激光雷达扫描仪校准制造技术

激光雷达(LiDAR)可以包括激光器、雪崩光电二极管、分路器和处理器。激光器可以被配置成发射窄电磁脉冲。雪崩光电二极管可以被配置成接收一个或更多个电磁脉冲并且响应于所述脉冲输出响应信号，雪崩光电二极管还可以被放置成接收由激光器引起并且由LiDAR传感器外部的对象反射的至少一个反射脉冲。雪崩光电二极管还可以被施加有影响响应信号的偏置电压。分路器可以被放置成接收窄电磁脉冲并且将该窄电磁脉冲分成朝向LiDAR传感器外部的对象引导的至少一个外部脉冲以及朝向光电二极管引导的至少一个校准脉冲。另外，处理器可以被配置成调节偏置电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及计量学领域，并且具体涉及激光雷达(LiDAR，光距离和范围)传感器以及相关装置。
技术介绍
许多工业包括测量、建筑、娱乐(受电影和视频游戏影响产生的角色)、建造、法医和地理应用对于用于在不接触环境中的对象的情况下测量这些对象的距离和反射率值的处理都有很大兴趣。历史上，使用照相测量技术来获得准确的距离和反射测量值，但是从立体图像提取信息的处理既耗时又昂贵。在过去的几十年中，光探测和测距(LiDAR)技术的进步已经使得从业者能够扫描大的区域表面并同时采集数十亿计的数据点，每个数据点在本地(相对)坐标系统内具有精确的纬度、经度和高度(x，y，z)值。数十亿计的数据点的集合称为点云数据集。从业者随后从点云中提取对象并且然后创建三维模型。然后，在许多应用中使用那些模型。例如，在地理信息系统(GIS)工业中，从业者将全球定位系统(GPS)数据频繁地综合至点云中以使其“地理参考”到全局坐标系。地理参考点云中的每个数据点在地球表面上具有绝对的x，y和z位置。
技术实现思路
LiDAR——特别是基于飞行时间(time-of-fight)的LiDAR——是发射短激光脉冲(例如，约1纳秒至10纳秒的脉宽)并检测反射光并且同时测量发射脉冲与反射脉冲之间的时间的距离范围测量技术。从激光脉冲被发射的时间直到其反射回LiDAR仪器的激光脉冲飞行时间对应于LiDAR传感器与目标表面之间的距离。由漫射(非反光)表面反射的光的分数是该表面的反射率。在给定至目标的测量距离的情况下，可以根据由LiDAR传感器接收到的反射光与发射光之比来计算目标表面的反射率的估计。可以使用旋转镜来扫描由激光器发射的光的方向，从而实现穿过角的范围的测量。因此，可以在角的范围上测量距各种对象的距离。可以使用时间至数字转换器(“TDC”)或时间测量单元(“TMU”)来在两个电事件(例如，脉冲沿)之间进行精确的时间测量，并且以数字电子格式报告该时间。在一些实施方式中，TDC芯片可以实现10皮秒(picosecond)的时间测量精度。TDC可以用于测量激光脉冲的飞行时间以用于LiDAR距离测量。考虑到光速，约10皮秒的时间测量精度将对应于约1.5毫米的距离测量精度。已经发布了用于描述用低成本现场可编程门阵列芯片来实现TDC设计的白皮书(whitepaper)。而专用TDC芯片可以花费超过200美元，现场可编程门阵列芯片可以花费少于40美元。由ClaudioFavi和EdoardoCharbon于2009年2月22日至24日在FPGA’09发布的A17psTime-to-DigitalConverterImplementedin65nmFPGATechnology中给出了可以在一些实施方式中使用的TDC芯片的一些示例，并且其通过引用并入本文中。在一些实施方式中，LiDAR传感器可以包括激光器、定向传感器、窗口、电磁脉冲接收传感器和处理器。激光器可以被配置成发射短且窄的电磁脉冲。另外，定向传感器可以被配置成测量由激光器发射的短且窄的电磁脉冲的方向。发射的短且窄的电磁脉冲可以通过窗口。然后，脉冲至少被窗口和LiDAR传感器外部的对象反射，从而产生至少两个反射脉冲。电磁脉冲接收传感器可以被配置成测量从激光器发射的短且窄的电磁脉冲产生的两个反射脉冲。处理器可以被配置成从传感器接收指示对象相对于LiDAR传感器的位置的信息。另外，处理器可以被配置成测量由窗口反射的脉冲的强度。在另一实施方式中，提供了一种考虑LiDAR传感器上的不清洁或损坏的窗口的方法。