CN114594449A - 探测装置、探测方法和激光雷达 - Google Patents

探测装置、探测方法和激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探测装置，包括：接收透镜，用于接收并会聚回波；探测单元，接收回波并输出电信号，包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列；光阑阵列，设置在接收透镜与探测单元之间，位于焦平面上或者附近，光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，每个子光阑使得其中一个或多个光开关像素开启以形成通光区域，以允许回波通过并照射到一个对应宏像素上；处理单元，根据电信号进行计算和处理，控制单元，与光阑阵列和处理单元耦接，控制光阑阵列中的各个子光阑，对于其中至少一个子光阑，根据回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。

Description

探测装置、探测方法和激光雷达
技术领域
本公开涉及光电技术领域，尤其涉及一种探测装置、探测方法和激光雷达。
背景技术
目前，激光雷达技术广泛应用于无人驾驶、测绘、和无人仓库等领域，单光子探测器件由于灵敏度高，近年逐步成熟被应用于激光雷达中。单光子探测器件SPADs是由多个SPAD(单光子雪崩二极管)单元构成的光探测阵列。有别于SiPM/MPPC(硅光电倍增管，基本组成单元也是SPAD,与SPADs组成方式不同，不具备单元独立选址读取)，SPADs器件的每个SPAD单元的输出是数字化的，可以直接在后端实现运算，而不需要通过ADC或TDC进行模数转换，另外，由于每个SPAD单元具有选址读取特性，这是SiPM/MPPC所没有的特征。
当前，作为一种技术路线，将SPADs器件应用在激光雷达上已经被越来越多的厂家应用，如有采用由SPADs+VCSEL构成的激光雷达实现三维感知能力。无人驾驶领域需要有中长测距能力的激光雷达，有别于FLASH雷达的单光源工作模式，中长测距能力的激光雷达往往需要激光发射阵列和与之对应的光电探测阵列，将每个激光器和与之对应的一个或多个光电探测单元称之为一个探测通道，即发射通道和接收通道。
由于一个SPAD单元只能提供发生盖格和未发生盖格两种输出，使用多个SPAD单元构成一个SPADs作为单通道接收单元可以有效提升通道的动态响应范围，如图1所示的单通道SPADs，面阵探测单元包括多个(多通道)SPADs。SPADs器件作为单光子器件，一个光子就可能触发其发生盖格雪崩，所以，在强环境光条件下，激光雷达需要从光学系统角度考虑抑制环境光的影响，在光学接收透镜组内或SPADs表面放置滤光片是常见的环境光抑制方法，为了更进一步抑制视场内的环境光和接收光学系统的杂散光，在光学系统中往往还会考虑加入机械光阑，机械光阑为与探测通道所对应的小孔阵列，其通光孔径范围一般为几个毫米到几十个微米。另一种解决方法为只读取通道SPADs的部分SPAD单元输出，来实现类似于光阑的效果。
现有技术存在以下缺点：机械光阑的引入虽然可以对环境光有很好的抑制，如图2所示(图中两束光线代表不同的入射角)，但存在以下缺陷。
在旁轴光学系统中，雷达的接收光斑在焦平面的位置和大小与被测物体的远近相关，机械光阑的通光孔径只有设计的足够大，才能保证不同距离反射的激光回波可以被SPADs接收到，但通光孔径越大，激光接收通道的视场越大，对接收镜头内杂散光的抑制能力越弱，所以雷达系统对环境光的抗干扰能力越差。由于机械光阑被放置在接收光学系统的焦平面附近，发射和接收光学系统的机械形变带来的光路偏移，将会导致接收光斑在焦面的位置发生偏移，部分回波激光将会被光阑挡住而不能被SPADs探测到。生产过程中，需要将机械光阑调整到合适的位置和角度，提高了生产时光学对准的定位精度和难度。机械光阑无法动态调整其通光孔径的大小，在抑制环境光、缩少接收视场、提高产品测远性能和减小生产工艺难度、提高产品对机械形变的鲁棒性上无法同时兼得。
另一种采用只读取通道SPADs的部分SPAD单元输出的方法，在光斑较小时，由于激活的SPAD单元数量有限，将会导致通道SPADs的动态响应范围降低。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种探测装置，包括：
接收透镜，配置成用于接收并会聚探测激光束在目标物上反射的回波；
探测单元，配置成可接收所述回波并输出电信号，所述探测单元包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列；
光阑阵列，所述光阑阵列设置在所述接收透镜与所述探测单元之间，位于所述接收透镜的焦平面上或者附近，所述光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，所述每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过并照射到所述探测单元的一个对应宏像素上；
