用于阵列激光雷达系统的时空扫描模式的制作方法

本申请是2015年5月7日提交的美国临时申请号62/158,285的非临时申请，其公开内容全部作为引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于阵列激光雷达系统的时空扫描模式。

背景技术：

激光雷达，其可以称作光雷达或激光器阵列光探测和测距，通常指的是在目标处发射光线并且接收和处理得到的反射。一系列激光器或其它照明器（例如发光二极管（LED））可以用于阵列激光雷达系统中以获取来自比单个照明器可能有的更广的视场的反射。通常，通过依次操作所有照明器，阵列激光雷达系统可以用来获取视场的三维图像。然而，其它检测方案在一些情形中是有用的。因此，希望提供用于阵列激光雷达系统的扫描模式。

技术实现要素：

根据一个示范性实施例，一种操作由平台上的多个照明器构成的阵列激光雷达系统的方法，包括控制该多个照明器的第一组发射持续第一时间；控制该多个照明器的第二组发射持续第二时间；以及，接收并处理由该多个照明器的第一组和该多个照明器的第二组产生的反射。

根据另一示范性实施例，一种在平台上的阵列激光雷达系统，包括以阵列布置的多个照明器；和控制器，其构造成控制该多个照明器的第一组发射持续第一时间，控制该多个照明器的第二组发射持续第二时间，以及接收并处理由该多个照明器的第一组和该多个照明器的第二组产生的反射。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1. 一种操作包括平台上的多个照明器的阵列激光雷达系统的方法，该方法包括：

控制该多个照明器的第一组发射第一持续时间；

控制该多个照明器的第二组发射第二持续时间；和

接收并处理由该多个照明器的第一组和该多个照明器的第二组产生的反射。

技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，控制该多个照明器的第一组包括对布置在一行中的多个照明器中的照明器的控制中的一个，并且，控制该多个照明器的第二组包括控制布置在另一行中的多个照明器的照明器，或者，控制该多个照明器的第一组包括控制布置在一列中的多个照明器中的照明器，并且，控制该多个照明器的第二组包括控制布置在另一列中的多个照明器中的照明器。

技术方案3. 如技术方案1所述的方法，其中，控制该多个照明器的第一组包括控制该多个照明器中的一个，以及控制该多个照明器的第二组包括控制该多个照明器中的另一个。

技术方案4. 如技术方案1所述的方法，其中，控制该多个照明器的第一组和控制该多个照明器的第二组包括根据获取的信息执行自适应扫描。

技术方案5. 如技术方案4所述的方法，其中，获取信息包括获取所关心目标的位置，执行自适应扫描包括增加与该位置相关联的多个照明器中的一个或多个的脉冲群持续时间。

技术方案6. 如技术方案4所述的方法，其中，获取信息包括确定该多个照明器中的一个或多个受到干扰光源的影响，执行自适应扫描包括抑制该多个照明器的一个或多个的发射。

技术方案7. 如技术方案4所述的方法，其中，获取信息包括确定反射的信噪比（SNR），执行自适应扫描包括增加导致信噪比低于阈值的该多个照明器中的一个或多个的脉冲群持续时间。

技术方案8. 一种在平台上的阵列激光雷达系统，该系统包括：

以阵列布置的多个照明器；和

控制器，其构造成控制该多个照明器的第一组发射第一持续时间，控制该多个照明器的第二组发射第二持续时间，以及接收并处理由该多个照明器的第一组和该多个照明器的第二组产生的反射。

技术方案9. 如技术方案8所述的系统，其中，该多个照明器的第一组布置在该阵列的一行中，该多个照明器的第二组布置在该阵列的另一行中，或者，该多个照明器的第一组布置在该阵列的一列中，该多个照明器的第二组布置在该阵列的另一列中。

