CN113950628A - 光学遥感 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学遥感系统，包括：发射通道支架，安装有发射光纤通道阵列的输入端；光束转向设备，用于将来自光源的光束扫描通过发射光纤通道阵列的输入端；多个传感器部分，每个传感器部分用于暴露于对应场景并且连接到：发射光纤通道阵列中对应的发射光纤通道的输出端；以及第一收集光纤通道阵列中对应的第一收集光纤通道的输入端；第一光电探测器，被设置为探测通过第一收集光纤通道阵列传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的属性；以及光纤通道集线器，用于供发射光纤通道阵列和第一收集光纤通道阵列通过。还提供了对应的光学遥感方法和对应的形成光学遥感系统的方法。

Description

光学遥感
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月14日提交的申请号为10201904334Y的新加坡专利申请的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明一般涉及光学遥感，尤其涉及光学遥感系统、光学遥感方法、以及形成光学遥感系统的方法。
背景技术
遥感涉及在没有物理接触的情况下捕获场景属性(也可称为性质或特征)(例如场景中对象的属性或场景中环境的属性)的技术。遥感一般有两大类，即主动遥感和被动遥感。例如，彩色相机(例如RBG相机)是一种众所周知的用于被动遥感场景颜色信息的设备，通过相机镜头的有限视场(field-of-view，FoV)可以看到场景的颜色信息。通常，为了获得颜色信息，相机的电荷耦合设备(charge-coupled device，CCD)或互补金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，CMOS)传感器感测从对象表面反射的人眼可见波长范围内的光。另一方面，激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)是测量对象的距离的主动遥感设备的示例。通常，LiDAR设备向对象发射光束，来自对象的后向散射光束由设备的传感器捕获。然后，光束的飞行时间(time-of-flight，ToF)(例如，从光束被发射到后向散射光束被接收)可以用于确定或估计对象与设备的距离。
主动遥感设备和被动遥感设备被广泛用于不同的应用。所研究现象的距离范围可以很短(例如显微镜)，也可以很远(例如望远镜)。此外，根据遥感目标的不同，测量的属性可能有很大的不同。可以光学测量的属性类型的示例包括颜色、距离、温度、粗糙度、振动等。这些传感器也可以称为视觉感知传感器。
大多数视觉感知设备都在假设对象或介质被限制在有限的体积内的情况下测量对象或介质的一个光学属性，从而可以通过有限的FoV来观察对象或介质。例如，可以通过将感测设备从一个特定的观察点指向对象来研究一个人、一颗行星、或一个微观样本的颜色、温度、或距离。例如，可以调整FoV(例如，改变镜头的位置)，使得所研究的现象落在感测设备的感测范围(FoV和景深)内。在这种情况下，感测设备从一个“外部观察点”来“看”所研究的现象。然而，在某些特定的应用中，所研究的现象的空间尺寸不是有限的。因此，在这些应用中，不可能将感测设备朝向所研究的现象。这种情况的一个示例是研究位于运动车辆周围的整个环境场景(或整个空间)中的对象的视觉属性。从运动车辆的角度来看，运动车辆周围的环境是位于车辆周围整个FoV的未知对象集合。在这种情况下，因为所研究的现象横跨观察点的整个周围，所以感测设备不能从一个观察点朝向任何特定方向来完全感测周围环境。在这种情况下，传感器需要从内部观察点通过整个FoV感测被研究的现象。这只是一个示例来说明对跨整个FoV进行视觉感测的需求。
因此，需要提供一种光学遥感系统和光学遥感方法，寻求克服或至少改善与传统光学遥感系统和方法相关联的一个或多个缺陷，例如但不限于增强FoV能力，或者另外能够以高效和/或有效的方式捕获场景的多个属性(即，多种类型的属性)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光学遥感系统，包括：
发射通道支架，安装有发射光纤通道阵列的输入端；
光束转向设备，用于将来自光源的光束扫描通过安装到发射通道支架的发射光纤通道阵列的输入端；
多个传感器部分，每个传感器部分用于暴露于对应场景并且连接到：
发射光纤通道阵列中对应的发射光纤通道的输出端，输出端用于向对应场景发射通过对应的发射光纤通道传播的光束；以及
第一收集光纤通道阵列中对应的第一收集光纤通道的输入端，输入端用于基于从对应的发射光纤通道的输出端发射的光束接收关于对应场景的后向散射光束；
第一光电探测器，被设置为探测通过第一收集光纤通道阵列传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的属性；以及
光纤通道集线器，用于供发射光纤通道阵列和第一收集光纤通道阵列通过，
其中，位于光纤通道集线器和第一光电探测器之间的一段长度的第一收集光纤通道阵列被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用根据本发明的上述第一方面的光学遥感系统的光学遥感方法，该方法包括：
光束转向设备将来自光源的光束扫描通过安装到发射通道支架的发射光纤通道阵列的输入端；
从发射光纤通道阵列的输出端分别向对应场景发射通过发射光纤通道阵列传播的光束；
基于分别从发射光纤通道阵列的输出端发射的光束，经由第一收集光纤的输入端接收关于对应场景的后向散射光束；以及
第一光电探测器探测通过第一收集光纤通道阵列传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的属性。
根据本发明的第三方面，提供了一种使用根据本发明的上述第一方面的光学遥感系统的光学遥感方法，该方法包括：
光束转向设备将来自光源的光束扫描通过安装到发射通道支架的发射光纤通道阵列的输入端；
从发射光纤通道阵列的输出端分别向对应场景发射通过发射光纤通道阵列传播的光束；
基于分别从发射光纤通道阵列的输出端发射的光束，经由第一收集光纤通道阵列的输入端接收关于对应场景的后向散射光束；
第一光电探测器探测通过第一收集光纤通道阵列传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的属性；
经由每个第三收集光纤通道阵列的输入端接收关于对应场景的反射或辐射的光束；以及
第三光电探测器探测通过对应的第三收集光纤通道阵列传播的反射或辐射的光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的对应附加属性。
根据本发明的第四方面，提供了一种形成光学遥感系统的方法，该方法包括：
提供发射通道支架，发射通道支架安装有发射光纤通道阵列的输入端；
提供光束转向设备，光束转向设备用于将来自光源的光束扫描通过安装到发射通道支架的发射光纤通道阵列的输入端；
提供多个传感器部分，每个传感器部分用于暴露于对应场景并且连接到：
发射光纤通道阵列中对应的发射光纤通道的输出端，输出端用于向对应场景发射通过对应的发射光纤通道传播的光束；以及
第一收集光纤通道阵列中对应的第一收集光纤通道的输入端，输入端用于基于从对应的发射光纤通道的输出端发射的光束接收关于对应场景的后向散射光束；
提供第一光电探测器，第一光电探测器被设置为探测通过第一收集光纤通道阵列传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分相关联的对应场景的属性；以及
提供光纤通道集线器，光纤通道集线器用于供发射光纤通道阵列和第一收集光纤通道阵列通过，
其中，位于光纤通道集线器和第一光电探测器之间的一段长度的第一收集光纤通道阵列被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
附图说明
仅通过示例，根据以下书面描述并结合附图，本发明的实施例对于本领域普通技术人员将是易于理解且显而易见的，在附图中：
图1A至图1C描绘了根据本发明的各种实施例的光学遥感系统的示意图；
图2A和图2B描绘了示出根据本发明的各种实施例的光学遥感方法的示意性流程图；
图3描绘了示出根据本发明的各种实施例的形成光学遥感系统的方法的示意性流程图；
图4描述了总结与现有视觉感知传感器相关联的一些缺点的表格；
图5描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于单光束探针的光学遥感系统的示意图；
图6描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的光学遥感系统的示意图；
图7描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的另一光学遥感系统的示意图；
图8描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的又一光学遥感系统的示意图；
图9描绘了根据本发明的各种示例实施例的另一光学遥感系统的示意图；
图10示出了比较各种LiDAR技术并强调了FoV的限制的表格；
图11示出了现有LiDAR技术的图片，其中，传感器探针可以安装在移动平台顶部的高处，但是传感器探针的FoV仍然被移动平台的主体遮挡；
图12示出了现有LiDAR技术的图片，其中，多个传感器可以安装在移动平台周围；以及
图13描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于LiDAR的光学遥感系统的示意图，该光学遥感系统在移动平台中实现并且具有围绕移动平台的整个FoV。
具体实施方式
如背景技术中所述，传统的光学遥感系统可能具有有限的视场(FoV)，从而使这些系统不适用于要求FoV灵活性或要求相对于观察点的大FoV(例如，整个FoV)的应用。此外，传统的光学遥感系统可能只能感测关于场景的一种属性(即一种属性)，例如场景的颜色信息或距离信息。因此，本发明的各种实施例提供一种光学遥感系统和光学遥感方法，寻求克服或至少改善与传统光学遥感系统和方法相关联的一个或多个缺陷，例如但不限于增强FoV能力，或者另外能够以高效和/或有效的方式捕获场景的多个属性(即，多种类型的属性)。
图1A描绘了根据本发明的各种实施例的光学遥感系统100的示意图。光学遥感系统100包括：发射通道支架104，安装有发射光纤通道108e的阵列108的输入端(即，阵列108中的分别的发射光纤通道108e的输入端)；光束转向设备112，用于将来自光源116的光束扫描通过(例如，相对于)安装到发射通道支架104的发射光纤通道108e的阵列108的输入端；多个传感器部分120，每个传感器部分(也可互换地称为感测部分)用于暴露于对应场景并且连接到：发射光纤通道108e的阵列108中对应的发射光纤通道108e的输出端，该输出端用于向对应场景(与传感器部分120相关联)发射通过该对应发射光纤通道108e传播的光束；以及第一收集光纤通道124c的阵列124中对应的第一收集光纤通道124c的输入端，该输入端用于基于从对应发射光纤通道108e的输出端发射的光束，接收关于对应场景(与传感器部分120相关联)的后向散射光束；第一光电探测器128，被设置为探测通过第一收集光纤通道124c的阵列124传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分120(分别)相关联的对应场景的属性(例如，在适当的情况下，还可称为性质或特征)；以及光纤通道集线器132，用于供发射光纤通道108e的阵列108和第一收集光纤通道124c的阵列124通过。此外，位于光纤通道集线器132和第一光电探测器128之间的一段长度的第一收集光纤通道124c的阵列124被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