处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号进行计算和处理，
控制单元，所述控制单元与所述光阑阵列和所述处理单元耦接，并配置成可控制所述光阑阵列中的各个子光阑，并且对于其中至少一个子光阑，可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
根据本发明的一个方面，对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致。
根据本发明的一个方面，对于所述至少一个子光阑，所述处理单元配置成根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。
根据本发明的一个方面，对于所述至少一个子光阑，所述处理单元根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。
根据本发明的一个方面，所述预设区域根据宏像素所对应的子光阑的通光区域、所述接收透镜的焦距f以及所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d共同决定。
根据本发明的一个方面，对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致。
根据本发明的一个方面，对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成根据所述该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布的偏差，控制该子光阑的光开关像素。
根据本发明的一个方面，所述探测器包括单光子探测器，所述光阑阵列包括液晶光阑或电控滤光片。
根据本发明的一个方面，所述光阑阵列可配置为透过率可调的衰减片，所述控制单元配置成根据配置文件初始化所述光阑阵列。
根据本发明的一个方面，所述控制单元配置成：当所述配置文件缺失时，将所述光阑阵列配置为衰减片，根据所述回波在所述探测单元上的光斑的大小、位置和形状，以及所述光斑和所述光阑阵列的对应关系，更新所述配置文件。
本发明还提供一种探测方法，包括：
S401：通过接收透镜会聚探测激光束在目标物上反射的回波；
S402：通过光阑阵列提供一通光区域，其中所述光阑阵列位于所述接收透镜的焦平面上或者附近，所述光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成所述通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过；
S403：通过探测单元接收穿过所述通光区域的回波，所述探测单元包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列，穿过一个子光阑的通光区域的回波照射至所述探测单元的一个对应宏像素上并被转换为电信号；
S404：根据所述光阑阵列中至少一个子光阑所对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
根据本发明的一个方面，所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致。
根据本发明的一个方面，所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。
根据本发明的一个方面，所述步骤S404还包括：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。
根据本发明的一个方面，所述预设区域根据宏像素所对应的子光阑的通光区域、所述接收透镜的焦距f以及所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d共同决定。
根据本发明的一个方面，所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致。
根据本发明的一个方面，所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布的偏差，控制该所述该子光阑的光开关像素。
根据本发明的一个方面，所述探测方法还包括：
初始化所述光阑阵列。
根据本发明的一个方面，所述初始化光阑阵列的步骤包括：根据配置文件初始化所述光阑阵列；当所述配置文件缺失时，将所述光阑阵列配置为透过率可调的衰减片，根据所述回波在所述探测单元上的光斑的大小、位置和形状，以及所述光斑和所述光阑阵列的对应关系，更新所述配置文件，再根据配置文件初始化所述光阑阵列。
本发明还提供一种激光雷达，包括：
发射单元，包括至少一个激光器，配置成发射探测激光束用于探测目标物；
