CN112601999B - 用于利用准直射束扇形扫描相干lidar的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种设备，该设备包括LIDAR系统，该LIDAR系统具有布置在第一平面内的波导阵列。该波导阵列被配置为生成多个射束，其中每个射束从该阵列中的相应波导发射。该设备还包括准直器，该准直器被配置为将所述多个射束成形为在第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。另外，该设备包括多边形扫描器，该多边形扫描器被配置为调整扇形在与第一平面不同的第二平面内的方向。还提供了一种采用该设备的方法。

Description

用于利用准直射束扇形扫描相干LIDAR的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2019年8月10日提交的临时专利申请第62/717,200号的权益，该临时专利申请的全部内容通过引用结合于此，如同本文完整阐述一样。
背景技术
使用激光的用于光检测和测距的、通常引用助记符LIDAR的，有时也称为激光RADAR(无线电波检测和测距)，对距离的光检测被用于从测高到摄像的各种应用，以避免碰撞。与传统的微波测距系统(诸如RADAR)相比，LIDAR以更小的射束尺寸提供更佳的刻度范围分辨率。对距离的光检测可以通过几种不同的技术来完成，所述几种不同的技术包括基于光脉冲到对象的往返行程时间进行直接测距，以及基于所发射的啁啾光信号和从对象散射的返回信号之间的频率差进行啁啾检测，以及基于与自然信号可区分的单频相位变化序列的相位编码检测。
为了获得可接受的距离精度和检测灵敏度，直接远距离LIDAR系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰值功率的短脉冲激光。高脉冲功率会导致光学部件快速退化。啁啾和相位编码的LIDAR系统使用具有相对较低峰值光学功率的较长光脉冲。在该配置中，距离精度随着啁啾带宽或相位码的长度和带宽而不是随着脉冲持续期而增加，因此仍然可以获得优异的距离精度。
使用宽频带无线电频率(RF)电信号调制光载波已经获得了有用的光带宽。LIDAR的最新进展包括使用相同的调制光载波作为参考信号，并且将该参考信号与光检测器上返回信号相结合，以在最终电信号中产生RF频带中的与参考信号和返回的光信号之间的频率或相位差成比例的相对较低的拍频。在检测器上对频率差的这种拍频检测称为外差检测。它具有本领域已知的几个优点，诸如使用具有现成的和廉价可用性的RF组件的优点。
当前发明人的最新工作示出光学部件的新颖布置和用于检测返回信号中的多普勒频移的相干处理，所述布置和所述相干处理不仅提供了改进的距离，而且还提供了LIDAR系统与每个外部对象之间矢量的带符号的相对速度。这些系统在本文中称为高分辨率距离多普勒LIDAR。参见例如世界知识产权组织(WIPO)的公布文本WO2018/160240和WO2018/144853。
在具有适当频率或相位含量的笔形细激光射束中，这些改进为距离提供目标速度或不提供目标速度。当此类射束扫过场景时，可以获得有关周围对象的位置和速度的信息。预计该信息将在诸如自动车辆(诸如自动驾驶或驾驶员辅助汽车)的控制系统中具有价值。
发明内容
传统的LIDAR系统包括准直器，所述准直器用于从一个源射束生成多个射束。然而，传统LIDAR系统中的准直器具有明显的缺点。发明人认识到，这些准直器通常满足传统LIDAR系统的一个或多个设计参数，但是经常不能满足系统的其它设计参数。例如，大射束准直器可以产生期望的射束尺寸，但是为了实现期望的角度间距，不能聚集得太过紧密。在另一示例中，阵列准直器可以产生充分聚在一起的射束，但是不能为LIDAR系统提供足够大的射束尺寸。在此，描述了一种克服这些缺点的准直器。另外，在各种扫描设备和方法中使用该准直器，以实现改进的扫描LIDAR。例如，扫描设备采用多边形扫描器，该多角形扫描器与准直器结合以固定的速度旋转，以实现比传统扫描技术更有效的扫描。
提供距离精度和目标速度精度的采样和处理涉及在称为积分时间的时间间隔内对不同持续期的一个或多个激光信号进行积分。及时覆盖场景涉及重复进行具有足够精度的测量(通常在一到数十微秒的时间内涉及一个或多个信号)，在车辆驶入车辆前方空间太远之前(约一米到几十米的距离，通常在约一到几秒钟的特定时间内被覆盖)，该测量通常足以对自动车辆周围的各种角度(通常为数千个角度)进行采样，以了解车辆周围的环境。在特定时间(通常称为周期或采样时间)内可以覆盖的不同角度的数量取决于采样率。本发明人已经认识到，在自动车辆移动经过该车辆附近的环境时，可以在距离和速度精度的积分时间、采样率以及使用一个或多个LIDAR射束对不同角度进行采样的模式之间进行权衡，以有效地确定该车辆附近的环境。
在第一组实施例中，用于LIDAR系统的组装设备包括布置在第一平面内的波导阵列。该波导阵列被配置为生成多个射束，其中每个射束从该阵列中的相应波导发射。该设备还包括准直器，该准直器被配置为将所述多个射束成形为在该第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。另外，该设备包括多边形扫描器，该多边形扫描器被配置为调整扇形在与该第一平面不同的第二平面内的方向。
在第二组实施例中，提供了一种系统，该系统包括以上组件，并且还包括处理器、存储器和指令序列，所述处理器、所述存储器和所述指令序列被配置为使系统接收在第二平面内的第一角度和第二角度，该第一角度和该第二角度限定扇形的扫描图案的角度范围，并且使用多边形扫描器从该第一角度到该第二角度调整扇形在第二平面内的方向；以及接收包含在一定范围内目标的角扩展的多个返回射束。
在第三组实施例中，提供了一种方法，该方法包括利用布置在第一平面内的LIDAR系统的波导阵列生成多个射束，其中每个射束从阵列中的相应波导发射。该方法还包括利用准直器将所述多个射束成形为在该第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。该方法还包括在处理器上接收在与该第一平面不同的第二平面内的第一角度和第二角度，其中该第一角度和该第二角度限定扇形在该第二平面内的扫描图案的角度范围。该方法还包括利用多边形扫描器从第一角度到第二角度调整扇形在该第二平面内的方向以形成扫描图案。该方法还包括在阵列中的波导处接收来自位于一定范围内的目标的返回射束。
在第四组实施例中，提供了一种方法，该方法包括利用布置在第一平面内的LIDAR系统的波导阵列生成多个射束，其中每个射束从阵列中的相应波导发射。该方法还包括利用准直器将所述多个射束成形为在第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。该方法还包括在处理器上接收在与该第一平面不同的第二平面内的第一角度和第二角度，其中该第一角度和该第二角度限定扇形在该第二平面内的扫描图案的角度范围。该方法还包括利用扫描器在由该第一平面和该第二平面限定的二维空间中调整扇形的总轨迹的第一分量，其中该第一分量是该第一平面内的第一增量角。该方法还包括利用扫描器调整扇形的总轨迹的第二分量，其中该第二分量是该第二平面内的第二增量角。该方法还包括针对总轨迹的每个分量在阵列中的每个波导之间切换，以从波导发射射束并且在波导处接收返回射束。
从仅通过说明许多特定的实施例和实施方案、包括为实施本发明而设想的最佳模式在内的下面的详细描述中，其它方面、特征和优点将显而易见。其它实施例也能够具有其它不同的特征和优点，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在各个明显的方面对其它实施例的几个细节进行修改。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在附图的各图中以示例而非限制的方式示出了实施例，其中，相同的附图标记指代相似的元件，并且其中：
图1A是示出根据实施例的一系列二进制数字的示例发射信号以及用于距离测量的返回光信号的示意图；
图1B是示出根据实施例的参考信号的示例频谱和多普勒频移返回信号的示例频谱的示意图；
图1C是示出根据实施例的多普勒频移返回信号的相位分量的示例交叉频谱的示意图；
图1D是示出根据实施例的示例光学啁啾距离测量的一组曲线图；
图1E是根据实施例的使用对称FO信号的曲线图，并且以虚线示出在没有多普勒频移时该频率时间图中的返回信号；
图1F是根据实施例的类似于图1E的使用对称FO信号的曲线图，并且以虚线示出当存在非零多普勒频移时该频率时间图中的返回信号；
图2A是示出根据实施例的高分辨率(hi-res)LIDAR系统的示例部件的框图；
图2B是示出在一些实施例中使用的用于高分辨率多普勒系统的锯齿扫描图案的框图；
图2C是示出根据实施例的由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像；
图2D是示出根据实施例的高分辨率(hi-res)LIDAR系统的示例部件的框图；
图2E是示出根据实施例的在利用波导阵列以形成准直扇形射束的高分辨率LIDAR系统中使用的准直器的横截面侧视图的示例的框图；
图2F是示出根据实施例的使一个射束在准直扇形射束中成形的图2E的准直器的射线图的示例的框图；
图2G是示出根据实施例的在一定角度范围内扫描图2E的准直扇形射束的方向的示例部件的框图；
图2H是示出根据实施例的图2G的部件的俯视图的框图；
图2I是示出根据实施例的在图2G的系统中用于在阵列的一个或多个波导之间切换的示例光开关的框图；
图3A是示出根据实施例的包括至少一个安装在车辆上的高分辨率LIDAR系统的示例系统的框图；
图3B是示出根据实施例的包括至少一个安装在车辆上的高分辨率LIDAR系统的示例系统的框图；
图4A是示出根据实施例的使用图2G的系统的准直扇形射束的多个交错扫掠的示例的图像；
图4B是示出根据实施例的使用图2G的系统对准直扇形射束进行的多次偏移扫掠的示例的图像；
图4C是示出根据实施例的使用图2G的系统的准直扇形射束的一次扫掠的示例，其中阵列中的波导不规则地间隔开的图像；
图4D是示出根据实施例的用机械扫描器扫描的准直扇形射束的总轨迹的曲线图；
图4E是示出根据实施例的图4D的总轨迹和基于波导之间的切换从波导阵列接收的返回射束数据的曲线图；
图4F是示出根据实施例的表示用以生成图4E中的返回射束数据的相邻波导之间的切换时间值的时间轴的示例的曲线图；
图4G是示出根据实施例的图2G的系统中的扫描器的扫描方向-时间的示例的曲线图；
图5A是示出根据实施例的在图2D的系统中针对各种目标距离和扫描速度的射束走离的示例的图像；
图5B是示出根据实施例的在图2D的系统中针对各种扫描速率的耦合效率-目标距离的示例的曲线图；
图6A是示出根据实施例的用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法的流程图；
图6B是示出根据实施例的用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法的流程图；
图6C是示出根据实施例的用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法的流程图；
图7是示出可以在其上实施本发明的实施例的计算机系统的框图；以及
图8示出可以在其上实施本发明的实施例的芯片组。
具体实施方式
描述了一种用于扫描LIDAR系统的准直射束扇形的方法和设备以及系统以及计算机可读介质。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置，以避免不必要地混淆本发明。
尽管列出宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在特定的非限制性示例中列出的数值应尽可能精确地报告。但是，任何数值固有地包含某些误差，这些误差必然是由于在撰写本文时在其各自的测试测量中发现的标准偏差而导致的。此外，除非从上下文中另外清楚，否则本文中呈现的数值具有由最低有效数字给出的隐含精度。因此，值1.1表示从1.05到1.15的值。“约”一词用于表示以给定值为中心的更宽范围，除非从上下文中清楚得知，否则意味着在最低有效数字附近的更宽范围，诸如“约1.1”意味着从1.0到1.2的范围。如果最低有效数字不清楚，则术语“约”意味着两倍，例如，“约X”意味着0.5X到2X范围内的值，例如，约100意味着从50至200之间的值。此外，应将本文公开的所有范围理解为包括所述范围内的任何及所有子范围。例如，仅正参数的“小于10”范围可以包括介于最小值0(包含)和最大值10(包含)之间的任何和所有子范围，也就是说，任何和所有子范围具有等于或大于零的最小值，以及等于或小于10的最大值，例如1到4。
