CN115657070B - 用以调节多普勒效应的lidar系统 - Google Patents

用以调节多普勒效应的lidar系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用以调节多普勒效应的LIDAR系统。相位编码LIDAR的多普勒校正包括：指示用于相位编码信号的相位序列的码，以及确定该信号的第一傅里叶变换。将激光光学信号用作参考，并基于上述码对激光光学信号进行调制以产生传输相位编码光学信号。作为响应，接收返回光学信号。将返回光学信号与上述参考混合。检测混合的光学信号以产生电信号。确定电信号的同相分量与正交分量之间的交叉频谱。多普勒偏移基于交叉频谱中的峰。基于多普勒偏移操作装置。有时，电信号的第二傅里叶变换和多普勒频移产生校正的傅里叶变换，并且然后产生互相关关系。基于互相关关系中的峰确定距离。

Description

用以调节多普勒效应的LIDAR系统
本申请是于2019年8月2日进入中国国家阶段的、PCT申请号为PCT/US2018/016632、国际申请日为2018年2月2日、中国申请号为201880009947.5的中国发明专利申请“用以调节多普勒效应的LIDAR系统”的分案申请。
相关申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2017年2月3日提交的非临时申请第15/423,978号的权益，其全部内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全阐述。
背景技术
通常由助记符LIDAR述及的用于光检测和测距的使用激光器的光学距离检测用于从测高到成像再到碰撞避免的各种应用。与传统微波测距系统诸如无线电波检测和测距(RADAR)相比，LIDAR以较小波束大小提供较精细的标度距离分辨率。光学距离检测可以通过几种不同的技术来完成，包括基于光学脉冲到对象的往返行进时间的直接测距，以及基于传输的啁啾光学信号和从对象散射的返回信号之间的频率差的啁啾检测，以及基于可与自然信号区分的单频相位变化序列的相位编码检测。
为了实现可接受的距离准确度和检测灵敏度，直接长距离(long range，远程)LIDAR系统使用脉冲重复率低且脉冲峰功率极高的短脉冲激光器。高脉冲功率可能引起光学部件快速退化。啁啾和相位编码LIDAR系统使用峰光学功率相对低的长光学脉冲。在该配置下，距离准确度随着啁啾带宽或相位码的长度而不是脉冲持续时间而增加，因此仍然可以获得优异的距离准确度。
已经通过使用宽带射频(RF)电信号调制光学载波来实现有用的光学啁啾带宽。啁啾LIDAR的最新进展包括使用相同的经调制的光学载波作为参考信号，该参考信号与返回信号在光学检测器处组合以在结果电信号中产生与参考信号和返回光学信号之间的频率或相位差成比例的RF频带中的相对低的拍频。检测器处的这种频率差的拍频检测称为外差检测。它具有本领域已知的若干优点，诸如使用现成且廉价可用的RF部件的优点。专利7,742,152中描述的最近成果示出了一种新颖的较简单的光学部件布置，该布置使用从传输的光学信号分离的光学信号作为参考光学信号，上述专利的全部内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全阐述，除了与本文中使用的术语不一致的术语。该布置在该专利中称为零差检测。
还使用了利用调制到光学载波上的相位编码的微波信号的LIDAR检测。这里带宽B与承载每个相位的脉冲的持续时间τ的倒数成比例(B＝1/τ)，其中任何相位编码的信号由大量此类脉冲组成。该技术依赖于使返回信号中的特定频率的相位序列(或相位变化)与传输信号中的特定频率的相位序列(或相位变化)相关联。与相关峰相关联的时间延迟以介质中的光速与距离有关。距离分辨率与脉冲宽度τ成比例。该技术的优点包括需要较少的部件，以及使用大量生产的针对相位编码微波和光学通信研发的硬件部件。
发明内容
本发明人已经认识到下述情况和应用：其中，使用光学相位编码检测到其的距离的对象的运动由于多普勒偏移(Doppler shift，多普勒频移)而显著影响这种应用。提供了用于检测多普勒效应以确定对象的速度然后在来自这种光学相位编码的距离测量中补偿多普勒效应的技术。
在第一组实施方式中，方法包括在处理器上确定指示用于相位编码射频信号的相位序列的码，以及确定相位编码射频信号的第一傅里叶变换。该方法还包括基于码对来自激光器的光学信号进行调制以产生相位编码光学信号，以及传输相位编码光学信号。此外，该方法包括响应于传输相位编码光学信号接收返回光学信号，以及将返回光学信号与基于来自激光器的光学信号的参考光学信号混合。此外，该方法包括在光学检测器处检测混合的光学信号以产生电信号。更加地，该方法包括在处理器上确定电信号的同相分量与电信号的正交分量之间的交叉频谱，基于交叉频谱中的峰确定返回光学信号的多普勒频移。此外，该方法包括基于多普勒频移操作装置。
在第一组的一些实施方式中，将返回光学信号与参考光学信号混合包括：将返回光学信号与参考光学信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号。此外，在光学检测器处检测混合的光学信号包括：在第一检测器处检测同相光学信号以产生第一电信号；以及在第二光学检测器处检测正交光学信号以产生第二电信号。此外，确定交叉频谱：包括确定第一电信号与第二电信号之间的交叉频谱。
在这些实施方式的中的一些实施方式中，将返回光学信号与参考光学信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号包括：将返回光学信号与参考光学信号混合，以产生作为同相的返回光学信号与参考信号之和的第一光学信号、作为同相的返回光学信号与参考信号之差的第二光学信号、作为正交的返回光学信号与参考信号之和的第三光学信号、作为正交的返回光学信号与参考信号之差的第四光学信号。在这些实施方式中，在第一检测器处检测同相光学信号以产生第一电信号包括在第一检测器处检测第一光学信号和第二光学信号。同样在这些实施方式中，在第二光学检测器处检测正交光学信号以产生第二电信号包括在第二光学检测器处检测第三光学信号和第四光学信号。
在第一组的一些实施方式中，该方法还包括：在处理器上确定电信号的第二傅里叶变换，以及基于第二傅里叶变换和多普勒频移确定第三傅里叶变换。更加地，该方法包括：在处理器上基于第一傅里叶变换和第三傅里叶变换确定互相关关系，以及基于互相关关系中的第一峰的时间滞后确定第一距离。在这些实施方式中，基于多普勒频移操作装置包括基于第一距离操作装置。
在其他实施方式中，系统或设备或计算机可读介质被配置成执行上述方法的一个或多个步骤。
然而，其他方面、特征和优点将根据以下简单地通过示出若干具体实施方式和实现(包括预期用于实施本发明的最佳模式)进行的详细描述而容易地变得明显。其他实施方式也能够具有其他和不同的特征和优点，并且可以在各种明显的方面修改其若干细节，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。因此，附图和描述本质上被认为是说明性而非限制性的。
附图说明
在所附的附图中，通过示例而非限制的方式示出了实施方式，其中相同的附图标记指代类似的元件，并且其中：
图1A是示出了根据实施方式的用于测量距离的示例传输光学相位编码信号的示意图；
图1B是示出了根据实施方式的图1A的作为一系列二进制位数的示例传输信号以及用于测量距离的返回光学信号的示意图；
图1C是示出了根据实施方式的参考信号与两个返回信号的示例互相关关系的示意图；
图1D是示出根据实施方式的参考信号的示例频谱和被多普勒偏移的返回信号的示例频谱的示意图；
图1E是示出了根据实施方式的被多普勒偏移的返回信号的相位分量的示例交叉频谱的示意图；
图2是示出了根据实施方式的高分辨率LIDAR系统的示例部件的框图；
图3A是示出了根据实施方式的相位编码LIDAR系统的示例部件的框图；
图3B是示出了根据实施方式的多普勒补偿相位编码LIDAR系统的示例部件的框图；
图4是示出根据实施方式的用于使用多普勒校正的相位编码LIDAR系统来确定和补偿对距离的多普勒效应的示例方法的流程图；
图5A是示出了根据实施方式的由光学检测器输出的用于基本上静止的对象的示例性电同相和正交幅度的曲线图，该基本上静止的对象不引入显著的多普勒偏移；
图5B是示出了根据实施方式的由光学检测器输出的用于移动对象的示例电同相和正交幅度的曲线图，该移动对象确实引入了显著的多普勒偏移；
图6A是示出了根据实施方式的用于基本上静止的对象的返回信号的同相和正交分量的示例交叉频谱的曲线图，该基本上静止的对象不引入显著的多普勒偏移；
图6B和图6C是示出了根据实施方式的用于移动对象的返回信号的同相和正交分量的示例交叉频谱的图，该移动对象确实引入了显著的多普勒偏移；
图7A和图7B是示出了根据实施方式的在不对传输信号的若干块取平均的情况下用于基本上静止的对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像(profile，简档、分布、图谱))的示例迹线的曲线图；
图7C和图7D是示出了根据实施方式的在对传输信号的若干块取平均的情况下用于基本上静止的对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图。
图8A和图8B是示出了根据实施方式的用于具有多普勒补偿的移动对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图；
图9A是示出了根据实施方式的用于利用基于未被分离成同相光学信号和正交光学信号的混合的光学信号的多普勒补偿的移动对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图；
图9B是示出了根据实施方式的用于利用基于被分离成同相光学信号和正交光学信号的混合的光学信号的多普勒补偿的移动对象的返回信号中的互相关幅度与时间(距离像)的示例优秀迹线的曲线图；
图10是示出了根据实施方式的示例多普勒模糊空间的曲线图，以示出容易区分的多普勒效应；
图11是示出了根据实施方式的示例性多点平均以从内部光学器件移除返回的框图；
