CN111492264A - Lidar信号获取 - Google Patents

Abstract

本文中描述了用于组合来自LIDAR测量系统的多个通道的返回信号的方法和系统。在一方面，多个接收通道的输出在到模拟到数字转换器的单个通道的输入之前被电耦合。在另一方面，在每个接收通道的每个跨阻放大器的输出处提供DC偏移电压，以提高测量信号质量。在另一方面，基于测量温度来调整供应给每个接收通道的每个光电检测器的偏置电压，以节省功率并且提高测量一致性。在另一方面，基于测量温度来调整供应给每个发射通道的每个照明源的偏置电压。在另一方面，多路复用器被采用以在模拟到数字转换之前多路复用对应接收通道集的多个输出信号集。

Description

LIDAR信号获取

相关申请的交叉引用

本专利申请要求来自2018年9月18日提交的题为“LIDAR Signal Acquisition（LIDAR信号获取）”的美国专利申请序列号16/134,000的优先权，该美国专利申请继而在

下要求来自2017年9月18日提交的题为“LIDAR Signal Acquisition（LIDAR信号获取）”的美国临时专利申请序列号62/559,783的优先权，所述主题通过引用以其整体合并在本文中。

技术领域

所描述的实施例涉及基于LIDAR的3-D点云测量系统。

背景技术

LIDAR系统采用光脉冲来基于每个光脉冲的飞行时间（TOF）而测量到物体的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远端物体交互。光的部分从物体反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于光脉冲的发射和所返回的光脉冲的检测之间所经过的时间来估计距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器生成。光脉冲通过透镜或透镜组件来聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。距离是从具有高准确率的时间测量中导出的。

一些LIDAR系统采用结合旋转镜的单个激光发射器/检测器组合来有效地扫描整个平面。通过这样的系统执行的距离测量实际上是二维的（即，平面的），并且所捕获的距离点被渲染为2-D（即，单个平面）点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度（例如，每分钟数千转数）旋转。

在许多操作场景中，需要3-D点云。已经采用了多个方案来三维地询问周围环境。在一些示例中，2-D仪器通常在万向架上被上下和/或前后致动。这在本领域中通常被称为使传感器“眨眼”或“点头”。因此，可以采用单个光束LIDAR单元来捕获距离点的整个3-D阵列，尽管每次一个点。在相关的示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个具有略微不同的垂直角度。这模拟了上面所描述的点头效果，但是没有致动传感器本身。

在所有上述示例中，单个激光发射器/检测器组合的光路以某种方式被更改以获得比单个传感器更宽的视野。由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，这样的设备每单位时间可以生成的像素数量固有地受到限制。光束路径的任何更改，无论是通过镜、棱镜还是致动设备来获得更大的覆盖区域，都以降低的点云密度为代价。

如上所述，3-D点云系统以若干配置存在。然而，在许多应用中，有必要在宽视野中以水平和垂直方向二者观察。例如，在自主车辆应用中，垂直视野应该向下延伸到尽可能接近以看到车辆前方的地面。此外，在汽车进入道路中倾角的情况下，垂直视野应该延伸到地平线以上。此外，有必要使现实世界中发生的动作与这些动作的成像之间的延迟最小。在一些示例中，期望每秒至少五次地提供完整图像更新。为了解决这些需求，已经开发了包括多个激光发射器和检测器阵列的3-D LIDAR系统。在2011年6月28日公布的美国专利号

中描述了该系统，所述主题通过引用以其整体合并在本文中。

在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向以快速连续的方式按顺序地变化。在这些示例中，可以将与每个单独脉冲相关联的距离和强度测量认为是像素，并且可以将以快速连续的方式发射和捕获的像素集合（即，“点云”）渲染为图像或出于其它原因（例如，检测障碍物）而进行分析。在一些示例中，采用查看软件将所得到的点云渲染为对用户呈现三维的图像。可以使用不同的方案将LIDAR测量描绘为3-D图像，所述图像看起来好像是由实拍摄像机捕获的一样。

为了以高分辨率、吞吐量和范围来测量三维环境，测量脉冲必须非常窄并且以高周期性重复。目前的系统遭受低分辨率，因为它们以高频率生成短持续时间脉冲和分辨短持续时间返回脉冲的能力受到限制。

检测器的饱和度限制了测量能力，因为在现实的操作环境中目标反射率和接近度变化很大。功率消耗可能导致LIDAR系统的过热。光设备、目标、电路以及温度在实际的系统中变化。在不对每个LIDAR通道进行适当校准的情况下，所有这些元件的可变性限制了系统性能。

