用于同时距离-多普勒感测的双波长激光器芯片级激光雷达的制作方法

本主题公开涉及用于同时距离-多普勒感测的双波长激光器芯片级激光雷达。

车辆(例如，汽车、卡车、施工设备、农场设备、自动化工厂设备)越来越多地配备有用于提供信息以增补车辆操作或者使车辆操作自动化的传感器。示例性传感器包括无线电探测和测距(雷达)系统、摄像机、麦克风、以及光探测和测距(激光雷达)系统。示例性激光雷达系统是用于传输频率调制连续波(fmcw)信号(也称为线性调频脉冲)的相干激光雷达系统，并且依赖于传输信号与由于目标对传输信号的反射散射引起的回波信号之间的光学相干性来执行对目标的探测。当传输雷达或者激光雷达信号时，由目标反射的回波信号中的频移在与传输信号相比时被称为多普勒效应。该多普勒频移会促进对目标的相对速度和行进方向的确定。在典型的相干激光雷达系统中，单个光源用于执行距离和多普勒感测两者。相应地，令人期望的是提供用于同时距离-多普勒感测的双波长激光器芯片级激光雷达。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，一种芯片级激光雷达系统包括用于输出第一信号的第一光源、以及用于输出第二信号的第二光源。传输光束耦合器提供用于传输的输出信号，该输出信号包括第一信号的一部分和第二信号的一部分，并且接收光束耦合器获取由于目标对输出信号的反射引起的接收信号。系统还包括第一组光电探测器和第二组光电探测器，该第一组光电探测器用于分别地从第一组组合信号获取第一组电流，第一组组合信号中的每一个包括接收信号的第一部分，该第二组光电探测器用于分别地从第二组组合信号获取第二组电流，第二组组合信号中的每一个包括接收信号的第二部分。处理器从第二组电流获取关于目标的多普勒信息并且从第一组电流和第二组电流获取关于目标的距离信息。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第一光源输出作为第一信号的频率调制连续波(fmcw)信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第二光源输出作为第二信号的连续波(cw)信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第二信号处于频率fd下，并且激光雷达系统进一步包括调制器和滤光器以便产生频率为fm+fd的偏移信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，调制器是马赫-曾德尔调制器。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，偏移信号与接收信号的第二部分进行组合以便产生第二组组合信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第二信号处于两个不同的光频fd1和fd2下，并且第二组电流指示频移fd2-fd1以确定目标相对于激光雷达系统的方向。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，系统还包括传输光束转向装置和接收光束转向装置，该传输光束转向装置用于从传输光束耦合器引导输出信号，该接收光束转向装置将接收信号引导至接收光束耦合器。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统处于车辆中。

在另一示例性实施例中，一种用于制作芯片级激光雷达系统的方法包括：形成用于输出第一信号的第一光源、以及形成用于输出第二信号的第二光源。方法还包括：设置传输光束耦合器以便提供用于传输的输出信号，该输出信号包括第一信号的一部分和第二信号的一部分，以及设置接收光束耦合器以便获取由于目标对输出信号的反射引起的接收信号。第一组光电探测器形成用于分别地从第一组组合信号获取第一组电流，第一组组合信号中的每一个包括接收信号的第一部分。第二组光电探测器形成用于分别地从第二组组合信号获取第二组电流，第二组组合信号中的每一个包括接收信号的第二部分。处理器从第二组电流获取关于目标的多普勒信息并且从第一组电流和第二组电流获取关于目标的距离信息。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，形成第一光源包括：形成第一光源以便输出作为第一信号的频率调制连续波(fmcw)信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，形成第二光源包括：形成第二光源以便输出作为第二信号的连续波(cw)信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，输出处于频率fd下的第二信号，并且方法进一步包括：设置调制器和滤光器以便产生频率为fm+fd的偏移信号，并且方法进一步包括：将偏移信号与接收信号的第二部分组合起来以便产生第二组组合信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，输出处于两个不同的光频fd1和fd2下的第二信号，并且获取第二组电流，该第二组电流指示频移fd2-fd1以确定目标相对于激光雷达系统的方向。

