CN111712725A - 激光雷达测距的多脉冲融合分析 - Google Patents

Abstract

在一些实施例中，一种用于操作汽车中的光探测与测距(激光雷达)系统的方法通过组合多个根据信噪比进行加权处理的波形来提供更准确的距离估算。在第一时间段内，至少一个波形被发射并被物体反射。接收并处理反射波形，以改善信噪比(SNR)。该处理，例如通过处理卷积，可以产生大量输出波形。确定每个输出波形的信噪比。从每个所述输出峰形中，确定估算的到物体的距离。然后根据信噪比(SNR)对估算的距离进行加权组合，提供最终确定的到物体的距离。

Description

激光雷达测距的多脉冲融合分析

本申请要求在2018年12月26日提交的题为“用于激光测距的多脉冲融合分析”、专利申请号为16/232,973(代理人案卷号：103343-1115950-001200US)的美国非临时专利申请，在2018年12月26日提交的题为“使用混合TDC和ADC接收器的三维光检测和测距系统”、专利申请号为16/232,977(代理人案卷号：103343-1115951-001300US)的美国非临时申请，以及在2018年12月26日提交的题为“使用多个信号进行测距操作的系统和方法”、专利申请号为16/232,979(代理人案卷号：103343-1115952-001400US)的美国非临时申请的优先权，所述申请全部内容通过引用合并于本申请。

背景技术

现代车辆通常配备环境检测传感器，旨在实时检测车辆周围的物体和环境特征，作为许多现有和新兴技术的基础，例如变道辅助、避免碰撞和自动驾驶功能。一些常用的传感系统包括光学传感器(例如，红外线、照相机等)、用于探测其他车辆或物体的存在、方向、距离和速度的射频检测测距仪(雷达)、磁力计(例如，如卡车、汽车或有轨电车等大型含铁物体的被动传感)，和光探测和测距仪(激光雷达)。

激光雷达通常使用脉冲光源和探测系统来估计与环境特征(例如车辆、结构物等)的距离。在某些系统中，激光或光束(脉冲)通过镜片组件发射和聚焦，接收器会收集来自物体的反射脉冲。脉冲的飞行时间(TOF)可以从发射时间到接收到反射的时间进行测量，表现为单个数据点。该过程可以在任何所需的范围内(在地面行驶的车辆的2D平面周围的360度和/或飞机的3D区域)快速地重复，以形成点的集合，这些点可以实时地动态和持续更新，形成一个“点云”。点云数据可用于估计，例如相对于激光雷达系统的物体的距离、尺寸和位置，通常具有很高的保真度(例如，在5厘米之内)。

尽管激光雷达和其他传感系统有望带动全自动交通的持续发展，但仍然存在着限制其广泛采用的挑战。激光雷达系统通常昂贵、大型和笨重。在某些情况下，可能需要多个发射器来精确地跟踪场景，特别是对于在大的测距范围和视野(FOV)内需要保证精度的系统。虽然在将自动驾驶汽车技术推向更大的商业应用方面取得了长足的进步，但仍需要更多的改进。

发明内容

在一些实施例中，用于操作汽车中的光探测与测距(激光雷达)系统的方法可以通过组合多个处理后的波形来提供更准确的到物体的距离估算，所述波形可以根据其信噪比进行加权。在第一时间段内，至少一个波形被发射并被物体反射。反射波形可以被接收和处理，用以改善信噪比(SNR)。所述处理产生大量输出波形，例如通过处理卷积。每个输出波形的信噪比被确定。从每个输出波形中确定到物体的估算距离。然后，将估算的距离根据其信噪比加权，并将其组合，提供最终确定的到物体的距离。

在一些实施例中，所述处理包括使用匹配滤波器将所接收的波形与所发射的波形的副本进行卷积。所述方法可以进一步包括发送多个波形的脉冲，诸如两个或三个波形。在一个实施例中，每个波形是形状和振幅相同的脉冲。可选地，形状和振幅可以变化。在另一替代实施例中，可以比较波形的形状而不是峰值的高度。

在一些实施例中，用于车辆的激光雷达系统可以包括一个或以上处理器；和一个或以上非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包含指令，所述指令被配置为使一个或以上处理器执行包括匹配过滤器处理、信噪比计算、通过匹配滤波器输出的信噪比加权以及融合加权结果的操作。所接收到的信号是以模拟信号的形式被检测，之后进行数字化处理，然后再提供给一个或以上处理器。

附图说明

详细描述参照附图进行。

图1为根据一些实施例所示的使用基于激光雷达的检测系统的车辆。

图2为根据一些实施例所示的基于激光雷达的检测系统的框架。

图3为根据本发明的实施例所示的实现多相融合的距离检测系统的框图。

图4为根据一些实施例所示的图3的飞行时间估算模块的框图。

图5为根据一些实施例所示的图3和图4的电子设备的接收信号部分的框图。

图6为根据一些实施例所示的多脉冲激光脉冲发射的曲线图。

图7为根据一些实施例所示的用于处理来自图6的多脉冲激光脉冲发射的匹配滤波器输出的曲线图。

图8为根据特定实施例所示的使用基于激光雷达的检测系统来检测到物体的距离的方法的简化流程图。

图9为根据一些实施例所示的用于操作基于激光雷达的检测系统的系统。

图10为将现有技术与一些实施例的距离误差随距离变化的图。

具体实施方式

根据一些实施例，本申请的各个方面通常涉及物体和环境检测系统，更具体地涉及激光雷达系统。

在以下描述中，描述了使用各种多脉冲融合方案的基于激光雷达系统的各种示例。为了便于说明，阐述了具体的配置和细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不披露每个细节的情况下实践或实现一些实施例。此外，可以省略或简化众所周知的特征，以防止混淆本文所述的新颖特征。

