用于同时的范围和速度测量的基于相干接收器和多个激光器的互补调制的LIDAR系统技术方案

一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统和方法。该LIDAR系统可以包括被配置为从具有正频率扫描的第一激光束和具有负频率扫描的第二激光束生成激光场的激光器组(62)、光学组合器(65)、光学耦合器(63)、光接收器(66)和控制电路(69)。光学耦合器将激光场的第一部分指向目标，使得第一部分被目标反射到光学组合器。光学组合器可以光学地组合激光场的部分。根据激光场的光学组合的部分输出I

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于同时的范围和速度测量的基于相干接收器和多个激光器的互补调制的LIDAR系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请依据35 U.S.C.
§
119(e)要求于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEM BASED ON COMPLEMENTARY MODULATION OF MULTIPLE LASERS AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT的美国临时专利申请号62/669,803；于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEM BASED ON LIGHT MODULATOR AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT的美国临时专利申请号62/669,801；以及于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEM BASED ON MULTI-CHANNEL LASER MODULE FOR SIMULTANEOUS BEAM SCANNING OF TARGET ENVIRONMENT的美国临时专利申请号62/669,808的优先权，其中每个申请都通过引用整体并入本文。
[0003]本申请还与以下PCT申请相关，其中以下每个申请与本申请同时提交并且通过引用整体并入本文：代理人案号为1403106.00028，题为LIDAR SYSTEM BASED ON LIGHT MODULATOR AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT；以及代理人案号为1403106.00034，题为LIDAR SYSTEM BASED ON MULTI-CHANNEL LASER MODULE FOR SIMULTANEOUS BEAM SCANNING OF TARGET ENVIRONMENT。


[0004]本公开处于调频连续波(FMCW)光检测和测距(LIDAR)


技术介绍

[0005]一般而言，FMCW LIDAR系统通过测量来自本地路径和目标路径的光信号之间的干涉来感测范围。通过扫描激光的频率，干涉信号将成为频率与目标距离成比例的振荡。可以将FMCW激光器调制为以三角方式从较低频率到较高频率、然后从较高频率到较低频率的线性频率扫描。
[0006]移动的反射器可能导致所测量的频率与反射器的速度成比例地偏移。为了辨别反射器的距离和速度的影响之间的差异，可以测量正向激光扫描期间的干涉频率，然后测量负向频率扫描期间的干涉频率。
[0007]获得测量的速率可能是重要的，并且进行两次测量以获得速度的方法所花费的时间可能是仅测量范围的方法的两倍。因此，使用具有互补频率扫描的多个调频激光器的方法与区分互补频率扫描的方法相结合可以提高距离和速度LIDAR传感器的测量速率。区分互补频率扫描的方法解决了其中时间延迟和频移效应无法充分分离的模糊性问题。
[0008]此外，一般而言，FMCW LIDAR系统使用扫频(swept-source)激光器来测量距离和速度。反射信号的频率可能与目标的距离成比例。由于多普勒效应，移动目标偏移与目标的速度成比例的反射信号的频率，这可以同时被测量。
[0009]光束操纵模块可以扫描整个目标环境的激光束。在光学系统中具有多个激光通道可能涉及几个扫描元件来捕获更大的视场(FOV)。将允许几个激光束共享扫描元件的方案
可以帮助降低系统的复杂性和成本。通过在集成光子芯片上实现这种方案，将进一步降低系统成本。

