CN117321441A - 使用多个啁啾率减轻相干lidar系统中重影的方法 - Google Patents

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Abstract

一种光探测和测距(LIDAR)系统，用于向LIDAR系统视场中的目标发射包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号的光束，并接收从目标反射的上啁啾信号和下啁啾信号的返回信号。LIDAR系统在频域中生成所述至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号的返回信号的基带信号。基带信号包括与至少一个上啁啾信号相关的第一组峰值和与至少一个下啁啾信号相关的第二组峰值。LIDAR系统使用第一组峰值和第二组峰值确定目标位置。

Description

使用多个啁啾率减轻相干LIDAR系统中重影的方法
相关申请
本申请要求2021年3月24日提交的第63/165,628号美国临时专利申请和2022年3月23日提交的第17/702,601号美国非临时专利申请的优先权和利益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及LIDAR(光检测和测距)系统，尤其涉及相干LIDAR系统中的重影减轻。
背景技术
LIDAR系统，如频率调制连续波(FMCW)LIDAR系统，使用可调谐红外激光器对目标进行频率啁啾照明，并且使用相干接收器来检测来自与发射信号的本地副本组合的目标的反向散射或反射光。将本地副本与被到达目标并返回的往返时间延迟的返回信号(例如，一返回的信号)混合，在接收器处以与到达系统的视场中的各目标的距离成比例的频率生成信号。可以使用频率的上扫频(upsweep)和频率的下扫频(downsweep)来对检测目标的距离和速度进行检测。然而，当LIDAR系统和目标(或多个目标)中的一者或多者正在移动时，出现将与各目标相对应的峰值相关的问题。
发明内容
本公开描述了使用多个频率在相干LIDAR系统中减轻重影的系统和方法的示例。
根据一个方面，本公开涉及一种方法。该方法包括向光检测和测距(LIDAR)系统的视场中的目标发射一个或多个光束，所述一个或多个光束包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号。该方法还包括从所述目标接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号。所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值。该方法还包括确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者。如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
在一个实施例中，一个或多个光束由单个光源发射。
在一个实施例中，一个或多个光束由至少两个光源发射。
在一个实施例中，一个或多个光束在多个扫频、多个线和多个帧中的一者或多者上发射。
在一个实施例中，所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，其中，所述第一峰值和所述第二峰值包括超过阈值的信噪比值，并且所述第二组峰值包括第三峰值和第四峰值，其中，所述第三峰值和所述第四峰值包括超过阈值的信噪比值。基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者包括：基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述第四峰值确定目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者。并且基于所述峰值的子集计算所述目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者包括：基于所述第一峰值和所述第三峰值确定所述目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者。
在一个实施例中，所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，其中，所述第一峰值和所述第二峰值包括超过阈值的信噪比值。所述第二组峰值包括第三峰值和第四峰值，其中，所述第三峰值和所述第四峰值包括超过阈值的信噪比值。使用所述第一组峰值和所述第二组峰值计算目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者包括：基于所述第一组峰值计算目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者，并且基于所述第二组峰值确认目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者。
在一个实施例中，第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，第二组峰值包括第三峰值和峰值组，并且所述峰值组包括第四峰值。
在一个实施例中，第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，第二组峰值包括第三峰值。该方法进一步包括：基于第一峰值、第二峰值和第三峰值确定第四峰值。
在一个实施例中，确定目标位置包括从所述峰值组中选择所述第四峰值，并且基于第一峰值、第二峰值、第三峰值和第四峰值确定目标位置。
在一个实施例中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括基于第一峰值和第三峰值确定估计峰值，并基于估计峰值选择第四峰值。
在一个实施例中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括基于第一峰值和第二峰值确定第一范围，基于第一峰值、第二峰值、第三峰值和所述峰值组确定到目标的一组范围，以及基于第一范围和所述一组范围之间的最小差从所述峰值组中选择所述第四峰值。
在一个实施例中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括基于第一峰值和第二峰值确定到目标的第一多普勒偏移，基于第三峰值和所述峰值组确定一组多普勒偏移，以及基于第一多普勒偏移和所述一组多普勒偏移之间的最小差从所述峰值组中选择所述第四峰值。
在一个实施例中，至少两个经调整的上啁啾信号和至少两个经调整的下啁啾信号进一步生成与对应于第二目标的第二目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第三组峰值和与对应于第二目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第四组峰值。该方法进一步包括：使用第三组峰值和第四组峰值确定第二目标位置。
根据一个方面，本公开涉及光探测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括处理器和所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述LIDAR系统：向所述LIDAR系统的视场中的目标发射一个或多个光束，所述一个或多个光束包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号；从所述目标接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号，所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值；确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者；如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者；和如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
在一个实施例中，第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，第二组峰值包括第三峰值和峰值组，并且所述峰值组包括第四峰值。
在一个实施例中，为了确定目标位置，处理器进一步从所述峰值组中选择所述第四峰值，基于第一峰值、第二峰值、第三峰值和第四峰值确定目标位置。
