CN117813525A - 用于车辆轮廓拟合的紧凑型LiDAR系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于与车辆至少部分地集成的光检测和测距(LiDAR)扫描系统的设备。该设备包括光学核心组件，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。该设备包括至少部分地由车辆车顶的至少第一部分或车辆挡风玻璃的至少一部分界定的第一外表面。第一外表面的表面轮廓与和车辆车顶的第一部分或车辆挡风玻璃的这部分中的至少一者相关联的表面轮廓对准。该第一外表面和该一个或多个附加外表面的组合形成围封光学核心组件的壳体，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。

Description

用于车辆轮廓拟合的紧凑型LiDAR系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年7月9日提交的标题为“用于车辆轮廓拟合的紧凑型LiDAR系统(COMPACT LIDAR SYSTEMS FOR VEHICLE CONTOUR FITTING)”、序列号为63/220,455的美国临时专利申请和2022年7月1日提交的标题为“用于车辆轮廓拟合的紧凑型LiDAR系统(COMPACT LIDAR SYSTEMS FOR VEHICLE CONTOUR FITTING)”、序列号为17/856,910的美国非临时专利申请的优先权，出于所有目的，两个申请的内容特此通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及光学扫描，且更特别地，涉及一种用于与车辆至少部分地集成的光检测和测距(LiDAR)扫描系统的设备。

背景技术

光检测和测距(LiDAR)系统使用光脉冲来创建外部环境的图像或点云。一些典型的LiDAR系统包括光源、光发射器、光转向系统和光检测器。光源生成光束，该光束在从LiDAR系统传输时由光转向系统沿特定方向引导。当所传输的光束被物体散射时，所散射的光中的一部分作为返回光脉冲返回到LiDAR系统。光检测器检测返回光脉冲。使用检测到返回光脉冲的时间与光束中对应光脉冲被传输的时间之间的差异，LiDAR系统可以使用光速来确定到物体的距离。光转向系统可以沿着不同的路径引导光束，以允许LiDAR系统扫描周围环境并产生图像或点云。LiDAR系统还可以使用除飞行时间和扫描之外的技术来测量周围环境。

发明内容

迄今为止，大多数LiDAR系统在安装于车辆的顶部上时相当笨重且突出，从而使它们在空气动力学和车辆造型方面无吸引力，并且对于大规模部署来说制造起来不切实际。紧凑型LiDAR系统确实存在，但常常具有紧凑设计，并伴随接收孔径的牺牲，且因此可能对长距离检测性能产生负面影响。本文中所公开的本发明的实施例提出了考虑到整体车辆空气动力学而优化的新颖设计，使得LiDAR系统紧凑并且可无缝地被集成到车辆的顶部部分中。

在所公开的发明的一个实施例中，LiDAR系统的光学核心组件被设置为具有降低的高度，同时仍然保持检测远处物体所需的接收孔径。收发器光学器件经进一步优化以实现从前到后的锥形垂直轮廓，使得整个LiDAR系统单元可以以最小的突出度放置在车辆的挡风玻璃上方，其中顶表面与车辆的车顶基本上齐平。

公开了一种用于与车辆至少部分地集成的光检测和测距(LiDAR)扫描系统的设备。该设备包括光学核心组件，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。该设备包括至少部分地由车辆车顶的至少第一部分或车辆挡风玻璃的至少一部分界定的第一外表面。第一外表面的表面轮廓与和车辆车顶的第一部分或车辆挡风玻璃的部分中的至少一者相关联的表面轮廓对准。第一外表面和所述一个或多个附加外表面的组合形成了围封光学核心组件的壳体，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。

附图说明

通过参考下文结合附图描述的图，可以最好地理解本申请，在附图中，相似的部分可由相似的附图标记来引用。

图1图示了设置或包括在机动车辆中的一个或多个示例性LiDAR系统。

图2是图示示例LiDAR系统与包括车辆感知和规划系统的多个其他系统之间的交互的框图。

图3是图示示例性LiDAR系统的框图。

图4是图示示例性基于光纤的激光源的框图。

图5A-5C图示了使用脉冲信号来测量到设置在视场(FOV)中的物体的距离的示例性LiDAR系统。

图6是图示用于实施各种实施例中的系统、设备和方法的示例性设备的框图。

图7图示了针对示例性LiDAR系统在自主驾驶机动车辆上的几种安装选项的透视图和侧视图。

图8图示了被集成到机动车辆的车顶和挡风玻璃部分中的示例性LiDAR系统的前视图。

图9图示了机动车辆中的示例性LiDAR系统设计的侧视图和放大侧视图。

图10图示了根据所公开的发明的实施例的LiDAR信号链的流程图。

图11图示了根据所公开的发明的实施例的使用用于LiDAR光学引擎的示例性设备的LiDAR信号的路径。

图12图示了根据所公开的发明的一个实施例的LiDAR系统的锥形设计的截面图。

图13图示了定位传输射束的两个示例性实施例。

图14图示了示例性LiDAR锥形系统设计的俯视图。

图15图示了根据所公开的发明的一个实施例的示例性LiDAR系统设计的俯视图。

具体实施方式

为提供对本发明的更透彻的理解，以下描述阐述了许多具体细节，诸如具体配置、参数、示例等。然而，应认识到，此类描述并不旨在对本发明的范围进行限制，而是旨在提供对示例性实施例的更好的描述。

在说明书和权利要求通篇中，除非上下文另外明确规定，否则以下术语采用本文中明确关联的含义：

如本文中所使用的短语“在一个实施例中”不一定指代同一个实施例，尽管它可能指代同一个实施例。因此，如下文所描述的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可容易地组合本公开的各种实施例。

如本文中所使用的，术语“或”是包含性的表述语“或”，并且除非上下文另外明确规定，否则等同于术语“和/或”。

术语“基于”不是排他性的，并且除非上下文另外明确规定，否则允许基于未描述的附加因素。

如本文中所使用的，除非上下文另外规定，否则术语“耦合到”旨在包括直接耦合(其中彼此耦合的两个元件彼此接触)和间接耦合(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)。因此，术语“耦合到”和“与……耦合”同义使用。在两个或更多部件或装置能够交换数据的网络环境的上下文内，术语“耦合到”和“与……耦合”也用于意指“与……通信地耦合”，可能地经由一个或多个中间装置。

尽管以下描述使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一外表面可被称为第二外表面，并且类似地，第二外表面可被称为第一外表面，而不脱离各种描述的示例的范围。第一外表面和第二外表面两者都可以是外表面，并且在一些情况下，可以是单独的且不同的外表面。

另外，在说明书通篇中,“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用，并且“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。

尽管本文中呈现的各种实施例中的一些构成了发明性元件的单个组合，但应了解，发明性主题被视为包括所公开元件的所有可能的组合。因而，如果一个实施例包括元素A、B和C，且另一个实施例包括元素B和D，则发明性主题也被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合，即使本文中没有明确讨论。进一步地，过渡性术语“包括”意指具有零件或构件，或者是那些零件或构件。如本文中所使用的，过渡性术语“包括”是包含性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。

在以下公开内容通篇中，可关于服务器、服务、接口、引擎、模块、客户端、对等体、门户、平台或由计算装置形成的其他系统进行众多参考。应了解，此类术语的使用被认为表示具有至少一个处理器(例如，ASIC、FPGA、PLD、DSP、x86、ARM、RISC-V、ColdFire、GPU、多核处理器等)的一个或多个计算装置，所述至少一个处理器被配置成执行存储在计算机可读有形的非暂时性介质(例如，硬盘驱动器、固态驱动器、RAM、闪存、ROM等)上的软件指令。例如，服务器可以包括一个或多个计算机，它们以完成所描述的角色、职责或功能的方式作为网络服务器、数据库服务器或其他类型的计算机服务器操作。应进一步了解，所公开的基于计算机的算法、过程、方法或其他类型的指令集可以被体现为计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储引起处理器执行所公开的步骤的指令的非暂时性有形计算机可读介质。各种服务器、系统、数据库或接口可以使用标准化协议或算法来交换数据，可能地基于HTTP、HTTPS、AES、公私密钥交换、web服务API、已知的金融交易协议或其他电子信息交换方法。数据交换可以在分组交换网络、电路交换网络、互联网、LAN、WAN、VPN或其他类型的网络上进行。

如本文中的描述和随后的权利要求中所使用的，当系统、引擎、服务器、装置、模块或其他计算元件被描述为被配置成对存储器中的数据执行或运行功能时，“被配置成”或“被编程为”的含义被定义为计算元件的一个或多个处理器或核由存储在计算元件的存储器中的一组软件指令编程，以对存储在存储器中的目标数据或数据对象执行一组功能。

应注意，指向计算机的任何语言应被解读为包括计算装置或网络平台的任何合适组合，包括服务器、接口、系统、数据库、代理、对等体、引擎、控制器、模块或者单独或共同操作的其他类型的计算装置。应了解，计算装置包括处理器，该处理器被配置成执行存储在有形非暂时性计算机可读存储介质(例如，硬盘驱动器、FPGA、PLA、固态驱动器、RAM、闪存、ROM等)上的软件指令。软件指令对计算装置进行配置或编程，以提供如下文关于所公开的设备所讨论的角色、职责或其他功能。进一步地，所公开的技术可以被体现为计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储软件指令的非暂时性计算机可读介质，所述软件指令引起处理器执行与基于计算机的算法、过程、方法或其他指令的实施相关联的所公开的步骤。在一些实施例中，各种服务器、系统、数据库或接口使用标准化协议或算法来交换数据，可能地基于HTTP、HTTPS、AES、公私密钥交换、web服务API、已知的金融交易协议或其他电子信息交换方法。装置当中的数据交换可以通过分组交换网络、互联网、LAN、WAN、VPN或其他类型的分组交换网络、电路交换网络、信元交换网络、或其他类型的网络进行。

