CN115575928A - Lidar数据获取与控制 - Google Patents

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R.利欧
O.米尔格罗姆
A.戈帕兰
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Abstract

本发明涉及LIDAR数据获取与控制。本文中描述了用于使用集成LIDAR测量设备来执行三维LIDAR测量的方法和***。在一方面，返回信号接收器生成脉冲触发信号，所述脉冲触发信号触发照明光的脉冲的生成以及返回信号的数据获取，并且还通过时间到数字转换触发飞行时间的计算。此外，返回脉冲接收器还估计每个返回脉冲的宽度以及峰值幅度，并且在包括每个返回脉冲波形的峰值幅度的采样窗口上单独地对每个返回脉冲波形进行采样。在另外的方面，基于粗略定时估计和精细定时估计来估计与每个返回脉冲相关联的飞行时间。在另一方面，从由于内部光学串扰导致的测量脉冲以及有效返回脉冲来测量飞行时间。

Description

LIDAR数据获取与控制
本申请为分案申请，其母案的发明名称为“LIDAR数据获取与控制”，申请日为2018年5月8日，申请号为201880045455.1。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求来自2018年5月8日提交的题为“LIDAR Data Acquisition andControl（LIDAR数据获取与控制）”的美国专利申请序列号15/974,527的优先权，该美国专利申请继而在
Figure DEST_PATH_IMAGE001
下要求来自2017年5月8日提交的题为“LIDAR DataAcquisition and Control（LIDAR数据获取与控制）”的美国临时专利申请序列号62/503,237的优先权，每个主题通过引用以其整体合并在本文中。
技术领域
所描述的实施例涉及基于LIDAR的3-D点云测量***。
背景技术
LIDAR***采用光脉冲来基于每个光脉冲的飞行时间（TOF）而测量到物体的距离。从LIDAR***的光源发射的光脉冲与远端物体交互。光的部分从物体反射并返回到LIDAR***的检测器。基于光脉冲的发射和所返回的光脉冲的检测之间所经过的时间来估计距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器生成。光脉冲通过透镜或透镜组件来聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所花费的时间。距离是从具有高准确率的时间测量中导出的。
一些LIDAR***采用结合旋转镜的单个激光发射器/检测器组合来有效地扫描整个平面。通过这样的***执行的距离测量实际上是二维的（即，平面的），并且所捕获的距离点被渲染为2-D（即，单个平面）点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度（例如，每分钟数千转速）旋转。
在许多操作场景中，需要3-D点云。已经采用了多个方案来三维地询问周围环境。在一些示例中，2-D仪器通常在万向架上被上下和/或前后致动。这在本领域中通常被称为使传感器“眨眼”或“点头”。因此，可以采用单个光束LIDAR单元来捕获距离点的整个3-D阵列，尽管每次一个点。在相关的示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个具有略微不同的垂直角度。这模拟了上面所描述的点头效果，但是没有致动传感器本身。
在所有上述示例中，单个激光发射器/检测器组合的光路以某种方式被改变以获得比单个传感器更宽的视野。由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，这样的设备每单位时间可以生成的像素数量固有地受到限制。光速路径的任何更改，无论是通过镜、棱镜还是致动设备来获得更大的覆盖区域，都以降低的点云密度为代价。
如上所述，3-D点云***以若干配置存在。然而，在许多应用中，有必要在宽视野中观察。例如，在自主车辆应用中，垂直视野应该向下延伸到尽可能接近以看到汽车前方的地面。此外，在汽车进入道路中倾角的事件中，垂直视野应该延伸到地平线以上。此外，有必要使现实世界中发生的动作与这些动作的成像之间的延迟最小。在一些示例中，期望每秒至少五次地提供完整图像更新。为了解决这些需求，已经开发了包括多个激光发射器和检测器阵列的3-D LIDAR***。在2011年6月28日公布的美国专利号7,969,558中描述了该***，所述主题通过引用整体合并在本文中。
在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向以快速连续的方式按顺序地变化。在这些示例中，可以将与每个单独脉冲相关联的距离测量认为是像素，并且可以将以快速连续的方式发射和捕获的像素集合（即，“点云”）渲染为图像或出于其他原因（例如，检测障碍物）而进行分析。在一些示例中，采用查看软件将所得到的点云渲染为对用户呈现三维的图像。可以使用不同的方案将距离测量描绘为3-D图像，所述图像看起来好像是由实拍摄像机捕获的一样。
一些现存的LIDAR***采用没有一起集成到共同的基板（例如，电气安装板）上的照明源和检测器。另外，照明光束路径和收集光束路径在LIDAR设备内是分离的。这导致光机械设计的复杂性以及对准困难。
另外，被采用以不同方向扫描照明光束的机械设备可能对机械振动、惯性力以及一般环境条件敏感。在没有适当的设计的情况下，这些机械设备可能退化，从而导致性能损失或故障。
