CN114829968A - 具有多范围通道的lidar - Google Patents

Abstract

一种光检测和测距LIDAR系统。该系统包括长范围通道的集合和短范围通道的集合。每个通道包括照明源。短范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第一立体角限定的相应空间区域。长范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域。第一立体角大于第二立体角，长范围通道的每个照明源的强度大于短范围通道的每个照明源的强度。短范围通道的集合被配置为检测第一视场内的对象，长范围通道的集合被配置为检测第二视场内的对象。

Description

具有多范围通道的LIDAR

技术领域

本公开涉及LIDAR(光检测和测距)系统，具体地但不排他地，涉及具有长范围通道和短范围通道两者的LIDAR系统，以及操作这种LIDAR系统的方法。

背景技术

本公开涉及LIDAR系统。

图1中示出了已知LIDAR系统100的示例。该系统包括多个通道，每个通道具有照明源101。每个照明源照明相应的空间体积102，并且反射光由一个或多个检测器(未示出)拾取。反射光的特性(例如，照明与反射之间的时间延迟、或波长、和/或亮度)用于确定每个空间区域内的对象的距离。

空间体积102的范围将取决于照明源投射光的立体角(即，照明的帧)，以及由照明源照射的对象可以被(多个)检测器检测到的最大范围。

可以存在单个检测器，其检测来自每个照明源的反射光(例如，照明源被顺序地激活)，或者可以存在用于每个照明源的检测器，其被配置为检测从相应空间体积中的每个对象反射的光。

与这种已知的LIDAR系统相关联的一些问题是在范围和眼睛安全性之间必要的折衷。为LIDAR系统获得更长的检测范围需要更高的照明强度。然而，在系统可以在人或动物周围(例如，在自主车辆上)使用的情况下，高强度可能对照明区域内的任何人的眼睛造成伤害。因此，为了安全目的，必须限制LIDAR系统的强度——但是这减小了它们的有效范围，并因此减小了它们的有用性。另外，更大的照明强度需要更大的功率输入，因此在能量使用和范围之间也存在折衷。

因此，本公开的目的是提供一种LIDAR系统和/或操作方法，使得解决上述问题中的一个或多个或至少提供有用的替代方案。

发明内容

根据第一方面，提供了一种光检测和测距LIDAR系统。LIDAR系统包括长范围通道的集合和短范围通道的集合。每个通道包括照明源。短范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第一立体角限定的相应空间区域。长范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域。第一立体角大于第二立体角，并且长范围通道的每个照明源的强度大于短范围通道的每个照明源的强度。该短范围通道的集合被配置为检测第一视场内的对象，并且该长范围通道的集合被配置为检测第二视场内的对象。

每个照明源可以包括VSCEL和透镜。VSCEL可以被布置成阵列，透镜可以被布置成对应的多透镜阵列。VSCEL阵列可以在单个芯片上，多透镜阵列可以在单个基板上。

LIDAR系统可以包括一个或多个另外的通道的集合。每个另外的通道的集合中的照明源可以被配置为照明由相应立体角限定的空间区域中的对象，并且每个另外的通道的集合中的每个照明源的强度可以被设置为使得具有较大立体角的通道的集合具有较低强度，反之亦然。

第一视场可以被第二视场包围。

LIDAR系统还可以包括光学检测器和处理器。光学检测器和处理器可以彼此耦合以及耦合到照明源，并且处理器可以被布置为根据从光学检测器接收的信号来操作照明源。

根据第二方面，提供了一种操作LIDAR系统的方法。LIDAR系统包括长范围通道的集合和短范围通道的集合，每个通道包括照明源。对于短范围通道的每个照明源，照明由来自照明源的第一立体角限定的相应空间区域。对于长范围通道的每个照明源，照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域。第一立体角大于第二立体角，长范围通道的每个照明源的强度大于短范围通道的每个照明源的强度。使用该短范围通道的集合在第一视场内检测对象，并且使用该长范围通道的集合在第二视场内检测对象。

第一视场可以被第二视场包围。

照明源可以响应于对象的所述检测来操作。

附图说明

图1示出了已知的LIDAR系统；

图2示出了示例性LIDAR系统；

图3是类似于图2的LIDAR系统的LIDAR系统的示意图；

图4是操作LIDAR系统的方法的流程图。

具体实施方式

一般而言，本公开提供了一种操作LIDAR系统的方法，其中提供了“长范围”和“短范围”通道两者，其中与短范围通道相比，长范围通道具有较小的发散度(即，每个覆盖较小的立体角)，但具有较长的范围，并且长范围通道的集合覆盖由短范围通道覆盖的视场所包围的视场。

