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CN112698351A - 光探测和测距系统、其操作方法和包括其的运载工具 - Google Patents

光探测和测距系统、其操作方法和包括其的运载工具 Download PDF

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CN112698351A CN202011144206.3A CN202011144206A CN112698351A CN 112698351 A CN112698351 A CN 112698351A CN 202011144206 A CN202011144206 A CN 202011144206A CN 112698351 A CN112698351 A CN 112698351A
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P-Y.德罗兹
R.谢帕德
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Abstract

本公开涉及光探测和测距系统(LIDAR)、该光探测和测距系统的操作方法以及包括该光探测和测距系统的运载工具，该光探测和测距系统可以包括被配置为绕第一轴线旋转的可旋转基座和联接到该可旋转基座的折射光学窗口。折射光学窗口包括平坦窗口部分和棱镜窗口部分、或弯曲的折射光学窗口。LIDAR系统可以另外包括联接到可旋转基座的镜组件。镜组件包括多个反射表面。镜组件被配置为绕第二轴线旋转。第二轴线基本垂直于第一轴线。LIDAR系统还包括联接到可旋转基座的光发射器装置。光发射器装置被配置为发射光脉冲，该光脉冲与镜组件和折射光学窗口相互作用以使得光脉冲被引导到LIDAR系统的环境内的第一视场中。

Description

光探测和测距系统、其操作方法和包括其的运载工具
技术领域
本发明涉及光探测和测距系统、该光探测和测距系统的操作方法以及包括该光探测和测距系统的运载工具。
背景技术
传统的光探测和测距(LIDAR)系统可以利用光发射传输器(例如激光二极管)将光脉冲发射到环境中。与环境中的物体相互作用(例如从环境中的物体反射)的所发射的光脉冲可以被LIDAR系统的接收器(例如光电探测器)接收。关于环境中的物体的范围(range)信息可以基于光脉冲被发射的初始时间与所反射的光脉冲被接收的后续时间之间的时间差来确定。
发明内容
本公开总体上涉及光探测和测距(LIDAR)系统，其可以被配置为获得关于环境的信息。这样的LIDAR装置可以在诸如自主和半自主汽车、卡车、摩托车的运载工具中以及在其各自的环境中能够移动的其它类型的运载工具中实现。
在第一方面，提供了一种光探测和测距(LIDAR)系统。LIDAR系统包括配置为绕第一轴线旋转的可旋转基座和联接到可旋转基座的折射光学窗口。折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口。LIDAR系统还包括联接到可旋转基座的镜组件(mirror assembly)。LIDAR系统包括联接到可旋转基座的光发射器装置。光发射器装置被配置为发射光脉冲，该光脉冲与镜组件和折射光学窗口相互作用以使得光脉冲被引导到LIDAR系统的环境内的第一视场中。
在第二方面，提供了一种方法。该方法包括使光发射器装置发射光脉冲。光脉冲的第一部分与折射光学窗口相互作用，使得光脉冲被引导到环境内的第一视场中。折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口。该方法还包括从第一视场接收所反射的光脉冲的至少第一部分作为第一被检测的光信号。该方法进一步包括基于第一被检测的光信号来确定指示第一视场内的物体的第一点云。
在第三方面，提供了一种运载工具。该运载工具包括光探测和测距(LIDAR)系统，该系统包括配置为绕第一轴线旋转的可旋转基座。LIDAR系统还包括联接到可旋转基座的折射光学窗口。折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口。运载工具另外包括联接到可旋转基座的镜组件。LIDAR系统另外包括联接到可旋转基座的光发射器装置。光发射器装置被配置为发射光脉冲，该光脉冲与镜组件和折射光学窗口相互作用以使得光脉冲被引导到LIDAR系统的环境内的第一视场中。
通过在适当的情况下参考附图阅读以下详细描述，其它方面、实施方式和实现方式对于本领域普通技术人员将变得明显。
附图说明
图1示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图2A示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图2B示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图2C示出了根据一示例实施方式的图2A的LIDAR系统的一部分。
图2D示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图3A示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图3B示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统。
图4A示出了根据一示例实施方式的操作场景。
图4B示出了根据一示例实施方式的操作场景。
图5A示出了根据一示例实施方式的运载工具。
图5B示出了根据一示例实施方式的运载工具。
图5C示出了根据一示例实施方式的运载工具。
图5D示出了根据一示例实施方式的运载工具。
图5E示出了根据一示例实施方式的运载工具。
图6示出了根据一示例实施方式的操作场景。
图7示出了根据一示例实施方式的方法。
具体实施方式
在这里描述了示例方法、装置和系统。应理解，词语“示例”和“示例性”在这里被用来表示“用作一示例、例子或例证”。在这里被描述为“示例”或“示例性”的任何实施方式或特征不必被解释为比其它实施方式或特征优选或有利。在不脱离在这里呈现的主题的范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以进行其它改变。