光学遥感系统100有利地以高效和/或有效的方式具有增强的FoV能力。特别地，多个传感器部分120被有利地用于分别暴露于对应场景，例如跨对象的表面分布，由此每个传感器部分120被定向到或被配置为朝向期望的或预定的方向。因此，与多个传感器部分120相关联的对应视场(FoV)一起提供与光学遥感系统100相关联的关于对象的期望FoV，由此期望FoV可以是整个FoV的一个部分或整个FoV。因此，光学遥感系统100有利地具有增强的FoV能力。此外，由于光学遥感系统100包括发射通道支架104和光纤通道集线器132，发射通道支架104安装有发射光纤通道108e的阵列108的输入端，该光纤通道集线器132用于供发射光纤通道108e的阵列108和第一收集光纤通道124c的阵列124通过，由此，位于光纤通道集线器132和第一光电探测器128之间的一段长度的第一收集光纤通道124c的阵列124被捆绑以形成第一收集光纤通道束，所以光学遥感系统100能够以高效和/或有效的方式实现增强的FoV能力。随着根据本发明的各种实施例或示例实施例更详细地描述光学遥感系统100，这些优点或技术效果对于本领域技术人员将变得更加显而易见。
在各种实施例中，位于发射光纤通道支架104和光纤通道集线器132之间的一段长度的发射光纤通道108e的阵列108被捆绑以形成发射光纤通道束。
在各种实施例中，上述长度的第一收集光纤通道124c的阵列124可以至少从光纤通道集线器132(例如，其第一收集光纤通道出口)到第一收集光纤通道124c的阵列124的输出端。在各种实施例中，上述长度的发射光纤通道108e的阵列108可以至少从发射通道支架104之后或附近到光纤通道集线器132(例如，其发射光纤通道入口)。在各种实施例中，发射光纤通道108e的阵列108的输入端可以跨发射通道支架104的表面(第一表面或源光束接收表面)以空间分布的方式(例如，在二维(two-dimensional，2D)阵列中)安装到发射通道支架104。因此，本领域技术人员可以理解，从发射光纤通道支架104延伸的发射光纤通道108e的阵列108可以仅从发射光纤通道108e能够被收集或保持在一起的地方(例如，在实际可能的地方，例如在发射通道支架104附近)开始捆绑，并捆绑以形成发射光纤通道束。
在各种实施例中，多个传感器部分120跨对象的表面分布(例如，空间分布)，使得与多个传感器部分120相关联的对应FoV一起提供与光学遥感系统100相关联的关于对象的期望FoV。
在各种实施例中，期望FoV是围绕对象的轴(例如但不限于移动平台的垂直轴)的至少基本上整个周围场景的FoV。本领域技术人员将理解，上述对象的轴不限于对象的任何特定轴，并且可以是对象的期望或适当的任何轴。在各种实施例中，期望FoV是围绕对象的多个轴的至少基本上整个周围场景的FoV，该多个轴例如但不限于三维(three-dimensional，3D)轴，从而得到围绕对象的至少基本上整个球形周围场景。本领域技术人员可以理解，只要多个传感器部分120跨对象表面配置或设置，使得与多个传感器部分120相关联的对应FoV一起提供与光学遥感系统100相关联的关于对象的期望FoV，本发明不限于多个传感器部分120跨对象表面的任何特定/专用或预定位置。例如，多个传感器部分120的最终位置可以取决于对象的形状或配置，使得多个传感器部分120基于对象的形状跨对象的表面分布以获得期望FoV。
在各种实施例中，光束转向设备112用于连续地(即一个接一个地)将来自光源的光束扫描通过发射光纤通道108e的每个输入端。例如，由于对于每个发射光纤通道108e，在发射光纤通道108e的输入端接收的光束通过发射光纤通道108e传播，并从发射光纤通道108e的输出端输出，该输出端连接到用于感测对应场景(具有对应FoV)的对应传感器部分120，因此在每次扫描中，可以连续地将光束扫描通过发射光纤通道108e的每个输入端，以分别感测与多个对应传感器部分120相关联的对应场景，从而在每次完整扫描中获得期望FoV。在各种实施例中，在每次扫描中，光束可以连续地被选择性地扫描通过发射光纤通道108e的选择的输入端，以分别感测与选择的对应传感器部分120相关联的选择的对应场景，从而获得与选择的对应传感器部分120相关联的期望(或选择的)FoV。例如，在各种实施例中，虽然光学遥感系统100可以能够提供关于对象的整个FoV，但是光学遥感系统100可以是可控的，以基于选择性地扫描如上所述的发射光纤通道108e的选择的输入端而选择性地提供选择的FoV，该选择的FoV是整个FoV的子集。
在各种实施例中，光学遥感系统100还包括光源116，光源116用于发射光束，该光束具有适用于感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的上述属性的波长。分别适用于感测各种类型的属性的各种波长的光在本领域中是已知的，因此为了清楚和简明而无需在本文描述。因此，本领域技术人员将理解，光学遥感系统100不限于任何特定波长或多个波长。
在各种实施例中，上述属性包括距离信息(例如，场景中对象的距离)、物理属性信息(例如，场景中对象的物理属性(例如，粗糙度))或状态信息(例如，场景中对象的状态(例如，振动水平))。本领域技术人员将理解，光学遥感系统100不限于这些类型的属性，并且可遥感(例如基于主动遥感)的其他类型的属性也在本发明的范围内。
在各种实施例中，光学遥感系统100还包括光源116，光源116用于发射光束，该光束具有适用于感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的多个属性(即，多种类型的属性)的多个波长，每个波长适用于感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的上述多个属性中的对应属性。
在各种实施例中，上述多个属性从距离信息(例如，场景中对象的距离)、物理属性信息(例如，场景中对象的物理属性(例如，粗糙度))和状态信息(例如，场景中对象的状态(例如，振动水平))中选择。如上所述，本领域技术人员将理解，光学遥感系统100不限于这些类型的属性，并且可遥感(例如基于主动遥感)的其他类型的属性也在本发明的范围内。
在各种实施例中，在光源116用于发射具有适用于感测关于对应场景的多个属性的多个波长的光束的情况下，第一收集光纤通道124c的阵列124用于接收后向散射光束，该后向散射光束具有与发射的光束的多个波长中的一个波长(例如，特定波长)对应的波长。在这种情况下，如图1B所示，光学遥感系统100还可以包括第二收集光纤通道136c的阵列136，第二收集光纤通道136c的阵列136用于上述发射的光束的多个波长中的每个剩余的一个或多个波长(为了清楚和简明，图1B仅示出第二收集光纤通道136c的一个阵列136)，每个第二收集光纤通道136c的阵列136用于接收后向散射光束，该后向散射光束具有与上述发射的光束的多个波长中的对应剩余的波长(例如，特定的对应剩余的波长)对应的波长。在这种情况下，多个传感器部分120中的每个传感器部分120还连接到上述每个第二收集光纤通道136c的阵列136中的对应第二收集光纤通道136c的输入端。换言之，对于每个第二收集光纤通道136c的阵列136，阵列136中的每个第二收集光纤通道136c的输入端连接到对应的传感器部分120。
在各种实施例中，光学遥感系统100还包括用于上述每个第二收集光纤通道136c的阵列136的第二光电探测器140，每个第二光电探测器136被设置为探测通过对应的第二收集光纤通道136c的阵列136传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的上述多个属性中的对应属性。换言之，可以为第二收集光纤通道136c的每个阵列136提供第二光电探测器140(为了清楚和简明，仅在图1B示出一个第二光电探测器140)，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应属性。
在各种实施例中，第一收集光纤通道124c的阵列124和每个第二收集光纤通道136c的阵列136可以用于收集用于主动遥感的后向散射光束，例如，具有用于分别感测关于对应场景的不同类型的属性的不同波长(分别与上述发射光束的多个波长对应)的后向散射光束。
在各种实施例中，每个第二收集光纤通道136c的阵列136用于穿过光纤通道集线器132，并且对于上述每个第二收集光纤通道136c的阵列136，位于光纤通道集线器132和对应的第二光电探测器140之间的一段长度的第二收集光纤通道136c的阵列136被捆绑以形成第二收集光纤通道束。在各种实施例中，上述长度可以至少从光纤通道集线器132(例如，从其对应的第二收集光纤通道出口)到第二收集光纤通道136c的阵列136的输出端，其方式与本文所描述的第一收集光纤通道124c的阵列124相同或类似。
在各种实施例中，如图1C所示，光学遥感系统100还可以包括一个或多个第三收集光纤通道144c的阵列144(为了清楚和简明，仅在图1C示出第三收集光纤通道144c的一个阵列144)，每个第三收集光纤通道144c的阵列144用于接收反射或辐射的光束，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应附加属性。在这种情况下，多个传感器部分120中的每个传感器部分还连接到上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144中的对应第三收集光纤通道144c的输入端。换言之，可以提供第三收集光纤通道144c的阵列144，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的每个特定的对应附加属性。此外，对于每个第三收集光纤通道144c的阵列144，阵列144中的每个第三收集光纤通道144c的输入端连接到对应的传感器部分120。
在各种实施例中，上述附加属性包括颜色信息(例如，基于从对象反射的光束感测的场景中对象的颜色)或温度信息(例如，基于从对象辐射的光束感测的场景中介质或对象的温度)。本领域技术人员将理解，光学遥感系统100不限于这些类型的属性，并且可遥感(例如基于被动遥感)的其他类型的属性也在本发明的范围内。
在各种实施例中，光学遥感系统100还包括用于上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144的第三光电探测器148，每个第三光电探测器被设置为探测通过对应的第三收集光纤通道144c的阵列144传播的反射或辐射的光束，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应附加属性。换言之，可以为每个第三收集光纤通道144c的阵列144提供第三光电探测器148(为了清楚和简明，仅在图1C示出一个第三光电探测器148)，以感测与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应属性。
