CN114945842A - 自适应空间估计系统 - Google Patents

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安东·洛尔
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Abstract

描述了用于将光引导到环境中的方法和装置，例如用于在整个环境中扫描光以进行空间估计的光检测和测距系统中的方法和装置。方法和系统涉及在第一扫描中以一个角分辨率和时间分辨率进行扫描，以及在第二扫描中以不同的角分辨率和时间分辨率(一者或两者)进行扫描。

Description

自适应空间估计系统
相关申请
本申请要求于2019年1月7日提交的第2020900029号的澳大利亚专利申请的优先权。
本申请涉及国际专利申请PCT/AU2016/050899(公开为WO 2017/054036 A1)、PCT/AU2017/051395(公开为WO 2018/107237 A1)、国际专利申请PCT/AU2018/050901(公开为WO2019/036766 A1)和国际专利申请PCT/AU2019/050437(公开为WO 2019/241825 A1)，并且这些申请中的每一个的全部内容通过引用并入本公开。
本公开的领域
本公开总体上涉及用于引导光束的系统和方法。更具体地说，本公开涉及用于在两个维度中引导光束的系统和方法。特定实施例涉及将光引导到除两个维度以外还具有深度维度的环境中，例如用于空间估计。
本公开的背景
光束引导有多种用途，包括但不限于LiDAR(光检测和测距)应用，其中光被发送到环境中用于空间估计目的。在三维映射中，其中一个维度与一个点距光束原点的距离相关，而其他两个维度与光束被操纵跨越的二维空间(例如，在笛卡尔坐标(x，y)中或在极坐标(θ，φ)中)相关。环境中的点的距离表示用于测量的环境的主要变量。其他两个维度跨越三维映射系统的视场延伸。
LiDAR系统在整个环境中扫描一个或更多个光束。LiDAR系统的两个重要性能变量包括帧速率或完成对视场的扫描所花费的时间(时间分辨率)和跨视场或视场内的像素分辨率或数量(点密度)。跨视场或视场内的点密度也称为角分辨率。帧速率和角分辨率具有一个或更多个限制因素，并且由一个或更多个限制因素相互关联。一个限制因素是光放大器在给定输出功率下在光脉冲之间恢复所花费的时间(这影响测距)。另一个限制因素是所需的视场。这些限制导致了角分辨率和时间分辨率之间的权衡。本文中的“扫描”一般指光束方向上的调整，并且除非上下文另有要求，否则本文中的“扫描”指扫描的全部或部分迭代。这些术语不一定要求在调整或迭代期间光发射上的任何连续性。此外，在调整或迭代期间，这些术语不一定要求任何恒定的光学特性，诸如光能和波长。
本公开的概述
本发明涉及用于将光引导到环境中的方法和装置，例如在整个环境上扫描光以进行空间估计的光检测和测距系统中的方法和装置。该方法和系统涉及在第一扫描中以一个角分辨率和时间分辨率进行扫描，以及在第二扫描中以不同的角分辨率和时间分辨率(一者或两者)进行扫描。
在本公开的一个方面中，提供了一种光束引导的方法，该方法包括在光检测和测距系统中向被配置成基于波长引导光束的光束导向器提供：
一个或更多个第一光束，其包括光束导向器在第一方向集合上引导的第一波长集合；以及随后的
一个或更多个第二光束，其包括光束导向器在与第一方向集合不同的第二方向集合上引导的与第一波长集合不同的第二波长集合。
在本公开的另一个方面中，提供了一种光束引导的方法，该方法包括在光检测和测距系统中向被配置成基于波长引导光束的光束导向器提供：
一个或更多个第一光束，其包括光束导向器在第一方向集合上引导的第一N个波长的集合；以及随后的
一个或更多个第二光束，其包括光束导向器在第二方向集合上引导的第二M个波长的集合，其中N不同于M。
在本公开的另一方面中，提供了一种在可在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
将一个或更多个第一光束提供给被配置成基于波长引导光的光束导向器，以由光检测和测距系统在视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由光检测和测距系统分析所接收的光；
基于对所接收的光的分析，选择一个或更多个第二光束以在视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将所选择的一个或更多个第二光束提供给光束导向器；
其中在视场的至少一部分上，以下中的至少一项成立：
第二角分辨率不同于第一角分辨率；以及
第二时间分辨率不同于第一角分辨率。
在本公开的另一方面中，提供了一种在可在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
由波长受控光源，将一个或更多个第一光束提供给被配置成基于波长将光引导到环境中的光束导向器，以由光检测和测距系统在视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由光检测和测距系统生成指示环境的特性的至少一个信号；
接收对与一个或更多个第二光束相关联的扫描轮廓(scan profile)的选择，以在视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将所选择的一个或更多个第二光束提供给光束导向器；
其中，所述选择基于至少一个信号，并且其中，在视场的至少一部分上，以下中的至少一项成立：
第二角分辨率不同于第一角分辨率；以及
第二时间分辨率不同于第一角分辨率。
在本公开的另一方面中，提供了一种在可在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
将一个或更多个第一光束提供给光束导向器，以由光检测和测距系统在视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由光检测和测距系统生成指示环境的特性的至少一个信号；
接收对与一个或更多个第二光束相关联的扫描轮廓的选择，以在视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将所选择的一个或更多个第二光束提供给光束导向器；
其中，所述选择基于至少一个信号，并且其中，在视场的至少一部分上，第二角分辨率不同于第一角分辨率，并且其中，一个或更多个第二光束在视场的第一部分内实现第二角分辨率，并且还在视场的不同于第一部分的第二部分内实现第三角分辨率，其中第三角分辨率不同于第二角分辨率。
在本公开的另一方面中，提供了一种在可在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
由波长受控光源将一个或更多个第一光束提供给被配置成基于波长将光引导到环境中的光束导向器，以由光检测和测距系统在视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由光检测和测距系统生成指示环境的特性的至少一个信号；
接收对与一个或更多个第二光束相关联的扫描轮廓的选择，以在视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将所选择的一个或更多个第二光束提供给光束导向器；
其中，所述选择基于至少一个信号，并且其中，在视场的至少一部分上，第二角分辨率不同于第一角分辨率，并且其中，一个或更多个第二光束在视场的第一部分内实现第二角分辨率，并且还在视场的不同于第一部分的第二部分内实现第三角分辨率，其中第三角分辨率不同于第二角分辨率。
在本公开的另一方面中，提供了一种在光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
在一个或更多个扫描迭代的第一集合中，跨视场的第一维度以第一角分辨率轮廓在第一视场上引导光；以及
在一个或更多个扫描迭代的第二集合中，跨第一维度以第二角分辨率轮廓在第一视场上引导光，第二角分辨率轮廓不同于第一角分辨率轮廓；
其中，一个或更多个扫描迭代的第一集合的帧速率或时间分辨率与一个或更多个扫描迭代的第二集合的帧速率或时间分辨率相同。
视场可以包括与第一维度正交的第二维度，并且该方法可以包括对于一个或更多个扫描迭代的第一集合和一个或更多个扫描迭代的第二集合，保持或改变跨第二维度的角分辨率轮廓。角分辨率可以沿第二维度基本上均匀，或者可以包括压缩的角分辨率的区域。
在本公开的另一方面中，提供了一种在光检测和测距系统中的光束引导的方法，该方法包括：
在一个或更多个扫描迭代的第一集合中，跨视场的第一维度以第一角分辨率轮廓在第一视场内引导光；以及
在一个或更多个扫描迭代的第二集合中，跨第一维度以第二角分辨率轮廓在第一视场内引导光，第二角分辨率轮廓不同于第一角分辨率轮廓；
其中，第一分辨率轮廓跨第一维度具有基本上均匀的角分辨率，而第二分辨率轮廓跨第一维度不具有均匀的角分辨率。
非均匀角分辨率可包括视场内沿第一维度的压缩的区域。压缩的区域可以对应于视场内确定的中央凹(foveation)区域。第一扫描迭代集合和第二扫描迭代集合中的至少一个可以跨整个第一视场延伸。对于第一扫描迭代集合和第二扫描迭代集合，帧速率或时间分辨率可以是相同的。
在上述方面中的任何方面的一些实施例中，提供静态扫描轮廓集合，并从可用的扫描轮廓中进行选择以实现角分辨率和/或时间分辨率的所描述的改变。静态扫描轮廓集合可以是用于空间估计的唯一轮廓，或者除了静态集合之外，还可以基于由空间估计系统检测到的估计的环境来使用附加的动态形成的扫描轮廓。
在本公开的又一方面中，提供了用于光束引导的装置，该装置被配置成实现在前面段落中描述的方法。
在本公开的又一方面中，提供了包括指令的非暂时性计算机存储装置，该指令使空间估计系统的处理单元执行在前面段落中描述的方法。
从通过示例的方式并参考附图给出的以下描述中，本公开的另外其他方面和在前面段落中描述的方面的进一步的实施例将变得明显。
附图简述
图1示出了用于对环境进行空间剖析(profiling)的模块。
图2A和图2B示意性地示出了光束导向器的第一实施例。
图3A和图3B示出了光交错复用器(optical interleaver)的不同布置。
图4示出了阵列波导光栅(arrayed waveguide grating)的示例。
图5示出了具有准直元件的光束导向器的第一实施例。
图6示意性地示出了光束导向器的第二实施例。
图7示出了光束导向器的第二实施例的示例。
图8A-图8C示出了包括多个衍射元件的波长转向元件的示例。
图9示出了用于促进对环境的空间剖析的估计的系统的另一布置。
图10示出了用于将中央凹扫描模式应用于空间剖析布置的扫描的示例系统。
图11是示出根据本公开的一些实施例的示例地平线中央凹扫描轮廓的曲线图。
图12是示出根据本公开的一些实施例的示例基于距离的中央凹扫描轮廓的曲线图。
图13是示出根据本公开的一些实施例的示例区域中央凹扫描轮廓的曲线图。
图14是示出根据本公开的一些实施例的在检测环境中的对象方面的示例置信水平的不确定性地图(map)。
图15是示出根据本公开的一些实施例的用于中央凹的突出显示区域的预测的行驶地图。
图16是根据本公开的一些实施例的用于将中央凹扫描模式应用于空间剖析布置的扫描的过程。
图17示出了预定扫描轮廓的示例集合。
图18示出了可包括在预定集合中的其他扫描轮廓。
图19示出了显示两个维度之间点密度权衡的示例扫描轮廓。
图20-图22是用于从扫描轮廓的预定集合中自动选择扫描轮廓的过程的示例。
图23示出了显示如何从扫描轮廓的预定集合中动态地选择扫描轮廓的示例。
图24和图25示出了用于创建可变2D扫描轮廓的过程的示例。
图26示出了示例可变2D扫描轮廓。
图27示出了空间剖析布置的框图表示。
实施例的详细描述