期望对LIDAR系统的驱动电子器件以及接收器电子器件的改进以提高成像分辨率和范围。

发明内容

本文中描述了一种用于将来自LIDAR测量系统的多个通道的返回信号组合到模拟到数字转换器的单个通道的输入上的方法和系统。

在一方面，LIDAR测量系统的多个接收通道的输出在到模拟到数字转换器的单个通道的输入之前被电耦合。

在另外的方面，从LIDAR测量系统的多个接收通道的每个光电检测器到模拟到数字转换器的每个电路径中的电元件直流（DC）耦合到彼此。

在另一方面，在LIDAR测量系统的每个接收通道的每个跨阻放大器的输出处提供DC偏移电压，以提高测量信号质量。

在另一方面，基于与接收通道的元件相关联的测量温度来调整供应给LIDAR测量系统的每个接收通道的每个光电检测器的偏置电压，以节省功率并且提高测量一致性。

在另一方面，基于与发射通道的元件相关联的测量温度来调整供应给LIDAR测量系统的每个发射通道的每个照明源的偏置电压。

在另一方面，多路复用器放置在多个接收通道集和模拟到数字转换器的单个通道之间，以在模拟到数字转换之前多路复用接收通道集的输出信号，以提高测量吞吐量。

前述是总结，并且因此必然包含细节的简化、一般化和省略；因此，本领域的技术人员将理解，该总结是仅说明性的，并且不以任何方式进行限制。在本文中阐述的非限制性详细描述中，本文中所描述的设备和/或过程的其它方面、发明特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是说明在一个实施例中的多通道LIDAR测量系统120的图。

图2描绘了在一个实施例中的多通道LIDAR测量系统120的N个接收通道的集合。

图3描绘了在一个实施例中的多通道LIDAR测量系统120的N个发射通道的集合。

图4描绘了在另一实施例中的多通道LIDAR测量系统的多个接收通道的两个集合。

图5描绘了与来自LIDAR测量设备120的测量通道的测量脉冲的发射以及返回测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。

图6是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统100的实施例的图。

图7是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统10的另一实施例的图。

图8描绘了说明在一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图的图。

图9更详细地描绘了3-D LIDAR系统100的光学元件116的视图。

图10描绘了3-D LIDAR系统100的光学器件116的剖视图以图示收集的光118的每个光束的成形。

图11描绘了说明在至少一个新方面中通过多通道LIDAR测量系统来执行LIDAR测量的方法200的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的背景示例以及一些实施例，其示例在附图中图示。

本文中描述了用于将来自LIDAR测量系统的多个通道的返回信号组合到模拟到数字转换器的单个通道的输入上的方法和系统。

图1描绘了在一个实施例中的多通道LIDAR测量系统120。LIDAR测量系统120包括主控制器190和N个LIDAR测量通道125A-N，其中N是任何正整数。LIDAR测量系统120的每个通道包括发射通道（例如，发射通道160A-N）和对应接收通道（例如，接收通道130A-N）。

如图1中所描绘的，每个LIDAR发射通道160A-N包括照明源163A-N。每个发射通道160A-N的照明驱动器使每个对应照明源163A-N响应于从对应接收通道130A-N接收的脉冲触发信号151A-N而发射照明光164A-N的测量脉冲。照明光164A-N的每个测量脉冲穿过镜元件121A-N，并且照亮周围环境体积。从周围环境中的每个照明位置处的（一个或多个）物体反射的返回光136A-N的每个量入射到对应镜元件121A-N上。二次成型（overmold）透镜131A-N分别安装在每个光电检测器132A-N上方。每个二次成型透镜131A-N分别包括与返回光136A-N的光线接收锥体对应的锥形腔。返回光136A-N分别从镜121A-N反射到对应的光电检测器132A-N。

如图1中所描绘的，从LIDAR测量系统120的每个通道发射的照明光164A-N和朝向LIDAR测量系统120引导的对应返回测量光136A-N共享公共光路。

如图1中所描绘的，每个照明源163A-N位于每个光电检测器的视野之外。来自照明源163A-N的照明光164A-N分别通过镜121A-N中的开口注入对应检测器接收锥体。

在一些实施例中，每个照明源163A-N是基于激光的（例如，激光二极管）。在一些实施例中，每个照明源是基于一个或多个发光二极管的。一般而言，可以预期任何合适的脉冲照明源。

主控制器144被配置为生成分别传送到接收通道130A-N的脉冲命令信号122A-N。在这些实施例中，主控制器144将脉冲命令信号传送到每个不同的LIDAR测量通道。以这种方式，主控制器144协调由任何数量的LIDAR测量通道执行的LIDAR测量的定时。每个脉冲命令信号是由主控制器144生成的数字信号。因此，每个脉冲命令信号的定时由与主控制器144相关联的时钟来确定。

在一些实施例中，每个脉冲命令信号122A-N分别直接用于触发由发射通道160A-N的脉冲生成以及由每个对应接收通道130A-N的数据获取。然而，发射通道160A-N和接收通道130A-N不共享与主控制器144相同的时钟。为了该原因，当脉冲命令信号被直接用于触发脉冲生成和数据获取时，飞行时间的精确估计变得更加计算繁琐得多。

