阅读说明：本技术 采用迟锁盖格模式检测的LiDAR系统及方法 (LiDAR system and method using late lock cover mode detection ) 是由 赛缪尔·理查德·威尔顿 于 2018-04-04 设计创作，主要内容包括：本发明揭示采用迟锁盖格模式检测的经改进LiDAR系统方法。与现有技术形成鲜明对比,迟锁盖格模式检测系统及/或方法利用脉冲激光器及异步雪崩光电二极管,其在光电二极管武装脉冲之间具有基本上等于但稍微小于激光脉冲周期的迟滞时间。优选地,所述迟滞时间与所述脉冲周期之间的此差<10nsec。(Improved LiDAR system methods employing late-lock cover mode detection are disclosed. In sharp contrast to the prior art, the late lock cover mode detection system and/or method utilizes a pulsed laser and an asynchronous avalanche photodiode having a lag time between photodiode armed pulses that is substantially equal to but slightly less than the laser pulse period. Preferably, this difference between the hysteresis time and the pulse period is <10 nsec.)

采用迟锁盖格模式检测的LiDAR系统及方法

技术领域

本发明大体上涉及扫描光学测距及检测系统及方法。更特定来说，其涉及采用迟锁盖格(Geiger)模式检测的飞行时间光检测及测距(LiDAR)系统及方法。

背景技术

许多领域对在无需物理触摸环境内的对象的情况下测量那些对象的距离及反射率的能力具有极大兴趣。LiDAR-且更特定来说基于飞行时间(TOF)的LiDAR-是一种距离范围测量技术，其中发射短暂激光脉冲及检测经反射光脉冲同时测量经发射光脉冲与经反射光脉冲之间的时间。从发射激光脉冲的时间直到检测到其经反射脉冲的此飞行时间对应于LiDAR检测器与对象之间的距离。

发明内容

在根据本发明的方面的涉及采用迟锁(late-lock)盖格模式检测的LiDAR系统及方法的领域中取得进展。与现有技术形成鲜明对比，迟锁盖格模式检测系统及/或方法利用脉冲激光器及异步雪崩光电二极管，其在光电二极管武装脉冲(arm pulse)之间具有基本上等于但稍微小于激光脉冲周期的迟滞时间。在一个说明性实施例中，所述迟滞时间与所述脉冲周期之间的此差<10nsec。

提供此发明内容以简洁地识别下文在

具体实施方式

中进一步描述的本发明的一些方面。此发明内容既不希望识别本发明关键或基本特征也不希望限制任何权利要求的范围。

应将术语“方面”理解为“至少一个方面”。上文描述的方面及本发明的其它方面通过实例说明且不限于附图。

附图说明

可通过参考附图实现对本发明的更完整理解，其中：

图1展示描绘说明性现有技术盖格模式雪崩光电二极管(GmAPD)LiDAR系统的示意图；

图2展示包含说明通用现有技术LiDAR脉冲生成及检测的多个波形的时序图；

图3展示包含说明迟锁盖格模式LiDAR脉冲生成及检测的多个波形的时序图；

图4是适于执行实施根据本发明的方法的指令的说明性可编程计算机系统的示意性框图。

具体实施方式

下文仅说明本发明的原理。因此，应了解，所属领域的技术人员应能够设想各种布置，尽管本文未明确描述或展示，但其体现本发明的原理且包含在其精神及范围内。更特定来说，虽然陈述了众多特定细节，但应理解，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的实施例，且在其它例子中，未展示众所周知的电路、结构及技术以便不模糊对本发明的理解。

此外，本文陈述的所有实例及条件语言主要明确希望仅用于教育目的以帮助读者理解本发明的原理及由发明者贡献的概念以增进所述领域，且应被理解为不限于此类明确陈述的实例及条件。

此外，本文陈述本发明的原理、方面及实施例以及其特定实例的所有语句希望涵盖其结构及功能等效物两者。另外，希望此类等效物包含当前已知等效物以及未来开发的等效物两者，即，执行相同功能的任何经开发元件，无论结构为何。

