CN117178200A - 用于光检测和测距光源的动态脉冲控制 - Google Patents

用于光检测和测距光源的动态脉冲控制 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于对光检测和测距(LiDAR)扫描系统中的光纤激光器执行动态脉冲控制的方法。该方法包括：切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率，该第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光；以及将该种子激光调节为具有不同于第一触发频率的第二触发频率。泵功率的切换和种子激光的调节被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。

Description

用于光检测和测距光源的动态脉冲控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2022年4月18日提交的标题为“用于光检测和测距光源的动态脉冲控制(DYNAMIC PULSE CONTROL FOR LIDAR LIGHT SOURCE)”的美国专利申请17/723,239号和2021年4月20日提交的标题为“用于光检测和测距光源的动态脉冲控制(DYNAMIC PULSECONTROL FOR LIDAR LIGHT SOURCE)”的美国临时专利申请63/177,354号的优先权。出于所有目的，两个申请的内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于光学扫描的光源，更特别地，涉及对在光检测和测距系统中使用的光纤激光器执行动态脉冲控制。
背景技术
光检测和测距(LiDAR)系统使用光脉冲来创建外部环境的图像或点云。一些典型的LiDAR系统包括光源、光发射器、光转向系统和光检测器。光源生成光束，该光束在从LiDAR系统传输时由光转向系统沿特定方向引导。当所传输的光束被物体散射时，所散射的光中的一部分作为返回光脉冲返回到LiDAR系统。光检测器检测返回光脉冲。使用检测到返回光脉冲的时间与传输光束中的对应光脉冲的时间之间的差，LiDAR系统可以使用光速来确定到物体的距离。光转向系统可以沿着不同的路径引导光束，以允许LiDAR系统扫描周围环境并产生图像或点云。LiDAR系统还可以使用除飞行时间和扫描之外的技术来测量周围环境。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于对光检测和测距(LiDAR)扫描系统中的光纤激光器执行动态脉冲控制的方法。该方法包括：切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率，该第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光；以及将种子激光调节为具有不同于第一触发频率的第二触发频率。泵功率的切换和种子激光的调节被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。
在一个实施例中，提供了一种用于对光检测和测距(LiDAR)扫描系统中的光纤激光器执行动态脉冲控制的系统。该系统包括：第一泵控制器，该第一泵控制器被配置成切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率，该第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光；以及种子控制器，该种子控制器被配置成将种子激光调节为具有不同于第一触发频率的第二触发频率。切换泵功率和调节种子激光被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。
本公开中提供的方法和系统的实施例能够减小或消除光纤激光器的输出放大激光的脉冲能量波动的很大一部分。此外，本公开中提供的方法和系统实施例能够减少脉冲能量波动的稳定时间。因此，输出放大激光能够对输入变化做出快速响应，该输入变化包括改变种子激光器的触发频率和/或改变泵功率。快速的光纤激光器输出响应有助于LiDAR系统在扫描感兴趣区域(ROI)区域与扫描非ROI区域之间平稳地和快速地切换。此外，快速的光纤激光器输出响应还能够提高光纤激光器效率和减少不必要的能耗。
附图说明
通过参考下文结合附图描述的图，可以最好地理解本申请，在附图中，相似的部分可由相似的附图标记来表示。
图1图示了被设置或包括在机动车辆中的一个或多个示例性LiDAR系统。
图2是图示示例性LiDAR系统与包括车辆感知和规划系统的多个其他系统之间的交互的框图。
图3是图示示例性LiDAR系统的框图。
图4是图示示例性基于光纤的激光源的框图。
图5A至图5C图示了使用脉冲信号来测量到设置在视场(FOV)中的物体的距离的示例性LiDAR系统。
图6是图示用于实施各种实施例中的系统、设备和方法的示例性设备的框图。
图7A至图7C图示了常规激光源以及在激光源被控制为改变其触发频率时该激光源的信号波形。
图8是图示根据一些实施例的用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的系统的框图。
图9A至图9B是根据一些实施例的种子控制信号、泵控制信号和光纤激光器输出信号的示例波形。
图9C至图9D是图示根据一些实施例的一个或多个种子控制信号与一个或多个泵控制信号之间的不同关系的示例波形。
图10是图示根据一些实施例的用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的另一个系统的框图。
图11是图示根据一些实施例的示例光耦合单元的框图。
图12是图示根据一些实施例的用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的方法的流程图。
具体实施方式
为提供对本发明的更透彻的理解，以下描述阐述了许多具体细节，诸如具体配置、参数、示例等。然而，应认识到，此类描述并不旨在对本发明的范围进行限制，而是旨在提供对示例性实施例的更好的描述。
在说明书和权利要求通篇中，除非上下文另外明确规定，否则以下术语采用本文中明确关联的含义：
如本文中所使用的短语“在一个实施例中”不一定指代同一个实施例，不过也可以指代同一个实施例。因此，如下文所描述的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以容易地组合本公开的各种实施例。
如本文中所使用的，术语“或”是包含性的“或”运算符，并且除非上下文另外明确规定，否则等同于术语“和/或”。
术语“基于”不是排他性的，并且除非上下文另外明确规定，否则允许基于未描述的附加因素。
如本文中所使用的，除非上下文另外规定，否则术语“联接到”旨在包括直接联接(其中彼此联接的两个元件彼此接触)和间接联接(其中至少一个附加元件位于两个元件之间)。因此，术语“联接到”和“与……联接”同义使用。在两个或更多个部件或装置能够交换数据的网络环境的背景内，术语“联接到”和“与……联接”也用于意指“与……通信地联接”，这可能经由一个或多个中间装置。
尽管以下描述使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离各种描述的示例的范围的情况下，第一泵可以被称为第二泵，并且类似地，第二泵可以被称为第一泵。第一泵和第二泵都可以是泵，并且在一些情况下，可以是单独的且不同的泵。
另外，在说明书通篇中,“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用，并且“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
尽管本文中呈现的各种实施例中的一些实施例构成了发明元素的单个组合，但应了解，发明主题被视为包括所公开元素的所有可能的组合。因而，如果一个实施例包括元素A、B和C，并且另一个实施例包括元素B和D，则即使本文中没有明确讨论，发明主题也被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合。进一步地，过渡性术语“包括”意指具有零件或构件，或者是那些零件或构件。如本文中所使用的，过渡性术语“包括”是包含性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。
在以下公开内容通篇中，可以关于服务器、服务、接口、引擎、模块、客户端、对等体、门户、平台或由计算装置形成的其他系统进行众多参考。应了解，此类术语的使用被认为表示具有至少一个处理器(例如，ASIC、FPGA、PLD、DSP、x86、ARM、RISC-V、ColdFire、GPU、多核处理器等)的一个或多个计算装置，所述至少一个处理器被配置成执行存储在计算机可读有形的非暂时性介质(例如，硬盘驱动器、固态驱动器、RAM、闪存、ROM等)上的软件指令。例如，服务器可以包括一个或多个计算机，所述一个或多个计算机以完成所描述的角色、职责或功能的方式作为网络服务器、数据库服务器或其他类型的计算机服务器而运行。应进一步了解，所公开的基于计算机的算法、过程、方法或其他类型的指令集可以被体现为计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储使处理器执行所公开的步骤的指令的非暂时性有形计算机可读介质。各种服务器、系统、数据库或接口可以使用标准化协议或算法来交换数据，可能基于HTTP、HTTPS、AES、公私密钥交换、web服务API、已知的金融交易协议或其他电子信息交换方法。数据交换可以在分组交换网络、电路交换网络、互联网、LAN、WAN、VPN或其他类型的网络上进行。
如本文中的描述和所附的权利要求通篇中所使用的，当系统、引擎、服务器、装置、模块或其他计算元件被描述为被配置成对存储器中的数据执行或运行功能时，“被配置成”或“被编程为”的含义被定义为计算元件的一个或多个处理器或核由存储在计算元件的存储器中的一组软件指令编程，以对存储在存储器中的目标数据或数据对象执行一组功能。
应注意，指向计算机的任何语言应被解读为包括计算装置或网络平台的任何合适组合，包括服务器、接口、系统、数据库、代理、对等体、引擎、控制器、模块或者单独或共同运行的其他类型的计算装置。应了解，计算装置包括处理器，该处理器被配置成执行存储在有形非暂时性计算机可读存储介质(例如，硬盘驱动器、FPGA、PLA、固态驱动器、RAM、闪存、ROM等)上的软件指令。软件指令对计算装置进行配置或编程，以提供如下文关于所公开的设备所讨论的角色、职责或其他功能。进一步地，所公开的技术可以被体现为计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储软件指令的非暂时性计算机可读介质，所述软件指令使处理器执行与基于计算机的算法、过程、方法或其他指令的实施相关联的所公开的步骤。在一些实施例中，各种服务器、系统、数据库或接口使用标准化协议或算法来交换数据，可能基于HTTP、HTTPS、AES、公私密钥交换、web服务API、已知的金融交易协议或其他电子信息交换方法。装置之间的数据交换可以通过分组交换网络、互联网、LAN、WAN、VPN或其他类型的分组交换网络、电路交换网络、信元交换网络、或其他类型的网络进行。
常规的光纤激光器通常无法快速改变其输出激光的操作特性。光纤激光器通常包括种子激光器和功率泵。种子激光器生成处于所期望的信号波长(例如，1550nm)的种子激光。功率泵生成泵激光以将功率提供给光纤激光放大器。光纤激光放大器通常是稀土掺杂的光纤。种子激光和泵激光被组合并提供给光纤激光放大器。因此，种子激光通过与掺杂光纤中的掺杂剂离子的相互作用而被放大。放大是通过从掺杂光纤中的掺杂剂离子受激发射光子来实现的。泵激光将掺杂剂离子激发到上能级中，这些掺杂剂离子可以经由在所期望的信号波长下受激发射光子而从该上能级衰变回到下能级。
由于掺杂离子的激发以及由于长的衰变时间，光纤激光放大器可以在一段时间期间存储能量。结果，光纤激光器的输出脉冲能量可能不会对其输入信号变化做出快速响应。作为一个示例，种子激光器以某个频率被触发以生成种子激光。该触发频率可以不时地改变。例如，如果LiDAR系统被配置成扫描感兴趣区域(ROI)，则可能需要增加触发频率以提高扫描分辨率，反之亦然。在一个示例中，触发频率可以从300kHz改变到600kHz。当发生此类变化时，光纤激光器的输出激光的脉冲能量可能具有显著的波动(例如，翻倍)，之后该脉冲能量可以再次稳定。
