基于光学象限检测方案的深度成像方法

摘要

本发明题为“基于光学象限检测方案的深度成像方法”。本发明提供了一种车辆、激光雷达系统和对感兴趣场进行成像的方法。激光器用光的源脉冲照射感兴趣场。象限检测器接收反射脉冲，该反射脉冲是源脉冲从感兴趣场的反射。处理器根据反射脉冲在象限检测器处的位置和反射脉冲的渡越时间来确定感兴趣场的三维图像。处理器还使用三维图像来导航车辆通过感兴趣场。

权利要求

1.一种对感兴趣场进行成像的方法，包括：

经由激光器用光的源脉冲照射感兴趣场；

在象限检测器处接收反射脉冲，所述反射脉冲是所述源脉冲从所述感兴趣场的反射；

以及

根据所述反射脉冲在所述象限检测器处的位置和所述反射脉冲的渡越时间来确定所述感兴趣场的三维图像。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述象限检测器处多次对所述反射脉冲进行采样，以在所述感兴趣场内的多个深度下确定所述感兴趣场的参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述参数是所述感兴趣场内的目标的角位置，还包括通过比较所述象限检测器的象限处的光强度，根据所述反射脉冲在所述象限检测器处的所述位置来确定所述角位置。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述参数是所述感兴趣场内的目标的深度，还包括根据与所述反射脉冲相关联的渡越时间来确定所述深度。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述激光器与所述象限检测器同步。

6.一种激光雷达系统，包括：

激光器，所述激光器被配置成用光的源脉冲照射感兴趣场；

象限检测器，所述象限检测器被配置成接收反射脉冲，所述反射脉冲是所述源脉冲从所述感兴趣场的反射；和处理器，所述处理器被配置成根据所述反射脉冲在所述象限检测器处的位置和所述反射脉冲的渡越时间来确定所述感兴趣场的三维图像。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中所述象限检测器多次对所述反射脉冲进行采样，以在所述感兴趣场内的多个深度下确定所述感兴趣场的参数。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其中所述参数是所述感兴趣场内的目标的角位置，并且所述处理器进一步被配置成通过比较所述象限检测器的象限处的光强度，根据所述反射脉冲在所述象限检测器处的所述位置来确定所述角位置。

9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其中所述参数是所述感兴趣场内的目标的深度，并且所述处理器进一步被配置成根据与所述反射脉冲相关联的渡越时间来确定所述深度。

10.根据权利要求6所述的激光雷达系统，还包括使所述激光器与所述象限检测器同步的激光驱动器。

说明书

基于光学象限检测方案的深度成像方法

技术领域

[0001] 本公开涉及激光雷达系统，并且具体地讲，涉及使用激光雷达系统的深度成像方法，该激光雷达系统使用光学象限检测器。

[0002] 激光雷达系统可以在车辆中使用以辅助车辆的导航。激光雷达系统通常包括用于定向跨视场的光的机械系统。因此，此类图像的分辨率限于此类机械系统的扫描速率。另外，此类系统通常需要相对较长的光脉冲。此类系统通常需要二维传感器阵列，其感测像素的数量限制系统分辨率。因此，担心此类脉冲可能接近或超过眼睛安全限制。因此，期望提供激光雷达系统，其用于确定视场中的目标的深度和角参数而不使用机械扫描设备并且具有减小的脉冲持续时间和功率。

发明内容

[0003] 在一个示例性实施方案中，公开了对感兴趣场进行成像的方法。该方法包括经由激光器用光的源脉冲照射感兴趣场；在象限检测器处接收反射脉冲，该反射脉冲是源脉冲从感兴趣场的反射；以及根据反射脉冲在象限检测器处的位置和反射脉冲的渡越时间来确定感兴趣场的三维图像。

[0004] 除了本文描述的特征中的一个或多个之外，该方法还包括在象限检测器处多次对反射脉冲进行采样，以在感兴趣场内的多个深度下确定感兴趣场的参数。该方法还包括根据反射脉冲在象限检测器处的位置来确定感兴趣场内的目标的角位置。该方法还包括通过比较象限检测器的象限处的光强度来确定反射脉冲在象限检测器处的位置。该方法还包括根据与反射脉冲相关联的渡越时间来确定感兴趣场内的目标的深度。该方法还包括使激光器与象限检测器同步。该方法还包括使用三维图像来导航车辆通过感兴趣场。

