專利名稱：在3d成像系統(tǒng)中測(cè)定距離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在三維成像系統(tǒng)中測(cè)定距離。
背景技術(shù)：
激光技術(shù)，例如LADAR(激光檢測(cè)和測(cè)距)或“LIDAR” (光檢測(cè)和測(cè)距)，目前正被應(yīng)用于在三維成像系統(tǒng)中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像。經(jīng)常來(lái)自激光源的光射向感興趣的目標(biāo)。然后來(lái)自該目標(biāo)的反射光聚集并聚焦在一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器上。例如，通過(guò)測(cè)定發(fā)射的光脈沖從發(fā)射源到目標(biāo)并返回到檢測(cè)器的往返傳播時(shí)間， LADAR系統(tǒng)能測(cè)定到目標(biāo)的距離。然而，使這種系統(tǒng)適合對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行成像對(duì)可用裝置的靈敏度和速率構(gòu)成了挑戰(zhàn)。在美國(guó)專利No. 5，446,5 (19卯)中，Mettner等人描述了放置在成像平面上以檢測(cè)兩維圖像幀的陣列檢測(cè)器，該圖像幀能被進(jìn)一步處理以增強(qiáng)圖像。如果聚集了足夠的光并且所述目標(biāo)的反射能夠區(qū)別于噪聲，那么該目標(biāo)就能夠被這種系統(tǒng)識(shí)別。在一些激光成像系統(tǒng)中，掃描器或接收器掃描過(guò)目標(biāo)，并且多激光脈沖用來(lái)探測(cè)所述目標(biāo)的輪廓。這種方法的一個(gè)實(shí)施例在2004年5月11日授予Dimsdale等人的美國(guó)專利No. 6，734，849中示出。在美國(guó)專利No. 5,892,575(1999)中，Marino在另一方面公開(kāi)了一種使用以非線性蓋革(Geiger)模式工作的單片光檢測(cè)器陣列進(jìn)行場(chǎng)景(scene)成像的系統(tǒng)。在由該專利公開(kāi)的一個(gè)無(wú)掃描器的實(shí)施方案中，處理器對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景成像，該目標(biāo)場(chǎng)景成像是基于由光電檢測(cè)器陣列在陣列上多個(gè)位置處接收的目標(biāo)反射的光子的往返傳播時(shí)間。迄今為止的方法比較復(fù)雜，因此制造和維修昂貴。所需要的是一種解決上述問(wèn)題以及當(dāng)閱讀以下描述時(shí)變得顯而易見(jiàn)的其它問(wèn)題的用于成像的系統(tǒng)和方法。


圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)；圖2-4圖示了成像系統(tǒng)的其它實(shí)施方案；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)器和計(jì)時(shí)電路；圖6圖示了能夠用在圖5的計(jì)時(shí)電路中的內(nèi)插器；
圖7圖示了在圖5的計(jì)時(shí)電路中的Nutt內(nèi)插法；圖8圖示了在圖5的計(jì)時(shí)電路中的兩個(gè)內(nèi)插器電路的串聯(lián)；圖9圖示了基于模擬的電壓讀數(shù)的時(shí)間內(nèi)插法；以及圖10-12圖示了根據(jù)本發(fā)明的共振器/衰減器。
具體實(shí)施例方式在以下優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，參考形成本文一部分的附圖，并且通過(guò)圖解示出了可以實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施方案。應(yīng)該理解在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以使用其它的實(shí)施方案并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化。在圖1中示出了用于創(chuàng)建目標(biāo)場(chǎng)景101的高分辨率三維圖像的代表性系統(tǒng)100。 脈沖光源102、典型地為激光器，指向目標(biāo)場(chǎng)景101。一些光從場(chǎng)景反射回來(lái)。檢測(cè)器陣列 104接收來(lái)自部分場(chǎng)景的光。從所述系統(tǒng)到單個(gè)檢測(cè)器的視場(chǎng)(field of view)中的部分場(chǎng)景101的距離是由從光照射所述場(chǎng)景部分以及然后返回到探測(cè)器104所需的時(shí)間來(lái)測(cè)定的。在圖1所示的實(shí)施方案中，成像系統(tǒng)100包括激光器102，光學(xué)器件103，檢測(cè)器陣列104，計(jì)時(shí)電路106，處理器108，存儲(chǔ)器110和顯示器112。在一個(gè)實(shí)施方案中(諸如圖1 中所示)，系統(tǒng)100還包括以下面將描述的方式用于校準(zhǔn)系統(tǒng)100的共振器/衰減器114。 系統(tǒng)100測(cè)量來(lái)自每個(gè)兩維像素陣列的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的反射激光脈沖的往返時(shí)間，提供了毫米級(jí)精度和分辨率的圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，諸如圖2中所示，系統(tǒng)100包括連接到激光器132的脈沖發(fā)生器130。