CN110346777B - 相干激光雷达系统返回路径中的光放大器 - Google Patents
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Abstract
一种相干激光雷达系统包括用于输出连续波的光源，以及用于调制连续波的频率并提供调频连续波(FMCW)信号的调制器。该系统还包括：孔径透镜，用于获得由从FMCW信号获得的输出信号的反射所产生的接收光束；以及光放大器，位于接收光束的路径中，用于输出放大的接收光束。制造该系统的方法包括布置光源以输出连续波，以及设置元件以调制连续波并提供FMCW信号。该方法还包括布置孔径以获得由从FMCW信号获得的输出信号的反射产生的接收光束，以及在接收光束的路径中设置光放大器以输出放大的接收光束。
Description
引言
本公开的主题涉及相干光检测和测距(激光雷达)系统的返回路径中的光放大器。
车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)日益包括获得关于车辆操作和车辆周围环境的信息的传感器。一些传感器，例如照相机、无线电检测和测距(雷达)系统以及光检测和测距(激光雷达)系统可以检测和跟踪车辆附近的物体。通过确定物体在车辆周围的相对位置和方向，可以增强或自动化车辆操作以提高安全性和性能。例如，传感器信息可用于向车辆的驾驶员发出警报或操作车辆系统(例如，避免碰撞系统、自适应巡航控制系统、自主驾驶系统)。典型的激光雷达系统是飞行时间系统，要求使用诸如雪崩光电二极管、高速电子放大器等检测器电子地执行反射信号的任何放大。然而，电子放大增大了噪声并降低了信噪比(SNR)。在飞行时间系统中，光放大还必须放大任何背景或干涉光源。相反，在使用调频连续波(FMCW)激光雷达的相干激光雷达系统中，通过反射信号与本地源信号的相干合成来过滤这种杂散光水平。因此，希望在相干激光雷达系统的返回路径中提供光放大器。
发明内容
在一个示例性实施例中，相干激光雷达系统包括用于输出连续波的光源，以及用于调制连续波的频率并提供调频连续波(FMCW)信号的调制器。该系统还包括：孔径透镜，用于获得由从FMCW信号获得的输出信号的反射所产生的接收光束；以及光放大器，位于接收光束的路径中，用于输出放大的接收光束。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括第二光放大器，其配置为放大由调制器提供的FMCW信号。
除了在此描述的一个或多个特征之外，调制器包括谐振器。
除了在此描述的一个或多个特征之外，调制器向谐振器施加受控电压，使得受控电压的调制导致连续波的频率的调制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括分束器，该分束器配置为将FMCW信号分成输出信号和本地振荡器(LO)信号。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括对准元件，其配置为对准LO信号和放大的接收光束以产生共线信号。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括一个或多个光电检测器，以基于共线信号中的LO信号和放大的接收光束之间的干涉来获得干涉结果。
除了在此描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统是单站系统。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该系统还包括循环器，其配置成将输出信号引导到孔径透镜并且将接收光束引导到光放大器。
除了在此描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统在车辆内或车辆上，并且配置为检测物体相对于车辆的位置和速度。
在另一示例性实施例中，一种组装相干激光雷达系统的方法包括：布置光源以输出连续波；以及设置元件以调制连续波并提供调频连续波(FMCW)信号。该方法还包括布置孔径透镜以获得由从FMCW信号获得的输出信号的反射产生的接收光束，以及在接收光束的路径中设置光放大器以输出放大的接收光束。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该方法还包括设置第二光放大器以放大由元件提供的FMCW信号。
