CN110226103A - 环境空间轮廓估计 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种用于基于光检测和测距(LiDAR)的技术来促进环境空间轮廓估计的系统和方法。在一种布置中，本公开促进了基于在一个维度上(例如沿着垂直方向)引导光来进行空间轮廓估计。在另一种布置中，通过进一步将在一个维度上引导的光在另一个维度进行引导，例如沿着水平方向引导，本公开基于将光在两个维度上进行引导促进了空间轮廓估计。

Description

环境空间轮廓估计
发明领域
本发明总体上涉及一种用于促进环境空间轮廓估计的系统和方法。更具体地，本发明涉及基于在至少一个维度上引导光来促进环境空间轮廓估计。
发明背景
空间轮廓绘制是指从期望的视场观察来绘制环境地图。视场中的每个点或像素都与距离相关联，以生成环境表示。空间轮廓可以用于识别环境中的物品和/或障碍物，从而有助于任务的自动化。
空间轮廓绘制的一种技术涉及以特定方向将光发送到环境中，并检测例如由于环境中的反射面而从该方向反射回来的任何光。反射光携带着用于确定到反射表面的距离的相关信息。特定的方向和距离的组合在环境的表示中形成点或像素。可以对多个不同方向重复上述步骤，以形成表示的其他点或像素，从而促进对在期望视场内的环境空间轮廓的估计。
说明书中对任何现有技术的引用不是且也不应该被认为是承认或是以任何形式暗示该现有技术在任何司法管辖区内构成了公知常识的一部分或者该现有技术可以被合理地期望会被本领域的技术人员理解、认为是与其他现有技术相关的和/或是与其他现有技术相组合的。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种用于促进环境空间轮廓估计的系统，该系统包括：
光源，其被配置为提供处于多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道上的光，所述光具有至少一个时变属性；
光束定向器，其包括孔，并被配置为：
在空间上将出射光通过该孔引导到该环境中，并接收由该环境反射的至少部分该出射光，该出射光：
将被引导通过所述孔的第一部分而在多个方向中的第一方向上沿第一维度进入环境，所述第一方向对应于处于第一选定的波长信道上的出射光；和
将被引导通过该孔的第二部分而在多个方向中的第二方向上沿该第一维度进入该环境，该第二方向对应于处于第二选定的波长信道上的出射光，该第二部分在空间上与该第一部分重叠，
光检测器，其被配置为检测该反射光；和
处理单元，其被配置为确定与该反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特征，以用于进行与该第一方向和该第二方向相关联的该环境空间轮廓估计。
处于该第一选定的波长信道上的出射光可以包括与处于该第二选定的波长信道上的出射光基本相同的光束形状。
该光束定向器可以被配置为通过该孔的第三部分接收处于第一选定的波长信道上的反射光，并且通过该孔的第四部分接收处于第二选定的波长信道上的反射光，该孔的第三部分在空间上与该孔的第四部分重叠。该孔的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分在空间上相互重叠。
在一个示例中，该孔的第一部分和第二部分可以对应于至少4毫米的光束腰尺寸。
在一个示例中，该孔的第三部分和第四部分对应于至少4毫米的光束腰尺寸。
该系统还可以包括光传输组件，该光传输组件被配置为将来自光源的出射光传输到光束定向器，并将来自该光束定向器的反射光传输到光检测器，该光传输组件包括：
在所述光源和所述光束定向器之间的出射光学导向路线，以用于输送处于所述第一选定的波长信道和所述第二选定的波长信道上的出射光；和
在所述光束定向器和所述光检测器之间的入射光学导向路线，以用于输送处于所述第一选定的波长信道和所述第二选定的波长信道上的反射光。
该入射光学导向路线和该出射光学导向路线均可以从以下组中被选出：光纤路线和光回路路线。该出射光学导向路线可以与比入射光学导向路线的相关联的数值孔径小的相关联的数值孔径相关联。该出射光学导向路线在空间上可以与该入射光学导向路线分离。
该光传输组件可以包括在该出射光学导向路线中的单模光纤和在该入射光学导向路线中的多模光纤。
该出射光学导向路线在空间上可以与该入射光学导向路线重叠。
该光传输组件可以包括在空间上重叠的该出射光学导向路线和该入射光学导向路线中的双包层光纤，该双包层光纤与用于该出射光学导向路线的第一数值孔径和用于该入射光学导向路线的比第一数值孔径大的第二数值孔径相关联。
该光束定向器可以包括一个或更多个衍射光栅。该一个或更多个衍射光栅可以包括三个衍射光栅，该三个衍射光栅被布置成可以以顺时针或逆时针路径使光转向。
该光束定向器包括一个或更多个光束补偿器。该一个或更多个光束补偿器中的至少一个光束补偿器可以位于该一个或更多个衍射光栅中的相邻对之间。
该光束定向器可以是可旋转的，或者可以包括可旋转的折射或反射元件，以用于在基本上正交于该第一维度的第二维度上引导光。该光传输组件可以包括滑环组件，以用于将光与可旋转光束定向器耦合。
该光束定向器包括用于在复合端口和N个交错端口中的一个交错端口之间转移(porting)光的光谱梳状滤波器(spectral comb filter)，该复合端口被配置为接收或提供处于在该多个波长信道的每第N个连续波长信道中的任何一个上的光，该N个交错端口被配置为分别提供或分别接收处于N组波长信道中一组上的相对应的光。N个交错端口均可以相对于光轴偏移相应的量，以在第二维度上提供相对应的角度间隔。N可以是在2到16之间的且包括2和16任一整数。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于促进环境空间轮廓估计的系统，该系统包括：
光源，其被配置为提供处于多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道上的光，所述光具有至少一个时变属性；
光束定向器，其包括一个或更多个衍射光栅，并被配置成：
在空间上将出射光通过所述一个或更多个衍射光栅引导到环境中，并接收由环境反射的至少部分出射光，所述出射光：
将被引导通过所述一个或更多个衍射光栅而在多个方向中的第一方向上沿第一维度进入环境，所述第一方向对应于处于第一选定的波长信道上的所述出射光；和