在各种实施例中，每个第三收集光纤通道144c的阵列144可以用于收集用于被动遥感的反射或辐射的光束，例如，用于分别感测关于对应场景的不同类型属性的不同的反射或辐射的光束，例如收集来自对象的反射光束以感测对象的颜色或收集来自对象的辐射光束以感测对象的温度。
在各种实施例中，每个第三收集光纤通道144c的阵列144用于穿过光纤通道集线器132，并且对于上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144，位于光纤通道集线器132和第三光电探测器148之间的一段长度的第三收集光纤通道144c的阵列144被捆绑以形成第三收集光纤通道束。在各种实施例中，上述长度可以至少从光纤通道集线器132(例如，从其对应的第三收集光纤通道出口)到第三收集光纤通道144c的阵列144的输出端，其方式与本文所描述的第一收集光纤通道124c的阵列124相同或类似。
在各种实施例中，光纤通道集线器132包括用于收容发射光纤通道束108的发射光纤通道入口和用于输出第一收集光纤通道束124的第一收集光纤通道出口。在这种情况下，在被发射光纤通道入口收容之后，发射光纤通道108e的阵列108被解绑，并且发射光纤通道108e的阵列108中的发射光纤通道108e被对应地分配到多个传感器部分120以连接到多个传感器部分120。类似地，在从第一收集光纤通道出口输出之前，第一收集光纤通道124c的阵列124被解绑，并且第一收集光纤通道124c的阵列124中的第一收集光纤通道124c被对应地分配到多个传感器部分120以连接到多个传感器部分120。光纤通道集线器132还可以包括用于每个第二收集光纤通道136c的阵列136的第二收集光纤通道出口，和/或用于每个第三收集光纤通道144c的阵列144的第三收集光纤通道出口。与第一收集光纤通道124c的阵列124相似或相同，对于每个第二收集光纤通道136c的阵列136，在从第二收集光纤通道出口输出之前，第二收集光纤通道136c的阵列136是解绑的，并且第二收集光纤通道136c的阵列136中的第二收集光纤通道136c被对应地分配到多个传感器部分120以连接到多个传感器部分120。与第一收集光纤通道124c的阵列124类似或相同，对于每个第三收集光纤通道144c的阵列144，在从第三收集光纤通道出口输出之前，第三收集光纤通道144c的阵列144是解绑的，并且第三收集光纤通道144c的阵列144中的第三收集光纤通道144c被对应地分配到多个传感器部分120以连接到多个传感器部分120。
在各种实施例中，发射通道支架104包括至少部分(或部分地)为球形的外壳(例如，部分外壳)，并且发射光纤通道108e的阵列108的输入端通过该外壳安装，以从外壳的内侧152暴露。如上文所述，发射光纤通道108e的阵列108的输入端可以跨发射通道支架104的表面(第一表面或光源光束接收表面，即，与上述内侧152对应)以空间分布的方式(例如，二维(2D)阵列)安装到发射通道支架104。在这种情况下，本领域技术人员将理解，发射光纤通道108e的阵列108的输入端可以以期望或适当的任何方式进行空间分布，例如基于光束转向设备或与光束转向设备合作，使得光束转向设备112可以以期望或适当的方式将来自光源116的光束扫描通过发射光纤通道108e的阵列108的输入端。
在各种实施例中，发射光纤通道108e的阵列108中的每个发射光纤通道108e包括光纤线(例如，一条或多条光纤线)，并且第一收集光纤通道124c的阵列124中的每个第一收集光纤通道124c包括光纤线(例如，一条或多条光纤线)。类似地，在各种实施例中，第二收集光纤通道136c的阵列136中的每个第二收集光纤通道136c包括光纤线(例如，一条或多条光纤线)，和/或第三收集光纤通道124c的阵列144中的每个第三收集光纤通道144c包括光纤线(例如，一条或多条光纤线)。
在各种实施例中，来自光源116的光束是激光束。
在各种实施例中，光束转向设备104是无电机光束转向设备。
在各种实施例中，上述属性包括距离信息，并且光学遥感系统100还包括感测信息处理模块，该感测信息处理模块用于基于由第一光电探测器128探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的距离信息来生成点云数据。
在各种实施例中，例如，在对关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的多个属性(即，多个类型的属性)进行感测的情况下，上述属性包括距离信息，并且光学遥感系统100还包括感测信息处理模块，该感测信息处理模块用于基于由第一光电探测器128探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的距离信息来生成点云数据，并将点云数据中的每个数据点与对应附加属性相关联，该对应附加属性与由用于上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144的第三光电探测器148探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的数据点对应。例如但非限制性地，在多个属性包含距离信息、颜色信息、以及温度信息的情况下，可以基于由第一光电探测器128探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的距离信息来生成点云数据，此外，对于点云数据中的每个数据点，该数据点与由用于上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144的第三光电探测器148探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应颜色信息和对应温度信息相关联。因此，根据本发明的各种实施例，可以有利地获得具有关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的一个或多个附加属性的点云数据，并且这样的具有一个或多个附加属性的点云数据在本文中可以称为多维点云数据。
本领域技术人员将理解，用于基于距离信息(例如，基于LiDAR)生成点云数据的各种技术在本领域中是已知的，因此为了简明和清楚，需要在本文详细地描述这些技术。
本领域技术人员将理解，至少一个处理器可以用于通过指令集(例如，软件模块)来执行所需功能或操作，指令集可由至少一个处理器执行以执行所需功能或操作。因此，例如，感测信息处理模块(或感测信息处理电路)可以用于基于距离信息生成上述点云数据。作为另一示例，如上文根据本发明的各种实施例所述，可以提供光束转向控制器模块(或光束转向控制器电路)并将该光束转向控制器模块用于控制光束转向设备112以特定或期望的方式将来自光源的光束扫描通过(或相对于)发射光纤通道108e的输入端。例如，感测信息处理模块和光束转向控制器模块可以各自实现为可执行软件程序，该可执行软件程序例如可以存储在存储器中并且可以由至少一个处理器执行以执行根据各种实施例本文所描述的功能/操作。
在各种实施例中，“电路”可以理解为任何类型的逻辑实现实体，“电路”可以是执行存储在存储器、固件或其任何组合中的软件的专用电路或处理器。因此，在实施例中，“电路”可以是硬线(hard-wired)逻辑电路或可编程逻辑电路，例如可编程处理器(例如，微处理器(例如，复杂指令集计算机(complex instruction set computer，CISC)处理器或精简指令集计算机(reduced instruction set computer，RISC)处理器))。“电路”也可以是执行软件(例如，任何类型的计算机程序(例如，使用虚拟机代码(例如，Java)的计算机程序))的处理器。下面将更详细地描述的各个功能的任何其他类型的实施方式也可以理解为根据各种替代实施例的“电路”。类似地，“模块”可以是根据本发明中的各种实施例的系统的一部分，并且可以包括如上所述的“电路”，或者可以理解为其中的任何类型的逻辑实现实体。
本领域技术人员将理解，本文所描述的各种模块(例如，感测信息处理模块和/或光束转向控制器模块)可以是计算机程序或指令集实现的软件模块，计算机程序或指令集可由计算机处理器执行以执行所需功能，或者可以是硬件模块，硬件模块是被设计用于执行所需功能的功能硬件单元。还将理解，可以实现硬件和软件模块的组合。
在各种实施例中，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品在一个或多个计算机可读存储介质(非暂时性计算机可读存储介质)中实现，包括可由一个或多个计算机处理器执行的指令(例如，感测信息处理模块或光束转向控制器模块)，以根据各种实施例基于距离信息生成上述点云数据。
图2A描绘了示出根据各种实施例的光学遥感的方法200的示意性流程图，方法200使用根据各种实施例的如上文所述(例如，如上文参照图1A、图1B、以及图1C中的任何一个所述)的光学遥感系统100。方法200包括：光束转向设备112将来自光源116的光束扫描(在202)通过(例如，相对于)安装到发射通道支架104的发射光纤通道108e的阵列108的输入端；从发射光纤通道108e的阵列108的输出端分别向对应场景发射(在204)通过发射光纤通道108e的阵列108传播的光束；基于分别从发射光纤通道108e的阵列108的输出端发射的光束，经由第一收集光纤124c的阵列124的输入端接收(在206)关于对应场景的后向散射光束；第一光电探测器128探测(在208)通过第一收集光纤通道124c的阵列124传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分120(分别)相关联的对应场景的属性(例如，在适当的情况下，还可称为性质或特征)。
在各种实施例中，光学遥感的方法200与根据各种实施例的如上文所述(例如，参照图1A)的光学遥感系统100对应，因此，方法200的各种步骤或操作可以与根据各种实施例的如上文所述的光学遥感系统100的各种组件(或元件)用于执行的各种功能或操作对应，并且因此为了清楚和简明，无需针对方法200再进行重复。换言之，在光学遥感系统100的上下文中(例如，参照图1A)描述的本文的各种实施例对于光学遥感的方法200类似地有效，反之亦然。
各种实施例中，上述扫描(在202)光束包括连续地(即，一个接一个地)将来自光源116的光束扫描通过发射光纤通道108e的阵列108的每个输入端。
在各种实施例中，从光源116发射的光束具有适用于感测关于对应场景的上述属性的波长。在各种实施例中，上述属性包括距离信息(例如，场景中对象的距离)、物理属性信息(例如，场景中对象的物理属性(例如，粗糙度))或状态信息(例如，场景中对象的状态(例如，振动水平))。本领域技术人员将理解，光学遥感的方法200不限于这些类型的属性，并且可遥感(例如基于主动遥感)的其他类型的属性也在本发明的范围内。
在各种实施例中，上述属性包括距离信息，并且方法200还包括基于由第一光电探测器128探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的距离信息来生成点云数据。
