CN115210602A

CN115210602A - 用于固态lidar的噪声过滤系统和方法

Info

Publication number: CN115210602A
Application number: CN202180018897.9A
Authority: CN
Inventors: M·J·道诺万; N·马扬; A·弗里德曼; I·伊利亚胡
Original assignee: Opsys Tech Ltd
Current assignee: Opsys Tech Ltd
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-10-18
Also published as: WO2021236201A3; EP4115198A4; EP4115198A2; KR20220145845A; US20210278540A1; JP2023516654A; WO2021236201A2

Abstract

一种对光检测和测距信号进行噪声过滤以减少在由光检测和测距发射器在环境光环境中生成的、由目标场景反射的光的误报检测的系统和方法。基于所检测的光生成所接收的数据迹线。基于所接收的数据迹线来确定环境光水平。通过噪声过滤来确定有效的回波脉冲，该噪声过滤例如可以是通过将回波脉冲的幅度与预定变量N倍的所确定的环境光水平进行比较或者通过将回波脉冲的幅度与环境光水平和N倍的环境光水平的方差的和进行比较。之后生成包括具有减少的误报率的多个数据点的点云。

Description

用于固态LIDAR的噪声过滤系统和方法

本文所用的章节标题仅用于组织目的，并且不应被解释为以任何方式限制本申请中所述的主题。

相关申请的交叉引用

本申请是在2020年3月5日提交的标题为“Noise Filtering System and Methodfor Solid-State LIDAR”的美国临时专利申请号62/985,755的非临时申请。美国临时专利申请62/985,755的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

自主、自驾和半自主汽车使用不同传感器和技术的组合，例如雷达、图像识别相机和声纳，来检测和定位周围对象。这些传感器能够在驾驶员安全性方面有许多改进，包括碰撞警告、自动紧急制动、车道偏离警告、车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶。在这些传感器技术中，光检测和测距(LIDAR)系统扮演关键角色，从而实现周围环境的实时、高分辨率3D映射。

当今用于自主车辆的大多数当前LiDAR系统利用少量的激光器，结合一些机械地扫描环境的方法。一些现有技术的LiDAR系统使用二维垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列作为照射源和接收器中的各种类型的固态检测器阵列。非常期望未来的自主汽车利用具有高可靠性和宽环境操作范围的基于固态半导体的LiDAR系统。这些固态LiDAR系统是有利的，因为它们使用没有移动部件的固态技术。然而，当前的现有技术水平的LiDAR系统具有许多实际限制，并且需要新的系统和方法来改善性能。

附图说明

根据优选和示例性实施例，本教导连同其进一步的优点一起在以下结合附图的详细描述中被更具体地描述。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定是按比例的，相反，重点通常放在说明本教导的原理上。附图不是要以任何方式限制申请人的教导的范围。

图1图示了在车辆中实现的本教导的LiDAR系统的实施例的操作。

图2A图示了示出由本教导的LiDAR系统的实施例生成的发射脉冲的图。

图2B图示了示出本教导的LiDAR系统的实施例的回波信号的模拟的曲线图。

图2C图示了示出用于本教导的LiDAR系统的实施例的十六个回波信号的平均值的模拟的图。

图3图示了本教导的LiDAR系统的实施例的框图。

图4图示了根据本教导的包括误报过滤的LiDAR测量方法的实施例的流程图。

图5A图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第一部分。

图5B图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第二部分。

图5C图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第三部分。

图5D图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第四部分。

图6A图示了根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图6B图示了根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图6C图示了根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第三部分。

图6D图示了根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第四部分。

图7A图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图7B图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图7C图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第三部分。

图7D图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第四部分。

图8A图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图8B图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图8C图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第三部分。

图9A图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图9B图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图9C图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第三部分。

图9D图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第四部分。

图10A图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图10B图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图10C图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第三部分。

图10D图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第四部分。

图11A图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分。

图11B图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分。

图12图示了在根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的实施例中使用的检测器阵列的各个区域，其中利用检测器阵列内的检测器元件来进行环境光和/或背景噪声的测量。

图13图示了用于根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的实施例的检测器配置，其中对应于不同视场的第二检测器或检测器阵列被用于环境光和/或背景噪声测量。

具体实施方式

现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施例来更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是本教导并不旨在被局限于这些实施例。相反，本教导涵盖各种替代、修改和等效物，如本领域技术人员将理解的。获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到在本文所述的本公开的范围内的另外的实施方式、修改和实施例以及其他使用领域。

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。在说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指同一实施例。

应当理解，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要本教导保持是可操作的。此外，应当理解，本教导的装置和方法可以包括任何数量或所有的所描述的实施例，只要本教导保持是可操作的。

本教导涉及光检测和测距(LIDAR)，其是一种使用激光来测量到对象的距离(范围)的遥感方法。LiDAR系统通常测量到反射和/或散射光的各种对象或目标的距离。自主车辆利用LIDAR系统以高分辨率生成周围环境的高度准确的3D地图。本文描述的系统和方法针对提供具有高可靠性水平的固态脉冲飞行时间(TOF)LIDAR系统，同时还维持长测量范围以及低成本。

