相干激光雷达中的受控扫描模式转变的制作方法

主题公开涉及相干激光雷达系统中的受控扫描模式转变。

车辆(例如，汽车、卡车、施工设备、农场设备、自动化工厂设备)越来越多地包括传感器，传感器获得关于车辆操作和车辆周围的环境的信息。一些传感器(诸如，相机、无线电探测和测距(雷达)系统、以及光探测和测距(激光雷达)系统)可以检测和追踪车辆附近的物体。相干激光雷达系统传输调频连续波(fmcw)光并且处理反射光束以确定关于目标的信息。通过确定车辆周围的物体的相对地点和航向，可以使车辆操作增强或者自动化以便提高安全性和性能。例如，传感器信息可以用于向车辆的驾驶员发出警报或者操作车辆系统(例如，防撞系统、自适应巡航控制系统、自主驾驶系统)。比如雷达系统和激光雷达系统等传感器可以在给定视场上执行扫描。在激光雷达系统的情况下，光束转向装置可以用于按照表示在视场上的粗扫描的模式来引导光束，一次传输一束光。如果在粗扫描期间检测到目标，则激光雷达系统然后可以减小执行精细扫描的区域。相应地，令人期望的是提供相干激光雷达系统中的受控扫描模式转变。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，一种相干激光雷达系统包括光束转向装置，该光束转向装置用于在视场内引导来自该系统的输出光。光束转向装置的第一系列位置在视场内限定出第一扫描模式，并且光束转向装置的第二系列位置在视场内限定出第二扫描模式。系统还包括控制器，控制器用于给光束转向装置提供转变位置以便将光束转向装置从第一扫描模式转变至第二扫描模式。转变位置遵循基样条(b-样条)函数。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于确定b-样条的节段n的数量来确定转变位置。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器通过在光束转向装置的速度不超过最大值的情况下基于该速度随着n的值减小而增加使n的值最小化来确定节段n的数量。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于确定结点的数量来计算b-样条函数。结点数量指示从第一扫描模式的最终位置到达第二扫描模式的初始位置所需要的方向变化的数量，第一扫描模式以位置矢量和速度矢量结束，并且第二扫描模式以位置矢量和速度矢量开始。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于速度矢量和速度矢量是否平行以及基于基于位置矢量速度矢量位置矢量和速度矢量所解答的标量参数u和u'来确定结点数量是一还是二。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于速度矢量和速度矢量平行且速度矢量和速度矢量的点积为负或者基于速度矢量和速度矢量不平行且u和u’的符号函数不相等来确定结点数量是一。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于速度矢量和速度矢量平行且速度矢量和速度矢量的点积为非负或者基于速度矢量和速度矢量不平行且u和u’的符号函数相等来确定结点数量是二。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于在第一扫描模式中对目标的检测来确定第二扫描模式。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，系统是单基地系统或双基地系统。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，系统被包括在车辆上或内并且检测物体相对于车辆的地点和速度。

在另一示例性实施例中，一种用于操作相干激光雷达系统的方法包括：调节光束转向装置以便在视场内引导来自该系统的输出光。将光束转向装置调节至第一系列位置会在视场内限定出第一扫描模式，并且将光束转向装置调节至第二系列位置会在视场内限定出第二扫描模式。方法还包括：给光束转向装置提供转变位置以便将光束转向装置从第一扫描模式转变至第二扫描模式。转变位置遵循基样条(b-样条)函数。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，方法还包括：基于确定b-样条的节段n的数量来确定转变位置。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，确定节段的数量是基于在光束转向装置的速度不超过最大值的情况下基于该速度随着n的值减小而增加使n的值最小化。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，方法还包括：基于确定结点的数量来计算b-样条函数，结点数量指示从第一扫描模式的最终位置到达第二扫描模式的初始位置所需要的方向变化的数量，第一扫描模式以位置矢量和速度矢量结束，并且第二扫描模式以位置矢量和速度矢量开始。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，方法还包括：基于确定速度矢量和速度矢量是否平行以及基于确定基于位置矢量速度矢量位置矢量和速度矢量所解答的标量参数u和u'来确定结点数量是一还是二。

