用于光子计数像素阵列的实时噪声检测方法和系统与流程

用于光子计数像素阵列的实时噪声检测方法和系统
交叉引用和优先权要求
1.本专利文件要求享有于2020年10月5日提交的第17/062,856号美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文件。


背景技术：

2.近来，在包括全自动车辆(av)和高级驾驶辅助系统(adas)两者在内的交通工具中的自主性的发展已导致对高速三维(3d)成像技术的需求增加，该技术可以在高度动态的环境中检测物体的位置和细节。光检测和测距(lidar)系统已成为用于自主车辆应用的极其重要的成像技术，因为与其他方法(例如，雷达和超声波)相比，其为3d成像提供了最大的范围和最高的分辨率。lidar系统是一种传感器，其向周围环境发射光并检测从诸如景观、行人、结构和车辆(即，移动的行为者或固定的物体)的物体的反射光。
3.确定此类物体位置的一种方法是通过飞行时间(tof)，其中光脉冲从传感器发射，并且到目标的距离由反射脉冲的往返时间确定，因为光速是恒定的。这些基于时间的数据被收集并且被用于生成lidar空间点云，该空间点云是空间中周围环境的三维(3d)表示，被描绘为沿着竖直轴、水平轴以及纵轴的离散点。对于在点云中生成的每个点，收集数据的直方图，其中检测器对脉冲发射后直到与由系统参数设置的最大可测量距离对应的时间为止的时间期间发生的所有响应进行采样。直方图是通过对返回脉冲强度进行采样并且记录反射的脉冲返回检测器的时间而形成的。
4.lidar系统分析器的工作是调查基于时间的直方图，并辨别哪些强度峰值来自真实目标，即，是信号，以及哪些来自噪声源。并非所有由lidar系统接收到的光都是lidar系统最初生成的反射光。各种各样的噪声源能够干扰lidar系统，其中包括外部噪声源(诸如太阳背景和其他光源)以及在lidar系统本身内生成的固有噪声。固有噪声通常包括任何不是由直接光子接收引起的信号(雪崩计数)。固有噪声的示例类型包括暗计数噪声和串扰。
5.最近，利用盖革模式的雪崩光电二极管(gmapd)的lidar系统的改进允许单光子计数，并且与使用对于可测量的响应需要多光子的线性模式雪崩光电二极管(apd)的传统lidar系统相比，能够提供增加的光检测灵敏度。准确的噪声表征在使用盖革模式光电二极管检测器的lidar系统中甚至更为关键，因为更高的灵敏度固有地伴随着来自周围环境和系统本身的更高的噪声成分。准确确定基于时间的强度直方图中的噪声成分对于实现高信噪比或者对于容忍较低的信噪比以及准确创建在lidar系统周围的空间中的3d点云至关重要。对于自主车辆的情况，由于lidar系统在高度动态和不断变化的环境中移动，因此必须以高速方式分析该噪声表征。
6.盖革模式检测器的固有噪声包括诸如暗计数率、后脉冲以及早期火(early fire)的噪声源，这些噪声源可能发生在各个检测器内。此外，由于盖革模式lidar系统部署有间距紧密的像素的高密度阵列以获得更好的空间分辨率，因此相邻像素之间的固有噪声干扰(即，串扰)的表征对于正确分析和实现更高的信噪比更为重要，以便以更高的空间分辨率进行更大范围的检测。
7.本文描述了旨在解决布置在高密度像素阵列中的盖革模式雪崩光电二极管像素的固有噪声源的实时原位表征和/或与其相关的其他问题的方法和系统。


技术实现要素：

8.一种单光子计数传感器阵列包括：一个或多个发射器，该发射器被配置为发射多个能量脉冲；以及检测器阵列，该检测器阵列包括多个像素。每个像素包括一个或多于一个检测器，多个所述一个或多于一个检测器被配置为接收反射的由一个或多个发射器发射的能量脉冲。掩膜材料被定位为覆盖多个像素的部分检测器而非全部检测器，以产生被阻挡的像素和未被阻挡的像素，使得防止每个被阻挡的像素检测反射的能量脉冲。
9.一种可以与传感器阵列一起操作的系统包括处理器和编程指令，以接收由被阻挡的像素和未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据，并且将被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较，以确定检测器阵列中的固有噪声的测量结果。
10.在各种实施例中，单光子计数传感器阵列可以是系统中的光检测和测距(lidar)系统的元件，其中检测器阵列中相邻像素的中心点之间的距离小于串扰长度。
11.在各种实施例中，每个检测器可以包括光电传感器，该光电传感器具有：p型半导体材料的表面区，被定位为接收光；n型半导体材料的漂移区；以及导电迹线，该导电迹线连接到表面区并被定位为用作光电传感器的阳极。检测器阵列可以包括其上定位有光电传感器的基板。基板可以被配置为用作光电传感器中的每个光电传感器的阴极。每个被阻挡的像素可以具有定位于其表面区上方的掩膜材料，以阻挡光进入被阻挡的像素。
12.在各种实施例中，检测器阵列可以包括基板，该基板被配置为用作光电传感器中的每个光电传感器的阴极。光电传感器中的每个光电传感器可以包括金属窗，该金属窗延伸穿过基板并被配置为接收光进入光电传感器。n型半导体材料区可以连接到每个光电传感器的金属窗。p型半导体材料区可以连接到每个光电传感器的n型半导体材料区。导电迹线可以连接到每个光电传感器的p型半导体材料区并定位为用作该光电传感器的阳极。掩膜材料可以被定位为覆盖每个被阻挡的像素的金属窗。
