CN115702362A - 用于脉冲波lidar的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一些实施方式中，光检测和测距(LIDAR)系统包括激光源，其被配置成以第一信号功率提供光信号；放大器，其具有多个增益级别；以及一个或多个处理器。放大器被配置成接收光信号并且基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号。一个或多个处理器被配置成跨多个增益配置中的两个或多个增益配置调整放大器的增益配置以使放大器以第二信号功率生成脉冲包络信号。第二信号功率比第一信号功率大了至少与光信号的占空比的倒数相对应的量。

Description

用于脉冲波LIDAR的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年6月30日提交的美国专利申请No.16/917,297的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
使用经常通过助记符LIDAR引用的激光器进行光检测和测距，有时还称作RADAR，的光学距离探测被用于从高度测量到成像再到碰撞避免的各种应用。与诸如无线电波探测和测距(RADAR)的常规微波测距系统比，LIDAR利用更小的光束尺寸提供更精细尺度的距离分辨率。光学距离探测能够利用包括下列的若干不同技术来实现：基于光脉冲到对象的往返行进时间的直接测距、基于发射的啁啾光信号与从对象散射的返回信号之间的频率差的啁啾探测、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探测。
发明内容
本公开的各方面通常涉及光学领域中的光检测和测距(LIDAR)，并且更具体地，涉及脉冲波LIDAR支持车辆操作的系统和方法。
这里公开的一个实施方式涉及一种LIDAR系统。该LIDAR系统包括激光源，该激光源被配置成提供光信号。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括放大器(例如，掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA))，该放大器具有多个增益配置，其中，该放大器被配置成接收光信号，并且基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成跨多个增益配置中的两个或更多个增益配置调整放大器的增益配置，以使放大器生成与脉冲包络(envelope)信号相对应的经放大的信号。
在另一方面中，本公开涉及一种LIDAR系统。该LIDAR系统包括激光源，该激光源被配置成提供光信号。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括光开关，该光开关具有第一端子、第二端子和开关模式。在一些实施方式中，光开关被配置成在第一端子处接收光信号，响应于光开关被配置在第一模式下，允许将光信号从第一端子发射到第二端子，响应于光开关被配置在第二模式下，阻止将光信号发射到第二端子。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成在第一模式与第二模式之间改变光开关模式以使光开关生成脉冲包络信号。
在另一方面中，本公开涉及一种LIDAR系统。该LIDAR系统包括激光源，该激光源被配置成提供光信号。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括脉冲包络生成器，该脉冲包络生成器被配置成通过确定与光信号相关联的第一光信号和与光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差来生成脉冲包络信号，或者使用电场对光信号进行调制。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括放大器，该放大器被配置成放大脉冲包络信号并且经由一个或多个光元件发射经放大的脉冲包络信号。
在另一方面中，本公开涉及一种脉冲波LIDAR支持车辆操作的方法。在一些实施方式中，该方法包括对光信号进行调制以生成调制光信号。在一些实施方式中，该方法包括从调制光信号中选择多个脉冲以生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，该方法包括经由一个或多个光元件发射脉冲包络信号。在一些实施方式中，该方法包括接收响应于发射脉冲包络信号的反射信号。在一些实施方式中，该方法包括基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在另一方面中，本公开涉及一种光检测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括：激光源，该激光源被配置成以第一信号功率提供光信号；放大器；以及一个或多个处理器。该放大器具有多个增益配置。该放大器被配置成接收光信号并且基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号。该一个或多个处理器被配置成跨多个增益配置中的两个或更多个增益配置调整放大器的增益配置，以使放大器以第二信号功率生成脉冲包络信号。第二信号功率比第一信号功率大了至少与光信号的占空比的倒数相对应的量。
在一些实施方式中，放大器经由一个或多个光元件发射脉冲包络信号。该系统包括接收器，该接收器被配置成接收响应于放大器发射脉冲包络信号的反射信号。该一个或多个处理器被进一步配置成基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在一些实施方式中，脉冲包络信号具有大于或等于1微秒并且小于或等于1毫秒的脉冲重复周期。在一些实施方式中，激光源在放大器接收光信号之前对光信号进行调制。
在一些实施方式中，该系统进一步包括电光调制器，该电光调制器被配置成：从激光源接收光信号；并且在放大器接收光信号之前对光信号进行调制。该调制器是电光调制器、电吸收调制器或马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器。
在一些实施方式中，放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。放大器包括SOA，并且该SOA使用索引调制对光信号进行调制。
在另一方面中，本公开涉及一种光检测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；光开关，该光开关具有第一端子、第二端子和开关模式；以及一个或多个处理器。该光开关被配置成在第一端子处接收光信号，响应于光开关被配置在第一模式下，允许将光信号从第一端子发射到第二端子，以及响应于光开关被配置在第二模式下，阻止将光信号发射到第二端子。该一个或多个处理器被配置成在第一模式与第二模式之间改变光开关模式以使光开关生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，激光源在光开关在第一端子处接收光信号之前对光信号进行调制。
在一些实施方式中，该LIDAR系统进一步包括掺铒光纤放大器(EDFA)，该EDFA具有多个增益配置。该EDFA被配置成从光开关接收光信号，基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号，并且经由一个或多个光元件发射脉冲包络信号。该LIDAR系统进一步包括接收器，该接收器被配置成接收响应于EDFA发射脉冲包络信号的反射信号。该一个或多个处理器被进一步配置成基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在另一方面中，本公开涉及一种光检测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括激光源、脉冲包络生成器和放大器。该激光源被配置成以第一信号功率提供光信号。该脉冲包络生成器被配置成通过确定与光信号相关联的第一光信号和与光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差来以第二信号功率生成脉冲包络信号。第二信号功率比第一信号功率大了至少与光信号的占空比的倒数相对应的量。该放大器被配置成放大脉冲包络信号并且经由一个或多个光元件发射经放大的脉冲包络信号。
在一些实施方式中，脉冲包络生成器对光信号的振幅进行调制。在一些实施方式中，脉冲包络生成器是电吸收调制器(EAM)。在一些实施方式中，脉冲包络生成器被配置成将光信号划分成第一光信号和第二光信号。在一些实施方式中，脉冲包络生成器是马赫-曾德尔调制器。在一些实施方式中，放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。
在另一方面中，本公开涉及一种方法，该方法包括以第一信号功率对光信号进行调制以生成调制光信号。该方法包括从调制光信号中选择多个脉冲来以第二信号功率生成脉冲包络信号。第二信号功率比第一信号功率大了至少与光信号的占空比的倒数相对应的量。该方法包括经由一个或多个光元件发射脉冲包络信号。该方法包括接收响应于发射脉冲包络信号的反射信号。该方法包括基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在另一方面中，本公开涉及一种光检测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括：激光源，该激光源被配置成以第一信号功率提供光信号；放大器，该放大器具有多个增益级别，该放大器被配置成以多个增益级别放大光信号；以及一个或多个处理器。该一个或多个处理器被配置成基于光信号的第一信号功率和占空比来根据多个增益级别改变放大器的增益级别以生成脉冲信号。该一个或多个处理器被配置成将脉冲信号从放大器发射到环境、接收响应于发射脉冲信号的反射信号，并且基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在一些实施方式中，该一个或多个处理器被配置成基于光信号的第一信号功率和占空比来确定第二信号功率，并且放大器被配置成以第二信号功率生成脉冲信号。第二信号功率与第一信号功率不同。在一些实施方式中，放大器经由一个或多个光元件发射脉冲信号。
在一些实施方式中，该LIDAR系统包括电光调制器，该电光调制器被配置成从激光源接收光信号，并且在放大器接收光信号之前对光信号进行调制。该电光调制器被配置成确定与光信号相关联的第一光信号和与光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差。该电光调制器被配置成将光信号划分成第一光信号和第二光信号。该电光调制器是电光调制器、电吸收调制器或马赫-曾德尔调制器。
在一些实施方式中，放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。放大器包括SOA，其中，该SOA使用索引调制对光信号进行调制。
在另一方面中，本公开涉及一种自主车辆控制系统，该自主车辆控制系统包括一个或多个处理器。该一个或多个处理器被配置成使激光源以第一信号功率提供光信号，并且使放大器以多个增益级别放大光信号。该一个或多个处理器被配置成基于光信号的第一信号功率和占空比来根据多个增益级别改变放大器的增益级别以生成脉冲信号。该一个或多个处理器被配置成将脉冲信号从放大器发射到环境、接收响应于发射脉冲信号的反射信号，并且基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
在一些实施方式中，该一个或多个处理器被配置成基于光信号的第一信号功率和占空比来确定第二信号功率，并且使放大器以第二信号功率生成脉冲信号。第二信号功率与第一信号功率不同。
