在激光雷达系统中操作的光学探测器的时变增益技术方案

为了在激光雷达系统中探测来自远程目标散射的光脉冲的光时降低误检的可能性，激光雷达系统中的接收器包括光探测器和脉冲探测电路，脉冲探测电路具有增益电路，该增益电路的增益量随时间变化。增益电路在低增益模式下操作时间段T1，以防止接收器在阈值时间段T1期间探测返回的光脉冲，其中时间段T1从光脉冲被发射时的时间t

Time-varying gain of optical detector operated in lidar system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在激光雷达系统中操作的光学探测器的时变增益相关申请的交叉引用本申请要求于2017年3月28日提交的申请号为62/477,857的美国申请和于2018年1月3日提交的申请号为15/861,147的美国申请的优先权，其内容通过引用方式全部并入本文。
本公开总体上涉及激光雷达系统，以及特别是涉及改变激光雷达系统中的光探测器的增益，以探测由远程目标散射的光脉冲。
技术介绍
本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的背景。当前署名的专利技术人的工作(就
技术介绍
部分所描述的范围)，以及在提交时说明书中不必认为是现有技术的各方面描述，既不明确也不隐含地被公认为针对本公开的现有技术。光探测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光学接收器。光源可以是，例如，发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可能位于，例如，电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源向目标发射光，然后目标散射光。一些被散射的光被接收器接收回来。系统基于与返回的光相关联的一个或多个特性，确定到目标的距离。例如，系统可以基于返回的光脉冲的飞行时间，确定到目标的距离。
技术实现思路
本公开的技术的一个示例实施例是一种激光雷达系统，包括：光源，配置为发射光脉冲；以及接收器，配置为探测来自远程目标散射的光脉冲的光。该接收器包括：光探测器，探测与光相对应的光学信号；以及光脉冲探测电路，配置为将光学信号转换为电信号并探测转换后的电信号是否指示由远程目标散射的光脉冲。光脉冲探测电路包括：增益电路，配置为将转换后的电信号放大预定放大量，该放大量根据自光脉冲被发射以后经过的时间量而变化；以及比较电路，配置为将放大的电信号与阈值量进行比较，以确定放大的电信号是否指示由远程目标散射的光脉冲。本公开的技术的另一示例实施例是一种用于动态改变激光雷达系统中的增益的方法。该方法包括：由激光雷达系统中的光源发射光脉冲；由激光雷达系统中的接收器探测来自远程目标散射的光脉冲的光，以识别返回的光脉冲，包括探测与光对应的光学信号；以及由激光雷达系统中的光脉冲探测电路将光学信号转换为电信号。该方法还包括：由光脉冲探测电路将电信号放大预定放大量，该预定放大量根据自光脉冲被发射以后经过的时间量而变化；以及由光脉冲探测电路，将放大的电信号与阈值量进行比较，以确定放大的电信号是否指示由远程目标散射的光脉冲。本公开的技术的又一示例实施例是一种激光雷达系统中的控制器。该控制器包括：一个或多个处理器；以及非暂时性计算机可读存储器，该存储器耦合到该一个或多个处理器并且在该存储器上存储指令。该指令在由一个或多个处理器执行时使控制器：向光源提供控制信号以发射光脉冲；以及初始化计时器以确定自光脉冲被发射以后经过的时间量。该指令还使控制器向光脉冲探测电路提供指示预定放大量的控制信号，将电信号放大该预定放大量,所述电信号由与来自远程目标散射的光脉冲的光相对应的光信号转换而来，其中，预定放大量是基于自光脉冲被发射以后经过的时间量。附图说明图1是示例光探测和测距(激光雷达(lidar))系统的框图，本公开的技术可以在该系统中实施；图2更详细地示出了可以在图1的系统中操作的几个组件；图3示出了图1的组件通过旋转罩壳中的窗口扫描360度观测场的示例配置；图4示出了图1的组件通过基本透明的固定罩壳扫描360度观测场的另一种配置；图5示出了图1的激光雷达系统在识别观测场内的目标时可以产生的示例扫描模式；图6示出了图1的激光雷达系统在使用多个光束识别观测场内的目标时可以产生的示例扫描模式；图7示意性地示出了可以在图1的激光雷达系统中操作的光源和探测器的视场(FOV)；图8示出了图1的激光雷达系统或另一合适的激光雷达系统的示例配置，在该配置中激光器设置在远离传感器组件的位置；图9示出了示例运载工具，图1的激光雷达系统可以在该运载工具中操作；图10示出了可以在图1的激光雷达系统中操作的示例InGaAs雪崩光电二极管；图11示出了耦合到脉冲探测电路的示例光电二极管，其可以在图1的激光雷达系统中操作；图12示出了配置为随时间改变增益的示例接收器，其可以在图1的激光雷达系统中操作；图13示出了示例脉冲定时图，图12的接收器可以根据该脉冲定时图处理返回脉冲；以及图14示出了用于动态调整激光雷达系统中的增益的示例方法的流程图。