CN115038986A - 具有全帧利用的选通闪光激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种光检测和测距（激光雷达）系统包括：发射器，其被配置为发射多个光信号；检测器，其被配置为被激活以检测入射到检测器上的光中的光信号中的一个，并提供与检测到的光信号中的一个相对应的计数数据；多个存储存储器位置，其被配置为在其中存储计数数据；以及控制电路，其被配置为基于从发射光信号中的一个起经过的持续时间将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

Description

具有全帧利用的选通闪光激光雷达

优先权声明

本申请要求于2019年10月15日向美国专利商标局提交的第62/915,308号美国临时专利申请的优先权权益，该申请的公开内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本公开涉及光检测和测距（LIDAR或激光雷达）系统，更具体地涉及检测飞行时间激光雷达系统的像素直方图中的尖峰的方法和装置。

背景技术

基于飞行时间（ToF）的成像用于许多应用中，包括距离测定、深度剖析和3D成像（例如，激光雷达）。直接飞行时间测量包括直接测量发射辐射与辐射从物体或其他目标反射之后感测到辐射之间的时间长度。由此可以确定到目标的距离。间接飞行时间测量包括通过对由激光雷达系统的（一个或多个）发射器元件发射的信号幅度进行相位调制并测量在激光雷达系统的（一个或多个）检测器元件处接收到的回波信号的相位（例如，关于延迟或偏移）来确定到目标的距离。可以通过一系列单独的测量或样本来测量这些相位。在特定应用中，可使用单光子检测器阵列（如单光子雪崩二极管（SPAD）阵列）对直接或间接飞行时间系统中的反射辐射进行感测。SPAD阵列可用作高灵敏度和定时分辨率（timingresolution）有益的成像应用中的固态检测器。

SPAD是基于pn结器件，例如通过具有所需脉冲宽度的选通信号或响应于这样的选通信号而偏置到其击穿区域之外。高反向偏置电压产生足够大小的电场，使得引入到器件的耗尽层中的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。雪崩被猝熄电路（主动或被动）地猝熄，以允许器件被“重置”以检测更多光子。起始电荷载流子可以通过单个入射光子撞击高场区域而光电产生。正是这种特性产生了“单光子雪崩二极管”的名字。这种单光子检测操作模式通常称为“盖革模式”。

在一些应用中，例如无人驾驶飞行器（UAV）、汽车和工业机器人，激光雷达系统的功耗尤其成问题。例如，在汽车应用中，汽车的供能必须满足增加的发射功率要求，这可能会给汽车制造商增加相当大的负担。此外，由较高发射功率产生的热量可能改变发光阵列的光学性能和/或可能对可靠性产生负面影响。

发明内容

本文描述的一些实施例提供了方法、系统和包括电子电路的装置，以解决上述和其他问题，这是通过提供一种激光雷达系统，其包括一个或多个发射器单元（包括一个或多个半导体激光器，如表面发射或边缘发射激光二极管；本文通常称为发射器）、一个或多个光检测器像素（包括一个或多个半导体光电检测器，如光电二极管，包括雪崩光电二极管和单光子雪崩检测器；本文通常称为检测器）和控制电路，该控制电路被配置为选择性地操作发射器单元和/或检测器像素的子集（包括其中的各个发射器和/或检测器）以提供3D飞行时间（ToF）闪光激光雷达系统。检测器像素可以在发射器单元的脉冲之间的大部分（或全部）时间是活动的，并且存储来自检测器像素的计数数据的位置可以基于从发射器单元的脉冲之一起经过的时间而改变。

根据本发明的一些实施例，一种光检测和测距（激光雷达）系统包括：发射器，其被配置为发射多个光信号；检测器，其被配置为被激活以检测入射到检测器上的光中的光信号中的一个，并提供与检测到的光信号中的一个相对应的计数数据；多个存储存储器位置，其被配置为在其中存储计数数据；以及控制电路，其被配置为基于从发射光信号中的一个起经过的持续时间将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

在一些实施例中，检测器包括多个检测器，并且第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享。

在一些实施例中，控制电路还被配置为执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作，以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

在一些实施例中，多个光信号包括第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号，二者间具有脉冲周期持续时间。

在一些实施例中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

在一些实施例中，控制电路还被配置为选择性地以第一功率水平或小于第一功率水平的第二功率水平操作发射器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器，并且控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器、并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为以第二功率水平操作发射器，并且控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器、并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并以第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

在一些实施例中，所述系统还包括检测器像素，其包括所述检测器、所述多个存储存储器位置和所述控制电路。

在一些实施例中，所述检测器像素的所述检测器、所述多个存储存储器位置和/或所述控制电路位于多个基板上。

在一些实施例中，所述检测器像素在所述多个基板中的相应基板之间包括硅通孔、中介层和/或金属连接。

在一些实施例中，所述多个基板中的第一基板包括所述多个存储存储器位置，并且所述多个基板中的第二基板包括所述检测器。

在一些实施例中，第二基板包括控制电路。

在一些实施例中，所述多个基板中的第三基板包括控制电路。

在一些实施例中，所述激光雷达系统还包括信号处理电路，检测器包括多个检测器，每个检测器联接到信号处理电路，并且控制电路还被配置为响应于光信号中的一个而激活所述多个检测器中的一个或多个，以避免信号处理电路饱和。

在一些实施例中，控制电路还被配置为检测入射到所述多个检测器中的至少一个上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制所述多个检测器中的一个或多个检测器的激活。

在一些实施例中，第一存储存储器位置包括第一多个直方图仓，每个直方图仓被配置为存储与计数数据相关联的第一多个比特，并且第二存储存储器位置包括第二多个第二直方图仓，每个第二直方图仓被配置为存储与计数数据相关联的第二多个比特。

根据本发明的一些实施例，一种光检测和测距（激光雷达）系统的控制电路被配置为执行包括以下的操作：控制发射器发射第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号，二者间具有脉冲周期持续时间；激活检测器以检测入射到检测器上的光中的第一和/或第二光信号中的一个，并提供与检测到的第一和/或第二光信号中的一个相对应的计数数据，其中激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半；以及基于从发射第一光信号起经过的持续时间来控制对共享存储器位置的访问，以将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

在一些实施例中，第一存储存储器位置包括第一多个直方图仓，每个直方图仓被配置为存储与计数数据相关联的第一多个比特，并且第二存储存储器位置包括第二多个第二直方图仓，每个第二直方图仓被配置为存储与计数数据相关联的第二多个比特。

在一些实施例中，检测器包括多个检测器，第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享，并且控制电路还被配置为执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

在一些实施例中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

在一些实施例中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的在第二部分之后的第三部分期间激活检测器。

在一些实施例中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并且以不同于第一功率水平的第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

在一些实施例中，控制电路还被配置为响应于第一光信号和/或第二光信号而选择性地激活检测器，以避免关于所述检测器执行的信号处理操作的饱和。

在一些实施例中，控制电路还被配置为检测入射到检测器上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制检测器的激活。

在一些实施例中，检测器被配置为响应于第一光信号产生第一输出信号并且响应于第二光信号产生第二输出信号，并且控制电路还被配置为基于第一输出信号、第二输出信号或第一输出信号和第二输出信号的组合来产生目标对象的范围数据。

根据本发明的一些实施例，一种操作光检测和测距（激光雷达）系统的控制电路的方法包括：控制发射器发射第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号；激活检测器以检测入射到检测器上的光中的第一和/或第二光信号中的一个，并提供与检测到的第一和/或第二光信号中的一个相对应的计数数据，其中激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半；以及基于从发射第一光信号起经过的持续时间来控制对共享存储器位置的访问，以将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

在一些实施例中，检测器包括多个检测器，第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享，并且该方法还包括执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

在一些实施例中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

在一些实施例中，该方法还包括在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

在一些实施例中，该方法还包括在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

在一些实施例中，该方法还包括在脉冲周期持续时间的在第二部分之后的第三部分期间激活检测器。

在一些实施例中，该方法还包括以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并且以不同于第一功率水平的第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

在一些实施例中，该方法还包括响应于第一光信号和/或第二光信号而选择性地激活检测器，以避免关于检测执行的信号处理操作的饱和。

在一些实施例中，该方法还包括检测入射到检测器上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制检测器的激活。

