CN117348018A - 使用高频脉冲射击的高分辨率LiDAR - Google Patents

使用高频脉冲射击的高分辨率LiDAR Download PDF

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Abstract

根据一些实施例，光检测和测距(LiDAR)扫描系统包括光源。该光源被配置成发射光脉冲。LiDAR扫描系统还包括波束控制装置，该波束控制装置被配置成沿着光路而垂直地和水平地中的至少一个来控制光脉冲。波束控制装置进一步被配置成同时收集基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的散射光。散射光与光路同轴或基本同轴。LiDAR扫描系统进一步包括光会聚装置，该光会聚装置被配置成将所收集的散射光引导到焦点。LiDAR扫描系统进一步包括光检测器，该光检测器基本上位于焦点处。在一些实施例中，光检测器可以包括检测器或检测器元件的阵列。

Description

使用高频脉冲射击的高分辨率LiDAR
本申请是基于申请日为2018年01月05日、申请号为201880005907.3、发明名称为“使用高频脉冲射击的高分辨率LiDAR”的中国发明专利申请的分案申请。
本申请要求保护在2017年1月5日提交的题为“HIGH FOLUTION LiDAR USING HIGHFREQUENCY PULSE FIRING”的美国临时专利申请No.62/442,912、以及在2017年12月28日提交的题为“HIGH RESOLUTION LiDAR USING HIGH FREQUENCY PULSE FIRING”的美国非临时专利申请No.15/857,563的优先权，这些专利申请的内容由此通过引用整体地结合于本文。
技术领域
本公开一般涉及光检测和测距(LIDAR)系统，并且更具体地涉及用于在使用高频脉冲生成和检测的视场中实现高分辨率的系统和方法。
背景技术
LiDAR系统可以被用来测量物体与系统之间的距离。具体地，该系统可以发射信号(例如，使用光源)、记录返回的信号(例如，使用光检测器)，并且通过计算返回的信号与发射的信号之间的延迟来确定距离。
发明内容
下面的内容呈现了一个或多个示例的简化概述，以便提供对本公开的基本理解。该概述不是对全部预期示例的广泛综述，并且既不意图标识全部示例的关键或重要元素，也不意图描绘任何或全部示例的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个示例的一些构思，作为下面呈现的更详细描述的序言。
根据一些实施例，光检测和测距(LiDAR)扫描系统可以包括光源。该光源被配置成发射一个或多个光脉冲。LiDAR扫描系统还可以包括波束控制装置，该波束控制装置被配置成沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光脉冲。波束控制装置进一步被配置成同时收集基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的散射光。该散射光可以与光路同轴或基本同轴。LiDAR扫描系统可以进一步包括光会聚装置，该光会聚装置被配置成将所收集的散射光引导到焦点或平面。LiDAR扫描系统可以进一步包括光检测器，其可以被设置在焦点或平面处或被设置在焦点或平面的附近。在一些实施例中，光检测器可以包括检测器或检测器元件的阵列。LiDAR扫描系统可以进一步包括电耦合到光源和光检测器的电处理和计算设备。该电处理和计算设备可以被配置成确定从LiDAR到物体的距离。可以基于发射光脉冲与检测到对应的散射光之间的时间差来确定到物体的距离。在一些实施例中，连续光脉冲的时间间隔可以小于光脉冲根据LiDAR系统规范到达预定距离中的最远物体的往返时间。因此，返回光脉冲(例如，散射光)可以按如下次序到达光检测器：该次序与LiDAR系统发射对应光脉冲的次序不同。在一些实施例中，可以使用检测器元件阵列和/或使用编码信号来区分这些脉冲中的每一个。
根据一些实施例，提供了一种光检测和测距(LiDAR)扫描系统。该系统包括：光源，其被配置成发射光脉冲；波束控制装置，其被配置成沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光脉冲；光检测器，其耦合到波束控制装置；以及电处理器和计算机设备，其电耦合到光源和光检测器。光检测器包括多个检测器元件，并且被配置成检测基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的散射光。电处理器和计算机设备被配置成：获得散射光的位置分布；基于所获得的位置分布，获得与波束控制装置的移动有关的数据；以及基于所获得的数据，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联。
