CN115190979A - 用于光探测和测距的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于提高成像精度和测量范围的光探测和测距系统。所述光探测和测距系统可以包括：光源，被配置为将多脉冲序列发射到三维环境中，其中所述多脉冲序列包括具有时序特性的多个光脉冲；光敏探测器，被配置为探测从三维环境返回的光脉冲，并生成一个输出信号，用来表示与光脉冲中的一个子集相关联的光能量；一个或多个处理器，电耦合到光源和光敏探测器，并且一个或多个处理器被配置为：基于一个或多个实时条件生成时序特性；并确定用于选择光脉冲子集的一个或多个参数。

Description

用于光探测和测距的系统和方法

交叉引用

本申请与于2018年7月12日提交的国际PCT申请第PCT/CN2018/119721号有关，该申请要求于2017年12月8日提交的中国申请第201711303228.8号的权益，各申请的全部内容均通过引用结合在本申请中。

背景技术

光探测和测距(Lidar)技术可用于通过测量到物体的距离来获取环境的三维信息。Lidar系统可以至少包括被配置为发射光脉冲的光源和被配置为接收返回光脉冲的探测器。返回光脉冲或光束可以称为回波光束。基于发射光脉冲和探测到返回光脉冲之间的时间间隔(即飞行时间)，可以获得距离。光脉冲可以由激光发射器产生，然后通过透镜或透镜组聚焦。返回光脉冲可以由位于激光发射器附近的探测器接收。返回光脉冲可以是物体表面的散射光。

上述光脉冲可用于探测视场内的障碍物。在某些情况下，探测器的动态范围、探测信号的信噪比或对比度可能会受到杂散光的限制。Lidar系统中的杂散光可能由多种来源引起。例如，传输光可能会污染或干扰探测器接收返回光脉冲。这种污染或干扰可能造成难以识别近距离回波。例如，一小部分发射脉冲(杂散光)可能会被Lidar系统内的如雪崩光电二极管(APD)的探测器直接接收，造成高灵敏度APD的探测电路进入非线性饱和区。当探测电路饱和时，杂散光波形拖尾的放大倍数会大于其顶部脉冲的放大倍数，引起杂散光脉冲在探测电路中的脉冲宽度增大。这可能会造成近场障碍物反射的激光脉冲回波信号湮没在杂散光的后延波形拖尾内，无法确定近场障碍物的位置信息，造成测量盲区。

发明概述

现需要一种改进的光测距精度和效率的用于三维测量的Lidar系统。更具体地说，需要能够对近场障碍物进行测量并减小由Lidar内部的杂散光引起的盲区的方法和系统。

本申请中提出的Lidar系统通过利用和时序特性(temporal profile)对应的激光脉冲序列来满足上述需求。该激光脉冲序列使得Lidar系统的接收器或接收设备具有更高的动态范围。接收器可以包括具有高动态范围的探测器，使Lidar系统能够以高成像分辨率和宽测量范围进行成像。例如，接收器可以包括被配置为将光信号转换为电信号的脉冲探测电路。脉冲探测电路可以被配置为通过改变被转换成至少一个电信号的接收到的光子能量来生成传感器输出信号。或者，当电信号对应于单个光脉冲时，脉冲探测电路可以通过累积用于生成传感器输出信号的不同组合的电信号来生成传感器输出信号。在一些情况下，脉冲探测电路可以生成表示与返回光脉冲的选定子集相关联的光能量的传感器输出信号。可以通过改变为生成输出信号而累积的返回光脉冲的数量/计数和/或改变对返回光脉冲子集的选择来改变光子能量，从而可以选择对应的总光能量。

在某些情况下，探测器或光电传感器可以配置为累积在光电传感器的被激活区域中接收到的返回调制脉冲的选定子集，以生成传感器输出信号。传感器输出信号可以确定3D图像中像素的强度。像素的强度或值可以与由光电传感器或光电传感器的脉冲探测电路累积的光脉冲子集的光能量成比例。在某些情况下，输出信号(例如，电压信号)的强度或峰值功率可以逐个像素的方式动态调整。在某些情况下，输出信号的强度或峰值功率可以针对探测器的被激活区域或整个探测器进行单独调整。

一方面，本公开可以使探测器累积选定的光脉冲来提供高动态范围的探测器。预设的时序特性也有利于抑制通道之间的串扰并提高近场障碍物的测量精度。在某些情况下，该方法可用于生成双脉冲序列。该方法可以通过在第一时刻发射第一激光脉冲以及在第二时刻发射第二激光脉冲来产生双脉冲序列，其中第一激光脉冲的峰值功率低于第二激光脉冲的峰值功率，第二时刻与第一时刻的时间间隔大于T，T为发射激光脉冲的时刻和接收到近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。

在某些情况下，通过Lidar系统中的成像光学器件传播的一部分发射激光脉冲可能会造成杂散光进入相邻通道或被Lidar系统内，如雪崩光电二极管(APD)，的探测器直接接收，从而造成反射光的读取不准确。如上所述，当探测电路由于发射激光脉冲造成的杂散光而饱和时，探测器饱和状态下接收到的激光脉冲回波信号可能湮没在杂散光的后延波形拖尾中。例如，探测器的探测电路可能由于杂散光而进入非线性饱和区。当探测电路饱和时，杂散光波形拖尾的放大倍数大于其顶部脉冲的放大倍数，使得杂散光脉冲在探测电路中的脉宽增大，使得探测器饱和状态下接收到的激光脉冲回波信号可能会湮没在杂散光的后延波形拖尾中。

杂散光引起的信号污染在近场测量中可能至关重要。例如，当回波信号从对应的时间延迟较短(即短距离或近场)的近场返回(例如，被近场障碍物反射的回波信号)时，这样的回波信号可能在探测器处于饱和状态的时间窗口中被接收，使得近场障碍物的位置信息可能无法正确确定，从而造成测量盲区。

在传统的Lidar系统中，近场可能对应于上述由于杂散光污染使得近场回波信号可能无法正确解析而造成的测量盲区。本文所使用的术语“近场”通常是指距Lidar系统相对较短距离的空间。例如，近场距离可以在大约5到50米之间的范围内。在某些情况下，由杂散光污染造成的测量盲区可能取决于Lidar系统的探测器/传感器的灵敏度和/或物体的反射率。例如，探测器饱和状态的时间窗口可能基于杂散光的时刻/强度和探测器的灵敏度。在传统的Lidar系统中，由杂散光污染造成的测量盲区可能对应于位于近场的物体反射的回波信号可能会在探测器饱和状态的时间窗口内被接收的近场距离(例如，在5到50米之间)。类似地，本文使用的术语“远场”(例如，大于50米)通常可以指大于近场对应距离的距离范围。

另一方面，提供了一种用于提高成像精度和测量范围的光探测和测距系统。所述光探测和测距系统可以包括：光源，被配置为将多脉冲序列发射到三维环境中，其中所述多脉冲序列包括具有时序特性的多个光脉冲；光敏探测器，被配置为探测从三维环境返回的光脉冲并产生表示与光脉冲子集相关联的光能量的输出信号；以及一个或多个处理器，电耦合到光源和光敏探测器，并且所述一个或多个处理器被配置为：基于一个或多个实时条件生成时序特性；并确定用于选择光脉冲子集的一个或多个参数。

在一些实施例中，一个或多个处理器还被配置为基于与光脉冲子集相关的飞行时间来计算距离，并且飞行时间是通过确定探测到的光脉冲序列和时序特性相匹配来确定的。在一些情况下，用于选择光脉冲子集的一个或多个参数是基于Lidar系统和位于三维环境中的物体之间的距离来确定的。

在一些实施例中，时序特性包括选自多个脉冲中每个脉冲的幅值、多个脉冲中每个脉冲的持续时间、多个脉冲之间的时间间隔和多个脉冲的数量中的一项或多项。在一些实施例中，用于选择光脉冲子集的所述一个或多个参数至少部分地基于时序特性来确定。在一些实施例中，所述一个或多个参数包括子集中的光脉冲的数量或表示非紧邻光脉冲的组合的参数。

在一些实施例中，基于探测到的光脉冲获得所述一个或多个实时条件。在一些实施例中，所述一个或多个实时条件包括探测到位于预定距离阈值内的物体。在一些实施例中，所述一个或多个处理器还被配置为基于输出信号生成3D图像。

