CN114114302A - 使用经时间延迟的本机振荡器光的lidar设备及其操作方法 - Google Patents

使用经时间延迟的本机振荡器光的lidar设备及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种光检测和测距(LiDAR)设备包括：发射器，被配置为向对象发射连续波光，并提供与所发射的连续波光相对应的本机振荡器(LO)光；延迟电路，被配置为对LO光进行时间延迟；接收器，被配置为接收从对象反射的连续波光；以及检测电路，被配置为基于经时间延迟的LO光和所接收的连续波光来确定从LiDAR设备到对象的距离。

Description

使用经时间延迟的本机振荡器光的LIDAR设备及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2020年8月27日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0108528的优先权，并在此通过引用完整地并入其公开内容。
技术领域
与示例实施例一致的装置和方法涉及使用经时间延迟的本机振荡器光的光检测和测距(LiDAR)设备及其操作方法。
背景技术
检测间距的代表性方法包括飞行时间(ToF)方法和频率调制的连续波(FMCW)方法。在ToF方法中，通过在时域中分析所发射的脉冲和所接收的脉冲来检测间距。在FMCW方法中，通过在频域中分析所发射的连续波和所接收的连续波来检测间距。
在ToF方法中，由于脉冲覆盖宽频带，因此需要使用宽带接收器，这使得难以抑制噪声。在FMCW方法中，由于准确度取决于连续波的频率啁啾的线性度，因此，鉴于在产生FMCW方法中使用的数百兆太赫兹(THz)的非常高的频率，很难以低成本实现LiDAR设备。
发明内容
示例实施例提供了使用经时间延迟的LO光的LiDAR设备及其操作方法。由本实施例解决的技术问题不限于上述技术问题，并且可以根据以下示例来推导出其他技术问题。
附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过实践本公开所呈现的实施例而获知。
根据示例实施例的一个方面，提供一种光检测和测距(LiDAR)设备，包括：发射器，被配置为向对象发射连续波光，并提供与所发射的连续波光相对应的本机振荡器(LO)光；延迟电路，被配置为对LO光进行时间延迟；接收器，被配置为接收从对象反射的连续波光；以及检测电路，被配置为基于经时间延迟的LO光和所接收的连续波光来确定从LiDAR设备到对象的距离。
延迟电路还可以被配置为改变LO光被延迟的时间延迟量。
延迟电路还可以被配置为将LO光被延迟的时间延迟量从最小延迟值逐步增加到最大延迟值。
连续波光可以是非线性频率调制的连续波光，并且发射器可以包括：光源；以及频率调制器，被配置为控制光源以产生包括非线性频率调制的连续波光在内的频率啁啾信号。
发射器还可以包括：光源，被配置为产生光；以及分离器，被配置为将由光源产生的光分成连续波光和LO光，并将LO光提供给延迟电路。
检测电路可以包括混频器，混频器被配置为通过将经时间延迟的LO光与所接收的连续波光进行干涉来输出经干涉的光。
检测电路还可以包括信号转换器，信号转换器被配置为通过对经干涉的光进行光电转换来输出电信号。
检测电路还可以包括处理器，处理器被配置为基于电信号来确定从LiDAR设备到对象的距离。
处理器可以被配置为：通过经由高通滤波器(HPF)对电信号进行滤波来产生经滤波的信号，获得经时间延迟的LO光的与经滤波的信号减小到预定值或最小值的时间段相对应的时间延迟值，以及基于所获得的时间延迟值来确定从LiDAR设备到对象的距离。
检测电路还可以被配置为基于经时间延迟的LO光的时间延迟值和所接收的连续波光来确定对象的速度。
根据示例实施例的一个方面，提供了一种光检测和测距(LiDAR)设备的操作方法，该操作方法包括：向对象发射连续波光并提供与所发射的连续波光相对应的本机振荡器(LO)光；对LO光进行时间延迟；接收从对象反射的连续波光；以及基于经时间延迟的LO光和所接收的连续波光来确定从LiDAR设备到对象的距离。
对LO光进行时间延迟可以包括：通过改变LO光被延迟的时间延迟量来对LO光进行时间延迟。
对LO光进行时间延迟可以包括：通过将LO光被延迟的时间延迟量从最小延迟值逐步增加到最大延迟值来对LO光进行时间延迟。
对LO光进行时间延迟可以包括：利用以单位延迟值从最小延迟值增加到最大延迟值的时间延迟值对LO光执行多个延迟操作；以及其中，多个延迟操作中的延迟操作的最小延迟值、最大延迟值和单位延迟值中的至少一个与多个延迟操作中的另一延迟操作的最小延迟值、最大延迟值和单位延迟值中的至少一个不同。
对LO光进行时间延迟可以包括：利用以单位延迟值从第一最小延迟值增加到第一最大延迟值的第一时间延迟值对LO光执行时间延迟；以及利用以单位延迟值从第二最小延迟值增加到第二最大延迟值的第二时间延迟值对LO光进行时间延迟。单位延迟值可以与第一最小延迟值和第二最小延迟值之差成比例。
对LO光进行时间延迟可以包括：利用以第一单位延迟值从第一最小延迟值增加到第一最大延迟值的第一时间延迟值对LO光执行时间延迟；以及利用以第二单位延迟值从第二最小延迟值增加到第二最大延迟值的第二时间延迟值对LO光执行时间延迟。第二最大延迟值与第二最小延迟值之间的第二差可以小于第一最大延迟值与第一最小延迟值之间的第一差，或者第二单位延迟值小于第一单位延迟值。
确定从LiDAR设备到对象的距离可以包括：通过将经时间延迟的LO光与所接收的连续波光进行干涉来获得经干涉的光；通过对经干涉的光进行光电转换来获得电信号；以及基于电信号来确定从LiDAR设备到对象的距离。
基于电信号来确定从LiDAR设备到对象的距离可以包括：通过对电信号进行滤波来获得经滤波的信号；以及基于经滤波的信号来确定从LiDAR设备到对象的距离。
基于经滤波的信号来确定从LiDAR设备到对象的距离可以包括：获得经时间延迟的LO光的与经滤波的信号减小到预定值或最小值的时间段相对应的时间延迟值；以及根据所获得的时间延迟值来确定从LiDAR设备到对象的距离。
