相干脉冲激光雷达系统技术方案

在一个实施例中，激光雷达系统包括被配置为发射(i)本地振荡器光和(ii)光脉冲的光源，其中，每个发射的光脉冲与本地振荡器光的相应部分相干。激光雷达系统还包括接收器，该接收器被配置为检测本地振荡器光和接收的光脉冲，接收的光脉冲包括来自发射的光脉冲之一的光，该光被位于距激光雷达系统一定距离的目标散射。本地振荡器光和接收的光脉冲在接收器处相干混合在一起。接收器包括一个或多个检测器，该检测器被配置为产生与本地振荡器光和接收的光脉冲的相干混合相对应的一个或多个相应的光电流信号。接收器还包括脉冲检测电路，该脉冲检测电路被配置为确定接收的光脉冲的到达时间。达时间。达时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相干脉冲激光雷达系统
[0001]优先权
[0002]本申请要求2019年8月20日提交的美国临时专利申请No.62/889,192、2019年9月19日提交的美国临时专利申请No.62/902,479、2020年2月19日提交的美国专利申请No.16/794,366、2020年2月19日提交的美国专利申请No.16/794,439和2020年2月19日提交的美国专利申请No.16/794,500的权益，每一个都通过引用并入本文。


[0003]本公开总体上涉及激光雷达系统。

技术介绍

[0004]光检测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光接收器。光源可以包括例如发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可位于例如电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源朝向散射光的目标发射光，并且一些散射光在接收器处被接收回。该系统基于与接收的光相关联的一个或多个特性来确定到目标的距离。例如，激光雷达系统可以基于由光源发射的光脉冲行进到目标并返回激光雷达系统的飞行时间来确定到目标的距离。
附图说明
[0005]图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统。
[0006]图2示出由激光雷达系统产生的示例扫描图案。
[0007]图3示出具有示例旋转多面镜的示例激光雷达系统。
[0008]图4示出用于激光雷达系统的示例光源视场(FOV
L
)和接收器视场(FOV
R
)。
[0009]图5示出包括多个像素和多条扫描线的示例单向扫描图案。
[0010]图6示出具有发射光脉冲和本地振荡器(LO)光的光源的示例激光雷达系统。
[0011]图7示出示例接收器和与接收的光脉冲相对应的示例电压信号。
[0012]图8示出包括种子激光二极管和半导体光放大器(SOA)的示例光源。
[0013]图9示出包括具有锥形光波导的半导体光放大器(SOA)的示例光源。
[0014]图10示出具有分光器的示例光源，该分光器将来自种子激光二极管的输出光分光以产生种子光和本地振荡器(LO)光。
[0015]图11示出具有包括光波导分光器的光子集成电路(PIC)的示例光源。
[0016]图12示出包括种子激光二极管和本地振荡器(LO)激光二极管的示例光源。
[0017]图13示出包括种子激光器、半导体光放大器(SOA)和光纤放大器的示例光源。
[0018]图14示出示例光纤放大器。
[0019]图15示出种子电流(I1)、LO光、种子光、脉冲SOA电流(I2)和发射的光脉冲的示例曲线图。
[0020]图16示出种子光、发射的光脉冲、接收的光脉冲、LO光和检测器光电流的示例曲线
图。
[0021]图17示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号。
[0022]图18示出包括组合器和两个检测器的示例接收器。
[0023]图19示出包括集成光学组合器和两个检测器的示例接收器。
[0024]图20示出包括90度光混合器和四个检测器的示例接收器。
[0025]图21示出包括两个偏振分光器的示例接收器。
[0026]图22
‑
25各自示出包括种子激光器、半导体光放大器(SOA)和一个或多个光调制器的示例光源。
[0027]图26示出具有包括相位调制器的光子集成电路(PIC)的示例光源。
[0028]图27示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号，其中LO光和接收的光脉冲具有频率差Δf。
[0029]图28示出具有光子集成电路(PIC)的示例光源，该光子集成电路(PIC)包括位于分光器之前的相位调制器。
[0030]图29示出具有光子集成电路(PIC)的示例光源，该光子集成电路(PIC)包括幅度调制器和相位调制器。
[0031]图30示出种子电流(I1)、种子光、发射的光脉冲、接收的光脉冲和LO光的示例曲线图。
