具有光学交换的扫描激光雷达的制作方法

具有光学交换的扫描激光雷达
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年5月21日提交的美国临时申请no.62/850,573的权益，该申请的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
3.本公开涉及扫描激光雷达和用于提高扫描激光雷达系统的分辨率的方法。


背景技术：

4.激光雷达是一种主动遥感技术，其使用由视场(fov)内的对象反射的、来自发射器的光来确定到对象的范围或距离。该信息可以被处理以生成图像，或者以其他方式用于各种类型的车辆(例如，机动车辆或无人机)中的绘图、对象识别、对象回避、导航等。虽然已经提出了许多激光雷达解决方案，并且对于特定的应用可能是可接受的，但各种策略具有相关的缺点，可能使它们不适用于其他应用。例如，各种激光雷达系统具有有限的功率和相关联的有限的检测范围以维持眼睛安全，使用移动部件机械地扫描fov，具有有限的帧速率，并且在不利的环境条件(例如雾、薄雾、雨、雪等)下受到限制。


技术实现要素：

5.实时扫描激光雷达系统和方法包括并入全光交换的各种实施例，从而不需要移动部件。各种实施例便于在三维空间中扫描较大视场(fov)以提供关于fov内的对象的多维实时数据，诸如定位、范围、偏振、速度等。
6.在一个或多个实施例中，扫描激光雷达系统包括：发射器，该发射器具有激光器和第一光学开关，该第一光学开关被配置为从所述激光器接收激光脉冲；第一多个光纤，每个光纤耦接到所述第一光学开关的多个输出中的不同输出；第一至少一个光学元件，其被配置为从所述第一多个光纤中的至少一个光纤接收所述激光脉冲并且重定向所述激光脉冲以照射视场的至少一部分；接收器，该接收器包括第二光学开关和至少一个检测器；第二多个光纤，每个光纤耦接到所述第二光学开关的不同输入，所述第二光学开关的输出耦接到所述至少一个检测器；第二至少一个光学元件，其被配置为接收从所述视场反射的激光脉冲并且将接收到的反射脉冲重定向到所述第二多个光纤中的至少一个光纤；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为控制所述第一光学开关以将所述激光脉冲从所述第一光学开关的输入依次引导到所述多个输出中的每一个，控制所述第二光学开关以依次将来自所述多个第二光纤中的每一个的光引导到所述第二光学开关的输出，并且处理来自所述至少一个检测器的信号以生成表示所述视场的数据。第一光学开关和第二光学开关可以是全光学开关，其不具有分别与将光从输入切换到多个输出中的一个或从多个输出切换到输入相关联的移动部件。第一光学开关和第二光学开关可以包括法拉第旋转器(faraday rotator)。在至少一个实施例中，第一光学开关和第二光学开关包括磁光开关。
7.在各种实施例中，系统可包括被配置成控制第一光学开关的第一基于微处理器的
控制器和与第一控制器通信并被配置成控制第二光学开关的第二基于微处理器的控制器。
8.在一个或多个实施例中，激光器包括光纤激光器或连接到光纤的任何脉冲激光源，该光纤激光器或连接到光纤的任何脉冲激光源被配置为产生具有在900纳米(nm)到1700纳米(nm)之间的swir波长的脉冲。在至少一个实施例中，激光器被配置为产生具有1550纳米(nm)的标称波长的脉冲。
9.在一个或多个实施例中，所述至少一个第一光学元件包括被配置成形成具有椭圆形横截面的输出光束的非球面透镜。光学元件可以成形为形成输出光束，该输出光束沿着第一轴的角发散是沿着垂直于第一轴的第二轴的角发散的至少20倍。在至少一个实施例中，输出光束在水平方向上具有40度的角发散，在垂直方向上具有1度的角发散。
10.在一个或多个实施例中，系统包括多个光学元件，每个光学元件与第一多个光纤中的一个相关联，以提供照射fov的输出光束。
11.在一个或多个实施例中，所述至少一个第二光学元件包括位于光束成形光学器件上游的收集光学器件，所述光束成形光学器件被配置为形成具有椭圆形横截面的束。光束成形光学器件可以提供具有椭圆形横截面的光束，该光束沿着第二轴的角发散是沿着垂直于第二轴的第一轴的角发散的至少20倍。在一个实施例中，接收器包括收集光学器件和光束成形光学器件，以提供具有1度的水平发散度和20度的垂直发散度的接收光束。
12.在一个或多个实施例中，第一多个光纤排列成第一线性阵列，并且第二多个光纤的输入定位在与第一线性阵列正交的第二线性阵列中。
13.在各种实施例中，至少一个检测器包括雪崩光电二极管。在至少一个实施例中，所述至少一个检测器包括被配置为并行操作的多个检测器。
14.在一个或多个实施例中，激光器被配置成发射偏振脉冲，并且检测器包括多个检测器，每个检测器被配置成检测具有不同偏振角的接收光。所述至少一个控制器可以被配置为处理来自所述多个检测器的信号，以生成表示所述视场的偏振度或偏振角度数据。在至少一个实施例中，第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件各自包括由至少一个控制器控制的偏振旋转器和偏振相位掩模。在至少一个实施例中，第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件各自包括第一线性偏振器、法拉第旋转器、半波延迟器相位掩模和第二线性偏振器。至少一个控制器可以被配置为操作激光器以及第一光学开关和第二光学开关，从而以100hz刷新数据，以提供每秒100帧。
15.在各种实施例中，提供了一种模块化系统，其具有通过光纤束耦接到光学头部的控制单元。在一个实施例中，该系统包括壳体和至少一个光学头部，该壳体包含发射器、接收器和至少一个控制器，该至少一个光学头部位于壳体外部并包含第一至少一个光学元件和第二至少一个光学元件，其中，第一多个光纤和第二多个光纤在第一壳体和光学头部之间延伸。控制单元的壳体可以包含与多个远程定位的光学头部中的每个光学头部相关联的发射器和接收器，每个光学头部通过相关联的光纤束耦接。