根据示例实施例的一个方面，提供一种光检测和测距(LiDAR)设备，包括：光源；频率调制器，被配置为控制光源以产生非线性连续波光；分束器，被配置为将非线性连续波光分成发射光和本机振荡器(LO)光；光学延迟电路，被配置为通过逐步增加LO光的延迟时间来对LO光进行时间延迟；一个或多个天线，被配置为向对象发射发射光并当发射光从对象反射时从对象接收反射光；以及检测电路，被配置为基于经时间延迟的LO光和反射光来确定从LiDAR设备到对象的距离。
光学延迟电路还可以被配置为：通过将延迟时间分别逐步增加第一单位时间、第二单位时间和第三单位时间，对LO光执行第一延迟操作、第二延迟操作和第三延迟操作，以及通过将经时间延迟的LO光与反射光进行干涉来输出经干涉的光。LiDAR设备还可以包括处理器，处理器被配置为：检测经干涉的光在第一延迟操作中具有第一局部最小值的第一延迟时间、经干涉的光在第二延迟操作中具有第二局部最小值的第二延迟时间、以及经干涉的光在第三延迟操作中具有第三局部最小值的第三延迟时间；根据第一局部最小值、第二局部最小值和第三局部最小值确定全局最小值，以及基于获得了全局最小值的第一延迟时间、第二延迟时间或第三延迟时间，确定从LiDAR设备到对象的距离。
第二单位时间和第三单位时间可以彼此相等。光学延迟电路还可以被配置为：执行第一延迟操作以从第一最小延迟值到第一最大延迟值；执行第二延迟操作以从第二最小延迟值到第二最大延迟值；以及执行第三延迟操作以从第三最小延迟值到第三最大延迟值。第一最小延迟值、第二最小延迟值、第三最小延迟值可以彼此不同，并且第一最大延迟值、第二最大延迟值和第三最大延迟值可以彼此不同。
第一单位时间、第二单位时间和第三单位时间可以彼此不同，并且光学延迟电路还可以被配置为：执行第一延迟操作以从第一最小延迟值到第一最大延迟值；执行第二延迟操作以从第二最小延迟值到第二最大延迟值；以及执行第三延迟操作以从第三最小延迟值到第三最大延迟值，其中，从第二最小延迟值到第二最大延迟值的第二范围在从第一最小延迟值到第一最大延迟值的第一范围内，并且从第三最小延迟值到第三最大延迟值的第三范围在第二范围内。
附图说明
通过参考附图来描述某些示例实施例，上述和/或其他方案将变得更清楚，在附图中：
图1是示出根据示例实施例的LiDAD设备的框图；
图2是示出根据示例实施例的LiDAR设备的框图；
图3是示出根据示例实施例的任意频率啁啾的示图；
图4是示出根据示例实施例的本机振荡器(LO)光和经时间延迟的LO光的示图；
图5是示出根据示例实施例的用于检测距离的LiDAR设备的操作原理的示图；
图6是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作原理的示图；
图7是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图；
图8是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离和时间延迟值的方法的示图；
图9是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图；
图10是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图；
图11是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作方法的流程图；
图12是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作方法的流程图；
图13是示出根据示例实施例的LiDAR设备的框图；
图14是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的检测速度和距离的方法的示图；以及
图15是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的检测速度和距离的方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图更详细地描述示例实施例。
在以下描述中，即使在不同附图中，类似的附图标记也用于类似的元件。提供描述中定义的内容(例如详细构造和元件)以帮助全面理解示例实施例。然而，应当清楚，即便在缺少这些具体定义的内容的情况下，也能够实践示例实施例。此外，由于公知的功能或构造会以不必要的细节使描述模糊，因此没有对其进行详细地描述。
如本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。
本公开中所使用的术语是考虑到关于本公开的功能基于当前在本领域中广泛使用的通用术语来选择的，但是术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域的新技术而变化。而且，申请人可以任意选择一些术语，并且在这种情况下，将在本公开的具体实施方式中描述所选择的术语的含义。因此，本文中使用的术语不应仅基于术语的名称来解释，而应基于术语的含义以及整个本公开中的描述来解释。
实施例中使用的诸如“包括”或“包含”的术语不应被解读为必然包括说明书中所描述的各种组件或各种操作的全部，而是应被解读为可以不包括所述组件中的一些或所述操作中的一些或还可以包括附加组件或操作。
诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该被理解为仅包括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、包括全部a、b和c或包括上述示例的任何变型。
图1是示出根据示例实施例的LiDAR设备100的框图。
参考图1，在示例实施例中，LiDAR设备100包括发射器110、接收器120、延迟电路130和检测电路140。发射器110和接收器120可以集成到收发器中并由收发器实现。
LiDAR设备100可以用于需要间距检测的各种领域中。例如，LiDAR设备100可以用于航空航天、地质、三维(3D)地图、车辆、机器人、无人机等。例如，LiDAR设备100可以安装在车辆、飞机、便携式设备或观察设备上。