在另一个示例中，光纤激光器的输出激光可能不会对泵功率的变化做出快速响应。在光纤激光器中，由泵提供的功率也可以不时地改变。例如，泵可以被突然关闭，因此不提供泵激光来放大种子激光。泵还可以减小所提供的功率。但由于光纤激光放大器中存储的能量，光纤激光器的输出脉冲能量只能逐渐减小到零。在一些情况下，输出脉冲能量减小到零的时间可能大于100微秒。在光纤激光器需要响应于输入控制信号而快速改变其输出的应用中，输出响应中的延迟可能是不可接受或不期望的。因此，当光纤激光器的一个或多个输入改变时，需要既减小光纤激光器输出脉冲能量波动又减少输出脉冲能量稳定时间。
本公开中提供的方法和系统可以减小或消除光纤激光器的输出放大激光的脉冲能量波动的很大一部分。进一步地，本公开中提供的方法和系统可以减少输出放大激光的稳定时间。因此，输出放大器激光可以对输入变化做出快速响应，该输入变化包括改变种子激光器的触发频率和/或改变泵功率。快速的光纤激光器输出响应有助于LiDAR系统平稳地和快速地切换其在感兴趣区域(ROI)区域与非ROI区域之间的扫描。进一步地，快速的光纤激光器输出响应还可以提高光纤激光器效率和减少不必要的能耗。
图1图示了被设置或包括在机动车辆100中的一个或多个示例性LiDAR系统110。机动车辆100可以是具有任何自动化水平的车辆。例如，机动车辆100可以是部分自动化车辆、高度自动化车辆、全自动化车辆或无人驾驶车辆。部分自动化车辆可以在没有人类驾驶员干预的情况下执行一些驾驶功能。例如，部分自动化车辆可以执行盲点监测、车道保持和/或变道操作、自动紧急制动、智能巡航和/或交通跟随等。部分自动化车辆的某些操作可能限于特定的应用或驾驶场景(例如，仅限于高速公路驾驶)。高度自动化车辆通常可以执行部分自动化车辆的所有操作，但具有较少限制。高度自动化车辆还可以在操作车辆时检测自身极限，并在必要时要求驾驶员接管对车辆的控制。全自动化车辆可以在没有驾驶员干预的情况下执行所有车辆操作，但也可以检测其自身极限，并在必要时要求驾驶员接管。无人驾驶车辆可以在没有任何驾驶员干预的情况下自行操作。
在典型配置中，机动车辆100包括一个或多个LiDAR系统110和120A-F。LiDAR系统110和120A-F中的每一个可以是基于扫描的LiDAR系统和/或非扫描的LiDAR系统(例如，闪光LiDAR)。基于扫描的LiDAR系统在一个或多个方向(例如，水平和竖直方向)上扫描一个或多个光束，以检测视场(FOV)中的物体。基于非扫描的LiDAR系统在不扫描的情况下发射激光来照射FOV。例如，闪光LiDAR是一种基于非扫描的LiDAR系统。闪光LiDAR可以发射激光，以使用单个光脉冲或光射同时照射FOV。
LiDAR系统常常是至少部分自动化的车辆的基本传感器。在一个实施例中，如图1中所示，机动车辆100可包括设置在车辆的最高位置处(例如，在车顶处)的单个LiDAR系统110(例如，不具有LiDAR系统120A-F)。将LiDAR系统110设置在车顶处有助于围绕车辆100进行360度扫描。在一些其他实施例中，机动车辆100可以包括多个LiDAR系统，包括系统110和/或120A-F中的两个或更多个。如图1中所示，在一个实施例中，多个LiDAR系统110和/或120A-F在车辆的不同位置处附接到车辆100。例如，LiDAR系统120A在右前角处附接到车辆100；LiDAR系统120B在前部中心处附接到车辆100；LiDAR系统120C在左前角处附接到车辆100；LiDAR系统120D在右侧后视镜处附接到车辆100；LiDAR系统120E在左侧后视镜处附接到车辆100；和/或LiDAR系统120F在后部中心处附接到车辆100。在一些实施例中，LiDAR系统110和120A-F是具有它们各自的激光源、控制电子器件、发射器、接收器和/或转向机构的独立的LiDAR系统。在其他实施例中，LiDAR系统110和120A-F中的一些可以共享一个或多个部件，由此形成分布式传感器系统。在一个示例中，光纤用于将来自集中式激光源的激光递送到所有LiDAR系统。应理解，一个或多个LiDAR系统可以以任何所期望的方式分布并附接到车辆，并且图1仅示出了一个实施例。作为另一个示例，LiDAR系统120D和120E可以附接到车辆100的B柱，而不是后视镜。作为另一个示例，LiDAR系统120B可以附接到车辆100的挡风玻璃，而不是前保险杠。
图2是图示(多个)车载LiDAR系统210与包括车辆感知和规划系统220的多个其他系统之间的交互的框图200。(多个)LiDAR系统210可以被安装在车辆上或集成到车辆。(多个)LiDAR系统210包括将激光扫描到周围环境以测量物体的距离、角度和/或速度的(多个)传感器。基于返回到(多个)LiDAR系统210的散射光，它可以生成表示所感知的外部环境的传感器数据(例如，图像数据或3D点云数据)。
(多个)LiDAR系统210可以包括短程LiDAR传感器、中程LiDAR传感器和远程LiDAR传感器中的一个或多个。短程LiDAR传感器测量位于距LiDAR传感器约20至40米的物体。短程LiDAR传感器可以用于例如监测附近的移动物体(例如，学校区域中的穿过街道的行人)、停车辅助应用等。中程LiDAR传感器测量位于距LiDAR传感器约100至150米的物体。中程LiDAR传感器可以用于例如监测道路交叉口、辅助驶入或驶离高速公路等。远程LiDAR传感器测量位于约150至300米处的物体。远程LiDAR传感器通常在车辆正以高速行驶(例如，在高速公路上)时使用，使得车辆的控制系统可能只有几秒钟(例如，6至8秒)来响应由LiDAR传感器检测到的任何情况。如图2中所示，在一个实施例中，LiDAR传感器数据可以经由通信路径213被提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。通信路径213可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。
仍参考图2，在一些实施例中，(多个)其他车载传感器230用于单独地或与(多个)LiDAR系统210一起提供附加的传感器数据。其他车载传感器230可以包括例如一个或多个相机232、一个或多个雷达234、一个或多个超声波传感器236和/或(多个)其他传感器238。(多个)相机232可以拍摄车辆的外部环境的图像和/或视频。(多个)相机232可以拍摄例如在每帧中具有数百万像素的高清(HD)视频。相机产生单色或彩色图像和视频。对于一些情况，颜色信息在解释数据时可能是重要的(例如，解释交通灯的图像)。颜色信息可能无法从其他传感器(诸如，LiDAR或雷达传感器)获得。(多个)相机232可以包括窄焦距相机、宽焦距相机、侧面相机、红外相机、鱼眼相机等中的一个或多个。由(多个)相机232生成的图像和/或视频数据也可以经由通信路径233被提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。通信路径233可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。
(多个)其他车载传感器230也可以包括(多个)雷达传感器234。(多个)雷达传感器234使用无线电波来确定物体的距离、角度和速度。(多个)雷达传感器234产生无线电或微波频谱中的电磁波。电磁波被物体反射，并且所反射的波中的一些返回到雷达传感器，由此提供关于物体的位置和速度的信息。(多个)雷达传感器234可以包括(多个)短程雷达、(多个)中程雷达和(多个)远程雷达中的一个或多个。短程雷达测量距雷达约0.1至30米的物体。短程雷达在检测位于车辆附近的物体方面有用，所述车辆附近的物体诸如为其他车辆、建筑物、墙壁、行人、骑自行车的人等。短程雷达可以用于检测盲点、辅助变道、提供追尾碰撞警告、辅助停车、提供紧急制动等。中程雷达测量距雷达约30至80米的物体。远程雷达测量位于约80至200米处的物体。中程和/或远程雷达可以在例如交通跟踪、自适应巡航控制和/或公路自动制动方面有用。由(多个)雷达传感器234生成的传感器数据也可以经由通信路径233被提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。
(多个)其他车载传感器230也可以包括(多个)超声波传感器236。(多个)超声波传感器236使用声学波或脉冲来测量位于车辆外部的物体。由(多个)超声波传感器236生成的声波被发射到周围环境。所发射的波中的至少一些被物体反射并返回到(多个)超声波传感器236。基于返回信号，可以计算物体的距离。(多个)超声波传感器236可以在例如检查盲点、识别停车点、在交通中提供变道辅助等方面有用。由(多个)超声波传感器236生成的传感器数据也可以经由通信路径233被提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。
在一些实施例中，一个或多个其他传感器238可以附接在车辆中，并且也可以生成传感器数据。(多个)其他传感器238可以包括例如全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)等。由(多个)其他传感器238生成的传感器数据也可以经由通信路径233被提供给车辆感知和规划系统220，以便进一步处理和控制车辆操作。应理解，通信路径233可以包括一个或多个通信链路，以在各种传感器230与车辆感知和规划系统220之间传送数据。
在一些实施例中，如图2中所示，来自(多个)其他车载传感器230的传感器数据可以经由通信路径231被提供给(多个)车载LiDAR系统210。(多个)LiDAR系统210可以处理来自(多个)其他车载传感器230的传感器数据。例如，来自(多个)相机232、(多个)雷达传感器234、(多个)超声波传感器236和/或(多个)其他传感器238的传感器数据可以与(多个)传感器数据LiDAR系统210相关或融合，由此至少部分地分担由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。应理解，也可以实施其他配置用于传输和处理来自各种传感器的传感器数据(例如，数据可以被传输到云服务以便进行处理，然后处理结果可以被传输回车辆感知和规划系统220)。
仍参考图2，在一些实施例中，(多个)其他车辆250上的传感器用于单独地或与(多个)LiDAR系统210一起地提供附加的传感器数据。例如，两个或更多个附近的车辆可以具有它们自己的相应的(多个)LiDAR传感器、(多个)相机、(多个)雷达传感器、(多个)超声波传感器等。附近的车辆可以彼此通信并共享传感器数据。车辆之间的通信也被称为V2V(车辆对车辆)通信。例如，如图2中所示，由(多个)其他车辆250生成的传感器数据可以分别经由通信路径253和/或通信路径251传达到车辆感知和规划系统220和/或(多个)车载LiDAR系统210。通信路径253和251可以是可以传送数据的任何有线或无线通信链路。
共享传感器数据有助于更好地感知车辆外部的环境。例如，第一车辆可能没有感测到在第二车辆后面但正在接近第一车辆的行人。第二车辆可以与第一车辆共享与这个行人相关的传感器数据，使得第一车辆可以具有附加的反应时间来避免与行人碰撞。在一些实施例中，类似于由(多个)传感器230生成的数据，由(多个)其他车辆250上的传感器生成的数据可以与由(多个)LiDAR系统210生成的传感器数据相关或融合，由此至少部分地分担由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。
在一些实施例中，(多个)智能基础设施系统240用于单独地或与(多个)LiDAR系统210一起地提供传感器数据。某些基础设施可以被配置成与车辆通信以传达信息，反之亦然。车辆与基础设施之间的通信通常被称为V2I(车辆对基础设施)通信。例如，(多个)智能基础设施系统240可以包括智能交通灯，该智能交通灯可以在诸如“5秒内变为黄色”的消息中将其状态传达给正在靠近的车辆。(多个)智能基础设施系统240还可以包括它自己的安装在交叉口附近的LiDAR系统，使得其可以向车辆传达交通监测信息。例如，在交叉口左转的车辆可能没有足够的感测能力，因为它自己的传感器中的一些可能被相反方向上的车辆阻挡。在此类情况下，(多个)智能基础设施系统240的传感器可以向左转的车辆提供有用的、有时是重要的数据。此类数据可以包括例如交通状况、在车辆转向的方向上的物体的信息、交通灯状态和预测等。由(多个)智能基础设施系统240生成的传感器数据可以分别经由通信路径243和/或241提供给车辆感知和规划系统220和/或(多个)车载LiDAR系统210。通信路径243和/或241可以包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。例如，来自(多个)智能基础设施系统240的传感器数据可以传输到(多个)LiDAR系统210，并且与由(多个)LiDAR系统210生成的传感器数据相关或融合，由此至少部分地分担由车辆感知和规划系统220执行的传感器融合过程。上文所描述的V2V和V2I通信是车辆对X(V2X)通信的示例，其中“X”表示可以与车辆共享数据的任何其他装置、系统、传感器、基础设施等。
