一种计算饱和和非饱和LiDAR接收脉冲数据的精确飞行时间的方法与流程

本公开总体上涉及光学扫描，并且更特定地说，涉及具有成本效益的基于tof的lidar系统的飞行时间(tof)计算。

背景技术：

1、光雷达(lidar)系统使用光脉冲来创建外部环境的图像或点云。lidar系统可以为扫描或非扫描系统。一些典型的扫描lidar系统包括光源、光发射器、光转向系统和光探测器。光源生成当从lidar系统发射时被光转向系统在特定方向上引导的光束。当所发射的光束被目标散射或反射时，所散射或反射的光的一部分返回到lidar系统以形成返回光脉冲。光探测器探测返回光脉冲。lidar系统可以使用探测到返回光脉冲的时间与发射光束中的对应光脉冲的时间之间的差、基于光的速度来确定到目标的距离。这种确定距离的技术被称为飞行时间(tof)技术。光转向系统可以沿着不同的路径引导光束以使lidar系统扫描周围环境并产生图像或点云。典型的非扫描lidar系统照明整个视场(fov)，而不是扫描fov。非扫描lidar系统的一个示例为闪光lidar，该闪光lidar也可以使用tof技术来测量到目标的距离。lidar系统也可以使用除飞行时间和扫描以外的用于测量周围环境的技术。

技术实现思路

1、本文所描述的实施方案涉及lidar系统和具有成本效益的tof lidar系统的飞行时间精确计算方法。tof lidar系统扫描外部环境并使用飞行时间技术来确定外部环境中到目标的距离。光脉冲的飞行时间测量范围为出射光脉冲离开lidar系统的时间到被目标散射的返回光脉冲返回到lidar系统的时间。然后，可以通过将飞行时间和光的速度相乘来计算到目标的距离。因为光在一纳秒内可以行进的距离大致为0.3米，所以对于往返行进时间，一纳秒的飞行时间的误算可能会在距离测量中导致大致0.15米的误差。因此，飞行时间精确计算能力在tof lidar系统的性能中发挥重要作用。

2、tof lidar系统使用信号探测电路来测量返回光脉冲的时间。来自目标的返回光脉冲的宽度和强度可以取决于目标的性质诸如目标的反射比和距离等而变化。举例来说，对于道路上具有高反射率的目标诸如牌照或窗户，来自这些目标的返回光脉冲倾向于具有高强度并可能会造成探测电路饱和。当发生饱和时，当测量返回光脉冲的时间时可能会引入重大误差，从而导致lidar系统的飞行时间计算不精确。

3、避免这种问题的一种方式为使用高性能传感器、模数转换器(adc)和信号探测电路来适应高强度信号以使得不会发生饱和。然而，这种实施方案可能成本高昂。举例来说，对于tof lidar系统，具有高动态范围的adc可能成本过高。因此，以合理的成本开发具有成本效益的tof lidar系统来适应性能要求具有挑战性。在本公开中，公开了用于tof lidar系统的飞行时间精确测量的具有成本效益的技术，该等技术可以提供成本与性能之间的平衡。

4、在一个实施方案中，提供了用于计算飞行时间的lidar系统。该系统包括光束转向系统、光源、探测系统和控制器。该光源被构造成发射出射光脉冲，该等出射光脉冲是根据lidar系统的视场通过光束转向系统转向的。该探测系统被构造成探测与出射光脉冲对应的返回脉冲。该控制器包括一个或多个处理器、存储装置和存储在存储装置中的处理器可运行指令。该等处理器可运行指令包括用于进行以下操作的指令：获得所探测的返回脉冲中的一返回脉冲的强度；确定返回脉冲的强度是否介于强度阈值内；和基于该确定，选择用于测量返回脉冲与对应的出射光脉冲之间的飞行时间的基于脉冲中心的方法或基于脉冲边沿的方法。该飞行时间为返回脉冲的定时与对应的出射光脉冲的定时之间的时延。该等处理器可运行指令包括基于所选择的方法测量飞行时间的其他指令。

5、在另一个实施方案中，提供了lidar系统的飞行时间计算方法。该方法包括：将出射光脉冲发射到光束转向系统，该光束转向系统将出射光脉冲重新引导到lidar系统的视场；探测与出射光脉冲对应的返回脉冲；获得所探测的返回脉冲中的一返回脉冲的强度；确定返回脉冲的强度是否介于强度阈值内；和基于该确定，选择用于测量返回脉冲与对应的出射光脉冲之间的飞行时间的基于脉冲中心的方法或基于脉冲边沿的方法。飞行时间为返回脉冲的定时与对应的出射光脉冲的定时之间的时延。该方法还包括基于所选择的方法测量飞行时间。

技术特征：

1.一种光雷达(lidar)系统，包括：

2.根据权利要求1所述的lidar系统，其中，选择所述基于脉冲中心的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度介于所述强度阈值内，并且其中，选择所述基于脉冲边沿的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度不介于所述强度阈值内。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的lidar系统，其中，选择所述基于脉冲中心的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度不介于所述强度阈值内，并且其中，选择所述基于脉冲边沿的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度介于所述强度阈值内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的lidar系统，其中，使用所述基于脉冲中心的方法确定的所述返回脉冲的所述定时是通过寻找所述返回脉冲的加权平均值来确定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的lidar系统，其中，使用所述基于脉冲边沿的方法确定的所述返回脉冲的所述定时是通过寻找所述返回脉冲的边沿的定时来确定。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的lidar系统，其中，所述处理器可运行指令包括用于进行以下操作的其他指令：

7.根据权利要求6所述的lidar系统，其中，所述强度与距离校正表包括当选择了所述基于脉冲边沿的方法时待调整的参数。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的lidar系统，其中，所述强度阈值约为8％。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的lidar系统，其中，所述探测系统包括：

10.一种使用光雷达(lidar)系统的方法，包括：

11.根据权利要求10所述的方法，其中，选择所述基于脉冲中心的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度介于所述强度阈值内，并且其中，选择所述基于脉冲边沿的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度不介于所述强度阈值内。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，选择所述基于脉冲中心的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度不介于所述强度阈值内，并且其中，选择所述基于脉冲边沿的方法是基于确定所述返回脉冲的所述强度介于所述强度阈值内。

13.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，使用所述基于脉冲中心的方法确定的所述返回脉冲的所述定时是通过寻找所述返回脉冲的加权平均值来确定。

14.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，使用所述基于脉冲边沿的方法确定的所述返回脉冲的所述定时是通过寻找所述返回脉冲的边沿的定时来确定。

15.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，还包括：

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述强度与距离校正表包括当选择了所述基于脉冲边沿的方法时待调整的参数。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述强度阈值约为8％。

技术总结
提供了一种LiDAR系统的飞行时间计算方法。该方法包括：将出射光脉冲发射到光束转向系统，该光束转向系统将该等出射光脉冲重新引导到该LiDAR系统的视场；探测与该等出射光脉冲对应的返回脉冲；获得所探测的该等返回脉冲中的一返回脉冲的强度；确定该返回脉冲的该强度是否介于强度阈值内；和基于该确定，选择用于测量该返回脉冲与对应的该出射光脉冲之间的飞行时间的基于脉冲中心的方法或基于脉冲边沿的方法。该飞行时间为该返回脉冲的定时与对应的该出射光脉冲的定时之间的时延。该方法还包括基于所选择的该方法测量该飞行时间。

技术研发人员：万鹏,李义民,鲍君威
受保护的技术使用者：图达通智能美国有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21