下面在LIDAR系统的背景下描述本发明的一些实施例，该LIDAR系统生成准直射束扇形，该准直射束扇形可以在由第一角度和第二角度限定的扫描图案上被扫描。在其它实施例中，在个人汽车上的单个前置高分辨率多普勒LIDAR系统的背景下描述了本发明；但是，实施例不限于这些背景。在其它实施例中，采用具有或不具有多普勒组件，具有重叠或不重叠视场的相同类型或其它高分辨率LIDAR的一个或多个系统，或安装在较小或较大陆地、海洋、空中或太空的有人驾驶或自动车辆的一个或多个此类系统。在其它实施例中，在静态LIDAR的背景下描述本发明，诸如在安装在三脚架上或位于监视塔中的LIDAR系统上。
1.相位编码检测概述
使用光学相位编码信号进行距离测量，发射信号与发射信号的一部分的载波同相(相位＝0)，然后在短时间间隔内改变一个或多个由符号Δφ表示的相位改变(因此，相位＝0，Δφ，2Δφ...)，在发射信号上在两个或多个相位值之间反复地来回切换。恒定相位的最短间隔是称为脉冲持续期τ的编码参数，并且通常是频带中最低频率的几个周期的持续期。倒数1/τ是波特率，其中每个波特表示一个符号。在发射信号的时间期间，这种恒定相位脉冲的数量N是符号的数量N，并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位对于一个值可以视为0，对于另一个值则可以视为1，因此符号为一比特，并且波特率也称为比特率。在多相编码中，存在多个相位值。例如，4个相位值，例如Δφ*{0、1、2和3}，对于Δφ＝π/2(90度)，该4个相位值分别等于{0，π/2，π和3π/2}；并且因此4个相位值分别表示0、1、2、3。在此示例中，每个符号为两比特，并且比特率为波特率的两倍。
相移键控(PSK)是指通过更改(调制)参考信号(载波)的相位来传输数据的数字调制方案。通过在精确的时间改变正弦输入和余弦输入来加强(impress)调制。在射频(RF)中，PSK被广泛用于无线局域网(LAN)、RF识别(RFID)和蓝牙通信。可替代地，代替相对于恒定参考波进行操作，变速器可以相对于其自身进行操作。单个发射波形的相位变化可以视为符号。在该系统中，解调器确定接收信号的而不是相位(相对于参考波)本身的相位变化。由于此方案取决于连续相位之间的差异，因此称为差分相移键控(DPSK)。与普通的PSK相比，DPSK在通信应用中的实现要简单得多，因为不需要解调器复制参考信号来确定接收信号的业相位(因此，其是一种非相干方案)。
对于光学测距应用，由于发射器和接收器位于同一装置中，因此可以使用相干的PSK。载波频率是光频率fc，而RF fo被调制到光载波上。选择符号中的数字N和持续期τ以实现所需的距离精度和分辨率。选择符号的图案以区别于其它编码信号源和噪声源。因此，发射信号和返回信号之间的强相关性是反射信号或反向散射信号的强度指示。发射信号由一个或多个符号块组成，其中每个块足够长，以便即使在存在噪声的情况下，也能通过反射回波或反向散射回波提供强相关性。在下面的讨论中，假定发射信号由每块N个符号的M个块组成，其中M和N是非负整数。
图1A是示出根据实施例的作为一系列二进制数字的示例发射信号以及用于距离测量的返回光信号的示意曲线图120。横轴122以任意单位表示从零开始在启动时间之后的时间。纵轴124a以任意单位表示频率为fc+fo的光学发射信号相对于零的振幅。纵轴124b以任意单位表示频率为fc+fo的光学返回信号相对于零的振幅；并且，纵轴124b从轴线124a偏移到分开的轨迹。轨迹125表示M*N个二进制符号的发射信号，且用以产生以00011010开始并且以省略号继续的代码的相位变化如图1A中所示。轨迹126表示从未移动的对象散射的理想化(无噪声)返回信号(因此，该回波没有多普勒频移)。虽然振幅减小了，但是可以识别代码00011010。轨迹127表示理想化(无噪声)的返回信号，该信号从正在移动的对象散射，并且因此被多普勒频移。回波不处于适当的光学频率fc+fo下，并且在预期的频带中没有很好地检测到返回，因此振幅减小了。
观测到的回波频率f’与通过多普勒效应返回的以公式1给出的正确的频率f＝fc+fo不同。
Figure BDA0002940837580000101
其中c是光在介质中的速度，vo是观察者的速度，而vs是沿着将源连接到接收器的向量的源的速度。请注意，如果观察者和源在两者之间的向量上以相同的速度沿相同的方向移动，则所述两个频率是相同的。两个频率之差Δf＝f’-f是多普勒频移，ΔfD，这会导致距离测量出现问题，并且该差由公式2给出。
Figure BDA0002940837580000102
请注意，误差的大小随信号的频率f而增加。还要注意，对于固定的LIDAR系统(vo＝0)，对于以每秒10米的速度移动的对象(vs＝10)，并且频率约500THz的可见光，则多普勒频移的大小约为16兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹，Hz，1Hz＝1周/秒)。在下面描述的各种实施例中，检测多普勒频移并且将其用于处理数据以便计算距离。
在相位编码测距中，通过将发射的信号或其它参考信号与返回信号进行交叉相关，可以在返回信号中检测到相位编码回波的到达，实际上是通过使用外差检测并且因此向下混频回到RF频段将RF信号的代码与来自光检测器的电信号进行交叉相关来实施的。通过对两条轨迹进行卷积，即将两条轨迹中的对应值相乘并且对轨迹中的所有点求和，然后针对每个时滞重复，可以计算出任一滞后的交叉相关。可替代地，可以通过将两个轨迹中的每一个的傅立叶变换相乘然后进行逆向傅立叶变换来实现交叉相关。快速傅里叶变换(FFT)的有效硬件和软件实施方案可广泛用于正向傅里叶变换和逆向傅里叶变换。
注意，在光检测器检测到回波的振幅和相位之后，通常使用模拟或数字电信号进行交叉相关计算。为了将光检测器上的信号移动到可以轻松数字化的RF频率范围，在光学返回信号入射到检测器上之前，将光学返回信号与参考信号进行光学混合。可以将相位编码的发射光信号的副本用作参考信号，但是也可以并且通常优选将激光输出的连续波载波频率光信号用作参考信号，并且捕获检测器输出的电信号的振幅和相位两者。
对于从未移动的对象反射的理想化(无噪声)返回信号(因此该返回没有多普勒频移)，在发射信号开始后的时间Δt会出现峰值。这表明返回信号包括从时间Δt开始的发射相位代码的版本。如公式3所给定的，到反射(或反向散射)对象的距离R根据光在介质中的速度c从双向传播时间延迟中计算得出。
R＝c*Δt/2 (3)
对于从正在移动的对象散射的理想化(无噪声)返回信号(因此该返回有多普勒频移)，该返回信号在适当频率仓(bin)中不包括相位编码，因此在所有时滞中相关性均保持较低，不易检测到峰值，并且在存在噪声的情况下通常无法检测到峰值。因此，很难确定Δt；并且，不那么容易产生范围R。
根据发明人先前工作的各种实施例，在对返回信号进行电处理时确定多普勒频移；并且多普勒频移用于校正交叉相关计算。因此，更容易发现峰值并且可以更容易确定距离。图1B是示出根据实施例的发射信号的示例频谱和多普勒频移复数返回信号的示例频谱的示意曲线图140。横轴142以任意单位表示与光载波fc的RF频率偏移。纵轴144a以相对于零的任意单位表示特定窄频率仓的振幅，也称为谱密度。纵轴144b以相对于零的任意单位表示谱密度；并且，纵轴144b从轴144a偏移到独立的轨迹。轨迹145表示发射信号；并且，在适当的RF fo处出现峰值。轨迹146表示理想化(无噪声)的复数返回信号，该信号从朝LIDAR系统移动的对象反向散射，因此该信号被多普勒频移到更高的频率(称为蓝移)。在适当的RF fo处，回波没有峰值，但是，回波被蓝移ΔfD到频移频率fs。在实践中，表示回波的同相分量和正交分量(I/Q)的复数回波用于确定+ΔfD处的峰值，因此从单个回波就可以清楚地看到传感器和对象之间的向量上的多普勒频移的方向以及目标的运动方向。
在某些多普勒补偿实施例中，如图1B中所示，不是通过获取发射信号和返回信号两者的频谱并且在每个信号中搜索峰值，然后减去相应峰值的频率来找到ΔfD，而更有效的是获得RF频段中向下混频返回信号的同相分量和正交分量的交叉频谱。图1C是示出根据实施例的示例交叉频谱示意曲线图150。横轴152以任意单位表示相对于基准频谱的频移；而纵轴154以任意单位表示相对于零的交叉频谱的振幅。轨迹155表示具有理想化(无噪声)返回信号的交叉频谱，该返回信号由朝LIDAR系统移动的对象(图1B中ΔfD1＝ΔfD的蓝移)和远离LIDAR系统移动的第二对象(ΔfD2的红移)生成。当其中一个分量是蓝移ΔfD1时，会出现峰值；当其中一个分量发生红移ΔfD2时，会出现另一个峰值。因此，确定了多普勒频移。这些频移可用于确定LIDAR附近对象的带正负号的接近速度，这对于避免碰撞应用至关重要。但是，如果不进行I/Q处理，则峰值同时出现在+/-ΔfD1和+/-ΔfD2处，因此多普勒频移的符号以及移动方向均不明确。
如发明人先前的工作中更详细地描述的，在交叉频谱中检测到的(一个或多个)多普勒频移用于校正交叉相关，从而在滞后At处在多普勒补偿的多普勒频移回波中出现峰值135，并且可以确定范围R。在一些实施例中，执行同时的I/Q处理，正如在标题为“用于光学相位编码距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统”的世界知识产权组织公布文本WO2018/144853中更详细地描述的那样，WO2018/144853的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。在其它实施例中，串行I/Q处理用于确定多普勒回波的符号，正如在标题为“在光程测量中对多普勒效应进行时间分离正交检测的方法和系统”的世界知识产权组织公布文本WO2019/014177中更详细描述的，WO2019/014177的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。在其它实施例中，使用其它手段来确定多普勒校正；例如，并且，在各种实施例中，使用本领域中已知的执行多普勒校正的任何方法。在一些实施例中，由于多普勒频移而引起的误差是可以容忍的或可忽略的，并且，不对距离测量应用多普勒校正。
2.啁啾检测概述
图1D是示出根据实施例的示例光学啁啾距离测量的一组曲线图。横轴102对于所有四个曲线图都是相同的，并且以毫秒(ms，1ms＝10-3秒)为数量级的任意单位表示时间。曲线图100表示用作所发射的光信号的光射束的功率。曲线图100中的纵轴104以任意单位表示发射信号的功率。轨迹106表示电源在从时间0开始的有限的脉冲持续期内接通。曲线图110表示发射信号的频率。纵轴114表示以任意单位发射的频率。轨迹116指示脉冲的频率在脉冲持续期内从f1增加到f2，并且因此具有带宽B＝f2-f1。频率变化速率是(f2-f1)/τ。
在曲线图160中描绘了返回信号，如在曲线图110中那样，曲线图160具有表示时间的横轴102和表示频率的纵轴114。在曲线图160上，曲线图110的啁啾116也被绘制为虚线。第一返回信号由轨迹166a给出，该轨迹正是强度减小且延迟Δt的发射参考信号(未示出)。当在经过2R的距离后从外部对象接收到返回信号时，其中R是到目标的距离，则与上述公式3有关，从延迟时间Δt开始的返回信号由2R/c给出，其中c是光在介质中的速度(约3x108米/秒，m/s)。在这段时间内，频率变化的量取决于距离，称为fR，由频率变化率乘以延迟时间得出。这由公式4a给出。
fR＝(f2-f1)/τ*2R/c＝2BR/cτ (4a)
fR的值在称为解啁啾的时域混合操作中由发射信号116和返回信号166a之间的频率差来测量。因此，距离R由公式4b给出。
R＝fR c τ/2B (4b)
当然，如果返回信号在脉冲被完全发射之后到达，也就是说，如果2R/c大于τ，则等式4a和4b无效。在这种情况下，参考信号被延迟一个已知的或固定的量，以确保返回信号与参考信号重叠。将参考信号的固定的或已知的延迟时间乘以光速c，即可得到附加距离，将该距离与根据公式4b计算的距离相加。尽管由于介质中光速的不确定性可能会导致绝对距离偏离，但这是近乎恒定的误差，基于频率差的相对距离仍然非常精确的。
在某些情况下，被发射的光射束照亮的斑点(笔形射束横截面)在不同距离处会遇到两个或多个不同的散射体，诸如半透明对象的前部和后部，或者对象的与LIDAR相隔不同距离的较近部分和较远部分，或者被照亮的斑点内的两个分开的对象。在这种情况下，还将接收第二减弱的强度和不同延迟的信号，在曲线图160上由轨迹166b表示该信号。这将具有fR的不同的测量值，该测量值使用公式4b给出不同的距离。在某些情况下，会收到多个附加的返回信号。
曲线图170描绘了第一返回信号166a和参考啁啾116之间的频率差fR。横轴102如在图1D中的所有其它对齐曲线图中一样表示时间，而纵轴164表示大大扩展的刻度上的频率差。轨迹176描绘了响应于所发射啁啾而测得的恒定频率fR，其表示如公式4b所给出的特定距离。如果存在第二返回信号166b，则它将在去啁啾期间产生不同的较大的fR值(未示出)；结果，使用公式4b可以得到更大的距离。