在示例实施例中，发射器110被配置为发射连续波光11并提供与发射的光11相对应的本机振荡器(LO)光12。接收器120被配置为接收当发射的光11从对象1反射时获得的反射光14。延迟电路130被配置为对LO光12进行时间延迟。检测电路140被配置为基于经时间延迟的LO光13和接收到的光15来确定到对象1的距离。
图2是示出根据示例实施例的LiDAR设备200的框图。
在示例实施例中，LiDAR设备200包括频率调制器211、光源212、分离器(或分束器)213、发射天线214、接收天线220、延迟电路230、混频器241、信号转换器242和处理器243。
频率调制器211、光源212、分离器213和发射天线214可以包括在图1的发射器110中。接收天线220可以包括在图1的接收器120中。延迟电路230可以对应于图1的延迟电路130。混频器241、信号转换器242和处理器243可以包括在图1的检测电路140中。图1和图2仅分别示出了LiDAR设备100和200的实施例，并且对于本领域技术人员显而易见的是，可以在另一实施例中实现与图1和图2的LiDAR设备不同的LiDAR设备。
光源212被配置为连续振荡以产生例如具有诸如正弦波的波形的连续波光。连续波光可以具有几百太赫兹(THz)的频带或纳赫兹(nm)的波长。例如，连续波光的波长可以在约800nm至约2,000nm的范围内。然而，本公开不限于此，光源212可以被配置为产生各种频带的光，并且可以被配置为同时产生各种不同频带的光。
频率调制器211可以被配置为控制光源212的驱动。例如，频率调制器211可以通过将控制信号施加到光源212来控制光源212的驱动。光源212可以由频率调制器211控制，以产生频率调制的连续波光。
频率调制器211可以控制光源212，使得从光源212产生的光是任意频率啁啾信号。任意频率啁啾信号可以包括非线性频率调制的连续波光。
图3是示出根据示例实施例的任意频率啁啾的示图。
参考图3，频率啁啾是指光的频率随时间连续变化的现象。频率啁啾信号是指频率根据信号而连续变化的光信号。啁啾信号的频率可以随时间增大或减小，并且也可以称为扫频信号。
线性频率啁啾是指光的频率随时间线性变化的现象，如图3的曲线(a)所示。非线性频率啁啾是指光的频率随时间非线性变化的现象，如图3的曲线图(b)所示。
任意频率啁啾是指光的频率随时间连续变化的现象，并且包括线性频率啁啾和非线性频率啁啾。换句话说，任意频率啁啾信号是指频率随时间连续变化的光信号。
在某些情况下，任意频率啁啾信号可以被解释为光的频率随时间连续增大的光信号，但不限于此。
返回参考图2，因为光的频率为几百THz，所以难以通过使用用于射频(RF)信号的压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)将光实现为线性频率啁啾信号。因此，VCO和PLL可能不适用于光信号和基于光信号的LiDAR设备。此外，光学锁相环(OPLL)具有较低的技术成熟度。
在示例实施例中，频率调制器211被配置为控制光源212，使得由光源212产生的光是任意频率啁啾信号。也就是说，频率调制器211和光源212不限于有限的条件，例如从光源212产生的光是线性频率啁啾信号的条件。因此，在示例实施例中，频率调制器211和光源212不需要被配置为产生线性频率啁啾信号。
由分离器213分离的光的一部分被提供给发射天线214，而其他部分(即LO光22)被提供给延迟电路230。由发射天线214发射的光21从对象2反射并由接收天线220接收。
延迟电路230被配置为对LO光22进行时间延迟。经时间延迟的LO光23被延迟电路230提供给混频器241。
图4是示出根据示例实施例的LO光41和经时间延迟的LO光42的图。
经时间延迟的LO光42是经时移的与LO光41相同的频率啁啾信号。也就是说，经时间延迟的LO光42与LO光41具有时间延迟值Δt的时间差，但是具有相同的频率或具有基本上相同的频率。
返回参考图2，在示例实施例中，延迟电路230被配置为改变用于对LO光22进行时间延迟的时间延迟值。延迟电路230的时间延迟值的范围可以是纳秒(ns)至毫秒(ms)，但是不限于此。
延迟电路230可以是这样的电路，该电路被配置为基于包括在延迟电路230中的光纤、可调谐光延迟线或硅光子来延迟光，但是不限于此。延迟电路230也可以称为可调谐光延迟电路。
延迟电路230可以是被配置为对时间延迟值进行编程的电路，但是不限于此。例如，延迟电路230可以被配置为使得时间延迟值由外部设备进行编程。
备选地，延迟电路230可以被配置为基于接收到的输入信号来改变时间延迟值，但是不限于此。例如，可以从处理器243或外部设备提供输入信号。
信号转换器242可以被配置为将光信号转换为电信号。例如，信号转换器242可以包括以下至少一种：光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)和单光电雪崩二极管(SPAD)，但不限于此。
在示例实施例中，混频器241被配置为将经时间延迟的LO光23与接收到的光25进行干涉。经混频器241干涉的光26可以由信号转换器242转换成电信号27。信号转换器242可以产生电信号27作为模拟信号，或者可以通过使用模数转换器(ADC)的数字采样来产生电信号27。
在示例实施例中，处理器243被配置为基于电信号27来确定到对象2的距离。处理器243可以被配置为通过处理模拟信号或电信号27来确定到对象2的距离，该电信号27是在时域中采样的数字信号。处理器243可以被配置为利用高通滤波器(HPF)对电信号27进行滤波并且基于经滤波的信号来确定到对象2的距离。处理器243可以被配置为通过从与经滤波的信号减小的时间段相对应的时间延迟值获得ToF，来确定到对象2的距离。
处理器243可以实现为多个逻辑门的阵列，或者可以实现为通用微处理器和存储可在微处理器中执行的程序的存储器的组合。此外，处理器243可以包括对信号进行滤波的滤波器和对经滤波的信号进行处理的信号处理器。
图5是示出根据示例实施例的LiDAR设备检测距离的原理的示图。