图2B描绘了示出根据各种实施例的光学遥感的方法250的示意性流程图，该方法使用根据各种实施例的如上文所述(例如，如上文参照图1C所述)的光学遥感系统100。方法250包括：光束转向设备112将来自光源116的光束扫描(在252)通过(例如，相对于)安装到发射通道支架104的发射光纤通道108e的阵列108的输入端；从发射光纤通道108e的阵列108的输出端分别向对应场景发射(在254)通过发射光纤通道108e的阵列108传播的光束；基于分别从发射光纤通道108e的阵列108的输出端发射的光束，经由第一收集光纤通道124c的阵列124的输入端接收(在256)关于对应场景的后向散射光束；第一光电探测器128探测(在258)通过第一收集光纤通道124c的阵列124传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的属性；经由每个上述第三收集光纤通道的阵列的输入端接收(在260)关于对应场景的反射或辐射的光束；第三光电探测器148探测(在262)通过对应的第三收集光纤通道144c的阵列144传播的反射或辐射的光束，以感测关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的对应附加属性。
在各种实施例中，光学遥感的方法250与根据各种实施例的如上文中所述(例如，参照图1C)的光学遥感系统100对应，因此，方法250的各种步骤或操作可以与根据各种实施例的如上文所述的光学遥感系统100的各种组件(或元件)用于执行的各种功能或操作对应，并且因此为了清楚和简明，无需针对方法250再进行重复。换言之，在光学遥感系统100的上下文中(例如，参照图1C)描述的本文的各种实施例对于光学遥感的方法250类似地有效，反之亦然。
在各种实施例中，上述扫描(在252)光束包括连续地(即，一个接一个)将来自光源的光束扫描通过发射光纤通道108e的阵列108的每个输入端。
在各种实施例中，从光源116发射的光束具有适用于感测关于对应场景的上述属性的波长。在各种实施例中，上述属性包括距离信息(例如，场景中对象的距离)、物理属性信息(例如，场景中对象的物理属性(例如，粗糙度))或状态信息(例如，场景中对象的状态(例如，振动水平))。在各种实施例中，上述附加属性包括颜色信息(例如，基于从对象反射的光束感测的场景中对象的颜色)或温度信息(例如，基于从对象辐射的光束感测的场景中介质或对象的温度)。本领域技术人员将理解，光学遥感的方法250不限于这些类型的属性，并且可遥感(例如基于主动和/或被动遥感)的其他类型的属性也在本发明的范围内。
在各种实施例中，上述属性包括距离信息，并且方法250还包括基于由第一光电探测器128探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的上述距离信息生成点云数据，并将点云数据中的每个数据点与对应附加属性相关联，该对应附加属性与由用于上述每个第三收集光纤通道144c的阵列144的第三光电探测器148探测到的关于与多个传感器部分120相关联的对应场景的数据点对应。
图3描绘了示出根据本发明的各种实施例的形成光学遥感系统的方法300的示意性流程图，该光学遥感系统例如是上文参照图1A、图1B、以及图1C中的任何一个所述的光学遥感系统100。方法300包括：提供(在302)发射通道支架104，发射通道支架104安装有发射光纤通道108e的阵列108的输入端；提供(在304)光束转向设备112，光束转向设备112用于将来自光源的光束扫描通过(相对于)安装到发射通道支架104的发射光纤通道108e的阵列108的输入端；提供(306)多个传感器部分120，每个传感器部分120用于暴露于对应场景并且连接到：发射光纤通道108e的阵列108中对应的发射光纤通道108e的输出端，该输出端用于向对应场景发射通过对应发射光纤通道108e传播的光束；以及第一收集光纤通道124c的阵列124中对应的第一收集光纤通道124c的输入端，该输入端用于基于从对应的发射光纤通道108e的输出端的发射的光束接收关于对应场景的后向散射光束；提供(在308)第一光电探测器128，第一光电探测器128被设置为探测通过第一收集光纤通道124c的阵列124传播的后向散射光束，以感测关于与多个传感器部分(分别)相关联的对应场景的属性；提供(310)光纤通道集线器132，光纤通道集线器132用于供发射光纤通道108e的阵列108和第一收集光纤通道124c的阵列124通过。此外，位于光纤通道集线器132和第一光电探测器128之间的一段长度的第一收集光纤通道124c的阵列124被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
在各种实施例中，方法300用于形成如上文参照图1A、图1B、以及图1C中的任何一个所述的光学遥感系统100。因此，方法300的各种步骤或操作可以与根据各种实施例形成、提供、或配置如上文所述的光学遥感系统100的各种组件或元件对应，并且因此为了清楚和简明，无需针对方法300再重复这样的对应步骤或操作。换言之，在光学遥感系统100的上下文中描述的本文的各种实施例对于方法300(例如，用于根据各种实施例形成具有如上文所述的各种组件和配置的光学遥感系统100)类似地有效，反之亦然。
本领域技术人员将理解，本文所使用的术语仅用于描述各种实施例，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其分组。
为了易于理解本发明并将其付诸实施，下文将仅通过示例而非限制的方式来描述本发明的各种示例实施例。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以以各种不同的形式实现，并且不应被解释为受限于下文所给出的示例实施例。相反，提供这些示例实施例以使得本公开将是细致且完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
在各种应用中可能需要感测场景的多个光学/视觉属性(即，多种类型的属性)。本领域技术人员将理解，存在可被光学遥感系统感测的场景的各种不同类型的属性。根据各种示例实施例，被感测的场景的优选类型的属性可以包括颜色、深度(或距离)、和/或温度，并且这些属性将在下文中仅通过示例的方式进一步描述。本领域技术人员将理解，在不超出本发明的范围的情况下，本发明不限于场景的这些特定类型的属性，并且可以基于期望或适当的光学遥感系统100感测场景的其他类型的属性(除了上述特定类型的属性中的一个或多个属性或代替上述特定类型的属性中的一个或多个属性)，例如但不限于粗糙度、平滑度、透明度、振动等。
彩色相机是一种众所周知的用于视觉信息感知的传感器。这主要是因为彩色相机可能是最基本、最容易获得、以及最便宜的可以产生人眼可理解的图像的商业相机。基本的RGB相机产生二维(2D)图像。如果相机配备了镜头，输出的画面就会根据镜头的属性而失真。基本相机有许多限制，包括：
·有限的FoV(例如，由于现有光电传感器阵列的天然限制)；
·失真(镜头效应)；
·缺乏深度信息(除了很短的范围以外，并且限于一定的景深)；
·对光照条件的敏感度；以及
·有限的景深(由于镜头的原因，只有一定范围或深度上的对象可能在焦点上，图像的其余部分可能会模糊)。
关于FoV的限制，之前已经公开了多种补救措施，包括：
·结合全景镜头(覆盖整个方位角的FoV)；
·结合抛物面反射镜和双曲线反射镜(在方位和高度方向上扩展FoV)；以及；
·校准多个相机，朝向不同的方向。
关于失真，可以应用软件技术来补偿失真。例如，如果相机配备了微处理器，镜头效应可能会得到补偿。也可以在更高层次的编程中解决这个问题，前提是软件开发人员已知镜头的属性。
关于缺乏深度信息，可以应用立体视觉(stereo vision)，这是一种用于根据经过适当校准的两个相机估计深度信息的技术。例如，这种估计在有限的范围内(通常为2米至10米)可能是准确的。还有其他的深度测量技术，这些技术基于互补的主动传感器。
关于对光照条件的敏感度，相机通常对光照条件很敏感。例如，相机在阳光直射下捕获到的画面与在黑暗环境下捕获到的画面有很大不同。可以通过自动感测环境光强度和施加外部闪光灯来实现部分补偿。然而，当不想要闪烁的可见光时(例如军事应用)，或者当期望对象部分处于太阳直射下，部分处于阴影下时，不应用主动测量技术的补偿就变得非常有挑战。
关于有限的景深，结合镜头的天然缺点是有限的景深。在这种情况下，只有在有限深度内的对象是聚焦的，而图像的其余部分可能是模糊的。例如，通过在相机上添加微镜头阵列，可以捕获整个景深，并在场景捕获后对图像的任何部分重新聚焦，或者重建一幅在所有像素中聚焦的图像。然而，为了同时扩展FoV和景深，需要同时对来自例如数十台相机的图像进行结合和处理。因此，由此产生的捕获设备变得笨重，并且可测量的范围仍然保持在几米以内。
LiDAR是一种通过测量光束的飞行时间(ToF)来估计到表面的距离的传感器，光束在撞击表面后被散射。LiDAR可以测量短距离(例如亚厘米)和长距离(例如几公里)，并且测量精度可达微米(μm)范围。虽然可以从大范围的光谱中选择发射光束，但通常为此目的使用905nm或1550nm的波长。
也存在平面LiDAR或2D LiDAR。虽然可以使用单个LiDAR模块来测量到对象单个点的距离，但可以将该模块安装在旋转平台上，并通过在不同角度(例如，电机的不同旋转步长)适当地记录传感器读数来扫描一部分平面。然而，结合电机会带来不良后果，例如：
·传感器的不良振动；
·寿命(耐久性)顾虑(当传感器安装在摇晃/高度动态的平台上时)；
·超重；
·超尺寸；以及
·扫描速率限制。
在多平面LiDAR中，线性或放射状排列的LiDAR模块阵列可以在旋转平台上旋转，以扫描圆柱或球体的一部分。
在三维(3D)LiDAR中，类似于平面扫描的概念，可以将LiDAR模块朝向不同的空间方向来扫描3D场景。然而，机动化设计要么速率太慢，要么笨重，要么扫描输出稀疏且不均匀。另一方面，传统的基于微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)或相控阵光束转向技术的设计可能会限制FoV。最近的一种3D扫描方法是基于结合漫射镜头和通过光电二极管阵列生成图像。虽然这种技术可以例如扩展FoV，但该技术不能扩展到传感器的侧面和背面。
已经公开了一种主动RGB相机，也可以称为彩色LiDAR。虽然彩色相机通常称为被动传感器，但主动测量技术已经被结合到彩色相机中，以通过基于另一种原理的单个仪器来收集颜色和深度信息相机。在一种方法中，红色激光光源、绿色激光光源、以及蓝色激光光源被用于三个LiDAR模块。这样，三个LiDAR模块中的任何一个模块都可以测量飞行时间(ToF)。此外，也可以通过同一光电传感器来感测从对象反射的红色、绿色、蓝色的量，从而也可以知道对象的颜色。然而，在许多应用中，将可见光照射在对象上可能并不理想。
还公开了不同类型的相机和LiDAR以捕获RGB-D和温度信息。这些设计的主要问题是通过LiDAR校准相机，这只在传感器的有限景深内有效。此外，这样的感测设备既笨重又昂贵。
因此，如上所述，现有的视觉感知传感器(或视觉遥感技术)存在一个或多个缺点，图4所示的表格中总结了一些缺点。因此，对于绝对依赖视觉感知传感器的各种应用(例如智能移动)，似乎没有一个价格合理的完整可靠的解决方案。因此，各种示例实施例提供了光学遥感系统和对应的光学遥感方法，以寻求在可负担得起的情况下克服或至少改善尽可能多的上述缺点(例如所有这些缺点)。