在附图中给出了解决方案的一些示例。

图2示出了示例性LIDAR系统。该系统包括多个通道，每个通道包括照明源201。通道被分为长范围通道和短范围通道。短范围通道各自照射具有大角度范围(即，来自照明源的立体角)但短范围的空间体积202，并且长范围通道各自照射具有小角度范围但长范围的空间体积203。这通过使短范围通道以比长范围通道更低的强度(即，每单位立体角的功率)操作来实现。这可以在保持每个集合中的通道的相同总输出功率的同时来完成(即，由于其更宽的照明而具有更低强度的短范围通道)。

尽管照明源被示出为源的矩形网格，但是不需要具有用于长范围通道和短范围通道的照明源的任何特定物理布置，因为可以光学地限定空间体积。

短范围通道的集合覆盖宽视场204(由虚线示出)。长范围通道的集合覆盖较小的视场205，该较小的视场205位于由短范围的通道的集合覆盖的视场204内。以这种方式，LIDAR系统在狭窄的感兴趣区域(例如，在自主车辆的正前方)中具有长范围，但是在更宽的区域(例如，来自车辆的更宽的“前视图”)上具有更短的范围。

LIDAR系统可以被布置成使得所有通道在单个元件上——例如，通过提供VSCEL阵列和对应的多透镜阵列，其被配置成使得一些VSCEL/透镜对提供长范围通道，而其他VSCEL/透镜对提供短范围通道。VSCEL阵列可以在单个芯片上，并且多透镜阵列可以在单个基板上。可以通过调节多透镜阵列(例如，透镜的焦距)、VSCEL阵列(例如，输出功率)或两者的配置来提供不同的通道。通道的两个集合可以同时或顺序操作，但通常独立操作。该操作可以取决于从光学检测器接收的反馈，该光学检测器检测从由通道照射的对象反射回来的光。

虽然已经描述了仅具有通道的两个集合的上述系统，但是可以提供甚至更多集合，例如，短、中和长范围通道的集合(每个通道的集合具有每个通道不同的角度范围，并且具有较大角度范围的通道具有较低强度，反之亦然)。作为另一示例，可以存在长范围通道的多个集合，每个长范围通道照射短范围通道的帧内的不同子帧(例如，对于具有多个感兴趣区域的系统)。

为了进一步改善眼睛安全性，LIDAR系统可以被配置为使得当对象被短范围通道检测到时，长范围通道以降低的强度操作——即，如果人可能足够接近使得眼睛安全性成为问题，则以可能导致伤害的强度操作的通道替代地以降低的强度操作。可替代地，当短范围通道检测到对象时，可以关闭长距离通道。

图3是类似于图2的LIDAR系统的LIDAR系统的示意图。该LIDAR系统包括短范围通道的集合301和长范围通道的集合302，每个通道包括照明源。虽然在该表示中将长范围和短范围通道分组显示，但是每个集合不需要物理地分组在一起。短范围通道的照明源303各自被配置为照明由来自相应照明源的第一立体角限定的相应空间区域。长范围通道的照明源304各自被配置为照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域。第一立体角大于第二立体角，长范围通道的每个照明源的强度大于短范围通道的每个照明源的强度。短范围通道的集合被配置为检测第一帧内的对象，长范围通道的集合被配置为检测作为第一帧的子集的第二帧内的对象。

图4是操作LIDAR系统(诸如图2或图3中所示的系统)的方法的流程图。LIDAR系统具有长范围通道的集合和短范围通道的集合，每个通道包括照明源。

在步骤401中，对于短范围通道的每个照明源，照明由来自照明源的第一立体角限定的相应空间区域。

在步骤402中，对于长范围通道的每个照明源，照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域。第一立体角大于第二立体角，长范围通道的每个照明源的强度大于短范围通道的每个照明源的强度。

在步骤403中，使用短范围通道的集合在第一帧内检测对象，并且使用长范围通道的集合在第二帧内检测对象，其中第二帧是第一帧的子集。

本公开的实施例可以在许多不同的应用中采用，包括用于自主车辆、场景映射等。

附图标记列表：

100 LIDAR系统

101 照明源

102 空间体积(由照明源照明)

201 照明源

202 短范围通道的空间体积

203 长范围通道的空间体积

204 短范围通道的视场

205 长范围通道的视场

301 短范围频道

302 长范围通道

303 短范围通道的照明源

304 长范围通道的照明源

401 第一方法步骤402 第二方法步骤403 第三方法步骤

本领域技术人员将理解，在前述说明书和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考诸如附图中所示的概念性图示而做出的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制性质。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图中所示的取向时的对象。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

