CN111448474B - 全波形多脉冲光学测距仪仪器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于根据多个扫描方向对区域进行光学扫描的方法，包括：接收定义了多个扫描方向的扫描顺序的交错序列；根据交错序列顺序地传播光脉冲；检测与传播的光脉冲在存在于该区域内的至少一个对象上的反射对应的脉冲回波；以及输出检测到的脉冲回波。还描述了一种用于对光回波的时间偏移进行校正的计算机实施的方法。

Description

全波形多脉冲光学测距仪仪器

技术领域

本发明涉及光学测距仪仪器，并且更具体地涉及全波形多脉冲系统。

背景

自动驾驶要求车辆在所有光照和环境条件下清楚其环境。虽然当前使用相机、雷达和超声波传感器，但是仍存在对更鲁棒的解决方案的需要。

激光雷达已经作为潜在的解决方案出现。机械扫描仪已经被用于概念验证的实施例中，但是存在一个强烈的共识是它们无法满足工业对性能、可靠性和成本的需求。3D闪光激光雷达也是可以在市场上买到的，但提供的范围有限且成本很高。

因此，需要一种改进的测距仪仪器。

发明内容

根据第一宽泛的方面，提供了一种用于根据多个扫描方向光学地扫描区域的方法，包括：接收定义了多个扫描方向的扫描顺序的交错序列；根据交错序列顺序地传播光脉冲；检测对应于传播的光脉冲在存在于该区域内的至少一个对象上的反射的脉冲回波；以及输出检测到的脉冲回波。

在一个实施例中，接收交错序列的步骤包括：接收多个扫描方向；以及生成交错序列。

在一个实施例中，接收多个扫描方向的步骤包括：接收总扫描范围；接收多个扫描方向中的一个和每个扫描方向的视场；以及确定扫描方向。

在一个实施例中，生成交错序列的步骤包括：将多个扫描方向分割成多个方向子组分；以及使用方向子组分生成交错序列。

在一个实施例中，该方法还包括重复：所述根据交错序列顺序地传播光脉冲；所述检测与所传播的光脉冲在存在于该区域内的至少一个对象上的反射对应的脉冲回波；以及所述输出检测到的脉冲回波。

根据第二宽泛的方面，提供了一种用于根据多个扫描方向对区域进行光学扫描的系统，该系统包括：控制器，其用于接收定义了多个扫描方向的扫描顺序或次序的交错序列；脉冲光源，其用于根据交错序列顺序地传播光脉冲；光电探测器，其用于检测与传播的光脉冲在存在于该区域内的至少一个对象上的反射对应的脉冲回波，以及输出检测到的脉冲回波。

在一个实施例中，控制器被配置用于：接收多个扫描方向；并且生成交错序列。

在一个实施例中，控制器被配置用于：接收总扫描范围；接收多个扫描方向中的一个和每个扫描方向的视场；并且确定扫描方向。

在一个实施例中，控制器被配置用于：将多个扫描方向分割成多个方向子组分；并且使用该方向子组分生成交错序列。

在一个实施例中，系统还被配置用于重复：所述根据交错序列顺序地传播光脉冲；所述检测与传播的光脉冲在存在于该区域内的至少一个对象上的反射对应的脉冲回波；并且所述输出检测到的脉冲回波。

根据第三宽泛的方面，提供了一种用于对包括对象的区域进行光学扫描的方法，其包括：在第一发射时间点发射第一光脉冲以侦查(investigate)该区域；检测与第一光脉冲在对象上的反射相关联的第一回波，第一回波对应于作为从第一时间点开始的时间的函数(function)的检测到的光的第一强度；在不同于第一时间点的第二时间点发射第二光脉冲；检测与第二光脉冲在对象上的反射相关联的第二回波，第二回波对应于作为从第二时间点开始的时间的函数的检测到的光的第二强度；接收位移速度；使用位移速度、第一时间点和第二时间点以及光速来确定校正时间；使用校正时间来校正第二回波，从而获得经校正的回波；以及输出经校正的回波。

在一个实施例中，接收位移速度的步骤包括接收在其上安装有脉冲光源和光电探测器的车辆的速度，脉冲光源用于发射第一光脉冲和第二光脉冲并且光电探测器用于检测第一回波和第二回波。

在一个实施例中，接收车辆的速度的步骤包括测量车辆的速度。

在一个实施例中，校正第二回波的步骤包括将作为时间的函数的检测到的光的第二强度在时间上平移对应于校正时间的量。

根据另一宽泛的方面，提供了一种用于对包括对象的区域进行光学扫描的系统，该系统包括：脉冲光源，其用于在第一发射时间点发射第一光脉冲以侦查该区域，并且在不同于第一时间点的第二时间点处发射第二光脉冲；光电探测器，其用于检测与第一光脉冲在对象上的反射相关联的第一回波和与第二光脉冲在对象上的反射相关联的第二回波，第一回波对应于作为从第一时间点开始的时间的函数的检测到的光的第一强度，并且第二回波对应于作为从第二时间点开始的时间的函数的检测到的光的第二强度；以及校正单元，其用于：接收位移速度；使用位移速度、第一时间点和第二时间点以及光速来确定校正时间；使用校正时间来校正第二回波，从而获得经校正的回波；并且输出经校正的回波。

在一个实施例中，校正单元被配置用于接收在其上安装有脉冲光源和光电探测器的车辆的速度。

在一个实施例中，该系统还包括用于测量位移速度的设备。

在一个实施例中，校正单元被配置用于将作为时间的函数的检测到的光的第二强度在时间上平移对应于校正时间的量。

根据再一广泛的方面，提供了一种用于校正光回波的时间偏移的计算机实施的方法，其包括：接收与第一光脉冲在对象上的反射相关联的第一回波，第一光脉冲在第一发射时间点被发射以侦查感兴趣区域，第一回波对应于作为从第一时间点开始的时间的函数的检测到的光的第一强度；接收与第二光脉冲在对象上的反射相关联的第二回波，第二光脉冲在不同于第一时间点的第二时间点被发射，第二回波对应于作为从第二时间点开始的时间的函数的检测到的光的第二强度；接收位移速度；使用位移速度、第一时间点和第二时间点以及光速来确定校正时间；使用校正时间来校正第二回波，从而获得经校正的回波；并且输出经校正的回波。

在一个实施例中，接收位移速度的步骤包括接收在其上安装了光电探测器和被用于发射的脉冲光源的车辆的速度，脉冲光源用于发射第一光脉冲和第二光脉冲并且光电探测器用于检测第一回波和第二回波。

在一个实施例中，接收车辆的速度的步骤包括测量车辆的速度。

在一个实施例中，校正第二回波的步骤包括将作为时间的函数的检测到的光的第二强度在时间上平移对应于校正时间的量。

根据仍另一广泛的方面，提供了一种用于校正光回波的时间偏移的系统，其包括：校正确定模块，其被配置用于：接收与第一光脉冲在对象上的反射相关联的第一回波，第一光脉冲在第一发射时间点被发射以侦查感兴趣区域，第一回波对应于作为从第一时间点开始的时间的函数的检测到的光的第一强度；接收与第二光脉冲在对象上的反射相关联的第二回波，第二光脉冲在不同于第一时间点的第二时间点被发射，第二回波对应于作为从第二时间点开始的时间的函数的检测到的光的第二强度；以及接收位移速度；并且使用位移速度、第一时间点和第二时间点以及光速来确定校正时间；以及校正应用模块，其被配置为用于：使用校正时间来校正第二回波，从而获得经校正的回波；并且输出经校正的回波。

在一个实施例中，校正确定模块被配置用于接收其上安装有脉冲光源和光电探测器的车辆的速度，脉冲光源用于发射第一光脉冲和第二光脉冲并且光电探测器用于检测第一回波和第二回波。