除了在此描述的一个或多个特征之外，设置用于调制连续波的元件包括在光源的输出处设置谐振器。
除了在此描述的一个或多个特征之外，设置用于调制连续波的元件还包括向谐振器施加受控电压，使得对受控电压的调制导致对连续波的频率的调制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，该方法还包括布置分束器以将FMCW信号分成输出信号和本地振荡器(LO)信号，设置对准元件以有助于对准LO信号和放大的接收光束并输出共线信号，以及设置一个或多个光电检测器以接收共线信号并有助于LO信号和放大的接收光束之间的干涉。
在另一示例性实施例中，车辆包括相干激光雷达系统，该相干激光雷达系统包括用于输出连续波的光源和用于调制连续波的频率并提供调频连续波(FMCW)信号的调制器。相干激光雷达系统还包括：孔径透镜，用于获得由从FMCW信号获得的输出信号的反射产生的接收光束；以及光放大器，位于接收光束的路径中，用于输出放大的接收光束。该车辆还包括控制器，用于基于来自相干激光雷达系统的信息来增强或自动化车辆的操作。
除了在此描述的一个或多个特征之外，相干激光雷达系统还包括第二光放大器，用于放大由调制器提供的FMCW信号。
除了在此描述的一个或多个特征之外，调制器包括谐振器。
除了在此描述的一个或多个特征之外，调制器还向谐振器施加受控电压，使得受控电压的调制导致对连续波的频率的调制。
除了在此描述的一个或多个特征之外，相干激光雷达系统还包括分束器，该分束器配置成将FMCW信号分成输出信号和本地振荡器(LO)信号。
通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：
图1是根据一个或多个实施例涉及相干激光雷达系统的返回路径中的光放大器的场景的框图；
图2是根据一个或多个实施例详细说明在激光雷达系统的返回路径中具有光放大器的激光雷达系统的框图；
图3是根据替代的一个或多个实施例详细说明在激光雷达系统的返回路径中具有光放大器的激光雷达系统的框图；
图4示出了根据一个或多个实施例可以包括在光放大器中的可选的成形光学器件；
图5是根据一个或多个实施例在返回路径中组装具有光放大器的相干激光雷达系统的方法的处理流程。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
如前所述，激光雷达系统可以是提供信息以增强或自动化车辆操作的若干传感器中的一个。传统的激光雷达系统涉及一系列光脉冲的传输。给定脉冲的飞行时间(即，脉冲发射和接收由目标体反射产生的反射脉冲之间的时间)指示到目标体的距离。使用一系列脉冲获得的该飞行时间信息可以指示目标体的速度和行进方向。这种类型的激光雷达系统要求为了确定飞行时间而不干涉反射。因此，任何放大都是检测后放大(即，在光检测器之后)并且都是使用电子放大器。另外，这种类型的激光雷达系统容易受到来自不同光源、被误认为是反射的光的影响。
根据在此详述的一个或多个实施例，激光雷达系统是相干系统，其依赖于FMCW信号的传输，和光源(也称为本地振荡器(LO))输出的源信号与相应的由源信号时间延迟的目标体反射的返回信号之间的相位相干。这两个信号之间的光干涉导致与该时间延迟相同的拍频，该时间延迟指示到目标体的距离和目标体的速度。由光源产生的光的频率可以在FMCW信号上线性地增加或减少。组合使用增加和减少调制，可以产生三角波作为FMCW源信号。由FMCW信号的传输产生的反射频率不仅指示到反射FMCW信号的目标体的范围，而且指示目标体的速度。此外，由于缺少与光源输出的源信号的相位相干，来自不同源的光不能被误认为是反射。
此外，根据这里详述的系统和方法的实施例，相干激光雷达系统包括返回路径中的光放大器。也就是说，反射可以在被一个或多个光学检测器检测，和处理之前被光放大，而不会使相关的特性失真。由源信号和反射之间的干涉产生的FMCW信号与源信号功率和反射信号功率的几何平均值成比例，但是本底噪声受到包括光检测器和电子放大器的检测系统的电子噪声的限制。因此，放大返回信号光学地增加FMCW信号而不放大噪声，从而提高SNR。根据一个或多个实施例，芯片上基于半导体的光放大器可在射频(RF)范围下操作，而不需要屏蔽来防止对来自其它源的RF噪声的敏感性。
