TW202012956A - 自適應光學雷達成像系統與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種自適應光學雷達(lidar)系統。在一種實施方式中，此系統可具有控制器及與控制器通訊的光學雷達控制軟體。此系統可包含聚焦控制子系統用以控制雷射光束的聚焦與偵測。此系統可包含發射器/偵測器子系統用以響應於來自聚焦控制子系統的指令以產生至少一雷射光束用於實現多個不同的聚焦模式據以對一場景進形成像。

Description

自適應光學雷達成像系統與方法
本發明係關於一種光學雷達系統與方法，特別是一種具有使用者可變化影像擷取參數以減少影像傳輸所需的機械頻寬並且處理工作量的光學雷達系統與方法。
本部份提供本發明有關的背景資訊，但不一定是現有技術。
傳統上，光學雷達（lidar）成像系統係圍繞一個一致的、重複的且非變化的掃描操作而設計的。這通常是光柵描（raster scan），其中逐行建立二維圖像。這僅需要簡單的機械操作（重複振盪），因此也已透過旋轉鏡或振盪鏡來實現。非自適性掃描過程的使用通常將解析度與速率限制為預設值。這樣基於振盪的方法的局限性在於，數據收集的工作無法適應與系統一起使用的圖像處理演算法所設定的優先性（priorities）。優先性發生在一些情況下，在該些情況中，圖像的某一特定區域相較於其他區域更有價值，例如在無人駕駛汽車中，在該車輛正前方的路段具有高價值，但在遠離道路的區域或超過該車輛前方區域的區域僅需要偶爾進行掃描。另一個範例是在汽車轉彎時，有價值的區域轉移到車輛行駛所朝向的一側。這種重新評估也是由先前的數據擷取所驅動，其中來自關於一物體的先前測量之讀數可以被判斷為優先且具有高價值的區域用於後續的研究。使用現今的掃描光學雷達技術無法實現相當於眼睛的這種類型的「焦點轉移」所需的適應性。這種系統必須單純地等待直到掃描器再次回到該區域或者是感興趣的物體越來越靠近。對於具有低返回反射率塗層的快速行駛的車輛來說，這會是一個重大的問題，因此會降低其遠距離光學雷達的返回訊號。在這種情況下，在給定車輛上的光學雷達將不具有判讀該物體的能力直到該車輛不期望地靠近該物體。此外，該車輛上的光學雷達系統可能由環境中的隨機雜訊觸發，例如測知落葉（detection of an airbornleaf）或者由於在同一區域中運行的另一光學雷達所引起的干擾，而無法聚焦在該點以分析該讀數。這樣聚焦力的缺乏會降低所接收到的數據之品質，絕大部分所收集到的數據並非是感興趣的，但仍然必須要收集。這也使得與車輛光學雷達相關的圖像處理及分析軟體的響應變得緩慢，其中軟體必須篩出低品質數據以找到有用的點，且等待該物體更靠近後才能分辨出細微的細節。
微鏡技術的近來發展已經開啟了一或多個雷射光束的高機械頻寬/高解析度光束操縱的潛力。可以在自適應模式、非自適應模式、非掃描模式中運作的這種精準光束操縱。高機械頻寬操作對於裝置在非掃描模式下快速移動並且指向高價值區域係很重要的。
本部份提供本發明的總體概述，而不是其全部範圍或所有的特徵之全面公開。
在一面向，本發明關於一種自適應（adaptive）光學雷達系統。此系統可包含控制器、與控制器進行通訊的光學雷達控制軟體、用以控制雷射光束的聚焦與偵側的聚焦控制子系統，以及發射器/偵測器子系統。發射器/偵測器子系統可響應於來自聚焦控制子系統的多個指令以產生至少一雷射光束。雷射光束可被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像。
在另一面向，本發明關於一種光學雷達（lidar）系統。此系統可包含電子控制器、記憶體、包含在記憶體內且與電子控制器通訊的光學雷達控制軟體；與電子控制器通訊且用以控制雷射光束的聚焦與偵側的聚焦控制子系統；以及發射器/偵測器子系統。發射器/偵測器子系統可與電子控制器通訊並且響應於來自聚焦控制子系統的多個指令以產生至少一雷射光束。所述至少一雷射光束可被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像。發射器/偵測器子系統可包含數位微鏡組件，數位微鏡組件具有多個數位可控制微鏡。該些數位可控制微鏡可用於控制當該至少一雷射光束朝該場景發射時的該至少一雷射光束的指向，以及用於來自該場景的一選定部份的反射光訊號之接收。
於再另一面向，本發明關於一種自適應光學雷達（lidar）方法。該方法包含使用聚焦控制子系統，用以控制雷射光束的聚焦與偵側。該方法可更包含使用發射器/偵測器子系統，響應於來自聚焦控制子系統的多個指令以產生至少一雷射光束，該至少一雷射光束可被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像。該方法可更包含當使用該雷射光束以進行場景的成像時，在該些不同的聚焦模式中的二個或多個聚焦模式之間進行切換。
根據本文提供的描述，其他應用領域將變得顯而易見。 該概述中的描述和特定示例僅旨在用於說明的目的，並不用於限制本發明的範圍。
將參照附圖更詳盡地描述示例性實施例。
如上述先前技術的部分所指出的，本發明滿足至少兩個不同的需求：1) 自適應掃描，以有效地使用感測器且處理頻寬以最佳地滿足操作環境中的真實條件，以及2) 自適應地偵測有意義的訊號並且同時將雜散光將到最低，特別是來自操作環境中其他類似的系統的雜散光。本發明滿足了這兩個需求。