在一些实施例中，检测器被配置为响应于第一光信号产生第一输出信号并且响应于第二光信号产生第二输出信号，并且该方法还包括基于第一输出信号、第二输出信号或第一输出信号和第二输出信号的组合来产生目标对象的范围数据。

通过研究接下来的附图和详细描述，根据一些实施例的其他装置、设备和/或方法对于本领域技术人员来说将变得显而易见。意图在于，除了上述实施例的任何和所有组合之外的所有这样的附加实施例都包括在本说明书中、在本发明的范围内、并受所附权利要求书的保护。

附图说明

图1是示出根据本公开的一些实施例的示例激光雷达系统或电路的框图。

图2是示出根据本公开的一些实施例的示例控制系统或电路的框图。

图3是示出在一些激光雷达系统中使用的图像帧、子帧、激光周期和时间门之间的关系的图。

图4A是示出诸如图3中使用的范围选通的示例的图。图4B是示出图4A的选通信号相对于它们各自的激光脉冲的定时的示例的图。

图5是示出根据本公开的一些实施例的具有多个共享存储器子阵列和预充电、读取、修改、写入控制器的检测器像素的示例的框图。图6A和6B示出了图5的检测器像素的定时图的示例。图7A和7B图示了示出图5的检测器像素的SPAD启用信号和PRMW操作之间的关系的示例定时图。

图8是示出根据本文描述的一些实施例的操作的定时图。

图9是示出根据本公开的一些实施例的选通窗口的配置的定时图。

图10是示出根据本公开的一些实施例的发射器的功率水平和选通窗口的配置的定时图。

图11A至11C是根据本公开的一些实施例的像素的示例的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本公开可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免模糊本公开。意图的是，本文中公开的所有实施例都可以单独实现，或者以任何方式和/或组合来实现。关于一个实施例描述的方面可以并入不同的实施例中，尽管没有关于其具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合来组合。

激光雷达系统可以包括发射器阵列和检测器阵列，或者系统具有单个发射器和检测器阵列，或者系统具有发射器阵列和单个检测器。如本文所述，一个或多个发射器可以限定发射器单元，并且一个或多个检测器可以限定检测器像素。闪光激光雷达系统可以通过在视场（FoV）或场景上以短持续时间（脉冲）从发射器阵列或阵列子集发射光并在一个或多个检测器处检测从FoV中的一个或多个目标反射的回波信号来采集图像。非闪光或扫描激光雷达系统可以通过在视场或场景上（持续）对光发射进行光栅扫描来产生图像帧，例如，使用点扫描或线扫描来发射每个点所需的功率，并顺序扫描以重建完整的FoV。

图1示出了根据本公开实施例的激光雷达系统或电路100的示例。激光雷达系统100包括控制电路105、定时电路106、包括多个发射器115e的发射器阵列115和包括多个检测器110d的检测器阵列110。检测器110d包括飞行时间传感器（例如，单光子检测器阵列，如SPAD）。发射器阵列115的一个或多个发射器元件115e可以限定发射器单元，所述发射器单元以由定时发生器或驱动器电路116控制的时间和频率分别发射辐射脉冲或连续波信号（例如，通过漫射器或滤光器114）。在特定实施例中，发射器115e可以是脉冲光源，如LED或激光器（如垂直腔面发射激光器（VCSEL））。辐射从目标150反射回来，并由检测器阵列110的一个或多个检测器元件110d所限定的检测器像素感测到。控制电路105实施像素处理器，其使用直接或间接ToF测量技术来测量和/或计算照射脉冲在从发射器阵列115到目标150并返回到检测器阵列110的检测器110d的行程上的飞行时间。

在一些实施例中，发射器模块或电路115可以包括发射器元件115e（例如，VCSEL）的阵列、联接到一个或多个发射器元件的光学元件113、114的对应阵列（例如，（一个或多个）镜头113（诸如微镜头）和/或漫射器114）和/或驱动器电子器件116。光学元件113、114可以是可选的，并且可以被配置为提供来自发射器元件115e的光输出的足够低的光束发散度，从而确保单个或成组的发射器元件115e的照射场不显著重叠，并且还提供来自发射器元件115e的光输出的足够大的光束发散度，以向观察者提供眼睛安全。

驱动器电子器件116可以各自对应于一个或多个发射器元件，并且可以各自响应于参考主时钟的定时控制信号和/或控制由发射器元件115e输出的光的尖峰功率的功率控制信号而操作。在一些实施例中，发射器阵列115中的每个发射器元件115e连接到相应的驱动器电路116并由其控制。在其他实施例中，发射器阵列115中的发射器元件115e的相应群组（例如，彼此空间邻近的发射器元件115e）可连接到同一驱动器电路116。驱动器电路或电路体系116可以包括一个或多个驱动器晶体管，其被配置为控制从发射器115e输出的光发射信号的调制频率、定时和幅度。

来自多个发射器115e的光信号的发射为闪光激光雷达系统100提供了单个图像帧。发射器115e的最大光功率输出可被选择为产生在最亮背景照射条件下来自最远、反射最少的目标的回波信号的可根据本文所述的实施例进行检测的信噪比。以示例的方式示出了控制光的发射波长的可选滤光器和增加发射器阵列115的照射场的漫射器114。

从一个或多个发射器115e输出的光发射撞击在一个或多个目标150上并由一个或多个目标150反射，并且反射的光由一个或多个检测器110d（例如，经由接收器光学器件112）检测为光信号（本文也称为返回信号、回波信号或回波），转换为电信号表示（本文称为检测信号），并且被处理（例如，基于飞行时间），以限定视场190的3D点云表示170。如本文所述的根据本公开的实施例的激光雷达系统的操作可以由一个或多个处理器或控制器来执行，诸如图1的控制电路105。

在一些实施例中，接收器/检测器模块或电路110包括检测器像素阵列（每个检测器像素包括一个或多个检测器110d，例如，SPAD）、接收器光学器件112（例如，一个或多个镜头，用于收集FoV 190上的光）和接收器电子器件（包括定时电路106），其被配置为对检测器阵列110的全部或部分进行供电、启用和禁用，并向其提供定时信号。检测器像素可以以至少纳秒的精度激活或停用，并且可以单独寻址、按组寻址和/或全局寻址。接收器光学器件112可包括被配置为从可由激光雷达系统成像的最大FoV收集光的宏镜头、用于提高检测像素的收集效率的微镜头、和/或用于减少或防止检测到杂散光的抗反射涂层。在一些实施例中，可以提供光谱滤光器111以通过或允许“信号”光（即，波长对应于从发射器输出的光信号的波长的光）通过，但是大体上拒绝或阻止非信号光（即，波长不同于从发射器输出的光信号的光）通过。

检测器阵列110的检测器110d连接到定时电路106。定时电路106可以与发射器阵列115的驱动器电路116进行锁相。可以控制每个检测器110d或检测器组的灵敏度。例如，当检测器元件包括反向偏置光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、PIN二极管和/或盖革模式雪崩二极管（SPAD）时，可以调整反向偏置，这样，过偏越高，灵敏度越高。

在一些实施例中，诸如微控制器或微处理器的控制电路105向不同发射器115e的驱动电路116提供不同的发射器控制信号，和/或向不同检测器110d的定时电路106提供不同的信号（例如，选通信号），以启用/禁用不同的检测器110d，从而检测来自目标150的回波信号。

图2示出了产生发射器和/或检测器控制信号的控制电路105的示例。图2的控制电路可以表示一个或多个控制电路，例如，被配置为向发射器阵列115的驱动器电路116提供发射器控制信号的发射器控制电路和/或被配置为向检测器阵列110的定时电路106提供选通信号的检测器控制电路，如本文所述。此外，控制电路105可以包括被配置为协调发射器115e和检测器110d的操作的定序器电路。更一般地，控制电路105可以包括一个或多个电路，这些电路被配置为产生控制检测器110d的激活的定时和/或持续时间的相应的检测器信号，和/或产生控制来自发射器115e的光信号的输出的相应的发射器控制信号。

