CN116097125A - 具有可单独寻址、可扫描和可集成的激光发射器的激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种用于探测距离信息的激光雷达(100)，包括：发射用于探测距离信息的激光束的发射模块(110)，该发射模块(110)包括沿垂直方向排列并分成多个组的第一激光发射器阵列，每个组具有单个半导体基底；扫描器(125)，被配置为使第一激光发射器阵列沿水平方向扫描；探测模块(130)，探测第一激光发射器阵列产生的返回激光束，并基于返回的激光束确定距离信息，其中发射模块(110)被配置为激活多个激光发射器用于并行扫描外部环境，并且所述多个激光发射器不超过所述第一激光发射器阵列的一半。

Description

具有可单独寻址、可扫描和可集成的激光发射器的激光雷达

技术领域

本公开总体上涉及一种用于进行距离测量的光探测和测距(激光雷达)系统。更具体地说，激光雷达系统能够通过使用具有有限激光发射器的发射模块生成外部环境的3D高密度点云。

背景技术

本文提供的背景描述是为了概括地呈现本公开的上下文。在此背景技术部分中描述的内容既没有明示也没有暗示承认是针对本公开的现有技术。

激光雷达已被广泛认为是自动驾驶车辆的关键和必不可少的技术。通过将激光束发射到环境中并检测环境中物体反射的返回光束，激光雷达系统可以实时生成大量表示环境形状的3D轮廓的距离测量数据，也称为点云，从而使自动驾驶车辆能够即时感知周围的障碍物。出于安全原因，自动驾驶车辆通常需要与任何给定视场的图像一样密集的点云。但是目前的激光雷达系统产生的点云的密度在垂直方向上只能达到128个检测通道(每个通道通常对应一个角视场，并有一个激光发射器)，这比普通相机的分辨率要稀疏得多(如沿垂直方向有1536个像素)。因此，目前的激光雷达系统在增加其点云密度方面还有很长的路要走。

激光雷达制造商已经尝试了一系列方法来增加点云的密度或沿垂直方向的线数。一些产品通过在产品中封装更多的激光发射器来增加检测通道的数量。然而，即使使用传统的半导体激光器，例如边缘发射激光器，这种方法也不可避免地会增加激光雷达系统的形状因数，因为传统的半导体激光发射器需要从半导体基底上切下，然后单独组装成印刷电路板。当大量激光发射器用于增加点云密度时，采用这种方法制作的激光雷达系统通常体积庞大且价格昂贵，两者都不适合汽车应用。

另一种增加点云密度的方法是使用机械扫描器将单个激光发射器产生的激光束引导到不同的方向，从而模拟多个激光器的效果。虽然这种方法可以用较少数量的激光发射器提高激光雷达的分辨率，但机械扫描器的使用使激光雷达系统的设计复杂化，增加了产品成本，并产生了额外的故障模式。

闪光激光雷达系统没有像相机那样的机械移动部件，并且具有其关键感测部件，例如激光发射器和光电探测器，它们是用商业代工工艺制造的，例如CMOS。这种方法有望使激光雷达系统的分辨率能力与半导体制造工艺的能力保持一致，许多人认为，这可以使分辨率不断提高。这种方法制成的可用激光雷达系统仍然存在许多缺点。例如，这种激光雷达系统通常具有激光发射器的2D阵列，其中包括数百个激光发射器。由于所有这些激光发射器都被激活以产生激光，因此激光雷达系统消耗大量电能，不适合与车辆一起使用。此外，这种激光雷达系统通常会同时激活所有激光发射器，以简化产品的操作。结果，因为在相似的时间接收到许多激光束，所以这些激光雷达系统在其光电探测器中经历了严重的串扰。

尽管目前有许多激光雷达系统可用，但它们的系统设计仍然没有可以平衡用于自动驾驶车辆的激光雷达系统的一系列关键要求，比如包括分辨率能力、功耗和形状因数。

发明内容

因此，激光雷达领域需要这样一种系统配置，其能够生成高密度的点云，成本低，外形尺寸小，测量时耗电量相对较小。本申请的一个目的是提供一种新的激光雷达系统，该系统能够以降低的功耗生成高密度点云。根据本申请的激光雷达系统可以具有大约128、256、512或甚至更多数量的通道的垂直分辨率能力。这种新型激光雷达系统的架构能够在不显著增加功耗的情况下增加垂直分辨率能力。在一个实施例中，本激光雷达系统包括以基本一维阵列布置的有限数量的激光发射器。激光发射器的数量大约由沿垂直方向的分辨率能力决定。例如，如果垂直分辨率能力由128个通道表示，则本激光雷达系统包括128个沿垂直方向排列的激光发射器，为一维阵列或二维排列。激光发射器可以通过单片工艺制造到单个半导体基底上，以降低成本、简化组装并增加测量点的密度。

在本申请中，垂直方向通常是指激光雷达系统的机械扫描器的旋转轴的延伸方向。水平方向是指与垂直方向正交的方向。在一个实施例中，根据本公开的激光雷达系统包括机械扫描器以沿水平方向扫描激光束，同时沿垂直方向电子地且顺序地激活激光发射器。在本公开中，垂直方向和水平方向也可以称为第一方向或第二方向。

激光雷达中使用的激光发射器能够单独寻址，其中激光发射器可以独立于其他激光发射器被激活或关闭。此外，一个或多个激光发射器沿其排列方向(例如垂直方向)的选择性的电激活是可行的，这降低了激光雷达系统的功耗和光电探测器之间的串扰。

激光发射器可以各自根据相应的激光配置产生激光束。例如，对于脉冲激光束，每个激光发射器可以产生独特的激光脉冲序列，该序列可以具有不同的脉冲数、脉冲宽度、功率和相邻脉冲之间的间隔。对于连续波激光束，激光配置可以定义连续波的频率和功率。此外，当激光发射器的预定子集被同时激活时，每个激光发射器的启动时间可以彼此随机偏移，例如几纳秒，以进一步区分各个激光束。这些特征将允许本激光雷达系统减少由同一系统或其他源产生的并发激光束引起的串扰。