16.在至少一个实施例中，车辆包括如本文所述的激光雷达系统，该激光雷达系统具有连接到一个或多个头部单元的控制器单元。车辆可包括具有固定控制器单元的激光雷达系统，该固定控制器单元光学地耦接到安装在致动器上的头部单元，该致动器配置成使安装的头部单元旋转。
17.实施例还可包括用于激光雷达扫描的方法，该方法包括：产生激光脉冲；将所述激
光脉冲光学地切换到排列成第一线性阵列的第一多个光纤中的每一个，以照射视场；将从所述视场内的由所述激光脉冲照射的对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的第二多个光纤；光学地切换来自所述第二多个光纤的光以将所述光引导到至少一个检测器；以及处理来自所述检测器的信号以生成表示所述视场的数据。产生激光脉冲可以包括使用输出波长在900nm和1700nm之间的光纤激光器来产生激光脉冲。在一个实施例中，标称输出波长是1550nm，以在满足眼睛安全要求的同时为遥感提供增加的能力。
18.在一个或多个实施例中，所述方法包括通过控制具有法拉第旋转器而没有任何移动部件的全光固态开关来光学地切换激光脉冲且光学地切换来自第二多个光纤的光，该全光固态开关例如可以通过磁光开关来实现。
19.在一个或多个实施例中，所述方法可以包括使从第一多个光纤输出的激光脉冲成形，以形成具有椭圆形横截面的脉冲光束，该脉冲光束沿着第一轴的角发散比沿着垂直于第一轴的第二轴的角发散大至少20倍。在一个实施例中，沿着第一轴线的角发散度是40度，而沿着第二轴线的角发散度是1度。
20.各种实施例可包括通过将激光脉冲顺序地引导到光纤的第一线性阵列来扫描fov，其中光纤的第一线性阵列相对于接收来自fov内对象的反射光的光纤的第二线性阵列正交地定位。
21.在至少一个实施例中，所述方法包括将来自第二多个光纤的光光学地切换到耦接于检测器的单个光纤。在一些实施例中，提供多个检测器，并且光学地切换来自第二多个光纤的光包括将来自不同光纤组的光光学地切换到并行操作的不同检测器。
22.在一个或多个实施例中，所述方法包括使照射视场的激光脉冲偏振，检测由激光脉冲照射的对象反射的光的偏振，以及基于检测从对象反射的光的偏振来生成表示视场的偏振数据。所述方法还可以包括改变激光脉冲的偏振，以使从第二多个光纤中的被选择光纤检测到的光强度相对于来自与所选择光纤相邻的光纤的光强度增加。
23.实施例还包括用于提高扫描分辨率的方法。所述方法包括：产生连续波(cw)或脉冲激光束；沿着第一方向扫描所述激光束以产生发射激光束来照射视场；沿着与所述第一方向正交的第二方向引导从所述视场内由所述发射激光束照射的对象反射的光，以形成提供给至少一个检测器的接收光束；处理来自所述至少一个检测器的信号以生成二维像素阵列；以及通过同步地改变所述发射激光束和提供给所述至少一个检测器的所述接收光束的偏振，来改变被选择像素内的强度分布，以在所选择像素内以连续方式移动所检测的峰值强度。
24.在一个或多个实施例中，所述方法包括：通过引导所生成的激光束或发射的激光束穿过法拉第旋转器和相位掩模来改变像素内的所检测的接收光束的强度分布；以及控制法拉第旋转器以改变发射的激光束的偏振。所述方法还可以包括引导接收光束通过第二法拉第旋转器和第二相位掩模，其中，第二法拉第旋转器与第一法拉第旋转器同步控制。在一个实施例中，相位掩模包括半波延迟器相位掩模。在一个实施例中，相位掩模包括涡流延迟器。
25.在各种实施例中，所述方法包括：光学地切换激光束来引导光以顺序地照射排列成第一线性阵列的多个发射器光纤；以及将从对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的多个接收器光纤，第二线性阵列相对于第一线性阵列正交地定位。
26.实施例还可包括一种系统，该系统具有：被配置为产生激光束的激光器；位于第一半波延迟器相位掩模上游的第一法拉第旋转器，所述第一法拉第旋转器和所述第一相位掩模响应于偏振控制信号选择性地改变输出光束的偏振；第一磁光开关，其被配置为接收所述输出光束且响应于发射扫描控制信号而选择性地将所述输出光束重定向到多个输出中的一个，以沿着第一方向扫描所述输出光束以照射视场；至少一个光学元件，其被配置为沿着与所述第一方向正交的第二方向收集从所述视场反射的光；第二磁光开关，其被配置为响应于接收扫描控制信号而选择性地将来自多个输入中的每一个的光重定向到输出，以沿着所述第二方向扫描从所述视场反射的光；第二法拉第旋转器，其被定位成接收来自所述第二磁光开关的输出的光，并且被定位在第二半波长延迟器相位掩模的上游，第二法拉第旋转器和第二相位掩模响应于偏振控制信号选择性地改变接收光的偏振；至少一个检测器，其被定位成接收来自第二相位掩模的光；以及至少一个控制器，其被配置为生成发射扫描信号和接收扫描信号以控制第一磁光开关和第二磁光开关，以处理来自所述至少一个检测器的信号从而产生二维像素阵列，并且通过产生偏振控制信号以同步控制第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器从而改变发射激光束和提供给至少一个检测器的接收光的偏振，来改变被选择像素内的强度分布以移动所选择像素内的峰值强度。
