具有提高的距离分辨率的FMCW外差检测激光雷达成像系统的制作方法

本发明的领域为频率调制的连续波(fmcw)外差检测激光雷达成像系统。

背景技术：

1、fmcw外差检测激光雷达成像系统可以确定由相干光学信号照射的场景的距离。这种成像系统基于外差检测的原理，就此意义而言，成像系统使用参考信号和由场景背向散射的信号之间的干涉所形成的外差信号的特性。这两个光学信号彼此相干，并且来源于由光源发出的称为主信号的相同的光学信号。文件us 2020/300993 a1、us 2019/064358 a1、us 2020/011994 a1等描述了fmcw激光雷达成像系统的各种实例。

2、对此，文件wo2021/144357a1描述了这种成像系统的示例，此处称为闪光成像系统，因为其配置为同时照射场景的多个点并由此确定距离图(距离图像)。

3、图1是这种成像系统1的示意图和局部视图。其至少包括：

4、·相干的、频率调制且为连续波的所谓主信号sp的光源10；

5、·分光和重组(recombining)光学装置20，包括配置为将主信号sp分为朝向场景2引导的目标信号so和朝向光电检测器50引导的参考信号sr的分光光学元件21；用于对参考信号sr进行整形的光学元件22；以及配置为将参考信号sr和背向散射的目标信号sor的部分sor,c沿相同的光轴朝向光电检测器50引导的重组光学元件23；

6、·配置为投射目标信号so以同时照射整个场景2的投射光学装置30；

7、·成像光学装置40，配置为透射背向散射的目标信号sor的被收集的部分sor,c，并在光电检测器50的检测平面内形成被照射的场景2的图像。光学装置40包括收集限定背向散射的目标信号sor的部分sor,c的光束的集光光学元件；

8、·配置为接收干涉形成具有拍频fb的外差信号sh的背向散射的目标信号sor的被收集的部分sor,c和参考信号sr的光电检测器50(此处为矩阵阵列光电检测器)；

9、·配置为基于外差信号sh的拍频fb确定场景2的距离zsc(以及在此的距离图)的处理单元60。

10、主信号sp是线性调频的(chirped)，例如，具有起始频率f0和在周期t上值b的变化(即表现出瞬时频率的变化)。线性调频的主信号sp是正弦波，其瞬时频率随时间变化(此处是线性变化)。

11、因此，光电检测器50接收背向散射的目标信号sor的具有延迟τ的目标信号so的衰减和延迟的复制品(replica)的被收集的部分sor,c。延迟导致了间隔[τ；t](t>>τ)内两个信号之间(即参考信号sor与背向散射且被收集的目标信号sor,c之间)的频率差fb。当参考信号sr走过的路径被忽略时，延迟τ大约为2zsc/c，其中c是真空中的光速。该频率fb称为拍频，等于参考信号sr与背向散射且被收集的目标信号sor,c之间的频率差。拍频fb的值可以在时域中通过计算外差信号sh在周期t上的振荡次数确定，或者在频域中通过快速傅里叶变换确定。

12、然后可以基于该拍频fb的值，确定被照射的场景2和矩阵阵列光电检测器50之间的距离zsc。具体地，鉴于fb/b＝τ/t，τ＝2zsc/c，那么场景的距离zsc可以以距离分辨率δzsc＝c/2b利用以下关系确定：zsc≈fbct/2b。距离分辨率δzsc定义为成像系统能够测量场景中给定目标的两个连续位置之间或两个横向分离的目标之间的最小距离差。举例来说，对于7.5ghz的线性调频带宽b，距离分辨率δzsc为2cm。

13、然而，有必要提供具有提高的距离分辨率的成像系统。为此，一种方法是增加通常通过移动激光腔的反射器之一产生(例如通过压电效应产生或通过调节激光源的注入电流产生)的线性调频带宽b的值。然而，这种线性调频带宽的增加可能会明显导致拍频fb的确定值出现错误，并且因此导致距离zsc的确定值出现错误，这主要是因为由注入电流的调制引起的激光源的光功率的调制和/或线性调频带宽的非线性。aflatouni等人在题为“nanophotonic coherent imager,opt.express 23(4),5117-5125(2015)”的文件中描述的一种替代方案为例如通过在周期t上计算外差信号sh振荡的十进制的次数以提高拍频fb的测量的分辨率，但这会使处理单元的电子元件复杂化。

技术实现思路

1、本发明的目的为至少部分地克服现有技术的缺点，更特别地提供一种fmcw外差检测激光雷达成像系统，该系统的距离分辨率得到提高，而不会降低成像系统的性能或使处理电子器件复杂化。

