相干LIDAR成像系统技术方案

本发明专利技术涉及一种相干LIDAR成像系统(D)，包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相干LIDAR成像系统


[0001]本专利技术涉及要通过相干LIDAR观察的场景的成像的领域，并且更具体地，涉及外差检测相干LIDAR三维成像领域。

技术介绍

[0002]场景的外差检测LIDAR(光检测和测距(light detection and ranging))成像利用激光源的相干发射特性来使用来自参考路径并与有用信号相干的信号放大由场景反射的有用信号。
[0003]在FMCW型LIDAR技术中，对激光源的光学频率进行调制，例如利用周期性线性斜坡进行调制。来自激光源的光分成两条路径。部分光(物体路径)被投射到场景中的点上，在该点处光被反向散射，部分朝向光电检测器。另一部分(参考路径)被发送到光电检测器而不通过场景。两条路径在光电检测器上发生干涉并形成外差信号。干涉产生与两条路径之间的延迟成比例并且因此与场景和光电检测器之间的范围成比例的拍频。更具体地，对于线性斜坡，振荡的拍频为其中，B是斜坡的持续时间T期间的光学频率偏移(或啁啾)，z是范围，并且c是光速。范围z是根据在持续时间T期间测量的周期的数量N(N≈T
×
f
R
)推导出来的：范围方面的分辨率是也可以通过对外差信号执行傅里叶变换来使用频谱分析测量拍频f
R
。FMCW型LIDAR技术是一种光学外差测量技术，因为它涉及多个光学频率。
[0004]外差信号(即干涉信号)包含通常较大且无用的连续分量，如果光接收器是光电二极管，则通过高通电子滤波器将该连续分量消除。在光纤设置中，使用3dB耦合器是实用的，该耦合器从两个输入路径(物体和参考)提供两个反相输出信号，其照射两个串联的光电二极管(平衡光电二极管)。检测电路能够计算两个光电流之间的差，并且因此消除DC部分(共模)并检测AC部分。AC部分通常在被外部电子设备例如示波器进行处理之前通过跨阻抗放大器(TIA)在外部放大，以测量拍频f
R
。一旦已经执行了测量，点就会发生变化，这意味着对场景进行顺序空间扫描。
[0005]这种技术效果很好，因为参考路径不会经受反向散射的显著损失，并且用于放大通过干涉混合接收到的信号，该信号是有用信号幅度的倍数。然而，获得的图像原则上是“卷帘快门”类型，这意味着像素被顺序读取，因为需要扫描场景以创建的完整图像。因此，当场景包含移动物体时，该技术会因图像失真而被扰乱。
[0006]顺序扫描FMCW型LIDAR成像系统与视频速度(通常为50Hz，即每幅图像20ms)下的使用并不是非常兼容。例如，对于QVGA格式的图像(320
×
240，即大约76 800像素)，需要每隔260ns改变点，并且因此至少在T＝260ns中创建斜坡，这需要数MHz的激光调制频率，并且在线性斜坡的情况下甚至为数十MHz。这些值在电流调制半导体激光器能力的限度内，并且超出了能够进行机械或热调谐的激光器的范围。此外，光电检测器需要能够根据香农定理
(Shannon
’
s theorem)对信号进行采样，并且因此实际上每个周期1/f
R
≈T/N≈0.26ns至少进行3到4次测量(例如对于典型范围z＝100m，目标分辨率为dz＝10cm，并且因此N～1000)，即在高于数十GHz的频率下进行的测量，这对光电检测器的速度方面及灵敏度方面提出了高要求。