根据本公开的新的激光雷达系统还可以包括探测模块，该探测模块具有以1D或2D阵列布置的多个光电传感器，用于探测反射的激光信号。多个光电传感器也可以通过单片制造工艺制成。多个光电传感器也可以单独寻址，从而允许它们适合于与激光发射器的各种布置一起工作。

根据一方面，本申请公开了一种用于探测距离信息的激光雷达。该激光雷达包括：发射模块，发射模块发射用于探测距离信息的激光束，该发射模块包括沿垂直方向布置并分成多个组的第一激光发射器阵列，每个组具有单个半导体基底；扫描器，被配置为使第一激光发射器阵列沿水平方向扫描；探测模块，探测第一激光发射器阵列产生的返回激光束，并根据返回激光束确定距离信息，其中发射模块配置成同时激活至少两个激光发射器，用于并行扫描外部环境，并且所述至少两个激光发射器数量不超过第一激光发射器阵列的一半。

根据各种实施例，其中发射模块被配置为在没有机械移动部件的帮助的情况下沿垂直方向电子扫描第一激光发射器阵列，根据减少由跨通道干扰引起的探测模块处串扰的发光模式沿垂直方向扫描第一激光发射器阵列，和/或顺序扫描每个组内的激光发射器，并且至少两个来自不同组的激光发射器一起被激活。

根据一个实施例，每个组内的激光发射器是可单独寻址的。

根据另一个实施例，激光雷达的垂直视场由第一激光发射器阵列的垂直视场形成。

根据另一个实施例，发射模块还包括作为第一激光发射器阵列的替代的第二激光发射器阵列。

根据各种实施例，相邻的组在垂直和水平上彼此偏移，激光发射器均匀分布在组内，激光发射器在组内不均匀地分布，或第一激光发射器阵列沿垂直方向不均匀地分布，和/或每组具有相同数量的激光发射器。

根据各种实施例，当至少两个激光发射器一起被激活时，每个被激活的激光发射器发射具有不同于其他同时被激活的激光发射器的激光配置的激光束。激光配置定义了用于单次距离测量的多个激光脉冲的参数。发射模块被配置为根据探测模块的探测结果实时调整激光配置。发射模块还被配置为调整激活的激光发射器的启动时间。

根据另一个实施例，扫描器包括转镜，其旋转频率低于第一激光发射器阵列的垂直扫描频率。旋转镜具有至少两个反射面。

根据另一个实施例，激光雷达还包括反射镜，该反射镜设置在扫描器和发射模块之间并且被配置为将发射模块产生的激光束引导至扫描器。反射镜的尺寸小于返回光束的光斑，使得返回的激光束的大部分通过反射镜的边缘区域绕过反射镜并入射到探测模块上。

根据另一方面，本申请公开了一种用于探测距离信息的激光雷达的方法。该方法包括沿垂直方向布置第一激光发射器阵列；将第一激光器阵列分成多个组，每个组具有多个耦合到基底的激光发射器；一起激活至少两个激光发射器以并行扫描外部环境，其中所述至少两个激光发射器不超过第一激光发射器阵列的一半；沿水平方向扫描第一激光发射器阵列；探测由第一激光发射器阵列产生的返回激光束；并根据返回激光束确定距离信息。

根据各种实施例，该方法还包括：在没有机械移动部件的帮助的情况下沿垂直方向电子地扫描第一激光发射器阵列，根据减少由跨通道干扰引起的探测模块处的串扰的发光模式沿垂直方向扫描第一激光发射器阵列，顺序扫描每个组内的激光发射器，和/或一起激活来自不同组的至少两个激光发射器。

根据各种实施例，该方法还包括在激光雷达中设置第二激光发射器阵列作为第一激光发射器阵列的替代，相邻组在垂直方向和水平方向上有偏移，在组内均匀排列激光发射器，和/或，将第一激光发射器阵列沿垂直方向非均匀排列，每组内设置相同数量的激光发射器。

根据各种实施例，当所述至少两个激光发射器一起被激活时，该方法进一步使每个被激活的激光发射器发射具有不同于其他被激活的激光发射器的激光配置的激光束，根据探测模块的探测结果实时调整激光配置，和/或调整激活的激光发射器的启动时间。

附图说明

通过结合附图对实施例的以下详细描述，本公开中阐述的各种实施例的上述和其他目的、特征和优点将更加明显。

图1图示了根据本申请的一些实施例的激光雷达系统的系统设计。

图2示出了根据本申请的一些实施例的激光雷达系统的配置。

图3a示出了根据本申请实施例的激光雷达系统的发射模块300的配置。

图3b示出了根据本申请实施例的发射模块的另一种配置。

图3c示出了根据本申请实施例的由多个激光发射器形成的垂直视场。

图4示出了根据本申请实施例的激光发射器的发光模式。

图5示出了根据本申请的实施例的由激光发射器产生的示例性激光脉冲序列。

图6示出了根据本申请实施例的激光雷达系统的发射模块的控制方法。

具体实施方式

本领域普通技术人员将意识到，以上简要说明和以下详细说明是对本公开中阐述的主题的示例性(即说明性)和解释，但并非旨在在各种实施方式中限制其或限定本公开可以实现的优点。

需要注意的是，在本公开中，特别是在权利要求和/或段落中，诸如“包含”、“被包含”、“包含有”等术语可以具有美国专利法中赋予它的含义；例如，它们可以表示“包括”、“被包括”、“包括有”等。

