CN112946676A - 使用间断连续波光的LiDAR设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种能够提取前方物体的速度信息和距离信息的光检测测距(LiDAR)设备。所述LiDAR设备包括：连续波光源，被配置为产生连续波光；光束转向装置，被配置为在第一时间期间向物体发射连续波光，并且在第二时间期间停止向物体发射连续波光；接收器，被配置为接收从物体反射的连续波光以形成接收信号；以及信号处理器，被配置为基于接收信号获得关于物体的距离信息和速度信息。

Description

使用间断连续波光的LiDAR设备
技术领域
与示例性实施例一致的设备和方法涉及光检测和测距(LiDAR)设备，更具体地，涉及能够通过使用间断连续波光来提取前方物体的速度信息和距离信息的LiDAR设备。
背景技术
最近，具有各种功能的高级驾驶辅助系统(ADAS)已经商业化。例如，越来越多的车辆配备了诸如自适应巡航控制(ACC)或自主紧急制动系统(AEB)之类的功能。ACC的功能是识别其他车辆的位置和速度，以在发生碰撞危险时降低速度，并在没有碰撞危险时在设定的速度范围内驾驶车辆。AEB是一种通过识别前方车辆而有碰撞危险但是驾驶员没有对此做出响应或响应方法不合适时进行自动制动来防止碰撞的系统。另外，可以预见的是，能够自主驾驶的汽车将在不久的将来商业化。
因此，用于提供车辆前方信息的车辆雷达的重要性正逐渐增加。例如，LiDAR传感器通常用作车辆雷达，以从发射激光后返回散射或反射激光、激光强度改变、激光频率改变、激光的偏振态改变等的时间起对测量目标的距离、速度、方位角位置等进行测量。
LiDAR传感器被分类为使用脉冲的飞行时间(ToF)型传感器和使用连续波光的调频连续波(FMCW)型传感器。在使用脉冲的ToF型传感器的情况下，由于脉冲包括宽频带，因此可能需要宽带接收器。这使得噪声抑制变得困难。另一方面，在使用连续波光的FMCW型传感器的情况下，尽管可以使用窄带接收器来抑制噪声，但是FMCW型传感器可能使用难以实现且昂贵的高功率连续波光源。
发明内容
示例性实施例至少解决以上问题和/或缺点以及以上未描述的其他缺点。而且，示例性实施例不需要克服上述缺点，并且可以不克服上述任何问题。
一个或多个示例性实施例提供了一种能够通过使用间断连续波光来提取前方物体的速度信息和距离信息的光检测和测距(LiDAR)设备。
此外，一个或多个示例性实施例提供了一种能够通过使用窄带接收器来抑制噪声并且能够使用低成本低功率的连续波光源的LiDAR设备。
根据示例性实施例的一个方面，提供了一种光检测和测距(LiDAR)设备，包括：连续波光源，被配置为产生连续波光；光束转向装置，被配置为在第一时间期间向物体发射连续波光，并且在第二时间期间停止向所述物体发射连续波光；接收器，被配置为接收从所述物体反射的连续波光以形成接收信号；以及信号处理器，被配置为基于所述接收信号获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
所述光束转向装置还可以被配置为周期性地重复在所述第一时间期间发射连续波光的操作和在所述第二时间期间停止发射连续波光的操作。
所述第二时间可以大于所述第一时间。
所述第一时间可以在1ns至1000ns的范围内。
所述LiDAR设备还可以包括：分束器，被配置为将由所述连续波光源产生的连续波光的第一部分提供给所述光束转向装置，使得所述连续波光的第一部分发射到所述物体并从所述物体反射，然后被所述接收器接收，并将所述连续波光的第二部分提供给所述接收器，其中，所述接收器还可以被配置为：通过将由所述接收器接收的所述连续波光的第一部分与从所述分束器提供的所述连续波光的第二部分进行组合，并使所述连续波光的第一部分和第二部分相互干涉，来形成所述接收信号。
所述LiDAR设备还可以包括：光学放大器，被配置为放大由所述连续波光源产生的连续波光并在所述第一时间期间将放大后的连续波光提供给所述光束转向装置，并且在所述第二时间期间停止放大和输出连续波光。
所述光束转向装置还可以被配置为：朝所述光束转向装置前方的第一区域多次发射连续波光，然后朝与所述第一区域不同的第二区域多次发射连续波光。
所述信号处理器还可以被配置为：累积从所述第一区域接收的多个第一接收信号，并基于累积的所述多个第一接收信号获得关于所述第一区域中的第一物体的距离信息和速度信息；以及累积从所述第二区域接收的多个第二接收信号，并基于累积的所述多个第二接收信号获得关于所述第二区域中的第二物体的距离信息和速度信息。
所述LiDAR设备还可以包括：频率调制器，被配置为驱动所述连续波光源，使得所述连续波光源产生调频连续波光，其中，所述光束转向装置还可以被配置为：在所述第一时间期间向所述物体发射所述调频连续波光，并且在所述第二时间期间停止向所述物体发射所述调频连续波光。
所述信号处理器还可以被配置为：通过以调频连续波(FMCW)方式分析所述接收信号的频率来获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
所述频率调制器可以被配置为在第三时间期间线性地增加所述调频连续波光的频率。
所述第三时间可以等于所述第一时间和所述第二时间之和，并且所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间发射一次所述调频连续波光。
所述第三时间可以大于所述第一时间和所述第二时间之和，并且所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间多次发射所述调频连续波光。
所述频率调制器还可以被配置为在第三时间期间线性地增加所述调频连续波光的频率，并且在第四时间期间线性地减小所述频率，其中，可以周期性地重复用于增加所述调频连续波光的频率的所述第三时间和用于减小所述调频连续波光的频率的所述第四时间。
所述第三时间和所述第四时间中的每一个可以等于所述第一时间和所述第二时间之和，并且所述光束转向装置还可以被配置为在所述第三时间期间发射一次所述调频连续波光，并且在所述第四时间期间发射一次所述调频连续波光。
所述第三时间和所述第四时间中的每一个可以大于所述第一时间和所述第二时间之和，并且所述光束转向装置还可以被配置为在所述第三时间期间多次发射所述调频连续波光，并且在所述第四时间期间多次发射所述调频连续波光。
