CN114599997A - 用于自动驾驶车辆距离感测的单束数字调制激光雷达 - Google Patents

Abstract

根据一个方面，用于自动驾驶车辆的成本相对较低的传感器能够检测距离自动驾驶车辆大约80米到大约300米之间的范围或区域中的移动物体。基本上单个扇形光束在方位角上被扫描完整的360度。对光束使用调频连续波(FMCW)或相位编码调制，利用后端数字信号处理(DSP)，可以有效地将移动物体与基本静止的背景区分开来。

Description

用于自动驾驶车辆距离感测的单束数字调制激光雷达

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年10月24日提交的美国临时申请第62/925,717号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及自动驾驶车辆，更具体地，涉及在自动驾驶车辆中使用的传感器。

背景技术

光检测和测距(激光雷达)是一种经常在自动驾驶车辆中用于测量到目标的距离的技术。通常，激光雷达系统或传感器包括光源和目标。光源向目标发射光，目标将光进行散射。检测器接收一些散射光，激光雷达系统基于与接收到的散射光或返回光相关联的特性来确定到目标的距离。

激光雷达系统生成周围环境的三维点云。虽然点云用于识别障碍物的位置，但使用点云通常难以确定非静止障碍物的速度。

附图说明

图1是根据实施例的自动驾驶车队的图解表示。

图2是根据实施例的自动驾驶车辆一侧的图解表示。

图3是根据实施例的自动驾驶车辆的框图表示。

图4A是根据实施例的基本上仅在方位角上扫描的单个束的图解表示。

图4B是根据实施例的基本上仅在方位角上扫描的具有仰角分量的单个发散束的图解表示。

图5是根据实施例的发射发散束的激光雷达传感器的图解表示。

图6是根据实施例的激光雷达传感器的框图表示。

图7是根据示例实施例的束转向机构的示意图。

图8A是根据示例实施例的可用作图7的束转向机构的一部分的柱面透镜的图。

图8B是根据示例实施例的可用作图7的束转向机构的一部分的衍射光栅的图。

图9是根据示例实施例的使用单束数字调制激光雷达的方法的过程流程图。

图10是根据示例实施例的使用基带调制和基带解调的激光雷达传感器系统的框图表示。

图11是根据另一示例实施例的使用基带调制和基带解调的激光雷达传感器系统的框图表示。

图12是根据又一示例实施例的激光雷达传感器系统的框图。

图13是根据示例实施例的图12中描绘的激光雷达传感器系统的一部分的更详细框图。

图14是根据实施例的使用可调谐光源的激光雷达系统的框图表示。

具体实施方式

概述

在一个实施例中，提供了一种成本相对较低的激光雷达传感器，该传感器能够检测距离自动驾驶车辆大约80米和大约300米之间的范围或区域中的移动物体。基本上单个扇形光束在方位角上被扫描完整的360度。对光束使用相干检测，例如调频连续波(FMCW)或相位编码调制，利用后端数字信号处理(DSP)，可以有效地将移动物体与基本静止的背景区分开来。该激光雷达传感器在车辆上很有用，例如但不限于自动驾驶车辆。

示例实施例

随着道路上自动驾驶车辆数量的增加，自动驾驶车辆安全运行的能力变得越来越重要。例如，自动驾驶车辆中使用的传感器准确识别障碍物并确定非静止障碍物移动速度的能力至关重要。事实上，这对于具有某些驾驶员辅助功能的非自动驾驶车辆很重要。

在一个实施例中，可靠且成本相对较低的传感器能够检测距离传感器大约80米(m)到大约300m之间的移动障碍物。在一些情况下，传感器可以布置成检测距离传感器大约120m到大约200m之间的移动障碍物。这种传感器可以是激光雷达传感器，其使用单个发散束或扇形束，该发散束或扇形束基本上仅在方位角上被扫描。当自动驾驶车辆与物体的距离在大约120m到大约200m之间时，自动驾驶车辆通常关注移动物体，而不关注基本静止的物体。因此，使用基本上仅在方位角上被扫描的单个发散束无法区分不同仰角处的物体的任何潜在能力缺失通常不是关键的。例如，自动驾驶车辆上的其他传感器可用于在自动驾驶车辆接近不同仰角处的物体时区分这些物体。

首先参考图1，将根据实施例描述自动驾驶车队。自动驾驶车队100包括多个自动驾驶车辆101或机器人车辆。自动驾驶车辆101通常被布置以运输和/或递送货品、物品和/或货物。自动驾驶车辆101可以是完全自动驾驶和/或半自动驾驶车辆。通常，每个自动驾驶车辆101可以是能够以受控方式行驶一段时间而无需干预、例如无需人工干预的车辆。如以下将更详细讨论的，每个自动驾驶车辆101可以包括电力系统、推进或输送系统、导航模块、控制系统或控制器、通信系统、处理器和传感器系统。

对自动驾驶车队100中的自动驾驶车辆101的调度可以由车队管理模块(未示出)协调。车队管理模块可以调度自动驾驶车辆101，用于在非结构化开放环境或封闭环境中运输、递送和/或取回货物或服务。

图2是根据实施例的自动驾驶车辆(例如，图1的自动驾驶车辆101之一)一侧的图解表示。如图所示，自动驾驶车辆101是配置用于陆地行驶的车辆。通常，自动驾驶车辆101包括诸如车身或底盘200之类的物理车辆部件，以及诸如车轮之类的输送机构。在一个实施例中，自动驾驶车辆101可以相对较窄，例如，大约2英尺到大约5英尺宽，并且为了稳定性可以具有相对低的质量和相对低的重心。自动驾驶车辆101可以被布置成具有在大约每小时一英里到大约每小时四十五英里(mph)之间的工作速度或速率范围，例如大约每小时二十五英里。在一些实施例中，自动驾驶车辆101可以具有在大约三十mph和大约九十mph之间的范围内的基本上最大的速度或速率。