在一个实施例中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，处理器进一步基于第一峰值和第三峰值确定估计峰值，并基于估计峰值选择第四峰值。
在一个实施例中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，处理器进一步基于第一峰值和第二峰值确定第一范围，基于第一峰值、第二峰值、第三峰值和所述峰值组确定到目标的一组范围，并且基于第一范围和所述一组范围之间的最小差从所述峰值组中选择所述第四峰值。
在一个实施例中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，处理器进一步基于第一峰值和第二峰值确定到目标的第一多普勒偏移，基于第三峰值和所述峰值组确定一组多普勒偏移，以及基于第一多普勒偏移和所述一组多普勒偏移之间的最小差从所述峰值组中选择所述第四峰值。
根据一个方面，本公开涉及光探测和测距(LIDAR)系统。该LIDAR系统包括光学扫描器，用于向LIDAR系统的视场中的目标发射包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号的一个或多个光束，并接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号，所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值。与所述光学扫描器耦合的光学处理系统，用于从所述返回信号生成时域中的基带信号，所述基带信号包括与LIDAR目标距离相对应的频率。与所述光学处理系统耦合的信号处理系统，包括处理装置和存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理装置执行时，使得所述LIDAR系统：确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与所述目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者；如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者；和如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
附图说明
为了更全面地理解各种示例，参考以下与附图相关的详细描述，在附图中，相似的附图标记对应于相似的元件。
图1是示出根据本公开的示例LIDAR系统的框图；
图2是示出根据本公开的LIDAR波形的一个示例的时频图；
图3A是示出根据本公开的示例LIDAR系统的框图；
图3B是示出根据本公开的电光学系统的框图；
图4是根据本公开的示例信号处理系统的框图；
图5A示出了根据本公开的扫描信号的不同时间-频率图。
图5B示出了根据本公开的扫描信号的不同频率图。
图6是示出根据本公开的LIDAR波形的一个示例的时间-频率图。
图7是示出根据本公开的目标的信号峰值的信号幅值-频率图。
图8是示出根据本公开的目标的信号峰值的信号幅值-频率图。
图9是示出根据本公开的频率范围的信号幅值-频率图。
图10是示出根据本公开的频率范围的信号幅值-频率图。
图11是示出根据本公开的频率范围的信号幅值-频率图。
图12是示出根据本公开的用于选择峰值的方法的流程图。
具体实施方式
本公开描述了用于自动减轻由于多普勒偏移而可能发生的重影的LIDAR系统和方法的各种示例。根据一些实施例，所描述的LIDAR系统可以在任意感测市场中实现，诸如但不限于运输、制造、计量、医疗、虚拟现实、增强现实和安全系统等。根据一些实施例，所描述的LIDAR系统被实现为用于辅助自动化驾驶员辅助系统或自动驾驶运载工具的空间感知的调频连续波(FMCW)装置的前端的一部分。
本文的实施例所描述的LIDAR系统包括相干扫描技术，以检测从目标返回的信号以生成相干外差信号，从该相干外差信号可以提取目标的距离和速度信息。一个或多个信号可以包括来自单个光源或来自分开的光源(即，具有上扫频的一个光源和具有下扫频的一个光源)的频率的上扫频(上啁啾)和频率的下扫频(下啁啾)。因此，两个不同的频率峰值(对于上啁啾的一个频率峰值和对于下啁啾的一个频率峰值)可以与目标相关，并且可以用于确定目标距离和速度。然而，当LIDAR系统处理这些信号时，也可能发生峰值映像。峰值映像可能包括数据(如图形数据)，其中，包括信号属性(如SNR值)，该信号属性表明检测到的峰值与目标的位置和/或速率之间的微弱的对应关系。因此，如果这些峰值映像被LIDAR系统使用来检测目标，那么这可导致LIDAR系统将使用错误的数据来处理与目标相关的位置、速率和速度。以这种方式使用峰值映像可称为"重影"。使用本文所述的技术，本发明的实施例可以例如通过将相位调制引入到扫频/啁啾中来解决上述问题。这使得LIDAR系统能够将峰值和/或峰值映像与预期峰值形状匹配，以将峰值(例如，真峰值)和峰值映像区分开。与映像峰值不同，真峰值包括数据(例如图形数据)，其包括与目标的位置和/或速率紧密对应的信号属性(例如SNR值)。因此，这种峰值能够使LIDAR系统可靠地识别目标的位置、速率和速度。需要注意的是，峰值映像也可以被称为映像峰值。
图1示出根据本公开的示例实施方式的LIDAR系统100。LIDAR系统100包括多个部件中的各部件中的一者或多者，但可以包括比图1所示的部件更少或更多的部件。如图所示，LIDAR系统100包括在光子芯片上实现的光路101。光路101可以包括有源光学部件和无源光学部件的组合。有源光学部件可以生成、放大和/或检测光学信号等。在一些示例中，有源光学部件包括不同波长的光束，并且包括一个或多个光学放大器、一个或多个光学检测器等。
自由空间光学器件115可以包括一个或多个光学波导，以承载光信号，并将光信号路由和操纵到有源光学部件的适当输入/输出端口。自由空间光学器件115还可以包括诸如抽头(tap)、波分多路复用器(WDM)、分路器/合路器、偏振分束器(PBS)、准直器或耦合器等的一个或多个光学部件。在一些示例中，自由空间光学器件115例如可以包括用以使用PBS来变换偏振状态并且将所接收到的偏振光引导到光学检测器的部件。自由空间光学器件115还可以包括衍射元件，以使具有不同频率的光束沿着轴(例如，快轴)以不同角度偏转。尽管在一些实施例中可能涉及PBS，但是本公开的实施例不限于此，并且可以包括环行器、定向耦合器、MMI、偏静态接收器或类似组件。
在一些示例中，LIDAR系统100包括光学扫描器102，该光学扫描器102包括沿着与衍射元件的快轴正交或大致正交的轴(例如，慢轴)可旋转以导引光学信号根据扫描模式扫描环境的一个或多个扫描镜。例如，扫描镜可以通过一个或多个振镜而可旋转。光学扫描器102还将入射到环境中的任何物体上的光收集成返回光束，该返回光束被返回到光路101的无源光路部件。例如，返回光束可以通过偏振分束器被引导到光学检测器。除了镜和振镜之外，光学扫描器102还可以包括诸如偏振波片、透镜或抗反射涂层窗等的部件。
为了控制和支持光路101和光学扫描器102，LIDAR系统100包括LIDAR控制系统110。LIDAR控制系统110可以包括用于LIDAR系统100的处理装置。在一些示例中，处理装置可以是诸如微处理器或中央处理单元等的一个或多个通用处理装置。更特别地，处理装置可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算机(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、或实现其他指令集的处理器、或实现指令集的组合的处理器。处理装置还可以是诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或网络处理器等的一个或多个专用处理装置。在一些示例中，LIDAR控制系统110可以包括用以存储数据以及要由处理装置执行的指令的存储器。存储器例如可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、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)、闪速存储器、诸如硬盘驱动器(HDD)等的磁盘存储器、诸如致密盘只读(CD-ROM)和致密盘读写存储器(CD-RW)等的光盘存储器、或者任何其他类型的非暂时性存储器。
在一些示例中，LIDAR控制系统110可以包括诸如DSP等的信号处理单元112。LIDAR控制系统110被配置为输出用于控制光学驱动器103的数字控制信号。在一些示例中，可以通过信号转换单元106将数字控制信号转换为模拟信号。例如，信号转换单元106可以包括数模转换器。然后，光学驱动器103可以向光路101的有源光学部件提供驱动信号以驱动诸如激光器等的光源和放大器。在一些示例中，可以提供多个光学驱动器103和信号转换单元106来驱动多个光源。
