CN110927695A - 具有多光谱深度成像和离散扫描机构的汽车激光雷达 - Google Patents

Abstract

车辆、用于该车辆的激光雷达系统以及利用该激光雷达系统扫描物体的方法。该激光雷达系统包括第一四分之一波片、第一偏转级和检测器。第一四分之一波片产生圆偏振扫描光束。第一偏转级为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，且基于偏振矢量的选择的旋转方向将扫描光束偏转选择的角度。检测器接收反射光束，该发射光束是来自物体的扫描光束的反射。

Description

具有多光谱深度成像和离散扫描机构的汽车激光雷达

引言

本公开涉及汽车激光雷达系统和操作方法，并且更具体地，涉及用于在视场上扫描激光雷达系统的方法。

激光雷达系统可用于车辆中，以便对视场成像并定位物体。激光雷达系统在一定角度范围内向外引导光并接收来自物体的光反射。这些系统通常使用机械设备，诸如旋转盘或多边形、相控阵列或微机电(MEMS)设备，以便分散输出光束。此类机械设备伴随着分辨率问题、组装问题和温度依赖性问题。因此，期望为激光雷达系统提供一种避免这些问题的光束定向设备。

发明内容

在一个示例性实施例中，公开了一种利用激光雷达系统扫描物体的方法。该方法包括：在激光雷达系统的第一四分之一波片处产生沿纵向路径传播的圆偏振扫描光束；使扫描光束通过激光雷达系统的第一偏转级以为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向且基于偏振矢量的选择的旋转方向使扫描光束从纵向路径偏转选择的角度，以及在激光雷达系统的检测器处接收反射光束，该反射光束是来自物体的扫描光束的反射。

除了本文描述的一个或多个特征之外，第一偏转级包括为偏振矢量选择旋转方向的液晶半波片和基于选择的旋转方向使扫描光束偏转的液晶偏振光栅。液晶半波片基于施加到液晶半波片的电压来选择旋转方向。反射光束通过第一偏转级以便被引导到检测器。激光雷达系统的法拉第旋转器用于在偏振光束分离器处向反射光束赋予偏振方向，该偏振方向在偏振光束分离器处垂直于扫描光束的偏振方向。在一个实施例中，第一偏转级包括在传递通道中，且第二偏转级包括在接收反射光束的接收通道中，并且第二偏转级与第一偏转级同步。在一个实施例中，第一偏转是多个偏转级中的一个，并且在多个偏转级中的每一个处为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向以获得扫描光束的选择的扫描角度。

在另一示例性实施例中，公开了一种用于车辆的激光雷达系统。该激光雷达系统包括第一四分之一波片、第一偏转级和检测器。第一四分之一波片产生圆偏振扫描光束。第一偏转级为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，且基于偏振矢量的选择的旋转方向将扫描光束偏转选择的角度。检测器接收作为来自物体的扫描光束的反射的反射光束。

除了本文描述的一个或多个特征之外，第一偏转级包括为偏振矢量选择旋转方向的液晶半波片和基于选择的旋转方向偏转扫描光束的液晶偏振光栅。电压源在液晶半波片上施加电压，且液晶半波片基于所施加的电压选择旋转方向。在一个实施例中，反射光束通过第一偏转级以便被引导到检测器。法拉第旋转器向反射光束赋予偏振方向，该偏振方向垂直于偏振光束分离器处的扫描光束的偏振方向。在一个实施例中，传递通道包括第一偏转级且传递扫描光束，以及接收通道包括第二偏转级且接收反射光束，其中第二偏转级与第一偏转级同步。在一个实施例中，第一偏转是多个偏转级中的一个，且每个偏转级为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，以便获得扫描光束的选择的偏转角度。

在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括激光雷达系统。该激光雷达系统包括：第一四分之一波片，其被配置为产生圆偏振扫描光束；第一偏转级，其被配置成为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，并且基于偏振矢量的选择的旋转方向将扫描光束偏转选择的角度；以及检测器，其被配置为接收来自物体的扫描光束的反射的反射光束。

