具有抑制多普勒频移的光检测和测距系统技术方案

一种减小或抑制由场景中的对象相对于LIDAR的移动引起的频移的LIDAR系统，包括：光源；输入孔(101)；分离器(2)，被配置为将反射光分离成参考通道(4)和第一成像通道(3)；第一成像光IQ接收器(5)，被配置为获得第一干扰信号；参考光IQ接收器(6)，被配置为获得参考干扰信号；成像振荡器(111)，被配置为与反射光时间相干；至少一个混合器(12)，连接至第一成像光IQ(5)和参考光IQ(6)，并被配置为获得具有更高频率的第一互调产物和具有其多普勒频移缩放的相关互调产物。相关互调产物。相关互调产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有抑制多普勒频移的光检测和测距系统


[0001]本专利技术的目的是一种光检测和测距(LIDAR，light detection and ranging)系统，其使得能够减少或完全抑制由场景中的对象相对于LIDAR的移动引起的频移(这种效应称为多普勒频移)。

技术介绍

[0002]LIDAR装置通过用激光照射目标并用传感器测量反射光来创建到目标的距离图。激光特性(包括总往返时间、相位或波长)的差异可以用于制作目标的数字三维(3D)表示。
[0003]LIDAR通常用于制作高分辨率图，应用于大地测量学、地理信息学、考古学、地理学、地质学、地貌学、地震学、林业、大气物理学、激光制导、机载激光扫描制图(ALSM，Airborne Laser Swath Mapping)和激光测高。该技术也用于一些自动驾驶汽车的控制和导航。
[0004]一些LIDAR利用了所谓的相干检测。在该检测方案中，在样本上反射的光与同反射光相干的本地振荡器混合。这种方法有几个优点，例如允许单光子灵敏度的光学增益，以及能够利用光的相位和波长的变化来测量距离。
[0005]使用这类LIDAR时出现的一个常见问题是场景中的对象相对于装置的移动引起的频移(这种效应称为多普勒频移)。相对于用于测量对象的相关特性的信号的带宽，这样的频移可能很大，并且可能使得这样的相关数据的提取变得复杂。如果对象的相对速度很大，如在车辆、飞机或卫星的情况下，这个问题就变得非常重要。
[0006]这种频移是可变的，通常是未知的，并且可以非常显著地扩展所检测的信号的带宽。在地面车辆情况下，相对速度可达300km/h及更高。该相对速度对应于54.0MHz的多普勒频移，照度为λ＝1.55μm。这种可变频移使得依赖于对象信号的相干检测的系统的电子读出和信号处理链变得复杂。
[0007]即使信号链对于少数通道仍然是可管理的，它也增加了最终LIDAR系统的成本、大小和复杂度。此外，这也为具有大量输入的多通道相干LIDAR系统的实际实现方式提出了主要障碍。
[0008]为了解决这个问题，已经有几种方法，其中之一是使用非均匀采样或其他压缩感测方案来降低信号的总数据率。
[0009]总的来说，所有已开发的方法都有相同的缺点：复杂的电子读出电路和通用的信号处理链，这使得它们昂贵、尺寸大，并且通常对于具有大量通道的多通道结构难以实现和扩展。

