CN112771405A - 用于优化相干lidar的扫描的方法和系统 - Google Patents

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爱德华·安古斯
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Abstract

一种装置包括电动机、第一扫描器和第二扫描器。第一扫描器耦合到电动机，且电动机被配置为以第一角速度围绕旋转轴旋转第一扫描器，以将入射在第一扫描器上的第三平面中的第一光束偏转到与第三平面不同的第一平面中。第二扫描器耦合到电动机，且电动机被配置为以不同于第一角速度的第二角速度围绕旋转轴旋转第二扫描器，以将入射在第二扫描器上的第三平面中的第二光束偏转到不同于第三平面的第二平面中。

Description

用于优化相干LIDAR的扫描的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求在2018年10月2日提交的美国临时申请No.62/739,915的权益和优先权，所述美国临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
使用激光器进行的用于光检测和测距的光学距离检测——其通常由助记符LIDAR表示，有时也称为激光RADAR，用于从高度测定到成像、到避免碰撞的多种应用。LIDAR以与诸如无线电波检测和测距(RADAR)的常规微波测距系统相比更小的光束尺寸来提供更精细尺度的距离分辨率。
发明内容
至少一个方面涉及一种装置。该装置包括电动机、第一扫描器和第二扫描器。第一扫描器耦合到电动机，并且电动机被配置为以第一角速度围绕旋转轴旋转第一扫描器，以将入射在第一扫描器上的第三平面内的第一光束偏转到不同于第三平面的第一平面中。第二扫描器耦合到电动机，并且电动机被配置为以不同于第一角速度的第二角速度围绕旋转轴旋转第二扫描器，以将入射在第三平面中的第二光束偏转到与第三平面不同的第二平面中。
在一些实施例中，第一扫描器是第一多边形扫描器，并且第二扫描器是第二多边形扫描器。
在一些实施例中，第一扫描器被配置为将第一光束从第一平面中的第一角度偏转到距第一平面中的第一角度小于或等于六十度的第一平面中的第二角度。第二扫描器可以被配置为将第二光束从第二平面中的第一角度偏转到距第二平面中的第一角度小于或等于六十度的第二平面中的第二角度。
在一些实施例中，第一扫描器被配置为在与第二扫描器不同的方向上旋转。
在一些实施例中，第一扫描器被配置为扫描第一区域，并且第二扫描器被配置为扫描第二区域。第一区域可以相对于第三平面在第二区域下方。
在一些实施例中，装置包括第三扫描器，第三扫描器被配置为调整第一光束从第一扫描器到第二扫描器的方向。
在一些实施例中，电动机包括驱动轴和行星轴承，驱动轴和行星轴承通过第一扫描器的用于接收驱动轴和行星轴承的凹部安装到第一扫描器。装置可以包括多个行星传动齿轮、驱动器太阳齿轮和环形齿轮。多个行星传动齿轮和驱动器太阳齿轮被定位在环形齿轮内。第二扫描器通过多个行星传动齿轮和驱动器太阳齿轮安装到第一扫描器。多个传动齿轮、驱动器太阳齿轮或环中的至少一个的至少一个参数可以被选择，以将第一扫描器的旋转速度的大小与第二扫描器的旋转速度的大小的比率配置为大于1。
在一些实施例中，第一扫描器被配置为在第一时间段内扫描第一光束，并且第二扫描器被配置为在第一时间段之后的第二时间段内扫描第二光束。
在一些实施例中，第一角速度的旋转速度在约1000转/分钟(rpm)至约5000rpm的范围内，第二角速度的旋转速度在约200rpm至约1000rpm的范围内。
在一些实施例中，电动机包括被配置为旋转第一扫描器的第一电动机和被配置为旋转第二扫描器的第二电动机。
在一些实施例中，该装置被安装到自主车辆。该装置可以包括波导，波导被配置为接收与第一光束或第二光束中的至少一个相对应的至少一个返回光束，并且向车辆控制器提供与至少一个返回光束相对应的信号。车辆控制器可以被配置为响应于与至少一个返回光束相对应的信号来控制车辆的方向或速度中的至少一个。
在一些实施例中，装置包括激光源、至少一个波导和至少一个准直器。至少一个波导可以被配置为从激光源接收第三光束并且在至少一个波导的尖端处发射光束。至少一个准直器可以被配置为将来自每个相应的至少一个波导的第三光束准直到第三平面内。在一些实施例中，至少一个波导包括第一波导和第二波导。至少一个准直器可以包括第一准直器和第二准直器，第一准直器被配置为对来自第一波导的第三光束进行准直以入射在第一扫描器上，并且第二准直器被配置为对来自第二波导的第三光束进行准直以入射在第二扫描器上。
在一些实施例中，装置包括一个或多个处理器，其被配置为使用电动机控制第一扫描器和第二扫描器的旋转，以基于距离的积分时间与速度精度、采样速率或对不同角度进行采样的图案中的至少一个之间的权衡来改进对车辆周围的环境的检测。
在一些实施例中，装置包括一个或多个处理器，一个或多个处理器被配置为使得第一扫描器扫描第一扫描区域并且使得第二扫描器扫描与第一扫描区域重叠的第二扫描区域。
至少一个方面涉及一种系统。系统包括激光源、至少一个波导、至少一个准直器、电动机、第一扫描器和第二扫描器。至少一个波导被配置为从激光源接收第三光束并且在至少一个波导的尖端处发射第三光束。至少一个准直器被配置为将来自每个相应的至少一个波导的第三光束准直到第三平面中。第一扫描器与电动机耦合，且电动机被配置为旋转第一扫描器以将与第三光束相对应的第一光束偏转到与第三平面不同的第一平面中。第二扫描器耦合到电动机，并且电动机被配置为旋转第二扫描器以将与第三光束相对应的第二光束偏转到与第三平面不同的第二平面中。
本领域技术人员将理解，发明内容仅是说明性的，而绝非旨在进行任何限制。根据各种实施例，本文描述的任何特征可以与任何其他特征一起使用，并且可以结合使用这些特征的任何子集。本文描述的装置和/或过程的其他方面、发明特征以及优点仅由权利要求书限定，且将在本文阐述并结合附图的详细描述中变得显而易见。
附图说明
在附图的图中以示例而非限制的方式示出了实施例，其中，相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1A是根据实施例的用于示出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学信号的示意图；
图1B是根据实施例的用于示出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是根据实施例的用于示出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是根据实施例的用于示出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LO信号的曲线图，并且以虚线示出当没有多普勒频移时这个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LO信号的曲线图，并且以虚线示出当存在非零多普勒频移时在这个频率时间图中的返回信号；
图2A是根据实施例的用于示出高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的框图；
图2B是用于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是根据实施例的用于示出由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像；
图2D是根据实施例的用于示出高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的框图；
图2E是根据实施例的用于示出高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的侧视图的框图；
图2F是根据实施例的用于示出图2E的高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的俯视图的框图；
图2G是根据实施例的用于示出高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的侧视图的框图；
图2H是根据实施例的用于示出图2G的高分辨率(高分)LIDAR系统的示例部件的俯视图的框图；
图2I是根据实施例的用于示出图2E的系统的扫描光学器件的分解图的示意图；
图2J是根据实施例的用于示出在图2E的系统的多个扫描区域中扫描的多个光束的侧视图的示意图；
图2K是用于示出沿2K-2K线截取的图2J的多个扫描区域的剖视图的示意图；
图3A是根据实施例的用于示出示例系统的框图，示例系统包括至少一个安装在车辆上的高分辨率LIDAR系统；
图3B是根据实施例的用于示出示例系统的框图，示例系统包括至少一个安装在车辆上的高分辨率LIDAR系统；
图4A是根据实施例的用于示出在没有扫描的情况下对于在图2D的系统中的发射信号的示例性信噪比(SNR)相对于目标距离的曲线图；
图4B是根据实施例的用于示出指示驱动在远场中的图4A的SNR曲线的形状的1/r平方损耗的曲线的示例的曲线图；
图4C是根据实施例的用于示出在没有扫描的情况下对于在图2D的系统中的发射信号的准直光束直径相对于距离的示例的图；
图4D是根据实施例的用于示出在没有扫描的情况下对于在图2D的系统中的发射信号的与收集效率相关联的SNR相对于距离的示例的图；
图4E是根据实施例的用于示出对于在图2D的系统中的各种目标距离和扫描速度的光束走离的示例的图像；
图4F是根据实施例的用于示出对于在图2D的系统中的各种扫描速率的耦合效率相对于目标距离的示例的曲线图；
图4G是根据实施例的用于示出对于在图2D的系统中的各种扫描速率的SNR相对于目标距离的示例的图；
图4H是根据实施例的用于示出对于在图2D的系统中的各种积分时间的SNR相对于目标距离的示例的图；
图4I是根据实施例的用于示出在图2D的系统中的测量速率相对于目标距离的示例的图；
图5是根据实施例的用于示出优化在自主车辆上的LIDAR系统的扫描图案的示例方法的流程图；
图6是根据实施例的用于示出操作在自主车辆上的LIDAR系统的示例方法的流程图；
图7是用于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以支持车辆操作的方法、装置、系统和计算机可读介质。下面在个人汽车上的单个前置高分辨率多普勒LIDAR系统的情景中描述一些实施例；但是，实施例不限于这种情景。在其他实施例中，采用具有或不具有多普勒分量、具有重叠或非重叠视场的相同类型或其他高分辨率LIDAR的一个或多个系统，或者安装在领航的或自主的、较小或较大的\陆地、海洋或空中交通工具上的一个或多个此类系统。
用于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中对各种持续时间的一个或多个激光信号进行积分。及时地覆盖场景涉及重复进行足够精度的测量(涉及通常在一到数十微秒上的一个或多个信号)，测量通常足以对自主车辆周围的各种角度(通常在数千的量级上)进行采样，以在车辆进入在车辆前方的空间太远之前(在一到数十米量级上的距离，通常在一到几秒量级上的特定时间内被覆盖)了解车辆周围的环境。在特定时间(通常称为循环或采样时间)内可以覆盖的不同角度的数量取决于采样速率。为了改进对车辆周围环境的检测，可以基于包括针对距离的积分时间、速度精度、采样速率或对不同角度进行采样的图案中的至少一个的参数来控制一个或多个扫描器旋转。特别地，可以利用一个或多个LIDAR光束在针对距离的积分时间和速度精度、采样速率和对不同角度进行采样的图案之间进行权衡，以在自主车辆移动通过该环境时有效地确定自主车辆附近的环境。距离的光学检测可以用几种不同技术来实现，包括基于光学脉冲到物体的往返行程行进时间的直接测距，和基于在发射的啁啾光学信号与从物体散射的返回信号之间的频率差的啁啾检测，以及基于可与自然信号区分离的单个频率相位变化的序列的相位编码检测。
一种方法可以包括利用包括激光源和波导的LIDAR系统生成从波导的尖端发射的光束。方法还包括利用准直器使入射在LIDAR系统的第一多边形扫描器和第二多边形扫描器中的一个上的第三平面中的光束成形。方法还包括利用第一多边形扫描器基于第一多边形扫描器以第一角速度围绕旋转轴的旋转，将在不同于第三平面的第一平面中的光束的方向从第一角度调整到在第一平面中的第二角度。方法还包括基于在第一平面内调整光束以包含位于第一距离处的目标的第一扫描区域，在波导的尖端处接收多个第一返回光束。方法还包括利用第二多边形扫描器，基于第二多边形扫描器以不同于第一角速度的第二角速度围绕旋转轴的旋转，将在不同于第三平面的第二平面中的光束的方向从第一角度调整到在第二平面中的第二角度。方法还包括基于在第二平面内调整光束以包含位于与第一距离不同的第二距离处的目标的第二扫描区域，在波导的尖端处接收多个第二返回光束。