解啁啾的常见方法是将参考光信号和回波光信号都引导到同一光检测器。检测器的电输出由拍频决定，该拍频等于或以其它方式取决于会聚在检测器上的两个信号的频率差。该电输出信号的傅立叶变换将在拍频处产生峰值。该拍频在兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹＝106周期/秒)的射频(RF)范围内，而不是在太赫兹的光学频率范围(THz，1THz＝1012赫兹)内。此类信号易于通过常见且廉价的RF部件进行处理，所述RF部件例如在微处理器上运行的快速傅立叶变换(FFT)算法或特殊构建的FFT或其它数字信号处理(DSP)集成电路。在其它实施例中，返回信号与用作本地振荡器的连续波(CW)音调混合(相对于作为本地振荡器的啁啾而言)。这导致检测到的信号本身就是啁啾(或发射的任何波形)。在这种情况下，检测到的信号将如在Kachelmyer 1990中所描述的在数字域中经历匹配滤波，Kachelmyer1990的全部内容通过引用并入此处，如同本文中完全阐述一样，除了与本文使用的术语不一致的术语外。缺点是数字化仪带宽要求通常较高。另外，相干检测的积极方面得以保留。
在一些实施例中，改变LIDAR系统以产生同时的上啁啾和下啁啾。这种方法消除了由对象速度差、或相对于实际上会改变距离的对象的LIDAR位置变化、或尤其是射束中的瞬态散射或一些组合引入的可变性。然后，该方法保证在上啁啾和下啁啾上测量的多普勒频移和距离确实相同，并且可以最有用地组合。多普勒方案确保在频率空间中并行捕获非对称频移回波对，以实现正确补偿的高可能性。
图1E是根据实施例的使用对称LO信号的曲线图；并且以虚线示出在没有多普勒频移时该频率时间图中的返回信号。横轴表示时间，以10-5秒(数十微秒)为示例单位。纵轴以千兆赫(GHz，lGHz＝109赫兹)的示例单位表示相对于载波频率fc或相对于参考信号的光学发射信号的频率。在脉冲持续期内，在任何时间生成包括两个光学频率的光射束。一个频率从f1增加到f2(例如，在光载波以上1GHz至2GHz)，而另一个频率同时从f4减少至f3例如，在光载波以下1GHz至2GHz)。两个频带(例如从f1到f2的频带1以及从f3到f4的频带2)不重叠，因此可以通过通带起始于通频fp的高通或低通滤波器或某种组合，对发射信号和返回信号进行光学分离。例如，f1<f2<fp<f3<f4。尽管在所示的实施例中，较高的频率提供上啁啾，而较低的频率提供下啁啾，但是在其它实施例中，较高的频率产生下啁啾，而较低的频率产生上啁啾。
在一些实施例中，两个不同的激光源每次被用来在每个射束中产生两个不同的光学频率。但是，在一些实施例中，通过单个RF啁啾来对单个光载波进行调制，以产生对称边带，所述对称边带用作同时的上下啁啾。在这些实施例中的一些实施例中，使用了双边带马赫曾德尔(Mach-Zehnder)强度调制器，该调制器通常在载波频率中不会留下太多能量；相反，几乎所有能量都进入到边带中。
由于边带对称性，如果使用相同阶数的边带，则两个光学啁啾的带宽将相同。在其它实施例中，使用其它边带，例如，使用两个二阶边带，或者使用一阶边带和不重叠的第二边带，或者某种其它组合。
如在标题为“用于光学啁啾距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统”的世界知识产权组织公布文本WO2018/160240中所描述的，在选择发射(TX)和本地振荡器(LO)啁啾波形的情况下，确保系统的频移频带最大程度地利用可用数字化仪带宽是有利的，WO2018/160240的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完整阐述一样。通常，这可以通过将上啁啾或下啁啾转换为具有接近零的距离频拍来实现。
图1F是使用对称LO信号的类似于图1E的曲线图，并且在该频率时间图中以虚线示出了当存在非零多普勒频移时的返回信号。例如，如果引起范围效应的蓝移为fB，则上啁啾的拍频将因偏移而增加，并且出现在fB+Δfs处，而下啁啾的拍频将因偏移而减少至fB-Δfs。因此，上啁啾将比下啁啾处于更高的频带，从而将它们分离。如果Δfs大于任何预期的多普勒效应，则与上啁啾和下啁啾相关的范围中将没有歧义。然后可以使用已知Δfs的正确符号值来校正测得的节拍，以获得正确的上调和下调范围。在啁啾波形的情况下，可以使用时间分隔的I/Q处理(也称为时域多路复用)来克服上述其它方法的硬件要求。在这种情况下，使用AOM可以突破实值信号的距离多普勒模糊度。在一些实施例中，如在以上引用的公布文本中更详细地描述的，使用计分系统来将上啁啾回波和下啁啾回波成对。在其它实施例中，如以上更详细地所述，I/Q处理用于确定多普勒啁啾的符号。
3.光检测硬件概述
为了描述如何使用高分辨率距离多普勒检测系统，描述了一些通用的硬件方法。图2A是示出根据实施例的高分辨率距离LIDAR系统200的示例部件的框图。用箭头表示光信号。用不带箭头的分段线表示电子有线或无线连接。激光源212发出载波201，在调制器282a中对该载波201进行相位或频率调制，以产生具有持续期D的相位编码或啁啾光信号203，其中该调制器282a在分束器216之前或之后。分束器216对在参考路径220中使用的已调制的(或，如图所示，未调制的)光信号进行分束。产生目标射束205(在本文中也称为发射信号)，该目标射束205具有射束201的大部分能量。还产生已调制的或未调制的参考射束207a，该参考射束207a具有小得多的能量，但是其能量足以与从对象(未示出)散射的返回光291产生良好的混合。在所示的实施例中，在调制器282b中对参考射束207a进行单独调制。参考射束207a经过参考路径220，并且作为参考射束207b被导向一个或多个检测器。在一些实施例中，参考路径220引入已知延迟，该延迟足以使参考射束207b到达检测器阵列230，且来自LIDAR外部的对象的散射光在所关注的距离分布内。在某些实施例中，参考从单独的振荡器本地产生参考射束207b的较旧的方法，参考射束207b被称为本地振荡器(LO)信号。在各种实施例中，从不太灵活的方法到更灵活的方法，通过以下方式使参考与散射或反射场一起到达：1)在场景中放置镜子，以将一部分发射射束反射回检测器阵列，以使得路径长度很好地匹配；2)如图2A中所建议的，使用光纤延迟来紧密匹配路径长度，并且在检测器阵列附近用光学器件散播参考射束，且进行或不进行路径长度调整，以补偿针对特定范围观测到或预期的相位或频率差；或，3)使用移频装置(声光调制器)或本地振荡器波形调制的时间延迟(例如，在调制器282b中)来产生单独的调制，以补偿路径长度不匹配；或某种组合。在一些实施例中，对象足够近并且发射持续期足够长，以使得回波充分重叠参考信号且没有延迟。
然后，通常通过一些扫描光学器件218，发射发射信号以照亮所关注的区域。检测器阵列是单个成对的或不成对的检测器或成对或不成对的一维(1D)或二维(2D)阵列，布置在大致垂直于从对象返回的射束291的平面内。参考射束207b和返回射束291在零个或更多个光学混合器284中组合，以产生具有待适当检测的特性的光信号。采集系统240在信号持续期D期间多次为每个检测器记录干涉图案的频率、相位或振幅或某种组合。每个信号持续期或积分时间处理的临时样本数量会影响下范围程度(down-rangeextent)。数量或积分时间通常是基于每个信号的符号数量、信号重复率和可用相机帧速率来选择的实际考虑因素。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化仪频率”。距离范围的唯一基本限制是激光的相干长度以及啁啾或唯一相位码在它重复(为了明确的测距)之前的长度。之所以启用此功能，是因为可以将返回的外差信号或位的任何数字记录与来自先前发射历史的已发射位的任何部分进行比较或交叉相关。
使所获取的数据可用于处理系统250，诸如下面参考图7描述的计算机系统，或者下面参考图8描述的芯片组。根据以下描述的一个或多个实施例，扫描器控制模块270提供扫描信号以驱动扫描光学器件和/或源218和/或源212和/或第一扫描器241和第二扫描器244(图2G)和/或光开关247(图2J)。在一个实施例中，扫描器控制模块270包括指令以执行以下参考图6A的流程图描述的方法600和/或以下参考图6B的流程图描述的方法630和/或以下参考图6C的流程图描述的方法650。处理系统250中的带符号的多普勒补偿模块(未示出)确定多普勒频移的符号和大小以及基于所述符号和大小的校正范围以及任何其它校正。处理系统250还包括调制信号模块(未示出)，用以发送一个或多个电信号，所述一个或多个电信号驱动调制器282a、282b。在一些实施例中，处理系统还包括车辆控制模块272，用以控制安装有系统200的车辆。
任何已知的设备或系统都可以用来实施激光源212，调制器282a、282b，分束器216，参考路径220，光学混合器284，检测器阵列230，扫描光学器件218或采集系统240。没有示出泛光或聚焦在目标上或聚焦在光瞳平面上的光耦合。如本文所用，光学耦合器是影响光在空间坐标内传播以将光从一个部件引向另一部件的任何部件，尤其是单独使用或组合使用的诸如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、分束器、相板、偏振器、光纤、光学混合器等。
图2A还示出根据一个实施例的用于同时上下啁啾LIDAR系统的示例部件。在该实施例中，调制器282a是频移器，其被添加到发射射束205的光路中。在其它实施例中，频移器被添加到返回射束291的光路中或被添加到参考路径220中。通常，将频移元件作为调制器282b添加到本地振荡器(LO，也称为参考路径)侧上或发射侧(在光学放大器之前)上，因为用作调制器的装置(例如，声光调制器，AOM)有一些相关的损耗，并且将有损耗的部件放在接收侧上或放在光学放大器之后是不利的。光学移位器的目的是使发射信号(或返回信号)的频率相对于参考信号的频率移位已知量Δfs，以使得上下啁啾的拍频出现在不同的频带中，在分析由光检测器230输出的电信号时，例如可以通过处理系统250中的FFT部件来拾取所述不同的频带。在一些实施例中，用经由FFT分离的频带直接对来自平衡检测器的RF信号进行数字化。在一些实施例中，用模拟RF电子元件对来自平衡检测器的RF信号进行预处理，以分离出低频带(对应于上啁啾或下啁啾中的一者)和高频带(对应于相反的啁啾)，该低频带可以直接数字化，该高频带可以以电子方式向下混频到基带然后数字化。两个实施例都提供了将检测到的信号的频带与可用的数字化仪资源相匹配的路径。在一些实施例中，不包括调制器282a(例如，在直接测距实施例中)。
图2B是示出在一些现有技术实施例中使用的用于高分辨率多普勒系统的简单锯齿扫描图案的框图。扫描扫过一定范围的方位角(水平)和倾斜角(上下垂直于在零倾斜度的水平方向)。在下面描述的各种实施例中，使用其它扫描图案。在各种实施例中可以使用本领域中已知的任何扫描图案。例如，在一些实施例中，使用世界知识产权组织公布文本WO2018/125438和WO2018/102188中描述的方法来执行自适应扫描，WO2018/125438和WO2018/102188中的每一篇的全部内容通过引用并入本文，就如同本文中完整阐述一样。
图2C是示出根据实施例的由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像。图像中的每个像素都代表点云中的一个点，该点表示与该像素相关联的倾斜角度和方位角的范围或强度或相对速度或某种组合。
图2D是示出根据实施例的高分辨率(hi-res)LIDAR系统200’的示例部件的框图。在实施例中，除了在此讨论的特征之外，系统200’类似于系统200。在实施例中，系统200’是由单静态收发器构成的相干LIDAR系统。系统200’包括源212，该源212通过循环器226沿单模光波导在传输路径222上发射载波201，并且将载波201从单模光波导的末端217传出，该单模光波导位于准直光学器件219的焦平面内，或者位于准直光学器件219的焦距的约100微米(μm)内，或者位于准直光学器件219的焦距的约0.1％至约0.5％内。在一个示例实施例中，准直光学器件219包括双合透镜、非球面透镜或多元件设计。在实施例中，离开光波导末端217的载波201被光学器件229成形为准直的目标射束205’，扫描光学器件218在一定角度范围227内扫描该准直的目标射束205’。在一些实施例中，载波201为在准直光学器件229上游的调制器282a中调制相位或频率。在其它实施例中，不包括调制器282。在实施例中，来自对象的返回射束291被扫描光学器件218引导，并且被准直光学器件229聚焦到末端217上，使得返回射束291被接收在单模光波导末端217中。在实施例中，然后，循环器226将返回射束291沿接收路径224重引导到单模光波导中，并且到达光学混合器284，在该混合器中，返回射束291与参考射束207b组合，该参考射束207b沿本地振荡器路径220被引导通过单模光波导。在一个实施例中，系统200’在以下原理下操作：返回射束291与参考信号207b的最大空间模式重叠将使返回信号291与本地振荡器207b之间的外差混合(光学干涉)效率最大化。这种布置是有利的，因为它可以帮助避免与双静态LIDAR系统相关联的具有挑战性的对准程序。