根据本发明的各种示例实施例的光学遥感系统基于LiDAR。LiDAR传感器的组件是本领域技术人员已知的，因此为了简明起见无需在本文重复。例如，单光束飞行时间LiDAR传感器通过测量从光束被发射到后向散射光被接收的光束飞行时间来估算传感器到对象的距离。例如，这种传感器的主要组件包括：光源；准直光学器件；飞行时间测量电子器件；收集光学器件；以及光电传感器。关于光源，用于LiDAR应用的公共光源可以包括905nm或1550nm波长的光源(具有905nm或1550nm波长的光束)。关于准直光学器件，可以使用镜头或镜头的组合来准直发射的光。例如，准直光学器件的输出可以是在民用的人眼安全(eyesafe)功率水平内的准直光束。关于飞行时间测量电子器件，本领域中已知的飞行时间测量电子器件可用于测量光束的行进时间，因此需要在本文详细描述。关于收集光学器件，发射到对象的光被散射，并且一部分光可能返回到传感器。收集光学器件(例如，镜头)可以收集尽可能多的后向散射光，并将收集的后向散射光导向光电传感器，光电传感器可放置在镜头焦点处。关于光电传感器，从对象收集的后向散射光可由光电传感器感测。适用于检测各种光(例如反射光或后向散射光)的各种光电传感器(也可称为光电探测器)在本领域中是已知的，因此无需在本文详细描述。
图5描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于单光束探针的光学遥感系统500的示意图。特别地，图5示出了基于具有单光束光纤探针的LiDAR的光学遥感系统500。光学遥感系统500包括光源516、准直光学器件518；发射光纤或光纤束(也可称为拍摄光纤或光纤束)508、收集光纤或光纤束(也可称为采集光纤或光纤束)524、光电探测器(或光电传感器)528、飞行时间测量模块530、距离测量模块532(例如，与根据各种实施例的上文所述的感测信息处理模块对应)、以及脉冲发生器534。
在各种示例实施例中，由光源516生成的光被准直并导向到单股或光纤股束508(拍摄光纤或光纤束)。光纤508是柔性的，并且可以导向任何期望的方向。后向散射光可以通过与拍摄光纤束508相邻的单股或光纤股束524(收集光纤或光纤束)收集。然后，收集的后向散射光束可以在无需收集镜头的情况下被导向到光电探测器528。在各种示例实施例中，收集光纤束524可附接到光电探测器528，使得在光电探测器528前面不需要收集光学器件。此外，由于拍摄光纤束508和收集光纤束524是柔性的，所以这些光纤束可以朝向任何期望的方向定向。
图6描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的光学遥感系统600(例如与根据各种实施例的如上文所述(例如，图1A)的光学遥感系统100对应)的示意图。特别地，图6示出了基于具有多光束光纤探针的LiDAR的光学遥感系统600。除了光学遥感系统600还包括光束转向设备612(也可称为光束导向设备或装置)以外，光学遥感系统600可以与图5所示的光学遥感系统500相似或相同，光束转向设备612可以作为中间级(middle stage)添加到光学遥感系统600。由于光学遥感系统600基于多光束光纤探针，因此发射(或拍摄)光纤508可以是发射(或拍摄)光纤阵列的形式，而收集(或采集)光纤524可以是收集(或采集)光纤阵列的形式。如图6所示，一段长度的发射光纤508的阵列可以被捆绑，一段长度的收集光纤524的阵列也可以被捆绑。在图6所示的光学遥感系统600中，将理解，图5所示的各种模块(例如飞行时间测量模块530、距离测量模块532、和/或脉冲发生器534)可以包括在光学遥感系统600中，但为了简明和清楚，未在图6中示出。
在各种示例实施例中，光束导向装置612可以基于MEMS反射镜或相控阵光束转向设置。在各种示例实施例中，光束导向装置612可以与将放射性导向转换为线性导向的光学器件614组合，该光学器件可以是单个镜头或微镜头阵列的形式。例如，这可以适用于发射光纤508的阵列的输入端被设置或配置为具有平面形式的2D阵列(例如，输入端安装到发射通道支架以形成这样的2D阵列)的情况，从而可能需要光学器件614将放射性导向转换为线性导向，如图6所示。在各种示例实施例中，在以下情况可以排除上述光学器件614：发射光纤508的阵列的输入端被设置或配置为具有诸如部分球形的弯曲形式的2D阵列(例如，输入端安装到发射通道支架以形成这样的2D阵列)，使得输入端放射性地指向光束导向装置612的期望点，例如光束导向装置612的中心。结果，从MEMS反射镜反射的光束可以被直接(放射性地)导向到发射光纤508的阵列的输入端，而无需任何光学器件将放射性导向转换为线性导向。类似地，由于发射光纤508的阵列和收集光纤524的阵列是柔性的，所以这些阵列(包括这些阵列的端点)可以朝向任何期望的方向定向。
图7描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的光学遥感系统700(例如与根据各种实施例的如上文所述(例如，图1A)的光学遥感系统100对应)的示意图。光学遥感系统700可以与图6所示的光学遥感系统600相似或相同，光学遥感系统700用于捕获围绕观察点或对象、围绕观察点或对象的一个或多个轴的整个周围场景(或至少基本上整个周围场景)(包括整个球形周围场景)的整个FoV(或至少基本上整个FoV)。类似于图6，在图7所示的光学遥感系统700中，将理解，图5所示的各种模块(例如飞行时间测量模块530、距离测量模块532、和/或脉冲发生器534)可以包括在光学遥感系统700中，但为了简明和清楚，未在图7中示出。
在各种示例实施例中，发射光纤508的阵列可以具有被配置为t2D阵列(例如，如上文所述的平面形式或弯曲形式)的输入端。在各种示例实施例中，发射光纤508的阵列的输入端可以安装到例如具有平面形式或弯曲形式的发射通道支架上。在各种示例实施例中，收集光纤524的阵列可以具有被配置为2D阵列的输出端，以将收集的后向散射光输出到光电探测器528。
在各种示例实施例中，例如如上文根据各种实施例所述，光束导向装置612可以用于将来自光源516的光束扫描通过(例如，相对于)发射光纤508的阵列的输入端，例如连续地扫描通过每个输入端。
在各种示例实施例中，为了获得期望FoV(例如，整个FoV)，多个传感器部分(例如，与如上文所述的多个传感器部分120对应)可以跨对象的表面分布，每个传感器部分用于暴露于对应场景并连接到：发射光纤508的阵列中的对应发射光纤的输出端(该输出端用于向对应场景发射通过该对应发射光纤通道传播的光束)；以及收集光纤524的阵列中的对应收集光纤的输入端(该输入端用于基于从对应发射光纤的输出端发射的光束来接收关于对应场景的后向散射光束)。在各种示例实施例中，多个传感器部分可以跨对象的表面分布，使得与多个传感器部分相关联的对应FoV一起提供与光学遥感系统相关联的关于对象的期望FoV(例如，整个FoV)。如图7中示意性地所示，例如但非限制性地，如果对象是球形的，则多个传感器部分(具有对应地连接到其上的发射光纤508的阵列的输出端(例如，LiDAR探针端点))可以跨球形对象的表面均匀分布，以获得整个球形FoV(或至少基本上整个球形FoV，因为可以省略某些非常小的角度)。这可以称为用于捕获整个FoV的球形光纤探针组件或设置。
例如，因为光束导向装置612可以用于连续地将来自光源516的光束扫描通过发射光纤508的阵列的每个输入端，所以然后可以在发射光纤508的阵列的对应输出端连续地发射光束，并且由于多个传感器部分可以跨对象的表面分布，使得这些传感器部分一起提供期望FoV，因此可以由根据各种示例实施例的光学遥感系统700感测具有期望FoV的周围场景。
在各种示例实施例中，光学遥感系统700还可以包括位于对象内并用于供发射光纤508的阵列和收集光纤524的阵列通过的光纤通道集线器(图7中未示出)。在各种示例实施例中，在进入光纤通道集线器之前，一段长度的发射光纤508的阵列可以被捆绑以形成发射光纤束，并且在进入光纤通道集线器之后，发射光纤508的阵列可以被解绑，并且发射光纤508的阵列中的发射光纤可以对应地分配到多个传感器部分以连接到多个传感器部分。类似地，在离开光纤通道集线器之前，收集光纤524的阵列可以被解绑，并且收集光纤524的阵列中的收集光纤可以对应地分配到多个传感器部分以连接到多个传感器部分。在离开光纤通道集线器之后，一段长度的收集光纤524的阵列可以被捆绑，并且收集光纤524的阵列的输出端可以被导向或定向到光电探测器528。
本领域技术人员将理解，可以选择球体的任何期望的子部分作为期望FoV，并且球体只是复杂几何体的示例。在各种示例实施例中，多个传感器部分(例如，包括光纤端点)可以嵌入(或集成)在或附接(或固定)到具有任何形状(例如，任何形状复杂程度)的任何对象的任何表面中任何对象的任何表面，例如但不限于车辆或其一个或多个组件(例如，其汽车保险杠)、飞行机器人或其一个或多个组件(例如，其螺旋桨保护器)。本领域技术人员将理解，本发明不限于应用于任何特定类型的对象，并且可以应用于需要感测其周围场景的任何对象。
图8描绘了根据本发明的各种示例实施例的基于多光束光纤探针的光学遥感系统800(例如与根据各种实施例的如上文所述(例如，图1B或图1C)的光学遥感系统100对应)的示意图。除了光学遥感系统800还用于捕获周围场景的多种类型的属性(包括基于主动感测和被动感测)以外，光学遥感系统800可以与图7所示的光学遥感系统700相似或相同。因此，光学遥感系统800可以视为具有能够捕获整个FoV的混合主动-被动探针组件或设置。类似于图7，在图8所示的光学遥感系统800中，将理解，图5所示的各种模块(例如飞行时间测量模块530、距离测量模块532、和/或脉冲发生器534)可以包括在光学遥感系统800中，但为了简明和清楚，未在图7中示出。
在各种示例实施例中，周围场景的多种类型的属性可以包括如图8所示的三种类型的属性，即距离信息(例如，场景中对象的距离，例如基于905nm或1550nm波长的主动测量)、颜色信息(例如，场景中对象的颜色，例如在可见光谱中的被动感测)、以及温度信息(例如，场景中对象或介质的温度，例如由对象辐射或发射的红外光的被动感测)。本领域技术人员将理解，本发明不限于这些数量和/或类型的属性，并且，可以基于期望或适当的光学遥感系统800感测其他数量和/或类型的属性(除了前述数量和/或类型的属性或代替前述数量和/或类型的属性)。
在各种示例实施例中，如图8所示，可以针对要探测的每种类型的属性提供收集光纤阵列和对应的光电探测器。例如，上述收集光纤524的阵列可以是第一收集光纤阵列，第一收集光纤阵列用于收集来自周围场景的后向散射光以探测距离信息，第二收集光纤536的阵列可以用于收集来自周围场景的辐射光(红外光)以探测温度信息，第三收集光纤544的阵列可以用于收集来自周围场景的反射光以探测颜色信息。在各种示例实施例中，第一收集光纤524的阵列、第二收集光纤536的阵列和第三收集光纤544的阵列可以在光学遥感系统800中以相同或类似的方式设置。例如，如上文参照图7所述，第一收集光纤524的阵列可以具有分别连接到多个传感器部分的(其第一收集光纤524的)输入端。类似地，以相同或类似的方式，第二收集光纤536的阵列可以具有分别连接到多个传感器部分的(其第二收集光纤536的)输入端，并且第三收集光纤544的阵列可以具有分别连接到多个传感器部分的(其第三收集光纤544的)输入端。因此，每个传感器部分可以连接到对应的第一收集光纤524的输入端、对应的第二收集光纤536的输入端、以及对应的第三收集光纤544的输入端。此外，用于探测后向散射光束以感测距离信息的第一光电探测器528(例如，LiDAR探测器)可以被设置(例如，耦合到其上)，以探测从第一收集光纤524的阵列收集的后向散射光束，用于探测反射红外光以感测温度信息的第二光电探测器540(例如，红外光电探测器)可以被设置(例如，耦合到其上)，以探测从第二收集光纤536的阵列收集的辐射光(红外光)，用于探测反射光以感测颜色信息的第三光电探测器548(例如，彩色光电探测器)可以被设置(例如，耦合到其上)，以探测从第三收集光纤544的阵列收集的反射光。