在又另一示例性实施例中，一种车辆包括相干激光雷达系统，该相干激光雷达系统包括光束转向装置，光束转向装置用于在视场内引导来自该系统的输出光。光束转向装置的第一系列位置在视场内限定出第一扫描模式，并且光束转向装置的第二系列位置在视场内限定出第二扫描模式。相干激光雷达系统还包括控制器，控制器用于给光束转向装置提供转变位置以便将光束转向装置从第一扫描模式转变至第二扫描模式。转变位置遵循基样条(b-样条)函数。车辆还包括车辆控制器，该车辆控制器用于基于从相干激光雷达系统获得的信息来使车辆的操作增强或者自动化。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于确定b-样条的节段n的数量来确定转变位置。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器通过在光束转向装置的速度不超过最大值的情况下基于该速度随着n的值减小而增加使n的值最小化来确定节段n的数量。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于确定结点的数量来计算b-样条函数，结点数量指示从第一扫描模式的最终位置到达第二扫描模式的初始位置所需要的方向变化的数量，第一扫描模式以位置矢量和速度矢量结束，并且第二扫描模式以位置矢量和速度矢量开始。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，控制器基于速度矢量和速度矢量是否平行以及基于基于位置矢量速度矢量位置矢量和速度矢量所解答的标量参数u和u'来确定结点数量是一还是二。

当结合附图来看如下详细描述时，本公开的上述特征和优点、以及其他特征和优点容易显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅仅通过示例的方式出现在如下详细描述中，详细描述参照附图，在附图中：

图1是根据一个或多个实施例的涉及相干激光雷达系统的场景的框图；

图2是根据一个或多个实施例的具有受控扫描模式转变的相干激光雷达系统的框图；

图3是根据一个或多个替代实施例的具有受控扫描模式转变的相干激光雷达系统的框图；

图4示出了根据一个或多个替代实施例的通过受控扫描模式转变来促进的示例性粗扫描和示例性精细扫描；

图5a至图5f图示了根据实施例的针对初始位置矢量和最终位置矢量的不同场景以便描述确定转变的附加过程；

图6示出了根据一个或多个实施例所确定出的示例性转变；以及

图7是根据一个或多个实施例的用于利用相干激光雷达系统的光束转向装置来执行受控扫描模式转变的方法的过程流。

具体实施方式

如下描述在性质上仅仅是示例性的并且不意在限制本公开、其应用或者使用。应理解，在附图中，对应的附图标号表示相似的或者对应的部件和特征。

如前所述，传感器可以用于增强车辆操作或者操作自主车辆。如同样提到的，一种传感器是用于传输fmcw信号的相干激光雷达系统。该系统利用所传输的fmcw信号与由目标对所传输的fmcw信号进行反射所产生的反射信号之间的相位相干性。反射信号与传输信号的副本之间的干扰用于确定诸如目标距离和速度等信息。相干激光雷达系统不同于现有的飞行时间激光雷达系统，现有的飞行时间激光雷达系统传输一系列脉冲并且使用用于传输每个脉冲和接收所产生的反射的持续时间来确定目标的一组距离。例如，相干激光雷达系统可以在视场上执行粗扫描并且然后基于在粗扫描期间识别出目标来在更有限的区域上执行精细扫描。

光束转向装置通过将光聚焦在指定区域中来促进扫描。在许多场景中，可能有利的是将传感器的视场从较宽视场(由粗扫描覆盖)减小至较小视场(由精细扫描覆盖)，以便增加传感器的分辨率。光束转向装置从粗扫描的结束至用于精细扫描的区域的起始点的转变在该转变完成得太快的情况下可能会导致反射镜的振铃或振荡。然而，转变太慢可能会导致目标在扫描开始之前移动出针对精细扫描确定出的区域。本文详细描述的系统和方法的实施例涉及相干激光雷达系统中的受控扫描模式转变。具体地，确定出轨线以使光束转向装置从粗扫描转变至精细扫描。

根据示例性实施例，图1是涉及相干激光雷达系统110的场景的框图，相干激光雷达系统110具有受控扫描模式转变430(图4)。在图1中示出的车辆100是汽车101。相干激光雷达系统110(参照图2进一步详细描述)被示出为处于汽车101的车顶上。根据替代或者附加实施例，一个或多个激光雷达系统110可以位于车辆100上的其他地方。还示出了另一传感器115(例如，相机、麦克风、雷达系统)。由激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115获得的信息可以被提供至控制器120(例如，电子控制单元(ecu))。

控制器120可以使用该信息来控制一个或多个车辆系统130。在示例性实施例中，车辆100可以是自主车辆并且控制器120可以使用来自激光雷达系统110和其他源头的信息来执行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自激光雷达系统110和作为已知系统(例如，防撞系统、自适应巡航控制系统)的一部分的其他源头的信息来增强车辆操作。激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115可以用于检测物体140，诸如，在图1中示出的行人145。控制器120可以包括处理电路，该处理电路可以包括专用集成电路(asic)、电子电路、用于执行一个或多个软件或者固件程序的处理器(共享、专用、或者成组)和存储器、组合逻辑电路、以及/或者用于提供所描述的功能的其他合适部件。