仍参考图2，经由各种通信路径，车辆感知和规划系统220从(多个)LiDAR系统210、(多个)其他车载传感器230、(多个)其他车辆250和/或(多个)智能基础设施系统240中的一个或多个接收传感器数据。在一些实施例中，不同类型的传感器数据通过传感器融合子系统222来相关和/或集成。例如，传感器融合子系统222可以使用由设置在车辆的不同位置处的多个相机捕获的多个图像或视频来生成360度模型。传感器融合子系统222从不同类型的传感器获得传感器数据，并使用组合的数据来更准确地感知环境。例如，车载相机232可能无法捕获清晰的图像，因为它直接面对太阳或光源(例如，在夜间期间的另一个车辆的前灯)。LiDAR系统210可能不会受到同样多的影响，因此传感器融合子系统222可以组合由相机232和LiDAR系统210提供的传感器数据，并且使用由LiDAR系统210提供的传感器数据来补偿由相机232捕获的不清晰图像。作为另一个示例，在下雨或有雾的天气，雷达传感器234可能比相机232或LiDAR系统210工作得更好。因此，传感器融合子系统222可以使用由雷达传感器234提供的传感器数据来补偿由相机232或LiDAR系统210提供的传感器数据。
在其他示例中，由(多个)其他车载传感器230生成的传感器数据可能具有较低的分辨率(例如，雷达传感器数据)，因此可能需要由通常具有较高分辨率的(多个)LiDAR系统210进行关联和确认。例如，雷达传感器234可能将井盖(也称为检修孔盖)检测为车辆正在接近的物体。由于雷达传感器234的低分辨率特性，车辆感知和规划系统220可能不能确定物体是否是车辆需要避开的障碍物。因此，由(多个)LiDAR系统210生成的高分辨率传感器数据可以用于进行关联并确认物体是井盖并且不会对车辆造成损害。
车辆感知和规划系统220进一步包括物体分类器223。使用原始传感器数据和/或由传感器融合子系统222提供的关联/融合数据，物体分类器223可以检测和分类物体并估计物体的位置。在一些实施例中，物体分类器233可以使用基于机器学习的技术来检测和分类物体。基于机器学习的技术的示例包括利用诸如以下的算法：基于区域的卷积神经网络(R-CNN)、快速R-CNN、更快R-CNN、定向梯度直方图(HOG)、基于区域的全卷积网络(R-FCN)、单发检测器(SSD)、空间金字塔池化(SPP-net)和/或You Only Look Once(只看一次，Yolo)。
车辆感知和规划系统220进一步包括道路检测子系统224。道路检测子系统224定位道路并识别道路上的物体和/或标记。例如，基于由(多个)雷达传感器234、(多个)相机232和/或(多个)LiDAR系统210提供的原始或融合传感器数据，道路检测子系统224可以基于机器学习技术(例如，用于识别车道的模式辨识算法)构建道路的3D模型。使用道路的3D模型，道路检测子系统224可以识别物体(例如，道路上的障碍物或碎片)和/或道路上的标记(例如，车道线、转弯标志、人行横道标志等)。
车辆感知和规划系统220进一步包括定位和车辆姿态子系统225。基于原始或融合传感器数据，定位和车辆姿态子系统225可以确定车辆的位置和车辆的姿态。例如，使用来自(多个)LiDAR系统210、(多个)相机232的传感器数据和/或使用GPS数据，定位和车辆姿态子系统225可以确定车辆在道路上的准确位置和车辆的六个自由度(例如，车辆是向前还是向后、向上还是向下、以及向左还是向右移动)。在一些实施例中，高清(HD)地图用于车辆定位。HD地图可以提供精确确定车辆位置的非常详细的三维计算机化地图。例如，使用HD地图，定位和车辆姿态子系统225可以精确地确定车辆的当前位置(例如，车辆当前在道路的哪个车道中，它离马路牙子或人行道有多近)并预测车辆的未来位置。
车辆感知和规划系统220进一步包括障碍物预测器226。由物体分类器223识别的物体可以是静止的(例如，灯杆、路标)或动态的(例如，移动的行人、自行车、另一辆汽车)。对于移动物体，预测它们的移动路径或未来位置对于避免碰撞而言可以是重要的。障碍物预测器226可以预测障碍物轨迹和/或警告驾驶员或车辆规划子系统228关于潜在碰撞。例如，如果存在障碍物的轨迹与车辆的当前移动路径相交的高的可能性，则障碍物预测器226可以生成此类警告。障碍物预测器226可以使用各种技术来进行此类预测。此类技术包括例如恒定速度或加速度模型、恒定转弯速率和速度/加速度模型、基于卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器的模型、基于递归神经网络(RNN)的模型、基于长短期记忆(LSTM)神经网络的模型、编码器-解码器RNN模型等。
仍参考图2，在一些实施例中，车辆感知和规划系统220进一步包括车辆规划子系统228。车辆规划子系统228可以包括路线规划器、驾驶行为规划器和移动规划器。路线规划器可以基于车辆的当前位置数据、目标位置数据、交通信息等来规划车辆的路线。驾驶行为规划器使用由障碍物预测器226提供的障碍预测结果基于其他物体可能如何移动来调整定时和所规划的移动。运动规划器确定车辆需要遵循的特定操作。然后规划结果经由车辆接口270传达到车辆控制系统280。可以通过通信路径223和271来执行通信，这些通信路径包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。
车辆控制系统280控制车辆的转向机构、油门、刹车等，以根据所规划的路线和移动来操作车辆。车辆感知和规划系统220可以进一步包括用户接口260，该用户接口260向用户(例如，驾驶员)提供对车辆控制系统280的访问，例如以在必要时操控或接管车辆的控制。用户接口260可以与车辆感知和规划系统220通信，例如以获得和显示原始或融合的传感器数据、所识别的物体、车辆的位置/姿态等。这些显示的数据可以帮助用户更好地操作车辆。用户接口260可以分别经由通信路径221和261与车辆感知和规划系统220和/或车辆控制系统280通信，这些通信路径包括可以传送数据的任何有线或无线通信链路。应理解，图2中的各种系统、传感器、通信链路和接口可以以任何所期望的方式配置，并且不限于图2中所示的配置。
图3是图示示例性LiDAR系统300的框图。LiDAR系统300可以用于实施图1和图2中所示的LiDAR系统110、120A-F和/或210。在一个实施例中，LiDAR系统300包括激光源310、发射器320、光学接收器和光检测器330、转向系统340和控制电路系统350。这些部件使用通信路径312、314、322、332、343、352和362联接在一起。这些通信路径包括各种LiDAR系统部件当中的通信链路(有线或无线、双向或单向)，但不需要是物理部件本身。尽管这些通信路径可以由一条或多条电线、总线或光纤来实施，但是这些通信路径也可以是无线信道或自由空间光学路径，使得不存在物理通信介质。例如，在LiDAR系统300的一个实施例中，激光源310与发射器320之间的通信路径314可以使用一个或多个光纤来实施。通信路径332和352可以表示使用自由空间光学部件和/或光纤实施的光学路径。并且，通信路径312、322、342和362可以使用携载电信号的一条或多条电线来实施。这些通信路径还可以包括以上类型的通信介质中的一个或多个(例如，它们可以包括光纤和自由空间光学部件，或者包括一个或多个光纤和一条或多条电线)。
LiDAR系统300还可以包括图3中未描绘的其他部件，诸如电力总线、电源、LED指示器、开关等。附加地，部件之间可以存在其他通信连接，诸如光源310与光学接收器和光检测器330之间的直接连接，以提供参考信号，使得可以准确地测量从发射光脉冲时直到检测到返回光脉冲的时间。
激光源310输出用于照射视场(FOV)中的物体的激光。激光源310可以例如是基于半导体的激光器(例如，二极管激光器)和/或基于光纤的激光器。基于半导体的激光器可以例如是边缘发射激光器(EEL)、竖直腔面发射激光器(VCSEL)等。基于光纤的激光器是其中有源增益介质是掺杂有稀土元素(诸如，铒、镱、钕、镝、镨、铥和/或钬)的光纤的激光器。在一些实施例中，光纤激光器基于双包层光纤，在该双包层光纤中增益介质形成由两层包层所包围的光纤的芯部。双包层光纤允许利用高功率光束泵浦芯部，由此使得激光源能够成为高功率光纤激光源。
在一些实施例中，激光源310包括主振荡器(也称为种子激光器)和功率放大器(MOPA)。功率放大器放大种子激光器的输出功率。功率放大器可以是光纤放大器、体(bulk)放大器或半导体光学放大器。种子激光器可以是固态体(bulk)激光器或可调谐外腔二极管激光器。在一些实施例中，激光源310可以是光泵浦微芯片激光器。微芯片激光器是免对准的单片固态激光器，其中激光晶体直接与激光谐振器的端镜接触。微芯片激光器通常利用激光二极管泵浦(直接地或使用光纤)以获得所期望的输出功率。微芯片激光器可以基于掺钕钇铝石榴石(Y3Al5O12)激光晶体(即Nd:YAG)、或掺钕钒酸盐(即ND:YVO4)激光晶体。
图4是图示示例性的基于光纤的激光源400的框图，该基于光纤的激光源400具有种子激光器和用于泵浦所期望的输出功率的一个或多个泵(例如，激光二极管)。基于光纤的激光源400是图3中所描绘的激光源310的示例。在一些实施例中，基于光纤的激光源400包括种子激光器402以生成一个或多个波长(例如，1550nm)的初始光脉冲，该初始光脉冲经由光纤403被提供给波分多路复用器(WDM)404。基于光纤的激光源400进一步包括泵406以用于经由光纤405将(例如，不同波长的，诸如980nm)激光功率提供给WDM 404。WDM 404将由种子激光器402提供的光脉冲和由泵406提供的激光功率多路复用到单个光纤407上。然后，WDM 404的输出可以经由光纤407被提供给一个或多个前置放大器408。(多个)前置放大器408可以是放大光学信号的(多个)光学放大器(例如，具有约20至30dB的增益)。在一些实施例中，(多个)前置放大器408是低噪声放大器。(多个)前置放大器408经由光纤409输出到组合器410。组合器410将(多个)前置放大器408的输出的激光与由泵412经由光纤411提供的激光功率相组合。组合器410可以组合具有相同波长或不同波长的光学信号。组合器的一个示例是WDM。组合器410将脉冲提供给升压放大器414，该升压放大器414经由光纤410产生输出的光脉冲。升压放大器414提供光学信号的进一步放大。然后，输出的光脉冲可以被发射到发射器320和/或转向机构340(在图3中示出)。应理解，图4图示了基于光纤的激光源400的一种示例性配置。激光源400可以使用图4中所示的一个或多个部件和/或图4中未示出的其他部件(例如，诸如电源、透镜、滤光器、分光器、组合器等的其他部件)的不同组合而具有许多其他配置。
在一些变型中，可以(例如，由控制电路系统350)控制基于光纤的激光源400以基于在基于光纤的激光源400中使用的光纤的光纤增益曲线来产生不同幅值的脉冲。通信路径312将基于光纤的激光源400联接到控制电路系统350(在图3中示出)，使得基于光纤的激光源400的部件可以由控制电路系统350控制或以其他方式与控制电路系统350通信。替代性地，基于光纤的激光源400可以包括它自己的专用控制器。代替控制电路系统350直接与基于光纤的激光源400的部件通信的做法是，基于光纤的激光源400的专用控制器与控制电路系统350通信并控制基于光纤的光源400的部件和/或与这些部件通信。基于光纤的光源400还可以包括未示出的其他部件，诸如一个或多个电源连接器、电源和/或电力线。
参考图3，激光源310的典型操作波长包括例如约850nm、约905nm、约940nm、约1064nm和约1550nm。最大可用激光功率的上限由U.S.FDA(美国食品和药物管理局)规则设定。1550nm波长下的光学功率极限比其他前述波长的光学功率极限高得多。进一步地，在1550nm下，光纤中的光学功率损耗是低的。1550nm波长的这些特性使其更有益于远程LiDAR应用。从激光源310输出的光学功率的量可以由其峰值功率、平均功率和脉冲能量来表征。峰值功率是脉冲能量与脉冲的宽度(例如，半峰全宽或FWHM)的比值。因此，对于固定量的脉冲能量，较小的脉冲宽度可以提供较大的峰值功率。脉冲宽度可以在纳秒或皮秒的范围内。平均功率是脉冲的能量和脉冲重复率(PRR)的乘积。如下文更详细描述的，PRR表示脉冲激光的频率。PRR通常对应于LiDAR系统可以测量的最大范围。激光源310可以被配置成在高PRR下产生脉冲，以满足由LiDAR系统生成的点云中的期望数量的数据点。激光源310也可以被配置成在中或低PRR下产生脉冲，以满足所期望的最大检测距离。墙插效率(WPE)是评估总功耗的另一个因素，其可以是评估激光器效率的关键指标。例如，如图1中所示，多个LiDAR系统可以附接到车辆，该车辆可以是电动车辆或者在其他方面具有有限燃料或电池电力供应的车辆。因此，当选择和配置激光源310和/或设计用于安装在车辆上的LiDAR应用的激光递送系统时，高WPE且智能的使用激光功率的方式常常是重要的考虑因素。
