CN109196370B

CN109196370B - 多像素扫描激光雷达

Info

Publication number: CN109196370B
Application number: CN201780033248.XA
Authority: CN
Inventors: D·S·霍尔; P·J·克尔斯滕斯; M·N·雷科; S·S·内斯廷格尔
Original assignee: Velodyne Lidar Inc
Current assignee: Velodyne Lidar Inc
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: EP3465249A1; EP3465249A4; CN109196370A

Abstract

于此描述了用于利用对三维环境扫描的多个照明束来执行三维激光雷达测量的方法和***。在一方面，通过束扫描装置将来自每一个激光雷达测量通道的照明光沿不同方向发射至周围环境。束扫描装置还将返回测量光的每一个量引导到对应的光检测器上。在一些实施例中，束扫描装置包括扫描镜，扫描镜由致动器根据由主控制器生成的命令信号绕旋转轴以振荡方式旋转。在一些实施例中，与每一个激光雷达测量通道相关联的光源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。相对运动使得照明束扫描受测量的三维环境的范围。

Description

多像素扫描激光雷达

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年6月1日提交的名称为“Multiple Pixel Scanning LIDAR”的美国专利申请系列号15/610975的优先权，该申请依次按照35 U.S.C§119要求2016年6月1日提交的名称为“Multiple Pixel Scanning LIDAR”的美国临时专利申请系列号62/344259的优先权，于此通过引用其全部将其并入。

技术领域

描述的实施例涉及基于3D点云测量***的激光雷达。

背景技术

激光雷达***采用光脉冲基于每一个光脉冲的飞行时间(TOF)来测量至对象的距离。从激光雷达***的光源发射的光脉冲与远侧对象相互作用。光的部分从对象反射并返回至激光雷达***的检测器。基于光脉冲的发射与返回的光脉冲的检测之间消逝的时间，估计距离。在一些范例中，通过激光发射器生成光脉冲。通过透镜或透镜组件聚焦光脉冲。测量激光脉冲返回至安装在发射器附近的检测器所花费的时间。以高精度根据时间测量结果导出距离。

一些激光雷达***采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合以实际上扫描平面。该***执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且捕获的距离点被描写为2D(即，单平面)点云。在一些范例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟数千转)旋转。

在许多操作场景中，需要3D点云。已经采用了许多方案来询问(interrogate)三维的周围环境。在一些范例中，上下和/或来回致动2D仪器，通常在万向节上。这在本领域公知为使传感器“眨眼”或“点头”。从而，能够采用单束激光雷达单元来捕获距离点的整个3D阵列，即使每次一个点。在相关的范例中，采用棱镜来将激光脉冲“划分”到多层中，每一层具有稍微不同的竖直角。这模拟上述点头效应，但是不致动传感器自身。

在所有以上范例中，以某种方式改变了单个激光发射器/检测器组合的光路径，以实现比单个传感器宽的视场。该装置每单位时间能够生成的像素的数量固有地受限于对单个激光器的脉冲重复率的限制。束路径的任何改变，不管其是由镜子、棱镜、还是装置的实现较大覆盖区域的致动进行的，其代价都是降低了点云密度。

如上所述，3D点云***存在于数个配置中。然而，在许多应用中，必须在宽的视场范围上观看。例如，在自主(autonomous)车辆应用中，竖直视场应当尽可能接近地向下延伸以观看车辆前方的地。另外，在汽车进入道路中的斜坡的情况下，竖直视场应当延伸到水平以上。另外，必须在真实世界中发生的动作与对那些动作进行的成像之间具有最小的延迟。在一些范例中，期望提供每秒至少五次的完整图像更新。为了处理这些需求，已经发展了3D激光雷达***，其包括多个激光发射器和检测器的阵列。在2011年6月28日公布的美国专利No.7969558中描述了此***，于此通过引用其全部将其主题并入。

在许多应用中，发射一系列的脉冲。每一个脉冲的方向以迅速的连续性顺序改变。在这些范例中，与每一个逐个脉冲相关联的距离测量能够被视为像素，并且以迅速的连续性发射和捕获的像素的集合(即，“点云”)能够被描写为图像或由于其它原因(例如，检测障碍物)而被分析。在一些范例中，采用观察软件来将得到的点云描写为图像，该图像向用户显现为三维的。能够使用不同的方案来将距离测量描绘为3D图像，该3D图像显现为好像是由实景相机捕获的。

期望对激光雷达***的光机设计的改进，同时保持高水平的成像分辨率和范围。

发明内容

于此描述了用于利用对三维环境进行扫描的多个照明束来执行三维激光雷达测量的方法和***。

在一方面，通过一个或更多束整形光学元件和束扫描装置将照明光朝向周围环境中的特定位置引导。在另一方面，通过束扫描装置和该一个或更多束整形光学元件将返回测量光引导并聚焦到光检测器上。在束整形光学器件与受测量的环境之间的光路中采用束扫描装置。束扫描装置实际上扩展视场并增大3D激光雷达***的视场内的采样密度。

在一些实施例中，3D激光雷达***包括在平面中对齐(align)的光源的阵列。每一个光源与不同的激光雷达测量通道相关联。3D激光雷达***还包括束扫描装置，束扫描装置包括扫描镜，扫描镜由致动器根据由主控制器生成的命令信号绕旋转轴以振荡方式旋转。每一个束从扫描镜的表面沿不同方向反射。以此方式，通过不同位置的不同照明光束询问环境中的对象。扫描镜使得照明束扫描受测量的三维环境的范围。