在一些实施方式中，该一个或多个处理器被配置成使电光调制器从激光源接收光信号，并且在放大器接收光信号之前对光信号进行调制。该一个或多个处理器被配置成使电光调制器确定与光信号相关联的第一光信号和与光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差。该一个或多个处理器被配置成使电光调制器将光信号划分成第一光信号和第二光信号。该电光调制器是电光调制器、电吸收调制器或马赫-曾德尔调制器
在一些实施方式中，放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。放大器包括SOA，其中，该SOA使用索引调制对光信号进行调制。
在另一方面中，本公开涉及一种自主车辆。该自主车辆包括光检测和测距(LIDAR)系统、转向系统或制动系统中的至少一者、以及车辆控制器。该LIDAR系统包括：激光源，该激光源被配置成以第一信号功率提供光信号；放大器，该放大器具有多个增益级别，该放大器被配置成以多个增益级别放大光信号；以及一个或多个处理器。该一个或多个处理器被配置成基于光信号的第一信号功率和占空比来根据多个增益级别改变放大器的增益级别以生成脉冲信号。该一个或多个处理器被配置成将脉冲信号从放大器发射到环境，接收响应于发射脉冲信号的反射信号，并且基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。该车辆控制器包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成基于到对象的距离来控制转向系统或制动系统中的至少一者的操作。
从下面的详细描述中，仅通过说明包括预期用于实行本发明的最佳模式的一些特殊实施方式，其他方面、特征和优点是显而易见的。其他实施方式也能够具有其他不同的特征和优点，并且它们的若干细节能够在各种明显的方面被修改，所有这些都不背离本发明的精神和范围。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在附图的图中以示例而非限制的方式图示实施方式，其中相似的附图标记指代相似的元件并且其中：
图1A是图示根据一些实施方式的用于自主车辆的系统环境的示例的框图；
图1B是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图；
图1C是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图；
图1D是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图；
图2是描绘由使用CW操作、准CW操作和/或脉冲波操作的一个或多个LIDAR系统产生的波形之间的差异(例如，振幅、周期、平均功率、占空比等方面的差异)的基于时间的曲线图。
图3A是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用EDFA以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图3B是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用EDFA并且直接地对激光源进行调制以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图3C图示根据一些实施方式的EDFA之前的光强度的示例波形，其中EDFA具有恒定泵送增益率；
图3D图示根据一些实施方式的EDFA之后的光强度的示例波形，其中EDFA具有恒定泵送增益率；
图4A是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用光开关以用于操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图4B是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用光开关以用于操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图4C是图示根据实施方式的脉冲波LIDAR支持车辆操作的示例方法的流程图；
图5是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用马赫-曾德尔调制器以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图6是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用电吸收调制器(EAM)以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；
图7是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用半导体光放大器(SOA)以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图；以及
图8是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用半导体光放大器(SOA)和索引调制以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。
具体实施方式
LIDAR系统可以包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。发射(Tx)路径可以包括：激光源，其用于提供从本地振荡器(LO)信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号(有时称为“光束”)；一个或多个调制器，其用于使用连续波(CW)调制或准CW调制对光信号的相位和/或频率进行调制；以及放大器，其用于在将信号发送到光学器件(例如，振荡扫描器、单向扫描器、里斯利(Risley)棱镜、循环器光学器件和/或光束准直器等)之前放大调制信号。
光学器件被配置成使它从Tx路径接收到的经放大的信号朝向对象转向到给定视场内的环境中、接收从对象反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给接收(Rx)路径。
Rx路径可以包括：混合器(例如，50/50)，其用于将LO信号与返回信号混合以生成下转换信号；以及跨阻抗(TIA)放大器，其用于放大下转换信号。Rx路径将下转换信号(现在被放大)提供给一个或多个处理器以用于确定到对象的距离和/或测量对象的速率。
操作自主车辆对常规LIDAR系统提出重大挑战。首先，LIDAR系统应该能够探测短距离(例如，小于150米)和长距离(例如，300米及以外)处的对象(例如，街道标志、人、汽车、卡车等)。然而，对常规LIDAR而言探测长距离处的对象不是一件容易的事情。即，常规LIDAR系统的放大器没有足够的功率来放大所发射的光信号从而足以让它到达长距离对象。第二，由常规LIDAR系统使用的光束扫描技术经常产生长测量时间，这进而要求LIDAR系统满足更严格且困难的散斑处理要求。
因此，本公开涉及脉冲波LIDAR支持车辆操作的系统和方法。
一般而言，如以下段落中描述的，脉冲波LIDAR系统的实施方式可以通过在EDFA上跨EDFA的多个增益配置改变增益配置来实现。例如，LIDAR系统可以包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；掺铒光纤放大器(EDFA)，该EDFA具有多个增益配置，其中该EDFA被配置成接收光信号，并且基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号；以及一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)，该一个或多个处理器被配置成跨至少多个增益配置的子集调整EDFA的增益配置，以使EDFA生成与脉冲包络信号相对应的放大的信号。
脉冲波LIDAR系统的另一实施方式可以通过切换光开关来实现。例如，脉冲波LIDAR系统可以包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；光开关，该光开关具有第一端子、第二端子和开关模式，其中该光开关被配置成在第一端子处接收光信号，并且在开关模式被配置在第一模式下的情况下允许将光信号从第一端子发射到第二端子，或者在开关模式被配置在第二模式下的情况下阻止将光信号发射到第二端子；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成在第一模式与第二模式之间切换光开关模式以使光开关生成脉冲包络信号。
脉冲波LIDAR系统的另一实施方式可以通过探测两个光信号之间的相对相位差来实现。例如，脉冲波LIDAR系统可以包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；脉冲包络生成器(例如，马赫-曾德尔调制器)，该脉冲包络生成器被配置成基于与光信号相关联的第一光信号和与光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差来生成脉冲包络信号；以及EDFA，该EDFA被配置成放大脉冲包络信号并且经由一个或多个光元件将该脉冲包络信号发送到自由空间中。
脉冲波LIDAR系统的另一实施方式可以通过使用电场对光信号进行调制来实现。例如，脉冲波LIDAR系统可以包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；脉冲包络生成器(例如，电吸收调制器(EAM))，该脉冲包络生成器被配置成通过使用电场对光信号进行调制来生成脉冲包络信号；以及EDFA，该EDFA被配置成放大脉冲包络信号并且经由一个或多个光元件将经放大的脉冲包络信号发送到自由空间中。
脉冲波LIDAR系统的另一实施方式可以通过在半导体光放大器(SOA)上跨SOA的多个增益配置改变增益配置来实现。例如，脉冲波LIDAR系统可以包括：激光源，该激光源被配置成提供光信号；SOA，该SOA具有多个增益配置，其中该SOA被配置成接收光信号，并且基于多个增益配置中的增益配置来放大光信号；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器被配置成跨至少多个增益配置的子集调整SOA的增益配置，以使SOA生成与脉冲包络信号相对应的经放大的信号。
前述实施方式中的脉冲波LIDAR系统能够在自主车辆应用所需要的宽范围距离(例如，短距离和长距离)处并且在不必产生比由放大器在常规LIDAR系统中能够产生的放大器功率更大的放大器功率的情况下实现对象识别。此外，脉冲波LIDAR系统放松散斑处理要求。
在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多特定细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对本领域的技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本公开。在其他实例中，以框图形式示出公知结构和设备，以便避免不必要地混淆本公开。
1.用于自主车辆的系统环境
图1A是图示根据一些实施方式的用于自主车辆的系统环境的示例的框图。
参考图1A，可以在内部实现本文中公开的各种技术的示例自主车辆100。例如，车辆100可以包括：动力系102，其包括由能源106提供动力并且能够向传动系108提供动力的原动机104；以及控制系统110，其包括方向控件112、动力系控件114和制动器控件116。可以将车辆100实现为任何数目的不同类型的车辆，包括能够运输人和/或货物并且能够在各种环境中行驶的车辆，并且将理解，前述组件102-116能够基于在内部利用这些组件的车辆的类型广泛变化。