在本发明的一个相关但独立的方面，提供了一种使用光探测和测距系统进行成像的方法。该方法可以包括：基于一个或多个实时条件生成时序特性；将多脉冲序列发射到三维环境中，其中多脉冲序列包括具有所述时序特性的多个脉冲；探测来自三维环境的光脉冲；以及产生表示与光脉冲子集相关联的光能量的输出信号。

在一些实施例中，该方法还包括确定用于选择光脉冲子集的一个或多个参数。在一些情况下，用于选择光脉冲子集的所述一个或多个参数是基于Lidar系统与位于三维环境中的物体之间的距离来确定的。在一些情况下，用于选择光脉冲子集的所述一个或多个参数至少部分地基于时序特性来确定。在一些情况下，所述一个或多个参数包括子集中的光脉冲的数量或表示非紧邻光脉冲的组合的参数。

在一些实施例中，该方法还包括基于与探测到的光脉冲相关联的飞行时间来计算距离。在一些情况下，确定飞行时间包括确定探测到的光脉冲序列与时序特性相匹配。

在一些实施例中，时序特性包括选自多个脉冲中每个脉冲的幅值、多个脉冲中每个脉冲的持续时间、多个脉冲之间的时间间隔和多个脉冲的数量中的一项或多项。

在一些实施例中，基于探测到的光脉冲获得所述一个或多个实时条件。在一些实施例中，所述一个或多个实时条件包括探测到位于预定距离阈值内的物体。

在一些实施例中，该方法还包括基于输出信号生成3D图像。在一些情况下，输出信号对应于3D图像中像素的强度值。

从以下详细描述中，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员来说将立即地变得显而易见。本公开仅示出和描述了示例性实施例，且仅示出了设想的用于实施本公开的最佳模式。应当理解，本公开可以有其他不同的实施例，并且其多个细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

通过引用并入

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均以引用方式并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地表示为以引用方式并入一样。

附图说明

在所附权利要求中特别阐述了本发明的特征。对本发明的特征和优点的详细理解将会通过参考以下详细阐述获得。这些阐述建立了几个利用了本发明的原理的说明性实施例以及附图的详细描述，其中附图有：

图1示出了被杂散光污染的探测信号的示例。

图2示出了根据本发明的一些实施例的发射双脉冲序列的方法。

图3示出了根据本发明的一些实施例的多脉冲序列的示例。

图4示出了根据本发明的一些实施例的由雪崩光电二极管(APD)产生的探测信号的示例。

图5图示了根据本发明的一些实施例的用于获取障碍物信息的示例性方法。

图5A-5D示出了可以实现精确距离测量的各种测量场景。

图6图示了根据本发明的一些实施例的处理探测信号以获取障碍物信息的方法。

图7示意性地图示了根据本发明一些实施例的激光脉冲发射设备的结构图。

图8示意性地示出了根据本发明的一些实施例的示例性激光脉冲发射设备的示意图。

图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的激光脉冲发射设备的示例。

图10示出了在返回的多脉冲序列中累积所选定的脉冲子集以生成传感器输出信号的示例。

图11示出了具有变化的峰值功率的多脉冲序列的示例。

图12示出了适应眼睛安全要求的可配置多脉冲序列。

图13示意性地示出了根据本发明的一些实施例的Lidar系统的框图。

发明详述

虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是：这些实施例仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员现在可以想到许多变化、改变和替换。可以被理解的是在实施本发明时可以有被本发明描述的实施例的各种替代方案。

Lidar是一种测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点。Lidar已广泛应用于智能机器人、无人机、自主驾驶或自动驾驶等领域。Lidar的工作原理是根据电磁波在源和目标之间的往返时间(例如飞行时间或延迟时间)来估计距离。

如本文所用，术语“多脉冲序列”通常可以指代脉冲或信号的序列。除非上下文另有说明，否则术语“测量信号”和“测量脉冲”通常可以指从Lidar系统的发射装置发射的光脉冲。术语“回波光束”通常可以指返回信号或脉冲。延迟时间可以指光脉冲序列离开发射器与在接收器处接收到反射的光脉冲序列之间的时间段。然后可以使用延迟时间来计算距离测量值。延迟时间也可以称为飞行时间，它可以在整个说明书中互换使用。

光脉冲序列可以包括在短持续时间内发射的多个脉冲，从而光脉冲序列可以用于获得距离测量点。例如，Lidar可用于三维(3D)成像或探测障碍物。在这种情况下，与光脉冲序列相关的距离测量值可以被视为一个像素，并且可以将连续发射和捕获的像素集合呈现为图像或出于其他原因(例如，探测障碍物)进行分析。可以在例如不超过10ns、20ns、30ns、40ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns、1μs、2μs、3μs、4μs、5μs或更长的持续时间内生成和发射光脉冲序列。在某些情况下，紧邻序列之间的时间间隔可与3D成像的时间分辨率相对应。序列之间的时间间隔可以是恒定的或可变的。在一些实施例中，从由Lidar系统的转子或Lidar系统的扫描器引导或旋转的光源发射光脉冲序列。该序列的持续时间可以足够短，使得多个脉冲在3D环境中沿基本相同的方向发射，或者多个脉冲可以用于测量从Lidar系统到3D环境中特定位置的距离。

在某些情况下，可以将一个多脉冲序列发射到3D环境中的一个点，并且可以将接续的多脉冲序列发射到3D环境中的不同点。在某些情况下，所有像素(例如，距离测量值)都是使用多脉冲序列获得的。在某些情况下，选定的像素子集使用多脉冲序列获得，并且其余的像素可以使用未编码的信号(例如，单个光脉冲)获得。例如，3D成像中选定的像素子集可以使用编码信号获得，从而每个像素可以基于多脉冲序列生成，并且另一个像素子集可以使用未编码信号获得，从而每个像素可以使用单个光脉冲生成。在一些情况下，序列中返回的多个脉冲的选定部分可用于获得像素值(例如，强度)和/或用于计算距离。

在一些实施例中，包括光脉冲的多脉冲序列可用于提高探测器的动态范围、探测信号的信噪比或对比度，否则所述动态范围、信噪比或对比度可能会受到杂散光的限制。Lidar系统中的杂散光可能由多种来源引起。例如，传输光可能会污染或干扰探测器接收返回光束。这种污染或干扰可能会引起难以识别近距离回波。例如，在激光脉冲发射过程中，一小部分发射脉冲可能会被诸如雪崩光电二极管(APD)的探测器直接接收，造成高灵敏度APD的探测电路进入非线性饱和区。当探测电路饱和时，杂散光波形拖尾的放大倍数会大于其顶部脉冲的放大倍数，使得杂散光脉冲在探测电路中的脉宽增加，使得近场障碍物反射的激光脉冲回波信号湮没在杂散光的后延波形拖尾中。无法确定近场障碍物的位置，从而造成测量盲区。探测器可称为光电接收器、光接收器、光传感器、光电探测器、光敏探测器或光探测器，它们在整个说明书中可互换使用。

图1示出了探测到的返回信号被杂散光污染的示例。如上所述，当部分发射的激光脉冲被APD直接吸收时，探测电路可能会饱和，从而湮没由近场障碍物反射的激光脉冲回波信号，形成测量盲区。

如图1所示，当激光脉冲从Lidar系统的发射器发射时，所发射的激光脉冲的一部分可能在Lidar系统内部被散射或偏转，并被探测器直接接收。如图1所示，探测器的探测电路有饱和值，高于该饱和值的探测信号将被截断到该饱和值。由APD产生的探测(电压)信号可以包括：平坦电压段11，其值对应于探测电路的饱和。该平坦段11是由APD直接吸收杂散光引起的。图1中探测到的信号还包括由近场障碍物反射激光脉冲引起的激光脉冲回波信号12。由于APD直接吸收的杂散光造成探测电路饱和，所以平坦电压段11等于电压饱和值，电压饱和值可能大于由近场障碍物反射的激光脉冲回波信号12。如图1所示，回波信号12在探测信号的边缘被探测到，由于回波信号12的峰和谷较小，因此仍有可能被探测到。在某些情况下，回波信号12出现在段11中，从而造成回波信号12被完全湮没并且无法获取近场障碍物的距离信息。在这种情况下，会造成测量盲区。杂散光引起的饱和电压信号具有持续时间Ta，持续时间Ta可以认为是测量盲区的持续时间。在测量盲区的持续时间Ta内，探测器无法准确地探测到反射的激光脉冲回波信号，因而无法获得障碍物的距离信息。