图5示出了被时间延迟了不同时间延迟值Δt的LO光和接收到的光Rx的曲线图。
曲线图(a)示出了时间延迟值Δt为0的经时间延迟的LO光和接收到的光Rx。曲线图(b)示出了时间延迟值Δt为0.5倍ToF的经时间延迟的LO光和接收到的光Rx。曲线图(c)示出了时间延迟值Δt与ToF相同或基本相同的经时间延迟的LO光和接收到的光Rx。曲线(d)示出了时间延迟值Δt为1.5倍ToF的经时间延迟的LO光和接收到的光Rx。
如参考图4所述，即使LO光通过延迟电路，也不存在频率变化。另外，当对象不移动时，反射光不发生频率变化。因此，如曲线(c)所示，当时间延迟值Δt与ToF相同或基本相同时，从经干涉的光获得的拍频Δf分量可能消失。在此，拍频Δf可以表示经时间延迟的LO光的频率与接收到的光Rx的频率之差。
如曲线图(a)、(b)和(d)所示，当时间延迟值Δt不同于ToF时，可能存在从经干涉的光获得的拍频Δf分量。
在拍频Δf的分量消失的期间，信号的高频分量减小。因此，可以从与信号的高频分量减小的时间段相对应的时间延迟值Δt来确定ToF，即到对象的距离。
图6是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作原理的示图。
在ToF之后，由LiDAR设备接收被分离器213分离并从LiDAR设备向对象发出的光21。ToF可以表示从LiDAR设备发射的光从LiDAR设备行进到对象然后从对象返回到LiDAR设备所花费的时间。延迟电路230通过对LO光22进行时间延迟来产生经时间延迟的LO光23。混频器241将经时间延迟的LO光23与接收到的光25进行干涉。
当延迟电路230将LO光延迟ToF时，由于经干涉的光的拍频分量消失，因此电信号的高频分量减小。因此，通过适当地改变延迟电路230的时间延迟值，可以检测电信号的高频分量减小的时间段，并且可以确定到对象的距离。
图7是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图。
参考图2和图7，延迟电路230改变时间延迟值并产生经时间延迟的LO光23。混频器241将经时间延迟的LO光23与接收到的光25进行干涉，以将经干涉的光26提供给信号转换器242。信号转换器242将从经干涉的光26产生的电信号27提供给处理器243。
处理器243可以使用高通滤波器(HPF)对电信号27进行滤波以产生经滤波的信号。当时间延迟值为ToF时，由于经干涉的光26的拍频Δf分量消失，因此电信号27的高频分量减小并且经滤波的信号减小。因此，当检测到经滤波的信号减小的时间段(例如，经滤波的信号减小到预定值、局部最小值或全局最小值的时间段)时，可以获得与检测到的时间段相对应的时间延迟值，并且可以根据获得的时间延迟值来确定ToF和到对象的距离。因此，处理器243可以在时域中分析经滤波的信号以确定从LiDAR设备到对象的距离。
处理器243可以检测经滤波的信号减小的时间段。例如，处理器243可以将经滤波的信号的幅度与预定值进行比较以检测经滤波的信号减小的时间段。备选地，处理器243可以确定经滤波的信号的幅度是否小于预定值，以检测经滤波的信号减小的时间段。备选地，处理器243可以确定经滤波的信号的幅度的平均值是否小于预定值，以检测经滤波的信号减小的时间段。备选地，处理器243可以从经滤波的信号的幅度为最小值的时间段来确定经滤波的信号减小的时间段。备选地，处理器243可以从经滤波的信号的幅度的平均值为最小值的时间段来确定经滤波的信号减小的时间段。
图7示出了其中确定到车辆、人和自行车的距离的示例实施例。
当确定到车辆的距离时，D是经滤波的信号减小的时间段。处理器243可以根据与时间段D相对应的时间延迟值A来确定到车辆的距离。
类似地，当检测到人的距离时，E是经滤波的信号减小的时间段。处理器243可以根据与时间段E相对应的时间延迟值C来确定到人的距离。
类似地，当检测到自行车的距离时，F是经滤波的信号减小的时间段。处理器243可以根据与时间段F相对应的时间延迟值B来确定到自行车的距离。
因为处理器243通过在时域中分析经滤波的信号来确定到对象的距离，所以根据示例实施例的LiDAR设备200可以不需要用于在频域中分析信号的组件(例如，快速傅里叶变换(FFT)电路等)。
图8是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离和时间延迟值的方法的示图。
可以基于LiDAR设备的性能来确定LiDAR设备的时间延迟值。
考虑LiDAR设备的最大可测量距离MaxR。与最大可测量距离MaxR相对应的ToF为2*MaxR/c，时间延迟值为2*MaxR/c。考虑LiDAR设备的距离分辨率ΔR。与距离分辨率ΔR相对应的时间延迟值为2*ΔR/c。在此，c是光速。
因此，为了满足LiDAR设备的性能，需要将时间延迟值控制在0-2*MaxR/c的范围内的2*ΔR/c的间隔中。例如，当LiDAR设备的最大可测量距离MaxR为200m并且距离分辨率ΔR为10cm时，需要将时间延迟值控制在0至1.33μs的范围内的0.66ns的间隔中。
在示例实施例中，LiDAR设备可以被配置为将时间延迟值按单位延迟值gapD从最小延迟值每次增加相等的量以至最大延迟值MaxD。
可以基于LiDAR设备的最大可测量距离MaxR来确定最大延迟值MaxD。可以基于LiDAR设备的距离分辨率ΔR来确定单位延迟值gapD。可以基于要测量的距离的最小值来确定最小延迟值。例如，最大延迟值MaxD可以被确定为2*MaxR/c，并且单位延迟值gapD可以被确定为2*ΔR/c。例如，当LiDAR设备的最大可测量距离MaxR是200m并且距离分辨率ΔR是10cm时，最大延迟值MaxD可以被确定为1.33μs并且单位延迟值gapD可以被确定为0.66ns。也就是说，时间延迟值可以被确定为以0.66ns从0增加到1.33μs。
处理器可以基于与经滤波的信号减小为预定值、局部最小值或全局最小值的时间段L相对应的时间延迟值K，来确定到对象的距离。例如，当时间延迟值K为0.66μs(＝0.66ns*1000)时，由于获得的ToF为0.66μs，因此可以确定到对象的距离约为99m(＝0.66μs*c/2)。
