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CN119126130A - 具有大动态范围的lidar - Google Patents

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CN119126130A
CN119126130A CN202410899480.3A CN202410899480A CN119126130A CN 119126130 A CN119126130 A CN 119126130A CN 202410899480 A CN202410899480 A CN 202410899480A CN 119126130 A CN119126130 A CN 119126130A
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transmit
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张锐
李义民
鲍君威
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Taida Intelligent American Co ltd
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Abstract

提供了一种用于扩展LiDAR系统的光检测器的动态范围的计算机实现的方法。方法包括使用所述LiDAR系统的所述光检测器接收与多个发射脉冲信号相对应的一个或多个返回脉冲信号，其中所述多个发射脉冲信号中的至少两个发射脉冲信号具有不同的功率水平；从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号，其中所选择的返回脉冲信号在所述光检测器的所述动态范围内；标识所述多个发射脉冲信号中的与所选择的返回脉冲信号相对应的发射脉冲信号；以及基于所选择的返回脉冲信号和所标识的发射脉冲信号计算距离。

Description

具有大动态范围的LIDAR
本申请是发明名称为“具有大动态范围的LIDAR”、申请日为2018年10月18日、申请号为“201880081927.9”的中国专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月19日提交的、题为“LIDAR WITH LARGE DYNAMIC RANGE”的美国临时专利申请序列号为62/574,679的优先权，所述美国临时专利申请的内容特此通过引用被并入以用于所有目的。
本申请涉及2016年12月31日提交的、题为“COAXIAL INTERLACED RASTERSCANNING SYSTEM FOR LiDAR”的美国临时专利申请号62/441,280、以及2017年7月7日提交的、题为“2D SCANNING HIGH PRECESION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATINGCONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES”的美国临时专利申请号62/529,955，所述专利申请的内容特此通过引用以其全部被并入以用于所有目的。
技术领域
本公开一般涉及光检测和测距(LiDAR)系统，并且更具体地涉及用于扩展LiDAR系统的动态范围的系统和方法。
背景技术
LiDAR系统可以被用来测量在对象和系统之间的距离。具体地，所述系统可以发射信号(例如通过使用光源)、记录所返回的信号(例如通过使用光电检测器)，以及通过计算在所返回的信号与所发射的信号之间的延迟来确定距离。作为示例，图1描绘了LiDAR系统100，其具有发射器102和接收器104。LiDAR系统发射脉冲信号106、接收所返回的信号108，并且相应地计算到对象110的距离。
典型的LiDAR系统的精度是近似3-10cm，其受激光源的脉冲持续时间以及接收器的响应时间所限制。一些技术用来将精度改善到几厘米，例如通过比较所返回的信号与对应的原始信号(即参考信号)。在美国临时专利申请62/529,955、“2D SCANNING HIGHPRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAMSTEERING DEVICES”中提供了改善LiDAR系统的精度的附加描述，所述专利申请特此通过引用以其全部被并入。
LiDAR系统要求大动态范围，因为所返回的信号的功率水平与距离的平方成反比。例如，从10米的距离处的对象所散射的返回信号通常是从100米的距离处的对象所散射的返回信号的100倍强。此外，针对不同对象的所散射的光可以按数百倍或更大而不同。针对LiDAR系统而言所需要的动态范围通常是如10^3-10^4那么大。然而，用来测量所返回的信号的功率的典型光电检测器的动态范围仅为10^2。
发明内容
下面呈现一个或多个示例的简化概要以提供对本公开的基本理解。此概要不是所有设想的示例的广泛概览，并且不意图标识所有示例的关键或决定性元素或者描画任何或所有示例的范围。其目的是以简化的形式来呈现一个或多个示例的一些概念来作为对于以下呈现的更详细描述的序言。
根据一些实施例，提供了LiDAR扫描系统。所述系统包括光源，所述光源被配置成提供两个或更多光脉冲的序列(例如顺序脉冲群(sequential pulse train))。所述两个或更多光脉冲具有不同的峰值功率，并且按某个延迟而彼此分离。顺序脉冲的次序遵循如下规则：即较弱的信号比较强的信号出来得更早。所述系统还包括一个或多个接收器，以接收与顺序光脉冲相对应的(多个)返回光脉冲。在光源的近邻脉冲的每对之间的功率比可以如接收器的动态范围那么大，例如10^2。因为顺序脉冲群中的每个顺序脉冲的峰值功率覆盖大范围至10^4、但不限于10^4，所以脉冲之一必须返回信号，所述信号使它自身舒适地适应在接收器的动态范围中。