激光雷达系统概述

图1示出了根据本申请实施例的激光雷达系统100的系统设计。激光雷达系统100包括发射模块110、探测模块130、控制模块140和扫描模块120。发射模块110包括多个激光发射器，所述激光发射器配置成根据控制模块140提供的控制信号产生激光束。由激光发射器产生的激光束将被引导到激光雷达系统100外部的环境以探测环境中物体的距离和/或速度信息。激光发射器产生的激光束可以是连续的或脉冲的。多个激光发射器可以产生相同频率或不同频率的激光束。多个激光发射器中的每一个被配置为覆盖预定的视场，该视场可以根据所产生的激光束的特性确定，例如传输方向、光束尺寸和光束发散度。激光发射器的视场可以通过扫描器进行调整，并且多个激光发射器的组合视场形成激光雷达系统100的视场。一般来说，激光雷达系统100的视场可以以水平视场和垂直视场为特征。

所述多个激光发射器可以以一维阵列或二维阵列布置。根据一个实施例，阵列中的激光发射器可以单独寻址。与单独寻址激光发射器相关的进一步描述可以在2020年3月23日提交的、标题为“Adaptive emitters and receiver for Lidar systems”(“用于激光雷达系统的自适应发射器和接收器”)的美国专利第10,983,197号、序列号第16/827,293号中找到，其全部内容通过引用并入本文。尽管任何类型的激光发射器都可以用于发射模块110，但是优选地使用能够产生高功率激光束并且还被小型化的激光发射器，使得激光雷达系统可以具有长的探测范围和小的形状因数。例如，通过代工工艺(例如CMOS)由半导体材料制成的激光发射器是优选的，例如垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。

发射模块110可以包括被配置为控制发射器阵列中的多个激光器/发射器的驱动电路(图1中未示出)。根据一个实施例，发射模块110包括多个驱动电路，该驱动电路被配置为并行激活多个激光发射器的子集并且使该激光发射器的子集的每个或至少一部分发射独特的激光束，该独特的激光束被与其他激活的激光发射器不同。通过这种方式，可以减少由于并发激光束造成的串扰。所述多个激光发射器的子集可以表示至少两个激光发射器，但不超过所述多个激光发射器的总数的十六分之一、八分之一、四分之一或二分之一。

图1的激光雷达系统100还可包括用于探测被环境物体反射的返回激光束的探测模块130。如图1所示的探测模块130包括探测器阵列，例如可以是二维光电传感器阵列或一个线性光电传感器阵列。与激光发射器类似，光电传感器也可以单独寻址。与单独寻址光电传感器相关的进一步描述可在2020年3月23日提交的题为“Adaptive emitters andreceiver for Lidar systems”(“用于激光雷达系统的自适应发射器和接收器”)的美国专利第10,983,197号、序列号第16/827,293号中找到，其全部内容通过引用并入本文。光电传感器可包括一个或多个光电探测器。任何合适的光子敏感传感器都可以用作光电探测器，例如雪崩光电二极管(APD)和单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)。根据实施例，每个激光发射器与光电传感器中的相应一个配对。根据另一个实施例，每个激光发射器与多个光电传感器配对。根据另一个实施例，每个光电传感器可以与多个激光发射器配对。根据又一实施例，激光发射器和光电传感器之间的配对是动态的并且可基于探测结果的实时条件重新配置。根据又一实施例，光电传感器被布置成具有比激光发射器更大的尺寸的阵列。例如，光电传感器可以排列成2D阵列，而发射模块的激光发射器排列成1D阵列。

发射模块110和探测模块130耦合到控制模块140。控制模块140产生命令或控制信号给发射模块110和/或探测模块130，并接收探测模块130产生的输出信号。示例命令可包括激活或去激活选定的激光发射器子集、指定发射模块的击发(firing)模式、指定探测模块的探测模式以及确定激光发射器和光电传感器的其他操作参数的命令。控制单元130还可以从探测模块130接收传感器输出信号，以进一步处理输出信号，包括确定每个测量对应的距离。

激光雷达系统100可以包括可以使用软件、硬件或固件或其组合来实现的控制单元、函数、算法、操作、电路或方法。在一些实施例中，控制单元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。处理器可以设置在激光雷达系统100内部。或者，处理器可以在激光雷达系统外部但与激光雷达系统通信。处理器可以是能够执行特定指令集的单个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)。根据一些实施例，计算机可读指令可以被提供并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(压缩盘只读存储器)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。控制单元可以是与激光雷达系统通信的独立设备或系统。可替代地，控制单元可以是激光雷达系统的部件。本文公开的方法，例如响应实时条件生成发射模式和/或生成感测模式可以在硬件部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。

图1的激光雷达系统100还可以包括扫描器模块120，用于使激光发射器产生的激光束扫描外部环境，使得每个激光发射器可以具有多个视场。在没有扫描器模块120的情况下，激光发射器具有固定的视场。扫描器120增加了每个激光发射器的视场，从而允许激光雷达系统100使用有限数量的激光发射器来扫描外部环境的相对大得多的区域。例如，当激光发射器沿垂直方向以一维阵列排列时，它们的组合视场可能仅覆盖外部环境的狭窄垂直切片，不足以提供移动车辆前方区域的所需视场。它们也不能提供车辆周围完整的360度感知。当激光雷达系统100中包括扫描器模块120时，激光发射器的视场可以指向外部环境的各个位置。根据实施例，扫描器可以是将发射模块和探测模块一起围绕垂直轴旋转的致动器，从而产生激光雷达系统100的周围的视图(surround view)。例如，致动器可以是无刷电动机或任何其他类似的机构。根据另一个实施例，扫描器可以是振荡光学部件，例如MEMS反射镜。根据另一个实施例，扫描器可以是将激光束重定向到与撞击方向不同的方向的旋转光学部件。例如，旋转光学部件可以使激光发射器的光束沿水平方向扫描360度圆或部分圆。旋光光学部件可以包括棱镜、旋转镜、摆镜或它们的组合。

