[发明专利]具有可变脉冲重复的基于LIDAR的3D成像

说明书

本文描述了利用不同脉冲重复模式执行三维LIDAR测量的方法和系统。每个重复模式随着时间重复的测量脉冲的序列。在一方面，从LIDAR系统发射的照明光的脉冲光束的重复图案被改变以降低由LIDAR系统生成的总能量消耗和热量。在一些示例中，通过跳过多个脉冲来改变重复模式。在一些示例中，通过改变所发射的脉冲序列的重复率来改变从LIDAR系统发射的照明光的脉冲的重复模式。在一些示例中，基于LIDAR设备的方位来改变脉冲重复模式。在一些示例中，基于由LIDAR设备或另一成像系统检测的对象来改变重复模式。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2017年3月20日提交的、标题为“LIDAR Based 3-D ImagingWith Varying Pulse Repetition”的美国专利申请序列号15/464,221的优先权，该申请进而要求于2016年3月21日提交的、标题为“LIDAR Based 3-D Imaging With Varying PulseRepetition”的美国临时专利申请序列号62/311,283在35U.S.C.§119下的优先权，其主题通过全文引用的方式并入本文。

技术领域

所描述的实施例涉及基于LIDAR的3D点云测量系统。

背景技术

LIDAR系统利用光脉冲，以基于每个光脉冲的渡越时间(TOF)来测量到对象的距离。从LIDAR系统的光源发射的光脉冲与远端对象相互作用。光的一部分从对象反射并返回到LIDAR系统的检测器。基于在发射光脉冲和检测到返回的光脉冲之间所经过的时间，来估计距离。在一些示例中，光脉冲由激光发射器产生。光脉冲通过透镜或透镜组件聚焦。对激光脉冲返回到安装在发射器附近的检测器所需的时间进行测量。从高精度的时间测量中得出距离。

一些LIDAR系统采用与旋转镜组合的单个激光发射器/检测器组合，以有效地扫描整个平面。由这样的系统执行的距离测量实际上是二维的(即，平面的)，并且所采集的距离点被呈现为2D(即，单平面)点云。在一些示例中，旋转镜以非常快的速度(例如，每分钟几千转)旋转。

在许多操作场景中，需要3D点云。许多方案已经用于询问三维空间中的周围环境。在一些示例中，2-D仪器被上下驱动和/或来回驱动，通常在万向节上。这在本领域内一般被称为“眨眼”或“点头”传感器。因此，单光束LIDAR单元可以用于采集整个3D阵列的距离点，尽管是一次一个点。在相关的示例中，棱镜用于将激光脉冲“划分”成多个层，每个层具有稍微不同的竖直角度。这模拟了上面所述的点头效应，但是没有传感器本身的驱动。

在上述所有示例中，单个激光发射器/检测器组合的光路以某种方式改变，以实现比单个传感器更宽的视场。由于对单个激光器的脉冲重复率的限制，这样的器件每单位时间所能产生的像素数量固有地受到限制。光束路径的任何改变，无论是通过反射镜、棱镜，还是通过驱动设备来实现更大的覆盖面积，都以降低点云密度为代价。

如上所述，3D点云系统存在于若干配置中。然而，在许多应用中，需要看到广阔的视场。例如，在自主式车辆应用中，竖直视场应该尽可能向下延伸，以便看到车辆前方的地面。此外，如果汽车进入道路下坡处，则竖直视场应当在地平线上方延伸。此外，在现实世界中发生的动作和这些动作的成像之间必须具有最小的延迟。在一些示例中，期望提供至少每秒五次的完整图像更新。为了满足这些要求，已经开发了包括多个激光发射器和检测器的阵列的3D LIDAR系统。该系统在2011年6月28日发布的美国专利7,969,558中描述，该专利的主题通过全文引用的方式并入本文。

在许多应用中，发射脉冲序列。每个脉冲的方向以快速连续的方式按顺序变化。在这些示例中，与每个单独脉冲相关联的距离测量可以被视为像素，并且以快速连续的方式发射和采集的像素集合(即，“点云”)可以被呈现为图像或者出于其它原因(例如，检测障碍)被分析。在一些示例中，查看软件用于将得到的点云呈现为用户看来是三维的图像。不同的方案可以用于将距离测量描绘为3D图像，这些3D图像看起来好像它们是由实时动作相机采集的。