将被引导通过所述一个或更多个衍射光栅而在多个方向中的第二方向上沿着所述第一维度进入环境，所述第二方向对应于处于第二选定的波长信道上的所述出射光，所述一个或更多个衍射光栅中的任何一个或更多个衍射光栅是可调节倾斜的，以沿着基本上正交于所述第一维度的第二维度引导光；
光检测器，其被配置为检测该反射光；和
处理单元，其被配置为确定与该反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特征，以用于进行与该第一方向和该第二方向相关联的环境空间轮廓估计。
根据通过示例的方式并参考附图给出的以下描述，本发明的其他方面以及前面段落中描述的方面的其他实施例变得明显。
附图简述
图1A、图1B和图1C均示出了促进环境空间轮廓估计的系统布置。
图2A和图2B均示出了提供具有时变强度分布的出射光的光源的布置。
图2C和图2D均示出了提供具有时变频率偏差的出射光的光源的布置。
图3示出了促进环境空间轮廓估计的另一种系统布置。
图4A示出了用于估计图4C、图4D、图4E、图4F和图4G中任何一个附图中的可倾斜衍射光栅的可倾斜角度的配置。
图4B示出了零级光强和可倾斜角度之间关系的示例。
图4C示出了角色散元件接收和引导处于不同波长信道上的光的另一个示例。
图4D示出了角色散元件接收和引导处于不同波长信道上的光的另一个示例。
图4E示出了角色散元件接收和引导处于不同波长信道上的光的另一个示例。
图4F示出了角色散元件接收和引导处于不同波长信道上的光的另一个示例。
图4G示出了角色散元件接收和引导处于不同波长信道上的光的另一个示例。
图4H示出了可调节倾斜衍射光栅的透视图。
图4I示出了光栅可倾斜角度和在第二维度上的光束方向之间的关系。
图4J示出了光栅可倾斜角度和在第一维度上的光束方向之间的关系。
图5示出了在图3中所示的接收和引导处于选定的波长信道上的光的角色散元件的布置。
图6示出了促进环境空间轮廓估计的另一种系统布置。
图7示出了促进环境空间轮廓估计的另一种系统布置。
图8示出了光谱梳状滤波器(spectral comb filter)的示例。
图9示出了促进环境空间轮廓估计的另一种系统布置。
具体实施方式
本文公开了一种用于基于光检测和测距(LiDAR)的技术促进环境空间轮廓估计的系统和方法。下文中的“光”包括具有光学频率的电磁辐射，包括远红外辐射、红外辐射、可见辐射和紫外辐射。一般来说，LiDAR涉及将光传输到环境中，并且随后检测该环境反射的光。通过确定光往返于视场内的反射表面的行程所花费的时间，并从而确定到反射表面的距离，可以形成对环境空间轮廓的估计。在一种布置中，本公开促进了基于将光在一个维度上进行引导(例如沿着垂直方向)来进行空间轮廓估计。在另一种布置中，本公开通过进一步将该在一个维度上引导的光在另一个维度(例如沿着水平方向)进行引导来基于将光在两个维度上进行引导促进空间轮廓估计。
发明人认识到，在至少一个维度上引导光时，与选择出射光的光束尺寸相关联的竞争要求在改善对反射光的检测方面发挥了作用。一般来说，初始光束尺寸越大，跨越距离时光束的发散就越小。因此，选择较大的初始光束尺寸可以提高固定的检测器面积接收到的或检测到的功率。这样做提高了系统性能，例如增加信噪比以进行更长范围的检测和更精确的空间估计，和/或降低发射功率要求以改善功耗和节能。然而，例如受到物理空间的限制，任何光学系统都有一定的孔径，这就对最大光束尺寸施加了实际限制。某些解决方案通过使单独的光源光成角度地传输光来引导光通过孔的不同细分部分，必然减小了出射光束的尺寸，并因此也减小了接收到的功率。其他涉及通过在机械上调整反射镜以特定角度控制光的解决方案预计需要额外的机械稳定性。考虑到这些竞争要求，发明人已经设计了一种用于在基于LiDAR的系统引导出射光的系统和方法，该系统和方法可以充分地最大限度地利用孔径大小，而不管光被引导指向的角度和方向的数量。
空间衍射控制光束发散。例如，对于高斯光束(即，相对于光束轴的径向位移方向具有高斯强度分布的光束)，在长度z处(即，强度下降到轴向值的1/e2处的径向位移)的光束半径w由给出，其中，w0为光束腰，以及是瑞利长度(Rayleigh range)。对于另一个光束轮廓，空间衍射光学计算可用于确定在长度z处的光束轮廓。除非另有说明，以下公开内容是在光源提供的光具有高斯光束轮廓的假设下提出的。
瑞利长度zR是量化准直光束的长度的有用度量标准。它是给定光束腰的情况下的高斯光束将其光束尺寸增加为光束腰倍时的距离。上述高斯光束的公式适用于沿z轴的任何起点，包括负z值。对于沿正z方向传播的光束，光束在z<0时会聚，而在z>0时发散。波前在z＝0处是平坦的，z＝0处为光束腰的位置，且此处光束既不会聚也不发散。波前的曲率半径由R(z)＝z[1+(zR/z)2]给出，其中负曲率半径表示会聚光束，而正曲率半径表示发散光束。
给定的长度可以基于适当的光束腰尺寸和发射时的曲率半径来确定。在一种布置中，光源(例如，图1A的光源102)发射平坦的波前。出射光束基于光源102位于z＝0处具有w(z＝0)的光束尺寸而进行发散。当z＝zR,时，光束尺寸为当在物体上反射时，部分出射光也可能被散射或漫射，在这种情况下，反射光可能不再为最开始的高斯光束轮廓，且因此可能不再按照根据高斯光学的光束尺寸和曲率半径传播。在这种布置中，zR可以被设置为该系统的长度。例如，在λ＝1550nm时，对于w0＝10mm，zR约为200米。因此，这种示例的相对应的长度可以被设置为200米(即，从z＝0到z＝zR＝200米)。
在另一种布置中，光源102发射会聚波前，例如对应于z＝-zR处的波前。基于光源102位于z＝-zR处具有的光束尺寸，出射光束会聚和发散。出射光的传播变化为在z＝0时光束腰为w(z＝0)而在z＝+zR时光束尺寸具有在这种布置中，2zR可以被设置为系统的长度。与第一种布置相比，这种布置将最大长度提高两倍，并且由于光束朝着光束腰处变化，在一半长度处空间分辨率也提高了。例如，如前所述，在λ＝1550nm时，对于w0＝10mm，zR约为200米。因此，这种示例的相对应的长度可以被设置为400米(即，从z＝-zR＝-200米到z＝zR＝+200米)。
