CN115956209A - 基于前导脉冲的LiDAR系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种LiDAR(310)系统包括：辐射源，用于向感兴趣区域(region of interest，ROI)(380)发射光脉冲；检测器，用于检测从所述ROI(380)反射出的光脉冲；以通信方式耦合到所述辐射源和所述检测器的处理器，用于：使得所述辐射源向所述ROI(380)发射具有能量EP和脉冲宽度W1的前导光脉冲；确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI(380)中是否存在物体(330)；响应于确定所述ROI(380)中存在物体(330)，使得所述辐射源向所述ROI(380)发射具有能量EL和脉冲宽度W2的扫描光脉冲；否则，使得所述辐射源向所述ROI(380)发射具有能量EH和所述脉冲宽度W2的扫描光脉冲。

Description

基于前导脉冲的LiDAR系统和方法
交叉引用
本申请要求于2020年7月6日提交的申请号为16/921,174、发明名称为“基于前导脉冲的LiDAR系统和方法(PREAMBLE PULSE BASED LIDAR SYSTEMS AND METHODS)”的美国非临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及光探测和测距(Light Detection and Ranging，LiDAR)系统，更具体地涉及基于前导脉冲的LiDAR系统和方法。
背景技术
现有技术中已经提出并实现了几种用于辅助车辆导航和/或控制的计算机导航系统。这些系统包括更基本的地图辅助定位技术方案(即使用计算机系统来协助驾驶员导航从起点到目的地点的路线)，还包括更复杂的技术方案，例如计算机辅助和/或驾驶员自动驾驶系统。
其中一些系统通常称为“巡航控制(cruise control)”系统。在这些系统中，安装在车辆上的计算机系统保持用户设定的车速。一些巡航控制系统实施“智能距离控制”系统，用户可以凭借这个系统设置与前方可能存在的汽车的距离(例如，选择以车辆数量表示的值)，计算机系统至少部分地根据在预定距离内靠近前方可能存在的车辆的车辆调整车速。一些巡航控制系统还配备有碰撞控制系统，碰撞控制系统在检测到移动车辆前面存在车辆(或其他障碍物)时使车辆减速或停止。
一些更先进的系统，例如高级驾驶员辅助系统(Advanced Driver AssistanceSystem，ADAS)，在开发半自动和/或全自动驾驶车辆的同时，在汽车行业中获得了大量关注。这类车辆可以在最低限度或甚至没有操作员(即驾驶员)的直接控制的情况下运行。这些自动驾驶车辆包括能够使车辆加速、减速、停止、变道和自动泊车的系统。
实施上述系统的主要技术挑战之一是检测位于车辆周围的物体。在一个示例中，系统可能需要能够检测当前车辆(车载有系统的当前车辆)前面的车辆，前面的车辆可能对当前车辆构成风险/危险，并且可能要求系统采取纠正措施，无论是减速还是以其它方式变速、停止或变道。
通常，ADAS使用一套传感器来检测和分类位于限定的感兴趣区域(region ofinterest，ROI)中的不同物体。ADAS使用的传感器之一是光探测和测距(light detectionand ranging，LiDAR)传感器。在基于LiDAR的系统中，通过向ROI发射光脉冲，并且使用检测器测量反射光脉冲，可以检测到车辆周围的物体。在窄波长内发射光脉冲的激光器通常作为光源。物体的位置和距离可以使用发射和检测到的光脉冲的飞行时间(time-of-flight，TOF)计算结果计算得到。通过计算诸如“数据点”这样的位置，可以生成周边环境的数字多维表示。
可以很好确定，反射光脉冲的功率与光脉冲经过的距离的平方成反比。此外，与由基于LiDAR的系统生成和发射的光脉冲相关联的功率必须满足可接受的暴露限值(admissible exposure limit，AEL)。具体地，AEL对激光脉冲的功率进行了限制，以使激光脉冲对眼睛安全。因此，AEL是波长、重复率和每脉冲能量的复杂函数。为此，由于信噪比(signal to noise ratio，SNR)低，检测长距离物体有困难。虽然增加发射脉冲功率会提高SNR，但由于眼睛安全，发射脉冲功率受到AEL的限制。
话虽如此，人们还是对开发基于LiDAR的系统感兴趣，这种系统既具有高SNR，又对眼睛安全。
通常，存在几种方法和系统用于确定LiDAR系统到物体的距离。例如，2018年3月29日公开的且目前转让给Okeeffe James Thomas的US 20180088214 A1描述了激光测距仪在视场角的自适应强度区域中生成强度大于阈值强度(例如大于眼睛安全强度)的高强度激光脉冲。所述激光测距仪还在围绕所述高强度激光脉冲的保护区(例如保护环)中生成低强度(例如眼睛安全)激光脉冲。所述保护区位于所述FOV中，使得通往所述自适应强度区域的入口路径必须首先穿过低强度保护区。所述激光测距仪分析来自所述保护区的激光反射，以改进物体入侵所述自适应强度区域的及时预测，从而提供时间来确定物体轨迹或物体分类。在确定物体很可能与所述高强度激光脉冲相交时，所述激光测距仪可以停止所述高强度激光脉冲，而是生成小于阈值强度的激光脉冲(例如眼睛安全强度激光脉冲)。
2015年2月3日公开的且目前转让给德国的AIRBUS DS ELECTRONICS AND BORDERSECURITY GMBH的US 8948591 B2描述了一种在飞机上的DIRCM系统中以眼睛安全的方式操作脉冲干扰激光器的方法。一种接收装置用于接收所述干扰激光器发射的脉冲的回波，并且估算这些回波，以确定物体是否位于激光束中为所述DIRCM系统规定的激光安全距离内。在所述干扰激光器的使用过程中，在相应的时间段Δt内启用激光束的发射，只有在相应的前一时间段Δt内在所述激光安全距离内没有发现物体时，才启用相应的后一时间段Δt的发射。
2015年9月1日公开的且目前转让给加利福尼亚的WAYMO LLC有限责任公司的US9121703B1描述了用于控制激光设备操作的示例性方法和系统。一种方法可以包括：接收位于激光设备附近的接近传感器的输出；根据所述接近传感器的输出确定物体在到所述激光设备的阈值距离内。所述方法还可以包括：根据发射激光脉冲的所述激光设备，计算设备根据所述物体在所述阈值距离内指示停止所述激光设备发射激光脉冲。所述方法还可以包括：根据所述激光设备不激活，所述计算设备根据所述物体在所述阈值距离内指示避免所述激光设备发射激光脉冲。
发明内容
根据本发明的第一广泛的方面，提供了一种LiDAR系统。所述LiDAR系统包括：辐射源，用于向感兴趣区域(region of interest，ROI)发射光脉冲；检测器，用于检测从所述ROI反射出的光脉冲；以通信方式耦合到所述辐射源和所述检测器的处理器，用于：使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EP和脉冲宽度W1的前导光脉冲；确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI中是否存在物体；响应于确定所述ROI中存在物体，使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EL和脉冲宽度W2的扫描光脉冲；响应于确定所述ROI中不存在物体，使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EH和所述脉冲宽度W2的扫描光脉冲。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述能量Ep小于所述能量EL，所述能量EL小于所述能量EH，所述能量EH小于或等于峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述能量EL＝标准可接受的暴露限值AEL标准平均值–EP。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述能量EH＝MINIMUM(新可接受的暴露限值(AEL新平均值)，峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值))。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述脉冲宽度W1小于所述脉冲宽度W2。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)、所述宽度W2和重复频率f计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面，所述LiDAR系统还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述能量EP根据最小估计信噪比(signal-to-noise，SNR)计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR系统，所述最小SNR通过NeymanPearson检测器估计出。