本發明提出的各種實施例與方法使用最新發展的微鏡技術，可使高機械頻寬、一或多個雷射光束的高解析光束操縱得以實現，以針對操作環境中的真實條件/情況來優化光學雷達系統。本發明應用這些教導顯著地增強光學雷達系統及方法在物體的追蹤及優化光學雷達系統的高頻寬操作的能力。在此描述的本發明之實施例係導向一種自適應光學雷達系統，其能夠使用一或多個波長而將一或多個雷射指向物體或所成像之場景的一或多個子區域。如果採用兩個或多個不同光束，則可使用光束操縱子系統來操縱每個光束，此子系統採用可獨立操作的操作機構的陣列。此操作機構能夠實現任意的指向，而不是簡單的共振或掃描操作。一種較佳的操作模式是使用微鏡陣列來實現光束操縱子系統，其中此微鏡陣列控制從光學雷達單元輸出的雷射之陣列的指向方向，每個雷射由一組特定的鏡來操縱。雷射光源可以是分佈在微鏡陣列上的單一光束或者是發射器的一陣列。在所有的情況下，發射光通常以準直的方式照射在陣列上，並且透過鏡的陣列從光學雷達單元中導引出來。每個鏡能夠獨立地指向雷射以進行反射，從而有效地變成裝置外部的自身雷射光束。微鏡的陣列相較於單鏡係更佳的，這是因為每個組成的元素慣性較低，因此陣列可以實現更高的機械頻寬。
請參照圖1，其示出自適應光學雷達系統 10的一實施例。在此示例中，系統10可包含光學雷達主系統電子控制器12 (以下簡稱「控制器」 12)，具有所包含的或可存取的記憶體14。記憶體可以是非揮發性記憶體，例如但不限於非揮發性隨機存取記憶體或唯讀記憶體，並且可包含光學雷達控制軟體16用於協助控制來自系統的雷射光束的瞄準以及所成像的場景中物體的即時分析/偵側，並且控制與這個物體的距離。光學雷達控制軟體16可包含多個軟體子模組用於執行自適應運作模式，例如一「低解析度」模式16a，其中在整個場景中進行反覆掃描，一「高解析度」模式 16b，其中場景中的一選定子區域或物體被聚焦，以及一「追蹤模式」 16c，其中在給定時間內連續追蹤場景中的靜止或移動的物體。這些模式 16a-16c可以一次一個的方式來使用或者在多種組合中以多工方式（multiplexed fashion）來使用，使得系統10可以最佳地適應於特定情況。 這些特徵將在以下段落中有更詳盡的說明。然而，可以理解的是本系統10及方法不僅限於模式16a-16c，並且甚至可能是模式16a-16c的不同組合之其他模式屬於本發明的範圍。
控制器12可接收來自掃描補償子系統18的資訊，以考量 （account for）車輛的運動，例如車輛的高度變化（elevational position changes）、移動、傾斜及偏擺等。掃描補償子系統18根據從當前機動車輛上常用的車載感測器20（例如陀螺儀、移動感測器、傾斜感測器、偏擺感測器等）接收到的原始數據來產生資訊。車載感測器的任何感測間隙（例如車輛上缺少陀螺儀）都可以用光學雷達系統中的感測器來補充。並且，儘管期望系統10在諸如乘用車與貨車以及商用車與運輸車的機動車輛相關方面找到特定實用性，然系統10也可以與多種其他類型的車輛一起使用，例如輪船、飛機、遙控無人機，甚至是土方設備、越野車（ATVs），甚至是鐵路車輛 （例如火車）。特別地，預期系統10在自主陸地、海上及航空車輛應用中找到重要用途。
掃描補償子系統18將掃描補償數據傳送到高速聚焦控制子系統21，其可包含一高速發射器聚焦控制子系統22（以下簡稱「發射器聚焦子系統」22），以及一高速偵測器聚焦電子控制子系統24（以下簡稱「偵測器聚焦子系統」24)。發射器聚焦子系統22產生控制訊號 。發射器聚焦子系統22與偵測器聚焦子系統24均與發射器/偵測器操縱子系統26進行雙向通訊，其中發射器/偵測器操縱子系統26在被成像的場景或物體上產生一或多個雷射光束，並且從被成像的場景中的物體接收反射的光訊號。
發射器/偵測器操縱子系統26可包含一或多個雷射28與一偵測器30，其中在此示例中係為光電二極體形式的偵測器30具有包含一或多個光感測器的光電二極體陣列30a。儘管本發明可以容易地與產生對應多個雷射光束的多個獨立可控制雷射一起使用，然而為了方便說明，雷射28將描述為產生單一雷射光束。如果使用多個獨立雷射，光束可以具有相同波長或不同波長，可以基於特定類型的物體（例如樹葉、金屬、塑膠、人體組織等）提供最佳反射率來選擇每個光束。本發明設想兩種類型的實施方式。
發射器/偵測器操縱子系統26也可包含光學子系統31及數位微鏡組件32。數位微鏡組件32可具有多個獨立的數位可控制微鏡34，可用於反射雷射28所產生的整體雷射光束36，雷射光束36在到達微鏡34之前通過光學子系統35，通過光學子系統32a朝向所觀看的場景。數位微鏡組件32也運行以將所接收的光訊號通過光學子系統31反射到偵測器30。在這方面，可以理解的是一組微鏡34，例如參考符號34a所指示，用作為一「發射器陣列」以控制從雷射28朝向所成像之場景的發射光的方向，而另一不同組的微鏡34，例如參考符號34b所標示，可用作為一 「偵測器陣列」，可用於將接收到的光訊號反射到偵測器30。在一實施方式中，數位微鏡組件32使用個別的微鏡34或微鏡34的子群組來反射雷射光束36的不同部份（或者若使用兩個以上的雷射，甚至將雷射光束分離）朝向所成像的場景的兩個或多個選定子區域，或朝向場景中的兩個或多個特定物體37，並且將接收到的光訊號36a從兩個或多個子區域及/或物體反射回偵測器30。數位微鏡組件32因而可以實時地同時對一給定場景中的兩個或多個子區域或物體進行緊密成像及/或追蹤。數位微鏡組件32提供的這種高水平聚焦能力的另一個好處是可以改善有價值區域的數據收集，所提供的數據價值比從單一雷射光束進行整個場景的光柵掃描所收集的數據要高。透過評估從場景中的特定選定部位或物體而非整個場景所產生的數據，這種自適應能力使得系統10的機械頻寬的使用變得更加有效率。在以下段落中將進一步描述這個重要的優點。