类似地，可以基于瑞利长度zR，确定光束尺寸以适应期望长度z物体。例如，在光源102发射平坦的波前(例如，对应于z＝0处的波前)的情况下，100米的期望长度z物体可以被设置为等于zR，其中光源102位于z＝0米处，处于期望长度的反射表面的位于z＝+zR＝100米处。这个zR值对应于半径约为7.0毫米或直径约为14.0毫米的光束腰w0。在100米的期望长度z物体处该光束直径则为毫米。根据另一个示例，在光源102发射会聚波前(例如对应于z＝-zR处的波前)的情况下，100米的期望长度z物体可以被设置为等于2zR，其中光源102位于z＝-zR＝-50米处，处于期望长度的反射表面位于z＝+zR＝+50米处。这个zR的值对应于半径约为5毫米或直径约为10毫米的光束腰w0，其中该光束腰出现在z＝0处(或距光源102的50m处)。然后，100米的期望长度物体处的光束直径则是 毫米。对光束尺寸确定的这些示例旨在使发散在期望长度内最小化。
所描述的系统可以用于监测环境中的相对运动或变化。例如，在自主驾驶交通工具(陆地、空气、水、或空间)的领域中，所描述的系统可以从交通工具的角度估计交通环境的空间轮廓，包括与任何物体(例如前方的障碍物或目标)的距离。当交通工具移动时，从处于另一位置的该交通工具处观察到的空间轮廓可能会改变，并且可能被重新估计。作为另一个示例，在码头停靠领域，所描述的系统可以从集装箱运货船的角度估计码头的空间轮廓，例如集装箱运货船与码头的特定部分的接近程度，以便于成功停靠而不与码头的任何部分碰撞。作为又一个示例，在视距通信领域，例如自由空间光学或微波通信，所述系统可以用于对准目标。在收发器已经移动或正在移动的情况下，可以连续跟踪收发器，以便对准光束或微波。如另外的示例，可应用的领域包括但不限于工业测量和自动化、现场勘测、军事、安全监测和监视、机器人和机器视觉、印刷、投影仪、照明、攻击和/或淹没(flooding)和/或干扰其他激光和IR视觉系统。
图1A示出的是根据本公开的实施例的空间轮廓绘制系统100A的布置。该系统100A包括光源102、光束定向器103、光检测器104和处理单元105。在图1A的布置中，来自光源102的光被光束定向器103在一个维度或两个维度的方向上引导到具有空间轮廓的环境110中。如果出射光击中物体或反射表面，至少一部分出射光可以被物体或反射表面反射(例如散射)(用实线箭头表示)回光束定向器103并被光检测器104接收。处理单元105可操作地耦合到光源102，以用于控制其操作。处理单元105还可操作地耦合到光检测器104，以用于通过确定反射光返回光束定向器103的往返时间来确定到反射表面的距离。
在一个变型中，光源102、光束定向器103、光检测器104和处理单元105基本上搭配在一起。例如，在自主驾驶交通工具的应用中，该搭配允许这些部件紧凑地封装在交通工具内或单个壳体中。在另一变型中，在如图1B中所示的空间轮廓绘制系统100B中，光源102、光检测器104和处理单元105基本上搭配在“中央”单元101内，而光束定向器103远离中央单元101。在该变型中，中央单元101经由一根或更多根光纤106光学耦合到远程光束定向器103。该示例允许可能仅包括无源部件(例如无源交叉色散光学器件)的远程光束定向器103被放置在更恶劣的环境中，因为它不太容易受到诸如热、湿气、腐蚀或物理损坏的外部损伤的影响。在又一变型中，如图1C所示，空间轮廓绘制系统100C可以包括单个中央单元101和多个光束定向器(例如130A、130B和130C)。多个光束定向器中的每一个可以经由相应的光纤(例如106A、106B和106C)光学耦合到中央单元101。在图1C的示例中，多个光束定向器可以被放置在不同的位置和/或朝向不同的视场。除非另有说明，否则下文中所描述指的是搭配变型，但是本领域技术人员将会理解，通过微小的修改，下文中所描述也可适用于其他变型。
光波涉及振荡场E，其在数学上可以描述为：
其中，I(t)表示光的强度，表示场的相位，λk表示第k波长信道的中心波长，fd(t)表示相对于第k波长信道的中心光频的光频偏差，以及c＝299792458m/s是光速。光源102被配置成提供具有至少一个时变属性(例如时变强度分布I(t)和/或时变频率偏差fd(t))的光。该至少一个时变属性给出射光赋予时间戳信息，在返回和检测时，该时间戳信息允许处理单元105确定往返时间并因此确定距离。
在一种布置中，光源102被配置成在多个波长信道(每个波长信道由其相应的中心波长λ1、λ2、…λN表示)中的一个选定的波长信道处提供具有时变强度分布I(t)的出射光。图2A示出了光源102的一种这样的布置的示例。在该示例中，光源102可以包括波长可调光源，例如波长可调激光二极管，其基于施加到激光二极管的一个或更多个电流(例如，注入到激光腔中的一个或更多个波长调谐元件中的注入电流)来提供波长可调的光。在另一个示例中，光源102可以包括宽带光源和可调光谱滤波器，以便以选定波长提供基本连续波(CW)光强。
在图2A的示例中，光源102可以包括调制器204，以用于对出射光赋予时变强度分布。在一个示例中，调制器204是集成在激光二极管上的半导体光放大器(SOA)或马赫曾德尔(Mach Zehnder)调制器。施加到SOA的电流可以随时间变化，以随时间改变由激光器产生的CW的放大率，这反过来提供具有时变强度分布的出射光。在另一个示例中，调制器204是激光二极管的外部调制器(例如马赫曾德尔调制器或外部SOA调制器)。在又一示例中，不是包括集成的或外部调制器，而是光源102包括具有增益介质的激光器，激励电流可控地注入该增益介质中，以用于对出射光赋予时变强度分布。
在另一种布置中，如图2B中所示，不是具有波长可调激光器202，而是光源206包括宽带激光器208，其后是波长可调滤波器210。在又一种布置(未示出)中，光源206包括多个激光二极管，每个激光二极管在相应的范围内波长可调，并且其相应的输出被组合以形成单个输出。可以使用波长组合器(例如光学分束器或AWG)来组合相应输出。
在另一种布置中，光源102被配置成在多个波长信道(λ1，λ2,，…λN)中的选定的一个波长信道处提供具有时变频率偏差fd(t)的出射光。图2C示出了光源102的一种这样的布置的示例。光场的瞬时光学频率f和瞬时波长λ表示波的等效物理属性——光场的振荡速率——并且通过波动方程c＝fλ相关联。因为光速c是常数，所以相应地改变f或λ中的一个必然改变另一个量。类似地，如图2D所示的示例，改变λk或fd中的一个可以被描述为相应地改变另一个量。特别是，fd(t)和λk它们之间的关系如下：
λ＝c/(c/λk+fd)和
f＝c/λk+fd
实际上，光源102的fd(t)和λk的变化可能受到单一控制的影响，例如通过向激光二极管注入的注入电流来调谐光源102的波长。然而，为了清楚起见，以下描述将频率偏差fd(t)与在单个波长信道内的光频率离其中心光频率的偏差相关联，而λk的变化与导致光源102从一个波长信道跳到另一个波长信道相关联。例如，光源102的较小且基本连续的波长变化被描述为引起时变频率偏差fd(t)，而光源102的较大且步进的波长变化被描述为引起光源102从波长信道λk跳跃到λk+1。