27.在至少一个实施例中，扫描激光雷达系统包括：中央模块，该中央模块包括激光器和光分路器，所述光分路器被配置为在多个光分路器输出中分割来自激光器的输出；第一多个连接光纤，每个连接光纤耦接到所述多个光分路器输出中的不同一个；以及多个光学头部，每个光学头部通过所述第一多个连接光纤中的一个耦接到所述中央模块。每个光学头部包括：第一光学开关，该第一光学开关具有耦接到所述第一多个连接光纤中相关联的一个的输入；多个传输光纤，该多个传输光纤耦接到所述第一光学开关的相关联输出，并且具有沿第一方向排列成线性阵列的输出；至少一个发射器光学元件，其被配置为从所述多个传输光纤中的至少一个接收激光脉冲并且重定向所述激光脉冲以照射视场的至少一部分；第二光学开关；多个接收器光纤，每个接收器光纤耦接到所述第二光学开关的不同输入，所述第二光学开关的输出耦接到至少一个检测器；以及至少一个接收器光学元件，其被配置成接收从所述视场反射的激光脉冲，并将接收到的反射脉冲重定向到所述接收器光纤中的至少一个。所述系统还包括至少一个控制器，其被配置为控制第一光学开关和第二光学开关，并且处理来自至少一个检测器的信号以生成表示视场的数据，其中，所述至少一个控制器和所述至少一个检测器设置在所述中央模块或所述光学头部内。
28.在一个或多个实施例中，一种方法包括：在中央模块中产生激光脉冲；在中央模块中使激光脉冲分路以将激光脉冲递送到多个远程定位的光学头部中的每一个。在多个远程定位的光学头部中的每一个中，所述方法包括：将所述激光脉冲光学地切换到排列成第一线性阵列的第一多个光纤中的每一个，以照射视场；将从所述视场内的由所述激光脉冲照射的对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的第二多个光纤；以及光学地切换来自所述第二多个光纤的光以将所述光引导到至少一个检测器。所述方法还包括处理来自检测器的信号以生成表示视场的数据。
29.在至少一个实施例中，扫描激光雷达系统包括：中央模块，该中央模块包括脉冲激光器、第一磁光光学开关和多个光分路器，磁光开关被配置为将激光输出切换到所述多个光分路器之一，所述多个光分路器中的每个光分路器被配置为在多个分路器输出中划分来
自激光器的脉冲；以及多个连接光纤，其耦接到所述多个光分路器中的每一个的每个输出。多个光学头部相对于所述中央模块远程地定位并且每个光学头部通过与所述多个分路器输出中的每个分路器输出相关联的所述多个连接光纤中的一个连接光纤耦接到所述中央模块，所述多个光学头部各自包括：多个传输光纤，其耦接到多个光纤分路器中的每一个并且具有沿第一方向以线性阵列排列的输出；至少一个发射器光学元件，其被配置为从所述多个发射光纤中的至少一者接收激光脉冲并且重定向所述激光脉冲以照射视场的至少一部分；第二磁光开关；多个接收器光纤，所述多个接收器光纤各自耦接到第二磁光开关的不同输入，所述第二磁光开关的输出耦接到至少一个检测器；以及至少一个接收器光学元件，其被配置成接收从所述视场反射的激光脉冲，并将接收到的反射脉冲重定向到所述接收器光纤中的至少一个，该系统还包括至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为控制第一磁光开关和第二磁光开关并且处理来自至少一个检测器的信号以生成表示视场的数据，其中，所述至少一个控制器和所述至少一个检测器设置在所述中央模块或所述光学头部内。
30.在一个或多个实施例中，一种方法包括：在中央模块中产生激光脉冲；将所述激光脉冲光学地切换到所述中央模块中的多个光纤分路器中的每个光纤分路器；以及通过每个光纤分路器对所述激光脉冲进行分路，以将每个激光脉冲递送到相对于所述中央模块远程定位的多个光学头部中的每个光学头部。所述方法包括：在所述多个光学头部中的每一个中，将来自所述多个光纤分路器的激光脉冲引导到排列成第一线性阵列的多个传输光纤中的每一个以照射视场；将从所述视场内的由所述激光脉冲照射的对象反射的光引导到排列成第二线性阵列的多个接收器光纤，第二线性阵列与所述第一线性阵列正交布置；以及光学地切换来自接收器光纤的光以将光引导到至少一个检测器。所述方法还包括处理来自检测器的信号以生成表示视场的数据。
31.一个或多个实施例可为各种应用提供优点。例如，根据本公开的各种实施例提供了一种在眼睛安全波长下操作的扫描激光雷达，其通过使用磁光开关正交定向的光纤阵列来扫描视场并接收反射光以创建表示fov的图像或多维数据而不需要任何移动部件。一个或多个实施例在不利天气条件下提供了改进的范围、帧速率、可靠性、可缩放性和鲁棒操作，使得它们适于例如在自主车辆和无人机中使用。
附图说明
32.图1是示出用于扫描激光雷达的系统或方法的代表性实施例的操作的框图。
33.图2和图3是示出在代表性实施例中用于被引导到正交定位的光纤线性阵列中的传输光束或接收的反射光的来自光纤线性阵列的光束横截面的图。
34.图4示出了从与对应于光学切换或扫描的发射和接收的光脉冲的组合的重叠点或像素相关联的检测器信号生成的多维数据。
35.图5示出了代表性实施例的具有控制器或中央单元和至少一个光学头部的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构。
36.图6示出了在另一代表性实施例中具有中央单元的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构，中央单元具有耦接到多个光学头部的发射器光学开关上游的光分路器。
37.图7示出了在另一代表性实施例中具有中央单元的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构，中央单元具有耦接到多个光学头部的发射器光学开关下游的光分路器。
38.图8示出了具有扫描激光雷达传感器的车辆的代表性实施例，该扫描激光雷达传感器具有旋转光学头部和/或一个或多个固定光学头部。
39.图9是示出了根据各种实施例的具有光学开关和用于检测反射光的偏振的多个检测器的扫描激光雷达的框图。
40.图10示出了用于通过使用法拉第旋转器和相位掩模操纵或扫描发射光和接收光的偏振来提高激光扫描fov的像素内的分辨率的系统或方法的代表性实施例。
41.图11示出了根据各种实施例通过操纵发射光和接收光的偏振来增加激光扫描fov的像素的一部分内的强度。
42.图12是示出根据一个或多个实施例的使用光切换进行激光雷达扫描的系统或方法的操作的流程图。
