CN114730008A - 具有固态光谱扫描的光检测和测距系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种光检测和测距(LIDAR)设备，其包括：光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。

Description

具有固态光谱扫描的光检测和测距系统
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2019年6月21日提交的美国专利申请No.16/449,189的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开通常涉及提供对跨两个维度的对范围和速度的同时测量的光检测和测距(LIDAR)。
背景技术
快速扫描镜是在大多数常规LIDAR系统中用于照射场景的主要组件。一个镜通常沿着X方向(方位角)快速扫描，而另一镜沿着Y方向(仰角)缓慢扫描。光发射和从目标的反射的检测通常经由单模光纤同轴地完成。收集到的光具有用于提取范围和潜在的速度信息的测量延迟或改变的频率特征。当逐点检测到的范围信息与来自扫描镜的角位置反馈组合时，可以建立3D点云。
为了实现更高的帧频，增加镜的角速度，特别是在较快的扫描方向上的扫描器(在本文情况下为X扫描器)的角速度。当使用具有高角速度的镜和基于单模光纤的检测时，来自远处对象的目标信号严重劣化。信号劣化主要是由于从光学信号(脉冲或扫频)的发射时间起到来自远处散射目标的同一信号的收集时间为止扫描器镜的角位置的差异。这种轻微的角改变导致光纤尖端处的目标信号的走离(walk-off)，从而降低耦合效率，这将其本身表现为较弱的信号检测。随着光纤直径减小，例如直径为～10μm的单模光纤，或者随着镜的角速度增加，这种劣化变得更严重。
发明内容
本公开包括但不限于以下示例性实现。
一些示例实现提供一种光检测和测距(LIDAR)设备，其包括：光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。
一些示例实现提供一种方法，其包括：通过光检测和测距(LIDAR)系统的光源生成具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束。该方法还可以包括将具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束提供至色散元件，其中，该色散元件使具有第一频率的第一光束以第一角度偏转并且使具有第二频率的第二光束以第二角度偏转。
通过阅读以下详细描述以及下面简要描述的附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得明显。本公开包括本公开中所阐述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不管这些特征或要素是否在本文描述的特定示例实现中明确组合或以其它方式叙述。除非本公开的上下文另有明确规定，否则本公开旨在整体地阅读，使得本公开的任何可分离的特征或要素在其任何方面和示例实现中都应被视为可组合的。
因此，应当理解，提供本发明内容仅仅是为了总结一些示例实现，以提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当理解，上述示例实现仅仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围或精神。通过以下结合附图进行的详细描述，其它示例实现、方面和优点将变得明显，其中附图通过示例的方式示出一些所描述的示例实现的原理。
附图说明
从以下给出的详细描述和本公开的各个方面和实现的附图中，将更全面地理解本公开的实施例和实现，然而，这些实施例和实现不应被视为将本公开限于具体实施例或实现，而是仅用于说明和理解。
图1示出根据本公开的示例实现的LIDAR系统。
图2示出根据本公开的实施例的LIDAR系统的方面。
图3是根据本公开的实施例由围绕不同频率调谐的LIDAR系统生成的多个线性啁啾的示例的图示。
图4是根据本公开的实施例的基于光束的频率使光束以不同角度偏转的LIDAR系统的色散元件的示例的图示。
图5示出根据本公开的其它实施例的LIDAR系统的方面。
图6示出根据本公开的一些实施例的LIDAR系统的方面。
图7示出根据本公开的实施例的LIDAR系统的方面。
图8示出根据本公开的实施例的具有多个光源的LIDAR系统的方面。
图9描绘根据本公开的实现的利用LIDAR系统进行固态光谱扫描的方法的流程图。
具体实施方式
