学感测。
背景技术
传感器对于例如通过可移动的或静止的对象执行各种类型的操作而言是重要的。特别地，诸如机器人、有人驾驶载具和无人驾驶载具的可移动对象可以利用不同的传感器来感测周围环境。例如，可移动对象需要知道周围的情况，以便在未知环境中执行路径规划、障碍物检测和规避。这是本发明的实施例意图涉及的一般领域。
发明内容
本文描述的是提供用于执行光学探测和测距的技术方案的系统和方法。传感器系统可以包括被配置为发射光束的光源。此外，传感器系统包括一个或多个光学元件，其被配置为使发射光束均匀化，所述发射光束被引导到所述传感器系统的视场(FOV)。另外，所述传感器系统包括具有多个光电探测装置的探测器，其中，所述多个光电探测装置中的每个光电探测装置都被配置为接收从所述传感器系统的FOV中的一个或多个对象反射回来的所述光束的光子能量的至少一部分，并基于接收到的光子能量产生至少一个电信号。
本文还描述了提供用于执行光学探测和测距的技术方案的系统和方法。传感器系统可以包括具有多个单元的探测器，其中，所述探测器被配置为在第一配置中基于从一个或多个对象上的第一多个点反射回来的光束的接收到的光子能量来产生第一组电信号。另外，所述探测器被配置为在第二配置中基于从一个或多个对象上的第二多个点反射回来的光束的被接收到的光子能量产生第二组电信号，其中，所述第一配置和所述第二配置配置具有预定的相关性。此外，所述探测器可以基于所述第一组电信号和所述第二组电信号确定到所述一个或多个对象上的第一多个点和第二多个点中的每一者的距离。
附图说明
图1示出了根据本发明的各种实施例的示例性光探测和测距(LIDAR)感测系统的示意图。
图2示出了根据本发明的各种实施例的示例性固态LIDAR传感器系统的示意图。
图3示出了根据本发明的各种实施例的视场(FOV)照射的示例性图示。
图4示出了根据本发明的各种实施例的示例性FOV照射方案的图示。
图5示出了根据本发明的各种实施例的替代性示例性FOV照射方案的图示。
图6示出了根据本发明的各种实施例的使用全息滤波器进行FOV照射的图示。
图7示出了根据本发明的各种实施例的示例性FOV照射系统。
图8示出了根据本发明的各种实施例的具有全息滤波器的示例性FOV照射方案。
图9示出了根据本发明的各种实施例的LIDAR传感器系统中的光学探测的示例性图示。
图10示出了根据本发明的各种实施例的具有光电探测装置阵列的探测器的示例性图示。
图11示出了根据本发明的各种实施例的使用LIDAR传感器系统感测周围环境的流程图。
图12示出了根据本发明的各种实施例的像素移位方案的示例性图示。
图13示出了根据本发明的各种实施例的来自应用像素移位方案的示例性结果数据帧。
图14示出了根据本发明的各种实施例的替代性像素移位方案的示例性图示。
图15示出了根据本发明的各种实施例的在像素移位方案中使用平板透镜的示例性图示。
图16示出了根据本发明的各种实施例的由旋转平板透镜引起的像素移位效应的示例性图示。
图17示出了根据本发明的各种实施例的支持LIDAR传感器系统中的像素移位的流程图。
具体实施方式
在附图中以示例性而非限制性的方式示出了本发明，其中，相同的附图标记表示相似的元件。应当注意，在本发明中对“一”或“一个”或“一些”实施例的引用不一定是指同一个实施例，并且这样的引用意味着至少一个实施例。
在以下对本发明的描述中，使用光探测和测距(LIDAR)传感器系统作为光学感测系统的示例。对于本领域的技术人员而言将明显的是，可以使用其他类型的光学感测系统而没有限制。
根据各种实施例，可以提供用于执行光学探测和测距的技术方案。一种传感器系统可以包括被配置为发射光束的光源。此外，传感器系统包括使发射光束均匀化的一个或多个光学元件，该发射光束被引导朝向传感器系统的视场(FOV)。另外，传感器系统包括具有多个光电探测装置的探测器，其中，多个光电探测装置中的每个光电探测装置都被配置为接收从传感器系统的FOV中的一个或多个对象反射回来的光束的光子能量的至少一部分，并基于接收到的光子能量产生至少一个电信号。
根据各种实施例，可以提供用于执行光学探测和测距的技术方案。一种传感器系统可以包括具有多个单元的探测器，其中，探测器被配置为在第一配置中基于从一个或多个对象上的第一多个点反射回来的光束的接收到的光子能量来产生第一组电信号。另外，探测器被配置为在第二配置中基于从一个或多个对象上的第二多个点反射回来的光束的接收到的光子能量来产生第二组电信号，其中，第一配置和第二配置配置具有预定的相关性。此外，探测器可以基于第一组电信号和第二组电信号确定到一个或多个对象上的第一多个点和第二多个点中的每一者的距离。
图1示出了根据本发明的各种实施例的示例性LIDAR感测系统的示意图100。如图1所示，传感器系统110可以用于扫描周围环境并检测传感器系统110与传感器系统110的视场(FOV)内的一个或多个对象(例如对象103)之间的距离。
传感器系统110可以包括光源，例如激光发射器101诸如发光二极管(LED)，其可以产生光束诸如激光束。例如，激光束可以是单个激光脉冲或一系列激光脉冲。根据各种实施例，光束可以用于扫描传感器系统110的FOV中的周围环境。例如，光束可以到达对象103并且可以从对象103的表面上的点(或部分)104朝向传感器系统110反射回来。此外，传感器系统110(例如LIDAR传感器系统)可以测量用于光在传感器系统110与点104之间行进的时间，即飞行时间(TOF)，以便检测对象103的距离信息。
另外，存在多种类型的传统LIDAR。除了上述飞行时间(TOF)LIDAR之外，还存在调频连续波(FMCW)LIDAR。TOF LIDAR测量传输的激光脉冲和接收到的激光脉冲的时间，因此通常用于长距离实现。FMCW LIDAR系统可能在需要优异成像的较短距离应用中普遍使用。在FMCW LIDAR系统中，从发射器出来的激光束的频率随时间改变。基于发射激光束中的频率-时间关系，可以根据发射激光束与原始反射激光束之间的频率差来计算往返行程时间，因此可以计算到目标对象的距离。