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生由激光器132轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖的電子脈沖。如果從電子脈沖的產(chǎn)生到光脈沖的產(chǎn)生的時(shí)間是可重復(fù)的，那么能夠從由脈沖發(fā)生器130電子脈沖的產(chǎn)生來(lái)測(cè)定傳輸時(shí)間。否則，就可以基于由激光器132產(chǎn)生光脈沖來(lái)測(cè)定傳輸時(shí)間。系統(tǒng)100測(cè)量來(lái)自每個(gè)一維或兩維像素陣列的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的反射激光脈沖的往返時(shí)間，提供了具有毫米級(jí)精度和分辨率的圖像。在圖2所示的實(shí)施方案中，光學(xué)器件 134和檢測(cè)器136接收從目標(biāo)101反射的光。每個(gè)檢測(cè)器136與計(jì)時(shí)電路138連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，每一個(gè)計(jì)時(shí)電路138包括多個(gè)內(nèi)插器。光脈沖朝目標(biāo)101傳輸以便一部分光脈沖作為反射脈沖從該目標(biāo)反射。反射脈沖通過(guò)光學(xué)器件134并落在檢測(cè)器136上。光脈沖從目標(biāo)101反射并到達(dá)檢測(cè)器136的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器的時(shí)間用來(lái)測(cè)定到目標(biāo)101的距離。在一個(gè)實(shí)施方案中，檢測(cè)反射脈沖的到達(dá)包括將該反射脈沖在預(yù)定時(shí)間間隔上進(jìn)行積分以測(cè)定反射脈沖的特征，以及記錄表示該反射脈沖何時(shí)到達(dá)檢測(cè)器136的數(shù)值。然后以傳輸時(shí)間、接收時(shí)間和反射脈沖特征的函數(shù)的方式計(jì)算出距離。如上所述，在使用電脈沖激勵(lì)激光器132和激光器132發(fā)射光脈沖之間經(jīng)常有不可測(cè)定的延遲。在這種情況下，傳輸時(shí)間必須從發(fā)射光脈沖開(kāi)始計(jì)算。在一個(gè)實(shí)施方案中， 系統(tǒng)100包括檢測(cè)器140和計(jì)時(shí)電路142，該檢測(cè)器和計(jì)時(shí)電路可以用來(lái)測(cè)定光脈沖的傳輸時(shí)間。圖3中示出了一個(gè)這樣的實(shí)施方案。在另一個(gè)實(shí)施方案中，如圖4中所示，所述光脈沖的一部分射向檢測(cè)器136。該部分光脈沖使用檢測(cè)器136和計(jì)時(shí)電路138以測(cè)定光脈沖的傳輸時(shí)間和振幅。
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在一個(gè)實(shí)施方案中，檢測(cè)器陣列104和計(jì)時(shí)器陣列106作為兩種芯片的混合來(lái)實(shí)現(xiàn)，即檢測(cè)器陣列連接到處理電子單元陣列。在一個(gè)芯片上的每個(gè)檢測(cè)器連接另一個(gè)芯片上其各自的處理-電子單元。這限定了圖像中的一個(gè)三維像素。該陣列上的每一個(gè)處理-電子單元包含相同且唯一的積分電路，該積分電路能夠存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)反射-脈沖的傳輸時(shí)間以及相關(guān)的反射-脈沖能量或峰值振幅。所有像素的傳輸時(shí)間和脈沖振幅信息可優(yōu)選地在激光脈沖之間讀出。在替代實(shí)施方案中，檢測(cè)器陣列和它們相關(guān)的處理-電子單元分布于整個(gè)積分電路。雖然這具有提供接收光子的表面面積的比率更小的缺點(diǎn)，但是由于兩個(gè)芯片不需匹配， 因而生產(chǎn)該實(shí)施方案可以經(jīng)濟(jì)地多。任何脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心原理是測(cè)量發(fā)射脈沖和接收反射脈沖之間的時(shí)間。 光以其傳播介質(zhì)中的光速Cm傳播。從而對(duì)于一個(gè)距離d米的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，往返時(shí)間是t = 2d/ cm。在空氣中大概是6. 7pSec/mm，所以在毫米級(jí)分辨率的脈沖激光雷達(dá)中的根本問(wèn)題是將時(shí)間測(cè)量到幾皮秒的精度。一些技術(shù)已經(jīng)成功的在單像素系統(tǒng)中實(shí)施毫米級(jí)測(cè)量，但是由于各種原因，將它們應(yīng)用于傳感器陣列仍然有些困難。雖然已經(jīng)做了大量的在聚焦平面陣列中將時(shí)間間隔測(cè)量到毫米級(jí)精度的嘗試，但是迄今為止，所有嘗試都達(dá)不到此目標(biāo)的要求。圖5中示出可以用于圖1-4的系統(tǒng)100的計(jì)時(shí)電路138。