本领域中已知的常规LiDAR系统可在安装于车辆的顶部上时相当笨重且突出，从而使它们在空气动力学和车辆造型方面无吸引力，并且对于大规模部署来说制造起来不切实际。紧凑型LiDAR系统在本领域中是已知的，但是紧凑设计可能损害接收孔径的尺寸，且因此可能对长距离检测性能产生负面影响。本文中所公开的本发明的实施例提出了考虑到整体车辆空气动力学而优化的新颖设计，使得LiDAR系统紧凑并且可无缝地被集成到车辆的顶部部分中。

图1图示了设置或包括在机动车辆100中的一个或多个示例性LiDAR系统110。机动车辆100可以是具有任何自动化水平的车辆。例如，机动车辆100可以是部分自动化车辆、高度自动化车辆、全自动化车辆或无人驾驶车辆。部分自动化车辆可以在没有人类驾驶员干预的情况下执行一些驾驶功能。例如，部分自动化车辆可以执行盲点监测、车道保持和/或变道操作、自动紧急制动、智能巡航和/或交通跟随等。部分自动化车辆的某些操作可能限于特定的应用或驾驶场景(例如，仅限于高速公路驾驶)。高度自动化车辆可以执行部分自动化车辆的所有操作，但具有较少限制。高度自动化车辆还可以在操作车辆时检测自身极限，并在必要时要求驾驶员接管对车辆的控制。全自动化车辆可以在没有驾驶员干预的情况下执行所有车辆操作，但也可以检测自身极限，并在必要时要求驾驶员接管。无人驾驶车辆可以在没有任何驾驶员干预的情况下自行操作。

在典型配置中，机动车辆100包括一个或多个LiDAR系统110和120A-F。LiDAR系统110和120A-F中的每一个可以是基于扫描的LiDAR系统和/或非扫描LiDAR系统(例如，闪光LiDAR)。基于扫描的LiDAR系统在一个或多个方向(例如，水平和竖直方向)上扫描一个或多个光束，以检测视场(FOV)中的物体。基于非扫描的LiDAR系统在不扫描的情况下发射激光来照射FOV。例如，闪光LiDAR是一种基于非扫描的LiDAR系统。闪光LiDAR可以发射激光，以使用单个光脉冲或光射同时照射FOV。

LiDAR系统常常是至少部分自动化的车辆的基本传感器。在一个实施例中，如图1中所示，机动车辆100可包括设置在车辆的最高位置处(例如，在车辆车顶处)的单个LiDAR系统110(例如，没有LiDAR系统120A-H)。将LiDAR系统110设置在车辆车顶处促进围绕车辆100进行360度扫描。在一些其他实施例中，机动车辆100可以包括多个LiDAR系统，包括系统110和/或120A-H中的两个或更多个。如图1中所示，在一个实施例中，多个LiDAR系统110和/或120A-H在车辆的各种位置处附接到车辆100。例如，LiDAR系统120A在右前角处附接到车辆100；LiDAR系统120B在前部中心处附接到车辆100；LiDAR系统120C在左前角处附接到车辆100；LiDAR系统120D在右侧后视镜处附接到车辆100；LiDAR系统120E在左侧后视镜处附接到车辆100；LiDAR系统120F在后部中心处附接到车辆100；LiDAR系统120G在右侧后角处附接到车辆100；和/或LiDAR系统120H在车辆100的左侧后角处附接到车辆100。在一些实施例中，LiDAR系统110和120A-H是具有它们各自的激光源、控制电子器件、发射器、接收器和/或转向机构的独立的LiDAR系统。在其他实施例中，LiDAR系统110和120A-H中的一些可以共享一个或多个部件，由此形成分布式传感器系统。在一个示例中，光纤用于将来自集中式激光源的激光递送到所有LiDAR系统。应理解，一个或多个LiDAR系统可以任何所期望的方式分布并附接到车辆，并且图1仅图示了一个实施例。作为另一个示例，LiDAR系统120D和120E可附接到车辆100的B柱，而不是后视镜。作为另一个示例，LiDAR系统120B可附接到车辆100的挡风玻璃，而不是前保险杠。

图2是图示(多个)车载LiDAR系统210与包括车辆感知和规划系统220的多个其他系统之间的交互的框图200。(多个)LiDAR系统210可以安装在车辆上或集成到车辆。(多个)LiDAR系统210包括将激光扫描到周围环境以测量物体的距离、角度和/或速度的(多个)传感器。基于返回到(多个)LiDAR系统210的散射光，它可以生成表示所感知的外部环境的传感器数据(例如，图像数据或3D点云数据)。

(多个)LiDAR系统210可以包括短程LiDAR传感器、中程LiDAR传感器和远程LiDAR传感器中的一个或多个。短程LiDAR传感器测量位于距LiDAR传感器高达约20至40米的物体。短程LiDAR传感器可以用于例如监测附近的移动物体(例如，学校区域过马路的行人)、停车辅助应用等。中程LiDAR传感器测量位于距LiDAR传感器高达约100至150米的物体。中程LiDAR传感器可以用于例如监测道路交叉口、辅助驶入或驶离高速公路等。远程LiDAR传感器测量位于高达约150至300米的物体。远程LiDAR传感器通常在车辆以高速行驶时使用(例如，在高速公路上)，使得车辆的控制系统可能只有几秒钟(例如，6至8秒)来响应由LiDAR传感器检测到的任何情况。如图2中所示，在一个实施例中，LiDAR传感器数据可以经由通信路径213提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。通信路径213可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。

仍参考图2，在一些实施例中，(多个)其他车载传感器230用于单独或与(多个)LiDAR系统210一起提供附加传感器数据。其他车载传感器230可包括例如一个或多个相机232、一个或多个雷达234、一个或多个超声波传感器236和/或(多个)其他传感器238。(多个)相机232可以拍摄车辆的外部环境的图像和/或视频。(多个)相机232可以拍摄例如在每帧中具有数百万像素的高清(HD)视频。相机产生单色或彩色图像和视频。对于一些情况，颜色信息在解释数据时可能很重要(例如，解释交通灯的图像)。颜色信息可能无法从其他传感器(诸如，LiDAR或雷达传感器)获得。(多个)相机232可以包括窄焦距相机、宽焦距相机、侧面相机、红外相机、鱼眼相机等中的一个或多个。由(多个)相机232生成的图像和/或视频数据也可以经由通信路径233提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。通信路径233可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。

(多个)其他车载传感器230也可以包括(多个)雷达传感器234。(多个)雷达传感器234使用无线电波来确定物体的距离、角度和速度。(多个)雷达传感器234产生无线电或微波频谱中的电磁波。电磁波被物体反射，并且所反射的波中的一些返回到雷达传感器，由此提供关于物体的位置和速度的信息。(多个)雷达传感器234可以包括(多个)短程雷达、(多个)中程雷达和(多个)远程雷达中的一个或多个。短程雷达测量位于距雷达约0.1至30米的物体。短程雷达对检测位于车辆附近的物体有用，物体为诸如其他车辆、建筑物、墙壁、行人、骑自行车的人等。短程雷达可以用于检测盲点、辅助变道、提供追尾碰撞警告、辅助停车、提供紧急制动等。中程雷达测量位于距雷达约30至80米的物体。远程雷达测量位于约80至200米处的物体。中程和/或远程雷达可以对例如交通跟踪、自适应巡航控制和/或干道自动制动有用。由(多个)雷达传感器234生成的传感器数据也可以经由通信路径233提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。

(多个)其他车载传感器230也可以包括(多个)超声波传感器236。(多个)超声波传感器236使用声波或脉冲来测量车辆外部的物体位置。由(多个)超声波传感器236生成的声波被传输到周围环境。所传输的波中的至少一些被物体反射并返回到(多个)超声波传感器236。基于返回信号，可以计算物体的距离。(多个)超声波传感器236可以对例如检查盲点、标识停车点、在交通中提供变道辅助等有用。由(多个)超声波传感器236生成的传感器数据也可以经由通信路径233提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。

在一些实施例中，一个或多个其他传感器238可附接在车辆中，并且也可生成传感器数据。(多个)其他传感器238可包括例如全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)等。由(多个)其他传感器238生成的传感器数据也可以经由通信路径233提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。应理解，通信路径233可包括一个或多个通信链路，以在各种传感器230与车辆感知和规划系统220之间传送数据。

在一些实施例中，如图2中所示，来自(多个)其他车载传感器230的传感器数据可以经由通信路径231提供给(多个)车载LiDAR系统210。(多个)LiDAR系统210可处理来自(多个)其他车载传感器230的传感器数据。例如，来自(多个)相机232、(多个)雷达传感器234、(多个)超声波传感器236和/或(多个)其他传感器238的传感器数据可与(多个)传感器数据LiDAR系统210相关或融合，由此至少部分地卸载由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。应理解，也可实施其他配置以用于传输和处理来自各种传感器的传感器数据(例如，数据可以传输到云服务以便进行处理，且然后处理结果可以传输回车辆感知和规划系统220)。

仍参考图2，在一些实施例中，(多个)其他车辆250上的传感器用于单独或与(多个)LiDAR系统210一起提供附加传感器数据。例如，两个或更多个附近的车辆可具有它们各自的(多个)LiDAR传感器、(多个)相机、(多个)雷达传感器、(多个)超声波传感器等。附近的车辆可以彼此通信并共享传感器数据。车辆之间的通信也被称为V2V(车辆对车辆)通信。例如，如图2中所示，由(多个)其他车辆250生成的传感器数据可以分别经由通信路径253和/或通信路径251传达到车辆感知和规划系统220和/或(多个)车载LiDAR系统210。通信路径253和251可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。