为了以高分辨率和高吞吐量来测量3D环境，测量脉冲必须非常短。目前的***遭受低分辨率，因为它们生成短持续时间脉冲和分辨短持续时间返回脉冲的能力受到限制。
检测器的饱和度限制了测量能力，因为在现实的操作环境中目标反射率和接近度变化很大。此外，功耗可能导致LIDAR***过热。
光设备、目标、电路以及温度在实际的***中变化。在不对从每个LIDAR设备检测到的信号进行适当校准的情况下，所有这些元件的可变性限制了***性能。
期望对LIDAR***的照明驱动电子器件以及接收器电子器件的改进以提高成像分辨率和范围。
发明内容
本文中描述了用于使用集成的LIDAR测量设备来执行三维LIDAR测量的方法和***。
在一方面，LIDAR测量设备的返回信号接收器生成脉冲触发信号，该脉冲触发信号使得照明驱动器向照明源提供电功率，这使得照明源生成照明光的脉冲。此外，脉冲触发信号直接触发返回信号的数据获取以及相关联的飞行时间计算。以这种方式，采用脉冲触发信号来触发脉冲生成和返回脉冲数据获取二者。这确保了脉冲生成和返回脉冲获取的精确同步，其通过时间到数字的转换实现了精确的飞行时间计算。
在另一方面，返回信号接收器响应于照明光的脉冲识别从周围环境中的一个或多个物体反射的光的一个或多个返回脉冲，并且确定与每个返回脉冲相关联的飞行时间。返回信号接收器还估计每个返回脉冲的宽度、每个返回脉冲的峰值幅度，并且在包括每个返回脉冲波形的峰值幅度的采样窗口上单独地对每个返回脉冲波形进行采样。这些信号属性和定时信息从集成LIDAR测量设备传送到主控制器。
在另外的方面，通过返回信号接收器基于粗略定时模块和精细定时模块来估计与每个返回脉冲相关联的飞行时间。在另外的方面，当命中（hit）信号在时钟转变附近来到时，采用亚稳态位来确定粗略定时模块的正确计数。亚稳态位的值确定命中信号是来到计数器信号的高到低转变附近，还是计数器信号的低到高转变附近，从而确定正确的计数值。
在另一另外的方面，返回脉冲接收器IC基于由集成LIDAR测量设备的照明源和光电检测器之间的内部串扰导致的脉冲以及有效返回脉冲的检测之间所经过的时间来测量飞行时间。以这种方式，从飞行时间的估计中消除了***的延迟。
在另一方面，主控制器被配置为生成多个脉冲命令信号，每个脉冲命令信号被传送到不同的集成LIDAR测量设备。每个返回脉冲接收器IC基于接收到的脉冲命令信号生成对应的脉冲触发信号。
前述是总结，因而必然包含细节的简单化、一般化以及省略；因此，本领域技术人员将理解，该总结是仅说明性的，并且不以任何方式进行限制。在本文中阐述的非限制性详细描述中，本文中所描述的设备和/或过程的其它方面、发明特征以及优点将变得显而易见。
附图说明
图1是说明在至少一个新方面中包括至少在集成LIDAR测量设备上的LIDAR测量***的一个实施例的简化图。
图2描绘了与来自集成LIDAR测量设备130的测量脉冲的发射以及返回测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。
图3描绘了说明在一个实施例中包括返回信号分析模块160的返回信号接收器IC的一部分的一个实施例的简化图。
图4描绘了说明在一个实施例中包括恒定分数鉴别器模块170的返回信号接收器IC的一部分的一个实施例的简化图。
图5描绘了说明在一个实施例中包括粗略定时模块的返回信号接收器IC的一部分的一个实施例的简化图。
图6描绘了说明在一个实施例中包括精细定时模块的返回信号接收器IC的一部分的一个实施例的简化图。
图7描绘了说明在一个实施例中包括脉冲宽度检测模块的返回信号接收器IC的一部分的一个实施例的简化图。
图8是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR***100的实施例的图。
图9是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR***10的另一实施例的图。
图10描绘了说明在一个示例性实施例中的3-D LIDAR***100的分解图的图。
图11更详细地描绘了光学元件116的视图。
图12描绘了光学器件116的剖视图以图示收集的光118的每个光束的成形。
图13 描绘了说明在至少一个新方面中通过集成LIDAR测量设备来执行LIDAR测量的方法300的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景示例以及一些实施例，其示例在附图中图示。
图1描绘了在一个实施例中的LIDAR测量***120。LIDAR测量***120包括主控制器190以及一个或多个集成LIDAR测量设备130。集成LIDAR测量设备130包括返回信号接收器集成电路（IC）150、基于氮化镓的照明驱动器集成电路（IC）140、照明源132、光电检测器138以及跨阻放大器（TIA）141。这些元件中的每一个均安装到提供机械支撑以及元件间电连接性的共同的基板144（例如，印刷电路板）。
此外，在一些实施例中，集成LIDAR测量设备包括向安装到基板144的电子元件提供电功率以及向照明设备132提供电功率的一个或多个电源。该电源可以被配置为供应任何合适的电压或电流。在一些实施例中，一个或多个电源安装到基板144。然而，一般而言，本文中所描述的任何电源可以安装到分离的基板以及以任何合适的方式电耦合到安装到基板144的各种元件。
主控制器190被配置为生成脉冲命令信号191，所述脉冲命令信号191被传送到集成LIDAR测量设备130的接收器IC 150。一般而言，LIDAR测量***包括多个不同的集成LIDAR测量设备130。在这些实施例中，主控制器190将不同的脉冲命令信号191传送到每个不同的集成LIDAR测量设备。以这种方式，主控制器190协调了由任何数量的集成LIDAR测量设备执行的LIDAR测量的定时。
