用以调节多普勒效应的LIDAR系统技术方案

本发明专利技术涉及用以调节多普勒效应的LIDAR系统。相位编码LIDAR的多普勒校正包括：指示用于相位编码信号的相位序列的码，以及确定该信号的第一傅里叶变换。将激光光学信号用作参考，并基于上述码对激光光学信号进行调制以产生传输相位编码光学信号。作为响应，接收返回光学信号。将返回光学信号与上述参考混合。检测混合的光学信号以产生电信号。确定电信号的同相分量与正交分量之间的交叉频谱。多普勒偏移基于交叉频谱中的峰。基于多普勒偏移操作装置。有时，电信号的第二傅里叶变换和多普勒频移产生校正的傅里叶变换，并且然后产生互相关关系。基于互相关关系中的峰确定距离。基于互相关关系中的峰确定距离。基于互相关关系中的峰确定距离。

【技术实现步骤摘要】
用以调节多普勒效应的LIDAR系统
[0001]本申请是于2019年8月2日进入中国国家阶段的、PCT申请号为PCT/US2018/016632、国际申请日为2018年2月2日、中国申请号为201880009947.5的中国专利技术专利申请“用以调节多普勒效应的LIDAR系统”的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]根据35U.S.C.
§
119(e)，本申请要求于2017年2月3日提交的非临时申请第15/423,978号的权益，其全部内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全阐述。

技术介绍

[0004]通常由助记符LIDAR述及的用于光检测和测距的使用激光器的光学距离检测用于从测高到成像再到碰撞避免的各种应用。与传统微波测距系统诸如无线电波检测和测距(RADAR)相比，LIDAR以较小波束大小提供较精细的标度距离分辨率。光学距离检测可以通过几种不同的技术来完成，包括基于光学脉冲到对象的往返行进时间的直接测距，以及基于传输的啁啾光学信号和从对象散射的返回信号之间的频率差的啁啾检测，以及基于可与自然信号区分的单频相位变化序列的相位编码检测。
[0005]为了实现可接受的距离准确度和检测灵敏度，直接长距离(long range，远程)LIDAR系统使用脉冲重复率低且脉冲峰功率极高的短脉冲激光器。高脉冲功率可能引起光学部件快速退化。啁啾和相位编码LIDAR系统使用峰光学功率相对低的长光学脉冲。在该配置下，距离准确度随着啁啾带宽或相位码的长度而不是脉冲持续时间而增加，因此仍然可以获得优异的距离准确度。
[0006]已经通过使用宽带射频(RF)电信号调制光学载波来实现有用的光学啁啾带宽。啁啾LIDAR的最新进展包括使用相同的经调制的光学载波作为参考信号，该参考信号与返回信号在光学检测器处组合以在结果电信号中产生与参考信号和返回光学信号之间的频率或相位差成比例的RF频带中的相对低的拍频。检测器处的这种频率差的拍频检测称为外差检测。它具有本领域已知的若干优点，诸如使用现成且廉价可用的RF部件的优点。专利7,742,152中描述的最近成果示出了一种新颖的较简单的光学部件布置，该布置使用从传输的光学信号分离的光学信号作为参考光学信号，上述专利的全部内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全阐述，除了与本文中使用的术语不一致的术语。该布置在该专利中称为零差检测。
[0007]还使用了利用调制到光学载波上的相位编码的微波信号的LIDAR检测。这里带宽B与承载每个相位的脉冲的持续时间τ的倒数成比例(B＝1/τ)，其中任何相位编码的信号由大量此类脉冲组成。该技术依赖于使返回信号中的特定频率的相位序列(或相位变化)与传输信号中的特定频率的相位序列(或相位变化)相关联。与相关峰相关联的时间延迟以介质中的光速与距离有关。距离分辨率与脉冲宽度τ成比例。该技术的优点包括需要较少的部件，以及使用大量生产的针对相位编码微波和光学通信研发的硬件部件。