根据本发明的第二广泛的方面，提供了一种LiDAR方法。所述LiDAR方法包括：辐射源向感兴趣区域(region of interest，ROI)发射光脉冲；检测器检测从所述ROI反射出的光脉冲；以通信方式耦合到所述辐射源的处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EP和脉冲宽度W1的前导光脉冲；以通信方式耦合到所述检测器的所述处理器确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI中是否存在物体；响应于确定所述ROI中存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EL和脉冲宽度W2的扫描光脉冲；响应于确定所述ROI中不存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EH和所述脉冲宽度W2的扫描光脉冲。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述能量Ep小于所述能量EL，所述能量EL小于所述能量EH，所述能量EH小于或等于峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述能量EL＝标准可接受的暴露限值AEL标准平均值–EP。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述能量EH＝MINIMUM(新可接受的暴露限值(AEL新平均值)，峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值))。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述脉冲宽度W1小于所述脉冲宽度W2。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)、所述宽度W2和重复频率f计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面，所述LiDAR方法还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述能量EP根据最小估计信噪比(signal-to-noise，SNR)计算得到。
根据本发明的其它或任一上述方面所述的LiDAR方法，所述最小SNR通过NeymanPearson检测器估计出。
通过以下描述、附图和所附权利要求书，本发明实现方式的其它和/或替代性特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
结合以下描述、所附权利要求书和附图可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中：
图1是本发明各种实施例提供的示例性计算机系统的高级功能框图；
图2示出了适合与本发明各种实施例一起使用的联网计算环境；
图3是本发明各种实施例提供的示例性LiDAR系统的高级功能框图；
图4示出了本发明各种实施例提供的包括光脉冲组的发射波束的一个示例；
图5是本发明各种实施例提供的与周边环境中的感兴趣区域(region ofinterest，ROI)存在最小距离的LiDAR系统的高级功能框图；
图6示出了“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中的提供1类和1M类激光产品的AEL的表；
图7示出了“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中的提供AEL和校正因子的表的摘要；
图8是本发明各种实施例提供的与周边环境中的感兴趣区域(region ofinterest，ROI)存在大于12cm的距离的LiDAR系统的高级功能框图；
图9是本发明各种实施例提供的表示涉及在LiDAR系统上实现的方法的过程的流程图；
图10示出了本发明各种实施例提供的用于发射前导光脉冲的两种不同场景；
图11示出了本发明各种实施例提供的由孔径接收的光脉冲的数量N和各种前导距离值之间的关系；
图12示出了本发明各种实施例提供的AEL平均值和各种前导距离值之间的关系；
图13示出了本发明各种实施例提供的检测概率Pd和SNR之间的关系；
图14是本发明各种实施例提供的LiDAR系统的高级功能框图，所述LiDAR系统用于发射前导脉冲，然后发射具有能量EL或EH的光脉冲；
图15是本发明各种实施例提供的表示涉及在LiDAR系统系统上实现的方法的过程的流程图。
应当理解，在所有附图和对应的描述中，相似的特征由相似的附图标记标识。此外，还应当理解，附图和以下的描述仅用于说明目的，并且这些公开内容并不旨在限制权利要求书的范围。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地描述所描述技术的各种代表性实施例，其中示出了代表性实施例。然而，本发明中的概念可以以许多不同的形式体现，并且不应解释为限于本文中阐述的代表性实施例。相反，提供这些代表性实施例使得本发明透彻和完整，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰起见，可能夸大了层和区域的尺寸和相对尺寸。在整个说明书中，相似数字是指相似元件。
应当理解，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语用于区分一个元件和另一个元件。因此，在不脱离本发明教导的情况下，下文论述的第一元件可以称为第二元件。本文中使用的术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任意和所有组合。
应当理解，当一个元件称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，也可以存在中间元件。相反，当一个元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其它词语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)应以类似的方式解释。
本文中使用的术语仅仅是出于描述特定的代表性实施例的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文清楚说明，否则本文所用的单数形式“一”和“所述”也包括复数形式。还应当理解，本说明书中所使用的术语“包括”用于说明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
此外，本文中描述本技术的原理、方面和实现方式及其具体示例的所有陈述均旨在涵盖其结构和功能等同物，无论它们是当前已知的还是将来开发的。因此，例如，本领域技术人员将理解，本文中的任何框图表示体现本发明原理的说明性电路的概念性视图。类似地，应当理解，任何流程图、流程图表、状态转换图、伪代码等表示可以基本上在计算机可读介质中表示并因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论这种计算机或处理器是否被显式示出。
图中所示的各种元件的功能(包括标记为“处理器”的任何功能块)可以通过使用专用硬件以及能够与适当软件关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独处理器提供，其中一些处理器可以共用。在本发明的一些实施例中，处理器可以是中央处理器(central processing unit，CPU)等通用处理器，或者是数字信号处理器(digital signal processor，DSP)等专用处理器。此外，术语“处理器”的显式使用不应解释为专门指能够执行软件的硬件，并且可以隐式地包括但不限于专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)，用于存储软件的只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)和非易失性存储器。也可以包括其它传统和/或定制硬件。