[0032]图31示出LO光和两个发射的光脉冲的示例时域和频域曲线图。
[0033]图32示出由LO光和接收的光脉冲的相干混合产生的示例电压信号。
[0034]图33示出由LO光与两个不同接收的光脉冲的相干混合产生的两个示例电压信号。
[0035]图34示出集成到光子集成电路(PIC)中的示例光源和接收器。
[0036]图35示出具有包括检测器阵列的接收器的示例激光雷达系统。
[0037]图36示出用于确定从激光雷达系统到目标的距离的示例方法。
[0038]图37示出示例计算机系统。
具体实施方式
[0039]图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统100。在特定实施例中，激光雷达系统100可以被称为激光测距系统、激光雷达系统、LIDAR系统、激光雷达传感器或激光检测和测距(LADAR或激光雷达)系统。在特定实施例中，激光雷达系统100可包括光源110、反射镜115、扫描器120、接收器140或控制器150。光源110可包括例如激光器，该激光器发射具有在电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分中的特定工作波长的光。作为示例，光源110可以包括一个或多个工作波长在约900纳米(nm)和2000nm之间的激光器。光源110发射输出光束125，该输出光束可以是以任何合适的方式脉冲化或调制以用于给定应用的连续波(CW)。输出光束125顺发射方向引导到远程目标130。作为示例，远程目标130可以位于距激光雷达系统100约1m到1km的距离D处。
[0040]一旦输出光束125到达顺发射方向的目标130，目标可以散射或反射来自输出光束125的至少一部分光，并且一些散射或反射的光可以朝向激光雷达系统100返回。在图1的示例中，散射或反射的光由输入光束135表示，该输入光束穿过扫描器120并由反射镜115反射并被引导到接收器140。在特定实施例中，来自输出光束125的光的相对较小部分可返回至
激光雷达系统100作为输入光束135。作为示例，输入光束135的平均功率、峰值功率或脉冲能量与输出光束125的平均功率、峰值功率或脉冲能量之比可以约为10
‑1、10
‑2、10
‑3、10
‑4、10
‑5、10
‑6、10
‑7、10
‑8、10
‑9、10
‑
10
、10
‑
11
或10
‑
12
。作为另一示例，如果输出光束125的脉冲具有1微焦(μJ)的脉冲能量，则输入光束135的相应脉冲的脉冲能量可以具有约10纳焦(nJ)、1nJ、100皮焦(pJ)、10pJ、1pJ、100飞焦(fJ)、10fJ、1fJ、100阿焦(aJ)、10aJ、1aJ或0.1aJ的脉冲能量。
[0041]在特定实施例中，输出光束125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】1.一种激光雷达系统，包括：光源，其被配置为发射(i)本地振荡器光和(ii)光脉冲，其中，每个发射的光脉冲与所述本地振荡器光的相应部分相干；接收器，其被配置为检测所述本地振荡器光和接收的光脉冲，所述接收的光脉冲包括来自所述发射的光脉冲之一的光，所述光被位于距所述激光雷达系统一定距离的目标散射，其中：所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲在所述接收器处相干混合在一起；以及所述接收器包括：一个或多个检测器，其被配置为产生与所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲的所述相干混合相对应的一个或多个相应的光电流信号；以及脉冲检测电路，其被配置为至少部分地基于所述一个或多个光电流信号确定所述接收的光脉冲的到达时间；以及处理器，其被配置为至少部分地基于所述接收的光脉冲的到达时间来确定到所述目标的距离。2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，与所述发射的光脉冲相干的所述本地振荡器光的所述相应部分包括当所述接收的光脉冲由所述接收器检测到时由所述接收器检测到的所述本地振荡器光的一部分，其中，所述本地振荡器光的所述部分与所述接收的光脉冲相干混合。3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，与所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲的所述相干混合相对应的每个光电流信号包括与以下的乘积成比例的相干混合项：(i)所述接收的光脉冲的电场的幅度和(ii)所述本地振荡器光的电场的幅度。4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其中，所述光电流信号的所述相干混合项与E
Rx
(t)
·
E
LO
(t)
·
cos[(ω
Rx
‑
ω
LO
)t+φ
Rx
(t)
‑
φ
LO
(t)]成比例，其中：E