在一些实施例中，一种用于扩展光检测和测距(LiDAR)系统的动态范围的计算机实现的方法包括：通过使用LiDAR系统的光源来发射脉冲信号的序列，其中所述脉冲信号的序列包括两个或更多愈发更强的脉冲信号；在LiDAR系统的光检测器处接收与所发射的脉冲信号的序列相对应的一个或多个所返回的脉冲信号，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号在光检测器的噪声水平以上；从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号，其中所选择的所返回的脉冲信号在光检测器的动态范围内；标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的序列中的所发射的脉冲信号；以及基于所选择的所返回的信号和所标识的所发射的信号来计算距离。
在一些实施例中，一种光检测和测距(LiDAR)系统包括：存储器；激光系统，其被配置成发射脉冲信号的序列，其中脉冲信号的序列包括两个或更多愈发更强的脉冲信号；光检测器，其被配置成接收与所发射的脉冲信号的序列相对应的一个或多个所返回的脉冲信号，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号在光检测器的噪声水平以上；以及一个或多个处理器，其被配置成：从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号，其中所选择的所返回的脉冲信号在光检测器的动态范围内；标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的序列中的所发射的脉冲信号；以及基于所选择的所返回的信号和所标识的所发射的信号来计算距离。
附图说明
为了更好地理解各种所述实施例，应当结合下面的附图来参考以下实施例的描述，在所述附图中类似的参考数字贯穿各图指代对应的部分。
图1描绘了根据一些实施例的具有光源和接收器的示例性LiDAR系统。
图2描绘了根据一些实施例的来自光源的脉冲信号的示例性序列。
图3A描绘了根据一些实施例的从相对近旁的对象所散射的所接收的返回信号。
图3B描绘了根据一些实施例的从相对中程的对象所散射的所接收的返回信号。
图3C描绘了根据一些实施例的从相对遥远的对象所散射的所接收的返回信号。
图4描绘了根据一些实施例的用于扩展LiDAR系统的动态范围的示例性过程。
图5描绘了根据一些实施例的纤维激光器的示例性示意图。
图6A描绘了根据一些实施例的用于实现光源的顺序脉冲的示例性配置。
图6B描绘了根据一些实施例的用于实现光源的顺序脉冲的示例性配置。
图6C描绘了根据一些实施例的用于实现光源的顺序脉冲的示例性配置。
图6D描绘了根据一些实施例的用于实现光源的顺序脉冲的示例性配置。
图7描绘了根据一些实施例的用于实现具有顺序脉冲的参考射束的示例性配置。
具体实施方式
如上面所讨论的，LiDAR系统要求大动态范围，因为所返回的信号的功率水平与距离的平方成反比。针对LiDAR系统而言所需要的动态范围通常是如10^3-10^4那么大。然而，用来测量所返回的信号的功率的典型光电检测器的动态范围仅为10^2。
为了增大系统的动态范围，可以使用若干技术。如果激光源是半导体激光器，则激光源的驱动电流可以被调制以调整输出功率，使得小信号被发送以检测近旁的对象，并且大信号被发送以检测遥远的对象。然而，此技术要求根据先前的帧来预测环境，并且增大计算负载和控制电路的复杂性。此外，此技术不能被用于某些激光源，例如掺杂了铒的纤维激光器，针对其的活性掺杂具有3-10毫秒的长荧光时间。来自这样的激光器的输出功率不能从脉冲到脉冲来被调整，因为激光响应的时间尺度通常在几微秒的区中。一些其它技术可以被应用到这样的激光器，包括例如调整激光源的脉冲持续时间，调谐光电检测器的供给电压，以及使用光电检测器的多个集合。然而，这些技术中没有任何一个能够有效地将光电检测器的动态范围从10^2增大到10^4，并且成本可能是高的。本公开引入了高效并且节省成本的方法来实现具有为10^4但不限于10^4的大动态范围的LiDAR系统。
以下描述被呈现以使得本领域普通技术人员能够制成并且使用各种实施例。特定设备、技术和应用的描述仅仅作为示例被提供。对于本文中所描述的示例的各种修改对于本领域普通技术人员而言将容易地显而易见，并且本文中所限定的一般原理可以被应用到其它示例和应用而不偏离各种实施例的精神和范围。因而，各种实施例不意图被限制到本文中所述和所示的示例，而是要被给予与权利要求一致的范围。
在以下对示例的描述中，参考附图，所述附图形成所述描述的一部分，并且在所述附图中作为图示而示出了能够被实践的特定示例。要理解到，可以使用其它示例，并且可以作出结构性改变而不偏离所公开的示例的范围。
虽然以下描述使用术语“第一”、“第二”等等来描述各种元素，但是这些元素不应当被所述术语所限制。这些术语仅仅用来区别一个元素与另一个。例如，第一脉冲信号可以被称为第二脉冲信号，并且类似地，第二脉冲信号可以被称为第一脉冲信号，而不偏离各种所述实施例的范围。所述第一脉冲信号和第二脉冲信号两者是脉冲信号，但是它们可能不是相同的脉冲信号。
在本文中的各种所述实施例的描述中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的并且不意图是限制性的。如在各种所述实施例的描述和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另行清楚地指示。还将理解到，如本文中所使用的术语“和/或”指代并且包括一个或多个相关联的所列项的任何以及所有可能的组合。此外将理解到，术语“包括”、“包括着”、“包含”和/或“包含着”当在本说明书中被使用的时候指定存在所声明的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。
