CN116075741A - LiDAR系统的动态激光功率控制 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种光学传感系统、一种在光学传感系统中控制发射功率电平的方法，以及一种在光学传感系统中控制发射功率电平的控制装置。示例性光学传感系统包括发射器，被配置为从多个垂直检测角度发射光束以扫描物体。光学传感系统还包括控制器，被配置为动态改变在各个垂直检测角度发射的光束的发射功率电平。光学传感系统还包括接收器，被配置为检测由物体返回的光束。

Description

LiDAR系统的动态激光功率控制
交叉引用
本申请要求于2020年7月3日提交的申请号为16/920,650的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用的方式明确并入本文。
技术领域
本公开涉及用于光检测和测距(LiDAR)系统的激光功率控制，更具体地，涉及动态激光功率控制，以补偿在LiDAR系统的不同垂直检测角度下的检测距离的变化。
背景技术
光学传感系统，如LiDAR系统已被广泛应用于先进的导航技术中，例如辅助自动驾驶或生成高清晰度地图。例如，一个典型的LiDAR系统通过用脉冲激光光束照射目标，并用诸如检测器或检测器阵列的传感器测量反射脉冲来测量到目标的距离。激光返回时间、波长和/或相位的差异可以用来构建目标的数字三维(3D)表示。由于使用狭窄的激光束作为入射光，可以绘制分辨率非常高的物理特征，因此LiDAR系统特别适合于自动驾驶和高清晰度地图勘测的传感等应用。
LiDAR系统发射的脉冲激光束通常指向多个方向，以覆盖视野(FOV)。例如，LiDAR系统的垂直检测角度(当扫描激光束指向下方时称为俯视角度)会随着垂直空间中物体的扫描而变化。所需的检测距离会随着垂直检测角度而变化。例如，当俯视角度很小时，即LiDAR发射的扫描激光束几乎是水平的，与物体的距离较长。另一方面，随着俯视角度的增加，朝向地面的距离变短。
传统的LiDAR系统使用恒定的激光发射功率用于不同的垂直检测角度。这导致了几个问题。首先，在较短距离(例如，靠近地面)处被物体反射的激光束可能携带较高的功率，并在接收器端造成饱和，从而损害扫描精度。高功率导致的工作温度升高会降低系统的热性能。此外，高功率激光束可能会对LiDAR扫描区域附近的行人造成眼部安全隐患。在不同的垂直角度使用恒定的功率也会损害整体系统功耗的效率。
本发明的实施例通过实施动态激光功率控制来补偿传感系统在不同垂直检测角度下的检测距离的变化，从而改善光学传感系统(例如，LiDAR系统)的性能。
发明内容
本发明的实施例提供一种光学传感系统。示例性光学传感系统包括发射器，被配置为从多个垂直检测角度发射光束以扫描物体。光学传感系统进一步包括控制器，被配置为动态改变在各个垂直检测角度发射的光束的发射功率电平。光学传感系统还包括接收器，被配置为检测由物体返回的光束。
本发明的实施例还提供一种用于控制光学传感系统中的发射功率电平的方法。方法包括通过发射器从多个垂直检测角度发射光束来扫描物体。该方法还包括通过控制器动态改变在各个垂直检测角度发射的光束的发射功率电平。该方法还包括通过接收器检测由物体返回的光束。
本发明的实施例还提供一种用于控制光学传感系统中的发射功率电平的控制装置。控制装置包括驱动电路，驱动电路被配置为驱动发射体以动态变化的发射功率电平发射光束。光束以多个垂直检测角度发射。控制装置进一步包括控制器，控制器被配置为控制驱动电路以动态改变在各个垂直检测角度发射的光束的发射功率电平。
应了解，如所要求，上述一般说明及以下详细说明均仅为示例性及解释性说明，而非对本发明的限制性说明。
附图说明
图1示出了根据本公开的一些实施例的配备有LiDAR系统的示例性车辆的示意图；
图2示出了根据本公开的一些实施例的示例性LiDAR系统的框图；
图3示出了根据本公开的一些实施例的用于调整LiDAR系统的激光功率的示例性控制器的示意图；
图4示出了根据本公开的一些实施例的在LiDAR扫描期间使用的垂直检测角度和相应的检测距离；
图5示出了根据本公开的一些实施例的用于调整LiDAR系统的激光功率的示例性发射体驱动电路；
图6示出了根据本公开的一些实施例的用于调整LiDAR系统的激光功率的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考示例性实施例，其示例在附图中加以说明。在可能的情况下，将在整个图纸中使用相同的参考编号来表示相同或类似的部件。