43.图13是示出根据一个或多个实施例的使用偏振操纵来增加激光扫描fov的分辨率的系统或方法的操作的流程图。
具体实施方式
44.根据需要，在此公开了本发明的详细实施例，然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以各种替代形式来体现。附图不必按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表性基础。
45.如在本说明书中使用的，图像或相关术语不限于视觉表示，而是更一般地指视场(fov)的数据表示。可针对fov内的每个测量点或像素收集不同类型的数据，例如定位/位置、距离/范围、强度、偏振、速度等，以提供可由控制器处理而不产生数据的视觉表示的多维数据阵列。类似地，对像素的引用不暗示或要求相关联数据或显示屏上的区域的视觉表示或显示，而是更一般地指fov内的离散测量点或观察点，其中针对特定像素定位的潜在离散测量被称为子像素，其可用于改进或增强像素内的分辨率。例如，与从不同激光脉冲或激光脉冲的不同特性/属性针对特定(x、y)像素定位生成的测量对应的子像素提供可用于检测或识别像素内的时域或空间域变化以增强分辨率的附加数据。
46.在最一般的意义上，车辆被用作运载、运输或运送某物或自动推进的机械设备的事物。
47.光学开关是指与将光信号转换为电信号并返回到光信号以将光信号或脉冲从一个通道路由到另一个通道(即，从输入到多个输出中的一个，或者从多个输入中的一个输入到输出)的电光开关相比，将信号作为光从输入保持到输出的全光开关。全光开关可以由电信号或电子控制器控制，以提供光信号或脉冲的空间域切换。没有移动部件的光学开关是指不具有任何移动机械部件来执行开关操作的装置，即不包括诸如在基于mems的光子开关中提供的那些可移动反射镜。
48.光学元件是指对光起作用的任何元件或部件，包括诸如反射镜、透镜(包括渐变折射率或梯度折射率透镜)、棱镜、光栅等的分立元件，以及也可以对入射光起作用以重定向光和/或修改光的一个或多个性质的集成光学器件和全息光学元件。
49.图1是示出用于扫描激光雷达的系统或方法的代表性实施例的操作的框图。系统100包括发射器102，发射器102被配置为照射具有至少一个对象106的视场(fov)104，其中
由接收器108来检测来自对象106的反射光。发射器102包括激光器110和配置成从激光器110接收激光脉冲的第一光学开关112。在各种实施例中，激光器110是在swir范围中以脉冲模式操作的光纤激光器，输出标称波长在900nm和1700nm之间。在至少一个实施例中，激光器110在眼睛安全区中以1550nm的标称输出波长工作，使得发射器102可以以更高功率工作，以提供更长的范围和改进的成像/感测性能。激光器110可被操作以提供例如100～500hz之间的数据帧速率，激光脉冲速率例如在100～500khz之间。当然，数据帧速率和激光脉冲重复速率将基于特定应用和实现而变化。
50.在图1所示的代表性实施例中，第一光学开关112是电子控制的全光1xn开关，以将光纤激光器110输出的光学脉冲从开关112的输入传送到如由相关联的控制器(例如，一个或多个控制器120)控制的n个输出中的一个。在一个实施例中，光学开关112由1x32磁光开关实现，该磁光开关类似于由美国ma woburn的agiltron公司或中国山东青岛的primanex公司提供的市售开关。磁光开关包括用于切换光学脉冲的法拉第旋转器，使得开关不包括用于执行切换操作的移动部件。
51.开关112的每个输出耦接到沿第一轴线或方向以线性阵列定位的相关光纤。在一个实施例中，发射器光纤114的线性阵列垂直定向。光纤114的输出被定位在传输光学器件116的焦平面处，传输光学器件116可以由至少一个光学元件实现，该光学元件被配置为接收来自光纤114的激光脉冲并重定向激光脉冲，使得光118被引导到不同的角度以照射包含一个或多个对象106的fov104的对应部分。至少一个光学元件可以包括发散透镜或一个或多个非对称、非球面和/或圆柱形光学元件，以基于fov 104的期望覆盖部分(在图2中最佳地示出)以特定角度提供卵形或椭圆形输出光束。至少一个光学元件可以包括一个或多个透镜，每个透镜与光纤114中的单个光纤、光纤114组或所有光纤114相关联。
52.接收器108接收来自fov 104内的对象106的反射光138内的中心光线130和离轴光线132、136。接收器光学器件140包括至少一个光学元件，其被配置为收集和接收从fov 104反射的激光脉冲，并将接收到的反射脉冲重定向到第二多个光纤150中的至少一个光纤。光纤150布置成相对于发射器光纤114的线性阵列正交定向的线性阵列。在一个实施例中，纤维150水平取向(在图3中最佳示出)。当然，发射器和接收器的线性光纤阵列的取向可以颠倒，发射器光纤水平取向，接收器光纤垂直取向。取决于特定应用和实现，其他正交取向也是可能的。
53.在图1的代表性实施例中，接收器光学器件140被配置为收集离轴反射光线132并将其重定向到相关联的光纤152，同时收集代表性中心光线130并将其重定向到光纤154，并且收集代表性离轴光线136并将其重定向到光纤阵列150内的光纤156。接收器光学器件140包括至少一个光学元件，至少一个光学元件可以包括位于光束成形光学器件上游的收集光学器件，光束成形光学器件被配置成形成具有椭圆形横截面的光束。至少一个光学元件可以包括会聚透镜或一个或多个非对称、非球面和/或圆柱形光学元件，以提供卵形或椭圆形输出光束。至少一个光学元件可以包括一个或多个透镜，每个透镜与光纤阵列150的单个光纤、光纤阵列150内的一组光纤或光纤阵列150的所有光纤相关联。
54.光纤阵列150的每个光纤耦接到第二光学开关160的不同输入端。光学开关160可以由类似于第一光学开关112的不具有移动部件的全光开关来实现。在一个实施例中，光学开关160是m x 1磁光开关，其顺序地将耦接到光纤阵列150内的相关联光纤的m个输入中的