软件模块或简单地暗示为软件的模块在本文中可以表示为流程图元素或指示过程步骤和/或文本描述的性能的其它元素的任意组合。这类模块可以由显式或隐式示出的硬件执行。此外，应当理解，模块可以包括例如但不限于提供所需能力的计算机程序逻辑、计算机程序指令、软件、堆栈、固件、硬件电路或其组合。
基于这些基本原理，现在将考虑一些非限制性的示例来说明本发明各个方面的各种实现方式。
首先参考图1，示出了适合与本发明一些实现方式一起使用的计算机系统100。计算机系统100包括各种硬件组件，包括统一表示为处理器110的一个或多个单核或多核处理器、固态硬盘120、存储器130(可以是随机存取存储器或任何其它类型的存储器)。
计算机系统100中的各种组件之间的通信可以通过各种硬件组件以电子方式耦合到的一个或多个内部和/或外部总线(未示出)(例如PCI总线、通用串行总线、IEEE 1394“火线接口(Firewire)”总线、SCSI总线、串行ATA总线等)来实现。根据本发明的一些实施例，固态硬盘120存储适合加载到存储器130中并由处理器110执行来确定物体存在的程序指令。例如，程序指令可以是处理器110可执行的车辆控制应用程序的一部分。需要说明的是，计算机系统100可以包括其它组件(例如网络通信模块、定位模块等)，但出于简单和可操作性的目的，图1中省略了这些组件。
图2示出了适合与本发明一些实施例一起使用的联网计算机环境200。联网计算机环境200可以包括与车辆220相关联和/或与用户(未示出，与车辆220相关联，例如车辆220的操作者)相关联的电子设备210、经由通信网络240(例如互联网等)与电子设备210进行通信的服务器235。
电子设备210关联到的车辆220可以包括任何用于休闲或其它用途的运输车辆，例如私家车或商用车、卡车、摩托车等。车辆220可以是用户操作的或无人驾驶的车辆。在本发明的至少一些实施例中，可以设想，车辆220可以实现为自动驾驶汽车(Self-Driving Car，SDC)。
电子设备210的实现方式并不特别限定，但举例来说，电子设备210可以实现为车辆引擎控制单元、车辆CPU、车辆导航设备、平板电脑、内置在车辆220中的个人计算机等。因此，需要说明的是，电子设备210可以或可以不一直与车辆220相关联。另外或可选地，电子设备210可以在诸如移动电话(例如智能手机或无线电话)之类的无线通信设备中实现。在一些实施例中，电子设备210可以具有显示器270。
电子设备210可以包括图1所示的计算机系统100中的部分或全部组件。在一些实施例中，电子设备210是机载计算机设备，并且包括处理器110、固态硬盘120和存储器130。换句话说，电子设备210包括用于处理数据(下文详述)的硬件和/或软件和/或固件或其组合。
在本发明的一些实施例中，通信网络240是互联网。在可选的非限制性实施例中，通信网络可以实现为任意合适的局域网(local area network，LAN)、广域网(wide areanetwork，WAN)、专用通信网络等。应当理解，通信网络的实现方式仅用于说明目的。需要说明的是，电子设备210和通信网络240之间的通信链路(未单独编号)的实现方式可以取决于电子设备210的实现方式，等等。作为示例而非限定，在本发明的这些实施例中，其中电子设备210实现为诸如智能手机或导航设备之类的无线通信设备，通信链路可以实现为无线通信链路。无线通信链路的示例包括但不限于3G通信网络链路、4G通信网络链路等。通信网络240还可以使用与服务器235的无线连接。
在本发明的一些实施例中，服务器235实现为计算机服务器，并且可以包括图1的计算机系统100中的部分或全部组件。然而，服务器235也可以在任意其它合适的硬件、软件和/或固件或其组合中实现。在本发明描述的非限制性实施例中，服务器是单独服务器。在本发明的可选非限制性实施例(未示出)中，服务器235的功能可以是分布式，并且可以通过多个服务器实现。
此外，电子设备210可以与用于收集关于车辆220周边环境的信息的各种传感器和系统进行通信。如图2所示，车辆220可以配备有多个传感器系统280。需要说明的是，多个传感器系统280中的不同传感器系统可以用于收集关于车辆220的周边环境250的不同类型的数据。
在一些示例中，多个传感器系统280可以包括安装到车辆220中并以通信方式耦合到处理器110的一个或多个雷达型传感器系统。广义上讲，一个或多个雷达型传感器系统可以用于利用无线电波来收集关于车辆220的周边环境250的各个部分的数据。例如，一个或多个雷达型传感器系统可以用于收集关于车辆220的周边环境250中可能存在的物体的雷达数据，这些数据可以表示物体与雷达型传感器系统的距离、物体的方位、物体的速度等。
需要说明的是，多个传感器系统280可以包括除上述非详尽描述的传感器系统之外且不脱离本发明范围的其它类型的传感器系统。
此外，车辆220可以配备有一个或多个光探测和测距(Light Detection andRanging，LiDAR)系统230，用于收集关于车辆220的周边环境250的信息。LiDAR系统230可以是多个传感器系统280的补充，或者在一些情况下代替多个传感器系统280。一个或多个LiDAR系统230中的一个LiDAR系统230可以在各种位置上和/或以各种配置安装(或改装)到车辆220中。
例如，一个LiDAR系统230可以安装在车辆220的挡风玻璃的车内上部。然而，如图2所示，安装LiDAR系统230的其它位置在本发明的范围内，包括车辆220的后窗、侧窗、前车盖、车顶、前格栅、前保险杠或侧面。在一些情况下，LiDAR系统230甚至可以安装在车辆220顶部上的专用外壳中。
如上所述，一个或多个LiDAR系统230还可以以各种配置安装。
在一个实施例中，图2所示的安装到车辆220的车顶上的一个或多个LiDAR系统230中的一个LiDAR系统230可以以可旋转配置安装。例如，以可旋转配置安装到车辆220中的LiDAR系统230可以包括可以围绕LiDAR系统230的旋转轴旋转360度的至少一些组件。需要说明的是，以可旋转配置安装的LiDAR系统230可以收集关于车辆220的周边环境250的大部分的数据。
在另一个实施例中，安装到车辆220的侧面(或前格栅等)的一个或多个LiDAR系统230中的一个LiDAR系统230可以以不可旋转配置安装。例如，以不可旋转配置安装到车辆220中的LiDAR系统230可以包括不可旋转360度且用于收集关于车辆220的周边环境250的预定部分的数据的至少一些组件。
无论具体位置和/或具体配置如何，在一些实施例中，LiDAR系统230可以用于捕获关于车辆220的周边环境250的数据，这些数据用于构建车辆220的周边环境250中的物体的多维地图。
参考图3，示出了LiDAR系统310的一个非限制性示例。需要说明的是，一个或多个LiDAR系统230(参见图2)可以通过与实现LiDAR系统310方式类似的方式实现。
广义上讲，LiDAR系统310可以包括各种内部组件，例如但不限于辐射源组件312(例如光源组件)、扫描仪组件316、接收器组件318和控制器组件320。可以设想，除了上面非详尽列出的内部组件之外，LiDAR系统310还可以包括各种传感器(例如温度传感器、水分传感器等)，但出于简单目的，图3中省略了这些传感器。
可以设想，在一些情况下，LiDAR系统310中的一个或多个内部组件可以在图3所示的共同外壳340中实现。在其它实现方式中，至少控制器组件320可以远离共同外壳340。
辐射源组件312可以以通信方式耦合到控制器组件320，并且可以用于发射辐射，例如波束形式的辐射信号。在一些实施例中，辐射源组件312用于发射光，并且在本文中称为光源组件312。光源组件312可以包括发射具有特定工作波长的光的一个或多个激光器。光源组件312的工作波长可以在电磁波谱的红外线、可见光和/或紫外线部分中。例如，光源组件312可以包括工作波长在约650nm～1150nm之间的一个或多个激光器。可选地，光源组件312可以包括激光二极管，用于发射波长在约800nm和约1000nm之间、在约850nm和约950nm之间或在约1300nm和约1600nm之间的光。然而，需要说明的是，光源组件312可以包括具有不同工作波长但不脱离本发明范围的激光器。
在操作中，光源组件312可以生成光的发射波束322。可以设想，发射波束322可以具有任意合适的形式，例如连续波或脉冲形式。如图3所示，发射波束322离开LiDAR系统310，并且指向周边环境250的下方。
假设物体330与LiDAR系统310之间存在距离390。然而，需要说明的是，物体330的存在和距离390不可预知，LiDAR系统310可以用于定位物体330和/或捕获数据，其中，数据用于构建周边环境250的至少一部分的多维地图，物体330(和其它可能存在的物体)以一个或多个数据点的形式在周边环境250中表示。
