模拟用于测试调频连续波(FMCW)光检测和测距(LiDAR)系统的环境的系统的制作方法

模拟用于测试调频连续波(fmcw)光检测和测距(lidar)系统的环境的系统
1.优先权要求
2.本技术要求于2020年5月13日提交的标题为“system for emulating an environment for testing a light detection and ranging lidar system”、发明人为marcus dasilva、amarpal khanna、jason marks和douglas farrell的编号为63/023,984的美国临时专利申请的优先权，该专利申请通过引用全文并入本文，就好像在本文中完全和完整地阐述一样。
技术领域
3.本公开涉及测试领域，更特别地，涉及一种模拟用于测试光检测和测距(lidar)系统的空中(over-the-air)环境的系统。


背景技术：

4.光检测和测距(lidar)是一种通过将光照射到目标上并处理反射的光来检测物体、目标甚至整个场景的方法。lidar原则上与雷达非常相似。不同之处在于，lidar使用波长在无线电或微波波段之外的光来探测目标。通常使用红外光，但也可以使用其它频率。更小的波长使lidar具有更好的空间分辨率，使其能够将整个场景表示为点云。与将强度和颜色映射到二维上的摄影图像不同，lidar点云中的每个点可以附加地具有相关联的距离和/或速率。
5.典型的lidar单元使用激光来发射光。这些发射在视场内被扫描并被其路径中的任何物体反射。反射光由lidar单元接收和处理。接收到的光的测量值(振幅、延迟、多普勒频移等)以及扫描角度(φ,θ)被聚合，从而对lidar视场中的物体创建物理描述。这种方法可以将场景表示为点云，如图1中所示。云中的每个点可以具有以下属性：
6.·
水平角度或方位角(通常用φ表示)
7.·
垂直角度或仰角(通常用θ表示)
8.·
与lidar单元的距离。这通常是通过测量光往返物体和返回所需的延迟来完成的。
9.·
相对于lidar单元的速度。这可以通过两种方式来测量：
10.ο反射光的多普勒频移。
11.ο计算在连续距离测量中检测到的距离的变化。
12.·
反射率。这是被物体反射的入射光的比例，有时被称为“强度”。
13.lidar单元的开发人员和制造商以及将安装它们的车辆(汽车、飞机等)的制造商经常需要在各种条件下测试lidar。目前，截至2020年，开发人员和制造商采取以下任一种方式：1)在室外环境中进行测试，或2)在大区域中构建真实环境的物理模型。虽然这可以提供定义良好的测试环境，但它庞大、昂贵、难以自动化且不可扩展。
14.因此，期望该领域中的改进。


技术实现要素：

15.本文提出了用于执行lidar测试和目标模拟的系统和方法的实施例。更具体而言，实施例涉及模拟用于测试和/或校准被测光检测和测距(lidar)单元的空中环境的系统。该系统可以包括被配置为接收来自被测lidar单元(uut)的光的输入透镜系统、耦合到透镜系统的多个光学处理链以及耦合到每个光学处理链的输出透镜系统。在一些实施例中，单个透镜系统可以用作输入透镜系统和输出透镜系统。输出透镜系统被配置为基于每个光学处理链处理的光信号将光生成到自由空间中和/或返回到lidar uut。
16.光学处理链中的每个光学处理链可以包括至少一个光纤，该光纤耦合到输入透镜系统并被配置为提供与接收到的光对应的光信号。每个链还可以包括耦合到多个光纤的频移模拟器，该频移模拟器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移。频移模拟器可以包括光学iq调制器或光学锁相环。在一些实施例中，频移模拟器可以针对上斜率(up-slope)和下斜率(down-slope)使用不同的频移来模拟距离和多普勒频移。每个链还可以包括耦合到频移估计器并且被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟的可选择光学延迟设备。最后，每个链可以包括至少一个光学衰减器/放大器，其被配置为选择性地控制(衰减或放大)光信号的振幅以模拟不同水平的反射率和路径损耗。
17.该系统可以被配置为以光学方式处理接收到的光以维持与从被测lidar单元接收到的光的相干性。在一些实施例中，该系统可以同时处理lidar图像中的所有点。
18.该系统还可以包括耦合到频移模拟器、可选择光学延迟和光学衰减器/放大器的lidar图像生成器，其可以是用户可编程的以控制这些设备的操作。例如，lidar图像生成器可以被配置为向频移模拟器提供频移值，以供频移模拟器在接收到的光信号中创建频率偏移时使用。lidar图像生成器还可以被配置为向可选择光学延迟提供延迟值，以供可选择光学延迟使用以延迟光信号来模拟反射光的往返时间。最后，lidar图像生成器可以被配置为向光学衰减器/放大器提供振幅值，用于控制光信号的振幅来模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量。lidar图像生成器可以被配置为为系统生成的点云中的每个点提供频移值、延迟值和/或振幅值。lidar图像生成器提供的一组值可以对应于特定的测试环境。换句话说，可以预先计算该组值以模拟用于测试lidar uut的特定场景。
19.实施例还可以涉及模拟用于测试lidar uut的空中环境的系统。该系统可以包括被配置为接收来自uut的光的输入透镜系统。该系统还可以包括耦合到输入透镜系统并且被配置为接收光信号并且将部分光信号提供给第一光学处理路径和第二光学处理路径中的一个或两者的输入分光块。该系统还可以包括耦合到第一光学处理路径和第二光学处理路径的至少一个光学快门阵列。
20.第一光学处理路径可以包括用于确定激光脉冲在特定时刻的角度的光电检测器阵列，其中接收到的光在光电检测器阵列上的位置用于打开光学快门阵列中的对应元件。接收到的光在光电检测器阵列上的位置可以对应于垂直和水平扫描角(φ,θ)，其中垂直和水平扫描角用于打开光学快门阵列中的对应元件，或者替代地，单个透镜系统可以用于接收来自lidar uut的光并将处理后的光输出回lidar uut。在一个实施例中，光电检测器阵列中的每个光电检测器具有与光学快门阵列中的对应快门的一对一映射。替代地，光电检测器阵列中的多组多个光电检测器中的每组可以具有与光学快门阵列中的对应快门的多
对一映射或一对多映射。
21.第二光学处理路径可以包括振幅控制器，用于控制光信号的振幅来模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量。第二路径还可以包括被耦合以控制振幅控制器的lidar图像生成器。第二光学处理路径可以被配置为向光学快门阵列提供衰减信号以通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
22.在一些实施例中，第二光学处理路径还包括耦合到可选择光学延迟元件的移频器。移频器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移。因此，在这个实施例中，第二光学处理路径可以向系统的输出提供频移和衰减的信号。例如，该系统可以包括光学快门阵列，并且可以提供处理后的信号以通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。替代地，该系统可以利用透镜系统来接收来自lidar uut的光并将处理后的光输出回lidar uut。移频器可以包括光学iq调制器或光学锁相环。
23.在一些实施例中，第二光学处理路径还可以包括耦合到移频器的可选择光学延迟元件。该可选择光学延迟元件可以被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟。在这个实施例中，第二光学处理路径可以被配置为向至少一个光学快门阵列提供延迟和衰减的信号，以通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。替代地，该系统可以利用透镜系统来接收来自lidar uut的光并将延迟和衰减的信号输出回lidar uut。
24.本发明的其它方面将参考附图和附图随后的具体实施方式变得显而易见。
附图说明
25.当结合以下附图考虑以下优选实施例的详细描述时，可以获得对本发明的更好理解，附图中：
26.图1示出了根据一些实施例的脉冲飞行时间(tof)lidar操作；
27.图2是根据一些实施例的调频连续波(fmcw)lidar系统的框图；
28.图3示出了根据一些实施例的上下线性调频(fm)斜坡(ramp)；
