处理LIDAR准确度的时间序列测量的制作方法

处理lidar准确度的时间序列测量
1.相关申请案的交叉引用
2.本技术案主张2019年10月10日申请的标题为“处理lidar准确度的时间序列测量(processing time-series measurements for lidar accuracy)”的美国临时专利申请案第62/913,604号的权益，所述美国临时专利申请案以引用的方式并入本文中。


背景技术：

3.光检测和测距(lidar)系统用于对象检测和测距，例如，用于如汽车、卡车、船等交通工具。lidar系统还用于移动应用(例如，用于面部辨识)、家庭娱乐(例如，捕获用于视频游戏输入的手势捕获)和增强现实。lidar系统通过利用来自激光器的脉冲照射一个地景，且接着测量光子行进到对象且在反射之后返回的时间来测量与对象的距离，所述时间如lidar系统的接收器所测量。分析检测到的信号以检测背景光当中的反射信号脉冲的存在。可基于从脉冲的传输到对应反射脉冲的接收的飞行时间而确定与对象的距离。
4.确切地说，在lidar系统的经济成本下，可能难以在所有条件下提供低到几厘米的鲁棒距离准确度。如单光子雪崩二极管(spad)的有前景的新检测器技术是有吸引力的，但当用以测量飞行时间和其它信号特性时由于其受限制的动态范围而具有显著缺陷，特别是在广泛的环境条件和目标距离方面。另外，因为其对即使少量光子的敏感性，spad可极易受背景噪声光的环境水平影响。


技术实现要素：

5.在一些实施例中，光学测量系统可包括光学测量系统的外壳和光源，所述光源被配置为作为光学测量的部分在一个或多个时间间隔中传输一个或多个脉冲串，其中一个或多个第一时间间隔中的每一个可包括一个或多个脉冲串中的一个。系统还可包含光传感器，被配置为：检测来自从光学测量系统的外壳反射出来的一个或多个脉冲串的光子，且检测来自从光学测量系统周围的环境中的对象反射出来的一个或多个脉冲串的光子。系统可另外包含被配置为累积在一个或多个时间间隔期间接收到的来自光传感器的光子计数的多个寄存器。一个或多个时间间隔中的每一个可细分成多个时间区间。多个寄存器中的每一个可被配置为累积在一个或多个时间间隔中的每一个中的多个时间区间中的对应一个期间接收到的光子计数以表示在一个或多个时间间隔期间接收到的光子计数的直方图。系统可以还包含被配置为识别光子计数的直方图中的初始峰值的电路。初始峰值可表示从光学测量系统的外壳反射的光子。
6.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。电路可被配置为通过识别在多个寄存器中首先出现的多个寄存器中的寄存器的预定数目来识别初始峰值。电路可被配置为通过识别存储最高数目的光子计数的多个寄存器中的一个或多个寄存器来识别初始峰值。电路可被配置为通过识别具有对应于光学测量系统的光源与外壳之间的距离的时间区间的多个寄存器中的寄存器来识别初始峰值。电路可以还被配置为识别表示初始峰值的多个寄存器的子集。多个寄存器的子集可通过选择存储初始峰值
的最大值的寄存器附近的寄存器的预定数目来识别。多个寄存器的子集可通过选择存储初始峰值的最大值的寄存器附近的存储在最大值的预定百分比内的值的寄存器来识别。电路可以还被配置为基于多个寄存器中的初始峰值的位置而估计光学测量系统的光源与外壳之间的距离。电路可以还被配置为使用在光源与外壳之间估计的距离来校准距离测量值。系统还可包含处理器，所述处理器被配置为接收存储于多个寄存器中的直方图中的额外峰值以计算与对应于额外峰值的周围环境中的对象的距离，其中可从由处理器接收到的额外峰值中排除初始峰值。处理器可实施于集成电路中，所述集成电路与多个寄存器实施于其中的集成电路分离且不同。
7.在一些实施例中，检测从光学测量系统中的外壳反射的峰值的方法可包含作为光学测量的部分在一个或多个时间间隔中传输一个或多个脉冲串。一个或多个第一时间间隔中的每一个可包含一个或多个脉冲串中的一个。方法还可包含检测来自从光学测量系统的外壳反射出来的一个或多个脉冲串的光子，和检测来自从光学测量系统周围的环境中的对象反射出来的一个或多个脉冲串的光子。方法可另外包含将在一个或多个时间间隔期间接收到的光子的计数累积到多个寄存器中。一个或多个时间间隔中的每一个可细分成多个时间区间，多个寄存器中的每一个累积在一个或多个时间间隔中的每一个中的多个时间区间中的对应一个期间接收到的光子计数以表示在一个或多个时间间隔期间接收到的光子计数的直方图。方法可以还包含识别光子计数的直方图中的初始峰值。初始峰值可表示从光学测量系统的外壳反射的光子。
8.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。方法还可包含作为第二光学测量的部分，识别第二初始峰值；和将第二初始峰值初始峰值进行比较。方法还可包含基于第二初始峰值与初始峰值进行比较而表征光学测量系统的外壳中的窗口的透明度的变化。方法可另外包含识别由光学测量系统中的多个不同光传感器检测到的多个初始峰值；和基于多个初始峰值而确定多个光传感器中的每一个前方的光学测量系统的外壳中的窗口的对应区段的透明度的水平。方法还可包含将初始峰值的最大值与阈值进行比较；和基于初始峰值的最大值与阈值进行比较而确定阻塞是否定位于光学测量系统外部。方法可另外包含识别多个测量值中的多个初始峰值；和基于多个测量值中的多个初始峰值的组合而存储基线初始峰值以用于与进一步的光学测量值比较。方法还可包含从多个寄存器减去基线初始峰值。第二峰值可至少部分地与初始峰值重叠，且减去基线初始峰值可引起第二峰值可由峰值检测电路检测。第二峰值可对应于光学测量系统周围的环境中的在光学测量系统的两英尺内的对象。
9.在一些实施例中，光学测量系统可包含被配置为作为光学测量的部分在一个或多个时间间隔中传输一个或多个脉冲串的光源。一个或多个时间间隔中的每一个可包含一个或多个脉冲串中的一个。系统还可包含光传感器，被配置为：检测来自从光学测量系统周围的环境中的对象反射的一个或多个脉冲串的光子。系统可另外包含多个寄存器，被配置为：累积在一个或多个时间间隔期间接收到的来自光传感器的光子计数以表示在一个或多个时间间隔期间接收到的光子计数的未滤波直方图。系统可以还包含滤波电路，被配置为：提供来自多个寄存器的光子计数的滤波直方图。系统还可包含峰值检测电路，被配置为：检测滤波直方图中的峰值的位置，且使用滤波直方图中的峰值的位置来识别存储峰值的未滤波表示的多个寄存器中的位置。
10.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。系统还可包含处理器，被配置为：接收峰值的未滤波表示且使用峰值的未滤波表示来计算与光学测量系统周围的环境中的对象的距离。滤波电路可被配置为通过应用对应于一个或多个脉冲串的匹配滤波器来提供滤波直方图。一个或多个脉冲串中的脉冲串可包含多个正方形脉冲。滤波电路可被配置为对未滤波直方图进行低通滤波。系统还可包含存储滤波直方图的第二多个寄存器。滤波直方图可通过多个寄存器在单遍次上生成。峰值可在单遍次期间通过多个寄存器检测到，使得滤波直方图并不全部被存储。峰值检测电路可被配置为通过检测多个寄存器中的降低值之后的增加值来检测峰值的位置。处理器可实施于集成电路(ic)上，所述集成电路与多个寄存器实施于其上的ic分离且不同。光源和光传感器可形成光学测量系统中的多个像素中的像素。
11.在一些实施例中，分析光学测量系统中的滤波和未滤波数据的方法可包含作为光学测量的部分在一个或多个第一时间间隔内传输一个或多个脉冲串。一个或多个第一时间间隔中的每一个可包含一个或多个脉冲串中的一个。方法还可包含检测来自从光学测量系统周围的环境中的对象反射出来的一个或多个脉冲串的光子；使用光子来填入多个寄存器以表示在一个或多个第一时间间隔期间接收到的光子计数的未滤波直方图；对多个寄存器中的未滤波直方图进行滤波以提供来自多个寄存器的光子的滤波直方图；检测滤波直方图中的峰值的位置；使用滤波直方图中的峰值的位置来识别存储峰值的未滤波表示的多个寄存器中的位置；和将峰值的未滤波表示发送到处理器以使用峰值的未滤波表示来计算与光学测量系统周围的环境中的对象的距离。
12.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。发送峰值的未滤波表示可包含发送在存储峰值的未滤波表示的多个寄存器中表示的识别直方图时间区间的信息。对多个寄存器中的未滤波直方图进行滤波可包含应用将未滤波直方图与具有多个相同值的至少一个正方形滤波器进行卷积。多个相同值可包含一系列二进制“1”值和/或一系列
“‑
1”值。对多个寄存器中的未滤波直方图进行滤波可包含将未滤波直方图与包含多个零值之后的非零值的至少一个序列(sequence)进行卷积。至少一个序列可包含多个“0”值之后的单个二进制“1”值或单个二进制
“‑
1”。方法还可包含除了发送峰值的未滤波表示之外，将峰值的滤波表示发送到处理器。滤波直方图中的峰值的位置可被检测为滤波直方图中的单个峰值；且峰值的未滤波表示可包含未滤波直方图中的至少两个峰值。未滤波直方图中的至少两个峰值中的一个可表示由一个或多个脉冲串从光学测量系统的外壳或窗口反射出来引起的峰值。光子可使用光传感器中的多个光检测器检测到。
13.在一些实施例中，光学测量系统可包含多个光源，被配置为：作为光学测量的部分在一个或多个时间间隔中发射一个或多个脉冲串。系统还可包含多个光传感器，被配置为：检测来自从多个光源中的对应光源发射的一个或多个脉冲串的所反射的光子。多个光传感器可包含第一光传感器和空间上邻近于第一光传感器的一个或多个其它光传感器。系统可另外包含多个存储器块，被配置为：通过多个光传感器中的对应光传感器来累积在一个或多个时间间隔期间接收到的光子的光子计数以表示光子计数的多个直方图。多个直方图可包含对应于第一光传感器的第一直方图和对应于一个或多个其它光传感器的一个或多个直方图。系统可以还包含电路，被配置为：将来自第一直方图的信息与来自一个或多个其它直方图的信息组合以生成用于第一光传感器的距离测量值。
14.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。一个或多个光传感器可物理上邻近于光传感器阵列中的第一光传感器。光传感器阵列可包含光传感器的固态阵列。一个或多个光传感器可包含正交地邻近或对角地邻近于第一光传感器的八个光传感器。一个或多个光传感器无需物理上邻近于光传感器阵列中的第一光传感器，但一个或多个光传感器可定位成从物理区域接收光子，所述物理区域邻近于由第一光传感器接收到来自其的光子的物理区域。多个光传感器可布置成围绕光学测量系统的中心轴线旋转的光传感器阵列。来自第一直方图的信息可包含基于第一直方图而计算的第一距离测量值；来自一个或多个直方图的信息可包含基于一个或多个其它直方图而计算的一个或多个其它距离测量值；且距离测量值可包含第一距离测量值与一个或多个其它距离测量值的组合。在第一距离测量值与多个其它距离测量值组合之前，第一距离测量值可低于光学测量系统的检测极限。在将第一距离测量值与多个其它距离测量值组合之后，距离测量值可高于光学测量系统的检测极限。检测极限可表示由对应光传感器接收到的光子的最小数目。用以将来自第一直方图的信息与来自一个或多个直方图的信息组合的电路可包含实施于集成电路上的处理器，所述集成电路不同于多个存储器块实施于其上的集成电路。电路和多个存储器块可实施于相同集成电路上。
15.在一些实施例中，使用光学测量系统中的空间上邻近像素信息的方法可包含作为光学测量的部分在一个或多个第一时间间隔内传输一个或多个脉冲串；和使用多个光传感器来检测来自一个或多个脉冲串的所反射的光子。多个光传感器可包含第一光传感器和空间上邻近于第一光传感器的一个或多个光传感器。方法还可包含通过多个光传感器来累积在一个或多个时间间隔期间接收到的光子计数以表示光子计数的多个直方图。多个直方图可包含对应于第一光传感器的第一直方图和对应于一个或多个光传感器的一个或多个直方图。方法可另外包含将来自第一直方图的信息与来自一个或多个直方图的信息组合以生成用于第一光传感器的距离测量值。
16.在任何实施例中，可以任何组合但不受限制地包含以下特征中的任何和全部。由第一光传感器接收到且由一个或多个光传感器接收到的所反射的光子可从周围环境中的相同对象反射。来自第一直方图的信息可包含第一直方图中的光子计数；来自一个或多个直方图的信息可包含一个或多个直方图中的光子计数；且距离测量值可基于第一直方图中的光子计数与一个或多个直方图中的光子计数的聚集而计算。来自第一直方图的信息可包含第一直方图中的第一一个或多个峰值；来自一个或多个直方图的信息可包含一个或多个直方图中的第二一个或多个峰值；且距离测量值可基于第一一个或多个峰值与第二一个或多个峰值的组合而计算。距离测量值可基于第一一个或多个峰值和第二一个或多个峰值的总和而计算。距离测量值可基于第一一个或多个峰值和第二一个或多个峰值的高斯组合而计算。距离测量值可基于第一一个或多个峰值和第二一个或多个峰值的卷积而计算。距离测量值可基于第一一个或多个峰值和第二一个或多个峰值的加权组合而计算。
附图说明
17.参考说明书的其余部分和图式可实现对各种实施例的性质和优点的进一步理解，其中相同参考标号在若干图式中用于指代类似组件。在一些情况下，子标签与参考标号相关联以标示多个类似组件中的一个。当在未指定子标签的情况下参考参考标号时，所述参
考标号是指所有此类多个类似组件。
18.图1a和1b示出根据一些实施例的汽车光测距装置，在本文中也称为lidar系统。
19.图2示出用于实施各种实施例的示例性lidar装置的框图。
20.图3说明可通过实施例改进的典型lidar系统的操作。
21.图4示出根据一些实施例的用于光测距系统的光传输和检测过程的说明性实例。
22.图5示出根据本发明的实施例的传感器阵列和相关联电子件的各个级。
23.图6示出根据本发明的实施例的直方图。
24.图7示出根据本发明的实施例的用于选定像素的多个脉冲串上的直方图的累积。
25.图8示出根据一些实施例的用于接收光子且生成存储于表示直方图的存储器中的信号的集合的电路。
26.图9示出根据一些实施例的与测量中的不同激发(shot)相关联的定时。
27.图10说明包含由从光学测量系统的外壳出来的反射引起的峰值的直方图存储器的表示。
28.图11说明用于使用光学测量系统来检测由从系统外壳出来的稍早反射引起的峰值的方法的流程图。
29.图12说明根据一些实施例的可用于校准用于光学测量系统的距离测量的直方图存储器的内容。
30.图13a说明根据一些实施例的接收与从系统外壳出来的反射对应的初始峰值的直方图存储器的一部分。
31.图13b说明根据一些实施例的从外壳反射出来的峰值的量值的变化。
32.图14说明根据一些实施例的可由窗口的污染部分地遮挡的光传感器阵列的一部分。
33.图15a说明根据一些实施例的相对于阻塞阈值的由光学测量系统检测到的初始峰值。
34.图15b说明根据一些实施例的当阻塞存在时在光学测量系统的寿命周期后期的初始峰值。
35.图16a说明根据一些实施例的具有由外壳反射引起的初始峰值和由从周围环境中的对象反射引起的第二峰值的直方图存储器。
36.图16b说明根据一些实施例的不对从外壳出来的反射进行补偿的近程峰值检测问题。
37.图17a说明图16b的直方图存储器。
38.图17b说明在已从直方图存储器中的寄存器减去基线峰值之后的图16b的直方图存储器。
39.图18说明根据一些实施例的用于去除在近程测量期间从系统外壳出来的反射的影响的电路。
40.图19说明根据一些实施例的在单个脉冲被传输且由光学测量系统接收到之后的直方图存储器的内容。
41.图20说明根据一些实施例的使用图19的滤波器的直方图数据的滤波版本。
42.图21a说明在时间上相对并拢的两个邻近峰值的实例。
43.图21b说明根据一些实施例的低通滤波器可对图21a的未滤波直方图数据造成的影响。
44.图22a到22b说明根据一些实施例的滤波数据可如何用于识别未滤波数据中的峰值。
45.图23说明根据一些实施例的用于使用滤波数据来将未滤波数据传送到处理器以用于距离计算的电路的示意图。
46.图24说明根据一些实施例的在从多脉冲代码接收所反射的光子之后的直方图存储器的一部分。
47.图25说明根据一些实施例的从多脉冲代码接收到的峰值的滤波版本。
48.图26说明根据一些实施例的仅使用单个二进制指示符的滤波器。
49.图27说明根据一些实施例的用于分析光学测量系统中的滤波和未滤波数据的方法的流程图。
50.图28说明根据一些实施例的可将所反射的光子提供到邻近光传感器的对象的实例。
51.图29说明根据一些实施例的空间上邻近光传感器视角可如何用于计算对应光传感器中的一个的距离测量值的实例。
52.图30说明根据一些实施例的直方图可组合以用于邻近光传感器的方式。
53.图31说明根据一些实施例的矩形光传感器布局的实例。
54.图32说明根据一些实施例的用于旋转光学测量系统的配置。
55.图33说明根据一些实施例的用于组合来自空间上邻近直方图的信息的电路。
56.图34说明根据一些实施例的用于组合来自直方图的信息的替代电路。
57.图35说明根据一些实施例的用于组合来自直方图的信息的另一电路。
58.图36说明用于使用光学测量系统中的空间上邻近像素信息的方法的流程图。
59.术语
60.术语“测距”特别是当在用于测量环境或帮助交通工具操作的方法和装置的背景下使用时可指代确定从一个位置(location)或定位(position)到另一位置或定位的距离或距离向量。“光测距”可指代利用电磁波来执行测距方法或功能的一类测距方法。因此，“光测距装置”可指代用于执行光测距方法或功能的装置。“lidar”或“lidar”可指代通过以脉冲激光照射目标且其后以传感器测量反射脉冲来测量与目标的距离的一类光测距方法。因此，“lidar装置”或“lidar系统”可指代用于执行lidar方法或功能的一类光测距装置。“光测距系统”可指代包括至少一个光测距装置(例如，lidar装置)的系统。系统可以还包含呈各种布置的一个或多个其它装置或组件。