在LiDAR系统内，角分辨率和时间分辨率中的一个或两个可以通过改变/调整视场而受到影响。例如，在LiDAR系统的一些实施例中，可以跨针对系统的视场(“第一视场”)完成一次扫描，并且可以跨较小的视场(“第二视场”)完成后续扫描。第二视场是第一视场的一部分。在其他实施例中，第二视场大于第一视场。第一视场和第二视场可以重叠。在这些实施例中的任何一个中，LiDAR系统可以在进一步的后续扫描中被配置成返回到跨第一视场进行扫描。
附加地或替代地(例如，当第一视场和第二视场的大小相同时)，一部分视场内的角分辨率和时间分辨率中的一个或两个可以通过改变点密度而受到影响。在波长可转向的LiDAR系统中，诸如在申请人的第PCT/AU2016/050899号国际专利申请(公开为WO 2017/054036 A1)中描述的那些系统中，可以通过改变每次扫描的光脉冲或其他光学测距信号的数量，和/或通过配置光脉冲或其他光学测距信号的波长信道，使得更多(或更少)脉冲或测距信号在一个或更多个波长范围的第一集合内且更少(或更多)脉冲或测距信号在一个或更多个波长范围的第二集合内，来改变点密度；第二集合中的波长范围与第一集合中的波长范围不同。
在具有一个或更多个机械转向部件的LiDAR系统中，可以通过改变每次扫描的光脉冲或其他光学测距信号的数量和/或通过调整机械转向部件中的一个或更多个的转向速率来改变视场和/或点密度。例如，如果机械转向部件旋转以便在不同方向上引导光，则旋转速率的改变可以实现时间分辨率的相应改变，并且还可以实现角分辨率的相应改变。在具有一个或更多个机械转向部件并被配置成用于基于波长转向的LiDAR系统中，可以控制机械部件和影响基于波长转向的部件中的一者或两者。在申请人的第PCT/AU2017/051395号国际专利申请(公布为WO 2018/107237 A1)和第PCT/AU2019/050437号国际专利申请(公布为WO 2019/241825 A1)中描述了既具有基于波长转向又具有基于机械转向的LiDAR系统的示例。
例如，在LiDAR系统的一些实施例中，可以以第一帧速率用第一点密度完成一次扫描，并且可以以第二帧速率以第二点密度完成后续扫描。第二点密度可以低于第一点密度，并且第二帧速率可以高于第一帧速率(至少部分地根据较低的点密度实现)。可以以第一点密度和第一帧速率完成进一步的后续扫描。
在另一示例中，在LiDAR系统的一些实施例中，可以用一种点密度分布(例如跨视场基本上均匀的点密度)完成一次扫描，然后用另一种点密度分布完成后续扫描，例如跨相同或不同的视场不均匀的点密度分布，例如，在视场的一个或更多个子区域内具有相对增加的点密度，可选地在子区域外具有减少的点密度。在进一步的后续扫描中，LiDAR系统可以返回到使用原始(均匀)点密度分布进行扫描。
在进一步的示例中，帧内的点的总数和视场内的点的分布两者都可以被调整，以便在扫描之间有所不同。
一些实施例组合上述示例中的两个或更多个。
本公开的实施例认识到，具有特定特性的LiDAR系统可以与用于调整视场的控制系统配对，例如如上所述，以提供对时间和/或角分辨率的有效控制。这种控制至少在某些应用中可以提供更有效的LiDAR系统。例如，在LiDAR系统被用于具有增加与检测到的快速移动对象(相对于LiDAR系统)相关的时间分辨率的能力和/或增加与检测到的相对远的对象相关的角分辨率的能力的自动交通工具的应用中，可以允许改进的性能。
如果还可以调整第二视场的位置和/或大小和/或形状，则对于某些应用或情形，可以进一步提高调整视场的优点。例如，如果检测到快速移动和/或远处的对象，则系统(例如，通过相对于不在对象处的区域，在对象处的区域内使用增加的点密度)在该对象上中央凹化的能力可能是有利的。在LiDAR系统的上下文中的中央凹化指的是被控制以在视场的不同区域中呈现差别时间分辨率和/或呈现差别角分辨率的能力。如果也可以调整其中点密度变化的子区域的位置和/或大小和/或形状，则可以实现类似的优点。
本公开涉及LiDAR系统的实施例，该LiDAR系统包括至少部分地基于光束的波长将光束引导到视场内的环境中的光束导向器。例如，在上述三维映射中，跨二维空间中的两个维度中(例如在笛卡尔坐标(x，y)中或在极坐标(θ，
Figure BDA0003730175980000091
)中)的至少一个进行扫描。跨至少一个维度的扫描可以是线性的或非线性的。
在一些实施例中，实现跨维度扫描的光束导向器的光学部件不包括机械地移动的零件，以实现从第一视场到第二视场的对视场的控制。此外，在一些实施例中，除了实现从第一视场到第二视场的转变之外还实现中央凹化的光束导向器的光学部件也不包括机械地移动的零件。例如，相关的光学部件不包括扫描镜以实现所要求的对光束方向的控制。
在一些实施例中，实现跨维度扫描的光束导向器的光学部件包括一个或更多个色散元件。一个或更多个色散元件可以由以下中的一个或两个或更多个的组合组成或包括以下中的一个或两个或更多个的组合：光栅、棱镜、棱栅和阵列波导光栅。色散元件可以不移动或至少不移动以实现针对视场控制和/或中央凹化的跨一个或更多个维度的扫描。在申请人的第PCT/AU2016/050899号国际专利申请(公布为WO 2017/054036 A1)中描述了使用色散元件进行光束引导的示例LiDAR系统。
本文描述了用于至少部分地基于光束内的光的波长来引导光束的光学系统(特别是空间剖析布置)的实施例，其中可以实现对角分辨率和/或时间分辨率的改进或控制。对角分辨率和/或时间分辨率的改进或控制可应用于用于基于光束的波长信道来引导光束的其他光学系统(包括其他空间剖析布置)。
所描述的实施例能够基于一个或更多个选择的波长信道来使光转向。尽管下面的描述涉及选择单个波长信道(例如，通过调谐波长可调谐激光器)，但本领域技术人员将理解，该描述在稍作修改(例如，将两个或更多个波长可调谐激光器光学耦合在一起)的情况下，也可适用于选择两个或更多个波长信道。
所描述的实施例可用作或用于，例如用于估计环境的空间轮廓(例如，Z轴或深度)的空间剖析布置中的光束导向器。光束引导的其他示例应用包括光谱测量、光学视线通信(例如，如在申请人的公开为WO 2019/036766 A1的第PCT/AU2018/050901号国际专利申请中所述的)、生产线上的2D扫描、投影仪、2D打印机、自适应照明等。尽管下面的描述聚焦于空间轮廓估计，但相关领域的技术人员将理解，该描述在稍作修改的情况下也可适用于其他光束引导应用。
图1示出了空间剖析布置100的示例。布置100包括光源102、光束导向器103、光接收器104和处理单元105。在图1的布置中，来自光源102的出射光由光束导向器103沿两个维度上的方向引导到具有空间轮廓的环境110中。如果出射光击中对象或反射表面，则至少一部分出射光可被对象或反射表面反射(以实心箭头表示)(例如散射)回光束导向器103，并在光接收器104处被接收。处理单元105可操作地耦合到光源102，用于控制其操作。处理单元105还可操作地耦合到光接收器104，用于通过确定反射光行进的往返距离来确定到反射表面的距离。
处理单元105包括至少一个处理设备。处理单元105可以是单个计算机处理设备(例如，中央处理单元、图形处理单元、被编程的固件芯片、专用集成电路或其他计算设备)，或者可以包括相同和/或不同类型的多个计算机处理设备。在一些实例中，所有处理都将由处理单元105和与在空间剖析布置100的其他部件在本地的物理部件一起执行，然而在其他实例中，处理也可以至少部分地由空间剖析布置100(以共享或专用方式)可访问和可使用的远程处理设备执行。这些处理设备的至少一些形式将具有一个或更多个相关联的机器可读存储(存储器)设备，其存储用于控制该处理设备的操作以及进而控制处理单元105和空间剖析布置100的操作的指令和/或数据。处理设备和存储器设备之间的通信可以通过通信总线。
处理单元105还包括一个或更多个接口(未示出)，处理单元经由该接口与各种设备(例如光源102和光接收器104)和/或网络对接。一般而言，其他设备可以与处理单元105集成在一起，或者可以是分离的。在设备是分离的情况下，连接可以经由有线或无线硬件和通信协议，并且可以是直接或间接(例如，联网)连接。
光源102、光束导向器103、光接收器104可以经由自由空间光学器件和/或光波导(诸如2D或3D波导形式的光纤或光学电路)而彼此光学耦合。来自光源102的出射光被提供给光束导向器103，用于引导到环境中。光束扩展光学器件可以设置在光源102和光束导向器103之间(或者可以是光源102和光束导向器103中的任一者的一部分)。由光束导向器103收集的任何反射光可以被引导到光接收器104。在一个示例中，来自光源102的光还经由从光源102到光接收器104的直接光路(未示出)被提供给光接收器104，用于光学处理目的。例如，来自光源102的光可以首先进入采样器(例如，90/10光纤耦合器(fibre-opticcoupler))，其中光的大部分(例如，90％)被提供给光束导向器103，而光的剩余采样部分(例如，10％)经由直接路径被提供给光接收器104。在另一示例中，来自光源102的光可以首先进入光开关的输入端口并从两个输出端口中的一个离开，其中在由处理单元105确定的时间，一个输出端口将光引导到光束导向器103，而另一个输出端口将光重新引导到光接收器104。在所并入的第PCT/AU2016/050899号国际申请(WO 2017/054036 A1)中描述了用于确定环境的空间轮廓的技术。
图2A示出了图1的光束导向器103的实施例103A。来自光源102的光201包括被分组成M组非相邻波长信道的N个波长信道中的选定的一个波长信道。光源102可以是波长可调谐激光器，允许经由电子控制信号选择期望的波长信道。每组非相邻波长信道包括非连续波长信道。M组非相邻波长信道可以是交错的波长信道。在一个示例中，其中N个波长信道由其中心波长λ1、λ2、……λN指定，M组交错的波长信道为{λ1,λM+1,……λN-M+1}、{λ2,λM+2……λN-M+2}、……和{λM,λ2M,……λN}。也就是说，在本示例中，每个组包括均匀间隔开的波长信道(在本例子中，每隔M-1个的波长信道)，并且所有M组具有相同的间隔。在另一示例中，非相邻波长信道可以是非交错的波长信道，但仍然几乎从λ1扩展到λN(例如{λ1,……λN}、{λ2,……λN-2}、……和{λM,……λN-M})。在任一示例中，每组交错的波长信道几乎从λ1扩展到λN(光源102的可调谐范围)。
所举例说明的光束导向器103A包括波长路由器202(例如，光交错复用器)，用于将一组非相邻波长信道的光201从第一端口204路由到第二端口206-1、206-2……206-M(统称为206)中的一个。该路由基于选定的波长信道。例如，在交错布置中，所举例说明的光束导向器103A被配置成将第一M个连续波长信道路由到相应的M个第二端口。也就是说，λ1被路由到端口206-1，λ2被路由到端口206-2，……以及λM被路由到端口206-M。此外，光束导向器103A被配置成将第二M个连续波长信道路由到相应的M个第二端口。也就是说，λM+1被路由到端口206-1，λM+2被路由到端口206-2，……以及λ2M被路由到端口206-M。所举例说明的光束导向器103A被配置成用于对其余波长信道类似地进行路由。也就是说，在交错布置中，每个后续批次的M个连续波长信道被路由到相应的M个第二端口。实际上，每个第二端口与非相邻波长信道λkM+n的组中的相应一组相关联，其中k∈0到N-1，n表示指定的第二端口。例如，所举例说明的光束导向器103A被配置成将任一波长信道λkM+1处的光201路由到端口206-1、将任一波长信道λKM+2处的光201路由到端口206-2……以及将任一波长信道λ(K+1)M处的光201路由到端口206-M。