根据一些实施例，一种用于操作光检测和测距(LiDAR)系统的计算机实现的方法，该LiDAR系统包括光源、波束控制装置以及具有多个检测器元件的光检测器，该方法包括：利用光源来发射光脉冲；利用波束控制装置，沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光脉冲；利用光检测器来检测基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的散射光；获得散射光的位置分布；基于所获得的位置分布，获得与波束控制装置的移动有关的数据；以及基于所获得的数据，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联。
附图说明
为了更好地理解各种所描述的方面，应当结合以下附图来参考下面的描述，在附图中相同的附图标记遍及附图指代对应的部分。
图1图示了常规的LiDAR扫描系统。
图2A图示了根据本公开的示例的示例性LiDAR扫描系统。
图2B图示了根据本公开的示例的示例性波束控制装置。
图3图示了根据本公开的示例的包括检测器或检测器元件的阵列的示例性光检测器。
图4图示了根据本公开的示例的另一个示例性LiDAR扫描系统。
图5图示了根据本公开的示例的包括检测器或检测器元件的阵列的另一个示例性光检测器。
具体实施方式
一种类型的LiDAR系统生成短的光脉冲，将其准直成窄波束，并且将其发送到视场中的方向。如果光脉冲到达物体，则由检测器收集散射光，并且可以根据脉冲从LiDAR发射的时间和散射光脉冲到达LiDAR的检测器的时间来计算散射斑的距离。通过波束控制机构，光束的方向可以在视场中光栅化(raster)。在2016年12月31日提交的题为“CoaxialInterlaced Raster Scanning System for LiDAR”的美国临时专利申请No.62/441,280(代理人案卷号77802-30001.00)、以及在2017年9月29日提交的题为“2D Scanning HighPrecision LiDAR Using Combination of Rotating Concave Mirror and BeamSteering Devices”的美国非临时专利申请No.15/721,127中详细描述了示例性波束控制机构或装置，这些专利申请的内容出于所有目的由此整体地结合于本文。
为了实现更高的角分辨率，以高频率(即，以更小的时间间隔)发出光脉冲并且检测返回光脉冲(例如，散射光)是合期望的。然而，为了区分由连续光脉冲生成的返回信号，连续光脉冲之间的最短时间间隔受限于光脉冲往返行进到针对其设计LiDAR的最远距离所花费的最大时间。如图1中所示，在发射了针对波束方位M的光脉冲之后，发射针对波束方位M+1的光脉冲。然而，散射了之后发射的针对波束方位M+1的光脉冲的物体B比散射了之较早发射的针对波束方位M的光脉冲的物体A更靠近LiDAR系统。因此，如果针对波束方位M+1的光脉冲在散射光N返回之前被发射，则针对波束方位M+1的光脉冲可以在针对波束方位M的光脉冲(作为散射光N)返回之前(作为散射光N+1)返回。因此，难以关于哪个返回信号对应于哪个散射光(例如，来自物体A还是物体B的散射光)在返回信号之间进行区分。
以下结合附图阐述的详细描述意图作为各种配置的描述，而不意图表示在其中可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。详细描述包括用于提供对各种概念的透彻理解的目的的具体细节。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出了公知的结构和组件，以便避免使这样的概念晦涩难懂。
现在将参考装置和方法的各种元件呈现LiDAR扫描系统的示例。这些装置和方法将在以下详细描述中描述，并且在附图中通过各种框、组件、电路、步骤、过程、算法等(统称为“元件”)来说明。这些元件可以使用电子硬件、计算机软件或其任何组合来实现。这样的元件被实现为硬件还是软件取决于施加于总体系统的特定应用和设计约束。