LIDAR控制系统110还被配置为输出用于光学扫描器102的数字控制信号。运动控制系统105可以基于从LIDAR控制系统110接收到的控制信号来控制光学扫描器102的振镜。例如，数模转换器可以将来自LIDAR控制系统110的坐标路由信息转换为可由光学扫描器102中的振镜解释的信号。在一些示例中，运动控制系统105还可以向LIDAR控制系统110返回与光学扫描器102的部件的位置或操作有关的信息。例如，模数转换器可以进而将与振镜的位置有关的信息转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。
LIDAR控制系统110还被配置为分析输入的数字信号。在这方面，LIDAR系统100包括光学接收器104以测量光路101所接收到的一个或多个束。例如，参考束接收器可以测量来自有源光学部件的参考束的振幅，并且模数转换器将来自参考接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。目标接收器测量以拍频为形式的承载了与目标的距离和速度有关的信息的光信号(调制光信号)。反射光束可以与来自本地振荡器的第二信号混合。光学接收器104可以包括高速模数转换器以将来自目标接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。在一些示例中，来自光学接收器104的信号可以在被LIDAR控制系统110接收之前由信号调节单元107进行信号调节。例如，可以将来自光学接收器104的信号提供到运算放大器以放大所接收的信号，并且可以将经放大的信号提供到LIDAR控制系统110。
在一些应用中，LIDAR系统100可以附加地包括被配置为捕获环境的图像的一个或多个成像装置108、被配置为提供系统的地理位置的全球定位系统109或其他传感器输入。LIDAR系统100还可以包括图像处理系统114。图像处理系统114可以被配置为接收图像和地理位置，并且将该图像和位置或与其相关的信息发射到LIDAR控制系统110或连接到LIDAR系统100的其他系统。
在根据一些示例的操作中，LIDAR系统100被配置为使用非简并(nondegenerate)光源来同时测量二维上的范围和速度。该能力使得能够进行对周围环境的范围、速度、方位和仰角的实时、长距离测量。
在一些示例中，利用光学驱动器103和LIDAR控制系统110开始扫描处理。LIDAR控制系统110指示光学驱动器103独立地调制一个或多个光束，并且这些调制信号通过无源光路而传播到准直器。准直器在光学扫描系统处引导光，该光学扫描系统在运动控制系统105所定义的预编程模式下扫频环境。光路101还可以包括偏振波片(PWP)，以在光离开光路101时变换光的偏振。在一些示例中，偏振波片可以是四分之一波片或半波片。一部分偏振光也可以被反射回到光路101。例如，在LIDAR系统100中使用的透镜或准直系统可以具有自然反射属性或反射涂层，以用于将一部分光反射回到光路101。
从环境反射回来的光信号通过光路101传递到接收器。由于光的偏振已变换，因此其可以连同被反射回到光路101的一部分偏振光一起被偏振分束器反射。因此，反射光被反射到单独的光学接收器，而不是返回到与光源相同的光纤或波导。这些信号彼此扰动并生成组合信号。从目标返回的各个束信号生成时移波形。两个波形之间的时间相位差生成在光学接收器(光电检测器)上测量到的拍频。然后，可以将组合信号反射到光学接收器104。
使用ADC将来自光学接收器104的模拟信号转换为数字信号。然后，将数字信号发射到LIDAR控制系统110。然后，信号处理单元112可以接收数字信号并解释它们。在一些实施例中，信号处理单元112还接收来自运动控制系统105和振镜(未示出)的位置数据、以及来自图像处理系统114的图像数据。然后，在光学扫描器102扫描附加点时，信号处理单元112可以生成具有与环境中的点的范围和速度有关的信息的3D点云。信号处理单元112还可以将3D点云数据与图像数据叠加，以确定周围区域中的物体的速度和距离。该系统还处理基于卫星的导航定位数据以提供精确的全球位置。
图2是根据一些实施例的、能够由诸如系统100等的LIDAR系统用于扫描目标环境的扫描信号201的时频图200。在一个示例中，被标记为fFM(t)的扫描波形201是具有啁啾带宽ΔfC和啁啾周期TC的锯齿波形(锯齿“啁啾”)。锯齿的斜率给定为k＝(ΔfC/TC)。图2还描绘了根据一些实施例的目标返回信号202(例如，一返回的信号)。被标记为fFM(t-Δt)的目标返回信号202是扫描信号201的时间延迟版本，其中，Δt是相对于由扫描信号201照射的目标的往返时间。往返时间被给出为Δt＝2R/v，其中，R是目标距离，并且v是光束的速率(光速c)。因此，目标距离R可以被计算为R＝c(Δt/2)。当返回信号202与扫描信号光学混合时，生成与距离相关的差频(“拍频”)ΔfR(t)。拍频ΔfR(t)以锯齿k的斜率而与时间延迟Δt线性相关。也就是说，ΔfR(t)＝kΔt。由于目标距离R与Δt成比例，因此目标距离R可以被计算为R＝(c/2)(ΔfR(t)/k)。也就是说，距离R与拍频ΔfR(t)线性相关。例如可以生成拍频ΔfR(t)作为系统100的光学接收器104中的模拟信号。然后，例如在诸如LIDAR系统100中的信号调节单元107等的信号调节单元中，可以通过模数转换器(ADC)对拍频进行数字化。然后，例如可以在诸如系统100中的信号处理单元112等的信号处理单元中对数字化的拍频信号进行数字处理。应当注意，如果目标具有相对于LIDAR系统100的速度，则目标返回信号202通常还将包括频率偏移(多普勒偏移)。多普勒偏移可以单独确定，并且用于校正返回信号的频率，因此为了简洁和易于说明，在图2中未示出多普勒偏移。还应注意，ADC的采样频率将确定能够由系统处理而不会发生混叠的最高拍频。一般而言，能够处理的最高频率为采样频率的一半(即“奈奎斯特极限”)。在一个示例中，并且不限于此的是，如果ADC的采样频率是1千兆赫兹，则能够被处理而没有混叠的最高拍频(ΔfRmax)是500兆赫兹。该极限进而确定系统的最大距离为Rmax＝(c/2)(ΔfRmax/k)，这可以通过改变啁啾斜率k来调整。在一个示例中，虽然来自ADC的数据样本可以是连续的，但是下面描述的后续数字处理可以被划分为能够与LIDAR系统100的一些周期性相关的“时间段”。在一个示例中，并且不限于此的是，时间段可以与预定数量的啁啾周期T或光学扫描器在方位上的多个完全旋转相对应。
图3A是示出根据本公开的示例性LIDAR系统300的框图。示例系统300包括光学扫描器301，以发射调频连续波红外(IR)光束304，并且根据光束304从光学扫描器301的视场(FOV)中的诸如目标312等的目标的反射接收返回信号313。系统300还包括光学处理系统302，以根据返回信号313在时域中生成基带信号314，其中，基带信号314包含与LIDAR目标距离相对应的频率。光学处理系统302可以包括LIDAR系统100中的自由空间光学器件115、光路101、光学驱动器103和光学接收器104的元件。系统300还包括信号处理系统303，以测量基带信号314在频域中的能量，将该能量与LIDAR系统噪声的估计进行比较，并且确定频域中的信号峰值指示检测目标的可能性。信号处理系统303可以包括LIDAR系统100中的信号转换单元106、信号调节单元107、LIDAR控制系统110和信号处理单元112的元件。
图3B是示出示例电光系统350的框图。电光系统350包括与关于图1所示和所述的光学扫描器102类似的光学扫描器301。电光系统350还包括光学处理系统302，如上所述，该光学处理系统302可以包括LIDAR系统100中的自由空间光学器件115、光路101、光学驱动器103和光学接收器104的元件。
电光处理系统302包括光源305以生成光束304(例如FMCW光束)。光束304可以被引导到光耦合器306，该光耦合器306被配置为将光束304耦合到偏振分束器(PBS)307并且将光束304的样本308耦合到光电检测器(PD)309。PBS307被配置为将光束304由于其偏振而朝向光学扫描器301引导。光学扫描器301被配置为通过覆盖光学系统350的外壳320中的LIDAR窗口311的视场(FOV)310的方位角和仰角的范围，来用光束304扫描目标环境。在图3B中，为了便于例示，仅示出方位扫描。
如图3B所示，以一个方位角(或角度范围)，光束304穿过LIDAR窗口311并照射目标312。来自目标312的返回信号313穿过LIDAR窗口311并由光学扫描器301引导回到PBS307。