29.图4a示出了根据一些实施例的单闪光(single-flash)lidar操作；
30.图4b示出了根据一些实施例的多闪光(multi-flash)lidar操作；
31.图5图示了根据一些实施例的tof lidar目标模拟器的框图；
32.图6图示了根据一些实施例的可以用于tof、fmcw和闪光(flash)lidar的lidar场景模拟器；
33.图7图示了根据一些实施例的用于创建光学频移的系统的框图；
34.图8a是根据一些实施例的包括光学快门阵列的用于tof和fmcw lidar的lidar场景模拟器的框图；
35.图8b是根据一些实施例的包括输入/输出透镜系统的用于tof和fmcw lidar的lidar场景模拟器的框图；
36.图9a图示了根据一些实施例的光电检测器阵列和光学快门阵列之间的一对一映射；
37.图9b图示了根据一些实施例的光电检测器阵列和光学快门阵列之间的四对一映射；
38.图10图示了根据一些实施例的使用频移来模拟fmcw lidar中的延迟和多普勒频移；
39.图11图示了根据一些实施例的闪光lidar场景模拟器的示意图；
40.图12图示了根据一些实施例的用于利用2d矩阵序列来模拟闪光lidar空中场景的方法；
41.图13图示了根据一些实施例的使用专用时序元件为闪光lidar生成模拟场景的方法；
42.图14是图示根据各种实施例的用于模拟器系统模拟用于测试tof和/或fmcw lidar uut的空中环境的方法的流程图；以及
43.图15是图示根据一些实施例的用于为闪光lidar uut模拟空中环境的方法的流程图。
44.虽然本发明易于进行各种修改和替代形式，但其具体实施例在附图中以示例的方式示出并且在本文中详细描述。但是，应该理解的是，附图及其详细描述并非旨在将本发明限制于所公开的特定形式，相反，其意图是涵盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施方式
45.术语
46.以下是本公开中可能出现的术语表：
47.存储器介质——各种类型的非暂态存储器设备或存储设备中的任何一种。术语“存储器介质”旨在包括安装介质，例如cd-rom、软盘或带状设备；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如dram、ddr ram、sram、edo ram、rambus ram等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质，例如硬盘驱动器或光存储装置；寄存器或其它类似类型的存储器元件等。存储器介质也可以包括其它类型的非暂态存储器或其组合。此外，存储器介质可以位于执行程序的第一计算机系统中，或者可以位于通过网络(诸如互联网)连接到第一计算机系统的第二不同的计算机系统中。在后一种情况下，第二计算机系统可以向第一计算机系统提供程序指令以供执行。术语“存储器介质”可以包括两个或更多个存储器介质，它们可以驻留在不同的位置，例如，在通过网络连接的不同计算机系统中。存储器介质可以存储可以由一个或多个处理器执行的程序指令(例如，实施为计算机程序)。
48.计算机系统(或计算机)——各种类型的计算或处理系统中的任何一种，包括个人计算机系统(pc)、大型计算机系统、工作站、网络电器、互联网电器、个人数字助理(pda)、电视系统、网格计算系统或其它设备或设备组合。一般而言，术语“计算机系统”可以被广义地定义为涵盖具有执行存储器介质中的指令的至少一个处理器的任何设备(或设备的组合)。
49.处理元件(或处理器)——指代能够在设备(例如，在用户装备设备或蜂窝网络设备)中执行功能的各种元件或元件的组合。处理元件可以包括例如：处理器和相关联的存储器、单独的处理器内核的部分或电路、整个处理器内核、处理器阵列、诸如asic(专用集成电路)之类的电路、诸如现场可编程门阵列(fpga)之类的可编程硬件元件，以及上述各种组合中的任何一种。
50.被配置为——各种组件可以被描述为“被配置为”执行一个或多个任务。在这样的
上下文中，“被配置为”是广泛的引用，通常意味着“具有”在操作期间执行一个或多个任务的“结构”。由此，即使在组件当前没有执行任务时，该组件也可以被配置为执行该任务(例如，一组电导体可以被配置为将一个模块电连接到另一个模块，即使这两个模块没有连接)。在一些上下文中，“被配置为”可以是对结构的广泛引用，通常意味着“具有”在操作期间执行一个或多个任务的“电路系统”。由此，即使组件当前未开启，该组件也可以被配置为执行任务。一般而言，形成与“被配置为”对应的结构的电路系统可以包括硬件电路。
51.为了描述方便，可以将各种组件描述为执行一个或多个任务。此类描述应解释为包括短语“被配置为”。引用被配置为执行一个或多个任务的组件明确旨在不援引35u.s.c.
§
112第六段对该组件的解释。
52.本文描述的实施例涉及用于模拟由lidar观察到的光学环境的系统和方法。更具体而言，本文描述的实施例可以为lidar单元的开发人员和制造商提供模拟由lidar观察到的光学环境、体积小、易于复制且可由计算机控制的部件。
53.2020年有三种主流类型的可商用或正在开发中的lidar。每个都有其自己的模拟挑战：1)脉冲飞行时间lidar(tof)；2)使用一系列线性fm啁啾(chirp)或调频连续波(fmcw)的lidar；以及3)闪光(flash)lidar。本文的实施例提出了用于模拟这些类型的lidar中的一种或多种或可能用于未来可能开发的其它类型的lidar的光学环境的系统和方法。
54.图1
–
tof lidar框图
55.图1示出了tof lidar的简化示意图。tof lidar使用以下基本功能块来渲染场景：
56.1).脉冲激光器：tof lidar发射短时、高振幅的激光脉冲。振幅可能高，以便接收器能够捕获从远处反射的脉冲。这种对非常强的光脉冲的需求是tof lidar的缺点之一。
57.2).扫描仪：激光脉冲通过扫描仪，该扫描仪改变光在视场中传播的角度。在场景上扫描连续的激光脉冲，从而覆盖视场。一些lidar使用带有二维光栅扫描仪的单个激光器，而其它lidar可能使用进行水平扫描的垂直激光器阵列(即，每个激光扫描在一个维度)。扫描仪可以是机械式的，带有旋转镜和/或它们可以用固态激光器阵列、mems器件或光学相位阵列等实现。
58.3).视场中的目标物体。激光脉冲从目标物体反射。反射表面的材料、粗糙度和角度决定了反射率，或反射的光功率的比例。lidar单元将接收被自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量衰减的信号。该路径损耗可以由距离以及任何减损(诸如灰尘、雾等)确定。如由lidar接收到的反射将具有时间延迟。该延迟是光从lidar单元到目标并返回的往返时间。速率可以从连续激光脉冲的该距离随时间的变化来计算。tof lidar不测量多普勒频移。lidar单元具有关于从扫描仪设置发射光的角度(φ,θ)的信息。lidar使用此角度信息来重建其视场中的场景。
59.4).点云。场景被渲染为点阵列，每个点具有以下属性：i)照射点(illuminated point)相对于lidar的水平和垂直角度(φ,θ)；ii)lidar照射点处的反射率；iii)被照射点与lidar之间的距离；和/或4)lidar照射点处的相对速率。应注意的是，在tof lidar中，速率只是间接测量的。截至2020年4月已商用或正在开发的tof lidar可以将场景渲染为具有1,000到100,000个点的点云。
60.图2：fmcw lidar
61.图2示出了fmcw lidar系统的简化示意图。fmcw lidar使用激光的线性fm调制和
接收器的同步处理。fmcw lidar不仅比tof lidar更能抵抗干扰，而且它们需要少得多的峰值光功率来获得相同的范围和灵敏度。fmcw lidar通常使用人眼安全的波长在其中运行，因为激光器在运行期间始终处于开启状态。
62.fmcw lidar可以使用以下基本功能块来渲染场景：
63.1)fm调制激光源。fmcw lidar中的激光器也产生光脉冲。但是，与tof lidar相比，这些脉冲的持续时间更长且振幅更低，并且它们通过线性斜坡或频率扫描进行fm调制。许多fmcw lidar在频率扫描中使用线性上升斜坡和线性下降斜坡的组合。线性频率扫描与tof lidar相比具有若干信号处理优势，如下文更详细说明的。