本公开描述了一种LiDAR扫描系统，其能够在垂直或水平方向中的至少一个方向上扫描光束并且以高频率(即，以小的时间间隔)发射光脉冲以在视场中实现高分辨率。
在示例的以下描述中，对形成其一部分的附图进行参考，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践的具体示例。要理解的是，可以使用其他示例，并且可以在不偏离所公开示例的范围的情况下做出结构改变。
尽管以下描述使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应当受限于这些术语。这些术语仅被用来将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不偏离各种描述的实施例的范围的情况下，第一脉冲信号可以被称为第二脉冲信号，并且类似地，第二脉冲信号可以被称为第一脉冲信号。第一脉冲信号和第二脉冲信号两者都是脉冲信号，但它们可以不是相同的脉冲信号。
本文中各种所描述的实施例的描述中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不意图是限制性的。如各种所描述的实施例中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图还包括复数形式，除非上下文以其他方式清楚地指示。还将理解的是，如本文中所使用的术语“和/或”指代并涵盖一个或多个相关联的所列项目的任何和全部可能组合。将进一步理解的是，当术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“由……组成”在本说明书中使用时，它们指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是并不排除一个或多个其他的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
取决于上下文，术语“如果”可选地被理解成意指“当……时”或“在……时”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，取决于上下文，短语“如果确定”或“如果检测到[所陈述的条件或事件]”可选地被理解成意指“在确定……时”或“响应于确定”或“在检测到[所陈述的条件或事件]时”或“响应于检测到[所陈述的条件或事件]”。
以更高的频率(即，以更小的时间间隔)发射和检测光脉冲导致图像帧的更高分辨率。考虑如下示例：其中用于LiDAR检测的预定最大距离约为150米，并且因此光脉冲的往返飞行的最大时间约为1微秒。在常规的LiDAR扫描系统(例如，如图1中所示的单个检测器元件LiDAR扫描系统)中，连续光脉冲的最短时间间隔因此约为1微秒，并且因此检测器每秒可以收集的最大点数约为100万个点(即，1秒/1微秒＝100万个点)。因此，对于每秒20帧(“fps”)的设置，收集100万个聚合点来形成20帧，其中每个单帧的点在50毫秒的窗口内被收集(即，每帧50毫秒×20fps＝1秒)。相应地，一帧中的最大点数约为50,000(即，1百万个点/20帧)。每帧的点数指示分辨率，并且增加每帧的点数以便增加分辨率是合期望的。因此，以更小的时间间隔发射和检测光脉冲以在每帧中获得更高的分辨率是合期望的。
图2A图示了根据本公开的示例的示例性LiDAR扫描系统。在一些实施例中，LiDAR扫描系统可以包括光源、波束控制装置202、光会聚装置204、光检测器206、以及电处理和计算设备(例如，微处理器)。光源可以被配置成发射一个或多个光脉冲(例如，波束M、波束M+1)。例如，光源可以是发出或发射激光脉冲的激光源。波束控制装置202可以被配置成沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光的一个或多个光脉冲，并且同时收集基于照射光路中的物体的一个或多个光脉冲而生成的散射光。散射光可以与光路同轴或与光路基本同轴。在所描绘的示例中，波束控制装置在如由波束扫描方向201所指示的垂直方向上控制光脉冲。