本公开的示例实现涉及一种改进的扫描LIDAR系统。本公开的示例实现基于使用频率调制(FM)和相干检测来克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制的一种类型的LIDAR。历史上，FM LIDAR系统在光束的返回路径中遭受显著损耗；因此，通常相当庞大的这种系统需要更高的平均光束输出功率来与飞行时间(TOF)LIDAR系统相当地测量距离。然而，范围受到针对眼睛安全的输出功率的操作距离的限制。
本公开的示例实现被配置为使用相干检测同时测量范围和速度，并且具有对来自其它LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。其它实现可以与非相干系统一起使用以改善范围、帧频或检测。示例实现使光束的返回路径中的光学损耗最小化，从而增加系统的测量范围。另外，通过使用非简并光源，示例实现可以利用通常在集成硅光子学中使用的成熟的波分复用(WDM)技术，由于其紧凑性和在变化的环境条件下的相对稳定性而成为期望的平台。
传统的调频连续波(FMCW)LIDAR系统依赖于在期望视场(FOV)上扫描一个激光束或多个激光束，以在三维(3D)和时间上映射目标空间。一个或多个激光束的角扫描使用移动机械组件，诸如基于检流计的扫描器等。基于检流计的扫描器以及其它基于机械的扫描器通常包含许多易于发生故障的移动部件。此外，由于基于机械的扫描器的复杂性，这种扫描器的价格相对较高，导致常规FMCW LIDAR系统的大规模制造困难。
本公开的示例实现通过使用包括色散元件的FMCW LIDAR系统进行光谱扫描来解决以上和其它缺陷。在实施例中，系统还可以使用衍射光栅或一些其它基于折射的光学器件，但是为了简单起见，术语“色散”可以用于涵盖操作元件由于源波长的变化而改变扫描角的方法。本公开的实施例利用由FMCW LIDAR系统的一个或多个光源生成的光束的基于波长/频率的操纵。FMCW LIDAR系统的光源可以生成在对应于FOV的带宽上具有不同频率的光束。例如，光源可以生成各自围绕不同频率调谐的多个线性啁啾(chirp)。具有不同频率的光束被提供至色散元件。色散元件是FMCW LIDAR系统的无源组件，其由基于光束的频率使光束以不同角度偏转的材料制成。例如，多个线性啁啾可以以不同的频率被提供至色散元件，使得啁啾的偏转角度覆盖期望的FOV。
因此，通过使用包括色散元件的FMCW LIDAR系统进行光谱扫描，可以在不使用基于机械的扫描器的情况下在期望FOV上传输光束。由于色散元件是不包含移动部件的无源组件，因此与基于机械的扫描器相比，故障的可能性显著减少，从而改进了FMCW LIDAR系统的性能。此外，与基于机械的扫描器相比，色散元件的成本相对较低，从而改进了FMCWLIDAR系统的可制造性。
尽管使用FMCW LIDAR系统描述了本公开的实施例，但是本公开的方面可以由包括但不限于运输、制造、计量、医疗和安全市场的任何感测市场使用。此外，本公开的方面可应用于任何类型的LIDAR系统。例如，本公开的方面可应用于TOF LIDAR系统。
图1示出根据本公开的示例实现的LIDAR系统100。LIDAR系统100包括多个组件各自中的一个或多个，但是可以包括与图1所示相比更少的或附加的组件。LIDAR系统100可以在任何感测市场中实现，诸如但不限于运输、制造、计量、医疗和安全系统等。例如，在汽车工业中，所描述的光束传递系统成为调频连续波(FMCW)装置的前端，其可以辅助自动驾驶员辅助系统或自动驾驶运载工具的空间感知。如图所示，LIDAR系统100包括在光子芯片上实现的光学电路101。光学电路101可以包括有源光学组件和无源光学组件的组合。有源光学组件可以生成、放大或检测光学信号等。在一些示例中，有源光学电路包括不同波长的光束、一个或多个光学放大器、或者一个或多个光学检测器等。
自由空间光学器件115可以包括一个或多个透镜元件以将光耦合进入和离开光学波导，以承载光学信号，并且将光学信号路由和操纵到有源光学电路的适当输入/输出端口。自由空间光学器件115还可以包括一个或多个光学组件，诸如抽头(tap)、波分复用器、分束器/合束器、偏振分束器、准直器或偶合器等。在一些实施例中，如下面进一步所讨论的，自由空间光学器件115可以包括用于变换偏振状态并使用PBS偏振分束器(PBS)将接收到的偏振光引导到光学检测器的组件。如下文将进一步详细描述的，自由空间光学器件115还包括用于使具有不同频率的光束沿着轴(例如，快轴)以不同角度偏转的色散元件。
