CN117561459A - 用于扫描FMCW LiDAR距离测量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于扫描FMCW LiDAR距离测量的装置，该装置包括产生具有变化频率的光的光源、将光分成参考光和输出光的分光器、以及将输出光分布在多个自由空间耦合器(44)之间的扫描单元(28)的分布矩阵(36)，多个自由空间耦合器将输出光耦合到自由空间中。多个光波导对在物体处反射的输入光进行引导。检测器检测输入光与参考光的叠加，并且计算单元根据由检测器检测到的叠加而确定到物体的距离。该装置还包括公共光波导(54)，公共光波导光学地连接到多个光波导(44)和检测器(32)，使得耦合单元(53)将在光波导(52)中的任何光波导中引导的输入光朝向检测器耦合到公共光波导(54)中而不经过分布矩阵(36)。偏振敏感分光器(42)与自由空间耦合器(44)之间的光波导部分(43)是第一光波导(40)和第二光波导(52)的一部分，输出光和输入光分别在其中被引导。输出光和输入光两者均穿过四分之一波片(50)。单个光电二极管可以用于FMCW LiDAR系统的多个接收通道，因为在任何时间点只有一个光通道是有源的。这种方法可以使用任何集成的PIC平台来实现。
Description
本发明的背景
1.技术领域
本发明涉及一种基于FMCW LiDAR技术的用于扫描相对于移动或静止物体的距离——以及优选地速度——测量的装置和方法。这样的装置和方法可以用于例如自动驾驶车辆中，并且可以被实现为——至少在某种程度上被实现为——不包含任何移动部件的光子集成电路(PIC)。
2.背景技术
调频连续波(FMCW)是一种距离和速度测量技术，其最初是为雷达(RADAR)应用而开发的。如果使用光而不是无线电波，这种技术通常被称为FMCW LiDAR，其中LiDAR是“Light Detection And Ranging(激光探测及测距)”的缩写。
在FMCW LiDAR扫描装置中，调频光束对环境进行扫描。在物体处漫反射的一小部分光被接收并与本地振荡波叠加。两个信号之间的频率差——通常称为差拍(beat)频率——被测量并且用于计算物体的距离。通过使用可调谐激光器作为光源和光电二极管作为检测器，可以直接从光电二极管电流中提取差拍频率，因为光电二极管提供的电流与两个光波的平方和成比例(“自混合效应”)。如果考虑多普勒频移，也可以计算出扫描装置与物体沿光传播方向的相对速度。
如果要在车辆中使用基于这种测量原理的扫描装置，则基于这种测量原理的扫描装置必须非常坚固且可靠。如果车辆自动驾驶，情况尤其如此，因为自动驾驶的安全性很大程度上取决于用于生成环境三维轮廓的扫描装置。作为光子集成电路(PIC)实现的扫描装置不需要移动部件，并且因此特别适合车辆中的应用。
例如，在WO 2021/239408A1中公开了这样的PIC扫描装置。这些装置包括分布矩阵，该分布矩阵包括以树状方式布置的多个光切换件。分布矩阵将光信号分配到将光信号发射到自由空间中的不同自由空间耦合器之间。自由空间耦合器布置在准直光学系统的前焦平面中，该准直光学系统将光信号光波导引导到各个方向。
用于车辆应用的FMCW LiDAR扫描装置需要高空间分辨率，以便即使在很远的距离处也可以检测到小物体。在上述现有技术装置中，可用空间分辨率对应于自由空间耦合器或光通道的数量，其相当于后处理后屏幕上的像素数量。可以看出，在水平方向上光通道的数量应该至少在1.000的数量级，而在竖向方向上较小的分辨率通常就足够了。
在现有技术方法中，每个光通道具有其自己的检测器，该检测器优选地由平衡配置的光电二极管形成，因为这大大增加了检测灵敏度。这种平衡光电二极管(BPD)架构需要至少3个接触垫。因此，N个光通道需要N个平衡光电二极管和至少3N个用于光电二极管电连接的垫，更不用说BPD的复杂自动平衡电路所需的电连接部了。由于PIC尺寸较小，将数千个电气连接部与必要的光波导和其他部件集成在一起变得很困难。
