无干扰光学飞行时间系统的调频技术方案

本申请公开了无干扰光学飞行时间系统的调频。光学飞行时间系统100包括发射器102和接收器110。发射器102被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号，生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形152，并将光学波形152朝向视场(FOV)106定向。接收器110被配置为接收反射离开FOV106内的物体的光学波形162，并且基于从发射器102到该物体并返回到接收器110的飞行时间确定到物体的距离。

Frequency Modulation of Non-interference Optical Time-of-Flight System

This application discloses the frequency modulation of an interference-free optical time-of-flight system. The optical time-of-flight system 100 includes a transmitter 102 and a receiver 110. The transmitter 102 is configured to generate a modulated signal having a modulated signal frequency varying according to time, generate an optical waveform 152 having an amplitude modulation corresponding to the modulated signal, and orient the optical waveform 152 towards the field of view (FOV) 106. Receiver 110 is configured to receive an optical waveform 162 reflecting an object leaving FOV106, and to determine the distance to the object based on the flight time from transmitter 102 to the object and returning to receiver 110.

【技术实现步骤摘要】
无干扰光学飞行时间系统的调频
技术介绍
光学飞行时间(timeofflight(TOF))系统一般地利用光学光信号，基于光信号到物体并返回系统的飞行时间来测量到物体的距离。例如，光探测和测距(LiDAR、LIDAR、lidar、LADAR)是一种光学飞行时间系统，其通过使激光(单个窄脉冲、调制窄脉冲序列和/或连续波)反射离开一个或更多个物体并分析反射的光来测量到一个或更多个物体的距离。更具体地，LiDAR系统通常通过分析反射的光信号和发射的光信号之间的相关或相位偏移，来确定激光脉冲从激光器发射到物体并返回到该系统的飞行时间。然后可以基于TOF确定到物体的距离。这些系统可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR系统来监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用由LiDAR系统所确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一个交通工具)是否太近，并自动应用制动。
技术实现思路
根据本公开的至少一个实施例，一种光学飞行时间系统包括发射器和接收器。发射器被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号，生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形，并将光学波形朝向视场(FOV)定向。接收器被配置为接收反射离开物体的光学波形，并基于从发射器到物体并返回到接收器的飞行时间确定到物体的距离。另一个说明性实施例是一种用于光学测距的光学发射系统，其包括调制信号发生器和耦合到调制信号发生器的激光二极管。调制信号发生器被配置为生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号。激光二极管被配置为生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形。又一个说明性实施例是一种用于确定到FOV内的物体的距离的方法。该方法包括生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号。该方法还包括生成具有对应于调制信号的调幅的光学波形。该方法还包括将光学波朝向FOV内的物体定向。该方法还包括接收反射离开物体的光学波形。该方法还包括基于光学波形的飞行时间确定到物体的距离。附图说明针对各种的示例的详细说明，现在将参考附图，其中：图1根据各种的示例示出了说明性光学飞行时间系统；图2根据各种的示例示出了用于光学飞行时间系统的说明性发射器；图3A根据各种的示例示出了用于光学飞行时间系统的发射器的说明性调制信号发生器；图3B根据各种的示例示出了用于光学飞行时间系统的发射器的说明性调制信号发生器；图4A根据各种的示例示出了用于具有基于规则形状连续变化频率的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；图4B根据各种的示例示出了用于具有基于伪随机波形连续变化的频率的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；图5A根据各种的示例示出了用于具有形成规则的模式的离散的频率步长的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；图5B根据各种的示例示出了用于具有形成伪随机模式的离散的频率步长的调制信号的说明性频率与时间的曲线图；图6A根据各种的示例示出了用于光学飞行时间系统的说明性接收器；图6B根据各种的示例示出了用于光学飞行时间系统的说明性接收器；以及图7根据各种的示例示出了用于确定到物体的距离的方法的说明性流程图。具体实施方式贯穿随后的说明书和权利要求中使用的某些术语指的是特定的系统组件。正如本领域的技术人员所理解的，公司可能会用不同的名称来指代一个组件。本文档不意图区分名称不同而不是功能不同的组件。在随后的讨论和在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，并且因此应该被解释为意味着“包括但不限于……”。另外，术语“耦合”(“couple”或“couples”)意图意味着间接连接或直接连接。因此，如果第一器件耦合到第二器件，该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他器件和连接的间接连接。列举“基于”意图意味着“至少部分基于”。因此，如果X是基于Y的，那么X可以是基于Y和任何数量的其他因素。以下讨论针对本公开的各种实施例。尽管这些实施例中的一个或更多个可以是优选的，但公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解，随后的说明书具有广泛的应用，而对任何实施例的讨论仅仅意味着是对该实施例的示例性说明，而不意图暗示本公开(包括权利要求)的范围受限于该实施例。光学飞行时间系统，诸如LiDAR系统(点LiDAR和扫描LiDAR)和三维(3D)TOF相机，利用光学信号(例如，光信号)到物体及其离开物体回到TOF系统的反射(返回信号)的TOF确定到各种物体的距离。这些系统可用于许多应用，包括：地理、地质、地貌、地震学、交通和遥感。例如，在交通运输中，汽车可以包括LiDAR系统，其监视交通工具与其他物体(例如，另一交通工具)之间的距离。交通工具可以利用LiDAR系统确定的距离，例如，确定其他物体(诸如另一交通工具)是否太近，并自动应用制动。一些LiDAR系统扫描它们的视场(FOV)(例如，使用旋转光学系统或其他波束导向(beamsteering)方法)，以确定其FOV中物体的距离信息。反射光的强度是针对通过完整的360度旋转的几个垂直平面测量的。例如，这些LiDAR系统可以使用一套旋转的发射和接收光学器件。对于每个扫描平面，光波束在旋转系统的每个角位置处被发射和接收(例如，光波束被发射到FOV中的网格模式中的若干扫描点，并被反射离开位于扫描点处的物体)。当完成后，可以生成FOV的3D图像。在许多应用中，多个光学TOF系统在相同的环境中运行，这可能导致系统之间的干扰，从而导致错误的距离测量。因此，需要开发一种光学TOF系统，其可靠地区分由该系统发射的信号和由其他系统发射的信号。根据各种的示例，提供了一种光学TOF系统，在该系统中，发射的光学波形的振幅用低频波形进行调制。这种波形具有调制信号频率，其是连续变化的，或是以离散的步长变化，而不是传统系统中发现的固定频率调制信号。通过改变调制信号的频率，所发射的光学波形的调幅将相应变化，从而为系统发射的光学波形提供有区别的“签名”。因此，接收器能够区分意图用于系统的返回信号和意图用于其他系统的信号。图1根据各种的示例示出了说明性光学TOF系统100。光学TOF系统100包括发射器102、接收器110和控制器112。发射器102由控制器112配置为生成一个或更多个光学波形152。控制器112可以作为处理器(例如，微控制器、通用处理器等)来实施，其执行从存储器件中检索到的指令，或者作为专用的硬件电路系统来实施。在一些实施例中，光学波形152是带有调幅(例如，连续调幅波形)的单音(tone)(例如，连续波)。在一个实施例中，发射器102也被配置为将光学波形152朝向视场(FOV)106定向。在一些实施例中，发射器102通过将光波形152直接定向到FOV106，将光波形152朝向FOV106定向。在其他实施例中，发射器102通过将光学波形定向到波束导向器件(未显示)，波束导向器件然后将光学波形152定向到FOV106，将光学波形152朝向FOV106定向。在这些实施例中，波束导向器件接收来自发射器102的光学波形152，并将光学波形152导向到FOV106。因此，发射器102可以将光学波形152直接定向到FOV106，或者可以将光学波形152定向到波束导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学飞行时间系统，包含：发射器，其被配置为：生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号；生成具有对应于所述调制信号的调幅的光学波形；以及将所述光学波形朝向视场即FOV定向；以及接收器，其被配置为接收反射离开所述FOV内的物体的所述光学波形，并且基于从所述发射器到所述物体并返回到所述接收器的飞行时间确定到所述物体的距离。