共享传感器数据促进更好地感知车辆外部的环境。例如，第一车辆可能没有感测到在第二车辆后面但正在接近第一车辆的行人。第二车辆可与第一车辆共享与这个行人相关的传感器数据，使得第一车辆可以具有附加反应时间来避免与行人碰撞。在一些实施例中，类似于由(多个)传感器230生成的数据，由(多个)其他车辆250上的传感器生成的数据可与由(多个)LiDAR系统210生成的传感器数据相关或融合，由此至少部分地卸载由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。

在一些实施例中，(多个)智能基础设施系统240用于单独或与(多个)LiDAR系统210一起提供传感器数据。某些基础设施可被配置成与车辆通信以传达信息，反之亦然。车辆与基础设施之间的通信被称为V2I(车辆到基础设施)通信。例如，(多个)智能基础设施系统240可包括智能交通灯，该智能交通灯可以诸如“5秒后变为黄色”之类的消息将其状态传达给正在接近的车辆。智能基础设施系统240还可包括其自身的安装在交叉口附近的LiDAR系统，使得其可以将交通监测信息传达给车辆。例如，在交叉口左转的车辆可能没有足够的感测能力，因为其自身的传感器中的一些可能被沿相反方向行进的车辆交通阻挡。在此类情况下，(多个)智能基础设施系统240的传感器可以向左转的车辆提供有用的、且有时是重要的数据。此类数据可包括例如交通状况、沿车辆所转向的方向的物体的信息、交通灯状态和预测等。由(多个)智能基础设施系统240生成的传感器数据可以分别经由通信路径243和/或通信路径241提供给车辆感知和规划系统220和/或(多个)车载LiDAR系统210。通信路径243和/或241可以包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。例如，来自(多个)智能基础设施系统240的传感器数据可以被传输到(多个)LiDAR系统210，并且与由(多个)LiDAR系统210生成的传感器数据相关或融合，由此至少部分地卸载由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。上文所描述的V2V和V2I通信是车辆对X(V2X)通信的示例，其中“X”表示可以与车辆共享数据的任何其他装置、系统、传感器、基础设施等。

仍参考图2，经由各种通信路径，车辆感知和规划系统220从(多个)LiDAR系统210、(多个)其他车载传感器230、(多个)其他车辆250和/或(多个)智能基础设施系统240中的一个或多个接收传感器数据。在一些实施例中，不同类型的传感器数据由传感器融合子系统222进行相关和/或整合。例如，传感器融合子系统222可以使用由设置在车辆的各种位置处的多个相机捕获的多个图像或视频来生成360度模型。传感器融合子系统222从多样化类型的传感器获得传感器数据，并使用组合的数据来更准确地感知环境。例如，车载相机232可能无法捕获清晰的图像，因为它直接面对太阳或光源(例如，在夜间期间另一车辆的前灯)。LiDAR系统210可能不会受到太大影响，且因此传感器融合子系统222可以组合由相机232和LiDAR系统210两者提供的传感器数据，并且使用由LiDAR系统210提供的传感器数据来补偿由相机232捕获的不清晰图像。作为另一个示例，在下雨或有雾的天气，雷达传感器234可能比相机232或LiDAR系统210工作得更好。因此，传感器融合子系统222可使用由雷达传感器234提供的传感器数据来补偿由相机232或LiDAR系统210提供的传感器数据。

在其他示例中，由(多个)其他车载传感器230生成的传感器数据可具有较低的分辨率(例如，雷达传感器数据)，且因此可能需要由通常具有较高分辨率的(多个)LiDAR系统210进行关联和确认。例如，可由雷达传感器234将污水井盖(也被称为公共设施检修孔盖)检测为车辆正在朝其接近的物体。由于雷达传感器234的低分辨率本质，车辆感知和规划系统220可能不能确定该物体是否是车辆需要避开的障碍物。因此，由(多个)LiDAR系统210生成的高分辨率传感器数据可以用于进行关联并确认物体是污水井盖并且不会对车辆造成损害。

车辆感知和规划系统220进一步包括物体分类器223。使用由传感器融合子系统222提供的原始传感器数据和/或相关/融合数据，物体分类器223可以检测和分类物体并估计物体的位置。在一些实施例中，物体分类器233可以使用基于机器学习的技术来检测和分类物体。基于机器学习的技术的示例包括利用诸如以下各者的算法：基于区域的卷积神经网络(R-CNN)、快速R-CNN、更快R-CNN、定向梯度直方图(HOG)、基于区域的全卷积网络(R-FCN)、单触发检测器(SSD)、空间金字塔池化(SPP-net)和/或You Only Look Once(Yolo)。

车辆感知和规划系统220进一步包括道路检测子系统224。道路检测子系统224定位道路并标识道路上的物体和/或标记。例如，基于由(多个)雷达传感器234、(多个)相机232和/或(多个)LiDAR系统210提供的原始或融合传感器数据，道路检测子系统224可以基于机器学习技术(例如，用于标识车道的模式识别算法)构建道路的3D模型。使用道路的3D模型，道路检测子系统224可以标识物体(例如，道路上的障碍物或碎片)和/或道路上的标记(例如，车道线、转弯标志、人行横道标志等)。

车辆感知和规划系统220进一步包括定位和车辆姿态子系统225。基于原始或融合传感器数据，定位和车辆姿态子系统225可以确定车辆的位置和车辆的姿态。例如，使用来自(多个)LiDAR系统210、(多个)相机232的传感器数据和/或GPS数据，定位和车辆姿态子系统225可以确定车辆在道路上的准确位置和车辆的六个自由度(例如，车辆是向前还是向后、向上还是向下、向左还是向右移动)。在一些实施例中，高清(HD)地图用于车辆定位。HD地图可以提供精准确定车辆的位置的非常详细的三维计算机化的地图。例如，使用HD地图，定位和车辆姿态子系统225可以精确地确定车辆的当前位置(例如，车辆当前在道路的哪个车道上，它离路边或人行道有多近)并预测该车辆的未来位置。

车辆感知和规划系统220进一步包括障碍物预测器226。由物体分类器223标识的物体可以是静止的(例如，灯杆、路标)或动态的(例如，移动的行人、自行车、另一辆汽车)。对于移动物体，预测它们的移动路径或未来位置对于避免碰撞会是很重要的。障碍物预测器226可以预测障碍物轨迹和/或警告驾驶员或车辆规划子系统228潜在碰撞。例如，如果存在障碍物的轨迹与车辆的当前移动路径相交的高的可能性，则障碍物预测器226可以生成此类警告。障碍物预测器226可以使用各种技术来进行此类预测。此类技术包括例如恒定速度或加速度模型、恒定转动速率和速度/加速度模型、基于卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器的模型、基于递归神经网络(RNN)的模型、基于长短期记忆(LSTM)神经网络的模型、编码器-解码器RNN模型等。

仍参考图2，在一些实施例中，车辆感知和规划系统220进一步包括车辆规划子系统228。车辆规划子系统228可以包括路线规划器、驾驶行为规划器和移动规划器。路线规划器可以基于车辆的当前位置数据、目标位置数据、交通信息等来规划车辆的路线。驾驶行为规划器使用由障碍物预测器226提供的障碍物预测结果基于其他物体可能如何移动来调节定时和所规划的移动。移动规划器确定车辆需要遵循的特定操作。然后规划结果经由车辆接口270传达到车辆控制系统280。通信可以通过通信路径223和271来执行，这些通信路径包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。

车辆控制系统280控制车辆的转向机构、油门、刹车等，以根据所规划的路线和移动来操作车辆。车辆感知和规划系统220可进一步包括用户接口260，该用户接口向用户(例如，驾驶员)提供对车辆控制系统280的访问，例如以在必要时操控或接管对车辆的控制。用户接口260可以与车辆感知和规划系统220通信，例如，以获得和显示原始或融合传感器数据、所标识的物体、车辆的位置/姿态等。这些显示的数据可以帮助用户更好地操作车辆。用户接口260可以分别经由通信路径221和261与车辆感知和规划系统220和/或车辆控制系统280通信，这些通信路径包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。应理解，图2中的各种系统、传感器、通信链路和接口可以以任何所期望的方式配置，并且不限于图2中所示的配置。

图3是图示示例性LiDAR系统300的框图。LiDAR系统300可以用于实施图1和图2中所示的LiDAR系统110、120A-H和/或210。在一个实施例中，LiDAR系统300包括激光源310、发射器320、光学接收器和光检测器330、转向机构或系统340和控制电路系统350。这些部件使用通信路径312、314、322、332、343、352和362耦合在一起。这些通信路径包括各种LiDAR系统部件当中的通信链路(有线或无线、双向或单向)，但不需要是物理部件本身。尽管通信路径可以由一条或多条电线、总线或光纤来实施，但是通信路径也可以是无线信道或自由空间光学路径，使得不存在物理通信介质。例如，在LiDAR系统300的一个实施例中，激光源310与发射器320之间的通信路径314可使用一根或多根光纤来实施。通信路径332和352可表示使用自由空间光学部件和/或光纤实施的光学路径。并且通信路径312、322、342和362可使用携载电信号的一条或多条电线来实施。通信路径还可以包括以上类型的通信介质中的一种或多种(例如，它们可以包括光纤和自由空间光学部件，或者包括一根或多根光纤和一条或多条电线)。

LiDAR系统300还可以包括图3中未描绘的其他部件，诸如功率总线、电源、LED指示器、开关等。附加地，可存在部件之间的其他通信连接，诸如光源310与光学接收器和光检测器330之间的直接连接以提供参考信号，使得可以准确地测量从传输光脉冲直到检测到返回光脉冲的时间。

