本发明涉及主动成像的领域，并且具体涉及3维场景成像(对象的距离和任选的径向速度)。更具体地，本发明涉及频率调制的连续波激光雷达，其用于确定距离，并且在适当的情况下，用于确定待观察的场景的各点处的速度信息。
背景技术：
1、对距离的测量涉及使用用于照射场景的光源和能够对距离值(和/或速度值)进行编码的探测器(更一般而言是图像传感器)，以便获得关于整个观察的场景的三维信息。更确切地，对于场景的每个点(x,y)，分配深度值(z)和任选的速度值(vz)，以获得深度图z＝f(x,y)和任选的径向速度图vz＝g(x,y)。
2、在文献中描述了许多主动成像技术。可能提到了结构化光以及直接和间接飞行时间技术。在此感兴趣的技术是这样的技术：使用相干光源(激光)并且使射束中的部分(本地振荡器射束)转向，以便一旦场景被其余未转向的射束照射(逐点地或者一次全部地，参见下文)后，将其用作由场景背向散射的信号的放大器。
3、连续波激光雷达的原理在现有技术中是众所周知的，并且如在图1中所图示的。连续波激光雷达1包括：相干源，通常是激光器las，其发射相干频率调制的光学波l(在ir、可见光或者近uv域中)；以及包括至少一个像素p的探测设备det0，所述至少一个像素p包括光电探测器组件pd。发射设备照射空间体积，并且接收设备收集光学波中由待观察的场景或目标背向散射的部分。在接收时，背向散射的光学波和所发射的波中未被传输到场景的部分(被称为“本地振荡器”)被混合在一起。这两种波的干涉由光电探测器来探测，并且由探测器输出的电信号包含与本地振荡器的功率乘以由场景背向散射的信号的功率的乘积成比例的振荡项。该信号被数字化，并且从中提取距离和/或速度信息。背向散射的波的多普勒频移取决于对波进行背向散射的点的径向速度：
4、因此，激光雷达1包括第一光学设备do1，其被配置为将激光辐射l在空间上分离为参考射束lref(本地振荡器)和被引导朝向待观察的场景sc的对象射束lo。激光雷达1也包括第二光学设备do2，其被配置为同时地向像素p递送重组射束lrecomb，重组射束lrecomb对应于参考射束lref与当场景被对象射束照射时由场景反射的射束lo,r的叠加。连续波激光雷达成像系统还被配置为根据由像素p探测到的信号spix来确定距离信息。
5、在图1中，已经示出了单个像素，但是探测器det0实际上可以包括以线性或矩阵阵列布置的大量像素。
6、已知允许确定深度图的频率调制的连续波(fmcw)激光雷达。图2示意性图示了一种已知的现有技术fmcw激光雷达1的操作。
7、激光源las被配置为发射具有光学频率fopt-lo的激光辐射l，所述光学频率fopt-lo在针对持续时间t的宽度b的至少一个频率范围内线性地变化，如在图2中所图示的。b通常被称为线性调频(chirp)。已经行进了从激光雷达2到场景的距离z的两倍的背向散射的波具有频率fopt-sc。
8、在光电探测器上干扰的两个通道(频率为fopt-lo的lref和频率为fopt-sc的lo,r)产生节拍，所述节拍的频率与两个通道之间的延迟δt成比例，并且因此与距离z成比例。这些节拍在探测到的电信号ipd中被复制。
9、更准确而言，对于线性斜坡，振荡的频率为：
10、
11、其中，b是在斜坡的持续时间t期间的光学频率移动或线性调频，并且c是光速。
12、距离z能够根据在持续时间t期间测量的周期数k(k≈tfr)导出来(所谓的计数法)：
13、
14、激光雷达的距离分辨率为
15、也能够经由对节拍信号的傅里叶变换(所谓的fft方法)的频谱分析来测量fr。
16、为了形成场景的完整图像，第一种已知类型的fmcw激光雷达使用扫描器依次照射场景，并且重组射束由单个光电探测器来探测。在实践中，难以以视频速率(通常为50hz)来采集高分辨率(例如，vga或xga)的距离图像，因为针对每个点处的距离测量可用的时间是非常短的。
17、因此，第二种已知类型的fmcw激光雷达，诸如在文档wo2021144357中所描述的，并且如在图3中所图示的，允许通过大量像素并行地采集关于场景的各点的信息。单个光电探测器由矩阵阵列成像器41替代，其中，每个像素pij包含光电探测器pdij，光电探测器pdij探测与所述场景中的点的图像相对应的信息，所述图像是由合适的光学器件形成的。被引导朝向所述场景的射束lo在不被扫描的情况下一次照射整个目标表面。本地振荡器射束lref也适合用于照射成像器的整个表面。由于距离与外差信号的节拍频率成比例，因此如果期望同时地获得针对整个场景的距离信息，就有必要测量针对每个像素的该频率。通常，所述测量可以针对所有像素同时地执行(全局快门模式)或者逐行地执行(滚动快门模式)。