特别地，本教导的方法和装置涉及发出短持续时间激光脉冲并且然后使用对具有所接收的回波信号迹线形式的回波脉冲的直接检测来测量到对象的TOF的LiDAR系统。本教导的LiDAR系统的一些实施例可以以改善或优化各种性能度量的方式使用多个激光脉冲来检测对象。例如，可以以提高信噪比(SNR)的方式使用多个激光脉冲。多个激光脉冲也可以用于在特定对象的检测中提供更大的置信度。可以选择激光脉冲的数量以给出特定水平的SNR和/或与对象的检测相关联的特定置信度值。激光脉冲数量的这种选择可以与单个激光装置或激光装置组的选择相结合，该单个激光装置或激光装置组与视场(FOV)中的特定照明图案相关联。

在根据本教导的一些方法中，在操作期间自适应地确定激光脉冲的数量。而且，在根据本发明的一些方法中，激光脉冲的数量根据所选择的判定标准而在FOV上变化。在根据本教导的一些方法中使用的多个激光脉冲被选择为具有足够短的持续时间，使得场景中的任何东西都不能在预期的环境中移动超过几毫米。为了确定同一对象正在被测量多次，具有这样短的持续时间是必要的。例如，假设LiDAR系统和对象的相对速度是150mph，这是典型的在高速公路上的驾驶场景，LiDAR系统和对象的相对速度是大约67米/秒。在100微秒内，LiDAR与对象之间的距离仅可以改变6.7mm，这与LiDAR的典型空间分辨率处于相同的量级。并且，在对象以该速度垂直于LiDAR系统移动的情况下，该距离与LiDAR的波束直径相比也必须较小。为给定测量选择的激光脉冲的特定数量在本文中被称为激光脉冲的平均数量。

在LiDAR系统的FOV中存在到周围对象的距离范围。例如，LiDAR系统的下竖直FOV通常看到道路的表面。试图测量超出道路表面的距离是没有益处的。此外，对于针对FOV中的每个测量点总是测量均匀长距离(＞100米)的LiDAR系统，根本上存在效率损失。在等待较长回波脉冲和发送多个脉冲两者中损失的时间可以用于提高帧速率和/或提供额外的时间以向FOV的对象处于长距离的那些区域发送更多脉冲。已知较低FOV几乎总是在近距离处看到路面，可以实现自适应地改变脉冲之间的定时(即，较短距离测量的定时)以及激光脉冲的数量的算法。

高清晰度绘图、GPS和能够检测车辆的姿态(俯仰、滚转和偏航)的传感器的组合还可以提供道路朝向的定量知识，其可以与LiDAR系统组合使用以针对与已知的道路轮廓相对应的视场的一部分限定最大测量距离。根据本教导的LiDAR系统可以使用环境条件以及作为FOV的函数的针对所提供的距离要求的数据，以基于SNR、测量置信度或某种其它度量来适应性地改变脉冲之间的定时以及激光脉冲的数目。

影响用于在单个序列中激发单个或一组激光器的脉冲的数量的另一个因素是测量时间。使用激光器阵列的实施例可以包括数百个或者甚至数千个单独的激光器。这些单独激光器中的全部或一些可以作为时间的函数以序列或图案脉动，以便查询整个场景。对于被激发多次(N次)的每个激光器，测量时间增加至少N。因此，通过增加来自给定激光器或激光器组的脉冲发射的数量，测量时间增加。

图1图示了在车辆中实现的本教导的LiDAR系统100的操作。LiDAR系统100包括激光投影仪101(也称为照明器)和接收器103，该激光投影仪将由光源生成的光束102投射到目标场景，该接收器接收从该目标场景中的被示出为人106的对象反射的光104。在一些实施例中，照明器101包括激光发射器和各种发射光学装置。

LiDAR系统通常还包括根据反射光来计算关于对象(人106)的距离信息的控制器。在一些实施例中，还存在可以扫描或提供光的特定图案的元件，该特定图案可以是静态图案或跨期望范围和视场(FOV)的动态图案。来自对象(人106)的反射光的一部分在接收器中被接收。在一些实施例中，接收器包括接收光学装置和可以是检测器阵列的检测器元件。接收器和控制器用于将所接收的信号光转换成表示落入LiDAR系统范围和FOV内的周围环境的逐点3D地图的测量结果。

根据本教导的LiDAR系统的一些实施例使用包括激光器阵列的激光发射器。在一些具体实施例中，激光器阵列包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)装置。这些可以包括顶发射VCSEL、底发射VCSEL和各种类型的高功率VCSEL。VCSEL阵列可以是单片的。激光发射器可以全部共享公共衬底，包括半导体衬底或陶瓷衬底。

在各种实施例中，使用一个或多个发射器阵列的单独的激光器和/或激光器组可以被单独地控制。发射器阵列中的每个单独发射器可以独立地激发，其中由每个激光发射器发射的光束对应于仅对着整个系统视场的一部分的3D投影角。在转让给本受让人的美国专利公开号2017/0307736A1中描述了这种LiDAR系统的一个示例。美国专利公开号2017/0307736A1的全部内容通过引用并入本文。另外，可以基于LiDAR系统的期望性能目标来控制由单个激光器或激光器组发射的脉冲的数目。还可以控制该序列的持续时间和定时以实现各种性能目标。