由于从目标312反射而将具有与光束304不同的偏振的返回信号313由PBS307引导到光电检测器(PD)309。在PD309中，返回信号313与光束304的局部样本308光学混合以在时域中生成距离相关的基带信号314。距离相关的基带信号314是光束304的局部样本308和返回信号313之间相对于时间的频率差(即，ΔfR(t))。距离相关的基带信号314可以在频域中，并且可以通过将至少一个上啁啾信号和至少一个下啁啾信号与返回信号313混合来生成。所述至少一个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中的至少一者的相对运动成比例地在时间上被延迟。
图4是示出根据一些实施例的处理基带信号314的信号处理系统303的示例的详细框图。如上所述，信号处理单元303可以包括LIDAR系统100中的信号转换单元106、信号调节单元107、LIDAR控制系统110和信号处理单元112的元件。
信号处理系统303包括模数转换器(ADC)401、时域信号处理器402、块采样器403、离散傅里叶变换处理器404、频域信号处理器405和峰值搜索处理器406。信号处理系统303的部件块可以以硬件、固件、软件、或者硬件、固件和软件的一些组合来实现。
在图4中，作为时域中的连续模拟信号的基带信号314由AD401进行采样以生成一系列时域样本315。时域样本315由时域处理器402处理，该时域处理器402对时域样本315进行调节以供进一步处理。例如，时域处理器402可以应用加权或滤波以去除不需要的信号伪影或使信号更易于处理以供后续处理。时域处理器402的输出316被提供到块采样器403。块采样器403将时域样本316分组为N个样本317的组(其中，N是大于1的整数)，这N个样本317的组被提供到DFT处理器404。DFT处理器404将N个时域样本317的组变换为频域中的N个频率窗口(bin)或子频带318，从而覆盖基带信号314的带宽。N个子频带318被提供到频域处理器405，该频域处理器405对子频带进行调节以供进一步处理。例如，频域处理器405可以对子频带318进行重新采样和/或求平均以进行降噪。频域处理器405还可以计算信号统计和系统噪声统计。然后，将处理后的子频带319提供到峰值搜索处理器406，该峰值搜索处理器406搜索表示LIDAR系统300的视场中的检测目标的信号峰值。
图5A示出了根据一些实施例的LIDAR系统(例如系统100)可用于扫描目标环境的扫描信号的不同时间-频率图。
时间-频率图500包括信号501、502、503和504。扫描信号501和504可被称为下啁啾、下扫频等，因为扫描信号501和504的频率随着时间而降低。扫描信号503和502可被称为上啁啾、上扫频等，因为扫描信号503和502的频率随着时间而提高。如时间-频率图5A所示，下啁啾信号(例如扫描信号501)与上啁啾信号(例如扫描信号503)同时发射。信号511、512、513和514的啁啾率(chirp rate)可以相同。
多个光源可用于发射扫描信号(例如，各种类型的扫描信号，包括但不限于调频连续波(FMCW)等)。例如，第一光源可以发射信号501和502，第二光源可以发射信号503和504。
时间-频率图510包括信号511、512、513和514。扫描信号512和514可被称为下啁啾、下扫频等，因为扫描信号512和514的频率随着时间而降低。扫描信号513和511可被称为上啁啾、上扫频等，因为扫描信号513和511的频率随着时间而提高。信号511和512的啁啾率可以不同于信号513和514的啁啾率。
一个或多个光源可用于发射扫描信号。例如，第一光源可以发射扫描信号511和512，第二光源可以发射扫描信号513和514。在另一示例中，相同的光源可以发射扫描信号511至514。
图5B示出了根据一些实施例的LIDAR系统(例如系统100)可用于扫描目标环境的扫描信号的不同频率图520和522。
频率图520包括两个帧(frame)521和522。帧可以是LIDAR系统视场的一次完整扫描。例如，帧可以是代表LIDAR系统视场的正方形/矩形区域。如图5B所示，帧521包括八条扫描线，并且帧522包括八条扫描线。帧521中的扫描线可以使用具有啁啾率的光束(如实线所示)。帧522中的扫描线可以使用具有第二(例如，不同)啁啾率的光束(如虚线所示)。多个光源可用于发射帧521和522的扫描线。例如，一个光源可以发射具有第一啁啾率的光束，另一个光源可以发射具有第二啁啾率的光束。单个光源也可用于发射帧521和522的扫描线。例如，对于帧521，光源可以发射具有第一啁啾率的光束，而对于帧522，光源可以发射具有第二啁啾率的光束。
频率图530包括两个帧531和532。如上所述，帧可以是LIDAR系统视场的完整扫描。如图5B所示，帧531包括八条扫描线，帧532包括八条扫描线。帧531中的扫描线可以在使用具有第一啁啾率的光束(如实线所示)和具有第二啁啾率的光束(如虚线所示)之间交替。多个光源可用于发射帧531和532的扫描线。例如，一个光源可以以第一啁啾率发射光束，另一个光源可以以第二啁啾率发射光束。单个光源也可用于发射帧531和532的扫描线。例如，光源可以在发射具有第一啁啾率的光束和发射具有第二啁啾率的光束之间交替。
尽管本公开可涉及两种啁啾率(例如，第一啁啾率和第二啁啾率)，但其他实施例可使用不同数量的啁啾率。例如，在其他实施例中可以使用四个啁啾率、十个啁啾率、数百个啁啾率或其他适当数量的啁啾率。
图6示出了根据一些实施例的LIDAR系统(例如系统100)可用于扫描目标环境的扫描信号的时间-频率图。时间-频率图600包括扫描信号611和612。扫描信号612可被称为下啁啾、下扫频等,因为扫描信号612的频率随着时间降低。扫描信号611可被称为上啁啾、上扫频等，因为扫描信号613和611的频率随着时间而提高。如图6所示，扫描信号611可分为两部分611A和611B。611A部分的啁啾率与第611B部分不同。扫描信号611也可分为两部分612A和612B。612A部分的啁啾率与612B部分不同。
图7是示出根据一些实施例的信号峰值的信号幅值-频率图700的示例。LIDAR系统(例如FMCW或其他类型的LIDAR系统)可生成至少两个上啁啾和至少两个下啁啾信号调制(在此也称为上扫频和下扫频)，以扫描环境并确定该环境中目标的距离、反射率和速度中的一者或多者。在一个示例中，单个光源可以同时生成上啁啾和下啁啾。在另一示例中，该系统可包括生成包括上啁啾的信号的一个光源和生成包括下啁啾的信号的另一光源。在又一示例中，系统可以包括用于每个上啁啾信号和每个下啁啾信号的一个光源。
信号处理系统可以使用返回信号和从上啁啾和下啁啾相应生成的拍频(即峰值频率)，确定范围(例如位置、目标和LIDAR系统之间的距离)、目标的速度(例如目标速度)和/或目标的反射率(例如目标反射率)中的一者或多者。例如，根据一些实施例，信号处理单元112可被配置为通过使用对应于相应峰值的多个频率计算距LIDAR系统700的距离来确定目标的距离。如上所述，信号处理单元112可以通过将至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号与一个或多个返回信号混合来生成频域中的基带信号。至少两个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中至少一者的相对运动成比例地在时间上延迟。基带信号可以包括峰值705A、705B、710A、710B、710C和710D，并且可以包括附加的峰值(图7中未示出)。峰值705A和710A可以是上啁啾，峰值705B和710B可以是下啁啾。峰值705A和705B可具有第一啁啾率(或可与之相关)，峰值710A和710B可具有(例如，不同的)第二啁啾率(或可与之相关)。
根据一些实施例，信号处理单元112可以被配置为使用对应于峰值的多个频率之间的差异来确定目标的速度、距离和/或反射率。然而，如图7所示，可能会出现在基带信号中也存在伪峰值的情况。例如，由于各种原因、原由和/或因素，基带信号中可能存在伪峰值。这可能导致LIDAR系统检测到伪(或“假”)目标，而非理想的“真”目标或峰值。在一个实施例中，伪峰值可以是如下峰值，即，该峰值提供弱对应于目标的位置和/或速度的信噪比(SNR)值。例如，伪峰值可以是信噪比值低于阈值的峰值。在另一示例中，伪峰值可包括包含信号属性(例如，信噪比值)的数据(例如，图形数据)，该信号属性表明检测到的峰值与目标的位置和/或速度之间的弱对应性。