一旦接收波束322到达物体330，物体330可以从发射波束322反射出至少一部分光，而且一些反射光束可以返回到LiDAR系统310。通过反射，表示来自发射波束322的光束的至少一部分从物体330上反弹。来自发射波束322的光束的一部分可以被物体330吸收。此外，来自发射波束322的光束的一部分可以通过物体330散射或折射。
在图3所示的示例中，反射光束由接收波束324表示。接收波束324可以是发射波束322的一部分，这部分可以由LiDAR系统310经由接收器组件318捕获。需要说明的是，在一些情况下，接收波束324可以仅包括来自发射波束322的光的相对较小部分。还需要说明的是，接收波束324相对于物体330的表面的角度(入射角(angle of incidence))可以与发射波束322相对于物体330的表面的角度(反射角(angle of reflection))相同或不同。
还需要说明的是，LiDAR系统310的工作波长可以在与太阳产生的光对应的电磁波谱的各个部分内。因此，在一些情况下，直射光可以用作背景噪音，背景噪音可以掩盖LiDAR系统310检测到的光信号。这种太阳背景噪音可能会导致假阳性检测和/或可能以其它方式破坏LiDAR系统310的测量。虽然通过增加发射波束322的功率电平来提高LiDAR系统310的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)是可行的，但这在至少一些情况下是不可取的。例如，增加发射波束322的功率电平可能会导致LiDAR系统310对眼睛不安全。
如上所述，光源组件312可以包括一个或多个脉冲激光器，所述脉冲激光器用于产生、发射或辐射具有特定脉冲持续时间的光脉冲。例如，光源组件312可以用于发射脉冲持续时间(例如脉冲宽度)在5ps至100ns等范围内的脉冲。又如，光源组件312可以以大约100kHz至5MHz的脉冲重复频率或大约200ns至10μs的脉冲周期(例如连续脉冲之间的时间)发射脉冲。然而，总体而言，光源组件312可以生成具有任意合适的平均光功率的发射波束322，而且发射波束322可以包括具有任意适合某一应用程序的脉冲能量或峰值光功率的光脉冲。
在一些实施例中，光源组件312可以包括一个或多个激光二极管，例如但不限于：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(distributed Bragg reflector，DBR)激光器、分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器，或垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)。例如，在光源组件312中运行的某个激光二极管可以是铝镓砷(aluminum-gallium-arsenide，AlGaAs)激光二极管、铟镓砷(indium-gallium-arsenide，InGaAs)激光二极管、铟镓砷磷(indium-gallium-arsenide-phosphide，InGaAsP)激光二极管，或任意其它合适的激光二极管。还可以设想，光源组件312可以包括一个或多个激光二极管，所述激光二极管进行电流调制以产生光脉冲。
还可以设想，由光源组件312发射的发射波束322可以是非偏振的或随机偏振的，可以没有具体的或固定的偏振(例如，偏振可以随着时间而变化)，或者可以具有特定的偏振(例如，发射波束322可以是线性偏振的、椭圆偏振的，或圆形偏振的)。
在至少一些实施例中，发射波束322和接收波束324可以基本上同轴。换句话说，发射波束322和接收波束324可以至少部分重叠或共用公共传播轴，使得接收波束324和发射波束322沿着基本上相同的光路(但方向相反)传播。然而，在其它实施例中，可以设想，发射波束322和接收波束324可以不是同轴的，或者换句话说，可以不重叠或共用LiDAR系统310内部的公共传播轴，但不脱离本发明的范围。
需要说明的是，在本发明的至少一些实施例中，当LiDAR系统310以可旋转配置实现时，光源组件312可以围绕LiDAR系统310的旋转轴(未示出)旋转，例如旋转360度或以下。然而，在其它实施例中，即使LiDAR系统310以可旋转配置实现，光源组件312也可以是静止的，但不脱离本发明的范围。
如图3所示，LiDAR系统310可以利用多条内部波束路径314中的一条内部波束路径将发射波束322(由光源组件312生成)发射到周边环境250。在一个示例中，多个内部波束路径314中的一条内部波束路径可以使得将来自光源组件312的光提供给扫描仪组件316，而扫描仪组件316可以使得将发射波束322指向周边环境250的下方。
此外，LiDAR系统310可以利用多条内部波束路径314中的另一条内部波束路径将接收波束324提供给接收器组件318。在一个示例中，多条内部波束路径314中的另一条内部波束路径可以使得将接收波束324从扫描仪组件316提供给接收器组件318。在另一个示例中，多条内部波束路径314中的另一条内部波束路径可以使得将接收波束324直接从周边环境250提供给接收器组件318(接收波束324不通过扫描仪组件316)。
需要说明的是，多条内部波束路径314可以包括各种光学组件。例如，LiDAR系统310可以包括一个或多个光学组件，所述光学组件用于对发射波束322和/或接收波束324进行调节、整形、滤波、修改、控制或引导。例如，LiDAR系统310可以包括一个或多个透镜、反射镜、滤波器(例如带通或干扰滤波器)、光纤、循环器、分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如半波或四分之一波片)、衍射元件、微机电(microelectromechanical，MEM)元件、准直元件，或全息元件。
可以设想，在至少一些实施例中，多条内部波束路径314中的一条内部波束路径和另一个内部波束路径可以共用至少一些公共光学组件，然而，在本发明的每个实施例中，可能并非如此。
通常，扫描仪组件316在一个或多个方向上将发射波束322指向周边环境250的下方。扫描仪组件316可以包括用于扫描发射波束322的各种光学组件和/或机械型组件。例如，扫描仪组件316可以包括一个或多个反射镜、棱镜、透镜、MEM组件、压电组件、光纤、分离器、衍射元件、准直元件等。需要说明的是，扫描仪组件316还可以包括一个或多个执行器(未示出)，所述执行器驱动至少一些光学组件以围绕一个或多个轴成角度地旋转、倾斜、枢转或移动。
扫描仪组件316可以用于在各种水平角度范围和/或垂直角度范围内扫描发射波束322。换句话说，扫描仪组件316可以有助于为LiDAR系统310提供期望的感兴趣区域(Region of Interest，ROI)380。LiDAR系统310的ROI 380可以是指LiDAR系统310可以用于扫描和/或可以捕获数据的周边环境250的面积、体积、区域、角度范围和/或一个或多个部分。
需要说明的是，扫描仪组件316可以用于水平和/或垂直扫描发射波束322，因此，LiDAR系统310的ROI 380可以具有水平方向和垂直方向。例如，LiDAR系统310可以具有360度的水平ROI和45度的垂直ROI。
扫描仪组件316可以以通信方式耦合到控制器组件320。因此，控制器组件320可以用于控制扫描仪组件316，以便在期望的方向上将发射波束322指向下方和/或遵循期望的扫描模式。广义上将，扫描模式可以是指在运行过程中由扫描仪组件316引导发射波束322的模式或路径。
因此，LiDAR系统310可以利用扫描模式来生成基本上覆盖LiDAR系统310的ROI380的点云。LiDAR系统310的点云可以用于呈现车辆220的周边环境250中的物体的多维地图。
在运行中，在一些实施例中，光源组件312发射光脉冲(由发射波束322表示)，扫描仪组件316根据扫描模式在LiDAR系统310的ROI 380内扫描光脉冲。如上所述，物体330可以反射一个或多个发射脉冲。接收器组件318从接收波束324接收或检测光子，并且生成一个或多个代表性数据信号。例如，接收器组件318可以生成表示接收波束324的输出电信号。接收器组件318还可以将生成的电信号提供给控制器组件320以进行进一步处理。
接收器组件318以通信方式耦合到控制器组件320，并且可以通过各种方式实现。例如，接收器组件318可以包括光接收器、光学接收器、光学传感器、检测器、光检测器、光学检测器、光纤等。如上所述，在一些实施例中，接收器组件318获取或检测接收波束324的至少一部分，并且产生对应于接收波束324的电信号。例如，如果接收波束324包括光脉冲，则接收器组件318可以产生与接收器组件检测到的光脉冲对应的电流或电压脉冲。