术语“如果”可选地被解释成意指“当……的时候”或“在……时”或“响应于确定了”或“响应于检测到”，其取决于上下文。类似地，短语“如果确定了”或“如果[所声明的条件或事件]被检测到”可选地被解释成意指“在确定了……时”或“响应于确定了”或“在检测到[所声明的条件或事件]时”或“响应于检测到[所声明的条件或事件]”，其取决于上下文。
本公开描述了一种用于通过使用标准光电检测器而将LiDAR系统的动态范围增大到(但不限于)10^4的方法。典型的光电检测器具有动态范围，其中经放大的电子信号与入射功率线性成比例，直到10^2。然而，为了以几厘米的精度来确定在对象与LiDAR系统之间的距离，接收器应当能够以10^4的动态范围来测量所返回的信号。为了扩展LiDAR系统的动态范围，光源的顺序脉冲被操纵以照射视场中的对象。通过典型的光电检测器来测量所返回的信号，如以下所讨论的。
图2图示了由光源所生成的脉冲信号的两个示例性序列(即两个顺序脉冲群)。所述脉冲信号的两个序列中的每一个包括两个或更多顺序的光脉冲信号。在每个序列中，每个脉冲信号的峰值功率是不同的，并且邻近的脉冲通过某个延迟而被分离。在每个序列中，顺序脉冲信号的次序遵循如下规则：即较弱的信号比较强的信号出来得更早。如图2中所描绘的，每个示例性的顺序脉冲群包括脉冲信号P1，P2，...，Pn的序列。Tp代表脉冲信号的序列之间的时段，并且是激光的重复率的倒数。顺序脉冲群中的脉冲信号可以具有相同的脉冲持续时间或不同的脉冲持续时间。在近邻脉冲信号之间(例如在P1和P2之间、在P2和P3之间)的延迟可以是相同或不同的。
图3A-C图示了示例性的场景，其中LiDAR系统发射两个顺序脉冲群，并且分别地接收从相对近旁的对象、相对中程的对象、以及相对遥远的对象所散射的所返回信号的两个群组。如通过典型的光电检测器所测量的所接收的所返回信号(被注解为R1，R2，...，Rn)分别地对应于P1，P2，...，Pn。
参考图3A，所发射的顺序脉冲群被近旁的对象散射，从而导致所返回的信号R1，R2，...，Rn的群组。由于短距离以及因此的强返回信号，仅仅R1停留在光电检测器的动态范围内，并且所有其它信号饱和。所述饱和的信号稍后被对所测量的所返回信号进行处理的软件丢弃。因此，R1(连同P1)被用来确定在对象与LiDAR系统之间的距离。
参考图3B，所发射的顺序脉冲群被中程对象散射，从而导致所测量的所返回信号R1,R2,...,Rn的群组。一些返回信号(例如对应于P1的R1)隐藏在光电检测器的噪声水平以下，并且不能被分析。一些返回信号(例如对应于Pn的Rn)使光电检测器饱和，并且稍后被丢弃。中程脉冲的所返回信号(对应于P3的R3)停留在光电检测器的动态范围中，并且被用来分析在中程对象与LiDAR系统之间的距离。
参考图3C，所发射的顺序脉冲群被遥远的对象散射，从而导致所测量的所返回信号R1，R2，...，Rn的群组。由于长距离以及因此的弱返回信号，仅有Rn停留在光电检测器的动态范围内，并且所有其它信号在系统的噪声水平以下。因而，Rn被用来分析在遥远对象与LiDAR系统之间的距离。
图4图示了根据各种示例的用于为LiDAR系统提供大动态范围的过程400。过程400例如通过使用LiDAR系统来被执行，所述LiDAR系统具有光源(例如纤维激光器)、光检测器、存储器以及一个或多个处理器。虽然过程400的部分在本文中被描述为由LiDAR系统的特定部件来执行，但是将领会到，过程400不这样被限制。在过程400中，一些框可选地被组合，一些框的次序可选地被改变，并且一些框可选地被省略。在一些示例中，可以结合过程400来执行附加的步骤。因此，如所图示(并且在以下更详细描述)的操作按性质是示例性的，并且因而不应被视为是限制性的。
在框402处，LiDAR系统通过使用LiDAR系统的光源(例如纤维激光器)来发射脉冲信号的序列(例如图2中的顺序脉冲群P1，P2，...，Pn)。脉冲信号的序列包括两个或更多愈发更强的脉冲信号。例如，如在图2中所描绘的，P1在P2之前被发射，并且P1的功率水平低于P2的功率水平。在一些示例中，在脉冲信号的序列的两个近邻脉冲信号(例如P1和P2)之间的功率比不超过检测器的动态范围。
在框404处，LiDAR系统通过使用LiDAR系统的光检测器来接收与所发射的脉冲信号的序列相对应的一个或多个所返回的脉冲信号。所述一个或多个所返回的脉冲信号在光检测器的噪声水平以上。例如，如在图3A中所描绘的，LiDAR系统接收n个所返回的脉冲信号(R1，R2，...，Rn)，其对应于所发射的脉冲信号(P1，P2，...，Pn)的序列。此外，所有n个所返回的脉冲信号(P1，P2，...，Pn)在光检测器的噪声水平之上。作为另一示例，在图3B中，LiDAR系统接收在光检测器的噪声水平以上的小于n个所返回的脉冲信号，因为由LiDAR系统所接收的第一返回信号R1隐藏在光电检测器的噪声水平以下并且不能被分析。
在框406处，LiDAR系统从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号。所选择的所返回的脉冲信号在光检测器的动态范围内(例如，不饱和并且不在光检测器的噪声水平以下)。例如，如在图3B中所描绘的，LiDAR系统选择R3，其在光电检测器的动态范围内，将被用来分析在中程对象与LiDAR系统之间的距离。在此示例中，Rn(对应于Pn)是饱和信号并且因而不被选择。
在一些示例中，为了选择所返回的脉冲信号，LiDAR系统标识所返回的信号中不是饱和信号的最后接收的脉冲信号。例如，参考图3B，系统可以将R3标识为不是饱和信号的最后接收的脉冲信号，因为R4-Rn全部是饱和信号。因此，选择R3。
在一些示例中，存在仅一个与所发射的脉冲信号序列相对应的、在光检测器的动态范围内的所返回脉冲信号。因此，选择那一个所返回的脉冲信号。
在一些示例中，LiDAR系统发射多个脉冲信号序列，并且对于所述多个脉冲信号序列中的每个序列，所述系统接收在光检测器的动态范围内的至少一个所返回的脉冲信号。例如，如果系统发射两个顺序脉冲群(如图2中所描绘的)，并且第一群由近旁对象散射，并且第二群由遥远对象散射，则系统可以能够接收针对所述第一群和第二群两者的、在光检测器的动态范围内的(多个)所返回的脉冲信号，如在图3A和3C中所图示的。