US 7,375,804 B2公开了一种多波束LiDAR系统，该系统不是基于FMCW，而是基于飞行时间(ToF)原理。为了检测反射的激光信号，使用雪崩光电二极管(“APD”)，因为它们响应快且增益高。然而，APD价格昂贵，而且其支持电子设备也很复杂。因此，提出在光通道中对接收的光信号进行不同的延迟，并将延迟的光信号组合成仅由一个APD检测的复用信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于扫描距离测量的装置和方法，该装置和方法通过减少电连接部的数量来允许PIC布局的简化。
就装置而言，根据本发明，通过用于扫描FMCW LiDAR距离测量的装置来实现该目的，该装置包括：光源，所述光源被配置为产生具有变化频率的光；分光器，所述分光器被配置为将所述光分成参考光和输出光；分布矩阵，所述分布矩阵被配置为将所述输出光分布在多个自由空间耦合器之间，多个自由空间耦合器被配置为将所述输出光耦合到自由空间中；以及多个光波导，所述多个光波导被配置为对在物体处反射的输入光进行引导。该装置还包括：检测器，所述检测器被配置为对所述输入光与所述参考光的叠加进行检测；计算单元，所述计算单元被配置为根据由所述检测器检测到的所述叠加而对到所述物体的距离进行确定。公共光波导光学地连接到所述多个光波导和所述检测器，使得在所述光波导中的任何光波导中引导的输入光通过所述公共光波导朝向所述检测器传播而不经过所述分布矩阵。
发明人已经认识到，仅一个检测器，例如单个光电二极管或BPD，可以用于FMCWLiDAR系统的多个接收通道，因为在任何时间点只有一个光通道是有源的(active)。这种方法不仅大大降低了光学电路的复杂性，而且还大大降低了信号读出所需的电接触部数量。这种方法可以使用任何集成的PIC平台来实现，例如硅、氮化硅或磷化铟。
分布矩阵可以包括可以以电的方式受控的多个光切换件，或者可以单独控制的无源分路器和放大器的组合。为此可以使用半导体光放大器(SOA)，每个SOA根据外部施加的电压来将输出光放大或使输出光衰减。
在实施方式中，每个光波导包括将相应的光波导分成第一部分和第二部分的分光器，其中第一部分被配置为还引导输出光，并且其中第二部分被配置为仅引导输入光。换句话说，光波导中的一个光波导的每个第一部分终止于自由空间耦合器并且用于发射和接收光信号。自由空间耦合器然后是收发器，即它们既发送光信号又接收光信号。本领域已知的这一概念将光波导和自由空间耦合器的数量减少了两倍。
然而，如果采用传统的分光器来实现这一目的，这将不可避免地导致较大的光损失。因此，可以使用偏振分集来有效地将接收到的输入光与传输的输出光分离。在优选实施方式中，具有偏振敏感分光比的分光器用于将输入光与输出光分离。然后，处于第一偏振态SOP1的输出光可以被完全引导向相应的自由空间耦合器，而处于正交偏振态SOP2的接收到的光将被完全分离并且被引导到分离波导中。
如果使用偏振分集，则必须确保输出光和输入光的偏振状态不同。一种特别简单的方法是使用输出光和输入光两者均穿过的四分之一波片。四分之一波片将线性SOP1中的输出光转换为圆偏振光。这种圆形偏振态在物体反射时保持不变，因此接收到的输入光在经过四分之一波片返回装置的路径中时，将被转换为与SOP1正交的线性偏振态SOP2。例如，SOP1和SOP2可以是TE和TM偏振，或者反之亦然。然而，也可以设想完全不同的极化方案。优选地，四分之一波片布置在自由空间中。
在多个光波导的每个光波导中引导的输入光可以使用无源耦合单元或有源耦合单元耦合到公共光波导中。
无源耦合单元可以包括偏振相关定向耦合器和偏振旋转器。无源耦合是有利的，因为它不需要任何电气连接。
有源无源耦合单元可以包括偏振旋转器和配置为以电的方式受控的光切换件。除了接地端子之外，这种切换件仅需要一个电接触部，并且具有一些优点，因为从多个光通道接收到的输入光可以通过公共光波导被单独控制地引导向检测器。
优选地，至少分布矩阵、多个光波导和公共光波导形成在公共光子基板上。然而，还可以设想将光源、分光器和检测器也放置在公共光子基板上。
