用于光达的自适应发射功率控制的制作方法

本发明整体涉及范围感测，具体地讲涉及用于基于飞行时间测量进行深度映射的设备和方法。

背景技术：

在许多深度映射系统(也称为3d映射或3d成像)中使用飞行时间(tof)成像技术。在直接tof技术中，光源诸如脉冲激光器朝向要被映射的场景引导光学辐射的脉冲，并且高速检测器感测从该场景反射的辐射的到达时间。深度图中每个像素的深度值是得自输出脉冲的发射时间与从场景中对应点反射的辐射的到达时间之间的差值，这被称为光学脉冲的“飞行时间”。被反射回且被检测器接收的辐射脉冲也被称为“回波”。

单光子雪崩二极管(spad)是能够以数十皮秒量级的非常高的到达时间分辨率捕获各个光子的检测器。它们可在专用半导体工艺中或者在标准cmos技术中制造。在单个芯片上制造的spad传感器阵列已在3d成像相机中进行了实验。charbon等人在发表于tofrange-imagingcameras(springer-verlag,2013)的“spad-basedsensors”中提供了spad技术的综述。

技术实现要素：

下文描述的本发明的实施方案提供了改进的用于基于tof的范围感测和深度映射的光达系统和方法。

因此，根据本发明的实施方案，提供了一种电光设备，该电光设备包括被配置为朝向场景发射光学辐射的脉冲的激光器，以及检测器阵列，该检测器阵列被配置为接收从场景中的点反射的光学辐射并输出指示所接收的辐射的相应到达时间的信号。控制器被耦接以驱动激光器朝向场景中的多个点中的每个点发射光学辐射的脉冲序列，并且响应于输出信号来找到点的相应飞行时间，同时通过统计响应于每个脉冲输出信号的检测器的数量来控制激光器发射的脉冲的功率，并在数量大于预定义的阈值时减小序列中后续脉冲的功率。

在公开的实施方案中，检测器为单光子检测器，诸如单光子雪崩检测器(spad)。

在一些实施方案中，控制器被配置为将序列中的后续脉冲的功率减小至少一个预先确定的衰减因子。在一个此类实施方案中，控制器被配置为在预先确定的比率的多个步骤中衰减后续脉冲的功率，直到输出信号的检测器的数量降至预定义的阈值以下。

在一些实施方案中，该设备包括被配置为跨越场景扫描光学辐射的脉冲的扫描器。通常，控制器被配置为基于在扫描脉冲时在多个点处发现的相应飞行时间来构造场景的深度图。在一个实施方案中，控制器被配置为，与扫描脉冲同步，在阵列中接收每个点处反射的光学辐射的位置处激活检测器的相应子集。附加地或另选地，控制器被配置为将点中的一些点处的脉冲的功率设定为扫描脉冲时在先前点处使用的减小的功率。

在公开的实施方案中，控制器包括加法器，加法器被耦接以接收来自检测器的信号并输出指示输出信号的检测器的数量的数值信号。比较器被配置为将来自加法器的数值信号与预先确定的阈值进行比较，并且在信号超过预先确定的阈值时生成命令信号。脉冲发生器响应于命令信号产生自适应功率控制信号，自适应功率控制信号响应于自适应功率控制信号来控制激光器的驱动电流。

根据本发明的实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括向场景中多个点的每个点发射光学辐射的脉冲序列。在检测器阵列中接收从场景中的点反射的光学辐射，检测器输出指示所接收辐射的相应到达时间的信号。响应于输出信号找到点的相应飞行时间。通过统计响应于每个脉冲输出信号的检测器数量来控制所发射脉冲的功率，并在数量大于预定义的阈值时减小序列中后续脉冲的功率。

结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案，具有自适应发射功率控制的电光设备的示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案，所发射的脉冲束和所接收的脉冲束的示意图；以及

