CN114114606A - 使用多面镜的lidar系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了使用多面镜的LIDAR系统和方法。本文讨论的实施例涉及使用LiDAR系统，该LiDAR系统将旋转多面体与多面镜一起使用。这类多面检流计镜布置生成具有减小的曲率的点图。

Description

使用多面镜的LIDAR系统和方法
本申请是申请号为201980074719.0，申请日为2019年11月13日，题为“使用多面镜的LIDAR系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
本申请要求于2018年11月14日提交的美国临时申请No.62/767,401的权益，该美国临时申请的公开内容整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及激光扫描，并且更具体地，涉及将旋转多面体与多面镜配合使用。
背景技术
存在使车辆能够半自主或完全自主地驾驶的系统。此类系统可以使用一个或多个测距、测绘或物体检测系统来提供感官输入，以辅助半自主或完全自主的车辆控制。例如，光检测和测距(LiDAR)系统可以提供半自主或完全自主车辆所需的感官输入。LiDAR系统使用光脉冲来创建外部环境的图像或点云。一些典型的LiDAR系统包括光源、脉冲转向系统和光检测器。光源生成光脉冲，该光脉冲当从LiDAR系统发射时由脉冲转向系统在特定方向上指引。当发射的光脉冲被物体散射时，散射光中的一些作为返回脉冲被返回到LiDAR系统。光检测器检测返回脉冲。使用在发射光脉冲后检测返回脉冲所花费的时间和光速，LiDAR系统可以确定沿着发射的光脉冲的路径到物体的距离。脉冲转向系统可以沿着不同的路径指引光脉冲，以允许LiDAR系统扫描周围环境并产生图像或点云。LiDAR系统还可以使用除了飞行时间和扫描以外的技术来测量周围环境。
发明内容
本文讨论的实施例涉及使用LiDAR系统，该LiDAR系统将旋转多面体与多面检流计镜配合使用。这样的多面检流计镜布置生成具有减小的曲率的点图。
在一个实施例中，提供了一种LiDAR系统，该LiDAR系统包括光束转向系统，该光束转向系统包括：具有多个面并且可操作以绕第一旋转轴旋转的多面体；以及可操作以绕第二旋转轴旋转的多面镜，其中多面镜的至少一个面的平坦面相对于第二旋转轴以非零歪斜角对准。LiDAR系统还可以包括：激光系统，该激光系统可操作以发射在LiDAR系统的视场(FOV)内被光束转向系统转向的光脉冲；以及接收器系统，该接收器系统可操作以处理与所发射的光脉冲对应的返回脉冲以生成FOV的点图。
在一个实施例中，提供了一种LiDAR系统，该LiDAR系统包括光束转向系统，该光束转向系统具有多面体系统和多面镜系统，多面体系统包括可操作以绕第一旋转轴旋转的多面体，多面镜系统可以包括：镜旋转机构；以及多面检流计镜(MFGM)，该多面检流计镜在镜旋转机构的控制下可操作以绕第二旋转轴旋转，其中MFGM包括多个面，并且其中至少一个面的平坦面相对于第二旋转轴以非零歪斜角对准。LiDAR系统可以包括：激光系统，该激光系统可操作以发射在LiDAR系统的视场(FOV)内被光束转向系统转向的多个光束；接收器系统，该接收器系统可操作以处理与所发射的光脉冲对应的返回脉冲以生成FOV的点图；以及控制器，该控制器可操作以控制激光系统和镜旋转机构。
在一个实施例中，提供了一种LiDAR系统，该LiDAR系统包括光束转向系统，该光束转向系统具有马达、包括多个面并且可操作以绕第一旋转轴旋转的多面体，以及包括经由接合构件耦合在一起的至少两个面的多面镜，其中马达可操作以使至少两个面中的第一面绕第二旋转轴振荡，并且其中接合构件可操作以配合马达的操作使至少两个面中的第二面绕第三旋转轴振荡。LiDAR系统可以包括：激光系统，该激光系统可操作以发射在LiDAR系统的视场(FOV)内被光束转向系统转向的光脉冲；以及接收器系统，该接收器系统可操作以处理与所发射的光脉冲对应的返回脉冲以生成FOV的点图。
通过参考说明书的其余部分和附图，可以实现对本文讨论的实施例的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1-图3图示了使用脉冲信号来测量到外部环境中的点的距离的示例性LiDAR系统。
图4描绘了示例性LiDAR系统的逻辑框图。
图5描绘了示例性LiDAR系统的光源。
图6描绘了示例性LiDAR系统的光检测器。
图7描绘了使用单个光源和检测器的信号转向系统的实施例。
图8A描绘了信号转向系统的另一实施例。
图8B-图8D示出了根据实施例的图8A的LiDAR系统的简化替代视图。
图9A-图9C描绘了来自不同设计的点图。
图9D示出了根据实施例的可以使用图8B-图8D中所示的LiDAR系统产生的点图。
图9E示出了根据实施例的由图8B-图8D的LiDAR系统产生的示例性孔径颜色图。
图10A和图10B示出了根据实施例的LiDAR系统的简化视图。
图11A示出了根据实施例的可以使用LiDAR系统产生的点图。
图11B示出了根据实施例的由LiDAR系统产生的示例性孔径颜色图。
图12A和图12B分别示出了根据实施例的LiDAR系统的示例性侧视图和顶视图。
图13示出了根据实施例的使用图12A和图12B的LiDAR系统产生的示例性点图。
图14示出了根据实施例的示例性点图。
图15示出了根据实施例的可变的多面检流计镜。
图16A示出了根据实施例的可以使用可变的多面检流计镜产生的点图。
图16B示出了根据实施例的由使用可变的多面检流计镜的LiDAR系统产生的示例性孔径颜色图。
图17示出了根据实施例的示例性LiDAR系统。
图18示出了根据实施例的LiDAR系统的示例性框图。
图19示出了根据实施例的LiDAR系统的示例性视场。
图20A和图20B示出了根据实施例的在LiDAR系统2000中使用的示例性多面镜布置。
图21A和图21B示出了相应的点图和孔径颜色图。