就该方法而言，上述目的通过一种执行扫描FMCW LiDAR距离测量的方法来实现，该方法包括以下步骤：
a)产生具有变化频率的光；
b)将光分成参考光和输出光；
c)在分布矩阵中将输出光分布在多个自由空间耦合器之间，多个自由空间耦合器将输出光耦合到自由空间中；
d)将在物体(12)处反射的输入光引导通过多个光波导；
e)将在所述光波导中的任何光波导中引导的所述输入光通过所述公共光波导朝向检测器传播，而不经过所述分布矩阵；
f)对在公共光波导中传播的所述输入光与检测器中的参考光的叠加进行检测；
g)根据步骤f)中检测到的叠加而到对物体的距离进行确定。
每个光波导的第一部分可以将所述输出光朝向自由空间耦合器中的一个自由空间耦合器引导，并且其中，相应的光波导的第二部分可以仅对所述输入光进行引导。
可以使用改变偏振状态的无源或有源耦合单元将在多个光波导的每个光波导中引导的输入光耦合到公共光波导中。
输出光和输入光两者均可以穿过优选布置在自由空间中的四分之一波片。
附图说明
参考以下结合附图的详细描述，可以更容易地理解本发明的各种特征和优点，在附图中：
图1是车辆接近由根据本发明的扫描装置检测到的物体的示意性侧视图。
图2是图1所示的扫描装置的俯视图。
图3a示意性地示出了根据实施方式的扫描装置的设计。
图3b示意性地示出了包含在图3a的装置中的扫描单元。
图4是示出由包含在扫描装置中的光源发射的光的频率的时间相关的曲线图。
图5是图3b的放大剖视图，示出了通过在准直光学器件的前焦平面中布置自由空间耦合器来实现的光束控制。
图6示意性地示出了使用无源耦合单元来将输入光耦合到公共光波导上的图3b的扫描单元的一部分。
图7示意性地示出了可以替代地用于图3b的扫描单元中的有源耦合单元。
图8示意性地示出了根据替代实施方式的包含在图3a的装置中的扫描单元。
具体实施方式
1、应用场景
图1是车辆10接近由树表示的物体12的示意性侧视图。车辆10具有至少一个扫描装置14，扫描装置14使用光束L11、L21、L31和L41来扫描车辆10前方的环境。根据扫描装置14生成的距离信息，可以计算环境的三维图像。另外，扫描装置14确定相对于物体12的相对速度。如果物体12是也在移动的另一车辆、动物或行人，则该信息尤其重要。
从图1中可以看出，扫描装置14在竖向平面(图1中为纸平面)中的不同方向上发射光束L11至L41，以便在竖向方向上扫描环境。扫描也发生在水平方向上，如图2所示，图2是扫描装置14的俯视图。示出了在水平面中的不同方向上发射的四个光束L11、L12、L13和L14。
为了清楚起见，在图1和图2中假设扫描装置14仅生成四个不同平面中的四个光束Ln1至Ln4，即总共16个光束。然而，实际上扫描装置14发射更多的光束。例如，k·2n个光束是优选的，其中n是介于7与13之间的自然数并且指示在k个平面中的一个平面中发射多少光束，其中k是介于1与16之间的自然数。在一些实施方式中，为了达到所需的空间和时间分辨率，在给定时间发射不止一束光束。
2、扫描装置
图3a示意性地示出了根据本发明实施方式的扫描装置14的基本设计。扫描装置14被设计为LiDAR系统并且包括FMCW光源16，FMCW光源16产生TE偏振态(SOP)的测量光。
如图4所示，测量光具有随时间t在较低频率ft与较高频率fh之间周期性变化(“线性调频(chirp)”)的频率f。每个测量间隔的线性调频持续时间T被分为长度相等的两半T/2。在第一个间隔期间，频率f以恒定且正的上线性调频速率rchirp＝df/dt线性增加。在第二个间隔期间，频率f以恒定的负的向下线性调频速率-rchirp线性下降。因此，所测量的光的频率可以通过周期性三角函数来描述。然而，也可以设想其他功能关系，例如锯齿函数。
