用于确定到场景的距离的方法和设备技术

本公开涉及一种用于确定到场景的距离的方法和设备。该方法包括以下步骤：通过使用脉宽缩减因子N来确定小于对应于最大距离D

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定到场景的距离的方法和设备
[0001]公开领域
[0002]本公开涉及一种用于确定到场景的距离的系统。更具体而言，本专利技术涉及一种使用激光来照亮场景并检测反射激光的基于飞行时间的感测方法。本专利技术还涉及用于检测到场景中的一个或多个对象的距离的LIDAR设备。

技术介绍

[0003]基于主动照明的用于确定场景距离的设备也称为LIDAR(光检测和测距)设备。LIDAR设备通过用激光照亮场景并通过在检测器中检测反射激光来测量到场景的距离，检测器通常位于发射激光的激光源附近。因此，激光的发射和对反射激光的检测之间的时间间隔与到反射该激光的场景对象或场景部分的距离的两倍成正比。
[0004]大多数已知的LIDAR设备都使用直接TOF(DToF)检测方法。这些系统包括在纳秒脉冲范围内操作的强大脉冲激光器、扫描脉冲激光束的机械扫描系统、以及脉冲检测器。这一类型的系统目前可从包括加利福尼亚州摩根山Velodyne LIDAR在内的供应商处获得。作为现有系统的示例，Velodyne HDL
‑
64E在机械旋转结构中以每秒5到15转的速度使用64个高功率激光器和64个雪崩二极管检测器。
[0005]这些DTOF系统具有一些缺点。例如，这些系统需要具有无法用当前可用的半导体激光器获得的过高功率电平的激光器，当前可用的半导体激光器的功率电平低几个数量级。另外，用于扫描目的的机械旋转元件的使用进一步限制了此类系统的小型化、可靠性和成本降低的前景。
[0006]LIDAR设备的紧凑性是汽车行业中应用的重要因素，其中LIDAR设备例如将耦合到汽车的前挡风玻璃或耦合到汽车的保险杠上。事实上，LIDAR设备是开发自动驾驶或驾驶员辅助系统的关键因素。在这一上下文中，LIDAR设备被用于检测障碍物，诸如车辆环境中的其他车辆或对象。
[0007]在WO2017/068199中，提出了一种使用半导体激光器和基于CMOS的多阱像素检测器的LIDAR设备。这允许制造紧凑型LIDAR设备，其中照明系统和检测系统一起放置在紧凑的壳体中。WO2017/068199中公开的设备使用投影仪，该投影仪被配置成用于用由以光斑图案同时发射的多个在空间上分开的脉冲激光形成的照明图案来照亮场景。激光脉冲作为脉冲链发射，即以给定的脉冲频率发射脉冲序列。基于CMOS的多阱像素检测器检测代表场景所反射的在空间上分开的脉冲或在空间上分开的脉冲的一部分的反射激光的光斑。以此方式，可以在不使用任何旋转或机械扫描元件的情况下获得场景的深度图。
[0008]WO2017/068199中使用的照明和检测方法的原理在如图1上示出，其中所发射的激光脉冲和所反射的脉冲分别用附图标记11和12标识。该图1仅是示意图，且与所发射的脉冲11的振幅相比，所反射的脉冲12的振幅通常较小。这一方法也被称为距离选通方法。检测器被配置成用于检测代表在第一时间窗口TW1期间获得的反射激光的第一量的第一电荷量和代表在第二时间窗口TW2期间获得的反射激光的第二量的第二电荷量。第二时间窗口发生在第一时间窗口之后，并且这两个时间窗口的宽度等于激光脉冲的脉宽PW。处理装置允许
基于第一电荷量和第二电荷量来计算到场景的对象的距离。
[0009]在WO2017/068199中，场景是用脉冲序列来照亮的。以此方式，可以在第一TW1和第二TW2时间窗口中累积足够的电荷，以获得允许计算到场景的对象的距离的信噪比。用脉冲序列照亮场景、累积反射激光、读出电荷以及基于所累积的电荷来计算距离通常称为帧或帧测量。然而，当执行单个帧测量时，获得的距离的精度(也称为时间精度或时间误差)较低。事实上，当生成多个帧时，逐帧的测得距离存在很大差异(spread)。换言之，时间误差(即测量分布的sigma值σ)很大。因此，总是拍摄多个帧，并确定平均对象距离。以此方式，与单个帧测量的误差相比，平均对象距离值的误差用因子来减小，其中N
F
是帧数。对于经完美校准的LIDAR设备，从多个帧获得的所计算的平均距离等于标准偏差所确定的置信区间内的实际距离。