根据本教导的LiDAR系统的一些实施例使用也可以被单独控制的检测器阵列中的检测器和/或检测器组。例如，参见题为“Eye-Safe Long-Range Solid-State LiDARSystem”的美国临时申请号62/859,349。美国临时申请号62/859,349号被转让给本受让人，并通过引用结合在此。对发射器阵列中的各个激光器和/或激光器组和/或对检测器阵列中的检测器和/或检测器组的这种独立控制提供了各种期望的操作特征，包括对系统视场、光功率水平和扫描模式的控制。

图2A图示了由本教导的LiDAR系统的实施例生成的发射脉冲的图200。曲线图200图示了对于LiDAR系统中的典型发射激光脉冲的作为时间的函数的光功率。激光脉冲是作为时间的函数的高斯形状，并且持续时间通常约为五纳秒。在各种实施例中，脉冲持续时间采用各种值。通常，脉冲持续时间越短，LiDAR系统的性能越好。较短的脉冲减少了反射回波脉冲的测量定时的不确定性。当眼睛安全受到限制时，较短的脉冲还允许在典型情况下的较高峰功率。这是因为对于相同的峰功率，较短的脉冲比较长的脉冲具有更少的能量。应当理解，特定发射脉冲是发射脉冲的一个示例，并且不旨在以任何方式限制本教导的范围。

为了能够对多个脉冲进行平均以提供关于特定场景的信息，脉冲之间的时间应当相对较短。特别地，脉冲之间的时间应当比目标场景中的对象的运动更快。例如，如果对象以50米/秒的相对速度行进，则它们的距离将在100微秒内改变5毫米。因此，为了不使得目标距离和目标本身模糊，LiDAR系统应当完成所有脉冲平均化，其中场景是准稳定的并且所有脉冲之间的总时间在100微秒的量级。当然，在这些各种约束之间存在相互影响。应当理解，存在特定脉冲持续时间、脉冲数量以及脉冲之间的时间或占空比的各种组合，这些组合改进或优化了测量结果。在各种实施例中，激光器和检测器的具体物理架构以及激光发射参数的控制方案被组合以实现期望的性能和/或最优性能。

图2B图示了示出本教导的LiDAR系统的实施例的回波信号的模拟的曲线图230。这种类型的图有时被称为回波信号迹线。回波信号迹线是从单个发射激光脉冲检测到的回波信号的曲线图。该特定的曲线图230是检测到的回波脉冲的模拟。检测到的回波信号的LOG₁₀(功率)被绘制为时间的函数。曲线图230图示了来自系统和来自环境的噪声232。在～60纳秒处有明显的回波脉冲峰234。该峰234对应于来自距LiDAR系统9米的距离处的对象的反射。60纳秒是当对象距离LiDAR系统的发射器/接收器9米远时，光离开到对象并回到检测器所花费的时间。可以校准LiDAR系统，使得特定的峰的测量时间与特定的目标距离相关联。

图2C图示了本教导的LiDAR系统的实施例的16个回波信号的平均值的模拟的曲线图250。曲线图250图示了模拟，其中16个回波的序列被平均，每个回波类似于图2B的曲线图230中所示的回波信号。通过发送出16个单脉冲发射的序列来生成16个回波脉冲的序列。可以看出，噪声252的扩展通过平均而减小。在该模拟中，噪声随机变化。该图中的数据的场景(未示出)是FOV中的两个对象，一个在9米处，一个在90米处。在曲线图250中可以看出，在大约60纳秒处可以看到第一回波峰254，并且在大约600纳秒处可以看到第二回波峰256。该第二回波峰256对应于位于距LiDAR系统90米的距离处的对象。因此，每个单个激光脉冲可以产生多个回波峰254、256，这些峰是由位于距LiDAR系统不同距离处的对象的反射而产生的。通常，强度峰随着距LiDAR系统的距离的增加而在幅度上减小。然而，峰的强度取决于许多其它因素，例如对象的物理尺寸和反射率特性。应当理解，结合图2B-C描述的回波信号和平均条件仅仅是用于说明本教导的示例，而不是要以任何方式限制本教导的范围。

本发明的设备的一个特征是它与检测器阵列的使用兼容。根据本教导，可以使用各种检测器技术来构造用于LiDAR系统的检测器阵列。例如，可以使用单光子雪崩二极管检测器(SPAD)阵列、雪崩光电检测器(APD)阵列和硅光电倍增器阵列(SPA)。检测器尺寸不仅通过设置单个检测器的视场来设置分辨率，而且还涉及每个设备的速度和探测灵敏度。现有技术的用于LiDAR的检测器的二维阵列已经接近VGA相机的分辨率，并且预期遵循与CMOS相机技术所见的类似的增加像素密度的趋势。因此，期望随着时间的推移实现检测器视场的越来越小的尺寸。这些小的检测器阵列允许以下配置中的LiDAR的一些实施例的操作：在发射器阵列中的单独发射器的视场大于检测器阵列中的单独检测器的视场。因此，在一些实施例中，发射器的视场可以覆盖多个检测器。应当理解，发射器的视场表示由发射器照射的区域的尺寸和形状。