[0061]“脉冲串”可指代一起传输的一个或多个脉冲。脉冲串的发射和检测可称为“激发”。激发可在“检测时间间隔”(或“检测间隔”)中发生。
[0062]“测量”可包含在n次激发中发射和检测到的n多个脉冲串，每一次激发持续检测时间间隔。整个测量可在测量时间间隔(或仅“测量间隔”)中，其可等于测量的n个检测间隔或更长，例如当在检测间隔之间发生暂停时。
[0063]“光传感器”或“光敏元件”可将光转换为电信号。光传感器可包含多个“光检测器”，例如，单光子雪崩二极管(spad)。光传感器可对应于测距测量中的特定分辨率像素。
[0064]“直方图”可指代表示随时间的一连串值的任何数据结构，如在时间区间上离散的值。直方图可具有指派给每一时间区间的值。举例来说，直方图可存储在一个或多个检测间隔中的每一个中的特定时间区间期间起动的光检测器的数目的计数器。作为另一实例，直方图可对应于模拟信号在不同时间的数字化。直方图可包含信号(例如，脉冲)和噪声。因此，直方图可视为作为光子时间序列(series)或光子通量的信号和噪声的组合。原始/数字化直方图(或累积光子时间序列)可含有在存储器中数字化的信号和噪声而无需滤波。“滤波直方图”可指代在原始直方图通过滤波器之后的输出。
[0065]
发射的信号/脉冲可指代不失真的“标称”、“理想”或“模板”脉冲或脉冲串。反射信号/脉冲可指代来自对象的反射激光脉冲且可能失真。数字化信号/脉冲(或原始信号)可指代来自如存储于存储器中的检测间隔的一个或多个脉冲串的检测的数字化结果，且因此可等效于直方图的一部分。检测到的信号/脉冲可指代存储器中检测到信号的位置。检测到的脉冲串可指代由匹配滤波器找到的实际脉冲串。预期信号曲线(profile)可指代由在反射信号中具有特定失真的特定发射信号引起的数字化信号的形状。
具体实施方式
[0066]
本公开大体上涉及对象检测和测距的领域，且更确切地说，涉及使用飞行时间光学接收器系统以用于如实时三维测绘和对象检测、跟踪和/或分类的应用。可借助本发明的各种实施例实现各种改进。
[0067]
下方的章节介绍说明性汽车lidar系统，随后是通过光测距系统检测信号的实例技术的描述，且接着以更多细节描述不同实施例。
[0068]
i.说明性汽车lidar系统
[0069]
图1a和1b示出根据一些实施例的汽车光测距装置，在本文中也称为lidar系统。此处选择lidar系统的汽车应用仅是出于说明起见，且本文所描述的传感器可用于其它类型的交通工具中，例如船、飞机、火车等，以及其中3d深度图像有用的多种其它应用中，如医学成像、移动电话、增强现实、大地测量、地球空间信息学、考古学、地形学、地质学、地貌学、地震学、林业、大气物理学、激光导引、机载激光条带测绘(alsm)和激光高度测量法。根据一些实施例，lidar系统，例如扫描lidar系统101和/或固态lidar系统103可安装在车辆105的车顶上，如图1a和1b中所示。
[0070]
图1a中示出的扫描lidar系统101可采用扫描架构，其中可在车辆105外部的外部场或场景内的一个或多个视场110附近扫描lidar光源107和/或检测器电路109的定向。在扫描架构的情况下，发射的光111可如所示在周围环境上扫描。举例来说，可扫描(例如，旋转)定位于lidar系统101中的一个或多个光源(如红外或近红外脉冲ir激光，图中未示)的输出光束，以照射车辆附近的场景。在一些实施例中，由旋转箭头115表示的扫描可由机械手段实施，例如通过将光发射器安装到旋转柱或平台。在一些实施例中，扫描可通过其它机械手段实施，如通过使用电流计。也可采用基于芯片的转向技术，例如通过使用采用一个或多个基于mems的反射器的微芯片，例如数字微镜(dmd)装置、数字光处理(dlp)装置和类似物。在一些实施例中，扫描可通过非机械手段实现，例如通过使用电子信号使一个或多个光学相控阵列转向。
[0071]
对于固定架构，如图1b中示出的固态lidar系统103，一个或多个固态lidar子系统
(例如，103a和103b)可安装到车辆105。每一固态lidar单元可面对不同方向(在单元之间可能具有部分重叠和/或不重叠的视场)以便捕获比每一单元自身能够捕获的视场更大的视场。
[0072]
在扫描或固定架构中，在场景内的对象可反射从lidar光源发射的光脉冲的部分。一个或多个反射部分接着行进回到lidar系统，且可由检测器电路检测到。举例来说，反射部分117可由检测器电路109检测到。检测器电路可与发射器安置于同一外壳中。扫描系统和固定系统的方面不是相互排斥的，且因此可组合使用。举例来说，图1b中的个别lidar子系统103a和103b可采用可转向发射器，如光学相控阵列，或整个复合单元可通过机械手段旋转，进而扫描lidar系统前方的整个场景，例如从视场119到视场121。
[0073]
图2说明根据一些实施例的旋转lidar系统200的较详细框图。更具体地说，图2任选地说明可采用旋转电路板上的旋转致动器的旋转lidar系统，其可从固定电路板接收功率和数据(以及传输功率和数据)。
[0074]
lidar系统200可与用户接口215的一个或多个示例交互。用户接口215的不同示例可变化且可包含例如具有监视器、键盘、鼠标、cpu和存储器的计算机系统；汽车中的触摸屏；具有触摸屏的手持式装置；或任何其它适当的用户接口。用户接口215可以是lidar系统200安装于其上的对象本地的，但也可以是远程操作的系统。举例来说，去往/来自lidar系统200的命令和数据可通过蜂窝式网络(lte等)、个域网(蓝牙、zigbee等)、局域网(wifi、ir等)或如因特网的广域网来路由。
[0075]
硬件和软件的用户接口215可从装置向用户呈现lidar数据，但也可允许用户以一个或多个命令控制lidar系统200。实例命令可包含激活或去激活lidar系统、指定光检测器曝光水平、偏置、取样持续时间和其它操作参数(例如，发射脉冲模式和信号处理)、指定光发射器参数(如亮度)的命令。此外，命令可允许用户选择用于显示结果的方法。用户接口可显示lidar系统结果，所述结果可包含例如单帧快照图像、恒定更新的视频图像和/或一些或所有像素的其它光测量的显示。在一些实施例中，用户接口215可跟踪对象距车辆的距离(接近度)，且潜在地向驾驶员提供警示或提供此类跟踪信息以用于对驾驶员表现的分析。
[0076]
在一些实施例中，lidar系统可与车辆控制单元217通信，且可基于接收到的lidar数据修改与车辆的控制相关联的一个或多个参数。举例来说，在完全自主车辆中，lidar系统可提供汽车周围环境的实时3d图像以辅助导航。在其它情况下，lidar系统可用作高级驾驶员辅助系统(adas)的部分或安全系统的部分，其例如可将3d图像数据提供到任何数目的不同系统，例如自适应巡航控制、自动停车、驾驶员嗜眠监视、盲点监视、碰撞避免系统等。当车辆控制单元217可通信地耦合到光测距装置210时，可向驾驶员提供警示或可跟踪对象的接近度的跟踪。
[0077]
图2中示出的lidar系统200包含光测距装置210。光测距装置210包含测距系统控制器250、光传输(tx)模块240和光感测(rx)模块230。可由光测距装置通过从光传输模块240传输一个或多个光脉冲249到光测距装置周围的视场中的对象而生成测距数据。所传输光的反射部分239接着在一些延迟时间之后由光感测模块230检测到。基于延迟时间，可确定与反射表面的距离。也可采用其它测距方法，例如连续波、多普勒和类似方法。
[0078]
tx模块240包含可以是一维或二维发射器阵列的发射器阵列242，以及tx光学系统244，它们当结合在一起时可形成微光学发射器通道阵列。发射器阵列242或个别发射器是
激光源的实例。tx模块240还包含处理器245和存储器246。在一些实施例中，可使用脉冲编码技术，例如巴克码(barker code)等。在此类情况下，存储器246可存储指示何时应当传输光的脉冲代码。在一个实施例中，脉冲代码存储为存储于存储器中的整数序列。
[0079]
rx模块230可包含传感器阵列236，其可以是例如一维或二维光传感器阵列。每一光传感器或光敏元件(也称为传感器)可包含一系列光检测器，例如，apd或类似物，或传感器可以是单个光子检测器(例如，spad)。类似于tx模块240，rx模块230包含rx光学系统237。结合在一起的rx光学系统237和传感器阵列236可形成微光学接收器通道阵列。每一微光学接收器通道测量对应于周围体积的相异视场中的图像像素的光。例如，由于光感测模块230和光传输模块240的几何配置，传感器阵列236的每一传感器(例如，一系列spad)可对应于发射器阵列242的特定发射器。
[0080]
在一个实施例中，rx模块230的传感器阵列236制造为单个衬底上的单体装置的部分(使用例如cmos技术)，其包含光子检测器阵列以及用于对来自阵列中的个别光子检测器(或检测器群组)的原始直方图进行信号处理的asic 231。作为信号处理的实例，对于每一光子检测器或光子检测器组，asic 231的存储器234(例如，sram)可累积在连续时间区间上检测到的光子的计数，且这些时间区间结合在一起可用于再创建反射光脉冲的时间序列(即，光子计数对时间)。聚集光子计数的这一时间序列在本文中称作强度直方图(或仅直方图)。asic 231可实施匹配滤波器和峰值检测处理以及时识别返回信号。此外，asic 231可实现某些信号处理技术(例如，通过处理器238)，例如多曲线匹配滤波，以帮助恢复较不易受到由于spad饱和和骤冷而发生的脉冲形状失真影响的光子时间序列。在一些实施例中，此类滤波的全部或部分可由可实施于fpga中的处理器258执行。
[0081]
在一些实施例中，rx光学系统237也可以是与asic相同的单体结构的部分，具有用于每一接收器通道层的单独衬底层。举例来说，光圈层、准直透镜层、滤光器层和光检测器层可在切割之前在晶片级下堆叠且接合。可通过在透明衬底的顶部上布置不透明衬底或通过用不透光膜涂布透明衬底来形成光圈层。在又其它实施例中，rx模块230的一个或多个组件可在单体结构的外部。举例来说，光圈层可实施为具有销孔的单独金属薄片。
[0082]
在一些实施例中，从asic输出的光子时间序列发送到测距系统控制器250以用于进一步处理，例如，数据可由测距系统控制器250的一个或多个编码器编码，且接着作为数据包发送到用户接口215。测距系统控制器250可以多个方式实现，包含例如通过使用如fpga等可编程逻辑装置作为asic或asic的部分、使用具有存储器254的处理器258以及上述的某一组合。测距系统控制器250可与固定基础控制器协作或独立于基础控制器而操作(经由预先编程的指令)以通过发送命令来控制光感测模块230，所述命令包含开始和停止光检测和调整光检测器参数。类似地，测距系统控制器250可通过发送命令或从基础控制器转送命令来控制光传输模块240，所述命令包含开始和停止发光控制以及可调整其它光发射器参数(例如，脉冲代码)的控制。在一些实施例中，测距系统控制器250具有一个或多个有线接口或连接器以用于与光感测模块230和光传输模块240交换数据。在其它实施例中，测距系统控制器250经由如光学通信链路的无线互连与光感测模块230和光传输模块240通信。
[0083]
电动机260可以是当例如tx模块240和或rx模块230的系统组件需要旋转时需要的任选组件。系统控制器250控制电动机260且可开始旋转，停止旋转和改变转速。
[0084]
ii.反射脉冲的检测
[0085]
光传感器可以多种方式布置以用于检测反射脉冲。举例来说，光传感器可布置成阵列，且每一光传感器可包含光检测器阵列(例如，spad)。下文还描述在检测间隔期间传输的脉冲(脉冲串)的不同模式。
[0086]
a.飞行时间测量和检测器
[0087]
图3说明可由一些实施例改进的典型lidar系统的操作。激光器生成短持续时间的光脉冲310。水平轴线表示时间，且竖直轴线表示功率。由半高全宽(fwhm)表征的实例激光脉冲持续时间是几纳秒，其中单个发射器的峰值功率是约几瓦。使用侧发射器激光器或光纤激光器的实施例可具有高得多的峰值功率，而具有小直径vcsel的实施例可具有几十毫瓦到数百毫瓦的峰值功率。
[0088]
脉冲的传输的开始时间315不需要与脉冲的前沿一致。如所展示，光脉冲310的前沿可在开始时间315之后。可能希望前沿在不同模式的脉冲在不同时间传输的情形中不同，例如，对于编码的脉冲。
[0089]
光学接收器系统可在开始激光器的同时，即在开始时间开始检测接收到的光。在其它实施例中，光学接收器系统可在稍后时间开始，所述稍后时间是在脉冲的开始时间之后的已知时间。光学接收器系统最初检测背景光330，且在一些时间之后检测激光脉冲反射320。光学接收器系统可将检测到的光强度与阈值进行比较以识别激光脉冲反射320。阈值可区分背景光330与对应于激光脉冲反射320的光。
[0090]
飞行时间340是发送脉冲与接收脉冲之间的时间差。可通过从激光脉冲反射320的接收时间(例如，也相对于开始时间所测量)减去脉冲的传输时间(例如，如相对于开始时间所测量)来测量所述时间差。与目标的距离可确定为飞行时间与光速的乘积的一半。来自激光装置的脉冲在不同时间从场景中的对象反射，且像素阵列检测辐射反射的脉冲。
[0091]
b.使用阵列激光器和光传感器阵列的对象检测
[0092]
图4示出根据一些实施例的用于光测距系统的光传输和检测过程的说明性实例。图4示出收集系统周围的体积或场景的三维距离数据的光测距系统(例如，固态或和/或扫描)。图4是突出显示发射器与传感器之间的关系的理想化附图，且因此其它组件未图示。
[0093]
光测距系统400包含光发射器阵列402和光传感器阵列404。光发射器阵列402包含光发射器阵列，例如vcsel阵列和类似物，如发射器403和发射器409。光传感器阵列404包含光传感器阵列，例如传感器413和415。光传感器可以是像素化光传感器，其针对每一像素采用一组离散光检测器，如单光子雪崩二极管(spad)和类似物。然而，各种实施例可部署任何类型的光子传感器。
[0094]
每一发射器可从其相邻者稍微偏移，且可被配置为将光脉冲传输到与其相邻发射器不同的视场中，进而照射仅与所述发射器相关联的相应视场。举例来说，发射器403将照射光束405(由一个或多个光脉冲形成)发射到圆形视场407(其大小为清楚起见而放大)中。同样，发射器409将照射光束406(也称为发射器通道)发射到圆形视场410中。虽然图4中未示出以避免复杂化，但每一发射器将对应照射光束发射到其对应的视场中从而引起照射的视场的2d阵列(在这一实例中，21个相异的视场)。
[0095]
由发射器照射的每一视场可被认为是产生自测距数据的对应3d图像中的像素或光斑。每一发射器通道可以是每一发射器相异的且与其它发射器通道不重叠，即，在发射器集合与不重叠的场或视角的集合之间存在一对一映射。因此，在图4的实例中，系统可对3d
空间中的21个相异点进行取样。更密集的点取样可通过具有更密集的发射器阵列或通过扫描发射器光束随时间的角位置(angular position)以使得一个发射器可对空间中的若干点进行取样来实现。如上文所描述，可通过旋转整个发射器/传感器组合件来实现扫描。
[0096]
每一传感器可从其相邻者稍微偏移，且类似于上文描述的发射器，每一传感器可看见传感器前方的场景的不同视场。此外，每一传感器的视场与相应发射器通道的视场大体上一致，例如，与其重叠且大小相同。
[0097]
在图4中，对应发射器-传感器通道之间的距离相对于与视场中的对象的距离已放大。实际上，与视场中的对象的距离比对应发射器-传感器通道之间的距离大得多，且因此从发射器到对象的光的路径大致平行于从对象回到传感器的反射光的路径(即，其几乎是“反射回来”)。因此，系统400的前方存在一个距离范围，其中个别传感器和发射器的视场是重叠的。
[0098]
因为发射器的视场与其相应传感器的视场重叠，所以每一传感器通道理想地可检测来源于其相应发射器通道的理想地不具有串扰的反射照射光束，即，不检测来自其它照射光束的反射光。因此，每一光传感器可对应于相应光源。举例来说，发射器403将照射光束405发射到圆形视场407中，且照射光束中的一些从对象408反射。理想地，反射光束411仅由传感器413检测到。因此，发射器403和传感器413共享同一视场，例如视场407，且形成发射器-传感器对。同样，发射器409和传感器415形成发射器-传感器对，共享视场410。虽然发射器-传感器对在图4中示出为在其相应阵列中的相同相对位置，但取决于系统中使用的光学件的设计，任何发射器可与任何传感器配对。
[0099]
在测距测量期间，来自分布于lidar系统周围的体积周围的不同视场的反射光由各种传感器收集且处理，从而得到每一相应视场中的任何对象的距离信息。如上文所描述，可使用飞行时间技术，其中光发射器发射精确定时脉冲，且在一些经过的时间之后由相应传感器检测脉冲的反射。在发射与检测之间经过的时间以及已知光速接着用以计算与反射表面的距离。在一些实施例中，可由传感器获得额外信息以确定反射表面的除距离之外的其它属性。举例来说，脉冲的多普勒频移可由传感器测得且用以计算传感器与反射表面之间的相对速度。脉冲强度可用于估计目标反射率，且脉冲形状可用于确定目标是否是硬或漫射材料。
[0100]
i在一些实施例中，lidar系统可由发射器和传感器通道的相对大2d阵列构成且操作为固态lidar，即，其可获得范围数据的帧而不需要扫描发射器和/或传感器的定向。在其它实施例中，发射器和传感器可扫描，例如围绕轴线旋转，以确保发射器和传感器的集合的视场对周围体积的完整360度区(或360度区的某个有用部分)进行取样。例如在某一预定义时间周期内从扫描系统收集的范围数据可接着后处理成一个或多个数据帧，所述数据帧可接着进一步处理成一个或多个深度图像或3d点云。深度图像和/或3d点云可进一步处理成地图图块以用于3d测绘和导航应用。
[0101]
c.每一光传感器中的多个光检测器
[0102]