在一些示例中，系统可以确定所有所返回的脉冲信号都是饱和信号(即，所返回的脉冲信号中没有任何一个在光检测器的动态范围内)。这可指示：所发射的脉冲信号(例如图2中的P1，P2，...，Pn)的序列不合适于被勘测的环境。因此，LiDAR系统可以被调整使得脉冲信号的不同序列被生成，并且然后被发射。脉冲信号的新序列可以在脉冲的数目、脉冲的峰值功率水平、或其组合方面不同于先前的序列。在一些示例中，由人类操作员来调整LiDAR系统，所述人类操作员手动地改变LiDAR系统的配置。在一些示例中，由系统的一个或多个处理器自动地调整LiDAR系统。
在框408处，LiDAR系统标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的序列中的所发射的脉冲信号。在框410处，LiDAR系统基于所选择的所返回信号以及所标识的所发射信号来计算距离。
下面提供用于选择所返回的信号以及标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的脉冲信号的示例性过程。在此示例中，LiDAR系统发射脉冲信号的序列，其包括三个愈发强的脉冲信号，并且接收与所发射的序列相对应的一个或多个所返回的信号。
如果LiDAR系统接收在噪声水平以上的仅一个所返回信号，则系统选择所返回的信号(假定该信号在光检测器的动态范围内)，并且确定所返回的信号对应于所发射的序列中的第三/最后的脉冲信号。因此，所述系统基于一个所返回的脉冲信号以及在所发射的脉冲信号序列中的第三脉冲信号来计算距离。
如果LiDAR系统接收在光检测器的噪声水平之上的两个所返回信号，则系统选择那两个中的较早接收的所返回信号(假定该较早的信号在光检测器的动态范围内)，并且确定所选择的所返回信号对应于所发射的序列中的第二脉冲信号。因此，系统基于所述较早接收的脉冲信号以及所发射的脉冲信号序列中的第二脉冲信号来计算距离。
如果LiDAR系统接收在光检测器的噪声水平之上的三个所返回信号，则系统选择那三个中的最早接收的所返回信号(假定该最早的信号在光检测器的动态范围内)，并且确定所选择的所返回信号对应于所发射的序列中的第一脉冲信号。因此，系统计算距离包括基于所述最早接收的脉冲信号以及所发射的脉冲信号序列中的第一脉冲信号来计算距离。
在本文中公开用于实现光源的顺序脉冲的各种示例性配置。在一些实施例中，LiDAR系统使用纤维激光器作为光源。纤维激光器具有其独特的优点，包括完美的射束剖面、从脉冲到脉冲的稳定性，如果使用1550nm波长的眼睛安全等等。然而，纤维激光器也具有其缺点。例如，纤维激光器中的活性离子的荧光时间是几毫秒，因而阻止激光器从脉冲到脉冲来调整功率。因此，通过调整激光功率来增大动态范围的方法不能被容易地实现在标准纤维激光器中。以下描述的是在纤维激光器中生成顺序脉冲群的技术，其提供实际并且高效的方式来增大动态范围。
图5图示了纤维激光器的示例性示意图。通过一个或多个前置放大器和/或升压放大器来放大种子源，以达到合期望的输出功率。如果系统是纳秒激光器，则种子可以是DFB激光器，其脉冲持续时间和重复率受外部电路所控制。如果系统是皮秒激光器或更短的，则种子可以是经模式锁定的纤维激光器，其脉冲持续时间和重复率受激光腔所控制。本公开讨论了作为示例的纳秒纤维激光器，但是应当领会到，所公开的技术可以被应用到任何类型的激光器。
图6A-6D图示了实现顺序脉冲群的示例性配置。虽然图6A-6D中所描绘的每个配置生成2-脉冲顺序脉冲群，但是配置可以被扩展以实现具有任何数目的脉冲的顺序脉冲群。
参考图6A，激光系统610包括激光拆分器C1，所述激光拆分器C1具有输入端口612、第一输出端口614和第二输出端口616。激光拆分器被配置成经由输入端口612(例如从前置放大器)接收激光束，并且基于所接收的激光束，经由第一输出端口614来提供第一拆分的激光束，并且经由第二输出端口616来提供第二拆分的激光束。
激光系统610此外包括激光组合器C2，所述激光组合器C2具有第一输入端口618、第二输入端口620和输出端口622。激光组合器被配置成经由所述两个输入端口来接收第一拆分的激光束和第二拆分的激光束，并且经由输出端口来提供脉冲信号的序列，其包括与第一拆分的射束的至少一部分相对应的第一脉冲信号，以及与第二拆分的射束相对应的第二脉冲信号的至少一部分。
在一些示例中，激光组合器是具有两个输出端口的耦合器，所述两个输出端口之一是输出端口622。具体地，耦合器被配置成将第一拆分的激光束的一部分(例如10％)发射到输出端口622，并且将第一拆分的激光束的其余部分发射到其它输出端口，并且将第二拆分的激光束的一部分(例如90％)发射到输出端口622，并且将第二拆分的激光束的其余部分发射到其它输出端口。在此示例中，经由其它输出端口所输出的激光束被丢弃。此外，经由输出端口622所输出的激光束将是脉冲信号的序列，其具有与第一拆分的射束的一部分(例如10％)相对应的第一脉冲信号，以及与第二拆分的射束的一部分(例如90％)相对应的第二脉冲信号。
在一些示例中，激光组合器包括偏振分束器。所述偏振分束器被配置成：接收具有线性偏振的第一射束以及具有与第一射束垂直的偏振的第二射束；将所述第一射束和第二射速组合成第三射束；以及将所述第三射束提供到激光组合器的输出端口。因此，假如第一拆分的激光束和第二拆分的激光束具有如上所述的偏振，则偏振分束器可以将第一拆分的激光束和第二激光束组合成脉冲信号的序列，其具有与第一拆分的射束的100％相对应的第一脉冲信号以及与第二拆分的射束的100％相对应的第二脉冲信号。
激光系统610此外包括：第一纤维624，其被配置成将来自激光拆分器的第一输出端口614的第一拆分的射束中继到激光组合器的第一输入端口618；以及第二纤维626，其被配置成将来自激光拆分器的第二输出端口616的第二拆分的射束中继到激光组合器的第二输入端口620。所述第一纤维和第二纤维被配置成向第二拆分的激光束引起相对于第一拆分的激光束的延迟。在一些示例中，第二纤维的长度长于第一纤维的长度，以引入延迟。在一些示例中，激光系统610此外包括前置放大器和/或升压放大器，如图6A中所描绘的。
