[发明专利]扫描光检测和测距中的DESCAN补偿

说明书

提供了一种光检测和测距设备即LIDAR设备，其包括被配置为在第一方向上发射激光束的激光源。该设备包括透镜光学器件，其用于在第一方向上使激光束的第一部分朝向目标穿过，将激光束的第二部分作为本地振荡器信号返回到返回路径中，并且将目标信号返回到返回路径中。该设备还包括四分之一波片，该四分之一波片用于偏振在第一方向上行进的激光束，并且偏振通过透镜光学器件返回的目标信号。该设备还包括偏振分束器，其用于在第一方向上使非偏振光穿过分束器，并且在与第一方向不同的第二方向上反射偏振光，其中，偏振分束器还使得本地振荡器信号和目标信号之间的干涉能够生成混合信号。该设备还包括用于接收混合信号的光学检测器。在实施例中，光学电路300包括多个光纤输出302和多个光学检测器304。多个光纤输出302和光学检测器304可以在单个时间间隔期间提供多个数据点。因此，快速扫描镜的较少旋转可以提供附加的数据。例如，光学电路300可以包括用于偏振光的1/4波片308和用于提供反射光的透镜310等。可以设置偏振分束器306的对准，使得当返回的光被反射时光纤输出302和光学检测器304对准。可以存在多个光纤输出302和多个光学检测器304，但也可以存在多个偏振分束器306。可以分别分析在各个光学检测器304处接收到的信号，以生成在某点的距离或速度数据。光纤输出302可以提供不同波长的激光束。因为在光学检测器之前光束已经干涉，并且检测路径与源路径解耦，所以光学检测器可以是更大的芯径光纤或波导、硅基光学检测器或者能够感测到组合信号的其他类型的光学检测器。

相关申请

本申请要求于2018年10月18日提交的美国专利申请16/164,566的35U.S.C.§119(e)下的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开大体涉及光检测和测距(LIDAR)，其提供在两个维度上对距离和速度的同时测量。

背景技术

在大多数传统LIDAR系统中，快速扫描镜是用于照亮场景的主要组件。如图1A所示，一个镜通常沿X方向(方位角)快速扫描，而另一镜沿Y方向(仰角)缓慢扫描。光发射和从目标反射进行检测通常经由单模光纤同轴地完成。收集到的光具有测量延迟或改变的频特征，用于提取距离和潜在的速度信息。在逐点检测到的距离信息与来自扫描镜的角度位置反馈相结合的情况下，可以建立3D点云。

为了达到更高的帧频，增加镜的角速度，特别是更快的扫描方向上的扫描器(在本文情况中是X扫描器)的角速度。在使用高角速度(例如，快于每秒3000度)的镜和基于单模光纤的检测的情况下，来自远处对象的目标信号严重衰减。信号衰减主要是由于扫描器镜的角位置从激光信号(脉冲或扫频)的发射时间到来自远处散射目标的相同信号的收集时间的不同。这微小的角度变化使得目标信号在光纤尖端走离，降低了耦合效率，这表明其自身作为较弱的信号检测。随着光纤直径的减小，例如直径直至约10μm的单模光纤，或者随着镜的角速度的增加，这种衰减变得更加严重。

发明内容

本发明的示例实现涉及改进的扫描LIDAR系统。本发明的示例实现基于一种使用调频(FM)和相干检测的LIDAR，以克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制。从历史上看，FM LIDAR系统在波束的返回路径上遭受重大损失；因此，这种系统通常相当庞大，需要更高的平均波束输出功率来测量与飞行时间(TOF)LIDAR系统可比的距离。此外，距离受到人眼安全输出功率的操作距离的限制。

本发明的示例实现被配置为使用相干检测同时测量距离和速度，并且具有对来自其他LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。其他实现可以与非相干系统一同使用来改进距离、帧频或检测。示例性实施例最小化波束返回路径中的光学损耗，由此增加系统的测量距离。此外，通过使用非简并激光源，示例实现可以利用集成硅光子技术中经常使用的成熟的波分复用(WDM)技术，由于其紧凑性和在变化的环境条件下的相对稳定性，集成硅光子技术是期望的平台。