具有光学交换的扫描激光雷达制造技术

一种没有移动部件的扫描激光雷达，包括：激光发射器，其具有第一磁光开关，所述第一磁光开关将脉冲传送到第一线性光纤阵列到视场(FOV)；接收器，其具有将反射光引导到耦接到第二磁光开关的第二正交线性光纤阵列以将光传送到检测器的光学器件；以及控制器，用于处理检测器信号并产生FOV数据。一种用于提高分辨率的扫描方法，包括：沿第一方向扫描；沿着与所述第一方向正交的第二方向引导从对象反射的光，以形成提供给检测器的接收光束；处理检测器信号以产生像素阵列；以及通过使用相关联的法拉第旋转器和相位掩模同步地改变发射光和接收光的偏振，来改变像素内的强度分布以在所述像素内以连续方式移动峰值强度。述像素内以连续方式移动峰值强度。述像素内以连续方式移动峰值强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有光学交换的扫描激光雷达
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年5月21日提交的美国临时申请No.62/850,573的权益，该申请的公开内容通过引用合并于此。


[0003]本公开涉及扫描激光雷达和用于提高扫描激光雷达系统的分辨率的方法。

技术介绍

[0004]激光雷达是一种主动遥感技术，其使用由视场(FOV)内的对象反射的、来自发射器的光来确定到对象的范围或距离。该信息可以被处理以生成图像，或者以其他方式用于各种类型的车辆(例如，机动车辆或无人机)中的绘图、对象识别、对象回避、导航等。虽然已经提出了许多激光雷达解决方案，并且对于特定的应用可能是可接受的，但各种策略具有相关的缺点，可能使它们不适用于其他应用。例如，各种激光雷达系统具有有限的功率和相关联的有限的检测范围以维持眼睛安全，使用移动部件机械地扫描FOV，具有有限的帧速率，并且在不利的环境条件(例如雾、薄雾、雨、雪等)下受到限制。