在图6A中提供了特定的量以图示顺序脉冲群的示例性实现方式。如所描绘的，最后的前置放大器的功率Wpre是30mW，并且纤维激光器的输出功率Wout是1000mW。拆分器C1被定位在最后的前置放大器和升压放大器之间以将Wpre拆分成两个拆分的激光束。来自端口616的拆分的激光束具有20mW的功率水平，并且馈给升压放大器以生成1000mW输出。来自端口614的拆分的激光束具有10mW的功率水平。组合器C2组合两个拆分的射束以形成顺序脉冲群。在组合过程期间，如果输入被偏振维持，则可以使用偏振分束器。对于未经偏振的系统的情况，可以使用具有某个比(例如90:10)的耦合器，但是以损失某个功率为代价。纤维624、626和/或630的长度可以被控制以限定在小脉冲与大脉冲之间的延迟。在小脉冲与大脉冲之间的脉冲强度比近似是10^2，其被设计成匹配光电检测器的动态范围。如以上所讨论的，与小脉冲相对应的所返回信号被用来确定短距离，并且与大脉冲相对应的那个被用来确定长距离。通过使用两个脉冲的组合，最后的动态范围可以达到10^2*10^2＝10^4。
在一些示例中，通过使用环行器(circulator)和反射器来实现激光拆分器。图6B图示了实现顺序脉冲群的另一示例性配置。如所描绘的，在升压放大器之后使用环行器。环行器被配置成经由输入端口636来接收激光束，并且经由环行器的输出端口632来将所接收的激光束提供到部分反射器的输入端口。部分反射器(例如1％反射器)将小量(例如1％)的脉冲反射回到环行器。所述环行器是方向感知的，并且被配置成经由端口634而将行进的任何激光束传播到输出端口632中。脉冲的其余部分(即没有被反射器所反射的)被反射器输出。
与图6A中的那个类似的组合器组合来自端口634的小脉冲以及离开环行器的大脉冲。在大脉冲和小脉冲之间的强度比可以受反射器的反射率所控制。在配置中的纤维长度(例如来自端口634和端口632的)被控制以确定在小脉冲和大脉冲之间的延迟。如果使用1％反射器，则大脉冲和小脉冲的强度比是大约10^2，匹配其动态范围是10^2的光电检测器。最后的动态范围是10^4，如同关于图6A所描述的技术那样。
在一些示例中，LiDAR系统包括激光组合器，所述激光组合器具有第一输入端口、第二输入端口、以及两个输出端口；并且所述激光组合器被配置成经由所述两个输出端口而提供脉冲信号的两个序列。图6C-6D图示了用于具有两个激光束作为光源的系统的、用于实现顺序脉冲群的两个示例性配置。如所描绘的，50:50耦合器被用来组合小射束与大射束。在耦合器的输出处，两个端口中的每一个获得大射束的50％以及小射束的50％。因此，对于具有1000mW的输出功率的纤维激光器，提供两个激光源作为光源，所述两个激光源中的每一个包含小脉冲(5mW)和大脉冲(500mW)。
为了以几厘米的高精度来确定对象的距离，需要参考射束来用于分析。在美国临时专利申请62/529,955“2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OFROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES”中提供了改善LiDAR系统的精度的附加描述，所述美国临时专利申请特此通过引用以其全部被并入。可以通过耦合器来提供参考射束(例如在纤维激光器中)，如图7中所见。主脉冲的小部分经由耦合器而被传播到参考臂中，并且被光检测器所记录。参考信号的脉冲形状和射束剖面与所发射的脉冲信号的序列相同。通过分析参考射束和所返回信号的脉冲形状，可以更精确地计算在对象与LiDAR系统之间的距离。
在一些示例中，参考射束被提供到LiDAR系统的光检测器，并且系统引起在参考信号的提供与脉冲信号序列的发射之间的延迟，使得参考射束的所测量信号不干扰所返回信号中的任何信号。例如，参考臂的纤维长度被布置以引起这样的延迟。当基于参考信号与(多个)所返回的信号来计算距离的时候，系统考虑延迟(例如通过使用软件来校正延迟)。
对于LiDAR系统而言重要的是通过编码和解码技术来区分其自己的信号与其它的那些。实现顺序脉冲群可以提供这样的编码和解码功能。通过使用脉冲之间的不同延迟以及脉冲之间的不同幅度比率，LiDAR系统相关联唯一的签名，并且因此可以区分它自身与其它的。例如，在LiDAR系统发射了脉冲信号序列之后，系统可以接收在光检测器的动态范围中的多个所返回信号。然而，所返回信号中的仅一些由被对象所散射的所发射序列产生。LiDAR系统可以基于在所发射的脉冲信号序列中的近邻脉冲信号之间的已知延迟来将所述多个所返回的信号的子集标识为对应于所发射的脉冲信号序列。另外地或替换地，LiDAR系统可以基于在所发射的脉冲信号序列中的近邻脉冲信号之间的已知幅度差异而将所述多个所返回信号的子集标识为对应于所发射的脉冲信号序列。
为了实现不同的延迟，在一些示例中，可以调整图7中的纤维延迟线的长度。为了实现不同的幅度比，在一些示例中，可以调整图7中的反射器的反射比。此外，在序列中的近邻脉冲之间的一个或多个功率比被设置成低于光检测器的动态范围，使得系统可以接收在光检测器的动态范围内的多个所返回信号，因而获得将在上述分析中使用的在这些所返回的信号之间的延迟。
在以下项目的示例实现方式中阐述示例性的方法、非暂时性计算机可读存储介质、系统和电子设备。
项目1.一种用于扩展光检测和测距(LiDAR)系统的动态范围的计算机实现的方法，所述LiDAR系统具有光源和光检测器，所述方法包括：
通过使用LiDAR系统的光源来发射脉冲信号的序列，其中脉冲信号的序列包括两个或更多愈发更强的脉冲信号；
通过使用LiDAR系统的光检测器来接收与所发射的脉冲信号的序列相对应的一个或多个所返回的脉冲信号，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号在光检测器的噪声水平以上；