下面的高度概述旨在提供对图中所示和下面所提供的相应描述中的一些新颖性创新的基本理解。本发明的各方面涉及改进的基于激光雷达的移动式测距系统，其可以安装在车辆(例如，汽车、无人机等)上，如图1所示。激光雷达系统(例如，图2)可以使用脉冲光源(例如，聚焦光、激光等)和检测系统来检测外部物体和环境特征(例如，车辆、结构等)，确定车辆相对于检测到的外部物体的位置、速度和方向，并在某些情况下可用于确定发生碰撞的概率、躲避策略和/或以其他方式的补救措施，如下所述。

本发明的一方面解决的问题之一是精确估计到诸如另一辆汽车、路边障碍物等物体的距离所面临的挑战。估算的距离取决于准确检测到的反射脉冲的峰值，以便可以根据峰值的发送时间到峰值的接收时间之间的持续时间来计算飞行时间。噪声/干扰的存在以及模数转换器(ADC)分辨率的限制会导致发生的实际峰值与记录峰值之间出现误差。如果信噪比很低和/或模数转换器分辨率很低，则问题会更加严重。在一种实施例中，可以通过被匹配滤波器处理过的多个峰值中来计算所述到物体的距离，并使用融合计算对估算的距离进行加权(按信噪比)组合，以提供更准确的估算距离。

此类信号上的噪声会严重影响检测信号峰值的位置。本发明的一方面用不同方式解决了该问题。例如，某些系统包括激光雷达检测方案，该方案可处理反射脉冲以改善信噪比，例如通过使用匹配滤波器。匹配滤波器使用发射的脉冲作为模板与接收的信号进行比较。这等效于将未知信号与模板的共轭时间反转版本进行卷积。在一种实施例中，反射脉冲被转换到频域以在匹配滤波器中进行处理。结果是接收到反射脉冲的多个频率脉冲。如果选择对应于最大脉冲的频率来表示峰值，则会丢失一些信息。因此，测量多个脉冲(频率)中每个脉冲的信噪比(SNR)。然后，将每个脉冲分别用于计算到物体的距离。然后，根据计算出的各个脉冲/频率的信噪比，将各个计算的距离与权值进行组合，以便提供更准确的距离确定。

在一个实施例中，匹配滤波器在时域中工作。具体地，匹配滤波器的实现利用有限脉冲响应滤波器对接收到的数据进行滤波，该有限脉冲响应滤波器的系数序列是所发射的脉冲的共轭反转。不同峰值的信噪比用每个峰值的振幅除以噪声方差或均方根(rms)值来表示。假设所有峰值的噪声均方根值相同。在此实施例中，信噪比的定义为：

信噪比＝峰值/噪声均方根值(式1)

在一种实施例中，由于噪声均方根值对于所有要被融合的峰值都是相同的，所以峰值本身可以用作加权，因为噪声均方根值将在融合方程中抵消。

在一个实施例中，在对距离估算融合之前(图4中的方框402中)，信号处理中进行匹配滤波产生匹配滤波器输出的每个峰值，例如图4中的峰值1、峰值2、峰值3。在图3的方框326中，也将匹配滤波用于检测目的。本发明的实施例，在图3的块328或更具体地在图4的块410中，例证了用于飞行时间估算(距离估算)的融合算法中的匹配滤波的使用。

一些实施例的典型系统环境

图1为根据一些实施例所示的使用基于激光雷达的检测系统的车辆100。车辆100可以包括激光雷达模块102。激光雷达模块102可以允许车辆100去执行周围环境中的物体检测和测距。基于物体检测和测距的结果，例如，车辆100可以被操纵以避免与物体碰撞。激光雷达模块102可以包括发射器模块104和接收器106。发射器模块104可以在任何合适的扫描模式下，在不同时间、不同方向上被配置为投射一个或以上光脉冲108，而接收器106可以监测返回光脉冲110，该返回光脉冲110是由物体反射光脉冲108而产生的。激光雷达模块102可以基于接收的光脉冲110来检测物体，并且可以基于光脉冲108和110之间的时间差来执行测距(例如，物体的距离)，该时间差可以被称为飞行时间。如上所述，可以在任何所需范围内非常快速地重复此操作。在某些情况下，可以在地面车辆的二维(2D)平面上(因为车辆检测系统可能主要与地面上的物体和环境特征有关)或飞机的三维(3D)立体区域内进行360度扫描(例如，脉冲发射和检测)。

在一些实施例中，可以使用旋转镜片系统(例如，激光雷达模块102)，该系统可以使单个激光在单个平面上以高旋转速率(例如500-5000RPM或更高)对准整个360度，以形成点的集合(例如，每个点都是一个单独的测量值，例如一个发送和反射的脉冲)，这些点可以实时动态地连续不断地更新，从而形成“点云”。点云数据可以估计例如物体相对于激光雷达系统的距离、尺寸和位置，通常具有很高的保真度(例如，在2cm之内)。在某些情况下，可以以多种不同方式执行第三维度(例如，高度)测距。例如，旋转镜片系统(或其他合适的设备)可以上下移动(例如，在万向架或其他致动装置上)以增加扫描的视野(FOV)。尽管未示出或未进一步讨论，但是应当理解，其他激光雷达系统可以用于形成点云，并且可以结合本文描述的各种阈值调整的检测方案的新颖性方面。例如，某些扫描实施方式可以采用基于固态、基于闪存的激光雷达单元，可以将其配置为扫描2D焦平面区域。受益于本申请的本领域的普通技术人员将理解本申请的许多替代实施例及其修改。

再次参考图1，激光雷达模块102可以在时间T1沿车辆100的正前方发送光脉冲110(发送信号)，并在时间T2接收由物体112(例如另一辆车)反射的光脉冲110(返回信号)。基于光脉冲110的接收，激光雷达模块102可以确定物体112在车辆100的正前方。而且，基于T1与T2之间的时间差，激光雷达模块102还可以确定车辆100与物体112之间的距离114，并且可以利用其他接收到的脉冲收集其他有用信息，包括车辆之间的相对速度和/或加速度、和/或车辆或物体的尺寸(例如，物体在二维中的宽度，或用三维检测的高度和宽度(其部分取决于视野))。因此，车辆100可以基于激光雷达模块102对物体112的检测和测距来调整其速度(例如，减速或停止)以避免与物体112碰撞，或者调节诸如自适应巡航控制、紧急制动辅助系统、防抱死制动系统等系统。

