具有扩展视场的相干激光雷达系统的制作方法

本公开涉及一种具有扩展视场的相干激光雷达系统。

车辆(例如，汽车、卡车、建筑装备、农场装备、自动化工厂装备)越来越多地包含传感器，该传感器获得关于车辆操作和车辆周围环境的信息。一些传感器(例如照相机、无线电探测和测距(雷达)系统和激光雷达系统)可以探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方向，车辆操作可以被增强或自动化以提高安全性和性能。例如，传感器信息可以用于向车辆驾驶员发出警报或操作车辆系统(例如，防撞系统、自适应巡航控制系统、自主驾驶系统)。相干激光雷达系统发送调频连续波(fmcw)光，并处理反射光束以确定关于目标的信息。通常，一个光源通过一个在此被称为光束操纵机构(例如驱动反射镜)的扫描机构和孔径透镜支持光的发送。因此，一个光源便于覆盖与扫描机构和孔径相关联的视场。因此，希望提供一种具有扩展视场的相干激光雷达系统。

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，以及调制连续波的频率并提供调频连续波(fmcw)信号的调制器。该系统还包括用于将fmcw信号分离到两个或多个路径的分路器，以及两个或多个孔径透镜。两个或多个孔径透镜中的至少一个与两个或多个路径中的每一个相关联，并且被配置为获得接收光束，该接收光束由从fmcw信号获得的输出信号的反射产生。

除了这里描述的一个或多个特征之外，分路器以与两个或多个路径中的每一个相等的功率分离fmcw信号。

除了这里描述的一个或多个特征之外，分路器将fmcw信号分离到两个或多个路径中的每一个，fmcw信号输出到两个或多个路径中的至少一个路径的功率不同于输出到两个或多个路径中的至少另一个路径的fmcw信号的功率。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括与两个或多个孔径透镜中的至少一个相关联的光束操纵设备，所述两个或多个孔径透镜与两个或多个路径中的每一个相关联。每个光束操纵设备与一个视场相关联，并且系统的总视场大于与任何光束操纵设备相关联的视场。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括与两个或多个路径中的每一个相关联的光放大器，以分别放大由分路器提供给两个或多个路径中的每一个的fmcw信号。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括与两个或多个路径中的每一个相关联的分束器，该分束器被配置成将来自分路器的fmcw信号分成输出信号和本地振荡器(lo)信号，以及对准元件被配置成对准lo信号和接收光束以产生共线信号。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括与两个或多个路径中的每一个相关联的一个或多个光电探测器，一个或多个光电探测器中的每一个基于lo信号和共线信号中的放大接收光束之间的干扰获得干扰结果。

除了这里描述的一个或多个特征之外，两个或多个路径中的至少一个是单站的，并且使用两个或多个孔径中相同的一个来发送输出信号并获得接收光束。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统还包括环形器，以将输出信号引导到两个或多个孔径中的一个孔径，并将接收光束引导到接收路径。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该系统在车辆内或车辆上，并且被配置成探测相对于车辆物体的位置和速度。

在另一示例性实施例中，装配相干激光雷达系统的方法包括：布置光源以输出连续波，以及处理元件以调制连续波并提供调频连续波(fmcw)信号。该方法还包括布置分路器以将fmcw信号分成两个或多个路径，以及布置两个或多个孔径透镜。两个或多个孔径透镜中的至少一个与两个或多个路径中的每一个相关联，并且与两个或多个路径中的每一个相关联的两个或多个孔径透镜中的至少一个中的一个被定位，以获得由从fmcw信号获得的输出信号的反射产生的接收光束。

除了这里描述的一个或多个特征之外，布置分路器包括将分路器配置为以用与两个或多个路径中的每一个相等的功率分离fmcw信号。

除了在此描述的一个或多个特征之外，布置分路器包括配置分路器以将fmcw信号分离到两个或多个路径中的每一个，所述fmcw信号输出到两个或多个路径中的至少一个路径的功率不同于fmcw信号输出到两个或多个路径中的至少另一个路径的功率。

除了在此描述的一个或多个特征之外，该方法还包括将光束操纵设备布置在与两个或多个路径中的每一个相关联的两个或多个孔径透镜中的至少一个的每一个附近。

除了这里描述的一个或多个特征之外，该方法还包括定位与两个或多个路径中的每一个相关联的光放大器，以分别地放大由分路器提供给两个或多个路径中的每一个的fmcw信号。

在又一示例性实施例中，车辆包括相干激光雷达系统，其具有输出连续波的光源，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将fmcw信号分成两个或多个路径的分路器，以及两个或多个孔径透镜。两个或多个孔径透镜中的至少一个与两个或多个路径中的每一个相关联，并且被配置为获得接收光束，该接收光束由从fmcw信号获得的输出信号的反射产生。所述车辆还包括车辆控制器，用于基于来自相干激光雷达系统的信息来增强或自动化车辆的操作。