返回的光被檢測(cè)器150 檢測(cè)并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該電信號(hào)被跨阻放大器(TIA)152放大，然后由鑒別器IM轉(zhuǎn)變成適合觸發(fā)觸發(fā)器的信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到第一脈沖時(shí)，觸發(fā)器156的輸出為高，并且僅僅當(dāng)檢測(cè)到第二脈沖時(shí)，觸發(fā)器158的輸出為高。兩脈沖的到達(dá)時(shí)間由時(shí)間轉(zhuǎn)換器160和162轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)多路復(fù)用器168讀出。在一個(gè)實(shí)施方案中，計(jì)時(shí)電路138包括門控積分器164和166。通過(guò)在從稍微早于脈沖開(kāi)始直到稍微晚于脈沖結(jié)束之間、將該信號(hào)積分，測(cè)定兩脈沖的振幅。在更容易執(zhí)行的替代實(shí)現(xiàn)中，可以采用峰值檢測(cè)器而不是門控積分器。雖然執(zhí)行更簡(jiǎn)單，但是由于脈沖峰值不是脈沖能量的一個(gè)好的單調(diào)指示物，因此峰值檢測(cè)器很可能提供較差的性能，特別是當(dāng)檢測(cè)器在非線性區(qū)域內(nèi)工作的時(shí)候。當(dāng)在脈沖超過(guò)閾值的時(shí)刻之間進(jìn)行相關(guān)計(jì)時(shí)測(cè)量、以及在要求的精度顯著小于脈沖上升時(shí)間的時(shí)候，脈沖強(qiáng)度的測(cè)量在進(jìn)行精確的距離測(cè)量中是關(guān)鍵的。當(dāng)從目標(biāo)返回的脈沖越大，超越閾值就越快，并且這產(chǎn)生了明顯短的距離(測(cè)距誤差)。諸如由門控積分器所提供的精確的脈沖強(qiáng)度測(cè)量提供了一種用于在距離測(cè)量中校正這種明顯誤差的有效裝置。在替代的實(shí)施方案中，峰值檢測(cè)器可以用來(lái)估計(jì)脈沖強(qiáng)度；然而這提供了精確度小得多的距離校正-特別是當(dāng)檢測(cè)器在飽和區(qū)工作的時(shí)候。在單像素激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)引入幾個(gè)納秒的延遲線，所述門控積分器可以在被接收的脈沖到達(dá)前被觸發(fā)。然而，在陣列實(shí)現(xiàn)中，禁止在每個(gè)像素引入這種延遲線。在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖5中所示，一對(duì)門控積分器塊(block) 164和166用于每個(gè)起始和終止脈沖。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，每個(gè)門控積分器包括一對(duì)交替動(dòng)作以找到這些脈沖中的每個(gè)脈沖的強(qiáng)度的門控積分器。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，每個(gè)門控積分器能在至少與將被觀測(cè)到的最長(zhǎng)的脈沖一樣長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分。當(dāng)檢測(cè)到返回脈沖時(shí)，積分器之間的交替停止，并且最后的積分脈沖用來(lái)校正距離測(cè)量。在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)反射脈沖到達(dá)檢測(cè)器136時(shí)，它們的長(zhǎng)度在1-20納秒之間。在這樣的一個(gè)實(shí)施方案中， 可以設(shè)計(jì)在具有10納秒重疊的20納秒間積分的門控積分器164和166。下面將描述一種測(cè)定光脈沖的傳輸時(shí)間的方法。測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔最簡(jiǎn)單的方法是當(dāng)所述第一脈沖到達(dá)時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)诙}沖到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)器并記錄計(jì)數(shù)值。該計(jì)數(shù)值乘以時(shí)鐘周期就是所述時(shí)間。該方法的基本問(wèn)題是為了具有1毫米的分辨率，時(shí)鐘頻率必須接近200吉赫(GHz)。對(duì)于大的傳感器陣列來(lái)說(shuō)這既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用。計(jì)時(shí)電路138兩倍或多倍的延長(zhǎng)所述時(shí)間間隔，以便可以使用更合適的時(shí)鐘頻率以獲取預(yù)期的精度。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換器160和162都包括至少一個(gè)內(nèi)插器。內(nèi)插器測(cè)量在異步事件和隨后的主時(shí)鐘脈沖之間的時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)內(nèi)插器都包括以與放電不同的速率對(duì)電容器充電的內(nèi)插器電路180。圖6中示出了內(nèi)插器電路180的實(shí)施例。圖7示出了時(shí)序圖的實(shí)例。這個(gè)內(nèi)插器的基本概念是當(dāng)所述第一脈沖到達(dá)的時(shí)候，在電容器上創(chuàng)建線性充電斜率，在固定量的主時(shí)鐘脈沖之后這個(gè)電容器開(kāi)始以不同的速率放電，并且啟動(dòng)在主時(shí)鐘脈沖上的記數(shù)器直到該電容器到達(dá)其初始狀態(tài)。執(zhí)行本過(guò)程的儀器前面被稱為Nutt內(nèi)插