具体实施方式
现在参考附图在下文中更全面地描述示例性实施例，在附图中示出了代表性示例。实际上，所公开的LiDAR系统和方法可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施例。相同的标号贯穿全文指代相同的元件。
在以下详细描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以提供各种实施例的透彻理解。本领域的普通技术人员将认识到的是，这些各种实施例仅仅是示例性的，并不旨在以任何方式进行限制。对于受益于本公开的这些技术人员，将容易地想到其它实施例。
此外，为了清楚起见，未示出或描述本文描述的实施例的所有常规特征。本领域的普通技术人员会容易理解，在任何这样的实际实施例的开发中，可能需要许多特定于实施例的决定来实现特定的设计目标。这些设计目标将从一个实施例到另一个实施例以及从一个开发人员到另一个开发人员而不同。此外，将理解的是，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，然而对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言是经历的常规工程任务。
一些光检测和测距(LiDAR)系统使用单个光源来产生扫描周围环境的单个波长的一个或多个光信号。使用转向系统来扫描信号，该转向系统在一个或两个维度上指引脉冲以覆盖周围环境的区域(扫描区域)。当这些系统使用机械部件来指引脉冲时，因为要求更多的移动零件，所以系统复杂性增加。此外，因为两个或更多个相同的信号会在返回的信号中引入歧义，所以在任何一次只能发射单个信号。在本技术的一些实施例中，克服了这些缺点和/或其它缺点。
例如，本技术的一些实施例使用产生不同波长和/或沿着不同光路的光信号的一个或多个光源。这些光源以不同角度将信号提供给信号转向系统，使得用于光信号的扫描区域不同(例如，如果使用两个光源来创建两个光信号，那么与每个光源相关联的扫描区域不同)。这允许将信号调谐到适当的发射功率，并具有覆盖不同距离的扫描的重叠扫描区域的可能性。此外，重叠的扫描区域使用较高分辨率的区域。(例如，当使用脉冲光信号时)可以用具有较高功率和/或较低重复率的信号来扫描较长的范围。(例如，当使用脉冲光信号时)可以用具有较低功率和/或高重复率的信号扫描较短的范围以增加点密度。
作为另一示例，本技术的一些实施例使用具有一个或多个色散元件(例如，光栅、光梳、棱镜等)的信号转向系统，以基于脉冲的波长来指引脉冲信号。色散元件可以对脉冲的光路进行细微调整，这对于机械系统来说可能是困难的或是不可能的。此外，使用一个或多个色散元件允许信号转向系统使用很少的机械组件来实现期望的扫描性能。这导致较简单、更高效(例如，较低功率)的设计，(由于很少的移动组件)该设计可能更可靠。
一些LiDAR系统使用光信号(例如，光脉冲)的飞行时间来确定到光路上的物体的距离。例如，相对于图1，示例性LiDAR系统100包括激光光源(例如，光纤激光器)、转向系统(例如，一个或多个移动镜的系统)和光检测器(例如，具有一个或多个光学器件的光子检测器)。LiDAR系统100沿着由LiDAR系统100的转向系统确定的路径104发射光脉冲102。在所描绘的示例中，由激光光源生成的光脉冲102是激光的短脉冲。另外，LiDAR系统100的信号转向系统是脉冲信号转向系统。但是，应当认识到的是，LiDAR系统可以通过生成、发射和检测非脉冲的光信号来进行操作，并且可以被用于使用除飞行时间以外的技术来得出到周围环境中的物体的范围。例如，一些LiDAR系统使用调频连续波(即，“FMCW”)。还应当认识到的是，本文关于使用脉冲的基于飞行时间的系统描述的任何技术也可以应用于不使用这些技术中的一种或两种的LiDAR系统。
再次参考图1(使用光脉冲的飞行时间LiDAR系统)，当光脉冲102到达物体106时，光脉冲102散射并且返回的光脉冲108将沿着路径110反射回到系统100。可以(例如由LiDAR系统内的处理器或其它电子设备)测量从发射的光脉冲102离开LiDAR系统100到返回的光脉冲108到达LiDAR系统100的时间。这个飞行时间与光速的知识相结合可以被用于确定从LiDAR系统100到物体106上的光脉冲102散射的点的范围/距离。
如图2中所描绘的，通过指引许多光脉冲，LiDAR系统100(例如，通过分别沿着路径104、204、208、212指引光脉冲102、202、206、210)扫描外部环境。如图3中所描绘的，在物体106和214分别散射所发射的光脉冲并沿着路径110、304、308将脉冲反射回来之后，LiDAR系统100接收返回的光脉冲108、302、306(分别与所发射的光脉冲102、202、210对应)。基于(由LiDAR系统100确定的)所发射的光脉冲的方向以及计算出的从LiDAR系统100到物体上的散射光脉冲的点(例如，物体106和214上的点)的范围，可以精确绘制检测范围内(例如，包括路径104和212之间的视场)的周围环境(例如，可以创建点云或图像)。
如果针对特定的所发射的光脉冲没有接收到对应的光脉冲，那么可以确定在LiDAR系统100的某个范围内(例如，LiDAR系统100的最大扫描距离)没有可以散射用于LiDAR光脉冲的足够量信号的物体。例如，在图2中，因为光脉冲206没有在预定的检测范围内沿着其发射路径208产生散射事件，所以(如图3中所描绘的)光脉冲206将不具有对应的返回的光脉冲。LiDAR系统100(或与LiDAR系统100通信的外部系统)可以将此解释为在LiDAR系统100的检测范围内没有沿着路径208的物体。