除了这里描述的一个或多个特征之外，分路器以与两个或多个路径中的每一个相等的功率分离fmcw信号。

除了这里描述的一个或多个特征之外，分路器将fmcw信号分离到两个或多个路径中的每一个，fmcw信号输出到两个或多个路径中的至少一个路径的功率不同于输出到两个或多个路径中的至少另一个路径的fmcw信号的功率。

除了这里描述的一个或多个特征之外，相干激光雷达系统还包括与两个或多个孔径透镜中的至少一个的每一个相关联的光束控制设备，所述两个或多个孔径透镜与两个或多个路径中的每一个相关联。每个光束操纵设备与一个视场相关联，并且系统的总视场大于与任何光束操纵设备相关联的视场。

除了这里描述的一个或多个特征之外，相干激光雷达系统还包括与两个或多个路径中的每一个相关联的光放大器，以分别地放大由分路器提供给两个或多个路径中的每一个的fmcw信号。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的以上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，详细描述参考附图，其中：

图1是根据一个或多个实施例的涉及具有扩展视场的相干激光雷达系统的场景的框图；

图2是详细示出根据一个或多个实施例的具有扩展视场的激光雷达系统的一部分的框图；

图3是根据替代的一个或多个实施例的具有扩展视场的激光雷达系统的一部分的框图；

图4描绘了根据一个或多个实施例的光放大器可以包括可选的整形光学器件；

图5是根据一个或多个实施例的具有扩展视场的激光雷达系统的框图；和

图6是根据一个或多个实施例的装配具有扩展视场的相干激光雷达系统的方法的处理流程。

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、其应用或使用。应当理解，在所有附图中，相应的参考标记表示相同或相应的部分和特征。

如前所述，传感器可用于增强或自动化车辆操作。还应当注意，一种类型的传感器是发送fmcw信号的相干激光雷达系统。该系统利用发送的fmcw信号和由目标反射发送的fmcw信号产生的反射信号之间的相位相干性。反射信号和发射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发送一系列脉冲的飞行时间激光雷达系统，而运用每个脉冲的发送和产生反射的接收的持续时间来确定目标的一组距离。

这里详述的系统和方法的实施例涉及具有扩展视场的相干激光雷达系统。具体地，由单个光源产生的fmcw信号用于驱动多个扫描器(即，从多于一个孔径输出)。每个扫描器定义一个视场，该视场是方位角和仰角的角度范围。因此，驱动具有部分或非重叠视场的多个扫描器的能力扩展了整个激光雷达系统的总视场。扫描仪是指一种光束操控设备，其用于控制激光雷达系统输出的光束，以在给定视场内扫描。使用给定扫描器的视场可以是，例如60至120度。因此，基于用于发送光的扫描器的数量和它们的位置，可以使用单个光源来将视场扩展超过120度并达到360度。

根据示例性实施例，图1是涉及具有扩展视场的相干激光雷达系统110的场景的框图。图1所示的车辆100是汽车101。参考图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上的其他地方。相干激光雷达系统110可以用独立的光学元件或使用片上集成来实现。还示出了另一个传感器115(例如，摄像机、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可以是自主驾驶车辆，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和其他源的信息作为已知系统(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可以用于探测物体140，例如图1所示的行人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，执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。

图2和3详细示出了根据示例性实施例的激光雷达系统110的一个分支。图5示出了具有三个这种分支以扩展视场的示例性激光雷达系统110。图2详细示出了单站系统，而图3详细示出了双基地系统。

图2是根据一个或多个实施例的详细描述具有扩展视场的激光雷达系统110的一部分的框图。如前所述，图2描述了单站激光雷达系统110，其中发送和接收路径使用相同孔径透镜252。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，诸如分布式反馈(dfb)激光器。光源210输出连续光波，其呈现恒定振幅。光输出系统中的下一级包括光学谐振器220。

谐振器220是在光源210外部的外部光学腔，并且根据图2所示的示例性实施例，使用电压源的控制电压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，从谐振器220到光源210的一些光的反馈意味着光源210内产生的光和谐振器220输出的光被同步调制。控制电压225可以线性地增大或减小，以便产生呈现线性频率调制的光(即，线性fmcw信号)。或者，控制电压225可以非线性地变化，以产生呈现非线性频率调制的光。

