飞行时间设备的制作方法

本公开涉及光学传感领域，尤其涉及飞行时间系统。

背景技术：

激光雷达(lidar)系统通常从激光器产生脉冲，并利用反射光进行成像、探测、和测距。激光雷达系统具有许多应用，包括在自动汽车应用的传感器中的使用。有时也将lidar拼写成lidar，作为lightdetectionandranging(激光探测和测距)或laserradar(激光器雷达)的首字母缩写词。

自动驾驶车辆需要大量传感器，基于激光雷达的传感器可以提供良好的距离、精度、和分辨率。

固态激光雷达是一种新兴技术，其使用光学相控阵列作为发射器。相控阵列在雷达和微波传输的背景下是众所周知的。在光学领域，高效2d阵列的设计和制造仍然是相当大的技术挑战。例如，由于所涉及的波长(例如，0.4至1.6微米)，发射单个衍射光束的相控阵列所需的发射器间距小于能够易于设计和制造的发射器间距。一种解决方案是使用以更高衍射级操作的所谓的稀疏相控阵列(thinnedphasedarrays)。稀疏相控阵列的发射器之间的间隔较大。稀疏相控阵列的缺点是其发射多个光束，降低了中心光束的功率效率。此外，多个光束产生来自待被激光扫描仪测距的物体的多个反射，影响了接收器对物体进行精确测距的能力。

因此，需要一种至少部分地解决现有技术的一个或多个局限的系统和方法。特别地，需要一种价格低廉、尺寸不过大、且能够准确地对物体进行测距的激光雷达系统。

提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。无意承认也不应理解为任何前述信息构成针对本发明的现有技术。

技术实现要素：

飞行时间(time-of-flight)激光雷达系统可用于对外部物体进行探测和测距。脉冲的发送和相应散射光的探测之间的“飞行时间”表示到光散射点的距离，而发送器光束的方向(由转向装置确定)可用于确定到光散射点的方向。

本公开的方面提供了一种用于飞行时间激光雷达应用的系统和方法，其中，提供多个光电探测器以接收来自多个光束的散射光。

本公开的一个方面涉及一种包括发送器和接收器的飞行时间设备。发送器包括用于提供激光脉冲的激光器和耦合到激光器的光学相控阵列，该光学相控阵列用于接收激光脉冲并提供从光学相控阵列扇出的多个光束。接收器包括用于接收来自多个光束的散射光的光接收单元以及耦合到光接收单元的光电探测器阵列。光电探测器阵列包括多个光电探测器，使得光电探测器阵列中的至少一个特定光电探测器用于接收来自多个光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，光学相控阵列用于使多个光束转向。应注意，多个光束被转向以扫描飞行时间设备的视场。在一些实施例中，多个光束被成形为从光学相控阵列延伸的扇形光束。在一些实施例中，光学相控阵列用于使该扇形光束转向。在一些实施例中，光电探测器阵列中的至少一个特定光电探测器用于在扇形光束由光学相控阵列转向时接收来自扇形光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，扇形光束是一维的，并且光电探测器阵列是一个一维的。在一些实施例中，扇形光束是二维的，并且其中，光电探测器阵列是一个二维的。在一些实施例中，光电探测器阵列具有与扇形光束对应的变化的光电探测器间距，使得光电探测器形成枕形图案。在一些实施例中，光学相控阵列用于在单个平面中改变扇形光束的指向角。在一些实施例中，光学相控阵列用于在两个相互垂直的平面中改变扇形光束的指向角。在一些实施例中，光接收单元包括透镜。在一些实施例中，光接收单元包括光学耦合到光电探测器阵列的多个透镜。在一些实施例中，光电探测器阵列具有变化的光电探测器间距以匹配扇形光束。在一些实施例中，光学相控阵列包括稀疏光学相位阵列。在一些实施例中，光学相控阵列包括集成光子芯片，该集成光子芯片包括发射器的阵列和可调谐相位元件的阵列，其中，每个可调谐相位元件耦合到发射器中的一个特定发射器。在一些实施例中，飞行时间设备包括控制器，该控制器耦合到发送器，并用于使激光器发送激光脉冲，以及使光学相控阵列将扇形光束转过预定的指向角范围。在一些实施例中，控制器用于接收来自光电探测器阵列中的各个光电探测器的信号，其中，信号对应于来自扇形光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，控制器还用于根据对应的信号确定来自光束中的每个特定光束的散射光的到达时间。