根据本发明的各种实施例，探测器102可以接收反射光的至少一部分并且可以将接收到的光电能量转换成电信号。例如，探测器105可以利用一个或多个光电装置，诸如一个或多个雪崩光电二极管(APD)装置，它们是高度灵敏的半导体电子装置。APD装置可以通过利用光电流效应将接收到的光电能量转换成电。
根据本发明的各种实施例，测量电路诸如飞行时间(TOF)单元105可以用于测量TOF，以便检测到对象103的距离。例如，TOF单元105可以基于公式t＝2D/c计算距离，其中，D是传感器系统110与对象103之间的距离，c是光速，并且t是光从传感器系统110到对象103再回到传感器系统110的往返旅程所花费的时间。因此，传感器系统110可以基于光源101发射光脉冲111与探测器105接收到返回光束112之间的经过时间(或时间差)来测量到对象103的距离。
在各种实施例中，激光发射器101可以在纳秒(ns)水平发射光。例如，光发射器101可以产生持续时间接近10ns的激光脉冲，并且探测器105可以检测达相似的持续时间的返回信号。此外，接收过程可以例如通过检测测量的电脉冲的上升边缘来确定脉冲接收时间。而且，检测可以利用多阶段扩增过程。因此，传感器系统110可以使用脉冲发射时间信息和脉冲接收时间信息来计算飞行时间(TOF)信息，以便确定距离信息。
图2示出了根据本发明的各种实施例的示例性固态LIDAR传感器系统的示意图200。如图2所示，LIDAR传感器系统210可以包括光源201，例如激光发射器，其可以发射光束，诸如激光束。例如，激光发射器可以产生单个激光脉冲或一系列激光脉冲。
根据各种实施例，光源201可以利用一个或多个激光二极管。例如，光源201可以包括单个激光二极管，诸如高功率LED。替代性地，光源201可以包括激光二极管的多管芯封装(例如在芯片中)以改善光的均匀性。
根据各种实施例，光源201可以利用表面发射装置。例如，光源201可以包括竖向腔表面发射激光器(VCSEL)装置。VCSEL激光器可以有利于改善光的均匀性，因为VCSEL激光器是表面发射激光器，其比传统的边缘发射激光器更容易在晶片级形成激光器阵列。此外，VCSEL激光器可以在性能方面更稳定。例如，VCSEL激光器可以对温度变化较不敏感(例如，VCSEL激光器的波长温度系数可以是一般激光器波长温度系数的1/5或更小)。
此外，光发射器发射光束可以具有针对测距和感测应用而优化的波长。例如，光束的波长可以被配置为避免强太阳光的波长，以便降低噪声。在一个示例中，光束的波长可以被配置为约905nm。在另一示例中，光束的波长可以被配置为约1550nm。
根据各种实施例，激光雷达传感器系统210可以采用一个或多个光学元件202来使从光源201发射的光束扩展，以便为LIDAR传感器系统201实现大视场(FOV)211。如图2所示，扩展的光可以被引导到传感器系统210的FOV 211，在那里可以存在一个或多个对象。随后，光可以从FOV 211中的一个或多个对象朝向传感器系统210反射回来。另外，LIDAR传感器系统201可以采用一个或多个光学元件例如透镜203，以捕获、引导和改善对光电能量的接收。
根据各种实施例，反射光可以由接收装置诸如探测器204接收。如图2所示，探测器204可以包括多个光伏装置(或单元)，诸如雪崩光电二极管(APD)装置阵列，它们是高度敏感的半导体电子装置。在各种实施例中，APD装置阵列可以一维地或多维地对准(例如，以二维矩阵形式)。此外，阵列中的每个单独的APD装置可以通过利用光电流效应将接收到的光电能量单独地转换成电。
因此，传感器系统210(例如LIDAR传感器系统)可以基于测量飞行时间(TOF)(即，光在传感器系统110和每个表面点之间行进的时间)来检测传感器系统210的FOV 211中的一个或多个对象上的各表面点的距离信息。
根据各种实施例，可以在固态激光雷达中使用的传感器系统可以利用具有更高功率和更好效率的激光器。例如，扩展激光束有利于改善安全性，尤其是当使用高功率的激光时，因为扩展的光束的强度可以由于扩展而从原始发射强度显著减小。与传统的机械扫描激光器不同，在激光被扩展以实现大的FOV之后，传感器系统(例如，固态激光雷达中)中的激光强度可能减小。因此，传感器系统例如固态激光雷达中使用的传感器系统的激光源的功率可以远高于传统机械扫描激光雷达中使用的激光源的功率。出于比较的目的，传统机械扫描激光系统倾向于使激光能量更集中，因为传统机械扫描激光器通常被配置为具有更小的角度发射(即，具有更小的FOV)。因此，必须限制机械扫描激光器的激光发射功率以符合各种安全标准，以确保激光强度低于安全规定。
图3示出了根据本发明的各种实施例的视场(FOV)照射的示例性图示300。如图3所示，传感器系统210中的计时器305可以触发光源201发射激光束，该激光束被引导朝向周围环境中的FOV211。例如，计时器305可以是传感器系统210的控制器(未示出)的一部分或者与之相关联。
根据各种实施例，传感器系统210可以利用光学过程，诸如激光束扩展过程(例如，利用激光扩展器202)，以获得具有大FOV 211的均匀的(或均匀分布的)光场。例如，激光束扩展可以基于发射光束的反射和/或透射。此外，可以以单个阶段或多个阶段实现扩束系统。替代性地，传感器系统210可以使用一个或多个反射镜诸如一个或多个角度可调的二维微机电系统(MEMS)微镜，以将发射的激光束反射到周围环境中，以实现大FOV。例如，通过调整MEMS微镜与激光束之间的角度，反射的激光的角度可以随时间改变，并且可以发散成大的二维角度。另外，全息滤波器可以用于产生由许多小激光束组成的大角度激光束。另外，激光二极管阵列可以用于直接产生多个光束而无需使用激光束扩展过程。
根据各种实施例，光可以被引导朝向光束操纵装置(未示出)，这可以引起入射光的偏差。光束操纵装置可以操纵激光以扫描传感器系统110周围的环境。例如，光束操纵装置可以包括各种光学元件，诸如棱镜、反射镜、光栅、光学相控阵(例如液晶控制光栅)或它们的任何组合。而且，这些不同的光学元件中的每个光学元件均可以绕基本上共同的轴线(下文中称为公共轴线而没有不适当的限制)旋转，以便操纵光朝向不同的方向。即，不同的光学元件的旋转轴线之间的角度可以相同或略微不同。例如，不同的光学元件的旋转轴线之间的角度可以在0.01度、0.1度、1度、2度、5度或更多的范围内。