在图2中，可以以任何次序、串行、并行或基于相对于彼此的其它定时来发射所发射的光脉冲102、202、206、210。此外，虽然图2描绘了所发射的光脉冲的一维阵列，但是LiDAR系统100还可选地沿着其它平面指引所发射的光脉冲的类似阵列，使得发射光脉冲的二维阵列。这个二维阵列可以逐点、逐行、一次全部或以某种其它方式进行发射。来自一维阵列(例如，单个水平线)的点云或图像将产生二维信息(例如，(1)水平发射方向和(2)到物体的范围)。来自二维阵列的点云或图像将具有三维信息(例如，(1)水平发射方向、(2)垂直发射方向和(3)到物体的范围)。
来自LiDAR系统100的点云或图像中的点的密度等于脉冲的数量除以视场。假设视场是固定的，为了增加由一组发射-接收光学器件生成的点的密度，LiDAR系统应当更频繁地激发脉冲，换句话说，需要具有较高重复率的光源。但是，通过更频繁地发送脉冲，LiDAR系统可以检测到的最远距离可能被更多地限制。例如，如果在系统发射下一个脉冲之后接收到来自远处物体的返回的信号，那么如果系统无法正确地将返回的信号与发射的信号相关联，那么可能以与发射对应信号的次序不同的次序检测到返回的信号并且混合在一起。为了例示，考虑可以以500kHz到1MHz之间的重复率发射激光脉冲的示例性LiDAR系统。基于脉冲返回到LiDAR系统所花费的时间，并且为避免常规LiDAR设计中返回脉冲与连续脉冲混合在一起，LiDAR系统可以检测到的最远距离对于500kHz和1MHz可以分别是300米和150米。具有500kHz重复率的LiDAR系统的点的密度是1MHz时的一半。因此，这个示例证明，如果系统无法正确地将乱序到达的返回的信号相关联，那么将重复率从500kHz增加到1Mhz(并且因此提高系统的点的密度)将显著减小系统的检测范围。
图4描绘了LiDAR系统100的逻辑框图，该LiDAR系统100包括光源402、信号转向系统404、脉冲检测器406和控制器408。使用通信路径410、412、414、416和418将这些组件耦合在一起。这些通信路径表示各种LiDAR系统组件之间的通信(双向或单向)，但不需要是物理组件本身。虽然通信路径可以通过一个或多个电线、总线或光纤来实现，但通信路径也可以是无线通道或露天光路，使得不存在物理通信介质。例如，在一个示例性LiDAR系统中，通信路径410是一个或多个光纤，通信路径412表示光路，并且通信路径414、416、418和420都是携带电信号的一个或多个电线。通信路径还可以包括多于一种的以上类型的通信介质(例如，它们可以包括光纤和光路，或者一个或多个光纤和一个或多个电线)。
LiDAR系统100还可以包括图4中未描绘的其它组件，诸如电源总线、电源、LED指示器、开关等。此外，可以存在组件之间的其它连接，诸如光源402和光检测器406之间的直接连接，以使得光检测器406可以精确地测量从光源402发射光脉冲直到光检测器406检测到返回的光脉冲的时间。
图5描绘了基于光纤激光器的光源402的一个示例的逻辑框图，但是具有变化体系架构的任何数量的光源都可以被用作LiDAR系统的一部分。光源402使用种子(seed)502来生成一个或多个波长(例如，1550nm)的初始光脉冲，该初始光脉冲经由光纤503被提供给波分多路复用器(WDM)504。泵506还经由光纤505向WDM504提供(诸如980nm的不同波长的)激光功率。WDM 504的输出被提供给前置放大器508(该前置放大器508包括一个或多个放大器)，前置放大器508经由光纤509将其输出提供给组合器510。组合器510还经由光纤511从泵512获得激光功率并经由光纤513将脉冲提供给升压放大器514，升压放大器514在光纤410上产生输出光脉冲。输出的光脉冲然后被馈送到转向系统404。在一些变化中，光源402可以基于在源中使用的光纤的光纤增益分布来产生不同振幅的脉冲。通信路径416将光源402耦合到控制器408(图4)，使得光源402的组件可以由控制器408控制或以其它方式与控制器408通信。可替代地，光源402可以包括其自己的控制器。代替控制器408直接与光源402的组件通信，专用光源控制器与控制器408通信并且控制光源402的组件和/或与光源402的组件通信。光源402还包括未示出的其它组件，诸如一个或多个电源连接器、电源和/或电源线。
一些其它光源包括被配置为生成一个或多个不同波长的光信号的一个或多个激光二极管、短腔光纤激光器、固态激光器和/或可调谐的外腔二极管激光器。在一些示例中，光源使用放大器(例如，前置放大器或升压放大器)包括被配置为接收和放大光信号的掺杂的光纤放大器、固态体放大器和/或半导体光学放大器。
返回图4，信号转向系统404包括用于使由光源402生成的光信号转向的任何数量的组件。在一些示例中，信号转向系统404可以包括(例如，通过旋转、振动或指引)沿着发射路径使光脉冲转向以扫描外部环境的一个或多个光学重定向元件(例如，镜或透镜)。例如，这些光学重定向元件可以包括MEMS镜、旋转多面体镜或固定镜，以将发射的脉冲信号转向到不同的方向。信号转向系统404还可选地包括诸如色散光学器件(例如，漫射器透镜、棱镜或光栅)之类的其它光学组件以进一步扩展所发射的信号的覆盖范围，以便增加LiDAR系统100的发射区域(即，视场)。示例信号转向系统在题为“2D Scanning High PrecisionLiDAR Using Combination of Rotating Concave Mirror and Beam Steering Devices”的美国专利申请公开No.2018/0188355中描述，其内容通过引用整体并入本文用于所有目的。在一些示例中，信号转向系统404不包含任何有源光学组件(例如，不包含任何放大器)。在一些其它示例中，来自光源402的组件中的一个或多个(诸如升压放大器)可以被包括在信号转向系统404中。在一些情况下，信号转向系统404可以被认为是LiDAR头或LiDAR扫描仪。
信号转向系统的一些实施方式包括一个或多个光学重定向元件(例如，镜或透镜)，该一个或多个光学重定向元件(例如，通过旋转、振动或指引)沿着接收路径使返回的光信号转向以将返回的光信号指引到光检测器。沿着发射和接收路径指引光信号的光学重定向元件可以是相同的组件(例如，共用的)、分离的组件(例如，专用的)和/或共用和分离的组件的组合。这意味着在一些情况下，发射和接收路径是不同的，但是它们可以部分地重叠(或在一些情况下，基本上重叠)。