根据替代实施例，所述fmcw光227可以通过调制光源210本身的频率来获得。在这种情况下，施加到谐振器220的控制电压225(如图2所示)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的物理腔或反射镜。这种调制可以通过例如压电或微机电系统(mems)驱动来实现。如图2所示，可选的光放大器230可以用于放大由谐振器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分离为输出信号236和本地振荡器(lo)信号237。输出信号236和lo信号237都呈现由控制电压225或其它调制器授予的频率调制。例如，分束器240可以是片上波导分路器或独立式分束器。输出信号236被提供给光循环元件，即循环器250，其在图2所示的单站系统中是必需的，以便增加使用相同孔径透镜252用于发送和接收路径。循环器250将输出信号236从激光雷达系统110导出通过孔径透镜252。光束操纵设备251(也可称为扫描器)引导输出信号236通过孔径透镜252。如图3所示，在双基地系统中，不需要循环器250，而是使用第二光束操纵设备251和孔径透镜252，使得输出信号236和接收光束238不穿过相同的路径。

光束操纵设备251可以是mems扫描镜或由其它机构驱动的反射镜。例如，光束操纵设备251也可以以其它方式实现，包括使用risley棱镜光束操纵的反射镜检流计，或通过机械地驱动整个激光雷达系统110。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，则由循环器250输出的fmcw信号236被目标140散射。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由循环器250引导到反射器255。根据一个或多个实施例，反射器255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255和对准元件270之间的光放大器260，但是光放大器可以沿着表示为“a”的路径替代地位于循环器250和反射器255之间，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，以确保由光放大器260提供的放大的接收光束265具有正确的轮廓。参考图4进一步讨论这些可选的附加元件。如前所述，对于飞行时间激光雷达系统，该光放大器260不能在接收光束238的路径中，如图2所示。

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。该对准元件270确保放大的接收光束265和lo信号237共线，并将输出分成两个共线信号272a、272b(通常称为272)。共线信号272a、272b分别地导向到光电探测器280a、280b(通常称为280)。如图2所示，共线信号272a中的一个被反射器275反射，以便被引导到相应的光电探测器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在光电探测器280中相互干扰。放大的接收波束265和lo信号237之间的干扰导致两个波束的相干组合。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中的干扰表示自相关函数，以识别由输出信号236产生的放大的接收光束265。这防止错误光被误认为是由目标140反射的接收光束238，所述错误光来自在激光雷达系统110的视场内的激光雷达系统110外部的另一光源。

光电探测器280是半导体设备，其将放大的接收光束265和每个共线信号272中的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共有的噪声。根据已知的处理技术，来自每个光电探测器280的电流285被组合和处理，以获得诸如目标140，目标140的速度和其它信息范围的信息。例如，该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讨论的处理电路。根据本实施例的接收路径的组件被标记为520。

图3是根据替代的一个或多个实施例的具有扩展视场的激光雷达系统110的一部分的框图。示出了双基地激光雷达系统110，其包括单独的发送和接收光束操控设备251a、251b(通常称为251)和孔径透镜252a、252b(通常称为252)。图3所示的大多数双基地激光雷达系统110类似于图2所示的单站激光雷达系统110。因此，不再讨论参考图2详细描述的组件。如前所述，单站和双基地系统之间的主要差别在于内含物，在双基地系统中，包括用于输出信号236和接收光束238的单独的光束操控设备251和孔径透镜252。根据本示例性实施例的接收路径的组件也被标记为520。

图4示出了根据一个或多个实施例的光放大器260可以包括有可选的整形光学器件。耦合透镜410减小入射接收光束238的直径。例如，如果接收光束238具有1毫米(mm)量级的直径，则耦合透镜410可以将其减小到微米量级，以便使接收光束238通过光放大器260。在光放大器260的另一侧，准直透镜420恢复放大的接收光束265的直径。变形棱镜对430确保放大的接收光束265的截面的期望形状。例如，在图4所示的示例性实施例中，放大的接收光束265具有圆形的横截面形状。

图5是根据一个或多个实施例的具有扩展视场的激光雷达系统110的框图。为了简单起见，示出了单站系统，但从图2和3以及相关讨论应当清楚，双基地系统也可以用于扩展视场激光雷达系统110的每个部分。在图5的示例性激光雷达系统110中示出了三个部分i、ii、iii。部分通常是指最终输出输出信号236并接收和处理接收光束238的一组元件。虽然出于说明的目的示出了三个部分i，ii，iii，但是如图2和3所示，可以使用两个或多个部分来扩展用示例性单个部分实现的视场。