激光源310输出用于照射视场(FOV)中的物体的激光。激光源310可以例如是基于半导体的激光器(例如，二极管激光器)和/或基于光纤的激光器。基于半导体的激光器可以例如是边缘发射激光器(EEL)、竖直腔面发射激光器(VCSEL)等。基于光纤的激光器是其中有源增益介质是掺杂有稀土元素(诸如，铒、镱、钕、镝、镨、铥和/或钬)的光纤的激光器。在一些实施例中，光纤激光器基于双包层光纤，其中增益介质形成被两层包层包围的光纤的芯。双包层光纤允许利用高功率光束泵送芯，由此使得激光源能够成为高功率光纤激光源。

在一些实施例中，激光源310包括主振荡器(也被称为种子激光器)和功率放大器(MOPA)。功率放大器放大种子激光器的输出功率。功率放大器可以是光纤放大器、体放大器或半导体光学放大器。种子激光器可以是二极管激光器(例如，法布里-珀罗腔激光器、分布式反馈激光器)、固态体激光器或可调谐外腔二极管激光器。在一些实施例中，激光源310可以是光泵微芯片激光器。微芯片激光器是免对准单片固态激光器，其中激光晶体直接与激光谐振器的端镜接触。微芯片激光器通常利用激光二极管泵送(直接地或使用光纤)以获得所期望的输出功率。微芯片激光器可以基于掺钕钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)激光晶体(即，Nd:YAG)，或掺钕钒酸盐(即，ND:YVO₄)激光晶体。

图4是图示示例性基于光纤的激光源400的框图，其具有种子激光器和用于泵送所期望的输出功率的一个或多个泵(例如，激光二极管)。基于光纤的激光源400是图3中描绘的激光源310的示例。在一些实施例中，基于光纤的激光源400包括种子激光器402，以生成一个或多个波长(例如，1550nm)的初始光脉冲，这些初始光脉冲经由光纤403提供给波分复用器(WDM)404。基于光纤的激光源400进一步包括泵406以用于经由光纤405将(例如，不同波长的，诸如980nm)激光功率提供给WDM 404。WDM 404将由种子激光器402提供的光脉冲和由泵406提供的激光功率多路复用到单根光纤407上。然后，WDM 404的输出可以经由光纤407提供给一个或多个前置放大器408。(多个)前置放大器408可以是放大光学信号的(多个)光学放大器(例如，具有约20至30dB的增益)。在一些实施例中，(多个)前置放大器408是低噪声放大器。(多个)前置放大器408经由光纤409输出到组合器410。组合器410将(多个)前置放大器408的输出激光与由泵412经由光纤411提供的激光功率进行组合。组合器410可以组合具有相同波长或不同波长的光学信号。组合器的一个示例是WDM。组合器410经由光纤413将脉冲提供给升压放大器414，从而经由光纤415产生输出光脉冲。升压放大器414提供对光学信号的进一步放大。然后输出的光脉冲可以被传输到发射器320和/或转向机构340(图3中示出)。应理解，图4图示了基于光纤的激光源400的一种示例性配置。使用图4中所示的一个或多个部件和/或图4中未示出的其他部件(例如，诸如电源、透镜、滤光器、分光器、组合器等的其他部件)的不同组合，激光源400可以具有许多其他配置。

在一些变型中，基于基于光纤的激光源400中使用的光纤的光纤增益曲线，可以控制基于光纤的激光源400(例如，通过控制电路系统350)产生不同幅值的脉冲。通信路径312将基于光纤的激光源400耦合到控制电路系统350(图3中示出)，使得基于光纤的激光源400的部件可以由控制电路系统350控制或者与该控制电路系统通信。替代性地，基于光纤的激光源400可包括其自身的专用控制器。代替控制电路系统350直接与基于光纤的激光源400的部件通信的是，基于光纤的激光源400的专用控制器与控制电路系统350通信并控制基于光纤的光源400的部件和/或与这些部件通信。基于光纤的光源400还可以包括未示出的其他部件，诸如一个或多个电源连接器、电源和/或功率线。

参考图3，激光源310的典型操作波长包括例如约850nm、约905nm、约940nm、约1064nm和约1550nm。最大可用激光功率的上限由U.S.FDA(美国食品和药物管理局)规则设定。1550nm波长下的光学功率极限比其他前述波长的光学功率极限高得多。进一步地，在1550nm下，光纤中的光学功率损耗是低的。1550nm波长的这些特性使其更有益于远程LiDAR应用。从激光源310输出的光学功率的量可以由其峰值功率、平均功率和脉冲能量来表征。峰值功率是脉冲能量与脉冲的宽度的比值(例如，半峰全宽或FWHM)。因此，对于固定量的脉冲能量，较小的脉冲宽度可以提供较大的峰值功率。脉冲宽度可以在纳秒或皮秒的范围内。平均功率是脉冲的能量和脉冲重复率(PRR)的乘积。如下文更详细描述的，PRR表示脉冲激光的频率。PRR通常对应于LiDAR系统可以测量的最大范围。激光源310可以被配置成以高PRR产生脉冲，以满足由LiDAR系统生成的点云中的所期望数量的数据点。激光源310还可以被配置成在中或低PRR下产生脉冲，以满足所期望的最大检测距离。墙插效率(WPE)是评估总功耗的另一个因素，其可以是评估激光器效率的关键指标。例如，如图1中所示，多个LiDAR系统可附接到车辆，该车辆可以是电动车辆或者另外具有有限燃料或电池电源的车辆。因此，当选择和配置激光源310和/或设计用于车载LiDAR应用的激光递送系统时，高WPE和使用激光功率的智能方式常常是在重要的考虑因素当中的。

应理解，以上描述提供了激光源310的非限制性示例。激光源310可以被配置成包括被配置成生成各种波长下的一个或多个光信号的许多其他类型的光源(例如，激光二极管、短腔光纤激光器、固态激光器和/或可调谐外腔二极管激光器)。在一些示例中，光源310包括放大器(例如，前置放大器和/或升压放大器)，这些放大器可以是掺杂光纤放大器、固态体放大器和/或半导体光学放大器。放大器被配置成接收光信号并以所期望的增益放大这些光信号。

返回参考图3，LiDAR系统300进一步包括发射器320。激光源310将激光(例如，呈激光束的形式)提供给发射器320。由激光源310提供的激光可以是具有预定或受控波长、脉冲重复率和/或功率水平的放大激光。发射器320接收来自激光源310的激光并以低发散度将激光传输到转向机构340。在一些实施例中，发射器320可以包括例如光学部件(例如，透镜、光纤、镜等)以用于直接或经由转向机构340将激光束传输到视场(FOV)。尽管图3将发射器320和转向机构340图示为分离的部件，但是在一些实施例中，它们可被组合或集成为一个系统。下文更详细地描述转向机构340。

由激光源310提供的激光束在行进至发射器320时可能发散。因此，发射器320常常包括准直透镜，该准直透镜被配置成收集发散的激光束并以减小或最小的发散度产生更加平行的光束。然后准直的光束可以通过各种光学器件(诸如，镜和透镜)被进一步引导。准直透镜可以例如是单个平凸透镜或透镜组。准直透镜可以被配置成实现任何所期望的性质，诸如光束直径、发散度、数值孔径、焦距等。光束传播比或光束质量因子(也被称为M²因子)用于测量激光束的质量。在许多LiDAR应用中，在所生成的传输激光束中具有良好的激光束质量是重要的。M²因子表示光束相对于理想高斯光束的变化程度。因此，M²因子反映了准直激光束可以多好地聚焦在小点上，或者发散的激光束可以多好地被准直。因此，激光源310和/或发射器320可以被配置成满足例如一种扫描分辨率要求，同时保持该所期望的M²因子。

由转向机构340将由发射器320提供的光束中的一个或多个扫描到FOV。转向机构340在多个维度上(例如，在水平和垂直维度两者上)扫描光束，以促进LiDAR系统300通过生成3D点云来绘制环境。下文将更详细地描述转向机构340。扫描到FOV的激光可被FOV中的物体散射或反射。散射光或反射光中的至少一部分返回到LiDAR系统300。图3进一步图示了被配置成接收返回光的光学接收器和光检测器330。光学接收器和光检测器330包括被配置成收集来自FOV的返回光的光学接收器。光学接收器可以包括用于接收、重定向、聚焦、放大和/或滤波来自FOV的返回光的光学器件(例如，透镜、光纤、镜等)。例如，光学接收器常常包括收集透镜(例如，单个平凸透镜或透镜组)以收集返回光和/或将所收集的返回聚焦到光检测器上。

光检测器检测由光学接收器聚焦的返回光，并生成与返回光的入射强度成比例的电流和/或电压信号。基于此类电流和/或电压信号，可以导出物体在FOV中的深度信息。用于导出此类度信息的一种示例性方法是基于直接TOF(飞行时间)，这在下文更详细地描述。光检测器可由其检测灵敏度、量子效率、检测器带宽、线性度、信噪比(SNR)、抗过载性、抗干扰性等表征。基于应用，光检测器可以被配置或定制成具有任何所期望的特性。例如，光学接收器和光检测器330可以被配置成使得光检测器具有大的动态范围，同时具有良好的线性度。光检测器线性度指示检测器保持输入光学信号功率和检测器的输出之间的线性关系的能力。具有良好线性度的检测器可以在大的动态输入光学信号范围内保持线性关系。

为实现所期望的检测器特性，可以对光检测器的结构和/或检测器的材料系统进行配置或定制。各种检测器结构可以用于光检测器。例如，光检测器结构可以是基于PIN的结构，其在p型半导体与n型半导体区域之间具有未掺杂的本征半导体区域(即，“i”区域)。其他光检测器结构包括例如基于APD(雪崩光电二极管)的结构、基于PMT(光电倍增管)的结构、基于SiPM(硅光电倍增管)的结构、基于SPAD(单光子雪崩二极管)的结构、和/或量子线。对于光检测器中使用的材料系统，可以使用Si、InGaAs和/或Si/Ge基材料。应理解，在光学接收器和光检测器330中可以使用许多其他检测器结构和/或材料系统。