应理解，以上描述提供了激光源310的非限制性示例。激光源310可以被配置成包括许多其他类型的光源(例如，激光二极管、短腔光纤激光器、固态激光器和/或可调谐外腔二极管激光器)，这些光源被配置成生成各种波长下的一个或多个光信号。在一些示例中，光源310包括放大器(例如，前置放大器和/或升压放大器)，这些放大器可以是掺杂光纤放大器、固态体放大器和/或半导体光学放大器。这些放大器被配置成接收光信号并以所期望的增益放大这些光信号。
返回参考图3，LiDAR系统300进一步包括发射器320。激光源310将激光(例如，呈激光束的形式)提供给发射器320。由激光源310提供的激光可以是具有预定或受控波长、脉冲重复率和/或功率水平的放大的激光。发射器320从激光源310接收激光，并以低发散度将激光发射到转向机构340。在一些实施例中，发射器320可以包括例如光学部件(例如，透镜、光纤、镜子等)以用于直接地或经由转向机构340将激光束发射到视场(FOV)。尽管图3将发射器320和转向机构340图示为单独的部件，但是在一些实施例中，它们可以组合或集成为一个系统。下文更详细地描述转向机构340。
由激光源310提供的激光束可能随着其行进到发射器320而发散。因此，发射器320常常包括准直透镜，该准直透镜被配置成收集发散的激光束并以减小或最小的发散度产生平行光束。然后可以通过各种光学器件(诸如，镜子和透镜)进一步引导平行光束。准直透镜可以例如是平凸透镜。准直透镜可以被配置成具有任何所期望的性质，诸如光束直径、发散度、数值孔径、焦距等。光束传播比或光束质量因子(也被称为M2因子)用于测量激光束的质量。在许多LiDAR应用中，在所生成的发射激光束中控制良好的激光束质量是重要的。M2因子表示光束相对于理想高斯光束的变化程度。因此，M2因子反映了准直激光束可以多好地聚焦在小点上，或者发散的激光束可以多好地被准直。M2因子越小，则激光束的焦点就越紧密，并且能够获得的光束点就越密集。因此，激光源310和/或发射器320可以被配置成根据例如扫描分辨率要求来获得所期望的M2因子。
由转向机构340将由发射器320提供的光束中的一个或多个扫描到FOV。转向机构340在多个维度上(例如，在水平和垂直维度上)扫描光束，以有助于LiDAR系统300通过生成3D点云来绘制环境。将在下文更详细地描述转向机构340。扫描到FOV的激光可能被FOV中的物体散射或反射。散射光或反射光中的至少一部分返回到LiDAR系统300。图3进一步示出了被配置成接收返回光的光学接收器和光检测器330。光学接收器和光检测器330包括被配置成收集来自FOV的返回光的光学接收器。光学接收器可以包括用于接收、重定向、聚焦、放大和/或滤波来自FOV的返回光的光学器件(例如，透镜、光纤、镜子等)。例如，光学接收器常常包括接收器透镜或聚焦透镜(例如，平凸透镜)以收集返回光和/或将所收集的返回聚焦到光检测器上。
光检测器检测由光学接收器聚焦的返回光，并生成与返回光的入射强度成比例的电流和/或电压信号。基于此类电流和/或电压信号，可以推导出物体在FOV中的深度信息。用于推导出此类深度信息的一种示例性方法是基于直接TOF(飞行时间)，这在下文进行更详细描述。光检测器可以由其检测灵敏度、量子效率、检测器带宽、线性度、信噪比(SNR)、抗过载性、抗干扰性等表征。基于应用，光检测器可以被配置或定制成具有任何所期望的特性。例如，光学接收器和光检测器330可以被配置成使得光检测器具有大的动态范围，同时具有良好的线性度。光检测器线性度指示检测器的保持输入光学信号功率与检测器的输出之间的线性关系的能力。具有良好线性度的检测器可以在大的动态输入光学信号范围内保持线性关系。
为了实现所期望的检测器特性，可以对光检测器的结构和/或检测器的材料系统进行配置或定制。各种检测器结构可以用于光检测器。例如，光检测器结构可以是基于PIN的结构，其在p型半导体与n型半导体区域之间具有未掺杂的本征半导体区域(即，“I”区域)。其他光检测器结构包括例如基于APD(雪崩光电二极管)的结构、基于PMT(光电倍增管)的结构、基于SiPM(硅光电倍增管)的结构、基于SPAD(单光子雪崩二极管)的结构、和/或量子线。对于光检测器中使用的材料系统，可以使用基于Si、InGaAs和/或Si/Ge的材料。应理解，可以在光学接收器和光检测器330中使用许多其他检测器结构和/或材料系统。
光检测器(例如，基于APD的检测器)可以具有内部增益，使得在生成输出信号时放大输入信号。然而，由于光检测器的内部增益，噪声也可能被放大。常见类型的噪声包括信号散粒噪声、暗电流散粒噪声、热噪声和放大器噪声(TIA)。在一些实施例中，光学接收器和光检测器330可以包括作为低噪声放大器(LNA)的前置放大器。在一些实施例中，前置放大器还可以包括TIA跨阻抗放大器，其将电流信号转换成电压信号。对于线性检测器系统，输入等效噪声或噪声等效功率(NEP)衡量光检测器对弱信号的敏感程度。因此，它们可以用作整体系统性能的指标。例如，光检测器的NEP指定可以被检测到的最弱信号的功率，因此它进而指定LiDAR系统的最大范围。应理解，可以使用各种光检测器优化技术来满足LiDAR系统300的要求。此类优化技术可以包括选择不同的检测器结构、材料和/或实施信号处理技术(例如，滤波、降噪、放大等)。例如，除了使用对返回信号的直接检测(例如，通过使用TOF)之外或代替使用对返回信号的直接检测的是，也可以使用相干检测用于光检测器。相干检测允许通过利用本地振荡器干涉接收到的光来检测接收到的光的幅值和相位信息。相干检测可以改进检测灵敏度和抗噪声性。
图3进一步图示了LiDAR系统300包括转向机构340。如上文所描述的，转向机构340引导来自发射器320的光束以在多个维度上扫描FOV。转向机构被称为光栅机构或扫描机构。在多个方向上(例如，在水平方向和竖直方向上)扫描光束有助于LiDAR系统通过生成图像或3D点云来绘制环境。转向机构可以基于机械扫描和/或固态扫描。机械扫描使用旋转镜来转向激光束或物理旋转LiDAR发射器和接收器(统称为收发器)来扫描激光束。固态扫描在不机械地移动任何宏观部件(诸如收发器)的情况下将激光束引导通过FOV到达各种位置。固态扫描机构包括基于MEMS镜的转向、基于光学相控阵的转向以及基于闪光LiDAR的转向。在一些实施例中，由于固态扫描机构不物理地移动宏观部件，因此由固态扫描机构执行的转向可以被称为有效转向。使用固态扫描的LiDAR系统也可以被称为非机械扫描或简单地称为非扫描LiDAR系统(闪光LiDAR系统是示例性非扫描LiDAR系统)。
转向机构340可以与收发器(例如，发射器320以及光学接收器和光检测器330)一起使用来扫描FOV以生成图像或3D点云。作为示例，为了实施转向机构340，二维机械扫描仪可以与一个单点收发器或多个单点收发器一起使用。单点收发器将单个光束或少量光束(例如，2至8个光束)发射到转向机构。二维机械转向机构包括例如(多个)多面镜、(多个)振荡镜、(多个)旋转棱镜、(多个)旋转倾斜镜面或其组合。在一些实施例中，转向机构340可以包括(多个)非机械转向机构，诸如(多个)固态转向机构。例如，转向机构340可以基于结合折射效应的激光的调谐波长、和/或基于可重新配置的光栅/相位阵列。在一些实施例中，转向机构340可以使用单个扫描装置来实现二维扫描，或者使用组合的两个装置来实现二维扫描。
作为另一个示例，为了实施转向机构340，一维机械扫描仪可以与单点收发器的阵列或大量单点收发器一起使用。具体来说，收发器阵列可以安装在旋转平台上，以实现360度水平视场。替代性地，静态收发器阵列可以与一维机械扫描仪组合。一维机械扫描仪包括(多个)多面镜、(多个)振荡镜、(多个)旋转棱镜、(多个)旋转倾斜镜面，以用于获得前视水平视场。使用机械扫描仪的转向机构可以为汽车应用提供在大量生产方面的稳健性和可靠性。
作为另一个示例，为了实施转向机构340，可以使用二维收发器来直接生成扫描图像或3D点云。在一些实施例中，可以使用拼接或微移位方法来改进扫描图像或被扫描的视场的分辨率。例如，使用二维收发器，在一个方向(例如，水平方向)处生成的信号和在另一方向(例如，竖直方向)处生成的信号可以被集成、交织和/或匹配，以生成表示所扫描的FOV的更高或全分辨率的图像或3D点云。
转向机构340的一些实施方式包括一个或多个光学重定向元件(例如，镜子或透镜)，所述一个或多个光学重定向元件使返回光信号沿着接收路径转向(例如，通过旋转、振动或引导)，以将返回光信号引导到光学接收器和光检测器330。沿着发射路径和接收路径引导光信号的光学重定向元件可以是相同的(例如，共享的)部件、单独的(例如，专用的)部件、和/或共享的和单独的部件的组合。这意味着，在一些情况下，发射路径和接收路径是不同的，但它们可以部分地重叠(或者在一些情况下是大致重叠)。
仍参考图3，LiDAR系统300进一步包括控制电路系统350。控制电路系统350可以被配置成和/或编程为控制LiDAR系统300的各个部分和/或执行信号处理。在典型的系统中，控制电路系统350可以被配置成和/或编程为执行一个或多个控制操作，包括例如：控制激光源310以获得所期望的激光脉冲时间、重复率和功率；控制转向机构340(例如，控制速度、方向和/或其他参数)以扫描FOV并保持像素配准/对准；控制光学接收器和光检测器330(例如，控制灵敏度、降噪、滤波和/或其他参数)使得其处于最佳状态；以及监测整体系统健康/功能安全状态。
控制电路系统350还可以被配置成和/或编程为对由光学接收器和光检测器330生成的原始数据进行信号处理，以推导出距离和反射率信息，并执行数据打包以及与车辆感知和规划系统220(在图2中示出)通信。例如，控制电路系统350确定从发射光脉冲到接收到对应的返回光脉冲所花费的时间；确定对于所发射的光脉冲何时没有接收到返回光脉冲；确定所发射的光脉冲/返回光脉冲的方向(例如，水平和/或竖直信息)；确定特定方向上的所估计的范围；和/或确定与LiDAR系统300相关的任何其他类型的数据。
LiDAR系统300可以设置在车辆中，该车辆可在许多种不同环境中操作，包括炎热或寒冷天气、可能引起强烈振动的崎岖路况、高湿度或低湿度、多尘区域等。因此，在一些实施例中，LiDAR系统300的光学和/或电子部件(例如，发射器320中的光学器件、光学接收器和光检测器330、以及转向机构340)以保持长期机械和光学稳定性的方式来设置或配置。例如，LiDAR系统300中的部件可以被固定和密封，使得它们可以在车辆可能遇到的所有状况下操作。作为示例，可以将防潮涂层和/或气密密封应用于发射器320的光学部件、光学接收器和光检测器330、以及转向机构340(以及易受湿气影响的其他部件)。作为另一个示例，可以在LiDAR系统300中使用(多个)壳体、(多个)外壳和/或窗口，以用于提供所期望的特性，诸如硬度、防护(IP)等级、自清洁能力、耐化学性和抗冲击性等。另外，可以使用用于组装LiDAR系统300的高效且经济的方法来满足LiDAR操作要求，同时保持低成本。
本领域普通技术人员应理解，图3和以上描述仅用于说明性目的，并且LiDAR系统可以包括其他功能单元、块或段，并且可以包括这些上述功能单元、块或段的变化或组合。例如，LiDAR系统300还可以包括图3中未描绘的其他部件，诸如电力总线、电源、LED指示器、开关等。附加地，可以存在部件之间的其他连接，诸如光源310与光学接收器和光检测器330之间的直接连接，使得光检测器330可以准确地测量从光源310发射光脉冲时直到光检测器330检测到返回光脉冲的时间。
图3中所示的这些部件使用通信路径312、314、322、332、342、352和362联接在一起。这些通信路径表示各种LiDAR系统部件之间的通信(双向或单向)，但不需要是物理部件本身。尽管这些通信路径可以由一条或多条电线、总线或光纤来实施，但是这些通信路径也可以是无线信道或露天光学路径，使得不存在物理通信介质。例如，在一个示例性LiDAR系统中，通信路径314包括一个或多个光纤；通信路径352表示光学路径；并且通信路径312、322、342和362全部都是携载电信号的电线。这些通信路径还可以包括以上类型的通信介质中的一种以上(例如，它们可以包括光纤和光学路径，或者包括一个或多个光纤和一条或多条电线)。
如上文所描述的，一些LiDAR系统使用光信号(例如，光脉冲)的飞行时间(TOF)来确定到光路中的物体的距离。例如，参考图5A，示例性LiDAR系统500包括激光源(例如，光纤激光器)、转向系统(例如，一个或多个移动镜的系统)和光检测器(例如，具有一个或多个光学器件的光子检测器)。LiDAR系统500可以使用例如上文所描述的LiDAR系统300来实施。LiDAR系统500沿着如由LiDAR系统500的转向系统确定的光路504发射光脉冲502。在所描绘的示例中，由激光源生成的光脉冲502是激光的短脉冲。进一步地，LiDAR系统500的信号转向系统是脉冲信号转向系统。然而，应了解，LiDAR系统可以通过生成、发射和检测非脉冲的光学信号来操作，并且使用除飞行时间以外的技术来推导出到周围环境中的物体的距离。例如，一些LiDAR系统使用调频连续波(即，“FMCW”)。应进一步了解，本文中关于使用脉冲信号的基于飞行时间的系统所描述的技术中的任何一种也可以适用于不使用这些技术中的一种或两种技术的LiDAR系统。