除了本文描述的一个或多个特征之外，第一偏转级包括为偏振矢量选择旋转方向的液晶半波片和基于选择的旋转方向偏转扫描光束的液晶偏振光栅。电压源将电压施加到液晶半波片上，其中液晶半波片基于施加的电压来选择旋转方向。反射光束通过第一偏转级以便被引导到检测器。在一个实施例中，传递通道包括第一偏转级且传递扫描光束，以及接收通道包括第二偏转级且接收反射光束，其中第二偏转级与第一偏转级同步。在一个实施例中，第一偏转是多个偏转级中的一个，且每个偏转级为扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，以便为扫描光束获得选择的偏转角度。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在接着的具体实施方式中，具体实施方式参考如下附图：

图1示出了具有根据各种实施例描绘的相关联的轨迹规划系统的车辆；

图2示意性地展示了一个实施例中的激光雷达系统；

图3展示了在一个实施例中用于偏转扫描光束的图2的激光雷达系统的扫描机构的操作；

图4示意性地展示了图2的激光雷达系统在接收用于检测目的的反射光束时的操作；

图5示出了扫描机构的组件的垂直方向透视图；

图6示出了扫描机构的组件的水平方向透视图；以及

图7示出了可替代的激光雷达系统。

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、其应用或使用。应当理解，在所有附图中，相应的参考标记表示相同或相应的部分和特征。

根据示例性实施例，图1示出了根据各种实施例的车辆10，其具有在100处所描绘的相关联的轨迹规划系统。通常，轨迹规划系统100确定用于车辆10的自动驾驶的轨迹规划。车辆10通常包括底盘12、车身14、前轮16和后轮18。车身14被布置在底盘12上并且基本上包围车辆10的组件。车身14和底架12可共同地形成框架。车轮16和18各自在车身14的相应的拐角附近可旋转地耦合到底盘12上。

在各种实施例中，车辆10是自主车辆，并且轨迹规划系统100被结合到自主车辆10(后文称为自主车辆10)中。自主车辆10例如是被自动控制以将乘客从一个位置承载到另一位置的车辆。在所展示的实施例中，自主车辆10被描绘为客车，但是应当理解的是，也可以使用任何其他车辆包括摩托车、卡车、运动型多用途车(SUV)、娱乐车辆(RV)、船舶、飞机等。在示例性实施例中，自主车辆10是所谓的四级或五级自动化系统。参照自动驾驶系统的、动态驾驶任务的所有方面的驾驶模式特定性能，四级系统指示高度自动化，即使人类驾驶员没有适当地响应请求以干预。参照自动驾驶系统在可以由人类驾驶员管理的所有道路和环境条件下的动态驾驶任务的所有方面的全时间性能，五级系统指示全自动化。

如图所示，自主车辆10通常包括推进系统20、传动系统22、转向系统24、制动器系统26、传感器系统28、致动器系统30、至少一个数据存储设备32和至少一个控制器34。在各种实施例中，推进系统20可以包括内燃机、诸如牵引电动机的电机、和/或燃料电池推进系统。变速器系统22被配置成根据可选择的速比将动力从推进系统20传输到车轮16和18。根据各个实施例，变速器系统22可以包括步进比自动变速器、无级变速器或其他适当的变速器。制动器系统26被配置成向车轮16和18提供制动扭矩。在多个实施例中，制动系统26可以包括摩擦制动器、诸如电机的再生制动系统、和/或其他适当的制动系统。转向系统24影响车轮16和18的位置。虽然为了说明的目的被描绘为包括转向盘，但是在本公开的范围内预期的一些实施例中，转向系统24可以不包括转向盘。

