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CN117406232A - 自主车辆、自主车辆控制系统以及光检测和测距系统 - Google Patents

自主车辆、自主车辆控制系统以及光检测和测距系统 Download PDF

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CN117406232A CN202311278493.0A CN202311278493A CN117406232A CN 117406232 A CN117406232 A CN 117406232A CN 202311278493 A CN202311278493 A CN 202311278493A CN 117406232 A CN117406232 A CN 117406232A
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Abstract

一种自主车辆、自主车辆控制系统以及光检测和测距系统。自主车辆控制系统包括：一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述指令使所述一个或多个处理器：接收基于从对象反射的返回光学信号生成的电信号；将所述电信号变换到频域中以生成变换后的电信号；基于所述变换后的电信号的交叉谱确定所述返回光学信号的多普勒频移；基于所述多普勒频移确定指示所述对象正在移动更靠近还是更远离所述自主车辆控制系统的移动信息；以及基于所述移动信息控制转向系统或制动系统中的至少一个。

Description

自主车辆、自主车辆控制系统以及光检测和测距系统
本申请是国家申请号为202080051843.8(国际申请号PCT/US2020/041809，国际申请日2020年7月13日，发明名称“用于光学相位编码的距离检测中的增强的速度分辨率和信噪比的方法和系统”)之申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年7月16日提交的美国临时专利申请No.62/874835的权益和优先权，其全部公开内容通过引用其整体并入本文。
技术领域
本公开的各方面一般涉及在光学领域中的光检测和测距(LIDAR)，并且更具体地涉及用于光学相位编码的距离检测中的增强的速度分辨率和信噪比的系统和方法。
背景技术
使用激光器(通常由助记符LIDAR表示)进行的用于光检测和测距的距离的光学检测用于多种应用，从高度测定到成像、到避免碰撞。LIDAR以比常规微波测距系统(诸如无线电波检测和测距(RADAR))更小的光束尺寸来提供更精细尺度的距离分辨率。距离的光学检测可以用若干不同技术来实现，包括基于光学脉冲到对象的往返行程行进时间的直接测距，和基于在发送的经线性调频(chirp)的光学信号与从对象散射的返回信号之间的频率差的线性调频检测，以及基于可与自然信号区分的单频相位变化的序列的相位编码检测。
发明内容
本文公开的一个实施方式涉及一种用于光学相位编码的距离检测中的增强的速度分辨率和信噪比的系统。在一些实施方式中，该系统包括：接收通过混合第一光学信号和第二光学信号而生成的电信号，其中，第一光学信号是通过调制光学信号而生成的，并且其中，第二光学信号是响应于朝向对象发送第一光学信号而接收的。在一些实施方式中，系统包括确定第二光学信号的多普勒频移。在一些实施方式中，系统包括通过基于多普勒频移调整电信号，来生成校正的电信号。在一些实施方式中，系统包括基于与校正的电信号相关联的交叉相关来确定到对象的距离。
在另一方面，本公开涉及一种用于光学相位编码的距离检测中的增强的速度分辨率和信噪比的光检测和测距(LIDAR)系统。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器接收通过混合第一光学信号和第二光学信号而生成的电信号，其中，第一光学信号是通过调制光学信号而生成的，并且其中，第二光学信号是响应于朝向对象发送第一光学信号而接收的。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器确定电信号的第一持续时间上的谱。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器基于该谱来确定第二光学信号的多普勒频移。在一些实施方式中，该LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器通过基于多普勒频移调整电信号，来生成校正的电信号。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器基于在校正的电信号的第一持续时间和关联于第一光学信号的相位编码射频(RF)信号的第二持续时间上的交叉相关来确定到对象的距离，第一持续时间不同于第二持续时间。
