CN112292614A - 用于提高lidar系统的成像性能的系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于物体的三维距离测绘的系统，该系统包括光检测和测距(LIDAR)系统，该LIDAR系统包括光束发射器阵列、至少一个检测器元件和计算单元，该计算单元设置成：指令光束发射器同时发射发射光束；将测距信息嵌入发射光束中；利用独特的正交波形来识别各发射光束；使得在各检测器元件处接收的各反射光束中的独特正交波形与发射光束中的独特正交波形自动关联，以便提供发射和反射光束对；确定各发射和反射光束对的飞行时间；以及由飞行时间来确定距离。

Description

用于提高LIDAR系统的成像性能的系统、装置和方法
相关申请的交叉引用
本发明要求美国专利申请No.62643171的优先权，该美国专利申请No.62643171的申请日为2018年3月15日，标题为SYSTEM,APPARATUS,AND METHOD FOR IMPROVINGPERFORMANCE OF IMAGINGLIDAR SYSTEMS，该文献整个被本文参引，包括所有表格、附图和权利要求。
技术领域
本发明技术涉及一种光检测和测距系统，其中，多个光源能够同时发射光束并在它们之间进行区分。更具体地说，它是一种系统，其中，各光束由专用于该光束的代码来编码，该光束在返回系统时自动关联，且光束进行标识，以便计算该光束的飞行时间和确定距离。
背景技术
LIDAR(光检测和测距)是一种遥感方法，它使用成脉冲激光形式的光来测量到物体的距离(可变距离)。成像LIDAR系统是这样的系统，其中有从LIDAR的视场中的物体获得的距离图像。该系统合成的图像非常类似于典型的图像或图片，但并不是在表示值阵列中有光强度值，而是离LIDAR系统的距离是表示值。一些LIDAR系统的主要重点是ADAS(先进驾驶员辅助系统)，用于避免车辆碰撞、导航和安全系统，它确定物体离车辆的距离。
ADAS有多种构造。一种类型是作为扫描系统，该扫描系统通过从多个激光源来产生水平扇形光束而起作用，该激光源按时间顺序打开和关闭。水平扇形光束顺序地垂直扫描整个场景。测量在探头激光束发射的时间和从位于场景中的物体反射后在接收器处接收到反射激光束的时间之间的时间，该时间与在反射物体和LIDAR系统之间的距离成比例。该系统的一个主要缺点是，由于顺序扫描而在不同时间接收到反射激光束，因此整个场景的距离信息在不同时间获得。这种非同时性可能导致结果不准确、在场景内的运动预测不正确以及物体变形(导致错误识别)。
其它系统通过采用不同波长的激光源来应用波长分割复用。该系统需要接收器能够基于波长来区分不同激光光源，这又要求对每个波长需要单个检测器以及区分滤波器。这增加了光学构造的复杂性。
美国专利7969558公开了一种基于LIDAR的3D点云测量系统和方法。实例系统包括基座、壳体、包含在壳体内的多个光子发射器和光子检测器、使壳体绕基座旋转的旋转马达以及能够将由光子检测器产生的信号传输至外部部件的通信部件。旋转部件包括：旋转动力连接器，该旋转动力连接器设置成从外部源向旋转马达提供动力；光子发射器；以及光子检测器。在另一实施例中，每对的光子发射器和检测器保持彼此固定关系。在还一实施例中，通过将多个检测区域聚焦在单个检测器上，或者通过使用单个较大的检测器，单个检测器在多个激光器之间“共享”。在该系统中，激光器必须一次发射一个，以便保证对于哪个激光器进行发射没有歧义。没有自动关联。还教导远离使用“闪光LIDAR”，指出存在与它相关的问题，包括需要二维聚焦平面阵列。
美国专利申请20130044310公开了一种用于检测到物体的距离的系统和方法。该方法包括提供发光系统，该发光系统有至少一个脉冲宽度调制的可见光源，用于照明视场；在时间t使用可见光源来发射照明信号，用于在持续时间y中照明视场；在从时间t-x至时间t+x的第一时间段中积分反射能量；确定第一时间段中的第一积分值；在从时间t+y-x到时间t+y+x的第二时间段中积分反射能量；确定第二时间段中的第二积分值；计算第一积分值与第二积分值之间的差值；确定与该差值成比例的传播延迟值；从传播延迟值来确定到物体的距离。在该系统中，激光器必须一次发射一个，以便保证对于哪个激光器进行发射没有歧义。没有自动关联以便能够同时接收。