因此，在这里描述的示例实施方式并不意味着是限制性的。如在这里大体上描述的以及在附图中示出的本公开的各方面可以以多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在这里被考虑。
此外，除非上下文另有提议，否则在每个附图中示出的特征可以彼此组合使用。因此，在理解了并非所有图示特征对于每个实施方式都是必要的情况下，附图通常应被视为一个或更多个总体实施方式的组成方面。
I.概述
自主和半自主运载工具可以通过基于LIDAR点图绘制出运载工具的环境而利用三维(3D)LIDAR系统进行导航。然而，传统的LIDAR具有“盲点”，诸如可以看到的有限范围的高度(elevation)，在LIDAR下方留下了一圆锥形，在该圆锥形内其无法感测物体。
LIDAR系统可以通过测量在第一时间(例如光脉冲被发射的时间)和第二时间(例如光脉冲在与环境相互作用之后被接收的时间)之间的往返时间来获得关于环境的空间范围信息。在一示例实施方式中，LIDAR系统可以经由光学窗口将多个光脉冲发射到环境中。也就是，光脉冲可以朝向环境中的物体透射穿过光学窗口。
在一些示例实施方式中，光学窗口可以被布置为调节透射穿过其的光脉冲的各种性能。例如，在光脉冲通常在80度角范围内入射的场景中，光学窗口可以被成形或以其它方式布置为在光脉冲透射到环境中时提供更宽的角范围。
在一示例实施方式中，光学窗口可以包括棱镜，该棱镜被配置为与“平坦”光学窗口相比在旋转角度范围内散布光脉冲。在其它实施方式中，光学窗口可以被分成两个或更多个部分。第一部分可以包括平坦窗口，第二部分可以包括棱镜型窗口。在一些实施方式中，光学窗口可以弯曲或以其它方式成形以提供期望的光脉冲角度范围。在一示例实施方式中，光学棱镜元件可以被附接到平坦窗口或以其它方式光学耦接到平坦窗口。在这样的场景中，光学棱镜元件可以用折射率匹配胶水(例如环氧树脂)被胶合到平坦窗口。
在示例实施方式中，不同的窗口部分可以通过变黑的(例如不透明的)材料分开。在这样的场景中，将光学窗口的两个部分分开的不透明材料的宽度可以比光束宽度宽，从而避免沿不同方向射出两个光脉冲，沿不同方向射出两个光脉冲可能导致不明确(ambiguous)或不正确的范围信息。另外地或备选地，不透明材料可以提供在不引起光束分裂的情况下接近非不透明区域的边缘射出光脉冲的能力。与没有不透明材料的情况相比，这在过渡部分(transition)附近提供了更宽的视场。在这样的场景中，碰撞不透明区域的光束会损失一些功率，因此会损失一些范围。
在一些实施方式中，棱镜型窗口可以向光脉冲添加像散或其它类型的畸变。为了补偿这些影响，可以添加另外的窗口层，从而减少或减轻失真。
在一些实施方式中，一个或更多个光学窗口可以由模制塑料(例如丙烯酸)形成。然而，其它材料(例如玻璃、石英、蓝宝石等)也被考虑且是可能的。
在这里公开的LIDAR系统可以在机器视觉和/或感知应用中使用。附加地或备选地，在一些实施方式中，LIDAR系统可以被用于运输应用(例如半自主或全自主运载工具)或机器人、安全和/或仓库相关的应用。
II.示例系统
图1示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统100。LIDAR系统100被配置为向环境中发射光脉冲，以便提供指示在第一视场180以及可选地第二视场182内的物体的信息。在一些实施方式中，第一视场180和第二视场182不完全重叠。作为示例，第一视场180可以包括第一仰角范围，第二视场182包括第二仰角范围。在这样的场景中，第一仰角范围可以大于第二仰角范围。也就是，与第二视场182相比，发射到第一视场180中的光脉冲被发射到更大的角展度。例如，第一仰角范围可以大于80度(例如95度、105度等)，第二仰角范围可以是80度或更小。将理解，其它仰角范围是可能的并且被考虑。在一些实施方式中，第一视场180可以具有两个或更多个连续的角度范围(例如“分裂”视场)。
在一些示例实施方式中，LIDAR系统100可以包括被配置为绕第一轴线旋转的可旋转基座110。可旋转基座110可以包括或可以联接到基座致动器112。在一些实施方式中，基座致动器112可以是直流(DC)电机、无刷电机或其它类型的旋转致动器。在一些示例中，可旋转基座110可以被配置为在200每分钟转数(RPM)和800RPM之间绕第一轴线旋转。将理解，可旋转基座110可以以其它旋转速度操作。例如，可旋转基座110可以绕第一轴线以3Hz-15Hz之间的旋转速率旋转。在一些实施方式中，基座致动器112可以由控制器150控制从而以期望的旋转速度旋转。在一些实施方式中，LIDAR系统100不需要包括可旋转基座。在这样的场景下，壳体160内的LIDAR系统100的一个或更多个元件可以被配置为绕第一轴线旋转。然而，在其它情况下，LIDAR系统100的一些元件不需要绕第一轴线旋转。因此，在这样的实施方式中，除其它可能性外，LIDAR系统100可以被用于线扫描应用中。
LIDAR系统100还包括镜组件(mirror assembly)130。镜组件130被配置为绕第二轴线旋转。在这样的场景中，第二轴线可以基本垂直于第一轴线(例如在垂直于第一轴线的0度至10度内)。在一些实施方式中，镜组件130包括多个反射表面132。另外，镜组件130可以包括轴134和被配置为安装所述多个反射表面132的多面镜。镜组件130可以还包括镜致动器136，其可以是DC电机、无刷电机或其它类型的旋转致动器。在这样的场景中，镜致动器136联接到轴134。在一些实施方式中，镜致动器136可以被配置为使多面镜以20,000RPM和40,000RPM之间的旋转速度绕第二轴线旋转。将理解，镜致动器136可以以可由控制器150控制的各种旋转速度或期望的旋转速度操作。
在这样的场景中，所述多个反射表面132可以包括关于第二轴线对称布置的三个反射表面，使得镜组件130的至少一部分具有三角柱形状。将理解，镜组件130可以包括多于或少于三个的反射表面。因此，镜组件130可以被成形为具有多于或少于三个的反射表面的多面棱镜形状。例如，镜组件130可以具有四个反射表面。在这样的场景中，镜组件130可以具有正方形或矩形横截面。