图2B图示了根据本公开的一些实施例的LiDAR扫描系统中的示例性波束控制装置。如所描绘的，波束控制装置包括位于凹面反射器内的多面体反射器，该凹面反射器绕着中心轴对齐。凹面反射器被配置成绕着中心轴自旋。多面体被配置成绕着垂直于中心轴的方向上的枢轴自旋。凹面反射器和多面体的相应瞬时方位控制光脉冲以照射视场中的物体，同时从在物体处散射的光脉冲收集散射光。每个发射的光脉冲与来自对应的光脉冲的所收集的散射光同轴或基本同轴。在2016年12月31日提交的题为“Coaxial InterlacedRaster Scanning System for LiDAR”的美国临时专利申请No.62/441,280(代理人案卷号77802-30001.00)、以及在2017年9月29日提交的题为“2D Scanning High PrecisionLiDAR Using Combination of Rotating Concave Mirror and Beam Steering Devices”的美国非临时专利申请No.15/721,127中详细描述了示例性波束控制机构或装置，这些专利申请的内容出于所有目的由此整体地结合于本文。本领域普通技术人员应当领会到，上面描述的波束控制装置是示例性的，并且本文中描述的用以区分散射光的技术可以与其他类型的波束控制装置结合使用。
返回图2A，LiDAR系统进一步包括：光会聚装置204，其被配置成将所收集的散射光引导到焦点或平面。在图2A中描绘的示例中，光会聚装置包括对光进行操作(例如，聚焦、色散、修改、分裂等)的一个或多个光学透镜设备。使用光会聚装置204，可以将所收集的散射光引导到焦点或平面，以用于由位于焦点附近或焦点处的光检测器206进行光检测和/或图像生成。
光检测器206包括检测器阵列，该检测器阵列可以被用来在按如下次序收集的散射光脉冲当中进行区分：该次序与发射对应光脉冲的次序不同。如图2A中所示，较早发射的脉冲M被物体A散射，导致散射光N(在其他散射光当中)与所发射的光脉冲M同轴或基本同轴。散射光N由光会聚装置204引导，并且落在光检测器206上。基于散射光N如何落在检测器阵列上，LiDAR系统获得位置分布A。
LiDAR系统(例如，LiDAR系统的电处理和计算设备)可以使用位置分布A来确定散射光N对应于哪个所发射的光脉冲。如上面讨论的，波束控制装置202在光脉冲M的往返期间在波束扫描方向201上移动(例如，旋转)。由此，当散射光N落在光检测器206上时，波束控制装置202(连同光检测器206)的位置已经从发射光脉冲M时偏移。因此，散射光N以与光检测器206与发射的脉冲M之间的原始角度不同的角度落在光检测器206上。散射光N落在光检测器上的角度影响位置分布A。例如，如果：若波束控制装置202保持静止，则散射光N的着陆区域的中心将处于探测器阵列的中心，而因为波束控制装置202已经在光脉冲的往返行程期间移动，所以着陆区域的中心将离开探测器阵列的中心一定距离，从而以不同的角度引导返回的波束。在一些示例中，光脉冲的较长往返行程对应于波束控制装置202的较大移动，这进而导致离开检测器阵列的中心的较长距离。
因此，在操作中，LiDAR系统(例如，LiDAR系统的电处理和计算设备)可以分析所收集的散射光的位置分布，以确定所收集的光对应于哪个发射的光脉冲。在一些实施例中，LiDAR系统首先基于如在检测器阵列上成像的着陆区域的位置以及如由检测器元件检测到的信号强度来确定着陆区域(在检测器阵列上)的加权中心。然后，LiDAR系统确定着陆区域的中心与如果光检测器保持静止散射光将落在的位置之间的距离(“偏移距离”)。基于该偏移距离，LiDAR系统可以获得与波束控制装置202的移动相关的信息，例如，在光脉冲的行程时间期间，返回的波束落在光检测器206处的角度发生偏移(偏移角度＝偏移距离/焦距)。基于所获得的移动信息(例如，偏移角度)和关于波束控制装置202的移动的已知数据(例如，波束控制装置移动的速度)，LiDAR系统可以确定光脉冲的近似往返行程时间，并且此外，可以区分脉冲是来自物体A还是物体B处的散射光。
在一些示例中，检测器阵列可以在与最快角度滑动方向相同的方向上被放置在光会聚装置206(例如，聚焦透镜)的焦平面处或焦平面附近。例如，检测器阵列可以被设置成与光会聚装置204平行。在没有波束控制或扫描的情况下，视场中的散射光斑可以在检测器阵列中的几个像素上成像。在一个示例中，如果焦距约为5.3厘米并且传出的扫描激光束的发散角约为0.1°(即，传出光束不是完美平行波束)，假设没有显著的光学像差，则在检测器阵列上成像的光斑约为100微米。
图3图示了包括检测器或检测器元件的阵列的示例性光检测器。检测器阵列可以是雪崩光电二极管(APD)元件的阵列。在一些实施例中，一些或全部APD元件可以实现在半导体晶圆的相同管芯上，并且与填充有隔离材料的蚀刻沟槽隔离。在一些实施例中，检测器阵列可以通过将多个已经切割的分立APD彼此靠近地放置和封装来实现。检测器阵列的间距可以是例如20微米，其中相邻APD元件之间具有1至2微米的隔离。因此，对于落在检测器阵列上的100微米光斑，可以基于检测器阵列信号的信号强度的曲线拟合来计算光斑的垂直方位的中心。