传感器系统28包括感测自主车辆10的外部环境和/或内部环境的可观察状况的一个或多个感测设备40a-40n。感测设备40a-40n可以包括但不限于雷达、激光雷达、全球定位系统、光学摄像机、热摄像机、超声传感器和/或其他传感器。在各种实施例中，车辆10包括发出扫描光束48的激光雷达系统。扫描光束48可以是连续光束或光脉冲或一系列光脉冲。扫描光束48在车辆10处由传感器的视场中的一个或多个物体50以反射光束52的形式反射回去。激光雷达系统进一步包括用于控制扫描光束48的扫描或偏转角度的扫描设备或扫描机构。在各种实施例中，扫描机构是固态设备。

致动器系统30包括一个或多个致动器设备42a-42n，其控制一个或多个车辆特征，诸如但不限于推进系统20、变速器系统22、转向系统24和制动系统26。在各种实施例中，车辆特征可以进一步包括内部和/或外部车辆特征，诸如但不限于门、行李箱和诸如通风、音乐、照明等舱体特征(未编号)。

控制器34包括至少一个处理器44和计算机可读存储设备或介质46。处理器44可以是任何定制的或可商购的处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、与控制器34相关联的几个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、宏处理器、其任何组合或总体上用于执行指令的任何设备。例如，计算机可读存储设备或介质46可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储。KAM是永久性或非易失性存储器，当处理器44断电时，其可以被用于存储各种操作变量。计算机可读存储设备或介质46可以使用许多已知存储设备中的任何一个来实施，诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储由控制器34在控制自主车辆10中使用的数据(其中一些代表可执行指令)的任何其他电、磁、光或组合存储器设备。

指令可以包括一个或多个分离的程序，每个程序包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。这些指令在由处理器44执行时接收和处理来自传感器系统28的信号，执行用于自动地控制自主车辆10的组件的逻辑、计算、方法和/或算法，并且基于这些逻辑、计算、方法和/或算法产生到致动器系统30的控制信号以自动控制自主车辆10的组件。尽管在图1中仅示出了一个控制器34，但自主车辆10的实施例可以包括通过任何合适的通信介质或通信介质的组合进行通信并且协作来处理传感器信号、执行逻辑、计算、方法和/或算法、并且生成控制信号以自动控制自主车辆10的特征的任意数量的控制器34。

轨迹规划系统100基于物体和/或它们在车辆的环境内的定位的确定来导航自主车辆10。在各种实施例中，控制器34操作激光雷达以获得激光雷达系统的视场的图像且确定在视场中物体的位置。在确定物体50的位置时，控制器34可以操作一个或多个致动器设备42a-n、推进系统20、传动系统22、转向系统24和/或制动器26，以便相对于物体50导航车辆10。

图2示意性地展示了一个实施例中的激光雷达系统200。激光雷达系统200包括诸如激光器202的相干光源、诸如准直透镜的准直器204、偏振光束分离器206、法拉第旋转器208、扫描机构210和传感器阵列212。

激光器202产生线性偏振光束。在各种实施例中，激光的波长可以在从约904纳米(nm)到约1600nm的波长范围内，这取决于检测器的光谱响应度。激光以发散角度从激光器202射出。准直器204将发散光束转换成平行于激光雷达系统200的纵轴235的准直光速或光束。通过准直器204之后的光束在本文被称为扫描光束48。

扫描光束48通过偏振光束分离器206。偏振光束分离器206用于沿着某些方向引导输出光(例如，扫描光束48)和入射光(例如，反射光束52)。偏振光束分离器206被配置为仅传递入射在偏振光束分离器206的界面处的具有选择的偏振的光。通常，其电场沿入射平面的入射光称为p偏振，而其电场正交于或垂直于入射平面入射的光称为s偏振。为了说明起见，偏振光束分离器206在其界面处使s偏振光通过且反射p偏振光，并且准直的扫描光束48是s偏振的且因此通过偏振光束分离器206而不被偏转。