在一些其它实施例中，光源的阵列是二维的，并且在受测量的三维环境的范围上扫描测量束的二维场。

在另一方面，每一个激光雷达测量通道的光源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。二维运动与束整形光学器件的光学平面对齐，并且实际上扩展视场并增大3D激光雷达***的视场内的采样密度。

前述是概述，并且从而必然包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，概述仅是示例性的，而在任何方面都不是限制性的。于此描述的装置和/或工艺的其它方面、创新特征、以及优点将在于此阐述的非限制性具体实施方式中变得明显。

附图说明

图1是在至少一个新颖方面示例3D激光雷达***100的一个实施例的简化图。

图2描绘脉冲测量束的发射和返回测量脉冲的捕获的定时的示例。

图3描绘3D激光雷达***100的光发射/收集引擎112的视图。

图4更详细地描绘3D激光雷达***100的收集光学器件116的视图。

图5描绘采用束扫描装置的3D激光雷达***的实施例200。

图6描绘采用束扫描装置的3D激光雷达***的实施例300。

图7描绘采用束扫描装置的3D激光雷达***的实施例400。

图8描绘采用光源的二维阵列211的3D激光雷达***的实施例210。

图9描绘一个实施例中的集成激光雷达测量装置120。

图10描绘集成激光雷达测量装置130的示意性视图。

图11描绘在至少一个新颖方面示例基于扫描测量束来执行多个激光雷达测量的方法500的流程图。

具体实施方式

现在详细参照背景范例和本发明的一些实施例，其中的范例示例于附图中。

图1描绘一个实施例中的激光雷达测量***100。激光雷达测量***100包括主控制器190和一个或更多集成激光雷达测量装置130。集成激光雷达测量装置130包括返回信号接收器集成电路(IC)、照明驱动器集成电路(IC)152、照明源160、光检测器170、以及互阻抗放大器(TIA)180。这些元件中的每一个安装于公共基底135(例如，印刷电路板)，该公共基底提供元件间的电连接和机械支撑。

照明源160响应于电流153的脉冲发射照明光162的测量脉冲。在一些实施例中，照明源160是基于激光的(例如，激光二极管)。在一些实施例中，照明源基于一个或更多发光二极管。通常，可以设想任何适合的脉冲照明源。照明光162离开激光雷达测量装置100并从受测量的周围三维环境中的对象反射。反射光的部分被收集为与测量脉冲162相关联的返回测量光171。如图1中描绘的，从集成激光雷达测量装置130发射的照明光162和被朝向集成激光雷达测量装置引导的对应返回测量光171共享公共光路。

在一个方面，通过激光雷达测量***100的一个或更多束整形光学元件163和束扫描装置164将照明光162朝向周围环境中的特定位置聚焦和投射。在另一方面，通过激光雷达测量***100的束扫描装置164和该一个或更多束整形光学元件163将返回测量光171引导并聚焦到光检测器170上。在束整形光学器件与受测量环境之间的光路中采用束扫描装置。束扫描装置实际上扩展视场并增大3D激光雷达***的视场内的采样密度。

在图1中描绘的实施例中，束扫描装置164是由旋转致动器165绕旋转轴167旋转的活动镜元件。由主控制器190生成的命令信号166从主控制器190传达给旋转致动器165。作为响应，旋转致动器165根据期望的运动分布(profile)来扫描活动镜元件164。

集成激光雷达测量装置130包括具有有源传感器区域174的光检测器170。如图1中描绘的，照明源160位于光检测器的有源区域174的视场之外。如图1中描绘的，外模(overmold)透镜172安装于光检测器170之上。外模透镜172包括与返回光171的射线接受锥对应的锥形腔。来自照明源160的照明光162通过纤维波导注入到检测器接收锥中。光学耦合器将照明源160与纤维波导光学耦合。在纤维波导末端，镜元件161相对于波导以45度角取向，以将照明光162注入到返回光171的锥中。在一个实施例中，以45度角切割纤维波导的端面，并且以高反射介质涂层涂覆该端面，以提供镜表面。在一些实施例中，波导包括矩形形状的玻璃芯和较低折射率的聚合物覆层。在一些实施例，以材料包封整个光学组件，该材料具有与聚合物覆层的折射率紧密匹配的折射率。以此方式，波导以最小阻塞将照明光162注入到返回光171的接受锥中。

选择波导在投射到检测器170的有源感测区域174上的返回光171的接收锥内的放置以确保照明斑和检测器视场在远场中具有最大交叠。

如图1中描绘的，从周围环境反射的返回光171由光检测器170检测。在一些实施例中，光检测器170时雪崩光电二极管。光检测器170生成输出信号173，该输出信号由模拟互阻抗放大器(TIA)180放大。然而，通常，输出信号173的放大可以包括多个放大器级。在此意义上，作为非限制性范例提供模拟互阻抗放大器，因为可以在此专利文件的范围内设想许多其它模拟信号放大方案。虽然在图1中将TIA 180描绘为与接收器IC 150独立的分立装置，但是通常，TIA 180可以与接收器IC 150集成。在一些实施例中，优选地，将TIA 180与接收器IC 150集成以节省空间并减少信号污染。

