[发明专利]具有改进的信噪比的相干激光雷达系统

说明书

本发明涉及一种相干激光雷达成像系统(30、35)包括：‑激光源(SL)，‑检测设备(Det)，‑第一光学设备，‑光学成像系统(Im)，‑第二光学设备(D2)，像素的光电检测器组件被配置为生成像素检测信号(Spix)，该像素检测信号具有被称为像素总强度(Itot/pix)的强度，分光器具有可变的第一透射率(T1)，该第一透射率(T1)对于所有像素是相同的并且是可调制的，第二光学设备还包括：至少一个强度调制器(IM，IMIij)，其被设计为通过应用可调制的像素透射率(xij)来调制每个像素参考光束的强度，‑相干激光雷达成像系统还包括：处理单元(UT)，其被配置为应用第一透射率值(T1)和针对每个像素的像素透射率值(xij)，所述值是经由控制回路并且使用优化标准被确定的，该优化标准包括：针对每个像素，获得小于阈值强度(Is)的像素总强度，并且获得改进的信噪比(SNR)。

技术领域

本发明涉及相干激光雷达成像的领域，并且更具体地涉及展现出改进的检测的激光雷达成像系统。

背景技术

相干激光雷达系统是一种主动成像系统，其对场景进行3维成像(对象的距离和可能的径向速度)。这涉及使用光源以便照射场景，以及使用能够编码距离值(和/或速度值)的检测器(或图像传感器)以便从整个观察到的场景中获得三维信息。更具体地，在场景的任何坐标点(x,y)处，向其指派速度值v(z)以及可能的深度值P(z)。这样做的结果是获得整个场景的距离z＝f(x,y)和速度v_z＝g(x,y)地图。

相干激光雷达系统是这样的系统：其中相干照射光源中的一部分被转向以便用作放大器，一旦场景已经被非改航光束(non-rerouted beam)中的其余部分照射，该放大器就放大由场景反向散射的信号。

相干激光雷达的原理在现有技术中是公知的。相干激光雷达包括：相干源，其典型地为激光器，它发射相干光波(IR光波、可见光波或近UV范围光波)；发射设备，其允许照射空间中的一定体积；以及接收设备，其收集光波中的由目标T反向散射的一小部分。反向散射的波的多普勒频移取决于目标T的径向速度v：在接收时，接收到的反向散射的光波(其被称为信号波S，并且信号频率为fs)与发射的波中的未通过场景的一部分(其被称为LO(本地振荡器)波，并且具有本地振荡器频率f_LO)混合。这两种波的干涉由光电检测器PD检测，并且在检测器的输出处的电信号除了与接收到的功率和本地振荡器功率成比例的项外，还具有被称为差拍信号Sb的振荡项。对该信号进行数字化，并且从其中提取关于目标T的速度的信息。

在调频相干激光雷达(其被称为FMCW(“调频连续波”)激光雷达)中，如图1中示意性示出的，典型地使用周期性线性斜坡对相干源的光频f进行调制。

在光电检测器上发生干涉的两个路径产生差拍，其频率与两个路径之间的延迟成比例，并且因此与距离成比例。

更具体地，对于线性斜坡，振荡的频率为：

其中，B是在斜坡的持续时间T内的光频漂移或“啁啾”，z是距离，并且c是光速。

可以根据在持续时间T内测量的周期的数量N(N≈Tf_R)来推导距离z：

距离分辨率为也可以经由差拍信号的傅立叶变换，通过光谱分析的方式来测量f_R。

干涉信号包含通常大且无用的DC分量，如果光接收机是光电二极管，则通过高通电子滤波的方式来移除该DC分量。在基于纤维的设置中，使用3dB的耦合器是实用的，该耦合器基于在输入处的两个(对象和参考)路径提供两个相位相反的输出信号，这两个输出信号照射串联的两个光电二极管(平衡光电二极管)。检测电路使得可以区分两个光电流，并且因此可以移除DC(共模)部分并检测AC(差拍信号)部分。AC部分通常由跨阻放大器(TIA)在外部放大，然后由外部电子设备(例如，示波器)进行处理，以便测量频率。