图5示出根据本发明的实施例的传感器阵列和相关联电子件的各个级。阵列510示出各自对应于不同像素的光传感器515。阵列510可以是交错阵列。在这一特定实例中，阵列510是18x4光传感器。阵列510可用于实现高分辨率(例如，72x1024)，因为实施方案适合于扫描。
[0103]
阵列520示出阵列510的一部分的放大图。如可看出，每一光传感器515由多个光检测器525构成。来自像素的光检测器的信号共同贡献于所述像素的测量。
[0104]
在一些实施例中，每一像素具有大量单光子雪崩二极管(spad)单元，这增加像素自身的动态范围。每一spad可具有用于偏置、骤冷和再充电的模拟前端电路。spad通常以高于击穿电压的偏置电压进行偏置。合适的电路感测雪崩电流的前沿，生成与雪崩积累同步的标准输出脉冲，通过将偏置向下降低到低于击穿电压而使雪崩骤冷，且将光二极管恢复到操作电平。
[0105]
spad可定位以便最大化其局部区域中的填充因数，或可使用微透镜阵列，这允许在像素级的高光学填充因数。因此，成像器像素可包含spad阵列以增加像素检测器的效率。漫射器可用于扩散通过光圈的射线且由微透镜准直。罐漫射器用于以属于同一像素的所有spad接收一些辐射的方式扩散准直射线。
[0106]
图5还示出检测光子532的特定光检测器530(例如，spad)。响应于检测，光检测器530产生电荷载流子(电子或空穴)的雪崩电流534。阈值电路540通过将雪崩电流534与阈值进行比较来调节雪崩电流534。当检测到光子且光检测器530正常工作时，雪崩电流534上升到高于比较器阈值，且阈值电路540产生指示spad电流雪崩的准确时间的时间上准确二进制信号545，这又是光子到达的准确测量。电流雪崩与光子到达的相关可以纳秒的分辨率发生，进而提供高定时分辨率。二进制信号545的上升沿可由像素计数器550锁存。
[0107]
二进制信号545、雪崩电流534和像素计数器550是可由包括一个或多个spad的光传感器提供的数据值的实例。数据值可从来自多个光检测器中的每一个的相应信号确定。可将相应信号中的每一个与阈值进行比较以确定对应光检测器是否被触发。雪崩电流534是模拟信号的实例，且因此相应信号可以是模拟信号。
[0108]
像素计数器550可使用二进制信号545对已经在受周期性信号560控制的特定时间区间(例如，1、2、3等纳秒的时间窗)期间由一个或多个光子触发的用于给定像素的光检测器的数目进行计数。像素计数器550可存储用于给定测量的多个时间区间中的每一个的计数器。用于每一时间区间的计数器的值可开始于零，且基于指示检测到光子的二进制信号545而递增。当像素的任何光检测器提供此类信号时，计数器可递增。
[0109]
周期性信号560可通过锁相回路(pll)或延迟锁定回路(dll)或产生时钟信号的任何其它方法产生。周期性信号560和像素计数器550的协调可充当时间-数字转换器(tdc)，其是用于辨识事件且提供它们发生的时间的数字表示的装置。举例来说，tdc可输出每一检测到的光子或光学脉冲的到达时间。测量时间可以是两个事件(例如，开始时间和检测到的光子或光学脉冲)之间经过的时间而不是绝对时间。周期性信号560可以是在包括像素计数器550的一组存储器之间切换的相对快时钟。存储器中的每一寄存器可对应于一个直方图区间，且时钟可以取样间隔在它们之间切换。因此，当相应信号大于阈值时，指示触发的二进制值可发送到直方图电路。直方图电路可聚集跨越多个光检测器的二进制值以确定在特定时间区间期间触发的光检测器的数目。
[0110]
时间区间可相对于开始信号进行测量，例如在图3的开始时间315处。因此，恰好在开始信号之后的时间区间的计数器可具有对应于背景信号的低值，所述背景信号例如背景光330。最后一个时间区间可对应于给定脉冲串的检测时间间隔(也称为激发)的结束，这在下一部分中进一步加以描述。周期性信号560自从开始时间起的周期数目可充当在雪崩电
流534的上升沿指示检测到的光子时的时戳。时戳对应于用于像素计数器550中的特定计数器的时间区间。此类操作不同于跟随光二极管(例如，对于雪崩二极管(apd))的简单模/数转换器(adc)。时间区间的计数器中的每一个可对应于直方图，这在下文更详细地描述。因此，虽然apd是具有有限增益的用于输入光学信号的线性放大器，但spad是提供在时间窗中发生的触发事件的是/否的二进制输出的触发器装置。
[0111]
d.脉冲串
[0112]
测距也可通过使用脉冲串实现，所述脉冲串被界定为含有一个或多个脉冲。在脉冲串内，脉冲的数目、脉冲的宽度以及脉冲之间的持续时间(统称为脉冲模式)可基于若干因数而选择，所述因数中的一些包含：
[0113]
1-最大激光占空比-占空比是激光器接通的时间的分数。对于脉冲激光，这可通过如上文所解释的fwhm以及在给定周期期间发射的脉冲数目来确定。
[0114]
2-眼睛安全性限制-这是由装置在不伤害恰巧观看lidar系统的方向的旁观者的眼睛的情况下可发射的最大辐射量确定。
[0115]
3-功耗-这是发射器为了照射场景而消耗的功率。
[0116]
举例来说，脉冲串中的脉冲之间的间隔可以是约单个数字或数十纳秒。
[0117]
可在一个测量的时间跨度期间发射多个脉冲串。每一脉冲串可对应于不同时间间隔，例如在用于检测先前脉冲串的反射脉冲的时间限制到期之前不发射后续脉冲串。
[0118]
对于给定发射器或激光装置，脉冲串的发射之间的时间决定最大可检测范围。举例来说，如果脉冲串a在时间t0＝0ns处发射，且脉冲串b在时间t1＝1000ns处发射，那么不得将在t1之后检测到的反射脉冲串指派给脉冲串a，因为它们更可能是来自脉冲串b的反射。因此，脉冲串之间的时间和光速界定以下等式中给出的系统的范围上的最大界限：
[0119]rmax
＝c
×
(t
1-t0)/2
[0120]
激发(脉冲串的发射和检测)之间的时间可以是约1μs以允许整个脉冲串有足够时间行进到大致150米远的遥远对象，且接着返回。
[0121]
iii.来自光检测器的直方图信号
[0122]
lidar系统的一个操作模式是时间相关单光子计数(tcspc)，其是基于对周期性信号中的单个光子的计数。这一技术良好适用于低水平的周期性辐射，这在lidar系统中是合适的。这一时间相关计数可受图5的周期性信号560控制且可使用时间区间，如针对图5所论述。
[0123]
周期性信号的频率可指定时间分辨率，在所述时间分辨率内测量信号的数据值。举例来说，可在周期性信号的每周期针对每一光传感器获得一个测量值。在一些实施例中，测量值可以是在所述周期期间触发的光检测器的数目。周期性信号的时间周期对应于时间区间，其中每一周期是不同时间区间。
[0124]
图6示出根据本发明的实施例的直方图600。水平轴线对应于如相对于开始时间615所测量的时间区间。如上文所描述，开始时间615可对应于脉冲串的开始时间。可考虑脉冲串的第一脉冲的上升沿与脉冲串和检测时间间隔中的任一个或两个的开始时间之间的任何偏移，其中确定接收时间将用于飞行时间测量。竖直轴线对应于触发的spad的数目。在某些实施例中，竖直轴线可对应于跟随apd的adc的输出。举例来说，apd可展现传统的饱和效应，如恒定最大信号而不是spad的基于死时间(dead-time)的效应。一些效应可针对spad
和apd两者发生，例如，极倾斜表面的脉冲拖尾可针对spad和apd两者发生。
[0125]
用于时间区间中的每一个的计数器对应于直方图600中的不同条。在早期时间区间的计数器是相对低的且对应于背景噪声630。在一些点处，检测到反射脉冲620。对应计数器大得多，且可高于在背景与检测到的脉冲之间进行区分的阈值。反射脉冲620(在数字化之后)示出为对应于四个时间区间，这可能由具有类似宽度的激光脉冲引起，例如当时间区间各自是1ns时的4ns脉冲。但如下文更详细地描述，时间区间的数目可例如基于激光脉冲的入射角中的特定对象的属性而变化。
[0126]
对应于反射脉冲620的时间区间的时间位置可用于例如相对于开始时间615确定接收时间。如下文更详细地描述，匹配滤波器可用于识别脉冲模式，进而有效地增加信噪比，而且更准确地确定接收时间。在一些实施例中，确定接收时间的准确度可小于单个时间区间的时间分辨率。举例来说，对于1ns的时间区间，所述分辨率将对应于约15cm。然而，可能需要仅几厘米的准确度。
[0127]
因此，检测到的光子可导致直方图的特定时间区间基于其相对于例如由开始时间615指示的开始信号的到达时间而递增。开始信号可以是周期性的，使得在测量期间发送多个脉冲串。每一开始信号可同步到激光脉冲串，其中多个开始信号使得在多个检测间隔内传输多个脉冲串。因此，时间区间(例如，在开始信号之后从200到201ns)将针对每一检测间隔发生。直方图可累积计数，其中特定时间区间的计数对应于跨越多个激发全部在所述特定时间区间中发生的所测量的数据值的总和。当检测到的光子基于此类技术做直方图时，其导致返回信号的信噪比比单个脉冲串大所作出激发次数的平方根。
[0128]
图7示出根据本发明的实施例的用于选定像素的多个脉冲串上的直方图的累积。图7示出三个检测到的脉冲串710、720和730。每一检测到的脉冲串对应于具有以相同时间量分隔的两个脉冲的相同模式的所传输脉冲串。因此，每一检测到的脉冲串具有相同脉冲模式，如由具有明显值的两个时间区间所示。用于其它时间区间的计数器为了便于说明而未图示，但其它时间区间可具有相对低的非零值。
[0129]
在第一检测到的脉冲串710中，用于时间区间712和714的计数器是相同的。这可由在两个时间区间期间检测到光子的光检测器的相同数目引起。或在其它实施例中，在两个时间区间期间检测到大致相同数目的光子。在其它实施例中，多于一个连续时间区间可具有连续非零值；但为便于说明，已经示出个别非零时间区间。
[0130]
时间区间712和714分别在开始时间715之后的458ns和478ns发生。用于其它检测到的脉冲串的所显示的计数器相对于其相应开始时间在相同时间区间发生。在这一实例中，开始时间715被识别为在时间0处发生，但实际时间是任意的。用于第一检测到的脉冲串的第一检测间隔可以是1μs。因此，从开始时间715测量的时间区间的数目可以是1,000。然后，这一第一检测间隔结束，可传输和检测新的脉冲串。不同时间区间的开始和结束可受时钟信号控制，所述时钟信号可以是充当时间-数字转换器(tdc)的部分电路，例如在图5中所描述。
[0131]
对于第二检测到的脉冲串720，开始时间725是在1μs，例如在此时可发射第二脉冲串。此类单独检测间隔可发生以使得在第一检测间隔的开始传输的任何脉冲将已经被检测到，且因此不会造成在第二时间间隔中检测到的脉冲的混淆。举例来说，如果激发之间不存在额外时间，那么电路可能混淆在200m处的回反射光阑标志与在50m处的少得多反射的对
象(假定约1us的激发周期)。用于脉冲串710和720的两个检测时间间隔可以是相同长度且与相应开始时间具有相同关系。时间区间722和724发生在与时间区间712和714相同的458ns和478ns的相对时间。因此，当累积步骤发生时，可添加对应计数器。举例来说，可一起添加在时间区间712和722处的计数器值。
[0132]
对于第三检测到的脉冲串730，开始时间735是在2μs，例如其中可发射第三脉冲串。时间区间732和734也相对于其相应开始时间735发生在458ns和478ns。即使所发射脉冲具有相同功率，在不同时间区间的计数器也可具有不同值，例如原因在于光脉冲离开对象的散射过程的随机性质。
[0133]
直方图740示出来自在时间区间742和744处的三个检测到的脉冲串的计数器的累积，所述时间区间也对应于458ns和478ns。直方图740可具有在相应检测间隔期间测量的较少数目的时间区间，例如原因在于丢弃在开始或结束时的时间区间，或具有小于阈值的值。在一些实施方案中，取决于脉冲串的模式，约10到30个时间区间可具有明显的值。
[0134]
举例来说，在测量期间发射以创建单个直方图的脉冲串的数目可以是约1到40个(例如，24)，但还可高得多，例如50、100或500。一旦测量完成，就可复位用于直方图的计数器，且可发射一组脉冲串以执行新的测量。在各种实施例中且取决于相应持续时间中的检测间隔的数目，可每25、50、100或500μs执行测量。在一些实施例中，测量间隔可重叠，例如，因此给定直方图对应于脉冲串的特定滑动窗口。在此类实例中，存储器可存在以用于存储多个直方图，每一直方图对应于不同时间窗。施加于检测到的脉冲的任何权重对于每一直方图可以是相同的，或此类权重可独立地受控制。
[0135]
iv.直方图数据路径
[0136]
图8示出根据一些实施例的用于接收光子且产生存储于表示直方图的存储器中的信号的集合的电路。如相对于图5上文所描述，光传感器阵列可用于接收反射脉冲和来自光学测量系统中的环境光的背景光子。单个光传感器802可包含多个光检测器。每一光检测器可由spad或其它光敏传感器实施，且光检测器可布置于用于光传感器802的网格图案中，如图8中所说明。滤波器可用于光传感器中的每一个以阻止由光传感器接收围绕lidar系统的光源定中心的范围外部的光。然而，即使利用这一滤波器，处于或接近光源的所发射波长的一些环境光可穿过滤波器。这可引起来自环境光的光子以及从lidar光源发射的光子由光传感器接收到。
[0137]
光传感器802中的每一光检测器可包含用于生成输出信号的模拟前端电路，所述输出信号指示光子何时由光检测器接收到。举例来说，返回参考图5，来自spad的雪崩电流534可触发阈值电路540以生成输出二进制信号545。转回到图8，光传感器802中的每一光检测器可生成对应于接收到的光子的其自身信号。因此，光传感器802可生成对应于光传感器802中的光检测器的数目的信号816的集合。光传感器802也可称为“像素”或“像素传感器”，这是由于当在光学测量系统的后来的级中显示或分析时，其可对应于信息的单个像素。当响应于接收到的光子而生成信号(例如，从逻辑“0”转变到逻辑“1”)时，这可称作“正”信号。
[0138]
算术逻辑单元(alu)804可用于实施图5的像素计数器550的功能性。具体地说，alu 804可从光传感器802的个别光检测器接收信号816的集合且聚集各自指示检测到光子的这些信号的数目。alu 804可包含对信号816的集合执行算术和/或其它逐位操作的组合数字电子电路。举例来说，alu 804可接收信号816的集合中的每一个作为二进制信号(即，“0”或“1”)作为alu 804的输入或操作数。通过将输入聚集或添加在一起，alu 804可计数信号816的集合中的正信号的数目，所述正信号指示已在特定时间区间内接收到光子。举例来说，通过添加指示“1”信号电平的信号中的每一个，alu 804的输出可指示信号816的集合中的与又在时间区间期间接收到光子的光检测器相关联的信号的数目。
[0139]
alu 804专门设计成至少接收对应于光传感器802中的光检测器的数目的输入的数目。在图8的实例中，alu 804可被配置为接收单个位宽的32个并行输入。内部地，alu 804可利用数字逻辑门来实施以形成纹波进位加法器、超前进位加法器、进位保存加法器和/或可以低传播时间聚集相对大量输入的任何其它类型的加法器。alu 804的输出可称作“总信号计数”且可表示为来自alu 804或来自alu 804的级的n位二进制数输出。
[0140]
如上文所描述，alu 804的输出可表征在特定时间区间期间由光传感器802接收到的光子的总数目。每当alu 804完成聚集操作，总信号计数可添加到表示直方图818的存储器806中的对应存储器位置。在一些实施例中，可使用sram实施存储器806。因此，在多个激发的过程(其中每一激发包含脉冲串)中，来自alu 804的总信号计数可与存储器806中的对应存储器位置中的现有值聚集。单个测量可包括多个激发，所述多个激发填入存储器806以生成可用于检测反射信号、背景噪声、峰值和/或所关注的其它信号的时间区间中的值的直方图818。
[0141]
alu 804也可执行将总信号计数添加到存储器806的存储器位置中的现有值的第二聚集操作。回顾图7，利用每一激发，新的总信号计数可添加到存储器806的对应时间区间中的现有值。以这种方式，直方图818可在数次激发中逐步地建构于存储器806中。当总信号计数由alu 814生成时，可从存储器806检索用于所述时间区间的对应存储器位置的电流值820。电流值820可作为操作数提供到alu 804，所述操作数可与来自信号816的集合的总信号计数组合。在一些实施例中，alu 804可由第一级和第二级构成，其中第一级计算来自光传感器802的总信号计数，且第二级将总信号计数与来自存储器806中的所述时间分区的存储器位置的电流值820组合。在一些实施例中，信号816的集合的聚集以及总信号计数和电流值820的聚集可作为单个操作进行。因此，即使这两个操作可功能上描述为单独“聚集”，但其可实际上使用alu 804中的并行和顺序电路的组合一起执行。
[0142]
如上文相对于图5所描述，alu 804可接收触发聚集操作的周期性信号560。周期性信号560可使用上文所描述的技术中的任一种来生成。周期性信号560可界定每一时间区间的长度。在一些实施例中，周期性信号560和对应时间区间可相对于如图3中所说明的开始信号来测量。周期性信号560的每一周期可使得聚集操作在alu 804中执行且可使得存储器860的存储器地址递增到下一时间区间。举例来说，周期性信号560的上升沿可使得alu 804产生将总信号计数和电流值820聚集在一起的结果。对应周期性信号808也可发送到存储器接口电路，所述存储器接口电路使地址递增到当前时间区间的存储器位置，使得每一周期也移动到存储器806中的下一时间区间。
[0143]
时钟电路810可用于基于输入而生成周期性信号560，所述输入界定用于光学测量系统的激发和测量。举例来说，激发输入814可对应于图3中所说明的开始信号。激发输入814可将存储器806的地址复位到与直方图818的第一时间区间对应的开始存储器位置。激发输入814也可使得时钟电路810开始生成用于alu 804的周期性信号560和/或使存储器806的地址递增的周期性信号808。另外，时钟电路810可接收限定测量的开始/结束的测量