脉冲命令信号191是由主控制器190生成的数字信号。因此，脉冲命令信号191的定时由与主控制器190相关联的时钟来确定。在一些实施例中，脉冲命令信号191被直接用于触发照明驱动器IC 140的脉冲生成以及接收器IC 150的数据获取。然而，照明驱动器IC140和接收器IC 150不与主控制器190共享相同的时钟。由于这个原因，当脉冲命令信号191被直接用于触发脉冲生成和数据获取时，飞行时间的精确估计变得更加计算繁琐得多。
在一方面，接收器IC 150接收脉冲命令信号191，并且响应于脉冲命令信号191而生成脉冲触发信号VTRG 143。脉冲触发信号143被传送到照明驱动器IC 140，并且直接触发照明驱动器IC 140以向照明源132提供电脉冲131，这使得照明源132生成照明光134的脉冲。此外，脉冲触发信号143直接触发返回信号142的数据获取以及相关联的飞行时间计算。以这种方式，采用基于接收器IC 150的内部时钟而生成的脉冲触发信号143来触发脉冲生成以及返回脉冲数据获取二者。这确保了脉冲生成和返回脉冲获取的精确同步，这使得实现了精确的飞行时间计算。
照明源132响应于电能131的脉冲而发射照明光134的测量脉冲。照明光134通过LIDAR***的一个或多个光学元件聚焦并投影到周围环境中的特定位置上。
在一些实施例中，照明源132是基于激光的（例如，激光二极管）。在一些实施例中，照明源是基于一个或多个发光二极管的。一般而言，可以考虑任何合适的脉冲照明源。
如图1中所描绘的，从集成LIDAR测量设备130发射的照明光134以及向集成LIDAR测量设备130反射回来的对应返回测量光135共享共同的光路。集成LIDAR测量设备130包括具有活动传感器区域137的光电检测器138。如图1中所描绘的，照明源132位于光电检测器的活动区域137的视野之外。如图1中所描绘的，二次成型（overmold）透镜136安装在光电检测器138上方。二次成型透镜136包括与返回光135的光线接收锥对应的锥形腔。来自照明源132的照明光134通过光纤波导注入到检测器接收锥中。光耦合器将照明源132与光纤波导光耦合。在光纤波导的端处，镜元件133相对于波导以一定角度（例如，45度）定向，以将照明光134注入返回光135的锥体中。在一个实施例中，光纤波导的端面以45度角切割，并且该端面被涂覆有高反射的电介质涂层以提供镜表面。在一些实施例中，波导包括矩形状玻璃芯以及较低衍射率的聚合物包层。在一些实施例中，使用具有与聚合物包层的衍射率紧密匹配的衍射率的材料封装整个光学组件。以这种方式，波导以最小的遮挡将照明光134注入返回光135的接收锥中。
选择波导在投影到检测器138的活动感测区域137上的返回光135的接收锥内的放置，以确保照明点和检测器视野在远场中具有最大重叠。
如图1中所描绘的，从周围环境反射的返回光135由光电检测器138检测。在一些实施例中，光电检测器138是雪崩光电二极管。光电检测器138生成输出信号139，所述输出信号139被传送到返回信号接收器IC 150。
输出信号139由TIA 141接收并放大。放大的信号142被传送到返回信号分析模块160。一般而言，输出信号139的放大可以包括多个放大器级。在这个意义上，模拟跨阻放大器通过非限制性示例的方式提供，因为在本专利文件的范围内可以考虑许多其它模拟信号放大方案。如图1中所描绘的，尽管TIA 141与返回信号接收器IC 150集成，但是一般而言，TIA 141可以实现为与接收器IC 150分离的分立设备。在一些实施例中，优选将TIA 141与接收器IC 150集成以节省空间并减少信号污染。
返回信号接收器IC 150执行若干功能。在一方面，接收器IC 150响应于照明光134的脉冲而识别从周围环境中的一个或多个物体反射的一个或多个光的返回脉冲，并且确定与这些返回脉冲中的每一个相关联的飞行时间。一般而言，输出信号139在一段时间内由返回信号接收器IC 150处理，该段时间对应于从LIDAR测量设备130到等于设备130的最大范围的距离并返回到设备130的光的飞行时间。在这段时间期间，照明脉冲134可能遇到在与集成LIDAR测量设备130不同距离处的若干物体。因此，输出信号139可以包括若干脉冲，每个脉冲对应于从位于与设备130不同距离处的不同反射表面反射的照明光束134的一部分。在另一方面，接收器IC 150确定每个返回脉冲的各种属性。如图1中所描绘的，接收器IC150确定每个返回脉冲的宽度的指示，确定每个返回脉冲的峰值幅度，并且在包括每个返回脉冲波形的峰值幅度的采样窗口上单独地对每个返回脉冲波形进行采样。这些信号属性和定时信息从集成LIDAR测量设备130传送到主控制器190。主控制器190可以进一步处理该数据或将该数据直接传送到外部计算设备以用于进一步图像处理（例如，由LIDAR测量***120的用户处理）。
图2描绘了与来自集成LIDAR测量设备130的测量脉冲的发射以及（一个或多个）返回测量脉冲的捕获相关联的定时的图示。如图2中所描绘的，测量由通过接收器IC 150生成的脉冲触发信号134的上升沿发起。如图1和图2中所描绘的，由TIA 141生成放大的返回信号142。如本文中前面所描述的，测量窗口（即，所收集的返回信号数据与特定测量脉冲相关联的一段时间）由在脉冲触发信号143的上升沿处的启用数据获取发起。接收器IC 150控制测量窗口的持续时间Tmeasurement，以对应于响应于测量脉冲序列的发射而期望返回信号时的时间的窗口。在一些示例中，测量窗口在脉冲触发信号143的上升沿处被启用，并且在与LIDAR***的范围大约两倍的距离上的光的飞行时间相对应的时间被禁用。以这种方式，测量窗口被打开以收集从毗邻LIDAR***的物体（即，可忽略的飞行时间）到位于LIDAR***的最大范围处的物体的返回光。以这种方式，不可能贡献有用的返回信号的所有其它光被拒绝。