接收单元，所述接收单元包括如上所述的探测装置，所述探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波并对回波信号进行处理。
根据本发明的一个方面，所述发射单元的一个激光器和所述接收单元的一个宏像素及该宏像素对应的子光阑构成一个探测通道。
根据本发明的一个方面，所述激光器包括垂直腔面发射激光器。
本发明实施例中，解决了旁轴光路条件下、不同距离下的光斑偏移问题，解决了机械形变带来的接收光斑偏移，并且可以解决生产上的对准问题。另外，本发明的优选实施例不会改变各通道内SPAD单元的读取数量，这样通道内的SPADs器件的动态响应没有变化。同时本发明可以解决强光下SPADs器件的饱和问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了使用多个SPAD单元构成一个SPADs作为单通道接收单元的示意图；
图2示出了使用机械光阑抑制环境光的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的探测装置；
图4示出了当目标物远近不同时、同一个方向的回波在光阑阵列上形成的光斑大小以及子光阑的示意图；
图5示出了光阑阵列形成的通光区域与通过其受到照射的探测器阵列的对应关系；
图6A、6B和6C示出了光阑阵列上的不同类型的光斑；
图7A和7B示出了对于50*50的探测器阵列的100次曝光的叠加效果图；
图8示出了当子光阑的通光区域与焦面光斑相匹配时，对应的宏像素的预设区域内探测器的激发次数的分布；
图9示出了当子光阑的通光区域大于焦面光斑的尺寸时，对应的宏像素的预设区域内探测器的激发次数的分布；
图10示出了当子光阑的通光区域的位置和焦面光斑发生偏移时，对应的宏像素的预设区域内探测器的激发次数的分布；
图11示出了当子光阑的通光区域小于焦面光斑时，对应的宏像素的预设区域内探测器的激发次数的分布；
图12示出了当发生配置文件缺失或者错误时对子光阑进行初始化的示意图；
图13示出了子光阑进行初始化以及调整子光阑的通光区域的流程图；
图14示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的示意图；以及
图15示出了根据本发明一个实施例探测方法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图3示出了根据本发明一个实施例的探测装置10，下面参考附图详细描述。如图3所示，探测装置10包括接收透镜11、探测单元12、光阑阵列13、处理单元14以及控制单元15，并且优选地包括滤光片16。其中接收透镜11配置成用于接收并会聚探测激光束在目标物上反射的回波。接收透镜11通常可包括单透镜或者透镜组，用于将回波汇聚到其焦平面上。光阑阵列13设置在所述接收透镜11的焦平面上或者附近，从而当回波为平行光时，通过接收透镜11的汇聚作用，可以被汇聚到所述光阑阵列13上的一点或者一个小区域范围内。所述光阑阵列13包括多个可独立控制开闭的光开关像素131(即图3中光阑阵列13的每一个小方块)，如图4清楚所示的。每个光开光像素131都具有“开”、“闭”、“半开”状态，并且可以在多种状态之间自由切换，例如在下文描述的控制单元15的控制下进行切换。当一个光开关像素131被切换到“开”状态时，该光开关像素131将允许入射到其处的光束通过；当一个光开关像素131被切换到“闭”状态时，该光开关像素131将不允许入射到其处的光束通过。如图3中所示，以阴影标识的光开光像素131处于“闭”状态，两个以空白方块标识的光开关像素131处于“开”状态。根据本发明的一个实施例，所述光阑阵列包括液晶光阑或电控滤光片。
探测单元12设置在光阑阵列13的与接收透镜11相反的一侧，即光阑阵列13位于接收透镜11与探测单元12之间。探测单元12配置成可接收穿过所述光阑阵列13的回波，并输出电信号。因此，通过图1中的光阑阵列13，实现了“光闸”，通过控制光阑阵列13中各个光开关像素131的开闭，能够使得回波尽可能充分地通过并入射到探测单元12上，同时将环境光或者背景噪声有效地隔绝，避免其入射到探测单元12上。探测单元12例如可以是由多个探测器121构成的阵列，探测器121优选是单光子雪崩二极管SPAD，每个探测器121可单独对入射到其上的光子做出响应，输出电信号。
本领域技术人员容易理解，探测单元12中的探测器121的阵列，以及光开关像素131构成的光阑阵列，可以是一维阵列，也可以二维排布的阵列，这些都在本发明的保护范围内。
处理单元14与所述探测单元12电连接或通讯，从而可获取所述探测单元12输出的电信号，并配置成可根据所述电信号进行相应的计算和处理。例如当用在激光雷达中时，处理单元14可根据所述电信号来计算目标物的距离和/或反射率。
