CN111356934A - 噪声自适应固态lidar系统 - Google Patents

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Abstract

光检测和测距(LIDAR)系统包括光发射器，该光发射器包括多个激光器，其中多个激光器中的每个激光器照射视场。发射器控制器被配置为使多个激光器中的期望激光器脉动，使得多个激光器在期望照射区域中产生光。光接收器包括多个检测器，该多个检测器被定位成检测期望照射区域上的光。该多个检测器产生电检测信号。飞行时间测量电路测量从多个激光器到多个检测器的光的飞行时间。光接收器根据飞行时间测量结果计算范围信息。接收器控制器电连接到发射器控制器，并且被配置为在实现期望的检测信号噪声水平的偏置点偏置多个检测器中的至少一些检测器。

Description

噪声自适应固态LIDAR系统
本文使用的章节标题仅用于组织目的，不应当被解释为以任何方式限制本申请中描述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是于2017年11月15日提交的题为“Noise Adaptive Solid-State LIDARSystem”的美国临时专利申请号62/586,557的非临时申请。美国临时专利申请号62/586,557的全部内容通过引入并入本文。
背景技术
自主、自我驾驶和半自主汽车使用诸如雷达、图像识别相机和声纳之类的不同传感器和技术的组合来检测和定位周围物体。这些传感器使得能够在驾驶员安全方面进行大量改进，包括碰撞警告、自动紧急制动、车道偏离警告、车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶。在这些传感器技术当中，光检测和测距(LIDAR)系统起着至关重要的作用，它使得能够对周围环境进行实时、高分辨率的3D映射。为了解决日益复杂的一系列汽车应用需求，要求LIDAR系统具有足够快的响应时间来响应快速移动的物体。LIDAR系统还必须具有足够的信噪比，以使接收到的信号检测远处的物体。还期望LIDAR系统具有高可靠性，并具有最少的移动部件。
附图说明
在以下详细描述中，结合附图，更具体地描述了根据优选的和示例性实施例的本教导及其进一步的优点。本领域技术人员将理解的是，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明教导的原理上。附图不旨在以任何方式限制申请人的教导的范围。
图1图示了在车辆中实现的根据本教导的LIDAR系统的实施例。
图2图示了表示根据本教导的用于汽车周围环境的LIDAR感测系统的实施例的二维视场和范围要求的示意图。
图3图示了本教导的多模块LIDAR传感器系统的实施例。
图4A图示了已知的3D闪光LIDAR系统的示意图。
图4B图示了图4A的已知3D闪光LIDAR系统的系统视场的二维投射。
图5A图示了使用机械扫描方法的已知LIDAR系统。
图5B图示了图5A的LIDAR系统的系统视场的二维投射。
图6A图示了根据本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的实施例。
图6B图示了图6A的噪声自适应固态LIDAR系统的系统视场的二维投射。
图6C图示了图6A的噪声自适应固态LIDAR系统的系统视场的二维投射，其突出显示了单个激光器和单个检测器。
图7A图示了根据本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的实施例的框图。
图7B图示了图7A的噪声自适应固态LIDAR系统的实施例的接收和TOF计算电子器件的详细框图。
图8图示了已知的焦平面阵列(FPA)的框图。
图9图示了已知的硅光电倍增器、多像素光子计数器(MPPC)检测器的示意图。
图10A图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的使用盖革模式(Geiger-Mode)APD和淬灭电阻器的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图10B图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的使用线性APD的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图10C图示了根据本发明的用于噪声自适应固态LIDAR系统的使用具有盖革模式APD和淬灭电阻器的四元素检测器子阵列的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图11A图示了本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的具有盖革模式APD和猝灭电阻器的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图11B图示了用于本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的使用线性APD的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图11C图示了本发明的噪声自适应固态LIDAR系统的包括具有盖革模式APD和猝灭电阻器的四元素检测器子阵列的受控检测器阵列的实施例的示意图。
图12图示了本教导的LIDAR系统的具有带前端开关的放大器的受控检测器阵列的实施例。
图13图示了用于实现本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的算法的方法的实施例的流程图。
图14图示了用于实现结合智能物体检测的本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的算法的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意味着本教导限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，本教导包含各种替代、修改和等效物。能够访问本文教导的本领域普通技术人员将认识到其它实现、修改和实施例，以及其它使用领域，这些都在本文所述的本公开的范围内。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指的是同一个实施例。
