CN112352168A - 高密度lidar扫描 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了一种用于LiDAR扫描的系统和方法。所述系统包括：光源(102)，所述光源被配置成生成一个或多个光束(107，109，111，112A，112B，112C)；以及光束转向装置，所述光束转向装置光学耦接至所述光源。所述光束转向装置包括第一可旋转反射镜(108)和第二可旋转反射镜(110)。所述第一可旋转反射镜和所述第二可旋转反射镜在相对于彼此移动时被配置成：使所述一个或多个光束在竖直方向和水平方向两者上转向以照射视场内的物体；对基于对所述物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向；以及接收光学系统，所述接收光学系统被配置成接收经重定向的返回光脉冲。

Description

高密度LIDAR扫描
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月4日提交的名称为“HIGH DENSITY LIDAR SCANNING[高密度LiDAR扫描]”的美国非临时专利申请号16/209,697的优先权，所述专利申请要求于2017年12月22日提交的名称为“HIGH DENSITY LIDAR SCANNING[高密度LIDAR扫描]”的美国临时专利申请号62/609,722的优先权。出于所有目的，这两个申请的内容通过引用以其全文并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及光探测与测距(LiDAR)系统，并且更具体地涉及用于提供对视场中的物体的高密度LiDAR扫描的系统。
背景技术
LiDAR系统发射光脉冲以照射视场中的物体并收集返回光脉冲。基于返回光脉冲，LiDAR系统计算飞行时间，并且进而确定特定物体的距离。通常，由于用于收集返回光脉冲的有限孔径，并非所有返回光脉冲都被LiDAR系统收集。
发明内容
以下呈现了一个或多个示例的简化概要，以提供对本公开的基本理解。此概要不是对所有设想示例的广泛概述，并且不旨在标识所有示例的关键或重要要素或描绘任何或所有示例的范围。此概要的目的是以简化的形式呈现一个或多个示例的一些概念作为对下面所呈现的更详细说明的概念性前奏。
根据一些实施例，提供了一种光探测与测距(LiDAR)扫描系统。所述系统包括：光源，所述光源被配置成生成一个或多个光束；以及光束转向装置，所述光束转向装置光学耦接至光源。所述光束转向装置包括第一可旋转反射镜和第二可旋转反射镜。与第一可旋转反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与第一可旋转反射镜的第一旋转轴成第一角度，并且与第二可旋转反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与第二可旋转反射镜的第二旋转轴成第二角度。第一角度或第二角度中的至少一个大于零度且小于90度。第一可旋转反射镜和第二可旋转反射镜在相对于彼此移动时被配置成：使一个或多个光束在竖直方向和水平方向两者上转向以照射视场内的物体；对基于对物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向；以及接收光学系统，所述接收光学系统被配置成接收经重定向的返回光脉冲。
根据一些实施例，提供了一种与车辆设置在一起的扫描系统。所述扫描系统包括：第一光探测与测距(LiDAR)扫描系统，所述第一LiDAR扫描系统大致设置在车辆的左前角；第二LiDAR扫描系统，所述第二LiDAR扫描系统大致设置在所述车辆的右前角；以及第三LiDAR扫描系统，所述第三LiDAR扫描系统大致设置在车辆的前挡风玻璃的顶部部分。
根据一些实施例，提供了一种光探测与测距(LiDAR)扫描系统。所述系统包括：光源，所述光源被配置成生成一个或多个光束；以及光束转向装置，所述光束转向装置光学耦接至光源。所述光束转向装置包括第一反射镜和可旋转反射镜。第一反射镜是振荡镜或检流计(Galvo)反射镜。与第一反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与所述第一反射镜的振荡轴成第一角度，并且与可旋转反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与所述第二可旋转反射镜的第二旋转轴成第二角度。第一角度或第二角度中的至少一个大于零度且小于90度。第一反射镜和可旋转反射镜在相对于彼此移动时被配置成：使一个或多个光束在竖直方向和水平方向两者上转向以照射视场内的物体；对基于对物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向；以及接收光学系统，所述接收光学系统被配置成接收经重定向的返回光脉冲。
附图说明
为了更好地理解所描述的各个方面，应结合下面的附图参考以下描述，其中在全部附图中，相似的附图标记指代对应的部分。
图1图示了包括具有两个可旋转反射镜的光束转向装置的示例性LiDAR扫描系统。
图2A图示了包括具有两个可旋转反射镜的光束转向装置的示例性LiDAR系统的示例性扫描结果的图。
图2B图示了包括具有两个可旋转反射镜的光束转向装置的示例性LiDAR系统的示例性扫描结果中的单个帧的图。