技术实现思路

[0005]实时扫描激光雷达系统和方法包括并入全光交换的各种实施例，从而不需要移动部件。各种实施例便于在三维空间中扫描较大视场(FOV)以提供关于FOV内的对象的多维实时数据，诸如定位、范围、偏振、速度等。
[0006]在一个或多个实施例中，扫描激光雷达系统包括：发射器，该发射器具有激光器和第一光学开关，该第一光学开关被配置为从所述激光器接收激光脉冲；第一多个光纤，每个光纤耦接到所述第一光学开关的多个输出中的不同输出；第一至少一个光学元件，其被配置为从所述第一多个光纤中的至少一个光纤接收所述激光脉冲并且重定向所述激光脉冲以照射视场的至少一部分；接收器，该接收器包括第二光学开关和至少一个检测器；第二多个光纤，每个光纤耦接到所述第二光学开关的不同输入，所述第二光学开关的输出耦接到所述至少一个检测器；第二至少一个光学元件，其被配置为接收从所述视场反射的激光脉冲并且将接收到的反射脉冲重定向到所述第二多个光纤中的至少一个光纤；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为控制所述第一光学开关以将所述激光脉冲从所述第一光学开关的输入依次引导到所述多个输出中的每一个，控制所述第二光学开关以依次将来自所述多个第二光纤中的每一个的光引导到所述第二光学开关的输出，并且处理来自所述至少一个检测器的信号以生成表示所述视场的数据。第一光学开关和第二光学开关可以是全光学开关，其不具有分别与将光从输入切换到多个输出中的一个或从多个输出切换到输入相关联的移动部件。第一光学开关和第二光学开关可以包括法拉第旋转器(Faraday rotator)。在至少一个实施例中，第一光学开关和第二光学开关包括磁光开关。
[0007]在各种实施例中，系统可包括被配置成控制第一光学开关的第一基于微处理器的
控制器和与第一控制器通信并被配置成控制第二光学开关的第二基于微处理器的控制器。
[0008]在一个或多个实施例中，激光器包括光纤激光器或连接到光纤的任何脉冲激光源，该光纤激光器或连接到光纤的任何脉冲激光源被配置为产生具有在900纳米(nm)到1700纳米(nm)之间的SWIR波长的脉冲。在至少一个实施例中，激光器被配置为产生具有1550纳米(nm)的标称波长的脉冲。
[0009]在一个或多个实施例中，所述至少一个第一光学元件包括被配置成形成具有椭圆形横截面的输出光束的非球面透镜。光学元件可以成形为形成输出光束，该输出光束沿着第一轴的角发散是沿着垂直于第一轴的第二轴的角发散的至少20倍。在至少一个实施例中，输出光束在水平方向上具有40度的角发散，在垂直方向上具有1度的角发散。
[0010]在一个或多个实施例中，系统包括多个光学元件，每个光学元件与第一多个光纤中的一个相关联，以提供照射FOV的输出光束。
[0011]在一个或多个实施例中，所述至少一个第二光学元件包括位于光束成形光学器件上游的收集光学器件，所述光束成形光学器件被配置为形成具有椭圆形横截面的束。光束成形光学器件可以提供具有椭圆形横截面的光束，该光束沿着第二轴的角发散是沿着垂直于第二轴的第一轴的角发散的至少20倍。在一个实施例中，接收器包括收集光学器件和光束成形光学器件，以提供具有1度的水平发散度和20度的垂直发散度的接收光束。
[0012]在一个或多个实施例中，第一多个光纤排列成第一线性阵列，并且第二多个光纤的输入定位在与第一线性阵列正交的第二线性阵列中。
[0013]在各种实施例中，至少一个检测器包括雪崩光电二极管。在至少一个实施例中，所述至少一个检测器包括被配置为并行操作的多个检测器。
[0014]在一个或多个实施例中，激光器被配置成发射偏振脉冲，并且检测器包括多个检测器，每个检测器被配置成检测具有不同偏振角的接收光。所述至少一个控制器可以被配置为处理来自所述多个检测器的信号，以生成表示所述视场的偏振度或偏振角度数据。在至少一个实施例中，第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件各自包括由至少一个控制器控制的偏振旋转器和偏振相位掩模。在至少一个实施例中，第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件各自包括第一线性偏振器、法拉第旋转器、半波延迟器相位掩模和第二线性偏振器。至少一个控制器可以被配置为操作激光器以及第一光学开关和第二光学开关，从而以100Hz刷新数据，以提供每秒100帧。
[0015]在各种实施例中，提供了一种模块化系统，其具有通过光纤束耦接到光学头部的控制单元。在一个实施例中，该系统包括壳体和至少一个光学头部，该壳体包含发射器、接收器和至少一个控制器，该至少一个光学头部位于壳体外部并包含第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件，其中，第一多个光纤和第二多个光纤在第一壳体和光学头部之间延伸。控制单元的壳体可以包含与多个远程定位的光学头部中的每个光学头部相关联的发射器和接收器，每个光学头部通过相关联的光纤束耦接。
[0016]在至少一个实施例中，车辆包括如本文所述的激光雷达系统，该激光雷达系统具有连接到一个或多个头部单元的控制器单元。车辆可包括具有固定控制器单元的激光雷达系统，该固定控制器单元光学地耦接到安装在致动器上的头部单元，该致动器配置成使安装的头部单元旋转。
[0017]实施例还可包括用于激光雷达扫描的方法，该方法包括：产生激光脉冲；将所述激
光脉冲光学地切换到排列成第一线性阵列的第一多个光纤中的每一个，以照射视场；将从所述视场内的由所述激光脉冲照射的对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的第二多个光纤；光学地切换来自所述第二多个光纤的光以将所述光引导到至少一个检测器；以及处理来自所述检测器的信号以生成表示所述视场的数据。产生激光脉冲可以包括使用输出波长在900nm和1700nm之间的光纤激光器来产生激光脉冲。在一个实施例中，标称输出波长是1550nm，以在满足眼睛安全要求的同时为遥感提供增加的能力。
[0018]在一个或多个实施例中，所述方法包括通过控制具有法拉第旋转器而没有任何移动部件的全光固态开关来光学地切换激光脉冲且光学地切换来自第二多个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种扫描激光雷达系统，包括：发射器，所述发射器包括激光器和第一光学开关，该第一光学开关被配置为从所述激光器接收激光脉冲；第一多个光纤，每个光纤耦接到所述第一光学开关的多个输出中的不同输出；第一至少一个光学元件，所述第一至少一个光学元件被配置为从所述第一多个光纤中的至少一个光纤接收所述激光脉冲并且重定向所述激光脉冲以照射视场的至少一部分；接收器，所述接收器包括第二光学开关和至少一个检测器；第二多个光纤，每个光纤耦接到所述第二光学开关的不同输入，所述第二光学开关的输出耦接到所述至少一个检测器；第二至少一个光学元件，所述第二至少一个光学元件被配置为接收从所述视场反射的激光脉冲并且将接收到的反射脉冲重定向到所述第二多个光纤中的至少一个光纤；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为控制所述第一光学开关以将所述激光脉冲从所述第一光学开关的输入依次引导到所述多个输出中的每一个，控制所述第二光学开关以将依次来自所述多个第二光纤中的每一个的光引导到所述第二光学开关的输出，并且处理来自所述至少一个检测器的信号以生成表示所述视场的数据。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一光学开关和所述第二光学开关不具有分别与将光从输入切换到多个输出中的一个或从多个输出切换到输入相关联的移动部件。