相位编码LIDAR中用于内反射减除的激光相位跟踪的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求在2018年11月13日提交的美国临时专利申请no.62/760,437的权益和优先权。本申请还要求在2018年12月21日提交的美国临时专利申请no.62/783,749的权益和优先权。美国临时专利申请no.62/760,437和美国临时专利申请no.62/783,749的全部公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术：

使用激光器(通常由助记符lidar表示)进行的用于光检测和测距的距离的光学检测(有时也称为激光radar)用于多种应用，从高度测定到成像、到避免碰撞。lidar以比常规微波测距系统(例如无线电波检测和测距(radar))更小的光束尺寸来提供更精细尺度的距离分辨率。距离的光学检测可以用若干不同技术来实现，包括基于光脉冲到物体的往返行程行进时间的直接测距，和基于在发射的啁啾光信号与从物体散射的返回信号之间的频率差的啁啾检测，以及基于可与自然信号区分的单频相位变化的序列的相位编码检测。

技术实现要素：

本公开的各方面一般涉及在光学领域中的光检测和测距(lidar)，并且更具体地涉及用于在自主车辆的操作中的多普勒补偿和内反射减除的系统和方法。

本文公开的一个实施例涉及一种用于内反射减除的系统。在一些实施例中，系统包括用于提供光信号的激光源。在一些实施例中，系统包括调制器，调制器调制来自激光器的光信号以产生调制光信号。在一些实施例中，系统包括光耦合器，光耦合器产生与来自激光器的光信号相关联的参考光信号，向物体发射调制光信号，并且响应于向物体发射调制光信号而接收返回光信号。在一些实施例中，系统包括光混合器，光混合器将返回光信号与参考光信号混合以产生混合光信号，其中参考光信号与来自激光器的光信号相关联。在一些实施例中，系统包括光检测器，光检测器检测混合光信号以产生电信号。在一些实施例中，系统包括处理器，处理器基于电信号和调制光信号确定来自一个或多个光学部件的返回光信号的内反射的参数，并基于内反射的参数操作车辆。

在另一方面，本公开涉及一种用于内反射减除的方法。方法包括调制来自激光器的光信号以产生调制光信号。在一些实施例中，方法包括向物体发射调制光信号。在一些实施例中，方法包括响应于发射调制光信号，接收返回光信号。在一些实施例中，方法包括将返回光信号与和来自激光器的光信号相关联的参考光信号混合以产生混合光信号。在一些实施例中，方法包括检测混合光信号以产生电信号。在一些实施例中，方法包括基于电信号和调制光信号确定来自一个或多个光学部件的返回光信号的内反射的参数。在一些实施例中，方法包括基于内反射的参数操作车辆。

在另一方面，本公开涉及一种用于多普勒补偿的系统。在一些实施例中，系统包括用于提供处于载波频率的光信号的激光源。在一些实施例中，系统包括相位调制器。在一些实施例中，系统包括光混合器。在一些实施例中，系统包括第一光检测器。在一些实施例中，系统包括处理器，处理器控制相位调制器以产生光学输出信号，光学输出信号包括光学宽带相位编码光信号。在一些实施例中，作为接收返回光信号并将返回光信号与参考光信号混合的结果，处理器从第一光检测器接收混合光信号的实部。在一些实施例中，输出光信号或者参考光信号包括具有导频的导频音，导频从载波频率偏移已知的带符号非零频率。在一些实施例中，处理器至少部分地基于包括混合光信号的实部的数字信号的傅立叶变换来确定返回光信号的峰值频率。在一些实施例中，处理器基于峰值频率和导频来确定返回光信号的带符号多普勒频移。在一些实施例中，处理器基于带符号的多普勒频移来操作设备。

在另一方面，本公开涉及一种用于多普勒补偿的方法。在一些实施例中，方法包括通过用宽带rf相位编码信号对来自激光器的处于载波频率的光信号进行相位调制，来产生光输出信号。在一些实施例中，输出光信号包括光学宽带相位编码光信号。在一些实施例中，方法包括发射输出光信号。在一些实施例中，方法包括响应于发射输出光信号而接收返回光信号。在一些实施例中，方法包括通过将返回光信号与参考光信号混合来产生混合光信号，其中输出光信号或者参考光信号包括具有导频的导频音，导频从载波频率偏移已知的带符号非零频率。在一些实施例中，方法包括在第一光检测器处检测混合光信号的实部。在一些实施例中，方法包括在处理器上至少部分地基于包括混合光信号的实部的数字信号的傅里叶变换来确定返回光信号的峰值频率。在一些实施例中，方法包括在处理器上基于峰值频率和导频来确定返回光信号的带符号多普勒频移。在一些实施例中，方法包括基于带符号多普勒频移来操作设备。

通过下面的详细描述，简单地通过示出许多特定的实施例和实现方式，其中包括为实现本发明而构想的最佳模式，其他方面、特征和优点将显而易见。其他实施例也能够具有其他和不同的特征和优点，并且它们的几个细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。例如，本文讨论的用于多普勒补偿和/或内反射减除的任何部件可以组合在用于执行每个部件的操作和/或功能的单个实施例中。如本文讨论的，用于多普勒补偿和/或内反射减除的任何方法的任何操作可以被组合到单个实施例中。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

在附图的图中以示例而非限制的方式示出了实施例，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：

图1a是示出根据实施例的用于距离测量的示例发射光学相位编码信号的示意图；

图1b是示出根据实施例的用于距离测量的作为一系列二进制数字的图1a的示例发射信号以及返回光信号的示意图；

图1c是示出根据实施例的参考信号与两个返回信号的示例互相关的示意图；

图2是示出根据实施例的高分辨率lidar系统的示例部件的框图；

图3是示出根据实施例的使用同相/正交(iq)处理的多普勒补偿相位编码lidar系统的示例部件的框图；

图4a是示出根据实施例的输出光信号的示例频谱的示意图。

图4b是示出根据实施例的当完成iq处理时多普勒频移的光学返回信号的示例频谱的示意图。

图4c是示出根据实施例的当未完成iq处理时多普勒频移的光学返回信号的示例频谱的示意图。

图5a是示出根据实施例的使用非载波导频音的示例多普勒补偿lidar系统的框图；

图5b是示出根据实施例的使用非载波导频音的示例多普勒补偿lidar系统的框图；

图6a是示出根据实施例的ssb输出光信号的示例频谱的示意图；

图6b是示出根据实施例的当完成iq处理时多普勒频移的ssb光返回信号的示例频谱的示意图；

图6c是示出根据实施例的当未完成iq处理时多普勒频移的ssb返回信号频谱的示例频谱的示意图；

图7是示出根据实施例的用于使用带符号的多普勒补偿的ssb相位编码的lidar系统的示例操作的流程图；

图8是示出根据实施例的具有非载波导频音的示例发射光信号的图；

图9a是示出根据实施例的用于操作相位编码的lidar系统以确定和补偿内反射的示例方法的流程图；

图9b是示出根据实施例的用于操作相位编码的lidar系统以确定和补偿内反射的示例方法的流程图；

图10a至图10e是示出根据实施例的在从内反射去除返回的校正之前和之后的示例距离信号的示图；

图11是示出根据实施例的用于在减除之前对内反射进行相位跟踪的示例方法的流程图；

图12是示出根据不同实施例的用于在减除之前对内反射进行相位跟踪的示例方法的流程图；

图13是示出根据实施例的示例内反射减除的图；

图14是示出可以在其上实施本发明的实施例的计算机系统的框图；以及

图15示出可以在其上实施本发明的实施例的芯片组。

具体实施方式

为了实现可接受的距离精度和检测灵敏度，直接长距离lidar系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰值功率的短脉冲激光器。高脉冲功率可能导致光学部件的快速退化。啁啾和相位编码lidar系统使用具有相对低的峰值光功率的长光脉冲。在这种配置中，距离精度随着啁啾带宽或相位编码的长度和带宽而不是脉冲持续时间而增加，并且因此仍然可以获得极好的距离精度。

具有被调制到光载波上的相位编码微波信号的lidar检测也已经被使用了。这里，带宽b与用于携带每个相位的脉冲的持续时间τ的倒数成比例(b＝1/τ)，其中任何相位编码的信号由大量这样的脉冲组成。这种技术依赖于将返回信号中的特定频率的相位(或相位变化)序列与发射信号中的序列进行相关。与在相关中的峰值相关联的时间延迟通过在介质中的光速与距离有关。距离分辨率与脉冲宽度τ成比例。这个技术的优点包括需要较少的部件、以及使用为相位编码微波和光通信所开发的大量生产的硬件部件。

多种相干测距技术已经被证明用于提供针对移动目标的单发距离和多普勒信息。在编码和啁啾波形设计两者中，必须理解移动目标的多普勒效应并以某种方式进行补偿，以允许精确的距离测量。在编码的情况下，由于“图钉型”模糊函数，多普勒补偿在互相关之前是至关重要的。没有这个操作的话，将难以或不可能观察到距离测量。已经证明技术可以克服这些挑战。在本发明人的先前工作中，提出了针对相位编码lidar基于检测的多普勒频移进行多普勒频移检测和距离校正的技术，并公布为crouch等人的、发明名称为“methodandsystemfordopplerdetectionanddopplercorrectionofopticalphase-encodedrangedetection(用于光学相位编码距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统)”的世界知识产权组织(wipo)专利合作条约(pct)国际公布wo2018/144853(在下文中称为“crouchi”)、以及crouch等人的、发明名称为“methodandsystemfortimeseparatedquadraturedetectionofdopplereffectsinopticalrangemeasurements(用于光学距离测量中多普勒效应的时间分离正交检测的方法和系统)”的pct国际申请no.pct/us2018/041388(在下文中称为“crouchii”)，它们每一个的全部内容在此通过引用并入，如同在此全文阐述一样。

然而，将上述方案实施为带符号多普勒检测的相位编码lidar系统通常难以一致地解决多普勒检测模糊。出于这个原因，长期以来存在以提高相位编码lidar系统补偿光学距离测量中的多普勒效应的能力的方式来解决检测模糊的需求。

此外，来自与相位编码lidar系统(或任何lidar系统)相关联的内部光学部件的反射(本文中也称为“内反射”或“内部光学反射”)常常进一步使相位编码lidar系统的测量精度降级。例如，来自循环器光学器件的强的背反射会限制测量动态范围，并且通过增加在散粒噪声之上的本底噪声(通过不希望的旁瓣结构)来模糊小的目标返回。常规的相位编码lidar系统使用称为循环器减除的技术来估计静态信号(内部背反射)并数字地去除它，这已经被证明是观察弱的非静态目标信号的非常有效的方式。

然而，循环减除需要在若干(＞25)测量上频率稳定(＜π/10相位漂移)的激光器，其中一个测量对应于一个发射光信号(脉冲或啁啾或相位序列)和如果有的话、在响应中接收的一个接收光信号(脉冲或啁啾或相位序列)。由于对于许多lidar应用(例如，自主车辆)来说，这些要求过于繁重和/或昂贵，因此长期以来还存在提供替代技术和/或设备配置的需求，以减轻(例如，去除、减去)内反射以改进相位编码lidar系统的能力以执行光学距离测量。

因此，本公开涉及用于补偿来自一个或多个内部光学部件的返回信号的任何内部光学反射的多普勒频移和负面影响的系统和方法。即，本公开描述了一种系统(例如相位编码lidar系统)和方法，系统和方法向输出光信号或参考光信号添加非载波导频音，使得多普勒频移可以用于校正互相关计算，这进而提高了系统确定距离的能力。系统还可以通过从光学部件中减去(或去除)返回信号的内反射来提高其确定距离的能力。