图2C图示了包括基于扫描范围要求以一角度发射光束的光源的示例性LiDAR扫描系统。
图3A至图3C图示了光源的示例性配置。
图4A图示了包括具有多个发光器件的光源的示例性LiDAR扫描系统的示例性扫描结果。
图4B图示了包括具有多个发光器件的光源的示例性LiDAR扫描系统的示例性扫描结果中的单个帧。
图5图示了被配置成向LiDAR扫描系统的光源提供电功率的示例性驱动器电路的电路图。
图6图示了附接至车辆的多个LiDAR系统的典型配置。
图7图示了附接至车辆的多个LiDAR系统的示例性配置。
图8图示了根据本公开的示例的用于确定一个或多个光脉冲的飞行时间的方法的示例性流程图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而并非旨在表示可以实践本文描述的概念的唯一配置。详细描述包括具体细节，以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，众所周知的结构和部件以框图形式示出，以避免模糊这样的概念。
现在将参考装置和方法的各种要素来呈现LiDAR扫描系统的示例。这些装置和方法将在以下详细描述中进行描述，并在附图中由各种框、部件、电路、步骤、过程、算法等(统称为“要素”)进行图示。这些要素可以使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实施。将这样的要素实施为硬件还是软件取决于在整体系统上施加的具体应用和设计约束条件。
典型的LiDAR扫描系统具有用于收集返回光脉冲的有限孔径。因此，期望增大孔径。在本申请中描述的LiDAR系统的各种配置可以增大用于收集返回光脉冲的孔径。进而，增大的孔径增大了水平扫描方向和竖直扫描方向两者上的扫描范围，并且因此使得能够在视场中检测到更多物体。另外，在本申请中描述的LiDAR系统的各种配置还可以在预定的扫描范围内(例如，在水平方向和竖直方向两者上距车辆的较短距离)提供叠加的扫描结果。因此，针对预定的扫描范围获得的叠加的扫描结果可以提供高密度扫描，从而得到高分辨率图像。此外，在车辆中设置多个LiDAR系统的各种配置可以减少或消除无法检测到视场中的物体的可能的扫描间隙。这进而降低或消除了车辆与未检测到的物体碰撞的可能性。
尽管本公开的示例被描述为集成在车辆中，但是也设想其他应用。例如，可以将集中式激光传输系统和多个LiDAR系统设置在机器人中或与机器人集成在一起，出于安全监视目的而安装在建筑物的多个位置处，或者为了交通监视而安装在交通路口或道路的某些位置处等。
图1图示了包括具有两个可旋转反射镜108和110的光束转向装置的示例性LiDAR扫描系统100。LiDAR扫描系统100可以是2D或3D扫描LiDAR系统。在一些实施例中，LiDAR扫描系统100包括光源102、光学元件104、第一可旋转反射镜108、第二可旋转反射镜110和接收光学系统114。如图1所示，第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110在相对于彼此移动时可以被配置成：使一个或多个光束107在竖直方向和水平方向两者上转向以照射LiDAR扫描系统100的视场内的一个或多个物体，并且对基于对物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向。光源102可以生成包括入射光脉冲的一个或多个光束107。光源102可以是如光纤激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器和/或光纤耦接二极管激光器等激光源。在一些示例中，由光源102生成的激光可以具有在可见光谱中的波长。在一些示例中，激光可以具有在红外光谱中的波长。在一些示例中，激光可以具有在紫外光谱中的波长。
如图1所示，经由光学元件104朝向第一可旋转反射镜108发射包括入射光脉冲的一个或多个光束107。在一些实施例中，光学元件104可以包括用于将光束107聚焦和/或定向至第一可旋转反射镜108的透镜和/或开口。在一些实施例中，第一可旋转反射镜108可以将光束107中的入射光脉冲朝向第二可旋转反射镜110重定向。如图1所示，第一可旋转反射镜108可以基于光束107中的入射光脉冲来生成经重定向的光脉冲109。第一可旋转反射镜108可以被配置成沿着第一旋转轴108B以例如199r/s(转每秒)的速度旋转。
在一些实施例中，为了在视场中跨不同的水平角度和竖直角度扫描出射光脉冲并收集返回光脉冲，第一旋转轴108B不是垂直于第一可旋转反射镜108的反射性表面(例如，表面108S)的轴(例如，第一可旋转反射镜108的标称轴108A)且与该轴不重叠。例如，如图1所示，第一旋转轴108B可以被配置成与轴108A成第一角度108C，轴108A垂直于第一可旋转反射镜108的反射性表面108S。在一些示例中，第一角度108A是大于0度且小于90度的角度。例如，第一角度108A可以是10度。如以下更详细地描述的，将第一旋转反射镜108配置成沿着不是所述反射镜的标称轴的第一旋转轴108B旋转可以在视场中以不同的水平角度和竖直角度扫描到物体的发射/重定向光脉冲，并且用于接收和重定向对应的返回光脉冲(例如，光脉冲112B)。