图2为根据一些实施例所示的基于激光雷达的检测系统200的简化框图。如上所述，系统200可以被配置为发送、检测和处理激光雷达信号以执行物体检测。通常，激光雷达系统200包括一个或以上发射器(例如，发射模块210)和一个或以上接收器(例如，接收模块250)。激光雷达系统200可以进一步包括未示出或未描述的另外的系统，以防止混淆本文所述的新颖特征。在一些实施例中，激光雷达系统200的一些或全部组件可以被结合到本文描述的任何实施例中。

如上所述，发射模块210可以包括多种有助于光信号的产生和发射的系统，包括色散模式(例如360度平面检测)、脉冲整形和频率控制、飞行时间测量以及任何其他控制系统，以使激光雷达系统能够以上述方式发射脉冲。在图2的简化表示中，发射模块210可以包括处理器220、光信号发生器230、光学/发射器模块232、电源模块215、飞行时间探测模块234和控制系统240。系统模块220-240中的部分模块可以与处理器220电连通。在一些情况下，激光雷达模块102(图1)可以包括系统200的一些或全部模块，包括发射模块210、接收模块250、其他激光雷达系统或其任意组合。

在一些实施例中，处理器220可以包括一个或以上微处理器，并且可以被配置为操作控制系统200。替代地或附加地，如本领域普通技术人员所理解的那样，处理器220可以包括一个或以上微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)等，以及支持的硬件、固件(例如，内存、可编程I/O等)和/或软件。可选地，可以在系统200的其他系统模块中配置MCU、μC、DSP、ASIC、可编程逻辑设备等。例如，控制系统模块240可以包括针对某些控制参数(例如，发射器的操作)的本地处理器。处理器220可以控制发射模块210(例如，飞行时间探测模块234、光学/发射器232、控制系统模块240等)、接收模块250(例如，处理器220)的部分或全部组件或激光雷达系统200的任何组件。在一些实施例中，多个处理器可以提高系统200的性能特性(例如，速度和带宽)，但是多个处理器不必要，也不一定与本文所述的实施例的新颖性有关。替代地或附加地，如本领域普通技术人员理解的，可以通过模拟电子设计来执行所述信号处理。

光信号发生器230可以包括根据特定实施例被配置为产生光信号的电路(例如，激光二极管)，其可以用作激光雷达发送信号。在某些情况下，光信号发生器230可以产生激光，所述激光用于产生任何合适电磁波长的连续或脉冲的激光束，所述激光束可以跨越可见光谱和不可见光谱(例如，紫外线和红外光谱)。在一些实施例中，激光波长通常在600-1200nm的范围内。如本领域的普通技术人员所理解的，其他波长也是可能的。

光学/发射器模块232(也称为发射器232)可以包括一个或以上镜片阵列，所述镜片阵列用于准向和/或瞄准发射激光脉冲；机械结构，所述机械结构用于控制发射器系统旋转和/或移动；如本领域普通技术人员受益于此本申请所理解的其他影响系统视野的系统。例如，某些系统可以在发射器模块中包括扩束器(例如，凸透镜系统)，这可以帮助减少光束发散并增加光束直径。这些改进的性能特征可以减轻可能会给返回信号增加噪声的背景回波散射。在一些情况下，光学/发射器块232可以包括分束器以转移和采样一部分脉冲信号。例如，采样的信号可以用于启动飞行时间时钟。在某些情况下，可以将采样信号用作与反向散射信号进行比较的参考。一些实施例可以采用将光准向到目标场的微机电系统(MEMS)的镜片。替代地或附加地，可以使用激光的多相阵列。如本领域的普通技术人员将理解的，可以使用任何合适的系统来发射激光雷达发送脉冲。

电源模块215可以被配置为产生用于发射模块210、接收模块250的电量以及管理电量分配、充电、电源效率等。在一些实施例中，电源模块215可以包括电池(未示出)和系统200内的电网，以向每个子系统(例如，控制系统240等)供电。电源模块215提供的功能可以包含在发射模块210内的其他元件中，也可以为激光雷达系统200中的任何系统供电。可替代地，一些实施例可以不包括专用电源模块，电源可以由彼此独立的多个单独电源来提供。

飞行时间探测模块234可以包括用于测量发送和返回信号的往返行程的飞行时间的计数器。在一些情况下，飞行时间探测模块234可以被激光雷达系统200中的其他模块(诸如控制系统240、光学/发射器232或其他实体)所包含。飞行时间探测模块234可以实施返回“窗口”，其限制激光雷达系统200寻找要返回的特定脉冲的时间。例如，返回窗口可能被限制为从最大测距位置(例如250m)返回脉冲所花费的最大时间量。一些实施例可能包含缓冲时间(例如，最大时间加10％)。如上所述，飞行时间探测模块234可以独立地操作或可以由其他系统模块(例如，处理器220)控制。在一些实施例中，发射模块可以不包括飞行时间探测模块，接收模块250可以执行该功能。受益于此申请的本领域的普通技术人员将理解在系统200中实现飞行时间探测模块的许多修改、变化和替代方式。

控制系统模块240可以控制光信号产生(例如，脉冲整形)、光学/发射器控制、飞行时间计时或本文描述的任何其他功能的方面。在一些情况下，控制系统模块240的各组件通常可以由处理器220、光信号发生器230、飞行时间探测模块234或发射模块210内的任何模块或激光雷达系统200所包括。