Rx
(t)表示所述接收的光脉冲的电场的幅度；E
LO
(t)表示所述本地振荡器光的电场的幅度；ω
Rx
表示所述接收的光脉冲的电场的频率；ω
LO
表示所述本地振荡器光的电场的频率；φ
Rx
(t)表示所述接收的光脉冲的电场的相位；以及φ
LO
(t)表示所述本地振荡器光的电场的相位。5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源包括：种子激光器，其被配置为产生种子光和所述本地振荡器光；以及脉冲光放大器，其被配置为放大所述种子光的时间部分以产生所述发射的光脉冲，其中，所述种子光的每个放大的时间部分对应于所述发射的光脉冲之一。6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光源进一步包括光调制器，所述光调制器被配置为将所述种子光或所述本地振荡器光的频率改变Δf，其中，每个光电流信号包括具有在大约Δf的频率处的频率分量的电流，其中，所述频率变化Δf大于1/Δτ，其中，Δτ是发射的光脉冲的持续时间。7.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述光源进一步包括光调制器，所述光调制器被配置为：
将所述种子光的第一时间部分的频率改变Δf1；以及将所述种子光的第二时间部分的频率改变Δf2，其中，Δf1和Δf2是不同的频率变化值，其中：与所述第一时间部分相对应的第一接收的光脉冲导致具有在大约Δf1的频率处的频率分量的光电流信号；以及与所述第二时间部分相对应的第二接收的光脉冲导致具有在大约Δf2的频率处的频率分量的光电流信号。8.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中：所述种子激光器包括激光二极管；以及所述光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为向所述激光二极管提供电流，其包括：基本上恒定的电流，其被配置为产生所述种子光和所述本地振荡器光；以及调制电流，其中，所述调制电流在所述种子光或所述本地振荡器光中产生相应的频率调制。9.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中：所述种子激光器包括激光二极管；以及所述光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为：向所述激光二极管提供第一电流值以产生所述种子光和所述本地振荡器光，其中，当第一光脉冲由所述光源发射时，向所述激光二极管提供所述第一电流值；以及在发射所述第一光脉冲之后和发射随后的第二光脉冲之前的时间段内向所述激光二极管提供第二电流值，其中，所述第二电流值被配置为将所述本地振荡器光的频率改变Δf，其中，每个光电流信号包括具有在大约Δf的频率处的频率分量的电流。10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其中，所述电子驱动器进一步被配置为在所述时间段已经过去之后向所述激光二极管提供所述第一电流值，其中，当发射所述第二光脉冲时，向所述激光二极管提供所述第一电流值。11.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中：所述种子激光器包括激光二极管，所述激光二极管包括从其发射输出光的正面；以及所述光源进一步包括：相位调制器，其被配置为接收来自所述激光二极管的所述输出光；以及分光器，其被配置为接收来自所述相位调制器的所述输出光并将所述输出光分光以产生所述种子光和所述本地振荡器光，其中，所述相位调制器进一步被配置为通过以下来改变所述输出光的频率：(i)将第一频率变化施加到与由所述脉冲光放大器放大的所述种子光的所述时间部分相对应的所述输出光的部分，以及(ii)将第二频率变化施加到所述输出光的其它部分。12.根据权利要求1所述的激光雷达系统，进一步包括光学组合器，所述光学组合器被配置为在空间上重叠所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲。13.根据权利要求12所述的激光雷达系统，其中，所述光学组合器包括光纤，所述光纤被配置为在所述光纤的纤芯中在空间上重叠所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲。
14.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：所述接收器进一步包括光学组合器，所述光学组合器被配置为：将所述本地振荡器光和所述接收的光脉冲组合；以及将组合光的第一部分引导至第一输出，并将所述组合光的第二部分引导至第二输出；...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：卢米诺有限责任公司，
类型：发明
国别省市：