因此，例如，所属领域的技术人员应了解，本文的图表示体现本发明的原理的说明性结构的概念视图。

另外，所属领域的技术人员应了解，任何流程图(flow chart/flow diagram)、状态转换图、伪代码及类似物表示可基本上在计算机可读媒体中表示且因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确展示此计算机或处理器。

在其权利要求中，表达为用于执行指定功能的构件的任何元件希望涵盖执行所述功能的任何方式，包含例如a)执行所述功能的电路元件的组合或b)呈任何形式的软件，包含(因此)固件、微代码或类似物，其与适当电路组合以执行所述软件来执行功能。如由此类权利要求所定义的本发明在于以下事实：由所述各种构件提供的功能性以权利要求要求的方式被组合及集合在一起。申请人因此考虑可提供与本文展示的功能性等效的所述功能性的任何构件。最后且除非本文另外明确指定，否则图不是按比例绘制的。

定义以下术语以用于此说明书中，包含所附权利要求书：

·检测区域-也称为视域，其被定义为在图像帧期间成像的所关注区；

·图像帧-也称为帧积分周期(持续时间)及数据积分周期(持续时间)，其被定义为检测区域在其期间成像的时间周期。图像帧通常包含多个检测帧；

·检测帧，也称为激光脉冲周期或光学脉冲周期，其被定义为从发射器发射光学脉冲之间的时间周期；当参考GmAPD武装脉冲之间的时间使用时，通常使用帧周期；

·门延迟，其被定义为检测帧的起始时间与基于GmAPD的接收器经武装以将其置于盖格模式中的时间之间的时间差；应注意，同步APD像素由于其相对于固定周期性参考物周期性武装而具有门延迟，而异步像素由于不具有参考来相对于其延迟而不具有门延迟；

·门控周期-也称为门宽度或门持续时间，被定义为武装SPAD以实现检测光的单个光子的检测帧内的时间周期；及

·样本区域-也称为瞬时视域(IFOV)，被定义为在个别检测帧期间取样的检测区域内的区域。

通过一些额外背景，通过注意到LiDAR系统及方法中的进展已使实践者能够扫描大区同时收集数十亿的数据点(其各自在本地(相对)坐标系统内具有精确纬度、经度及海拔(x,y,z)值)来开始。数十亿的数据点的此聚合称为点云数据集。实践者随后从点云数据集提取对象位置且将所述位置信息用于后续决策。

如所知，点云数据集可由基于GmAPD的LiDAR系统(例如图1中说明性地展示的基于GmAPD的LiDAR系统)收集。如所述图1中描绘，基于GmAPD的LiDAR系统100通常包括：发射器110，其包含激光发射器及发射光学器件；接收器120，其包含接收光学器件及光电检测器；及处理系统130。如图1中展示，LiDAR系统可安装在可移动平台(例如汽车)上。虽然在图1中未明确展示，此(类)LiDAR系统可安装在固定平台或包含陆地车辆、潜水器、空中载具及/或太空交通工具的其它可移动平台上。又进一步，此类平台可经配置或个别地经组合以扫掠或扫描较大体积使得可创建完整的360度环境视图。

在操作上，发射器周期性地将询问信号140发射到检测区域(或视域)150中，询问信号140可从检测区域150反射回作为返回信号145。通常，询问信号是展现适于询问检测区域的周期T1及波长及强度的一连串的光学脉冲。询问信号的波长通常在900nm到2000nm的范围内，然而，其它可用波长在所属领域中是已知的。

在示范性基于GmAPD的LiDAR系统实施例(例如图1中说明的基于GmAPD的LiDAR系统实施例)中，发射器可包含激光源-例如二极管激光器-其响应于来自-例如-处理系统的驱动信号发射询问信号的光学脉冲。因为询问信号的每一光学脉冲传播穿过检测区域，所以对象160将脉冲的光学能量的一部分朝向系统100反射回作为可由接收器检测到的返回信号中的经反射光学脉冲。

在当代实施例中，接收器可包含GmAPD检测器像素阵列(未明确展示)。如所属领域的技术人员应容易地了解及理解，GmAPD的一个特定优点是其响应于检测到甚至单个光子快速产生电脉冲-从而允许亚纳秒精度的光子飞行时间测量。当每一像素被武装时，其可检测到询问信号(返回信号)的低密度反射及输出将由处理系统检测及随后使用的信号。