在又另一示例性实施例中，一种车辆包括芯片级激光雷达系统，该芯片级激光雷达系统包括用于输出第一信号的第一光源、以及用于输出第二信号的第二光源。系统还包括传输光束耦合器和接收光束耦合器，该传输光束耦合器用于提供用于传输的输出信号，该输出信号包括第一信号的一部分和第二信号的一部分，该接收光束耦合器用于获取由于目标对输出信号的反射引起的接收信号。第一组光电探测器分别地从第一组组合信号获取第一组电流，第一组组合信号中的每一个包括接收信号的第一部分，并且第二组光电探测器分别地从第二组组合信号获取第二组电流，第二组组合信号中的每一个包括接收信号的第二部分。处理器从第二组电流获取关于目标的多普勒信息并且从第一组电流和第二组电流获取关于目标的距离信息。车辆还包括车辆控制器，该车辆控制器用于基于来自激光雷达系统的信息增补车辆操作或者使车辆操作自动化。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第一光源输出作为第一信号的频率调制连续波(fmcw)信号，并且第二光源输出作为第二信号的连续波(cw)信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第二信号处于频率fd下，激光雷达系统进一步包括调制器和滤光器以便产生频率为fm+fd的偏移信号，并且将偏移信号与接收信号的第二部分组合起来以便产生第二组组合信号。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，调制器是马赫-曾德尔调制器。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，第二信号处于两个不同的光频fd1和fd2下，并且第二组电流指示频移fd2-fd1以确定目标相对于激光雷达系统的方向。

除了本文所描述的一个或多个特征之外，系统还包括传输光束转向装置和接收光束转向装置，该传输光束转向装置用于从传输光束耦合器引导输出信号，该接收光束转向装置将接收信号引导至接收光束耦合器。

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、以及其它特征和优点容易显而易见。

附图说明

其它特征、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是涉及根据实施例的双波长激光器芯片级相干激光雷达系统的情境的框图；

图2是根据一个或多个实施例的激光雷达系统的框图；以及

图3是根据一个或多个替代实施例的激光雷达系统的框图。

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。

如先前所指出的，常规激光雷达系统使用单个光源来执行距离和多普勒感测两则。本文详细描述的系统和方法的实施例涉及用于同时距离-多普勒感测的双波长激光器芯片级激光雷达。双波长激光器指的是使用两个不同的光源。与使用单个光源的常规激光雷达系统相比，信噪比(snr)可以提高大约3分贝(db)。在双波长激光器实施例中，一个光源提供fmcw信号并且另一光源提供没有频率调制的连续波(cw)信号。fmcw信号可以呈三角波的形式，该三角波具有被称为上线性调频脉冲的部分(其表现出频率对时间的线性增加)以及被称为下线性调频脉冲的部分(其表现出频率对时间的线性减小)。未调制的cw信号用在多普勒速度感测中，并且fmcw信号用于在给定从未调制的cw信号获取的多普勒速度信息的情况下获取目标距离。对双波长激光器芯片级激光雷达系统的两个示例性实施例进行了详细描述。

根据示例性实施例，图1是涉及双波长激光器芯片级相干激光雷达系统110的情境的框图。在图1中示出的车辆100是汽车101。参照图2和图3进一步详细描述的激光雷达系统110被示出为处于汽车101的车顶上。根据替代例或者附加实施例，一个或多个激光雷达系统110可以位于车辆100上的其它地方(例如，前后保险杠、侧面)。也示出了另一传感器115(例如，摄像机、声呐、雷达系统)。由激光雷达系统110以及一个或多个其它传感器115获取的信息可以被提供至控制器120(例如，电子控制单元(ecu))以用于进行图像或者数据处理、目标识别、以及随后的车辆控制。

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和其它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)的一部分的其它源头的信息来增补车辆操作。激光雷达系统110以及一个或多个其它传感器115可以用于探测物体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它合适部件。