应该理解的是，只要本教导保持可操作，本教导的方法的各个步骤就可以以任何顺序和/或同时执行。此外，应该理解的是，只要本教导保持可操作，本教导的设备和方法就可以包括任何数量或全部所述实施例。
本教导涉及测量到反射和/或散射光的各种物体或目标的距离的固态LIDAR系统。特别地，本教导描述了一种噪声自适应固态LIDAR系统，其能够通过减小检测到的电信号中的噪声来减小接收到的测量信号中的噪声。这使得改进了SNR，从而具有更长的测量范围。
汽车应用要求LIDAR系统的测量范围超过100米，以提供足够的时间来响应快速移动的物体。例如，在未分开的高速公路上的相对车道上的两辆车可能会具有250km/h(150mph)或更高的接近相对速度。以250km/h的速度，仅需1.44秒即可覆盖两辆车之间100米的间距。
在LIDAR系统中接收信号的信噪比(SNR)确定是否可以检测到物体、在多少距离被检测到、以及错误率为多少。信号强度取决于发射的光功率，其中更高的发射功率会提供更强的反射返回信号，从而增加了范围。但是，汽车LIDAR系统通常限于具有1类(Class 1)激光眼安全标准，这限制了可以传输的最大允许光功率。通过在1类眼睛安全标准内操作，发出激光的产品在所有合理预期的使用条件下都被认为对眼睛是安全的。一旦达到1类眼睛安全发射光功率限制，就必须通过光接收器设计和/或信号处理增益来实现SNR的进一步改进。对于汽车应用，还非常期望LIDAR系统是完全固态的且没有移动部件，以最大程度地提高可靠性。
图1图示了在车辆中实现的本教导的LIDAR系统100的操作。LIDAR系统100包括将由光源生成的光束102投射到目标场景的激光投射器(也被称为照射器)以及接收反射在那个目标场景中的物体(被示出为人106)的光104的接收器。LIDAR系统通常还包括根据反射光计算关于物体106的距离信息的控制器和/或系统处理器，以及可以扫描或提供光的特定图案的元件，该特定图案可以是跨期望范围和视场(FOV)的静态图案。接收器、控制器和系统处理器用于将接收到的信号光转换为表示落在LIDAR系统范围和FOV内的周围环境的逐点3D映射的测量结果。在各种实施例中，取决于特定应用，控制器可以是简单的电路或更复杂的处理器。
形成照射器的激光源和光束投射系统以及接收器可以位于车辆108的前侧。激光源和光束投射系统也可以被称为发射器。人106和/或另一个物体(诸如汽车或灯杆)将提供从源反射回接收器的光。然后，控制器确定到该物体的范围或距离。如本领域中已知的，LIDAR接收器基于从光源发出的光脉冲的飞行时间测量来计算范围信息。此外，使用关于照射与特定范围相关联的目标平面中的场景的光束轮廓和基于源和投射器系统的特定设计的已知信息来确定关于反射表面的地点信息，以便生成场景的完整x、y、z或三维图片。换句话说，周围环境的逐点3D映射表示测量数据的集合，其指示来自将照射从源反射到LIDAR系统的视场内的接收器的所有表面的位置信息。以这种方式，获得LIDAR系统的视场中的物体的3D表示。逐点3D映射也可以被称为测量点云。
图2图示了表示用于汽车202的典型周围感测LIDAR系统200的二维视场和范围要求的示意图。例如，与侧面看的“周围视图”视场和范围206相比，自适应巡航控制功能可能需要具有窄视场但具有较长距离范围要求的视场和范围204。一般而言，汽车上的传感器功能可以通过LIDAR、雷达、相机和超声波传感器的组合来实现。用于生成关于周围环境的信息的这些传感器数据的组合通常被称为“传感器融合(fusion)”。
虽然本教导在自动车辆的上下文中描述了LIDAR系统，其中LIDAR被广泛用于自主驾驶或自驾驶或驾驶员辅助驾驶的车辆，但是应该理解的是，实施例可适用于任何车辆。其它类型的车辆可能包括机器人、拖拉机、卡车、飞机、无人机、船只、船舶以及其它车辆。本教导也适用于各种固定应用。例如，在高密度的大城市地区，LIDAR可以用于监视车辆和行人的流量。随着LIDAR系统的成本随着时间的推移而下降，我们可以预期看到被部署在许多不同应用中的LIDAR。本领域技术人员将认识到的是，本发明不限于被检测和测距的物体的类型。
图3图示了用于本教导的汽车302的传感器系统300。存在以各种范围和视场操作的六个单独的LIDAR模块304，其在图中由2D楔形物示出。LIDAR模块304中的四个主要是侧视图，并且每个都具有大约120度的范围和视场306。前向模块被示出具有范围和视场308，其具有最窄的视场和最长的距离范围。
图4A图示了已知3D闪光LIDAR系统400的示意图。在闪光LIDAR系统400中，高功率激光器402用于以单个发射脉冲来照射整个发射器视场404，该单个发射脉冲照射目标范围406处的物体。来自目标范围处的物体的反射光被焦平面阵列(FPA)408接收，其中阵列408中的每个单独的检测器对应于3D测量点。在图4A的侧视图中示出了阵列408。如图4A中所示，发射器由与光学器件410结合的高功率激光器402组成，该所述光学器件410用于扩大光束并照射目标范围406处的期望视场404。图4B图示了图4A的已知焦平面阵列408的系统视场420的二维投射。照射区域被示出为阵列408上的圆形投射422。参考图4A和图4B，接收器由接收器光学器件412组成，该接收器光学器件412在检测器阵列408上形成图像，其中每个单独的检测器具有示出为正方形424并且对应于单独的3D测量点的检测器视场。在图6B中所示的图620中，整个检测器阵列的视场由正方形的总矩阵424表示。图620示出了检测器阵列408的视场和发射器的视场(在照射区域中的圆形投射422)不一定具有相同的形状和/或尺寸。
闪光LIDAR具有通常为固态但没有任何移动部件的优点。闪光LIDAR还具有可以单独优化发射器和接收器光学器件的优势。但是，闪光LIDAR的一个主要缺点是需要高功率激光器402。使用闪光LIDAR难以维持1类眼睛安全性，尤其是在800nm至1000nm波长范围内的波长下，同时仍要实现能够测量100多米目标范围的系统。出于眼睛安全的原因，闪光LIDAR系统通常以1550nm波长操作，而人眼具有相对低的灵敏度。但是，1550nm波长的发射器和接收器部件具有相对较高的成本。
闪光LIDAR系统的第二个缺点是3D点云的分辨率仅由检测器阵列408确定。检测器的数量(有时称为像素)和阵列尺寸决定了测量分辨率。为了满足汽车LIDAR对角分辨率的要求，将需要非常高密度的检测器阵列(成千上万个元素)。