参考图1，第一可旋转反射镜108可以被配置成将一个或多个光束107中的入射光脉冲朝向第二可旋转反射镜110重定向。如图1所示，基于光束107中的入射光脉冲，第一可旋转反射镜108B生成经重定向的光脉冲109。经重定向的光脉冲109被第二可旋转反射镜110接收。在一些实施例中，第二可旋转反射镜110可以被配置成沿着第二旋转轴110B旋转。在一些示例中，第二可旋转反射镜110可以被配置成以与第一可旋转反射镜108的旋转速度不同的速度旋转。例如，第一可旋转反射镜108可以以199r/s旋转，而第二可旋转反射镜110可以以189r/s旋转。
在一些实施例中，为了在视场中以不同的水平角度和竖直角度扫描发射光束111，第二旋转轴110B不是垂直于第二可旋转反射镜110的反射性表面(例如，表面110S)的轴(例如，第二可旋转反射镜110的标称轴110A)且与该轴不重叠。例如，如图1所示，第二旋转轴110B可以被配置成与作为垂直于第二可旋转反射镜110的反射性表面110S的轴的轴110A成第二角度110C。在一些实施例中，第二角度110C是大于0度且小于90度的角度。例如，第二角度110C可以是8度。第二角度110C可以与第一角度108C相同或不同(例如，第一角度108C为10度，而第二角度110C为8度)。如以下更详细地描述的，将第二旋转反射镜110配置成沿着不是标称轴的第二旋转轴110B旋转可以在视场(FOV)中以不同的水平角度和竖直角度扫描至物体的发射/重定向光脉冲，并且用于接收和重定向对应的返回光脉冲(例如，光脉冲112A)。
在一些实施例中，第一角度108C和第二角度110C两者都可以不同于90度(例如，大于0度且小于90度)。也就是说，第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110两者均相对于其相应的标称轴(例如，轴108A和110A)成一定角度地旋转。以这种方式配置反射镜可以在视场中以不同的水平角度和竖直角度扫描至物体的发射/重定向光脉冲，并且从而增大LiDAR扫描系统100的扫描范围和密度。
参考图1，第二可旋转反射镜110从第一可旋转反射镜108接收经重定向的光脉冲109，并且在水平方向和竖直方向两者上生成并发射经转向的光脉冲111以照射FOV中的物体。应当理解，图1中所示的经转向的光脉冲111的方向仅图示了特定时间点的方向。在其他时间点，可以以其他方向发射经转向的光脉冲111以照射FOV中的物体。
在一些实施例中，第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110可以是沿光路设置的接近100％反射性的反射镜，用于收集返回光脉冲112A(和经重定向的返回光脉冲112B至112C)。如图1所示，一个或多个经转向的光脉冲111照射FOV中的一个或多个物体，并被反射或散射。一些反射或散射光脉冲作为返回光脉冲112A返回到第二可旋转反射镜110。第二可旋转反射镜110对返回光脉冲112A进行重定向，以在与经重定向的光脉冲109基本上相反的方向中生成经重定向的返回光脉冲112B。如上所述，第二可旋转反射镜110可以被配置成绕与所述反射镜的标称轴110A成第二角度110C(例如，8度的角度)的第二旋转轴110B旋转。
如图1所示，第一可旋转反射镜108对经重定向的返回光脉冲112B进行重定向以生成第二经重定向的返回光脉冲112C。在一些实施例中，如上所述，第一可旋转反射镜108可以被配置成沿着与所述反射镜的标称轴108A成第一角度108C(例如，10度的角度)的第一旋转轴108B旋转。结果是，第一可旋转反射镜108可以被配置成将第二经重定向的返回光脉冲112C朝向光学元件104定向，这进而生成第三经重定向的返回光脉冲112D，所述第三经重定向的返回光脉冲由接收光学系统114收集。接收光学系统114可以包括例如会聚透镜115和光探测器116。光探测器116可以包括一个或多个光探测器元件。会聚透镜115被配置成收集第二经重定向的返回光脉冲112C并将其定向至光探测器116。会聚透镜115可以由如高折射率玻璃、塑料等任何透明材料制成。图1图示了可以设置接收光学系统114的示例性位置。应当理解，接收光学系统114可以设置在任何期望的位置，以有效地收集第三经重定向的返回光脉冲112D中的很大一部分。
在一些实施例中，接收光学系统114可以包括光探测器116，所述光探测器包括光探测器元件的阵列。例如，光探测器116可以包括16个探测器元件的阵列，用于检测由会聚透镜115收集的光脉冲。阵列中的探测器元件的数量可以与光源102中的发光器件(例如，下文中更详细描述的器件302A至302D和304A至304D)的数量相同或不同。例如，探测器元件的数量可以是16，而发光器件的数量可以是4。更多数量的探测器元件可以提高LiDAR扫描结果的分辨率。
在一些实施例中，第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110之一可以用振荡镜或检流计反射镜代替。振荡镜可以以预定的频率或速率关于轴振荡。类似于可旋转反射镜，振荡镜可以重定向光脉冲以照射FOV中的物体，并且收集返回光脉冲并将其重定向至接收光学系统和光探测器。在一些实施例中，可以基于扫描范围要求和/或扫描密度要求来配置振荡镜的振荡频率或速率。
