带有六边形激光器阵列的激光雷达的制作方法

本申请是2015年5月7日提交的美国临时申请号62/158,293的正式申请，其公开的全部内容通过引用被并入本文中。

技术领域

本主题发明涉及带有六边形激光器阵列的激光雷达。

背景技术：

激光雷达，其可以被称为光雷达或激光器阵列光探测和测距，一般是指向物体发射光并接收和处理所得到的反射。照明器（例如，激光器、发光二极管（LED））的阵列可以在阵列激光雷达系统中使用，以获得来自比利用单个照明器可能获得的视野更宽的视野的反射。通常，矩形单元构造被用来确定阵列中的照明器的布置。然而，对于给定视野所需的照明器的数量在矩形单元构造的情况下不是最少的。因此，所期望的是提供用于阵列中的照明器的布置的不同构造。

技术实现要素：

根据示例性实施例，组装包括多个照明器和多个探测器的阵列激光雷达系统的方法包括：将具有相同大小的多个六边形设计成使得在所述多个六边形中的相邻的六边形之间没有间隙；根据六边形构造设计所述多个照明器或所述多个探测器的布置，所述设计包括将所述多个照明器中的一个或多个照明器或者所述多个探测器中的一个或多个探测器布置在所述多个六边形中的相应六边形内，其中，所述一个或多个照明器或者所述一个或多个探测器在所述多个六边形中的每个所述相应六边形内处于相同位置；以及通过根据所述布置安置所述多个照明器或所述多个探测器来实施所述设计。

根据另一个示例性实施例，阵列激光雷达系统包括：根据六边形构造布置的多个照明器或探测器，所述六边形构造由相同大小的多个六边形形状构成，所述多个六边形形状被布置成在所述多个六边形形状中的相邻的六边形之间没有间隙，其中，所述多个照明器或探测器中的一个或多个被布置在所述多个六边形中的相应一个内，且所述一个或多个照明器或探测器在所述多个六边形中的每个所述相应的六边形内处于相同位置；沿着第一轴线的第一组导线；以及沿着第二轴线的第二组导线。本发明还包括下述方案：

方案1. 一种组装包括多个照明器和多个探测器的阵列激光雷达系统的方法，所述方法包括：

将相同大小的多个六边形设计成使得在所述多个六边形中的相邻的六边形之间没有间隙；

根据六边形构造设计所述多个照明器或所述多个探测器的布置，所述设计包括将所述多个照明器中的一个或多个照明器或者所述多个探测器中的一个或多个探测器布置在所述多个六边形中的相应六边形内，其中，所述一个或多个照明器或者所述一个或多个探测器在所述多个六边形中的每个所述相应六边形内处于相同位置；以及

通过根据所述布置安置所述多个照明器或所述多个探测器实施所述设计。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述设计所述多个六边形包括将所述多个六边形的数量确定为等于在所述阵列激光雷达系统中的所述多个照明器或所述多个探测器的数量。

方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述设计所述多个六边形包括基于指定的视野确定所述多个六边形的大小。

方案4. 根据方案1所述的方法，其进一步包括沿着第一轴线布置第一组导线并且沿着第二轴线布置第二组导线，所述多个照明器或所述多个探测器中的每一个均与所述第一组导线中的一个和所述第二组导线中的一个相关。

方案5. 根据方案4所述的方法，其中，所述布置所述第一组导线和所述第二组导线包括将所述第一轴线布置成与所述第二轴线的夹角小于90度。

方案6. 根据方案4所述的方法，其中，所述布置所述第一组导线包括将在所述第一组导线中的相邻的导线之间的第一距离设定成小于在所述多个照明器或所述多个探测器中的相邻的照明器或探测器之间的距离。

方案7. 根据方案6所述的方法，其中，所述布置所述第二组导线包括将在所述第二组导线中的相邻的导线之间的第二距离设定成小于在所述多个照明器或所述多个探测器中的相邻的照明器或探测器之间的所述距离。