自动驾驶车辆101包括多个隔间210。隔间210可以分配给一个或多个实体，例如一个或多个客户、零售商和/或供应商。隔间210通常布置成容纳货品、物品和/或货物。通常，隔间210可以是安全隔间。应当理解，隔间210的数量可以变化。也就是说，虽然显示了两个隔间210，但自动驾驶车辆101不限于包括两个隔间210。

自动驾驶车辆101还可包括传感器盒220，该传感器盒220安装在自动驾驶车辆101顶部的弧形结构230上。

图3是根据实施例的自动驾驶车辆(例如图1的自动驾驶车辆101)的框图表示。自动驾驶车辆101包括处理器300、推进系统310、导航系统320、传感器系统330、电力系统340、控制系统350和通信系统360。应当理解，处理器300、推进系统310、导航系统320、传感器系统330、电力系统340和通信系统360都耦合到自动驾驶车辆101的底盘或车身。

处理器300被布置为向各种组件(例如，推进系统310、导航系统320、传感器系统330、电力系统340和控制系统350)发送指令和从各种组件接收指令。推进系统310或输送系统被布置为使自动驾驶车辆101移动，例如驱动。例如，当自动驾驶车辆101配置有多轮汽车配置以及转向、制动系统和发动机时，推进系统310可以被布置为使发动机、车轮、转向和制动系统协作以驱动。通常，推进系统310可以配置为驱动系统，其可具有推进发动机、车轮、胎面、机翼、旋翼、鼓风机、火箭发动器、螺旋桨、制动器等。推进发动机可以是燃气发动机、涡轮发动机、电动机和/或混合的气体和电动发动机。

导航系统320可以控制推进系统310以引导自动驾驶车辆101通过路径和/或在非结构化的开放或封闭环境中引导自动驾驶车辆101。导航系统320可以包括数字地图、街景照片和全球定位系统(GPS)点中的至少一种。例如，地图可以与传感器系统330中包括的传感器合作使用，以允许导航系统320使自动驾驶车辆101在环境中导航。在一个实施例中，导航系统320包括感知软件。

传感器系统330包括任何传感器，例如激光雷达、雷达、超声波传感器、麦克风、高度计和/或相机。传感器系统330通常包括允许自动驾驶车辆101安全导航并确定自动驾驶车辆101附近何时有物体的车载传感器。在一个实施例中，传感器系统330可以包括监测驱动机构性能、传动系性能、和/或电力系统水平的推进系统传感器。包括在传感器系统330中的激光雷达传感器可以是利用单个基本上发散束的激光雷达传感器，该发散束具有仰角分量但基本上仅在方位角上被扫描，如下文进一步详细描述的。此外，传感器系统330中使用的激光雷达传感器可以采用下面更详细描述的调制和解调技术。传感器系统330的一个或多个组件可以驻留在图2所示的传感器盒220中。

电力系统340被布置为向自动驾驶车辆101提供电力。电力可以作为电功率、燃气功率或任何其他合适的功率(例如太阳能功率或电池功率)来提供。在一个实施例中，电力系统340可以包括主电源和辅助电源，该辅助电源可以用于为自动驾驶车辆101的各种部件供电和/或通常在主电源不具有提供足够电力的能力时向自动驾驶车辆101提供电力。

通信系统360允许自动驾驶车辆101例如以无线方式与车队管理系统(未示出)通信，该车队管理系统允许自动驾驶车辆101被远程控制。通信系统360通常获取或接收数据，存储数据，并将数据传输或提供给车队管理系统和/或车队100内的自动驾驶车辆101。数据可以包括但不限于包括与预定的请求或订单有关的信息、与即期的请求或订单有关的信息、和/或与自动驾驶车辆101重新定位自身的需求有关的信息，例如，响应于预期的需求。

在距离自动驾驶车辆大约80m到大约300m的范围内，自动驾驶车辆感知软件更关注物体的方位角而不是物体的仰角。因此，不是使用从激光雷达传感器获得的数据通过在方位角和仰角上扫描窄束来创建点云，而是可以通过基本上仅在方位角上扫描单个发散束来创建基本二维(2D)点云。2D点云中的每个点可能有x坐标和y坐标，并且2D点云可以绘制在平面地图上。发散束可以是扇形束。在一个实施例中，此束在仰角方向上发散或散焦，并且在方位角方向上相对紧密地聚焦。

已经确定，对于某些应用，例如基于车辆的应用，没有必要为了对距离车辆大约80-200m的物体进行测距而拥有如此大量的数据。此外，对于某些应用，无需确定激光雷达传感器附近物体的完整三维形状，而是确定有物体相对于激光雷达传感器移动、以及该物体的移动速度就足够了。

激光雷达传感器的发展趋势是提高其范围和点云密度能力。然而，这些激光雷达传感器往往非常昂贵，并且可生成大量的点云数据，因此需要昂贵的处理能力来处理点云数据。

图4A是根据实施例的基本上仅在方位角上扫描的单个束的图解表示。如图所示，激光雷达传感器400被配置为生成单束410，该束410被布置为相对于z轴进行扫描。激光雷达传感器400可以是单束数字调制激光雷达传感器。通常，单束410可以相对于z轴扫描大约360度。也就是说，整体扫描角度θ可以是大约360度。

为了便于说明，束410被显示在xy平面中，即，束410被显示为包括方位角分量。束410可以具有任何合适的工作波长，例如大约1550纳米的工作波长。

通常，束410是发散束并且除了方位角分量之外还具有仰角分量。图4B是根据实施例的基本上仅在方位角上被扫描的具有仰角分量的单个发散束的图解表示。激光雷达传感器400被布置成产生围绕z轴被扫描的单个发散束410'。束410'基本上是扇形的，并具有仰角分量。在一个实施例中，束410'的仰角分量是角度φ，其在大约-10度和大约10度之间的范围内。束410'可以具有任何合适的工作波长，例如大约1550纳米的工作波长。

