CN113348383A - 激光雷达***和操作方法 - Google Patents

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埃尔德里克·米拉雷斯
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Abstract

一种用于环境映射的激光雷达方法，该激光雷达方法通过在时间段期间传输代码序列的周期性输出、在所述时间段期间接收回波信号，并从采样信号确定连续窗口，来进行环境映射。对采样信号的进一步处理包括基于代码序列对样本进行滤波、确定经滤波样本的极值、基于极值确定延迟时间，并基于延迟时间确定目标位置。该方法还使用在同一时间段中传输的两个周期性信号来执行，以分别基于第一延迟时间和第二延迟时间确定第一目标和第二目标的位置。

Description

激光雷达***和操作方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2018年10月24日提交的序列号为62/749,795的美国临时申请和2018年10月24日提交的序列号为62/750,058的美国临时申请的权益，这两个申请中的每个都通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及目标检测(object detection)和/或成像领域，并且更具体地，涉及目标检测和/或成像领域中的新的且有用的激光雷达***和操作方法。
背景
典型的激光雷达***和使用方法具有固定的侦测范围、分辨率和/或精度。此外，由于需要等待每个光脉冲返回之后发射下一个光脉冲，因此它们关于这些指标的性能通常受到显著限制。因此，在目标检测领域需要创建新的和有用的激光雷达***和操作方法。
附图简述
图1A至图1B分别是方法的实施例和该实施例的示例的流程图表示。
图2A是***的实施例的示意表示。
图2B是使用中的***的实施例的示意表示。
图3A至图3B是确定信号的示例的示意表示。
图4A至图4B是分析回波信号(return signal)的示例的示意表示。
图5是分析回波信号的具体示例的示意表示。
优选实施例的描述
对本发明优选实施例的以下描述并不旨在将本发明限于这些优选实施例，而是旨在使本领域的任何技术人员能够制作和使用本发明。
1.概述。
激光雷达***操作的方法100优选地包括：确定信号S110；输出信号S120；接收回波信号S130；和/或分析回波信号S140(例如，如图1A至图1B所示)。然而，方法100可以另外或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。方法100优选地使用激光雷达***200执行，但可以另外或可替代地使用任何其他合适的***执行。
2.***。
激光雷达***200优选地包括一个或更多个以下元件：光发射器210；光检测器220；光束导向器230；和/或处理模块240(例如，如图2A所示)。然而，***200可以另外或可替代地以任何合适的布置包括任何其他合适的元件。
光发射器210优选地用于(例如，可操作以)发射一个或更多个光信号。光信号优选地为光束状的(例如，激光束)，但可以另外或可替代地具有任何其他合适的光学特性。
光发射器优选地包括一个或更多个激光器(例如，二极管激光器)。激光器可以包括例如边发射激光器、面发射激光器(例如VCSEL)、光纤耦合激光器和/或任何其他合适类型的激光器。激光器优选地为连续波激光器(例如，可操作以和/或被配置为发射基本上连续的波辐射)，但可以另外或可替代地包括脉冲激光器(例如，可操作以和/或被配置为发射辐射的脉冲)和/或任何其他合适的激光器。在一个具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为900nm(例如，890-910nm、875-925nm等)的光。在第二具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为1550nm(例如，1540-1560nm、1525-1575nm等)的光。在第三具体示例中，激光器中的一个或更多个发射波长大致为835nm(例如，820-850nm、800-870nm等)的光。激光器发射的光强度优选地低于或等于监管标准规定的限度(例如，激光器可以符合IEC-60825、IEC-62471等)，但可以可替代地更高。信号功率可以在监管限度内(例如，小于阈值功率，诸如5W、2W、l W、500mW、200mW、100mW、50mW、20mW、10mW、5mW、2mW、1mW、0.5mW、0.2mW或0.1mW等)，优选地小于1mW，但可以可替代地更高或更低。然而，激光器可以另外或可替代地包括任何其他合适的激光器。
每个光发射器210优选地包括一个或更多个调制器。每个调制器优选地可操作以调制由发射器发射的光的一个或更多个方面(例如，相位、强度、波长等)。然而，***200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光发射器。
光检测器220优选地用于(例如，可操作以)响应于光学检测而生成电信号(例如，电流、电压等)(例如，代表检测到的光信号)，但可以另外或可替代地响应于光信号检测而生成任何其他合适的信号(例如，代表检测到的光信号)。例如，光检测器可以包括一个或更多个光电二极管(例如，雪崩光电二极管)。光检测器220可以任选地包括(和/或辅以)一个或更多个解调器(例如，数字解调器，诸如计算实现的解调器；模拟解调器电路；等等)，诸如与调制器互补的解调器(例如，被配置为将编码信号转换回原始序列)。然而，***200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光检测器。