方案8. 根据方案7所述的方法，其中，所述第一距离和所述第二距离是相同的值。

方案9. 根据方案4所述的方法，其中，所述布置所述第一组导线和所述布置所述第二组导线包括布置用于所述多个照明器的地线和载流导线。

方案10. 根据方案4所述的方法，其中，所述布置所述第一组导线和所述布置所述第二组导线包括布置用于所述多个探测器的地线和数据读取导线。

方案11. 一种阵列激光雷达系统，所述系统包括：

根据六边形构造布置的多个照明器或探测器，所述六边形构造由相同大小的多个六边形形状构成，所述六边形形状被布置成在所述多个六边形形状中的相邻的六边形形状之间没有间隙，其中，所述多个照明器或探测器中的一个或多个被布置在所述多个六边形中的相应六边形内，并且所述一个或多个照明器或者探测器在所述多个六边形中的每个所述相应六边形内处于相同位置；

沿着第一轴线的第一组导线；以及

沿着第二轴线的第二组导线。

方案12. 根据方案11所述的系统，其中，所述六边形构造中的所述多个六边形形状的数量等于所述多个照明器或探测器的数量。

方案13. 根据方案11所述的系统，其中，多个六边形形状的大小基于所述阵列激光雷达系统的指定视野。

方案14. 根据方案11所述的系统，其中，所述多个照明器或探测器中的每一个均与所述第一组导线中的一个和所述第二组导线中的一个相关。

方案15. 根据方案14所述的系统，其中，所述第一组导线是地线并且所述第二组导线是与所述多个照明器相关的载流导线。

方案16. 根据方案14所述的系统，其中，所述第一组导线是地线并且所述第二组导线是与所述多个探测器相关的数据读取导线。

方案17. 根据方案11所述的系统，其中，所述第一轴线与所述第二轴线的夹角小于90度。

方案18. 根据方案11所述的系统，其中，在所述第一组导线中的相邻的导线之间的第一距离小于在所述多个照明器或探测器中的相邻的照明器或探测器之间的距离。

方案19. 根据方案11所述的系统，其中，在所述第二组导线中的相邻的导线之间的第二距离小于在所述多个照明器或探测器中的相邻的照明器或探测器之间的所述距离。

本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点在结合附图时从本发明的下述具体实施方式中容易地显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节出现在仅以举例方式的实施例的下述具体实施方式中，具体实施方式参考附图，在附图中：

图1示出常规阵列激光雷达构造；

图2是根据实施例的示例性阵列激光雷达系统的框图；

图3示出根据实施例的阵列激光雷达的六边形构造；

图4示出对于矩形构造和根据实施例的六边形构造的被照明的面积与未被照明面积的比较；

图5指示对于矩形构造和根据实施例的六边形构造的照明失效距离（miss-illumination distance, MID）；

图6示出根据矩形构造和根据按照实施例的六边形构造，为了获得相同的最大照明失效距离（MID）的布置；

图7示出用于根据实施例的六边形构造的接线；

图8示出根据按照实施例的六边形构造布置的光学探测器阵列；以及

图9示出根据实施例的阵列激光雷达（或光学探测器阵列）的物理实现。

具体实施方式

如上所述，常规阵列激光雷达设计使用矩形单元构造来确定阵列激光雷达系统中的照明器的布置。图1示出常规阵列激光雷达110，常规阵列激光雷达110带有用于置放激光器111的矩形构造101。在相邻的矩形114之间没有间隙的情况下绘出了具有相同大小的矩形114的行和列。激光器111在每个矩形114的中心处被绘出，且该设计通过根据该设计的布置置放阵列中的激光器111来实施。矩形构造101与如在图1中所示的垂直接线布置相关。每个激光器111均具有地线112和与其相关的载流导线113。根据现有接线设计，地线112和载流导线113被布置在垂直网格中，其中，用于所有激光器111的地线112沿着第一轴线（例如，水平地）被安置，并且用于所有激光器111的载流导线113沿着垂直于第一轴线的另一条轴线（例如，垂直地）被安置。如下面实施例的讨论所指示的，在图1中示出的构造代表效率低的布置，因为为了获得给定的视野，需要更大面积以用于阵列激光雷达110的激光器111。