返回参考图5A(例如，图示了使用光脉冲的飞行时间LiDAR系统)，当光脉冲502到达物体506时，光脉冲502散射或反射以生成返回光脉冲508。返回光脉冲508可以沿着光路510返回到系统500。可以测量从所发射的光脉冲502离开LiDAR系统500时到返回光脉冲508返回到LiDAR系统500处时的时间(例如，通过LiDAR系统内的处理器或其他电子设备，诸如控制电路系统350)。结合已知光速的该飞行时间可以用于确定从LiDAR系统500到散射或反射光脉冲502的物体506的部分的范围/距离。
如图5B所描绘的，通过引导许多光脉冲，LiDAR系统500扫描外部环境(例如，通过分别沿着光路504、524、528、532引导光脉冲502、522、526、530)。如图5C所描绘的，LiDAR系统500接收返回光脉冲508、542、548(这些返回光脉冲分别对应于所发射的光脉冲502、522、530)。返回光脉冲508、542和548通过由物体506和514中的一个物体散射或反射所发射的光脉冲而生成。返回光脉冲508、542和548可以分别沿着光路510、544和546返回到LiDAR系统500。基于(如由LiDAR系统500所确定的)所发射的光脉冲的方向以及所计算的从LiDAR系统500到散射或反射光脉冲的物体的部分(例如，物体506和514的部分)的距离，可检测范围(例如，包括路径504与532之间的视场)内的外部环境可以被精确地绘制或标绘(例如，通过生成3D点云或图像)。
如果对于特定的所发射的光脉冲没有接收到对应的光脉冲，则可以确定在LiDAR系统500的可检测范围内没有物体(例如，物体超出LiDAR系统500的最大扫描距离)。例如，在图5B中，光脉冲526可能没有对应的返回光脉冲(如图5C中所图示)，因为光脉冲526可能未在预定的检测范围内沿着其发射路径528产生散射事件。LiDAR系统500或与LiDAR系统500通信的外部系统(例如，云系统或服务)可以将缺少返回光脉冲解释为在LiDAR系统500的可检测范围内没有沿着光路528设置物体。
在图5B中，光脉冲502、522、526和530可以按任何顺序、串行、并行或基于相对于彼此的其他时间来发射。附加地，尽管图5B将所发射的光脉冲描绘为在一个维度或一个平面(例如，纸平面)中被引导，但是LiDAR系统500也可以沿着(多个)其他维度或(多个)平面引导所发射的光脉冲。例如，LiDAR系统500还可以在垂直于图5B中所示的维度或平面的维度或平面中引导所发射的光脉冲，由此形成光脉冲的2维发射。光脉冲的这种2维发射可以是逐点的、逐行的、同时的或者以其他方式进行。来自光脉冲的1维发射的点云或图像(例如，单条水平线)可以生成2维数据(例如，(1)来自水平传输方向的数据和(2)到物体的范围或距离)。类似地，来自光脉冲的2维发射的点云或图像可以生成3维数据(例如，(1)来自水平传输方向的数据，(2)来自竖直传输方向的数据，以及(3)到物体的范围或距离)。一般来说，执行光脉冲的n维发射的LiDAR系统生成(n+1)维数据。这是因为，LiDAR系统可以测量物体的深度或者到物体的范围/距离，这提供了数据的额外维度。因此，由LiDAR系统进行的2D扫描可以生成用于绘制LiDAR系统的外部环境的3D点云。
点云的密度是指由LiDAR系统执行的每个区域的测量(数据点)数。点云密度与LiDAR扫描分辨率相关。通常，至少对于感兴趣区域(ROI)，期望更大的点云密度，因此期望更高的分辨率。由LiDAR系统生成的点云或图像中的点密度等于脉冲的数量除以视场。在一些实施例中，视场可以是固定的。因此，为了增加由一组发射-接收光学器件(或收发器光学器件)生成的点的密度，LiDAR系统可能需要更频繁地生成脉冲。换句话说，需要具有更高脉冲重复率(PRR)的光源。另一方面，通过更频繁地生成并发射脉冲，LiDAR系统能够检测到的最远距离可能是有限的。例如，如果在系统发射下一脉冲之后从远处的物体接收到返回信号，则返回信号可能以与发射对应信号的顺序不同的顺序被检测到，由此如果系统不能正确地将返回信号与所发射的信号相关，则引起模糊性。
为了进行说明，考虑可以发射具有在500kHz与1MHz之间的重复率的激光脉冲的示例性LiDAR系统。基于脉冲返回到LiDAR系统所花费的时间，并且为了避免混淆来自常规LiDAR设计中的连续脉冲的返回脉冲，对于500kHz和1MHz，LiDAR系统能够检测的最远距离可以分别是300米和150米。具有500kHz的重复率的LiDAR系统的点密度是具有1MHz的重复率的LiDAR系统的点密度的一半。因此，该示例表明，如果系统不能正确地将无序到达的返回信号相关联，则将重复率从500kHz增加到1MHz(并因此提高系统的点密度)可能会减小系统的检测范围。使用各种技术来减轻较高PRR与有限检测范围之间的折衷。例如，可以使用多个波长来检测不同范围内的物体。光学和/或信号处理技术也用于在所发射的光信号与返回光信号之间进行相关联。
本文中所描述的各种系统、设备和方法可以使用数字电路系统或使用一个或多个计算机来实施，所述一个或多个计算机使用公知的计算机处理器、存储器单元、存储装置、计算机软件和其他部件。通常，计算机包括用于执行指令的处理器、以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器。计算机还可以包括或联接到一个或多个大容量存储装置，诸如一个或多个磁盘、内部硬盘和可移除的磁盘、磁光盘、光盘等。
本文中所描述的各种系统、设备和方法可以使用以客户端-服务器关系操作的计算机来实施。通常，在此类系统中，客户端计算机被定位成远离服务器计算机并经由网络进行交互。客户端-服务器关系可以由在相应的客户端和服务器计算机上运行的计算机程序来定义和控制。客户端计算机的示例可以包括台式计算机、工作站、便携式计算机、蜂窝智能手机、平板电脑或其他类型的计算装置。
本文中所描述的各种系统、设备和方法可以使用有形地体现在信息载体中(例如，在非暂时性机器可读存储装置中)的计算机程序产品来实施，以便由可编程处理器执行；并且本文中描述的方法过程和步骤(包括图12的步骤中的一个或多个步骤)可以使用能够由此类处理器执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序是能够在计算机中直接地或间接地使用以执行某种活动或产生某种结果的一组计算机程序指令。计算机程序可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)来撰写，并且它可以以任何形式部署，包括被部署为独立程序或被部署为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。
图6中图示了可以用于实施本文中所描述的系统、设备和方法的示例性设备的高级框图。设备600包括处理器610，该处理器610操作性地联接到持久性存储装置620和主存储器装置630。处理器610通过执行定义此类操作的计算机程序指令来控制设备600的整体操作。计算机程序指令可以存储在持久性存储装置620或其他计算机可读介质中，并且在期望执行计算机程序指令时被加载到主存储器装置630中。例如，处理器610可以用于实施本文中所描述的一个或多个部件和系统，诸如控制电路系统350(图3中示出)、车辆感知和规划系统220(图2中示出)和车辆控制系统280(图2中示出)。因此，图12的方法步骤中的一个或多个方法步骤可以由存储在主存储器装置630和/或持久性存储装置620中的计算机程序指令来定义，并且由执行计算机程序指令的处理器610来控制。例如，计算机程序指令可以被实施为由本领域技术人员编程的计算机可执行代码，以执行由图12的方法步骤中的一个或多个方法步骤定义的算法。因此，通过执行计算机程序指令，处理器610执行由图3-5和图12的方法定义的算法。设备600还包括一个或多个网络接口680以用于经由网络与其他装置通信。设备600还可以包括使得用户能够与设备600交互的一个或多个输入/输出装置690(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。
处理器610可以包括通用微处理器和专用微处理器，并且可以是设备600的唯一处理器或多个处理器中的一个。处理器610可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)，所述一个或多个GPU例如可以与一个或多个CPU分开工作和/或与一个或多个CPU一起执行多任务以加速处理，例如用于本文中所描述的各种图像处理应用。处理器610、持久性存储装置620和/或主存储器装置630可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)，由一个或多个ASIC和/或一个或多个FPGA补充，或者被并入一个或多个ASIC和/或一个或多个FPGA中。
持久性存储装置620和主存储器装置630各自包括有形非暂时性计算机可读存储介质。持久性存储装置620和主存储器装置630可以各自包括高速随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDR RAM)或其他随机存取固态存储器装置，并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储装置(诸如，内部硬盘和可移除磁盘)、磁光盘存储装置、光盘存储装置、闪存存储器装置、半导体存储器装置，诸如可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、紧凑光盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用光盘只读存储器(DVD-ROM)盘或其他非易失性固态存储装置。
输入/输出装置690可以包括外围设备，诸如打印机、扫描仪、显示屏等。例如，输入/输出装置690可以包括用于向用户显示信息的显示装置(诸如，阴极射线管(CRT)、等离子或液晶显示器(LCD)监视器)、键盘和定点装置(诸如，用户可以向设备600提供输入的鼠标或轨迹球)。
本文中所讨论的系统和设备的功能中的任一者或全部可以由处理器610执行，和/或被并入设备或系统(诸如，LiDAR系统300)中。进一步地，LiDAR系统300和/或设备600可以利用由处理器610或本文中所讨论的其他系统或设备执行的一个或多个神经网络或其他深度学习技术。
本领域技术人员将认识到，实际的计算机或计算机系统的实施方式可以具有其他结构并且也可以包含其他部件，并且图6是出于说明性目的的此类计算机的部件中的一些的高级表示。
图7A至图7C图示了常规激光源700以及在激光源被控制为改变其触发频率时该激光源的信号波形。如图7A中所示，激光源700包括种子激光器702、功率泵706和放大器708。一个或多个控制信号701被提供作为功率泵706和种子激光器702的输入。基于控制信号701，种子激光器702和泵706分别生成种子激光703和泵光705。种子激光703和泵光705被组合并提供给放大器708。使用由泵光705提供的能量，放大器708放大种子激光703并输出处于所期望的信号波长的放大激光707。
控制信号701可以包括用于控制功率泵706的第一控制信号以及用于控制种子激光器702的触发频率的第二控制信号。通常，第一控制信号和第二控制信号在同一时间一起改变。图7B中的波形图示了光纤激光器的输出被切换为具有较低的脉冲能量和/或重复率的场景。例如，基于第一控制信号，泵706被控制为增加泵功率。在同一时间，基于第二控制信号，种子激光器702被控制为从低触发频率切换到高触发频率。在图7B中所示的波形图中，横轴表示时间，并且纵轴表示信号强度。波形722表示第一控制信号，该第一控制信号在某个时间从低值改变到高值，这指示泵706被控制为增加泵功率(例如，使泵功率加倍)。波形724表示种子激光703。在同一时间，当泵706增加泵功率时，种子激光器702被控制为改变到较高的触发频率(例如，从300kHz到600kHz)。波形726表示光纤激光放大器708的输出处的放大器激光707。放大激光707可能具有大的脉冲能量波动(例如，超过40％)，之后该放大激光707可以稳定下来或变得再次稳定。此外，放大激光707可能具有缓慢的稳定时间(例如，超过120μs)。换句话说，光纤激光器700的输出无法对其输入变化做出快速响应。
