激光二极管光学频率调制线性化算法的制作方法

本公开涉及激光二极管光学频率调制线性化算法。

背景技术：

车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)越来越多地配备有提供信息以增强或自动化车辆操作的传感器。示例性传感器包括无线电检测和测距(雷达)系统、照相机、麦克风以及光检测和测距(激光雷达)系统。示例性激光雷达系统是相干激光雷达系统，其发射调频连续波(fmcw)信号并依赖于发射信号与由目标对发射信号的反射散射产生的返回信号之间的光学相干性以执行目标的检测。为了获得fmcw信号，一种方法涉及激光和不需要基于光学频率线性化的预失真的高品质因数(高q)电光谐振器的组合。但是，这种方法成本很高。因此，希望提供一种激光二极管光学频率调制线性化算法。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，一种激光雷达系统包括：激光二极管，用于提供调频连续波(fmcw)信号；以及电流源，用于提供调制激光二极管以提供fmcw信号的驱动信号。控制电流源以执行驱动信号的预失真，以将fmcw信号提供为线性。激光雷达系统还包括：分离器，用于将fmcw信号分离成输出信号和局部振荡器(lo)信号；发射耦合器，用于发射输出信号；接收耦合器，用于基于目标对输出信号的反射获得接收信号；以及组合器，用于将接收信号与lo信号组合并将结果分离成第一组合信号和第二组合信号。第一光电检测器接收第一组合信号，并基于第一组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第一电信号。第二光电检测器接收第二组合信号，并基于第二组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第二电信号。从第一电信号和第二电信号获得的差拍信号指示驱动信号所需的预失真。

除了这里描述的一个或多个特征之外，驱动信号的预失真是由驱动信号的调制电压vapp的确定产生的。

除了本文描述的一个或多个特征之外，基于使用差拍信号进行反馈控制来确定调制电压vapp。

除了本文描述的一个或多个特征之外，确定导致差拍信号的恒定频率的调制电压vapp以获得驱动信号的预失真。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光二极管是制造在光子芯片上或附着在光子芯片顶部的光子发射半导体器件。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统还包括发射透镜和发射波束转向设备。在通过发射透镜对来自发射耦合器的输出信号进行准直之后，发射波束转向设备将输出信号引导出激光雷达系统。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统还包括接收透镜和接收波束转向设备。接收透镜将由接收波束转向设备引导的接收信号聚焦到接收耦合器。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统还位于车辆中。

除了本文描述的一个或多个特征之外，车辆控制器使用从拍频信号获得的信息来增强或自动化车辆的操作。

在另一示例性实施例中，一种配置激光雷达系统的方法包括在光子芯片上制造或附接激光二极管以提供调频连续波(fmcw)信号，并且布置电流源以向激光二极管提供驱动信号。确定驱动信号的预失真以调制激光二极管以将fmcw信号提供为线性。所述方法还包括设置分离器以将fmcw信号分离成输出信号和局部振荡器(lo)信号，布置发射耦合器以发射输出信号，布置接收耦合器以基于目标对输出信号的反射获得接收信号，并组装组合器以将接收信号与lo信号组合，并将结果分离成第一组合信号和第二组合信号。第一光电检测器接收第一组合信号，并基于第一组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第一电信号。第二光电检测器接收第二组合信号，并基于第二组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第二电信号。从第一电信号和第二电信号获得的差拍信号用于确定驱动信号的预失真。

除了本文描述的一个或多个特征之外，确定驱动信号的预失真包括确定驱动信号的调制电压vapp。

除了这里描述的一个或多个特征之外，确定驱动信号的调制电压vapp包括使用差拍信号进行反馈控制，并且确定驱动信号的调制电压vapp包括确定导致差拍信号的频率恒定的调制电压vapp。