所述信号处理器还可以被配置为：基于根据在所述第三时间期间发射的所述调频连续波光的反射光所获得的接收信号和根据在所述第四时间期间发射的所述调频连续波光的反射光所获得的接收信号，以FMCW方式获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
所述信号处理器还可以被配置为通过以飞行时间(ToF)方式分析所述接收信号的波形来获得关于所述物体的距离信息。
所述信号处理器还可以被配置为基于以所述ToF方式提取的距离信息和以所述FMCW方式提取的距离信息来调整关于所述物体的距离信息。
所述信号处理器还可以被配置为：通过以TOF方式分析所述接收信号的波形来提取关于所述物体的距离信息，并且通过以多普勒方式分析所述接收信号的频率来获得关于所述物体的速度信息。
根据示例性实施例的一个方面，提供了一种通过光检测和测距(LiDAR)设备感测物体的方法，所述方法包括：产生连续波光；将所述连续波光分成第一部分和第二部分；放大所述连续波光的第一部分；朝物体间歇地发射放大后的连续波光的第一部分，所述放大后的连续波光的第一部分从所述物体反射并被所述LiDAR设备的接收器接收；将所述连续波光的第二部分提供给所述接收器；通过组合由所述接收器接收的所述放大后的连续波光的第一部分和所述连续波光的第二部分来产生接收信号；以及基于所述接收信号，获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
附图说明
通过参考附图描述某些示例性实施例，上述和/或其他方面将更加清楚，附图中：
图1是示出根据示例性实施例的光检测和测距(LiDAR)设备的示意性配置的框图；
图2A至图2C示出用于扫描激光的光学相控阵列的配置和操作的示例；
图3是示出根据示例性实施例的图1所示的LiDAR设备的操作的时序图；
图4是示出线性调频连续波(FMCW)方法中的发送光的频率分量和接收光的频率分量的曲线图；
图5是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备的操作的时序图；
图6是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备的操作的时序图；
图7是示出三角FMCW方法中的发送光的频率分量和接收光的频率分量的曲线图；
图8是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备的操作的时序图；
图9是示出根据另一示例性实施例的LiDAR设备的示意性配置的框图；以及
图10是示出根据示例性实施例的图9所示的LiDAR设备的操作的时序图。
具体实施方式
下面参考附图更详细地描述示例性实施例。
在下面的描述中，即使在不同的附图中，相同的附图标记也用于相同的元件。提供描述中定义的内容，例如详细的构造和元件，以帮助全面理解示例性实施例。然而，清楚的是，可以在没有那些具体定义的事项的情况下实践这些示例性实施例。另外，由于公知的功能或构造将在不必要的细节上使得描述不清楚，因此不对其进行详细描述。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。当诸如“至少一个”之类的表达在元素列表之后时，其修饰整个元素列表而不修饰列表的各个元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应理解为：仅包括a；仅包括b；仅包括c；包括a和b两者；包括a和c两者；包括b和c两者；包括a、b和c的全部；或上述示例的任何变型。
在下文中，将参考附图详细描述使用间断连续波光的光检测和测距(LiDAR)设备。在以下附图中，相似的附图标记始终指代相似的元件。另外，为了便于说明和清楚起见，附图中示出的每个层的尺寸可能被放大。此外，下面仅通过参考附图描述示例性实施例以解释本说明书的各方面，并且所示示例性实施例可以具有不同的形式。在以下描述的层结构中，当构成元件被布置在另一构成元件的“上方”或“之上”时，该构成元件不仅可以包括直接接触该另一构成元件的上/下/左/右侧的元件，也可以包括以非接触方式设置在该另一构成元件的上/下/左/右侧的元件。
图1是示出根据示例性实施例的LiDAR设备100的示意性配置的框图。参照图1，根据示例性实施例的LiDAR设备100可以包括：连续波光源110，产生连续波光；频率调制器120，驱动连续波光源110，使得连续波光源110产生调频光；光束转向装置130，向外部物体(例如车辆)发射从连续波光源110发射的调频连续波光，或使调频连续波光朝外部物体(例如车辆)转向；接收器140，接收从外部物体反射的光并形成接收信号；以及信号处理器150，被配置为基于由接收器140形成的接收信号提取关于外部物体的距离信息和速度信息。
连续波光源110被配置为连续地振荡并发射具有诸如正弦波的波形的连续波光。另外，连续波光源110可以被配置为发射对人眼不可见的红外波段的激光。例如，连续波光源110可以被配置为发射具有在大约800nm至大约2000nm范围内的波长的激光。
频率调制器120控制连续波光源110的驱动。连续波光源110可以由频率调制器120控制，以产生调频连续波光。例如，频率调制器120的调制频率可以是大约10kHz至大约10MHz，并且其调制带宽可以是大约100MHz至大约10GHz。
另外，LiDAR设备100还可以包括光学放大器125和光学放大器控制器126。光学放大器125被配置为放大由连续波光源110产生的连续波光并将放大后的连续波光提供给光束转向装置130。光学放大器控制器126被配置为基于信号处理器150的命令控制光学放大器125的操作以放大连续波光。例如，光学放大器控制器126可以控制光学放大器125的开/关、放大增益等。光学放大器125可以是例如具有大约5dB至大约30dB的增益并且具有大约10mW至大约1000mW的饱和输出功率的高功率放大器。通过使用作为高功率放大器的光学放大器125，可以使用成本相对较低的低功率连续波激光器作为连续波光源110。