在本发明中，探测单元12包括至少一个宏像素，优选包括多个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器121构成的阵列，例如图1中的一个SPADs即为一个宏像素，其为由多个SPAD单元构成的阵列。与此相对应的，所述光阑阵列13包括至少一个子光阑，优选包括多个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，每个光开关像素例如为液晶单元，通过施加电场控制其状态，所述每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过并照射到所述探测单元的一个对应宏像素上。因此，一个子光阑与一个宏像素相互对应，构成一个接收通道。
每个接收通道可对应于沿着一个方向入射到所述接收透镜11上的回波。仍以应用于激光雷达中为例进行说明，每个宏像素需要确保：无论目标物与激光雷达的距离远近，只要回波的方向对应于该接收通道，那么经过接收透镜11汇聚后，该回波在所述探测单元12上形成的光斑，将完全落入该接收通道的宏像素的范围内。
图4示出了当目标物远近不同时，同一个方向的回波在光阑阵列13上形成的光斑大小以及子光阑的示意图。其中图4的左侧示出了当目标物较远时，例如为100米左右时，在光阑阵列13上形成的光斑面积较小；而当同一方位(角度)目标物较近时，例如为10米左右时，在光阑阵列13上形成的光斑面积较大。因此在设定子光阑的大小时，可以将子光阑设定的相对大一些，从而确保沿着该角度或方向返回的回波经过接收透镜11后，均能够落入到对应的子光阑的范围内。图4中，以方框示意性示出了子光阑132，从中可以看出，无论远场光斑还是近场光斑，均落入到子光阑的范围内。当用于激光雷达中时，由于每个激光雷达都具有其理论探测范围，例如5-200米，并且通常目标物越近，光斑越大。此时，可以以目标物距离激光雷达5米远时的光斑大小作为子光阑的大小，或者可以在此基础上适当增大，例如增大5％，或者增大10％。此外，本发明不受限于子光阑的形状，子光阑可以如图4中所示的为正方形的形状，也可以是大致圆形的形状，或者是其他多边形的形状，这些都在本发明的保护范围内。本领域技术人员容易理解，当光阑阵列13包括多个子光阑132时，各个子光阑单元132可以是相互隔离的，也可以相互部分重叠。
光阑阵列13的每一个子光阑132与每一个宏像素形成一一对应的关系，每个子光阑的光开关像素开启时，允许来自接收透镜的回波通过并照射到所述探测单元的一个对应宏像素上。下面描述如何确定与每一个子光阑对应的宏像素。
探测单元10的光路确定后，激光回波会在接收镜头的焦平面上(光阑阵列上)成像，当焦面光斑与光阑阵列的通光区域相匹配时，这样既可以保证回波全部通过被探测同时减小环境光干扰，此时，光阑阵列13的通光区域与探测单元12上受照射的区域之间的比例关系就被确定。如图5所示，以单个接收通道为例，光阑阵列中子光阑形成的通光区域尺寸L1与通过其受到照射的宏像素中的探测器阵列尺寸L2的对应关系如图5所示，焦面距离接收镜头11为焦距f，探测器阵列在距离焦面d的位置上放置,宏像素中的探测器阵列上的感光区域L2和焦面光斑大小(即子光阑的通光区域尺寸L1)、焦距f，距离d和接收镜头口径相关。因此就可以获得与每一个子光阑相对应的宏像素的位置和尺寸。图5中是以一维的形式说明了子光阑的通光区域尺寸L1与通过其受到照射的宏像素中的探测器阵列尺寸L2之间的关系，同样适用于另一个维度上二者之间的关系，此处不再赘述。上述描述是以一个接收通道的子光阑及其对应的宏像素为例进行说明，多个接收通道的情况是类似的，此处不再赘述。
图3中的控制单元15与所述光阑阵列13和所述处理单元14耦接，并配置成可控制所述光阑阵列13中的各个子光阑，并且对于其中至少一个子光阑，可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
如上所述，在激光雷达实际的探测中，随着目标物位置不同，回波焦面光斑的尺寸、位置发生变化，即焦面光斑与子光阑的预设的通光区域不相匹配，此时或者部分回波被子光阑遮挡，不能被宏像素探测到，或者子光阑相对于焦面光斑尺寸过大，带来较多的环境光干扰。因此根据本发明的一个实施例，对于所述至少一个子光阑，控制单元15配置成可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致，即使得子光阑上受到回波照射的光开关像素打开，允许回波通过，同时使得子光阑上未受到回波照射的光开关像素关闭，以阻隔环境光。
图6A、6B和6C示出了光阑阵列上的不同类型的光斑。其中在光阑阵列13上，以阴影标识光开关像素表示未受到回波的照射，因而处于关闭状态；未以阴影标识的光开关像素表示受到回波的照射，受控处于开启状态，形成通光区域。
图6A示出了远场光斑，在光阑阵列13上的光斑的形状大致为圆形，直径大约为4个光开关像素的宽度。在此情况下，通过控制该探测通道的子光阑的部分光开关像素开启，使得回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致(即相匹配)即可。图6B示出了近场光斑的情形，在光阑阵列13上的光斑的形状大致为圆形，直径大约为6个光开关像素的宽度。在此情况下，可以将子光阑的通光区域开启的更大一些即可，形状仍然保持为圆形。图6C示出了异形光斑的情形，在此情况下，同样可控制该探测通道的子光阑的部分光开关像素开启，使得回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致。