闪光LIDAR的第三个缺点是阵列408中的所有各个检测器都并行操作，类似于相机。对于单个大功率发射器脉冲，所有检测器同时获得测量结果。因此，每个检测器必须具有其自己的电路系统来捕获信号信息，诸如TOF和振幅数据。所有像素必须并行工作的要求导致系统的成本随着像素密度的增加而非常迅速地扩展。刷新率通常还会受到较大像素数的影响，从而导致刷新率变慢。
图5A图示了使用机械扫描方法的已知LIDAR系统500。在机械扫描LIDAR系统中，由激光器502发出的激光束被一组发射器光学器件504高度准直，以获得尽可能小的束发散。高度准直的发射器光束被引导到旋转镜506，该旋转镜反射发射器光束并进行操作以跨期望视场扫描激光束。
在所示的机械扫描LIDAR系统500中，接收器系统包括接收光学器件508和检测器510，它们被配置为接收来自反射镜506的反射光，使得检测器510也具有窄的视场。在图5A的示意图中，光束组合器512用于在空间上组合透射和反射的光。图5B图示了图5A的LIDAR系统的系统视场520的二维投射。理想地，在图中被表示为小正方形522的检测器视场仅稍大于表示为小圆圈524的那时由准直激光束照射的区域。
在系统视场520的2D投射中，显示了扫描路径526的一个示例。给定与使用通常被实现为MEMS设备的反射镜506相关联的机械约束，扫描路径526是连续的曲线，首先横扫一行，然后横扫下一行。由于需要反射镜506的物理运动，因此测量点之间的移动始终存在一些等待时间。
机械扫描LIDAR系统500具有由旋转镜506施加的某些限制。扫描速度将是反射镜尺寸的重要函数，并且为了获得高刷新率，该反射镜的尺寸通常在直径上小于5mm。反射镜的尺寸限制了发射器的准直/发散度，因为激光束的尺寸无法任意扩大，因为～5mm直径以外的任何功率都将丢失，并且因此不会发射到目标。在接收侧，由于接收器光学器件“通过反射镜看”，因此接收器的最大净孔径再次等于反射镜506的尺寸。在一些情况下，诸如当目标具有低反射率时和/或存在不利的天气条件，诸如雨、雾和/或雪，即使使用单光子检测，在直径为5mm的透明孔内接收到的反射光量可能仍不足以达到所需的100多米范围。同样，对于在挑战性汽车环境中使用的基于机械的扫描LIDAR系统500，存在长期的可靠性问题。
图6A图示了没有移动部件的噪声自适应固态LIDAR系统600的一个实施例的示意图。在图6A中，发射器不是一次照射整个系统视场的闪光源。而是，发射器包括激光器阵列602，其中可以独立地引发(fire)阵列602中的每个激光器，其中由阵列602中的每个激光器发出的光束对应于单个3D测量点。与结合图5A-B描述的扫描系统相似，图6A发射器中的每个激光束都高度准直和聚焦以对应于单个测量点。在一些实施例中，来自激光器阵列602中的激光器的所有光束共享发射器光学器件606，并且来自目标范围的反射光也共享接收器光学器件608。在转让给本受让人的美国专利公开号2017/0307736A1中详细描述了这种发射器的一个示例。美国专利公开号2017/0307736A1的全部内容通过引用并入本文。
本教导的一个特征是发射器中的激光器阵列可以包括发出具有单独的、不同的波长的光束的激光器。例如，某些行、列或其它激光器组可以以与其它行、列或其它激光器组不同的波长操作。这样的多波长LIDAR系统在低成本、紧凑的光学设计中比单波长LIDAR系统提供了更好的角度分辨率和性能。此外，本教导的多波长LIDAR系统可以提供改善安全性和并行化的简单路径。参见，例如，于2017年3月13日提交的题为“Multi-Wavelength LIDARSystem”的美国专利申请号15/456,789和于2016年9月19日提交的题为“WDMLidar System”的美国临时专利申请号62/396,295，它们均通过引用并入本文。
本教导的方法和装置可以与多波长噪声自适应LIDAR系统一起使用，该系统使用激光器或以不同频率发光的激光器阵列。这些系统可以包括集成的或分离的准直光学器件，以在LIDAR系统的整个视场和范围内的各种目标平面上，以及根据检测器阵列处的波长的相关联期望照射区域形成期望的光束轮廓。在各种系统中，接收器可能是波长敏感的，或者可能不是波长敏感的。在接收器能够区分由发出不同波长的激光源发出的两个波长的光的实施例中，单独处理每个波长的反射照射。在这些实施例中，除了根据时间的照射区域形状和尺寸之外，控制器还能够基于哪些激光器被打开和关闭脉动来确定照射区域的波长。以这种方式，照射区域的波长成为期望的照射图案的一部分。
图6A中所示的接收器可以是没有移动部件的固态。接收器使用检测器阵列604，该检测器阵列604通常比发射器阵列602具有各个激光器具有更少数量的各个检测器元件。图6B图示了图6A的LIDAR系统的系统视场620的二维投射。检测器阵列604的单个检测器视场被示出为小正方形622。与发射器阵列602中的单个激光器相关联的照射的测量点由圆圈624示出。图6B示出了每个阵列中检测器的数量与激光器的数量之比分别为1比9。在这个示例中，检测器阵列是5X5阵列。与具有等效角分辨率的闪光系统相比，图6A中所示的LIDAR系统的检测器阵列604的成本可以更低，因为检测器的数量可以更少。图6A中系统的测量分辨率不是由检测器元件的尺寸决定的，而是由发射器中激光器的数量和各个激光束的准直度决定的。
检测器阵列604和每个检测器元件的所需尺寸受到几个因素的影响，包括总的接收器视场、接收光学器件608的焦距以及每个检测器上的噪声。对于在户外操作的汽车系统，在设计高性能接收器时必须考虑到太阳产生的背景噪声。必须通过适当选择波长阻挡滤光片以及限制单个检测器的视场来限制太阳辐射噪声。如果LIDAR系统仅在室内操作而没有任何太阳辐射噪声，那么可以使检测器的尺寸大得多，而仅受关于检测器的RF要求(O/E带宽、上升时间、下降时间等)的限制。
图6C图示了结合图6A所述的针对单个激光器和单个检测器的LIDAR系统的系统视场650的二维投射。图6C图示了图6A的实施例的关键方面。在图6C中，突出显示了图6A的LIDAR系统的整个FOV中的单个3D测量点，其中该测量点被示出为黑圈652。该点与激光器阵列602中的特定单个激光器一对一对应。在图6C中还可以看到，该测量点落在单个检测器内，其中该单个检测器的FOV已经被示出为具有交叉阴影线图案的正方形654以对其进行识别。在一些实施例中，LIDAR系统中的每个单个激光器单独地脉动，并且本教导的LIDAR系统具有每个激光器的角投射角与每个单个检测器的对应视场之间的关系的知识。由此，该系统能够在特定的激光引发图案和相关联的照射区域与被照射区域照射的特定检测器元件之间建立对应关系。本教导的LIDAR系统使用该对应关系信息来自适应地降低传入到TOF测量电路系统的噪声。下面描述对可以最小化测量噪声的方式的进一步描述。