在一些其它实施例中，每个接收通道130A-N分别接收脉冲命令信号122A-N并且响应于脉冲命令信号122A-N而生成对应脉冲触发信号151A-N。每个脉冲触发信号151A-N被传送到发射通道160A-N，并且直接触发与每个发射通道相关联的照明驱动器以生成照明光164A-N的对应脉冲。此外，每个脉冲触发信号151A-N直接触发返回信号136A-N的数据获取和关联的飞行时间计算。以这种方式，分别基于每个接收通道130A-N的返回信号接收器的内部时钟而生成的脉冲触发信号151A-N被采用以触发用于特定LIDAR测量通道的脉冲生成和返回脉冲数据获取二者。这确保了脉冲生成和返回脉冲获取的精确同步，所述精确同步通过时间到数字转换器实现了精确飞行时间计算。

在一方面，每个接收通道130A-N的输出（例如，在电压节点140处）电耦合。以这种方式，接收通道130A-N的输出在模拟到数字转换器143的输入处有效地求和。

图2描绘了在一个实施例中的LIDAR测量系统120的接收通道的更详细的视图。关于图1所描述的类似编号的元件类似于图2中所图示的元件，并且反之亦然。如图2中所描绘的，LIDAR测量系统120包括多个模拟接收通道130A-N、模拟到数字转换器（ADC）143以及主控制器144。

如图2中所描绘的，每个模拟接收通道130A-N包括光电检测器（例如，雪崩光电二极管132A-N或其它光敏设备）和跨阻放大器（TIA）133A-N。此外，每个模拟接收通道包括一个或多个二级放大器级134A-N。然而，一般而言，二级放大器级134A-N是可选的。

在图2中所描绘的实施例中，入射光136A被APD 132A检测到。响应于光136A的入射返回脉冲，APD 132A生成电流信号137A。TIA 133A接收电流信号137A，并且生成存在于电压节点138A处的电压信号。在图2中所描绘的实施例中，TIA 133A生成单端电压输出。然而，在一些实施例中，TIA 133A生成差分电压输出。放大器134A在节点138A处放大电压信号，并且生成输出信号139A。在一些实施例中，放大器134A的输出是电流信号。然而，在一些其它实施例中，放大器134A的输出是电压信号。如图2中所描绘的，输出信号139A是响应于检测到的光136A的返回脉冲而生成的接收通道130A的输出。相似地，每个接收通道130A-N分别生成指示在每个接收通道130A-N处检测到的所检测的光136A-N的返回脉冲的输出信号139A-N。

如图2中所描绘的，每个接收通道130A-N的输出在电压节点140处电耦合。以这种方式，接收通道130A-N的输出被有效地求和。组合输出信号152是指示以与关联于每个接收通道130A-N的激光脉冲发射的序列相同序列的每个接收通道130A-N的输出的模拟信号。

求和的信号随后被直接或在进一步处理（例如，由放大器142放大）之后提供为模拟到数字转换器143的单个通道的输入。在图2中所描绘的实施例中，求和的输出信号152被放大器142放大。放大的信号146被ADC 143转换成数字信号147。数字信号147被主控制器144接收。

替代地，在没有放大器142的情况下，接收通道130A-N的输出在ADC 143的输入处被有效地求和（例如，如图1中所描绘的）。一般而言，放大器142是可选的。

在另外的方面，从光电检测器（例如，APD 132A-N）到ADC 143的每个电路径中的电元件直流（DC）耦合到彼此。换句话说，对于每个接收通道130A-N，不存在在APD 132A-N、TIA133A-N、放大器134A-N、放大器142以及ADC 143中的任何之间充当DC信号阻挡元件（例如，电容器等）的明确形成的能量存储元件；仅存在电导体。在图2中所描绘的实施例中，每个APD 132A-N DC耦合到对应的TIA 133A-N。每个TIA 133A-N DC耦合到对应的放大器134A-N。每个放大器134A-N DC耦合到放大器142。放大器142 DC耦合到ADC 143。

在另一方面，在与每个接收通道相关联的TIA的输出处提供DC偏移电压。

在图2中所描绘的实施例中，主控制器144将命令信号145传送到本地控制器190。命令信号145指示在接收通道130A-N的每个TIA的输出处的期望DC电压偏移。本地控制器190继而分别在TIA 133A-N的输出处将DC偏移电压信号148A-N（经由数字到模拟转换器191）传送到电压节点138A-N。在一些实施例中，主控制器144和本地控制器190是单独的设备。然而，在一些其它实施例中，单个设备被采用以生成DC偏移电压信号，并且将其传送到每个TIA的输出。在一些实施例中，主控制器144是现场可编程门阵列（FPGA）设备，并且本地控制器190是复杂可编程逻辑设备（CPLD）。然而，一般而言，可以采用任何合适的计算设备。

在一些实施例中，主控制器144基于测量信号147的质量来生成命令信号145。在一些示例中，命令信号145被生成以最大化由ADC 143生成的数字信号147的信噪比。在一些示例中，命令信号145被生成以抵消存在于LIDAR设备的操作环境中的DC噪声信号。通过抵消DC噪声，ADC 143的满量程可用于动态测量。这提高信噪比。