一种方法可以包括在处理器上接收第一数据，第一数据指示由目标反射且由LIDAR系统基于目标的距离的值而检测的信号的第一信噪比(SNR)值，其中第一SNR值针对LIDAR系统的扫描速率的相应值。第一数据还基于目标的距离的值指示信号的第二信噪比(SNR)值，其中第二SNR值针对LIDAR系统的积分时间的相应值。第一数据还指示用于限定扫描图案的角度范围的第一角度和第二角度。方法还包括在处理器上接收第二数据，第二数据指示在第一扫描区域的角度范围中的每个角度下目标的第一最大设计范围以及在不同于第一扫描区域的第二扫描区域的角度中的每个角度下目标的第二最大设计范围。方法还包括对于第一扫描区域的角度范围中的每个角度，在处理器上基于那些扫描速率中的最大值来确定LIDAR系统的第一最大扫描速率，其中基于第一最大设计范围的第一SNR值大于最小SNR阈值。方法还包括对于第二扫描区域的角度范围中的每个角度，在处理器上基于那些扫描速率中的最大值来确定LIDAR系统的第二最大扫描速率，其中基于第二最大设计范围的第一SNR值大于最小SNR阈值。方法还包括对于第一扫描区域的角度范围中的每个角度，在处理器上基于那些积分时间中的最小值来确定LIDAR系统的第一最小积分时间，其中基于第一最大设计范围的第二SNR值大于最小SNR阈值。方法还包括针对第二扫描区域的角度范围中的每个角度，在处理器上基于那些积分时间中的最小值来确定LIDAR系统的第二最小积分时间，其中基于第二最大设计范围的第二SNR值大于最小SNR阈值。方法还包括利用处理器基于第一扫描区域的角度范围内的每个角度处的第一最大扫描速率和第一最小积分时间来限定对于LIDAR系统的第一扫描区域的扫描图案。方法还包括利用处理器基于第一扫描区域的角度范围内的每个角度处的第二最大扫描速率和第二最小积分时间来限定对于LIDAR系统的第二扫描区域的扫描图案。方法还包括根据用于第一扫描区域和第二扫描区域的扫描图案来操作LIDAR系统。
1.相位编码检测概述
使用用于测量距离的光学相位编码信号，发射信号与用于该发射信号的一部分的载波(相位＝0)同相，并且然后在短时间间隔内改变由符号△φ表示的一个或多个相位改变(因此相位＝△φ)，在发射信号上在两个或更多个相位值之间重复地来回切换。恒定相位的最短间隔是编码的参数，称为脉冲持续时间τ，并且通常是频带中最低频率的几个周期的持续时间。倒数1/τ是波特率，其中每个波特指示符号。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可以被认为是对于一个值为0而对于另一个值为1，因此符号是一个比特，并且波特率也被称为比特率。在多相编码中，存在多个相位值。例如，诸如△φ*{0，1，2和3}的4个相位值，其中对于△φ＝π/2(90度)，分别等于{0，π/2，π和3π/2}；并且因此，4个相位值可以分别表示0，1，2，3。在这个示例中，每个符号是两个比特，并且比特率是波特率的二倍。
相移键控(PSK)是指通过改变(调制)参考信号(载波)的相位来传送数据的数字调制方案。通过在精确的时间改变正弦和余弦输入来施加调制。在射频(RF)上，PSK广泛用于无线局域网(LAN)、RF识别(RFID)和蓝牙通信。替换地，代替相对于恒定的参考波操作，发射可以相对于其自身操作。单个发射波形的相位变化可以被认为是符号。在这个系统中，解调器确定接收信号的相位的变化，而不是相位(相对于参考波)本身。由于这种方案取决于在连续相位之间的差，因此它被称为差分相移键控(DPSK)。DPSK在通信应用中的实施比普通PSK要简单得多，因为不需要解调器具有参考信号的副本来确定接收信号的精确相位(因此，它是非相干方案)。
为了实现可接受的距离精度和检测灵敏度，直接长距离LIDAR系统可以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器。高脉冲功率可能导致光学部件的快速退化。啁啾和相位编码LIDAR系统可以使用具有相对低的峰值光学功率的长光学脉冲。在这种配置中，距离精度可以随着啁啾带宽或相位代码的长度和带宽而不是脉冲持续时间而增加，并且因此仍然可以获得极好的距离精度。
使用宽带射频(RF)电信号来调制光学载波已经实现了有用的光学带宽。相对于LIDAR，使用相同的调制光学载波作为在光学检测器处与返回信号组合的参考信号，可以在所得到的电信号中产生在RF频带中的相对低的拍频，该拍频与在参考光学信号和返回光学信号之间的频率差或相位差成比例。这种在检测器处对频率差的拍频检测被称为外差检测，其能够使用现成可用且便宜的RF部件。
高分辨率距离多普勒LIDAR系统可以使用光学部件的布置和相干处理来检测返回信号中的多普勒频移，以提供在LIDAR系统与每个外部物体之间的矢量上的改进的距离和相对带符号速度。
在一些情况下，这些改进在具有或不具有目标速度的情况下在适当频率或相位内容的笔形细激光束中提供距离。当这种光束扫过场景时，可以获得关于周围物体的位置和速度的信息。信息可以用于自主车辆，例如自动驾驶汽车或驾驶员辅助汽车的控制系统。
对于光学测距应用，由于发射机和接收机在同一装置中，因此可以使用相干PSK。载波频率是光学频率fc，并且RF fo被调制到光学载波上。选择符号的数量N和持续时间τ以实现所需的距离精度和分辨率。选择符号的图案以便与编码信号和噪声的其他源区分离。因此，在发射信号和返回信号之间的强相关性可以是反射或背散射信号的强指示。发射信号由符号的一个或多个块组成，其中每个块足够长，以便即使在存在噪声的情况下提供与反射或背散射回波的强相关性。所发射的信号可以由每块N符号的M块组成，其中M和N是非负整数。
图1A是根据实施例的示意图120，其示出了作为一系列二进制数字的示例性发射信号以及用于距离测量的返回光学信号。水平轴122表示在零处的开始时间之后的任意单位的时间。竖直轴124a以相对于零的任意单位表示在频率fc+fo处的光学发射信号的幅值。竖直轴124b以相对于零的任意单位表示在频率fc+fo处的光学返回信号的幅值，并且从轴124a偏移以分离迹线。迹线125表示M*N个二进制符号的发射信号，具有如图1A所示的相位变化以产生以00011010开始并以省略号指示后续的代码。迹线126表示从不运动的物体散射的理想化(无噪声)返回信号(并且因此，返回是没有多普勒频移的)。幅值减小了，但代码00011010是可识别的。迹线127表示理想化(无噪声)的返回信号，该返回信号从正在移动的物体散射并因此是多普勒频移的。返回不在适当的光学频率fc+fo处，并且在预期的频带中未被很好地检测到，因此幅值减小了。
通过等式1给出的多普勒效应，观测到的返回的频率f’与返回的正确频率f＝fc+fo不同。
Figure BDA0002992294680000111
其中c是介质中的光速，v0是观察者的速度，vs是源沿着将源连接到接收器的矢量的速度。注意，如果观察者和源在它们之间的矢量上以相同的速度沿相同的方向移动，则两个频率是相同的。在两个频率之间的差△f＝f'-f是多普勒频移△fD，它会给距离测量带来问题，且由等式2给出。
Figure BDA0002992294680000112
注意，误差的大小随信号频率f的增加而增加。还要注意，对于固定的LIDAR系统(v0＝0)，对于以每秒10米进行移动的物体(vs＝10)，且可见光的频率约为500THz，则误差的大小在16兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹(Hz)，1Hz＝每秒1个循环)的量级。在下面描述的各种实施例中，多普勒频移误差被检测并被用于处理用于距离计算的数据。
在相位编码测距中，相位编码反射的到达可以通过将发射信号或其他参考信号与返回信号互相关来在返回中检测，这可以通过使用外差检测将RF信号的代码与来自光学检测器的电信号互相关并因此下混频回到RF频带来实现。对于任何一个滞后的互相关可以通过对两个迹线进行卷积(例如通过将两个迹线中的对应值相乘并对迹线中的所有点求和)、然后对每个时间滞后进行重复来计算。互相关可以通过两个迹线中的每一个的傅立叶变换的乘法、随后是傅立叶逆变换来实现。前向和逆向快速傅立叶变换(FFT)可以有效地在硬件和软件中实施。
注意，互相关计算可以在光学检测器处检测到返回的幅值和相位之后，利用模拟或数字电信号来进行。为了将光学检测器处的信号移动到可以容易地被数字化的RF频率范围，光学返回信号在撞击到检测器上之前与参考信号光学地混合。相位编码的发射光学信号的副本可以用作参考信号，但是也可以、并且通常优选的是使用由激光器输出的连续波载波频率光学信号作为参考信号，并且获取由检测器输出的电信号的幅值和相位两者。
对于从不移动的物体反射的(并且因此返回没有多普勒频移的)理想化的(无噪声的)返回信号，峰值出现在发射信号开始之后的时间Δt。这表明返回信号包括在时间Δt开始的发射相位码的版本。反射(或背散射)物体的距离R是根据基于介质中的光速c的双向行进时间延迟来计算的，如由等式3所给出的。
R＝c*Δt/2 (3)
对于从移动的物体散射的(并且因此返回是多普勒频移的)理想化(无噪声)的返回信号，返回信号不包括在适当频率格(frequency bin)中的相位编码，相关性对于所有时间滞后保持为低，并且峰值不容易被检测、而且在存在噪声的情况下通常是不可检测的。因此，Δt不容易确定，并且距离R不容易产生。
多普勒频移可以在返回信号的电处理中确定，并且可以用于校正互相关计算。因此，峰值可以更容易地被发现，并且距离可以更容易地被确定。图1B是根据实施例的示意图140，其中示出发射信号的示例频谱和多普勒频移复返回信号的示例频谱。水平轴142表示任意单位的从光学载波fc的RF频率偏移。竖直轴144a表示相对于零的任意单位的特定窄频率格的幅值(也称为频谱密度)。竖直轴144b表示相对于零的任意单位的频谱密度，并且从轴144a偏移以分离迹线。迹线145表示发射信号；并且，峰值出现在适当的RF f0处。迹线146表示理想化(无噪声)的复返回信号，复返回信号是从朝向LIDAR系统移动的物体背散射的，因此被多普勒频移到更高的频率(称为蓝移)。返回在适当的RF f0处没有峰值；而是被ΔfD蓝移到频移的频率fS。实际上，用于表示返回的同相和正交(I/Q)分量两者的复返回被用于确定在+ΔfD处的峰值，因此，多普勒频移的方向以及在传感器和物体之间的矢量上的目标的运动方向可以从单个返回来检测。
在一些多普勒补偿实施例中，不是如图1B所示通过取得发射信号和返回信号两者的频谱并在每个信号中搜索峰值、然后减去对应峰值的频率来得到ΔfD，而是可以更有效地取得在RF频带中的下混合返回信号的同相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的示意图150。水平轴152表示任意单位的相对于参考频谱的频移；并且，竖直轴154表示相对于零的任意单位的交叉频谱的幅值。迹线155表示具有理想化(无噪声)的返回信号的交叉频谱，返回信号由朝向LIDAR系统移动的一个物体(图1B中的蓝移ΔfD1＝ΔfD)和远离LIDAR系统移动的第二物体(红移ΔfD2)生成。当分量之一被蓝移ΔfD1时，出现峰值156a；并且，当分量之一被红移ΔfD2时，出现另一个峰值156b。因此确定多普勒频移。这些频移可以用于确定在LIDAR附近的物体的带符号接近速度，例如用于避免碰撞的应用。然而，如果没有进行I/Q处理，则峰值可能出现在+/-ΔfD1两者和+/-ΔfD2两者处，因此多普勒频移的符号以及移动方向可能不明确。
在交叉频谱中检测到的多普勒频移可以用于校正互相关，使得峰值135在滞后Δt处的多普勒补偿多普勒频移返回中是明显的，并且可以确定距离R。在一些实施例中，可以执行同时的I/Q处理。在一些实施例中，可以使用串行I/Q处理以确定多普勒返回的符号。在一些实施例中，可以容忍或忽略由于多普勒频移引起的误差；并且，没有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。水平轴102对于所有四个曲线图是相同的，并且在毫秒(ms，1ms＝10-3秒)的量级上以任意单位表示时间。曲线图100表示用作发射光学信号的光束的功率。曲线图100中的竖直轴104表示任意单位的发射信号的功率。迹线106表示在从时间0开始的有限的脉冲持续时间τ内功率是导通的。曲线图110表示发射信号的频率。竖直轴114表示任意单位的发射的频率。迹线116表示脉冲的频率在脉冲的持续时间τ上从f1增加到f2，且因此具有带宽B＝f2-f1。频率的变化速率是(f2-f1)/τ。
返回信号描绘在曲线图160中，其具有表示时间的水平轴102和表示频率的竖直轴114，如在曲线图110中那样。曲线图110的啁啾(例如迹线116)也被绘制为曲线图160上的虚线。第一返回信号由迹线166a给出，其可以表示强度减小(未示出)并延迟ΔT的发射参考信号。当在覆盖2R的距离之后从外部物体接收到返回信号时，其中R是到目标的距离，在延迟时间Δt处开始的返回信号可以由2R/c给出，其中c是根据上述等式3相关的介质中的光速(大约3x l08米每秒，m/s)。在这段时间内，频率已经改变了取决于距离的量，称为fR，并且由频率变化速率乘以延迟时间给出。这由等式4a给出。
fR＝(f2-f1)/τ*2R/c＝2BR/cτ (4a)
在被称为去啁啾的时域混和操作中，可以通过在发射信号116和返回信号166a之间的频率差来测量fR的值。因此距离R由等式4b给出。
R＝fRcτ/2B (4b)
如果返回信号在脉冲被完全发射之后到达，即，如果2R/c大于τ，则等式4a和4b无效。在这种情况下，参考信号可以被延迟已知或固定量，以确保返回信号与参考信号重叠。参考信号的固定或已知延迟时间可以乘以光速c，以给出附加距离，该附加距离被添加到由等式4b计算的距离上。虽然由于介质中的光速的不确定性，绝对距离可能偏离，但是这是接近恒定的误差，并且基于频率差的相对距离仍然非常精确。