64.2)线性频率扫描处理。线性频率扫描是指激光的实际频率随时间线性变化。激光被目标物体反射并经历往返时间延迟。该时间延迟意味着接收到的信号的频率与在时间延迟之前的较早时间发射的频率相同。接收到的信号与传输的信号混合，并且产生的基带信号经过电子方式处理。上扫是指对于静止物体接收到的频率低于发射的频率。下扫是指对于静止物体接收到的频率高于发射的频率。如果目标物体相对于lidar单元移动，那么接收到的信号也会由于多普勒效应而经历频移，该频移与扫描方向无关。渡越(transit)延迟和多普勒频移的效应可以通过一起处理向上和向下扫描来分离。上扫中的频移包含多普勒效应减去延迟效应。下扫中的频移包含多普勒效应加上延迟效应。
[0065][0066][0067]
因此，多普勒频移的效应可以与往返时间延迟的效应分离，使得fmcw lidar系统可以计算场景中反射点的速率和到反射点的距离。
[0068]
图3：上-下线性fm斜坡
[0069]
图3示出了实际lidar信号的发射(tx)和接收(rx)频率与时间的关系图。频率可以用线性斜坡调制。每个啁啾斜坡(即上升斜坡和下降斜坡)可以具有比最大往返延迟更长的持续时间。接收到的信号可以是发射信号的延迟版本。在上升斜坡中，延迟导致rx频率低于tx频率。在下降斜坡中，延迟导致rx频率高于tx频率。由于多普勒效应，速度也可能导致频移。例如，当目标接近时频移上升，并且当目标后退时频移下降。
[0070]
渡越时间和多普勒效应都可能产生频移。当接收到的光脉冲与发射的光脉冲混合时，这种频移被恢复。
[0071]
上啁啾：δf
up
＝δ
doppler-δ
transit
[0072]
下啁啾：δf
down
＝δ
doppler
+δ
transit
[0073][0074][0075]
当光传播到目标并返回时，在每个上升或下降斜坡的开始可能存在停滞时间(dead time)。
[0076]
扫描仪可以如下操作。激光脉冲可以通过扫描仪，该扫描仪可以改变光在视场中传播的角度。可以在场景中扫描连续的激光脉冲，从而覆盖视场。一些lidar可以使用带有
二维扫描仪的单个激光器，而其它lidar可以使用进行水平扫描的垂直激光阵列(或进行垂直扫描的水平激光阵列)。扫描仪可以是机械的，带有旋转镜或固态的。视场中的目标物体可能如下影响系统。激光脉冲从目标物体反射，其中反射表面的材料、粗糙度和/或角度决定了反射率，或反射的光的比例。lidar单元可以接收被来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量衰减的信号。该路径损耗可以由距离以及任何减损(诸如灰尘、雾等)确定。如由lidar接收到的反射将具有时间延迟。该延迟是光从lidar单元到目标并返回的往返时间。时间延迟可以本身表现为rx频率相对于tx频率的频移。这种频移对于向上扫描是负的，对于向下扫描是正的。反射也可以具有与lidar单元和目标物体之间的速率差成比例的多普勒频移。多普勒频移可以与扫描方向无关。lidar单元具有关于从扫描仪设置发射光的角度(φ,θ)的信息。lidar使用此角度信息来重建其视场中的场景。
[0077]
同步接收器可以如下操作。lidar接收器组合反射的脉冲和发射的脉冲。结果是可以用于确定在给定时刻发射和接收的光之间的频率差的信号。该低频信号(通常在mhz范围内)使用常规的rf信号处理技术进行处理。以低得多的带宽以电子方式处理接收到的信号的能力可以大大提高可实现的信噪比(snr)。与tof lidar所需的相比，这可以允许以低得多的发射激光功率对远处物体进行成像。目标物体的相对速度可以通过多普勒频移直接测量。
[0078]
点云。场景可以被渲染为点阵列，每个点具有以下属性：1)水平和垂直角度(φ,θ)；2)lidar照射点处的反射率；3)被照射点与lidar之间的距离；以及4)lidar照射点处的相对速率。
[0079]
截至2020年4月开发中的fmcw lidar可以将场景渲染为具有1000到100000个点的云。
[0080]
闪光lidar
[0081]
闪光lidar是一种特定类型的lidar，而不是扫描脉冲飞行时间(“tof”)和调频连续波(“fmcw”)lidar类型。闪光lidar设备目前已经商用，并且技术在不断改进。本文的一些实施例通过允许将lidar设备耦合到模拟3d世界环境的系统的方法解决了测试闪光lidar设备的挑战。该处理通过组合光学和电子技术模拟闪光lidar在驾驶场景或其它人为场景中会接收到的响应来工作。lidar接收到的响应然后将创建“点云”，这是闪光lidar设备的标准输出，其与在真实驾驶或其它场景中将创建的点云基本相似。由于闪光lidar光学输出没有物理连接到模拟系统，因此模拟将光学上在“空中”或在自由空间内进行。这种方法将使闪光lidar的测试能够以具有成本效益、高效和高度可重复的方式进行。
[0082]
图4a图示了具有单个激光源的闪光lidar设备的简化示意图。顾名思义，闪光lidar的行为很像所熟悉的闪光灯相机。整个场景都充满光。闪光lidar在以下方面与其它lidar不同。首先，通常没有与发射的光脉冲相关联的扫描仪。对于单个激光闪光lidar，来自单个激光脉冲的光通过透镜系统或漫射器传播到整个视场。对于一些闪光lidar设备，可以使用扫描系统，但是它们仍然与tof和fmcw扫描系统的不同之处在于它们一次“闪光”视场的子部分(subsection)，并且该子部分随时间移动。目标物体反射光的闪光。与其它类型的lidar的逐点照射不同，整个场景(或场景的子部分)通过闪光短激光脉冲并使用漫射器传播光来一起照射。其次，反射的光被透镜捕获并投射到成像器上，就像电子相机一样。第
三，由数千个像素组成的成像器使用tof、fmcw或其它技术处理每个像素来渲染图像。
[0083]
图4b示出了多光束闪光lidar的简化示意图。多光束闪光lidar与单光束闪光lidar相似，但与单光束闪光lidar的不同之处在于，lidar的发射端使用了多于一个的激光器(例如，可能是激光器阵列)。阵列中的每个激光器都照射目标区域的小部分，并且激光器的激发(firing)是单独控制的。在一些实施例中，可以一次激发几个激光器，并且一旦激发所有激光器就建立完整的图像。在一些实施例中，可以在被认为更重要的区域中以较高频率激发，使得激发是中心凹的(foveated)。有利的是，多光束闪光lidar可以减轻闪光lidar的范围限制，因为它降低了激光器所需的功率，因为每个激光器照射小区域。
[0084]
本文中的一些实施例描述了空中环境模拟器系统以与单光束和/或多光束闪光lidar设备一起操作。
[0085]
lidar场景模拟挑战
[0086]
lidar场景模拟器的工作是创建对于被测lidar(lut)而言，与实际场景不可区分的模拟的空中环境。此外，期望场景模拟器体积小、价格便宜且可编程控制，从而允许模拟许多移动物体、减损(阳光、灰尘、雪、其它lidar等)和环境。lidar模拟器的一些属性包括：
[0087]
1).视场(fov)，即lidar创建图像的水平和垂直(φ,θ)角。符号φ表示水平角度范围，对于汽车lidar应用，其范围可以为30至360度。符号θ表示垂直角，它可以在各种范围内变化，例如，对于汽车lidar应用，从-10到+80度、从10到90度等。模拟器可以创建覆盖全部或部分fov的场景。
[0088]
2).角度分辨率，这是lidar可以检测到的最小角度。作为一个示例，垂直和水平角度分辨率可以是0.1度的量级。
[0089]
3).点云中的点数。汽车lidar通常描绘具有1,000到超过1,000,000个点的场景，但其它数量的点也是可能的。
[0090]
4).最小/最大距离。汽车lidar可以在1m到大约300m以及其它可能性的距离内工作。
[0091]
模拟物体的最小/最大速率。汽车lidar可以测量0到500公里/小时范围内的速度。
[0092]
5).干扰生成，诸如噪声、灰尘、雨水、阳光、其它lidar等。
[0093]
6).场景动态。逐帧改变场景的能力。lidar的帧速率可以为每秒10到100帧。
[0094]
7).lidar类型。短语“lidar types”是指系统可以模拟的lidar类型。目前，存在用于tof lidar的商业模拟器。fmcw和闪光lidar现在在2021年正在开发中。行业需要与fmcw lidar一起使用的可编程模拟器。
[0095]
8).模拟器尺寸。汽车lidar被设计用于在长达300米的距离内看到大视场。其它lidar应用可能会更远。理想的模拟器只占该空间的小部分，从而可以被放置在工作台、工厂车间或生产线上。
[0096]
9).点云模拟。lidar可以渲染具有1000到100000个点的场景。点云中的每个点都有方位角和仰角、反射率、距离和多普勒频移。扫描lidar可以利用扫描的顺序特性来分时共享电子和光学处理元件。