本文使用的选通（strobing）可以是指检测器控制信号（本文也称为选通信号或“选通脉冲”）的产生，以控制激光雷达系统100的一个或多个检测器110d的激活的定时和/或持续时间（本文也称为选通窗口）。

在一些激光雷达实施方式中，可以通过使用不同的发射器115e来实现不同的成像距离范围。例如，被配置为照射150米至200米（m）距离范围的目标的发射器115e可以被操作为发射比被配置为对100米距离范围成像的发射器115e的四倍功率。在一些实施例中，相同的发射器115e可以被配置为根据被成像的距离来利用不同的功率水平。例如，如果激光雷达系统100被配置为在例如距发射器阵列115二百米的距离处照射目标150，则可以以第一功率水平驱动发射器115e。如果激光雷达系统100切换或以其他方式（例如，动态地）配置为在例如距发射器阵列115一百米的距离处照射目标150，则可以以小于第一功率水平的第二功率水平驱动发射器115e。选择性地控制发射器的功率水平的方法的示例在例如提交于2020年1月31日的题为“STROBE WINDOW DEPENDENT ILLUMINATION FOR FLASH LIDAR（闪光激光雷达的取决于选通窗口的照射）”的美国专利申请序列号16/778,476（'476申请）中论述，其内容通过引用结合于此。

本发明的一些实施例源于这样的认识，即激光雷达系统的平均功率使用可以通过在整个发射器周期内保持检测器元件（例如，检测器110d）的激活状态以及在发射器周期内动态地改变检测器元件的计数存储位置来改善。

范围选通闪光激光雷达（例如，具有对应于各自距离范围的选通窗口）可能出于几种原因使用选通。例如，在一些实施例中，检测器元件可以被组合成像素，并且在光信号发射之后被选择性地激活，以在特定选通窗口期间检测来自目标的回波信号。检测到的回波信号可用于从回波信号产生入射到检测器上的光子的检测到的“计数”的直方图（histogram）。基于直方图来检测目标距离的方法的示例在例如提交于2019年2月12日的题为“METHODS AND SYSTEMS FOR HIGH-RESOLUTION LONG-RANGE FLASH LIDAR（用于高分辨率远距离闪光激光雷达的方法和系统）”的美国专利申请序列号16/273,783中论述，其内容通过引用结合于此。

图3是示出在一些激光雷达系统中使用的图像帧、子帧、激光周期和时间门（本文也称为选通窗口）之间的关系的图。如图3所示，具有特定持续时间的选通窗口可以在发射的激光脉冲之间具有特定持续时间的示例激光周期期间被激活。例如，在750kHz的操作频率下，激光周期约为1.3μs。该操作频率仅是一个示例，也可以使用其他潜在频率/激光周期。例如，其他操作频率包括375kHz（约2.6μs）或1.5MHz（约0.6μs），仅举几例。各个激光周期内的不同持续时间可与各自的选通窗口相关联。例如，激光周期的持续时间可以被分成多个潜在的选通窗口持续时间，例如，每个大约133ns的10个选通窗口。这些选通窗口中的第一个可以在激光周期中的第一个期间是活动的，而选通窗口中的第二个可以在激光周期中的第二个期间是活动的。在各个激光周期内，选通窗口在时间上可以是互斥的或重叠的，并且可以是单调排序的或非单调排序的。关于在选通窗口之一期间由检测器检测到的光子的数据可以存储在直方图仓中。可以对直方图仓进行统计分析，以检测选通窗口内检测到的光子的尖峰数量。图像子帧可以包括具有相关联的激光周期的多个激光脉冲，其中选通窗口在每个激光周期中是活动的。例如，每个子帧中可能有大约1000个激光周期。每个子帧还可以表示针对各自的选通窗口收集的数据。可以在每个子帧的末尾执行选通窗口读出操作，多个子帧（每个对应于相应的选通窗口）组成每个图像帧（例如，每个帧中20个子帧）。图3中所示的定时仅作为示例，并且根据本文描述的实施例，其他定时也是可能的。

图4A示出了例如图3中使用的范围选通的示例。特别地，图4A示出了相对于激光雷达系统的激光脉冲的连续k个选通窗口的定时，其中每个选通窗口1至k限定了检测器（例如，SPAD）响应于相应的选通信号选通脉冲#1至选通脉冲#k在相对于激光脉冲不同的相应延迟处激活的持续时间。在一些实施例中，选通窗口1至k可以在持续时间上相同，如图4A所示。

虽然图4A示出了与单个激光脉冲相邻的多个选通窗口，但是应当理解，这是为了示出相对于给定激光脉冲的延迟的透视关系。出于检测目的，某些激光雷达系统仅针对特定激光脉冲激活一次特定选通脉冲。换言之，特定检测器（例如，SPAD）可能仅针对特定激光周期针对单个选通窗口（具有相应的距离子范围）是活动的。在激光周期的其他部分期间入射到SPAD上的其他光子（例如，对应于其他距离子范围）可以被忽略。图4B示出了相对于它们各自的激光脉冲的图4A的选通脉冲#1至选通脉冲#k的定时的示例。例如，图4B示出了特定的选通窗口（例如，对应于特定距离范围的检测器的特定激活时间）可以用于多个激光周期。例如，第一选通窗口（例如，选通脉冲#1）可以用于多个激光周期（例如，激光#1至激光#(X-1)）。对应于不同距离子范围的第二选通窗口（例如，选通脉冲#2）可以用于第二多个激光周期（例如，激光#X至激光#(Y-1)）。这个过程可以通过对应于不同距离子范围的后续选通窗口继续进行，直到采样了每个距离子范围（例如，k个选通窗口），其中针对每个距离子范围利用了多个激光周期。虽然图4A和图4B将激光使用装置描述为光发射器，但是应当理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，也可以使用其他类型的光信号。

光信号的脉冲之间的时间（和/或对应的选通窗口）可以对应于距离范围（例如，光子从发射器行进到该距离范围处的目标并返回到检测器所花费的时间），并且相应的选通窗口因此可以对应于距离范围的子范围。可能的距离范围包括但不限于50m、100m、150m、200m或400m。例如，为了对200米（m）的距离范围成像，可以定义十个相应的选通窗口来覆盖1m至20m、20m至40m、40m至60m、…、以及180m至200m的距离子范围。

在一些实施例中，可以调整或改变每个时间窗口分配的激光周期的数量（例如，针对每个子帧的每个选通窗口读出，如图3所示，其中每个子帧指示与相应选通窗口相关联的距离子范围的数据）。在一些实施例中，覆盖特定距离子范围的每个帧或子帧中的激光周期的数量可以是恒定的，而与选通窗口宽度或距离范围无关。也就是说，举例来说，对于使用750kHz激光以每秒10帧的速度进行检测，每一帧可对应于覆盖1m至20m、20m至40m、40m至60m、…、以及180m至200m的距离子范围的75000个激光周期。在一些实施例中，对于不同的距离子范围，对应于每个帧或子帧的激光周期的数量是不同的。例如，用于更远选通窗口的子帧（具有来自激光脉冲激发的更长延迟，例如，覆盖180至200米的更远距离）可以被分配或以其他方式对应于比用于更近选通窗口的子帧（具有来自激光脉冲激发的更短延迟，例如，覆盖0至40米的更近距离）更多部分（或更少部分）的激光周期数量，而不是每个选通窗口或子帧均等地分配激光周期数量。也就是说，在一些实施例中，较远选通窗口的激光周期数量可以大于较近选通窗口的激光周期数量，或者反之亦然。

在一些实施例中，驱动特定发射器的功率可以根据其想要检测的距离（和对应的选通窗口）来调整或改变。在'476申请中讨论了这种方法的示例，该申请通过引用结合于此。例如，可以为每个选通窗口发射发射器激光脉冲猝发，其功率足以检测每个选通范围内的最暗目标。这可以按1/R²的比例缩放所需功率，其中R是与该选通窗口相关联的距离子范围。例如，用于更远距离范围（例如，覆盖180至200米的更远距离）的子帧可以与这样的发射器脉冲相关联，其中发射器以比对应于用于更近距离范围（例如，覆盖0至40米的更近距离）的子帧的激光周期期间使用的功率更高的功率被驱动。