图3是根据本发明的一个实施方案，示意性地示出spad阵列和关联的控制电路和处理电路的框图。

具体实施方式

使用光达测量与场景中每个点的距离的质量在实际具体实施中常常受到一些环境、基础和制造方面的挑战的影响。环境挑战的示例是在室内和室外应用中都存在不相关的背景光，诸如太阳环境光，通常达到1w/(m²-nm)的光谱辐照度。基础挑战涉及光学信号在从场景表面反射时所引起的损耗，尤其是由于低反射率表面和有限光收集孔径以及电子和光子散粒噪声。这些限制常常产生不灵活的权衡关系，这可促使设计者采用涉及大光学孔径、高屈光度、窄视场(fov)、大体积机械构造、低帧速率以及对传感器在受控环境中的操作的限制的解决方案。

由于激光脉冲反射自的物体的反射率的变化距离，在不受控制的环境中，光达系统可能会遇到动态范围的问题。远距离低反射率物体需要高强度激光脉冲，但将导致接收从附近高反射率物体反射的辐射的检测器饱和。这种饱和继而导致检测器输出的信号中的时间偏置误差，其指示脉冲的到达时间，并因此扭曲对应的飞行时间的确定。偏置误差可达到1ns，对应于深度映射中15cm的误差。检测器阵列的饱和还可能扭曲场景反射率的测量结果。

本文所述的本发明的实施方案提供了一种用作光达的电光设备，其被构造成调节其激光功率，以防止由于饱和而导致的到达时间确定中的这种时间偏置误差。具体地讲，基于监测对应于给定激光脉冲的检测器的数量作为可能饱和的指标，调节激光功率。激光功率的这种自适应调节可能在扩展光达的动态范围时有用，动态范围即光达给出可靠读数的距离范围。防止检测器阵列饱和还支持对由光达测量的场景反射率的精确读取。

在公开的实施方案中，该电光设备包括激光器、检测器阵列以及控制器，控制器耦接到激光器和检测器阵列。控制器驱动激光器朝向场景发射光学辐射的脉冲序列，脉冲从场景反射到检测器阵列。检测脉冲的每个检测器向控制器发射信号，其中信号指示脉冲的到达时间。为了扫描场景中的点，该电光设备还可包括耦接到控制器的扫描器。

控制器监测其接收给定激光脉冲的信号所来自的检测器的数量，以便检测检测器的可能饱和。如下文将详细描述的，响应检测器的饱和可导致指示到达时间的信号失真，而该失真在深度映射中引入偏置误差。因此，当响应于给定脉冲输出信号的检测器的数量大于预定义的阈值时，控制器减小序列中后续脉冲的功率，以便减轻饱和，从而实现更精确的tof测量。

饱和的检测基于如下事实：从场景反射的激光脉冲在检测器阵列的区域上延伸，并且通常具有高斯或其他中央峰的辐照度的空间和时间分布。由于所谓的死区时间效应，阵列中的每个检测器通常将对从给定激光脉冲达到其的反射辐射的第一部分做出更有效的响应。(死区时间被定义为单光子检测器在检测到光子之后重新获得其标称检测效率需要的恢复时间。)理想的是，这些光子的到达时间将具有对应于脉冲的空间和时间扩展的统计扩展。随着激光强度增加，检测器“击发”(即，发射指示检测到光子的输出信号)的数量将增加；但只要没有饱和，分布应保持相同。因此，在饱和水平之前，击发检测器的数量将随着脉冲的峰值功率大致线性地缩放。

另一方面，饱和的特征将在于击发检测器数量过多，以及当多个光子入射到至少一些击发检测器上时，表观时间分布的(因此到达时间测量的)失真。时间失真是由死区时间造成的，因为检测到来自光学脉冲尾部的光子的概率取决于在同一脉冲的引导部分中未检测到任何光子的概率。统计上，随着每个检测器上的每脉冲入射光子的平均数量增加，所检测到的到达时间的所得时间分布朝向脉冲的前缘倾斜。

因此，控制器将响应于每个激光脉冲而激发的检测器的数量与特定阈值比较，阈值可以凭经验设定。如果比较表明检测器阵列不饱和，则控制器从接收自检测器阵列的信号得出飞行时间数据，并且计算场景深度。另一方面，如果比较表明检测器阵列饱和，则控制器向激光器发送以更低功率发送下一脉冲的命令。如果响应于该下一脉冲的比较仍指示饱和，则控制器在后续脉冲中保持衰减激光器的功率，直到检测器阵列不再饱和。此时，来自检测器阵列的信号被接受为到达时间的有效指示，并且使用基于这些信号的飞行时间数据来计算场景深度。