因此，具有根据各种示例实施例的上述配置的光学遥感系统800能够经由不同的光电探测器(例如528、540、548)同时捕获多个波长(即，多种类型的波长)，更具体地，捕获不同类型的属性(例如，距离信息、温度信息、以及颜色信息)。
在各种示例实施例中，可以提供单个收集光纤阵列用于收集上述多个波长，即用于感测距离信息的后向散射光束、用于感测温度信息的辐射光、以及用于感测颜色信息的反射光，并且然后可以例如使用二向色分束器将这些不同类型的收集的光分成朝向对应光电探测器的不同光路。在各种示例实施例中，如果需要主动感测多个属性，则可以在光源中组合多个波长。在各种示例实施例中，返回的光随后可被分割和过滤以用于对应的不同光电探测器。
本领域技术人员将理解，基于主动和/或被动遥感技术，可以基于光学遥感系统800以相同或类似的方式探测附加波长(以及因此场景的附加类型的属性)。
图9描绘了根据本发明的各种示例实施例的光学遥感系统900(例如与根据各种实施例的如上文所述(例如，图1A、图1B、以及图1C中的任何一个)的光学遥感系统100对应)的示意图。光学遥感系统900可以与图7和图8所示的光学遥感系统700、光学遥感系统800相似或相同，但仅为说明目的而非限制性地具有示例配置。类似于图7，在图9所示的光学遥感系统900中，将理解，图5所示的各种模块(例如飞行时间测量模块530、距离测量模块532、和/或脉冲发生器534)可以包括在光学遥感系统900中，但为了简明和清楚，未在图9中示出。
光学遥感系统900包括一个或多个光源(或发射器)901。光源901可以用于产生具有一个或多个期望波长的光束902(例如，激光束)。例如，可以基于期望基于主动感测而测量的属性类型的数量来确定波长的数量，并且可以基于期望基于主动感测而测量的属性类型来选择所使用的波长(例如，对于主动感测距离信息，可以选择905nm或1550nm的波长)。光束902可以包括具有不同波长(例如，关于不同类型的测量属性)和不同脉冲宽度的光脉冲。光学遥感系统900还可以包括光束转向装置903，光束转向装置903用于将发射光束902导向不同的发射光纤通道906。仅作为示例而非限制，光束转向装置904可以是一维(one-dimensional，1D)或二维(2D)MEMS反射镜。然而，本领域技术人员将理解，本发明不限于用于光束转向的MEMS反射镜，并且在不超出本发明的范围的前提下，可以替代地使用本领域已知的其他类型的光束转向装置(优选地，无电机光束转向装置)。导向后的光束904具有与光束902相同的内容，但是已经被光束转向装置904导向到期望的发射光纤通道906。光学遥感系统900还可以包括发射通道支架905，发射通道支架905用作发射光纤通道906的支架。特别地，发射通道支架905安装有发射光纤通道(发射光纤通道阵列)906的输入端。因此，发射通道支架905可以包括多个孔或入口，用于分别收容发射光纤通道906的输入端。此外，上述多个孔可以各自定向，以使得孔的中心轴朝向光束转向装置903的期望点(例如，中心点)。如上文所述，发射通道支架903可以具有平面形式或配置、或弯曲形式或配置。仅通过示例的方式，在图9中，发射通道支架903具有弯曲形式，例如厚球体的切出部分。
多个发射光纤通道(发射光纤通道阵列)906中的每个发射光纤通道可以包括一条或多条光纤线，每个光纤线包括一条或多条光纤股。在发射光纤通道906中接收的光束可以在发射光纤通道906中传播，并且可以被导向到对应的传感器部分(也可以被称为安装组)910。在各种示例实施例中，发射光纤通道906被选择或配置为具有较小的数值孔径(numerical aperture，NA)。在这种情况下，NA的确切数字可能取决于LiDAR设计的最近可读距离和最远可读距离。例如但非限制性地，发射光纤通道的NA可以是0.22或更小。
在各种示例实施例中，一段长度的发射光纤通道阵列906可以被捆绑以形成发射光纤通道束907。发射光纤通道束907的横截面图在908处示出。在各种示例实施例中，发射光纤通道束907中的不同发射光纤通道的光纤股不混合，即，属于一个发射光纤通道的光纤股在发射光纤通道内保持在一起，并且不与属于其他发射光纤通道的光纤股混合。例如，通过不混合光纤股，这有助于确保来自光源的光最终每次从一个发射光纤通道发射，这有助于逐个扫描发射光纤通道(而不是同时扫描多个通道)。例如，由于每个发射光纤通道可以专用于感测朝向空间中的一个特定方向的距离，因此逐个扫描发射光纤通道能够确定每次被扫描的方向，同时，消除或至少减轻可能由同时读取多个通道引起的干扰。
发射光纤通道束907可以延伸到光纤通道集线器909。在各种示例实施例中，光纤通道集线器909可以在传感器探针头或期望感测其周围场景的对象内或是其一部分，这样的传感器探针头或这样的对象在其表面上分布有上述传感器部分(或安装组)910。例如但非限制性地，图9示出了期望感测其周围场景的传感器探针头，在该传感器探针头的表面上分布有上述传感器部分(或安装组)910。例如但不限于，传感器探针头可以具有球形配置。本领域技术人员将理解，取决于对象的类型，期望感测其周围场景的对象可以具有任何形状和/或配置，例如简单形状(例如，盘状)或复杂形状(例如，汽车保险杠或整个飞行机器人底盘)。如图9所示，在被光纤通道集线器909的入口收容之后，从发射光纤通道束907出来的发射光纤通道然后可以被分配或导向到对应的传感器部分910，以连接到对应的传感器部分910。光纤通道集线器909可以具有适用于使光纤通道能够通过并将光纤通道分配到传感器部分910的任何形状或配置，例如但不限于如图9所示的锥形形状。
每个传感器部分910可以用于暴露于对应场景(例如，设置在对象表面上的特定位置并朝向或定向于期望的方向)，并且与对应的发射光纤通道906的输入端911(例如，发射通道末梢)和对应的收集光纤通道915的输出端912(例如，收集通道末梢)连接。在每个传感器部分910处，发射通道末梢911通常可以是照射光束904的中心通道。在各种示例实施例中，每个传感器部分910一个发射光纤通道906足以提供多个波长。在各种示例实施例中，每个传感器部分910可以有多个发射光纤通道，以分别提供多个波长。每个传感器部分910还可以分别连接到一个或多个收集光纤通道阵列中的一个或多个收集通道末梢912。例如但非限制性地，在图9中示出了传感器部分910的三种示例配置，即，具有连接到其上的一个发射通道末梢和一个收集通道末梢的传感器部分、具有连接到其上的一个发射通道末梢和两个收集通道末梢的传感器部分、以及具有连接到其上的一个发射通道末梢和四个收集通道末梢的传感器部分。本领域技术人员将理解，本发明不限于图9所示的示例配置，并且也可以实现需要或适当的其他配置，例如取决于发射通道和收集通道的数量，该数量可以相对于应用而变化。
发射通道末梢911可以是发射光纤通道906的末梢，该末梢最终将光束照射到对应场景(例如，在目标对象处)。在各种示例实施例中，发射通道末梢911可以是尖端状或尖端透镜化的以用于光准直。
收集通道末梢912可以是收集光纤通道915的末梢，该末梢捕获后向散射光或从对应场景(例如，从目标对象)反射或辐射的光。在各种示例实施例中，收集通道末梢912可以是尖端形状的或尖端透镜化的，以捕获更宽的FoV(例如，为了捕获来自目标对象的后向散射光)，或者捕获更窄的FoV(例如，为了捕获可见光以确定目标对象上的期望点的颜色)。
在各种示例实施例中，传感器部分910可以是例如在913和914处所示的多收集器传感器部分。根据本发明的各种示例实施例，可以提供多个收集光纤通道阵列。根据各种示例实施例，可以提供多个收集光纤通道阵列以捕获更多的后向散射光或反射或辐射光。根据各种示例实施例，可以提供多个收集光纤通道阵列以保持传感器读数的对称性。根据各种示例实施例，可以提供多个收集光纤通道阵列，以分别将不同类型的收集光传送到不同的光电传感器，其中，每个光电传感器用于或专用于感测特定波长或特定波长范围，例如将后向散射光和反射或辐射光分别传送到两个分离的光电传感器。例如，这有助于避免使用昂贵的光学器件来将光传送或导向到不同的光电传感器。在各种示例实施例中，每个收集光纤通道可以是不同于同一传感器部分中的其他收集光纤通道的尖端形状。例如，一个收集光纤通道可以是尖端形状的，以用于更宽的FoV，而另一收集光纤通道可以是尖端形状的，以捕获更窄的FoV。在各种示例实施例中，同一传感器部分中的不同收集光纤通道可以被配置或优化以接受或接收特定波长或特定波长范围。例如，这使得不需要为每个光电传感器使用专用滤光片。如果使用(不同或多个收集光纤通道阵列的)不同的收集光纤通道来收集不同的波长，则来自不同传感器部分的属于同一组(即，同一阵列)的收集光纤通道可以被捆绑在一起(例如，在从光纤通道集线器909的出口输出之前)，以形成相应的收集光纤通道束916。
在各种示例实施例中，每个收集光纤通道916可以包括一条或多条光纤线，每个光纤线包括一条或多条光纤股。每个收集光纤通道916可以收集来自对应场景(例如，其中的目标对象)的后向散射光、反射光、或辐射光，并将后向散射光、反射光、或辐射光导向到光电探测器919。在各种示例实施例中，每个收集光纤通道束916(包括收集光纤通道阵列)可以包括来自所有传感器部分910的属于同一组(即，同一阵列)的所有收集光纤通道915。在各种示例实施例中，在每个收集光纤通道束916中，收集光纤通道的光纤股可以不按特定顺序聚集在一起(可以被收集或保持在一起)，并形成无序的收集光纤通道(或光纤股)束。换言之，在每个收集光纤通道束916中，收集光纤通道的光纤股可以混合，即，属于一个收集光纤通道的光纤股可以不在该收集光纤通道内保持在一起(不单独分组)，并且因此可以与属于其他收集光纤通道的光纤股混合。在各种示例实施例中，收集光纤通道束916中的这样的光纤股可以不以特定顺序(即，无序)的方式混合。
在各种示例实施例中，收集光纤通道束916中的收集光纤通道的输出端可以统称为收集光纤通道束916的输出端或收集束末梢917。换言之，收集束末梢917由属于同一组(即，同一阵列)的收集光纤通道的输出端形成。此外，如上所述，在各种示例实施例中，如图9所示，收集光纤通道束916中的光纤股可以在其输出端(收集束末梢)917处混合。虽然在各种示例实施例中，光纤股的随机排序、或统一排序、或一些其他特定排序模式可以增强读取，但收集光纤通道束916中的光纤股不必遵循收集束末梢917处的任何特定排序、模式、或配置。
在各种示例实施例中，如果收集束末梢917的尺寸大于光电传感器919的表面，则光纤拉锥918可以用于解决或校正尺寸失配。
在各种示例实施例中，关于光电传感器919，光电传感器的单个单元可用于感测直接或间接地来自收集束末梢917(例如在光纤拉锥918用于校正如上所述的尺寸失配的情况下，来自光纤拉锥918)的收集光。在各种示例实施例中，光电传感器917可以用于或专用于在特定波长或特定波长范围感测。根据各种示例实施例，虽然可以使用传感器单元的阵列(1D或2D)，但为了结果更好并且成本更低，可以使用单个单元。如上文所述，根据各种示例实施例，当配置或需要感测多个属性时，可以使用分别用于不同波长的多个光电传感器。