數位微鏡組件32也收集從所成像的場景或者從場景中的特定子區域或物體返回的反射光能，並且將對應於接收到的光訊號的數據提供到偵測器30。同樣地，偵測器30可以是單一光偵測器或多個獨立光偵測器的陣列，圖1所示的一實施例具有光電二極體陣列30a。發射器/偵測器子系統26將所收集到的數據回報給控制器12，控制器12使用光學雷達控制軟體16解釋數據並且解碼及/或生成關於在所成像的場景中存在何種物體及它們相對於車輛的距離的資訊。
數位微鏡組件32的陣列34a與34b的一種可能配置是使用單一陣列用於發射與偵測，因此它們使用相同的窗口（common window）。這需要一種裝置以將返回的光從發射光當中分離，通常以兩種方式之一完成。在第一種方式中，孔徑（aperture）的尺寸明顯不同，因此當彼此對準時，一個孔徑可形成另一個孔徑的一小部分。舉例來說，在收集孔徑中心的小鏡面反射雷射光束36。然而，對於微機電系統（MEMS）來說，孔徑的尺寸是主要的成本因素，並且效能係取決於這兩個孔徑（即發射器與接收器）的乘積。因此，尺寸大小不匹配會降低效能並同時增加成本。匹配孔徑的尺寸大小可以在最低成本下提供最高的訊號返回的擷取。在第二種方式中，使用分光鏡將一部份的返回光束部份地反射到偵測器。理想的分束值通常大約是50:50。然而，這會使得輸出訊號與返回訊號衰減，這意味著需要大約四倍的功率。增加功率直接導致發射器成本的增加。從實際的角度來看，將兩者放在一共同陣列上並同時通過一共同窗口所產生的雜散光（stray light）會帶來重大的技術挑戰。這是因為從共享光路徑返回的部份雜散光通常足以覆蓋偵測器讀數，因為它可能比發射脈衝低大約六個數量級。將有多個窗口，一個在鏡芯片（mirror chip）上且一個在殼體上，並且殼體窗口的外面從不會有散射的物體。用於發射與檢測的獨立窗口與光路徑避免訊號干擾並且降低發射器的功率需求及感測器的效能需求。共享窗口係可以實施的，但使用獨立的陣列/窗口的另一個系統將會在成本上勝出，因此可以保證利潤、簡化性、可製造性及效能。因此，儘管本發明的自適應光學雷達系統10可以使用共同陣列及窗口，然而較佳的方式係使用獨立的陣列與窗口。
發射器與偵測器陣列34a與34b可具有附加的光學元件（31、35、32a）包括設置在它們前面或後面的透鏡、廣角元件及廣域元件。通常最佳的實作方式是對兩個陣列使用相似的一組光學組件，因此它們具有匹配的光學功能（角度範圍等）以利進行並行追蹤。例如，廣角透鏡可以設置在兩個（32a）的前方以增加光學雷達系統10的角度投射。這具有增加目標的解析度與光束大小的效果，但在很多情況下可能值得這樣做。
系統10提供的優點在於，光偵測器30可以透過使用發射器陣列34a的不同微鏡34而在自適應模式中運作，以控制雷射光束36的光束的轉向以及選擇性地將不同的接收的（例如反射的）光訊號導回到偵測器30。一般來說，期望將與偵測器陣列34b一起使用的微鏡34的陣列尺寸和與發射器陣列34a一起使用的微鏡34的陣列尺寸相匹配，這樣可以使得雷射28（例如發射器）與偵測器30進行1：1的映射，但並非嚴格要求要這麼做。 例如，可以使偵測器陣列34b大於發射器陣列34a以擷取更多的返回光線。偵測器陣列34b或者是其一部份可以被操縱以擷取視野中任何給定區域的回報（returns），或者可能同時擷取兩個或多個給定區域的回報。透過排除來自所有其他方向的光線，聚焦在單一點位的能力可以顯著地減少雜訊，但偵測器30的每個傳感器的目標視野較小。透過使用偵測器30內的像素分配數位微鏡陣列30b，偵測器30自適應地將入射光36a映射到其內部的多個光電二極體。此過程描述如下。偵測器陣列34b可以是從動的（slaved），使得偵測器陣列34b有效地「追蹤」發射器陣列34a，從而生成朝一特定方向發射並且僅在此特定方向進行感測的光學成像系統。這種配置的好處在於顯著地減少偵測器30上的干擾，因此顯著地改善訊噪比。可希望透過光脈衝的預期傳輸時間以些微地延遲偵測器陣列34b的指向，對於200m範圍的目標而言大約可以是1µs。這樣的延遲確保當脈衝返回時，偵測器陣列34b係直接地面向該點，而不是移動到其他位置。偵測器陣列34b對準入射脈衝確保了對於返回脈衝的最高靈敏度。如果期望對特定光束具有較高的感測，可將多個偵測器陣列34b微鏡元件指向同一角度以成比例地增加所擷取的訊號。可能地，讓每個偵測器陣列 34b微鏡34操縱元件從動於一對應的發射器陣列 34a 微鏡元件仍將提供良好的效能，訊號的增加通常也伴隨著將更多的發射器陣列34a微鏡元件34指向感興趣的點。一般而言，偵測器微鏡陣列34b及發射器微鏡陣列34a的作用是使光學雷達系統10將視野的特定區域納入考量範圍，類似於雷射望遠鏡與傳感器望遠鏡平行運作以聚焦在一個點上。然後發射器/偵測器操縱子系統系統26從該區域的物體上反彈雷射光束36並且取得返回訊號36a。透過大致一起運作偵測器34b及發射器34a微鏡陣列，即使光束被分離且透過使用多個分離的輸出光束進行掃描來並行量化，系統10也能夠將訊噪比極大化。這是因為訊噪比大致上係由發射器區域與偵測器區域的乘積所觸發，因此對於最少數量的微鏡來說最高乘積係具有兩個相同大小的孔徑。 可以讓每個偵測器陣列34b 微鏡元件34的接受角度（acceptance angle）略寬於發射器光束（例如光束36）尺寸大小，以便即使發射器陣列34a與偵測器陣列34b略微錯位，仍可擷取全部發射的雷射光束訊號。這個接受角度參數主要係被下面描述的偵測器 30的設計所限制。然而，權衡之下，接受角度越大，背景雜訊可能越高。