图12A至图12D是示出了根据实施方式的在进行校正以从内部光学器件移除返回之前和之后的示例距离信号的曲线图；
图13是示出了根据实施方式的具有被成功处理的多个不同多普勒偏移的示例多个距离返回的图像；
图14是示出了可以在其上实现本发明的实施方式的计算机系统的框图；以及
图15示出了可以在其上实现本发明的实施方式的芯片组。
具体实施方式
描述了一种用于对光学相位编码距离检测进行多普勒校正的方法和设备以及系统和计算机可读介质。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，以框图形式示出了公知的结构和设备，以避免不必要地模糊本发明。
尽管阐述宽范围的数值范围和参数是近似值，但是尽可能精确地报告了具体的非限制性实施方式中阐述的数值。然而，任何数值固有地包含某些误差，这些误差必然是由于在撰写本文时在各自的测试测量中发现的标准偏差。此外，除非上下文另有说明，否则本文呈现的数值具有由最低有效位给出的暗含精度。因此，值1.1暗含从1.05到1.15的值。术语“约”用于表示以给定值为中心的较宽范围，并且除非上下文另有说明，否则暗含最低有效位周围的较宽范围，诸如“约1.1”暗含从1.0到1.2的范围。如果最低有效位不清楚，则术语“约”暗含因数2，例如，“约X”表示0.5X至2X的范围内的值，例如，约100表示50至200范围内的值。此外，本文公开的所有范围应理解为包涵本文包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括最小值零和最大值10(含)之间的任何和所有子范围，即，具有等于或大于0的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至4。
下面在对被调制到光学信号上的射频进行二进制π/2(90度)相位编码的背景下描述本发明的一些实施方式；但是，实施方式不限于该背景。在其他实施方式中，使用其他相位编码，其具有不同的相位差(例如，30、60或180度)或利用3个或更多个不同相位进行编码。在单个检测器或检测器对上的单个光学波束及其返回波束的背景下描述实施方式，在其他实施方式中，然后可以使用任何已知的扫描装置对单个光学波束及其返回波束进行扫描，诸如线性步进或旋转光学部件，或者利用传输器的阵列或检测器的阵列或检测器对。
1.相位编码检测概述
图1A是示出了根据实施方式的用于测量距离的示例传输光学相位编码信号的示意图110。横轴112表示从零处的开始时间起的以任意单位计的时间。左竖轴114a表示在传输信号期间以任意单位计的功率；并且，右竖轴114b表示以任意单位计的传输信号的相位。为了最简单地说明相位编码LIDAR的技术，演示了二进制相位编码。迹线115表示相对于左轴114a的功率，并且在传输信号期间是恒定的并在传输信号之外下降到零。虚线迹线116表示信号相对于连续波信号的相位。
可以看出，对于传输信号的一部分，迹线与载波同相(相位＝0)，然后在短时间间隔内改变Δφ(相位＝Δφ)，在传输信号上重复地在两个相位值之间来回切换，如省略号117所示。恒定相位的最短间隔是编码参数，称为脉冲持续时间τ，并且通常是频带中的最低频率的几个周期的持续时间。倒数1/τ是波特率，其中每个波特表示一符号。在传输信号的时间期间这种恒定相位脉冲的数量N是符号的数量N并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位可以被认为对于一个值是0而对于另一个值是1，因此符号是一位(bit，比特)，波特率也被称为比特率。在多相位编码中，存在多个相位值。例如，4个相位值，诸如Δv*{0，1，2和3}，对于Δφ＝π/2(90度)，其分别等于{0，π/2，π和3π/2}；因此，4个相位值可以分别代表0、1、2、3。在这个示例中，每个符号是两位，并且比特率是波特率的两倍。
相移键控(PSK)是指通过改变(调制)参考信号(载波)的相位来传送数据的数字调制方案，如图1A所示。通过在精确时间改变正弦和余弦输入来外加调制。在射频(RF)，PSK广泛用于无线局域网(LAN)、RF识别(RFID)和蓝牙通信。替代性地，代替相对于恒定参考波操作，传输可以相对于其自身操作。单个传输波形的相位变化可以被认为是符号。在该系统中，解调器确定接收信号的相位变化而不是相位(相对于参考波)本身。由于该方案取决于连续相位之间的差，因此称为差分相移键控(DPSK)。DPSK可以比普通PSK实现起来显著简单，因为解调器不需要具有参考信号的副本来确定接收信号的确切相位(它是非相干方案)。
对于光学测距应用，载波频率是光学频率fc，并且RF f0被调制到光学载波上。选择符号的数量N和持续时间τ以实现期望的距离准确度和分辨率。将符号模式选择成与其他编码信号源和噪声区分开。因此，传输信号和返回信号之间的强相关是反射或反向散射信号的强指示。传输信号由一个或多个符号块组成，其中每个块足够长，以即使在存在噪声的情况下也能提供与反射或反向散射返回的强相关。在下面的讨论中，假设传输信号由每块N个符号的M个块组成，其中M和N是非负整数。
图1B是示出了根据实施方式的图1A的示例传输信号作为一系列二进制位数以及用于测量距离的返回光学信号的示意图120。横轴122表示在零处的开始时间之后的以任意单位计的时间。竖轴124a表示光学传输信号在频率fc+f0以任意单位计的相对于零的幅度。竖轴124b表示光学返回信号在频率fc+f0以任意单位计的相对于零的幅度，并且从轴124a偏置到单独的迹线。迹线125表示M*N个二进制符号的传输信号，具有如图1A所示的相位变化，以产生以00011010开始并且如省略号所示继续的码。迹线126表示从未在移动的对象散射的理想化(无噪声)返回信号(因此返回不被多普勒偏移)。幅度被减小，但码00011010是可识别的。迹线127表示理想化(无噪声)的返回信号，其从在移动的对象散射并因此被多普勒偏移。返回不处于适当的光学频率fc+f0，并且没有在预期的频带中被很好地检测到，因此幅度减弱。
观察到的返回的频率f’由于多普勒效应而与返回的正确频率f＝fc+f0不同，并且由公式1给出。
其中c是光在介质中的速度。注意，如果观察者和源在两者之间的矢量上以相同方向以相同速度移动，则两个频率是相同的。两个频率之间的差Δf＝f’-f是多普勒偏移ΔfD，它导致距离测量的问题，并且由公式2给出。
注意，误差的大小随着信号的频率f而增加。另请注意，对于静止的LIDAR系统(vo＝0)，对于以10米每秒(vo＝10)移动的对象，以及频率约为500THz的可见光，则误差大小为大约16兆赫(MHz，1MHz＝106赫兹，Hz，1Hz＝每秒1个周期)。在下面描述的各种实施方式中，检测多普勒偏移误差并处理用于计算距离的数据。
图1C是示出了根据实施方式的传输信号与两个返回信号的示例互相关关系的示意图130。在相位编码测距中，通过使传输信号或其他参考信号与返回信号互相关(crosscorrelating，交互相关)来在返回中检测相位编码反射的到达，在实践中通过下述方式来实现：使用于RF信号的码与来自使用外差检测的光学检测器的电信号互相关并因此向下混频回RF频带。横轴132表示在利用返回信号执行互相关关系计算之前应用于编码信号的以任意单位计的滞后时间。竖轴134表示互相关关系计算的幅度。通过对两条迹线进行卷积来计算任何一个滞后的互相关关系，即将两条迹线中的对应值相乘并对迹线中的所有点求和，然后针对每个时间滞后进行重复。替代性地，可以通过将每两条迹线的傅里叶变换相乘，然后进行反向傅里叶变换来完成互相关关系。用于快速傅里叶变换(FFT)的高效硬件和软件实现可广泛用于正向和反向傅里叶变换。下面为一些示例实施方式提供了用于执行互相关关系的更精确的数学表达式。
注意，在光学检测器处检测到返回的幅度和相位之后，通常利用模拟或数字电信号来完成互相关关系计算。为了将光学检测器处的信号移动到可以被容易地数字化的RF频率范围，使光学返回信号在入射检测器之前与参考信号光学混合。相位编码的传输光学信号的副本可以用作参考信号，但是其也可以并且通常优选地使用由激光器输出的连续波载波频率光学信号作为参考信号并且捕获检测器输出的电信号的幅度和相位。
迹线136表示与从未在移动的对象反射的理想化(无噪声)返回信号的互相关关系(因此返回不被多普勒偏移)。在传输信号开始后的时间Δt处出现峰。这表示返回信号包括在时间Δt处开始的传输的相位码的版本。到反射(或反向散射)对象的距离R是基于光在介质中的速度c、根据双向行进时间延迟来计算的，如公式3给出的。
R＝c*Δt/2 (3)
虚线迹线137表示与从在移动的对象散射的理想化(无噪声)返回信号的互相关关系(因此返回被多普勒偏移)。返回信号在适当的频率筐(bin，窗口、仓、直条)中不包括相位编码，对于所有时间滞后都保持较低的相关性，并且峰不容易被检测到。因此，不容易确定Δt并且不容易产生距离R。
根据下面更详细描述的各种实施方式，在返回信号的电处理中确定多普勒偏移；并且多普勒偏移用于校正互相关关系计算。因此，更容易找到峰并且可以更容易地确定距离。图1D是示出了根据实施方式的传输信号的示例频谱和被多普勒偏移的返回信号的示例频谱的示意图140。横轴142表示从光学载波fc起的以任意单位计的RF频率偏移。竖轴144a表示特定窄频率筐的相对于零的、以任意单位计的幅度，也称为频谱密度。竖轴144b表示相对于零的以任意单位计的频谱密度，并且从轴144a偏置到单独的迹线。迹线145表示传输信号；并且，在适当的RF f0处出现峰。迹线146表示从在移动的对象反向散射并因此被多普勒偏移的理想化(无噪声)返回信号。返回在适当的RF f0处没有峰；但是，相反，被以ΔfD蓝移到偏移的频率fS。
在一些多普勒补偿实施方式中，不是通过获取传输信号和返回信号的频谱并在每个频谱中搜索峰然后使对应峰的频率相减来获得ΔfD，如图1D所示，更有效的方式是获取RF频带中下混合返回信号的同相和正交分量的交叉频谱。图1E是示出了根据实施方式的示例交叉频谱的示意图150。横轴152表示相对于参考频谱的以任意单位计的频移；并且，竖轴154表示相对于零的以任意单位计的交叉频谱的幅度。迹线155表示具有由朝向LIDAR系统移动的一个对象(图1D中的ΔfD1＝ΔfD的蓝移)和远离LIDAR系统的第二对象(ΔfD2的红移)生成的理想化(无噪声)返回信号的交叉频谱。当其中一个分量被蓝移ΔfD1时出现峰；并且，当其中一个分量被红移ΔfD2时出现另一个峰。因此确定了多普勒偏移。这些偏移可以用于确定LIDAR附近的对象的接近速度，这对于碰撞避免应用可能是至关重要的。