在一些情况下，被发射光束照射的点(笔形束横截面)遇到在不同距离的两个或更多个不同的散射体，例如半透明物体的前面和后面，或者在距LIDAR不同距离处的物体的较近和较远部分，或者在被照射的点内的两个分离的物体。在这种情况下，还将接收第二减弱强度和不同地延迟的信号，如在曲线图160上由迹线166b所示。这将具有不同的测量值fR，其通过使用等式4b给出不同的距离。在一些情况下，接收多个附加返回信号。
曲线图170描绘在第一返回信号166a与参考啁啾116之间的差频fR。如图1D中所有其他对准的曲线图中那样，水平轴102表示时间，且竖直轴164表示在很大的扩展比例上的频率差。迹线176描绘响应于发射啁啾而测量的恒定频率fR，其表示如由等式4b给出的特定距离。第二返回信号166b(如果存在的话)在去啁啾期间将产生不同的更大的fR值(未示出)；并且因此通过使用等式4b产生更大的距离。
可以通过将参考光学信号和返回光学信号两者引导到相同的光学检测器来执行去啁啾。检测器的电输出可以由等于或以其他方式取决于会聚在检测器上的两个信号的频率差的拍频来控制。这种电输出信号的傅立叶变换将在拍频处产生峰值。拍频在兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹＝l06循环每秒)的射频(RF)范围内，而不是在太赫兹(THz，1THz＝1012赫兹)的光学频率范围内。这种信号可以由RF部件处理，例如在微处理器上运行的快速傅立叶变换(FFT)算法或专门构建的FFT或其他数字信号处理(DSP)集成电路。返回信号可以与作为本机振荡器的连续波(CW)音调(tone)混合(与作为本机振荡器的啁啾相对)。这导致本身是啁啾(或无论什么波形被发射)的检测信号。在这种情况下，尽管数字化仪带宽要求通常可能更高，但是检测信号可以在数字域中经历匹配滤波。否则，相干检测的积极方面被保留。
在一些实施例中，LIDAR系统被改变以同时产生上啁啾和下啁啾。这种方法可以消除由物体速度差、或LIDAR位置相对于实际上确实改变了距离的物体的改变、或光束中的瞬时散射体等等或一些组合所引入的可变性。方法可以保证在上啁啾和下啁啾上测量的多普勒频移和距离实际上是相同的，并且可以最有用地组合。多普勒方案可以保证在频率空间中并行捕获非对称频移的返回对，以用于高可能性的正确补偿。
图1E是根据实施例的使用对称LO信号的曲线图，并且以虚线示出在当没有多普勒频移时这个频率时间图中的返回信号。水平轴表示以10-5秒(几十微秒)为单位的示例时间。竖直轴表示相对于载波频率fc或参考信号的光学发射信号的频率，示例单位为千兆赫兹(109赫兹)。在脉冲持续时间期间，产生了在任何时间包括两个光学频率的光束。一个频率从f1增加到f2(例如在光学载波以上1到2GHz)，而另一个频率同时从f4减小到f3(例如在光学载波以下1到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，使得发射和返回信号两者都可以由高通或低通滤波器或某种组合光学地分离，其中通带开始于通过频率fP。例如f1＜f2＜fP＜f3＜f4。如图所示，较高频率可以提供上啁啾，且较低频率可以提供下啁啾。在一些实施例中，较高频率产生下啁啾，且较低频率产生上啁啾。
在一些实施例中，使用两个不同的激光源来在每个时间在每个光束中产生两个不同的光学频率。在一些实施例中，单个光学载波由单个RF啁啾调制以产生用作同时的上啁啾和下啁啾的对称边带。在一些实施例中，使用双边带马赫-曾德尔强度调制器，其通常不会在载波频率中留下太多能量；而是，几乎所有能量进入边带。
由于边带对称，如果使用相同阶次的边带，两个光学啁啾的带宽可以相同。在一些实施例中，使用其他边带，例如，使用两个二阶边带，或者使用一阶边带和非重叠的第二边带，或者一些其他组合。
当选择发射(TX)和本机振荡器(LO)啁啾波形时，确保系统的频移频带最大程度地利用可用的数字化仪带宽可能是有利的。通常，这可以通过将上啁啾或者下啁啾移位以具有接近于零的距离频率拍频来实现。
图1F是类似于图1E的使用对称LO信号的曲线图，并且在这个频率时间图中以虚线示出当存在非零多普勒频移时的返回信号。在啁啾波形的情况下，时间分离的I/Q处理(又称为时域复用)可以用于克服其他方法的硬件要求。在那种情况下，AOM可以用于消除对于实数值信号的距离-多普勒模糊。在一些实施例中，计分系统可以用于将上啁啾和下啁啾返回配对。在一些实施例中，I/Q处理可以用于确定多普勒啁啾的符号。
3.光学检测硬件概述
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。光学信号由箭头表示。电子有线或无线连接由不带箭头的分段线表示。激光源212发射光束(例如载波)201，光束在分光器216之前或之后在调制器282a中被相位或频率调制，以产生具有持续时间D的相位编码或啁啾光学信号203。分光器216分离调制(或如图所示，未调制)的光学信号以用于参考路径220。可以产生具有光束201的大部分能量的目标光束205，在本文也称为发射信号。还可以产生调制或未调制的参考光束207a，其可以具有非常小的能量，但是足以产生与从物体(未示出)散射的返回光291的良好混合。如图2A所示，参考光束207a在调制器282b中被单独调制。参考光束207a穿过参考路径220，并被引导到一个或多个检测器作为参考光束207b。在一些实施例中，参考路径220引入已知延迟，其足以使参考光束207b与在所关注距离的范围内的来自LIDAR之外的物体的散射光一起到达检测器阵列230。在一些实施例中，参考光束207b被称为本机振荡器(LO)信号，例如就像参考光束207b是从另外的振荡器本机产生的。在各种实施例中，从较少灵活性到较多灵活性的方案中，可以通过以下方式使参考与散射或反射场一起到达：1)将镜子放入场景中以将发射光束的一部分反射回检测器阵列，使得路径长度良好匹配；2)使用光纤延迟以紧密匹配路径长度，并且利用检测器阵列附近的光学器件传播参考光束，如图2A中所建议的，具有或不具有路径长度调整以补偿对于特定距离所观察到或预期的相位或频率差；或者，3)使用频移装置(声光调制器)或本机振荡器波形调制的时间延迟(例如在调制器282b中)来产生另外的调制以补偿路径长度失配；或一些组合。在一些实施例中，物体足够接近并且发射持续时间足够长，使得返回充分地与参考信号重叠而没有延迟。
然后，发射信号被发射以照射感兴趣的区域，例如通过一些扫描光学器件218。检测器阵列可以是单个成对或不成对检测器，或者是布置在大致垂直于来自物体的返回光束291的平面中的成对或不成对检测器的1维(1D)或2维(2D)阵列。参考光束207b和返回光束291可以在零个或多个光学混合器284中组合以产生具有待适当检测的特性的光学信号。获取系统240可以在信号持续时间D期间多次为每个检测器记录干涉图案的频率、相位或幅值、或者一些组合。每信号持续时间或积分时间所处理的时间采样的数量可以影响顺向距离范围(down-range extent)。数量或积分时间可以是基于每信号的符号数量、信号重复速率和可用摄像机帧速率所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器的相干长度以及在其重复之前的啁啾或唯一相位代码的长度(对于明确的测距)。启用这个特征的原因是，可以将返回的外差信号或比特的任何数字记录与来自先前发射历史的已发射比特的任何部分进行比较或互相关。
所获取的数据是处理系统250可用的，例如下面参考图7描述的计算机系统，或者下面参考图8描述的芯片组。扫描器控制模块270提供扫描信号以驱动扫描光学器件218。扫描器控制模块270可以包括指令以用于执行与图5的流程图相关的方法500和/或与图6的流程图相关的方法600的一个或多个步骤。处理系统250中的带符号的多普勒补偿模块(未示出)可以确定多普勒频移的符号和大小以及基于其的校正范围以及任何其他校正。处理系统250还可以包括调制信号模块(未示出)，以发送用于驱动调制器282a、282b和/或多边形扫描器244a、244b和/或扫描器241的一个或多个电信号。在一些实施例中，处理系统还包括车辆控制模块272，以控制其上安装有系统200、200'、200"的车辆。
未描绘用于泛射或目标上的聚焦或越过光瞳平面的聚焦的光学耦合。如本文所使用的，光学耦合器是用于影响光在空间坐标内的传播以将光从一个部件引导到另一部件的单独地或以一些组合的任何部件，例如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、分束器、相位板、偏振器、光纤、光学混合器等。
图2A还示出了根据一个实施例的用于同时的上啁啾和下啁啾LIDAR系统的示例部件。如图2A所示，调制器282a可以是添加到发射光束205的光学路径上的频移器。在一些实施例中，频移器被添加到返回光束291的光学路径或参考路径220。由于用作调制器的装置(例如声光调制器AOM)具有一些相关损耗，并且在接收侧上或在光放大器之后放置损耗部件是不利的，因此可以在本机振荡器(LO，也称为参考路径)侧或在发射侧(在光放大器之前)添加频移器作为调制器282b。光学频移器可以使发射信号(或返回信号)的频率相对于参考信号的频率移动已知量Δfs，使得上啁啾和下啁啾的拍频发生在不同频带中，拍频可以在对由光学检测器230输出的电信号的分析中例如由处理系统250中的FFT部件拾取。例如，如果引起蓝移的距离效应是fB，则上啁啾的拍频将增加偏移量，并且发生在fB+Δfs处，而下啁啾的拍频将减少偏移量至fB-Δfs。因此，上啁啾将处于比下啁啾更高的频带中，从而将它们分离。如果Δfs大于任何预期的多普勒效应，则在与上啁啾和下啁啾相关的距离内将没有模糊。然后，可以用已知Δfs的正确符号值来校正所测量的拍频，以获得适当的上啁啾和下啁啾范围。在一些实施例中，从平衡检测器出来的RF信号被直接数字化，其中频带经由FFT被分离。在一些实施例中，用模拟RF电子装置对从平衡检测器出来的RF信号进行预处理，以分离低频带(对应于上啁啾或下啁啾之一)和高频带(对应于相反的啁啾)，低频带可以被直接数字化，高频带可以被电子下混合到基带且然后被数字化。各种这样的实施例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，排除了调制器282A(例如直接测距)。
图2B是示出用于高分辨率多普勒系统的锯齿扫描图案的框图。扫描扫过方位角(水平地)和倾斜角(在零倾角处竖直地在水平方向之上和之下)的范围。可以使用各种扫描图案，包括自适应扫描。图2C是示出由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像。
图2D是示出高分辨率(高分)LIDAR系统200’的示例部件的框图。系统200’可以类似于系统200，除了本文讨论的特征之外。系统200’可以是用单基地收发器构建的相干LIDAR系统。系统200’可以包括源212，其沿着单模光学波导225在发射路径222上发射载波201，通过循环器226并且从位于准直光学器件229的焦平面中的单模光学波导225的尖端217出来。尖端217可以定位在准直光学器件229的焦平面的阈值距离(例如大约100μm)内或者在准直光学器件229的焦距的大约0.1％到大约0.5％的范围内。准直光学器件229可以包括双合透镜、非球面或多元件设计中的一个或多个。离开光学波导尖端217的载波201可以由光学器件229整形为准直目标光束205’，其由扫描光学器件218在角度227的范围内扫描。
在一些实施例中，载波201在准直光学器件229上游的调制器282a中被相位或频率调制。在一些实施例中，不包括调制器282。来自物体的返回光束291可以由扫描光学器件218引导并且由准直光学器件229聚焦在尖端217上，使得返回光束291被单模光学波导尖端217接收。然后，循环器226可以将返回光束291沿接收路径224重定向到单模光学波导中，并返回到光学混合器284，在此返回光束291与参考光束207b组合，参考光束207b沿着本机振荡器路径220被引导通过单模光学波导。系统200’可以在以下原理下操作：返回光束291与参考信号207b的最大空间模式重叠将使在返回信号291和参考光束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基地LIDAR系统相关的具有挑战性的对准过程。
图2E是用于示出高分辨率(高分)LIDAR系统200”的示例部件的侧视图的框图。图2F是用于示出图2E的高分辨率(高分)LIDAR系统200”的示例部件的俯视图的框图。系统200”除了本文讨论的特征之外可以类似于系统200’。系统200”的扫描光学器件218包括第一多边形扫描器244a，其耦合到至少一个电动机(例如图2J中所示的电动机257)并且被配置为围绕旋转轴243以第一角速度249a旋转。扫描光学器件218可以包括第二多边形扫描器244b，其耦合到至少一个电动机并且被配置为围绕旋转轴243以第二角速度249b旋转。尽管描绘了两个多边形扫描器244a、244b，但是在扫描光学器件218中可以以多于两个多边形扫描器为特征。至少一个电动机可以包括用于旋转第一多边形扫描器244a的第一电动机和用于旋转第二多边形扫描器244b的第二电动机。第一多边形扫描器244a旋转的第一角速度249a可以是第一固定旋转速度。第二多边形扫描器244b旋转的第二角速度249b可以是第二固定旋转速度。第二固定旋转速度可以不同于(例如小于)第一固定旋转速度。第一角速度249a的第一固定旋转速度可以在从大约1000转每分钟(rpm)到大约5000rpm的范围内，并且第二角速度249b的第二固定旋转速度在从大约200rpm到大约1000rpm的范围内。第一多边形扫描器244a和第二多边形扫描器244b可以在不同的方向上旋转，例如相反的方向(例如顺时针和逆时针)；例如第一角速度249a和第二角速度249b可以具有不同的方向(例如顺时针和逆时针)。扫描器244a、244b可以不限于图2E-2F中所示的多边形扫描器，并且可以包括任何类型的多边形扫描器(例如棱柱形、金字塔形、阶梯形几何形状等)。