图6描绘了LiDAR系统100的光检测器404(图4)中的组件的一种可能布置的逻辑框图。光检测器404包括光学器件604(例如，一个或多个光学透镜的系统)和检测器602(例如，电荷耦合器件(CCD)、光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管真空管、图像传感器等)，该光检测器404经由通信路径418连接到控制器408(图4)。光学器件604可以包括一个或多个光电透镜，以接收、聚焦和指引返回的信号。光检测器404可以包括滤波器以选择性地使某些波长的光通过。光检测器404还可以包括定时电路，该定时电路测量从发射脉冲到检测到对应的返回脉冲的时间。然后可以经由通信线路418将这个数据传输到控制器408(图4)或其它设备。光检测器404还可以接收关于光源402何时经由通信线路418或其它未示出的通信线路(例如，对所发射的光脉冲进行采样的来自光源402的光纤)发射光脉冲的信息。可替代地，光检测器404可以经由通信线路418提供指示何时检测到返回的光脉冲的信号。也可以传送诸如功率、脉冲形状和/或波长之类的其它脉冲数据。
返回到图4，控制器408包含用于控制LiDAR系统100以及与使用该系统的外部设备进行通信的组件。例如，控制器408可选地包括一个或多个处理器、存储器、通信接口、传感器、存储设备、时钟、ASIC、FPGA，和/或控制光源402、信号转向系统404和/或光检测器406的其它设备。在一些示例中，控制器408控制由光源402生成的光信号的功率、速率、定时和/或其它性质；控制光转向系统404的速度、发射方向和/或其它参数；和/或控制光检测器406的灵敏度和/或其它参数。
控制器408可选地还被配置为处理从这些组件接收的数据。在一些示例中，控制器确定从发射光脉冲到接收到对应的返回的光脉冲所花费的时间；确定对于发射的光脉冲何时没有接收到返回的光脉冲；确定所发射/返回的光脉冲的发射方向(例如，水平和/或垂直信息)；确定特定方向上的估计范围；和/或确定与LiDAR系统100相关的任何其它类型的数据。
图7描绘了根据本技术的一些实施例的信号转向系统(例如，图4的信号转向系统404)的实施例。多面体702具有十个反射侧面(在图7中侧面702A-702E是可见的)，但是可以具有任何数量的反射侧面。例如，多面体702的其它示例具有6、8或20个侧面。多面体702基于驱动马达(未示出)绕轴703旋转，以沿着与旋转轴703垂直或成非零角度的方向扫描(例如，经由连接到诸如上述的光源402之类的光源的输出端706)从光源输送的信号。
镜检流计704定位在多面体702旁边，使得从光源输出端706(例如，光纤尖端)发射的一个或多个信号从镜检流计704反射并反射到旋转多面体702上。镜检流计704倾斜以将来自输出端706的一个或多个信号扫描到与多面体702扫描信号的方向不同的方向上。在一些示例中，多面体702负责在LiDAR系统的水平方向上扫描一个或多个信号，并且镜检流计704负责在垂直方向上扫描一个或多个信号。在一些其它示例中，多面体702和镜检流计704以相反的方式配置。虽然图7中的示例使用镜检流计，但也可以使用其它组件来代替它。例如，可以使用(具有不同的波长脉冲的)一个或多个旋转镜或光栅。黑色实线表示通过信号转向系统的一个示例信号路径。
从(由虚线指示的)区域708内的信号散射(例如，当光击中物体时)返回的光返回到旋转多面体702，反射回到镜检流计704，并由透镜710聚焦到检测器712上。虽然透镜710被描绘为单个透镜，但是在一些变化中，它是一个或多个光学器件的系统。
除了添加从输出端714提供一个或多个信号的第二光源之外，图8A描绘了与图7中描绘的类似的系统。用于输出端714的光源可以与用于输出端706的光源相同或不同，并且由输出端714发射的光可以具有与由输出端706发射的光相同或不同的波长。使用多个光输出端可以增加点图的点密度，而不会牺牲系统的最大明确检测范围。例如，光输出端714可以被定位成以与输出端706不同的角度发射光。由于角度不同，从光源706发射的光被指引到与从输出端714发射的光不同的区域。点线示出了从输出端714发射的脉冲的一个示例脉冲路径。因此，位于区域内的两个不同区域的一个或多个物体可以散射光并将其返回到LiDAR系统。例如，区域716(虚线/双点划线)指示来自散射信号的返回信号从其返回到LiDAR系统的区域。返回的光被多面体702和镜检流计704反射，并由透镜710聚焦在检测器712和718上。检测器712和718可以各自被配置为接收来自输出端706和714之一的返回的光，并且可以通过精确地控制检测器712和718的位置以及发射的光的(一个或多个)波长来实现这种配置。注意的是，相同的透镜(或光学系统)可以被用于检测器712和718两者。输出端706和714之间的偏移意味着返回到LiDAR系统的光将具有类似的偏移。通过基于检测器712和718的相应的光源输出端的相对定位(例如，输出端706和714的相应位置)来适当地定位检测器712和718，并且可选地，通过适当地控制所发射的光的(一个或多个)波长，返回的光将被正确地聚焦在正确的检测器上，并且每个接收到的光可以是点图中的点。每个接收到的光脉冲可以被解释为3D空间中的点。因此，与仅具有一个输出端706的系统相比较，具有两个输出端的系统可以维持相同的脉冲重复率并产生两倍的点数或者将脉冲重复率减小一半并仍产生相同的点数。作为非限制性示例，具有两个光输出端的系统可以将脉冲重复率从1MHz减小到500KHz，从而将其最大明确检测范围从150米增加到300米，而不会牺牲所得到的点图的点密度。设想并公开了200kHz与2MHz之间的脉冲重复率。