根据示例性实施例，图1是涉及相干激光雷达系统110的返回路径中的光放大器的场景的框图。图1所示的车辆100是汽车101。如参考图2进一步详细描述的，在返回路径中具有光放大器的相干激光雷达系统110被显示在汽车101的车顶上。根据替代或另外的实施例，一个或多个激光雷达系统110可以位于车辆100上的其他部位。还示出了另一个传感器115(例如，照相机、麦克风、雷达系统)。由激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115获得的信息可以被提供给控制器120(例如，电子控制单元(ECU))。
控制器120可以使用该信息来控制一个或多个车辆系统130。在示例性实施例中，车辆100可以是自主车辆，并且控制器120可以使用来自激光雷达系统110和其他源的信息来执行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自激光雷达系统110和其他源的信息作为已知系统(例如，避免碰撞系统、自适应巡航控制系统)的一部分来增强车辆操作。激光雷达系统110和一个或多个其它传感器115可用于检测目标体140，例如图1所示的行人145。控制器120可以包括处理电路，该处理电路可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的组件。
图2是根据一个或多个实施例详细说明在激光雷达系统110的返回路径中具有光放大器260的激光雷达系统110的框图。示出了单站激光雷达系统110，其中发射和接收路径共享相同的孔径透镜252(例如，单中心透镜)。在替代实施例中，激光雷达系统110可以改为双站，并且包括用于发射光和接收结果反射的不同的孔径透镜252，如图3所示。激光雷达系统110包括光源210。光源210可以是激光二极管，例如根据示例性实施例的分布反馈(DFB)激光器。光源210输出呈现恒定振幅的连续光波。光输出系统中的下一级包括光谐振器220。
谐振器220是光源210外部的外部光共振腔。根据图2所示的示例性实施例，来自电压源的受控电压225被施加到谐振器220以执行电光调制并调制谐振器220中的连续光波的频率以产生FMCW光227。根据示例性实施例，从谐振器220到光源210的一些光的反馈意味着光源210内产生的光和谐振器220输出的光被同步调制。为了产生呈现线性频率调制的光(即，线性FMCW信号)，可以线性地增大或减小受控电压225。或者，可以非线性地改变受控电压225，产生呈现非线性频率调制的光。
根据替代实施例，FMCW光227可以通过调制光源210本身处的频率来获得。在这种情况下，如图2所示，施加到谐振器220的受控电压225可以直接施加到框210。例如，可以改变激光器芯片的偏置电流，或者可以调制光源210的物理腔或反射镜。例如，可以通过压电或微机电系统(MEMS)致动来实现这种调制。如图2所示，可选的光放大器230可用于放大由谐振器220输出的FMCW光227以产生FMCW信号235。
分束器240用于将FMCW信号235分成输出信号236和本地振荡器(LO)信号237。输出信号236和LO信号237都呈现由受控电压225或其它调制器施加的频率调制。例如，分束器240可以是芯片上的波导分束器。输出信号236被提供给光循环元件，循环器250，其在图2所示的单站系统中是必需的，以便于将相同孔径透镜252用于发射和接收路径。循环器250通过孔径透镜252将输出信号236引导出激光雷达系统110。如图3所示，在双站系统中，不需要循环器250，而是使用第二孔径透镜252，使得输出信号236和接收光束238不共享相同的孔径透镜252。
如图3所示，例如，可以在循环器250和孔径透镜252之间使用光束控制装置310来控制输出信号236并在给定视场上扫描。参照图3进一步讨论控制装置310，但其也可与单站系统一起使用。如果目标体140在激光雷达系统110的视场中，如图2所示的例子，则通过孔径透镜252经由循环器250输出的输出信号236被目标体140散射。这些散射光中的一些作为接收光束238再次进入激光雷达系统110。接收光束238由循环器250引导到反射器255。根据一个或多个实施例，反射器255将接收光束238引导到光放大器260。
虽然在图2中光放大器260被示为在反射器255和对准元件270之间，但是光放大器可以替代地沿着表示为A的路径位于循环器250和反射器255之间。根据示例性实施例，光放大器260可以包括耦合透镜以将接收光束238无损地引导到光放大器260中。光放大器260还可以包括成形光学器件，以确保由光放大器260提供的放大的接收光束265具有正确的轮廓。参考图4进一步讨论这些可选的附加元件。如前所述，在飞行时间激光雷达系统中，该光放大器260不能在接收光束238的路径中，如图2所示。