在本教导的一些实施例中，单个激光测量点可以与多个检测器重叠，其中检测器的数量是检测器的总数的子集。单个激光器和单个检测器之间不必具有一一对应关系。LIDAR系统仅需要了解单个激光器和单个检测器视场之间的对应关系就能够识别哪些检测器将接收来自特定激光器的反射光。
在使用检测器的组或阵列的实施例中，可以将阵列或子阵列内的阳极连接到单个输入端，并且可以将阵列或子阵列内的阴极连接到单个输出端，从而连接到外部电路，阵列或子阵列设备的行为就像单个元件。检测器的阵列或子阵列可以是连续的，也可以不是连续的，并且可以平行或不平行地连接以生成单个输出。在一些实施例中，各个检测器、阵列或子阵列的视场被限制以减少太阳背景噪声的影响。
各个激光器或激光器阵列脉动以在检测器处产生照射区域。基于为特定测量而引发的激光的图案，该照射区域可以具有各种形状和尺寸。例如，可以引发单个激光器，从而在检测器处产生单个激光器视场照射形状。如上所述，取决于LIDAR系统的设计，该照射区域可以具有各种尺寸。当引发多个激光器时，照射区域的形状和尺寸将取决于引发的激光器的位置和每个单个激光器视场。
检测器阵列可以具有各种配置，包括各种检测区域尺寸和形状以及阵列间隔。由此，照射区域可以覆盖阵列中的多个检测器或单个检测器。因为照射区域和检测器配置是已知的，因此即使具有更复杂的照射区域和相关联的检测区域，在激光引发图案与落入照射区域内的检测器或检测器组之间也存在一一对应关系。控制器使用该对应关系信息来自适应地降低来自检测器阵列的由TOF测量电路系统的输入端看到的噪声。
图7A示出了根据本教导的实施例的LIDAR系统框图700。LIDAR系统具有五个主要部件：控制器和接口电子器件702、包括激光驱动器的发射电子器件704、激光器阵列706、接收和TOF计算电子器件708以及检测器阵列710。控制器和接口电子器件702控制LIDAR系统的总体功能，并将数字通信提供给主机系统处理器712。发射电子器件704控制操作和激光器阵列706，并设置激光器引发的图案。接收和TOF计算电子器件708从检测器阵列710接收电检测信号，并处理这些电检测信号以通过飞行时间计算来计算范围距离。
图7B图示了结合图7A描述的接收器和TOF计算电子器件708的详细框图750。来自检测器阵列的接收到的电检测信号752被输入到接收器前端754，该接收器前端754合并输入放大器756，该输入放大器756在进一步处理之前对来自检测器的接收到的电检测信号752进行提升。从该放大器输出的信号可以被分到几个不同的电路。示出了三个可能的电路758、760、762，它们可以被一起使用或以任何组合被使用。时间数字转换器(TDC)758是专用电路，其识别输入信号何时超过某个振幅阈值，并提供该事件的时间的数字表示。对于TOF测量系统，事件通常对应于反射的发射脉冲的到达，并且该到达的时间对应于物体的距离。振幅信号块760是由与TDC 758相同的事件触发的电路，但是它不是记录时间，而是记录振幅。模数电路762将接收到的模拟电检测信号转换成与某个采样率对应的数字信号。从接收器前端754接收到的已处理信号被输入到与触发和同步锁定电路766接口的数据处理电路764。然后，数据监视和数字通信接口768将信号发送到控制器和接口电子器件702(图7A)。
本领域的技术人员将认识到的是，图示LIDAR系统的功能的图7A-B所示的框图并不将本教导限制于任何特定的硬件配置。这些电路中的每个电路可以是单独的电路或集成的电路。例如，发射块和接收块可以在单独的印刷电路板组件(PCBA)和/或单独的模块上。对于接收电子器件模块，前端的全部或一部分可以是直接附接到检测器阵列的集成电路的一部分，或者这些电路可以与其它电路一起位于PCBA上。在一些实施例中，控制器功能可以与现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)内的一些或全部发射和接收电子器件组合。
图8示出了已知焦平面阵列(FPA)的框图800。FPA通常被称为既具有检测器阵列芯片又具有读出集成电路(ROIC)的组件，它们被附接在一起以形成混合组件。示出了阵列中的每个单个检测器802、802'、802”、802”'，并且在框图中将其对应的各个ROIC 804、804'、804”、804”'表示为“单元格电子器件”。检测器802、802'、802”、802”'和每个检测器802、802”、802”、802”'的各个ROIC804、804”、804”、804”'一起充当独立设备，其有时被称为“智能像素”。ROIC 804、804'、804”、804”'包含允许并行测量来自每个检测器802、802'、802”、802”'的接收到的电检测信号的TOF的电路系统，其中每个检测器802、802'、802”、802”'具有其自己的TOF电路系统。ROIC 804、804'、804”、804”'包括输入放大器806、TDC 808、振幅信号块810、模数电路812、同步814、采样器和/或存储器816以及输出缓冲区818。像相机一样，ROIC 804、804'、804”、804”'将每个单位格的TOF信息存储在缓冲区818中，以便可以将TOF信息读出/传送到外部电路。ROIC 804、804'、804”、804”'还可以包括不仅捕获返回脉冲的时序，而且还捕获振幅信息的附加电路系统。但是，注意的是，典型的FPA具有由阵列中的所有检测器802、802'、802”、802”'共享的单个电压偏置820。
由于每个检测器802、802'、802”、802”'具有其自己的专用单元格电子器件804、804'、804”、804”'，因此可以理解的是，ROIC芯片上的电路系统与检测器元件一起线性缩放。对于大量的检测器，这种配置显著增加了系统成本。同样，使用大量的检测器会显著增加全帧刷新率。在每个发射器脉冲之间，系统必须等待光从感兴趣的最大范围反射所需的时间，然后每个智能像素的所有数据都必须通过ROIC输出缓冲区进行传送。取决于各种因素，诸如像素的数量、数据量和类型、输出缓冲区的速度以及其它因素，整个测量循环所需的时间可能会变化很大。FPA与相机类似，通常以60Hz的全帧刷新率操作。在这种相对较慢的刷新率下，由于没有足够的时间来平均多个脉冲，因此LIDAR系统通常必须仅基于单脉冲测量来计算距离。