接收模块250可以包括电路，所述电路被配置为检测返回光脉冲的过程以便确定到物体的距离，在一些情况下，还可以确定物体的尺寸，物体的速度和/或加速度等。处理器265通常可以被配置为执行一些操作，诸如处理从探测器260接收的返回脉冲、控制飞行时间探测模块234的操作、控制阈值控制模块280、或接收模块250或激光雷达系统200的功能的任何其他方面。

探测器260可以检测从一个或以上物体反射的返回信号。在一些情况下，激光雷达系统200可以采用基于波长、偏振和/或测距的光谱滤波来帮助减少干扰，过滤不想要的频率或可能被检测到的其他有害信号。通常，探测器260可以检测光的强度并记录关于返回信号的数据(例如，通过相干检测、光子计数、模拟信号检测等)。探测器260可以使用任何合适的光电检测器技术，包括固态光电检测器(例如，硅雪崩光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)、电荷耦合器件(CCD)、混合型CMOS/CCD器件)或光电倍增管。在某些情况下，可以使用单个接收器，或者可以并行配置多个接收器。

增益灵敏度模型270可以包括用于确定适合于特定物体检测阈值的增益灵敏度曲线的系统和/或算法。

本领域的普通技术人员应该理解，尽管某些系统可能未明确讨论，但应将其视为系统200的一部分。例如，系统200可以包括总线系统(例如，CAMBUS)，以便向和从其中的不同系统传输电源和/或数据。在一些实施例中，系统200可以包括存储子系统(未示出)。存储子系统可以存储要由处理器(例如，处理器220)执行的软件程序。应当理解，“软件”可以指代指令序列，当由处理单元(例如，处理器、处理设备等)执行时，指令序列促使系统200执行软件程序的某些操作。指令可以是存储为只读内存(ROM)中的固件和/或存储在媒体存储器中的应用程序，所述指令可以被读入内存以供处理设备进行处理。软件可以实现为单个程序或独立程序的集合，并且可以存储在非易失性存储中，在程序执行期间全部或部分复制到易失性工作内存中。处理设备可以从存储子系统中检索要执行的程序指令，以执行本文所述的各种操作(例如，软件控制的弹簧自动调节等)。激光雷达系统200的一些软件控制方面可以包括增益灵敏度模型270、阈值控制模块280、控制系统模块240、飞行时间探测模块234或激光雷达系统200的任何其他组件。

应当理解，系统200仅是示例性的，本领域的普通技术人员可以理解到许多可能的变化和修改。系统200可以包括这里未具体描述的其他功能或能力。例如，根据一些实施例，激光雷达系统200可以包括通信模块(未示出)，该通信模块被配置为促进激光雷达系统200与车辆或远程资源(例如，远程服务器)等其他系统之间的通信。在这种情况下，通信模块可以在任何合适的通信协议(例如，射频(RF)、蓝牙、BLE、红外(IR)、ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi或其组合)中提供无线连接。

尽管利用特定模块(例如阈值控制模块280)描述了系统200，应该理解的是，定义这些模块是为了理解本发明的一些实施例，并不旨在暗示该实施例限于组成部件的特定物理布置。各个模块不必对应于物理上不同的组件。模块可以被配置为执行各种操作，例如，通过对处理器进行编程或提供适当的处理，根据初始配置，各种模块可以重新配置或者不重新配置。某些实施例可以在包括使用电路和软件的任何组合实现的电子设备的各种装置中实现。此外，如设计所指示的，系统200的各方面和/或部分可以与其他子系统结合或由其操作。例如，电源模块215和/或阈值控制模块280可以与处理器220集成，而不是用作单独的实体。

图3是根据本发明的实施例所示的实现多相融合的距离检测系统的框图。如图所示，现场可编程门阵列(FPGA)302实现了许多数字电子电路。激光脉冲生成模块304产生信号以启动来自激光源306的一个或以上激光脉冲。来自激光源306的激光束将稍微发散，因此被准直仪308准直。准直光束从镜片310反射，例如微机电系统(MEMS)的镜片。在镜片控制和计时模块314的控制下，微机电系统的镜片310由镜片感测和控制模块312控制。

准直的激光束从微机电系统的镜片310反射到发射(Tx)镜316。发射镜316将准直光束聚焦到所需的搜索范围，例如3-30米。虽然光束可以从更近或更远的物体上反射，但在此范围内需要最大的精度。然后聚焦的准直激光束反射离开物体318。物体318可以是另一辆汽车、护栏、路缘、行人或任何其他物体。反射的光束穿过接收镜320。接收镜320将在其飞行路径上发散的光束重新聚焦到探测器模块322中的检测器。探测器模块322包含光探测器，例如雪崩光电二极管(APD)。也可以使用多种其他光电探测器。来自雪崩光电二极管322的检测信号被提供给模拟处理模块324。模拟处理模块324包括跨阻抗放大器(TIA)、模数转换器(ADC)和可编程增益放大器(PGA)。可编程增益放大器可以将信号放大到所需的范围。

模拟处理模块324将检测到的已处理信号作为数字化信号提供给现场可编程门阵列302中的信号调节和检测模块326。信号调节和检测模块326执行信号调节的功能，包括消除高频或低频分量的噪声以及匹配滤波以检测可能的信号峰值。然后，将模块326的数字化输出提供给飞行时间(TOF)估算模块328。关于飞行时间估算模块328的细节可以在图4的描述中例证。飞行时间模块可以确定从发射激光脉冲开始的飞行时间，如来自激光脉冲生成电路304的触发信号330所指示的。该信号可以具有内置的延迟，以解决激光脉冲生成模块304的输出与实际从激光源306发射激光束之间的延迟。可选地，也可以考虑从准直仪308通过微机电系统MEMS镜片310的路径延迟。可选地，在飞行时间估算模块328中应用任何需要的补偿的情况下，触发可以没有延迟。

现场可编程门阵列302还包含2D扫描控制器332。这可控制检测组件在360度或任何其他角度范围内移动，以检测物体。一种实施例中的检测组件包括过微机电系统MEMS镜片310、发射镜316、接收镜320和雪崩光电二极管322。可以使用移动和固定元件的其他组合。可选地，图3的整个系统可以旋转。