扫描光束48从偏振光束分离器206通过法拉第旋转器208。法拉第旋转器208将扫描光束48的偏振矢量旋转45度。

旋转的扫描光束48通过扫描机构210，扫描机构包括被布置来使扫描光束48偏转选择的角度的一系列片、组件或固态材料。在一个实施例中，扫描机构210包括第一永久四分之一波片(QWP)220和第二永久四分之一波片230。多个偏转级设置在第一QWP 220与第二QWP 230之间。每个偏转级包括液晶半波片(LCHP)和液晶偏振选通(LCPG)对。在说明性实施例中，第一偏转级221包括与第一LCPG 224配对的第一LCHP 222，以及第二偏转级225包括与第二LCPG 228配对的第二LCHP 226。第一LCHP 222和第二LCHP 226中的每一个都与诸如处理器44的处理器和/或控制在LCHP两端施加所选择的电压的电压源通信。第一LCHP 222电耦合到第一电压源242且第二LCHP 226电耦合到第二电压源244。使用两个偏转级仅仅是为了说明的目的。在其它实施例中，在第一永久QWP与第二永久QWP之间可以存在附加偏转级。在各种实施例中，扫描机构包括多个级且因此包括多个LCPG设备，其中每个LCPG设备具有不同的或单独的偏转角度，偏转角度的值从约2度到约6度变化。

图3展示了在一个实施例中用于偏转扫描光束48的图2的激光雷达系统200的扫描机构210的操作。扫描光束48以选择的线性偏振从法拉第旋转器208进入扫描机构210。第一永久QWP 220向线性偏振扫描光束48引入相变，从而将线性偏振光转换为圆偏振光302。圆偏振光具有描述其偏振矢量的旋转方向的“旋向性”。这个旋转方向可以是“右旋”或顺时针(CW)或者“左旋”或逆时针(CCW)。仅出于说明的目的，圆偏振光302被称为具有CCW旋转。

圆偏振光302通过第一级221(具有第一LCHP 222和第一LCPG 224)和第二级225(具有第二LCHP 226和第二LCHP 228)。每个偏转级221和225使光偏转通过由光的“旋向性”(右旋或左旋)和偏转级的组件的角度偏转范围确定的偏转角度。选择的偏转级的LCHP控制或选择光的旋向性。当在LCHP两端施加电压时，LCHP将光的旋向性从右旋改变为左旋，或者从左旋改变为右旋(即，从CW到CCW或从CCW到CW)。选择的偏转级的LCPG基于光的旋向性使光偏转通过偏转角度。基于在LCPG处的入射光的旋向性，偏转角度是正的(+θ)或负的(-θ)。此外，当光通过LCPG时，LCPG对光增加相移。

具体参考第一偏转级221，CCW光302入射到第一LCHP 222上。根据施加到第一LCHP222的控制电压，传递通过第一LCHP 222的光是CCW光304或CW光306。仅仅出于说明的目的，CCW光304通过第一LCPG224以正角度(+θ)偏转，且CW光306通过第一LCPG 224以负角度(-θ)偏转。偏转角度的幅值取决于第一LHPG 224的角度偏转范围。

在第二偏转级225处，CCW光304或CW光306入射到第二LCHP 226上。对于CCW光304，第二LCHP 226根据所施加的电压传递CCW光308或CW光310。CCW光308通过第二LCPG 228偏转另一正向偏转角度(+θ)，而CW光310通过第二LCPG 228偏转负偏转角(-θ)。对于CW光306，第二LCHP 226根据所施加的电压传递CCW光312或CW光314。CCW光312通过第二LCPG 228偏转正向偏转角度(+θ)，而CW光310通过第二LCPG 228偏转负偏转角(-θ)。