本领域技术人员将理解，根据本发明的各种实施例或示例实施例，在如上文所述收集和探测光束(例如，后向散射光束、反射光束、和/或辐射光束)之后，用于处理收集和探测的光束中的一个或多个光束以确定关于与传感器部分相关联的对应场景的一个或多个对应属性的各种技术在本领域中是已知的，因此为了清楚和简明，无需在本文描述。
在各种示例实施例中，提供了一种光探测和测距系统(或光学遥感系统)，包括：光导向装置，用于接收来自光源的光；拍摄光纤束，包括传输光纤阵列，每个传输光纤具有用于接收来自光导向装置的光的近端和向对象发射光的远端(可以是透镜化尖端)；以及收集中光纤束，包括接收光纤阵列，每个接收光纤具有接收来自对象的后向散射光的近端和用于将散射光耦合到光电探测器的远端。
在各种示例实施例中，提供了一种光探测和测距的方法(例如，与光学遥感的方法对应)，包括：将来自光源的光导向到光导向装置；控制光导向装置以将光导向到拍摄光纤束的传输光纤阵列，其中，光每次被导向到拍摄光纤内的一个光纤通道；通过拍摄光纤探针末梢向对象发射光；使用收集光纤探针末梢接收来自对象的后向散射光；远端的收集光纤末梢与其他收集光纤汇合成无序束；以及将来自收集光纤束的后向散射光耦合到探测器(可以使用适配器光纤拉锥来调节尺寸失配)。
在各种示例实施例中，拍摄光纤和收集光纤探针末梢用于将光发射到整个FoV内的任何期望部分以及从任何期望部分收集光。
在各种示例实施例中，实现整个FoV的拍摄和收集光纤探针末梢可以跨对象(例如运动平台的主体)的表面分布。
在各种示例实施例中，光源包括激光光源。
在各种示例实施例中，光导向装置包括无电机光束转向设备，例如微机电系统(MEMS)反射镜。
在各种示例实施例中，光纤拉锥适配器可以用于在收集光纤束和对应的探测器之间耦合以调节尺寸失配。
在各种示例实施例中，提供了与上述光探测和测距方法对应的光探测和测距系统(例如，与光学遥感系统对应)。
在各种示例实施例中，光探测和测距系统适用于或用于测量传感器和对象之间的距离。
在各种示例实施例中，光探测和测距系统还适用于或用于使用由光源发射的用于测量的多个波长来测量对象的多个属性(即，多种类型的属性)，例如颜色、粗糙度、以及温度。
根据各种示例实施例的光学遥感系统有利地克服了与传统光学遥感系统相关联的各种缺点，例如图4所示的许多缺点，在各种示例实施例中，克服了所有这些缺点。
例如，根据各种示例实施例的光学遥感系统可以在以下方面中的一个或多个方面优于传统光学遥感系统：
·捕获整个FoV的任何期望子部分(包括整个FoV)；
·捕获整个景深(直到传感器的测量范围)；
·可以跨所有方向进行均匀3D扫描；
·无失真等距读数；
·组合深度、颜色、温度、以及其他期望参数而无需校准；
·对振动不敏感；
·不会引起振动；
·探针的寿命不受潮湿或阳光的影响；
·高扫描率；
·由于光纤的价格可以忽略不计，并且将光源和发射器结合在一起以扫描整个FoV，因此成本效益非常高；
·非常高的分辨率，因为光纤直径是100微米的倍数，可以安装许多光纤，因此，在一次完整的扫描中可以捕获许多点；
应理解，根据本发明的各种实施例公开的光学遥感系统具有各种应用，例如但不限于智能移动、移动机器人、ariel机器人、移动设备(例如，智能手机、平板电脑、以及笔记本电脑)、航空航天、在不侵犯隐私的情况下探测对象和人的存在、无人驾驶和驾驶员辅助的自动汽车、对象的自动探测和识别、以及地点的自动识别。
近年来，智能移动的兴起为LiDAR系统创造了巨大的市场。然而，现有的LiDAR系统并不是专门为了智能移动而制造的。因此，由于现有的LiDAR系统都是基于集中点进行光束的投影和收集，因此在这一具体应用中面临着明显的缺点。在这种情况下，根据各种示例实施例，提供了跨表面的分布式LiDAR，以寻求解决现有LiDAR系统的缺点。例如，根据各种示例实施例的分布式LiDAR可以应用于需要获悉与周围对象的距离的任何移动性或移动装置，例如但不限于智能移动。
根据各种示例实施例，注意到，现有LiDAR技术受到FoV限制。因此，在各种示例实施例中，提供了一种基于光纤探针的光学遥感系统，该光学遥感系统例如能够捕获整个FoV。具有整个FoV以用于视觉感知是有利的，例如，如在新加坡专利申请10201900929R(其全部内容以引用的方式并入本文)中所公开的，一种应用是结合整体点云，并且在Mihankhah等人的“Identification of Zones and Snapshots Through SequenceAnalysis”，第14届控制、自动化、机器人和视觉国际会议(International Conference onControl,Automation,Robotics and Vision，ICARCV)，2016年，第1-6页，(其全部内容以引用的方式并入本文)中描述了这样的案例研究。图10示出了比较各种LiDAR技术并强调了FoV的限制的表格。
例如，现有的LiDAR技术被移动平台的主体遮挡。为了缓解这种情况，在现有的LiDAR技术中，如图11所示，传感器探针可以安装在车辆顶部的高处，然而所使用的传感器套件被移动平台的主体遮挡，这可能不是所期望的结果。这个问题并不是传统的“通过光纤的LiDAR”技术所特有的。通常，现有的覆盖整个方位轴的LiDAR传感器都面临着同一限制。这意味着安装在移动平台上的任何设备都可能是LiDAR传感器的遮挡源，除非这些设备隐藏在传感器的FoV之外。为了缓解这个问题，如图12所示，可能在移动平台周围安装多个传感器，这是昂贵、笨重、视觉体验不好的，并且导致校准困难。
虽然通过单个光纤探针的LiDAR可以延伸到整个FoV，但如果该LiDAR安装在这样的平台上，就像其他传感器一样，从传感器的角度来看，运动对象的主体仍然是遮挡的对象。
根据各种示例实施例，提供了一种基于如上文所述的“通过光纤的LiDAR”技术的光学遥感系统(例如，与根据各种实施例的上文所述的光学遥感系统100对应)，以将感测端点(例如，与根据各种实施例的上文所述的多个传感器部分120对应)跨移动平台(例如，无人驾驶汽车、无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)、工业机械手等)的主体分布。在各种示例实施例中，可以放置感测端点使得移动平台主体的大部分被LiDAR感测端点(探针)覆盖。这样，移动平台的整个周围可以被LiDAR感测端点覆盖。
根据各种示例实施例，传感器部分(感测端点或探针)可以跨移动平台的表面分布。假设车辆内部的预定点作为轴的原点，根据各种示例实施例，移动平台表面上的每个传感器部分的方向可以被配置为向外并且沿以预定点为中心的球体半径。例如，以上文参照图7或图8所述的相同或类似方式，例如如图13中示意性所示，传感器部分可以跨移动平台的表面分布，因此光学遥感系统不被移动平台本体遮挡。因此，根据各种示例实施例的光学遥感系统可以具有极高分辨率，并且还可以在整个表面具有均匀分辨率。
因此，根据各种示例实施例的光学遥感系统还可以应用于各种类型的对象以覆盖对象的整个FoV，例如但不限于无人机(UAV)的基座、工业机械臂、移动机械手等。
因此，根据各种示例实施例的光学遥感系统(基于分布式LiDAR)在例如以下方面中的一个或多个方面有利地解决与单个集中式LiDAR相关联的各种问题，单个集中式LiDAR可能被移动平台的主体遮挡：
·捕获整个FoV；
·不会被移动平台的主体遮挡；
·跨所有方向的均匀或调整的扫描；
·对振动不敏感；
·不会引起振动；
·由于光纤的价格可以忽略不计，因此成本效益非常高；
·在所有距离高度人眼安全；以及
·非常高的分辨率，因为光纤直径是100微米的倍数，可以安装许多光纤，因此，在一次完整的扫描中可以捕获许多点；
本领域技术人员将理解，通过光纤的分布式LiDAR是跨移动平台的表面分布LiDAR的一个实用示例，并且在不超出本发明的范围的情况下，也可以实现期望或适当的其他LiDAR技术。
提及的上述应用(例如汽车、无人驾驶汽车、UAV等)只是典型的用例。本领域技术人员将理解，光学遥感系统可以应用于例如任何需要视觉感知系统的移动主体或平台或移动设备(例如，智能电话、平板电脑、笔记本电脑等)。
如上文所述，光纤探针可以用于捕获周围场景(例如，环境)的多种类型的属性(或性质)，例如颜色、温度、纹理等。本领域技术人员将理解，根据各种示例实施例，例如参照8或图9，上述光学遥感系统(基于分布式LiDAR)还可以用于以与上文所述相同或类似的方式感测多种类型的属性。
因此，根据各种示例实施例的光学遥感系统具有以下优点：
·通过光纤的LiDAR实现光的灵活导向；
·实时捕获整个FoV的非机械LiDAR(例如，无电机)；
·多个视觉属性的无校准读数；
·感测探针的分离，感测探针可以跨主体或平台的表面分布；以及
·处理单元可以安全地安装在主体或平台内。
因此，有利地，光学遥感系统能够处理特别是关于移动平台的恶劣环境(例如高振动)。
根据各种示例实施例，实时感测是在感测速率接近于人眼将离散的观察序列感知为连续的可接受范围的情况下进行的。视觉连续序列的清晰度取决于变化的速度(帧率)。例如，一个典型的速率可能是24赫兹。对于人眼来说，任何快于10赫兹的速率仍然可以被认为是连续的。因此，在各种示例实施例中，实时感测是指高于10赫兹的感测或更新速率。
因此，各种示例实施例提供了一种光学遥感系统，该光学遥感系统能够通过主动感测技术和被动感测技术，跨整个FoV或跨整个FoV的任何期望部分实时地捕获周围场景(例如对象或其中的介质)中关于观察点(例如，对象)的多个光学属性。例如，光学遥感系统可以用于通过逐点扫描技术生成多维(3D位置、颜色、温度等)密集点云数据而无需结合机动化机制，并且对于需要被测量的每个波长(与每种类型的属性对应)仅使用一个发射器和一个光电传感器单元。
虽然已经参照特定实施例具体示出和描述了本发明的实施例，但本领域技术人员应理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求书指示，因此，在权利要求的等同意义和范围内的所有变化都将被包括在内。

Claims (32)

1.一种光学遥感系统，包括：
发射通道支架，安装有发射光纤通道阵列的输入端；
光束转向设备，用于将来自光源的光束扫描通过安装到所述发射通道支架的所述发射光纤通道阵列的所述输入端；
多个传感器部分，每个传感器部分用于暴露于对应场景并且连接到：
所述发射光纤通道阵列中对应的发射光纤通道的输出端，所述输出端用于向所述对应场景发射通过所述对应的发射光纤通道传播的所述光束；以及
第一收集光纤通道阵列中对应的第一收集光纤通道的输入端，所述输入端用于基于从所述对应的发射光纤通道的所述输出端发射的所述光束接收关于所述对应场景的后向散射光束；
第一光电探测器，被设置为探测通过所述第一收集光纤通道阵列传播的所述后向散射光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的属性；以及
光纤通道集线器，用于供所述发射光纤通道阵列和所述第一收集光纤通道阵列通过，
其中，位于所述光纤通道集线器和所述第一光电探测器之间的一段长度的所述第一收集光纤通道阵列被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
2.根据权利要求1所述的光学遥感系统，其中，位于所述发射光纤通道支架和所述光纤通道集线器之间的一段长度的所述发射光纤通道阵列被捆绑以形成发射光纤通道束。