在一个实施例中，该系统还包括用于测量位移速度的设备。

在一个实施例中，校正应用模块被配置用于将作为时间的函数的检测到的光的第二强度在时间上平移对应于校正时间的量。

附图的简要说明

本发明的其他特征和优点将结合附图根据以下详细描述变得显而易见，在附图中：

图1是示出了根据现有技术的形成光学测距仪仪器的部分的总体布局和关键部件的示意图；

图2示出了根据实施例的发射光脉冲的激光雷达的时序和具有两个检测峰的返回信号波形；

图3示出了根据实施例的停在十字路口的车辆装配有3D传感器的场景；

图4A示出了根据现有技术的飞行时间传感器在最佳条件下的操作；

图4B示出了根据现有技术的图4A中的飞行时间传感器在实际条件下的操作；

图5A示出了根据现有技术的回波迹线；

图5B和图5C各自示出了根据现有技术的经平均的回波迹线；

图6示出了根据现有技术的具有被用于表示由3D传感器所观察内容的灰度编码的深度图；

图7是根据实施例的固态扫描LiDAR系统的主要部件的框图；

图8和图10-13示出了根据实施例的测距仪仪器的物理表示；

图9示出了根据实施例的检测点的矩阵；

图14示出了根据实施例的由检测器阵列将垂直信号分割成多个独立测量结果以构造3D矩阵；

图15示出了根据实施例的微镜的旋转的周期；

图16和图17示出了根据实施例的交错因子为8的扫描方向的交错序列的生成；

图18是根据实施例的用于其中扫描方向的交错序列被划分为多个序列的每个扫描方向上多个发射光脉冲的方法的流程图；

图19示出了根据实施例的根据两个同步信号的微镜的旋转的周期；

图20A是根据现有技术的变形镜头的透视图；

图20B是图10a的变形镜头的侧视图；

图20C是图10a的变形镜头的正视图；

图21示出了根据现有技术的运动车辆与对象之间的距离；

图22A-22C示出了根据实施例的图21中的车辆的位移对回波的检测时序的影响；

图23A-23C示出了根据实施例的当车辆的位移被补偿时回波的检测时序；

图24是根据实施例的用于根据扫描方向的交错序列对区域进行扫描的方法的流程图；

图25是根据实施例的用于创建扫描方向的交错序列的方法的流程图；

图26示出了根据实施例的脉冲光源的多个视场；

图27是根据实施例的用于补偿车辆的位移的方法的流程图；

图28是根据实施例的适于执行图25中的方法中的步骤的至少一些的处理模块的框图；并且

图29是根据实施例的适于执行图27中的方法的步骤中的一些的处理模块的框图。

应该指出的是，在整个附图中，相似的特征由相似的附图标记来标识。

具体实施方式

光学测距仪配置的概述

现有技术光学测距仪10的总体布局和关键部件/子系统可以通过参考图1中的示意图被更好地理解。根据脉冲飞行时间(TOF)原理操作的光学测距仪10包括光发射器20，其发射具有预先确定的时间特性和空间特性的光脉冲串。它还包括光接收器40，用于检测光返回信号以及后续将其转换成电波形。光接收器40的检测通道输出返回信号波形，其可以包含从噪声中突显出来的至少一个峰。返回信号波形在光发射器20发射每个光脉冲之后获得，但是可能发生该波形在给定时刻不携带有用信息。另一方面，存在于返回信号波形中的每个峰是当前位于检测通道的视场(FOV)内的对象的标记(signature)。图2示出了发射光脉冲的激光雷达的时序90和具有两个检测峰(即短距对象94和长距对象96)的返回信号波形92。在具有多个通道的情况下，当例如较大对象(例如：墙壁)被测距时或者当对象与仪器靠得很近时，若干连续通道可以生成包含完全相同的标记的波形(也被称为脉冲回波)。

根据脉冲TOF原理，在返回信号波形中的标记的确切位置(时序)指示对象的范围，而其相对幅度取决于对象在光发射器20的发射波长下的范围和光反射率两者。图1也示出了光接收器40的输出连接到控制和处理单元(CPU)60，其(在返回信号波形已经被模数转换器(ADC)80转换成数字格式之后)执行对返回信号波形的进一步处理并且将输出数据传输到数据接口70。

CPU 60在光脉冲照射视场期间和其后存储回波信号的全波形迹线。进行迹线采集的时间的长度比脉冲宽度更长以便允许以小于50ns的脉冲宽度和低占空比来捕获在距检测器几米的对象上反射的全波形迹线。因此，该采集允许在一段时间内从开始发射脉冲的时刻起捕获并存储独立的完整时间波形迹线，所述时间段在该脉冲的发射已经结束之后继续并且在下一短光脉冲的发射之前结束。此外，多个采样点必须针对迹线来获取，以允许与所发射的波形进行比较。CPU 60执行一些其他功能，诸如生成脉冲触发信号，其被转发到光发射器20以激发每个光脉冲。(同相或移相的)同步触发信号也被发送到光接收器40以用于开始返回信号波形的采集。CPU通过开始和停止波形采集来控制该采集。采集时间通过要被光学测距仪10覆盖的最大范围来确定。

光学测距仪10也包括用于向图1中所描绘的各个子系统供应电功率的装置。为了清楚起见，这些电源未被示出在图1中。

光发射器

光发射器20辐射非常短暂的光脉冲，每个具有例如几纳秒(ns)的持续时间，并且该持续时间针对可能在光接收器40的输出端处生成的返回信号波形中存在的标记的宽度(持续时间)设置了下限。实际上，光脉冲可以实现的最短持续时间受被集成在光发射器20中的驱动器电子设备和光源两者的脉冲响应的限制。如果光接收器40的总检测带宽足够高，通常在几十MHz到几百MHz的范围内，则返回信号波形中的标记将是所发射光脉冲的忠实复制(faithful replica)。

在光谱侧，所发射的光脉冲的光谱例如位于电磁光谱的近红外区域中。一些因素有利于近红外光的使用，诸如可负担得起的紧凑型光源和高灵敏度光电探测器的可用性、肉眼对近红外光的较弱响应，这使得所辐射的光脉冲不会分散注意力，并且在该光谱区域内的太阳辐照度背景水平与可见波长区域内的对应水平相比更弱。可见光也可以在例如要求需要对环境照明(使用光的全局照明或信令信息)时被使用。可见光可以是白光、或者可以以特定波长或波长范围发射例如以生成红光。

在图1中的实施例中，至少一个高功率发光二极管(LED)单元被用于形成光发射器20的LED源22。如图1所示，可以通过使用例如准直透镜组件24、接着是光扩散器(diffuser)26对LED源22所发出的光在光学上进行调节以将其扩散在期望的照射场(FOI)上。准直透镜组件24可以具有高输入数值孔径以促进更好地捕获从LED源22发射的高度发散的原始输出光束28。透镜组件24使捕获到的光重定向，以在其出射孔平面中形成具有适于光扩散器26的尺寸的横截面的光辐射照度分布30。同样地，透镜组件24将所发射的光束28的发散角减小至几度以确保满足扩散器26的指定光扩散特性。在其通过光扩散器26传输之后，光束被转换成具有定义光发射器20的FOI的张(发散)角的不对称光锥32。除了为FOI提供平滑、均匀的光辐照度分布之外，光扩散器26的使用还有助于LED源22的安装。从扩散器26射出的光束32的空间特性对被集成在LED源22中的各个LED单元的确切布置和对准几乎不敏感。因此，可以仅通过使用具有不同光扩散特性的光扩散器26从同一LED源22获得各种FOI。全息光扩散器具有可以在期望的波长下达到90％并且甚至更高的峰值光传输。此外，全息光成型扩散器可以被设计为将入射光扩散在规定的(不对称)FOI上，该FOI可以具有沿水平方向和垂直方向明显不同的发散角以在旨在用于各种应用的光学测距仪中最好地使用。这种类型的光扩散器也因其接近高斯形状的、平滑的输出光辐照度分布而受到欢迎。