本公开的实施例提供用于动态控制光学传感系统(例如，LiDAR系统)中的发射功率电平的系统和方法。例如，光学传感系统可包括发射器，被配置为以多个垂直检测角度发射光束(例如，激光束)以扫描物体。垂直检测角度越小，检测距离越长；垂直检测角度越大，检测距离越短。在一些实施例中，光学传感系统包括控制器，被配置为动态改变在各个垂直检测角度发射的光束的发射功率电平。例如，发射功率电平可基于不同垂直检测角度的检测距离进行调整，因为较短的检测距离保证使用较少的激光功率。在一些实施例中，发射功率电平可与检测距离的平方成正比。在一些实施例中，发射功率电平还可以与物体的反射率和地面的反射率的比值成正比。作为另一实例，控制器可基于光学传感系统位于地面上方的高度和光学传感系统的阈值检测距离来确定阈值角度。然后，当垂直检测角大于阈值角度时，控制器降低发射功率电平。
在一些实施例中，发射器可进一步包括配置为发射光束的发射体和配置为驱动发射体以动态变化的发射功率电平发射光束的驱动电路(例如，FET控制驱动电路或电容放电驱动电路)。例如，控制器被配置为向所述驱动电路提供电压指令信号，并且驱动电路被配置为响应电压指令信号向发射体提供变化的驱动电流。在一些实施例中，控制器被配置成改变电压指令信号的幅度或脉冲宽度，从而使变化的驱动器电流与期望的发射功率电平成正比。发射的光束从被扫描的物体反射返回，并由光学传感系统的接收器接收。
通过动态和自适应地改变发射功率电平，本发明的实施例提高了光学传感系统的性能。例如，系统功耗可以更有效地分布在不同的垂直视角上。这不仅节省了系统的总功率，而且还提高了靠近地面区域的眼睛的安全性。另一方面，降低输出功率也有利于系统的热效率和激光效率。改进后的光学传感系统具有广泛的应用前景。例如，改进后的光学传感系统可以用于先进的导航技术，例如辅助自动驾驶或生成高清地图等，其中，光学传感系统可以安装在车辆上。
例如，图1示出了根据本公开的一些实施例配备有光学传感系统(例如，LiDAR系统)102(以下也称为LiDAR系统102)的示例性车辆100的示意图。与一些实施例一致，车辆100可以包括配置为获取用于构建高清地图或3-D建筑和城市建模的数据的勘测车辆。车辆100也可能是自动驾驶车辆。
如图1所示，车辆100可以配备有通过安装结构108安装在车身104上的LiDAR系统102。安装结构108可以是安装在车辆100的车身104上或以其他方式连接的机电装置。在一些实施例中，安装结构108可以使用螺钉、粘合剂或其他安装机构。车辆100可以使用任何合适的安装机构在车身104内部或外部另外配备传感器110。传感器110可以包括用于导航单元的传感器，例如，全球定位系统(GPS)接收器和一个或多个惯性测量单元(IMU)传感器。可以设想，可在车辆100上装备LiDAR系统102或传感器110的方式不受图1中所示示例的限制，并且可以根据LiDAR系统102和传感器110和/或车辆100的类型进行修改，以实现期望的3D传感性能。
与一些实施例一致，可将LiDAR系统102和传感器110配置为在车辆100沿轨迹移动时捕获数据。例如，可以配置LiDAR系统102的发射器来扫描周围环境。LiDAR系统102通过用脉冲激光束照射目标并用接收器测量反射/散射脉冲来测量目标的距离。用于LiDAR系统102的激光束可以是紫外线、可见光或近红外线。在本公开的一些实施例中，LiDAR系统102可捕获包括周围环境中物体的深度信息的点云。当车辆100沿着轨迹移动时，LiDAR系统102可以连续捕获数据。在一定时间范围内捕获的每一组场景数据称为数据帧。
在一些实施例中，LiDAR系统102可以安装在地面上方一定高度(如图1所示的h0)，从而可以使用在不同垂直检测角度发射的激光束在一定高度范围内扫描物体。例如，图1示出了视野(FOV)，该视野由覆盖物体112的垂直检测角度的范围组成，该物体112的高度高达地面上方的h1。相对于水平方向向上的激光束的垂直检测角度(例如，图1中所示的角度α)可以被称为仰视角度，相对于水平方向向下的激光束的垂直检测角度(例如，图1中所示的角度θ)可以被称为俯视角度。
在一些实施例中，LiDAR系统102的垂直检测角度可通过安装结构108和/或LiDAR系统102内的扫描仪来调整。在一些实施例中，垂直检测角度也可能受到车辆100的姿态的影响，例如，车辆100是在上坡还是下坡行驶。当俯视角度θ大于一定值时，LiDAR系统102发射的激光束可能会撞击到该群体，对应的检测距离可能小于最大检测距离。在这种情况下，由于激光束的传输距离较短，所以其衰减较小，并且返回的激光束中剩余的功率较高。根据本公开，LiDAR系统102被配置为动态和自适应地调整其在扫描期间发射的激光束的发射功率电平，以补偿在较大的垂直检测角度θ处的较短检测距离。