在实施例中，LIDAR系统100包括光学扫描器102，光学扫描器102包括一个或多个扫描镜，扫描镜可沿着与色散元件的快轴正交或基本上正交的轴(例如慢轴)旋转，以操纵光学信号来根据扫描模式扫描环境。例如，扫描镜可以由一个或多个检流计(galvanometer)旋转。光学扫描器102还将入射到环境中的任何对象上的光收集成返回光束，该返回光束被返回到光学电路101的无源光学电路组件。例如，返回光束可以由偏振分束器引导到光学检测器。除了镜和检流计之外，光学扫描系统可以包括诸如四分之一波片、透镜或抗反射涂层窗口等的组件。
为了控制和支持光学电路101和光学扫描器102，LIDAR系统100包括LIDAR控制系统110。LIDAR控制系统110可以包括用于LIDAR系统100的处理装置。在实施例中，处理装置可以是一个或多个通用处理装置，诸如微处理器或中央处理单元等。更特别地，处理装置可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算机(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、或用于实现其它指令集的处理器、或用于实现指令集的组合的处理器。处理装置还可以是一个或多个专用处理装置，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或网络处理器等。
在一些实施例中，LIDAR控制系统110可以包括信号处理单元112，诸如数字信号处理器等。LIDAR控制系统110被配置为输出数字控制信号以控制光学驱动器103。在一些实施例中，数字控制信号可以通过信号转换单元106转换为模拟信号。例如，信号转换单元106可以包括数模转换器。然后，光学驱动器103可以向光学电路101的有源组件提供驱动信号，以驱动诸如激光器和放大器等的光源。在一些实施例中，可以提供若干光学驱动器103和信号转换单元106以驱动多个光源。
LIDAR控制系统110还被配置为输出用于光学扫描器102的数字控制信号。运动控制系统105可以基于从LIDAR控制系统110接收到的控制信号来控制光学扫描器102。例如，数模转换器可以将来自LIDAR控制系统110的坐标路由信息转换为可由光学扫描器102中的检流计解释的信号。在一些实施例中，运动控制系统105还可以向LIDAR控制系统110返回与光学扫描器102的组件的位置或操作有关的信息。例如，模数转换器进而可以将与检流计的位置有关的信息转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。
LIDAR控制系统110还被配置为分析输入的数字信号。在这方面，LIDAR系统100包括光学接收器104，以测量由光学电路101接收到的一个或多个光束。例如，参考光束接收器可以测量来自有源光学电路的参考光束的幅度，并且模数转换器将来自参考接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。目标接收器测量拍频(beat frequency)调制光学信号形式的、承载有与目标的范围和速度有关的信息的光学信号。反射光束可以与来自本地振荡器的第二信号混合。光学接收器104可以包括高速模数转换器，以将来自目标接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。在一些实施例中，来自光接收器104的信号可以在被LIDAR控制系统110接收之前进行信号调节107。例如，来自光接收器104的信号可以被提供至用于放大接收到的信号的运算放大器并且放大后的信号可以提供至LIDAR控制系统110。
在一些应用中，LIDAR系统100可以另外包括被配置为捕获环境的图像的一个或多个成像装置108、被配置为提供系统的地理位置的全球定位系统109、或其它传感器输入。LIDAR系统100还可以包括图像处理系统114。图像处理系统114可以被配置为接收图像和地理位置，并且将这些图像和位置或与其相关的信息发送到LIDAR控制系统110或者连接到LIDAR系统100的其它系统。
在根据一些示例的操作中，LIDAR系统100被配置为使用非简并光源来跨两个维度同时测量范围和速度。这种能力使得能够对周围环境的范围、速度、方位角和仰角进行实时、远程测量。在一些示例实现中，系统将多个经调制光束指向同一目标。
在一些示例中，扫描处理以光学驱动器103和LIDAR控制系统110开始。LIDAR控制系统110指示光学驱动器103独立地调制一个或多个光束，并且这些调制信号通过无源光学电路传播到准直器。准直器在光学扫描系统处引导光，该系统按运动控制子系统所定义的预编程模式来扫描环境。光学电路还可以包括用以在光离开光学电路101时变换光的偏振的偏振波片。在实施例中，偏振波片可以是四分之一波片或半波片。偏振光的部分也可以被反射回光学电路101。例如，透镜化或准直化系统可以具有用以将光的部分反射回光学电路101的自然反射属性或反射涂层。