偵測器30將偵測器微鏡陣列34b所擷取到的光線映射到其內部的光電二極體感測器陣列 30a 的光電二極體。通常期望使用具有最高可能之訊號的小型光電二極體以改善訊號收集的能力。這要求從特定脈衝接收的所有光線36a聚焦到單一區域，此單一區域可能小於數位偵測器微鏡陣列34b 中的轉向微鏡的尺寸。二極體的尺寸控制某些類型二極體（PIN） 的雜訊及偵測器30響應時間，這對於觀察光學雷達返回的極短奈秒級脈衝特性相當重要。如果可以將雜訊最小化，光學雷達單元發射器/偵測器操縱子系統26發出的每個單獨光束將產生一返回脈衝，該返回脈衝將由偵測器微鏡陣列34b對應的工作部分（slaved section）所擷取，並且關聯於此脈衝的所有返回訊號應該被聚焦到單一光電二極體像素（例如圖1所示之光電二極體感測器陣列30a中的該些光電二極體之一）。然而，使雜訊最小化存在二個困難點。第一，偵測器微鏡陣列34b區域的分佈迅速地適應以擷取來自一或多個發射光的返回，因此無法預先預定。在偵測器30內將入射光36a聚焦到光電二極體30a的光導向系統31與30b的佈局也必須是自適應的。其次，存在有環境背景雜訊的問題，其包括從感測器引入的其他附近光學雷達單元返回的雜散脈衝。期望偵測器感測器(例如光電二極體感測器陣列30a的光電二極體)僅從偵測器陣列34b中的每個鏡接收光線，對應於此鏡指向的關注方向。然而，鏡也將光線從其他角度傳遞到系統中，並且如果不將其濾除，它們會被讀入到光電二極體感測器陣列30a的光電二極體30a中而引起環境雜訊。如果其他光學雷達單元在此區域中運行，則這是太陽光反射與感測器串擾的特殊問題，對於附近運行的自駕汽車彼此來說是可預期的。所需的返回脈衝光全部作為平行的一組光束36a而離開發射器/偵測器操縱子系統26偵測器微鏡陣列34b，而多餘的光將以對應於視野中其他位置的非零角度而從鏡反射出來。因此，有需要針對有興趣的波長濾除離軸光(off-axis light)並且移除不需要的環境雜訊返回。圖3的設計示出可同時實現兩個目標的方法。來自數位微鏡組件32的訊號36a被饋入偵測器30。第一，濾光器31b對光進行濾除以減少對應於除了光學雷達系統10所使用的波長之外之波長的返回。第二，使用標準場域截止濾光器(standard field stop filter)31c以阻擋所捕捉到的光的角分量。這可以透過透鏡31c1將光聚焦到圖像平面而作用。阻擋濾光器31c2設置在圖像平面上，並且在此濾光器中切割一小孔31c3對應於所期望之光訊號36a將聚焦的點。此孔31c3可以幾種方式製成，包括通過固體材料或是在透明板面上鍍銀。在反射性表面塗層的情況下，此孔31c3的邊緣可被製成部分透射，其可允許些微錯位的光線衰減後通過。相較於二元掩模(binary mask)，此部份衰減可有助於偵測器陣列對準發射器陣列。以非期望角度離開偵測器微鏡陣列34b的所有光線將映射到此焦平面上的其他位置，並且被濾光器31c2阻擋。第二透鏡31d將光返回到一個大約準直的光束，指向內部像素分配微鏡陣列30b。此透鏡可額外用於標準圖像傳輸設置中，其中在此設置中，偵測器微鏡陣列34b係被視為輸入圖像平面。然後，透鏡將讓此圖像通過針孔濾光器30c2並且將其重新成像到像素分配微鏡陣列30b。這通常係透過4-f光學設置而完成，那樣並不會放大此圖像。儘管像素分配微鏡陣列30b不需要與偵測器微鏡陣列34b具有相同陣列大小，但是使它們相同通常係為最佳的實施及最靈活的配置。然後偵測器微鏡陣列34b上的每個鏡被映射到像素分配微鏡陣列30b上的一個鏡。像素分配微鏡陣列30b吸收入射於其上的準直光線並且將此光線分配到光電二極體感測器陣列30a的光電二極體的陣列，這會記錄此光脈衝。分配過程透過操控光線通過透鏡30c而進行，透鏡30c將角度映射到圖像平面上的焦點位移。在此範例中，偵測器感測器陣列34b位在透鏡30c的圖像平面30c1上，從而在像素分配微鏡陣列30b上的鏡改變光的發射角度時，光聚焦到光電二極體感測器陣列30a上的不同點。使用透鏡30c 的好處在於光電二極體感測器陣列30a上的焦點遠小於在像素分配微鏡陣列30b之光束的大小。這允許使用較小的偵測器感測器像素，從而減少感測雜訊並且縮短感測器的響應時間。每個發射光束36通常將會有一像素用於擷取返回脈衝 36a以將雜訊最小化，因此光電二極體陣列30a的尺寸很大程度取決於預期的平行程度(degree of parallelization)。可以預期的是，一般來說少於10個光電二極體的小型陣列就已經足夠。
系統10提供一個完全自適應的光學雷達系統，其在光學雷達控制軟體16所包含的一或多個演算法控制之下能夠在不同的感測模式之間進行切換。結合控制器12的光學雷達控制軟體16可以判斷如何在多個不同的可能模式之間劃分發射器陣列34a與偵測器陣列34b的指向能力，這些例如是由低解析度子系統16a、高解析度掃描子系統16b及追蹤模式子系統16c所實現的低解析度模式。如上所述，多種模式可以由陣列34a與34b的不同部分同時驅動，或者可以依序使用陣列，其中每個陣列34a與34b一次專用於一個操作模式。