第二端口206被布置成跨波长维度引导所路由的光。该波长维度可以是第一维度(例如，沿着图2A的y轴或垂直方向)、与第一维度相关或以其他方式与第一维度相关联。在图2A中，关联由第二端口206的物理分离的布置产生，以允许沿y轴独立引导出射光。光束导向器103A还包括色散元件208-1、208-2……208-M(统称为208)的阵列，这些色散元件被布置成各自接收来自第二端口206中的相应一个的路由的光。色散元件208(例如经由波导耦合、光纤耦合和自由空间耦合机构(包括准直元件)中的一种或更多种)光学地耦合到第二端口206，以接收路由的光。光学耦合在图2中用虚线表示。色散元件208的阵列中的每一个被配置成跨第二维度(例如，沿着图2A的x轴或水平方向)进一步引导接收到的光。在一个示例中，色散元件阵列208中的一个或更多个各自包括自由空间衍射耦合器。替代地或附加地，色散元件阵列208中的一个或更多个包括衍射光栅、棱镜和棱栅。仍然替代地或附加地，色散元件208各自可以是单个元件或多个元件，其中色散元件208各自以波导被波导耦合到输出端口206(总共M个波导)，并且其中M个波导全部通过相同的光学部件传播。光束导向器103A可以包括一个或更多个准直元件，以准直来自色散元件208的出射光212(在图2A中用虚线表示)。
为了说明的目的，在图2A和图2B中描绘了不是所描述的系统103A的一部分的屏幕210，以描绘当选定波长在λ1和λN之间扫掠时出射光束212的空间分布。图2B示意性地示出了位于系统103A的输出端处用于拦截出射光的屏幕210的说明性图像250。图2B中的每个点表示波长信道λ1、λ2、……λN中的选定的一个。注意，每个点实际上基于选定的波长信道独立地出现，但是为了说明目的，所有点在图2B中被同时描绘，好像它们可以同时被捕获一样。说明性图像250指示M组光输出(212-1、212-2……212-M)。每组的点数仅仅是说明性的，并不代表实际的数目。M组光输出对应于相应的M个色散元件208-1、208-2……208-M。这些组分布在第一维度(例如，y轴)上，其中每个组在基本上垂直于第一维度的第二维度(例如，x轴)上延伸。第一维度可以不一定与波长维度(即，光被波长路由器202引导的维度)完全一致，并且第二维度可以不一定与正交于波长维度的维度完全一致。
在出于说明目的的非限制性示例中，光源102可以包括电信级(telecommunications-grade)激光器。电信级激光器可以具有100nm的波长可调谐范围，诸如从大约1527nm到大约1567nm(或在1550nm处的大约5000GHz)，在0.0004nm到0.008nm的步长(或在1550nm处的大约50MHz到1GHz的步长)中可调谐。例如，如果光源102在40nm范围中是波长可调谐的，则总共有大约5000个步长(即N＝5000)。
波长路由器202是包括八个(即M＝8)第二端口的光交错复用器，每个端口与625个交错的波长信道相关联(例如，λ1、λ9、λ17……λ4993被路由到一个第二端口，λ2、λ10、λ18……λ4994被路由到另一个第二端口，依此类推，λ8、λ16、λ24……λ5000被路由到最后一个第二端口)。由于将非相邻波长信道分组到相应的第二端口中，例如在交错的波长信道的组中，每个第二端口被配置成接收和引导跨越光源120的几乎整个可调谐范围的光(例如，λ1到λ4993跨越约40nm–(8×0.008nm)＝39.936nm)。相比之下，在相邻信道以其他方式进行分组的情况下(例如，将λ1到λ625分组到第一个第二端口，等等)，每个组仅跨越光源120的整个可调谐范围的一小部分(例如，八分之一)(例如，λ1到λ625跨越约40nm/8＝5.0nm)。因此，不仅将非相邻波长信道分组到相应的第二端口中有助于跨第一维度的光束引导，而且被分组的波长信道是非相邻的还允许波长信道范围的更大扩展，并且因此对于色散元件208的给定色散，第二维度上的光束发散度增加。
在一种布置中，光交错复用器202可包括一个或更多个马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)。图3A示出了1×2光交错复用器中的MZI 300的示例。MZI300可以是基于波导的或基于光纤的。MZI300包括输入端口302和两个输出端口304-1和304-2(统称为304)。MZI包括干涉仪的两个臂之间的固定路径差，使得进入输入端口302的光基于波长信道出现在输出端口304中的一个处。在一个示例中，输入端口302被配置成接收波长信道{λ1,λ2,……λN}的光，并且如果接收到的波长信道是{λ1,λ3,……λN-1}中的一个，则将光路由到输出端口304-1，或者如果接收到的波长信道是{λ2,λ4,……λN}中的一个，则将光路由到输出端口304-2。使用上面的数值示例中的参数，可以通过将MZI 300配置成具有0.008nm(或在1550nm处的约1GHz)的自由光谱范围(FSR)来实现1×2光交错复用器。
图3B示出了1×4光交错复用器中的级联MZI 306。级联MZI 306包括三个组分MZI300-1、300-2和300-3，每个如图3A所示。前面的MZI 300-1的两个输出端口光学耦合到随后的两个MZI 300-2和300-3的相应输入端口。随后的MZI 300-2和300-3中的每一个都包括两个输出端口。因此，级联MZI 306总共包括四个输出端口。级联MZI 306中的每个组分MZI在它们的两个干涉臂中具有相应的路径差，以有助于以交错方式路由波长信道。例如，级联MZI 306被配置成接收波长信道{λ1,λ2,……λN}的光，并且如果接收到的波长信道是{λk,λk+4,……λN-4+k}中的一个，则将光路由到编号为k的输出端口(其中k∈{1,2,3,4})。本领域技术人员将理解，1×M光交错复用器可以使用级联的Q个组分MZI来实现，其中M＝Q+1为输出端口的数目，每个输出端口与一组交错的波长信道相关联。如果接收到的波长信道是{λk,λk+M,……λN-M+k}中的一个，则编号为k的输出端口(其中k∈{1,2,……M})接收所路由的光。
技术人员还将理解，在实践中，由于光被路由到非预期端口而存在串扰。也就是说，在实践中，即使接收到的波长信道不是{λk,λk+M,……λN-M+k}中的一个，编号为k的输出端口也可能接收少量的所路由的光。在一个示例中，串扰的水平大约为-30dB或更低。
在另一种布置中，光交错复用器202可包括一个或更多个阵列波导光栅(AWG)。在一个示例中，一个或更多个AWG包括至少一个循环AWG(有时称为无色AWG)。图4示出了M×M循环AWG 400的示例。循环AWG 400可以是基于波导的或基于光纤的。循环AWG 400包括多个输入端口402-1……402-M和多个输出端口404-1……404-M。例如，循环AWG400被配置成在其任何输入端口402处接收波长信道{λ1,λ2,……λN}的光，并且如果接收到的波长信道是{λk,λk+M,……λN-M+k}中的一个，则将光路由到编号为k的输出端口404。与非循环AWG相比，循环AWG通常具有更小的FSR，从而预期每个输出端口有更多路由的波长信道。
在又一布置中，光交错复用器202可包括一个或更多个阶梯光栅解复用器(echelle demultiplexer)。
在又一布置中，光交错复用器202可以包括一个或更多个MZI、一个或更多个AWG(诸如循环AWG)以及一个或更多个阶梯光栅解复用器的任何组合。
因此，光交错复用器202包括对应于M组波长信道的M个第二端口，每个第二端口承载M/N个非相邻信道。在一种情况下，M和N/M中的一个至少是8、16或32。这种情况对应于这样的光束导向器，其中光跨第一和第二维度中的一个维度被引导到至少8、16或32个像素上(例如，在图2B中跨x或y轴生成8、16或32个点)。例如，在前面描述的布置中，M为8。在另一示例中，M为16。在又一示例中，M为32。
此外，具有较小FSR的光交错复用器每个第二端口承载更多波长信道。在一个用例中，FSR被设计成不超过10GHz。在另一用例中，FSR被设计成不超过5GHz。在又一用例中，FSR被设计成不超过1GHz。例如，在本文前面描述的布置中，FSR为1GHz。
在一种布置中，如图5所示，光束导向器103A可以光学地耦合到准直元件502，或者可以进一步包括准直元件502，以准直出射光束212。为了简单起见，仅示出了出射光束212的三个平面。在一个示例中，准直透镜502包括柱面透镜。在该示例中，色散元件208位于柱面透镜的焦平面内或焦平面附近。虽然未示出，但如果将屏幕放置在柱面透镜的输出端处，则可以观察到类似于图2B所示的分布。
图6示出了图1的光束导向器103的另一实施例103B。来自光源102的光601包括N个波长信道中的选定一个。光源102可以是波长可调谐激光器，允许经由电子控制信号选择期望的波长信道。
如图6所示，光束导向器103B包括色散元件602，色散元件602被布置成基于多个波长信道λ1、λ2、……λN中的选定一个在波长维度603上(例如，沿着图6中的x轴)引导光。光束定向器103B还包括空间路由器604，以接收基于波长信道被引导的光601-1至601-N。空间路由器604包括根据波长维度布置的多个第一端口(606-1……606-N，统称为606)，以接收被引导的光。空间路由器604还包括多个第二端口(608-1……608-N，统称为608)，每个第二端口与多个第一端口606中的相应一个相关联，它们以包括第一维度(例如沿着x轴)和第二维度(例如沿着y轴)的两个维度布置。光束导向器103B可以包括准直光学器件(未示出)，诸如一个或更多个GRIN透镜，以将基于波长信道被引导的光601-1到601-N聚焦或准直到多个第一端口中。空间路由器604被配置成用于将引导的光601从多个第一端口606中的一个路由到多个第二端口608中的相应一个。在一种布置中，空间路由器604包括光波导的1D至2D阵列。空间路由器604可以包括用于光学耦合第一端口和第二端口的相应对的光波导605-1……605-N(统称为605，但为了简单起见，仅示出两个)。
光波导605可以通过直接激光写入技术被写入透明材料中。一种这样的技术涉及使用飞秒激光脉冲来经由非线性吸收可控地修改透明材料的折射率，以雕刻波导605。透明材料的一个示例是体硅，其在宽的波长范围内是透明的，该宽的波长范围包括光源102的那些波长(例如，用于电信级光源的1550nm波长带附近)和直写激光器的那些波长(例如，用于钛:蓝宝石飞秒激光器的810nm波长带附近)。
与每个维度对齐的波长信道的数目可以是任意的，并且由直接激光写入过程确定。例如，N个波长信道λ1、λ2、……λN可以被分组为M组波长信道。M组波长信道可以表示第二端口608的M行或M列。M组波长信道可以是{λ1,λM+1,……λN-M+1}、{λ2,λM+2……λN-M+2}、……和{λM,λ2M,……λN}。在另一示例中，M组波长信道可以是{λ1,……λN/M}、{λN/M+1,……λ2M/N}、……和{λN-N/M,……λN}。因此，通过选择波长信道(例如，经由光源102的波长调谐)，光601可以被路由到第二端口608中的对应的一个。光束导向器103B可以包括一个或更多个准直元件，诸如透镜阵列(未示出)，以准直或聚焦离开第二端口608的光610(如果发射到环境110中)或进入第二端口608的光610(如果从环境110反射)。光束导向器103B可以包括焦平面布置中的一个或更多个输出准直透镜，类似于图5中的准直元件502。在这种布置中，输出端口的2D阵列被配置成由通过一个或更多个输出准直透镜的变换被映射到在两个对应维度上的光束引导角。
在一种布置中，色散元件602包括棱镜、衍射光栅和棱栅中的任何一个或更多个。在另一布置中，如图7所示，色散元件602包括阵列波导光栅(AWG)700，类似于如图4所举例说明的AWG 400。AWG 700包括输入端口702和多个输出端口704-1……704-N。AWG 700的输出端口704-1……704-N分别光学地耦合到空间路由器604的第一端口606-1……606-N。
图8A至图8C示出了包括多个衍射元件800A、800B和800C或800A和800B的波长转向元件800的示例。虽然该示例示出了具有两个或三个衍射元件的示例，但可以使用更多(例如四个)衍射元件。每个附加的衍射元件可以提供附加的衍射，因此提供不同地被引导的光束的更大角分离。波长转向元件还包括色散元件814A或多于一个的色散元件814A、814B。在这些布置中，为了节省空间，一个或更多个色散元件与一个或更多个衍射元件夹杂在一起。