[0097]
10).闪光lidar同时用光照亮场景中的所有点。光学处理是并行完成的。与相机成像器一样，闪光lidar接收器中的成像器在内部可能使用扫描处理。与使用激光扫描进行传输的tof和fmcw系统不同，无法通过观察外部激光图案来了解扫描仪的状态。如果可用，这
种内部扫描的知识可以用于共享模拟器中的光和电信号处理组件。
[0098]
目前存在的商用汽车lidar模拟器是为扫描脉冲tof lidar设计的，不能与闪光(flash)或fmcw类型一起使用。这些模拟器使用图5中所示的方法工作。本文的实施例通过提供可与fmcw和/或闪光lidar系统一起使用的lidar模拟的系统和方法来改进这些lidar模拟器。
[0099]
图5：扫描的tof lidar目标模拟器框图
[0100]
图5是现有技术tof目标模拟器的框图描述。光电检测器阵列与透镜或反射镜系统相结合，用于检测来自lidar uut的光脉冲。光电检测器阵列上的每个位置(即，每个像素)对应于不同的垂直和水平扫描角(φ,θ)。替代方法是忽略发射的激光并使用来自lidar单元的信号来确定扫描仪的状态和激光脉冲的定时。光电检测器阵列中的每个光电检测器都连接到脉冲生成器。光电检测器的上升沿触发脉冲。对图像处理器进行编程以将振幅和延迟值分配给每个像素。延迟和振幅值被馈送到延迟生成器和振幅控制器。延迟和振幅缩放的脉冲被馈送到激光二极管阵列。这些会生成经过缩放和延迟的光脉冲。激光二极管阵列可以与光电检测器阵列具有一一对应关系。激光二极管的数量可以不需要与光电检测器阵列具有一一对应关系。uut知道发送原始脉冲的角度，并且可以不需要全分辨率激光二极管阵列来重建场景。图5中所示的lidar模拟器与本文描述的一些实施例之间的重要区别在于，图5中的模拟器响应于从lidar uut接收光脉冲而创建新的光脉冲，而基于本文描述的一些实施例的lidar模拟器调制接收到的光脉冲并将它们返回到lidar uut。
[0101]
模拟系统实施例
[0102]
本文描述的新颖模拟器可以具有各种实施例。在一些实施例中，本文描述的模拟器可以为多于一种类型的lidar提供lidar场景模拟，包括tof、fmcw和闪光(flash)中的所有三种。这种方法虽然可行，但对于使用当前可用技术的实际实施方式来说可能过于复杂和昂贵。技术进步可能使这种方法在将来变得可行。第二实施例对于可以用于tof和fmcw lidar两者的lidar场景模拟来说可能是不太复杂的概念。其它实施例可以是仅可以用于tof lidar、fmcw lidar或闪光lidar之一的版本。
[0103]
下面的描述从最一般、复杂和昂贵的实施方式开始。由于tof和fmcw lidar的特性而可能进行的简化将在下面进一步描述。
[0104]
图6
–
并行点云模拟器
–
lidar场景模拟器
[0105]
图6是与lidar类型无关的lidar目标模拟器的概念框图。换句话说，图6图示了对于tof、fmcw和闪光lidar uut可以工作的并行点云模拟器-lidar场景模拟器。该模拟器实施例可以同时处理lidar图像中的所有点。该模拟器实施例还可以对激光进行光学处理，从而维持与lidar uut发射的原始信号的相干性。这种相干性对于fmcw处理可能有用。
[0106]
以下提供并行点云模拟器块描述：
[0107]
输入光学处理块可以包含能够将lidar云中的每个点引导到对应的光纤中的透镜阵列，每个光纤连接到光学处理链。存在光纤和处理链到云中的每个点的映射。一些实施例可以采用直接映射，其中渲染具有1000个点的场景的lidar将需要1000个光学处理链，每个点一个。其它实施例可以采用间接映射，其中多个点可以映射到每个光学处理链中。
[0108]
每个光学处理链可以包含频移模拟器，其也可以被称为多普勒频移模拟器。多普勒频移模拟器在光纤传导的光中产生频率偏移。这可以通过若干方式完成，如图7中所示的
框图中所示。
[0109]
光学同相正交(iq)调制器。iq调制器可以用于移位传入信号的频率。光学iq调制器具有10ghz范围内的光学带宽和lidar使用的光学波长的光学本地振荡器(lo)输入。rf信号生成器可以用于生成相同频率的正弦波和余弦波。余弦波被馈送到iq调制器的i输入端，正弦波被馈送到iq调制器的q输入端，使得i＝cos(ωt)和q＝-sin(ωt)。iq调制器输出端的光信号将被移位角频率ω。可以选择频率ω以对应于被模拟点的多普勒频移。光学iq调制器的替代方案是使用光学锁相环(pll)来提供频移，如图7中所示。更特别地，图7图示了用于产生光频移的方法，包括光iq调制器或光pll。应注意的是，tof lidar无法检测多普勒频移，并且该块可能不用于tof lidar模拟器。
[0110]
每个光学处理链还可以包含可选择的光学延迟。可选择的光学延迟可以操作以延迟光学脉冲来模拟反射激光的往返延迟。这可以被实现为二进制加权延迟的可切换段。诸如2、4、8、16、32、64、128、256和512ns段的时间段可以模拟对应于例如30cm到76.8m的往返延迟。延迟通常被实现为可选择长度的光纤。
[0111]
每个光学处理链还可以包含光学衰减器和放大器：它们提供了一种控制光信号振幅，以模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量，和/或反射的漫反射分量的部件。可以选择性地衰减或放大穿过每个光纤的光，以确保lidar接收到的光强度对应于被模拟物体上的位置处的反射率和路径损耗。
[0112]
该方法具有许多优点，诸如它适用于所有类型的lidar，与扫描方法、调制或成像方法无关。此外，这种方法真正模拟了真实物体的行为。这种方法的缺点包括复杂性、尺寸和功率，这可能会使这种方法对于具有许多点的更多点云不切实际。此外，该方法可以针对云中的每个点使用rf生成器、iq调制器和可选择的光学延迟。这些既昂贵又庞大，因为云可以具有多达100,000个点，因此目前的成本可能高达数千万美元。应注意的是，技术的进步(光子ic、多通道平行光纤
…
)可能会使这在将来更经济可行。
[0113]
图8a-图8b：用于脉冲tof和fmcw lidar的模拟器系统。
[0114]
图8a和图8b图示了根据一些实施例的可以用于fmcw和tof lidar uut的两个lidar场景模拟器。更特别地，图8a图示了用于扫描脉冲系统的点云模拟器，例如用于tof lidar和fmcw lidar的lidar场景模拟器。该系统利用激光被扫描并且激光脉冲不会同时到达点云中的所有点的事实。这使得昂贵的光学和电子信号处理块可以被分时共享。来自被测lidar的光脉冲经过光学处理，维持fmcw lidar所需的相干性。
[0115]
图8a图示了能够进行fmcw和tof lidar场景模拟的lidar场景模拟器的示意框图。该系统可以包括输入光分路块802，其获取传入光信号的一部分并将其分成两条路径。路径1被馈送到光电检测器阵列，用于确定激光脉冲在特定时刻的角度(φ,θ)。路径2被馈送到透镜系统804，该透镜系统将所有光聚焦到少量光纤中，每条光纤都馈送到光学处理链。具有单个激光器和二维扫描的lidar可以使用单个光学处理链。具有多个激光器和一维扫描的lidar可以针对被测lidar中的每个激光器使用一个光学处理链。例如，具有垂直堆叠的16个激光器的lidar可以使用16个光学处理链。
[0116]
在路径1中，光电检测器阵列与透镜或反射镜系统结合用于检测来自lidar uut的光脉冲。光电检测器阵列(像素)上的位置对应于垂直和水平扫描角(φ,θ)。该信息用于打开光学快门阵列806中的对应元件，如图9a和9b中所示。光电检测器阵列和光学快门阵列可
以具有如图9a中所示的一对一映射或如图9b中所示的不同映射方案。光电检测器阵列确定其哪个检测器具有光脉冲。存在从光电检测器阵列到光学快门阵列的映射。这可以是诸如图9a中的一对一映射，或者可以使用其它可能的映射方案，诸如图9b中所示的，其图示了1:4映射。如图9b中所示，光电检测器阵列左上象限中的4个元件中的每个元件中的光的比例可以用于识别光学快门阵列的激光点的中心。其它映射也是可能的。阵列中的每个光电检测器都有对应的脉冲生成器。光电检测器的上升沿触发脉冲。该脉冲可以作为定时参考被馈送到lidar图像生成器。
[0117]