光束导向器230优选地用于在***200的各个方面和外部环境之间引导光信号。例如，光束导向器230可以将从光发射器210发射的光信号(例如，光束)引导到外部位置30(在外部环境内)，其中光信号从外部位置30(和/或其他外部位置)反射。光信号优选地被反射回光束导向器230，其将反射信号引导到光检测器220。然而，光信号可以另外或可替代地反射到另一个光束导向器230(例如，其将信号引导到光检测器220)、反射到光检测器220，和/或反射到***200的任何其他合适的元件。每个光束导向器230可以引导一个或更多个发射信号和一个或更多个反射信号，并且可以在一个或更多个光发射器210、外部位置30和/或光检测器220之间引导信号(例如，如图2B所示)。在一个示例中，光束导向器230包括一个或更多个反射镜，优选地为移动和/或可移动的反射镜，诸如旋转反射镜(例如，连续旋转)和/或基于MEMS的反射镜(例如，被配置为响应于控制输入而移动)，其可以随时间推移而将光信号引导到许多外部位置30(例如，当反射镜旋转时将光束扫过各个位置)。然而，***200可以另外或可替代地包括任何其他合适的光束导向器，或不包括光束导向器。
处理模块240优选地用于：控制***200的其他元件，诸如光发射器210(例如，控制光发射和/或调制)和/或光束导向器230(例如，控制光束的方向)；从***200的其他元件(诸如光检测器220)接收数据(例如，接收与光检测相关联的信号)；和/或处理(例如，解释)所接收的数据，诸如以确定关于外部环境的信息(例如，外部位置30的定位)。处理模块240优选地通信地(例如电子地)耦合到光发射器210、光检测器220、光束导向器230和/或***的任何其他合适的元件。处理模块240优选地包括一个或更多个处理器(例如，CPU、GPU、微处理器、FPGA、ASIC等)和/或存储单元(例如，闪存、RAM等)，但可以另外或可替代地包括任何其他合适的元件。在一些变型中，处理模块240(和/或补充的处理模块)可以与激光雷达***的其他元件物理分离(例如，其中激光雷达***包括被配置为与处理模块通信的通信模块，诸如无线通信模块)。例如，处理模块240可以是远程计算***(例如，互联网连接的服务器)，并且激光雷达***可以与远程计算***通信(例如，其中方法的一些或全部计算由远程计算***执行)。然而，***200可以另外或可替代地包括任何其他合适的处理模块。
3.方法。
3.1确定信号。
确定信号S110优选地用于确定激光雷达***输出的信号，其可用于控制目标检测性能的各个方面。确定信号S110优选地包括确定序列长度S111、确定序列S112和/或对序列进行编码S113(例如，如图3A所示)，并且可以另外或可替代地包括任何其他合适的要素。
确定序列长度S111优选地用于控制各种***性能指标之间的折衷(例如，如下面进一步详细描述的)。序列长度优选地为位长度(例如，其中序列是二进制序列)，但可以另外或可替代地是与序列大小相关联的任何其他合适的指标。相同的序列长度优选地用于多个序列，诸如同时发射的序列(例如，其中多个序列基本上同时输出，诸如每个序列由***的不同光发射器输出；图3B所示的示例)和/或串行序列(例如，由***的单个光发射器发射的多个序列的时间序列)。可替代地，不同的序列长度可以用于单个连续信号和/或更多个同时发射的信号。
序列长度优选地基于一个或更多个所期望的性能指标(例如，至少实现针对第一组指标的最低性能水平、最大化根据第二组指标的性能等)来确定。序列长度可以：基于操作背景，诸如地理位置、***运动学(例如，速度、加速度)、给定物理侦测范围内检测到的目标的存在、性能指标值和/或其他背景变量来自动确定(例如，选择、计算等)；基于(例如，从用户接收的、基于操作背景确定的)一组目标(target)性能指标值来自动确定；手动确定；和/或以其他方式确定。例如，该方法可以包括：接收针对一个或更多个性能指标的目标值，以及选择与所接收的性能指标目标值相关联的序列长度(例如，从序列长度-性能指标值表或其他数据结构中选择)。性能指标值与序列长度之间的关联可以：预先确定(例如，计算、测试)、迭代确定和/或以其他方式确定。在另一个示例中，该方法可以包括：调整序列长度，直到性能指标满足一组性能指标目标值。然而，序列长度可以以其他方式确定。
性能指标可以包括精度、侦测范围(range)、分辨率、时延(latency)、功耗和/或任何其他合适的指标。
精度可以包括检测失败概率(例如，“完全错过”，诸如在附录中更详细地描述的)、检测到的距离精度(例如，“克拉美-罗下限(Cramer-Rao lower bound)”或“CRLB”)和/或任何其他合适的精度指标。精度通常用较长的序列来改善。在一些示例中，序列长度被选择为使得CRLB小于、不大于和/或大致等于阈值距离不确定度，诸如0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、50、100、0.01-0.1、0.1-1、1-3、3-7、7-20、20-100或100-1000cm。在具体示例中，阈值距离不确定度为5cm(例如，选择序列长度以实现小于或等于5cm的CRLB)。