例如，设想本公开可以与闪光LIDAR和扫描LIDAR系统两者一起使用。在闪光LIDAR系统中，照明源以周期性间隔发射高能量脉冲或闪光。闪光重复的频率通常可以由LIDAR系统的给定用例的期望帧速率或刷新速率来确定。通常需要高帧速率或刷新速率的示例用例是在自动驾驶车辆领域中，在自动驾驶车辆领域中可能需要车辆附近的对象的近实时可视化。来自照明源的光传播到场景中的对象，在那里它被反射并被定位在LIDAR系统的透镜的焦平面中的传感器阵列检测。光从LIDAR系统的照明源传播到场景中的对象并返回到LIDAR系统的传感器的时间用于确定从对象到LIDAR系统的距离。阵列中的每个传感器充当接收元件，从该接收元件可以获得数据点。通常，照明源与传感器将存在一对一的对应关系。例如，如果阵列中存在10,000个照明源，则传感器阵列可以包括10,000个对应的传感器。在闪光LIDAR中，单个闪光因此提供与系统中的传感器的数量相同数量的数据点。因此，可以从每次闪光获得关于被照明的场景的大量信息。

相比之下，在扫描LIDAR系统中，照明源发射跨待照明场景扫描的连续脉冲光束。移动反射镜、透镜和/或其他光学部件的机械致动器可以用于在扫描期间移动光束。可替代地，可以使用相控阵列来在场景上扫描光束。相控阵列通常是有利的，因为移动部件较少，因此系统机械故障的风险较低。在扫描LIDAR系统中，飞行时间测量也用于确定从LIDAR系统到场景的对象的距离。

通常，闪光LIDAR系统的每次闪光由照明源发射的功率相对于扫描LIDAR系统的连续扫描光束的功率较高。在扫描LIDAR系统中，发射光的功率通常低于闪光LIDAR，但可能仍然需要增加到较不安全的水平以实现如上所述的30-40米的范围。因此，长范围和短范围通道(以及上述其他改进)可以与闪光或扫描LIDAR系统同样良好地使用。

Claims (10)

1.一种光检测和测距LIDAR系统，包括长范围通道的集合和短范围通道的集合，每个通道包括照明源，其中：

所述短范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第一立体角限定的相应空间区域；

所述长范围通道的照明源各自被配置为照明由来自相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域；

所述第一立体角大于所述第二立体角，并且所述长范围通道的每个照明源的强度大于所述短范围通道的每个照明源的强度；并且其中

所述短范围通道的集合被配置为检测第一视场内的对象，并且所述长范围通道的集合被配置为检测第二视场内的对象。

2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中每个照明源包括VSCEL和透镜。

3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中所述VSCEL被布置成阵列，并且所述透镜被布置成对应的多透镜阵列。

4.根据权利要求3所述的LIDAR系统，其中所述VSCEL阵列在单个芯片上，并且所述多透镜阵列在单个基板上。

5.根据任一前述权利要求所述的LIDAR系统，并且包括一个或多个另外的通道的集合，其中：

每个另外的通道的集合中的所述照明源被配置为照明由相应立体角限定的空间区域中的对象；

设置每个所述另外的通道的集合中的每个照明源的强度，使得具有较大立体角的通道的集合具有较低强度，反之亦然。

6.根据任一前述权利要求所述的LIDAR系统，其中所述第一视场被所述第二视场包围。

7.根据任一前述权利要求所述的LIDAR系统，还包括光学检测器和处理器，其中所述光学检测器和所述处理器彼此耦合并且耦合到所述照明源，并且其中所述处理器被布置为根据从所述光学检测器接收的所述信号来操作所述照明源。

8.一种操作LIDAR系统的方法，所述LIDAR系统包括长范围通道的集合和短范围通道的集合，每个通道包括照明源，所述方法包括：

对于所述短范围通道的每个照明源，照明由来自所述照明源的第一立体角限定的相应空间区域；

对于所述长范围通道的每个照明源，照明由来自所述相应照明源的第二立体角限定的相应空间区域；

其中所述第一立体角大于所述第二立体角，并且所述长范围通道的每个照明源的强度大于所述短范围通道的每个照明源的强度

使用所述短范围通道的集合检测第一视场内的对象，并且使用所述长范围通道的集合检测第二视场内的对象。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一视场被所述第二视场包围。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述照明源响应于对象的所述检测来操作。

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