[发明专利]改进的检测设备和相关联的激光雷达系统

说明书

本发明涉及一种用于相干激光雷达成像系统的检测设备，检测设备包括集成检测器，集成检测器包括分布在N列和M行之上的像素的矩阵阵列，并且包括：‑光引导件，光引导件被称为参考引导件，光引导件被配置为接收激光束，激光束被称为参考束，‑N个光引导件，N个光引导件被称为列引导件，N个光引导件耦合到参考引导件，‑每个列引导件耦合到M个光引导件，M个光引导件被称为行引导件，M个行引导件被配置为将参考束的一部分路由到列的每个像素中，被路由到列的每个像素中的参考束的部分被称为像素参考束，‑集成检测器的每个像素包括：‑引导光电二极管，‑衍射光栅，‑耦合器，‑电子读出和预处理电路。

技术领域

本发明涉及相干激光雷达成像领域，并且更特别地，涉及在这样的系统中使用的检测器。

背景技术

使用相干激光雷达对场景进行成像利用了激光源的发射的相干性质，以便使用来自与有用信号相干的参考路径的信号来放大由场景反射的有用信号。

相干激光雷达的原理在现有技术中是公知。相干激光雷达包括发射相干光波(IR、可见或近UV范围)的相干源(通常为激光器)、允许照射空间体积的发射设备、以及收集由目标T反向散射的光波的一部分的接收设备。反向散射波的多普勒频移取决于目标T的径向速度v：在接收时，所接收的信号频率fs的反向散射光波(被称为信号波S)与所发射的波的尚未穿过场景的部分(被称为LO(本机振荡器)波，其具有本机振荡器频率fLO)混合。这两个波的干涉由光电检测器PD检测，并且在检测器的输出处的电信号除了与接收功率和本机振荡器功率成比例的项之外，还具有被称为差拍信号Sb的振荡项。该信号被数字化，并且从中提取关于目标T的速度的信息。

在图1中示意性地示出的被称为FMCW(调频连续波)激光雷达的调频相干激光雷达中，通常使用周期性线性斜变来调制相关源f的光频率。

在光电检测器上干涉的两个路径产生差拍，拍频与两条路径之间的延迟成比例，并且因此与距离成比例

更具体地，对于线性斜变，振荡的频率为：

其中，B是斜变的持续时间T内的光频率偏移或“啁啾(chirp)”，z是距离并且，c是光的速度。

距离z可以从在持续时间T内测量的周期的数量N(N≈Tf_R)导出：

距离分辨率为还可以通过经由差拍信号的傅里叶变换的频谱分析来测量f_R。

干涉信号包含一般地大且无用的DC分量，如果感光器是光电二极管，则通过高通电子滤波来去除该分量。在基于光纤的设置中，实际上使用3dB耦合器，其基于输入处的两个路径(对象路径和参考路径)提供反相的两个输出信号，这两个输出信号照射串联的两个光电二极管(平衡光电二极管)。检测电路使得可以区分两个光电流，并且因此去除DC(共模)部分，并且检测AC(差拍信号)部分。AC部分一般地在外部由跨阻抗放大器(TIA)放大，之后由外部电子设备(例如，示波器)处理，以便测量频率。

FMCW激光雷达技术是一种光外差测量技术(也就是说，其涉及多个光频率)。该技术对杂散的环境光(例如，阳光)高度不敏感。

为了产生场景的完整图像，激光雷达使用扫描设备(“卷帘式快门”图像)顺序地扫描场景。

实际上，对于高分辨率图像(例如，VGA或XGA)，难以实现以视频帧速率(通常50Hz)获取距离图像，因为在每个点处可用于测量距离的时间非常短。