具体实施方式概述一般来说，激光雷达系统中的接收器基于自光源发射光脉冲以后经过的时间量来改变用于放大接收到的光学信号的增益量。在一个示例实施方式中，接收器包括光探测器(例如雪崩光二极管(APD))和脉冲探测电路。光探测器将光学信号转换为电信号，以及脉冲探测电路放大电信号并将该放大的电信号与阈值电压进行比较，以确定光学信号是否指示由远程目标散射的返回光脉冲。一种技术包括在光源发射光脉冲后的时间段T1内，在低增益模式(例如，具有低于阈值水平的增益)下操作脉冲探测电路。在时间段T1结束之后，脉冲探测电路中的增益电路切换到高增益模式(例如，具有阈值水平或高于阈值水平的增益)，以将接收到的信号在时间段T2内放大，该时间段T2从T1结束之后开始并在第二光脉冲被发射时结束。当光源发射第二光脉冲时，增益电路在光源发射第二光脉冲后的时间段T1内切换回低增益模式。通过在光脉冲被发射后的时间段T1内在低增益模式下操作，接收器降低了在光脉冲刚刚被发射后的时间段T1内探测到噪声的可能性。例如，当从超过最小距离(例如，1米)的距离接收返回的脉冲太早时，可能会出现时间段T1。此外，可以将低增益应用于由远程目标在近距离散射的返回脉冲，以防止光探测器饱和。此外，从低增益模式切换到高增益模式，然后再切换回来，可以使恢复时间最小化，并减小可探测到的最小距离。在其他实施方式中，从光脉冲被发射时起，增益电路可以随时间逐渐增加增益。例如，从第一光脉冲被发射时起直到第二光脉冲被发射，增益可以线性地增加。在另外一些实施方式中，增益电路可以以任何其他合适的方式随时间改变增益。在一些实施方式中，当控制器向光源提供控制信号或触发信号以发射光脉冲时，脉冲探测电路从控制器接收信号。以这种方式，脉冲探测电路接收光脉冲被发射时的时间t0的指示。在其他实施方式中，控制器从光源接收触发脉冲或边沿，其中每个脉冲或边沿对应于光源发射的光脉冲。然后，控制器将接收到的触发脉冲或边沿提供给脉冲探测电路。在另外一些实施方式中，随着光脉冲被发射，光探测器探测来自光脉冲的光。作为一个示例，光探测器可以探测从激光雷达系统外壳内散射的发射光脉冲的一部分。被探测到的光脉冲在被发射时可以被称为“光学”t0。用于测量第一时间段T1和第二时间段T2的计时器可以在电t0、光学t0、或在电t0或光学t0之后的特定时间间隔初始化。接下来参照图1-4，考虑可以实施这些技术的示例激光雷达系统，随后讨论激光雷达系统可以实施以扫描观测场和生成各个像素的技术(图5-7)。然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达系统，包括：/n光源，配置为发射光脉冲；以及/n接收器，配置为探测来自远程目标散射的所述光脉冲的光，所述接收器包括：/n光探测器，探测与所述光相对应的光学信号；以及/n光脉冲探测电路，配置为将所述光学信号转换为电信号并探测转换后的电信号是否指示由所述远程目标散射的所述光脉冲，所述光脉冲探测电路包括：/n增益电路，配置为将所述转换后的电信号放大预定放大量，所述预定放大量根据自所述光脉冲被发射以后经过的时间量而变化，以及/n比较电路，配置为将放大的电信号与阈值量进行比较，以确定所述放大的电信号是否指示由所述远程目标散射的所述光脉冲。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170328 US 62/477857;20180103 US 15/8611471.一种激光雷达系统，包括：
光源，配置为发射光脉冲；以及
接收器，配置为探测来自远程目标散射的所述光脉冲的光，所述接收器包括：
光探测器，探测与所述光相对应的光学信号；以及
光脉冲探测电路，配置为将所述光学信号转换为电信号并探测转换后的电信号是否指示由所述远程目标散射的所述光脉冲，所述光脉冲探测电路包括：
增益电路，配置为将所述转换后的电信号放大预定放大量，所述预定放大量根据自所述光脉冲被发射以后经过的时间量而变化，以及
比较电路，配置为将放大的电信号与阈值量进行比较，以确定所述放大的电信号是否指示由所述远程目标散射的所述光脉冲。