如图2中所描绘的，返回信号142包括对应于发射的测量脉冲的三个返回测量脉冲。一般而言，在所有检测到的测量脉冲上执行信号检测。在一个示例中，可以执行信号分析以识别最近的有效信号142B（即，返回测量脉冲的第一个有效实例）、最强的信号以及最远的有效信号142C（即，测量窗口中返回测量脉冲的最后一个有效实例）。这些实例中的任何一个可能由LIDAR***报告为潜在有效的距离测量。
与来自LIDAR***的光的发射相关联的内部***延迟（例如，与开关元件、能量存储元件以及脉冲光发射设备相关联的信号通信延迟和等待时间）以及与收集光并生成指示所收集到的光的信号相关联的延迟（例如，放大器等待时间、模拟-数字转换延迟等）导致光的测量脉冲的飞行时间的估计中的误差。因此，基于脉冲触发信号143的上升沿以及每个有效返回脉冲（即，142B和142C）之间所经过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、预确定的延迟时间来补偿电子延迟，以获得实际光学飞行时间的经校正的估计。然而，对动态地改变电子延迟的静态校正的准确率受到限制。尽管可以采用频繁的重新校准，但这是以计算复杂性为代价的，并且可能干扰***的运行时间。
在另一方面，接收器IC 150基于由照明源132和光电检测器138之间的内部串扰导致的检测到的脉冲142A和有效返回脉冲（例如，142B和142C）的检测之间所经过的时间来测量飞行时间。以这种方式，从飞行时间的估计中消除了***延迟。脉冲142A由内部串扰生成，而实际上没有光传播的距离。因此，来自脉冲触发信号的上升沿以及脉冲142A的检测的实例的时间上的延迟捕获了与照明和信号检测相关联的所有***延迟。通过参考所检测到的脉冲142A而测量有效返回脉冲（例如，返回脉冲142B和142C）的飞行时间，消除由于内部串扰所导致的与照明和信号检测相关联的所有的***延迟。如图2中所描绘的，接收器IC150参考返回脉冲142A来估计与返回脉冲142B相关联的飞行时间TOF1以及与返回脉冲142C相关联的飞行时间TOF2。
在一些实施例中，完全地通过接收器IC 150来执行信号分析。在这些实施例中，从集成LIDAR测量设备130传送的飞行时间信号192包括由接收器IC 150所确定的每个返回脉冲的飞行时间的指示。在一些实施例中，信号155-157包括与由接收器IC 150生成的每个返回脉冲相关联的波形信息。可以通过位于3-DLIDAR***板上或3-DLIDAR***外部的一个或多个处理器进一步处理波形信息，以获得距离的另一个估计、所检测到的物体的一个或多个物理属性的估计或其组合。
返回信号接收器IC 150是混合的模拟/数字信号处理IC。在图1中所描绘的实施例中，返回信号接收器IC 150包括TIA 141、返回信号分析模块160、飞行时间计算模块159以及模拟到数字转换模块158。
图3描绘了在一个实施例中的返回信号分析模块160。在图3中描绘的实施例中，返回信号分析模块160包括恒定分数鉴别器（CFD）电路170、粗略定时模块180、精细定时模块190、脉冲宽度检测模块200以及返回脉冲采样和保持模块210。
放大的返回信号VTIA 142以及阈值信号VTHLD 145由CFD 170来接收。当返回信号142超过阈值（即，阈值信号145的值）时，CFD 170识别有效的返回脉冲。此外，CFD 170可重复地确定何时检测到有效的返回脉冲并且生成在检测时间急剧转变的命中信号VHIT 178。命中信号178发信号通知检测到有效返回脉冲，并且触发返回信号分析模块160的定时和波形获取以及分析功能中的每一个。
例如，粗略定时模块180确定指示数字时钟周期的数量的数字信号（即，范围151），所述数字时钟周期已经经过了触发照明脉冲134的脉冲触发信号143的转变以及与特定的有效返回脉冲相关联的命中信号178的转变。粗略定时模块180还生成数字信号（即，MS152），该数字信号是时间移位了数字时钟信号周期一半的数字时钟信号。
此外，精细定时模块190确定具有指示与特定的有效返回脉冲相关联的命中信号178的转变以及数字时钟信号CLK的下一个转变之间所经过的时间的电压值的模拟信号（即，VCLK 153）。相似地，精细定时模块190确定具有指示与特定的有效返回脉冲相关联的命中信号178的转变以及数字时钟信号CLKB的反转的下一个转变之间经过的时间的电压值的模拟信号（即，VCLKB 154）。飞行时间模块159采用范围151、MS 152、VCLK 153以及VCLKB 154来确定与每个所检测到的返回脉冲相关联的飞行时间。
返回脉冲采样和保持模块210生成具有指示每个有效返回脉冲的峰值幅度的信号值（例如，电压）的模拟信号（即，VPEAK 156）。此外，返回脉冲采样和保持模块210生成一组模拟信号（即，VWIND 155），每个具有指示与每个有效返回脉冲波形的采样点相关联的幅度的信号值（例如，电压）。在一些实施例中，波形的峰值幅度之前和之后的采样点的数量是可编程的。
脉冲宽度检测模块200生成具有指示每个有效返回脉冲波形的宽度的信号值（例如，电压）的模拟信号（即，VWIDTH 157）。在所描绘的实施例中，VWIDTH 157的值指示当返回脉冲信号142超过VTHLD 145的值时的时间以及与特定的有效返回脉冲相关联的命中信号178的转变的时间之间所经过的时间。VWIND 155、VPEAK 156以及VWIDTH 157均在从返回信号接收器IC传送到主控制器190之前通过返回信号接收器IC 150的模拟到数字转换器（ADC）158转换为数字信号。
