具有单中心透镜的激光雷达系统中的光传送的制作方法

本发明涉及具有单中心透镜的激光雷达系统中的光传送。

车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)越来越多地包括获得关于车辆操作和车辆周围环境的信息的传感器。一些传感器，例如照相机，无线电检测和测距(雷达)系统，以及激光雷达系统可以检测和跟踪车辆附近的物体。通过确定车辆周围物体的相对位置和朝向，车辆操作可以被增强或自动化以提高安全性和性能。例如，传感器信息可用于向车辆的驾驶员发出警报或操作车辆系统(例如，碰撞避免系统、自适应巡航控制系统、自主驾驶系统)。相干激光雷达系统传输调频连续波(fmcw)光并处理反射光束以确定关于目标的信息。由激光雷达系统获得的信息随着由激光雷达系统捕获的目标反射的光量的增加而改善。可以使用具有球面对称性的单中心透镜，例如球透镜，使得孔径是透镜的直径，并且光没有方向性畸变地进入。由单中心透镜获得的光必须被传送到激光雷达系统的接收路径，并且由激光雷达系统输出的光必须被传送到单中心透镜。因此，希望在具有单中心透镜的激光雷达系统中提供光传送。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，相干激光雷达系统包括输出连续波的光源和调制连续波的频率并提供调频连续波(fmcw)信号的调制器。该系统还包括：球透镜，用于获得由目标从fmcw信号获得的输出信号的反射产生的接收光束：以及光传送器，用于将由球透镜获得的接收光束传送到光束操纵装置，该光束操纵装置将接收光束引导到系统的接收路径。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器包括光纤锥形束中的光纤束。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器还包括准直器，使得球透镜位于光纤锥形束的一端，而准直器位于光纤锥形束的相对端。

除了在此描述的一个或多个特征之外，准直器配置为引导从球透镜传送的接收光束通过光纤锥形束到达光束操纵装置。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器包括透镜阵列，该透镜阵列与球透镜相邻布置为微透镜阵列。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器还包括静态镜，该静态镜配置为反射由球透镜获得的并且由微透镜阵列聚焦在静态镜上的接收光束到光束操纵装置上。

除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括循环器，其中该系统是单基地的并且使用相同的球透镜来传输输出信号并获得接收光束。

除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括第二球透镜和第二光束操纵装置以传输输出信号，其中该系统是双基地的。

在另一示例性实施例中，一种组装相干激光雷达系统的方法包括：布置光源以输出连续波；以及设置元件以调制连续波并提供调频连续波(fmcw)信号。该方法还包括：设置球透镜以获得由目标从fmcw信号获得的输出信号的反射产生的接收光束；以及布置光传送器以将由球透镜获得的接收光束传送到光束操纵装置，该光束操纵装置将接收光束引导到激光雷达系统的接收路径。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置光传送器包括将光纤束布置成配置为接收由球透镜获得的接收光束的光纤锥形束。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置光传送器还包括布置准直器，使得球透镜位于光纤锥形束的一端，而准直器位于光纤锥形束的相对端。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置准直器包括配置准直器，以引导从球透镜传送的接收光束通过光纤锥形束到达光束操纵装置。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置光传送器包括将透镜阵列与球透镜相邻布置为微透镜阵列。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置光传送器还包括布置静态镜以将由球透镜获得的并通过微透镜阵列聚焦在静态镜上的接收光束反射到光束操纵装置上。

在另一示例性实施例中，车辆包括相干激光雷达系统，该相干激光雷达系统包括输出连续波的光源，以及用于调制连续波的频率并提供调频连续波(fmcw)信号的调制器。相干激光雷达系统还包括：球透镜，用于获得由目标从fmcw信号获得的输出信号的反射产生的接收光束；以及光传送器，用于将由球透镜获得的接收光束传送到光束操纵装置，该光束操纵装置将接收光束引导到系统的接收路径。该车辆还包括车辆控制器，用于基于从相干激光雷达系统中的接收光束获得的信息来控制车辆。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器包括光纤锥形束中的光纤束。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器还包括准直器，使得球透镜位于光纤锥形束的一端，并且准直器位于光纤锥形束的相对端，并且准直器引导从球透镜传送的接收光束通过光纤锥形束到达光束操纵装置。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器包括透镜阵列，该透镜阵列与球透镜相邻布置为微透镜阵列。