放大的信号181传达给返回信号接收器IC 150。接收器IC 150包括定时电路和时间-至-数字转换器，时间-至-数字转换器估计测量脉冲从照明源160至三维环境中的反射对象，并回到光检测器170的飞行时间。指示估计的飞行时间的信号155传达给主控制器190用于进一步的处理和至激光雷达测量***100的用户的通信。另外，返回信号接收器IC 150被配置为将包括峰值(即返回脉冲)的返回信号181的段(segment)数字化，并将指示数字化的段的信号156传达给主控制器190。在一些实施例中，主控制器190处理这些信号段以识别检测的对象的性质。在一些实施例中，主控制器190将信号156传达给激光雷达测量***100的用户用于进一步处理。

主控制器190被配置为生成传达给集成激光雷达测量装置130的接收器IC 150的脉冲命令信号191。脉冲命令信号191是由主控制器190生成的数字信号。从而，通过与主控制器190相关联的时钟来确定脉冲命令信号191的定时。在一些实施例中，脉冲命令信号191直接用于由照明驱动器IC 152触发脉冲生成和由接收器IC 150触发数据采集。然而，照明驱动器IC 152和接收器IC 150不与主控制器190共享相同的时钟。为此原因，当脉冲命令信号191直接用于触发脉冲生成和数据采集时，飞行时间的精确估计变得计算上繁重得多得多。

通常，激光雷达测量***包括多个不同的集成激光雷达测量装置130，多个不同的集成激光雷达测量装置130均将照明光的脉冲束从激光雷达装置发射到周围环境中并测量从周围环境中的对象反射的返回光。在这些实施例中，主控制器190将脉冲命令信号191传达给每一个不同的集成激光雷达测量装置。以此方式，主控制器190协调任何数量的集成激光雷达测量装置执行的激光雷达测量的定时。在另一方面，束整形光学元件163和束扫描装置164在与每一个集成激光雷达测量装置相关联的照明脉冲和返回测量脉冲的光路中。以此方式，束扫描装置164引导激光雷达测量***100的每一个照明脉冲和返回测量脉冲。

在描绘的实施例中，接收器IC 150接收脉冲命令信号191并响应于脉冲命令信号191而生成脉冲触发信号V_TRG 151。脉冲触发信号151传达给照明驱动器IC 152并直接触发照明驱动器IC 152，以将照明源160电耦合至电源133并生成照明光162的脉冲。另外，脉冲触发信号151直接触发对返回信号181的数据采集和相关联的飞行时间计算。以此方式，采用基于接收器IC 150的内部时钟生成的脉冲触发信号151来触发脉冲生成和返回脉冲数据采集。这确保脉冲生成和返回脉冲采集的精确同步，这使得能够通过时间-至-数字转换进行精确的飞行时间计算。

图2描绘与来自集成激光雷达测量装置130的测量脉冲的发射和返回测量脉冲的捕获相关联的定时的示例。如图2中描绘的，通过由接收器IC150生成的脉冲触发信号162的上升沿发起测量。如图1和图2中描绘的，由接收器IC 150接收放大的返回信号181。如以上描述的，通过在脉冲触发信号162的上升沿启用数据采集来发起测量窗口(即，时间段，在该时间段上，收集的返回信号数据与特定测量脉冲相关联)。接收器IC 150控制测量窗口的持续时间T_测量，以与响应于测量脉冲序列的发射而预期返回信号时的时间的窗口相对应。在一些范例中，在脉冲触发信号162的上升沿启用测量窗口，并且在对应于光在大约为激光雷达***的范围的两倍的距离上的飞行时间的时间处禁用测量窗口。以此方式，打开测量窗口，以收集从邻近于激光雷达***的对象(即，可忽略的飞行时间)至位于激光雷达***的最大范围处的对象的返回光。以此方式，除去对有用返回信号不可能做贡献的所有其它光。

如图2中描绘的，返回信号181包括与发射的测量脉冲对应的三个返回测量脉冲。通常，对所有检测的测量脉冲执行信号检测。可以执行进一步的信号分析以识别最近的有效信号181B(即，返回测量脉冲的第一有效实例)、最强信号、以及最远的有效信号181C(即，测量窗口中的返回测量脉冲的最后有效实例)。可以由激光雷达***将这些实例中的任何实例报告为潜在的有效距离测量。

与来自激光雷达***的光的发射相关联的内部***延迟(例如，信号通信延迟以及与切换元件、能量储存元件、以及脉冲光发射装置相关联的反应时间(latency))以及与收集光和生成指示收集的光的信号相关联的延迟(例如，放大器反应时间、模拟-数字转换延迟等)对光的测量脉冲的飞行时间的估计中的误差做贡献。从而，基于脉冲触发信号162的上升沿与每一个有效返回脉冲(即，181B与181C)之间的消逝的时间的飞行时间的测量引入了不期望的测量误差。在一些实施例中，采用校准的预定延迟时间来补偿电子延迟，以得到对实际光学飞行时间的校正的估计。然而，对动态改变电子延迟的静态校正的精度受到限制。虽然，可以采用频繁的重校准，但是其代价是计算复杂性，并且这可干扰***正常运行时间。