应进一步注意，在说明性实施例中，处理系统还可将门控信号提供到接收器(未明确展示)的像素，所述门控信号使接收器能够选择性地检测接收到的光子。

虽然已知及理解雪崩光电二极管且特定来说以盖格模式中操作的雪崩光电二极管的操作物理学，但应注意到，使用GmAPD检测器通常不关心增倍噪声而是关心检测概率-也就是，入射光子将产生检测事件的概率。此概率是量子效率(其是光子将被吸收于装置的有源区域中的概率)与雪崩概率(其是光电子(或空穴)将启动不会过早终止的雪崩的概率)的乘积。此外，应注意，盖格模式检测事件不会提供强度信息。通过检测光子而产生的电脉冲可与通过检测许多同时吸收的光子产生的电脉冲区分开。因此，单个热生成的电子或空穴可启动雪崩，从而导致可与光子检测区分开的电脉冲。在LiDAR应用中，此事件表示其概率需要被最小化的假警报。最后，由于来自APD的电脉冲在LiDAR中用于测量光学脉冲的到达时间，所以用户必须关心脉冲到达与来自APD的所得电信号之间的时间间隔的统计变化。给定这些所述特性及其它特性，本文描述用于改进从GmAPD且特定来说用于LiDAR应用中的GmAPD产生的检测数据的可靠性的技术及相关联方法。

现转到图2，展示包含检测区域(例如先前在图1中展示及描述的检测区域)的代表性图像帧的多个波形的说明性时序图。如可从图2观测，图像帧210包含数个基本上相同检测帧215(1)、215(2)、…215(n)。如图2中进一步描绘，每一个别检测帧展现相同持续时间，在此说明性实例中，所述持续时间等于询问信号(图1中的140)的光学脉冲串的周期T1的持续时间。

对于给定图像帧，每一个别检测帧215(1)、215(2)、…215(n)(统称为检测帧215)具有起始时间t0，其与询问信号的相应光学脉冲的发射一致。在图2中展示的说明性实例中，展示起始时间t0与相应光学脉冲的发射同步。举例来说，光学脉冲220(1)在检测帧215(1)的时间t0发射，光学脉冲220(2)在检测帧215(2)的时间t0发射，且光学脉冲220(n)在检测帧215(n)的时间t0发射。应注意，在一些实施例中，每一检测帧的起始时间可不同于其相应光学脉冲的发射时间，且检测帧及光学脉冲的特定数目可不同于此说明性实例中展示的数目。

继续图2的论述，可观察到，在武装时间ta，施加于接收器(例如图1的120)的基于GmAPD的像素的门控信号220将基于GmAPD的像素的偏置电压从V1升到V2，其中V2是高于阈值电压Vt的电压。此将像素置于盖格模式中，从而武装所述像素以使每一像素能够检测到光的单个光子的接收。如图2中展示，武装时间ta在延迟周期230的结束时发生。

在操作期间，门控信号235在整个门控周期240内保持高(即，在V2)。门控周期在解除武装时间td结束，在td，门控信号减小到低于阈值电压Vt到电压V1。如所属领域的技术人员应理解及了解，ta与td之间的时间(即，门控周期的持续时间)通常定义在每一检测帧期间扫描的区域的广度(范围)。一旦门控信号减小到低于阈值电压，就停止发生于GmAPD中的雪崩事件(即，雪崩电流被淬灭)，从而使GmAPD能够被重新武装以在下一检测帧期间检测另一光子的到达。

所属领域的技术人员应知道，通常，接收器的基于GmAPD的像素在每一检测帧结束之前不久被解除武装(如图2中展示)，借此定义迟滞时间，在所述迟滞时间期间GmAPD中的经俘获任何电荷可在GmAPD未处于盖格模式中时取消俘获及重新组合。如所属领域的技术人员应了解，此迟滞时间有利地避免虚假雪崩事件，例如归因于剩余脉冲的暗计数。