侦测范围优选地为在实现方法200时可以可靠地检测到目标的最大距离(例如，不存在诸如由输出信号的周期性引起的混叠和/或侦测范围模糊问题的可能性；同时将失败概率保持在阈值以下，诸如小于0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、5％或10％的完全错过概率，优选地小于1％的完全错过概率；同时接收足够强的回波信号以可靠地执行方法；等等)。因为信号周期通常随着序列长度而增加(例如，对于固定的符号率，信号周期线性增加)，所以，侦测范围通常随着更长的序列而增加(例如，其中为了避免潜在的周期性侦测范围模糊，侦测范围小于或等于信号在一个信号周期期间传播的距离的一半，该距离对应于信号反射离开最大侦测范围处的目标的往返传播时间)。另外或可替代地，有效侦测范围可能受到***接收到的回波信号的强度的限制(例如，其中从环境中较远的目标反射的回波信号可能比从较近的目标反射的那些信号更弱)。增加序列长度可以提高匹配滤波器的辨别能力和/或可以增加检测积累时间，这可以使得能够更可靠地检测环境中更远的目标(和/或其他弱回波目标)。在一些示例中，选择序列长度(和/或其他信号参数，诸如符号率)，使得侦测范围(例如，模糊限制侦测范围、回波信号强度限制侦测范围等)大于、不小于和/或大致等于阈值距离，诸如50、100、150、200、250、275、300、325、350、400、450、500、600、10-50、50-150、150-450或450-1000m。在第一具体示例中，阈值距离为300m。在第二具体示例中，阈值距离为200m，受回波信号强度的限制，其可以对应于使得能够实现1-5km(例如，大约2km)的模糊限制侦测范围的序列长度。
时延优选地为每次扫描(sweep)的时间量(例如，在特定光束取向处的连续信号输出之间(诸如对应于在所有被探测外部位置处的光束输出)的时间)。时延通常随着更长的序列而变得更差(更大)。例如，对于固定的分辨率，增加的信号周期(例如，对于固定的符号率，信号周期随序列长度线性增加)对应于在每个光束取向处的停留时间，并因此对应于增加的时延。
分辨率优选地为相邻光束方向之间的角间距(例如，在光发射器到两个相邻外部位置中的每个外部位置的矢量之间所限定的角度)。分辨率通常随着较长的序列而变得较差(例如，点之间的较大间距)。例如，对于固定的时延，增加的信号周期对应于每次扫描的更少的光束取向(例如，因为每次扫描的时间必须至少等于每次扫描的光束取向数量和信号周期的乘积)。
在一些实施例中，序列长度被选择为在10-10000位的范围内(例如，在100和5000位之间)。然而，S111可以另外或可替代地包括以任何合适的方式确定任何其他合适的序列长度。
确定序列S112优选地用于基于序列长度确定一个或更多个唯一序列(例如，其中每个序列具有S111中确定的长度)。每个序列优选地为数字序列(诸如二进制序列)，但序列可以另外或可替代地包括任何其他合适的序列。
序列优选地被确定为实现高度的正交性(例如，不同序列之间的正交性、对应于不同序列的编码信号之间的正交性、对环境噪声的正交性等)。因此，优选地序列被确定为满足以下标准(和/或标准的子集)。
第一，每个序列(和/或对应的编码信号，优选地为周期性重复的信号)优选地在零时间延迟(并且，对于对应的编码信号，优选地在等于编码信号周期的整数倍的时间延迟)处具有高自动相关度，和在远离零时间延迟(例如，超过阈值时间延迟；对于对应的编码信号，优选地排除等于编码信号周期的整数倍和/或接近于编码信号周期的整数倍(诸如在编码信号周期的整数倍的阈值时间内)的时间延迟)之处具有低自动相关度(例如，大致为零；小于阈值量，诸如有关零时间延迟自动相关度的阈值量；等等)。
第二，每个序列(和/或对应的编码信号，优选地为周期性重复的信号)优选地具有与存在于***环境中的其他信号(例如，可由检测器检测到的信号；由***输出的其他信号，诸如对应于其他此类序列的信号；恒定和/或基本上恒定的信号，诸如来自稳态光源的信号；等等)的低互相关度(例如，大致为零；小于阈值量，优选地有关零时间延迟自动相关度和/或任何其他合适的参考值的阈值量，诸如小于参考值的0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、5％、10％、20％、30％或50％；等等)。这种低互相关度可以使得能够辨别检测到的信号(例如，在输出信号反射离开外部位置之后)，诸如通过码分多址(CDMA)技术(例如，异步CDMA)和/或其他技术来辨别。
在一些实施例中，S112包括确定多个序列(例如，与不同***的不同发射器(诸如该***的不同发射器)相关联的每个序列，等等)，优选地每个序列具有相同的序列长度(例如，S111中确定的单个序列长度)。在此类实施例中，序列优选地确定为全部满足上述标准。在第一示例中，序列选自一组金氏码(Gold code)和/或具有高正交性的其他预先确定的序列。在具体示例中，序列选自一组给定序列长度的预先确定的序列(例如，具有给定序列长度的正交序列或金氏码)，其中序列长度可以基于目标性能指标来确定。在该示例中，***可以针对多个序列长度中的每个长度维护正交序列组的数据库。该数据库可以任选地包括用于每个正交序列组的匹配滤波器组(例如，序列和/或对应编码信号中的每个的傅里叶变换和/或离散傅里叶变换)。在第二示例中，序列是伪随机序列(例如，伪随机二进制序列)，诸如最大长度序列。在第三示例中，使用基于标准中的一个或更多个(优选地，基于与所有标准相关联的成本函数)的一个或更多个优化技术(例如，随机优化技术，诸如模拟退火法(simulated annealing))确定序列。在第三示例的具体示例中，应用优化技术的迭代，直到所有序列(和/或对应的编码信号)实现正交性的最小阈值度。然而，序列可以另外或可替代地以任何其他合适的方式确定。
对序列进行编码S113优选地用于基于序列生成编码信号(例如，对于在S112中确定的每个序列，生成对应的编码信号)。生成的信号优选地为周期性的，重复该编码序列，更优选地，其中，重复序列之间没有(或基本上没有)时间间隔(例如，其中编码序列在上一次迭代结束后立即重新开始)。
可以使用调制方法(或多种方法)，优选地使用数字调制方法(例如，调制到载波信号(诸如正弦波)上)对序列进行编码。调制方法优选地为相移键控(例如，BPSK、QPSK、8-PSK、高阶PSK等)，但可以另外或可替代地包括正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)和/或任何其他合适的调制方法。可替代地，可以不使用载波信号和/或调制方法(例如，将位和/或符号直接映射到输出强度，诸如将0值位映射到低强度或大致为零的强度，并将1值位映射到高强度；等等)。