在示例实施例中，每个多边形扫描器244a、244b具有以下特性中的一个或多个：由
Figure BDA0002992294680000221
Sensors制造，具有Copal旋转镜，具有约2英寸或在约1英寸至约3英寸范围内的内接直径，每个镜约0.5英寸高或在约0.25英寸至约0.75英寸范围内，具有约2.5英寸或在约2英寸至约3英寸范围内的总高度，由具有编码器极对切换的三相无刷直流(BLDC)电动机供电，具有在约1000转/分钟(rpm)至约5000rpm范围内的旋转速度，具有约5：1、并且与准直器229的距离为大约1.5英寸或者在大约1英寸到大约2英寸范围内。在一些实施例中，系统200”的扫描光学器件218使用除了多边形扫描器244a、244b之外的光学器件。
在一些实施例中，多边形扫描器244a、244b的一个或多个参数彼此不同。第二多边形扫描器244b的质量可以大于第一多边形扫描器244a的质量。多边形扫描器244a、244b的外直径可以大致相等，但是第一多边形扫描器244a可以具有较大的孔径(例如较大的内直径)，通过该孔径接收旋转轴243，使得第一多边形扫描器244a的质量小于第二多边形扫描器244b。第二多边形扫描器244b的质量与第一多边形扫描器244a的质量的比率可以约等于第一角速度249A的旋转速度与第二角速度249b的旋转速度的比率。这有利地确保了在旋转期间由于惯性变化而在多边形扫描器244a、244b之间不存在净角动量，这可以促进系统200”在操作期间的稳定性。每个多边形扫描器244a、244b的角动量和转动惯量由下式提供：
Figure BDA0002992294680000231
I＝mr2 (5b)
其中L是每个多边形扫描器244a、244b的角动量；I是每个多边形扫描器244a、244b的转动惯量；ω是角速度249a、249b；m是每个多边形扫描器244a、244b的质量，r是质量m与旋转轴243的径向距离。在一个实施例中，第一角速度249a的第一旋转速度大于第二角速度249b的第二旋转速度，并且第一旋转速度与第二旋转速度的比率在从约3至约10的范围内，在该实施例中，基于第一旋转速度与第二旋转速度的相同比率，第二多边形扫描器244b的质量大于第一多边形扫描器244a的质量。因此，尽管根据等式5b，第二多边形扫描器244b的转动惯量I大于第一多边形扫描器244a的转动惯量，但是第一多边形扫描器244a的角速度(例如旋转速度)的大小比第二多边形扫描器244b的大出相等的大小，并且因此，根据等式5a，多边形扫描器244a、244b的角动量L在大小上大约相等，并且由于角速度249a、249b在方向上相反，角动量L在符号上相反。这有利地确保在系统200”的操作期间在多边形扫描器244a、244b之间没有净角动量或者净角动量可以忽略。
系统200”可以包括定位在准直器229和扫描光学器件218之间的扫描器241(例如多边形扫描器244a、244b)，其被配置为在第三平面234(例如图2E的平面)中调整准直光束205’的方向。扫描器241可以调整在第一多边形扫描器244a和第二多边形扫描器244b之间的准直光束205’的方向。扫描器241可以将光束205’调整为在第一多边形扫描器244a的面245a、245b和第二多边形扫描器244b的面245a、245b之间的扫描光束233。扫描器241可以使用三角波形(例如每秒五次)在第一多边形扫描器244a的面245和第二多边形扫描器244b的面245之间连续地移动扫描光束233。
当扫描器241将扫描光束233引导到第一多边形扫描器244a的面245a、245b上时，面245a、245b可以将光束233’偏转到不同于第三平面234(例如图2E的平面)的第一平面235(例如图2F的平面)中，在第三平面中，光束233入射到第一多边形扫描器244a上。图2J描绘用于限定下扫描区域264的第一平面235，在下扫描区域中光束233’从第一角度扫描到第二角度。在一个实施例中，第一平面235与旋转轴243形成大约85度或105度的角度，或者形成在从大约45度至大约150度的范围内或在从大约30度至大约150度的范围内的角度。在一个实施例中，第二平面237与旋转轴243形成约90度的角度，或在约60度至约120度的范围内或在约40度至约150度的范围内的角度。在一个实施例中，基于第一多边形扫描器244a围绕旋转轴243的旋转，扫描光束233’被第一多边形扫描器244a的面245a、245b在第一平面235(例如图2F的平面)内从第一角度偏转到第二角度。第一平面235(例如图2F的平面)可以与第三平面234大致正交。为了本说明书的目的，正交意味着由90±20度范围内的角度限定的相对取向。扫描器241可以以固定的扫描速度足够慢地调整扫描光束233的方向，使得在扫描光束233被引导到第一多边形扫描器244a上的时间段期间，扫描光束233’在第一平面235内从第一角度偏转到第二角度达阈值数量(例如一次)。扫描器241可以以扫描速度将扫描光束233的方向调整到第一多边形扫描器244a的面245a、245b，并将扫描光束233的位置保持最小时间段，使得扫描光束233’在第一平面235内从第一角度偏转到第二角度达阈值数量(例如一次)。
在一个实施例中，当扫描器241将来自第一多边形扫描器244a的扫描光束233引导到第二多边形扫描器244b的面245a、245b上时，面245a、245b将光束233’偏转到与第三平面234(例如图2E的平面)不同的第二平面237中，其中光束233入射到第二多边形扫描器244b上并且与第一平面235不同。图2J描绘了第二平面237，其限定了扫描区域261(见图2K)的上扫描区域262，在上扫描区域中光束233’从第一角度扫描到第二角度。在一些实施例中，扫描区域261的上扫描区域262和下扫描区域264具有重叠区域263。在一些实施例中，上扫描区域262和下扫描区域264不重叠，因此不存在重叠区域263。在一个实施例中，第二平面237与旋转轴243形成大约90度的角度。在一个实施例中，基于第二多边形扫描器244b围绕旋转轴243的旋转，扫描光束233’被第二多边形扫描器244b的面245a、245b在第二平面237(例如图2F的平面)内从第一角度偏转到第二角度。第二角速度249b的方向可以与第一角速度249a的方向相反，因此与在第一平面235中扫描的光束233’(例如从第一角度到第二角度)相比，光束233’在相反的方向(例如从第二角度到第一角度)上在第二平面237中被反向扫描。第二平面237(例如图2F的平面)可以与第三平面234大致正交。扫描器241可以以固定的扫描速度足够慢地调整扫描光束233的方向，使得扫描光束233’在扫描光束233被引导到第二多边形扫描器244b上的时间段期间在第二平面237内从第一角度偏转到第二角度达阈值数量(例如一次)。扫描器241可以以扫描速度将扫描光束233的方向调整到第二多边形扫描器244b的面245a、245b，并将扫描光束233的位置保持最小时间段，使得扫描光束233’在第二平面237内从第一角度偏转到第二角度达阈值数量(例如一次)。
图2I是用于示出图2E的系统200”的扫描光学器件218的示例的分解图的示意图。在一个实施例中，扫描光学器件218包括第一多边形扫描器244a和第二多边形扫描器244b，第一多边形扫描器244a可以耦合到电动机257，第二多边形扫描器244b可以通过第一多边形扫描器244a耦合到电动机257。第一多边形扫描器244a可以可旋转地安装到电动机257的驱动轴258和行星轴承259。第一多边形扫描器244a可包括凹部(未示出)以接收驱动轴258和行星轴承259。第二多边形扫描器244b可以利用定位在环形齿轮252内的行星传动齿轮254和驱动器太阳齿轮256可旋转地安装到第一多边形扫描器244a。环形齿轮252可以接收在第二多边形扫描器244b的下表面上的空腔(未示出)内。可以选择齿轮254、256和/或环形齿轮252的一个或多个参数(例如直径、数量等)以调整第一多边形扫描器244a的第一角速度249a的旋转速度的大小与第二多边形扫描器244b的第二角速度249b的旋转速度的大小的比率。例如，比率可以在从约3到约10的范围内，或在从约2到约20的范围内。电动机257可以由加利福尼亚州托兰斯市的Nidec
Figure BDA0002992294680000261
电子公司制造。传动装置(例如齿轮254、256和环形齿轮252)可以由
Figure BDA0002992294680000262
齿轮提供，包括与来自地面公制正齿轮提供的选择相耦合的S1E05ZM05S072内部环形齿轮。
尽管图2I中的电动机257使多边形扫描器244a、244b两者同时移动(例如在相反的方向上)，如图2E-2F所示，光束233可以仅由扫描器241一次引导到一个多边形扫描器244a、244b上，使得光束233’在第一时间段内通过第一平面235在下扫描区域264上扫描，并且随后在第一时间段之后的第二时间段内通过第二平面237在上扫描区域262上扫描。
图2G是示出根据实施例的高分辨率(高分)LIDAR系统200”的示例部件的侧视图的框图。图2H是示出根据实施例的图2G的高分辨率(高分)LIDAR系统200”的示例部件的俯视图的框图。图2G-2H的系统200”可以类似于参考图2E-2F描述的系统，除了这里讨论的特征之外。与图2E-2F的实施例不同，其中单个波导225和单个准直器229提供由扫描器241在第一多边形扫描器244a和第二多边形扫描器244b之间扫描的单个准直光束205’，图2G-2H的系统200”包括分别向第一和第二多边形扫描器244a、244b提供一对准直光束205’的一对波导225a、225b和一对准直器229a、229b。在一个实施例中，图2G-2H的系统200”不包括扫描器241。来自激光源212的光束201可以被分束器(未示出)分成被引导到波导225a、225b中的两个光束201。系统200”可以包括在接收路径224中的两个循环器226和两个接收波导，以容纳在相应波导225a、225b的尖端处接收的、来自相应多边形扫描器244a、244b的分离的返回光束291。图2G-2H的系统200”可以包括两个激光源212，并且每个波导225a、225b可以从激光源212中的一个接收相应的光束201。系统200”还可以包括两个循环器226和两个接收波导，以处理来自多边形扫描器244a、244b的分离的返回光束291。图2G-2H的系统200”可以适应光束233’在第一和第二平面235、237中的同时扫描，并因此适应在上扫描区域和下扫描区域262、264中的同时扫描(例如在相反的方向上)，因为系统200”包括两个处理通道以适应来自多边形扫描器244a、244b的同时返回光束291。
4.单基地相干LIDAR系统参数
在一个实施例中，通过将系统参数包括在所谓的“链路预算”中来对系统200’、200”的单基地相干LIDAR性能进行建模。链路预算估计各种系统和目标参数的信噪比(SNR)的期望值。在系统侧，链路预算可以包括输出光学功率、积分时间、检测器特性、波导连接中的插入损耗、在成像的光斑和单基地收集波导之间的模式重叠、以及光学收发器特性中的一个或多个。在目标侧，链路预算可以包括大气特性、目标反射率和目标距离中的一个或多个。
图4A是示出根据实施例的图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的返回光束291在没有扫描的情况下的示例信噪比(SNR)相对于目标距离的曲线图。在其他实施例中，图4A描述了图2A的系统200中返回光束291的SNR相对于目标距离的示例。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离。竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。曲线410描绘了被分成近场406和远场408的SNR相对于距离的值，其中从具有相对平坦斜率的曲线410的近场406过渡到具有负斜率(例如约-20dB/10m)的曲线410的远场408。远场408中SNR的降低由“r平方”损耗支配，因为返回光束291所通过的散射大气以到目标的距离的平方增长，而用于收集返回光束291的光学波导尖端217的表面积是固定的。图4B是根据实施例的用于示出曲线411的示例的曲线图，该曲线411表示在远场408中驱动SNR曲线410的形状的1/r平方损耗。水平轴402是以米(m)为单位的范围，且竖直轴407是无单位的功率损耗。
在近场406中，SNR的主要驱动力是准直返回光束291在被准直光学器件229聚焦到尖端217之前的直径。图4C是示出根据实施例的在没有扫描的情况下图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的返回光束291的准直光束直径相对于范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴405是以米(m)为单位的返回光束291的直径。在一个实施例中，曲线414描绘了在返回光束291被聚焦到光学波导的尖端217之前入射在准直光学器件229上的准直返回光束291的直径。曲线414示出了入射在准直光学器件229上的准直返回光束291的直径随着目标距离的增大而增大。