ο在工作中，計(jì)時(shí)電路138計(jì)算在第一脈沖到達(dá)和第二脈沖到達(dá)之間的主時(shí)鐘的時(shí)鐘脈沖的數(shù)量。此外，內(nèi)插器應(yīng)用于每一脈沖來(lái)測(cè)量?jī)擅}沖之間的時(shí)間以獲得幾倍于主時(shí)鐘脈沖精度的精度。如果從所述第一脈沖到隨后的主時(shí)鐘脈沖的時(shí)間是TA，從所述第二脈沖到隨后的主時(shí)鐘脈沖的時(shí)間是Tb，并且在這兩個(gè)可選擇的時(shí)鐘脈沖間的時(shí)間是T。，那么在兩脈沖之間總的時(shí)間將是T = TA+TC-TB。Tc將以整數(shù)個(gè)主時(shí)鐘脈沖被精確地測(cè)量。時(shí)間間隔1\和Tb能被一對(duì)將所述時(shí)間有效延長(zhǎng)潛在的大因子的內(nèi)插器估計(jì)，使得可以使用相同的主時(shí)鐘計(jì)數(shù)得以精確測(cè)量。如圖6中所示，在觸發(fā)事件(諸如脈沖)到達(dá)之前，積分電容器182被上方的電流源184保持在高電平。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，觸發(fā)器186等待脈沖并且啟動(dòng)粗略計(jì)數(shù)器(coarse counter)。當(dāng)脈沖到達(dá)的時(shí)候，觸發(fā)器186計(jì)時(shí)，并且依次使積分電容器180由下方的電流源185高速放電，并且啟動(dòng)精密計(jì)數(shù)器(fine counter)。當(dāng)觸發(fā)器188的跳變通過(guò)同步觸發(fā)器188和190傳播時(shí)，然后積分電容器182再次被上方的電源184充電。當(dāng)比較器192 的輸出端顯示積分電容器回到其初始水平時(shí)，精密計(jì)數(shù)器被禁用。在一個(gè)內(nèi)插器實(shí)施方案中，兩個(gè)或多個(gè)分離的內(nèi)插器電路180串聯(lián)，當(dāng)前述電容器返回到閾值時(shí)，一個(gè)內(nèi)插器電路180觸發(fā)放電。圖8中示出了用于具有兩個(gè)內(nèi)插器電路 180的內(nèi)插器的時(shí)序圖的實(shí)例。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，內(nèi)插器包括五個(gè)或六個(gè)串聯(lián)的內(nèi)插器電路180 ；當(dāng)前述電容器返回到閾值時(shí)，一個(gè)內(nèi)插器電路180觸發(fā)放電。在一個(gè)五內(nèi)插器電路的實(shí)施方案中，時(shí)鐘以100兆赫工作且為每個(gè)電容器充電的速率是放電速率的8-16倍(對(duì)應(yīng)于3或4 比特)。如果充電速率是放電速率的8倍，這種實(shí)施方案導(dǎo)致放電速率的8~5或32，768倍的總內(nèi)插速率。例如內(nèi)插電容器可以是849fF的數(shù)量級(jí)，放電/充電電流大約是200-800nA。不管強(qiáng)度測(cè)量的數(shù)值是否與峰值檢測(cè)或門控積分器相一致，它都可以在像素上數(shù)字化并作為數(shù)字值被多路復(fù)用或者它可以作為片外(off-chip)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬電壓被多路復(fù)用。正如被用來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)插電壓一樣，幾乎相同的電路足以將所述強(qiáng)度數(shù)字化，計(jì)數(shù)器
7將測(cè)定將所存儲(chǔ)的電壓減少到初始數(shù)值需要多長(zhǎng)時(shí)間。替代的方法是提供一種計(jì)時(shí)內(nèi)插的單斜率測(cè)量法，保存內(nèi)插器上的電壓直到執(zhí)行了所有的像素測(cè)量。在那點(diǎn)上，使用模擬多路復(fù)用器而不是在雙斜率器件中提供的數(shù)字多路復(fù)用器，可以將內(nèi)插值復(fù)用到芯片外。然后這些數(shù)值可以被片外模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。在圖 9中示出了用于這種方法的時(shí)序圖的實(shí)例。當(dāng)檢測(cè)到脈沖時(shí)，電容器將以固定的速率充電直到隨后的主時(shí)鐘脈沖跳變。在電容器上的電壓值將與該脈沖和該時(shí)鐘沿之間的時(shí)間成正比。在這種情況下，多路復(fù)用器將模擬電壓傳輸?shù)叫酒?。在單斜率?jì)時(shí)內(nèi)插器的情況下，可優(yōu)選使用模擬多路復(fù)用器以將內(nèi)插器和強(qiáng)度測(cè)量傳送到片外。如上所述，系統(tǒng)100還可以包括用于校準(zhǔn)系統(tǒng)100的共振器/衰減器114。使用單個(gè)像素進(jìn)行高精度測(cè)量的一個(gè)阻礙是在工作中可能出現(xiàn)的電路特性的變化，包括激光脈沖特性的變化，環(huán)境條件的變化和老化。此外，在陣列內(nèi)單個(gè)像素可能表現(xiàn)不同，并且它們表現(xiàn)的變化可以不隨環(huán)境條件或時(shí)間而變化。而且，當(dāng)檢測(cè)器在飽和區(qū)工作時(shí)，強(qiáng)度測(cè)量可以不成線性。因此，加入允許系統(tǒng)在整個(gè)陣列內(nèi)校正這樣表現(xiàn)的元件是重要的。