光检测器(例如，基于APD的检测器)可具有内部增益，使得在生成输出信号时放大输入信号。然而，由于光检测器的内部增益，噪声也可能被放大。常见类型的噪声包括信号散粒噪声、暗电流散粒噪声、热噪声和放大器噪声。在一些实施例中，光学接收器和光检测器330可以包括作为低噪声放大器(LNA)的前置放大器。在一些实施例中，前置放大器还可包括TIA(跨阻)放大器，其将电流信号转换成电压信号。对于线性检测器系统，输入等效噪声或噪声等效功率(NEP)衡量光检测器对弱信号的敏感程度。因此，它们可以用作整体系统性能的指标。例如，光检测器的NEP指示可以被检测到的最弱信号的功率，且因此它反过来指定LiDAR系统的最大范围。应理解，可以使用各种光检测器优化技术来满足LiDAR系统300的要求。此类优化技术可包括选择不同的检测器结构、光学器件(例如，透镜、光纤、镜等，用于接收或重定向来自FOV的返回光)材料和/或实施信号处理技术(例如，滤波、降噪、放大等)。例如，除了使用返回信号的直接检测之外或代替使用返回信号的直接检测(例如，通过使用TOF)，相干检测也可以用于光检测器。相干检测允许通过利用本地振荡器干涉所接收到的光来检测所接收到的光的幅值和相位信息。相干检测可以提高检测灵敏度和抗噪性。

图3进一步图示了LiDAR系统300包括转向机构340。如上文所描述的，转向机构340引导来自发射器320的光束以在多个维度上扫描FOV。转向机构被称为光栅机构或扫描机构。沿多个方向(例如，沿水平方向和竖直方向两者)扫描光束促进LiDAR系统通过生成图像或3D点云来绘制环境。转向机构可以基于机械扫描和/或固态扫描。机械扫描使用一个或几个单点收发器外加二维机械扫描仪。旋转镜(例如，多面镜、振动镜、旋转棱镜、旋转倾斜镜或其组合)可用于转向激光束或物理旋转LiDAR发射器和接收器(统称为收发器)来扫描激光束。固态扫描将激光束引导到通过FOV的各个位置，而不机械地移动任何宏观部件，诸如收发器。固态扫描机构包括例如基于光学相控阵的转向以及基于闪光LiDAR的转向。在一些实施例中，因为固态扫描机构不物理地移动宏观部件，所以由固态扫描机构执行的转向可被称为有效转向。使用固态扫描的LiDAR系统也可被称为非机械扫描或简单地称为非扫描LiDAR系统(闪光LiDAR系统是示例性非扫描LiDAR系统)。其他非机械方法包括例如结合折射效应来调谐激光束的波长、或可重构光栅/相控阵。可以使用单个装置来实现二维光栅化，或者使用组合的两个装置来实现二维光栅化。第二种方式使用线性阵列或大量单点收发器外加一维机械扫描仪。这可通过将整个收发器阵列安装在旋转平台上以实现360度水平FoV、或者通过静态收发器阵列结合多面镜、振动镜、旋转棱镜或旋转倾斜镜表面以实现前视水平FoV来实现。又一种方法包括使用二维收发器来直接形成图像、以及使用拼接或微移位方法来提高分辨率或FoV。机械扫描方法已被证明适合汽车应用的稳健性和批量生产。

转向机构340可以与收发器(例如，发射器320以及光学接收器和光检测器330)一起使用来扫描FOV以生成图像或3D点云。作为示例，为了实施转向机构340，二维机械扫描仪可以与单点收发器或几个单点收发器一起使用。单点收发器将单个光束或少量光束(例如，2至8个光束)传输到转向机构。二维机械转向机构包括例如(多个)多面镜、(多个)振荡镜、(多个)旋转棱镜、(多个)旋转倾斜镜面或其组合。在一些实施例中，转向机构340可包括(多个)非机械转向机构，诸如(多个)固态转向机构。例如，转向机构340可以是基于结合折射效应的激光的调谐波长、和/或基于可重新配置的光栅/相位阵列。在一些实施例中，转向机构340可以使用单个扫描装置来实现二维扫描，或者使用组合的两个装置来实现二维扫描。

作为另一个示例，为了实施转向机构340，一维机械扫描仪可以与单点收发器阵列或大量单点收发器一起使用。具体来说，收发器阵列可以安装在旋转平台上，以实现360度水平视场。替代性地，静态收发器阵列可以与一维机械扫描仪组合。一维机械扫描仪包括(多个)多面镜、(多个)振荡镜、(多个)旋转棱镜、(多个)旋转倾斜镜面以用于获得前视水平视场。使用机械扫描仪的转向机构可以为汽车应用提供大规模生产方面的鲁棒性和可靠性。

作为另一个示例，为了实施转向机构340，可以使用二维收发器来直接生成扫描图像或3D点云。在一些实施例中，可以使用拼接或微移位方法来提高扫描图像或被扫描的视场的分辨率。例如，使用二维收发器，在一个方向(例如，水平方向)生成的信号和在另一方向(例如，竖直方向)生成的信号可被集成、交织和/或匹配，以生成表示所扫描的FOV的更高或全分辨率图像或3D点云。

转向机构340的一些实施方式包括一个或多个光学重定向元件(例如，镜或透镜)，所述光学重定向元件(例如，通过旋转、振动或引导)沿着接收路径引导返回光信号，以将返回光信号引导到光学接收器和光检测器330。沿着传输和接收路径引导光信号的光学重定向元件可以是相同的部件(例如，共享的)、单独的部件(例如，专用的)、和/或共享的和单独的部件的组合。这意味着在一些情况下，传输和接收路径是不同的，尽管它们可能部分地重叠(或者在一些情况下基本上重叠)。

仍参考图3，LiDAR系统300进一步包括控制电路系统350。控制电路系统350可以被配置成和/或编程为控制LiDAR系统300的各个部分和/或执行信号处理。在典型的系统中，控制电路系统350可以被配置成和/或编程为执行一个或多个控制操作，包括例如控制激光源310以获得所期望的激光脉冲定时、重复率和功率；控制转向机构340(例如，控制速度、方向和/或其他参数)来扫描FOV并保持像素配准/对准；控制光学接收器和光检测器330(例如，控制灵敏度、降噪、滤波和/或其他参数)使得其处于最佳状态；以及监测整体系统健康/功能安全状态。

控制电路系统350还可以被配置成和/或编程为对由光学接收器和光检测器330生成的原始数据执行信号处理以导出距离和反射率信息以及执行数据打包和与车辆感知和规划系统220(图2中示出)通信。例如，控制电路系统350确定从传输光脉冲直到接收到对应的返回光脉冲所花费的时间；确定对于所传输的光脉冲何时没有接收到返回光脉冲；确定传输/返回光脉冲的方向(例如，水平和/或竖直信息)；确定沿特定方向的所估计的范围；和/或确定与LiDAR系统300相关的任何其他类型的数据。其他功能可以包括控制激光定时和功率、控制光栅化机构和保持像素配准、将光学收发器保持在最佳状态以及监测系统健康状况和功能安全的状态。

LiDAR系统300可以设置在车辆中，车辆可以在多种不同环境下操作，包括炎热或寒冷天气、可能引起强烈振动的崎岖路况、高湿度或低湿度、多尘区域等。因此，在一些实施例中，LiDAR系统300的光学和/或电子部件(例如，发射器320、光学接收器和光检测器330以及转向机构340中的光学器件)是以保持长期机械和光学稳定性这样的方式来设置或配置的。例如，LiDAR系统300中的部件可被固定和密封，使得它们可以在车辆可能遇到的所有状况下操作。作为示例，可将防潮涂层和/或气密密封应用于发射器320、光学接收器和光检测器330以及转向机构340的光学部件(以及易受湿气影响的其他部件)。作为另一个示例，可以在LiDAR系统300中使用(多个)壳体、(多个)外罩和/或窗以用于提供所期望的特性，诸如硬度、防护等级(IP)评级、自清洁能力、耐化学性和抗冲击性等。另外，用于组装LiDAR系统300的高效且经济的方法可用于满足LiDAR操作要求，同时保持低成本。

本领域普通技术人员应理解，图3和以上描述仅用于图示性目的，并且LiDAR系统可以包括其他功能单元、块或段，并且可以包括这些以上功能单元、块或段的变型或组合。例如，LiDAR系统300还可以包括图3中未描绘的其他部件，诸如电源总线、电源、LED指示器、开关等。附加地，可存在部件当中的其他连接，诸如光源310与光学接收器和光检测器330之间的直接连接，使得光检测器330可以准确地测量从光源310传输光脉冲直到光检测器330检测到返回光脉冲的时间。

图3中所示的这些部件使用通信路径312、314、322、332、342、352和362耦合在一起。这些通信路径表示各种LiDAR系统部件当中的通信(双向或单向)，但不需要是物理部件本身。尽管通信路径可以由一条或多条电线、总线或光纤来实施，但是通信路径也可以是无线信道或露天光学路径，使得不存在物理通信介质。例如，在一个示例性LiDAR系统中，通信路径314包括一根或多根光纤；通信路径332和352表示光学路径；并且通信路径312、322、342和362全部都是携载电信号的电线。通信路径还可以包括以上类型的通信介质中的一种以上(例如，它们可以包括光纤和光学路径，或者一根或多根光纤和一条或多条电线)。