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他实例中，以框图形式示出了众所周知的结构和设备，以避免不必要地模糊本发明。

1.相位编码检测概述

图1a是示出根据实施例的用于距离测量的示例发射光学相位编码信号的示意图110。水平轴112以任意单位表示从零处的开始时间起的时间。左竖直轴114a以任意单位表示发射信号期间的功率；并且，右竖直轴114b以任意单位表示发射信号的相位。为了最简单地说明相位编码lidar的技术，图示了二进制相位编码。迹线115表示相对于左轴114a的功率，并且在发射信号期间是恒定的，而在发射信号之外降至零。虚线迹线116表示信号相对于连续波信号的相位。

可以看出，迹线与用于发射信号的一部分的载波(相位＝0)同相，并且然后在短时间间隔内改变δφ(相位＝δφ)，在发射信号上在两个相位值之间重复地来回切换，如省略号117所示。恒定相位的最短间隔是编码的参数，称为脉冲持续时间τ，并且通常是频带中最低频率的几个周期的持续时间。倒数1/τ是波特率，其中每个波特表示一个符号。在发射信号的时间期间，这种恒定相位脉冲的数量n是符号的数量n，并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位可以被认为是对于一个值为0而对于另一个值为1，因此符号是一个比特，并且波特率也被称为比特率。在多相编码中，存在多个相位值。例如，诸如δφ*{0，1，2和3}的4个相位值，其中对于δφ＝π/2(90度)，分别等于{0，π/2，π和3π/2}；并且因此，4个相位值可以分别表示0，1，2，3。在这个示例中，每个符号表示与两个比特相同的信息量，并且比特率是波特率的二倍。

相移键控(psk)是指通过改变(调制)参考信号(载波)的相位来传送数据的数字调制方案，如图1a所示。通过在精确的时间改变正弦和余弦输入来施加调制。在射频(rf)上，psk广泛用于无线局域网(lan)、rf识别(rfid)和蓝牙通信。替换地，代替相对于恒定参考波进行操作，发射可以相对于其自身操作。单个发射波形的相位变化可以被认为是符号。在这个系统中，解调器确定接收信号的相位的变化，而不是相位(相对于参考波)本身。由于这种方案取决于在连续相位之间的差，因此它被称为差分相移键控(dpsk)。dpsk与普通psk相比其实施要简单得多，因为不需要解调器具有参考信号的副本来确定接收信号的精确相位(因此，它是非相干方案)。

对于光学测距应用，载波频率是光学频率fc，并且rffo被调制到光学载波上。选择符号的数量n和持续时间τ以实现所需的距离精度和分辨率。选择符号的模式以便与编码信号和噪声的其他源区分开。因此，在发射信号和返回信号之间的强相关性可以是反射或背散射信号的强指示。发射信号由符号的一个或多个块组成，其中每个块足够长，以便即使在存在噪声的情况下提供与反射或背散射返回的强相关性。在下面的讨论中，假设发射信号由每块n个符号的m个块组成，其中m和n是非负整数。

图1b是根据实施例的示意图120，其示出了用于距离测量的作为一系列二进制数字的示例发射信号以及返回光信号。水平轴122表示在零处的开始时间之后的任意单位的时间。竖直轴124a以相对于零的任意单位表示在频率fc+fo处的光发射信号的幅值。竖直轴124b以相对于零的任意单位表示在频率fc+fo处的光学返回信号的幅值，并且从轴124a偏移以分离迹线。迹线125表示m*n个二进制符号的发射信号，具有如图1a所示的相位变化以产生以00011010开始并以省略号指示后续的代码。迹线126表示从不运动的物体散射的理想化(无噪声)返回信号(并且因此，返回是没有多普勒频移的)。幅值减小了，但代码00011010是可识别的。迹线127表示理想化(无噪声)的返回信号，返回信号从正在移动的物体散射并因此是多普勒频移的。返回信号不在适当的光学频率fc+fo处，并且在预期的频带中未被很好地检测到，因此幅值大幅减小了。

通过等式1给出的多普勒效应，观测到的返回的频率f’与返回的正确频率f＝fc+fo不同。

其中c是介质中的光速，v0是观察者的速度，vs是源沿着将源连接到接收器的矢量的速度。注意，如果观察者和源在它们之间的矢量上以相同的速度沿相同的方向移动，则两个频率是相同的。在两个频率之间的差δf＝f'-f是多普勒频移δfd，它会给距离测量带来问题，且由等式2给出。

注意，误差的幅值随信号频率f的增加而增加。还要注意，对于静态的lidar系统(v0＝0)，对于以每秒10米(vs＝10)进行移动的物体，且频率约为500thz的可见光，则误差的大小在16兆赫兹(mhz，1mhz＝10⁶赫兹(hz)，1hz＝每秒1个循环)的量级。在下面描述的各种实施例中，多普勒频移误差被检测并被用于处理用于距离计算的数据。

图1c是根据实施例的示意图130，其示出了发射信号与两个返回信号的示例互相关。在相位编码测距中，相位编码反射的到达可以通过将发射信号或其他参考信号与返回信号互相关来在返回中检测，这在实践中可以通过使用外差检测将rf信号的代码与来自光检测器的电信号互相关并因此下混频回到rf频带来实施。水平轴132以任意单位指示在与返回信号执行互相关计算之前施加到编码信号的滞后时间。竖直轴134表示互相关计算的幅值。对于任何一个滞后的互相关可以通过对两个迹线进行卷积(例如通过将两个迹线中的对应值相乘并对迹线中的所有点求和)、然后对每个时间滞后进行重复来计算。替换地，互相关可以通过两个迹线中的每一个的傅立叶变换的乘法、随后是傅立叶逆变换来实现。用于快速傅立叶变换(fft)的有效硬件和软件实现方式可以广泛地用于前向和逆向傅立叶变换两者。

注意，互相关计算可以在光检测器处检测到返回的幅值和相位之后，利用模拟或数字电信号来进行。为了将光检测器处的信号移动到可以容易地被数字化的rf频率范围，光返回信号在撞击到检测器上之前与参考信号光学混合。发射光信号的相位编码的副本可以用作参考信号，但是也可以、并且通常优选的是使用由激光器输出的连续波载波频率光信号作为参考信号，并且获取由检测器输出的电信号的幅值和相位两者。

迹线136表示与理想化的(无噪声的)返回信号的互相关，理想化的(无噪声的)返回信号是从不移动的物体反射的(并且因此返回没有多普勒频移)。峰值出现在发射信号开始之后的时间δt。这表明返回信号包括在时间δt开始的发射相位编码的版本。到反射(或背散射)物体的距离r是基于介质中的光速c根据双向行进时间延迟来计算的，如由等式3所给出的。

r＝c*δt/2(3)

虚线137表示与从移动的物体散射的理想化(无噪声)的返回信号(因此返回是多普勒频移的)的互相关。返回信号不包括在适当频率格(frequencybin)中的相位编码，相关性对于所有时间滞后保持为低，并且峰值不容易被检测、而且在存在噪声的情况下通常是不可检测的。因此，δt不容易确定，并且距离r不容易产生。

2.光学检测硬件概述

为了描述如何实施改进的相位编码检测方法，描述了一些通用的和特定的硬件方法。图2是示出根据实施例的多普勒补偿的lidar系统的示例部件的框图。lidar系统200包括激光源212、分光器216、调制器282a、参考路径220、扫描光学器件218、处理系统250、获取系统240和检测器阵列230。激光源212发射载波201，其在分光器216之前或之后在调制器282a中被相位或频率调制，以产生具有持续时间d的相位编码或啁啾光信号203。分光器216分离调制(或如图所示，未调制)的光信号。可以产生具有光束201的大部分能量的目标光束205，在本文也称为发射信号或输出光信号。还可以产生调制或未调制的参考光束207a，其可以具有非常小的能量，但是足以产生与从物体(未示出)散射的返回光束291的良好混合。在图示的实施例中，参考光束207a在调制器282b中被单独调制；但是在一些实施例中，调制器282b被省略。参考光束207a穿过参考路径220，并被引导到一个或多个检测器作为参考光束207b。在一些实施例中，参考路径220引入已知延迟，其足以使参考光束207b与来自lidar之外的物体的散射光一起到达检测器阵列230。在一些实施例中，参考光束207b被称为本机振荡器(lo)信号，这是指其中从分开的振荡器本地产生参考光束207b的较旧方案。

在各种实施例中，从较少灵活性到较多灵活性的方案中，可以通过以下方式使参考与散射或反射场一起到达：1)将镜子放入场景中以将发射光束的一部分反射回检测器阵列，使得路径长度良好匹配；2)使用光纤延迟以紧密匹配路径长度，并且利用检测器阵列附近的光学器件传播参考光束，如图2中所建议的，其具有或不具有路径长度调整以补偿对于特定距离所观察到或预期的相位或频率差；或者，3)使用频移设备(声光调制器)或本机振荡器波形调制的时间延迟(例如在调制器282b中)来产生分开的调制以补偿路径长度失配；或一些组合。在一些实施例中，物体足够接近并且发射持续时间足够长，使得返回充分地与参考信号重叠而没有延迟。

然后，发射信号被发射以照射感兴趣的区域，例如通过一些扫描光学器件218。检测器阵列可以是单个成对或不成对检测器，或者是布置在大致垂直于来自物体的返回光束291的平面中的成对或不成对检测器的1维(1d)或2维(2d)阵列。参考光束207b和返回光束291可以在零个或多个光混合器284中组合以产生具有待适当检测的特性的光信号。获取系统240可以在信号持续时间d期间多次为每个检测器记录干涉模式的频率、相位或幅值、或者一些组合。每信号持续时间所处理的时间样本的数量可以影响顺向距离范围(down-rangeextent)。数量通常是基于每信号的符号数量、信号重复速率和可用相机帧速率所选择的实际考虑因素。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化仪频率”。距离范围的唯一基本限制是激光器的相干长度以及在其重复之前的啁啾或唯一相位编码的长度(对于明确的测距)。其被启用的原因是，可以将返回的外差信号或比特的任何数字记录与来自先前发射历史的已发射比特的任何部分进行比较或互相关。

所获取的数据是处理系统250可用的，例如下面参考图14描述的计算机系统，或者下面参考图10描述的芯片组。处理系统250包括多普勒补偿模块270a和相位跟踪内反射减除模块270b(在图2中示出为内反射减除模块270b)。多普勒补偿模块270a确定多普勒频移的符号和大小以及基于其的校正范围以及本文描述的任何其他校正。内反射减除模块270b确定处理系统250所使用的相位跟踪内反射校正以及已知的任何其他校正以提供校正的距离测量(例如，从多普勒补偿模块270a产生的信号)。在一些实施例中，数据处理还提供多普勒频移的估计，在其中返回信号的频率由于物体的运动而移位。在一些实施例中，如图2所示，处理系统250还提供扫描信号以驱动扫描光学器件218，并且包括调制信号模块272以发送用于驱动调制器282a、282b的一个或多个电信号。

任何已知的装置或系统均可用于实施激光源212、调制器282a、282b、分束器216、参考路径220、光混合器284、检测器阵列230、扫描光学器件218或获取系统240。未描绘用于泛射或聚焦于目标上或焦点越过光瞳平面的光学耦合。如本文所使用的，光耦合器是用于影响光在空间坐标内的传播以将光从一个部件引导到另一部件的任何部件，例如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、分束器、相位板、偏振器、光纤、光混合器等等，单独地或以一些组合。