LIDAR系统100另外包括联接到可旋转基座110的光学腔120。在这样的场景中，光学腔120包括布置成限定光接收轴线的光电探测器122和光电探测器透镜124。这样，光电探测器122和光电探测器透镜124的布置提供光接收轴线。在一些实施方式中，光电探测器122包括硅光电倍增器(SiPM)。然而，其它类型的光电探测器，诸如雪崩光电二极管(APD)，可以被考虑。此外，尽管光电探测器122在这里以单数形式被描述，但是将理解，结合了多个光电探测器的系统，诸如焦平面阵列，也是可能的并且可以被考虑。
在示例实施方式中，光电探测器122可以向控制器150提供输出信号。例如，输出信号可以包括指示给定光脉冲朝向环境的视场的给定部分的飞行时间的信息。附加地或备选地，输出信号可以包括指示环境的范围图或点云的至少一部分的信息。
例如，在示例实施方式中，光电探测器122被配置为通过折射光学窗口162接收所反射的光脉冲的第一部分，从而提供指示第一视场180内的物体的信息。此外，光电探测器122可以进一步配置为通过第二光学窗口168接收所反射的光脉冲的第二部分，从而提供指示第二视场182内的物体的信息。
LIDAR系统100还包括光发射器装置126和光发射器透镜128，它们被布置为限定光发射轴线。光发射器装置126可以包括激光二极管或其它类型的光发射器。在一些实施方式中，光发射器装置126可以联接到可操作以使光发射器装置126发射一个或更多个激光脉冲的激光脉冲器电路。在这样的场景中，激光脉冲器电路可以联接到触发源，该触发源可以包括控制器150。光发射器装置126可以被配置为发射红外光(例如具有在800-1600纳米之间的波长的光)。然而，其它波长的光也是可能的并且被考虑。
在一些实施方式中，光发射器装置126被配置为(通过光发射器透镜128)发射光脉冲，该光脉冲与镜组件130和折射光学窗口162相互作用以使得光脉冲被朝向环境(例如运载工具的外部环境)内的第一视场重定向。在这样的场景中，光脉冲的至少一部分被朝向LIDAR系统100反射回并(经由光电探测器透镜124)被光电探测器122接收，从而确定范围或点云中的至少一个。
LIDAR系统100的至少一个光源(例如光发射器装置126)可以被配置为发射光脉冲。所发射的光脉冲与环境相互作用以提供返回的光脉冲。LIDAR系统100的至少一个检测器(例如光电探测器122)可以被配置为检测返回的光脉冲的至少一部分。
LIDAR系统100的壳体160包括联接到可旋转基座110的折射光学窗口162。在一示例实施方式中，折射光学窗口162包括平坦窗口部分164和棱镜窗口部分166。
附加地或备选地，折射光学窗口162可以包括弯曲的折射光学窗口167。弯曲的折射光学窗口167例如可以包括厚度连续可变的光学窗口。在这样的场景中，弯曲的折射光学窗口167可以具有作为相对于镜组件130的仰角的函数的连续变化的光功率。其它类型的弯曲的折射光学窗口也是可能的并且被考虑。在一些实施方式中，弯曲的折射光学窗口167可以使视场“伸展”和/或可以用作可变棱镜。换句话说，弯曲的折射光学窗口167可以提供扩展的视场(与平坦光学窗口相比)作为光束质量的某些损失或劣化的交换。例如，至少部分地由于光学窗口的弯曲区域，所透射的光束可以表现出像散和其它光学像差。弯曲的折射光学窗口167可以包括平坦部分和弯曲部分，其可以被布置为扩展、压缩或非线性地重新映射来自镜组件130的扫描角。
折射光学窗口162可以关于具有波长(诸如所发射的光脉冲的波长)的光是基本透明的。例如，折射光学窗口162可以包括透明材料，该透明材料被配置为以大于80％的透射效率透射在红外波长范围内的所发射的光脉冲。在一些实施方式中，壳体160可以包括多于一个的折射光学窗口162。
在一些实施方式中，棱镜窗口部分166包括以下至少之一：楔形棱镜、等边棱镜、利特罗棱镜、直角棱镜、五角棱镜、半五角棱镜或菱形棱镜。
在各个实施方式中，折射光学窗口167可以光学耦合到至少一个校正光学元件176。校正光学元件176可以被配置为对所发射的光脉冲执行至少一个光学校正。在这样的场景中，所述至少一个光学校正可以包括以下至少之一：像散校正、焦点校正、散焦校正或束角校正。例如，校正光学元件176(例如准直光学器件)可以光学耦合到光发射器装置126、光发射器透镜128、光电探测器122和/或光电探测器透镜124。这样的校正光学元件176可以被配置为补偿或校正由折射光学窗口162或系统100的光路中的其它元件引入的光学像差(例如，因弯曲的光学元件的连续改变的光功率而由折射光学窗口162引入的光学像差)。将理解，可配置成与所发射的光脉冲相互作用和/或将光脉冲重定向到第一视场180中的其它类型的光学元件也是可能的。
在示例实施方式中，折射光学窗口162的至少一部分(例如棱镜窗口部分166、平坦窗口部分164或弯曲的折射光学窗口167)可以由以下至少之一形成：聚合物材料(例如聚碳酸酯、丙烯酸等)、玻璃、石英或蓝宝石。将理解，关于红外光基本透明的其它光学材料也是可能的并且被考虑。在一些实施方式中，棱镜窗口部分166可以通过折射率匹配材料被联接到平坦窗口部分164。作为示例，折射率匹配材料可以包括环氧树脂材料或其它类型的光学折射率调节粘合剂或固定剂。附加地或备选地，棱镜窗口部分166可以是单个的非结合部件。
在一些实施方式中，不透明材料165可以布置在平坦窗口部分164和棱镜窗口部分166之间。作为示例，不透明材料165可以包括黑胶带、吸收性涂料、炭黑、或其它类型的光学不透明的抗反射表面或材料。
在一些实施方式中，LIDAR系统100的壳体160可以包括联接到可旋转基座110的第二光学窗口168。第二光学窗口168可以布置在壳体160的与折射光学窗口162基本相反的一侧。然而，光学窗口的其它布置也是可能的并且被考虑。第二光学窗口168包括平坦窗口。在这样的场景中，光发射器装置126被配置为发射光脉冲，该光脉冲与镜组件130和第二光学窗口168相互作用以使得光脉冲被引导到LIDAR系统100的环境内的第二视场182中。类似于折射光学窗口162，第二光学窗口168可以关于具有波长(诸如所发射的光脉冲的波长)的光是基本透明的。例如，第二光学窗口168可以包括透明材料，该透明材料被配置为以大于80％的透射效率来透射在红外波长范围内的所发射的光脉冲。在一些实施方式中，壳体160可以包括多于一个的第二光学窗口168。此外，将理解，在一些实施方式中，第二光学窗口168可以是多元窗口(例如，类似于折射光学窗口162，具有棱镜窗口部分、平坦窗口部分和/或弯曲窗口部分)。