一个输入连接到输出，该输出连接到由相关联的一个或多个控制器162控制的一个或多个检测器164。在一个实施例中，光学开关160是32x1磁光开关，使得系统100为40
°
水平
×
20
°
垂直fov提供32x32像素阵列或数据，如本文更详细地描述的。当然，所涉及的垂直和水平范围、像素数和fov不需要与代表性实施例对称或成比例，并且将随应用和实现而变化。
55.在一个实施例中，至少一个控制器120、160是基于微处理器的控制器，其具有相关联的非瞬态存储器或计算机可读介质，用于存储表示可由一个或多个控制器执行以执行一个或多个控制功能或算法的指令的数据，并且由此被配置为控制第一光学开关112以将来自光纤激光器110的激光脉冲从第一光学开关112的输入依次引导到耦接到相关联光纤的多个输出中的每一个。至少一个控制器120、160控制第二光学开关160以将来自第二多个光纤150中的每一个的光依次引导到第二光学开关160的输出，并且处理来自至少一个检测器164的信号以生成表示视场的数据。每个检测器164可以由诸如雪崩光电二极管(apd)、pin二极管、肖特基势垒光电二极管的光电二极管、或为特定应用提供期望信噪比(snr)的具有类似灵敏度的任何其他光学检测器来实现。在提供多于一个控制器的情况下，多个控制器可以通信以交换数据和/或协调或协作以执行特定任务、功能、算法等。
56.通常，本文公开的过程、方法或算法可以由处理设备、控制器或计算机执行，其可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元或控制器。类似地，过程、方法或算法可以以多种形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如rom设备的不可写存储介质上的信息和可改变地存储在包括电子、磁和/或光存储设备的可写存储介质上的信息。某些过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。或者，可使用合适的专用或定制硬件组件(例如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或任何其他硬件组件或设备，或硬件、软件和固件组件的组合)整体或部分地实施所述过程、方法或算法。类似地，可以不需要以特定顺序或次序对过程、算法或功能进行说明或描述来执行所描述的操作或结果。对于特定应用，某些过程、功能、算法或其部分可以重复执行、以不同顺序执行、或省略。
57.图2是示出代表性实施例中的光纤线性阵列的传输束横截面或前视图的图。如图2所示，发射器中的光学器件可以不是对称的，而是本质上不对称的、非球面的或圆柱形的，使得输出光118的每个光束由非球面光学器件成形为具有卵形或椭圆形光束横截面或前视图。每个光束在水平面或水平方向220上具有非常宽的角发散，在垂直面或垂直方向230上具有窄的角发散，反之亦然。在一个实施例中，水平角发散度为40度，垂直角发散度为1度。例如，可以通过在线性阵列210内的每个光纤114的前面放置小的非球面/柱面透镜或如前所述的光纤组或所有光纤共用的较大透镜来实现该光束形状。这样，发射器引导每个激光脉冲跨越宽的水平覆盖和窄的垂直覆盖，或者反之亦然。通过使用光学开关扫描激光脉冲跨越相邻光纤以覆盖期望的fov来提供fov的附加垂直覆盖。每个脉冲可以在时间上分离以减少或消除重叠。
58.图3是示出在代表性实施例中被引导到相对于传输光纤114的线性阵列210(图2)正交布置的光纤150的线性阵列310中的接收反射光的横截面的图。如前所述，接收器光学器件被配置为接收从fov反射的激光脉冲，并将接收到的反射光重定向到每个光纤150。通过相关联的光学开关扫描或切换光纤，以将接收的光引导到一个或多个检测器。如关于图1所描述的，所接收的光被引导或耦接到线性阵列310中的多个光纤150中的一个。空间中的
接收“光束”看起来非常类似于仅旋转90度的发射光束，如图2和图3中一般示出的。将接收光束成形为卵形或椭圆形横截面是使用如上文关于使发射光束成形而描述的类似技术和组件来执行的。在一个实施例中，接收的光“光束”各自覆盖水平方向220上的1
°
角和垂直方向230上的20
°
角。
59.尽管正交定位的线性光纤阵列被示出为垂直传输阵列和水平接收器阵列，但是任何其他正交取向都是可能的。类似地，尽管代表性实施例包括具有32根光纤的传输光纤阵列和32根光纤的接收器光纤阵列的示例，但是传输和接收器阵列可包含不同数量的光纤，这取决于具体应用。同样地，尽管传输光学器件产生具有40x1度的角发散的光束并且接收器光学器件产生具有1x20度的角发散的光，但是根据特定应用，可以选择发射器和接收器光学器件以提供不同的角发散。
60.图4示出了根据与重叠点或像素相关联的检测器信号生成的多维数据，这些重叠点或像素对应于光学切换或扫描的发射和接收的光脉冲的组合。发射的椭圆脉冲118用发射器光学开关扫描，以便顺序地或依次地将脉冲引导到每个光纤中，如400所示。使用接收器光学开关扫描接收的光或“光束”180，以将来自每个接收器光纤的光引导到检测器，如410所示。发射光束和接收光束的相交提供了像素阵列420，像素阵列420表示由针对特定位置/定位的检测器信号生成的数据。这样，如果发射器光学开关被配置成将一个或多个激光脉冲引导到索引为i的光纤，并且接收光学开关被配置成将从索引为j的光纤接收的光引导到一个或多个检测器，则将会在检测器处接收的光信号将会来自由通过发射光束和接收光束的组合定义的像素的2d像素阵列420的第(i,j)元素定义的角度。如下面更详细地定义的，在操作开关以扫描到下一个相邻的发射器/光纤对从而提供针对每个像素420的多个测量以提高snr之前，可以向一个发射器/接收器光纤对提供多个激光脉冲，如下所述。类似地，切换可以在每个激光脉冲之后发生，其中与每个像素相关联的多个数据被组合或以其他方式处理以提供期望的性能。