图4为根据本发明的实施例所示的图3的飞行时间估算模块的框图。模块402提供来自图3的信号处理模块326的数据。由于通过数字匹配滤波器的卷积，该数据将具有多个峰值，如在图5所详细讨论的。图4展示了3个脉冲峰值的示例，尽管其数量可以根据实现方式而变化。利用模块404、406和408基于这3个峰值中的每个峰值的飞行时间计算来估计到物体318的距离。可以并行执行此处理，也可以使用单个模块串行执行此处理。将这三个距离提供给融合算法模块410，其将多个距离的估算与不同的权重相结合以产生融合结果412。

图5为根据本发明实施例所示的图3和图4的电子设备的接收信号部分的框图。光电二极管502将检测到的信号提供给跨阻抗放大器504，然后提供给可编程增益放大器506。然后，模数转换器508将信号转换为数字形式。然后将数字化的信号提供给匹配滤波器510，可以提供比输入更多的峰值的输出。多出的峰值是由于匹配滤波器510的固有操作产生。匹配滤波器510使用发射脉冲与接收到的信号进行卷积，由于卷积，将产生更多的峰值。匹配滤波器的输出被提供给距离计算器512，对于每个峰值，距离计算器512使用飞行时间估算来计算所述到物体的距离。然后将计算的多个到物体的距离提供给融合模块514。信噪比(SNR)计算器516确定每个峰值的信噪比，并将那些值作为权重518提供给融合模块514。然后，融合模块将来自多个峰值的距离和各自对应的信噪比进行加权，得出加权结果。在一种实施例中，可以在现场可编程门阵列(FPGA)520中实现匹配滤波器510、距离计算器512、融合模块514和信噪比计算器516。

在一个具有3个峰值的融合实施例中，最终估算的距离Rest由下式给出：

Rest＝(SNR1*Rest1+SNR2*Rest2+SNR3*Rest3)/(SNR1+SNR2+SNR3)(公式2)，

其中SNR1是峰值1的信噪比(SNR)，SNR2是峰值2的信噪比，SNR3是峰值3的信噪比。该算法根据峰值中包含的信息的质量对不同的峰值的结果进行加权，这些信息的质量由峰的信噪比表示。这是最大化融合结果的信噪比的较优解决方案。显然，特定的融合算法不限于(1)中表示的算法。它可以根据不同的代价函数设计而变化。发明人通过实验确定，通过使用信噪比加权、融合结果，与仅使用主峰相比，距离计算的精度得以提高。

可选地，在其他实施例中，信噪比可以以其他方式与估算距离计算相结合。例如，Rest1可以由峰值1的上升沿的中点Rr和峰值1的下降沿的中点Rf来确定。然后将(Rr+Rf)/2指定为Rest1。SNR1仍然被使用。区别在于，不再根据峰值1、2、3确定Rest1、Rest2、Rest3。相反，它们是根据峰值1、2、3的上升沿和下降沿估算的，将得到的峰值高度组合起来得出加权组合峰值，然后将其用于估算到物体的距离。在另一替代实施例中，通过使用边沿检测方法而不使用匹配滤波器来获得Rest1、Rest2、Rest3。

图6为根据一种实施例所示的多脉冲激光脉冲发射的曲线图。代替单个脉冲，使用两个或多个脉冲发射。如图6所示，Y轴代表信号振幅，X轴代表时间(以纳秒(ns)为单位)，两个发射脉冲602和604。

图7为根据一个实施例所示的用于处理来自图6的双脉冲激光脉冲发射的匹配滤波器输出的曲线图。在一实施例中，已知信号即发射的脉冲波形与接收信号相关，以检测接收信号中是否存在发射信号。在一实施例中，这等效于将接收信号与发射信号的共轭反转的形式进行卷积。使用快速傅立叶变换(FFT)后，可以在时域或频域中使用各种匹配滤波器。如图7所示，卷积从输入的两个峰中产生3个峰值。Y轴代表匹配滤波器输出的振幅，X轴代表样本索引。样本索引是序列中离散时间数据样本的索引。例如，来自模数转换器的第一个样本的样本索引为1，下一个样本的索引为2。

在一种实施例中，匹配滤波器通过将接收到的数据与发射信号的反转序列进行卷积来处理接收到的数据。或者，可以使用其他类型的匹配滤波器。匹配滤波器可以是时域类型或频域类型的匹配滤波器。匹配滤波器可以是扩频滤波器、脉冲长度匹配滤波器、参数自适应匹配滤波器、自适应匹配滤波器、相干或非相干匹配滤波器或其他类型的匹配滤波器。如果使用频域自适应滤波器，由于受到环境的影响，不同的频率可能比其他频率容易受到更多噪声的影响。噪音的最大频率会随着车辆的移动而变化。

图8为根据特定实施例所示的使用基于激光雷达的检测系统来检测到物体的距离的方法800的简化流程图。方法800可以由处理逻辑来执行，该处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、在适当的硬件上运行的软件(例如通用计算系统或专用机器)、固件(嵌入式软件)或其任意组合。在一些实施例中，方法800可以由图2的系统200，图3的系统以及图9的系统900的各组件执行。

在操作801，根据一些实施例，方法800可以包括在预定方向上发射至少两个第一激光雷达激光脉冲。例如，光信号发生器230可以产生激光脉冲(例如，持续时间为5ns)，然后光学/发射器模块232可以在预定方向(例如，在360度平面视野内)发射脉冲。

在操作802，根据一些实施例，方法800可以包括从预定方向接收第一激光雷达返回信号，所述第一激光雷达返回信号是经物体反射的第一激光雷达发送信号。在某些情况下，对于本领域的普通技术人员而言可以理解的是，由于信号可能会受到信号衰减、信号散射(例如，一部分反射)、来自其他电磁辐射的信号干扰或其他有害影响，第一激光雷达返回信号的振幅可能较小，并且会产生噪声。如果发送的信号是多个脉冲，则返回信号是多个脉冲。接收到的信号可以被数字化和调节，例如利用图3的模块324和模块326。