图2是根据一个或多个实施例的具有受控扫描模式转变430的相干激光雷达系统110的框图。在图2中示出的示例性激光雷达系统110是单基地系统，该单基地系统使用相同的路径来用于来自激光雷达系统110的作为输出信号236的光以及由激光雷达系统110获得的作为接收光束238的光。激光雷达系统110包括光源210。根据示例性实施例，光源210可以是激光二极管，诸如，分布反馈(dfb)激光器。光源210输出表现出恒定振幅的连续光波。光输出系统中的下一阶段包括光学共振器220。

共振器220是光源210外部的外部光学振腔，并且根据在图2中示出的示例性实施例，将使用电压源的受控电压225施加至共振器220以便执行电光调制并且调制共振器220中的连续光波的频率以便产生fmcw光227。根据示例性实施例，一些光从共振器220至光源210的反馈表示在光源210内生成的光和由共振器220输出的光同步地被调制。受控电压225可以线性地增加或减小以便产生表现出线性调频的光(即，线性fmcw信号)。可替代地，受控电压225可以非线性地发生变化以便产生表现出非线性调频的光。

根据替代实施例，可以通过在光源210本身处调制频率来获得fmcw光227。在这种情况下，施加至共振器220的受控电压225(如在图2中示出的)可以直接被施加至框210。例如，可以改变激光芯片的偏置电流或者可以调制光源210的物理腔或反射镜。例如，该调制可以是由压电或微机电系统(mems)致动来实施。如图2指示的，可选光学放大器230可以用于放大由共振器220输出的fmcw光227以便产生fmcw信号235。

分束器240用于将fmcw信号235分为输出信号236和本机振荡器(lo)信号237。输出信号236和lo信号237均表现出由受控电压225或者其他调制器给予的调频。例如，分束器240可以是片上波导分束器。输出信号236被提供至光循环元件(循环器250)，该光循环元件在图2中示出的单基地系统中是必要的。循环器250通过针孔透镜255(例如，比如球透镜等单中心透镜)将输出信号236引导出激光雷达系统110。

光束转向装置257确保离开激光雷达系统110的输出信号236的恰当对齐以及进入激光雷达系统110且必须针对光电二极管280处的最终干扰恰当地对齐的接收光束238的恰当对齐。光束转向装置257可以是反射器。根据在图2中示出的示例性实施例，光束转向装置257是二维mems扫描镜。在替代实施例中，光束转向装置257(其执行二维光束转向)可以是镜式检流计、里斯利棱镜对、光学相控阵列、或者液晶光束转向装置。根据一个或多个实施例，该光束转向装置257的控制(如参照图4和图5进一步讨论的)会促进受控扫描模式转变430。

在图2中示出了光束转向控制器200并且其向光束转向装置257提供光束转向控制信号201。在替代实施例中，控制器120可以执行该功能并且从激光雷达系统110的外部发送光束转向控制信号201。与控制器120一样，光束转向控制器299可以包括处理电路，该处理电路可以包括专用集成电路(asic)、电子电路、用于执行一个或多个软件或者固件程序的处理器(共享、专用、或者成组)和存储器、组合逻辑电路、以及/或者提供所描述的功能的其他合适的部件。

光输送器256(例如，光纤锥束、微透镜阵列、以及静态反射镜)在光束转向装置257与针孔透镜255之间输送光。如果目标140处于激光雷达系统110的视场内，如在图2中示出的示例中，则从激光雷达系统110输出的fmcw输出信号236会由目标140散射。其中一些散射光作为接收光束238重新进入激光雷达系统110。接收光束238进入针孔透镜255，由光输送器256输送至光束转向装置257，并且由循环器250引导至反射器258。根据一个或多个实施例，反射器258将接收光束238引导至可选光学放大器260。

尽管光学放大器260在图2中被示出为处于反射器258与对齐元件270之间，但光学放大器260相反可以位于循环器250与反射器258之间，沿着被指示为“a”的路径。根据示例性实施例，光学放大器260可以包括耦合透镜以在没有损失的情况下将接收光束238引导到光学放大器260中。光学放大器260还可以包括成形光学以便确保由光学放大器260提供的经放大接收光束265具有正确轮廓。