图4示出了根据本发明的各种实施例的示例性FOV照射方案的图示。如图4所示，光源401可以朝向传感器系统400中的均化器402诸如光学扩散器发射光束。光束可以是准直的或不准直的。例如，均化器402可以是可以使准直光束扩散或均匀化的衍射光学元件。衍射光学元件可以将单模或多模激光束变换成具有期望的形状和强度轮廓的明确定义的输出光束。
根据本发明的各种实施例，凸透镜404可以沿光轴布置(即，同轴地布置)以配置传感器系统400的FOV。例如，凸透镜可以布置在沿光轴的位置处，使得均化器402定位在凸透镜404的前焦平面处。此外，传感器系统可以使用孔403来获得良好均匀化的一部分出射光。因此，可以基于孔大小、均化器402的扩散角度和凸透镜404的焦距来确定与传感器系统的视场(FOV)相关的输出光束大小。替代性地，凹透镜可以用于配置传感器系统400的视场。
图5示出了根据本发明的各种实施例的替代性示例性FOV照射方案的图示。如图5所示，光源501可以朝向传感器系统500中的均化器502诸如光学扩散器发射光束。光束例如激光束可以被准直或不被准直。例如，均化器502可以是可以使光束扩散或均匀化的衍射光学元件。例如，衍射光学元件可以将单模或多模激光束变换成具有期望的形状和强度轮廓的明确定义的输出光束。
根据本发明的各种实施例，反射镜504(球面镜、椭圆镜或抛物面镜)可以用于配置传感器系统500的FOV。例如，光源501和均化器502可以布置在反射镜的前面，以实现使光束扩展的镜面反射，这又可以使用其他光学过程进一步进行扩展或操作。
此外，传感器系统500可以使用孔(未示出)来获得良好均匀化的出射光。另外，均化器502可以布置在光源后面，并且可以用于使离开反射镜504的反射光衍射或均匀化。
图6示出了根据本发明的各种实施例的使用全息滤波器进行FOV照射的图示。如图6所示，传感器系统600中的光源601可以发射光束，该光束可以在到达光学扩散器/均化器例如全息滤波器602之前被透镜603准直。
根据本发明的各种实施例，在其透射表面上的每个点处，全息滤波器602可以将光束转换成朝向视场(FOV)的多个光锥(或点)。这些光锥中的每个光锥都可以以比普通光束高的均匀性产生。此外，全息滤波器602可以以不同的全息处方(诸如大小、光密度、波长范围和材料或基质等)进行应用，以用于配置光锥或点的FOV和分布，以便支持各种应用。
图7示出了根据本发明的各种实施例的示例性FOV照射系统。如图7所示，FOV照射系统700可以包括多个阶段，诸如发射阶段701、准直阶段702、扩束阶段703、均匀化阶段704和FOV放大阶段705。
如图7所示，光源诸如激光发射器711可以在发射阶段701产生激光束。例如，激光发射器201可以产生单个激光脉冲或一系列激光脉冲。然后，发射的激光束可以在准直阶段702例如通过透镜712被准直。
根据各种实施例，准直器可以用于准直由点源产生的光。如本领域的技术人员所知，准直光是指具有平行光线的光，当光行进时，该光可能基本上不会散开。例如，透镜可以用于准直光源产生的光。替代性地，反射镜诸如球面镜和/或抛物面镜可以用于准直点源产生的光。例如，代替使用透镜，可以在光源后面放置反射镜，以朝向发射方向以基本上平行的方式反射光线。
此外，如图7所示，扩束阶段703可以用于扩展激光束以实现大的FOV。根据各种实施例，可以采用不同的扩束机构。例如，简单的伽利略扩束器可以包括用于扩束的凹透镜713和用于停止扩束的凸透镜714。另一方面，可以使用包括在光轴上具有共同焦点的两个凸透镜的开普勒扩束器来实现相似的效果。
同样如图7所示，光束均化器710可以用于在光束均匀化阶段704处产生均匀的激光束轮廓。例如，光束均化器710可以将具有高斯能量分布的激光变换为具有平顶强度的均匀化的激光。根据各种实施例，可以采用各种类型的均匀化机构来使光束均匀化。例如，光束均化器710可以是模糊玻璃、衍射光束均化器或微透镜阵列(MLA)。而且，光束均化器710可以包括全息滤波器。
另外，如图7所示，凸透镜715可以用于在FOV放大阶段705处进一步扩展传感器系统的FOV。例如，通过调整凸透镜715的配置，传感器系统可以在较短的检测距离内实现较大的FOV，或者在较长的检测距离处实现较窄的FOV。
根据各种实施例，可以重新排列、修改或绕过各个阶段。此外，可以应用和组合附加阶段而没有限制。如图7所示，扩束阶段703可以被配置在准直阶段702之后，但在均匀化阶段704之前。替代性地，扩束阶段703可以被配置在均匀化阶段704之后。此外，可以修改或删除FOV放大阶段705。
图8示出了根据本发明的各种实施例的具有全息滤波器的示例性FOV照射方案。如图8所示，FOV照射系统800可以包括多个阶段，诸如发射阶段801、准直阶段802、扩束阶段803和均匀化阶段804。根据各种实施例，可以重新排列、修改或绕过。各个阶段此外，可以应用和组合其他阶段而没有限制。
如图8所示，光源诸如激光发射器811可以在发射阶段801处产生激光束。然后，发射的激光束可以在准直阶段802处例如通过透镜812被准直。此外，扩束阶段803可以被配置用于扩展激光束。例如，凹透镜813可以用于扩束，并且凸透镜814可以用于停止扩束并重新准直光束。
根据各种实施例，全息滤波器(或板)810可以用于在有或无扩束阶段803的情况下使光束扩散或均匀化。在透射表面的每个点处，全息滤波器810可以将光束转换成视场(FOV)中的多个光锥(或点)。这些光锥中的每个光锥都可以以比普通光束高的均匀性产生。