图9示出了已知盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的示意图，该盖革模式雪崩光电二极管阵列也被称为硅光电倍增管(SiPM)或多像素光子计数器(MPPC)900。如图9所示，MPPC 900由几个以盖革模式操作的APD 902、902'、902”、902”'组成，每个APD902、902'、902”、902”'具有其自己的淬灭电阻器。盖革模式APD902、902'、902”、902”'都并联连接。MPPC 900的输出将是每个单个盖革模式APD 902、902'、902”、902”'的响应之和。以这种方式，当光入射到多个盖革模式APD元件902、902'、902”、902”'上时，MPPC 900可以生成对多个光子事件的伪线性响应。
图10A图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的具有盖革模式APD和猝灭电阻器的受控检测器阵列1000的实施例的示意图。图10B图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的具有线性APD的受控检测器阵列1020的实施例的示意图。图10C图示了根据本教导的使用具有噪声自适应固态LIDAR系统的盖革模式APD和猝灭电阻器的四元件检测器子阵列的受控检测器阵列1050的实施例的示意图。参考图10A-10C，在这些实施例的每一个中，可以通过LIDAR系统独立地控制对各个检测器或检测器的子阵列的电压偏置。在图10A中，示出了类似于图9的MPPC 900的检测器元件的阵列，盖革模式APD 1002、1002、1002”、1002”'。代替如图9所示的所有元件的单个电压偏置，每个盖革模式APD 1002、1002'、1002”、1002”'都有其自己的电压源1004、1004”、1004”、1004”'。通过使用由控制输入1006控制的各个电压源1004、1004'、1004”、1004”'对APD偏置进行单独控制，LIDAR系统可以自适应地降低其视场为如结合图6B所描述的在当前脉动的特定激光器的视场之外的检测器上的电压。换句话说，控制器降低其视场在由通过控制器脉动或激活的特定组激光器元件产生的照射区域之外的检测器上的电压。对于当前单脉冲发射器视场之外的检测器，可以将这些检测器上的电压偏置降至低于电压击穿点，甚至基本或完全关闭。
根据本教导的LIDAR系统用来将其最小化的电检测信号中的噪声有两类。第一类是检测器产生的与入射到二极管上的任何光无关的电噪声。这种噪声通常被称为暗电流。对于LIDAR系统中使用的检测器，诸如线性APD、盖革模式APD、SPAD和MPPC，即使没有光，这些检测器二极管产生的电噪声也很明显。电噪声是施加的电压偏置的重要函数，因此，通过降低施加的电压偏置，可大大降低检测器的电噪声。
本教导的LIDAR系统用来将其最小化的电检测信号中的第二类噪声是太阳辐射对系统的噪声贡献。太阳产生感兴趣波长的强辐射，并且由于太阳辐射，光子将连续入射在接收器上。这些不是来自所发射激光脉冲的光子将产生信号响应，我们可以将其视为暗电流噪声的附加随机噪声源。如果在接收器设计中不当心，那么来自从太阳辐射入射的光子的噪声信号水平可能很高，足以限制LIDAR系统的范围。
在本教导的LIDAR系统中，检测器暗电流和太阳噪声均被抑制。在图10A所示的受控检测器阵列1000的实施例中，基于没有接收到来自当前发射脉冲的反射光的所有检测器1002、1002'、1002”、1002”'上的控制输入1006来减小电压1004、1004'、1004”、1004”'。以这种方式，那些电压偏置降低的检测器上的输出信号(噪声)将大大降低，这将减少公共求和输出上的总噪声。因此，降低电压1004、1004'、1004”、1004”'的控制输入1006有效地选择连接到下游接收电路系统的特定检测器输出端。还参考图7B，在一些实施例中，降低电压1004、1004'、1004”、1004”'的控制输入1006有效地选择连接到图7B的输入放大器756的特定检测器1002、1002'、1002”、1002”'输出端。
图10B图示了如图10A中所示的受控检测器阵列的类似实施例，但是不是盖革模式APD，该实施例使用了包括线性APD 1022、1022'、1022”、1022”'的受控检测器阵列1020。类似于图10A中所示的受控检测器阵列1000，还可以降低线性APD 1022、1022'、1022”、1022”'上的偏置电压，以减少降低的电压偏置的那些检测器上的输出信号(噪声)，以便减少公共求和输出上的总噪声。
图10C图示了受控检测器阵列1050的实施例，其中使用了盖革模式APD的子阵列1052、1052'、1052”、1052”'。如结合图10A中所示的实施例所描述的操作原理可以类似地应用于图10C中所示的系统，其中每个子阵列充当单个元件。受控检测器阵列1050使用由控制输入1056控制的可控电压偏置1054、1054'、1054”、1054”'。在这种配置中，偏置电压1054、1054'、1054”、1054”'控制子阵列1052、1052'、1052”和1052”'中的检测器1056、1056'、1056”、1056”'。
图11A图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的具有盖革模式APD和猝灭电阻器的受控检测器阵列1100的实施例的示意图。图11B图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的具有线性APD的受控检测器阵列1120的实施例的示意图。图11C图示了根据本教导的用于噪声自适应固态LIDAR系统的包括具有盖革模式APD和猝灭电阻器1050的四元件检测器子阵列的受控检测器阵列1150的实施例的示意图。
在图11A中，公共电压偏置1102用于偏置MPPC阵列中的所有检测器1104、1104'、1104”、1104”'。但是，每个盖革模式APD1104、1104'、1104”、1104”'的输出端不再直接连接到公共输出端，如结合图9所述。而是，来自每个APD 1104、1104'、1104”、1104”'的输出端连接到输入放大器1106、1106'、1106”、1106”'并且然后连接到RF开关1108。RF开关1108用于仅将来自利用的检测器1104、1104'、1104”、1104”的输出引导至单个接收信号输出。在这种配置中，基本上消除了除一个检测器之外的所有检测器的噪声贡献，从而大大降低了潜在的噪声。同样，这在汽车应用中尤为重要，在汽车应用中，太阳噪声不断照射整个视场，并在所有检测器中产生噪声。在一些实施例中，不是控制单个激光器和检测器，而是来自控制器的输入1110设置RF开关1108以引导来自检测器的子集的输出，该子集的视场在由通过控制器脉动或激活的特定组的激光器元件产生的照射区域内部。