在一些实施方式中，通过相应的光学窗口(例如折射光学窗口162和第二光学窗口168)发射或透射的光脉冲可以在环境中形成不对称的光发射图案。例如，通过折射光学窗口162发射的光脉冲在第一发射角范围内发射，通过第二光学窗口168发射的光脉冲在第二发射角范围内发射。在这样的场景中，非对称光发射图案通过第一发射角范围不同于第二发射角范围来提供。此外，在一些实施方式中，通过折射光学窗口162发射的光脉冲可以提供如图3A所示的分离的视场。
LIDAR系统100包括控制器150。在一些实施方式中，控制器150包括现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)中的至少一个。附加地或备选地，控制器150可以包括一个或更多个处理器152和存储器154。所述一个或更多个处理器152可以包括通用处理器或专用处理器(例如数字信号处理器等)。所述一个或更多个处理器152可以被配置为执行被存储在存储器154中的计算机可读程序指令。这样，所述一个或更多个处理器152可以执行程序指令以提供在这里描述的功能和操作中的至少一些。
存储器154可以包括一种或更多种计算机可读存储介质，或采取一种或更多种计算机可读存储介质的形式，该一种或更多种计算机可读存储介质可以被所述一个或更多个处理器152读取或访问。所述一种或更多种计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储部件，诸如光学、磁性、有机或其它存储器或磁盘存储，其可以与所述一个或更多个处理器152中的至少一个整体或部分地集成。在一些实施方式中，存储器154可以使用单个物理装置(例如一个光学、磁性、有机或其它存储器或磁盘存储单元)实现，而在其它实施方式中，存储器154可以使用两个或更多个物理装置实现。
如所指出的，存储器154可以包括与LIDAR系统100的操作有关的计算机可读程序指令。同样地，存储器154可以包括用于执行或促进在这里描述的一些或全部操作或功能的程序指令。
例如，所述操作可以包括使光发射器装置126发射光脉冲。在这样的场景中，控制器150可以使与光发射器装置126相关联的脉冲器电路向光发射器装置126提供一个或更多个电流/电压脉冲，这可以使光发射器装置126提供光脉冲。
所述操作还可以包括从第一视场180接收所反射的光脉冲的至少第一部分作为第一被检测的光信号。例如，从光发射器装置126经由折射光学窗口162发射的光脉冲中的至少一些可以与第一视场180中的环境中的物体相互作用，从而提供所反射的光脉冲。所反射的光脉冲的至少第一部分可以被光电探测器122接收。进而，光电探测器122可以提供第一被检测的光信号，该第一被检测的光信号可以是光电流信号或光电压信号。
所述操作可以另外包括：从第二视场182接收所反射的光脉冲的至少第二部分作为第二被检测的光信号。也就是，从光发射器装置126经由第二光学窗口168发射的光脉冲中的至少一些可以与第二视场182中的环境中的物体相互作用，从而提供所反射的光脉冲。所反射的光脉冲的至少第二部分可以被光电探测器122接收。在这样的场景中，光电探测器122可以提供第二被检测的光信号，该第二被检测的光信号可以是光电流或光电压信号。
此外，所述操作可以包括基于第一被检测的光信号和第二被检测的光信号，确定指示第一视场180和第二视场182内的物体的点云。在一示例实施方式中，确定点云可以由控制器150执行。例如，控制器150可以基于关于被发射和被接收的每个光脉冲的各自的飞行时间，来确定和累积多个空间点。确定点云进一步基于镜组件130和可旋转基座110的角度。
另外地或备选地，所述操作可以包括接收发射图。发射图可以包括关于光脉冲被发射到第一视场180和第二视场182中的角度的发射信息。确定点云可以进一步基于发射图。在一些实施方式中，发射信息可以包括以下至少之一：镜组件130的旋转角度、沿着折射光学窗口162的位置、或光脉冲发射矢量。作为示例，发射信息可以被存储在查找表(LUT)中。在这样的场景中，LUT可以被存储在存储器154中。在执行在这里描述的操作期间，控制器150可以利用被存储在LUT中的信息。例如，控制器150可以基于镜组件130的当前旋转角度而沿着折射光学窗口162查找位置。作为另一示例，控制器150可以基于给定光脉冲与折射光学窗口162相互作用的位置来确定给定光脉冲的光脉冲发射矢量。
在不同的实施方式中，LIDAR系统100可以包括至少一个挡板170。在这样的场景下，所述至少一个挡板170可以被配置为减少光学腔120内的杂散光(例如，在不与LIDAR系统100周围的环境相互作用的情况下从光发射器装置126内部行进到光电探测器122的光)。在一示例实施方式中，挡板170可以包括设置在光接收轴线和光发射轴线之间的光学不透明材料。
LIDAR系统100还包括至少一个光束阻挡174。光束阻挡174可以是光学不透明的，并且可以被配置为阻挡光束朝着光学窗口162和/或朝着环境发射。在一些实施方式中，光束阻挡174可以被布置在壳体160内，与光学腔120基本相对。
当从光学腔120发射的光与镜组件130的拐角(例如在两个不同的反射表面132之间的交叉处)相互作用时，该光被分成两个部分，一个部分被向前发射(例如朝着折射光学窗口162发射)，另一部分被向后发射(例如朝着第二光学窗口168发射)。为了避免由于两个被发射的脉冲引起的不确定的LIDAR信号，光束阻挡174可以布置在视场的顶部附近，从而阻挡所述两个光束中的至少一个朝着环境发射。此外，通过调节光束阻挡174，在一侧的顶部处的视场可以以牺牲在另一侧的顶部附近的视场为代价被扩大或被扩展。在这样的场景下，通过调节顶部光束阻挡位置，视场可以分别分布在视场的底部和顶部处的两侧之间。
