具有智能激光询问的低功率LiDAR系统技术方案

一种直接飞行时间(DTOF)LiDAR系统，包括传感器阵列、第一门控时间数字转换器(TDC)电路和第二门控TDC电路。传感器阵列包括像素，被布置为相对于从第二范围处的第二对象接收的反射信号在传感器阵列上的第二视差位置，检测从第一范围处的第一对象接收的反射信号在传感器阵列上的第一视差位置，第二范围大于第一范围。第一门控TDC电路生成与第一反射信号的检测有关的第一时间戳信息，其中第一门控TDC电路基于第一视差位置被门控。第二门控TDC电路生成与第二反射信号的检测有关的第二时间戳信息，其中第二门控TDC电路基于第二视差位置被门控。置被门控。置被门控。

【技术实现步骤摘要】
具有智能激光询问的低功率LiDAR系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年3月24日提交的美国临时申请第63/165,722号的优先权，其公开内容通过引用整体合并于此。


[0003]本文公开的主题涉及光检测和测距(Light Detection and Ranging,LiDAR)系统。更具体地，这里公开的主题涉及包括基于视差的像素分组并且使用视差门控时间数字转换(Time
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to
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Digital Conversion,TDC)电路的直接飞行时间(Direct Time
‑
of
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Flight,DTOF)LiDAR系统。

技术介绍

[0004]基于DTOF的LiDAR系统通过向对象发送多个短激光脉冲(询问)并测量返回脉冲的TOF来测量该对象的距离。DTOF传感器中的单光子雪崩二极管(SPAD)像素捕获撞击光子并生成表示光子的TOF信息的数字时间码(digital time code)。捕获的光子可能来自环境光或活动的激光照明。可以使用通过数百或数千次重复捕获的数字时间码来形成直方图。当环境光强时，对象的反照率低，和/或当对象的距离长时，可能需要许多激光循环(cycle)以形成可靠的直方图。
[0005]传统的基于DTOF的LiDAR系统中的SPAD像素生成大量数据，并且可能需要芯片上的大存储器或大计数器深度以形成传统的基于DTOF的LiDAR系统的全直方图。为了实现高准确度，传统的基于DTOF的LiDAR系统通常使用双阶段(two
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pass)解决方案。第一阶段用于形成具有粗糙直条(bin)大小并覆盖大范围的直方图，以在视场(FOV)中找到一个或多个对象的近似范围。然后使用第二阶段，以通过在粗糙测量周围形成具有窄范围的精细直方图直条来进行更高准确度的测量。用于第一阶段和第二阶段的激光脉冲的数量通常相似，这意味着可能浪费约50％的光功率。另一传统方法是使用低功率激光脉冲来扫描整个场景，并且然后增加激光功率来扫描没有返回脉冲的区域。这种方法也需要两个阶段，这也增加了光功率。