对序列进行编码S113可以任选地包括确定编码频率(例如，符号率)。例如，降低编码频率可以降低与该方法的要素(例如，S140和/或S150)相关联的计算负载，由此降低功耗和/或使得能够使用性能较低的处理模块(例如，在包括或可以包括多个不同处理模块的***中；对应于永久降低编码频率以使得能够使用较便宜和/或较不复杂的硬件；等等)。然而，降低编码频率也可能影响其他性能指标。例如，给定固定的序列长度，降低编码频率通常会导致更差的CRLB、分辨率和/或时延(但也可能导致侦测范围增加，因为在每个光束取向处的停留时间增加)。相同的编码频率优选地用于在S113中执行的所有序列编码，但可替代地，不同的序列可以使用不同的编码频率进行编码。在第一示例中，确定编码频率包括选择两个频率中的一个，诸如高性能频率(例如50、75、100、125、150、200、500、1000、50-200、200-1000或1000-5000MHz)或低功率频率(例如5、10、20、50、75、100、1-10、10-60或60-200MHz)。在第二示例中，确定编码频率包括选择高性能频率和低功率频率之间的范围内的频率。可替代地，可以使用固定的编码频率(例如，10、20、50、75、100、125、150、200、500、1000、1-10、10-60、60-200、200-1000或1000-5000MHz)，诸如固定的100MHz频率，和/或编码频率(或多个频率)可以以任何其他合适的方式确定。
然而，S110可以另外或可替代地包括以任何其他合适的方式确定信号。
3.2输出信号。
输出信号S120优选地用于发射包括要输出的信号(例如，S110中确定的信号)的输出(例如，光束，优选地为光柱)。S120可以包括控制换能器(优选地为诸如如上所述的光发射器(例如，激光器))以输出信号。例如，可以采用调制器(例如，如上所述，诸如关于***200)以将信号包括在输出中。S120优选地包括连续输出信号(例如，对于周期性信号)，但可以可替代地包括单次输出信号和/或以任何合适的定时来输出信号任何其他合适的次数。在包括多个换能器(例如，多个光发射器，诸如多个激光器)的实施例中，S120优选地包括(更优选地，同时或基本上同时地)发射多个输出(例如，连续或基本上连续地发射所有输出，在彼此基本上相同的时间发射脉冲输出和/或零星输出等)。然而，多个输出可以另外或可替代地以任何其他合适的定时发射。
在S120期间，光束导向器优选地被控制以将输出信号引导朝向一个或更多个外部位置30(例如，如上所述，诸如关于***200)。在到达外部位置后，光束可以被反射(例如，朝向***往回反射)。在一个示例中，可以控制光束导向器在第一停留时间间隔(例如，基本上等于信号的一个周期)内基本上在第一方向上引导光束，然后在第二停留时间间隔(优选地持续时间基本上等于第一停留时间间隔)在第二方向上引导光束，以此类推，最终基本上返回到第一方向并连续重复(例如，直到输出参数(诸如序列长度、分辨率、符号率等)被改变)。
然而，S120可以另外或可替代地包括以任何其他合适的方式输出信号。
3.3接收回波信号。
接收回波信号S130优选地用于检测输出信号的一个或更多个反射(例如，来自***周围环境内的一个或更多个目标，诸如在外部位置处的目标的反射)。该信号可以在换能器(例如，***的换能器，诸如靠近和/或以其他方式与***的光发射器或其他输出换能器并置)，优选地为光检测器(例如，光电二极管，诸如雪崩光电二极管(APD)等)处接收，诸如上文关于***200的描述。在一些实施例中(例如，其中多个信号基本上同时输出)，可以在S130期间在换能器处接收到多个信号(例如，不同输出信号的反射、单个输出信号的不同反射等)(例如，基本上同时接收和/或以其他方式在时间上重叠)。回波信号优选地为输出信号的反射(例如，直接反射、镜面反射等)。然而，S130可以另外或可替代地包括接收与输出信号相关联(例如，由输出信号引起)的任何回波信号，和/或接收任何其他合适的信号。
所接收的信号优选地以足够的速率进行采样(例如，通过电路(诸如模数转换器电路)进行采样，该电路对换能器的电输出进行采样，电输出为诸如换能器响应于接收所接收的信号而生成的电流和/或电压)，以解析信号，诸如以至少两倍于预期信号的带宽的速率进行采样。在一个示例中，所接收的信号以至少2.5倍于输出信号的符号率的速率进行采样(例如，对于100MHz的符号率，对应于125MHz的输出信号带宽，以至少250MHz的速率进行采样)。
然而，回波信号可以另外或可替代地以任何其他合适的方式接收。
3.4分析回波信号。
分析回波信号S140优选地用于确定一个或更多个外部位置(例如，信号从其反射离开)相对于***的定位。分析回波信号S140优选地包括从回波信号选择样本S141、对样本进行滤波S142，和/或基于信号确定信息S143(例如，如图4A所示)。然而，分析回波信号S140可以另外或可替代地包括确定附加信息S144和/或任何其他合适的要素。
从回波信号选择样本S141优选地用于选择回波信号的一部分进行分析。所选样本优选地为所接收的信号的连续窗口。采样窗口的持续时间优选地为足够长，以捕获输出信号的整个周期。在一个示例中，采样持续时间优选地不小于信号周期(例如，等于序列长度除以符号率)和最大传播延迟(例如，等于侦测范围的两倍除以信号传播速度(诸如***周围环境中的光速)，这对应于从位于等于该侦测范围的距离处的外部位置反射离开的输出信号的往返传播时间)之和。然而，S141可以另外或可替代地包括选择任何其他合适的持续时间的窗口，和/或选择任何其他合适的样本。