可以在不脱离本发明的范围的情况下设想用于对从LED源22发出的光束28进行光学调节的其他方式。例如，当预期应用在沿正交横向方向两者对称的非常宽的FOI(例如120度或者更宽)内需要泛光(flooding light)32时，LED源22可以在没有任何准直透镜组24或光扩散器26的情况下被集成在光发射器20中。由于从LED发出的原始输出光的高度发散的性质和平滑度，使这种具有成本效益的方法成为可能。此外，该方法通过独立地调整形成LED源22的部分的每个LED单元的中心发射轴的方向来允许对产生的FOI进行一些调整。可替选地，双凸透镜片(lenticular lens sheet)可以代替光扩散器26。双凸透镜片通常由挤塑片(extruded plastic sheet)构成，该挤塑片具有被压有彼此平行延伸并且充当放大透镜阵列的一组线状微小波纹(被称为微透镜)的一个表面。双凸透镜被用于沿单个横向方向(垂直于微透镜的取向)扩散光并且可以生成预期应用所需的特定FOI。LED反射器也是以非常低的成本使光成形的另一可能性。

最后，光发射器20也包括电子设备34，其用于利用具有适合于有效实施脉冲TOF原理的峰值幅度和持续时间的电流脉冲来驱动LED源22。如前所述，由CPU 60生成的脉冲电压触发信号命令LED驱动器电子设备34生成每个电流脉冲。例如，光脉冲可以以通常低于50ns的持续时间发射。取决于发射脉冲的重复率，光发射的占空比(相对ON时间)可以低至0.1％。以低占空比驱动LED源22允许在不损害其寿命的情况下将峰值电流驱动电平提高到大大超过LED源22的标称额定电流的值。为了获得辐射光脉冲的期望的峰值光输出功率，LED的峰值驱动电平的任何降低可以通过在光发射器20中安装附加LED源22并且适当地使其驱动电子设备34加倍来补偿。

如果脉冲宽度小于50ns，占空比小于0.1％，则其将可能获得几倍于标称值的幅度。示例实施例将具有20ns的脉冲宽度，0.2％的占空比。由于占空比＝脉冲宽度×帧率，因此该示例的帧率将为100kHz。在另一示例实施例中，在0.5％的占空比和50ns的脉冲宽度下，系统达到100kHz的帧率，即每秒发射100000个脉冲。因此，每个脉冲之间存在10μs的时间段。

由于范围＝采集时间×光速/2，并且如果所需范围是90m，则全波形的采集将持续600ns，比脉冲宽度长得多，其将在脉冲被发射时开始并且将在下一脉冲被发射之前结束。在另一示例实施例中，在0.1％的占空比和20ns的脉冲宽度下，系统达到50kHz的帧率。这些高帧率通过使用具有适当的脉冲/调制驱动器的LED而成为可能。

光发射器20可以通过沿着特定方向执行每个LED源22的独立对准(光学轴线校正)而进一步从若干LED源22的使用中受益，使得这些辐射光束的集体交叠导致该FOI的更好填充(均匀性)。该方法可以在不使用光扩散器26的情况下提供具有期望的整体尺寸的均匀FOI。

光接收器

光接收器具有至少一个检测器的阵列。该阵列可以是一维或二维的。

在一个实施例中，对位于整个FOV(由沿着水平方向延伸的N个较小FOV的1×N线性布置组成)内的对象进行的光学检测和测距利用如图1中的示意图所示的光接收器配置40而成为可能。在图1中，水平平面被设置与页面的平面平行。同样在图1中示出的参考X轴沿着垂直于参考Z轴的方向水平设置，后者平行于光发射器20和光接收器40两者的光轴沿其指向的方向(即，平行于仪器10的视线)。垂直于X轴和Z轴的Y轴然后沿垂直方向指向。整个视场被封闭在由光学测距仪仪器的光发射器生成的照射场(FOI)内。

所需的水平范围FOV_X随预期应用而改变。例如，在汽车应用中，其可以在用于碰撞前缓解的系统中达到约15度、针对盲点监测达到40度，并且在用于停车辅助的系统中达到85度。在示例实施例中，整体视场具有15度×2.5度的最小总范围。在另一示例实施例中，整体视场具有85度×13度的总范围。

入射到光接收器40的集光孔上的光返回信号首先通过阻止波长谱在由光发射器20的发射光谱所确定的受限波段之外的寄生背景光(parasitic background light)的部分的滤光器42(可选)。滤光器42的带通应该被选择为相对较宽，并且在某些状况下，在没有任何滤光器42的情况下操作光接收器40是可取的。为了更大的便利，滤光作用也可以通过使用市场上可买到的光学防护窗来实现，该光学防护窗具有被涂覆有适当光学膜以阻止光波长谱的一些部分的其表面中的一个。可替选地，高阻防护窗由被制定以允许可以获得波长选择性光传输的材料形成。

通过滤光器42的光返回信号的部分然后通过物镜44传送，物镜44将光返回信号的部分聚焦到水平并行地设置在物镜44的焦平面中(或与其紧邻)的一系列光电探测器46的光敏面上。物镜44可以包括单个透镜元件(如图1中示意性描绘的)或者其可以被实施为包括多个透镜元件的光学组件。可替选地，物镜44可以用镜子或由镜子和校正透镜/板的组合来构建。

光电探测器的阵列46包括具有例如相同特性的多个独立的光电探测器。如前所述，每个光电探测器的光敏面面积确定其对应的FOV。

光学测距仪器10的示例实施例的光接收器40也包括模拟前端电子设备48，其用于在PIN光电二极管的阵列46的输出处调节原始电流波形。对本领域技术人员将显而易见的是，示例性模拟前端电子设备48可以由低噪声跨阻放大器、高带宽放大器级、以及用于偏置PIN光电二极管的阵列46的低电压电路组成。PIN阵列46和多通道模拟前端电子设备48可以共享同一印刷电路板，并且它们可以例如以专用集成电路(ASIC)的形式被集成。

前端电子设备48的模拟输出被转发到使模拟电压波形数字化的模数转换器(ADC)板80。对于每个检测通道，以每秒几十至几百兆个样本的速率进行数字化提供了充分的距离分辨率，以帮助降低清除可能存在于这些回波信号波形中的标记的发生。可以注意到的是，由于仪器10感测到存在于FOV内的对象，所以这些标记的持续时间保持几乎相同。这意味着ADC板80的采样频率可以被选择为高到足以以方便数量的采样点来采样每个标记。进行迹线采集期间的时长比脉冲宽度更长以便允许以小于50ns的脉冲宽度和低占空比捕获在距检测器几米的对象上反射的全波形迹线。此外，必须针对该迹线采集多个采样点以允许与所发射的波形进行比较。采集过程也可以使用移位技术来降低ADC 80的采样频率。

控制和处理单元(CPU)

在ADC板80的输出处的时序数值数据流的集合(即，数字化的返回信号波形的集合)被转发到CPU 60以进行进一步处理。CPU 60的核心是例如微处理器组件，其适合于所着手的应用并且能够利用所需数量的通道执行并行处理。CPU 60也可以以其他类型的处理装置为中心，诸如FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)或其他可编程逻辑。数值处理的性质和范围取决于预期应用。CPU 60可以然后将输出数据传递到更高级别的系统，在该系统中光学测距仪10可以经由在示例性数据通信接口(诸如以太网、USB或CAN总线)下操作的数据接口70来集成。

所记录的信号波形的数值处理

光学测距仪仪器10可以被认为是全波形LIDAR(光检测和测距)仪器，这是因为其可以输出在取决于要被检测和测距的对象所处的最大范围的适当时间间隔期间所采集的一组数字化的返回信号波形。与通过一旦检测到峰值超过预先确定的阈值就使电子计数器停止来对对象进行测距的传统模拟型光学测距仪相比，全波形仪器通过允许在所记录的数字波形上完成大量的数值处理任务来提供更大的灵活性。