为了简单，在下文中讨论的实施方式将集中于诸如汽车、厢式货车、卡车、公共汽车等的轮式陆地车辆。在此类实施方式中，原动机104可以包括一个或多个电动机和/或内燃机(及其他)。例如，能源可以包括燃料系统(例如，提供汽油、柴油、氢等)、电池系统、太阳能面板或其他可再生能源和/或燃料电池系统。传动系108能够包括车轮和/或轮胎以及用于将原动机104的输出转换成车辆运动的变速器和/或任何其他机械驱动组件，并且包括被配置成可控地使车辆100停止或变慢的一个或多个制动器以及适合于控制车辆100的轨迹的方向或转向组件(例如，使得车辆100的一个或多个车轮能够绕大致垂直轴线枢转以改变车轮的旋转平面相对于车辆的纵向轴线的角度的齿条齿轮转向连杆)。在一些实施方式中，可以使用动力系和能源的组合(例如，在电动/燃气混合动力车辆的情况下)，并且在一些实例中，可以使用多个电动机(例如，专用于个别车轮或轴)作为原动机。
方向控件112可以包括一个或多个致动器和/或传感器以用于控制和接收来自方向或转向组件的反馈，以使得车辆100能够遵循期望的轨迹。动力系控件114可以被配置成控制动力系102的输出，例如，控制原动机104的输出功率，控制传动系108中的变速器的传动比等，从而控制车辆100的速度和/或方向。制动器控件116可以被配置成控制使车辆100变慢或停止的一个或多个制动器，例如，耦合到车辆的车轮的盘式或鼓式制动器。
其他车辆类型，包括但不限于越野车辆、全地形或履带式车辆、建筑设备等，将必定利用不同的动力系、传动系、能源、方向控件、动力系控件和制动器控件。此外，在一些实施方式中，能够组合一些组件，例如，在车辆的方向控件主要通过改变一个或多个原动机的输出来处理的情况下。因此，本文中公开的实施方式不限于本文中描述的技术在自主轮式陆地车辆中的特定应用。
能够在车辆控制系统120中实现对车辆100的各种级别的自主控制，该车辆控制系统120可以包括一个或多个处理器122和一个或多个存储器124，其中每个处理器122被配置成运行存储在存储器124中的程序代码指令126。(一个或多个)处理器能够包括，例如，(一个或多个)图形处理器(“GPU”)和/或(一个或多个)中央处理器(“CPU”)。
传感器130可以包括适合于从车辆的周围环境收集信息以用于在控制车辆的操作时使用的各种传感器。例如，传感器130能够包括雷达传感器134、LIDAR(光检测和测距)传感器136、3D定位传感器138(例如，加速度计、陀螺仪、磁强计中的任一种)或卫星导航系统，诸如GPS(全球定位系统)、GLONASS(Globalnaya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema或全球导航卫星系统)、北斗导航卫星系统(BDS)、伽利略、指南针等。3D定位传感器138能够被用于使用卫星信号来确定车辆在地球上的位置。传感器130能够包括相机140和/或IMU(惯性测量单元)142。相机140可以是单目视觉或立体视觉相机并且能够记录静止图像和/或视频图像。IMU 142能够包括能够探测车辆在三个方向上的线性和旋转运动的多个陀螺仪和加速度计。诸如车轮编码器的一个或多个编码器(未图示)可以被用于监测车辆100的一个或多个车轮的旋转。每个传感器130能够以可能与其他传感器130的数据速率不同的不同数据速率输出传感器数据。
传感器130的输出可以被提供给控制子系统集合150，包括定位子系统152、规划子系统156、感知子系统154和控制子系统158。定位子系统152能够执行诸如精确地确定车辆100在其周围环境内并且通常在某个参考系内的位置和定向(有时还称为“姿态”)的功能。作为生成标记自主车辆数据的部分，能够将自主车辆的位置与附加车辆在相同环境中的位置进行比较。感知子系统154能够执行诸如探测、跟踪、确定和/或标识车辆100周围的环境内的对象的功能。能够在跟踪对象时利用依照一些实施方式的机器学习模型。规划子系统156能够执行诸如给定期望目的地以及环境内的静态和移动对象在某个时间框架上为车辆100规划轨迹的功能。能够在规划车辆轨迹时利用依照一些实施方式的机器学习模型。控制子系统158能够执行诸如生成合适的控制信号以用于控制车辆控制系统120中的各种控件以便实现车辆100的规划轨迹的功能。能够利用机器学习模型来生成一个或多个信号以控制自主车辆实现规划轨迹。
将理解，在图1A中针对车辆控制系统120图示的组件的集合在性质上仅仅是示例性的。在一些实施方式中可以省略个别传感器。附加地或替代地，在一些实施方式中，图1A所图示的类型的多个传感器可以被用于冗余和/或覆盖车辆周围的不同区域，并且可以使用其他类型的传感器。同样地，在其他实施方式中可以使用不同类型和/或组合的控制子系统。此外，虽然子系统152-158被图示为与处理器122和存储器124分开，但是将理解，在一些实施方式中，子系统152-158的功能中的一些或全部可以利用驻留在一个或多个存储器124中并且由一个或多个处理器122运行的程序代码指令126来实现，并且这些子系统152-158可以在一些实例中使用相同(一个或多个)处理器和/或存储器来实现。子系统可以至少部分地使用如以上所指出的各种专用电路逻辑、各种处理器、各种现场可编程门阵列(“FPGA”)、各种专用集成电路(“ASIC”)、各种实时控制器等来实现，多个子系统可以利用电路系统、处理器、传感器和/或其他组件。此外，车辆控制系统120中的各种组件可以以各种方式联网。
在一些实施方式中，车辆100还可以包括辅助车辆控制系统(未图示)，该辅助车辆控制系统可以被用作车辆100的冗余或备份控制系统。在一些实施方式中，辅助车辆控制系统可以能够在车辆控制系统120中出现不利事件的情况下完全地操作自主车辆100，而在其他实施方式中，辅助车辆控制系统可能仅具有有限的功能，例如，以响应于在主要车辆控制系统120中探测到的不利事件执行车辆100的受控停止。在又其他的实施方式中，可以省略辅助车辆控制系统。
一般而言，可以使用包括软件、硬件、电路逻辑、传感器、网络等的各种组合的无数不同架构来实现图1A所图示的各种组件。每个处理器可以例如作为微处理器被实现，并且每个存储器可以表示包括主存储装置，以及任何补充级别的存储器，例如高速缓存存储器、非易失性或备份存储器(例如，可编程或闪速存储器)、只读存储器等的随机存取存储器(RAM)设备。另外，可以认为每个存储器包括物理上位于车辆100中别处的存储装置，例如，处理器中的任何高速缓存存储器以及用作虚拟存储器的任何存储容量，例如，如存储在大容量存储设备或另一计算机控制器上的存储容量。图1A所图示的一个或多个处理器或完全分开的处理器可以被用于除了自主控制的目的之外还在车辆100中实现附加功能性，例如，控制娱乐系统、操作门、灯、便利功能等。
另外，对于附加存储，车辆100可以包括一个或多个大容量存储设备，例如，可移动盘驱动器、硬盘驱动器、直接存取存储设备(“DASD”)、光驱(例如，CD驱动器、DVD驱动器等)、固态存储驱动器(“SSD”)、网络附连存储、存储区域网络和/或磁带驱动器等。
此外，车辆100可以包括使得车辆100能够接收来自用户或操作者的许多输入并且为用户或操作者生成输出的用户接口164，例如，一个或多个显示器、触摸屏、语音和/或手势接口、按钮和其他触觉控件等。否则，用户输入可以经由另一计算机或电子设备例如经由移动设备上的app或经由web接口接收。
此外，车辆100可以包括适合于与一个或多个网络170(例如，局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、无线网络和/或互联网等)通信以许可与其他计算机和电子设备一起传递信息的一个或多个网络接口，例如网络接口162，该其他计算机和电子设备包括例如中央服务，诸如云服务，车辆100从该其他计算机和电子设备接收用于在其自主控制中使用的环境和其他数据。由一个或多个传感器130收集的数据能够经由网络170被上传到计算系统172以进行附加处理。在一些实施方式中，能够在上传之前向车辆数据的每个实例添加时间戳。
图1A所图示的每个处理器以及本文中公开的各种附加控制器和子系统通常在操作系统的控制下操作并且执行或者以其他方式依赖如将在下面更详细地描述的各种计算机软件应用、组件、程序、对象、模块、数据结构等。此外，各种应用、组件、程序、对象、模块等还可以在经由网络170耦合到车辆100的另一计算机中的一个或多个处理器上运行，例如，在分布式、基于云的或客户-服务器计算环境中运行，由此实现计算机程序的功能所需要的处理可以通过网络被分配给多个计算机和/或服务。
一般而言，被执行实现本文中描述的各种实施方式的例程，无论是作为操作系统的部分还是作为特定应用、组件、程序、对象、模块或指令序列或甚至其子集被实现，都将在本文中被称为“程序代码”。程序代码能够包括一个或多个指令，这些指令在各个时间驻留在各种存储器和存储设备中，并且当由一个或多个处理器读取和运行时，执行运行体现本公开的各个方面的步骤或元素所必要的步骤。此外，虽然已经并在本文中将在全功能计算机和系统的上下文中描述实施方式，但是将理解，本文中描述的各种实施方式能够以各种形式作为程序产品被分发，并且这些实施方式都能够被实现，而不管用于实际上实行分发的计算机可读介质的特定类型。
计算机可读介质的示例包括有形非暂时性介质，诸如易失性和非易失性存储器设备、软盘和其他可移动盘、固态驱动器、硬盘驱动器、磁带和光盘(例如，CD-ROM、DVD等)等等。
另外，在特定实施方式中可以基于在其内部实现的应用来标识在下文中描述的各种程序代码。然而，应理解，接下来的任何特定程序命名法是仅仅为了方便而使用的，并且因此本公开不应该限于单独在由这种命名法标识和/或暗示的任何特定应用中使用。此外，给定其中计算机程序可以被组织成例程、过程、方法、模块、对象等的通常无数个方式以及可以驻留在典型计算机内的各种软件层(例如，操作系统、库、API、应用、小应用程序等)当中分配程序功能的各种方式，应理解，本公开不限于本文中描述的程序功能的特定组织和分配。
图1A所图示的环境不旨在限制本文中公开的实施方式。实际上，在不脱离本文中公开的实施方式的范围的情况下，可以使用其他替代硬件和/或软件环境。
2.用于汽车应用的FM LIDAR
卡车能够包括LIDAR系统(例如，图1A中的车辆控制系统120、图3A中的LIDAR系统301A、图3B中的LIDAR系统301B、图4A中的LIDAR系统401A、图4B中的LIDAR系统401B、图5中的LIDAR系统501、图6中的LIDAR系统601、图7中的LIDAR系统701、图8中的LIDAR系统801等)。在一些实施方式中，LIDAR系统能够使用频率调制对光信号进行编码并且使用光学器件来将经编码的光信号散射到自由空间中。通过探测经编码的光信号与从对象反射回的返回信号之间的频率差，频率调制的(FM)LIDAR系统能够确定对象的位置并且/或者使用多普勒效应来精确地测量对象的速度。在一些实施方式中，FM LIDAR系统可以使用连续波(称为“FMCW LIDAR”)或准连续波(称为“FMQW LIDAR”)。在一些实施方式中，LIDAR系统能够使用相位调制(PM)对光信号进行编码并且使用光学器件来将经编码的光信号散射到自由空间中。
关于汽车和/或商用货运应用，FM或相位调制的(PM)LIDAR系统可以提供优于常规LIDAR系统的大量优点。首先，在一些实例中，对象(例如，穿戴深色衣服的行人)可以具有低反射率，因为它仅向FM或PM LIDAR系统的传感器(例如，图1A中的传感器130)反射回击中该对象的少量(例如，10％或更少)光。在其他实例中，对象(例如，闪亮路标)可以具有高反射率(例如，高于10％)，因为它向FM LIDAR系统的传感器反射回击中该对象的大量光。
不管对象的反射率如何，FM LIDAR系统都可以能够探测(例如，分类、识别、发现等)比常规LIDAR系统更大距离(例如，2倍)处的对象。例如，FM LIDAR系统可以探测300米以外的低反射率对象和400米以外的高反射率对象。