在一些实施例中，系统200’包括布置在波导阵列中的一个以上的波导，并且该阵列中的每个波导都具有位于与图2D中的末端217相似的位置处的末端。在一个实施例中，波导阵列中的每个波导都具有相应的循环器226和相应的光学混合器284，以将相应的返回射束291与相应的参考射束207b组合。在其它实施例中，系统200’包括比波导的数量更少量的循环器226和光学混合器284，使得系统和系统被配置为在各个时间段在一个或多个波导之间进行切换，从而将来自一个或多个波导的返回射束291数据在光学混合器284处与一个或多个相应的参考射束207b组合。与阵列中的波导数量相比，该实施例允许更少数量的处理通道(例如，更少数量的循环器226和光学混合器284)。
图2E是示出根据实施例的准直器231的示例截面侧视图的框图，该准直器231使用诸如系统200或系统200’之类的LIDAR系统，其具有波导阵列215以形成准直扇形射束233。在实施例中，LIDAR系统包括多个光波导225a、225b、225c、225d的波导阵列215，该多个光波导在下文中统称为波导225。每个波导225a、225b、225c、225d的末端217都以与图2D的波导225的末端217类似的方式位于例如准直光学器件229的焦平面内。在一些实施例中，分束器将来自源212的射束201沿着到多个循环器226的传输路径222分成多个波导225a、225b、225c、225d，所述多个循环器226将射束201引导到波导225a、225b、225c、225d的末端217。在其它实施例中，设置多个源212，所述多个源212生成多个射束201，所述多个射束201被引导到多个波导225中。来自波导225a、225b、225c、225d的返回射束291由多个循环器226发射到多个光学混合器284中的相应一个，其中每个相应的返回射束291与经过多个光波导(未示出)中的一个光波导沿着参考路径220发射的相应参考射束207b组合。
在一个实施例中，准直射束扇形233是一组准直激光射束236a、236b、236c、236d，在下文中统称为激光射束236，其可以用于扫描LIDAR系统。在一个示例实施例中，期望的射束236直径尺寸在约5毫米(mm)至约12mm的范围内，并且射束236之间的期望角度间距在约0.05度至约10度的范围内。在示例实施例中，准直射束扇形233的角扩展为约2度或在约0.5度至约4度的范围内或在约0.05度至约10度的范围内。在实施例中，通过使来自阵列215的末端217的发散射束201穿过单个准直光学器件229来生成各个准直射束扇形233。在一些实施例中，来自每个光纤225的射束201在准直光学器件229处重叠，但是，所述射束201作为分开的准直的射束236从准直器231出射。
在一个实施例中，波导阵列215是V形槽光纤阵列、多光纤连接器(例如，一个连接器中分开的光纤)、光纤束(例如，具有多个芯部的单根光纤)、平面光波回路、或紧密间隔开的光波导225的其它布置的一种。在一些实施例中，波导225之间的间距221在约100μm至约1000μm的范围内。在一个实施例中，在整个阵列215中，波导225之间的间距221大约相等。在其它实施例中，在整个阵列215中，波导之间的间距221是不规则的(例如，基于与那些波导225相关联的扇形233的某个角度区域的预期的目标距离来调整波导225之间的间距221)。在示例实施例中，波导阵列215是V形槽光纤阵列，其中间距221在约125μm至约250μm的范围内，而波导225的数量在约2至约16的范围内。在一些实施例中，波导225以线性方式布置以形成阵列215，然而在其它实施例中，波导225以二维方式布置以形成二维阵列。
在实施例中，射束201各自从波导225的末端217出射到由波导225区域的横截面大小、波导225材料和/或射束201的波长中的一项或多项确定的立体角中。在一个实施例中，将LIDAR系统与波导225兼容的任何光波长以及波导225的任意构造结合使用。在一个示例实施例中，来自源212的射束201的波长为约1550纳米(nm)，和/或波导225是单模，且在波导225的端面或末端217处模场直径为10μm。
图2F是示出根据实施例的使一个射束236a在准直扇形射束233中成形的图2E的准直器231的射线图的示例的框图。在实施例中，准直光学器件229是反射的或折射的。在一个示例实施例中，反射准直器231中的准直光学器件229是抛物面镜。在另一示例实施例中，折射准直器231中的准直光学器件229包括一个或多个折射透镜元件。在实施例中，光学器件229的有效焦距235确定准直射束直径246，并且与光纤间距221一起确定准直射束236之间的角间距。在实施例中，射束直径246取决于焦距(focal length)235、射束201的波长和波导225a的模场直径(MFD)，射束直径246由下面的公式5表示：
Figure BDA0002940837580000231
其中λ是射束201的波长，MFD是波导225a的模场直径，焦距是准直光学器件229的焦距235。在示例实施例中，该波长约为1500纳米(nm)或在约1400nm至约1600nm的范围内；焦距为约75毫米(mm)或在约50mm至约100mm的范围内；MFD为约10.5微米(μm)或在约8μm至约12μm的范围内。在实施例中，波导阵列215端面(例如，波导225a、225b的末端2l7a，2l7b)与准直光学器件229之间的间距被设计为约等于准直光学器件229的有效焦距235。
为了描述的目的，“约等于”是指间距在焦距235的阈值距离内(例如，约100μm)或在焦距235的阈值百分比内(例如，在焦距的约±0.5％以内)。这有利地实现了输出射束236的高度准直。在一些实施例中，对于需要一组会聚射束236的应用，阵列215端面和光学器件229之间的距离大于焦距235(例如，在焦距的约+0.5％以内)。在其它实施例中，对于需要一组会聚射束236的应用，阵列215端面与光学器件229之间的距离小于焦距235(例如，在焦距的约-0.5％以内)。在一些实施例中，期望具有稍微会聚的射束组236。
在一些实施例中，特定射束236a离开准直器231的角度θ239取决于将波导末端217a与准直光学器件229的光轴237分开的距离228和准直光学器件229的有效焦距235。这在下面以公式6表示：
Figure BDA0002940837580000241
其中y是间隔距离228，而焦距是准直光学器件229的焦距235。
在一些实施例中，图2F中描绘的布置可应用于具有可以将建模为单个元件的一个或多个光学元件的相对简单的准直系统。在其它实施例中，多个光学元件在波导末端217a、217b与准直器231的输出之间实现更短的距离，同时维持期望的输出射束直径246。在一个示例实施例中，光学器件被包括在波导225的末端217处，以增加每个射束201的发散度。
4.扇形射束扫描
如本文所述，扫描光学器件218的各种实施例用于调整准直射束扇形233在一个或多个平面内的方向。图2G是示出根据实施例的在一定角度范围内扫描图2E的准直扇形射束233的方向的示例部件的框图。图2H是示出根据实施例的图2G的部件的俯视图的框图。为了图2G-2H的目的，阵列215的波导225和准直射束扇形233的布置在第一平面内，所述第一平面例如图2G的平面或图2H中的垂直平面234。在实施例中，提供了扫描器241，该扫描器241在第一平面内例如在图2G的平面内调整准直扇形233的方向，以生成经修改的准直射束扇形233’。在一个实施例中，扫描器241是能够在第一平面内调整准直扇形233的方向的任何反射或折射光学器件。在示例实施例中，扫描器241是检流计、微机电系统(MEMS)镜、音圈致动镜或另一多边形扫描器。
在实施例中，还提供了第二扫描器，该第二扫描器在与第一平面不同的第二平面(例如与图2G中的图形的平面不同的第二平面)中调整准直射束扇形233’的方向。在一个实施例中，第二平面与第一平面大致正交(例如，约90度±10度)，例如与图2G的平面大致正交，或在图2H的平面内。
在一个实施例中，第二扫描器是具有多个小面(facet)245a、245b的多边形扫描器244，其以角速度249绕旋转轴线243旋转。在一个示例实施例中，多边形扫描器244围绕旋转轴线243以恒定的速度旋转。在示例实施例中，多边形扫描器244具有以下特征中的一个或多个：由具有Copal转向镜的
Figure BDA0002940837580000251
Sensors制造，内接直径为约2英寸或在约1英寸至约3英寸的范围内，每个镜子的高度为约0.5英寸或在约0.25英寸至约0.75英寸的范围内，总高度为约2.5英寸，在约2英寸至约3英寸的范围内，由三相无刷直流(BLDC)马达连同编码器极对开关供电，转速在从约每分钟1000转(rpm)到约5000rpm的范围内，减速比约为5:1，并且距准直器231的距离为约1.5英寸或在约1英寸到约2英寸的范围内。如图2H所绘示，在一个实施例中，多边形扫描器244的位置使得第一平面234(例如，其中布置了波导225和准直扇形233的图2G的平面)与多边形扫描器的旋转轴线243相交。如图2G所绘示，在另一实施例中，波导阵列215具有波导225，所述波导225在平行于旋转轴线243的方向(例如，图2G中的竖直方向)上堆叠。
包括准直器231和扫描器241、244的LIDAR系统的预期应用是用于使用扫描激射束的3D LIDAR成像系统。在实施例中，LIDAR成像系统的一个目标是在尽可能短的时间内提供尽可能高的场景覆盖度(例如，给定视场内的测量3D点尽可能多，或测量3D点之间的距离尽可能小)。在一个实施例中，与具有一个射束相比，在准直扇形233内具有同时扫描的多个射束236在给定的时间内增加覆盖范围，因此期望具有多射束系统。
在一个实施例中，准直射束扇形233’入射在多边形扫描器244的小面245a上，并且小面245a重定向到第二平面内的准直射束扇形233’。在一个实施例中，多边形扫描器的第一角度和第二角度在第二平面内限定扇形233”的扫描图案或扫掠，并且所述第一角度和所述第二角度被存储在处理系统250的存储器704中。当扫描器244和小面245a旋转时，扇形233”在第二平面内从第一角度到第二角度重定向，以执行射束的扫掠。在一个实施例中，当多边形扫描器244在小面245a、245b之间旋转时，激光源212和射束201保持接通，并且处理系统250被定时为仅使用扇形233”在第一角度和第二角度之间的扫描图案或扫掠，而不使用扇形233”的在该角度范围之外的部分，例如扇形233”的经过小面245a、245b之间的部分。在该示例实施例中，处理系统250被定时以便仅基于扇形233”沿着各自的小面245a、245b在第一角度和第二角度之间的扫描图案或扫掠来考虑返回射束291，而不基于扇形233”的经过在小面245a、245b之间的部分(例如，越过小面245a、245b之间的小面边缘的部分)来考虑返回射束291。在该实施例中，多边形扫描器244以恒定速度连续旋转，以使LIDAR系统的效率最大化。在实施例中，LIDAR系统执行射束的多个扫描图案或扫掠，并且对于每个扫描图案，对处理系统250进行定时，以便考虑在多边形扫描器244的各个小面245a、245b上在第二平面内从第一角度到第二角度对扇形233”重定向。
图4A是示出根据实施例的使用图2G的系统的准直扇形射束233”的多个交错扫掠442a、442b的示例的图像。在实施例中，扫掠442a是多边形扫描器244在第二平面内从第一角度到第二角度对扇形233”的第一次扫掠。在一个实施例中，在执行第一次扫掠442a之后，第一扫描器241以增量角444调整扇形射束233’在第一平面内的方向。在示例实施例中，交错扫掠442a、442b的增量角444为约0.5度或在约0.05度至约1度的范围内或在约0.005度至约2度的范围内。在示例实施例中，增量角444小于扇形射束233’在第一平面内的角扩展。在实施例中，在第一扫描器241以增量角444调整扇形射束233’之后，多边形扫描器244对准直扇形射束233”执行在第二平面内从第一角度到第二角度的第二扫掠442b。在图4A中用最浅的线表示第三次交错扫掠。尽管在图4A中描绘了三次交错扫掠442a、442b和最浅的线，但是可以以与以上针对扫掠442a、442b所讨论的相似的方式来使三个以上的扫掠交错。在一个实施例中，基于阵列215中波导225的间距221大于阈值间距(例如，约500μm或在约400μm至约600μm的范围内)，对扫掠442a、442b进行交错。