13.在各种实施例中，当将由被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较，以确定检测器阵列中的固有噪声的测量结果时，系统可以：(i)识别包括检测器阵列中的一组像素的超像素；(ii)确定由超像素接收的总光子计数率；(iii)确定由超像素的未被阻挡的像素接收的雪崩计数率；并且(iv)将噪声的测量结果确定为总光子计数率和由超像素的未被阻挡的像素接收到的雪崩计数率的函数。可选地，函数可以是：
[0014][0015]
其中：
[0016]
λ＝由超像素接收的雪崩计数率；
[0017]
＝在光电传感器i处由反射信号光子产生的光子计数率；
[0018]
＝由背景信号光子产生的光子计数率(即，在检测器i处)；
[0019]
＝检测器i的固有噪声的雪崩计数率；以及
[0020]
β＝光子检测效率。
[0021]
在各种实施例中，系统可以包括数据记录器，该数据记录器被配置为接收来自像素的信号并且存储与接收到的信号对应的特性数据。
[0022]
可选地，掩膜材料可以由金属形成。
[0023]
在各种实施例中，系统可以被配置为通过监测来自被阻挡的检测器的测量的噪声的空间变化、或者时间变化、或空间变化和时间变化两者来测量检测器阵列的健康状况。此外或者替代地，系统可以被配置为应用表征函数来在强度估计中估计由串扰引起的测量偏差量。
附图说明
[0024]
图1示出了lidar系统的示例性部件。
[0025]
图2是用于lidar系统的示例性检测器阵列，其中光通过检测器阵列的前(阳极)侧被接收。
[0026]
图3示出了可以在诸如图2的检测器阵列中使用的示例性被掩膜的像素和示例性未被掩膜的像素。
[0027]
图4是用于lidar系统的示例性检测器阵列，其中光通过检测器阵列的后(阴极)侧被接收。
[0028]
图5示出了可以在诸如图4的检测器阵列中使用的示例性被掩膜的像素和示例性未被掩膜的像素。
[0029]
图6是示出确定在检测器阵列中的固有噪声的处理的流程图。
[0030]
图7进一步示出了在图6的噪声估计和信号处理阶段中执行的某些信号处理步骤。
[0031]
图8是示出了av和/或外部电子设备的可能的电子子系统的各种元素的框图。
具体实施方式
[0032]
除非上下文另有明确规定，否则在本文中使用的单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该”包括复数引用。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员惯常理解的相同含义。如本文所用，术语“包括”是指“包括但不限于”。与本文相关的其他术语的定义包括在本具体实施方式的末尾。
[0033]
图1示出了可以用于各种实施例的示例lidar系统101。如图1所示，lidar系统101包括壳体105，其可以绕中心轴(诸如中心(hub)或轴118)360
°
旋转。壳体可以包括由透光的材料制成的发射器/接收器孔111。尽管如图1所示的示例具有单个孔，但是在各种实施例中，可以提供多个用于发射和/或接收光的孔。无论哪种方式，在壳体105旋转时，系统能够通过一个或多个孔111发射光，并接收朝向一个或多个孔111反射回的反射光。在可替代的实施例中，壳体105的外壳可以是固定的圆顶，至少部分由透光的材料制成，在壳体105内部带有可旋转的部件。
[0034]
在旋转外壳或固定圆顶内部是光发射器系统104，其被配置和定位为经由一个或多个激光发射器芯片、一个芯片上的发射器阵列、或其他发光器件生成并通过孔111或通过壳体105的透明圆顶发射光脉冲。发射器系统104可以包括任意数量的单独的发射器，包括
例如但不限于8个发射器、64个发射器或128个发射器。发射器可以发出强度基本相同或强度变化的光。lidar系统还会包括光检测器108，其包含光电检测器或光电检测器阵列，该光电检测器或光电检测器阵列被定位和配置为接收反射回系统中的光。发射器系统104和检测器108将随着旋转外壳而旋转，或者它们在壳体105的固定圆顶内旋转。一个或多个光学元件结构109可以被定位在发光单元104和/或检测器108的前面，以作为对穿过光学元件结构109的光进行聚焦并引导的一个或多个透镜或波片。
[0035]
lidar系统将包括为激光发射器单元104、电机、以及电子部件提供电力的电力单元121。lidar系统还会包括分析器115，该分析器115带有诸如处理器122和非暂时性计算机可读存储器123的元件，该存储器包含编程指令，这些指令被配置为使系统能够接收由光检测器单元收集的数据，对其进行分析以测量接收到的光的特性，并生成信息，连接的系统可以使用该信息来做出有关在收集数据的环境中操作的决策。可选地，分析器115可以如所示与lidar系统101集成，或者其部分或全部可以位于lidar系统外部并且通过有线或无线通信网络或链路通信地连接到lidar系统。