图5示出了可以由激光雷达传感器400产生的单个发散或扇形束410'。单个发散束410'的一个优点是可以使用调制、解调和相关信号处理资源的单个实例。因此，这种方法具有成本和简单性的优点。

在一个实施例中，发散束410'可以是基本上同时被照亮的基本上扁平的扇形或光片。也就是说，发散束410'可以是单片光，它作为一个束有效地闪烁，而不是被分成多个仰角窄的束。

当单个光束用于方位角上的全360度扫描时，基本上可以仅使用激光雷达调制器、解调器和信号处理链的单个副本。结果，例如，与在方位角和仰角上扫描窄光束的系统相比，可以以更低的成本以期望的扫描速率提供扫描。

尽管较新的高分辨率激光雷达传感器可能具有在仰角上覆盖扇形的多个束，但图4B、5A和5B中描绘的激光雷达传感器布置涉及在仰角上覆盖扇形的单个束。使用单个发散束的激光雷达传感器为物体与束的每个交叉事件生成一个测量值，这降低了需要对返回光执行的计算的复杂性。激光雷达传感器400可以以大约10转/秒的速率绕圈旋转，诸如围绕车辆的圆周旋转。这足以确定存在相对于激光雷达传感器移动的物体，以及该物体相对于激光雷达传感器(或相对于安装有激光雷达传感器的车辆)以何种速度移动。

图6是根据实施例的能够基本上仅在方位角上扫描束的激光雷达传感器400的框图表示。激光雷达传感器400包括光源或发射器430，其包括发散束生成器435、束转向机构440、检测器450和外壳460。如本领域技术人员将理解的，激光雷达传感器400可以包括许多其他组件，例如透镜，诸如接收透镜。为简单起见，这样的各种其他组件未在图6中示出。

光学发射器430通常可以发射任何合适波长的光，例如大约1550纳米的波长。应当理解，大约1550纳米的波长可能是优选的，原因包括但不限于包括眼睛安全功率限制和1550纳米激光器的广泛可用性。然而，一般而言，合适的波长可能变化很大。

光源430可以包括发散束生成器435。在一个实施例中，发散束生成器435可以产生单个发散束，并且光源430可以通过外壳460基本上刚性地附接到表面，例如，自动驾驶车辆的表面。换句话说，光源430可以被布置为不旋转。

束转向机构440被布置成转向由发散束生成器435产生的束。在一个实施例中，束转向机构440可以包括旋转镜，其基本上仅在方位角上使束转向，例如在方位角上使束转向大约360度。束转向机构可以布置成顺时针和/或逆时针旋转。束转向机构440的旋转速度可以广泛地变化。旋转速度可以由各种参数确定，包括但不限于包括检测速率和/或视野。

检测器450布置成接收光源430发射的光被反射回激光雷达传感器400后的光。外壳460布置成包含光源430、束转向机构440和检测器450。检测器450可以是例如光电二极管或光电二极管阵列或其他合适的光电传感器装置。

现在参考图7，根据示例实施例，更详细地获得激光雷达传感器400的更详细描述，特别是光源430、发散束生成器435和束转向机构440的进一步细节。来自光源430的光被引导到光纤432中，光纤432又耦合到发散束生成器435。发散束生成器435包括准直透镜437和发散透镜439。准直透镜437使来自光源430在光纤432上携带的光变窄，发散透镜439使来自准直透镜437的准直光发散以产生单个发散束410'。

束转向机构440可以包括旋转结构442，镜子444附接到该旋转结构442。此外，发散透镜439附接到旋转结构442。电动机446联接到旋转结构442以在图7所示的箭头方向上旋转旋转结构442。镜子444反射单个发散束410'以产生跨越相对于xy平面的仰角的反射的单个发散束410'，并且当电动机446旋转安装有镜子444和发散透镜439的旋转结构442时，该镜子444在方位角方向上(相对于z轴)旋转。

在一种形式中，镜子444可以是平面镜。在另一种形式中，镜子444是曲面镜，在这种情况下，发散透镜439的发散功能可以由镜子444执行。因此，仅有的旋转的组件是镜子444和发散透镜439，或者在一种变体中，只有曲面镜旋转。光源430、光纤432和准直透镜437不需要旋转。

图7中描绘的布置可以实现360度旋转扫描，并且速度高达600rpm(10个周期/秒)。没有活动组件在运动，也不需要任何垂直扫描(在仰角上)，因为束在仰角上已经具有发散模式。此外，镜子旋转没有引入多普勒效应。

图8A显示发散透镜439可以是柱面透镜。发散透镜439接收窄光束并产生发散束410'。

图8B示出了使用衍射光栅470代替发散透镜的又一变形。衍射光栅470可以采用线的微观网格的形式。衍射光栅470是无源光学器件，其中进入一端的光从另一端射出，伴随着其特性发生改变。衍射光栅470仅产生发散，其中选择的出射角由束功率表示，而非例如由柱面透镜提供的连续的角度。

此外，可以使用光学棱镜来代替发散透镜或衍射光栅，以产生发散束图案。

一般而言，允许与激光雷达传感器相关联的束基本上仅在方位角上扫描的机制可能比既允许方位角扫描又允许仰角扫描的机制更简单。例如，为了支持基本上仅在方位角上的扫描，因为不支持仰角扫描，所以可以使用相对简单的旋转镜来支持扫描。

基本上仅支持方位角扫描允许避免与旋转联接器相关联的问题，例如与跨旋转联接器的功率和/或数据传输相关联的问题。

图9是说明根据示例实施例的使用单束数字调制激光雷达(例如，单扇形束)以促进对移动物体的检测的方法500的过程流程图。方法500开始于操作510，在该操作510中，安装有激光雷达的车辆(例如自动驾驶车辆)驱动。在操作520中，随着车辆驱动或以其他方式被推进时，激光雷达传感器基本上仅在方位角上扫描发散束或扇形束。应该理解，发散束通常具有仰角分量，但是基本上仅在方位角上扫描。在一个实施例中，基本上仅在方位角上扫描单个发散束允许创建2D点云并检测范围或区域内(例如距离车辆在大约80m和大约300m之间的区域内)的移动物体。