在另一方面，测量与一个或多个接收通道相关联的温度。在另外的方面，测量温度被采用以调整供应给每个APD的偏置电压。

在图2中所描绘的实施例中，温度传感器模块位于紧密接近接收通道130A-N的一个或多个元件（即，包括接收通道130A-N的接收子系统的元件）。在一个示例中，温度传感器模块150位于接收通道（例如，接收通道130A-N中的任何一个）的40毫米内。然而，一般而言，温度传感器可以位于距一个或多个接收通道的任何合适的距离处。温度传感器模块150测量其中模块位于的地方的温度，并且将指示测量温度的数字信号151（例如，通过串行外围接口）传送到主控制器144。响应于测量温度，主控制器将命令信号176传送到本地控制器190。命令信号176指示提供给接收通道130A-N的每个APD的期望偏置电压。本地控制器190继而（经由数字到模拟转换器191）将偏置电压命令信号177A-N分别传送到APD偏置电源131A-D。每个APD偏置电源131A-N分别调整提供给每个APD 132A-N的偏置电压信号135A-N。

在一些实施例中，主控制器144和本地控制器190是单独的设备。然而，在一些其它实施例中，单个设备被采用以生成偏置电压信号，并且将其传送到每个APD偏置电源。

主控制器144基于与一个或多个接收通道相关联的测量温度而生成命令信号176。命令信号176被生成以节省功率并且提高测量一致性。

在另一方面，测量与一个或多个发射通道相关联的温度。在另外的方面，测量温度被采用以调整供应给每个照明源的偏置电压。

图3描绘了在一个实施例中的LIDAR测量系统120的发射通道的更详细的视图。关于图1所描述的类似编号的元件类似于图3中所图示的元件，并且反之亦然。图3描绘了N个发射通道160A-N的集合（其中N可以是任何正整数）。每个发射通道包括电源161A-N和照明源163A-N（例如，激光二极管）。每个照明源163A-N发射光脉冲164A-N。从周围环境反射的光被对应接收器通道（例如，图2中所描绘的接收器通道130A-N）检测到。与每个光脉冲相关联的飞行时间确定LIDAR设备和周围环境中检测到的物体之间的距离。

如图3中所描绘的，温度传感器模块165位于紧密接近发射通道160A-N的一个或多个元件（即，包括发射通道160A-N的发射子系统的元件）。在一个示例中，温度传感器模块165位于发射通道160A-N的40毫米内。然而，一般而言，温度传感器可以位于距一个或多个发射通道的任何合适的距离处。温度传感器模块165测量其中模块165位于的地方的温度，并且将指示测量温度的数字信号166（例如，通过串行外围接口）传送到主控制器144。响应于测量温度，主控制器144将命令信号167传送到本地控制器168。命令信号167指示提供给发射通道160A-N的每个激光二极管的期望偏置电压。本地控制器168继而（经由数字到模拟转换器169）将偏置电压命令信号149A-N分别传送到电源161A-D。每个电源161A-N分别调整提供给每个激光二极管163A-N的偏置电压信号162A-N。

在一些实施例中，主控制器144和本地控制器168是单独的设备。然而，在一些其它实施例中，单个设备被采用以生成偏置电压信号，并且将其传送到每个偏置电源。

在一些实施例中，主控制器144基于与一个或多个发射通道相关联的测量温度以及还有每个对应接收通道处检测到的信号（例如，信号139A-N）的电平而生成命令信号167。

在另外的方面，在多个接收通道集合和ADC 143之间放置多路复用器以提高测量吞吐量。

图4描绘了在另一实施例中的多通道LIDAR测量系统的多个接收通道的两个集合。关于图1所描述的类似编号的元件类似于图4中所图示的元件，并且反之亦然。图4描绘了接收通道130A-N和接收通道170A-N的附加集合。如本文中前面所描述的，接收通道130A-N的输出在电压节点140处电耦合。相似地，接收通道170A-N的输出在电压节点171处电耦合。在图4中所描绘的实施例中，双通道多路复用器141接收求和的输出信号140和171，并且生成多路复用输出145。多路复用输出145被放大器142放大。放大信号146被ADC 143的单个通道转换成数字信号147。数字信号147被主控制器144接收。以这种方式，2N个接收通道的输出被组合到单个ADC通道上。

在一个实施例中，每个接收通道被制造到单个印刷电路板上。一组N个板被电耦合到另一印刷电路板，所述印刷电路板包括多路复用器141、放大器142、本地控制器190、DAC191以及温度传感器模块150。ADC 143和主控制器144被组装在又另一印刷电路板上。相似地，每个发射通道被制造到单个印刷电路板上。一组N个板被电耦合到另一印刷电路板，所述印刷电路板包括温度传感器模块165、本地控制器168以及DAC 169。

在一些实施例中，直接或间接地将照明驱动器、照明源163A-N、光电检测器132A-N以及返回信号接收器安装到提供机械支撑和元件间电连接性的公共基板（例如，印刷电路板）。