如本文所讨论的，在子帧中检测到的光子的计数可以排布在直方图中，以确定到成像目标的真实距离。像素内直方图制图可能需要每个像素n x m个存储器比特，其中n指的是仓数，并且m指的是每个仓的比特数。仓数可以是指测量中的总范围除以直方图的标称时间分辨率的比率（虽然可以内插改进的时间分辨率，但是该关系仍然认为较窄的仓与较精细的时间分辨率相关）。比特数可以确定能够采集的信号的动态范围。为了保持像素大小相对较小，可以最小化或减少存储器比特数。由于动态范围可由目标反射率动态范围以及环境辐照度给出，因此限制总距离范围可用于减少每个像素的比特数。

此外，选通可用于降低系统功率。如上所述，针对每个选通窗口发射发射器激光脉冲猝发，其功率足以检测每个选通范围R处的最暗目标，因此按1/R²的比例缩放所需功率。激光雷达系统的检测器或传感器，例如单光子雪崩检测器（SPAD），可以在激光脉冲发射之后的时间t被充电，该时间t对应于选通范围的开始，持续时间dt对应于选通窗口的深度（例如，距离范围对应于检测器的激活持续时间）。

例如，如果测量200m处暗淡目标所需的功率为1W，并且使用10个等持续时间的选通窗口，则选通窗口1、2、…10所需的功率可分别为0.1²W、0.2²W、…1W，平均功率为0.385W。该方案的一个缺陷在于，对于具有k个选通子帧的给定帧，信号的(k-1)/k未被收集。例如，并且参考图4A和图4B，如果k等于10，使得存在被选通的k个距离子范围，则在给定的激光脉冲期间，检测器（例如，SPAD）可以仅在激光脉冲之间的时间的1/k期间是活动的，而在其他部分期间不活动（例如，不检测光子）。这样，在激光脉冲之间的持续时间内，9/10的信号未被收集。

然而，可能期望进一步降低或最小化激光雷达的平均功耗，这通常受激光功率的影响。

图5示出了根据本发明的一些实施例的具有多个共享存储器子阵列或组510和PRMW（预充电、读取、修改、写入）控制器520的检测器像素500的示例。图6A和6B示出了图5的检测器像素的定时图的示例。图7A和7B示出了示出图5的检测器像素的SPAD启用信号和PRMW操作之间的关系的示例定时图。

如图5所示，根据本文实施例的检测器像素500可包括一个或多个检测器（例如，SPAD）和相关联的接口505。（一个或多个）检测器可以物理地共享检测器像素500上的和/或与检测器像素500相关联的存储器507。例如，在一些实施例中，共享存储器507可以是静态随机访问存储器（SRAM），但是本文描述的实施例不限于此。例如，在一些实施例中，共享存储器507可以是动态随机访问存储器（DRAM）或其他适当的存储器存储技术。在一些实施例中，共享存储器507可分成子块510，例如，以减少位线电容。例如，子块510中的每一个可以是单独的存储器装置和/或可以具有能从其读取数据的单独的输出线（如图5中的箭头所示）。在其中使用单个大存储器来存储所有直方图数据的常规装置中，用于访问较大存储器中的数据的共用位线可具有较高电容，且因此具有较慢的切换和/或操作时间。因此，对多个较小、单独的存储器装置的访问可能比对通常由多个像素和/或检测器访问的较大存储器装置的访问更快。在一些实施例中，使用各自具有单独输出线的单独存储器块510可减小此电容并允许更快的操作。在图5中，子块510被示出为n个仓x m个比特的SRAM，但是这仅仅是一个示例，并不旨在限制本发明的构思。在一些实施例中，检测器像素500可以包括控制电路（例如，图1的控制电路105和/或定时电路106），该控制电路可以包括PRMW控制器520。PRMW控制器520可用于访问和/或更新存储在存储器块510中的计数。PRMW控制器520可以在检测器像素500的检测器之间共享，并且可以被配置为在检测器像素500的检测器之间多路复用对共享存储器507的访问。PRMW控制器520可被配置为根据自发射器脉冲发射以来经过的持续时间来控制检测器像素500的检测器（例如，SPAD）对共享存储器507的访问。

本发明的实施例提供了能够实现显著功率降低的检测器操作方案。在一些实施例中，可以通过在每个像素500内部提供单独的存储器位置510来实现功率降低，也就是说，使得每个检测器像素500包括可单独寻址的存储器位置510。在一些实施例中，可单独寻址的存储器位置510可以是共享存储器507内的存储器阵列。在一些实施例中，可单独寻址的存储器位置510可以是单独的存储器块，每个存储器块具有可以从其访问存储器位置510的数据的输出线。

图11A至11C是根据本公开的一些实施例的像素500的示例的示意图。参考图11A，在像素500的一些示例实施例中，共享存储器507的存储器阵列510可以与检测器元件110d（例如，SPAD检测器110D的阵列110）以及包括PRMW控制器520的处理电路一起实现在同一个基板1110和/或半导体结构上。

参考图11B，在像素500的一些示例实施例中，不同的第二基板1120和/或半导体结构可以结合到第一基板1110。第一基板1110可以包括检测器像素110D的阵列110，并且第二基板1120可以包括共享存储器507（包括子块和/或可单独寻址的存储器位置510）以及包括PRMW控制器520的处理电路。

参考图11C，在像素500的一些示例实施例中，不同的第三基板1130和/或半导体结构可以结合到第一基板1110和第二基板1120。第一基板1110可以包括检测器像素110D的阵列110，并且第二基板1120可以包括共享存储器507（包括子块和/或可单独寻址的存储器位置510）。第三基板可以包括处理电路，包括PRMW控制器520。在图11C中，第一基板1110、第二基板1120和第三基板1130的堆叠顺序仅是示例性的，而不旨在限制本发明的构思。

本发明构思的实施例不限于图11A至11C所示的示例，并且在不脱离本发明构思的情况下，像素500的组件的其他布置是可能的。例如，Blanquart的第9,153,609号美国专利中描述了用于在一个或多个基板上布置组件的替代或附加的方法和配置。在并入有多个基板和/或半导体结构的像素500中，基板和/或半导体结构可经由像素内结合、硅通孔（TSV）1140、通过中介层和/或通过本领域已知的金属连接而互连。

返回参考图6A至7B，可以响应于控制信号（例如，可以由控制电路（例如，图1的控制电路105和/或驱动器电路116）提供的发射器启用信号）来控制发射器脉冲。如图6A、图6B、图7A和图7B所示，发射器启用信号可以在激光雷达系统的采集操作开始时是活动的。发射器启用信号可以指示或控制激光器或其他发射器元件点火发射或发射脉冲（例如，激光脉冲）。在那时、或在此后不久（为了避免附近反射触发SPAD）、或在不久之前（为了确保在激光发射时SPAD已充满电，以免错过附近目标），SPAD阵列的一个或多个检测器被激活或“充电”以通过经历雪崩来检测到达的光子。这例如由图7A和7B中的SPAD启用信号示出。

在本文所述的实施例中，检测器时间门或选通窗口可以是指在（一个或多个）发射器的脉冲（其同样可以响应于来自控制电路的相应发射器控制信号）之间的时间段或时间内的一个或多个检测器（例如，响应于来自控制电路的相应选通信号）的激活和停用的相应持续时间。

在一些实施例中，选通窗口由检测器（例如SPAD）的激活时间定义，并且信号处理电路接收检测器的输出。可以选择脉冲之间的时间（其定义激光周期，或更一般地发射器脉冲频率），或者脉冲之间的时间可以以其他方式对应于激光雷达系统的期望成像距离范围。例如，图7A和7B示出了1.3μs的发射器激活之间的时间，其对应于750kHz的近似发射器频率，并且可以用于有效地照射200m处的目标。图7A和7B的操作频率和激光周期持续时间仅仅是示例，也可以使用其他值。例如，可以使用375kHz或1.5MHz的频率，激光周期分别约为1.3μs和0.6μs，仅举两个额外的示例。类似地，可以使用比200米更近或更远的其他操作范围，例如50米、100米、150米和400米等操作范围，仅举几例。

