用于LIDAR的准确光检测器测量制造技术

本公开涉及用于LIDAR的准确光检测器测量。一种光测距系统可包含激光装置和具有光传感器的成像装置。激光装置以激光脉冲辐射照射场景，所述激光脉冲辐射从所述场景中的对象反射。所述反射可以取决于反射表面形状和反射率而极大地变化。由光传感器测得的信号可以用根据不同反射信号的曲线设计的若干匹配滤波器进行滤波。可以识别最佳匹配滤波器，且因此可以获得关于所述反射表面的信息和准确测距信息。可以通过允许不同检测间隔的权重而以经译码脉冲发出所述激光脉冲辐射。其它增强包含使激光脉冲交错且改变像素传感器的光检测器的操作状态，以及使用包含处理电路和光传感器的传感器芯片的高效信号处理。传感器芯片的高效信号处理。传感器芯片的高效信号处理。

【技术实现步骤摘要】
用于LIDAR的准确光检测器测量
[0001]本申请是申请日为2018年3月1日、申请号为201880026495.1、专利技术名称 为“用于LIDAR的准确光检测器测量”的中国专利申请的分案申请。

技术介绍

[0002]光检测和测距(Light Detection And Ranging，LIDAR)系统用于对象检测 和测距，例如，用于例如汽车、卡车、船等交通工具。LIDAR系统还用于移动 应用(例如，用于面部辨识)、家庭娱乐(例如，捕获用于视频游戏输入的手势 捕获)和增强现实。LIDAR系统通过用来自激光的脉冲照射一个地景，并且接 着测量光子行进到对象且在反射之后返回的时间来测量到对象的距离，所述时 间如LIDAR系统的接收器所测量。分析检测到的信号以检测背景光当中的反 射信号脉冲的存在。可以基于从脉冲的发射到对应反射脉冲的接收的飞行时间 来确定到对象的距离。
[0003]可能难以在所有条件下提供达到几厘米的稳健距离准确性，特别是在 LIDAR系统的经济成本下。例如单光子雪崩二极管(single photon avalanchediode，SPAD)等有前景的新型检测器技术是有吸引力的，但当用以测量飞行时 间和其它信号特性时具有显著缺陷，特别是在广泛的环境条件和目标距离方面 由于其有限的动态范围而具有显著缺陷。
[0004]LIDAR系统将得益于在变化的现实世界条件下检测反射激光脉冲且测量 其飞行时间的较准确方法。基于SPAD的LIDAR系统需要新型方法来克服其固 有缺陷，然后才能成为用于经济的长程准确3D成像的可行选项。还希望两个 或更多个LIDAR装置极为接近地工作而不彼此干扰。还希望LIDAR系统以高 效节能方式操作而不会牺牲准确性。

技术实现思路

[0005]各种实施例可以解决LIDAR系统的上述问题。举例来说，光检测和测距接 收器中的一组匹配滤波器可以被调谐以使得每一滤波器匹配于一组预期信号曲 线(脉冲形状)中的一个，使得对于分析的每一信号曲线，可以识别最佳拟合 滤波器。预期信号曲线中的每一个可以标称地来自同一模板信号曲线，但由于 由数字化过程施加的失真、外部环境因素或这两者而不同。在例如光检测和测 距的主动照明传感器中，模板信号可以对应于来自传感器的传出照明(大体上 是脉冲或脉冲序列)的时间形状。将恰当匹配滤波器应用于返回信号可以改进 正确地检测反射信号的概率、在时间上定位反射信号的准确性，或确定反射信 号的其它性质，这又可以产生关于信号从其反射的目标的信息。
[0006]因此，一些实施例可以校正SPAD引起的失真，且同时提供对信号和目标 性质的较好理解。单光子雪崩二极管(SPAD)可以取决于信号功率和时间分布 对光学信号施加不同水平的失真，其效果称为“堆积”。在堆积情形中，全部充 当单个像素的许多SPAD可以在有力的反射信号脉冲的前沿被触发，进而减小 可用于在反射信号的后沿上触发的SPAD的数目，因为在像素内的增加百分比 的SPAD在其初始触发之后停留在停滞时间状态中。在较弱信号情形中，更均 匀数目的SPAD在反射信号脉冲的持续时间中触发，且反射脉冲形状更准确地 数字化。通过运行多个匹配滤波器曲线，每一个被调谐到不同程度的信号堆积， 最佳