在操作530处，对从单个发散束返回的光应用相干检测。应用相干检测可以包括但不限于将调频连续波(FMCW)或相位编码调制应用于单个发散束。此外，可以适当地应用后端数字信号(基带解调)处理。也就是说，可以将基带调制和基带解调/数字信号处理应用于单个发散束。除了后端信号处理之外，FMCW或相位编码调制的应用允许在操作540中恢复每个范围内物体的速度分布。关于光束调制和返回光的数字信号处理的更多细节如下面所描述。一旦恢复出物体的速度分布，就完成了使用单束数字调制激光雷达的方法。

相干检测使得能够直接测量由单个发散束检测到的物体。也就是说，通过调制发送到目标区域的光束，可以通过观察光束如何与物体表面相交并改变从物体返回的光的调制来确定任何被检测物体的速度。因此，无需重新扫描物体并对点云执行复杂的计算来确定物体的速度。在几毫秒(ms)和一次扫描内，就可以确定物体的移动方向和速度。

接下来参考图10，示出了根据实施例的结合激光雷达传感器使用基带调制和基带数字信号处理技术的系统600。系统600通常包括“稳定”光源610，或产生具有相对窄线宽的光束的光源。稳定光源610可以产生光束，该光束可以是如上面结合图1-图9所描述的单个发散束，或一般来说，任何光束(例如，非发散光束)。即，系统600及其在图11和12中描绘的变体可以与任何类型的光束一起用于一维激光雷达、二维激光雷达以及三维激光雷达。

系统600还包括光学发射器620、基带调制器模块/块630、光学接收器640和基带解调器(数字信号处理)模块/块650。光学发射器620包括光学混合器625，其混合来自光源610的光束和基带调制光束以对来自光源610的光束施加基带调制。基带调制可以是FMCW、相位编码调制或任何其他现在已知或以后开发的合适调制方案的形式。因此，基带调制被有效地应用于发射到目标区域的光束。调制光束可以是在方位角方向上扫描的单个发散(扇形)束，如上所述，或者任何类型的束。

来自目标区域的返回光被接收(例如，通过合适的光电检测器)并被引导到光学接收器640。光学接收器640包括光学混合器645，其将返回光与来自光源610的光混合，并且混合器645的混合光输出被(数字化)并提供给基带解调器块650。

传统的激光雷达传感器用光脉冲(打开和关闭)照亮目标区域并评估光的往返时间。相干检测是不同的。在系统600中，稳定光源610持续开启(无脉冲)并且光束与基带调制混合并然后发送到目标区域。应用在所发射光束上的调制特性与在返回光上检测到的调制特性之间的差异用于直接确定被检测物体的移动(速度)。无需在光脉冲之间执行往返时序分析，因为时序方面由发射调制和接收调制的差异确定。

系统600可以实现更高的灵敏度，允许更大的检测范围(使用更低水平的光)，并从单个扫描事件直接确定物体的速度。

以图10所示的方式使用相干检测可以应用于任何光束结构，并且不限于与本文所述的单个发散束结构一起使用。然而，可以通过将单个发散光束与图10所示的相干检测方面相结合来实现更稳健的激光雷达传感器。

虽然系统600是合适的相干激光雷达信号处理链的一个示例，但是应当理解，可以实现许多其他相干激光雷达信号处理链。下面参考图11至图13描述合适的相干激光雷达信号处理链的其他示例。

图11示出了根据示例实施例的使用基带调制和基带数字信号处理的另一个合适的相干激光雷达信号处理系统600'。系统600'类似于图11的系统600，除了光学发射器620'和光学接收器640'包括附加组件而不是单个混合器。系统600'在光学发射器620'和光学接收器640'中采用同相且正交的光束分量。具体地，光学发射器620'包括移相器622、第一混合器624和第二混合器626、以及光学组合器/加法器628。类似地，光学接收器640'包括移相器642以及第一混合器644和第二混合器646。

在发射路径中，来自稳定光源610的光束耦合到光学发射器620'的移相器622和第一混合器624。移相器622例如将来自光源610的光束的相位移位大约九十(90)度，并将得到的相移光束提供给第二混合器626。基带调制器块630在第一混合器624处将基带调制应用于来自光源610的光束。第一混合器624输出第一调制光束并且对应于同相束分量。基带调制器块630还在第二混合器626处将基带调制应用于相移光束，并且第二混合器626输出第二调制(相移)光束，并且对应于正交束分量。光学组合器/加法器628组合来自第一混合器624的第一调制(同相)光束和来自第二混合器626的第二调制(正交)光束以产生调制发射束，该调制发射束被引导到目标区域。

在接收路径中，来自光源610的光束耦合到移相器642和光接收器640'的第一混合器644。移相器642将来自光源610的光束的相位移位大约九十(90)度以产生相移光束。第一混合器644将来自目标区域的接收/返回光与来自光源610的光束混合并且将所得到的第一返回(同相)光束提供给基带解调器块650。第二混合器646将来自目标区域的接收/返回光与相移光束混合并将所得到的第二返回(正交)光束提供给基带解调器块650。基带解调器块650分别解调来自第一混合器644和第二混合器646的输出。可以分析由基带调制块630在发射路径中应用的基带调制与分别对来自第一混合器644和第二混合器646的输出的基带调制之间的差异，以确定目标区域中的物体的存在和物体的速度。