在一個(gè)實(shí)施方案中，增加了光纖共振器/衰減器以描述單像素的特性及其以脈沖特性、環(huán)境條件和老化的函數(shù)方式的變化，以及其在所述陣列內(nèi)特性變化的特征。該裝置的主要功能是向接收器提供已知距離的信號(hào)，基本上模擬了當(dāng)提供測(cè)試目標(biāo)并在儀器的范圍內(nèi)時(shí)該接收器將會(huì)經(jīng)歷的情況。當(dāng)在校準(zhǔn)模式中時(shí)，該儀器將被提供一系列來(lái)自共振器/ 衰減器114的脈沖，并且從該儀器獲得的測(cè)量結(jié)果將隨后用于調(diào)整來(lái)自真實(shí)目標(biāo)的測(cè)量。共振器/衰減器114的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以如圖10中所示。共振器/衰減器114包括可變衰減器200、光纖耦合器202、光纖共振器204和光纖準(zhǔn)直儀206。來(lái)自激光器102的小脈沖樣本通過(guò)可變衰減器200到光纖耦合器202。該衰減器200允許模擬寬范圍的返回信號(hào)振幅，并且測(cè)定其對(duì)明顯的往返時(shí)間延遲的影響。還可以設(shè)置該衰減器以防止激光脈沖通過(guò)這條路徑到達(dá)檢測(cè)器陣列104 ；如果那樣的話到達(dá)檢測(cè)器陣列的僅有的能量是來(lái)自正被測(cè)量的遠(yuǎn)程目標(biāo)。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用光纖208和的耦合器210裝配光纖衰減器204，如圖 11中所示。如果激光脈沖的帶寬足夠小，那么光纖208可以是多模光纖，但是如果光纖的帶寬足夠大而導(dǎo)致在預(yù)期的光纖長(zhǎng)度上相比于要求的計(jì)時(shí)精度產(chǎn)生顯著偏移，那么光纖需要是單模光纖。耦合器210在兩輸出端口之間以任何方便的分布方式分布輸入的脈沖。例如，傳送到50-50耦合器的輸入端的脈沖將向每個(gè)輸出端口發(fā)送一半的能量，所以該能量的一半將被傳送到探測(cè)器陣列，并且另一半將被傳送到耦合器的輸入端，延遲與連接的光纖的長(zhǎng)度成正比。這將持續(xù)的重復(fù)，向光纖準(zhǔn)直儀206傳送脈沖序列。光纖準(zhǔn)直儀204將出現(xiàn)的激光脈沖耦合到檢測(cè)器陣列104上。出現(xiàn)的脈沖優(yōu)選地同時(shí)到達(dá)檢測(cè)器陣列中的每個(gè)像素，但是如果整個(gè)陣列上到達(dá)的時(shí)間變化是幾何決定并可重復(fù)的，那么也是可以接受的。在替代的實(shí)施方案中，多光纖束212用來(lái)模擬多個(gè)時(shí)間延遲?？梢允褂门c系統(tǒng)工作以獲得數(shù)據(jù)時(shí)、檢測(cè)器所經(jīng)歷的近似相同的一組距離來(lái)選擇這些光纖。圖12中示出了這種方法。最后，在第三實(shí)施方案中，光纖共振器是端部具有涂層以便其部分反射的單模光纖或多模光纖。相對(duì)于其它方法，這種方法具有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)1)第一脈沖比隨后的必須兩次穿過(guò)光纖的脈沖到達(dá)更快；以及幻輸入端面上的反射涂層將削弱所有的脈沖并且將其反射回激光器102。來(lái)自共振器/衰減器114的脈沖的數(shù)量和間隔將取決于共振器的特定結(jié)構(gòu)。然而， 該間隔在光纖的特定溫度下將非常穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)于這些脈沖間的間隔的有效光纖長(zhǎng)度能夠描述為溫度的函數(shù)。替代地，可以利用其傳播幾乎和溫度無(wú)關(guān)的光纖，雖然這種光纖可能更難制造并且制造成本更高。在使用中，校準(zhǔn)儀校正現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量目標(biāo)的明顯的距離走動(dòng)。在構(gòu)架系統(tǒng)的時(shí)候，計(jì)時(shí)電路106或138將用來(lái)測(cè)定來(lái)自共振器/衰減器114的脈沖的明顯的距離走動(dòng)。記錄這些數(shù)值。可以假設(shè)共振器/衰減器114中的光纖將不會(huì)隨時(shí)間而改變其長(zhǎng)度或折射率。然后，當(dāng)測(cè)量新目標(biāo)的時(shí)候，該目標(biāo)的測(cè)量距離將根據(jù)校準(zhǔn)的明顯的距離走動(dòng)而更改。例如， 如果校準(zhǔn)儀測(cè)量表明正測(cè)量的所有時(shí)間間隔都長(zhǎng)了 . 5%，那么實(shí)際目標(biāo)的測(cè)量也增加相同的量。校準(zhǔn)儀也可以用來(lái)測(cè)定由于返回強(qiáng)度變化的測(cè)量距離變化。由于來(lái)自校準(zhǔn)儀的脈沖的間隔與強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以可以改變衰減并且可以記錄脈沖強(qiáng)度測(cè)量和時(shí)間間隔測(cè)量。這可以用來(lái)生成測(cè)量的強(qiáng)度和測(cè)量的時(shí)間的比較的表格。然后該表格可以用作對(duì)于真實(shí)目標(biāo)測(cè)量的修正，以便只要傳感器的環(huán)境條件保持不變，那么不同強(qiáng)度但是相同距離的目標(biāo)會(huì)顯示具有相同的距離。當(dāng)環(huán)境確實(shí)改變的時(shí)候，必須獲取新的修正表格。這個(gè)程序顯著的增加了系統(tǒng)的分辨率和精度。