本公开的另一方面涉及飞行时间测距方法。该方法包括向光学相控阵列提供激光脉冲，以提供从光学相控阵列扇出的多个光束。该方法还包括通过包括多个光电探测器的光电探测器阵列接收来自多个光束的散射光，其中，光电探测器阵列中的至少一个特定光电探测器用于接收来自多个光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，该方法还包括对于每个光电探测器，响应于光电探测器接收散射光接收探测器信号，然后将每个探测器信号的到达时间转换为距离。在一些实施例中，多个光束被成形为扇形光束。在一些实施例中，该方法还包括转向扇形光束。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征、方面、以及优点将变得更易理解，附图仅作为示例进行描述。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述，其中相似的附图标记表示相似的部分。

图1是根据实施例的激光雷达系统的框图。

图2示出了根据实施例的图1的系统对外部物体成像的简化视图。

图3示出了根据实施例的扫描操作。

图4是根据实施例的稀疏光学相位阵列和光电探测器阵列的3d示意图。

图5示出了根据实施例的探测来自稀疏光学相位阵列发射的多个光束的散射光的光电探测器阵列。

图6是根据另一实施例的另一激光雷达系统的框图。

图7示出了根据实施例的非均匀探测器阵列的一个示例。

图8示出了根据实施例的利用极坐标网格探测器阵列的另一实施例。

图9示出了根据实施例的包括一维光学相控阵列和一维光电探测器阵列的设备。

图10示出了根据实施例的由控制器执行的飞行时间测距方法。

具体实施方式

将结合示例的“飞行时间(time-of-flight)”激光雷达系统(例如用于诸如自动驾驶汽车的自动车辆应用或无人机)来讨论实施例。这种系统利用激光雷达传感器产生激光脉冲，并通过对反射脉冲进行测量和计时来感测环境。

图1示出了根据实施例的飞行时间激光雷达设备。实施例提供了一种具有发送器和接收器的激光雷达扫描器。发送器包括激光器10和光学相控阵列20，该光学相控阵列20用作对外部物体(未示出)进行成像的发射器/扫描器。接收器包括光接收单元40和包括多个光电探测器51、52、53、54的光电探测器阵列50。在一些实施例中，光学相控阵列20是稀疏光学相控阵列。在稀疏光学相控阵列中，定义为相邻发射器之间的中心到中心距离的间距大于作用在该阵列上的光波长的一半，使得被阵列衍射的光基于光学相控阵列20的间距产生多个光束。因此，光学相控阵列20接收来自激光器10的激光脉冲，并提供从光学相控阵列20扇出的多个光束。在图1中，示出了四个这样的光束1、2、3、4，但是应当理解，根据光学相控阵列20的配置，可以发射多于四个光束。

在一些实施例中，光接收单元40包括诸如光学耦合到光电探测器阵列50的一个或多个透镜的成像光学器件。光接收单元40引导从外部物体反射的散射光，以在光电探测器阵列50上产生激光雷达扫描仪视场70的图像。视场70由虚线71、72界定，虚线71、72取决于光接收单元40。应该理解的是，该图未按比例绘制。实际上，待扫描的外部物体距离该设备足够远，使得视场70将包括由光束1、2、3、4扫描的物体。此外，在一些实施例中，光接收单元40可以转向/聚焦来自所有的四个光束1、2、3、4的从外部物体散射(即，反射)的光。

该设备还包括控制器60，该控制器60经由信令链路61控制激光器10并且经由信令链路62控制光学相控阵列20。此外，在一些实施例中，控制器可以经由信令链路63控制光接收单元40。控制器还处理经由信令链路64接收的从各个光电探测器51、52、53、54接收的成像数据。

在一些实施例中，光电探测器阵列中的光电探测器的数量被配置为等于由稀疏相控阵列发射并对应于如上所述的衍射波瓣的波束的数量。在其他实施例中，光电探测器阵列中的至少一个特定光电探测器被设置用于接收来自多个光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，光电探测器的数量大于由稀疏相位阵列发射的光束的数量。应注意，本文考虑的光束是光接收单元40的视场70内的光束。根据测距设备的实现形式，在更大角度处可以存在其他光束；然而，由于这些光束在光接收单元40的视场70之外，因此它们不会有助于形成被测距物体的图像，因此在以下描述中省略。

在一些实施例中，光学相控阵列用于使多个光束转向或偏转，由箭头25a-25d示意性示出。在一些实施例中，如图所示，多个光束被成形为扇形光束，该扇形光束源自光学相位阵列并从光学相控阵列扇出(即辐射)。参考以下讨论的图4和图5可以更好地看出这一点。