电磁脉冲可以被发送通过窗口，并且可以接收来自窗口的由所述脉冲引起的反射。然后，可以测量该反射脉冲的强度。类似地，发射脉冲可以被外部对象反射。还可以接收所述对象反射脉冲并且测量所述对象反射脉冲的接收时间，以指示距外部对象的距离。在另一实施方式中，LiDAR传感器可以包括激光器、定向传感器、电磁脉冲接收传感器和处理器。激光器可以被配置成发射短且窄的电磁脉冲。另外，定向传感器可以被配置成测量由激光器发射的短且窄的电磁脉冲的方向。然后，脉冲可以被LiDAR传感器外部的对象反射，以产生反射脉冲。电磁脉冲接收传感器可以被配置成测量该反射脉冲。然后，处理器可以被配置成根据脉冲的峰值强度的估计时间来确定反射脉冲的接收时间。峰值的估计时间可以是当反射脉冲的强度的时间导数下降到低于阈值比率时。该接收时间可以指示距对象的距离。在另一实施方式中，提供了一种用于操作LiDAR传感器的方法。可以发射电磁脉冲以引起反射电磁脉冲。可以接收反射脉冲并且可以生成指示脉冲强度的时间导数或斜率的信号。指示时间导数或斜率的信号可以与参考斜率进行比较，并且当指示时间导数或斜率的信号通过参考斜率时可以输出峰值检测信号。可以测量峰值检测信号的时间，以指示来自对象的反射电磁脉冲的接收相对于例如发射初始脉冲的时间的时间。另外，反射电磁脉冲的接收时间可以指示距对象的距离。光电探测器LiDAR传感器通常使用某种形式的光器件来收集从目标表面反射的光并且将该光聚焦在光电探测器接收器上以转换成电信号。雪崩光电二极管常常是光电探测器的好的选择，这是因为雪崩光电二极管以高增益或倍增因子将入射光子转换成电流。该高增益使得能够检测暗目标表面和/或远的目标表面。在操作雪崩光电二极管时，在雪崩光电二极管上施加反向电压或反向偏置，以使得阴极相对于阳极保持为正。该施加的偏置使得入射光子触发碰撞电离，这是这些装置中的增益机制。雪崩光电二极管的增益与所施加的偏置具有密切的关系，并且该关系受雪崩光电二极管的温度影响。雪崩光电二极管可以操作在多种模式下。在施加中等的反向偏置的情况下，雪崩光电二极管操作在线性模式下并且通过装置的电流与入射光子的速率基本呈线性。在所施加的较高的偏置下，雪崩光电二极管操作在盖革(Geiger)模式下并且通过装置的电流响应于单个光子快速地增大，而不需要另外的光子。这些模式之间的转换可以是平滑的，但是雪崩光电二极管制造商将在不存在入射光子时通过装置的电流超过某一固定值时电压称为击穿电压。击穿电压可以用作对线性模式的上限的客观描述。在线性模式操作中，有益的是可以施加低于击穿电压的固定的小余量(例如，小于3伏)的偏置电压，以实现高增益，但是还工作在击穿电压以下，在击穿电压处，输出电流不管入射光如何而开始快速地增大。然而，雪崩光电二极管的增益可以如其随击穿电压变化那样随着装置的温度而变化。因此，温度的变化可以引起增益的不期望的变化。对LiDAR传感器而言有利的是，使其(一个或多个)雪崩光电二极管以恒定增益操作。例如，LiDAR传感器可以使用由雪崩光电二极管提供的电脉冲的幅值来推断与对象的目标表面有关的信息，该信息主要是关于表面的反射率。在处理之后，可以使用该幅值来帮助区分具有不同的反射率的目标对象。例如，可以基于其反射率来将车道标记和交通标志与其他对象区分开。增益的变化可以使得难以确定对象的真实的反射率，这是因为所得到的信号幅值将会是缺乏一致性的。另外，如果增益由于温度增大而下降的过多，则可能根本无法检测到在长距离处或具有小反射率的对象。最后，如果增益显著地增大，甚至接近或超过击穿电压的增益，则来自雪崩光电二极管的寄生噪声电流可能引起假的检测事件。在一些实施方式中，可以通过提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光雷达传感器，包括：激光器，被配置成发射窄电磁脉冲；雪崩光电二极管，被配置成接收一个或更多个电磁脉冲并且响应于所述脉冲输出响应信号，所述雪崩光电二极管被放置成接收由激光器引起并且由所述激光雷达传感器外部的对象反射的至少一个反射脉冲，所述雪崩光电二极管被施加有影响所述响应信号的偏置电压；分路器，被放置成接收所述窄电磁脉冲并且将所述窄电磁脉冲分成朝向所述激光雷达传感器外部的所述对象引导的至少一个外部脉冲以及朝向所述雪崩光电二极管引导的至少一个校准脉冲，朝向所述光电二极管引导的所述校准脉冲在由所述对象反射的所述脉冲之前被所述雪崩光电二极管接收；以及处理器，被配置成接收来自所述雪崩光电二极管的响应信号，所述处理器还被配置成根据由所述校准脉冲引起的响应信号来调节所述偏置电压，以对所述雪崩光电二极管的温度变化进行补偿。