为了执行对扫掠442a、442b的交错，当在第一次扫掠442a期间从第一角度到第二角度扫描扇形射束233”时，对处理系统250进行定时以考虑返回射束291；然后，处理系统250将第二信号发射至扫描器241，以增量角444调整扇形射束233’在第一平面内；并且当在第二扫掠442b期间从第一角度到第二角度扫描扇形射束233”时，进一步对处理系统250进行定时以考虑返回射束291。在一个实施例中，当扇形射束233”从多个小面245中的一个反射并且在初始时间和最终时间之间在第二平面内从第一角度到第二角度扫描扇形射束233”时，对处理系统250进行定时，以考虑各个初始时间和最终时间之间的返回射束291。与使用单个射束291(例如，图2D的射束205’)相比，使射束扫掠442a、442b交错的一个优点是可以实现更高分辨率的返回射束291数据。
图4B是示出根据实施例的使用图2G的扫描系统对准直扇形射束233”进行的多次偏移扫掠442a’、442b’、442c’的示例的图像。在一个实施例中，扫掠442a’是多边形扫描器244在第二平面内从第一角度到第二角度对扇形233”的第一次扫掠。在一个实施例中，在执行第一次扫掠442a’之后，第一扫描器241以增量角444’调整扇形射束233’在第一平面内的方向。在一个示例性实施例中，用于偏移扫掠442a’、442b’的增量角444’为约2.5度或在约1度至约4度的范围内选择或在约0.5度至约6度的范围内选择。在示例实施例中，增量角444’约等于扇形射束233’在第一平面内的角扩展。在一实施例中，在第一扫描器241以增量角444’调整扇形射束233’之后，多边形扫描器244对准直扇形射束233”执行在第二平面内从第一角度到第二角度的第二次扫掠442b’。然后，在多边形扫描器244执行第三扫掠442c’之前，第一扫描器214以增量角444’调整扇形射束233’。尽管在图4B中绘示了三次偏移扫掠442a’、442b’、442c’，但是可以以与以上针对扫掠442a’、442b’、442c’所讨论的相似的方式来使三个以上的扫掠偏移。在一个实施例中，基于阵列215中的波导225的间距221小于阈值间距(例如，约100μm或在约80μm至约120μm的范围内)，使扫掠442a’、442b’、442c’偏移。
为了执行偏移扫掠442a’、442b’、442c’，当在第一次扫掠442a’期间从第一角度到第二角度对扇形射束233”进行扫描时，将处理系统250定时，以考虑返回射束291；然后，处理系统250将第二信号发射至扫描器241，以增量角444’调整扇形射束233’；并且当在第二次扫掠442b’期间从第一角度到第二角度对扇形射束233”进行扫描时，将处理系统250进一步定时，以考虑返回射束291。类似地，当多边形扫描器244在第三扫掠442c’期间从第一角度到第二角度对扇形射束233”进行扫描时，同样地将处理器定时，以考虑返回射束291。与使用单个射束291(例如，图2D的射束205’)或如图4A中所绘示的交错相比，使射束扫掠442a’、442b’、442c’偏移的一个优点是视场的填充更快。
图4C是示出根据实施例的使用图2G的系统的准直扇形射束233”的一次扫掠442”的示例的图像，其中阵列215中的波导225不规则地间隔开。在实施例中，扫掠442”包括具有第一间距448a的多个第一射束446a；具有第二间距448b的多个第二射束446b；以及具有第三间距448c的多个第三射束446c，其中第三间距448c大于第二间距448b，而第二间距448b大于第一间距448a。在示例实施例中，第一间距448a为约0.1度或在约0.05度至约0.15度的范围内。在示例实施例中，第二间距448b为约0.2度或在约0.1度至约0.3度的范围内。在示例实施例中，第三间距448c为约0.4度或在约0.3度至约0.5度的范围内。
在实施例中，第一多个射束446a可归因于具有第一间距221a的第一多个波导225；第二多个射束446b可归因于具有第二间距221b的第二多个波导225；而第三多个射束446c可归因于具有第三间距221c的第三多个波导225，其中第三间距221c大于第二间距221b，而第二间距大于第一间距221a。在示例实施例中，第一间距221a为约100μm或在约80μm至约120μm的范围内，第二间距221b为约200μm或在约160μm至约240μm的范围内，而第三间距221c为约400μm或在约320μm至约480μm的范围。尽管图4C绘示了扫掠442”的三个不同区域且在每个区域中具有不同的射束间距，但是本发明不限于三个不同的区域，并且可以生成具有不同射束间距的少于三个或多于三个扫掠区域。
在另一实施例中，调整阵列215的间距221，以使扫掠442”的每个区域446的间距448基于与该区域446相对应的目标距离。在示例性实施例中，在射束之间具有较小间距448a的区域446a被布置成使得，扫掠442”的区域446a对应于较大的目标距离(例如，超过100m或图3B中的射束344)，而具有较大间距448c的区域446c被布置成使得，区域446c对应于较小的目标距离(例如，小于100m或图3B中的射束342、346)。在另一示例实施例中，形成扫掠442”的射束扇形233”在更长的距离上提供更密集的覆盖范围(例如，朝向在车辆310正前方的表面349定向的射束342的较大的角扩展，以及大致平行于车辆310的行进方向313的射束344的较小的角扩展，如图3B所绘示)。
图6A是示出用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法600的流程图。尽管为了说明的目的，在图6A中并且在随后的流程图6B和图6C中将步骤绘示为以特定顺序的整体步骤，但是在其它实施例中，以不同的顺序、或在时间上重叠地、连续地或并行地执行一个或多个步骤或其部分，或者省略一个或多个步骤或其部分，或者添加一个或多个附加步骤，或者以某种方式组合来更改方法。
在步骤601中，使用布置在第一平面内的波导阵列生成多个射束，其中每个射束从阵列中的相应波导发射。在实施例中，在步骤601中，使用布置在第一平面(例如，图2E/2G的平面或图2H的平面234)中的波导阵列215生成多个射束201，其中每个射束201从阵列215的波导225的相应末端217发射。在一个示例实施例中，在步骤601中，处理系统250将信号发射到源212以发射一个射束201，该射束201被分成多个射束，该多个射束耦合到阵列215的每个波导225中。在另一示例实施例中，在步骤601中，处理系统将信号发射到多个源212，其中每个源212都发射相应射束201，该相应射束201被耦合到阵列215的每个相应波导225中。
在步骤603中，利用准直器将在步骤601中生成的射束成形为在第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。在实施例中，在步骤603中，利用准直器231将由波导阵列215生成的射束201成形为准直射束236的扇形233，其中扇形233在第一平面内具有角扩展。在示例实施例中，扇形233在与将波导225布置在阵列215中相同的第一平面(例如，图2G的平面)内具有角扩展。在另一实施例中，在步骤603中，对波导阵列215的末端217相对于准直光学器件229的焦平面的一个或多个位置、焦距235、波导225之间的间距221以及将波导225与光轴237分开的距离228进行调整，以实现具有期望的角扩展和射束直径246的扇形233。在一些实施例中，这些参数值中的一个或多个是机械设计的。在其它实施例中，在波导225后面起作用的其它装置(例如，开关网络)可以用于电子地控制到多个波导225的输出。
在步骤605中，接收第一角度和第二角度，该第一角度和该第二角度限定扇形233在不同于第一平面的第二平面内的扫描图案或扫掠的角度范围。在实施例中，在步骤605中，使用输入装置712和/或指示装置716输入第一角度和第二角度，和/或通过处理系统250的网络链路778接收所述第一角度和所述第二角度，并且将所述第一角度和所述第二角度存储在处理系统250的存储器704中。在示例实施例中，所述第一角度和所述第二角度限定在第二平面(例如，图2H的平面)内多边形扫描器244对扇形233”扫过的初始角度和最终角度。在示例实施例中，扫描图案或扫掠的角度范围为约20度或在约15度至约25度的范围内，并且所述第一角度为约-15度或在约-20度至约-10度的范围内，而所述第二角度约为+5度或在约0度至约+10度的范围内，其中相对于平面234的法线测量所述第一角度和所述第二角度。在其它实施例中，角度范围取决于扇形233的角扩展，从而处于第一角度(例如，最小扫掠角度)的扇形233的底部和处于第二角度(例如，最大扫掠角度)的扇形233的顶部覆盖所关注的竖直视场(FOV)。
在步骤607中，使用第二扫描器从第一角度到第二角度调整扇形在第二平面内的方向。在示例实施例中，利用多边形扫描器244执行步骤607，从而使用多边形扫描器244在第二平面内从第一角度到第二角度对扇形233”进行调整，该多角形扫描器244以恒定速度围绕旋转轴线243旋转。在示例实施例中，在步骤607中，对处理系统250进行计时，以便当多边形扫描器244在初始时间和最终时间之间在第二平面内从第一角度到第二角度对扇形233”进行扫描时，考虑返回射束291。在实施例中，处理系统250被定时，以在对扇形233”扫描过的角度在第二平面内在第一角度和第二角度之间限定的角度范围之外时拒绝返回射束291。在示例实施例中，为了交错扫掠，在步骤607中，多边形扫描器244从第一角度到第二角度扫描扇形233”以形成扫掠442a。在另一示例实施例中，为了偏移扫掠，在步骤607中，多边形扫描器244从第一角度到第二角度扫描扇形233”以形成扫掠442a’。在其它实施例中，在步骤607中，为了具有不规则的射束间距的扫掠，在步骤607中，多边形扫描器244从第一角度到第二角度扫描扇形233”，以形成扫掠442”。在该示例实施例中，为了具有不规则射束间距的扫掠，可以省略步骤609、611。在其它实施例中，为了具有不规则射束间距的扫掠，如下所述执行步骤609、611。
在步骤609中，基于阵列中的波导的间距，以增量角调整扇形在第一平面内的方向。在实施例中，在步骤609中，基于阵列215中波导225的间距221，扫描器241以增量角444、444’调整扇形233”在第一平面内的方向。在实施例中，在步骤609中，增量角444用于交错扫掠。在另一示例实施例中，在步骤609中，增量角444’被用于偏移扫掠。在一个实施例中，在步骤607之后执行步骤609。在另一实施例中，在步骤609中，处理系统250将信号发射到扫描器241，以增量角444、444’调整扇形233’在第一平面内的方向。在其它实施例中，步骤609不是由扫描器241执行的，而是通过将多边形扫描器244的不同角度的小面245用于步骤607的重复迭代来执行的，其中小面245相对于旋转轴线243的角度不同。在示例实施例中，在步骤607的第一次迭代中使用第一多边形小面245a以执行第一次扫掠442a，并且在步骤607的第二次迭代中使用第二多边形小面245b以进行第二扫掠442b，其中第二多边形小面245b相对于旋转轴线243的角度与小面245a不同，从而以增量角444调整扫掠442b。在一个实施例中，多边形扫描器244的相邻小面245相对于旋转轴线243以不同的增量成角度。在示例实施例中，不同的增量在从约3度到约7度的范围内。在另一示例实施例中，每个相邻的小面245具有不同的增量，使得整个多边形扫描器244的角增量的总范围在从约15度到约35度的范围内。
在步骤611中，确定已经执行了多少次扇形扫掠。在示例实施例中，步骤611中的确定基于处理系统250的存储器704中的存储字段，其中该存储字段是针对步骤607的每次迭代递增的计数器。另外，在步骤611中，处理系统250将确定的扫掠次数与期望的扫掠次数(例如两次、四次等)进行比较。如果确定的扫掠次数小于期望的扫掠次数，则方法600移动返回到步骤607。如果确定的扫掠次数等于期望的扫掠次数，则该方法结束。在期望的扫掠次数是四次的示例实施例中，步骤611将方法600移回到步骤607三次，直到在步骤611中确定扫掠的次数等于期望的扫掠次数为止，然后方法600结束。
5.扇形射束的步进扫描
