LIDAR信号的时间相关滤波的制作方法

本公开大体上涉及光检测与测距(lidar)，且明确地说，涉及基带lidar信号的时间相关滤波。

背景技术：

光检测与测距(lidar)是通过使用通常来自激光的反射光来感测远处对象的距离的方法。lidar系统可在不同地面、机载和移动应用中使用。举例来说，lidar系统可用于在机载地理映射应用、基于地面的勘察、水下扫描等中产生高分辨率地图。另外，lidar系统可在“雷达枪”中供警察用来监视交通速度。另外，lidar系统可在机动车应用中用于驾驶员辅助情境和/或自驾驶机动车。通常，这些lidar系统具有射程和视野来检测适当距离处的对象，例如其它机动车，以采取任何必要的动作，例如警告驾驶员或改变机动车的速度。

lidar系统可基于各种类型的光学输出信号来操作，例如持续波多普勒、脉冲式多普勒、持续波相移键控(cw-相移键控)、脉冲式相移键控等。举例来说lidar系统朝选定目标发射在窄光束中引导的红外光的短脉冲。光脉冲撞击所述目标，并朝lidar系统反射回来。反射的能量由光学接收元件捕获，且从光能转换成电信号。使用高速时钟来确定总跳闸时间，其可接着用以计算到所述目标的射程。在另一应用中，为了计算目标的速度，获取多个射程，且确定射程在短时间周期内的改变。lidar系统可实现的最大射程与光源每脉冲所发射的能量的量成比例。本领域中需要增加lidar系统的射程和/或准确性。

技术实现要素：

在一个实例中，公开一种用于估计对象距光检测与测距(lidar)系统的距离的方法。所述方法部分地包含：使用lidar系统朝对象发射第一光信号；以及通过光传感器来检测第二光信号，以产生检测到的信号。所述第二光信号可包含第一光信号从所述对象的反射。所述方法进一步包含：通过将时间相关的可调整滤波器应用于检测到的信号来产生经滤波的信号；以及至少基于所述经滤波的信号来估计所述对象距所述lidar系统的距离。

在一个实例中，所述时间相关可调整滤波器包含：对应于第一持续时间的至少一第一截止频率；以及对应于第二持续时间的第二截止频率。所述第一持续时间对应于第一光信号的发射时间和第一时间阈值。类似地，所述第二持续时间对应于介于第一时间阈值与第二时间阈值之间的时间。

在一个实例中，第一截止频率大于第二截止频率。在一个实例中，时间相关可调整滤波器是可变频率低通滤波器。

在一个实例中，基于从第一光信号的发射开始经过的时间来调整时间相关可调整滤波器的截止频率。在一个实例中，基于第二光信号中的预期扩散量来调整时间相关可调整滤波器的频率。

在一个实例中，时间相关可调整滤波器包括并联安置的至少两个电容器，以及连接到所述至少两个电容器的一或多个开关。

在一个实例中，公开一种用于估计对象距lidar系统的距离的设备。所述设备包含至少一个处理器以及耦合到所述至少一个处理器的存储器。所述至少一个处理器经配置以：使用lidar系统朝所述对象发射第一光信号；且通过光传感器来检测第二光信号以产生检测到的信号。所述第二光信号包含第一光信号从所述对象的反射。所述至少一个处理器进一步经配置以通过将时间相关可调整滤波器应用于检测到的信号来产生经滤波的信号，且至少基于所述经滤波的信号来估计所述对象距lidar系统的距离。

在一个实例中，公开一种用于估计对象距lidar系统的距离的设备。所述设备部分地包含：用于使用lidar系统朝对象发射第一光信号的装置；以及用于通过光传感器来检测第二光信号以产生检测到的信号的装置。所述第二光信号包含第一光信号从所述对象的反射。所述设备进一步包含：用于通过将时间相关可调整滤波器应用于检测到的信号来产生经滤波的信号的装置；以及用于至少基于所述经滤波的信号来估计所述对象距所述lidar系统的距离的装置。