为了实现此类探测能力的改进，FM LIDAR系统可以使用传感器(例如，图1A中的传感器130)。在一些实施方式中，这些传感器能够是单光子敏感的，从而意味着它们能够探测尽可能最小量的光。虽然FM LIDAR系统在一些应用中可以使用红外波长(例如，950nm、1550nm等)，但是它不限于红外波长范围(例如，近红外：800nm-1500nm；中红外：1500nm-5600nm；远红外：5600nm-1,000,000nm)。通过在红外波长中操作FM或PM LIDAR系统，FM或PMLIDAR系统能够在满足眼睛安全标准的同时广播更强的光脉冲或光束。常规LIDAR系统经常不是单光子敏感的并且/或者仅在近红外波长中工作，从而由于眼睛安全原因而要求它们限制其光输出(和距离探测能力)。
因此，通过探测更大距离处的对象，FM LIDAR系统可以具有更多的时间对意外障碍作出反应。实际上，甚至几毫秒的额外时间也可能改进安全和舒适，尤其是对于正在以高速公路速度驾驶的重型车辆(例如，商用货运车辆)。
FM LIDAR系统的另一优点是它为每个数据点瞬时提供准确速度。在一些实施方式中，速度测量使用多普勒效应实现，该多普勒效应基于径向方向上的速度(例如，被探测对象与传感器之间的方向矢量)或激光信号的频率中的至少一者使从对象接收到的光的频率移位。例如，对于在速度小于100米每秒(m/s)的道路上情形下遇到的速度，波长1550纳米(nm)的此移位相当于小于130兆赫(MHz)的频移。该频移小使得难以在光学域中直接地探测。然而，通过在FMCW、PMCW或FMQW LIDAR系统中使用相干探测，信号能够被转换到RF域，使得能够使用各种信号处理技术来计算频移。这使得自主车辆控制系统能够更快地处理传入数据。
瞬时速度计算还使FM LIDAR系统更容易确定遥远或稀疏的数据点作为对象并且/或者跟踪那些对象如何随着时间的推移而移动。例如，FM LIDAR传感器(例如，图1A中的传感器130)可以仅接收300米远对象上的几个返回(例如，击中)，但是如果这些返回给出感兴趣速度值(例如，以>70mph朝向车辆移动)，则FM LIDAR系统和/或自主车辆控制系统可以确定与对象相关联的概率的相应权重。
FM LIDAR系统的更快标识和/或跟踪给自主车辆控制系统更多的时间操纵车辆。对对象移动有多快的更好理解还允许自主车辆控制系统规划更好的反应。
FM LIDAR系统的另一优点是它与常规LIDAR系统相比具有更少静态。也就是说，被设计得更加光敏感的常规LIDAR系统通常在明亮阳光下表现不佳。这些系统还往往遭受串扰(例如，当传感器被彼此的光脉冲或光束混淆时)并且遭受自干扰(例如，当传感器被它自己先前的光脉冲或光束混淆时)。为了克服这些缺点，使用常规LIDAR系统的车辆经常需要额外硬件、复杂软件和/或更多计算能力来管理此“噪声”。
相比之下，FM LIDAR系统不会遭受这些类型的问题，因为每个传感器被专门地设计成仅对它自身的光特性(例如，光束、光波、光脉冲)做出响应。如果返回光与原先发射的光的时间、频率和/或波长不匹配，则FM传感器能够过滤出(例如，去除、忽略等)该数据点。因此，FM LIDAR系统以更少的硬件或软件要求产生(例如，生成、导出等)更准确的数据，从而实现更安全且更平滑的驾驶。
最后，FM LIDAR系统与常规LIDAR系统比更容易扩展。随着更多的自我车辆(例如，汽车、商用卡车等)出现在道路上，由FM LIDAR系统提供动力的那些车辆很可能将不必与来自传感器串扰的干扰问题作斗争。此外，FM LIDAR系统比常规LIDAR传感器比使用更少的光峰值功率。因此，能够在单个芯片上生产用于FM LIDAR的光组件中的一些或全部，这产生它自己的益处，如本文中所讨论的那样。
2.1商用货运
图1B是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图。环境100B包括用于搬运货物106B的商用卡车102B。在一些实施方式中，商用卡车102B可以包括被配置成长途货物运输、地区货物运输、联运货物运输(即，其中基于道路的车辆被用作多种运输模式中的一种来移动货物)和/或任何其他基于道路的货物运输应用的车辆。在一些实施方式中，商用卡车102B可以是平板卡车、冷藏卡车(例如，冷藏车卡车)、通风厢式货车(例如，干厢式货车)、移动卡车等。在一些实施方式中，货物106B可以是商品和/或产品。在一些实施方式中，商用卡车102B可以包括用于承载货物106B的拖车，诸如平板拖车、低箱拖车、阶梯甲板拖车、可扩展平板拖车、侧箱拖车等。
环境100B包括在离卡车等于或小于30米的距离范围内的对象110B(在图1B中作为另一车辆示出)。
商用卡车102B可以包括用于确定到对象110B的距离和/或测量对象110B的速率的LIDAR系统104B(例如，FM LIDAR系统、图1A中的车辆控制系统120、图2中的LIDAR系统201等)。虽然图1B示出在商用卡车102B的前面安装了一个LIDAR系统104B，但是在商用卡车上的LIDAR系统的数目和LIDAR系统的安装区域不限于特定数目或特定区域。商用卡车102B可以包括被安装到商用卡车102B的任何区域(例如，前面、背面、侧面、顶部、底部、下面和/或底部)上以有助于探测相对于商用卡车102B在任何自由空间中的对象的任何数目的LIDAR系统104B(或其组件，诸如传感器、调制器、相干信号生成器等)。
如所示，环境100B中的LIDAR系统104B可以被配置成探测离商用卡车102B近距离(例如，30米或更小)处的对象(例如，另一车辆、自行车、树、街道标志、坑洞等)。
图1C是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图。环境100C包括被包括在环境100B中的相同组件(例如，商用卡车102B、货物106B、LIDAR系统104B等)。
环境100C包括在离商用卡车102B(i)大于30米并且(ii)等于或小于150米的距离范围内的对象110C(在图1C中作为另一车辆示出)。如所示，环境100C中的LIDAR系统104B可以被配置成探测离商用卡车102B一定距离(例如，100米)处的对象(例如，另一车辆、自行车、树、街道标志、坑洞等)。
图1D是图示根据一些实施方式的用于自主商用货运车辆的系统环境的示例的框图。环境100D包括被包括在环境100B中的相同组件(例如，商用卡车102B、货物106B、LIDAR系统104B等)。
环境100D包括在离商用卡车102B超过150米的距离范围内的对象110D(在图1D中作为另一车辆示出)。如所示，环境100D中的LIDAR系统104B可以被配置成探测离商用卡车102B一定距离(例如，300米)处的对象(例如，另一车辆、自行车、树、街道标志、坑洞等)。
在商用货运应用中，重要的是由于增加的重量以及相应地此类车辆所需要的更长停车距离而有效地探测所有范围处的对象。FM LIDAR系统(例如，FMCW和/或FMQW系统)或PMLIDAR系统由于上述优点非常适合于商用货运应用。结果，配备有此类系统的商用卡车可以具有跨短距离或长距离安全地移动人和商品两者的增强能力，从而不仅改进商用卡车的安全，而且还改进周围车辆的安全。在各种实施方式中，此类FM或PM LIDAR系统能够被用在半自主应用或全自主应用中，在该半自主应用中商用卡车具有驾驶员并且商用卡车的一些功能使用FM或PM LIDAR系统来自主地操作，在该全自主应用中商用卡车完全由FM或LIDAR系统单独或与其他车辆系统相结合地操作。
3.CW操作、准CW操作和脉冲波操作
在使用CW调制(有时称为“CW操作”)的LIDAR系统中，调制器连续地对激光进行调制。例如，如果调制周期是10微秒，则输入信号贯穿整个10微秒被调制。
在使用准CW调制(有时称为“准CW操作”)的LIDAR系统中，调制器对激光进行调制以具有活动部分和不活动部分两者。例如，对于10微秒周期，调制器对激光进行调制仅达到2微秒(有时称为“活动部分”)，而不对激光进行调制达到8微秒(有时称为“不活动部分”)。由于光信号不必一直处于开启状态(例如，启用、供电、发射等)，所以LIDAR系统可以能够降低功耗达到调制器不必提供连续信号的时间部分(例如，8微秒)。此外，如果能够在实际测量时间期间消耗关闭状态(例如，禁用、掉电等)下的能量，则可以提高信噪比(SNR)和/或降低信号处理要求以在更长时间尺度中一致地集成所有能量。
在使用脉冲波调制(有时称为“脉冲波操作”)的LIDAR系统中，调制器对激光进行调制以具有活动部分和不活动部分两者。一个或多个门然后经由光开关将激光输入发送到光放大器，从而利用光增益累积，这导致1/(光占空比)的瞬时输出功率增加和处理要求的降低(例如，占空比)，全部同时维持恒定信号功率。
图2是描绘由使用CW操作、准CW操作和/或脉冲波操作的一个或多个LIDAR系统产生的波形之间的差异(例如，振幅、周期、平均功率、占空比等方面的差异)的基于时间的曲线图。基于时间的曲线图200包括波形202a、波形202b和波形202c。使用CW操作的LIDAR系统(例如，图1A中的LIDAR 136)可以基于多个码(例如，码1、码2、码3、码4)来构造振幅为‘h’的波形202(例如，连续波)。使用准CW操作的LIDAR系统(例如，图1A中的LIDAR 136)可以基于多个码(例如，码1和码2)来构造占空比等于(或者基本上等于)50％并且振幅等于(或者基本上等于)波形202a的振幅的两倍(例如，2h)的波形202b(例如，准CW)。使用脉冲波操作的LIDAR系统(例如，图1A中的LIDAR 136)可以基于多个码(例如，码1和码2)来构造占空比等于(或者基本上等于)波形202a的占空比的1/12并且振幅等于(或者基本上等于)波形202的振幅的12倍(例如，12h)的波形202c(例如，脉冲波)。
4.使用EDFA的脉冲波操作
图3A是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用EDFA以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。环境300A包括LIDAR系统301A，该LIDAR系统301A包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。Tx路径可以包括一个或多个Tx输入/输出端口(在图3A中未示出)，并且Rx路径可以包括一个或多个Rx输入/输出端口(在图3A中未示出)。
环境300A包括耦合到LIDAR系统301A的一个或多个光学器件310(例如，振荡扫描器、单向扫描器、里斯利棱镜、循环器光学器件和/或光束准直器等)。在一些实施方式中，一个或多个光学器件210可以经由一个或多个Tx输入/输出端口耦合到Tx路径。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
环境300A包括耦合到LIDAR系统301的车辆控制系统120(例如，图1中的车辆控制系统120)。在一些实施方式中，车辆控制系统120可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
Tx路径包括激光源302、电光调制器(EOM)304A和掺铒光纤放大器(EDFA)306。Rx路径包括混合器308、探测器312和跨阻抗(TIA)212。尽管图3A示出仅选择数目的组件和仅一个输入/输出通道，但是环境300A可以包括按照任何布置互连以有助于组合LIDAR系统的多个功能以支持车辆操作的任何数目的组件和/或输入/输出通道(以任何组合)。
激光源302被配置成生成从本地振荡器(LO)信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。在一些实施方式中，光信号可以具有等于或者基本上等于1550纳米的工作波长。在一些实施方式中，光信号可以具有介于1400纳米与1600纳米之间的工作波长。