光束转向装置130可以包括被配置为一维或二维地扫描由连续波光源110产生的连续波光的光学相控阵列(OPA)装置。光束转向装置130可以以一维(1D)或二维(2D)扫描方式朝前方局部区域发送由光学放大器125放大的连续波激光。为此，光束转向装置130可以以恒定的时间间隔顺序或非顺序地将聚焦在狭窄区域中的激光转向到前方一维或二维区域。例如，光束转向装置130可以被配置为对于前方一维区域从左向右或从右向左发射激光，或者被配置为对于前方二维区域从左向右或从右向左并且从下向上或从上向下发射激光。
例如，图2A至图2C示出了用于扫描激光的光束转向装置130的配置和操作的示例。参照图2A，光束转向装置130可以包括发送元件阵列133，发送元件阵列133包括沿着多个行和多个列二维地布置的多个发送元件134。光束转向装置130还可以包括用于驱动发送元件阵列133的每个发送元件134的驱动电路。每个发送元件134可以是例如延迟入射光的相位以反射入射光的反射式天线谐振器或延迟入射光的相位以透射入射光的透射式天线谐振器。反射或透射的激光的相位可以由在驱动电路的控制下施加到每个发送元件134的电压来确定。
在该结构中，可以根据从多个发送元件134发射的多束激光之间的相位差来控制从发送元件阵列133发射的激光的方向。具体地，可以根据从沿着同一行布置的多个发送元件134发射的多束激光之间的相位差ΔΦ1，在水平方向上控制激光的行进方向。另外，可以根据从沿着同一列布置的多个发送元件134发射的多束激光之间的相位差ΔΦ2，在竖直方向上控制激光的行进方向。
例如，如图2A所示，当激光的相位从同一行中位于右端的发送元件134到位于左端的发送元件134逐渐延迟时，激光向左行进。激光在方位角方向上行进的角度可以由从同一行中的两个相邻的发送元件134发射的多束激光之间的相位差ΔΦ1确定。当相位差ΔΦ1增大时，激光进一步向左侧倾斜，而当相位差ΔΦ1减小时，激光更靠近前侧行进。
此外，当激光的相位从同一列中位于顶部的发送元件134到位于底部的发送元件134逐渐延迟时，激光向下行进。在这种情况下，激光在仰角方向上行进的角度可以由从同一列中的两个相邻的发送元件134发射的多束激光之间的相位差ΔΦ2确定。当相位差ΔΦ2增大时，激光进一步向下倾斜，而当相位差ΔΦ2减小时，激光更靠近前侧行进。
参照图2B，当相位差ΔΦ1为0且相位差ΔΦ2为0时，从发送元件阵列133发射的激光被完全引导至前侧。另外，参照图2C，当激光的相位从同一行中位于左端的发送元件134到位于右端的发送元件134逐渐延迟时，激光向右行进。当激光的相位从同一列中位于底部的发送元件134到位于顶部的发送元件134逐渐延迟时，激光向上行进。
因此，当从发送元件阵列133的多个发送元件134发射的多束激光的相位被分别控制时，可以将激光转向到期望的方向上。发送元件阵列133可以被配置为在驱动电路的控制下彼此独立地向多个发送元件134施加电压。从每个发送元件134发射的激光的相位可以由施加到发送元件134的电压确定，并且从发送元件阵列133发射的激光的方向可以由施加到多个发送元件134的电压的组合来确定。
在图2A至图2C中，发送元件阵列133被示为包括沿着多个行和多个列二维地布置的多个发送元件134，但不必限于此。例如，发送元件阵列133可以包括沿着一个行和多个列或者沿着多个行和一个列一维地布置的多个发送元件134。在这种情况下，光束转向装置130可以以一维(1D)扫描方式朝前方发送激光。
至此，已经将光束转向装置130描述为通过使用光学相控阵列方法扫描激光，但不必限于此。代替光学相控阵列方法，光束转向装置130可以通过其他扫描方法来扫描激光。例如，光束转向装置130可以包括使连续波光源110旋转的致动器。在这种情况下，可以通过直接旋转连续波光源110来调整激光的方向。在另一示例中，光束转向装置130可以包括反射激光的反射镜和使反射镜旋转的致动器，或者可以包括通过对反射镜的精细倾斜进行电控制来控制激光的反射方向的微机电系统(MEMS)装置。
从光束转向装置130发送的光被外部物体反射并返回到LiDAR设备100。LiDAR设备100可以接收从外部物体反射的光，根据该光产生电接收信号，并根据电接收信号获得关于外部物体的信息。当接收从外部物体反射的光以形成电接收信号时，可以将从连续波光源110发射的调频连续波光进行划分，并且可以将调频连续波光的一部分用作本地振荡器光，以进行频率分析。为此，LiDAR设备100还可以包括分束器115，分束器115将从连续波光源110发射的调频连续波光进行划分，并且将调频连续波光的大部分提供给光束转向装置130且将其余部分提供给接收器140。例如，分束器115可以被配置为将入射光的至少90％提供给光束转向装置130，并将其余部分提供给接收器140作为本地振荡器光。特别地，分束器115可以设置在连续波光源110与光学放大器125之间的光路上，以向光学放大器125提供从连续波光源110入射的大部分入射光。
接收器140被配置为形成用于干涉光的电接收信号，其中干涉光是通过从外部物体反射的光与从分束器115提供的本地振荡器光之间的干涉而获得的。例如，接收器140可以包括接收从外部物体反射的光的光接收元件141、将由光接收元件141接收的光与从分束器115提供的本地振荡器光进行组合以使接收到的光和本地振荡器光彼此干涉的光束组合器142、以及将干涉光的强度转换成电信号的光电探测器143。光接收元件141可以包括例如透镜或透镜阵列。接收器140还可以包括带通滤波器或低通滤波器，用于去除噪声分量并获得干涉光分量。接收器140可以通过光电检测器143将干涉光转换成电信号以形成电接收信号。由于干涉光在相对窄的频带中，因此与在脉冲式LiDAR设备中使用的接收器相比，可以将相对窄带的接收器用作接收器140。
信号处理器150可以基于从接收器140接收的接收信号来提取关于外部物体的距离信息和速度信息。另外，信号处理器150可以被配置为控制频率调制器120以调整频率调制方案，并且控制光束转向装置130以控制扫描操作。尽管为了方便起见在图1中被示为分离的框，但是信号处理器150、频率调制器120和接收器140可以被整体地实现在一个半导体芯片中。替代地，信号处理器150、频率调制器120和接收器140可以形成在一个印刷电路板上。可选地，频率调制器120和接收器140可以被整体地实现为一个半导体芯片，并且信号处理器150可以被实现为可以在计算机中执行并存储在记录介质中的软件。根据另一示例，信号处理器150可以被实现为可编程逻辑控制器(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