输入812。测量可包括递增地构建直方图818的多个激发。测量信号812可用于将存储器806中的值复位，使得直方图可重新开始以用于每一新测量。
[0144]
存储器806可包含累积来自光检测器的光子计数的多个寄存器。通过在对应于时间区间的相应寄存器中累积光子计数，存储器806中的寄存器可基于光子的到达时间而存储光子计数。举例来说，第一时间区间中到达的光子可存储于存储器806中的第一寄存器中，第二时间区间中到达的光子可存储于存储器806中的第二寄存器中，等等。每一“激发”可包含对存储器806中的对应于用于所述光传感器的时间区间的寄存器中的每一个的一次遍历。激发信号814可称作用于存储器806中的多个寄存器的“启用”信号，因为激发信号814使存储器806中的寄存器能够在当前激发期间存储来自alu 804的结果。
[0145]
周期性信号560可被生成以使得被配置为：在从光传感器802异步地提供信号816的集合时捕获所述信号816的集合。举例来说，阈值电路540可被配置为在预定时间间隔中使输出信号保持高。周期性信号560可定时以使得其具有小于或等于阈值电路540的保持时间的周期。替代地，周期性信号560的周期可以是阈值电路540的保持时间的百分比，如90％、80％、75％、70％、50％、110％、120％、125％、150％、200％等等。一些实施例可使用如图5中所说明的上升沿检测电路以将来自光检测器的异步信号转换成单个时钟选通，所述单个时钟选通使用运行alu 804的相同时钟。这可保证光子不被计数超过一次。其它实施例可替代地对来自光检测器的异步脉冲进行过取样或使用强力上升沿检测。
[0146]
图9示出根据一些实施例的与测量中的不同激发相关联的定时。竖直轴线表示针对单个光传感器测量的光检测器信号的总数目。举例来说，竖直轴线可表示总光子计数。水平轴线表示时间。当新光学测量如由测量信号812所指示而开始时，第一激发可以接收作为开始信号的激发信号814-1开始。周期性信号506说明alu 804的每一计时如何对应于单个时间区间和存储器806中的对应存储器位置。
[0147]
利用每一后续激发，直方图可建构于存储器806中，如图9中所说明。每当接收到激发输入814，存储器806的寻址可复位以使得新总信号计数可添加到现有信号计数。在图9的实例中，存在每一激发之间的分隔的非零时间间隔。举例来说，由激发信号814-1开始的激发结束，且在由激发信号814-2界定的激发开始之前，非零时间间隔流逝。替代地，一些实施例可不具有后续激发之间的延迟以使得周期性信号506在整个测量中不断地计时。后续激发信号814-2、814-3可接着界定先前激发的结束和后续激发的开始两者。
[0148]
在一些实施例中，计时alu 804的测量信号812、激发信号814和周期性信号506的定时可均相对于彼此被协调和生成。因此，alu的定时可由每一激发的开始信号触发，且取决于每一激发的开始信号。另外，周期性信号506的周期可界定与直方图中的每一存储器位置相关联的每一时间区间的长度。
[0149]
图8中所说明的数据路径主要被配置为构建数次激发中的直方图818。然而，在一些实施例中，可仅在激发期间填入直方图。在激发之间接收到的任何光子将不在时间区间中由alu 804聚集且将不存储于存储器806中。另外，在每一测量完成之后和在后续测量开始之前，存储器806的内容可复位。因此，可不保存或容易地获得在当前测量之前和/或之后接收到的光子。此外，不在直方图数据路径中容易地获得在直方图中接收到的所有光子的总计数，且当直方图禁用时，如果在激发之间存在非零间隔，那么在测量周期期间接收到的所有光子的总计数不可用。为了以依赖于激发/测量定时的连续方式记录接收到的光子，除
了图8中所说明的直方图数据路径之外可使用第二并行数据路径。
[0150]
v.识别来自系统外壳的稍早反射
[0151]
以上实例已说明单个脉冲或多个脉冲作为从光源传输、从周围环境中的对象反射出来且接着由光传感器检测到的脉冲串的部分。在测量中的数次重复激发之后，这些反射记录在直方图存储器中且形成直方图中的“峰值”。这些峰值的位置可接着用于确定光学测量系统与周围环境中的对象之间的距离。然而，这些实例并不意味着是限制性。除了由从周围环境中的所关注对象反射出来的脉冲串引起的预期峰值之外，直方图存储器还可包含由脉冲串的更即时、非预期反射引起的其它峰值，以及根本未必由脉冲串产生的峰值。举例来说，额外峰值可对应于外部光源、阳光、反射或周围环境中的其它环境光现象。在这些情况下，仅代替检测单个峰值，光学测量系统可检测可因此存在于直方图存储器中的多个峰值。除了由外部光源引起的外来峰值之外，初始峰值可由脉冲串从光学测量系统的内部外壳反射出来产生。
[0152]
图10说明包含由从光学测量系统的外壳出来的反射引起的峰值1002的直方图存储器的表示。当光源生成用于所发射脉冲串的一个或多个脉冲时，这些脉冲可穿过窗口或光学测量系统的外壳中的其它透射式材料。然而，由光源发射的光中的一些可从外壳的窗口反射出来回到光传感器而非完全穿过窗口。另外，由光源发射的光中的一些可从外壳自身的内表面反射出来。举例来说，一些偶然光可从透射式窗口附近的外壳的部分反射出来或从光学测量系统的其它内部材料反射出来。正如将从周围环境中的所关注对象检测和存储反射脉冲，从光学测量系统的外壳反射出来的光的部分可由光传感器接收到，且存储于直方图存储器中。
[0153]
在图10中，由所发射脉冲串稍早从光学测量系统外壳反射出来引起的峰值1002可存储于直方图存储器中的初始寄存器集合中。因为反射在脉冲串从光学测量系统的光源发射之后不久发生，所以来自这些稍早反射的光子计数可存储于直方图存储器中的第一寄存器中以用于测量。举例来说，图10说明存储于直方图存储器的前九个寄存器内的与稍早从系统外壳反射对应的峰值1002。然而，这一实例并不意味着是限制性的。表示来自系统外壳的反射的时间区间的数目和位置可取决于光脉冲的强度、外壳与光源之间的距离、外壳与光检测器之间的距离和/或光学测量系统的物理设计的其它特性。下文更详细地论述用于确定由来自系统外壳的反射引起的峰值1002的位置的方法。
[0154]
在接收到光子计数以用于光学测量的其余部分时，也可检测到由光子从周围环境中的所关注对象出来的反射引起的额外峰值。举例来说，在从在光学测量系统的范围内的外部对象反射出来之后，图10中的峰值1004可稍后在测量中接收到。典型地，周围环境中的这些所关注对象将足够远离光学测量系统，使得所得峰值1004可容易地区别于从系统外壳反射出来的峰值1002。一些实施例可从直方图存储器和/或从在直方图存储器上执行的任何计算忽略或去除峰值1002以计算与对应于峰值1004的外部对象的距离。举例来说，一些实施例可屏蔽可能包含来自外壳反射的大峰值1002的直方图寄存器的初始集合。一些实施例可在当脉冲串由光源发射时与当光传感器开始将光子计数累积到直方图存储器中时之间插入延迟以避免记录来自外壳反射的峰值1002。因为相较于当接收到峰值1004时，峰值1002在测量中如此早发生，所以当使用峰值1004来执行距离计算时，可通常忽略峰值1002。
[0155]
然而，一些实施例可接收由外壳反射引起的峰值1002且将其存储在直方图存储器
中，且接着继续使用峰值以改进光学测量系统的近程性能。这些改进可包含校准光学测量系统、表征光学测量系统的窗口的不透明度、检测光学测量系统的堵塞、改进光学测量系统的近程性能等等。下文更详细地描述可通过首先识别由外壳反射引起的峰值1002实现的这些各种改进中的每一个。
[0156]
图11说明用于使用光学测量系统来检测由从系统外壳出来的稍早反射引起的峰值的方法的流程图。这一方法可用于传输/接收脉冲且识别对应于来自外壳反射的峰值的直方图存储器中的特定位置。本公开中的以下部分描述其中所识别峰值可用于改进光学测量系统的性能的不同方式。以下方法描述用于光学测量系统中的单个光传感器的过程。然而，如上文所描述，光学测量系统可包含许多光传感器，且这一方法可进行以用于光学测量系统中的每一光传感器。
[0157]
在步骤1102处，方法可包含作为光学测量的一部分在一个或多个第一时间间隔内传输来自光源的一个或多个脉冲串。一个或多个第一时间间隔中的每一个可表示在测量中重复多次的“激发”。第一时间间隔中的每一个可包含由光源编码和传输的一个或多个脉冲串，使得脉冲串可被认为其从周围环境中的对象反射出来。时间间隔中的每一个可细分成多个时间区间，使得时间区间中的每一个表示在光学测量期间接收到的光子计数的直方图中的区间。上文相对于图9描述单个测量如何可包含细分成聚集光子计数的时间区间的多个激发的实例。
[0158]
在步骤1104处，方法还可包含使用光传感器检测来自一个或多个脉冲串的光子。如上文详细描述，光传感器可包含多个光检测器，如多个spad。光传感器可接收反射光以及从周围环境接收到的环境背景噪声。由光传感器接收到的反射光可包含从周围环境中的所关注对象反射出来的光。举例来说，这些所关注对象可远离光传感器至少30cm，且可表示周围车辆、建筑物、行人和/或可在使用期间在光学测量系统附近遇到的任何其它对象。这些所关注对象可区别于作为光学测量系统自身的部分的对象，如外壳。由光传感器接收到的反射光还可包含从光学测量系统的外壳或其它部分反射出来的光。这些反射可包含主要直接从光学测量系统的窗口或外壳出来的反射，以及在光学测量系统的内部附近反射的继发性反射。光传感器也可耦合到阈值检测电路和/或耦合到累积光子计数的算术逻辑电路。这一组合可在上文称为“像素”。图5说明如何可从光传感器接收到光子计数且使用阈值电路和像素计数器(例如，算术逻辑电路)来计数光子计数的实例。
[0159]
在步骤1106处，方法还可包含将来自光传感器的光子计数累积到多个寄存器中以表示在当前测量期间接收到的光子计数的直方图。这些光子计数可累积于对应于光传感器的存储器块中的多个寄存器中。多个寄存器可使用直方图数据路径的sram中的寄存器来实施，如上文在图8到9中所描述。时间间隔中的每一个可细分成用于直方图的多个第一时间区间。一个或多个时间间隔中的每一个中的对应时间区间可累积于多个寄存器中的单个寄存器中。时间间隔中的每一个可表示激发，且一个或多个时间间隔一起可表示用于光学测量系统的测量。时间间隔中的每一个可由将表示直方图的存储器复位回到的直方图中的第一寄存器的开始信号或激发信号界定。从光学测量系统的外壳反射的接收到的光子可以与从光学测量系统外部的周围对象反射出来的其它接收到的光子相同的方式存储于直方图存储器中。
[0160]
在步骤1108处，方法可另外包含识别表示从系统外壳反射出来的光子的直方图中
的峰值。取决于特定实施例，检测这一峰值可使用数种不同技术来执行。在一些实施例中，可通过直方图存储器进行遍次以识别时间上首先发生的峰值。系统可顺序地存取多个寄存器中的寄存器，在光学测量的开始时开始以识别时间上首先发生的峰值。峰值的中心可通过识别在两侧上的时间区间中具有更小值的直方图中的值来识别。在图10的实例中，表示第四和第五时间区间的寄存器可识别为峰值，因为第四和第五寄存器的两侧上的寄存器中的时间区间值具有其中存储的显著更小值。在一些实施例中，初始峰值可通过在最高数目的光子计数期间识别多个寄存器中的寄存器来识别。这些实施例可假定初始峰值可具有比其它峰值更高的强度。一些实施例也可通过识别对应于光源与光学测量系统的外壳之间的距离的多个寄存器中的寄存器来识别初始峰值。举例来说，当这一距离已知时，每次的距离可用于识别可接收从外壳反射的峰值的寄存器。一些实施例可通过识别首先出现的多个寄存器中的寄存器的预定数目来识别初始峰值。举例来说，基于初始校准和光传感器与外壳之间的已知距离，一些实施例可将前15的时间区间识别为存储初始峰值。
[0161]
识别直方图中的峰值可涉及定位峰值的中心附近发生的时间区间窗。这一过程可涉及从峰值位置朝外扩展以确定包含整个峰值的直方图存储器中的寄存器的范围。如图10中所说明，由从系统外壳出来的反射引起的光子可在多个时间区间中接收到而非隔离到单个时间区间。因此，一些实施例可识别周围时间区间，所述周围时间区间应也指定为表示来自系统外壳的反射峰值。举例来说，一些实施例可识别可指定为峰值的最大值附近的预定数目的时间区间。举例来说，预定数目的时间区间，如3个时间区间、5个时间区间、9个时间区间、15个时间区间、17个时间区间等等可识别最大值且围绕最大值定中心以表示整个峰值。一些实施例可识别具有在峰值寄存器中的最大值的百分比内的值的周围时间区间。这可引起可用于取决于峰值的宽度而表示峰值的可变数目个时间区间。举例来说，最大值周围的时间区间可在其值在最大值的25％内时包含于峰值中。
[0162]
代替检测用于每一测量的可变峰值位置，一些实施例可假定光学测量外壳的已知位置且指定寄存器的特定窗口，所述寄存器可能包含来自从系统外壳出来的稍早反射的值。在图10的实例中，系统可将对应于第二时间区间到第六时间区间的寄存器指定为存储从系统外壳出来的反射的峰值的寄存器。物理测量可进行以确定光源与外壳之间的距离和外壳与光传感器之间的距离。这一距离可接着与光速结合使用以确定来自系统外壳的反射可能在直方图存储器中何处出现。
[0163]
应了解，根据各种实施例，图11中所说明的特定步骤提供识别表示从系统外壳出来的反射的峰值的特定方法。步骤的其它顺序也可根据替代实施例来执行。举例来说，本发明的替代实施例可以不同次序执行以上概述的步骤。此外，图11中说明的个别步骤可包含可以个别步骤适合的各种顺序执行的多个子步骤。此外，可取决于特定应用而添加或去除额外步骤。所属领域的一般技术人员应认识到许多变化、修改和替代方案。
[0164]
vi.使用外壳反射以改进测量
[0165]
在识别表示从系统外壳出来的反射的脉冲的位置之后，所述反射的位置和/或峰值可用于改进光学测量系统或以数种不同方式表征光学测量系统。这可包含为我们校准由光学测量系统进行的额外距离测量中的已知距离，表征光学测量系统上的窗口的透明度，检测阻碍光学测量系统的视场的堵塞或其它障碍物，和/或其它类似改进。
[0166]
a.使用外壳反射进行校准
[0167]
图12说明根据一些实施例的可用于校准用于光学测量系统的距离测量的直方图存储器的内容。如上文所描述，直方图可包含与从光学测量系统的外壳出来的反射对应的峰值1002。直方图还可包含由从周围环境中的所关注对象出来的光子反射引起的峰值1004。典型地，峰值1004的中心位置可被识别且用于计算光学测量系统与从其反射峰值1004的对象之间的距离。这一距离计算可使用光速以及由直方图寄存器表示的时间区间中的每一个的已知时间间隔。举例来说，对于在500mhz下操作的系统，所得时间区间可表示接收到的光子计数的大致2ns。峰值1004的距离可使用时间区间的数目(例如，32)乘以每一时间区间的时间(例如，2ns)乘以光速来计算。
[0168]
然而，如果以上假定的值中的任一个不精确或在不同光学测量系统之间变化，那么距离计算可能不准确。举例来说，由每一时间间隔表示的实际时间可不如基于假定时钟周期而预测的精确。因此，一些系统可适用于执行可用于准确地确定由距离计算使用的不同常数的自校准过程。
[0169]
一些实施例可使用表示外壳反射的峰值1002的位置来校准光学测量系统的其它距离计算的值。光源与光学测量系统的外壳之间的距离可基于光学测量系统的制造工艺而精确地知晓。类似地，系统的外壳与光传感器之间的距离也可精确地知晓。这些距离可与峰值1002结合使用以确定在距离计算中使用的常数的精确值，如由每一时间区间表示的时间和/或系统中的任何偏移。这些常数可以是接收峰值的时间且提供准确距离测量的变换函数的部分。此类变换可以是恒定的(例如，均一延迟)线性变换(例如，比稍早时间区间多/少与时间区间数目成正比的量的稍后时间区间偏移)或非线性变换。
[0170]
在图12的实例中，可使用上文所描述的技术中的任一种来确定峰值1002的位置。峰值1002的位置可用于确定测量的开始与来自外壳的峰值的中心之间的时间区间1202的数目。上文所描述的光源、外壳和光传感器之间的已知距离可除以光速以确定当从光源发射光时与当峰值1002在直方图存储器中出现时之间的总时间。这一值可接着除以时间区间1202的数目以便计算由每一时间区间表示的精确时间量。应注意，这个程序假定当从光源发射光时，直方图存储器开始将光子计数累积在寄存器中。如果不是这种情况，那么可从时间估计减去来自光源的光的发射与通过直方图存储器进行的累积周期的开始之间的任何延迟。
[0171]
常数的精确值，如由每一时间区间表示的时间可接着用于计算测量中的其它峰值的距离。在图12的实例中，光学测量系统与由峰值1004表示的对象之间的距离可如上文所描述来计算，但代替使用从时钟周期假定的时间值，系统可实际上利用使用峰值1002计算的校准值来计算与对象的距离。
[0172]
使用来自从光学测量系统的外壳反射的峰值的校准值可因此用于生成更准确距离测量。这些技术可克服由随着时间的过程变化和传感器漂移引起的问题。这些技术也可用于检测系统外壳相对于光源和/或光传感器的移动。举例来说，如果峰值1002的位置在光学测量系统的寿命周期内改变，那么这可指示外壳相对于系统的其余部分的移动。
[0173]
b.表征窗口透明度
[0174]
除了校准待用于距离计算的值之外，识别从系统外壳出来的反射的位置还可用于在操作期间表征光学测量系统的各种方面。一般来说，从系统的外壳反射出来的峰值可大于从周围环境中的所关注对象接收到的峰值。这一初始峰值的大小可能是由于外壳相对于
光传感器的接近度。因为光传感器如此接近反射，所以反射光的强度可相对大。然而，假定反射峰值的大小在直方图存储器的饱和极限内，某些测量可基于从外壳反射出来的峰值的量值而进行以表征外壳自身的部分。
[0175]