技术方案10. 如技术方案8所述的系统，其中，该多个照明器的第一组是该多个照明器中的一个，该多个照明器的第二组是该多个照明器中的另一个。

技术方案11. 如技术方案8所述的系统，其中，该控制器根据接收的信息控制该多个照明器。

技术方案12. 如技术方案11所述的系统，其中，该信息包括所关心目标的位置，该控制器增加与该位置相关联的该多个照明器中的一个或多个的脉冲群持续时间。

技术方案13. 如技术方案12所述的系统，其中，该控制器从辅助传感器接收与该位置有关的信息。

技术方案14. 如技术方案11所述的系统，其中，该信息包括该多个照明器中的一个或多个受到干扰光源影响的信息，并且该控制器阻止该多个照明器的一个或多个的发射。

技术方案15. 如技术方案11所述的系统，其中，该信息是反射的信噪比（SNR），并且控制器增加导致信噪比低于阈值的该多个照明器中的一个或多个的脉冲群持续时间。

通过下面结合附图对本发明的详细说明，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将更明显。

附图说明

仅仅举例来说，其它特征、优点和详情出现在下面详细说明的实施例中，该详细说明参照附图，其中：

图1是根据实施例的示范性阵列激光雷达系统的框图；

图2示出根据实施例的阵列激光雷达系统的示范性阵列激光雷达的激光器发射的示范性脉冲和脉冲群；

图3示出根据实施例的阵列激光雷达系统的示范性阵列激光雷达的许多激光器发射的示范性脉冲群；

图4示出根据一个实施例的阵列激光雷达，其执行光栅扫描；

图5示出根据一个实施例的阵列激光雷达，其执行列扫描；

图6示出根据一个实施例的阵列激光雷达，其执行行扫描；

图7示出根据一个实施例的阵列激光雷达，其执行自适应扫描；

图8示出用于根据实施例的阵列激光雷达系统的示范性平台；

图9示出用于根据一个实施例的阵列激光雷达系统的示范性扫描模式；

图10示出用于根据一个实施例的阵列激光雷达系统的示范性扫描模式；和

图11示出根据一个实施例的示范性方案，其中，采用自适应扫描。

具体实施方式

如上所述，阵列激光雷达系统通常包括通过依次操作阵列中的每个照明器来照亮视场。该阵列激光雷达系统可以用于在多个应用中进行探测和测距。阵列激光雷达系统的示范性应用包括坍方勘测、考古学、油气勘探、气象学和汽车应用中的导航（例如障碍探测）。某些应用和情形许可以不同于常规方法的方法使用照明器阵列，在常规方法中，依次使用阵列激光雷达系统的每个照明器。本文详述的系统和方法的实施例涉及由阵列激光雷达系统执行的时空扫描模式。这些实施例包括控制阵列的哪个照明器发射以及发射多长时间。例如，根据视场，一个或多个照明器可以引起反射，包括（并且不被覆盖）日光或另一干扰光源，来自另一激光雷达的发射光，或者另一干扰源。作为另一例子，扫描模式乃至辅助传感器可以表明阵列激光雷达系统的视场的一部分作为关心的区域。作为又另一例子，不同的照明器可需要不同的照明持续时间和反射的相关积累，以达到阈值信噪比（SNR）。一个或多个照明器可以被操作，直到积累的反射得到阈值SNR。替换地，一个或多个照明器可以被操作，直到由积累的反射产生的SNR的改善变得低于阈值改善。虽然在本文中为了解释的目的，将激光器论述为一种特定类型的照明器，但是，下文详述的实施例也涉及激光雷达系统中使用的其它类型的照明器。

图1是根据实施例的示范性阵列激光雷达系统100的框图。阵列激光雷达110指的是两个或更多激光器111以阵列布置，从而它们的发射形成视场135。图1中示出的示范性阵列激光雷达系统110包括两行五个激光器111-1到110-10。立体的自顶向下的视图示出来自阵列激光雷达110的发射，说明了由单行激光器111产生的五个传送信号126（激光束）。图1中示出的示范性阵列激光雷达系统100包括半透镜115，其把来自阵列激光雷达110的每个激光器111的光线聚焦通过透镜125。透镜125使阵列激光雷达110的每个激光器111发射的激光束分散穿过视场135。光辐射探测器阵列120接收由阵列激光雷达110的传送信号126产生的反射127。根据实施例，控制器或处理系统130可以包括一个或多个处理器131和一个或多个存储装置132，连同其他已知部件，目的在于控制阵列激光雷达110的每个激光器111的发射以及由光辐射探测器阵列120对接收到的反射127的处理。在替代的实施例中，对接收到的反射的处理可以由与控制阵列激光雷达110的处理系统130通信的另一处理系统130来做。如图1所示，阵列激光雷达110可以用来扫描视场135，既以方位角112，又以仰角113。进一步地，每个激光器111给出在视场135中到目标830的距离（图8）。因此，阵列激光雷达110提供三维图像，其中，由发射信号126内的激光器111放出的每个脉冲210（图2）产生的每个反射可以被考虑为图像中的一个像素。根据各个方案，下面详述的实施例涉及控制阵列激光雷达110，以控制视场135的扫描（每个图像中获取的像素）。