激光源302被配置成将光信号提供给EOM 304A，该EOM 304A被配置成基于码信号(例如，“00011010”)对光信号的相位和/或频率进行调制以生成调制光信号。EOM 304A被配置成将调制光信号发送到EDFA 306。EDFA 306与多个增益配置相关联，每个增益配置确定EDFA 306应该以其放大(例如，增强)输入信号的级别。在一些实施方式中，EDFA 306可以被配置在恒定电流模式下。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成变更(例如，改变、调整、修改等)EDFA 306的增益配置以使EDFA 306通过放大调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1毫秒到5毫秒之间的任何点等)或连续方式跨多个增益配置中的一个或多个增益配置(例如，子集、全部)改变EDFA 306的增益配置。EDFA 306被配置成将脉冲包络信号发送到光学器件310。
光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的经放大的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器(在图3A中未示出)接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径的混合器308。
在一些实施方式中，激光源302可以被配置成向Rx路径的混合器308提供未调制LO信号(在图3A中未示出)。在一些实施方式中，EOM 304可以被配置成向Rx路径的混合器308提供调制LO信号(在图3A中未示出)。
混合器308被配置成将LO信号(调制的或未调制的)与返回信号混合(例如，组合、相乘等)以生成下转换信号并且将该下转换信号发送到探测器312。在一些布置中，混合器308被配置成将LO信号(调制的或未调制的)发送到探测器312。
探测器312被配置成基于下转换信号来生成电信号并且将电信号发送到TIA 314。在一些布置中，探测器312被配置成基于下转换信号和调制光信号来生成电信号。
TIA 314被配置成放大电信号并且将经放大的电信号发送到车辆控制系统120。
车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从TIA接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
图3B是框图，其图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用EDFA并且直接地对激光源进行调制以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境。除电光调制器(EOM)304A的去除以外，图3B中的环境300B还包括与图3A中的环境300A相同的组件(及至少其相同的功能)。
激光源302被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源302还被配置成基于码信号(例如，“00011010”)对光信号的相位和/或频率进行调制以生成调制光信号。激光源302被配置成将调制光信号发送到EDFA 306。在一些实施方式中，激光源302可以被配置成向Rx路径的混合器308提供未调制或调制LO信号(在图3B中未示出)。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成变更(例如，改变、调整、修改等)EDFA 306的增益配置以使EDFA 306通过放大调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1毫秒到5毫秒之间的任何点等)或连续方式跨多个增益配置中的一个或多个增益配置(例如，子集、全部)改变EDFA 306的增益配置。EDFA 306被配置成将脉冲包络信号发送到光学器件310
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号并且将该一个或多个电信号递送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
在一些实施方式中，EDFA(例如，图3A和/或图3B中的EDFA 306)可以具有恒定泵送增益率，其在输入端上不存在光的情况下可以使增益随着时间的推移而增加，从而在光脉冲被输入到EDFA时累积用于光能量释放的势能。EDFA的这种能量存储机制使得将输出光能量集中到脉冲中并且实现相对于EDFA的输入和输出是连续的或准连续的情况下类似的平均功率(例如，在许多脉冲周期上平均)变得简单。
图3C图示根据一些实施方式的EDFA之前的光强度的示例波形，其中EDFA具有恒定泵送增益率。图3D图示根据一些实施方式的EDFA之后的光强度的示例波形，其中EDFA具有恒定泵送增益率。然而，在一些实施方式中，两个实例(例如，之前和之后)中的脉冲功率将被增加了占空比的倒数。
5.使用光开关的脉冲波操作
图4A是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用光开关以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。环境400A包括LIDAR系统401A，该LIDAR系统401A包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。Tx路径可以包括一个或多个Tx输入/输出端口(在图4A中未示出)，并且Rx路径可以包括一个或多个Rx输入/输出端口(在图4A中未示出)。
环境400A包括耦合到LIDAR系统401A的一个或多个光学器件310。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Tx输入/输出端口耦合到Tx路径。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
环境400A包括耦合到LIDAR系统401的车辆控制系统120(例如，图1中的车辆控制系统120)。在一些实施方式中，车辆控制系统120可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
Tx路径包括激光源402、电光调制器(EOM)404A、光开关405和掺铒光纤放大器(EDFA)406。Rx路径包括混合器308、探测器312和跨阻抗(TIA)312。虽然图4A示出仅选择数目的组件和仅一个输入/输出通道，但是环境400A可以包括按照任何布置互连以有助于组合LIDAR系统的多个功能以支持车辆操作的任何数目的组件和/或输入/输出通道(以任何组合)。
激光源402被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源402被配置成向EOM 404A提供光信号。在一些实施方式中，激光源402可以被配置成向Rx路径的混合器308提供未调制LO信号(在图3A中未示出)。
EOM 404A被配置成基于码信号(例如，“00011010”)对光信号的相位和/或频率进行调制以生成调制光信号。EOM 404A被配置成将调制光信号发送到光开关405。在一些实施方式中，EOM 404A可以被配置成对LO信号(在图4A中未示出)进行调制并且将调制LO信号提供给Rx路径的混合器308。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成在启用状态(例如，允许光信号在开关的输入端和输出端之间通过)与禁用状态(例如，防止光信号在开关的输入端和输出端之间通过)之间切换(例如，激活、去激活、启用、禁用、移动、翻转、调整、配置等)光开关405以使光开关405基于调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1微秒到10微秒之间的任何点等)或连续方式切换光开关405。光开关405被配置成将脉冲包络信号发送到EDFA406。
EDFA 406被配置成通过放大脉冲包络信号来生成经放大的脉冲包络信号并且将该经放大的脉冲包络信号发送到光学器件310。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号递送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
节点411(即，激光源402的输出端)处对应于光信号的波形可以由下式表示：
E411＝E0*ei(wt)
节点413(即，EOM 404的输出端)处对应于调制光信号的波形可以由下式表示：
Figure BDA0003967047640000291
其中
Figure BDA0003967047640000292
节点415(即，开关405的输出端)处对应于脉冲包络信号的波形可以由下式表示：
E415＝E413*ψ(t)
其中ψ＝{1,t＝0:T0,t＝T:PRP}。
图4B是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用光开关以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。除电光调制器(EOM)404A的去除以外，图4B中的环境400B还包括与图4A中的环境400A相同的组件(及至少其相同的功能)。
激光源402被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源402还被配置成基于码信号(例如，“00011010”)对光信号的相位和/或频率进行调制以生成调制光信号。激光源402被配置成将调制光信号发送到光开关405。在一些实施方式中，激光源402可以被配置成向Rx路径的混合器308提供未调制或调制LO信号(在图4B中未示出)。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成在启用状态(例如，允许光信号在开关的输入端和输出端之间通过)与禁用状态(例如，防止光信号在开关的输入端和输出端之间通过)之间切换(例如，激活、去激活、启用、禁用、移动、翻转、调整、配置等)光开关405以使光开关405基于调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1微秒到10微秒之间的任何点等)或连续方式切换光开关405。光开关405被配置成将脉冲包络信号发送到EDFA406。
EDFA 406被配置成通过放大脉冲包络信号来生成经放大的脉冲包络信号，并且将该经放大的脉冲包络信号发送到光学器件310。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号发送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
图4C是图示根据实施方式的脉冲波LIDAR支持车辆操作的示例方法的流程图。尽管出于说明的目的在图4C中将步骤以特定次序描述为整体步骤，但是在其他实施方式中，一个或多个步骤或其部分被以不同次序执行，或者在时间上重叠、串行或并行，或者被省略，或者添加一个或多个附加步骤，或者以各方式的某种组合改变方法。在一些实施方式中，方法400C的一些或所有操作可以由在图4A中的环境400A中描绘的组件(例如，LIDAR系统401、光学器件310、自主车辆控制系统120)中的一个或多个执行。在一些实施方式中，方法400C的一些或所有操作可以由在图4B中的环境400B中描绘的组件(例如，LIDAR系统401、光学器件310、自主车辆控制系统120)中的一个或多个执行。