图13a说明根据一些实施例的接收与从系统外壳出来的反射对应的初始峰值1302的直方图存储器的一部分。峰值1302可具有初始量值1308。这一量值可表征光学测量系统的外壳上的窗口的透明度。如上文所描述，外壳可包含窗口，光可从光源传输穿过所述窗口，且反射光可通过所述窗口由光传感器接收到。假定外壳的其余部分的透明度大体上不透光，峰值1302的量值1308可用于表征窗口自身的透明度。举例来说，基线透明度可在光学测量系统的寿命周期的初始部分期间通过记录外壳反射的平均量值1308来表征这一值可随着时间存储且用于检测窗口的透明度的改变。
[0176]
光学测量系统的许多实际应用可包含在开放环境中的用途，其中光学测量系统可暴露于污染、雨、雪和/或可能损坏、混淆和/或以其它方式影响光学测量系统的外壳上的窗口的透明度的其它环境元素。举例来说，当光学测量系统安装于汽车应用中时，系统可定位于车辆的顶部上。系统也可定位于车辆的周边附近的区域上，如车辆的保险杠或侧面上。在这些位置中，光学测量系统可经受天气因素、岩石和碎片、废气或雾和/或可影响窗口的透明度的其它影响。举例来说，道路上的岩石可击中光学测量系统，刮擦或以其它方式损坏窗口。潮湿环境可引起湿气在窗口上暂时地积聚。雨或雪可在窗口外部上累积。车道上的泥土、污染或污垢可在窗口的外部上积聚。汽车环境中的许多其它不利条件也可影响光学测量系统的窗口。
[0177]
这些不同环境影响中的每一个可引起窗口的透明度改变。举例来说，当泥土或刮擦在窗口上积聚时，较少光可传输通过窗口。因此，更多光可从窗口反射出来回到光传感器。因此，考虑到窗口是光学测量系统的外壳的部分，上文关于监视随着时间从光学测量系统的外壳反射出来的峰值的量值所描述的技术还可用于跟踪窗口的透明度随着时间的差异。可假设外壳的其余部分的透明度保持恒定(例如，外壳完全不透光)。因此，从外壳反射出来的峰值的量值的任何改变可归因于窗口自身的透明度的改变。
[0178]
图13b说明根据一些实施例的从外壳反射出来的峰值1304的量值的变化。峰值1304可从记录图13a中的峰值1302的相同光学测量系统而记录，但峰值1304可在光学测量系统的寿命周期后期记录。举例来说，峰值1304可在汽车应用中使用数月之后记录。当峰值1304的量值1310与峰值1302的量值1308进行比较时，图13b说明峰值1304的量值如何随着时间增加。所述增加可归因于光学测量系统的外壳上的窗口的透射式属性的变化。
[0179]
如上文所描述，当外壳的窗口洁净时，初始峰值1302的量值1308可记录为基线测量值。这一初始值可随着时间而存储且用作基线以用于与将来峰值量值进行比较以跟踪窗口随着时间的透明度。举例来说，一些实施例可跟踪初始量值1308与峰值1302、1304随着时间的当前量值1310之间的差异1306。随着差异1306增加，各种输出可由光学测量系统提供。举例来说，一些实施例可提供输出，所述输出触发对用户或对汽车系统的警告或消息，所述警告或消息指示窗口脏(“请清洁你的lidar系统上的窗口”)。一些实施例可自动地触发车辆上的系统以清洁光学测量系统，如在光学测量系统上喷射清洁剂的系统。
[0180]
图14说明根据一些实施例的可由窗口的污染部分地遮挡的光传感器1402阵列的一部分。如上文所描述，这些用于检测来自光学测量系统的外壳的反射脉冲的方法可执行
以用于光传感器1402阵列中的每一光传感器。因此，每一个别光传感器可生成反射峰值的基线量值，以及反射峰值的当前量值。每一个别光传感器可接着报告窗口的对应部分被遮挡的百分比或程度。每一光传感器的透明度可相对于光传感器中的一个或相对于透明度的基线水平而表征。在这一实例中，窗口的部分1404可覆盖有污染物，如泥浆。通过窗口的部分1404传输/接收光的个别光传感器可报告反射脉冲的量值的增加，而窗口的部分1404外部的光传感器可持续报告反射脉冲的平稳量值。这可用于生成窗口的测绘或特性。举例来说，图14的图像可被生成和提供到用户接口，从而说明窗口的当前状态。可生成将窗口表征为脏、部分地遮挡或完全堵塞的消息。
[0181]
在一些实施例中，光学测量系统可关断脏或堵塞的窗口的部分1404后方的光传感器，或对于旋转系统，在光传感器在部分1404后方时关断。因为反射脉冲的强度，所以这些光传感器的直方图数据路径可饱和，使得从窗口反射出来的脉冲的量值具有高于直方图数据路径的位限制的量值。从窗口的这一部分1404出来的反射也可由阻塞散射且干扰由其它附近光传感器接收到的光子。因为测量可因饱和、散射或其它影响而偏斜，所以系统可采取校正性测量，如使得这些光传感器不再累积光子计数。
[0182]
c.检测窗口阻塞
[0183]
除了检测脏或部分遮挡的窗口之外，首先检测到的峰值还可用于确定光学测量系统是否由外来对象堵塞。如上文所描述，许多操作环境，如汽车环境可提供其中光学测量系统可经受不利条件的情形。这些环境中的一些可使得光学测量系统变为完全地与周围环境堵塞。举例来说，塑料袋可吹到光学测量系统上。人可将其手放置在光学测量系统前方。光学测量系统可利用放置于光学测量系统前面中的胶带或其它对象而故意地禁用。在这些环境中的任一个中，可能适用于检测此类阻塞何时发生且此类阻塞可定位于何处。
[0184]
图15a说明根据一些实施例的相对于阻塞阈值1506的由光学测量系统检测到的初始峰值1502。初始峰值1502可以是从如上文所描述的光学测量系统的外壳出来的反射的结果。基于峰值1502的量值的这一基线测量值，可建立高于峰值1502的量值的阻塞阈值1506。阻塞阈值1506可表示可指示光学测量系统前方的阻塞的峰值1502的量值。阻塞阈值1506可设置为高于初始峰值1502的量值的预定距离和/或百分比，使得仅当对象在光学测量系统的前方时才越过所述预定距离和/或百分比。
[0185]
图15b说明根据一些实施例的当阻塞存在时在光学测量系统的寿命周期后期的初始峰值1504。当对象放置于光学测量系统的前面中时，大部分脉冲可紧接着从阻挡对象反射出来。在阻挡对象极接近于光学测量系统的情况下，由从阻挡对象出来的反射引起的所得峰值可与从如上文所描述的光学测量系统的外壳出来的其它反射合并。在这一实例中，阻挡对象足够接近一起接收来自外壳的反射和来自阻挡对象的反射的光学测量系统，从而产生大体上高于仅由从外壳出来的反射引起的峰值1502的峰值1504。
[0186]
当阻挡对象足够接近光学测量系统以使得其防止由光学测量系统发射的光的绝大部分从周围环境中的其它对象反射出来时，系统可确定阻塞已发生。这一确定可在初始峰值1504的量值满足或超出阻塞阈值1506时进行。如图15b中所说明，从外壳和阻挡对象出来的反射可组合以将峰值1504的量值增加到高于阈值1506。当这发生时，可触发上文所描述的矫正动作中的任一个。举例来说，一些实施例可使得生成用于用户和/或汽车系统的警告。一些实施例可关断检测到阻塞的阵列中的任何光传感器。一些实施例可激活指示光学
测量系统不再提供周围环境中的对象的准确描述等等的其它应急或安全性系统。
[0187]
vii.对外壳反射的补偿
[0188]
由从上文所描述的光学测量系统的外壳出来的反射生成的峰值的使用大体上通过校准系统和补偿外部影响来改进光学测量系统的性能。一些实施例可通过去除由来自直方图存储器信号的外壳反射引起的峰值来替代或另外地改进光学测量系统的性能，所述直方图存储器信号通过峰值检测电路或通过辅助处理器进行分析。这些实施例可从外壳反射去除初始峰值以改进光学测量系统的近程准确度。
[0189]
a.近程检测
[0190]
图16a说明根据一些实施例的具有由外壳反射引起的初始峰值1602和由来自周围环境中的对象的反射引起的第二峰值1604的直方图存储器。如上文所描述，当从初始峰值1602充分去除第二峰值1604时，用于第二峰值1604的距离计算无需受初始峰值1602的存在影响。举例来说，当对象远离光学测量系统10英尺时，由从对象反射出来的光子引起的峰值可在离直方图存储器中的初始峰值1602足够远以使得第二峰值1604的形状并不受影响处出现。一般来说，光学测量系统的中程和远程准确度无需受来自外壳反射的初始峰值1602的存在影响。
[0191]
然而，当对象移动得更靠近光学测量系统时，初始峰值1602的残余影响可开始影响第二峰值1604的形状。举例来说，当光子开始由从对象出来的反射接收到时，从光学测量系统的内部外壳散射出来的光子可仍由光传感器接收到。因为来自所反射的光子的额外光子计数可继续存储于寄存器中，从而表示第二峰值1604的时间区间，所以第二峰值1604的形状可偏斜。当形状改变时，峰值检测电路可识别峰值的不准确位置。举例来说，如果第二峰值1604的开始部分由于从外壳反射出来的光子而增加，那么第二峰值1604的中心可在由峰值检测电路检测到时变换到左边。
[0192]
图16b说明根据一些实施例的不补偿从外壳出来的反射的近程峰值检测问题。在这一实例中，周围环境中的对象已移动到足够接近光学测量系统以使得由从对象出来的反射引起的第二峰值1604已开始与由从外壳出来的反射引起的初始峰值1604合并。如图16b中所说明，这具有改变初始峰值1602的量值和/或形状和更改或甚至隐藏第二峰值1604的存在的效果。因为第二峰值1604的量值大体上将大体上小于初始峰值1602的量值，所以第二峰值1604的形状和/或位置可大体上由初始峰值1602归入到可不再正确地由光学测量系统辨识为峰值的点。
[0193]
初始峰值1602和第二峰值1604的这一组合的总体影响将极大地降低光学测量系统的近程准确度。从距离光学测量系统几英尺的对象出来的反射可受这些外壳反射影响以去到紧邻光学测量系统的可产生“死区(dead zone)”的点。
[0194]
b.去除外壳反射
[0195]
为了补偿从外壳出来的反射的影响，光学测量系统可使用基线测量以用于如上文所描述的初始峰值。具体地说，光学测量系统可记录如随着时间在测量期间观测到的初始峰值的基线形状和/或位置。除了使用初始峰值的变化来表征光学测量系统的窗口之外，初始峰值的基线测量的形状和/或位置可用于补偿从外壳出来的反射以用于近程测量。
[0196]
图17a说明图16b的直方图存储器。另外，图17a也叠加表示先前测量的平均值中建立的基线峰值1702的寄存器中的值。基本上，基线峰值1702表示可归因于从外壳出来的反
射而非从周围环境中的附近所关注对象出来的反射的光子计数的量值。因为基线峰值1702中的这些寄存器中的每一个的值已知，所以其值可从当前测量的直方图寄存器去除。
[0197]
图17b说明在已从直方图存储器中的寄存器减去基线峰值1702之后的图16b的直方图存储器。举例来说，可从当前测量的直方图存储器中的寄存器中的每一个减去来自基线峰值1702的寄存器值。直方图存储器的所得内容示出由周围环境中的近程对象引起的第二峰值1604。应注意，可通过去除初始峰值1602的影响来保存第二峰值1604的形状。这允许极大地提高光学测量系统的近程性能和准确度。代替创建光学测量系统附近的“死区”，即使当近程对象极接近于光学测量系统时，也可精确地检测到近程对象。
[0198]
图18说明根据一些实施例的用于去除在近程测量期间从系统外壳出来的反射的影响的电路。图18类似于图8，其中其包含算术逻辑电路804、直方图存储器806和控制算术逻辑电路804和直方图存储器806的定时的各种周期性信号。这一基本电路可用于在由如上文所描述的激发或开始信号814和测量信号812界定的多个激发中生成直方图存储器806中的直方图。
[0199]
图18中所说明的直方图数据路径还包含基线峰值1804，所述基线峰值1804存储由从如上文所描述的外壳出来的反射引起的初始峰值的直方图寄存器的值。这一基线峰值1804可以是在多个先前测量中记录的平均峰值。每一寄存器位置的值可在先前测量的滑动窗口上取平均以消除任何异常值、堵塞或可仅暂时地影响基线峰值1804的准确度的其它影响。其它数学运算可用于组合先前测量中记录的多个初始峰值以生成基线初始峰值，包含维持运行平均值、识别最小或最大峰值、使用步进平均查找器和其它类似技术。
[0200]
基线峰值1804可提供到减法电路1802，使得可从直方图存储器806中的对应寄存器减去所述基线峰值1804。举例来说，存储器接口可将前九个寄存器值从直方图存储器806提供到减法电路1802且从来自那些寄存器值的基线峰值1804减去对应值。寄存器值可接着返回到直方图存储器806，使得直方图存储器806具有从直方图去除的从外壳出来的反射的影响。减法电路1802可使用实施减法功能的算术逻辑单元(alu)或数字逻辑门来实施。
[0201]
在一些实施例中，基线峰值1804可另外或替代地提供到处理器1806。代替使用减法电路1802补偿从外壳出来的反射，基线峰值1804可与直方图存储器806中的原始和/或滤波数据一起传送到处理器1806，所述处理器1806可接着从当前测量去除基线峰值1804。处理器1806可在与光学测量系统的其余部分相同的集成电路上，所述其余部分包含直方图存储器806和算术逻辑电路804。替代地，处理器1806可定位于不同于实施光学测量系统的集成电路的单独集成电路上。处理器1806可从直方图存储器1806接收滤波和/或原始数据，且接着可使用指令集来执行去除从如上文所描述的系统外壳出来的反射的影响的操作。
[0202]
viii.使用匹配滤波器检测峰值
[0203]
如上文详细描述，光学测量系统可生成从光源发射且引导到周围环境中的脉冲串。来自这些脉冲串的光可从周围环境中的对象反射出来且由光学测量系统中的对应光传感器接收到。当光子计数由光传感器接收到时，其可累积到直方图存储器(例如，sram)的寄存器中以形成在光学测量期间接收到的光子的直方图表示。直方图存储器中的累积光子计数可表示原始测量数据，其可包含来自光源的所反射的光子以及来自周围环境中的背景噪声的光子。取决于背景环境的噪声水平，直方图存储器中的这一原始数据可具有相对低信噪比(snr)。直方图中的这一噪声水平可增大与执行芯片上峰值检测相关联的难度。为了改
进芯片上峰值检测电路中的置信度，光学测量系统可将一个或多个滤波器应用于直方图存储器中的原始数据，之后可执行使用滤波数据的峰值检测算法。
[0204]
虽然滤波所述数据确实改进直方图存储器中的数据的snr，但其也可混淆可适用于计算距离测量值、执行直方图数据的统计分析、检测边缘情况、检测近程对象、区分邻近反射峰值、曲线(curve)拟合等等的所反射的光子的直方图的特性。下文描述的实施例利用对直方图存储器中的数据进行滤波以及保存由从光传感器接收到的原始数据提供的额外信息的益处。滤波数据可用于执行芯片上峰值检测以接着识别可包含检测到的峰值的未滤波的直方图存储器中的时间窗。在使用滤波数据识别时间窗之后，直方图存储器实施于其中的集成电路可将含有那些时间窗期间的未滤波直方图数据的时间区间传送到外部处理器以用于原始直方图数据的距离计算和其它分析。
[0205]
以下部分首先描述滤波过程可如何使用用于单个脉冲场景的匹配滤波器以检测待传送到芯片外的未滤波数据中的时间窗。然后，使用包含多脉冲代码的脉冲串和更复杂的匹配滤波器来呈现更复杂的实例。一些滤波器可设计成压缩这些更长脉冲代码的数据而不牺牲原始数据的形状信息。
[0206]
a.远程峰值检测
[0207]
图19说明根据一些实施例的在单个脉冲被传输且由光学测量系统接收到之后的直方图存储器的内容。如上文所描述，直方图存储器中的初始时间区间可包含由从光学测量系统的外壳和/或窗口反射的初始脉冲引起的光子计数。在光学测量系统的光源将光子发射到周围环境中时，这些光子的一部分可反射回到对应光传感器上而不离开光学测量系统的外壳。光子的这一早期反射可引起存储于直方图存储器的初始时间区间中的相对大峰值1902。一些实施例可处理直方图存储器的内容，使得初始峰值1902可区别于从周围环境中的对象反射出来的后续峰值。举例来说，一些实施例可忽略高于预定强度阈值的峰值，所述预定强度阈值可能仅被初始峰值1902超越。一些实施例可忽略在初始时间区间中(例如，在前20个时间区间期间)发生的峰值。一些实施例可对多个信号取平均以估计包含初始峰值1902的噪声的背景水平，且这一平均信号可从测量信号减去以有效地去除初始峰值1902。初始峰值1902可因此与表示从周围环境中的所关注对象出来的反射的后续峰值辨识和区分开来。
[0208]
在初始峰值1902之后，直方图存储器可稍后包含由从周围环境中的对象出来的光子反射引起的一个或多个峰值。举例来说，峰值1904可在初始峰值1902之后出现且可表示从周围环境中的对象反射的光子。应注意，峰值1902和峰值1904两者均可由作为相同脉冲串的部分发射的光子产生；然而，峰值1902可从光学测量系统的外壳/窗口反射，而峰值1904可从周围环境中的对象反射。峰值1902、1904的形状可大致对应于来自光学测量系统的所发射脉冲的形状。举例来说，一些实施例可发射具有正方形形状的脉冲。如图19中所说明，由直方图存储器接收到的光子计数可具有对应于所发射脉冲形状的大致正方形形状。背景噪声、反射模式和其它环境影响可使得接收到的峰值1902、1904的形状从所发射脉冲的理想正方形形状略微改变。
[0209]
如上文所描述，图19中所说明的直方图中的光子计数可包含大量背景噪声和当识别直方图存储器中的峰值时可造成困难的其它影响。一些实施例可包含标识直方图存储器中的峰值的芯片上峰值检测电路。因为存储于直方图存储器中的数据的总长度和量可相对
大，这一峰值检测电路可识别包含所识别峰值的直方图存储器中的时间窗。直方图存储器实施于其中的集成电路可接着将来自这些时间窗的直方图数据传送到芯片外处理器以用于距离计算。传输峰值数据的窗口而非直方图存储器的全部内容极大地减小需要在集成电路与处理器之间传输的数据的带宽。然而，当首先对直方图存储器中的原始数据进行滤波以增大snr时，这些芯片上峰值检测算法/电路可最好地执行。
[0210]
一些实施例可使用匹配滤波器以增大直方图存储器中的原始数据的snr。匹配滤波器的形状可对应于由光学测量系统发射的初始脉冲的形状。举例来说，匹配滤波器1906可应用于具有如图19中所说明的大体上正方形形状的直方图存储器中的原始数据。滤波器1906可包括一连串常数值，如“1”或其它数值，其可与原始未滤波直方图数据卷积以产生直方图数据的滤波版本。可使用其它滤波形状，例如，在一个或多个非零值(例如，1和-1)的集合之间的具有一个或多个0的模式。当不同激发被指派不同权重时，此类模式可出现，如其以全文引用的方式并入的美国专利公开案2018/0259645中所描述。