经放大接收光束265被提供至对齐元件270，在对齐元件270中，使经放大接收光束265与lo信号237对齐。对齐元件270确保经放大接收光束265和lo信号237是共线的并且将输出分为两个共线信号272a、272b(通常被称为272)。共线信号272a、272b分别被引导至光电探测器280a、280b(通常被称为280)。如图2指示的，其中一个共线信号272a是由反射器275反射以便被引导到对应的光电探测器280a中。经放大接收光束265和lo信号237(其在共线信号272中对齐)在光电探测器280中彼此干扰。经放大接收光束265与lo信号237之间的干扰导致这两个光束的相干组合。因此，与飞行时间系统不同，激光雷达系统110被称为相干激光雷达系统。每个光电探测器280中的干扰有效地类似于执行自相关函数以识别由输出信号236导致的经放大接收光束265。这会防止来自激光雷达系统110外部的另一光源的偏离光(其处于激光雷达系统110的视场内)被误认为是由目标140反射的接收光束238。

光电探测器280是半导体装置，该半导体装置在每个共线信号272中将经放大接收光束265与lo信号237之间的干扰的结果转换为电流285a、285b(通常称为285)。根据已知的平衡探测器技术，使用两个光电探测器280来消除两个光电探测器280所共有的噪声。来自各个光电探测器280的电流285进行组合并且根据已知的处理技术被处理以便获得诸如至目标140的距离、目标140的速度、以及其他信息等信息。例如，处理可以是由处理器290在激光雷达110内执行或者由控制器120在激光雷达110外部执行。处理器290可以包括类似于针对控制器120所讨论的处理电路的处理电路。

图3是根据一个或多个替代实施例的具有受控扫描模式转变430的相干激光雷达系统110的框图。在图3的示例性实施例中示出了双基地激光雷达系统110。大多数双基地激光雷达系统110(在图3中示出)与单基地激光雷达系统110(在图2中示出)相同。因此，将不再讨论参照图2详细描述的部件。如前所述，单基地系统和双基地系统之间的主要差异在于，在双基地系统中针对输出信号236和接收光束238包括单独的针孔透镜255a、255b(通常称为255)、光输送器256a、256b(通常称为256)、以及光束转向装置257a、257b(通常称为257)。照此，在图3的双基地系统中不需要循环器250。

图4示出了根据一个或多个替代实施例的通过受控扫描模式转变430来促进的示例性粗扫描410和示例性精细扫描420。转变430和精细扫描420可以是由光束转向控制器200或者车辆100中的另一控制器120来确定。转变430可以是基于在粗扫描410期间对目标140的检测来发起，例如，以便使得精细扫描420覆盖由所检测到的目标140的位置限定的较窄视场。尽管在图4中示出的示例是从粗扫描410至精细扫描420，但转变430不限于处于任何特定扫描类型之间或者处于相对较宽或较窄的扫描期间。例如，转变430可以处于两个粗扫描410之前，这两个粗扫描410分别覆盖整体视场的不同部分。

根据示例性实施例，转变430作为基样条(b-样条)来进行实施。限定转变430的b-样条是满足如下边界条件的矢量函数

根据方程式1，在时间t＝0处，转变430的开始——光束转向装置257的初始位置为位置矢量提供相对于原点的位置方向。通常，原点是激光雷达系统110的整体视场的中心，其可以与光束转向装置257的默认位置相对应。矢量函数必须满足的另一边界条件是：

在时间t＝t处，在转变430结束时，光束转向装置257的最终位置(其是开始精细扫描420的初始位置)由给出。第三边界条件由如下给出：

在方程式3中，是光束转向装置257在粗扫描410结束时移动的瞬时速度。最终边界条件由如下给出：

在方程式4中，是光束转向装置257在精细扫描420开始时移动的瞬时速度。

用于解答限定转变430的b-样条的附加条件包括如下：

根据方程式5，矢量函数不可能具有相对于原点的位置方向，该位置方向要求光束转向装置257在转变430期间超过其最大转向位置。例如，当光束转向装置257是mems扫描镜时，转变430不能要求超过扫描镜的最大倾斜角。根据方程式6，在转变430期间不能超过最大速度。

图5a至图5f图示了根据实施例的针对初始位置矢量最终位置矢量初始速度矢量以及最终速度矢量的不同场景以便描述在确定转变430时的附加过程。具体地，这些场景图示了确定是需要一个还是两个结点510。结点510是组成b-样条函数的分段多项式函数相遇的断点或位置。图5a指示了初始速度矢量和最终速度矢量相对于原点平行但指向相反方向。通常，图5a和图5b的比较指示在相同方向上(如在图5b中)移动的平行速度矢量和会导致需要两次方向变化或两个结点510，而在相反方向上(如在图5a中)移动的平行速度矢量和会导致需要一次方向变化或一个结点510。图5c、图5d、图5e、以及图5f的比较指示远离彼此移动(如在图5c和图5e中)的垂直速度矢量和会导致需要一次方向变化或一个结点510，而朝着彼此移动(如在图5d和图5f中)的垂直速度矢量和会导致需要两次方向变化或两个结点510。这些观测用于确定结点510的数量，如参照图7讨论的。