[0010]当与上述DToF系统相比，WO2017/068199中公开的LIDAR设备具有许多优点。事实上，此类固态LIDAR设备紧凑、稳健，并且可以以成本高效的方式生产。然而，这些类型的LIDAR设备也有缺点，即需要拍摄大量帧以获得可接受的空间准确度的事实。这大大缩短了LIDAR检测器的总体响应时间，并限制了在给定时间段内可以测量的点的数量。
[0011]因此，需要改进此类紧凑型LIDAR设备，更确切而言，需要使这些类型的LIDAR设备可在广泛的距离范围内操作，包括等于或大于100米的距离，并以高精准度进行距离测量。
[0012]概要
[0013]本专利技术的目的是提供一种用于确定到场景中的一个或多个对象的距离的方法，更具体而言，用于以高精准度确定对象距离，以使得即使使用单个帧测量，也可以在有限的帧数下获得可接受的空间准确度。换言之，目的是减小上述时间误差σ。另一目的是提供一种包括检测和处理装置的LIDAR设备，该检测和处理装置用于以高精准度确定对象距离，使得能够极大地减少要拍摄的帧数或甚至限制到单个帧测量。
[0014]本专利技术在所附独立权利要求中定义。从属权利要求定义了有利的实施例。
[0015]根据本专利技术的第一方面，一种用于通过使用脉冲激光照亮场景并检测与激光飞行时间相关的反射激光来确定到场景中的一个或多个对象的距离的方法，并且其中场景中的一个或多个对象位于最小距离和最大距离之间的距离范围内，并且其中0≤D
min
≤0.6
×
D
max
，优选地0≤D
min
≤0.4
×
D
max
，更优选地0≤D
min
≤0.2
×
D
max
，其中D
min
和D
max
分别是限定距离范围的最小距离和最大距离。
[0016]根据本专利技术的方法包括以下步骤：
[0017]A)确定脉冲激光的脉宽，该脉宽小于与最大距离相关联的最大飞行时间，以使得
[0018]PW＝(TOF
max
–
T
DL
)/N，其中TOF
max
＝2
×
D
max
/c，
[0019]其中PW是脉宽，D
max
是最大距离，c是光速，TOF
max
是最大飞行时间，T
DL
是预定延迟时间窗口，其中0≤T
DL
≤2
×
D
min
/c，且N是预定义脉宽缩减因子，
[0020]B)确定脉冲频率，使得F
P
≤1/((N+1)
×
PW+T
DL
)，其中F
P
是脉冲频率，并且其中F<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于通过使用脉冲激光照亮场景并检测与所述激光的飞行时间相关的反射激光来确定到所述场景中的一个或多个对象的距离的方法，并且其中所述一个或多个对象位于最小距离(D
min
)和最大距离(D
max
)之间的距离范围内，其中与0≤D
min
≤0.6
×
D
max
，优选地0≤D
min
≤0.4
×
D
max
，更优选地0≤D
min
≤0.2
×
D
max
，其中D
min
和D
max
分别是所述最小距离和所述最大距离，所述方法包括以下步骤：A)确定所述脉冲激光的脉宽(PW)，所述脉宽小于与所述最大距离(D
max
)相关联的最大飞行时间(TOF
max
)，以使得PW＝(TOF
max
–
T
DL
)/N，其中TOF
max
＝2
×
D
max
/c，其中PW是所述脉宽，D
max
是所述最大距离，c是光速，TOF
max
是所述最大飞行时间，T
DL
是具有0≤T
DL
≤2
×
D
min
/c的预定延迟时间窗口，且N是脉宽缩减因子，B)确定所述脉冲激光的脉冲频率(F
P
)，使得F
P
≤1/((N+1)
×
PW+T
DL
)，其中F
P
是所述脉冲频率，并且其中F
P
＝1/P
P
，其中P
P
是脉冲周期(P
P
)，C)确定用于在所述脉冲激光的脉冲周期(P
P
)内检测反射激光的检测时间段(T
D
)，并且其中T
D
＝(N+1)
×
PW，其中T
D
是所述检测时间段，以及将所述检测时间段(T
D
)拆分成多个连贯检测时间窗口TW[i]，其中i＝1到M，且M是检测时间窗口的数量，并且其中：M＝α
×
(N+1)且并且其中α是表示每脉宽的检测时间窗口的数量的整数，其中α≥1，优选地α≤10，更优选地α≤5，并且其中α和N被选择成使得α