图7C图示了光纤激光器的输出被改变为具有较高的脉冲能量和/或重复率的另一个场景。在该场景中，基于第一控制信号，泵706被控制为降低泵功率。在同一时间，当泵706降低其泵功率时，种子激光器702基于第二控制信号而从高触发频率切换到低触发频率。在图7C中所示的波形图中，横轴表示时间，并且纵轴表示信号强度。波形732表示第一控制信号，该第一控制信号在某个时间从高值改变到低值，这指示泵706被控制为降低泵功率(例如，使泵功率减小50％)。波形734表示种子激光703。在同一时间，当泵706降低其泵功率时，种子激光器702被控制为改变到较低的触发频率(例如，从600kHz到300kHz)。波形736表示光纤激光放大器的输出处的放大器激光707。在该场景中，放大激光707也可能具有大的信号波动(例如，超过40％)，之后该放大激光707可以稳定下来或变得再次稳定。此外，放大激光707可能具有缓慢的稳定时间(例如，超过120μs)。换句话说，在该场景中，光纤激光器700的输出也无法对其输入变化做出快速响应。
本公开中提供的方法和系统能够减小输出脉冲能量波动和缩短脉冲能量波动的稳定时间。结果，输出放大器激光能够对输入变化做出快速响应，该输入变化包括改变种子激光器的触发频率和/或改变泵功率。快速的光纤激光器输出响应有助于LiDAR系统在扫描感兴趣区域(ROI)区域与扫描非ROI区域之间平稳地和快速地切换。进一步地，快速的光纤激光器输出响应还能够提高光纤激光器效率和减少不必要的能耗。下文更详细地描述这些方法和系统。
图8是图示用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的系统800的框图。在一些实施例中，系统800包括种子激光器802、种子激光器控制器832、第一泵824、泵控制器836、光耦合单元806和第一功率放大器810。种子激光器802可以是例如MOPA(主振荡器和功率放大器)中的主振荡器。种子激光器802生成种子激光804，该种子激光804具有所期望的信号波长(例如，1030nm、1064nm、1530nm、1550nm、2μm等)。在一些实施例中，种子激光804包括连续波激光。在一些实施例中，种子激光804包括脉冲激光。种子激光器802由种子控制器832控制。种子控制器832可以包括一个或多个处理器和存储器，并且可以通过使用例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等来实施。在一个实施例中，种子控制器832可以是图3中所示的控制电路系统350的一部分。种子控制器832可以使用种子控制信号833来控制种子激光器802。种子控制信号833可以是电压信号、电流信号、模拟信号、数字信号或其组合。
在一些实施例中，种子控制器832可以控制种子激光器802以增加或减小种子激光器802的触发频率。触发频率是种子激光器生成或发射种子激光的频率。触发频率有时也被称为脉冲激光器的脉冲重复率(PRR)。触发频率越高，则种子激光器发射光脉冲就越频繁。因此，触发频率越高，则种子激光器的能耗就越高。在一些实施例中，种子激光器802的触发频率可以从300KHz增加到600KHz或者从600KHz减小到300KHz。应理解，触发频率可以被配置成改变到任何所期望的值。
第一泵824被配置成使用例如一个或多个激光二极管来提供泵激光822。激光二极管可以形成二极管阵列以提供足够的泵功率。泵激光822可以具有任何所期望的波长(例如，915nm、940nm、980nm、1530nm等)。第一泵924可以是例如400mW单模泵。第一泵924由泵控制器836通过使用泵控制信号835来控制。例如，泵控制器836可以将泵控制信号835发送到第一泵824以增加泵功率、降低泵功率、接通泵功率或切断泵功率。使用泵激光822生成泵功率并将其递送到光耦合单元806。在一些实施例中，光耦合单元806是可选的，或者与第一功率放大器810集成。因此，种子激光804和泵激光822可以直接被递送到第一功率放大器810。
在一些实施例中，种子激光804和泵激光822被提供给光耦合单元806。光耦合单元806组合种子激光804和泵激光804。组合的光被递送到第一功率放大器810，该第一功率放大器810包括功率放大介质。在一个示例中，功率放大介质可以是基于光纤的放大介质，其包括单模光纤、大模面积(LMA)光纤、双包层光纤等。基于光纤的放大介质可以包括有源增益介质，诸如掺杂有稀土元素(包括铒、镱、钕、镝、镨、铥和/或钬)的光纤。在一些实施例中，被包括在第一功率放大器810中的基于光纤的放大介质基于双包层光纤，其中增益介质形成由两层包层包围的光纤的芯部。双包层光纤允许利用高功率光束泵浦芯部，由此使得激光源能够成为高功率光纤激光源。可以通过从在第一功率放大器810中使用的掺杂光纤中的掺杂剂离子受激发射光子来实现放大。特别地，由第一泵824提供的泵功率将离子激发到上能级中，这些离子可以经由在所期望的信号波长下受激发射光子而从该上能级衰变回到下能级。结果，第一功率放大器810放大种子激光804以生成第一放大激光812。第一放大激光812可以被提供给LiDAR系统的其他部件(例如，被提供给图3中所示的发射器320)。
在上述实施例中，使用第一功率放大器810对种子激光804执行第一级放大。在一些实施例中，系统800被配置成提供多级放大。图8图示了两级放大系统。上述种子控制器832、种子激光器802、泵控制器836、第一泵824、光耦合单元806和第一功率放大器810可以共同用作第一放大级。如图8中所示，第二放大级可以包括第二泵828、泵控制器840、光耦合单元814和第二功率放大器818。第二泵828及其泵控制器840可以分别与如上文所描述的第一泵824和泵控制器836相同或类似，因此不进行重复描述。泵控制器840可以将泵控制信号837发送到第二泵828，由此控制第二泵828生成泵激光826。泵激光826可以具有任何所期望的波长(例如，915nm、940nm、980nm、1530nm等)。在一个实施例中，第一放大激光812和泵激光826被递送到光耦合单元814。光耦合单元814组合第一放大激光812和泵激光826，并将组合的光816递送到第二功率放大器818。在一些实施例中，当例如光耦合单元814是可选的或集成到第二功率放大器818中时，第一放大激光812和泵激光826被直接递送到第二功率放大器818。
类似于第一功率放大器810，第二功率放大器818包括功率放大介质。在一个示例中，功率放大介质可以是基于光纤的放大介质，其包括单模光纤、大模面积(LMA)光纤、双包层光纤等。基于光纤的放大介质可以包括有源增益介质，诸如掺杂有稀土元素(包括铒、镱、钕、镝、镨、铥和/或钬)的光纤。在一些实施例中，被包括在第二功率放大器818中的基于光纤的放大介质是基于双包层光纤，其中增益介质形成由两层包层包围的光纤的芯部。双包层光纤允许利用高功率光束泵浦芯部，由此使得激光源能够成为高功率光纤激光源。可以通过从在第二功率放大器818中使用的掺杂光纤中的掺杂剂离子受激发射光子来实现放大。特别地，由第二泵828提供的泵功率将离子激发到上能级中，这些离子可以经由在所期望的信号波长下受激发射光子而从该上能级衰变回到下能级。结果，第二功率放大器818进一步放大第一放大激光812，以生成第二放大激光820。第二放大激光820可以被提供给LiDAR系统的其他部件(例如，被提供给图3中所示的发射器320)。
如图8中所示的两级放大系统可以提供比一级放大系统更高的功率增益。在一些实施例中，两级放大系统在放大级中的每一级中具有更好的线性度和更少的噪声放大。这是因为，为了实现相同的总功率增益，两级放大系统的每一级的增益可以低于一级放大系统的增益。应理解，系统800可以以与上文所描述和图8中所示的方式类似的方式进行扩展以包括一个或多个附加的功率放大级(未示出)。
如上文所描述的，典型的激光源(例如，激光源700)在其输入改变时可能具有大的输出信号波动(例如，脉冲能量波动)和缓慢的稳定时间。系统800可以被配置成减小此类波动并缩短输出信号的稳定时间。在图9A中所示的一个示例中，切换泵功率和调节种子激光可以被定时为在不同时间发生。特别地，参考图8和图9A，种子激光器802可以在某个触发频率下操作，但需要被调节到不同的触发频率。相应地，第一泵824可以需要被切换到较低的泵功率。在一些实施例中，系统800可以被配置成使得在种子控制器832传输种子控制信号833以调节种子激光器802的触发频率之前或之后的时间，泵控制器836传输泵控制信号835以切换第一泵824的泵功率。
图9A图示了切换泵功率发生在调节种子激光器的触发频率之前的场景。在图9A中，波形921表示种子控制信号833；波形922表示泵控制信号835；波形924表示种子激光804；并且波形926表示第一放大器激光812。图9A图示：在时间t0，泵控制信号835从高值改变到低值，由此控制第一泵824将泵功率从高功率状态切换到低功率状态。例如，第一泵824可以被控制为将泵功率减小50％。在另一个示例中，第一泵824可以被控制为关闭，使得不提供泵功率。在时间t1，种子控制信号833从高值改变到低值，从而引起种子激光器802从第一触发频率调节到第二触发频率。第一触发频率高于第二触发频率。如图9A中所示，波形924图示：在时间t1，种子激光804从高触发频率(例如，600KHz)改变到低触发频率(例如，300KHz)。在一个示例中，时间t0与时间t1之间的时间差被配置成约48μs。因此，在切换泵功率的时间与调节种子激光器的触发频率的时间之间引入了时间差。该时间差有时也被称为同步延迟，因为种子控制信号833的切换相对于切换泵控制信号835延迟。
如上文所描述的，泵功率以泵激光822的形式被递送到第一功率放大器810。种子激光804也被递送到第一功率放大器810。第一功率放大器810使用泵功率来放大种子激光804。由于切换泵功率的时间与调节种子激光器的触发频率的时间之间的时间差，第一放大激光812的输出信号可以具有较小的信号波动和较快的稳定时间。例如，与在同一时间切换泵功率和调节种子激光器触发频率的常规方法相比，时间差能够导致输出脉冲能量波动减小(例如，放大激光812的脉冲能量波动可以从约40％减小到12％)。另外，时间差还能够导致放大器激光812的稳定时间减少(例如，减少约50％)。
可以通过计算t0与t2之间的时间差来确定稳定时间。在一个实施例中，t0表示泵控制信号切换的时间；并且t2表示例如功率放大器输出稳定在其稳定信号强度值的约10％以内的时间。可以通过例如以下方式来确定功率放大器输出信号的波动：计算在稳定时间(例如，从t0到t2)期间的最大信号强度值与最小信号强度值之间的强度差；以及然后，将强度差除以最小信号强度值。因此，如果Imax表示在稳定时间期间功率放大器输出信号的最大信号强度值(例如，最大脉冲能量)且Imin表示最小信号强度值(例如，最小脉冲能量)，则可以将波动计算为(Imax-Imin)/(Imax+Imin)并使用百分比来表达。如图9A中所示，在该示例中，放大激光812首先减小到最小信号强度值，然后增加到最大强度值，最后减小以稳定到最终稳定强度值。
图9A图示了泵功率从高功率状态切换到低功率状态并且对应的种子激光器从高触发频率调节到低触发频率的场景。图9B图示了泵功率从低功率状态切换到高功率状态并且对应的种子激光器从低触发频率调节到高触发频率的另一个场景。在图9B中，波形931表示种子控制信号833；波形932表示泵控制信号835；波形934表示种子激光804；并且波形936表示第一放大器激光812。图9B中的波形932图示：在时间t0，泵控制信号835从低值改变到高值，由此控制第一泵824将泵功率从低功率状态切换到高功率状态。例如，第一泵824可以被控制为将泵功率增加50％。在另一个示例中，第一泵824可以被控制为打开，而该第一泵824先前是被关闭的。波形931示出：在时间t1，种子控制信号833从低值改变到高值，从而引起种子激光器802从第一触发频率调节到第二触发频率。在这种情况下，第一触发频率低于第二触发频率。如图9B中所示，波形934图示：在时间t1，种子激光804从低触发频率(例如，300KHz)切换到高触发频率(例如，600KHz)。在一个示例中，时间t0与时间t1之间的时间差被配置成约40μs。因此，在切换泵功率的时间与调节种子激光器的触发频率的时间之间引入了时间差。该时间差有时也被称为同步延迟，因为种子控制信号833的切换相对于切换泵控制信号835延迟。
参考图8，如上文所描述的，泵功率以泵激光822的形式被递送到第一功率放大器810。种子激光804也被递送到第一功率放大器810，该第一功率放大器810使用泵功率来放大种子激光804。由于切换泵功率的时间与调节种子激光器的触发频率的时间之间的时间差，第一放大激光812具有较小的信号波动和较快的稳定时间。如图9B中所示，例如，与常规方法相比，时间差能够导致功率放大器输出的波动减小(例如，放大激光812的脉冲能量波动可以从约40％减小到12％)。另外，时间差还导致功率放大器输出的稳定时间减少(例如，减少约50％)。在图9B中，可以通过计算t0与t2之间的时间差来确定稳定时间。在一个实施例中，t0表示泵控制信号切换的时间；并且t2表示例如功率放大器输出稳定在稳定信号强度值的约10％以内的时间。可以通过例如以下方式来确定功率放大器输出信号的波动：计算在稳定时间(例如，从t0到t2)期间的最大信号强度与在稳定时间期间的最小信号强度之间的强度差；以及然后，将强度差除以最小信号强度。因此，如果Imax表示功率放大器输出信号的最大信号强度(例如，最大脉冲能量)、Imin表示最小信号强度，则可以将波动计算为(Imax-Imin)/(Imax+Imin)。如图9B中所示，在该示例中，放大激光812首先增加到最大信号强度值，然后减小到最小信号强度值，最后再次增加以稳定到稳定信号强度值。