从环境反射回的光学信号穿过光学电路101到达接收器。由于光的偏振已经被变换，因此可以与偏振光中的被反射回光学电路101的部分一起被偏振分束器反射。因此，反射光被反射到单独的光学接收器，而不是返回到与光源相同的光纤或波导。这些信号相互干涉并生成组合信号。从目标返回的各个光束信号产生时移波形。两个波形之间的时间相位差生成在光学接收器(光电检测器)上测量到的拍频。然后，组合信号可以被反射到光学接收器104。下面进一步描述用于将光束偏振并引导到光学接收器104的光学电路101的配置。
使用模数转换器(ADC)将来自光学接收器104的模拟信号转换为数字信号。然后将数字信号发送到LIDAR控制系统110。然后，信号处理单元112可以接收这些数字信号并对其进行解释。在一些实施例中，信号处理单元112还接收来自运动控制系统105的位置数据以及来自图像处理系统114的图像数据。然后，信号处理单元112可以随着光学扫描器102扫描附加点而生成具有与环境中的点的范围和速度有关的信息的3D点云。信号处理单元112还可以将3D点云数据与图像数据叠加，以确定周围区域中的对象的速度和距离。该系统还处理基于卫星的导航位置数据以提供精确的全球位置。
图2示出根据本公开的实施例的LIDAR系统200的方面。在实施例中，LIDAR系统200的一个或多个组件可以在光子芯片240中实现。如图所示，光源202生成光束218。在一些实施例中，多个光源可以用于生成多个光束。在实施例中，多个光束可以具有彼此不同的波长/频率。例如，第一光源可以生成具有第一频率的第一光束，并且第二光源可以生成具有不同于第一频率的第二频率的第二光束。光束218被提供至包括可操作地耦合到光源202的抽头(例如，ISOTAP 204)的光学隔离器。ISOTAP 204允许光束218在一个方向上的传输，防止光学反馈。ISOTAP 204的抽头将光束218的一部分分离为参考信号230。参考信号230可被提供至参考臂电路的耦合器210。耦合器210接收参考信号230并分离参考信号230的一部分以产生本地振荡器(LO)信号228。在实施例中，耦合器210可以是平衡的(50/50)或不平衡的耦合器。参考信号230可被提供至参考臂电路的干涉仪232，该干涉仪232可操作地耦合到耦合器210。在实施例中，干涉仪232可以是马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，所述马赫-曾德尔干涉仪用于确定通过对参考信号230进行分离而导出的光束之间的相对相移变化。然后，干涉仪232可以将参考信号230提供至参考臂电路的光电检测器234以供后续分析。
光束218被提供至可操作地耦合至ISOTAP 204的光学放大器206。光学放大器206对光束218的光信号进行放大。LIDAR系统200还可以包括至少一个光学装置以将光束218朝向准直器212路由并且将目标信号222路由到光检测器226。如图所示，光学装置包括偏振分束器(PBS)208和偏振波片(PWP)214。合适的光学装置的其它示例可以包括光学环行器或分光器/组合器。
光束218可以穿过偏振分束器(PBS)208，该偏振分束器操作性地耦合至光学放大器206。
光束218可被提供至准直器212以聚焦/准直光束218。光束218可被提供至变换光束218的偏振的偏振波片(PWP)214。例如，光束218的偏振可以被变换成圆偏振。在一些实施例中，光学环行器而不是PWP和/或PBS可以用于重新引导光束218。
在变换光的偏振时，光束218可以被提供至色散元件216。色散元件216可以由基于光束的频率使光束以不同角度偏转的材料组成。例如，色散元件216可以使具有第一频率(例如，f1)的光束218以第一角度偏转并且使具有第二频率(例如，f2)的光束以第二角度偏转。在实施例中，色散元件216可以使光束沿着与LIDAR系统200的快速扫描方向相对应的轴以一定角度偏转。例如，色散元件216可以使光束沿着水平或基本上水平的轴偏转。
在一些实施例中，已经被色散元件216偏转的光束218可以经由扫描器236(例如，图1的光学扫描器102)朝向目标220传输。在其它实施例中，LIDAR系统200可以不包括扫描器236，并且可以经由色散元件216朝向目标220传输光束218。扫描器236可使光束218沿着对应于与LIDAR系统200的快速扫描方向正交或基本上正交的慢速扫描方向的轴238偏转，以生成3D映射。例如，如果LIDAR系统200的快速扫描方向沿着水平轴，则扫描器236可以使光束218沿着垂直轴偏转。当光束218撞击目标220时，光束的一部分作为目标信号222返回LIDAR系统200。目标信号222穿过扫描器236、色散元件216、PWP214和准直器212。