图8B-图8D示出了根据实施例的图8A的LiDAR系统的简化替代视图。特别地，图8B和图8C示出了示意性顶视图，并且图8D示出了示意性侧视图。如所示的，多面体810具有六个面811-816，并且镜检流计820具有一个面。镜820绕镜旋转轴825旋转。镜820被对准，使得与旋转轴825平行。即，镜820的平坦面与镜旋转轴825平行。歪斜角被定义为在镜的平坦面与旋转轴之间存在的角度。当平坦面与旋转轴彼此平行时，歪斜角为零(0)。通过首先与镜检流计820对接，然后与多面体810对接来示出源自它们各自的源(未示出)的两个光束830和832，多面体810将光束重定向到FOV。取决于多面体810的旋转朝向，光束830和832可以与相同的面(如图8C中所示)或者两个或更多个面(如图8B中所示)相互作用。与多个面的同时相互作用可以增加LiDAR系统的视场，但是，从这种多面体/检流计镜配置获得的点图可以包括诸如例如在下面图9A-图9D中所示的曲率之类的曲率。
图9A描绘了来自第一设计的点图。这个设计具有以出射光束在它们之间具有8度的角度的方式放置的两个通道(例如，两个光源输出端和两个光检测器)。扫描的图案具有垂直重叠。扫描的范围为水平+-56度和垂直+12～-20度。
图9B描绘了来自第二设计的点图。这个设计具有以出射光束在它们之间具有6度的角度的方式放置的两个通道(例如，两个光源输出端和两个光检测器)。扫描的图案具有水平重叠(+-45度)。扫描的范围为水平+-67度和垂直+12～-20度。
两个通道的出射光束不需要以某个角度(例如，图9B中的6度)分开以获得较大的水平范围。现有光束的水平位移可以被用于扩展水平范围。例如，两个出射光束可以被指向相同的角度，但在相同平面内相对于彼此偏移。由于这些不同的位置，每个通道被多面体的不同部分反射，因此覆盖不同的水平范围。通过组合两个通道，增加了总的水平范围。
图9C描绘了来自第三设计的点图。这个设计具有三个通道(例如，三个光源输出端和三个光检测器)以增加点密度。通过使用3个光纤尖端和3个检测器可以获得每秒大约2.88百万点。对于两个方向，分辨率可以被进一步减小到0.07度。多面体的速度可以被减小到6000rpm。
图9D示出了根据实施例的可以使用图8B-图8D中所示的LiDAR系统产生的点图。如所示的，点图示出了捕获相对大的FOV(例如，大约-100到+100度)，同时存在曲率。图9E示出了由图8B-图8D的LiDAR系统产生的示例性孔径颜色图。孔径是指接收光学器件的区域或截面并且与被接收和检测到的发射的光能成比例。
图10A和图10B示出了根据实施例的LiDAR系统1000的简化视图。LiDAR系统1000包括多面体1010以及单个面的镜1020，该多面体1010包括面1011-1016。镜1020的尺寸使得它能够反射同时与多面体1010的三个不同的面相互作用的光束(如图10B中所示)。镜1020绕镜旋转轴1025旋转。镜1020被对准，使得它的平面表面与旋转轴1025平行，从而导致歪斜角为0。示出了三个激光束1031-1033与镜1020对接，镜1020将光束1031-1033分别重定向到面1011-1013。
图11A示出了根据实施例的可以使用LiDAR系统1000产生的点图。如所示的，点图示出了捕获相对大的FOV(例如，大约-140到+140度)，但存在明显的曲率。图11B示出了由LiDAR系统1000产生的示例性孔径颜色图。
本文讨论的实施例使用多面镜来产生更期望的点图分布。更期望的点图的特性包括没有过度地弯曲并且表现出相对平坦的分布的点图。在一些实施例中，期望的点图可以表现出矩形或正方形形状。还期望产生例如在水平从左到右或从右到左的朝向上捕获宽视场的点图。
图12A和图12B分别示出了根据实施例的LiDAR系统1200的示例性侧视图和顶视图。LiDAR系统1200可以包括绕旋转轴1215旋转的多面的多面体1210和多面检流计镜1220。示出了四个光束1231-1234与多面检流计镜1220和多面体1210相互作用。多面检流计镜1220绕单个旋转轴1225枢转。多面检流计镜1220被示为包括两个面1221和1222，但是应当理解的是，可以使用三个或更多个面。面1221和1222可以耦合到共用结构(未示出)，该共用结构耦合到移动构件(例如，马达)，使得当移动构件改变共用结构的位置时，面1221和1222两者一致地移动。(如图12B中所示)面1221和1222并排放置，其中(如所示出的)面1221和1222之间具有固定的距离，或者面1221和1222可以彼此直接接触。此外，面1221和1222被布置为使得它们相应的面彼此不平行，并且使得它们不与镜旋转轴1225平行。换句话说，在面1221和1222中的每个的平坦面与镜旋转轴1225之间存在歪斜角α，其中α不等于0度。在一些实施例中，角度α可以被固定为锐角或钝角。在其它实施例中，角度α可以是可变的，从而使得面1221和1222能够相对于彼此移动。在这个可变的角度实施例中，面1221和1222可以例如以蝴蝶方式移动。可变的角度实施例在下面更详细地讨论。
使用多面检流计镜产生更期望的点图可以考虑许多不同的考虑因素。首先讨论与多面体1210相关的考虑因素。多面体1210可以被设计为具有任何数量的面。每个面的构造和朝向可以使得多面体的面相对于旋转轴1215的角度被设定为被示出为g的特定角度。多面体1210以一个或多个预定速度绕旋转轴1215旋转。在旋转轴1215和垂直(重力)轴之间可以存在被示出为b的倾斜角。
现在讨论与镜1220相关的考虑因素。镜旋转轴1225相对于多面体1210的位置是一个因素。面1221和1222相对于多面体1210的定位是一个因素。例如，在图12B中，面1221和1222沿着Y轴相对于0度角度居中。如果期望，那么面1221和1222可以被重新定位成偏向FOV的左侧或右侧。作为面1221和1222相对于镜旋转轴1225的角度的歪斜角是可以被操纵的另一因素。在单个面的镜与旋转轴平行的“正常”情况下，歪斜角为0。如图12B中所示，面1221和1222不与镜旋转轴1225平行，因此具有非零的歪斜角。