18、前述文档的激光雷达3包括激光源las，其在时域内由持续时间为t的前述线性调频b来调制，并且激光辐射的相干长度比待观察的场景sc与激光雷达3之间最大预定距离zmax大至少两倍。
19、激光雷达3也包括光学设备ds，被称为分配器，其对应于前述第一光学设备do1。
20、第二光学设备do2包括光学组合器dr，其被配置为将参考射束lref在空间上叠加在由场景反射的射束lo,r上，从而形成重组射束。第二光学设备do2也包括光轴ao(隔膜图)的光学成像系统im，所述光学成像系统通过对探测器41上由场景反射的射束lo,r进行成像而形成所述场景的图像。由于场景通常所处的距离远远大于光学器件im的焦距，因此探测器41基本上位于光学器件im的焦平面中。
21、光学设备do1和do2被配置为使得探测器的每个像素pij接收由场景返回的图像射束的部分，所述部分被指定为lo,r/pix，以及参考射束的部分，所述部分被指定为lref/pix，并且使得这些部分在空间上叠加在每个像素上。优选地，例如通过添加额外的光学器件si(未示出)来配置这些设备，以将来自激光源的参考射束转换到垂直于成像光学系统im的光轴ao的中间图像平面pi，从而产生与反射射束相干的(虚拟或真实)参考源。所述中间平面pi位于成像光学系统附近，以产生均匀场条纹(fringes)，所述均匀场条纹是通过每个照射的像素pij探测到的反射射束的lo,r/pix部分与参考射束的lref/pix部分之间的干涉获得的。为简单起见，照射像素的射束部分被认为等同于由该像素的光电探测器探测到的射束部分。这种均匀场条件意味着：在每个像素pij上，反射射束的部分lo,r/pix的传播轴与参考射束的部分lref/pix的传播轴共线或者基本共线。参考射束的虚拟或真实的中间图像ps在中间图像平面pi中形成，平面pi被放置，以便在每个照射的像素上生成由部分之间的干涉获得的均匀场条纹。
22、连续波激光雷达成像系统3还包括至少一个电子处理电路，其被配置为针对每个像素pij计算图像射束的部分与参考射束中照射像素的部分的节拍的频率f(i,j)。
23、最后，激光雷达3包括处理单元ut，所述处理单元ut被连接到激光源和探测器41，并且被配置为：根据计算出的与每个像素相关联的节拍频率并且根据激光辐射的调制的光学频率，来确定在像素上被成像的场景中的各点的距离。所述处理电路可以位于行或列中的每个像素中，或者位于处理单元ut中。
24、针对每个像素提供本地振荡器使得能够同时地获得场景的每个点的图像。因此，结合矩阵阵列探测器的激光雷达3的架构与大量像素(无扫描)兼容，从而允许产生高分辨率的激光雷达图像。在此的外差混合发生在每个像素中。
25、在激光雷达3中，b和t是恒定的。为了探测包括在zmin与zmax之间的距离z处的点，频率fr必须在从frmin(其是由zmin定义的)到frmax(其是由zmax定义的)的范围δfr的整个范围内是可测量的。因此，δfr是待测量的信号的频率范围，并且：
26、δfr ＝ 2.b. (zmax-zmin) / c.t (2)
27、当待测量的距离范围增加时，δfr增加，这意味着用于放大ipd的一个或多个电路的带宽增加，这增加了这些电路的噪声和功耗。这也增加了ipd的dc分量的光子噪声并且降低了信噪比。具体而言，众所周知，信噪比与成反比。信噪比的降低可能因噪声而导致错误计数。
28、此外，一般而言，关于节拍信号的频率的测量仍然存在困难。在fft方法和计数方法的两种情况下，都有必要将复杂并且相当密集的电子器件集成到每个像素中。因此，考虑到将必须被适配到单个像素的区域中的mos晶体管的数量，不能够实现全局快门成像器。即使在一些电子器件被放置在列底部的滚动快门成像器的情况下，也难以利用这种解决方案来实现视频速率。
29、本发明的一个目的是通过提供一种连续波激光雷达成像系统来克服前述缺点，允许降低测量外差信号的频率所需的探测电子器件的复杂性，并且改善信噪比。
技术实现思路
1、本发明的一个主题是一种连续波激光雷达系统，包括：