可以设想，接收器组件318可以使用一个或多个雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，APD)、一个或多个单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)、一个或多个PN光电二极管(例如由p型半导体和n型半导体组成的光电二极管结构)、一个或多个PIN光电二极管(例如由位于p型和n型区域之间的未掺杂半征半导体区域组成的光电二极管结构)等实现。
在一些非限制性实施例中，接收器组件318还可以包括执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模数转换、时间数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升沿检测、下降沿检测等的电路。例如，接收器组件318可以包括用于将接收到的光电流(例如由APD响应于接收到的光信号产生的电流)转换为电压信号的电子组件。接收器组件318还可以包括用于产生与接收光脉冲的一个或多个特征(例如上升沿、下降沿、幅度、持续时间等)对应的模拟或数字输出信号的其它电路。
根据所述实现方式，控制器组件320可以包括一个或多个处理器、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)和/或其它合适的电路。控制器组件320还可以包括非瞬时性计算机可读存储器，以存储由控制器组件320可执行的指令以及控制器组件320可以根据从LiDAR系统310的其它内部组件获取的信号生成的数据和/或可以根据发送给LiDAR系统310中的其它内部组件的信号提供的数据。存储器可以包括易失性(例如RAM)和/或非易失性(例如闪存、硬盘)组件。控制器组件320可以用于在运行过程中生成数据，并且将数据存储在存储器中。例如，由控制器组件320生成的数据可以表示LiDAR系统310的点云中的数据点。
可以设想，在本发明的至少一些非限制性实施例中，控制器组件320可以通过与电子设备210和/或计算机系统100类似的方式实现，但不脱离本发明的范围。
除了从接收器组件318收集数据之外，控制器组件320还可以用将控制信号提供给光源组件312和扫描仪组件316，还可能从光源组件312和扫描仪组件316接收诊断数据。
如上所述，控制器组件320以通信方式耦合到光源组件312、扫描仪组件316和接收器组件318中的一个或多个。控制器组件320可以从光源组件312接收电触发脉冲，其中，每个电触发脉冲对应于光源组件312的光脉冲发射。控制器组件320还可以将指令、控制信号和/或触发信号提供给光源组件312，指示光源组件312何时产生光脉冲。
例如，控制器组件320可以用于发送包括电脉冲的电触发信号，使得光源组件312响应于电触发信号的每个电脉冲发射光脉冲。还可以设想，控制器组件320可以使得光源组件312调整由光源组件312产生的光的一个或多个特征，例如但不限于：频率、周期、持续时间、脉冲能量、峰值功率、平均功率和光脉冲的波长。
需要说明的是，控制器组件320可以用于根据与(i)光源组件312发射某一脉冲的时间和(ii)接收器组件318检测或接收脉冲(例如来自接收波束324)的一部分的时间相关联的定时信息确定光脉冲的“飞行时间(time-of-flight)”值。
可以设想，控制器组件320可以用于分析来自光源组件312和/或接收器组件318的电信号的一个或多个特征，以确定物体330的一个或多个特征，例如向下与LiDAR系统310存在的距离390。
例如，控制器组件320可以确定发射波束322的发射脉冲的飞行时间值和/或相位调制值。假设LiDAR系统310确定飞行时间值“T”，在某种意义上表示发射脉冲从LiDAR系统310传播到物体330并返回LiDAR系统310的“往返(round-trip)”时间。因此，控制器组件320可以用于根据以下等式确定距离390：
Figure BDA0004015447780000111
其中，D是距离390，T是飞行时间值，c是光速。虽然真空中的理想光速是299,792,458m/s，但光速的实际值可能要取决于光传播的介质的折射率n。真空中理想光速与某一介质中光速之间的关系根据以下等式给出：
Figure BDA0004015447780000112
其中，v是某一介质中的光速，n是对应介质的折射率。例如，如果介质是空气，则折射率n大约等于1.0003，因此光速大约等于299,702,547m/s。类似地，如果介质是玻璃，则折射率n大约等于1.5，因此光速大约等于199,861,638m/s。需要说明的是，为了简单起见，认为空气中的光速大约等于3.0×108m/s，以在本发明中进行各种计算。然而，在不限制本发明范围的情况下，可以考虑光速的实际值，以进行各种计算。
如上所述，LiDAR系统310用于确定与位于周边环境250中的一个或多个可能存在的其它物体的距离。通过根据扫描模式在LiDAR系统310的ROI 380内扫描发射波束322，LiDAR系统310用于将距离(类似于距离390)映射到LiDAR系统310的ROI 380内的相应数据点。因此，LiDAR系统310可以用于以多维地图的形式呈现连续捕获到的这些数据点(例如点云)。
例如，这个多维地图由电子设备210用来检测或以其它方式识别物体或确定LiDAR系统310的ROI 380内可能存在的物体的形状或距离。可以设想，LiDAR系统310可以用于以任意适合某一应用程序的速率重复/迭代地捕获和/或生成点云。
需要说明的是，某一物体在车辆220的周边环境250中的位置可以在LiDAR系统310的ROI内至少部分地重叠、包围或封闭。例如，物体330可以包括人、车辆、摩托车、卡车、火车、自行车、轮椅、婴儿车、行人、动物、道路标志、红绿灯、车道标记、路面标记、停车位、电缆塔、护栏、交通屏障、坑洞、铁路交叉点、道路上或附近的障碍物、路缘、停在路上或路边的车辆、电线杆、房屋、建筑物、垃圾桶、邮筒、树木、任意其他合适的物体，或两个或两个以上物体的全部或部分的任意合适的组合中的所有或一部分。
通过将这些关于LiDAR系统310的非限制性实施例放在适当的位置，下面考虑一些具体的示例来说明本发明各个方面的各种实现方式。
如上所述(在图3中)，接收波束324可以是发射波束322的一部分，发射波束322可以由LiDAR系统310经由接收器组件318捕获。此外，接收波束324可以存在各种噪音，从而衰减SNR。此外，一般而言，与接收波束324相关联的功率Prx(t)与距离D成反比，距离D示为LiDAR系统310到物体330的距离390。这种关系进一步导致SNR显著衰减，因为物体与LiDAR系统310相距更远。此外，与接收波束324相关联的功率Prx(t)和与发射波束322相关联的功率Ptx(t)成线性比例。这在数学上可以表示为：
Figure BDA0004015447780000121
从等式(3)明显看出，增加与发射波束322相关联的功率Ptx(t)会显著提高SNR。由于波长在600nm～1000nm范围内的光可以被眼睛聚焦和吸收，因此与发射波束322相关联的最大功率Ptx(t)受到眼睛安全性法规的限制，例如“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中定义的眼睛安全性法规。
在本发明中，将参考“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”的命名法描述本发明的实施例，但应当理解，本发明也适用于本标准的后续版本和对应版本。
“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”定义了最大允许暴露值(MaximumPermissible Exposure，MPE)和可接受的发射限值(Accessible Emission Limit，AEL)。MPE是一个人在遭受直接或长期伤害之前可以暴露的最大光辐射水平。这种最大允许暴露值是根据眼角膜和皮肤所能承受的能量密度限值或表面每单位功率(强度)限值确定的。将MPE计算为辐射波长、脉冲持续时间、暴露组织(皮肤或眼睛)的暴露持续时间和视网膜上图像大小的函数。虽然MPE限定了伤害风险方面的最大脉冲能量，但AEL根据激光器发射的辐射波长、功率和能量导出，并且可以由用户(例如人眼)在距离LiDAR系统310的指定距离390处访问。
这些定义由眼睛安全性法规使用，因为它们表示通过人眼或诸如望远镜之类的观测仪器最接近LiDAR系统310真实情况的方法。使用“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中的定义，孔径395(如下详述)可以定义为与LiDAR系统310存在12cm的距离、直径为7mm的圆形面积。因此，AEL能够根据相关的辐射损伤对激光器进行分类，具体取决于每个激光器的性能指标。