图2示出根据实施例的阵列激光雷达系统100的示范性阵列激光雷达110的激光器111发射的示范性脉冲210和脉冲群220。发射功率205被断开（数值0）或接通（数值1）以形成脉冲210。单位为毫微秒的时间215被标出并且表明，对于示范性脉冲210，发射功率205接通200毫微秒。脉冲群220由一系列的脉冲210产生。单位为微妙的时间225被标出，并且说明，示范性脉冲群220的持续时间是40微秒。

图3示出根据实施例的阵列激光雷达系统100的示范性阵列激光雷达110的许多激光器111发射的示范性脉冲群220。示出四组脉冲群220-1、220-2、220-3、220-4，对应示范性阵列激光雷达110的四个激光器111。如图所示，按照时分多址（TDMA）方案依次发射脉冲群220-1、220-2、220-3、220-4。因为脉冲群220-1、220-2、220-3、220-4彼此时间偏离，所以，相比于这些发射是同时的情况，由每个发射产生的反射更容易被分辨（即，获得空间分辨率）。脉冲持续时间影响测距分辨率。例如，0.5微秒的脉冲群220会得到75米的测距分辨率。随着脉冲群220持续时间增大，该测距分辨率也增大。脉冲群220持续时间还影响扫描速率，这又影响可以估计的最大目标速度。也就是说，例如，如果每次扫描（每发射周期）使用的是40毫秒的脉冲群220持续时间，那么在一秒钟内可以执行脉冲群220的25帧或重复。当脉冲群220持续时间增加时，每秒帧数减小。因此，随着脉冲群220持续时间增加，最大的可估计目标速度减小。

当许多激光器111必须依次发射时，如在示范性的基于TDMA的阵列激光雷达系统100中，每个脉冲群220的持续时间必须减小以获得与单个激光器111相同的帧频。也就是说，如上所述，对于单个激光器111，40毫秒的脉冲群220持续时间得到25帧每秒的帧频。然而，对于带有一千个激光器111的阵列激光雷达110来说，为了获得相同的25帧每秒的帧率，每个脉冲群220的持续时间必须降低为40微秒。如上文的论述所阐明的，脉冲群220的持续时间的这个减少维持所述帧频，并且因此维持可以估计的最大目标速度，但是减小了测距分辨率。为了应对测距分辨率和可探测目标速度的竞争利害，可以控制阵列激光雷达110，根据本文详述的实施例，仅仅针对阵列激光雷达110的一个或多个激光器111增加脉冲群220的持续时间（并且因此增大测距分辨率）。根据其它实施例，不是所有激光器111可以用于一个或多个扫描。这些实施例在下文详述。

图4-7示出由根据实施例的阵列激光雷达系统100采用的不同的扫描方案，。根据每个实施例，空间分辨率不是所关心的，代替的，对目标区别的识别用于进一步研究才是目标。因此，不必使用TDMA方案，一组激光器111可以同时发射相同的脉冲群220。替代地，如图4所示，单个激光器111可以发射。因为目标是目标探测，而不是速度估计或空间分辨率，在每个扫描期间可以发射更长的脉冲群220以提高测距分辨率。一旦目标830的区域已经被识别（图8），仅仅是瞄准这个区域的激光器111可以发射，或者如图9所示，瞄准某些区域的激光器111可以使用比其它激光器111更长的脉冲群220。

图4示出阵列激光雷达110，其根据一个实施例执行光栅扫描410。图4中示出的示范性阵列激光雷达110包括十六个激光器111。根据该当前实施例，在每个扫描410期间，仅仅一个激光器111发射。在图4中，阵列激光雷达110中正发射的激光器111用斜剖线表示。示出了8个示范性扫描410a至410h，但是，对于阵列激光雷达110中的每个激光器111可以继续这个模式。在替代的实施例中，对于光栅扫描410，可以遵循不同的发射模式。例如，扫描410e可以跟着扫描410a，并且第一列内的每个激光器111可以在执行扫描410b之前发射，后面跟着扫描410f等等。

图5示出阵列激光雷达110，其根据一个实施例执行列扫描510。图5中示出的示范性阵列激光雷达110，像图4中示出的示范性阵列激光雷达110一样，包括16个激光器111。根据该当前实施例，在每个扫描510期间，阵列激光雷达110中的一列激光器111发射。如图4所示，发射激光器111用斜剖线表示。示出六个示范性扫描510a至510f，但是，模式可以重复（例如，在扫描510f之后的扫描510可以相同于扫描510c），直到例如目标830（图8）被识别。