上面描述了本发明上下文中子光阑和宏像素的概念，其中子光阑和宏像素是控制方面的概念，并非必然是物理上的实体，关于子光阑和宏像素的划分，可以集成在控制单元15与处理单元14中，不一定必须在探测单元12本身上做出区分。
根据本发明的一个优选实施例，对于至少一个子光阑，所述处理单元14配置成根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。由于每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址，因此可以获知每个探测器输出的电信号，用于进行后续判断光斑分布。
具体的，例如对于所述至少一个子光阑，处理单元14可根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩概率或盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩概率或盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。基于子光阑的当前通光区域尺寸，根据前述的关系，所述预设区域根据宏像素所对应的子光阑的通光区域尺寸、所述接收透镜的焦距f、所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d以及接收镜头口径共同决定，因此可以方便地获得宏像素上对应的区域，即预设区域。对于预设区域内的单个探测器，一次曝光(例如对于单光子探测器，对应盖格雪崩概率)通常不具有明显的意义，通常关注的是多次曝光(多帧)的叠加结果(即对应盖格雪崩次数)来获得光斑在SPAD的强度分布。图7A和7B示出了对于50*50的探测器阵列的100次曝光的叠加效果图，分别为三维和二维图。
当子光阑的通光区域与焦面光斑相匹配时，对应的宏像素的预设区域内探测器的激发数量(例如是如图7所示多次曝光叠加的结果)的分布如图8所示，其中，在对应区域内的中间部分具有相对平坦部分，两侧具有倾斜的上升沿和下降沿，上升沿和下降沿的斜率不会过大，例如绝对值小于预设阈值。图8所示的分布图可认为是标准信号。
当子光阑的通光区域大于焦面光斑的尺寸时，如图9所示，与子光阑对应的宏像素的预设区域的(图中点线范围对应预设区域)探测器阵列的边缘的探测器的盖格雪崩概率或盖格雪崩次数将不会因为回波激光照射而增加，存在一部分留白区域。SPAD盖格雪崩次数例如可以通过累加器对可寻址的每个SPAD在一定时间的数据进行累加获得。如图9所示，在分布图的中间部分具有平坦部分，两侧具有倾斜的上升沿和下降沿，二者对称，在上升沿和下降沿的外侧还具有留白区域。
而当子光阑的通光区域的位置和焦面光斑发生偏移的时候，与子光阑所对应的宏像素的预设区域的探测器阵列发生盖格雪崩次数分布将不对称。如图10所示，在分布图的中间部分具有平坦部分，平坦部分两侧的上升沿和下降沿并不对称。
而当子光阑的通光区域小于焦面光斑时，与子光阑对应的宏像素的的预设区域的探测器阵列边缘的探测器发生盖格雪崩概率或盖格雪崩次数较高。如图11所示，在分布图的中间部分具有平坦部分，平坦部分两侧的上升沿和下降沿的斜率非常高，例如绝对值高于预设阈值。
因此，处理单元可根据宏像素中的探测器输出的电信号，确定该宏像素上预设区域的探测器的盖格雪崩概率或盖格雪崩次数，并进而根据探测器的盖格雪崩概率或盖格雪崩次数确定子光阑的当前通光区域的大小、位置和形状中的一个或多个是否合适。
如上所述，图8所示的分布图可认为是标准信号。对于所述至少一个子光阑，所述控制单元15配置成控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致。
具体的，对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成根据所述该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布的偏差，控制该子光阑的光开关像素。例如，当处理单元获得的盖格雪崩次数的分布图为图9所示的分布图时，此时可以缩小子光阑的通光区域，以减小或者消除所述留白区域；当处理单元获得的盖格雪崩次数的分布图为图10所示的分布图时，此时可以增大子光阑在斜率较高一侧(图10中的左侧)的通孔区域；当处理单元获得的盖格雪崩次数的分布图为图11所示的分布图时，此时可以增大子光阑在两侧上的通孔区域。另外，图8-11中是以一维的形式示出了探测单元2和光阑阵列13，本领域技术人员容易理解，上述描述同样适用于二维阵列的探测单元2和光阑阵列13。