在本文所述的实施例中，选通窗口或检测器控制信号可被配置为激活检测器阵列的一个或一个以上的检测器（例如，SPAD），以便在图像采集帧的持续时间内（而不仅仅在子帧的持续时间内）保持活动，除了当检测器被雪崩放电且在其停滞时间内时。在一些实施例中，停滞时间可以在1到25ns的范围内。例如，尽管在发射器脉冲之间的整个持续时间内，SPAD启用信号被指示为活动，但是应当理解，在一些实施例中，SPAD启用信号可以响应于SPAD的雪崩事件而停止。

检测器和/或检测器像素的输出（在一些实施例中，每个时间仓的雪崩事件的计数）可以被引导到对应于不同距离子范围的不同存储器组（例如，组1至J）。例如，如图6A、图6B、图7A和图7B所示，共享存储器中的不同共享存储器可以在相对于发射器脉冲的发射的不同时间被激活。参考图6A，在发射器脉冲发射之后随着时间流逝，可以激活不同的存储器位置（例如，不同的存储器组），使得在相对于发射器脉冲的不同延迟处检测到的光子分别存储在不同的存储器位置中。当下层的存储器存储位置改变时，SPAD可保持启用状态。例如，如图6A所示，在（如发射器启用信号所指示的）发射器脉冲之后的第一持续时间期间，可启用第一组（例如，组1）。检测器在此期间检测到的光子计数将存储在组1中。在稍后的持续时间内，可以停用组1并且可以激活组2。检测器在此期间检测到的光子计数将存储在组2中。特定存储器位置被激活的持续时间可以对应于可以与成像距离范围的特定距离子范围相关的时间范围。该过程可根据需要重复足够多次，以收集足够高质量的目标范围的估计值——例如，如果每次测量的范围不确定度遵循具有标准差s的高斯分布，则P次重复测量将产生s/sqrt(P)的范围标准差。在其他相关激光雷达系统中，SPAD可能在帧的特定距离子范围内启用，但在帧的其他子范围内可能保持禁用。在这种激光雷达系统中可以使用另一帧来检测不同距离子范围内的光子。相反，根据本公开的实施例可以在帧的多个距离子范围上保持启用SPAD，并且可以通过激活不同的单独存储器位置来改变存储检测到的光子计数的下层位置。

图6A旨在作为示例，而非旨在限制本文描述的实施例。例如，在一些实施例中，当检测器/SPAD被激活时，组可能不会被连续激活。例如，如图6B所示，在一些实施例中，第一组存储器组（例如，组1和2）可以在发射器启用信号之后被激活达第一时间段，而第二组存储器组（例如，组(J-1)和J）可以在发射器启用信号之后的稍后持续时间被激活达第二时间段。在一些实施例中，与第一组存储器组的激活和第二组存储器组的激活之间的时间段相关联的存储器组可以不被激活（例如，组3和4）。也就是说，在特定的激光周期中，并不是所有的存储器组都可以被利用。

如图6A那样，图7A也示出了可以基于自激活了发射器脉冲（如发射器启用信号所示）以来经过的时间的延迟或持续时间来在发射器脉冲周期期间的不同时间激活不同的存储器组（如组启用信号所示）。SPAD启用信号可以是活动的，使得一个或多个检测器（例如SPAD）可以在整个发射器脉冲周期中持续检测和计数入射光子。例如，当一个或多个检测器包含SPAD时，入射光子可能会引起SPAD雪崩事件。如图7A所示，来自（一个或多个）检测器的雪崩事件（标记为SPAD计数）可以被采样（例如，周期性地）并保存在不同的仓（例如，仓#1到仓#n）中。仓可以是检测器像素存储器的物理分离的区域，并且在一些实施例中，可以存储在物理分离的存储器阵列中（例如，在组1至组J内）。换言之，每个单独的存储器组可以被配置为在该存储器组内存储仓（例如，仓1至仓n），使得如果系统具有J个存储器组，则存在J× n个仓用于存储来自（一个或多个）检测器的计数。在一些实施例中，任何特定的仓所覆盖的持续时间可以等于发射器周期时间（例如，0.6μs、1.3μs、2.6μs等）除以(J*n)。

通过在整个激光脉冲周期期间保持检测器像素的一个或多个检测器活动，来自整个发射器脉冲的信号可被捕获和利用，而旋转存储仓的使用仍可允许基于入射光子的到达来计算相应的距离。在一些实施例中，（一个或多个）检测器可以在整个发射器脉冲周期（例如，第一发射器脉冲和随后的第二发射器脉冲之间的时间）内是活动的。在一些实施例中，（一个或多个）检测器可以在发射器脉冲周期的75%以上是活动的。在一些实施例中，（一个或多个）检测器可以在发射器脉冲周期的50%以上是活动的。

如图6B那样，图7B示出了一个实施例，在该实施例中，存储器组不必连续地被启用。例如，第一组一个或多个存储器组（被图示为例如组1）可以在发射器（例如，SPAD）被启用之后被启用达第一时间段。（一个或多个）检测器（例如，（一个或多个）SPAD）可以在发射器周期的另一部分被禁用，并且与此持续时间相关联的存储器组（被图示为例如组2）可保持停用。（一个或多个）检测器可以在激光周期的稍后部分期间被重新启用，并且与该时间段相关联的存储器组（例如，组J）可以被激活以存储该（一个或多个）检测器的激活结果。

返回参考图3，本发明的操作可以与每个发射器/激光周期使用不同的选通激活窗口的实施例形成对照。接收器抖动可能约为10至5000皮秒（ps）。像素检测器（例如，SPAD）可在激光周期（例如，1.3μs）内针对单个选通窗口（例如，约133ns）被激活。每个选通窗口可以划分到时间直方图仓中。每个子帧可以重复数百或数千个激光周期，以便针对给定的选通范围产生足够质量的测量值。可以顺序地收集子帧（例如，响应于选通窗口读出），以形成或定义覆盖整个范围的单个帧。与关于图5至7B描述的实施例不同，图3的实施例可能对于发射器周期的大部分不保持检测器的激活，并且可能在主要是特定距离子范围上采样光子，而发射器周期的其他部分保持未采样。

图8示出了根据本文描述的一些实施例的操作的定时图。如图8所示，检测器像素的检测器（例如，SPAD）可在发射器周期的一半或一半以上或整个发射器周期上被激活，在一些实施例中，雪崩事件之后的停滞时间除外。在各个雪崩事件之后，与检测器检测到的光子相关联的计数可以存储在直方图仓中。仓本身可另外存储在共享存储器（例如，SRAM）中、在共享存储器中的基于自发射器周期开始以来的时间而旋转和/或多路复用的位置处。在多个发射器周期结束时，可读出帧以确定目标的位置（例如，以形成点云）。

如图8所示，存储位置（示出为SRAM组寻址）可以被交换和/或迭代（例如，通过使用多路复用器和/或其他类型的存储器指针）以基于自发射器脉冲发射以来的时间延迟和/或持续时间来改变存储雪崩计数的位置。在一些实施例中，存储位置可以在选通窗口的时间帧的不同部分被交换，使得不同的选通窗口段保存在物理存储器中的不同存储位置中（例如，在SRAM的不同组中）。图8示出了一个示例，其中选通窗口被分成持续时间为133ns的段，但是本发明的构思不限于此。作为示例实施例，激光雷达系统可以利用1.3μs的选通窗口用于1.3μs的发射器周期，其中选通窗口被分成10个133ns的选通窗口段，每个段存储在SRAM存储器的单独的物理组中。图8的操作频率和激光周期持续时间仅仅是一个示例，也可以使用其他值。例如，可以使用375kHz或1.5MHz的频率，激光周期分别约为1.3μs和0.6μs，仅举两个额外的示例。类似地，可以使用与图8中所示的不同数量的仓。例如，在一些实施例中，可以使用八个、十五个或二十个仓，这将导致（在时间上）调整的仓宽度。与图3所示的实施例（其中检测器仅在基于自发射器脉冲发射以来的时间在特定的持续时间期间活动，而在其他时间不活动）相反，本文所述的一些实施例可允许检测器持续检测进入的光子达整个每个发射器周期，其中共享存储器的地址管理方案用于部分地基于光子的到达时间来分类检测到的光子。