美国专利申请20170090031公开了一种用于空间剖析的系统、方法和处理器可读介质。在一种结构中，所述系统包括：光源，该光源设置成以多个波长信道中的选定一个来提供具有至少一个时变属性的发出光，该至少一个时变属性包括(a)随时间变化的强度型面和(b)随时间变化的频率偏差；光束引导器，该光束引导器设置成将发出光空间引导成沿二维中的多个方向中的一个至具有空间型面的环境中，该多个方向中的一个对应于该多个波长信道中的选定一个；光接收器，该光接收器设置成接收由环境反射的至少一部分发出光；以及处理单元，该处理单元设置成确定与在该选定一个波长的反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特征，用于估计与该相应一个方向相关的环境空间型面。该技术的重点是抑制来自环境的不希望信号。相对于现有系统，公开的方法需要增加复杂性和成本。在该系统中，激光器必须一次发射一个，以便保证对于哪个激光器进行发射没有歧义。没有自动关联以便能够同时接收。
需要一种提高LIDAR系统的性能的系统和方法。优选是该系统提高了距离分辨率和距离更新速率，同时采用现有的LIDAR电-光系统。甚至更优选是激光源同时操作，从而导致同时获得来自反射光束的距离信息。还优选是系统在反射光束之间进行区分。还优选是系统和方法在ADAS的光学装置中提高了局部速度流估计、降低了功率消耗和增加了激光源的眼睛安全性。最优选是有一种基于关联的方案，该方案降低了光-电复杂性和部件数量。
发明内容
本发明技术是一种提高现有LIDAR系统的性能的系统和方法。该系统提高了距离分辨率和距离更新速率，同时使用现有的LIDAR电-光系统。在一个实例中，系统中的激光源布置成垂直阵列，并同时操作，从而导致同时获得来自反射光束的距离信息。系统区分入射的反射光束。该系统和方法改善了局部速度流估计，降低了功率消耗，并提高了在ADAS的光学装置中的激光光源的眼睛安全性。本发明技术是基于关联的方案，该方案降低了光-电复杂性和部件数量。
在一个实施例中，提供了一种用于物体的三维距离测绘的系统，该系统包括光检测和测距(LIDAR)系统，该LIDAR系统包括光束发射器阵列、至少一个检测器元件和计算单元，该计算单元设置成：指令光束发射器同时发射发射光束；将测距信息嵌入发射光束中；利用独特的正交波形来识别各发射光束；使得在各检测器元件处接收的各反射光束中的独特正交波形与发射光束中的独特正交波形自动关联，以便提供发射和反射光束对；确定各发射和反射光束对的飞行时间；以及由飞行时间来确定距离。
在该系统中，独特的正交波形可以是Hadamard码。
在该系统中，嵌入的测距信息可以是伪噪声(PN)脉冲串。
在该系统中，PN脉冲串可以利用Hadamard码来转换。
在该系统中，计算单元可以包括用于各光束发射器的关联器，该关联器设置成使得在各检测器元件处接收的各反射光束中的独特正交波形与发射光束中的独特正交波形自动关联。
在该系统中，光束发射器可以是激光束发射器。
在另一实施例中，提供了一种用于物体的三维距离测绘的系统，该系统包括：计算装置，该计算装置包括微处理器、计时器和存储器，该计时器设置成确定飞行时间，该存储器设置成指令微处理器；光源阵列，该光源阵列在微处理器的控制下，并设置成发射多个发射光束；测距信息嵌入器，该测距信息嵌入器在微处理器的控制下，测距信息嵌入器设置成嵌入该多个发射光束；多个正交波形发生器，该正交波形发生器在微处理器的控制下，并设置成将与特定光源相关的特定正交波形发生器嵌入该多个发射光束，以使得特定发射光束嵌入有特定正交波形；多个检测器元件，该检测器元件设置成接收多个聚焦光束；多个关联器，该关联器在微处理器的控制下，并设置成使得特定接收光束与特定发射光束相关联，该关联器对应于各光源，并与计时器通信。