根据本发明的一个优选实施例，所述光阑阵列可配置为透过率可调的衰减片，所述控制单元配置成根据配置文件初始化所述光阑阵列。对于每一个子光阑，都可以具有相对应的配置文件，在设备启动或者初始化时，或者进行第一次探测时，可以首先根据该配置文件来配置该子光阑。
在一些情况中，可能发生配置文件缺失或者错误。在雷达启动、复位、软件升级等情况下，如若存在一个或多个通道的子光阑配置文件缺失或错误，可以通过将该通道的子光阑配置为均匀的透过率可调的衰减片。以液晶光阑阵列和SPADs阵列为例，起始状态时可以将液晶的透过率设置为较低值，如T＝10％，之后读取该通道对应的宏像素的SPADs阵列的雪崩状态，若可以获得有效的回波光斑，那么就可以根据探测到的回波光斑的位置、大小、形状对该通道的子光阑的开启进行配置，更新所述配置文件。
参考图12详细描述。此时，光阑阵列13或者其中一个子光阑被配置为衰减片，其中每一个全部光开关像素都可允许光线以一定的衰减率通过，并照射到探测单元12上。此时，探测单元12上的探测器的盖格雪崩次数，在一定区域内将呈现图8所示的标准分布。进一步的，基于该区域，根据图5所示的宏像素上受照射区域的尺寸L2与所对应的子光阑的通光区域尺寸L1、接收透镜的焦距f以及所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d的关系，可以方便地确定所需要的子光阑的通光区域。
图13示出了子光阑进行初始化以及调整子光阑的通光区域的方法200的流程图，其中探测器为SPAD，光阑阵列为液晶光阑阵列，即每个光开关像素为液晶单元。下面参考附图详细描述。
在步骤S201，系统开始初始化。
在步骤S202，每个液晶单元全部关闭。
在步骤S203，检查是否有子光阑的通光区域的初始配置文件。如果有，则进行到步骤S207，否则，进行到步骤S204。
在步骤S204，增加液晶通光量，例如将液晶光阑设置为衰减片。优选的，初始增加的量较小，例如10％。
在步骤S205，判断是否能够通过该接收通道的宏像素的SPAD阵列有效测量出回波光斑的大小、位置和形状。如果可以，则进行到步骤S206；否则，回到步骤S204，继续增加液晶的通光量，直至在步骤S205能够有效测量出回波光斑的大小、位置和形状。
在步骤S206，根据有效测量得到的回波光斑的大小、位置和形状，推断出所对应的子光阑的通光区域的大小、位置和形状，并据此设置子光阑的通光区域配置文件。
在步骤S207，根据配置文件设置子光阑的通光区域。
在步骤S208，判断根据该接收通道的宏像素的预设区域的SPAD阵列探测回波光斑的大小、位置和形状与子光阑的通光区域的大小、位置和形状是否匹配。如果匹配，则重复进行步骤S208，继续进行探测；否则，进行到步骤S209。
在步骤S209，根据该接收通道的宏像素的预设区域的SPAD阵列测量出的回波光斑大小、位置和形状，配置液晶光阑的通光区域的大小、位置和形状。
本发明的上述优选实施例中，将机械式小孔光阑替换为液晶光阑，通过电控液晶单元的旋光特性，可以实现可寻址的单元开启、关闭、半开等状态。液晶光阑放置在接收透镜的焦平面，由于每个液晶单元可以寻址控制，所以，根据各通道的焦平面光斑形状，可以动态调节对应光阑的通光区域，以实现最佳的接收视场约束和杂散光抑制能力。液晶器件的动态响应速率从几十KHz到几十Hz，可以满足面阵雷达的动态光阑调节需求。
当环境光过强时，如有强光直射时，通过控制液晶的角度来实现部分透光来衰减SPADs器件接收到的环境光，虽然同时也会降低了回波激光的收光效率，但可以避免了SPADs器件在强光下饱和而不能正常工作。在强背景光条件下，通过降低测距能力来避免测距失效是合理的雷达设置方式。
本发明实施例中，解决了旁轴光路条件下、不同距离下的光斑偏移问题，解决了机械形变带来的接收光斑偏移，并且可以解决生产上的对准问题。另外，本发明的优选实施例不会改变各通道内SPAD单元的读取数量，通道的动态响应范围不会降低。同时本发明可以解决强光下SPADs器件的饱和问题。
如图14所示，本发明还涉及一种激光雷达300，包括发射单元301和接收单元302。其中发射单元301包括至少一个激光器，配置成发射探测激光束用于探测目标物，所述激光器优选包括垂直腔面发射激光器VCSEL。接收单元302包括如上所述的探测装置10，所述探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波并对回波信号进行处理。
根据本发明的一个优选实施例，发射单元的一个激光器和接收单元的一个宏像素及该宏像素对应的子光阑构成一个探测通道。所述发射单元301中的激光器阵列和所述探测单元12例如为图1所示的面阵列，例如VCSEL激光器构成的面阵列同样可寻址控制。另外，上述的一个激光器可以包括一个发光单元，也可以包括多个同时发光的小单元构成一个激光器的结构。激光雷达的多个探测通道(例如可以控制按一定时序)进行探测，每个探测通道根据宏像素的读出结果实时调整子光阑进行匹配实现对环境光的抑制。