系統10也補償且抵銷與其一起使用的平台(例如車輛)的平台運動。這意位著可控制系統10，使得分配給發射器陣列34a的指向角度補償且抵銷平台的運動，從而在掃描期間從平台周圍環境的角度來看，雷射預設指向角度在很大程度上保持恆定。此補償確保了光學雷達單元所收集的點雲數據(point cloud data)不會因平台的中間掃描突然變化而失真。這樣的失真會映射到3d點雲數據，使其失真並且改變在所收集的圖像中之物體的形狀、位置或甚至是存在。此角度失真的問題會因距離而被放大，並且顯著地降低遠距離數據的品質。儘管在平台上發生了振動與顛簸，數據收集的補償仍可提供清晰圖像，平台是無人飛行載具、乘用車、卡車、飛機或甚至是個體。此補償可以在特定步驟中被啟用，例如高解析度區域掃描，從而使車輛操縱不會在點配置(point layout)中顯示為失真。一種可能的方法是判斷預期車輛方向，然而使用例如包含在感測器數據20中的加速度計數據來測量該方向的高頻變化，並且將高頻訊號發送到陣列34a與34b以抵銷平台方向的變化，以使雷射在整體參考系中保持指向所需的方向。 即使在衝擊或顛簸期間，這也將保持發射器與偵測器陣列34a與34b沿期望的標稱軸(nominal axis)指向光束36，但在低頻轉彎時它們會與車輛保持一致，因為低頻變化是允許不經補償而通過。此目的是產生周圍環境的圖像，就像是平台在掃描期間係為靜止的。重要的是光學雷達系統10能夠在測量開始時保持方向，然後將其作為參考框架用於將圖像處理演算法定向到所收集的數據。系統10提供的自適應補償消除了高頻的問題。最大的剩餘誤差係已知的車輛運動。可以透過在點雲返回(point cloud returns)中的每個點加入矢量來消除此已知的車輛運動，其中點雲返回對應於(且移除)從掃描開始直到特定點的收集時間為止的車輛運動。大多數的掃描通常只需要幾分之一秒(1/10s)，因此通常可以在此期間以相對簡單的運動學來對車輛進行建模。例如，可以施加均勻的加速度與初始速度來清除在車輛制動期間所收集的光學雷達圖像。在測量步驟之間，可以根據需要來中止補償，因此陣列34a與34b的光學雷達指向角度可與車輛的標稱方向重新對準。 車輛的蓄意操縱可以傳遞給掃描補償系統18以調變稱標軸 ，從而發射器 與偵測器陣列34a與34b始終指向車輛預期的行徑方向，而沒有任何低通濾波器的延遲。
系統10提供一種完全自適應的發射與偵測系統，可以根據與控制器12結合運作的成像光學雷達控制軟體16的需要而在多個模式之間進行切換。光學雷達控制軟體16與控制器12可用於判斷如何在不同可能的成像模式之間劃分數位微鏡組件32的指向能力。系統10也可以數種模式來操作，包括但不限於低解析度掃描子系統16a所實現的低解析度掃描模式、高解析度掃描子系統16b所實現的高解析度掃描模式及追蹤模式子系統16c所實現的聚焦追蹤模式。發射器與偵測器陣列34a與34b的不同部分可以同時驅動多種模式，或者數位微鏡組件32形成的整個陣列可以依序被使用，其中整體陣列一次專用於一種操作模式，並且可能在某些時間點執行更高解析度的掃描及/或針對所成像的場景中單一偵測到的物體啟用聚焦追蹤。
低解析度掃描模式
透過低解析度掃描子系統16a實現的低解析度掃描模式可提供物體的「粗略」偵測。在這種操作模式下實現的掃描可以是漸進式的，因此在較長的時間段內覆蓋給定成像場景中所有的空間。但任何給定的掃描中，被掃描所覆蓋的區域可被佈置以允許測量點之間的大間隙。這提供了粗略的區域測量，可以確認感興趣的範圍內的物體。散焦控制子系統28a也可以在低解析度掃描操作中自適應地使雷射光束 36略微地散焦，因此雷射光束同樣更寬，確保沒有物體會在低解析度掃描網格點之間滑動。 這樣的散焦可以由例如液體透鏡的高速電子散焦控制子系統28a來完成。
高解析度掃描模式
透過使用高解析度掃描子系統16b來實現的高解析度掃描模式可以被執行以覆蓋預期的高數值區域，透過視野中它們的位置(例如車輛正前方的道路或轉彎處的道路)或之前的掃描數據來識別，這指示可能的未預期之返回。這類區域由光學雷達控制軟體16來識別，然後由軟體16分配更高的值，並且傳遞到有效的高機械頻寬轉向鏡或發射器/偵測器陣列組合(例如陣列34a與34b的選定部分)以在其中進行聚焦研究。這些動作類似於人眼，其中以高解析度成像來分析感興趣的區域，而低解析度圖像擷取則用於該區域的外部以提供判斷下一個應在何處應用聚焦的方法。在這個方法中，可以應用高數值的多種區域或者不同比例的數值，並且鏡可控運動在這些區域之間移動以確保覆蓋重要的區域。這可允許在高解析度細節中快速地分析低解析度映射工作的未預期之返回，而周圍所有區域則保持低解析度。這種自適應的效果提升了傳入數據的品質，僅提供預期值的區域內的資訊，而不是提供大量的通常沒有訊息量之數據點。
這種自適應掃描可以延續到多種波長模式，其中在單一或一組發射器/偵測器裝置中的不同雷射波長被賦予一值圖(value map)，例如由光學雷達控制軟體16所賦予，適合它們各自的視野。舉例來說，對植被具有高反射率的雷射可被使用來掃描前方道路的側邊，但避免浪費時間對前方及下方道路進形成像。當道路轉彎時，根據道路方向來改變/控制此配置。 同樣地，針對路面或車輛返回而進行優化的雷射主要負責觀察前方和下方的道路。已知的不同波長在不同天氣狀態下會運作地更好或更差，因此包含在光學雷達控制軟體16中的值圖可以隨著天氣狀態變化而被調整，例如如圖1所示，基於外部天氣資訊源38提供的即時天氣數據。例如，在惡劣天氣中，晴朗天氣的雷射可能會降低到一般低解析度映射或甚至關閉，但惡劣天氣的雷射系統會放大到全頻寬，完整比例的映射。這將允許系統10削去低品質的數據，減少在光學雷達控制軟體16中使用的圖像處理演算法的數據負載且從而實質地改善子系統16a、16b及16c整體的響應率。
使用如圖1所示的追蹤模式子系統16c，成像模式甚至可以在特定反射的附近透過振動（dithering）而由圖形成像轉換至追蹤，從而找到返回訊號的中心。這允許對單個物體，例如前方道路上的汽車尾燈，進行極高頻寬的追蹤。這種高頻寬非成像操作可以省略光學雷達控制軟體16的圖像處理演算的部分，並且可以透過高解析度位置資訊(由於連續的鎖定)來這麼做，減少視野中物體的雜訊與速度或加速度讀數的延遲。對於在快速發生的事件之緊急情況下，這種功能非常有用，精確的加速度必需為已知以確定操作計畫。