[0036]
本文描述了可以与单光子计数像素阵列一起使用的噪声补偿方法和系统。单光子计数像素阵列可以用于诸如上述的lidar系统，特别是在使用gmapd作为传感器的lidar系统中。然而，下面描述的方法和系统不限于lidar系统，还可以用于x射线检测器和其他使用单光子计数像素阵列和其他类型的像素阵列作为检测器的传感系统中。
[0037]
如上面的背景技术部分所述，在lidar系统内生成的固有噪声会导致不是来自从预期目标反射的光脉冲的计数。固有噪声能够由各种因素引起，包括材料质量和像素之间的串扰。固有噪声也能够随其中使用系统的区域的温度、湿度或其他环境条件而变化。准确、实时的噪声表征可以有助于将真实信号计数率与噪声计数率分开，从而改进系统性能。
[0038]
例如，盖革模式检测系统的暗计数率(dcr)是在像素上没有任何入射光的情况下的登记的计数(即雪崩事件)的平均率，因此代表固有噪声成分。检测系统的dcr是对器件施加的偏压的函数，其中施加的偏压超过击穿电压(vbr)越高，dcr越高。此外，对于在相当大的空间区域中延伸的各孤立像素的阵列，会存在vbr和dcr的变化，从而这些变化在整个像素阵列中产生噪声变化。单光子检测器的灵敏度是其像素的dcr的函数，因为这决定了能够对检测器施加多少“过偏压”，并且仍然保持可用的信噪比。
[0039]
下面的方法提供了一种实时检测和可选地补偿孤立像素中的固有噪声的方法。通过这种方式，可以在不进一步增加偏压的情况下或者通过在较高偏压下增加信噪比，改进系统的灵敏度，从而提高性能。
[0040]
图2是示例性前侧检测器阵列200的前视图，该阵列包括用于lidar系统的n x 2像素。(在此上下文中，“前”侧是检测器阵列200包括阳极的一侧。在该实施例中，阳极被定位为从lidar系统面向外，以便其接收反射光)。每个像素201包括用作光电检测器的有源区，并且每个像素通过导电(通常是金属)迹线203连接到阳极触点。大多数像素是未被掩膜的，这意味着它们的光电检测器被曝露并接收反射能量，正如在这样的阵列中预期的那样。然而，像素的子集及其导电迹线将由掩膜覆盖，该掩膜阻挡光电检测器接收反射能量。(图2将几个示例性未被掩膜的像素指定为201a，将被掩膜的像素(也称为被阻挡的像素)指定为201b。其还将示例性未被掩膜的迹线指定为203a，将被掩膜的迹线指定为203b。)掩膜可以由金属形成，诸如典型的金属堆叠，诸如ti/pt/au、ni、cr、w、或任何有效阻挡具有关注的波
长的光通过的材料。在lidar系统中，关注的波长可以是紫外(uv)区域(即，180-480nm)的波长，以及可选地是可见光区域(即，400-700nm)的波长，以及可选地是近红外(ir)区域(即，700-2000nm)的波长。如图2所示的被阻挡的检测器的空间分布只是示例；其他布置是可能的。
[0041]
每个掩膜将覆盖像素的整个有源(光敏)区，并且每个掩膜可以在晶片制造过程期间形成。掩膜也可以与金属迹线同时形成。掩膜可以应用于以任何布置的阵列中的各种位置，诸如行或列中的每第n个像素，或者甚至以随机布置。
[0042]
在如图2所示的布置中，被掩膜的像素将与其相邻像素同等地被偏压，但将不能接收来自外部光的直接光学输入。因此，由任何被掩膜的像素生成的任何计数都必定仅来自于固有噪声，诸如材料缺陷和来自相邻像素的串扰。这种对任何有源像素的噪声测量可以用于调整由相邻像素接收到的信号的值、或接收到的所有信号的值，以提供实时噪声抑制。
[0043]
图3示出了检测器阵列的基板311上的未被掩膜的像素201a和被掩膜的像素201b的元件。p型半导体材料的表面区312a定位于光电检测器的顶部，形成保持在反向偏压的p-n结。在盖革模式雪崩光电二极管中，反向偏压保持在高于击穿电压vbr的值。位于p型区312a正下方的漂移层313a延伸几微米，并担当放大来自吸收体区的受激载流子的倍增区。基板311可以由n型半导体材料形成，并用作每个像素的n+阴极。盖革模式器件也可以使用p型基板和在顶部形成有n+区的漂移区以相反的极性形成。
[0044]
参照未被掩膜的像素201a，入射光子351a穿过像素的顶部、p区和漂移层，直到其到达吸收体314a，该吸收体是带隙能量低于入射光子能量的半导体材料(如用于近红外光子的ingaas)。在吸收体中，光子生成激子316a(即，电子-空穴对)。生成的载流子由施加的电场以相反的方向加速，其中一个载流子316a(在这种情况下为空穴)漂移到倍增区313a。一旦载流子到达倍增区，载流子通过冲击电离诱发电子雪崩，并且发生放大以产生通过金属迹线317a测量的可测量电流，该迹线从p型半导体材料的表面区312a引到读出集成电路(roic)(未示出)。
[0045]
对于图3中的极性情况，接触迹线317a用作检测器的阳极，并且可以由金属或任何对于半导体晶片工艺典型的合适导电材料制成。像素阵列和基板311的整个表面涂有抗反射介电涂层319a，该涂层还用作电绝缘钝化层，以防止电流在接触迹线317a与p区312a中的半导体材料相遇的点以外的任何点离开检测器。抗反射涂层可以使用诸如在光电二极管表面上沉积薄氧化物或氮化物层的工艺来形成，该工艺适于在施加的反向偏压下钝化像素表面，并防止从阳极到阴极的任何显著电流泄漏。
