用于抑制LiDAR设备环境光的方法、系统及电子电路

技术领域

本发明的实施例总体上涉及遥感，更具体地涉及一种通过选择性地关闭光电探测器部分且使用多级数字信号进行信号触发来抑制环境光的方法。

背景技术

LiDAR设备可以通过利用激光脉冲照射环境中的物体并测量物体反射脉冲来测量到该物体的距离。LiDAR设备通常利用高级光学器件和旋转组件来创建广阔的视野，但是这种实现方式往往体积庞大且昂贵。固态激光雷达传感器往往成本较低，但其尺寸仍然较大。

固态LiDAR设备常使用具有高的光子灵敏度的单光子雪崩二极管(SPAD)。但是，SPAD也容易受到环境光的影响。传统上，可以采用直方图合并以去除环境光，从而改善信噪比，但这可能需要大量照明才能生成可用的直方图。因此，这种方法效率低下。

发明内容

在各个实施例中，本文描述了一种用于抑制LiDAR设备的光电检测器上环境光的系统和方法。该LiDAR设备可以配置为以这样的方式扫描激光脉冲：反射激光脉冲每次入射到光电探测器上的宏像素阵列中的一列宏像素上，其中只有该列的宏像素被打开，其余列的宏像素均关闭。该LiDAR设备可以进一步配置为以不同角度进行扫描，以使来自目标物体同一部分的激光脉冲可以多次入射在被打开的宏像素列上，以提高LiDAR图像的分辨率。此外，来自最大像素中的多个SPAD的输出被级联以形成多级数字信号，并采用阈值来丢弃或寄存多级数字信号以进一步降低噪声。本文还描述一种执行该用于抑制LiDAR设备的光电检测器上环境光的方法的电子电路。

附图说明

在附图中通过示例而非限制的方式展示本公开的实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件。

图1示出了可以在其中实现本发明的方法实施例的LiDAR设备的示例。

图2示出了根据一个实施例的用于抑制LiDAR光电探测器上的环境光的系统。

图3A-3B示出了根据一个实施例的多级数字信号的示例和阈值的示例。

图4进一步示出了根据一个实施例的用于抑制环境光的系统。

图5为根据一个实施例的抑制LiDAR设备中的环境光的方法的过程。

具体实施方式

以下描述和附图是说明性的，并且不应解释为限制性的。以下描述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。但是，在某些情况下，出于实施例的简要讨论，一些众所周知的或常规的细节没有描述。

在各个实施例中，本文描述了一种用于抑制LiDAR设备的光电检测器上环境光的系统和方法。该LiDAR设备可以配置为以这样的方式扫描激光脉冲：反射激光脉冲每次入射到光电探测器上的宏像素阵列中的一列宏像素上，其中只有该列的宏像素被打开，其余列的宏像素均关闭。该LiDAR设备可以进一步配置为以不同角度进行扫描，以使来自目标物体同一部分的激光脉冲可以多次入射在被打开的宏像素列上，以提高LiDAR图像的分辨率。此外，来自最大像素中的多个SPAD的输出被级联以形成多级数字信号，并采用阈值来丢弃或寄存多级数字信号以进一步降低噪声。

在一个实施例中，一种用于在光探测和测距(LiDAR)设备中抑制环境光的系统包括光电检测器，该光电检测器包括形成宏像素阵列的多个宏像素，该光电检测器中的每个宏像素包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)；激光扫描仪，以不同方向扫描激光束；以及控制单元，被配置为控制激光扫描仪扫描激光束，以使反射的激光光子一次入射到光电探测器的一列宏像素上，该列宏像素被打开，其余的宏光电探测器上的宏像素被关闭。

在一个实施例中，系统还包括多个加法器，每个加法器被配置为从被打开的宏像素列中的每个宏像素上读取光子，并构造多级数字信号。从宏像素读取的光子包括一个或多个信号光子和一个或多个噪声光子。控制单元还被配置为基于预定阈值来寄存多级数字信号。

在一个实施例中，激光扫描仪被配置为每次以不同的角度扫描预定次，以使得被打开的宏像素列从不同角度接收目标物体相同部分的反射激光脉冲。激光扫描仪还可被配置为每次以相同的角度扫描预定次，以使得被打开的宏像素列从不同角度接收目标物体相同部分的反射激光脉冲。控制单元被配置为通过使用加法器来构造多级数字信号或不使用加法器的情况下从被打开的宏像素列上读取光子。