在该系统中，正交波形发生器可以是Hadamard发生器。
在该系统中，测距信息嵌入器可以是PN脉冲串发生器。
在该系统中，光源阵列可以是线性阵列。
在该系统中，线性阵列可以是垂直线性阵列。
在该系统中，光束发射器可以是激光束发射器。
在该系统中，检测器元件可以在水平布置的检测器中。
在另一实施例中，提供了一种与LIDAR系统一起使用的计算单元，该LIDAR系统包括光束发射器阵列和至少一个检测器元件，该计算单元设置成：指令在光束阵列中的各光束发射器同时发射发射光束；使得各发射光束嵌入有测距信息；利用独特的正交波形来识别每个发射光束；使得在各反射光束中的独特正交波形与在发射光束中的独特正交波形匹配；以及由各发射和反射光束的飞行时间来确定距离。
在另一实施例中，提供了一种用于物体的三维距离测绘的系统，该系统包括LIDAR系统，该LIDAR系统包括：光束发射器阵列，各光束发射器发射发射信号；至少一个检测器元件，用于接收接收信号；电路控制块；发射计算单元，该发射计算单元在电路控制块的控制下；以及接收计算单元，接收计算单元在电路控制块的控制下，发射计算单元设置成指令光束发射器同时发射发射信号，并使得发射信号嵌入有测距信息，发射计算单元包括用于各光束发射器的特定计算系统，接收器计算系统设置成：利用独特的正交波形来识别各发射信号；使得在各接收信号中的独特正交波形与在发射信号中的独特正交波形匹配；以及由各发射和接收对的飞行时间来确定距离。
在该系统中，发射计算单元可以包括PN脉冲串发生器，以使得发射光束嵌入有测距信息。
在该系统中，计算系统可以包括Hadamard发生器，以便利用独特的正交波形来识别发射信号。
在另一实施例中，提供了一种物体的三维距离测绘的方法，该方法包括：选择LIDAR系统，该LIDAR系统包括：光束发射器阵列，各光束发射器发射发射信号；至少一个检测器元件，用于接收接收信号；以及计算单元，该计算单元包括用于各光束发射器的特定计算系统，该计算单元：
指令光束发射器同时发射发射信号；
使得发射信号嵌入有测距信息；
利用独特的正交波形来识别各发射信号；
使得各接收信号中的独特正交波形与发射信号中的独特正交波形匹配；以及
由各发射和接收信号的飞行时间来确定距离。
在该方法中，嵌入的测距信息可以是嵌入伪噪声(PN)脉冲串。
在该方法中，利用独特的正交波形来识别各发射信号可以包括利用独特的Hadamard码来识别各发射信号。
该方法可以包括用Hadamard码来转换PN脉冲串。
在具有成阵列的多个激光器的系统实施例中，该系统：
-将独特的标识符分配给要从激光器阵列发射的各激光；
-同时从阵列发射多个激光，各激光通过编码(发射)而包含独特的标识符。激光撞上物体，并朝向包含阵列和系统的装置往回反射；
-接收与各发射信号相关联的信号，同时(接收)；
-在发射时根据分配给各信号的独特标识符来区分各信号；
-测量各独特信号在包含系统和阵列的装置处的发射和接收之间的时间延迟；
-根据通过使用标识符来区分的所有发射和接收信号之间的时间延迟来确定物体的距离。
附图说明
图1是本发明技术的光学系统方面的示意图，表示了光发射。
图2是本发明技术的光学系统方面的示意图，表示了光接收。
图3是表示激光发射器和发散透镜的线性阵列的示意图，表示了光的发射和反射。
图4是表示聚焦透镜和线性阵列检测器的示意图。
图5是表示计算单元的发射部件的示意图。
图6A是示意表示在发射过程中计算单元的操作以及在发射过程中作用的部件的方框图；图6B是示意表示在接收过程中计算单元的操作以及在接收过程中作用的部件的方框图。
图7是表示在光束接收和自动关联中的步骤的方框图。
图8是单个PN序列PN脉冲串的视图。
图9是表示在编码和发射光束中的步骤的方框图。
图10是表示计算单元的接收部件的示意图。
图11是表示确定距离和飞行时间的方法的步骤的方框图。
具体实施方式
除非另外明确说明，否则下面的解释规则适用于本说明书(书面说明和权利要求)：(a)本文中使用的所有词语应当根据情况需要来解释性别或数量(单数或复数)；(b)在说明书和附加权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数，除非上下文中另外明确说明；