如上所述，信号幅值-频率图700包括峰值705A、峰值705B、峰值710A、峰值710B、峰值710C和峰值710D。峰值705A、705B、710A、710B、710C和710D可存在于由LIDAR系统的信号处理单元(例如，图1所示的信号处理单元112)处理和/或分析的基带信号中，如下文更详细讨论的。LIDAR系统可以确定峰值705A、705B和710A是真峰值。例如，LIDAR系统可基于峰值的阈值高度/幅值确定峰值705A、705B和710A为真峰值。在另一示例中，LIDAR系统可以使用置信度量/水平来确定峰值705A、705B和710A是真峰值。在一个实施例中，真峰值可以是提供与目标的位置和/或速度强对应的信噪比值的峰值。例如，真峰值可以是信噪比值大于或等于阈值的峰值。在另一示例中，真峰值可包括数据(例如，图形数据)，该数据包括与目标的位置和/或速度强对应的信号属性(例如，信噪比值)。LIDAR系统可以使用峰值705A和705B确定第一范围(例如，第一位置、LIDAR系统和目标之间的第一距离)。例如，LIDAR系统可以确定到目标的范围或距离与频率Fup和Fdn之和成比例。例如，与目标距离成比例的频率可以如下确定：(Fup+Fdn)/2，其中，Fup是峰值705A的频率，Fdn是峰值705B的频率。
在一些场景中，峰值705A在频率上从目标位置向上偏移(例如，移动)。峰值705A可被称为上移峰值、多普勒偏移峰值或F1,up。峰值705B在频率上从目标位置向下偏移(如信号幅值-频率图700中的实线所示)。峰值705B可称为下移峰值、多普勒偏移峰值或F1,dn。峰值710A在频率上从目标位置向上偏移(例如，移动)。峰值710A可被称为上移峰值、多普勒偏移峰值或F2,up。
峰值的偏移可能是例如由于目标和/或传感器中的一个或多于一个相对于LIDAR系统(例如，FMCW或其他类型的LIDAR系统)的移动所引起的。例如，目标可能正在移动，包括LIDAR传感器(例如，图1所示的光学扫描器102和/或光路101等)的装置(例如，运载工具、智能电话等)可能正在移动，或者目标和装置这两者都可能相对于特定点正在移动。
在一些实施例中，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100的信号处理单元112)可以选择峰值705A作为真峰值。例如，当目标在更近范围处(例如，在LIDAR的第一阈值范围内)时，具有最高频率的峰值(例如，峰值705A)可被确定为对应于目标的真峰值，而非峰值映像，并因此由LIDAR系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)选择。以这种方式，信号处理单元112被配置为基于正在发生的重影类型(例如，近范围重影或远范围重影)来选择峰值705A。因此，LIDAR(例如，图1中示出的信号处理单元112)能够在确定到目标的范围或距离时确定应当使用峰值705A。
如上所述，可能会出现在基带信号中出现伪峰值的情况。例如，由于硬件和计算资源，拍频信号可能经历真实采样，并且可以假定频率峰值为正。然而，如果目标在更近范围处(例如，峰值在更低的频率范围内或接近更低的频率)，则多普勒偏移可能导致拍频峰值变为负值。在另一示例中，基带信号中可能存在噪声，并且该噪声可能导致基带信号中出现峰值。在另一示例中，可能存在映像峰值，如下文更详细讨论的。如图7所示，存在多个峰值，这些峰值可以是用于对应于峰值710A的下移峰值的候选峰值、可能峰值等。例如，峰值710B、710C和710D之一可以是对应于峰值710的下移峰值(例如，多普勒偏移峰值、F2,dn等)。因此，LIDAR系统可以确定峰值710B、710C和710D中的哪一个是真峰值。
在一个实施例中，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以使用峰值710A和峰值710B、710C和710D中的每一个来确定一个或多个范围(例如，位置、LIDAR系统和目标之间的距离等)、速度和反射率。例如，LIDAR系统可以使用1)峰值710A和710B；2)峰值710A和710C和3)峰值710A和710D确定三个范围(例如，一组范围)。三个范围中的每一个可以如下确定(例如，计算、获得、生成等)：(Fup+Fdn)/2，其中，Fup是峰值710A的频率，Fdn是峰值710B、710C和710D之一的频率。LIDAR系统可以选择与第一范围(使用峰值705A和705B确定)相比在范围上差异最小的峰值。例如，LIDAR系统可将范围上的差异(例如，距离差异)最小化如下：
其中，α1是与第一峰值(例如，峰值705A和/或705B)相关的啁啾率，而α2是与第二峰值(例如，峰值710A、710B和/或710C)相关的啁啾率。LIDAR系统可确定使用峰值710B将与第一范围相比在范围上的差异最小化，并且可确定峰值710B是真峰值。
在一个实施例中，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以使用峰值705A、705B以及峰值710A和峰值710B、710C和710D中的每一个来确定多普勒偏移。例如，LIDAR系统可以使用峰值705A和705B确定第一多普勒偏移。LIDAR系统可以使用1)峰值710A和710B；2)峰值710A和710C和3)峰值710A和710D来确定三个附加的多普勒偏移(例如，一组多普勒偏移)。每一个多普勒偏移与上移和下移之间的差值成比例。710A是上移峰值，峰值710B、710C和710D之一是下移峰值。LIDAR系统可以选择与第一多普勒偏移(使用峰值705A和705B确定)相比具有在多普勒偏移上最小差异的峰值。例如，LIDAR系统可以如下最小化在多普勒偏移上的差异：
其中，λ1是与第一峰值相关的光束的频率，λ2是与第二峰值相关的光束的频率。LIDAR系统可以确定使用峰值710B使与第一多普勒偏移相比的多普勒偏移的差异最小化，并且可以确定峰值710B是真峰值。
在一个实施例中，目标的距离/范围、速度和反射率中的一者或多者可以使用一组峰值来确定，并且可以使用另一组峰值来确认或验证。例如，目标的距离/范围、速度和/或反射率可以使用峰值705A和705B来确定(例如计算)，并且可以使用峰值710A和710B来确认/验证。在另一示例中，目标的距离/范围、速度和/或反射率可使用峰值710A和710B确定(例如计算)，并且可使用峰值705A和705B确认/验证。
在一个实施例中，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100)可以基于峰值705A、705B和710A执行多普勒匹配。例如，LIDAR系统可能能够基于峰值705A和705B确定多普勒偏移。基于该多普勒偏移，LIDAR系统可能能够对峰值710B进行确定、计算、识别、推断等。例如，对于一个目标而言，上啁啾和下啁啾之间的多普勒偏移可能不会改变。因此，LIDAR系统能够通过将所得到的多普勒偏移与使用峰值705A和705B计算的第一多普勒偏移进行匹配来识别/确定峰值710B。
图8是示出根据一些实施例的多个目标的信号峰值的信号幅值-频率图800的示例。如上所述，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100)可以生成至少两个上啁啾和至少两个下啁啾信号调制，以扫描环境并确定该环境内目标的范围和速度。一个或多个光源可以生成上啁啾和下啁啾。如上所述，信号处理系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)可以使用返回信号和从上啁啾和下啁啾相应生成的拍频(即，峰值频率)来确定范围(例如，位置、目标和LIDAR系统之间的距离)、目标的速度(例如，目标速度)和/或目标的反射率(例如，目标反射率)中的一者或多者。
如上所述，信号处理单元112可以通过将至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号与一个或多个返回信号混合来生成频域中的基带信号。至少两个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中至少一者的相对运动成比例地在时间上延迟。基带信号可以包括峰值805A、805B、810A、810B和810C，并且可以包括附加的峰值(图8中未示出)。峰值805A和810A可以是上啁啾，峰值805B和810B可以是下啁啾。峰值805A和805B可具有第一啁啾率(或可与之相关)，峰值810A和810B可具有(例如，不同的)第二啁啾率(或可与之相关)。LIDAR系统可以确定峰值805A、805B和810A是真峰值。
如上所述，可能会出现在基带信号中出现伪峰值的情况。具体而言，图8可示出在基带信号中存在噪声并且该噪声可能导致基带信号中的峰值810C的情况。LIDAR系统(例如，可以基于峰值的阈值高度/幅值或通过选择具有最大高度/幅值的峰值来确定峰值805A、805B和810A是真峰值。因此，即使峰值810B是真峰值，也可能选择峰值810C(例如，伪峰值)。
在一个实施例中，LIDAR系统可以如下确定峰值810C是伪峰值：