图2示出了根据本申请实施例的激光雷达系统100的示例性配置。图2中与图1相同的附图标记具有相同的含义，对于图2不再赘述。除了发射模块110、探测模块130、控制模块140和扫描模块120，图2的激光雷达系统100还示出了扫描器125、扫描器控制单元121、扫描器位置传感器123和多个光学部件，例如透镜组件161、165和反射镜163。如图2所示，发射模块120所产生的多条激光束11(由于它们在当前视角下相互重叠，因此看起来像是一束)首先通过透镜组件161(例如准直透镜、准直透镜组件)，用于准直和/或聚焦激光束11，然后穿过反射镜163中的孔。激光束11在穿过反射镜163的孔后入射在扫描器125的表面上，其改变激光束11的方向并将激光束11引导到外部位置。当物体位于激光束11的传播路径内时，它会反射激光束11。某些反射的激光束11会返回并入射在扫描器125上。返回的激光束131在被扫描器125偏转后，可以入射在围绕所述孔的反射镜163的表面上，然后穿过一个或多个光学部件165，使得返回的光束可以被引导，聚焦到探测模块130的光电传感器的有源区域上。在一个实施例中，激光雷达系统100可以包括任何其他合适的光学部件，例如更多的透镜、反射镜、滤光器(例如，带通或干涉滤光器)、孔隙、分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如，半波或四分之一波片)、衍射元件或全息元件、望远镜，用于调节输出激光束11，包括将输出光束11扩展、聚焦或准直为所需光束直径或发散度。根据实施例，用于调节返回激光束的一个或多个光学部件可包括例如一个或多个反射镜(例如，平面镜、凹面镜、凸面镜、抛物面镜)或透镜/透镜组件，以将返回的光束引导至探测器。

反射镜163被配置为允许信号光11通过，同时将返回的激光束131引导至探测模块130。反射镜163可以包括在中心区域处的允许激光束11通过的孔、槽或孔口11。由于返回光束131可能具有尺寸大于反射镜163的孔口的束斑，因此反射光束131可以至少部分地被反射镜163重定向。根据另一个实施例，返回光束131可以在被扫描器125引导之后立即被调节，从而返回光束131将基本上入射在反射镜163的反射表面上。接收到的光信号可以由探测模块130转换为电信号，探测模块130的输出可以由控制器140处理。

根据另一实施例，发射模块和探测模块可以相对于反射镜163切换它们各自的位置，使得激光束11被反射镜163反射然后入射在扫描器120上，而返回光131通过反射镜163的孔口，然后到达光电传感器。根据另一实施例，当反射镜163用于改变输出光束11的方向时，反射镜163被配置为具有小表面积而没有中心孔口或孔。因为输出光束12通常被准直为小光束尺寸，它们可以被引导到反射镜163的小的中心区域。同时，返回光束，在行进长距离之后，通常具有大的光束尺寸，使得返回激光束131的大部分可以使用反射镜163的外围区域作为旁路。以此方式，反射镜163的小中心区域造成的任何阻挡都不会影响返回激光束的可探测性。

根据一个实施例，扫描器125可以被配置为使输出光束11沿着与激光发射器的排列的纵向不同的方向进行扫描。例如，扫描器125可以使激光束沿水平方向扫描，而激光发射器被配置为沿垂直方向排列。根据另一实施例，扫描器125可被配置为沿两个方向扫描输出光束11，例如垂直方向和水平方向。在一些实施例中，扫描器125可包括一个或多个扫描镜，其被配置为围绕一个或多个轴以一定角度方式旋转、摆动、倾斜、枢转或移动。扫描镜可以具有一个以上的反射面。根据一个实施例，扫描器可以使用至少一个被驱动而绕一个轴旋转的转镜，其可以具有在5Hz到200Hz范围内的可调旋转频率。根据一个实施例，当扫描器125的每次旋转都需要更密集的测量时，可以降低旋转频率以允许对视场进行更密集的测量。根据一个实施例，还可以增加激光发射器的激活频率。根据另一实施例，扫描器120可以是振荡频率在100Hz到10,000Hz之间的谐振镜。

扫描器125可以是任何合适的致动器或机构，例如振镜扫描器、压电致动器、多边形扫描器、旋转棱镜扫描器、音圈电机、电动机(例如，DC电机、无刷DC电机、同步电动机或步进电机)，或微机电系统(MEMS)设备等。

根据一实施例，扫描器125可包括产生用于扫描器125的驱动信号的扫描器控制单元121。在一些情况下，扫描器125还可包括一个或多个位置传感器123，其被配置为探测扫描器的角位置和/或角运动。位置信号150可被传送到控制器140以确定扫描器125的操作参数。任何合适的传感器可用于检测扫描镜的运动或角位置。例如，可以使用压阻、光电探测器、光学位置传感器(OPS)、位置敏感检测器(PSD)或其他传感器来感测运动或位置。在一些情况下，PSD可以用于测量扫描器125的角位置。根据一个实施例，位置传感器123产生的位置信号150也可以由控制模块140使用来协调激光扫描器的激活以及扫描器125的运动，从而调整激光雷达系统的视场中的测量或点云的分布或分辨率。

发射模块的配置

根据本申请的发射模块包括适用于沿单一维度进行电子扫描(“1D固态电子扫描”)的固态发射器的配置。该配置包括沿第一方向例如视场的垂直方向布置的多个固态激光发射器。所述多个固态激光发射器的数量由第一方向的视场和分辨率决定。在测距过程中，所述多个激光发射器依次被电激活或关闭以照射沿第一方向的整个视场，而第二方向的视场的扫描通过另一种机制实现，例如机械式旋转。所述多个激光发射器沿第一方向的布置可以是任何形状，例如一维阵列、具有基本一维形式的多列、二维矩阵或符合分辨率要求的任何其他形状。此外，所述多个激光发射器沿激光雷达系统的传输光学器件的焦平面设置，以产生准直良好的激光束。使用1D固态电子扫描，激光雷达系统可以逐切片地扫描其外部环境，并且只需要足够的激光发射器来覆盖一个方向的视场。因此，这种激光雷达系统在为特定应用定制激光发射器的布置、控制成本和降低系统功耗方面具有更大的灵活性。