[0046]
参考未被掩膜的像素201a，由于冲击电离和雪崩过程，产生了固有噪声的基本来源。该过程还在漂移层材料的较高带隙能量下(例如，对于近红外状态的inp，eg＝l.33ev)诱发发光315。这些较高能量光子在所有方向上散射，并且能够传播到相邻像素的吸收体层314b并产生不期望的激子316b，以及这些像素中不期望的计数，即噪声。这种现象是串扰的形式，是盖革模式光电检测器中生成的固有噪声的基本成分，并且随着像素越来越接近，通过降低任何特定像素的信噪比而限制了像素间距可以多紧密。此外，由雪崩事件产生的漂移层发光可以诱发级联效应，因为不期望的激子316b也在相邻像素中产生雪崩，从而产生更多的发光事件。这种级联固有噪声源如果足够强大，则能够在整个紧密间距的像素阵列中传播。
[0047]
与未被掩膜的像素201a类似，被掩膜的像素201b包括p-型半导体材料的表面区312b、n型半导体材料的漂移区313b、抗反射涂层319b以及通向roic(未示出)的导电接触迹线317b。然而，像素201b的暴露表面(包括表面区312b和导电接触迹线317b)涂有掩膜320，该掩膜320阻挡光351b到达光电检测器的吸收体区314b。入射光子在掩膜材料中被吸收并反射出去。由于没有光到达有源区，因此通过被掩膜的像素201b的导电迹线317b发出的唯一信号将是从固有噪声(包括材料缺陷和串扰)产生的信号。
[0048]
图4示出了用于lidar系统的后侧检测器阵列400的示例，该阵列包括n x n像素。(在此上下文中，“后”侧是检测器阵列400的包括基板411并且用作阴极的一侧，光电检测器制造在该基板上。在该实施例中，阴极被定位为从lidar系统面向外，以便其接收反射光)。每个像素401包括用作光电检测器的有源区，并且每个像素通过带有延伸到阴极的朝外侧的“窗”403的金属层连接到阴极，以接收和检测光。与图2的实施例相同，在图4的实施例中像素的光接收区的子集将由诸如上述材料制成的光阻挡掩膜420覆盖。
[0049]
图5示出了在诸如图4所示的后侧检测器阵列的基板511上几个未被掩膜的像素501a和被掩膜的像素501b的元件。该实施例中使用的材料可以包括上述图3的上下文中描述的任何那些。在该变型中，所有像素可以具有相同的结构，具有p型半导体材料的表面区512的光电检测器定位于光电检测器的底部以用作阳极，并且n型半导体材料的区域513定位于p型半导体512和n+基板511之间以提供保持在反向偏压下的p-n结。电流由光电检测器的p型半导体材料的表面区452通过导电接触迹线517提供，该迹线从p型半导体材料的区域512引到roic533。基板511表面的整个光电检测器和器件侧涂有抗反射介电涂层519，该涂层覆盖除迹线517与p区512接触的地方以外的所有区域，如上针对图3所述，用于钝化目的。掩膜材料520可以涂覆在基板511上以阻挡被掩膜的像素501b的光接收区。掩模520可以是背面金属，也可以是阴极。由于没有光到达有源区，因此经由被掩膜的像素501b的导电迹线发射的唯一信号会是从诸如上述dcr和串扰等的固有噪声产生的信号。如图3中所述，雪崩事件在漂移层材料的较高带隙能量下诱发发光515(例如，对于近红外状态，磷化铟(inp)的eg＝1.33ev)。这些较高能量的光子在所有方向散射，并且能够传播到相邻像素的吸收体层414并产生不期望的激子516，以及这些像素中不期望的计数，即噪声。
[0050]
诸如以上所述的部分被掩膜的光子计数像素阵列可以用于确定在任何给定时间点在阵列中的固有噪声。由未被阻挡(未被掩膜)的检测器生成的信号是与多个源相关联的复合信号，包括反射脉冲信号、太阳噪声以及固有检测器噪声。由被阻挡(被掩膜)的检测器生成的信号即使不是完全，也应该基本上是固有噪声的结果。该信号的空间特性(即，噪声在阵列中的位置)能够用于更好地过滤局部信号，提高局部信噪比并提高检测器灵敏度。该信号的时间特性(即，其被检测到的时间)能够用于将材料驱动的dcr与串扰去耦合，因为dcr通常具有非时间统计特性，而串扰可能具有非平稳的时间特性。原位噪声监测器允许像素的紧密间距，以提高lidar系统的空间分辨率，并用于解决如光晕(blooming)或来自高反射物体(如道路标志中使用的逆向反射器)的强烈反射的级联串扰等影响。
[0051]
为此，系统可以测量各个像素的噪声，如上所示。或者，其可以识别任意数量的相邻像素的集群(在本文中称为“超像素”，其是n x n像素阵列，这是整个检测器阵列的子集)。参见图6，每个超像素601a...601k包括相邻像素的集群，该集群包括至少一个未被阻挡(未被掩膜)的像素612和至少一个被阻挡(被掩膜)的像素613。该系统可以包括信号处理
链608，其接收每个像素和/或超像素的输出，并从像素的读数中生成lidar直方图或其它传感器数据。该信号处理链608可以包括通常在自主车辆或其它现在或以后已知的lidar和其它单光子计数检测系统中使用的硬件和编程指令。然而，该系统还包括噪声估计模块607，该模块包括处理器、存储器和编程指令，用于估计每个超像素中的固有噪声。噪声估计模块607的处理器和存储器可以与信号处理链608和/或图1的lidar系统中使用的相同，或者可以包含单独的硬件和/或软件元件。