图4描绘了在一个实施例中的恒定分数鉴别器170。如图4中所描绘的，恒定分数鉴别器170包括信号延迟模块171、信号分配器模块172、启用模块173以及比较器模块174。由TIA 141生成的模拟输出信号142被传送到信号延迟模块171、信号分配器模块172以及启用模块173。信号延迟模块171将固定延迟引入信号142并生成VDELAY 175。同时，信号分配器模块172包括分压器电路，该分压器电路将VTIA 142除以恒定分数（例如，除以2）以生成VFRACT176。VDELAY 175和VFRACT 176的值由比较器174来比较。在一个示例中，当VDELAY 175大于VFRACT176时，命中信号VHIT 178被驱动到高状态，并且当VDELAY 175小于VFRACT 176时，VHIT 178被驱动到低状态。以这种方式，VHIT 178指示返回脉冲何时已经到达以及何时已经以一致的方式通过。如果采用任意阈值来确定返回脉冲的到达，则到达的时间将不一致，因为不同的返回脉冲形状不相似。然而，通过采用恒定分数鉴别器，返回脉冲的到达和通过的定时在多个返回脉冲之间被一致地识别。启用模块173接收到阈值电压值VTHLD 145，并且当返回信号VTIA142的值超过VTHLD 145时生成启用信号VENABLE 177。以这种方式，只有当返回信号142超过阈值时，比较器模块174才被启用。这确保了返回信号142中的寄生尖峰被忽略，并且有效返回脉冲被比较器模块174处理。一般而言，CFD 170被配置为生成与在测量窗口期间到达的每个有效返回脉冲相关联的命中信号178。因此，VHIT 178包括多个命中信号，每个与不同的返回脉冲相关联。
图5描绘了粗略定时模块180的实施例。如图5中所描绘的，粗略定时模块180包括二进制计数器模块181、二进制码到格雷码转换器182、亚稳态位生成器183以及一个或多个锁存器模块184A-N。如图5中所描绘的，数字时钟信号CLK以及数字时钟信号的反转CLKB由粗略定时模块180来接收。在一个实施例中，数字时钟信号由返回信号接收器IC 150板上的锁相环（PLL）生成。在一个实施例中，数字时钟信号具有一千兆赫的频率。因此，在该特定实施例中，粗略定时模块180能够确定与特定返回脉冲相关联的飞行时间为最接近一纳秒。
二进制计数器模块181接收脉冲触发信号143，并响应于该脉冲触发开始计数。指示运行计数的数字信号BIN[0:10] 186被传送到二进制到格雷码转换器182。二进制到格雷码转换器182将二进制计数信号BIN[0:10] 186转换到格雷码等同的数字信号COUNT[0:10]。COUNT[0:10]被传送到锁存器模块184A-N中的每一个。此外，运行二进制计数BIN[0]的第一位被传送到亚稳态位生成器183。亚稳态位生成器183通过将半周期移位引入BIN[0]来生成亚稳态位MS 188。MS 188也被传送到锁存器模块184A-N中的每一个。
此外，与不同的返回脉冲相关联的每个命中信号178被传送到不同的锁存器模块（即，锁存器模块184A-N之一）。锁存器模块184A-N中的每一个在指示返回脉冲的识别的对应命中信号的转变处锁存COUNT[0:10]和MS的最后已知值。所得到的锁存的值RANGE[0:10]151以及MS 152分别被传送到图1中所描绘的飞行时间模块159。
图6描绘了在一个实施例中的精细定时模块190。精细定时模块190包括两个脉冲宽度生成器191和193以及两个时间到电压转换器192和194。脉冲宽度生成器191接收每个命中信号178和时钟信号CLK。相似地，脉冲宽度生成器193接收每个命中信号178和时钟信号CLKB。脉冲宽度生成器191生成具有与命中信号178的上升沿以及时钟信号CLK的下一个上升沿之间的时间匹配的持续时间的脉冲。该脉冲信号VPULSE 195被传送到时间到电压转换器192。响应于VPULSE 195，时间到电压转换器192在脉冲的持续时间内通过电容器生成电流斜坡。电容器两端的电压指示脉冲的持续时间。该电压信号VCLK 153被传送到ADC 158以转换为数字信号，并传送到飞行时间模块159上。相似地，脉冲宽度生成器193生成具有与命中信号178的上升沿以及时钟信号CLKB的下一个上升沿之间的时间匹配的持续时间的脉冲。该脉冲信号VPULSE-B 196被传送到时间到电压转换器194。响应于VPULSE-B 196，时间到电压转换器194在脉冲的持续时间内通过电容器生成电流斜坡。电容器两端的电压指示脉冲的持续时间。该电压信号VCLKB 154被传送到ADC 158以转换到数字信号，并传送到飞行时间模块159上。由于脉冲宽度生成器191和193以及时间到电压转换器192和194是模拟模块，所以与命中信号的上升沿以及下一个时钟信号之间所经过的时间的估计相关联的不确定性小于10微微秒。因此，精细定时模块能够实现与特定返回脉冲相关联的飞行时间的高精度估计。
在另一方面，与每个返回脉冲相关联的飞行时间的确定是基于粗略定时模块和精细定时模块二者的输出来确定的。在图1中描绘的实施例中，飞行时间模块159以数字方式实现。飞行时间模块159基于与该返回脉冲相关联的粗略时间估计RANGE[0:10]以及精细时间估计来确定与特定返回脉冲相关联的飞行时间。飞行时间模块159基于命中信号是否在CLK信号或CLKB信号的转变附近来到来确定是否将VCLK或VCLKB用作精细时间估计。例如，如果命中信号在CLK信号的转变附近来到，则VCLKB将被用作精细时间估计的基础，因为CLKB信号在该时间是稳定的。相似地，如果命中信号在CLKB信号的转变附近来到，则VCLK将被用作精细时间估计的基础，因为CLK信号在该时间是稳定的。在一个示例中，估计的飞行时间是粗略时间估计和所选择的精细时间估计的总和。