如上文所描述的，一些LiDAR系统使用光信号(例如，光脉冲)的飞行时间(TOF)来确定到光路中物体的距离。例如，参考图5A，示例性LiDAR系统500包括激光光源(例如，光纤激光器)、转向系统(例如，一个或多个移动镜的系统)和光检测器(例如，具有一个或多个光学器件的光子检测器)。LiDAR系统500可以使用例如上文所描述的LiDAR系统300来实施。LiDAR系统500沿着如由LiDAR系统500的转向系统确定的光路504传输光脉冲502。在所描绘的示例中，由激光光源生成的光脉冲502是激光的短脉冲。进一步地，LiDAR系统500的信号转向系统是脉冲信号转向系统。然而，应了解，LiDAR系统可以通过生成、传输和检测非脉冲的光信号来操作，并且使用除飞行时间之外的技术来导出到周围环境中物体的距离。例如，一些LiDAR系统使用调频连续波(即，“FMCW”)。应进一步了解，本文中关于使用脉冲信号的基于飞行时间的系统描述的技术中的任何一种也可适用于不使用这些技术中的一种或两种的LiDAR系统。

返回参考图5A(例如，图示了使用光脉冲的飞行时间LiDAR系统)，当光脉冲502到达物体506时，光脉冲502散射或反射以生成返回光脉冲508。返回光脉冲508可沿着光路510返回到系统500。可以测量从所传输的光脉冲502离开LiDAR系统500时到返回光脉冲508返回到达LiDAR系统500时的时间(例如，通过LiDAR系统内的处理器或其他电子器件，诸如控制电路系统350)。结合光速的知识的此飞行时间可以用于确定从LiDAR系统500到光脉冲502被散射或反射的物体506部分的范围/距离。

如图5B中所描绘的，通过引导许多光脉冲，LiDAR系统500扫描外部环境(例如，通过分别沿着光路504、524、528、532引导光脉冲502、522、526、530)。如图5C中所描绘的，LiDAR系统500接收返回光脉冲508、542、548(这些返回光脉冲分别对应于所传输的光脉冲502、522、530)。返回光脉冲508、542和548通过由物体506和514中的一个散射或反射所传输的光脉冲而生成。返回光脉冲508、542和548可分别沿着光路510、544和546返回到LiDAR系统500。基于所传输的光脉冲的方向(如由LiDAR系统500所确定的)以及所计算的从LiDAR系统500到散射或反射光脉冲的物体部分(例如，物体506和514的部分)的距离，可以精确地绘制或标绘(例如，通过生成3D点云或图像)可检测范围(例如，包括路径504与532之间的视场)内的外部环境。

如果对于特定的所传输的光脉冲没有接收到对应光脉冲，则可确定在LiDAR系统500的可检测范围内没有物体(例如，物体超出LiDAR系统500的最大扫描距离)。例如，在图5B中，光脉冲526可能没有对应的返回光脉冲(如图5C中所图示的)，因为光脉冲526可能不会在预定的检测范围内沿着其传输路径528产生散射事件。LiDAR系统500或与LiDAR系统500通信的外部系统(例如，云系统或服务)可以将缺少返回光脉冲解释为在LiDAR系统500的可检测范围内没有沿着光路528设置物体。

在图5B中，光脉冲502、522、526和530可以按任何顺序、串行、并行或基于相对于彼此的其他定时传输。附加地，尽管图5B将所传输的光脉冲描绘为在一个维度或一个平面(例如，纸平面)中被引导，但是LiDAR系统500也可以沿着(多个)其他维度或(多个)平面引导所传输的光脉冲。例如，LiDAR系统500还可以在与图5B中所示的维度或平面垂直的维度或平面中引导所传输的光脉冲，由此形成光脉冲的2维传输。光脉冲的这种2维传输可以是逐点的、逐行的、同时的或者以某种其他方式进行。来自光脉冲的1维传输(例如，单条水平线)的点云或图像可以生成2维数据(例如，(1)来自水平传输方向的数据和(2)到物体的范围或距离)。类似地，来自光脉冲的2维传输的点云或图像可以生成3维数据(例如，(1)来自水平传输方向的数据、(2)来自竖直传输方向的数据和(3)到物体的范围或距离)。一般来说，执行光脉冲的n维传输的LiDAR系统生成(n+1)维数据。这是因为，LiDAR系统可以测量物体的深度或者到物体的范围/距离，这提供了数据的额外维度。因此，由LiDAR系统进行的2D扫描可以生成用于绘制LiDAR系统的外部环境的3D点云。

点云的密度是指由LiDAR系统执行的每个区域的测量(数据点)的数量。点云密度与LiDAR扫描分辨率相关。通常，至少对于感兴趣区域(ROI)，期望更大的点云密度，且因此期望更高的分辨率。由LiDAR系统生成的点云或图像中的点密度等于脉冲的数量除以视场。在一些实施例中，视场可以是固定的。因此，为了增加由一组传输-接收光学器件(或收发器光学器件)生成的点的密度，LiDAR系统可能需要更频繁地生成脉冲。换句话说，需要具有更高脉冲重复率(PRR)的光源。另一方面，通过更频繁地生成和传输脉冲，LiDAR系统可以检测的最远距离可能是有限的。例如，如果在系统传输下一脉冲之后接收来自远处物体的返回信号，则返回信号可能以与传输对应信号的顺序不同的顺序被检测，由此如果系统不能正确地将返回信号与传输的信号关联，则会引起模糊性。

为了进行图示，考虑可以在500kHz与1MHz之间的重复率传输激光脉冲的示例性LiDAR系统。基于脉冲返回到LiDAR系统所花费的时间，并且为了避免搞混来自常规LiDAR设计中的连续脉冲的返回脉冲，对于500kHz和1MHz，LiDAR系统可以检测的最远距离可分别为300米和150米。具有500kHz的重复率的LiDAR系统的点密度是具有1MHz的重复率的LiDAR系统的点密度的一半。因此，这个示例表明，如果系统不能正确地使无序到达的返回信号关联，则将重复率从500kHz增加到1MHz(且因此提高系统的点密度)可减小系统的检测范围。使用各种技术来减轻较高PRR与有限检测范围之间的折衷。例如，多个波长可以用于检测不同范围内的物体。光学和/或信号处理技术也用于在所传输的光信号和返回光信号之间进行关联。

本文中所描述的各种系统、设备和方法可使用数字电路系统或使用一台或多台使用众所周知的计算机处理器、存储器单元、存储装置、计算机软件和其他部件的计算机来实施。通常，计算机包括用于执行指令的处理器和用于存储指令及数据的一个或多个存储器。计算机还可包括或耦合到一个或多个大容量存储装置，诸如一个或多个磁盘、内部硬盘和可移动磁盘、磁光盘、光盘等。

本文中所描述的各种系统、设备和方法可使用以客户端-服务器关系操作的计算机来实施。通常，在此类系统中，客户端计算机定位成远离服务器计算机并经由网络进行交互。客户端-服务器关系可由在相应的客户端和服务器计算机上运行的计算机程序来定义和控制。客户端计算机的示例可以包括台式计算机、工作站、便携式计算机、蜂窝智能手机、平板电脑或其他类型的计算装置。

本文中所描述的各种系统、设备和方法可使用有形地体现在信息载体中(例如，在非暂时性机器可读存储装置中)的计算机程序产品来实施，以便由可编程处理器执行；并且本文中描述的方法过程和步骤(包括图11的步骤中的一个或多个)可使用可由此类处理器执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序是可以在计算机中直接或间接使用以执行特定活动或产生特定结果的一组计算机程序指令。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。

图6中图示了可用于实施本文中所描述的系统、设备和方法的示例性设备的高级框图。设备600包括处理器610，该处理器操作性地耦合到永久存储装置620和主存储器装置630。处理器610通过执行定义此类操作的计算机程序指令来控制设备600的整体操作。计算机程序指令可存储在永久存储装置620或其他计算机可读介质中，并在期望执行计算机程序指令时加载到主存储器装置630中。例如，处理器610可用于实施本文中所描述的一个或多个部件和系统，诸如控制电路系统350(图3中示出)、车辆感知和规划系统220(图2中示出)和车辆控制系统280(图2中示出)。因此，图11的方法步骤可以由存储在主存储器装置630和/或永久存储装置620中的计算机程序指令来定义，并且由执行计算机程序指令的处理器610来控制。例如，计算机程序指令可以被实施为由本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以执行由图11的方法步骤定义的算法。因此，通过执行计算机程序指令，处理器610执行由图11的方法定义的算法。设备600还包括一个或多个网络接口680以用于经由网络与其他装置通信。设备600还可包括一个或多个输入/输出装置690，所述输入/输出装置使得用户能够与设备600(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按键等)交互。

处理器610可包括通用和专用微处理器两者，并且可以是设备600的唯一处理器或多个处理器中的一个。处理器610可包括一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)，所述图形处理单元例如可与一个或多个CPU分开工作和/或与一个或多个CPU一起执行多任务以加速处理，例如用于本文中所描述的各种图像处理应用。处理器610、永久存储装置620和/或主存储器装置630可包括一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)，或者由一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)补充或并入其中。

永久存储装置620和主存储器装置630各自包括有形非暂时性计算机可读存储介质。永久存储装置620和主存储器装置630可各自包括高速随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR RAM)或其他随机存取固态存储器装置，并且可包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储装置，诸如内部硬盘和可移除磁盘、磁光盘存储装置、光盘存储装置、快闪存储器装置、半导体存储器装置，诸如可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、紧凑光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘只读存储器(DVD-ROM)盘或其他非易失性固态存储装置。

输入/输出装置690可包括外围件，诸如打印机、扫描仪、显示屏等。例如，输入/输出装置690可包括用于向用户显示信息的显示装置(诸如，阴极射线管(CRT)、等离子体或液晶显示器(LCD)监视器)、键盘和定点装置(诸如，用户可以将输入提供给设备600的鼠标或轨迹球)。