[0052]
为了确定单个像素或超像素的固有噪声率，系统可以采用描述由未被阻挡(未被掩膜)检测器生成的复合信号的函数：
[0053]
其中：
[0054]
λ＝由超像素接收的雪崩计数率；
[0055]
＝在检测器i处由反射信号光子产生的光子计数率；
[0056]
＝在检测器i处由背景信号光子(即，环境光和散射光)产生的光子计数率；
[0057]
＝检测器(i)的固有噪声的雪崩计数率(例如，暗计数率(dcr)和来自其他检测器的串扰；以及
[0058]
β＝光子检测效率，入射光子将产生光载流子和持续雪崩的概率。
[0059]
光子检测效率β是由于量子效率、击穿概率、填充因子以及在吸收层上方的层的反射和吸收特性的组合效率。ingaas器件的典型量子效率约为80％至90％，而β仅为20％-30％的量级。量子效率是入射在有源区的光子被转换为激子对(即，电子和空穴对)的概率。除了暗电流载流子之外，这些光生载流子也被称为主载流子，它们有可能通过放大阶段并被记录为计数。在盖革模式下，反向偏压是高于击穿电压的电压，以在半导体器件中产生非常高的增益(》》1)区域。这些主载流子中的一小部分导致雪崩事件，数字计数器存储该事件的到达时间。该小部分由击穿概率确定。
[0060]
雪崩计数率类似于盖革模式apd的一阶固有噪声，并且不包括如后脉冲和早期火的效应，这些效应被假定为被阻挡足够长的保持时间，即，在计数已被登记后重新设置像素之前的时间。
[0061]
如果将上述等式应用到各个像素，则噪声估计模块601可以识别并确定其对总复合雪崩计数率λ的影响。
[0062]
固有噪声率的确定不限于上述特定模型。可以采用包括非线性模型在内的其他模型。
[0063]
图7是对图6的公开内容进行扩展的流程图，并且以框图功能描述了可以如何将被阻挡的像素信号与超像素中的剩余像素结合用于噪声估计的示例的各种处理步骤。其还描绘了如何在典型的lidar信号处理链中使用此信息。
[0064]
在噪声估计阶段607，通过存在被阻挡的像素而实现的一种能力是表征超像素中
的串扰的能力。通过应用模式匹配例程，或使用有源像素信号和被阻挡的像素信号之间的互相关技术，以获得来自任何未被阻挡的像素的特定样本(即，在特定时间戳的光子计数)是串扰事件而不是稳态噪声(即，dcr)的结果的分数(即，概率值)，来完成串扰估计。该操作通过串扰分析阶段701使用有源像素数据702和被阻挡的像素信号数据703进行，如图所示，这些数据可以从存储器中检索。然后，将汇总的样本(来自被阻挡的像素和有源像素)与其相应的分数一起传递给分类器704，该分类器旨在将这些样本分为两个流：一个流705由串扰引起的样本组成，另一个流是由均匀噪声(如，背景光和暗计数噪声)引起的样本流706。
[0065]
预期由均匀噪声引起的样本具有稳态的统计特性，即它们是时不变的，并且能够有效地用在估计该特定超像素中的暗计数率中(通过使用仅从被阻挡的像素获得的那些样本)。从该超像素和其他超像素汇总该暗计数率估计值将得到整个检测器阵列上的暗计数率的空间分布图(profile)，其可由健康状况监测功能707使用来判断检测器阵列的健康状况。如果该暗计数率的空间变化、时间变化或这两者超过特定的容限裕度，则认为检测器阵列有缺陷。
[0066]
在信号处理级608，图7示出了在典型lidar信号处理链中被阻挡的像素信号的应用。该链将像素样本的直方图711作为输入。然后，将直方图传递到检测阶段722，检测阶段722旨在识别直方图711中预期具有潜在物体的特定区域。该区域用直方图711的灰色条标记。一旦直方图的该部分被隔离(参见714)，其就被传递到波形分析阶段723，该阶段在直方图的该区域上执行准确的距离估计和反射脉冲强度估计。
[0067]
被阻挡的像素使得能实现串扰和稳态噪声分类，其能够在信号处理链中如下利用：由稳态噪声估计阶段607获得的准确噪声估计被馈送到检测722中，因为其直接用作检测阈值。串扰样本具有时间统计特征，这些特征可以通过表征函数708来表征，以估计由串扰引起的强度估计中的测量偏差(放大)量，并在波形分析阶段723中对此进行补偿。
[0068]
此外，当接收到反射信号时，系统可以将确定的固有噪声与信号算法输出进行比较，以确定接收的信号是否仅是噪声，或者其是否包括反射信号加噪声。
[0069]
当分析波形时，lidar系统可以测量接收到的光子计数(脉冲强度)。噪声可以放大强度测量结果。通过测量噪声对信号内容的贡献，系统可以校正脉冲强度估计的偏差。
[0070]
最后，如上面在图7的讨论中所解释的，系统可以通过监测来自被阻挡的检测器的测量噪声的空间变化来测量lidar检测器阵列的健康状况。
[0071]
上述系统和方法可以在各种类型的lidar系统中是有用的，并且在像素密度小于串扰长度的系统中特别有用。例如，参照图2的示例性检测器阵列200，如果阵列的像素间距(即，相邻像素的中心点之间的距离)为5mm或以下，则使用如上所述的掩膜能够具有串扰长度为5mm或以上的显著值。
[0072]