另一方面，接收器IC 150基于检测的脉冲181A与有效返回脉冲(例如，181B与181C)的检测之间消逝的时间来测量飞行时间，检测的脉冲181A归因于照明源160与光检测器170之间的内部串扰。以此方式，从飞行时间的估计消除了***延迟。脉冲181A由实际上没有光传播距离的内部串扰生成。从而，来自脉冲触发信号的上升沿和脉冲181A的检测的实例的时间延迟捕获与照明和信号检测相关联的所有***延迟。通过关于检测的脉冲181A的有效返回脉冲(例如，返回脉冲181B和181C)的飞行时间，消除了与照明和信号检测相关联的归因于内部串扰的所有***延迟。如图2中描绘的，接收器IC 150关于返回脉冲181A估计与返回脉冲181B相关联的飞行时间TOF₁和与返回脉冲181C相关联的飞行时间TOF₂。

在一些实施例中，完全由接收器IC 150执行信号分析。在这些实施例中，从集成激光雷达测量装置130传达的信号155包括由接收器IC 150确定的飞行时间的指示。在一些实施例中，信号156包括由接收器IC 150生成的返回信号181的数字化段。这些原始测量信号段由位于3D激光雷达***上或3D激光雷达***外部的一个或更多处理器进一步处理，以得到距离的另一估计、检测的对象的更多物理性质之一的估计、或其组合。

图3描绘一个实施例中的光发射/收集引擎112。光发射/收集引擎112包括集成激光雷达测量装置113的阵列。每一个集成激光雷达测量装置包括光发射元件、光检测元件、以及集成到公共基底(例如，电气板)上的相关联的控制和信号调节电子器件。

从每一个集成激光雷达测量装置发射的光通过束整形光学元件116，束整形光学元件116对发射的光进行准直以生成从3D激光雷达***投射到环境中的照明光束。

以此方式，从3D激光雷达***100发射一系列的光束105(每一个从不同激光雷达测量装置发射)，如图3中描绘的。通常，任何数量的激光雷达测量装置能够被布置为同时从3D激光雷达***100发射任何数量的光束。由于环境中的对象由特定激光雷达测量装置照明而从环境中的对象反射的光由束整形光学元件116收集。收集的光通过束整形光学元件116，在束整形光学元件116处，收集的光被聚焦到相同特定激光雷达测量装置的检测元件上。以此方式，与由通过不同激光雷达测量装置生成的照明对环境的不同部分的照明相关联的收集的光被独立聚焦到每一个对应激光雷达测量装置的检测器上。

图4更详细地描绘束整形光学元件116的视图。如图4中描绘的，束整形光学元件116包括四个透镜元件116A-D，该四个透镜元件116A-D被布置为将收集的光118聚焦到集成激光雷达测量装置113的阵列的每一个检测器上。在图4中描绘的实施例中，通过光学器件116的光被从镜子124反射并且被引导至集成激光雷达测量装置113的阵列的每一个检测器上。在一些实施例中，一个或更多束整形光学元件116由吸收预定波长范围以外的光的一种或更多种材料构造。预定波长范围包括由集成激光雷达测量装置113的阵列发射的光的波长。在一个范例中，一个或更多的透镜元件由塑料材料构造，该塑料材料包括着色剂添加剂，以吸收波长比由集成激光雷达测量装置113的阵列中的每一个生成的红外光短的光。在一个范例中，着色剂是从Aako BV(荷兰)可得到的Epolight 7276A。通常，任何数量的不同着色剂能够被添加到光学器件116的任何塑料透镜元件，以滤除不期望的光谱。

图5描绘采用束扫描装置的3D激光雷达***的实施例200。实施例200包括光源201A-C的一维阵列(即，在诸如图5中描绘的xy平面的单个平面中对齐的光源的阵列)。每一个光源与不同的激光雷达测量通道相关联。从每一个光源201A-C发射的光是发散的。这些发散束通过束整形光学器件202(例如，准直光学器件)，在束整形光学器件202处，发射的光被大致准直。采用术语“大致”准直以提示实践中，很少实现光束的完美准直。从而，典型地，在通过束整形光学器件202之后，得到的束保持稍微发射或会聚。在通过束整形光学器件202之后，每一个束从扫描镜203的表面反射。扫描镜203由致动器206根据从控制器(例如，主控制器190)接收的命令信号207绕轴205以振荡方式旋转。如图5中描绘的，反射束204A-C分别与光源201A-C相关联。扫描镜203取向成使得反射束204A-C不与准直光学器件202、光源201A-C、或3D激光雷达***的照明和检测***的任何其它元件相交。此外，反射束204A-C在x方向上保持它们的独立轨迹。以此方式，环境中的对象由x方向上不同位置处的不同照明光束询问。在一些实施例中，反射束在小于在x-y平面中测得的40度的角度范围上散开。

扫描镜203使得束204A-C在z方向上扫描(进入图5中描绘的图样和从图5中描绘的图样中出来)。在一些实施例中，反射束在小于在y-z平面中测得的120度的角度范围上扫描。