(c)应用于所述距离或值的在前术语“大约”表示在测量方法的领域中已知或预期的距离或值的偏差内的近似值；(d)词语“本文中”、“本文”、“上文中”和“下文中”以及类似含义的词语涉及整个说明书，而不是任何特殊的段落、权利要求或子部分，除非另外说明；(e)描述性标题只是为了方便，不应当控制或影响说明书中任何部分的含义或结构；以及(f)“或”和“任何”并不是排他性，“包括”和“包含”并不是限制性。而且，否则术语“包括”、“有”、“包含”应当解释为开放式术语(即意思是“包括但不局限于”)，除非另外说明。
本文中数值范围的引用只是用作表示落入该范围内的各单独值的简写方法，除非本文中另外说明，且各单独值包含在说明书中，就像它在本文中单独叙述。当提供值的特定范围时，应当理解，在该范围的上限和下限之间的各插入值(至下限单位的十分之一，除非上下文另外明确说明)以及在所述范围内的任何其它所述或插入值都包含于其中。还包括所有更小的子范围。这些更小范围的上限和下限也包含于其中，但要遵守所述范围内的任何明确排除限制。
除非另外说明，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与相关领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。尽管也能够使用与本文所述类似或等效的任何方法和材料，但是下面介绍可接受的方法和材料。
图1中所示的、总体称为8的光学系统包括光源12、14、16、18的示例线性阵列(总体称为10)。尽管表示了四个光源，但是能够有多个光源。光源能够是例如但不局限于激光光源或发光二极管。各光源12、14、16、18发射发射光束32、34、36、38，该发射光束32、34、36、38穿过发散透镜40，并产生平面、水平的扇形探测光束42、44、46、48(称为探测光束)。在实施例中，线性阵列10是垂直线性阵列。光源12、14、16、18相对于发散透镜40定位成使得各发射光束32、34、36、38以与阵列10中的其它光束不同的角度50来折射，从而导致各探测光束42、44、46、48撞击物体52的不同部分。如图2中所示，来自物体52的反射光束52、54、56、58穿过聚焦透镜60，它们在聚焦透镜60处聚焦成聚焦光束62、64、66、68，然后该聚焦光束62、64、66、68撞击检测器70。聚焦透镜的实施例是散光光学系统。反射光束52、54、56、58和聚焦光束62、64、66、68是平面、水平的扇形光束。
如图3中所示，利用一个探测光束作为实例，探测光束42从第一物体51反射，以便成为第一反射光束52(54、56、58是与探测光束42、44、46、48对应的反射光束，但是为了清楚而从图中省略)。实际上，有多个接收信号(该接收信号包括反射光束和聚焦光束)，它们都聚焦在一个检测器元件92上，从而使得多个距离的接收信号与多个高度的接收信号混淆。探测光束42从第二物体53反射，成为第二反射光束72(74、76、78是与探测光束42、44、46、48相对应的第二反射光束，但为了清楚而从图中省略)。第一物体52比第二物体53更靠近线性阵列10，因此第一反射光束52的飞行时间比第二反射光束72的飞行时间更短。
检测器70在图4中表示。接收光学器件设置成接收水平扇形光束，因为它有检测器元件92、94、96的、水平对齐的线性阵列，总体称为90。图4中表示了三个检测器元件，不过，本领域技术人员应当理解，能够有不超过三个。检测器70从任何垂直范围接收光束，并将它们测绘在线性阵列90上，因此，不管探测光束的垂直位移如何，聚焦光束将始终入射在检测器70上。水平位置将不同，因为在各水平位置有检测器元件92、94、96，且透镜60将物体的反射光成像在阵列90上。
光源12、14、16、18的线性阵列10的垂直定位和检测器70(具有它的检测器元件92、94、96的线性阵列90)的水平分辨率的组合使得人们能够计算距离值的二维阵列。因为光源同时操作，所以同时获得距离值的二维阵列。