图2A图示了包括具有两个可旋转反射镜(例如反射镜108和110)的光束转向装置的示例性LiDAR系统100的示例性扫描结果的图200。图2B图示了图2A所示的示例性扫描结果中的单个帧的图。图2A所示的扫描结果表示在预定时间段(例如1秒或10秒)内收集/整合的多个帧的扫描图案202；并且图2B所示的扫描结果表示(例如，在0.1秒内收集的)单个帧的扫描图案204。在图2A和图2B中，水平轴指示水平扫描方向(例如，与图1所示的x方向相对应)上的扫描范围；并且竖直轴可以指示竖直扫描方向(例如，与图1所示的y方向相对应)上的扫描范围。
如图2A和2B所示，LiDAR扫描系统100的这种特定配置的水平扫描范围可以是例如大约-35度至35度；并且竖直扫描范围可以是例如大约-21度至21度。如图2A和图2B进一步所示，在一些实施例中，扫描图案202和204的中心部分206可以具有比扫描图案的其他部分更高的密度。通常期望更高的扫描密度，因为这可以提供更高分辨率的LiDAR扫描。如上所述，由于将第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110两者都配置成绕不与相应反射镜的标称轴重叠或对准的旋转轴(例如108B和110B)旋转，因此在中心部分206获得了较高的扫描密度。
在一些实施例中，LiDAR扫描系统100的一个或多个属性是可定制的。例如，LiDAR扫描系统100的一个或多个属性可以被配置成基于扫描范围要求和/或扫描密度要求来获得期望的扫描范围和扫描密度。作为一个示例，基于扫描范围要求和扫描密度要求，第一可旋转反射镜108可以被配置成以199r/s的速度旋转；第一角度108C(例如，第一旋转轴108B与标称轴108A之间的角度)可以被配置成是大约10度；第二可旋转反射镜110可以被配置成以189r/s的速度旋转；并且第二角度110C(例如，第二旋转轴110B与标称轴110A之间的角度)可以被配置成是大约8度。基于这样的配置，水平扫描范围可以是例如大约-35度至35度；竖直扫描范围可以是例如大约-21度至21度；高密度中心部分206可以具有大约8度的水平扫描范围和3度的竖直扫描范围。如上所述，高密度中心部分206可以与FOV中的被预定为具有更多物体或具有提高的检测要求等级的扫描区域(例如，安装在车辆上的LiDAR扫描系统的前部区域附近)相对应。
在一些实施例中，通常期望水平扫描范围大于竖直扫描范围。例如，在FOV中，与跨竖直方向(例如，图1所示的y方向，如垂直于路面的方向)扫描更多的区域相比，通常期望跨水平方向(例如，图1所示的x方向，如平行于路面的方向)扫描更多的区域。这是因为通常跨水平方向(例如，在路面上)设置的物体(例如，人、建筑物、动物等)比跨竖直方向设置的物体更多。因此，为了使LiDAR扫描系统能够扫描FOV中的更多区域，通常期望水平扫描范围大于竖直扫描范围。
在一些实施例中，第一可旋转反射镜108和第二可旋转反射镜110的一个或多个属性可以被配置成是相同的。在其他实施例中，所述属性可以被配置成是不同的。例如，如图1、图2A和图2B所示，第一角度108C(例如10度)可以被配置成不同于第二角度110C(例如8度)；并且第一可旋转反射镜108的旋转速度(例如199r/s)可以被配置成不同于第二可旋转反射镜110的旋转速度(例如189r/s)。可旋转反射镜的旋转速度可以决定相邻扫描线之间的距离。第一可旋转反射镜108与第二可旋转反射镜110之间的旋转速度差可以决定扫描速率(例如，决定一秒内的扫描范围)。
参考图1和图2A至图2B，在一些实施例中，光源102可以被配置成根据与一个或多个扫描方向相关联的扫描密度要求以一定频率生成一个或多个光束107。例如，由于扫描密度是两条相邻扫描线之间的间隔的函数，并且所述间隔是扫描频率的函数，因此可以调整光束107的频率以在扫描图案的不同部分获得期望的扫描密度。例如，为了在FOV的中心部分获得比在FOV的边缘部分更高的扫描密度，可以将光源102的扫描频率配置成在扫描FOV的中心部分时比在扫描FOV的边缘时更高。进一步地，在一些实施例中，光源102的扫描频率也可以被配置成与相邻的LiDAR扫描系统中的其他光源的扫描频率不同，以避免干扰。
参考图1和图2A至图2B，在一些实施例中，光源102可以被配置成以根据一个或多个扫描方向的扫描范围要求的方向发射一个或多个光束107。例如，如图1所示，光源102可以被配置成沿着z方向(例如，相对于z方向无倾斜地)发射光束107。结果如图2A和图2B所示，利用这种配置，竖直方向(例如，y方向)上的扫描范围可以是大约-21度至21度(即，总计大约42度)，而水平方向(例如，x方向)上的扫描范围可以是大约-35度到35度(即，总计大约70度)。
参考图2C，在一些实施例中，光源102可以被配置成与z方向成一定角度地发射光束107。所述角度可以大于0度且小于90度。例如，如上所述，通常期望在水平方向中的扫描范围更宽，并且因此，为了进一步增大水平扫描范围(并减小竖直扫描范围)，可以将光源102配置成与z方向成大约30度角地(即，相对于z方向倾斜地)发射光束107。