例如，可以通过对该通道所采集的多个连续波形进行平均来增强可能在被关联到任何给定检测通道的返回信号波形中存在的标记的信噪比(SNR)。如果存在于连续波形中的噪声贡献彼此独立且完全不相关，则通过标准信号平均(累加)获得更好SNR是可能的。当满足此条件时(其通常是在适当消除固定模式噪声贡献之后的情况)，可以将波形的SNR增加(nW)1/2倍，其中nW是被平均的波形的数量。限制要平均的波形的数量的另一条件是需要生成这些标记的过程的稳定性。换句话说，存在于波形中的标记的属性(峰值幅度、形状、时间/距离位置)应该在记录将被平均的波形的完整集合所需的时间段内保持不变。当试图检测相对于光学测距仪10快速移动的对象时，该条件可能难以遵守。被关联到运动对象的这些标记在不同波形之间或多或少明显地有所漂移。尽管该情况在本文所述的光学测距仪10所预期的应用中经常发生，但是其有害影响可以通过选择足够高的光发射器20的脉冲重复率(例如在kHz范围内)来缓解。以高重复率进行的操作使得能够在足够短的时间间隔内捕获多个返回信号波形，以防止被关联到给定运动对象的标记的明显漂移。处理运动对象的另一种方式是对返回信号波形实施复杂的数值处理，其特别地旨在增强来自运动对象的标记的SNR。

图3示出了其中车辆102被配备有3D传感器104的场景100。车辆102被停在十字路口106处，其中存在多个对象108，包括自行车上的骑自行车的人110、行人112、摩托车上的骑摩托车的人114、道路工作桶116和前向车辆118。3D传感器104的3D视场120被图形化表示，虽然其将在现实生活实施例中通常不明显。

如图4A所示，在具有狭窄视场的飞行时间传感器被用于检测由反射目标反射的光脉冲的最佳情况下，强信号被直接返回到LiDAR接收器。在具有狭窄视场的飞行时间传感器被用于检测自然目标(诸如车辆)所反射的光脉冲的现实情况下，入射光信号在其撞击车辆时会发生散射并且只有一小部分光(随距离的平方减小)返回到LiDAR接收器，如图4B所示。显然，单点LiDAR系统具有有限的视场(FOV)。单点传感器没有直接覆盖要观察的整个区域。由于显著的信号散射，因此返回信号已经减小了强度和有效范围。

实际上，图5A中的类型的多个回波迹线被累加和平均以允许对信号进行平滑，如图5B和图5C所示。SNR的提高随着累加的回波迹线的数量而增加。图6示出了具有被用于表示3D传感器所观察内容的灰度编码的深度图。

图7示出了固态扫描LiDAR系统的主要部件的示例框图。光源222(例如激光二极管)被提供有波束导向元件224，诸如MEMS微镜。

图8示出了用于包括单个发射器和光电二极管阵列的实施例的系统部件的物理表示，在该实施例中仅发射器被提供有波束导向元件。

该扫描仪使用利用多脉冲测量的共振式MEMS微镜。对于MEMS镜有两个工作模式，即线性模式和共振模式。共振镜提供快动作、大机械偏移以及对振动的高抗扰度。多脉冲测量是多次采集的累加以形成测量结果。其提高了SNR。

3D扫描仪的发射器侧220的主要部件是激光二极管222、MEMS微镜224和扩散器透镜226。图10示出了示例性激光二极管222，其可以包括准直透镜并且其脉冲生成指向振荡微镜的准直激光束。图11示出了在单轴上以超高频率振荡的示例微镜。图12示出了扩散的激光束在其通过示例扩散器透镜226之后的表示。

激光二极管222以平均频率使经准直的激光束228发出脉冲。该频率适应于MEMS微镜224的频率。在一个示例实施例中，平均频率是55.7kHz。激光束228在MEMS微镜224的共振的一个周期内多次产生脉冲。MEMS微镜224具有共振频率并且在一个轴上振荡，从而创建光230的垂直或水平图案。在一个示例实施例中，图案是垂直的。扩散器透镜226使经准直的激光束扩散以产生扩散束232。在示例实施例中，波束最初是0.25×0.25波束并且扩散器透镜使波束扩散20度以获得0.25×20度波束。

3D扫描仪的接收器240侧的主要部件是接收器透镜244和光电探测器246，诸如APD阵列(雪崩光电二极管)。图13示出了捕获光的示例接收器透镜244。接收器透镜244将反射光束聚焦在APD阵列246上。阵列APD 246被接收到的光激发。图14示出了示例APD阵列246如何在多个独立测量中分割每个垂直信号以构造3D矩阵。

图20示出了示例变形镜头(图20A)及其平行视图(图20B)和垂直(图20C)视图。变形镜头被用于压缩或扩展视场以便所产生的视场不是传感器的形状因数的唯一函数。其可以被用作接收器透镜244。

在使用中，激光二极管222使被导向微镜224的准直激光束228产生脉冲。准直激光束228到达MEMS微镜224并且其由镜子朝向扩散器透镜226重定向。准直激光束230到达使激光束扩散的扩散器透镜226。当经扩散的激光束232到达对象时，此对象反射光。经反射的光然后被接收器透镜244接收。接收器透镜244将光重定向到阵列光电二极管246。阵列中的每个像素将信息发送到生成像素线的对应输出端口。如果使用64个单元阵列光电二极管，则64个像素线被创建。

为了完成该矩阵，该序列在微镜224的不同角度下多次执行。在示例实施例中，该序列被重复256次，一个序列在微镜224的256个不同角度的每一个处。256×64矩阵然后被创建。MEMS微镜224被共振地操作并且具有准正弦迹线。其在允许掠过水平平面或垂直平面的一个轴上振荡。在示例实施例中，从-30度到+30度水平地掠过该平面。在另一实施例中，从-15度到+15度掠过该平面。

激光二极管222的脉冲与镜子224的共振周期同步。由于微镜224具有高于帧率的频率，因此需要多于一个共振周期来完成多次采集。在共振的一个示例周期期间，激光束产生脉冲32次。

图24示出了用于对可能包含要检测的对象的区域进行光学扫描的方法300的一个实施例。该方法由包括脉冲光源、光电探测器和控制器的光学系统来实施，诸如激光雷达光学测距仪。控制器包括控制单元，诸如微处理器、用于存储数据的存储器以及用于接收和/或传送数据的通信单元。

在步骤302处，扫描方向的交错序列被接收。扫描方向是指要沿其发射光脉冲的方向。应该理解的是，脉冲光源适应于改变它沿其发射光脉冲的方向，如下面将更详细地描述的。当沿着对应扫描方向发射脉冲时，要扫描的区域被划分为每个对应于光学系统的视场的多个子区域。光学系统还适于改变扫描方向以便给定数量的分立扫描方向对于覆盖待扫描区域是必要的。因此，光学系统适应于沿着多个不同的扫描方向顺序地发射光脉冲并且相应的视场与每个扫描方向对应。

在现有技术中，通过从最左的方向到最右的方向相继地改变扫描方向来相继地扫描子区域，反之亦然。例如，脉冲光源被定位以便沿最左方向发射第一光脉冲。然后脉冲光源的方向被改变以便第二光脉冲沿着第二扫描方向发射，该第二扫描方向是邻近第一扫描方向的右侧的第一方向。然后，脉冲光源的方向被改变以便第三光脉冲沿着第三扫描方向发射，该第三扫描方向是邻近第二扫描方向的右侧的第一方向。这些步骤被重复直到可见光脉冲沿着最右扫描方向被发射。因此，根据现有技术，扫描方向是根据从最左方向朝最右扫描方向、或者从最右扫描方向朝最左扫描方向的升序来相继扫描的。