已經(jīng)描述了使用部分涂層的單模光纖來(lái)校正掃描單檢測(cè)器雷達(dá)系統(tǒng)(例如參見(jiàn)專利6，246, 468)。然而，當(dāng)使用窄頻率激光的時(shí)候，多模光纖提供了足夠的精度，產(chǎn)生了更加經(jīng)濟(jì)和可制造的元件。在激光脈沖上升時(shí)間與預(yù)期精度可比的情況下，不再需要距離走動(dòng)校正(range walk compensation)，并且不再需要脈沖強(qiáng)度測(cè)量。當(dāng)接收檢測(cè)器陣列以如上述Marino中的非線性Geiger模式工作時(shí)，單個(gè)的接收光子在接收器中就能產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移。在這種情況下，接收脈沖強(qiáng)度的測(cè)量?jī)H能在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上測(cè)定。然而，如果脈沖足夠大而被探測(cè)到的概率很大，那么最有可能的是接收的光子在激光的上升時(shí)間出現(xiàn)。因此，如果激光脈沖的上升時(shí)間與所預(yù)期的精度可比，那么不再需要脈沖強(qiáng)度測(cè)量來(lái)校正任何明顯的距離走動(dòng)。因而為了達(dá)到5mm的分辨率，上升時(shí)間少于35皮秒的激光脈沖將足以確保不再需要距離走動(dòng)修正。當(dāng)所述列陣用于測(cè)量位于相機(jī)中心的球的內(nèi)部時(shí)，所有的像素都應(yīng)該報(bào)告相同的距離。此外，這對(duì)于任何尺寸的球狀體都是正確的。然而，計(jì)時(shí)偏移和標(biāo)度的變化將導(dǎo)致測(cè)量偏離這種理想狀態(tài)?？梢蚤_(kāi)發(fā)每一像素的偏移和修正表格，并且通常這可以利用任何已知表面在多于一個(gè)距離處來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，在兩個(gè)或多個(gè)距離處測(cè)量一個(gè)平整表面，然后將測(cè)量的結(jié)果應(yīng)用于在隨后測(cè)量中的所有像素。然而，如果在工廠中創(chuàng)建了修正表格，該修正不太可能隨時(shí)間和溫度而保持恒定達(dá)到毫米級(jí)的精度，主要因?yàn)殡S著溫度和老化元件參數(shù)的變化。必須周期地應(yīng)用該程序。然而，該程序不能方便地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)楹线m的平整表面不太可能方便地可用。即使合適的固定設(shè)備可用，也不知道應(yīng)該何時(shí)或每隔多久應(yīng)用所述的固定裝置。此外，需要系統(tǒng)操作者執(zhí)行特定的程序，并且其將來(lái)的結(jié)果將取決于遵循該程序的好壞程度。由于元件的幾何結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，所以該共振器陣列每次將相同的脈沖延遲模式施加于檢測(cè)器陣列?？梢杂矛F(xiàn)場(chǎng)評(píng)估該陣列均勻性的時(shí)刻的明顯差異、來(lái)補(bǔ)充對(duì)整個(gè)陣列的明顯差異的單次工廠校準(zhǔn)，并且當(dāng)這些修正的總和應(yīng)用于真實(shí)目標(biāo)的時(shí)候，所述修正的總和能被應(yīng)用于每個(gè)像素。盡管計(jì)時(shí)內(nèi)插器被設(shè)計(jì)成對(duì)異步事件和系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖之間的經(jīng)過(guò)時(shí)間進(jìn)行精確、 線性測(cè)量，但是真實(shí)的電路僅可以提供近似值。當(dāng)試圖進(jìn)行具有皮秒精度的測(cè)量并且當(dāng)內(nèi)插率大的時(shí)候，所述差異變得非常重要。如果脈沖到達(dá)時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)鐘不一致，那么可以非常精確的測(cè)定每個(gè)像素的非線性特征。如果是那樣的話，進(jìn)行測(cè)量，其產(chǎn)生一個(gè)潛在內(nèi)插值的概率將與相關(guān)脈沖到達(dá)分配給所述內(nèi)插值的相關(guān)時(shí)隙的概率成正比。所以如果將時(shí)鐘周期之間的時(shí)間T分成M個(gè)具有端點(diǎn)t。，···，^的時(shí)隙，對(duì)所有像素的大量時(shí)間測(cè)量將導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量的分布Ink ；k=l...M}, 其中內(nèi)插值在這些時(shí)隙中；即在每種情況下，隨增量η”我們看到內(nèi)插值t，V1 < t <、。 如果內(nèi)插器完全成線性，那么這種分布將是均勻的；就分布不均勻來(lái)說(shuō)，可以期望將來(lái)測(cè)量
的線性化，以傳送較高的精度。如果測(cè)量的全部數(shù)量是# = [% ‘那么落在第k個(gè)時(shí)隙中的
k
測(cè)量比的近似數(shù)值是nk/N?；谶@些評(píng)論有幾種類似并合理的方法來(lái)修正將來(lái)的測(cè)量，但是切合實(shí)際的(并且成功的)方法是為每個(gè)新內(nèi)插值分配與該內(nèi)插值在其中發(fā)生的時(shí)隙的
中心相關(guān)的時(shí)間。因此，一組切合實(shí)際的近似修正因子可以估計(jì)為GK.