图8还示出了可以发生多级存储。例如，检测器可以维持与特定检测子范围和/或持续时间（在图8中被示为133ns选通窗口段的13ns的仓）相关联的多个直方图仓（例如n个仓 x J个存储器组）。在该检测子范围和/或持续时间内，检测器可以基于到达光子相对于持续时间起始的时间偏移来分类到达光子的计数。这种分类可以是一系列仓的直方图。图8示出了十个仓，但是本文描述的实施例不限于此。仓可用于执行计数的统计分析以确定用于检测仓内的光子的统计尖峰（例如，作为从检测持续时间和/或发射器周期起始的偏移）。基于自发射器脉冲起始以来的时间，这些仓可以一起存储在共享存储器中。因此，在激光周期内，多组仓（例如，直方图）可以存储在共享存储器中。在一些实施例中，选通窗口段的数量（例如，k个选通窗口段）可以等于可用于存储的物理组的数量（例如，J个组），尽管本发明的构思不限于此。在一些实施例中，一个存储器组中的仓的数量（例如，n个仓）可以等于该选通窗口段内的仓的数量，使得存在一对一的对应关系，尽管本发明的构思不限于此。

在本发明的实施例中，可以消除每个距离子范围的子帧读出，因为对应于距离子范围的所有选通窗口在相同的激光周期内被捕获。连续激光周期之间的时间可分为选通窗口，在每个选通窗口期间检测器是活动的。因此，在一些实施例中，检测器可以在发射器脉冲周期的50%至100%之间是活动的。在给定选通窗口中产生的雪崩和/或光子计数被数字化并存储在与给定选通窗口相关或以其他方式适合于（例如，基于自发射器/激光周期开始以来的时间）给定选通窗口的存储器组中。

在一些实施例中，对于所有距离范围，选通窗口持续时间是相同的。在一些实施例中，选通窗口的持续时间不相同。在一些实施例中，可意识到，与更远的目标相比，更近的目标在接收器中产生雪崩的概率更高。因此，可以使用更少的激光脉冲来收集相同数量的范围测量值。因此，在对于多个或所有选通窗口具有固定尖峰激光功率的一些实施例中，范围更近的选通脉冲（例如，针对与相对更近或没那么远的目标相关联的来自发射器脉冲的持续时间的选通窗口）可以在持续时间上更短，而范围更远的选通脉冲（例如，针对与相对更远或较远处的目标相关联的持续时间的选通窗口）将在持续时间上更长。

在上述示例中，对于固定的帧持续时间和激光周期时间并且在不改变尖峰激光功率的情况下，本发明的实施例可以提供每帧更多的激光周期。例如，在一些定时方案中，激光周期为1.3μs，并且选通窗口为133ns，每个选通窗口可以发射1000个脉冲，也就是对于对应于该选通窗口的距离子范围内的目标，每帧1000个脉冲。相比之下，在本文描述的本发明的实施例中，如果帧的持续时间是30ms，那么每个选通窗口“接收”（或可以被检测到）30ms/1.3μs = 23076个脉冲。

在一些实施例中，保持尖峰激光功率，但降低每帧激光发射的占空比。换言之，如果需要1000个脉冲，系统仍会发射1000个脉冲，但不是（在上面的示例中那样）在133ns选通窗口内发射，而是在整个30ms的帧上分配这些脉冲，从而在保持信噪比的同时降低系统的平均功耗。

例如，以源自激光雷达环境中的太阳和/或其他环境背景而不是发射器的光子的形式的噪声可能不相关地到达，而来自被诸如激光雷达系统的发射器的脉冲光源（例如，脉冲激光器）照射的目标的光子在窄时间相关窗口（例如，对应于脉冲宽度的时间窗口）中以两个或更多个为一组被检测到的可能性更高。在检测到光子到达之后，控制电路可以指示检测到具有相对于彼此落在预定相关时间内的相应到达时间的相关光子对。在一些实施例中，时间数字转换器（TDC）可用于确定到达时间。本文描述的其中检测器在整个脉冲周期上收集信号的一些实施例可以提高区分回波信号返回（例如，来自发射器的光子）与非相关光子的能力。这可以得到降低和/或最小平均功率配置，同时保持和/或提高信噪比。

在一些实施例中，可以降低尖峰激光功率，并且可以增加每帧的激光脉冲数量，例如以填充整个帧。在上面的示例中，可以点火发射/发射23076个脉冲。由于发射了更多的激光脉冲，这意味着在时间相关单光子计数应用中，与使用较少激光脉冲相比，可以更有效地检测相关信号。虽然尖峰功率降低的比率可能不与光子的数量成线性比例（这主要是由于环境光子），但是根据本文所述的一些实施例的配置可以使得能够实现尖峰功率的显著降低。

在一些实施例中，可以为每个选通窗口定义子帧，并且可以按比例调整发射器功率（例如，按1/R²缩放），其中R是激光雷达系统的目标范围。然而，在根据本发明的一些实施例中，可以为每个激光周期收集来自所有选通范围的信号。因此，本文描述的实施例可以组合这两种方法来提供多种益处。

例如，在一些实施例中，可以在尖峰功率下利用发射器，并且可以在发射器周期期间的所有时间（例如，激光脉冲之间的时间）对所有选通窗口进行采样（例如，检测器可以在此期间被激活）。在高反射目标靠近发射器的情况下，可能难以正确确定高反射目标的距离。

在一些实施例中，发射器可在尖峰功率下使用，并且检测器可在对应于较近距离的一些选通窗口期间（例如，紧接在发射器脉冲之后的持续时间期间）停用，但对于对应于较远距离的选通窗口是活动的。在一些实施例中，检测器仍可在大于50%的发射器周期内被激活。这可能会抑制激光雷达系统对目标将可能过度反射的那些距离进行采样。

例如，图9示出了根据本公开的一些实施例的选通窗口的不同配置。如图9所示，本发明的构思允许对选通窗口进行“塑形”，使得选通窗口在不同的持续时间内活动，包括在给定的发射器周期内选通窗口的活动时段不连续的持续时间。根据本文所述的实施例，在选通窗口活动的时段期间，与检测器的入射光子相关的数据可基于自发射脉冲起经过的持续时间而保存到不同的物理存储器位置。在选通窗口不活动的时段期间，数据可能不会保存在与那些距离子范围相关的物理存储器位置。因此，数据到物理存储器中的存储可以基于选通窗口的激活状态而“跳过”部分的物理存储器。

例如，对于激光雷达系统的某些子帧，选通窗口可能在发射器周期的第一部分是活动的，但在发射器周期的后一部分是不活动的。在一些实施例中，如图9中以“激光#X1”和“选通脉冲#Y1”为例示出的，选通窗口可针对发射器周期的与较近距离子范围相关联的第一部分是活动的，但针对发射器周期的与较远距离子范围相关联的第二部分是不活动的。在一些实施例中，如图9中以“激光#X3”和“选通脉冲#Y3”为例示出的，选通窗口可对于发射器周期的与较近距离子范围相关联的第一部分是不活动的，但对于发射器周期的与较远距离子范围相关联的第二部分是活动的。在一些实施例中，如图9中以“激光#X2”和“选通脉冲#Y2”为例示出的，选通窗口可针对发射器周期的与较近距离子范围相关联的第一部分是活动的，针对发射器周期的与中间距离子范围相关联的第二部分是不活动的，并且针对发射器周期的与较远距离子范围相关联的第三部分是活动的。在图9的示例中，选通窗口的持续时间长于发射器脉冲之间的持续时间（例如，脉冲周期持续时间）的一半。应当理解，根据本文所述实施例的激光雷达系统可以在特定采集时段（例如，对于特定帧）期间利用选通窗口的这些配置中的一个或全部。还应当理解，图9的选通窗口仅仅是示例，在不脱离本发明的情况下，可以利用选通窗口的不同配置。

在一些实施例中，多个检测器可以连接到同一个处理电路，这样，检测器中的零个、一个或多个可以通过响应于接收到的信号和/或确定的背景光（例如，与发射器不相关的环境和/或其他光能）的强度改变相关联的选通窗口的激活而在激光周期的特定时间被启用。通过选择性地激活（或停用）检测器（例如，在所确定的高背景强度或可能使信号处理饱和的其他事件的时段期间），检测器可产生待正确处理的足够信号而不使处理电路饱和（例如，使直方图饱和）。