可以将时间延迟值恒定的单位延迟时间段interT确定为(延迟时间段MaxT)/(最大延迟值MaxD-最小延迟值)*(单位延迟值gapD)。在这方面，延迟时间段MaxT是其中LO光从最小延迟值被时间延迟到最大延迟值MaxD的时间段。当延迟时间段MaxT等于最大延迟值MaxD-最小延迟值时，可以将单位延迟时间段interT确定为单位延迟值gapD。
例如，当延迟时间段MaxT为2.66μs，最大延迟值MaxD为1.33μs，最小延迟值为0，并且单位延迟值gapD为0.66ns时，单位延迟时间段interT可以被确定为1.32ns(＝2.66μs/1.33μs*0.66ns)。作为另一示例，当延迟时间段MaxT和最大延迟值MaxD为1.33μs，最小延迟值为0，并且单位延迟值gapD为0.66ns时，单位延迟时间段interT可以被确定为0.66ns(＝1.33μs/1.33μs*0.66ns)。
因此，为了增加单位延迟时间段interT，可能需要增加延迟时间段MaxT，减少最大延迟值MaxD，增加最小延迟值或增加单位延迟值gapD。
图9是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图。
在示例实施例中，LiDAR设备可以多次执行延迟LO光的延迟操作，其时间延迟值以单位延迟值从最小延迟值增加到最大延迟值。一个延迟操作的最小延迟值和最大延迟值中的至少一个可以不同于另一延迟操作的对应值。
LiDAR设备可以根据与时间段相对应的时间延迟值来确定到对象的距离，其中与多次延迟操作相对应的经滤波的信号在该时间段中减小。
在示例实施例中，LiDAR设备被配置为使用增加的单位延迟值来增加单位延迟时间段。具体地，当满足LiDAR设备的距离分辨率ΔR的最小单位延迟值是ΔT0(＝2*ΔR/c)时，在示例实施例中，LiDAR设备被配置为使用大于最小单位延迟值ΔT0的单位延迟值。
参考图9，在示例实施例中，LiDAR设备通过使用3*ΔT0(＝6*ΔR/c)作为单位延迟值来对LO光进行时间延迟，其中3*ΔT0(＝6*ΔR/c)是最小单位延迟值ΔT0的三倍。具体地，LiDAR设备在第一延迟操作S1中将时间延迟值从第一最小延迟值ΔT0增加3*ΔT0，在第二延迟中将时间延迟值从第二最小延迟值Δ2*T0增加3*ΔT0，并且在第三延迟操作S3中将时间延迟值从第三最小延迟值Δ3*T0增加3*ΔT0。
例如，当LiDAR设备的距离分辨率ΔR为10cm时，由于与距离分辨率ΔR相对应的最小单位延迟值ΔT0为0.66ns，因此1.98ns(＝0.66ns*3)是最小单位延迟值ΔT0的三倍。在第一延迟操作S1中，时间延迟值增加到0.66ns、2.64ns(＝0.66ns+3*0.66ns)、4.62ns(＝0.66ns+6*0.66ns)。在第二延迟操作S2中，时间延迟值增加到1.32ns(＝2*0.66ns)、3.3ns(＝2*0.66ns+3*0.66ns)、5.28ns(＝2*0.66ns+6*0.66ns)。在第三延迟操作S3中，时间延迟值增加到1.98ns(＝3*0.66ns)、3.96ns(＝3*0.66ns+3*0.66ns)、5.94ns(＝3*0.66ns+6*0.66ns)。
总体来说，当使用为最小单位延迟值ΔT0的N倍的单位延迟值时，LiDAR设备可以在第一延迟操作S1中将时间延迟值增加第一最小延迟值N*ΔT0，在第二延迟操作S2中将时间延迟值从第二最小延迟值Δ2*T0增加N*ΔT0，以及在第N延迟操作中将时间延迟值从第N最小延迟值增加N*ΔT0。在这种情况下，第N最小延迟值可以是N*ΔT0，但不限于此。
如参考图8所讨论的，单位延迟时间段可以与单位延迟值成比例。因此，单位延迟值增加N倍并且因此单位延迟时间段可以增加N倍。
在每个延迟操作中，N*ΔT0被用作单位延迟值，但是考虑到整个延迟操作S1至S3，单位延迟值实际上是ΔT0。因此，单位延迟时间段可以增加N倍，同时满足LiDAR设备的距离分辨率ΔR。
处理器可以基于从整个延迟操作S1至S3产生的经滤波的信号来确定到对象的距离。处理器可以检测经滤波的信号最大程度减小的时间段(例如，时间段L)，以确定到对象的距离。
在图9中，处理器可以获得与在经滤波的信号减小的时间段O、P和Q之中经滤波的信号最大程度减小的时间段P相对应的时间延迟值M，并确定到对象的距离。例如，处理器可以检测经滤波的信号在第一延迟操作S1中具有第一局部最小值的第一延迟时间、经滤波的信号在第二延迟操作S2中具有第二局部最小值的第二延迟时间、经滤波的信号在第三延迟操作S3中具有第三局部最小值的第三延迟时间。处理器可以从第一局部最小值(例如，在时间段O期间经滤波的信号的值)、第二局部最小值(例如，在时间段P期间经滤波的信号的值)和第三局部最小值(例如，在时间段Q期间经滤波的信号的值)中选择全局最小值(例如，在时间段P期间经滤波的信号的值)，并且可以基于与全局最小值相对应的时间延迟值(例如，与时间段P相对应的时间延迟值M)来确定从LiDAR设备到对象的距离。
图10是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的测量距离的方法的示图。
在示例实施例中，LiDAR设备可以多次执行延迟LO光的延迟操作，其时间延迟值以单位延迟值从最小延迟值增加到最大延迟值。一个延迟操作的最小延迟值、最大延迟值和单位延迟值中的至少一个可以不同于另一延迟操作的对应值。
LiDAR设备可以减小最大延迟值，增大最小延迟值并多次执行延迟操作。换句话说，LiDAR设备可以减小时间延迟值的范围并且多次执行延迟操作。
LiDAR设备可以减小单位延迟值并多次执行延迟操作。换句话说，LiDAR设备可以逐渐减小时间延迟值并且多次执行延迟操作。
参考图10，在示例实施例中，延迟电路在第一延迟操作S1中利用以第一单位延迟值6*ΔT0从第一最小延迟值AH增加到第一最大延迟值AG的时间延迟值对LO光进行时间延迟。此时，ΔT0(＝2*ΔR/c)是满足LiDAR设备的距离分辨率ΔR的最小单位延迟值。