3.相位编码光学检测

在一些相位编码的实施例中，电光调制器提供调制。系统被配置为针对总持续时间d＝m*n*τ，产生长度m*n和符号持续时间τ的相位编码，相位编码适合于期望的顺向距离分辨率，如以下针对各种实施例更详细地描述的。例如，在3d成像应用中，总脉冲数m*n在约500至约4000的范围内。由于处理通常在数字域中进行，因此，例如在从512至4096的区间内，将m*n选择为2的幂是有利的。当没有进行平均时，m为1。如果存在随机噪声成分，则m为大约10是有利的。结果，对于m＝1，n在从512到4096的范围内，且对于m＝10，n在从大约50到大约400的范围内。对于500mbps到1gbps的波特率，这些代码的持续时间则在大约500ns到8微秒之间。注意，在这些条件下，可以使距离窗口扩展到几公里，并且多普勒分辨率也可以相当高(取决于发射信号的持续时间)。尽管在图2以及随后的图3和图5中，为了说明的目的，将过程、设备和数据结构描述为特定布置中的整体块，但是在其他实施例中，一个或多个过程或数据结构或其部分以不同的方式布置在相同或不同的主机上、在一个或多个数据库中、或者被省略，或者一个或多个不同的过程或数据结构被包括在相同或不同的主机上。例如，分光器216和参考路径220包括零个或多个光耦合器。

4.具有内反射减除的多普勒补偿lidar

图3是示出使用先前方法的相位编码lidar系统的示例部件的框图。尽管描绘了物体390以示出lidar系统300的操作，但是物体390不是lidar系统300的一部分。系统包括激光器310和相位调制器320、分束器312、诸如循环器和组合器的光混合器360、包括诸如循环器323的发射/接收光学器件的扫描光学器件322、以及光检测器330(在本文中也被称为“光检测器330”)。分束器312的输出被用作本机振荡器(lo)参考信号314(在本文中也被称为“lo314”)并被输入到光混合器360。返回光信号324由扫描光学器件322中的循环器323输出，并被发送到光混合器360。结果是被引导到光检测器330的混合光信号，其输出被输入到处理系统350的电信号332。处理系统350包括数字代码模块372，以产生用于驱动相位调制器320的数字代码。处理系统350还包括多普勒补偿模块370a，用于基于数字代码和/或电信号332而导出带符号的多普勒频移。处理系统350还包括相位跟踪内反射减除模块370b，用于基于数字代码和/或电信号332而确定互相关和距离。

在先前方法中，用于确定多普勒频移的符号的方法是分开地处理信号的数学表示的实分量和虚分量。在下面更详细描述的实施例中，通过使用单边带相位调制避免了对分开处理的需要；但是同样可以用于这些系统。

在电气工程中，具有相位调制(对应于在数学函数exp(iωt)的实部和虚部之间的角度调制)的正弦曲线可以被分解为在相位上偏移四分之一周期(π/2弧度)的两个幅值调制的正弦曲线、或者从两个幅值调制的正弦曲线合成。所有三个函数具有相同的频率。幅值调制的正弦曲线被称为在0相位处的同相分量(i)和在π/2相位处的正交分量(q)。

激光器产生在载波频率fc处的光信号。调制的激光光信号l由等式4数学表示。

l＝i0exp(iωct)(4)

其中io是激光器输出的强度，exp()是指数函数，使得exp(x)＝e^x，i是具有-1的平方根的性质的虚数，t是时间，并且ωc＝2πfc是与载波频率fc对应的角频率。

数学上，这个表达式具有实部＝iorcos(ωt)和虚部＝ioisin(ωt)，其中ior是强度的实部(同相)，且ioi是虚部。振荡的相位由在实部和虚部之间的角度给出。因此，l＝i0rcos(ωt)+ii0isin(ωt)，并且io是实部和虚部的平方和的根，i0²＝i0r²+i0i²。分光器312引导信号强度的一小部分以用作由等式5给出的参考信号(称为本机振荡器)lo。

lo＝aloexp(iωt)＝arcos(ωt)+iaisin(ωt)(5a)

其中a是表示分束器312的强度效应的常数。通常在用于输出电信号的光检测器处检测的电场elo因此可以写成等式5b。

elo＝aloe^iωt(5b)

当参考信号(lo)是未调制激光信号时，整个信号同相并且虚部为零，因此

lo＝acos(ωt)(5c)

在这个实施例中，处理系统中的调制信号模块发送电信号，电信号表示将随着光载波上的相位变化而施加的符号的数字代码，表示为b(t)，其中b(t)作为t的函数在0和π/2之间切换。用作调制器282a的相位调制器320通过将数字线路从现场可编程门阵列(fpga)中取出、将它们放大并驱动eo相位调制器，来将相位变化强加在光载波上。发射光信号t然后由等式6a给出。

t＝c{rexp(i[ωt])+sexp(i[ωt+b(t)])}(6a)

其中c是常数，计入了通过分出部分a而在io中的减少以及由相位调制器320或发射路径的其他部件施加的任何放大或进一步减少，r是在相位调制之后的残余载波的幅值，s是相位编码信号的幅值。这里，ωc＝2πf0是对应于频谱中的任何导频音的频率fo的角频率，其对于检测多普勒频移是有用的。在使用双边带调制的先前方法中，这个峰值在载波频率fc处，fo＝fc。这些是双边带相位调制器的第零阶和第一阶边带；并且，自变量ωt的相位对于信号的载波和相位编码部分两者总是相关的。

在使用当前技术的各种实施例中，对多普勒检测有用的这个导频峰值不在载波频率处，即f0≠fc，而是在非载波导频音fp处，例如fo＝fp；并且ωp＝2πfp。导频峰值是从载波频率偏移已知符号的单音调；并且，被称为具有已知导频fp的非载波(nc)导频音。然后用等式6b代替等式6a。

t＝c{pexp(i[ωpt])+sexp(i[ωct+b(t)])}(6b)

其中p是非载波导频信号的幅值，ωc是代码中心的频率，在一些实施例中，代码中心的频率仍然是载波频率，而在使用单边带相位调制器的其他实施例中，代码中心的频率是不同的频率。在一些实施例中，nc导频音被添加到参考光信号而不是被发射的输出光信号，如下面更详细描述的。

返回信号被引导到光混合器，在那里返回光信号与由等式5a到等式5c给出的参考光信号(lo)混合。对于载波导频音fo＝fc，由等式7a给出由发射光束截获的来自第k个物体的返回信号r。

rk＝akexp(i[(ω+ωdk)(t+δtk)+b(t+δtk)])(7a)

其中ak是常数，计入了由于传播到物体和从物体传播以及在第k个物体处散射而导致的强度损失，δtk是在lidar系统和第k个物体之间的双向传播时间，且ωdk＝2πδfd是第k个物体的多普勒频移(这里为了方便称为多普勒移位)的角频率。然后，由等式7b给出在所有目标上求和的返回信号er的电场。

对于非载波导频音和单边带代码，返回由等式7c表示，而电场由等式7d表示。

rk＝ak{pexp(i[(ωp+ωdk)(t+δtk)]+sexp(i[(ωc+ωdk)(t+δtk)+b(t+δtk)])

(7c)

在光混合器360处的重合信号(例如lo314和返回光信号324)产生具有与正被混合的两个光信号的频率和相位以及幅值的差相关的拍频的混合光信号362，并且产生取决于光混合器360的功能的输出。如本文所使用的，下混合指的是光学外差检测，其是使用非线性光学过程的外差检测原理的实施例。在光学外差检测中，本文称为“下混合”，在某个光频率的感兴趣的光信号与设置在相近频率的参考“本机振荡器”(lo)非线性混合。期望的结果是差频，其携带原始光频率信号的信息(幅值、相位和频率调制差异)，但是其在较低的更容易处理的频率(这里称为拍频)处、方便地在rf频带中振荡。在一些实施例中，这种拍频处于可以作为电信号332从光检测器330输出的rf频带中，例如可以容易地由rf模数转换器(adc)数字化的电模拟信号。电信号332被输入到处理系统350，并且与来自数字代码模块372的数字代码一起被多普勒补偿模块370a用来确定互相关和距离，并且在一些实施例中，确定带符号的多普勒频移和物体的结果速度和方向。在一些实施例中，电信号332被输入到处理系统350，并且与来自数字代码模块372的数字代码一起被相位跟踪内反射减除模块370b使用，使得处理系统350可以确定互相关和距离。

在一些实施例中，原始信号被处理以找到多普勒峰值，并且使用该频率ωd来校正相关性计算并确定正确的距离。然而，在这样的实施例中，i/q检测的缺乏将导致在多普勒频移处的实值时域信号处于正和负多普勒频移两者。对该信号的分析将不会揭示多普勒频移的符号。在其他实施例中，已发现如果光混合器和处理被配置为确定同相和正交分量、且使用该分离来首先估计ωd、且接着使用ωd来校正互相关计算以导出δt，那么将是有利的。ωd的值也用于表示物体的速度。然后，通过使用上述等式3，δt的值被用于确定和表示到物体的距离。通过光混合器来分离i和q信号使得能够清楚地确定多普勒频移的符号，如在2018年8月9日公布为wo2018/144853的国际专利申请pct/us2018/016632中，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。

4.1多普勒补偿激光雷达-多普勒频移返回信号的频谱

图4a是示出发射信号的示例频谱的示意图140a；且图4b是示出多普勒频移的复返回信号的示例频谱的示意图440a。水平轴442以任意单位表示从光载波fc的rf频率偏移。竖直轴444以相对于零的任意单位表示特定窄频率格的幅值，也称为频谱密度。典型的相位调制器将rf相位调制信号加到载波频率fc的两侧。这被称为双边带调制。迹线445代表具有rff0＝0(频率为零的电场也被称为直流dc)的发射信号，其对应于fc，如典型的相位编码实现方式。即使调制降低了光载波频率fc，在该频率处的频谱密度中仍然存在残余尖峰。该尖峰主导了功率谱并被用于检测多普勒频移，如接下来将说明的。该残余载波尖峰在这里被称为载波“导频”，因为它引导多普勒频移检测。

在图4b中，迹线446表示理想化(无噪声)的复返回信号，它是从朝向lidar系统移动的物体背散射的，且因此被多普勒频移到较高频率(称为蓝移)。返回在适当的rff0＝0(dc)处没有峰值；而是以δfd蓝移到偏移频率fs。当利用iq技术采样时域信号时，则多普勒频移的符号(相对于dc为正或负)在所得的功率谱中是明显的。

在crouchi中描述的其他实施例中，已发现如果光混合器和处理被配置为确定同相(i)和正交(q)分量，则是有利的。由一个或多个部件(例如，图3中的光混合器360)进行的iq检测可以用于解析多普勒频移的符号。

在crouchi中描述的示例硬件实施例中，90度光学杂散(hybrid)光混合器允许在两个信道上对光学下混合的信号进行i/q检测，然后对其进行数字化。这个系统允许出现非常灵活的“软件限定的”测量体系结构。crouchi中描述的其他硬件实施例包括使用3×3多模干扰(mmi)结构。这些设备比自由空间90度杂散更紧凑。它们在每个输出端口产生120度相移。然后在复信号的基于软件的重建之前独立地检测和数字化每个端口。方法需要至少两个检测器和两个模数转换器(adc)来支持测量。这对在高度集成设计中光学杂散、检测器、电气路由和数字化仪都占据空间的情况下的缩放提出了挑战。