图2A、图2B、图2C和图2D示出了LIDAR系统200的各种视图和部分。LIDAR系统200可以与关于图1示出和描述的LIDAR系统100相似或相同。图2A示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统200的斜视图。如图所示，LIDAR系统200可以包括可旋转基座110。可旋转基座110可以被配置为绕第一轴线111旋转。此外，LIDAR系统200可以包括光学腔120，其可以包括光发射器装置126、光发射器透镜128、光电探测器122和光电探测器透镜124。此外，在一些实施方式中，LIDAR系统200可以包括镜组件130。镜组件130可以包括多个反射表面132a、132b和132c和轴134。镜组件130可以被配置为绕第二轴线135旋转。
在一些实施方式中，光发射器装置126和光发射器透镜128可以形成光发射轴线129。由光发射器装置126发射的光脉冲可以在传输镜区域137处与反射表面132b相互作用。
在一些实施方式中，光电探测器122和光电探测器透镜124可以形成光接收轴线125。由光发射器装置126发射的光脉冲可以被反射或以其它方式与环境相互作用，并且可以通过接收镜区域139在光电探测器122处被观察到。
如图2A所示，LIDAR系统200可以包括挡板170。挡板170可以包括开口172，镜组件130可以设置在该开口172内。开口172可以被成形为为镜组件130提供绕第二轴线135旋转的自由度。
图2B示出了根据一示例实施方式的沿–y方向的LIDAR系统200的侧视图。除了以上参考图2A描述的其它元件之外，LIDAR系统200可以另外包括壳体160和多个光学窗口，诸如折射光学窗口162。
图2C示出了根据一示例实施方式的图2A的LIDAR系统200的一部分。具体地，图2C示出了镜组件130。例如，镜组件130可以包括多个反射表面132a、132b和132c。镜组件130可以另外包括轴134，其可以被配置为绕第二轴线135旋转。
在一些实施方式中，光发射器装置126可以沿着光发射轴线129朝向镜组件130发射光脉冲。镜组件130的反射表面132b可以在传输镜区域137处反射这样的光脉冲，使得光脉冲被朝向外部环境透射。
在这样的示例中，来自环境的光(例如所反射的光脉冲)可以在接收镜区域139处被镜组件130的反射表面132b反射。在一些实施方式中，所接收的光可以沿着光接收轴线125朝向光电探测器122被引导。
图2D示出了根据一示例实施方式的沿–x方向的LIDAR系统200的视图。LIDAR系统200可以包括被设置使得光发射轴线129和/或光接收轴线125基本上平行于第一轴线111的光学腔120。
在一些实施方式中，光学腔120相对于第一轴线111的这种布置可以在外部环境中提供基本对称的发射图案，至少是因为由光发射器装置126发射的光脉冲基于镜组件130的旋转位置而穿过第一光学窗口163a向右(+y方向)透射或者穿过第二光学窗口163b向左(-y方向)透射的可能性相同。
图3A示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统300。在一些实施方式中，LIDAR系统300可以与如参考图1和图2A-2D示出和描述的LIDAR系统100或LIDAR系统200相似或相同。例如，LIDAR系统300可以包括折射光学窗口162和第二光学窗口168。如图所示，折射光学窗口162可以包括平坦窗口部分164a和棱镜窗口部分166。在一些实施方式中，棱镜窗口部分166可以联接到另外的平坦窗口部分164b。例如，棱镜窗口部分166可以用环氧树脂或其它光学透明材料联接到另外的平坦窗口部分164b。然而，在其它实施方式中，不需要平坦窗口部分164b联接到棱镜窗口部分166，或者根本不需要存在平坦窗口部分164b。在一些实施方式中，折射光学窗口162可以包括分段的光学窗口，该分段的光学窗口可以被配置为能够实现偏移的视场。
如图3A所示，不透明材料165可以被提供在平坦窗口部分164a和棱镜窗口部分166之间的界面附近。在示例实施方式中，不透明材料165可以有益地减少由于光学元件边缘而引起的“界面效应”。这些界面效应可以包括分束、光学反射和重影效应，其会导致不确定的或错误的范围信号。
从光学腔120发射的光脉冲可以与镜组件130相互作用，从而形成在第一最大仰角310和第一最小仰角312之间的角度光脉冲范围。此外，与棱镜窗口部分166相互作用的一些光脉冲(例如以第一最小仰角312和仰角315发射的光脉冲)可以经历进一步的折射，从而形成例如折射仰角314和折射仰角317。在这样的场景中，与可提供具有小于80度的角度范围(例如在第二最大仰角320和第二最小仰角322之间)的第二视场182的平坦光学窗口(例如第二光学窗口168)相比，经由折射光学窗口162透射的光脉冲可以提供具有更宽的角度范围(例如大于约80-105度的仰角)的第一视场180。如图3A所示，第一视场180可以包括两个不同的部分(例如视场180a和180b)，每个部分具有其自己的、基本连续的角度范围。例如，视场180a可以包括在最大仰角310和最小平坦光学窗口角311之间的角度范围。在这样的场景中，视场180b可以包括在最大折射仰角317和最小折射仰角314之间的角度范围。
在一些实施方式中，角320和322可以与角310和312相同或相似。将理解，各种不同的角度范围和视场在这里是可能的并且被考虑。此外，尽管示出了几个光脉冲发射矢量，但是将理解，其它光脉冲发射矢量也是可能的并且被考虑。
图3B示出了根据一示例实施方式的LIDAR系统340。LIDAR系统340可以类似于如图3A所示的LIDAR系统300。附加地或备选地，LIDAR系统340可以包括弯曲的折射光学窗口167。在这样的场景下，弯曲的折射光学窗口167可以是具有作为仰角的函数的连续变化的光功率或折射特性的光学元件。作为示例，由于与弯曲的折射光学元件167的相互作用，以最小发射角312发射的光脉冲可以沿着最小的折射角314被折射。此外，以发射角342发射的光脉冲可以沿着折射角344被折射。以这种方式，与第二视场182(例如在仰角范围方面小于80度)相比，与弯曲的折射光学窗口167相互作用的光脉冲可以以更宽的角度范围(例如在仰角范围方面大于80-105度)被发射到第一视场180中。
