[发明专利]光检测和测距系统以及光学系统

说明书

本发明涉及光检测和测距系统以及光学系统。提供了使用第一发射结构的第一电磁辐射作为从光检测和测距系统外部接收到的第二电磁辐射的本地振荡器信号的光检测和测距系统，其中第一电磁辐射和第二电磁辐射是相干的，并且得到的信号由检测结构检测。得到的信号与光检测和测距系统外部的目标的信息相对应。

技术领域

本公开的各个方面总体上涉及光检测和测距系统领域。

背景技术

由于光检测和测距(LIDAR)固有的抗光干扰能力以及用于既检测到目标的距离又检测到目标的距离速率(目标的相对速度)的能力，光检测和测距(LIDAR)的相干性对于自主交通工具而言是所期望的。尽管存在这些属性，相干LIDAR系统仍然必须提供远距离检测能力(200米)和高数据速率(1M像素/秒)，以及高光学分辨率(100垂直像素)，以便在商业上可行。不幸地，相干LIDAR的性能受到检测过程中飞行时间(TOF)限制和散斑引起的波动(Swerling II)目标效应的负面影响。

TOF限制约束了由有限的光速所施加的相干LIDAR系统的数据速率和对解决多普勒模糊性的多个啁啾的需要。例如，对于300米的最大距离而言，单个光通道(激光束)的数据速率被限制为0.25M像素/秒。由于散斑，目标在相干LIDAR系统中会出现波动，并且高概率检测所需的信噪比(SNR)可以比非波动目标大10dB以上。在不进行缓解的情况下，与非相干系统相比，10dB SNR惩罚将使相干LIDAR的检测距离减少3倍。

缓解散斑以及重新获得相干LIDAR的测距性能的关键在于，在视场的每次扫描期间对每个场景像素获得多次测量，并且然后非相干地整合它们以缓解目标的波动。缺点在于，数据速率进一步降低2倍或更多，这取决于要整合的测量的数量。

对于相干LIDAR而言，光子集成电路(PIC)由于可能具有低成本和对高容量的可扩展性因此是所期望的。然而，由于PIC限制(尺寸、产量、成本)，垂直通道(分辨率元素)的数量是有限的(大约10个)并且不容易扩展。

附图说明

在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记一般指代相同部分。这些附图不一定是按比例的，而是一般着重于说明本发明的原理。在以下描述中，参照下面的附图描述本发明的各方面，其中：

图1图示出根据各个方面的光学系统的示意图；

图2图示出根据各方面的光检测和测距系统；

图3A至图3D图示出根据各方面的光检测和测距系统；

图4图示出根据各个方面的光学系统的光子集成电路；

图5图示出根据各方面的光检测和测距系统；以及

图6图示出根据各方面的操作光检测和测距系统的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述中对附图进行参考，附图通过图示的方式示出了可在其中实施本发明的具体细节和方面。

在本申请中使用词“示例性”来意指“充当示例、实例或说明”。在本申请中被描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为相对于其它方面或设计为优选的或有优势的。

图1图示出根据各个方面的光学系统100的示意图。光学系统100可以是光检测和测距(LIDAR)系统或可以是光检测和测距(LIDAR)系统的一部分。替代地，光学系统100可以是光谱仪或显微镜或可以是光谱仪或显微镜的一部分。

在各个方面中，光学系统100包括发射结构110、控制器180、多个光学组件170或光学组件的布置170和检测结构，控制器180被配置成用于控制来自发射结构110的电磁辐射的发射。