图3a示出了根据本申请实施例的激光雷达系统的发射模块300的配置。发射模块300包括多个激光发射器LE1……LE15、多个驱动电路D1……D6和半导体基底301。根据一个实施例，所述多个激光发射器LE1……LE15和所述多个驱动电路D1……D6通过单片(monolithic)制造工艺集成到同一半导体基底301中。例如，VCSEL激光发射器和驱动电路都可以通过半导体加工技术制造并集成到同一基底上。根据另一实施例，激光发射器LE1……LE15中的每个具有其自己的半导体基底301，然后所有激光发射器LE1……LE15沿垂直方向安装。

根据一个实施例，激光发射器LE1……LE15或多组激光发射器LE1……LE15形成激光雷达的整个垂直视场。一般而言，本领域普通技术人员可以将激光发射器的数量理解为激光雷达系统的通道数或线数，它决定了激光雷达系统的分辨率。如图3c所示，激光发射器LE1……LE15被配置为经由光学系统340沿着不同的角度方向将激光束传输到外部环境中。如图3c所示，垂直视场(VFOV)342表示所述多个激光发射器的垂直角度覆盖。例如，两个最靠外的激光束344和346之间的角区域代表由激光发射器LE1至LE15覆盖的垂直视场。显然，对于固定的角度区域，在两束光束344和346之间设置的激光束数量越多，两束相邻激光束之间的角度间隔越小，沿垂直视场的分辨率越高。当视场需要更密集的激光束时，通常使用更多的激光发射器，无论是否使用扫描器。当使用二维激光发射器阵列来产生激光束时，这种传统方法存在缺陷。具体来说，沿任何一个方向提高分辨率都需要增加几行或几排激光发射器，这可能会大大增加激光雷达系统的成本。

根据另一实施例，如图3a所示的激光发射器LE1……LE 15代表发射模块的激光发射器的子集并形成单个照射组(bank)，其可由一个或多个驱动电路控制。根据本申请的激光雷达系统可以具有多个照射组。使用组来控制激光发射器可以简化组装过程，允许更灵活地排列激光发射器，并减少串扰。将关于图3b提供关于照射组的进一步描述。

如图3a中所示的多个激光发射器LE1……LE15根据预定分布模式以1D阵列布置。例如，图3a显示激光发射器LE1……LE15沿垂直方向非均匀排列。通常，VFOV的中心区域代表车辆行驶方向上的区域，需要更高的分辨率，而VFOV的边缘区域代表车辆行驶路径上方或下方的区域，可具有低于中央区域的分辨率。因此，被设计为覆盖VFOV的边缘区域的激光发射器LE1、LE2和LE3比被设计为覆盖VFOV的中央区域的激光发射器LE6至LE9(未示出)的布置更稀疏。因此，激光发射器LE1至LE3之间的间距(相邻激光发射器之间的间隔)大于激光发射器LE6至LE9的间距。激光发射器LE3至LE6的间距落在LE1至LE3的间距与LE6至LE9的间距之间。根据另一个实施例，激光发射器可以根据适合于特定应用的任何分布模式来布置。例如，所述多个激光发射器可以均匀地分布在照射组上。根据另一个实施例，取决于应用，边缘区域可以具有更高的分辨率。例如，在航空应用中，无人机等飞机下方的区域可能需要更高的分辨率，并且应该具有密集分布的激光发射器。所述多个激光发射器LE1……LE15只是一个示例，激光发射器的总数可以超过15个，例如128个或256个或512个，甚至更多。

虽然图3a示出了激光发射器沿垂直方向形成一维阵列，但是激光发射器可以排列成多列(尤其是当沿垂直方向的激光发射器的数量大于20时)，其中每列沿水平方向具有偏移。例如，激光发射器LE1……LE15可具有两列。第一列由激光发射器LE1-LE3(照射组320)、LE10-LE12(照射组324)形成，第二列由LE4-LE9(照射组322)、LE13-LE15(照射组326)形成，类似于图3b中显示为第一阵列328的设置。两列具有较小的水平偏移，例如激光发射器LE1至LE3之间的间距，但仍显示大致的一维排列。垂直维度和水平维度之间的纵横比可用于确定激光发射器是否形成一维阵列。例如，当激光发射器形成的形状的纵横比大于3时，可以认为激光发射器形成一维阵列。

与传统技术不同，本申请中阐述的激光雷达系统不需要二维阵列的激光发射器来生成点云。根据本申请的一个实施例，激光雷达系统可以将一维阵列的激光发射器与扫描器结合以覆盖所需的二维视场。本申请的激光雷达系统中包括的激光发射器的数量可以与激光雷达系统的通道或线的数量大致相同。例如，如果VFOV为60度，分辨率为0.3度，则激光雷达系统中包含的激光发射器数量为200个(60/0.3＝200)。在另一个示例中，如果VFOV为60度，分辨率为0.1度，则激光雷达系统中包含的激光发射器数量为600个(60/0.1＝600)。除了用于探测环境距离信息的激光发射器之外，本申请的激光雷达系统还可以包括用于各种目的的另外的激光发射器。例如，可以包括更多的激光发射器用于自我诊断、校准或测量背景光。在另一个示例中，可以包括附加的激光发射器用于探测近场区域(例如在激光雷达系统几米内的区域)中物体的距离信息。这些附加的激光发射器可以与用于测量距离的那些激光发射器相邻设置，并且不会改变激光发射器的大致一维排列。根据本申请的另一个实施例，激光雷达系统可以包括冗余激光发射器，当其他激光发射器发生故障时，该冗余激光发射器将用作备用发射器。例如，激光发射器的数量可使通道或线的数量增加一倍，并被分成两个一维阵列：第一一维阵列用于距离测量，而第二一维阵列用作冗余源。这样，当第一阵列中的激光发射器出现故障时，激光雷达系统可以激活第二阵列中的冗余激光发射器。将基于图3b提供与冗余激光发射器相关的更详细描述。