图3图示了本教导的LiDAR系统300的实施例的框图。包括发射器304的二维阵列的发射模块302电连接到发射-接收控制器306。在一些实施例中，发射器304是垂直腔面发射激光器(VCSEL)装置。发射模块302产生照明并将其投射到目标(未示出)处。

接收模块308包括连接到发射-接收控制器306的检测器310的二维阵列。在一些实施例中，检测器310是SPAD装置。检测器310的各个元件有时被称为像素。接收模块308接收由发射模块302产生的从位于目标处的一个或多个对象反射的照明的一部分。发射-接收控制器306连接到在输出314处产生点云数据的主控制单元312。从来自有效回波脉冲的数据产生点云数据点。

接收模块308包含与信号处理元件(处理器)316组合/堆叠的SPAD检测器310的2D阵列。在一些实施例中，在2D阵列中使用SPAD检测器之外的检测器元件。信号处理元件316可以是各种已知的信号处理器。例如，信号处理元件可以是信号处理芯片。检测器阵列310可以直接安装在信号处理芯片上。信号处理元件316进行飞行时间(TOF)计算，并产生由SPAD检测器310探测的回波信号的直方图。直方图是作为时间的函数的所测量的接收信号强度的表示，有时称为时间分组(time-bin)。对于使用平均测量的方法，单个平均直方图保持每个回波的回波信号的总和直到指定的平均数。信号处理元件316还执行有限脉冲响应(FIR)滤波功能。FIR滤波器通常在确定回波脉冲检测和回波脉冲值之前应用于直方图。

信号处理元件316还从直方图确定回波脉冲数据。这里，术语“回波脉冲”指的是假定的反射回波激光脉冲及其相关时间。由信号处理元件确定的回波脉冲可以是真回波，意味着它们是来自FOV中的对象的实际反射，或者是假回波，意味着它们是由于噪声而在回波信号中的峰。信号处理元件316可以仅向发射-接收控制器306发送回波脉冲数据，而不发送原始直方图数据。在根据本教导的一些方法中，在时间分组(time bin)内的超过所选回波信号阈值的任何接收信号都被认为是回波脉冲。对于给定的阈值，在接收的直方图中将存在超过该值的一般数量的N个回波脉冲。通常，系统将仅报告多达某个最大数量的回波脉冲。例如，在一个特定方法中，最大数量是5，通常选择最强的5个回波脉冲。这种一定数量的回波脉冲的报告可以被称为回波脉冲组。然而，应当理解，在根据本教导的各种方法中，存在可以返回的回波脉冲数量的范围。例如，返回的脉冲的数量可以是3、7或一些其它数量。在一些方法中，用户指定信号水平阈值。然而，在根据本教导的许多其他方法中，阈值由接收器模块308中的信号处理芯片316自适应地确定。

在根据本教导的一些方法中，信号处理元件316还将其他数据发送到发射-接收控制器306。例如，在一些方法中，环境光水平计算的结果作为环境光水平被发送到发射-接收控制器306。

发送-接收控制器306具有串行化器318，其从信号处理芯片316获取多通道回波脉冲数据信道，并将它们转换为可以在长导线上传播的串行流。在一些方法中，多通道数据以移动行业处理器接口(MIPI)数据格式呈现。发射-接收控制器306具有复杂可编程逻辑器件(CPLD)320，其控制发射模块302中的激光器激发顺序和模式。也就是说，CPLD 320确定阵列中的哪些激光器304被激发以及在什么时间被激发。然而，应当理解，本教导不限于CPLD处理器。在控制器306中可以使用各种各样的已知处理器。

主控制单元312还包括现场可编程门阵列(FPGA)322，其执行串行化回波脉冲数据的处理以在输出314处产生3D点云。FPGA 322从串行化器318接收串行化回波脉冲数据。在根据本发明的一些方法中，计算并发送到FPGA的回波脉冲信息包括以下数据：(1)回波脉冲的最大峰值；(2)时间，在一些情况下，对应于最大峰值的直方图的分组位置(编号)；以及(3)回波脉冲的宽度，其可以被报告为以某种方式计算的“开始时间”和“结束时间”。例如，该宽度可以是信号水平开始超过阈值时的开始时间，以及信号水平然后停止超过阈值时的结束时间。在各种方法中，使用其它启动和停止的定义(例如PW50或PW80)来确定何时超过阈值。在其它方法中，可以使用更复杂的基于斜率的计算来确定何时超过阈值。

在许多方法中，信号处理芯片316另外报告其他LiDAR参数，诸如环境光水平、环境方差和阈值。另外，如果直方图分组(binning)不是静态的或提前定义的，则还发送关于分组或定时的信息。

根据本教导的一些方法使用各种算法来分析回波脉冲数据。例如，如果回波脉冲呈现两个最大峰，而不是单个峰，则可以标记两个最大峰的出现，以便通过算法进行进一步分析。另外，当回波脉冲形状不是明确定义的平滑峰时，回波脉冲也可以被标记以用于通过算法进一步分析。对算法执行分析的决定可以由处理元件316或一些其它处理器做出。然后，可以将算法的结果提供给主控制单元312。