与现有技术相反，在步骤302处接收到的扫描方向的交错序列没有针对扫描方向定义从最左方向朝最右扫描方向、或者从最右扫描方向朝最左扫描方向的升序，如以下更好地说明的。

返回参照图24，光脉冲由光学系统根据在步骤304处的交错序列中列举的扫描位置来顺序地发射。第一光脉冲根据在交错序列中占据第一位置的扫描方向来发射。然后第二光脉冲根据在交错序列中占据第二位置的扫描方向来发射等等，直到光脉冲根据占据了交错序列的最后位置的扫描方向被发射为止。

在步骤306处，脉冲回波由光学系统检测，即，每个脉冲回波的时间的强度或幅度被感测和测量。脉冲回波对应于所发射的脉冲在被扫描的区域内存在的对象上的反射。在光学系统是全波形LIDAR测距仪的实施例中，给定发射脉冲的脉冲回波对应于被包括在发射给定发射脉冲所处的时间与发射后续脉冲所处的时间之间的时间段内检测到的光。

在步骤308处，检测到的脉冲回波被输出，即作为时间的函数的脉冲回波的检测到的光强度或幅度被输出。例如，检测到的脉冲回波可以被存储在存储器中。在一个实施例中，对应于检测到的脉冲回波的扫描方向的标识与脉冲回波一起输出。

图25示出了用于生成交错序列的方法318的一个实施例。应该理解的是，方法318可以由光学系统的控制器执行。可替选地，交错序列可以由独立于光学系统的计算机机器生成并且随后被传送到光学系统。

在步骤320处，接收扫描感兴趣区域所需的扫描方向。例如，在步骤320处可以接收N个扫描方向d₁、d₂、d₃、...、d_j、...d_N，其中N是扫描方向的总数。

在步骤322处，接收到的扫描方向被分割成方向的多个(S个)子组分SUB₁、SUB₂、…、SUB_S，其中S为方向子组分的数量。每个子组分SUB_j包括从接收到的扫描方向中选择的给定数量n_j的扫描方向并且因此对应于从接收到的扫描方向中选择的方向的顺序列表。

在一个实施例中，方向子组分都包含相等数量的方向以便n_j在整个子组分中是恒定的，使得：

n₁＝n₂＝…＝n_S＝n。

在此情况下，N＝n*S。在另一实施例中，被包含在子组分中的方向的数量可以在不同子组分之间有所不同。

在一个实施例中，相同的接收到的扫描方向可以被包含在至少两个不同的子组分中。在另一实施例中，接收到的扫描方向可以被分配给单个子组分以便两个不同的子组分不能包含相同的接收到的扫描方向。

在步骤324处，使用方向子组分SUB_j创建交错序列IS。在所有子组分都包含相等数量n的方向的情况下，交错序列IS可以被表示如下：

IS＝[SUB₁(1),SUB₂(1),…,SUB_S(1),SUB₁(2),SUB₂(2),…,SUB_S(2),…,

SUB₁(n),SUB₂(n),…,SUB_S(n)]

其中：

SUB₁＝[SUB₁(1),SUB₁(2),…,SUB₁(n)]

SUB₂＝[SUB₂(1),SUB₂(2),…,SUB₂(n)]等。

SUB_S＝[SUB_S(1),SUB_S(2),…,SUB_S(n)]，并且

SUBj(i)对应于在步骤320处接收到的扫描方向中给定的一个扫描方向。

在一个实施例中，方法300还包括根据要扫描的感兴趣区域确定扫描方向的步骤。在此情况下，方法300包括接收感兴趣区域的步骤。例如，感兴趣区域可以被定义为角度的初始范围诸如[-30度,+30度]，并且角度的初始范围可以除以可在由用户输入时预先定义或接收到的扫描方向的数量以获得每个与相应扫描方向相关联的角度的多个子范围。例如，每个扫描方向可以位于角度的相应子范围的中心。

应该理解的是，用于生成扫描方向以扫描感兴趣区域的任何适当方法可以被使用。尽管在以上示例中扫描方向的数量被预先定义，但是其他情况也是可能的。例如，两个连续扫描方向之间的角距离可以被预先定义。

图26示出了要由脉冲光源328根据12个不同扫描方向d₁、…、d₁₂发射光脉冲以便对感兴趣区域进行光学扫描的情况。这12个扫描方向d₁、...、d₁₂中的每个与相应视场330、...、352相关联。

应该理解的是，适应于改变光脉冲的发射的方向的任何适当脉冲光源可以被使用。例如，脉冲光源328可以是机动的和可旋转的以便改变扫描方向。在一个示例中，脉冲光源328可以包括机动旋转台。在另一示例中，脉冲光源328可以包括至少一个用于改变扫描方向的机动且可旋转的镜子。在再一实施例中，包括脉冲光源328的光学系统可以对应于被示出在图8中的测距仪，以便脉冲光源328包括以共振模式操作的MEMS微镜以用于改变扫描方向。图15示出了共振地操作的微镜的角度位置或取向的示例性共振周期。该共振周期包括：第一半周期，在其期间微镜从第一极限角度位置或取向旋转到第二极限角度位置或取向；以及第二半周期，在其期间微镜从第二极限角度位置或取向旋转回第一极限角度位置或取向。在该示例性周期中，32个光脉冲可以在单个共振周期期间被微镜反射。图19示出了在-14度到+14度之间的振荡的示例镜子同步信号图。两个同步信号被用于确定微镜的确切取向，如本领域所公知的。在一个实施例中，示例实施例中的镜子频率介于约1300Hz到约1750Hz之间。

根据现有技术，光脉冲将根据扫描方向的升序被迭代地且相继地发射。在升序从最左到最右的示例中，第一脉冲将在光源328的扫描方向对应于最左视场330的扫描方向d₁时被发射。例如，扫描方向d₁可以在视场330内居中。然后，第二光脉冲将在脉冲光源328的轴线将根据对应于视场332的第二方向d₂取向时被发射，第三光脉冲将在脉冲光源328的轴线将根据对应于视场334的第三方向d3取向时被发射等，直到光脉冲在脉冲光源328将沿着对应于最右视场352的第十二方向d₁₂取向时被发射为止。共振镜可以被用于改变光脉冲的发射的方向并且脉冲光源的脉冲速率被调节以便在镜子从其对应于方向d₁的最左角度位置旋转到其对应于方向d₁₂的最右方向时针对每个扫描方向d₁、…、d₁₂发射脉冲。

根据本方法并且与现有技术方法相反，不是根据扫描方向的升序来发射光脉冲，而是根据扫描方向的交错序列来发射光脉冲。

例如，可以按以下方式创建三个方向子组分：

SUB₁＝[d₁,d₂,d₃,d₄]

SUB₂＝[d₅,d₆,d₇,d₈]

SUB₃＝[d₉,d₁₀,d₁₁,d₁₂]

在此情况下，交错序列IS如下：

IS＝[d₁,d₅,d₉,d_2,d₆,d₁₀,d₃,d₇,d₁₁,d₄,d₈,d₁₂]。

返回参照共振镜被用于调节方向的示例，并且其与上述现有技术方法相比，假设共振镜的操作相同(例如相同旋转速度)，则两个脉冲的发射之间的时间更长。尽管在现有技术中第二脉冲在镜子根据第二方向d₂取向时被发射，但是第二脉冲仅在镜子根据本方法根据第五方向d₅取向时被发射。由于镜子从第一方向d₁旋转到第五方向d₅比从第一方向d₁旋转到第二方向d₂需要更多时间，因此检测回波的时间与现有技术相比增加了，并且因此对象的非模糊方向的范围也相对于现有技术增加了。然而，本方法与现有技术方法相比需要更多时间来扫描整个区域，这是因为它将镜子从其最左位置到其最右位置需要四次旋转才能扫描12个方向，而根据现有技术，对于扫描12个方向，镜子从其最左角度位置到其最右角度位置只需要单次旋转。