本文中所讨论的系统和设备的任何或全部功能可由处理器610执行，和/或并入设备或系统(诸如，LiDAR系统300)中。进一步地，LiDAR系统300和/或设备600可利用由处理器610或本文中所讨论的其他系统或设备执行的一个或多个神经网络或其他深度学习技术。

本领域技术人员将认识到，实际计算机或计算机系统的实施可具有其他结构，并且也可包含其他部件，并且图6是出于图示性目的的此类计算机的部件中的一些的高级表示。

下文描述本发明的实施例。在本发明的各种实施例中，公开了一种用于供与车辆至少部分地集成的光检测和测距(LiDAR)扫描系统的设备。该设备包括光学核心组件，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。该设备包括至少部分地由车辆车顶的至少第一部分或车辆挡风玻璃的至少一部分界定的第一外表面。第一外表面的表面轮廓与和车辆车顶的第一部分或车辆挡风玻璃的该部分中的至少一者相关联的表面轮廓对准。第一外表面和该一个或多个附加外表面的组合形成了围封光学核心组件的壳体，该光学核心组件包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。

图7分别图示了针对示例性LiDAR系统在自主驾驶机动车辆705和720上的几种安装选项的透视图707和侧视图710。示例性LiDAR系统707是在许多自主驾驶车辆测试车队(例如，Waymo)中使用的一种形式的顶部安装式LiDAR系统，其示出了安装在具有金属车顶行李架的车辆车顶的顶部上的大而笨重的LiDAR系统。LiDAR和行李架底座(其占据了车辆车顶的几乎全部)的这种尺寸以及LiDAR系统的安装类型可适用于正在绘制和学习穿过城市的驾驶路线的自主驾驶车辆测试车队，但将并不非常适用于大批量生产或消费者车辆。侧视图710示出了具有细长的、更符合空气动力学的设计的示例性LiDAR系统，其被集成到车辆的车顶中并与车辆的挡风玻璃的顶部部分相邻。在本发明的一个实施例中，LiDAR系统710定位成接近挡风玻璃的中间位置，例如在车辆的两个A柱之间。

图8图示了被集成到自主驾驶机动车辆800的车顶和挡风玻璃部分中的示例性LiDAR系统810的前视图，其示出了将LiDAR系统集成到机动车辆的空气动力学设计中的一些关键考虑因素。在本发明的一些实施例中，LiDAR系统安装在车辆的顶部部分或车顶附近，以获得最佳的可视性、性能和视场(FoV)。因此，顶部安装式LiDAR系统设计的高度应在可能的情况下最小化，以便减少空气动力阻力。另外，LiDAR设计集成的暴露尺寸应被轮廓化以拟合总体车辆轮廓。最后，如果对于LiDAR系统部件需要更多空间，则可根据需要扩展LiDAR系统的横向尺寸，以便保持低的空气动力学轮廓(contour profile)。

图9图示了所公开的发明的一些实施例的自主驾驶机动车辆900中的示例性LiDAR系统910的侧面轮廓图和放大侧视图。示例性LiDAR系统设计910包括用以拟合车辆900的顶部轮廓的轮廓设计。LiDAR系统910包括光学核心组件，该光学核心组件包括光学引擎925。光学引擎925被第一外表面915围封，该第一外表面至少部分地由车辆车顶的至少第一部分或车辆挡风玻璃的至少一部分界定，其中，第一外表面的表面轮廓与和车辆车顶的第一部分或车辆挡风玻璃的该部分中的至少一者相关联的表面轮廓对准。光学引擎925进一步被一个或多个附加外表面920围封，其中，第一外表面和所述一个或多个附加外表面的组合形成了围封光学引擎925的壳体，该光学引擎包括下文待进一步描述的振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件。

所公开的发明的实施例中的LiDAR系统910的总体设计目标是保持总高度尽可能低。这些目标包括降低包括振动反射元件和光学多边形元件的扫描元件的高度、以及降低包括收发器的传输和收集光学器件的高度。多边形马达(未示出)可位于和/或嵌入于光学多边形元件内部以进一步降低扫描元件的高度和空间要求。进一步的设计目标包括最小化扫描元件与收发器之间的间隙。轮廓设计进一步包括具有从前到后的锥形轮廓，其中更大的区域与车辆的前部相邻以最大化FoV和孔径。系统单元910的顶表面920保持基本上平坦或平行和/或与车辆车顶齐平以最小化突出度，而系统910的底表面915沿着挡风玻璃的轮廓从车辆900的前部逐渐向上倾斜到挡风玻璃与车辆车顶的交接处，以便拟合车辆的上轮廓。而且，为了与保持轮廓从前到后为锥形并保持总高度尽可能低的目标一致，LiDAR系统910的其他部分扩散到光学引擎925的两个侧部。

图10图示了根据所公开的发明的实施例的LiDAR信号链的流程图1000。图11图示了根据所公开的发明的实施例的使用用于LiDAR光学引擎1100的示例性设备的LiDAR信号的路径，下文将结合图10对此进行讨论。

光纤激光器1110可被认为是激光源310，并且可如图10的激光生成步骤1010中所示来输出激光。激光可被引导通过分裂器1120和/或传输光纤阵列1160。如本文中在上文所讨论的，激光束然后可被引导通过准直器1155，该准直器被配置成收集发散的激光束并产生具有减小或最小的发散度的更加平行的光束。光束转向步骤1020可通过在多个维度上(例如，在水平和垂直维度两者上)将准直激光束中的一个或多个引导或扫描到FoV以帮助绘制环境来完成。激光束可被引导通过各种光学器件(诸如，镜和透镜)，包括但不限于检流计镜1180、接着是多面镜1150(按该顺序或不同的顺序)。如本文中在上文所讨论的，根据步骤1030，扫描到FoV的激光可被FoV中的物体1140散射或反射，从而传播通过自由空间。

在返回光收集步骤1040中，散射或反射光的至少一部分返回到LiDAR光学引擎1100。LiDAR光学引擎1100可包括被配置成收集来自FoV的返回光的光学接收器(如本文中在上文所讨论的)，并且可包括用于接收、重定向、聚焦、放大和/或过滤来自FoV的返回光的光学器件。LiDAR光学引擎1100包括示例性光学接收器设备，该光学接收器设备包括例如多面镜1150和检流计镜1180。LiDAR光学引擎1100还包括作为其示例性光学接收器设备的一部分的收集透镜1170(例如，单个平凸透镜或透镜组)，以在步骤1050中收集返回光和/或将所收集的返回光聚焦到光检测器上，例如通过使用耦合到雪崩光电检测器(APD)1150的接收光纤阵列1190，或者在一些其他实施例中，可用APD阵列(未示出)代替接收光纤阵列1190和APD 1150。如上文所讨论的，在步骤1060中发生接收器信号转换，以生成FoV中的(多个)物体的深度和/或距离信息。

图12示出了根据所公开的发明的一个实施例的用于LiDAR系统的锥形设计1200的截面图。传输光纤阵列1260可将所传输的光束反射离开检流计镜1280和多面镜1220(该多面镜被可操作地配置成在由多边形马达1230提供动力时旋转)，所传输的光束然后通过窗口1210离开并作为传输射束1295传播通过自由空间。作为如上文所讨论的返回光束收集步骤的一部分，接收到的光束1290可通过前窗口1210返回到LiDAR系统1200。LiDAR光学引擎1200可包括被配置成收集来自FoV的返回光的光学接收器(如本文中在上文所讨论的)，并且可包括用于接收、重定向、聚焦、放大和/或过滤来自FoV的返回光的光学器件。LiDAR系统1200包括示例性光学接收器设备，该光学接收器设备包括例如多面镜1220和检流计镜1280。LiDAR光学引擎1200还包括作为其示例性光学接收器设备的一部分的收集透镜1270(例如，单个平凸透镜或透镜组)，以收集返回光和/或将所收集的返回光聚焦到光检测器上，例如通过使用接收光纤阵列1250。电缆连接器1240可被配置成将LiDAR系统1200的部件连接到车辆的其他部分中的电力及车辆计算和/或数据系统。

在所公开的发明的一些实施例中，为了最小化LiDAR系统1200从车辆车顶的突出度，LiDAR系统1200的一部分可在车辆舱(cabin)内部定位在车辆车顶和挡风玻璃下方。例如，如在图12中所示的示例性LiDAR系统锥形设计中所示，包括系统1200中的其他部件，检流计镜1280、收集透镜1270和接收光纤阵列1250可部分地或完全地位于车辆车顶线1205下方。在如图12中所示的所公开的发明的一个实施例中，更新后的车顶线可与水平面成大约11度。在如图12中所示的所公开的发明的实施例中，锥形LiDAR系统设计1200的长度为大约143mm(不包括电缆连接器1240)，并且锥形LiDAR系统设计1200的高度在它的与前窗口1210相邻的最高点处为大约60mm，尽管比本文中所公开的尺寸更大或更小的尺寸(例如，小于或等于50mm总高度)是在所公开的发明的范围内。特别地，公开了一种LiDAR系统，其具有轮廓化的外部设计以无缝地拟合在车辆的前顶部处，其中在所公开的发明的范围内设想了跨越整个LiDAR系统的小于或等于大约40或45mm的高度。此外，LiDAR系统壳体的顶部外表面可与车辆车顶的顶表面协调成一致，并且LiDAR系统的底表面可与车辆舱的内部上表面协调成一致。另外，LiDAR系统的后表面可为锥形以根据(against)车辆的前顶梁进行拟合。