在另外的方面，采用亚稳态位MS[0]来确定当命中信号在时钟转变附近来到时RANGE[0:10]的正确计数，从而确定了计数器模块181的转变。例如，如果命中信号178在计数器181的转变附近转变，则不清楚哪个计数与该命中信号相关联。对于1千兆赫的时钟，误差可能是一个计数或一纳秒。在这些场景中，采用亚稳态位的值来分辨哪个计数与特定位相关联。亚稳态位的值确定了命中信号在计数器信号的高到低的转变附近来到，还是在计数器信号的低到高的转变附近来到，从而确定了正确的计数值。
图7描绘了在一个实施例中的脉冲宽度检测模块200。脉冲宽度检测模块200包括脉冲宽度生成器201以及时间到电压转换器202。脉冲宽度生成器201生成具有与图4中所描绘的启用信号VENABLE 177的上升沿以及命中信号178的下降沿之间的时间相匹配的持续时间的脉冲。该脉冲信号VPULSE 203被传送到时间到电压转换器202。响应于VPULSE 203，时间到电压转换器202在脉冲的持续时间内通过电容器生成电流斜坡。电容器两端的电压指示脉冲的持续时间。该电压信号VWIDTH 155被传送到ADC 158以转换为数字信号。
脉冲宽度检测模块200以非限制性示例的方式被描绘。一般而言，脉冲宽度检测模块200可以被配置为在不同的输入信号上操作以生成VPULSE 203和VWIDTH 155。在一个示例中，脉冲宽度生成器201生成具有与命中信号178的上升沿以及当VTIA 142下降到VTHLD 145以下时的时间之间的时间相匹配的持续时间的脉冲。当VTIA 142下降到VTHLD 145以下时的时间可以由单独的比较器来确定，或可以由比较器模块174的输出来确定，而不具有像VHIT一样锁存的输出。在另一个示例中，脉冲宽度生成器201生成具有与当VTIA 142上升到VTHLD 145以上时的时间以及当VTIA 142下降到VTHLD 145以下时的时间之间的时间相匹配的持续时间的脉冲。在一个示例中，采用VENABLE 177来代替脉冲宽度生成器201，并且VENABLE 177被提供为时间到电压转换器202的输入。时间到电压转换器202在脉冲的持续时间内通过电容器生成电流斜坡。电容器两端的电压指示VENABLE脉冲的持续时间。
在另一方面，主控制器被配置为生成多个脉冲命令信号，每个脉冲命令信号被传送到不同的集成LIDAR测量设备。每个返回脉冲接收器IC基于所接收到的脉冲命令信号而生成对应的脉冲控制信号。
图8-10描绘了包括多个集成LIDAR测量设备的3-D LIDAR***。在一些实施例中，在每个集成LIDAR测量设备的发射之间设置延迟时间。在一些示例中，该延迟时间大于测量脉冲序列往返于位于LIDAR设备的最大范围处的物体的飞行时间。以这种方式，在任何集成LIDAR测量设备之间都不存在串扰。在一些其它示例中，在从另一个集成LIDAR测量设备发射的测量脉冲已经有时间返回到LIDAR设备之前，从一个集成LIDAR测量设备发射测量脉冲。在这些实施例中，要注意确保在由每个光束询问的周围环境的区域之间存在足够的空间分离，以避免串扰。
图8是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR***100的实施例的图。3-DLIDAR***100包括下壳体101以及上壳体102，所述上壳体102包括由对红外光（例如，具有在700到1,700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆顶罩元件103。在一个示例中，圆顶罩元件103对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图8中所描绘的，在从中心轴104测量的角度范围α上，多个光束105从3-DLIDAR***100发射通过圆顶罩元件103。在图8中所描绘的实施例中，每个光束在彼此间隔分开的多个不同位置处被投影到由x和y轴定义的平面上。例如，光束106在位置107处被投影到xy平面上。
在图8中所描绘的实施例中，3-D LIDAR***100被配置为围绕中心轴104扫描多个光束105中的每一个。投影到xy平面上的每束光勾画出以中心轴104和xy平面的交点为中心的圆形图案。例如，随着时间的推移，投影到xy平面上的光束106勾画出以中心轴104为中心的圆形轨迹108。
图9是说明在一个示例性操作场景中的3-D LIDAR***10的另一实施例的图。3-DLIDAR***10包括下壳体11以及上壳体12，所述上壳体12包括由对红外光（例如，具有在700到1,700纳米的光谱范围内的波长的光）透明的材料构成的圆柱罩元件13。在一个示例中，圆柱罩元件13对于具有以905纳米为中心的波长的光是透明的。
如图9中所描绘的，在角度范围β上，多个光束15从3-D LIDAR***10发射通过圆柱罩元件13。在图9中所描绘的实施例中，图示了每个光束的主光线。每个光束以多个不同方向向外投影到周围环境中。例如，光束16被投射到周围环境中的位置17上。在一些实施例中，从***10发射的每个光束略微发散。在一个示例中，从***10发射的光束在距***10距离100米处照明直径为20厘米的光斑大小。以这种方式，每个照明光束是从***10发射的照明光锥。