在操作804，可以将接收到的、数字化的、调节的信号作为数字化脉冲施加于匹配滤波器。匹配滤波器将发送的原始脉冲波形或它的副本用作模板。通过卷积处理，匹配滤波器的输出将具有比输入更多数量的峰值。

在操作806，根据一些实施例，方法800可以包括进行飞行时间测量，所述测量的飞行时间对应于第一激光雷达发送信号的发送时间与第一激光雷达返回信号的接收时间之间的差值。对于从匹配滤波器输出的每个峰值执行飞行时间测量，并通过使用飞行时间乘以光速来确定到物体的距离。例如，飞行时间探测模块234中的计数器可以根据发射、反射和检测来计算第一激光雷达信号的往返行程。在某些情况下，可以通过接收窗口来启用计数器，该接收窗口可以设置预期返回信号何时到达的时间边界，通常可以被设置为时间范围，所述时间范围封装了最大测距范围内的检测时间。举例来说，方法800可以包括：当发送第一激光雷达发送信号时启动用于接收窗口的计数器，停止用于接收窗口的计数器然后接收第一激光雷达返回信号，其中发送第一激光雷达发送信号的时间与接收第一激光雷达返回信号的时间之差对应于计数器启动与停止的时间之差。对于多个发送的脉冲，可以使用多个计数器，或者同一计数器可以为每个脉冲提供飞行时间。或者，可以使用脉冲组的平均发送和接收时间。

在操作808，方法800可以包括用操作810确定的信噪比来加权从每个峰值中计算出的到物体的距离。将计算出的信噪比用作对应于每个峰值的加权因子。

在操作814，方法800可以包括组合加权的到物体的距离以提供融合结果。可以使用上面的公式(2)完成组合，例如：

Rest＝(SNR1*Rest1+SNR2*Rest2+SNR3*Rest3)/(SNR1+SNR2+SNR3)(公式2)

其他的公式也可用于产生融合结果。例如，另一个可能的公式是：

对于任何M>＝1(峰值的数量)

Rest＝(SNR₁*Rest₁+SNR₂*Rest₂+…+SNR_M*Rest_M)/(SNR₁+SNR₂+…+SNR_M)

(公式3)

在一个实施例中，训练数据集可用于确定系数并通过最小化训练数据集的其余部分的均方误差来代替SNR1，SNR2，SNR3。

在操作818，方法800可以包括在数据库中记录(存储)所述确定的到物体的距离。所述到物体的距离可用于多种操作目的。如果所述到物体的距离比阈值小，在操作820中，可以触发警报。

应当理解，图8所示的特定步骤提供了用于确定从车辆到物体的距离的特定方法800。根据替代实施例，也可以执行其他步骤顺序。即，一些实施例可以以不同的顺序执行方法800。例如，一些实施例可以类似地依次执行操作801(即，沿预定方向发送第一激光雷达发送信号)和802(即，从预定方向接收第一激光雷达返回信号)，但后续可能会不同于图8所示的方法。受益于本申请的本领域普通技术人员可以使用任何变更组合，各种变型、修改和替代实施例。

实施例的示例性计算机系统

图9为根据一些实施例所示的计算机系统900的简化框图，该计算机系统900被配置为用于基于激光雷达的检测系统的操作。计算机系统900可以实现以上关于图1-8描述的任何系统和模块。例如，计算机系统900可以操作阈值控制模块280、飞行时间探测模块234、处理器220、控制系统模块240或激光雷达系统200或本文描述的其他系统的任何其他元件的方面。计算机系统900可以包括一个或以上处理器902，它们可以通过总线子系统904与许多外部设备(例如，输入设备)进行通信。这些外部设备可以包括存储子系统906(包括内存子系统908和文件存储子系统910)、用户接口输入设备914、用户接口输出设备916和网络接口子系统912。

在一些示例中，内部总线子系统904(例如，CAMBUS)可以提供一种机制，该机制用于使计算机系统900的各个组件和子系统按预期彼此通信。尽管内部总线子系统904被示意性地示出为单个总线，但是总线子系统的替代实施例可以利用多个总线。另外，网络接口子系统912可以用作用于在计算机系统900和其他计算机系统或网络之间传递数据的接口。网络接口子系统912的实施例可以包括有线接口(例如，以太网、CAN、RS232、RS485等)或无线接口(例如，ZigBee、Wi-Fi、蜂窝等)。

在某些情况下，用户接口输入设备914可以包括键盘、定点设备(例如，鼠标、轨迹球、触摸板等)、条形码扫描仪、集成在显示器中的触摸屏、音频输入设备(例如，语音识别系统、麦克风等)、人机界面(HMI)和其他类型的输入设备。通常，术语“输入设备”的使用旨在包括用于将信息输入计算机系统900的所有可能类型的设备和机制。另外，用户接口输出设备916可以包括显示子系统、打印机或非可视显示器，例如音频输出设备等。显示子系统可以是任何已知类型的显示设备。通常，术语“输出设备”的使用旨在包括用于从计算机系统900输出信息的所有可能类型的设备和机制。

存储子系统906可以包括内存子系统908和文件/磁盘存储子系统910。子系统908和910表示非暂时性计算机可读存储介质，其可以存储提供本申请(例如，软件91-204)的实施例的功能的程序代码和/或数据。在一些实施例中，内存子系统908可以包括多个内存，包括用于在程序执行期间存储指令和数据的主随机访问内存(RAM)918以及可以存储固定指令的只读内存(ROM)920。文件存储子系统910可以为程序和数据文件提供持久的(即，非易失性)存储，并且可以包括磁性或固态硬盘驱动器，光驱以及相关的可移动介质(例如CD-ROM、DVD、Blu-Ray等)，基于可移动闪存的驱动器或卡，和/或其他类型的本领域已知的存储介质。