在另一种布置中，光源102可以被配置为提供同时具有时变强度分布I(t)和时变频率偏差fd(t)的出射光。图2A和图2B所示的示例都适用于光源102的这种布置。以上关于(a)时变强度分布I(t)和(b)时变频率偏差fd(t)的描述适用于光源102的这种布置。
光源102被配置成在多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道处提供光。在一种布置中，光源102一次提供单个选定的波长信道，例如波长可调激光器。在这种布置中，所描述的系统100能够基于一次一个选定的波长信道在特定方向上操控光。在另一种布置中，光源102提供单个或多个选定的波长信道，例如宽带光源，其后是可调滤波器，其可调通带包括单个或多个选定的波长信道。在一次使用一个选定的波长信道的情况下，光检测器104可以包括雪崩光电二极管(APD)，其检测在多个波长信道范围内的任何波长。在一次使用多个选定的波长信道的情况下，光检测器104可以包括波长敏感检测器系统，例如使用多个APD，每个APD专用于特定波长信道，或者对多个波长信道使用单个APD，每个信道基于它们的时变属性(例如，基于不同的正弦调制，如分别对应于1550.01纳米、1550.02纳米和1550.03纳米……的信道的21兆赫、22兆赫和23兆赫……的调制频率)可区分识别。下文的描述涉及通过一次提供单个选定的波长信道的光引导，但是本领域技术人员将可以理解，经过微小的修改，该描述也可以适用于通过一次提供多个选定的波长信道的光引导。
对光源102(例如波长可调激光器202(例如其波长)和调制器204(例如其调制波形))的操作都可以由处理单元105控制。
图3示出了图1A中公开的系统的示例300。在该示例中，系统300包括光传输组件302，光传输组件302被配置为将出射光301从光源102传输到光束定向器103，并将反射光303从光束定向器103传输到光检测器104。
光传输组件302包括光波导，例如2D或3D的波导形式的光纤或光回路(例如光子集成回路)。如下文进一步描述的，来自光源102的出射光被提供给光束定向器103，以用于将其引导到环境中。在一些实施例中，由光束定向器103收集的任何反射光可以又被引导到光检测器104。在一种布置中，对于光混合检测，来自光源102的光也经由从光源102到光检测器104的直接光路(未示出)提供给光检测器104以用于光学处理目的。例如，来自光源102的光可以首先进入采样器(例如，90/10光学导向耦合器)，其中，大部分光(例如90％)被提供给光束定向器103，而其余的光样本部分(例如10％)经由直接路径被提供给光检测器104。在另一个示例中，来自光源102的光可以首先进入光开关的输入端口，并从两个输出端口之一射出，其中一个输出端口将光引导到光束定向器103，而另一个输出端口在由处理单元105确定的时间将光重新导向光检测器104。
光传输组件302包括三端口元件305，用于将从第一端口接收的出射光耦合到第二端口，并将从第二端口接收的光耦合到第三端口。该三端口元件可以包括光循环器或2x2耦合器(其中不使用第四端口)。
在一种布置中，光传输组件302包括在光源102和光束定向器103之间的用于在第一选定的波长信道和第二选定的波长信道输送出射光301的出射光学导向路线和在光束定向器102和光检测器104之间的用于在第一选定的波长信道和第二选定的波长信道(同时或在不同时间)输送反射光303的入射光学导向路线303。光学导向路线均可以是光纤路线和光回路路线中的一种。
在这种布置中，光束定向器103包括扩束光学器件304，例如带尾纤的准直器，以将波导形式的出射光301扩展成自由空间形式的扩束306，该扩束306具有包括光束尺寸的光束形状。实线和虚线表示不同选定的波长信道中的扩束，并且为了说明的目的稍作偏移。实际上，它们在空间上可以基本上重叠或不重叠，也可以完全重叠。后续附图描绘的实线和虚线以类似的方式表示。光束定向器103还包括角色散元件308，其基于光的波长提供光的角色散。角色散元件308被配置成根据波长将扩束306引导到沿着第一维度的至少第一方向310A和第二方向310B上。虽然为了简单起见，角色散元件308示意性地以三角形元件的形式示出，但是其实际形式可以不同，并且可以包括多个元件。角色散元件308的示例包括一个或更多个衍射光栅，其一些实施例结合图4A至图4J进行了说明和进一步描述。第一方向310A对应于第一选定的波长信道λA处的出射光。第二方向310B对应于第一选定的波长信道λB处的出射光。
在这种布置中，光束定向器103包括孔309，在这种布置中，孔309被示为角色散元件308的出射面上的双箭头。尽管孔309在这种布置中被示出和描述为在角色散元件308的出射面上，但是光束定向器103的孔可以在沿着光路的任何点上，并且在光束定向器103通过其将光引导向多个方向中的一个或更多个方向的任何界面或平面(例如角色散元件308的入射面)上。光束定向器103被配置成在空间上将出射光301通过孔309引导到环境中，并接收作为由环境反射的出射光301的至少一部分的反射光301。被引导到两个方向的310A和310B(每个方向与相应的波长信道相关联)的出射光103在孔309内空间重叠。特别地，在λA处的出射光301在第一方向310A上被引导通过孔309的第一部分(由实线标记)，而在λB处的出射光301在第二方向310B上被引导通过孔309的第二部分(由虚线标记)。分别被引导到方向310A和310B的光束之间的空间重叠可以是相当大的，以使扩束306能够充分最大限度地利用孔309的尺寸。这种实现形式可以与两个独立光源成角度地将它们相应的光束引导到不同方向的配置形成对比，使得每个被引导的光束利用大约一半或更小的孔径尺寸。与在大量独立光源(例如10个)成角度地以它们相应的光束引导到(例如10个)不同方向的配置对比差别甚至更大，使得每个被引导的光束仅利用孔径尺寸的一小部分(例如1/10)。相比之下，根据本公开，通过关于被不同地引导的光束来基本上最大限度地利用光束定向器的孔径尺寸，光束发散性被理想地最小化。