从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号，其中所选择的所返回的脉冲信号在光检测器的动态范围内；
标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的序列中的所发射的脉冲信号；以及基于所选择的所返回信号以及所标识的所发射信号来计算距离。
项目2.项目1的方法，其中在所发射的脉冲信号的序列的两个近邻脉冲信号之间的功率比不超过检测器的动态范围。
项目3.项目1-2中任一项的方法，其中所选择的所返回的脉冲信号是第一返回脉冲信号，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号此外包括在所述第一返回脉冲信号之后所接收的第二返回脉冲信号，其中所述第二返回脉冲信号是饱和信号。
项目4.项目1-2中任一项的方法，此外包括：在接收在光检测器的噪声水平以上的所述一个或多个所返回信号之前接收在光检测器的噪声水平以下的所返回信号。
项目5.项目1-4中任一项的方法，此外包括：发射多个脉冲信号序列；对于所述多个脉冲信号序列中的每个序列，接收在光检测器的动态范围内的至少一个所返回的脉冲信号。
项目6.项目1-5中任一项的方法，其中从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号包括：标识所述一个或多个所返回信号中不是饱和信号的最后接收的脉冲信号。
项目7.项目1-5中任一项的方法，其中从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号包括：确定仅存在一个与所发射的脉冲信号的序列相对应并且在光检测器的噪声水平以上的所返回的脉冲信号。
项目8.项目1-7中任一项的方法，其中所发射的脉冲信号的序列是第一序列，所述方法此外包括：确定所述一个或多个所返回的脉冲信号中的每一个是饱和信号；在所述确定之后，发送在以下方面中不同于所述第一序列的脉冲信号的第二序列：脉冲的数目、脉冲的峰值功率水平、或其组合。
项目9.项目1-8中任一项的方法，其中所发射的脉冲信号的序列包括第一脉冲信号、在所述第一脉冲信号之后发射的并且比所述第一脉冲信号更强的第二脉冲信号、以及在所述第二脉冲信号之后发射的并且比所述第二脉冲信号更强的第三脉冲信号。
项目10.项目9的方法，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号包括在噪声水平以上的一个返回的脉冲信号，其中所述一个返回的脉冲信号是所选择的所返回信号，并且其中计算距离包括基于所述一个返回的脉冲信号以及所发射的脉冲信号的序列中的第三脉冲信号来计算距离。
项目11.项目9的方法，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号包括在噪声水平以上的两个所返回信号，其中所述两个中较早接收的所返回信号是所选择的所返回信号，并且其中计算距离包括基于所述较早接收的脉冲信号以及所发射的脉冲信号的序列中的第二脉冲信号来计算距离。
项目12.项目9的方法，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号包括三个所返回信号，其中所述三个中最早接收的所返回信号是所选择的所返回信号，并且其中计算距离包括基于所述最早接收的脉冲信号以及所发射的脉冲信号的序列中的第一脉冲信号来计算距离。
项目13.项目1-12中任一项的方法，此外包括：接收在光检测器的动态范围中的多个所返回信号；将所述多个所返回信号的子集标识为对应于所发射的脉冲信号的序列，其中所述标识基于在所发射的脉冲信号的序列中的近邻脉冲信号之间的一个或多个延迟。
项目14.项目1-12中任一项的方法，此外包括：接收在光检测器的动态范围中的多个所返回信号；将所述多个所返回信号的子集标识为对应于所发射的脉冲信号的序列，其中所述标识基于在所发射的脉冲信号的序列中的近邻脉冲信号之间的一个或多个幅度差异。
项目15.项目1-14中任一项的方法，此外包括：通过光源来向光检测器提供参考信号，其中所述参考信号的脉冲形状和射束剖面与所发射的脉冲信号的序列相同。
项目16.项目15的方法，此外包括：引起在参考信号的提供与脉冲信号的序列的发射之间的延迟，其中基于所述延迟来计算距离。
项目17.项目1-16中任一项的方法，其中所述光源包括纤维激光器。
项目18.项目1-17中任一项的方法，其中所述光源包括分束器、组合器、以及至少两个不同长度的纤维。
项目19.一种光检测和测距(LiDAR)系统，包括：
存储器；
激光系统，其被配置成发射脉冲信号的序列，其中脉冲信号的序列包括两个或更多愈发更强的脉冲信号；
光检测器，其被配置成接收与所发射的脉冲信号的序列相对应的一个或多个所返回的脉冲信号，其中所述一个或多个所返回的脉冲信号在光检测器的噪声水平以上；以及
一个或多个处理器，其被配置成：
从所述一个或多个所返回的脉冲信号中选择所返回的脉冲信号，其中所选择的所返回的脉冲信号在光检测器的动态范围内；
标识与所选择的所返回的脉冲信号相对应的所发射的序列中的所发射的脉冲信号；以及基于所选择的所返回信号以及所标识的所发射信号来计算距离。
项目20.项目19的系统，其中所述激光系统包括分束器，所述分束器具有输入端口、第一输出端口、和第二输出端口，其中所述分束器被配置成经由输入端口来接收激光束，并且基于所接收的激光束，经由所述第一输出端口来提供第一拆分的激光束并且经由所述第二输出端口来提供第二拆分的激光束。
项目21.项目20的系统，其中所述分束器包括环行器；以及反射器，其中所述环行器被配置成经由环行器的输出端口来将所接收的激光束提供到反射器的输入端口，其中所述反射器被配置成将所接收的激光束的第一部分反射回到环行器的输出端口，并且经由反射器的输出端口来发射所接收的激光束的第二部分。
项目22.项目21的系统，其中所接收的激光束的第一部分对应于第一拆分的激光束，并且其中所接收的激光束的第二部分对应于第二拆分的激光束。
