CN111830533A - 偏振敏感激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

激光雷达(LiDAR)系统包括发射光发射器，所发射光束的强度大致相同。光发射器通过发射偏振不同的光束形成光束偏振图样。所述激光雷达系统还包括一个接收器，以接收物体反射光。分析器识别发射至物体光束的光束偏振图样与物体反射光的强度图样之间的特征差异，以及确定与所述物体反射光相关的反射位置。然后运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置。

Description

偏振敏感激光雷达系统

技术领域

本申请涉及激光雷达系统，尤其涉及一种偏振敏感激光雷达系统以及使用该激光雷达系统分辨虚影和真实物体的方法。

背景技术

激光雷达(LiDAR)系统应用广泛，其中一种应用是自动驾驶汽车。自动驾驶汽车可以通过激光雷达系统测量自身与周围物体之间的距离。为实现测距，激光雷达系统向物体发射激光，然后通过传感器测量反射光。反射光可用于识别反射该光束物体的特征并测量其与自动驾驶汽车之间的距离。激光雷达系统还可应用于飞机、轮船、测绘等其他多种场景。

很多激光雷达系统都存在的一个问题是，激光可能从多个表面和/或物体反射回来，导致系统上呈现的物体位置发生错误。如图1所示，激光雷达系统101的发射器发出的激光可能射到物体102的表面(即示例中的汽车发动机盖)，并由此处反射到另一物体103上(即示例中天花板上的一根管道)，再经过反射回到第一个物体102的表面，最后再反射至激光雷达系统101的接收传感器上。在图1所示的情况下，激光雷达系统会呈现出物体103位于另一位置104的假象，即形成了所谓的“虚影”。这种“虚影”降低了激光雷达系统的可靠性。

本申请介绍了一种偏振敏感激光雷达系统，并提供了该系统解决上述问题和/或其他问题的方法。

发明内容

在不同的实施例中，激光雷达(LiDAR)系统包括用于发射多个光束的一组光发射器。所述光发射器用于形成光束偏振图样，位置设定适于向所述激光雷达系统外部的物体发射激光。所述激光雷达系统还包括一个接收器，以接收物体反射光。所述激光雷达系统还包括具有处理器和编程指令的分析器。编程指令用于指示处理器识别发射至物体光束的偏振图样与物体反射光的强度图样之间的特征差异，以及确定与所述物体反射光相关的反射位置。然后运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置。

在不同的实施例中，每个光发射器可用于发射一束表现出偏振的偏振光。例如，每个光发射器可包括一个激光发射器。每一偏振光束可为一偏振激光束。

在不同的实施例中，所述激光雷达系统可包括偏振调节器，用于调节至少部分所述光束的偏振，以形成光束偏振图样。例如，所述偏振调节器可包括半波片或四分之一波片，均置于其中一个光发射器的发射光束路径中。可选地，所述偏振调节器可包括滤光片或镜面，均置于其中一个光发射器的光束发射路径中。所述半波片、四分之一波片、滤光片或镜面也可放置于部分而非全部光发射器的路径中。

在一些实施例中，第一部分光发射器以第一方向安装在激光雷达系统的外壳内。第二部分光发射器以第二方向安装在外壳内，第二方向与第一方向不同，例如相互垂直(如相对垂直/水平方向)。可选地，所述第一部分光发射器和第二部分光发射器数量相等。

在一些实施例中，所述接收器包括一个偏振分束器，用于将接收光分成垂直偏振和水平偏振。

附图说明

图1展示了激光雷达系统如何探测真实物体以及虚影(或仅探测到虚影)。

图2为激光雷达系统所含元件示例。

图3A为偏振态交错的发射激光束示例。

图3B展示了接收激光束的一种可能图样。

图4展示了波片如何用作光的偏振调节器。

图5为带有波片的二极管激光器用作偏振调节器示例。

图6A为光发射器芯片以交替方向安装的激光雷达系统示例。与之相比，图6B展示了一种传统的排布方式，所有发射器芯片的设置让发射光具有单一、一致偏振。

图7所示实施例中，一组光束转向反射镜用作偏振调节器。

图8所示方法中，运用光束偏振图样区分激光雷达系统接收光是来自真实物体还是“虚影”。

具体实施方式

除非上下文另有明确所指，本申请中的单数形式“一个”、“所述”包括复数情况。除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语的含义与本领域一般技术人员通常理解的含义相同。本申请所用“包括”一词是指“包括但不限于”。本申请所用“示例”一词是指“举例说明”，并非指某一示例是首选或必须的。本申请所用“光”一词是指与光频率相关的电磁辐射，例如紫外线、可见光、红外辐射和太赫兹辐射。示例光发射器包括激光发射器和其他发射光的设备。在本申请中，“发射器”一词是指光发射器，例如发射红外光的激光发射器。