除了在此描述的一个或多个特征之外，光传送器还包括静态镜，该静态镜配置为反射由球透镜获得的并且由微透镜阵列聚焦在静态镜上的接收光束到光束操纵装置上。

除了在此描述的一个或多个特征之外，相干激光雷达系统还包括循环器，其中该系统是单基地的并且使用相同的球透镜来传输输出信号并获得接收光束，或者还包括第二球透镜和第二光束操纵装置以传输输出信号，其中该系统是双基地的。

通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，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光传送器的相干激光雷达系统的框图；

图3是根据替代的一个或多个实施例的具有光传送器的相干激光雷达系统的框图；

图4示出了根据示例性实施例的光传送器；

图5是根据示例性实施例的用作光传送器的光纤锥形束的剖视图；

图6示出了根据示例性实施例的光传送器；以及

图7是根据一个或多个实施例的组装相干激光雷达系统与光传送器的方法的处理流程。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开及其应用或使用。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

如前所述，传感器可用于增强车辆操作或使车辆操作自动化。还注意到，一种类型的传感器是传输fmcw信号的相干激光雷达系统。该系统利用了所传输的fmcw信号和由目标对所传输的fmcw信号的反射产生的反射信号之间的相位相干性。反射信号和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的信息。相干激光雷达系统不同于现有的传输一系列脉冲的飞行时间激光雷达系统，并使用传输每个脉冲的持续时间和接收所得到的反射来确定目标的一组距离。

当输出信号遇到激光雷达系统的视场内的目标时，所得到的反射光在所有方向上被散射。如前所述，激光雷达系统获得的信息随着激光雷达系统能够获得的反射光的量的增加而改进。例如，球透镜可用于从多个不同角度获得反射光。由球透镜获得的反射光必须被传送到提供用于处理的反射光的光束操纵装置。在此详述的系统和方法的实施例涉及具有单中心透镜的相干激光雷达系统中的光传送。根据一个示例性实施例，可以使用光纤锥形束。根据另一示例性实施例，可以使用微透镜阵列和静态镜或镜阵列。

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。图1所示的车辆100是汽车101。参照图2进一步详细描述的相干激光雷达系统110显示在汽车101的车顶上。根据替代的或附加的实施例，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。还示出了另一传感器115(例如，照相机、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给控制器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和其他源的信息来执行已知的车辆运行控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自激光雷达系统110的信息和其他源作为已知系统(例如，碰撞避免系统、自适应巡航控制系统)的一部分来增强车辆操作。激光雷达系统110和一个或多个其它传感器115可用于检测物体140，例如图1所示的行人145。控制器120可包括处理电路，该处理电路可包括专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适当组件。

图2是根据一个或多个实施例的具有光传送器256的相干激光雷达系统110的框图。图2所示的示例性激光雷达系统110是单基地系统，其将相同的孔径透镜(即，球透镜255)用于作为输出信号236的由激光雷达系统110输出的光和作为接收光束238的由激光雷达系统110获得的光。激光雷达系统110包括光源210。光源210可以是激光二极管，例如根据示例性实施例的分布式反馈(dfb)激光器。光源210输出呈现恒定振幅的连续光波。光输出系统中的下一级包括光谐振器220。

谐振器220是外部光学腔，在光源210的外部。根据图2所示的示例性实施例，来自电压源的受控电压225被施加到谐振器220以执行电光调制并调制谐振器220中的连续光波的频率以产生fmcw光227。根据示例性实施例，一些光从谐振器220到光源210的反馈意味着光源210内产生的光和谐振器220输出的光被同步调制。可以线性地增加或减少受控电压225，以便产生呈现线性频率调制的光(即，线性fmcw信号)。或者，受控电压225可以非线性地变化以产生呈现非线性频率调制的光。

根据可选实施例，fmcw光227可以通过在光源210本身处调制频率来获得。在这种情况下，如图2所示，施加到谐振器220的受控电压225可以直接施加到块210。例如，可以改变激光器芯片的偏置电流，或者可以调制光源210的物理腔或镜。例如，这种调制可以通过压电或微机电系统(mems)驱动来实现。如图2所示，可选的光放大器230可用于放大由谐振器220输出的fmcw光227，以产生fmcw信号235。