[0005] 在另一个示例性实施方案中，公开了激光雷达系统。激光雷达系统包括激光器、象限检测器和处理器。激光器被配置成用光的源脉冲照射感兴趣场。象限检测器被配置成接收反射脉冲，该反射脉冲是源脉冲从感兴趣场的反射。处理器被配置成根据反射脉冲在象限检测器处的位置和反射脉冲的渡越时间来确定感兴趣场的三维图像。

[0006] 除了本文描述的特征中的一个或多个之外，象限检测器多次对反射脉冲进行采样，以在感兴趣场内的多个深度下确定感兴趣场的参数。处理器进一步被配置成根据反射脉冲在象限检测器处的位置来确定感兴趣场内的目标的角位置。处理器进一步被配置成通过比较象限检测器的象限处的光强度来确定反射脉冲在象限检测器处的位置。处理器进一步被配置成根据与反射脉冲相关联的渡越时间来确定感兴趣场内的目标的深度。激光驱动器使激光器与象限检测器同步。空间调制器被配置成滤除由与象限检测器相距相同距离并在角度上可区分的两个或更多个目标产生的信号。

[0007] 在又一个示例性实施方案中，公开了车辆。该车辆包括激光器、象限检测器和处理器。激光器被配置成用光的源脉冲照射感兴趣场。象限检测器被配置成接收反射脉冲，该反射脉冲是源脉冲从感兴趣场的反射。处理器被配置成根据反射脉冲在象限检测器处的位置和反射脉冲的渡越时间来确定感兴趣场的三维图像，并且使用三维图像来导航车辆通过感兴趣场。

[0008] 除了本文描述的特征中的一个或多个之外，象限检测器多次对反射脉冲进行采样，以在感兴趣场内的多个深度下确定感兴趣场的参数。处理器进一步被配置成根据反射脉冲在象限检测器处的位置来确定感兴趣场内的目标的角位置。处理器进一步被配置成通过比较象限检测器的象限处的光强度来确定反射脉冲在象限检测器处的位置。处理器进一步被配置成根据与反射脉冲相关联的渡越时间来确定感兴趣场内的目标的深度。激光驱动器使激光器与象限检测器同步。

[0009] 从以下结合附图的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

[0010] 仅以举例的方式，在以下详细描述(即参考附图的详细描述)中出现其他特征、优点和细节，其中：

[0011] 图1示出了包括根据实施方案的激光雷达系统的自主车辆；

[0012] 图2公开了适用于图1的激光雷达系统的光学象限检测器；

[0013] 图3示出了激光雷达系统的详细视图；

[0014] 图4示出了由激光雷达系统的激光器生成的示例性源脉冲；

[0015] 图5示出了通过从激光雷达系统的感兴趣场中的目标反射源脉冲而形成的示例性反射脉冲；

[0016] 图6示出了在光学象限检测器的象限处获得的各种范围相关的强度测量值；以及[0017] 图7示出了可使用利用激光雷达系统确定的参数值来形成的示例性深度图像。

具体实施方式

[0018] 以下描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开、其应用或使用。应当理解，在所有附图中，对应的附图标号指示相同或对应的部分和特征。

[0019] 根据示例性实施方案，图1示出了自主车辆10。在示例性实施方案中，自主车辆10是所谓的四级或五级自动化系统。四级系统指示“高度自动化”，其指的是动态驾驶任务的所有方面的自动驾驶系统的驾驶模式特定性能，即使人类驾驶员没有对干预请求作出适当响应。五级系统指示“完全自动化”，其指的是在可由人类驾驶员管理的所有道路和环境状况下的动态驾驶任务的所有方面的自动驾驶系统的全时性能。

[0020] 自主车辆10通常至少包括导航系统20、推进系统22、变速器系统24、转向系统26、制动系统28、传感器系统30、致动器系统32和控制器34。导航系统20确定用于自主车辆10的自动驾驶的轨迹计划。推进系统22提供用于为自主车辆10产生原动力的动力，并且在各种实施方案中，可以包括内燃机、电机(诸如牵引马达)和/或燃料电池推进系统。变速器系统24被配置成根据可选择速度比将动力从推进系统22传输到自主车辆10的车轮16和18。转向系统26影响车轮16和18的定位。虽然出于说明目的被描述为包括方向盘17，但在本公开范围内设想的一些实施方案中，转向系统26可以不包括方向盘17。制动系统28被配置成向车轮16和18提供制动转矩。