在本申请中，使用“第一”和“第二”等用语来修饰名词时，如非特别说明，该用法只是为了区分一个物件和另一个物件，并非意图规定特别的顺序。此外，“垂直”和“水平”或“前”和“后”等相对位置的用语，旨在描述相对位置，而非绝对位置，并且仅指该类用语相关设备的一个可能位置，取决于所述设备的方向。两个物件被一般描述为“垂直”和“横向”时，除非具体说明，它们与地面的相对位置不一定为上述方向，而是指两者相互垂直。

“处理器”和“处理设备”指电子设备的硬件组件，用于执行编程指令。除非另有具体说明，单数形式的“处理器”和“处理设备”包括单一处理设备实施例和多个处理设备共同或协作执行处理的实施例。

“内存”、“内存设备”、“数据存储”、“数据存储设施”等术语指存储了计算机可读数据、编程指令或两者均有的非临时设备。除非另有具体说明，“内存”、“内存设备”、“数据存储”、“数据存储设施”等术语包括单一设备实施例、多个内存设备共同或协作储存一系列数据或指令的实施例，以及此类设备内部的独立扇区。

本披露涉及偏振敏感激光雷达系统。本说明书中所列各种实施例和示例不限制本披露的范围，且只列举了所附权利要求的部分可能实施例。

图2为一种激光雷达系统201示例，可用于不同实施例。如图2所示，所述激光雷达系统201包括外壳205。所述外壳可绕中心或轴线218 360°旋转，可包括由透光材料制成的发射器/接收器孔径211。虽然图2示例为单孔，在不同的实施例中，发射和/或接收光的孔径可为多个。无论单孔还是多孔，在外壳205围绕内部组件旋转时，所述系统均能通过单个或多个所述孔径211发射光并接收反射光。在一个可选实施例中，外壳205的外罩可为一固定圆顶，至少部分由透光材料制成。外壳205内部有可旋转组件。

在所述旋转壳或固定圆顶内，装有光发射器系统204，其位置设定使得一个或多个激光发射器芯片或其他光发射设备产生的光脉冲能够透过孔径211或外壳205的透明圆顶发射。所述发射器系统204可包括任何数量的独立发射器，例如8个发射器，64个发射器或128个发射器。所述发射器可发射强度大致相同的光束或强度不同的光束。由204发射的各个光束均具有定义良好的偏振态，且并非偏振态都相同。例如，部分光束为垂直偏振，部分光束为水平偏振。图3A为一种发射激光束排布示例，奇数光束为垂直偏振301，偶数光束为水平偏振302。也可能采用其他模式。也可能采用其他偏振态，如左旋或右旋偏振。

回到图2，激光雷达系统还包括光探测器208。所述光探测器包括一个或一系列光电探测器，用于接收反射回所述系统的光。所述发射器系统204和探测器208与旋转外罩一起旋转，或在所述外壳205的固定圆顶内旋转。一个或多个光学元件结构209可置于所述光发射单元204和/或所述探测器208前，作为透镜或波片，聚焦和引导穿过光学元件结构209的光。

图3B为接收激光束的一种示例图样。9号至16号光束的交替强度图样表明，这些光束反射自一个倾斜表面，入射角为中等大小。30号至38号光束反射自入射角更大的另一表面，表现出更强的调制交替图样。可选地，所述探测器(图2中的208)可配备光学元件，将接收光分离成两个正交的偏振态，如垂直偏振和水平偏振。然后探测器可探测每种偏振态(如图3B所示)，探测器数量为发射器的两倍。例如，拥有32个激光束的系统会配备64个接收器频道。

再次回到图2，所述激光雷达系统包括为光发射器单元204供电的供电单元221、可令轴线218转动的电机223、外壳205或其他组件，以及电子组件。所述激光雷达系统还包括分析器215。所述分析器带有处理器222和非临时计算机可读内存223等元件，其中包含编程指令，用于指示系统接收并分析由光探测单元收集的数据，以测量接收光的特征并生成信息。连接的系统可利用该信息在数据来源环境中作出运行决定。可选地，分析器215可如示例与激光雷达系统201整合。也可部分或全部位于所述激光雷达系统外部，并通过有线或无线通信网络或链路与激光雷达系统通信连接。例如，电机223可位于激光雷达系统内部，但处理器222和/或内存223可离其他组件较远。