在此点，所属领域的技术人员应容易地理解及了解，在此基于GmAPD的LiDAR系统的操作期间，极为重要的是，基于GmAPD的接收器被武装且在返回信号实际上到达接收器处时准备好接收所述信号。给定关于将检测的对象的距离的真实世界不确定性，精确地知道返回信号何时将到达接收器处是难以或不可能事先预测的。有利的是，根据本发明的方法、系统及技术解决此问题。

现转到图3，展示根据本发明的方面的包含基于GMAPD的LiDAR系统的多个波形的说明性时序图。更明确来说，图3说明时序时钟(CLK)310、激光发射(LA_XMIT)320、激光接收(LA_RCV)330及雪崩光学二极管现场(APD_LIVE)350波形。

继续参考图3，应注意，激光发射信号(LA_XMIT)320启动询问信号的生成，且激光接收(LA_RCV)330表示返回信号的到达，先前已描述两者。如所属领域的技术人员应容易地了解及理解，激光发射与激光接收之间的时间差是信号的飞行时间(TOF)，可从所述飞行时间确定到对象的距离。

在图3中进一步展示雪崩光电二极管现场(APD_LIVE)350波形。这些波形说明其中雪崩光电二极管以盖格模式武装(即，通过先前描述的门控信号的效应)且准备(在理想情形中)响应于单个光子检测的周期。如所属领域的技术人员应进一步了解—一旦被武装且在现场-盖格模式雪崩光电二极管就将在接收到足够能量的单个光子后雪崩且输出如此指示的信号。最后，应注意，雪崩光电二极管现场波形(APD_LIVE)350的下降边缘与下一雪崩光电二极管现场(APD_LIVE)350的上升边缘之间的时间周期定义“迟滞”周期。

因此且如所属领域的技术人员应容易地了解，“迟滞”周期(如所述术语用于本发明的上下文中)是APD的淬灭与其随后重新武装之间的所述时间周期，且因此甚至变成准备好响应于单个光子。

如先前提及，接收器(检测器)事先不知道所关注目标(对象)相对于LiDAR系统的位置使得其必须“学习”其在何处-偶然-其何时检测从对象反射回的第一返回信号光子。此通过根据本发明的有利地采用异步雪崩光电二极管且展现APD淬灭与APD武装脉冲之间的基本上等于但稍微小于激光脉冲周期的迟滞时间的迟锁盖格模式检测方案实现。武装脉冲迟滞时间与激光脉冲周期之间的持续时间中的此时间差被称为同步延迟。

为了最大化LiDAR系统性能，同步延迟在检测器抖动、激光器抖动及激光脉冲宽度的极限内应尽可能地短。在根据本发明的说明性实施例中，小于10纳秒的同步延迟是足够的。因此，此说明性同步延迟可通过以下表示：

同步延迟＝(持续时间_LPP-持续时间_HO)

且

同步延迟<10nsec

然而在此点应注意，虽然小于10纳秒的同步延迟通常良好地起作用，但教示不限于此。更特定来说，其它较长同步延迟将同样与根据本发明的系统及方法一起工作。

如应了解，较长同步延迟将允许检测器及激光器的不太严格的时序容差。在操作上-根据本发明-当雪崩光电二极管通过返回信号触发时，在接收下一信号之前的APD的最大武装时间将等于同步延迟-此限制最大可能噪声积分时间且降低被环境噪声“蒙蔽”的概率。如所属领域的技术人员应容易地了解，根据本发明的迟锁方法导致自然对准范围门。

应注意，在采用异步APD的传统设计/使用案例中，迟滞时间可被设计为尽可能地短-通常在500ns与2usec之间，且如果检测器可足够快地重新武装而不会遭受额外剩余脉冲，那么较短时间通常是合意的。尽管根据本发明的这些概论、系统、方法及技术提供显著优点。

应进一步注意，在传统APD实施方案中，不断追求最短可能重新武装时间。通过说明性实例，考虑其中被成像的对象在300米远处(2usec往返时间)且噪声级足够高以导致APD在观测到经反射激光脉冲之前多次雪崩的案例(例如，2MHz计数率＝＝每2us往返时间平均4个噪声计数)。