請參照圖2，其繪示出高階流程圖100說明系統10在執行各種掃描模式時可以實現的基本操作。在操作102中，補償訊號被饋送到控制器12以補償車輛的移動/運動(例如短暫突然的高度變化、移動、傾斜或偏擺等)。在操作104，使用補償訊號，光學雷達控制軟體16及控制器12根據命令的掃描模式而產生特定的掃描模式指令。在操作106中，掃描模式指令被傳送到發射器/偵測器子系統26。在操作108中，發射器與偵測器陣列34a與34b被控制以執行命令的掃描操作(commanded scanning operation)。在操作 110中，偵測器30用於接收來自偵測器陣列34b的反射光訊號。在此操作中，較佳的是內部像素活動陣列可以被修改以將每個單獨的返回訊號引導至偵測器30內的單獨的感測像素。
在操作112中，光學雷達控制軟體16為剛才完成的掃描分析從發射器/偵測器子系統26接收到的數據。在操作114中，補償值然後可被清除，並且根據需要以標稱車輛軸線將發射器及偵測器陣列34a與34b 重新定向以準備下一次的指令掃描。
在此描述的系統10的各種實施例提供了優於先前開發的光學雷達系統的許多重要優點。系統10的一個特別重要的優點是系統10可以被命令以僅擷取與場景的特定子區域及/或場景中特定偵測的物體相關的數據，並且系統10可以被實時動態地控制以調整為進行其他子區域及/或物體的成像。這樣可以大大地減少需要由光學雷達控制軟體16分析的數據。
系統10提供高解析度的優點，僅受掃瞄鏡指向穩定性(> 0.001° 或 20µrad)映射的限制，但並沒有這類高解析度掃描會引起的數據處理與頻寬使用的問題。由於提供額外測量以擴大特定區域的範圍的能力，系統10能夠在先前開發的光學雷達之前便對物體進行良好的觀察與偵測，這可以使系統10偵測車輛尾燈及其他相對較小但高度重要的物體，其他感測器很難偵測物體或是根本無法在實際應用所需的短時間內偵測到物體。這讓系統10特別擅長預測在實際交通/行駛條件中可能迅速發展的危險情況。
相較於先前開發的光學雷達系統，系統10也提供了範圍與速率適應力的優勢。系統10能夠將一或多個雷射聚焦到同一點來擴大範圍。例如， 當處理能見度有限的濃厚天氣(如下毛毛雨及/或霧)，或試圖定位偽訊號，以及對多個接收到的訊號求得平均以獲得更好的偵測解析度，或者將發射的光束散佈到周圍，與先前開發的光學雷達相比，可以更快地生成圖像。
系統10可以在更長距離、更強光束(來自偵測器陣列34b的組合鏡)或快速成像(使用發射器陣列34a分割發射的光束)之間動態調整，以適應車輛的需求(天氣、障礙物或預計行程路線中的其他問題)。如有需要，系統10 可使用其振動（dithering）子系統16d來駐留在特定的選定點以擷取更長距離的甚至更高品質的訊號數據，在數據率與品質之間進行權衡。
系統10的追蹤模式子系統16c使系統即使在轉彎時仍能取得連續聚焦在車輛前方區域的高密度數據，並且自動地修改聚焦區域，例如上下彎曲及/或起伏的道路，其中先前開發的光學雷達系統通常會有顯著下降的成像能力(或完全喪失成像能力)的問題。系統10還可以啟用寬廣或細部的成像以產生易於識別之精細的物體圖(fine map of object)，找到高反射率的後向反射鏡(例如尾燈)，從而即使在可見度差不良的情況下，仍可實現出色的即時距離測量。有利的是，系統10能夠忽視不感興趣的區域， 例如僅取得有限或是稀少的讀數(例如以一定速度接近車輛，或是可能地遠離車輛側邊)，以提供正好足夠的成像數據來識別感興趣的物體是否可能存在於此位置，然後如果系統選擇，則可使用高解析度掃描子系統16b或其追蹤模式子系統16c或其他子系統16d來開始一個更聚焦的掃描以取得額外的掃描數據。
從實際的效能角度來看，系統10更有效率地利用所取得的數據，並且系統10在物體獲取及評估的速度可提高10被以上。系統10進一步提高了動態模式的適應性，並且能夠根據給定情況的要求而產生1d或2d圖像，從而在數據量與收集時間之間實現最佳權衡/平衡。系統10還可用於在場景中移動單點的成像，並且保持在此單點的目標上，以進行連續的清晰讀取，或可能地來回振動（dithered）以取得清晰且強力的讀取，這能夠讓系統10成為高解析度與即時距離測量的專用物體通道。此功能可使系統10為每個車輛尾燈實現單一專用掃描通道，其可提供物體方向、速度、加速度，而無需執行複雜的數學運算來進行測量。這有助於系統10在特定情況下以極低的延遲來運作，這在緊急情況下是很重要的，例如向前行駛並由系統10所成像的另一物體或車輛突然地執行制動。如果另一車輛具有能夠看見入射的雷射光的類似系統，則在追蹤期間發生的此另一車輛的直接鎖定(direct lock-on)可以用於生成自由空間光通訊系統鏈接。光學雷達系統10需要能夠使用雷射作為通訊鏈接，這可以透過在雷射28中包括一個低成本、短距離脈衝通訊的雷射二極體來實現。舉例來說，預期光學雷達單元會進入尾燈內或周圍，這會是很好的追蹤目標。從後方接近的車輛可能會在靠近時切換至追蹤模式、鎖定尾燈並且發送一個警告訊號給前方車輛(透過尾燈光學雷達單元)，以嘗試且加速以避免碰撞。這種隨意網路(ad-hoc network)對於汽車相互提出警告即將發生的碰撞係有用的。
為了說明和描述的目的，已經提供了實施例的前述描述。 其並非旨在窮舉或限制本公開。 特定實施例的各個元件或特徵通常不限於該特定實施例，而是在適用的情況下是可互換的，並且即使未具體示出或描述也可以在所選實施例中使用。 同樣也可以以許多方式變化。 這樣的變化型不應被認為是背離本公開，並且所有這樣的修改旨在被包括在本公開的範圍內；本公開不限於所公開的實施例。