61.在一个代表性实施例中，与32个传输光纤中的每一个相关联的每个激光脉冲具有40
°
x1
°
的瞬时fov。每个接收器的瞬时fov为1
°
x20
°
，激光从上到下扫描，接收器从左到右扫描，创建像素矩阵420，像素矩阵420包括由发射光和接收光的交点定义的32x32(或更一般地为n x m)像素。扫描基于发射器/接收器光学开关，由1x32磁光开关实现，开关时间小于10μsec。假设光纤激光器特性提供prf*32*32脉冲/秒或大约100k脉冲/秒，以提供具有100k*30微焦耳＝3w的平均激光功率的期望snr。代表性的信号计算如下所示。
[0062][0063]
落在目标上的瞬时峰值功率由下式提供：
[0064][0065]
假设目标尺寸与系统检测的最小分辨率s
t
一样小，则来自该目标对象的反射信号由下式给出：
[0066][0067]
在最坏的情况下，来自目标对象的反射信号被均匀地分布在朝向发射器单元的半个圆顶上，并且因此接收器中的收集光学器件从目标对象收集以下量的功率：
[0068][0069]
插入上述每个参数的值给出：
[0070][0071]
虽然可能难以从单个脉冲中检测到这样的信号，但是重复这些脉冲以产生具有例如100hz帧速率的每个像素的子像素测量可以为snr提供10的改善因数，因此有效的接收信号将是：
[0072][0073]
该信号电平可以由诸如雪崩光电二极管或类似的光学检测器的敏感光电二极管
清楚地检测。
[0074]
如果脉冲在时间上足够接近，即在先前发射的脉冲已经被对象反射并且被接收器检测到之前发射脉冲，则可以利用由发射的脉冲在接收器处重叠或相交的速率建立的上限系统约束来增加激光脉冲频率。假设脉冲之间的缓冲时间为2微秒(600m)以防止脉冲混合，典型应用的最大激光频率将为500khz。该重复速率可以提供500k子像素/秒的对应速率和15w的平均激光功率。由于15w是相当大的激光平均功率，所以可提供多个检测器来并行操作以覆盖系统的fov。例如，具有并联的四个雪崩光电二极管而不是如上所述的单个检测器的系统便于125khz激光器(3.8w平均激光功率)，同时提供500k子像素/秒的数据速率。类似地，具有125khz激光频率的具备八个检测器的系统可以产生1m子像素/秒。关于图9示出并描述了具有并行操作的多个检测器的代表性系统。当然，偏振滤光器将被省略，从而所有并行检测器检测接收光的相同特性。
[0075]
可替换地或组合地，可以基于对先前帧中的对象的检测来分配搜索资源。该策略将有效地增加检测的分辨率，而不需要通过分配仅针对在先前帧中检测到对象的区域的附加搜索子像素来增加系统中的总像素的数目。
[0076]
图5示出了代表性实施例的具有控制器或中央单元(cu)和至少一个光学头部(oh)的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构。除非另有说明，图5至图7中示出的各种模块化配置或架构被理解为具有与关于图1的实施例描述的组件类似的组件，并且不再详细描述。然而，取决于特定实施例，在cu或oh内可以不同地布置各种组件，并且可以使用附加组件来促进特定实施例。
[0077]
系统500包括通过光纤束532耦接的具有第一壳体的cu模块510和第二壳体中的oh模块560。在图5的代表性实施例中，cu模块510包括光纤激光器512、第一光学开关514、一个或多个控制器516、第二光学开关518和检测器520。光纤激光器512经由光纤522耦接到第一光学开关514，或者可以直接耦接到第一光学开关514。发射器光纤532耦接到第一光学开关514的输出。类似地，接收器光纤534耦接到第二光学开关518。光纤束530包括发射器光纤532和接收器光纤534。oh 560包括发射器光学器件540和接收器光学器件550。这样，oh模块560仅包含光纤和光学组件，并且通过光纤束530连接到cu 510。如参照图6至图7更详细地示出和描述的，多个oh模块可以连接到单个cu模块以扩展系统的覆盖fov。在该实施例中，cu模块510包含激光器、光学开关、检测电子装置和处理器。oh模块560在尺寸上相对较小，并且可以相对于cu模块510远程定位。这样，oh模块560可以放置在车辆、无人机、机器人等的各种位置。
[0078]
图6示出了在另一代表性实施例中具有中央单元的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构，中央单元具有耦接到多个光学头部的发射器光学开关上游的光分路器。系统600包括耦接到远程定位的cu模块610的多个oh模块602。cu模块610包括激光器612和光纤分路器628，在该代表性实施例中，光纤分路器628由1x4光纤分路器实现。一个或多个控制器616和一个或多个检测器620可位于cu模块610或一个或多个oh模块602内。在该代表性实施例中，多个oh模块602包括四个oh模块660、662、664和666。每个oh模块包括发射器光学开关614、接收器光学开关618、发射器线性阵列和相关联的光学器件640、以及接收器线性阵列和相关联的光学器件650。这样，系统600包括一个cu 610和n个独立oh模块602(在该示例中为4个)，每个模块覆盖系统的整个fov的特定部分。该架构保持每个oh 602具有其自身的
相关联扫描模式(scan pattern)的独立性，但是总体解决方案可能更昂贵并且具有更大的尺寸和复杂性。
[0079]
图7示出了在另一代表性实施例中具有中央单元的扫描激光雷达传感器的模块化配置或架构，中央单元具有耦接到多个光学头部的发射器光学开关下游的光分路器。系统700包括多个oh模块702和单个cu模块710。cu模块710包括激光器712、发射开关714，发射开关714具有连接到多个光纤分路器728中的一个的输出光纤732。在所示的代表性实施例中，提供(32个)1x4光纤分路器728，使得每个光纤分路器728通过相关联的传输光纤730耦接到所有oh模块702。一个或多个控制器716和一个或多个检测器720也可以设置在cu模块710或一个或多个oh模块702内。