匹配于所接收信号的滤波器曲线可以实现更一致的信号检测且估计反射脉 冲的更准确接收时间。较准确时间估计可以直接改进距离(测距)测量的准确 性。通过使用具有最佳匹配所接收信号的曲线的第二组内插滤波器可以获得进 一步准确性。
[0007]作为另一实例，发射脉冲可以经译码以使得累积信号(例如，触发的光检 测器的直方图)具有带有期望性质(例如，自相关性质)的模式。累积信号可 以对应于多个脉冲串，每一脉冲串有一个或多个脉冲，其中每一脉冲串可以对 应于不同时间间隔(例如，脉冲串被发射且在下一脉冲串发射之前被检测)。译 码可以通过对在不同时间间隔期间发送的脉冲串指派不同权重(例如，正和负) 而实现。此类加权可以导致累积信号是巴克码或更复杂的正交代码。此类经译 码脉冲可以减少来自相邻光测距系统的干扰，因为每一个脉冲可以使用不同代 码。并且，某些代码可以提供检测所接收脉冲的时间位置的高准确性，例如使 用提供具有负旁瓣的正峰的匹配滤波器。
[0008]作为另一实例，不同脉冲串可以彼此偏移。举例来说，脉冲串可以相对于 先前脉冲串偏移(例如，小于累积信号的时间分辨率)(例如，用于交错)，进 而提供增加的时间分辨率。当累积信号是跨越不同脉冲串的直方图构成的数字 化信号时，偏移可以交错脉冲使得它们被记录到直方图的不同时间区间中。此 交错允许区分在时间区间的开始检测到的脉冲和在时间区间的结束检测到的脉 冲，从而得到增加的时间分辨率。
[0009]作为另一实例，可以响应于先前检测到的光子的确定强度级而改变光传感 器的一组光检测器(例如，SPAD)的操作。确定强度级可用作用于某些未来测 量值的估计(例如，在时间上接近或旋转LIDAR系统的相似角位置)。在各种 实施方案中，操作状态的改变可以改进功率使用(例如，通过断开或减少预期 不会提供有用信号的光检测器的功率)或改进光检测器的动态范围(例如，通 过改变衰减水平以使得光检测器提供有用信号)。举例来说，不同光检测器可具 有检测光子的不同灵敏度水平，例如，一些光检测器可能比其它光检测器以更 高频率检测光子。如果(例如，从背景光源)接收到强信号，那么可以断开高 度灵敏的光检测器(例如，提供强信号电平的那些，例如绝对响应度或相对于 其它附近光检测器的更高响应度)；此类光检测器将始终触发，且因此其信号将 不对应于从对象反射的任何检测到的脉冲。类似地，当信号弱时可以断开具有 弱灵敏度的光检测器，例如因为这些光检测器将对于弱信号不触发。以此方式， 通过减少将不提供对特定时间和/或位置有意义的信号的光检测器的操作可以 节省能量，且检测器可以扩展其无失真动态范围。
[0010]作为另一实例，单个集成电路可包含光传感器以及信号处理组件。举例来 说，集成电路的定时电路可以确定检测到光子的时间，且直方图电路可以在测 量的多个检测时间间隔上累积检测到的光子的数目
[0011]这些和其它本专利技术的实施例在下文详细描述。举例来说，其它实施例是针 对与本文所描述的方法相关联的系统、装置和计算机可读介质。
[0012]参考以下详细描述和附图可以获得对本专利技术的实施例的性质和优点的较好 理解。
附图说明
[0013]图1A和1B示出根据一些实施例的汽车光测距装置，在本文中也被称为 LIDAR系统。
[0014]图2示出用于实施各种实施例的示例性LIDAR装置的框图。
[0015]图3说明可以通过实施例改进的典型LIDAR系统的操作。
[0016]图4示出根据一些实施例的用于光测距系统的光传输和检测过程的说明性 实例。
[0017]图5示出根据本专利技术的实施例的传感器阵列和相关联电子器件的各个级。
[0018]图6示出根据本专利技术的实施例的直方图。