图2示出了根据本公开的实施例的示例性LiDAR系统102的框图。LiDAR系统102可包括发射器202、接收器204和控制器206。发射器202可以沿多个方向发射光束(例如，激光束)。发射器202可包括一个或多个激光源(包括激光发射体208和驱动电路218)和扫描器210。如图2所示，发射器202可以在扫描FOV内(例如，一个角度范围)连续地发射不同方向的脉冲激光束。
激光发射体208即可被配置为向扫描器210提供激光束207(也称为“自然激光束”)。在本发明的一些实施例中，激光发射体208可在紫外、可见或近红外波长范围内产生脉冲激光束。在本公开的一些实施例中，激光发射体208可包括脉冲激光二极管(PLD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光纤激光器等。例如，PLD可能是类似于发光二极管(LED)的半导体器件，其中激光束在二极管的连接处产生。在本发明的一些实施例中，PLD包括PIN二极管，其中有源区域位于本征(I)区域中，并且载流子(电子和空穴)分别从N区域和P区域泵入到有源区域。根据半导体材料的不同，PLD提供的入射激光束207的波长可能小于1100nm，例如，405nm、445nm和465nm之间、510nm和525nm之间、532nm、635nm、650nm和660nm之间、670nm、760nm、785nm、808nm、848nm或905nm。应当理解，任何合适的激光源均可作为激光源用于发射激光束207。
驱动电路218可为激光发射体208提供电源，以使其开启，从而驱动激光发射体。与本公开的实施例一致，可控制驱动电路218以调节激光发射体208的发射功率电平。例如，可以改变驱动电路218的驱动电流，使激光发射体208以不同的发射功率电平发射激光束。在一些实施例中，驱动电路218提供的变化的驱动电流与动态变化的发射功率电平成正比。驱动电路218可以使用任何合适的电路拓扑来实现，以实现所需的功能。例如，在一些实施例中，驱动电路218可为FET控制驱动电路或电容放电驱动电路。
扫描器210可以被配置为在垂直检测角度范围内向物体212发射激光束209(共同形成发射器202的FOV，如图1所示)。垂直检测角可为仰视角度(从水平方向指向上)或俯视角度(从水平方向指向下)。在一些实施例中，扫描器210还可以包括光学组件(例如，透镜、反射镜)，可以将脉冲激光准直成窄激光束，以增加扫描分辨率和扫描物体212的范围。
在一些实施例中，物体212可由多种材料制成，包括例如非金属物体、岩石、雨水、化合物、气溶胶、云甚至单分子。激光束209的波长可以基于物体212的成分而变化。在一些实施例中，在扫描期间的每个时间点，扫描器210可以通过旋转偏转器(例如，微加工镜组件)，在扫描角度范围内的方向上向物体212发射激光束209。
在一些实施例中，接收器204可以被配置为检测从物体212返回的激光束211。返回的激光束211可以与激光束209处于不同的方向。接收器204可以收集物体212返回的激光束，并输出反映返回激光束强度的电信号。接触后，激光可以通过后向散射(例如，瑞利散射、米氏散射、拉曼散射和荧光)被物体212反射/散射。如图2所示，接收器204可包括透镜214和检测器216。透镜214可以被配置为收集来自接收器视野(FOV)中各个方向的光，并且使光束聚合以聚焦在检测器216。在扫描期间的各个时间点，透镜214可采集返回的激光束211。返回的激光束211可以从物体212返回，并且与激光束209具有相同的波长。
检测器216可配置为检测从物体212返回并通过透镜214聚合的返回的激光束211。在一些实施例中，检测器216可以将由透镜214聚合的激光(例如，返回的激光束211)转换为电信号213(例如，电流或电压信号)。当光子被包含在检测器216中的光电二极管吸收时，可产生电信号213。在一些实施例中，检测器216可以包括PIN检测器、雪崩光电二极管(APD)检测器、单光子雪崩二极管(SPAD)检测器、硅光电倍增器(SiPM)检测器等。
电信号213可以被传输到数据处理单元，例如LiDAR系统102的信号处理器220，以进行处理和分析。例如，信号处理器220可以基于电信号213和激光束209的数据来确定物体212与LiDAR系统102的距离。在一些实施例中，信号处理器220可为控制器206的一部分。