如前文所述，该发射器系统发射多束激光的一个结构包括发射器芯片等设备。每个发射器芯片从所述单一系统发射光。此外，虽然大多数激光器发射的是偏振光，但在某些实施例中，也可能是非偏振光。如果为非偏振光，则其电场矢量会在垂直于光传播方向的部分或全部平面上振动。反之，偏振光的电场矢量则会在有限的平面或方向上震动。偏振光有几种不同的形式，其中一些形式为在单一平面上线性偏振，另一些形式为在单一旋转方向(如右旋或左旋)径向偏振(即圆偏振或椭圆偏振)。偏振光束的使用让激光雷达系统在分析对比发射光和接收光时可运用一个已知的偏振。后向散射光的大部分能量带有与发射光的偏振直接相关的偏振。特别地，如果透射光为线偏振，则后向散射辐射将主要保留所述透射光的偏振。然而，如果发射光为圆偏振光，则后向散射辐射的偏振将被反向，即右旋会转化为左旋，反之亦然。因此，如果接收光的偏振与预期偏振大致匹配，或接收光退偏比接近零(与发射光偏振相匹配的后散射方向的后向散射强度为比率分母)，则所述激光雷达系统可将接收光视为发射光的反射光。下文配合图8进行描述。所述系统可用接收光的强度图样作为媒介判断偏振图样是否匹配。

为减少本申请背景技术部分所描述的“虚影”问题，所述激光雷达系统还可包括一个偏振调节器。设置偏振调节器的位置，以改变所述系统发射的部分而非全部光束的偏振。如图4所示，所述偏振调节器可包括任何数量的波片402。所述波片接收表现第一偏振401的光，并将其变为不同的偏振403。示例波片包括改变线偏振光偏振方向的半波片(如图4所示)，或将线偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光的四分之一波片。

此类波片可置于其连接的每个光发射器输出路径之上或之内。如图5所示，如果二极管激光器501为光发射器，发光二极管502发射的光可通过透镜504穿过发射器外壳503。所述透镜504包括偏振调节器505(可为波片)。该偏振调节器可与透镜结构一体，或置于其上或其下，以在激光束穿过外壳503时改变其偏振。所述波片也可放置于一部分发射器上，例如仅一半发射器置有波片，其余发射器则没有波片。或者，可使用两种波片，则一部分(例如一半)发射器发射第一偏振光，而余下部分(例如如下的一半)发射器发射第二(不同的)偏振光。

通过示例，如果所述偏振调节器由半波片调节器组成，且用在一半的光发射器上，则发射光可表现出包含一半垂直偏振激光和一半水平偏振光的偏振图样。

可选地，所述偏振调节器可包括四分之一波片，通过相移来改变光束的偏振态。此相移可用于将线偏振光转化为圆偏振光或椭圆偏振光，或反向转化。例如，将四分之一波片装在发射垂直偏振激光束的激光发射器中，会得到圆偏振激光束或椭圆偏振激光束，具体结果取决于四分之一波片的方向。通过调整四分之一波片的方向，可得到右旋圆偏振光、左旋圆偏振光、右旋椭圆偏振光或左旋椭圆偏振光。此外，右旋圆偏振光、左旋圆偏振光、右旋椭圆偏振光或左旋椭圆偏振光可通过结合使用四分之一波片和半波片获得。

可选地，因为每个激光发射器可发射一个偏振激光束，改变部分激光发射器在整个光发射器系统中的安装方向可改变这些激光束的偏振。例如，在一些实施例中，激光发射器以第一方向安装在激光器单元中，可发射垂直偏振激光束。将激光发射器的安装方向变为与所述第一方向垂直的方向，可使得该激光发射器发射水平偏振激光束。如此，激光发射器可用于发射多个偏振相同的激光束，或发射具有一种或多种不同偏振的多个激光束。相应的安装方式也可用于其他种类的光发射器。如图6A的激光雷达系统600所示，光发射器芯片以交替方向安装。即光发射器芯片601和603的位置设定可让发射光具有水平偏振，而光发射器芯片602和604的位置设定可让发射光具有垂直偏振。因此，每个位置设定为发射(垂直或水平)第一偏振光的发射器芯片，旁边至少有一个设定为发射所述另一种偏振光的发射器芯片。与之相比，图6B展示了一种传统的激光雷达系统610，所有发射器芯片611-613的位置设定使得发射光具有单一、一致偏振。