如下面更详细描述的，在交叉频谱中检测到的多普勒偏移用于校正互相关关系，使得峰135在滞后Δt处的多普勒补偿多普勒偏移返回中是明显的，并且可以确定距离R。确定和补偿多普勒偏移所需的信息要么未被收集，要么未在先前的相位编码LIDAR系统中使用。
2.光学相位编码检测硬件概述
为了描绘如何实现相位编码检测方法，描述了一些通用和特定的硬件方法。图2是示出了根据实施方式的高分辨率LIDAR系统的示例部件的框图。激光源212发射载波201，该载波在相位调制器282中被相位调制以产生具有符号长度M*N和持续时间D＝M*N*τ的相位编码光学信号203。分离器216将光学信号分成具有波束203的大部分能量的目标波束205——本文中也称为传输信号，和具有小的多的量的能量但仍然足以与从对象(未示出)散射的返回光291产生良好混合的参考波束207a。在一些实施方式中，分离器216置于相位调制器282的上游。参考波束207a穿过参考路径220并作为参考波束207b被引导到一个或多个检测器。在一些实施方式中，参考路径220引入足以使参考波束207b与散射光一起到达检测器阵列230的已知延迟。在一些实施方式中，参考波束207b被称为本地振荡器(LO)信号，其是指从单独的振荡器本地产生参考波束207b的较老方法。在各种实施方式中，从不那么灵活到较灵活的方法，通过以下方式使得参考与散射或反射场一起到达：1)在场景中放置反射镜，以将传输波束的一部分反射回检测器阵列，使得路径长度被很好地匹配；2)在有或没有用以补偿在特定距离内观察到或预期的相位差的路径长度调整的情况下，使用光纤延迟与路径长度紧密匹配，并在检测器阵列附近用光学器件广播参考波束，如图2所示；或者3)使用频移器件(声光调制器)或本地振荡器波形调制的时间延迟来产生单独的调制以补偿路径长度不匹配；或一些组合。在一些实施方式中，对象足够接近并且传输的持续时间足够长以使得返回与参考信号充分重叠而没有延迟。
检测器阵列是单个成对或未成对的检测器或者布置在大致垂直于来自对象的返回波束291的平面中的成对或未成对检测器的1维(1D)或2维(2D)阵列。参考波束207b和返回波束291在零个或多个光学混合器(mixer，混频器)中组合，以产生具有待被适当检测的特性的光学信号。干涉图案的相位或幅度或一些组合由获取系统240在信号持续时间D期间多次针对每个检测器进行记录。每个信号持续时间的时间样本数量影响下行(down-range，向下范围)程度。该数量通常是基于每个信号的符号数量、信号重复率和可用相机帧速率选择的实际考虑因素。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化器频率”。距离程度的唯一基本限制是激光的相干长度和唯一码在重复之前的长度(对于明确的测距)。这是可能的，因为返回比特的任何数字记录可以与来自先前传输历史的传输比特的任何部分互相关。所获取的数据可用于处理系统250，诸如下面参考图14描述的计算机系统，或者下面参考图15描述的芯片组。多普勒补偿模块270确定多普勒偏移的大小和基于此的校正距离以及本文描述的任何其他校正。可以使用任何已知的装置或系统来实现激光源212、相位调制器282、分束器216、参考路径220、光学混合器284、检测器阵列230或获取系统240。未描绘泛射或聚焦在目标上或聚焦经过光瞳平面的光学耦合。如本文所使用的，光学耦合器是影响光在空间坐标内的传播以将光从一个部件引导到另一个部件的任何部件，诸如单独或以某种组合应用的真空、空气、玻璃、晶体、反射镜、透镜、光学循环器、分束器、相位板、偏振器、光纤、光学混合器等。
在一些实施方式中，电光调制器提供调制。系统被配置为产生适合于期望的下行分辨率的长度M*N和符号持续时间τ的相位码，如下面针对各种实施方式更详细地描述的。例如，在3D成像应用中，脉冲总数M*N在从约500到约4000的范围内。因为处理是在数字域中完成的，所以将M*N选择为2的幂是有利的，例如，在512到4096的间隔中。当没有取平均时，M为1。如果存在随机噪声贡献，则有利地是M约为10。因此，对于M＝1，N在从512到4096的范围内，并且对于M＝10，N在从约50到约400的范围内。对于500Mbps到1Gbps的波特率，这些码的持续时间则在约500ns至8微秒之间。注意，在这些条件下可以使距离窗口延伸到几千米，并且多普勒分辨率也可以非常高(取决于传输信号的持续时间)。尽管出于说明的目的，在图2中将过程、装备和数据结构描绘为特定布置中的整体块，但是在其他实施方式中，一个或多个过程或数据结构或其部分以不同的方式布置在相同或者不同的主机上、在一个或多个数据库中、或者被省略，或者一个或多个不同的过程或数据结构包括在相同或不同的主机上。例如，分离器216和参考路径220包括零个或多个光学耦合器。
图3A是示出了相位编码LIDAR系统300a的示例部件的框图。尽管描绘了对象390以示出系统300a的操作，但是对象390不是系统300a的一部分。该系统包括激光源310、分束器312、相位调制器320、偏振分束器322、光学混合器360、光电检测器330和处理系统350，该处理系统包括数字码模块372和多普勒补偿模块370。光学信号由粗箭头表示，电信号由细箭头表示。
在电气工程中，相位调制(对应于数学函数exp(iωt)的实部和虚部之间的角度调制)的正弦曲线可以被分解成相位偏移四分之一周期(π/2弧度)的两个幅度调制的正弦曲线，或者从该两个幅度调制的正弦曲线合成。所有三个函数具有相同的频率。幅度调制的正弦曲线被称为0相处的同相分量(I)和π/2相位处的正交分量(Q)。激光器310产生处于载波频率fc的光学信号。激光光学信号L在数学上由公式4表示。
L＝I0 exp(iωt) (4)
其中I0是激光器输出的强度，exp()是指数函数，使得exp(x)＝ex，i是具有-1的平方根属性的虚数，t是时间，ω＝2πfc是对应于光学载波频率fc的角频率。在数学上，该表达式具有实部＝I0R cos(ωt)和虚部＝I0I sin(ωt)，其中I0R是强度的实部(同相)，I0I是虚部。振荡的相位由实部和虚部之间的角度给出。因此，L＝I0R cos(ωt)+i I0I sin(ωt)，I0是实部和虚部的平方和的根，I0 2＝I0R 2+I0I 2。分离器312引导信号的一小部分强度以用作由公式5给出的参考信号(称为本地振荡器)LO。
LO＝ALO exp(iωt)＝AR cos(ωt)+i AI sin(ωt). (5a)
其中A是表示分离器312的强度效应的常数。因此，电场ELO可以写为公式5b。
ELO＝ALOeiωt (5b)
当参考信号(LO)是未调制的激光信号时，整个信号是同相的，并且虚部为零，因此
LO＝A cos(ωt). (5c)
处理系统350中的数字码模块372发送电信号，该电信号表示待作为相位变化被施加在光学载波上的符号的数字码，表示为B(t)，其中B(t)随着t的变化在0和π/2之间切换。相位调制器320通过从现场可编程门阵列(FPGA)中取出数字线、放大它们并驱动EO相位调制器来在光学载波上施加相位变化。然后，通过公式6给出传输的光学信号T。
T＝C exp(i[ωt+B(t)]) (6)
其中C是常数，其通过部分A的分裂和相位调制器320施加的任何放大或进一步减小来解释I0的减少。
任何相位调制器都可以用作调制器320。例如，使用包括晶体诸如铌酸锂的电光调制器(EOM)，其折射率是局部电场强度的函数。这意味着如果铌酸锂暴露在电场中，光将更慢地行进通过它。但是离开晶体的光的相位与光通过它花费的时间的长度成正比。因此，可以通过根据数字码模块372提供的数字码改变晶体中的电场来控制离开EOM的激光的相位。相变引起宽带频率信号，其中带宽B近似等于波特率1/τ。
由相位调制器320输出的相位编码光学信号通过一些光学耦合器诸如偏振分束器(PBS)322或其他循环器光学器件进行传输，之后它被携载传输信号的波束中的任何对象390散射。例如，发现光纤耦合偏振分束器组合器在端口之间比作为该光学部件的基于光纤的循环器提供更好的隔离。这是重要的，因为在传输和接收之间没有被很好隔离的信号将在距离像中显现为不期望的大峰。因此，传输信号被注入端口1，从端口2被发射出来，后向散射返回信号被接收在端口2中并离开端口3。一些目标(例如，金属目标)保持波束的偏振，并且一些目标(例如，漫射目标)使返回波束去偏振。在一些实施方式中，四分之一波板被包括在传输光学器件中以适当地补偿不去偏振的目标。
返回信号324由光学耦合器例如PBS 322引导到光学混合器360，其中返回光学信号324与公式5给出的参考光学信号(LO)314混合。来自由传输波束截取的第k个对象的返回信号R由公式7a给出。
Rk＝Akexp(i[(ω+ωDk)(t+Δtk)+B(t+Δtk)])
(7a)
其中、Ak是解释由于传播到对象390和从对象传播以及在第k个对象390处散射而导致的强度损失的常数，Δtk是LIDAR系统和第k个对象390之间的双向行进时间，并且ωDk＝2πΔfD是第k个对象的多普勒频率偏移(本文为方便起见称为多普勒偏移)的角频率。然后，通过公式7b给出在所有目标上求和的返回信号的电场ER。
光学混合器360处的重合信号324和314产生混合的光学信号362，其具有与被混合的两个光学信号的频率和相位和幅度的差有关的拍频，以及取决于光学混合器360的功能的输出。如本文所使用的，下混合是指光学外差检测，其是使用非线性光学过程的外差检测原理的实现。在本文称为“下混合”的光学外差检测中，处于某个光学频率的感兴趣的光学信号与以近频设置的参考“本地振荡器”(LO)非线性混合。期望的结果是差频，其携载原始光学频率信号的信息(幅度、相位和频率调制)，但是在RF频带中方便地以本文称为拍频的更低的更容易处理的频率振荡。下面参考图5A示出这种混合的光学信号——也称为原始信号——的示例。在一些实施方式中，该拍频在RF频带中，其可以从光学检测器输出作为电信号332，诸如可以通过RF模数转换器(ADC)容易地数字化的电模拟信号。数字电信号332被输入到处理系统350，并与来自模块372的数字码一起由多普勒补偿模块370使用，以确定互相关关系和距离，并且，在一些实施方式中，确定速度和多普勒偏移。