如图8所示，在全息滤波器810后面的透镜815可以将从全息滤波器810透射的每组平行光线引导到透镜815的焦平面上的特定点(即，照射平面)。因此，全息滤波器810的透射表面上的不同点处的各种锥体(或点)可以在照射平面处有效地彼此重叠(因为照射平面是远离透镜815的焦距)。另外，可以具有与透镜815相同焦距的另一透镜816可以定位在照射平面处。因此，透镜816可以校正从照射平面离开的远心锥角的发散并产生远心光场805(即，主光线平行于光轴)，这有利于各种光学测距或距离检测应用。
返回参考图2，从光源201发射的光的一部分可以从传感器系统的周围环境中的视场(FOV)211中的一个或多个对象(未示出)反射回来。
图9示出了根据本发明的各种实施例的LIDAR传感器系统中的光学探测的示例性图示900。如图9所示，反射光可以被引导朝向传感器系统中的探测器204(例如接收装置)。例如，取决于反射发生的位置以及光被反射的方向，一个或多个光学元件(例如透镜203)可以用于捕获反射光并将反射光引导朝向探测器204。
根据本发明的各种实施例，探测器204可以包括多个光电探测装置(或单元)，例如APD装置，以将接收到的光电信号转换成电信号。同样如图9所示，反射光可以落入FOV 211的不同部分中，并且每个部分中的反射光可以由对应的光电探测装置接收。每个光电探测装置可以产生一个或多个电信号，该一个或多个电信号指示FOV 211的对应部分中的一个或多个对象点(或部分)的距离信息。此外，传感器系统可以检测到FOV 211中的一个或多个对象的表面上的各个点(或部分)的距离。因此，传感器系统可以构建或提供用于构建具有多个像素的数据帧的信息，多个像素中的每个像素包含FOV 211的对应部分中的一个或多个对象点(或部分)的距离信息。
例如，FOV 211的部分911中的反射光可以由探测器204中的对应光电探测装置912接收。然后，传感器系统可以基于由光电探测装置912产生的一个或多个电信号检测到对象的表面上发生反射的点(部分)的距离。
根据本发明的各种实施例，探测器912的每个单独的光电探测装置(或单元)可以独立地产生电信号。此外，传感器系统可以从计时器905获得与产生的电信号有关的计时信息，该计时器也可以用于触发光束的发射。因此，传感器系统可以通过同时(或基本上同时)扫描传感器系统的FOV中的多个点来实现更高的效率。根据本发明的各种实施例，数据处理器906可以将距离信息转换成点云数据907。因此，传感器系统可以感测周围环境中的各个对象的距离和形状。
例如，数据处理器906可以基于在不同小区处产生电信号的时间点与发射光的时间点之间的时间差(即，用于每个反射点的TOF信息)来获得各个反射点的距离信息。这种距离信息可以用于产生数据帧，该数据帧可以被转换成表示传感器系统的周围环境的点云数据907。
使用如上所述的固态LIDAR系统，传感器系统可以同时或基本上同时扫描视场211中的所有部分。为了比较，机械扫描型激光雷达系统限于逐点扫描方案，这花费相当长的时间来完成视场扫描。因此，固态LIDAR系统的扫描频率可以显著高于机械扫描型激光雷达系统的扫描频率。即，固态LIDAR系统执行周围环境的单次扫描的时间可以显著短于机械扫描型激光雷达系统执行周围环境的单次扫描的时间。
另外，传感器系统可以通过多次扫描相同区域来利用高扫描效率，以便增加信噪比。在回波信号强度低和/或信噪比低的情况下，通过对多个采样结果取平均可以显著改善感测结果的质量。例如，假设单次采样的信噪比为1，则N次采样的信噪比为SNRN Sample＝N1/2，这表明N次采样可以将信噪比增加到原始信噪比的N1/2倍。因此，使用固态LIDAR，传感器系统可以利用高采样频率，这允许传感器系统使用多种采样方法，同时确保对正常应用的最小影响，以提高扫描结果中的信噪比。
图10示出了根据本发明的各种实施例的具有光电探测装置阵列的探测器的示例性图示1000。
图10(a)是探测器1001的截面图，该探测器可以包括光电探测装置1002的阵列。每个光电探测装置1002都可以包括检测单元，例如APD小区。可选地，每个光探测装置1002还可以包括对应于APD小区的读出集成电路(ROIC)。ROIC单元可以用于基于对应的APD小区产生的电信号读出光电探测事件。根据各种实施例，APD小区和ROIC可以集成在同一芯片中。替代性地，ROIC可以在单独的芯片中实现，其可以使用不同的封装技术结合在一起。
根据本发明的各种实施例，微透镜1003可以布置在探测器1001的每个检测单元的顶部上，使得光可以朝向APD小区聚焦，而对相邻小区的反射较少。因此，传感器系统可以减少可能在不同检测小区之间发生的干扰，诸如光学串扰。可选地，各种类型的光学滤波器和抗反射膜1004可以布置在反射镜和APD小区之间。例如，抗反射膜可以具有激光波长的1/4的厚度，以增强光电信号的接收。
此外，图10(b)是探测器1001的平面图，该探测器可以包括光电探测装置1002的阵列。如图10(b)所示，光电探测装置1002可以排列成阵列(例如二维阵列或矩阵形式)。此外，探测器1001可以包括列选择逻辑单元1005和/或行选择逻辑单元1006。例如，列选择逻辑单元1005和/或行选择逻辑单元1006可以将源自列或行中的不同小区的检测事件分别引导到用于评估TOF信息的逻辑单元。因此，列或行中的多个小区可以共享相同的TOF逻辑单元，以提高效率并降低成本。
根据本发明的各种实施例，可以不同地配置探测器1001中的光电探测装置1002的对准。例如，光电探测单元可以布置成圆形或环形或任何特殊的几何形状，以便更好地检测光信号。
图11示出了根据本发明的各种实施例的使用LIDAR传感器系统感测周围环境的流程图。如图11所示，在步骤1101，LIDAR传感器系统可以使用(或配置)一个或多个光学元件以使光束均匀化，其中，光束从光源发射并且被均匀化的光束被引导朝向传感器系统的FOV。在步骤1102，LIDAR传感器系统可以使用(或配置)具有多个光电探测装置的探测器，其中，多个光电探测装置中的每个光电探测装置都被配置为接收从传感器系统的FOV中的一个或多个对象反射回来的光束的光子能量的至少一部分；并基于接收到的光子能量产生至少一个电信号。