分束器240用于将fmcw信号235分成输出信号236和本地振荡器(lo)信号237。输出信号236和lo信号237都呈现出由受控电压225或其它调制器赋予的频率调制。例如，分束器240可以是片上波导分束器。输出信号236被提供给诸如循环器250的光循环元件，这在图2所示的单基地系统中是必要的，以便于对于传输和接收路径使用相同的球透镜255。循环器250通过孔径将输出信号236导出激光雷达系统110。

根据图2所示的示例性实施例，孔径透镜是单中心透镜，例如球透镜255。如前所述，球透镜255便于获得由目标140反射进入激光雷达系统110的更多的光，因为孔径只是球透镜255的直径。入射光无方向性畸变地进入。这有利于具有与角度无关的最大可检测范围的更宽的视场。光束操纵装置257确保离开激光雷达系统110的输出信号236的正确对准以及进入激光雷达系统110的接收光束238的正确对准，并且必须被正确对准以在光电二极管280处进行最终干扰。光束操纵装置257可以是反射器。根据图2所示的示例性实施例，光束操纵装置257是mems扫描镜。

光传送器256在光束操纵装置257和球透镜255之间传送光。参照图3和图4详细描述光传送器256的不同实施例。如果目标140在激光雷达系统110的视场中，如图2所示的例子，则从激光雷达系统110输出的fmcw输出信号236被目标140散射。这些散射光中的一些作为接收光束238重新进入激光雷达系统110。接收光束238进入球透镜255，由光传送器256传送到光束操纵装置257，并由循环器250引导到反射器258。根据一个或多个实施例，反射器258将接收光束238引导到可选的光放大器260。

虽然在图2中示出了在反射器258和对准元件270之间的光放大器260，但是光放大器260可以替代地位于循环器250和反射器258之间，沿着表示为a的路径。根据示例性实施例，光放大器260可以包括耦合透镜，以将接收光束238无损耗地引导到光放大器260中。光放大器260还可以包括整形光学器件，以确保光放大器260输出的放大的接收光束265具有正确的轮廓。

放大的接收光束265被提供给对准元件270，其中放大的接收光束265与lo信号237对准。对准元件270确保放大的接收光束265和lo信号237是共线的，并且将输出分成两个共线信号272a、272b(通常称为272)。共线信号272a、272b分别引导到光电检测器280a、280b(通常称为280)。如图2所示，相干信号272a之一被反射器275反射，以便被引导到相应的光电检测器280a中。在共线信号272中对准的放大的接收光束265和lo信号237在光电检测器280中相互干扰。放大的接收光束265和lo信号237之间的干扰导致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。每个光电检测器280中的干扰表示自相干函数，以识别由输出信号236产生的放大的接收光束265。这防止来自激光雷达系统110外部的另一个光源的在激光雷达系统110的视场内的不定向光被误认为由目标140反射的接收光束238。

光电检测器280是将每个共线信号272中的放大的接收光束265和lo信号237之间的干扰结果转换成电流285a、285b(通常称为285)的半导体器件。根据已知的平衡检测器技术使用两个光电检测器280来消除两个光电检测器280共有的噪声。根据已知的处理技术，来自每个光电检测器280的电流285被组合和处理，以获得例如到目标140的范围、目标140的速度和其它信息。例如，处理可以在激光雷达系统110内由处理器290执行，或者在激光雷达系统110外由控制器120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。

每个共线信号272的功率，其由每个光电检测器280转换为交变光电流(即，电流285)，可以近似为(相当于常数)：

在式1中，d是孔径直径(例如，球透镜255的直径)，r是到目标140的范围，ρ是目标散射效率或反射率，plo是本地振荡器的功率，ptx是传输到目标140的输出信号236的总功率。因此，通过增加孔径直径d，收集的信号(接收光束238)成比例地或线性地增加。对于lo信号237和输出信号236的固定功率，由激光雷达系统110可检测的最大范围也相应地增加。球透镜255的直径可以是例如大约半英寸到一英寸。与具有大约1-5毫米直径的mems镜限制孔径的激光雷达相比，球透镜255的使用将收集的接收光束238提高了5-25倍。

图3是根据替代的一个或多个实施例的具有光传送器256a、256b(通常称为256)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。图3所示的双基地激光雷达系统110的大部分与图2所示的单基地激光雷达系统110相同。因此，不再讨论参照图2详细描述的组件。如前所述，单基地和双基地系统之间的主要差别在于，在双基地系统中，包括用于输出信号236和接收光束238的独立的光束操纵装置257a、257b(通常称为257)、光传送器256a、256b(通常称为256)、以及球透镜255a、255b(通常称为255)。这样，在图3的双基地系统中不需要循环器250。