图11B图示了结合图11A描述的受控检测器阵列的类似实施例，但是不是盖革模式APD，这个实施例包括使用线性APD 1122、1122'、1122”、1122”'的受控检测器阵列1120。线性APD 1122、1122'、1122”、1122”'连接到输入放大器1124、1124”、1124”、1124”'并且然后连接到经由控制输入1128控制的RF开关1126。在操作中，RF开关1126在控制输入1128的控制下仅将来自那些落入由受控发射器阵列产生的照射区域内的检测器1122、1122'、1122”、1122”'的输出引导到下游电子器件。
图11C图示了受控检测器阵列1150的实施例，其中使用了盖革模式APD的子阵列1152、1152'、1152”、1152”'。图11C中所示的实施例类似于结合图11A描述的实施例，其中每个子阵列1152、1152'、1152”、1152”'充当单个元件。受控检测器阵列1150包括输入放大器1154、1154'、1154”、1154”'，其连接到由控制输入1158控制的RF开关1156。RF开关1156经由控制输入1158配置。在操作中，RF开关1156在控制输入1158的控制下仅将那些落入由受控发射器阵列产生的照射区域内的检测器子阵列1152、1152'、1152”、1152”'引导到下游电子器件或接收电路系统。
对于本领域的技术人员将清楚的是，图10A-C和图11A-C中所示的实施例仅仅是可能使用PIN、APD、盖革模式APD、MPPC或具有各个检测器或检测器阵列或检测器子阵列的其它类型的检测器的许多可能的实施例中的六个示例。本领域技术人员还将认识到的是，本教导包括结合图10A-B和图11A-B描述的实施例的混合，其中电压控制(图10A-B)和RF切换(图11A-B)一起用于进一步优化测量输出端上的噪声。
在一些实施例中，诸如，例如结合图10A-B和图11A-B所述的实施例，接收信号输出通过单个连接被引导到后续的TOF计算电路。后续的接收电路功能如在图7A和图7B的框图中所描述的。重要的是要注意，本教导的LIDAR系统不使用其中每个检测器必须具有其自己的TOF计算电路系统的FPA。在本教导的LIDAR系统中，TOF计算电路系统在许多检测器之间共享。与使用FPA的LIDAR系统相比，这种配置的复杂度显著减少，并且成本显著降低，具体取决于系统体系架构。此外，根据本教导的LIDAR系统可以通过最小化所需的高速A/D的数量来提供显著的成本和功率降低。
图12图示了根据本教导的LIDAR系统的实施例的具有放大器前端开关1202、1202'、1202”、1202”'的受控检测器阵列1200。在光接收器中非常普遍的是将第一放大器直接放置在光电二极管附近，以在后续处理之前增加信号。这些放大器通常是跨阻放大器，其将检测器生成的电流转换成单端或差分电压信号。在结合图12描述的实施例中，每个检测器1204、1204'、1204”、1204”'具有专用放大器前端开关1202、1202”、1202”、1202”'，其结合了放大器1206、1206'、1206”、1206”'和开关1208、1208”、1208”、1208”'。每个放大器前端开关1202、1202'、1202”、1202”'中的开关1208、1208'、1208”、1208”'由控制输入1210控制，以仅将那些落入由受控发射器阵列产生的照射区域内的检测器1204、1204'、1204”、1204”'引导到下游电子器件或接收电路系统。众所周知，甚至单个晶体管也可以用作开关，因此将这种功能结合到这种放大器结构中的成本和复杂性可以非常小。对于本领域技术人员应该清楚的是，如图12B-C和图11B-C所描述的，图12中的实施例可以扩展到其它检测器结构。
图13图示了实现本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的算法的方法1300的流程图。在方法1300的第一步骤1302中，控制器被初始化。控制器可以是例如图7A中所示的控制器702，但是控制器可以是连接到噪声自适应固态LIDAR系统的发射阵列和检测器阵列两者的任何控制器。
在方法1300的第二步骤1304中，由控制器选择用于生成3D点云的期望照射图案。照射图案包括特定的照射空间形状，该形状也可以根据时间而变化。控制器可以使各个激光器或激光器组打开和关闭脉动，以在目标范围和检测器阵列上的相关联照射区域处提供期望的照射图案。在一些实施例中，图案是连续重复地简单逐行扫描行中的每个激光器元件，以提供均匀的刷新率。在其它实施例中，图案是伪随机的，其中系统以不连续的方式从测量点移动到测量点，但随着时间的推移仍然能够均匀地覆盖整个发射器阵列的全视场。
在方法1300的第三步骤1306中，控制器基于期望的图案选择要引发的单个激光器或一组激光器。然后，在方法1300的第四步骤1308中，控制器配置可控检测器阵列和接收器以最小化测量噪声。如上面结合图10-12的描述所描述的，可以使用多种噪声最小化方法。
在方法1300的第五步骤1310中，LIDAR系统引发已在第三步骤1306中选择的一个或多个激光器。在方法1300的第六步骤1312中，LIDAR系统在受控检测器阵列处接收来自引发的激光器的光脉冲，并计算TOF并根据需要采样振幅/时间。系统确定在第七步骤1314中是否实现了脉冲求平均。如果实现了脉冲求平均，那么该方法循环通过方法1300的第五步骤1310和第六步骤1312，从而引发相同的激光器或激光器组，并且对从该一个或多个激光器接收到的信号进行多达期望的求平均数量所需的测量次数。例如，在一种特定方法中，为了改进SNR，求平均引发多达四个脉冲。在其它特定方法中，求平均可以引发多达25个脉冲，这需要花费更长的时间，但是与四个脉冲求平均相比，它在SNR方面提供了更大的改进。
