[发明专利]用于利用准直射束扇形扫描相干LIDAR的方法和系统

说明书

提供了一种设备，该设备包括LIDAR系统，该LIDAR系统具有布置在第一平面内的波导阵列。该波导阵列被配置为生成多个射束，其中每个射束从该阵列中的相应波导发射。该设备还包括准直器，该准直器被配置为将所述多个射束成形为在第一平面内具有角扩展的准直射束扇形。另外，该设备包括多边形扫描器，该多边形扫描器被配置为调整扇形在与第一平面不同的第二平面内的方向。还提供了一种采用该设备的方法。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2019年8月10日提交的临时专利申请第62/717,200号的权益，该临时专利申请的全部内容通过引用结合于此，如同本文完整阐述一样。

背景技术

使用激光的用于光检测和测距的、通常引用助记符LIDAR的，有时也称为激光RADAR(无线电波检测和测距)，对距离的光检测被用于从测高到摄像的各种应用，以避免碰撞。与传统的微波测距系统(诸如RADAR)相比，LIDAR以更小的射束尺寸提供更佳的刻度范围分辨率。对距离的光检测可以通过几种不同的技术来完成，所述几种不同的技术包括基于光脉冲到对象的往返行程时间进行直接测距，以及基于所发射的啁啾光信号和从对象散射的返回信号之间的频率差进行啁啾检测，以及基于与自然信号可区分的单频相位变化序列的相位编码检测。

为了获得可接受的距离精度和检测灵敏度，直接远距离LIDAR系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰值功率的短脉冲激光。高脉冲功率会导致光学部件快速退化。啁啾和相位编码的LIDAR系统使用具有相对较低峰值光学功率的较长光脉冲。在该配置中，距离精度随着啁啾带宽或相位码的长度和带宽而不是随着脉冲持续期而增加，因此仍然可以获得优异的距离精度。

使用宽频带无线电频率(RF)电信号调制光载波已经获得了有用的光带宽。LIDAR的最新进展包括使用相同的调制光载波作为参考信号，并且将该参考信号与光检测器上返回信号相结合，以在最终电信号中产生RF频带中的与参考信号和返回的光信号之间的频率或相位差成比例的相对较低的拍频。在检测器上对频率差的这种拍频检测称为外差检测。它具有本领域已知的几个优点，诸如使用具有现成的和廉价可用性的RF组件的优点。

当前发明人的最新工作示出光学部件的新颖布置和用于检测返回信号中的多普勒频移的相干处理，所述布置和所述相干处理不仅提供了改进的距离，而且还提供了LIDAR系统与每个外部对象之间矢量的带符号的相对速度。这些系统在本文中称为高分辨率距离多普勒LIDAR。参见例如世界知识产权组织(WIPO)的公布文本WO2018/160240和WO2018/144853。

在具有适当频率或相位含量的笔形细激光射束中，这些改进为距离提供目标速度或不提供目标速度。当此类射束扫过场景时，可以获得有关周围对象的位置和速度的信息。预计该信息将在诸如自动车辆(诸如自动驾驶或驾驶员辅助汽车)的控制系统中具有价值。

发明内容

传统的LIDAR系统包括准直器，所述准直器用于从一个源射束生成多个射束。然而，传统LIDAR系统中的准直器具有明显的缺点。发明人认识到，这些准直器通常满足传统LIDAR系统的一个或多个设计参数，但是经常不能满足系统的其它设计参数。例如，大射束准直器可以产生期望的射束尺寸，但是为了实现期望的角度间距，不能聚集得太过紧密。在另一示例中，阵列准直器可以产生充分聚在一起的射束，但是不能为LIDAR系统提供足够大的射束尺寸。在此，描述了一种克服这些缺点的准直器。另外，在各种扫描设备和方法中使用该准直器，以实现改进的扫描LIDAR。例如，扫描设备采用多边形扫描器，该多角形扫描器与准直器结合以固定的速度旋转，以实现比传统扫描技术更有效的扫描。