图6示出了根据一个或多个实施例所确定出的示例性转变430。在图6中示出的示例性转变430包括两个结点510。给定参照方程式1至方程式6讨论的边界条件和其他条件，并且同样基于确定针对转变430需要一个还是两个结点510，来确定针对转变430的等时节段610的数量。具体地，每个节段610的端点指示与光束转向装置257相对应的位置，并且等时节段610指的是每个节段610可以不表示相同距离但确表示用于使光束转向装置257改变位置的相同持续时间。在替代实施例中，节段610可以不是等时节段。

在图6中，针对限定转变430的b-样条示出了10个节段610(n＝10)。对节段610的数量n的确定是基于如下事实：光束转向装置257在从节段610转变至节段610时的速度会随着节段610的数量n增加而减小。换言之，转变430的持续时间t会随着节段610的数量n增加而增加。由于目标在于使转变430的持续时间t最小化，所以应该使节段610的数量n最小化。同时，节段610的数量n不能被选择为低到使得在沿着b-样条的任何点处的瞬时速度(其随着n减小而增加)超过最大速度

图7是根据一个或多个实施例的用于利用光束转向装置257来执行受控扫描模式转变430的方法的过程流700。根据示例性实施例，参照图7讨论的过程可以是由光束转向控制器200或者车辆100中的另一控制器120来执行。在框710处，接收新扫描模式包括：接收精细扫描420的模式，根据在图4中示出的示例性示例。在框720处确定当前扫描的最后位置和速度以及新扫描的开始位置和速度指的是分别获得以及

在框730处，进行检查，看速度矢量和是否平行。这是针对在图5a和图5b中示出的场景的情况。如果这些速度矢量平行，则执行框740处的过程。在框740处，进行检查，看速度矢量和的点积是否为负。根据在框740处的检查，如果速度矢量和的点积为负，则在框750处执行计算具有一个结点510的b-样条，如图5a的情况。根据在框740处的检查，如果速度矢量和的点积为非负，则在框770处执行计算具有两个结点510的b-样条，如图5b的情况。

根据在框730处的检查，如果速度矢量和不平行，则执行框760处的过程。在框760处，解答如下矢量方程以确定标量参数u和u’，标量参数u和u’分别表示用于具有起源于r处的v的轨线和具有起源于r’处的v’的轨线的相对时间坐标：

位置矢量和速度矢量是二维矢量。因此，位置矢量可以被定义为位置矢量可以被定义为速度矢量可以被定义为并且速度矢量可以被定义为在示例性实施例中，该坐标分解是在球面角空间中执行，r1坐标表示方位角(φ)并且r2坐标表示仰角(θ)。在替代实施例中，坐标分解可以针对任何二维基(诸如，笛卡尔坐标或者极坐标)执行，r1表示沿着第一基矢量的坐标并且r2表示沿着第二基矢量的坐标。因此，方程式7表示由两个线性方程组成的方程组，其可以针对u和u’同时求解，闭型解为：

在框730处对速度矢量和是否平行进行的检查解释了方程式7退化的情况(即，对于u和u’没有解，这发生在v2v′1＝v1v′2时)。

在框765处进行检查，看u和u’的符号函数是否相等。根据在框765处的检查，如果其相等，则在框770处执行计算具有两个结点510的b-样条，如图5d和图5f的情况。根据在框765处的检查，如果u和u’的符号函数不相等，则在框750处执行计算具有一个结点510的b-样条，如图5c和图5e的情况。

在框780处，基于在转变430期间节段n的数量与光束转向装置257的速度之间的权衡来执行确定节段610的数量n，如参照图6讨论的。一旦确定了节段610的数量n，在框780处的过程也包括对在框750处或者在框770处计算出的b-样条进行分段。在框790处，确定光束转向装置257的位置以便横越b-样条节段610会导致光束转向控制器200或者另一控制器120使光束转向装置257通过转变430移动至新的扫描模式。

尽管已经参照示例性实施例对上述公开进行了描述，但本领域的技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以对其元件作出各种改变并且可以用等效物来取代。此外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以作出许多修改以便使特定情况或者材料适应于本公开的教导。因此，本公开并不意在限制于所公开的特定实施例，而是将包括落在其范围内的所有实施例。