其中，F1，up是峰值805A的频率，F1，dn是峰值805B的频率，F2，up是峰值810A的频率，并且F2，dn，FA是峰值810C的频率。RMAXERR可以是最大允许范围误差(例如阈值误差)。因为当使用峰值810C的频率时，上述公式的结果大于RMAXERR，所以LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以确定峰值810C是伪峰值，并且可以使用峰值810B(例如，真峰值)代替。
在另一实施例中，LIDAR系统可以确定、生成、计算或以类似方式获得与峰值810A相关的真峰值(例如峰值810B)的估计。例如，基于峰值805A和810A，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以生成估计峰值820。估计峰值820可以如下确定：
其中，f1，up是峰值805A的频率，f2，up是峰值810A的频率，α1是与峰值805A相关的啁啾率，α2是与峰值810A相关的啁啾率。LIDAR系统可以如下确定峰值810C是伪峰值：
其中，fMAXERR是最大允许频率误差，是估计峰值的频率，而f2，dn，FA是峰值810C或峰值810B的频率。因为当使用峰值810C的频率时，上述公式的结果大于fMAXERR，所以LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以确定峰值810C是伪峰值，并且可以使用峰值810B(例如，真峰值)代替。
在一个实施例中，估计峰值820可基于峰值805A、峰值805B和峰值810A生成。如果在基带信号中未检测到峰值810B，则LIDAR系统可以使用估计峰值820作为真峰值。例如，峰值810B可能太弱(例如，峰值810B的幅值/高度可能太低)。LIDAR系统可以基于峰值805A、峰值805B和峰值810A生成、计算或以其他方式获得峰值820，并且可以使用峰值820来确定目标速度、目标距离和目标反射率中的一者或多者。
在一个实施例中，LIDAR系统还可以确定与峰值810A相关的真峰值(例如，峰值810B)应当位于的范围(例如，一组、一窗口、一组频率)。例如，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以确定、计算、生成或以其他方式获得范围825(例如频率范围)。LIDAR系统可以选择位于范围825内的峰值(例如，峰值810B)作为与峰值810A相关的真峰值。
如本文所述，各种标准、参数、函数和/或方程可用于选择峰值(例如，选择或识别真峰值)或确定(例如，计算、推断等)峰值。例如，可以通过最小化多普勒偏移的差异来选择或确定峰值。在另一示例中，可以通过最小化范围上的差异来选择或确定峰值。在另一示例中，可以通过选择特定频率带/范围内的峰值和/或避免不在特定频率带/范围内的峰值来选择峰值。在又一示例中，可以基于最小化所选峰值和估计峰值之间的差异来选择峰值。
图9是示出根据一些实施例的多个目标的信号峰值的信号幅值-频率图900的示例。如上所述，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100)可以生成至少两个上啁啾和至少两个下啁啾信号调制，以扫描环境并确定该环境内目标的距离和速度。一个或多个光源可以生成上啁啾和下啁啾。如上所述，信号处理系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)可以使用返回信号和从上啁啾和下啁啾相应生成的拍频(即，峰值频率)来确定范围(例如，位置、目标和LIDAR系统之间的距离)、目标的速度(例如，目标速度)和/或目标的反射率(例如，目标反射率)中的一者或多者。
如上所述，信号处理单元112可以通过将至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号与一个或多个返回信号混合来生成频域中的基带信号。至少两个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中至少一者的相对运动成比例地在时间上延迟。基带信号可以包括峰值905A、905B、910A、910B和910C，并且可包括附加的峰值(图9中未示出)。峰值905A和910A可以是上啁啾，峰值905B和910B可以是下啁啾。峰值905A和905B可具有第一啁啾率(或可与之相关)，峰值910A和910B可具有(例如，不同的)第二啁啾率(或可与之相关)。LIDAR系统可确定峰值905A、905B和910A为真峰值。
如上所述，可能会出现在基带信号中出现伪峰值的情况。具体而言，图9可示出峰值的镜像在基带信号中的情况。峰值905C可以是峰值905B的镜像。例如，峰值905C跨频率0的镜像，并且共享峰值905B的相同属性。峰值905C可称为伪峰值、峰值映像或映像峰值。峰值910C可以是峰值910B的镜像。例如，峰值910C是跨频率0的镜像，并且与峰值910B具有相同的性质(例如，相同的曲率或形状)。峰值910C可称为伪峰值、峰值映像或映像峰值。LIDAR系统例如可以确定峰值905A和910A是真峰值。因此，LIDAR系统应确定：应使用峰值905B、905C、910B和910C中的哪一个。
在一个实施例中，LIDAR系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)可以如下确定峰值905B、905C、910B和910C中的哪些是真峰值：
其中，f1,up为峰值905A的频率，f2,up为峰值910A的频率，f1,dn为峰值905B或905C的频率，f2,dn为峰值910B或910C的频率，λ1为峰值905A的光束的频率，λ2为峰值910A的光束的频率。LIDAR系统可以确定对于下啁啾的真峰值是导致上述公式的最小值的峰值。
在另一实施例中，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以确定、生成、计算或以其他方式获得与峰值905A相关的真峰值的估计(例如峰值905B的估计)。例如，如上所述，基于峰值905A和910A，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以生成估计峰值905D。LIDAR系统可如下确定峰值905C为伪峰值：
其中，是估计峰值905D的频率，而f2，dn，HN是峰值905B或峰值905C的频率。因为峰值905B会导致上述公式的最小值，所以LIDAR系统可以确定峰值905B是真峰值。
图10是示出根据一些实施例的多个目标的信号峰值的信号幅值-频率图1000的示例。如上所述，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100)可以生成至少两个上啁啾和至少两个下啁啾信号调制，以扫描环境并确定该环境内目标的距离和速度。一个或多个光源可以生成上啁啾和下啁啾。如上所述，信号处理系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)可以使用返回信号和从上啁啾和下啁啾相应生成的拍频(即，峰值频率)来确定范围(例如，位置、目标和LIDAR系统之间的距离)、目标的速度(例如，目标速度)和/或目标的反射率(例如，目标反射率)中的一者或多者。
如上所述，信号处理单元112可以通过将至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号与一个或多个返回信号混合来生成频域中的基带信号。至少两个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中至少一者的相对运动成比例地在时间上延迟。基带信号可以包括峰值1005A和1010A。峰值1005A和1010A可以是上啁啾。峰值1005A和1010A可以具有不同的啁啾率。
在一个实施例中，LIDAR系统(例如，信号处理单元112)可以计算、生成、确定或以其他方式获得估计峰值1005C(对应于峰值1005A)如下：
其中，f1，up是峰值1010A的频率，f2，up是峰值1005A的频率，α1是与峰值1010A相关的啁啾率，α2是与峰值1005A相关的啁啾率。上述公式可通过结合以下公式得出：
f1，up＝α1*R+fD
f2，up＝α2*R+fD
R＝(f1，up-f2，up)/(α1-α2)
fD＝f1-α1*R
其中，f1，up是峰值1005A的频率，f2，up是峰值1010A的频率，α1是与峰值1005A相关的啁啾率，α2是与峰值1010A相关的啁啾率，R是到目标的距离，fD是多普勒频率。