对于与场景中点的距离未知的情况(例如，对于第一次深度测量或在动态变化的场景中)，以激光器的最大发射功率发射朝向场景给定点的第一脉冲，以便即使该点很远或具有低反射率也能够接收到有效信号。然后，当击发检测器的数量超过阈值时，控制器根据需要衰减后续脉冲的功率。可以通过例如在每个阶跃中将激光功率减半，以固定的预先确定比率的阶跃来衰减功率。另选地，控制器可通过考虑例如单光子检测器的死区时间、检测器阵列中不饱和区域的空间范围和/或场景的范围来动态改变功率衰减的量。

上述测量序列(其中第一脉冲以最大发射功率发射)可针对场景的每个点重复。另选地，指向给定点的最终发射功率可用于相邻点，其中在与给定点相距预设数量的扫描点的距离处进行重置，重置到最大发射功率。

在一些实施方案中，检测器阵列包括单光子雪崩二极管(spad)，通过这种方式可有效地操作它。因此，为了简明和清晰起见，下面的描述将具体地涉及spad阵列，但本发明的原理可类似地应用于其他类型的检测器。

为了使所接收脉冲的检测与场景的扫描同步，控制器可动态地激活spad阵列中的spad的子集，使得该子集涵盖被成像到阵列上的反射激光脉冲的当前位置。(可通过与扫描激光束同步地适当设定spad的偏置电压来选择spad阵列的灵敏度区域并连同照明点一起扫描，例如，如2015年12月20日提交的美国专利申请14/975,790所述，其公开内容以引用方式并入本文。)可选择子集的大小以允许对激光束进行一些扫描而无需重新定义子集。控制器周期性地限定spad的新子集，再次将初始激光脉冲升高至最大水平，并且重新开始对激光饱和的测试序列以及随后的激光功率水平调节。

在另外的电光设备发射高功率激光脉冲的环境中，这些脉冲之一可能意外地到达光达的检测器阵列并使其饱和。光达的控制器可将这种饱和解释为归因于光达自身的发射激光功率，并因此将降低其激光功率。在一个实施方案中，为了避免此类错误动作，光达可配备有基于两个或三个连续接收的激光脉冲而不是仅一个来作出降低激光功率的决定的能力。

尽管下文所述的实施方案在决定是否降低激光脉冲强度时对击发检测器的数量使用单个阈值，但在另选的实施方案中，可定义多个阈值以实现若干水平的响应。可为每个阈值分配不同的功率衰减比率，并且通过分配到最高被超阈值的比率来衰减功率。在高水平饱和的情况下，将激光功率基于被超阈值衰减一个量，会更快地将激光功率调节至可接受的水平。在低饱和水平的情况下，避免了激光功率过于剧烈的衰减。

图1是根据本发明的一个实施方案，具有自适应发射功率控制的电光设备20的示意图。电光设备20包括光源22、接收器24和控制器26，控制器耦接到光源22和接收器24。(在本文中，术语“光”是指光学辐射，可处于可见、红外和紫外范围的任何范围中。)光源22包括激光器28和扫描器30。接收器24包括收集光学器件32和spad阵列34。

控制器26驱动激光器28发射光学辐射的脉冲，这些脉冲被扫描器30投影为所发射的脉冲束36并且在控制器26的控制下跨越场景38被扫描。为了简单起见，在这里示出场景38为抽象平坦表面，但一般来讲，映射的场景具有更复杂且可能动态的拓扑。所发射的脉冲束36的一部分被朝向接收器24反射，成为所接收的脉冲束40。所接收的脉冲束40由收集光学器件32收集并成像到spad阵列34上的位置42。