图5表示了光学系统8的发射器部件。它包括控制电路块111和发射计算单元132、134、136、138，它们是图中除了光源12、14、16、18和透镜40之外的所有元件。控制电路块111包括计算装置100，该计算装置可以是硅芯片或可现场编程门阵列(FPGA)。计算装置100可以包括微处理器102和存储器104，该存储器104设置成指令微处理器102。计算装置100还包括时钟发生器106，该时钟发生器106与在控制电路块111中的发射器线路108和接收器线路110(见图10)电连通。控制电路块111控制发射计算单元132、134、136、138，并协调发射器线路108和接收器线路110。控制电路块111发射信号F'，该信号F'控制帧正时和帧更新速率。测距信息嵌入器(例如发射伪噪声发生器113)与发射器电路108电通信。它产生伪噪声(PN)脉冲串。发射器电路108分成离散信道112、114、116、118，其中，各激光发射器12、14、16、18有一个信道。各信道112、114、116、118有Hadamard码发生器122、124、126、128，该Hadamard码发生器产生特定的(独特的)正交Hadamard码，以便保证各激光脉冲串可与它的邻居分离。信道112、114、116、118终止于光源12、14、16、18。Hadamard码族用于调制PN码，随后的脉冲串用于驱动光源12、14、16、18，该光源12、14、16、18发射编码信号，从而创建同时发射但特定(独特)编码的发射光束32、34、36、38。
如图6A中所示，当由存储器104指令200时，Hadamard码产生器122、124、126、128利用光束特定的正交码142、144、146、148来编码202各发射光束32、34、36、38。它们是与给定光源12、14、16、18相关联的特定标识符。发射光束32、34、36、38从它们的相应光源12、14、16、18同时发射204。发射光束32、34、36、38撞击206透镜40，并作为探测光束42、44、46、48来发射208，该探测光束42、44、46、48撞击209物体52、54。如图6B中所示，探测光束24、44、26、48反射210为反射光束52、54、56、58。反射光束52、54、56、58由透镜60聚焦212成聚焦光束62、64、66、68，并由检测器70接收214。特定代码或调制142、144、146、148保持206在探测光束42、44、46、48、反射光束52、54、56、58、第二反射光束72、74、76、78、聚焦光束62、64、66、68和第二聚焦光束82、84、86、88中编码。如本领域技术人员所知，将有很多反射光束和很多聚焦光束。为了清楚，本发明只是示例，并参考从两个不同物体反射的光束。在一个实施例中，产生的代码包括与Walsh/Hadamard码正交的最大串长度伪噪声代码(后面称为“代码”)，以便产生作为完整集合的码族(后面称为“代码本”)。
如图7中所示，存储器104指令220微处理器102，以便从特定聚焦光束62、64、66、68中提取222特定代码或调制142、144、146、148，使得来自特定聚焦光束62、64、66、68的特定代码或调制142、144、146、148和来自探测光束42、44、46、48的特定代码或调制142、144、146、148匹配(自动关联)224，并在多对发射(发射光束32、34、36、38)和接收信号(聚焦光束62、64、66、68)之间进行区分226。存储器104指令微处理器102，以便确定228各对发射和接收信号的飞行时间，并收集230距离信息。为了清楚，Hadamard发生器利用代码142来对发射光束32进行编码。代码142在聚焦光束62中返回，Hadamard发生器利用代码144对发射光束34进行编码。代码144在聚焦光束62中返回。关联器使得编码发射光束32的代码142与在聚焦光束62中的代码142自动关联。关联器使得编码发射光束34的代码144与在聚焦光束64中的代码144自动关联。对于发射和接收的各光束都这样进行。