根据另一实施例，发射模块300的激光发射器可被单独控制或成组被控制。驱动电路302、316可以控制一个或多个激光发射器。根据一个示例，驱动电路可以控制一组激光发射器，这可以减少发射模块的驱动电路数量，简化控制操作。如图3a所示，发射模块300包括6个驱动电路和15个激光发射器。因此，驱动电路D1被配置为控制激光发射器LE1和LE2；驱动电路D2被配置为控制激光发射器LE3-LE5；驱动电路D3被配置为控制激光发射器LE6-LE9。

图3b示出了根据本申请实施例的发射模块303的另一种配置。发射模块303具有支撑结构339、由多个激光器组320、322、324和326形成的第一激光发射器阵列328、第二激光发射器阵列338、以及多个驱动电路302……316，所述支撑结构339例如印刷电路板。第一激光发射器阵列328代表沿着垂直视场产生所需分辨率所需要的那些激光发射器。例如，如果垂直方向需要128个通道或线，则第一阵列328中包括128个激光发射器。第二激光发射器阵列338被包括在发射模块中，作为第一阵列328的备用激光发射器。根据一个实施例，第一阵列328中的每个激光发射器在第二阵列338中具有成对的激光发射器，并且第二阵列的视场与第一阵列328的视场基本相同。

根据一个实施例，第一阵列328中的多个激光发射器进一步设置在多个组320…326上，其中每个组具有单个半导体基底。例如，发射模块303具有用于第一阵列的128个激光发射器，并且这128个激光发射器可以被划分并设置在四个组320、322、324和326上，每组具有集成到单个基底上的32个激光发射器。根据另一个实施例，128个激光发射器中的每一个都可以具有自己的半导体基底，然后将激光发射器组安装以形成组。使用单独的组来容纳和控制激光发射器有很多好处。首先，通过仅容纳激光雷达系统的激光发射器的一个子集，一个组比一个容纳所有激光发射器的单个组具有更短的尺寸，并且可以减少由热循环引起的激光发射器指向方向的偏移。此外，使用多个较小的组允许以更大的灵活性布置在PCB 339上。如图3b所示，四个组320、322、324和326中的每一个在设置在PCB上时都可以具有各自的水平和垂直间距，它们可能彼此相同也可能不同。

根据一个实施例，每组激光发射器320、322、324和326可以具有相同数量的激光发射器和相同的激光发射器间间距，以产生均匀分布的视场。根据另一个实施例，当需要沿垂直视场非均匀分布的激光发射器时，可以将组320、322、324和326设置在具有重叠区域的PCB上以产生激光发射器的非均匀分布。根据另一个实施例，每组激光发射器可以具有不同间距的不同数量的激光发射器，从而提供更大的灵活性以产生激光发射器的非均匀分布并因此产生非均匀的VFOV。

如图3b所示，发射模块303还包括由组330、332、334和336形成的第二激光发射器阵列338。由于第二激光发射器阵列338的旨在用作第一阵列328的替代，组330的激光发射器被配置为具有与组320的激光发射器基本相同的视场。类似地，组332、334和336分别具有与组322、324、326相似的视场。因为激光发射器往往在激光雷达系统的其他部件之前发生故障，所以第二和冗余激光发射器阵列338可以在需要任何修理或更换之前延长激光雷达的使用寿命。

如图3b所示，发射模块303还具有多个驱动电路302、304、……、316，用于驱动多组的激光发射器。驱动电路能够单独控制每组中的每个激光发射器。根据一个实施例，激光发射器组和驱动电路具有一一对应关系。由于激光发射器是可单独寻址的，因此它们可以由驱动电路顺序地驱动或以任意组合驱动。根据另一个实施例，每个组可以由两个或更多个驱动电路控制。这样，当同一组的多个激光发射器同时被激活时，每个都可以根据不同的驱动电路产生光脉冲。

驱动电路302、304、……316中的每一个都能够使受控激光发射器产生独特的激光束模式。根据一个实施例，每个驱动电路存储用于产生激光脉冲的多个脉冲配置(profile)。脉冲配置指定了激光脉冲的多个参数。激光脉冲的参数可以包括脉冲数、每个脉冲的功率和宽度、相邻脉冲之间的间隔等。激光脉冲的配置可以根据从探测模块获得的探测结果或来自其他传感器或模块的数据输入(例如天气、交通状况、GPS位置和车速)针对每次测量进行切换或动态调整。根据另一实施例，驱动电路还能够调整激活所述激光发射器的启动时间，进一步区分每个激光发射器产生的激光脉冲。当激光发射器产生的激光束具有自己独特的模式时，可以大大减少并发激光束对探测模块造成的跨通道干扰。

激光发射器的操作

A.激光发射器的选择性激活

本申请的发射模块被配置为并行激活多个激光发射器。不同于其他为方便起见激活整行激光发射器列或全部激光发射器的方法，发射模块选择性地激活多个激光发射器以减少由于交叉通道干扰而可能在探测模块处发生的串扰。在图4所示的一个示例中，本申请的发射模块可以激活每组中的一激光发射器。例如，组320中的激光发射器400、组322中的激光发射器403、组324中的激光发射器404和组326中的激光发射器406基本上同时被激活并分别产生激光束410、412、414和416。由于激光发射器400、402、404和406的视场具有大的分离度并且几乎没有重叠，它们的返回激光束在光电传感器上将几乎没有重叠或完全没有重叠，因此减少了探测模块处的串扰。根据一个实施例，发射模块基于激光发射器产生的激光束的传输方向来选择要并行激活的激光发射器。根据一个实施例，发射模块基于这些激光发射器之间的距离来选择要并行激活的激光发射器。因此，发射模块不需要从每一组中只选择一个激光发射器并行激活。发射模块可以激活同一组的多个激光发射器，只要这些激光发射器没有重叠的视场或物理上相隔很远。此外，相邻时间发射光的激光发射器不应有重叠的视场或尽可能远。