在场景38中的给定点的深度测量序列开始时，控制器26驱动激光器28以预定义的最大发射功率发射脉冲。控制器26与驱动扫描器30一起激活spad阵列34中的位置42周围的spad的子集(未示出)，使得所接收的脉冲束40完全位于spad的该子集内。控制器26接收由spad的激活子集输出的信号，并且通过将击发spad的数量与预先确定的阈值进行比较来确定子集中的击发spad的数量是否饱和。

当该数量超过阈值时，控制器26确定spad阵列饱和，并命令激光器28以较低发射功率发射下一脉冲。同样，控制器26将击发spad的数量与预先确定的阈值进行比较，并且调节激光器28的发射功率，直到达到该子集中击发spad的数量低于饱和阈值的这种发射功率水平。在脉冲序列中的这一点处，控制器26接受来自spad子集的信号作为飞行时间测量的有效信号，并据此估计场景38中被照明点的深度。控制器26可指示激光器28在该水平上发射多个脉冲，并且在此基础上，在扫描的同一点或后续点处进行多次连续深度测量。

当扫描器30继续在场景36上扫描所发射的脉冲束38时，控制器26周期性地将激光器28的发射功率重置为最大值。例如，可在spad阵列34上的位置42移动6-7个spad之后重置激光器功率。然后重复上述功率调节过程。

尽管为了简单起见，控制器26被示出为单独的一体元件，但在实践中，控制器26可包括与spad阵列34集成的分布式处理部件。spad阵列通常包括集成感测和处理电路，例如，如2015年8月20日提交的美国专利申请14/830,760(其公开内容以引用方式并入本文)以及上述美国专利申请14/975,790中所述。

图2是根据本发明的一个实施方案，所发射的脉冲束36和所接收的脉冲束40(参考图1中所示的元件)的示意图。所接收的脉冲束40从所发射的脉冲束36偏移飞行时间ttof的量。该图示出了饱和对所测量的飞行时间的可能影响，这种影响由本文所述的技术减轻。

为了展示饱和的影响，示意性示出了控制器26从spad在位置42处的激活子集接收的来自单个所接收脉冲48的信号。帧50示出了信号的两个示例：来自spad不饱和子集的信号52，以及来自spad饱和子集的信号54。由于与场景38上被测点的距离和所发射脉冲的发射功率之间有适当匹配，在脉冲48充分低时获得信号52。由于针对与场景38被测点的给定距离，激光器28的发射功率过高，在导致所接收脉冲48的所发射脉冲功率过高时，获得信号54。与信号52相比，信号54的窄且偏移的轮廓是因为大多数或所有被激活spad由于所接收的高辐照度脉冲48的前导光子而在非常短的时间内击发。从信号52和54确定的到达时间之间的差值为偏置误差56，其量值取决于所接收的脉冲48的功率。偏置误差56的值可达到1ns，这在确定到达时间时转化为1ns的误差，这继而在确定场景38在被测点处的深度时转化为15cm的误差。

图3是根据本发明的一个实施方案的框图，示意性地示出了spad阵列34和关联的控制电路和处理电路。所示电路处理来自spad阵列34的信号并控制激光器28(图1)。图3中所示的控制电路和处理电路可被认为是图1所示的控制器26的部件。

检测器芯片58包括spad阵列34以及控制器26的元件，包括流水线加法器64、(数字)比较器66、脉冲发生器68、数字信号处理(dsp)电路70和读出电路72。激光器驱动器芯片73包括驱动电流控制器74。处理器96耦接到检测器芯片58(明确示出了耦接到比较器66、脉冲发生器68以及读出电路72)、激光器驱动器芯片73和扫描器30(未示出)。在检测器芯片58之内，流水线加法器64被耦接以选择性地读出spad阵列34的当前子集78内的spad79，并且将结果馈送至比较器66和dsp电路70。比较器66经由处理器96进一步耦接或直接耦接到脉冲发生器68，脉冲发生器继而耦接到激光器驱动控制器74和处理器96。dsp电路70进一步耦接到读出电路72，读出电路继而耦接到处理器96。