图5图示了另一示例性光检测器。可选的收集光学器件510收集照射在其接收区域处的光，并且将该光引导到光纤520的尖端。该光信号通过光纤520的另一端发射并且在光纤520的另一端处发出，由被引导到APD元件540的APD接收光学器件530所收集。收集光学器件510的多个模块可以对准在一起以形成一维或二维阵列，其中这些模块的接收区域彼此相邻地对齐，其中在接收区域之间中具有尽可能小的间隙。
使用检测器阵列，激光束(例如，波束M和波束M+1)的连续光脉冲之间的时间间隔可以被配置成小于光脉冲到达根据LiDAR系统规范的预定距离中的最远物体的往返时间。例如，连续光脉冲之间的时间间隔可以是0.1微秒，使得20fps设置的一帧中的最大点数可以是500,000。这可以显著增加每帧中的分辨率。
作为在LiDAR扫描系统中使用检测器阵列的示例，波束控制装置可以以0.36°每微秒的非常高的速度来控制激光束。对于到达被定位在150米外的物体的第一光脉冲，往返行程时间约为1微秒。相应地，由于波束控制或扫描，在该第一光脉冲的散射光到达检测器的时间处，它好像距光轴约0.36°，从而在距检测器阵列的中心约360微米处到达检测器阵列。如图2A中图示的，假设在时间0处，从LiDAR发射波束方位M处的第一光脉冲。该第一光脉冲到达150米远处的物体A。因此，在1微秒的时间处，基于第一光脉冲生成的散射光在距检测器阵列的中心约360微米处到达检测器阵列。在0.1微秒的时间处，从LiDAR发射波束方位M+1处的第二光脉冲。该第二脉冲到达30米远处的物体B。因此，在0.2微秒的时间处，该第二脉冲的散射光比来自第一脉冲的散射光更早地到达检测器阵列。然而，因为基于该第二光脉冲生成的散射光的图像落在距检测器阵列的中心方位约72微米处，所以可以容易地将其与基于第一脉冲生成的散射光的图像区分开。
在一些实施例中，当LiDAR系统在发射了脉冲信号之后接收到多个散射光时，LiDAR系统可以通过计算发射时间与检测到散射光的时间之间的时间差来确定与多个散射光相对应的多个候选行程时间(即，飞行时间)。可以从多个候选行程时间中选择一个候选行程时间来计算距离。具体地，对于检测到的散射光中的每一个，可以基于检测器阵列上的散射光的着陆区域、以上面描述的方式来确定偏移距离、偏移角度和行程时间。然后，系统可以针对每个散射光来将候选行程时间(经由时间的直接测量来计算的)与基于散射光的着陆区域计算的行程时间进行比较。对于实际上对应于发射的脉冲信号的散射光，候选行程时间和基于着陆区域所计算的行程时间应当相似或相同。因此，在比较之后，系统可以选择针对其的比较已产生最小差的候选行程时间，并且使用所选择的候选行程来计算距离。
在一些实施例中，当LiDAR系统在发射了脉冲信号之后接收到多个散射光时，LiDAR系统可以使用散射光的几何形状、角度、电相位和/或电频率来确定与多个散射光相对应的多个候选行程时间(即，飞行时间)。可以从多个候选行程时间中选择一个候选行程时间。具体地，对于检测到的散射光中的每一个，可以基于散射光的着陆区域、以上面描述的方式来确定偏移距离、偏移角度和行程时间。然后，系统可以针对每个散射光来将候选行程时间与基于散射光的着陆区域计算的行程时间进行比较。对于实际上对应于发射的脉冲信号的散射光，候选行程时间和基于着陆区域所计算的行程时间应当相似或相同。因此，在比较之后，系统可以选择针对其的比较已产生最小差的候选行程时间，并且使用所选择的候选行程来计算距离。
图4图示了根据本公开的示例的另一个示例性LiDAR扫描系统。图4中图示的LiDAR扫描系统可以包括与上面关于图2和3描述的那些组件类似的组件。此外或替换地，如图4中图示的，从LiDAR扫描系统发射的每一个光脉冲可以被编码(例如，使用PRBS码)，并且因此包括将一个光脉冲与另一个光脉冲区分开的编码信息。经编码的光脉冲到达物体，并且生成散射光。散射光因此也是被编码的。光检测器可以对接收到的散射光中的这样的编码信息进行解码，从而将其往回映射或关联到具有相同编码信息的特定发射光脉冲。因此，光检测器可以唯一地识别多个散射光脉冲中的每个散射光脉冲，尽管散射光脉冲可以以与其对应光脉冲从LiDAR扫描系统发射的顺序不同的顺序到达检测器(例如，检测器阵列)。在2017年1月5日提交的题为“METHOD AND SYSTEM FOR ENCODING AND DECODING LIDAR”的共同待决的美国临时专利申请No.62/442,758(代理人案卷号77802-30003.00)中详细描述了光脉冲编码和解码的细节，该专利申请的内容出于所有目的由此整体地结合于本文。