图2示出了根据实施例的图1的系统对外部物体100成像的简化视图。为了避免图形混乱，省略了光接收单元40以及到/来自控制器60的信令链路。在本示例中，扇形光束的光束被外部物体100散射。在该图中，示出了光束1、2、3、4中的每个从该物体反射的单个散射光束。散射光束用虚线显示。更具体地，散射光束5对应于光束1，散射光束6对应于光束2，散射光束7对应于光束3，散射光束8对应于光束4。光束探测器54探测由光束5表示的散射光，光电探测器53探测由光束6表示的散射光，光电探测器52探测由光束7表示的散射光，光电探测器51探测由光束8表示的散射光。

图3示出了根据实施例的扫描操作。飞行时间设备可以通过扫描光束对整个视场70中的一个或多个物体进行成像和测距。例如，光束1在第一时刻示出为光束1a，可以旋转指向角范围25a，以形成第二时刻的光束1b。指向角范围表示每个光束被转向(旋转)的角度。相应地，光束2在第一时刻示出为光束2a，可以旋转指向角范围25b，以形成第二时刻的光束2b。类似地，光束3在第一时刻示出为光束3a，可以旋转指向角范围25c，以形成第二时刻的光束3b。类似地，光束4在第一时刻示出为光束4a，可以旋转指向角范围25d，以形成第二时刻的光束4b。在所示的实施例中，光学相位阵列20用于将整个扇形光束转过指向角25a-25d(如同每个光束一致地移动)。指向角大小可以由控制器60控制。因此，光学相位阵列可以用于转向整个扇形光束，从而转过各个光束的指向角。在一些实施例中，光电探测器阵列中的至少一个特定光电探测器被设置为在光学相位阵列扫描指向角时接收来自扇形光束中的每个特定光束的散射光。

图1至图3是示意性的，并且仅示出了一维扇形光束(即平面的扇形光束)和一维光电探测器阵列。然而，应当理解的是，在一些实施例中，扇形光束是二维的(two-dimensional，2d)并且光电探测器阵列是二维的。此外，设想了在两个垂直平面中扫描一维扇形光束的实施例，反之亦然，即，仅在一个平面中扫描二维扇形光束。

图4是根据实施例的2d稀疏光学相位阵列420和2d光电探测器阵列450的三维视图。稀疏光学相控阵列420可以是包括发射器430的阵列和可调谐相位元件440的阵列的集成光子芯片，其中，每个可调谐相位元件440耦合到发射器430中的一个特定发射器。稀疏光学相控阵列420通过接口410接收激光脉冲，该接口410通过分配网络415将激光脉冲的一部分耦合到每个发射器430，并产生从稀疏光学相控阵列420向外扇出或辐射的扇形光束405。虽然图4中仅示出了5个这样的光束，但应该理解的是，稀疏光学相控阵列420可以根据其配置产生如图5所示的更多的光束。在一些实施例中，光学相控阵列420用于在单个平面中改变扇形光束中的每一个光束的指向角，以便扫描一个或多个外部对象。在一些实施例中，光学相控阵列用于在两个相互垂直的平面中改变扇形光束中的每一个光束的指向角，以便扫描一个或多个外部物体。光电探测器阵列450包括光电探测器455的阵列。

在一些实施例中，光电探测器阵列450中的至少一个特定光电探测器455被设置为在光学相位阵列扫描指向角时接收来自扇形光束中的每个特定光束的散射光。在一些实施例中，光电探测器455的数量被选择为对应于由稀疏光学相位阵列420发射的光束的数量。然而，在其他实施例中，光电探测器455的数量可以超过产生的光束的数量，以增加探测到每个光束的可能性。这在扇形光束不等距时是重要的，因为此时来自一些光束的散射光可能不会被均匀间隔的探测器探测到。在一些实施例中，可以从均匀间隔的光电探测器阵列中改变探测器的放置，而不是增加探测器的数量。以下结合图6和7对其进行讨论。