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、當(dāng)進(jìn)行將來(lái)計(jì)時(shí)測(cè)量且在系統(tǒng)時(shí)鐘值之間的內(nèi)插值位于、和tk之間的時(shí)候，數(shù)值G將用于替換該內(nèi)插值。接下來(lái)將討論斜率校正(slope compensation)。當(dāng)所測(cè)量的表面不垂直于激光雷達(dá)的時(shí)候，必須進(jìn)行另外的計(jì)算以增強(qiáng)系統(tǒng)的精度。例如，如果在目標(biāo)對(duì)象上的輸出激光束直徑為5mm，但是到達(dá)相對(duì)于法線傾角為60度的表面上，返回脈沖將分布在接近9mm范圍的區(qū)域內(nèi)。因而，返回脈沖可能長(zhǎng)達(dá)58皮秒，即使輸出脈沖是瞬間的。通常，計(jì)算出的距離在所觀察的返回點(diǎn)內(nèi)的某處。如果預(yù)期距離是該點(diǎn)的中心，通常的情況正是如此，必須知道表面法線以為脈沖寬度增加而調(diào)整距離走動(dòng)，否則距離走動(dòng)修正將比所需要的小大約加長(zhǎng)的脈沖量。使用兩步驟過(guò)程以獲得傾斜表面上增強(qiáng)的距離信息。盡管會(huì)低估到傾斜表面的距離，但是如果相鄰樣本在同樣的區(qū)域內(nèi)，那么將能很好地估計(jì)這些表面的法線。因此，未修正的數(shù)據(jù)可以獲取表面法線的好的估計(jì)值。那么在第二步驟，根據(jù)該法線估計(jì)通過(guò)增加所述第一距離估計(jì)可以測(cè)定到所述激光點(diǎn)中心的距離。接下來(lái)將討論過(guò)采樣，在一些情況下，在獲得數(shù)據(jù)之后可以增強(qiáng)距離圖像以及相關(guān)的強(qiáng)度圖像的空間分辨率。這對(duì)于由激光雷達(dá)陣列獲取的距離圖像和由故意過(guò)采樣的激光掃描儀獲取的距離圖像來(lái)說(shuō)都是正確的。用于距離圖像增強(qiáng)的算法類似于已經(jīng)用在數(shù)字?jǐn)z影中的算法。
10
假設(shè)o(x，y)表示與目標(biāo)相關(guān)的距離分布，并且假設(shè)r(x，y)表示與所述目標(biāo)的模糊圖像相關(guān)的距離分布。我們假設(shè)圖像所經(jīng)歷的模糊是線性的、空間不變的變換，可由一個(gè)已知的空間不變的點(diǎn)分布函數(shù)s(x，y)描述。那么目標(biāo)與圖像關(guān)聯(lián)由以下公式表示
權(quán)利要求
1.一種對(duì)目標(biāo)成像的方法，其包括 在成像平面中安裝檢測(cè)器陣列；將所述檢測(cè)器陣列中的每一個(gè)檢測(cè)器連接到具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)插器的計(jì)時(shí)電路，其中，每個(gè)內(nèi)插器包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)插器電路，其中每個(gè)內(nèi)插器電路以與其放電不同的速率對(duì)電容器充電；朝目標(biāo)傳輸光脈沖，以便所述光脈沖的一部分作為反射脈沖從所述目標(biāo)反射，其中，傳輸所述光脈沖包括記錄第一數(shù)值，其中所述第一數(shù)值表示所述光脈沖何時(shí)被朝所述目標(biāo)發(fā)射；檢測(cè)所述反射脈沖到達(dá)所述檢測(cè)器陣列中的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器，其中，檢測(cè)所述反射脈沖的到達(dá)包括測(cè)定表示所述反射脈沖的振幅的反射脈沖特征；以及記錄第二數(shù)值，其中，所述第二數(shù)值表示所述反射脈沖何時(shí)到達(dá)所述檢測(cè)器；以及以所述第一數(shù)值和第二數(shù)值以及所述反射脈沖特征的函數(shù)的方式測(cè)量到所述目標(biāo)的距離；其中記錄第二數(shù)值包括監(jiān)控所述檢測(cè)器以檢測(cè)所述反射脈沖何時(shí)超過(guò)閾值，記錄對(duì)應(yīng)于所述反射脈沖超過(guò)所述閾值的檢測(cè)時(shí)間，并且以所述反射脈沖特征的函數(shù)的方式修正所述檢測(cè)時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中測(cè)定反射脈沖特征包括在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)所述反射脈沖進(jìn)行積分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中測(cè)定反射脈沖特征包括檢測(cè)峰值振幅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中傳輸光脈沖包括將所述光脈沖的一部分指向檢測(cè)器，并且其中記錄第一數(shù)值包括檢測(cè)所述光脈沖的所述部分到達(dá)所述檢測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中傳輸光脈沖包括將共振器/衰減器連接到所述檢測(cè)器陣列并將所述光脈沖射入所述共振器/衰減器，以便所述共振器/衰減器向所述檢測(cè)器陣列傳輸兩個(gè)或更多個(gè)光脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中記錄第二數(shù)值包括在所述反射脈沖到達(dá)所述檢測(cè)器時(shí)啟動(dòng)所述內(nèi)插器電路中的一個(gè)，并且捕獲電路電壓，該電壓表示在隨后的時(shí)鐘沿上所述電容器上的電荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中啟動(dòng)所述內(nèi)插器電路中的一個(gè)包括以第一速率將該內(nèi)插器電路的電容器放電直到隨后的主時(shí)鐘的跳變。