2、为此，本发明的主题为一种fmcw激光雷达成像系统，包括：

3、·相干光源，配置为发射频率调制的连续波主信号sp；

4、·分光和重组光学装置，配置为将主信号sp分为朝向光电检测器引导的参考信号sr和朝向场景引导的目标信号so，场景背向散射目标信号so的部分，所述部分称为背向散射的目标信号sor；并且配置为将参考信号sr和背向散射的目标信号sor的被集光光学元件收集的部分sor,c沿相同的光轴朝向光电检测器引导；

5、·集光光学元件，配置为收集背向散射的目标信号sor的部分sor,c；

6、·光电检测器，用于接收干涉形成外差信号sh的参考信号sr和背向散射的目标信号sor的被收集的部分sor,c；

7、·处理单元，配置为基于外差信号sh的拍频确定场景的距离zsc。

8、根据本发明，成像系统包括配置为将背向散射的目标信号sor的未被集光光学元件收集的部分sor,nc沿朝场景的方向反射的反射器。因此，背向散射的目标信号sor的被收集的部分sor,c由未被反射器反射的第一光束sor,c(1)和已被反射器反射、然后被场景反射的第二光束sor,c(2)形成。因此，外差信号sh具有与所述第一光束sor,c(1)相关的主分量sh(1)，以及与所述第二光束sor,c(2)相关的次分量sh(2)。处理单元配置为基于外差信号sh的次分量sh(2)的拍频fb(2)确定场景的距离zsc。

9、此处注意，由被反射器反射后的第二光束sor,c(2)属于背向散射的目标信号sor的被收集的部分sor,c，并且所述背向散射的目标信号sor是由场景背向散射的信号。那么可以理解，第二光束sor,c(2)在被收集之前已经被场景反射。

10、以下是本成像系统的某些优选但非限制性的方面。

11、反射器可以为逆反射的，以便将入射光束沿与入射光束的入射轴相同的反射轴沿朝场景的方向反射。

12、反射器可以具有位于距集光光学元件的光轴的最大距离rmax处的横向边缘。所述反射器的尺寸可以被设置为使得当反射器是逆反射的时，所述最大距离rmax小于√(czsc/2b)，其中c是真空中的光速，b是主信号sp的频率在一个调制周期t上的变化。所述反射器的尺寸可以设置为使得当反射器不是逆反射的时，最大距离rmax小于√(czsc/6b)。

13、反射器可以位于集光光学元件的平面内。

14、反射器可以位于集光光学元件的下游、在光电检测器的水平处。

15、通常，反射器可由连续的反射或逆反射表面形成，或者可由通过相对于感兴趣的光学信号的波长透明或反射的表面彼此分开的非连续的反射或逆反射表面形成。

16、反射器可以位于集光光学元件的上游，并且被集光轴穿过，所述反射器然后由彼此分开并且由对主信号sp的波长透明的区域包围的反射或逆反射的区域形成。

17、反射器可以包括由集光轴穿过的中心区域和包围所述中心区域的外围区域，在所述中心区域中，形成彼此分开并且由透明区域包围的反射或逆反射的区域，在所述外围区域中，所述反射或逆反射的区域彼此相接。

18、成像系统可以配置为只照射场景的一个点。作为变型，成像系统可以配置为同时照射场景的多个点，并且然后配置为包括用于将目标信号so投射到场景上以同时照射场景的多个点的光学装置和配置为在光电检测器的平面中形成被照射的场景的图像的成像光学装置。

19、处理单元可以通过计算外差信号sh的次分量sor,c(2)中的振荡确定拍频fb(2)。

20、处理单元可以配置为确定外差信号sh的主分量sh(1)的拍频fb(1)，然后对外差信号sh应用排除所确定的拍频fb(1)的带通滤波器以获得次分量sh(2)，并且最终确定次分量sh(2)的拍频fb(2)。外差信号sh的主分量sh(1)的拍频fb(1)可以通过计算外差信号sh的振荡确定。

21、处理单元可以通过应用于外差信号sh的傅里叶变换确定拍频fb(2)。

22、成像系统可以具有所谓的单静态配置，在该单静态配置中，由目标信号so照射场景的光轴与集光光学元件的集光轴相同。另外，成像系统可以包括反射镜，由分光和重组光学装置的分光光学元件将参考信号sr朝向所述反射镜引导。

23、成像系统可以具有所谓的双静态配置，在双静态配置中，由目标信号so照射场景的光轴与集光光学元件的集光轴不同。