对样本进行滤波S142优选地用于分离出与对应输出信号相关联(例如，基本上匹配)的样本的部分。S142优选地包括执行数字滤波过程(例如，以计算方式执行)，诸如由处理模块(例如，如上所述)实现的滤波过程。然而，S142可以另外或可替代地包括以其他方式执行滤波过程(例如，模拟和/或数字滤波过程，诸如由滤波器电路实现的滤波过程)。应用于样本的滤波器优选地为用于对应输出信号的匹配滤波器(或基本上匹配的滤波器)，但可以另外或可替代地是任何其他合适的滤波器。
在一个实施例中，S142包括确定输出信号与样本的卷积(例如，循环卷积)，优选地其中两者中的一者被时间反转(例如，周期性输出信号的时间反转版本与样本的卷积，或周期性输出信号与样本的时间反转版本的卷积)，诸如周期性输出信号的时间反转版本与样本的循环卷积。例如，确定卷积可以包括：确定样本的傅里叶变换(例如，离散傅里叶变换，诸如FFT)、确定输出信号的傅里叶变换(例如，离散傅里叶变换)(和/或检索输出信号的先前确定的傅里叶变换，诸如为S142的先前迭代确定的傅里叶变换)、将变换后的输出信号与变换后的样本相乘，并确定乘积的傅里叶逆变换(例如逆离散傅里叶变换)(这是两者的卷积)。
S142优选地生成经滤波样本，其是延迟时间的函数。经滤波样本通常是离散函数(例如，样本和/或输出信号仅包括在离散时间点的数据，计算是在延迟时间中的离散点进行的，等等)，但可以可替代地是连续函数和/或任何其他合适的函数。
S142可以任选地包括对该样本进行零填充(例如，其中一个或更多个零值点被***到样本中，诸如在S130中确定的样本的每个观察点之间)。可以在执行滤波之前对样本进行零填充，和/或在滤波之后对经滤波样本进行零填充。
然而，S142可以另外或可替代地包括以任何其他合适的方式对样本进行滤波。
基于信号确定信息S143优选地用于检测环境中目标(例如，输出信号被反射离开的外部位置)的存在和/或不存在(和/或确定信息，诸如关于距离、光学性质等)。S143优选地基于在S142中生成的经滤波样本执行，但可以另外或可替代地使用在S141中选择的所接收的样本和/或与信号(例如，所接收的信号)相关联的任何其他合适的信息执行。
S143可以任选地包括确定样本的本底噪声。可以基于S141中选择的样本、基于校准样本(其优选地在输出信号未发射时(例如，当没有输出信号发射时、当所有其他输出信号正被发射时等)收集)、基于任何其他合适的样本、估计(例如，基于典型条件)来确定本底噪声，和/或以任何其他合适的方式确定本底噪声。本底噪声可以基于(例如，等于)用于确定本底噪声的样本(例如，S141中选择的样本、校准样本等)的功率谱的测量值(例如，中位数、平均值、α-微调平均值、四分位数间平均值等)来确定。
S143优选地包括确定对应于数据的极值(例如，样本(优选地为经滤波样本)的最大值)的延迟时间。该延迟时间优选地使用一种或更多种插值技术确定(例如，其中确定的延迟时间对应于最大值的插值点)。此种插值可以具有几个好处，包括例如改善检测精度和/或使得能够实现CRLB估计。
例如，S143可以包括通过执行以下插值技术来确定插值延迟时间(interpolateddelay time)(例如，对应于插值数据的极值)：连续曲线插值(例如，抛物线插值、多项式插值(诸如使用阶数为2、3、4、5、6、7-10的多项式或任何其他合适阶数的多项式)、正弦函数插值、泰勒序列插值等)、基于离散傅里叶变换的插值(例如，对与数据的离散傅里叶变换相关联的频谱进行零填充、将零填充的频谱与插值内核(诸如正弦函数内核)卷积，并通过确定卷积的逆离散傅里叶变换生成插值的时域数据)，和/或任何其他合适的插值技术。插值优选地仅使用(或基本上仅使用)线性计算操作来执行，这可以实现快速计算，但可以另外或可替代地使用任何其他合适的操作来执行。延迟时间可以另外或可替代地使用一种或更多种回归技术来确定(例如，以确定连续曲线，诸如上面描述的关于插值的类型中的一种的曲线和/或任何其他合适类型的曲线，该曲线适合数据或其子集，诸如接近极值的子集)。
S143可以任选地包括应用延迟时间校正法(例如，在插值和/或回归之后)。例如，该方法可以包括基于以下关系来校正插值延迟时间：插值延迟时间与经校正的延迟时间之间的校正关系(例如，预先确定的关系，诸如在***校准期间确定的、对所有此类***固定的关系，等等)，诸如与分析曲线(例如，多项式，诸如2、3、4、5、6、7-10阶的多项式或任何其他合适阶数的多项式)相关联的关系和/或数值关系(例如，存储在查找表中)。
在一个示例中，通过使用三个数据点执行抛物线插值来确定插值延迟时间：极值数据点和两侧上与极值数据点相邻的点。在该示例的变型中，然后根据多项式校正关系(例如，与插值延迟时间的六阶多项式相关联)对插值延迟时间进行校正。
然而，S143可以可替代地包括在不进行插值的情况下确定延迟时间(例如，其中确定的延迟时间是对应于样本的最大值离散点的时间)，和/或以任何其他合适的方式确定延迟时间。在其中确定本底噪声的实施例中，如果确定的延迟时间对应于超过本底噪声的点(例如，大于本底噪声、与本底噪声成比例的值、大于阈值量等；考虑单个点、包括至少阈值数量的点的峰等)，则延迟时间可被认为代表回波(例如，检测事件)，而未超过本底噪声的点优选地不被认为代表回波。如果没有确定本底噪声，则如这里所述确定的任何延迟时间优选地被认为代表回波。
该延迟时间(例如，如果认为代表回波)对应于输出信号的传播时间(例如，从光发射器发射与在光检测器处接收之间的时间)。因此，延迟时间通常对应于到光束从其反射的外部位置的距离(例如，其中延迟时间等于距离除以信号传播速度(通常是光速)的两倍)。
S143中确定的信息(例如，延迟时间和/或对应于每个回波的距离)优选地与以下信息相关联地存储：与检测到的目标相对于***的取向(例如，光束方向)相关联的信息。例如，可以存储目标相对于***的相对位置(例如，其中许多此类回波引起确定和/或存储代表***周围环境的点云)，诸如存储为三维空间中的点(例如，其中空间的原点代表***)。任选地，其他信息可以与该信息相关联地存储，诸如对应值(例如，原始和/或插值样本的对应值)、相位信息和/或任何其他合适的信息。