主控制单元312可以是任何处理器或控制器，并且不限于FPGA处理器。应当理解，虽然在图3的LiDAR系统300中仅示出了一个发射模块302和接收模块308，但是多个发射和/或接收模块以及相关联的发射-接收控制器306可以电连接到一个主控制单元312。基于LiDAR系统300的配置，可以将数据呈现为输出处的一个或多个点云。在许多方法中，FPGA322在生成点云数据之前还执行滤波功能、信噪比分析和/或标准偏差滤波功能中的至少一者。主控制单元312利用串行器串行化所得数据以提供点云数据。

图4图示了根据本教导的包括误报过滤的LiDAR测量方法400的实施例的流程图。在第一步骤402中，接收模块中的检测器阵列被启动以准备工作。

在第二步骤404中，对阵列中的多个检测器元件进行采样。例如，这可以包括一个或多个邻接的检测器，其形成落入特定发射器设备的FOV内的形状。这还可以包括落在一个或多个有源发射器元件的FOV之外的采样检测器。作为示例，返回参考图3，9个检测器元件310落在发射器304的特定照明区域内。本教导的方法和系统预想了发射器照明图案和接收图案的许多组合。采样可以包括测量每个检测器中的接收信号的强度。在该第二步骤404中，不发射激光照射。

在第三步骤406中，对像素或各个发射器元件输出进行求和。在第四步骤408中，经求和的输出被用来计算和确定环境光水平和环境光方差。返回参考图3，可以将环境光水平提供给主控制单元312中的FPGA322以用于处理。

在第五步骤410中，从一个或多个发射器发射激光脉冲。返回参考图3，在一些方法中，激光脉冲发射和待发射的发射器元件304的特定选择由CPLD 320确定。

在第六步骤412中，对检测器元件进行采样。在第七步骤414中，对像素求和。在第八步骤416中，生成直方图。直方图包括来自多个激光发射的测量结果，这些测量结果被求和或平均以提供最终直方图。通常，发射多个激光脉冲以产生给定的平均化直方图。总数被称为平均数。对于本公开，我们假设第N个激光脉冲在步骤五410中被发射。

在判定步骤九418中，确定发射的激光脉冲的数量N是否小于期望的平均数量。如果判定为是，则该方法返回到步骤五410，并且发射第(n+1)个脉冲。如果判定为否，则该方法前进到第十步骤420，并且用FIR滤波器对平均直方图进行滤波。

在第十一步骤422中，从经滤波的平均化直方图检测回波脉冲。返回参考图3，在一些实施例中，步骤十420和步骤十一422由接收模块308中的处理器316执行。回波脉冲结果被提供给发射接收控制器306。

在第十二步骤424中，将误报过滤器应用于回波脉冲数据。在第十三步骤426中，使用经过滤的回波脉冲数据产生点云数据。通常，点云数据可以包括来自多个发射器和检测器的经过滤的回波脉冲数据，以生成示出来自目标场景的反射的二维和/或三维点云。

图5A-图5D是接收的数据直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。图5A图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第一部分500。图5B图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第二部分510。图5C图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第三部分520。图5D图示了来自LiDAR测量的已知系统和方法的所接收的数据迹线的第四部分530。

所接收的数据直方图的部分500、510、520、530仅表示背景或环境光，因为在该特定的所接收的数据中没有提供用于检测的照明。因此，在所接收的数据直方图中，没有“真实的”回波脉冲，仅有环境噪声。所示出的峰仅仅由环境光产生。当检测器是SPAD装置时，这是特别正确的，因为SPAD装置是非常灵敏的检测器，并且因此即使当激光脉冲没有撞击探测范围中的任何东西时，也可以确定误报的“回波脉冲”。在没有某种过滤的情况下，这些误报的“回波脉冲”将产生大量的误报检测。这在高太阳加载情况下尤其如此。

本教导的一个方面是在LiDAR系统中使用误报过滤。本发明构思了几种类型的误报过滤器。一种类型的误报过滤器是信噪比(SNR)型滤波器。在SNR型滤波器中，只有峰值比噪声大N倍的回波脉冲被认为是有效回波脉冲。

第二种类型的误报过滤器是标准偏差滤波器。标准偏差滤波器有时也被称为方差滤波器。在该滤波器中，只有峰功率大于噪声和N倍环境噪声标准偏差之和的接收脉冲才被认为是有效回波脉冲。在这两种类型的过滤器中，可以调整N的值以改变误报结果与漏报结果的比率。

SNR型滤波器的一个特征是它易于实现。例如，可以基于第N个检测到的峰而不是平均噪声水平(或环境水平)来实现SNR型滤波器。然而，SNR型滤波器对于高噪声水平可能不太准确。方差型滤波器的一个特征是它在低和高环境光条件下都能很好地过滤误报。因此，适当配置的方差型滤波器可以在高环境光情况下正确地过滤误报。然而，方差型滤波器需要精确的方差/标准偏差测量，并且通常比SNR型比率滤波器实现起来更复杂。