×
N≥2，优选地α
×
N≥3，更优选地α
×
N≥4，D)用由多个空间上分开的脉冲激光束形成的光斑图案来照亮所述场景，并且其中每一脉冲激光束包括脉冲序列(50)，所述脉冲序列(50)具有在步骤A)中确定的所述脉宽(PW)和在步骤B)中确定的所述脉冲频率(F
P
)，并且其中所述多个脉冲激光束中的每一者的脉冲(12)是同时发射的，E)在如步骤D)中的所定义地照亮所述场景时，在每次同时发射脉冲之后，在步骤C)中定义的检测时间段(T
D
)的连贯检测时间窗口TW[i]期间检测反射激光的光斑，并且其中所述光斑表示被所述场景中的所述一个或多个对象反射的所述在空间上分开的脉冲激光束，以及对于诸脉冲的每一同步发射，与所述脉冲激光束的诸脉冲的发射同步地执行对反射激光的光斑的所述检测：a)如果所述延迟时间窗口(T
DL
)为零，则执行所述同步以使得第一检测时间窗口TW[1]与所述脉冲的发射时间窗口交叠或至少部分交叠，以及b)如果所述延迟时间窗口(T
DL
)不为零，则执行所述同步以使得所述第一检测时间窗TW[1]相对于所述脉冲的发射时间窗口延迟且延迟等于所述延迟时间窗口(T
DL
)，F)对于每一所检测的反射激光的光斑，通过累积在所述检测时间窗口TW[i]中检测到的反射激光的量来获得与所述检测时间窗口TW[i]相关联的曝光值(Q
i
)，并且其中对于所述脉冲序列的所有脉冲执行所述累积，G)对于每一所检测的反射激光的光斑：i)标识在所述连贯检测时间窗口TW[i]的哪些检测时间窗口中获得代表反射激光的所述曝光值(Q
i
)，
ii)基于所标识的检测时间窗口来计算对象距离(D
S
)，其中所计算得到的对象距离(D
S
)对应于检测反射激光的光斑的检测器与导致反射激光被检测到的所述场景中的对象或所述场景中的对象的一部分之间的距离。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，F
P
≤1/((N+1)
×
PW+T
DL
+(q
×
PW))，其中q≥1并且其中q
×
PW形成延迟时隙，所述延迟时隙被定义成使得减少来自所述场景中距离大于所述最大距离(D
max
)的对象的反射而产生的虚假反射的检测，和/或q
×
PW形成延迟时隙，所述延迟时隙被定义成用于为眼睛安全目的而降低激光的平均发射功率。3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤D)至G)重复多次，并且其中对于每一反射光斑，通过取在步骤G)中获得的对象距离(D
S
)的平均值来获得平均对象距离。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤G)ii)还包括：
·
如果在α+1个连贯检测时间窗口中检测到反射激光，则使用以下表达式来计算所述对象距离(D
S
)：D
S
＝T
DL
×
c/2+Z
×
(TOF
max
‑
T
DL
)
×
c/2，其中Z＝(R+z)/(α
×
N)且z＝Q
b
/(Q
a
+Q
b
)，其中D
S
是所述对象距离，Q
a
是针对所述连贯检测时间窗口中的在其中标识反射激光的最早检测时间窗口TW[a]获得的曝光值，Q
b
是针对所述连贯检测时间窗口中的在其中标识反射激光的最后检测时间窗口TW[b]获得的曝光值，且R是对所述最早检测时间窗口TW[a]之前的检测时间窗口的数量进行计数的整数，或者
·
如果在α个连贯检测时间窗口中检测到反射激光，则使用以下表达式来计算所述对象距离(D
S
)：D
S
＝T
DL
×
c/2+(R/(α
×
N)x(TOF
max
‑
T
DL
)
×
c/2，其中R是对在其中标识反射激光的最早检测时间窗口之前的检测时间窗口的数量进行计数的整数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述曝光值Q
a
和Q
b

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：齐诺马蒂赛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：