除了本文描述的一个或多个特征之外，所述方法还包括在通过发射透镜对来自发射耦合器的输出信号进行准直之后，布置发射波束转向设备以将输出信号引导出激光雷达系统。

除了本文描述的一个或多个特征之外，所述方法还包括布置接收透镜以将由接收波束转向设备引导的接收信号聚焦到接收耦合器。

在又一示例性实施例中，一种车辆包括激光雷达系统，激光雷达系统包括：激光二极管，用于提供调频连续波(fmcw)信号；以及电流源，用于提供调制激光二极管以提供fmcw信号的驱动信号。控制电流源以执行驱动信号的预失真，以将fmcw信号提供为线性。车辆的激光雷达系统还包括：分离器，用于将fmcw信号分离成输出信号和局部振荡器(lo)信号；发射耦合器，用于发射输出信号；接收耦合器，用于基于目标对输出信号的反射来获得接收信号。组合器将接收信号与lo信号组合，并将结果分离成第一组合信号和第二组合信号。第一光电检测器接收第一组合信号，并基于第一组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第一电信号。第二光电检测器接收第二组合信号，并基于第二组合信号中的接收信号和lo信号的干扰输出第二电信号。从第一电信号和第二电信号获得的差拍信号指示驱动信号所需的预失真。车辆还包括车辆控制器，用于基于从拍频信号获得的信息来增强或自动化车辆的操作。

除了这里描述的一个或多个特征之外，驱动信号的预失真是由驱动信号的调制电压vapp的确定产生的。

除了本文描述的一个或多个特征之外，基于使用差拍信号进行反馈控制来确定调制电压vapp。

除了本文描述的一个或多个特征之外，确定导致差拍信号的恒定频率的调制电压vapp以获得驱动信号的预失真。

除了本文描述的一个或多个特征之外，激光二极管是制造在光子芯片上或附着在光子芯片顶部的光子发射半导体器件。

除了本文描述的一个或多个特征之外，车辆还包括发射透镜，发射波束转向设备，接收透镜和接收波束转向设备。在通过发射透镜对来自发射耦合器的输出信号进行准直之后，发射波束转向设备将输出信号引导出激光雷达系统，并且接收透镜将由接收波束转向设备引导的接收信号聚焦到接收耦合器。

通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，附图中：

图1是根据一个或多个实施例的涉及芯片级相干激光雷达系统的场景的框图。

图2是根据一个或多个实施例的示例性激光雷达系统的框图；并且

图3是详细说明根据一个或多个实施例的激光雷达系统的光源的框图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

如前所述，相干激光雷达系统发射fmcw信号。在芯片级激光雷达系统中，可以通过控制施加到激光二极管的驱动电流来获得fmcw信号。然而，驱动电流的调制与激光二极管输出的连续波的最终频率调制不完全对应。也就是说，驱动电流的线性变化导致激光二极管输出的信号的非线性光学频率调制。fmcw信号中的这种非线性导致降低的信噪比(snr)，并因此导致激光雷达系统的性能损失。

本文详述的系统和方法的实施例涉及在被称为预失真的过程中操纵驱动电流，以便获得线性fmcw信号，从而增加snr。具体地，驱动电流被参数化并表示为闭合形式函数的线性和或可以数值求解的函数。操纵参数化驱动电流的幅度以实现激光二极管中的光学频率线性化。作为通过由激光雷达系统接收的反射和局部振荡器(lo)光的处理(即，光学混合)获得的信号，差拍信号用作用于调节驱动电流波形的反馈控制。

根据示例性实施例，图1是涉及芯片级相干激光雷达系统110的场景的框图。图1示出的车辆100是汽车101。相干激光雷达系统110(参考图2进一步详述)示出为汽车101的车顶。根据替代或另外的实施例，一个或多个激光雷达系统110可以位于车辆100上的其他位置(例如，前保险杠和后保险杠、侧面)。还示出了另一传感器115(例如，照相机、声纳、雷达系统)。由激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115获得的信息可以被提供给控制器120(例如，电子控制单元(ecu))，用于图像或数据处理、目标识别和随后的车辆控制。