调制和解调的细节能够从图7和8中了解。在图8中表示了单个PN序列PN脉冲串300，它是256个脉冲长。-1表示当光源关闭时。
Walsh/Hadamard码的长度是2的偶数幂，例如2N。PN m-序列的长度为2的幂2N-1。
在代码序列中的最长零游程的位置处将附加的“零”或关闭状态插入至m-序列中，以便使得该“填充”m-序列的长度达到2N的长度。
如图9中所示，存储器104指令Hadamard码产生器122、124、126、128，以便利用Hadamard转换来编码400PN序列300，从而提供402Hadamard转换编码的PN序列302、304、306、308。各发射光束32、34、36、38利用不同的Hadamard转换编码PN序列302、304、306、308来进行编码402。Hadamard转换使得各个发射光束32、34、36、38通过不同的波形来调制。PN序列的一种用途是在测距应用中，因此，通过将具有不同Hadamard码的Hadamard转换编码PN序列302、304、306、308应用于各发射光束32、34、36、38，发射信号和接收信号与嵌入的测距信息一起发送。系统8能够同时发送发射信号和接收接收信号。
使用PN码的另一益处是称为处理增益的因素；由于在解调方案下人们经过一段时间在解调器(该解调器是关联器)中重建多个样本，因此产生处理增益。该解调方案只强调特定图形，并给于它们增益(通过在关联器中求和)，该增益与信号的处理相关，因此称为处理增益。由于该处理增益，发射光束32、34、36、38能够减少较大量，因此减少所有光源12、14、16、18的总发射功率，从而使它更加眼安全，同时消耗更少功率。
在一种实施方式中，存在固有的脉冲重复率和固有的停留时间，因为接收信号是用于飞行时间测距信息的计时。通过以相同的固有脉冲重复率来实施系统8，但是在Hadamard编码PN序列中有更多的脉冲的情况下，获得了距离信息的更高分辨率。更长的编码PN序列也提供了更好的距离估计。
图10表示了光学系统8的接收器计算单元432、434、436、438的接收器部件。利用检测器元件92作为实例，各检测器元件92、94、96有离散的检测器电路(计算系统)500(显然，检测器元件不是接收器计算单元432、434、436、438的一部分)。检测器电路500与TIA(跨阻放大器)502(该TIA 502不是计算单元的一部分)和各关联器信道506通信，各关联器信道506有它们的滑动关联器508。TIA保证高速操作。滑动关联器508与Hadamard码发生器122、124、126、128电子通信。
图11中表示了确定距离和飞行时间的方法的步骤。检测器检测600多个聚焦光束，并将模拟信号发送602至模数转换器，该模数转换器将该信号数字化604。数字化的信号复制606到各关联器信道中。这是因为各检测器元件接收来自任何一个或多个激光器的聚焦光束，因此，为了识别它来自哪个激光器，系统需要使得进入代码与输出代码比较。在各关联器信道中，使用Hadamard码和PN码来标识608首先发射光束的激光器。它们还用于获得测距信息。PN和Hadamard码是自动关联的数学结构(它们是它们自己的倒数)。这包括滑动关联器。当代码对齐610时，滑动关联器发射612脉冲，该脉冲表示有代码对齐。当代码未对齐614时，提供616飞行时间的直接测量值，并直接确定距离618。在各关联器之后，从各正时比较块来发射620距离。
在替代实施例中，使用任何波形族来编码发射光束，该波形类似于单个噪声，各自强烈地自动关联，且不与其它族成员交叉关联(或正交)，例如但不局限于Kasami序列和Golay二进制互补序列。
在替代实施例中，光源阵列并不是线性阵列。类似地，在替代实施例中，检测器元件的阵列并不在检测器中。在另一实施例中，检测器元件的阵列和检测器可以并不成线性阵列，例如但不局限于圆形结构、旋转阵列或检测器元件的球形。
实施例1：用于ADAS的空间剖析