影响点图的其它因素还包括使用的激光束的数量。这包括每个激光束的光束角和发射点。在一些实施例中，激光束可以跨镜1220对称地分布。例如，如果存在四个光束，那么可以将两个光束投影到面1221，并且可以将两个光束投影到面1222。在其它实施例中，激光束可以跨1220不对称地分布。例如，如果存在四个光束，那么可以将三个光束投影到面1221，并且可以将一个光束投影到面1222。可以修改上述考虑因素中的任何一个或多个，以产生期望的点图。
图13示出了根据实施例的使用LiDAR系统1200产生的示例性点图1300。图13示出了示例性光束角和发射点、倾斜角b、面的角度g、由Xm和Ym示出的检流镜旋转轴的位置，以及歪斜角。图14示出了根据实施例的使用LiDAR系统1200产生的示例性点图1400。点图1400是使用与用于产生点图1300的倾斜角不同的倾斜角b来产生的。
图15示出了根据实施例的可变的多面检流计镜1500。特别地，图15示出了歪斜角随时间改变。特别地，在时间t1处，歪斜角等于x，然后在时间t2处，歪斜角等于y，并且在时间t3处，歪斜角等于z，其中x>y>z。镜1500的两个面沿着镜旋转轴1505旋转，但是歪斜角是可变的。在一些实施例中，可以独立于镜1500沿着其旋转轴1505的旋转角度来控制歪斜角。在一些实施例中，歪斜角可以线性地取决于镜1500沿着镜旋转轴1505的旋转角度。例如，歪斜角可以被设定为A+/-(C*φ)，其中A是歪斜角常数，C是倍增因子，并且φ是检流计镜轴的镜旋转角度。
虽然在图15中未示出，但是应当认识到的是，歪斜角可以从正歪斜角改变为负歪斜角，反之亦然(并且经过零歪斜角)。还应当认识到的是，每个面可以被独立地控制为具有其自己的受控歪斜角。例如，在图15所示的两个面中，一个面的歪斜角可以独立于另一个面的歪斜角被改变。每个面的歪斜角的独立控制的好处在于，可以对点图实现动态控制。
图16A示出了根据实施例的可以使用可变的多面检流计镜1500产生的点图。如所示的，点图示出了捕获相对矩形的FOV。图16B示出了由LiDAR系统使用可变的多面检流计镜1500产生的示例性孔径颜色图。图16B示出了两个分开的相对高强度孔径在水平角度以大约-40度和+40度存在。
图17示出了根据实施例的示例性LiDAR系统1700。系统1700包括多面体1710和绕旋转轴1725旋转的三面镜1720。三面镜1720包括面1721-1723。面1722与旋转轴1725平行，因此具有零歪斜角。面1721和1723不与旋转轴1725平行，并且具有相应的歪斜角α1和α2。在一个实施例中，歪斜角α1和α2可以是固定的。在另一实施例中，歪斜角α1和α2可以是可变的。作为具体示例，可以共同地控制歪斜角α1和α2的可变性，使得α1总是等于α2。作为另一具体示例，可以独立地控制歪斜角α1和α2，使得α1不需要与α2相同。
图18示出了根据实施例的LiDAR系统1800的示例性框图。LiDAR系统1800可以包括激光子系统1810、接收器系统1820、光束转向系统1830和控制器1860。激光子系统1810可以包括激光源1812和光束角控制器1814。接收器系统1820可以包括光学器件、检测器和其它组件(所有组件均未示出)。光束转向系统1830可以包括多面镜系统1840和多面体系统1850。镜系统1840可以包括多面镜1842、镜旋转机构1844和歪斜角控制机构1846。多面体系统1850可以包括多面体1852和旋转轴控件1854。控制器1860可以包括重复率模块1862、感兴趣范围(ROI)模块1864、歪斜角模块1866、光束角模块1868、多面镜(MFM)控制模块1870，以及旋转轴倾斜模块1872。LiDAR系统1800可以被包含在一个或多个壳体内。在多个壳体实施例中，壳体中的至少一个可以是温度受控的环境，其中LiDAR系统1800的选择部(例如，激光源1812和控制器1860)被包含在其中。
激光子系统1810可以包括激光源1812和光束角控制器1814。激光子系统1810可操作以将光能引向光束转向系统1830，光束转向系统1830将光能指引到LiDAR系统的FOV。激光源1812可以用作光能的唯一源，但是可以使用任何合适的光束分离技术或机构将光能分成N个光束。每个光束可以被定位在系统1800内以具有特定的光束角和特定的发射点。当与光束转向系统1830配合使用时，光束角和发射点可能影响生成的点图。在一些实施例中，光束角和发射点可以是固定的。在其它实施例中，每个光束的光束角和/或发射点可以是可变的，并且可以由光束角控制器1814控制。例如，光束角控制器1814可以能够基于由控制器1860中的光束角模块1868提供的输入来调整一个或多个光束的角度。
激光源1812可以可操作以响应于由重复率模块1862提供的控制而控制发射光能的重复率。重复率是指由激光源1812发射连续光脉冲的速率。在一些实施例中，重复率可以保持固定。在其它实施例中，重复率可以变化。重复率的变化可以基于多个不同的因素，包括例如期望的点图分辨率或FOV内的一个或多个感兴趣区域、多面镜移动速度、多面体移动速度、倾斜轴、歪斜角，以及任何其它合适的条件。多面镜移动速度可以指多面镜1842的旋转速度。多面体移动速度可以指多面体1850的旋转速度。倾斜轴可以指多面体1850的旋转轴相对于重力轴之间的差异。
多面镜1842可以在镜旋转机构1844的方向上并且可选地还在歪斜角控制机构1846的控制下移动。多面镜1842可操作以将源自激光源1812的光束重定向到多面体1852。此外，多面镜1842可操作以将经由多面体1852接收的返回脉冲重定向到接收器系统1820。在一个实施例中，镜旋转机构1844可以是耦合到多面镜1842的马达。多面镜1842可以在MFM控件1870的控制下绕其旋转轴旋转。在多面镜1842的歪斜角固定的实施例中，不使用歪斜角控制机构1846。在多面镜1842的歪斜角可变的实施例中，可以使用歪斜角控制机构1846。歪斜角模块1866可以通过指示歪斜角控制机构1846来控制歪斜角。歪斜角控制机构1846可以独立于多面镜1842的旋转或取决于多面镜1842的旋转来控制歪斜角。如果多面镜1842具有多个歪斜角，那么歪斜角控制机构1846可以对每个歪斜角进行独立控制。歪斜角控制机构1846可以使用机械联动装置来控制歪斜角的位置。例如，机械联动装置可以是基于螺钉的联动装置、齿条和小齿轮联动装置或滚珠螺钉联动装置。在一些实施例中，联动装置可以直接地连接到镜旋转机构1844，使得歪斜角取决于镜沿着其旋转轴的旋转位置。