控制器206可配置为控制发射器202和/或接收器204来执行检测/传感操作。在一些实施例中，控制器206可以基于LiDAR系统102的垂直检测角度动态确定激光发射体208的适当发射功率电平，并控制驱动电路218将激光发射体208的发射功率调整到适当的电平。例如，控制器206可以确定在各种垂直检测角度的检测距离，并基于检测距离计算期望的发射功率电平。在一些实施例中，发射功率电平可与检测距离的平方成正比。在一些进一步实施例中，发射功率电平还可以与物体212的反射率与地面的反射率的比值成正比。例如，控制器206可以基于接收器204接收到的返回激光束来确定物体212的反射率。在另一个示例中，控制器206可以基于位于地面上方的LiDAR系统102的仰视角度和LiDAR系统102的阈值检测距离确定阈值角度。当垂直检测角度大于阈值角度时，控制器206可以降低发射功率电平。
在一些实施例中，控制器206可控制驱动电路218，以在各个垂直检测角度动态改变激光发射体208的发射功率电平。例如，控制器206可向驱动电路218提供电压指令信号，以便驱动电路响应于控制器206提供的电压指令信号向激光发射体208提供变化的驱动电流。
例如，图3图示出了根据本公开的一些实施例的用于调节LiDAR系统的激光功率的示例性控制器206的示意图。如图3所示，控制器206可包括通信接口302、处理器304、内存306和存储器308。在一些实施例中，控制器206可以在单个设备中具有不同的模块，例如，集成电路(IC)芯片(例如，作为应用专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)实现)，或具有专用功能的独立设备。在一些实施例中，控制器206的一个或多个组件可以位于云中，也可以替代性地位于单个位置(例如，移动设备内部)或分布式位置。控制器206的组件可以在集成设备中，也可以分布在不同的位置，但通过网络相互通信(图中未示出)。根据本公开，控制器206可配置为基于所发射激光束的不同垂直检测角度动态控制由激光发射体208发射的激光束的发射功率电平。在一些实施例中，控制器206还可以执行LiDAR系统102的其他组件的各种其他控制功能。
通信接口302可以通过通信电缆、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、无线网络(如无线电波)、蜂窝网络和/或本地或短程无线网络(如BluetoothTM)或其他通信方法向发射器202(如驱动电路218和扫描器210)和接收器204的组件发送信号和接收信号。在一些实施例中，通信接口302可以包括集成服务数字网(ISDN)卡、电缆调制解调器、卫星调制解调器或调制解调器以提供数据通信连接。作为另一个示例，通信接口302可以包括一个局域网(LAN)卡，以提供到兼容LAN的数据通信连接。无线链路也可以通过通信接口302实现。在这种实现中，通信接口302可以发送和接收模拟形式或数字形式的电信号、电磁信号或光信号。
根据一些实施例，通信接口302可接收来自接收器204的返回激光束的电信号。通信接口302可向驱动电路提供控制信号，以动态调整所发射激光束的发射功率电平。通信接口302也可以从LiDAR系统102的各种其他组件接收获取的信号并提供控制信号。
处理器304可以包括任何适当类型的通用或专用微处理器、数字信号处理器或微控制器。处理器304可以配置为一个单独的处理器模块，专门用于LiDAR发射功率控制，例如，基于所发射的激光束的不同垂直检测角度动态地确定所发射激光束的适当发射功率电平，并生成控制信号以控制驱动电路218实现该发射功率电平。或者，处理器304可以配置为一个共享处理器模块，用于执行LiDAR控制的其他功能。
内存306和存储器308可包括提供来存储处理器304可能需要操作的任何类型的信息的任何适当类型的大容量存储器。内存306和存储器308可以包括易失性或非易失性、磁性、半导体、磁带、光学、可移动、不可移动或其他类型的存储设备或有形(即，非暂时性)计算机可读介质，包括但不限于ROM、闪存、动态RAM和静态RAM。内存306和/或存储器308可配置为存储一个或多个计算机程序，所述计算机程序可由处理器304执行以执行本文所公开的功能。例如，内存306和/或存储器308可配置为存储可由处理器304执行的用于动态LiDAR功率控制的程序。在一些实施例中，内存306和/或存储器308还可存储中间数据，例如，阈值垂直检测角度、与不同垂直检测角度相对应的检测距离、被扫描物体的反射率、各个垂直检测角度的期望发射功率电平等。