图2是根据一个或多个实施例的激光雷达系统110的框图。在图2中示出的一些或者所有部件可以是光子芯片的一部分。这样，激光雷达系统110可以被称为芯片级激光雷达。在双波长激光器激光雷达系统110中使用了两个光源205、210。光源205、210可以是形成在光子芯片上的激光二极管。光源205输出处于频率fd1和fd2下的cw信号。光源210输出处于中心频率fr下的fmcw信号。如先前所指出的，fmcw信号可以包括上线性调频脉冲和下线性调频脉冲，并且差值δf是每个线性调频脉冲中的最高频率和最低频率之间的频率差。光源210可以包括可控电流源，该可控电流源被调制用于调制激光二极管的输出并且因而生成fmcw光。在图2中示出的谐振器215a、215b、215c、215d(通常被称为215)用作添加端口、分出端口、或者直通端口。谐振器215a用作用于将频率fr分出(即，耦联)到总线波导217上的分出端口。谐振器215b用作用于频率fd1的分出端口以及用于频率fd2的直通端口。因此，如所示出的在波导217中，使处于频率fd1下的cw信号进行耦联以与处于频率fr下的fmcw信号进行组合，而使处于频率fd2下的cw信号分离并且将其提供至组合器250b，将对其进行进一步讨论。

在分离器220处，使处于频率fr下的fmcw信号和处于频率fd1下的cw信号的组合进行分离。根据示例性实施例，将大多数信号(例如，90％)作为输出信号225引导至传输光束耦合器230(例如，光栅耦合器、边缘耦合器)，而将另一部分分离为信号227。传输光束扫描仪235(例如，二维(2d)微机电系统(mems)扫描仪)将输出信号225引导出激光雷达系统110。当输出信号225遇到目标140时，一些所产生的散射光由接收光束扫描仪245引导到接收光束耦合器240(例如，光栅耦合器、边缘耦合器)中作为接收信号247。基于由于激光雷达与目标之间的相对速度在接收信号247中引起的多普勒频移，fmcw分量从fr偏移δfd，并且cw分量从fd1偏移δfd。

谐振器215d用于仅仅将接收信号247的频率为fr±δfd的偏移fmcw分量分出(即，耦联)到波导218上。接收信号247的cw分量(频率为fd1±δfd)连同处于频率fd2下的cw信号(其是来自光源205的cwlo信号)被提供至组合器250b。组合器250b将接收信号247的cw分量(频率为fd1±δfd)与来自光源205的处于频率fd2下的cwlo信号组合起来，并且将该组合分离到组合信号255c、255d中(组合信号255a、225b、255c、255d通常被称为255)。组合信号255c、255d分别被提供至两个光电探测器260c、260d(光电探测器260a、260b、260c、260d通常被称为260)。例如，光电探测器260可以是硅上锗光电探测器。每个组合信号255c、255d的分量在每个光电探测器260c、260d中彼此干扰。

光电探测器260c、260d将干扰结果转换到电流270c、270d中(其也被称为差拍信号)。将来自各个光电探测器260c、260d的电流270c、270d进行组合并且对其进行处理以便获取关于目标140的多普勒速度信息。光电探测器260c和260d中的所接收到的多普勒频率fd偏移激光205的两个光频的差值fd2-fd1以便使得能够确定目标的多普勒速度相对于激光雷达的方向。例如，处理可以是由处理器280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280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。

由谐振器215d分出(即，耦联)至波导218的接收信号247的部分(接收信号245的频率为fr±δfd的偏移fmcw分量)被输入至组合器250a。来自分离器220的信号227被提供至谐振器215c。谐振器215c仅仅将作为本机振荡器(lo)信号229的处于频率fr下的fmcw分量分出(即，耦联)到波导219上并且还将其提供至组合器250a。组合器250a将lo信号229与来自谐振器215d的fmcw信号(其处于频率fr±δfd下)组合起来。组合器250a将组合信号分离到组合信号255a、255b中，组合信号255a、255b分别被提供至光电探测器260a、260b。