图5示出了根据实施例的探测来自从2d稀疏光学相位阵列420发射的多个光束的散射光的2d光电探测器阵列550。在该图中，光电探测器阵列550包括5×5阵列的光电探测器，并且2d稀疏光学相位阵列420产生扇形光束505，扇形光束505包括朝外部物体500辐射的25个光束。在该示意性示例中，外部物体500是设置在光电探测器阵列550的视场中与光接收单元40相距一定距离的壁。因此，在图5中，壁500被细分为5×5的虚线方框组，每个虚线方框表示光电探测器阵列550的相应光电探测器的视场。例如，虚线方框515对应于光电探测器560的由虚线545示意性示出的视场。作为另一示例，虚线方框510对应于光电探测器563的视场。黑点表示照射壁500的特定光束以及来自照射光电探测器的每个光束的对应散射光。例如，点511表示照射物体500的扇形光束505的一个光束。当点511照射虚线方框510内的物体时，该光束的散射光将被光接收单元40聚焦到光电探测器563上的点566处。作为另一个例子，点516表示照射物体500的扇形光束505的另一个光束。类似地，该光束的散射光将被光接收单元40聚焦到光电探测器560上的点561处。

在该实施例中，稀疏光学相位阵列520具有包括至少一个主瓣和多个旁瓣的角发射分布。在本文中，术语“波瓣”是指稀疏光学相位阵列520的角发射分布的突出特征。当被激光器10照射时，稀疏光学相位阵列520产生扇形光束505。扇形光束505包括在对应的至少一个主瓣中发射的至少一个主光束，以及在对应的旁瓣中发射的多个旁光束。在一些实施例中，当角度发射分布沿垂直于稀疏相位阵列平面的轴线定向时，光电探测器阵列和/或光接收单元被配置为使得每个探测器位于来自光束505中的一个光束的成像的中心。在一些实施例中，探测器阵列550被配置为使得每个探测器可以接收来自光束505中的一个光束的散射光。在其他实施例中，光接收单元40可以包括一个或多个定制聚焦元件(例如，透镜)，以至少在角发射分布的中心相对于光学相控阵列的平面以垂直入射角定向时，将来自照射壁500的每个光束的散射光导向其中一个探测器。激光雷达扫描仪通过使扇形光束转向来操作，使得当光束在整个视场的部分上转向时，每个探测器持续接收源自对应光束的散射光。这样，扇形光束的每个光束的散射光被探测器阵列550的对应探测器探测到。对于现有技术的系统，旁瓣很容易引起重影形式的干扰。然而，由于由旁瓣光束散射的光在其各自的光电探测器上成像，本文所讨论的实施例利用了被配置为通过利用这些重影来增强设备的测距的接收器。

图4和图5示出了其中光电探测器阵列450和550具有均匀间距和探测器尺寸的实施例。在本文中，间距是指两个相邻阵列元件的中心之间的距离。取决于诸如所需视场和待测距离之类的因素，这种均匀的探测器阵列可以满足某些应用。

然而，随着视场增加，发射图案通过遵循枕形形状、以增大的间距向外弯曲从而越来越偏离方框的矩形阵列。换句话说，发射图案发生枕形失真，其中失真随着距光轴的距离而增加。波瓣的方向导致的失真遵循衍射光栅方程：

sinθ＝n*λ/d，其中，d是相控阵列间距，n是整数，λ是激光脉冲的中心波长。

在图6中可以看到示例性失真，图6示出了根据实施例的9×9光电探测器阵列。轴以度为单位标记远场角θ和φ。每个方框代表一个光电探测器，每个点代表探测器接收的散射相控阵波瓣图像。可以看出，阵列中心的点在每个探测器的中心处被接收。然而，随着到中心的距离增加，点的位置发生偏移。例如，光电探测器610在垂直方向上位于中心，但在水平方向上位于外围。类似地，如点611所示的从对应的相控阵波瓣接收的图像在水平方向上偏移。光电探测器620在垂直方向上位于外围且在水平方向上偏离中心。如点621所示的从对应的相控阵波瓣接收的图像朝探测器的左上角偏移。此外，点631、点633、和点635分别“射偏”(即，未落入)探测器651、探测器652、和探测器653。在均匀的分布中会照射探测器652的点633，照射探测器640，而点631和635未被光电探测器阵列的任何光电探测器探测到。

因此，一些实施例利用非均匀的光电探测器阵列来补偿这种失真。这种光电探测器阵列在光电探测器的尺寸和/或位置上可以是不均匀的。在一些实施例中，探测器阵列在物理上被配置为遵循发射波瓣的图案。在一些实施例中，光电探测器阵列具有与扇形光束对应的变化的光电探测器间距，使得光电探测器形成枕形图案。