路径2可以包括光学处理链。如图所示，来自光信号分离器的光脉冲被馈送到包括移频器、可选择光学延迟、振幅控制器和lidar图像生成器的光学处理链中。lidar图像生成器可以被编程以向点云中的每个点分配振幅、多普勒频移和延迟值。在每个扫描位置激活的(一个或多个)点的延迟值被馈送到可选择的光学延迟。在每个扫描位置激活的(一个或多个)点的多普勒频移被馈送到馈送光学iq调制器的rf信号生成器。iq调制器可以在光学频率中创建等于期望的多普勒频移的偏移。光学pll也可以用于生成频率偏移。在每个扫描位置激活的(一个或多个)点的振幅值被馈送到可选择的增益/衰减级。来自每个光学处理链的光信号被馈送到照射光学快门阵列806的透镜系统。
[0118]
延迟的、多普勒频移的和衰减的信号通过光学快门阵列中的打开元件退出。光电检测器阵列和光学快门阵列之间存在映射。光学快门阵列可以是反射式(反射镜)或透射式(透镜)。
[0119]
图8b图示了在一些方面与图8a中所示的系统类似地操作的lidar场景模拟器系统。但是，在图8b中所示的系统中，透镜系统854既用于接收来自lidar uut的光，又将处理后的光输出回lidar uut(而不是如图8a中那样使用单独的光学快门阵列或mems反射镜阵列进行输出)。如图8b中所示，诸如所示的离轴抛物面镜852之类的专用设备可以用于将来自lidar uut的光引导到透镜系统854上。透镜系统854将从lidar uut接收到的不同光点聚焦到不同的光纤(或光环行器)855上。光束分离器也用于将接收到的光分到路径1和路径2中，如图8a中所示。路径2上的光被馈送到扫描检测系统874。可以(可选地)从lidar uut接收扫描信息。接收到的光和/或扫描信息然后被振幅控制器870和光学衰减器866、光学放大器868、lidar图像生成器864和/或rf信号生成器862用来确定光调制器858和可选择光学延迟860的参数以修改路径1上的光来模拟空中环境。在通过光调制器858和每个光纤中的可选择光学延迟860处理接收到的光之后，处理后的光返回到光纤，以通过透镜系统透射回lidar uut。
[0120]
另一个实施例涉及用于扫描的脉冲tof lidar系统的点云模拟器。脉冲tof系统不直接响应于多普勒频移。在图8a-图8b的系统中，频移器块可能是不必要的并且可以被去除。lidar图像生成器块可以足够灵活和准确，从而以准确反映期望目标速率的方式逐点和逐帧改变延迟。
[0121]
另一个实施例涉及用于扫描的fmcw lidar系统的点云模拟器。fmcw lidar同时经历路径延迟和作为频移的多普勒频移。在一些实施例中，可以从图8a-图8b中的图中去除可选择的延迟装置，并且路径延迟和多普勒频移都可以由iq调频器来模拟。这可以在如下双斜率fmcw lidar系统中操作。图7中的rf信号生成器可以被设计为能够在fmcw斜率从正变为负时快速改变频率，如图10中所示。在上斜率期间，rf信号生成器可以被编程为产生具有
多普勒分量减去延迟分量的频率。在下斜率期间，rf信号生成器可以被编程为产生具有多普勒分量加上延迟分量的频率。信号生成器中可能存在切换瞬态。只要这种瞬态发生在lidar从上斜率处理切换到下斜率处理的短时间期间，它就被忽略。该停滞时间可以至少是光脉冲的往返延迟，并且可以是每米距离大约6ns。该停滞时间可以允许改变频率。
[0122]
闪光lidar场景模拟
[0123]
在一些实施例中，lidar场景模拟器系统专门针对闪光lidar、针对单光束闪光lidar和多光束闪光lidar两者进行描述。这些方法可以允许针对lidar的整个视场和/或lidar的视场子集进行lidar测试、模拟和校准。这些方法可以以与闪光lidar传感器相同的帧速率实时操作，从而实现数据回放和硬件在环(“hil”)测试类型。
[0124]
图11图示了用于模拟单光束和多光束闪光lidar类型的lidar场景的方法。所示方法可以同时模拟lidar系统的整个视场。该方法利用放置在闪光lidar设备前面的光学检测器。当lidar设备向其输出光的“闪光”时，检测器会在发生这种情况时向模拟器系统的处理器发出指示。对于单光束闪光lidar，仅使用一个光学检测器来检测lidar闪光。对于多光束闪光lidar，可以使用多个光学检测器，一个用于lidar设备的每个光束。对于未来开发的任何可能使用具有一个或多个光束的扫描或多光束闪光lidar的lidar，可以使用专门用于检测哪些像素被照射的检测器。
[0125]
在软件中，可以创建合成点云，一旦发生lidar的(一个或多个)闪光，该合成点云将成为生成回lidar设备的基础。该合成点云可以包括点云的每个点的范围和强度。这些范围和强度值被转换成定时和光强度值，然后可以在发生(一个或多个)lidar闪光时将其发送回模拟器以传输到lidar设备。
[0126]
存在两种提出的方法可以准确地将点云生成回lidar系统，如图12和图13中所示，并在下面进行描述。
[0127]
图12示出了用于生成模拟闪点云的方法。该方法创建了具有与特定距离分辨率对应的数据速率的时钟。例如，1ghz时钟对应于15cm距离分辨率(例如，光在1纳秒内穿过空气大约30cm，往返距离，其对应于15cm的单向距离分辨率)。时钟将点云延迟分成15cm的“时间和空间切片”，并更新2d阵列，其中包含每个特定实例在时间和空间上的强度值。然后，它在一个时钟周期后使用接下来的时间和空间片段填充下一个2d阵列。换句话说，点云软件会生成一系列矩阵，其中每个矩阵描述要在特定时刻传输回lidar设备的光强度阵列。每个矩阵在与lidar设备的特定模拟距离处对模拟场景的光强度进行编码。对于1ghz时钟，矩阵将指示2d led阵列将光传输回lidar设备，传输之间的延迟为1纳秒，并且该延迟将模拟后续led传输的越来越大的往返延迟。这构建了具有小距离分辨率的3d强度阵列(1ghz时钟为15cm)。应注意的是，阵列通常会有大部分空元素，因为与阵列创建的距离和时间分辨率相比，光返回非常少。该系统响应于接收来自光学检测器的检测而输出该阵列。校准输出阵列的定时，使得lidar设备的输出和输入的往返距离与它在“真实世界”中的预期相同，这意味着存在系统能够模拟的最小距离。
[0128]
模拟器系统的光学输出通过密集封装的2d led或光学二极管传输，例如，类似于oled屏幕。可以以与先前选择的相同时钟速率驱动光学阵列的每个元件。2d led阵列可以在特定lidar传感器的适当光谱中操作，诸如905nm。2d led阵列的每个元素都有可变振幅控制，并且每个连续输出的每个像素的振幅由从点云软件接收到的2d矩阵元素的对应值确
定。这些实施例可以利用大量的存储器空间和相当复杂的电气设计，但有利地利用相对简单的光学设计。
[0129]
图13图示了根据一些实施例的用于为闪光lidar生成模拟场景的替代方法。这类似于结合图12描述的方法，因为它将模拟软件的软件输出作为一系列延迟和强度。不同之处在于2d led光学阵列的每个元件都有其自己的专用定时元件，而不是使用全局1ghz时钟。有利的是，这消除了创建具有大部分空元素的阵列的需要。此外，图13中所示的系统可以有效地使用更慢(且更便宜)的100mhz时钟来操作，而不是图12中所示系统中使用的1ghz时钟来操作。相反，每个像素都有专用模块，该专用模块将指令传输到相应像素以输出指定强度的光。但是，图13中描述的实施例利用比图12中描述的实施例更多的电学和光学复杂度，因为2d阵列的每个光学元件使用一个延迟生成器和一个光学放大器。
[0130]
图14
–
tof/fmcw lidar环境模拟流程图
[0131]
图14是图示根据各种实施例的用于模拟器系统模拟用于测试tof和/或fmcw lidar uut的空中环境的方法的流程图。该模拟器系统可以包括透镜系统和多个光学处理链。该模拟器系统还可以包括耦合到非暂态存储器介质的处理器，其中处理器被配置为引导模拟器系统的操作。在一些实施例中，所描述的方法和系统可以专门定制为与tof lidar uut一起操作。替代地，所描述的方法和系统可以专门定制为与fmcw lidar uut一起操作，或者它们可以被适配为使得单个模拟器系统可以与tof和fmcw lidar uut一起操作。
[0132]
图14的方法的各个方面可以由模拟器系统(例如，诸如关于本文的各图示出和描述的那些系统)来实现，或者更一般地根据需要结合上述图中所示的计算机电路系统、系统、设备、元件或组件等中的任何一种来实现。例如，这种设备的处理器(和/或其它硬件)可以被配置为使设备执行所示方法元素和/或其它方法元素的任何组合。
[0133]
应注意的是，虽然图14的方法的至少一些元素以与使用与特定lidar方法相关联的技术和/或特征相关的方式进行描述，但这种描述并不旨在限制本公开，并且根据需要，图14的方法的各个方面可以在任何合适的lidar系统中使用。在各种实施例中，所示方法的一些元素可以以与所示不同的顺序并发执行、可以被其它方法元素替代，或者可以被省略。还可以根据需要执行附加的方法元素。如图所示，图14的方法可以如下操作。