衍射元件800A、800B和800C(如果存在的话)被配置成将扩展的光束806沿第一维度引导到至少第一方向812A和第二方向812B，这取决于波长。第一方向812A对应于在第一选定波长信道λA处的出射光。第二方向812B对应于在第一选定波长信道λB处的出射光。图8A-图8C示出了每个衍射元件产生一个衍射级，但实际上每个衍射元件可以产生一个或更多个附加的级。在每个衍射元件处，光束被角度递增地分散。与具有例如单个衍射元件的布置相比，多个衍射元件的使用增加了角分离。
在所示的实施例中，多个衍射元件被布置成使它们的衍射平面对齐以使光束在单向光束路径中转动(例如，如图8A所示顺时针通过光栅800A、800B然后通过800C，或逆时针)。单向光束路径有助于光学路径的折叠，以减小波长转向元件800的大小，并因此减小整个系统的占用空间。
在图8A至图8C中，所有衍射元件使它们的衍射轴在相同方向上(例如沿y轴)对齐，这导致在第一维度上(例如沿x轴)的角色散。通过(例如绕衍射元件的光轴或z轴)旋转或以其他方式从角度上调整衍射元件中的至少一个并因此(例如在x-y平面中)旋转其衍射轴，光束可以被引导到基本上垂直于第一维度(例如沿x轴)的第二维度(例如沿y轴)上。本文的描述将“旋转(rotate)”、“旋转(rotation)”、“旋转(rotating)”或类似物引用为包括任何形式的角度调整，而不一定是例如恒定地或连续地旋转的元件。
图9示出了图1中所示的空间剖析布置的示例900。在该示例中，系统900包括光传输组件902，该光传输组件902被配置为将来自光源102的出射光901传输到光束导向器103，并将来自光束导向器103的反射光903传输到光检测器104。光传输组件902包括光波导，诸如2D或3D波导形式的光纤或光学电路(例如光子集成电路)。来自光源102的出射光被提供给光束导向器103，用于引导到环境中。在一些实施例中，由光束导向器103收集的任何反射光可附加地被引导到光检测器104。在一种布置中，对于光混合检测，来自光源102的光也经由从光源102到光检测器104的直接光路(未示出)被提供给光检测器104，以用于光学处理目的。例如，来自光源102的光可以首先进入采样器(例如，90/10导光耦合器(guided-opticcoupler))，其中光的大部分(例如，90％)被提供给光束导向器103，而光的剩余采样部分(例如，10％)经由直接路径被提供给光检测器104。在另一示例中，来自光源102的光可以首先进入光开关的输入端口并从两个输出端口中的一个离开，其中在由处理单元105确定的时间，一个输出端口将光引导到光束导向器103，而另一个输出端口将光重新引导到光检测器104。
光传输组件902包括三端口元件905，用于将从第一端口接收的出射光耦合到第二端口并将从第二端口接收的出射光耦合到第三端口。该三端口元件可包括光环行器或2×2耦合器(其中不使用第四端口)。在一种布置中，光传输组件902包括在光源102和光束导向器103之间用于携带在第一和第二选定波长信道处的出射光901的输出(outbound)导光路由，以及在光束导向器102和光检测器104之间用于(同时或在不同时间)携带在第一和第二选定波长信道处的反射光903的输入(inbound)导光路由903。导光路由各自可以是光纤路由和光学电路路由中的一种。
在一种布置中，如图9所示，光束导向器103包括光束扩展光学器件904。光束扩展光学器件904可以包括带尾纤的准直器312(诸如渐变折射率(GRIN)透镜)和聚焦元件，该准直器用于将出射光901从波导形式提供到自由空间形式中。
将理解的是，在图8A、图8B、图8C和图9内，实线和虚线表示在不同的选定波长信道中的扩展的光束，并且为了说明目的被示出为略微偏离。实际上，它们在空间中可能会或可能不会基本上或完全重叠。
可以通过控制光源102来实现对视场和/或点密度的控制。例如，处理单元105可以包括处理设备，其控制光源102生成的脉冲所在的一个或更多个波长范围。
例如参考参照图2A和图2B(以及可选地还参照图5)描述的实施例，可以通过选择存在于光源102的扫描或扫掠中的波长信道λ1、λ2、……λN来控制视场。可以通过执行选择波长信道λ1、λ2、……λN中的每一个的扫描或扫掠来扫描“全”视场。可以通过选择波长信道的一个或更多个子集来扫描较小的视场。例如，示例子集可以通过包括λ1到λN/2+M/2或λ1到λnM而集中在图2B所示的左侧，其中n是整数并且被选择为包含要被包括在扫描中的从图2B中左侧开始的所需列数。另一个示例子集可以集中在图2B所示的中心。通过示例的方式使用人工较低数量的波长信道(其中N＝20和M＝4)，则集中于中心的扫描可将波长信道限制为λ6到λ7、λ10到λ11以及λ14到λ15。
扫描通过较低数量的波长信道λX(其中X<N)允许在较少量的时间内完成一次扫描。因此，可以在给定时间段内更频繁地扫描由选择较少数量的波长信道供光源102扫描通过而产生的较小的视场。在某些情况下，例如，如果检测到需要跟踪的一个或更多个快速移动的对象，则在给定时间段内更频繁地扫描可能是有用的。在一些实施例中，所扫描的波长信道的数目可以是X，其中2X<N或5X<N或10X<N或100X<N或1000X<N或10000X<N。
在一些实施例中，可供选择的波长信道的数量不是固定的。在波长范围λR——包含波长信道λ1到λN并由波长信道λ1到λN限定——内，光源102可以可调谐以生成多于或少于N个波长信道。例如，光源102可以可调谐到波长范围λR内的2N个不同波长信道中的任何一个。因此，控制在给定波长范围内选择的波长信道的数量可以实现对与该范围相对应的视场内的角分辨率的控制。例如，可以使用N个选定信道以第一分辨率完成一次扫描，并且可以使用2N个选定信道(或者在N+1和2N之间(包括2N)或大于2N的任意其他数量)以更高的分辨率完成后续扫描。类似地，如果需要，可以以更低的分辨率进行后续扫描或另一后续扫描。
在一些实施例中，选定的波长范围和为每个波长范围选定的波长信道的数量可以在扫描之间或扫描内改变。为每个波长范围选定的波长信道的数量可以在选定的范围上恒定，也可以在选定的范围内上可变。类似地，在有多于一个的选定的波长范围的情况下，为各个波长范围选定的波长信道的数量可以相同或不同。此外，在有多于一个的选定的波长范围的情况下，为每个波长范围选定的波长信道的数量在波长范围上的可变性可能在不同的选定的波长范围之间有所不同。
光源102的波长可在5ms内(诸如低于500μs、低于50μs、低于5μs或低于0.5μs)从一个或更多个波长信道的第一集合调谐到一个或更多个波长信道的第二集合。光源可以在40nm的最大范围内并且以8nm/ms内(诸如低于80nm/ms、低于800nm/ms、低于8nm/μs或低于80nm/μs)的调谐速度进行波长调谐。在一些示例中，光源102可以包括半导体激光器，其发射波长可基于载流子效应进行调谐。将理解的是，利用光源102的相对快速的波长调谐特性，扫描轮廓可以被快速改变(例如用于中央凹目的)。
在一些实施例中，光源被控制以便控制视场内多个点密度的使用和分布。再次使用参考图2A和图2B描述的示例，通过将在包括λ1到λN/2+M/2的波长范围λR1内选择的波长信道的数量增加到高于N/2的数量，可以为左侧实现增加的角分辨率。例如，如果在波长范围λR1内选择的波长信道的数量从N/2(如图2B所示)增加到2N/3，则左侧内的角分辨率将增加。
如果为右侧选定的波长信道的数量保持为N/2，则选定的波长信道的总数将增加。这可能会降低系统的时间分辨率。
为了避免或减少对时间分辨率的这种影响，或者出于另一个原因，可以减少为右侧选定的波长信道的数量。例如，如果将该数量设置为N/3，则选定的波长信道的总数将保持为N。因此，在一些实施例中，系统具有在视场的至少一个区域上中央凹化(foveate)的能力。
替代地或附加地，可以通过减小视场来减小对时间分辨率的影响。例如，如果扫描被限制到波长范围λR1，则选定的波长信道的总数将是2N/3。由于这小于N，因此结合角分辨率的增加，时间分辨率增加(以较小的视场为代价)。在另一变型中，光源可以继续选择N个波长信道用于扫描，其中剩余的波长信道在波长范围λR1之外被选择，直到N个波长信道被选择。
与参考图2A和图2B的实施例所描述的相同或类似的技术可以应用于参考图6和图7所描述的实施例。这些实施例的空间路由器将需要多个端口以适应所要求的角分辨率的可操作范围。类似地，AWG 600(如果使用的话)的输出端口704-1…704-N的数量也将需要适应所要求的角分辨率的可操作范围。实际上，端口的使用是通过波长信道的选择来控制的。
在另一示例中，与参考图2A和图2B的实施例所描述的相同或类似的技术可以应用于参考图8A至图8C描述的实施例。具体地，在图8A至图8C的实施例的描述中，波长信道的选择影响在参考的第一维度(可称为“波长维度”)中的点云中的点的分辨率和/或分布。通过合适的光束转向机制，例如波长转向元件800中的衍射元件的旋转，该效应可以扩展到第二维度(由于实现转向的物理移动，第二维度然后可以被称为“机械维度”)中。在申请人的国际专利申请PCT/AU2017/051395(公开为WO 2018/107237A1)中描述了具有波长维度和机械维度的组合的示例空间估计系统。
在一些实施例中，其中由于基于波长的转向和机械转向的组合操作而在两个维度上进行光束转向，沿波长维度(“快轴”)的光束转向比沿机械维度(“慢轴”)的光束转向更快。在这些实施例中，可以主要沿着快轴实现快速改变扫描轮廓的能力。沿波长维度的扫描轮廓的变化会在一定程度上影响沿机械维度的扫描轮廓。
如前所述，本公开的实施例被配置成具有中央凹化的能力。这些实施例可以例如在用于自动交通工具的空间估计系统中实现。在参考图1描述的空间剖析布置100的例子中，可以控制处理单元105以动态地选择光源102的特定波长信道以实现中央凹化。中央凹化可以适应特定的环境。
在一些实施例中，处理单元105可以(基于从光接收器104接收的输入)分析环境，并且可以确定候选中央凹扫描轮廓的集合，供选择以应用于一个或更多个后续扫描。可以由或经由空间剖析布置的用户系统(例如，自动驾驶系统)进行选择。然后，选择可由空间剖析布置接收并在一个或更多个后续扫描中实现。
在一些实施例中，候选中央凹扫描轮廓的集合是静态的，并且从可用的扫描轮廓中进行选择。例如，候选中央凹扫描轮廓的集合可包括在M个区域中的任何一个处提供中央凹的轮廓，该M个区域可以重叠。M个区域可以基本上覆盖空间剖析布置的整个可能的视场。
在一些实施例中，存在以下两者的组合：包括至少两个不同扫描轮廓的预定中央凹扫描轮廓的集合，以及基于如上所述的环境分析确定不同于预定扫描轮廓的一个或更多个进一步的扫描轮廓的能力。在一些实例中，进一步的扫描轮廓是预定扫描轮廓的组合。例如，一个扫描轮廓可以在一个区域上中央凹化，而另一个扫描轮廓可以在另一个区域上中央凹化，并且处理单元105选择在两个区域上都中央凹化的轮廓，例如以跟踪两个对象。在一些实例中，可以在不考虑预定扫描轮廓的情况下形成进一步的扫描轮廓，并且取而代之的是基于来自先前扫描的点云来具体定制。
图10示出了用于确定用户可选择的扫描轮廓的集合或用于选择先前定义的扫描轮廓的集合中的一个的示例系统1000。系统1000包括空间剖析布置100和处理设备1002。处理设备1002可以是处理单元105的一部分或者是与处理单元105通信的设备。此外，系统1000可以包括一个或更多个图像传感器(未示出)。空间剖析布置100提供点云1004作为来自先前扫描的输出。点云是空间中的数据点的集合，其中每个数据点表示由空间剖析布置100传输到环境中的光所遇到的障碍物的光学反射表面。点云1004可以由空间剖析布置100的处理单元105基于在光接收器104处接收的光来产生。在一些实施例中，该点云1004与来自一个或更多个传感器的图像数据1006一起作为输入提供到处理设备1002。
处理设备1002包括对象检测模块1008和语义分割模块1010。对象检测模块1008被配置成处理点云1004和图像数据1006，以基于输入数据检测环境中的一个或更多个对象。此外，在一些实施例中，对象检测模块1008可以被配置成生成不确定性地图——标识对象检测模块1008已识别环境中的一个或更多个对象的置信水平。将理解的是，对象检测模块1008可以采用任何合适的对象检测算法来检测对象。