传统的Lidar系统可能会采用两种技术方案来解决上述问题：i.采用较窄的发射脉冲宽度，以减小测量盲区的宽度；ii.在雪崩光电二极管(APD)之后使用快速可调增益放大器代替原来的固定增益放大器，这可以适当降低杂散光的增益饱和效应，并通过对于前面的强反射光采用小增益而对于后面的弱反射光采用大增益来减小测量盲区的宽度。现有的技术方案存在缺陷。例如，减小发射脉冲宽度的解决方案将引起探测带宽的增加。但是，会引入更多的射频噪声，发射单元和探测单元的成本将会飙升。可调增益放大器的解决方案只是对探测电路中APD之后的放大电路进行优化，在不改变APD内部增益的情况下提高动态范围。因此，在大多数情况下，由于APD的高增益，杂散光的信号在APD内部已经饱和，后续放大电路无法解决APD本身的饱和效应和由此造成的盲区问题。

在本申请的一些实施例中，包括多个不同幅值的光脉冲的多脉冲序列可用于消除测量盲区。在一些情况下，多脉冲序列可以包括在第一时刻发射的具有低峰值功率的第一激光脉冲，以及在第二时刻发射的具有高峰值功率的第二激光脉冲。多脉冲序列可以向3D空间中沿基本相同的方向发射或发射到一个点。由于第一激光脉冲的峰值功率较小，因此杂散光不会引起探测电路的电压饱和，进而可以探测到由近场障碍物反射的第一激光脉冲回波信号。使用不同幅值的光脉冲可以有效解决Lidar内部杂散光造成对近场障碍物的测量盲区问题，同时使用峰值功率更高的第二激光脉冲维持对远场障碍物的探测。

可替代地或除此之外，多脉冲序列中的多个光脉冲可以具有相同的幅值。本公开可以提供一种用于具有预设的时序特性(temporal profile)的多脉冲序列的发射方法。这可以有利地使得探测器通过累积选定的返回光脉冲来生成可配置的传感器输出信号，从而提供高动态范围探测器。预设时序特性也有利于抑制通道之间的串扰并提高近场障碍物的测量精度。在一些情况下，多脉冲序列可以是双脉冲序列。产生多脉冲序列的方法可以包括：在第一时刻发射第一激光脉冲；在第二时刻发射第二激光脉冲，其中第一激光脉冲的峰值功率低于第二激光脉冲的峰值功率，第二时刻与第一时刻之间的时间间隔大于T，T为发射激光脉冲的时刻和接收到被近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。

图2示出了根据本发明的一些实施例的发射双脉冲序列的方法。双脉冲序列可以以低成本将测量范围扩展到近场。双脉冲序列可以包括具有不同峰值功率的激光脉冲，并且单个双脉冲序列可以对应于空间中的一个点。双脉冲序列可用于生成距离测量值。发射激光脉冲的方法可以包括：在步骤S201中，在第一时刻发射第一激光脉冲；以及在步骤S202中，在第二时刻发射第二激光脉冲。在一些情况下，第一激光脉冲的峰值功率低于第二激光脉冲的峰值功率。在某些情况下，第二时刻与第一时刻之间的时间间隔大于T，T为发射激光脉冲的时刻和接收到被近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。

在传统的Lidar系统中，由于发射的激光脉冲被APD直接吸收，探测电路饱和，从而湮没了由近场障碍物反射的激光脉冲回波信号，形成了测量盲区。所提供的双脉冲发射方法，即在第一时刻发射弱的第一激光脉冲进行近场障碍物测量，在第二时刻发射强的第二激光脉冲进行远场障碍物测量，可以有效避免测量盲区。

在某些情况下，由于弱的第一激光脉冲可以用于测量近场障碍物，为了提高近场障碍物测量的精度，第二时刻与第一时刻之间的时间间隔可以大于时间间隔T。时间间隔T可以是与测量近场障碍物对应的延迟时间，即发射激光脉冲的时刻和接收到同一激光脉冲被近场障碍物反射的回波信号的时刻之间的时长。时间间隔T可以是对应于可能被杂散光污染的距离测量的预设值。例如，可以选择T的值，使得可以探测到第一激光脉冲的返回信号而不会被第二激光脉冲的杂散光湮没。T的值可以根据第二激光脉冲的杂散光的特性和/或TOF的典型范围来确定。例如，T可以在10ns到500ns的范围内。

根据本申请所述的Lidar系统的一个实施例，由于第一激光脉冲的低功率，APD对由第一激光脉冲引起的杂散光的直接吸收不会造成APD饱和。随后被3D空间中的障碍物反射的脉冲信号可以有效地与噪声分离或区分，从而消除测量盲区。使用不同幅值的光脉冲可以有效解决Lidar内部杂散光造成的近场障碍物的测量盲区问题，同时使用峰值功率更高的第二激光脉冲维持对远场障碍物的探测。

图3示出了根据本发明的一些实施例的多脉冲序列的示例。激光脉冲可以是包括具有不同峰值功率的两个脉冲的双脉冲序列。如图3所示，在时刻T1，可以发射具有第一峰值功率P1的第一激光脉冲31，并且在时刻T2，可以发射具有第二峰值功率P2的第二激光脉冲32。在某些情况下，P2可以大于P1，例如至少是P1的十倍、P1的20倍、P1的50倍、P1的100倍、P1的200倍、P1的500倍或更大。T2和T1之间的时间间隔为T。脉冲宽度可以是任何常用范围，例如1ns-1000ns。P1可以是对应的杂散光不会造成光电传感器饱和的任何值，而P2可以是对应的杂散光可能造成光电传感器饱和的值。例如，P1可以具有不大于20W、10W、1W、0.1W或更小的值。P1的值可以根据经验数据确定。例如，P1可以在产生一定范围的峰值功率的校准阶段或预操作阶段确定，并且可以确定造成APD饱和的峰值功率。接下来P1可以选择成不大于造成APD饱和的峰值功率的值。例如，因为P1低，对应的杂散光不会造成APD饱和，从而可以有效地将第一激光脉冲31被近场障碍物反射的回波信号与探测到的杂散光信号分离。可以选择第二激光脉冲32的峰值功率，使得可以通过第二激光脉冲的高激光峰值功率实现长距离测量。例如，第二激光脉冲的峰值功率可以被选择为足以在远场范围内进行距离测量。对应于远场的回波信号可以与杂散光的波形拖尾区分开来(即，不被湮没)，因为回波信号可在探测器的饱和期之后被接收(例如，由于更大的TOF)，并且/或者回波信号的幅值大于杂散光的波形拖尾(trailing)。这可以有利地使得执行远场障碍物的探测，同时不受杂散光的干扰。

可以发射如图3所示的双脉冲序列，并且可以由探测器(例如，雪崩光电二极管)接收返回的脉冲。探测器可以输出探测电压信号，该探测电压信号可以被进一步处理以用于计算距离或获得宽距离范围内的障碍物信息。图4显示了雪崩光电二极管(APD)产生的探测信号的示例。探测信号可以表示与如图3所示的双脉冲序列相对应的返回脉冲。探测信号可以是APD产生的电压信号。如图4所示的探测信号可以包括：由发射的第一激光脉冲31对应的杂散光引起的第一电压信号41，激光脉冲31被位于近场的障碍物反射的回波信号42，发射的第二激光脉冲32被APD吸收对应的杂散光导致探测电路饱和的第二电压信号43，以及第二激光脉冲32被位于近场的(相同)障碍物反射的回波信号44。第一激光脉冲31被近场障碍物反射的时间延迟表示为X1，第二激光脉冲32与第一激光脉冲31的发射时间间隔表示为T，与返回的较低峰值功率回波信号可能被污染/湮没的时间窗口相对应的电压信号43的持续时间表示为Ta。如本文其他地方所述，在某些情况下，该时间窗口可对应于传统Lidar系统中的测量盲区。需要说明的是，测量盲区可以指探测器的饱和时间窗口，在该饱和时间窗口中，近场测量可能被杂散光污染。除非上下文另有说明，持续时间Ta在整个说明书中可以指代传统Lidar系统的测量盲区。在某些情况下，时间间隔T大于Ta，即T>Ta，使得第一激光脉冲31的返回信号不会被第二激光脉冲的杂散光引起的饱和所湮没，而第二激光脉冲32被近场障碍物反射的时间延迟为T+X1。请注意，该示例仅用于说明目的，并且探测信号可能具有不同的配置。例如，由于Lidar系统的各种特性(例如，探测器灵敏度、系统中的光学元件等)，回波信号41的峰值功率可能大于或可能不大于回波信号42。