图3A至图3B图示了光源102的示例性配置。在一些实施例中，光源102可以包括多个发光器件。每个发光器件可以生成例如激光束。如图3A所示，光源102可以包括形成矩形阵列的多个发光器件302A至302D。如图3B所示的另一个示例，光源102可以包括具有十字形的多个发光器件304A至304D。在一些实施例中，发光器件304A至304D中的每一个可以包括多个发光元件。在一些实施例中，如图1所示的光探测器116可以包括以与发光器件相同的图案或形状(例如，矩形阵列或十字形)设置的多个光探测元件。光源中的发光器件的数量可以或可以不与对应的光探测器中的光探测元件的数量相同。应当理解，光源102可以基于扫描范围要求和扫描密度要求而包括形成任何期望的形状的任何数量的发光器件。例如，使用呈十字形构型的2至4个发光器件，光源102可以增大在水平方向和竖直方向两者上的扫描密度。图4A至图4B图示了包括具有多个发光器件的光源102的LiDAR扫描系统100的示例性扫描结果。
如图4A至4B所示，在一些实施例中，使用多个发光器件可以通过在扫描结果中生成多个扫描点或扫描线来进一步增大扫描密度。例如，图2A至图2B所示的LiDAR扫描结果是由具有带有单个发光器件的光源的LiDAR扫描系统生成的。图4A至图4B所示的LiDAR扫描结果是由具有带有多个(例如，4个)发光器件(例如，器件304A至304D)的光源的LiDAR扫描系统100生成的。图2A至图2B和图4A至图4B所示的LiDAR扫描结果是使用可旋转反射镜的类似属性(例如，类似的旋转速度、类似的倾斜角度等)来获得的。如图4A至图4B所示，具有多个发光器件的系统在水平方向和竖直方向中的扫描范围与具有单个发光器件的系统类似；但是前一种系统在这两个扫描方向中的扫描密度均大于后一种系统。此外，通过使用具有多个发光器件的系统，还可以进一步增大中心部分406的扫描密度，以便提供更高分辨率的扫描结果。
返回参考图3A至图3B，在一些实施例中，每个发光器件(例如，器件302A至302D和304A至304D)可以彼此独立地生成和发射光束。从不同的发光器件独立地发射光束允许LiDAR扫描系统中的多个光探测器共享放大器和模数转换器，从而减小了LiDAR扫描系统的整体尺寸，并且还提高了系统的效率。在一些实施例中，光源102中的单个发光器件可以被配置成发射细长光束(例如，从二极管激光器)，从而实现将一个发光器件用于多个光探测器的配置。这进一步减小了LiDAR扫描系统的整体尺寸，并且提高了有效分辨率和扫描密度。应当理解，基于分辨率要求、扫描范围要求和扫描密度要求，可以将LiDAR扫描系统100配置成包括任何数量的发光器件和任何数量的光探测器。
参考图3C，在一些实施例中，多个发光器件中的至少两个发光器件可以被配置成发射具有不同偏振的光束。例如，如图3C所示，光源102包括相对于彼此成大约90度角度设置的两个发光器件308A和308B(例如，作为图3B所示的十字形构型的一部分)。发光器件308A可以被配置成发射具有水平偏振的光束307A；并且发光器件308B可以被配置成发射具有竖直偏振的光束307B。如图3C所示，为了将光束307A和307B两者都定向至可旋转反射镜(图3C中未示出)，可以将偏振敏感器件309设置在光束307A和307B两者的光路上。偏振敏感器件309允许水平偏振光(平行于纸表面)通过；并且将竖直偏振光(垂直于纸表面)反射到大体上90度的方向。因此，光束307A和307B两者可以被定向至相同的方向。
图5图示了被配置成向LiDAR扫描系统(例如，系统100)的光源提供电功率的示例性驱动器电路500的电路图。如图5所示，在一些实施例中，驱动器电路500可以包括电源502、限流器件504、功率控制器512和功率传输电路552。驱动器电路500电耦接至光源102。如图5所示，光源102可以包括例如生成光束(例如905nm的激光束)的发光器件。
参考图5，在一些实施例中，电源502可以是电压源和/或电流源。电源502可以使用电线和可选地限流器件504耦接至功率控制器512。限流器件504限制电流以保护驱动器电路500的部件免受电过载。限流器件504可以是例如电感器和/或电阻器。
参考图5，功率控制器512被配置成控制要传输到光源102的电功率的等级。在一些实施例中，功率控制器512包括被配置成生成多个离散电压电平的分压器电路。如图5所示，示例性分压器电路包括以串联方式耦接的多个电容器C1至C4。例如，电容器C1的第一端子电耦接至限流器件504；电容器C1的第二端子电耦接至电容器C2的第一端子；电容器C2的第二端子电耦接至电容器C3的第一端子；等等。电容器C4的第二端子电耦接至电接地。如图5所示的分压器可以提供输出电压，所述输出电压是其输入电压的一部分。例如，针对施加在耦接点514D处的DC输入电压，分压器可以在各个耦接点514A至514C处生成多个离散电压电平。取决于电容器C1至C4的电容，每个离散电压电平可以是耦接点514D处的电压的不同部分。应当理解，可以以任何期望的方式来配置电容器C1至C4的电容(例如，相同或不同)，并且功率控制器512的分压器电路可以包括任何数量的电容器、电阻器、电感器或这些电气部件的组合。例如，在一些实施例中，电容器C1至C4可以用电阻器R1至R4代替。
在一些实施例中，功率控制器512可以进一步包括多个开关，所述开关被配置成使得能够对耦接点514A至514D处的多个离散电压电平进行选择。如图5所示，在一些实施例中，功率控制器512包括开关S1至S4，所述开关可分别由多个控制信号PWR_SEL1至PWR_SEL4控制。例如，如果启用控制信号PWR_SEL4而禁用其他控制信号，则可以闭合开关S4，并且可以选择耦接点514A处的电压并将该电压耦接至功率传输电路552。并且，如果启用控制信号PWR_SEL3而禁用其他控制信号，则可以闭合开关S3，并且可以选择耦接点514B处的电压并将所述电压耦接至功率传输电路552；等等。应当理解，可以将控制信号的数量配置成与分压器中的离散电压电平的数量相对应。
