[发明专利]多脉冲的基于光探测和测距的三维成像

说明书

本文给出了用于执行多脉冲LIDAR测量的方法和系统。在一方面，每个LIDAR测量波束利用多个照明光脉冲的序列照亮三维环境中的位置。在测量区间期间由LIDAR系统的光敏探测器探测从该位置反射的光，该测量区间的持续时间大于或等于光从LIDAR系统飞到LIDAR系统的编程范围并返回的飞行时间。测量脉冲序列中的脉冲的幅度和持续时间可以变化。此外，还可以改变脉冲之间的延迟和每个测量脉冲序列中的脉冲数。在一些实施例中，对多脉冲照明波束进行编码，并且对返回测量脉冲序列进行解码以将测量脉冲序列与外源信号区分开。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年10月31日提交的名为“多脉冲的基于雷达的三维成像(Multiple Pulse，LIDAR Based三维Imaging)”美国专利申请No.15/339,790的优先权，该美国专利申请又根据美国法典第35卷第119节的规定要求于2016年1月31日提交的名为“多脉冲的基于雷达的三维成像(Multiple Pulse，LIDAR Based三维Imaging)”美国临时专利申请No.62/289,277的优先权，其主题被通过引用全部结合到本文中。

技术领域

所述实施例涉及基于光探测和测距(LIDAR)的三维点云测量系统。

背景技术

LIDAR系统使用光脉冲来基于每个光脉冲的飞行时间(TOF)测量与物体相距的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远侧物体相互作用。一部分光从该物体反射并返回到LIDAR系统的探测器。基于发射光脉冲和探测到返回的光脉冲之间所经过的时间来估计距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器产生。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。测量激光脉冲返回到安装在发射器附近的探测器所花费的时间，并且以高精度通过时间推导出距离。

一些LIDAR系统采用与旋转镜相结合的单个激光发射器/探测器组合，以有效地横扫平面。由这种系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且捕获到的距离点被作为二维(即，单个平面)点云呈现出来。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟数千转)旋转。

然而，在许多操作方案中，需要三维点云。已经采用了许多方案来三维地询问周围环境。在一些示例中，二维仪器通常在万向接头上被上下和/或前后致动。这在本领域中通常被称为“眨眼”或“点头”传感器。因此，可以采用单波束LIDAR单元来捕获距离点的整个三维阵列，尽管每次一个点。在相关示例中，采用棱镜将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有略微不同的垂直角。这模拟了上述点头效果，但是没未致动传感器本身。

在所有上述示例中，单个激光发射器/探测器组合的光路被以某种方式改变以获得更宽的视野。但是，由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，导致这种设备每单位时间可以产生的像素数量天生就受到限制。波束路径的用以实现更大覆盖区域的任何改变(无论是通过反射镜、棱镜还是装置的致动)都以降低点云密度为代价。

如上所述，三维点云系统以若干种配置而存在。然而，在许多应用中，有必要在宽视野上收集距离测量值。例如，在自主车辆应用中，垂直视野应该向下延伸到车辆前方的地面。此外，如果汽车在道路上倾斜，则垂直视野应该在地平线的上方延伸。此外，必须在现实世界中发生的动作与那些动作的成像之间具有最小延迟。在一些示例中，所期望的是每秒提供至少五次完整的图像更新。为了满足这些要求，已经研发了一种3维LIDAR系统，其包括多个激光发射器和探测器阵列。该系统在于2011年6月28日授权的美国专利No.7,969,558中予以描述，其主题被通过引用全部结合到本文中。

在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向被依次接连不断地改变。在这些示例中，与每个单独脉冲相关联的距离测量可以被视为是像素，并且接连不断地发射和捕获的像素(即，“点云”)的收集可以被作为图像呈现或者出于其它原因(例如，探测障碍物)而被进行分析。在一些示例中，采用查看软件将最终获得的点云作为向用户显现三维的图像呈现。可以使用不同的方案将距离测量值描绘为三维图像，这些三维图像看起来就像它们被实况摄像机所捕获到的那样。