根据本示例性实施例，光学放大器125和光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下间断地(间歇地或不连续地)放大调频连续波光，并且间断地(间歇地或不连续地)发射放大后的调频连续波光。例如，图3是示出根据示例性实施例的图1所示的LiDAR设备100的操作的时序图。参照图3，光束转向装置130可以被配置为：在信号处理器150的控制下，仅在第一时间T1期间向外部发射调频连续波光，而在第二时间T2期间不向外部发射调频连续波光。
为此，信号处理器150可以在第一时间T1期间激活光学放大器125和光束转向装置130，并且在第二时间T2期间停止光学放大器125和光束转向装置130的操作。那么，在第二时间T2期间，光学放大器125和光束转向装置130的光输出停止，因此，光没有发射到LiDAR设备100的外部。即使当光束转向装置130的操作中断时，连续波光源110和频率调制器120也继续产生调频连续波光，而不停止操作，以连续地向接收器140提供用于形成接收信号的本地振荡器光。
信号处理器150可以控制光束转向装置130周期性地重复用于发射连续波光的第一时间T1和用于不发射连续波光的第二时间T2。以这种方式，LiDAR设备100可以顺序地发射多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、…。多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、…中的每一束都类似于脉冲光，因为它仅在第一时间T1持续，而在第二时间T2中断并因此不被发送。但是，多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、…中的每一束与一般脉冲光的不同之处在于，它是频率随时间变化的调频连续波光。当不考虑色散时，一般脉冲光的频率随时间保持恒定。
多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、...中的每一束所持续的第一时间T1和多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、...中的每一束被中断的第二时间T2可以根据需要适当地选择。例如，可以基于从LiDAR设备100发射的光从外部物体反射并返回到LiDAR设备100的时间以及光束转向装置130的水平视角、竖直视角、水平扫描分辨率、竖直扫描分辨率、帧速率等来确定第一时间T1和第二时间T2。第一时间T1可以在大约1ns至大约1000ns的范围内选择。另外，当考虑用于接收从外部物体反射并返回到LiDAR设备100的多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…的时间时，第二时间T2可以被确定为比第一时间T1长。
接收器140接收从外部物体反射并返回的多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…中的每一束，并产生电接收信号。如上所述，可以根据通过从连续波光源110提供的用于频率分析的本地振荡器光与多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…中的每一束之间的干涉而产生的干涉光来获得电接收信号。例如，当在时间t0处发射的第一发送光Tx1从外部物体反射之后，接收器140在时间t1处接收到第一接收光Rx1时，可以通过在时间t1处从连续波光源110发射的具有连续波光的频率分量的本地振荡器光与第一接收光Rx1之间的干涉来获得电接收信号。另外，当在时间t2处发射第二发送光Tx2并且在时间t3处接收到第二接收光Rx2时，可以通过在时间t3处从连续波光源110发射的具有连续波光的频率分量的本地振荡器光与第二接收光Rx2之间的干涉来获得电接收信号。类似地，当在时间t4处发射第三发送光Tx3并且在时间t5处接收到第三接收光Rx3时，可以通过在时间t5处从连续波光源110发射的具有连续波光的频率分量的本地振荡器光与第三接收光Rx3之间的干涉来获得电接收信号。
第一接收光Rx1、第二接收光Rx2和第三接收光Rx3具有根据物体的相对速度而改变的频率分量。例如，当相对于物体的相对速度为0时，第一接收光Rx1可以具有与在时间t0处从连续波光源110发射的连续波光相同的频率分量。另外，当物体接近时，第一接收光Rx1可以具有比在时间t0处从连续波光源110发射的连续波光的频率分量高的频率分量。相反，当物体移开时，第一接收光Rx1可以具有比在时间t0处从连续波光源110发射的连续波光的频率分量低的频率分量。
信号处理器150可以基于从接收器140提供的电接收信号来提取关于外部物体的距离信息和速度信息。例如，信号处理器150可以被配置为以调频连续波(FMCW)方式分析接收信号的频率，以提取关于物体的距离信息和速度信息。特别地，信号处理器150可以以线性FMCW方式分析接收信号的频率。为此，信号处理器150可以控制频率调制器120执行频率调制，使得从连续波光源110发射的连续波光的频率随着第三时间T3的时间段线性地增加。例如，在第三时间T3期间，从连续波光源110发射的连续波光的频率可以从最小频率线性地增加到最大频率，然后，可以在之后的第三时间T3中再次从最小频率线性地增加到最大频率。
图4是示出线性FMCW方法中的发送光的频率分量和接收光的频率分量的曲线图。在图4中，曲线图的纵轴表示频率，并且曲线图的横轴表示时间。在发送光和接收光之间，水平方向的时间延迟为Δt，竖直方向的频率差为fb。根据线性FMCW方法，可以通过对经由频域中的M次采样和时域中的N次采样所获得的M×N矩阵执行二维快速傅里叶变换(FFT)来提取距离信息和速度信息。这里，M和N是大于1的自然数。例如，可以通过在频域中执行FFT来获得距离信息，并且可以通过在时域中执行FFT来获得速度信息。
另外，信号处理器150可以通过使用发射发送光的时间与接收接收光的时间之间的时间差，以ToF方式提取关于物体的距离信息。已经存在多种用于获取距离信息的ToF方法。通常，由于难以直接且准确地测量时间差，因此可以通过使用发送光与接收光之间的相位差来提取关于物体的距离信息，该相位差是通过分析接收信号的波形而获得的。在这种情况下，通过接收信号与发送信号之间的互相关，可以从接收信号中仅获得与发送信号有关的信号分量，并且可以通过分析与发送信号有关的信号分量的波形来提高距离测量的准确性。