2、-激光源，其被配置为生成激光辐射，所述激光辐射具有在索引为i的多个n个连续频率范围内线性变化的激光光学频率fopt-l，其中，n大于或等于2，频率范围具有宽度bi和持续时间ti，所有所述频率范围的总和对应于总持续时间，比率bi/ti的绝对值针对每个频率范围是不同的，
3、-第一光学设备，其被配置为将所述激光辐射在空间上分离为参考射束和被引导朝向待观察的场景的对象射束，
4、-探测设备，其包括至少一个像素，所述至少一个像素包括光电探测器组件，
5、-第二光学设备，其被配置为同时地向所述像素递送重组射束(lrecomb)，所述重组射束对应于参考射束与当所述场景被所述对象射束照射时由所述场景反射的射束的叠加，
6、-频移器，其被放置在参考射束的路径上，并且被配置为以包含在区间[frmax，frmin]中的频移将所述激光光学频率移位，其中，frmax和frmin分别对应于：与最大测量距离相关联的节拍外差频率，以及在不存在频移器的情况下的最小测量距离，
7、-处理单元，其被配置为驱动所述激光源并且被连接至所述探测设备，
8、-所述连续波激光雷达成像系统还被配置为根据由所述像素探测到的信号来确定距离信息，所述距离信息是根据在探测到的信号的节拍频率为零或最小化时所应用的激光光学频率范围的值bi0和ti0来确定的。
9、根据一个实施例，索引为i的每个频率范围对应于从传感器到场景的距离范围δzi，范围从zmini到zmaxi，其中，zmini<zmaxi，并且确定比率bi/ki，使得对于i，范围从1到n-1：
10、
11、其中，
12、根据一个实施例，持续时间ti全部相同。
13、根据一个实施例，宽度bi满足以下关系：
14、bi＝k.bi+1。k是大于1的实数。
15、根据一个实施例，根据本发明的连续波激光雷达系统还包括扫描器，所述扫描器被配置为利用对象射束逐点地或者逐行地照射所述场景。
16、根据另一实施例，所述激光源和/或所述第一光学设备被配置为照射整个场景，所述探测器包括以矩阵阵列布置的多个像素，并且所述第二光学设备被配置为在每个像素的光电探测器上叠加参考射束和由所述场景在基本相同的传播方向上反射的射束。
17、根据一个实施例，所述频移器包括以-1阶操作的至少一个声光调制器。
18、根据一个实施例，频率范围i中的调制被称为子阶段i，并且每个像素包括被耦合到光电探测器的读取电路，所述读取电路包括：
19、-积分器(integ)，在每个子阶段中，其对当激光射束未被频率调制时由像素探测到的参考信号(ref)和在所述子阶段期间探测到的像素信号进行积分，
20、-比较器(comp)，其比较积分参考信号(ref')和积分像素信号(spix')，并且在积分像素信号不同于积分参考信号时切换到高状态，以及
21、-逻辑电路(clog)，其在所述比较器处于高状态时递送所述像素的地址(xadd，yadd)。
22、根据另一方面，本发明涉及一种用于采集从连续波激光雷达系统到场景的距离的方法，包括以下步骤：
23、-a生成激光辐射，其激光光学频率fopt-l在索引为i的多个n个连续频率范围内线性地变化，频率范围具有宽度bi和持续时间ti，所有所述频率范围的总和对应于总持续时间，比率bi/ti的绝对值针对每个频率范围是不同的，
24、-b将所述激光辐射在空间上分离为参考射束和被引导朝向待观察场景的对象射束，
25、-c利用对象射束来照射所述场景，
26、-d以包含在区间[frmax，frmin]中的频移将所述参考射束的激光光学频率移位，其中，frmax和frmin分别：对应于与最大测量距离相关联的节拍外差频率，以及在不存在所述参考射束的激光光学频率的所述移位的情况下对应于最小测量距离，
27、-e同时地向探测设备的至少一个像素递送重组射束，所述重组射束对应于所述参考射束与由所述场景反射的射束的叠加，探测所述重组射束并且生成探测信号，
28、-f根据所述探测信号来确定所述探测信号的节拍频率为零或者是最小化的，
29、-g确定在所述时间应用的所述激光光学频率的范围的值bi0和ti0，
30、-h根据所述值bi0和ti0来确定距离信息。
31、根据一个实施例，频率范围i中的调制被称为子阶段i，并且在步骤a中，所生成的激光辐射的光学频率在持续时间ti之前的持续时间t0内不被调制，并且，在步骤e中，在持续时间t0期间探测被称为参考信号的信号，并且步骤f包括比较子步骤，其中，针对每个子阶段，将在所述子阶段期间积分的参考信号与在所述子阶段期间积分的探测信号进行比较。