在一些实施方式中，处理原始信号以找到多普勒峰，并且该频率ωD用于校正相关计算并确定正确的距离。在其他实施方式中，下述情况被发现有利，光学混合器和处理被配置为确定同相和正交分量，并且使用该分离来首先估计ωD然后使用ωD来校正互相关关系计算以得出Δt。ωD的值也用于表示对象的速度。然后使用Δt的值来使用上面描述的公式3来确定并表示到对象的距离。通过光学混合器分离I和Q信号能够清楚地确定多普勒偏移的符号。
这里，根据一个实施方式，示例硬件实施方式被设计为支持相位编码传输信号的同相和正交(I/Q)信号的相干检测。这种方法的优点是非常便宜，但带宽波形产生要求(二进制数字码或多相数字码)和最小调制要求(单电光相位调制器)都高。90度光学混合式光学混合器允许在两个通道上对光学下混合信号进行I/Q检测，然后将其数字化。该系统允许发生极其灵活的“软件定义的”测量架构。
图3B是示出根据实施方式的多普勒补偿相位编码LIDAR系统300b的示例部件的框图。该实施方式使用二进制相位编码，其中两个相位分离π/2，但是具有同相和正交分量的光学分离而不是电分离。尽管描绘了对象390以示出系统300a的操作，但是对象390不是系统300a的一部分。该系统包括激光源310、分束器312、相位调制器320、偏振分束器322、代替图3A的通用光学混合器360的90度混合式混合器361、代替图3A的光电检测器330的平衡光电检测器331、以及处理系统350，该处理系统包括数字码模块372和多普勒补偿模块371。光学信号由粗箭头表示，电信号由细箭头表示。激光器310产生处于光学载波频率fc的光学信号。分离器312引导信号的一小部分功率以用作参考信号(称为本地振荡器)LO 314。处理系统350中的数字码模块372发送电信号，该电信号表示待作为相位变化被施加在光学载波上的符号的数字码。如以上描述的，相位调制器320在光学载波上施加相位变化。
由相位调制器320输出的相位编码光学信号传输通过一些光学耦合器诸如偏振分束器(PBS)322，之后它被由携载传输信号的波束拦截的任何对象390散射。返回信号324被光学耦合器例如PBS 322引导到90度混合式光学混合器361，其中返回光学信号324与由公式5b给出的参考光学信号(LO)314混合。返回信号R由公式7a给出。混合式混合器输出四个光学信号，分别称为I+、I-、Q+和Q-，将LO与返回信号R的同相分量(称为RI)和返回信号R的正交分量(称为RQ)组合所得，如公式8a至8d中所定义。
I+＝LO+RI (8a)
I-＝LO-RI (8b)
Q+＝LO+RQ (8c)
Q-＝LO-RQ (8d)
其中RI是返回信号R的AC分量的同相相干交叉项，RQ是返回信号R的AC分量的90度异相相干交叉项。例如，可以基于上面的公式5b和公式7b以及下面的公式8e至公式8g来表达上述关系的电场，以产生公式8h至公式8k。
LO＝|ELO|2 (8e)
其中*表示复数的复共轭，Imag()是返回复数的虚部的函数，而Real()是返回复数的实部的函数。AC项消除了信号的所有光频部分，仅留下LO的RF“拍频”与返回信号的RF部分——在这种情况下是多普勒偏移和码函数。术语|ELO|2和|ER|2是恒定(直流，DC)项。后者相对于前者可以忽略不计；因此，在公式8h至公式8k中表达的组合中忽略后一项，作为公式8a至公式8d的特定形式。
根据公式9a和9b，两个同相分量I+和I-在平衡检测器对处组合以在通道1(Ch1)上产生RF电信号I，并且两个正交分量Q+和Q-在第二平衡检测器对处组合以在通道2(Ch2)上产生RF电信号Q。
I＝I+-I- (9a)
Q＝Q+-Q- (9b)
使用平衡检测器(具有一对平衡的光学检测器)提供了消除共模噪声的优点，其提供具有高信噪比(SNR)的可靠测量。在一些实施方式中，这种共模噪声可忽略不计或者以其他方式不受关注；因此，使用简单的光学检测器或不平衡对来代替平衡对。然后，多普勒补偿模块371使用信号I和Q来确定一个或多个多普勒偏移ωD，及对应的速度，然后使用ωD的值以及来自数字码模块372的B(t)的值以及信号I和Q来产生校正的相关迹线，其中峰表示在一个或多个速度中的每个速度下的一个或多个Δt。当检测到多个速度时，每个速度与对应的多个相关迹线中的峰相关联。在一些实施方式中，这通过重合处理来完成，以确定哪个当前速度/位置配对最可能与先前的类似速度/位置的配对有关。然后使用上面描述的公式3，使用一个或多个Δt来确定一个或多个距离。
有利的是，在开始时准备用于相关性的码的频域并且重复用于扫描中的每个测量点的表示；因此，这在一些实施方式中完成。具有持续时间D＝(M*N)*τ的长码被编码到传输光上，并且数据获取电子装置收集相同时间长度的返回信号。将码和信号都分成M个长度为N的较短块，以便可以在相同的数据流上进行若干次相关，并且结果被平均以改善信噪比(SNR)。每个N个符号的块与都与一不同的N个符号的块有区别，因此每个块是独立的测量。因此，平均降低了返回信号中的噪声。输入I/Q信号的相位分离π/2。在一些实施方式中，在若干照射光点上进行进一步的取平均，以便去除来自纯内部光学器件的反射的效应，如下面更详细地描述的。
3.光学相位编码检测方法
所提出的方法使用I/Q信号(在电信号或光学信号中)利用相位差来计算交叉频谱，其在多普勒频率处提供清晰的峰。该方法还利用I/Q信号的相位差来构建用于相关性的复数信号以确定距离。通过首先采用复数返回信号的FFT、然后在频率筐的阵列内使FFT的值偏移来完成多普勒补偿。可以通过对偏移的FFT应用反向FFT来恢复校正的信号，但是这不是必需的，因为在一些实施方式中，偏移的FFT直接用于与码FFT的相关性。在其他实施方式中，复数返回信号乘以由交叉频谱中测量的多普勒频率形成的复指数，并且校正信号的FFT用于与码的相关性。在一些实施方式中，使用有限脉冲响应(FIR)滤波器来确定相关。在针对每个码/信号块计算相关性(本文也称为距离像)之后，将结果在M个块上取平均，并且根据平均距离像中的峰的时间延迟计算到目标的范围。如果距离像中有不止一个峰，则该方法将记录到多个目标的距离。
图4是示出根据实施方式的用于使用多普勒校正的相位编码LIDAR系统来确定和补偿对距离的多普勒效应的示例方法400的流程图。尽管步骤出于说明的目的在图4中被描绘为以特定顺序的整体步骤，但是在其他实施方式中，一个或多个步骤或其部分以不同的顺序执行，或者在时间上重叠、串联或并行执行，或者被省略，或者添加一个或多个附加步骤，或者方法以方式的一些组合改变。在一些实施方式中，步骤403以及步骤410至433由处理系统350执行。例如，步骤403中的确定数字码的FFT以及步骤410至433中的所有步骤由图3A中的多普勒补偿模块370或图3B中的模块371执行。
在步骤401中，收发器，例如，LIDAR系统，被配置为基于相位码序列的输入来传输相位编码光学信号。来自激光器的未调制的输入光学信号或相位编码传输信号的一部分(例如，1％至10％)还被引导到参考光学路径。收发器还被配置为从被传输信号照射的任何外部对象接收反向散射的光学信号。在一些实施方式中，步骤401也包括以硬件配置其他光学部件以提供以下步骤中的一个或多个步骤的功能，如例如图3A或图3B或等效物所示。注意，传输信号不必是波束。发散信号肯定会在单个距离像内有许多不同的距离和多普勒值；但是，在照射光点内不提供横向距离(cross range，横向、方位向)分辨率。然而，使用提供了逐点扫描所带来的固有稀疏性的窄波束以提供对识别对象有用的横向距离分辨率是有利的。
在步骤403中，生成由M*N个符号序列组成的码以用于测距，表示为M个N个符号的块，其中在M个块之间没有重复。在一些实施方式中，还在步骤403期间确定具有这种相位编码的RF信号的傅里叶变换，因为可以在如下面描述的步骤423中重复使用变换，并且有利的是不必对每个传输单独计算傅里叶变换。例如，根据生成码生成具有角RF频率ω和相位π/2的复数(实部和虚部)数字信号，并且对该复数字信号计算复数数字快速傅里叶变换(FFT)。通过采用复数信号的复共轭，为步骤423中的操作准备结果复数FFT函数。例如，对于码的M个块中的每个块，由公式10表示复数FFT的复共轭CodeFFT。
CodeFFT＝conj(FFT(exp(iBt))
(10)
其中conj()表示复共轭操作，其是conj(x+iy)＝x-iy。该复数FFT例如存储在计算机可读介质上，以便在步骤423期间随后使用，如以下描述的。
在步骤405中，使用从数字码模块372接收的码对由公式4表示的激光输出的第一部分进行相位编码，以产生如公式6所示的传输的相位编码信号，并且该第一部分被引导到在可能存在或可能不存在对象或对象的一部分的场景中的光点。另外，在步骤405中，激光输出的第二部分沿参考路径被引导作为如公式5a或公式5b所示的参考信号，也称为本地振荡器(LO)信号。
在步骤407中，如公式7所示的具有任何行进时间延迟Δt和多普勒偏移ωD的反向散射返回信号R与如公式5a或公式5b所示的参考信号LO混合，以输出一个或多个混合的光学信号362。混合信号通知同相和正交分量。例如，在图3B所示的实施方式中，混合的光学信号362包括通知同相和正交分量的四个光学信号，即I+、I-、Q+、Q-，如公式8a至8d中所定义。在其他实施方式中，使用其他光学混合器。例如，在一些实施方式中，使用3×3耦合器代替90度光学混合以仍然支持I/Q检测。
在步骤408中，将混合的光学信号引导到一个或多个光学检测器并在一个或多个光学检测器处进行检测，以将光学信号转换成一个或多个对应的电信号。例如，在图3B所示的实施方式中，检测器产生两个电信号。一个通道(Ch 1)上的一个电信号表示由公式9a给出的下混合同相分量I；另一个通道(CH 2)上的另一个电信号表示由公式9b给出的下混合正交分量Q。基于两个电信号计算如公式11所示的复数下混合信号S。
S＝I+i Q(11a).