控制器120可以使用信息来控制一个或多个车辆系统130。在示例性实施例中，车辆100可以是自主车辆，并且控制器120可以使用来自激光雷达系统110和其他来源的信息执行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自激光雷达系统110和作为已知系统(例如，碰撞避免系统、自适应巡航控制系统)的一部分的其他来源的信息来增强车辆操作。激光雷达系统110和一个或多个其他传感器115可用于检测物体140，诸如图1中所示的行人145。控制器120可以包括处理电路，其可以包括专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。

图2是根据一个或多个实施例的示例性激光雷达系统110的框图。出于解释的目的，图2描绘了双基地激光雷达系统110，其包括单独的发射和接收路径。然而，本文详述的用于产生fmcw信号242的调制的实施例也适用于单基地系统。光子芯片230包括光源240。光源240可以包括不在光子芯片230上的组件。例如，如参考图3详细描述的那样，光源240可包括光子芯片230上的激光二极管310和片外电流源320。电流源320的调制导致由光源240输出调频连续波(fmcw)信号242。fmcw信号242由分离器245分离成被提供到发射波束耦合器250(例如，光栅耦合器或边缘耦合器)以进行发射的输出信号246和局部振荡器(lo)信号247。

输出信号246可以在发射透镜225b准直之后由发射波束转向设备220b引导。例如，发射波束转向设备220b可以是二维微机电系统(2dmems)镜。发射的输出信号246可以遇到目标140。在那种情况下，在由接收波束转向设备220a(例如，接收波束2dmems镜)引导并由接收透镜225a聚焦之后，由目标140反射的一些光被接收波束耦合器260(例如，光栅耦合器或边缘耦合器)接收为接收信号262。

接收信号262在组合器265处与lo信号247组合，然后分离成组合信号267a和267b(统称为267)。每个组合信号267被提供给光电检测器270a、270b(统称为270)。每个组合信号267中的接收信号262和lo信号247在每个光电探测器270中相互干扰。光电探测器270将干扰的结果转换成电流275a、275b(统称为275)，其也被称为作为具有拍频vb的拍频信号。根据已知的平衡检测器技术使用两个光电检测器270来消除对于两个光电检测器270共同的lo信号247中的强度噪声(其由光源240引起，因此在输出信号246中是相同的)。来自每个光电探测器270的电流275被组合和处理，以获得三维信息，例如至目标140的范围和目标140到激光雷达系统110的相对速度，作为由波束转向设备220a、220b提供的二维空间坐标的函数。例如，处理可以由处理器280在激光雷达系统110内执行，或者由控制器120在激光雷达系统110外部执行。处理器280可以包括与针对控制器120所讨论的处理电路类似的处理电路。

图3是详细描述根据一个或多个实施例的光源240的框图。激光二极管310是在光子芯片230的顶部上制造或附着在其上的光子发射半导体器件。可以不是根据图3所示的示例性实施例的光子芯片230的一部分的可编程电流源320用于产生fmcw信号242。电流源320的调制产生调频连续波(fmcw)信号242。具体地，随时间t的驱动信号330的调制电压vapp确定fmcw信号242的线性度。如前所述，驱动信号330的适当预失真(即，非线性)导致fmcw信号242的线性。如上所述，拍频vb用作用于调节驱动信号330的反馈控制。

具体地，当调制频率保持恒定时，fmcw信号242可凭经验确定为调制幅度的函数。拍频vb可表示为：

在等式1中，c和d0分别是具有赫兹/伏特(hz/v)和hz/秒(hz/秒)的相应单位的常数，并且γv是以(v/秒)为单位的时间相关调制电压(vapp)的斜率。等式1可以改写为：

根据一个或多个实施例，等式2用于确定将提供恒定拍频vb的调制电压vapp。

假设fmcw信号242在调制时间内不是线性的，可以将任意函数分配给拍频vb。例如，拍频vb可以写为一阶为：

vb＝γbt+vb0[等式3]

等式3也符合实验结果。因此，等式2和等式3可用于设置以下内容：

当拍频vb对于调制周期是恒定的时，如线性fmcw信号242所期望的，施加的电压vapp可以求解为：

在等式5中，t0、voff和是优化参数。在替代实施例中，拍频可以以其他函数形式表示，使得微分方程(等式4)可以在数值上求解。

虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。