图5示出了根据本发明的一些实施例的用于获取障碍物信息的示例性过程。在某些情况下，获取障碍物信息的过程可以包括以下操作：基于第一激光脉冲的回波信号来计算并获取近场障碍物的距离信息(操作S501)；基于第二激光脉冲的回波信号来计算和获取远场障碍物的距离信息(操作S502)。

由于第一激光脉冲的功率低，即使相应的杂散光被APD系统直接吸收，杂散光也不会导致APD饱和，并且可以计算和获取近场障碍物的距离信息。同时，由于第二激光脉冲信号的功率高，且与远场障碍物对应的延迟时间足够长，足以将实际返回信号(如探测信号44)与对应的杂散光信号(如探测信号43)分离，可以根据第二激光脉冲的回波信号计算和获取远场障碍物的距离信息。

下面的图5A-D分别示出了当激光脉冲指向从近场位置移动到远场位置的物体时发射的激光脉冲和探测到的每个激光脉冲的返回信号。在每幅图中，双脉冲序列被发射并指向该物体。在每幅图中，显示了两个发射脉冲(p1'和p2')，并显示了与物体反射的每个脉冲相对应的两个返回信号(p1和p2)。双脉冲序列包括较早发射的低功率脉冲p1'和较晚发射的高功率脉冲p2'。结果，第二个高功率激光脉冲的杂散光将导致探测器饱和，并可能覆盖/湮没返回信号，具体取决于测量的TOF和双脉冲发射间隔之间的关系，这将在说明书的以下部分进行讨论。图5A表示第一个实例，其中物体位于Lidar附近并且由第二激光脉冲引起的探测器饱和时间部分地覆盖第二脉冲的返回信号。图5B表示第二个实例，其中物体进一步远离Lidar，由第二激光脉冲引起的探测器饱和时间不覆盖任何发射脉冲的返回信号。图5C表示第三个实例，其中物体移动得离Lidar更远，并且由第二激光脉冲引起的探测器的饱和时间湮没了第一脉冲的返回信号。图5D表示第四个实例，其中物体位于离Lidar非常远的位置，并且第二激光脉冲引起的探测器的饱和不覆盖任何返回信号。双脉冲序列和相应的测量方法可以有利地扩展测量距离范围并适应各种场景。

图5A示出了探测信号从近场物体返回的场景。在所示示例中，探测信号可以是由雪崩光电二极管(APD)产生的电压信号。探测信号可以包括与如图3所示的双脉冲序列对应的返回脉冲。如图5所示的探测信号可以基本上类似于图4所示的信号。例如，探测信号可以包括：由发射的第一激光脉冲(例如，小激光脉冲31)对应的杂散光引起的第一电压信号51，激光脉冲(例如，小激光脉冲31)被位于近场的障碍物反射的回波信号52，发射的第二激光脉冲(例如，大激光脉冲32)对应的杂散光造成探测电路饱和的第二电压信号53，以及第二激光脉冲(例如，大激光脉冲32)被位于近场的相同障碍物反射的回波信号54。由近场障碍物反射的第一激光脉冲51的时间延迟(即，TOF)表示为X，在某些情况下，可以被测量为峰值p1'、p1之间的时间延迟，峰值p1'、p1分别对应于第一电压信号51和第二电压信号52。需要说明的是，激光脉冲的发射时间可以采用与杂散光峰值功率对应的时间、触发激光脉冲的控制信号等。使用不同信号作为发射时间的差异可以是一个恒定值，并且可以使用基于Lidar系统设置或校准的任一信号(作为发射时间)来测量延迟时间。对应于杂散光的电压信号(例如，电压信号51和电压信号53)可以是预先知道的。例如，这样的信号(例如，时刻、波形等)可以基于光学系统特性和发射光脉冲(例如，幅值)，而不是基于探测距离。第二激光脉冲32和第一激光脉冲31之间的发射时间间隔表示为T_delay，其可以是已知值，例如从触发激光脉冲的信号中获得。与测量盲区的时间长度对应的电压信号53的持续时间用Ta表示，可以通过对探测信号进行处理得到。在图示的近场场景中，第一激光脉冲的回波信号52没有被第二激光脉冲引起的饱和所湮没，并且还具有大于预定阈值的信噪比，在这种情况下，时间延迟X，即与第一激光脉冲对应的飞行时间，可用于测量距离。

在第二场景中，双脉冲序列可被位于比第一场景更远距离的障碍物反射。图5B示出了第二场景，其中第二激光脉冲的回波信号52没有被由第二激光脉冲的杂散光引起的饱和所湮没。在图示的示例中，第二激光脉冲的回波信号54的信噪比大于第一回波信号51的信噪比，这种情况下，第二激光脉冲信号和对应的回波信号可以用于产生距离测量值。例如，可以通过测量第一电压信号51(例如探测信号51的峰值p1')和最后探测信号即第二回波信号54(例如，探测信号54的峰值p2)之间的时间间隔T_delay+X，然后减去第一激光脉冲和第二激光脉冲之间的已知的T_delay，来计算飞行时间X。也可以使用其他合适的方法来基于第二激光脉冲和相应回波信号获得飞行时间。例如，可以根据杂散光引起的电压信号53的峰值p2'对应的时刻与第二回波信号54的峰值p2对应的时刻之间的时间间隔来计算飞行时间X。在某些情况下，可以计算第一和第二激光脉冲的延迟时间X，并且可以将两者的平均值用作最终输出。替代地或除此之外，可以为两个回波信号计算SNR，并且可以使用具有更好SNR的信号来获得延迟时间X。

在第三场景中，双脉冲序列可被位于比第一场景或第二场景更远的距离的障碍物反射。图5C示出了第三场景，其中第二激光脉冲的回波信号52被由第二激光脉冲的杂散光53引起的饱和所湮没。在这种情况下，第二激光脉冲信号和对应的回波信号可以用于产生距离测量值。例如，可以通过测量第一电压信号51(例如，电压信号51的峰值p1')和最后探测信号54(例如，探测信号54的峰值p2)之间的时间间隔T_delay+X，然后减去第一激光脉冲和第二激光脉冲之间的已知的T_delay，来计算飞行时间X。也可以使用其他合适的方法来基于第二激光脉冲和对应的回波信号获得飞行时间。例如，可以根据杂散光引起的电压信号53的峰值p2'对应的时刻与第二回波信号54的峰值p2对应的时刻之间的时间间隔来计算飞行时间X。

在第四场景中，双脉冲序列可被位于远场的障碍物反射。图5D示出了第四场景，其中回波信号52、54都没有被杂散光引起的饱和所湮没。在这种情况下，由于远场距离范围，第二激光脉冲的回波信号54的信噪比可大于第一回波信号51的信噪比，第二激光脉冲信号和对应的回波信号可用于生成距离测量值。例如，可以通过测量第一电压信号51(例如，探测信号51的峰值p1')和最后探测信号54(例如，回波信号54的峰值p2)之间的时间间隔T_delay+X，然后减去第一激光脉冲和第二激光脉冲之间的已知T_delay，来计算飞行时间X。也可以使用其他合适的方法来基于第二激光脉冲和相应回波信号获得飞行时间。例如，可以根据杂散光引起的电压信号53的峰值p2'对应的时刻与第二回波信号54的峰值p2对应的时刻之间的时间间隔来计算飞行时间X。

