具有固态光谱扫描的光检测和测距系统技术方案

提供一种光检测和测距(LIDAR)设备，其包括：光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。束以第二角度偏转。束以第二角度偏转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有固态光谱扫描的光检测和测距系统
[0001]相关申请
[0002]本申请根据35 U.S.C.
§
119(e)要求2019年6月21日提交的美国专利申请No.16/449,189的权益，其全部内容通过引用并入本文。


[0003]本公开通常涉及提供对跨两个维度的对范围和速度的同时测量的光检测和测距(LIDAR)。

技术介绍

[0004]快速扫描镜是在大多数常规LIDAR系统中用于照射场景的主要组件。一个镜通常沿着X方向(方位角)快速扫描，而另一镜沿着Y方向(仰角)缓慢扫描。光发射和从目标的反射的检测通常经由单模光纤同轴地完成。收集到的光具有用于提取范围和潜在的速度信息的测量延迟或改变的频率特征。当逐点检测到的范围信息与来自扫描镜的角位置反馈组合时，可以建立3D点云。
[0005]为了实现更高的帧频，增加镜的角速度，特别是在较快的扫描方向上的扫描器(在本文情况下为X扫描器)的角速度。当使用具有高角速度的镜和基于单模光纤的检测时，来自远处对象的目标信号严重劣化。信号劣化主要是由于从光学信号(脉冲或扫频)的发射时间起到来自远处散射目标的同一信号的收集时间为止扫描器镜的角位置的差异。这种轻微的角改变导致光纤尖端处的目标信号的走离(walk
‑
off)，从而降低耦合效率，这将其本身表现为较弱的信号检测。随着光纤直径减小，例如直径为～10μm的单模光纤，或者随着镜的角速度增加，这种劣化变得更严重。