[0007]一种解决方案是同时照射整个场景并使用外差检测器阵列并行执行检测。然而，由于与在数GHz的速率下以全阵列尺度采样的光电流相对应的极大的数据流速率(数据速率＝3 f
R N
x N
y Res＝(3z/dzT)N
x N
y Res～100Gbit/s，其中z＝100m，dz＝10cm，T＝20ms，Nx＝320，Ny＝240，Res＝8bits)，无法想象并行运行上述LIDAR技术与外部处理。这比相同分辨率的标准图像传感器面临的典型数据速率(数据速率＝3
×
50Hz
×
N
x
N
y
Res)高约3000倍。
[0008]使用光学成像系统执行FMCW型LIDAR成像是已知的实践，如Aflatouni等人的题为Nanophotonic coherent imager,Opt.Express 23(4),5117
‑
5125(2015)的文献中所描述的。如图1A所示，由调制器Mod对激光源Las进行波长调制。物体路径照射要分析的物体O，并且透镜LO在使用集成光学器件产生的相干成像器IC上形成物体的图像，更具体地，在4
×
4光学耦合光栅Res的阵列上形成物体的图像。如图1B所示，每个光栅Res将耦合光经由波导发送到位于图像外部的侧耦合光电二极管PD。参考路径通过光纤Fib并且通过波导网络和Y形接头直接发送到光电二极管。光电流到电压的转换由16个光电二极管中的每一个的跨阻抗放大器TIA执行。电子滤波和信号处理在检测电子系统SED中的芯片外部执行。FMCW检测提供对图像中每个点处的范围的访问。
[0009]然而，这种相干LIDAR成像器配置不能容易地扩展到大量像素，因为N个像素需要2N个波导(针对参考路径为N个并且针对物体路径为N个)，对于1000
×
1000像素的成像器总计200万个波导，因此造成路由和占用的表面积的重大问题。为了人为地增加其成像器中的有效像素的数量，作者采取了在成像器连续机械平移的情况下进行多次捕获的技术，其无法适应移动场景。
[0010]此外，所提出的架构对由场景对相干光的反向散射产生的散斑敏感(传感器平面中的物体的图像被散斑(即激光粒度)破坏)。参考路径和受散斑影响的物体路径之间的干涉导致的拍频具有相同的频率，但在相邻散斑之间随机相移。如果像素大于散斑，则产生的振荡的幅度会衰减并且可能变得无法检测到。请注意，在Aflatouni等人在2015年提出的配置中，由于衍射光栅的指示尺寸(17μm
×
17μm)和工作波长1.55μm，将需要孔径数(f
#
)至少为6，以使散斑大于像素。然而，具有小孔径的光学器件不利于检测反射性不强或位于较大范围处的物体，并且需要使用更强大的激光源进行补偿。
[0011]Krause等人的题为Motion compensated frequency modulated continuous wave 3D coherent imaging lidar with scannerless architecture,Appl.Opt.,51(36),8745
‑
8761(2012)的文献描述了能够获得被照射场景的图的FMCW型LIDAR成像系统的另一种配置。它特别适于立即照射整个场景，并包含阵列型检测器。然而，需要改进这样的成像系统的性能。