现在转到图12，示出了根据另一示例实施例的激光雷达传感器系统700的框图。激光雷达传感器系统700包括固定/稳定连续波(CW)激光器710、分光器712、光学相位调制(PM)调制器720、光学放大器725(例如掺铒光纤放大器(EDFA))、光学耦合器730、束定向/转向和接收组件735、光学耦合器/组合器740和光电检测器745。激光雷达传感器系统700还包括控制器750，控制器750又包括基带调制器块752、基带解调器块754、检测处理器块756、数模转换器(DAC)760、模数转换器(ADC)765和放大器770。DAC 760将由基带调制器块752产生的数字基带调制转换为提供给PM调制器720的模拟信号。ADC 765将放大器770输出处的模拟接收信号转换为数字信号，并将其引导至基带解调器模块754。控制器750可以在包括固定或编程数字逻辑门的数字信号处理器(DSP)中实现，例如在现场编程门阵列(FPGA)中实现。

在激光雷达传感器系统700中，分光器712、光学PM调制器720和光学放大器725形成光学发射器。类似地，光学组合器740和光电检测器745形成光学接收器。

固定CW激光器710向分光器712提供合适波长的连续光束。分光器712将光束分隔并将其引导至光学PM调制器720和光学耦合器/组合器740二者。如下文进一步描述，由分光器712引导到光学耦合器/组合器740的未调制光束用作关于接收/返回光的参考。

光学PM调制器720根据包含在DAC 760的输出中的基带调制对光束进行相位调制，以产生相位调制光束。光学放大器725放大相位调制光束，相位调制光束然后耦合到光学耦合器730，光学耦合器730又将放大的相位调制光束引导到束定向/转向和接收组件735。束定向/转向和接收组件735将放大的相位调制光束发送到目标区域并收集来自目标区域的返回/接收光。在一个示例中，光束可以是如上所述的单个发散光束，并且束定向/转向和接收组件735可以采用上面结合图7、8A和8B描述的束转向机构的形式。

接收/返回光由光学耦合器730引导到光学组合器740。光学组合器740将来自固定CW激光器710的未调制光束与接收/返回光组合，并且得到的组合光束是由光电检测器745检测。在一种形式中，光学组合器740可以包括直接下混路径和相移下混路径，类似于图11中。

光电检测器745将组合光束转换成电接收信号。放大器770放大电接收信号并将放大的电接收信号提供给ADC 765。ADC 765将放大的电接收信号转换为数字接收信号以供基带解调器块754和检测处理器756处理。基带解调块754执行对数字接收信号的基带解调，包括在数字域中去啁啾，以便恢复出对返回光的基带调制。检测处理器756分析/比较在数字接收信号中恢复出的调制与由基带调制块752产生的调制。例如，检测处理器756可以分析应用到被发射到目标区域中的光束的调制和在数字接收信号中恢复出的调制之间的差异，以确定激光雷达传感器系统700的目标区域中移动物体的速度。

与节点不尝试接收其发射的相同光束的传统光学通信系统不同，在激光雷达传感器系统中，接收到的信号是从发射的信号中导出的。换句话说，激光雷达传感器寻找来自目标区域的返回光，该返回光是由传感器发射到目标区域的光的反射/散射产生的。激光雷达传感器使用接收到的光来估计物体反射从激光雷达传感器发射的光的距离和速度。

现在转到图13，为了描述可以执行以检测目标的距离和速度的信号处理操作的目的，示出了激光雷达传感器系统700的一部分的更详细的图。基带调制块752可以包括数控振荡器(NCO)780，并且基带解调块754可以包括快速傅里叶变换(FFT)块782。提供去啁啾块784，其接收NCO 780的输出和用于对ADC 765的输出进行去啁啾(执行符号乘法)。

NCO 780可以生成线性频率调制信号，也称为“啁啾”，其被提供给DAC 760以驱动图12所示的PM调制器720。线性频率调制信号的波形示例如图13中的790所示。线性频率调制信号也被提供给去啁啾块784。在接收/返回路径中，ADC 765将返回信号转换成数字信号并将数字信号传递给去啁啾块784。去啁啾块784产生去啁啾信号，该去啁啾信号被提供给FFT块782。FFT块782获得去啁啾信号的频率分量。FFT块782生成的频率分量的示例在792处示出。使用FMCW技术的众所周知的原理，可以分析由FFT块782生成的频率分量，例如通过图12中所示的检测处理器756，以获得激光雷达传感器视野内一个或多个目标的距离和速度。

图14是根据实施例的相干激光雷达传感器系统800的另一个示例的框图表示。系统800包括与合成器820协作以产生光束的可调稳定光源810。光束一旦发射，在接收/返回光由混合器840进行与可调稳定光源810的输出混合之后，可以使用基带数字信号处理块830接收和处理光束。

在一个实施例中，对于一阶，在相同的视野上，当将在仰角上扫描N次的窄束与使用相干积分积分N次的单个发散束进行比较时，灵敏度或信噪比可能大致相同。在这样的实施例中，对于二阶，单个发散束可以实现比窄束更高的灵敏度，因为当使用单个发散束时在扫描之间可能没有有效的停机时间。因此，物体可以被照亮更长的时间量。此外，由于单个发散束的相干处理时间通常比窄束的长，因此在使用单个发散束时速度分辨率可能更好。

尽管在本公开中仅描述了几个实施例，但应当理解，在不背离本公开的精神或范围的情况下，本公开可以以许多其他特定形式实施。举例来说，虽然单个发散的扇形束已被描述为适合基本上仅在方位角上进行扫描，但窄束可以替代地基本上仅在方位角上进行扫描。对于使用窄束的实施例，可以减少相干处理时间。

相干检测已被描述为包括对束使用FMCW或相位编码调制。相干检测不限于对束使用FMCW或相位编码调制。通常，相干检测提高了与激光雷达设备相关的灵敏度，并提供了相对于发散束的理想范围。