目标信号222由PBS 208接收。由于目标信号222的偏转被PWP 214转换，因此目标信号222被PBS 208反射而不是穿过PBS 208。目标信号222由PBS208朝向耦合器224反射。耦合器224接收目标信号222和本地振荡器信号228，并产生包括目标信号222和本地振荡器信号228两者的组合信号。在实施例中，耦合器224可以是平衡(50/50)或不平衡耦合器。组合信号然后由光电检测器226接收以供后续分析，如前所述。
在一些实施例中，如果本地振荡器信号228和目标信号222在空间上重叠，则本地振荡器信号228和目标信号222可在不使用耦合器224的情况下被提供至光电检测器226。例如，LIDAR系统200可以不包括耦合器224，在这种情况下，本地振荡器信号228和目标信号222可以在光电检测器226处光学混合。
图3是根据本公开的实施例由LIDAR系统生成的围绕不同频率调谐的多个线性啁啾的示例的图示300。图示300是光束的频率(Y轴)相对于时间(X轴)的图形表示。由光源生成的光束(诸如图2的光束218等)可以是围绕不同频率调谐的线性啁啾。各个线性啁啾(例如，线性啁啾305、310、315和320)可包括啁啾的频率以线性或基本上线性的速率增加的时间部分以及啁啾的频率以线性或基本上线性的速率降低的时间部分。
线性啁啾305、310、315和320可分别围绕频率325、330、335和340调谐。频率325、330、335和340可对应于LIDAR系统的色散元件的不同偏转角度。例如，频率325、330、335和340可对应于覆盖LIDAR系统的期望FOV的色散元件的偏转角度。
图4是根据本公开的实施例的基于光束的频率使光束以不同角度偏转的LIDAR系统的色散元件的示例的图示400。在图示400中，光束218被提供至色散元件216。如前所述的，色散元件216基于光束218的频率使光束218以不同角度偏转。
图4示出由具有不同频率(例如，f1、f2、f3和f4)的光源生成的一系列四个光束。色散元件216可以使具有频率f1的光束218以角度405偏转、使具有频率f2的光束218以角度410偏转、使具有频率f3的光束218以角度415偏转以及使具有频率f4的光束以角度420偏转。如前所述，色散元件216可以沿着对应于LIDAR系统的快速扫描方向的轴425以角度405、410、415和420使一系列光束偏转。
图5示出根据本公开的其它实施例的LIDAR系统500的方面。LIDAR系统500的组件可以类似于LIDAR系统200的组件。然而，本地振荡器信号228可由PWP 214之后的反射器402再现，而不是利用耦合器(例如，耦合器210)来分离参考信号230的一部分以产生本地振荡器信号228。例如，反射器402可以在朝向光源202的方向上反射光束218的一部分。在一些实施例中，可以使用PWP 214上的单独的镜、回射器、微透镜阵列、滤波器或反射涂层。光束218的反射部分变成本地振荡器信号228，用于干扰返回的目标信号222。
类似于图2中的目标信号222，由于本地振荡器信号228的偏振已经变换，因此PBS208在朝向耦合器224的方向上反射本地振荡器信号228，而不是允许本地振荡器信号228穿过PBS 208。在一些实施例中，如前所述，LIDAR系统500可以不包括耦合器224，并且本地振荡器信号228和目标信号222可以在光电检测器226处光学混合。
图6示出根据本公开的一些实施例的LIDAR系统600的方面。LIDAR系统600的组件可以类似于LIDAR系统200的组件。然而，LIDAR系统600利用光学环行器602将光束218引导至准直器212并将目标信号引导至耦合器224，而不是利用PBS(例如，PBS 208)来引导光束218和目标信号222。在一些实施例中，如前所述，LIDAR系统600可以不包括耦合器224，并且本地振荡器信号228和目标信号222可以在光电检测器226处光学混合。此外，由于LIDAR系统600不利用PBS，因此不需要变换光束218的偏振。因此，LIDAR系统600可以不包括PWP(例如，PWP 214)。
图7示出根据本公开的一些实施例的LIDAR系统700的方面。LIDAR系统700的组件可以类似于LIDAR系统600的组件。然而，本地振荡器信号228可以由准直器212的反射器702产生，而不是利用耦合器(例如，耦合器210)来分离参考信号230的一部分以产生本地振荡器信号228。例如，反射器702可以在朝向光源202的方向上反射光束218的一部分。在一些实施例中，可以使用准直器212上的单独的镜、回射器、微透镜阵列、滤波器或反射涂层。光束218的反射部分变成本地振荡器信号228，用于干扰返回的目标信号222。