提供示例實施例使本公開係透徹的，並將本發明的範圍充分傳達給本領域的技術人員。 闡述許多特定細節，例如特定組件，設備和方法的示例，以提供對本公開的實施例的透徹理解。 對於本領域的技術人員將顯而易見的是，不需要採用具體細節，示例實施例可以以許多不同的形式來體現，並且都不應當被解釋為限制本公開的範圍。 在一些示例實施例中，未詳細描述公知的過程，公知的設備結構和公知的技術。
在此使用的術語僅是為了描述特定示例實施例的目的，而不是限制性的。 如本文所使用的，單數形式的“一(a)”、“一個(an)”和“該”也可以旨在包括複數形式，除非上下文另外明確指出。 術語“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此指定存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或存在。一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或其組的添加。 除非明確標識為執行順序，否則本文描述的方法步驟，過程和操作不應被解釋為必須以所討論或圖示的特定順序執行。還應理解，可以採用附加或替代步驟。
當元件或層被稱為在另一元件或層“上”、“接合” 、“連接”或“耦合”到另一元件或層時，它可以直接在、接合、連接或耦合到另一元件或層上。可以存在其他元件或層，或者可以存在中間元件或層。 相反，當元件被稱為“直接在”另一元件或層“上” 、“直接接合”、“直接連接至”或“直接耦接到”另一元件或層時，則可能不存在中間元件或層。應當以類似的方式來解釋用於描述元件之間的關係的其他詞語（例如，“在...之間”與“直接在...之間” 、“相鄰”與“直接相鄰”等）。 如本文所使用的，術語“和/或”包括一個或多個相關聯的所列項目的任何和所有組合。
儘管本文可以使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件、組件、區域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區域、層和/或部分不應受這些術語所限制。這些術語僅可用於區分一個元件、組件、區域、層或部分與另一區域、層或部分。 除非在上下文當中明確指出，否則本文中使用的諸如“第一”、“第二”和其他數字術語之類的術語並不暗示順序或次序。 因此，在不脫離示例實施例的教導之情況下，下面討論的第一元件、組件、區域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區域、層或部分。
為了便於描述，在本文中可以使用空間相對術語，例如“內部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等來描述如圖所示的一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。空間相對術語除了附圖中描繪的方位之外，還可以意圖涵蓋使用或操作中設備的不同方位。 例如，如果附圖中的裝置被翻轉，則被描述為在其他元件或特徵“下方”或“之下”的元件將被定向為在其他元件或特徵“上方”。 因此，示例術語“在……下方”可以包括在……上方和在……下方兩個方位。 可以以其他方式定向設備（旋轉90度或其他方向），並據此解釋此處使用的空間相對描述語言。
10:自適應光學雷達系統 12:光學雷達主系統電子控制器 14:記憶體 16:光學雷達控制軟體 16a:低解析度模式 16b:高解析度模式 16c:追蹤模式 18:掃描補償子系統 20:車載感測器 21:高速聚焦控制子系統 22:高速發射器聚焦控制子系統 24:高速偵測器聚焦控制子系統 26:發射器/偵測器操縱子系統 28:雷射 28a:散焦控制子系統 30:偵測器 30a:光電二極體陣列 30b:像素分配微鏡陣列 30c:透鏡 31:光學子系統 31b:濾光器 31c:場域截止濾光器 31c1:透鏡 31c2:阻擋濾光器 31c3:孔 31d:第二透鏡 32:數位微鏡組件 32a:光學元件 34:數位可控制微鏡 34a、34b:陣列 35:光學元件 36:雷射光束 36a:光訊號 37:物體 38:天氣資訊源
本文描述的附圖僅出於所選之實施例的說明性目的，而不是所有可能的實現方式，並且不是用於限制本揭露的範圍。
在所有附圖中，相應的附圖標號指示相應的部分，其中：
圖1係根據本發明所繪示的自適應光學雷達系統的一實施例的高階方塊示意圖。
圖2係繪示可由圖1的系統所執行的多個操作的高階流程圖。
圖3係繪示偵測器結構的一範例的高階方塊示意圖。
10:自適應光學雷達系統
12:光學雷達主系統電子控制器
14:記憶體
16:光學雷達控制軟體
16a:低解析度模式
16b:高解析度模式
16c:追蹤模式
18:掃描補償子系統
20:車載感測器
21:高速聚焦控制子系統
22:高速發射器聚焦控制子系統
24:高速偵測器聚焦控制子系統
26:發射器/偵測器操縱子系統
28:雷射
28a:散焦控制子系統
30:偵測器
30a:光電二極體陣列
30b:像素分配微鏡陣列
31:光學子系統
32:數位微鏡組件
32a:光學元件
34:數位可控制微鏡
34a、34b:陣列
35:光學元件
36:雷射光束
36a:光訊號
37:物體
38:天氣資訊源

Claims (20)

  1. 一種自適應光學雷達系統，包含：一控制器；一光學雷達控制軟體，與該控制器進行通訊；一聚焦控制子系統，用以控制一雷射光束的聚焦與偵測；以及一發射器/偵測器子系統， 響應來自該聚焦控制子系統的指令以產生至少一雷射光束，該至少一雷射光束被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像。