尽管图3A和图3B示出了折射光学窗口162和第二光学窗口168的某些配置，但是其它配置也是可能的。例如，在一些配置中，第二光学窗口168可以包括折射光学窗口。在这样的场景下，折射光学窗口162可以包括第一棱镜窗口部分，该第一棱镜窗口部分被配置为折射光脉冲中的在向下的角度范围内的一部分。此外，第二光学窗口168可以包括第二棱镜窗口部分，该第二棱镜窗口部分被配置为折射光脉冲中的在向上的角度范围内的一部分。在这样的配置中，来自两个光学窗口的视场可以被配置为以交替的向上/向下方式会聚光脉冲。
备选地，第二光学窗口168可以包括弯曲的折射光学窗口。在本公开的范围内，其它配置也是可能的并且被考虑。
图4A和图4B示出了根据一示例实施方式的对应于LIDAR系统300和340的操作场景400和440。例如，操作场景400包括如参考图3A示出和描述的LIDAR系统300。在这样的场景下，LIDAR系统300可以被配置为在视场180内经由折射光学窗口162发射光脉冲。此外，系统300可以被配置为经由折射光学窗口162发射光脉冲，该折射光学窗口162可以包括平坦窗口部分164和棱镜窗口部分166。与平坦窗口部分164和棱镜窗口部分166相互作用的光脉冲可以提供视场180a和180b的两个不同部分。在这样的场景中，整个视场180可以包括没有光脉冲覆盖的断开部分(drop out portion)330。在这样的场景下，当LIDAR系统300绕轴线111旋转180°时，通过第二光学窗口168提供的视场182可以提供传感器覆盖。
如图4B所示，操作场景440包括如参考图3B示出和描述的LIDAR系统340。在这样的场景中，LIDAR系统340可以被配置为在视场180内经由弯曲的折射光学窗口167发射光脉冲。因此，LIDAR系统340可以被配置为在与视场182相比更大的角度发射范围(例如视场180)上发射光脉冲。
在操作场景400和440中，LIDAR系统300和340以及相应的视场180a、180b和180可以被布置为与视场182相比为靠近LIDAR系统300的第一轴线111的位置提供改进的物体探测能力。例如，在操作中，视场180可以提供具有第一最小半径410的环形感测体积。类似地，视场182可以是具有第二最小半径420的环形感测体积。在这样的场景中，光学元件在折射光学窗口162中的布置可以被选择为提供期望的视场和/或角度光脉冲发射范围。
III.示例运载工具
图5A、图5B、图5C、图5D和图5E示出了根据一示例实施方式的运载工具500。运载工具500可以是半自主或全自主运载工具。虽然图5A-5E示出作为汽车(例如客运货车)的运载工具500，但是将理解，运载工具500可以包括能够使用传感器和关于其环境的其它信息在其环境内进行导航的其它类型的自主运载工具、机器人或无人机。
运载工具500可以包括一个或更多个传感器系统502、504、506、508和510。在一些实施方式中，传感器系统502、504、506、508和510可以包括LIDAR传感器，LIDAR传感器具有相对于给定平面(例如x-y平面)在一角度范围上布置的多个光发射器装置。
传感器系统502、504、506、508和510中的一个或更多个可以被配置为绕垂直于给定平面的轴线(例如z轴线)旋转，从而用光脉冲照射运载工具500周围的环境。基于检测所反射的光脉冲的各种方面(例如经过的飞行时间、偏振、强度等)，可以确定关于环境的信息。
在一示例实施方式中，传感器系统502、504、506、508和510可以被配置为提供可与运载工具500的环境内的物理对象有关的相应点云信息。虽然运载工具500和传感器系统502、504、506、508和510被示出为包括某些特征，但是将理解，在本公开的范围内可以考虑其它类型的传感器系统。
示例实施方式可以包括具有多个光发射器装置的系统。该系统可以包括LIDAR装置的传输块。例如，该系统可以是运载工具(例如汽车、卡车、摩托车、高尔夫球车、飞行器、船等)的LIDAR装置或可以是其一部分。所述多个光发射器装置中的每个光发射器装置被配置为沿着相应的光束仰角发射光脉冲。相应的光束仰角可以基于参考角或参考平面。在一些实施方式中，参考平面可以基于运载工具500的运动轴线。
尽管在这里描述和示出了具有单个光发射器装置的LIDAR系统，但是具有多个光发射器装置(例如，在单个激光管芯上具有多个激光棒的光发射器装置)的LIDAR系统也被考虑。例如，由一个或更多个激光二极管发射的光脉冲可以被可控制地关于系统的环境引导。光脉冲的发射角度可以通过诸如例如机械扫描镜和/或旋转电机的扫描装置被调节。例如，扫描装置可以绕给定轴线以往复运动旋转和/或绕垂直轴线旋转。在另一实施方式中，光发射器装置可以朝向旋转棱镜反射镜发射光脉冲，这可以在与每个光脉冲相互作用时基于棱镜反射镜的角度使光脉冲发射到环境中。附加地或备选地，扫描光学器件和/或其它类型的光电机械装置可以关于环境扫描光脉冲。在本公开的内容之内，利用多个被固定的光束的实施方式也被考虑。
在一些实施方式中，如在这里描述的，单个光发射器装置可以根据可变的发射时间表发射光脉冲和/或以每次发射的可变功率来发射光脉冲。也就是，每个激光脉冲或每次发射的发射功率和/或定时可以基于该发射的相应仰角。此外，可变的发射时间表可以基于在距LIDAR系统或距支持LIDAR系统的给定运载工具的表面(例如前保险杠)的给定距离处提供期望的垂直间距。作为示例，当来自光发射器装置的光脉冲被向下引导时，由于预期的到目标的最大距离变短，所以每次发射的功率可以减小。相反，由光发射器装置在参考平面上方以一仰角发射的光脉冲可以具有相对较高的每次发射的功率，从而提供足够的信噪比以充分检测行进较长距离的脉冲。
在一些实施方式中，每次发射的功率/能量可以以动态方式针对每次发射被控制。在其它实施方式中，每次发射的功率/能量可以针对几个脉冲(例如10个光脉冲)的连续集合被控制。也就是，光脉冲序列的特性可以基于每个脉冲和/或每几个脉冲改变。
尽管图5A-5E示出了附接到运载工具500的各种LIDAR传感器，但是应理解，运载工具500可以包含其它类型的传感器，诸如多个光学系统(例如照相机)、雷达或超声波传感器。
在一示例实施方式中，运载工具500可以包括LIDAR系统(例如LIDAR系统100)，其被配置成发射光脉冲到运载工具500的环境中从而提供指示默认视场内的物体的信息。