方法400C包括对光信号进行调制以生成调制光信号的操作402C。在一些实施方式中，方法400C包括从调制光信号中选择多个脉冲以生成脉冲包络信号的操作404C。在一些实施方式中，方法400C包括经由一个或多个光元件发射脉冲包络信号的操作406C。在一些实施方式中，方法400C包括接收响应于发射脉冲包络信号的反射信号的操作408C。在一些实施方式中，方法400C包括基于与反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离的操作410C。
6.使用马赫-曾德尔调制器的脉冲波操作
图5是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用马赫-曾德尔调制器以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。环境500A包括LIDAR系统501，该LIDAR系统501包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。Tx路径可以包括一个或多个Tx输入/输出端口(在图5中未示出)，并且Rx路径可以包括一个或多个Rx输入/输出端口(在图5中未示出)。
环境500A包括耦合到LIDAR系统501的一个或多个光学器件310。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Tx输入/输出端口耦合到Tx路径。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
环境500A包括耦合到LIDAR系统501的车辆控制系统120(例如，图1中的车辆控制系统120)。在一些实施方式中，车辆控制系统120可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
Tx路径包括激光源502、马赫-曾德尔调制器505和掺铒光纤放大器(EDFA)506。Rx路径包括混合器308、探测器312和跨阻抗(TIA)312。尽管图5示出仅选择数目的组件和仅一个输入/输出通道，但是环境500A可以包括按照任何布置互连以有助于组合LIDAR系统的多个功能以支持车辆操作的任何数目的组件和/或输入/输出通道(以任何组合)。
激光源502被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源502被配置成将光信号提供给马赫-曾德尔调制器505。在一些实施方式中，激光源502可以被配置成向Rx路径的混合器308提供LO信号(在图5中未示出)。
马赫-曾德尔调制器505被配置成转换通过划分来自激光源502的光信号并且利用电光调制对两条路径进行调制而导出的两条路径之间的相对相移变化。马赫-曾德尔调制器505被配置成基于相对相位变化来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，马赫-曾德尔调制器505基于码信号(例如，“00011010”)对脉冲包络信号的相位和/或频率进行调制以生成调制脉冲包络信号。马赫-曾德尔调制器505被配置成将脉冲包络信号(未调制的或调制的)发送到EDFA 506。在一些实施方式中，马赫-曾德尔调制器505可以对LO信号进行调制并且将调制LO信号提供给Rx路径的混合器308。在一些实施方式中，马赫-曾德尔调制器505可以与脉冲整形一起使用以校正信号上的输出振幅衰减。
EDFA 506被配置成通过放大脉冲包络信号来生成经放大的脉冲包络信号，并且将该经放大的脉冲包络信号发送到光学器件310。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号递送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
参考图5，一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成在启用状态(例如，允许光信号在输入端与输出端之间通过)与禁用状态(例如，防止光信号在输入端与输出端之间通过)之间切换(例如，激活、去激活、启用、禁用、移动、翻转、调整、配置等)MZ调制器505的输出，使得MZ调制器505能够生成除了调制光信号之外的脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1微秒到10微秒之间的任何点等)或连续方式切换MZ调制器505的输出。MZ调制器505被配置成将调制脉冲包络信号发送到EDFA 506。
在一些实施方式中，节点511(即，激光源502的输出端)处对应于光信号的波形可以由下式表示：
E511＝E0*ei(wt)。
在一些实施方式中，节点515(即，MZ调制器505的输出端)处对应于调制和脉冲光信号的波形可以由下式表示：
E515＝E0*ei(wt)*Code*ψ(t)。
其中ψ＝{1,t＝0:T0,t＝T:PRP}。
7.使用EAM的脉冲波操作
图6是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用电吸收调制器(EAM)以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。环境600包括LIDAR系统601，该LIDAR系统601包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。Tx路径可以包括一个或多个Tx输入/输出端口(在图6中未示出)，并且Rx路径可以包括一个或多个Rx输入/输出端口(在图6中未示出)。
环境600包括耦合到LIDAR系统601的一个或多个光学器件310。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Tx输入/输出端口耦合到Tx路径。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
环境600包括耦合到LIDAR系统601的车辆控制系统120(例如，图1中的车辆控制系统120)。在一些实施方式中，车辆控制系统120可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
Tx路径包括激光源602、EAM 605和掺铒光纤放大器(EDFA)606。Rx路径包括混合器308、探测器312和跨阻抗(TIA)312。虽然图6示出仅选择数目的组件和仅一个输入/输出通道，但是环境600可以包括按照任何布置互连以有助于组合LIDAR系统的多个功能以支持车辆操作的任何数目的组件和/或输入/输出通道(以任何组合)。
激光源602被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源602被配置成将光信号提供给EAM 605。在一些实施方式中，激光源602可以被配置成向Rx路径的混合器308提供LO信号(在图6中未示出)。
EAM 605被配置成根据码信号(例如，“00011010”)经由电压对光信号的振幅(例如，强度)进行调制。也就是说，EAM 605由具有吸收系数的半导体材料构造。当一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)对EAM 605施加外部电场时，吸收系数变化导致带隙能量的变化，这进而使EAM 605对传入光信号的振幅进行调制。通过对光信号的振幅进行调制，EAM 605能够生成脉冲包络信号。EAM 605被配置成将脉冲包络信号发送到EDFA 606。在一些实施方式中，EAM 605可以对LO信号进行调制并且将调制LO信号提供给Rx路径的混合器308。
EDFA 606放大脉冲包络信号以生成经放大的脉冲包络信号并且将该经放大的脉冲包络信号发送到光学器件310。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号发送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速率。
8.使用SOA的脉冲波操作
图7是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用半导体光放大器(SOA)以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。环境700包括LIDAR系统701，该LIDAR系统701包括发射(Tx)路径和接收(Rx)路径。Tx路径可以包括一个或多个Tx输入/输出端口(在图7中未示出)，并且Rx路径可以包括一个或多个Rx输入/输出端口(在图7中未示出)。
环境700包括耦合到LIDAR系统701的一个或多个光学器件310。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Tx输入/输出端口耦合到Tx路径。在一些实施方式中，一个或多个光学器件310可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
环境700包括耦合到LIDAR系统701的车辆控制系统120(例如，图1中的车辆控制系统120)。在一些实施方式中，车辆控制系统120可以经由一个或多个Rx输入/输出端口耦合到Rx路径。
Tx路径包括激光源702、调制器705、半导体光放大器(SOA)706。Rx路径包括混合器308、探测器312和跨阻抗(TIA)312。虽然图7示出仅选择数目的组件和仅一个输入/输出通道，但是环境700可以包括按照任何布置互连以方便组合LIDAR系统的多个功能以支持车辆操作的任何数目的组件和/或输入/输出通道(以任何组合)。
激光源702被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源702被配置成将光信号提供给调制器705。在一些实施方式中，激光源702可以被配置成向Rx路径的混合器308提供LO信号(在图7中未示出)。
调制器被配置成基于码信号(例如，“00011010”)对光信号的相位和/或频率和/或强度进行调制以生成调制光信号。在一些实施方式中，调制器705可以是EOM(例如，图4A中的EOM 404)、EAM(例如，图6中的EAM 605)或马赫-曾德尔调制器(例如，图5中的马赫-曾德尔调制器505)。调制器705被配置成将调制光信号发送到SOA 706。在一些实施方式中，调制器705可以对LO信号进行调制并且将调制LO信号提供给Rx路径的混合器308。
SOA 706可以与多个增益配置相关联，每个增益配置确定SOA 706应该以其放大(例如，增强)输入信号的级别。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成变更(例如，改变、调整、修改等)SOA 706的增益配置以使SOA 706通过放大调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1微秒到10微秒之间的任何点等)或连续方式跨多个增益配置中的一个或多个增益配置(例如，子集或全部)改变SOA 706的增益配置。SOA 706被配置成将脉冲包络信号发送到光学器件310。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号发送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速度。
图8是图示根据一些实施方式的在脉冲波操作中使用半导体光放大器(SOA)和索引调制以操作自主车辆的LIDAR系统的示例环境的框图。除调制器705的去除以外，图8中的环境800B还包括与图7中的环境700相同的组件(及至少其相同的功能)。
激光源802被配置成生成从LO信号导出(或者与LO信号相关联)的光信号。激光源802被配置成将调制光信号发送到SOA 806。在一些实施方式中，激光源802可以被配置成向Rx路径的混合器308提供LO信号(在图8中未示出)。