如图3中所示，处理器304可包括多个模块，例如检测距离确定单元342、功率电平确定单元344、以及指令信号产生单元346等。这些模块可以是处理器304的硬件单元(例如，集成电路的一部分)，其被设计为与处理器304通过执行程序的至少一部分而实现的其他组件或软件单元一起使用。该程序可以存储在计算机可读的介质上，当由处理器204执行时，它可以执行一个或多个功能。尽管图3示出了全部在一个处理器304内的单元342-346，但是可以设想，这些单元可以分布在彼此靠近或远离的不同处理器之间。
在一些实施例中，检测距离确定单元342可计算发射器FOV内对应于各种垂直检测角度的检测距离。例如，图4示出了根据本发明的实施例的LiDAR扫描期间使用的垂直检测角度和相应的检测距离。如图4所示，LiDAR系统102可以位于地面上方的高度为h0处。例如，LiDAR系统102可以安装在车辆100上，因此可以提升到地面上方。LiDAR系统102可能具有最大的检测距离dmax(也称为阈值检测距离)，对应于物体112与LiDAR系统102之间的水平距离。激光发射体208在最大检测距离下的最大输出功率为Pmax。
在一些实施例中，检测距离可以作为垂直检测角度的函数来计算(如图4所示俯视角度θ)。例如，垂直检测角度可以基于扫描器210的垂直扫描角度、LiDAR系统102的倾斜角度(例如，通过安装结构108)以及如果安装LiDAR系统102的车辆在斜坡上行驶(例如，上坡或下坡)时的仰视角度确定。在一些实施例中，扫描器210的垂直扫描角度可以存储在控制器206中，或从控制激光束扫描的另一个控制器获得。如果垂直扫描角度不为零，则从垂直扫描角度减去倾斜角度和/或仰视角度，得到垂直检测角度。例如，如果垂直扫描角度为40°，安装LiDAR系统102向上倾斜10°，车辆100沿15°的坡度下坡行驶(即仰视角度-15°)，则确定垂直检测角度为40°-10°-(-15°)＝45°。
在一些实施例中，对于两个范围内的垂直检测角度，检测距离可以以不同的方式计算：第一个范围为[0，θa]，其中θa是阈值角度，第二个范围为[θa,90°]。在一些实施例中，阈值角度θa可根据式(1)确定：
Figure BDA0004108483770000101
其中，h0为LiDAR系统102距地平面的高度，dmax为最大检测距离。
当垂直检测角度(如图4所示的俯视角度θ)小于θa(即在第一个范围内)时，检测距离保持dmax。当俯视角度θ大于θa(即在第二个范围内)时，检测距离dθ变小。在一些实施例中，可以使用式(2)确定检测距离：
Figure BDA0004108483770000111
功率电平确定单元344基于确定的检测距离，可以计算出激光发射体208输出的合适发射功率电平。在一些实施例中，对于小于最大检测距离dmax的检测距离dθ(即，对于大于阈值角度θa的垂直检测角度θ)，功率电平确定单元344可以将发射功率电平从最大可用输出功率电平Pmax降低到一个较小但足够的电平。在一些实施例中，发射功率电平可与相应检测距离的平方成正比。在一些实施例中，发射功率电平与目标物体的第一反射率与地面的第二反射率的比值成正比。例如，功率电平确定单元344可根据式(3)计算俯视视角θ下的发射功率电平(Pθ)：
Figure BDA0004108483770000112
其中，Pmax为最大可用输出功率电平，pobject为目标物体的反射率，pground为地平面的反射率，dθ为俯视角θ下的检测距离，dmax为最大检测距离。在一些实施例中，地平面的反射率可预先设定并预先编程到控制器206中。在一些实施例中，目标物体(例如，物体112)的反射率可基于由接收器204实时接收的返回激光束信号来动态地确定。
一旦确定了发射功率电平，指令信号产生单元346可产生控制驱动电路218的指令信号，以驱动激光发射体208以发射所确定的发射功率电平的激光束。在一些实施例中，可以生成电压指令信号并提供给驱动电路218。响应于电压指令信号，驱动电路218可以向激光发射体208提供变化的驱动电流。在一些实施例中，变化的驱动电流可通过激光发射体208与发射功率电平成正比。因此，可以通过调节由指令信号产生单元346生成的电压指令信号来控制发射功率电平。