应当注意的是，由第一偏转级221和由第二偏转级225提供的偏转角度可以是相同的角度或者可以是不同的角度，这基于它们各自的组件的材料和几何特性。假设每级的最大偏转为θ，限于小角度(即小于10度)，则由扫描机构210产生的总视场角度θ_T近似等于每级的角度偏转乘以级数(即θ_T＝θ*(级数))。因此，可以通过选择适当数量的级来选择总的视场角度，并且可以通过适当选择施加到各个级的电压来选择扫描光束48的总偏转角度。然而，由于在每一级产生的光损耗，级数可能受到限制。还应当注意的是，扫描光束的最终偏转角度是离散的扫描角且在激光雷达系统200的视场上不连续改变。

当离开第二偏转级225时，第二永久QWP 230将圆偏振光变换回线性偏振光。因此，在扫描光束48以选择的角度从激光雷达系统200射出时，其为线性偏振光束。

图4示意性地展示了激光雷达系统200在接收用于检测目的的反射光束52时的操作。反射光束52通常是来自物体50的扫描光束48的反向反射或反向散射。扫描机构210的配置以足够慢的速率改变，从而使得反射光束52以与其相关扫描光束48经历的配置相同的配置“看到”扫描机构210。换句话说，影响各种LCHP的电压对于扫描光束48和反射光束52是相同的。因此，当通过扫描机构的组件时，反射光束52仅反向回扫由扫描光束48经历的偏转和偏振变化。因此，反射光束52的偏转被抵消，从而使得反射光束离开扫描机构210，平行于纵轴235且具有与扫描光束48从法拉第旋转器208射出时相同的线性偏振。法拉第旋转器208然后将反射光束52的偏振旋转45度。由于扫描光束48在法拉第旋转器208处旋转45度以及反射光束52在法拉第旋转器208处附加旋转45度，所以反射光束52以p偏振入射到偏振光束分离器206上(即与扫描光束48入射到偏振光束分离器206处的s偏振成90度角)。偏振光束分离器206因此使反射光束52以合适的偏转角度朝向传感器阵列212偏转。

传感器阵列212包括具有相关联的成像透镜410的多个检测器408。每个成像透镜410在其相关检测器408处形成扫描区域的高分辨率图像。传感器阵列212进一步包括一个或多个二向色光束分离器412。二向色光束分离器412基于光的波长传递或反射光束。因此，二向色光束分离器412可用于将不同波长的反射光束52引导到选择的检测器408。因此，将每个检测器408制造为对选择的波长的光敏感。一旦以不同波长获得了图像，就可以结合这些彩色图像以在激光雷达系统的整个视场上创建总图像。在各种实施例中，当扫描光束48在激光雷达系统200的视场上扫描时，检测器408可以以不同的扫描角度获得多个图像。在不同扫描角度的多个图像可以结合以在视场的整个范围上重建图像。

在各种实施例中，检测器408是直接飞行时间传感器。通过测量激光产生脉冲到来自目标的反射光到达传感器时的精确时间，可以推断出到目标的距离。

在另一实施例中，检测器408可以包括幅度调制源/传感器。可以以已知频率调制光源且可以将返回信号的调制与传递光相关联。检测到的这些调制之间的相移可以用于确定到目标的距离。

在可替代的实施例中，入射光(例如扫描光束48)不需要入射到垂直于扫描机构20的表面上。因此，可以同时扫描对称偏移角度的多个光束。这可以在水平或垂直方向上实施，从而允许增加激光雷达系统的视场。图5示出了扫描机构的组件的垂直方向透视图。以垂直偏轴角度入射的光相应地在垂直平面500中偏转。图6示出了扫描机构的组件的水平方向透视图。以水平偏轴角度入射的光相应地沿着水平平面600偏转。

图7展示了可替代的激光雷达系统700。可替代的激光雷达系统700包括用于产生和定向扫描光束48的传递通道702和用于接收和检测反射光束52的接收通道704，该反射光束是扫描光束48从物体50的反向散射。