由于反射会改变光的偏振，可在光发射器前安装一面或多面光束转向反射镜，以改变部分光束的偏振。如图7所示，在发射垂直偏振激光束702的激光发射器701上或在其前方安装一个或多个镜面705、706，反射光束，使得向物体发射的光束变为水平偏振激光束704。因此，与半波片相似，使用所述镜面704、706可取代部分激光发射器安装方向的改变，或者可以同时使用所述镜面和改变部分激光发射器安装方向。在一些实施例中，所有激光发射器均可以相同方向安装在激光器单元中。所述偏振调节器的镜面可安装在部分激光发射器上，或置于部分激光发射器前，使得偏振图样包含部分垂直偏振激光束和部分水平偏振激光束。

无论所用偏振调节器结构如何，应能对所连接发射器的发射光偏振进行90°旋转(或其他调节)。所述偏振调节器可以任何模式用于光发射器，例如隔位使用(如“偶数”发射器使用偏振调节器，“奇数”发射器不使用，或奇偶相反)，或成组使用(如两个发射器使用偏振调节器，接下来的两个发射器不使用)，或以其他方式布置。偏振调节器可有多种应用模式，例如只在下方的发射器使用(下方发射器发射的激光更有可能生成虚影反射)。

上述示例描述了静态的(即物理固定的)偏振调节器。在其他实施例中，所述偏振调节器可包括一个或多个动态运行的光学元件。

对图样的了解可帮助所述系统辨别真实物体和“虚影”图像。参照图8，所述系统向物体发射一组光束，其中每个光束强度已知(所有光束强度可能相同，也可能不同)，偏振不同，从而形成一个已知的偏振图样(步骤801)。该物体反射所述光束，所述激光雷达系统的接收器接收后向散射光(步骤802)。不同于发射光，反射的强度与接收光会不同，因而接收光会表现出偏振调节的强度图样。所述激光雷达系统的处理器可执行编程指令，使所述系统的分析器分析接收光的强度图样(步骤803)，并识别发射至物体光束的偏振图样与接收光的强度图样之间的特征差异(步骤804)。如果发射光是从物体反射回来，则接收光强度图样与发射光偏振图样不对应。

例如，如果发射光仅包括水平偏振光束和垂直偏振光束，所述物体反射光在到达接收器之前可被旋转90度。如果所述系统接收到的光束偏振方向特征有此差异，可推定该光束是从该物体反射回来的。在同一示例中，如果所述水平偏振光束和垂直偏振光束是从一个表面(典型示例为入射角大的表面)反射到一个物体再反射回该表面(例如，从汽车发动机盖反射到另一物体再反射回到该汽车发动机盖)，即出现虚影的情况，则接收光方向与发射光方向相似或相同。因此在本示例中，识别特征差异时，无显著差异(即非常相似)，可表示该反射来自虚影而非物体。在本申请中，“特征差异”这一用语意在包括两种情况：系统识别光束特征的差异，以及系统识别光束特征的相似性(即缺乏差异的情况)。

此外，根据从发射光到接收反射光束的时间，处理器和编程指令可确定与所述物体反射光相关的反射位置。接收光强度图样与发射光偏振图样相同则表示接收到的反射来自虚影。了解这一点之后，分析器的处理器运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置(步骤805)。如果接收光的强度图样与发射光的偏振图样对应，处理器会判断接收到的反射光来自虚影。反之，如果接收光的强度图样与发射光的偏振图样对应(如图3A和3B所示)，处理器会判断反射光来自物体。

在一些实施例中，所述激光雷达系统的接收器(例如图2中的208)可包括一个偏振分束器。偏振分束器是分离光束的光学器件。偏振分束器可用于分离光束，例如方向垂直的两种光(如垂直偏振光和水平偏振光)，有助于判断接收光的偏振是否与发射光相同，或者其偏振是否受到不同表面反射的影响。

例如，在一些实施例中，所述接收器具有一个或多个接收频道。每个接收频道可用于探测一种偏振光，例如垂直偏振光。因此，如果一个接收器要探测垂直偏振光和水平偏振光，则至少需要两个接收频道。接收器可将接收光转化为电信号，所述电信号的强度可用于判断接收光主要为垂直偏振还是水平偏振。然后，所述分析器可根据此信息识别发射光偏振图样与物体反射光之间的特征差异。

上述特性和功能以及替代方案可以结合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员可以作出各种选择、修改、变更或改进，也都包含在所披露的实施例中。

Claims (20)