32、下文的描述呈现了本发明的设备的实施例的多个示例：这些示例并不限制本发明的范围。这些实施例的示例不仅包含本发明所必需的特征，而且也包含与所讨论的实施例相关的额外特征。
33、通过参考附图给出的以下详细描述，将更好地理解本发明，并且其其他特征、目标和优点将变得显而易见，附图以非限制性示例的方式给出，并且其中：
34、已经提到的图1图示了已知的连续波激光雷达的原理。
35、已经提到的图2图示了频率调制的激光雷达的已知原理。
36、图3图示了频率调制的激光雷达的已知变体，其中，整个场景被同时地照射并且在包括多个像素的成像器上探测信号。
37、图4图示了针对所谓的多线性调频激光雷达的频率调制的第一示例。
38、图4a图示了针对多线性调频激光雷达的频率调制的第二示例。
39、图5图示了避免测量不可实现的参数(b，t)的单线性调频激光器的外差信号的频率的直观方式。
40、图6图示了平坦化外差信号的另一种方式，其包括以频率fd将参考射束的光学频率移位。
41、图7图示了由激光器生成的波的频率的移位以及在区间[frmin；frmax]内变化的频率fd的概念，所述移位被应用于参数(b，t)的单线性调频激光雷达，使得参考频率与移位后的参考频率之间的差值涵盖了包括待测量的频率fr在内的一组频率。
42、图8图示了诸如在图4中所图示的多线性调频激光雷达的激光源的调制的频移fd0的一个示例。
43、图9图示了根据本发明的连续波激光雷达系统10。
44、图10图示了根据本发明的连续波系统的第一变型，其还包括被配置为利用对象射束逐点地照射场景的扫描器。
45、图11图示了根据本发明的连续波激光雷达系统的第二变型，其具有诸如在图3中所图示的架构。激光源和/或第一光学设备d1被配置为照射整个场景，并且探测器包括以矩阵阵列布置的多个像素。
46、图12图示了使用声光调制器作为频移器。
47、图13图示了并入有校准相位的激光源的频率调制的实施例。
48、图14图示了在像素级的零频率的探测的实施例。
1.一种连续波激光雷达系统(10)，包括：
2.根据前一权利要求所述的连续波激光雷达系统，其中，索引为i的每个频率范围对应于从所述传感器到所述场景的距离范围δzi，δzi在从zmini到zmaxi的范围内，其中，zmini<zmaxi，并且其中，确定所述比率bi/ki，使得针对在从1到n-1的范围内的i：
3.根据前述权利要求中的一项所述的连续波激光雷达系统，其中，所述持续时间ti全部相同。
4.根据前述权利要求中的一项所述的连续波激光雷达系统，其中，所述宽度bi满足以下关系：
5.根据前一权利要求所述的连续波激光雷达系统，还包括扫描器(sd)，所述扫描器被配置为逐点地或者逐行地利用所述对象射束来照射所述场景。
6.根据权利要求1至4中的一项所述的连续波激光雷达系统，其中，所述激光源和/或所述第一光学设备被配置为照射整个场景，其中，所述探测器包括以矩阵阵列布置的多个像素(pij)，并且其中，所述第二光学设备被配置为将所述参考射束(lref/pix)和由所述场景在基本相同的传播方向上反射的所述射束(lo,r/pix)叠加在每个像素的所述光电探测器(pdij)上。
7.根据前述权利要求中的一项所述的连续波激光雷达系统，其中，所述频移器(fsd)包括以-1阶操作的至少一个声光调制器(aom)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的连续波激光雷达系统，其中，在频率范围i中的调制被称为子阶段i，并且其中，每个像素包括被耦合到所述光电探测器(pd)的读取电路(cl)，所述读取电路包括：
9.一种用于获取从连续波激光雷达系统(10)到场景的距离(z)的方法，包括以下步骤：
10.根据前一权利要求所述的距离获取方法，其中，在频率范围i中的调制被称为子阶段i，其中，在步骤a中，在所述持续时间ti之前的持续时间t0内不调制所生成的激光辐射的所述光学频率，其中，在步骤e中，在所述持续时间t0期间探测被称为所述参考信号的信号，并且其中，步骤f包括比较子步骤，在所述比较子步骤中，对于每个子阶段，比较在所述子阶段期间积分的所述参考信号与在所述子阶段期间积分的所述探测信号。