在一些实施例中，功率控制器512可以被配置成针对每个光脉冲控制要传输到光源102的电功率的等级。例如，针对第一光脉冲，可以启用功率选择信号PWR_SEL4以闭合开关S4，并且针对第二光脉冲，可以启用功率选择信号PWR_SEL3以闭合开关S3。结果是，不同的光脉冲可以具有不同的功率等级。在一些实施例中，可以基于FOV中的物体来进行针对光脉冲的功率等级控制。例如，可以根据FOV中物体的距离和几何形状来调整光脉冲的功率等级。还可以基于在光探测器处先前接收到的光功率来调整功率等级。例如，功率等级的调整可以是反馈控制回路和/或前馈控制回路的一部分。如果先前接收到的光功率被确定为低、不足或在其他方面不期望的(例如，检测到的返回光脉冲的功率等级为低，这可能表明物体远离LiDAR扫描系统处或所述物体正在以高等级吸收所发射的光脉冲)，则可以提高下一光脉冲的功率等级。
如图5所示，功率控制器512可以电耦接至功率传输电路552。在一些实施例中，功率传输电路552包括电荷储存器件554，所述电荷储存器件被配置成储存与要传输到光源102的电功率的等级相对应的电荷。电荷储存器件554可以是例如电容器。功率传输电路552还可以包括电荷释放器件556，所述电荷释放器件被配置成：接收触发信号；并且响应于接收到触发信号，将所储存的电荷传输到源102。如图5所示，功率控制信号PWRSEL1至PWRSEL4控制电荷储存器件554的输入端子处的电压电平，所述电荷储存器件在一段时间内储存电荷。为了将所储存的电荷传输到光源102(例如，发光二极管)，可以启用触发信号以接通电荷释放器件556。触发信号可以被配置成以预定速率或频率接通和断开电荷释放器件556，使得从光源102生成一个或多个光脉冲。
图6图示了与车辆600设置在一起的多个LiDAR系统的典型配置。如图6所示，例如，在典型配置中，LiDAR系统602A附接至车辆600的前部中间；LiDAR系统602B附接至车辆600的驾驶员侧后视镜处；并且LiDAR系统602C附接至车辆600的乘客侧后视镜处。在这种典型配置中，LIDAR系统602A至602C的FOV可能具有间隙，并且因此LiDAR系统可能无法检测到车辆600的周围环境中的某些物体。如图6所示，LiDAR系统602A的FOV(由从系统602A延伸出的两条线指示)可能不够宽，以至于无法检测到正在接近交叉路口的车辆640。虽然LiDAR系统602B的FOV(由从系统602B延伸出的两条线指示)可能能够覆盖车辆640的区域，但来自系统602B的扫描光脉冲可能会被例如交叉路口处的建筑物阻挡，使得无法检测到车辆640。结果是，在系统602A与602B之间存在扫描间隙，并且在交叉路口处可能发生事故。因此，将LiDAR系统设置在车辆中的这种典型配置可能无法满足安全要求。
图7图示了附接至车辆700的多个LiDAR系统的示例性配置。如图7所示，在这种配置中，可以将LiDAR扫描系统702A大致设置在车辆700的左前角；可以将LiDAR扫描系统702B大致设置在车辆700的右前角；并且可以将LiDAR扫描系统702C大致设置在车辆700的前挡风玻璃的顶部部分。进一步地，在一些实施例中，可以可选地将一个或多个附加的LiDAR系统设置在车辆700的其他部分。例如，可以将LiDAR系统702D大致设置在车辆700的后车窗的顶部部分。
如图7所示，LiDAR系统702A的FOV(由从系统702A延伸出的两条线指示)可以被配置成包含车辆700的左侧的很大一部分；LiDAR系统702B的FOV可以被配置成包含车辆700的右侧的很大一部分；并且LiDAR系统702C的FOV可以被配置成包含车辆700的前侧的很大前部分。LiDAR系统702A至702C可以被配置成使得多个LiDAR系统702A至702C的FOV彼此重叠并且不留间隙。在这种配置中，例如，接近交叉路口的车辆740可以被LiDAR系统702A或702C中的至少一个检测到。结果是，可以正确地检测到车辆700的周围环境中的物体，并且可以消除潜在的盲点以降低或消除碰撞的可能性。
图8图示了用于使用LiDAR扫描系统(例如，图1所描绘的系统100)来确定一个或多个光脉冲的飞行时间以生成3D图像的方法的示例性流程图800。参考图8，在框802处，可以从LiDAR扫描系统的光源生成一个或多个光脉冲(例如，具有大约0.01纳秒至5纳秒的脉冲宽度的短激光脉冲、或具有5纳秒至30纳秒或更长的脉冲宽度的光脉冲)。在框804处，光束转向装置可以在水平方向和竖直方向两者上使跨视场的一个或多个光脉冲转向或扫描所述一个或多个光脉冲。光束转向装置可以包括两个反射镜(例如，两个可旋转反射镜、一个可旋转反射镜和一个振荡镜、或者一个可旋转反射镜和一个检流计反射镜)。经转向的一个或多个光脉冲或其一部分照射物体，并且在一个或多个方向中散射或反射。在一些实施例中，散射或反射光脉冲的一部分可以返回到LiDAR扫描系统并到达LiDAR扫描系统的收集孔径。