处理器获得与时间段U相对应的时间延迟值AA和AB，其中与第一延迟操作S1相对应的经滤波的信号在时间段U中最大程度减小。
处理器可以根据所获得的时间延迟值AA和AB确定第二最小延迟值AD和第二最大延迟值AC。例如，处理器可以通过将时间延迟值AB减小最小单位延迟值ΔT0来确定第二最小延迟值AD，并且可以通过将时间延迟值AA增加最小单位延迟值ΔT0来确定第二最大延迟值AC。
延迟电路在第二延迟操作S2中利用以第二单位延迟值2*ΔT0从第二最小延迟值AD增加到第二最大延迟值AC的时间延迟值对LO光进行时间延迟。第二单位延迟值可以是小于第一单位延迟值的值。在示例实施例中，第二单位延迟值2*ΔT0是第一单位延迟值6*ΔT0的1/3，但这是示例性值，并不限于此。在示例实施例中，第二单位延迟值2*ΔT0是最小单位延迟值ΔT0的两倍，但这是示例性值，并不限于此。
处理器获得与时间段W相对应的时间延迟值AE和AF，其中与第二延迟操作S2相对应的经滤波的信号在该时间段W中最大程度减少。
处理器可以根据获得的时间延迟值AE和AF来确定第三最小延迟值AJ和第三最大延迟值AK。例如，处理器可以通过将时间延迟值AF减小最小单位延迟值ΔT0来确定第三最小延迟值AJ，并且可以通过将时间延迟值AE增加最小单位延迟值ΔT0来确定第三最大延迟值AK。
延迟电路在第三延迟操作S3中利用以第三单位延迟值ΔT0从第三最小延迟值AJ增加到第三最大延迟值AK的时间延迟值对LO光进行时间延迟。第三单位延迟值可以是小于第二单位延迟值的值。在示例实施例中，第三单位延迟值ΔT0是第二单位延迟值2*ΔT0的1/2，但这是示例性值，并不限于此。在示例实施例中，第三单位延迟值ΔT0与最小单位延迟值ΔT0相同，但这是示例性值，并不限于此。
处理器可以获得与时间段X相对应的时间延迟值S并确定到对象的距离，其中与第三延迟操作S3相对应的经滤波的信号在该时间段X中减小。
如参考图8所述，当最大延迟值-最小延迟值减小或单位延迟值增加时，单位延迟时间段可以增加。
在第一延迟操作S1中，因为使用增加的单位延迟值，所以单位延迟时间段可以增加。在第二延迟操作S2中，因为使用了增加的单位延迟值和其之间的差减小的最大和最小延迟值，所以单位延迟时间段可以增加。在第三延迟操作S3中，因为使用了其之间的差减小的最大和最小延迟值，所以单位延迟时间段可以增加。
此外，最终延迟操作S3中的单位延迟值是ΔT0。因此，当满足LiDAR设备的距离分辨率ΔR时，可以利用增加的单位延迟时间来检测到对象的距离。
图11是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作方法的流程图。
参考图1和图11，在操作1101中，发射器110可以发射连续波光并且提供与发射的光11相对应的LO光12。
在操作1102中，延迟电路130可以对LO光12进行时间延迟。延迟电路130可以将经时间延迟的LO光13提供给检测电路140。
在操作1103中，接收器120可以接收从对象1反射的光14。接收器120可以将接收到的光15提供给检测电路140。
在操作1104中，检测电路140可以基于经时间延迟的LO光12和接收到的光15来确定从LiDAR设备到对象1的距离。检测电路140可以通过在时域中分析从利用经时间延迟的LO光12和接收到的光15进行干涉的光获得的电信号，来确定到对象1的距离。
图12是示出根据示例实施例的LiDAR设备的操作方法的流程图。
参考图2和图12，在操作1201中，光源212可以产生具有任意频率啁啾的连续波光。频率调制器211可以控制光源212，使得从光源212产生的光是任意频率啁啾信号。
在操作1202中，分离器213和发射天线214可以发射所产生的光的一部分并且将所产生的光的另一部分提供为LO光22。具体地，由光源212产生的光被分离器213分离为发射光和LO光22，并且该光可以由发射天线214发射。
在操作1203中，延迟电路230可以对LO光22进行时间延迟。延迟电路230可以通过以改变的时间延迟值延迟LO光22来将经时间延迟的LO光23提供给混频器241。
在操作1204中，接收天线220可以接收从对象2反射的光24。
在操作1205中，混频器241可以通过将经时间延迟的LO光23和接收到的光25进行干涉来获得经干涉的光26。
在操作1206中，信号转换器242对经干涉的光26进行光电转换以获得电信号27。
在操作1207中，处理器243可以通过利用高通滤波器(HPF)对电信号27进行滤波来获得经滤波的信号，在操作1208中，获得与经滤波的信号为最小的时间段相对应的时间延迟值，并且在操作1209中基于获得的时间延迟值来获得从LiDAR设备到对象2的距离。
图13是示出了根据示例实施例的LiDAR设备1300的框图。
图13的LiDAR设备1300与图2的LiDAR设备200的不同之处在于处理器1343被配置为在时域和频域中分析信号。因此，图14所示的配置可以被配置为执行与图2所示的配置相同或相似的功能。
处理器1343可以被配置为通过在时域中分析从信号转换器1342提供的电信号来确定到对象2的距离，并通过在频域中分析电信号来确定对象2的速度。
处理器1343可以包括在时域中分析电信号的滤波器和在频域中分析电信号的FFT电路。
图14是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的检测速度和距离的方法的示图。
参考图13和图14，LiDAR设备1300可以基于第一延迟操作S1确定到对象的距离，并且基于第二延迟操作S2确定对象的速度。
由LiDAR设备1300执行的基于第一延迟操作S1确定到对象的距离的方法可以与上面参考图1至图12描述的方法相同。具体地，处理器1343可以根据与经滤波的信号减小的时间段Z相对应的时间延迟值Y来确定到对象的距离。
延迟电路1330可以在第二延迟操作S2中以时间延迟值Y对LO光进行时间延迟。
混频器1341可以通过将接收的光与被时间延迟了时间延迟值Y的LO光进行干涉，来将经干涉的光提供给信号转换器1342。
光电转换器1342可以将经干涉的光转换为电信号，并向处理器1343提供该电信号。