技术实现思路

[0006]本公开包括但不限于以下示例性实现。
[0007]一些示例实现提供一种光检测和测距(LIDAR)设备，其包括：光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。
[0008]一些示例实现提供一种方法，其包括：通过光检测和测距(LIDAR)系统的光源生成具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束。该方法还可以包括将具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束提供至色散元件，其中，该色散元件使具有第一频率的第一光束以第一角度偏转并且使具有第二频率的第二光束以第二角度偏转。
[0009]通过阅读以下详细描述以及下面简要描述的附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得明显。本公开包括本公开中所阐述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不管这些特征或要素是否在本文描述的特定示例实现中明确组合或以其它方式叙述。除非本公开的上下文另有明确规定，否则本公开旨在整体地阅读，使得本公开的
任何可分离的特征或要素在其任何方面和示例实现中都应被视为可组合的。
[0010]因此，应当理解，提供本
技术实现思路
仅仅是为了总结一些示例实现，以提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当理解，上述示例实现仅仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围或精神。通过以下结合附图进行的详细描述，其它示例实现、方面和优点将变得明显，其中附图通过示例的方式示出一些所描述的示例实现的原理。
附图说明
[0011]从以下给出的详细描述和本公开的各个方面和实现的附图中，将更全面地理解本公开的实施例和实现，然而，这些实施例和实现不应被视为将本公开限于具体实施例或实现，而是仅用于说明和理解。
[0012]图1示出根据本公开的示例实现的LIDAR系统。
[0013]图2示出根据本公开的实施例的LIDAR系统的方面。
[0014]图3是根据本公开的实施例由围绕不同频率调谐的LIDAR系统生成的多个线性啁啾的示例的图示。
[0015]图4是根据本公开的实施例的基于光束的频率使光束以不同角度偏转的LIDAR系统的色散元件的示例的图示。
[0016]图5示出根据本公开的其它实施例的LIDAR系统的方面。
[0017]图6示出根据本公开的一些实施例的LIDAR系统的方面。
[0018]图7示出根据本公开的实施例的LIDAR系统的方面。
[0019]图8示出根据本公开的实施例的具有多个光源的LIDAR系统的方面。
[0020]图9描绘根据本公开的实现的利用LIDAR系统进行固态光谱扫描的方法的流程图。
具体实施方式
[0021]本公开的示例实现涉及一种改进的扫描LIDAR系统。本公开的示例实现基于使用频率调制(FM)和相干检测来克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制的一种类型的LIDAR。历史上，FM LIDAR系统在光束的返回路径中遭受显著损耗；因此，通常相当庞大的这种系统需要更高的平均光束输出功率来与飞行时间(TOF)LIDAR系统相当地测量距离。然而，范围受到针对眼睛安全的输出功率的操作距离的限制。
[0022]本公开的示例实现被配置为使用相干检测同时测量范围和速度，并且具有对来自其它LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。其它实现可以与非相干系统一起使用以改善范围、帧频或检测。示例实现使光束的返回路径中的光学损耗最小化，从而增加系统的测量范围。另外，通过使用非简并光源，示例实现可以利用通常在集成硅光子学中使用的成熟的波分复用(WDM)技术，由于其紧凑性和在变化的环境条件下的相对稳定性而成为期望的平台。
[0023]传统的调频连续波(FMCW)LIDAR系统依赖于在期望视场(FOV)上扫描一个激光束或多个激光束，以在三维(3D)和时间上映射目标空间。一个或多个激光束的角扫描使用移动机械组件，诸如基于检流计的扫描器等。基于检流计的扫描器以及其它基于机械的扫描器通常包含许多易于发生故障的移动部件。此外，由于基于机械的扫描器的复杂性，这种扫描器的价格相对较高，导致常规FMCW LIDAR系统的大规模制造困难。
[0024]本公开的示例实现通过使用包括色散元件的FMCW LIDAR系统进行光谱扫描来解决以上和其它缺陷。在实施例中，系统还可以使用衍射光栅或一些其它基于折射的光学器件，但是为了简单起见，术语“色散”可以用于涵盖操作元件由于源波长的变化而改变扫描角的方法。本公开的实施例利用由FMCW LIDAR系统的一个或多个光源生成的光束的基于波长/频率的操纵。FMCW LIDAR系统的光源可以生成在对应于FOV的带宽上具有不同频率的光束。例如，光源可以生成各自围绕不同频率调谐的多个线性啁啾(chirp)。具有不同频率的光束被提供至色散元件。色散元件是FMCW LIDAR系统的无源组件，其由基于光束的频率使光束以不同角度偏转的材料制成。例如，多个线性啁啾可以以不同的频率被提供至色散元件，使得啁啾的偏转角度覆盖期望的FOV。
[0025]因此，通过使用包括色散元件的FMCW LIDAR系统进行光谱扫描，可以在不使用基于机械的扫描器的情况下在期望FOV上传输光束。由于色散元件是不包含移动部件的无源组件，因此与基于机械的扫描器相比，故障的可能性显著减少，从而改进了FMCW LIDAR系统的性能。此外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光检测和测距设备即LIDAR设备，包括：光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。2.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述色散元件使所述第一光束和所述第二光束沿着第一轴偏转，所述LIDAR设备还包括：扫描器，用于使所述第一光束和所述第二光束沿着与所述第一轴正交的第二轴偏转。3.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：偏振分束器即PBS，用于使光的第一偏振状态在第一方向上穿过所述PBS并且使光的第二偏振状态在不同于所述第一方向的第二方向上反射。4.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：光学环行器，用于在第一方向上引导来自所述光源的所述第一光束和所述第二光束并且在第二方向上引导与所述第一光束相关联的第一目标信号以及与所述第二光束相关联的第二目标信号。5.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：光电检测器，用于接收包括与所述第一光束相关联的第一本地振荡器信号和第一目标信号的第一组合信号以及包括与所述第二光束相关联的第二本地振荡器信号和第二目标信号的第二组合信号。6.根据权利要求5所述的LIDAR设备，其中，所述光源和所述光电检测器定位在光子芯片上。7.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括用于变换所述第一光束和所述第二光束的偏振状态的偏振波片。8.根据权利要求7所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片包括四分之一波片以及半波片之一。9.根据权利要求7所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片还包括反射器或涂层，所述反射器或涂层用以返回所述第一光束的部分作为第一本地振荡器信号并且返回所述第二光束的部分作为第二本地振荡器信号。10.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，具有所述第一频率的所述第一光束包括围绕所述第一频率调谐的第一线性啁啾，并且具有所述第二频率的所述第二光束包括围绕所述第二频率调谐的第二线性啁啾。11.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：光学隔离器，其包括抽头，所述抽头用于将所述第一光束的部分作为第一参考信号以及将所述第二光束的部分作为第二参考信号提供至参考臂电路。12.根据权利要求11所述的LIDAR设备，其中，所述参考臂电路包括：干涉仪，用于接收所述第一参考信号和所述第二参考信号；以及光电检测器，用于从所述干涉仪接收所述第一参考信号和所述第二参考信号。13....

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：艾娃有限公司，
类型：发明
国别省市：