如上所述，双脉冲序列可有利地用于近场和远场距离测量。图6图示了根据本发明的一些实施例的处理探测信号以获取扩展距离范围内的障碍物信息的示例性方法。如上所述，由杂散光引起的电压信号(例如，电压信号51和电压信号53)可以是预先知道的。例如，对应于杂散光的探测信号(例如，时刻、波形等)可以基于光学系统特性和发射光脉冲(例如，幅值、触发时间等)，并且可以不根据探测距离而变化。例如，杂散光信号的时刻和/或杂散光信号的波形可以在系统设置或校准时获知。基于这样的信息，可以针对杂散光信号(例如，电压信号51和电压信号53)分析回波信号，并且可以计算正确的距离。例如，信号处理算法可以包括探测相对于与杂散光对应的电压信号的一个或两个电压信号(例如，回波信号)的存在，并且基于不同的存在场景，可以确定合格的回波信号或相应的延迟时间。各种不同的存在场景可以与图5A-5D中讨论的那些相同。例如，各种存在场景可以包括，在两个杂散光信号(例如，图5A中的信号51和53)之间存在一个清晰的探测信号(例如，图5A中的信号52)，并且在第二杂散光信号之后不存在清晰的探测信号；两个杂散光信号(例如图5B中的信号51和53)之间存在一个清晰的探测信号(例如图5B中的信号52)，并且在第二杂散光信号之后存在一个清晰的探测信号(例如图5B中的信号54)；两个杂散光信号(例如，图5C中的信号51和53)之间不存在探测信号，并且在第二杂散光信号之后存在一个清晰的探测信号(例如，图5C中的信号54)，两个杂散光信号(例如图5C中的信号51和53)之间不存在探测信号，并且在第二杂散光信号之后存在两个清晰的探测信号(例如图5C中的信号54)。

根据前述场景处理探测信号的示例方法可以包括：确定与由第二光脉冲引起的杂散光对应的信号之后的清晰且不重叠的波形的数量(操作S601)。如果该数量是二，则该方法可以继续使用图5D中描述的过程来计算距离(操作S602)。如果数量是一，则该方法可以继续确定两个杂散光信号之间是否存在波形，并且如果两个杂散光信号之间不存在波形，则可以使用图5C中描述的过程来计算距离，否则，可以使用图5B中描述的过程来计算距离(操作S602)。在操作S601，如果在第二杂散光信号之后没有探测到波形，则该方法可以继续确定两个杂散光信号之间是否存在清晰且不重叠的波形(操作S603)。如果存在，则可以使用图5A中描述的过程来计算距离(操作S604)，否则可以终止过程(操作S605)并且相应的探测信号不用于输出有效的距离测量值。

虽然图6示出了根据一些实施例的方法，本领域普通技术人员将认识到对于各种实施例可以有很多适配。例如，可以以任何顺序执行操作。一些操作可以被排除，一些操作可以在一个步骤中同时执行，一些操作重复，并且一些操作可以包括其他操作的子步骤。例如，代替在第一操作中在第二杂散光信号之后探测清晰且不重叠的波形，可以确定两个杂散光信号之间存在清晰且不重叠的波形。该方法还可以根据本文提供的本公开的其他方面进行改动。

可以使用本文别处描述的任何合适的方法来探测清晰且不重叠的波形的存在。例如，操作S601可以确定在第二杂散光信号之后存在清晰信号。可以通过探测T2之后(与例如在图5A或图5B中53等第二脉冲引起的杂散光的探测信号对应的时刻)存在一个或多个波形(例如，SNR大于预定阈值)来执行该操作。如上所述，通过检查探测到的波形的SNR、脉冲宽度或其他参数，波形可被确定为是清晰且不重叠的波形。在确定存在两个清晰且不重叠的波形时，该方法可以继续使用图5D中描述的过程计算距离(操作S602)。

如上所述，如果在第二杂散光信号之后探测到一个清晰信号或没有探测到清晰信号，则该方法可以继续确定所述两个杂散光信号之间是否存在清晰信号。这可以通过探测T1(例如，与例如图5A或图5B中的51等第一脉冲引起的杂散光的探测信号对应的时刻)和T2(与例如图5A或图5B中的53等第二脉冲引起的杂散光的探测信号对应的时刻)之间存在波形(例如，SNR大于预定阈值)来执行。类似地，可以处理探测到的波形的SNR、脉冲宽度或其他参数以确定该波形是否是清晰且不重叠的波形。

在某些情况下，在操作S602中，可以基于第二脉冲波形的反射延迟计算并获取远场障碍物的距离信息。在某些情况下，由于第二脉冲波形的时间延迟与距离有关，因此可以基于第二脉冲波形的时间延迟计算并获取远场障碍物的距离信息。在某些情况下，由于第二激光脉冲32相对于第一激光脉冲31延迟了时间间隔T，因此可以基于T+X2计算时间延迟以获得障碍物的距离信息，其中X2是发射第二激光脉冲32的时刻与接收到远场障碍物反射的第二激光脉冲32的回波信号的时刻之间的时长。

在操作S603，该过程可以继续确定在由杂散光引起的第一电压信号41和由杂散光引起的第二电压信号43之间是否存在清晰且不重叠的波形。当确定了清晰且不重叠的波形时，该方法可以继续进行操作S604，否则可以执行可以结束探测迭代的操作S605。在某些情况下，当Lidar系统内部的杂散光造成的第二电压信号43后没有清晰且重叠的波形时，可表明远场没有障碍物，可以进行近场是否存在障碍物的进一步分析。当杂散光引起的第一电压信号41与杂散光引起的第二电压信号43之间存在清晰且不重叠的脉冲波形时，可表明近场有障碍物，脉冲波形为第一脉冲波形，第一脉冲波形为被近场障碍物反射的第一激光脉冲31的回波信号。

在操作S604中，可以基于第一脉冲波形的时间延迟计算并获取近场障碍物的距离信息。在某些情况下，可以基于X1计算时间延迟以获得近场障碍物的距离信息，其中X1为发射第一激光脉冲31的时刻与接收到近场障碍物反射的第一激光脉冲31的回波信号的时刻之间的时长。

在某些情况下，当Lidar系统内部的杂散光引起的第二电压信号43之后没有清晰且重叠的第二脉冲波形、并且由杂散光引起的第一电压信号41与由杂散光引起的第二电压信号43之间没有清晰且不重叠的第一脉冲波形时，探测结束(操作S605)，结论是远场和近场都没有障碍物。

图7示意性地示出了根据本发明的一些实施例的激光脉冲发射设备70的功能图。激光脉冲发射设备也可称为发射设备或发射模块，它们在整个说明书中可互换使用。如图7所示，激光脉冲发射设备70可以包括波形发生器71和与其耦合的激光器72。在一些实施例中，波形发生器71可适于在第一时刻向激光器72输出第一驱动电流，在第二时刻向激光器72输出第二驱动电流，其中，第二驱动电流的电流值可以大于第一驱动电流的电流值。在某些情况下，第二时刻与第一时刻之间的时间间隔可以大于T，其中T是发射激光脉冲的时刻和接收到近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。

激光器72可被配置为基于波形发生器71输入的第一驱动电流在第一时刻产生并发射第一激光脉冲；以及基于波形发生器71输入的第二驱动电流，在第二时刻产生并发射第二激光脉冲。在某些情况下，激光器可以是半导体激光器或其他类型的激光器。

图8示意性地示出了根据本发明的一些实施例的示例性激光脉冲发射设备80的示意图。如图8所示，激光脉冲发射设备80可以包括激光器81，以及耦合到激光器81的第一分支82和第二分支83。在一些情况下，第一分支82可以包括彼此耦合的第一分支光纤821和第一衰减器822。第二分支83可以包括相互耦合的第二分支光纤831和第二衰减器832。在某些情况下，第二衰减器832的衰减值可小于第一衰减器822的衰减值。在某些情况下，第二分支光纤831引入的延迟可能大于第一分支光纤821引入的延迟，延迟时间间隔用T表示，T是发射激光脉冲的时刻和接收到被近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。激光器81可以是半导体激光器或任何其他合适类型的激光器。

图9示意性地示出了根据本发明的一些实施例的激光脉冲发射设备90的示例。如图9所示，激光脉冲发射设备90可以包括第一发射单元91和第二发射单元92。在一些实施例中，第一发射单元91可以被配置为在第一时刻发射第一激光脉冲。第二发射单元92可以被配置为在第二时刻发射第二激光脉冲。在一些情况下，第一激光脉冲的峰值功率可低于第二激光脉冲的峰值功率。在某些情况下，第二时刻和第一时刻之间的时间间隔可以大于T，T是发射激光脉冲的时刻和接收到近场障碍物反射的激光脉冲回波信号的时刻之间的时长。