在一些布置中，对于从这些或不同方向接收的反射光303，存在类似的重叠或类似的大量重叠。也就是说，在λA处的反射光303被从与第一方向310A相关联的第三方向通过孔309的第三部分接收，而在λB处的反射光303被从与第二方向310B相关联的第四方向通过孔309的第四部分接收，在空间上这两部分(第三部分与第四部分)重叠。在一个示例中(如图5所示)，出射光和反射光在孔309处的空间上不重叠或基本上不重叠。在可选示例中(如图6所示)，出射光和反射光在孔309处的空间上也重叠或基本重叠，使得孔309的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分在空间上重叠或基本重叠。
在一种布置中，分别被引导到方向310A和方向310B的光束之间的空间重叠面积在90％和100％之间。在另一种布置中，空间重叠的面积在80％和90％之间。在另一种布置中，空间重叠的面积在70％和80％之间。在另一种布置中，空间重叠面积在60％至70％之间。在又一种布置中，空间重叠的面积在50％和60％之间。技术人员会理解空间重叠也可以在0％和50％之间。对于相邻波长信道或者在方向上角度差较小的光束，空间重叠水平可能倾向于较高，而对于波长信道离得很远或者方向上角度差较大的光束，空间重叠的水平可能较低。
空间重叠可以基于多个测量值之一来量化。在一种布置中，量化是基于在最大光强的某一部分对重叠光束的宽度测量值。例如，宽度测量值可以是半峰全宽(FWHM)强度或最大强度的1/e2处的全宽。可选地，量化基于重叠光束的功率测量值。例如，功率测量值可以是包含在光束的重叠区域内的组合光功率的一部分。量化空间重叠的特定测量值的选择取决于光束轮廓。例如，具有单个强度峰值的高斯光束的重叠可以使用FWHM测量来更适当地被量化。在另一个示例中，具有多个强度峰值的高阶光束的重叠可以使用局部光功率测量更适当地被量化。
在一种布置中，方向310A和310B可以与光源102的连续波长信道相关联(即，所公开的系统的最小波长变化被配置为如同其通过步进波长信道来引导出射光301)。在另一种布置中，例如涉及使用下述光交错滤波器(optical interleaver)的布置，方向310A和310B可以与光源102的非连续波长信道相关联。
在一些布置中，出射光301被调节成具有预定的光束轮廓。具有预定光束轮廓的传播光束的发散度可以使用空间衍射光学来计算，因此是已知的。例如，对于高斯光束(即，相对于光束轴的径向位移方向具有高斯强度分布的光束)，在长度z处(即，强度下降到轴向值的1/e2处的径向位移)的光束半径w由给出，其中w0为光束腰，且 是瑞利长度。对于另一个光束轮廓，空间衍射光学计算可用于确定在长度z处的光束轮廓。类似地，反向传播的计算可用于确定光检测器104处给定期望光束轮廓或给定期望光束轮廓组或给定期望光束轮廓范围的出射光束轮廓。在一些布置中，第一选定的波长信道λA处的出射光301被调整为具有与第二选定的波长信道λB处的出射光301基本上相同的光束形状。该调整可以通过优化光束整形器来实现，该波束整形器可用于多个波长信道范围内的多个波长。例如，可以将不同波长信道处的出射光束调整为具有至少4毫米的光束腰尺寸。在另一个实施例中，可以将不同波长信道处的出射光束调整为具有至少10毫米的光束腰尺寸
图4C示出了包括一个或更多个多重衍射光栅412的角色散元件308C的示例。虽然该示例示出的是具有三个衍射光栅的布置，但是技术人员应该理解，可以使用更多或更少的衍射光栅。每个额外的衍射光栅可以提供额外的衍射，因此不同引导方向的光束的角间距更大。使用分开的衍射光栅也可以在设计角色散元件308C时允许更大的自由度(例如，通过选择垂直入射而不是掠入射的角度来放宽对抗反射涂层要求)。然而，每个额外的衍射光栅也可能增加衰减(例如通过光栅的有限衍射效率)。每个衍射光栅被配置为产生至少一个衍射级(例如，N＝1级)，该衍射级根据波长被引导向稍微不同的角度(例如，410A和410B)的出射光束形成。被引导到两个方向410A和410B的出射光，通过衍射光栅412C之后，在孔409C内空间重叠，每个方向与相应的波长信道相关联。类似于如图3所示的角色散元件308，衍射光栅412被配置成根据波长将扩束406引导到沿着第一维度的至少第一方向410A和第二方向410B上。第一方向410A对应于第一选定的波长信道λA处的出射光。第二方向410B对应于第一选定的波长信道λB处的出射光。图4C示出了产生一个衍射级的每个衍射光栅。每个光栅可以产生或抑制一个或更多个其他衍射级(例如，N＝0级和/或N＝-1级)。如图所示，在每个光栅的孔处，引导到不同方向的光束之间有相当大的重叠。在这种布置中，光栅412A接收扩束406，并将光束朝着光栅412B引导，光栅412B又将光束引导到光栅412C。在每个衍射光栅处，光束递增地成角度地色散。与具有例如单个衍射光栅的布置相比，使用多个衍射光栅增加了角间距。此外，多个衍射光栅被布置成在单向的光束路径中使光束转向(例如，如图4C所示顺时针地通过衍射光栅412A、412B，且然后是412C，或者逆时针地)。单向光束路线有助于光路的折叠，并减小角色散元件308的尺寸，并从而减小整个系统占用面积。
图4D、图4E、图4F和图4G示出了角色散元件(308D、308E、308F和308G)的其他示例。这些示例中的每个角色散元件包括一个或更多个多重衍射光栅412和一个或更多个光束补偿器414。角色散元件308D包括三个衍射光栅412A、412B和412C以及一个光束补偿器414。角色散元件308E还包括三个衍射光栅412A、412B和412C以及一个光束补偿器414。角色散元件308F包括三个衍射光栅412A、412B和412C以及两个光束补偿器414A和414B。角色散元件308G包括两个衍射光栅412A和412B以及两个光束补偿器414A和414B。
衍射光栅412与光束补偿器414物理分离。例如通过放宽不同的材料或涂层要求，物理分离允许更容易的热膨胀管理，否则在衍射光栅412与光束补偿器414紧密接触的情况下，材料或涂层要求可能变得更严格。在一些布置中，光束补偿器414均可以为棱镜的形式。光束补偿器414被配置成校正对光束特性(例如光束轮廓和/或光束尺寸)的波长依赖性。在一些布置中，光束补偿器414还提供额外的色散。被引导到两个方向410A和410B的出射光，每个方向与相应的波长信道相关联，在相应的孔409D(在光束补偿器414的出射面处)、409E(在通过光栅412C之后)、409F(在通过光栅412C之后)或409G(在通过光栅412C之后)内的空间重叠。