注意，信号S、I和Q是具有至少持续时间D＝M*N*τ的时间t的函数。
在一些实施方式中，对若干不同的返回信号S(t)执行取平均，以去除在沿返回信号路径的内部光学部件诸如PBS 322处产生的相位编码信号的伪副本。这样的伪副本可能使与来自外部对象的实际返回的相关性减低，从而掩蔽几乎无法检测到的实际返回。如果对P个不同的照射光点和返回执行取平均，使得单个对象不在所有那些照射光点中，则平均由内部光学部件产生的码的虚假副本主导。然后可以从返回的信号中去除该码的虚假副本，以仅在校正的复数电信号S(t)中留下实际返回。P是足够大的数量，以确保同一个对象没有在所有光点被照射。低至P＝100的值对于图形处理单元(GPU)实现在计算上是有利的；而高达P＝1000的值是优选的，并且适用于现场可编程门阵列(FPGA)实现。在示例实施方式中，P约为100。在其他实施方式中，取决于应用，P可以在从约10到约5000的范围内。图11是示出根据实施方式的用以从内部光学器件移除返回的示例多光点平均的框图。步骤409和410执行该校正。
在步骤409中，确定是否已经接收到P个返回。如果不是，则控制转回到步骤405以照射另一光点。如果是，则控制转到步骤410。在步骤410中，根据公式11b计算平均信号SS(t)，其中持续时间D的每个接收信号被指定为Sp(t)。
该平均信号用于校正接收信号Sp(t)中的每个接收信号，以产生校正信号SpC(t)，以在后续步骤中用作接收信号S(t)，如公式(11c)所示。
S(t)＝SpC(t)＝Sp(t)–SS(t)(11c)
在一些实施方式中，内部光学器件在受控条件下被校准一次，以产生SS(t)的固定值，其被存储用于系统的多个后续部署。步骤410仅包括应用公式11c。在一些实施方式中，由内部光学器件产生的码的虚假副本足够小，或者相关联的距离与到外部对象的距离足够不同，使得可以省略步骤409和410。因此，在一些实施方式中，省略步骤409和410，并且控制直接从步骤408转到步骤411，使用来自步骤408的S(t)而不是步骤410中的公式11c。
在步骤411中，使用交叉频谱来检测多普勒偏移。出于解释的目的提供以下说明；然而，各种技术的特征和效用不受该解释的准确性或完整性的限制。I和Q的频率内容包含多普勒(正弦)和码(方波)。对于多普勒分量，由于它是正弦的，因此预计I会比Q滞后或提前90度。滞后或提前取决于多普勒偏移的符号。码分量没有证明该效应——指示随时间变化的返回比特的I和Q水平同相或180度异相地移动。XS操作的括号内的操作计算给定频率下I和Q之间的复数相量差。如果在给定频率下I和Q之间存在90度相位差(如在多普勒分量的情况下)，则这将在结果的虚部中显现出来。相反，码频率内容不会出现在结果的虚部中，因为如上所述，对于所选二进制码，码的I和Q方面要么同相要么180度异相，所以每个频率下的复数相量差总是真实的。交叉频谱操作XS()可以被视为仅揭示与多普勒有关的信号频谱的那些方面的方式，其中码丢失。这使得更容易找到多普勒频率内容。相反，在返回信号的常规频谱中，码频率内容可能模糊了期望进行良好多普勒估计/校正的多普勒频率内容。
例如，如公式12给出的，计算S的交叉频谱。
XS(S) ＝ FFF(I)*conj[FFT(Q)] (12)
由公式12得到的XS(S)是复数值数组。该交叉频谱中的峰表示返回信号中的一个或多个多普勒偏移ωD。可以使用任何峰检测方法来自动确定交叉频谱XS(S)中的峰。通常，识别交叉频谱的虚部中的大的正峰或负峰将揭示关于多普勒偏移的信息。但是，在一些特殊情况下，实部也可能会揭示此类信息。这种情况的示例是存在具有类似多普勒值的多个距离返回。实部中的升高的幅度可以表示这种情况。在一些实施方式中，交叉频谱操作在每个数据块上单独执行，并在M个块上取平均。存储这些多普勒偏移和对应的相对速度以供例如在一个或多个计算机可读介质上进一步使用。
在步骤413中，例如使用以硬件或软件实现的复数FFT函数FFT(S)来确定复数下混合返回信号S的复数傅里叶变换。
在步骤421中，对于步骤411中观察到的零个或多个多普勒偏移的当前多普勒偏移，使FFT(S)偏移该多普勒偏移以产生如下面描述的公式14a或14b给出的校正频谱SFFT。如Foucras 2014公式27所示，可以应用时移定理来实现多普勒码补偿。实际上，时移频率定理由公
式13给出。
其中F表示傅里叶算子，x(t)是时间t的函数，δ是时移，F(ζ)表示x(t)的傅里叶变换。然后，对于基于FFT的获取方法，可以通过在频域中将局部扩展码的FFT乘以复指数来补偿由码多普勒引起的码延迟。该方法的优点在于，如果已经构建了扩展码序列的傅里叶变换并将其存储在存储器中，则可以以简单的方式将后退的(或延伸的)扩展码的傅里叶变换变换到频域。然后可以快速产生正确的扩展码。该技术由Krasner在1998年获得专利。多普勒的效应是使码的频谱频移。因此，当使用卷积定理来快速计算互相关关系时，测量的码的频率内容与参考的频率内容不匹配。通过多普勒补偿，使频谱回到对准，并且互相关关系再次有效。
在一些实施方式中，使用公式14a计算正确的频谱。
SFFT＝circshift(FFT(S),ωD) (14a)
其中，circshift(x，y)将独立变量的函数x在有限域上偏移独立变量中的量y，使得从有限域的一端偏移的任何对象偏移到有限域的相对端。在一些实施方式中，使用公式14b计算正确的频谱，其通过与复指数相乘、然后计算FFT来去除多普勒效应，如公式13所示。
SFFT＝FFT(S*exp(-iωDt)) (14b)
在步骤423中，确定相位编码exp(iB(t))与校正的复数信号Scorr的互相关关系XC——对于M个具有N个符号的独立块中的每个块指定为XC(Code，Scorr)，然后取平均。在一些实施方式中，这通过采用校正的复数频谱SFFT的反向快速傅里叶变换(invFFT)并使校正的复数返回Scorr与表示码的数字信号exp(iB(t))相关来完成，如公式15a所给出的。
其中correl(x，y)是确定系列x与系列y的相关性的函数，Bm(t)是第m个块的码。invFFT和correl函数都涉及对系列的每个成员的多个操作。在一些实施方式中，通过使用在步骤421中已经确定的SFFT执行傅里叶空间中的乘法、然后采用反向FFT来节省计算资源，如公式15b所给出的。
XC(Code，Scorr)中的任何峰都用于确定在当前多普勒偏移下的延迟时间Δt，并且零个或多个延迟时间用于计算当前多普勒偏移下的零个或多个对应距离。
在一些实施方式中，还可以利用如公式15c给出的基于有限脉冲响应(FIR)滤波器的卷积来有效地执行用以确定互相关关系(XC)的基于FFT的卷积。对于一些较短的码度并且在一些计算硬件设置(FPGA)中，这可能更有效。对于互相关关系中的每个距离筐k。
注意，点乘(*)暗示在参考码Bm和校正信号S之间的不同偏移(k)处的一系列内积。可以看出，公式15c的FIR方法暗示与公式15b的更复杂的FFT方法相比较的简单的寄存器偏移操作和简单的乘法。对于较短的码B，FIR方法的重复偏移和乘法可以在计算上更有效。
在步骤425中，确定是否存在另一多普勒偏移，例如，当在步骤411中检测到不止一个多普勒偏移时。如果是，则控制转回到步骤421以利用下一多普勒偏移校正复数返回频谱FFT(S)。如果不是，则控制转到步骤427。在步骤427中，例如通过如以上描述的重合处理来去除多普勒模糊(如果有的话)。在扫描时存在发生所谓的“分离像素”场景的一些可能性。在这种场景中，可以剪切波束，使得其一部分测量一个距离处的表面，而其他部分测量不同的距离和多普勒。在这种场景中，需要有效的处理策略来提取所有相关信息。例如，交叉频谱可以感测多个非零多普勒值。这将导致多个多普勒校正和互相关关系。一种策略是在单个互相关关系之前对多普勒校正的时域信号进行相干求和。这避免了多个互相关关系的计算负担，代价是在距离-多普勒配对中的一些模糊以及将每个校正信号的噪声分量添加到最终距离像。可以利用空间对应算法来分类模糊，该空间对应算法被设计为基于与非模糊(单距离-多普勒)点的空间接近度来找到“最可能的”距离-多普勒配对。加性噪声可能不足以成为问题。这种处理策略值得考虑，因为某些用户可能期望多返回功能。在一些实施方式中，省略步骤427并且控制直接转到步骤431。
在步骤431中，例如，通过扫描以查看感兴趣的场景中的新的光点来确定在感兴趣的场景中是否存在待照射的另一光点。如果存在，则控制转回到步骤405和随后的步骤以照射下一光点并处理任何返回。在使用多光点平均的一些实施方式中，将新光点添加到平均值并且去除最旧光点，或者在步骤405至409形成的循环中收集P个新光点。如果不存在待照射的另一光点，则使用结果，并且控制转到步骤433。
在步骤433中，基于多普勒效应或校正距离来操作装置。在一些实施方式中，这涉及在显示装置上呈现指示在由传输光学信号照射的多个光点处的、任何对象的多普勒校正位置的图像。在一些实施方式中，这涉及向装置传送基于在由传输光学信号照射的多个光点处的多普勒校正位置的点云的、识别至少一个对象的数据。在一些实施方式中，这涉及在显示装置上呈现指示在由传输光学信号照射的多个光点处的多普勒效应的大小的图像，由此将移动对象与静止对象和不存在的对象区分开。在一些实施方式中，这涉及移动车辆以避免与对象碰撞，其中基于由传输光学信号照射的多个光点处的多普勒效应的大小来确定车辆与对象之间的接近(close，靠近、闭合)速度。在一些实施方式中，这涉及基于由传输光学信号照射的多个光点处的多普勒校正位置的点云来识别车辆或识别碰撞路线上的对象。基于多普勒过滤点云数据具有识别和去除可能在微风中移动的植被的效果。然后通过过滤过程更好地揭示硬对象、人造对象或密集对象。这在防御和监视场景中可能是有利的。在车辆场景中—多普勒可以用于分割对象(即路面与移动车辆相比)。