[0019]图7示出根据本专利技术的实施例的用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用光测距系统执行测距的方法，所述方法包括：由所述光测距系统的像素的光传感器检测光子，进而在多个时间区间产生初始数据值，其中所述光传感器包括多个光检测器；基于所述初始数据值确定检测到的光子的强度级；从所述光测距系统的光源传输第一脉冲，所述第一脉冲从对象反射；在检测所述第一脉冲的光子之前，基于所确定的强度级改变所述光检测器中的一组光检测器的操作状态；由处于有效操作的光检测器根据所改变的操作状态检测所述第一脉冲的光子，进而在所述多个时间区间产生第一数据值；使用在所述多个时间区间的所述第一数据值确定对应于所述第一脉冲的接收时间；以及使用所述接收时间确定到所述对象的距离。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一组光检测器是所述多个光检测器的全部。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作状态是所述一组光检测器的功率电平或衰减水平。4.根据权利要求1所述的方法，其中通过指定哪些光检测器的哪些信号用以在所述多个时间区间产生所述第一数据值，进而指定哪些光检测器处于有效操作，来改变所述一组光检测器的所述操作状态。5.根据权利要求1所述的方法，其中所确定的强度级高于高阈值，且其中基于所确定的强度级改变所述光检测器中的所述一组光检测器的所述操作状态包含：增加所述一组光检测器的衰减水平。6.根据权利要求1所述的方法，其中所确定的强度级低于低阈值，且其中基于所确定的强度级改变所述光检测器中的所述一组光检测器的所述操作状态包含：减小所述一组光检测器的衰减水平。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光传感器包括：被分类为具有低灵敏度的第一组光检测器，以及被分类为具有高灵敏度的第二组光检测器，其中基于所确定的强度级而不是其它来改变所述第一组光检测器或所述第二组光检测器的所述操作状态。8.根据权利要求7所述的方法，其中基于所确定的强度级改变所述第一组光检测器的所述操作状态包含：当所确定的强度级高于高阈值时减少所述第二组光检测器中的一个或多个光检测器的功率电平。9.根据权利要求8所述的方法，其中所确定的强度级是明亮的背景光源的结果。10.根据权利要求8所述的方法，其中减少所述第二组光检测器中的所述一个或多个光检测器的所述功率电平包含断开所述第二组光检测器中的所述一个或多个光检测器。11.根据权利要求7所述的方法，其中基于所确定的强度级改变所述第一组光检测器的所述操作状态包含：当所确定的强度级低于低阈值时减少所述第一组光检测器中的一个或多个光检测器的功率电平。
12.根据权利要求11所述的方法，其中减少所述第一组光检测器中的所述一个或多个光检测器的所述功率电平包含断开所述第一组光检测器中的所述一个或多个光检测器。13.根据权利要求7所述的方法，其中所述光传感器包括被分类为具有中间灵敏度的第三组光检测器，所述方法还包括：在检测所述第一脉冲的光子之前，除了改变所述第一组光检测器或所述第二组光检测器中的一组的操作状态之外，还基于所确定的强度级改变所述第三组光检测器的操作状态。14.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述初始数据值的所检测到的光子对应于背景光。15.根据权利要求1所述的方法，还包括：从所述光测距系统的所述光源传输初始脉冲，所述初始脉冲从所述对象反射，其中提供初始数据值的所检测到的光子对应于所述初始脉冲，其中使用在所述多个时间区间的所述第一数据值和所述初始数据值针对所述第一脉冲和所述初始脉冲确定所述接收时间。16.根据权利要求15所述的方法，其中所确定的强度级由于所述对象是反射性的而高于高阈值，所述方法还包括：响应于所确定的强度级高于高阈值而减少所述一组光检测器的操作状态。17.根据权利要求1所述的方法，其中所改变的操作状态维持达指定时间量。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述指定时间量是相对于脉冲串的数目而定义的。19.根据权利要求1所述的方法，其中所述光测距系统旋转且包含编码器以识别所述光测距系统的角位置，所述方法还包括：识别当所述光测距系统处于初始角位置时确定所述强度级，其中当所述光测距系统在一次或多次旋转之后返回到所述初始角位置时传输所述第一脉冲。20.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所确定的强度级改变来自所述光源的一个或多个发出脉冲的强度。