如上所述，发射波束322可以包括光脉冲。图4示出了本发明各种实施例提供的包括光脉冲组的发射波束322的一个示例。如图所示，在一个非限制性实施例中，发射波束322可以包括光脉冲组，例如光脉冲组322-1、322-2……322-n。可以选择每个光脉冲组322-1、322-2……322-n中的光脉冲的数量以及每个光脉冲的功率电平和宽度w，以由接收器组件318可靠地检测反射波束322。此外，在一些实施例中，脉冲组中的两个光脉冲可以通过某一角位移间隔开。例如，光脉冲组322-1中的两个光脉冲可以通过0.1°度的角距离(水平和/或垂直角分辨率)间隔开。
在一些非限制性实施例中，光脉冲组322-1中的两个光脉冲之间的时间差t可以等于10μs。也就是说，在光脉冲组322-1内，光脉冲可以具有100kHz的重复率f。此外，在一个实施例中，光脉冲可以具有905纳米(nanometer，nm)的波长，并且每个脉冲可以具有5纳秒(nanometer，ns)的宽度。需要说明的是，上述光脉冲和光脉冲组的规格仅仅是示例，在不限制本发明范围的情况下可以采用任意其它合适的规格。应当理解，虽然上述规格已经结合光脉冲组322-1详述，然而，相同的规格同样适用于每个光脉冲组322-2……322-n。
根据“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”，在LiDAR系统310扫描物体时在LiDAR系统310附近通过人眼接收的光脉冲组322-1中的光脉冲的总能量/功能可以根据AEL总能量确定。
考虑到光脉冲的重复率为f，并且光脉冲组322-1中的光脉冲的数量为N，则按照“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中规定的要求计算AEL总能量，从而将N个光脉冲看作一个脉宽为T＝N/f的单脉冲。每个脉冲的能量/功率可以通过平均AEL总能量来估计：
Figure BDA0004015447780000131
为了使发射波束322对眼睛安全，使用公式(3)表示的AEL平均值(本文中也称为AEL标准平均值)的值必须小于根据“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”要求的每个光脉冲的最大AEL每脉冲能量(本文中也称为AEL每脉冲峰值)。
图5是本发明各种实施例提供的与周边环境250中的ROI 380存在最小距离390的LiDAR系统310的高级功能框图。如图所示，来自LiDAR系统310的发射波束322可以朝ROI380引导。在一些实施例中，人可能存在于ROI 380中。平均而言，人眼的瞳孔张开约7mm宽。仅出于简单说明的目的，人眼的瞳孔表示为直径为7mm的孔径395。由于人存在的信息是先验已知的，为此假设孔径395可以与LiDAR系统310相距12cm。
为了计算孔径395在来自LiDAR系统310的发射波束322朝ROI 380引导时可以接收的光脉冲的数量，将曝光角α计算为：
Figure BDA0004015447780000132
假设角分辨率为0.1°(如上所述)，则可以将孔径395接收的光脉冲的数量N计算为
Figure BDA0004015447780000133
个光脉冲。由于假设重复率f为100kHz，因此使用关系T＝N/f将用于计算AEL总能量的33个光脉冲的总发射持续时间确定为33个光脉冲/100kHz＝330μs。
图6示出了“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中的提供1类和1M类激光产品的AEL的表400。对于某一发射持续时间和相关的波长，可以使用表400计算AEL总能量。
图7示出了表400中的摘要表400-1和“澳大利亚/新西兰标准：激光产品安全性”中的提供校正因子的另一个摘要表402。如上所述，将33个光脉冲的总发射持续时间计算为330μs，将相关波长计算为905nm，可以使用摘要表400-1中的AEL值将AEL总能量计算为7×10- 4t0.75C4焦耳，其中，使用抽象表402提供的校正因子将C4计算为C4＝100.002(λ-700)。AEL总能量的结果是4.4μJ。对于33个光脉冲，根据等式(4)将AEL平均值计算为133.5nJ(26.7W峰值功率)。此外，从抽象表400-1中注意到，宽度为5ns的光脉冲的峰值AEL每脉冲峰值是200nJ(40W峰值功率)。
如上所述，对于某一角分辨率，可以扫描孔径395的光脉冲的数量主要取决于曝光角α。公式(5)中的曝光角α＝3.3°使用孔径395与LiDAR系统310之间的12cm的最小距离计算得到，因为没有关于距离LiDAR系统310最近的孔径395的预先信息。
如图8所示，距离超过12cm的物体都不会导致较小的曝光角α。由于扫描孔径395的光脉冲的数量与曝光角α成正比，因此扫描距离大于12cm的孔径395的光脉冲的数量也会减少。此外，AEL平均值也会随着扫描孔径395的光脉冲的数量的减少而增加。为此，可以使用具有较大振幅的光脉冲(即能量/功率增加的光脉冲)来覆盖更大的范围，从而提高与接收波束324相关联的SNR，从而提高相距更远的物体的可检测性。
说到这里，图9是本发明各种实施例提供的表示涉及在LiDAR系统310上实现的方法的过程500的流程图。
如图所示，过程500开始于步骤502。在步骤502中，光源组件312生成前导光脉冲，扫描仪组件316向ROI 380发射前导光脉冲。在一些实施例中，前导光脉冲的工作性能指标可以不同于LiDAR系统310发射的扫描光脉冲(例如包括在光脉冲组322-1中的扫描光脉冲)的工作性能指标。在一个示例中，前导光脉冲可以具有2ns的宽度W和相关的脉冲能量Ep＝10nJ(即5W)。需要说明的是，前导光脉冲的上述工作性能指标仅仅是一个非限制性示例，相反，在不限制本发明范围的情况下，前导光脉冲可以具有任意其它合适的工作性能指标。
过程500前进到步骤504。在步骤504中，控制器组件320等待预定义的时间段，然后验证扫描仪组件316是否接收到发射的前导光脉冲。如果扫描仪组件316接收到发射的前导光脉冲，则过程500前进到步骤506；否则，过程500前进到步骤508。
在步骤506中，控制器组件320确定LiDAR系统310的附近存在物体，并且根据等式(1)计算LiDAR系统310到物体的距离。在一些实施例中，检测到的物体可以是人，也可以不是人，在任一情况下，根据从系统计算到的距离，控制器组件320还可以使用图6和图7所示的表以及等式(4)计算AEL标准平均值。需要说明的是，检测到的物体可以是人。为了发射对眼睛安全的脉冲，控制器组件320可以指示光源组件312生成能量EL＝AEL标准平均值-Ep的下一个光脉冲(本文中也称为扫描脉冲)，其中，Ep是与发射的前导光脉冲相关联的能量。此外，能量EL使得发射脉冲小于所需的安全水平。
在步骤508中，由于扫描仪组件316没有接收到发射的前导光脉冲，因此控制器组件320确定LiDAR系统310的附近不存在物体。也就是说，LiDAR系统310的附近没有人。为此，控制器组件320可以使用图6和图7所示的表以及等式(4)计算AEL新平均值。控制器组件320可以将AEL新平均值与AEL每脉冲峰值进行比较。无论哪个值较小，控制器组件320都指示光源组件312生成能量EH＝MIN(AEL新平均值,AEL每脉冲峰值)的下一个光脉冲。
在这种情况下，LiDAR系统310可以辐射能量水平增加的脉冲，以进一步提高LiDAR系统310的SNR，从而提高相距更远的物体的可探测性。此外，在一些实施例中，如果在扫描脉冲之后接收到发射的前导光脉冲，则控制器组件320可以省略用于确定ROI 380中的物体的发射的前导光脉冲。
图10示出了本发明各种实施例提供的用于发射前导光脉冲的两种不同场景602和604。如场景602所示，LiDAR系统310可以向ROI 380发射前导光脉冲602。在一些实施例中，如果前导光脉冲604从物体330反射出，则控制器组件320确定LiDAR系统310的附近存在物体330。由于检测到的物体可能是人，为了使LiDAR系统对眼睛安全，控制器组件320可以指示光源组件312生成能量EL＝AEL标准平均值-Ep的下一个光脉冲606(如上文在过程500中所述)。
在第二场景608中，LiDAR系统310可以向ROI 380发射前导光脉冲602。在一些实施例中，控制器组件320可以等待一定的持续时间来反射前导光脉冲604。如果前导光脉冲604没有反射，则控制器组件320确定LiDAR系统310的附近可能不存在物体。为了进一步提高LiDAR系统310的SNR，控制器组件320使LiDAR系统对眼睛安全，控制器组件320可以指示光源组件312生成能量EH＝MIN(AEL新平均值,AEL每脉冲峰值)的下一个光脉冲610，如上文在过程500中所述。需要说明的是，光脉冲604、606和610的能量水平可以遵循以下顺序EP＜＜EL<EH≤AEL每脉冲峰值。