图5示出了根据本公开的一些实施例的用于调整LiDAR系统的激光功率的示例性发射体驱动电路。在一些实施例中，驱动电路218使用半导体开关(例如，氮化镓(GaN)功率FETs)，该开关对控制器206施加的电压指令信号Vcommand指令具有栅极响应(例如，驱动电流iLASER)。驱动电路可以与激光发射体208串联，使驱动电流iLASER流过激光二极管，从而发射激光束。激光发射体208的发射功率电平一般与驱动电路218提供的驱动电流的幅度和脉宽的乘积成正比。因此，可以通过应用适当的控制信号来调整发射功率电平。例如，基于期望的发射功率电平，指令信号产生单元346可以改变应用于驱动电路218的一个或多个部件的一个或多个控制信号，以改变驱动电流的幅度或脉宽。在一些实施例中，驱动器电流的脉冲宽度可通过指令信号产生单元346产生的电压指令信号来控制。在一些其它实施例中，驱动电流的幅度可以通过控制驱动电路218的电源电压来控制。
图5示出电容放电驱动电路510和FET控制驱动电路520作为驱动电路218的示例。可以设想，驱动电路218可以采用其他合适的电路拓扑结构。在一些实施例中，电容放电驱动电路510使用一个小的Cbus，因此Vbus随着电容充放电的时间而变化。结果，电路如下图所示，FET的栅极响应包括脉冲宽度比Vcommand窄的脉冲驱动电流iLASER。相比之下，FET控制驱动电路520使用了大的Cbus，所以Vbus几乎恒定。结果，电路在下图所示的栅极响应中，驱动电流iLASER的脉宽几乎与Vcommand的脉宽一致。在一些实施例中，电容放电驱动电路510可因其更快的切换和接受杂散电感的能力而优选。
图6示出了根据本公开的一些实施例的用于调整LiDAR系统的激光功率的示例性方法600的流程图。在一些实施例中，方法600可由LiDAR系统102的各种组件执行，例如，发射器202、接收器204和控制器206。在一些实施例中，方法600可包括步骤S602-620。应当了解的是，有些步骤可能是可选的。此外，一些步骤可以同时执行，或以与图6中所示不同的顺序执行。
在步骤S602中，控制器206可以确定当前扫描角度的垂直检测角度。在一些实施例中，控制器206可接收发射器202使用的当前扫描角度。在一些实施例中，控制器206可确定扫描参数并且因此将所述参数保存在其内存/存储器中的相同控制器。因此，控制器206可以从它自己的内存/存储器中检索扫描角度。否则，控制器206可能从外部源接收它。在一些实施例中，如果车辆在斜坡上行驶，则检测距离确定单元342可以首先基于由LiDAR系统102的倾斜角度调整的扫描角度和仰视角度来确定当前垂直检测角度。
在步骤S604中，控制器206可以计算出当前垂直检测角度对应的检测距离。例如，当垂直检测角度θ小于阈值角度θa计算时，如根据式(1)，检测距离确定单元342可确定检测距离保持最大检测距离dmax。当角度θ大于θa时，检测距离确定单元342可以利用高度h0和角度θ的三角函数来确定检测距离，如式(2)。
在步骤S606中，控制器206可根据步骤S604中确定的检测距离确定当前扫描角度的发射功率电平。在一些实施例中，对于小于最大检测距离dmax的检测距离dθ，功率电平确定单元344可将发射功率电平从最大可用输出功率电平Pmax降低到一个较小但足够的电平。在一些实施例中，发射功率电平可与相应检测距离的平方成正比。在一些实施例中，发射功率电平与目标物体的第一反射率与地面的第二反射率的比值成正比。例如，功率电平确定单元344可根据式(3)计算发射功率电平。
在步骤S608中，控制器206可以生成与在步骤S606中确定的发射功率电平相对应的要施加到驱动电路218的一个或多个组件的控制信号。在一些实施例中，指令信号产生单元346可产生控制信号以使驱动电路218向激光发射体208提高驱动电流，以使激光发射体208以确定的发射功率电平发射激光束。由于发射功率电平通常与驱动电流的幅度和脉冲宽度的乘积成正比，所以由指令信号产生单元346生成的控制信号可以改变驱动电流的幅值或脉冲宽度。例如，指令信号产生单元346可以控制电容放电驱动电路510或FET控制驱动电路520的供电电压(Vbus)，这与驱动电流的幅值成正比。作为另一个示例，指令信号产生单元346可以调节FET控制驱动电路520的电压指令信号的脉冲宽度，以控制驱动电流的脉冲宽度。在生成控制信号时，指令信号产生单元346可以考虑由驱动电路218实现的特定电路拓扑和相应的电路栅极响应。
在步骤S610中，控制器206可以向发射体驱动电路(例如，驱动电路218)提供控制信号。控制信号将调节在驱动器电路中产生的驱动电流。当驱动电流提供给驱动激光发射体208时，导致激光发射体208发射激光束。通过调节驱动电流，控制信号控制发射功率电平。在步骤S612中，激光发射体208以步骤S606中确定的发射功率电平发射光束。