在框806处，可以由光束转向装置收集一个或多个返回光脉冲并且/或者将所述一个或多个返回光脉冲朝向接收光学系统重定向。在框808处，可以在包括例如会聚透镜和一个或多个光探测器的接收光学系统处接收一个或多个经重定向的返回光脉冲。在框810处，可以基于返回光脉冲来确定到物体的距离。例如，一个或多个光探测器将到达光探测器的经重定向的返回光脉冲中的光子转换为一个或多个电信号。可以使用放大电路或器件以预定因数放大由光探测器生成的一个或多个输出电信号。可以以预定的采样速率对经放大的一个或多个电信号进行采样并将其转换为数字值。在一些实施例中，可以在与视场中的最远物体相对应的预期最大飞行时间(ToF)的时间段内收集数字化的信号数据。可以分析数字化的信号数据以确定一个或多个返回光脉冲的ToF，并且从而确定从LiDAR扫描系统到物体的反射点或散射点的距离。
在一些实施例中，在可选框812处，微控制器可以基于跨相继或连续的水平扫描和竖直扫描的、到一个或多个物体的距离的聚合来生成一个或多个子帧。在可选框814处，微控制器可以交织一个或多个子帧以形成更高分辨率的帧。
应当理解，所公开的过程和/或流程图中的框的具体顺序或层次结构是对示例性方式的说明。应当理解，基于设计偏好，可以重新布置所述过程和/或流程图中的框的具体顺序或层次结构。进一步地，可以组合或省略一些框。所附的方法权利要求以示例顺序呈现了各个框的要素，但是并不意味着受所呈现的具体顺序或层次结构的限制。
先前的描述被提供用于使得本领域任何技术人员能够实践本文所描述的各个方面。对这些方面的各种修改对本领域技术人员而言将是明显的，并且本文所定义的一般原理也可以适用于其他方面。因此，权利要求不旨在局限于本文所示的方面，而旨在符合与语言权利要求一致的全部范围，其中，以单数形式提及要素并不旨在是指“有且仅有一个”，而是指“一个或多个”，除非特别如此声明。词语“示例性”在本文中用来意指“用作示例、实例或例示”。本文中描述为“示例性”的任何方面不一定被解释为优于或胜过其他方面。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。诸如“A、B或C中的至少一个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”的组合包括A、B和/或C的任何组合，并且可以包括多个A、多个B或多个C。特别地，诸如“A、B或C中的至少一个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B、C或其任何组合”的组合可以是仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C，其中，任何这样的组合可以包含A、B或B中的一个或多个成员。本领域技术人员已知或之后知道的贯穿本公开所描述的各个方面的要素的所有结构和功能等效物都通过引用明确地结合在此，并且旨在被权利要求包含。并且，本文中所公开的任何内容都并非旨在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求中被明确地叙述。词语“模块”、“机构”、“元件”、“器件”等可能无法替代词语“装置(means)”。这样，除非使用短语“用于……的装置”来明确叙述所要求保护的要素，否则不应按照35U.S.C.§112(f)来解释所述要素。

Claims (26)

1.一种光探测与测距(LiDAR)扫描系统，包括：
光源，所述光源被配置成生成一个或多个光束；
光束转向装置，所述光束转向装置光学耦接至所述光源，所述光束转向装置包括第一可旋转反射镜和第二可旋转反射镜，
其中，与所述第一可旋转反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与所述第一可旋转反射镜的第一旋转轴成第一角度，
其中，与所述第二可旋转反射镜的反射性表面垂直的轴被配置成与所述第二可旋转反射镜的第二旋转轴成第二角度，其中，所述第一角度和所述第二角度两者都大于零度且小于90度，并且
其中，所述第一可旋转反射镜和所述第二可旋转反射镜在相对于彼此移动时被配置成：
使所述一个或多个光束在竖直方向和水平方向两者上转向以照射视场内的物体，并且
对基于对所述物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向；以及
接收光学系统，所述接收光学系统被配置成接收经重定向的返回光脉冲。
2.如权利要求1所述的系统，其中，基于与一个或多个扫描方向相关联的扫描密度要求或扫描范围要求中的至少一个来配置与所述第一可旋转反射镜相关联的一个或多个属性以及与所述第二可旋转反射镜相关联的一个或多个属性。
3.如权利要求1和2中任一项所述的系统，其中，所述第一旋转轴的方向与所述第二旋转轴的方向彼此不同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第一角度被配置成不同于所述第二角度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述第一可旋转反射镜被配置成以第一速度旋转，并且所述第二可旋转反射镜被配置成以第二速度旋转，所述第一速度不同于所述第二速度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述光源被配置成以根据与一个或多个扫描方向相关联的一个或多个扫描密度要求的频率生成所述一个或多个光束。
7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述光源被配置成以根据一个或多个扫描方向的扫描范围要求的方向发射所述一个或多个光束。