在另一方面中，本公开涉及一种包括光检测和测距(LIDAR)系统的自主车辆。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器接收通过混合第一光学信号和第二光学信号而生成的电信号，其中，第一光学信号通过调制光学信号而生成的，并且其中，第二光学信号是响应于朝向对象发送第一光学信号而接收的。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器确定第二光学信号的多普勒频移。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器通过基于多普勒频移调整电信号来生成校正的电信号。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器基于校正的电信号与关联于第一光学信号的射频即RF信号的交叉相关来确定到对象的距离。在一些实施方式中，LIDAR系统包括一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器基于到对象的距离来操作自主车辆。
通过下面的详细描述，简单地通过示出许多特定的实施方式，包括用于实现本公开的实施方式而构想的最佳模式，其他方面、特征和优点将显而易见。其他实施方式也能够具有其他和不同的特征和优点，并且它们的几个细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离该实施方式的精神和范围。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
在附图的图中以示例而非限制的方式示出了实施方式，在附图中，类似的附图标记表示相似的元件，并且其中：
图1A是示出根据实施方式的用于距离测量的示例发送光学相位编码信号的示意图；
图1B是示出根据实施方式的用于距离测量的作为一系列二进制数字的图1A的示例发送信号以及返回光学信号的示意图；
图1C是示出根据实施方式的参考信号与两个返回信号的示例交叉相关的示意图；
图1D是示出根据实施方式的参考信号的示例谱和多普勒频移返回信号的示例谱的示意图；
图1E是示出根据实施方式的多普勒频移返回信号的相位分量的示例交叉谱的示意图；
图2是示出根据实施方式的高分辨率LIDAR系统的示例部件的框图；
图3A是示出根据实施方式的相位编码LIDAR系统的示例部件的框图；
图3B是示出根据实施方式的多普勒补偿相位编码LIDAR系统的示例部件的框图；
图4A是示出根据实施方式的用于使用多普勒校正相位编码LIDAR系统来确定和补偿对距离的多普勒效应的示例方法的流程图；
图4B是示出根据实施方式的用于增强光学相位编码距离检测中的速度分辨率和信噪比的示例方法的流程图；
图5A是示出根据实施方式的多个时间块和比每个时间块长的第一持续时间的示例的框图，其中每个时间块是图1B的相位代码的持续时间；
图5B是示出根据实施方式的示例功率谱与针对每个时间块和针对多个时间块中的第一持续时间计算的频率的关系的曲线图；
图5C是示出根据实施方式的图5A的多个时间块和第一持续时间的多个时间段的示例的框图，其中连续时间段重叠；
图6A是示出根据实施方式的在功率方面与更远距离处的噪声区间几乎没有区别的实际距离峰的距离分布图；
图6B是根据实施方式的返回信号的实部和虚部，等式16b中的FFT的自变量的图；
图7是示出根据实施方式的关于多普勒频移的符号的距离峰的相位补偿复数值的示例依赖性的图；
图8是示出根据实施方式的包括安装在车辆810上的至少一个高分辨率多普勒LIDAR系统820的示例系统801的框图；
图9A和图9B是示出根据实施方式的在没有补偿的情况下在对于两个不同的相干处理间隔分别为2μs和3μs的距离和采样率的情况下由激光线宽引起的SNR的降低的曲线图；
图10A是示出根据各个实施方式的应用线宽各种校正的模拟数据中的信号和噪声的示例分布的图；
图10B和图10C是示出根据各个实施方式的应用各种线宽校正的实际返回数据中的示例距离峰的图；
图11A和图11B是示出根据各个实施方式的分别针对两个不同采样率由于散斑导致的频率展宽对多普勒峰的选择的示例影响的谱图；
图11C和图11D是示出根据各个实施方式的分别针对两个不同采样率的用于频率展宽的数字补偿的示例影响的距离图；
图11E和图11F是示出根据各个实施方式的、由于以对所使用的多普勒峰数量的两个不同选择对频率展宽进行数字补偿而导致的作为距离的函数的信噪比的示例改善的图；
图12是示出可以在其上实施本公开的实施方式的计算机系统的框图；以及
图13示出可以在其上实施本公开的实施方式的芯片组。
具体实施方式
为了实现可接受的距离精度和检测灵敏度，直接长距离LIDAR系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰功率的短脉冲激光器。高脉冲功率可能导致光学部件的快速退化。线性调频和相位编码LIDAR系统使用具有相对低的峰光功率的长光学脉冲。在这种配置中，距离精度随着线性调频带宽或相位编码的长度和带宽而不是脉冲持续时间而增加，并且因此仍然可以获得极好的距离精度。