再次参考图3a，光源16连接到分光器22，分光器22将测量光分成参考光(也称为本地振荡器)和输出光。在所示实施方式中，输出光由光放大器24放大。放大的输出光然后进入图3b中单独示出的扫描单元28。扫描单元28具有分布矩阵36，分布矩阵36包括以树状方式布置并且可以单独控制的多个光切换件38。分布矩阵36在多个第一输出波导40之间分配输出光，每个第一输出波导40包括偏振敏感分光器42并且终止于自由空间耦合器44，自由空间耦合器44将输出光耦合到自由空间中。自由空间耦合器44可以由例如边缘或光栅耦合器形成，例如正如本领域已知的那样。
从图5的放大剖视图中可以看出，边缘耦合器44形成线性阵列，该线性阵列通过单个透镜布置在图3b和图5中所示的准直光学器件31的前焦平面21中。从准直光学器件31发射的输出光在水平面H(即图3b和图5中的纸平面)中的方向取决于相应边缘耦合器44与准直光学器件31的光轴线OA的距离。可以通过控制分布矩阵36中的光切换件38来选择光束方向，使得输出光离开期望的自由空间耦合器44。
在某些PIC设计中，输出光离开PIC时与PIC基板平面垂直或成＜90°的角。准直光学器件31则具有也垂直于或倾斜于该平面的光轴线OA。
再次参考图3b，在所示的实施方式中，通过包括旋转或振荡镜37的机械扫描仪35来实现竖向平面V中的光束控制。在其他实施方式中，将各自代表不同发射平面的多个PIC堆叠在彼此之上使得自由空间耦合器44不形成线，而是形成二维阵列。在这种情况下，不需要用于第二扫描方向的机械扫描仪35。
在边缘耦合器44与准直光学器件31之间设置有四分之一波片50。四分之一波片50将发射的输出光的TE偏振状态(SOP)转换成圆形SOP，如图3b中的符号所示的。
由扫描单元28发射的输出光在物体12处至少部分地漫反射，物体12在图3b中由移动的汽车表示。反射光的一小部分返回到扫描单元28，在那里它再次穿过四分之一波片50并且被重新耦合到边缘耦合器44中。四分之一波片50将反射光的圆形SOP变换成TM SOP，如图3b中的符号所示的。
反射光的这小部分——在下文中将被称为输入光——进入自由空间耦合器44，反射光的这小部分之前已从自由空间耦合器44耦合出，并且沿着第一光波导40被引导，直到其到达偏振敏感分光器42。由于输入光处于与输出光的TE SOP正交的TM SOP中，因此输入光从第一光波导40分离并且沿着第二光波导52传播。因此，偏振敏感分光器42与自由空间耦合器44之间的光波导部分43是第一光波导40和第二光波导52的一部分，在第一光波导40中引导输出光，在第二光波导52中引导输入光。
耦合单元53将在任何第二光波导52中引导的输入光耦合到单个公共光波导54中，而不经过分布矩阵36。下面将参考图6和图7更详细地解释耦合单元3的可能配置。在耦合单元53中的耦合过程期间，TM SOP被转换为TE SOP。
如图3a所示，公共光波导54连接到组合器30，在组合器30中，输入光与已被分光器22从测量光分离的参考光叠加。由于叠加的光分量的频率因为不同的光程长度而稍微不同，因此，产生差拍信号，该差拍信号由平衡光电检测器或另一类型的检测器32检测。由检测器32产生的电信号被馈送到计算单元34，计算单元34基于检测到的差拍频率计算相对于物体12的相对径向速度v以及距离R。
除了四分之一波片33、准直光学器件31和机械扫描仪35之外，图3a和图3b所示以及前面描述的所有光学部件都布置在公共光子基板上，从而形成光子集成电路(PIC)。然而，也可以设想在不同的基板上形成部件组，或者仅将这些部件中的一些部件集成在PIC中，而其他部件通过光纤连接到PIC。
3.耦合单元
a)无源
在图3a所示的实施方式中，使用无源耦合单元53将在多个第二光波导52中的每个第二光波导中引导并且处于TM SOP中的输入光耦合到公共光波导54中。如图6中可见，图6更详细地示出了图3b所示的部件中的一些部件，每个无源耦合单元53包括偏振相关定向耦合器60和偏振旋转器62。
定向耦合器60是具有一个死端的2×2定向耦合器，并且定向耦合器60被设计成使得TM SOP中的光交叉耦合，而TE SOP中的光以条状态通过。这种类型的定向耦合器的可能配置在I.Kiyat,A.Aydinli和N.Dagli的在“IEEE Photonics Technology Letters”第17卷，no.1，第100-102页，2005年1月，doi:10.1109/LPT.2004.838133中的“A compactsilicon-on-insulator polarization splitter”中公开。