技术实现思路

[0006]示例实施例提供了一种飞行时间传感器，其可以包括传感器阵列、第一门控时间数字转换器电路和第二门控时间数字转换器电路。传感器阵列可以包括多个像素，所述多个像素被布置为相对于从第二对象接收的第二反射信号在传感器阵列上的第二视差位置，检测从第一对象接收的第一反射信号在传感器阵列上的第一视差位置，其中第一对象可以在距离传感器阵列的第一范围(range)处，第二对象可以在距离传感器阵列的第二范围处，并且第二范围可以大于第一范围。第一门控时间数字转换器电路可以被配置为生成与第一反射信号的检测有关的第一时间戳信息，其中基于第一视差位置第一门控时间数字转换器电路可以被门控以生成第一时间戳信息。第二门控时间数字转换器电路可以被配置为生成
与第二反射信号的检测有关的第二时间戳信息，其中基于第二视差位置第二门控时间数字转换器电路可以被门控以生成第二时间戳信息。在一个实施例中，第一门控时间数字转换器电路可以以可以包括第一周期(period)的第一时钟率(clock rate)进行时钟控制(clocked)，并且第二门控时间数字转换器电路可以以可以包括第二周期的第二时钟率进行时钟控制，其中第一周期可以短于所述第二周期。在另一实施例中，传感器阵列的多个像素还可以被布置为相对于第二反射信号在传感器阵列上的第二视差位置，检测从第三对象接收的第三反射信号在传感器阵列上的第三视差位置，其中第三对象可以在距离传感器阵列的第三范围处，该第三范围大于第一范围且小于第二范围。该飞行时间传感器还可以包括第三门控时间数字转换器电路，其可以被配置为生成与第三反射信号的检测有关的第三时间戳信息，其中基于第三视差位置第三门控时间数字转换器电路可以被门控以生成第三时间戳信息。在又一实施例中，第三门控时间数字转换器电路可以以可以包括第三周期的第三时钟率进行时钟控制，该第三周期长于第一周期且短于第二周期。又一实施例可以包括直方图电路，其生成可以包括与第一视差位置和第二视差位置对应的直条的直方图。一个实施例可以包括直方图电路，其中平均环境光水平被从由直方图电路生成的直方图的每个直条中减去。另一实施例可以包括直方图电路，该直方图电路可以被耦合到第一门控时间数字转换器电路和第二门控时间数字转换器电路，并且直方图电路可以基于第一时间戳信息和第二时间戳信息生成直方图，其中检测事件可以被添加到与可以由传感器阵列检测为反射信号的发射脉冲的脉冲宽度对应的数个直条。
[0007]示例实施例提供了一种飞行时间传感器，该飞行时间传感器可以包括传感器阵列、选择器电路和门控时间数字转换器电路。传感器阵列可以包括第一组像素和第二组像素，所述第一组像素检测从第一对象接收的第一反射信号在传感器阵列上的第一视差位置，所述第二组像素检测从第二对象接收的第二反射信号在传感器阵列上的第二视差位置，其中第一对象可以在距离传感器阵列的第一范围处，并且第二对象可以在距离传感器阵列的大于第一范围的第二范围处。选择器电路可以被耦合到传感器阵列，并且可以基于第一组像素的强度可以大于第二组像素的强度而输出第一组像素的第一输出和对应于第一视差位置的第一时钟信号，并且可以基于第二组像素的强度大于第一组像素的强度而输出第二组像素的第二输出和对应于第二视差位置的第二时钟信号。门控时间数字转换器电路可以被耦合到选择器电路的输出，并且可以被配置为基于选择器电路输出第一组像素的第一输出和第一时钟信号使用第一时钟信号生成第一组像素的第一输出的第一时间戳信息，并且可以被配置为基于选择器电路输出第二组像素的第二输出和第二时钟信号使用第二时钟信号生成第二组像素的第二输出的第二时间戳信息。在一个实施例中，第一时钟信号可以具有第一时钟周期，并且第二时钟信号可以具有长于第一时钟周期的第二时钟周期。在另一实施例中，传感器阵列还可以包括检测从第三对象接收的第三反射信号在传感器阵列上的第三视差位置的第三组像素，其中第三对象可以在距离传感器阵列的第三范围处，该第三范围大于第一范围且小于第二范围，其中，选择器电路还可以基于第三组像素的强度大于第一组像素的强度和第二组像素的强度而输出第三组像素的第三输出和对应于第三视差位置的第三时钟信号，并且其中，门控时间数字转换器电路还可以被配置为基于选择器电路输出第三组像素的第三输出和第三时钟信号使用第三时钟信号生成第三组像素的第三输出的时间戳信息。在又一实施例中，第三时钟信号可以包括第三时钟周期，该第