在上述图9A和9B中所示的示例中，在种子控制信号833的切换之前泵控制信号835进行切换。图9C图示了在种子控制信号833的切换之后泵控制信号835进行切换的两个场景930和940。可以引入类似的时间差。在图9C中所示的场景930和940中，泵控制信号835的切换相对于种子控制信号833的切换延迟。结果，在第一泵824改变泵功率(相应地减小或增大)之前，种子激光器802改变触发频率(从低到高或从高到低)。类似地，时间差能够导致功率放大器输出的波动减小(例如，放大激光812的波动从约40％减小到12％)。另外，时间差还导致功率放大器输出的稳定时间减少(例如，减少约50％)。
返回参考图8，可以使用同步或延迟信号834在种子控制器832与泵控制器836之间传达时间差。同步信号834可以从种子控制器832传达到泵控制器836，反之亦然。例如，如果种子控制器信号833在泵控制信号835切换之前进行切换，则种子控制器832可以将同步信号834传达到泵控制器836。同步信号834可以包括时间差的表示。基于同步信号834，泵控制器836引起泵控制信号835以在时间差之后进行切换。在一些实施例中，可以预先配置时间差，并且同步信号834触发例如泵控制器836中的定时器，该定时器被编程为具有时间差。在一些实施例中，时间差可以是可调节的。例如，可以在系统800中包括脉冲能量波动监测和反馈电路(未示出)。该电路可以监测放大激光812的脉冲能量波动。基于监测结果，可以自动调节时间差以获得对减小脉冲能量波动的优化。在一些示例中，时间差可以由用户进行调节。
作为另一个示例，如果泵控制信号835在种子控制信号833的切换之前进行切换，则泵控制器836可以将同步信号834传达到种子控制器832。同步信号834包括时间差的表示。基于同步信号834，种子控制器832引起种子控制信号833以在时间差之后进行切换。在一些实施例中，可以预先配置时间差，并且同步信号834触发例如种子控制器832中的定时器，该定时器被编程为具有时间差。在一些实施例中，可以能够以与上文所描述的方式类似的方式调节时间差。应理解，种子控制器832和泵控制器836可以以任何其他所期望的方式关于同步信号834彼此通信。
在一些实施例中，基于脉冲能量波动和用于稳定脉冲能量波动的稳定时间中的一者或两者来确定切换种子控制信号833与切换泵控制信号835之间的时间差。如上文所描述的，可以使用信号强度的最大值和最小值来计算功率放大器输出的信号强度的波动。在一个实施例中，图9A和图9B中所示的信号强度可以表示脉冲激光的脉冲能量。可以类似地计算脉冲能量波动。也可以以类似的方式计算脉冲能量波动的稳定时间。在一些实施例中，可以执行模拟和/或实验来优化时间差，以最小化脉冲能量波动和/或稳定时间。例如，可以预先选择多个可能的时间差来进行模拟。可以使用可能的时间差来执行多次模拟。基于模拟结果，可以计算脉冲能量波动和稳定时间。基于计算结果，可以优化时间差以最小化脉冲能量波动和/或稳定时间。
返回参考图8，系统800可以包括两个或更多个功率放大级。因此，可以使用由第二泵828提供的功率来进一步放大由第一功率放大器810生成的第一放大激光812。类似地，可以在切换用于第一泵824的泵控制信号835与切换用于第二泵828的泵控制信号837之间引入第二时间差。通过引入第二时间差，可以减小第二功率放大器818的输出信号的信号强度(例如，脉冲能量)波动，并且可以缩短其稳定时间。
图9D示出了两级放大系统的两个场景950和960中的示例波形。这些波形图示了种子控制信号与一个或多个泵控制信号之间的关系。如由图9D中的场景950所示，在一个实施例中，种子控制信号833首先进行切换(例如，从低到高)，从而引起种子激光器802改变其触发频率。在时间差Δt1之后，泵控制信号835进行切换(例如，从低到高)，由此引起第一泵824改变输出泵功率。然后，在另一个时间差Δt2之后，泵控制信号837进行切换，由此引起第二泵828改变输出泵功率。以与上文所描述的方式类似的方式，可以确定和/或优化两个时间差Δt1和Δt2以最小化第二功率放大器818的输出信号820的脉冲能量波动和/或稳定时间(例如，通过使用模拟和/或实验)。而且，以与上文所描述的方式类似的方式，可以使用同步信号834在种子控制器832与泵控制器836之间传达时间差Δt1的表示；并且可以使用同步信号838在泵控制器836与泵控制器840之间传达时间差Δt2的表示。虽然场景950图示了信号从低状态改变到高状态，但应理解，信号也可以利用类似的时间差从高状态改变到低状态。
类似地，如由图9D中的场景960所示，在一个实施例中，泵控制信号837首先进行切换(例如，从高到低)，从而引起第二泵828改变输出功率。在时间差Δt3之后，泵控制信号835进行切换(例如，从高到低)，由此引起第一泵824改变输出泵功率。然后，在另一个时间差Δt4之后，种子控制信号833进行切换，由此引起种子激光器802改变其触发频率。以与上文所描述的方式类似的方式，可以确定和/或优化两个时间差Δt3和Δt4以最小化第二功率放大器818的输出信号820的脉冲能量波动和/或稳定时间(例如，通过使用模拟和/或实验)。而且，以与上文所描述的方式类似的方式，可以使用同步信号838在泵控制器840与泵控制器836之间传达时间差Δt3的表示；并且可以使用同步信号834在泵控制器836与种子控制器832之间传达时间差Δt4的表示。虽然场景960图示了信号从高状态改变到低状态，但应理解，信号也可以利用类似的时间差从低状态改变到高状态。
应进一步理解，图8和图9D图示了切换两级功率放大系统的各种控制信号(种子控制信号833、泵控制信号835和837)的时间差和顺序。如果系统800包括附加的功率放大级，则可以引入附加的时间差。可以类似地配置控制信号的切换顺序。
图10是图示用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的另一个系统1000的框图。类似于系统800，系统1000也包括两个功率放大级。例如，系统1000的第一功率放大级包括种子激光器1002、种子控制器1032、第一泵1024、泵控制器1036、光耦合单元1006和第一放大器1010。系统1000的第二功率放大级包括第二泵1028、泵控制器1040、光耦合单元1014和第二放大器1018。这些部件与系统800中所包括的对应部件相同或类似，因此不进行重复描述。另外，系统1000包括主控制器1040。主控制器1040可以包括一个或多个处理器和存储器，并且可以通过使用例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等来实施。在一个实施例中，主控制器1040可以是图3中所示的控制电路系统350的一部分。如上文所描述的，在系统800中，在种子控制器832与泵控制器836之间以及在两个泵控制器836与840之间直接传达同步信号。系统1000使用主控制器1040来将同步信号传达到种子控制器和泵控制器。同步信号可以是电压信号、电流信号、模拟信号、数字信号或其组合。
如图10中所示，在两级功率放大系统中，主控制器1050将一个或多个同步或延迟信号1034、1038和1044分别传达到种子控制器1032、泵控制器1036和泵控制器1040。在一个示例中，同步信号1034引起种子控制器1032切换种子控制信号1033(例如，从低到高)，由此引起种子激光器1002改变其触发频率(例如，从低频率到高频率)。同步信号1038可以包括第一时间差的表示。在第一时间差之后，泵控制器1036基于同步信号1038来切换泵控制信号1035(例如，从低到高)，由此引起第一泵1024改变其输出功率(例如，增加功率)。类似地，同步信号1044可以包括第二时间差的表示。在第二时间差之后，泵控制器1040基于同步信号1044来切换泵控制信号1037(例如，从低到高)，由此引起第二泵1028改变其输出功率(例如，增加功率)。
以类似的方式，主控制器1050可以首先切换泵控制信号1037，接着在第三时间差之后切换泵控制信号1035，然后在第四时间差之后切换种子控制信号1033。因而，主控制器1050可以以任何所期望的次序来控制切换控制信号的顺序。在调节种子激光器的触发频率与切换一个或多个泵功率输出之间引入的时间差减小了第二放大器1018的输出信号1020中的波动及其稳定时间。应理解，如果一个或多个附加的功率放大级被包括在系统1000中，则主控制器1050可以与附加的泵控制器传达一个或多个附加的同步或延迟信号。
上文所描述的系统800和1000都可以包括用于组合种子激光和泵激光或用于组合第一放大激光和泵激光的光耦合单元。图11包括图示示例光耦合单元1120和1130的框图，这些光耦合单元可以用于实施光耦合单元806、814、1006和1014。在一个实施例中，光耦合单元1120包括光学隔离器1122和WDM或组合器1124。光耦合单元1130包括光学隔离器1132、WDM或组合器1134、以及TAP 1136。光学隔离器可以将光学信号从其输入端传递到其输出端但不反向传递。因此，光学隔离器防止不期望的反馈或反射。在系统800和1000的一种配置中，光耦合单元806、814、1006和1014中的每一个包括光学隔离器。结果，种子激光器信号、第一放大激光812或1012、以及第二放大激光820或1020只能正向传播但不反向传播。
在系统800和1000的一种配置中，光耦合单元806、814、1006和1014可以均包括一个或多个WDM或者一个或多个光学组合器1124或1134。WDM包括多路复用器，该多路复用器多路复用或组合多个输入光学信号并将组合的信号递送到单个光纤。多个输入光学信号由具有不同波长的输入激光携载。具有不同波长的输入激光可以由多个输入光纤来递送。WDM还可以包括分路器，以将由单个光纤携载的组合的光学信号解多路复用或分布到多个输出光学信号。多个输出光学信号由具有多个波长的输出激光携载。具有多个波长的这些输出激光可以由多个输出光纤携载。在一些实施例中，光学组合器也可以代替WDM在光耦合单元中使用。光学组合器是无源装置，其中来自多个光纤的激光可以进行组合并然后分布在一个或多个其他光纤或光接收器当中。
在系统800和1000的一种配置中，一个或多个光耦合单元可以包括TAP。TAP是提供对光学信号的实时监测的接入点。
图12是图示根据一些实施例的用于对光纤激光器执行动态脉冲控制的方法1200的流程图。在一些实施例中，方法1200以步骤1202开始。在步骤1202中，例如，种子激光器(例如，种子激光器802或1002)基于第一种子控制信号来生成处于第一触发频率的种子激光。在步骤1204中，种子激光器将处于第一触发频率的种子激光递送到第一功率放大介质(例如，第一功率放大器810或1010)。
步骤1206基于脉冲能量波动和用于稳定脉冲能量波动的稳定时间中的一者或两者来确定第一时间差。可以由一个或多个控制器来做出该确定，控制器诸如为种子控制器832或1032、泵控制器836、1036、840或1040、和/或主控制器1050。在一些实施例中，对第一时间差的确定可以由其他硬件和/或软件部件做出或者基于用户输入做出。
步骤1208基于第一时间差在第一泵控制器(泵控制器836或1036)与种子控制器(例如，种子控制器832或1032)之间传达第一控制信号。该传达可以由第一泵控制器或种子控制器发起。第一控制信号包括第一时间差的表示。在一些实施例中，主控制器将一个或多个控制信号传达到种子控制器和第一泵控制器。所述一个或多个控制信号中的至少一个包括第一时间差的表示。
在步骤1210中，第一泵控制器切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率。第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光。
在步骤1212中，在第一时间差之前或之后，种子控制器将种子激光调节为具有不同于第一触发频率的第二触发频率。因此，切换泵功率和调节种子激光被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。
在步骤1214中，第一功率放大介质输出具有第一波长的第一放大激光。由于第一时间差，第一放大激光的信号强度波动减小并且其稳定时间缩短。