[0021] 传感器系统30包括激光雷达系统40，其感测自主车辆10的外部环境中的目标并提供环境的深度图像。在操作中，激光雷达系统40发出光的源脉冲48，其被激光雷达系统40的视野中的一个或多个目标50反射回自主车辆10处作为反射脉冲52。

[0022] 致动器系统32包括控制一个或多个车辆特征(诸如但不限于推进系统20、变速器系统22、转向系统24和制动系统26)的一个或多个致动器。

[0023] 控制器34包括处理器36和计算机可读存储设备或介质38。计算机可读存储介质包括在由处理器36执行时操作激光雷达系统40，以便获得目标50的数据(诸如位置和深度数据)的程序或指令39。计算机可读存储介质38还可以包括在由处理器36执行时根据从激光雷达系统40获得的数据操作导航系统20和/或致动器系统32，以便相对于目标50导航自主车辆10的程序或指令39。

[0024] 在各种实施方案中，控制器34操作激光雷达系统40以便根据反射脉冲52确定目标50的参数(诸如角位置和深度)。这些参数可以单独使用或与其他参数(例如，多普勒)结合使用以获得用于导航目的的环境预测图。导航系统20基于来自激光雷达系统40的数据和任何其他参数为自主车辆10构建轨迹。控制器34可以向致动器32提供轨迹以控制推进系统
20、变速器系统22、转向系统24和/或制动器26，以便相对于目标50导航车辆10。

[0025] 图2公开了适用于图1的激光雷达系统40的光学象限检测器200。光学象限检测器200包括敏感区域202，该敏感区域包括多个光电二极管PD1、PD2、PD3、PD4，其分别限定四个不同象限Q1、Q2、Q3、Q4。将光电二极管分组成象限使得光学象限检测器200能够确定光束(诸如反射脉冲52)入射在光学象限检测器200上的位置。更具体地，光学象限检测器200能够确定反射脉冲52的中心点的位置。当反射脉冲52的至少一部分照射给定象限时，象限的光电二极管生成其量值与象限中入射的光的强度成比例的电流。象限Q1、Q2、Q3和Q4分别生成相关联的电流I1、I2、I3和I4。电流I1、I2、I3和I4可以用于确定反射脉冲52在敏感区域202内的位置。

[0026] 可以通过将入射在光学象限检测器200的右半部分(即，象限Q1和Q4)上的光所生成的电流(IR)与入射在光学象限检测器200的左半部分(即，象限Q2和Q3)上的光所生成的电流(IL)进行比较来确定反射脉冲52的中心的x坐标，如等式(1)中表达的：

[0027]

[0028] 其中IR＝I1+I4并且IL＝I2+13。x坐标被表达为时变变量，(根据象限电流11、12、13和14)通过下式给出：

[0029]

[0030] 类似地，可以通过将入射在光学象限检测器200的上半部分(即，象限Q1和Q2)上的光所生成的电流(IU)与入射在光学象限检测器200的下半部分(即，象限Q3和Q4)上的光所生成的电流(ID)进行比较来确定光束204的中心的y坐标，如等式(3)中表达的：

[0031]

[0032] 其中IU＝I1+I2并且ID＝I3+I4。y坐标被表达为时变变量，(根据象限电流I1、I2、I3和I4)通过下式给出：

[0033]

[0034] 在各种实施方案中，光学象限检测器200具有高度的位置或角分辨率。在各种实施方案中，该分辨率可q以小于0.01度。光学象限检测器200进一步说明在电磁光谱的可见光、近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)区域上的宽光谱响应。光学象限检测器200可以由硅、锗、InGaAs、汞碲化镉(MCT)或其他合适的材料构成。与光学象限检测器200处接收的反射脉冲52的持续时间相比，光学象限检测器200具有快速响应速率。

[0035] 当在激光雷达系统40中使用时，反射脉冲52的x坐标和y坐标可以用于确定产生反射脉冲52的目标50的角位置以及目标50的深度图像，如下面参考图3至图7所讨论的那样。

