[发明专利]用于确定到对象的距离的系统和方法

说明书

本发明涉及一种用于确定距离的系统，包括：光源，用于以脉冲序列朝向对象投射激光的离散光斑的图案；检测器，包括图像元件，用于检测表示对象所反射的图案的光，与脉冲序列同步；以及处理装置，以根据所述图像元件产生的曝光值计算到对象的距离。图像元件通过累积表示在第一时间窗期间反射的第一光量的第一电荷量和表示在第二时间窗期间反射的第二光量的第二电荷来产生曝光值。系统对至少两个连续的脉冲序列投射并检测，每个脉冲序列以不同持续时间的所述第一时间窗和所述第二时间窗被操作。

技术领域

本发明涉及用于确定到对象的距离的系统的领域，尤其涉及用于表征场景或场景的一部分的基于飞行时间的传感系统。

背景技术

在遥感技术领域中，主要在制作周围环境的高分辨率地图以用于许多控制和导航应用(诸如但不限于汽车和工业环境、游戏应用和测绘应用)的用途中，已知使用基于飞行时间的感测来确定对象距传感器的距离。基于飞行时间的技术包括使用RF调制源、距离选通成像器和直接飞行时间(direct time-of-flight，DToF)成像器。对于RF调制源和距离选通成像器的使用，必须用调制源或脉冲源照射感兴趣的整个场景。直接飞行时间系统，诸如大多数激光雷达(LIDAR)，使用脉冲束机械地扫描感兴趣的区域，脉冲束的反射用脉冲检测器感测。

为了能够将发射的RF调制信号与检测到的反射信号相关联，所发射的信号必须满足许多约束。实际上，这些约束使得RF调制系统对于在交通工具系统中的使用变得非常不实用：对于在常规安全限制内并且在常规交通工具的功率预算内的信号强度，可达到的检测范围(射程，距离)非常有限。

如在大多数激光雷达系统中使用的直接TOF(DToF)成像器包括强大的脉冲激光器(以纳秒脉冲状态操作)、用于从1D点测量获取3D地图的机械扫描系统以及脉冲检测器。这种类型的系统目前可从包括VelodyneLidar of Morgan Hill，California(加利福尼亚州摩根山的维洛丁激光雷达)的供应商处获得。Velodyne HDL-64E作为最先进系统的实例，在每秒5到15转的机械旋转结构中使用64个高功率激光器和64个检测器(雪崩二极管)。这些DToF激光雷达系统所需的光功率太高而无法用半导体激光器获得，半导体激光器的功率在低五到六个数量级的范围内。另外，用于扫描目的的机械旋转元件的使用限制了这种类型系统的小型化、可靠性和成本降低的前景。

以Trilumina名义的美国专利申请公开号2015/0063387公开了VCSEL(垂直腔面发射激光器)，其以脉冲宽度为20ns的脉冲传递50mW的总能量。市售的Optek OPV310VCSEL在以持续时间为10ns的脉冲传递60mW的总能量，并且可通过外推法估算出最大光输出功率为100mW。该值仅在非常严格的操作条件下实现，这意味着最佳占空比和短脉冲宽度，以避免由于热问题导致的不稳定性。Trilumina公开和Optek系统都表明，由于与VCSEL设计固有相关的热约束，连续波VCSEL系统在光峰值功率输出方面达到了其物理极限。在这些脉冲能量水平下，并且使用如目前在DToF应用中使用的ns脉冲，可以预期在120m距离处的对象有效反射的光子数量非常低，使得其无法借助于常规半导体传感器，诸如CMOS或CCD或SPAD阵列检测。因此，因此，将VCSEL功率输出增加5或6个数量级，如将需要的那样将已知的DToF系统的范围扩展，在物理上是不可能的。

甚至使用理论上对捕获少量返回光子足够敏感的雪崩二极管(AD或SPAD)也不能有效地部署在已知的激光雷达系统架构中。必须串行读出SPAD阵列的固态实现。需要大量的SPAD来达到所需的精确度。固态实现的串行读出约束限制了系统的带宽，使其不适合所需的精确度。对于诸如Velodyne系统的精确度(0.02m至0.04m，与距离无关)，所需的读出数据速率超过了当今IC实现情况下实际可获得的带宽。对于120m处的操作，需要500x500像素的SPAD阵列，在基于IC的实现中，必须串行读出。对于与前述Velodyne系统相同的精度，将需要每毫秒1000个脉冲，并且因此需要每毫秒1000帧，转换为每秒250千兆像素的读出速率。在当前的SPAD IC技术的背景下，这被认为在技术上是不可行的。