在此案例中，应注意，噪声是随机分布的，且APD在其随意地检测到如此多的剩余噪声时不断重新武装，其中信号仅偶尔会被检测到。

如所属领域的技术人员应了解，即使有可能极快地重新武装(即，瞬时重新武装)，其也不是所采用的合意方案，这是因为如此瞬时地重新武装的检测器将看到会产生雪崩且输出信号的大量噪声。因此，数据处理器可能必须处理所产生的对应大量数据。作为说明性实例-跨1024个像素检测到的2MHz计数率会导致2G事件/秒的整体数据速率。对于16位时间分辨率，此产生需要被处理的>4GB/s的数据带宽。

在根据本发明的迟锁方法及系统的情况下，无论噪声速率是多大，且无论避免剩余脉冲需要的迟滞时间是多长，此迟锁系统及方法仅接收观察有效TOF信号所需的最小量的信息信号。一旦已建立根据本发明的锁定，有效数据速率就等于激光脉冲速率。在上文提及的特定说明性实例中，在16位时间分辨率下跨1024个像素的400kHz激光脉冲速率导致400MB/s数据带宽—10倍的改进！

其次，使用传统的数据处理方法，不存在计算机可在随后的雪崩检测之间寻找以确定激光信号是否已被充分取样的模式。一致处理涉及增加直方图时区且绕过直方图中的所有存储器位置，以确定哪个时区具有最大幅度。

有利地，通过采用根据本发明的迟锁方法及系统，数字信号处理器(DSP)或其它处理结构可寻找雪崩间模式以确定是否已观察/检测到信号。如果武装/解除武装事件之间的经测量时间足够短-即，在同步延迟之间-对于足够大数目个脉冲-其中数目取决于所要置信度-可瞬时地确定其，其中在无需直方图的庞大计算处理及一致处理的情况下定位信号。根据本发明的方案还展现优点-由于其可以瞬时结果实时处理-LiDAR可在移到下一检测区段之前在数据积分中花费最小时间量。

最后，在传统一致处理中，穿过每一脉冲中的每一可能时区的直方图段的计算(存储器)开销相当大。举例来说-考虑其中激光器以400kHz发脉冲的情况。对于300米的范围，500ps时区分辨率下的2us往返时间-存在信号可驻存于其中的4000个不同时区。对于具有2个字节/段的1024个像素，如果DSP以400kHz检查4000个唯一时区，那么此可能需要3.2TB/s的存储器带宽！虽然通过降低TOF分辨率-假设5或10ns，有可能显著地减小此值，但即使是160GB/s的累积存储器带宽仍十分大。因此，降低这些处理及/或计算“成本”是根据本发明的迟锁系统、方法及技术的一个显著优点。

最后，图4展示适于实施根据本发明的方面的方法且并入到根据本发明的方面的系统中的说明性计算机系统400。如可立刻了解，此计算机系统可被集成到另一系统中，可经由离散元件或一或多个集成组件实施。计算机系统可包括例如运行数个操作系统中的任何者的计算机。本发明的上述方法可在计算机系统400上实施作为所存储的程序控制指令。

计算机系统400包含处理器410、存储器420、存储装置430及输入/输出结构440。当用于根据本发明的系统及方法中时，一或多个输入/输出装置可包含发射器、接收器及光学控制件以及光发射器、光接收器、时序及控制功能、滤波器等以及其它功能。一或多个总线450通常互连组件410、420、430及440。处理器410可为单核或多核。

处理器410执行指令，其中本发明的实施例可包括先前在一或多个图式中描述及/或概述的步骤。此类指令可存储于存储器420或存储装置430中。可使用一或多个输入/输出装置接收及输出数据及/或信息。

存储器420可存储数据且可为计算机可读媒体，例如易失性或非易失性存储器。存储装置430可为系统400提供存储装置，包含例如先前描述的方法。在各种方面中，存储装置430可为快闪存储器装置、磁盘驱动器、光盘装置或采用磁性、光学或其它记录技术的磁带装置。

此时，所属领域的技术人员应容易地了解，虽然已关于特定实施方案及/或实施例描述根据本发明的技术及结构，但所属领域的技术人员应认识到，本发明不限于此。因此，本发明的范围应仅受所附权利要求书限制。