应当理解，计算机系统900是说明性的，并不旨在限制本申请的实施例。具有比系统900更多或更少的组件的许多其他配置是可能的。

各种实施例还可以在各种各样的操作环境中实现，在某些情况下，这些操作环境可以包括一个或以上用户计算机、计算设备或处理设备，它们可以操作许多应用程序中的任何一个。用户或客户端设备可以包括许多通用个人计算机中的任何一个，例如运行标准操作系统的台式或便携式计算机，以及运行移动软件并能够支持多种联网和消息传递协议的蜂窝、无线和手持设备。这样的系统还可以包括多个工作站，这些工作站运行各种市售操作系统和其他已知应用程序中的任何一种，以用于诸如开发和数据库管理之类的目的。这些设备还可以包括其他电子设备，例如虚拟终端、瘦客户端、游戏系统和其他能够通过网络进行通信的设备。

大多数实施例利用至少一个本领域普通技术人员熟悉的网络来支持使用各种市售协议中的任何一种进行通信，例如TCP/IP、UDP、OSI、FTP、UPnP、NFS、CIFS等。该网络可以是例如局域网、广域网、虚拟专用网、互联网、内联网、外联网、公用交换电话网、红外网、无线网络及其任何组合。

在利用网络服务器的实施例中，网络服务器可以运行各种服务器或中间层应用程序中的任何一个，包括HTTP服务器、FTP服务器、CGI服务器、数据服务器、Java服务器和业务应用程序服务器。服务器还可能能够执行程序或脚本，以响应来自用户设备的请求，例如通过执行一个或以上应用程序，这些应用程序可以实现为以任何编程语言编写的脚本或程序，包括但不限于

C、C#或C++或任何脚本语言，例如Perl、Python或TCL及其组合。服务器还可以包括数据库服务器，包括但不限于可从

和

商业获得的那些服务器。

如上所述，环境可以包括各种数据存储以及其他内存和存储介质。它们可以驻留在各种位置，例如位于一个或以上计算机本地(和/或驻留在其中)或远离网络中任何或所有计算机的存储介质上。在一组特定的实施例中，信息可以驻留在本领域普通技术人员熟悉的存储区域网络(SAN)中。类似地，用于执行归属于计算机、服务器或其他网络设备的功能的任何必要文件可以适当地本地存储和/或远程存储。在系统包含计算机化设备的情况下，每个此类设备可包括可通过总线电耦合的硬件元素，这些元素包括：例如，至少一个中央处理单元(CPU)、至少一个输入设备(例如，鼠标、键盘、控制器、触摸屏或小键盘)，以及至少一个输出设备(例如，显示设备、打印机或扬声器)。这样的系统可能还包括一个或以上存储设备，例如磁盘驱动器、光学存储设备和固态存储设备，例如RAM或ROM，以及可移动媒体设备、内存卡、闪存卡等。

这样的设备还可以包括计算机可读存储介质读取器、通信设备(例如，调制解调器、网卡(无线或有线)、红外通信设备等)以及如上所述的工作内存。该计算机可读存储介质读取器可以与非暂时性计算机可读存储介质连接或被配置为接收，该计算机可读存储介质代表远程、本地、固定和/或可移动存储设备以及用于临时存储的存储介质，和/或更永久地包含、存储、传输和检索计算机可读信息。该系统和各种设备通常还将包括位于至少一个工作内存设备内的多个软件应用程序、模块、服务或其他元素，包括操作系统和应用程序，例如客户端应用程序或浏览器。应当理解，替代实施例可以具有与上述不同的许多变型。例如，还可以使用定制的硬件和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，例如小应用程序)或两者中实现特定的元素。此外，可以采用到其他计算设备的连接，例如网络输入/输出设备。

用于包含代码或部分代码的非暂时性存储介质和计算机可读存储介质可以包括已知或使用的任何适当介质，例如但不限于以任何用于存储信息的方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，包括RAM、ROM、电可擦可编程只读内存(EEPROM)、闪存或其他内存技术、CD-ROM、DVD或其他光存储、磁带、盒式磁带、磁盘存储或其他磁存储设备或可用于存储所需信息并且可由系统设备访问的任何其他介质。基于本文中的披露和教学导，本领域普通技术人员将理解实现各种实施例的其他方式和/或方法。但是，计算机可读存储介质不包括诸如载波等的瞬态介质。

图10是将现有技术与本发明的实施例进行比较的距离误差随距离变化的图。Y轴是以厘米为单位的距离估算误差标准偏差。X轴是以米为单位的距离。线1002示出了现有技术的距离估算误差标准偏差。线1004示出了本发明的实施例的距离估算误差标准偏差。可以看出，对于车辆最感兴趣的范围(6-30米)，本发明的实施例的距离估算误差标准偏差更好，距离偏差在半厘米到大约四分之一厘米之间。

厘米的改进显然是一项重大改进，可以通过按比例表示。例如，0.5/1.8＝30％的改善是显著的。例如，当激光雷达的距离误差标准偏差为5cm时，采用融合算法后，它可以达到约3.5cm的标准偏差。较小的距离误差标准偏差对于激光雷达感知算法成功至关重要，而激光雷达感知对于自动驾驶和高级驾驶员辅助系统很重要。

在描述所披露的实施例的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)术语“一”和“一个”和“类似”的使用应解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“包含”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)。术语“连接”应理解为部分或全部包含在，附加到或连接在一起，即使存在某种介入。短语“基于”应理解为开放式的，而不以任何方式进行限制，并且在适当的情况下应解释为或以其他方式解读为“至少部分基于”。除非另有说明，否则本文中数值范围的引用仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独值并入说明书中，如同其在本文中被单独引用一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本申请的实施例，并且不构成对本申请范围的限制，除非另有要求。说明书中的任何语言都不应解释为表明任何未要求保护的要素对实施本申请至关重要。