在图9中所描绘的实施例中，3-D LIDAR***10被配置为围绕中心轴14扫描多个光束15中的每一个。为了说明的目的，以相对于3-D LIDAR***10的非旋转坐标系的一个角度定向图示光束15，并且以相对于非旋转坐标系的另一个角度定向图示光束15’。当光束15围绕中心轴14旋转时，投影到周围环境中的每个光束（例如，与每个光束相关联的每个照明光锥）在其围绕中心轴14扫过时照明对应于锥状照明光束的环境体积。
图10描绘了在一个示例性实施例中的3-D LIDAR***100的分解图。3-D LIDAR***还包括围绕中心轴104旋转的光发射/收集引擎112。在图10中所描绘的实施例中，光发射/收集引擎112的中心光轴117相对于中心轴104以角度θ倾斜。如图10中所描绘的，3-DLIDAR***100包括相对于下壳体101以固定位置安装的固定电子板110。旋转电子板111放置在固定电子板110的上方，并且被配置为相对于固定电子板110以预确定的旋转速度（例如，每分钟大于200转）旋转。电功率信号和电子信号通过一个或多个变压器、电容的或光学的元件在固定电子板110以及旋转电子板111之间传送，从而得到这些信号的无接触传输。光发射/收集引擎112相对于旋转电子板111固定地定位，因而以预确定的角速度ω围绕中心轴104旋转。
如图10中所描绘的，光发射/收集引擎112包括集成LIDAR测量设备113的阵列。在一方面，每个集成LIDAR测量设备包括集成到共同基板（例如，印刷电路板或其它电子电路板）上的光发射元件、光检测元件以及相关联的控制和信号调节电子器件。
从每个集成LIDAR测量设备发射的光穿过一系列光学元件116，所述光学元件116对发射的光进行准直，以生成从3-D LIDAR***投影到环境中的照明光束。以这种方式，如图11中所描绘的，从3-D LIDAR测量***100发射均从不同的LIDAR测量设备发射的光束105的阵列。一般而言，可以布置任何数量的LIDAR测量设备以同时地从3-D LIDAR***100发射任何数量的光束。由于特定LIDAR测量设备的照明所导致的从环境中的物体反射的光被光学元件116收集。所收集的光穿过光学元件116，在此处将其聚焦到相同、特定的LIDAR测量设备的检测元件上。以这种方式，通过由不同的LIDAR测量设备生成的照明与环境的不同部分的照明相关联的收集到的光分别聚焦到每个对应的LIDAR测量设备的检测器上。
图11更详细地描绘了光学元件116的视图。如图11中所描绘的，光学元件116包括四个透镜元件116A-D，所述透镜元件116A-D被布置以将所收集到的光118聚焦到集成LIDAR测量设备113的阵列的每个检测器上。在图11中所描绘的实施例中，穿过光学器件116的光从镜124反射，并且被引导到集成LIDAR测量设备113的阵列的每个检测器上。在一些实施例中，一个或多个光学元件116由吸收预确定的波长范围之外的光的一种或多种材料构成。该预确定的波长范围包括由集成LIDAR测量设备113的阵列发射的光的波长。在一个示例中，一个或多个透镜元件由塑料材料构成，所述塑料材料包括吸收具有小于由集成LIDAR测量设备113的每个阵列生成的红外光的波长的光的着色添加剂。在一个示例中，该着色剂是从Aako BV（荷兰）可获得的Epolight 7276A。一般而言，可以向光学器件116的任何塑料透镜元件添加任何数量的不同着色剂，以过滤掉不期望的光谱。
图12描绘了光学器件116的剖视图以图示收集到的光118的每个光束的成形。
以这种方式，诸如图9中所描绘的3-D LIDAR***10以及图8中所描绘的***100之类的LIDAR***包括多个集成LIDAR测量设备，每个LIDAR测量设备将照明光的脉冲光束从LIDAR设备发射到周围环境中，并且测量从周围环境中的物体反射的返回光。
在一些实施例中，诸如参考图8和图9所描述的实施例，集成LIDAR测量设备的阵列被安装到LIDAR设备的旋转框架。该旋转框架相对于LIDAR设备的基础框架旋转。然而，一般而言，集成LIDAR测量设备的阵列可以以任何合适的方式（例如，万向架、平移/倾斜等）可移动或相对于LIDAR设备的基础框架固定。
在一些其它实施例中，每个集成LIDAR测量设备包括扫描由集成LIDAR测量设备生成的照明光束的光束引导元件（例如，扫描镜、MEMS镜等）。
在一些其它实施例中，两个或更多个集成LIDAR测量设备均朝向扫描镜设备（例如，MEMS镜）发射照明光的光束，所述扫描镜设备将光束以不同的方向反射到周围环境中。
在另外的方面，一个或多个集成LIDAR测量设备与光学相位调制设备光通信，所述光学调制设备以不同的方向引导由一个或多个集成LIDAR测量设备生成的（一个或多个）照明光束。光学相位调制设备是接收控制信号的活动设备，所述控制信号使得光学相位调制设备改变状态，从而改变从光学相位调制设备衍射的光的方向。以这种方式，由一个或多个集成LIDAR设备生成的（一个或多个）照明光束扫描通过多个不同的定向，并且有效地询问被测量的周围3-D环境。投影到周围环境中的衍射光束与环境中的物体交互。每个相应的集成LIDAR测量设备基于从物体所收集到的返回光来测量LIDAR测量***和所检测到的物体之间的距离。光学相位调制设备放置在集成LIDAR测量设备以及周围环境中被测量的物体之间的光路中。因此，照明光和对应的返回光二者穿过光学相位调制设备。
图13图示了适用于由本文中所描述的集成LIDAR测量***实现的方法300的流程图。在一些实施例中，集成LIDAR测量设备可根据图13中所图示的方法300操作。然而，一般而言，方法300的执行不限制于参考图1所描述的集成LIDAR测量设备130的实施例。这些图示以及对应的解释是通过示例的方式提供的，因为可以考虑许多其它实施例和操作的示例。