图6示出阵列激光雷达110，其根据一个实施例执行行扫描610。图6中示出的示范性阵列激光雷达110，像图4和图5中示出的示范性阵列激光雷达110一样，包括16个激光器111。根据该当前实施例，在每个扫描610期间，阵列激光雷达110中的单行激光器111发射。如图4和图5所示，发射激光器111用斜剖线表示。示出八个示范性扫描610a至610h，但是，模式可以继续重复（例如，在扫描610h之后的扫描610可以相同于扫描610a和610e），直到例如目标830（图8）被识别。

图7示出阵列激光雷达110，其根据一个实施例执行自适应扫描710。再次示出带有十六个激光器111的示范性阵列激光雷达110，再次用斜剖线表示正发射的激光器111。根据该当前实施例，通过阵列激光雷达110，光栅扫描与关心的区域的周期性扫描结合。也就是说，扫描710a至710h类似于扫描410a至410h，但是，附加地，扫描710a、710c、710e和710g包括多四个的激光器111的发射。如参照图4说明的，对于阵列激光雷达110的下两行，光栅扫描410的模式可以继续，并且，替代地，这个扫描可以每次一列而不是每次一行，如所示。当关心的区域已经被识别为被例如扫描710a、710c、710e和710g中的四个附加正发射的激光器111照亮的区域时，可以使用这个示范性自适应扫描710。这个自适应扫描710允许在扫描其他区域的同时监控关心的区域。当根据参照图4-6所论述的扫描模式中的一个识别出关心的区域时，或者，当关心的区域由另一传感器810识别出（图8）时，可以选择自适应扫描710，如下文所论述的。

图8示出用于根据实施例的阵列激光雷达系统100的示范性平台。如上所述，阵列激光雷达系统100可以被用于例如坍方勘测、考古学、油气勘探、气象学和汽车应用中的导航（例如障碍探测）。图8示出两辆汽车800-1、800-2。这两辆汽车800-1、800-2没有按比例示出，但是，用相对大小示出来表达两辆汽车800-1、800-2没有彼此邻近，如所示，而是代替地，有一些相隔距离。虽然这两辆汽车800-1、800-2能够包含阵列激光雷达110，但是，汽车810-1被示为用于根据实施例的阵列激光雷达系统100的示范性平台，汽车800-2被示为示范性目标830。图8中的示范性汽车800-1包括附加传感器810，例如相机、全球定位传感器（GPS）、另一基于激光雷达的传感器或雷达系统。除了上面论述的扫描方案之外，来自其他传感器810的信息可以附加地或替代地提供关心区域的指示（例如，目标830正接近的区域）。这个信息可以提供给处理系统820，其与阵列激光雷达系统100和另一个或更多传感器810通信。在替代的实施例中，阵列激光雷达系统100的处理系统130可以与汽车800-1的处理系统820相同。如所示，可以由图7中的扫描710监控关心区域。与这个关心的区域相关联的一个或多个激光器111可以使用比其它激光器111（例如，那些执行光栅扫描的）更长的脉冲群220持续时间，如参照图9进一步论述的。

图9示出用于根据一个实施例的阵列激光雷达系统100的示范性扫描模式910。示出带有8个激光器111的示范性阵列激光雷达110。沿着轴线905表示时间，每个激光器111特有的每个扫描模式910关联于激光器111的数量而示出。扫描模式910表明来自阵列激光雷达110的每个激光器111的脉冲群220的发射时间和持续时间。如图9所示，激光器111-2发射的脉冲群220-2具有比任何其它激光器111发射的那些更长的持续时间。因此，激光器111-2已经提高了探测能力，更长的探测距离和精度。激光器111-2可以被选为发射最长的脉冲群220-2，作为目标830（图8）在激光器111-2的视场中被识别的结果。