因此，在一些实施例中，在特定视场中使用多个激光脉冲的多个测量点的组合被求平均以确定用于改进SNR的物距。来自同一激光器的多个脉冲在检测器处被求平均以增加信号。各种实施例使用不同数量的脉冲。虽然更多的脉冲可以带来更好的SNR，但基于系统刷新率所允许的时间，系统在多少个脉冲可以求平均方面受到限制。在一些实施例中，使用四个或更多个脉冲。在其它实施例中，使用十个或更多个脉冲，并且在还有的其它实施例中，使用多于二十五个脉冲。
在方法1300的第八步骤1316中，在获得单个激光器或多个激光器的期望数量的脉冲之后，系统可以应用数字信号处理以某种方式操纵数据。在处理之后，控制器在第九步骤1318中存储和/或传送数据。在方法1300的第十步骤1320中，做出停止或继续的决定。然后，在该方法的第三步骤，控制器将移动到图案中的下一个激光器上。系统继续操作以扫过期望的图案，直到在方法1300的第十一步骤1322处停止为止。
图14图示了用于实现结合了智能物体检测的本教导的噪声自适应固态LIDAR系统的算法的方法1400的流程图1400。方法1400的几个步骤与结合图13描述的方法1300类似或相同。不再重复类似步骤的描述。在方法1400的第一步骤1402中，系统被初始化。在第二步骤1404中，由控制器选择用于生成3D点云的期望照射图案。在方法1400的第三步骤1406中，控制器基于期望的图案选择要引发的单个激光器或一组激光器。然后，在方法1400的第四步骤1408中，控制器配置可控检测器阵列和接收器以最小化测量噪声。
在方法1400的第五步1410中，LIDAR系统引发已在第三步骤1406中选择的一个激光器或一组激光器。在方法1400的第六步骤1412中，LIDAR系统在受控检测器阵列处接收引发的激光脉冲，并计算TOF并根据需要采样振幅/时间。系统确定在方法1400的第七步骤1414中是否实现了脉冲求平均，并且如果已经引发期望数量的脉冲，那么循环返回到第五步骤1410。在方法1400的第八步骤1416中，在获得单个激光器或激光器组的期望数量的脉冲之后，系统可以应用数字信号处理以某种方式操纵数据。在处理之后，控制器在方法1400的第九步骤1418中存储和/或传送数据。
在方法1400的第十步骤1420中，做出停止或继续的决定。如果决定继续，那么系统移动到该方法的第十一步骤1422，在该步骤中执行智能物体检测和图案调整。在该方法的这个第十一步骤1422中，控制器具有分析3D点云的能力，并做出决定来调整激光引发的图案以及进行脉冲求平均以解决特定规则和/或优化总体性能。例如，汽车LIDAR系统可以具有规则，使得如果控制器确定物体可能与车辆碰撞，那么LIDAR系统可以“锁定”在该物体上并改变引发图案和/或视场，以便提高该物体的刷新率和/或测量准确度。在另一个实施例中，控制器可以基于各种标准，诸如计算出的检测概率、错误率、到每个激光器测得的物体的距离和/或环境条件，为每个单独的激光器调整脉冲求平均的数量或引发图案。如果做出停止决定，那么系统移动到方法1400的第十二步骤1424以结束该方法。
等效形式
虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是并不旨在将申请人的教导限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，申请人的教导涵盖可以在其中进行的各种替代、修改和等同形式而不脱离本教导的精神和范围。

Claims (40)

1.一种光检测和测距(LIDAR)系统，包括：
a)包括多个激光器的光发射器，所述多个激光器中的每个激光器照射视场；
b)具有多个电输出端的发射器控制器，所述多个电输出端中的相应一个电输出端连接到所述多个激光器中的每个激光器的相应电输入端，所述发射器控制器被配置为使所述多个激光器中的期望激光器脉动，使得所述多个激光器在期望的照射区域中产生光；
c)光接收器，包括：多个检测器，所述多个检测器被定位成检测期望的照射区域上的光，所述多个检测器产生电检测信号；以及飞行时间测量电路，所述飞行时间测量电路测量从所述多个激光器到所述多个检测器的光的飞行时间，所述光接收器根据飞行时间测量结果来计算范围信息；以及
d)光接收器控制器，电连接到所述发射器控制器并具有多个电输出端，所述多个电输出端中的相应一个电输出端连接到所述多个检测器中的每个检测器的相应输入端，所述光接收器控制器被配置为在实现所述电检测信号的期望噪声水平的偏置点偏置所述多个检测器中的至少一些检测器。
2.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少两个检测器被定位成检测由所述多个激光器中的至少两个激光器照射的重叠视场中的光。
3.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述飞行时间测量电路包括时间数字电路。
4.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述飞行时间测量电路包括模数转换器电路。
5.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述光接收器中的所述多个检测器中的至少一个检测器选自由以下组成的组：PIN检测器、线性雪崩光电检测器(APD)、盖革模式APD、硅光电倍增器(SiPM)和多像素光子计数器(MPPC)。
6.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器包括具有至少一些公共电连接的检测器阵列。
7.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器包括输入滤光器，所述输入滤光器降低了到检测器的输入端的太阳背景光的强度。
8.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器被配置为具有受限的检测区域视场。
9.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器，从而实现具有期望的信噪比的检测到的光信号。
10.如权利要求9所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比四个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
11.如权利要求9所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比十个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