类似于图6中的目标信号222，光学环行器602可接收本地振荡器信号228且将本地振荡器信号228引导至耦合器224。在一些实施例中，如前所述，LIDAR系统700可以不包括耦合器224，并且本地振荡器信号228和目标信号222可以在光电检测器226处光学混合。
图8示出根据本公开的实施例的具有多个光源的LIDAR系统800的方面。LIDAR系统800的组件可以类似于LIDAR系统200的组件。为了清楚起见，LIDAR系统800的这些组件中的一些组件(例如，自由空间光学器件、光学装置、参考臂电路等)已经从图8中省略。不是利用单个光源，LIDAR系统800利用多个光源(例如，光源202a和光源202b)，这些光源各自生成具有不同频率的光束。例如，光源202a可以生成具有第一频率(f1)的光束218a并且光源202b可以生成具有第二频率(f2)的光束218b。光束218a和光束218b可以被提供至色散元件216。色散元件216可以基于光束218a和218b的频率使光束218a和218b以不同角度偏转。尽管被示出为具有两个光源，但在实施例中，LIDAR系统800可以包括生成具有不同频率的光束的任何数量的光源。
图9描绘根据本公开的实现的用于使用LIDAR系统进行固态光谱扫描的方法900的流程图。在实施例中，方法900的各个部分可以分别由图1、2、5、6、7和8的LIDAR系统100、200、500、600、700和/或800进行。
参考图9，方法900示出各个实施例所使用的示例功能。尽管在方法900中公开了特定的功能块(“块”)，但是这样的块是示例。即，实施例非常适合于进行方法900中陈述的各个其它块或块的变形。可以理解，方法900中的块可按不同于所呈现的顺序来进行，并且可能不是进行方法900中的所有块。
在块902处，LIDAR系统的光源生成具有第一频率的第一光束。LIDAR系统的光源可以在第一时间生成具有第一频率的第一光束。
在块904处，光源生成具有第二频率的第二光束。LIDAR系统的光源可以在晚于第一时间的第二时间生成具有第二频率的第二光束。在一些实施例中，多个光源可以生成光束。例如，第一光源可以在块902处生成第一光束，并且第二光源可以生成第二光束。
在使用多个光源来生成不同频率的光束的实施例中，可在不同时间或在相同或基本上相似时间生成光束。在相同或基本上相似的时间生成光束可以获得扫描时间的显著减少，进一步改进了LIDAR系统的性能。
在一些实施例中，如前所述，多个光源可以是可调谐光源，这些可调谐光源可以各自生成围绕频率范围为中心的光束。视场可以被分成多个部分，并且各个可调谐光源可在各自相同或基本上相似的时间生成光束以彼此平行地扫描视场的不同部分，从而获得扫描时间的减少并且改进了LIDAR系统的性能。
在块906处，LIDAR系统使用第一光束生成第一本地振荡器(LO)信号并且使用第二光束生成第二本地振荡器信号。在一些实施例中，第一LO信号和第二LO信号可由LIDAR系统的耦合器生成，耦合器分离与第一光束和第二光束相关联的参考信号的一部分以生成第一LO信号和第二LO信号，如之前在图2中所描述的。在其它实施例中，可通过反射第一光束和第二光束的一部分来生成第一LO信号和第二LO信号，如之前在图5中所描述的。
在块908处，将具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束提供至色散元件。如前所述，色散元件使具有第一频率的第一光束以第一角度偏转，并且使具有第二频率的第二光束以第二角度偏转。第二光束可以在比第一光束更晚的时间被提供至色散元件。
在块910处，LIDAR系统接收与第一光束相关联的第一目标信号以及与第二光束相关联的第二目标信号。第一目标信号和第二目标信号可以分别对应于物体对第一光束和第二光束的反射。
在块912处，将第一目标信号与第一LO信号组合以生成第一组合信号，并且将第二目标信号与第二LO信号组合以生成第二组合信号。
在块914处，将第一组合信号和第二组合信号提供至光电检测器以供后续分析。
前面的描述阐述了许多具体细节，诸如具体系统、组件、方法等的示例等，以提供对本公开的若干实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的至少一些实施例。在其它情况下，没有详细描述或以简单的框图格式呈现公知的组件或方法，以避免不必要地模糊本公开。因此，所阐述的具体细节仅仅是示例性的。虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但是这些不应被解释为对任何发明的范围或可以要求保护的内容的范围的限制，而是被解释为对特定发明的特定实施例特有的特征的描述。