在实施例中，由于返回射束291的往返行程延迟，当通过扫描光学器件218扫描射束时，返回射束291的接收模式将从发射射束205’的发射模式横向偏移或“走离”。对于图2G的波导阵列215，返回射束291可以在每个相应波导225的末端217处从透射射束201横向偏移或“走离”。图5A是示出根据实施例的在图2G的系统200”中针对各种目标距离和扫描速度的射束走离的示例的图像。横轴502表示目标距离，纵轴522表示使用扫描光学器件218(例如，扫描器241、多边形扫描器244)的射束的扫描速度。如图5A所绘示，当未扫描射束时(底端行)，不存在射束走离，因为聚焦返回射束291的图像518a以光纤末端217为中心，这表明在短目标距离内没有射束走离，而聚焦的返回射束291的图像518b也以光纤末端217为中心，这表明在远目标距离内没有射束走离。当以中等扫描速度扫描射束时(图5A中的中间行)，在聚焦返回射束291的图像518a和光纤末端217之间观察到中等射束走离519a，而在聚焦的返回射束291和光纤末端217的图像518b之间观察到更大的射束走离5l9b。当以高扫描速度扫描射束时(图5A的顶行)，在短距离观察到的射束走离521a超过在中等扫描速度下的射束走离519a，在较大距离内观察到的射束走离521b超过在中等扫描速度下的射束走离519b。因此，射束走离随着目标距离和扫描速度的增加而增加。在实施例中，增加的目标距离引起时间延迟，在该时间延迟期间，图像518a、518b从纤维芯的末端217移走。因此，在一些实施例中，操作LIDAR以适当地解决该走离。在一个实施例中，这种操作基于图像518的直径(例如，不大于图像518的直径的一半)来限制射束走离519。
图5B是示出根据实施例的在LIDAR系统中针对各种扫描速率的耦合效率-目标距离的示例的曲线图。横轴502表示以米(m)为单位的目标距离，而纵轴530表示无单位的耦合效率。在实施例中，耦合效率与射束走离519成反比。第一轨迹532a绘示了基于不扫描射束而针对各种目标距离的聚焦返回射束291到光纤末端217中的耦合效率。对于很宽的目标距离，耦合效率保持相对较高且恒定。第二轨迹532b绘示了基于射束的中等扫描速率而针对各种目标距离的聚焦返回射束291到光纤末端217中的耦合效率。在实施例中，中等扫描速率下的耦合效率在中等目标距离(例如，约120m)处达到峰值，然后随着目标距离的增加而下降。第三轨迹532c绘示了基于射束的高扫描速率而针对各种目标距离的聚焦返回射束291到光纤末端217中的耦合效率。在实施例中，高扫描速率的耦合效率在小目标距离(例如，约80m)处达到峰值，然后随着目标距离的增加而下降。
在此认识到，当没有扫描或扫描速率最小时，避免了射束走离519、521，并且耦合效率(以及信噪比或SNR)得以优化。因此，在第二平面内从第一角度到第二角度使用步进扫描，为图2G的系统中的准直扇形233”开发了扫描图案。在实施例中，步进扫描使扇形233”在第一角度和第二角度之间的一个或多个增量角处停止持续最小时间段。在示例实施例中，第一角度和第二角度之间的增量角是期望LIDAR数据(例如，返回射束291)的那些角度。在实施例中，基于返回射束291从目标的返回行程时间和返回射束291中波形的持续期(例如，脉冲波形的持续期)来调整最小时间段，以确保在将波导移动到下一个角度之前，在每个波导末端217处接收返回射束291的波形。在另一实施例中，步进扫描使增量角之间的那些角度的扫描速率最大化，从而使扫描图案的时间效率最大化。该步进扫描同时使扫描图案的耦合效率和时间效率最大化。
在实施例中，除了多边形扫描器244之外，图2G-2H的系统还包括第二扫描器252，该第二扫描器252在第二平面(例如，图2H的平面)中调整扇形233”。在示例实施例中，多边形扫描器244具有比第二扫描器252更大的视场(FOV)。在另一示例实施例中，第二扫描器252是具有快速但最小的容受度(tenability)的基于硅光子的光学相控阵列。图4G是示出根据实施例的基于图2H的系统中的扫描器244、251扇形233”在第二平面内的扫描方向的示例的曲线图。第一轨迹435表示基于多边形扫描器244在第二平面内扇形233”的调整方向。横轴430以任意单位表示时间，而纵轴432表示归因于多边形扫描器244在第二平面内扇形233”的方向。在实施例中，由于多边形扫描器244以恒定速度旋转，因此轨迹435表示在第二平面内从第一角度(例如，在t＝0处)到第二角度(例如，在某个时间t处)扇形233”的恒定扫描速率。基于轨迹435的扇形233”的恒定扫描速率将降低返回射束291的耦合效率和SNR，这是因为该恒定扫描速率会引入走离519、521(例如，当恒定扫描速率超过走离阈值速率时)。因此，如下所述进行进一步的调整。
第二轨迹437表示基于第二扫描器252在第二平面内扇形233”的调整方向。有利地选择第二轨迹437，使得当与第一轨迹435组合时，在第二平面内扇形233”的净调整方向是具有优化参数的步进扫描。横轴430以任意单位表示时间，而纵轴434表示归因于第二扫描器252在第二平面内扇形233”的方向。在实施例中，轨迹437是锯齿图案，其频率在从约5赫兹(Hz)至约25Hz的范围内，并且其角范围(例如，最大角度和最小角度之间的间距)在约15度至约35度的范围内。在其它实施例中，使用正弦、三角形或其它任意图案来代替锯齿形图案轨迹437，只要该另一图案在角度范围的中间激励更大的密度即可。在一个实施例中，轨迹437的锯齿图案具有倾斜部分和垂直部分，其中倾斜部分在与轨迹435的方向相反的方向上延伸相同的时间增量。在一个示例实施例中，将倾斜部分的斜率选择为等于轨迹435的斜率且与轨迹435的斜率相反，从而在时间持续期450内实现步进扫描的平坦部分。
第三轨迹439表示基于多边形扫描器244和第二扫描器252(例如，基于扫描435、437的组合)在第二平面内扇形233”的净调整方向。纵轴436表示在第二平面内扇形233”的净调整方向。在实施例中，轨迹439的步进扫描包括具有时间持续期450和角增量454高度的步进。在示例实施例中，角增量454在从约0.05度到约0.2度的范围内。在实施例中，轨迹439的步进扫描表示扇形233”的扫描角在时间持续期450内以第一角度和第二角度之间的增量角(例如，由角增量454分开的角度)停止。另外，在实施例中，轨迹439的步进扫描表明扫描速率在增量角之间最大化。这有利地最大化在每个增量角处接收的返回射束291的收集效率和SNR，同时又最大化扫描图案的时间效率。
在实施例中，选择角增量454，使得在第二平面上在第一角度和第二角度之间以期望的角分辨率获得返回射束291数据。在另一实施例中，选择时间持续期450以提供足够的时间以从波导阵列215发射射束201，接收返回射束291的初始部分以及在波导末端217处接收返回射束291的其余部分。图4F描绘了一个实施例，其中，时间持续期450基于返回行程时间420(例如，基于返回射束291的初始部分的发射时间424和返回时间426)和附加时间422之和，该附加时间422基于返回射束291中波形的持续期。这有利地确保在扇形233”从步进扫描的第一增量角移动到第二增量角之前，在每个波导末端217处接收返回射束291中的波形。
图6B是示出根据实施例的用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法630的流程图。步骤631、633和635类似于步骤601、603、605。
在步骤637中，使用多边形扫描器244和第二扫描器252在第二平面内同时调整扇形233”的方向。在实施例中，在步骤637中，处理系统250将信号发射到多边形扫描器244和第二扫描器252，其中，发给多边形扫描器244的信号使扫描器244以恒定速度旋转，而发给扫描器252的信号使扫描器252例如基于锯齿轨迹437调整扇形233”在第二平面内的方向。
在步骤639中，以步进函数的在第一角度和第二角度之间的增量角，从阵列215的波导发射射束201，而在阵列215的波导处接收返回射束291中。在实施例中，增量角由步进扫描轨迹439的角增量454定义。在一个实施例中，扇形233”的扫描以第一角度开始。基于步进扫描轨迹439，以最大扫描速率在第一角度和第一增量角之间扫描扇形233”。在第一增量角处，扇形233”保持处于第一增量角持续时间持续期450。在实施例中，在步进扫描轨迹439期间，源212和射束201仍然接通。在示例实施例中，处理系统250被定时以排除在角增量454之间接收的返回射束291以及考虑在时间持续期450期间在步进扫描轨迹439的每个角增量454处接收的返回射束291。在时间持续期450内在波导阵列215的末端处接收返回射束291。在实施例中，在时间持续期450之后，以最大扫描速率从第一增量角到第二增量角以角增量454重新扫描扇形233”。在示例实施例中，扇形233”保持在第二增量角持续时间持续期450，而处理系统250被定时以考虑在时间持续期450内接收的返回射束291。针对第二平面上的第一角度和第二角度之间的每个增量角重复该操作。
在步骤641中，确定是否要执行对扇形233”的附加扫描或扫掠。步骤641中的确定基于将扇形233”的已完成的扫掠次数与扇形233”的期望的扫掠次数进行比较。在示例实施例中，扇形233”的完成的扫掠次数是计数器，其存储在处理系统250的存储器704中，并且针对步骤639的每次迭代而递增。在另一示例实施例中，扇形233”的期望的扫掠次数是存储器704中的存储数量。如果步骤641中的确定是肯定的，则方法630移至框637。如果步骤641中的确定是否定的，则方法630结束。在一些实施例中，可以在方法630中利用方法600的步骤609，以使得方法630可以用于执行交错或偏移扫掠。
6.用光开关扫描
在一些实施例中，LIDAR系统具有比阵列215中的波导225的数量更少的处理通道(例如，循环器226的数量，光学混合器284，路径220、222、224内的波导的数量)。这有利地允许LIDAR系统更简单且更具成本效益。但是，为了处理来自该系统中阵列215的多个波导225的返回射束291数据，系统会在各个时间段在阵列215中的一个或多个波导225之间进行切换，以使得用于发射射束201和接收返回射束291的波导225的数量不超过处理通道的数量。
在实施例中，使用光开关将光单独地导引至任何波导225，以在每个波导末端217处对测量进行临时序列化。这有利地允许在角度测量方向之间几乎瞬时切换的情况下在空间上分配LIDAR资源。在示例实施例中，采用具有小于50纳秒的切换时间的快速光开关。该切换时间比许多应用中使用的测量积分时间短得多。在另一示例实施例中，集成的光子学平台还可以使用多模式干涉结构来形成低损耗开关的基础，以对输入进行适当的相位控制。
图2I是示出根据实施例的在图2G的系统中用于在阵列215的一个或多个波导225之间切换的示例光开关247的框图。在一个实施例中，每个光开关247都是耦合到移相器的MMI开关。选择性地激活第一对开关247a、247b，以将射束201路由到波导225a、225b(例如，开关247a)或路由到波导225c、225d(例如，开关247b)。选择性地激活第二对开关247c、247d，以将射束201路由到波导225a(例如，开关247c)或路由到波导225b(例如，开关247d)。选择性地激活第三对开关247e、247f，以将射束201路由到波导225c(例如，开关247e)或路由到波导225d(例如，开关247f)。
在示例实施例中，基于从处理系统250发射到开关247的信号来激活开关247。在一个示例实施例中，LIDAR系统在第一时间段内通过处理系统250通过波导225a发射射束201，该处理系统250向第一多个开关(例如，开关247a、247c)发射信号。在第一时间段期间，从第一波导225a的末端217发射射束201，并且在第一波导225a的末端接收返回射束291。类似地，在另一示例实施例中，LIDAR系统通过处理系统250在第二时间段(例如，在第一时间段之后)内通过波导225b发射射束201，该处理系统250将信号发射到第二多个开关(例如，开关247a、247d)。然后，在第二时间段内，从第二波导225b的末端217发射射束201，并且在第二波导225b的末端217处接收返回射束291。该系统可以类似地在各个时间段内在一个或多个波导225之间切换，从而在各个时间段内从一个或多个波导225发射射束201和接收返回射束291。
图4F是示出根据实施例的时间轴410的示例的图，该时间轴410表示相邻波导225之间的切换时间值。激活时间424表示在第一时间段开始时第一波导225a被激活，例如，处理系统250在激活时间424将信号发射到开关247a、247c。从激活时间424开始，第一波导225a的末端217发射射束201。等待返回行程时间420，以便在返回时间426在第一波导225a的末端217接收返回射束291的第一部分。然后等待波形时间422，直到达到切换时间428，该波形时间422基于返回射束291的波形的持续时间(例如3.6微秒)，该切换时间是系统200”从第一波导225a切换到第二波导225b的时间。