在一些实施例中，发射器的功率可以被降低或“逐步降低”，并且检测器可以在对应于较近距离的一些选通窗口（例如，紧接在发射器脉冲之后的持续时间）期间被激活，但是对于对应于较远距离的选通窗口被停用。在一些实施例中，检测器仍可在大于50%的发射器周期内被激活。这可以允许使用较低功率的发射器脉冲来检测较近的目标，包括高反射目标。由于较低功率的发射器脉冲在照射远处目标时可能不太有效，因此对于这些较远的距离，可以减少计算时间（和资源）。然而，本发明的构思不限于此。在一些实施例中，检测器可以针对较远的范围保持活动，甚至在较低的发射器功率水平下，因为仍然可以接收到光子。

在一些实施例中，可以组合先前描述的技术中的相应技术。例如，在帧的一些发射器周期中，可以利用发射器的最大功率，并且可以在某些选通窗口期间停用检测器，而在其他发射器周期中，可以在所有选通窗口期间以最大发射器功率激活检测器。在帧的一些发射器周期中，发射器的功率可以降低，并且检测器可以在某些选通窗口期间被停用，而在其他发射器周期中，检测器可以在所有选通窗口期间以降低的发射器功率被激活。来自所有发射器周期的收集数据可被组合以确定到激光雷达系统的视场中的各种目标的准确距离，并且例如，可响应于此来构建点云。

如本领域普通技术人员将理解的，实施例的其他组合也是可能的，并且本文提供的示例并不旨在限制本发明的构思。图10示出了根据本公开的一些实施例的发射器的选通窗口和功率水平的不同配置。仅为了例示的目的，图10将发射器的相对功率（在图10中被示为“激光#Xy”，其中y=1、2、3）示出为发射器脉冲的高度。例如，在帧的一些发射器周期中，可以利用发射器的降低的功率P1，并且可以在与较远的距离子范围相关联的选通窗口期间停用检测器，并且在与较近的距离子范围相关联的选通窗口期间激活检测器，如图10中以“激光#X1”和“选通脉冲#Y1”为例所示。例如，在帧的一些发射器周期中，可以利用发射器的最大和/或高功率P3，并且可以在与较近距离子范围相关联的选通窗口期间停用检测器，并且在与较远距离子范围相关联的选通窗口期间激活检测器，如图10中以“激光#X2”和“选通脉冲#Y2”为例所示。例如，在帧的一些发射器周期中，可以利用发射器的中等水平的功率P2，并且可以在与短距离子范围和远距离子范围相关联的选通窗口期间停用检测器，并且在与中等距离子范围相关联的选通窗口期间激活检测器，如图10中以“激光#X3”和“选通脉冲#Y3”为例所示。

本文所述的实施例可显著降低堆积的概率，堆积可因过高的光子到达检测概率而产生。在光子事件（例如，SPAD雪崩）之后，检测器和电子器件可能有至少几纳秒的“停滞”时间。停滞时间可能在1至25ns的范围内。在此期间，它们可能无法处理其他事件（例如，对入射到其上的光子进行采样）。由于这些停滞时间，检测器可能会记录第一个光子，但可能未能检测到后续光子。这可能会导致直方图中早期光子的过度表示，这种效应称为“堆积”。在从粗略采样的仓内插直方图尖峰位置的架构（例如本文所述的架构）中，如果检测概率太高，则可能丢失正态时间分布，而是所有返回可能落在单个仓中。这可能会使内插变得困难和/或不可能。通过降低较近范围（例如，对应于较近距离的选通窗口）的功率，可以减少和/或最小化该问题。

此外，本文描述的实施例可以显著减少杂散光效应。随着照射功率的增加，杂散光（例如来自回射器的杂散光）可能会加剧。通过降低范围较短的目标的照射功率，可以减少该问题。

在一些实施例中，对于每个选通窗口，发射器功率可以分段缩放（例如，按照(R/R_max)²来缩放，其中R是选通窗口内的某个范围）。在一些实施例中，可以持续缩放功率以逼近上面的函数。

在一些实施例中，使用以不同功率水平提供的发射器信号可用于改善目标的范围确定和/或调整接收信号中的背景强度水平。例如，发射器可以以第一功率水平发射第一光信号并以不同于第一功率水平的第二功率水平发射第二光信号。检测器可以提供响应于第一光信号的第一输出信号（例如，基于来自目标的第一光信号的反射）和响应于第二光信号的第二输出信号（例如，基于来自目标的第一光信号的反射）。处理电路可以分析第一和第二输出信号以产生目标的范围数据。处理电路可以基于第一输出信号、第二输出信号或两个输出信号的组合来产生范围数据。虽然作为改进的范围数据分析的一部分，仅讨论了两个光信号/输出信号，但这只是一个示例。在一些实施例中，可以以不同的功率水平发射两个以上的光信号和/或检测器可以产生两个以上的输出信号。通过分析来自不同功率水平的光发射的范围数据，激光雷达系统可以针对变化的背景强度水平进行调整，变化的背景强度水平可能是由例如回射器或视场中的其他异常引起的。

应当理解，被配置为根据本文描述的示例进行操作的发射器和/或检测器基于由一个或多个相关联的控制电路（诸如可以协调发射器阵列和检测器阵列的操作的定序器电路）产生的相应控制信号（诸如发射器控制信号和检测器选通信号）来操作。也就是说，相应的控制信号可以被配置为控制发射器阵列的各个发射器元件和/或检测器阵列的各个检测器元件的时间和/或空间操作，以提供如本文所述的功能。

本文所述的激光雷达系统和阵列可应用于ADAS（高级驾驶员辅助系统）、自动驾驶车辆、UAV（无人驾驶飞行器）、工业自动化、机器人、生物测量、建模、增强现实和虚拟现实、3D地图绘制、以及安防。在一些实施例中，发射器阵列的发射器元件可以是VCSEL。在一些实施例中，发射器阵列可以包括其上具有成千上万个串联和/或并联电连接的分立发射器元件的非原生基板，其中驱动器电路由集成在邻近发射器阵列的相应行和/或列的非原生基板上的驱动器晶体管来实现，如例如在2018年4月12日向美国专利商标局提交的Burroughs等人的公开号为2018/0301872的美国专利申请中所述，该申请的公开内容通过引用结合于此。

本文中已经参考附图描述了各种实施例，在附图中示出了示例实施例。然而，这些实施例可以以不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开是透彻的和完整的，并向本领域技术人员充分传达发明的概念。对本文中描述的示例实施例以及一般原理和特征的各种修改将容易是显而易见的。在附图中，层和区域的尺寸和相对尺寸没有按比例示出，并且在一些实例中为了清楚起见可能被夸大。

示例实施例主要根据特定实现中提供的特定方法和装置来描述。然而，该方法和装置可以在其他实现中有效地操作。诸如“示例实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定组件的系统和/或装置来描述实施例。然而，系统和/或装置可以包括相比于所示出的那些更少或附加的组件，并且在不脱离发明的概念的范围的情况下，可以对组件的布置和类型做出变化。

还将在具有一定步骤或操作的特定方法的上下文中描述示例实施例。然而，对于具有不同和/或附加步骤/操作以及与示例实施例不一致的不同顺序的步骤/操作的其他方法，所述方法和装置可以有效地操作。因此，本发明的概念不意图限于所示出的实施例，而是符合与本文中描述的原理和特征一致的最宽范围。

将理解，当一个元件被称为或图示为“在另一个元件上”、“连接到另一个元件”或“耦合到另一个元件”时，它可以直接在另一个元件上、连接到另一个元件或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”、“直接连接到另一个元件”或“直接耦合到另一个元件”时，不存在中间元件。

还将理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。

此外，相对术语，诸如“下”或“底”和“上”或“顶”，在本文中可以用于描述一个元件与另一个元件的关系，如图中图示的。将理解，除了图中描绘的定向之外，相对术语还旨在包括装置的不同定向。例如，如果其中一幅图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件的“下”侧的元件然后将被定向在其他元件的“上”侧。因此，示例性术语“下”可以包括“下”和“上”两种定向，这取决于图的特定定向。类似地，如果其中一幅图中的装置被翻转，则被描述为“在其他元件之下”或“在其他元件下面”的元件然后将被定向为“在其他元件之上”。因此，示例性术语“在……之下”或“在……下面”可以包括“在……之上”和“在……之下”两种定向。