本说明书中在单独的实施例的背景下描述的某些特征也可以在单个实施例中以组合的方式实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的不同特征也可单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，尽管特征可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下可以从组合中去除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。此外，上述实施例中的不同系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。特定实施例可以与这些示例性细节不同，并且仍然被认为在本公开的范围内。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合包括在至少一个实施例中的实施例所描述的特定特征、结构或特性。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”没有必要一定都指代同一实施例。另外，术语“或”旨在表示包含性的“或”，而不是排他性的“或”。
尽管以特定顺序示出和描述了本文的方法的操作，但是可以改变各个方法的操作的顺序，使得某些操作可以以相反的顺序进行，或者使得某些操作可以至少部分地与其它操作同时进行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以是间歇或交替的方式。
本发明的所示实现的上述描述(包括摘要中所描述的内容)并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然出于说明性目的在本文中描述了本发明的具体实现和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种等同修改是可能的。词语“示例”或“示例性”在本文中用于表示用作示例、实例或说明。本文中被描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计没有必要一定被解释为比其它方面或设计优选或有利。相反，词语“示例”或“示例性”的使用旨在以具体的方式呈现概念。如本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚，否则“X包括A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包括A；X包括B；或者X包括A和B这两者，则在任何前述情况下满足“X包括A或B”。此外，本申请和所附权利要求中所使用的冠词“a”和“an”通常应被解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式。此外，贯穿全文使用术语“实施例”或“一个实施例”或“实现”或“一个实现”并不旨在表示同一实施例或实现，除非如此描述。此外，如本文所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等意指作为在不同要素之间进行区分的标签，并且可能没有必要一定具有根据它们的数字标记的序数含义。

Claims (20)

1.一种光检测和测距设备即LIDAR设备，包括：
光源，用于发射具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及
色散元件，用于使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。
2.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述色散元件使所述第一光束和所述第二光束沿着第一轴偏转，所述LIDAR设备还包括：
扫描器，用于使所述第一光束和所述第二光束沿着与所述第一轴正交的第二轴偏转。
3.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
偏振分束器即PBS，用于使光的第一偏振状态在第一方向上穿过所述PBS并且使光的第二偏振状态在不同于所述第一方向的第二方向上反射。
4.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
光学环行器，用于在第一方向上引导来自所述光源的所述第一光束和所述第二光束并且在第二方向上引导与所述第一光束相关联的第一目标信号以及与所述第二光束相关联的第二目标信号。
5.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
光电检测器，用于接收包括与所述第一光束相关联的第一本地振荡器信号和第一目标信号的第一组合信号以及包括与所述第二光束相关联的第二本地振荡器信号和第二目标信号的第二组合信号。