图6A-图6D图示了根据本发明的在标称环境光条件下从SNR型滤波器的实施方式中得到的所接收的数据。所接收的数据的部分600、610、620、630是同一直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。图6A图示了根据本教导的经过信噪比滤波的方法的所接收的数据迹线的第一部分600。图6B图示了根据本教导的经过信噪比滤波的方法的所接收的数据迹线的第二部分610。图6C图示了根据本教导的经过信噪比滤波的方法的所接收的数据迹线的第三部分620。图6D图示了根据本教导的经过信噪比滤波的方法的所接收的数据迹线的第四部分630。

最强的峰(图6A中圈出)出现在第一部分600中。第五最强峰(图6B中圈出)出现在第二部分610中。第二和第三最强峰(图6C中圈出)出现在第三部分620中。第四最强峰(图6D中圈出)出现在第四部分630中。

对于由部分600、610、620、630所示的所接收的数据迹线，应用信噪比滤波器，其中相应地选择N，将仅报告两个最强的峰。这些在第一部分600和第三部分620中示出。可以基于排除第三峰到第五峰的判定来计算用于计算N的环境光水平。只有峰功率大于N倍的环境光水平的两个峰才被认为是有效的。基于期望的误报与漏报比率来选择数字N。对于标准偏差近似等于环境水平的低环境光场景，如本文所述，信噪比滤波器不强。因此，在低环境光的情况下，可以直接挑选可以提供高置信度以排除误报的数量N的值，而不会排除真报告。对于高环境光情形，标准偏差远小于环境光水平，并且信噪比滤波器太强，因为它需要非常高的峰功率。

图7A-图7D图示了在高环境光条件下由根据本教导的信噪比滤波器的实施方式所得到的数据。所接收的数据的部分700、710、720、730是同一直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。

图7A图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第一部分700。图7B图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过信噪比滤波的所接收的数据迹线的第二部分710。图7C图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了信噪比滤波的所接收的数据迹线的第三部分720。图7D图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了信噪比滤波的所接收的数据迹线的第四部分730。所接收的数据迹线的部分700、710、720、730图示了仅最强的峰足够大，N的数字可以被选择来超过该峰。应当理解，N不必是整数。其它有效峰被消除。因此，在高环境光条件下，SNR滤波器可能倾向于产生漏报结果。

图8A-图8C图示了我们在低环境光条件下用根据本教导的信噪比滤波器分析的数据。所接收的数据的部分800、810、820、830是同一接收数据直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。

图8A图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受信噪比滤波的所接收的数据迹线的第一部分800。图8B图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受信噪比滤波的所接收的数据迹线的第二部分810。图8C图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受信噪比滤波的所接收的数据迹线的第三部分820。所接收的数据迹线的部分800、810、820图示了在低环境条件下，N*环境条件导致误报检测，因为“噪声”被看作有效的回波脉冲。因此，SNR滤波器在低环境光水平下可能倾向于较高的误报结果。

图9A-图9D图示了在标称环境光条件下我们用根据本教导的标准偏差滤波器分析的所接收的数据。很好理解的是，标准偏差是方差的平方根。所接收的数据的部分900、910、920、930是同一直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。

图9A图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分900。图9B图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经过标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分910。图9C图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第三部分920。图9D图示了在正常环境光条件下进行测量的、根据本教导的经历了标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第四部分930。

应用标准偏差滤波器，在相应地选择N的情况下，对于接收的数据仅报告两个最强的峰。基于环境光水平测量来计算方差。只有峰功率大于环境光水平加上N倍的环境光水平的标准偏差的回波脉冲才被认为是有效的。如下面进一步描述的，该标准偏差滤波器在高和低环境光水平下都工作良好。方差和标准偏差是从环境光测量结果中导出的。

图10A-图10D图示了在高环境光条件下利用本教导的标准偏差滤波器的实施方式所分析的所接收的数据。部分1000、1010、1020、1030是同一直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。

图10A图示了在高环境光条件下测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分1000。图10B图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分1010。图10C图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第三部分1020。图10D图示了在高环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第四部分1030。在该高环境光LiDAR测量环境中，选择具有大于环境加上N倍的标准偏差的幅度的峰作为有效峰并不消除有效峰。

图11A-图11B图示了在低环境光条件下由标准偏差滤波器的实施方式所产生的数据。部分1100、1110是同一接收数据直方图的连续部分，为了清楚起见将它们分成单独的图。

图11A图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第一部分1100。图11B图示了在低环境光条件下进行测量的、根据本教导的经受标准偏差滤波的所接收的数据迹线的第二部分1110。在该低环境光LiDAR测量环境中，选择具有大于环境加上N倍的标准偏差的幅度的峰作为有效峰确实消除了无效噪声峰。

因此，根据本教导的本文描述的特定误报减少过滤器(标准偏差滤波器和信噪比滤波器)两者都有利地减少了LiDAR系统中的经处理的点云数据的误报率。另外，标准偏差滤波器有利地减少了低环境光中的误报率，并且改善了高环境光中的漏报率，使得对于必须在宽动态范围的环境照明条件下操作的LiDAR系统特别有用。

