基于前导脉冲的LiDAR系统和方法与流程

本发明涉及光探测和测距(light detection and ranging，lidar)系统，更具体地涉及基于前导脉冲的lidar系统和方法。

背景技术：

1、现有技术中已经提出并实现了几种用于辅助车辆导航和/或控制的计算机导航系统。这些系统包括更基本的地图辅助定位技术方案(即使用计算机系统来协助驾驶员导航从起点到目的地点的路线)，还包括更复杂的技术方案，例如计算机辅助和/或驾驶员自动驾驶系统。

2、其中一些系统通常称为“巡航控制(cruise control)”系统。在这些系统中，安装在车辆上的计算机系统保持用户设定的车速。一些巡航控制系统实施“智能距离控制”系统，用户可以凭借这个系统设置与前方可能存在的汽车的距离(例如，选择以车辆数量表示的值)，计算机系统至少部分地根据在预定距离内靠近前方可能存在的车辆的车辆调整车速。一些巡航控制系统还配备有碰撞控制系统，碰撞控制系统在检测到移动车辆前面存在车辆(或其他障碍物)时使车辆减速或停止。

3、一些更先进的系统，例如高级驾驶员辅助系统(advanced driver assistancesystem，adas)，在开发半自动和/或全自动驾驶车辆的同时，在汽车行业中获得了大量关注。这类车辆可以在最低限度或甚至没有操作员(即驾驶员)的直接控制的情况下运行。这些自动驾驶车辆包括能够使车辆加速、减速、停止、变道和自动泊车的系统。

4、实施上述系统的主要技术挑战之一是检测位于车辆周围的物体。在一个示例中，系统可能需要能够检测当前车辆(车载有系统的当前车辆)前面的车辆，前面的车辆可能对当前车辆构成风险/危险，并且可能要求系统采取纠正措施，无论是减速还是以其它方式变速、停止或变道。

5、通常，adas使用一套传感器来检测和分类位于限定的感兴趣区域(region ofinterest，roi)中的不同物体。adas使用的传感器之一是光探测和测距(light detectionand ranging，lidar)传感器。在基于lidar的系统中，通过向roi发射光脉冲，并且使用检测器测量反射光脉冲，可以检测到车辆周围的物体。在窄波长内发射光脉冲的激光器通常作为光源。物体的位置和距离可以使用发射和检测到的光脉冲的飞行时间(time-of-flight，tof)计算结果计算得到。通过计算诸如“数据点”这样的位置，可以生成周边环境的数字多维表示。

6、可以很好确定，反射光脉冲的功率与光脉冲经过的距离的平方成反比。此外，与由基于lidar的系统生成和发射的光脉冲相关联的功率必须满足可接受的暴露限值(admissible exposure limit，ael)。具体地，ael对激光脉冲的功率进行了限制，以使激光脉冲对眼睛安全。因此，ael是波长、重复率和每脉冲能量的复杂函数。为此，由于信噪比(signal to noise ratio，snr)低，检测长距离物体有困难。虽然增加发射脉冲功率会提高snr，但由于眼睛安全，发射脉冲功率受到ael的限制。

7、话虽如此，人们还是对开发基于lidar的系统感兴趣，这种系统既具有高snr，又对眼睛安全。

8、通常，存在几种方法和系统用于确定lidar系统到物体的距离。例如，2018年3月29日公开的且目前转让给okeeffe james thomas的us 20180088214 a1描述了激光测距仪在视场角的自适应强度区域中生成强度大于阈值强度(例如大于眼睛安全强度)的高强度激光脉冲。所述激光测距仪还在围绕所述高强度激光脉冲的保护区(例如保护环)中生成低强度(例如眼睛安全)激光脉冲。所述保护区位于所述fov中，使得通往所述自适应强度区域的入口路径必须首先穿过低强度保护区。所述激光测距仪分析来自所述保护区的激光反射，以改进物体入侵所述自适应强度区域的及时预测，从而提供时间来确定物体轨迹或物体分类。在确定物体很可能与所述高强度激光脉冲相交时，所述激光测距仪可以停止所述高强度激光脉冲，而是生成小于阈值强度的激光脉冲(例如眼睛安全强度激光脉冲)。