项目23.项目20-22中任一项的系统，其中所述激光系统包括激光组合器，所述激光组合器具有第一输入端口、第二输入端口、以及输出端口；其中所述激光组合器被配置成经由输出端口来提供脉冲信号的序列，其包括与第一拆分的射束的至少一部分相对应的第一脉冲信号以及与延迟的第二拆分的射束的至少一部分相对应的第二脉冲信号。
项目24.项目23的系统，其中所述激光组合器包括耦合器，所述耦合器具有第一输出端口和第二输出端口，并且其中所述激光组合器的输出端口是所述耦合器的第一输出端口和第二输出端口之一。
项目25.项目23的系统，其中所述激光组合器包括偏振射束组合器，所述偏振射束组合器被配置成：接收具有线性偏振的第一射束以及具有与所述第一射束垂直的偏振的第二射束；将所述第一射束和第二射束组合成第三射束；以及将所述第三射束提供到激光组合器的输出端口，其中所述第三射束包括脉冲信号的序列。
项目26.项目19-22中任一项的系统，其中所述激光系统包括激光组合器，所述激光组合器具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、以及第二输出端口；其中所述激光组合器被配置成经由激光组合器的第一输出端口来提供脉冲信号的第一序列，并且经由激光组合器的第二输出端口来提供脉冲信号的第二序列。
项目27.项目19-26中任一项的系统，其中所述激光系统此外包括：第一纤维，其被配置成将来自分束器的第一输出端口的第一拆分的射束中继到激光组合器的第一输入端口；以及第二纤维，其被配置成将来自分束器的第二输出端口的第二拆分的射束中继到激光组合器的第二输入端口，其中第一纤维和第二纤维被配置成向第二拆分的激光束引起相对于第一拆分的激光束的延迟。
项目28.项目27的系统，其中所述第一纤维的长度不同于第二纤维的长度。
项目29.项目19-28中任一项的系统，其中所述激光系统此外包括前置放大器。
项目30.项目19-29中任一项的系统，其中所述激光系统此外包括升压放大器。
项目31.项目19-30中任一项的系统，其中所述激光系统此外被配置成将参考信号提供到光检测器，其中所述参考信号的脉冲形状和射束剖面与所发射的脉冲信号的序列相同。
虽然已经参考附图而充分描述了本公开和示例，但是要注意到，对于本领域技术人员而言，各种改变和修改将变得显而易见。这样的改变和修改将被理解为被包括在如通过权利要求所限定的本公开和示例的范围内。
已经参考特定的实施例而描述了用于解释目的的前述描述。然而，以上说明性的讨论不意图是穷举的或将本发明限制到所公开的确切形式。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。实施例被选择和描述以便最佳地解释技术原理及其实际应用。由此使得本领域其他技术人员能够最佳地利用技术和各种实施例，其具有如对于所设想的特定使用而言合适的各种修改。

Claims (32)

1.一种用于扩展光检测和测距LiDAR系统的光检测器的动态范围的计算机实现的方法，所述方法包括：
使用所述LiDAR系统的所述光检测器接收与多个发射脉冲信号相对应的一个或多个返回脉冲信号，其中所述多个发射脉冲信号中的至少两个发射脉冲信号具有不同的功率水平；
从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号，其中所选择的返回脉冲信号在所述光检测器的所述动态范围内；
标识所述多个发射脉冲信号中的与所选择的返回脉冲信号相对应的发射脉冲信号；以及
基于所选择的返回脉冲信号和所标识的发射脉冲信号计算距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个发射脉冲信号中的两个近邻脉冲信号之间的功率比不超过所述光检测器的所述动态范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所选择的返回脉冲信号是第一返回脉冲信号，其中所述一个或多个返回脉冲信号还包括超过所述光检测器的所述动态范围的第二返回脉冲信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一个或多个返回脉冲信号在所述光检测器的噪声水平以上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号包括：
标识所述一个或多个返回脉冲信号中不是饱和信号的最后接收的返回脉冲信号。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号包括：
确定仅存在一个与所述多个发射脉冲信号相对应并且在所述光检测器的噪声水平以上的返回脉冲信号。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个发射脉冲信号是第一多个发射脉冲信号，并且所述一个或多个返回脉冲信号是第一返回脉冲信号，所述方法还包括：
接收与第二多个发射脉冲信号相对应的一个或多个第二返回脉冲信号；
确定所述一个或多个第二返回脉冲信号中没有第二返回脉冲信号在所述光检测器的所述动态范围内；和
在确定之后，发送第三多个发射脉冲信号，所述第三多个发射脉冲信号在以下一个或多个方面不同于所述第二多个发射脉冲信号：脉冲的数量、脉冲的峰值功率水平或它们的组合。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个发射脉冲信号形成具有愈发更强的功率水平的发射脉冲信号序列。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所选择的返回脉冲信号是所述一个或多个返回脉冲信号中在所述光检测器的噪声水平以上的唯一返回脉冲信号。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个返回脉冲信号包括在噪声水平以上的两个或三个返回脉冲信号，其中所述两个或三个返回脉冲信号中最早接收的返回脉冲信号是所选择的返回脉冲信号。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述多个发射脉冲信号中的至少一些近邻发射脉冲信号之间的不同延迟来对所述多个发射脉冲信号进行编码。