可以以各种方式在LiDAR系统中采用本文描述的误报减少过滤器。在根据本教导的一些LiDAR系统中，信噪比滤波器是用于减少误报测量结果的唯一误报减少过滤器。在根据本教导的其他系统中，标准偏差滤波器是用于减少误报测量结果的唯一误报减少过滤器。返回参考包括结合图4描述的误报过滤的LiDAR测量的方法400的方法步骤十二424，取决于特定方法，误报过滤器将是信噪比滤波器或者标准偏差滤波器。

根据本教导的信噪比滤波的一些实施例需要接收器块中的信号处理能力以执行被提供给LiDAR系统中的稍后的处理器的附加计算。例如，参考图3，接收模块308中的信号处理元件316确定环境光水平，然后将该信息提供给主控制单元312中的FPGA 322。然后，FPGA 322通过计算N*环境的值来处理信噪比滤波数据，以选择经滤波的数据的有效峰。标准偏差滤波将回波脉冲信息从信号处理元件316传递到FPGA 322。FPGA 322确定环境光水平数据的方差和标准偏差，然后确定是N倍的标准偏差的信号峰，以选择作为误报过滤器的输出处的有效回波脉冲。

因此，应当理解，根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的各种实施例可以以许多方式来确定环境光和/或背景噪声。即，根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法可以从接收回波脉冲的检测器元件的测量结果的连续时间样本来确定环境光和/或背景噪声。根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法还可以根据使用相同的检测器元件进行的对环境光和/或背景噪声的之前或之后的测量结果来确定环境光和/或背景噪声，以获得脉冲数据。另外，根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法可以在脉冲测量之前、之后或者与脉冲测量同时，从紧邻用于测量的元件定位的检测器元件确定环境光和/或背景噪声。

根据本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法可以确定环境光和/或背景噪声的另一种方式是通过利用检测器阵列内的检测器元件进行测量，这些检测器元件不是与用于脉冲测量的检测器元件紧邻，而是使用如在这里的各种其它实施例中描述的相同或相邻的检测器元件。本发明的这个实施例的一个特征是，有时利用位于脉冲照射区之外的检测器元件进行测量，使得任何接收的激光脉冲信号水平低于某个绝对或相对信号水平是有利的。以此方式，可最小化所接收激光脉冲对周围环境/背景数据记录的贡献。

因此，在本发明的该实施例中，具有一些限定的FOV/光束发散的指向空间中特定点的激光脉冲照射在任何返回的激光脉冲的成像区域之外的检测器区域。检测所接收的激光脉冲，并且从环境噪声/背景噪声计算中排除对应于那些脉冲的时间区域。该实施例的方法需要额外的处理步骤：确定脉冲在时间上的位置，然后处理所接收的数据以去除与可能的回波脉冲相对应的那些时间。

在一个具体实施例中，检测器物理地定位在任何返回的激光脉冲的成像区域外部。这种配置具有的优点是：它可以消除对一些后处理步骤的需要。这种配置还具有这样的优点：可以在相同数量的时间点与接收的脉冲数据组同时取得环境光和/或背景噪声数据组。可以实施信号处理算法以利用这些数据。结合以下附图进一步描述本发明的该实施例的特征。

图12图示了在本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的实施例中使用的检测器阵列1200的各个区域，其中利用检测器阵列内的检测器元件来进行环境光和/或背景噪声的测量。在检测器阵列1200中指示了各种区域。圆圈1202指示检测器阵列1200的由已发射来用于距离检测的反射激光脉冲照射的区域。利用检测器阵列1200的其它部分进行环境光和/或背景噪声的相应测量。这种相应的测量可以在接收脉冲测量之前、之后或同时进行。

为了说明本发明的原理，图12图示了环境噪声测量的三个可能位置。第一位置1204位于与检测器阵列1200的区域中的由反射的激光脉冲照射的检测器元件相同的行中，该反射的激光脉冲是为了距离检测而发射的。第二位置1206位于与检测器阵列1200的区域中的由反射的激光脉冲照射的检测器元件相同的列中，该反射的激光脉冲是为了距离检测而发射的。第三位置1208位于与检测器阵列1200的由反射激光脉冲照射的区域中的检测器元件不同的行和不同的列中，该反射的激光脉冲是为了距离检测而发射的。该图示出了检测器阵列中用于环境光和/或背景噪声测量的元件的尺寸和数量可以不同于检测器阵列中用于所接收的激光脉冲的元件的尺寸和数量。

在本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的又一实施例中，配置有不同视场的第二检测器或检测器阵列被用于环境光和/或背景噪声测量，而不是使用用于接收脉冲测量的相同的检测器阵列。在各种实施例中，该第二检测器或检测器阵列可以是对应于不同视场的另一检测器阵列或对应于不同视场的单个检测器元件。