在步骤S614中，接收器204可检测由目标物体返回的光束。例如，接收器204可以检测到从物体212返回的激光束211。接收器204可以采集物体212返回的激光束，并输出反映返回激光束强度的电信号。在步骤S616中，控制器206可以基于返回激光束的强度来确定目标物体的反射率。在步骤S606中可以使用物体的反射率来确定发射功率电平。例如，发射功率电平可与目标物体的反射率和地面的反射率的比值成正比。
在步骤S618中，控制器206可以确定扫描器210的所有扫描角度是否被覆盖，如果没有(S618:NO)，方法600继续到步骤S620，确定并调整下一个扫描角度的发射功率电平，例如重复步骤S602-S618。方法600在扫描器210经过所有扫描角度后结束(S618:YES)。
虽然本公开是使用LiDAR系统作为示例，但所公开的实施例可适用于使用接收器接收不限于激光束的光信号的其他类型的光学传感系统。例如，所述实施例可容易地适于使用电磁波扫描物体的光学成像系统或雷达检测系统。可以使用与上文所公开的那些不同的发射体和驱动电路。例如，发射体可以是适合于发射由各个光学传感系统所使用的光信号的任何其它光发射体，并且驱动电路可为适合于驱动相应发射体的任何驱动器。
本公开的另一方面涉及存储指令的非暂时性计算机可读介质，当执行指令时，该指令使一个或多个处理器执行上述方法。计算机可读介质可包括易失性或非易失性、磁性、基于半导体、基于磁带、光学、可移动、不可移动或其他类型的计算机可读介质或计算机可读存储设备。例如，如所公开的，计算机可读媒体可以是存储计算机指令的存储设备或存储模块。在一些实施例中，计算机可读介质可以为存储计算机指令的磁盘或闪存驱动器。
对于本领域技术人员来说，可以对所公开的系统和相关方法进行各种修改和变化。考虑到所公开的系统和相关方法的规范和实践，本领域技术人员将清楚地看到其他实施例。
本说明书和示例仅被认为是示例性的，其真实范围由权利要求及其等同物指示。

Claims (20)

1.一种光学传感系统，包括：
发射器，被配置为从多个垂直检测角度发射光束以扫描物体；
控制器，被配置为动态改变在各个所述垂直检测角度发射的所述光束的发射功率电平；以及
接收器，被配置为检测由所述物体返回的光束。
2.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述光学传感系统包括光检测和测距(LiDAR)系统。
3.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述发射器进一步包括被配置为发射光束的发射体和被配置为驱动所述发射体以动态变化的发射功率电平发射光束的驱动电路。
4.根据权利要求3所述的光学传感系统，其特征在于，所述控制器被配置为向所述驱动电路提供至少一个控制信号，所述驱动电路被配置为响应所述至少一个控制信号向所述发射体提供变化的驱动电流，其中，所述变化的驱动器电流与所述动态变化的发射功率电平成正比。
5.根据权利要求4所述的光学传感系统，其特征在于，所述至少一个控制信号用于改变所述驱动电流的幅度或脉冲宽度中的至少一个。
6.根据权利要求3所述的光学传感系统，其特征在于，所述驱动电路包括FET控制驱动电路或电容放电驱动电路。
7.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，为了动态改变所述光束的发射功率电平，所述控制器进一步被配置为：
当所述垂直检测角度大于阈值角度时，降低所述发射功率电平。
8.根据权利要求7所述的光学传感系统，其特征在于，所述阈值角度基于所述光学传感系统相对于地面的高度和所述光学传感系统的阈值检测距离确定。
9.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，为了动态改变所述发射功率电平，所述控制器进一步被配置为：
确定各个所述垂直检测角度对应的光束的检测距离；以及
基于各个所述检测距离确定所述发射功率电平。
10.根据权利要求9所述的光学传感系统，其特征在于，所述检测距离基于所述光学传感系统相对于地面的高度和所述垂直检测角度确定。
11.根据权利要求9所述的光学传感系统，其特征在于，所述发射功率电平与所述检测距离的平方成正比。
12.根据权利要求1所述的光学传感系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置为基于所述接收器接收的光束确定所述物体的第一反射率，其中，所述发射功率电平与所述第一反射率和地面的第二反射率的比值成正比。