传递通道702包括激光源202和准直器204，它们产生准直的和线性偏振的扫描光束48。扫描光束48通过第一扫描机构706，其包括将线性偏振光束转换为圆偏振光束的四分之一波片708和用于偏转扫描光束48的各种第一偏转级710。

接收通道704包括第二扫描机构716，其包括四分之一波片718和各种第二偏转级720。第一偏转级710的数量与第二偏转级720的数量相同。第二偏转级720的每个偏转级与来自第一偏转级710的相应偏转级同步。因此，反射光束52仅反向经历扫描光束48经历的相同偏转和偏振变化。同步电子单元726向传递通道702和接收通道704的相应偏转级施加相同的电压，以便维持每个通道中偏转角度的同步。反射光束从第二扫描机构716射出，通过将反射光束引导到传感器724上的成像光学器件722。

因此，可替代的激光雷达系统700不采用图2的激光雷达系统200中使用的偏振光束分离器206或法拉第旋转器208。通过利用接收通道704适当校准传递通道702，可以使用从通过接收通道706的视场的预期位置的视场的任何可观察偏移来估计到感兴趣区域中的物体或目标点的范围。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解的是，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代替其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开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 (10)

1.一种利用激光雷达系统扫描物体的方法，所述方法包括：

在所述激光雷达系统的第一四分之一波片处产生沿纵向路径传播的圆偏振扫描光束；

使所述扫描光束通过所述激光雷达系统的第一偏转级，以为所述扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，并且基于所述偏振矢量的所述选择的旋转方向使所述扫描光束从所述纵向路径偏转选择的角度；以及

在所述激光雷达系统的检测器处接收反射光束，所述反射光束是来自所述物体的所述扫描光束的反射。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一偏转级包括为所述偏振矢量选择所述旋转方向的液晶半波片以及基于所述选择的旋转方向来偏转所述扫描光束的液晶偏振光栅，并且其中，所述液晶半波片基于施加到所述液晶半波片的电压来选择所述旋转方向。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述反射光束通过所述第一偏转级从而被引导至所述检测器。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括：使用所述激光雷达系统的法拉第旋转器在偏振光束分离器处向所述反射光束赋予偏振方向，所述偏振方向垂直于所述扫描光束的偏振方向。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一偏转级包括在传递通道中且第二偏转级包括在接收通道中，所述方法进一步包括：使所述第二偏转级与所述第一偏转级同步，以及在所述接收通道处接收所述反射光束。

6.一种用于车辆的激光雷达系统，所述系统包括：

第一四分之一波片，其被配置为产生圆偏振扫描光束；

第一偏转级，其被配置为为所述扫描光束的偏振矢量选择旋转方向，并且基于所述偏振矢量的所述选择的旋转方向将所述扫描光束偏转选择的角度；以及

检测器，其被配置为接收反射光束，所述反射光束是来自所述物体的所述扫描光束的反射。

7.如权利要求6所述的激光雷达系统，其中，所述第一偏转级包括为所述偏振矢量选择所述旋转方向的液晶半波片以及基于所述选择的旋转方向来偏转所述扫描光束的液晶偏振光栅，所述系统进一步包括：电压源，所述电压源被配置为在所述液晶半波片上施加电压以基于所施加的电压来选择所述旋转方向。

8.如权利要求6所述的激光雷达系统，其中，所述反射光束通过所述第一偏转级从而被引导到所述检测器。

9.如权利要求8所述的激光雷达系统，进一步包括：法拉第旋转器，其被配置为在偏振光束分离器处向所述反射光束赋予偏振方向，所述偏振方向垂直于所述扫描光束的偏振方向。

10.如权利要求6所述的激光雷达系统，进一步包括：

传递通道，其包括所述第一偏转级并且传递所述扫描光束；以及

接收通道，其包括第二偏转级并且接收所述反射光束，其中，所述第二偏转级与所述第一偏转级同步。

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