图4示出了根据示例性实施例的光传送器256的剖视图。根据本实施例，光传送器256包括光纤锥形束410。光纤锥形束410由捆扎在一起的光纤组成。接收光束238由球透镜255聚焦成光纤锥形束410的子集。根据示例性实施例，光传送器256可以另外包括准直器420，其包括透镜或微透镜阵列。聚焦到光纤锥形束410的子集中的接收光束238离开准直器420所在的光纤锥形束410的端部。接收光束被提供给光束操纵装置257，其被定向为将接收光束238引导到激光雷达系统110的接收路径。如图4所示，光纤锥形束410可以是锥形的，使得每个光纤510(图5)在出口端具有比在入口端更小的直径，以便于将接收光束238对准到光束操纵装置257。在单基地系统的情况下，光束操纵装置257将接收光束238引导至循环器250。如图4所示，光传送器256的使用增加了激光雷达系统110的视场。这是因为从任何角度进入球透镜255的反射光可以被捕获和对准，以便通过光纤锥形束410进行处理。最接近球透镜255的光纤锥形束410的端部可以成形为配合在球透镜255周围并提供最佳耦合。

图5是根据示例性实施例的用作光传送器256的光纤锥形束410的剖视图。图5所示的剖面垂直于图4所示的剖面。光纤锥形束410的各个光纤510以(x，y)刻度表示。球面球透镜255上的接收光束238的输入角由给出。在(x，y)，该角度被映射到光纤锥形束410的光纤510。然后，沿着光纤510传送的光被映射到由(α，β)给出的光束操纵装置257的倾斜角。映射基于一对一的函数f和g：

由于从球面球透镜255到光纤锥形束410的映射由f给出，因此从光纤锥形束410的给定光纤510到光进入球面球透镜255的角度(θ，)的映射由f¹给出。即，当x和y值分别为-1和1的光纤510携带接收光束238时，然后可以使用函数g获得光束操纵装置257的倾斜角(α，β)，使得(α，β)＝g(-1，1)。

图6示出了根据另一示例性实施例的光传送器256的剖视图。根据本实施例的光传送器256包括微透镜阵列610和静态镜620，其可以实施为根据示例性实施例的镜阵列。静态镜520可以具有圆柱形几何形状，如图6所示的剖面形状所示，或者可以具有另一种几何形状以反射由微透镜阵列610聚焦的接收光束238。如图6所示，微透镜阵列610将球透镜255获得的接收光束238聚焦到静态镜620上。静态镜620将接收光束238反射到光束操纵装置257，该光束操纵装置257被定向成将接收光束238引导到激光雷达系统110的接收路径。如前所述，在单基地系统的情况下，这意味着将接收光束238引导到循环器250。

图7是根据一个或多个实施例的组装相干激光雷达系统110和光传送器236的方法的处理流程。在框710处，布置光源210以输出连续波可以包括：例如使用dfb激光器，并且布置用于从连续波提供fmcw光227的元件可以包括：在光源210的输出处布置谐振器220和受控电压225，如图2和3所示。框710处的处理可另外包括：布置光放大器230以从fmcw光227产生放大的fmcw信号235。在框720处，该处理包括：布置分束器240以从fmcw信号235(或fmcw光227)产生输出信号246和lo信号237。

在框730处，基于激光雷达系统110是单基地系统还是双基地系统(如图2和图3所示)，布置一组或两组光束操纵装置257、光传送器256和球透镜255以传输输出信号236并获得接收光束238是不同的。如图2所示，单基地系统只需要布置一组元件，但还需要设置循环器250，以将输出信号236引导到光束操纵装置257，并将接收光束238从光束操纵装置257引导到接收元件。

在框740，设置对准元件270以使接收光束238和lo信号327共线可以另外包括设置光放大器260以在对准之前放大接收光束238。在框750，处理包括设置光电二极管280和处理器120、290以检测和处理相干信号。在图2和图3所示的实施例中布置了两个光电二极管280。在每个光电二极管280中，共线接收光束238(或放大的接收光束265)和共线信号272中的lo信号237的干扰导致相干组合。由每个光电二极管280输出的电流由处理器120、290处理以获得诸如目标140的位置和速度的信息。

尽管已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。