在一个实施例中，激光束为由LiDAR设备中的扩散器从激光点扩散出来的线性激光束，或由LiDAR设备中的激光脉冲发射单元直接产生的线性激光束。

本文描述的实施例可包括存储可执行计算机程序指令的非暂时性机器可读介质，当计算机程序指令由一个或多个数据处理系统执行时，该可执行计算机程序指令可导致一个或多个数据处理系统执行本文所述的一个或多个方法。该指令可以存储在非易失性存储器中，如闪存或其他形式的存储器。实施例也可以作为系统来实施。

本发明实施例中的方法的操作顺序可以调整，某些操作也可以根据实际需要进行组合或删除。

以上概述不包括本公开中所有实施例的详尽列举。可以从本公开中描述的各个方面和实施例的所有合适的组合中实施本公开中的所有装置和方法。

固态LiDAR设备

图1展示为根据一个实施例可以在其中实施本发明的方法实施例的LiDAR设备示例。

该LiDAR设备可以是固态LiDAR设备101，其可以通过用激光脉冲(激光束)照射环境中的物体来测量到物体的距离。反射的激光脉冲和波长的返回时间的差异可用于创建环境的点云。点云可以提供空间位置和深度信息，以用于识别和跟踪物体。

如图1所示，该LiDAR设备101包括激光脉冲发射单元104、激光脉冲扫描器105、激光脉冲接收单元109和控制单元107。该激光脉冲发射单元104可以包括一个或多个可发射包含不同频率的光子的短脉冲激光束的激光发射器。激光脉冲发射单元可以发射激光点或线性激光束。在某些实施例中，可以使用扩散器来增加激光点的大小，包括将所述激光点的形状改变为激光束。

在一个实施例中，激光脉冲发射单元104可发射线性激光束。在该实施例中，该激光脉冲发射单元104使用多个快轴准直器(FAC)来准直来自激光源阵列的激光束、用于将准直的激光束转换为平行激光束的柱面透镜阵列以及用于减小平行激光束的间距棱镜阵列对。激光脉冲发射单元104还可以包括第一柱面透镜，用于将来自棱镜阵列对的激光束聚焦到MEMS镜上，该MEMS镜将激光束作为线性激光束重定向到预定方向。

例如，在图1中，激光脉冲发射单元104发射出射激光脉冲束113。该出射激光脉冲束113可以由激光脉冲扫描仪105使用各种构件(包括微机电系统(MEMS)反射镜以及一个或多个光学相控阵列(OPA)朝一个或多个方向转向或扫描。该一个或多个方向中的每一个可以被称为转向方向或扫描方向。与每个转向方向相关联的竖直角度和水平角度可以分别被称为转向角度或扫描角度。激光脉冲扫描仪105可以使一个或多个激光脉冲束朝某个转向方向转向。每个激光脉冲束可以具有固定数量的脉冲。

控制单元107可以包括以硬件、软件、固件或其组合实现的控制逻辑。该控制单元107可以以协调的方式驱动LiDAR设备101的其他单元或子系统104、105和109，并可以执行一种或多种数据处理算法以执行一种或多种用于信号滤波和目标检测操作。例如，控制单元107可以使激光脉冲发射单元104和激光脉冲扫描仪105同步，使得激光脉冲扫描仪105可对水平视场进行多线扫描。

激光脉冲接收单元109可以使用一个或多个成像透镜(例如，成像透镜115)收集从目标物体103反射的一个或多个激光脉冲束(例如，激光脉冲束112)，并将一个或多个光电探测器(例如，光电探测器117)上的激光脉冲束聚焦。光电检测器可包括多个高灵敏度光电二极管。该光电探测器可以将激光脉冲的反射光束中的光子转换为电。激光脉冲接收单元109可以将入射在每个光电检测器上的返回信号发送到控制单元107以进行处理。

在一个实施例中，激光脉冲发射单元104中的激光二极管可以以脉冲模式操作，其中脉冲以固定间隔(例如，每几微秒)重复。可以根据LiDAR设备101的预定性能参数来选择用于为激光二极管提供适当的偏置和调制电流的激光二极管和激光驱动电路。示例性地，性能参数可以包括所需的最大扫描空间范围和分辨率。

环境光抑制

图2示出了根据一个实施例的用于抑制LiDAR设备的光电探测器上的环境光的系统。

如图2所示，光电检测器117包括多个宏像素，以形成宏像素阵列。如本文中，宏像素也被称为最大像素。

在图2，宏像素阵列可以包括12个宏像素，每个宏像素包括9个SPAD。该12个宏像素分布在3行宏像素和4列宏像素220、222、224及225中。每行中的宏像素通过总线连接以及与总线连，且总线上连接有加法器。