[0211]
图20说明根据一些实施例的使用图19的滤波器1906的直方图数据的滤波版本。一般来说，滤波器1906可充当减小信号中的任何背景噪声的影响以增大snr的低通滤波器。低通还具有增加直方图数据中的任何反射峰值的宽度的影响。在一些实施例中，匹配滤波器1906的宽度可大致与从光学测量系统的光源传输的脉冲的宽度相同。举例来说，对于大致四个时间区间宽(例如，8ns)的脉冲，对应匹配滤波器1906也可以是大致四个时间区间宽。这可具有使滤波直方图数据中的峰值的宽度大致加倍(例如，八个区间宽)的影响。
[0212]
在图20中，第一峰值2002可表示由从光学测量系统的外壳/窗口出来的反射引起的图19中的初始峰值1902的滤波版本。类似地，第二峰值2004可表示由从周围环境中的所关注对象出来的反射引起的图19中的第二峰值1902的滤波版本。应注意，匹配滤波器1906的低通滤波器操作已通过增加峰值2002、2004的宽度和使峰值2002、2004的整体形状平滑化来改变了峰值2002、2004的形状。这可用于更明确地区分峰值2002、2004与偶然地存储于直方图存储器中的任何噪声。
[0213]
虽然匹配滤波器1906可使得峰值2002、2004更容易地在滤波直方图数据中被识别，但这一滤波操作也使直方图数据的形状变形。虽然这导致较高snr和峰值检测的较高置信度水平，但这也去除可在未滤波的直方图数据中表示的重要信息。这一信息可适用于执行距离计算、统计分析和可使用未滤波数据中可用的细节最好地执行的其它计算的处理器。虽然一些实施例可将来自滤波直方图数据的峰值2002和/或峰值2004传送到处理器以用于距离计算，但一些实施例可使用在滤波直方图数据中识别的峰值2002、2004的位置来识别未滤波直方图数据中的对应峰值位置，且接着将来自未滤波直方图数据的未滤波峰值发送到处理器。这个过程将在下文更详细地描述。
[0214]
b.邻近峰值检测
[0215]
除了通过上文所描述的滤波过程丢失信号信息之外，一些实施例也可能难以在不使用未滤波直方图数据的情况下区分邻近峰值。
[0216]
图21a说明在时间上相对并拢的两个邻近峰值的实例。第一峰值2102可对应于从如上文所描述的光学测量系统的外壳/窗口出来的初始脉冲反射。第二峰值2104可对应于光学测量系统附近的对象。图21a表示在从这两个不同反射接收光子计数之后的直方图存储器中的未滤波直方图数据。应注意，在未滤波直方图数据中，两个峰值2102、2104可彼此
区分。虽然其开始合并，但第一峰值2102可使用峰值检测算法来区分于第二峰值2104。举例来说，一个峰值检测算法可扫描整个直方图存储器寄存器且识别增加且接着减小阈值量的时间区间模式。虽然峰值2102、2104在时间上并拢且至少部分地重叠，但第二峰值2104可仍使用这种类型的峰值检测算法进行区分。
[0217]
图21b说明根据一些实施例的低通滤波器可对图21a的未滤波直方图数据造成的影响。低通滤波器可以是匹配滤波器，如图19的匹配滤波器1906。滤波器可增加第一脉冲2102的总宽度且使直方图数据的任何突然改变平滑。在这样做时，第一峰值2102可与第二峰值2104的时间区间掺合在一起。图21b说明这两个峰值2102、2104可如何包封到单个峰值2106中以使得两个峰值2102、2104在滤波直方图数据中不再可辨别。当滤波直方图数据被分析且用于计算距离测量值时，由峰值2104表示的在周围环境中的近程对象可失丢在滤波直方图数据中。因此，当使用滤波直方图数据而无未滤波直方图数据时，光学测量系统的近程准确度可受到影响。
[0218]
虽然图21a到21b中的以上实例说明与近程对象检测相关联的问题，但相同原理也可应用于彼此接近的在任何范围内的对象。举例来说，峰值2102和峰值2104可表示均距离光学测量系统的相当远(例如，15英尺、20英尺等)的在周围环境中的对象。然而，如果这些对象均彼此极接近(例如，1英尺、2英尺等)，那么未滤波直方图数据中的所得峰值可相对并拢。当对直方图数据进行滤波时，这两个峰值可一起合并到单个峰值中，且这可使得光学测量系统未能区分周围环境中的这两个对象。
[0219]
ix.使用滤波数据来提供未滤波数据中的窗口
[0220]
为解决这些和其它技术问题，一些实施例可对直方图数据进行滤波，但可将未滤波数据传送到处理器以用于距离计算、统计分析、曲线内插、峰值拟合等等。滤波数据可用于识别直方图中的峰值的位置；然而，代替仅传送包含滤波峰值数据的时间区间窗，这些实施例可替代或另外地使用在滤波直方图数据中识别的(多个)位置来识别未滤波直方图数据中的对应(多个)位置。时间区间窗可接着从未滤波直方图数据发送到处理器，且处理器可使用未滤波直方图数据来分析峰值以用于距离计算。
[0221]
a.定位未滤波数据中的窗口
[0222]
图22a到22b说明根据一些实施例的滤波数据可如何用于识别未滤波数据中的峰值。图22a中的曲线表示图20的滤波直方图数据。类似地，图22b中的曲线说明图19的未滤波直方图数据。滤波器可应用于图22b中的未滤波直方图数据以得到图22a中的滤波直方图数据。峰值检测电路/算法可在滤波直方图数据上执行以识别滤波直方图数据中的任何峰值。如上文所描述，峰值检测算法可在滤波直方图数据上执行，这是因为相较于使用未滤波直方图数据，滤波直方图数据可具有较高snr、更清晰的曲线、更少暂态尖峰且/或可得到总体更好结果。
[0223]
峰值检测电路/算法可首先识别第一峰值2002。然而，如上文所描述，峰值检测电路可被配置为在第一峰值2002可对应于从光学测量系统的外壳/窗口出来的光脉冲的初始反射的假设下排除未滤波直方图数据中检测到的第一峰值2002。峰值检测算法可继续扫描未滤波直方图数据直到检测到第二峰值2004为止。一般来说，峰值检测电路/算法可识别峰值2004的最大值的位置。举例来说，峰值检测电路/算法可识别具有局部最大值的时间区间，峰值2004围绕所述时间区间定中心。
[0224]
在检测峰值2004的中心之后，峰值检测电路/算法可识别可被视为峰值2004的部分的周围时间区间。举例来说，一些实施例可识别围绕峰值位置定中心的预定数目的时间区间(例如，17个时间区间)。一些实施例可识别在峰值的最大值的阈值量内(例如，在最大值的50％内)的时间区间。一些实施例可基于由光学测量系统发射的光脉冲的宽度和滤波器的宽度而选择围绕最大值定中心的时间区间的数目。举例来说，如果所发射光脉冲是四个时间区间宽，且对应匹配滤波器也是四个时间区间宽，那么滤波直方图数据中的所得峰值可期望是至少八个时间区间宽。因此，峰值检测电路/算法可将围绕峰值的最大值定中心的至少八个时间区间(例如，10个时间区间、12个时间区间等)识别为表示未滤波直方图数据中的峰值。
[0225]
一些实施例可将一个或多个时间区间窗在芯片外传送到处理器，包含如上文所描述识别的滤波峰值数据。举例来说，初始峰值以及对应于周围环境中的对象的三个额外峰值可由上文所描述的算法识别。围绕这些峰值定中心的时间区间窗可被识别，且那些时间区间中的滤波数据可发送到处理器以用于处理。使用未滤波数据可在其中滤波数据可充分地捕获关于周围环境的距离信息的情形中可接受。
[0226]
替代或另外地，一些实施例可使用在滤波数据中识别的峰值的位置以识别未滤波数据中的时间区间窗，且未滤波数据中的时间区间窗可传送到处理器以用于处理。除了上文所描述的滤波数据窗口之外或代替上文所描述的滤波数据窗口，可传送未滤波数据的这些窗口。
[0227]
为了识别未滤波直方图中的未滤波数据的窗口，光学测量系统可使用在滤波直方图数据中识别的峰值的最大值的位置。举例来说，滤波直方图数据中的峰值2004的最大值的位置可用作未滤波直方图数据中的峰值1904的最大值的位置。在未滤波直方图数据中识别这个位置后，周围最大值的时间区间窗可使用上文关于未滤波数据中的对应位置所描述的技术来识别(例如，预定数目的时间区间，在最大值的百分比范围内的时间区间等)。如上文所描述，滤波直方图数据的时间区间窗中识别的时间区间的数目可基于所发射光脉冲的宽度和所应用滤波器的宽度。这可引起所发射光脉冲的宽度的至少两倍的时间区间窗。然而，当识别未滤波直方图数据中的时间区间窗时，可使用较少数目的时间区间。代替考虑其中低通滤波器增加峰值2004的宽度的方式，未滤波峰值1904的宽度可更小。举例来说，一些实施例可使用略微大于所发射光脉冲的宽度的数目的时间区间(例如，大于所发射光脉冲的2个时间区间、4个时间区间、6个时间区间、8个时间区间等)。
[0228]
使用滤波数据来识别未滤波数据中的时间窗的这一方法保留使用未滤波数据的益处，同时还保留使用滤波数据的益处。较高snr和较平滑峰值曲线可允许芯片上峰值检测电路准确地识别直方图中的峰值。这允许直方图存储器实施于其上的芯片仅将存储于直方图存储器中的信息的小子集传送到处理器以用于处理。然而，通过将这些时间区间窗中的未滤波数据传送到处理器，处理器可维持所有使用全整未滤波数据以用于处理的益处。
[0229]
简要地转回到图21a到21b，图21b中的峰值2106可容易地由芯片上峰值检测电路识别，且图21a中的两个峰值2102、2104可使用上文所描述的这一方法在时间窗中传送到处理器。处理器可接着使用各种技术来分析未滤波时间窗中的数据以辨识时间窗包含两个峰值2102、2104而非仅单个峰值。当计算距离计算时，处理器还可使用未滤波数据来较准确地识别这些峰值2102、2104的中心。
[0230]
b.用于芯片外传送未滤波数据的电路
[0231]
图23说明根据一些实施例的用于使用滤波数据来将未滤波数据传送到处理器以用于距离计算的电路的示意图。图23类似于上文所描述的图8，其中其包含从光传感器中的光检测器接收信号816且将那些信号聚集到光子计数中的算术逻辑电路804，所述光子计数在光学测量中的多个激发内聚集在直方图存储器806中。存储于直方图存储器806中的值可表示上文所描述的未滤波直方图数据。
[0232]
图23还包含可应用于直方图存储器806中的光子计数的滤波器2302。滤波器2302可包含具有形状的匹配滤波器，所述形状对应于来自光学测量系统的所发射光脉冲的形状。滤波器2302也可操作为低通滤波器以使直方图数据的整体形状平滑。在一些实施例中，滤波器2302可递增地应用于直方图存储器806中的时间区间。举例来说，滤波器2302可包括可与直方图存储器806中的时间区间卷积的数值的序列(例如，1 1 1 1)。在一些实施例中，滤波值可在其由滤波器2302生成时传送到峰值检测电路2308。峰值检测电路2308可接着在滤波值被接收到时评估滤波值以在峰值出现在直方图存储器806中时检测到峰值。如上文所描述，峰值检测电路2308可通过识别由增加值继之以降低值(且反之亦然)表征的滤波数据中的峰值来操作。峰值解析电路2308可记录在滤波器2302穿过未滤波直方图存储器806时识别的局部最大值的位置。这一方法允许在单遍次期间计算滤波直方图数据而不需要滤波直方图数据的全部存储于单独存储器中。在滤波直方图数据传送到处理器2314以用于处理的情况下，峰值检测电路2308可将检测到的峰值附近的滤波值存储为如上文所描述的时间区间窗。
[0233]
在一些实施例中，滤波器2302的输出可存储于单独缓冲器2306中。如上文所描述，在其中峰值检测电路2308在滤波器2302的直接输出上操作的实施例中，单独缓冲器2306可并非必要的。然而，将滤波器2302的输出存储在单独缓冲器2306中的实施例可接着同时存储直方图存储器806中的未滤波直方图数据和缓冲器2306中的滤波直方图数据两者。峰值检测电路2308可接着通过缓冲器2306进行遍次以检测滤波直方图数据中的峰值。将滤波直方图数据存储在缓冲器2306中允许峰值检测电路2308通过缓冲器进行多个遍次且利用迭代技术以用于识别滤波直方图中的峰值。举例来说，通过缓冲器2306进行的每一遍次可检测到不同于在峰值检测算法的先前迭代期间检测到的最大值的最大值峰值。
[0234]
在一些实施例中，图23中所描绘的直方图数据路径可操作为多级管线。举例来说，在当前测量完成之后，第一滤波器2302可使用直方图存储器806中的值来填入缓冲器2306。在后续测量期间，峰值检测电路2308可在来自先前测量的存储于缓冲器2306中的值上操作。在同一时间，直方图存储器806可复位且可开始从当前测量接收光子计数。在其它实施例中，峰值检测电路2308可识别峰值且在接收到来自下一测量的新值之前发送来自直方图存储器806的值。
[0235]
在滤波数据中的最大值由峰值检测电路2308识别后，一个或多个时间区间窗2310可在直方图存储器806中的未滤波数据中被识别。这些窗口2310可包括由峰值检测电路2308识别的峰值的最大值周围的多个时间区间。窗口2310可填入有来自直方图存储器806的数据作为未滤波值2312。这些未滤波值2312可接着传送到处理器2314以用于处理，如距离计算、曲线拟合等等。在一些实施例中，区间标识符可与区间自身中的光子计数一起或代替区间自身中的光子计数传送到处理器2314。
[0236]
处理器2314可实施于集成电路上，所述集成电路与直方图存储器806实施于其上的集成电路分离且不同。在一些实施例中，可制造包含算术逻辑电路804和直方图存储器806的第一集成电路，如专用集成电路(asic)。asic还可包含峰值检测电路2308和任选的缓冲器2306(当其是设计的部分时)。因此，当参考“芯片上”执行的操作时，这些操作可在第一集成电路上执行。
[0237]
一些实施例还可包含包括处理器2314的第二集成电路。处理器2314可包含微控制器、微处理器、实施处理器核心的现场可编程门阵列(fpga)、实施处理器核心的asic和/或类似物。未滤波值2312可通过电路板上的印刷引线在第一集成电路与包括处理器2314的第二集成电路之间传输。
[0238]
在图23的实例中，来自直方图存储器806的未滤波值2312仅示出为传送到处理器2314。然而，其它实施例也可将滤波数据传送到处理器2314。在一些实施例中，滤波数据无需传送到处理器2314，这是因为处理器2314可实际上在未滤波数据上重新执行滤波器2302以实现类似结果。在这些实施例中，减小在第一集成电路与第二集成电路之间传送的信息的带宽可比确保由处理器2314执行的处理操作的数目最小化更重要。
[0239]
x.对多脉冲代码进行滤波
[0240]
上述实施例使用单个脉冲代码作为滤波数据可如何用于识别未滤波数据且将未滤波数据传送到处理器的一个简化实例。然而，上文所描述的这些技术同样适用于更复杂的多脉冲代码。多脉冲编码可包含在测量期间作为单个激发的部分发送的脉冲串或多个脉冲。这些脉冲代码可在测量期间的每一激发期间被复制。使用多脉冲代码提供更加明显的模式以用于检测目的，且这可最小化假阳性和可由环境噪声而非从周围环境中的所关注对象反射出来的光子产生的其它假峰值。以下实例说明这些技术如何可与多脉冲代码一起使用以将未滤波数据发送到处理器。
[0241]
a.低通求和滤波器
[0242]
图24说明根据一些实施例的在从多脉冲编码接收所反射的光子之后的直方图存储器的一部分。多脉冲代码可显著大于单个脉冲代码，且因此滤波操作对于正确地识别数据集中的峰值可能甚至更重要，所述峰值表征来自周围环境中的对象的反射模式。图24说明具有以下格式的多脉冲编码：
[0243]
1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0
ꢀ‑1ꢀ‑1ꢀ‑1ꢀ‑
1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0
[0244]
这一特定脉冲编码可由在测量中的每一激发期间来自光学测量系统的光源的多个激发构成。举例来说，第一激发可包含具有图24中的正“1”峰值的脉冲。当那些峰值由光传感器接收到时，其可被给予正权重且添加到直方图存储器时间区间。第二激发可包含具有图24中所说明的负
“‑
1”峰值的脉冲。当这一峰值由光传感器接收到时，其可被给予负权重且添加到直方图存储器时间区间。这两个激发类型的组合可组合以生成如图24中所说明的直方图存储器中的正峰值和负峰值。因为总体脉冲编码的长度，所以包含整个脉冲编码的直方图存储器中的时间区间窗2402可显著大于上文所描述的时间区间窗。举例来说，多脉冲编码可占据直方图存储器中的大致200个时间区间。
[0245]
当多脉冲编码被接收为直方图存储器中的所反射的光子时，这可表示为光子计数中的正/负峰值。在图24的实例中，多脉冲编码可引起直方图存储器中的峰值2404、2406、2408、2409。直方图存储器可接着利用匹配滤波器2416来处理，所述匹配滤波器2416基于从
光学测量系统的光源传输的多脉冲编码的形状。
[0246]
图25说明根据一些实施例的从多脉冲编码接收到的峰值的滤波版本。当匹配滤波器2416与直方图存储器中的峰值2404、2406、2408、2409卷积时，直方图数据的所得滤波版本可包含大峰值2504而非多个个别峰值。可指定滤波数据中的滤波峰值附近的时间区间窗2502，且这一峰值2504可由如上文所描述的峰值检测电路识别。
[0247]
使用上文所描述的技术，滤波数据中的峰值2504的位置可用于识别图24的未滤波数据中的时间区间窗2402。未滤波峰值2404、2406、2408、2409可接着传送到处理器以用于在时间区间窗2402中处理。如上文关于其它实施例所描述，除了未滤波数据之外，图23中的滤波数据也可传送到处理器。
[0248]
b.压缩滤波器
[0249]
图26说明根据一些实施例的仅使用单个二进制指示符的滤波器。图24中的匹配滤波器2416使用相同二进制指示符以用于滤波器中的每一值。举例来说，序列“1 1 1 1”用于滤波器2416中以对应于多脉冲编码中的第一峰值。然而，使用滤波器2416中的值的这一均一序列对滤波数据产生低通效果。如上文所描述，这改变滤波数据的形状，使得未滤波数据的许多特性在滤波数据中丢失。
[0250]