在图4D中，光束补偿器414不位于相邻光栅之间。与此相反，在图4E、图4F和图4G中，光束补偿器414或光束补偿器414A和414B位于一对或多对相邻光栅之间。例如，对于单棱镜布置，棱镜可以在光栅412A和412B之间(如图4E所示)。对于双棱镜布置(如图4F所示)，一个棱镜可以在光栅412A和412B之间，而另一个棱镜可以在412B和412C之间。与图4D中的布置相比，图4E-4G中的布置有助于节省空间。使用多个光栅和/或多个光束补偿器放宽了对部件的光学要求。例如，通过使用两个(而不是一个)衍射光栅或光束补偿器，可以减少每个衍射光栅或光束补偿器所需的角色散。使用更多的衍射光栅和/或光束补偿器也可以在设计角色散元件408时允许更大的自由度(例如，通过选择垂直入射而不是掠入射的角度来放宽对抗反射涂层要求)。
角色散元件(例如308和408)被配置成接收和引导出射光301和反射光303。虽然图3和图4示出角色散元件是双向的，但是出射和反射光路不一定重叠。换句话说，在一些布置中，出射光和反射光在孔(309和409)处基本重叠，而在其他布置中，出射光和反射光在孔(309和409)处不重叠。图5示出了用于促进环境空间轮廓估计的部分系统500的示例。部分系统500包括图3所示的角色散元件308。如上所述，虽然为了简单起见，角色散元件308示意性地以三角形元件的形式示出，但是其实际形式可以不同，并且可以包括多个元件，例如图4C至图4G中示出的那些角色散元件。在该示例中，光传输组件302包括出射光纤路线(例如单模光纤302A)和入射光纤路线(例如多模光纤302B)。来自光源(未示出)的在出射光纤路线中传输的光被扩束光学器件304A(例如带尾纤的准直器)扩束，并被角色散元件308接收。角色散元件408然后将扩束的光在基于其波长的一个方向上引导成出射光。为简单起见，角色散元件308内的光路未被示出。此外，仅示出了一个选定的波长信道(例如，λA)处的光路。被示意性示出为发散的反射光303被角色散元件308接收，并经由准直光学器件304B(例如带尾纤的准直器)被引导回入射光纤路线，并被传输到光检测器(未示出)。考虑到光束发散，入射光纤路线的数值孔径可能大于出射光纤路线的数值孔径，以改善光的收集。尽管图5中未示出，但是在第一维度上被引导到不同方向的不同波长信道处的出射光束301之间在角色散元件409的孔(未示出)处存在空间重叠。此外，在第一维度上被引导到不同方向的不同波长信道处的反射光束303之间可能存在类似的空间重叠。
在一种布置中，如图6所示，出射光纤路线302A和入射光纤路线302B的部分可以搭配在一起。例如，搭配的光纤路线可以是双包层光纤602，其包括纤芯、内包层和外包层。该纤芯和内包层一起起到具有较小数值孔径的单模光纤的作用，而内包层和外包层一起起到具有较大数值孔径的多模光纤的作用。在该搭配布置600中，双包层光纤602被配置成在图3所示的三端口元件305和扩束光学器件304之间传输光。光源102和三端口元件305之间的光纤路线仍然采用用于传输出射光301的单模光纤302A的形式，而光检测器104和三端口元件305之间的光纤路线仍然采用用于传输反射光303的多模光纤302B的形式。尽管对图6的描述涉及光纤变体，但是技术人员应该理解，在没有微小的修改的情况下，该描述可以适用于其他光波导变体，例如光回路变体。
上文公开内容涉及通过在第一维度上(例如垂直方向)上引导光来促进空间轮廓估计。本公开还设想扩展到在基本正交于第一维度的第二维度(例如水平方向)上引导光。在一种布置中，图3的示例中示出的角色散元件308基于其波长在第一维度上引导光，该角色散元件308可以包括角度可调的反射元件，来可控地在正交于第一维度的第二维度上反射光。角度调节可以由光学定位系统控制。在一个示例中，光学定位系统是微机电系统(MEMS)。MEMS包括反射光的可单独致动的反射镜的阵列。在另一示例中，光学定位系统是振镜扫描系统(galvanometer scanning system)。与其他一些示例相比，该振镜扫描系统相对紧凑。在另一个示例中，光学定位系统是多边形扫描系统(polygonal scanningsystem)。多边形扫描系统包括可旋转折射元件，例如三角形或矩形棱镜，或可旋转反射元件，例如镜子，其在绕轴旋转时被配置成以基于其旋转速度的扫描速率在第二维度上引导光。在一种形式中，用于促进空间轮廓估计的系统可以被配置成通过关于一个维度控制波长信道和关于另一维度调节角度可调反射元件的角度来将光引导到两个维度。处理单元105可操作地耦合到光源102用于波长控制并耦合到角度可调反射元件用于角度控制。
在另一种布置中，图4C、图4D、图4E、图4F和图4G中任一个中的衍射光栅412A、412B和412C(以下称为412x)中的任一个或更多个可以围绕倾斜轴可控地倾斜，以在正交于第一维度的第二维度中引导出射光。倾斜轴可以基本平行于光传播的方向。在多个衍射光栅中只有一个可控倾斜的情况下，可控倾斜的衍射光栅可以是光在被引导到环境110中之前最后通过的衍射光栅。例如，在图4C中，衍射光栅412C可以围绕倾斜轴414倾斜。在另一个示例中，在图4D中，衍射光栅412C可以围绕倾斜轴414倾斜。在又一示例中，在图4E中，衍射光栅412C可以围绕倾斜轴414倾斜。在又一示例中，在图4F中，衍射光栅412C可以围绕倾斜轴414倾斜。在又一示例中，在图4G中，衍射光栅412B可以围绕倾斜轴414倾斜。技术人员将会理解，倾斜轴414可能不一定穿过衍射光栅412x的中心。例如，倾斜轴414可以偏离衍射光栅412x的中心。此外，倾斜轴414不一定穿过衍射光栅412x。
如图4H所示，衍射光栅412x可绕倾斜轴414可调整地倾斜，平行于输入光束的方向和/或正交于衍射光栅412x的线限定的平面。衍射光栅412x的可倾斜角度416的调整导致输出光束的方向418沿着第二维度的方向的相对应的变化。灵敏度(例如，基于衍射光栅412x的可倾斜角度范围416与输出光束的方向418的范围之间的比较)可以处于当光栅每倾斜一度，输出光束的方向在第二维度上在大约变化0.5到2度之间的范围内。在一个实例中，通过将单个衍射光栅倾斜40度，可以实现超过80度的光束方向改变(即，2.0度的灵敏度)。在另一实例中，通过将单个衍射光栅倾斜180度，可以实现超过120度的光束方向改变(即0.67度的灵敏度)。
虽然光栅倾斜角的变化主要导致第二维度的光束方向改变，但它也可能表现为光束方向在第一维度(即取决于波长的维度)上通常相对较小的变化。在一种布置中，这种表现可以有利地沿着第一维度扩展光束方向的范围。例如，如图4I和图4J所示，衍射光栅412x的可倾斜角度改变140度以上导致输出光束沿着第二维度(图4I)被引导超过120度，但是沿着第一维度从在第一维度上的30度的总光束方向中被引导超过5度(图4J)。