在所公开的发明的一些实施例中，LiDAR系统被设计成具有特殊的光学引擎设计以装配在如上文所描述的轮廓化外部围封件内部，该光学引擎包括低轮廓多边形扫描元件，其中马达埋置在扫描镜内部。此外，在一些实施例中，多边形扫描元件可定位在收发器模块上方。最后，可不对称地切割收集透镜(例如，图12中的1270)以将返回的散射光向上聚焦(如图12中所示)，因此降低了对如图12中所示的LiDAR系统1200的后部的高度要求。

应记住的是，为了满足物体检测性能规范，接收孔径要求可以是固定的或不太灵活的，可采用其他策略来降低光学引擎的高度。例如，通过将多面镜的尺寸拉伸，可减小多边形件高度，同时可保持相同的接收孔径。另外，通过从顶部和底部切割收集透镜的一部分，可进一步降低接收器子组件的高度。

在所公开的发明的一些实施例中，LiDAR系统被设计成具有紧凑的收发器模块以便集成在车辆的前顶部处，该收发器模块包括低轮廓收集透镜，该低轮廓收集透镜降低模块高度，同时保持大的接收孔径。图13示出了定位传输射束以便降低光学引擎的高度的两个示例性实施例。在图13中所示的一个示例性实施例1320中，通过在收集透镜1330内部切割出槽以定位发射器子组件1325的各部分，可最小化该发射器子组件的尺寸并将其包括在该收集透镜的内部。在图12中所示的示例性LiDAR系统实施例中利用图13的实施例1320。在所公开的发明的一些实施例中，光束移位系统(例如，潜望镜棱镜)可用于将发射器射束移动到接收孔径中，如实施例1310中所示。以这种方式，发射器可位于收集透镜外部并且透镜不必被切开。

图14图示了根据所公开的发明的实施例的示例性LiDAR锥形系统设计1400的俯视图。检流计镜1450定位在系统单元的前部部分附近并与窗口1455相邻，并且多边形件1460定位成朝向系统单元的中心。包含激光光源和传输光纤阵列的光纤激光器模块1440可定位成与多边形件1460相邻。接收传输光纤阵列1480定位成与多边形件1460相邻，并且可操作地连接到雪崩光电二极管(APD)1430和APD板1420，该APD和该APD板还连接到主系统板1410。另外，用于操作振动反射元件(例如，多边形件1460)的马达控制板1490连接到主系统板1410。连接器1470也可连接到主系统板1410，并且朝向系统单元的后部定位。在一个示例性实施例中，系统1400在前部部分处为大约180mm宽，并且其长度朝向车辆的后部延伸大约143mm。

图15图示了根据所公开的发明的一个实施例的示例性LiDAR系统设计1500的俯视图。检流计镜1550定位在系统单元1500的前部部分附近，并且多边形件1560定位成朝向系统单元的中心。包含激光光源和传输光纤阵列的光纤激光器模块1540可定位成与多边形件1460相邻。接收传输光纤阵列(未示出)可定位成与多边形件1560相邻，并且可操作地连接到雪崩光电二极管(APD)1530，这些APD可操作地连接到APD板1520，这些APD和该APD板还连接到主系统板1510，该主系统板可包含用于进行马达控制以便操作振动反射元件(例如，多边形件1560)的元件。连接器1570也可连接到主系统板1510，并且可定位在系统单元的一个侧部附近。在一个示例性实施例中，系统1500的长度朝向车辆的后部延伸大约143mm。

前述说明书将被理解为在每个方面都是图示性和示例性的，而不是限制性的，并且本文中所公开的本发明的范围将不从说明书确定，而是从如根据专利法所准许的全部范围解释的权利要求确定。将理解，本文中示出和描述的实施例仅图示本发明的原理，并且本领域技术人员可在不脱离本发明的范围和精神的情况下实施各种修改。本领域技术人员可在不脱离本发明的范围和精神的情况下实施各种其他特征组合。

Claims (35)

1.一种光检测和测距(LiDAR)扫描系统的设备，用于与车辆至少部分地集成，所述设备包括：

光学核心组件，包括振动反射元件、光学多边形元件、以及传输和收集光学器件；

至少部分地由车辆车顶的至少第一部分或车辆挡风玻璃的至少一部分界定的第一外表面，其中，所述第一外表面的表面轮廓与和所述车辆车顶的所述第一部分或所述车辆挡风玻璃的所述部分中的至少一者相关联的表面轮廓对准；以及

一个或多个附加外表面，其中，所述第一外表面和所述一个或多个附加外表面的组合形成围封所述振动反射元件、所述光学多边形元件、以及所述传输和收集光学器件的壳体。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学核心组件定位成接近所述车辆的两个A柱之间的中间位置。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中，所述第一外表面的所述表面轮廓包括倾斜或弯曲部分，所述倾斜或弯曲部分与和所述车辆车顶的所述第一部分或所述车辆挡风玻璃的所述部分中的至少一者相关联的所述表面轮廓的倾斜或弯曲部分对准。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述一个或多个附加外表面进一步包括具有表面轮廓的第二外表面，所述表面轮廓与所述车辆车顶的第二部分的表面轮廓至少部分地对准。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二外表面的所述表面轮廓包括基本上为平面的部分，所述基本上为平面的部分与所述车辆车顶的所述第二部分的所述表面轮廓的基本上为平面的部分对准。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的设备，其中，所述第二外表面与所述车辆车顶的所述第二部分之间的高差的量小于或等于大约50mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述振动反射元件、所述光学多边形元件、以及所述传输和收集光学器件中的至少一者的横向尺寸被配置成大于或等于所述同一元件的高度尺寸的150％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述光学核心组件的所述壳体具有从所述壳体的前向端部到所述壳体的后向端部的锥形轮廓。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述振动反射元件设置在所述壳体的第一内部分中，所述壳体的所述第一内部分接近所述壳体的前向端部，所述振动反射元件定位成接近所述第一外表面。

10.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中，所述光学多边形元件设置成接近所述第二外表面，所述光学多边形元件包括相对于所述光学多边形元件的旋转轴倾斜的多个刻面。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述传输和收集光学器件包括被配置成将传输光束递送到所述振动反射元件的多个发射器通道。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述传输和收集光学器件进一步包括：

准直透镜，光学耦合到所述多个发射器通道以接收所述传输光束；以及

收集透镜，设置成接收和重定向基于所述传输光束生成的返回光。

13.根据权利要求12所述的设备，进一步包括光学耦合到所述准直透镜的光束移位系统，其中，所述光束移位系统重定向多个准直传输光束，使得所述准直传输光束的至少一部分定位在所述收集透镜的光学接收孔径内。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光束移位系统包括一个或多个棱镜、透镜和反射镜，所述一个或多个棱镜、透镜和反射镜被配置成重定向多个准直传输光束，使得所述重定向后的准直传输光束基本上平行于所述准直传输光束。

15.根据权利要求13和14中任一项所述的设备，其中，所述光束移位系统包括潜望镜棱镜，所述潜望镜棱镜包括设置成彼此基本上平行的两个反射表面。

16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述传输和收集光学器件进一步包括具有开口的收集透镜，其中，所述多个发射器通道至少部分地设置在所述开口中以将传输光束递送到所述振动反射元件。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述开口定位成接近所述收集透镜的边缘并具有至少部分地基于光学接收孔径要求配置的尺寸。

18.根据权利要求16和17中任一项所述的设备，其中，所述收集透镜相对于对应的对称地成形的收集透镜具有高度减小的不对称形状。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述传输和收集光学器件进一步包括在所述壳体内部设置在基于所述收集透镜的焦距的位置处的多个接收通道，其中，所述收集透镜包括光学地被配置成将光引导到所述多个接收通道的第一表面部分。

20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述收集透镜进一步包括第二表面部分和第三表面部分，其中，所述第二表面部分和所述第三表面部分两者都与所述第一表面部分相交。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第二表面部分定位成接近所述光学多边形元件，并且其中，所述收集透镜的光轴更靠近所述第二表面部分而非所述第三表面部分。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的设备，其中，所述多个接收通道定位成接近所述光学多边形元件，其中，所述多个接收通道的路径被配置成与所述壳体的锥形轮廓对准。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的设备，其中，所述多个接收通道设置成接近所述壳体的所述后向端部。

24.根据权利要求11至23中任一项所述的设备，其中，所述振动反射元件被配置成将由所述多个发射器通道提供的传输光束重定向到所述光学多边形元件。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的设备，其中，当相对于彼此移动时，所述光学多边形元件和所述振动反射元件的组合：

使光既水平地又竖直地转向，以照射在所述LiDAR设备的部分视场中的一个或多个对象；以及

获得基于对所述一个或多个对象的所述照射所生成的返回光。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的设备，其中，所述光学多边形元件具有小于或等于约20mm的高度。

27.根据权利要求1至26中任一项所述的设备，其中，所述光学多边形元件包括定位在所述光学多边形元件内部的多边形马达。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的设备，其中，所述光学核心组件进一步包括窗口，所述窗口形成所述壳体的所述一个或多个附加外表面的一部分。

29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述窗口以基于以下各者中的至少一者配置的角度倾斜：所述光学多边形元件的取向、所述振动反射元件的取向、以及所述传输和收集光学器件的取向。

30.根据权利要求28和29中任一项所述的设备，其中，所述窗口包括抗反射涂层。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中，所述传输和收集光学器件包括四个或更多个发射器通道和四个或更多个接收通道。

32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述四个或更多个发射器通道是基于光纤的通道。

33.根据权利要求31和32中任一项所述的设备，进一步包括光学耦合到所述四个或更多个对应的接收通道的四个或更多个光电检测器。

34.一种LiDAR扫描系统，包括根据权利要求1至33中任一项所述的设备。

35.一种车辆，包括根据权利要求34所述的LiDAR扫描系统。