放大的接收光束265被提供给对准元件270，其中放大的接收光束265与LO信号237对准。对准元件270确保放大的接收光束265和LO信号237共线，并将输出分成两个共线信号272a、272b(通常称为272)。共线信号272a、272b分别被引导到光电检测器280a、280b(通常称为280)。如图2所示，共线信号272a中的一个被反射器275反射，以便被引导到相应的光电检测器280a中。在共线信号272中对准的放大的接收光束265和LO信号237在光电检测器280中彼此干涉。放大的接收光束265和LO信号237之间的干涉导致两个光束的相干合成。因此，与飞行时间系统不同，激光雷达系统110被称为相干激光雷达系统。每个光电检测器280中的干涉表示自相关函数，用于识别由输出信号236产生的放大的接收光束265。这防止了来自激光雷达系统110外部的另一光源、在激光雷达系统110的视场内的不定的光被误认为是由目标体140反射的接收光束238。
光电检测器280是将放大的接收光束265和每个共线信号272中的LO信号237之间的干涉的结果转换成电流285a、285b(通常称为285)的半导体装置。根据已知的平衡检测器技术使用两个光电检测器280来消除两个光电检测器280共有的噪声。根据已知的处理技术，来自每个光电探测器280的电流285被组合和处理以获得诸如到目标体140的范围、目标体140的速度和其它信息的信息。例如，可以由处理器290在激光雷达系统110内执行处理，或者由控制器120在激光雷达系统110外执行处理。处理器290可以包括类似于针对控制器120所讨论的处理电路。
图3是根据替代的一个或多个实施例详细说明在激光雷达系统110的返回路径中具有光放大器260的激光雷达系统110的框图。示出了双站激光雷达系统110，其包括分离的发射和接收孔径透镜252。图3所示的大多数双站激光雷达系统110与图2所示的单站激光雷达系统110相同。因此，不再讨论参考图2详细描述的组件。如前所述，单站和双站系统之间的主要差别在于在双站系统中包括用于输出信号236和接收光束238的分离的孔径透镜252a、252b(通常称为252)。在图3中，示出了转向装置310a、310b(通常称为310)。转向装置310a在发射路径中，而转向装置310b在接收路径中。如前所述，在图2所示的单站实施例中，也可以在循环器250和孔径透镜252之间包括一个转向装置310。转向装置310可以是反射器(例如，MEMS扫描镜)。
图4示出了根据一个或多个实施例可以包括光放大器260的可选成形光学器件。耦合透镜410将减小进来的接收光束238的直径。例如，如果接收光束238具有1毫米(mm)量级的直径，则耦合透镜410可以将其减小到微米量级，以便使接收光束238穿过光放大器260。在光放大器260的另一侧，准直透镜420恢复放大的接收光束265的直径。变形棱镜对430确保放大的接收光束265的横截面的期望形状。例如，在图4所示的示例性实施例中，放大的接收光束265具有圆形横截面形状。
图5是根据一个或多个实施例在返回路径中组装具有光放大器260的相干激光雷达系统110的方法的处理流程。在框510，布置光源210以输出连续波包括：布置激光器，例如根据示例性实施例的DFB激光器。在框520，该流程包括在光源210的输出处设置元件以向分束器240提供FMCW信号235。根据示例性实施例，元件可以包括谐振器220和受控电压225。可选地，这些元件还可以包括光放大器230。在框530处，布置分束器240以产生输出信号236和LO信号237，包括FMCW光227，或者当使用光放大器230时，FMCW信号235被输入到分束器240。
在框540处，布置一个或多个孔径透镜252来发射输出信号236并获得接收光束238是指以下事实：一个孔径透镜252可以用在单站系统中，而单独的发射和接收孔径透镜252可以用在双站系统中。这样，在单站系统的示例性情况下，框540处的流程包括布置循环器250以将输出信号236引导出激光雷达系统110并将接收光束238引导至激光雷达系统110的接收路径。另外，框540处的流程可包括布置一个或多个转向装置310，使得光束转向装置310处于输出信号236和接收光束238的路径中。在框550处，将光放大器260设置在孔径透镜252与配置成输出共线信号272的对准元件270之间是指沿着图2中指示为A的路径或例如，如图2所示，在反射器255与对准元件270之间设置光放大器260。在框560处，该流程包括设置光电检测器280和处理器120、290以检测和处理共线信号272，如参考图2所讨论的。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多改变以使具体情况或材料适应本公开的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。