因此，在第二光波导52中引导的经接收的输入光在公共光波导54上交叉耦合，而定向耦合器60对于处于TE模式并且已经在公共光波导54中引导的光而言是透明的。
偏振旋转器62不受干扰地发送TE SOP，同时将TM SOP旋转为TE SOP。结果，TE SOP中的输入光在被耦合到公共光波导54中时穿过所有后续无源耦合单元53，而在到达检测器32之前SOP没有任何改变或显着衰减。由于耦合单元53的这种实现方式是纯无源的，因此不需要电气连接。
偏振旋转器62的合适设计在US10,983,200B1和申请人于2021年10月26日提交的美国专利申请No.17/511,361中描述。
b)有源
图7示出了可以在图3a和图3b的扫描装置14中使用的有源耦合单元53'，而不是无源耦合单元53。每个有源耦合单元53'包括偏振旋转器70和被配置为以电的方式受控的光切换件72。
在第二光波导52中的一个第二光波导中引导的经接收的输入光具有其在偏振旋转器70中从TM改变为TE的SOP。现在在TE SOP中的输入光穿过光切换件72，光切换件72包括成对的50:50定向耦合器74a、74b(或替代的2x2多模干涉(MMI)耦合器)和嵌入在成对的定向耦合器74a、74b之间的可调谐移相器76。例如，移相器76可以使用热光效应、电光效应或应力光效应来实现。
光切换件72在条状态下全部无源地设置为全传输，使得它们对于已经在公共光波导54中引导的输入光而言是透明的。如果来自特定第二光波导52的输入光需要耦合到在公共光波导54中，通过经由电线78向移相器76施加适当的电压，将连接到相应的第二光波导52的光切换件72设置为交叉状态。以这种方式，在第二光波导52中引导的输入光耦合到公共光波导54中。
与图1相反，图2中的实施方式是有源实施方式，该实施方式需要有源切换件74a、74b来控制由自由空间耦合器44接收的输入光在其到达检测器32的途中的路径。如果切换件74、74b通过适当的设计设置为期望的条状态，则由于在特定时刻仅一个光通道是有源的，因此仅一个移相器76需要控制。每个移相器76的控制需要两个电接触部，即正极端子和接地端子。因此，假设所有移相器76的接地线被合并为单个电接触部，控制来自N个光通道的输入光将需要N+1个电接触部。
4.其他实施方式
本文公开的实施方式可以使用任何集成光子平台来实现，例如，硅、氮化硅或磷化铟。
此外，应该注意的是，TE和TM SOP的角色当然可以互换。更进一步，可以在将在第二光波导52中引导的TM SOP中的输入光转换成中间SOP，例如高阶TE或TM模式，然后将其转换成TE SOP。通常，光波导中引导的SOP不需要是线性的，也可以是椭圆形或圆形，例如，只要两个SPO是正交的即可。
图8以类似于图3b的图示示出了根据替代实施方式的扫描单元28。该实施方式与图3a和图3b所示的实施方式的不同之处仅在于不存在第一光波导40和第二光波导52共用的光波导部分。相反，每个第二光波导52终止于其自己的自由空间耦合器44'，自由空间耦合器44'仅用于接收输入光，但不发射输出光。在该实施方式中不需要偏振敏感分光器42，但自由空间耦合器的数量是两倍大。
Claims (12)
1.一种用于扫描FMCW LiDAR距离测量的装置(14)，所述装置包括；
光源(16)，所述光源(16)被配置为产生具有变化频率的光；
分光器(22)，所述分光器(22)被配置为将所述光分成参考光和输出光；
分布矩阵(36)，所述分布矩阵(36)被配置为将所述输出光分布在多个自由空间耦合器(44)之间，所述自由空间耦合器被配置为将所述输出光耦合到自由空间中；
多个光波导(52)，所述多个光波导(52)被配置为对在物体(12)处反射的输入光进行引导；