[0080]
在图7的实施例中，oh模块702包括远离cu模块710定位并且通过一个或多个光纤束730耦接的第一oh模块760、第二oh模块762、第三oh模块764和第四oh模块766。每个oh模块702包括接收器光学开关718、发射器线性阵列和发射器光学器件740、以及接收器线性阵列和接收器光学器件750。在该实施例中，系统700包括单个cu模块710和n个非独立oh模块702，其中每个扫描步骤在每个oh模块760、762、764和766中并行执行。这有利于成本通常较低的较小oh模块702，但是整个视场的扫描模式是固定的，并且是oh模块702之一的扫描模式的复制品。
[0081]
图8示出了具有扫描激光雷达传感器的车辆的代表性实施例，该扫描激光雷达传感器具有旋转光学头部和/或一个或多个固定光学头部。车辆800包括耦接到远程定位的cu模块810的多个oh模块802。oh模块可以放置在车辆800周围的各个位置，例如放置在相应的侧视镜上的oh模块812、814、放置在前格栅或保险杠上的oh模块816、818。固定oh模块还可以或可替换地放置在包括车辆800的不同面/角、内部前照灯、框架、镜子等的任何数量的位置处。一个或多个实施例可利用前照灯集成光学器件来收集oh单元的光。
[0082]
替代地，或组合地，车辆800可包括连接到马达/致动器830的oh模块820，马达/致动器830旋转以扫描360
°
，如840所示。一个或多个旋转单元可以将oh模块与旋转镜集成，或者通过车辆车顶或侧面上的旋转镜来传递来自oh模块的光。cu模块可以在旋转oh模块和固定cu模块之间没有物理连接的情况下，通过一个或多个自由空间光学元件向/从旋转oh模块传送激光。
[0083]
图9是示出了根据各种实施例的具有光学开关和用于检测反射光的偏振的多个检测器的扫描激光雷达的框图。系统900包括被配置成发射偏振脉冲的激光器910。在所示实施例中，系统910包括激光器910和发射器光学开关914之间的偏振器912。如果激光器910产生适合于应用的偏振光，则可以省略偏振器912。光学开关914、发射器光纤916和发射器线性阵列和光学器件918被配置为保持偏振脉冲的偏振，以传递与先前描述的实施例类似的相关联的偏振输出光束920。来自fov内的对象的反射光930穿过接收器收集光学器件和光束成形光学器件并进入光纤934的接收器线性阵列932。开关936扫描光纤934以顺序地将光纤934中的每一个耦接到光分路器938，光分路器938将光分路或重定向到输出940，该输出940连接到并行操作的检测器970、972、974和976。每个检测器970、972、974和976可具有相关联的偏振滤光器950、952、954和956以检测具有对应偏振的光。
[0084]
如图9所示，通过光纤916中的每一个发射的激光脉冲是偏振的，其中系统的收集光学器件，包括自由空间光学元件918、932和接收光纤934，被选择为保持来自目标对象的
反射信号的偏振。这样，系统900不仅可以收集关于目标对象的反射率或其形状的信息，还可以收集关于其偏振度(dop)和偏振角(aop)的信息。因为每个检测器970、972、974和976在其前表面前面具有以0度、45度和90度的角度对准的不同线性偏振器950、952、954或圆偏振器956，所以每个反射信号的不同偏振分量可以用于非常精确地计算自然和/或人造目标的dop和aop。dop/aop信息可用于驾驶员辅助系统和自主车辆中。
[0085]
aop和/或dop图像非常鲁棒，并且能够经受大气的强干扰，例如通过雾、薄雾或雨的散射。在这样的大气条件下，来自目标的反射信号强度趋于减小，并被其光路中的颗粒或水滴反射和散射的光所掩盖。然而，来自目标的dop/aop信息被保持，因此相对于简单的强度信息，可以用于感测或看穿雾和薄雾到更长的范围。偏振信息还可以帮助检测和分类光滑表面上的小对象(例如道路上的扁平轮胎或道路中的坑或裂缝)，这些小对象仅通过使用反射信号的强度图像几乎无法检测到。偏振信息还可以帮助检测和分类表面特征以警告驾驶员，例如包含水、油、冰、黑冰等的道路表面。
[0086]
图10示出了用于通过使用法拉第旋转器和相位掩模操纵或扫描发射光和接收光的偏振来提高激光扫描fov的像素内的分辨率以生成子像素数据的系统或方法的代表性实施例。该策略可用于一个或多个前述实施例或其他激光扫描系统中，以增加系统扫描的分辨率。该系统或方法包括将偏振相位掩模和偏振操纵组件插入发射光和接收光两者的光列中。偏振操纵可以电子地执行，使得在扫描过程中不存在移动部件，如先前关于一个或多个实施例所述。在所要求保护的主题的范围内并且本领域普通技术人员将认识到，除了图10中所示的之外，还存在各种方式来在所发射和接收的光束的光路内提供偏振操纵。
[0087]
系统1000包括用于发射光束和接收光束的光路1020，光路1020包括定位在法拉第旋转器(fr)1024上游的线性偏振器1022，法拉第旋转器(fr)1024又定位在相位掩模(pm)1028和第二线性偏振器1050上游。例如，在任何先前描述的实施例中，系统1000可以被放置在每个传输光纤的前面。
[0088]