在示例实施方式中，运载工具500的LIDAR系统可以包括被配置为绕第一轴线旋转的可旋转基座(例如可旋转基座110)和联接到该可旋转基座的折射光学窗口(例如折射光学窗口162)。在一些实施方式中，折射光学窗口包括平坦窗口部分(例如平坦窗口部分164)和棱镜窗口部分(例如棱镜窗口部分166)。附加地或备选地，折射光学窗口可以包括弯曲的折射窗口(例如弯曲的折射窗口167)。LIDAR系统还包括联接到可旋转基座的镜组件(例如镜组件130)。镜组件包括多个反射表面(例如反射表面132)。在这样的场景中，镜组件可以被配置为绕第二轴线旋转。第二轴线基本垂直于第一轴线。LIDAR系统还包括联接到可旋转基座的光发射器装置(例如光发射器装置126)。光发射器装置被配置为发射光脉冲，该光脉冲与镜组件和折射光学窗口相互作用以使得光脉冲被引导到LIDAR系统的环境内的第一视场中。
所发射的光脉冲与环境相互作用以提供返回的光脉冲。LIDAR系统可以包括至少一个探测器，该至少一个探测器被配置为检测返回的光脉冲的至少一部分。LIDAR系统还包括具有至少一个处理器(例如处理器152)和至少一个存储器(例如存储器154)的控制器(例如控制器150)。所述至少一个处理器执行被存储在所述至少一个存储器中的指令，从而进行如在这里描述的操作。
图6示出了根据一示例实施方式的操作场景600。图6是运载工具500的前视图。操作场景600可以包括LIDAR系统508和510，其可以类似于LIDAR系统300和/或340，如参考图3A和图3B示出和描述的。在这样的场景中，LIDAR系统508和510可以分别沿着运载工具500的右侧和左侧安装。因此，LIDAR系统508和510可以绕各自的第一轴线(例如第一轴线111和/或z轴线)旋转。在绕第一轴线旋转时，LIDAR系统508和510可以通过利用旋转镜组件(例如镜组件130)重定向光脉冲而将光脉冲发射到其环境中。在这样的场景中，光脉冲中的至少一些可以与折射光学窗口162和第二光学窗口168相互作用，从而将一些光脉冲分别引向第一视场180和第二视场182。
在一些实施方式中，第一视场180的至少一部分可以与第二视场182重叠。但是，在其它实施方式中，第一视场180不必与第二视场182重叠。
如图6所示，第一视场180可以在运载工具500的近范围处且紧接LIDAR系统508和510下方提供物体的改进检测。这样，第一视场180可以是有益的，因为它可以在传统上未覆盖的视场中提供LIDAR覆盖。因此，操作场景600可以示出运载工具500以及LIDAR系统508和510，其与传统系统相比可以提供改进的安全性。
IV.示例方法
图7示出了一根据示例实施方式的方法700。将理解，方法700可以包括比在这里明确示出或以其它方式公开的步骤或方框更少或更多的步骤或方框。此外，方法700的各个步骤或方框可以以任何顺序被执行，并且每个步骤或方框可以被执行一次或更多次。在一些实施方式中，方法700中的一些或全部方框或步骤可以由分别关于图1、图2A-2D以及图3A和3B示出和描述的控制器150和/或LIDAR系统100、200、300和340的其它元件执行。
方框702包括使光发射器装置发射光脉冲。光脉冲的第一部分与折射光学窗口相互作用，使得光脉冲被引导到环境内的第一视场中。折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口。在一示例实施方式中，使光发射器装置发射光脉冲可以包括使脉冲器电路向激光二极管棒发送电流或电压脉冲，从而使得激光二极管棒发射一个或更多个光脉冲。
方框704包括从第一视场接收所反射的光脉冲的至少第一部分作为第一被检测的光信号。在一示例实施方式中，从第一视场接收所反射的光脉冲的至少第一部分可以包括从光电探测器检测与由光发射器装置发射并从环境中的一个或更多个物体被反射的光脉冲相对应的光信号。
方框706包括基于第一被检测的光信号确定指示第一视场内的物体的第一点云。在一些实施方式中，确定第一点云可以包括计算给定光脉冲的飞行时间，以及沿着对应的光脉冲发射矢量用对应的数据对点云进行注释。
在一些实施方式中，光脉冲的第二部分与平坦光学窗口相互作用，以使得光脉冲被引导到环境内的第二视场中。在这样的场景中，方法700还可以包括：从第二视场接收所反射的光脉冲的至少第二部分作为第二被检测的光信号，并且基于第二被检测的光信号，确定指示第二视场内的物体的第二点云。
在一些示例中，方法700可以包括接收发射图。发射图包括将从反射表面反射的光脉冲的发射角映射到在光脉冲与光学窗口相互作用之后光脉冲的被折射的发射角的信息。在这样的场景中，确定第一点云和第二点云进一步基于发射图。
附图中所示的布置不应被视为限制性的。应理解，其它实施方式可以或多或少地包括给定附图中显示的每个元件。此外，所示元件中的一些可以被组合或省略。更进一步地，图示的实施方式可以包括附图中未示出的元件。
表示信息处理的步骤或方框可以对应于电路系统，该电路系统可以被配置为执行在这里描述的方法或技术的特定逻辑功能。备选地或附加地，表示信息处理的步骤或方框可以对应于程序代码(包括相关数据)的模块、段或部分。该程序代码可以包括由处理器可执行的用于在该方法或技术中实现特定的逻辑功能或动作的一个或更多个指令。程序代码和/或相关数据可以被存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘、硬盘驱动器或其它存储介质的存储装置。
计算机可读介质还可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如短时间存储数据的计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可以包括更长时间存储程序代码和/或数据的非暂时性计算机可读介质。因此，计算机可读介质可以包括二次或永久长期存储，例如，如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读介质也可以是任何其它易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可以被认为是例如计算机可读存储介质或有形存储装置。