在本方法的一个实施例中并且如上所述，光脉冲仅在镜子的旋转的一个半周期期间(即在镜子从其最左角度位置旋转到其最右角度位置时，或反之亦然)才发射。

在另一实施例中，在镜子的整个旋转周期期间，即当镜子从其最左角度位置旋转至其最右角度位置并且当镜子从其最右角度位置旋转至其最左角度位置时，发射光脉冲。

参照图26所示的前一示例，当在微镜的共振的两个完整周期期间发射光脉冲时，可以创建以下三个子组分：

SUB₁＝[d₄,d₁₀,d₃,d₉]

SUB₂＝[d₈,d₆,d₇,d₅]

SUB₃＝[d₁₂,d₂,d₁₁,d₁]

在此情况下，交错序列IS如下：

IS＝[d₄,d₈,d₁₂,d_10,d₆,d₂,d₃,d₇,d₁₁,d₉,d₅,d₁]。

方向d₄、d₈、d₁₂在镜子的旋转的第一半周期期间(即当镜子从其最左角度位置旋转到其最右角度位置时)实现，而方向d₁₀、d₆、d₂在镜子的旋转的下一半周期期间(即当镜子从其最右角度位置旋转到其最左角度位置时)实现。因此，在镜子的旋转的第一全周期内可以扫描六个方向。方向d₃、d₇、d₁₁在镜子的旋转的第三半周期期间(即当镜子从其最左角度位置旋转到其最右角度位置时)实现，而方向d₉、d₅、d₁在镜子的旋转的第四半周期期间(即当镜子从其最右角度位置旋转到其最左角度位置时)实现。因此，在镜子的旋转的第二全周期期间扫描六个附加方向，并且在电动机的旋转的仅两个全周期中可以扫描十二个方向。

在一个实施例中，光学系统是如上所述的全波形LIDAR仪器，并且每个扫描方向发射至少两个脉冲。

在针对每次测量、每个扫描方向要发射多个光脉冲的实施例中，交错序列可以迭代地执行与每个扫描方向要发射的光脉冲的数量对应的给定次数。在此情况下，根据交错序列所定义的顺序、针对每个扫描方向发射第一光脉冲。然后，同样根据交错序列等、针对每个扫描方向发射第二光脉冲直到每个扫描方向给定数量的光脉冲被发射为止。

在一次测量期间针对每个扫描方向要发射多个光脉冲的另一实施例中，交错序列可以被划分为多个交错子序列，其被执行与每个扫描方向要发射的光脉冲的数量对应的给定次数。在此情况下，第一交错子序列被执行给定次数，然后第二交错子序列被执行给定次数等，如图18中的示例性流程图所示。在该示例性方法中，第一步骤包括将所有参数设置为零。检查微镜的位置。如果微镜不在其初始的预先定义的位置，则调整微镜的位置。如果微镜的位置正确，则根据定义在第一组(bank)或扫描方向子组分中的第一扫描方向发射第一脉冲。然后，根据定义在第一组扫描方向中的第二扫描方向发射第二脉冲，根据定义在第一组扫描方向中的第三扫描方向发射第三脉冲等，直到定义在第一组扫描方向中的所有扫描方向都已经被扫描一次为止，即直到第一脉冲已经根据包含在第一组中的每个扫描方向被顺序地传送为止。然后这些步骤(即包含在第一组中的所有扫描方向的顺序扫描)被重复给定次数，直到达到所需数量的采样为止。

一旦第一组中的所有线或扫描方向已经被扫描给定次数以获得所需数量的采样，则组计数器递增，并且第二组的扫描方向被扫描。第一脉冲根据在第二组或扫描方向子组分中定义的第一扫描方向来发射。然后，根据定义在第二组扫描方向中的第二扫描方向来发射脉冲，根据定义在第二组扫描方向中的第三扫描方向发射再一脉冲等，直到定义在第二组中的所有扫描方向都已经被扫描一次为止，即直到第一脉冲已经根据包含在第二组中的每个扫描方向被顺序地传送为止。然后这些步骤(即包含在第二组中的所有扫描方向的顺序扫描)被重复给定次数直到达到所需数量的采样为止。

上述步骤被重复直到扫描方向的所有组都已经被扫描为止。

在一个实施例中，交错序列可以包括在微镜的旋转的半周期期间或在微镜的旋转的完整周期期间要执行的扫描方向。

例如，交错序列可以是如下：

IS＝[d₁,d₅,d₉,d_2,d₆,d₁₀,d₃,d₇,d₁₁,d₄,d₈,d₁₂]。

例如，交错序列可以包括四个交错子序列，其每个包括在微镜的旋转的半周期期间要扫描的扫描方向，如下：

ISS₁＝[d₁,d₅,d₉]

ISS₂＝[d_2,d₆,d₁₀]

ISS₃＝[d₃,d₇,d₁₁]

ISS₄＝[d₄,d₈,d₁₂]

在此情况下，第一交错子序列ISS1被首先执行与每个扫描方向和每次测量要发射的光脉冲的数量对应的给定次数。然后，在第三交错子序列ISS3被执行给定次数之前，第二交错子序列ISS2被执行给定次数。最后，第四交错子序列ISS4被执行给定次数。

例如，如果在一次测量期间沿每个扫描方向要发射三个光脉冲，则第一交错子序列ISS1被首先执行三次，即三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的半周期中的每一个期间沿着扫描方向d₁、d₅和d₉重复地发射，即第一光脉冲在微镜的旋转的第一半周期期间沿着方向d₁、d₅和d₉中的每一个发射，然后第二光脉冲在微镜的旋转的第二半周期期间沿着方向d₁、d₅和d₉中的每一个发射，并且第三光脉冲在微镜的旋转的第三半周期期间沿着方向d₁、d₅和d₉中的每一个发射。

然后三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的半周期中的每一个期间沿着方向d₂、d₆、d₁₀迭代地发射。三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的半周期中的每一个期间沿着扫描方向d₃、d₇、d₁₁随后地并且迭代地发射。最后，三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的半周期中的每一个期间沿着扫描方向d₄、d₈、d₁₂迭代地发射。

在扫描方向在微镜的旋转的全周期期间被扫描的实施例中，交错序列也可以被划分为以下多个交错子序列，其被执行与每个扫描方向要发射的光脉冲的数量对应的给定次数。在此情况下，第一交错子序列被执行给定次数，然后第二交错子序列被执行给定次数等。交错序列可以包括在微镜的旋转的半周期期间或在微镜的旋转的完整周期期间要执行的扫描方向。

例如，交错序列可以是如下：

IS＝[d₄,d₈,d₁₂,d_10,d₆,d₂,d₃,d₇,d₁₁,d₉,d₅,d₁]。

例如，交错序列可以包括两个交错子序列，其每个包括在微镜的旋转的全周期期间要扫描的扫描方向，如下：

ISS₁＝[d₄,d₈,d₁₂,d_10,d₆,d₂]

ISS₂＝[d₃,d₇,d₁₁,d₉,d₅,d₁]

第一交错子序列执行与每个扫描方向和每次测量要发射的光脉冲的数量对应的给定次数。然后，第二交错子序列ISS2被执行给定次数。

例如，如果在一次测量期间沿每个扫描方向要发射三个光脉冲，则第一交错子序列ISS1被首先执行三次，即三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的全周期中的每一个期间沿着扫描方向d₄、d₈、d₁₂、d₁₀、d₆、d₂迭代地发射，即第一光脉冲在微镜的旋转的第一全周期期间沿着方向d₄、d₈、d₁₂、d₁₀、d₆、d₂中的每一个发射，然后第二光脉冲在微镜的旋转的第二全周期期间沿着方向d₄、d₈、d₁₂、d₁₀、d₆、d₂中的每一个发射，并且第三光脉冲在微镜的旋转的第三全周期期间沿着方向d₄、d₈、d₁₂、d₁₀、d₆、d₂中的每一个发射。