在crouchii中描述的其他实施例中，如果在分开的时间检测同相(i)和正交(q)分量，则是有利的。可以使参考信号在一个时间间隔期间与发射信号同相，以在光检测器330处测量与返回光信号的实部相关的电信号；并且可以使参考信号在不同的非重叠时间间隔期间与发射信号正交，以在光检测器330处测量与返回光信号的复数部分相关的电信号。然后，可以在多普勒补偿模块370a中根据两个测量的电信号数字地产生复信号；并且，数字构造的复信号可以用于确定适当符号的多普勒频移。

在这些实施例中，i/q分离用于首先估计带符号的ωd，然后带符号的ωd用于校正互相关计算以推导出δt。估计应该在由处理间隔的持续时间设置的系统的频率分辨率内。由于第k次返回而产生的对于电场的多普勒频移的、时间延迟的代码项(在下混合之后)由等式7e给出，

利用多普勒估计的校正是通过时域中的矢量乘法(或频域中的circshift(循环移位)方法)来实现的。矢量乘法由等式7f描述。

在等式7f中，可以看到保留有残余相位项，但是自变量的振荡多普勒分量被去除(补偿掉)。

ωd的符号值还用于至少在将物体连接到lidar系统300的矢量上表示物体的速度和方向。然后，通过使用上述等式3，δt的值被用于确定和表示到物体的距离。通过光混合器分离i和q信号使得能够清楚地确定多普勒频移的符号。在这些多普勒补偿实施例中的一些中，其中i和q分量分别确定，而不是通过取得发射和返回信号两者的频谱并在每个信号中搜索峰值、然后减去相应峰值的频率来找到δfd，取得rf频带中的下混合返回信号的同相和正交分量的交叉频谱是更有效的。

在实践中，表示返回的同相和正交(i/q)分量两者的复数返回通常不被测量，并且实数值返回的频谱在+δfd和-δfd两者处都具有峰值，因此多普勒频移的方向和目标的运动方向从单个返回中不明显。图4c是示出根据实施例的在没有进行iq处理时的示例返回信号频谱的示意图。当仅混合光信号的实部被采样(非iq检测)时，则所得到的功率谱将看起来像这两个迹线的和。在频谱的两侧都可以看到载波导频。多普勒频移载波导频音是明显的，并且可以在用于距离测量的相关操作之前被校正，但是符号是不可恢复的，因为峰值出现在频谱的两侧，关于dc对称(rff0＝rffc＝0)。

在以上所有情况下，方法利用电光相位调制器来驱动双边带波形。利用这种调制器，调制深度被选择以在载波频率中维持一些能量。剩余载波用作在发射波形中的“导频”音。当这种cw“导频”被多普勒频移时，结果是拍频，注意其可以用于估计来自目标的多普勒频移。基于这种导频音的多普勒估计允许在与参考代码互相关之前对代码信号进行有效的多普勒校正-两级、多普勒然后距离的估计过程。在基本相位调制器之外的电光调制体系结构在光纤通信中是常见的。

一种普通的体系结构(见shimotsu或laoyssa的参考文献)允许实现单边带抑制载波(ssbsc)相位调制。在本文给出的新实施例中，nc导频音从载波频率移开(rff0≠0)，并且不映射到fc。在一些实施例中，这是通过使用单边带调制以产生非载波导频或相位编码信号或两者来实现的；并且引入了非载波导频音。即，在一些实施例中，发射(光学输出)信号是通过利用宽带rf相位编码信号对来自激光器的在载波频率处的光信号进行单边带(ssb)调制来产生的，其中，输出光信号包括在载波频率的单侧上的光学宽带相位编码光信号和在光学宽带内的频率处的导频音。

通过适当的波形设计，这些ssbsc相位调制器可以用于在不同于载波频率的频率处产生导频音，这允许上述多普勒频移估计的非基带居中的操作。非载波导频音在下文中被称为工程导频音，或者简称为nc导频音。此外，由于nc导频音仅存在于载波的一侧(单边带)，所以多普勒频移将存在于信号频谱中，其中即使没有iq分离也没有符号模糊。因此，多普勒频移的符号(接近目标相对于离开目标)将被精确地分辨。如果nc导频音被引入参考光信号而不是发射光信号中，则出现类似的结果。基于恢复的带符号多普勒频移的多普勒校正与先前方法中描述的那些相同。

在各种实施例中，使用各种不同的部件来在以下任一者上引入非载波导频音：通过扫描光学器件322发射以与物体390相互作用的输出光信号；或者在参考光信号上，以在光混合器360中与返回信号324混合。

4.2使用nc导频音和内反射减除的多普勒补偿lidar

图5a是示出根据实施例的使用非载波导频音的示例多普勒补偿lidar系统的框图。虽然出于说明的目的画出了物体390，但是物体390不是lidar系统500a的一部分。扫描光学器件322、循环器323、光混合器360、光检测器330、数字代码模块372和物体390是如上面关于图3所描述的。然而在这里，激光器310和分光器312由光源510a代替，其具有一个或多个激光器和其他光耦合器以产生用于相位调制的光基本信号(ob511a)和参考信号(ref514a)。光源510a包括非载波导频音发生器588a(在图5a中示为“nc导频音发生器588a”)，其被配置为产生与用于产生光基本信号511a的激光器的载波频率不同的导频音。这种配置可以利用先前激光器310的不同驱动功能来实现，或者利用具有其自己的驱动功能的另外激光器来实现。双边带相位调制器380被一个或多个相位调制器580a代替，包括零个或多个单边带(ssb)或单边带抑制载波(ssbsc)相位调制器、或一些组合。

处理系统350被处理系统550a代替，处理系统550a包括含有单边带(ssb)相位处理模块574a的多普勒补偿模块570a。处理系统550a还包括相位跟踪内反射减除模块572a，用于基于电信号532a确定互相关和距离。nc导频音发生器588a由ssb相位处理模块574a控制，其提供驱动功能。ssb相位处理模块574a还基于电信号532a确定带符号的多普勒频移。当ref514a和返回信号524a在光混合器360上重合时，电信号532a由检测器330在其被光混合器360输出的混合光信号562a撞击时输出。响应于通过扫描光学器件322发射来自相位调制器580a的光输出信号而接收返回信号524a。

在这些实施例的一些中，光源510a使用第一激光器，其被驱动以仅产生载波频率光信号。光源510a使用由ssb相位处理模块574a驱动的分开的第二激光器来产生非载波导频音作为nc导频音发生器588a。在这些实施例的一些中，光源510a包括分光器，其将载波频率光信号分离为将被引导到相位调制器580a作为光学基本(ob511a)的分量和被引导到光混合器360作为光学参考信号(ref514a)的分量。在这些实施例的一些中，来自nc导频音发生器588a的nc导频音光信号通过使用组合器光耦合器而被添加到光基本信号(ob511a)或光参考信号(ref514b)中，但不是添加到两者中。在一些实施例中，ref514a仅包括nc导频音而不包括载波频率光信号，并且光基本信号(ob511a)仅包含载波频率光信号。

在一些实施例中，光源包括用于产生载波频率光信号的单个激光器和将大部分能量引导到相位调制器580a作为ob511a的分光器。光源510a还包括声光调制器(aom)，以将从分光器发出的低能量光束的光频率移位到nc导频音，然后将nc导频音作为ref514a输出到光混合器360。在这些实施例中，aom由ssb相位处理模块574a通过驱动声源来控制，以产生足以将光频率移位到aom中的期望导频频率的声频。

通过使用相位调制器580a在光基本信号(ob511a)之上来相位调制相位编码。ssb相位处理模块574a基于电信号532a、nc导频音的已知导频频率、以及作为已被添加到光基本信号(ob511a)上的结果导频音是在ref514a中还是在电信号532a中，来确定带符号多普勒频移。多普勒检测模块中的现有代码使用来自ssb相位处理模块574a的带符号的多普勒频移，以校正距离并呈现距离和适当带符号的相对速度。

图5b是根据另一实施例的示出使用非载波导频音的示例多普勒补偿lidar系统的框图。在这些实施例中，相位调制器被配置成产生nc导频音，并因此包括nc导频音发生器588b。激光源510a的nc导频音发生器588a从光源510b中省略。虽然出于说明的目的画出了物体390，但是物体390不是lidar系统500b的一部分。扫描光学器件322、循环器323、光混合器360、光检测器330、数字代码模块372和物体390是如上面关于图3所描述的。这里，光源510a被光源510b代替，具有一个或多个激光器和其他光耦合器以产生用于相位调制的光基本信号(ob511b)和参考信号(ref514b)。

相位调制器580a由相位调制器580b代替，其包括配置为产生与载波频率不同的导频音的nc导频音发生器588b。nc导频音发生器588b包括一个或多个单边带(ssb)或单边带抑制载波(ssbsc)相位调制器或其他光学组件、或一些组合。在一些实施例中，单个ssbsc相位调制器施加相位编码和导频音两者。

在一些实施例中，相位调制器580b包括分光器、组合器、用于施加相位编码信号的双边带相位调制器以及作为nc导频音发生器588b的ssb相位调制器。分光器将光基本信号(ob511a)分成两个强度大致相等的光束，将一个光束发送到双边带相位调制器中，并将另一个光束发送到作为nc导频音发生器588b的ssb相位调制器中。来自两个调制器的输出在光组合器中组合以产生通过扫描光学器件322被发射的输出光信号。

在一些实施例中，相位调制器包括施加相位编码的单个dsb或ssbsc相位调制器，以及作为nc导频音发生器588b以将具有载波频率的光基本信号的光频率移位到nc导频音的声光调制器(aom)。在这些实施例中，aom由ssb相位处理模块574b通过驱动声源来控制，以产生足以将光频率移位到aom中的期望导频频率的声频。

处理系统350被处理系统550b代替，其包括含有单边带相位处理模块574b的多普勒补偿模块570b。处理系统550b还包括相位跟踪内反射减除模块572b，用于基于电信号532a确定互相关和距离。nc导频音发生器588b由ssb相位处理模块574b控制，其供应用于产生导频音的相位编码以及相位编码lidar信号。ssb相位处理模块还基于电信号532b确定带符号的多普勒频移。当ref514b和返回信号524b在混合器上重合时，电信号532b由检测器330在其被光混合器360输出的混合光信号562b撞击时输出。响应于通过扫描光学器件322发射来自相位调制器580b的光输出信号，而接收返回信号524b。

4.3多普勒补偿lidar：多普勒频移的ssb返回信号的频谱

图6a是示出根据实施例的ssb输出光信号的示例光谱645的示意图640a。在单边带抑制载波的情况下，发射频谱645完全在载波频率fc(rf＝0，dc)的一侧，并且在rff0≠0处具有峰值。频谱还在与代码峰值(fp＝f0)共定位的非载波导频音fp处示出在频谱密度中的尖峰；但是在其他实施例中，非载波导频音不需要处于峰值。这个非载波导频音将不仅引导多普勒频移的检测；而且还提供多普勒频移符号的明确确定，如下面更详细描述的。