技术实现思路

[0012]本专利技术试图至少部分地克服现有技术的至少一些缺点，并且更具体地，提出了一
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种相干LIDAR成像系统(D)，包括：ο激光源(SL)，其被配置成发射具有时间调制光学频率(F
L
)的激光辐射(L)；ο光学分离器/重组器(SSR)，其至少包括：
·
光学分离器(LS)，其被设计成将所述激光辐射(L)在空间上分离成指向光学成像器(Im)的被称为参考光束(L
ref
)的光束和指向要被照射的场景(Obj)的被称为物体光束(L
o
)的光束；
·
光学重组器(SR)，其被设计成将所述参考光束(L
ref
)在空间上叠加在被称为反射物体光束(L
or
)的被所述场景反射的物体光束的部分上；ο具有光轴(AO)的所述光学成像器(Im)，其通过聚焦所述反射物体光束(L
or
)在检测器(Det)上创建被照射场景的图像，ο所述检测器(Det)，其包括像素P
i
的阵列，i∈[1,n]，所述像素P
i
中的每个包括光电检测器(Ph)，所述光电检测器(Ph)被设计成检测所述反射物体光束(L
or
)的一部分(L
or,i
)和所述参考光束(L
ref
)的一部分(L
ref,i
)，所述反射物体光束(L
or
)的一部分(L
or,i
)和所述参考光束(L
ref
)的一部分(L
ref,i
)一起形成具有表示所述被照射场景的范围的拍频的重组光束(L
rec
)的一部分；ο处理器(UT)，其连接到所述检测器(Det)和所述激光源(SL)，并且被配置成确定被成像在所述像素上的所述场景中的点的范围以及根据与每个像素P
i
相关联的所述拍频(F
i
)并根据所述激光辐射的调制光学频率来构建所述场景的范围图像；ο其特征在于：
·
所述光学分离器/重组器(SSR)还被配置成在垂直于所述光轴的被称为中间图像平面(PI)的平面中形成所述参考光束(L
ref
)的被称为中间图像(PS)的图像，
‑
所述中间图像平面(PI)在所述光轴(AO)上的位置被包括在沿所述光轴的与所述反射物体光束(L
or
)的子光束的相交区域(Zc)在所述光轴上的投影相对应的区段(MM')中，所述子光束是全光场边缘光束。2.根据权利要求1所述的成像系统(D)，其中，所述光学分离器/重组器(SSR)被配置成使得所述中间图像平面(PI)与包含所述光学成像器(Im)的光瞳或孔径光阑的平面一致。3.根据权利要求1和2中任一项所述的成像系统(D)，其中，所述光学分离器/重组器(SSR)被配置成使得所述中间图像(PS)的横向尺寸小于或等于所述子光束在所述中间图像平面(PI)中的相交的横向尺寸。4.根据权利要求1至3中任一项所述的成像系统(D)，其中，所述光学分离器/重组器(SSR)被配置成使得来自所述光学分离器/重组器的参考光束(L
ref
)的散度等于由所述子光束在中间图像平面(PI)中形成的角度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的成像系统(D)，其中，所述光学分离器/重组器(SSR)被配置成使得对于每个像素P
i
，所述反射物体光束(L
or
)的所述部分(L
or,i
)的传播轴与所述参考光束的所述部分(L
ref,i
)的传播轴形成角度θ，使得θ＜λ/(2
×
a
pix
)，其中，a
pix
是所述检测器的每个像素的光电检测器的特征尺寸，并且λ是所述激光辐射(L)的波长。6.根据权利要求1至5中任一项所述的成像系统(D)，包括光学成形器(DOE)，所述光学成形器(DOE)被放置在所述激光辐射或所述物体光束(L
o
)的路径中，并且被配置成使得来自所述光学成形器(DOE)的光束显示要被观察的场景的均匀照射。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的成像系统(D)，其中，所述光学成像器(IM)具有数值孔径，使得所述检测器(Det)上的散斑的直径φ
g
大于所述检测器(Det)的每个像素P
i
的光电检测器的特征尺寸a
pix
。8.根据权利要求1至7中任一项所述的成像系统(D)，其中，所述激光源(SL)被配置成使得所述光学频率通过具有偏移B和持续时间T的周期性线性斜坡来调制，并且使得所述激光辐射的相干长度是要被照射的场景(Obj)和成像系统(D)之间的预定最大距离Z
max
的两倍。9.根据权利要求1至8中任一项所述的成像系统(D)，其中，每个像素P
i
包括电子处理电路(CE)，所述电子处理电路(CE)被设计成计算所述重组光束(L
rec
)的所述部分的拍频F
i
。10.根据权利要求9所述的成像系统(D)，其中，对于所述检测器(Det)的所有像素P
i
同时执行所述拍频F
i
的计算，每个像素P
i
包括对所述重组光束(L
rec
)透明的介电材料中的被称为互连层的层，所述互连层包括连接到所述电子电路(CE)的金属互连(Met)，所述互连层被布置在所述光电检测器的与检测所述重组光束(L
rec
...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：