尽管已经公开了各种示例和实施方式，但是其它示例和实施方式对于本领域技术人员将是明显的。各种公开的示例和实施方式是出于说明的目的而不是旨在进行限制，具有由以下权利要求指示的真实范围。

Claims (20)

1.一种光探测和测距系统，包括：
可旋转基座，被配置为绕第一轴线旋转；
折射光学窗口，联接到所述可旋转基座，其中所述折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口；
镜组件，联接到所述可旋转基座；以及
光发射器装置，联接到所述可旋转基座，其中所述光发射器装置被配置为发射光脉冲，所述光脉冲与所述镜组件和所述折射光学窗口相互作用以使得所述光脉冲被引导到所述光探测和测距系统的环境内的第一视场中。
2.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，进一步包括联接到所述可旋转基座的第二光学窗口，其中所述第二光学窗口包括平坦窗口，其中所述光发射器装置被配置为发射光脉冲，所述光脉冲与所述镜组件和所述第二光学窗口相互作用以使得所述光脉冲被引导到所述光探测和测距系统的环境内的第二视场中。
3.根据权利要求2所述的光探测和测距系统，其中所述第一视场包括第一仰角范围，其中所述第二视场包括第二仰角范围，其中所述第一仰角范围大于所述第二仰角范围。
4.根据权利要求3所述的光探测和测距系统，其中所述第二仰角范围为80度或更小，以及其中所述第一仰角范围大于80度。
5.根据权利要求2所述的光探测和测距系统，其中所述第一视场和所述第二视场不完全重叠。
6.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述棱镜窗口部分包括以下至少之一：楔形棱镜、等边棱镜、利特罗棱镜、直角棱镜、五角棱镜、半五角棱镜或菱形棱镜。
7.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述棱镜窗口部分包括至少一个校正光学元件，所述至少一个校正光学元件被配置为对所发射的光脉冲执行至少一个光学校正，其中，所述至少一个光学校正包括以下至少之一：像散校正、焦点校正、散焦校正或束角校正。
8.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述折射光学窗口的至少一部分包括以下至少之一：聚合物材料、玻璃、石英或蓝宝石。
9.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，其中，所述棱镜窗口部分通过折射率匹配材料联接到所述平坦窗口部分。
10.根据权利要求1所述的光探测和测距系统，进一步包括布置在所述平坦窗口部分和所述棱镜窗口部分之间的不透明材料。
11.根据权利要求10所述的光探测和测距系统，其中所述不透明材料的至少一个尺寸大于与所发射的光脉冲相关的光束宽度。
12.根据权利要求2所述的光探测和测距系统，进一步包括光电探测器，其中所述光电探测器被配置为通过所述折射光学窗口接收所反射的光脉冲的第一部分，从而提供指示所述第一视场内的物体的信息，其中，所述光电探测器进一步配置为通过所述第二光学窗口接收所反射的光脉冲的第二部分，从而提供指示所述第二视场内的物体的信息。
13.根据权利要求12所述的光探测和测距系统，进一步包括：
控制器，包括至少一个处理器和至少一个存储器，其中，所述至少一个处理器执行被存储在所述至少一个存储器中的指令从而进行操作，所述操作包括：
使所述光发射器装置发射所述光脉冲；
从所述第一视场接收所反射的光脉冲的至少第一部分作为第一被检测的光信号；
从所述第二视场接收所反射的光脉冲的至少第二部分作为第二被检测的光信号；以及
基于所述第一被检测的光信号和所述第二被检测的光信号，确定指示所述第一视场和所述第二视场内的物体的点云。
14.根据权利要求13所述的光探测和测距系统，其中，所述操作进一步包括：
接收发射图，其中所述发射图包括关于所述光脉冲被发射到所述第一视场和所述第二视场中的角度的发射信息，其中，确定所述点云进一步基于所述发射图。
15.根据权利要求14所述的光探测和测距系统，其中，所述发射信息包括以下至少之一：所述镜组件的旋转角度、沿着所述折射光学窗口的位置、或光脉冲发射矢量。
16.根据权利要求14所述的光探测和测距系统，其中，所述发射信息包括查找表，其中，所述查找表被存储在所述至少一个存储器中。
17.一种方法，包括：
使光发射器装置发射光脉冲，其中所述光脉冲的第一部分与折射光学窗口相互作用，使得所述光脉冲被引导到环境内的第一视场中，其中所述折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分；或ii)弯曲的折射光学窗口；
从所述第一视场接收所反射的光脉冲的至少第一部分作为第一被检测的光信号；以及
基于所述第一被检测的光信号，确定指示所述第一视场内的物体的第一点云。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光脉冲的第二部分与平坦光学窗口相互作用，使得所述光脉冲被引导到所述环境内的第二视场中，其中，所述方法进一步包括：
从所述第二视场接收所反射的光脉冲的至少第二部分作为第二被检测的光信号；以及
基于所述第二被检测的光信号，确定指示所述第二视场内的物体的第二点云。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括接收发射图，其中所述发射图包括关于所述光脉冲被发射到所述第一视场和所述第二视场中的角度的发射信息，其中确定所述第一点云和所述第二点云进一步基于所述发射图。
20.一种运载工具，包括：
光探测和测距系统，包括：
可旋转基座，被配置为绕第一轴线旋转；
折射光学窗口，联接到所述可旋转基座，其中所述折射光学窗口包括：i)平坦窗口部分和棱镜窗口部分，或者ii)弯曲的折射光学窗口；
镜组件，联接到所述可旋转基座；以及
光发射器装置，联接到所述可旋转基座，其中所述光发射器装置被配置为发射光脉冲，所述光脉冲与所述镜组件和所述折射光学窗口相互作用以使得所述光脉冲被引导到所述光探测和测距系统的环境内的第一视场中。
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