因此，信号处理器150可以通过FMCW方法获得距离信息，并且可以通过ToF方法获得距离信息。信号处理器150可以通过使用由FMCW方法获得的距离信息和由ToF方法获得的距离信息两者来调整关于物体的距离信息，以便进一步提高距离测量的准确性。例如，可以对由FMCW方法获得的距离和由ToF方法获得的距离进行简单地平均。可选地，基于FMCW方法中根据距离的误差变化和ToF方法中根据距离的误差变化，可以通过将由FMCW方法获得的距离乘以第一权重并将由ToF方法获得的距离乘以第二权重来获得加权平均值。可选地，可以根据距离范围仅选择由FMCW方法获得的距离或由ToF方法获得的距离。
如上所述，根据本示例性实施例的LiDAR设备100通过使用作为低功率连续波光源的连续波光源110产生连续波光。另外，由频率调制器120调制的连续波光被高功率光学放大器125放大并且像脉冲一样间断地发射。因此，根据示例性实施例的LiDAR设备100可以不需要使用昂贵的高功率连续波光源。另外，由于高功率光学放大器125仅在短时间内临时操作，因此根据本示例性实施例的LiDAR设备100的功耗低。另外，由于使用了调频光，因此可以使用频带较窄的接收器140接收反射光，从而有效地抑制噪声。
在图3所示的示例性实施例中，光束转向装置130可以被配置为在第三时间T3内仅发射一次调频连续波光。例如，在第一个第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第一发送光Tx1，并且接收器140可以接收第一接收光Rx1。在随后的第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第二发送光Tx2，并且接收器140可以接收第二接收光Rx2。在这种情况下，第三时间T3可以等于第一时间T1和第二时间T2之和。
然而，本公开不必限于此。例如，图5是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备100的操作的时序图。参照图5，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下在第三时间T3期间发射两次调频连续波光。例如，光束转向装置130可以在信号处理器150的控制下，在第一个第三时间T3期间发射第一发送光Tx1和第二发送光Tx2。然后，接收器140可以在第一个第三时间T3期间接收第一接收光Rx1和第二接收光Rx2。在随后的第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第三发送光Tx3和第四发送光Tx4，并且接收器140可以接收第三接收光Rx3和第四接收光Rx4。在这种情况下，第三时间T3可以大于第一时间T1和第二时间T2之和。以这种方式，光束转向装置130可以在第三时间T3期间两次或更多次地发射调频连续波光。
此外，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下朝光束转向装置130前方的一个区域发射发送光，然后朝光束转向装置130前方的另一区域发射发送光。换句话说，光束转向装置130可以以逐个地朝光束转向装置130前方的一个区域发射发送光的这种方式，来顺序地扫描光束转向装置130前方的多个局部区域。例如，光束转向装置130可以将第一发送光Tx1发射到光束转向装置130前方的第一区域，然后将第二发送光Tx2发射到与第一区域不同的第二区域。
然而，本公开不限于此，并且为了提高信噪比(SNR)，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下朝光束转向装置130前方的一个区域多次发射发送光，然后朝另一区域多次发射发送光。例如，光束转向装置130可以朝光束转向装置130前方的第一区域顺序地发射第一发送光Tx1、第二发送光Tx2和第三发送光Tx3，然后朝与第一区域不同的第二区域顺序地发射第四发送光Tx4、第五发送光Tx5和第六发送光Tx6。
在这种情况下，信号处理器150可以累积从接收器140顺序地接收到的第一接收光Rx1、第二接收光Rx2和第三接收光Rx3的电接收信号，并且可以基于累积的电接收信号提取关于第一区域中的物体的距离信息和速度信息。随后，信号处理器150可以累积从接收器140顺序地接收到的第四接收光Rx4、第五接收光Rx5和第六接收光Rx6的电接收信号，并且可以基于累积的电接收信号提取关于第二区域中的物体的距离信息和速度信息。
然后，由于改善了接收信号的SNR，因此与仅利用从一个区域获得的一个接收光提取距离信息和速度信息的情况相比，可以提高准确性。可以根据周围情况不同地选择对于一个区域的连续发射发送光的次数。例如，当SNR良好时，信号处理器150可以确定对于一个区域仅发射一次发送光。另外，当SNR低时，信号处理器150可以确定对于一个区域连续发射发送光高达1000次。这种针对一个相同区域累积多个接收信号并提取距离信息和速度信息的方法也可以应用于图3所示的示例性实施例。
另外，信号处理器150可以通过以三角FMCW方法分析接收信号的频率来提取关于前方物体的距离信息和速度信息。例如，图6是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备100的操作的时序图。参照图6，信号处理器150可以控制频率调制器120执行频率调制，使得从连续波光源110发射的连续波光的频率在第三时间T3期间线性地增加并且在随后的第四时间T4期间线性地减小。在这种情况下，从连续波光源110发射的连续波光的频率可以在第三时间T3期间从最小频率线性地增加到最大频率，然后在随后的第四时间T4期间从最大频率线性地减小到最小频率。信号处理器150可以控制频率调制器120，使得周期性地重复调频连续波光的频率线性地增加的第三时间T3和调频连续波光的频率线性地减小的第四时间T4。