在本文中详述的系统和方法的实施例涉及使用六边形单元构造确定阵列激光雷达系统中的照明器的布置。对角线接线方案与六边形单元构造相关。根据六边形构造，六边形被绘出为使得在邻接的六边形之间没有间隙。照明器在每个六边形的中心处或者在六边形内的不同的点处（在所有的六边形中均使用相同的相应点）被绘出。根据一些实施例，每个六边形均可以未被照明器占据。使用该六边形构造的设计然后通过根据该设计的布置置放阵列中的照明器来实施，如下文中详述的。完整的激光雷达系统的额外部件（例如，处理器、电压源）是公知的并且因此未被示出或未在此讨论。贯穿说明书，激光器作为用于解释性目的的照明器的特定实施例被参考。然而，该参考不意欲将照明器限制为任何特定类型，并且在激光雷达阵列中使用的任何已知照明器均可以考虑根据在本文中详述的实施例被布置。

图2是根据实施例的示例性阵列激光雷达系统200的框图。阵列激光雷达210指的是在阵列中两个或更多激光器211的布置，使得其发射组成视野235。在图2中示出的示例性阵列激光雷达系统200包括带有布置在六边形构造201内的激光器211的阵列激光雷达210。如示例性阵列激光雷达系统200所指示的，每个激光器211不需要在每个六边形构造201的中心处，只要每个激光器211均在其相应的六边形构造201内处于相同位置。额外地，在生成六边形构造201时，在每个六边形内可以布置多于一个的激光器211。例如，在图2中示出的六边形构造201中的每一个均可以被用来将一个激光器211布置为如图所示并且将另一个激光器211布置在中心处或靠近不同的角落处。进一步，六边形构造201中的六边形中的一个或多个可以根本不填充有激光器211。

在图2中示出的示例性阵列激光雷达系统200包括半透镜215，半透镜215将来自阵列激光雷达210中的每个激光器211的光聚焦通过透镜225。透镜225将通过阵列激光雷达210中的每个激光器211发射的激光束226分散在整个视野235，视野235在图2中以自上而下的透视角被示出。光学探测器阵列220接收源自于阵列激光雷达210的发射的反射。光学探测器阵列220可以具有一个或多个光学探测器810（图8），光学探测器810接收源自于阵列激光雷达210中的所有的激光器211的反射。如参考图8所讨论的，当光学探测器阵列220包括多于一个的光学探测器810时，光学探测器阵列220可以类似于阵列激光雷达210根据六边形构造201被布置。控制器或处理系统230可以包括一个或多个处理器231和一个或多个存储器设备232以及其他已知的部件，以便控制阵列激光雷达210中的每个激光器211的发射以及处理通过光学探测器阵列220接收的反射。在替代实施例中，所接收的反射的处理可以通过另一个处理系统230完成，另一个处理系统230与控制阵列激光雷达210的处理系统230连通。如图2所示，阵列激光雷达210可以被用来在方位角212和高度213两个方面扫描视野235。而且，每个激光器211均给出到视野235中的目标的距离。因此，阵列激光雷达210提供三维影像，其中，从通过激光器211的每个脉冲发射所得的每个反射均可以被认为是影像中的像素。用于根据实施例布置阵列激光雷达210的激光器211的六边形构造201在下文中进一步被详述。