步骤1216基于脉冲能量波动和用于稳定脉冲能量波动的稳定时间中的一个或两个来确定第二时间差。可以由一个或多个控制器来做出该确定，控制器诸如为种子控制器832或1032、泵控制器836、1036、840或1040、和/或主控制器1050。在一些实施例中，对第二时间差的确定可以由其他硬件和/或软件部件做出或者基于用户输入做出。
步骤1218基于第二时间差在第一泵控制器(泵控制器836或1036)与第二泵控制器(例如，种子控制器840或1040)之间传达第二控制信号。该传达可以由第一泵控制器或第二泵控制器发起。第二控制信号包括第二时间差的表示。在一些实施例中，主控制器将一个或多个控制信号传达到第一泵控制器和第二泵控制器。所述一个或多个控制信号中的至少一个包括第二时间差的表示。
在步骤1220中，第二泵控制器切换能够递送到第二功率放大介质的泵功率。第二功率放大介质携载第一放大激光。因此，切换能够递送到第二功率放大介质的泵功率和切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率被定时为在具有第二时间差的不同时间发生。
在步骤1222中，第二功率放大介质输出具有第一波长的第二放大激光。由于第二时间差，第二放大激光的信号强度波动减小并且其稳定时间缩短。应理解，图12图示了方法1200的示例流程图。方法1200可以具有附加的步骤、不同的步骤次序和/或更少的步骤。
前述说明书将被理解为在每个方面都是说明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文中所公开的本发明的范围不从说明书来确定，而是从如根据专利法所准许的完整范围解释的权利要求来确定。将理解，本文中示出和描述的实施例仅说明本发明的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下实施各种修改。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实施各种其他特征组合。

Claims (36)

1.一种用于对光检测和测距(LiDAR)扫描系统中的光纤激光器执行动态脉冲控制的方法，所述方法包括：
切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率，所述第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光；以及
将所述种子激光调节为具有不同于所述第一触发频率的第二触发频率，
其中，切换所述泵功率和调节所述种子激光被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
基于第一种子控制信号，生成处于所述第一触发频率的所述种子激光；以及
将处于所述第一触发频率的所述种子激光递送到所述第一功率放大介质。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中，所述种子激光包括连续波激光或脉冲激光。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率包括：
将所述泵功率从低功率状态切换到高功率状态或者从切断状态切换到接通状态。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率包括：
将所述泵功率从高功率状态切换到低功率状态或者从接通状态切换到切断状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，切换所述泵功率被定时为以所述第一时间差在调节所述种子激光之前发生。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，切换所述泵功率被定时为以所述第一时间差在调节所述种子激光之后发生。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括：
基于脉冲能量波动和用于稳定所述脉冲能量波动的稳定时间中的一者或两者来确定所述第一时间差。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述第一时间差包括预配置的时间差或可调节的时间差。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述第一时间差，在第一泵控制器与种子控制器之间传达第一控制信号，其中，所述第一控制信号引起调节所述种子激光或切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率中的一者。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第二触发频率高于所述第一触发频率。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第二触发频率低于所述第一触发频率。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，将所述种子激光调节为具有不同于所述第一触发频率的所述第二触发频率包括：
基于第二种子控制信号，生成处于所述第二触发频率的所述种子激光；以及
将处于所述第二触发频率的所述种子激光递送到所述第一功率放大介质。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，进一步包括：
由所述第一功率放大介质输出具有第一波长的第一放大激光。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
切换能够递送到第二功率放大介质的泵功率，所述第二功率放大介质携载所述第一放大激光，
其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率和切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率被定时为在具有第二时间差的不同时间发生。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率被定时为以所述第二时间差在切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率之前发生。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率被定时为以所述第二时间差在切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率之后发生。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括：
基于所述第二时间差，在第二泵控制器与第一泵控制器之间传达第二控制信号，其中，所述第二控制信号引起切换所述第一功率放大介质的所述泵功率或切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率中的一者。
19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，进一步包括：
基于多个时间差，将相应的控制信号从主控制器传达到种子控制器、第一泵控制器和第二泵控制器，
其中，所述种子控制器、所述第一泵控制器和所述第二泵控制器基于它们各自的控制信号来分别控制调节所述种子激光、切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率、以及切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，进一步包括：
由所述第二功率放大介质输出具有所述第一波长的第二放大激光。
21.一种用于对光检测和测距(LiDAR)扫描系统中的光纤激光器执行动态脉冲控制的系统，所述系统包括：
第一泵控制器，所述第一泵控制器被配置成切换能够递送到第一功率放大介质的泵功率，所述第一功率放大介质携载具有第一触发频率的种子激光；以及
种子控制器，所述种子控制器被配置成将所述种子激光调节为具有不同于所述第一触发频率的第二触发频率；
其中，切换所述泵功率和调节所述种子激光被定时为在具有第一时间差的不同时间发生。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一泵控制器被配置成将能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率从低功率状态切换到高功率状态或者从切断状态切换到接通状态。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述第一泵控制器被配置成将能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率从高功率状态切换到低功率状态或者从接通状态切换到切断状态。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的系统，其中，切换所述泵功率以所述第一时间差在调节所述种子激光之前。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，其中，切换所述泵功率被定时为以所述第一时间差在调节所述种子激光之后发生。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的系统，其中，所述第一泵控制器和所述种子控制器中的至少一个进一步被配置成基于所述第一时间差在彼此之间传达第一控制信号，其中，所述第一控制信号引起调节所述种子激光或切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率中的一者。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的系统，其中，所述第二触发频率高于所述第一触发频率。
28.根据权利要求21至26中任一项所述的系统，其中，所述第二触发频率低于所述第一触发频率。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的系统，其中，所述第一功率放大介质被配置成输出具有第一波长的第一放大激光。
30.根据权利要求29所述的系统，进一步包括：
第二泵控制器，所述第二泵控制器被配置成切换能够递送到第二功率放大介质的泵功率，所述第二功率放大介质携载所述第一放大激光，
其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率和切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率被定时为在具有第二时间差的不同时间发生。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率被定时为以所述第二时间差在切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率之前发生。
32.根据权利要求30所述的系统，其中，切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率被定时为以所述第二时间差在切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率之后发生。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的系统，其中，所述第一泵控制器和所述第二泵控制器中的至少一个被配置成基于所述第二时间差在彼此之间传达第二控制信号，其中，所述第二控制信号引起切换所述第一功率放大介质的所述泵功率或切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率中的一者。
34.根据权利要求30至32中任一项所述的系统，进一步包括主控制器，所述主控制器被配置成：
基于多个时间差，将相应的控制信号传达到所述种子控制器、所述第一泵控制器和所述第二泵控制器，
其中，所述种子控制器、所述第一泵控制器和所述第二泵控制器基于它们各自的控制信号来分别控制调节所述种子激光、切换能够递送到所述第一功率放大介质的所述泵功率、以及切换能够递送到所述第二功率放大介质的所述泵功率。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的系统，其中，所述第二功率放大介质被配置成输出具有所述第一波长的第二放大激光。
36.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令在由电子装置的一个或多个处理器执行时使所述电子装置执行根据权利要求1至20中任一项所述的方法。
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