在具有针对单个返回的多个多普勒偏移的一些实施方式中，步骤433包括使每个延迟时间与多普勒偏移中之一相关联，假设特定返回基于在一个传输信号的持续时间内以特定平均速度移动的对象或对象的一部分。对于给定的多普勒校正，仅与该多普勒校正相关联的那些距离峰将出现在互相关中。因此，在多个实例的情况下，不可能错误地将给定距离和多普勒配对。换句话说，这种方法的模糊功能保证可以不存在混淆。这在下面的示例实施方式中参考示出“多普勒模糊空间”的图10来示出。通过在一组广泛的可能的多普勒校正处计算测距互相关关系来绘制距离-多普勒空间来创建该图像。光点表示返回，并且空间确实非常稀疏。
4.示例实施方式
在这些示例实施方式中，LIDAR系统使用上面示出的部件来产生相位编码光学传输信号。在这些实施方式中，符号时间(脉冲宽度)是2纳秒(ns，1ns＝10-9秒)，每块的符号数量N是2048，并且块的数量是5。使用距离从约0至约250米的各种目标并用直径约5至约20mm的波束光点大小照射上述各种目标。
图5A是示出了根据实施方式的由光学检测器输出的用于基本上静止的对象的示例电同相(I)和正交(Q)输出的曲线图，其不引入显著的多普勒偏移。横轴表示从零处的开始时间起的以微秒(μs，1μs＝10-6秒)计的到达的时间。竖轴表示以伏特计的电信号。将标记I绘制为Ch1，Q绘制为Ch2，μs绘制为us。针对2048个脉冲的单个块绘制数据。图5B是示出了根据实施方式由光学检测器输出的用于移动对象的示例电幅度和正交输出的曲线图，其确实引入了显著的多普勒偏移。横轴表示从零处的开始时间起的以μs计的到达的时间。竖轴表示以伏特计的电信号。将标记I绘制为Ch1，Q绘制为Ch2，μs绘制为us。返回的多普勒分量明显为正弦模式，其中在同相Ch1和正交Ch2信号中约0.3μs的周期对应于约3MHz的多普勒偏移。该示例使用1.55微米波长(193.414489THz)，因此这表示速度约为4.7m/s。该多普勒效应干扰原始信号与编码相位exp(iB(t))的相关性。
图6A是示出根据实施方式的用于基本上静止的对象的返回信号的同相和正交分量的示例交叉频谱的曲线图，其不引入显著的多普勒偏移。横轴表示在0至450MHz范围内以兆赫计的频率。竖轴表示以任意单位计的交叉频谱的虚分量的幅度，并且从-20延伸到+20。如公式12所示，例如，预期该幅度在多普勒偏移频率处揭示峰；因此，绘制的竖轴被标记为多普勒返回。图6A中的迹线显示无明显的峰；因此，任何目标都没有在相对于LIDAR系统移动，并且不需要或不应用多普勒补偿。
图6B和图6C是示出了根据实施方式的用于移动对象的返回信号的同相和正交分量的示例交叉频谱的曲线图，其确实引入了显著的多普勒偏移。在图6B中，横轴表示以兆赫计的频率，并且跨与图6A中相同的范围。竖轴表示以任意单位计的交叉频谱的虚分量的幅度(指示多普勒返回)，并且也跨与图6A中相同的范围。图6B中的迹线示出了低于约10MHz的低频处的显著幅度；因此，一些对象在相对于LIDAR系统移动，并且在各种实施方式中应用了一些多普勒补偿。在图6C中，迹线的低频部分被扩大。横轴表示以兆赫计的频率，并且跨图6A中所跨范围的1/45，仅延伸到10MHz。竖轴表示以任意单位计的交叉频谱的虚分量的幅度(指示多普勒返回)；并且，从0至120延伸，其是图6A和图6B中的竖轴的范围的3倍，是在先前的图中的竖轴的正部分的6倍。迹线在3MHz处显示清晰的峰，其值超过以任意单位计的110。
M个块上的非相干平均降低了噪声，如图7A至图7D中针对静止的对象所示。图7A和图7B是示出了根据实施方式的在不对传输信号的若干块取平均的情况下用于基本上静止的对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图。在图7A中，横轴表示以微秒(μs，标记为us)计的行进时间并且跨从0至2微秒的行进时间。竖轴表示以任意单位计的互相关关系的幅度(指示反向散射的返回信号)。图7A中的迹线示出了在接近0和接近0.2μs处的两个行进时间处的显著幅度。接近时间＝0的大峰是来自偏振分束器322的返回，并且接近时间＝0.2μs(us)的较短的峰是来自目标对象的返回。在图7B中，迹线的短行进时间部分被扩大。横轴表示以微秒(us)计的时间，并且跨图7A中所跨范围的1/5，仅延伸到0.4μs(us)。竖轴与图7A中的竖轴相同。虽然两条迹线都显示在0.2s处的反向散射返回，但迹线有点噪声，这使得峰的自动检测和表征具有挑战性。根据公式3，对于光速c＝3×108米每秒(m/s)，行进时间延迟Δt＝0.2s处的峰对应于约30米(m)的距离。
图7C和图7D是示出了根据实施方式的在对传输信号的若干块取平均的情况下用于基本上静止的对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图。横轴和竖轴分别如图7A和图7B中所示。两条迹线再次显示0.2μs处的反向散射返回。然而，与图7A和图7B相比，图7C和图7D的迹线分别明显地噪声减少，这使得峰的自动检测和表征较不困难。
如本文描述的，利用取平均和多普勒补偿，可以确定到对象的正确距离。图8A和图8B是示出了根据实施方式的用于具有多普勒补偿的移动对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图。在图8A中，横轴表示以微秒(us)计的行进时间，并且跨从0到4微秒(标记为us)的行进时间，其是图7A和图7C中的横轴的跨度的两倍。竖轴表示以任意单位计的互相关关系的幅度(指示反向散射的返回信号)，跨0到25的值，其超出图7A至图7D中的竖轴的跨度的三倍。图8A中的迹线示出了在接近0.1的一个行进时间处的显著幅度。在图8B中，迹线的短行进时间部分被扩大。横轴表示以微秒(us)计的时间，并且跨图8A的范围的1/10，仅延伸到0.4μs(us)。竖轴与图8A中的竖轴相同。指示双向行进时间的峰在图8B的迹线中在约0.05μs处很明显，根据公式3，对于光速为c＝3×108米/秒(m/s)，其对应于为约7.5米(m)的距离。在图8A和图8B中，由于多普勒补偿，来自PBS 322的返回不存在于距离像中。
图9A是示出了根据实施方式的在基于未被分离成同相光学信号和正交光学信号的混合光学信号的多普勒补偿的情况下用于移动对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例迹线的曲线图。横轴表示以微秒计的时间(μs，缩写为us)；并且，竖轴表示指示检测到的返回信号的互相关关系。在该实施方式中，目标是主动旋转的风扇叶片。该配置仅使用图3A中描绘的混合的光学信号362的实部，其不分离出同相(I)和正交(Q)分量。迹线指示在约0.2μs处检测到返回。
图9B是示出了根据实施方式的在基于被分离成同相光学信号和正交光学信号的混合光学信号的多普勒补偿的情况下用于移动对象的返回信号中的互相关关系幅度与时间(距离像)的示例优秀迹线的曲线图。横轴表示以微秒计的时间(μs，缩写为us)；并且，竖轴表示指示检测到的返回信号的互相关关系。在该实施方式中，目标是与用于图9A中的数据相同的主动旋转的风扇叶片。该配置使用被描绘为图3B中的光学信号364的分离的同相(I)和正交(Q)分量。该迹线指示在约0.2μs处同样检测到返回；但是在该实施方式中，互相关关系要高得多。这表示使用离开光学混合器的单独的同相和正交光学信号的技术更强地抵抗噪声，并且更可能在较长的距离处提供良好的检测。
图10是示出了根据实施方式的示例多普勒模糊空间的曲线图，以示出容易区分的多普勒效应。通过在一组广泛的可能的多普勒校正处计算测距互相关关系来绘制距离-多普勒空间来创建该图像。横轴表示以MHz计的多普勒频率；竖轴表示以米计的距离。互相关关系的强度由像素的暗度表示。区域1015中的唯一暗像素表示没有离开装置因此没有多普勒的循环器输出，并且区域1016表示在约27米的距离处的约17MHz的多普勒。这个空间确实很稀疏。
在实验中发现，来自系统中的光学表面的背反射有助于距离像中的一系列非常大距离的返回。这些大的返回导致距离像中的大旁瓣结构(相位码与对应于距离筐的时间间隔的互相关关系的功率)，其可能掩盖来自真实目标的较小距离返回。为了解决这个问题，设计了一致的处理方案(如上面参考图4的步骤409和410所描述的)，以减去信号的与循环器光学器件有关的部分的估计。这种方法依赖于来自循环器光学器件的返回在若干(大于约32个)后续码上的一致性。随着时间的推移，这将是至少几十微秒。由于循环器返回在波束扫描期间是稳定的，因此在稳定的持续时间内的时间块的相干平均值(使用复数)足以估计信号的与循环器光学器件有关的部分。当波束扫描时，与真实目标有关的信号不一致；并且，这些分量在该操作中达到平均。通过校正，进行中的SS(t)，通过从码块的子集中相干地减去复矢量来应用它。结果是极大地降低了循环器距离返回和相关联的旁瓣的强度效应。