一些LIDAR系统的主要重点是ADAS(高级驾驶员辅助系统)，用于避免车辆碰撞、导航和安全系统，它确定物体离车辆的距离。例如，本发明系统集成至现有系统中，例如但不局限于美国专利申请20170090031中公开的系统。本发明系统克服了美国专利申请20170090031中的缺陷，因为它降低了系统的复杂性，并由于自动关联能力而允许同时发射光束。当从一个或多个特定投影角来看时，通过确定在各投影角的立体角或视野内任何反射表面的距离(例如物体或障碍物的距离)来估计环境的空间型面。所述系统可以用于监视环境中的相对运动或变化。
在自动车辆领域(陆、空、水或空间)，集成至现有系统中的本发明系统能够从车辆的投影角来估计交通状况的空间型面，包括任何物体(例如障碍物或前方目标)的距离。当车辆运动时，从另一位置的车辆观察到的空间型面可以变化，并可以重新估计。作为另一实例，在入坞领域中，系统可以从船的投影角来估计船坞的空间型面，例如船与船坞的特定部分的接近度，以方便促进成功入坞，而并不与船坞的任何部分碰撞。
实施例2：用于自动化任务的空间剖析
本发明系统集成至现有系统中，例如但不局限于美国专利申请20130044310中公开的系统。本发明系统克服了美国专利申请20130044310中的缺陷，因为它降低了系统的复杂性，并由于自动关联能力而允许同时发射光束。集成至现有系统中的本发明系统能够用于工业测量和自动化、现场勘测、军事、安全监测和监视、机器人技术和机器视觉的领域。
实施例3：用于环境监视的空间剖析
本发明系统集成至现有系统中，例如但不局限于美国专利7969558中公开的系统。本发明系统由于自动关联能力而克服了美国专利7969558中的缺陷。集成至现有系统中的本发明系统可用于以下领域：农业和精密林业、土木工程与勘测、国防和紧急服务、环境和海岸监测、公路和路网、采矿、采石场和集料、铁路测绘和应用。
尽管已经结合当前认为可能是最实际和/或合适的实施例的实例来介绍了示例实施例，但是应当理解，说明书并不局限于所公开的实施例，而是相反，将覆盖包含在示例实施例的精神和范围内的各种变化形式和等效结构。本领域技术人员只使用常规实验就将认识到或能够确定本文特别介绍的具体示例实施例的很多等效形式。这些等效形式将包含在本文附加或随后提出的权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于物体的三维距离测绘的系统，所述系统包括光检测和测距(LIDAR)系统，所述LIDAR系统包括光束发射器阵列、至少一个检测器元件和计算单元，所述计算单元设置成：指令光束发射器同时发射发射光束；将测距信息嵌入发射光束中；利用独特的正交波形来识别各发射光束；使得在各检测器元件处接收的各反射光束中的独特正交波形与发射光束中的独特正交波形自动关联，以便提供发射和反射光束对；确定各发射和反射光束对的飞行时间；以及由飞行时间来确定距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：所述独特的正交波形包括Hadamard码。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中：所述嵌入的测距信息包括伪噪声(PN)脉冲串。
4.根据权利要求3所述的系统，其中：所述PN脉冲串利用Hadamard码来转换。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其中：所述计算单元包括用于各光束发射器的关联器，所述关联器设置成使得在各检测器元件处接收的各反射光束中的独特正交波形与发射光束中的独特正交波形自动关联。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的系统，其中：所述束发射器包括激光束发射器。