使用宽带射频(RF)电信号调制光载波已经实现了有用的光学线性调频带宽。线性调频LIDAR的最新进展包括使用相同调制的光载波作为参考信号，该参考信号在光学检测器处与返回信号组合，以在所得电信号中产生RF频带中的相对低拍频，该拍频与参考光学信号和返回光学信号之间的频率或相位差成比例。在检测器处对频率差的这种拍频检测被称为外差检测。它具有本领域已知的若干优点，诸如使用现成且廉价的RF部件的优点。专利7,742,152中描述的最近工作示出了使用从发送光学信号分离的光学信号作为参考光学信号的光部件的新颖的更简单的布置，除了与本文使用的术语不一致的术语之外，该专利的全部内容通过引用结合于此，如同在本文中完全阐述一样。这种布置在该专利中被称为外差检测。
具有被调制到光载波上的相位编码微波信号的LIDAR检测也已经被使用了。这里，带宽B与用于携带每个相位的脉冲的持续时间τ的倒数成比例(B＝1/τ)，其中任何相位编码的信号由大量这样的脉冲组成。这种技术依赖于将返回信号中的特定频率的相位(或相位变化)序列与发送信号中的序列进行相关。与在相关中的峰相关联的时间延迟通过在介质中的光速与距离有关。距离分辨率与脉冲宽度τ成比例。这个技术的优点包括需要较少的部件、以及使用为相位编码微波和光通信所开发的大量生产的硬件部件。
然而，实施用于带符号多普勒检测的前述方法的相位编码LIDAR系统通常难以提供适合于自主车辆(AV)应用的目标速度分辨率。
因此，本公开涉及用于增强LIDAR的性能的系统和方法。也就是说，本公开描述了一种具有同步处理布置的LIDAR系统，其中，从相同载波生成发送光学信号和参考光学信号，从而导致多普勒频移信号和距离信号的相位的相关。这在补偿来自单个目标的多个多普勒信号、消除由于不一致的相位而不予考虑的距离信号、以及将多普勒速度的符号从实值信号中确定为该相关相位的符号偏移方面提供了显著优点。
此外，本发明描述一种具有异步处理布置的LIDAR系统。也就是说，传统LIDAR系统的特征在于其中在相同相干处理间隔(CPI)上测量多普勒频移(以计算目标速度)和时间延迟(以计算目标距离)的同步处理布置。然而，当前发明人认识到，这种同步处理布置是任意的并且异步处理装置可以被设计为其中在不同CPI上测量多普勒频移和时间延迟。本发明人认识到，这种异步处理布置提供了显著优点，诸如在用于测量多普勒频移的CPI比用于测量时间延迟的CPI更长的情况下的改善的目标速度分辨率。
在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他实例中，以框图形式示出了众所周知的结构和设备，以避免不必要地模糊本发明。
1.相位编码检测概述
图1A是示出根据实施例的用于距离测量的示例发送光学相位编码信号的示意图110。水平轴112以任意单位表示从零处的开始时间起的时间。左竖直轴114a以任意单位表示发送信号期间的功率；并且，右竖直轴114b以任意单位表示发送信号的相位。为了最简单地说明相位编码LIDAR的技术，图示了二进制相位编码。迹线115表示相对于左轴114a的功率，并且在发送信号期间是恒定的，而在发送信号之外降至零。虚线迹线116表示信号相对于连续波信号的相位。
可以看出，迹线与用于发送信号的一部分的载波(相位＝0)同相，并且然后在短时间间隔内改变Δφ(相位＝Δφ)，在发送信号上在两个相位值之间重复地来回切换，如省略号117所示。恒定相位的最短间隔是编码的参数，称为脉冲持续时间τ，并且通常是频带中最低频率的几个周期的持续时间。倒数1/τ是波特率，其中每个波特表示一个符号。在发送信号的时间期间，这种恒定相位脉冲的数量N是符号的数量N，并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位可以被认为是对于一个值为0而对于另一个值为1，因此符号是一个比特，并且波特率也被称为比特率。在多相编码中，存在多个相位值。例如，诸如Δφ*{0，1，2和3}的4个相位值，其中对于Δφ＝π/2(90度)，分别等于{0，π/2，π和3π/2}；并且因此，4个相位值可以分别表示0，1，2，3。在这个示例中，每个符号是两个比特，并且比特率是波特率的二倍。
相移键控(PSK)是指通过改变(调制)参考信号(载波)的相位来发送数据的数字调制方案，如图1A所示。通过在精确的时间改变正弦和余弦输入来施加调制。在射频(RF)上，PSK广泛用于无线局域网(LAN)、RF识别(RFID)和蓝牙通信。替换地，代替相对于恒定参考波进行操作，发送可以相对于其自身操作。单个发送波形的相位变化可以被认为是符号。在这个系统中，解调器确定接收信号的相位的变化，而不是相位(相对于参考波)本身。由于这种方案取决于在连续相位之间的差，因此它被称为差分相移键控(DPSK)。DPSK与普通PSK相比其实施要简单得多，因为不需要解调器具有参考信号的副本来确定接收信号的精确相位(它是非相干方案)。