6.根据权利要求5所述的LIDAR设备，其中，所述光源和所述光电检测器定位在光子芯片上。
7.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括用于变换所述第一光束和所述第二光束的偏振状态的偏振波片。
8.根据权利要求7所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片包括四分之一波片以及半波片之一。
9.根据权利要求7所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片还包括反射器或涂层，所述反射器或涂层用以返回所述第一光束的部分作为第一本地振荡器信号并且返回所述第二光束的部分作为第二本地振荡器信号。
10.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，具有所述第一频率的所述第一光束包括围绕所述第一频率调谐的第一线性啁啾，并且具有所述第二频率的所述第二光束包括围绕所述第二频率调谐的第二线性啁啾。
11.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
光学隔离器，其包括抽头，所述抽头用于将所述第一光束的部分作为第一参考信号以及将所述第二光束的部分作为第二参考信号提供至参考臂电路。
12.根据权利要求11所述的LIDAR设备，其中，所述参考臂电路包括：
干涉仪，用于接收所述第一参考信号和所述第二参考信号；以及
光电检测器，用于从所述干涉仪接收所述第一参考信号和所述第二参考信号。
13.根据权利要求12所述的LIDAR设备，其中，所述参考臂电路还包括：
耦合器，用于将所述第一参考信号的部分分离以生成第一本地振荡器信号，并且将所述第二参考信号的部分分离以生成第二本地振荡器信号。
14.一种方法，包括：
通过光检测和测距系统即LIDAR系统的光源生成具有第一频率的第一光束和具有第二频率的第二光束；以及
将具有所述第一频率的所述第一光束和具有所述第二频率的所述第二光束提供至色散元件，其中，所述色散元件使具有所述第一频率的所述第一光束以第一角度偏转并且使具有所述第二频率的所述第二光束以第二角度偏转。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述色散元件使所述第一光束和所述第二光束沿着第一轴偏转，所述方法还包括：
将所述第一光束和所述第二光束提供至扫描器，其中，所述扫描器使所述第一光束和所述第二光束沿着与所述第一轴正交的第二轴偏转。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过第一耦合器将所述第一光束的部分分离以生成第一本地振荡器信号并且将所述第二光束的部分分离以生成第二本地振荡器信号；
接收与所述第一光束相关联的第一目标信号以及与所述第二光束相关联的第二目标信号；
通过第二耦合器将所述第一目标信号与所述第一本地振荡器信号组合以生成第一组合信号，并且将所述第二目标信号与所述第二本地振荡器信号组合以生成第二组合信号；以及
将所述第一组合信号和所述第二组合信号提供至光电检测器。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过偏振波片的反射器或涂层反射所述第一光束的部分以生成第一本地振荡器信号并且反射所述第二光束以生成第二本地振荡器信号；
接收与所述第一光束相关联的第一目标信号以及与所述第二光束相关联的第二目标信号；
通过耦合器将所述第一目标信号与所述第一本地振荡器信号组合以生成第一组合信号，并且将所述第二目标信号与所述第二本地振荡器信号组合以生成第二组合信号；以及
将所述第一组合信号和所述第二组合信号提供至光电检测器。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，生成具有所述第一频率的所述第一光束和具有所述第二频率的所述第二光束包括：
产生围绕所述第一频率调谐的第一线性啁啾和围绕所述第二频率调谐的第二线性啁啾。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将所述第二光束和所述第一光束的部分作为参考信号提供至参考臂电路。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过所述LIDAR系统的多个光源生成多个光束，所述多个光束中的各个光束具有不同的相应的频率。
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