一般而言，本文中所描述的电源中的任何一个可以安装到单独的基板，并且以任何合适的方式电耦合到各种电子元件。替代地，本文中所描述的电源中的任何一个可以以任何合适的方式与其它电子元件集成。

本文中所描述的电源可以被配置为供应指定为电压或电源的电功率。因此，本文中被描述为电压源或电流源的任何电功率源可以分别预期为等同的电流源或电压源。

图5描绘了与来自LIDAR测量设备的测量脉冲的发射以及返回测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。如图5中所描绘的，测量由例如通过主控制器144生成的脉冲触发信号122A的上升沿发起。测量窗口（即，所收集的返回信号数据与特定测量脉冲相关联的时间段）通过在脉冲触发信号122A的上升沿处启用数据获取发起。测量窗口的持续时间T_测量对应于响应于测量脉冲序列的发射而预期返回信号时的时间的窗口。在一些示例中，测量窗口在脉冲触发信号122A的上升沿处被启用，并且在与LIDAR系统的范围大约两倍的距离上的光的飞行时间相对应的时间被禁用。以这种方式，测量窗口被打开以收集从毗邻LIDAR系统（即，可忽略的飞行时间）的物体到位于LIDAR系统的最大范围处的物体的返回光。以这种方式，不可能贡献于有用的返回信号的所有其它光被拒绝。

如图5中所描绘的，返回信号147包括对应于发射的测量脉冲的三个返回测量脉冲147A-C。这些实例中的任何一个可能由LIDAR系统报告为潜在有效的距离测量。

在另一方面，主控制器被配置为生成多个脉冲命令信号，每个被传送到不同的LIDAR测量通道。

图6-8描绘了包括多个LIDAR测量通道的3-D LIDAR系统。在一些实施例中，在每个LIDAR测量通道的发射之间设置延迟时间。在一些示例中，该延迟时间大于测量脉冲序列往返于位于LIDAR设备的最大范围处的物体的飞行时间。以这种方式，在任何LIDAR测量通道之间都不存在串扰。在一些其它示例中，在从另一个LIDAR测量通道发射的测量脉冲已经有时间返回到LIDAR设备之前，从一个LIDAR测量通道发射测量脉冲。在这些实施例中，要注意确保在由每个光束询问的周围环境的区域之间存在足够的空间分离，以避免串扰。

图6是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统100的实施例的图。3-DLIDAR系统100包括下壳体101以及上壳体102，所述上壳体102包括由对红外光（例如，具有在700到1,700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆顶罩元件103。在一个示例中，圆顶罩元件103对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。

如图6中所描绘的，在从中心轴104测量的角度范围α上，多个光束105从3-D LIDAR系统100发射通过圆顶罩元件103。在图5中所描绘的实施例中，每个光束在彼此间隔分开的多个不同位置处被投影到由x和y轴定义的平面上。例如，光束106被投影到在位置107处的xy平面上。

在图6中所描绘的实施例中，3-D LIDAR系统100被配置为围绕中心轴104扫描多个光束105中的每一个。投影到xy平面上的每个光束勾画出以中心轴104和xy平面的交点为中心的圆形图案。例如，随着时间的推移，投影到xy平面上的光束106勾画出以中心轴104为中心的圆形轨迹108。

图7是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR系统10的另一实施例的图。3-DLIDAR系统10包括下壳体11以及上壳体12，所述上壳体12包括由对红外光（例如，具有在700到1,700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆柱罩元件13。在一个示例中，圆柱罩元件13对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。

如图8中所描绘的，在角度范围β上，多个光束15从3-D LIDAR系统10发射通过圆柱罩元件13。在图8中所描绘的实施例中，图示了每个光束的主光线。每个光束以多个不同方向向外投影到周围环境中。例如，光束16被投射到周围环境中的位置17上。在一些实施例中，从系统10发射的每个光束略微发散。在一个示例中，从系统10发射的光束在距系统10距离100米处照亮直径为20厘米的光斑大小。以这种方式，每个照明光束是从系统10发射的照明光锥。

在图7中所描绘的实施例中，3-D LIDAR系统10被配置为围绕中心轴14扫描多个光束15中的每一个。为了说明的目的，以相对于3-D LIDAR系统10的非旋转坐标系的一个角度定向图示光束15，并且以相对于非旋转坐标系的另一个角度定向图示光束15’。当光束15围绕中心轴14旋转时，投影到周围环境中的每个光束（例如，与每个光束相关联的每个照明光锥）在其围绕中心轴14扫过时照亮对应于锥状照明光束的环境体积。