因此，在一个实施例中，第一波导225a保持被激活的第一时间段是返回行程时间420和射束的持续时间之和(例如，波形时间422)。在示例实施例中，在第一时间段之后，处理系统250在第二时间段内将信号发射到开关247a、247c以停用波导225a，而在第二时间段内将信号发射到开关247a、247d以激活波导225b，其中第二时间段的持续时间约等于第一时间段的持续时间。在实施例中，系统200”以这种方式在阵列215的每个波导225之间切换。在其它实施例中，系统200”每次在一个以上的波导225之间切换，其中波导225保持激活的时间段约等于上述第一时间段。在这些实施例中，系统200”具有多于一个的处理通道(例如，多于一个循环器226、混合器284等)。在另一实施例中，在第一时间段的结束与第二时间段的开始之间的切换时间(例如，约50纳秒)小于LIDAR系统中返回射束291的积分时间，因此在切换期间不会产生占空比损失。
在涉及光开关的实施例中，慢速机械扫描器与正交于扫描方向布置的开关阵列配对。在一个实施例中，图2G的扫描器241是慢速机械扫描器，其在由第一平面(例如，图2G的平面)和第二平面(例如，与图2G的平面正交的平面)限定的二维空间中调整扇形射束233的总轨迹，而扇形射束233角扩展保持在第一平面内或在与第一平面平行的平面内对齐。在该实施例中，省略了多边形扫描器244。在示例实施例中，慢速机械扫描器241是检流计、MEMS镜和基于音圈的转向镜之一。
图4D是示出了根据实施例用机械扫描器241扫描的准直扇形射束233的总轨迹406的曲线图400。横轴402指示扇形射束233在第一平面(例如，图2G的平面)内的方向或角度。纵轴404指示扇形射束233在第二平面(例如，垂直于图2G的平面)中的方向或角度。图4E是示出根据实施例的图4D的总轨迹406和基于波导225之间的切换从波导阵列215接收的返回射束数据410的曲线图。在实施例中，扫描器241开始调整轨迹406的第一分量(例如，扇形233在第一平面内的角度)和轨迹406的第二分量(例如，扇形233在第二平面内的角度)。在扫描器241沿着轨迹406对扇形233进行调整期间，扇形233保持平行于第一平面。在沿着轨迹406的每个增量位置处，LIDAR系统在阵列215中的一个或多个波导225之间切换，从而在每个增量位置处遍及扇形233的角扩展410收集返回射束291数据。
在实施例中，图4D的轨迹406展示了机械扫描器241的总扫描轨迹。在实施例中，点阵列410展示了在垂直扫描过程期间可以通过在横向位置之间顺序地切换(例如，在波导225之间切换)来访问的各个点。在实施例中，图4E示出可以通过该方法来合成合理的点网格。为了使该方法与也在横向扫描的机械扫描器241一起工作，将在任意位置利用开关节点的子集。该子集可以横向地移位以抵消总体扫描的移动。结果将是样本区域的矩形网格。
图6C是示出根据实施例的用于操作LIDAR系统的扫描器的示例方法650的流程图。在实施例中，步骤651、653、655类似于步骤601、603、605。
在步骤657中，在增量时间段内，扫描器241以第一增量角调整轨迹406的第一分量(例如，扇形233在第一平面内的角度)。在实施例中，第一增量角在约0.05度到约0.2度的范围内。在步骤659中，扫描器241在增量时间段内以第二增量角调整轨迹406的第二分量(例如，扇形233在第二平面内的角度)。在实施例中，第二增量角在约0.05度至约0.5度的范围内。在实施例中，在步骤657和659中，处理系统250将一个或多个信号发射到扫描器241，从而调整轨迹406的第一分量和第二分量。在其它实施例中，处理系统250将一个信号发射到扫描器241以开始在轨迹406上进行调整。在实施例中，第二增量角大于第一增量角。在另一实施例中，第二增量角与第一增量角的比率为至少2或至少5或至少10。
在步骤661中，在扫描器241在步骤657和659中调整轨迹406之后，LIDAR系统在相应的时间段内在阵列215中的每个波导225之间进行切换，以使得在相应的时间段内，从每个波导末端217发射射束201，而在每个波导末端217处接收返回射束291。在示例实施例中，处理系统250将一个或多个信号发射到开关247以在每个波导225之间切换。在实施例中，扫描器241的速度足够慢，使得在扫描器241将轨迹406重新调整到沿着轨迹406的不同位置之前，可以执行步骤661以在阵列215的每个波导225之间切换。在示例实施例中，扫描器241的速度在从每秒约500度到每秒约1000度的范围内，或进一步在从每秒约200度到每秒约1500度的范围内。
在步骤663中，确定轨迹406的第二分量(例如，扇形233在第二平面内的角度)是否达到在步骤655中接收的第一角度或第二角度。在实施例中，扫描器241将数据发射至处理系统250，该处理系统250将扇形233在第二平面内沿着轨迹406的每个位置的角度包括在内，并且处理系统250将该角度与存储在处理系统250的存储器704中的第一角度和第二角度进行比较。当接收到的角度不与第一角度或第二角度对应时，方法650返回框657。这表明轨迹406的第二分量(例如，垂直404)尚未达到第一角度或第二角度(例如，在图4D中的0度或7.5度)。因此，方法650移回到框657，使得扫描器241继续调整轨迹406。如果接收的角度与第一角度或第二角度相对应，则方法650移至框665，在框665处，确定扇形233是否尚未被扫描经过预定次数的扫掠。在示例实施例中，在步骤655中，当在步骤663中确定接收到的角度与第一角度或第二角度相对应时，处理系统250递增存储在存储器704中的扇形233的扫掠次数的计数器。在步骤665中，处理器250确定存储在存储器704中的扫掠次数是否小于存储在存储器中的预定扫掠次数。如果步骤665中的确定是肯定的，则方法650返回框657。如果步骤665中的确定是否定的，则方法650结束。在示例实施例中，图4D描绘了沿着纵轴404在第一角度和第二角度之间对扇形233的四次扫掠。
7.车辆控制概述
在一些实施例中，至少部分地基于从安装在车辆上的高分辨率多普勒LIDAR系统接收的数据来控制车辆。
图3A是示出根据实施例的包括安装在车辆310上的至少一个高分辨率多普勒LIDAR系统320的示例系统301的框图。在一个实施例中，LIDAR系统320类似于LIDAR系统200、200’、200”中的一个。车辆具有由星号311指示的质心，并且沿箭头313给出的向前方向行驶。在一些实施例中，车辆310包括响应于来自处理器(诸如处理系统250的车辆控制模块272)的信号而操作的部件，诸如转向或制动系统(未示出)。在一些实施例中，车辆具有车载处理器314，诸如图8中所绘示的芯片组。在一些实施例中，如图7所示，车载处理器314与远程处理器进行有线或无线通信。在实施例中，LIDAR系统的处理系统250与机载处理器314可通信地耦接，或者使用LIDAR的处理系统250执行车载处理器314的操作，以使得车辆控制模块272使得处理系统250将一个或多个信号发射到车辆的转向或制动系统，以控制车辆的方向和速度。高分辨率多普勒LIDAR使用从一侧扫向另一侧的扫描射束322，该扫描射束由未来射束323表示，经过方位角视场324以及经过垂直角(图3B)，照亮车辆310周围的斑点。在某些实施例中，视场是360度方位角。在一些实施例中，倾斜角视场是从约+10度到约-10度或其子集。
在一些实施例中，车辆包括辅助传感器(未示出)，除却本领域众所周知的，诸如GPS传感器、里程表、转速表、温度传感器、真空传感器、电压或电流传感器。在一些实施例中，包括陀螺仪330以提供旋转信息。
图3B是示出根据实施例的包括安装在车辆310上的至少一个高分辨率LIDAR系统320的示例系统301’的框图。在实施例中，LIDAR系统320类似于系统200或系统200’或系统200”。在一个实施例中，车辆310基于箭头313沿向前方向在表面349(例如，道路)上移动。LIDAR系统320在从第一射束342到第二射束346的角度范围326内扫描，该第一射束以相对于箭头313测量的第一角度定向，该第二射束以相对于箭头313测量的第二角度定向。在一个实施例中，第一角度和第二角度是在相对于表面349大致正交定向的垂直平面内的垂直角度。为了描述的目的，“大致正交”是指在表面349的法线的±20度以内。
8.计算硬件概述
图7是示出了可以在其上实施本发明的实施例的计算机系统700的框图。计算机系统700包括诸如总线710之类的通信机制，用于在计算机系统700的其它内部件和外部件之间传递信息。信息被表示为可测量现象的物理信号，通常是电压，但是在其它实施例中包括诸如磁相互作用，电磁相互作用，压力相互作用，化学相互作用，分子原子相互作用和量子相互作用这样的现象。例如，南北磁场或零和非零电压代表二进制数字(位)的两个状态(0、1)。其它现象可以代表较高基数的数字。测量之前的多个同时量子状态的叠加表示量子位(qubit)。一个或多个数字序列构成用于表示数字或字符代码的数字数据。在一些实施例中，被称为模拟数据的信息由特定范围内的几乎连续的可测量值表示。计算机系统700或其一部分构成用于执行本文描述的一种或多种方法的一个或多个步骤的装置。
二进制数字序列构成数字数据，用于表示数字或字符代码。总线710包括许多并行的信息导体，因而信息在耦合到总线710的装置之间快速传递。用于处理信息的一个或多个处理器702与总线710耦合。处理器702对信息执行一组操作。该组操作包括从总线710引入信息并将信息放置在总线710上。该组操作通常还包括比较两个或多个信息单元，移动信息单元的位置以及诸如通过加法或乘法对两个或多个信息单元进行组合。由处理器702执行的一系列操作构成计算机指令。
计算机系统700还包括耦合到总线710的存储器704。存储器704，诸如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置，存储包括计算机指令的信息。动态存储器允许计算机系统700改变其中存储的信息。RAM允许独立于相邻地址处的信息来存储和检索存储在被称为处理器地址的位置处的信息单元。存储器704还被处理器702用来在计算机指令的执行期间存储临时值。计算机系统700还包括耦合到总线710的只读存储器(ROM)706或其它静态存储装置，用于存储不被计算机系统700改变的静态信息，包括指令。还耦合到总线710的是非易失性(持久性)存储装置708，诸如磁盘或光盘，用于存储包括指令在内的信息，即使计算机系统700关闭或以其它方式断电，所述信息也仍然存在。
包括指令的信息从外部输入装置712(诸如包含由人类用户操作的字母数字键的键盘或传感器)提供给总线710以供处理器使用。传感器检测其附近的状况，并且将这些检测结果转换成与用于表示计算机系统700中的信息的信号兼容的信号。耦合到总线710的主要用于与人互动的其它外部装置包括显示装置714，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，用于呈现图像；以及指示装置716，诸如鼠标或轨迹球或光标方向键，用于控制显示器714上呈现的小光标图像的位置714并且发出与显示在显示器714上的图形元素相关的命令。
在所示的实施例中，诸如应用特定集成电路(IC)720之类的专用硬件被耦合到总线710。专用硬件被配置为针对专用目的而足够快地执行处理器702不执行的操作。应用特定IC的示例包括：图形加速卡，其用于生成显示器714的图像；加密板，其用于对经由网络发送的消息进行加密和解密；语音识别；以及与特殊外部装置的接口，所述特殊外部装诸如重复执行某些复杂操作序列的机械臂和医疗扫描设备，所述复杂操作序列可以在硬件中更有效地实施。
计算机系统700还包括耦合到总线710的通信接口770的一个或多个实例。通信接口770提供与各种外部装置的双向通信耦合，所述外部装置使用它们自己的处理器进行操作，诸如打印机、扫描仪和外部磁盘。通常，耦合是通过网络链路778进行的，该网络链路778连接到本地网络780，具有自己的处理器的各种外部装置连接到本地网络780。例如，通信接口770可以是个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(USB)端口。在一些实施例中，通信接口770是提供到相应类型的电话线的信息通信连接的集成服务数字网络(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或电话调制解调器。在一些实施例中，通信接口770是电缆调制解调器，其将总线710上的信号转换成用于通过同轴电缆进行通信连接的信号，或转换成用于通过光纤电缆进行通信连接的光信号。作为另一示例，通信接口770可以是局域网(LAN)卡，以提供到诸如以太网之类的兼容LAN的数据通信连接。也可以实施无线链接。诸如声波和电磁波(包括无线电波、光波和红外波)之类的载波在没有电线或电缆的情况下穿过空间传播。信号包括载波的振幅、频率、相位、极化或其它物理属性的人为变化。对于无线链路，通信接口770发送和接收电信号、声信号或电磁信号，包括红外信号和光信号，其携带信息流，诸如数字数据。