在一种布置中，光束定向器103被配置成基于通过可倾斜衍射光栅412x的非衍射光强来估计可倾斜角度416。围绕可倾斜衍射光栅412x中的倾斜轴414倾斜的可倾斜角度416影响朝向非零衍射级430的光衍射效率。该效率的变化表现为通过衍射光栅412x的零级440的光强的变化。如图4A所示，光电探测器450可以定位在朝向衍射光栅412x并超过衍射光栅412x的光420的光路上。光电探测器450测量通过可倾斜衍射光栅412x的沿其零级440的光强度，基于此可推断出可倾斜角度416。图4B示出了零级光强的测量值与可倾斜衍射光栅412x的可倾斜角度416的关系的示例。当可倾斜衍射光栅412x绕轴414旋转时，零级光强通常以正弦形式周期性变化。例如，连续的局部最小值代表沿着零级测量的最低光强度。这些局部最小值被可倾斜衍射光栅412x旋转180度分开。使用图4B作为校准，可倾斜角度416可以基于零级光强的测量值来进行估计。
图7部分地示出了通过在两个维度上引导光来促进空间轮廓估计的系统的另一种布置700。该系统700包括光束定向器103，光束定向器103又包括分别在图3和图4中示出的角色散元件308或408，其基于光的波长在第一维度(例如垂直方向)上引导光。在该系统700中，角色散元件308或408被安装或以其他方式支撑在可旋转支撑件702上。可旋转支撑件702可在基本正交于第一维度的第二维度(例如，水平方向)上旋转。该系统700可以包括滑环704，以在光传输组件302和光检测器104之间机械和/或光学耦合。在一种形式中，用于促进空间轮廓估计的系统可以被配置成通过关于一个维度控制波长信道和关于另一个维度调节可旋转支撑件702的角度或旋转来将光引导到两个维度上。处理单元105可操作地耦合到用于波长控制的光源102和用于角度或转动控制的可旋转支撑件702。在可选的布置(未示出)中，光束定向器103可以围绕内部轴线旋转，而不是围绕可旋转支撑件的旋转轴转动。例如，光束定向器103可以围绕扩束光学器件304(例如带尾纤的准直器)沿着与图3中的扩束306或图4A-4G中的扩束406的方向对齐的可旋转轴旋转。
在另一种布置中，通过在两个维度上引导光来促进空间轮廓估计的系统包括光交错滤波器，该光交错滤波器具有与光轴(例如，扩展光学器件的光轴)在空间上偏移的输出端口(交错端口)，以在第二维上提供光引导。图8示出了光交错滤波器800形式的光谱梳状滤波器，以用于在输入(复合)端口和N个输出端口中的一个端口(交错端口)之间传输光，其中N＝2x，其中x是正整数。在图8中，N是8。在另一种布置中，N可以是2或16。光交错滤波器800包括多个干涉测量段(例如802)，每个干涉测量段包括位于相应段的末端的分隔具有光程差806的两个干涉测量路径的分束器804。分支中的每个段802在下一个分支中被分成两个段。从一个分支到下一个分支的光程差加倍(例如，ΔL、2ΔL、4ΔL…等)。复合端口806被配置成在该多个波长信道中的每第N个连续波长信道(例如，λ1,λN+1,λ2N+1…)中的任何一个上接收或提供光。N个交错端口808被配置成分别提供或分别接收在N组波长信道中一组波长信道上的相对应的光。图9示出了包括光交错滤波器800、N个光束定向器103和扩束光学器件902的系统900。光束定向器103接收来自在第二方向上相对于扩束光学器件902的光轴空间偏移的相应交错端口的光。光束定向器103均将光引导到第一维度(例如，移入和移出页面)上，而扩束光学器件902将来自光束定向器103的被引导的光成角度，以进一步在第二维度上引导它(例如，上下页面)。本领域技术人员将会理解，代替使用光交错滤波器或除了使用光交错滤波器之外，可以使用其他形式的光谱梳状滤波器，例如法布里-珀罗谐振器(Fabry-Perot resonator)或马赫-策德尔干涉仪。
在另一种布置中，除了使用光交错滤波器800，可以使用一个反射元件或反射元件阵列，例如微机电系统或MEMS，来提供第二维度上的光引导。一个反射元件或反射元件阵列可以被配置成将光朝着扩束光学器件902引导，以用于准直和扩束。这种布置有助于在第二维度上在连续角度上进行调整，而不是在光交错滤波器800的情况下在离散角度上进行调整。
现在已描述了本公开的多个布置，对于本领域技术人员来说应当明显的是，所描述的布置中的至少一个布置具有以下优点：
·不管被导向的光的角度范围或数量如何，光束定向器的孔径尺寸的使用率都被最大化。
·一维的光束定向器可以添加到各种不同的机械或光学系统中，以提供在第二方向上的光束引导。
应当理解，在本说明书中公开和定义的本发明延伸到在文本或附图中提及或明显可见的两个或多个单独特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选方面。

Claims (24)

1.一种用于促进对环境的空间轮廓的估计的系统，所述系统包括：
光源，其被配置为提供处于多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道上的光，所述光具有至少一个时变属性；
光束定向器，其包括孔并被配置为：
在空间上将出射光通过所述孔引导到环境中，并接收由所述环境而反射的所述出射光的至少一部分，所述出射光：
将被引导通过所述孔的第一部分而在多个方向中的第一方向上沿第一维度进入所述环境，所述第一方向对应于处于第一选定的波长信道上的所述出射光；和
将被引导通过该孔的第二部分而在所述多个方向中的第二方向上沿所述第一维度进入所述环境，所述第二方向对应于处于第二选定的波长信道上的所述出射光，所述第二部分在空间上与所述第一部分重叠；
光检测器，其被配置为检测所述反射光；和