图8描绘了在一个示例性实施例中的3-D LIDAR系统100的分解图。3-D LIDAR系统还包括围绕中心轴104旋转的光发射/收集引擎112。如图8中所描绘的，光发射/收集引擎112的中心光轴117相对于中心轴104以角度θ倾斜。3-D LIDAR系统100包括相对于下壳体101以固定位置安装的静止电子板110。旋转电子板111放置在静止电子板110的上方，并且被配置为相对于静止电子板110以预确定的旋转速度（例如，大于每分钟200转）旋转。电功率和电子信号通过一个或多个变压器元件、电容元件或光学元件在静止电子板110以及旋转电子板111之间传送，从而得到这些信号的无接触传输。光发射/收集引擎112相对于旋转电子板111固定地定位，因而以预确定的角速度ω围绕中心轴104旋转。

如图8中所描绘的，光发射/收集引擎112包括印刷电路板114的阵列，每个印刷电路板包括发射通道（例如，发射通道160A-N）。朝向镜（未示出）引导从与发射通道中的每一个相关联的照明源发射的光。从镜反射的光穿过一系列照明光学器件115，所述照明光学器件115将发射的光准直成从如图6中所描绘的3-D LIDAR系统100发射的光束105的阵列。一般而言，可以布置任何数量的光发射元件以同时地或大体上同时地从3-D LIDAR系统100发射任何数量的光束。此外，可以布置任何数量的光发射元件以从3-D LIDAR系统100顺序地发射任何数量的光束。在一个实施例中，两个或更多个光发射元件被触发以大体上同时发射光，并且然后在编程的时间段已经过去之后，另两个或更多个光发射元件被触发以大体上同时发射光。从环境中的物体反射的光被收集光学器件116收集。与每个照明光束相关联的所收集的光穿过收集光学器件116，其中其被聚焦到印刷电路板113的阵列的每个相应检测元件上，每个印刷电路板113包括接收通道（例如，接收通道130A-N）。在穿过收集光学器件116之后，所收集的光从镜（未示出）反射到每个检测器元件上。实际上，每个测量通道之间的串扰限制了可以同时触发的通道的数量。然而，为了最大化成像分辨率，期望同时触发尽可能多的通道，使得同时（而不是顺序地）从许多通道获得飞行时间测量。

图9更详细地描绘了光学元件116的视图。如图9中所描绘的，光学元件116包括四个透镜元件116A-D，所述透镜元件116A-D被布置以将所收集到的光118聚焦到接收通道113的阵列的每个检测器上。在图9中所描绘的实施例中，穿过光学器件116的光从镜124反射，并且被引导到接收通道113的阵列的每个检测器上。在一些实施例中，一个或多个光学元件116由吸收预确定的波长范围之外的光的一种或多种材料构成。该预确定的波长范围包括由接收通道113的阵列发射的光的波长。在一个示例中，一个或多个透镜元件由塑料材料构成，所述塑料材料包括吸收具有小于由接收通道113的阵列的每一个生成的红外光的波长的光的着色添加剂。在一个示例中，该着色剂是从Aako BV（荷兰）可获得的Epolight7276A。一般而言，可以向光学器件116的任何塑料透镜元件添加任何数量的不同着色剂，以过滤掉不期望的光谱。

图10描绘了光学器件116的剖视图以图示收集到的光118的每个光束的成形。

以这种方式，诸如图7中所描绘的3-D LIDAR系统10以及图6中所描绘的系统100之类的LIDAR系统包括多个LIDAR测量通道，每个LIDAR测量通道将照明光的脉冲光束从LIDAR设备发射到周围环境中，并且测量从周围环境中的物体反射的返回光。

在一些实施例中，诸如参考图6和图7所描述的实施例，LIDAR测量通道的阵列被安装到LIDAR设备的旋转框架。该旋转框架相对于LIDAR设备的基础框架旋转。然而，一般而言，LIDAR测量通道的阵列可以以任何合适的方式（例如，万向架、平移/倾斜等）可移动或相对于LIDAR设备的基础框架固定。

在一些其它实施例中，每个LIDAR测量通道包括扫描由LIDAR测量通道生成的照明光束的光束引导元件（例如，扫描镜、MEMS镜等）。

在一些其它实施例中，两个或更多个LIDAR测量通道均朝向扫描镜设备（例如，MEMS镜）发射照明光的光束，所述扫描镜设备将光束以不同的方向反射到周围环境中。

在另外的方面，一个或多个LIDAR测量通道与光学相位调制设备光通信，所述光学相位调制设备以不同的方向引导由一个或多个LIDAR测量通道生成的（一个或多个）照明光束。光学相位调制设备是接收控制信号的活动设备，所述控制信号使得光学相位调制设备改变状态，从而改变从光学相位调制设备衍射的光的方向。以这种方式，由一个或多个集成LIDAR设备生成的（一个或多个）照明光束扫描通过多个不同的定向，并且有效地询问被测量的周围3-D环境。投影到周围环境中的衍射光束与环境中的物体交互。每个相应的LIDAR测量通道基于从物体所收集到的返回光来测量LIDAR测量系统和所检测到的物体之间的距离。光学相位调制设备放置在LIDAR测量通道以及周围环境中被测量的物体之间的光路中。因此，照明光和对应的返回光二者穿过光学相位调制设备。