图3示出根据实施例的阵列激光雷达210的六边形构造201。在阵列激光雷达210的给定激光器211和任何相邻的激光器211之间的距离310是常数值（或者当一个或多个六边形构造201未填充有激光器211时距离310是常数的倍数）。示例性阵列激光雷达210包括24激光器211。根据矩形构造布置的常规阵列激光雷达110也包括24激光器111。如图3和图1的比较所指示的，在阵列激光雷达210中的激光器211所要求的总面积小于在阵列激光雷达110中的激光器111所要求的面积。如下面所讨论的，在本文中根据实施例的六边形构造201还减小了在激光器211的视野之间的未被照明的面积。

图4示出对于矩形构造101和根据实施例的六边形构造201，被照明的面积与未被照明的面积的比较。当根据矩形构造101布置的激光器111和根据六边形构造201布置的激光器211相同时，从每个激光器111和激光器211所得的被照明的面积410将是相同的，如在图4中通过半径R 415所指示的。也就是说，被照明的面积410由如下等式给出：

被照明的_面积=πR² [等式1]。

然而，如图4所示，从根据六边形构造201布置激光器211所得的未被照明的面积420远小于从根据矩形构造101布置激光器111所得的未被照明的面积430。也就是说，六边形构造201中的每个单元的面积由如下等式给出：

六边形_面积= [等式2]。

矩形（正方形）构造101中的每个单元的面积由如下等式给出：

矩形_面积= [等式3]。

换言之，因为根据两种构造被照明的面积410是相同的，并且根据矩形构造101的总面积更大，所以由矩形构造101所得的未被照明的面积430大于由六边形构造201所得的未被照明的面积420。具体地，在根据矩形构造101的单元的面积（等式3）和被照明的面积410（等式1）之间的差，也就是未被照明的面积430，由如下等式给出：

矩形_未被照明的= [等式4]。

在根据六边形构造201的单元的面积（等式2）和被照明的面积410（等式1）之间的差，也就是未被照明的面积420，由如下等式给出：

六边形_未被照明的= [等式5]。

如等式4和等式5的比较所指示的，从根据矩形构造101布置激光器111所得的未被照明的面积430（等式4）大于从根据六边形构造201布置激光器211所得的未被照明的面积420（等式5）。被照明的面积410与未被照明的面积420的比率（等式1与等式5的比率结果）可以被称为由六边形构造201所指示的对于每个六边形单元的单元填充系数。被照明的面积410与未被照明的面积430的比率（等式1和等式4的比率结果）可以被称为由矩形构造101所指示的对于每个矩形单元的单元填充系数。对于相同视野、相同激光束频率和没有重叠的激光束216，从六边形构造201所得的未被照明的面积420是从矩形构造101所得的未被照明的面积430的0.37倍。因此，用于六边形构造201的单元填充系数远大于用于矩形构造101的单元填充系数。

图5指示对于矩形构造101和根据实施例的六边形构造201的照明失效距离（MID）。MID是对单元填充系数的另一（相关）品质因数，且被定义为在未被照明的点和最近的被照明的点之间的距离。为了清楚地指示MID的目的以用于解释目的，被照明的面积410在图5中被示出为小于在图4中所示出的。对于未被照明的点510示出了示例性MID 520。如图所示，六边形构造201的最大MID 530是从在被照明的面积410的边界上的点到未被照明的点的最大可能距离，以及矩形构造101的最大MID 540是从在被照明的面积410的边界上的点到未被照明的点的最大可能距离。最大MID越小（例如，530小于540），则激光束216取样更不稀疏（即，更密集），使得可以从视野内的目标获得更多的细节。相比矩形构造101，对于给定数量的激光器211，六边形构造201产生最小的平均MID和更小的最大MID 530。