图11是示出根据一些实施例的对于多个目标的信号峰值的信号幅值-频率图1000的示例。如上所述，LIDAR系统(例如，图1所示的LIDAR系统100)可以生成至少两个上啁啾和至少两个下啁啾信号调制，以扫描环境并确定该环境内目标的距离和速度。一个或多个光源可以生成上啁啾和下啁啾。如上所述，信号处理系统(例如，图1中示出的信号处理单元112)可以使用返回信号和从上啁啾和下啁啾相应生成的拍频(即，峰值频率)来确定范围(例如，位置、目标和LIDAR系统之间的距离)、目标的速度(例如，目标速度)和/或目标的反射率(例如，目标反射率)中的一者或多者。
如上所述，信号处理单元112可以通过将至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号与一个或多个返回信号混合来生成频域中的基带信号。至少两个下啁啾信号可以与目标和LIDAR系统中至少一者的相对运动成比例地在时间上延迟。基带信号可包括峰值1105A、1110A、1106A、1111A、1111B、1106B、1110B和1105B。峰值1105A、1110A、1106A和1111A可以是上啁啾。峰值1111B、1106B、1110B和1105B可以是下啁啾。峰值1105A和1105B可具有第一啁啾率(或可与之相关)，峰值1110A和1110B可具有(例如，不同的)第二啁啾率(或可与之相关)。
在一个实施例中，LIDAR系统的范围内可能存在多个目标。因此，峰值1105A、1110A、1106A、1111A、1111B、1106B、1110B和1105B中的每一个可以是真峰值。为了确定哪些下啁啾峰值对应于哪些上啁啾峰值，LIDAR系统(例如，图1所示的信号处理单元112)可以生成、确定、计算或以其他方式获得基于上啁啾峰值1105A、1110A、1106A和1111A的估计峰值。
图12是示出根据本公开的用于选择峰值的LIDAR系统(诸如LIDAR系统100或LIDAR系统300)中的方法1200的流程图。方法1200可以通过处理逻辑来进行，该处理逻辑可以包括硬件(例如，电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、处理器、处理装置、中央处理单元(CPU)、片上系统(SoC)等)、软件(例如，在处理装置上运行/执行的指令)、固件(例如，微代码)或其组合。在一些实施例中，方法1200可以由LIDAR系统的信号处理系统(例如，如图3A和图4所示的LIDAR系统300的信号处理系统303)进行。
方法1200开始于操作1205，在操作1205中，处理逻辑向光探测和测距(LIDAR)系统的视场中的目标发射包括至少两个上啁啾信号调制和至少两个下啁啾信号调制的一个或多个光束。在操作1210处，处理逻辑接收从目标反射的上啁啾和下啁啾的一个或多个返回信号。处理逻辑还可以在频域中生成上啁啾和下啁啾的一个或多个返回信号的基带信号，该基带信号包括由上啁啾和下啁啾检测到的与目标相关的一组峰值，其中，第一组峰值包括第一真峰值和第二真峰值，第二组峰值包括第三真峰值和第四真峰值。
在操作1215处，处理逻辑确定是否应当使用第一组峰值和第二组峰值中的所有真峰值。例如，第一组峰值包括第一真峰值(对于第一上啁啾信号调制)和第二真峰值(对于第二上啁啾信号调制)，第二组峰值包括第三真峰值(对于第一下啁啾信号调制)和第四真峰值(对于第二下啁啾信号调制)。处理逻辑可以确定是否能够使用第一组峰值和第二组峰值中的真峰值的子集来确定目标的位置、速度、反射率等。例如，处理逻辑可以确定第一和第三真峰值的幅值是否大于阈值。在另一示例中，处理逻辑可以确定第一和第三峰值的置信水平/度量是否大于阈值置信度。
如果不应使用第一组峰值和第二组峰值中的所有真峰值，则处理逻辑基于第一组峰值和第二组峰值中的真峰值的子集确定位置、到目标的距离、目标速度和目标反射率中的一者或多者。例如，在框1220处，处理逻辑可基于第一真峰值和第三真峰值确定位置、到目标的距离、目标速度和目标反射率中的一者或多者。如果应当使用第一组峰值和第二组峰值中的所有真峰值，则在框1225处，处理逻辑基于第一真峰值、第二真峰值、第三真峰值和第四真峰值确定位置、到目标的距离、目标速度和目标反射率中的一者或多者。可选地，在框1226处，当确定目标的位置、到目标的距离、目标速度和目标反射率中的一者或多者时，处理逻辑可以选择、确定、计算、生成或以其他方式从第二组峰值获得第四真峰值。
前面的描述阐述了诸如具体系统、部件和方法等的示例等的许多具体细节，以提供对本公开中的数个示例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本公开的至少一些示例。在其他实例中，为了避免不必要地使本公开费解，不详细描述公知的部件或方法，或者以简单的框图形式呈现这些公知的部件或方法。因此，所阐述的具体细节仅仅是示例性的。特定示例可以与这些示例性细节不同，并且仍然被设想在本公开的范围内。
本说明书中对“一个示例”或“示例”的任何引用意味着结合示例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个示例中。因此，短语“在一个示例中”或“在示例中”在本说明书中各个地方的出现没有必要一定都是指同一示例。
尽管本文以特定顺序示出和描述方法的操作，但是可以改变各个方法的操作的顺序，使得可以以相反顺序进行某些操作，或者使得可以至少部分地与其他操作同时进行某些操作。可以以间歇或交替的方式进行不同操作的指令或子操作。
本发明的所示实施方式的上述描述(包括在摘要中描述的内容)并不旨在穷尽或将本发明限制为所公开的精确形式。虽然为了例示的目的而在本文描述了本发明的具体实施方式和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种等效的变型。词语“示例”或“示例性的”在本文用于意味着用作示例、实例或例示。本文描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计没有必要一定被理解为比其他方面或设计更优选或更有利。相反，使用词语“示例”或“示例性”旨在以具体的方式呈现概念。如本申请中所使用的，术语“或”旨在意味着包含式的“或”而不是排斥式的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中明确，否则“X包括A或B”旨在意味着任意自然的包含式排列。也就是说，如果X包括A；X包括B；或X包括A和B这两者，则在前述任意实例下满足“X包括A或B”。另外，在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”和“一个”通常应被理解为意味着“一个或多于一个”，除非另有说明或从上下文中明确指示为单数形式。此外，如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等意味着用于在不同元素之间进行区分的标记，并且可能没有必要一定具有根据其数字标号的顺序含义。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
向光检测和测距(LIDAR)系统的视场中的目标发射一个或多个光束，所述一个或多个光束包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号；
从所述目标接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号，
所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值；
确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与所述目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者；
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者；和
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于所述阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束由单个光源发射。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束由至少两个光源发射。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个光束在多个扫频、多个线和多个帧中的一者或多者上发射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，其中，所述第一峰值和所述第二峰值包括超过所述阈值的信噪比值；
所述第二组峰值包括第三峰值和第四峰值，其中，所述第三峰值和所述第四峰值包括超过所述阈值的信噪比值；