在图6所示的示例性实施例中，光束转向装置130可以被配置为在第三时间T3期间仅发射一次调频连续波光，并且在第四时间T4期间仅发射一次调频连续波光。例如，在第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第一发送光Tx1，并且接收器140可以接收第一接收光Rx1。在第四时间T4期间，光束转向装置130可以发射第二发送光Tx2，并且接收器140可以接收第二接收光Rx2。在随后的第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第三发送光Tx3，并且接收器140可以接收第三接收光Rx3，并且在第四时间T4期间，光束转向装置130可以发射第四发送光Tx4，并且接收器140可以接收第四接收光Rx4。在这种情况下，第三时间T3和第四时间T4中的每个可以等于第一时间T1和第二时间T2之和。另外，在第一发送光Tx1和第三发送光Tx3以及第一接收光Rx1和第三接收光Rx3中，频率线性地增加，而在第二发送光Tx2和第四发送光Tx4以及第二接收光Rx2和第四接收光Rx4中，频率线性地减小。
图7是示出三角FMCW方法中的发送光的频率分量和接收光的频率分量的曲线图。在图7中，曲线图的纵轴表示频率，并且曲线图的横轴表示时间。如图7所示，发送光和接收光的曲线图示出了其中频率随着时间线性地增加，然后随着时间线性地减小的三角形形式。在发送光的频率峰值与接收光的频率峰值之间存在时间延迟Δt。可以根据本地振荡器光获知发送光的峰值位置以进行频率分析。接收光仅具有频率上升部分的一些信息和频率下降部分的一些信息。例如，第一接收光Rx1和第三接收光Rx3仅提供频率上升部分的一些信息，并且第二接收光Rx2和第四接收光Rx4仅提供频率下降部分的一些信息。信号处理器150可以将通过延长第一接收光Rx1和第三接收光Rx3的频率上升斜率以及第二接收光Rx2和第四接收光Rx4的频率下降斜率而获得的交点确定为接收光的频率峰值。
当前方物体的相对速度不为0时，由于多普勒效应，在通过接收器140接收的接收光中发生频移。因此，在发送光的频率峰值与接收光的频率峰值之间存在Fd的频率差。例如，如图7所示，当前方物体接近时，接收光的频率变得比发送光的频率高。相反，当前方物体移开时，接收光的频率变得比发送光的频率低。
在这种情况下，前方物体的距离R和相对速度V可以分别通过等式1和等式2获得。
[等式1]
Figure BDA0002522490630000161
[等式2]
Figure BDA0002522490630000171
在上面的等式1和2中，B表示本地振荡器光的最小频率和最大频率之间的频率差，Tm表示本地振荡器光的最小频率和最大频率之间的时间差(即，第三时间T3或第四时间T4的时间跨度)，Fbu表示在频率上升部分中发送光和接收光之间的频率差，Fbd表示在频率下降部分中发送光和接收光之间的频率差，λ表示本地振荡器光的波长，其对应于初始阶段(即，t＝0)的最小频率，并且c表示光速。信号处理器150可以基于从在第三时间T3期间发射的发送光和通过反射该发送光形成的接收光所获得的接收信号、以及从在第四时间T4期间发射的发送光和通过反射该发送光形成的接收光所获得的接收信号，通过使用上面的等式1和2，以三角FMCW方式提取关于物体的距离信息和速度信息。
另外，即使在图6所示的示例性实施例中，信号处理器150也可以通过使用FMCW方法获得距离信息，并且可以通过使用ToF方法获得距离信息。信号处理器150可以通过使用由FMCW方法获得的距离信息和由ToF方法获得的距离信息两者来提高关于物体的距离信息的准确性。
在图6所示的示例性实施例中，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下在第三时间T3和第四时间T4期间朝光束转向装置130前方的一个区域发射发送光，然后在随后的第三时间T3和随后的第四时间T4期间朝光束转向装置130前方的另一区域发射发送光。例如，光束转向装置130可以朝光束转向装置130前方的第一区域发射第一发送光Tx1和第二发送光Tx2，然后朝与第一区域不同的第二区域发射第三发送光Tx3和第四发送光Tx4。
然而，本公开不限于此，并且为了提高SNR，光束转向装置130可以在信号处理器150的控制下朝光束转向装置130前方的一个区域多次发射发送光，即四次或更多次，然后朝另一区域多次发射发送光，即四次或更多次。例如，光束转向装置130可以朝第一区域顺序地发射第一发送光Tx1、第二发送光Tx2、第三发送光Tx3和第四发送光Tx4。另外，信号处理器150可以在频率上升部分中累积从接收器140接收到的第一接收光Rx1和第三接收光Rx3的电接收信号，然后在频率下降部分中累积从接收器140接收到的第二接收光Rx2和第四接收光Rx4的电接收信号。信号处理器150可以基于在频率上升部分中累积的接收信号和在频率下降部分中累积的接收信号来提取关于第一区域中的物体的距离信息和速度信息。信号处理器150可以基于接收信号的SNR可变地确定对于一个区域的连续发射发送光的次数。
另外，在图6所示的示例性实施例中，光束转向装置130可以被配置为在第三时间T3和第四时间T4中的每一个期间仅发射一次调频连续波光。例如，光束转向装置130在第一个第三时间T3期间发射第一发送光Tx1，并且在第四时间T4期间发射第二发送光Tx2。另外，光束转向装置130在随后的第三时间T3期间发射第三发送光Tx3，并且在第四时间T4期间发射第四发送光Tx4。在这种情况下，第三时间T3和第四时间T4中的每一个可以等于第一时间T1和第二时间T2之和。
然而，本公开不必限于此。例如，图8是示出根据另一示例性实施例的图1所示的LiDAR设备100的操作的时序图。参照图8，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下在第三时间T3和第四时间T4中的每一个期间发射两次调频连续波光。例如，光束转向装置130可以在信号处理器150的控制下在第一个第三时间T3期间发射第一发送光Tx1和第二发送光Tx2，并且可以在第四时间T4期间发射第三发送光Tx3和第四发送光Tx4。然后，接收器140可以在第一个第三时间T3期间接收第一接收光Rx1和第二接收光Rx2，并且可以在第四时间T4期间接收第三接收光Rx3和第四接收光Rx4。另外，在随后的第三时间T3期间，光束转向装置130可以发射第五发送光Tx5和第六发送光Tx6，并且接收器140可以接收第五接收光Rx5和第六接收光Rx6。在这种情况下，第三时间T3和第四时间T4中的每一个可以大于第一时间T1和第二时间T2之和。以这种方式，光束转向装置可以在第三时间T3和第四时间T4中的每一个期间两次或更多次地发射调频连续波光。