相位掩模1028可包括液晶聚合物(lcp)延迟器，其为被设计为影响光场的径向和方位角偏振的半波延迟器。例如，商用涡流延迟器在透明孔径上具有恒定的延迟，但其快轴在光学器件区域上连续旋转。在设计相位掩模上的快轴分布以直接在相位掩模下游产生期望的偏振光分布时，对灵活性没有实际限制。在图10的代表性实施例中，相位掩模1028是半波延迟器相位掩模，其包括三个列1030、1032和1034，每个列具有以不同角度旋转的延迟轴。该设计允许法拉第旋转器(fr)1024将由线性偏振器1022产生的输入线性偏振转动或旋转为平行于相位掩模1028上的延迟轴1030、1032、1034之一。fr 1024通过提供可变电压进行电子控制。如果所选择的偏振方向平行于pm的第一列1030中的延迟轴，则跟随第二偏振器1050的光的强度将具有沿着列1030的线的峰值强度，其中朝向具有相对于输入偏振器1022旋转的轴的列1032和1034减小强度。fr 1024然后可以选择将偏振对准pm 1028的第二列1032的第二旋转角度。在这种情况下，在第二偏振器1050之后的峰值强度将移动到第二列1032，并且其他列1030、1034将具有较低的强度并且看起来更暗。以类似的方式，fr 1024可以选择在第二偏振器1050之后强度要增强的任何列1030、1032、1034，并因此用三个子像素在水平方向上“扫描”峰值强度。类似的光学器件可以用相同的扫描机构放置在系统的接收通道的前面，但是接收器pm相对于传输pm旋转90度。这将允许发射器/接收器对基于每个光纤的视场的九个可能子像素来增强pm中的不同正方形，并因此增强所选像素的不同部
分。该策略可应用于单个像素定位以通过使用fr穿过pm扫描偏振来提供子像素分辨率，这导致在一个像素而非由像素组表示的fov的一部分或区域的范围内扫描接收脉冲的峰值强度。
[0089]
发射器和接收器偏振扫描模式的组合提供了强调像素组内的特定像素或如图11中一般表示的单个像素内的特定区域的功率的能力。
[0090]
参照图10和图11，模式1110表示在光离开第二偏振器1050之后的光路中具有系统1000的情况下发射光束的峰值强度分布，其中fr 1024被控制为与pm 1028的第一列1030对准。这导致列1120具有相对于列1122和列1124更高的峰值强度。模式1130表示在接收光离开偏振器1050之后在光路中具有系统1000的情况下接收光的峰值强度分布，但是pm 1028旋转90度，并且fr以协调方式被控制为传输路径中的fr。这导致顶行1132具有比中间行1134和底行1136更高的峰值强度。组合的发射器/接收器扫描1150示出了所得到的功率或强度分布，其中像素或子像素1152具有比周围子像素/像素更高的峰值强度。通过切换或扫描偏振状态，最亮像素或子像素的位置可以快速移动到各种位置，从而以可变强度扫描感兴趣区域，从而提高分辨率。
[0091]
图12是示出根据一个或多个实施例的使用光切换进行激光雷达扫描的系统或方法的操作的流程图。系统或方法1200包括在1210处生成激光脉冲，其可以包括使用具有900nm和1700nm之间的输出标称波长的光纤激光器来生成激光脉冲。在1220，系统或方法包括将激光脉冲光学地切换到以第一线性阵列布置的第一多个光纤中的每一个，以照射视场。这可以包括使激光脉冲成形以形成椭圆光束，该椭圆光束沿第一轴的角发散相对于沿垂直第二轴的角发散大至少20倍，如1222所示。
[0092]
框1230表示将从由视场内的激光脉冲照射的对象反射的光引导到以第二线性阵列布置的第二多个光纤。这可以包括在1232处收集光和使光成形以形成沿第二轴的角发散比沿垂直的第一轴的角发散大至少20倍的椭圆光束。系统或方法还可包括光学地切换来自第二多个光纤的光以将光引导到至少一个检测器，如1240处所示，该处理可包括光学地分路所接收的光以将所接收的光的一部分引导到并行布置的多个检测器中的每一个，如1242处所示。系统或方法还可以包括检测接收光的偏振角度和/或偏振度，如1244所示。然后处理检测器信号以生成表示视场的数据，如框1250所示。
[0093]
图13是示出根据一个或多个实施例的使用偏振操纵来增加激光扫描fov的分辨率的系统或方法的操作的流程图。系统或方法1300包括在1310生成激光束，该激光束可以是脉冲或连续波(cw)束。激光束沿第一方向扫描以产生发射光束以照射视场，如1320所示。这可以包括光学地切换激光束以扫描光纤的第一线性阵列，如1322所示。
[0094]
系统或方法1300可包括沿着与第一方向正交的第二方向引导在视场内从被发射激光束照射的对象反射的光，以形成提供给至少一个检测器的接收光束，如1330处所表示的。这可以包括光学地切换从线性光纤阵列接收的光，该线性光纤阵列相对于第一线性光纤阵列正交地定位，如1332所示。框1340表示处理来自至少一个检测器的信号以生成像素的二维阵列。框1350表示通过同步地改变发射激光束和提供给至少一个检测器的接收光束的偏振，改变被选择像素或像素组内的强度分布，以在所选择的像素内或整个像素组范围内以连续方式移动峰值强度。这可以包括引导发射光束和接收光通过相关联的偏振器、法拉第旋转器和相位掩模，如1352所示，并且同步控制法拉第旋转器以操纵或改变偏振，如
1354所示。
[0095]
虽然上面描述了代表性实施例，但这些实施例并不旨在描述所要求保护的主题的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开和所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，各种实现实施例的特征可被组合以形成未明确描述或示出但在本公开和所要求保护的主题的范围内且本领域普通技术人员可识别的进一步实施例。
[0096]
虽然相对于一个或多个期望的特性，各种实施例可以被描述为提供优势或优于其他实施例或现有技术实现，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的总体系统属性，这取决于具体应用和实现。这些属性包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、可制造性、易于组装等。相对于一个或多个特性描述为不如其它实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不一定在本公开的范围之外，并且可能是特定应用所期望的。