然后，三个光脉冲在微镜的旋转的三个连续的全周期中的每一个期间沿着扫描方向d₃、d₇、d₁₁、d₉、d₅、d₁迭代地发射。

在完成测量所需的时间被固定的实施例中，根据方向的交错序列发射光脉冲可以增加检测的非模糊范围，但以SNR为代价，如表1中所示。

表1示出了针对以下示例设置的示例性交错配置：镜子频率为1740Hz、镜子半周期为0.287毫秒、帧率为15Hz、以1：1复用并且分辨率为256线。在此示例中，被用于生成扫描方向的交错序列的所有子组分均包含相等数量的方向，并且镜子的振荡角度范围可以是60度，即镜子的取向在-30度至+30之间振荡。如果扫描方向的总数等于256，则两个连续扫描方向之间的角度差等于约0.24度。

组数或交错因子对应于被用于创建交错序列的扫描方向子组分的数量。分辨率是指被用于扫描感兴趣区域的扫描方向的数量。每组的线的数量对应于被包含在扫描方向子组分中的方向的数量。每次测量的脉冲的数量是指在与测量相关联的时间周期期间沿着同一扫描方向发射的脉冲的数量。SNR提高是指与每次测量将存在单个脉冲的场景相对的SNR的提高。

表1.示例性交错配置

当交错因子等于1时，不存在交错序列并且256个扫描方向被从左至右或从右至左相继地扫描。此场景提供了最大的SNR提高，但需要最大的脉冲速率。因此，此场景提供了最低的非模糊范围。

当交错因子等于2时，扫描方向的两个子组分被创建，其每个包含128个方向并且扫描方向的总数等于256。例如，第一子组分SUB1可以包含128个扫描方向并且第二子组分SUB2也可以包含128个扫描方向，如下：

SUB₁＝[d₁,d₃,…,d₂₅₅]

SUB₂＝[d₂,d₄,…,d₂₅₆]

第一子组分SUB1和第二子组分SUB2被顺序地组合以获得以下交错序列：

IS＝[d₁,d₃,d₅,…,d₂₅₅,d₂,d₄…,d₂₅₆]。

当交错因子等于3时，方向的三个子组分被创建，其每个包含85个方向并且扫描方向的总数等于255。例如，第一子组分SUB1、第二子组分SUB₂和第三子组分SUB₃可以被表示如下：

SUB₁＝[d₁,d₄,…,d₂₅₄]

SUB₂＝[d₂,d₅,…,d₂₅₅]

SUB₂＝[d₃,d₆,…,d₂₅₆]

子组分SUB₁、SUB₂和SUB₂被顺序地组合以获得以下交错序列：

IS＝[d₁,d₄,…,d₂₅₄,d₂,d₅,…,d₂₅₅,…,d₃,d₆,…,d₂₅₆]。

随着交错因子增加，相同的方法被用于创建交错序列。例如，图16和图17示出了交错因子等于8的场景。在微镜的半周期振荡期间，光脉冲可以针对扫描方向或线d₁、d₉、d₁₇、…d₂₄₉来发射，如图16中所示。然后，光脉冲在微镜的第二半周期振荡期间沿着扫描方向或线d₂、d₁₀、d₁₈、...、d₂₅₀来发射，如图17等所示。在此情况下，扫描256条线(或扫描方向)需要最小数量为8的半周期。如果光脉冲将在镜子的振荡的往返半周期期间被发射，则扫描256个方向需要仅8个半周期。然而，如果光脉冲将在镜子的每次振荡的仅一个半周期期间被发射，则扫描256个方向需要16个镜子的振荡的全周期。

应该理解的是，在振荡的每个全周期结束时，光源的脉冲的时序需要被移位以生成下一连串脉冲。

如可以从表1中呈现的结果中观察到的，增大交错因子允许增大对象的检测的非模糊范围，这是因为两个连续脉冲的发射之间经过的时间被增加，从而增加了检测时间。增加交错因子还允许降低微镜的共振频率，从而减少对微镜的机械和物理约束。然而，由于在单次测量期间针对同一扫描方向可以被发射的脉冲的数量，SNR的提高会随着交错因子的增大而降低。因此，可以在期望的非模糊范围和可接受的SNR提高之间找到折衷。在一些实施例中，也可以期望在系统的分辨率(即扫描方向的数量)与可用于存储检测到的回波的存储器和非模糊范围之间进行折衷。

如上所述，多个光脉冲可以沿着相同的扫描方向被发射以便提高SNR。在此情况下，针对相同扫描方向测量出的回波被平均以获得提高的SNR。然而，当光学系统被安装在运动车辆上时，沿着相同扫描方向的不同脉冲的发射之间经过的时间可以由于车辆的速度而影响结果的质量，如图21和图22A-22C中所示。

如图21中所示，当车辆正相对于在其上光脉冲被反射的目标对象运动时，车辆与对象之间的距离减小。图22A示出了当车辆处于图21中的第一位置时在对象上反射的第一脉冲的回波。在此情况下，第一光脉冲沿着给定方向在时间t₀处发射。图22A中示出的回波在时间t₀+Δt₀处被接收。当第二脉冲在时间t₁处发射时，车辆已经从第一位置运动并且因此更靠近对象。对象与光学系统之间的距离然后更短，并且发射第二脉冲所处的时间t₁与接收第二回波所处的时间t₁+Δt₁之间的差比发射第一脉冲所处的时间t₀与接收第一回波所处的时间t₀+Δt₀之间的差更短，如图22B中所示。当对第一回波和第二回波进行平均以提高SNR时，所产生的经平均的回波如图22C中所示在时间上变宽，从而降低了测量的质量。

图28是示出根据一些实施例的用于执行方法318中的步骤320至324的示例性处理模块360的框图。处理模块360通常包括一个或多个计算机处理单元(CPU)和/或图形处理单元(GPU)362，以用于执行被存储在存储器364中的模块或程序和/或指令，并且因此执行处理操作、存储器364、以及用于使这些部件互相连接的通信总线366。通信总线356可选地包括使系统部件之间的通信互相连接并且对其进行控制的电路(有时称为芯片组)。存储器364包括高速随机存取存储器，诸如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器364可选地包括远离GPU 362和/或一个或多个CPU定位的一个或多个存储设备。存储器364、或者可替选地存储器364内的一个或多个非易失性存储器设备包括非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，存储器364或存储器364的计算机可读存储介质存储以下程序、模块和数据结构，或其子集：

扫描方向模块370，其用于接收待扫描的感兴趣区域并且生成扫描方向以便扫描该感兴趣区域；

分割模块372，其用于将扫描方向分割为多个方向子组分；以及

交错序列模块374，其用于从多个方向子组分生成交错序列。

以上标识出的元件中的每个可以被存储在一个或多个前面提到的存储器设备中并且与用于执行上述功能的一组指令对应。以上标识出的模块或程序(即，指令集)不需要被实施为单独的软件程序、过程或模块，并且因此这些模块的各个子集可以在各个实施例中被组合或以其他方式重新布置。在一些实施例中，存储器364可以存储以上标识出的模块和数据结构的子集。此外，存储器364可以存储以上未描述的附加模块和数据结构。

尽管图28示出了处理模块360，但是其比起作为本文所描述的实施例的结构示意图更旨在作为可以存在于管理模块中的各个特征的功能性描述。在实践中，并且如本领域普通技术人员所意识到的，单独示出的项目可以被组合并且一些项目可以被分开。

图27示出了当光学系统(诸如光学测距仪系统)与对象之间的相对位置随时间改变时用于校正回波的时间偏移的方法400的一个实施例。

在步骤402处，第一光脉冲在第一时间点t₀处被发射。第一光脉冲沿着给定方向发射。在步骤404处，光脉冲被对象反射并且在等于t₀+Δt₀的时间处检测到由第一光脉冲在对象上的反射所生成的第一回波。第一回波被示出在图23A中。该回波表示作为从已经发射了相应光脉冲所处的时间开始的时间的函数的测量出的光强度/幅度。图22A和22B呈现了示例性回波。