图9是示出根据另一示例性实施例的LiDAR设备200的示意性配置的框图。参照图9，根据另一示例性实施例的LiDAR设备200可以包括：连续波光源110，产生连续波光；光束转向装置130，将从连续波光源110发射的连续波光发射到外部；接收器140，接收从外部物体反射的光以形成接收信号；以及信号处理器150，被配置为基于由接收器140形成的接收信号来提取关于物体的距离信息和速度信息。另外，LiDAR设备200还可以包括分束器115，分束器115将从连续波光源110发射的连续波光进行划分，并且将连续波光的大部分提供给光束转向装置130且将其余部分提供给接收器140作为本地振荡器光，以进行频率分析。另外，LiDAR设备200还可以包括：光学放大器125，设置在分束器115与光束转向装置130之间的光路中以放大连续波光；以及光学放大器控制器126，驱动光学放大器125。
图9的LiDAR设备200与图1所示的LiDAR设备100的不同之处在于，LiDAR设备200不包括频率调制器120。在这种情况下，从连续波光源110提供给光束转向装置130的连续波光可以不进行频率调制而保持恒定的频率。因此，图9所示的LiDAR设备200的操作与在图1的LiDAR设备100中频率调制器120不执行频率调制操作的情况相同。同样在图1的LiDAR设备100中，在信号处理器150的控制下，频率调制器120可以保持连续波光源110的工作频率恒定，而不执行频率调制操作。然而，如果需要，可以在制造阶段中制造不包括频率调制器120的LiDAR设备200。例如，可以以比图1的LiDAR设备100更低的成本来提供图9的LiDAR设备200。
图10是示意性地示出根据图9所示的LiDAR设备200的示例性实施例的操作的时序图。参照图10，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下，仅在第一时间T1期间向外部发射连续波光，而在第二时间T2期间不向外部发射连续波光。另外，信号处理器150可以控制光束转向装置130周期性地重复用于发射连续波光的第一时间T1和用于不发射连续波光的第二时间T2。以此方式，LiDAR设备200可以顺序地发射多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、…。多束光Tx1、Tx2、Tx3、…中的每一束都类似于脉冲光，因为它仅在第一时间T1内持续，而在第二时间T2内中断。但是，多束发送光Tx1、Tx2、Tx3、…中的每一束与一般脉冲光的不同之处在于，它是仅具有一个频率分量的连续波光。例如，具有方波或三角波波形等的一般脉冲光可以具有基本频率分量和多个谐波频率分量。
接收器140接收从外部物体反射并返回的多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…中的每一束，并产生电接收信号。如上所述，可以根据通过用于频率分析的本地振荡器光与多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…中的每一束之间的干涉而产生的干涉光来获得电接收信号。多束接收光Rx1、Rx2、Rx3、…的频率分量根据物体的相对速度通过多普勒效应改变。信号处理器150可以被配置为通过使用ToF方法分析接收信号的波形来提取关于物体的距离信息，并且通过根据多普勒方法分析接收信号的频率来提取关于物体的速度信息。
同样在图10所示的示例中，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下朝光束转向装置130前方的一个区域发射发送光，然后朝光束转向装置130前方的另一区域发射发送光。替代地，光束转向装置130可以被配置为在信号处理器150的控制下朝光束转向装置130前方的一个区域多次发射发送光，然后朝另一区域多次发射发送光。信号处理器150可以累积根据从相同区域反射的多束接收光获得的多个电接收信号，并且可以基于累积的电接收信号来提取关于该区域中的物体的距离信息和速度信息。
上述LiDAR设备100和200可以被安装在车辆上并且被配置为提取距车辆前方的车辆的距离和相对速度信息。然而，LiDAR设备100和200不一定仅适用于车辆。例如，除了车辆之外，根据所呈现示例性实施例的LiDAR设备100和200还可以安装在船舶、飞机、无人机等上，并且可以用来搜索并避开船舶、飞机、无人机等前方的障碍物。
尽管不限于此，但是示例性实施例可以体现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储其后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可以分布在联网的计算机系统上，从而以分布式方式存储和执行计算机可读代码。此外，示例性实施例可以被写为在诸如载波之类的计算机可读传输介质上传输的计算机程序，并且在执行该程序的通用或专用数字计算机中被接收和实现。此外，应理解，在示例性实施例中，上述设备和装置的一个或多个单元可以包括电路、处理器、微处理器等，并且可以执行存储在计算机可读介质中的计算机程序。
前述示例性实施例仅是示例性的，而不应解释为限制性的。本教导可以容易地应用于其他类型的设备。此外，对示例性实施例的描述旨在是说明性的，而不是限制权利要求的范围，并且许多替代、修改和变型对于本领域技术人员而言将是清楚的。

Claims (21)

1.一种光检测和测距LiDAR设备，包括：
连续波光源，被配置为产生连续波光；
光束转向装置，被配置为在第一时间期间向物体发射连续波光，并且在第二时间期间停止向所述物体发射连续波光；
接收器，被配置为接收从所述物体反射的连续波光以形成接收信号；以及
信号处理器，被配置为基于所述接收信号获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
2.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述光束转向装置还被配置为周期性地重复在所述第一时间期间发射连续波光以及在所述第二时间期间停止发射连续波光。