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中啟動(dòng)所述內(nèi)插器電路中的一個(gè)包括 以第一速率將該內(nèi)插器電路的電容器放電直到隨后的主時(shí)鐘的跳變；以及捕獲該內(nèi)插器電路的電容器兩端的電壓。
9.一種用于對(duì)目標(biāo)成像的裝置，包括 光源，其中該光源朝目標(biāo)發(fā)射光脈沖； 安裝在成像平面中的檢測(cè)器陣列；用于將每個(gè)光脈沖的一部分反射到所述檢測(cè)器陣列上的反射裝置； 連接到所述檢測(cè)器陣列、所述光源和所述反射裝置的計(jì)時(shí)電路，其中所述計(jì)時(shí)電路在所述反射裝置所反射的光脈沖的所述部分到達(dá)所述檢測(cè)器陣列時(shí)記錄表示所述光脈沖何時(shí)由所述光源發(fā)射的第一數(shù)值，并且其中所述計(jì)時(shí)電路在對(duì)應(yīng)于由所述對(duì)象反射的光脈沖的反射脈沖被所述檢測(cè)器陣列檢測(cè)到時(shí)記錄第二數(shù)值；以及連接到所述計(jì)時(shí)電路的處理器，其中該處理器以所述第一數(shù)值和第二數(shù)值以及表示所述反射脈沖的振幅的反射脈沖特征的函數(shù)的方式計(jì)算到所述目標(biāo)的距離；其中所述計(jì)時(shí)電路包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)插器，其中每個(gè)內(nèi)插器包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)插器電路，其中每個(gè)內(nèi)插器電路以與其放電不同的速率對(duì)電容器充電；并且其中記錄第二數(shù)值包括監(jiān)控所述檢測(cè)器以檢測(cè)所述反射脈沖何時(shí)超過(guò)閾值，記錄對(duì)應(yīng)于所述反射脈沖超過(guò)所述閾值的檢測(cè)時(shí)間，并且以所述反射脈沖特征的函數(shù)的方式修正所述檢測(cè)時(shí)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中每個(gè)內(nèi)插器電路包括 可以被設(shè)置成預(yù)定初始狀態(tài)的計(jì)時(shí)電容器；當(dāng)檢測(cè)到脈沖時(shí)，用于以第一預(yù)定速率對(duì)所述電容器充電的裝置；以及用于以第二預(yù)定速率對(duì)所述電容器放電直到所述電容器返回到其初始狀態(tài)的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述計(jì)時(shí)電路包括用于存儲(chǔ)表示所述反射脈沖峰值的數(shù)值的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述計(jì)時(shí)電路包括用于存儲(chǔ)表示所述反射脈沖的積分的數(shù)值的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述檢測(cè)器陣列還包括用于在所述激光器和檢測(cè)器陣列之間耦合共振器/衰減器的裝置。
全文摘要
一種對(duì)目標(biāo)成像的系統(tǒng)和方法。在成像平面中安裝檢測(cè)器陣列。所述陣列檢測(cè)器中的每個(gè)檢測(cè)器都連接到具有內(nèi)插器的計(jì)時(shí)電路，其中所述內(nèi)插器包括以與放電不同的速率對(duì)第一電容器充電的第一電路。光脈沖朝目標(biāo)傳輸，以便所述光脈沖的一部分作為反射脈沖從所述目標(biāo)反射，并且記錄表示何時(shí)所述光脈沖朝所述目標(biāo)傳輸?shù)牡谝粩?shù)值。所述反射脈沖在一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器上被檢測(cè)，并且記錄所述脈沖的脈沖特征和表示何時(shí)所述反射脈沖到達(dá)所述檢測(cè)器的第二數(shù)值。然后以所述第一和第二數(shù)值以及反射脈沖的特征的函數(shù)的方式計(jì)算到所述目標(biāo)的距離。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102426364SQ201110240938
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
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