例如，加法器A 213与连接第一行宏像素的总线220连接，加法器B215与连接第二行宏像素的总线连接，加法器C与连接第三行宏像素的总线连接。光电检测器117中的所有宏像素可以通过不同的总线或加法器连接在一起。

LiDAR设备101的激光脉冲扫描仪单元105可以由控制单元107控制以该种方式扫描激光脉冲：来自目标物体的反射激光脉冲从左到右，以一次一列宏像素的方式入射到光电探测器上的宏像素阵列上。例如，反射的激光脉冲可以首先入射在A列220上，然后入射在B列222上，然后入射在C列224和D列226上。

控制单元107可以动态地打开和关闭每列宏像素，这取决于哪一列将接收反射脉冲。在一个实施例中，控制单元107可以仅打开要接收反射激光脉冲的那一列宏像素；并关闭光电检测器117上的其他宏像素列。

由于关闭的宏像素不能接收任何光子(包括环境光子)，因此通过动态地打开和关闭宏像素列，可以提高LiDAR设备101的信噪比。由于在图2所示的特定扫描中照明的反射，因此关闭的宏像素将不会接收任何光子。因此，如果宏像素未被关闭，入射在这些宏像素上的任何光子都将是噪声。

图2示出了宏像素的A列220被打开并且正在接收反射信号。因此，仅有A列220被打开，其余的列(222、224和226)则被关闭。但是，在另一个时间点，当B列222从相应的扫描角度接收反射激光信号时，A列220将关闭，C列224和D列226则保持关闭。在整个光电检测器中，仅有B列222被打开。

如图2进一步所示，每个宏像素可以接收一个或多个表示从目标物体反射的真实信号的光子，以及一个或多个噪声光子。举例来说，宏像素201可接收信号光子217、218和219；以及来自环境光的噪声光子221。控制单元107或加法器1213可以将入射在宏像素201上的所有光子217、218、219和221转换为电信号。由于光子217、218、219和221在稍有不同的时间到达，因此加法器1213输出的是多电平数字信号。在如图2所示的实施例中，从在宏像素201上接收到的四个光子(包括噪声光子217)构成一个四级数字信号。

在一个实施例中，控制单元107可以将预定阈值应用到四级数字信号。该阈值可用于确定是将四级数字信号寄存为信号事件还是将其作为噪声事件丢弃。

例如，可以将阈值设为3.5。由于表示光子数的级数等于或大于阈值，因此，控制单元107可以将该四级数字信号寄存为信号事件。

另一个宏像素222可以接收来自环境光的两个噪声光子226和228，以及一个信号光子224。由控制单元107从宏像素222构造的三级数字事件则因为该级别为达到3.5的阈值而被将作为噪声被丢弃。

在替代实施例中，控制单元107被配置为在不使用加法器213、215和217来构造多级数字信号的情况下，从打开的宏像素列上读取光子。

图3A-3B示出了根据一个实施例的多级数字信号的示例和阈值的示例。

图3A以宏像素201和加法器A 213为例。加法器A 213可以是信号处理电路的一部分，也可以是控制单元107中的单独电路。加法器A 213可以对来自LiDAR设备101特定扫描角度的反射激光脉冲计得4个光子217-221。该控制单元107可以控制激光脉冲扫描仪105以规则的时间间隔(例如，每600纳秒)以不同的角度进行扫描。在每次扫描之后短暂的延迟(例如100纳秒)之后，来自扫描角度的光子入射在光电检测器117上。因此，控制单元107可以计算特定列的宏像素何时接收反射的光子。

在该实施例中，包含宏像素201的宏像素列220将接收反射光子。控制单元107可以打开该列的宏像素220，并且关闭所有其他的宏像素列222、224和226。因此，光电探测器117期望接收到的信号光子在一个时间簇中入射到光电探测器117上，它们几乎在同一时间到达，这意味着在宏像素上接收到的光子数量越多，该光子成为信号光子的可能性就越大。

由此，可以采用阈值来确定哪个多级数字信号为噪声事件，哪个为信号事件。例如，如果特定的宏像素仅接收到一个光子，则该光子很可能是随机噪声光子，这是因为信号光子将被期望在一个时间簇中入射到宏观象素上。

在一个实施例中，可以将阈值317的值3.5应用到通过加法器A 213从宏像素201上接收的4个光子构成的多级数字信号319上。在这种情况下，由于多级数字信号的级数等于或超过阈值3.5，故加法器A213可以将多电平数字信号登记为信号事件。

图3B以宏像素222和加法器B 215为例。如图3B所示，从入射在宏像素222上的光子转换的三级数字信号321没有达到阈值317，因此控制单元107将其作为噪声事件处理。