如上所述，发射设备发射的多脉冲序列可以被三维环境中的障碍物反射并返回到探测器。在一些情况下，与探测到的光脉冲序列相关联的延迟时间间隔或飞行时间可以是与每个探测到的光脉冲相关联的飞行时间的平均值。

在某些情况下，Lidar系统的接收模块可包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。在一些情况下，接收模块可以包括光电传感器，例如一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型区域和n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构)。光电传感器可以是能够探测光子的单个光电探测器，例如雪崩光电二极管、SPAD、RCP(谐振腔光电二极管)等，或者是多个光电探测器，例如SPAD阵列，它们共同协作以充当单个光电传感器，通常具有比单个较大的光子探测区域更高的动态范围、更低的暗计数率或其他有益特性。每个光电探测器可以是能够感应光子(即光)的被激活区域。在某些情况下，接收模块的性能，例如探测器的动态范围、探测信号的信噪比或对比度可能会受到杂散光的限制。

本公开的Lidar系统可以提供一种具有提高的动态范围、信噪比和精度的探测器，该探测器可以适应扩展的距离范围内的测量。在某些情况下，可以通过使用具有低峰值功率的脉冲进行近场测量以及使用具有高峰值功率的脉冲进行远场测量来实现高动态范围。可替代地或除此之外，高动态范围可以通过从较短距离采集较少的脉冲来实现，从而降低对于近场场景的探测信号的整体强度水平场景并避免来自非常近的物体的高强度反射。

在某些情况下，回波脉冲探测电路可以被配置为将接收到的光子能量转换为多个并行电信号，组合多个并行电信号子集，并输出组合电信号作为传感器输出。或者，当电信号对应于单个光脉冲时，脉冲探测电路可以通过累积不同组合的电信号来产生传感器输出信号，以生成传感器输出信号。在一些情况下，脉冲探测电路可以生成传感器输出信号，该传感器输出信号表示与返回的光脉冲的选定子集相关联的光能量。光子能量可以通过下面的方式配置或者调节：改变为生成输出信号而累积的返回光脉冲的数量/计数，和/或改变对返回光脉冲子集的选择以使得对应的总光能量可以被选择。

在某些情况下，测量光脉冲或发射光脉冲可以用预设的时序特性进行调制。根据本申请实施例的Lidar系统可以具有光电传感器。具有用于生成3D图像的像素阵列的光电传感器可以被配置为累积在光电传感器的被激活区域中接收到的选定数量的调制脉冲以生成传感器输出信号。传感器输出信号可以确定3D图像中像素的强度，并且强度可以通过在时间窗口期间累积的光能量或光脉冲的量来确定。输出信号的强度或幅值可以逐个像素的方式动态调整。在某些情况下，输出信号的强度或幅值可以针对探测器的被激活区域单独调整。Lidar系统的接收模块可以包括处理单元，该处理单元被配置为读取由返回脉冲部分的累积脉冲产生的传感器输出信号，并基于传感器输出信号来生成图像和/或相关图像数据。

图10示出了累积从返回的多脉冲序列1020中选定的返回脉冲子集以生成传感器输出信号1030的示例。多脉冲序列1011可以包括多个脉冲。多脉冲序列1011可以是从Lidar系统的发射设备发射的激光脉冲。多脉冲序列可以发射到3D空间中的一个点或沿基本相同的方向发射。多脉冲序列或多脉冲序列的至少一部分可用于生成测量信号。在一些情况下，多脉冲序列可以是根据预设时序特性调制的(脉冲的)编码序列。图11示出了具有不同峰值功率的多脉冲序列1100的另一个示例。多脉冲序列可以包括任意数量的脉冲。例如，至少一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个脉冲可在短时间段Ti2内产生并生成多脉冲序列。Ti2的持续时间可以例如不超过10ns、20ns、30ns、40ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns或更长。不同多脉冲序列的持续时间Ti2可能相同，也可能不同。在某些情况下，紧邻的多脉冲序列的持续时间Ti2可以不同。相邻的多脉冲序列中的脉冲数量可能相同，也可能不同。

在图11中，多脉冲序列内每两个紧邻脉冲之间的时间间隔Ti1可以是恒定的，也可以不是恒定的。时间间隔可以例如不超过1ns、5ns、10ns、20ns、30ns、40ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns或者更长。多脉冲序列内的时间间隔Ti1可以根据时序特性而变化。例如，第一脉冲和第二脉冲之间的时间间隔可以不同于第二脉冲和第三脉冲之间的时间间隔。

在多脉冲序列1011内，多个脉冲可以具有不同幅值(例如，Am n、Am n+1)1100或恒定的幅值。在某些情况下，脉冲的幅值或强度通常可以是较低水平，从而选定的返回脉冲子集的累积不会使探测器过饱和。

在某些情况下，可以基于一个或多个参数来选择返回脉冲子集。所述一个或多个参数可以确定传感器输出信号的幅值或强度。所述一个或多个参数可以由诸如Lidar系统的控制器的计算单元生成。在一些情况下，可以基于多脉冲序列的时序特性和一个或多个实时条件生成所述一个或多个参数。如上所述，序列的时序特性可以由脉冲的数量、时间间隔(例如，Ti1)、序列的持续时间(例如，Ti2)、脉冲的幅值或其在序列中的组合来定义。所述一个或多个实时条件可以包括估计的测量范围、在近场探测到的物体等。在一些情况下，可以基于探测范围来确定为生成信号而累积的脉冲数量或脉冲的选择。例如，对于长距离物体(例如，位于远场的物体)的测量，可以累积更多数量的脉冲，因为从远场反射的回波信号往往很弱，而对于短距离(例如，位于近场的物体)的测量或更高反射的场景可以累积较少数量的脉冲，因为来自近场或高反射表面的回波信号往往很强。无论测量距离范围如何，这都可以有利于提高传感器输出信号的SNR。

所述一个或多个参数可以包括例如表示所选脉冲子集的参数。例如，所述一个或多个参数可以包括为生成传感器输出信号而累积的脉冲数量或表示为生成传感器输出信号而选定的脉冲组合的参数。所述一个或多个参数可以包括可以确定所选定的脉冲子集的总光能量的任何其他因素(例如，接收返回光脉冲的时间窗口)。例如，当多脉冲序列中的多个脉冲具有恒定幅值时，转换为传感器输出信号的光能量可以由脉冲的数量来确定。例如，如图10所示，可以选择和累积返回光脉冲1020的数量/计数以生成传感器输出信号。可以单独控制从单独的多序列1021、1023中选定的光脉冲的数量/计数，使得传感器输出信号1030可以具有可调节的幅值/强度1031、1033。在一些情况下，当多脉冲序列中的多个脉冲具有不同的幅值时，转换为传感器输出信号的光能量可以通过从返回光脉冲中选择脉冲组合来确定。例如，如图11所示，序列1100中的光脉冲的幅值可以具有预定关系，例如接续的光脉冲的幅值是先前光脉冲的两倍(例如，Am n+1/Am n＝2)。在这种情况下，通过选择不同的光脉冲组合，可以生成多个值的光能量的累积量。选择用于生成传感器输出信号的光脉冲子集可以是或可以不是紧邻的光脉冲串。例如，可以选择非紧邻的光脉冲来生成传感器输出信号。

时序特性可以是预先确定的并且可以不随时间改变，从而可以通过改变用于生成输出信号的光能量来实现探测范围和/或测量精度。替代地或除此之外，可以根据一个或多个实时条件动态地调整发射的光脉冲。在一些情况下，可以基于一个或多个实时条件动态调整时序特性。用于提供动态时序特性的方法和系统可以与在2018年10月30日提交的美国专利第10,466,342号中描述的方法和系统相同，其内容通过引用的方式全部并入本文。

确定选择返回信号子集以用于生成传感器输出的所述一个或多个参数可以是预设的。可替代地或除此之外，所述一个或多个参数可以根据所述一个或多个实时条件动态确定，例如估计/目标测量范围(例如，近场障碍物探测或成像、远场障碍物探测或成像)、发射信号的时序特性变化、眼睛安全限制和各种其他因素。