在一个实施例中，在近场406中，随着准直返回光束291的直径在更大的目标距离处增大，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的直径缩小。图4D是根据实施例的示出在没有扫描的情况下在图2D或图2E-2H的系统中与在尖端217处的返回光束291的收集效率相关的SNR的相对于发射信号的距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。曲线416描绘了基于目标距离由在尖端217处的准直光学器件229聚焦的返回光束291的近场SNR。在近场406内的近距离处，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的图像418a充分大于单模光纤尖端217的纤芯尺寸。因此，与收集效率相关的SNR相对较低。在近场406内的较长距离处，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的图像418b比图像418a小得多，因此可归因于收集效率的SNR在更长距离处增加。在一个实施例中，曲线416表明，基于在更长距离处的聚焦返回光束291的改进收集效率，近场406中的SNR具有正斜率(例如每10米+20dB)。在一个实施例中，近场SNR中的这个正斜率抵消了图4B中讨论的近场SNR中的负斜率，该负斜率可归因于“r平方”损耗，并因此导致近场406中的SNR曲线410的相对平坦的区域。图4D中的SNR曲线416中的正斜率没有延伸到远场408中，并因此图4B的“r平方”损耗支配远场408SNR，如远场408中的SNR曲线410中所示。
虽然关于图4A-4D的讨论预测了根据目标距离的返回光束291的SNR，但是图4A-4D中的预测SNR没有完全表征扫描单基地相干LIDAR系统200’、200”的性能，因为它没有考虑扫描光学器件218的扫描速率。在一个实施例中，由于返回光束291的往返延迟，当光束正被扫描光学器件218扫描时，返回光束291的接收模式将从发射光束205’的发射模式横向偏移或“走离”。图4E示出了根据实施例的在图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的各种目标距离和扫描速度(例如多边形扫描器244a、244b的固定扫描速度)的光束走离的示例。水平轴402是目标距离，且竖直轴422是使用扫描光学器件218的光束的扫描速度。如图4E所示，当光束不被扫描时(底行)，没有光束走离，因为聚焦的返回光束291的图像418a以光纤尖端217为中心，表明在短目标距离处没有光束走离，并且聚焦的返回光束291的图像418b也以光纤尖端217为中心，表明在远目标距离处没有光束走离。当光束以中等扫描速度扫描时(图4E中的中间行)，在聚焦返回光束291的图像418a和光纤尖端217之间观察到中等光束走离419a，并且在聚焦返回光束291的图像418b和光纤尖端217之间观察到较大的光束走离419b。当光束以高扫描速度扫描时(图4E中的顶行)，在短距离处观察到光束走离421a，其超过在中等扫描速度处的光束走离419a，并且在大距离处观察到光束走离421b，其超过在中等扫描速度处的光束走离419b。因此，光束走离随着目标距离和扫描速度的增大而增大。在一个实施例中，增大的目标距离包括在其中图像418a、418b从光纤纤芯的尖端217移开的时间延迟。因此，模式重叠的模型适当地考虑了这种走离。在一个实施例中，这样的模型应当基于图像418的直径(例如不大于图像418的直径的一半)来限制光束走离419。
图4F是示出了根据实施例的在图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的耦合效率相对于各种扫描速率的目标距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴430是无单位的耦合效率。在一个实施例中，耦合效率与光束走离419成反比。第一曲线432a描绘了基于不对光束进行扫描的、针对各种目标距离的聚焦返回光束291进入光纤尖端217中的耦合效率。在宽范围的目标距离内，耦合效率保持相对较高且恒定。第二曲线432b描绘了基于光束的中等扫描速率的、针对各种目标距离的聚焦返回光束291进入光纤尖端217中的耦合效率。在一个实施例中，在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降低。第三曲线432c描绘了基于光束的高扫描速率的、针对各种目标距离的聚焦返回光束291进入光纤尖端217中的耦合效率。在一个实施例中，高扫描速率的耦合效率在低目标距离(例如约80m)处达到峰值，然后随着目标距离的增加而降低。
基于图4F中的曲线，扫描太快可能最终使得不可能看到超出某个目标距离之外。在这种情况下，聚焦返回光束291的图像418b不耦合到光纤尖端217中，而是完全走离尖端217的接收器模式。图4G是示出根据实施例的针对图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的各种扫描速率的SNR相对于目标距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线440a描绘了基于目标距离的在光纤尖端217上的聚焦返回光束291的SNR，其中光束未被扫描。第二曲线440b描绘了基于目标距离的在光纤尖端217上的聚焦返回光束291的SNR，其中光束以中等扫描速率扫描。在示例实施例中，中等扫描速率为大约2500度每秒(度/秒)或在大约1000度/秒至大约4000度/秒的范围内或在大约500度/秒至大约5000度/秒的范围内。第三曲线440c描绘了基于目标距离的在光纤尖端217上的聚焦返回光束291的SNR，其中光束以高扫描速率扫描。在示例实施例中，高扫描速率为大约5500度/秒，或者在大约4000度/秒至大约7000度/秒的范围内，或者在大约3000度/秒至大约8000度/秒的范围内。在一个实施例中，中等扫描速率和高扫描速率基于系统的光束尺寸和目标。在一个实施例中，中等扫描速率和高扫描速率基于图2I中的扫描光学器件218的传动结构，例如，多边形扫描器244a以高扫描速率旋转，且多边形扫描器244b以中等扫描速率旋转，其中高扫描速率与中等扫描速率的比率基于图2I中的齿轮的结构。在示例实施例中，以上的中等扫描速率和高扫描速率的数值范围基于具有大约1厘米(cm)直径的准直光束，该准直光束用于扫描到大约200米(m)的最大目标距离的图像。
除了光束的扫描速率之外，返回光束291的SNR还受到在其中获取系统240和/或处理系统250采样和处理返回光束291的积分时间的影响。在一些实施例中，在离散的角度之间扫描光束，且在角度范围227中的离散角度处，针对每一离散角度处的相应积分时间内保持光束静止或几乎静止。返回光束291的SNR受积分时间值和目标距离的影响。如前，光束的横截面面积随着目标距离而增加，导致大气散射增加，因此返回光束291的强度随着距离增加而减小。因此，对于来自较长目标距离的返回光束291，需要较长的积分时间来实现相同的SNR。
图4H是示出根据实施例的图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的各种积分时间的SNR相对于目标距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线450a描述了返回光束291在目标距离上的SNR值，其中系统200’、200”被设置为第一积分时间(例如3.2μs)。第二曲线450b描述了返回光束291在目标距离上的SNR值，其中系统200’、200”被设置为第二积分时间(例如1.6μs)。第三曲线450c描述了返回光束291在目标距离上的SNR值，其中系统200’、200”被设置为第三积分时间(例如800ns)。第四曲线450d描绘了返回光束291在目标距离上的SNR值，其中系统200’、200”被设置为第四积分时间(例如400ns)。曲线450表明，对于固定的目标距离，SNR随着积分时间的增加而增加。曲线450还表明，对于固定的积分时间，返回光束291的SNR由于前面讨论的原因随着距离的增加而降低。在一个实施例中，LIDAR系统200”选择用于在角度227的范围和所得目标距离处扫描的固定积分时间(例如，1.6μs)，使得与固定积分时间相关联的SNR在目标距离上超过SNR阈值452。在一些实施例中，系统200”使用在每个角度的目标距离来最小化在角度227的范围内的每个角度的积分时间，以便最小化在角度227的范围上的积分时间。图4I是示出根据实施例的图2D的系统200’或图2E-2H的系统200”中的测量速率相对于目标距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标距离，且竖直轴474是以每秒可允许测量的数量为单位的每单位时间允许测量的数量。曲线476示出在每个目标距离处的每秒可允许测量数量。在一个实施例中，曲线476表示积分时间的倒数，例如可以在每秒每个目标距离处被检测到的返回光束291的数量，而积分时间表示在每个目标距离处处理返回光束291所花费的时间。还提供了曲线478，它是每个目标距离处每秒可允许测量数量的良好目标。曲线478基于给定ADC(模拟到数字转换)速率的2间隔的幂。曲线478代表每秒可允许测量数量的良好目标，因为当数字化采样的数量是2的幂时，对这样长度的信号的快速傅立叶变换更有效。
5.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。LIDAR系统320可以结合LIDAR系统200、200’、200”的特征。车辆具有由星号311表示的质心，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的信号而操作的部件，例如转向或制动系统(未示出)，处理器例如是处理系统250的车辆控制模块272。在一些实施例中，车辆具有车载处理器314，例如图8中所示的芯片组。在一些实施例中，车载处理器314与远程处理器有线或无线通信，如图7中所示。在一个实施例中，LIDAR系统的处理系统250与车载处理器314通信耦合，或者LIDAR的处理系统250用于执行车载处理器314的操作，使得车辆控制模块272使处理系统250向车辆的转向或制动系统发送一个或多个信号，以控制车辆的方向和速度。高分辨率多普勒LIDAR使用扫描光束322，其从一侧扫描到另一侧，由未来光束323表示，穿过方位角视场324以及穿过垂直角(图3B)以照射在车辆310周围的光斑。在一些实施例中，视场是360度方位角。在一些实施例中，倾角视场为从约+10度到约-10度或其子集。在一个实施例中，视场324包括上扫描区域262和下扫描区域264。在这个实施例中，扫描光束322以与图2E-2F或图2G-2H的系统200”中的光束233’类似的方式进行扫描，例如，扫描光束322由第二多边形扫描器244b在上扫描区域262中的视场324上扫描，并且扫描光束322也由第一多边形扫描器244a在下扫描区域264中的视场324上扫描。在示例实施例中，例如图2E至图2F的系统200”，扫描光束322在分离的时间段对上扫描区域262及下扫描区域264上进行扫描。在另一示例实施例中，例如图2G-2H的系统，扫描光束322在上扫描区域262和下扫描区域264上同时扫描。在另一示例实施例中，扫描光束322在上扫描区域262和下扫描区域264上以相反方向扫描(反向扫描)。
在一些实施例中，车辆包括辅助传感器(未示出)，例如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。LIDAR系统320可以结合系统200或系统200’的特征。车辆310可以在表面349(例如，道路)上以基于箭头313的向前方向移动。在一个实施例中，第一平面235被描绘为限定下扫描区域264，其中光束233’被多边形扫描器244a从第一角度扫描到第二角度。此外，第二平面237被描绘为限定上扫描区域262，其中光束233’被多边形扫描器244b从第一角度扫描到第二角度。在一个实施例中，系统200”可以用于在与上限347相交的第一平面235’上扫描光束233’。在这个示例实施例中，扫描光学器件218与图2J中所示的布置相反，使得第一多边形扫描器244a位于第二多边形扫描器244b之上，并且第一多边形扫描器244在第一平面235’上扫描光束。在一个实施例中，第一平面235、235’不与表面349和上限347对准，而是被取向在一个角度范围内(例如，在箭头313的±10度内和/或在第二平面237的±10度内)。