然而，S143可以另外或可替代地包括以任何合适的方式确定任何其他合适的信息。
S140可以任选地包括确定附加信息S144。在一些实施例中，S144可用于检测单个样本中的多个极值(例如，对应于多个反射)。例如，S144可以使得能够识别“多次回波”事件(例如，其中光束入射在目标的边缘上，因此光束的第一部分被目标反射，而光束的第二部分继续在该目标上，可能被第二目标反射；其中光束入射在半透明目标上，因此光束部分地被目标反射并部分地透射通过目标，可能被第二目标反射；等等)。优选地，S144包括检测所有可辨别的感兴趣极值(例如，高于本底噪声的最大值)。
在一个实施例中，S144包括在执行S143之后，改变样本(例如，经滤波样本)以去除包括S143中确定的延迟时间的峰(例如，如图5所示)。在第一示例中，去除峰包括通过在所确定的延迟时间(其对应于最大值)的每侧上寻找最接近的局部最小值来选择峰，并改变那些最小值之间的所有数据(例如，将最小值之间的所有值设置为零、在最小值之间线性插值等)。在第二示例中，去除峰包括执行峰拟合程序以选择峰(例如，确定对应于峰的峰拟合函数)，然后从样本的对应点中减去峰拟合值(例如，峰拟合函数的值)。在第三示例中，去除峰包括通过在所确定的延迟时间的每侧(优选地包括在所确定的延迟时间处的点)上选择点的窗口(例如，预先确定数量的点、预先确定的延迟时间窗口等)来近似化峰选择，并改变窗口内的所有数据(例如，将最小值之间的所有值设置为零、在刚好在窗口两侧外的点之间线性插值等)。然而，可以另外或可替代地以任何其他合适的方式去除峰(和/或以其他方式减小、标记为被忽略等)。
在该实施例中，在去除峰之后，使用改变的样本重复S143(例如，其中S143的该重复可以确定第二延迟时间，对应于改变的样本的最大值)。去除峰并然后使用新改变的样本重复S143的过程优选地被重复，直到没有找到另外的回波(例如，超过本底噪声的所有峰已被去除)。
在第二实施例中，S144包括执行S143的修改版本，其中多个极值(例如，在经滤波样本中)和/或相关联的延迟时间基本上同时确定(例如，在单次通过经滤波样本期间全部确定)。在该实施例中，S144优选地代替S143执行，但可以另外或可替代地在S143之后和/或以任何其他合适的定时执行。在该实施例中，S144优选地包括搜索经滤波样本以寻找局部极值(优选地为最大值，但任选地为最小值)，其中存储前几个或顶部(例如，最大或最小值)的几个极值。在该实施例的示例中，指定特定数量的缓冲区用于存储与极值相关联的信息(例如，延迟时间、大小等)。在找到极值后，相关联信息被存储在空缓冲区中。在第一变型中，如果没有空缓冲区剩余，搜索极值终止(例如，并且S144完成)。在第二变型中，如果没有空缓冲区剩余，则将当前极值的数值与最没有意义(例如，对于最大值为最小数值)的存储极值进行比较；如果当前极值更有意义，则将其相关联数据存储在缓冲区中，替换与较没有意义的极值相关联的先前存储的信息。
然而，S144可以另外或可替代地包括以任何合适的方式确定任何其他合适的信息。
在多个信号同时和/或在时间上接近地输出的实施例中(例如，其中几个此类信号可以在S130中同时接收)，优选地针对每个此类输出信号执行S140(例如，如图4B所示)。例如(例如，其中所有信号的序列长度和符号率相等)，可以为所有此类输出信号选择单个样本(如上文关于S141所述)，然后可以使用同一样本，为每个此类输出信号执行(例如，独立地执行)S140的一些或全部剩余要素(例如，S142、S143、S144等)。因为不同的输出信号优选地具有高的相互正交性(例如，如上所述)，因此，可以通过该方法使得能够实现不同输出信号之间的高度辨别(例如，其中与其他输出信号相关联的大部分噪声在S142中被滤除)。该方法的实施例可以另外或可替代地实现高的相互干扰抵抗性(例如，对来自其他源的噪声干扰的抗扰性，诸如来自其他激光雷达***和/或任何其他合适的发射器的干扰)，特别是对于较长的序列长度，因为这些噪声源通常也将对激光雷达***使用的输出信号具有合理的高正交性。
然而，S140可以另外或可替代地包括以任何合适的方式执行的任何其他合适的要素。
3.5方法的重复要素。
方法100可以任选地包括重复上述要素中的一个或更多个。一个实施例包括执行S120和/或S130(例如，连续执行S120和S130，优选地基本上同时执行)，优选地与此同时重复S140和/或改变光束方向(例如，在环境周围扫描光束，诸如如上所述)。在该实施例中，在S130中接收到的全部或基本上全部信号优选地在S140的迭代中进行分析(例如，其中对于S140的每次迭代，使用所接收的信号的不同样本，优选地紧接着前一个样本的样本)。
在该实施例的一个变型中，S110的一些或全部要素可以任选地重复(例如，周期性地重复，诸如在阈值时间段、S140的阈值迭代次数、光束的阈值扫描次数等之后；零星地重复；响应于触发器重复；等等)，其中S120、S130和/或S140可以继续执行(例如，基于S110的最近迭代中确定的新序列)。在该变型的第一示例中，选择新的序列长度(例如，以改变性能指标中的一些或全部，诸如精度、侦测范围、分辨率、时延等)，诸如上文关于S111所述，此后基于新序列长度执行S112。在第二示例中，使用与之前相同的序列长度选择新序列(或多个序列)(例如，如上文关于S112所述)。如果怀疑序列正交性(例如，对外部噪声源，诸如来自其他激光雷达***的噪声的正交性)是差的(例如，如果信号辨别性能是差的)，则可以任选地执行该第二示例。例如，如果另一个附近的激光雷达***(例如，其安装到在当前激光雷达***附近操作的车辆)正在使用与当前激光雷达***的目前输出信号中的一个或更多个类似(例如，与该目前输出信号中的一个或更多个不够正交)的一个或更多个输出信号，则该方法可能无法实现对该干扰源的足够抗扰性。因此，通过改变序列，可以实现更大的相互干扰抵抗性。该第二示例可以另外或可替代地周期性地、零星地和/或以任何其他合适的定时(例如，改变操作以诊断***是否按期望操作)，和/或为任何其他合适的原因而执行。