在一个实例中，公开一种用于估计对象距lidar系统的距离的非暂时性处理器可读媒体。所述非暂时性处理器可读媒体部分地包含处理器可读指令，其经配置以致使一或多个处理器：使用lidar系统朝对象发射第一光信号；且通过光传感器来检测第二光信号以产生检测到的信号。所述第二光信号包含第一光信号从所述对象的反射。所述处理器可读指令进一步经配置以致使一或多个处理器：通过将时间相关可调整滤波器应用于检测到的信号来产生经滤波的信号；且至少基于所述经滤波的信号来估计所述对象距所述lidar系统的距离。

附图说明

图1说明根据本公开的一个实施例的实例lidar系统。

图2a和2b说明根据本公开的一个实施例的来自距lidar系统不同距离的对象的实例反射信号。

图3说明根据本公开的一个实施例的实例可调整lidar接收器。

图4说明根据本公开的一个实施例的使用开关电容器的实例可变滤波器。

图5示出根据本公开的一个实施例的具有可调整跨阻抗放大器接着是可调整滤波器的实例lidar接收器。

图6说明根据本公开的一个实施例的可由lidar系统执行来估计对象的距离的实例操作。

图7说明可在其中实施一或多个实施例的计算系统的实例。

具体实施方式

某些实施例描述一种用于能够以高准确性和灵敏性来估计经扩展射程内的对象的距离和/或速度的自适应lidar系统的方法。在一个实施例中，可基于预期扩散量来调整lidar基带信号路径内的滤波器的时间常数，以增加估计准确性。

图1说明根据本公开的实施例的实例lidar系统100。如所说明，lidar系统100可包含lidar发射器110、lidar接收器120和lidar控制系统/处理器130。lidar发射器110可包含光源(例如激光源)，以产生和发射光学输出信号到“自由空间”或任何其它适当的光传输介质中。来自lidar发射器110的光学输出信号通常指向正分析的对象(例如目标)。lidar接收器120可包含光电检测器122，其接收从所述目标反射的光学信号，并将所述接收到的光学信号转换成电气表示。跨阻抗放大器124通常用以放大检测到的信号。模/数转换器126将经放大的信号转换成数字形式，并将所述信号传递到lidar控制系统/处理器130以供进一步分析。所述处理器分析接收到的信号，并产生所要的输出(例如射程计算值、速度、目标对象的表征等)。

在一个实施例中，在飞行时间lidar扫描仪中，激光束在场景上方扫描。测量光电检测器发射激光束与接收到反射信号之间的飞行时间。可基于接收到的信号来估计场景中的对象的距离、速度和其它特性。一般来说，场景中靠近lidar系统的对象在较短时间内反射光。包含来自靠近对象的反射的所接收信号通常较强，具有极少或不具有脉冲扩散。因此，从靠近对象接收到的信号在处理之前需要极少放大(如果需要的话)。另外，接收到的信号的锐边缘导致高时序准确性。因此，可用高准确性来估计靠近对象的距离。另一方面，远离lidar系统的对象在较长的时间周期内反射激光。并且，从远对象接收到的信号可较弱，具有脉冲扩散所导致的平滑边缘。因此，从远对象接收到的信号在分析之前可需要放大。另外，低通滤波去除所述接收到的脉冲的高频分量。低通滤波可牺牲准确性但改进灵敏性，以及射程处的性能。

本领域中的当前lidar系统具有为特定应用定制的固定滤波器。举例来说lidar系统可在相对较小的射程内提供高分辨率，或提供具有受限分辨率的高射程。一个实施例通过取决于返回信号中的预期信号扩散，自适应性地调整lidar系统的接收链中的滤波器，来管理lidar系统的分辨率与射程之间的平衡。所提出的方法提供高分辨率和高射程。