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于所述不同延迟对多个返回脉冲信号进行解码，以标识与所述多个发射脉冲信号相对应的所述一个或多个返回脉冲信号。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括基于解码结果丢弃与一个或多个其他LiDAR系统相关联的返回信号。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个发射脉冲信号被配置为在所述多个发射脉冲信号中的至少一些近邻发射脉冲信号之间具有功率水平差。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于所述功率水平差对多个返回脉冲信号进行解码，以标识与所述多个发射脉冲信号相对应的所述一个或多个返回脉冲信号。
16.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
向所述光检测器提供参考信号，其中计算所述距离还基于所述参考信号的提供与所述多个发射脉冲信号的发射之间的延迟。
17.一种光检测和测距LiDAR系统，包括：
光检测器，能操作以接收与多个发射脉冲信号相对应的一个或多个返回脉冲信号，其中所述多个发射脉冲信号中的至少两个具有不同的功率水平；
存储器；和
一个或多个处理器，被配置为：
从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号，其中所选择的返回脉冲信号在所述光检测器的动态范围内；
标识所述多个发射脉冲信号中的与所选择的返回脉冲信号相对应的发射脉冲信号；以及
基于所选择的返回脉冲信号和所标识的发射脉冲信号计算距离。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述多个发射脉冲信号中的两个近邻脉冲信号之间的功率比不超过所述光检测器的所述动态范围。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所选择的返回脉冲信号是第一返回脉冲信号，其中所述一个或多个返回脉冲信号还包括超过所述光检测器的所述动态范围的第二返回脉冲信号。
20.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述一个或多个返回脉冲信号在所述光检测器的噪声水平以上。
21.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为通过以下方式从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号：
标识所述一个或多个返回脉冲信号中不是饱和信号的最后接收的返回脉冲信号。
22.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为通过以下方式从所述一个或多个返回脉冲信号中选择返回脉冲信号：
确定仅存在一个与所述多个发射脉冲信号相对应并且在所述光检测器的噪声水平以上的返回脉冲信号。
23.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述多个发射脉冲信号是第一多个发射脉冲信号，并且所述一个或多个返回脉冲信号是第一返回脉冲信号，所述光检测器能操作以：
接收与第二多个发射脉冲信号相对应的一个或多个第二返回脉冲信号；
所述一个或多个处理器还被配置为：
确定所述一个或多个第二返回脉冲信号中没有第二返回脉冲信号在所述光检测器的所述动态范围内；和
在确定之后，发送第三多个发射脉冲信号，所述第三多个发射脉冲信号在以下一个或多个方面不同于所述第二多个发射脉冲信号：脉冲的数量、脉冲的峰值功率水平或它们的组合。
24.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述多个发射脉冲信号形成具有愈发更强的功率水平的发射脉冲信号序列。
25.根据权利要求24所述的系统，所选择的返回脉冲信号是所述一个或多个返回脉冲信号中在所述光检测器的噪声水平的唯一返回脉冲信号以上。
26.根据权利要求24所述的系统，其中，所述一个或多个返回脉冲信号包括在噪声水平以上的两个或三个返回脉冲信号，其中所述两个或三个返回脉冲信号中最早接收的返回脉冲信号是所选择的返回脉冲信号。
27.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为使用所述多个发射脉冲信号中的至少一些近邻发射脉冲信号之间的不同延迟来对所述多个发射脉冲信号进行编码。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述不同延迟对多个返回脉冲信号进行解码，以标识与所述多个发射脉冲信号相对应的所述一个或多个返回脉冲信号。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为基于解码结果丢弃与一个或多个其他LiDAR系统相关联的返回信号。
30.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述多个发射脉冲信号被配置为在所述多个发射脉冲信号中的至少一些近邻发射脉冲信号之间具有功率水平差。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述功率水平差对多个返回脉冲信号进行解码，以标识与所述多个发射脉冲信号相对应的所述一个或多个返回脉冲信号。
32.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为还基于与参考信号和所述多个发射脉冲信号相关联的延迟计算所述距离。
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