语义分割模块1010被配置成将每个识别的对象链接到类标签，诸如人、车、花等。一旦对象被分类，语义分割模块1010生成语义地图，该语义地图可以与在先前扫描中识别的对象的列表一起转发到对象跟踪模块1012。对象跟踪模块1012可以被配置成跟踪已分类对象从一次扫描到下一次扫描的移动，以估计它们与空间剖析布置100的距离、它们的速度和航向，并基于所估计的对象的速度和航向来预测已分类对象的未来位置。在一些技术中，对象的该预测位置可被反馈到对象检测模块1008，以帮助对象检测模块1008在未来扫描中检测对象。此外，对象跟踪模块1012可以被配置成接收交通工具数据(例如，来自安装了空间剖析布置100的交通工具)。交通工具数据可以包括交通工具的速度和航向。基于交通工具数据和对象跟踪数据，对象跟踪模块1012可以被配置成生成指示针对交通工具的预测行驶路径的行驶预测地图。
使用这些技术和模块，处理设备1002可感知给定空间剖析布置100周围的环境。例如，它可以确定前方道路的曲率，以及远处是否有地平线。它可以确定超过100米远存在一个或更多个对象或在空间剖析布置100的近距离内存在对象。然后响应于或基于该确定来调整角分辨率和/或时间分辨率。
基于这种确定的环境，处理设备1002可以被配置成确定用户可选择中央凹扫描轮廓的集合和/或从可用的用户可选择中央凹扫描轮廓的集合中进行选择以应用于一个或更多个后续扫描。集合内的至少两个候选中央凹扫描轮廓各自与公共识别相关(例如，用于识别地平线、一个或更多个对象、危险等)。候选中央凹扫描可以由完整的扫描模式(例如，每个点的二维坐标)和/或扫描参数(例如，垂直和水平视场的对应的范围)来定义。集合可包括离散集合(例如，完整扫描模式的固定集合)和/或连续集合(例如，由扫描参数的连续范围定义)。下面描述了对自动交通工具的环境的自适应的一些示例。这些或其他中央凹化示例可应用于其他确定的环境。
地平线轮廓
移动交通工具的视觉系统，特别是LiDAR视觉系统，通常会在其视场内包括地平线。至少在一些扫描期间，可能需要在地平线(检测到的地平线和/或由处理单元105施加的地平线的预期位置)上中央凹化，该地平线是先前基于视场相对于交通工具的位置和取向确定的。可以通过增加地平线处及其周围的点密度，例如通过在视场的中间部分附近具有增加的点密度的带来实现这种中央凹化。换句话说，在垂直方向上远离地平线的视场内的角度处，点密度可能较低。
图11示出了曲线图1100(没有按比例绘制)，其示出了像素或点密度的变化和与地平线的角度的变化的关系。在该曲线图中，x轴表示与地平线的角度(0°指示地平线)，y轴表示点密度。水平线1102指示其中不应用中央凹化的候选中央凹扫描轮廓。在这种情况下，对于与地平线的所有角度来说，点密度保持恒定。线1104、1106和1108指示应用于地平线的三种不同水平的中央凹化。特别地，线1104指示其中在地平线附近点密度略微增加的候选中央凹扫描，其中在视场的居中的部分内的平均点密度或角分辨率高于在视场的离地平线更远的部分中的平均点密度或角分辨率，线1106指示其中在地平线附近点密度几乎翻倍且在远离地平线的区域中点密度几乎减半的候选中央凹扫描轮廓，而线1108指示具有铃状曲线的候选中央凹扫描轮廓，其中点密度在围绕地平线的小的角度(例如±20°)内增加一倍以上，然后在该区域外急剧减小。
例如，可以由图10的处理设备1002使用其中描述的技术从早期扫描的点云中检测地平线。在检测到地平线的情况下，增加的点密度的区域的位置可以被调整以“跟随”地平线。视场的大小也可以根据检测到的(和/或预期的)地平线而调整，例如通过将垂直视场减小到关于地平线的更窄的带，以便增加围绕地平线的区域的扫描集合的时间分辨率。相对于地平线进行中央凹化和/或限制视场可以响应于由处理设备1002确定的一个或更多个事件。这样的事件的示例可以是在地平线处检测到新对象，或者在与前方道路的估计路径(由对象跟踪模块1012基于早期扫描的点云而形成的估计)相对应的位置处的地平线处检测到新对象。
通过示例的方式，空间剖析布置100可以执行第一扫描或第一扫描集合，而不在地平线上进行中央凹化。在第二扫描或第二扫描集合中，一旦检测到地平线，处理设备1002可接收用户选择以指示空间剖析布置100改变到图11所示的候选中央凹轮廓中的一个。该中央凹轮廓可以被预先配置，从而空间剖析布置100可以切换到和退出具有该中央凹轮廓的模式。可以有具有不同中央凹轮廓的两个或更多个可选择模式，该选择基于一个或更多个变量。替代地，可以基于一个或更多个变量来动态地确定中央凹轮廓。例如，基于其确定候选中央凹扫描轮廓的变量可以包括交通工具行驶的速度、相对速度或速率、或在点云内检测到的对象的相对速度或速率的变化、规划的交通工具路径或轨迹、检测到的地平线的变化速率或对新对象的检测。可以使用其他变量来实现系统对某些事件的响应性标准。
基于距离的轮廓
移动交通工具的视觉系统，特别是LiDAR视觉系统，通常在其视场内包括离交通工具不同距离处的一个或更多个对象。可以用粗分辨率来检测离交通工具较近的对象，但是离交通工具较远的对象可能需要更精细的分辨率，以便可以容易地检测和识别对象。因此，在一些示例中，处理设备1002可以基于对象与交通工具的相对距离应用不同的中央凹轮廓。可以通过增加在被检测到离交通工具较远的对象处及其周围的点密度和/或通过降低在被检测到离交通工具较近的对象处及其周围的点密度来实现这种中央凹化。
图12示出了曲线图1200，其示出了像素或点密度的变化和与交通工具的距离的变化的关系。在该曲线图中，x轴表示与交通工具的距离，y轴表示点密度。水平线1202指示其中不应用中央凹化的候选中央凹扫描轮廓。在这种情况下，对于与交通工具的所有距离来说，点密度保持恒定。线1204、1206和1208指示基于与交通工具的距离应用的三种不同水平的中央凹化。特别地，线1204指示其中点密度逐渐增加的候选中央凹扫描轮廓——在靠近交通工具的区域中点密度略微减小，并且点密度随着与交通工具的距离的增加而略微增加。线1206和1208指示更激进的候选中央凹扫描轮廓，其中空间剖析布置100逐渐更聚焦于远处的对象。
例如，可以由图10的处理设备1002使用图10中描述的技术从早期扫描的点云中检测障碍物与交通工具的距离。此外，相对于距离进行中央凹化和/或限制视场可以响应于由处理设备1002确定的一个或更多个事件。这样的事件的示例可以是检测到远离交通工具的新对象，或者在与前方道路的估计路径(由对象跟踪模块1012基于早期扫描的点云而形成的估计)相对应的位置处检测到远离交通工具的新对象。
通过示例的方式，空间剖析布置100可以在不进行中央凹化的情况下执行第一扫描或第一扫描集合。在第二扫描或第二扫描集合中，一旦检测到对象并且确定它们与交通工具的相对距离，处理设备1002就可接收用户选择以指示空间剖析布置100改变到图12所示的候选中央凹轮廓中的一个。该中央凹轮廓可以被预先配置，从而空间剖析布置100可以切换到和退出具有该中央凹轮廓的模式。可以有具有不同中央凹轮廓的两个或更多个可选择模式，该选择基于一个或更多个变量。替代地，可以基于一个或更多个变量来动态地确定中央凹轮廓。例如，基于其检测或确定中央凹轮廓的变量可以包括交通工具行驶的速度、相对速度或速率、或在点云内检测到的对象的相对速度或速率的变化、规划的交通工具路径或轨迹或对新对象的检测。可以使用其他变量来实现系统对某些事件的响应性标准。
区域轮廓
在一些示例中，处理设备1002可以基于对象的分类来应用中央凹化。例如，如果确定环境包括树木、山、道路、一个或更多个交通工具和道路标志，则增加一个或更多个交通工具和道路标志周围的点密度可能是有益的。另一方面，可以减小诸如树木和山的其他对象周围的点密度，因为它们形成背景的一部分。这种类型的中央凹化可以通过围绕需要被中央凹化的所识别的对象来定义边界框或感兴趣区域，并增加这些边界框或感兴趣区域内的点密度，同时减小其他区域中的点密度来实现。
图13示出了曲线图1300，其示出了像素或点密度的变化和与特定边界框的中心的距离的关系。在这个曲线图中，x轴表示与框的中心的距离(0指示框的中心)，y轴表示点密度。水平线1302指示其中不应用中央凹化的候选中央凹扫描轮廓。在这种情况下，对于所有区域来说，点密度保持恒定。线1304、1306和1308指示应用于边界框的三种不同水平的用户可选择的中央凹化，并且这些中央凹根据与框的中心的距离在点密度方面不同。特别地，线1304指示候选中央凹扫描轮廓，其中点密度在框的中心处略微增加，并且随着与框的中心的距离的增加而逐渐减小。线1306指示候选中央凹扫描轮廓，其中点密度随着与框的中心的距离的增加而减小得更剧烈，而线1308指示具有铃状曲线的候选中央凹扫描轮廓，其中点密度随着与框的中心的距离的增加而急剧减小。
在处理设备1002检测到和识别出对象的实例中，增加的点密度的区域的位置可被调整以“跟随”所识别的对象。相对于所识别的对象进行中央凹化和/或限制视场可以响应于由处理设备1002确定的一个或更多个事件。这样的事件的示例可以是检测到/识别出感兴趣的新对象(例如，人、交通工具、道路标志、交通信号等)、检测到移动对象或检测到新对象。
通过示例的方式，空间剖析布置100可以在没有任何中央凹的情况下执行第一扫描或第一扫描集合。在第二扫描或第二扫描集合中，一旦检测到一个或更多个对象并将其分类，处理设备1002就可将这些对象中的一个或更多个标识为感兴趣对象，并可以确定围绕感兴趣对象的边界框的大小。随后，处理设备1002可以接收用户选择，以指示空间剖析布置100改变到图13所示的候选中央凹扫描轮廓中的一个。该中央凹轮廓可以被预先配置，从而空间剖析布置100可以切换到和退出具有该中央凹轮廓的模式。可以有具有不同中央凹轮廓的两个或更多个可选择模式，该选择基于一个或更多个变量。替代地，可以基于一个或更多个变量来动态地确定中央凹轮廓。例如，基于其检测或确定中央凹轮廓的变量可以包括交通工具行驶的速度、相对速度或速率、或在点云内检测到的对象的相对速度或速率的变化、规划的交通工具路径或轨迹、新对象的检测的速率。可以使用其他变量来实现系统对某些事件的响应性标准。
置信度轮廓
在一些情况下，处理设备1002以及具体地对象检测和分割模块可能无法以高置信度识别对象。例如，它可能无法自信地使用标准的扫描分辨率来正确识别小的对象或远离交通工具的对象。因此，在一些示例中，处理设备1002可基于来自先前扫描的已识别的对象的置信水平，将不同的中央凹轮廓应用于扫描。可以通过增加在先前以较低置信度检测到的对象处及其周围的点密度以及通过减少在先前以较高置信度识别的对象处及其周围的点密度来实现这种中央凹化。
已识别的或已分类的对象的置信水平可由处理设备基于先前扫描的点云，例如通过使用合适的对象识别算法来确定。基于该确定，处理设备1002可以生成不确定性地图或图像——即，示出以低、中等或高置信度识别的区域或对象的地图或图像。图14示出了示例不确定性地图1400。在该例子中，处理设备1002利用来自先前扫描的点云来检测对象和将其分类。在该地图1400中，以低置信度检测和识别的对象由红色区域指示，以中等置信度检测和识别的对象由黄色区域指示，以高置信度检测和识别的对象由绿色区域指示。
在该示例中，基于该不确定性地图，处理设备1002可以接收用户选择，以指示空间剖析布置100将被识别为低置信区域的区域中的点密度增加X(其中X可从连续变量集合中选择)，并相应地减小被识别为高置信区域的区域中的点密度。
此外，相对于这些置信区域进行中央凹化和/或限制视场可以从一次扫描到下一次扫描而改变——例如，随着(例如，由于中央凹化)以较高的置信度识别出对象，不确定性地图可以改变，并且处理设备1002可以接收用户选择以指示空间剖析布置100相应地改变其中央凹轮廓。
危险轮廓