lidar系统可使用飞行时间方法来估计距对象的距离。举例来说，lidar系统发射脉冲，且等待接收所述所发射的脉冲的反射。通过测量脉冲的发射与接收之间的时间，且使用光的行进速度(例如300,000公里每秒)，lidar系统估计对象距系统的距离。如果lidar系统极接近于对象，那么所述接收到的脉冲看起来非常类似于所述所发射的脉冲。另外，所述接收到的脉冲具有高振幅。通过分析接收到的信号(例如脉冲的上升和下降沿)，lidar系统可用高准确性来测量对象与lidar系统之间的距离。然而，如果lidar系统应用与在估计“附近”对象的距离时所使用的相同阈值来分析从远离lidar系统的对象接收到的信号，那么无法准确地估计远对象的距离。某些实施例提出一种能够用高准确性来估计“附近”和“远”对象两者的距离的自适应lidar系统。

图2a和2b说明来自位于距lidar系统不同距离处的对象的实例反射信号。图2a说明来自靠近lidar系统的对象(例如“附近”对象)的实例反射信号。在此实例中，具有10ns的持续时间的脉冲由lidar发射器发射。所述所发射的脉冲是从所述对象反射，且由所述lidar接收器接收。如可看出，来自靠近对象的反射信号(其由lidar系统接收)类似于所发射的信号(例如锐边缘和高信号强度)。图2b说明从远离lidar系统的对象反射的实例所接收信号。如可看出，对应于“远”对象的接收到的信号已经历脉冲扩散。一般来说，当电磁波行进过一段距离时，所述波经历脉冲扩散，且所述脉冲的边缘变为圆形(如在图2b中可看出)。

在一个实施例中，在光电检测器与测量激光脉冲与反射之间的延迟的装置之间的基带信号中使用可变频率低通滤波器(例如可调整滤波器)。当从光束的发射开始已经过较短时间时，可将可调整带通滤波器设定为高截止频率，从而允许具有从早期返回信号预期的较尖锐边缘容易地被检测到且准确地被测量。如先前所提到，早期返回信号还具有较高振幅。当从光束发射开始已经过较长时间时，将带通滤波器设定成较低截止频率。这用以过滤较多噪声，从而允许较好地检测小信号。所付出的惩罚是检测器内较慢的上升时间，但由于光束扩散还导致所反射信号的斜率的减小，因此这不是显著惩罚。

图3说明根据一个实施例的可调整lidar接收器300的实例。如所说明，可调整lidar接收器包含光电二极管304、放大器306、可调整rc滤波器314、模/数转换器(a/d)312和其它元件(未图示)。光电二极管304检测所反射的信号，并产生检测到的信号。放大器306放大检测到的信号，并将其传递到rc滤波器。可调整rc滤波器314(例如包含r308和可调整c310)接着对经放大的信号进行滤波。经滤波的信号在发送到处理器以供进一步分析之前，馈送通过a/d312。在一个实施例中，可使用可调整电容器310(例如变抗器或类似者)来改变滤波器的时间常数(例如等于1.1rc)。举例来说，对于从靠近lidar系统的对象反射的信号，滤波器可设置为较小时间常数来准确地捕获信号的上升和下降沿。举例来说，为了准确地估计远离lidar系统小于50英尺的对象的距离(例如，在100ns内出现的“附近”返回)，可将可调整滤波器的时间常数设置为5ns，以准确地捕获接收到的脉冲的上升和下降沿。另外，为了提供由较远离lidar系统的对象反射的较小信号的较好滤波和较好检测，在从光束发射开始经过了预定义的时间阈值之后，可将可调整滤波器设置成较高时间常数。举例来说，为了捕获来自“远”对象的信号，当从原始光信号的发射开始已经过了100ns时，可将滤波器调整到10ns的时间常数。应注意，一般来说，可在不脱离本公开的教示的情况下，在lidar系统内的可调整滤波器中使用任何数目的频率等级和/或时间常数。在一个实施例中，时间相关可调整滤波器(例如rc滤波器314)可具有两个或更多个可调整截止频率等级(例如4、10、15、20个等级……)。在一个实施例中，可线性地调适可调整滤波器的时间常数，作为从光脉冲的发射开始所经过的时间的函数。