以下项目中列出了示例性方法、非暂时性计算机可读存储介质、系统和电子设备：
1.一种光检测和测距(LiDAR)扫描系统，其包括：
光源，其被配置成发射光脉冲；
波束控制装置，其被配置成沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光脉冲；
光检测器，其耦合到波束控制装置，其中光检测器包括多个检测器元件并且被配置成检测散射光，其中散射光是基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的；
电处理器和计算机设备，其电耦合到光源和光检测器，电处理器和计算机设备被配置成：
获得散射光的位置分布；
基于所获得的位置分布，获得与波束控制装置的移动有关的数据；
基于所获得的数据，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联。
2.如项目1所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成确定到物体的距离。
3.如项目1-2中任一项所述的LiDAR扫描系统，其中位置分布指示检测器元件中的检测器元件是否检测到散射光和相关联的信号强度。
4.如项目1-3中任一项所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成基于位置分布来确定散射光的着陆区域的中心。
5.如项目4所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成基于着陆区域的中心来确定偏移距离。
6.如项目5所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成基于偏移距离来确定偏移角度。
7.如项目6所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成基于偏移角度来确定发射的脉冲的行程时间。
8.如项目6所述的LiDAR扫描系统，其中电处理和计算机设备进一步被配置成：
基于光脉冲发射的时间和检测到散射光的时间来确定候选行程时间；
将候选行程时间与基于偏移角度确定的行程时间进行比较；
基于比较，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联；以及
基于候选时间来计算到物体的距离。
9.如项目6所述的LiDAR扫描系统，其中电处理器和计算机设备进一步被配置成：
基于与散射光有关的信息来确定候选行程时间；
将候选行程时间与基于偏移角度确定的行程时间进行比较；
基于该比较，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联；以及
基于候选时间来计算到物体的距离。
10.如项目8所述的LiDAR扫描系统，其中所述信息包括几何形状、角度、电相位、电频率或其任何组合。
11.如项目1-10中任一项所述的LiDAR扫描系统，其中光源被配置成以如下时间间隔连续地发射光脉冲：该时间间隔小于光脉冲到达按照系统的设计规范的最远物体的往返飞行时间所花费的时间。
12.如项目1-11中任一项所述的LiDAR扫描系统，其进一步包括：光会聚装置，其被配置成将所收集的散射光引导到焦点。
13.如项目1-12中任一项所述的LiDAR扫描系统，其中光检测器被设置在焦点处或焦点附近。
14.如项目1-13中任一项所述的LiDAR扫描系统，其中发射的脉冲包括编码信息。
15.一种用于操作光检测和测距(LiDAR)系统的计算机实现的方法，该LiDAR系统具有光源、波束控制装置以及带有多个检测器元件的光检测器，该方法包括：
利用光源来发射光脉冲；
利用波束控制装置，沿着光路在垂直和水平方向中的至少一个方向上控制光脉冲；
利用光检测器来检测基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的散射光；
获得散射光的位置分布；
基于所获得的位置分布，获得与光检测器的移动有关的数据；
基于所获得的数据，确定发射的光脉冲与检测到的散射光之间的关联。

Claims (27)