  2. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統受控於該光學雷達控制軟體以執行一高解析度掃描模式以外的一低解析度掃描模式，其中該至少一雷射光束的一第一部份用於執行該場景的不同部份的一低解析度掃描，而該至少一雷射光束的一第二部份用於聚焦在該場景中的一特定物體。
  3. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統受控於該光學雷達控制軟體以執行一追蹤模式，其中該至少一雷射光束的一第一部份連續聚焦在場景中的一物體。
  4. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統包含一微鏡組件被控制以同時使用該雷射光束的多個部份以執行一追蹤模式及一低解析度掃描模式，從而同時聚焦在該場景的不同區域。
  5. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統受控於該光學雷達控制軟體以透過使用一振動操作來執行一追蹤模式，其中該至少一雷射光束的一部份在該場景中的一特定物體之周圍振動。
  6. 如請求項5所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統包含一微鏡組件，該微鏡組件被控制以同時使該至少一雷射光束振動且執行一低解析度追蹤模式，從而同時聚焦在該場景的不同區域。
  7. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統包含：一偵測器，用於接收該場景中的多個物體所反射的多個光訊號；一雷射，用於產生該至少一雷射光束；以及一鏡組件，用於控制以下至少一者：當該至少一雷射光束朝該場景發射時的該至少一雷射光束的一指向方向；以及該發射器/偵測器子系統聚焦以接收來自該場景的多個反射訊號的一方向。
  8. 如請求項7所述的系統，其中該鏡組件包含一數位微鏡組件，該數位微鏡組件包括多個微鏡。
  9. 如請求項8所述的系統，其中該些微鏡分組為至少一發射器陣列與至少一偵測器陣列。
  10. 如請求項1所述的系統，更包含一掃描補償子系統，用以產生補償資訊，該補償資訊補償運載該系統的一車輛的高度變化、移動、傾斜或偏擺，該掃描補償子系統由該發射器/偵測器子系統在掃描該場景時使用。
  11. 如請求項1所述的系統，其中該聚焦控制子系統包含：一獨立高速發射器聚焦子系統，用以產生多個訊號用於控制該雷射光束的掃描方向；以及一獨立高速偵測器聚焦控制子系統，用以產生多個訊號用於控制來自該場景中一或多個物體的反射的光訊號的視向。
  12. 如請求項1所述的系統，其中該控制器用以從一遠端天氣源接收即時天氣資訊以與該光學雷達控制軟體一起使用。
  13. 如請求項1所述的系統，其中該發射器/偵測器子系統包含一散焦控制子系統，該散焦控制子系統響應於該控制器以對該雷射光束進行散焦，以增加由該雷射光束所成像的該場景之區域。
  14. 一種自適應光學雷達系統，包含：一電子控制器；一記憶體；一光學雷達控制軟體，包含在該記憶體中且與該電子控制器進行通訊；一聚焦控制子系統，與該電子控制器進行通訊且用以控制一雷射光束的聚焦與偵測；以及一發射器/偵測器子系統，與該電子控制器進行通訊且響應來自該聚焦控制子系統的多個指令以產生至少一雷射光束，該至少一雷射光束被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像；以及該發射器/偵測器子系統包含一數位微鏡組件，該數位微鏡組件具有多個數位可控制微鏡，該些數位可控制微鏡用於控制當該至少一雷射光束朝該場景發射時的該至少一雷射光束的指向，以及用於來自該場景的一選定部份的反射訊號之接收。
  15. 如請求項14所述的系統，其中該數位微鏡組件包含該些微鏡的一第一群組用以沿一期望的指向方向發射該至少一雷射光束，以及該些微鏡的一第二群組用以沿一選定方向觀察以使反射的光訊號從該場景返回。
  16. 如請求項14所述的系統，其中該聚焦控制子系統包含：一高速發射器聚焦子系統，用以控制來自至少一雷射的該雷射光束的指向；以及一高速偵測器聚焦控制子系統，用以當接收來自該場景中一或多個物體的反射的光訊號時控制一視向。
  17. 如請求項14所述的系統，更包含一掃描補償子系統，用以補償車輛的高度變化、移動、傾斜及偏擺至少一者，該聚焦控制子系統使用該掃描補償子系統以修改該些指令施加到該發射器/偵測器子系統，據以補償採用該系統之車輛的方向變化。
  18. 如請求項14所述的系統，其中該光學雷達控制軟體包含多個模組用以執行以下的二個或多個：該場景的一低解析度掃描模式；聚焦在該場景的一子區域的一高解析度掃描模式；以及使在該場景中的一選定物體周邊的一光訊號振動的一追蹤模式。
  19. 如請求項14所述的系統，其中該電子控制器用以接收即時天氣資訊，且使用接收到的即時天氣資訊以控制由該發射器/偵測器子系統所發出的該雷射光束。
  20. 一種自適應光學雷達方法，包含：使用一聚焦控制子系統用以控制一雷射光束的聚焦與偵測；以及使用一發射器/偵測器子系統響應於來自該聚焦控制子系統的多個指令以產生至少一雷射光束，該至少一雷射光束被使用以執行多個不同的聚焦模式以進行一場景的成像；以及當使用該雷射光束以進行該場景的成像時，在該些不同的聚焦模式中的二個或多個聚焦模式之間進行切換。
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