本文使用术语计算机可读介质来指代任何参与向处理器702提供信息的介质，包括用于执行的指令。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储装置708。易失性介质包括例如动态存储器704。传输介质包括例如同轴电缆，铜线，光纤电缆和在没有电线或电缆的情况下在空中传播的波(诸如声波和电磁波，包括无线电波，光波和红外线波)。本文使用术语计算机可读存储介质来指代除传输介质之外的任何参与向处理器702提供信息的介质。
计算机可读介质的常见形式包括，例如，软磁盘，软盘，硬盘，磁带或任何其它磁介质，光盘ROM(CD-ROM)，数字视频盘(DVD))或任何其它光学介质，打孔卡，纸带或任何其它带孔图案的物理介质，RAM，可编程ROM(PROM)，可擦除PROM(EPROM)，FLASH-EPROM或任何其它内存芯片或盒带，载波或计算机可读取的任何其它介质。术语“非暂时性计算机可读存储介质”在本文中用于指代除载波和其它信号以外的参与向处理器702提供信息的任何介质。
在一种或多种有形介质中编码的逻辑包括计算机可读存储介质上的处理器指令和专用硬件(诸如ASIC 720)中的一者或两者。
网络链路778通常通过一个或多个网络向使用或处理信息的其它装置提供信息通信。例如，网络链路778可以通过本地网络780提供到主机782或到由互联网服务提供商(ISP)操作的设备784的连接。ISP设备784进而通过网络中的公共全球分组交换通信网络(现在通常被称为因特网790)提供数据通信服务。响应于通过互联网接收到的信息，连接到因特网的称为服务器792的计算机来提供服务。例如，服务器792提供表示视频数据的信息以供在显示器714上呈现。
本发明涉及计算机系统700用于实现本文描述的技术的用途。根据本发明的一个实施例，那些技术由计算机系统700响应于处理器702执行包含在存储器704中的一个或多个指令的一个或多个序列来执行。这些指令，也称为软件和程序代码，可以从另一个计算机可读介质(诸如，存储装置708)被读入到存储器704中。执行在存储器704中包含的指令序列使得处理器702执行本文描述的方法步骤。在替代实施例中，可以使用诸如应用特定集成电路720之类的硬件来代替软件或与软件结合来实施本发明。因此，本发明的实施例不限于硬件和软件的任何特定组合。
通过通信接口770在网络链路778和其它网络上传输的信号将信息携载到计算机系统700和从计算机系统700接收信息。计算机系统700可以尤其通过网络780、790通过网络链路778和通信接口770发送和接收信息，所述信息包括程序代码在内。在使用因特网790的示例中，服务器792通过因特网790、ISP设备784、本地网络780和通信接口770，发送从计算机700发送的消息所请求的用于特定应用的程序代码。所接收到的代码可以在它被接收到时由处理器702执行，或者可以存储在存储装置708或其它非易失性存储中以供以后执行，或者两者。以这种方式，计算机系统700可以获得载波上的信号形式的应用程序代码。
各种形式的计算机可读介质可能涉及将一个或多个指令或数据序列或两者同时携载到处理器702以执行。例如，指令和数据可以最初携载在诸如主机782之类的远程计算机的磁盘上。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中，并且使用调制解调器通过电话线发送指令和数据。计算机系统700本地的调制解调器在电话线上接收指令和数据，并且使用红外发射器将指令和数据转换成红外载波上的信号，该红外载波充当网络链路778。用作通信接口770的红外检测器接收红外信号中携带的指令和数据，并且将表示所述指令和数据的信息放到总线710上。总线710将信息携载到存储器704，处理器702使用随指令一起发送的其中一些数据从存储器704检索并执行所述指令。在处理器702执行之前或之后，存储器704中接收的指令和数据可以可选地存储在存储装置708上。
图8示出了可以在其上实施本发明的实施例的芯片组800。芯片组800被编程为执行本文描述的方法的一个或多个步骤，并且包括例如结合在一个或多个物理封装(例如，芯片)中的关于图7描述的处理器和存储器部件。举例来说，物理封装包括一种或多种材料、部件和/或电线在结构组件(例如，底板)上的布置，以提供一个或多个特征，诸如物理强度、尺寸节省和/或电相互作用的限制。预期在某些实施例中，芯片组可以在单个芯片中实现。芯片组800或其一部分构成用于执行本文描述的方法的一个或多个步骤的装置。
在一个实施例中，芯片组800包括诸如总线801之类的通信机制，用于在芯片组800的各部件之间传递信息。处理器803具有到总线801的连接性，以执行例如存储在存储器805中的指令和处理信息。处理器803可以包括一个或多个处理核心，每个核心都被配置为独立地执行。多核处理器能够在单个物理封装内进行多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多数量的处理核心。替代地或另外，处理器803可以包括经由总线801串联配置的一个或多个微处理器，以使得能够独立执行指令，流水线化和多线程化。处理器803还可以伴有一个或多个专用部件以执行某些处理功能和任务，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)807或一个或多个应用特定集成电路(ASIC)809。DSP 807通常被配置为独立于处理器803而实时地处理现实世界的信号(例如，声音)。类似地，ASIC 809可以被配置为执行通用处理器不容易执行的专用功能。有助于执行本文描述的发明功能的其它专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)，一个或多个控制器(未示出)或一个或多个其它专用计算机芯片。
处理器803及其附属组件通过总线801与存储器805连接。存储器805包括动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，ROM、CD-ROM等)，用于存储可执行指令，在执行所述可执行指令时，所述可执行指令执行本文所述方法的一个或多个步骤。存储器805还存储与执行本文描述的方法的一个或多个步骤相关联或由其生成的数据。
9.变更、扩展和修改
在前述说明书中，已经参考本发明的特定实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”将被理解为暗示包括所述的项目，项目、元素或步骤中的元件或步骤或组，但不排除项目、元素或步骤中的任何其它项目、元素或步骤或组。此外，不定冠词“一(a)”或“一个(an)”旨在表示由该冠词修饰的项目、元素或步骤中的一个或多个。

Claims (20)

1.一种光检测与测距(LIDAR)设备，包括：
激光源，所述激光源输出激光射束，所述激光射束具有大于等于1400纳米且小于等于1600纳米的波长；
波导阵列，所述波导阵列包括多个波导，所述多个波导中的第一波导和所述多个波导中的第二波导之间的间距大于等于100微米且小于等于1000微米，所述波导阵列被配置为使用所述激光射束在第一平面中生成多个射束，所述多个射束中的每个射束从所述波导阵列的相应波导发射；
准直器，所述准直器被配置为从所述波导阵列接收多个射束并且在所述第一平面中输出多个准直射束，所述多个准直射束限定角扩展；和
第一扫描器，所述第一扫描器被配置为将所述多个准直射束的方向从所述第一平面调整为处于第二平面中，其中，所述第二平面不同于所述第一平面，以及
检测器，所述检测器接收来自所调整的多个准直射束被对象反射和散射中的至少一种的至少一个返回射束。
2.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述准直器被配置为将所述多个射束成形为所述多个准直射束扇形。
3.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述准直器被配置为限定环境中对象的角扩展。
4.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述第一扫描器被配置为绕旋转轴线以恒定速度旋转。
5.根据权利要求4所述的LIDAR设备，其中，所述第一平面与所述旋转轴线相交，并且所述波导阵列平行于所述旋转轴线布置。
6.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，在所述波导阵列的第一区域中，所述波导阵列限定所述多个波导的第一间距，而在所述波导阵列的第二区域中，所述波导阵列限定所述多个波导的第二间距，其中所述第一间距大于所述第二间距。
7.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述第一扫描器被配置为通过以下方式执行多个交错输出：以所述多个交错输出中的至少第一交错输出与所述多个交错输出中的第二交错输出之间的增量角来调整所述多个准直射束的方向。
8.根据权利要求2所述的LIDAR设备，还包括第二扫描器，所述第二扫描器被配置为进一步调整所述多个准直射束在所述第二平面内的方向，使得所述第一扫描器和所述第二扫描器将所述扇形的方向从所述第二平面调整为处于第三平面以执行步进扫描。
9.根据权利要求8所述的LIDAR设备，其中，所述第二扫描器被配置为调整所述多个准直射束的方向以执行锯齿扫描。
10.一种自动驾驶车辆控制系统，包括：
根据权利要求1至9中的任一项所述的LIDAR设备；和
车辆控制器，所述车辆控制器被配置为使用到目标的距离来控制自动驾驶车辆的操作，所述到目标的距离使用响应于所述多个准直射束而接收的返回信号来确定。
11.根据权利要求10所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述第一扫描器包括反射光学器件、折射光学器件、检流计、微机电系统(MEMS)镜、音圈致动镜或多边形扫描器中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述LIDAR系统还包括第二扫描器，所述第二扫描器被配置为将所述多个准直射束的方向从所述第二平面调整为处第三平面中。
13.根据权利要求12所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述第二扫描器被配置为调整所述多个准直射束的方向以执行锯齿扫描。
14.根据权利要求10所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述第一扫描器是被配置为绕旋转轴线以恒定速度旋转的多边形扫描器。
15.根据权利要求10所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述波导阵列包括多个波导，并且在所述波导阵列的第一区域中，所述波导阵列限定所述多个波导的第一间距，而在所述波导阵列的第二区域中，所述波导阵列限定所述多个波导的第二间距，其中所述第一间距大于所述第二间距。
16.根据权利要求10所述的自动驾驶车辆控制系统，其中，所述扫描器或检测器阵列中的至少一个被配置为接收所述返回信号。
17.一种方法，包括：
由激光源输出激光射束，所述激光射束具有大于等于1400纳米且小于等于1600纳米的波长；
通过波导阵列使用所述激光射束在第一平面内发射多个射束，所述波导阵列中的第一波导和所述波导阵列中的第二波导之间的间距大于等于100微米且小于等于1000微米；
通过准直器使用多个射束输出多个准直射束，所述多个准直射束限定角扩展；
通过第一扫描器将所述多个准直射束的方向从所述第一平面调整为处于第二平面，所述第二平面与所述第一平面不同；
由检测器接收来自所调整的多个准直射束被对象反射和散射中的至少一种的至少一个返回射束；和
使用到目标的距离来控制自动驾驶车辆的操作，所述到目标的距离使用所接受的返回射束确定。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：通过第二扫描器调整所述多个准直射束的方向以执行锯齿扫描。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：
识别所述第二平面中的第一角度和第二角度；
通过所述第一扫描器调整所述多个准直射束的方向的第一分量，其中所述第一分量为所述第一平面内的第一增量角；
通过所述第一扫描器调整所述多个准直射束的方向的第二分量，其中所述第二分量是在所述第二平面内在所述第一角度与所述第二角度之间的第二增量角；和
对于每个第一分量和第二分量，在所述波导阵列的第一波导与所述波导阵列的第二波导之间切换，所述第一波导用以发出所述多个准直射束的发射射束，而所述第二波导用以接收对应于返回信号的返回射束。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一扫描器是多边形扫描器，所述方法还包括使所述多边形扫描器绕旋转轴线以恒定速度旋转。
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