根据一个实施例，并行激活的激光发射器的数量被设置为不超过沿预定方向(例如垂直方向)产生分辨率所需的激光发射器的总数的八分之一，或不超过其十六分之一，或不超过其三十二分之一。例如，当垂直分辨率需要128个激光发射器时，并行激活的激光发射器可以不超过16、8或4个激光发射器，分别对应128个激光发射器中的1/8、1/16或1/32个激光发射器。预定方向可以理解为发射模块对其激光发射器进行电子扫描的方向。例如，图3a和4所示的激光发射器可沿垂直方向以电子方式依次激活，同时使用机械致动沿水平方向扫描它们。在这种配置中，垂直方向代表预定方向。

由于激光发射器以基本上的1D阵列布置，因此它们可以沿着垂直方向照射狭窄的视场，并且可以使用水平扫描来扩大本申请的激光雷达系统的视场。根据一个实施例，水平方向的扫描由机械扫描器实现，例如电机或转镜。水平方向的扫描频率可以在5到20Hz之间，这比垂直扫描的频率慢，垂直扫描的频率可以比水平扫描快10倍、100倍、200倍、500倍或1000倍或2000倍或3000倍。

根据一个实施例，可以根据发光模式激活激光发射器。发光模式定义了激光发射器的发光频率和顺序，并可根据探测结果实时调整。例如，激光发射器可以首先根据预定的发光模式被激活。在探测到感兴趣区域例如车辆前方的障碍物时，控制模块可以指示覆盖所述感兴趣区域的激光发射器以更高频率激活以生成更密集的数据点。在另一示例中，当检测到移动物体时，控制模块可以配置激光发射器的发光顺序以生成用于移动物体的更多数据点。

B.由每个激光发射器产生的独特激光束

本申请的发射模块可以实施额外的措施以减少由相同激光雷达系统或其他照射源产生的并发激光束引起的干扰。根据一个实施例，对于并行激活的激光发射器，它们中的每一个或至少一部分可以产生独特的或不同的激光配置，使得探测模块可以依赖独特的激光配置来确定探测到的返回激光束是否从正确的通道传输。例如，当四个激光发射器如图4所示被致动时，驱动电路可以使每个激光发射器根据四种不同的激光配置产生激光束。如前一节所述，激光配置可包括用于不同类型激光束的参数。对于脉冲激光束，激光配置使用诸如激光脉冲数、每个脉冲的宽度、每个脉冲的功率和相邻脉冲之间的时间间隔等参数来定义生成的激光脉冲。对于连续波激光束，频率和幅度用于定义激光波。

图5示出了根据本申请的实施例的由激光配置定义的示例性激光脉冲序列。激光脉冲序列500包括三个脉冲502、504、506。虽然图5仅示出了三个脉冲，但是更多或更少数量的脉冲可以由激光配置定义。激光配置可以进一步定义每个激光脉冲的峰值功率P502、P504和P506。根据一个实施例，第一脉冲506可以具有比后续脉冲502和504低的功率P506，后续脉冲502和504可以具有类似的峰值功率。相邻脉冲之间的时间间隔Δt1和Δt2也可以通过激光配置进行调整。例如，脉冲506和脉冲504之间的时间间隔Δt2比脉冲504和脉冲502之间的时间间隔Δt1短。此外，每个脉冲的宽度也可以通过激光配置进行调整。通过调整这些参数，激光配置可以为激光发射器产生的脉冲序列定义许多模式，从而确保这些同时出现的激光束中的每一个都具有独特的配置，并且可以与其他激光束区分开来。

发射模块的操作

图6示出了根据本申请实施例的激光雷达系统的发射模块的控制方法。控制方法600开始于启动和自诊断步骤602，在此期间，向驱动电路提供电能并且发射模块经历自诊断过程。自诊断旨在发现发射模块的任何设备问题或故障，例如每个激光发射器的功率水平和可操作性。当自诊断步骤没有报告任何问题时，发射模块在步骤604向控制模块发送消息并从其他传感器接收控制信号和数据。控制信号可以包括沿垂直视场的扫描频率和要并行激活的激光发射器的数量。来自其他传感器的数据可包括温度、天气状况和背景光水平。在步骤606，发射模块确定激光发射器的发光模式和每个激光发射器的激光配置。在步骤608，发射模块以预定的偏移(例如1ns、2ns、3ns、4ns和5ns)随机调整每个激光发射器的启动时间。在步骤610，根据在步骤608确定的发光模式、激光配置和启动时间来激活激光发射器。在激活第一组激光发射器之后，在步骤614中确定是否需要停止发射激光束。若接收到停止信号，则控制方法进入步骤620，停止激光发射器发射激光束。根据一个实施例，可以在所有激光发射器已经被激活之后实施步骤614。