例如，在一个实施例中，探测器阵列中的远离中心的探测器以枕形网格状偏移，以便被设置为能够接收来自发射波瓣的反射光。图7示出了根据实施例的非均匀探测器阵列的一个示例。在该示例中，所有探测器都具有相同的尺寸，但是探测器的位置随着到光电探测器阵列的中心的距离而变化。在该示例中，每个探测器的位置以图像栅瓣为中心。因此，举例来说，探测器710、720、730、和740各自具有不同的间距，因此彼此偏移。应注意的是，这些偏移表示光电探测器之间的间隙，其可能导致其中无法探测散射光的盲点。因此，一些实施例可以利用不同尺寸的探测器来减少这种盲点。

图8示出了利用极坐标网格探测器阵列的另一实施例。在这种极坐标网格探测器阵列中，各个探测器的尺寸不均匀，而是随着探测器的位置远离中心而被拉伸。因此，极坐标网格探测器阵列可以被配置成匹配相控阵列的枕形发射图案，使得反射的波瓣被各个探测器适当地探测到。在这些实施例中，单次扫描范围将使所有光束完全扫描其各自的视场和探测器元件。

光接收单元40可包括诸如透镜、透镜序列、透镜阵列等的聚焦元件或多个聚焦元件。诸如透镜的聚焦元件将光束角度转换成焦平面(即光电探测器阵列的平面)的光束坐标。聚焦元件40可以例如使用射线追踪软件来设计，以特意引入枕型失真以更紧密匹配由衍射光栅方程产生的扇形光束中光束的角分布。在一个实施例中，聚焦元件40可包括具有变化间距的微透镜阵列。

如上所述，因为聚焦元件40使用了适当配置的光接收单元40来补偿失真，所以可以允许使用规则形状的探测器阵列。

在一些实施例中，控制器60针对每个波束/波瓣采用不同的扫描偏移和范围，以便精确地扫描外部物体。在一些这样的实施例中，激光雷达扫描仪可以在比近法线轴探测器所需的更大范围内扫描，并且通过使用数学关系或通过校准来确定每个扫描步骤的探测器阵列上的每个波瓣的位置。

应注意的是，上述示例假设方形光电探测器阵列。然而，其他实施例可以使用n×m光电探测器阵列。此外，m可以为1，在这种情况下使用的是一维阵列。图9示出了一种设备，包括用于产生一维扇形光束905(其是在单个平面中传播的扇形光束)的一维光学相控阵列920和包括光接收单元940和一维光电探测器阵列950的接收器。

现将根据实施例，进一步结合图1来讨论控制器60的操作。控制器60可包括处理器和存储机器可读指令的机器可读存储器，当机器可读指令由处理器执行时，使得系统如本文所述操作。控制器60可以例如经由信令链路61使激光器发送激光脉冲。控制器60还可以使光学相位阵列20将扇形光束转过预定范围的指向角。此外，控制器60可以被配置为经由信令64接收来自光电探测器阵列的各个光电探测器的信号。上述信号对应于来自每个特定光束的散射光。控制器60还被配置为根据对应的信号确定来自每个特定光束的散射光的到达时间。

根据实施例的由控制器60执行的方法在图10中示出。在步骤1010，控制器将稀疏光学相控阵列的发射角度转向为(θ，φ)。控制器使激光器发射脉冲1020。需注意的是，这两个步骤的顺序可以颠倒。在步骤1030，控制器确定所有相控阵波瓣的发射角(θi，φi)。在步骤1040，控制器从n×m光电探测器阵列的每个光电探测器接收信号，并将每个探测器信号的到达时间转换为距离。换句话说，控制器将每个光电探测器的飞行时间转换为距离，因为每个光电探测器信号的到达时间代表飞行时间。一旦针对每个所接收的信号完成此操作，在步骤1050，控制器将θi、φi、距离(i，j)添加到云点数据(cloud-pointdata)(i＝1到n，j＝1到m)。在步骤1060，控制器确定下一个(θ，φ)以扫描由主瓣用目标分辨率扫描的光电探测器阵列成像区域的视场。

因此，实施例利用与被配置为具有与发射波瓣的数量相同的元件的探测器阵列联合的多瓣光学相控阵发射器。这取决于探测器阵列的各个探测器的间隔。与机械激光雷达相反，每个光束/波瓣在探测器元件视场上被扫描而不是与探测器元件视场具有静态关系。

虽然已经参照本发明的具体特征及其实施例对本发明进行了描述，但是显而易见的是，可以在不脱离本发明的情况下对其进行各种修改和组合。相应地，说明书和附图仅被视为对由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、更变、组合、或等同。