在一些情况下，处理设备1002以及具体地对象检测和分割模块可以识别交通工具要穿过的环境中的区域(例如道路)或可与预测的交通工具路径相交的环境中的区域(例如人行道)。与环境中的其他区域相比，这些区域可能需要更精细的分辨率或更高的点密度。因此，在一些示例中，处理设备1002可以基于预测交通工具在其中行驶或可能与交通工具的行驶路径相交的所识别的区域，对扫描应用不同的中央凹轮廓。可以通过在识别的区域处及其周围增加点密度以及通过在其他区域处及其周围减少点密度来实现这种中央凹化。
在某些实施例中，可由处理设备1002基于来自先前扫描的点云、交通工具的预测的行驶路径、当前速率和航向来识别交通工具行驶的区域或与交通工具路径相交的区域。基于该识别，处理设备1002可以生成预测的行驶地图或图像——即，示出预测交通工具要行驶的区域和/或被预测为与交通工具的预测路径相交的环境中的区域的地图或图像。图15示出了示例预测的行驶地图1500。在这种情况下，处理设备1002利用来自先前扫描的点云来检测对象和将其分类。此外，处理设备1002利用关于交通工具的信息(例如，速率和航向)来确定预测的行驶区域并识别可能与预测的行驶区域相交的任何对象。在该地图中，识别的区域被突出显示。
在该示例中，基于该预测的行驶地图，处理设备1002可以接收用户选择，以指示空间剖析布置100将识别的区域中的点密度增加X(其中X可从连续变量集合中选择)，并相应地减小视场的其他区域中的点密度。
定制的轮廓
除了上面描述的中央凹轮廓之外，操作者可以定义他们自己的地图或图像，这些地图或图像组合任何数量的上面定义的轮廓以创建他们自己的中央凹轮廓。具体地，操作者可以定义新的轮廓并将定义新的轮廓的数据存储在计算机可读存储装置中，以便可用于选择以控制空间剖析布置100。然后，处理设备1002可以被配置成分析来自先前扫描的点云和预置的中央凹轮廓，以指示空间剖析布置100相应地调整其点密度。
在一些实施例中，空间剖析布置100可以在不同的中央凹配置中循环。换句话说，中央凹的变化不依赖于特定事件的检测，并且不是固定的，而是根据预定的或自适应的定时间隔随时间变化。例如，处理单元105可以控制所述布置以对于一次扫描或扫描集合没有中央凹，对于第二扫描或扫描集合在地平线上中央凹化，并且对于第三扫描或扫描集合基于置信度进行中央凹化。
示例过程
图16是通常表示可以由图10的系统执行的处理的流程图。
在步骤1602处，空间剖析布置102可以执行视场的第一扫描。在一些实施例中，可以通过扫掠通过第一波长集合来执行该扫描。在一个示例中，这可以包括通过扫掠通过存在于光源102的扫描或扫掠中的所有可用的波长信道λ1、λ2、……λN来执行扫描。
接下来，在步骤1604处，可以生成第一点云。在一个实施例中，反射光可以被(例如，由光接收器104)检测并被传送到处理单元105以进行处理。处理单元105可以基于处理反射的光信号来生成点云。
一旦生成了点云，就可以将其传送到处理系统1002以进行进一步处理。例如，处理系统1002可利用点云来检测对象和将其分类，和/或创建一个或更多个地图，诸如语义地图、不确定性地图、预测的行驶地图或定制的地图。为了创建这些地图中的一个或更多个，处理系统1002可以从一个或更多个外部源接收附加数据，诸如交通工具数据。
接下来，在步骤1606处，处理设备1002可以基于检测到的和已分类的对象和/或地图，确定候选中央凹扫描轮廓集合以供用户选择来在一个或更多个后续扫描上应用。例如，如果先前扫描的点云示出了一个或更多个对象在交通工具的预测的行驶路径上、在地平线附近且已被识别为具有低置信度，则处理设备1002可以确定候选扫描轮廓集合，该集合包括在识别的地平线附近点密度不同的地平线轮廓、在识别的对象周围点密度不同的区域轮廓以及在识别的特定置信度的区域周围点密度不同的置信度轮廓的组合。替代地，如果在交通工具路径中没有识别出对象，而是识别出了地平线，则处理设备1002可以确定候选扫描轮廓集合，该集合包括在识别的地平线附近点密度不同的地平线中央凹轮廓。在另一示例中，如果处理设备1002已经识别出具有低置信度的对象，则它可以识别对象周围的区域，并确定候选扫描轮廓集合，该集合包括在识别的特定置信度的区域周围点密度不同的置信度中央凹轮廓。
然后，处理单元105接收从候选中央凹扫描轮廓集合中的选择或从该集合中进行选择。如上所述，接收的选择可以由利用空间剖析布置100的用户系统(例如，自动驾驶系统)进行。因此，将理解的是，可以响应于环境(例如道路状况)来进行选择。
在步骤1608处，可基于用户选择的中央凹轮廓执行第二扫描。在第二扫描中，扫掠的点密度可以基于由中央凹轮廓指示的点密度变化而变化。在一个实施例中，在指示高点密度的视场区域中，每帧的脉冲数和/或脉冲的波长被分布成使得更多的脉冲被引导在该区域内。类似地，在指示低点密度的视场区域中，每帧的脉冲数和/或脉冲的波长被分布成使得较少的脉冲被引导在该区域内。
该过程1600被连续重复，使得来自先前扫描的点云被用于选择用于下一次扫描的中央凹模式。
如上文所述，用户系统可以选择一个或更多个预定义的中央凹扫描模式以微调空间剖析布置扫描视场的方式，使得可以更精细地扫描感兴趣区域。此外，可以在逐帧的基础上选择中央凹模式，并且在一些实施例中，可以在逐行的基础上选择中央凹模式(即针对跨维度的每个扫描被选择或可选择，而另一维度(如果有的话)保持恒定)或在逐段的基础上选择中央凹模式(即针对跨维度的扫描组被选择或可选择，而另一维度(如果有的话)保持恒定)。
替代或附加于其中用户选择是由与空间剖析布置相关联的系统(例如，自动驾驶系统)进行的过程1600，一个或更多个中央凹轮廓可以手动或以其他方式被指定或选择，并在空间剖析布置100的安装时被固定。例如，手动选择可以被用于包括针对空间剖析布置100的安装角度的变化的所需公差或校正空间剖析布置100的安装角度的变化。因此，一种安装方法包括安装空间剖析布置100的实施例，确定其视场，以及基于确定的视场来设置或选择一个或更多个中央凹轮廓。
图17示出了空间估计系统的扫描轮廓1700的示例集合。扫描轮廓1700中的一个或更多个可由空间剖析布置100的实施例提供，例如可由空间剖析布置100的用户系统或由空间剖析布置100本身(例如，具有由处理单元105实现的选择程序)选择。定义扫描轮廓1700的数据可存储在处理单元105可访问和/或用于与处理单元105通信的用户系统可访问的计算机可读存储装置中。
在图17中，每条水平虚线(例如虚线1701)表示来自光源102的光被引导的垂直转向角度。因此，每条水平虚线可对应于由空间估计系统进行的对环境的测量或潜在测量，或空间估计系统的像素。在其中通过波长转向来控制垂直维度的实施例中，则每条虚线表示已经由光束导向器引导的光的波长。相应地，列中的不同虚线表示不同的波长，并且图17中的水平对齐的虚线表示相同波长的光。在其中通过机械转向来控制垂直维度的实施例中，则在图17中，列中的不同虚线表示机械转向布置的不同位置，并且水平对齐的虚线表示机械转向布置的相同位置。
如所示出的，扫描轮廓1700包括轮廓(例如1702、1704、1706、1708)的集合，这些轮廓由图17中的列表示。该示例中的每个轮廓在两个方面被垂直地压缩，在视场的垂直范围中的中点处存在高压缩的区域，并且与较低范围相比，朝向垂直范围的较高范围存在更高的压缩。每个垂直压缩模式覆盖相同的垂直FOV(即，相同的垂直转向角度，在该示例中约为30度)，并且具有相同数量或基本上相同数量的光发射角度(即，相同数量的像素)，但在点密度的分布上彼此不同，特别地不同之处包括点密度最高处的垂直角度(可称为中央凹角)。在这个示例中，中央凹角的范围从-5度到+0.5度(以0.5度为步长)。零度角是任意参考。在一个示例中，零度角可以对应于来自光束导向器的孔径中心的水平方向。
在具有中央凹能力的其他实施例中，不需要有最高密度的特定角度。例如，可以存在较高密度的区域，并且在该区域内，密度可以是基本上均匀的，或者在该区域内，密度可以具有变化，从而产生密度中的局部最小值和最大值的多个角度。在这些实施例中，中央凹角可以参考较高密度的区域，例如该区域的中点。
扫描轮廓1700和具有可变垂直中央凹角的其他扫描轮廓可用于跟踪或以其他方式适应具有相对于空间剖析布置100的视场的可变垂直位置的环境的方面(例如移动交通工具的LiDAR视觉系统中的地平线)。在本示例中，中央凹角大多是负的，这可能与安装在交通工具顶部附近的LiDAR视觉系统的用例相对应，使得它朝向道路略微向下发射出射光，地平线通常位于0度以下。将理解的是，集合中的中央凹角的范围可以适应空间剖析布置的光束导向器的安装高度和/或角度的变化和/或变化的道路状况，诸如前方道路向上或向下倾斜。附加地，如上所述，与较低的垂直角度相比，扫描轮廓1700在视场中的较高垂直角度处具有更高的密度。这方面的示例用例可以再次是安装在交通工具上的LiDAR视觉系统，其中较高垂直角度预期在更远的距离处扫描，因此角度差对反射的点处的分离有更大的影响。因此，可以通过控制相对点密度来控制(例如减小)通常较近的对象(例如，紧邻交通工具前方的道路)和通常较远的对象(例如，地平线周围或上方的那些对象)之间的像素分离的差异。
空间估计系统还可以结合图17所示的对垂直转向角度的控制来控制另一转向角度，例如水平转向角度。例如，空间估计系统可以针对跨水平视场的一个或更多个扫描迭代选择扫描轮廓1702，并针对一个或更多个后续扫描迭代选择扫描轮廓1708。在一些实施例中，对于视场的每个扫描迭代，扫描轮廓是固定的，使得例如中央凹区域的垂直位置对于每个扫描迭代保持恒定。在其他实施例中，至少一个维度(可能两个维度)的扫描轮廓在一个扫描迭代内可控地可变，允许中央凹区域的不同垂直位置在单次扫描内的不同水平转向角度处。
尽管图17示出了垂直对齐的列中的扫描模式，但这并不旨在暗示在不同的垂直转向角度处的来自光束导向器的对应光一定是垂直地对齐的。虽然在不同的垂直转向角度处的来自光束导向器的光可以对齐，但例如当倾斜镜具有水平倾斜轴时，也可能存在一些水平变化。还将理解的是，使用图17中的垂直转向角度是一个示例，并且压缩模式可应用于其他维度，特别是水平维度(具有或不具有垂直分量)。
图18示出了空间估计系统的扫描轮廓1800的另一示例集合。扫描轮廓1800中的一个或更多个可由空间剖析布置100的实施例提供，例如可由空间剖析布置100的用户系统或由空间剖析布置100本身选择。类似图17，每条水平虚线表示转向角度，其可以是例如垂直转向角度或水平转向角度。空间估计系统的可选择扫描轮廓的集合可以包括一个或更多个扫描轮廓1700和一个或更多个扫描轮廓1800，和/或其变体，以及可选地其他扫描轮廓。
扫描轮廓1800A表示没有中央凹的均匀扫描轮廓。四个扫描轮廓1800B表示在相同中央凹角处具有不同压缩水平的扫描轮廓。在图18中，压缩水平从左到右增加，即扫描轮廓1800B-1示出了压缩最少的扫描轮廓，而扫描轮廓1800B-4示出了压缩最多的扫描轮廓。三个扫描轮廓1800C表示具有减小的垂直FOV(例如减小的垂直转向角度)的扫描轮廓，在图18中视场从左到右减小。
与均匀扫描轮廓1800A相比，非均匀扫描轮廓1800B中的每一个在某些角度处具有增加的密度以及在其他角度处具有减小的密度。具有减小的FOV的非均匀扫描轮廓1800C中的每一个也在某些角度处具有较密集的点，但在其他角度处没有点。因此，在扫描轮廓1800A以及扫描轮廓1800B和1800C中的每一个中，像素的数量可以相同。
在不同扫描模式上保持恒定数量的像素可以允许均匀或恒定的时间分辨率。例如，在对于像素有固定或恒定的光生成速率的空间估计系统(诸如脉冲激光系统)中，在使用图18的每个轮廓的情况下，执行一个扫描迭代将花费相同的时间量。此外，空间剖析布置100具有最大检测范围R(例如，受出射光的最大输出光功率限制)，其具有空间估计系统需要适应的相关联的往返时间(tRT，tRT＝2R/c，其中c是出射光的速度)。在这方面，每秒的点数量(PPS)是有限的(PPS＝1/tRT＝C/(2R))。例如，对于250m的检测范围(R)，tRT约为1.667μs，且每秒的点数量被限制为600,000。