基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者包括：基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述第四峰值确定目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者；和
基于所述峰值的子集计算所述目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者包括：基于所述第一峰值和所述第三峰值确定所述目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值，其中，所述第一峰值和所述第二峰值包括超过所述阈值的信噪比值；
所述第二组峰值包括第三峰值和第四峰值，其中，所述第三峰值和所述第四峰值包括超过所述阈值的信噪比值；和
使用所述第一组峰值和所述第二组峰值计算目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者包括：
基于所述第一组峰值计算目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者；和
基于所述第二组峰值确认目标位置、目标速度和目标反射率中的一者或多者。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值；
所述第二组峰值包括第三峰值和峰值组；和
所述峰值组包括第四峰值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值；
所述第二组峰值包括第三峰值；和
该方法还包括：基于所述第一峰值、所述第二峰值和所述第三峰值确定所述第四峰值。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述目标位置包括：
从所述峰值组中选择所述第四峰值；和
基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述第四峰值确定所述目标位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括：
基于所述第一峰值和所述第三峰值确定估计峰值；和
基于所述估计峰值选择所述第四峰值。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括：
基于所述第一峰值和所述第二峰值确定第一范围；
基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述峰值组确定到所述目标的一组范围；和
基于所述第一范围和所述一组范围之间的最小差从所述峰值组中选择所述第四峰值。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，从所述峰值组中选择所述第四峰值包括：
基于所述第一峰值和所述第二峰值确定到所述目标的第一多普勒偏移；
基于所述第三峰值和所述峰值组确定一组多普勒偏移；和
基于所述第一多普勒偏移和所述一组多普勒偏移之间的最小差，从所述峰值组中选择所述第四峰值。
13.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号进一步生成与对应于第二目标的第二目标位置的所述至少两个上啁啾信号相关的第三组峰值以及与对应于所述第二目标位置的所述至少两个下啁啾信号相关的第四组峰值；和
该方法还包括：使用所述第三组峰值和所述第四组峰值确定所述第二目标位置。
14.一种光探测和测距(LIDAR)系统，包括：
处理器；和
存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述LIDAR系统：
向所述LIDAR系统的视场中的目标发射一个或多个光束，所述一个或多个光束包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号；
从所述目标接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号，所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值；
确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与所述目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者；
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过所述阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者；和
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于所述阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
15.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中：
所述第一组峰值包括第一峰值和第二峰值；
所述第二组峰值包括第三峰值和峰值组；和
所述峰值组包括第四峰值。
16.根据权利要求15所述的LIDAR系统，其中，为了确定所述目标位置，所述处理器还：
从所述峰值组中选择所述第四峰值；和
基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述第四峰值确定所述目标位置。
17.根据权利要求16所述的LIDAR系统，其中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，所述处理器还：
基于所述第一峰值和所述第三峰值确定估计峰值；和
基于所述估计峰值选择所述第四峰值。
18.根据权利要求16所述的LIDAR系统，其中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，所述处理器还：
基于所述第一峰值和所述第二峰值确定第一范围；
基于所述第一峰值、所述第二峰值、所述第三峰值和所述峰值组确定到所述目标的一组范围；和
基于所述第一范围和所述一组范围之间的最小差，从所述峰值组中选择所述第四峰值。
19.根据权利要求16所述的LIDAR系统，其中，为了从所述峰值组中选择所述第四峰值，所述处理器还：
基于所述第一峰值和所述第二峰值确定到所述目标的第一多普勒偏移；
基于所述第三峰值和所述峰值组确定一组多普勒偏移；和
基于所述第一多普勒偏移和所述一组多普勒偏移之间的最小差，从所述峰值组中选择所述第四峰值。
20.一种光探测和测距(LIDAR)系统，包括：
光学扫描器，用于向LIDAR系统的视场中的目标发射包括至少两个上啁啾信号和至少两个下啁啾信号的一个或多个光束，并接收基于所述一个或多个光束的一组返回信号，其中，所述一组返回信号包括由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个上啁啾信号偏移的至少两个经调整的上啁啾信号，以及由所述目标和所述LIDAR系统中的至少一者的相对运动引起的从所述至少两个下啁啾信号偏移的至少两个下啁啾信号，所述至少两个经调整的上啁啾信号和所述至少两个经调整的下啁啾信号生成与对应于所述目标的目标位置的至少两个上啁啾信号相关的第一组峰值和与对应于所述目标位置的至少两个下啁啾信号相关的第二组峰值；
与所述光学扫描器耦合的光学处理系统，用于从所述返回信号生成时域中的基带信号，所述基带信号包括与LIDAR目标范围相对应的频率；以及
与所述光学处理系统耦合的信号处理系统，所述信号处理系统包括：
处理装置；和
存储器，所述存储器用于存储指令，当所述指令被所述处理装置执行时，使得所述LIDAR系统：
确定是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的峰值的子集，还是选择所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值，以计算与所述目标相关的位置、速度和反射率中的一者或多者；
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值包括超过所述阈值的信噪比值，则基于所述第一组峰值和所述第二组峰值中的每个峰值计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者；和
如果所述第一组峰值和所述第二组峰值中的至少一个峰值包括小于所述阈值的信噪比值，则基于所述峰值的子集计算所述位置、速度和反射率中的一者或多者。
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