根据本发明的各种实施例，传感器系统可以构建具有多个像素的数据帧(或提供用于构建具有多个像素的数据帧的信息)，多个像素中的每个像素包含发生反射(即，在FOV的特定部分中)的表面点(或部分)的距离信息。返回参考图9，传感器系统可以包括具有多个光电探测装置(或单元)，例如APD阵列的探测器204。探测装置中的每个探测装置可以接收从视场(FOV)的特定部分中的一个或多个对象反射回来的光电能量的一部分。而且，每个探测装置可以将从FOV的特定部分接收的光电能量转换成一个或多个电信号。因此，探测器204可以基于由对应的光电探测单元产生的电信号(例如，通过计算FOV的特定部分的TOF信息)来检测FOV的特定部分的距离信息。
如图9所示，光电探测装置912可以接收从FOV 211的部分911反射的光电能量。此外，光电探测装置912可以相应地产生一个或多个电信号。然后，传感器系统可以获得FOV的部分911的距离信息，其可以被表示为数据帧中的像素。
根据本发明的各种实施例，可以基于传感器系统的FOV和像素数(即，探测器204中的光电探测装置的数量)来确定传感器系统的检测分辨率。在各种实施例中，可以使用水平方向上的视场角和竖向方向上的视场角来定义传感器系统的FOV。例如，传感器系统在水平方向上的视场角是α，并且在竖向方向上的视场角是β。如果光电探测装置阵列是二维(2D)矩阵形式(例如，其大小为M×N，其中，M是水平方向上的像素数，并且N是数据帧的竖向方向上的像素数)，那么传感器系统的角分辨率是水平方向上α/M并且竖向方向上β/N。
根据本发明的各种实施例，传感器系统可以通过利用像素移位方案来提高检测分辨率。例如，可以执行一个或多个像素移位操作以调整FOV 211中的反射光与探测器204之间的相对空间关系。对FOV 211中的接收光与探测器204之间的相对空间关系的这种调整可能影响FOV 211的各部分与探测器204中的光电探测装置阵列之间的对应关系(如图9所示)。例如，在执行一个或多个像素移位操作之后，光电探测装置912可以接收从FOV(未示出)的一部分反射的光电能量，该部分从FOV的原始部分911移位一个或多个偏移。
根据本发明的各种实施例，可以使用不同的像素移位方案来以高分辨率扫描周围环境。通过应用像素移位方案，探测器204(例如，具有探测装置阵列)可以产生不同组的电信号。每个电信号可以指示FOV中的特定点(或部分)的距离信息，并且每组电信号可以与传感器系统的FOV中的不同的一组点(或部分)对应。因此，传感器系统可以获得具有更高分辨率的结果数据帧。
图12示出了根据本发明的各种实施例的像素移位方案1200的示例性图示。如图12所示，当像素大小1211大于像素距离(即，像素间距大小寸1212与像素大小1211之间的差值)时，传感器系统可以采用像素移位方案1200，该像素移位方案涉及在两个不同时间点产生两个不同的数据帧。
如图12(a)所示，当传感器系统被应用第一配置时，探测装置可以检测数据帧1201中的第一组像素的距离信息。此外，像素移位方案1200可以规定像素移位操作1210，该像素移位操作有效地使传感器系统被应用第二配置。探测装置可以产生一组不同的电信号，该组不同的电信号包含用于构建具有第二组像素的不同数据帧1202的距离信息。如上所述，数据帧1201和数据帧1202中的每个数据帧都可以根据FOV的部分与光探测装置阵列之间的对应关系来构建。
根据本发明的各种实施例，像素移位操作1210可以在第一配置和第二配置之间更改传感器系统。第一配置和第二配置可以预先关联，使得它可以在数据帧1201中的第一组像素和数据帧1202中的第二组像素之间引起期望的像素移位效果。例如，取决于如何规定和/或执行像素移位操作1210，像素移位效果可以是平移的或旋转的。
如图12所示，数据帧1201中的第一组像素与数据帧1202中的第二组像素之间的像素移位(或偏移)可以是列方向和行方向中的每个方向上的约半个像素。替代性地，像素移位可以被配置为像素大小的任意分数。例如，像素移位可以被配置为像素大小的三分之一或像素大小的三分之二。
此外，为了提高检测分辨率，有利的是避免下述操作：将数据帧1202中的像素移位像素大小(或像素间距大小)的乘数的偏移，该操作可能导致数据帧1202中的像素完全有效地重叠在数据帧1201中的像素上(例如，在这种情况下，数据帧1202中的像素1222可以落在数据帧1201中的相邻像素上)，这不提供附加信息。
图13示出了根据本发明的各种实施例的应用像素移位方案的示例性结果数据帧。通过应用如图12所示的像素移位方案，数据处理器可以基于数据帧1201中的第一组像素和数据帧1202中的第二组像素来产生结果数据帧1300，该结果数据帧可以具有更高的检测分辨率(例如，2X分辨率)。
根据本发明的各种实施例，各种数据融合技术可以用于基于数据帧1201中的第一组像素和数据帧1202中的第二组像素来获得结果数据帧。例如，可以基于(例如，通过取平均)数据帧1201和数据帧1202中的重叠像素中的距离信息来计算结果数据帧的每个像素。
如图12所示，数据帧1201和数据帧1202中的像素之间的偏移是列和行方向上的半个像素。例如，数据帧1202中的像素(例如，像素1222)可能与数据帧1201中的四个相邻像素重叠。因此，像素1222的值和数据帧1201中的四个相邻像素的值可以用于计算结果数据帧1300中的对应像素1302的值。相似地，可以基于像素1211的值和数据帧1202中的相邻像素的值来计算结果数据帧1300中的像素1301的值。因此，结果数据帧1300可以具有是每个数据帧1201或1202的分辨率的两倍的分辨率。
根据本发明的各种实施例，可以使用多个数据帧或多组像素来获得结果数据帧1300。例如，传感器系统可以产生三组电信号，其可以对应于三个数据帧(例如，具有像素大小的三分之一的偏移的一个数据帧和具有像素大小的三分之二的偏移的另一个数据帧)中的三组像素。因此，结果数据帧可以具有是每个数据帧的分辨率的三倍的分辨率(例如，通过使用各种数据融合技术)。