例如，在一些实施例中，上述系统可以与自主车辆的lidar系统一起使用。例如，图8示出了用于车辆(诸如自主车辆)的示例系统架构800。车辆包括发动机或电机802以及各种传感器，用于测量车辆和/或其环境的各种参数。两种类型的车辆共有的操作参数传感器包括，例如：位置传感器836，诸如加速度计、陀螺仪和/或惯性测量单元,；速度传感器838；以及里程表传感器840。车辆还可以具有时钟842，系统使用该时钟在操作期间确定车辆时间。时钟842可以被编码到车辆车载计算设备中，其可以是单独的设备，或者可以用多个时钟。
[0073]
该车辆还将包括各种传感器，这些传感器操作以收集有关车辆在其中行驶的环境的信息。这些传感器可以包括例如：位置传感器860，例如全球定位系统(gps)设备；物体检测传感器，诸如一个或多个相机862；lidar传感器系统864；和/或雷达和/或声纳系统866。传感器还可以包括环境传感器868，诸如降水传感器和/或环境温度传感器。物体检测传感器可以使车辆能够检测在任何方向上在车辆899的给定距离范围内的物体，而环境传感器收集关于车辆的行驶区域内的环境条件的数据。该系统还将包括一个或多个用于捕获环境图像的相机862。
[0074]
在操作期间，信息从传感器传达到车载计算设备820。车载计算设备820可以包括处理器851和存储器设备852，该存储器设备852具有编程指令，该编程指令在被执行时，使处理器851分析由传感器捕获的数据，并可选地基于分析结果控制车辆的操作。例如，车载计算设备820可以经由制动控制器822来控制制动；经由转向控制器824来控制方向；经由油门控制器826(在汽油动力车辆中)或电机速度控制器828(诸如在电动车辆中的电流电平控制器)；差速器控制器830(在带有传动装置的车辆中)；和/或其他控制器来控制速度和加速度。车载计算设备820还可以执行上述图6和图7的信号处理功能和/或噪声估计功能。车载计算设备820的存储器设备852或系统中的另一个存储器设备(诸如lidar系统的存储器设备)可以提供数据记录器的功能，该数据记录器被配置为接收来自像素的信号并存储与接收到的信号对应的特性数据。
[0075]
地理位置信息可以从位置传感器860传达到车载计算设备820，该车载计算设备820然后可以访问与位置信息对应的环境的地图，以确定环境的已知固定特征，诸如街道、建筑物、停车标志和/或停止/前进信号。从相机862捕获的图像和/或从诸如lidar系统864的传感器捕获的物体检测信息，从这些传感器传达到车载计算设备820。物体检测信息和/或捕获的图像可由车载计算设备820处理以检测车辆800附近的物体。额外地或替代地，av可以将任何数据传输到外部服务器进行处理。任何已知的或将要已知的用于基于传感器数据和/或捕获的图像进行对象检测的技术都能够用于本文公开的实施例中。
[0076]
在本文讨论的各种实施例中，描述可以说明车辆或车辆的车载计算设备可以实现编程指令，编程指令使车辆的车载计算设备做出决策并使用决策来控制一个或多个车辆系统的操作。然而，实施例不限于这种布置，因为在各种实施例中，分析、做决策和/或操作控制可以全部或部分地由与车辆的车载计算设备进行电子通信的其它计算设备处理。这种其它计算设备的示例包括与乘坐车辆的人相关联的电子设备(诸如智能手机)，以及经由无线通信网络与车辆进行电子通信的远程服务器。任何此类设备的处理器都可以执行下面将讨论的操作。
[0077]
本文中描述的处理和操作步骤也可以由计算机程序产品指导，该产品包括存储编程指令的存储器，编程指令在被执行时，将使一个或多个处理器执行上述任何功能。
[0078]
与以上提供的公开相关的术语包括：
[0079]
术语“车辆”是指能够运载一名或多名人类乘客和/或货物并由任何形式的能量提供动力的任何移动运输形式。术语“车辆”包括但不限于汽车、卡车、货车、火车、自主车辆、飞机、空中无人机等。“自主车辆”是具有处理器、编程指令和传动系部件的车辆，这些部件可由处理器控制，无需人工操作员。自主车辆可能是完全自主的，在于对于大多数或所有的驾驶条件和功能不需要人工操作员，或者可以是半自主的，在于在某些条件下或在某些操
作中可能需要人工操作员，或者人工操作员可以超控(override)车辆的自主系统并可以取得车辆的控制权。自主车辆还包括自主系统增强车辆人类操作的车辆，诸如带有驾驶员辅助转向、速度控制、制动、停车以及其他系统的车辆。
[0080]
如本文中所使用的，术语“光”是指与光学频率相关联的电磁辐射，例如，紫外线、可见光、红外和太赫兹辐射。示例性光发射器包括激光发射器和其他发射会聚光的发射器。在本文中，术语“发射器”将用于指光的发射器，诸如发射红外光的激光发射器。
[0081]“电子设备”或“计算设备”是指包括处理器和存储器的设备。每个设备可以具有其自己的处理器和/或存储器，或者处理器和/或存储器可以与其他设备共享，如虚拟机或容器装置中那样。存储器将包含或接收编程指令，该编程指令当由处理器执行时，使电子设备根据编程指令执行一个或多个操作。
[0082]