谐振器220输出的fmcw光227被分路器510分成如图5所示的三个部分的每一个。分路器510是光学元件并且可以是片上波导分路器。根据示例性实施例，分路器510可以包括多个分束器，以产生多个分路器分支(即，多组部分)，每个分束器将光引导到相应的发送和接收部分。分路器510可以均等地分光。例如，如果fmcw光227具有15毫瓦(mw)的功率，则图5中的三个部分i，ii，iii中的每一个可以接收具有5mw功率的fmcw光227。在替代实施例中，mfcw光227的分离可以是不相等的。例如，部分i可用于远程扫描并接收10mw的功率，而另外两个部分ii、iii各自接收2.5mw。

部分i、ii、iii中的每一个被示出为包括光放大器230。光放大器230可以具有饱和状态，以致具有大于阈值功率值的功率的任何fmcw光227将被放大到设定的放大功率。例如，任何大于5mw的输入将被放大到70mw。因此，根据示例性实施例，光源210可以被配置为输出光放大器230的阈值功率值的至少n倍，其中n是部分的数量(例如，在示例性情况下，n＝3，部分i、ii和iii)。此外，分路器510可以被配置为至少将阈值功率值赋予每个部分。.

部分i、ii、iii中的每一个也被示出包括在图2和3中标记为520的接收路径的组件。为了简单起见，这些在图5中没有展开。如前所述，标记为520的接收路径的组件可以如图2所示用于单站系统，或者如图3所示用于双基地系统。图5中的部分i表示循环器250，光束操纵设备251和孔径透镜252为530。如所示，标记为530的这些组件也是其它两个部分ii、iii的一部分。在图5所示的示例性实施例中，单个光源210最终驱动三个部分i、ii和iii，因此，便于扩展视场超出仅利用部分i、ii、iii中的一个可以实现的视场。

虽然部分i和ii以及部分i和iii被示出为彼此相隔90度，但是根据一个或多个实施例的激光雷达系统110的两个或多个部分的排列和相对定向不限于三维空间。此外，与每个部分相关联的光束操纵设备251可能不会导致每个部分的相同视场。例如，在图5所示的示例性激光雷达系统110中，部分i可以覆盖中心在0度方位角和0度仰角(车辆上的前视图)的90度乘40度视场。部分ii可以覆盖中心在180度方位角和0度仰角的40度乘20度视场(在车辆100上的后视图)。部分iii可以覆盖以270度方位角和20度仰角定向的40度乘40度视场(覆盖车辆100的右侧盲点并且略微朝下)。这样，一个光源210可以扩张整个激光雷达系统110的覆盖范围。

图6是根据一个或多个实施例装配具有扩展视场的相干激光雷达系统110的方法的处理流程600。如前所述，激光雷达系统110可以是单站或双基地系统。具体地，获得fmcw信号227的每个部分可以是单站或双基地系统。在框610，布置光源210和附加元件以输出fmcw信号227，包括布置谐振器220和诸如控制电压225的调制元件以输出fmcw信号227。例如，布置分路器510以将fmcw信号227分离以供两个或多个部分使用，可以包括布置由多个分路器组成的分路器510以将fmcw信号227进一步细分。如前所述，分路器510可以相等或不相等的将输入fmcw信号227的功率分到每个部分。在框630至660，对于由分路器510提供fmcw信号227的分路器的每个部分，所述剩余的处理被重复。

在框630，该过程包括放大由分路器510提供的fmcw信号227，并布置分束器240以产生输出信号236和lo信号237。如前所述，所述lo信号237需要最终干扰接收到的反射。在框640处，布置元件包括在单站系统中布置循环器250，以发送输出信号236并获得接收光束238。此外，一个或多个光束操纵设备251和相关联的一个或多个孔径可以被定位，使得光束操纵设备251通过孔径透镜252和来自孔径透镜252的接收光束238来操纵输出信号236。

在框650，布置对准元件270以将接收光束238与lo信号237对准，可以另外包括布置光放大器260以放大接收光束238并产生放大的接收光束265。接收光束238，或者可选地，放大的接收光束265与对准元件270中的lo信号237产生共线。对准元件270将共线信号272输出到一个或多个路径。在框660处，配置光电二极管280和处理器120、290以探测和处理相干信号，指的是共线信号272的每个路径正被处理以获得关于一个或多个目标140的信息。

每个光电二极管280有助于接收光束238，或者可选地，放大的接收光束265和相应共线信号272中的lo信号237之间的干扰。该干扰导致相干组合，该相干组合被提供给处理器120、290以确定目标140的距离和速度，例如，如参考图2所讨论的。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解的是，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，在不脱离本发明的实质范围的情况下，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，而是将包括未落入其范围内的所有实施例。