3.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一光学开关和所述第二光学开关中的至少一个包括法拉第旋转器。4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一光学开关和所述第二光学开关中的至少一个包括磁光开关。5.根据任何前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述至少一个控制器包括被配置成控制所述第一光学开关的第一基于微处理器的控制器和与第一控制器通信并被配置成控制所述第二光学开关的第二基于微处理器的控制器。6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述激光器包括光纤激光器，该光纤激光器被配置为产生波长在900纳米(nm)到1700纳米(nm)之间的脉冲。7.根据任何前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述激光器被配置为产生具有1550纳米(nm)的标称波长的脉冲。8.根据任何前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述至少一个第一光学元件包括被配置成形成具有椭圆形横截面的输出光束的非球面透镜。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个第一光学元件成形为形成输出光束，该输出光束沿着第一轴的角发散是沿着垂直于第一轴的第二轴的角发散的至少20倍。10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述至少一个第一光学元件包括多个光学元件，所述多个光学元件中的每个光学元件与所述第一多个光纤中的一个光纤相关联。11.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述至少一个第二光学元件包括位于光束成形光学器件上游的收集光学器件，所述光束成形光学器件被配置为形成具有椭圆形横截面的光束。12.根据权利要求11所述的系统，其中，具有椭圆形横截面的光束沿着第二轴的角发散是沿着垂直于所述第二轴的第一轴的角发散的至少20倍。
13.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一多个光纤的输出定位在第一线性阵列中，并且所述第二多个光纤的输入定位在与所述第一线性阵列正交的第二线性阵列中。14.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述至少一个检测器包括雪崩光电二极管。15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个检测器包括被配置为并行操作的多个检测器。16.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述激光器被配置成发射偏振脉冲，并且其中，所述检测器包括多个检测器，每个检测器被配置成检测具有不同偏振角的接收光。17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个控制器处理来自所述多个检测器的信号，以生成表示所述视场的偏振度或偏振角度数据。18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一至少一个光学元件和所述第二至少一个光学元件各自包括由所述至少一个控制器控制的偏振旋转器和偏振相位掩模。19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一至少一个光学元件和所述第二至少一个光学元件各自包括第一线性偏振器、法拉第旋转器、半波延迟器相位掩模和第二线性偏振器。20.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述至少一个控制器还被配置为操作所述激光器以及所述第一光学开关和所述第二光学开关以100Hz刷新数据。21.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括壳体和至少一个光学头部，该壳体包含所述发射器、所述接收器和所述至少一个控制器，所述至少一个光学头部位于所述壳体外部并包含所述第一至少一个光学元件和所述第二至少一个光学元件，其中，所述第一多个光纤和所述第二多个光纤在第一壳体和光学头部之间延伸。22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述壳体包含与多个远程定位的光学头部中的每个光学头部相关联的发射器和接收器，每个光学头部通过相关联的光纤束耦接。23.一种车辆，包括根据权利要求21或22所述的激光雷达系统。24.根据权利要求23所述的车辆，所述车辆还包括致动器，该致动器被配置成旋转所述光学头部中的至少一个。25.一种方法，所述方法包括：产生激光脉冲；将所述激光脉冲光学地切换到排列成第一线性阵列的第一多个光纤中的每一个，以照射视场；将从所述视场内的由所述激光脉冲照射的对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的第二多个光纤；光学地切换来自所述第二多个光纤的光以将所述光引导到至少一个检测器；以及处理来自所述检测器的信号以生成表示所述视场的数据。26.根据权利要求25所述的方法，其中，产生激光脉冲包括使用输出波长在900nm到1700nm之间的光纤激光器来产生激光脉冲。27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，光学地切换所述激光脉冲和光学地切换来自所述第二多个光纤的光中的至少一个包括控制磁光开关。
28.根据权利要求25至27中任意一项所述的方法，所述方法还包括使从所述第一多个光纤输出的激光脉冲成形，以形成具有椭圆形横截面的脉冲光束，该脉冲光束沿着第一轴的角发散比沿着垂直于第一轴的第二轴的角发散大至少20倍。29.根据权利要求25至28中任意一项所述的方法，其中，光纤的第一线性阵列与光纤的第二线性阵列正交地定位。30.根据权利要求25至29中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个检测器仅是一个检测器，并且其中，光学地切换来自所述第二多个光纤的光包括将光光学地切换到耦合至所述检测器的单个光纤。31.根据权利要求25至29中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个检测器包括多个检测器，并且其中，光学地切换来自所述第二多个光纤的光包括将来自不同光纤组的光光学地切换到并行操作的不同检测器。32.根据权利要求25至31中任意一项所述的方法，所述方法还包括：使照射视场的激光脉冲偏振；检测由所述激光脉冲照射的对象反射的光的偏振；以及基于检测从对象反射的光的偏振来生成表示所述视场的偏振数据。33.根据权利要求32所述的方法，所述方法还包括改变激光脉冲的偏振，以使得从所述第二多个光纤中的被选择的光纤检测到的光强度相对于来自与所选择的光纤相邻的光纤的光强度增加。34.一种方法，所述方法包括：产生激光束；沿着第一方向扫描所述激光束以...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨吉，
申请(专利权)人：马卡鲁光学有限公司，
类型：发明
国别省市：