另选地，处理器96耦接至激光器驱动器电流控制器74，因此消除了将脉冲发生器68耦接到激光器驱动器电流控制器74的需要。为了减少比较器66和激光器驱动器电流控制器74之间的定时延迟，脉冲发生器66可直接耦接到激光器驱动器电流控制器74。脉冲发生器68提供接口功能，检测器芯片58通过该接口功能输出可轻松被激光器驱动器电流控制器74和处理器96检测的有限持续时间的电压或电流脉冲。脉冲发生器68的接口功能避免了可能由比较器66的输出处的电压脉冲太短而无法传播到检测器芯片58外部导致的可能问题。

进一步参见图1中所示的元件，所发射的脉冲束36通过来自控制器26的命令由激光器28发射，并且被场景38反射，成为所接收的脉冲束40。所接收的脉冲束40照亮spad阵列34在位置42处的区域。在控制扫描器30以限定所发射的脉冲束36的方向时，控制器26还激活spad阵列34在位置42周围的对应子集78，并且将流水线加法器64的输入配置为连接到子集78中的spad79。

当spad阵列34接收到所接收的脉冲束40的脉冲时，流水线加法器64添加子集78中已击发的spad的数量(未在spad79中明确示出)，并且将该数量作为数值信号80传输到比较器66的输入。比较器66的另一输入是由处理器96确定的阈值82。如果比较器66确定信号80超过信号82，即，子集78中击发spad的数量高于控制器确定的阈值(指示子集78的饱和)，比较器向脉冲发生器68发出命令信号84。脉冲发生器68在接收信号84时发出自适应功率控制信号86以驱动电流控制器74，电流控制器作为响应，使激光器驱动电流88衰减由处理器96确定的量。一旦处理器96通过监测上述信号确定子集78中的击发spad的数量不饱和，并且因此无需进一步衰减激光器驱动电流88，则其从读出电路72读取输出信号90，该输出信号现在代表有效的飞行时间信号。

参见图3中的所发射的脉冲束36和所接收的脉冲束40，激光器28以其最高功率发射第一发射脉冲36a，从而产生第一接收脉冲40a。在本实施例中，第一接收脉冲40a使子集78中的击发spad的数量饱和。这会引起第二发射脉冲36b的功率通过上述电路和信号处理被衰减预先确定的衰减因子，例如两倍，导致第二所接收的脉冲40b比第一所接收的脉冲40a的功率低两倍。在图3所示的实施方案中，第二所接收的脉冲40b仍然使子集78中的击发spad的数量饱和，从而需要将脉冲功率再次减半。所得的第三所接收的脉冲40c不再使子集78中的击发spad的数量饱和，并且信号90被处理器96接受为飞行时间的有效信号。在图示的实施例中，激光器28以与所发射的脉冲36c相同的功率发射三个额外的所发射的脉冲36d，从而得到所接收的脉冲40d，用于提高飞行时间信号90中的信噪比(snr)。

如上所述，可简单地丢弃显示饱和标志的高强度脉冲的tof测量值，但另选地，这些饱和测量值可在某些点处被并入到深度图中。例如，在附近目标和更远目标之间的场景中的边缘处，来自更近目标的高强度脉冲的反射将引起饱和，但仍可提供关于更远目标的有用tof信息。为了应对这种状况，即使在饱和的情况下，也可在高强度脉冲之后累积针对更长距离的tof测量。这些高强度测量值可与更短距离的低强度不饱和测量值组合，以增强深度图中的边缘分辨率。

虽然公开的实施方案使用两倍因子衰减相继所发射的脉冲36的功率，但在本发明的另选实施方案中可使用其他因子，以及其他序列来衰减所发射的脉冲36的功率。另选地，处理器96可通过考虑例如spad的死区时间、子集78中不饱和区域的空间范围和/或场景38的范围来动态改变功率衰减的量。

虽然上文所述的实施方案具体地涉及spad的阵列，但本发明的原理可类似地应用于其他类型的单光子检测器，以及在盖革模式中操作的其他辐射传感器。因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种电光设备，所述电光设备包括：

