模拟用于测试调频连续波(FMCW)光检测和测距(LiDAR)系统的环境的系统技术方案

一种用于模拟用于测试被测光检测和测距(LiDAR)单元(UUT)的无线环境的系统。该系统可以包括从LiDAR UUT接收光的透镜系统和多个光学处理链。该系统可以基于每个链处理的光信号将光生成到自由空间中。该系统可以对接收到的光进行光学处理以维持与从被测LiDAR单元接收到的光的相干性，并且可以同时处理LiDAR图像中的所有点。该系统可以操作以模拟飞行时间LiDAR UUT、调频连续波(FMCW)LiDAR UUT和/或闪光LiDAR UUT的空中环境。UUT的空中环境。UUT的空中环境。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模拟用于测试调频连续波(FMCW)光检测和测距(LiDAR)系统的环境的系统
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2020年5月13日提交的标题为“System for Emulating an Environment for Testing a Light Detection and Ranging LiDAR System”、专利技术人为Marcus daSilva、Amarpal Khanna、Jason Marks和Douglas Farrell的编号为63/023,984的美国临时专利申请的优先权，该专利申请通过引用全文并入本文，就好像在本文中完全和完整地阐述一样。


[0003]本公开涉及测试领域，更特别地，涉及一种模拟用于测试光检测和测距(LiDAR)系统的空中(over
‑
the
‑
air)环境的系统。

技术介绍

[0004]光检测和测距(LiDAR)是一种通过将光照射到目标上并处理反射的光来检测物体、目标甚至整个场景的方法。LiDAR原则上与雷达非常相似。不同之处在于，LiDAR使用波长在无线电或微波波段之外的光来探测目标。通常使用红外光，但也可以使用其它频率。更小的波长使LiDAR具有更好的空间分辨率，使其能够将整个场景表示为点云。与将强度和颜色映射到二维上的摄影图像不同，LiDAR点云中的每个点可以附加地具有相关联的距离和/或速率。
[0005]典型的LiDAR单元使用激光来发射光。这些发射在视场内被扫描并被其路径中的任何物体反射。反射光由LiDAR单元接收和处理。接收到的光的测量值(振幅、延迟、多普勒频移等)以及扫描角度(φ,θ)被聚合，从而对LiDAR视场中的物体创建物理描述。这种方法可以将场景表示为点云，如图1中所示。云中的每个点可以具有以下属性：
[0006]·
水平角度或方位角(通常用φ表示)
[0007]·
垂直角度或仰角(通常用θ表示)
[0008]·
与LiDAR单元的距离。这通常是通过测量光往返物体和返回所需的延迟来完成的。
[0009]·
相对于LiDAR单元的速度。这可以通过两种方式来测量：
[0010]ο反射光的多普勒频移。
[0011]ο计算在连续距离测量中检测到的距离的变化。
[0012]·
反射率。这是被物体反射的入射光的比例，有时被称为“强度”。
[0013]LiDAR单元的开发人员和制造商以及将安装它们的车辆(汽车、飞机等)的制造商经常需要在各种条件下测试LiDAR。目前，截至2020年，开发人员和制造商采取以下任一种方式：1)在室外环境中进行测试，或2)在大区域中构建真实环境的物理模型。虽然这可以提供定义良好的测试环境，但它庞大、昂贵、难以自动化且不可扩展。
[0014]因此，期望该领域中的改进。