根据本发明的各种实施例，传感器系统可以通过在传感器系统上应用不同配置诸如通过更改光源、中间光学元件或探测器中的至少一者沿光路的空间位置来实现像素移位效果。此外，可以使用不同的机构来在LIDAR传感器系统中执行像素移位操作。
返回参考图2，传感器系统210可以执行像素移位操作以更改发射光束从光源201行进到探测器204的光路。通过执行像素移位操作，传感器系统210可以在传感器系统210上应用不同的配置，以便应用像素移位方案。此外，传感器系统210可以采用振荡机构来保持以预定频率更改发射光束从光源201行进到探测器204的光路。如图2所示，传感器系统中的光学部件中的任何光学部件诸如光源201或探测器204都可以被配置为在第一配置中处于第一相对空间位置或取向以及在第二配置中处于第二相对空间位置或取向，并且其中，第一相对空间位置或取向和第二相对空间位置或取向是不同的。即，传感器系统210可以使光源201或探测器204相对于接收光平移地或旋转地移动。替代性地，传感器系统210可以使传感器系统210中的一个或多个中间光学元件平移地或旋转地移动，以使光沿着相对于探测器204的不同路径行进。
根据本发明的各种实施例，传感器系统210可以通过利用彼此相邻排列的多个光源来执行像素移位操作。例如，当以替代性方式规定来自每个光源的光发射时，可以相应地更改发射光束从光源行进到探测器的光路。因此，传感器系统210可以通过在传感器系统上应用不同的配置来实现像素移位效果。此外，传感器系统210的性能可以更稳定和一致，因为传感器系统210中不需要移动部件。
图14示出了根据本发明的各种实施例的替代性像素移位方案1400的示例性图示。如图14所示，像素大小1411小于像素距离(即，像素间距大小1412和像素大小1411之间的差)。
当传感器系统被应用第一配置时，探测器(或者一个或多个探测装置)可以产生用于构建第一组像素1401的第一组电信号，如图14(a)所示。然后，传感器系统可以执行像素移位操作1410，该像素移位操作有效地使传感器系统被应用第二配置。因此，探测装置可以产生一组不同的电信号，该组不同的电信号包含用于构建一组不同的像素1402的信息，如图14(b)所示。
根据本发明的各种实施例，在具有预定相关性的第一配置和第二配置之间更改传感器系统的像素移位操作1410可以导致第一组像素1401和第二组像素1402之间的像素移位(或偏移)。例如，第一组像素1401和第二组像素1402之间的像素移位可以是行和/或列方向中的任一方向(或每个方向)上的约半个像素或三分之一像素。
此外，数据处理器可以基于第一组像素1401和第二组像素1402来产生结果数据帧1420。例如，像素移位可以被配置为像素大小(或像素间距大小)的任意分数。为了提高检测分辨率，有益的是避免在结果数据帧1420中将像素移位以完全重叠在相邻像素上。
如图14所示，第一组像素1401(例如像素1411)和第二组像素1402(例如像素14121)之间的偏移是列和行方向上的像素距离1412的半个。结果，第一组像素1401不与第二组像素1402重叠。根据本发明的各种实施例，各种数据融合技术可以用于基于数据帧1401和数据帧1402获得具有更高检测分辨率的结果数据帧。例如，一种简单的方法是将第一组像素1401和第二组像素1402直接组合(例如，合并)到结果数据帧1420中，而首先不构建两个单独的数据帧。因此，结果数据帧1420可以具有是每组像素120l或1202的原始分辨率的两倍的分辨率。
根据本发明的各种实施例，可以使用多组像素来获得结果数据帧1420。例如，传感器系统可以产生三组电信号，其可以对应于三个数据帧(例如，具有像素大小的三分之一的偏移的一个数据帧和具有像素大小的三分之二的偏移的另一个数据帧)中的三组像素。因此，例如通过使用各种数据融合技术，结果数据帧可以具有是每个数据帧的分辨率的三倍的分辨率。
因此，使用像素移位方案1400，传感器系统可以构建或获得用于直接构建结果数据帧1420的信息，而不需要在不同时间点单独地产生多个不同的数据帧。
根据本发明的各种实施例，传感器系统可以沿光路增加一个或多个特殊光学元件诸如平板透镜，以实现像素移位效果。
图15示出了根据本发明的各种实施例的在像素移位方案1500中使用平板透镜的示例性图示。如图15(a)所示，平板透镜1501可以定位在探测装置1502的前面。如图15(b)所示，传感器系统可以将平板透镜1501旋转预定角度，该预定角度可以使光在接收端移位。由于平板透镜1501的两个表面彼此平行，所以在平板透镜被旋转一角度之后，出射光束可以与入射光束平行，但具有偏移。
根据本发明的各种实施例，传感器系统可以基于不同组的电信号来产生结果数据帧(未示出)。结果数据帧可以包括与传感器系统的不同配置对应的多组像素。
如图15所示，平板透镜1501可以被配置为在第一配置中相对于入射光处于第一角度，并且平板透镜1501可以被配置为在第二配置中相对于入射光处于第二角度。可以配置第一角度和第二角度以便产生期望的像素移位效果。例如，平板透镜1501可以布置成在第一配置中垂直于入射光。然后，在第二配置中，板可以围绕与入射光垂直的轴线旋转，以使光在不同的路径上行进，该路径与入射光平行但具有偏移。替代性地，平板透镜1501可以布置成在第一配置中相对于入射光处于非垂直的角度。然后，在执行像素移位操作之后，板可以围绕与光垂直的轴线旋转，以使光以与第二配置中的入射光不同的偏移在不同的路径上行进。此外，系统可以同时地或顺序地在不同方向上(即，围绕不同轴线)旋转板，以实现在(所得数据帧的)多个方向或维度上的像素移位的技术效果。
在另一示例中，平板透镜1501可以被配置为在第一配置中相对于入射光处于第一角度，在第二配置中相对于入射光处于第二角度，并且在第三种配置中相对于入射光处于第三角度。因此，传感器系统可以基于为三种配置产生的三组电信号获得结果数据帧，该结果数据帧可以是原始分辨率的三倍。
此外，耦接到平板透镜1501的振荡机构诸如机械振荡器可以用于重复地旋转或调换平板透镜1501的角度，以便以预定频率保持更改发射光束从光源201行进到探测器204的光路。例如，通过采用这种方法，传感器系统可以利用像素移位方案和如上所述的多重采样方法。