在设计系统301’时，可以确定在每个平面235、237处的光束的预定最大设计范围，并且该预定最大设计范围可以表示在每个平面235、237处的最大预期目标距离。在一个实施例中，预定最大设计范围是对于每个平面235、237的固定值或值的固定范围。在一个实施例中，第一平面235朝向表面349取向，并且在距离车辆310的某个最大设计范围内与表面349相交。因此，对于第一平面235，系统320不考虑位于表面349之外的目标。在示例实施例中，第一平面235相对于箭头313形成大约-15度或在从大约-25度到大约-10度的范围内的角度，并且最大设计范围是大约4米(m)或在从大约1m到大约10m的范围内或在从大约2m到大约6m的范围内。因此，对于第一平面235’，系统320不考虑位于上限347上方的目标。在示例实施例中，上限347在距表面349(例如，其定义0m的高度)约12m或在约8m至约15m的范围内的高度，第一平面235’相对于箭头313形成大约15度或在大约10度至大约20度的范围内的角度，且最大设计范围是大约7m或在从约4m至约10m的范围内或在从约1m至约15m的范围内。
在一个实施例中，第二平面237取向为大致平行于箭头313，并与位于距车辆310最大设计范围处的目标343相交。在一个示例实施例中，图3B未按比例绘制，并且目标343被定位在距车辆310的比所描绘的距离更远的距离处。为了本说明书的目的，“大致平行”意味着在箭头313的大约±10度内或大约±15度内。在示例实施例中，目标343在第二平面237中的最大设计范围为大约200m或者在大约150m至大约300m的范围内或者在大约100m至大约500m的范围内。
6.用于优化相干LIDAR系统中的扫描图案的方法
图5是示出用于优化在自主车辆上的LIDAR系统的扫描图案的示例方法500的流程图。尽管为了说明的目的，在图5和6中将步骤描述为特定顺序的整体步骤，但是可以以不同的顺序，或者在时间上重叠，串行或并行地，或者省略、或者添加一个或多个附加步骤，或者以某种方式的组合改变该方法，来执行一个或多个步骤或其部分。
在步骤501中，在处理器上接收数据，数据指示基于目标的距离的值的、由目标反射且由LIDAR系统检测的信号的第一SNR值，其中第一SNR值是针对LIDAR系统的扫描速率的相应值。在一个实施例中，在步骤501中，数据是在系统200”中在光纤尖端217上的聚焦返回光束291的第一SNR值。在一个实施例中，数据包括用于表示返回光束291的SNR值的曲线440a和/或曲线440b和/或曲线440c的值，其中每个曲线440针对光束的扫描速率的相应值。在一些实施例中，数据不限于曲线440a、440b、440c，并且包括比图4G中所描绘的更少或更多曲线的SNR值，其中每个SNR曲线基于扫描速率的相应值。在一些实施例中，数据包括SNR值，其可以被用于形成针对扫描速率的每个相应值的在目标距离上的曲线。在示例实施例中，在步骤501中，将数据存储在处理系统250的存储器中，并且将每组第一SNR值与LIDAR系统的扫描速率的相关联值一起存储。在一个实施例中，在步骤501中，第一SNR值是在从约0米到约500米的范围内(例如机动车辆)或在从约0米到约1000米的范围内(例如空中交通工具)、并且对于从约2000度/秒到约6000度/秒的或在从约1000度/秒到约7000度/秒的范围内的扫描速率值而获得的。在一些实施例中，第一SNR值是预定的，并且在步骤501中由处理器接收。在其他实施例中，第一SNR值由LIDAR系统测量，并且随后在步骤501中由处理器接收。在一个实施例中，在步骤501中数据通过使用输入装置712来输入和/或在网络链路778上从局域网780、因特网790或外部服务器792而上载到处理系统250的存储器704。
在步骤503中，在处理器上接收数据，数据表示基于目标的范围的值的、由目标反射且由LIDAR系统检测的信号的第二SNR值，其中第二SNR值针对LIDAR系统的积分时间的相应值。在一个实施例中，在步骤503中，数据是在系统200”中的聚焦返回光束291对于相应积分时间的第二SNR值，在该相应积分时间上获取系统240和/或处理系统250处理光束。在一个实施例中，数据包括用于表示返回光束291的SNR值的曲线450a和/或曲线450b和/或曲线450c和/或曲线450d的值，其中每个曲线450针对获取系统240和/或处理系统250处理光束的积分时间的相应值。在一些实施例中，数据不限于曲线450a、450b、450c、450d，并且包括比图4H中所描绘的更少或更多的曲线，其中每个SNR曲线基于积分时间的相应值。在一些实施例中，数据不需要是曲线，而是用于形成对于积分时间的每个相应值的在目标距离上的曲线的SNR值。在示例实施例中，在步骤503中，将数据存储在处理系统250的存储器中，并且将每组第二SNR值与LIDAR系统的积分时间的相关联值一起存储。在一个实施例中，在步骤503中，在从大约0米到大约500米的范围内(例如，机动车辆)或从大约0米到大约1000米的范围内(例如，空中交通工具)并且对于从大约100纳秒(ns)到大约5微秒(ps)的积分时间值来获得第二SNR值。在一些实施例中，第二SNR值是预定的，并且在步骤503中由处理器接收。在一些实施例中，第二SNR值由LIDAR系统测量，并且随后在步骤503中由处理器接收。在一个实施例中，在步骤503中数据使用输入装置712来输入和/或在网络链路778上从局域网780、因特网790或外部服务器792上载到处理系统250的存储器704。
在步骤505中，在处理器上接收数据，其表示用于限定角度范围324的第一角度和第二角度。在一个实施例中，在步骤505中，第一角度和第二角度限定由第一平面235限定的下扫描区域264的角度范围324(例如，其中第一和第二角度是相对于箭头313测量的)。在另一实施例中，在步骤505中，第一角度和第二角度限定由第二平面237限定的上扫描区域262的角度范围324。在一个实施例中，第一角度和第二角度关于箭头313对称，例如第一角度和第二角度相等并且彼此相反。在一个实施例中，第一角度和第二角度相对于箭头313为大约±60度，例如相对于箭头313为±60度，限定了角度范围324。在一些实施例中，第一角度和第二角度相对于箭头313为大约±30度、大约±40度和大约±50度。在一个实施例中，步骤501、503和505在一个步骤中同时执行，其中步骤501、503和505中的数据在一个同时的步骤中在处理器处被接收。
在步骤507中，在处理器上接收数据，该数据表示沿着用于限定上扫描区域262和下扫描区域264的每个平面235、237的目标的最大设计范围。在实施例中，在步骤507中接收的最大设计范围是用于限定上扫描区域262和下扫描区域264的每个平面235、237的固定值或值的固定范围。在一个实施例中，在步骤507中，第一平面235的最大设计范围在约1m至约15m的范围内或约4m至约10m的范围内，在一些实施例中，在步骤507中，第二平面237的最大设计范围在约150m至约300m的范围内或在约100m至约400m的范围内。
在一个示例实施例中，步骤507中的数据通过使用输入装置712(例如鼠标或定点装置716)来输入和/或在网络链路778上被上载到处理系统250。在一些实施例中，在步骤507期间，最大设计范围被预先确定和接收。在一些实施例中，系统200、200’、200”用于测量每个平面235、237处的最大设计范围，并且随后在步骤507中由处理系统250接收每个平面235、237处的最大设计范围。
在步骤509中，在第一平面235处确定LIDAR系统的最大扫描速率，使得LIDAR系统的SNR大于最小SNR阈值。在第一平面235处，首先基于在步骤507中所接收的数据确定用于那个平面的最大设计范围。然后，确定用于在平面235处的最大设计范围的、在步骤501中接收的第一SNR值，并且进一步确定这些第一SNR值中哪些超过最小SNR阈值。在一个实施例中，曲线440a、440b、440c的值是针对最大设计范围(例如，约120m)确定的，并且还确定曲线440a、440b的值超过最小SNR阈值442。在超过最小SNR阈值的那些第一SNR值中，选择具有最大扫描速率的第一SNR值，并且在步骤509确定用于平面235的最大扫描速率。在上述实施例中，在曲线440a、440b的、超过最大设计范围(例如，约120m)处的最小SNR阈值442的值中，曲线440b的值被选择作为最大扫描速率，并且最大扫描速率(例如，与曲线440b相关的中等扫描速率)针对平面235在步骤509中被确定。在步骤511中，重复步骤509，但针对第二平面237最大扫描速率被确定。
在一个实施例中，图4G描述了在步骤509中为具有较小最大设计范围的第一平面235所确定的最大扫描速率(例如，基于曲线440c的快速扫描速率)大于在步骤511中为具有较大最大设计范围的第二平面237确定的最大扫描速率(例如，基于曲线440b的中等扫描速率)。因此，第一多边形扫描器244a的旋转速度(例如，在第一平面235中沿着下扫描区域264扫描光束233’)被设置为大于第二多边形扫描器244b的旋转速度(例如，在第二平面237中沿着上扫描区域262扫描光束233’)。在示例实施例中，扫描光学器件218(图2I)的传动结构被布置成使得第一多边形扫描器244a的旋转速度与第二多边形扫描器244b的旋转速度的比率具有基于步骤509、511的适当值。在一个实施例中，在步骤509和511中确定最大扫描速率的步骤确保了在光纤尖端217上的返回光束291的光束走离419(图4E)小于在尖端217上的返回光束291的图像418的直径的比率。在一个示例实施例中，比率为约0.5或在约0.3至约0.7的范围内。
在步骤513中，在第一平面235处确定LIDAR系统的最小积分时间，使得LIDAR系统的SNR大于最小SNR阈值。在第一平面235处，用于该平面的最大设计范围是首先基于在步骤507中接收到的数据来确定的。然后针对在平面235处的最大设计范围来确定在步骤503中接收的第二SNR值，并且进一步确定这些第二SNR值中的哪些超过最小SNR阈值。在一个实施例中，针对最大设计范围(例如，大约120m)来确定曲线450a、450b、450c、450d的值，并且进一步确定曲线450a、450b、450c的值超过最小SNR阈值452。在超过最小SNR阈值的那些第二SNR值中，选择具有最小积分时间的第二SNR值，并在步骤513中为该平面235确定最小积分时间。在上述实施例中，在曲线450a、450b、450c的、在最大设计范围(例如约120m)处超过最小SNR阈值452的值中，选择具有最小积分时间的曲线450c值，并在步骤511中针对平面235确定最小积分时间(例如约800ns)。步骤515涉及重复步骤513以确定针对第二平面237的最小积分时间。
在步骤517中，LIDAR系统中的下扫描区域264的扫描图案基于来自步骤509的最大扫描速率和来自步骤513的最小积分时间来限定。在一个实施例中，最大扫描速率和最小积分时间在下扫描区域264上是固定的。在示例实施例中，扫描图案被存储在处理系统250的存储器(例如，存储器704)中。在步骤519中，上扫描区域262的扫描图案基于来自步骤511的最大扫描速率和来自步骤515的最小积分时间来限定。
在步骤521中，LIDAR系统根据在步骤517和519中确定的扫描图案来操作。在一个实施例中，在步骤519中，在下扫描区域264和上扫描区域262上的视场324中扫描LIDAR系统的光束。在一些实施例中，步骤521涉及使用图2E-2F的系统200”以及在下扫描区域264上扫描光束233’，随后是在扫描器241将光束233从第一多边形扫描器244a移动到第二多边形扫描器244b时，在上扫描区域262上扫描。在另一实施例中，步骤521涉及使用图2G-2H的系统200”并同时在下扫描区域264和上扫描区域262上扫描光束233’。在一个实施例中，在步骤521中，由于光束233’是以相反方向被扫描，因此光束233’在上扫描区域262及下扫描区域264上被反向扫描。这有利地改善了由于扫描器244a、244b的反向旋转而导致的在步骤521期间扫描光学器件218的惯性变化所引起的净合成力矩。在一个实施例中，在步骤521中，在一个或多个循环内，使光束扫描通过上扫描区域262和下扫描区域264，其中，每个区域262、264中的光束的扫描速率是该区域262、264(例如，平面235、237)的扫描图案中的最大扫描速率，并且，每个区域262、264处的LIDAR系统的积分时间是该区域262、264(例如，平面235、237)的最小积分时间。
在步骤521期间或之后，处理器可以至少部分地基于在步骤521期间由LIDAR系统收集的数据来操作车辆310。在一个实施例中，LIDAR系统的处理系统250和/或车辆310的处理器314基于在步骤521中由LIDAR系统收集的数据向车辆的转向和/或制动系统发送一个或多个信号。在一个示例实施例中，处理系统250响应于LIDAR数据向车辆310的转向或制动系统发送一个或多个信号以控制车辆310的位置。在一些实施例中，处理系统250基于在步骤521中收集的LIDAR数据将一个或多个信号发送到车辆310的处理器314，并且处理器314进而将一个或多个信号发送到车辆310的转向和制动系统。
图6是示出根据实施例的用于操作自主车辆上的LIDAR系统200”的示例方法600的流程图。在步骤601中，从激光源212产生光束201。在一个实施例中，在步骤601中，光束201被耦合到传输波导225中并且从波导225的尖端217发送。在一些实施例中，在步骤601中，使用分束器(未示出)将光束201分离，并且将分离的光束引导到波导225a、225b中并且从波导225a、225b的尖端217发送。在一些实施例中，在步骤601中，提供两个激光源212，并且每个激光源212生成被引导到相应波导225A、225B中的相应光束201。