技术实现思路

[0015]本文提出了用于执行LiDAR测试和目标模拟的系统和方法的实施例。更具体而言，实施例涉及模拟用于测试和/或校准被测光检测和测距(LiDAR)单元的空中环境的系统。该系统可以包括被配置为接收来自被测LiDAR单元(UUT)的光的输入透镜系统、耦合到透镜系统的多个光学处理链以及耦合到每个光学处理链的输出透镜系统。在一些实施例中，单个透镜系统可以用作输入透镜系统和输出透镜系统。输出透镜系统被配置为基于每个光学处理链处理的光信号将光生成到自由空间中和/或返回到LiDAR UUT。
[0016]光学处理链中的每个光学处理链可以包括至少一个光纤，该光纤耦合到输入透镜系统并被配置为提供与接收到的光对应的光信号。每个链还可以包括耦合到多个光纤的频移模拟器，该频移模拟器被配置为在接收到的光信号中产生频率偏移。频移模拟器可以包括光学IQ调制器或光学锁相环。在一些实施例中，频移模拟器可以针对上斜率(up
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slope)和下斜率(down
‑
slope)使用不同的频移来模拟距离和多普勒频移。每个链还可以包括耦合到频移估计器并且被配置为选择性地延迟光信号以模拟反射光的往返延迟的可选择光学延迟设备。最后，每个链可以包括至少一个光学衰减器/放大器，其被配置为选择性地控制(衰减或放大)光信号的振幅以模拟不同水平的反射率和路径损耗。
[0017]该系统可以被配置为以光学方式处理接收到的光以维持与从被测LiDAR单元接收到的光的相干性。在一些实施例中，该系统可以同时处理LiDAR图像中的所有点。
[0018]该系统还可以包括耦合到频移模拟器、可选择光学延迟和光学衰减器/放大器的LiDAR图像生成器，其可以是用户可编程的以控制这些设备的操作。例如，LiDAR图像生成器可以被配置为向频移模拟器提供频移值，以供频移模拟器在接收到的光信号中创建频率偏移时使用。LiDAR图像生成器还可以被配置为向可选择光学延迟提供延迟值，以供可选择光学延迟使用以延迟光信号来模拟反射光的往返时间。最后，LiDAR图像生成器可以被配置为向光学衰减器/放大器提供振幅值，用于控制光信号的振幅来模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量。LiDAR图像生成器可以被配置为为系统生成的点云中的每个点提供频移值、延迟值和/或振幅值。LiDAR图像生成器提供的一组值可以对应于特定的测试环境。换句话说，可以预先计算该组值以模拟用于测试LiDAR UUT的特定场景。
[0019]实施例还可以涉及模拟用于测试LiDAR UUT的空中环境的系统。该系统可以包括被配置为接收来自UUT的光的输入透镜系统。该系统还可以包括耦合到输入透镜系统并且被配置为接收光信号并且将部分光信号提供给第一光学处理路径和第二光学处理路径中的一个或两者的输入分光块。该系统还可以包括耦合到第一光学处理路径和第二光学处理路径的至少一个光学快门阵列。
[0020]第一光学处理路径可以包括用于确定激光脉冲在特定时刻的角度的光电检测器阵列，其中接收到的光在光电检测器阵列上的位置用于打开光学快门阵列中的对应元件。接收到的光在光电检测器阵列上的位置可以对应于垂直和水平扫描角(φ,θ)，其中垂直和水平扫描角用于打开光学快门阵列中的对应元件，或者替代地，单个透镜系统可以用于接收来自LiDAR UUT的光并将处理后的光输出回LiDAR UUT。在一个实施例中，光电检测器阵列中的每个光电检测器具有与光学快门阵列中的对应快门的一对一映射。替代地，光电检测器阵列中的多组多个光电检测器中的每组可以具有与光学快门阵列中的对应快门的多
对一映射或一对多映射。
[0021]第二光学处理路径可以包括振幅控制器，用于控制光信号的振幅来模拟不同水平的来自自由空间的路径损耗、偏振变化和反射率、反射的光谱分量和/或反射的漫反射分量。第二路径还可以包括被耦合以控制振幅控制器的LiDAR图像生成器。第二光学处理路径可以被配置为向光学快门阵列提供衰减信号以通过光学快门阵列中的一个或多个打开元件退出。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于模拟用于测试被测光检测和测距(LiDAR)单元(UUT)的空中环境的方法，所述方法包括：由多个光学处理链接收来自LiDAR UUT的一个或多个激光器的多个激光脉冲，其中每个光学处理链包括被配置为接收所述多个激光脉冲的不同子集的光纤；对于光学处理链中的每个光学处理链，通过实现以下操作来调制接收到的激光脉冲：同相正交(IQ)调频；以及光学调幅；以及将调制后的激光脉冲传输到所述LiDAR UUT。2.如权利要求1所述的方法，其中执行调制接收到的激光脉冲以模拟空中环境。3.如权利要求1所述的方法，其中所述LiDAR UUT包括调频连续波(FMCW)LiDAR UUT。4.如权利要求1所述的方法，其中所述多个激光脉冲包括线性频率上扫，随后是线性频率下扫，其中实现IQ调频包括：在与线性频率下扫相同的方向上移位线性频率上扫，以模拟空中环境中的多普勒频移；以及在与线性频率下扫相反的方向上移位线性频率上扫，以模拟空中环境中的时间延迟。5.如权利要求1所述的方法，其中所述多个激光脉冲的每个不同子集包括来自所述LiDAR UUT的不同激光器的激光脉冲，其中所述LiDAR UUT的每个激光器扫描所述LiDAR UUT的视场的不同部分。6.如权利要求1所述的方法，其中实现光学调幅包括选择性地衰减和/或放大接收到的激光脉冲以模拟在空中环境中被模拟的位置处的反射率和路径损耗。7.如权利要求1所述的方法，其中光学地执行调制接收到的激光脉冲以维持接收到的激光脉冲和调制后的激光脉冲之间的相干性。8.如权利要求1所述的方法，其中所述多个光学处理链并发地调制它们各自接收到的激光脉冲。9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：针对空中环境的点云中的每个点从LiDAR图像生成器接收调频值和调幅值，其中实现IQ调频和光学调幅是基于所述调频值和所述调幅值而执行的。10.一种用于模拟用于测试被测光检测和测距(LiDAR)单元(UUT)的空中环境的系统，所述系统包括：透镜系统，被配置为接收来自LiDAR UUT的光；多个光学处理链，耦合到所述透镜系统，其中每个光学处理链包括：光纤，耦合到所述透镜系统并且被配置为通过所述透镜系统接收来自所述LiDAR UUT的激光脉冲；
同相正交(IQ)调频器，被配置为调制接收到的激光脉冲的频率；光学时间延迟器，被配置为对接收到的激光脉冲进行时间延迟；以及光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：美国国家仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：