在图26的实例中，未滤波直方图数据中的反射峰值2604、2606、2608、2609可不具有与从光学测量系统的光源传输的多脉冲编码相同的精确正方形形状。举例来说，光检测器可呈现“堆积”效果，其中在峰值反射的开始处接收到的光子可产生雪崩效果，之后其可花费一些时间以用于光检测器复位。这使得峰值具有图26中所说明的形状，使得峰值2604、2606、2608、2609具有更加尖或倾斜的形状而非以上其它实例中所说明的理想正方形形状。
[0251]
为了保留滤波数据中的这一形状，一些实施例可使用单个二进制指示符，所述单个二进制指示符可仍将峰值2604、2606、2608、2609求和成单个峰值而也不实施低通滤波器操作。滤波器2616可仅在每一脉冲的开始处使用单个值或指示符代替每一脉冲的整个持续时间中的均一值集。在图26的实例中，滤波器2616可具有以下值：
[0252]
1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
ꢀ‑
1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
[0253]
这一滤波器可生成类似于图25中所说明的峰值的峰值，然而，峰值的大体形状将看起来更像未滤波数据中的峰值2604、2606、2608、2609的形状。因此，滤波数据可较准确地保留图26中所说明的峰值的形状。一些实施例可接着将保留峰值的形状的滤波数据传送到处理器以用于处理。
[0254]
在一些实施例中，图24和图26中所说明的两个滤波器可在同一时间串联操作。举例来说，未滤波数据可使用滤波器2416和滤波器2616来处理以生成数据的两个滤波版本。由于每一滤波器的第一部分可使用相同算术操作，所以电路可由于两个滤波器并行运行而在两个滤波器之间共享。举例来说，可共享用于这些滤波器中的每一个的求和步骤的第一阶段。一些实施例可接着使用直方图数据的低通滤波版本以识别峰值，接着将由于低通滤波器而并不丢失其形状的直方图数据的压缩版本传送到处理器。
[0255]
应注意，上文关于多脉冲代码所描述的实例滤波器2416、2616使用单个位作为滤波器抽头中的指定符。然而，这仅借助于本公开中的实例进行。每一滤波器的实际值可包含多位值，如10位值而非单个位。如上文所描述，这些值可进行卷积且计算为滑动窗口以检测滤波数据中的所得峰值。
[0256]
xi.用于提供未滤波数据的方法
[0257]
图27说明根据一些实施例的用于分析光学测量系统中的滤波和未滤波数据的方法的流程图。以下方法描述用于光学测量系统中的单个光传感器的过程。然而，如上文所描述，光学测量系统可包含许多光传感器或“像素”，且这一方法可进行以用于光学测量系统中的每一光传感器。
[0258]
在步骤2702处，方法可包含作为光学测量的一部分在一个或多个第一时间间隔内传输来自光源的一个或多个脉冲串。一个或多个第一时间间隔中的每一个可表示在测量中重复多次的“激发”。第一时间间隔中的每一个可包含由光源编码和传输的一个或多个脉冲串，使得脉冲串可被认为其从周围环境中的对象反射出来。时间间隔中的每一个可细分成多个时间区间，使得时间区间中的每一个表示在光学测量期间接收到的光子计数的直方图中的区间。上文相对于图9描述单个测量如何可包含细分成聚集光子计数的时间区间的多个激发的实例。
[0259]
在步骤2704处，方法还可包含使用光传感器检测来自一个或多个脉冲串的光子。如上文详细描述，光传感器可包含多个光检测器，如多个spad。光传感器可接收反射光以及从周围环境接收到的环境背景噪声。由光传感器接收到的反射光可包含从周围环境中的所关注对象反射出来的光。举例来说，这些所关注对象可远离光传感器至少30cm，且可表示周围车辆、建筑物、行人和/或可在使用期间在光学测量系统附近遇到的任何其它对象。这些所关注对象可区别于作为光学测量系统自身的部分的对象，如外壳。在一些实施例中，由光传感器接收到的反射光还可包含从光学测量系统的外壳或其它部分反射出来的光。这些反射可包含主要直接从光学测量系统的窗口或外壳出来的反射，以及在光学测量系统的内部附近反射的继发性反射。光传感器也可耦合到阈值检测电路和/或耦合到累积光子计数的算术逻辑电路。这一组合可在上文称为“像素”。图5说明如何可从光传感器接收到光子计数且使用阈值电路和像素计数器(例如，算术逻辑电路)来计数光子计数的实例。
[0260]
在步骤2706处，方法还可包含将来自光传感器的光子计数累积到多个寄存器中以表示在当前测量期间接收到的光子计数的直方图。这些光子计数可累积于对应于光传感器的存储器块中的多个寄存器中。多个寄存器可使用直方图数据路径的sram中的寄存器来实施，如上文在图8到9中所描述。时间间隔中的每一个可细分成用于直方图的多个第一时间区间。一个或多个时间间隔中的每一个中的对应时间区间可累积于多个寄存器中的单个寄存器中。时间间隔中的每一个可表示激发，且一个或多个时间间隔一起可表示用于光学测量系统的测量。时间间隔中的每一个可由将表示直方图的存储器复位回到的直方图中的第一寄存器的开始信号或激发信号界定。从光学测量系统的外壳反射的接收到的光子可以与从光学测量系统外部的周围对象反射出来的其它接收到的光子相同的方式存储于直方图存储器中。
[0261]
在步骤2708处，方法可另外包含对多个寄存器中的直方图进行滤波以提供来自多个寄存器的光子计数的滤波直方图。滤波器可包含匹配滤波器，所述匹配滤波器基于从光学测量系统传输的一个或多个脉冲串的形状。滤波器可与多个寄存器中的未滤波直方图卷积且可存储于单独缓冲器中。滤波器可包括重复非零值的正方形脉冲。滤波器也可包含单个非零值继之以多个大致零值。滤波器可如上文相对于图19、图24和/或图26所描述操作。
[0262]
在步骤2710处，方法可以还包含检测滤波直方图中的峰值的位置。取决于特定实
施例，检测这一峰值可使用数种不同技术来执行。在一些实施例中，遍次可通过滤波直方图进行以识别峰值。系统可顺序地存取滤波直方图中的值，在测量的开始处开始以识别峰值。峰值可通过识别滤波直方图中的增加值继之以降低值来识别。类似地，峰值的中心可通过识别在两侧上的时间区间中具有更小值的直方图中的值来识别。
[0263]
在步骤2712处，方法还可包含识别存储和峰值的未滤波表示的多个寄存器中的位置。这些位置可使用滤波直方图中的峰值的位置来识别。因此，滤波直方图数据可用于识别未滤波直方图数据中的峰值的位置。识别未滤波直方图中的峰值可涉及定位在峰值的中心附近出现的时间区间窗。这一过程可涉及从峰值位置朝外扩展以确定包含整个峰值的直方图存储器中的寄存器的范围。举例来说，一些实施例可识别未滤波直方图中的最大值的位置附近的时间区间的预定数目，所述最大值可指定为峰值。举例来说，预定数目的时间区间，如3个时间区间、5个时间区间、9个时间区间、15个时间区间、17个时间区间等等可识别最大值且围绕最大值定中心以表示整个峰值。一些实施例可识别具有在峰值寄存器中的最大值的百分比内的值的周围时间区间。这可引起可用于取决于峰值的宽度而表示峰值的可变数目个时间区间。举例来说，最大值周围的时间区间可在其值在最大值的25％内时包含于峰值中。上文相对于图22a到22b描述识别未滤波直方图中的峰值的表示的这一过程。
[0264]
在步骤2714处，方法还可包含将峰值的未滤波表示发送到处理器以计算与对象的距离。与对象的距离可表示光学测量系统与周围环境中的对象之间的距离。这一计算可使用发送到处理器的峰值的未滤波表示来执行。处理器可与直方图存储器实施于其上的集成电路物理上分离且不同。因此，直方图存储器可表示第一集成电路，且处理器可表示通过印刷电路板彼此通信的第二集成电路。上文相对于图23描述这一电路的实例。
[0265]
应了解，图27中所说明的特定步骤提供根据各种实施例的使用滤波直方图数据以识别未滤波直方图数据中的峰值的位置和将未滤波数据传送到单独处理器的特定方法。步骤的其它顺序也可根据替代实施例来执行。举例来说，本发明的替代实施例可以不同次序执行以上概述的步骤。此外，图27中说明的个别步骤可包含可以个别步骤适合的各种顺序执行的多个子步骤。此外，可取决于特定应用而添加或去除额外步骤。所属领域的一般技术人员应认识到许多变化、修改和替代方案。
[0266]
xii.组合空间上邻近像素
[0267]
在一些环境条件中，当测量与一些对象的距离时，光学测量系统可能难以提供高于预定置信度水平的可靠响应。这些环境条件可包含天气现象，如雨、薄雾、雾等。这些条件还可包含根本距离光学测量系统过远以致于不能基于由环境中的对象准确地反射且由光传感器接收到的光子的数目而生成可靠测量的对象。这些情形中的任一个，光学测量系统可使用检测阈值以防止由系统检测到假阳性。
[0268]
为改进一些测量条件的置信度水平，一些实施例可使用一种形式的空间滤波。这些实施例可假定在由空间上邻近光传感器接收到的光子之间存在空间相关。举例来说，物理上邻近光传感器可能接收从周围环境中的相同对象反射出来的光子。即使这些个别光传感器的响应降到检测阈值以下，但下文描述用于组合这些邻近光传感器的响应以提高距离计算的置信度的技术，使得组合响应高于检测阈值。
[0269]
图28说明根据一些实施例的可将所反射的光子提供到邻近光传感器的对象的实例。在这一实例中，周围环境中的对象2800可包含如图28中所说明的光阑标志。其它实例对
象可包含其它街道标志、建筑物、车辆、行人等等。取决于对象2800与光学测量系统的距离，对象2800可足够大以使得来自多个光源的光子反射回到光学测量系统中的对应光传感器上。因此，超过一个邻近光传感器可接收从对象2800反射的光子，且因此多个光传感器可独立地使用从对象2800反射的光子计数以计算与对象2800的距离。举例来说，这些光传感器中的每一个可与非相依直方图数据路径和如上文相对于图8所描述的直方图存储器相关联。
[0270]
图28说明多个光传感器可如何“看见”同一对象2800的不同部分。在这一实例中，九个光传感器可具有对象2800的视角。这些视角由光阑标志对象2800上所说明的圆圈表示。圆圈在本文中可称为“光传感器视角”以区分由光传感器看到的内容与光传感器自身。应注意，除图28中所明确说明的九个光传感器视角以外，额外光传感器也可具有对象2800的视角。
[0271]
基于环境条件或与对象2800的距离，光传感器视角中的一些可能未能生成满足或超过检测阈值的结果。检测阈值可取决于实施例而以不同方式实施。举例来说，检测阈值可基于至少接收从对象2800反射的阈值数目的光子计数。检测阈值可基于与对象2800的所计算距离。检测阈值可基于将对应直方图中的峰值与直方图中的噪声区分的置信度水平。举例来说，具有低snr的特别嘈杂的环境可能未能生成满足或超过检测阈值的结果。检测阈值也可实施为峰值检测阈值以用于检测直方图中的峰值。
[0272]
在图28的实例中，光传感器视角2802、2810、2816可生成超过检测阈值的结果。这些光传感器视角2802、2810、2816以较暗颜色加阴影以将其与生成并不超过检测阈值的结果的对象2800的其它光传感器视角2804、2806、2808、2812、2814、2818区分。应注意，具有邻近光传感器视角的光传感器可生成不同结果。这个差异可以是由于每一光传感器的略微不同环境条件和/或对象2800的不同区域处的略微不同反射式属性。这一情形可在光学测量系统的检测限制处更可能发生。举例来说，在对象2800开始被遮挡或移动超出光学测量系统的范围时，阵列中的光传感器可开始“退出”对象2800的检测，这是由于其结果开始降到检测极限以下。
[0273]
一些实施例可忽略降到检测极限以下的任何光传感器。然而，其它实施例可利用邻近像素的空间相关。通常可假设，邻近光传感器视角空间上相关。在图28的实例中，光传感器视角中的每一个空间上相关，这是因为其从同一对象2800反射出来。因为这一空间相关，当评估光学测量时可一起考虑相邻光传感器。代替仅依赖于孤立的单个光传感器，这些实施例可实际上考虑光传感器响应的组合以表征和/或生成每一光传感器的距离测量值。
[0274]
在图28的实例中，中心光传感器视角2810可空间上邻近于八个额外光传感器视角2802、2804、2806、2808、2812、2814、2816、2818。当这些额外光传感器视角对角地邻近，如光传感器视角2802、2806、2814、2818，以及正交邻近，如光传感器视角2804、2808、2012、2816时，这些额外光传感器视角可被视为空间上邻近的。中心光传感器视角2810的距离测量值的特性和/或计算可利用从这些其它空间上邻近光传感器中的每一个的直方图导出的信息。
[0275]
a.组合距离测量值
[0276]
图29说明根据一些实施例的空间上邻近光传感器视角2808、2812可如何用于计算对应光传感器2810中的一个的距离测量值的实例。图29可以是图28的简化视图，聚焦于光
传感器可如何使用来自出于清楚起见的两个其它光传感器的空间上邻近视角。然而，如下文所描述，这些技术可应用于任何数目的邻近光传感器视角。
[0277]
在这一实例中，光传感器阵列可包含包括如图29中所说明的一个或多个个别光检测器的光传感器2906。光传感器2906可物理上紧邻光学测量系统的光传感器阵列2902中的两个正交邻近光传感器2904、2908定位。因为光传感器2904、2906、2908在光传感器阵列2902中物理上邻近，所以对应光传感器视角2808、2810、2012也可被视为在周围环境中空间上邻近。然而，情况并非总是如此。下文描述的一些实施例可使用旋转光传感器阵列，其中光传感器视角的空间邻近度不必取决于对应光传感器的物理邻近度。
[0278]
为计算或表征光传感器2906的距离测量值，一些实施例可仅仅依赖于从光传感器视角2810从对象2800反射出来的光子计数。在所得直方图和/或距离计算满足或超过检测阈值的情况下，依赖于光传感器2906自身的响应可以是足够的。然而，在一些情况下，光传感器2906的所得直方图和/或所得距离计算可基于上文所描述的各种因素(例如，环境条件、与对象2800的距离、环境噪声等)而降到检测阈值以下。在这些情形中，光学测量系统可利用来自相邻光传感器2904、2908的响应以提高由光传感器2906获得的测量值的置信度，使得所得峰值或计算满足或超过检测阈值。
[0279]
一些实施例可被配置为将来自与光传感器2906相关联的直方图的信息与来自如光传感器2904、2908的相邻光传感器的直方图的信息组合。在一些实施例中，这一过程可彼此共享来自邻近光传感器的数据。举例来说，来自光传感器2904、2908的直方图的光子计数可添加到光传感器2906的直方图。由于光子均从同一对象2800反射出来，所以这可具有使光传感器2906的直方图中的反射信号增强的效果。应注意，如果光传感器视角2808、2810、2012不是如假定那样空间上邻近，那么累积来自光传感器2904、2908的光子可能将不具有对光传感器2906的直方图的负面影响，这是由于在所述距离处将不存在任何反射。实际上，这可近似跨越相邻光传感器的直方图的空间匹配滤波器。如果两个峰值时间上重合，那么可假定光传感器响应空间上相关，且两个信号可组合以生成直方图中的更大所得峰值。
[0280]
为组合来自直方图的信息，相邻光传感器2904、2908中的每一个的算术逻辑电路的输出可发送到光传感器2906的算术逻辑电路。这可将由光传感器2904、2906、2908中的任一个接收到的光子累积到单个直方图中以增强返回信号。在一些实施例中，这一累积计算可扩增以使用加权求和，所述加权求和将权重施加到各种光传感器的响应。使用权重可实现在确定多少相邻光传感器将影响另一光传感器的响应上的较高准确度。举例来说，由于正交邻近的相邻光传感器可具有比对角地邻近的光传感器更靠近中心光传感器视角的光传感器视角，所以当这些正交邻近光传感器的光子计数添加到中心光传感器的直方图时，这些正交邻近光传感器可具有所施加的比对角地邻近光传感器更高的权重。使用权重也可允许光学测量系统使用不直接邻近的光传感器响应。如上文所描述，对象2800可包含比图28中所说明的九个光传感器视角更多的光传感器视角。也可考虑未必紧邻中心光传感器的这些额外光传感器视角。举例来说，来自这些非邻近光传感器的光子计数也可添加到具有权重的中心光传感器的直方图，所述权重小于指派给直接邻近光传感器响应的权重。
[0281]
b.组合直方图/峰值
[0282]
图30说明根据一些实施例的直方图可组合以用于邻近光传感器的方式。在这一实例中，至少九个邻近光传感器的阵列中的每一光传感器的直方图利用对象2800上的光传感
器视角加以说明。应注意，实际直方图可存储于表示光学测量系统中的直方图存储器的存储器块中。其显示于对象2800上的光传感器视角中以仅用于说明性目的。
[0283]
代替简单地生成周围光传感器响应的加权求和，一些实施例可使用将来自周围光传感器视角的直方图的信息组合到中心光传感器视角的直方图中的更复杂的方法。在这一实例中，光传感器视角2810可由如图30中所说明的八个正交/对角地邻近的光传感器视角包围。因为这些光传感器视角空间上邻近且从同一对象2800接收所反射的光子，所以与这些视角相关联的直方图中的每一个可包含对应于对象2800与光学测量系统之间的距离的峰值。这些峰值在图30中以图形方式表示于对应光传感器视角中的每一个中。应注意，一些峰值比其它峰值更强，其中中心光传感器视角2810中的峰值足够小以致于其可不通过检测阈值。
[0284]
一些实施例可组合来自周围光传感器的直方图的信息以改进中心光传感器的检测。来自直方图的信息可以是直方图存储器中的特定峰值。举例来说，当峰值定位于多个邻近光传感器中的相同距离处时，系统可确定对应光传感器视角空间上相关且使得相关联直方图被组合。一些实施例可组合每一光传感器的整个直方图，而其它实施例可执行峰值检测电路/算法，且接着仅组合特定峰值位置。因此，从直方图组合的信息可包含直方图值自身、表示峰值的直方图的部分和/或从直方图导出的额外值。
[0285]