13.一种用于控制光学传感系统中的发射功率电平的方法，包括：
通过发射器以多个垂直检测角度发射光束以扫描物体；
通过控制器动态改变在各个所述垂直检测角度的所述光束的发射功率电平；以及
通过接收器检测所述物体返回的光束。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
当所述垂直检测角度大于阈值角度时降低所述发射功率电平，其中，所述阈值角度基于所述光学传感系统相对于地面的高度和所述光学传感系统的阈值检测距离确定。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述发射器进一步包括配置为发射所述光束的发射体和被配置为驱动所述发射体的驱动电路；
所述方法进一步包括：向所述驱动电路提供至少一个控制信号，以使所述驱动电路响应于所述至少一个控制信号向所述发射体提供变化的驱动电流，其中，所述变化的驱动电流与所述动态变化的发射功率电平成正比。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，动态改变所述发射功率电平进一步包括：
确定各个所述垂直检测角度对应的光束的检测距离；以及
基于各个所述检测距离确定所述发射功率电平。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述发射功率电平与所述检测距离的平方成正比，其中，所述检测距离基于所述光学传感系统相对于地面的高度和所述垂直检测角度确定。
18.一种用于控制光学传感系统中发射功率电平的控制装置，包括：
驱动电路，被配置为驱动所述光学传感系统的发射体发射光束，其中，所述光束以多个垂直检测角度发射；以及
控制器，被配置为控制所述驱动电路动态地改变在各个所述垂直检测角度发射的所述光束的发射功率电平。
19.根据权利要求18所述的控制装置，其特征在于，所述控制器进一步配置为向所述驱动电路提供至少一个控制信号，并且所述驱动电路被配置为响应于电压指令信号向所述发射体提供变化的驱动电流，其中，所述变化的驱动电流与动态变化的所述发射功率电平成正比。
20.根据权利要求18所述的控制装置，其特征在于，为了动态控制所述光束的发射功率电平，所述控制器进一步配置为：
确定各个所述垂直检测角度对应的光束的检测距离；以及
基于各个所述检测距离确定所述发射功率电平。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI121152B (fi) * 2006-12-22 2010-07-30 Abb Oy Menetelmä ja järjestely pyörimisliikkeen määrittämiseksi
WO2018044958A1 (en) * 2016-08-29 2018-03-08 Okeeffe James Laser range finder with smart safety-conscious laser intensity
US10114111B2 (en) * 2017-03-28 2018-10-30 Luminar Technologies, Inc. Method for dynamically controlling laser power
WO2019140792A1 (zh) * 2018-01-17 2019-07-25 上海禾赛光电科技有限公司 一种探测设备及其参数调整方法
US10884115B2 (en) * 2018-03-09 2021-01-05 Waymo Llc Tailoring sensor emission power to map, vehicle state, and environment
KR102182719B1 (ko) * 2018-03-29 2020-11-24 주식회사 에스오에스랩 라이다 스캐닝 장치
US20190310375A1 (en) * 2018-04-09 2019-10-10 Sense Photonics, Inc. Automatic gain control for lidar for autonomous vehicles
US11513196B2 (en) * 2018-09-28 2022-11-29 Waymo Llc Terrain adaptive pulse power in a scanning LIDAR

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