[0134]
在1402处，多个光学处理链从lidar uut的一个或多个激光器接收多个激光脉冲。每个光学处理链包括被配置为接收多个激光脉冲的不同子集的光纤。在一些实施例中，多个激光脉冲的每个不同子集包括来自lidar uut的不同激光器的激光脉冲，并且lidar uut的每个激光器扫描lidar uut的视场的不同部分。在一些实施例中，多个激光器中的每个激光器扫描lidar uut的单条视场线，并且透镜系统被配置为将沿着每条线接收到的光聚焦到相应点中。例如，每个激光器可以水平按线扫描，并且透镜系统可以将每条线聚焦到点中以由相应的光纤接收。因此，每条光纤可以从lidar uut的相应激光器接收不相交的一组激光脉冲。
[0135]
在1404处，接收到的激光脉冲由多个光学处理链中的每个光学处理链调制。调制接收到的激光脉冲可以包括实现同相正交(iq)调频、光学时间延迟和/或光学调幅中的一种或多种。iq调频可以涉及频移或平移接收到的激光脉冲。实现iq频率转换可以用于模拟fmcw lidar uut的多普勒频移和/或时间延迟。实现光学时间延迟可以用于模拟tof lidar uut的模拟空中环境中的物体的飞行时间。实现光学调幅可以包括选择性地衰减和/或放大
接收到的激光脉冲，以模拟在空中环境中被模拟的位置处的反射率和路径损耗。光学调幅器可以包括单独的光学衰减器和放大器设备，或者它们可以组合成用于每个光链的单个衰减器/放大器设备。执行调制接收到的激光脉冲以模拟空中环境。可以光学地执行调制接收到的激光脉冲，以维持接收到的激光脉冲和被传输回lidar uut的调制激光脉冲之间的相干性。多个光学处理链可以并发地调制它们各自接收到的激光脉冲。
[0136]
在一些实施例中，模拟器系统被定制为专门与tof lidar uut一起操作。在这些实施例中，光学处理链可以包括光学时间延迟器和光学调幅器，但它们可以排除iq调频器，因为tof lidar不使用频移信息。替代地，在其它实施例中，模拟器系统可以定制为专门与fmcw lidar uut一起操作。在这些实施例中，光学处理链可以包括iq调频器和光学调幅器，但是它们可以排除光学时间延迟器。对于这些实施例，iq频率转换器可以用于模拟多普勒频移和时间延迟，使得不需要单独的时间延迟装置。例如，对于fmcw lidar，多个激光脉冲各自包括线性频率上扫和随后的线性频率下扫。实现iq调频可以涉及在与线性频率下扫相同的方向上移位线性频率上扫以模拟空中环境中的多普勒频移，并在相反方向上移位线性频率上扫作为线性频率下扫来模拟空中环境中的时间延迟。
[0137]
替代地，在一些实施例中，模拟器系统可以在光学处理链中的每个光学处理链中包括全部三个：iq调频器、光学时间延迟器和光学调幅器。在这些实施例中，模拟器系统可以被编程控制以模拟tof lidar uut和fmcw lidar uut两者的空中环境。例如，模拟器系统在对tof lidar uut执行模拟时可能不会激活iq调频器，并且在对fmcw lidar uut执行模拟时可能不会激活光学时间延迟器。
[0138]
在一些实施例中，模拟器系统为空中环境的点云中的每个点从lidar图像生成器接收调频值、时间延迟值和/或调幅值。lidar图像生成器可以是存储在非暂态存储器介质上的可由处理器执行的软件程序。lidar图像生成器可以是用户可编程的，以产生与不同空中环境对应的时间延迟值和调幅值。在这些实施例中，分别基于调频值、时间延迟值和/或调幅值来实现iq调频、光学时间延迟和/或光学调幅。
[0139]
在1406处，调制后的激光脉冲被传输到lidar uut。调制后的激光脉冲可以通过用于从lidar uut接收激光脉冲的同一透镜系统传输到lidar uut，或者它们可以通过单独的专用输出透镜系统传输。例如，每条光纤可以被配置为通过透镜系统将调制后的激光传输回去，以供lidar uut接收。然后，lidar uut可以基于接收到的调制后的激光再现lidar图像。
[0140]
图15
–
闪光lidar环境模拟器的流程图
[0141]
图15是图示根据一些实施例的用于为闪光lidar uut模拟空中环境的方法的流程图。模拟器系统可以包括耦合到非暂态存储器介质的处理器，其中处理器被配置为指导模拟器系统的操作。模拟器系统还可以包括一个或多个光学检测器和2d二极管阵列或另一种类型的2d发光阵列。虽然本文的实施例描述了利用二极管或led阵列的模拟器系统，但是可以理解的是，也可以使用任何其它类型的2d发光阵列并且它们在一些实施例的范围内。在一些实施例中，所描述的方法和系统可以专门定制为与闪光lidar uut一起操作。
[0142]
图15的方法的各个方面可以由模拟器系统(例如，诸如关于本文的各图中示出和描述的那些系统)来实现，或者更一般地根据需要结合上述图中所示的计算机电路系统、系统、设备、元件或组件等中的任何一种来实现。例如，这种设备的处理器(和/或其它硬件)可
uut的环境的模拟器系统，可以响应于接收到多个闪光中的每个闪光而将转换的点云信息的部分单独地提供给2d二极管阵列。例如，每个接收到的闪光可以触发处理器提供与被接收到的闪光照射的fov的子区域对应的点云信息。
[0152]
在一些实施例中，提供点云信息包括由处理器将多个矩阵中的矩阵顺序提供给2d二极管阵列。在一些实施例中，将多个矩阵中的矩阵以预定周期周期性地提供给2d二极管阵列，其中2d二极管阵列以预定周期向闪光lidar uut发射光，并且其中预定周期对应于模拟的空中环境的深度分辨率(例如，参见图12)。2d二极管阵列接收到的每个矩阵可以根据矩阵指定的强度触发二极管阵列发射光，如下所述。
[0153]
替代地，在一些实施例中，处理器耦合到多个定时元件并且每个定时元件耦合到2d二极管阵列的像素。在这些实施例中，处理器可以向每个定时元件发送耦合到相应定时元件的特定像素的强度和定时信息(例如，参见图13)。然后，定时元件可以根据定时信息将强度信息传输到其耦合的像素。例如，每个定时元件可以根据强度和定时信息单独指示其耦合的像素发射脉冲序列。
[0154]
在一些实施例中，选择用于将点云信息提供给2d二极管阵列的定时以模拟所模拟的空中环境的往返时间。
[0155]
在一些实施例中，同步时钟可以用于使接收来自闪光lidar uut的光的一个或多个光学设备与将多个矩阵中的矩阵提供给2d二极管阵列的处理器同步。
[0156]
在1510处，响应于接收延迟和振幅值，2d二极管阵列通过透镜系统向闪光lidar uut发射一系列光脉冲。例如，当点云信息是一系列矩阵时，每个矩阵可以根据矩阵所指示的强度模式触发2d二极管阵列发射光。2d二极管阵列可以接收矩阵序列，并且可以根据指示的模式顺序地发射光。替代地，可以直接将延迟和振幅值提供给多个定时元件，每个定时元件耦合到2d二极管阵列的不同像素，并且定时元件可以利用与它们各自像素对应的延迟和振幅值来使像素根据延迟和振幅值发射光。响应于接收来自闪光lidar uut的光，2d二极管阵列发射的光模拟将由所模拟的空中环境发射的光。闪光lidar可以使用从2d二极管阵列接收到的光来产生lidar图像，用于测试或其它目的。
[0157]
附加实施例
[0158]
以下是所述实施例的附加方面的示例：
[0159]
图6图示了并行点云模拟器，其通用性足以适用于所有lidar类型，包括tof、fmcw和闪光(flash)类型。该并行点云模拟器可以包括高集成度，虽然价格昂贵，但在将来可能会变得更加经济可行。
[0160]
图8a-图8b中所示的扫描脉冲系统的点云模拟器可以用于fmcw以及tof。该点云模拟器可以使用光学快门阵列。该系统的其它有利方面包括将光电检测器阵列耦合到以各种方式将光电检测器阵列映射到光学快门的光学快门阵列。
[0161]
光学iq调制器可以从图8a-图8b所示的并行点云模拟器中移除，以专门用于tof lidar系统。
[0162]
在各种实施例中，光学iq调制器和/或电光pll(eopll)可以用于频移。
[0163]
不同的频移可以用于线性频移频率脉冲的上斜率和下斜率，以模拟距离和多普勒频移两者。这使得能够从图8a-图8b所示的并行点云模拟器中移除延迟生成器，以降低fmcw lidar系统场景模拟的成本。
[0164]
一个实施例涉及一种用于生成点云的方法。用于生成点云的方法可以接收以点列表和描述符、照片、视频文件和/或数学公式的形式的场景描述，并且可以生成点云的信息。点云的信息可以包括：点云中每个点的垂直角、水平角、距离、速度和反射率。生成点云的方法允许引入lidar减损，诸如灰尘、雪、雨、阳光、来自其它lidar的光等。