将在各个光电探测器260a、260b处的组合信号255a、255b之间的干扰结果转换到电流270a、270b中(被称为差拍信号)。频率fb⁺是差拍信号在上线性调频脉冲期间的频率，并且频率fb^-是差拍信号在下线性调频脉冲期间的频率。光电探测器260a、260b根据已知的平衡探测器技术用于取消lo信号229中的强度噪声，其是两个光电探测器260a、260b共有的。

电信号270a、270b和电信号270c、270d用于确定与目标140相隔的距离。针对光源210所输出的fmcw信号中的每个上线性调频脉冲和每个下线性调频脉冲作出对距离的确定。对上线性调频脉冲部分的距离确定是由如下等式给出：

在等式1中，t是线性调频脉冲的周期，并且c是光速。对下线性调频脉冲部分的距离确定是由如下等式给出：

图3是根据一个或多个替代实施例的激光雷达系统110的框图。与在图2中示出的实施例一样，在图3中示出的实施例包括两个光源305、310。光源305、310与光源205、210一样可以是形成在光子芯片上的激光二极管。光源310提供处于频率fr下的fmcw信号，这与图2中的光源210一样，但光源305提供仅仅处于一个频率fd下的cw信号，这与图2中的光源205不一样。基于谐振器315a、315b，将具有处于fr下的fmcw分量和处于fd下的cw分量的信号提供至分离器320。分离器320将输出信号325提供至传输光束耦合器230以用于由传输光束扫描仪235传输。如参照图2指出的，包括处于频率fr下的fmcw分量和处于频率fd下的cw分量的大多数(例如，90％)信号可以被分离为输出信号325。该分离的剩余部分被提供作为信号327。

信号327被提供至谐振器315c，其仅仅分出(即，耦联)该信号的处于频率fr下的作为lo信号329的fmcw部分并且将其提供至组合器350a。信号327的处于频率fd下的cw部分被提供至调制器352(例如，马赫-曾德尔调制器(mzm))以便引起频率fm的频移。例如，频率fm可以在100兆赫(mhz)至1千兆赫(ghz)的范围内。这遵循窄频带滤光器357，以便使得偏移信号358具有频率fd+fm。

当输出信号325遇到目标140时，一些所产生的散射光由接收光束扫描仪245引导到接收光束耦合器340中作为接收信号347。基于接收信号347中的多普勒频移，fmcw分量从fr偏移δfd，并且cw分量从fd偏移δfd。谐振器315d用于仅仅耦联接收信号347的频率为fr±δfd的偏移fmcw分量。接收信号347的cw分量(频率为fd±δfd)连同处于频率fd+fm下的偏移信号358一起被提供至组合器350b。组合器350b将其输出分离为组合信号355c、355d，组合信号355c、355d分别被提供至光电探测器360c、360d(通常，光电探测器360a、360b、360c、360d被称为360)。例如，光电探测器360可以是硅上锗光电探测器。如参照图2指出的，光电探测器360c、360d将各个组合信号355c、355d的干扰结果转换到相应电流370c、370d中(其也被称为差拍信号)。

在组合器350a处，连同lo信号329一起，接收信号347的由谐振器315d耦联的部分也被输入。两个信号的组合被分离到组合信号355a、355b中，组合信号355a、355b分别被提供至光电探测器360a、360b。分别从光电探测器360a、360b获取的电流370a、370b被提供用于与电流370c、370d一起进行处理。处理可以是由激光雷达系统110的处理器280或者由控制器120来完成。

如参照图2所讨论的，一组电流370c、370d用于执行多普勒速度感测。全部四个电流370a、370b、370c、370d均涉及对与目标140相隔的距离的确定，并且针对由光源310输出的fmcw信号的每个上线性调频脉冲和每个下线性调频脉冲执行对距离的确定。来自由光电探测器360a、360b提供的电流370a、370b，频率fb⁺是差拍信号在上线性调频脉冲期间的频率，并且频率fb^-是差拍信号在下线性调频脉冲期间的频率。在等式1和等式2中详细描述了距离确定。频移fm会促进对目标相对于激光雷达的方向和多普勒速度的确定。

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。