图12A至图12D是示出根据实施方式的在进行校正以移除来自内部光学器件的返回之前和之后的示例距离信号的曲线图。在图12A中，横轴表示从0到超过4000m的以米计的距离筐；并且，竖轴表示以分贝计的互相关关系功率(dB，1dB＝log(y/y0)，相对于参考y0)。迹线显示在减去32个光点的平均值之前的相关峰。大峰出现在约100米处，较小的峰出现在约2000米处。在图12B中，轴是相同的，但是迹线显示在通过减去32个光点的平均值进行的校正之后的相关峰。由于内部光学部件(这里，使用循环器代替PBS 322)而引起的在约100m处的伪峰大大减小，并且由于实际外部对象而引起的在约2000m处的峰略微增强。这在扩展了靠近来自内部光学部件的返回的区A区域的图12C中和扩展了靠近来自外部对象的实际返回的区A区域的图12D中更清楚地示出。图12C示出了指示60至90米之间的多个伪反射的实线迹线，该多个伪反射在表示校正的距离像的虚线迹线中被几乎完全去除。图12D示出了指示在约1850m处的实际峰的实线迹线，该实际峰在表示校正的距离像的虚线迹线中被增强约10％。该校正用于产生图13中的步行者的脚的图像。
图13是示出了根据实施方式的具有被成功处理的多个不同多普勒偏移的示例多距离返回的图像。在水平视场(50度水平视场)和超过10度竖向视场中在+/-25度之间收集该图像。以10Hz帧率以竖向拉链图案扫描场景。使用了2048码。它以625Mbps的速率播放，信号以1.25Gsps采样。使用所描述的算法的CUDA实现来实时处理和存储数据。场景是停车场，有几个人走来走去。10度竖向角度捕获了步行者的腿和脚。着色显示多普勒值，使得所示的几个帧的合成显示了以不同速率朝向和远离传感器行走的人的轨迹。
在各种实施方式中，期望类型的目标识别、空间分辨率和准确度以及对象速度分辨率和准确度用于选择以上描述的系统的一个或多个参数的值。这些参数包括下述中的一种或多种：码长度、码块长度、用于取平均的码块数量、码本身(查看工程码)、用于在长距离处更好地检测的信号与码之间的偏移、速度优化、数据获取率、相位调制深度、传输的激光功率、激光光点大小、扫描方法和扫描模式。
5.计算硬件概述
图14是示出可以在其上实现本发明的实施方式的计算机系统1400的框图。计算机系统1400包括通信机制，诸如用于在计算机系统1400的其他内部和外部部件之间传递信息的总线1410。信息表示为可测量现象的物理信号，典型地是电压，但在其他实施方式中包括诸如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子相互作用的现象。例如，北极和南极磁场或者零和非零电压表示二进制位数(比特)的两个状态(0、1)。其他现象可以表示较高基数的数字。测量前多个同时量子态的叠加表示量子比特(量子位)。一个或多个数字的序列构成用于表示字符的数字或码的数字数据。在一些实施方式中，称为模拟数据的信息由特定范围内的可测量值的近似连续区表示。计算机系统1400或其一部分构成用于执行本文描述的一个或多个方法的一个或多个步骤的装置。
二进制位数序列构成用于表示字符的数字或码的数字数据。总线1410包括许多并行的信息导体，使得信息在耦接到总线1410的装置之间快速传递。用于处理信息的一个或多个处理器1402与总线1410耦接。处理器1402对信息执行一组操作。该组操作包括从总线1410引入信息以及将信息置于总线1410上。该组操作典型地还包括比较两个或更多个信息单元、偏移信息单元的位置以及诸如通过加法或乘法组合两个或更多个信息单元。待由处理器1402执行的一系列操作构成计算机指令。
计算机系统1400还包括耦接到总线1410的存储器1404。存储器1404，诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置，存储包括计算机指令的信息。动态存储器允许计算机系统1400改变存储在其中的信息。RAM允许存储在称为存储器地址的位置处的信息单元独立于相邻地址处的信息被存储和检索。存储器1404还被处理器1402用以在执行计算机指令期间存储临时值。计算机系统1400还包括只读存储器(ROM)1406或耦接到总线1410的用于存储包括指令的而不被计算机系统1400改变的静态信息的其他静态存储装置。还耦接到总线1410的是非易失性(永久性)存储装置1408，例如磁盘或光盘，用于存储即使在计算机系统1400关闭或以其他方式断电时仍然存在的包括指令在内的信息。
包括指令在内的信息被从外部输入设备1412提供给总线1410以供处理器使用，该外部输入设备例如由人类用户操作的包含字母数字键的键盘或传感器。传感器检测其附近的状况并将那些检测变换成与用于表示计算机系统1400中的信息的信号兼容的信号。耦接到总线1410的主要用于与人交互的其他外部装置包括用于呈现图像的显示装置1414，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，以及定点装置1416，诸如鼠标或迹线球或光标方向键，用于控制在显示器1414上呈现的小光标图像的位置，并发出与在显示器1414上呈现的图形元素相关联的命令。
在所示实施方式中，专用硬件诸如专用集成电路(IC)1420耦接到总线1410。专用硬件被配置成出于特殊目的执行处理器1402执行不够快的操作。专用IC的示例包括用于为显示器1414生成图像的图形加速器卡、用于加密和解密通过网络传输的消息的密码编译板、语音识别以及特殊外部装置的接口，诸如重复执行以硬件更有效地实现的一些复杂操作序列的机械臂和医疗扫描装备。
计算机系统1400还包括耦接到总线1410的通信接口1470的一个或多个实例。通信接口1470提供耦接到各种外部装置的双向通信，这些外部装置利用它们自己的处理器诸如打印机、扫描仪和外部磁盘操作。一般地，耦接利用网络链路1478，该网络链路连接到本地网络1480，具有其自己的处理器的各种外部装置连接到本地网络。例如，通信接口1470可以是个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(USB)端口。在一些实施方式中，通信接口1470是提供与相应类型的电话线的信息通信连接的综合业务数字网(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或电话调制解调器。在一些实施方式中，通信接口1470是将总线1410上的信号转换为用于通过同轴电缆的通信连接的信号或转换成用于通过光缆的通信连接的光学信号的电缆调制解调器。作为另一示例，通信接口1470可以是用以提供与兼容LAN诸如以太网的数据通信连接的局域网(LAN)卡。还可以实现无线链路。载波诸如声波和电磁波包括无线电、光学和红外波，在没有线或电缆的情况下行进通过空间。信号包括载波的幅度、频率、相位、偏振或其他物理特性的人为变化。对于无线链路，通信接口1470发送和接收携载信息流诸如数字数据的电信号、声信号或电磁信号，包括红外和光学信号。
术语计算机可读介质在本文中用于指代参与向处理器1402提供信息的任何介质，上述信息包括用于执行的指令。这样的介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储装置1408。易失性介质包括例如动态存储器1404。传输介质包括例如同轴电缆、铜线、光纤电缆和在没有线或电缆的情况下行进通过空间的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光学波和红外波。术语计算机可读存储介质在本文中用于指代除了传输介质之外参与向处理器1402提供信息的任何介质。
常见形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、光盘ROM(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、FLASH-EPROM或任何其他存储器芯片或者盒式磁带、载波或计算机可以读取的任何其他介质。术语非暂时性计算机可读存储介质在本文中用于指代除了载波和其他信号之外参与向处理器1402提供信息的任何介质。
在一个或多个有形介质中编码的逻辑包括计算机可读存储介质和专用硬件诸如ASIC 1420上的处理器指令中的一个或两个。
网络链路1478典型地通过一个或多个网络向使用或处理信息的其他装置提供信息通信。例如，网络链路1478可以提供通过本地网络1480到主机计算机1482或由因特网服务提供商(ISP)操作的装备1484的连接。ISP装备1484又通过现在通常称为因特网1490的网络的公共全球分组交换通信网络提供数据通信服务。称为服务器1492、连接到因特网的计算机响应于通过因特网接收的信息提供服务。例如，服务器1492提供用于在显示器1414处呈现的、表示视频数据的信息。
本发明涉及计算机系统1400用于实现本文所述技术的用途。根据本发明的一个实施方式，由计算机系统1400响应于执行包含在存储器1404中的一个或多个指令的一个或多个序列的处理器1402执行那些技术。这样的指令(也称为软件和程序代码)可以从诸如存储装置1408的另一计算机可读介质读入存储器1404。包含在存储器1404中的指令序列的执行使得处理器1402执行本文描述的方法步骤。在可替代实施方式中，可以使用硬件诸如专用集成电路1420来代替软件或与软件组合以实现本发明。因此，本发明的实施方式不限于硬件和软件的任何特定组合。
经由网络链路1478和其他网络传输通过通信接口1470的信号将信息携载到计算机系统1400以及携载来自该计算机系统的信息。计算机系统1400可以通过网络链路1478和通信接口1470、通过网络1480、1490等发送和接收包括程序代码的信息。在使用因特网1490的示例中，服务器1492通过因特网1490、ISP装备1484、本地网络1480和通信接口1470传输由计算机1400传输的消息所请求的特定应用的程序代码。所接收的代码可以在其被接收时由处理器1402执行，或者可以存储在存储装置1408或其他非易失性存储器或者两者中以供稍后执行。以这种方式，计算机系统1400可以获得载波上的信号形式的应用程序代码。