根据本发明的各种实施例，使用附加光学元件诸如平板透镜1501是有益的。例如，使用附加光学元件的一个益处是它易于实现，并且它可以确保传感器系统的整体稳定性(因为传感器系统可以避免下述操作：更改传感器系统中的各种光学部件诸如光源、光学元件或探测器沿光路的配置，该操作可能是困难的并且易于出错)。使用附加光学元件的另一个益处是它是灵活的。例如，传感器系统可以通过规定和执行不同的像素移位操作来调整或重新配置像素移位方案，例如通过如图15所示以不同的角度配置和旋转平板透镜1501来规定和执行不同的像素移位操作。
图16示出了根据本发明的各种实施例的由旋转平板透镜引起的像素移位效应的示例性图示。如图16所示，平板透镜1601可以布置在探测装置1602的前面。由于平板透镜1601的两个表面彼此平行，所以在平板透镜1601被旋转预定角度之后出射光束与入射光束平行(例如，具有偏移δ)。
在如图16所示的示例中，平板透镜1601被旋转角度θ。然后，偏移δ可以被定义为
δ＝(d tanθ-d tanθ′)cosθ
其中，
Figure BDA0002391430880000201
n是折射率，d是板1401的厚度。
因此，可以使用以下公式计算偏移δ：
Figure BDA0002391430880000202
此外，假设θ是小角度，则可以使用以下近似来估计偏移δ，
Figure BDA0002391430880000203
在另一示例中，当板1401从θ1旋转到θ2时，可以使用以下公式计算偏移，
Figure BDA0002391430880000211
在上面的公式中，假设旋转的角度Δθ＝θ1-θ2很小，则偏移可以被近似为：
Figure BDA0002391430880000212
因此，传感器系统可以将板1601旋转预定角度，以实现期望量的像素移位。例如，如果期望像素移位是每个方向上的像素的一半(即，
Figure BDA0002391430880000213
和
Figure BDA0002391430880000214
))，那么可以如下确定旋转角度Δθx和Δθy，
Figure BDA0002391430880000215
Figure BDA0002391430880000216
其中，Ix和Ix是每个检测单元分别在x和y维度上的像素尺寸。而且，可以以相似的方式确定旋转板1601以实现其他期望量的像素移位的角度。
图17示出了根据本发明的各种实施例的支持LIDAR传感器系统中的像素移位的流程图。如图17所示，在步骤1701，LIDAR传感器系统可以将第一配置应用于传感器系统以获得第一组电信号，其中，第一组电信号由探测器基于从传感器系统的视场中的一个或多个对象反射回来的第一光束的被接收到的光子能量产生。在步骤1702，LIDAR传感器系统可以将第二配置应用于传感器系统以获得第二组电信号，其中，第二组电信号由探测器基于从一个或多个对象反射回来的第二光束的被接收到的光子能量产生，其中，第一配置和第二配置是不同的。在步骤1703，LIDAR传感器系统可以使用数据处理器基于第一组电信号和第二组电信号确定一个或多个对象的距离信息。
可以在硬件、软件、固件或它们的组合中，使用硬件、软件、固件或它们的组合或者在硬件、软件、固件或它们的组合的帮助下执行本发明的许多特征。因此，可以使用处理系统(例如，包括一个或多个处理器)来实现本发明的特征。示例性处理器可以包括但不限于一个或多个通用微处理器(例如，单核或多核处理器)、专用集成电路、专用指令集处理器、图形处理单元、物理处理单元、数字信号处理单元、协处理器、网络处理单元、音频处理单元、加密处理单元等。
可以在计算机程序产品中、使用计算机程序产品、在计算机程序产品的帮助下实现本发明的特征，该计算机程序产品是在其上/其中存储有指令的存储介质或计算机可读介质，该指令可以用于对处理系统进行编程以执行本文呈现的特征中的任何特征。存储介质可以包括但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微驱动器和磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪存装置、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子记忆IC)、或适用于存储指令和/或数据的任何类型的介质或装置。
存储在机器可读介质中的任一个机器可读介质上，本发明的特征可以结合在软件和/或固件中，以用于控制处理系统的硬件，并使处理系统能够利用本发明的结果与其他机构交互。这样的软件或固件可以包括但不限于应用代码、装置驱动、操作系统和执行环境/容器。
还可以使用硬件部件诸如专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)装置以硬件实现本发明的特征。实现硬件状态机以便执行本文描述的功能对于相关领域的技术人员来说将是明显的。
另外，本发明可以使用一个或多个传统的通用或专用数字计算机、计算装置、机器或微处理器方便地实现，包括一个或多个处理器、存储器和/或根据本发明的教导编程的计算机可读存储介质。基于本发明的教导，熟练的程序员可以容易地准备适当的软件编码，这对于软件领域的技术人员来说是明显的。
虽然以上已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，它们是作为示例而非限制来呈现的。对于相关领域的技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。
以上已经借助于示出特定功能及其关系的性能的功能构建块描述了本发明。为了便于描述，这些功能构建块的边界通常在本文中被任意定义。可以定义替代边界，只要适当地执行指定的功能及其关系即可。因此，任何这样的替代边界均在本发明的范围和精神内。