在步骤603中，利用准直器229使光束成形以形成准直光束205’。在一个实施例中，在步骤603中，利用准直器229使光束成形以形成取向在第三平面234(例如，图2E、2G的平面)中的准直光束205’。在一些实施例中，在步骤603中，从波导225a、225b的尖端217发射分离的光束，并且相应的准直器229a、229b将光束准直为取向在第三平面234(例如，图2G的平面)中的相应的准直光束205’。在一个实施例中，在步骤603中，在第三平面234内，准直光束205’被引导为朝向多边形扫描器244a、244b之一(图2E-2F)或朝着多边形扫描器244a、244b两者(图2G-2H)的方向上。
在步骤605中，利用第一多边形扫描器244a将在步骤603中生成的准直光束205’的方向在第一平面235中从第一角度调整到第一平面235中的第二角度。在一个实施例中，在步骤605中，基于第一多边形扫描器244a围绕旋转轴243的旋转，在下扫描区域264上扫描光束233’。在一个实施例中，在步骤605中，扫描器241将光束233引导到第一多边形扫描器244a的面245上一段时间，该段时间足以用第一多边形扫描器244a将光束233’从第一角度扫描到第二角度。在示例实施例中，对于系统301’，步骤605涉及在朝向表面349取向的第一平面235上将光束233’从第一角度扫描到第二角度。
在步骤607中，基于在步骤605中在第一平面235中对光束233’的方向的调整，在系统200”的波导尖端217处接收一个或多个返回光束291。在一个实施例中，在步骤607中，返回光束291由系统200”进行处理以确定在下扫描区域264上到目标的距离。在示例实施例中，在步骤607中，基于在第一平面235中对扫描光束233’的方向的调整，返回光束291被从表面349(或在表面349上的目标)反射。
在步骤609，在第三平面234(图2E的平面)中，将光束205’的方向从第一多边形扫描器244a调整到第二多边形扫描器244b。在一个实施例中，在步骤609中，利用扫描器241以连续扫描速度调整光束205’的方向，连续扫描速度足够慢，使得当光束205’在第一多边形扫描器244a的面245上时执行步骤605和607。在一个实施例中，在步骤609中，利用扫描器241在扫描器244a、244b之间以非零扫描速度调整光束205’的方向，并且在扫描器244a、244b中的每一个上保持固定，直到执行步骤605、607(对于扫描器244a)或步骤611、613(对于扫描器244b)为止。在一些实施例中，在分离的光束205’被传输到分离的多边形扫描器244a、244b(例如图2G-2H)上的情况下，省略步骤609。
在步骤611中，利用第二多边形扫描器244a将在步骤603中生成的准直光束205’的方向在第二平面237中从第一角度调整到第二平面237中的第二角度。在一个实施例中，在步骤611中，基于第二多边形扫描器244b围绕旋转轴243的旋转，在上扫描区域262上扫描光束233’。在一个实施例中，在步骤611中，扫描器241将光束233导向到第二多边形扫描器244b的面245上一段时间，该段时间足以用第二多边形扫描器244b将光束233’从第一角度扫描到第二角度。在示例实施例中，对于系统301’，步骤611涉及在第二平面237上将光束233’从第一角度扫描到第二角度，该第二平面的取向朝向表面349上的目标343(例如，在从大约150m到大约400m的最大范围处)。在一个实施例中，在步骤611中在第二平面237中的光束233’的调整方向与在步骤605中在第一平面235中的光束233’的调整方向相反。
在步骤613中，基于在步骤611中对第二平面237中的光束233’的方向的调整，在系统200”的波导尖端217处接收一个或多个返回光束291。在一个实施例中，在步骤613中，返回光束291由系统200”处理，以便确定在上扫描区域262上到目标的距离。在示例实施例中，在步骤613中，基于在第二平面237中对扫描光束233’的方向的调整，返回光束291从目标343反射。
在步骤615中，确定是否要执行光束233’在第一平面235和/或第二平面237中的更多扫动。在一个实施例中，步骤615涉及将光束233’在第一平面235和/或第二平面237中的扫动次数与(例如，存储在存储器704中的)光束233’在第一平面和/或第二平面237中的预定扫动次数进行比较。如果要执行光束233’的附加扫动，则方法600返回到步骤605。如果不执行光束233’的附加扫动，则方法600结束。在一个实施例中，在方法600的步骤期间，多边形扫描器244a、244b以固定速度连续旋转。在一个实施例中，当方法600结束时，处理系统250向多边形扫描器244a、244b发送信号以停止扫描器的旋转。
在一个实施例中，方法600还包括基于在步骤607和611中接收的返回光束数据确定到第一平面235和/或第二平面237中的目标的距离。另外，在一个实施例中，方法600包括基于在第一平面235和第二平面237中的到目标的距离来调整车辆310的一个或多个系统。在示例实施例中，方法600包括基于在步骤607和611中从返回光束数据确定的目标距离数据来调整车辆310的转向系统和/或制动系统中的一个或多个。
7.计算硬件概述
图7是示出计算机系统700的框图。计算机系统700包括诸如总线710的通信机构，用于在计算机系统700的其他内部和外部部件之间传递信息。信息被表示为可测量现象的物理信号，通常为电压，但在其他实施例中包括例如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子交互的现象。例如，北和南磁场，或者零和非零电压，表示二进制数字(比特)的两个状态(0，1)。其他现象可以表示更高基数的数字。在测量之前的多个同时量子状态的叠加表示量子比特(qubit)。一个或多个数字的序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。在一些实施例中，称为模拟数据的信息由在特定范围内的可测量值的近连续统(continuum)表示。计算机系统700或其一部分构成用于执行本文的一个或多个方法的一个或多个步骤的装置。
二进制数字序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。总线710包括许多并行的信息的导体，使得信息在耦合到总线710的装置之中快速传输。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组合两个或多个信息单元，例如通过加法或乘法。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。诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置的存储器704存储了包括计算机指令的信息。动态存储器允许存储在其中的信息被计算机系统700改变。RAM允许存储在称为存储器地址的位置处的信息单元独立于在相邻地址处的信息而被存储和检索。存储器704还由处理器702用于在计算机指令的执行期间存储临时值。计算机系统700还包括只读存储器(ROM)706或其他静态存储装置，其耦合到总线710以用于存储不被计算机系统700改变的静态信息，包括指令。同样耦合到总线710的是非易失性(永久性)存储装置708，例如磁盘或光盘，用于存储即使当计算机系统700关闭或以其他方式掉电时也会持续的信息，包括指令。
信息(包括指令)从外部输入装置712(例如包含由人类用户操作的字母数字键的键盘或传感器)被提供给总线710以供处理器使用。传感器检测其附近的状况，并将这些检测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、主要用于与人类交互的其他外部装置包括用于呈现图像的显示装置714(诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD))、以及定点装置716(诸如鼠标或轨迹球或光标方向键)，定点装置用于控制呈现在显示器714上的小光标图像的位置并发出与呈现在显示器714上的图形元件相关联的命令。
在所示实施例中，专用硬件，例如专用集成电路(IC)720，耦合到总线710。专用硬件被配置为为了专用目的而足够快速地执行处理器702未执行的操作。专用IC的示例包括用于生成用于显示器714的图像的图形加速卡、用于对通过网络发送的消息进行加密和解密的密码板、语音识别、以及到特殊外部装置的接口，特殊外部装置诸如用于重复地执行某些复杂操作序列的机器人臂和医疗扫描装备，操作在硬件中更高效地实施。
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提供了与各种外部装置的双向通信耦合，外部装置利用它们自己的处理器进行操作，例如打印机、扫描器和外部盘。通常，耦合是与连接到本地网络780的网络链路778进行的，具有其自己的处理器的各种外部装置连接到本地网络。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是综合业务数字网(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或电话调制解调器，其提供到相应类型的电话线的信息通信连接。在一些实施例中，通信接口770是缆线调制解调器，其将总线710上的信号转换成用于在同轴电缆上进行通信连接的信号或转换成用于在光纤缆线上进行通信连接的光学信号。作为另一个示例，通信接口770可以是局域网(LAN)卡，以提供到兼容LAN(例如以太网)的数据通信连接。也可以实施无线链路。载波，例如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波，在没有导线或缆线的情况下通过空间传播。信号包括载波的幅值、频率、相位、极化或其他物理属性的人为变化。对于无线链路，通信接口770发送和接收用于携带诸如数字数据的信息数据流的电、声或电磁信号，包括红外和光学信号。
术语计算机可读介质在这里用来指参与向处理器702提供信息的任何介质，信息包括用于执行的指令。这种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、光纤缆线和在没有电线或缆线的情况下通过空间行进的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波。术语计算机可读存储介质在这里用于指除了传输介质之外参与向处理器702提供信息的任何介质。
计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、致密盘ROM(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、FLASH-EPROM或任何其他存储器芯片或盒、载波或计算机可以从其读取的任何其他介质。术语非暂时性计算机可读存储介质在这里用于指除了载波和其他信号之外参与向处理器702提供信息的任何介质。
编码在一个或多个有形介质中的逻辑包括计算机可读存储介质上的处理器指令和诸如ASIC 720的专用硬件中的一个或两个。
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他装置提供信息通信。例如，网络链路778可以通过本地网络780提供到主机计算机782或到由因特网服务提供商(ISP)操作的设备784的连接。ISP设备784进而通过现在通常称为因特网790的网络的公共全球分组交换通信网络提供数据通信服务。连接到因特网的称为服务器792的计算机响应于在因特网上所接收的信息来提供服务。例如，服务器792提供用于表示视频数据的信息，以在显示器714上呈现。