图13图示了本教导的用于固态LiDAR的噪声过滤系统和方法的实施例的检测器配置1300，其中与不同的视场相对应的第二检测器或检测器阵列被用于环境光和/或背景噪声测量。该第二检测器或检测器阵列可以是对应于不同视场的另一检测器阵列，或者其可以是不同阵列维度的检测器，包括单个检测器元件。在图13所示的特定实施例中，单个检测器1302和相关的光学装置1304用于环境光和/或背景噪声测量。该单个检测器1302与用于接收脉冲测量的检测器阵列1306和相关光学装置1308分开。

在图13所示的配置中，单个检测器1302和相关联的光学装置1304被设计成具有比在用于接收激光脉冲测量的其它实施例中描述的检测器阵列中的单个检测器元件宽得多的环境场景1310的视场。结合图13描述的实施例的一个特征是，光学装置1304可以被配置成具有足够宽的视场，使得无论激光脉冲在视场内被引导到何处，任何激光脉冲都通过时间平均化而被抑制到低于环境/噪声信号水平的信号水平。这种配置可以减少或最小化激光脉冲对环境光和/或背景噪声测量结果产生显著贡献的可能性。

应当理解，可以使用单独的或相同的接收器来处理来自单个检测器或检测器阵列1302的信号。还应当理解，在实际物理距离上足够接近同一LiDAR系统内的任何接收器的反射激光脉冲可以足够强，以便被所有检测器检测到，而不管这些检测器在检测器阵列中的位置如何或者作为单独的检测器的位置如何。在这种情况下，使用已知的信号处理方法来处理信号。

等同物

虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是申请人的教导并不旨在局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，申请人的教导包含各种替代物、修改物和等同物，其可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下在其中进行。

Claims

1.一种对光检测和测距信号进行噪声过滤以减少误报检测的方法，该方法包括：

a)检测由光检测和测距发射器在环境光环境中生成的、由目标场景反射的光；

b)基于所检测的光生成所接收的数据迹线；

c)基于所接收的数据迹线来确定环境光水平；

d)通过将回波脉冲的幅度与预定变量N倍的所确定的环境光水平进行比较来确定有效回波脉冲；以及

e)从有效回波脉冲生成具有减少的误报检测率的点云。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测光是利用单光子雪崩二极管检测来执行的。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括确定对应于误报率与漏报率的期望比率的变量N。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，检测光是利用检测器阵列来执行的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定环境光水平包括对来自多个检测器元件的信号进行采样，所述多个检测器元件对应于光检测和测距发射器中的特定发射器元件装置的视场。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定环境光水平包括对来自位于照明区域外部的多个检测器元件的信号进行采样。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用信噪比滤波将回波脉冲的幅度与预定变量N倍的所确定的环境光水平进行比较来确定有效回波脉冲。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所接收的数据迹线是从直方图生成的。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括对直方图执行有限脉冲响应滤波以确定所接收的数据迹线。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，生成包括多个数据点的点云包括将回波脉冲数据串行化以产生3D点云。

11.一种对光检测和测距信号进行噪声过滤以减少误报检测的方法，该方法包括：

b)基于所检测的光生成所接收的数据迹线；

c)基于所接收的数据迹线来确定环境光水平；

d)基于所接收的数据迹线来确定环境光水平的方差；

e)通过将回波脉冲的幅度与环境光水平和N倍的环境光水平的方差的和进行比较来确定有效回波脉冲；以及

f)从有效回波脉冲生成具有减少的误报检测率的点云。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，确定方差包括确定环境光水平的标准偏差。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，确定有效回波脉冲还包括确定环境光水平的标准偏差。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所接收的数据迹线是从直方图生成的。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括对直方图执行有限脉冲响应滤波以生成所接收的数据迹线。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，检测光是利用单光子雪崩二极管检测来执行的。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括确定对应于误报率与漏报率的期望比率的变量N。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，检测光是利用检测器阵列来执行的。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，确定环境光水平包括对来自多个检测器元件的信号进行采样，所述多个检测器元件对应于光检测和测距发射器中的特定发射器元件装置的视场。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，确定环境光水平包括对来自位于照明区域外部的多个检测器元件的信号进行采样。

21.根据权利要求11所述的方法，其中，生成点云包括将回波脉冲数据串行化。

22.一种具有减少的误报检测的光检测和测距系统，该系统包括：

a)发射模块，包括发射器的二维阵列，发射模块生成照明光并将照明光投射到目标处；

b)接收模块，包括检测器的二维阵列，接收模块接收由发射模块生成的、从位于目标处的对象反射的照明光的一部分，以生成所接收的数据迹线；以及

c)信号处理器，具有电连接到接收模块的输出的输入，信号处理器执行飞行时间(TOF)计算以产生所接收的数据迹线的直方图，基于所接收的数据迹线来确定环境光水平，使用所确定的环境光水平来确定有效回波脉冲数据，以及从有效回波脉冲生成具有减少的误报检测率的点云。

23.根据权利要求22所述的光检测和测距系统，其中，发射器的二维阵列包括二维垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。

24.根据权利要求22所述的光检测和测距系统，其中，接收模块包括单光子雪崩二极管检测器(SPAD)的二维阵列。

25.根据权利要求22所述的光检测和测距系统，还包括耦合到接收模块的串行化器，该串行化器处理所接收的数据迹线。