在一个实施例中，定时器316可测量从光信号(例如光脉冲)的发射开始的时间。所测量的时间可用于控制可调整电容器310。举例来说，可基于从第一光信号的发射开始所经过的时间来调整时间相关可调整滤波器的截止频率。在一个实施例中，可调整滤波器的第一截止频率可对应于第一持续时间。所述第一持续时间对应于第一光信号的发射与第一时间阈值之间的时间。另外，可调整滤波器的第二截止频率可对应于第二持续时间。第二持续时间可对应于第一时间阈值与第二时间阈值之间的持续时间。在此特定实例中，产生控制信号作为定时器信号的线性函数，然而，一般来说，可使用任何其它类型的函数来根据经过的时间产生控制信号。

一般来说，在不脱离本公开的教示的情况下，可以许多不同方式来设计可调整滤波器。举例来说，当可变电容器(例如变抗器)不可用时，可使用开关电容器来设计可调整滤波器，如图4所示。

图4说明根据本公开的一个实施例的使用开关电容器的实例可变滤波器400。在此实例中，可变滤波器包含电阻器r402、三个电容器(c1404、c2406和c3408)以及两个开关(sw1和sw2)。取决于开关sw1和/或sw2的位置，可变滤波器电路可提供四个不同电容器值。举例来说，如果两者开关是断开的，那么可变滤波器对应于电容c1。如果sw1闭合，且sw2断开，那么可变滤波器对应于c1+c2的值。类似地，其它开关位置对应于值c1+c3和c1+c2+c3(并联的所有三个电容器)。应注意，在此实例中，为了便于论述，仅使用三个电容器。然而，一般来说，在不脱离本公开的教示的情况下，可变滤波器可具有任何数目或类型的电容器和/或开关。在一个实例中，控制器可确定开关sw1和sw2何时断开和/或闭合。

图5示出根据一个实施例的具有可调整跨阻抗放大器接着可调整滤波器的实例lidar接收器500。如所说明，lidar接收器包含光电检测器502、跨阻抗放大器504和可调整滤波器506。跨阻抗放大器504包含可变电阻器r1508。增加跨阻抗放大器中的r1的值增加了增益且降低了带宽，这对于弱信号是合意的。或者，减小r1的值减少了增益且增加了带宽，这对于强信号是合意的。可调整滤波器可进一步用于调整低通截止频率。可调整滤波器的输出可去往lidar前端中的比较器或高速adc，以供进一步处理。在一个实施例中，可使用可变电容器来代替跨阻抗放大器中的电容器c1，以进一步优化lidar接收器的增益和带宽。

图6说明可由lidar系统执行来估计对象与lidar系统之间的距离的实例操作600。在602处，系统朝所述对象发射第一光信号。在604处，系统通过光传感器检测第二光信号以产生检测到的信号。所述第二光信号包含第一光信号从所述对象的反射。在606处，lidar系统通过将时间相关可调整滤波器应用于检测到的信号来产生经滤波的信号。在608处，lidar系统至少基于经滤波的信号来估计对象距lidar系统的距离。

图7说明其中可实施一或多个实施例的计算机系统700的实例。如图7中所说明的计算机系统可为可包含或并入作为上述lidar系统的一部分。图7仅意图提供对各种组件的一般化说明，可在适当时利用所述组件中的任一者或全部。因此，图7广泛地说明可如何以相对分离或相对较集成的方式实施个别系统元件。在一些实施例中，计算机系统700的元件可用于实施lidar系统的功能性。

将计算机系统700示出为包括可经由总线702电耦合(或在适当时可以其它方式通信)的硬件元件。所述硬件元件可包含：一或多个处理器704，包括(不限于)一或多个通用处理器和/或一或多个专用处理器(例如，数字信号处理芯片、图形加速处理器，和/或其类似者)；一或多个输入装置708，其可包含(不限于)一或多个传感器、鼠标、键盘、经配置以检测声音的麦克风，和/或其类似者；以及一或多个输出装置710，其可包含(不限于)显示单元(例如，本发明的实施例中所使用的装置)、显示器、打印机和/或其类似者。