SOA 806与多个增益配置相关联，每个增益配置确定SOA 806应该以其放大(例如，增强)输入信号的级别。
一个或多个处理器(例如，自主车辆控制系统120、计算系统172等)被配置成变更(例如，改变、调整、修改等)SOA 806的增益配置以使SOA 806通过放大调制光信号来生成脉冲包络信号。在一些实施方式中，一个或多个处理器可以以随机、周期性(例如，在介于0.1微秒到10微秒之间的任何点等)或连续方式跨多个增益配置中的一个或多个增益配置(例如，子集或全部)改变SOA 806的增益配置。
SOA 806被配置成使用索引调制并且基于码信号(例如，“00011010”)对光信号和/或脉冲包络信号进行调制。SOA 806被配置成将脉冲包络信号发送到光学器件310。在一些实施方式中，SOA 806可以对LO信号进行调制并且将调制LO信号提供给Rx路径的混合器308。
如本文中关于图3A所讨论的，光学器件310被配置成使它从Tx路径接收到的光信号朝向对象318转向到给定视场内的自由空间中、经由接收器接收从对象318反射回的返回信号，并且将该返回信号提供给Rx路径。Rx路径从该返回信号生成一个或多个电信号，并且将该一个或多个电信号递送到车辆控制系统120，该车辆控制系统120被配置成确定到对象318的距离和/或基于它从Rx路径接收到的一个或多个电信号来测量对象318的速率。
提供前面的描述以使本领域的任何技术人员能够实践本文中描述的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可以被应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文中所示的各方面，而是要符合与语言权利要求一致的全部范围，其中以单数形式对元素的引用不旨在意指“一个并且仅一个”，除非特别如此陈述，而是意指“一个或多个”。除非另有明确说明，否则术语“一些”指代一个或多个。本领域的普通技术人员已知或稍后将了解的与在整个先前描述中描述的各个方面的元素的所有结构和功能等效物通过引用被明确地并入本文中并且旨在被权利要求涵盖。此外，本文中所公开的任何内容均不旨在专用于公众，无论此类公开是否在权利要求中明确叙述。没有权利要求元素被解释为功能性限定，除非使用短语“用于……的装置”明确详述该元素。
理解的是，所公开的过程中块的特定顺序或层次结构是说明性方法的示例。基于设计偏好，理解的是，可以重新排列过程中块的特定顺序或层次结构，同时维持在先前描述的范围内。所附方法权利要求以样本顺序呈现各种块的元素，并不意味着限于所呈现的特定顺序或层次结构。
提供所公开的实施方式的先前描述以使本领域的任何技术人员能够制作或使用所公开的主题。对这些实施方式的各种修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且在不背离先前描述的精神或范围的情况下本文中定义的一般原理可以被应用于其他实施方式。因此，先前的描述不旨在限于本文中所示的实施方式，而是要被符合与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
所说明和描述的各种示例仅作为示例被提供以说明权利要求的各种特征。然而，关于任何给定示例示出和描述的特征不一定限于相关联的示例并且可以与示出和描述的其他示例一起使用或组合。此外，权利要求不旨在受任何一个示例的限制。
前述方法描述和过程流程图仅作为说明性示例提供并不意在要求或暗示各种示例的块必须以呈现的顺序执行。如本领域的技术人员将理解的，前述示例中的块的顺序可以以任何顺序执行。诸如“此后”、“那么”、“下一个”等词语并非旨在限制块的顺序；这些词只是用来通过方法的描述引导读者。此外，以单数形式对权利要求要素的任何引用，例如，使用冠词“一(a)”、“一个(an)”或“该(the)”不应被解释为将要素限制为单数。
结合本文中公开的示例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法块可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和块已在上面大体上根据它们的功能进行了描述。这种功能是作为硬件还是软件实现取决于特定应用和施加在整个系统上的设计约束。熟练的技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实现所描述的功能，但是这样的实现决策不应被解释为导致背离本公开的范围。
被用于实现结合本文中公开的示例描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以通过被设计执行本文中描述的功能的通用处理器、DSP、ASIC、FPGA或其他可编程的逻辑器件、分立门或晶体管、分立硬件组件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核心相结合、或任何其他这样的配置。替代地，一些块或方法可以由特定于给定功能的电路执行。
在一些示例性示例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果以软件实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在非暂时性计算机可读存储介质或非暂时性处理器可读存储介质上。本文中公开的方法或算法的块可以被实施在处理器可执行软件模块中，其可以驻留在非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质上。非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质可以是可以由计算机或处理器访问的任何存储介质。作为示例而非限制，此类非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备，或可以被用于以指令或数据结构的形式存储所需程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。如本文中所用，磁盘和光碟包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光光碟，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光碟以激光光学地再现数据。以上的组合也被包括在非暂时性计算机可读和处理器可读介质的范围内。此外，方法或算法的操作可以作为一个或任何组合或代码和/或指令的集合驻留在非瞬态处理器可读存储介质和/或计算机可读存储介质上，其可以被并入计算机中程序产品。
提供所公开示例的前述描述以使本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对这些示例的各种修改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，并且在不背离本公开的精神或范围的情况下本文中定义的一般原理可以被应用于一些示例。因此，本公开不旨在限于本文中所示的示例，而是要被符合与以下权利要求以及本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
尽管阐述宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但在具体的非限制性实施例中阐述的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值都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它们各自的测试测量中发现的标准偏差造成的。此外，除非上下文另有明确说明，否则本文中呈现的数值具有由最低有效数字给出的隐含精度。因此，值1.1隐含从1.05到1.15的值。术语“大约”被用于指示以给定值为中心的较宽范围，并且除非上下文另有明确说明，否则隐含最低有效数字周围的较宽范围，诸如“大约1.1”隐含从1.0到1.2的范围。如果最低有效位不清楚，则术语“大约”隐含两倍的系数，例如，“大约X”隐含从0.5X到2X范围中的值，例如，大约100隐含从50至200范围中的值。此外，本文中公开的所有范围应理解为涵盖其中包含的任何和所有子范围。例如，用于仅正参数的“小于10”范围能够包括在(并且包括)最小值0和最大值10之间的任何和所有子范围，即，任何和所有子范围具有等于或大于0的最小值和等于或小于10(例如，1到4)的最大值。
下面在一个或多个高分辨率多普勒LIDAR系统的上下文中描述了本公开的一些实施方式，其被安装在个人汽车的区域(例如，前、后、侧、顶部和/或底部)上；但是，实施方式不限于此上下文。在其他实施方式中，具有或不具有多普勒组件、具有重叠或非重叠视场或者安装在更小或更大的陆地、海上或空中车辆、遥控飞行器或自主车辆上的相同类型或其他高分辨率LIDAR系统的一个或多个此类系统被采用。在其他实施方式中，扫描高分辨率LIDAR被安装在陆地或海上的临时或永久固定位置处。

Claims (15)

1.一种光检测和测距(LIDAR)系统，包括：
激光源，所述激光源被配置成以第一信号功率提供光信号；
放大器，所述放大器具有多个增益配置，其中所述放大器被配置成接收所述光信号并且基于所述多个增益配置中的增益配置来放大所述光信号；
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置成：
跨所述多个增益配置中的两个或更多个增益配置调整所述放大器的增益配置，以使所述放大器以第二信号功率生成脉冲包络信号，其中所述第二信号功率比所述第一信号功率大至少与所述光信号的占空比的倒数相对应的量。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述放大器经由一个或多个光元件发射所述脉冲包络信号。
3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，进一步包括：
接收器，所述接收器被配置成接收响应于所述放大器发射所述脉冲包络信号的反射信号，
其中，所述一个或多个处理器进一步被配置成基于与所述反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离。
4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述脉冲包络信号具有大于或等于1微秒并且小于或等于1毫秒的脉冲重复周期。
5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括：
电光调制器，所述电光调制器被配置成：
从所述激光源接收所述光信号；并且
在所述放大器接收所述光信号之前对所述光信号进行调制。
6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，所述调制器是电光调制器、电吸收调制器或马赫-曾德尔调制器。
7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述激光源在所述放大器接收所述光信号之前对所述光信号进行调制。
8.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述放大器包括掺铒光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。
9.根据权利要求8所述的LIDAR系统，其中，所述放大器包括所述SOA，并且其中所述SOA使用索引调制对所述光信号进行调制。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，进一步包括：