激光器，所述激光器被配置为朝向场景发射光学辐射的脉冲；

单光子检测器阵列，所述单光子检测器阵列被配置为接收从所述场景中的点反射的所述光学辐射并输出指示所接收的辐射的相应到达时间的信号；和

控制器，所述控制器被耦接以驱动所述激光器朝所述场景中的多个点中的每个点发射所述光学辐射的脉冲序列，并且响应于输出信号来找到所述点的相应飞行时间，同时通过统计响应于每个脉冲而输出所述信号的检测器的数量并在响应于给定脉冲而输出所述信号的检测器的数量大于预定义的阈值时，减小所述序列中后续脉冲的功率，来控制所述激光器发射的脉冲的功率。

2.根据权利要求1所述的电光设备，其中所述单光子检测器为单光子雪崩检测器(spad)。

3.根据权利要求1所述的电光设备，其中所述控制器被配置为将所述序列中的所述后续脉冲的所述功率减小至少一个预先确定的衰减因子。

4.根据权利要求3所述的电光设备，其中所述控制器被配置为在预先确定的比率的多个步骤中衰减后续脉冲的功率，直到输出所述信号的所述检测器的数量降至所述预定义的阈值以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电光设备，还包括扫描器，所述扫描器被配置为跨越所述场景扫描所述光学辐射的脉冲。

6.根据权利要求5所述的电光设备，其中所述控制器被配置为基于在扫描所述脉冲时在所述多个点处发现的相应飞行时间来构造所述场景的深度图。

7.根据权利要求5所述的电光设备，其中所述控制器被配置为，与扫描所述脉冲同步，在所述阵列中接收每个点处反射的光学辐射的位置处激活检测器的相应子集。

8.根据权利要求5所述的电光设备，其中所述控制器被配置为将所述点中的一些点处的所述脉冲的所述功率设定为在扫描所述脉冲时在先前点处使用的减小的功率。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的电光设备，其中所述控制器包括：

加法器，所述加法器被耦接以接收来自所述检测器的所述信号并输出指示输出信号的所述检测器的数量的数值信号；

比较器，所述比较器被配置为将来自所述加法器的所述数值信号与预先确定的阈值进行比较，并且在该信号超过所述预先确定的阈值时生成命令信号；和

脉冲发生器，所述脉冲发生器响应于所述命令信号产生自适应功率控制信号，其响应于所述自适应功率控制信号来控制所述激光器的驱动电流。

10.一种用于感测的方法，所述方法包括：

向所述场景中多个点中的每个点发射光学辐射的脉冲序列；

在单光子检测器阵列中接收从所述场景中的点反射的所述光学辐射，所述单光子检测器阵列输出指示所接收的辐射的相应到达时间的信号；

响应于输出信号找到所述点的相应飞行时间；和

通过统计响应于每个脉冲而输出信号的检测器的数量并在响应于给定脉冲而输出所述信号的检测器的数量大于预定义的阈值时，减小所述序列中后续脉冲的功率，来控制所发射的脉冲的功率。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述单光子检测器为单光子雪崩检测器(spad)。

12.根据权利要求10所述的方法，其中控制所述功率包括将所述序列中的所述后续脉冲的功率减小至少一个预先确定的衰减因子。

13.根据权利要求12所述的方法，其中减小所述功率包括在预先确定的比率的多个步骤中衰减后续脉冲的功率，直到输出所述信号的所述检测器的数量降至所述预定义的阈值以下。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中发射所述脉冲序列包括跨越所述场景扫描所述光学辐射的脉冲。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于在扫描所述脉冲时在所述多个点处发现的所述飞行时间来构造所述场景的深度图。

16.根据权利要求14所述的方法，其中接收所述光学辐射包括，与扫描所述脉冲同步，在所述阵列中接收每个点处的反射的光学辐射的位置处激活检测器的相应子集。

17.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述功率包括将所述点中的一些点处的所述脉冲的功率设定为在扫描所述脉冲时在先前点处使用的减小的功率。

18.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中控制所述功率包括：

接收来自所述检测器的所述信号并输出指示输出信号的所述检测器的数量的数值信号；

将所述数值信号与预先确定的阈值进行比较，并且在所述信号超过所述预先确定的阈值时生成命令信号；和

响应于所述命令信号产生自适应功率控制信号，所述自适应功率控制信号控制发射所述脉冲的激光器的驱动电流。