此外，六边形构造201产生最小数量的激光器211来获得给定的平均或最大MID。也就是说，为了在六边形构造201和矩形构造101情况下具有相同的最大MID，在矩形构造101中将需要更大数量的激光器111。这在图6中被示出。另外，出于解释目的，被照明的面积410被示出为小于在图4中所示出的。在图6中，对于六边形构造201和矩形构造101，最大MID 610是相同的。然而，根据矩形构造101的最大MID 610的该减少要求矩形更小（例如，比在图5中的那些更小）。因此，如在图6中所指示的，在相同面积620内，根据矩形构造101需要九个激光器211（对应于所示出的九个照明面积410），而根据六边形构造201需要七个激光器111。根据六边形构造201所需的激光器211的数量的减少（相比于根据矩形构造101所需的激光器111的数量）是大约23%。作为另一个比较，激光器111、211可以相应地被视为在矩形构造101和六边形构造201的中心处的点源。最大MID然后是从构造的中心到角落的距离e。根据矩形构造101的正方形单元的面积是2e²，并且根据六边形构造201的六边形单元的面积是。对于给定的视野面积A，根据矩形构造101所需的正方形单元的数量N_s是：

[等式6]

且根据六边形构造201所需的六边形单元的数量N_h是：

[等式7]

如等式6与等式7的比较所指示的，N_s大于N_h，使得对于相同的视野，相比六边形单元，需要更多的正方形单元。具体地，比率N_h/N_s = 0.769。

图7示出用于矩形构造101和根据实施例的六边形构造201的接线。阵列的一部分被示出为根据矩形构造101和六边形构造201被布置。每个构造均被示为虚线，以阐明该构造仅仅是一种机制，通过该机制确定激光器111、211的位置。地线112和载流导线113针对两种构造示出且其定向不受限制（即，不同组的导线可以被交换）。在根据矩形构造101被布置的相邻的激光器111之间的距离710与在根据六边形构造201被布置的相邻的激光器211之间的距离710相同。如图7所示，对于矩形构造101，相邻的平行导线112、113之间的间隔也是距离710。然而，对于六边形构造201，在相邻的平行导线112、113之间的间隔是距离720，距离720小于距离710。在d表示距离710并且dd表示距离720的情况下，dd由如下等式给出：

[等式8]

因为dd（距离720）小于d（距离710），所以提高了在给定面积中的导线密度。

图8示出根据按照实施例的六边形构造201布置的光学探测器阵列220。尽管探测器810被示出在每个六边形构造201的中心处，但是一个或多个探测器可以被置放在每个六边形构造201内的任何地方（其中，在每一个六边形构造201内重复相同的置放），并且六边形构造201中的一个或多个可以不被占据。如对于阵列激光雷达210在图7中所示出的，在图8中示出了用于光学探测器阵列220的接线布置。示出了成组的数据读取导线812和地线813。如参考图7所提到的，导线的定向不受限制。因此，例如，地线813可以对角地被布置，同时数据读取导线812竖直地被布置。

图9示出根据实施例的阵列激光雷达210（或光学探测器阵列 220）的物理实现。如贯穿说明书所提到的，在本文中根据实施例详述的六边形构造201不是物理的六边形形状，而是被用来确定照明器（例如，激光器211、LED）或光学探测器810的置放的设计构造。用于照明器（211）或光学探测器810的一个示例性物理支撑件可以是在图9中示出的菱形910。激光器211（或光学探测器810）中的每一个均根据六边形构造201被置放。也就是说，通过每个菱形910被支撑的每组激光器211均可以在六边形构造201的角落处（如在图2中所示）或者在六边形构造201的中心处（如在图3中所示），或者激光器211中的两个或更多个可以被布置在同一个六边形构造201内。图9示出，当六边形构造201被用来确定激光器211（或其他照明器或光学探测器810）的布置时，该布置可以在其他形状内被物理地实施并支撑。在图2中示出的连接器920可以承载导线或者包括阵列激光雷达系统200的其他部件。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解的是在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，可以做出许多修改以使特定状况或材料适于本发明的教导且不脱离其实质范围。因此，其意图在于本发明不受限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入在本申请的范围内的全部实施例。