在框301中，响应于接收到安装到印刷电路板上的返回信号接收器IC上的脉冲命令信号而生成脉冲触发信号。
在框302中，响应于脉冲触发信号，照明源选择性地电耦合到电功率源，使得照明源发射照明光的测量脉冲。
在框303中，响应于照明光的测量脉冲，检测由光电检测器接收到的返回光的量。将照明源和光电检测器安装到印刷电路板。
在框304中，生成指示所检测到的返回光的输出信号。
在框305中，在测量窗口的持续时间期间，将输出信号接收到返回信号接收器IC上。
在框306中，识别所检测到的返回光的一个或多个返回脉冲。
在框307中，确定与识别到的返回脉冲中的每一个相关联的飞行时间。
在框308中，确定识别到的返回脉冲中的每一个的分段的一个或多个属性。
如本文中所描述的计算***可以包括但不限制于个人计算机***、主机计算机***、工作站、图像计算机、并行处理器或本领域中已知的任何其它设备。一般而言，术语“计算***”可以广义地定义为包含具有一个或多个处理器的任何设备，所述处理器执行来自存储器介质的指令。
可以通过诸如线、线缆或无线传输链路之类的传输介质来传输实现诸如本文中所描述的那些方法的程序指令。程序指令存储在计算机可读介质中。示例性计算机可读介质包括只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
一般而言，本文中所描述的任何电源可以被配置以供应指定为电压或电流的电力。因此，本文中所描述的作为电压源或电流源的任何电功率源可以分别考虑为等同的电流源或电压源。相似地，本文中所描述的任何电信号可以指定为电压信号或电流信号。因此，本文中所描述的作为电压信号或电流信号的任何电信号可以分别考虑为等同的电流信号或电压信号。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质二者，所述通信介质包括促进计算机程序从一个地方到另一个地方传送的任何介质。存储介质可以是可由通用或专用计算机访问的任何可用的介质。通过示例的方式，并且是非限制性的，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁存储设备，或任何其它介质，所述其它介质可以用于以指令或数据结构的形式携带或存储期望的程序代码部件，并且可以由通用或专用计算机或通用或专用处理器访问。并且，任何连接都被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线（DSL）或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远端源传输软件，则同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外、无线电和微波之类的无线技术被包括在介质的定义中。如本文中所使用的盘和碟，包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多功能碟（DVD）、软盘以及蓝光碟，其中盘通常磁性地再现数据，而碟使用激光来光学地再现数据。上面的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。
尽管上面出于指导目的描述了某些特定实施例，但是该专利文件的教导具有一般的适用性，并且不限制于上面所描述的特定实施例。因此，在不脱离权利要求中所阐述的本发明的范围的情况下，可以实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、调整以及组合。

Claims (7)

1.一种LIDAR测量***，包括：
集成LIDAR测量设备，包括：
照明源，其安装到基板；
照明驱动器电路，其安装到所述基板，所述照明驱动器电路被配置为响应于脉冲触发信号而选择性地将所述照明源耦合到电功率源，以使所述照明源发射照明光的测量光束；
光电检测器，其安装到所述基板，所述光电检测器被配置为检测由于所述照明源和所述光电检测器之间的串扰导致的照明光的测量光束的第一量，以及从由所述测量光束的第二量照明的周围环境中的位置反射的光的有效返回脉冲；以及
返回信号接收器电路，其安装到所述基板，所述返回信号接收器电路被配置为估计当检测到由于串扰导致的照明光的测量光束的第一量时的实例与当检测到光的有效返回脉冲时的实例之间的时间。
2.根据权利要求1所述的LIDAR测量***，其中所述返回信号接收器电路还被配置为：
从控制器接收脉冲命令信号；以及
响应于所述脉冲命令信号，生成所述脉冲触发信号并将所述脉冲触发信号提供给所述照明驱动器电路，以使所述照明源发射所述测量光束。
3.根据权利要求2所述的LIDAR测量***，其中，所述脉冲触发信号还触发所述返回信号接收器电路以发起与所述测量光束相关联的测量窗口。
4.根据权利要求2所述的LIDAR测量***，其中，所述脉冲触发信号还触发所述返回信号接收器电路以启用与所述测量光束相关联的数据获取。
5.根据权利要求2所述的LIDAR测量***，其中所述脉冲触发信号使以下两者同步：（i）由所述照明驱动器电路和照明源生成所述测量光束和（ii）由所述返回信号接收器电路启用数据获取。
6.根据权利要求1所述的LIDAR测量***，还包括控制器，其被配置为：
生成脉冲命令信号；以及
向所述照明驱动器电路和所述返回信号接收器电路提供所述脉冲命令信号。
7.根据权利要求6所述的LIDAR测量***，其中所述脉冲命令信号触发以下两者：（i）由所述照明驱动器电路和照明源生成所述测量光束和（ii）由所述返回信号接收器电路启用数据获取。
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