2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，在自所述光脉冲被发射以后的阈值时间段T1内，所述增益电路在具有低于一个阈值的所述预定放大量的低增益模式下操作，并且在经过所述阈值时间段T1之后的阈值时间段T2内，所述增益电路切换到具有等于或高于所述阈值的所述预定放大量的高增益模式。


3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中：
所述光脉冲是第一光脉冲；
在经过第二阈值时间段之后，所述增益电路切换回所述低增益模式；并且
所述光源发射第二光脉冲。


4.根据权利要求2所述的激光雷达系统，还包括控制器，配置为：
初始化计时器，以基于以下其中之一来识别第一阈值时间段和第二阈值时间段：确定所述光脉冲已被发射或确定来自所述光脉冲的光已被探测到；以及
向所述增益电路提供指示所述预定放大量的控制信号。


5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，响应于所述控制器向所述光源提供控制信号以发射所述光脉冲，所述控制器确定所述光脉冲已被发射。


6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，随着所述光脉冲被发射，响应于从所述光探测器接收到来自所述光脉冲的光已被探测到的指示，所述控制器确定所述光脉冲已被发射并初始化所述计时器。


7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，基于探测到的光的一个或多个特性对所述第一阈值时间段进行动态调整。


8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述增益电路中的所述预定放大量相对于自所述光脉冲已被发射以后经过的时间量而增加，直到经过第二阈值时间段或达到最大预定增益。


9.根据权利要求1所述的激光雷达系统，还包括：
扫描器，配置为扫描所述激光雷达系统的观测场，包括将光脉冲引导向所述观测场内的不同点。


10.一种动态改变激光雷达系统中的增益的方法，所述方法包括：
由所述激光雷达系统中的光源发射光脉冲；
由所述激光雷达系统中的接收器探测来自远程目标散射的所述光脉冲的光，以识别返回的光脉冲，包括探测与所述光对应的光学信号；
由所述激光雷达系统中的光脉冲探测电路将所述光学信号转换为电信号；
由所述光脉冲探测电路将所述电信号放大预定放大量，所述预定放大量根据自所述光脉冲被发射以后经过的时间量而变化，以及
由所述光脉冲探测电路将放大的电信号与阈值量进行比较，以确定所述放大的电信号是否指示由所述远程目标散射的所述光脉冲。


11.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·K·拉塞尔，J·G·拉沙佩勒，S·R·坎贝尔，J·M·艾兴霍尔兹，S·D·伽勒玛，T·德兰，
申请(专利权)人：卢米诺技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US