8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光源包括多个发光器件，其中，所述发光器件中的每个被配置成发射光束。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述多个发光器件中的至少一个被配置成独立于其他发光器件而发射光束。
10.如权利要求8和9中任一项所述的系统，其中，所述多个发光器件包括被布置为形成十字形的两个或四个发光器件。
11.如权利要求8至10中任一项所述的系统，其中，所述多个发光器件中的至少两个被配置成发射具有不同偏振的光束。
12.如权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述光源包括光纤激光器、二极管激光器、二极管泵浦固态激光器或光纤耦接二极管激光器中的至少一者。
13.如权利要求1至12中任一项所述的系统，进一步包括：
驱动器电路，所述驱动器电路电耦接至所述光源，所述驱动器电路被配置成基于与设置在所述视场中的所述物体相关联的一个或多个属性向所述光源提供电功率。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述驱动器电路包括：
电源；
功率控制器，所述功率控制器被配置成控制要传输到所述光源的电功率的等级；以及
功率传输电路，所述功率传输电路被配置成将所述电功率传输到所述光源。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述功率控制器包括：
分压器电路，所述分压器电路被配置成生成多个离散电压电平；以及
多个开关，所述多个开关被配置成使得能够对所述多个离散电压电平之一进行选择。
16.如权利要求14和15中任一项所述的系统，其中，所述功率控制器被配置成针对每个光脉冲控制要传输到所述光源的所述电功率的所述等级。
17.如权利要求14至16中任一项所述的系统，其中，所述功率传输电路进一步被配置成：在将所述电功率传输到所述光源之前，基于先前由所述接收光学系统接收到的所述经重定向的返回光脉冲的光功率来选择要传输到所述光源的所述电功率的所述等级。
18.如权利要求17所述的系统，进一步包括反馈或前馈电路，所述反馈或前馈电路被配置成将先前由所述接收光学系统接收到的所述经重定向的返回光脉冲的所述光功率提供给所述功率传输电路。
19.如权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，所述功率传输电路包括：
电荷储存器件，所述电荷储存器件被配置成储存与要传输到所述光源的所述电功率的所述等级相对应的电荷；
电荷释放器件，所述电荷释放器件被配置成：
接收触发信号；并且
响应于所述触发信号，将所储存的电荷传输到所述光源。
20.如权利要求1至19中任一项所述的系统，其中，所述接收光学系统包括光探测器，所述光探测器包括光探测器元件的阵列。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述光源包括多个发光器件，并且其中，所述发光器件的数量与所述光探测器的数量不同。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述光探测器元件以与所述发光器件的图案相同的图案设置。
23.一种与车辆设置在一起的扫描系统，所述扫描系统包括：
第一光探测与测距(LiDAR)扫描系统，所述第一LiDAR扫描系统大致设置在所述车辆的左前角；
第二LiDAR扫描系统，所述第二LiDAR扫描系统大致设置在所述车辆的右前角；
第三LiDAR扫描系统，所述第三LiDAR扫描系统大致设置在所述车辆的前挡风玻璃的顶部部分。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述第一LiDAR扫描系统、第二LiDAR扫描系统和第三LiDAR扫描系统中的至少一个被配置成使用具有与同所述车辆设置在一起的其他LiDAR扫描系统所使用的光束不同波长的光束来扫描视场。
25.如权利要求23和24中任一项所述的系统，进一步包括第四LiDAR扫描系统，所述第四LiDAR扫描系统大致设置在所述车辆的后部部分。
26.一种光探测与测距(LiDAR)扫描系统，包括：
光源，所述光源被配置成生成一个或多个光束；
光束转向装置，所述光束转向装置光学耦接至所述光源，所述光束转向装置包括第一反射镜和可旋转反射镜，其中，所述第一反射镜是振荡镜或检流计反射镜，
其中，与所述第一反射镜的表面垂直的轴被配置成与所述第一反射镜的振荡轴成第一角度，
其中，与所述可旋转反射镜的表面垂直的轴被配置成与所述第二可旋转反射镜的旋转轴成第二角度，其中，所述第一角度和所述第二角度两者都大于零度且小于90度，并且
其中，所述第一反射镜和所述可旋转反射镜在相对于彼此移动时被配置成：
使所述一个或多个光束在竖直方向和水平方向两者上转向以照射视场内的物体，并且
对基于对所述物体的照射而生成的一个或多个返回光脉冲进行重定向；以及
接收光学系统，所述接收光学系统被配置成接收经重定向的返回光脉冲。
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