图6描绘采用束扫描装置的3D激光雷达***的另一实施例300。实施例300包括光源301A-C的一维阵列，每一个光源与不同的激光雷达测量通道相关联。光源301A-C位于一维阵列中(即，位于平行于z方向的平面上；进入图6中描绘的图样和从图6中描绘的图样中出来)。从每一个光源301A-C发射的光是发散的。这些发散束通过束整形光学器件302，在束整形光学器件302处，发射的光被大致准直。在通过束整形光学器件302之后，每一个束从扫描镜303的表面反射。反射束304A-C在y-z平面中散开(即进入图6中描绘的图样和从图6中描绘的图样中出来)。扫描镜303绕轴305以振荡方式(例如，在+α与-α之间的角度范围内)旋转，轴305与扫描镜303的表面对齐并且在z方向上取向，如图6中描绘的。扫描镜203由致动器306根据从控制器(例如，主控制器190)接收的命令信号307绕轴305以振荡方式旋转。如图6中描绘的，反射束304A-C与光源301A-C相关联。扫描镜303取向成使得反射束304A-C不与准直光学器件302、光源301A-C、或3D激光雷达***的照明和检测***的任何其它元件相交。此外，反射束304A-C在z方向上保持它们的独立轨迹。以此方式，环境中的对象由z方向上不同位置处的不同照明光束询问。在一些实施例中，反射束在小于在y-z平面中测得的40度的角度范围上散开。

扫描镜303使得束304A-C在x方向上扫描。在一些实施例中，反射束在小于在x-y平面中测得的120度的角度范围上扫描。

在图5中描绘的实施例中，光源201A-C的阵列中的每一个光源位于平面中。类似地，在图6中描绘的实施例中，光源301A-C的阵列中的每一个光源位于平面中。这通常称为光源的一维阵列。在图5中描绘的实施例中，扫描镜203的轴205位于包括光源201A-C的平面(例如，x-y平面)中。类似地，在图6中描绘的实施例中，扫描镜303的轴305位于包括光源301A-C的平面中。然而，通常，光源的阵列可以是二维的。

图7描绘3D激光雷达***的另一实施例400。实施例400包括光源401A-D的二维阵列，每一个光源与不同的激光雷达测量通道相关联。光源401A-B位于平面中(即位于平行于z方向的平面上，并且光源401C-D位于平行于z方向的另一平面中)。另外，光源401A和401C位于平行于xy平面的平面中，且光源401B和401D位于平行于xy平面的另一平面中。从每一个光源401A-D发射的光是发散的。这些发散束通过束整形光学器件402，在束整形光学器件402处，发射的光被大致准直。在通过束整形光学器件402之后，每一个束从扫描镜403的表面反射。反射束404A-B和反射束404C-D在y-z平面中散开(即进入图7中描绘的图样和从图7中描绘的图样中出来)。扫描镜403绕轴405以振荡方式(例如，在+α与-α之间的角度范围内)旋转，轴405与扫描镜403的表面对齐并且在z方向上取向，如图7中描绘的。扫描镜403由致动器406根据从控制器(例如，主控制器190)接收的命令信号407绕轴405以振荡方式旋转。如图7中描绘的，反射束404A-D与光源401A-D相关联。扫描镜403取向成使得反射束404A-D不与准直光学器件402、光源401A-C、或3D激光雷达***的照明和检测***的任何其它元件相交。此外，反射束404A-D在z方向上和x方向上保持它们的独立轨迹。以此方式，环境中的对象由z方向上不同位置处的不同照明光束询问。在一些实施例中，反射束在小于在y-z平面中测得的40度的角度范围上散开。

扫描镜403使得束404A-D在x方向上扫描。在一些实施例中，反射束在小于在x-y平面中测得的120度的角度范围上扫描。另一方面，扫描角度的范围被配置为使得环境的由反射束404A和404B询问的部分也分别由反射束404C和404D询问。这由图7中描绘的角度“交叠”范围描绘。以此方式，环境的此部分中的空间采样分辨率实际上增大了，因为环境的此部分在不同的时间由两个不同的束采样。

在另一进一步的方面，扫描角度大致遵循正弦函数。这样，扫描的中间附近的停留时间显著小于扫描的末端附近的停留时间。以此方式，3D激光雷达***的空间采样分辨率在扫描的末端处更高。

在图7中描绘的实施例400中，四个光源布置成2×2阵列。然而，通常，可以以任何适合的方式布置任何数量的光源。在一个范例中，2×2阵列相对于扫描镜倾斜，使得测量束在交叠区中交织。

在另一方面，每一个激光雷达测量通道的光源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。该二维运动与束整形光学器件的光学平面对齐，并且实际上扩展了视场并增大了3D激光雷达***的视场内的采样密度。

图8描绘采用包括光源212A-C的光源的二维阵列211的3D激光雷达***的实施例210。光源212A-C各与不同的激光雷达测量通道相关联。从每一个光源212A-C发射的光是发散的。这些发散束通过束整形光学器件213，在束整形光学器件213处，这些发散束被大致准直。准直束214A-C各自分别与光源212A-C相关联。准直束214A-C进入(pass on)待测量的3D环境。采用术语“大致”准直以提示实践中，很少实现光束的完美准直。从而，典型地，在通过束整形光学器件213之后，得到的束保持稍微发射或会聚。

在描绘的实施例中，光源的二维阵列211由致动器216在一个方向(例如，X_S方向)上移动，并且束整形光学器件213由致动器215在正交方向(例如，Y_C方向)上移动。在光源的二维阵列211与束整形光学器件213之间的正交方向上的相对运动实际上在待测量的3D环境上扫描准直束214A-C。这实际上扩展了视场并增大了3D激光雷达***的视场内的采样密度。光源的二维阵列211由致动器216以平行于X_S的振荡方式平移，并且束整形光学器件213根据从控制器(例如，主控制器190)接收的命令信号217以平行于Y_C轴的振荡方式平移。