多面体1852在旋转轴控件1854的控制下旋转，并且可操作以将从镜1842接收到的光能指引到LiDAR系统1800的FOV。旋转轴控件1854可以在MFM控制模块1870的控制下控制多面体1852旋转的速度。旋转轴控件1854还可以在MFM控制模块1870的控制下调整多面体1852的倾斜角。
控制器1860可操作以控制LiDAR系统1800的操作。控制器1860可以控制将FOV光脉冲指引到何处，并且可以处理返回脉冲以填充点图，该点图可以由诸如例如自主汽车之类的另一系统使用。模块(例如，模块1862、1864、1866、1868、1870和1872)可以负责控制使用系统1800生成的点图。一些模块可以彼此依赖，而其它模块可以独立于其它模块操作。模块可以结合点图性能的实时反馈以对例如重复率、镜旋转速度、歪斜角、倾斜等进行需要的调整。模块可以基于不同的操作模式进行操作。例如，LiDAR系统1800可以接收诸如车速之类的外部输入，这可以被用于确定LiDAR系统1800应当操作哪种模式。在第一车辆速度模式(例如，低速模式)下，模块可以配置LiDAR系统1800以相应地操作以产生更适合于第一模式的点图。在第二车辆速度模式(例如，快速模式)下，模块可以配置LiDAR系统1800以相应地操作以产生更适合于第二模式的点图。
重复率模块1862可以控制激光源1812的连续光束发射的重复率或时间间隔。重复率可以与感兴趣区域、歪斜角、镜旋转速度和旋转轴倾斜中的一个或多个协调。ROI模块1864可以负责控制激光子系统1810和光束转向系统1830，以确保在FOV内的一个或多个感兴趣区域在点图中被更精确地捕获。图19示出了根据实施例的LiDAR系统的示例性视场(FOV)1900。如所示的，FOV 1900是以X维度和Y维度界定的二维空间。虽然LiDAR系统可以从整个FOV 1900收集数据点，但是某些感兴趣区域(ROI)可能比FOV 1900内的其它区域(例如，诸如占据FOV 1900内的非ROI的所有空间的非期望区域)具有较高的优先级。图19示出了五个不同的示例性ROI 1910-1914，以图示FOV 1900内的比FOV 1900内的其它区域要求附加的数据点的不同区域。例如，ROI 1210占据FOV 1900的跨x轴的固定y轴高度的整个带。ROI 1911和1912示出在ROI 1910下面的局部ROI，并且ROI 1913和1914示出在ROI 1910上面的局部ROI。应当理解的是，可以存在任何数量的ROI，并且ROI可以占据FOV1900的任何部分。ROI模块1864可以与其它模块配合操作，以使得能够以不破坏LiDAR系统的操作的方式在ROI中收集附加的数据点。
返回参考图18，在歪斜角可调整的实施例中，歪斜角模块1866可操作以控制可变的歪斜角。光束角模块1868可以控制一个或多个光束的光束角。MFM控制模块1870可以控制多面镜1842的旋转速度。旋转轴倾斜模块1872可以控制多面体1852的倾斜轴。控制器1860可以协调每个模块的操作以生成期望的点图。
图20A和图20B示出了根据实施例的在LiDAR系统2000中使用的示例性多面镜布置。LiDAR系统2000包括绕旋转轴2015旋转的多面体2010、马达2002，以及多面镜2020。多面镜2020包括经由接合构件2030连接在一起的面2021和2022。面2022连接到马达2002。面2021与旋转轴2025平行，并且面2022与旋转轴2026平行。马达2002可操作以使面2022绕旋转轴2026振荡。接合构件2030可以(经由面2022)转化马达2002的旋转移动以使面2021沿着旋转轴2025振荡。例如，接合构件2030可以是将面2022的旋转转化到面2021的恒速类型的接头或万向接头。因此，即使仅使用一个马达来驱动面2021和2022的振荡，接合构件2030也能够转化马达2002的旋转，使得两个面都绕它们各自的轴旋转。因此，配合接头构件2030使用单个马达(即，马达2002)有利地消除了每个旋转轴一个马达的冗余使用。四个光束可以被对准镜2020，其中三个光束与面2021相互作用并且一个光束与面2022相互作用。光束和镜布置产生点云，该点云在FOV的前部相对密集，而在FOV的侧部相对稀疏。参见图21A和图21B，示出了可以使用LiDAR系统2000生成的相应的点图和孔径颜色图。
据信本文所阐述的公开内容涵盖具有独立效用的多个不同的发明。虽然这些发明中的每个已经以其优选的形式被公开，但是如本文所公开和图示的其具体实施例不应当被认为是限制意义的，因为许多变化是可能的。每个示例定义了在前述公开中公开的实施例，但是任何一个示例不一定涵盖可能最终要求保护的所有特征或组合。描述陈述“一个”或“第一个”元件或其等同物，这样的描述包括一个或多个这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。此外，用于识别出的元件的诸如第一、第二或第三的顺序指示符用于在元件之间进行区分，并且不指示这些元件的所需数量或有限数量，并且不指示这些元件的特定位置或次序，除非另有专门说明。