本文中在本发明的描述中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。如在本发明的描述和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。

还将理解，如本文中使用的术语“和/或”是指并包括相关联的列出项中的一个或多个的任何和所有可能的组合。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包括着”、“包含”和/或“包含着”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。

本文中参考图示描述了本发明的实施例，所述图示是本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意性图示。照此，预期由于例如制造技术和/或公差而导致的图示的形状的变化。因此，图中图示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在图示装置区域的实际形状，并且不旨在限制本发明的范围。

除非另外定义，否则公开本发明的实施例时使用的所有术语，包括技术和科学术语，具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义，并且不必限于在描述本发明时已知的具体定义。因此，这些术语可以包括在这样的时间之后创建的等效术语。将进一步理解，术语，诸如在常用词典中定义的那些术语，应当被解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确如此定义，否则将不会以理想化或过于正式的意义来解释。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用以其整体并入。

本文中已经结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。将理解，字面上描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将是过度重复和模糊的。因此，包括附图在内的本说明书应当被解释为构成对本文中描述的本发明实施例的所有组合和子组合以及制作和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应当支持对任何这样的组合或子组合的权利要求。

尽管本文中已经参考各种实施例描述了本发明，但是将领会到，在本发明原理的范围和精神内可以进行进一步的变化和修改。尽管采用了特定的术语，但是它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的，本发明的范围在所附权利要求中阐述。

Claims (39)

1.一种光检测和测距（激光雷达）系统包括：

发射器，其被配置为发射多个光信号；

检测器，其被配置为被激活以检测入射到检测器上的光中的光信号中的一个，并提供与检测到的光信号中的一个相对应的计数数据；

多个存储存储器位置，其被配置为在其中存储计数数据；以及

控制电路，其被配置为基于从发射光信号中的一个起经过的持续时间将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，检测器包括多个检测器，并且

其中，第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作，以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，多个光信号包括第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号，二者间具有脉冲周期持续时间。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为选择性地以第一功率水平或小于第一功率水平的第二功率水平操作发射器。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器，并且

其中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器、并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

8.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为以第二功率水平操作发射器，并且

其中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器、并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

9.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并以第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

10.根据任一前述权利要求所述的激光雷达系统，还包括检测器像素，其包括所述检测器、所述多个存储存储器位置和所述控制电路。

11.根据权利要求10所述的激光雷达系统，其中，所述检测器像素的所述检测器、所述多个存储存储器位置和/或所述控制电路位于多个基板上。

12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中，所述检测器像素在所述多个基板中的相应基板之间包括硅通孔、中介层和/或金属连接。

13.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中，所述多个基板中的第一基板包括所述多个存储存储器位置，并且所述多个基板中的第二基板包括所述检测器。

14.根据权利要求13所述的激光雷达系统，其中，第二基板包括控制电路。

15.根据权利要求13所述的激光雷达系统，其中，所述多个基板中的第三基板包括控制电路。

16.根据任一前述权利要求所述的激光雷达系统，还包括信号处理电路，

其中，检测器包括多个检测器，每个检测器联接到信号处理电路，并且

其中，控制电路还被配置为响应于光信号中的一个而激活所述多个检测器中的一个或多个，以避免信号处理电路饱和。

17.根据权利要求16所述的激光雷达系统，其中，控制电路还被配置为检测入射到所述多个检测器中的至少一个上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制所述多个检测器中的一个或多个检测器的激活。

18.根据任一前述权利要求所述的激光雷达系统，其中，第一存储存储器位置包括第一多个频率分布图仓，每个频率分布图仓被配置为存储与计数数据相关联的第一多个比特，并且

其中，第二存储存储器位置包括第二多个第二频率分布图仓，每个第二频率分布图仓被配置为存储与计数数据相关联的第二多个比特。

19.一种光检测和测距（激光雷达）系统的控制电路，所述控制电路被配置为执行包括以下的操作：

控制发射器发射第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号，二者间具有脉冲周期持续时间；

激活检测器以检测入射到检测器上的光中的第一和/或第二光信号中的一个，并提供与检测到的第一和/或第二光信号中的一个相对应的计数数据，其中激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半；以及

基于从发射第一光信号起经过的持续时间来控制对共享存储器位置的访问，以将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

20.根据权利要求19所述的激光雷达系统，其中，第一存储存储器位置包括第一多个频率分布图仓，每个频率分布图仓被配置为存储与计数数据相关联的第一多个比特，并且

其中，第二存储存储器位置包括第二多个第二频率分布图仓，每个第二频率分布图仓被配置为存储与计数数据相关联的第二多个比特。

21.根据权利要求19或20所述的控制电路，其中，检测器包括多个检测器，

其中，第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享，并且

其中，控制电路还被配置为执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

22.根据权利要求19至21中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

23.根据权利要求19至22中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

24.根据权利要求19至23中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

25.根据权利要求24所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为在脉冲周期持续时间的在第二部分之后的第三部分期间激活检测器。

26.根据权利要求19至25中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并且以不同于第一功率水平的第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

27.根据权利要求19至26中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为响应于第一光信号和/或第二光信号而选择性地激活检测器，以避免关于所述检测器执行的信号处理操作的饱和。

28.根据权利要求19至27中的任一项所述的控制电路，其中，控制电路还被配置为检测入射到检测器上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制检测器的激活。

29.根据权利要求19至27中的任一项所述的控制电路，其中，检测器被配置为响应于第一光信号产生第一输出信号并且响应于第二光信号产生第二输出信号，并且

其中，控制电路还被配置为基于第一输出信号、第二输出信号或第一输出信号和第二输出信号的组合来产生目标对象的范围数据。

30.一种操作光检测和测距（激光雷达）系统的控制电路的方法，所述方法包括：

控制发射器发射第一光信号和在第一光信号之后的第二光信号；

激活检测器以检测入射到检测器上的光中的第一和/或第二光信号中的一个，并提供与检测到的第一和/或第二光信号中的一个相对应的计数数据，其中激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半；以及

基于从发射第一光信号起经过的持续时间来控制对共享存储器位置的访问，以将存储计数数据的位置从第一存储存储器位置改变为第二存储存储器位置。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，检测器包括多个检测器，

其中，第一存储存储器位置和第二存储存储器位置在多个检测器之间共享，并且

其中，该方法还包括执行预充电、读取、修改、写入（PRMW）操作以将计数数据存储在第二存储存储器位置中。

32.根据权利要求30或权利要求31所述的方法，其中，控制电路还被配置为激活检测器达一持续时间，该持续时间长于第一光信号和第二光信号之间的脉冲周期持续时间的一半。

33.根据权利要求30至32中的任一项所述的方法，还包括在脉冲周期持续时间的第一部分期间停用检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间激活检测器。

34.根据权利要求30至33中的任一项所述的方法，还包括在脉冲周期持续时间的第一部分期间激活检测器，并且在脉冲周期持续时间的在第一部分之后的第二部分期间停用检测器。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括在脉冲周期持续时间的在第二部分之后的第三部分期间激活检测器。

36.根据权利要求30至35中的任一项所述的方法，还包括以第一功率水平操作发射器以发射第一光信号，并且以不同于第一功率水平的第二功率水平操作发射器以发射第二光信号。

37.根据权利要求30至36中的任一项所述的方法，还包括响应于第一光信号和/或第二光信号而选择性地激活检测器，以避免关于检测器执行的信号处理操作的饱和。

38.根据权利要求30至37中的任一项所述的方法，还包括检测入射到检测器上的光中的背景光的强度，并响应于此来控制检测器的激活。

39.根据权利要求30至38中的任一项所述的方法，其中，检测器被配置为响应于第一光信号产生第一输出信号并且响应于第二光信号产生第二输出信号，并且

其中，该方法还包括基于第一输出信号、第二输出信号或第一输出信号和第二输出信号的组合来产生目标对象的范围数据。

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