如图15所示，本发明还涉及一种探测方法400，下面参考附图详细描述。
在步骤S401：通过接收透镜会聚探测激光束在目标物上反射的回波。所述接收透镜例如图3所示的接收透镜11，包括单透镜或者透镜组，用于汇聚回波。
在步骤S402：通过光阑阵列提供一通光区域，其中所述光阑阵列位于所述接收透镜的焦平面上或者附近，所述光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成所述通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过。所述光阑阵列例如为图3所示的光阑阵列13，设置在接收透镜11的焦平面上或者附近，包括一个或多个子光阑。
在步骤S403：通过探测单元接收穿过所述通光区域的回波，所述探测单元包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列，穿过一个子光阑的通光区域的回波照射至所述探测单元的一个对应宏像素上并被转换为电信号。所述探测单元例如为图3所述的探测单元12。
在步骤S404：根据所述光阑阵列中至少一个子光阑所对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S104中，对于至少一个子光阑，根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致，例如图6A、6B和6C所实现的效果。
根据本发明的一个优选实施例，步骤S104中：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。
根据本发明的一个优选实施例，步骤S104还包括：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。
根据本发明的一个优选实施例，步骤S104中，对于所述至少一个子光阑，控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致，其中标准分布例如图8所述的。
根据本发明的一个优选实施例，步骤S104中，对于所述至少一个子光阑，根据该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格次数分布与标准分布的偏差，控制该所述该子光阑的光开关像素，从而使得探测器的盖格雪崩次数分布尽可能接近或者符合所述标准分布。
根据本发明的一个优选实施例，所述探测方法400还包括初始化所述光阑阵列，例如可根据配置文件初始化所述光阑阵列；当所述配置文件缺失时，将所述光阑阵列配置为透过率可调的衰减片，根据所述回波在所述探测单元上的光斑的大小、位置和形状，以及所述光斑和所述光阑阵列的对应关系，更新所述配置文件，再根据配置文件初始化所述光阑阵列，可以通过图13所示的流程来进行初始化。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种探测装置，包括：
接收透镜，配置成用于接收并会聚探测激光束在目标物上反射的回波；
探测单元，配置成可接收所述回波并输出电信号，所述探测单元包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列；
光阑阵列，所述光阑阵列设置在所述接收透镜与所述探测单元之间，位于所述接收透镜的焦平面上或者附近，所述光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，所述每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过并照射到所述探测单元的一个对应宏像素上；
处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号进行计算和处理，
控制单元，所述控制单元与所述光阑阵列和所述处理单元耦接，并配置成可控制所述光阑阵列中的各个子光阑，并且对于其中至少一个子光阑，可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
2.如权利要求1所述的探测装置，其中对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成可根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致。
3.如权利要求2所述的探测装置，其中对于所述至少一个子光阑，所述处理单元配置成根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。
4.如权利要求3所述的探测装置，其中对于所述至少一个子光阑，所述处理单元根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。