在图8中描绘的实施例中，X_C-Y_C平面平行于X_S-Y_S平面。如图8中描绘的，每一个激光雷达测量通道的源和检测器相对于被采用来对从光源发射的光进行准直的束整形光学器件以二维移动。光源的二维阵列211与束整形光学器件213二者的运动与准直光学器件的光学平面(即，X_C-Y_C平面)对齐。通常，通过在X_S和Y_S方向上移动光源的阵列211，而保持准直光学器件213静止，可以实现相同的效果。类似地，通过在X_C和Y_C方向上移动束整形光学器件213，而保持光源的阵列211静止，可以实现相同的效果。

通常，可以通过任何适合的驱动***来实现扫描镜203、303、403的旋转、以及光源的阵列211、束整形光学器件213的移位。在一个实施例中，可以采用由静电致动器调和地驱动的挠曲机构来开发(exploit)谐振行为。在另一范例中，可以采用偏心旋转机构来将旋转致动器生成的旋转运动变换为二维平面运动。通常，可以由任何适合的致动器***(例如，静电致动器、压电致动器等)来生成运动。通常，运动可以是正弦的、伪随机的、或遵循任何其它适合的函数。

图9描绘另一实施例中的集成激光雷达测量装置120。集成激光雷达测量装置120包括脉冲光发射装置122、光检测元件123、集成到公共基底121(例如，电气板)上的相关联的控制和信号调节电子器件、以及连接器126。脉冲发射装置122生成照明光124的脉冲，且检测器123检测收集的光125。集成激光雷达测量装置120基于从集成激光雷达测量装置120发射并且由集成激光雷达测量装置120检测的光的飞行时间来生成指示3D激光雷达***与周围环境中的对象之间的距离的数字信号。集成激光雷达测量装置120经由连接器126电耦合至3D激光雷达***。集成激光雷达测量装置120接收来自3D激光雷达***的控制信号并将测量结果经连接器传达给3D激光雷达***。

图10描绘另一实施例中的集成激光雷达测量装置130的示意图。集成激光雷达测量装置130包括脉冲光发射装置134、光检测元件138、分束器135(例如，偏振分束器、规则分束器等)、照明驱动器133、信号调节电子器件139、模拟至数字(A/D)转换电子器件140、控制器132、以及集成到公共基底144上的数字输入/输出(I/O)电子器件131。

如图10中描绘的，测量以控制器132生成的脉冲点火信号146开始。在一些范例中，脉冲标记(index)信号由控制器132确定，脉冲标记信号从脉冲点火信号146移位了时间延迟T_D。时间延迟包括与来自激光雷达***的发射光相关联的已知延迟(例如，信号传达延迟和与切换元件、能量储存元件、以及脉冲光发射装置相关联的反应时间)以及与收集光和生成指示收集的光的信号相关联的已知延迟(例如，放大器反应时间、模拟-数字转换器延迟等)。

照明驱动器133响应于脉冲点火信号146而生成脉冲电流信号145。脉冲光发射装置134响应于脉冲电流信号145而生成脉冲光发射136。照明光136由激光雷达***的一个或更多元件(未示出)聚焦并投射到周围环境中的特定位置上。

在一些实施例中，脉冲光发射装置时基于激光的(例如，激光二极管)。在一些实施例中，脉冲照明源基于一个或更多发光二极管。通常，可以设想任何适合的脉冲照明源。

如图10中描绘的，从周围环境反射的返回光137由光检测器138检测。在一些实施例中，光检测器138是雪崩光电二极管。光检测器138生成输出信号147，该输出信号由信号调节电子器件139放大。在一些实施例中，信号调节电子器件139包括模拟互阻抗放大器。然而，通常，输出信号147的放大可以包括多个放大器级。在此意义上，作为非限制性范例提供模拟互阻抗放大器，因为可以在此专利文件的范围内设想许多其它模拟信号放大方案。

放大的信号传达给A/D转换器140。数字信号传达给控制器132。控制器132生成启用/禁用信号，启用/禁用信号被采用来控制由ADC 140与脉冲点火信号146一致地控制数据采集的定时。

如图10中描绘的，从集成激光雷达测量装置130发射的照明光136和被朝向集成激光雷达测量装置引导的返回光137共享公共路径。在图10中描绘的实施例中，返回光137与照明光136由偏振分束器(PBS)135分开。PBS 135也能够是非偏振分束器，但是这通常将导致光的附加损失。在此实施例中，从脉冲光发射装置134发射的光被偏振化，使得照明光通过PBS135。然而，返回光137通常包括偏振的混合。从而，PBS 135将返回光的部分朝向检测器138引导，并将返回光的部分朝向脉冲光发射装置134引导。在一些实施例中，期望在PBS135之后包括四分之一玻片。在返回光的偏振未由其与环境的相互作用显著改变的情况下，这是有利的。如果没有四分之一玻片，则返回光的主要部分将通过PBS 135并被朝向脉冲光发射装置134引导，这是不期望的。然而，如果有四分之一玻片，则返回光的主要部分将通过PBS 135并被朝向检测器138引导。