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.22 US 61/907,9511.一种激光雷达传感器，包括：激光器，被配置成发射窄电磁脉冲；雪崩光电二极管，被配置成接收一个或更多个电磁脉冲并且响应于所述脉冲输出响应信号，所述雪崩光电二极管被放置成接收由激光器引起并且由所述激光雷达传感器外部的对象反射的至少一个反射脉冲，所述雪崩光电二极管被施加有影响所述响应信号的偏置电压；分路器，被放置成接收所述窄电磁脉冲并且将所述窄电磁脉冲分成朝向所述激光雷达传感器外部的所述对象引导的至少一个外部脉冲以及朝向所述雪崩光电二极管引导的至少一个校准脉冲，朝向所述光电二极管引导的所述校准脉冲在由所述对象反射的所述脉冲之前被所述雪崩光电二极管接收；以及处理器，被配置成接收来自所述雪崩光电二极管的响应信号，所述处理器还被配置成根据由所述校准脉冲引起的响应信号来调节所述偏置电压，以对所述雪崩光电二极管的温度变化进行补偿。2.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述处理器被配置成响应于由所述校准脉冲引起的响应信号来实时地调节所述偏置电压。3.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述雪崩光电二极管的温度不是直接测量的。4.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述处理器被配置成调节所述偏置电压，以使得所述雪崩光电二极管响应于给定的检测脉冲的增益保持基本上恒定。5.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述处理器被配置成将所述偏置电压调节成具有低于所述雪崩光电二极管的击穿电压的恒定偏移。6.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，还包括所述雪崩光电二极管的阳极与较低的电势之间的电阻器、以及所述雪崩光电二极管的所述阳极与所述较低的电势之间的第二二极管，所述第二二极管的阳极连接至所述雪崩光电二极管的阳极，并且所述电阻器与所述第二二极管并联连接。7.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，包括下述装置，所述装置用于调节来自所述雪崩光电二极管的响应信号，以使得所述响应信号基本上以线性的方式响应于弱脉冲并且基本上以对数的方式响应于强脉冲。8.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述处理器还被配置成测量所述反射脉冲的强度。9.根据权利要求1所述的激光雷达传感器，其中，所述处理器被配置成在接收所述反射脉冲之前根据所述响应信号来调节所述偏置电压。10.一种用于测量反射电磁脉冲的方法，包括：发射电磁脉冲；将所发射的电磁脉冲分成至少外部脉冲和校准脉冲；朝向雪崩光电二极管引导所述校准脉冲；朝向要测量的对象引导所述外部脉冲，从而引起反射脉冲；对所述雪崩光电二极管施加初始偏置电压；在所述雪崩光电二极管处于所述初始偏置电压下时使用所述雪崩光电二极管接收所述校准脉冲；测量来自所述雪崩光电二极管的由所述校准脉冲引起的响应；使用所测量的由所述校准脉冲引起的所述响应向所述雪崩光电二极管施加期望偏置电压，以针对所述雪崩光电二极管的温度变化进行调节；使用所述雪崩光电二极管接收所述反射脉冲；以及测量来自所述雪崩光电二极管的由所述反射脉冲引起的响应。11.根据权利要求10所述的方法，还包括估计所述反射脉冲的强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：布伦特·S·施瓦茨，詹姆斯·A·哈斯利姆，尼古拉斯·M·伊图拉兰，迈克尔·D·卡拉索夫，
申请(专利权)人：幻影国际有限公司，
类型：发明
国别省市：百慕大群岛;BM