然而，方法100可以另外或可替代地包括以任何其他合适的定时重复任何其他合适的要素。
可替代实施例优选地在存储计算机可读指令的计算机可读介质中实现上述方法的一些或全部。该指令优选地由优选地与通信路由***集成的计算机可执行部件执行。通信路由***可以包括通信***、路由***和定价***。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如RAM、ROM、闪存存储器、EEPROM、光学装置(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的装置。计算机可执行部件优选地为处理器，但指令可以可替代地或另外由任何合适的专用硬件装置执行。
尽管为了简洁而省略，但***和/或方法的实施例可以包括各种***部件和各种方法过程的每种组合和排列，其中本文中所述的方法和/或过程的一个或更多个实例可以通过和/或使用本文中所述的***、要素和/或实体的一个或更多个实例异步地(例如，顺序地)、同时地(例如，并行地)或以任何其他合适的顺序执行。
附图示出了根据优选实施例、示例配置及其变型的***、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个块可以代表模块、区段、步骤或代码的部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应注意，在一些可替代实现方式中，块中指出的功能可以不按附图中指出的顺序出现。例如，连续示出的两个块事实上可以基本上同时执行，或者块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图说明的每个块，以及框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由执行指定功能或行为的基于专用硬件的***，或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
如本领域技术人员将从前面的详细描述并且从附图和权利要求认识到的，在不脱离所附权利要求中定义的本发明的范围的情况下，可以对本发明的优选实施例进行修改和改变。

Claims (21)

1.一种用于环境映射的方法，包括：
生成代表对代码序列进行编码的周期性输出信号的周期性激光输出，包括基于所述代码序列调制基本连续波的载波信号；
在整个时间段内，将所述周期性激光输出连续传输到环境中；
在所述时间段期间，在光学传感器处接收包括所述周期性激光输出的来自环境内目标的反射的回波信号；
确定指示所述回波信号的连续时间窗口的样本，其中所述连续时间窗口的持续时间大于所述周期性输出信号的周期；
生成经滤波样本，包括基于所述代码序列对所述样本进行滤波；
基于所述经滤波样本：
确定所述经滤波样本的极值；以及
确定与所述极值相关联的延迟时间；以及
基于所述延迟时间，确定所述目标的相对位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述代码序列对所述样本进行滤波包括将对于所述周期性输出信号的匹配滤波器应用于所述样本。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，应用所述匹配滤波器包括确定以下中的至少一个：所述样本与所述周期性输出信号的时间反转版本的循环卷积；以及所述周期性输出信号与所述样本的时间反转版本的循环卷积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述延迟时间包括：
确定包括所述极值的插值子样本；以及
基于所述插值子样本确定所述延迟时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述插值子样本包括执行连续曲线插值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述回波信号还包括所述周期性激光输出的来自环境内第二目标的第二反射，所述方法还包括：
基于所述经滤波样本，确定与所述第二目标相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述第二目标的相对位置。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在确定所述第二延迟时间之前，确定与所述极值相关联的第一峰区域；其中确定所述第二延迟时间包括：
确定所述经滤波样本的第二极值，其中所述第二极值不在所述第一峰区域内，其中所述极值的大小大于所述第二极值的大小；以及
基于所述第二极值确定所述第二延迟时间。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述光学传感器处，在接收到所述回波信号之后接收第二回波信号，所述第二回波信号包括所述周期性激光输出的来自环境内第二目标的第二反射；
确定指示所述第二回波信号的第二连续时间窗口的第二样本；
生成第二经滤波样本，包括基于所述代码序列对所述第二样本进行滤波；
基于所述第二经滤波样本，确定与第二极值相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述第二目标的相对位置。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
生成对第二周期性输出信号进行编码的第二周期性激光输出，包括基于第二代码序列调制第二基本连续波的载波信号；