将一个或多个指令序列或数据或两者携载到处理器1402以供执行可能涉及各种形式的计算机可读介质。例如，远程计算机诸如主机1482的磁盘上可以最初携载指令和数据。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中，并使用调制解调器通过电话线发送指令和数据。计算机系统1400本地的调制解调器接收电话线上的指令和数据，并使用红外传输器将指令和数据转换成用作网络链路1478的红外载波上的信号。用作通信接口1470的红外检测器接收红外信号中携载的指令和数据，并将表示指令和数据的信息置于总线1410上。总线1410将信息携载到存储器1404，处理器1402从该存储器检索并使用与指令一起传输的一些数据来执行指令。在存储器1404中接收的指令和数据可以可选地在由处理器1402执行之前或之后存储在存储装置1408上。
图15示出了在其上可以实现本发明的实施方式的芯片组1500。芯片组1500被编程为执行本文描述的方法的一个或多个步骤，并且包括例如结合在一个或多个物理封装(例如，芯片)中的关于图14描述的处理器和存储器部件。通过示例，物理封装包括在结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、部件和/或线的布置，以提供一种或多种特性，诸如物理强度、大小保持和/或电气相互作用限制。预期在某些实施方式中，芯片组可以在单个芯片中实现。芯片组1500或其一部分构成用于执行本文所述方法的一个或多个步骤的装置。
在一个实施方式中，芯片组1500包括通信机制，诸如用于在芯片组1500的部件之间传递信息的总线1501。处理器1503具有到总线1501的连接以执行指令并处理存储在例如存储器1505中的信息。处理器1503可以包括一个或多个处理核，其中每个核被配置成独立地执行。多核处理器能够在单个物理封装中实现多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多个处理核。可替代地或另外地，处理器1503可以包括经由总线1501依次排列配置的一个或多个微处理器，以能够实现独立执行指令、流水线和多线程。处理器1503还可以附属有一个或多个专用部件，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)1507或一个或多个专用集成电路(ASIC)1509，以执行某些处理功能和任务。DSP 1507典型地被配置成独立于处理器1503实时处理现实世界信号(例如，声音)。类似地，ASIC 1509可以被配置成执行不易由通用处理器执行的专用功能。帮助执行本文描述的发明功能的其他专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)、或一个或多个其他专用计算机芯片。
处理器1503和附属部件具有经由总线1501到存储器1505的连接。存储器1505包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，ROM、CD-ROM等)，该可执行指令在被执行时执行本文描述的方法的一个或多个步骤。存储器1505还存储与执行本文描述的方法的一个或多个步骤相关联或由其生成的数据。
6.改动、扩展和修改
在前面的说明书中，已经参考本发明的具体实施方式描述了本发明。然而，明显的是，在不脱离本发明的较广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词“包括”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括…的(comprising)”将被理解为暗示包括所陈述的项、元素或步骤或项、元素或步骤的组，但不排除任何其他项、元素或步骤或项、元素或步骤组。此外，不定冠词“一(a)”或“一个(an)”旨在表示由该物品修改的项、元素或步骤中的一个或多个。如本文所用，除非上下文另有说明，否则如果值在另一值的两倍(两倍或一半)内，则该值“约”为另一值。尽管给出了示例范围，但是除非上下文另有说明，否则任何包含的范围也意图在各种实施方式中。因此，在一些实施方式中，范围0到10包括范围1到4。
7.参考文献
本文引用了以下参考文献，除了与本文所用的术语不一致的术语之外，其全部内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全阐述一样。
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Claims (15)

1.一种光检测和测距LIDAR系统，包括：
发射器，所述发射器被配置为发射通过调制来自激光器的激光信号产生的相位编码信号；
接收器，所述接收器被配置为接收响应于发射所述相位编码信号的返回信号；
处理器，所述处理器被配置为：
确定所述返回信号的多普勒频率偏移，
基于所述多普勒频率偏移，确定所发射的相位编码信号和所述返回信号的相关性，
基于所述相关性中的峰的时间延迟确定范围，
向车辆提供指示所述范围的数据，使得所述车辆基于所述数据操作。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中：所述处理器被配置成相对于参考频谱确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。
3.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中：所述相位编码信号是通过基于指示相位编码的无线电频率信号的相位序列的代码调制所述激光信号而产生的。
4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括光学混合器，其中
所述处理器被配置为确定相位编码的无线电频率信号的第一傅里叶变换，
所述光学混合器被配置为将所述返回信号与参考信号混合以生成电信号，其中所述参考信号是基于所述激光信号生成的，
所述处理器被配置为确定所述电信号的第二傅里叶变换，
所述处理器被配置为基于所述第二傅里叶变换和多普勒频移确定第三傅里叶变换，并且
所述处理器被配置为基于所述第一傅里叶变换和所述第三傅里叶变换确定所述相关性。
5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括光学混合器，其中
所述光学混合器被配置为将所述返回信号与参考信号混合以生成电信号，其中所述参考信号是基于所述激光信号生成的，
所述处理器被进一步配置为确定所述电信号的同相分量和所述电信号的正交分量之间的交叉频谱；并且
所述处理器被进一步配置为基于所述交叉频谱确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。
6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，在确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移时，所述处理器被进一步配置为：
基于所述交叉频谱中的峰确定所述返回信号的所述多普勒频率偏移。
7.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，在基于所述交叉频谱确定所述多普勒频率偏移时，所述处理器被进一步配置为：
基于所述交叉频谱的虚部中的峰确定所述多普勒频率偏移。
8.根据权利要求5所述的LIDAR系统，进一步包括：
光学检测器，所述光学检测器被配置为检测混合信号以产生所述电信号。
9.根据权利要求8所述的LIDAR系统，其中：
所述光学混合器被配置为将所述返回信号与所述参考信号混合以产生同相光学信号和正交光学信号，
所述光学检测器被配置为检测所述同相光学信号和所述正交光学信号以分别产生第一电信号和第二电信号，并且
所述处理器被配置为确定所述第一电信号和所述第二电信号之间的交叉频谱。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括：
显示装置，其中
所述发射器被配置为向多个点发射所述相位编码信号，并且
所述处理器被配置为在所述显示装置上呈现指示位于所述多个点处的至少一个对象的多普勒校正位置的图像。
11.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中：
所述发射器被配置为向多个点发射所述相位编码信号，并且
所述处理器被配置为向所述车辆传送基于在所述多个点处的多普勒校正位置的点云的、识别至少一个对象的数据。
12.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括：
显示装置，其中
所述发射器被配置为向多个点发射所述相位编码信号，并且
所述处理器被配置为在所述显示装置上呈现指示被映射到所述多个点中的对应点的所述多普勒频率偏移的图像，使得将移动对象与静止对象区分开。
13.一种使用根据权利要求1至12中的任一项所述的LIDAR系统的方法。
14.一种用于操作车辆的系统，包括根据权利要求1至12中的任一项所述的LIDAR系统。
15.一种车辆，包括：
根据权利要求1至12中的任一项所述的LIDAR系统。
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