在某些情况下，为了满足对眼睛安全规定的约束，Lidar系统的发射设备可以配置为调整瞬时激光脉冲能量，以控制特定时间段内的最大能量。图12示出了适应性地符合眼睛安全要求的可配置多脉冲序列。例如，如图12所示，可以产生包括至少一个具有低峰值功率的光脉冲1211和具有较高峰值功率的光脉冲1213的多序列1200、1210。两个光脉冲1211、1213可以分开大于预定时间阈值(例如，10ns)的时间间隔，使得当在对应于时间阈值的距离(例如，1.5m)内探测到物体时，可以不发射具有较高幅值的第二光脉冲1213。

图13示意性地示出了根据本发明的一些实施例的Lidar系统1300的框图。Lidar系统1300可以包括高动态范围接收模块1330和能够生成具有预设时序特性的多脉冲序列的发射模块1320。延迟时间可以指光脉冲序列离开发射器与在接收器处接收到反射的光脉冲序列之间的时间段。延迟时间可以用于计算距离测量值。延迟时间也可以称为飞行时间。

如上所述，光脉冲序列可以包括在短持续时间内发射的多个脉冲，使得光脉冲序列可以用于获得距离测量点。例如，所提供的Lidar系统1300可以用于三维(3D)成像或探测障碍物。在这些情况下，与光脉冲序列相关的距离测量值可以被视为一个像素，并且可以将像素的集合呈现为图像或出于其他原因(例如，探测障碍物)进行分析。在某些情况下，紧邻序列之间的时间间隔可对应于3D成像的时间分辨率。该序列的持续时间可以足够短，使得多个脉冲沿基本相同的方向发射。在某些情况下，与序列中的多个脉冲相对应的返回信号的选定部分可用于计算从Lidar系统到3D环境中特定位置的距离。例如，包括具有不同峰值功率的脉冲的双脉冲序列可以用于不同测量范围的测量。在上面已经很好地描述了用于产生和处理双脉冲序列的方法(例如，图2-图6)。在一些情况下，可以累积对应于多个脉冲的返回信号的选定部分以生成探测器的输出(例如，可测量的输出电压脉冲)并生成像素值。在一些情况下，可以根据估计的或目标测量范围、噪声水平(例如，由杂散光引起)或发射光脉冲的时序特性来选择返回信号的所述部分，从而可以避免探测器饱和或在盲区中测量并且提高测量精度。

在一些实施例中，可以根据时序特性来生成一个光脉冲序列或多个光脉冲序列。如图13所示，Lidar系统1300可以包括发射模块1320、接收模块1330、控制单元1310，控制单元1310包括时序特性发生器1311和信号分析模块1313。发射模块1320可以与时序特性发生器1311通信。发射模块1320可以被配置为发射符合由时序特性发生器1311产生的时序特性的光脉冲。接收模块1330可以包括探测器和被配置为探测或收集返回光脉冲或信号的各种其他光学组件。探测到的信号可以由信号分析模块1313处理，以将探测到的信号序列与发射的光脉冲的多脉冲序列相关联并输出3D点云图像。在一些情况下，信号分析模块1313可以包括滤波器以识别返回信号中与发射的信号序列的时序特性相匹配的时序特性，从而将返回信号的序列与发射的光脉冲序列相关联。在一些情况下，信号分析模块1313还能够获得一个或多个实时条件，从而确定时序特性和/或用于调整传感器输出信号的一个或多个参数。

在一些情况下，时序特性发生器1311可以被配置为基于实时条件生成用于发射光脉冲的时序特性。在某些情况下，出于眼睛安全的目的，当在阈值距离内探测到物体时，可能不会发射具有较高峰值功率的光脉冲(或光脉冲的幅值可能会降低)，直到在阈值范围内没有探测到物体为止。在一些情况下，这种探测可以由信号分析模块1313执行。在一些情况下，信号分析模块1313可以在探测到距Lidar系统阈值距离内的物体时通知时序特性发生器1311。

时序特性可以被传送到发射模块1320以产生脉冲序列。发射模块1320可以包括一个或多个光源。所述一个或多个光源可以被配置为产生激光束或光脉冲。在一些实施例中，激光束的波长可以在895nm与915nm之间(例如，905nm)。该波长范围可以对应不可见且具有穿透性的红外光，这可以提高Lidar的探测范围，防止对环境的干扰。取决于具体应用，激光束的波长可以在任何其他范围内。在一些情况下，光源可以至少包括激光二极管和驱动电路。在一些实施例中，光源或驱动电路可以包括多个充电单元，这些充电单元被控制为在短时间段内或者以连续脉冲之间的短时间间隔发射脉冲序列。可以根据从时序特性发生器接收的时序特性来发射光脉冲序列。在一些实施例中，由发射模块产生的光脉冲可以被引导到一个或多个光学元件，例如用于准直或聚焦光束的透镜或透镜组件(例如，一个或多个球面透镜、柱面透镜或非球面透镜)。Lidar系统的发射装置的一个或多个透镜或一个或多个反射镜可用于扩展、聚焦或准直输出光束。在一些情况下，发射模块可以包括与参照图7至图9描述的设备相同的激光脉冲发射设备。发射模块1320可以采用任何合适的技术，例如MEMS扫描仪、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、多线旋转Lidar等，这些技术可能需要或不需要光源移动。

光源可以包括激光二极管。光源可以包括任何合适类型的激光器，例如法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器、光纤激光器模块或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

接收模块1330可以包括一个或多个探测器，探测器被配置为接收回波光束或返回信号。在一些情况下，探测器可以对应于一个激光器并且可以被配置为接收源自对应激光源的光。探测器可以是光电接收器、光接收器、光传感器、光电探测器或光探测器。在一些情况下，接收模块可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。在一些情况下，接收模块可以包括光电传感器，例如一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型区域和n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构)。光电传感器可以是能够探测光子的单个光电探测器，例如雪崩光电二极管、SPAD、RCP(谐振腔光电二极管)等，或者是多个光电探测器，例如SPAD阵列，它们共同协作以充当单个光电传感器，通常具有比单个较大的光子探测区域更高的动态范围、更低的暗计数率或其他有益特性。每个光电探测器可以是能够感应光子的敏感面，比如光。

在某些情况下，接收到的光信号可以转换为电信号，并由嵌入式电路或计算单元进一步处理，以生成具有提高的信噪比、信号对比度和适应大范围的测量距离的输出信号。然后输出信号可以由信号分析模块1313处理以生成图像(即，“3D点云”)。

嵌入式电路或计算单元可以是被配置为将光信号转换为电信号的脉冲探测电路。脉冲探测电路可以被配置为通过改变被转换成至少一个电信号的接收光子能量来生成传感器输出信号。或者，当电信号对应于单个光脉冲时，脉冲探测电路可以通过累积不同组合的电信号来调整传感器输出信号，以生成给定的传感器输出信号。在一些情况下，脉冲探测电路可以生成传感器输出信号，该传感器输出信号表示与返回光脉冲的选定子集相关联的光能量。可以通过改变为生成输出信号而累积的返回光脉冲的数量/计数和/或改变返回光脉冲子集的选择来改变光子能量的量，从而可以选择对应的总光能量。在一些情况下，可以单独控制从单独的多序列中选定的光脉冲的数量/计数，使得传感器输出信号可以以逐像素的方式具有可调节的幅值/强度。

在一些实施例中，接收模块1330可以包括嵌入式电路或处理器以生成输出信号，该输出信号表示与返回光脉冲子集相关联的光能量。可以动态调整光能的量以避免传感器饱和和/或实现在各种距离范围内的测量。嵌入式电路或处理器可以被配置为累积来自对应于与所选光脉冲子集相关联的单个像素的光电传感器的输出。对应于单个像素的光电传感器可以是能够探测光子的单个光电探测器，例如雪崩光电二极管、SPAD、RCP等，或多个光电探测器，例如SPAD阵列。在一些情况下，嵌入式电路或处理器可以累积与返回的回波光束的选定部分相对应的电信号(例如，探测电压)并生成传感器输出。嵌入式电路或处理器可以是现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或任何其他合适的计算设备。