脉冲包络生成器，所述脉冲包络生成器被配置成通过确定与所述光信号相关联的第一光信号和与所述光信号相关联的第二光信号之间的相对相位差来生成脉冲包络信号。
11.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，所述脉冲包络生成器对所述光信号的振幅进行调制。
12.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，所述脉冲包络生成器是电吸收调制器(EAM)。
13.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，所述脉冲包络生成器被配置成：将所述光信号划分成所述第一光信号和所述第二光信号。
14.一种自主车辆，包括：
转向系统或制动系统中的至少一个；以及
车辆控制器，所述车辆控制器包括一个或者多个处理器，所述一个或者多个处理器被配置成：
以第一信号功率从激光源提供光信号；
使放大器基于所述放大器的多个增益配置中的增益配置放大所述光信号；
跨所述多个增益配置中的两个或更多个增益配置调整所述增益配置，从而以第二信号功率生成脉冲包络信号，其中，所述第二信号功率比所述第一信号功率大至少与所述光信号的占空比的倒数相对应的量；
经由一个或者多个光元件发射所述脉冲包络信号；
接收响应于发射所述脉冲包络信号的反射信号；
基于与所述反射信号相关联的电信号来确定到对象的距离；以及
使用到所述对象的距离来控制所述转向系统或所述制动系统中的至少一个。
15.一种包括根据权利要求1-13中的任一项所述的LIDAR系统的自主车辆控制系统。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10838061B1 (en) * 2019-07-16 2020-11-17 Blackmore Sensors & Analytics, LLC. Method and system for enhanced velocity resolution and signal to noise ratio in optical phase-encoded range detection
US11556000B1 (en) 2019-08-22 2023-01-17 Red Creamery Llc Distally-actuated scanning mirror
US11029395B1 (en) * 2020-06-30 2021-06-08 Aurora Innovation, Inc. Systems and methods for pulsed-wave LIDAR
US20220128995A1 (en) * 2020-10-22 2022-04-28 Waymo Llc Velocity estimation and object tracking for autonomous vehicle applications
US11841439B2 (en) 2020-11-02 2023-12-12 Waymo Llc Point cloud segmentation using a coherent lidar for autonomous vehicle applications
US11656629B1 (en) 2020-12-08 2023-05-23 Waymo Llc Detection of particulate matter in autonomous vehicle applications
US11435453B1 (en) 2021-04-15 2022-09-06 Aeva, Inc. Techniques for simultaneous determination of range and velocity with active modulation
US20230080530A1 (en) * 2021-09-13 2023-03-16 Magna Electronics Inc. Method for detecting objects via a vehicular sensing system
US11675085B1 (en) * 2022-10-31 2023-06-13 Aeva, Inc. Techniques for beam pattern adjustments in a LIDAR system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105793677A (zh) * 2013-12-06 2016-07-20 霍尼韦尔国际公司 具有多个波形的自适应雷达系统
CN108139481A (zh) * 2015-09-29 2018-06-08 高通股份有限公司 具有反射信号强度测量的lidar系统
CN108574549A (zh) * 2017-03-13 2018-09-25 谷歌有限责任公司 开放、模块化和可扩展的光线路系统
CN108603758A (zh) * 2015-11-30 2018-09-28 卢米诺技术公司 具有分布式激光器和多个传感器头的激光雷达系统和激光雷达系统的脉冲激光器
CN109412699A (zh) * 2018-11-28 2019-03-01 武汉邮电科学研究院有限公司 脉冲生成方法、装置、相干相位敏感时域反射方法及系统
CN110114691A (zh) * 2016-12-23 2019-08-09 伟摩有限责任公司 混合直接探测与相干光探测和测距系统
CN110226103A (zh) * 2016-12-16 2019-09-10 博莱佳私人有限公司 环境空间轮廓估计
CN110622032A (zh) * 2017-03-28 2019-12-27 卢米诺技术公司 利用脉冲编码降低距离模糊度的激光雷达发射器和探测器系统
CN110662981A (zh) * 2017-03-28 2020-01-07 卢米诺技术公司 在激光雷达系统中操作的光学探测器的时变增益

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3089332B2 (ja) * 1992-02-21 2000-09-18 株式会社トプコン 光波距離計
JPH06187640A (ja) * 1992-12-18 1994-07-08 Hitachi Ltd 光記録方法およびその装置
JP2002090196A (ja) * 2000-09-20 2002-03-27 Yazaki Corp 電気負荷のパルス駆動制御装置
GB0228890D0 (en) * 2002-12-11 2003-01-15 Qinetiq Ltd Laser radar apparatus
KR100605372B1 (ko) * 2003-09-29 2006-07-28 한국전자통신연구원 다중양자우물을 갖는 전계흡수형 광 변조기
KR101207345B1 (ko) * 2010-08-05 2012-12-05 한국표준과학연구원 자동보정 기능을 갖는 광섬유 분포 온도 센서 시스템 및 이를 이용한 온도 측정방법
US9683928B2 (en) 2013-06-23 2017-06-20 Eric Swanson Integrated optical system and components utilizing tunable optical sources and coherent detection and phased array for imaging, ranging, sensing, communications and other applications
WO2015058209A1 (en) * 2013-10-18 2015-04-23 Tramontane Technologies, Inc. Amplified optical circuit
JP2017211502A (ja) * 2016-05-25 2017-11-30 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光周波数コム発生装置および測距装置
US10969475B2 (en) * 2017-01-05 2021-04-06 Innovusion Ireland Limited Method and system for encoding and decoding LiDAR
KR101922046B1 (ko) * 2017-01-13 2018-11-27 한국과학기술원 편광 변조 포켈스 셀과 마이크로 편광자 카메라를 사용하는 고 해상도 및 거리정밀도를 갖는 3차원 플래시 라이다 시스템
US10007001B1 (en) 2017-03-28 2018-06-26 Luminar Technologies, Inc. Active short-wave infrared four-dimensional camera
US10677897B2 (en) * 2017-04-14 2020-06-09 Luminar Technologies, Inc. Combining lidar and camera data
CN111033303A (zh) * 2017-09-27 2020-04-17 日本电产株式会社 距离测定装置、以及移动体
KR102061040B1 (ko) * 2018-02-02 2019-12-31 호서대학교 산학협력단 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치
US11467265B2 (en) * 2019-08-20 2022-10-11 Luminar, Llc Coherent pulsed lidar system
US11029395B1 (en) * 2020-06-30 2021-06-08 Aurora Innovation, Inc. Systems and methods for pulsed-wave LIDAR

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105793677A (zh) * 2013-12-06 2016-07-20 霍尼韦尔国际公司 具有多个波形的自适应雷达系统
CN108139481A (zh) * 2015-09-29 2018-06-08 高通股份有限公司 具有反射信号强度测量的lidar系统
CN108603758A (zh) * 2015-11-30 2018-09-28 卢米诺技术公司 具有分布式激光器和多个传感器头的激光雷达系统和激光雷达系统的脉冲激光器
CN110226103A (zh) * 2016-12-16 2019-09-10 博莱佳私人有限公司 环境空间轮廓估计
CN110114691A (zh) * 2016-12-23 2019-08-09 伟摩有限责任公司 混合直接探测与相干光探测和测距系统
CN108574549A (zh) * 2017-03-13 2018-09-25 谷歌有限责任公司 开放、模块化和可扩展的光线路系统
CN110622032A (zh) * 2017-03-28 2019-12-27 卢米诺技术公司 利用脉冲编码降低距离模糊度的激光雷达发射器和探测器系统
CN110662981A (zh) * 2017-03-28 2020-01-07 卢米诺技术公司 在激光雷达系统中操作的光学探测器的时变增益
CN109412699A (zh) * 2018-11-28 2019-03-01 武汉邮电科学研究院有限公司 脉冲生成方法、装置、相干相位敏感时域反射方法及系统

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