[0036] 图3示出了图1的激光雷达系统40的详细视图。激光雷达系统40使用各种照明设备(诸如激光驱动器302、激光器304和照明光学器件306)来生成源脉冲48。激光驱动器302致动激光器304以产生具有选定持续时间的光脉冲。来自激光器304的光穿过照明光学器件306，在各种实施方案中，该照明光学器件可以是发散透镜。照明光学器件306使激光成角度地扩展在选定感兴趣场308上以形成源脉冲48。源脉冲48的角范围为激光雷达系统40限定感兴趣场308。

[0037] 激光雷达系统40还包括接收器设备，该接收器设备包括接收器光学器件310和图2的光学象限检测器200。源脉冲48从目标50和/或感兴趣场308中的其他目标反射以形成反射脉冲52。反射脉冲52被引向接收器光学器件310。接收器光学器件310将反射脉冲52聚焦到光学象限检测器200上。光学象限检测器200通过由激光驱动器302在向激光器304发送信号以生成光脉冲时发送到光学象限检测器20的同步脉冲来与激光器304同步。在激光器304与光学象限检测器200同步的情况下，可以至少确定反射脉冲52的到达时间或渡越时间(TOF)。

[0038] 在附加的实施方案中，照明光学器件306、接收器光学器件310或两者可以包括空间调制器320。空间调制器320可以用于滤除由与激光雷达系统40或光学象限检测器200相距相同距离并在角度上可区分的两个或更多个目标或对象50产生的信号。

[0039] 图4示出了由激光雷达系统40的激光器302生成的示例性源脉冲48。源脉冲48是具有选定脉冲持续时间的脉冲。在各种实施方案中，源脉冲48的持续时间为约1纳秒(ns)至约5ns。在图4的示例性示例中，源脉冲48在时间t＝0开始并在约时间t＝2纳秒结束，其中峰值为约1纳秒。

[0040] 图5示出了通过从激光雷达系统40的感兴趣场308中的目标50反射源脉冲48而形成的示例性反射脉冲52。与源脉冲48相比，反射脉冲52在时间上展开。在图5中，示例性反射脉冲52在从约t＝10ns到约t＝2000ns的时间长度内扩展。反射脉冲52的时间扩展是由于源脉冲48在目标50的不同深度处从目标50的表面反射离开。反射表面的深度与反射表面相对于激光雷达系统40的范围相关。参考图3，为了说明，源脉冲48在从目标50的表面B反射离开之前从目标50的表面A反射。再次参考图5，来自表面A的反射的到达时间在时间tA发生，而来自表面B的反射的到达时间在时间tB发生。深度的差异、或表面A与表面B之间的沿与源脉冲48的方向平行的方向的距离因此在光学象限检测器200处转换成反射光束52的时间差。

[0041] 应当注意，与反射脉冲52的持续时间相比，光学象限检测器200具有快速采样响应时间。在各种实施方案中，光学象限检测器200的响应小于几个100皮秒。因此，光学象限检测器200可以在反射脉冲52的整个持续时间内多次对反射脉冲52进行采样。反射脉冲52的每个样本提供目标50的选定深度处的反射表面处的信息、反射表面的角位置和特定深度处的光强度。因此，可以使用这些参数的多个样本来构建感兴趣场308的深度图像。

[0042] 图6示出了在光学象限检测器200的象限处获得的各种范围相关的强度测量值。由于感兴趣场50中的多个反射表面，因此每次光学象限检测器200对反射脉冲52进行采样时，每个象限处的强度改变。光学象限检测器200确定时间相关的x(t)和y(t)坐标。x和y坐标的时间与反射脉冲52的渡越时间(TOF)相关，该渡越时间通过等式(5)与范围相关：

[0043] r＝c×TOF/2  等式(5)

[0044] 其中r是目标的范围并且c是光速。因此，时间相关的坐标x(t)和y(t)可以被重写为取决于范围或深度测量值。图6示出了作为光学象限检测器200的四个象限中的每一个的范围变量的函数的光强度。

[0045] 图7示出了可使用利用本文公开的激光雷达系统40确定的参数值来形成的示例性深度图像。x和y坐标用于依据高度θ、方位角φ、以及范围R和强度I来确定感兴趣场308的角信息，如等式(6)中表达的：

[0046]

[0047] 根据激光雷达系统确定的图像可以提供给图1的车辆10的导航系统20，以便有助于相对于目标50导航车辆。

[0048] 虽然已经参考示例性实施方案描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在本公开不限于所公开的特定实施方案，而是将包括落入其范围内的所有实施方案。