9、2015年2月3日公开的且目前转让给德国的airbus ds electronics and bordersecurity gmbh的us 8948591 b2描述了一种在飞机上的dircm系统中以眼睛安全的方式操作脉冲干扰激光器的方法。一种接收装置用于接收所述干扰激光器发射的脉冲的回波，并且估算这些回波，以确定物体是否位于激光束中为所述dircm系统规定的激光安全距离内。在所述干扰激光器的使用过程中，在相应的时间段δt内启用激光束的发射，只有在相应的前一时间段δt内在所述激光安全距离内没有发现物体时，才启用相应的后一时间段δt的发射。

10、2015年9月1日公开的且目前转让给加利福尼亚的waymo llc有限责任公司的us9121703b1描述了用于控制激光设备操作的示例性方法和系统。一种方法可以包括：接收位于激光设备附近的接近传感器的输出；根据所述接近传感器的输出确定物体在到所述激光设备的阈值距离内。所述方法还可以包括：根据发射激光脉冲的所述激光设备，计算设备根据所述物体在所述阈值距离内指示停止所述激光设备发射激光脉冲。所述方法还可以包括：根据所述激光设备不激活，所述计算设备根据所述物体在所述阈值距离内指示避免所述激光设备发射激光脉冲。

技术实现思路

1、根据本发明的第一广泛的方面，提供了一种lidar系统。所述lidar系统包括：辐射源，用于向感兴趣区域(region of interest，roi)发射光脉冲；检测器，用于检测从所述roi反射出的光脉冲；以通信方式耦合到所述辐射源和所述检测器的处理器，用于：使得所述辐射源向所述roi发射具有能量ep和脉冲宽度w1的前导光脉冲；确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述roi中是否存在物体；响应于确定所述roi中存在物体，使得所述辐射源向所述roi发射具有能量el和脉冲宽度w2的扫描光脉冲；响应于确定所述roi中不存在物体，使得所述辐射源向所述roi发射具有能量eh和所述脉冲宽度w2的扫描光脉冲。

2、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述能量ep小于所述能量el，所述能量el小于所述能量eh，所述能量eh小于或等于峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值)。

3、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述能量el＝标准可接受的暴露限值ael标准平均值–ep。

4、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述能量eh＝minimum(新可接受的暴露限值(ael新平均值)，峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值))。

5、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述脉冲宽度w1小于所述脉冲宽度w2。

6、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。

7、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值)、所述宽度w2和重复频率f计算得到。

8、根据本发明的其它或任一上述方面，所述lidar系统还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。

9、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述能量ep根据最小估计信噪比(signal-to-noise，snr)计算得到。

10、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar系统，所述最小snr通过neymanpearson检测器估计出。

11、根据本发明的第二广泛的方面，提供了一种lidar方法。所述lidar方法包括：辐射源向感兴趣区域(region of interest，roi)发射光脉冲；检测器检测从所述roi反射出的光脉冲；以通信方式耦合到所述辐射源的处理器使得所述辐射源向所述roi发射具有能量ep和脉冲宽度w1的前导光脉冲；以通信方式耦合到所述检测器的所述处理器确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲以及所述roi中是否存在物体；响应于确定所述roi中存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述roi发射具有能量el和脉冲宽度w2的扫描光脉冲；响应于确定所述roi中不存在物体，所述处理器使得所述辐射源向所述roi发射具有能量eh和所述脉冲宽度w2的扫描光脉冲。

12、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述能量ep小于所述能量el，所述能量el小于所述能量eh，所述能量eh小于或等于峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值)。

13、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述能量el＝标准可接受的暴露限值ael标准平均值–ep。

14、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述能量eh＝minimum(新可接受的暴露限值(ael新平均值)，峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值))。

15、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述脉冲宽度w1小于所述脉冲宽度w2。

16、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述处理器等待预定持续时间以确定所述检测器是否检测到所述前导光脉冲，所述预定持续时间根据最佳前导距离计算得到。

17、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述最佳前导距离根据所述光脉冲的所述峰值可接受的暴露限值(ael每脉冲峰值)、所述宽度w2和重复频率f计算得到。

18、根据本发明的其它或任一上述方面，所述lidar方法还包括：省略在所述预定持续时间之后接收到的前导光脉冲。

19、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述能量ep根据最小估计信噪比(signal-to-noise，snr)计算得到。

20、根据本发明的其它或任一上述方面所述的lidar方法，所述最小snr通过neymanpearson检测器估计出。

21、通过以下描述、附图和所附权利要求书，本发明实现方式的其它和/或替代性特征、方面和优点将变得显而易见。