图11图示了适用于由本文中所描述的多通道LIDAR测量系统实现的方法200的流程图。在一些实施例中，多通道LIDAR测量系统120可根据图11中所图示的方法100操作。然而，一般而言，方法200的执行不限制于参考图1所描述的多通道LIDAR测量系统120的实施例。这些图示以及对应的解释是通过示例的方式提供的，因为可以预期许多其它实施例和操作的示例。

在框201中，从第一多个LIDAR测量通道中的每一个发射照明光的测量脉冲。

在框202中，检测响应于照明光的每个测量脉冲从三维环境中的点反射的返回光的量。

在框203中，生成指示返回光的每个量的返回信号。

在框204中，将每个返回信号的指示提供给第一多个LIDAR测量通道的第一共享输出节点。

在框205中，在模拟到数字转换器的输入通道处接收第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号的指示。

如本文中所描述的计算系统可以包括但不限制于个人计算机系统、主机计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或本领域中已知的任何其它设备。一般而言，术语“计算系统”可以广义地定义为包含具有一个或多个处理器的任何设备，所述一个或多个处理器执行来自存储器介质的指令。

可以通过诸如线、线缆或无线传输链路之类的传输介质来传输实现诸如本文中所描述的那些方法的程序指令。程序指令存储在计算机可读介质中。示例性计算机可读介质包括只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以以硬件、软件、固件或其任何组合实现。如果以软件实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质二者，所述通信介质包括促进计算机程序从一个地方到另一个地方的传送的任何介质。存储介质可以是可由通用或专用计算机访问的任何可用的介质。通过示例的方式，并且是非限制性的，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储设备，或任何其它介质，所述其它介质可以用于以指令或数据结构的形式携带或存储期望的程序代码部件，并且可以由通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问。任何连接也被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线（DSL）或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远端源传输软件，则同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术被包括在介质的定义中。如本文中所使用的盘（disk）和碟（disc），包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多功能碟（DVD）、软盘以及蓝光碟，其中盘通常磁性地再现数据，而碟使用激光来光学地再现数据。上面的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。

Claims (20)

1.一种LIDAR测量系统，包括：

第一多个LIDAR测量通道，每个包括：

照明源，其当电耦合到电功率源时发射照明光的测量脉冲；

照明驱动器，其电耦合到照明源和电功率源，其中所述照明驱动器被配置为响应于脉冲触发信号而选择性地将照明源电耦合到电功率源；

光电检测器，其检测响应于照明光的测量脉冲而从三维环境中的点反射的返回光的量；

返回信号接收器，其生成指示随着时间推移而检测到的返回光的量的返回信号，并且将所述返回信号提供给第一多个LIDAR测量通道的第一共享输出节点；以及

模拟到数字转换器，其具有输入通道，其中所述模拟到数字转换器在模拟到数字转换器的输入通道处接收提供给第一共享输出节点的第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号。

2.根据权利要求1所述的LIDAR测量系统，还包括：

第二多个LIDAR测量通道，每个包括：

照明源，其当电耦合到电功率源时发射照明光的测量脉冲；

照明驱动器，其电耦合到照明源和电功率源，其中所述照明驱动器被配置为响应于脉冲触发信号而选择性地将照明源电耦合到电功率源；

光电检测器，其检测响应于照明光的测量脉冲而从三维环境中的点反射的返回光的量；

返回信号接收器，其生成指示随着时间推移而检测到的返回光的量的返回信号，并且将所述返回信号提供给第二多个LIDAR测量通道的第二共享输出节点；以及

模拟多路复用器，其具有耦合到第一共享输出节点的第一输入通道、耦合到第二共享输出节点的第二输入通道以及耦合到模拟到数字转换器的输入通道的输出通道，其中模拟多路复用器在第一输入通道处接收提供给第一共享输出节点的第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号、在第二输入通道处接收提供给第二共享输出节点的第二多个LIDAR测量通道的每个返回信号以及在输出通道处生成指示第一多个和第二多个LIDAR测量通道的每个返回信号的多路复用输出信号。

3.根据权利要求1所述的LIDAR测量系统，所述第一多个LIDAR测量通道每个还包括：

照明偏置电源，其耦合到照明源，其中所述照明偏置电源响应于命令信号而将期望量的电偏置功率提供给照明源。

4.根据权利要求3所述的LIDAR测量系统，还包括：

温度传感器，其放置在紧密接近第一多个LIDAR测量通道的照明源和照明驱动器；以及

主控制器，其电耦合到与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的温度传感器和每个照明偏置电源，其中所述主控制器从温度传感器接收发射子系统温度的指示，并且至少部分基于测量发射子系统温度来生成指示与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的电偏置功率的期望量的命令信号。

5.根据权利要求3所述的LIDAR测量系统，还包括：

主控制器，其电耦合到模拟到数字转换器和与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的每个照明偏置电源，其中所述主控制器接收第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号的指示，并且至少部分基于与第一多个LIDAR测量通道中的每一个对应的返回信号而生成指示与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的电偏置功率的期望量的命令信号。