21.一种使用光测距系统执行测距的方法，所述方法包括：从作为测距测量的部分的光源传输N个脉冲串，所述N个脉冲串中的每一个包含来自所述光源的一个或多个脉冲且对应于由开始信号触发的不同时间间隔，其中所述N个脉冲串从对象反射，且其中N是大于一的整数；由所述光测距系统的像素的光传感器检测所述N个脉冲串的光子，进而在多个时间点产生数据值；确定对应于多个时间区间中的所述数据值的直方图，其中在特定时间区间的所述直方图的计数器对应于在所述特定时间区间内的一个或多个时间点的一个或多个数据值，其中所述N个脉冲串具有相对于彼此的不同偏移，且其中所述N个脉冲串中的至少两个偏移小于时间区间的宽度；相对于所述开始信号确定对应于所述N个脉冲串的接收时间；以及使用所述接收时间确定到所述对象的距离。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述N个脉冲串中的每一个具有一个或多个脉冲
的相同模式。23.根据权利要求21所述的方法，其中所述N个脉冲串是所述测距测量的所述脉冲串的全部。24.根据权利要求21所述的方法，其中所述N个脉冲串的连续脉冲串偏移时间偏移T。25.根据权利要求24所述的方法，其中N乘以所述时间偏移T等于时间区间的所述宽度。26.根据权利要求24所述的方法，其中确定所述接收时间包含：将匹配滤波器应用于所述直方图以获得经滤波的直方图；以及使用所述经滤波的直方图的最大值和所述时间偏移T确定所述接收时间。27.根据权利要求26所述的方法，其中所述时间偏移T在所述时间区间的所述宽度的0.5与0.01之间。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述时间偏移T是所述时间区间的所述宽度的0.1。29.一种光测距系统，包括：照明模块，包括光源，所述光源被配置成向所述光测距系统前方的场输出电磁辐射的脉冲；感测模块，包含：对应于不同视场的多个光传感器，所述多个光传感器中的每个光传感器包括多个光检测器，所述多个光检测器当由光子触发时被配置成输出指示已经检测到所述光子的二进制信号；定时电路，所述定时电路被配置成基于所述二进制信号确定检测到光子的时间；以及直方图电路，所述直方图电路被配置成确定且存储针对所述多个光传感器中的每个传感器的计数器，所述计数器中的每一个对应于光传感器的在时间区间期间触发的光检测器的数目，进而产生直方图，所述直方图能够用于确定来自所述光源的一个或多个脉冲从对象反射到所述多个光传感器中的每个光传感器的接收时间。30.根据权利要求29所述的光测距系统，其中所述多个光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)。31.根据权利要求29所述的光测距系统，其中所述定时电路和所述直方图电路是在所述光测距系统的操作期间的专用电路。32.根据权利要求29所述的光测距系统，其中所述多个光传感器、所述定时电路和所述直方图电路全部被实现在单个专用集成电路(ASIC)内。33.根据权利要求29所述的光测距系统，还包括马达，所述马达被操作地耦接以使所述照明模块和所述感测模块绕轴旋转。34.根据权利要求29所述的光测距系统，其中所述光源包括多个竖直空腔表面发射激光器(VCSEL)。35.根据权利要求29所述的光测距系统，其中所述光源包括多个发射器，并且其中所述多个发射器和所述多个光传感器被布置以形成多个发射器
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光传感器通道对，其中每个通道对中的发射器和光传感器具有共享的视场，该视场与所述多个发射器
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光传感器通道对中的其它发射器
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光传感器通道对的共享的视场不重叠。36.一种光测距系统，包括：