虽然光源已被描述为相对于自动驾驶车辆基本静止，例如不旋转，但应当理解，在一些实施例中，光源可以旋转以在方位角上扫描束。换言之，可以使用任何合适的方法来提供束并且使束基本上仅在方位角上被扫描。

自动驾驶车辆通常被描述为陆地车辆，或被布置为在陆地上推进或运输的车辆。应当理解，在一些实施例中，自动驾驶车辆可以被配置用于水上旅行、悬停旅行和/或空中旅行，而不背离本公开的精神或范围。

实施例可以实现为硬件、固件和/或软件逻辑，这些逻辑体现在有形的、即非暂态的介质中，当逻辑被执行时，其可操作以执行上述各种方法和过程。也就是说，逻辑可以体现为物理布置、模块或组件。例如，自动驾驶车辆的系统，如上面关于图3所描述的，可以包括硬件、固件和/或体现在有形介质上的软件。有形介质基本上可以是能够存储逻辑或计算机程序代码的任何计算机可读介质，所述逻辑或计算机程序代码可由例如处理器或整个计算系统执行以执行与实施例相关联的方法和功能。这样的计算机可读介质可以包括但不限于包括物理存储和/或存储器设备。可执行逻辑可以包括但不限于包括代码设备、计算机程序代码和/或可执行计算机命令或指令。

应当理解，计算机可读介质或机器可读介质可以包括暂态实施例和/或非暂态实施例，例如，信号或体现在载波中的信号。也就是说，计算机可读介质可以与非暂态有形介质和暂态传播信号相关联。

与本公开的方法相关的步骤可以广泛地变化。在不背离本公开范围的精神的情况下，可以添加、移除、改变、组合和重新排序步骤。因此，本申请的示例被认为是说明性的而不是限制性的，并且示例不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围内进行修改。

本文描述的程序是基于在特定实施例中实现它们的应用来识别的。然而，应当理解，本文中的任何特定程序命名法仅仅是为了方便而使用，因此实施例不应限于仅在由这种命名法识别和/或暗示的任何特定应用中使用。

与本文所述的操作相关的数据可以存储在任何常规或其他数据结构(例如，文件、数组、列表、堆栈、队列、记录等)内，并且可以存储在任何期望的存储单元(例如，数据库、数据或其他存储库、队列等)中。实体之间传输的数据可以包括任何所需的格式和排列，并且可以包括任何数量的任何类型的任何大小的字段来存储数据。任何数据集的定义和数据模型都可以以任何所需的方式(例如，计算机相关语言、图形表示、列表等)指示整体结构。

应当理解，本实施例的软件可以用任何期望的计算机语言来实现，并且可以由计算机领域的普通技术人员基于包含在说明书中的功能描述和附图所示的流程图来开发。此外，本文中对执行各种功能的软件的任何引用通常是指在软件控制下执行这些功能的计算机系统或处理器。本实施例的计算机系统可以替代地由任何类型的硬件和/或其他处理电路来实现。

计算机或其他处理系统的各种功能可以以任何方式分布在任何数量的软件和/或硬件模块或单元、处理或计算机系统和/或电路中，其中计算机或处理系统可以本地或彼此远程布置，并通过任何合适的通信介质(例如，局域网(LAN)、广域网(WAN)、内联网、互联网、硬线、调制解调器连接、无线等)进行通信。例如，本实施例的功能可以以任何方式分布在测试模块、网络设备、各种终端用户/客户端和服务器系统、和/或任何其他中间处理设备之间。上面描述的和流程图中说明的软件和/或算法可以以任何方式修改，以实现本文描述的功能。此外，流程图或描述中的功能可以按任何顺序执行，以实现所需的操作。

本文所述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络(例如，因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到外部计算机或外部存储设备。该网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令并且转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。

用于执行本申请的实施例的操作的计算机可读程序指令可以是用于集成电路的汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、配置数据，或以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，包括诸如Python、C++等的面向对象的编程语言，以及诸如“C”编程语言、Python或类似的编程语言的过程编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户计算机上和部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如，通过因特网使用因特网服务提供商)。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化电子电路来执行计算机可读程序指令，以便执行所呈现的实施例的各个方面。

本申请的实施例的各方面参考根据所呈现实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或框图被描述。应当理解，流程图说明和/或框图的每个块、以及流程图说明和/或框图中的块的组合，可以通过计算机可读程序指令来实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得通过计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现流程图和/或框图块或多个块中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以引导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括实现流程图和/或框图块或多个块中指定的功能/动作的方面的指令的制品。

计算机可读程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图块或多个块中指定的功能/动作。

图中的流程图和框图说明了根据各种呈现的实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个块可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现中，方框中标注的功能可能不按图中标注的顺序出现。例如，连续显示的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图说明的每个块、以及框图和/或流程图说明中的块的组合可以由执行指定功能或动作的专用基于硬件的系统实现，或执行专用硬件和计算机指令的组合。

在一种形式中，提供了一种用于执行激光雷达感测的方法。该方法包括：生成单个发散光束；将单个发散光束在方位角方向上扫描到目标区域中；基于来自目标区域的返回光应用相干检测，以检测目标区域中的一个或多个物体。单个发散光束可以具有仰角分量。单个发散光束可以是扇形光束。生成单个发散光束的操作可以包括：从稳定光源生成单个发散光束。扫描操作可包括：围绕车辆大约360度地扫描单个发散光束，以相对于车辆检测目标区域中的一个或多个物体。此外，单个发散束的扫描可以通过在方位角方向上将镜子旋转到目标区域中来实现。

该方法还可以包括：基于相干检测，导出目标区域中的一个或多个物体的速度。此外，该方法可以包括：对单个发散光束应用基带调制，并且其中应用相干检测包括：恢复出对返回光的调制并分析返回光的频率分量，以便检测目标区域中的一个或多个物体和这一个或多个物体的速度。