3.根据权利要求1或2所述的光学遥感系统，其中，所述多个传感器部分跨对象的表面分布，使得与所述多个传感器部分相关联的对应视场一起提供与所述光学遥感系统相关联的关于所述对象的期望视场。
4.根据权利要求3所述的光学遥感系统，其中，所述期望视场是围绕所述对象的轴的至少基本上整个周围场景的视场。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学遥感系统，其中，所述光束转向设备用于连续地将来自所述光源的所述光束扫描通过所述发射光纤通道的每个所述输入端。
6.根据权利要求5所述的光学遥感系统，还包括所述光源，所述光源用于发射所述光束，所述光束具有适用于感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述属性的波长。
7.根据权利要求6所述的光学遥感系统，其中，所述属性包括距离信息、物理属性信息、或状态信息。
8.根据权利要求5所述的光学遥感系统，还包括所述光源，所述光源用于发射所述光束，所述光束具有适用于感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的多个属性的多个波长，所述光束的每个波长适用于感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述多个属性中的对应属性。
9.根据权利要求8所述的光学遥感系统，其中，所述多个属性从距离信息、物理属性信息、以及状态信息中选择。
10.根据权利要求8或9所述的光学遥感系统，其中：
所述第一收集光纤通道阵列用于接收所述后向散射光束，所述后向散射光束具有与发射的所述光束的所述多个波长中的一个波长对应的波长，
所述光学遥感系统还包括第二收集光纤通道阵列，所述第二收集光纤通道阵列用于发射的所述光束的所述多个波长中剩余的一个或多个波长中的每个波长，每个第二收集光纤通道阵列用于接收后向散射光束，所述后向散射光束具有与发射的所述光束的所述多个波长中的对应剩余的所述波长对应的波长，以及
所述多个传感器部分中的每个传感器部分还连接到所述每个第二收集光纤通道阵列中对应的第二收集光纤通道的输入端。
11.根据权利要求10所述的光学遥感系统，还包括用于所述每个第二收集光纤通道阵列的第二光电探测器，每个第二光电探测器被设置为探测通过对应的所述第二收集光纤通道阵列传播的所述后向散射光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述多个属性中的所述对应属性。
12.根据权利要求11所述的光学遥感系统，其中，每个第二收集光纤通道阵列用于穿过所述光纤通道集线器，并且对于所述每个第二收集光纤通道阵列，位于所述光纤通道集线器和对应的所述第二光电探测器之间的一段长度的所述第二收集光纤通道阵列被捆绑以形成第二收集光纤通道束。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的光学遥感系统，还包括一个或多个第三收集光纤通道阵列，每个第三收集光纤通道阵列用于接收反射或辐射的光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的对应附加属性，其中，所述多个传感器部分中的每个传感器部分还连接到所述每个第三收集光纤通道阵列中对应的第三收集光纤通道的输入端。
14.根据权利要求13所述的光学遥感系统，其中，所述附加属性包括颜色信息或温度信息。
15.根据权利要求13或14所述的光学遥感系统，还包括用于所述每个第三收集光纤通道阵列的第三光电探测器，每个第三光电探测器被设置为探测通过对应的所述第三收集光纤通道阵列传播的所述反射或辐射的光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述对应附加属性。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的光学遥感系统，其中，每个第三收集光纤通道阵列用于穿过所述光纤通道集线器，并且对于所述每个第三收集光纤通道阵列，位于所述光纤通道集线器和对应的所述第三光电探测器之间的一段长度的所述第三收集光纤通道阵列被捆绑以形成第三收集光纤通道束。
17.根据权利要求2至16中任一项所述的光学遥感系统，其中：
所述光纤通道集线器包括用于收容所述发射光纤通道束的发射光纤通道入口和用于输出所述第一收集光纤通道束的第一收集光纤通道出口，
在被所述发射光纤通道入口收容后，所述发射光纤通道阵列被解绑，并且所述发射光纤通道阵列中的发射光纤通道被对应地分配到所述多个传感器部分以连接到所述多个传感器部分，以及
在从所述第一收集光纤通道出口输出之前，所述第一收集光纤通道阵列是解绑的，并且所述第一收集光纤通道阵列中的第一收集光纤通道被对应地分配到所述多个传感器部分以连接到所述多个传感器部分。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光学遥感系统，其中，所述发射通道支架包括至少部分为球形的外壳，并且所述发射光纤通道阵列的所述输入端通过所述外壳安装，以从所述外壳的内侧暴露。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的光学遥感系统，其中，所述发射光纤通道阵列中的每个发射光纤通道包括光纤线，并且所述第一收集光纤通道阵列中的每个第一收集光纤通道包括光纤线。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的光学遥感系统，其中，来自所述光源的所述光束是激光束。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的光学遥感系统，其中，所述光束转向设备是无电机光束转向设备。
22.根据权利要求7所述的光学遥感系统，其中，所述属性包括所述距离信息，并且所述光学遥感系统还包括感测信息处理模块，所述感测信息处理模块用于基于由所述第一光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述距离信息来生成点云数据。
23.根据权利要求14所述的光学遥感系统，其中，所述属性包括所述距离信息，并且所述光学遥感系统还包括感测信息处理模块，所述感测信息处理模块用于基于由所述第一光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述距离信息来生成点云数据，并将所述点云数据中的每个数据点与所述对应附加属性相关联，所述对应附加属性与由用于所述每个第三收集光纤通道阵列的所述第三光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述数据点对应。
24.一种光学遥感方法，使用根据权利要求1至23中任一项所述的光学遥感系统，所述方法包括：
所述光束转向设备将来自所述光源的光束扫描通过安装到所述发射通道支架的所述发射光纤通道阵列的所述输入端；
从所述发射光纤通道阵列的所述输出端分别向所述对应场景发射通过所述发射光纤通道阵列传播的所述光束；
基于分别从所述发射光纤通道阵列的所述输出端发射的所述光束，经由所述第一收集光纤的所述输入端接收关于所述对应场景的后向散射光束；以及
所述第一光电探测器探测通过所述第一收集光纤通道阵列传播的所述后向散射光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的属性。
25.根据权利要求24所述的光学遥感方法，其中，所述扫描所述光束包括连续地将来自所述光源的所述光束扫描通过所述发射光纤通道阵列的每个所述输入端。
26.根据权利要求24或25所述的光学遥感方法，其中，从所述光源发射的所述光束具有适用于感测关于所述对应场景的所述属性的波长，所述属性包括距离信息、物理属性信息、或状态信息。
27.根据权利要求26所述的光学遥感方法，其中，所述属性包括所述距离信息，并且所述方法还包括基于由所述第一光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述距离信息来生成点云数据。
28.一种光学遥感方法，使用根据权利要求15或16所述的光学遥感系统，所述方法包括：
所述光束转向设备将来自所述光源的光束扫描通过安装到所述发射通道支架的所述发射光纤通道阵列的所述输入端；
从所述发射光纤通道阵列的所述输出端分别向所述对应场景发射通过所述发射光纤通道阵列传播的所述光束；
基于分别从所述发射光纤通道阵列的所述输出端发射的光束，经由所述第一收集光纤通道阵列的所述输入端接收关于所述对应场景的后向散射光束；
所述第一光电探测器探测通过所述第一收集光纤通道阵列传播的所述后向散射光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的属性；
经由所述每个第三收集光纤通道阵列的所述输入端接收关于所述对应场景的反射或辐射的光束；以及
所述第三光电探测器探测通过对应的所述第三收集光纤通道阵列传播的所述反射或辐射的光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的对应附加属性。
29.根据权利要求28所述的光学遥感方法，其中，所述扫描所述光束包括连续地将来自所述光源的所述光束扫描通过所述发射光纤通道阵列的每个所述输入端。
30.根据权利要求28或29所述的光学遥感方法，其中：
从所述光源发射的所述光束具有适用于感测关于所述对应场景的所述属性的波长，所述属性包括距离信息、物理属性信息、或状态信息，以及
所述附加属性包括颜色信息或温度信息。
31.根据权利要求30所述的光学遥感方法，其中，所述属性包括所述距离信息，并且所述方法还包括基于由所述第一光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述距离信息来生成点云数据，并将所述点云数据中的每个数据点与所述对应附加属性相关联，所述对应附加属性与由用于所述每个第三收集光纤通道阵列的所述第三光电探测器探测到的关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的所述数据点对应。
32.一种形成光学遥感系统的方法，所述方法包括：
提供发射通道支架，所述发射通道支架安装有发射光纤通道阵列的输入端；
提供光束转向设备，所述光束转向设备用于将来自光源的光束扫描通过安装到所述发射通道支架的所述发射光纤通道阵列的所述输入端；
提供多个传感器部分，每个传感器部分用于暴露于对应场景并且连接到：
所述发射光纤通道阵列中对应的发射光纤通道的输出端，所述输出端用于向所述对应场景发射通过所述对应的发射光纤通道传播的所述光束；以及
第一收集光纤通道阵列中对应的第一收集光纤通道的输入端，所述输入端用于基于从所述对应的发射光纤通道的所述输出端发射的所述光束接收关于所述对应场景的后向散射光束；
提供第一光电探测器，所述第一光电探测器被设置为探测通过所述第一收集光纤通道阵列传播的所述后向散射光束，以感测关于与所述多个传感器部分相关联的所述对应场景的属性；以及
提供光纤通道集线器，所述光纤通道集线器用于供所述发射光纤通道阵列和所述第一收集光纤通道阵列通过，
其中，位于所述光纤通道集线器和所述第一光电探测器之间的一段长度的所述第一收集光纤通道阵列被捆绑以形成第一收集光纤通道束。
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