在整个所述时间段内，将所述第二周期性激光输出连续传输到环境中；
生成第二经滤波样本，包括基于所述第二代码序列对所述样本进行滤波，其中所述回波信号还包括所述第二周期性激光输出的来自环境内第二目标的第二反射；
基于所述第二经滤波样本：
确定所述第二经滤波样本的第二极值；以及
确定与所述第二极值相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述第二目标的相对位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述代码序列调制所述基本连续波的载波信号包括使用相移键控对所述代码序列进行编码。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：在生成所述周期性激光输出之前，确定所述代码序列，使得所述周期性输出信号与在所述光学传感器处接收到的其他光信号之间的互相关度小于阈值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在确定所述代码序列之前：
选择候选代码序列；
生成代表对所述候选代码序列进行编码的候选输出信号的候选激光输出；
传输所述候选激光输出；
在所述光学传感器处接收测试信号；以及
基于所述测试信号，确定所述候选输出信号和所述其他光信号之间的测试互相关度大于所述阈值；
其中响应于确定所述测试互相关度大于所述阈值来确定所述代码序列。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述时间段之前：
基于第一组期望性能指标，确定第一序列长度，其中所述第一组期望性能指标包括以下中的至少一项：精度、侦测范围、分辨率和时延；以及
基于所述第一序列长度确定所述代码序列，其中所述代码序列的长度等于所述第一序列长度；
基于所述回波信号，确定第二序列长度；
基于所述第二序列长度确定第二代码序列，其中所述第二代码序列的长度等于所述第二序列长度；
生成代表对所述第二代码序列进行编码的第二周期性输出信号的第二周期性激光输出，包括基于所述第二代码序列调制所述基本连续波的载波信号；
在所述时间段之后的整个第二时间段内，将所述第二周期性激光输出连续传输到环境中；
在所述第二时间段期间，在所述光学传感器处接收第二回波信号，所述第二回波信号包括所述第二周期性激光输出的来自所述目标的第二反射；
确定指示所述第二回波信号的第二连续时间窗口的第二样本；
生成第二经滤波样本，包括基于所述第二代码序列对所述第二样本进行滤波；
基于所述第二经滤波样本：
确定所述第二经滤波样本的第二极值；以及
确定与所述第二极值相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述目标的更新的相对位置。
14.一种用于环境映射的方法，包括：
生成代表第一周期性输出信号的第一周期性光输出，包括基于第一代码序列调制第一基本连续波的载波信号；
生成代表第二周期性输出信号的第二周期性光输出，包括基于第二代码序列调制第二基本连续波的载波信号；
在整个时间段内，将所述第一周期性光输出和所述第二周期性光输出连续传输到环境中；
在所述时间段期间，在光学传感器处接收回波信号，所述回波信号包括：
所述第一周期性光输出的来自环境内第一目标的第一反射；以及
所述第二周期性光输出的来自环境内第二目标的第二反射；
通过选择所述回波信号的连续时间窗口来确定样本；
生成第一经滤波样本，包括基于所述第一代码序列对所述样本进行滤波；
确定与所述第一经滤波样本相关联的第一延迟时间；
基于所述第一延迟时间，确定所述第一目标的相对位置；
生成第二经滤波样本，包括基于所述第二代码序列对所述样本进行滤波；
确定与所述第二经滤波样本相关联的第二延迟时间；以及
基于所述第二延迟时间，确定所述第二目标的相对位置。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：在所述时间段之前确定所述第一代码序列和所述第二代码序列，使得所述第一周期性输出信号和所述第二周期性输出信号之间的互相关度基本上为零。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述时间段之前确定序列长度，其中所述第一代码序列的长度和所述第二代码序列的长度均等于所述序列长度。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述时间段之前确定一组代码序列，所述一组代码序列中的每个代码序列与对该代码序列进行编码的相应周期性输出信号相关联，其中：
确定所述一组代码序列包括执行随机优化，使得对于所述一组代码序列中的每对代码序列，与该对代码序列相关联的相应周期性输出序列之间的相应互相关度小于阈值；并且
所述一组代码序列包括所述第一代码序列和所述第二代码序列。
18.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述第一周期性光输出由第一激光器传输到环境中；并且
所述第二周期性光输出由第二激光器传输到环境中。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述光学传感器包括光电二极管，其中在所述光电二极管处接收所述回波信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中在所述光电二极管处同时接收到所述第一反射和所述第二反射。
21.一种包括发射器和检测器的激光雷达***，其中所述激光雷达***被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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