在另一种形式中，提供了一种激光雷达传感器装置，其包括：光发射器，被配置为生成具有仰角分量的单个发散光束；束转向机构，被配置为将单个发散光束在方位角方向上扫描到目标区域中；检测器，被配置为基于来自目标区域的返回光应用相干检测，以检测目标区域中的一个或多个物体。

在一种形式中，光发射器可以包括：稳定光源，被配置为输出光束；发散束生成器，被配置为接收来自稳定光源的光束并生成单个发散光束。束转向机构可以包括：镜子，被安装到旋转组件并被配置为旋转以便在方位角方向上扫描单个发散光束。在一种形式中，镜子是基本上平坦的镜子。

在一种形式中，发散束生成器可以包括光学元件，该光学元件被配置为从由稳定光源输出的光束生成单个发散光束，其中光学元件是以下之一：发散透镜、衍射光栅和棱镜。光学元件可以安装到旋转组件以便与镜子一起旋转。在一种形式中，发散束生成器包括曲面镜，该曲面镜被配置为接收由稳定光源输出的光束并将单个发散光束反射到目标区域中。束转向机构可以包括旋转组件，镜子附接到旋转组件，旋转组件被配置为旋转以便在方位角方向上扫描单个发散光束。束转向机构可以被配置为围绕车辆大约360度地扫描单个发散束，以相对于车辆检测目标区域中的一个或多个物体。

激光雷达传感器装置还可以包括基带调制器，该基带调制器被配置为将基带调制应用于单个发散光束，并且检测器可以包括基带解调器和检测处理器，基带解调器被配置为恢复出返回光的调制，检测处理器被配置为分析返回光的频率分量，以便检测目标区域中的一个或多个物体和一个或多个物体的速度。

在又一种形式中，提供了一种激光雷达传感器系统，包括：稳定光源，被配置为产生基本上连续的光束；基带调制器，被配置为生成基带调制；光学发射器，耦合到基带调制器并被配置为将基带调制应用于光束并产生调制光束，以用于发射到目标区域中；光学接收器，耦合到稳定光源并被配置为接收来自目标区域的返回光；基带解调器，耦合到光学接收器并被配置为对返回光进行解调以检测目标区域中的一个或多个物体。基带调制可以是以下之一：频率连续波调制或相位编码调制。

激光雷达传感器系统还可以包括：发散束生成器，被配置为接收来自稳定光源的光束并生成单个发散光束，基带调制器对单个发散光束应用基带调制以产生调制光束，以用于发射到目标区域中；束转向机构，被配置为将单个发散光束在方位角方向上扫描到目标区域中。

激光雷达传感器系统还可以包括：检测处理器，该检测处理器耦合到基带解调器并且被配置为分析返回光的频率分量以确定在目标区域中检测到的一个或多个物体的速度。

在一种形式中，光学发射器包括耦合到基带调制器的输出并耦合到稳定光源的混合器，该混合器被配置为将基带调制应用于光束，并且其中，光学接收器包括与稳定光源耦合并被配置为将返回光与稳定光源输出的光束混合的混合器。

在另一种形式中，光学发射器可以包括：移相器，被耦合以接收来自稳定光源的光束并被配置为将光束移相大约90度以产生相移光束；第一混合器，耦合到稳定光源并耦合到基带调制器的输出，第一混合器被配置为将基带调制应用于来自稳定光源的光束以产生第一调制光束；第二混合器，耦合到基带调制器的输出并耦合到移相器的输出，第二混合器被配置为将基带调制应用于相移光束以产生第二调制光束；光学组合器，被配置为组合第一调制光束和第二调制光束以产生调制发射光束，以用于发射到目标区域中。

在一种形式中，光学接收器包括：移相器，被耦合以接收来自稳定光源的光束并被配置为将光束移相大约90度以产生相移光束；第一混合器，被耦合以接收来自稳定光源的光束和返回光，第一混合器被配置为将返回光与光束混合以产生第一返回光束；第二混合器，被耦合以接收相移光束和返回光，第二混合器被配置为将返回光与相移光束混合以产生第二返回光束；其中，基带解调器被配置为接收第一返回光束和第二返回光束作为输入。

在一种形式中，激光雷达传感器系统还包括：数模转换器，被耦合以接收基带调制器的输出以将基带调制转换为模拟调制信号；模数转换器，被耦合以将从返回光得到的模拟接收信号转换为数字接收信号以提供给基带解调器；其中，光学发射器包括光学相位调制器和光学放大器，光学相位调制器被耦合以接收稳定光源输出的光束和模拟调制信号作为输入，其中，光学相位调制器被配置为将基带调制应用于光束以产生调制光束，光学放大器被配置为放大调制光束以产生放大的调制光束，以用于发射到目标区域中；其中，光学接收器包括光学组合器和光电检测器，光学组合器被配置为接收返回光和来自稳定光源的光束，其中，光学组合器被配置为向光电检测器输出组合光束，其中，光电检测器被配置为将组合光束转换为耦合到模数转换器的模拟接收信号。

各种实施例的描述是为了说明的目的而呈现的，但并不旨在穷举或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (26)

1.一种执行激光雷达感测的方法，包括：

生成单个发散光束；

将所述单个发散光束在方位角方向上扫描到目标区域中；以及

基于来自所述目标区域的返回光应用相干检测，以检测所述目标区域中的一个或多个物体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述单个发散光束具有仰角分量。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述相干检测，推导所述目标区域中的所述一个或多个物体的速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单个发散光束是扇形光束。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述单个发散光束包括：从稳定光源生成所述单个发散光束。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：对所述单个发散光束应用基带调制，并且其中，应用相干检测包括：恢复出对所述返回光的调制并分析所述返回光的频率分量，以便检测所述目标区域中的所述一个或多个物体和所述一个或多个物体的速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，扫描包括：围绕车辆大约360度地扫描所述单个发散光束，以相对于所述车辆检测所述目标区域中的所述一个或多个物体。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，扫描包括：在所述方位角方向上将镜子旋转到所述目标区域中。