图6b是示出根据实施例的当iq处理完成时的多普勒频移ssb光学返回信号的示例频谱的示意图640b。这示出了在单边带抑制载波的情况下，来自物体的背反射和多普勒频移光谱作为迹线646。多普勒频移和符号容易被确定作为在移位的非载波导频音646a(指定的fps)处的测量主频谱峰值与导频频率fp之间的差(参见下面的等式9)。如上，这种带符号的多普勒频移的新计算在ssb相位处理模块574a、57b中使用。与现有方法一样，这种带符号的多普勒频移用于校正距离的计算以及物体的相对速度。

图6c是示出根据实施例的当没有进行iq处理时的多普勒频移ssb返回信号频谱的示例频谱的示意图640c。所得到的频谱647是真实响应646及其在载波频率周围的反射。注意，当转换为rf信号时，在驱动调制时和在光混合器中的下混合之后，载波频率都对应于在0频率处的rf信号的dc分量。因为非载波导频音频率647a偏离对称轴，所以它在返回频谱的两个半部中都是明显的。在非iq采样的情况下，所得的两侧功率谱647具有分别在载波频率之上和之下的两个导频音峰值647a和647b，被表示为上和下移位导频音fpsu和fpsl。这两个峰值允许恢复带符号的多普勒频移δfd，如等式8a或等式8b所给出的。

δfd＝fpsu-fp(8a)

δfd＝fpsl-(-fp)＝fpsl+fp(8b)

4.4用于使用ssb相位编码lidar的多普勒补偿方法

图7是示出根据实施例的用于使用单边带相位编码lidar系统以确定和补偿带符号多普勒频移对距离的影响的示例方法的流程图。尽管出于说明的目的，将操作在图7中描绘为特定顺序的整体操作，但是在其他实施例中，一个或多个操作或其部分以不同的顺序执行、或者在时间上重叠、串行或并行执行、或者被省略、或者添加一个或多个附加操作，或者方法以一些方式组合来改变。在一些实施例中，方法700的一些或所有操作可以由一个或多个lidar系统执行，例如图2中的lidar系统200、图3中的lidar系统300、图5a中的lidar系统500a和/或图5b中的lidar系统500b。例如，在一些实施例中，操作703和710到733可以由图3中的处理系统350和/或图5a和图5b中的处理系统550执行。

在操作701中，收发器，例如lidar系统，被配置为至少部分地基于相位编码序列的输入来发射相位编码的光信号。来自激光器的未调制输入光信号的一部分(例如，1％至10％)或者2相位编码发射信号也被引导至参考光学路径。相位编码光信号或参考信号(但不是两者)包括nc导频音。例如，lidar如在图5a或图5b或一些组合中所描绘的那样被配置。收发器还被配置为接收来自被发射信号照射的任何外部物体的背散射光信号。在一些实施例中，操作701包括在硬件中配置其他光学部件以同样提供以下操作中的一个或多个的功能。注意，发射信号不必是光束。发散信号将肯定在单个距离轮廓内看到许多不同的距离和多普勒值；但是在照明点内不提供交叉距离分辨率。然而，使用提供固有稀疏性的窄光束是有利的，固有稀疏性与逐点扫描一起提供对识别物体有用的交叉距离分辨率。

在操作703中，产生由m*n个符号的序列构成的代码以用于测距，表示n个符号的m个块，每个从n个符号字母表中选择，在m个块中没有n个符号的重复序列。在一些实施例中，在操作703期间还确定具有这种相位编码的rf信号的傅立叶变换，以用于确定多普勒频移，如在crouchi中的。

在操作705中，使用从具有诸如ssbsc相位调制器的单边带相位调制器的数字代码模块372接收的代码，来调制由等式4表示的激光器输出的第一部分，以产生如由等式6表示的具有非载波导频音的发射的单边带相位编码信号，并且将其引导到场景中的光斑，在该处可能存在或者可能不存在物体或者物体的一部分。此外，在操作705中，激光器输出的第二部分被引导作为如由等式5a或等式5c表示的沿着参考路径的参考信号，也称为本机振荡器(lo)信号。

在操作707中，如由等式7a或等式7b表示的、具有任何行进时间延迟δt和多普勒频移ωd的背散射的返回信号r与如由等式5a或等式5c表示的参考信号lo混合，以输出一个或多个混合光信号362。在执行i/q处理的一些实施例中，混合信号通知同相和正交分量。

在操作708中，将混合光信号引导到一个或多个光检测器并在光检测器处被检测，以将光信号转换成一个或多个相应的电信号。

在一些实施例中，对几个不同的返回信号s(t)执行平均和内反射减除，以去除在沿着返回信号路径的内部光学部件(例如循环器323)处产生的发射光信号的虚假副本。这种虚假副本可以降低与来自外部物体的实际返回的相关性，并且因此掩盖仅仅可检测的实际返回。如果对数量p的不同照射光斑执行平均，并且返回使得单个物体不会处于所有那些照射光斑中，则平均被由内部光学部件产生的代码的虚假副本支配。然后，可以从返回信号中去除代码的这个虚假副本，以便在校正的复数电信号s(t)中仅留下实际的返回。p是足够大的数，以保证在所有光斑中并非同一物体被照射。对于图形处理单元(gpu)实现方式，低至p＝100的值在计算上是有利的；而对于现场可编程门阵列(fpga)实现方式，高至p＝1000的值是优选的和适合的。在示例实施例中，p为大约100。在其他实施例中，取决于应用，p可以在大约10至大约5000的范围内。

在操作708的一些实施例中，确定是否接收到p个返回。如果否，则控制返回到操作705以照射另一光斑。如果是，则计算平均信号，在一些实施例中进行相位加权，并且从返回信号中减去平均值以去除内反射的影响。

在操作710中，确定带符号的多普勒频移，并将其用于校正返回信号。如果不使用分开的i/q检测和处理，则基于参考信号和返回信号的混合而在电信号中找到两个峰值fpsl和fpsu的频率；并且，带符号的多普勒频移是使用等式8a、或等式8b或等式8c来确定的。如果采用分开的i/q检测和处理，则在返回频谱中找到单个主峰fps的频率；并且，带符号的多普勒频移是使用等式9确定的。

δfd＝fps-fp(9)

然后，带符号的多普勒频移被用于校正返回信号的时域或频谱。估计应该在由处理间隔的持续时间所设置的系统的频率分辨率内。用于电场和第k个返回的多普勒频移、时间延迟的代码项(在下混合之后)由等式10a给出，

利用多普勒估计的校正是通过时域中的矢量乘法(或频域中的circshift(循环移位)方法)来实现的。这个矢量乘法在等式10b中描述。

在等式10b中，可以看到保留了残余相位项，但是自变量的振荡多普勒分量被去除了(被补偿掉)。

在操作711中，使用校正的返回信号来检测距离或相对速度或两者。在一些实施例中，其中对于单个返回具有多个带符号的多普勒频移，操作711包括将每个延迟时间与带符号的多普勒频移之一相关联，假设特定返回是基于在一个发射信号的持续时间内以特定平均速度移动的物体或物体的一部分。对于给定的带符号多普勒校正，只有与该带符号多普勒校正相关联的那些距离峰值将存在于互相关中。因此在多个实例的情况下，不可能错误地配对给定的距离和带符号的多普勒。

在操作731中，确定是否要照射另一个光斑。如果是，则控制返回到操作703并跟随。如果否，则控制转到操作733。

在操作733中，基于校正的距离或速度或两者来操作设备。在一些实施例中，这涉及在显示设备上呈现图像，图像指示在由发射光信号照射的多个光斑处的任何物体的多普勒校正位置。在一些实施例中，这涉及向设备传送数据，其基于在由发射光信号照射的多个光斑处的校正的位置的点云来识别至少一个物体。在一些实施例中，这涉及移动车辆以避免与物体碰撞，其中基于在由发射光信号照射的多个光斑处的多普勒效应的大小来确定在车辆与物体之间的接近速度。在一些实施例中，这涉及基于在由发射光信号照射的多个光斑处的校正位置的点云来识别车辆或识别在碰撞路线上的物体。

4.5二进制相位编码

当采用这种方法时，已经注意到了对于二进制相位编码的有趣情况。注意，脉冲速率的奈奎斯特(nyquist)频率被指定为fn。在奈奎斯特频率的一半(fn/2)处的音调仅需要4个相位状态(-π/2，0，π/2和π)来完全表示频率移位代码b(t)和导频音2πfp和φp。这些相位中的两个(例如0和π)被用作二进制相位编码b(t)，而另外两个(例如-π/2和π/2)在与二进制代码中使用的相位的任一个不同的相位φp处构成单边导频音2πfp。这相对于可用的数字到模拟波形源(例如，允许使用fpga收发器对比昂贵的高比特深度dac)、限制缓冲波形所需的ram要求(因为四个相位具有如此低的比特深度)、以及限制rf驱动器的功率利用(例如，可以允许使用功率高效的限制放大器来代替更耗电的线性放大器)是有利的。

如果波特率(1/π)被指定为baud，那么奈奎斯特频率将是baud/2。奈奎斯特频率的一半是baud/4，并且相应的角频率ωhn＝2πbaud/4。相对于等式(6b)，导频音的幅值p和相位编码分量的幅值s也需要相等。数字地驱动单边带相位调制器d的rf波形通过以下操作来实现。从由等式11a给出的代码波形开始。

da＝exp(ib(t))(11a)

乘以在半奈奎斯特频率(ωhn)处的音调，以上偏移离开dc，如由等式11b给出的。

db＝exp(iωhn)*exp(ib(t))(11b)

在半奈奎斯特频率处加上音调，以给出由等式11c给出的最终驱动rf信号。

d＝exp(iωhn)+exp(iωhn)*exp(ib(t))(11c)

这个波形d用于驱动ssb相位调制器。

图8是示出根据实施例的具有非载波导频音的示例发射光信号的曲线图。迹线845示出了示例频移的扩频二进制相位编码加导频音。如本文，这个波形具有由仅4个相位状态表示的令人感兴趣的性质；并且因此提供了一种限制用于驱动波形的电子和功率资源的有用的方式。

4.6用于内反射减除的方法

图9a是示出根据实施例的用于使用相位编码的lidar系统来确定和补偿对距离的内反射效应的示例方法的流程图。尽管为了说明目的，操作在图9a以及随后的流程图11和图12中被描述为特定顺序的整体操作，但是在其他实施例中，一个或多个操作或其部分以不同的顺序执行、或者在时间上重叠、串行或并行地执行、或者被省略、或者添加一个或多个附加操作，或者方法以一些方式的组合来改变。在一些实施例中，方法900a的一些或所有操作可由一个或多个lidar系统执行，例如图2中的lidar系统200、图3中的lidar系统300、图5a中的lidar系统500a和/或图5b中的lidar系统500b。例如，在一些实施例中，操作903a和910a至933a可以由图3中的处理系统350和/或图5a和图5b中的处理系统550来执行。

在操作901a中，例如lidar系统的收发器被配置为基于相位编码序列的输入来发射相位编码的光信号。来自激光器的未调制输入光信号的一部分(例如，1％至10％)或相位编码的发射信号也被引导至参考光学路径。收发器还被配置为接收来自被发射信号照射的任何外部物体的背散射光信号。在一些实施例中，操作901a包括在硬件中配置其他光学部件，以同样提供以下操作中的一个或多个的功能。注意，发射信号不必是光束。发散信号将肯定在单个距离轮廓内看到许多不同的距离和多普勒值；但是在照明光斑内不提供交叉距离分辨率。然而，使用提供固有稀疏性的窄光束是有利的，固有稀疏性与逐点扫描一起提供对识别物体有用的交叉距离分辨率。