光传输模块，包括多个发射器，所述多个发射器被配置为将具有操作波长的一个或多个照明光束输出到所述光测距系统前方的场中；光感测模块，包括多个光传感器，所述多个光传感器可操作以检测从所述多个发射器发射的在从所述场内的表面被反射后的光子，所述多个光传感器中的每个光传感器包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)，所述单光子雪崩二极管当由光子触发时输出指示已经检测到所述光子的信号；定时电路，所述定时电路被配置成基于从所述多个光传感器输出的所述信号确定检测到光子的时间；以及直方图电路，所述直方图电路被配置成确定且存储针对所述多个光传感器中的每个光传感器的计数器，所述计数器中的每一个对应于光传感器的在时间区间期间触发的SPAD的数目，进而产生直方图，所述直方图能够用于确定来自所述多个发射器的一个或多个脉冲从对象反射到所述多个光传感器中的每个光传感器的接收时间；以及马达，所述马达被操作地耦接以使所述光传输模块和所述光感测模块绕轴旋转，其中所述多个发射器和所述多个光传感器被布置成形成多个发射器通道和多个光传感器通道，以及其中所述光测距系统基于从通道对的发射器传输脉冲与由通道对的光传感器检测到来自所述脉冲的光子之间的时间来从每个通道对收集距离数据。37.根据权利要求36所述的光测距系统，其中所述多个光传感器、所述定时电路以及所述直方图电路全部被实现在单个专用集成电路(ASIC)内。38.根据权利要求36所述的光测距系统，其中所述多个发射器包括多个竖直空腔表面发射激光器(VCSEL)。39.根据权利要求36所述的光测距系统，还包括光滤波器，所述光滤波器被设置在所述多个光传感器的每个光传感器的光路径中并且被配置为允许一组波长的光通过所述光滤波器，而阻止所述一组波长之外的光，所述一组波长的光包括所述多个发射器的操作波长。40.根据权利要求36所述的光测距系统，其中所述多个发射器和所述多个光传感器被布置成形成多个发射器
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光传感器通道对，其中每个通道对的发射器和光传感器具有共享的视场，该视场与所述多个发射器
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光传感器通道对中的其它发射器
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光传感器通道对的共享的视场不重叠。41.一种光测距系统，包括：光传输模块，包括多个发射器，所述多个发射器被配置为将电磁辐射的脉冲输出到所述光测距系统外部前方的场中；光感测模块，包括对应于不同视场的多个光传感器，其中所述多个光传感器中的每个光传感器包括多个光检测器，所述多个光检测器当由光子触发时输出指示已经检测到所述光子的信号；定时电路，所述定时电路被配置成基于所述信号确定检测到光子的时间；以及直方图电路，所述直方图电路被配置成确定且存储针对所述多个光传感器中的每个光传感器的计数器，所述计数器中的每一个对应于光传感器的在时间区间期间触发的光检测器的数目，进而产生直方图，所述直方图能够用于确定来自所述多个发射器的一个或多个脉冲从对象反射到所述多个光传感器中的每个光传感器的接收时间；以及
马达，所述马达被操作地耦接以使所述光传输模块和所述光感测模块绕轴旋转，其中所述光测距系统基于从所述多个发射器传输所述电磁辐射的脉冲与由所述多个光传感器检测到来自所述电磁辐射的脉冲的光子之间的时间来收集距离数据。42.根据权利要求41所述的光测距系统，其中所述多个光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)。43.根据权利要求42所述的光测距系统，其中所述多个发射器包括多个竖直空腔表面发射激光器(VCSEL)。44.根据权利要求42所述的光测距系统，其中：所述多个发射器中的每个发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：奥斯特公司，
类型：发明
国别省市：