1.一种光探测和测距(LiDAR)系统，其被配置成通过发射光脉冲和收集多个散射光脉冲来检测物理物体，所述系统包括电处理和计算设备，所述电处理和计算设备被配置成：
确定相对于所发射的光脉冲的与所述多个散射光脉冲相关联的多个候选行程时间；
获得与由光检测器检测到的所述多个散射光脉冲相对应的多个位置分布；
针对相对于所发射的脉冲的所述多个散射光脉冲中的每一者，基于所述多个位置分布来确定行程时间；
基于所述多个候选行程时间与为所述多个散射光脉冲中的每一者确定的行程时间之间的关联选择候选行程时间；以及
基于所选择的所述候选行程时间，计算所述物理物体与所述LiDAR扫描系统的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述多个候选行程时间包括：
基于所述光脉冲被发射的时间和所述多个散射光脉冲中的至少一者被检测到的至少一个时间之间的时间差，确定多个候选行程时间中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述多个候选行程时间包括：
基于所述多个散射光脉冲中的一者或多者的几何形状、角度、相位或频率中的至少一者，确定所述多个候选行程时间中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个位置分布中的每一者表示与所述多个散射光脉冲中的相应散射光脉冲相关联的光强度分布。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光检测器包括光检测器元件阵列，所述光检测器元件阵列被配置成提供与所述多个散射光脉冲相关联的着陆区域数据。
6.根据权利要求1所述的系统，其中对于多个散射光脉冲中的每一者，基于所述多个位置分布确定行程时间包括：
基于所述多个位置分布中的相应位置分布，确定与所述多个散射光脉冲中的相应散射光脉冲相关联的偏移距离；以及
基于所述偏移距离确定所述行程时间。
7.根据权利要求6所述的系统，其中确定与所述多个散射光脉冲中的相应散射光脉冲相关联的所述偏移距离包括：
基于所述多个位置分布中的相应位置分布，确定与多个散射光脉冲中的相应散射光脉冲相关联的着陆区域的加权中心；以及
基于所述着陆区域的加权中心确定所述偏移距离。
8.根据权利要求7所述的系统，其中确定所述着陆区域的加权中心是基于所述着陆区域的位置和信号强度。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述偏移距离对应于所述着陆区域的加权中心与所述多个散射光脉冲中的相应散射光脉冲在所述光检测器保持静止的情况下本会着陆在所述光检测器上的位置之间的距离。
10.根据权利要求6所述的系统，其中基于所述偏移距离确定所述行程时间包括：
基于所述偏移距离获得与所述LiDAR扫描系统的波束控制装置的移动相关的数据；以及
基于与所述LiDAR扫描系统的所述波束控制装置的移动相关的所述数据和所述波束控制装置的已知移动数据确定行程时间。
11.根据权利要求10所述的系统，其中与所述LiDAR扫描系统的所述波束控制装置的移动相关的所述数据包括偏移角度。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述波束控制装置的已知移动数据包括波束控制装置移动的速度。
13.根据权利要求1所述的系统，其中基于所述多个候选行程时间与为所述多个散射光脉冲中的每一者确定的所述行程时间之间的关联，选择所述候选行程时间包括：
对于所述多个散射光脉冲中的每一者，将所述多个候选行程时间中的相应候选行程时间与相应行程时间进行比较，所述相应行程时间基于所述多个位置分布中的相应位置分布确定；以及
基于所述多个散射光脉冲中的每一者的所述比较，选择所述候选行程时间。
14.根据权利要求13所述的系统，其中基于所述多个散射光脉冲中的每一者的所述比较的结果选择一个候选行程时间包括：
选择候选行程时间，所述候选行程时间的结果表示所述多个候选行程时间与基于所述多个位置分布为所述多个散射光脉冲中的每一者确定的所述行程时间之间的最小差。
15.一种用于基于由光检测和测距(LiDAR)扫描系统收集的所发射的光脉冲和多个散射光脉冲确定物理物体距离的计算机实现的方法，所述方法由电处理和计算设备执行，并且包括：
确定相对于所发射的光脉冲的与所述多个散射光脉冲相关联的多个候选行程时间；
获得对应于由光检测器检测到的所述多个散射光脉冲的多个位置分布；