技术实现思路

[0008]本专利技术人已经认识到下述情况和应用：其中，使用光学相位编码检测到其的距离的对象的运动由于多普勒偏移(Doppler shift，多普勒频移)而显著影响这种应用。提供了用于检测多普勒效应以确定对象的速度然后在来自这种光学相位编码的距离测量中补偿多普勒效应的技术。
[0009]在第一组实施方式中，方法包括在处理器上确定指示用于相位编码射频信号的相位序列的码，以及确定相位编码射频信号的第一傅里叶变换。该方法还包括基于码对来自激光器的光学信号进行调制以产生相位编码光学信号，以及传输相位编码光学信号。此外，该方法包括响应于传输相位编码光学信号接收返回光学信号，以及将返回光学信号与基于来自激光器的光学信号的参考光学信号混合。此外，该方法包括在光学检测器处检测混合的光学信号以产生电信号。更加地，该方法包括在处理器上确定电信号的同相分量与电信号的正交分量之间的交叉频谱，基于交叉频谱中的峰确定返回光学信号的多普勒频移。此外，该方法包括基于多普勒频移操作装置(例如，车辆)。
[0010]在第一组的一些实施方式中，将返回光学信号与参考光学信号混合包括：将返回光学信号与参考光学信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号。此外，在光学检测器处检测混合的光学信号包括：在第一检测器处检测同相光学信号以产生第一电信号；以及在第二光学检测器处检测正交光学信号以产生第二电信号。此外，确定交叉频谱：包括确定第一电信号与第二电信号之间的交叉频谱。
[0011]在这些实施方式的中的一些实施方式中，将返回光学信号与参考光学信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号包括：将返回光学信号与参考光学信号混合，以产生作为同相的返回光学信号与参考信号之和的第一光学信号、作为同相的返回光学信号与参考信号之差的第二光学信号、作为正交的返回光学信号与参考信号之和的第三光学信号、作为正交的返回光学信号与参考信号之差的第四光学信号。在这些实施方式中，在第一检测器处检测同相光学信号以产生第一电信号包括在第一检测器处检测第一光学信号和第二光学信号。同样在这些实施方式中，在第二光学检测器处检测正交光学信号以产生第二电信号包括在第二光学检测器处检测第三光学信号和第四光学信号。
[0012]在第一组的一些实施方式中，该方法还包括：在处理器上确定电信号的第二傅里叶变换，以及基于第二傅里叶变换和多普勒频移确定第三傅里叶变换。更加地，该方法包括：在处理器上基于第一傅里叶变换和第三傅里叶变换确定互相关关系，以及基于互相关关系中的第一峰的时间滞后确定第一距离。在这些实施方式中，基于多普勒频移操作装置(例如，车辆)包括基于第一距离操作装置。
[0013]在其他实施方式中，系统或设备或计算机可读介质被配置成执行上述方法的一个或多个步骤。
[0014]然而，其他方面、特征和优点将根据以下简单地通过示出若干具体实施方式和实现(包括预期用于实施本专利技术的最佳模式)进行的详细描述而容易地变得明显。其他实施方式也能够具有其他和不同的特征和优点，并且可以在各种明显的方面修改其若干细节，所有这些都不脱离本专利技术的精神和范围。因此，附图和描述本质上被认为是说明性而非限制性的。
附图说明
[0015]在所附的附图中，通过示例而非限制的方式示出了实施方式，其中相同的附图标记指代类似的元件，并且其中：
[0016]图1A是示出了根据实施方式的用于测量距离的示例传输光学相位编码信号的示意图；
[0017]图1B是示出了根据实施方式的图1A的作为一系列二进制位数的示例传输信号以及用于测量距离的返回光学信号的示意图；
[0018]图1C是示出了根据实施方式的参考信号与两个返回信号的示例互相关关系的示意图；
[0019]图1D是示出根据实施方式的参考信号的示例频谱和被多普勒偏移的返回信号的示例频谱的示意图；
[0020]图1E是示出了根据实施方式的被多普勒偏移的返回信号的相位分量的示例交叉频谱的示意图；
[0021]图2是示出了根据实施方式的高分辨率LIDAR系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于车辆的光检测和测距LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：发射器，所述发射器被配置为发射通过调制来自激光器的激光信号产生的相位编码信号；接收器，所述接收器被配置为接收响应于发射所述相位编码信号的返回信号；处理器，所述处理器被配置为：确定所述返回信号的多普勒频率偏移，基于所述多普勒频率偏移，确定所发射的相位编码信号和所述返回信号的相关性，基于所述相关性中的峰的时间延迟确定范围，向自动驾驶车辆提供包括所述范围的数据，使得所述车辆基于所述数据操作。2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中：所述处理器被配置成相对于参考频谱确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。3.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中：所述相位编码信号是通过基于指示相位编码的无线电频率信号的相位序列的代码调制所述激光信号而产生的。4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括光学混合器，其中所述处理器被配置为确定相位编码的无线电频率信号的第一傅里叶变换，所述光学混合器被配置为将所述返回信号与参考信号混合以生成电信号，其中所述参考信号是基于所述激光信号生成的，所述处理器被配置为确定所述电信号的第二傅里叶变换，并且所述处理器被配置为基于所述第一傅里叶变换和所述第二傅里叶变换确定所述相关性。5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括光学混合器，其中所述光学混合器被配置为将所述返回信号与参考信号混合以生成电信号，其中所述参考信号是基于所述激光信号生成的，所述处理器被进一步配置为确定所述电信号的同相分量和所述电信号的正交分量之间的交叉频谱；并且所述处理器被进一步配置为基于所述交叉频谱确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，在确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移时，所述处理器被进一步配置为：基于所述交叉频谱中的峰确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。7.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，在基于所述交叉频谱确定所述多普勒频率偏移时，所述处理器被进一步配置为：基于所述交叉频谱的虚部中的峰确定所述多普勒频率偏移。8.根据权利要求5所述的LIDAR系统，进一步包括：光学检测器，所述光学检测器被配置为检测混合信号以产生所述电信号。9.根据权利要求8所述的LIDAR系统，其中：所述光学混合器被配置为将所述返回信号与所述参考信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号，所述光学检测器被配置为检测所述同相光学信号和所述正交光学信号以分别产生第
一电...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬，
申请(专利权)人：布莱克莫尔传感器和分析有限责任公司，
类型：发明
国别省市：