在步骤404处，第二光脉冲在时间t1处被发射。第二光脉冲沿着给定方向发射。在步骤406处，第二光脉冲也被对象反射并且在等于t₁+Δt₁的时间处检测到由第二光脉冲在对象上的反射所生成的第二回波。

在步骤408处，光学系统与对象之间的相对速度被接收。在对象具有固定位置并且光学测距仪系统相对对象移动的实施例中，相对速度对应于光学系统的速度，例如在其上安装了光学系统的车辆的速度。在光学系统具有固定位置并且对象相对光学系统移动的实施例中，相对速度对应于对象的速度。

在一个实施例中，方法400还包括测量光学系统与对象之间的相对速度的步骤。在对象具有固定位置、并且光学系统相对对象移动并且被安装在车辆上的实施例中，可以使用车辆的速度计来测量速度。在另一实施例中，可以通过例如使用GPS和发射光脉冲所处的时间测量光学系统的位置来测量速度。也可以使用加速度计或任何其他适当的设备测量速度。

在步骤410处，校正时间δt使用接收到的相对速度来计算。该校正时间对应于被添加到检测到第二回波的时间的时间，以补偿光学系统与对象之间的相对运动，并且其被表示如下：

δt＝Δt₀-Δt₁

在第一脉冲和第二脉冲的发射之间由光学系统覆盖的距离ΔL可以被表示为：

ΔL＝L₀-L₁

其中L₀是在时间t₀处光学系统与对象之间的距离，并且L₁是在时间t₀处光学系统与对象之间的距离。

距离L₀和L₁被定义如下：

L₀＝c.(Δt₀/2)

L₁＝c.(Δt₁/2)

其中c是光速。

距离ΔL也可以被表示为光学系统相对于对象的速度的函数，如下：

ΔL＝v.(t₁-t₀)

因此：

ΔL＝L₀-L₁＝v.(t₁-t₀)

通过用它们的表达式替换L₀和L₁，我们获得：

c.(Δt₀/2)-c.(Δt₁/2)＝v.(t₁-t₀)并且

c.(Δt₀-Δt₁)/2＝v.(t₁-t₀)

由于δt＝Δt₀-Δt₁，因此该等式变为：

c.δt/2＝v.(t₁-t₀)

校正时间δt则被表示如下：

δt＝2v.(t₁-t₀)/c

在步骤414处，第二回波使用校正时间δt来校正。第二回波在时间上被平移对应于校正时间δt的量。图23B示出了在时间上与第一回波对准的经校正的第二回波。

在步骤416处，经校正的回波被输出。例如，经校正的第二回波可以被存储在存储器中。

一旦被校正，第二回波可以利用第一回波来平均，并且当没有校正被完成时，在图23C中示出的所产生的经平均的回波不再相对于图22C中经平均的回波而变宽。

当多个光脉冲沿相同方向在不同时间被发射时，方法400可以被用于对准与所发射的脉冲对应的回波以便提高测量的质量。

应当理解的是，方法400可以由光学系统的控制器(诸如光学测距仪系统的控制器)来执行。可替选地，方法400可以由被连接到光学系统的独立计算机机器来执行。在此情况下，该计算机机器被提供有至少一个处理单元、存储器和通信装置。要由处理单元执行的语句和指令被存储在存储器中以便执行上述校正方法。

图29是示出根据一些实施例的用于执行方法400中的步骤410至416的示例性处理模块430的框图。处理模块430通常包括一个或多个CPU和/或GPU432，其用于执行被存储在存储器434中的模块或程序和/或指令并且因此执行处理操作、存储器434和用于使这些部件互相连接的一个或多个通信总线436。通信总线436可选地包括使系统部件之间的通信互相连接并且对其进行控制的电路(有时称为芯片组)。存储器434包括高速随机存取存储器，诸如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器434可选地包括远离GPU 432和/或一个或多个CPU定位的一个或多个存储设备。存储器434、或者可替选地存储器434内的一个或多个非易失性存储器设备包括非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，存储器434或存储器434的计算机可读存储介质存储以下程序、模块和数据结构，或其子集：

校正确定模块440，其用于接收位移速度并且使用该位移速度、上述第一时间点和第二时间点以及光速来确定校正时间。

校正应用模块442，其用于使用校正时间来校正第二回波并且输出经校正的回波。

以上标识出的元件中的每个可以被存储在一个或多个前面提到的存储器设备中并且与用于执行上述功能的一组指令对应。以上标识出的模块或程序(即，指令集)不需要被实施为单独的软件程序、过程或模块，并且因此这些模块的各个子集可以在各个实施例中被组合或以其他方式重新布置。在一些实施例中，存储器434可以存储以上标识出的模块和数据结构的子集。此外，存储器434可以存储以上未描述的附加模块和数据结构。

尽管图29示出了处理模块430，但是其比起作为本文所描述的实施例的结构示意图更旨在作为可以存在于管理模块中的各个特征的功能性描述。在实践中，并且如本领域普通技术人员所意识到的，单独示出的项目可以被组合并且一些项目可以被分开。

上述本发明的实施例旨在仅是示例性的。本发明的范围因此旨在仅由所附权利要求的范围来限制。因此，本发明的范围不应被解释为被限于着手于车辆的驾驶员辅助/安全系统。本发明的光学测距仪仪器可以因此被集成在专用于交通监测的固定系统中，例如在道路十字路口处，其中各种类型的对象(车辆、自行车、行人、路面)应该在各种天气条件下并且在从自然来源和人工来源两者发生的广泛改变的光照条件下在宽视场内被可靠地检测。其也可以被集成在移动应用程序中，诸如在汽车工业领域中的驾驶员辅助应用程序中。

Claims (10)

1.一种根据多个扫描方向对区域进行光学扫描的方法，其包括：

接收交错序列，所述交错序列定义了所述多个扫描方向的扫描顺序；

根据所述交错序列顺序地传播光脉冲；

检测对应于传播的光脉冲在存在于所述区域内的至少一个对象上的反射的脉冲回波；以及

输出检测到的脉冲回波。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，接收所述交错序列包括：

接收所述多个扫描方向；以及

生成所述交错序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述接收所述多个扫描方向包括：

接收总扫描范围；

接收多个扫描方向中的一个和每个扫描方向的视场；以及

确定所述扫描方向。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述生成所述交错序列包括：

将所述多个扫描方向分割成多个方向子组分；并且

使用所述方向子组分生成所述交错序列。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括重复：

所述根据所述交错序列顺序地传播光脉冲；

所述检测对应于传播的光脉冲在存在于所述区域内的至少一个对象上的反射的脉冲回波；以及

所述输出检测到的脉冲回波。

6.一种根据多个扫描方向对区域进行光学扫描的系统，包括：

控制器，其用于接收定义了所述多个扫描方向的扫描顺序的交错序列；

脉冲光源，其用于根据所述交错序列顺序地传播光脉冲；

光电探测器，其用于检测对应于传播的光脉冲在存在于所述区域内的至少一个对象上的反射的脉冲回波，并且输出检测到的脉冲回波。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器被配置用于：

接收所述多个扫描方向；并且

生成所述交错序列。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述控制器被配置用于：

接收总扫描范围；

接收多个扫描方向中的一个和每个扫描方向的视场；并且

确定所述扫描方向。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述控制器被配置用于：

将所述多个扫描方向分割成多个方向子组分；并且

使用所述方向子组分生成所述交错序列。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中所述系统还被配置用于重复：

所述根据所述交错序列顺序地传播光脉冲；

所述检测对应于传播的光脉冲在存在于所述区域内的至少一个对象上的反射的脉冲回波；以及

所述输出检测到的脉冲回波。