处理器1343可以使用FFT电路从电信号获得拍频Δf，并基于多普勒效应根据拍频Δf确定对象的速度。
第二延迟操作S2的第二单位延迟时间段interT2可以大于第一延迟操作S1的第一单位延迟时间段interT1。第二单位延迟时间段interT2可以是足以分析拍频Δf分量的时间段。
例如，当对象以200km/h的速度移动时，根据对象的速度计算出的多普勒频率约为42.4MHz。第二单位延迟时间段interT2可以被确定为约94ns(＝1/(42.4MHz/4))，以获得4个周期的多普勒频率的电信号。
例如，当对象以1.0马赫的速度移动时，根据对象的速度计算出的多普勒频率约为943MHz。可以将第二单位延迟时间段interT2确定为约6ns(＝1/(943MHz/6))，以获得6个周期的多普勒频率的电信号。
图15是示出根据示例实施例的由LiDAR设备执行的检测速度和距离的方法的流程图。
参考图13和图15，在操作1501中，发射天线1314发射连续波光，并且分离器1313可以提供与发射的光相对应的LO光。频率调制器1311可以控制光源1312，使得从光源1312产生的光是任意频率啁啾信号。
在操作1502中，延迟电路1330可以对LO光进行时间延迟。延迟电路1330可以通过使用以单位延迟值从最小延迟值增加到最大延迟值的时间延迟值来对LO光进行时间延迟。例如，延迟电路1330可以通过以逐步方式使用时间延迟值来增加LO光的时间延迟值。
在操作1503中，接收天线1320可以接收从对象反射的光。
在操作1504中，处理器1343可以基于经时间延迟的LO光和接收到的光来确定到对象的距离，并且获得与到对象的距离相对应的时间延迟值。
在操作1505中，发射天线1314可以发射连续波光，并且分离器1313可以提供与发射的光相对应的LO光。
在操作1506中，延迟电路1330可以基于由处理器1343获得的时间延迟值来对LO光进行时间延迟。
在操作1507中，接收天线1320可以接收从对象反射的光。
在操作1508中，处理器1343可以基于经时间延迟的LO光和接收到的光来确定对象的速度。处理器1343可以通过分析接收到的光和经时间延迟的LO光的比特频率的分量来确定对象的速度。
尽管不限于此，但是示例实施例可以被实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之后能够被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，使得按照分布方式存储和执行计算机可读代码。此外，示例实施例可以被写为计算机程序，所述计算机程序通过计算机可读传输介质(例如，载波)传输，并在执行所述程序的通用或专用数字计算机中被接收和执行。此外，可以理解在示例实施例中，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。
上述示例性实施例仅仅作为示例而不应被解释为限制。本教导能够被容易地应用于其他类型的装置。此外，对示例性实施例的描述意在是说明性的，而不是为了限制权利要求的范围，并且本领域技术人员将清楚多种替代、修改和变化。

Claims (23)

1.一种光检测和测距LiDAR设备，包括：
发射器，被配置为向对象发射连续波光，并提供与所发射的连续波光相对应的本机振荡器LO光；
延迟电路，被配置为对所述LO光进行时间延迟；
接收器，被配置为接收从对象反射的连续波光；以及
检测电路，被配置为基于经时间延迟的LO光和所接收的连续波光来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
2.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述延迟电路还被配置为改变所述LO光被延迟的时间延迟量。
3.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述延迟电路还被配置为将所述LO光被延迟的时间延迟量从最小延迟值逐步增加到最大延迟值。
4.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述连续波光是非线性频率调制的连续波光，以及
其中，所述发射器包括：
光源；以及
频率调制器，被配置为控制所述光源以产生包括所述非线性频率调制的连续波光在内的频率啁啾信号。
5.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述发射器还包括：光源，被配置为产生光；以及分离器，被配置为将由所述光源产生的光分成连续波光和LO光，并将所述LO光提供给所述延迟电路。
6.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中，所述检测电路包括混频器，所述混频器被配置为通过将所述经时间延迟的LO光与所接收的连续波光进行干涉来输出经干涉的光。
7.根据权利要求6所述的LiDAR设备，其中，所述检测电路还包括信号转换器，所述信号转换器被配置为通过对所述经干涉的光进行光电转换来输出电信号。
8.根据权利要求7所述的LiDAR设备，其中，所述检测电路还包括处理器，所述处理器被配置为基于所述电信号来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
9.根据权利要求8所述的LiDAR设备，其中，所述处理器被配置为：通过经由高通滤波器HPF对所述电信号进行滤波来产生经滤波的信号，获得所述经时间延迟的LO光的与所述经滤波的信号减小到预定值或最小值的时间段相对应的时间延迟值，以及基于所获得的时间延迟值来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
10.根据权利要求1所述的LiDAR设备，其中：
所述检测电路还被配置为基于所述经时间延迟的LO光的时间延迟值和所接收的连续波光来确定所述对象的速度。
11.一种光检测和测距LiDAR设备的操作方法，所述操作方法包括：
向对象发射连续波光并提供与所发射的连续波光相对应的本机振荡器LO光；
对所述LO光进行时间延迟；