需要说明的是，孔径395接收的光脉冲的数量N根据以下等式给出：
Figure BDA0004015447780000141
在一些实施例中，水平分辨率可以等于0.1°。因此，对于前导距离的各种值，即孔径395与LiDAR系统310之间的距离，可以根据等式(6)估计孔径395接收的光脉冲的数量N。图11示出了本发明各种实施例提供的孔径395接收的光脉冲的数量N和各种前导距离值之间的关系。如图所示，随着前导距离的增加，孔径395接收的光脉冲的数量N减少。
此外，根据等式(4)，图12示出了本发明各种实施例提供的AEL平均值和各种前导距离值之间的关系。如图所示，随着前导距离值的增加，AEL平均值也会增加。在一个非限制性示例中，如上所述，当光脉冲为5ns、波长为905nm和重复率为100kHz时，使用总的脉冲持续时间
Figure BDA0004015447780000151
根据表400(如图6所示)确定AEL总能量，其中，N根据等式(6)计算得到。虽然如图12所示，前导距离已经因不同的值而变化，但是，脉冲宽度为5ns的光脉冲可能不会超过AEL每脉冲峰值＝200nJ。为此，脉冲宽度为5ns、波长为905nm和重复率为100kHz的光脉冲的最佳前导距离可以是65cm。
最佳前导距离表示前导光脉冲(例如604)在返回到LiDAR系统310之前会经过的最大距离。在一些实施例中，最佳前导距离可以根据AEL每脉冲峰值、扫描脉冲的脉冲宽度和扫描光脉冲的重复频率f计算得到。
需要说明的是，前导光脉冲(例如604)必须具有足够的能量来检测位于最佳前导距离处的物体。根据背景噪音，确定前导信号能量/功率以获得探测概率为1的最小SNR(由于位于计算的前导距离处的物体返回前导)。
最小SNR可以通过Neyman Pearson检测器估计出：
Figure BDA0004015447780000152
其中，Pfa表示虚警概率(设置在恒定范围10-4～10-6之间)，Q表示Q函数。图13示出了本发明各种实施例提供的检测概率Pd和SNR之间的关系。如图所示，在一些实施例中，当SNR大约为17.5dB时，检测概率Pd可以等于1。
图14是本发明各种实施例提供的LiDAR系统310的高级功能框图，LiDAR系统310用于发射前导脉冲(例如604)，然后发射具有能量EL(例如606)或EH(例如610)的光脉冲。在一些实施例中，光源组件312可以用于生成前导光脉冲(例如604)，扫描仪组件316可以用于向ROI 380发射前导光脉冲(例如604)。在一些实施例中，前导光脉冲(例如604)可以具有2ns的脉冲宽度和Ep＝10nJ(即5瓦)，以检查最佳前导距离(例如65cm)处是否存在物体。可以设想，为了经过最佳前导距离(例如65cm)并返回到LiDAR系统310，控制器组件320可以根据等式(1)计算飞行时间(time-of-flight，TOF)。
在一个示例中，当最佳前导距离等于65cm时，TOF可以大约等于4.33ns，其小于重复率10μs(基于100kHz的重复频率)。换句话说，LiDAR系统310可以用于每10μs发射光脉冲。然而，第一脉冲可以是前导光脉冲(例如604)。如上所述，前导光脉冲(例如604)的TOF可以取决于最佳前导距离，可以非常小于光脉冲的重复率。为此，根据发射的前导光脉冲(例如604)是否在预定时间段内反射回LiDAR系统310，其中，预定时间段可以基于最佳前导距离，光源组件312可以用于调整要发射的下一个光脉冲的能量/功率。
在一些实施例中，对扫描光脉冲的这种调整可以由控制器组件320计算，并且控制器组件320可以向光源组件312提供所需的调整量。例如，在一些实施例中，如果根据反射的前导光脉冲检测到物体，则控制器组件320可以将能量EL计算为EL＝AEL标准平均值-Ep。AEL标准平均值可以根据等式(4)计算得到。需要说明的是，AEL标准平均值的值可以基于以下假设：孔径395可以具有7mm的直径，并且可以与LiDAR系统310相距12cm。如上面计算的那样，AEL标准平均值可以等于133.5nJ(26.7W峰值功率)。为此，计算到的能量EL可以等于EL＝133.5-10＝123.5nJ(24.7W峰值功率)。光源组件312可以用于生成能量EL＝123.5nJ的下一个光脉冲。然后，将光脉冲发射到ROI 380。
在一些实施例中，如果没有检测到物体，即发射的前导光脉冲没有反射回LiDAR系统310，则控制器组件320可以将能量EH计算为EH＝MIN(AEL新平均值,AEL每脉冲峰值)。从表400(图6)中注意到，宽度为5ns的光脉冲的AEL每脉冲峰值是200nJ(40W峰值功率)。
AEL新平均值可以根据等式(4)计算得到。然而，为了计算AEL新平均值，AEL新总能量可以基于根据直径为7mm的孔径395计算的曝光角α计算得到，所述前导距离等于最佳前导距离，即在这种情况下为65cm。曝光角α可以计算为
Figure BDA0004015447780000161
考虑到水平分辨率可以等于0.1°，孔径395可以接收的光脉冲的总数N可以等于0.6/.01＝6个脉冲。
当重复速率为10μs(基于100kHz的重复频率)时，6个光脉冲的总时间周期为60μs。根据60μs的总时间和表400(图6)，将AEL新总能量计算为1226.4nJ，对应的
Figure BDA0004015447780000162
Figure BDA0004015447780000163
然而，宽度为5ns的光脉冲的AEL每脉冲峰值是200nJ(40W峰值功率)。因此，EH＝MIN(AEL新平均值,AEL每脉冲峰值)＝200nJ。光源组件312可以用于生成能量EH＝200nJ的下一个光脉冲。然后，将光脉冲发射到ROI 380。
需要说明的是，在一些实施例中，LiDAR系统在一个时间点发射前导光脉冲(例如604)或扫描光脉冲(例如606或610)。
需要说明的是，上述实施例绝不限制本发明的范围。例如，在各种实施例中，光脉冲在脉冲宽度、频率和重复率方面可以具有不同的工作性能指标。在任何情况下，AEL总能量、AEL平均值、AEL每脉冲峰值、最佳前导距离、前导脉冲能量或任何这些参数都可以根据LiDAR系统310生成和发射的光脉冲的工作性能指标计算得到。
此外，在一些实施例中，对于光脉冲的某一工作性能指标，能量EL或EH的值可以在与LiDAR系统310相关联的存储器(例如130)中预定义。控制器组件320可以用于根据前导光脉冲(例如604)是否检测到物体，直接访问这些值。此外，在一些实施例中，光源组件312可以包括脉冲驱动器(未示出)以改变强度光脉冲。
因此，发射具有低能量/功率电平的前导光脉冲，然后发射具有能量/功率电平EL或EH的光脉冲，提高了LiDAR系统310的整体效率。例如，如果前导光脉冲(例如604)没有检测到物体，则扫描光脉冲(例如610)的AEL平均值可以扩展到AEL每脉冲峰值。在一些实施例中，对于光脉冲的具体工作性能指标，AEL平均值可以是133.5nJ，其扩展到值为200nJ的AEL每脉冲峰值。因此，允许能量可能会增加49.8％左右。在这种情况下，参考等式(3)，对于相同强度的物体，这些光脉冲的最大扫描范围相当于原始方法增加了22.4％。
又如，如果前导光脉冲(例如604)检测到物体，则下一个光脉冲的能量可以等于123.5nJ，减少约7.5％。在这种情况下，参考等式(3)，对于相同强度的象，这些光脉冲的最大扫描范围相当于原始扫描范围减少了4％。
如果在最佳前导距离内检测到物体，由于耗散前导光脉冲中的一些能量，最大扫描范围可能会稍微减小。然而，由于在与LiDAR系统310相距非常短的距离内检测到物体，因此可以忽略这种影响。
此外，由于前导光脉冲和扫描光脉冲使用不同的脉冲宽度，可以容易去除在发射扫描光脉冲之后的前导光脉冲的回波，并且减少在扫描光脉冲的回波中错误检测前导光脉冲的可能性。
图15是本发明各种实施例提供的表示涉及在LiDAR系统310上实现的方法的过程700的流程图。
如图所示，过程700开始于步骤702，其中，辐射源向感兴趣区域(region ofinterest，ROI)发射光脉冲。如上所述，光源组件312生成光脉冲，扫描仪组件316可以将生成的光脉冲朝ROI 380引导。
过程进行到步骤704，其中，检测器检测从所述ROI反射出的光脉冲。如上所述，接收器组件318接收或检测反射光脉冲中的光子，并且生成一个或多个代表性数据信号。例如，接收器组件318可以生成表示反射光脉冲的输出电信号。接收器组件318还可以将生成的电信号提供给控制器组件320以进行进一步处理。