处理单元，其被配置为确定与所述反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特征，以用于进行与所述第一方向和所述第二方向相关联的所述环境的空间轮廓的估计。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，处于所述第一选定的波长信道上的所述出射光包括与处于所述第二选定的波长信道上的所述出射光基本上相同的光束形状。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束定向器被配置为通过所述孔的第三部分接收处于所述第一选定的波长信道上的所述反射光，并且通过所述孔的第四部分接收处于所述第二选定的波长信道上的所述反射光，所述孔的第三部分在空间上与所述孔的第四部分重叠。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述孔的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分在空间上相互重叠。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述孔的第一部分和第二部分对应于至少4毫米的光束腰尺寸。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述孔的第三部分和第四部分对应于至少4毫米的光束腰尺寸。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括光传输组件，所述光传输组件被配置为将来自所述光源的所述出射光传输到所述光束定向器，并将来自所述光束定向器的所述反射光传输到所述光检测器，所述光传输组件包括：
在所述光源和所述光束定向器之间的出射光学导向路线，以用于输送处于所述第一选定的波长信道和所述第二选定的波长信道上的所述出射光；和
在所述光束定向器和所述光检测器之间的入射光学导向路线，以用于输送处于所述第一选定的波长信道和所述第二选定的波长信道上的所述反射光。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述入射光学导向路线和所述出射光学导向路线均从以下组中被选出：光纤路线和光回路路线。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述出射光学导向路线与比与所述入射光学导向路线相关联的数值孔径小的数值孔径相关联。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述出射光学导向路线在空间上与所述入射光学导向路线分离。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光传输组件包括在所述出射光学导向路线中的单模光纤和在所述入射光学导向路线中的多模光纤。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述出射光学导向路线在空间上与所述入射光学导向路线重叠。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光传输组件包括在空间上重叠的出射光学导向路线和入射光学导向路线中的双包层光纤，所述双包层光纤与用于所述出射光学导向路线的第一数值孔径和用于所述入射光学导向路线的第二数值孔径相关联，所述第二数值孔径比所述第一数值孔径大。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束定向器包括一个或者更多个衍射光栅。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或更多个衍射光栅包括三个衍射光栅，所述三个衍射光栅被布置成以顺时针或逆时针路径使光转向。
16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述一个或更多个衍射光栅中的任何一个或更多个衍射光栅是可调节倾斜的，以沿着基本上正交于所述第一维度的第二维度引导光。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光束定向器包括一个或更多个光束补偿器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述一个或更多个光束补偿器中的至少一个位于所述一个或更多个衍射光栅中的相邻对之间。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束定向器是可旋转的，或者包括可旋转的折射或反射元件，以在基本上正交于所述第一维度的第二维度上引导光。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述光传输组件包括用于将光与可旋转光束定向器耦合的滑环组件。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光束定向器包括用于在复合端口和N个交错端口中的一个交错端口之间转移光的光谱梳状滤波器，所述复合端口被配置为在所述多个波长信道的每第N个连续波长信道中的任何一个波长信道上接收或提供光，所述N个交错端口被配置为分别提供或分别接收在N组波长信道中的一组波长信道上的相对应的光。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述N个交错端口均相对于光轴偏移相应量，以在第二维度上提供相对应的角度间隔。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，N是2到16之间的且包括2和16的任一整数。
24.一种用于促进环境的空间轮廓的估计的系统，所述系统包括：
光源，其被配置为提供处于多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道上的光，所述光具有至少一个时变属性；
光束定向器，其包括一个或更多个衍射光栅，并被配置成：
在空间上将出射光通过所述一个或更多个衍射光栅引导到环境中，并接收由所述环境反射的所述出射光的至少一部分，所述出射光：
将被引导通过所述一个或更多个衍射光栅而在多个方向中的第一方向上沿第一维度进入所述环境，所述第一方向对应于处于第一选定的波长信道上的所述出射光；和
将被引导通过所述一个或更多个衍射光栅而在所述多个方向中的第二方向上沿着所述第一维度进入所述环境，所述第二方向对应于处于第二选定的波长信道上的所述出射光，所述一个或更多个衍射光栅中的任何一个或更多个衍射光栅是可调节倾斜的，以沿着基本上正交于所述第一维度的第二维度引导光；
光检测器，其被配置为检测所述反射光；和
处理单元，其被配置为确定与所述反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特征，以用于进行与所述第一方向和所述第二方向相关联的所述环境的空间轮廓的估计。
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