5.如权利要求4所述的探测装置，其中所述预设区域根据宏像素所对应的子光阑的通光区域、所述接收透镜的焦距f以及所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d共同决定。
6.如权利要求5所述的探测装置，其中对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致。
7.如权利要求5所述的探测装置，其中对于所述至少一个子光阑，所述控制单元配置成根据所述该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布的偏差，控制该子光阑的光开关像素。
8.如权利要求1-7中任一项所述的探测装置，其中所述探测器包括单光子探测器，所述光阑阵列包括液晶光阑或电控滤光片。
9.如权利要求1-7中任一项所述的探测装置，其中所述光阑阵列可配置为透过率可调的衰减片，所述控制单元配置成根据配置文件初始化所述光阑阵列。
10.如权利要求9所述的探测装置，其中所述控制单元配置成：当所述配置文件缺失时，将所述光阑阵列配置为衰减片，根据所述回波在所述探测单元上的光斑的大小、位置和形状，以及所述光斑和所述光阑阵列的对应关系，更新所述配置文件。
11.一种探测方法，包括：
S401：通过接收透镜会聚探测激光束在目标物上反射的回波；
S402：通过光阑阵列提供一通光区域，其中所述光阑阵列位于所述接收透镜的焦平面上或者附近，所述光阑阵列包括至少一个子光阑，每个子光阑包括多个可独立控制开闭的光开关像素，每个子光阑配置成使得其中一个或多个光开关像素开启以形成所述通光区域，以允许来自接收透镜的回波通过；
S403：通过探测单元接收穿过所述通光区域的回波，所述探测单元包括至少一个宏像素，每个宏像素包括由多个探测器构成的阵列，穿过一个子光阑的通光区域的回波照射至所述探测单元的一个对应宏像素上并被转换为电信号；
S404：根据所述光阑阵列中至少一个子光阑所对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素的开闭。
12.如权利要求11所述的探测方法，其中所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据所述回波在与该子光阑对应的宏像素上的光斑分布，控制该子光阑的光开关像素，使得所述回波在所述子光阑上的光斑分布与所述子光阑的通光区域基本一致。
13.如权利要求12所述的探测方法，其中所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号确定所述回波在该宏像素上的光斑分布，所述每个宏像素包括的多个探测器独立可寻址。
14.如权利要求13所述的探测方法，其中所述步骤S404还包括：对于所述至少一个子光阑，根据与该子光阑对应的宏像素输出的电信号，确定该宏像素的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布，并根据所述盖格雪崩次数分布，确定所述回波在该宏像素上的光斑分布。
15.如权利要求14所述的探测方法，其中所述预设区域根据宏像素所对应的子光阑的通光区域、所述接收透镜的焦距f以及所述探测单元与所述光阑阵列之间的距离d共同决定。
16.如权利要求15所述的探测方法，其中所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，控制该子光阑的光开关像素，使得该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布基本一致。
17.如权利要求15所述的探测方法，其中所述步骤S404包括：对于所述至少一个子光阑，根据该子光阑所对应的宏像素的的预设区域的探测器的盖格雪崩次数分布与标准分布的偏差，控制该所述该子光阑的光开关像素。
18.如权利要求11-17中任一项所述的探测方法，还包括：
初始化所述光阑阵列。
19.如权利要求18所述的探测方法，其中所述初始化光阑阵列的步骤包括：根据配置文件初始化所述光阑阵列；当所述配置文件缺失时，将所述光阑阵列配置为透过率可调的衰减片，根据所述回波在所述探测单元上的光斑的大小、位置和形状，以及所述光斑和所述光阑阵列的对应关系，更新所述配置文件，再根据配置文件初始化所述光阑阵列。
20.一种激光雷达，包括：
发射单元，包括至少一个激光器，配置成发射探测激光束用于探测目标物；
接收单元，所述接收单元包括如权利要求1-10中任一项所述的探测装置，所述探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波并对回波信号进行处理。
21.如权利要求20所述的激光雷达，其中所述发射单元的一个激光器和所述接收单元的一个宏像素及该宏像素对应的子光阑构成一个探测通道。
22.如权利要求20或21所述的激光雷达，其中所述激光器包括垂直腔面发射激光器。
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