在操作903中，产生由m*n个符号的序列构成的代码以用于测距，表示n个符号的m个块，每个从n个符号字母表中选择，在m个块中没有n个符号的重复序列。在一些实施例中，在操作903a期间还确定具有这种相位编码的rf信号的傅立叶变换，以用于确定多普勒频移，如在wo2018/144853中所描述的。

在操作905a中，使用从数字代码模块372接收的代码对由等式4表示的激光器输出的第一部分进行相位编码，以产生如等式6a表示的发射相位编码信号，并将其引导到场景中的光斑，在光斑中可能存在或可能不存在物体或物体的一部分。此外，在操作905a中，激光器输出的第二部分被引导作为沿着参考路径的、如由等式5a或等式5b所表示的参考信号，也称为本机振荡器(lo)信号。

在操作907a中，如等式7a表示的具有任何行进时间延迟δt和多普勒频移ωd的背散射返回信号r，与由如等式5a或等式5b表示的参考信号lo混合，以输出一个或多个混合光信号362。在执行多普勒频移检测和校正的一些实施例中，混合信号通知同相和正交分量。

在操作908a中，将混合光信号引导到一个或多个光检测器并在光检测器处检测，以将光信号转换成一个或多个相应的电信号。例如，在进行多普勒校正的一些实施例中，如wo2018/144853中，由检测器产生两个电信号。在一个信道(ch1)上的一个电信号指示下混合的同相分量i；而在不同信道(ch2)上的另一个电信号表示下混合的正交分量q。基于两个电信号计算复数下混合信号s。在任何情况下，在操作908a中产生一个或多个电信号。

在一些实施例中，对几个不同的返回信号s(t)执行平均和内反射减除，以去除在沿着返回信号路径的内部光学部件(例如扫描光学器件322)处产生的相位编码信号的虚假副本。这种虚假副本可以降低与来自外部物体的实际返回的相关性，并且因此掩盖仅仅可检测的实际返回。如果对数量p的不同照射光斑执行平均，并且返回使得单个物体不会在所有那些照射光斑中，则平均被由内部光学部件产生的代码的虚假副本支配。然后，可以从返回信号中去除代码的这个虚假副本，以便在校正的复数电信号s(t)中仅留下实际的返回。p是足够大的数，以确保不在所有光斑中照射同一物体。对于图形处理单元(gpu)实现方式，低至p＝100的值在计算上是有利的；而对于现场可编程门阵列(fpga)实现方式，高至p＝1000的值是优选的，并且是适合的。在示例实施例中，p为大约100。在其他实施例中，取决于应用，p可以在从约10至约5000的范围内。图11是示出根据实施例的用于从内部光学器件去除返回的示例多光斑平均的框图。操作909a和910a执行这种校正。

在操作909a中，确定是否接收到p个返回。如果不是，则控制返回到操作905a以照明另一光斑。如果是，则控制转到操作910a。在操作910a中，根据等式12a计算平均信号ss(t)，其中，将持续时间为d的每个接收信号指定为sp(t)。

这种平均信号用于校正每个接收信号sp(t)，以产生校正信号spc(t)作为在后续操作中的接收信号s(t)，如等式(6b)所示

s(t)＝spc(t)＝sp(t)-ss(t)(12b)

在一些实施例中，内部光学器件在受控条件下进行一次校准，以产生用于ss(t)的固定值，值被存储以用于系统的多个后续部署。因此操作910a仅包括应用等式12b。在一些实施例中，由内部光学器件产生的代码的虚假副本足够小，或者相关联的距离与到外部物体的距离足够不同，因此可以省略操作909a和910a。因此，在一些实施例中，省略了操作909a和910a，并且控制直接从操作908a转到操作911a以使用来自操作908a(而不是来自操作910a中的等式12b)的s(t)。

在操作911a中，校正的返回信号用于检测距离或多普勒频移或两者。

在操作933a中，基于校正的距离或速度或两者来操作设备。在一些实施例中，这涉及在显示设备上呈现指示由发射光信号照射的多个光斑处的任何物体的多普勒校正位置的图像。在一些实施例中，这涉及向设备传送数据，数据基于由发射光信号照射的多个光斑处的校正位置的点云来识别至少一个物体。在一些实施例中，这涉及移动车辆以避免与物体碰撞，其中基于由发射光信号照射的多个光斑处的多普勒效应的大小来确定在车辆与物体之间的接近速度。在一些实施例中，这涉及基于由发射光信号照射的多个光斑处的校正位置的点云来识别车辆或识别在碰撞路线上的物体。

距离轮廓通常由与不同滞后时间相关联的多个距离区间(rangebin)中的每一个中的最大相关性组成。距离区间通过随距离(滞后时间)增加的距离区间索引来区分。与索引相关联的距离(范围)是索引号乘以距离区间大小。距离区间大小由时间滞后增量乘以在介质中的光速来给出。在以下给出的示例中，除非另有说明，距离区间大小是1米。

如在wo2018/144853中所描述的，在试验中发现，来自系统中的光学表面的背反射有助于在距离轮廓中的一系列非常大的返回(互相关)。这些大的返回导致在距离轮廓中的大的旁瓣结构(具有相位编码的相对于与距离区间相对应的时间间隔的互相关的功率)，其可能使来自真实目标的较小返回模糊。为了解决这个问题，设计了上述相干处理方案以减去与循环器光学器件有关的信号部分的估计。利用正在处理的校正ss(t)，它可以通过从代码块的子集相干地减去复矢量而得以应用。结果是在循环器距离返回和相关旁瓣的强度中的非常有效的降低。

图9b是示出根据实施例的用于使用相位编码lidar系统以确定和补偿对距离的内反射效应的示例方法的流程图。尽管为了说明目的，操作在图9b以及随后的流程图11和图12中被描述为特定顺序的整体操作，但是在其他实施例中，一个或多个操作或其部分以不同的顺序执行、或者在时间上重叠、串行或并行地执行、或者被省略，或者添加一个或多个附加操作，或者以一些方式的组合改变方法。在一些实施例中，方法900b的一些或所有操作可由一个或多个lidar系统执行，例如图2中的lidar系统200、图3中的lidar系统300、图5a中的lidar系统500a和/或图5b中的lidar系统500b。

方法900b包括用于调制来自激光器的光信号以产生调制光信号的操作902b。方法包括用于向物体发射调制光信号的操作904b。方法包括响应于发射调制光信号而接收返回光信号的操作906b。方法包括将返回光信号与和来自激光器的光信号相关联的参考光信号混合以产生混合光信号的操作908b。方法包括检测混合光信号以产生电信号的操作910b。方法包括操作912b，其基于电信号和调制光信号确定来自一个或多个光学部件的返回光信号的内反射的参数。方法包括基于内反射的参数操作车辆的操作914b。

图10a到图10e是示出根据实施例的在校正以去除来自内部光学器件的返回之前和之后的示例距离信号的曲线图。在图10a中，水平轴表示从零到超过4000m的以米为单位的距离区间；并且，竖直轴表示以分贝(db，相对于参考y0的log(y/y0))为单位的互相关功率。迹线显示了减去p个光斑的平均值之前的相关性峰值。在约100m处出现大的峰值，在约2000m处出现小的峰值。在图10b中，轴线是相同的，但是迹线示出了通过减去p＝32个光斑的平均值而校正之后的相关性峰值。由于内部光学部件(这里，使用循环器代替扫描光学器件322)而在大约100m处的虚假峰值大大降低，并且由于实际外部物体而在大约2000m处的峰值稍微增强。这在图10c和图10d中更清楚地示出，图10c扩展靠近来自内部光学部件的返回的区a的区域，图10d扩展靠近来自外部物体的实际返回的区b的区域。图10c示出了表示在60米和90米之间的多个虚假反射的实线迹线，它们在用于表示校正距离轮廓的虚线迹线中几乎被完全去除。显然，光学背反射通常由多次反射组成。例如，循环器具有几个背反射表面，它们在图10c中显示为未校正的分开的峰值。图10d示出了用于表示在约1850m处的实际峰值的实线迹线，其在用于表示校正距离轮廓的虚线迹线中增强了约10％。

例如，在具有99.99％的抗反射涂覆的光学器件和1mw的光功率的单基地检测系统中，100nw的功率将被反射回检测器。对于相干系统，这是显著量的功率-比典型的目标返回要大得多。取决于所使用的系统和代码，由于背反射距离测量的固有边带，这可能导致本底噪声的增加。图10e显示了对沿着从距离区间索引0到距离区间索引4000的距离区间的宽扩展的内反射的互相关的贡献。在这里给出的实验数据中，黑色迹线是由强返回的旁瓣结构所提升的本底噪声的示例。灰色是在循环器减除之后的本底噪声-本质上是受散粒噪声限制的。具体地，在抑制之前，由暗迹线给出，除了在大约150的索引处的峰值之外，在直到索引4000的所有距离区间中，具有在-5db和+10db之间的对互相关的稳定贡献。在抑制之后，由灰色迹线给出，在大约150的索引处的峰值被很好地减小；并且，在直到索引4000的所有距离区间中，对互相关的贡献都降低到小于-5db。

4.7使用相位不稳定的激光器来减除内反射的方法。

通常，上述内反射减除技术需要在若干(＞25)测量上频率稳定(＜π/10相位漂移)的激光器。虽然适合于许多实施例，但在一些实施例中，这种小的相位漂移是不可用的。例如，在一些实施例中，图3中的激光器310是商用相干光纤通信激光器(例如微集成可调谐激光器组件，“uitla”)，其通过使用具有用于引入光频率抖动的驱动器的反馈回路来加以稳定。在几百赫兹的频率处的激光抖动通常超过几百兆赫。这可能导致与上述内反射平均减除技术相关的挑战，因为在一些实施例中使用的20至30个测量或在各种其他实施例中使用的在10和5000个测量之间的典型循环器平均持续时间期间，相位可能漂移>2π。

在各种实施例中，内反射平均减除方法被修改以考虑内反射平均周期期间的激光器相位变化。可以利用相干lidar系统的相位灵敏度来解决这个问题。通过跟踪背反射信号的光学相位，可以在求平均之前对信号应用相位校正(例如，乘以单位复数数字)，使得它们同相。

图11是示出根据实施例的用于在减除之前相位跟踪内反射的示例方法的流程图。这个方法1100计算强度大，但是直接而有效。在这个“惯用(longhand)”方法中，在与参考代码互相关之后估计背反射的信号峰值的相位(在互相关中的复数值距离峰值的相位)。背反射峰值出现在距离轮廓中的一致位置处(例如，在固定的距离延迟处)，其可在校准操作中一次性确定。通常，峰值在非常短的距离区间中，典型地在前100个左右的距离区间中。在没有背反射减除的正常扫描器操作下，它也常常是最高、最一致的峰值。然后在求平均之前从时域信号中去除在这个峰值处的相位。在平均后，在从原始时域信号矢量中减去信号之前，重新引入特定光斑的背反射的信号相位。这种方法是一种用于估计相位演变的计算密集的方式。

操作901a到905a如上，用于配置收发器(操作901a)、准备相位编码块(操作903a)、以及用发射光信号照射下一个光斑(操作905a)。在操作1107中，接收返回信号；并且在一些实施例中存储在非暂时性计算机可读介质上以用于进一步处理。在一些实施例中，返回是基于返回信号的同相(i)和正交(q)分量的分开测量的复数值的时间序列。

