[发明专利]相干LIDAR成像系统

说明书

本发明涉及一种相干LIDAR成像系统(D)，包括：·激光源；·光学分离器/重组器(SSR)，其适于将激光辐射(L)分离成参考光束(L_ref)和物体光束(L_o)并且将参考光束(L_ref)叠加在被所述场景反射的反射物体光束(L_or)上；·在检测器(Det)上创建场景的图像的光学成像器(Im)；·包括像素P_i的阵列的检测器(Det)，i∈[1,n]，其适于检测反射物体光束和参考光束，反射物体光束和参考光束一起形成具有表示被照射场景的范围的拍频的重组光束(L_rec)；·所述光学分离器/重组器(SSR)被配置成在垂直于所述光轴的中间图像平面(PI)中形成参考光束的中间图像(PS)。

技术领域

本发明涉及要通过相干LIDAR观察的场景的成像的领域，并且更具体地，涉及外差检测相干LIDAR三维成像领域。

背景技术

场景的外差检测LIDAR(光检测和测距(light detection and ranging))成像利用激光源的相干发射特性来使用来自参考路径并与有用信号相干的信号放大由场景反射的有用信号。

在FMCW型LIDAR技术中，对激光源的光学频率进行调制，例如利用周期性线性斜坡进行调制。来自激光源的光分成两条路径。部分光(物体路径)被投射到场景中的点上，在该点处光被反向散射，部分朝向光电检测器。另一部分(参考路径)被发送到光电检测器而不通过场景。两条路径在光电检测器上发生干涉并形成外差信号。干涉产生与两条路径之间的延迟成比例并且因此与场景和光电检测器之间的范围成比例的拍频。更具体地，对于线性斜坡，振荡的拍频为其中，B是斜坡的持续时间T期间的光学频率偏移(或啁啾)，z是范围，并且c是光速。范围z是根据在持续时间T期间测量的周期的数量N(N≈T×f_R)推导出来的：范围方面的分辨率是也可以通过对外差信号执行傅里叶变换来使用频谱分析测量拍频f_R。FMCW型LIDAR技术是一种光学外差测量技术，因为它涉及多个光学频率。

外差信号(即干涉信号)包含通常较大且无用的连续分量，如果光接收器是光电二极管，则通过高通电子滤波器将该连续分量消除。在光纤设置中，使用3dB耦合器是实用的，该耦合器从两个输入路径(物体和参考)提供两个反相输出信号，其照射两个串联的光电二极管(平衡光电二极管)。检测电路能够计算两个光电流之间的差，并且因此消除DC部分(共模)并检测AC部分。AC部分通常在被外部电子设备例如示波器进行处理之前通过跨阻抗放大器(TIA)在外部放大，以测量拍频f_R。一旦已经执行了测量，点就会发生变化，这意味着对场景进行顺序空间扫描。

这种技术效果很好，因为参考路径不会经受反向散射的显著损失，并且用于放大通过干涉混合接收到的信号，该信号是有用信号幅度的倍数。然而，获得的图像原则上是“卷帘快门”类型，这意味着像素被顺序读取，因为需要扫描场景以创建的完整图像。因此，当场景包含移动物体时，该技术会因图像失真而被扰乱。

顺序扫描FMCW型LIDAR成像系统与视频速度(通常为50Hz，即每幅图像20ms)下的使用并不是非常兼容。例如，对于QVGA格式的图像(320×240，即大约76 800像素)，需要每隔260ns改变点，并且因此至少在T＝260ns中创建斜坡，这需要数MHz的激光调制频率，并且在线性斜坡的情况下甚至为数十MHz。这些值在电流调制半导体激光器能力的限度内，并且超出了能够进行机械或热调谐的激光器的范围。此外，光电检测器需要能够根据香农定理(Shannon’s theorem)对信号进行采样，并且因此实际上每个周期1/f_R≈T/N≈0.26ns至少进行3到4次测量(例如对于典型范围z＝100m，目标分辨率为dz＝10cm，并且因此N～1000)，即在高于数十GHz的频率下进行的测量，这对光电检测器的速度方面及灵敏度方面提出了高要求。