参考图17以示例方式描述的可变中央凹角可以与参考图18描述的可变点密度相结合，以创建更多的轮廓。例如，压缩的轮廓1800B中的一个或更多个可以是轮廓集合中的一个，该集合具有压缩轮廓相同但处于不同的中央凹角的轮廓。类似地，受限视场轮廓1800C中的一个或更多个可以是其中在不同角度处提供受限视场的集合中的一个。进一步的扫描轮廓将受限视场与区域中的压缩水平相结合。此外，进一步的扫描轮廓包括两个或更多个压缩的区域和/或两个或更多个角度上分离的视场。
在具有带有多个扫描机构的二维视场的空间估计系统的实施例中，扫描模式的变化可以由扫描机构中的一个扫描机构而不是另一个来实现。在具有包括较快扫描机构和较慢扫描机构的二维视场的空间估计系统的实施例中，扫描模式的变化可以由较快扫描机构而不是较慢扫描机构来实现。例如，基于波长的转向可以比机械转向更快，因此扫描轮廓可以通过波长控制而不是对物理转向机构的控制来实现。这可能具有移动零件减少的附加优点以及在可靠性和/或寿命方面的潜在增益。
替代地，扫描轮廓可以跨两个维度都具有变化。图19示出了示例扫描轮廓1900A、1900B和1900C，其示出了垂直(即第一维度)和水平(即第二维度)点密度权衡。如图所示，扫描轮廓1900A在FOV上具有32个垂直像素和32个水平像素。当沿垂直轴的点密度增加到扫描轮廓1900B中的64个点和扫描轮廓1900C中的128个点时，沿水平轴的点密度分别从32个点(如在扫描轮廓1900A中)减少到16个点(如在扫描轮廓1900B中)和8个点(如在扫描轮廓1900C中)。在通过波长转向实现沿垂直轴的扫描轮廓和通过机械转向实现沿水平轴的扫描轮廓的示例中(例如，通过旋转如图8A-图8C中的衍射元件中的至少一个)，沿水平轴的点密度可以对应于机械转向角度的数量(即，分别产生扫描轮廓1900A、1900B和1900C的32、16和8个机械转向角度)。
将理解的是，如参考图19的示例所述的在维度之间的点密度的变化可以与参考图17和图18所述的中央凹角和/或点密度的变化相结合。例如，以扫描轮廓1900A为例，水平像素行可以在垂直方向上具有不均匀的分布和/或可以分别被压缩或扩展到小的或更大的视场中。可以对扫描轮廓1900B和1900C进行类似的变化。可以将这些变化添加到空间估计系统的可选择轮廓的集合中。
图20-图22描述了用于选择扫描轮廓的示例过程，其中的任何一个或更多个可以在空间估计系统(例如空间估计系统100的实施例)中实现，并且主要参考该示例进行以下描述。在一些实施例中，扫描轮廓的选择来自预定义的扫描轮廓集合。可以由空间估计系统的处理设备根据计算的选择过程来进行选择，例如由自动驾驶系统中的处理设备根据程序进行选择，或者由空间估计系统的处理设备(例如，空间估计系统100的处理单元105中的处理设备)进行选择，或者由彼此通信的处理设备的组合进行选择。在一些实施例中，由空间估计系统的处理单元基于从自动驾驶系统接收的数据来进行选择。示例程序是一种用于定位和/或跟踪环境的方面(例如定位和跟踪地平线)的程序。
在如图20所示的一个示例过程2000中，在步骤2002处识别地面点。基于来自空间估计系统100的方向和距离测量来识别地面点。在一个示例中，在过程2002中识别的地面点是靠近空间估计系统100的光束导向器103的那些地面点。例如，地面点可以是其中在光束导向器103前方约5米至约100米(或两者之间的任何量)的区域内检测到返回光的所有最低像素或最低像素的选择。
然后在步骤2004处将表面拟合到识别的地面点。例如，可以使用误差最小化算法，诸如执行最小二乘回归或以其他方式，将最佳拟合平坦表面拟合到识别的地面点。可以使用用于拟合平坦表面的其他技术，并且在其他实施例中，拟合到地面点的表面不是平坦的，从而允许与周围地形的更接近的拟合。
在步骤2006处，外推表面以与期望的焦距相交。期望的焦距可以是常量，例如200米。在其他实施例中，期望的焦距是变量，例如是基于携带空间估计系统100的交通工具的行驶速度的输入的变量。期望的焦距可以随着速度的增加而增加，以反映停止或以其他方式对出现在视场中的障碍物作出反应所需的增加的距离，并随着速度的减小而减小。其他变量可以影响期望的焦距，例如指示道路状况的数据、指示交通工具的重量的数据和/或指示交通工具的停止距离的数据。
然后在步骤2008处找到表面相交的仰角。仰角的确定可以基于外推后的表面。以平坦拟合的表面为例，外推后的平坦表面相对于空间估计系统的参考角度(例如，基于空间估计系统的取向的水平角度)的角度是已知的或可确定的，并且期望的焦距是已知的。然后可通过三角函数计算来确定仰角。相关处理设备可以执行也可以不执行该计算，因为可以使用诸如查找表之类的替代物来代替计算。
在步骤2010处，选择在找到的仰角处具有压缩的区域的扫描轮廓。参考图17和图18描述了具有压缩的区域的扫描轮廓的示例。在一些实施例中，可供选择的扫描轮廓包括两个或更多个在角度上相邻或重叠的压缩的区域，使得所确定的仰角不落在其中不存在压缩的区域的轮廓之间的间隙内。如果在可选择轮廓的压缩的区域之间存在间隙，则选择过程可以确定具有最紧密压缩的区域的扫描轮廓，或者可以放弃选择具有压缩的区域的轮廓而使用均匀的扫描轮廓。在其他实施例中，扫描轮廓不局限于选项的选择，是基于找到的仰角来确定的，光束导向器103被控制成根据确定的扫描轮廓提供压缩的区域。然后使用选择的或确定的扫描轮廓来执行用于至少一个扫描迭代的空间估计。
在如图21所述的另一示例过程2100中，首先在步骤2102处按距离对空间中的数据点集合进行分组。例如，可以将在1米间隔内或在1米间隔处高达例如5米至100米之间的阈值距离(或5米至100米之间的任何距离)确定的像素识别为组。在一些实施例中，对在光束导向器103的整个视场上的像素进行分组。在其他实施例中，对在视场的子集上的像素进行分组，例如，可以对应于交通工具正前方的区域或者对应于交通工具前方的比视场上的整个角度范围更窄的角度范围的中央区域。此外，在一些实施例中，在距离间隔内或在距离间隔处的所有像素都被确定为在相关联的组中，而在其他实施例中，少于所有像素(例如每第二个像素或每第十个像素)被确定为在组中，以减少过程2100所需的计算的时间或资源。
在步骤2104处，对于每个距离组，找到在该距离处观察到的最低仰角。数据滤波或其他技术可以被应用以去除或减少任何离群数据的影响，例如通过过滤掉在其相邻像素下方大于阈值距离的像素、通过使用移动平均值或其他方式。
然后在步骤2106处将趋势线拟合到最低仰角。可以使用误差最小化算法，诸如执行最小二乘回归或以其他方式来拟合趋势线。在步骤2108处，趋势线被外推到期望的焦距，并相应地形成轨迹。如参考过程2000所述的，期望的焦距可以是恒定的或可变的。然后在步骤2110处找到轨迹的仰角。在步骤2112处，选择在找到的仰角处具有压缩的区域的扫描轮廓，其过程可以类似于过程2000的步骤2010。
在如图22所示的用于选择扫描轮廓的又一示例过程2200中，首先在步骤2202处例如从安装在交通工具上的相机捕获视觉数据。视觉数据可以是图像数据、视频数据的形式或另一种合适的形式。
在步骤2204处，使用从视觉数据获得的视觉提示来估计地平线位置和角度。例如，可以基于颜色差异来执行对天空到陆地边界的检测。基于颜色差异或其他方式，可以利用各种其他图像处理技术来识别图像或一系列图像中的地平线。
在步骤2206处，将估计的地平线投影到使用的空间剖析布置的坐标系上。例如，在已知相机和空间剖析布置的相对视场的情况下，投影可以涉及确定相机视场的哪些区域对应于空间剖析布置中的仰角。然后在步骤2208处确定估计的地平线的仰角。在步骤2210处，选择在找到的仰角处具有压缩的区域的扫描轮廓，其过程可以类似于过程2000的步骤2010。
图23示出了显示从预定的扫描轮廓集合中动态选择扫描轮廓的示例。图示2300示出了在仰角(例如-1.5度)处的检测到的地平线2301。根据如图20-图22中讨论的示例中的任何一个，如图示2302所示，选择在-1.5度的仰角处具有压缩的区域2305的扫描轮廓2303。
该过程涉及检测地平线的改变。例如，可以分别重复图20-图22的过程2002至2008、2102至2110或2202至2208，以确定是否发生了地平线改变。在地平线仰角改变的情况下(例如，如图示2304所示，交通工具俯仰并导致地平线角度改变)，然后如图示2304和2306所示，在不同仰角(例如+1.5度)处检测到新的地平线2307。
响应于基于新检测到的地平线确定已满足用于选择新扫描轮廓的阈值条件，然后如图示2308所示，选择在1.5度的仰角处具有压缩的区域2311的另一扫描轮廓2309。选择过程可以与参考图20-图22描述的过程相同或类似。一旦沿着第一维度的扫描轮廓被选择，所选择的扫描轮廓可以被应用在如图23所示的FOV的第二维度上。结果，扫描轮廓被动态地和自动地选择以包括跟踪地平线的压缩的区域。
图23的示例适应了例如由于移动的交通工具的向前和向后俯仰而导致的地平线的垂直变化。在一些实施例中，上面描述的动态和自动选择过程应用于仅一个维度(在该示例中是垂直维度)。压缩的区域的垂直跨度可以被选择为适应其他(水平)维度中的变化范围。在其他实施例中，动态和自动选择过程可以跨视场的两个维度应用(例如，除了垂直维度之外，还扩展到水平维度)。继续以移动的交通工具为例，水平自适应允许交通工具相对于地平线的横滚。
图24示出了用于跨视场的两个维度选择扫描轮廓的示例过程。再次参考定位地平线的垂直位置的示例来描述该过程，但该过程可以应用于包括对象跟踪在内的其他示例。为了说明的目的，垂直维度被称为“第一维度”，水平维度被称为“第二维度”。在步骤2400处，将第二维度划分成段。例如，第二维度可以被分割成十二个大小相等的段。将理解的是，可以选择其他段大小和数量，以增加系统的分辨率。为了本说明的目的，每个段包括跨正被分割的维度的至少两个像素，但优选地包括许多像素，使得段的数量约为500或更少或50或更少或25或更少。这些段可以是大小相等的，也可以具有不同的大小。例如，在自动交通工具的背景中，与交通工具前方或交通工具前方和前方附近的段相对应的段可以小于周边的段。
在步骤2400之后，过程包括步骤2402至2410。这些步骤对应于参考图20描述的步骤2002至2010，因此为了避免重复，仅描述不同或可能不同的方面。
在一些实施例中，跨视场应用步骤2402至2406，在这种情况下，可以执行与参考图20描述的过程相同的过程。在其他实施例中，在步骤2404中将表面拟合到地面点以及在步骤2406中的外推是以每段为基础进行的。针对段的拟合和外推可以以与参考图20描述的相同方式使用为该段识别的地面点来执行。
除了为第二维度的每个段确定仰角之外，步骤2408类似于步骤2008。类似地，在步骤2410中，基于为每个段确定的仰角，为每个段选择扫描轮廓。
图25示出了用于跨视场的两个维度选择扫描轮廓的示例过程，再次参考定位地平线的垂直位置的示例对其进行描述。与图24的过程类似，在步骤2500中，维度(“第二维度”)被划分成段。步骤2502至2506可以与图20的步骤2002至2006相同，因此不再描述。在步骤2508中，基于为每个段估计的地平线来确定仰角，并且在步骤2510中，对于每个段，基于为该段确定的仰角来选择扫描轮廓。除了在逐段的基础上之外，这些过程可以类似于针对步骤2008和2010所述的那些过程。
图26示出了作为应用如图24或图25中讨论的过程的结果的示例可变2D扫描轮廓2600。一旦在沿第二维度(即，在该示例中的水平维度)的FOV的每个段(统称为2601)的仰角处检测到或确定地平线，就为沿水平轴的FOV的每个段选择扫描轮廓。将理解的是，可变2D扫描轮廓对于前方道路向左或向右倾斜的情况可能特别有用。
在其他实施例中，执行跨视场的至少一个维度的扫描模式的逐像素控制。例如，在具有基于波长的转向的空间剖析系统中，视场中的每个像素可以与一个或更多个光脉冲相对应，并且光源可以被配置成在逐脉冲的基础上控制波长。从一个角度来看，这是逐渐减小跨上述第二维度的段大小直到段仅跨越一个像素的极限情况。然而，在许多实际系统中，这种水平的控制是不必要的，需要太多的资源和/或在光束导向器的约束内是无法实现的。在具有组合的波长转向(提供波长维度)和机械转向(提供机械维度)的系统中，段可以参考机械维度来定义。