术语“存储器”、“存储器设备”、“数据存储”、“数据存储设施”等均指其上存储计算机可读数据、编程指令或这两者的非暂时性设备。除非另有特别说明，否则术语“存储器”、“存储器设备”、“数据存储”、“数据存储设施”等旨在包括单个设备实施例、多个存储器设备一起或集体存储一组数据或指令的实施例、以及此类设备内的单独扇区。
[0083]
术语“处理器”和“处理设备”是指电子设备的硬件部件，其被配置为执行编程指令，诸如微处理器或其他逻辑电路。处理器和存储器可以是微控制器、定制可配置集成电路、可编程片上系统或其他能够被编程以执行各种功能的电子设备的元件。除非另有特别说明，否则单数术语“处理器”或“处理设备”旨在包括单个处理设备的实施例以及其中多个处理设备一起或集体执行处理的实施例。
[0084]
本文可以互换使用术语“光电检测器”和“光电传感器”。这两个术语之间在含义上没有区别。
[0085]
以上公开的特性和功能以及替代方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。各种部件可以在硬件或软件或嵌入式软件中实施。本领域技术人员可以做出各种目前未预见或未预料到的替代、修改、变型或改进，其每个也旨在包含在所公开的实施例中。

技术特征：
1.一种单光子计数传感器阵列，包括：一个或多于一个发射器，被配置为发射多个能量脉冲；检测器阵列，包括多个像素，其中，每个像素包括一个或多于一个检测器，多个所述一个或多于一个检测器被配置为接收反射的、由所述一个或多于一个发射器发射的能量脉冲；以及掩膜材料，被定位为覆盖所述多个像素的部分检测器而非全部检测器，以产生被阻挡的像素和未被阻挡的像素，使得防止每个被阻挡的像素检测反射的能量脉冲。2.根据权利要求1所述的系统，还包括；处理器；以及存储器，包含编程指令，所述编程指令被配置为指令所述处理器：接收由所述被阻挡的像素和所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据，并且将由所述被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较，以确定所述检测器阵列中的固有噪声的测量结果。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单光子计数传感器阵列是如下系统中的光检测和测距lidar系统的元件：在所述系统中，所述检测器阵列中的相邻像素的中心点之间的距离小于串扰长度。4.根据权利要求1所述的系统，其中，每个检测器包括光电传感器，所述光电传感器包括：p型半导体材料的表面区，所述p型半导体材料的表面区被定位为接收光，n型半导体材料的漂移区，以及导电迹线，所述导电迹线连接到所述表面区并被定位为用作所述光电传感器的阳极；所述检测器阵列包括基板，光电传感器定位在所述基板上，其中，所述基板被配置为用作所述光电传感器中的每个光电传感器的阴极；并且每个被阻挡的像素具有定位于其表面区上方的掩膜材料，以阻挡光进入该被阻挡的像素。5.根据权利要求4所述的系统，其中：所述检测器阵列包括基板，所述基板被配置为用作所述光电传感器中的每个光电传感器的阴极；所述光电传感器中的每个光电传感器包括：金属窗，所述金属窗延伸穿过所述基板并被配置为接收进入所述光电传感器的光，n型半导体材料区，所述n型半导体材料区连接到所述金属窗，p型半导体材料区，所述p型半导体材料区连接到所述n型半导体材料区，以及导电迹线，所述导电迹线连接到所述p型半导体材料区并定位为用作所述光电传感器的阳极；并且所述掩膜材料被定位为覆盖每个被阻挡的像素的金属窗。6.根据权利要求2所述的系统，其中，被配置为指令所述处理器将由所述被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较以确定所述检测器阵列中的固有噪声的测量结果的所述编程指令包括用于以下指令：识别包括所述检测器阵列中的一组像素的超像素；
确定由所述超像素接收的总光子计数率；确定由所述超像素的未被阻挡的像素接收的雪崩计数率；并且确定噪声的测量结果为所述总光子计数率和由所述超像素的未被阻挡的像素接收到的所述雪崩计数率的函数。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述函数为：其中：λ＝由所述超像素接收的雪崩计数率；＝在光电传感器i处由反射的信号光子产生的光子计数率；＝由背景信号光子产生的光子计数率(即，在检测器i处；＝检测器i的固有噪声的雪崩计数率；以及β＝光子检测效率。8.根据权利要求1所述的系统，还包括数据记录器，所述数据记录器被配置为接收来自像素的信号并且存储与接收到的信号对应的特性数据。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述掩膜材料包括金属。10.根据权利要求2所述的系统，还包括附加编程指令，所述附加编程指令被配置为指令所述处理器通过监测来自被阻挡的检测器测量的噪声的空间变化、或时间变化、或空间变化和时间变化这两者来测量所述检测器阵列的健康状况。11.根据权利要求2所述的系统，还包括附加编程指令，所述附加编程指令被配置为指令所述处理器应用表征函数来在强度估计中估计由串扰引起的测量偏差量。12.