激光功率校准和校正制造技术

本发明专利技术公开了LIDAR系统发射激光脉冲，其中每个脉冲与功率水平相关联。在LIDAR系统的操作期间，使用与激光器相关联的功率分布数据来调整激光发射器。功率分布数据在校准过程期间获得并且包括将激光器电源的充电持续时间与激光器的实际功率输出相关联的信息。在LIDAR系统的操作期间可以使用功率分布。可以发射激光脉冲，接收和分析来自脉冲的反射光，并且可以基于激光器的功率分布内的查找来调整下一个脉冲的功率。例如，如果从脉冲返回的功率太高(例如，高于某个指定阈值)，则基于功率分布将下一个脉冲的功率减小到特定值。

Laser Power Calibration and Correction

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光功率校准和校正相关申请的交叉引用本专利为于2017年4月13日递交的序列No.15/487,170的美国申请的PCT国际申请，本专利申请要求于2016年12月30日递交的序列No.62/440,734的美国临时申请的优先权的权益。该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术介绍
“激光雷达(LIDAR)”是指通过发射光并测量光的反射特征来测量可见表面的距离的技术。术语“LIDAR”是“光检测和测距”的首字母缩写，并且有时被称为“激光扫描”或“3D扫描”。在一些情况下，LIDAR系统包括多个激光发射器和/或多个光传感器。替代地或另外地，LIDAR系统可以物理地移动一个或多个激光器和/或传感器以扫描场景，同时重复地测量不同的表面点。通常，光发射器可包括激光器，其在物体或表面的方向上引导高度聚焦的光。光传感器可以包括光电探测器，例如光电倍增管或雪崩光电二极管(APD)，其将光强度转换成对应的电信号。根据LIDAR系统的特定性质，诸如透镜的光学元件可以用在光传输和接收路径中以聚焦光。LIDAR系统具有信号处理部件，该信号处理部件分析反射光信号，以确定距所发射激光所反射的表面的距离。例如，当光信号从激光器行进到表面并返回到光传感器时，系统可以测量光信号的“飞行时间”。然后，基于飞行时间和已知的光速计算距离。LIDAR系统可用于通知诸如可用于自动驾驶载具的引导、导航和控制系统。在诸如此类的系统中，一个或多个LIDAR装置被配置为产生指示围绕载具的可见表面点的3D坐标的表面地图。引导、导航和控制系统分析该数据以识别障碍物，执行避障以及确定期望的行进路径。开发和创建既准确又具有特定应用所需分辨率的LIDAR系统可能成本高且具有挑战性。附图说明参考附图描述详细说明。在附图中，附图标记的最左边的一个或多个数字标识首次出现该附图标记的图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的部件或特征。图1示出了激光功率校准和校正系统的示例。图2示出了可用于执行距离或测距测量的示例性LIDAR距离测量系统的逻辑元件。图3示出了用于调节激光发射器的充电时间以产生指定功率水平的光脉冲的示例性过程。图4示出了用于产生激光发射器的功率分布的示例性过程。图5A和5B示出了可以用作LIDAR传感器装置或系统的一部分的可旋转传感器组件的示例性配置。图6是可以在图5A和5B的LIDAR组件中使用的示例性光传感器的代表性俯视图。图7是示例性光传感器的代表性俯视图，示出了示例性封装充装设置。图8是可以在图5A和5B的LIDAR组件中使用的示例性激光光源的代表性俯视图。图9是可以在测量信道中使用以产生单个激光脉冲的示例性电路的示意图。图10A是可以在测量信道中使用以产生一对激光脉冲的示例性电路的示意图。图10B是可以在测量信道中使用以激活激光发射器的触发电路的示意图。具体实施方式以下详细描述涉及用于激光功率校准和校正的技术。本文描述了用于产生激光光源的功率分布，然后使用功率分布在操作期间调节发射光脉冲的功率的技术。访问功率分布以确定将使光源产生并发射指定功率水平光脉冲的充电时间。与缓慢改变发射光脉冲的功率相反，本文描述的技术使用存储在一个或多个功率分布内的充电持续时间来产生期望功率水平的光脉冲。以这种方式，可以调整每个随后发射光脉冲的功率以具有期望的功率水平。