Claims (8)
1.一种相干激光雷达系统，包括：
光源，配置为输出连续波；
调制器，配置为调制所述连续波的频率并提供调频连续波(FMCW)信号；
孔径透镜，配置为获得由从所述调频连续波信号获得的输出信号的反射产生的接收光束；
光束控制装置，其用于控制输出信号并在给定视场上扫描；
所述接收光束的路径中的芯片上基于半导体的光放大器，配置为输出放大的接收光束，其中，所述光放大器包括：
耦合透镜，其用于将所述接收光束无损地引导到光放大器；和
成形光学器件，其用于确保由所述光放大器提供的放大的接收光束具有正确的轮廓；
分束器，所述分束器是芯片上的波导分束器，其被配置为将调频连续波信号分成输出信号和本地振荡器(LO)信号；
对准元件，其被配置为对准本地振荡器信号和放大的接收光束，并将对准结果分成两个共线信号；以及
与所述两个共线信号对应的两个光电检测器，所述两个光电检测器中的每一个被配置为接收基于所述两个共线信号中的一个中的所述本地振荡器信号和所述放大的接收光束之间的干涉的干涉结果。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第二光放大器，其配置为放大由所述调制器提供的所述调频连续波信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调制器包括谐振器，并且所述调制器还配置为向所述谐振器施加受控电压，使得对所述受控电压的调制导致对所述连续波的所述频率的调制。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光雷达系统是单站系统，并且所述系统还包括循环器，其中，所述光束控制装置位于所述循环器和所述孔径透镜之间，并且，所述循环器配置为将所述输出信号引导到所述孔径透镜，并且将所述接收光束引导到所述光放大器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光雷达系统在车辆内或车辆上，并且配置为检测物体相对于所述车辆的位置和速度。
6.一种车辆，包括：
相干激光雷达系统，包括：
光源，配置为输出连续波；
调制器，配置为调制所述连续波的频率并提供调频连续波(FMCW)信号；
孔径透镜，配置为获得由从所述调频连续波信号获得的输出信号的反射产生的接收光束；
光束控制装置，其用于控制输出信号并在给定视场上扫描；
在所述接收光束的路径中的芯片上基于半导体的光放大器，配置为输出放大的接收光束，其中，所述光放大器包括：
耦合透镜，其用于将所述接收光束无损地引导到光放大器；和
成形光学器件，其用于确保由所述光放大器提供的放大的接收光束具有正确的轮廓；
分束器，所述分束器是芯片上的波导分束器，其被配置为将调频连续波信号分成输出信号和本地振荡器(LO)信号；
对准元件，其被配置为对准本地振荡器信号和放大的接收光束，并将对准结果分成两个共线信号；
与所述两个共线信号对应的两个光电检测器，所述两个光电检测器中的每一个被配置为接收基于所述两个共线信号中的一个中的所述本地振荡器信号和所述放大的接收光束之间的干涉的干涉结果；以及
控制器，配置成基于来自所述相干激光雷达系统的信息来增强或自动化所述车辆的操作。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述相干激光雷达系统还包括第二光放大器，所述第二光放大器配置为放大由所述调制器提供的所述调频连续波信号。
8.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述调制器包括谐振器，并且还配置为向所述谐振器施加受控电压，使得对所述受控电压的调制导致对所述连续波的所述频率的调制。
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