技术实现思路

[0010]在一个总体方面，本公开涉及一种示例FMCW LIDAR系统，该系统使用激光器对阵列和相干接收器来同时检测范围和速度。在这个示例中，使用激光器对来创建探测场。在每对激光器中，一个被直接调制为具有增加的光频率，而另一个被直接调制为具有减少的光频率。其随后可以是由如下组成的干涉仪：沿着两条路径(一条“本地”路径和一条“目标”路径)发送光的分光器、被称为“90度光学混合器”的光学组合器、具有多个光电二极管的光接收器、以及用于信号处理的控制电路或计算机。90度光学混合器和多个光电二极管允许区分正拍频和负拍频。本公开可以使得FMCW LIDAR能够使用激光器对来生成和区分同时的激光频率扫描，这可以缩短进行范围和速度估计所需的测量时间。可以使用集成的光子学器件来实现系统的几个部分，包括分光器、组合器、扫描光学器件、传输光学器件、接收器光学器件和光接收器，以使系统紧凑。
附图说明
[0011]图1是根据本公开的一个方面的具有调制和检测的FMCW LIDAR系统的图。
[0012]图2是图示根据本公开的一个方面的激光频率随时间变化的曲线图，用于确定用于同时测量范围和速度的拍频。
[0013]图3是图示根据本公开的一个方面的使用光接收器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量随频率变化的曲线图。
[0014]图4是根据本公开的一个方面的包括N个激光器和Nx1非相干组合器的激光器组(bank)的图。
[0015]图5是根据本公开的一个方面的具有Nx1激光器组和相干检测的FMCW LIDAR系统的图。
[0016]图6是图示根据本公开的一个方面的激光频率随时间变化的曲线图，用于确定用于同时测量范围和速度的拍频。
[0017]图7是图示根据本公开的一个方面的使用光接收器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量结果随频率变化的曲线图。
[0018]图8A是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第一实现方式的图。
[0019]图8B是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第二实现方式的图。
[0020]图8C是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第三实现方式的图。
[0021]图9是根据本公开的一个方面的多通道FMCW LIDAR系统的图。
[0022]图10A是根据本公开的一个方面的其中单个扫描器引导多个激光束的光束操纵模块的第一示例的图。
[0023]图10B是根据本公开的一个方面的其中多个扫描器引导激光束的光束操纵模块的第二示例的图。
[0024]图11A是根据本公开的一个方面的在集成光子芯片上实现的多通道FMCW LIDAR收发器系统的图。
[0025]图11B是根据本公开的一个方面的在图11A所示的系统中使用的相干接收的第一示例的图。
[0026]图11C是根据本公开的一个方面的在图11A所示的系统中使用的相干接收的第二示例的图。
[0027]图12A是根据本公开的一个方面的被配置为在第一方向上从片上天线发射激光束的集成光子芯片的图。
[0028]图12B是根据本公开的一个方面的被配置为在第二方向上从片上天线发射激光束的集成光子芯片的图。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：激光器组，包括：第一激光器，被配置为输出具有正频率扫描的第一激光束；第二激光器，被配置为输出具有负频率扫描的第二激光束；其中激光器组被配置为从第一激光束和第二激光束生成激光场；光学组合器；耦合到激光器组的光学耦合器，所述光学耦合器被配置为：将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被所述目标反射到光学组合器；以及将激光场的第二部分直接指向光学组合器；其中光学组合器被配置为：接收反射的激光场的第一部分；以及对反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；耦合到光学耦合器的光接收器，所述光接收器被配置为根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；以及耦合到光接收器的控制电路，所述控制电路被配置为：根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；确定正频率值处的第一峰PSD；确定负频率值处的第二峰PSD；根据正频率值与负频率值之差确定标称PSD频率；以及根据正频率值与负频率值之和确定从所述标称PSD频率的频移；其中所述目标的距离对应于所述标称PSD频率；其中所述目标的速度对应于所述频移。2.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光接收器包括I-Q检测器。3.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。4.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学组合器包括光学混合器，所述光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。5.如权利要求4所述的LIDAR系统，其中光接收器包括四通道光接收器，所述四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。6.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学耦合器包括2x2耦合器。7.如权利要求1所述的LIDAR系统，还包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，所述目标臂组件被配置为将激光场的第一部分指向目标，并且将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器。8.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的扫描光学器件，所述扫描光学器件被配置为：
从循环器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到循环器。9.如权利要求8所述的LIDAR系统，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。10.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：从循环器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；接收从目标反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到循环器。11.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：2x2耦合器，被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到2x2耦合器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：从2x2耦合器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；接收从目标反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到2x2耦合器。12....

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：我们科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：