接收从所述对象反射的连续波光；以及
基于经时间延迟的LO光和所接收的连续波光来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
12.根据权利要求11所述的操作方法，其中，对所述LO光进行时间延迟包括：
通过改变所述LO光被延迟的时间延迟量来对所述LO光进行时间延迟。
13.根据权利要求11所述的操作方法，其中，对所述LO光进行时间延迟包括：
通过将所述LO光被延迟的时间延迟量从最小延迟值逐步增加到最大延迟值来对所述LO光进行时间延迟。
14.根据权利要求11所述的操作方法，其中，对所述LO光进行时间延迟包括：
利用以单位延迟值从最小延迟值增加到最大延迟值的时间延迟值对所述LO光执行多个延迟操作；以及
其中，所述多个延迟操作中的延迟操作的最小延迟值、最大延迟值和单位延迟值中的至少一个与所述多个延迟操作中的另一延迟操作的最小延迟值、最大延迟值和单位延迟值中的至少一个不同。
15.根据权利要求11所述的操作方法，其中，对所述LO光进行时间延迟包括：
利用以单位延迟值从第一最小延迟值增加到第一最大延迟值的第一时间延迟值对所述LO光执行时间延迟；以及
利用以所述单位延迟值从第二最小延迟值增加到第二最大延迟值的第二时间延迟值对所述LO光执行时间延迟，以及
其中，所述单位延迟值与所述第一最小延迟值和所述第二最小延迟值之差成比例。
16.根据权利要求11所述的操作方法，其中，对所述LO光进行时间延迟包括：
利用以第一单位延迟值从第一最小延迟值增加到第一最大延迟值的第一时间延迟值对所述LO光执行时间延迟；以及
利用以第二单位延迟值从第二最小延迟值增加到第二最大延迟值的第二时间延迟值对所述LO光执行时间延迟，以及
其中，所述第二最大延迟值与所述第二最小延迟值之间的第二差小于所述第一最大延迟值与所述第一最小延迟值之间的第一差，或者所述第二单位延迟值小于所述第一单位延迟值。
17.根据权利要求11所述的操作方法，其中，确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离包括：
通过将所述经时间延迟的LO光与所接收的连续波光进行干涉来获得经干涉的光；
通过对所述经干涉的光进行光电转换来获得电信号；以及
基于所述电信号来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
18.根据权利要求17所述的操作方法，其中，基于所述电信号来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离包括：
通过对所述电信号进行滤波来获得经滤波的信号；以及
基于所述经滤波的信号来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
19.根据权利要求18所述的操作方法，其中，基于所述经滤波的信号来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离包括：
获得所述经时间延迟的LO光的与所述经滤波的信号减小到预定值或最小值的时间段相对应的时间延迟值；以及
根据所获得的时间延迟值来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
20.一种光检测和测距LiDAR设备，包括：
光源；
频率调制器，被配置为控制所述光源以产生非线性连续波光；
分束器，被配置为将所述非线性连续波光分成发射光和本机振荡器LO光；
光学延迟电路，被配置为通过逐步增加所述LO光的延迟时间来对所述LO光进行时间延迟；
一个或多个天线，被配置为向对象发射所述发射光并当所述发射光从所述对象反射时从所述对象接收反射光；以及
检测电路，被配置为基于经时间延迟的LO光和所述反射光来确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
21.根据权利要求20所述的LiDAR设备，其中，所述光学延迟电路还被配置为：
通过将所述延迟时间分别逐步增加第一单位时间、第二单位时间和第三单位时间，对所述LO光执行第一延迟操作、第二延迟操作和第三延迟操作，以及
通过将所述经时间延迟的LO光与所述反射光进行干涉来输出经干涉的光，以及
其中，所述LiDAR设备还包括处理器，所述处理器被配置为：
检测所述经干涉的光在所述第一延迟操作中具有第一局部最小值的第一延迟时间、所述经干涉的光在所述第二延迟操作中具有第二局部最小值的第二延迟时间、以及所述经干涉的光在所述第三延迟操作中具有第三局部最小值的第三延迟时间；
根据所述第一局部最小值、所述第二局部最小值和所述第三局部最小值确定全局最小值，以及
基于获得了所述全局最小值的所述第一延迟时间、所述第二延迟时间或所述第三延迟时间，确定从所述LiDAR设备到所述对象的距离。
22.根据权利要求21所述的LiDAR设备，其中，所述第一单位时间、所述第二单位时间和所述第三单位时间彼此相等，以及
其中，所述光学延迟电路还被配置为：
执行所述第一延迟操作以从第一最小延迟值到第一最大延迟值；
执行所述第二延迟操作以从第二最小延迟值到第二最大延迟值；以及
执行所述第三延迟操作以从第三最小延迟值到第三最大延迟值，以及
其中，所述第一最小延迟值、所述第二最小延迟值、所述第三最小延迟值彼此不同，以及
其中，所述第一最大延迟值、所述第二最大延迟值和所述第三最大延迟值彼此不同。
23.根据权利要求21所述的LiDAR设备，其中，所述第一单位时间、所述第二单位时间和所述第三单位时间彼此不同，以及
其中，所述光学延迟电路还被配置为：
执行所述第一延迟操作以从第一最小延迟值到第一最大延迟值；
执行所述第二延迟操作以从第二最小延迟值到第二最大延迟值；以及
执行所述第三延迟操作以从第三最小延迟值到第三最大延迟值，以及
其中，从所述第二最小延迟值到所述第二最大延迟值的第二范围在从所述第一最小延迟值到所述第一最大延迟值的第一范围内，并且从所述第三最小延迟值到所述第三最大延迟值的第三范围在所述第二范围内。
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