12.如权利要求9所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比二十五个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
13.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述多个激光器中的至少两个激光器发出不同的波长。
14.一种光检测和测距(LIDAR)系统，包括：
a)包括多个激光器的光发射器，所述多个激光器中的每个激光器照射视场；
b)具有多个电输出端的发射器控制器，所述多个电输出端中的相应一个电输出端连接到所述多个激光器中的每个激光器的相应输入端，所述发射器控制器被配置为使所述多个激光器中的期望激光器脉动，使得所述多个激光器在期望的照射区域中产生光；
c)光接收器，包括：
i.多个检测器，被定位成检测期望照射区域上的光，所述多个检测器产生电检测信号；
ii.RF开关，包括电输出端和多个电输入端，所述多个电输入端中的每个电输入端连接到所述多个检测器中的一个检测器的相应电输出端；
iii.飞行时间测量电路，具有连接到RF开关的电输出端的电输入端，所述飞行时间测量电路测量从所述多个激光器到所述多个检测器的光的飞行时间，
其中所述光接收器根据飞行时间测量结果计算范围信息；
d)光接收器控制器，电连接到所述发射器控制器并具有连接到RF开关的电输入端的输出端，所述光接收器控制器被配置为将RF开关的电输入端中的至少一些引导到所述飞行时间测量电路的电输入端，以实现电检测信号的期望噪声水平。
15.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少两个检测器被定位成检测由所述多个激光器中的至少两个激光器照射的重叠视场中的光。
16.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述飞行时间测量电路包括时间数字电路。
17.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述飞行时间测量电路包括模数转换器电路。
18.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述光接收器中的所述多个检测器中的至少一个检测器选自由以下组成的组：PIN检测器、线性雪崩光电检测器(APD)、盖革模式APD、硅光电倍增器(SiPM)和多像素光子计数器(MPPC)。
19.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器包括具有至少一些公共电连接的检测器阵列。
20.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器包括输入滤光器，所述输入滤光器降低了到检测器的输入端的太阳背景光的强度。
21.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述多个检测器中的至少一个检测器被配置为具有受限的检测区域视场。
22.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器，从而实现具有期望的信噪比的接收器信号。
23.如权利要求22所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比四个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
24.如权利要求22所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比十个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
25.如权利要求22所述的LIDAR系统，其中所述发射器控制器被配置为以每个占空比二十五个或更多个脉冲来脉动所述多个激光器中的期望激光器。
26.如权利要求14所述的LIDAR系统，其中所述多个激光器中的至少两个激光器发出不同的波长。
27.一种光检测和测距(LIDAR)的方法，包括：
a)通过激励各自照射期望视场的多个激光器中的选定激光器，在期望的照射区域中产生光；
b)通过利用多个检测器中的选定检测器检测期望照射区域中的光来产生电检测信号，所述多个检测器被定位成检测期望照射区域上的光，所述多个检测器中的选定检测器被选择以实现电检测信号的期望噪声水平；
c)测量由所述多个激光器发出到所述多个检测器的光的飞行时间；以及
d)根据在期望照射区域中检测到的光的飞行时间测量结果来计算范围信息。
28.如权利要求27所述的方法，其中激励多个激光器中的选定激光器包括以期望数量的脉冲来脉动多个激光器中的选定激光器。
29.如权利要求28所述的方法，其中每个占空比的期望脉冲数量被选择以实现电检测信号的期望信噪比。
30.如权利要求28所述的方法，其中每个占空比的期望脉冲数量是四个或更多个。
31.如权利要求28所述的方法，其中每个占空比的期望脉冲数量是十个或更多个。
32.如权利要求28所述的方法，其中每个占空比的期望脉冲数量是二十五个或更多个。
33.如权利要求27所述的方法，其中通过检测期望照射区域中的光来生成电检测信号包括：在实现所述电检测信号的期望噪声水平的偏置点处偏置所述多个检测器中的所述选定检测器。
34.如权利要求27所述的方法，还包括定位所述多个检测器中的至少两个检测器以检测由所述多个激光器中的至少两个激光器照射的重叠视场中的光。
35.如权利要求27所述的方法，其中测量由所述多个激光器发出到所述多个检测器的光的飞行时间包括提供时间的数字表示。
36.如权利要求27所述的方法，其中测量由所述多个激光器发出到所述多个检测器的光的飞行时间包括将模拟信号转换成数字表示。
37.如权利要求27所述的方法，其中通过检测期望照射区域中的光来生成电检测信号包括利用具有公共电连接的检测器阵列来检测期望的照射。
38.如权利要求27所述的方法，还包括在检测之前过滤期望照射区域中的所产生的光以降低太阳背景光的强度。
39.如权利要求27所述的方法，还包括限制检测区域以降低太阳背景光的强度。
40.如权利要求27所述的方法，其中在期望照射区域中产生光包括产生具有至少两个不同中心波长的光。
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