计算机系统700可进一步包含以下各项(和/或与以下各项通信)：一或多个非暂时性存储装置706，其可包含(不限于)本地和/或网络可存取的存储装置，和/或可包含(不限于)磁盘驱动器、驱动阵列、光学存储装置、例如随机存取存储器(“ram”)和/或只读存储器(“rom”)的固态存储装置，其可为可编程的、可快闪更新的和/或其类似者。此些存储装置可经配置以实施任何适当数据存储，包含但不限于各种文件系统、数据库结构和/或类似者。

计算机系统700还可包含通信子系统712，其可包含(不限于)调制解调器、网卡(无线或有线)、红外线通信装置、无线通信装置和/或芯片组(例如，bluetooth^tm装置、802.11装置、wi-fi装置、wimax装置、蜂窝式通信设施等)等等。通信子系统712可准许与网络、其它计算机系统和/或本文中所描述的任何其它装置交换数据。在许多实施例中，计算机系统700将进一步包括非暂时性工作存储器718，其可包含ram或rom装置，如上文所描述。

计算机系统700还可包括软件元件，示出为当前位于工作存储器718中，包含操作系统714、设备驱动器、可实行库和/或其它代码，例如一或多个应用程序716，其可包括各种实施例所提供的计算机程序，和/或可设计成实施方法、和/或配置系统，由其它实施例提供，如本文所述。仅举例来说，关于上文所论述的方法所描述的一或多个程序可实施为可由计算机(和/或计算机内的处理器)执行的代码和/或指令；接着，在一方面，此些代码和/或指令可用以配置和/或调适通用计算机(或其它装置)以根据所描述的方法来执行一或多个操作。

这些指令和/或代码的集合可存储在计算机可读存储媒体(例如，上文所描述的存储装置706)上。在一些情况下，存储媒体可并入于计算机系统(例如，计算机系统700)内。在其它实施例中，存储媒体可与计算机系统(例如可装卸式媒体，例如压缩光盘)分开，和/或以安装包提供，使得存储媒体可用以编程、配置和/或调适上面存储有指令/代码的通用计算机。这些指令可能呈可由计算机系统700执行的可执行代码的形式，和/或可呈源代码和/或可安装代码的形式，所述源代码和/或可安装代码在由计算机系统700编译和/或安装于计算机系统上后(例如，使用多种一般可用的编译程序、安装程序、压缩/解压缩公用程序等中的任一者)，随后采用可执行代码的形式。

可根据具体要求作出实质性变化。举例来说，还可使用定制硬件，和/或可将特定元件实施于硬件、软件(包括便携式软件，如小程序等)或两者中。另外，可利用到其它计算装置(例如网络输入/输出装置)的连接。在一些实施例中，可省略计算机系统700的一或多个元件或可将其与所说明系统分离地来实现。举例来说，可将处理器704和/或其它元件与输入装置708分开实施。在一些实施例中，可将除图7中所说明的元件之外的元件包含在计算机系统700中。

一些实施例可使用计算机系统(例如，计算机系统700)来执行根据本公开的方法。举例来说，在图6中描述的方法的程序中的一些或全部可由计算机系统700响应于处理器704执行包含于工作存储器718中的一或多个指令的一或多个序列(其可并入操作系统714和/或其它代码中，例如应用程序716)执行。可将此类指令从另一计算机可读媒体(例如存储装置706中的一或多者)读取到工作存储器718中。仅举例来说，包含于工作存储器718中的指令序列的执行可致使处理器704执行本文所描述的方法的一或多个程序。