过程前进到步骤706，其中，以通信方式耦合到所述辐射源的处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EP和宽度W1的前导光脉冲。如上所述，耦合到光源组件312的控制器组件320指示发射前导光脉冲(例如604)。在一个示例中，与前导光脉冲(例如604)相关联的能量EP是10nJ，脉冲的宽度是2ns。
过程前进到步骤708，其中，以通信方式耦合到所述检测器的所述处理器确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI中是否存在物体。如上所述，耦合到接收器组件318的控制器组件320确定接收器组件318是否检测到前导光脉冲(例如604)以及ROI380中是否存在物体。
最后，在步骤710中，响应于确定所述ROI中存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EL和宽度W2的扫描光脉冲；否则，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EH和所述宽度W2的扫描光脉冲。如上所述，响应于确定ROI 380中存在物体，控制器组件320使得光源组件312发射具有能量EL(例如125.5nJ)和脉冲宽度W2(例如5ns)的扫描脉冲。否则，如果在ROI 380中没有检测到物体，则控制器组件320使得光源组件312发射具有能量EH(例如200nJ)和脉冲宽度W2(例如5ns)的扫描脉冲。
因此，通过LiDAR系统310和过程700，确定位于较远距离处的物体的SNR可以低成本、高效实现，无需增加太多硬件复杂性。
应当理解，LiDAR系统310、组成组件和关联过程的操作和功能可以通过基于硬件、基于软件和基于固件的元件中的任何一个或多个来实现。这类操作替代方案并不以任何方式限制本发明的范围。
还应当理解，尽管本文中提出的实施例已经参考特定的特征和结构描述，但很明显，可以在不脱离这些公开内容的情况下进行各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为所附权利要求书限定的对论述的实现方式或实施例和其原理的说明，并且预期覆盖属于本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (20)

1.一种LiDAR系统，其特征在于，所述LiDAR系统包括：
辐射源，用于向感兴趣区域(region ofinterest，ROI)发射光脉冲；
检测器，用于检测从所述ROI反射出的光脉冲；
以通信方式耦合到所述辐射源和所述检测器的处理器，用于：
使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EP和脉冲宽度W1的前导光脉冲；
确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI中是否存在物体；
响应于确定所述ROI中存在物体，使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EL和脉冲宽度W2的扫描光脉冲；
响应于确定所述ROI中不存在物体，使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EH和所述脉冲宽度W2的扫描光脉冲。
2.根据权利要求1所述的LiDAR系统，其特征在于，所述能量Ep小于所述能量EL，所述能量EL小于所述能量EH，所述能量EH小于或等于峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)。
3.根据权利要求1或2所述的LiDAR系统，其特征在于，所述能量EL＝标准可接受的暴露限值AEL标准平均值–EP。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的LiDAR系统，其特征在于，所述能量EH＝MINIMUM(新可接受的暴露限值(AEL新平均值)，峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值))。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的LiDAR系统，其特征在于，所述脉冲宽度W1小于所述脉冲宽度W2。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LiDAR系统，其特征在于，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。
7.根据权利要求6所述的LiDAR系统，其特征在于，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)、所述宽度W2和重复频率f计算得到。
8.根据权利要求6所述的LiDAR系统，其特征在于，所述LiDAR系统还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的LiDAR系统，其特征在于，所述能量EP根据最小估计信噪比(signal-to-noise，SNR)计算得到。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的LiDAR系统，其特征在于，所述最小SNR通过Neyman Pearson检测器估计出。
11.一种LiDAR方法，其特征在于，所述LiDAR方法包括：
辐射源向感兴趣区域(region ofinterest，ROI)发射光脉冲；
检测器检测从所述ROI反射出的光脉冲；
以通信方式耦合到所述辐射源的处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EP和脉冲宽度W1的前导光脉冲；
以通信方式耦合到所述检测器的所述处理器确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述ROI中是否存在物体；
响应于确定所述ROI中存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EL和脉冲宽度W2的扫描光脉冲；
响应于确定所述ROI中不存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述ROI发射具有能量EH和所述脉冲宽度W2的扫描光脉冲。
12.根据权利要求11所述的LiDAR方法，其特征在于，所述能量Ep小于所述能量EL，所述能量EL小于所述能量EH，所述能量EH小于或等于峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)。
13.根据权利要求11或12所述的LiDAR方法，其特征在于，所述能量EL＝标准可接受的暴露限值AEL标准平均值–EP。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的LiDAR方法，其特征在于，所述能量EH＝MINIMUM(新可接受的暴露限值(AEL新平均值)，峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值))。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的LiDAR方法，其特征在于，所述脉冲宽度W1小于所述脉冲宽度W2。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的LiDAR方法，其特征在于，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。
17.根据权利要求16所述的LiDAR方法，其特征在于，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(AEL每脉冲峰值)、所述宽度W2和重复频率f计算得到。
18.根据权利要求16所述的LiDAR方法，其特征在于，所述LiDAR方法还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的LiDAR方法，其特征在于，所述能量EP根据最小估计信噪比(signal-to-noise，SNR)计算得到。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的LiDAR方法，其特征在于，所述最小SNR通过Neyman Pearson检测器估计出。
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