【技术特征摘要】
2017.07.13 US 15/649,4931.一种光学飞行时间系统，包含：发射器，其被配置为：生成具有根据时间变化的调制信号频率的调制信号；生成具有对应于所述调制信号的调幅的光学波形；以及将所述光学波形朝向视场即FOV定向；以及接收器，其被配置为接收反射离开所述FOV内的物体的所述光学波形，并且基于从所述发射器到所述物体并返回到所述接收器的飞行时间确定到所述物体的距离。2.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中所述发射器被配置为生成具有小于所述调制信号频率的均值的调制信号带宽的所述调制信号。3.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中所述发射器被配置为基于规则形状根据时间连续地改变所述调制信号频率。4.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中所述发射器被配置为基于伪随机波形根据时间连续地改变所述调制信号频率。5.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中所述发射器被配置为在多个离散频率步长中根据时间改变所述调制信号频率。6.根据权利要求5所述的光学飞行时间系统，其中所述多个离散频率步长形成规则模式。7.根据权利要求5所述的光学飞行时间系统，其中所述多个离散频率步长形成伪随机模式。8.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中：所述调制信号包括多个固定的持续时间段；以及所述发射器被配置为在所述多个固定的持续时间段中的每一个期间维持恒定的调制信号频率，并且在所述多个固定的持续时间段中的每一个结束后改变所述调制信号频率。9.根据权利要求8所述的光学飞行时间系统，其中所述多个固定的持续时间段中的每一个与所述多个固定的持续时间段中的另一个连续。10.根据在要求8所述的光学飞行时间系统中，其中在所述多个固定的持续时间段中的每一个结束后，所述发射器被配置为在一段时间内停止所述调制信号的生成，直到在所述多个固定的持续时间段的下一个开始。11.根据权利要求1所述的光学飞行时间系统，其中所述接收器被配置为：将接收的反射离开所述FOV内的所述物体的光学波形转换为电接收信号；使所述电接收信号与所述调制信号相关，以生成同相分量即I分量；使所述电接收信号与所述调制信号的90度相位偏移版本相关，以生成正交分量即Q分量；基于所述I分量和所述Q分量估计所述电接收信号与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·C·沃克，D·P·马吉，B·S·哈罗恩，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US