[0165]
另一个实施例涉及一种用于将点云转换成垂直和水平角度、距离、反射率和多普勒频移的阵列的方法。将点云转换成lidar参数的方法可以包括：1)将速度表示为所用光波长的适当的多普勒频移量；2)将距离表示为适当的延迟量；3)将反射率表示为任何给定距离的适当的增益或衰减量；4)将垂直和水平角度表示为光发射器或光快门的网格上的位置。
[0166]
因此，这些实施例可以操作用于将场景的元素转换成可以用于模拟场景的硬件参数。这些硬件参数随后可以用于本文所述的lidar模拟器中以模拟场景。
[0167]
另一个实施例涉及一种被配置为执行lidar场景模拟和激光测量的组合系统。例如，本文描述的系统还可以包括延迟线鉴别器、光学锁相环(pll)、光学解调器等来测量啁啾线性度。另一个实施例涉及一种用于测量激光线宽(抖动或相位噪声的光学等效物)、光功率测量或脉冲宽度测量以及其它可能性的方法。该方法的示例包括使用光学pll、延迟线鉴别器、光谱分析仪。在这些实施例中，用于模拟空中环境的同一模拟器系统也可以被配置为对从lidar系统接收到的光执行这些测量。换句话说，单个系统可以被配置为执行lidar场景模拟和lidar光测量两者的双重目的。系统的一些组件可以被共享并用于场景模拟和光测量，组件诸如透镜系统、光纤和/或用于为lidar单元供电、控制lidar单元、以及从lidar单元接收数据的一个或多个接口。该系统还可以包括用于执行光测量的附加组件。啁啾线性度和激光线宽可以用于评估接收到的光是否是本文所述的lidar模拟的适当候选者。
[0168]
在一些实施例中，描述了一种用于模拟用于测试被测光检测和测距(lidar)单元的空中环境的系统。该系统包括被配置为接收来自被测lidar单元的光的透镜系统，以及耦合到透镜系统的多个光学处理链。光学处理链中的每个光学处理链包括至少一个光纤，其耦合到输入透镜系统并被配置为提供与接收到的光对应的光信号；频移模拟器，其耦合到多个光纤，其中频移模拟器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移；可选择光学延迟设备，其耦合到频移估计器并被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟；和/或至少一个光学衰减器/放大器，被配置为控制光信号的振幅以模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫射分量。每个光学处理链被配置为将处理后的光信号通过透镜系统输出到被测lidar单元。替代地，在一些实施例中，每个光学处理链被配置为通过耦合到光学处理链中的每个光学处理链的输出透镜系统(不同于用于接收来自lidar uut的光的透镜系统)将处理后的光信号输出到lidar uut，并且被配置为基于由每个光学处理链处理的光信号将光生成到自由空间中。
[0169]
在各种实施例中，频移模拟器包括光学iq调制器或光学锁相环。
[0170]
在一些实施例中，在每个光学处理链中，至少一个光学衰减器/放大器被配置为选择性地衰减或放大光信号，以使系统输出的光强度对应于被模拟的物体的位置处的反射率和路径损耗。
[0171]
在一些实施例中，系统被配置为光学地处理接收到的光以维持与从被测lidar单
元接收到的光的相干性。
[0172]
在一些实施例中，系统被配置为同时处理lidar图像中的所有点。
[0173]
在一些实施例中，该系统还包括耦合到频移模拟器、可选择光学延迟器和至少一个光学衰减器/放大器的lidar图像生成器。lidar图像生成器是用户可编程的，以控制频移模拟器、可选择光学延迟和至少一个光学衰减器/放大器的操作。
[0174]
在一些实施例中，lidar图像生成器被配置为向频移模拟器提供频移值，以供频移模拟器在接收的光信号中创建频率偏移时使用。
[0175]
在一些实施例中，lidar图像生成器被配置为向可选择光学延迟器提供延迟值，以供可选择光学延迟器用于延迟光信号以模拟反射光的往返延迟。
[0176]
在一些实施例中，lidar图像生成器被配置为向至少一个光学衰减器/放大器提供振幅值，以供光学衰减器/放大器使用以控制光信号的振幅以模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量。
[0177]
在一些实施例中，lidar图像生成器被配置为针对系统生成的点云中的每个点提供频移值、延迟值和振幅值。
[0178]
在一些实施例中，频移模拟器被配置为对上斜率和下斜率使用不同的频移来模拟距离和多普勒频移两者。
[0179]
在一些实施例中，描述了一种用于模拟用于测试lidar uut的空中环境的系统。该系统包括：输入透镜系统，被配置为接收来自lidar uut的光；输入分光块，耦合到输入透镜系统并被配置为接收光信号并将部分光信号提供给第一光学处理路径和第二光学处理路径；以及至少一个光学快门阵列，耦合到第一光学处理路径和第二光学处理路径。替代地，在一些实施例中，光学快门阵列被移除并且透镜系统用于接收来自lidar uut的光并将处理后的光输出回lidar uut。第一光学处理路径包括用于确定激光脉冲在特定时刻的角度的光电检测器阵列，其中光电检测器阵列上接收到的光的位置用于打开光学快门阵列中的对应元件。第二光学处理路径包括被配置为控制光信号的振幅以模拟不同水平的反射率和路径损耗的振幅控制器和耦合到振幅控制器的lidar图像生成器。第二光学处理路径被配置为向至少一个光学快门阵列或透镜系统提供衰减信号以通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件或通过透镜系统退出。
[0180]
在一些实施例中，接收到的光在光电检测器阵列上的位置对应于垂直和水平扫描角(φ,θ)，其中垂直和水平扫描角用于打开光学快门阵列中的对应元件。
[0181]
在一些实施例中，第二光学处理路径还包括耦合到可选择光学延迟元件的移频器，其中移频器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移。在一些实施例中，第二光学处理路径被配置为向至少一个光学快门阵列或透镜系统提供频移和衰减的信号，用于通过透镜系统或光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
[0182]
在一些实施例中，第二光学处理路径还包括耦合到移频器的可选择光学延迟元件，其中可选择光学延迟元件被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟。第二光学处理路径被配置为向至少一个光学快门阵列或透镜系统提供延迟和衰减的信号，以通过透镜系统或光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
[0183]
在一些实施例中，第二光学处理路径还包括耦合到可选光学延迟元件的移频器，其中移频器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移；可选择光学延迟元件，其耦合到
移频器，其中可选择光学延迟元件被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟。第二光学处理路径被配置为向至少一个光学快门阵列或透镜系统提供延迟、频移和衰减的信号，以通过透镜系统或光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
[0184]
在一些实施例中，光电检测器阵列中的每个光电检测器具有与光学快门阵列中的对应快门的一对一映射。
[0185]
在一些实施例中，光电检测器阵列中的多组多个光电检测器中的每一个具有与光学快门阵列中的对应快门的多对一映射。
[0186]
在一些实施例中，描述了一种用于模拟用于测试lidar uut的空中环境的系统。该系统包括：输入透镜系统，被配置为接收来自lidar uut的光；输入分光块，耦合到输入透镜系统并被配置为接收光信号并将部分光信号提供给第一光学处理路径和第二光学处理路径，以及至少一个光学快门阵列，耦合到第一光学处理路径和第二光学处理路径。第一光学处理路径包括用于确定激光脉冲在特定时刻的角度(φ,θ)的光电检测器阵列，其中光电检测器阵列上接收到的光的位置用于打开光学快门阵列中的对应元件。第二光学处理路径包括：可选择光学延迟元件，耦合到移频器并被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟；振幅控制器，耦合到可选择光学延迟元件以控制光信号的振幅以模拟不同水平的反射率和路径损耗；lidar图像生成器，耦合到可选择光学延迟元件和振幅控制器。第二光学处理路径被配置为向至少一个光学快门阵列提供延迟、多普勒频移和衰减的信号，用于通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