功率分布包括指示激光光源在不同充电持续时间所输出的平均功率的数据。在一些配置中，代替使用单个功率分布来表示LIDAR系统内的激光器，为LIDAR系统内的每个激光器产生单独的功率分布。例如，当在LIDAR系统内使用三十八个激光发射器时，产生用于每个激光发射器的功率分布。以这种方式，与使用用于LIDAR系统的激光器的代表性功率分布相比，可以更好地考虑在LIDAR系统的每个激光发射器中使用的物理部件之间的差异。在一些示例中，在校准循环期间确定功率分布，该校准循环可以在布设LIDAR系统之前或之后执行。在校准循环期间，激光发射器瞄准参考表面。通常，参考表面与激光发射器相距指定距离并具有已知的反射特征。如上面简要讨论的，每个激光发射器的功率分布包括由使用不同充电时间的激光发射器所发射的光脉冲的平均功率。功率分布内所包括的充电持续时间和相应功率值的数量可以在不同应用之间改变。例如，一些应用可以包括五对值，而另一个应用可以具有二十对或更多对值。通常，在功率分布内记录的数据越多，激光发射器的功率输出就可以在LIDAR系统内越精细地控制。在对充电电路充电达确定充电持续时间之后，电容电路驱动激光发射器，以产生输出光脉冲。可以使用不同充电持续时间中的每个来产生数千个不同的光脉冲，以便获得激光器在特定充电时间下的准确功率。在产生功率分布之后，可以在LIDAR系统的操作期间使用来自功率分布的信息。例如，可以产生激光脉冲，接收和分析来自脉冲的反射光，并且可以基于激光器的功率分布内的查找来调整下一个脉冲的功率。例如，如果从脉冲返回的功率太高(例如，高于某个指定阈值)，则可以基于功率分布将下一个脉冲的功率减小到特定值。类似地，如果从脉冲返回的功率太低(例如，低于某个指定阈值)，则可以基于功率分布将下一个脉冲的功率增加到特定值。当脉冲返回的功率太高或太低时，范围数据可能不准确。例如，LIDAR系统使用的ADC可能未配置为精确表示反射脉冲。代替必须连续地调整激光器的充电时间以缓慢地朝向期望的功率水平收敛，功率分布指定用于下一个激光脉冲的处于期望功率水平的校正充电持续时间。这样，可以发射连续的激光脉冲，使得反射光的功率处于期望的范围内。此外，由于LIDAR系统并不总是保持在相同的功率水平或者朝指定功率水平缓慢收敛，因此LIDAR系统使用的功率降低。根据一些示例，LIDAR系统包括安装在机架中的激光发射器、光传感器、模数转换器(ADC)以及电源，该机架围绕竖直旋转轴旋转以水平扫描场景。在机架旋转期间，以不同竖直方向和不同水平方向发射激光脉冲。通过使用位于机架内的不同位置处的激光器来改变光发射竖直角度。光发射水平角度随着机架的旋转而改变。该设备具有一个或多个透镜，其限定了围绕该设备的场景的视场。当机架旋转时，视场会水平移动或扫描。以下关于图1-10提供更多细节。图1示出了激光功率校准和校正系统的示例。如图所示，系统100包括测距装置102，其包括一个或多个激光光源104、充电电路106、一个或多个传感器108、模数转换器(ADC)110、控制器112以及存储功率分布116的数据存储器114。在当前示例中，测距装置102被配置为产生从一个或多个激光光源104的视角可见的表面的三维坐标。在一些示例中，测距装置102可以由自动驾驶载具(例如汽车、飞机、船等)的引导、导航和控制系统。测距装置还可以用于需要实时、多点、扫描距离测量的其他应用中。一个或多个激光光源可以包括一个或多个激光发射器，例如图5-10中所示的示例性测距装置。系统100具有控制器112，其实现用于测距装置102的控制和分析逻辑。控制器112可以部分地由FPGA(现场可编程门阵列)、微处理器、DSP(数字信号处理器)、或者这些和其他控制和处理元件中的一个或多个的组合实现，并且可以具有用于存储相关程序和数据的相关存储器。