检测器(32)，所述检测器(32)被配置为对所述输入光与所述参考光的叠加进行检测；
计算单元(34)，所述计算单元(34)被配置为根据由所述检测器(32)检测到的所述叠加而对到所述物体(12)的距离进行确定；
其中，所述装置还包括：
公共光波导(54)，所述公共光波导(54)光学地连接到所述多个光波导(52)和所述检测器(32)，使得在所述光波导(52)中的任何光波导中引导的输入光通过所述公共光波导(54)朝向所述检测器(32)传播而不经过所述分布矩阵(36)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个光波导(52)包括将相应的光波导(52)分成第一部分(43)和第二部分的分光器，其中，所述第一部分(43)被配置为还对所述输出光进行引导，并且其中，所述第二部分被配置为仅对所述输入光进行引导。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述分光器(42)具有偏振敏感分光比。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，在所述多个光波导(52)中的每个光波导中引导的所述输入光是利用无源耦合单元(53)或有源耦合单元(53')而被耦合到所述公共光波导(52)中的。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述耦合单元是无源耦合单元(53)，所述无源耦合单元(53)包括偏振相关定向耦合器(60)和偏振旋转器(62)。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述耦合单元(53')是有源无源耦合单元(53')，所述有源无源耦合单元(53')包括偏振旋转器(70)和被配置为以电的方式受控的光切换件(72)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，所述装置包括四分之一波片(50)，所述输出光和所述输入光两者均穿过所述四分之一波片(50)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，至少所述分布矩阵(36)、所述多个光波导(52)和所述公共光波导(54)形成在公共光子基板上。
9.一种执行扫描FMCW LiDAR距离测量的方法，所述方法包括以下步骤：
a)产生具有变化频率的光；
b)将所述光分成参考光和输出光；
c)在分布矩阵(36)中将所述输出光分布在多个自由空间耦合器(44)之间，所述自由空间耦合器将所述输出光耦合到自由空间中；
d)将在物体(12)处反射的输入光引导通过多个光波导(52)；
e)将在所述光波导(52)中的任何光波导中引导的所述输入光通过公共光波导(54)朝向检测器(32)传播，而不经过所述分布矩阵(36)；
f)对在所述公共光波导(54)中传播的所述输入光与所述检测器(32)中的所述参考光的叠加进行检测；
g)根据步骤f)中检测到的所述叠加来确定到所述物体(12)的距离。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，每个光波导(52)的第一部分(43)将所述输出光朝向所述自由空间耦合器(44)中的一个自由空间耦合器引导，并且其中，相应的所述光波导(52)的第二部分仅对所述输入光进行引导。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用对极化状态进行改变的无源耦合单元(53)或有源耦合单元(53')将在所述多个光波导(52)的每个光波导中引导的所述输入光耦合到所述公共光波导(54)中。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述输出光和所述输入光两者均穿过四分之一波片(50)。
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