3.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述第二时间大于所述第一时间。
4.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述第一时间在1ns至1000ns的范围内。
5.根据权利要求1所述的LiDAR设备，还包括：
分束器，被配置为将由所述连续波光源产生的连续波光的第一部分提供给所述光束转向装置，使得所述连续波光的所述第一部分发射到所述物体并从所述物体反射，然后被所述接收器接收，并且所述分束器被配置为将所述连续波光的第二部分提供给所述接收器，
其中，所述接收器还被配置为：通过将由所述接收器接收的所述连续波光的所述第一部分与从所述分束器提供的所述连续波光的所述第二部分进行组合，并使所述连续波光的所述第一部分和所述第二部分相互干涉，来形成所述接收信号。
6.根据权利要求1所述的LiDAR设备，还包括：
光学放大器，被配置为放大由所述连续波光源产生的连续波光并在所述第一时间期间将放大后的连续波光提供给所述光束转向装置，并且在所述第二时间期间停止放大和输出连续波光。
7.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述光束转向装置还被配置为：朝所述光束转向装置前方的第一区域多次发射连续波光，然后朝与所述第一区域不同的第二区域多次发射连续波光。
8.根据权利要求7所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为：
累积从所述第一区域接收的多个第一接收信号，并基于累积的所述多个第一接收信号获得关于所述第一区域中的第一物体的距离信息和速度信息；以及
累积从所述第二区域接收的多个第二接收信号，并基于累积的所述多个第二接收信号获得关于所述第二区域中的第二物体的距离信息和速度信息。
9.根据权利要求1所述的LiDAR设备，还包括：
频率调制器，被配置为驱动所述连续波光源，使得所述连续波光源产生调频连续波光，
其中，所述光束转向装置还被配置为：在所述第一时间期间向所述物体发射所述调频连续波光，并且在所述第二时间期间停止向所述物体发射所述调频连续波光。
10.根据权利要求9所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为：通过以调频连续波FMCW方式分析所述接收信号的频率，来获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
11.根据权利要求10所述的LiDAR设备，其中，所述频率调制器被配置为在第三时间期间线性地增加所述调频连续波光的频率。
12.根据权利要求11所述的LiDAR设备，其中，所述第三时间等于所述第一时间和所述第二时间之和，并且
其中，所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间发射一次所述调频连续波光。
13.根据权利要求11所述的LiDAR设备，其中，所述第三时间大于所述第一时间和所述第二时间之和，并且所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间多次发射所述调频连续波光。
14.根据权利要求10所述的LiDAR设备，其中，所述频率调制器还被配置为在第三时间期间线性地增加所述调频连续波光的频率，并且在第四时间期间线性地减小所述频率，并且
其中，周期性地重复用于增加所述调频连续波光的频率的所述第三时间和用于减小所述调频连续波光的频率的所述第四时间。
15.根据权利要求14所述的LiDAR设备，其中，所述第三时间和所述第四时间中的每一个等于所述第一时间和所述第二时间之和，并且
其中，所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间发射一次所述调频连续波光，并且在所述第四时间期间发射一次所述调频连续波光。
16.根据权利要求14所述的LiDAR设备，其中，所述第三时间和所述第四时间中的每一个大于所述第一时间和所述第二时间之和，并且
其中，所述光束转向装置还被配置为在所述第三时间期间多次发射所述调频连续波光，并且在所述第四时间期间多次发射所述调频连续波光。
17.根据权利要求15所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为：基于根据在所述第三时间期间发射的所述调频连续波光的反射光所获得的接收信号和根据在所述第四时间期间发射的所述调频连续波光的反射光所获得的接收信号，以FMCW方式获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
18.根据权利要求10所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为通过以飞行时间ToF方式分析所述接收信号的波形来获得关于所述物体的距离信息。
19.根据权利要求18所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为基于以所述ToF方式提取的距离信息和以所述FMCW方式提取的距离信息来调整关于所述物体的距离信息。
20.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述信号处理器还被配置为：通过以TOF方式分析所述接收信号的波形来提取关于所述物体的距离信息，并且通过以多普勒方式分析所述接收信号的频率来获得关于所述物体的速度信息。
21.一种通过光检测和测距LiDAR设备感测物体的方法，所述方法包括：
产生连续波光；
将所述连续波光分成第一部分和第二部分；
放大所述连续波光的第一部分；
朝物体间歇地发射放大后的连续波光的第一部分，所述放大后的连续波光的第一部分从所述物体反射并被所述LiDAR设备的接收器接收；
将所述连续波光的第二部分提供给所述接收器；
通过组合由所述接收器接收的所述放大后的连续波光的第一部分和所述连续波光的第二部分来产生接收信号；以及
基于所述接收信号，获得关于所述物体的距离信息和速度信息。
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