为了启动单个距离测量，控制器112指示充电电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：电路，其配置为产生驱动信号，其中，所述驱动信号与第一充电持续时间相关联；激光光源，其联接到所述电路，所述激光光源配置成接收所述驱动信号并发射处于第一功率水平的第一光脉冲；光传感器，其响应于感测到对应于所述第一光脉冲的反射光而产生光信号；控制器，其通信地联接到所述光传感器，其中，所述控制器能够操作为：至少部分地基于与所述光信号相关联的一个或多个特征来调整从所述激光光源发射的第二光脉冲的功率，识别对与电路相关联的待改变的一个或多个参数的一个或多个值的改变，其中，对所述一个或多个值的改变至少基于在对所述激光光源进行校准例程期间所识别的数据，以及使所述激光光源使用所述一个或多个值来产生第二光脉冲，其中，所述第二光脉冲以不同于所述第一功率水平的第二功率水平发射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.30 US 62/440,734;2017.04.13 US 15/487,1701.一种系统，包括：电路，其配置为产生驱动信号，其中，所述驱动信号与第一充电持续时间相关联；激光光源，其联接到所述电路，所述激光光源配置成接收所述驱动信号并发射处于第一功率水平的第一光脉冲；光传感器，其响应于感测到对应于所述第一光脉冲的反射光而产生光信号；控制器，其通信地联接到所述光传感器，其中，所述控制器能够操作为：至少部分地基于与所述光信号相关联的一个或多个特征来调整从所述激光光源发射的第二光脉冲的功率，识别对与电路相关联的待改变的一个或多个参数的一个或多个值的改变，其中，对所述一个或多个值的改变至少基于在对所述激光光源进行校准例程期间所识别的数据，以及使所述激光光源使用所述一个或多个值来产生第二光脉冲，其中，所述第二光脉冲以不同于所述第一功率水平的第二功率水平发射。2.根据权利要求1所述的系统，其中，识别待改变的所述一个或多个值包括：至少部分地基于在对所述激光光源进行校准期间所识别的数据来识别充电持续时间，并且其中，使所述激光光源使用所述一个或多个值包括：使所述电路使用所述充电持续时间来产生所述第二光脉冲。3.根据权利要求1所述的系统，其中，识别对所述一个或多个值的改变包括：访问与所述激光光源和所述电路相关联的功率分布，以及至少部分地基于指定功率水平检索充电持续时间。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述功率分布包括与第一光脉冲的第一功率相关联的第一充电持续时间、与第二光脉冲的第二功率相关联的第二充电持续时间，以及与第三光脉冲的第三功率相关联的第三充电持续时间。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电路还包括：电感器；以及联接到所述电感器的电容器，其中，所述电感器对所述电容器充电，并且其中，所述电容器放电以产生所述驱动信号。6.根据权利要求1所述的系统，还包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器联接到所述光传感器并且被配置为产生数字化信号，所述数字化信号是所述光信号的数字化表示；并且其中，识别对所述一个或多个值的改变包括：至少部分地基于所述光信号的所述数字化表示来确定所述值。7.一种装置，包括：电路，其包括充电电路，其中，所述电路被配置为至少部分地基于第一充电持续时间产生驱动信号；激光光源，其联接到所述电路，所述激光光源配置成接收所述驱动信号并发射处于第一功率水平的第一光脉冲；光传感器，其响应于感测到对应于所述第一光脉冲的反射光而产生光信号；控制器，其通信地联接到所述光传感器，其中，所述控制器能够操作为：至少部分地基于所述光信号的一个或多个特征识别为将所述第一充电持续时间改变为第二充电持续时间，至少部分地基于与所述激光光源相关联的校准数据确定所述第二充电持续时间的值，以及使所述激光光源使用所述第二充电持续时间的所述值以发射处于不同于所述第一功率水平的第二功率水平的第二光脉冲。8.根据权利要求7所述的装置，其中，使所述激光光源使用所述第二充电时间的所述值包括：使所述电路对一个或多个电容器充电达所述第二充电时间的所述值。9.根据权利要求7所述的装置，其中，识别为将所述第一充电持续时间改变为所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·贝格尔，D·尼基廷，R·安德鲁斯，R·麦克迈克尔，B·皮尔尼克，
申请(专利权)人：帕诺森斯有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US