图4进一步示出了根据一个实施例的用于抑制环境光的系统。更具体地，该图描述了可用于补偿由于在光电检测器117中使用宏像素以及信号光子可能被识别为噪声光子丢弃而引起的分辨率损失的特征。

如上所述，光电探测器117在宏像素中设置SPAD，这与每个SPAD寄存一个像素的光电探测器相比，导致更少的像素。此外，阈值的使用可能潜在地导致一些信号光子被丢弃。上述因素可能会降低LiDAR图像的分辨率。

在一个实施例中，如图4所示，在打开宏像素列A220以接收反射信号的同时，控制单元107可以控制激光脉冲扫描仪105以稍不同的角度401、403和405进行扫描，且每次扫描都可能导致来自目标物体同一部分的反射光子入射到A列220上。

对于每次扫描，控制单元107可以使用加法器213、215和214为A列220中的每个宏像素构造多级数字信号，并基于改多级数字信号的级数来确定对其进行寄存或丢弃。

每次扫描可以产生目标物体的附加信息，并且可以将来自所有扫描的信号光子加在一起以提高LiDAR图像的分辨率。

在一个实施例中，不同的扫描可以指向相同的角度。在这种情况下，来自不同扫描的反射激光脉冲(反射激光光子)入射在A列220上。同样，相同角度的多次扫描也可以提高LiDAR图像的分辨率。

图5示出根据一个实施例的LiDAR装置中的环境光的抑制方法的过程500。可以通过处理逻辑来执行该过程500，该处理逻辑可以包括软件、硬件、固件或其组合。例如，该过程500可以由图1中描述的控制单元107执行。

如图5所示，在步骤501中，处理逻辑发送指令以指示LiDAR设备的激光扫描仪以特定角度扫描激光束。在步骤503中，处理逻辑打开LiDAR设备的光电探测器上的宏像素列，该光电探测器包括形成宏像素阵列的多个宏像素，光电探测器中的每个宏像素包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)，并关闭光电检测器上其余的宏像素列。在步骤505中，处理逻辑读取从特定角度入射到LiDAR设备的光电探测器上的宏像素列上的反射光子。

如上文所示和所述的一些或全部组件可以以软件、硬件或其组合来实现。例如，这样的组件可以被实现为安装并存储在永久性存储设备中的软件，该软件可以由处理器(未示出)加载并在存储器中执行以执行贯穿本申请描述的过程或操作。可选地，这样的组件可以被实现为被编程或嵌入到诸如硬件(例如，集成电路(例如专用IC或ASIC)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA))的专用硬件中的可执行代码，可以通过相应的驱动程序和/或操作系统从应用程序进行访问。此外，可以将这样的组件实现为处理器或处理器核心中的特定硬件逻辑，作为可由软件组件经由一个或多个特定指令访问的指令集的一部分。

前文已按照对计算机内存中的数据位的操作的算法和符号表示的方式给出部分详细描述。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地向本领域的其他技术人员传达其工作实质的方式。这里，算法通常被认为是导致预期结果的自一致的操作序列。这些操作为需要对物理量进行物理操纵的操作。

所有这些和类似的术语都与相应的物理量相联系，并且仅仅是应用于这些物理量的方便标签。除非从上面的讨论明显另外指出，否则应理解为，在整个描述中，利用诸如以下权利要求中所阐述的术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程。将计算机系统的寄存器和内存中表示为物理(电子)量的数据进行操作和转换，将其他数据类似地表示为计算机系统内存或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备中的物理量。

本公开的实施例还涉及一种用于执行本文中的操作的设备。这样的计算机程序被存储在非暂时性计算机可读介质中。机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式存储信息的任何构件。例如，机器可读(例如，计算机可读)介质包括机器(例如计算机)可读存储介质(例如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘)存储介质、光学存储介质、闪存设备)。

上述图中描述的处理或方法可以通过处理逻辑来执行，处理逻辑包括硬件(例如电路、专用逻辑等)、软件(例如，体现在非暂时计算机可读介质上的)或两者的组合。尽管上述过程或方法是按照一些顺序操作描述的，但值得注意的是，所描述的一些操作可以不同的顺序执行。而且，有些操作可能是并行执行的，而不是顺序执行的。

本公开的实施例未参照任何特定的编程语言进行描述。应当理解，可以使用多种编程语言来实现如本文所述的本公开的实施例的教导。

在前述说明书中，已经参考本公开的特定示例性实施例描述了本公开的实施例。显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，说明书和附图应被认为是说明性而不是限制性的。