计算机系统700可以响应于处理器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实现本文描述的各种技术。这样的指令，也称为软件和程序代码，可以从诸如存储装置708的另一计算机可读介质读入存储器704。包含在存储器704中的指令序列的执行使得处理器702执行本文描述的方法步骤。在替代实施例中，诸如专用集成电路720的硬件可以代替软件或与软件结合使用以实施本发明。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和其他网络上传输的信号携带去往和来自计算机系统700的信息。计算机系统700可以通过网络780、790等等，通过网络链路778和通信接口770发送和接收包括程序代码的信息。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来发送从计算机700发出的消息所请求的用于特定应用的程序代码。所接收的代码可以在其被接收时由处理器702执行，或者可以存储在存储装置708或其他非易失性存储装置中以用于稍后执行，或者两者都进行。以这种方式，计算机系统700可以获得在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以涉及将一个或多个指令序列或数据或两者携带到处理器702以供执行。例如，指令和数据最初可以承载在诸如主机782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本地的调制解调器接收在电话线上的指令和数据，并使用红外发射器将指令和数据转换为在用作网络链路778的红外载波上的信号。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，并将表示指令和数据的信息放置在总线710上。总线710将信息传送到存储器704，处理器702从该存储器检索指令并使用与指令一起发送的一些数据来执行指令。接收在存储器704中的指令和数据可以可选地在由处理器702执行之前或之后存储在存储装置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。作为示例，物理封装包括结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、部件和/或导线的布置，以提供诸如物理强度、尺寸保持和/或电交互限制之类的一个或多个特性。可以预期，在某些实施例中，芯片组可以在单个芯片中实施。芯片组800或其一部分构成用于执行本文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之类的通信机构，用于在芯片组800的部件之中传递信息。处理器803具有到总线801的连接，以执行指令和处理存储在例如存储器805中的信息。处理器803可以包括一个或多个处理核，其中每个核被配置为独立地执行。多核处理器使得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。替代地或另外地，处理器803可以包括经由总线801串联配置的一个或一个以上微处理器，以能够独立执行指令、管线和多线程。处理器803还可以伴随有一个或多个专用部件以执行某些处理功能和任务，例如一个或多个数字信号处理器(DSP)807或一个或多个专用集成电路(ASIC)809。DSP807通常被配置为独立于处理器803而实时地处理真实世界信号(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门功能。帮助执行本文描述的发明功能的其他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)或者一个或多个其他专用计算机芯片。
处理器803和附带的部件具有经由总线801到存储器805的连通性。存储器805包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，ROM、CD-ROM等)两者，当可执行指令被执行时将执行本文的方法的一个或多个步骤。存储器805还存储与本文的方法的一个或多个步骤的执行相关联的数据或通过执行本文的方法的一个或多个步骤而生成的数据。
现在已经描述了一些说明性的实现方式，很明显，前述内容是说明性的而非限制性的，已经通过示例的方式呈现。特别地，尽管本文呈现的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但是那些动作和那些元件可以以其他方式组合以实现相同的目的。结合一个实施方式所讨论的动作、元件和特征不旨在被排除在其他实施方式或实施方式中的类似角色之外。
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被认为是限制性的。本文中“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”、“以…为特征”、“特征在于”及其变形的使用意在涵盖其后列出的项目、其等同物以及附加项目、以及由其后列出的项目组成的替代实现方式。在一种实施方式中，本文描述的系统和方法由所描述的元件、动作或部件中的一个、或多于一个的每种组合、或全部所组成。
对本文中以单数形式提及的系统和方法的实现方式或元件或动作的任何引用也可以包括含有多个这些元件的实现方式，并且在本文中以复数形式对任何实现方式或元件或动作的任何引用也可以包括仅包含一个元件的实现方式。单数或复数形式的引用无意将当前公开的系统或方法、它们的部件、动作或元件限制为单个或多个的配置。基于任何信息、动作或元件的对任何动作或元件的引用可以包括其中该动作或元件至少部分地基于任何信息、动作或元件的实现方式。
本文公开的任何实现方式可以与任何其他实现方式或实施例组合，并且对“一个实现方式”、“一些实现方式”、“一个实现方式”等的引用不一定是互斥的，并且旨在指示结合实现方式描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一个实现方式或实施例中。如本文所使用的这样的术语不一定全部指代相同的实现方式。任何实现方式可以以与本文公开的方面和实现方式一致的任何方式与任何其他实现方式(包括性地或排它性地)组合。
在附图、具体实施方式或任何权利要求中的技术特征之后具有附图标记时，附图标记已经被包括以增加附图、具体实施方式和权利要求的可理解性。因此，附图标记的存在或不存在对任何权利要求要素的范围没有任何限制作用。
在不脱离其特性的情况下，本文中描述的系统和方法可以以其他特定形式来实施。进一步的相对平行、垂直、竖直或其他定位或取向的描述包括在纯竖直、平行或垂直定位的+/-10％或+/-10度内的变形。除非另外明确指出，否则提及“大约”、“约”，“基本上”或其他程度术语包括相对于给定的测量值、单位或范围的+/-10％的变化。耦合的元件可以直接地或通过中间元件彼此电、机械或物理耦合。因此，本文所描述的系统和方法的范围由所附权利要求而不是前述描述来指示，并且在权利要求的等同含义和范围内的变化被包含在其中。
术语“耦合”及其变形包括两个构件彼此直接或间接地联接。这样的联接可以是固定的(例如，永久的或固定的)或可移动的(例如，可移动的或可释放的)。这样的联接可以通过将两个构件直接地相互或彼此耦合、通过使用与它们相互连接的分离的中间构件或任何附加中间构件将两个构件彼此耦合、或者通过与两个构件之一一体地形成为单个整体的中间构件将两个构件彼此耦合来实现。如果通过附加术语对“耦合”或其变形进行了修改(例如，直接耦合)，则以上提供的“耦合”的通用定义由附加术语的简单语言含义进行了修改(例如，“直接耦合”是指在两个构件之间没有任何分离的中间构件的情况下联接两个构件)，导致其定义比上面提供的“耦合”的通用定义要狭窄。这样的耦合可以是机械的、电气的或流体的。
对“或”的引用可以被解释为包括性的，以使得使用“或”描述的任何术语可以指示所描述术语中的单个、多个和全部的任何一种。对“‘A’和‘B’中的至少一个”的引用可以仅包括‘A’、仅包括‘B’以及包括‘A’和‘B’两者。与“包括”或其他开放式术语相结合使用的这样的引用可以包括附加项目。
可以对所描述的元件和动作(例如各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、取向中的变形)进行修改，而不会实质性地背离教导和本文公开的主题的优点。例如，示出为一体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且分立元件的性质或数量或位置可以改变或变化。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在所公开的元件和操作的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。
本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上”、“下”)的引用仅用于描述在附图中各个元件的取向。应当注意，根据其他示例性实施例，各种元件的取向可以不同，并且这样的变形旨在被本公开所涵盖。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
电动机；
耦合到所述电动机的第一扫描器，所述电动机被配置为以第一角速度围绕旋转轴旋转所述第一扫描器，以将入射在所述第一扫描器上的第三平面中的第一光束偏转到与所述第三平面不同的第一平面中；以及
耦合到所述电动机的第二扫描器，所述电动机被配置为以不同于所述第一角速度的第二角速度围绕所述旋转轴旋转所述第二扫描器，以将入射在所述第二扫描器上的第三平面中的第二光束偏转到不同于所述第三平面的第二平面中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一扫描器是第一多边形扫描器，并且所述第二扫描器是第二多边形扫描器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一扫描器被配置为将所述第一光束从所述第一平面中的第一角度偏转到距所述第一平面中的第一角度小于或等于六十度的所述第一平面中的第二角度；以及
所述第二扫描器被配置为将所述第二光束从所述第二平面中的第一角度偏转到距所述第二平面中的第一角度小于或等于六十度的所述第二平面中的第二角度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一扫描器被配置为在与所述第二扫描器不同的方向上旋转。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一扫描器被配置为扫描第一区域，并且所述第二扫描器被配置为扫描第二区域，所述第一区域相对于所述第三平面在所述第二区域下方。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括第三扫描器，所述第三扫描器被配置为调整所述第一光束从所述第一扫描器到所述第二扫描器的方向。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电动机包括驱动轴和行星轴承，所述驱动轴和所述行星轴承通过所述第一扫描器的用于接收所述驱动轴和所述行星轴承的凹部安装到所述第一扫描器，并且其中，所述装置还包括：
多个行星传动齿轮；
驱动器太阳齿轮；以及
环形齿轮，所述多个行星传动齿轮和所述驱动器太阳齿轮被定位在所述环形齿轮内，所述第二扫描器通过所述多个行星传动齿轮和所述驱动器太阳齿轮安装到所述第一扫描器，所述多个传动齿轮、所述驱动器太阳齿轮或所述环中的至少一个的至少一个参数被选择以将所述第一扫描器的旋转速度的大小与所述第二扫描器的旋转速度的大小的比率配置为大于1。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一扫描器被配置为在第一时间段内扫描所述第一光束，并且所述第二扫描器被配置为在所述第一时间段之后的第二时间段内扫描所述第二光束。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一角速度的旋转速度在约1000转/分钟(rpm)至约5000rpm的范围内，并且所述第二角速度的旋转速度在约200rpm至约1000rpm的范围内。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电动机包括被配置为旋转所述第一扫描器的第一电动机和被配置为旋转所述第二扫描器的第二电动机。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中：
所述装置被安装到自主车辆，所述装置还包括波导，所述波导被配置为接收与所述第一光束或所述第二光束中的至少一个相对应的至少一个返回光束，并且向车辆控制器提供与所述至少一个返回光束相对应的信号；以及
所述车辆控制器被配置为响应于与所述至少一个返回光束相对应的信号来控制所述自主车辆的方向或速度中的至少一个。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，还包括：
激光源；
至少一个波导，所述至少一个波导被配置为从所述激光源接收第三光束并且在所述至少一个波导的尖端处发射所述第三光束；以及
至少一个准直器，所述至少一个准直器被配置为将来自每个相应的至少一个波导的第三光束准直到所述第三平面中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中：
所述至少一个波导包括第一波导和第二波导；以及
所述至少一个准直器包括第一准直器和第二准直器，所述第一准直器被配置为对来自所述第一波导的第三光束进行准直以入射在所述第一扫描器上，所述第二准直器被配置为对来自所述第二波导的第三光束进行准直以入射在所述第二扫描器上。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，还包括：
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为使用所述电动机来控制所述第一扫描器和所述第二扫描器的旋转，以基于一个或多个参数来改进对车辆周围的环境的检测，所述一个或多个参数包括针对距离的积分时间、速度精度、采样速率、或对不同角度进行采样的图案中的至少一个。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，还包括：
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为使得所述第一扫描器扫描第一扫描区域并且使得所述第二扫描器扫描与所述第一扫描区域重叠的第二扫描区域。
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