技术实现思路

[0010]本专利技术的LIDAR系统对象描述了利用一个或多个输入孔的相干LIDAR系统的修改，并且其实现简单。本专利技术的目的是减小或完全消除由场景中的对象相对于LIDAR的移动引起的频移(这种效应称为多普勒频移)。
[0011]在本专利技术中，减小或消除频移是通过以下方式完成的：测量参考通道中的多普勒频移信号，然后利用时域中信号混合的数学性质，移动一个或多个成像信道的频率以消除或减小所述多普勒频移。
[0012]具体地，本专利技术的具有抑制多普勒频移的LIDAR系统包括至少一个光源，该光源被配置为发射瞄准外部对象的第一光。第一光在对象上被漫反射或镜面反射，然后在至少一个输入孔中被接收(因此是反射光)。
[0013]然后，反射光可以在位于至少一个输入孔之后的分离器中被分离，该分离器被配置为将反射光分离成参考通道和至少一个第一成像通道。
[0014]然后，所分离的反射光的一部分通过至少第一成像通道被引导到与第一成像通道相关联的第一成像光同相正交(IQ，In
‑
phase and Quadrature)接收器。第一成像光IQ接收器被配置为获得包括第一同相分量和第一正交分量的第一干扰信号。
[0015]另外，反射光的另一部分通过参考通道被引导到与参考通道相关联的参考光IQ接收器中。参考光IQ接收器被配置为获得包括参考同相分量和参考正交分量的参考干扰信号。
[0016]至少本地光学振荡器与第一成像光IQ接收器和参考光IQ接收器相关联，并被配置为与反射光时间相干。
[0017]最后，在一个实施例中，系统包括至少一个混合器。混合器连接至第一成像光IQ接收器和参考光IQ接收器，并被配置为获得具有更高频率的第一互调产物和具有其多普勒频移缩放或完全消除的相关第二互调产物。
[0018]上述系统是本专利技术的一个可能实施例。然而，系统可以包括参考孔和多个输入孔，或者与一个或多个输入孔相关联的参考通道和多个成像通道。系统还可以包括与所有光IQ接收器相关联的单个本地光学振荡器，或与参考光IQ接收器相关联的参考本地光学振荡器和与成像光IQ接收器相关联的成像本地光学振荡器，或与参考光IQ接收器相关联的参考本地光学振荡器，以及多个成像本地光学振荡器(每个成像本地光学振荡器与一个或多个成像光IQ接收器相关联)。
[0019]系统还可以包括应用于成像本地光学振荡器的光学振幅和/或相位调制器，使得互调产物的生成直接发生在光检测器处，而不需要电子混合。
附图说明
[0020]为了补充所做的描述，并且为了帮助更好地理解本专利技术的特征，根据本专利技术的实际实施例的优选示例，附上一组附图作为所述说明书的组成部分，其中，使用说明性和非限制性的特征，表示了以下内容。
[0021]图1示出了本专利技术实施例中对对象进行成像的示例LIDAR系统。
[0022]图1A示出了本专利技术实施例中的输入孔、光IQ接收器以及参考本地光学振荡器和成像本地光学振荡器的方案。
[0023]图1B示出了本专利技术实施例中的替代实现方式，其中，2x4多模干涉(MMI，Multi
‑
mode Interference)用于光IQ接收器。
[0024]图2示出了本专利技术实施例中具有参考通道和成像通道的LIDAR系统的方案。
[0025]图3示出了本专利技术实施例中具有成像通道阵列和参考通道的LIDAR系统的方案，其
中，方向信息被编码在它们之间的相对相位中。
[0026]图4示出了本专利技术实施例中的LIDAR系统的方案，该方案具有多个输入孔和用于在光电检测器上直接混合参考信号的振幅调制器。
[0027]图5示出了吉尔伯特单元(Gilbert cell)的两种方案，其中一种方案包括光电检测器以使能差分光电流的直接倍增。
[0028]图6示出了使用开关电容的吉尔伯特单元的集成方案。
具体实施方式
[0029]借助于图1至图6，对本专利技术的优选实施例进行描述如下。
[0030]本专利技术涉及一种LIDAR系统，例如图1所示的LIDAR系统(100)。LIDAR系统(100)包括至少一个光源(102)，光源(102)被配置为发射瞄准外部对象(108)的光(110)。从对象(108)对光进行反射，以及反射光(112)由光接收单元(104)接收。更具体地，在本专利技术的第一实施例中，如参考后面的图更详细讨论的，在参考输入孔(103)处和成像输入孔(101)中接收光。光源(102)可以表示单个光源，或者具有不同波长的多个光源。在一些实施例中，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】1.一种具有抑制多普勒频移的光检测和测距LIDAR系统，其中，所述系统包括：
‑
至少一个光源(102)，被配置为发射第一光，
‑
至少一个成像输入孔(101)和与所述至少一个成像输入孔(101)相关联的一个成像通道(3)，被配置为接收由所述光源(102)照射的移动对象(108)反射的输入反射光，
‑
至少一个参考孔(103)和与所述至少一个参考孔(103)相关联的一个参考通道(4)，被配置为接收由所述光源(102)照射的所述移动对象反射的参考反射光，
‑
至少一个成像振荡器(111)，
‑
与所述成像输入孔(101)和所述成像振荡器(111)相关联的至少一个第一成像光接收器(5)，被配置为获得所述输入反射光和所述成像振荡器(111)之间的干扰信号，
‑
参考振荡器(113)，
‑
与所述参考孔(101)和所述参考振荡器(113)相关联的参考光接收器(6)，被配置为获得所述参考反射光和所述参考振荡器(113)之间的参考干扰信号，
‑
至少一个混合器(12)，连接至所述至少一个第一成像光接收器(5)和所述参考光接收器(6)，并被配置为产生所述干扰信号和所述参考干扰信号之间的互调产物(16)，使得由所述移动对象(108)引起的多普勒频移被消除或减小。2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述至少一个第一成像光接收器(5)是被配置为获得所述输入反射光与所述成像振荡器(111)之间的干扰信号的光同相正交IQ接收器，所述干扰信号包括第一同相分量(7)和第一正交分量(8)，所述参考光接收器(6)是被配置为获得参考干扰信号的光IQ接收器，所述参考干扰信号包括参考同相分量(9)和参考正交分量(10)。3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，还包括与所述参考光接收器(6)相关联的时间求导模块(15)，所述时间求导模块(15)用于对所述参考同相分量(9)和所述参考正交分量(10)进行时间求导。4.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，所述至少一个混合器(12)包括：
‑
第一混合器(121)，用于混合所述第一正交分量(8)和所述参考同相分量(9)，
‑
第二混合器(122)，用于混合所述第一同相分量(7)和所述参考同相分量(9)。5.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，所述至少一个混合器(12)包括：
‑
第一混合器(121)，用于混合所述第一正交分量(8)和所述参考正交分量(10)，
‑
第二混合器(122)，用于混合所述第一同相分量(7)和所述参考正交分量(10)。6.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，所述至少一个混合器(12)包括：
‑
第三混合器(123)，用于混合所述第一同相分量(7)和经时间求导的参考正交分量(91)，以及
‑
第四混合器(124)，用于混合所述第一正交分量(8)和所述经时间求导的参考正交分量(91)。7.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，所述至少一个混合器(12)包括：
‑
第三混合器(123)，用于混合所述第一同相分量(7)和经时间求导的参考同相分量(90)，以及
‑
第四混合器(124)，用于混合所述第一正交分量(8)和所述经时间求导的参考同相分量(90)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的LIDAR系统，还包括与每个混合器(12)相关联的低通滤波器(23)。9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述参考振荡器(113)和所述成像振荡器(111)享有共同的来源。10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述参考孔(103)与所述输入孔(101)相同，以及所述参考通道(4)和所述成像通道(3)通过分离器(2)从中导出。11.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述参考振荡器(113)的波长保持不变，以及按照标准调频连续波FMCW方案对所述第一光学振荡器(111)的波长进行扫描。12.根据权利要求1所述的LIDAR系统，还包括与所述光接收器(5、6)相关联的一个或多个低通滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：莫罗实验室公司，
类型：发明
国别省市：