[0187]
在一些实施例中，描述了一种用于将场景的描述转换成lidar参数的方法。该方法包括接收以点和描述符、照片、视频文件和/或数学公式中的两个或更多个的形式的场景描述；并基于接收到的描述来生成点云的信息。点云的信息包括垂直角、水平角、距离、速度和反射率。生成点云的方法允许将lidar减损引入模拟。该方法还包括将点云转换成lidar参数，其中lidar参数包括垂直和水平角度、距离、反射率和多普勒频移的阵列。
[0188]
在一些实施例中，用于将点云转换成lidar参数的方法可以包括：1)将速度表示为所用光波长的适当的多普勒频移量；2)将距离表示为适当的延迟量；3)将反射率表示为任何给定距离的适当的增益或衰减量；4)将垂直和水平角度表示为光发射器或光快门的网格上的位置。
[0189]
以下编号的段落描述了另外的实施例。
[0190]
在一些实施例中，描述了用于模拟用于测试被测光检测和测距(lidar)单元(uut)的空中环境的方法，所述方法包括：由多个光学处理链接收来自lidar uut的一个或多个激光器的多个激光脉冲，其中每个光学处理链包括被配置为接收多个激光脉冲的不同子集的光纤；对于光学处理链中的每个光学处理链，通过实现以下操作来调制接收到的激光脉冲：光学时间延迟和光学调幅；以及将调制后的激光脉冲传输到lidar uut。
[0191]
在一些实施例中，执行调制接收到的激光脉冲以模拟空中环境。
[0192]
在一些实施例中，lidar uut包括飞行时间(tof)lidar uut。
[0193]
在一些实施例中，实现光学时间延迟模拟到所模拟的空中环境中的物体的飞行时间。
[0194]
在一些实施例中，多个激光脉冲的每个不同子集包括来自lidar uut的不同激光器的激光脉冲，并且lidar uut的每个激光器扫描lidar uut的视场的不同部分。
[0195]
在一些实施例中，实现光学调幅包括选择性地衰减和/或放大接收到的激光脉冲以模拟在空中环境中被模拟的位置处的反射率和路径损耗。
[0196]
在一些实施例中，光学地执行调制接收到的激光脉冲以维持接收到的激光脉冲和调制后的激光脉冲之间的相干性。
[0197]
在一些实施例中，多个光学处理链并发地调制它们各自接收到的激光脉冲。
[0198]
在一些实施例中，该方法还包括针对空中环境的点云中的每个点从lidar图像生成器接收调频值和调幅值，其中所述实现光学时间延迟和光学调幅是基于调频值和调幅值而执行的。
[0199]
在一些实施例中，从lidar uut接收多个激光脉冲，并且调制后的激光脉冲通过透镜系统传输到lidar uut。
[0200]
在一些实施例中，用于模拟用于测试被测光检测和测距(lidar)单元(uut)的空中环境的系统，该系统包括被配置为接收来自lidar uut的光的透镜系统和耦合到透镜系统的多个光学处理链。每个光学处理链包括耦合到透镜系统并被配置为通过透镜系统接收来自lidar uut的激光脉冲的光纤、被配置为选择性地延迟接收到的激光脉冲的可选择光学延迟设备；以及被配置为调制接收到的激光脉冲的振幅的光学调幅器。每个光学处理链被配置为将选择性延迟和调幅的激光脉冲传输到lidar uut。
[0201]
在一些实施例中，系统还被配置为对从lidar uut接收到的光执行一个或多个测量，其中一个或多个测量包括以下各项中的一项或多项：激光线宽测量、啁啾线性度测量、光谱分析仪测量、光功率测量和脉冲宽度测量。
[0202]
在一些实施例中，lidar uut包括飞行时间(tof)lidar uut。
[0203]
在一些实施例中，多个光学处理链中的每个光学处理链还包括同相正交(iq)调频器，其被配置为调制接收到的激光脉冲的频率，其中该系统被配置为模拟飞行时间(tof)lidar uut或调频连续波(fmcw)lidar uut的空中环境，其中可选择光学延迟设备用于模拟tof lidar uut的空中环境，并且其中iq调频器用于模拟fmcw lidar uut的空中环境。
[0204]
在一些实施例中，每条光纤接收从lidar uut的多个激光器中的不同激光器接收的激光脉冲的不同子集，并且多个激光器中的每个激光器扫描lidar uut的视场的不同部分。
[0205]
在一些实施例中，多个激光器中的每个激光器扫描lidar uut的视场的单条线，并且透镜系统被配置为将沿着每条线接收的光聚焦到相应点。
[0206]
在一些实施例中，调制接收到的激光脉冲的振幅包括选择性地衰减和/或放大接收到的激光脉冲以模拟在空中环境中被模拟的位置处的反射率和路径损耗。
[0207]
在一些实施例中，光学地执行选择性地延迟接收到的激光脉冲和调制接收到的激光脉冲的振幅，以维持接收到的激光脉冲和调制后的激光脉冲之间的相干性。
[0208]
在一些实施例中，该系统还包括耦合到多个光学处理链的lidar图像生成器，其中lidar图像生成器被配置为针对空中环境的点云中的每个点向多个光学处理链提供时间延迟值和调幅值，其中lidar图像生成器是用户可编程的，以产生与不同空中环境对应的时间延迟值和调幅值，并且其中选择性地延迟接收的激光脉冲和调制接收到的激光脉冲的振幅是基于时间延迟值和调幅值而执行的。
[0209]
在一些实施例中，频移和调幅的激光脉冲通过透镜系统传输到lidar uut。
[0210]
在一些实施例中，用于模拟用于测试被测闪光检测和测距(lidar)单元(uut)的空中环境的系统包括耦合到非暂态计算机可读存储器介质的处理器、一个或多个光学检测器、以及一个二维(2d)发光阵列。2d发光阵列可以是2d发光二极管(led)阵列。该系统被配置为通过一个或多个光学检测器接收来自闪光lidar uut的光；由处理器生成与所模拟的空中环境对应的多个矩阵，其中多个矩阵的每个矩阵对应于不同的模拟时间延迟，其中多个矩阵的每个矩阵中的每个条目指定2d发光阵列的像素振幅；并且响应于由一个或多个光学检测器接收到的光，由处理器顺序地向2d发光阵列提供多个矩阵中的矩阵，其中提供的每个矩阵使2d发光阵列根据指定的振幅通过透镜向闪光lidar uut发射光。
[0211]
在一些实施例中，由2d发光阵列发射的光模拟将由所模拟的空中环境响应于接收到来自闪光lidar uut的光而发射的光。
[0212]
在一些实施例中，闪光lidar uut包括多闪光lidar设备，来自闪光lidar uut的光包括在闪光lidar uut的视场的不同区域中的来自多闪光lidar设备的不同相应激光器的多个闪光，并且一个或多个光学检测器包括多个光学检测器，其中多个光学检测器中的每个光学检测器被配置为接收多个闪光中的不同闪光。
[0213]
在一些实施例中，响应于接收到多个闪光中的每个闪光，单独地执行将多个矩阵中的矩阵顺序地提供给2d发光阵列。
[0214]
在一些实施例中，多个矩阵中的矩阵以预定周期被周期性地提供给2d发光阵列，其中2d发光阵列以预定周期向闪光lidar uut发射光，并且其中预定周期对应于所模拟的空中环境的深度分辨率。
[0215]
在一些实施例中，系统还被配置为对从lidar uut接收到的光执行一个或多个测量，其中一个或多个测量包括以下各项中的一项或多项：激光线宽测量、啁啾线性度测量、光谱分析仪测量、光功率测量和脉冲宽度测量。
[0216]
在一些实施例中，系统还包括存储在非暂态计算机可读存储器介质上的点云软件，其中该点云软件可由处理器执行，其中该点云软件是用户可编程的以配置模拟的空中环境，其中所模拟的空中环境包括点云中的每个点的位置和反射率，并且其中点云软件被配置为基于点云中的每个点的位置和反射率来生成多个矩阵。
[0217]
在一些实施例中，系统还包括同步时钟，该同步时钟被配置为使从闪光lidar uut接收光的一个或多个光学设备与将多个矩阵中的矩阵提供给2d发光阵列的处理器同步。
[0218]
在一些实施例中，系统还被配置为选择用于将矩阵提供给2d发光阵列的定时，以模拟所模拟的空中环境的往返时间。
[0219]
虽然已经相当详细地描述了上述实施例，但是一旦充分理解了上述公开内容，许多变化和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。旨在将以下权利要求解释为包含所有这些变化和修改。