已经出于说明和描述的目的提供了本发明的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。本发明的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任何示例性实施例的限制。许多修改和变化对于本领域的技术人员来说是明显的。修改和变化包括所公开特征的任何相关组合。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适合于预期的特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由随附的权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种用于使用具有多个检测单元的探测器来感测传感器系统的视场角中的一个或多个对象的方法，包括：
将第一配置应用于所述传感器系统以获得第一组电信号，其中，由所述探测器基于从所述传感器系统的视场中的一个或多个对象上的第一多个点反射回来的第一光束的被接收到的光子能量产生所述第一组电信号；
将第二配置应用于所述传感器系统以获得第二组电信号，其中，由所述探测器基于从所述一个或多个对象上的第二多个点反射回来的第二光束的被接收到的光子能量产生所述第二组电信号，其中，所述第一配置和所述第二配置不同；以及
通过数据处理器基于所述第一组电信号和所述第二组电信号来确定所述一个或多个对象上的所述第一多个点和所述第二多个点的距离信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测器被配置为在所述第一配置中相对于接收到的光处于第一空间位置，并且所述探测器被配置为在所述第二配置中相对于接收到的光处于第二空间位置，并且其中，所述第一空间位置和所述第二空间位置不同。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组电信号对应于第一组像素，并且所述第二组电信号对应于第二组像素。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括在所述第一配置和所述第二配置之间切换，以引起所述第一组像素和所述第二组像素之间的像素移位。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一组像素和所述第二组像素之间的像素移位是像素在列方向或行方向中的至少一个方向上的大约一分数。
6.根据权利要求3所述的方法，还包括基于所述第一组像素和所述第二组像素来产生结果数据帧。
7.根据权利要求3所述的方法，还包括基于与第一组像素相关联的第一数据帧以及与第二组像素相关联的第二数据帧来产生结果数据帧。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束由相同的光源或不同的光源产生。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束的波长为约905nm或约1550nm。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束具有不同的光路。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述传感器系统包括平板透镜。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述平板透镜布置在所述探测器的前面。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，平面透镜被配置为在第一配置中相对于入射光处于第一角度，并且被配置为在第二配置中相对于入射光处于第二角度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一角度或所述第二角度中的一个角度大致是竖向角度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，使用数据融合技术计算所述一个或多个对象上的所述第一多个点和所述第二多个点的距离信息。
16.一种传感器系统，包括：
探测器，其具有多个单元，其中，所述探测器被配置为
在第一配置中，基于从一个或多个对象上的第一多个点反射回来的光束的被接收到的光子能量产生第一组电信号；并且
在第二配置中，基于从一个或多个对象上的第二多个点反射回来的光束的被接收到的光子能量产生第二组电信号，其中，所述第一配置和所述第二配置具有预定的相关性；以及
基于所述第一组电信号和所述第二组电信号确定到所述一个或多个对象上的所述第一多个点和所述第二多个点中的每一者的距离。
17.根据权利要求16所述的传感器系统，其中，所述传感器系统包括平板透镜，所述平板透镜布置在所述探测器的前面。
18.根据权利要求17所述的传感器系统，其中，平面透镜被配置为在第一配置中相对于入射光处于第一角度，并且被配置为在第二配置中相对于入射光处于第二角度。
19.根据权利要求18所述的传感器系统，其中，所述第一角度和所述第二角度中的一个角度大致是竖向角度。
20.一种其上存储有指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时执行包括以下步骤的步骤：
将第一配置应用于传感器系统以获得第一组电信号，其中，由探测器基于从所述传感器系统的视场中的一个或多个对象上的第一多个点反射回来的第一光束的被接收到的光子能量产生所述第一组电信号；
将第二配置应用于所述传感器系统以获得第二组电信号，其中，由所述探测器基于从所述一个或多个对象上的第二多个点反射回来的第二光束的被接收到的光子能量产生所述第二组电信号，其中，所述第一配置和所述第二配置不同；以及
通过数据处理器基于所述第一组电信号和所述第二组电信号来确定所述一个或多个对象上的所述第一多个点和所述第二多个点的距离信息。
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