通常，多像素3D激光雷达***包括多个激光雷达测量通道。在一些实施例中，多像素3D激光雷达***包括多个集成激光雷达测量装置，该多个集成激光雷达测量装置均将来自激光雷达装置的照明光的脉冲束发射到周围环境中并且测量从周围环境中的对象反射的返回光。

在一些实施例中，数字I/O 131、定时逻辑132、A/D转换电子器件140、以及信号调节电子器件139集成到单个基于硅的微电子芯片上。在另一实施例中，这些相同的元件被集成到单个基于氮化镓或硅的电路中，该电路也包括照明驱动器。在一些实施例中，A/D转换电子器件和控制器132被组合为时间-至-数字转换器。

在一些实施例中，完全由控制器132执行飞行时间信号分析。在这些实施例中，从集成激光雷达测量装置130传达的信号143包括由控制器132确定的距离的指示。在一些实施例中，信号143包括由A/D转换器140生成的数字信号148。这些原始测量信号由位于3D激光雷达***上或3D激光雷达***外部的一个或更多处理器进一步处理以得到距离的测量。在一些实施例中，控制器132对信号148执行初步信号处理步骤，并且信号13包括处理的数据，该处理的数据由位于3D激光雷达***上或3D激光雷达***外部的一个或更多处理器进一步处理以得到距离的测量。

在一些实施例中，3D激光雷达***包括多个集成激光雷达测量装置。在一些实施例中，延迟时间设定于每一个集成激光雷达测量装置的点火之间。信号142包括与集成激光雷达测量装置130的点火相关联的延迟时间的指示。在一些实施例中，延迟时间大于测量脉冲序列往返于位于激光雷达装置的最大范围处的对象的飞行时间。以此方式，在任何集成激光雷达测量装置之间没有串扰。在一些其它范例中，在从一个集成激光雷达测量装置发射的测量脉冲有时间返回激光雷达装置之前，从另一集成激光雷达测量装置发射测量脉冲。在这些实施例中，注意确保在由每一个束询问的周围环境的区域之间有充足的空间分离，以避免串扰。

图11示例适合于由于此描述的激光雷达***实施的方法500的流程图。在一些实施例中，激光雷达***100根据图11中示例的方法500操作。然而，通常，方法500的执行不限于于此关于图1描述的激光雷达***100的实施例。作为范例提供了这些示例和对应的解释，因为可以设想许多其它实施例和操作范例。

在框501中，照明光的多个脉冲从多个脉冲照明源发射到三维环境中。照明光的多个脉冲中的每一个脉冲入射到束扫描装置上。

在框502中，基于照明光的每一个脉冲与束扫描装置之间的光学相互作用而沿不同方向重新引导多个脉冲中的每一个脉冲。

在框503中，基于返回光的每一个量与束扫描装置之间的光学相互作用而重新引导从由照明光的每一个脉冲照明的三维环境反射的返回光的量。

在框504中，检测(例如，通过光敏检测器)从由照明光的每一个脉冲照明的三维环境反射的返回光的每一个量。

在框505中，生成指示与照明光的每一个脉冲相关联的返回光的检测的量的输出信号。

在框506中，基于从激光雷达装置发射每一个脉冲时的时间与每一个光敏检测器检测从由照明光的脉冲照明的对象反射的光的量的时间之间的差来确定多个脉冲照明源与三维环境中的对象之间的距离。

主控制器190或任何外部计算***可以包括，但不限于，个人计算机***、主机计算机***、工作站、图像计算机、并行处理器、或本领域已知的任何其它装置。通常，术语“计算***”可以宽泛地被定义为涵盖具有执行来自存储介质的指令的一个或更多处理器的任何装置。

实施诸如于此描述的那些方法的方法的程序指令192可以经由诸如导线、电缆、或无线传输链接的传输介质传输。例如，如图1中示例的，储存在存储器191中的程序指令192经总线194传输至处理器195。程序指令192储存在计算机可读介质(例如，存储器191)中。范例计算机可读介质包括只读存储器、随机存取存储器、磁或光盘、或磁带。

在一个或更多示范性实施例中，可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施描述的功能。如果实施于软件中，则功能可以作为一个或更多指令或代码在计算机只读介质上储存或传输。计算机可读介质包括计算机储存介质和包括方便计算机程序从一个地方至另一个地方的转移的任何介质的通信介质。储存介质可以是通用或专用计算机能够访问的任何可用介质。作为范例，而非限制，该计算机只读介质能够包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘储存器、磁盘储存器、或其它磁储存装置、或能够用于携带或储存指令或数据结构形式的期望的程序代码模块并且能够由通用或专用计算机、或通用或专用处理器访问的任何其它介质。还有，任何连接被合适称为计算机只读介质。例如，如果软件是从网站、服务器、或使用同轴电缆、纤维光缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、射频、以及微波的无线技术的其它远程源传输的，则同轴电缆、纤维光缆、双绞线、DSL、或诸如红外、射频、以及微波的无线技术包括在介质的定义中。如于此使用的盘和碟包括高密碟(compact disc，CD)、激光碟(laser disc)、光碟(optical disc)、数字通用碟(digital versatile disc，DVD)、软盘以及蓝光碟，其中盘通常磁性地再现数据，而碟以激光光学地再现数据。以上的组合也应当包括在计算机只读介质的范围内。