一种操作单个光子计数传感器阵列的方法，所述方法包括：操作lidar系统，所述系统包括：一个或多于一个发射器，被配置为发射多个能量脉冲；检测器阵列，所述检测器阵列包括多个像素，其中，每个像素包括一个或多于一个检测器，多个所述一个或多于一个检测器被配置为接收反射的、由所述一个或多于一个发射器发射的能量脉冲，以及掩膜材料，所述掩膜材料被定位为覆盖所述多个像素的部分检测器而非全部检测器，以产生被阻挡的像素和未被阻挡的像素，使得防止每个被阻挡的像素检测反射的能量脉冲；并且由处理器：接收由所述被阻挡的像素和所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据，并且将由所述被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较，以确定所述检测器阵列中的固有噪声的测量结果。13.根据权利要求12所述的方法，其中：每个检测器包括光电传感器，所述光电传感器包括：
p型半导体材料的表面区，所述p型半导体材料的表面区被定位为接收光，n型半导体材料的漂移区，以及导电迹线，所述导电迹线连接到所述表面区并被定位为用作所述光电传感器的阳极；所述检测器阵列包括基板，光电传感器定位在所述基板上，其中，所述基板被配置为用作所述光电传感器中的每个光电传感器的阴极；并且每个被阻挡的像素具有定位于其表面区上方的掩膜材料，以阻挡光进入该被阻挡的像素。14.根据权利要求13所述的方法，其中：所述检测器阵列包括基板，所述基板被配置为用作所述光电传感器中的每个光电传感器的阴极；所述光电传感器中的每个光电传感器包括：金属窗，所述金属窗延伸穿过所述基板并被配置为接收进入所述光电传感器的光；n型半导体材料区，所述n型半导体材料区连接到所述金属窗；p型半导体材料区，所述p型半导体材料区连接到所述n型半导体材料区；以及导电迹线，所述导电迹线连接到所述p型半导体材料区并定位为用作所述光电传感器的阳极；并且所述掩膜材料被定位为覆盖每个被阻挡的像素的金属窗。15.根据权利要求12所述的方法，其中，将由所述被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较以确定所述检测器阵列中的固有噪声的测量结果包括：识别包括所述检测器阵列中的一组像素的超像素；确定由所述超像素接收的总光子计数率；确定由所述超像素的未被阻挡的像素接收的雪崩计数率；并且确定噪声的测量结果为所述总光子计数率和由所述超像素的未被阻挡的像素接收到的所述雪崩计数率的函数。16.根据权利要求15所述的方法，其中，函数为：其中：λ＝由所述超像素接收的雪崩计数率；＝在光电传感器i处由反射的信号光子产生的光子计数率；＝由背景信号光子产生的光子计数率(即，在检测器i处；＝检测器i的固有噪声的雪崩计数率；以及β＝光子检测效率。17.根据权利要求12所述的方法，还包括通过数据记录器：接收来自所述像素的信号；并且
存储与接收到的信号对应的特性数据。18.根据权利要求12所述的方法，还包括：通过所述处理器，通过监测来自被阻挡的检测器测量的噪声的空间变化、或时间变化、或空间变化和时间变化这两者来测量所述检测器阵列的健康状况。19.根据权利要求12所述的方法，还包括：通过所述处理器，应用表征函数来在强度估计中估计由串扰引起的测量偏差量。20.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储编程指令的存储器，所述编程指令在被执行时将使一个或多个处理器：操作lidar系统，所述系统包括：一个或多于一个发射器，所述发射器被配置为发射多个能量脉冲；检测器阵列，所述检测器阵列包括多个像素，其中，每个像素包括一个或多于一个检测器，多个所述一个或多于一个检测器被配置为接收反射的、由所述一个或多于一个发射器发射的能量脉冲，以及掩膜材料，所述掩膜材料被定位为覆盖所述多个像素的部分检测器而非全部检测器，以产生被阻挡的像素和未被阻挡的像素，以防止每个被阻挡的像素检测反射的能量脉冲；接收由所述被阻挡的像素和所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据，并且将由所述被阻挡的像素接收到的信号的特性数据与由所述未被阻挡的像素接收到的信号的特性数据进行比较，以确定所述检测器阵列中的固有噪声的测量结果。

技术总结
单光子计数传感器阵列包括：一个或多个发射器，被配置为发射多个能量脉冲；以及检测器阵列，该检测器阵列包括多个像素。每个像素包括一个或多于一个检测器，多个所述一个或多于一个检测器被配置为接收反射的、由一个或多个发射器发射的能量脉冲。掩膜材料被定位为覆盖多个像素的部分检测器而非全部检测器，以产生被阻挡的像素和未被阻挡的像素，使得防止每个被阻挡的像素检测反射的能量脉冲，从而每个被阻挡的像素只检测固有噪声。阻挡的像素只检测固有噪声。阻挡的像素只检测固有噪声。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：LG伊诺特有限公司
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2023/8/16