代替简单地生成周围直方图的加权和，一些实施例可使用与卷积过程组合的邻近直方图的高斯组合。举例来说，空间上邻近于中心光传感器视角2810的直方图的直方图中的每一个可具有在组合之前应用的高斯函数。代替将所得直方图值一起求和，其可以匹配滤波器将与单个直方图卷积的相同方式一起卷积。如上文所描述，这可近似空间上邻近光传感器响应之间的空间卷积。
[0286]
xiii.光传感器阵列配置
[0287]
上文所描述的实例使用具有布置成网格布局的光传感器的矩形光传感器阵列图案。然而，并非所有实施例限于矩形网格。其它实施例可使用可引起较高光传感器密度的不同光传感器阵列模式。其它模式也可更适合旋转光传感器阵列。在这些布局模式中的任一个中，上文所描述的技术可用于组合来自空间上邻近光传感器视角的数据。
[0288]
a.固态阵列配置
[0289]
图31说明根据一些实施例的矩形光传感器布局的实例。这一矩形光传感器布局类似于以上实例中所说明的光传感器的矩形网格图案。光传感器阵列3100可实施为具有相对于光学测量系统的其余部分固定的光传感器3102、3104等的固态阵列，在进行测量时，光传感器阵列3100中的光传感器中的每一个可由处理器扫描。
[0290]
为与矩形光传感器阵列3100一起使用用于上文所描述的空间相关的算法，可假定邻近光传感器的直方图空间上邻近或空间上相关。举例来说，光传感器3102和光传感器3104在光传感器阵列3100中物理上邻近。因此，周围环境中的对应光传感器视角3106、3108也可邻近。
[0291]
b.旋转阵列配置
[0292]
图32说明根据一些实施例的用于旋转光学测量系统的配置。这一光学测量系统可包含以物理方式耦合到旋转元件3200的一个或多个光传感器阵列3204。当光学测量系统操作时，旋转元件200可旋转，且光传感器阵列3204可在其围绕中心轴线旋转时持续扫描周围
区域。
[0293]
相比于图31中的非旋转光传感器阵列，光传感器阵列3204中的光传感器的物理邻近度不需要一定暗示光传感器视角在周围环境中空间上邻近。举例来说，当光学测量系统旋转时，光传感器3202可在某一定位处执行光学测量。在后续光学测量期间，光传感器3202将处于与在先前光学测量期间所处的不同的旋转角度，且可因此看到周围环境中的不同对象和不同区域。因此，当光传感器3202旋转时，用于光传感器3202的先前测量的直方图可在后续时间间隔期间“空间上邻近”于用于相同光传感器3202的后续测量的直方图。因此，一些实施例可在芯片上缓冲先前直方图以用作用于上述方法的空间上邻近直方图。
[0294]
图32的光传感器阵列3204与图31的光传感器阵列之间的另一差异是其中光传感器布置成光传感器阵列3204的模式。代替布置成矩形网格，光传感器阵列3204中的光传感器的列从彼此略微偏移。这允许阵列3204中的光传感器更靠近彼此定位以使得光传感器密度增加。另外，通过将光传感器偏移小于光传感器的宽度，光传感器阵列3204的空间分辨率可增加。
[0295]
阵列3204中的光传感器布置的这一替代模式可影响将哪些光传感器视为空间上邻近于阵列3204中的其它光传感器。从周围环境中的光传感器的角度来看，物理邻近度不需要一定暗示空间邻近度。当光学测量系统旋转时，空间上邻近于光传感器3202的光传感器可包含旋转元件3200的其它侧上的其它光传感器阵列上的光传感器(图中未示)，以及来自已缓冲且尚未覆写的先前测量的直方图。空间邻近度可适应阵列配置中的光传感器的任何几何布置。代替依赖于物理邻近度，实施例可实际上在用以执行上文所描述的操作的多个测量期间确定周围环境中的邻近光传感器视角。
[0296]
xiv.用于组合像素的电路实施方案
[0297]
图33说明根据一些实施例的用于组合来自空间上邻近直方图的信息的电路。如上文详细描述，每一光传感器3202可与算术逻辑电路3304和直方图存储器3308耦合。用于每一光传感器3302的直方图存储器3308也可称为存储器块。每一存储器块3308可存储在测量期间聚集以形成光子计数的直方图3306的光子计数。光传感器3302、算术逻辑电路3304和存储器块3308的这一组合可称作“像素”。每一像素可独立地操作以执行光学测量以使得每一像素可接收其自身的开始信号且独立于用于控制其它像素的定时信号而聚集光子计数。
[0298]
为组合来自如上文所描述的直方图的信息，光学测量系统可包含使用数学运算将直方图组合在一起的求和/卷积电路3310。求和/卷积电路3310可被配置为扫描用于数个空间上邻近光传感器的个别时间区间或从存储器块3308中的每一个接收所述个别时间区间。来自多个直方图的每一时间区间可一起组合到表示如光传感器3302b的单个光传感器的单个直方图3312中的时间区间中。这一电路可使用算术逻辑单元来将值加在一起。当直方图3306组合到一起时，这一电路也可使用乘法器以将权重施加到直方图3306中的每一个。最终直方图3312可穿过如上文所描述的峰值检测电路3314以定位直方图中的峰值。因为直方图3306已从空间上邻近光传感器组合，所以所得直方图3312更可能提供超过检测阈值的一个或多个峰值。
[0299]
任何识别出的峰值可发送到处理器3316以用于如上文所描述的距离计算。处理器3316可在与算术逻辑电路3304和/或存储器块3308实施于其上的集成电路3322物理上分离且不同的集成电路3320上实施。
[0300]
在图33中，多个元件可组合以形成电路，所述电路被配置为将来自第一直方图的信息与来自一个或多个空间上邻近直方图的信息组合以生成光传感器的距离测量值。在这个实施例中，来自直方图的信息可包含来自直方图自身的数据值，且电路可包含求和/卷积电路3310。在一些实施例中，电路还可包含实际上生成距离测量值的处理器3316。
[0301]
图34说明根据一些实施例的用于组合来自直方图的信息的替代电路。这一电路类似于图33中的电路，不同之处在于在这个情况下，峰值可在其组合之前由峰值检测电路3411检测到以用于每一个别直方图3306。代替组合所有直方图，这一实例可仅组合直方图中的识别出的峰值。一些实施例也可在组合来自直方图的信息之前确定在直方图3306中的每一个中识别的峰值是否空间上相关。举例来说，如果数个空间上邻近直方图说明类似位置处的峰值。如果如此，那么可确定峰值由周围环境中的同一对象产生且直方图可被视为在其位置处空间上相关。这还可用于识别异常值。举例来说，如果九个邻近直方图中的八个指示某一位置处的峰值，那么第九个直方图可作为异常值从计算中排除。
[0302]
在图34的实例中，空间上邻近直方图的组合可进行以用于中心像素，如直方图3306b的像素。在一些实施例中，与直方图3306b组合的直方图可在其与中心像素组合之前乘以加权因子。
[0303]
在这一实例中，用于组合来自直方图的信息的电路可实施于不同于其中检测到峰值的集成电路3422的第二集成电路3420中的处理器中。如上文详细描述，峰值可在芯片上检测到，且时间区间窗可传送到处理器以用于距离测量。处理器也可执行求和/卷积电路3425以组合个别峰值以形成用于光传感器3302b的单个峰值3426表示。这一单个峰值3426可超过检测阈值且可由处理器上的距离计算算法3427使用。
[0304]
图35说明根据一些实施例的用于组合来自直方图的信息的另一电路。在这一实例中，处理器可基于其个别直方图而计算每一光传感器的距离而无需直方图信息的任何组合。在计算距离之后，来自每一像素的信息可通过处理器上的求和/卷积过程3504来组合。这一操作可明显比组合来自原始直方图的信息更简单，且可比上文所描述的实例相对更快执行。举例来说，如果已关于数个邻近像素计算了距离，那么这些距离可彼此进行比较。一些实施例可对周围像素的这些距离取平均以确定中心像素的距离。这可改进每一像素的每一距离测量的准确度，这是由于其基于数个不同像素测量而非仅单个像素。一些实施例也可使用周围像素来计算置信度值。如果周围像素包含类似于中心像素的距离测量值，那么中心像素的置信度值可相对高。
[0305]
xv.用于组合空间上邻近数据的方法
[0306]
图36说明用于使用光学测量系统中的空间上邻近像素信息的方法的流程图。以下方法描述用于与光学测量系统中的一个或多个空间上邻近光传感器组合的单个光传感器的过程。具体地说，来自一个或多个空间上邻近光传感器的信息可与来自单个光传感器的直方图信息组合以于计算距离测量值。然而，如上文所描述，光学测量系统可包含许多光传感器或“像素”，且这一方法可进行以用于光学测量系统中的每一光传感器。因此，这一方法可执行多次以用于每一光传感器，当考虑其中组合直方图信息的单个光传感器时，执行一次，且根据阵列中的其它光传感器的空间上邻近光传感器而执行多次。
[0307]
在步骤3602处，方法可包含作为光学测量的部分在一个或多个第一时间间隔内传输一个或多个脉冲串。一个或多个时间间隔中的每一个可表示在测量中重复多次的“激
发”。时间间隔中的每一个可包含由光源编码和传输的一个或多个脉冲串，使得脉冲串可被认为其从周围环境中的对象反射出来。时间间隔中的每一个可细分成多个时间区间，使得时间区间中的每一个表示在光学测量期间接收到的光子计数的直方图中的区间。上文相对于图9描述单个测量如何可包含细分成聚集光子计数的时间区间的多个激发的实例。
[0308]
在步骤3604处，方法可包含检测来自一个或多个脉冲串的所反射的光子。这些所反射的光子可使用多个光传感器检测到。多个光传感器可包含第一光传感器，以及空间上邻近于第一光传感器的一个或多个光传感器。如上文所描述，当两个光传感器的视角在光学测量系统周围的环境中邻近时，光传感器可“空间上邻近”于第一光传感器。在一些配置中，这可包含在光学测量系统上物理上邻近的光传感器，而其它配置(例如，旋转配置)不需要物理邻近度。如上文详细描述，每一光传感器可包含多个光检测器，如多个spad。光传感器可接收反射光以及从周围环境接收到的环境背景噪声。由光传感器接收到的反射光可包含从周围环境中的所关注对象反射出来的光。举例来说，这些所关注对象可远离光传感器至少30cm，且可表示周围车辆、建筑物、行人和/或可在使用期间在光学测量系统附近遇到的任何其它对象。这些所关注对象可区别于作为光学测量系统自身的部分的对象，如外壳。光传感器也可耦合到阈值检测电路和/或耦合到累积光子计数的算术逻辑电路。图5说明可如何从光传感器接收到光子计数且使用阈值电路和像素计数器(例如，算术逻辑电路)计数所述光子计数的实例。
[0309]
在步骤3606处，方法可包含累积在一个或多个时间间隔期间接收到的光子计数。光子可使用算术逻辑电路进行累积且可累积到如上文所描述的直方图存储器的一个或多个存储器块中。存储器块可使用直方图数据路径的sram中的寄存器来实施，如上文在图8到9中所描述。时间间隔中的每一个可细分成用于直方图的多个第一时间区间。一个或多个时间间隔中的每一个中的对应时间区间可累积于存储器块中的单个寄存器中。时间间隔中的每一个可表示激发，且一个或多个时间间隔一起可表示用于光学测量系统的测量。时间间隔中的每一个可由将表示直方图的存储器复位回到的直方图中的第一寄存器的开始信号或激发信号界定。
[0310]
在步骤3608处，方法可包含将来自第一直方图的信息与来自一个或多个直方图的信息组合以生成用于光传感器的距离测量值。如上文所描述，来自第一直方图的信息可包含来自直方图自身的原始数据、直方图中的所识别峰值、从直方图导出的计算或统计数据、基于直方图而计算的距离测量值和/或可从直方图中的光子计数计算或导出的任何其它信息。类似地，来自空间上邻近光传感器的一个或多个直方图的信息还可包含这些类型的信息中的任一个。组合信息可包含召唤直方图信息、将数字权重施加到直方图信息、卷积直方图信息、将高斯函数应用于直方图信息和/或可组合来自不同直方图信息的信息的任何其它数学运算。组合可引起新直方图、直方图中的新峰值、新距离测量值和/或另一数值。用于执行这一组合和/或生成第一光传感器的距离测量值的电路可包含用于求和/卷积直方图信息的芯片上电路，以及被配置为计算距离测量值的单独处理器的全部或部分。
[0311]
应了解，图36中所说明的特定步骤提供根据各种实施例的使用光学测量系统中的空间上邻近像素信息的特定方法。步骤的其它顺序也可根据替代实施例来执行。举例来说，本发明的替代实施例可以不同次序执行以上概述的步骤。此外，图36中说明的个别步骤可包含可以个别步骤适合的各种顺序执行的多个子步骤。此外，可取决于特定应用而添加或
去除额外步骤。所属领域的一般技术人员应认识到许多变化、修改和替代方案。
[0312]
xvi.额外实施例
[0313]
虽然本文公开的一些实施例关注于在用于汽车使用情况的3d感测的情境内应用光测距，但在不脱离本公开的范围的情况下可在任何应用中使用本文公开的系统。举例来说，系统可具有小或甚至微型的形状因数，其实现若干额外使用情况，例如用于固态光测距系统。举例来说，系统可用于装置内的3d相机和/或深度传感器，所述装置如移动电话、平板pc、膝上型计算机、桌面pc或其它外围装置和/或用户接口装置。举例来说，可在移动装置内采用一个或多个实施例以支持面部辨识和面部跟踪能力、眼部跟踪能力和/或用于对象的3d扫描。其它使用情况包含面向前的深度相机以用于移动装置中的扩增和虚拟现实应用。
[0314]
其它应用包含在如飞机、直升飞机、无人机和类似物的机载车辆上部署一个或多个系统。此类实例可提供3d感测和深度成像以帮助导航(自主或以其它方式)和/或生成3d地图以用于稍后分析，例如支持地球物理、建筑和/或考古学的分析。
[0315]
系统还可安装到如建筑物、墙、线杆、桥、脚手架和类似物的固定对象和结构。在此类情况下，系统可用于监视室外区域，如制造设施、装配线、工业设施、建筑工地、挖掘场地、道路、铁路、桥梁等。此外，系统可安装在室内且用以监视个人和或对象在建筑物内的移动，如在仓库内的库存的移动或人、行李或货物在办公楼、机场、火车站等内的移动。如得益于本公开的所属领域的一般技术人员将理解，光测距系统的许多不同应用是可能的，且因此，本文提供的实例是仅出于说明性目的提供，且不应解释为将此类系统的使用仅限于显式地公开的实例。
[0316]
xvii.计算机系统
[0317]
本文提到的计算机系统或电路中的任一个可利用任何合适数目个子系统。子系统可经由系统总线75连接。作为实例，子系统可包含输入/输出(i/o)装置、系统存储器、存储装置和可用于连接计算机系统其它装置(例如，引擎控制单元)的网络适配器(例如以太网、wi-fi等)。系统存储器和/或存储装置可体现计算机可读媒体。
[0318]
计算机系统可包含多个相同组件或子系统，所述组件或子系统例如通过外部接口、通过内部接口或经由可装卸式存储装置连接在一起，所述可装卸式存储装置可从一个组件连接和去除到另一组件。在一些实施例中，计算机系统、子系统或设备可经由网络通信。
[0319]
实施例的方面可使用硬件电路(例如，专用集成电路或现场可编程门阵列)和/或以模块化或集成方式借助大体上可编程处理器使用计算机软件以控制逻辑的形式实施。如本文所使用的，处理器可包含单核处理器、同一集成芯片上的多核处理器或单个电路板上或联网的多个处理单元，以及专用硬件。基于本公开和本文中所提供的教示，所属领域的一般技术人员将知道且理解使用硬件和硬件与软件的组合来实施本发明的实施例的其它方式和/或方法。
[0320]
本技术案中描述的任何软件组件或功能可实施为使用例如java、c、c 、c#、objective-c、swift的任何合适的计算机语言或如perl或python的脚本语言使用例如常规或面向对象的技术的由处理器执行的软件代码。软件代码可存储为计算机可读媒体上用于存储和/或传输的一连串指令或命令。合适的非暂时性计算机可读媒体可包含随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、如硬盘驱动器或软盘的磁性媒体或如光盘(cd)或数字通用
光盘(dvd)的光学媒体、快闪存储器和类似物。计算机可读媒体可以是此类存储或传输装置的任何组合。
[0321]
此类程序也可使用载波信号来编码和传输，所述载波信号适合于经由包含因特网的符合多种协议的有线、光学和/或无线网络来传输。因此，计算机可读媒体可使用以此类程序编码的数据信号产生。以程序代码编码的计算机可读媒体可与兼容装置一起封装或与其它装置分开地提供(例如，经由因特网下载)。任何此类计算机可读媒体可存在于单个计算机产品(例如硬盘驱动器、cd或整个计算机系统)上或内部，且可存在于系统或网络内的不同计算机产品上或内部。计算机系统可包含监视器、打印机或用于向用户提供本文所提及的任何结果的其它合适的显示器。
[0322]
本文所描述的任何方法可完全或部分地用计算机系统执行，所述计算机系统包含可被配置为执行所述步骤的一个或多个处理器。因此，实施例可涉及被配置为执行本文所述的任何方法的步骤的计算机系统，所述计算机系统可能具有执行相应步骤或相应步骤群组的不同组件。虽然呈现为编号的步骤，但本文的方法的步骤可同时或在不同时间或以不同次序执行。另外，这些步骤的部分可与其它方法的其它步骤的部分一起使用。此外，步骤的全部或部分可以是任选的。另外，任何方法的步骤中的任一个可利用用于执行这些步骤的系统的模块、单元、电路或其它构件来执行。
[0323]
在不偏离本发明的实施例的精神和范围的情况下，特定实施例的特定细节可以任何合适方式组合。然而，本发明的其它实施例可针对与每一个别方面或这些个别方面的特定组合相关的特定实施例。
[0324]
已经出于说明和描述的目的呈现了对本发明的实例实施例的以上描述。不旨在是详尽的，或将本发明局限为所描述的精确形式，根据上文的教示，许多修改和变形是可能的。
[0325]
除非明确指示有相反的意思，否则叙述“一(a/an)”或“所述”旨在表示“一个或多个”。除非明确指示为相反情况，否则“或”的使用旨在表示“包括性的或”，而不是“排除性的或”。对“第一”组件的引用不一定要求提供第二组件。此外，除非明确指出，否则提到“第一”或“第二”组件并不将提到的组件局限在特定位置。术语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。
[0326]
本文所提及的所有专利、专利申请案、公开案和描述都出于所有目的以全文引用的方式并入。并非承认它们是现有技术。