1.一种激光雷达(LiDAR)系统，包括：

多个光发射器，其中：

所述多个光发射器用于发射多个光束，

所述多个光发射器用于形成所述多个光束的光束偏振图样，所述多个光束为向激光雷达系统外部物体发射的光束；

接收器，用于接收从物体反射的光；

分析器，包括处理器和编程指令，所述编程指令用于指示处理器：

识别发射至物体光束的偏振图样与物体反射光的强度图样之间的特征差异，

确定与所述物体反射光相关的反射位置，

运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，每个光发射器用于发射一束表现偏振的偏振光。

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，每个光发射器包括一个激光发射器，每束偏振光包括一个偏振激光束。

4.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于：

所述激光雷达系统还包括偏振调节器；

所述偏振调节器用于调节至少一部分所述光束的偏振，以形成光束偏振图样。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述偏振调节器包括多个半波片，每个半波片置于其中一个光发射器的光束发射路径中，且所述半波片仅置于部分而非全部光发射器的路径中。

6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中偏振调节器包括多个四分之一波片，每个四分之一波片置于其中一个光发射器的光束发射路径中，且所述四分之一波片仅置于部分而非全部光发射器的路径中。

7.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述偏振调节器包括多个滤光片或镜面，每个滤光片或镜面置于其中一个光发射器的光束发射路径中，且所述滤光片或镜面仅置于部分而非全部光发射器的路径中。

8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，还包括一个外壳，其特征在于：

第一部分光发射器以第一方向安装在外壳内；

第二部分光发射器以第二方向安装在外壳内，第二方向与第一方向不同。

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，第一部分光发射器和第二部分光发射器数量相等。

10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，第一方向与第二方向垂直。

11.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收器包括一个偏振分束器，用于将接收光分成垂直偏振和水平偏振。

12.一种使用激光雷达系统分辨虚影和真实物体的方法，所述方法包括：

激光雷达系统向其外部的物体发射多个光束，该多个发射光表现多种偏振，形成偏振图样；

激光雷达系统接收器接收表现出不同偏振的反射光，形成强度图样；

处理器执行编程指令，所述编程指令用于指示处理器：

识别所述偏振图样与所述强度图样之间的特征差异，

确定与反射光相关的反射位置，

运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置包括:

如发射光束的偏振图样与反射光的强度图样基本对应，判断该反射位置为虚影位置；

如发射光的偏振图样与反射光的强度图样不是基本对应，判断该反射位置为物体位置。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

接收反射光包括，使用偏振分束器将接收光分为垂直偏振光和水平偏振光；

该方法还包括，比较发射光的偏振图样与经所述分束器分离的接收光的强度图样，以判断接收光的强度图样与发射光的偏振图样是否有显著差异。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，向物体发射多个光束包括，使用偏振调节器对部分而非全部所述多个发射束进行偏振调节，以形成光束偏振图样。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用偏振调节器包括，使用多个半波片，每个半波片置于其中一束发射光的路径中，且这些半波片仅置于部分而非全部所述发射光的路径中。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用偏振调节器包括，使用多个四分之一波片，每个四分之一波片置于其中一束发射光的路径中，且这些四分之一波片仅置于部分而非全部所述发射光的路径中。

18.权利要求14所述的方法，其特征在于，使用偏振调节器包括，使用多个滤光片或镜面，每个滤光片或镜面置于其中一束发射光的路径中，且这些滤光片或镜面仅置于部分而非全部所述发射光的路径中。

19.一种激光雷达(LiDAR)系统，包括：

内含多个光发射器的外壳，其中：

所述多个光发射器用于发射多个偏振光束，每个所述光束表现出大致相同的强度，

所述多个光发射器包括：

第一组光发射器，以第一方向安装在外壳内；

第二组光发射器，以第二方向安装在外壳内；

其中所述第一方向包括一个使所述第一组光发射器发射第一偏振光的方向，所述第二方向包括一个使所述第一组光发射器发射第二偏振光的方向，第二偏振相对第一偏振垂直；

其中所述第一偏振与所述第二偏振提供所述多束偏振光的光束偏振图样，所述多束偏振光为向所述激光雷达系统外部物体发射的偏振光；接收器，用于接收从物体反射的光；分析器，包括处理器和编程指令，所述编程指令用于指示处理器：

识别所述发射至物体偏振光的光束偏振图样与物体反射光的强度图样之间的特征差异，

确定与所述物体反射光相关的反射位置，

运用所识别的特征差异判断所述反射位置是物体位置还是虚影位置。

20.根据权利要求19所述的激光雷达系统，其特征在于：

所述第一组光发射器和第二组光发射器数量相等；

所述接收器包括一个偏振分束器，用于将接收光分成垂直偏振和水平偏振。

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