在操作1111中，确定背反射信号的光学相位。操作1111包括计算相位编码信号，b(t)和返回信号的互相关(对于表示为a(t)和b(t)的两个时间序列，表示为cc{a(t),b(t)})，来自要被平均的p个光斑的第p个光斑的等式7b的ek，表示为ekp(t)。结果是对于光斑p的距离轮廓复数幅值rpp，作为与时间滞后对应的距离区间索引i的函数，如等式13a所给出。

rpp(i)＝cc{b(t)，ekp(t)}(13a)

这个轮廓中的背反射峰值在索引ibr处，并且由限于内反射的索引范围的复数轮廓rp的最大绝对值的索引给出，从0到与内反射相关联的表示为irmax的最大索引，例如，在图10a中描绘的数据中irmax＝100。索引ibr由等式13b给出。

对于i＝1，irmax,ibr＝argmax{|rpp(i)|}(13b)

如上，这可以是一次校准操作。与第p个光斑的这个峰值相关联的相位，表示为φip，是由等式13c给出的复数数字。

φip＝angle{rpp(ibr)}(13c)

其中，angle{x}是用于计算四象限反正切的函数，基本上是在复数数字x的实部和虚部之间的[-π，π]卷绕角。如上，在一些实施例中，在短距离处存在多个背反射而不是单个背反射峰。由于这些都处于非常相似的距离处(以及因而时间延迟)，所以对于小频率抖动，在最显著的峰值上的相位变化用其他峰值跟踪。基本上，在不同峰值(相当于激光频率、时间延迟乘积)上的相位漂移非常小，因为所有这些峰值的时间延迟都是如此相似。这可以帮助解释为什么一个峰值的估计和跟踪会导致整个循环器复数的良好降低(如图10e所示)。

在操作1113中，通过在操作1111中确定的相位在时域中校正返回信号，如在等式14a中所给出的。

sp(t)＝ekp(t)*exp(-i*φip)(14a)

这个操作1113基本上使背反射信号矢量的相位为零，使得相干平均可以同相地进行。注意，代码的时间滞后不受影响，只是相位改变。注意，在前述方法中，在方法900a中描述的平均之前没有相位校正，sp(t)＝ekp(t)。在一些实施例中，相位校正信号sp(t)和相位校正两者都存储在计算机可读介质上以便以后检索。在这些实施例的一些中，存储相位校正信号sp(t)和相位校正φip而不是接收信号ekp(t)。

在操作1115中，相位校正信号和求和的信号的数量n的复数和被累加并且作为复数数字的时间序列存储在存储器或特殊寄存器中或一些其他计算机可读介质上。求和由等式14b给出。

其中n≤p是迄今为止累加的相位校正信号的数量。在一些实施例中，操作1115还将总和除以信号的数量以计算在组合n个信号之后的平均信号，如等式14c所给出。

在其他实施例中，不进行除法，直到对于所有p个信号累加了等式14b的和为止。

在操作1117中，确定是否达到平均周期，例如，是否n＝p。在所有p个信号都被平均之后，n＝p，并且等式14c的平均值提供由等式12a给出的时域内反射减除信号ss(t)。这种等价性在等式14d中表示。

ss(t)＝avep(t)(14d)。

在一些实施例中，可以基于时间利用指数衰减来进行平均，以向更新近的光斑给予更多权重。如果p信号没有被累加，则控制返回到操作905a以照明下一个光斑。否则，控制转到操作1131。

在操作1131中，接收要进行内反射校正的下一个时域信号。在一些实施例中，这个信号是被以上经相位校正和平均的平均系综中的p个信号中的一个。在其他实施例中，信号是在平均系综中的信号之前或之后接收的不同信号。平均系综中的返回信号和要进行内反射校正的返回信号构成第一多个返回信号。平均系综则是第一多个信号的子集。如果针对内反射的要校正的返回信号是在平均系综之中的，则第一多个和子集是相同的。

在操作1133中，在平均周期期间存储的相位校正信号sp(t)乘以也在平均周期期间存储的相应相位校正φip，以恢复由等式14a的逆表示的原始接收信号ekp(t)。这恢复了由于被照射的k个物体而引起的实际相位滞后。如果在操作1107中存储了ekp(t)，则可以省略操作1133。

在操作1135中，在时域中从接收信号ek(t)(无论是在p信号的平均系综中所使用的ekp(t)还是在平均系综之外的某一其他ek(t))减去相位校正的内反射减除信号ss(t)，以产生在随后的处理中用作返回信号s(t)的内反射校正信号spc(t)。这种校正在等式9中表示，它是对等式12b的改进，因为这里ss(t)是相位校正的平均值。

s(t)＝spc(t)＝ek(t)-ss(t)(15)

在操作1137中，校正的返回信号s(t0被用于随后的处理，例如，确定距离、或任何多普勒频移、或从这些导出的任何量，或有助于涉及许多这种测量的一些应用，例如用于物体识别、绘制地图、或导航等等，或一些组合。

在操作1139，确定在平均系综中是否存在另一个返回信号，以校正内反射。如果是，则控制返回到操作1131。如果否，则控制转到操作1141。在一些实施例中，针对内反射的要校正的返回信号在平均系综之外，并且省略操作1139，控制直接从操作1137转到操作1141。

在操作1141中，确定是否正在进行更多测量。如果是，则控制返回到操作905a以照射下一个光斑。如果不是，则过程结束。

在不利用i/q检测的系统中，当激光抖动时，背反射信号将仍然表现出幅值振荡而不是相位振荡。当激光抖动时，采用策略来跟踪幅值演变aip，然后在求平均之前，针对每个返回校正幅值演变。基本策略是跟踪在一定数量的光斑上观察到的最大背反射峰值。然后通过将光斑中的背反射峰值与所保持的最大值进行比较，来计算每个光斑的“相位”。随后的操作非常类似于i-q方法，其中在平均之前对给定光斑的幅值进行归一化(而不是定相位)。然后对光斑进行平均。然后，背反射的信号估计(其将被减去)是这个平均乘以给定光斑的幅值。

如等式10a中所给出的，应用校正。

sp(t)＝ekp(t)/aip(16a)

然后，如等式16b所给出的，在数字去除之前，针对特定光斑对估计的信号进行幅值缩放。

s(t)＝spc(t)＝aip*ekp(t)-ss(t)(16b)

图12是示出根据不同实施例的用于在减除之前相位跟踪内反射的示例方法的流程图。通过计算发射代码和接收信号的内积可以有效地测量相位，其中接收信号被以背反射的信号的期望距离索引进行循环移位。内积将计算与全互相关相同的幅值和相位结果，但仅在感兴趣的距离区间内。这种方法1200节省了许多计算。根据这种相位计算，在时域中对接收的信号进行相位校正。然后将校正的时域信号与其他相位校正的时间测量进行平均。这种平均时间信号将被用作待从如上的未来时间测量中减去的背反射信号。

操作901a到905a如上，用于配置收发器(操作901a)、准备相位编码块(操作903a)、以及用发射光信号照射下一个光斑(操作905a)。在操作1107中，接收返回信号；并且在一些实施例中存储在非暂时性计算机可读介质上以用于进一步处理。

在方法1200中，如图11的方法1100中那样，确定背反射信号的光学相位。然而，与方法1100不同，对于多个时间滞后和相关联的距离索引，不计算相位编码信号b(t)和返回信号ekp(t)的完全互相关。相反，对于单个时间滞后，用单个相关联的时间距离索引来计算点积。

因此，在操作1211中，为背反射峰值确定预期距离(以及相关联的时间滞后和距离索引)。例如，基于实验数据或单个先前互相关，已知内反射的峰值出现在特定距离及其对应的距离索引(例如ibr)处。在这个示例中，操作1211仅包含从存储设备检索ibr的值或用于接收这个数据的任何其他方法。可以使用任何方法来接收或检索这个值，包括将其作为程序代码中的常数来检索，响应于查询消息或者主动地从在数据库或平面文件中的本地或远程计算机可读介质上的数据字段来检索。

在操作1213中，以预期距离索引将返回信号循环移位，以提供移位的返回eshiftkp(t)，如等式17a所给出的。

eshiftkp(t)＝circshift{ekp(t)，ibr}(17a)

其中circshift{x,m}表示时间序列x乘以整数m的循环移位函数。在循环移位中，将从一组值的一端移出的任何时间序列元素加到该组值的另一端。这是在处理器上执行的格外有效的操作。

在操作1215中，计算在移位返回与相位编码之间的点积，以提供在索引ibr处的距离轮廓条目，如等式17b中所表示的。

rpp(ibr)＝b(t)·eshiftkp(t)(17b)

在操作1215中，计算条目的相位。如上，与用于第p个光斑的这个距离索引相关联的相位，表示为φip，是由等式13c给出的复数数字。

在操作1217中，如上，通过在操作1215中确定的相位在时域中校正返回信号，如由等式14a给出的，并且如上面关于等式14b和14c的，在p个返回信号上累加总和或平均值。在一些实施例中，相位校正信号sp(t)和相位校正两者都存储在计算机可读介质上以便以后检索。在这些实施例的一些中，存储相位校正信号sp(t)和相位校正φip而不是接收信号ekp(t)。也在操作1217中，相位校正信号和相加信号的数量n的复数和被累加，并被存储在存储器或专用寄存器中或一些其他计算机可读介质上。如上，求和由等式14a或等式14b给出。在一些实施例中，操作1217还将和除以信号的数量，以计算在组合n个信号之后的平均信号，如等式14c所给出的。在其他实施例中，不进行除法，直到对于所有p个信号累加了等式14b的和为止。

在操作1119中，确定是否达到平均周期，例如，是否n＝p。在所有p个信号都被平均之后，n＝p，并且等式14c的平均值提供由等式12a给出的时域内反射减除信号ss(t)。这个等价性在等式14d中表示。如果p个信号没有被累加，则控制返回到操作905a以照射下一个光斑。否则，控制转到操作1131。操作1131至1141是如上文对于图11中的方法1100所描述的。

图13是示出根据实施例的示例内反射减除的曲线图。水平轴表示距离索引i(在图中称为“测量索引”)。竖直轴表示以db为单位的抑制(suppression)，其是在如方法700中计算的ss(t)的减除之后在互相关中的减少的度量。在每个索引i处的抑制由等式18给出。

suppression(i)＝log{cc{ib(t),ekp(t)}/cc{{b(t),ekp(t)-ss(t)}}(18)

这种方法对图13所示的抖动激光的实验数据非常有效。抑制总是＞20db，且通常＞30db。这个操作的目标通常是用于大约15db到20db的本底噪声。

在一些实施例中，在执行一个或多个以上操作(例如，具有内积技巧的估计和跟踪相位)之前，将代码细分为多个部分(例如256个样本区块)。snr允许、相位演化(以及因此激光的频率)可以在更快的时间尺度上数字地跟踪。这可以稍微改善相位跟踪循环器的减除。

5.计算硬件概述

图14是用于示出可以在其上实施本发明的实施例的计算机系统1400的框图。计算机系统1400包括诸如总线1410的通信机制，用于在计算机系统1400的其他内部和外部部件之间传递信息。信息被表示为可测量现象的物理信号，通常是电压，但是在其他实施例中包括诸如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子相互作用的现象。例如，南北磁场、或零和非零电压代表二进制数字(比特)的两个状态(0、1)。其他现象可以代表较高基数的数字。测量之前的多个同时量子状态的叠加表示一个量子比特(qubit)。一个或多个数字的序列构成用于表示数字或字符代码的数字数据。在一些实施例中，被称为模拟数据的信息由特定范围内的近乎连续的可测量值表示。计算机系统1400或其一部分构成用于执行本文描述的一种或多种方法的一种或多种操作的设备。