图27示出了空间剖析布置100a的框图表示。图27的空间剖析布置100a可以具有与参考图1描述的空间剖析布置100相同或类似的形式，并且在图1中的细节和部件之上示出了附加的细节和部件。
图27包括处理系统2700的框图，该处理系统2700被配置成实现本文描述的实施例和/或特征，特别是图1的处理单元105的功能。系统2700是一种通用的计算机处理系统。将理解的是，图27并没有示出计算机处理系统的所有功能或物理部件。例如，没有描绘电源或电源接口，然而系统2700将携带电源或被配置成用于连接到电源(或两者)。还将理解的是，特定类型的计算机处理系统将确定适当的硬件和架构，并且适合于实现本公开的特征的替代计算机处理系统可以具有附加的、替代的或比所描绘的部件更少的部件。例如，处理系统2700可以全部或部分地通过硬件和/或固件或通过专用微控制器来实现，而不是通过通用计算机处理系统来实现。
处理系统2700包括至少一个处理设备2702，例如通用或中央处理单元、图形处理单元或替代计算设备。处理系统2700可以包括多个计算机处理设备。这些设备不需要在同一地点。为了简明和清楚起见，以下描述参考单个处理设备2702。
通过通信总线，处理设备2702与存储用于控制处理系统2700的操作的指令和/或数据的一个或更多个计算机可读存储设备进行数据通信。示例数据是定义用于空间剖析布置的一个或更多个扫描轮廓的数据。在该示例中，处理系统2700包括系统存储器2704(例如BIOS)、易失性存储器2706(例如，诸如一个或更多个DRAM模块的随机存取存储器)和非易失性(或非暂时性)存储器2708(例如，一个或更多个硬盘或固态驱动器)。通常，用于使处理设备2702执行本文描述的功能(特别是处理单元105的功能)的指令存储在非易失性存储器2708中。
处理系统2700还包括一般由2709指示的一个或更多个接口，处理系统2700经由该接口与各种设备和/或网络进行对接。图27表示每个功能接口。可以通过单独的物理接口或通过共享的物理接口来提供这些接口。设备或网络与处理系统2700之间的连接可以经由有线或无线硬件和通信协议，并且可以是直接或间接(例如，联网)连接。
与其他设备/网络的有线连接可以通过任何适当的标准或专有硬件和连接协议来进行，例如通用串行总线(USB)、eSATA、Thunderbolt、以太网、HDMI和/或任何其他有线连接硬件/连接协议。与其他设备/网络的无线连接可以类似地通过任何适当的标准或专有硬件和通信协议来进行，例如光学协议、WiFi；近场通信(NFC)；全球移动通信系统(GSM)、增强型数据GSM环境(EDGE)、长期演进(LTE)、码分多址(CDMA和/或其变体)和/或任何其他无线硬件/连接协议。预计在大多数实施例中，用于网络通信的连接将是无线的，而图27的其他连接将是有线的。
提供用户系统输入端/输出端2710以至少发送并且在一些实施例中发送和接收用户系统数据2720。输出的用户系统数据2720可以包括基于由空间估计系统检测到的光而生成的数据。数据可以是需要处理的原始数据以形成空间估计，或者可以是经处理的数据，例如基于原始数据确定的空间估计形式的数据。在自动交通工具的示例用例中，用户系统可以是自动驾驶系统2730，并且输出的用户系统数据2720用于自动驾驶。输入的用户系统数据2720可以包括配置信息，诸如定义空间估计应该在哪里中央凹化的信息、要使用什么扫描轮廓、要使用什么扫描分辨率、在出射光中应该包括什么通信信息(如果有的话)等等。处理设备2702可以不同于自动驾驶系统2730的处理设备，或者处理设备2702可以形成自动驾驶系统2730的一部分(即，一个或更多个处理设备被配置成提供空间估计和自动驾驶功能两者)。
提供LiDAR控件2712，以至少发送并且在一些实施例中发送和接收用于LiDAR部件2732的控制信号2726。示例输出控制信号包括到光源102的信号、到光接收器104的信号和到光束导向器103的信号，以控制它们各自的操作。如本文所述，控制信号2726可以实现光束导向器103的基于波长的转向和/或机械转向。示例输入控制信号可以包括来自这些部件中的一个或更多个的反馈，例如对光接收器104接收到的光的强度的测量，以使得能够对光源102的功率输出进行控制。
提供LiDAR输入端2714以从光接收器2734接收数据。如本文所述，该数据用于空间估计。在除了LiDAR之外还包括相机的实施例中，在相机输入端2716处接收包括图像和/或视频的相机数据2728。在一些实施例中，空间估计系统100a包括经由通信接口2718发送和/或接收与网络2738的网络通信2724(例如与蜂窝或卫星网络的通信)的能力。
将理解的是，在本说明书中公开和定义的公开内容延伸到从文本或附图中提到或明显的两个或更多个单独特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的各种替代方面。

Claims (22)

1.一种能够在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，所述方法包括：
将一个或更多个第一光束提供给光束导向器，以由所述光检测和测距系统在所述视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由所述光检测和测距系统生成指示所述环境的特性的至少一个信号；
接收对与一个或更多个第二光束相关联的扫描轮廓的选择，以在所述视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将选择的所述一个或更多个第二光束提供给所述光束导向器；
其中，所述选择基于所述至少一个信号，并且其中，在所述视场的至少一部分上，所述第二角分辨率不同于所述第一角分辨率，并且其中，所述一个或更多个第二光束在所述视场的第一部分内实现所述第二角分辨率，并且还在所述视场的不同于所述第一部分的第二部分内实现第三角分辨率，其中，所述第三角分辨率不同于所述第二角分辨率。
2.一种能够在视场上操作的光检测和测距系统中的光束引导的方法，所述方法包括：
由波长受控光源将一个或更多个第一光束提供给被配置成基于波长将光引导到环境中的光束导向器，以由所述光检测和测距系统在所述视场内实现第一角分辨率和第一时间分辨率；
接收从环境返回的光，并由所述光检测和测距系统生成指示所述环境的特性的至少一个信号；
接收对与一个或更多个第二光束相关联的扫描轮廓的选择，以在所述视场内实现第二角分辨率和第二时间分辨率，并将选择的所述一个或更多个第二光束提供给所述光束导向器；
其中，所述选择基于所述至少一个信号，并且其中，在所述视场的至少一部分上，所述第二角分辨率不同于所述第一角分辨率，并且其中，所述一个或更多个第二光束在所述视场的第一部分内实现所述第二角分辨率，并且还在所述视场的不同于所述第一部分的第二部分内实现第三角分辨率，其中，所述第三角分辨率不同于所述第二角分辨率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述一个或更多个第一光束包括第一波长信道集合，并且所述一个或更多个第二光束包括不同于所述第一波长信道集合的第二波长信道集合，并且其中，所述方法还包括在所述一个或更多个第二光束之后将一个或更多个第三光束提供给所述光束定向器，其中，所述一个或更多个第三光束包括所述第一波长信道集合。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束包括光脉冲，并且其中，在所述第一光束中的第一波长范围内的光脉冲多于在所述第二光束中的所述第一波长范围内的光脉冲。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述第一光束中的不同于所述第一波长范围的第二波长范围内的光脉冲少于在所述第二光束中的所述第二波长范围内的光脉冲。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束包括相同数量的光脉冲。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述第一光束和所述第二光束包括光学测距信号，并且其中，在所述一个或更多个第一光束中的第一波长范围内的光学测距信号多于在所述一个更或更多个第二光束中的所述第一波长范围内的光学测距信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个第一光束实现所述光检测和测距系统的第一视场，并且所述一个或更多个第二光束实现所述光检测和测距系统的第二视场，所述第二视场不同于所述第一视场。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个第一光束在所述视场的第三部分内实现所述第一角分辨率，并且还在所述视场的第四部分内实现第四角分辨率，其中，所述第四角分辨率不同于所述第一角分辨率，并且所述视场的第四部分不同于所述视场的第三部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第三角分辨率与所述第四角分辨率相同。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第三角分辨率不同于所述第四角分辨率。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述视场的第一部分覆盖与所述视场的第二部分相同的角度范围，并且所述视场的第二部分覆盖与所述视场的第四部分相同的角度范围。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个第一光束跨整个所述视场实现所述第一角分辨率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或更多个第一光束跨整个所述视场实现基本上恒定的角分辨率。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述第二时间分辨率与所述第一时间分辨率相同。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述第二时间分辨率不同于所述第一时间分辨率。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中：
所述方法还包括基于指示所述环境的特性的所述至少一个信号来确定所述视场中的地平线；以及
基于确定的地平线来选择所述扫描轮廓。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二角分辨率高于所述第三角分辨率，并且选择的过程包括将所述扫描轮廓确定为在所述确定的地平线的位置处具有所述第一部分。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中，所述扫描轮廓是用于所述光束导向器的多个不同可选择扫描轮廓中的一个，所述多个可选择扫描轮廓包括在与所述视场中不同的可确定的地平线相对应的不同位置处角分辨率较高的区域。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述角分辨率是关于所述视场中的第一维度的，并且选择的扫描轮廓是第一扫描轮廓，并且其中，所述方法还包括跨所述第一维度和与所述第一维度正交的第二维度执行扫描迭代，其中，在所述扫描迭代内，所述视场的第一水平区段使用所述第一扫描轮廓，并且所述视场的第二水平区段使用第二扫描轮廓。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中：
所述方法还包括基于指示所述环境的特性的所述至少一个信号来确定在所述视场中的预测的行驶路径；以及
基于确定的预测的行驶路径来选择所述扫描轮廓。
22.一种光检测和测距系统，被配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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