三时钟周期长于第一时钟周期且短于第二时钟周期。在又一实施例中，飞行时间传感器还可以包括生成包括与第一视差位置和第二视差位置对应的直条的直方图的直方图电路。在一个实施例中，飞行时间传感器还可以包括其中平均环境光水平被从由直方图电路生成的直方图的每个直条中减去的直方图电路。在另一实施例中，飞行时间传感器还可以包括可以被耦合到门控时间数字转换器电路的直方图电路，其中直方图电路可以基于第一时间戳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行时间传感器，包括：传感器阵列，包括多个像素，所述多个像素被布置为相对于从第二对象接收的第二反射信号在所述传感器阵列上的第二视差位置，检测从第一对象接收的第一反射信号在所述传感器阵列上的第一视差位置，所述第一对象在距离所述传感器阵列的第一范围处，所述第二对象在距离所述传感器阵列的第二范围处，并且所述第二范围大于所述第一范围；第一门控时间数字转换器TDC电路，被配置为生成与所述第一反射信号的检测有关的第一时间戳信息，基于所述第一视差位置所述第一门控TDC电路被门控以生成所述第一时间戳信息；以及第二门控TDC电路，被配置为生成与所述第二反射信号的检测有关的第二时间戳信息，基于所述第二视差位置所述第二门控TDC电路被门控以生成所述第二时间戳信息。2.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，其中，所述第一门控TDC电路以包括第一周期的第一时钟率进行时钟控制，并且所述第二门控TDC电路以包括第二周期的第二时钟率进行时钟控制，所述第一周期短于所述第二周期。3.根据权利要求2所述的飞行时间传感器，其中，所述传感器阵列的所述多个像素还被布置为相对于所述第二反射信号在所述传感器阵列上的所述第二视差位置，检测从第三对象接收的第三反射信号在所述传感器阵列上的第三视差位置，所述第三对象在距离所述传感器阵列的第三范围处，所述第三范围大于所述第一范围且小于所述第二范围，所述飞行时间传感器还包括：第三门控TDC电路，被配置为生成与所述第三反射信号的检测有关的第三时间戳信息，基于所述第三视差位置所述第三门控TDC电路被门控以生成所述第三时间戳信息。4.根据权利要求3所述的飞行时间传感器，其中，所述第三门控TDC电路以包括第三周期的第三时钟率进行时钟控制，所述第三周期长于所述第一周期且短于所述第二周期。5.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，还包括：直方图电路，所述直方图电路生成包括与所述第一视差位置和第二视差位置对应的直条的直方图。6.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，还包括：直方图电路，其中平均环境光水平被从由所述直方图电路生成的直方图的每个直条中减去。7.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，还包括：直方图电路，所述直方图电路被耦合到所述第一门控TDC电路和所述第二门控TDC电路，其中，所述直方图电路基于第一时间戳信息和第二时间戳信息生成直方图，其中检测事件被添加到与由所述传感器阵列检测为反射信号的发射脉冲的脉冲宽度对应的数个直条。8.一种飞行时间传感器，包括：传感器阵列，包括第一组像素和第二组像素，所述第一组像素检测从第一对象接收的第一反射信号在所述传感器阵列上的第一视差位置，所述第二组像素检测从第二对象接收的第二反射信号在所述传感器阵列上的第二视差位置，所述第一对象在距离所述传感器阵列的第一范围处，并且所述第二对象在距离所述传感器阵列的第二范围处，所述第二范围大于所述第一范围；选择器电路，被耦合到所述传感器阵列，所述选择器电路基于所述第一组像素的强度大于所述第二组像素的强度来输出所述第一组像素的第一输出和对应于所述第一视差位
置的第一时钟信号，并且基于所述第二组像素的强度大于所述第一组像素的强度来输出所述第二组像素的第二输出和对应于所述第二视差位置的第二时钟信号；以及门控时间数字转换器TDC电路，被耦合到所述选择器电路的所述输出，所述门控TDC电路被配置为基于所述选择器电路输出所述第一组像素的所述第一输出和所述第一时钟信号来使用所述第一时钟信号生成所述第一组像素的所述第一输出的第一时间戳信息，以及被配置为基于所述选择器电路输出所述第二组像素的所述第二输出和所述第二时钟信号来使用所述第二时钟信号生成所述第二组像素的所述第二输出的第二时间戳信息。9.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其中，所述第一时钟信号包括第一时钟周期，并且所述第二时钟信号包括比所述第一时钟周期长的第二时钟周期。10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：YM王，王春吉，金矿旿，王红宇，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：