虽然以上为教导目的描述了某些特定实施例，但是此专利文件的教导具有全面的适应性并且不限于上述特定实施例。因而，能够实践描述的实施例的各种特征的各种修改、调整、和组合，而不脱离权利要求中阐述的本发明的范围。

Claims

1.一种光检测和测距装置，包括：

多个脉冲照明源，均从所述光检测和测距装置沿不同方向发射照明光的脉冲到三维环境中；

多个光敏检测器，均检测从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的量并生成指示与照明光的每一个脉冲相关联的返回光的所检测的量的输出信号；

束扫描装置，设置于在所述多个脉冲照明源与受测量的所述三维环境之间并且在所述多个光敏检测器与受测量的所述三维环境之间的光路中，所述束扫描装置被配置为响应于命令信号而重新引导照明光的每一个脉冲；以及

计算***，被配置为：

接收指示光的所检测的量的每一个输出信号；以及

基于从所述光检测和测距装置发射每一个脉冲时的时间与每一个光敏检测器检测从由照明光的所述脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光的量时的时间之间的差来确定所述光检测和测距装置与所述对象之间的距离，

其中，所述多个脉冲照明源之一进行的照明光的特定脉冲的发射以及与所述照明光的特定脉冲对应的返回光的采集由相同的脉冲命令信号触发。

2.如权利要求1所述的光检测和测距装置，还包括：

一个或更多束整形光学元件，设置于所述光路中，在所述束扫描装置与所述多个脉冲照明源之间且在所述束扫描装置与所述多个光敏元件之间。

3.如权利要求1所述的光检测和测距装置，其中，所述束扫描装置包括一个或更多束整形光学元件。

4.如权利要求1所述的光检测和测距装置，其中，所述三维环境的第一范围与所述三维环境的第二范围空间交叠，所述第一范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第一脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第一范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的，所述第二范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第二脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第二范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的。

5.如权利要求1所述的光检测和测距装置，其中，所述束扫描装置包括镜元件，通过致动器使所述镜元件绕旋转轴旋转。

6.如权利要求5所述的光检测和测距装置，其中，所述镜元件以振荡角速度绕该旋转轴旋转。

7.如权利要求6所述的光检测和测距装置，其中，所述振荡角速度遵循正弦分布。

8.如权利要求5所述的光检测和测距装置，其中，所述多个脉冲照明源设置在平行于所述旋转轴的平面中。

9.如权利要求5所述的光检测和测距装置，其中，所述多个脉冲照明源设置在垂直于所述旋转轴的平面中。

10.如权利要求3所述的光检测和测距装置，其中，所述一个或更多束整形光学元件被沿平行于所述一个或更多束整形光学元件的光学平面的第一方向平移。

11.如权利要求10所述的光检测和测距装置，其中，所述多个脉冲照明源被沿平行于所述一个或更多束整形元件的所述光学平面的第二方向平移，其中，所述第一方向和所述第二方向是不同的方向。

12.如权利要求1所述的光检测和测距装置，其中，由所述计算***生成所述命令信号。

13.一种光检测和测距装置，包括：

非暂时计算机可读介质，包括计算机可读指令，所述计算机可读指令在由计算***读取时使得所述计算***：

接收指示光的所检测的量的每一个输出信号；以及

14.如权利要求13所述的光检测和测距装置，还包括：

15.如权利要求13所述的光检测和测距装置，其中，所述束扫描装置包括一个或更多束整形光学元件。

16.如权利要求13所述的光检测和测距装置，其中，所述三维环境的第一范围与所述三维环境的第二范围空间交叠，所述第一范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第一脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第一范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的，所述第二范围是由通过所述多个脉冲照明源光中的第二脉冲照明源发射且通过所述束扫描装置在所述第二范围上扫描的照明光的一序列脉冲测量的。

17.如权利要求13所述的光检测和测距装置，其中，所述束扫描装置包括镜元件，通过致动器使所述镜元件绕旋转轴旋转。

18.如权利要求15所述的光检测和测距装置，其中，所述一个或更多束整形光学元件被沿平行于所述一个或更多束整形光学元件的光学平面的第一方向平移，并且其中，所述多个脉冲照明源被沿平行于所述一个或更多束整形元件的所述光学平面的第二方向平移，其中，所述第一方向和所述第二方向是不同的方向。

19.一种方法，包括：

从多个脉冲照明源发射照明光的多个脉冲到三维环境中，其中照明光的所述多个脉冲中的每一个脉冲入射到束扫描装置上；

基于照明光的每一个脉冲与所述束扫描装置之间的光学相互作用而沿不同方向重新引导所述多个脉冲中的每一个脉冲；

基于从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的每一个量与所述束扫描装置之间的光学相互作用而重新引导返回光的量；

检测从由照明光的每一个脉冲照明的所述三维环境反射的返回光的每一个量；

生成指示与照明光的每一个脉冲相关联的返回光的所检测的量的输出信号；以及

基于从所述光检测和测距装置发射每一个脉冲时的时间与每一个光敏检测器检测从由照明光的所述脉冲照明的所述三维环境中的对象反射的光的量时的时间之间的差来确定所述多个脉冲照明源与所述对象之间的距离，

20.如权利要求19所述的方法，其中，重新引导所述多个脉冲中的每一个脉冲和重新引导从所述三维环境反射的返回光的每一个量涉及镜元件，通过致动器使所述镜元件绕旋转轴旋转。