6.根据权利要求1所述的LIDAR测量系统，所述第一多个LIDAR测量通道每个还包括：

光电检测器偏置电源，其耦合到光电检测器，其中所述光电检测器偏置电源响应于命令信号将期望量的电偏置功率提供给光电检测器。

7.根据权利要求6所述的LIDAR测量系统，还包括：

温度传感器，其放置在紧密接近第一多个LIDAR测量通道的返回信号接收器和光电检测器；以及

主控制器，其电耦合到与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的温度传感器和每个光电检测器偏置电源，其中所述主控制器从温度传感器接收接收子系统温度的指示，并且基于测量接收子系统温度来传送指示与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的电偏置的期望量的命令信号。

8.根据权利要求1所述的LIDAR测量系统，其中从多个LIDAR测量通道的每个光电检测器到模拟到数字转换器的电路径中的任何电元件直流（DC）耦合到彼此。

9.根据权利要求1所述的LIDAR测量系统，所述第一多个LIDAR测量通道每个还包括：

跨阻放大器，其具有耦合到光电检测器的输出的输入节点以及输出节点。

10.根据权利要求9所述的LIDAR测量系统，还包括：

主控制器，其电耦合到与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的每个跨阻放大器的输出节点，其中所述主控制器在每个跨阻放大器的输出节点处生成直流（DC）偏移电压。

11.根据权利要求10所述的LIDAR测量系统，其中所述LIDAR测量系统在每个跨阻放大器的输出节点处生成DC偏移电压，以最大化由模拟到数字转换器生成的对应数字信号的信噪比。

12.一种LIDAR测量系统，包括：

第一多个LIDAR接收通道，所述第一多个LIDAR接收通道中的每一个包括：

光电检测器，其检测响应于照明光的测量脉冲而从三维环境中的点反射的返回光的量；

跨阻放大器（TIA），其耦合到光电检测器，所述TIA被配置为生成指示返回光的信号；以及

模拟到数字转换器，其具有被配置为接收指示与第一多个LIDAR接收通道中的每一个相关联的返回光的信号的输入通道，所述信号提供给第一多个LIDAR接收通道的第一共享输出节点，并且其中从多个LIDAR接收通道的每个光电检测器到模拟到数字转换器的电路径中的任何电元件直流（DC）耦合到彼此。

13.根据权利要求12所述的LIDAR测量系统，还包括：

主控制器，其电耦合到与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的每个跨阻放大器的输出节点，其中所述主控制器在每个跨阻放大器的输出节点处生成直流（DC）偏移电压。

14.根据权利要求13所述的LIDAR测量系统，其中所述LIDAR测量系统在每个跨阻放大器的输出节点处生成DC偏移电压，以最大化由模拟到数字转换器生成的对应数字信号的信噪比。

15.一种方法，包括：

从第一多个LIDAR测量通道中的每一个发射照明光的测量脉冲；

检测响应于照明光的每个测量脉冲而从三维环境中的点反射的返回光的量；

生成指示每个返回光的量的返回信号；

将每个返回信号的指示提供给第一多个LIDAR测量通道的第一共享输出节点；以及

在模拟到数字转换器的输入通道处接收第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号的指示。

16.根据权利要求15所述的方法，包括：

从第二多个LIDAR测量通道中的每一个发射照明光的测量脉冲；

检测响应于与第二多个LIDAR测量通道相关联的照明光的每个测量脉冲而从三维环境中的点反射的返回光的量；

生成指示与第二多个LIDAR测量通道相关联的每个返回光的量的返回信号；

将与第二多个LIDAR测量通道相关联的每个返回信号的指示提供给第二多个LIDAR测量通道的第二共享输出节点；

生成指示第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号和第二多个LIDAR测量通道的每个返回信号的多路复用输出信号；以及

在模拟到数字转换器的输入通道处接收多路复用输出信号。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括：

测量在紧密接近第一多个LIDAR测量通道的多个照明源和照明驱动器的位置的温度；以及

至少部分基于测量温度来调整提供给第一多个LIDAR测量通道的每个照明源的电偏置功率的量。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

接收第一多个LIDAR测量通道的每个返回信号的指示，其中调整提供给第一多个LIDAR测量通道的每个照明源的电偏置功率的量还基于对应于第一多个LIDAR测量通道中的每一个的返回信号的指示。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：

测量在紧密接近第一多个LIDAR测量通道的多个光电检测器和返回信号接收器的位置的温度；以及

至少部分基于测量温度来调整提供给第一多个LIDAR测量通道的每个光电检测器的电偏置功率的量。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括：

在第一多个LIDAR测量通道的每个跨阻放大器的输出节点处生成直流（DC）偏移电压，其中生成指示每个返回光的量的返回信号包括与第一多个LIDAR测量通道中的每一个相关联的跨阻放大器，并且其中所述DC偏移电压被生成以最大化由模拟到数字转换器生成的对应数字信号的信噪比。

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