目标830（图8）的识别可以由另一传感器810进行，通过处理系统820，或者，可以通过激光器111-2自身的扫描来进行（或许带有更小的脉冲群220持续时间）。模式910可以被认为是自适应边扫描边跟踪（track-while-scanning）模式，因为激光器111-2跟踪目标830，而阵列激光雷达110的其它激光器111对另外的目标830或目标830进入其它激光器111中的一个的视场中的移动进行扫描。例如，在示范性阵列激光雷达110中，包围激光器111-2的激光器111-1、111-3和111-6发射第二最长的脉冲群220-1、220-3、220-6，并且可以启用目标830从激光器111-2的视场移出并移入相邻像素的早期探测。在示范性阵列激光雷达110中，与激光器111-2对角相邻的激光器111-5和111-7发射比激光器111-1、111-3和111-6更短的脉冲群220-5、220-7,并且可以提供对从激光器111-2的视场移出的目标830的附加照明。激光器111-4和111-8发射的脉冲群220-4、220-8具有最短的持续时间，如图9所示。这些激光器111-4和111-8距离激光器111-2最远并且可以用于定期搜索。

阵列激光雷达110发射模式910可以变化，随着被激光器111-2追踪的目标830移动或离开阵列激光雷达110的视场，随着另一目标830被识别，或者基于附加信息。当探测一个以上的目标时，该附加信息可以包括关于这些目标的优先级的信息。也就是说，例如，激光器111-2和激光器111-6可以都追踪目标830，但是，如果被激光器111-2追踪的目标830的优先级更高，那么，脉冲群220-2可以比脉冲群220-6更长。该附加信息还可以是在探测器阵列120处获得的信息（例如信噪比（SNR））或者与日光有关的信息，如参照图10所论述的。

图10示出用于根据一个实施例的阵列激光雷达系统100的示范性扫描模式1010。与图9中一样，示出带有8个激光器111的示范性阵列激光雷达110。如图10表明的，激光器111-1和111-3至111-8中的每一个发射的脉冲群220具有相同的持续时间。在示范性扫描模式1010中，激光器111-2没有发射。这可能是因为由激光器111-2的发射产生的反射包括日光或另一干扰光源。该干扰光源人为地增大了反射强度并且由此在一段时间内负面地影响探测能力。因而，该方案可以称为暂时失明（temporal blindness）。当进行光栅扫描（例如410）时，阵列激光雷达110中的正经历暂时失明的激光器111可以略过。也就是说，例如，在图4中，当示出的在扫描410g中照明的激光器111经历暂时失明的时候，扫描410f可以直接先于扫描410h。

除了与目标830（图8）位置或日光有关的信息之外，SNR可以是影响阵列激光雷达110执行的扫描模式的另一因素。当对于在探测器阵列120处探测的由指定激光器111的发射产生的反射，SNR低于阈值时，激光器111发射的脉冲群220的持续时间可以增加。附加地或替代地，激光器111的发射产生的接收到的信号可以相加，直到达到SNR阈值。在这种情况下，指定脉冲群220持续时间的发射可以重复（在这些发射之间，有或没有使用阵列激光雷达110的其它激光器111），直到通过积累的反射达到SNR。代替阈值SNR，根据一些实施例，SNR的阈值改善可能是所关心的。因此，反射的积累可以继续，直到得到的SNR的改善变得低于阈值。

图11说明根据一个实施例的示范性方案，其中，采用自适应扫描。用于阵列激光雷达系统100的平台1110可以是汽车800a。平台1110还包括另一传感器810，例如相机。该方案包括在阵列激光雷达110的视场中的两个目标，例如汽车800b和建筑物1020。附加传感器810（例如相机）表明汽车800b是所关心的目标，而建筑物1020不是所关心的。这个确定可以根据汽车800a的处理系统820的图像处理来做出，并且可以包括附加部件，例如汽车800a的防碰撞系统。如上所述，处理系统820和阵列激光雷达系统100的处理系统130可以是同一处理器或者可以彼此通信。根据汽车800b是所关心的目标的指示，处理系统130控制阵列激光雷达110以仅仅操作阵列激光雷达110的把汽车800b纳入它们视场内的激光器111的子集。所操作的激光器111数目的这个减少引起例如扫描速率的增加或每次测量的脉冲数的增加。因此，信噪比（SNR）增大。替代地，当提供了对所关心目标的指示时，阵列激光雷达系统100可以已经正在执行扫描（例如，如图4中所示的光栅扫描410）。通过根据这个指示操作更多的激光器111（多于这个扫描中使用的），增加了空间分辨率。虽然该示范性方案包括相机作为辅助传感器810，但是，也可以使用协调平台1110的所有传感器810的响应的雷达或汽车融合系统。

尽管已经参照示范性实施例描述了本发明，但是，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可以做出改变并且用等同物代替其元件。另外，在不脱离其实质范围的情况下，可以做出许多改型以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，意图是，本发明不局限于所公开的特定实施例，而是，本发明将包括落入本申请范围内的全部实施例。