7.一种用于物体的三维距离测绘的系统，所述系统包括：计算装置，所述计算装置包括微处理器、计时器和存储器，所述计时器设置成确定飞行时间，所述存储器设置成指令微处理器；光源阵列，所述光源阵列在微处理器的控制下，并设置成发射多个发射光束；测距信息嵌入器，所述测距信息嵌入器在微处理器的控制下，所述测距信息嵌入器设置成嵌入所述多个发射光束；多个正交波形发生器，所述正交波形发生器在微处理器的控制下，并设置成将与特定光源相关的特定正交波形发生器嵌入该多个发射光束，以使得特定发射光束嵌入有特定正交波形；多个检测器元件，所述检测器元件设置成接收多个聚焦光束；多个关联器，所述关联器在微处理器的控制下，并设置成使得特定接收光束与特定发射光束相关联，所述关联器对应于各光源，并与计时器通信。
8.根据权利要求7所述的系统，其中：所述正交波形发生器包括Hadamard发生器。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中：所述测距信息嵌入器包括PN脉冲串发生器。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的系统，其中：所述光源阵列包括线性阵列。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：所述线性阵列包括垂直线性阵列。
12.根据权利要求7至11中任意一项所述的系统，其中：所述光束发射器包括激光束发射器。
13.根据权利要求7至12中任意一项所述的系统，其中：所述检测器元件在水平布置的检测器中。
14.一种与LIDAR系统一起使用的计算单元，所述LIDAR系统包括光束发射器阵列和至少一个检测器元件，所述计算单元设置成：指令在光束阵列中的各光束发射器同时发射发射光束；使得各发射光束嵌入有测距信息；利用独特的正交波形来识别每个发射光束；使得在各反射光束中的独特正交波形与在发射光束中的独特正交波形匹配；以及由各发射和反射光束的飞行时间来确定距离。
15.一种用于物体的三维距离测绘的系统，所述系统包括LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：光束发射器阵列，各光束发射器发射发射信号；至少一个检测器元件，用于接收接收信号；电路控制块；发射计算单元，所述发射计算单元在电路控制块的控制下；以及接收计算单元，所述接收计算单元在电路控制块的控制下，发射计算单元设置成指令光束发射器同时发射发射信号，并使得发射信号嵌入有测距信息，所述发射计算单元包括用于各光束发射器的特定计算系统，接收器计算系统设置成：利用独特的正交波形来识别各发射信号；使得在各接收信号中的独特正交波形与在发射信号中的独特正交波形匹配；以及由各发射和接收对的飞行时间来确定距离。
16.根据权利要求15所述的系统，其中：所述发射计算单元包括PN脉冲串发生器，以使得发射光束嵌入有测距信息。
17.根据权利要求15或16所述的系统，其中：所述计算系统包括Hadamard发生器，以便利用独特的正交波形来识别发射信号。
18.一种物体的三维距离测绘的方法，所述方法包括：选择LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：光束发射器阵列，各光束发射器发射发射信号；至少一个检测器元件，用于接收接收信号；以及计算单元，所述计算单元包括用于各光束发射器的特定计算系统，所述计算单元：
指令光束发射器同时发射发射信号；
使得发射信号嵌入有测距信息；
利用独特的正交波形来识别各发射信号；
使得各接收信号中的独特正交波形与发射信号中的独特正交波形匹配；以及
由各发射和接收信号的飞行时间来确定距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：嵌入的测距信息包括嵌入伪噪声(PN)脉冲串。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：利用独特的正交波形来识别各发射信号包括利用独特的Hadamard码来识别各发射信号。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：利用Hadamard码来转换PN脉冲串。
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