而且，相对于图1-图21描述的任何处理以及本发明的任何其它方面可以各自通过软件来实现，但是也可以以硬件、固件或软件、硬件和固件的任何组合来实现。它们各自也可以体现为记录在机器或计算机可读介质上的机器或计算机可读代码。计算机可读介质可以是可以存储随后可由计算机系统读取的数据或指令的任何数据存储设备。计算机可读介质的示例可以包括但不限于只读存储器、随机存取存储器、闪存存储器、CD-ROM、DVD、磁带和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布方式被存储和执行。例如，计算机可读介质可以使用任何合适的通信协议从一个电子子系统或设备传送到另一个电子子系统或设备。计算机可读介质可以体现计算机可读代码、指令、数据结构、程序模块或诸如载波或其它输送机制的调制数据信号中的其它数据，并且可以包括任何信息递送介质。调制数据信号可以是以对信号中的信息进行编码的方式设定或改变其特性中的一个或多个的信号。
应当理解的是，本文讨论的任何或每个模块或状态机可以被提供为软件构造、固件构造、一个或多个硬件部件或其组合。例如，状态机或模块中的任何一个或多个可以在可由一个或多个计算机或其它设备执行的计算机可执行指令(诸如程序模块)的一般上下文中被描述。通常，程序模块可以包括可以执行一个或多个特定任务或者可以实现一个或多个特定抽象数据类型的一个或多个例程、程序、对象、部件和/或数据结构。还应当理解的是，模块或状态机的数量、配置、功能和互连仅仅是示例性的，并且可以修改或省略现有模块的数量、配置、功能和互连，可以添加附加模块，并且可以更改某些模块的互连。
虽然在阅读了前面的描述之后，本发明的许多更改和修改对于本领域普通技术人员来说无疑将变得清楚，但是应当理解的是，通过例示示出和描述的特定实施例不是旨在要被认为是限制性的。因此，对优选实施例的细节的引用不旨在限制其范围。

Claims (24)

1.一种用于与车辆使用的光检测和测距LiDAR系统，包括：
光源，能够操作以发射一个或多个光束；
多个面的多面体结构，能够操作以控制在LiDAR系统的视场FOV的水平方向上扫描光束，其中所述多个面的多面体结构的至少一个面相对于所述多个面的多面体结构的旋转轴的角度为非零角度；以及
可移动镜，被定位成重定向在光源和所述多个面的多面体结构之间通过的光束，所述可移动镜能够操作以控制在LiDAR系统的FOV的垂直方向上扫描光束。
2.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中可移动镜是能够操作以绕镜旋转轴振荡的多面镜。
3.如权利要求2所述的LiDAR系统，其中多面镜是具有第一面和第二面的双面镜，第一面和第二面被布置为使得它们相应的面彼此不平行。
4.如权利要求2所述的LiDAR系统，其中多面镜是具有第一面和第二面的双面镜，第一面和第二面经由接合构件连接在一起。
5.如权利要求2所述的LiDAR系统，其中多面镜是具有可变的歪斜角的双面镜。
6.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中可移动镜能够操作以至少部分地产生点云，所述点云在一个预定部分是密集的，而在另一预定部分是稀疏的。
7.如权利要求6所述的LiDAR系统，其中光源能够操作以发射多个光束，其中使用可移动镜和所述多个光束的布置至少部分地产生所述点云，所述点云在FOV的前部是密集的，而在FOV的侧部是稀疏的。
8.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中可移动镜是单面镜。
9.如权利要求8所述的LiDAR系统，其中单面镜的旋转轴与单面镜的平坦面平行。
10.如权利要求9所述的LiDAR系统，其中单面镜被定位成将两个光束引导到所述多个面的多面体结构的相同的面。
11.如权利要求9所述的LiDAR系统，其中单面镜被定位成将两个光束引导到所述多个面的多面体结构的两个相邻的面。
12.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中可移动镜是三面镜，所述三面镜包括第一面、第二面和第三面，其中第一面和第三面不平行于三面镜的旋转轴，并且其中第二面平行于三面镜的旋转轴。
13.如权利要求1所述的LiDAR系统，还包括：
检测器，被配置为检测返回的光脉冲；以及
透镜，被配置为将返回的光脉冲聚焦到检测器。
14.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中光源是光纤光源。
15.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中光源是基于半导体的发射器光源。
16.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中所述多个面的多面体结构能够操作以便以一个或多个预定速度绕旋转轴旋转。
17.如权利要求1所述的LiDAR系统，其中所述多个面的多面体结构的旋转轴和所述多个面的多面体结构的重力轴形成倾斜角。
18.如权利要求1-17中任一项所述的LiDAR系统，其中所述多个面的多面体结构和可移动镜位于不同的垂直高度处。
19.一种光检测和测距LiDAR系统，包括：
光源，能够操作以提供光能；
光学结构，能够操作以在LiDAR系统的视场FOV的水平方向上引导光能，其中光学结构的至少一个面与光学结构的旋转轴不平行；以及
多平面镜，被定位成重定向在光源和光学结构之间通过的光能，所述多平面镜能够操作以在LiDAR系统的视场的垂直方向上引导光能。
20.如权利要求19所述的LiDAR系统，其中多平面镜能够操作以绕镜旋转轴振荡。
21.如权利要求19所述的LiDAR系统，其中多平面镜是双平面镜或三平面镜。
22.如权利要求19所述的LiDAR系统，其中多平面镜包括第一平面构件和第二平面构件，其中第一平面构件和第二平面构件耦合在一起。
23.如权利要求19所述的LiDAR系统，其中光学结构能够操作以便以一个或多个预定速度绕旋转轴旋转。
24.如权利要求19-23中任一项所述的LiDAR系统，其中光学结构和多平面镜位于不同的垂直高度处。
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