二进制数字序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。总线1410包括许多并行的信息导体，使得信息在耦接到总线1410的设备之中快速传送。用于处理信息的一个或多个处理器1402与总线1410耦接。处理器1402对信息执行一组操作。一组操作包括从总线1410引入信息和将信息放在总线1410上。一组操作通常还包括比较两个或多个信息单元、移动信息单元的位置以及组合两个或多个信息单元，例如通过加法或乘法。由处理器1402执行的一系列操作构成计算机指令。

计算机系统1400还包括耦接到总线1410的存储器1404。诸如随机存取存储器(ram)或其他动态存储设备的存储器1404存储了包括计算机指令的信息。动态存储器允许存储在其中的信息被计算机系统1400改变。ram允许存储在称为存储器地址的位置处的信息单元独立于在相邻地址处的信息而被存储和检索。存储器1404还由处理器1402用于在计算机指令的执行期间存储临时值。计算机系统1400还包括只读存储器(rom)1406或其他静态存储设备，其耦接到总线1410以用于存储不被计算机系统1400改变的静态信息，包括指令。同样耦接到总线1410的是非易失性(永久性)存储设备1408，例如磁盘或光盘，用于存储即使当计算机系统1400关闭或否则掉电时也会持续的信息，包括指令。

信息(包括指令)从外部输入设备1412(例如包含由人类用户操作的字母数字键的键盘)或传感器被提供给总线1410以供处理器使用。传感器检测其附近的状况，并将这些检测转换成与用于表示计算机系统1400中的信息的信号兼容的信号。耦接到总线1410的主要用于与人类交互的其他外部设备包括用于呈现图像的显示设备1414(诸如阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd))、以及定点设备1416(诸如鼠标或迹线球或光标方向键)，定点设备用于控制呈现在显示器1414上的小光标图像的位置并发出与呈现在显示器1414上的图形元件相关联的命令。

在所示实施例中，专用硬件，例如专用集成电路(ic)1420，耦接到总线1410。专用硬件被配置为为了专用目的而足够快速地执行处理器1402未执行的操作。专用ic的示例包括用于产生用于显示器1414的图像的图形加速卡、用于对通过网络发射的消息进行加密和解密的密码板、语音识别、以及到特殊外部设备的接口，特殊外部设备诸如用于重复地执行某些复杂操作序列的机器人臂和医疗扫描装备，操作在硬件中更高效地实施。

计算机系统1400还包括耦接到总线1410的通信接口1470的一个或多个实例。通信接口1470提供了与各种外部设备的双向通信耦接，外部设备利用它们自己的处理器进行操作，例如打印机、扫描器和外部盘。通常，耦接是与连接到本地网络1480的网络链路1478进行的，具有其自己的处理器的各种外部设备连接到本地网络。例如，通信接口1470可以是个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(usb)端口。在一些实施例中，通信接口1470是综合业务数字网(isdn)卡或数字用户线(dsl)卡或电话调制解调器，其提供到相应类型的电话线的信息通信连接。在一些实施例中，通信接口1470是缆线调制解调器，其将总线1410上的信号转换成用于在同轴电缆上进行通信连接的信号或转换成用于在光纤缆线上进行通信连接的光信号。作为另一个示例，通信接口1470可以是局域网(lan)卡，以提供到兼容lan(例如以太网)的数据通信连接。也可以实施无线链路。载波，例如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波，在没有导线或缆线的情况下通过空间传播。信号包括载波的幅值、频率、相位、偏振或其他物理属性的人为变化。对于无线链路，通信接口1470发射和接收用于携带诸如数字数据的信息串流的电、声或电磁信号，包括红外和光信号。

术语计算机可读介质在这里用来指参与向处理器1402提供信息的任何介质，信息包括用于执行的指令。这种介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储设备1408。易失性介质包括例如动态存储器。传输介质包括例如同轴电缆、铜线、光纤缆线和在没有电线或缆线的情况下通过空间行进的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波。术语计算机可读存储介质在这里用于指除了传输介质之外参与向处理器1402提供信息的任何介质。

计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、压缩盘rom(cd-rom)、数字视频盘(dvd)或任何其他光介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔模式的物理介质、ram、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、flash-eprom或任何其他存储器芯片或盒、载波或计算机可以从其读取的任何其他介质。术语非暂时性计算机可读存储介质在这里用于指除了载波和其他信号之外参与向处理器1402提供信息的任何介质。

编码在一个或多个有形介质中的逻辑包括计算机可读存储介质上的处理器指令和诸如asic1420的专用硬件中的一个或两者。

网络链路1478通常通过一个或多个网络向使用或处理信息的其他设备提供信息通信。例如，网络链路1478可以通过本地网络1480提供到主机计算机1482或到由因特网服务提供商(isp)操作的设备1484的连接。isp设备1484进而通过现在通常称为因特网1490的网络的公共全球分组交换通信网络提供数据通信服务。连接到因特网的称为服务器1492的计算机响应于在因特网上所接收的信息来提供服务。例如，服务器1492提供用于表示视频数据的信息，以在显示器1414上呈现。

本发明涉及计算机系统1400用于实施本文描述的技术的用途。根据本发明的一个实施例，这些技术由计算机系统1400响应于处理器1402执行包含在存储器1404中的一个或多个指令的一个或多个序列来执行。这样的指令，也称为软件和程序代码，可以从诸如存储设备1408的另一计算机可读介质读入存储器1404。包含在存储器1404中的指令序列的执行使得处理器1402执行本文描述的方法操作。在替代实施例中，诸如专用集成电路1420的硬件可以代替软件或与软件结合使用以实施本发明。因此，本发明的实施例不限于硬件和软件的任何特定组合。

通过通信接口1470在网络链路1478和其他网络上传输的信号携带去往和来自计算机系统1400的信息。计算机系统1400可以通过网络1480、1490等等，通过网络链路1478和通信接口1470发送和接收包括程序代码的信息。在使用因特网1490的示例中，服务器1492通过因特网1490、isp设备1484、本地网络1480和通信接口1470来发送从计算机1400发出的消息所请求的用于特定应用的程序代码。所接收的代码可以在其被接收时由处理器1402执行，或者可以存储在存储设备1408或其他非易失性存储设备中以用于稍后执行，或者两者都进行。以这种方式，计算机系统1400可以获得载波上的信号形式的应用程序代码。

各种形式的计算机可读介质可以用于将一个或多个指令序列或数据或两者携带到处理器1402以供执行。例如，指令和数据最初可以承载在诸如主机1482的远程计算机的磁盘上。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中，并使用调制解调器通过电话线发射指令和数据。计算机系统1400本地的调制解调器通过电话线接收指令和数据，并使用红外发射器将指令和数据转换为在用作网络链路1478的红外载波上的信号。用作通信接口1470的红外检测器接收红外信号中携带的指令和数据，并将表示指令和数据的信息放置在总线1410上。总线1410将信息传送到存储器1404，处理器1402从存储器检索指令并使用与指令一起发送的一些数据来执行指令。接收在存储器1404中的指令和数据可以可选地在由处理器1402执行之前或之后存储在存储设备1408上。

图15示出了可以在其上实施本发明的实施例的芯片组1500。芯片组1500被编程为执行本文描述的方法的一个或多个操作，并且包括例如结合在一个或多个物理封装(例如，芯片)中的关于图14描述的处理器和存储器部件。作为示例，物理封装包括在结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、部件和/或导线的布置，以提供诸如物理强度、尺寸保持和/或电交互限制之类的一个或多个特性。可以预期，在某些实施例中，芯片组可以在单个芯片中实施。芯片组1500或其一部分构成用于执行本文的方法的一个或多个操作的装置。

在一个实施例中，芯片组1500包括诸如总线1501之类的通信机构，用于在芯片组1500的部件之中传递信息。处理器1503具有到总线1501的连接，以执行指令和处理存储在例如存储器1505中的信息。处理器1503可以包括一个或多个处理核，其中每个核被配置为独立地执行。多核处理器使得能够在单个物理封装内进行多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多数量的处理核。替代地或另外地，处理器1503可以包括经由总线1501串联配置的一个或一个以上微处理器，以能够独立执行指令、管线和多线程。处理器1503还可以伴随有一个或多个专用部件以执行某些处理功能和任务，例如一个或多个数字信号处理器(dsp)1507或一个或多个专用集成电路(asic)1509。dsp1507通常被配置为独立于处理器1503而实时地处理真实世界信号(例如，声音)。类似地，asic1509可以被配置为执行通用处理器不容易执行的专门功能。帮助执行本文描述的发明功能的其他专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(fpga)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)、或者一个或多个其他专用计算机芯片。

处理器1503和附带的部件具有经由总线1501到存储器1505的连通性。存储器1505包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，ram、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，rom、cd-rom等)两者，可执行指令在被执行时将执行本文的方法的一个或多个操作。存储器1505还存储与本文的方法的一个或多个操作的执行相关联的数据或通过执行本文的方法的一个或多个操作而产生的数据。

6.变更、扩展和修改

在前面的描述中，已经参考本发明的具体实施例描述了本发明。然而，很明显，在不脱离本发明的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，词语“包括”(comprise)及其变体，例如“包括”(comprises)和“包括”(comprising)将被理解为暗示包括的项目、元件或操作、或者项目、元件或操作的组，但不排除任何其他项目、元件或操作或项目、元件或操作的组。此外，不定冠词“一”或“一个”意在指示由冠词修饰的一个或多个项目、元件或操作。

尽管用于阐述宽范围的数值范围和参数是近似值，但在具体的非限制性实施例中阐述的数值尽可能精确地被报告。然而，任何数值固有地包含一些误差，这些误差是由在撰写本文时在它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然引起的。此外，除非从上下文中清楚地看出，本文所呈现的数值具有由最低有效数字给出的隐含精度。因此，值1.1意味着从1.05到1.15的值。术语“约”用于表示以给定值为中心的较宽范围，除非从上下文中清楚地看出，它表示在最低有效位附近的较宽范围，例如“约1.1”表示1.0至1.2的范围。如果最低有效位不清楚，则术语“约”表示两倍，例如“约x”表示在从0.5x至2x范围内的值，例如约100表示在从50至200范围内的值。此外，本文公开的所有范围应理解为包括其中包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在最小值零和最大值10之间(并且包括)的任何和所有子范围，即，具有等于或大于零的最小值以及等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至4。

在本文中，在被调制到光信号上的射频(rf)信号处的二进制π/2(90度)相位编码的情景中描述了本发明的一些实施例。然而，实施例不限于这些情景。例如，在一些实施例中，使用具有不同相位差(例如，30、60或180度)的其他相位编码或具有3个或更多个不同相位的编码。在其他实施例中，其他测距调制格式使用时间分离的同相和正交本机振荡器(lo)信号作为参考信号。这样的调制格式包括但不限于“开关键控”、“频移键控”和“噪声”波形。在单个光束及其在单个检测器或检测器对上的返回的情景中描述了实施例，在其他实施例中，则可以使用任何已知的扫描装置，诸如线性步进或旋转光学部件，或者利用发射器阵列或检测器阵列或检测器对，来扫描单个检测器或检测器对。