在某些情况下，嵌入式电路或处理器可以根据一个或多个参数选择接收到的光脉冲的一部分。如本文其他地方所述，确定选择返回信号子集以用于生成传感器输出的所述一个或多个参数可以是预设的。可替代地或除此之外，所述一个或多个参数可以根据实时条件动态确定，例如目标/估计测量范围(例如，近场障碍物探测或成像、远场障碍物探测或成像)、发射信号的时序特性变化，和/或眼睛安全限制。

在一些情况下，所述一个或多个参数可以由控制单元1310确定。例如，控制单元1310可以产生一个或多个参数，用于基于多脉冲序列的时序特性和/或由信号分析模块1313生成的先前的距离测量值来调整传感器输出信号的幅值或强度。如上所述，序列的时序特性可以由脉冲的数量、时间间隔、序列的持续时间、脉冲的幅值或其在序列中的组合来定义。在一些情况下，可以基于多脉冲序列的时序特性和从由信号分析模块1313生成的探测和测量中提取的一个或多个实时条件来生成一个或多个参数。一个或多个实时条件可以包括估计的测量范围、在近场探测到的物体等。在一些情况下，为生成信号而累积的脉冲数量或脉冲的选择可以基于探测距离来确定。例如，可以累积更多数量的脉冲用于长距离测量，并且可以累积更少数量的脉冲用于短距离或更高反射场景中的测量。在另一示例中，当探测到位于近场的物体时，可选择较少的光脉冲或可选择具有较低峰值功率的光脉冲来输出传感器信号。

所述一个或多个参数可以包括例如表示所选脉冲子集的参数。例如，所述一个或多个参数可包括为生成传感器输出信号而累积的脉冲计数，或者表示为生成传感器输出信号而选定的脉冲组合的参数。所述一个或多个参数可以包括可以表示所选定的脉冲子集的总光能量的任何其他因素(例如，接收返回光脉冲的时间窗口)。控制单元1310可将所述一个或多个参数发送至接收模块1330以产生传感器输出信号。

信号分析模块1313可以接收来自接收模块的传感器输出信号并生成图像。在一些情况下，信号分析模块1313可以被配置为将返回信号与测量信号序列相关联并且基于相关联的信号之间的延迟时间来计算距离。在一些实施例中，可以使用与多脉冲序列相关联的飞行时间来计算距离。在一些情况下，可以使用与序列内的每个脉冲相关联的飞行时间的平均值来确定与多脉冲序列相关联的飞行时间。信号分析模块1313可以基于与光脉冲子集相关联的飞行时间来计算距离，并且可以通过确定探测到的光脉冲序列与时序特性之间的匹配来确定飞行时间。

需要注意的是，所提供的方法和设备可以应用于任何类型的Lidar系统。例如，Lidar系统可以是多线旋转Lidar系统，该Lidar系统可以通过将相同或一组透镜与布置在透镜焦平面上不同高度的多个激光源复用来产生多线。在另一个示例中，Lidar系统可以是多光束闪光Lidar(Flash Lidar)系统或非旋转Lidar系统(例如，MEMS扫描Lidar、光学相控阵Lidar等)。

可以使用软件、硬件或固件或其组合来实现所描述的功能、方法或一个或多个组件，例如时序特性发生器、信号分析模块。在一些实施例中，时序特性发生器、接收模块、发射模块、信号分析模块等组件可以包括一个或多个处理器和至少一个用于存储程序指令的存储器。处理器可以设置在Lidar系统内部。或者，处理器可以在Lidar系统外部但与Lidar系统通信。处理器可以是单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或能够执行特定指令集的数字信号处理器(DSP)。计算机可读指令可以存储在有形的非暂时性计算机可读介质上，例如软盘、硬盘、CD-ROM(光盘只读存储器)和MO(磁光)，DVD-ROM(数字通用磁盘只读存储器)、DVD RAM(数字通用磁盘随机存取存储器)或半导体存储器。时序特性发生器可以是与Lidar系统通信的独立设备或系统。或者，时序特性发生器可以是Lidar系统的一个组件。本文公开的方法，例如双脉冲测量方法和/或高动态范围输出信号生成过程，可以在硬件组件或硬件和软件的组合中实现，例如，ASIC、专用计算机或通用计算机。

如本文所用，A和/或B包括A或B中的一个或多个，及其组合，例如A和B。应理解，尽管本文使用了术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元素、部件、区域和/或部分，这些元素、部件、区域和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元素、部件、区域或部分与另一元素、部件、区域或部分区分开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，本文讨论的第一元素、部件、区域或部分可以被称为第二元素、部件、区域或部分。

此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确表示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含有”或“包括”和/或“包括有”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、部件和/或它们的组。

在整个说明书中对“一些实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一些实施例中”或“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

每当术语“至少”、“大于”或“大于或等于”在一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前，术语“至少”、“大于”或“大于或等于”适用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1、2或3等同于大于或等于1、大于或等于2、或大于或等于3。

虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，这些实施例仅作为示例提供是显而易见的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、变化和替换。应当理解，在实践本发明时可以采用对这里描述的本发明的实施例的各种替代。在此描述的实施例的多种不同组合是可能的，并且这样的组合被认为是本公开的一部分。此外，结合本文的任一实施例讨论的所有特征可以容易地适用于本文的其他实施例。本公开意图由下面的权要在确定本发明的范围，以及涵盖在这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。

Claims (21)

1.一种光探测和测距系统，包括：

光源，被配置为根据时序特性发射激光脉冲序列；

光敏探测器，被配置为探测所述序列被三维环境中的物体反射的返回脉冲，并生成一个输出信号，用来表示与返回脉冲中的一个子集相关联的光能量；以及

一个或多个处理器，电耦合到所述光源和所述光敏探测器，其中所述一个或多个处理器被配置为：

基于一个或多个实时条件来生成所述时序特性；以及

确定用于选择所述光脉冲子集的一个或多个参数。

2.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为基于与所述返回脉冲子集相关联的飞行时间来计算距离，其中所述飞行时间是通过确定探测到的光脉冲序列和所述时序特性相匹配来确定的。

3.根据权利要求2所述的光探测和测距系统，其中，用于选择所述返回脉冲子集的所述一个或多个参数是基于所述光探测和测距系统与位于所述三维环境中的物体之间的距离来确定的。

4.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述时序特性包括选自多个脉冲中每个脉冲的幅值、多个脉冲中每个脉冲的持续时间、多个脉冲之间的时间间隔和多个脉冲的数量中的一项或多项。

5.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，用于选择所述光脉冲子集的所述一个或多个参数至少部分地基于所述时序特性来确定。

6.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述一个或多个参数包括所述子集中的光脉冲的数量或表示非紧邻光脉冲的组合的参数。

7.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述一个或多个实时条件是基于探测到的光脉冲获得的。

8.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述一个或多个实时条件包括探测到位于预定距离阈值内的物体。

9.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为基于所述输出信号来生成3D图像。

10.一种使用光探测和测距系统进行成像的方法，包括：

基于一个或多个实时条件来生成时序特性；

将多脉冲序列发射到三维环境中，其中所述多脉冲序列包括具有所述时序特性的多个脉冲；

探测来自所述三维环境的光脉冲；以及

生成一个输出信号，用于表示与所述光脉冲中的一个子集相关联的光能量的。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括确定用于选择所述光脉冲子集的一个或多个参数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，用于选择所述光脉冲子集的所述一个或多个参数是基于所述光探测和测距系统与位于所述三维环境中的物体之间的距离来确定的。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，用于选择所述光脉冲子集的所述一个或多个参数至少部分地基于所述时序特性来确定。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括所述子集中的光脉冲的数量或表示非紧邻光脉冲的组合的参数。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括基于与探测到的光脉冲相关联的飞行时间来计算距离。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括通过确定探测到的光脉冲序列与所述时序特性相匹配来确定所述飞行时间。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述时序特性包括选自多个脉冲中每个脉冲的幅值、多个脉冲中每个脉冲的持续时间、多个脉冲之间的时间间隔和多个脉冲的数量中的一项或多项。

18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个实时条件是基于探测到的光脉冲获得的。

19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个实时条件包括探测到位于预定距离阈值内的物体。

20.根据权利要求10所述的方法，还包括基于所述输出信号生成3D图像。

21.根据权利要求21所述的方法，其中，所述输出信号对应于所述3D图像中的像素的一个强度值。

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