针对相对于所发射的脉冲的所述多个散射光脉冲中的每一者，基于所述多个位置分布来确定行程时间；
基于所述多个候选行程时间与为所述多个散射光脉冲中的每一者确定的所述行程时间之间的关联，选择候选行程时间；以及
基于所选择的所述候选行程时间，计算所述物理物体与所述LiDAR扫描系统之间的距离。
16.一种存储一个或多个程序的非暂时性计算机可读介质，所述一个或多个程序包括指令，当所述指令由电处理和计算设备执行时，使所述电处理和计算设备：
确定相对于所发射的光脉冲的与所述多个散射光脉冲相关联的多个候选行程时间；
获得对应于由光检测器检测到的所述多个散射光脉冲的多个位置分布；
针对相对于所发射的脉冲的所述多个散射光脉冲中的每一者，基于所述多个位置分布来确定行程时间；
基于所述多个候选行程时间与为所述多个散射光脉冲中的每一者确定的所述行程时间之间的关联，选择候选行程时间；以及
基于所选择的所述候选行程时间，计算所述物理物体与所述LiDAR扫描系统之间的距离。
17.一种光检测和测距(LiDAR)扫描系统，其包括：
光源，其被配置成发射光脉冲；
波束控制装置，其被配置成控制所述光脉冲并收集散射光，其中所述散射光是基于照射光路中的物体的光脉冲而生成的；
光检测器，其耦合到所述波束控制装置，其中所述光检测器被配置成检测所述散射光；以及
电处理和计算设备，其电耦合到所述光源和所述光检测器，所述电处理和计算设备被配置成：
获得所述散射光在所述光检测器上的位置分布；并且
基于所述位置分布，确定所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的关联。
18.根据权利要求17所述的LiDAR扫描系统，其中所述电处理和计算设备进一步被配置成确定到所述物体的距离。
19.根据权利要求17所述的LiDAR扫描系统，其中所述位置分布表示与所述光检测器的多个检测器元件上的所述散射光相关联的光强度分布。
20.根据权利要求17所述的LiDAR扫描系统，其中基于所述位置分布确定所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的关联包括将所述电处理和计算设备配置为：
基于所述位置分布来确定所述散射光的着陆区域的中心。
21.根据权利要求20所述的LiDAR扫描系统，其中所述电处理和计算设备进一步被配置成：
基于所述着陆区域的中心，确定偏移距离；以及
基于所述偏移距离，确定偏移角度。
22.根据权利要求21所述的LiDAR扫描系统，其中所述电处理和计算设备进一步被配置成基于所述偏移角度，确定所发射的光脉冲的行程时间。
23.根据权利要求22所述的LiDAR扫描系统，其中所述电处理和计算设备进一步被配置成：
基于所述光脉冲发射的时间和检测到所述散射光的时间来确定候选行程时间；
将所述候选行程时间与基于所述偏移角度确定的行程时间进行比较；以及
基于比较结果，确定所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的所述关联。
24.根据权利要求22所述的LiDAR扫描系统，其中所述电处理和计算设备进一步被配置成：
基于与所述散射光有关的信息来确定候选行程时间；
将所述候选行程时间与基于所述偏移角度确定的行程时间进行比较；以及
基于比较结果，确定所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的所述关联。
25.根据权利要求17所述的LiDAR扫描系统，其中，所述电处理和计算设备进一步被配置成所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的所述关联计算到所述物体的距离。
26.根据权利要求17所述的LiDAR扫描系统，其中所述光源被配置成以如下时间间隔连续地发射光脉冲：所述时间间隔短于光脉冲在LiDAR系统和LiDAR系统的最远可达物体之间行程的往返时间。
27.一种确定物理物体的距离的方法，所述方法由光检测和测距(LiDAR)系统执行，所述系统具有波束控制装置、光检测器以及电处理和计算设备，所述方法包括：
利用所述波束控制装置控制光脉冲以照射光路中的物体；
利用所述波束控制装置收集基于照射所述光路中的物体的光脉冲而生成的散射光；
利用所述光检测器检测所述散射光；
获得所述散射光在所述光检测器上的位置分布；以及
基于所获得的位置分布，确定所发射的光脉冲与所检测到的散射光之间的关联。
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