在步骤616，根据实时探测结果调整发光模式和激光配置。根据一个实施例，可以基于探测结果确定感兴趣区域，例如视场中的障碍物，并且可以将更多激光束引导到感兴趣区域以获得更密集的测量。根据另一实施例，所发射的激光脉冲的功率被调整以增加信噪比、避免把探测器弄瞎(blind)或避免对人眼的任何潜在伤害。当前通道的激光功率的调整可以基于前一个通道的探测结果，可以是相同通道也可以是不同通道。由于激光发射器沿垂直方向的电子扫描的循环周期非常短，例如200us或100us甚至更短，因此无论是同一通道的探测结果还是在当前通道之前被激活的通道的探测结果都可以指示当前通道要探测的物体信息。当使用同一通道的探测结果调整激光功率时，需要在一或两个循环周期内从当前通道获得探测结果。当使用不同通道的探测结果时，这两个通道的视场之间的分离度需要在预定阈值内，例如沿垂直方向0.5度、1度或2度。可用于调整激光功率的探测结果参数包括范围、反射率、背景光水平、光电探测器的饱和水平等等。一旦调整了发光模式和激光配置，过程就进行到步骤608以继续激活激光发射器。

本申请中用于存储可执行程序的非暂态存储介质可以包括任何适合存储数字数据的介质，例如磁盘、光盘、磁光盘、闪存或EEPROM、SDSC(标准容量)卡(SD卡)或半导体存储器。存储介质还可以具有接口，用于与另一个电子设备耦合，使得存储在存储介质上的数据可以被其他电子设备访问和/或执行。

虽然已经结合上面概述的特定实施例描述了本发明，但是很明显，对于本领域的普通技术人员来说，许多替代、修改和变化将是显而易见的。因此，如上所述的本发明的实施例旨在说明而非限制。在不脱离如以下权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。

Claims (30)

1.一种用于探测距离信息的激光雷达系统，包括：

发射模块，其发射激光束以探测距离信息，并且包括第一激光发射器阵列，所述第一激光发射器阵列沿垂直方向排列并分布为多个组，其中所述发射模块沿垂直方向进行电子扫描；

机械扫描器，其被配置为使所述第一激光发射器阵列沿水平方向扫描；以及

探测模块，其探测因所述第一激光发射器阵列产生的返回激光束并基于返回激光束确定距离信息，

其中，所述发射模块被配置为并行地激活多个激光发射器以探测外部环境，并行发光的发射器不超过所述第一激光发射器阵列总数的一半。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述垂直扫描频率是所述水平扫描频率的至少100倍。

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，所述发射模块还被配置为根据发光模式沿垂直方向扫描所述第一激光发射器阵列，所述发光模式降低由并行激光束引起的串扰。

4.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，所述发射模块被配置为按顺序地进行每组内的激光发射器的扫描。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，每个组内的激光发射器可单独寻址。

6.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光雷达系统的垂直视场由所述第一激光发射器阵列形成。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，还包括作为所述第一激光发射器阵列的替代的第二激光发射器阵列。

8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，相邻的组彼此相对在垂直方向和水平方向上均有偏移。

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，在一个组内，激光发射器相对均匀分布，且所述第一激光发射器阵列内的所有激光器沿垂直方向构成非均匀地分布。

10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，在一个组内，激光发射器相对非均匀地分布，且所述第一激光发射器阵列内的所有激光器沿垂直方向构成非均匀地分布。

11.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，每个组具有相同数量的激光发射器。

12.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，当多个激光发射器并行激活时，至少其中一个被激活的激光发射器根据激光配置发射独特的不同于其他激光发射器的激光束的激光束。

13.根据权利要求12所述的激光雷达系统，其中，所述激光配置定义用于单次距离测量的激光脉冲序列的参数。

14.根据权利要求13所述的激光雷达系统，其中，所述发射模块被配置为基于所述探测模块的探测结果实时调整所述激光配置。

15.如权利要求12所述的激光雷达系统，其中，所述发射模块还配置成调整激活的激光发射器的发光起始时间。

16.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述扫描器包括转镜。

17.根据权利要求16所述的激光雷达系统，其中，所述转镜具有至少两个反射面。

18.根据权利要求1所述的激光雷达系统，还包括反射镜，所述反射镜设置在所述扫描器和所述发射模块之间，并被配置为将由所述发射模块产生的激光束引导至所述扫描器。

19.根据权利要求18所述的激光雷达系统，其中，所述反射镜的尺寸小于返回光束的光斑，使得返回的激光束的大部分通过反射镜的边缘区域绕过所述反射镜并入射到所述探测模块上。

20.一种用于探测距离信息的激光雷达的方法，包括：

沿垂直方向设置第一激光发射器阵列；

将所述第一激光发射器阵列分成多个组；

并行激活多个激光发射器以扫描外部环境，其中所述多个并行发光的激光发射器的数量不超过所述第一激光发射器阵列总数的一半；

沿水平方向扫描所述第一激光发射器阵列；

探测因所述第一激光发射器阵列产生的返回激光束；以及

基于返回的激光束确定距离信息。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括在没有机械移动部件辅助的情况下沿垂直方向电子扫描所述第一激光发射器阵列。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括根据发光模式沿垂直方向扫描所述第一激光发射器阵列，所述发光模式降低由并行激光束引起的串扰。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括按顺序地进行每个组内的激光发射器的扫描，并且并行地激活来自不同组的至少两个激光发射器。

24.根据权利要求20所述的方法，还包括在所述激光雷达系统中布置第二激光发射器阵列作为所述第一激光发射器阵列的替代。

25.根据权利要求20所述的方法，在垂直方向和水平方向上偏移相邻的组。

26.根据权利要求25所述的方法，将激光发射器相对均匀地布置在组内，并且沿着垂直方向非均匀地布置所述第一激光发射器阵列。

27.根据权利要求20所述的方法，在每个组内设置相同数量的激光发射器。

28.根据权利要求20所述的方法，还包括，当所述至少两个激光发射器一起被激活时，使每个被激活的激光发射器发射具有与其他被激活的激光发射器不同的激光配置的激光束。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括基于所述探测模块的探测结果实时调整所述激光配置。

30.根据权利要求28所述的方法，还包括调整所述激活的激光发射器的发光起始时间。

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