Claims (20)

1.用于操作汽车中的光探测与测距(激光雷达)系统的方法，所述方法包括：

通过逻辑电路产生激光脉冲群发射触发信号；

响应于所述激光脉冲群发射触发信号，通过激光源在第一时间段内发射至少两个激光脉冲；

通过光电探测器接收至少两个反射脉冲，所述至少两个反射脉冲与从物体反射回来的所述至少两个激光脉冲相对应；

放大所述至少两个反射脉冲；

通过模数转换器将所述至少两个反射脉冲转换成至少两个数字反射脉冲；

通过匹配滤波器处理所述至少两个数字反射脉冲，与所发射的至少两个激光脉冲的复本卷积以提高信噪比，并产生比所述至少两个反射脉冲更多的输出峰值数；

确定每个所述输出峰值的信噪比(SNR)；

通过处理器，从每个所述输出峰值中，确定到所述物体的距离；

通过所述处理器，根据每个所述输出峰值对应的信噪比，对所述从每个所述输出峰值中确定的到所述物体的距离进行加权，以提供至少两个加权的距离；

通过所述处理器，组合所述加权的距离，提供最终确定的到所述物体的距离；以及

使用所述最终确定的距离来控制所述汽车的一个部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射的至少两个激光脉冲处于红外频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定至少3个输出峰值，并且使用包括(SNR1*Rest 1+SNR 2*Rest 2+SNR 3*Rest 3)/(SNR 1+SNR 2+SNR 3)的等式来执行所述组合，其中SNR 1为第一峰值的信噪比，SNR2为第二峰值的信噪比，SNR 3为第三峰值的信噪比，Rest为所估算的到物体的距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述匹配滤波器使用卷积。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射的至少两个激光脉冲包括具有2-5个峰值的波形。

6.根据权利要求1所述的方法还包括将所述最终确定的距离标记为二维点图上的点；以及

对至少两个物体多次重复权利要求1中所述的过程，用以创建点的二维集合，所述点动态地连续地实时更新，从而形成点云。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述匹配滤波器包括时域匹配滤波器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述匹配滤波器是数字域的有限脉冲响应滤波器，所述有限脉冲响应滤波器使用所述发射的至少两个激光脉冲的共轭反转作为滤波系数。

9.用于汽车的光探测和测距(激光雷达)装置，所述装置包括：

逻辑电路，所述逻辑电路输出激光脉冲群发射触发信号；

激光源，所述激光源与所述逻辑电路耦合，具有激光输出，所述激光输出在第一时间段内响应于所述输出激光脉冲群的发射触发信号而发送至少两个激光脉冲；

光电探测器，所述光电探测器接收所述至少两个反射脉冲，所述至少两个反射脉冲对应于从物体反射回来的至少两个激光脉冲；

放大器，所述放大器与所述光电探测器耦合以放大所述反射脉冲；

模数转换器，所述模数放大器与所述放大器耦合，将所述反射脉冲转换成数字反射脉冲；

匹配滤波器，所述匹配滤波器与所述模数转换器耦合，使用卷积将所述数字反射脉冲与所述发射的至少两个激光脉冲的副本进行比较以提高信噪比，生成比所述至少两个反射脉冲数量更多的输出峰值数；

处理器，所述处理器被配置为用于确定每个所述输出峰值的信噪比(SNR)；

非暂时性计算机可读代码，嵌入在所述处理器可访问的介质上，被操作用于从每个所述输出峰值中确定到所述物体的距离；

所述非暂时性计算机可读代码被操作用于根据每个所述输出峰值对应的信噪比，与从每个所述输出峰值中确定的到所述物体的距离进行加权，以提供至少两个加权的距离；以及

所述非暂时性计算机可读代码被操作用于组合所述加权的距离，提供最终确定的到所述物体的距离。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述发射的至少两个激光脉冲处于红外频率。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，确定至少3个输出峰值，并且所述计算机可读代码被操作用于使用包括(SNR 1*Rest 1+SNR 2*Rest 2+SNR 3*Rest 3)/(SNR 1+SNR2+SNR 3)的等式来执行所述组合，其中SNR 1为第一峰值的信噪比，SNR 2为第二峰值的信噪比，SNR 3为第三峰值的信噪比，Rest为所估算的到物体的距离。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述匹配滤波器使用卷积。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述发射的至少两个激光脉冲包括具有2-5个峰值的波形。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述匹配滤波器包括时域匹配滤波器。

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述匹配滤波器是数字域的有限脉冲响应滤波器，所述有限脉冲响应滤波器使用所述发射的至少两个激光脉冲的共轭反转作为滤波系数。

16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，用于计算所述信噪比的代码还包括用于将每个输出峰值的振幅值除以噪声的均方根值来处理每个输出峰值的代码。

17.一种方法，包括：

通过逻辑电路产生激光脉冲群发射触发信号；

响应于所述激光脉冲群发射触发信号，通过激光源在第一时间段内发射至少一个激光脉冲；

通过光电探测器接收至少一个反射脉冲，所述至少一个反射脉冲与从物体反射的所述发射脉冲相对应；

通过模数转换器将所述反射脉冲转换为数字反射脉冲；

通过匹配滤波器处理所述数字反射脉冲，与所述反射激光脉冲的副本卷积，并产生至少两个输出峰值；

确定每个所述输出峰值的信噪比(SNR)；

利用处理器融合根据所述峰值确定的到物体的距离，以及对每个所述输出峰值的对应信噪比进行加权以提供至少两个加权数；

利用所述处理器，组合所述加权数以提供最终确定的到所述物体的距离。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述匹配滤波器包括时域类型的匹配滤波器。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述滤波器是数字域的有限脉冲响应滤波器，所述有限脉冲响应滤波器使用所述发射激光脉冲的共轭反转作为滤波系数。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述信噪比是通过将每个所述输出峰值的振幅值除以检测到的噪声的均方根值来确定的。

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