如本文所用，术语“机器可读媒体”和“计算机可读媒体”是指参与提供致使机器以特定方式操作的数据的任何媒体。在使用计算机系统700实施的一些实施例中，在将指令/代码提供到处理器704以供执行时可能涉及各种计算机可读媒体，和/或各种计算机可读媒体可用以存储和/或运载此些指令/代码(例如，作为信号)。在许多实施方案中，计算机可读媒体为物体和/或有形存储媒体。此类媒体可呈许多形式，包含(但不限于)非易失性媒体、易失性媒体和传输媒体。非易失性媒体包含(例如)光盘和/或磁盘，例如，存储装置706。易失性媒体包含(但不限于)动态存储器，例如工作存储器718。传输媒体包含(不限于)同轴电缆、铜线和光纤，包含包括总线702的导线，以及通信子系统712的各种组件(和/或通信子系统712借以提供与其它装置的通信的媒体)。因此，传输媒体还可呈波的形式(包含(不限于)无线电、声波和/或光波，例如在无线电-波和红外线数据通信期间产生的那些波)。

在一个实施例中，用于获得信号的装置可包含输入装置708(例如传感器)，或可用以获得、测量或接收这些信号的任何其它装置。此外，用于产生的装置和用于估计的装置可对应于能够执行这些功能的处理器704或任何其它装置。

举例来说，常见形式的物理和/或有形的计算机可读媒体包含软性磁盘、柔性磁盘、硬盘、磁带，或任何其它磁性媒体、cd-rom、任何其它光学媒体、打孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理媒体、ram、prom、eprom、快闪eprom、任何其它存储器芯片或盒带、如下文描述的载波，或计算机可从其读取指令和/或代码的任何其它媒体。

各种形式的计算机可读媒体可参与将一或多个指令的一或多个序列运载到处理器704以供执行。仅仅作为实例，最初可将指令运载于远程计算机的磁盘和/或光盘上。远程计算机可将指令加载到其动态存储器中，并将指令作为信号经由传输媒体来发送以由计算机系统700接收和/或执行。根据本发明的各种实施例，这些信号(其可呈电磁信号、声学信号、光信号和/或类似者的形式)全部是可在其上对指令进行编码的载波的实例。

通信子系统712(和/或其组件)通常将接收信号，且总线702可接着将信号(和/或由信号所运载的数据、指令等)运载到处理器704从其中检索并执行指令的工作存储器718。可任选地在由处理器704执行之前或之后，将由工作存储器718接收的指令存储在非暂时性存储装置706上。

上文所论述的方法、系统和装置为实例。各种配置可视需要省略、替代或添加各种程序或组件。举例来说，在替代配置中，所述方法可以不同于所描述的次序来执行，和/或可添加、省略和/或组合各种阶段。并且，可以各种其它配置来组合关于某些配置所描述的特征。可以类似方式组合所述配置的不同方面和元件。而且，技术发展，且因此元件中的许多为实例且并不限制本公开或所附权利要求的范围。

在描述中给出特定细节以提供对实例配置(包含实施方案)的透彻理解。然而，配置可在没有这些特定细节的情况下实践。举例来说，已在无不必要细节的情况下示出了众所周知的电路、过程、算法、结构和技术以免混淆配置。此描述仅提供实例配置，且并不限制所附权利要求的范围、适用性或配置。确切地说，所述配置的之前描述将向所属领域的技术人员提供用于实施所描述技术的致能性描述。可在不脱离本发明的精神或范围的情况下对元件的功能和布置进行各种改变。

而且，可将配置描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每一流程图或框图可将操作描述为循序过程，但许多操作可并行或同时执行。此外，可重新排列所述操作的次序。过程可具有未包含在图中的额外步骤。此外，可用硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任何组合来实施所述方法的实例。当以软件、固件、中间件或微码实施时，用以执行必要任务的程序代码或代码段可存储在非暂时性计算机可读媒体中，例如存储媒体中。处理器可执行所描述的任务。

在已描述若干实例配置之后，可在不脱离本发明的精神的情况下使用各种修改、替代性构造和等效物。举例来说，上述元件可为较大系统的组件，其中其它规则可优先于本发明的应用或以其它方式修改本发明的应用。而且，可在考虑上述元件之前、期间或之后进行数个步骤。