9.一种激光雷达传感器装置，包括：

光发射器，被配置为生成具有仰角分量的单个发散光束；

束转向机构，被配置为将所述单个发散光束在方位角方向上扫描到目标区域中；和

检测器，被配置为基于来自所述目标区域的返回光应用相干检测，以检测所述目标区域中的一个或多个物体。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述光发射器包括：

稳定光源，被配置为输出光束；和

发散束生成器，被配置为接收来自所述稳定光源的光束并生成所述单个发散光束。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述束转向机构包括：

镜子，被安装到旋转组件并被配置为旋转以便在所述方位角方向上扫描所述单个发散光束。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述镜子是基本上平坦的镜子。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述发散束生成器包括光学元件，所述光学元件被配置为从由所述稳定光源输出的光束生成所述单个发散光束，其中所述光学元件是以下之一：发散透镜、衍射光栅和棱镜。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述光学元件被安装到所述旋转组件以便与所述镜子一起旋转。

15.根据权利要求10所述的装置，其中，所述发散束生成器包括曲面镜，所述曲面镜被配置为接收由所述稳定光源输出的光束并将所述单个发散光束反射到所述目标区域中。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述束转向机构包括旋转组件，所述镜子附接到所述旋转组件，所述旋转组件被配置为旋转以便在所述方位角方向上扫描所述单个发散光束。

17.根据权利要求9所述的激光雷达传感器装置，其中，所述束转向机构被配置为围绕车辆大约360度地扫描所述单个发散光束，以相对于所述车辆检测所述目标区域中的所述一个或多个物体。

18.根据权利要求9所述的激光雷达传感器装置，还包括基带调制器，该基带调制器被配置为将基带调制应用于所述单个发散光束，并且其中，所述检测器包括基带解调器和检测处理器，所述基带解调器被配置为恢复出对所述返回光的调制，所述检测处理器被配置为分析所述返回光的频率分量，以便检测所述目标区域中的所述一个或多个物体和所述一个或多个物体的速度。

19.一种激光雷达传感器系统，包括：

稳定光源，被配置为产生基本上连续的光束；

基带调制器，被配置为生成基带调制；

光学发射器，耦合到所述基带调制器并被配置为将基带调制应用于所述光束并产生调制光束以用于发射到目标区域中；

光学接收器，耦合到所述稳定光源并被配置为接收来自所述目标区域的返回光；和

基带解调器，耦合到所述光学接收器并被配置为对所述返回光进行解调以检测所述目标区域中的一个或多个物体。

20.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，还包括检测处理器，所述检测处理器耦合到所述基带解调器并且被配置为分析所述返回光的频率分量以确定在所述目标区域中检测到的所述一个或多个物体的速度。

21.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，其中，所述光学发射器包括混合器，该混合器耦合到所述基带调制器的输出并耦合到所述稳定光源，所述混合器被配置为将所述基带调制应用于所述光束，并且其中，所述光学接收器包括混合器，该混合器与所述稳定光源耦合并被配置为将所述返回光与所述稳定光源输出的光束混合。

22.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，其中，所述光学发射器包括：

移相器，被耦合以接收来自所述稳定光源的所述光束并被配置为将所述光束移相大约90度以产生相移光束；

第一混合器，耦合到所述稳定光源并耦合到所述基带调制器的输出，所述第一混合器被配置为将所述基带调制应用于来自所述稳定光源的所述光束以产生第一调制光束；

第二混合器，耦合到所述基带调制器的输出并耦合到所述移相器的输出，所述第二混合器被配置为将所述基带调制应用于所述相移光束以产生第二调制光束；和

光学组合器，被配置为组合所述第一调制光束和所述第二调制光束以产生调制发射光束，以用于发射到所述目标区域中。

23.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，其中，所述光学接收器包括：

移相器，被耦合以接收来自所述稳定光源的所述光束并被配置为将所述光束移相大约90度以产生相移光束；

第一混合器，被耦合以接收来自所述稳定光源的所述光束和所述返回光，所述第一混合器被配置为将所述返回光与所述光束混合以产生第一返回光束；和

第二混合器，被耦合以接收所述相移光束和所述返回光，所述第二混合器被配置为将所述返回光与所述相移光束混合以产生第二返回光束；

其中，所述基带解调器被配置为接收所述第一返回光束和所述第二返回光束作为输入。

24.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，还包括：

数模转换器，被耦合以接收所述基带调制器的输出，以将所述基带调制转换为模拟调制信号；和

模数转换器，被耦合以将从所述返回光得到的模拟接收信号转换为数字接收信号，以提供给所述基带解调器；

其中，所述光学发射器包括光学相位调制器和光学放大器，所述光学相位调制器被耦合以接收所述稳定光源输出的所述光束和所述模拟调制信号作为输入，其中，所述光学相位调制器被配置为将所述基带调制应用于所述光束以产生所述调制光束，所述光学放大器被配置为放大所述调制光束以产生放大的调制光束，以用于发射到所述目标区域中；

其中，所述光学接收器包括光学组合器和光电检测器，所述光学组合器被配置为接收所述返回光和来自所述稳定光源的所述光束，其中，所述光学组合器被配置为向所述光电检测器输出组合光束，其中，所述光电检测器被配置为将所述组合光束转换为耦合到所述模数转换器的所述模拟接收信号。

25.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，其中，所述基带调制是以下之一：频率连续波调制或相位编码调制。

26.根据权利要求19所述的激光雷达传感器系统，还包括：

发散光束生成器，被配置为接收来自所述稳定光源的所述光束并生成单个发散光束，所述基带调制器对所述单个发散光束应用所述基带调制以产生所述调制光束，以用于发射到所述目标区域中；和

束转向机构，被配置为将所述单个发散光束在方位角方向上扫描到所述目标区域中。

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