对于光学测距应用，载波频率是光学频率fc，并且RF f0被调制到光学载波上。选择符号的数量N和持续时间τ以实现所需的距离精度和分辨率。选择符号的模式以便与编译信号和噪声的其他源区分开。因此，在发送信号和返回信号之间的强相关性是反射或背散射信号的强指示。发送信号由符号的一个或多个块组成，其中每个块足够长，以便即使在存在噪声的情况下提供与反射或背散射返回的强相关性。在下面的讨论中，假设发送信号由每块N个符号的M个块组成，其中M和N是非负整数。
图1B是示出根据实施方式的用于距离测量的作为一系列二进制数字的图1A的示例发送信号以及返回光学信号的示意图120。水平轴122表示在零处的开始时间之后的任意单位的时间。竖直轴124a以相对于零的任意单位表示在频率fc+f0处的光发送信号的幅度。竖直轴124b以相对于零的任意单位表示在频率fc+f0处的光学返回信号的幅度，并且从轴124a偏移以分离迹线。迹线125表示M*N个二进制符号的发送信号，具有如图1A所示的相位变化以产生以00011010开始并以省略号指示后续的代码。迹线126表示从不移动的对象散射的理想化(无噪声)返回信号(并且因此，返回是没有多普勒频移的)。幅度减小了，但代码00011010是可识别的。迹线127表示理想化(无噪声)的返回信号，返回信号从正在移动的对象散射并因此是多普勒频移的。返回信号不在适当的光学频率fc+f0处，并且在预期的频带中未被很好地检测到，因此幅度大幅减小了。
通过等式1给出的多普勒效应，观察到的返回的频率f’与返回的正确频率f＝fc+f0不同。
其中c是介质中的光速。注意，如果观察者和源在它们之间的矢量上以相同的速度沿相同的方向移动，则两个频率是相同的。在两个频率之间的差Δf＝f’-f是多普勒频移ΔfD，它会给距离测量带来问题，且由等式2给出。
注意，误差的幅度随信号频率f的增加而增加。还要注意，对于静态的LIDAR系统(v0＝0)，对于以每秒10米(v0＝10)进行移动的对象，且频率约为500THz的可见光，则误差的大小在16兆赫兹(MHz，1MHz＝106赫兹(Hz)，1Hz＝每秒1个循环)的量级。在下面描述的各个实施方式中，多普勒频移误差被检测并且用于处理用于距离计算的数据。
图1C是示出根据实施方式的参考信号与两个返回信号的示例交叉相关的示意图130。在相位编译测距中，相位编译反射的到达可以通过将发送信号或其他参考信号与返回信号交叉相关来在返回中检测，这在实践中可以通过使用外差检测将RF信号的代码与来自光学检测器的电信号交叉相关并因此下混频回到RF频带来实施。水平轴132以任意单位指示在与返回信号进行交叉相关计算之前施加到编译信号的滞后时间。竖直轴134表示交叉相关计算的幅度。对于任何一个滞后的交叉相关通过对两个迹线进行卷积(即通过将两个迹线中的对应值相乘并对迹线中的所有点求和)、然后对每个时间滞后进行重复来计算。替换地，交叉相关可以通过两个迹线中的每一个的傅立叶变换的乘法、随后是傅立叶逆变换来实现。用于快速傅立叶变换(FFT)的有效硬件和软件实施方式广泛地用于前向和逆向傅立叶变换两者。下面，对于一些示例实施方式提供用于进行交叉相关的更精确的数学表达式。
注意，交叉相关计算在光学检测器处检测到返回的幅度和相位之后，利用模拟或数字电信号来进行。为了将光学检测器处的信号移动到可以容易地被数字化的RF频率范围，光返回信号在撞击到检测器上之前与参考信号光学混合。相位编码的发送光学信号的副本可以用作参考信号，但是也可以、并且通常优选的是使用由激光器输出的连续波载波频率光学信号作为参考信号，并且捕获由检测器输出的电信号的幅度和相位两者。
迹线136表示与理想化的(无噪声的)返回信号的交叉相关，理想化的(无噪声的)返回信号是从不移动的对象反射的(并且因此返回没有被多普勒频移)。峰出现在发送信号开始之后的时间Δt。这指示返回信号包括在时间Δt开始的发送相位编译的版本。到反射(或背散射)对象的距离(距离)L是基于介质中的光速c根据双向行进时间延迟来计算的，如由等式3所给出的。
L＝c*Δt/2 (3)
虚线137表示与从移动的对象散射的理想化(无噪声)的返回信号(因此返回是多普勒频移的)的交叉相关。返回信号不包括在适当频率区间(frequency bin)中的相位编码，相关性对于所有时间滞后保持为低，并且峰不容易被检测。因此，Δt不容易确定，并且距离L不容易产生。
根据下面更详细描述的各个实施方式，在返回信号的电处理中确定多普勒频移；并且多普勒频移用于校正交叉相关计算。因此，峰更容易找到，并且距离可以更容易确定。图1D是示出根据实施方式的发送信号的示例谱和多普勒频移返回信号的示例谱的示意图140。水平轴142以任意单位表示相对于光载波fc的RF频率偏移。竖直轴144a以相对于零的任意单位表示特定窄频率区间(也称为谱密度)的幅度。竖直轴144b以相对于零的任意单位表示谱密度，并且从轴144a偏移以分离迹线。迹线145表示发送信号；并且，峰发生在适当的RF f0。迹线146表示理想化(无噪声)的返回信号，该返回信号从正在移动的对象背散射，因此是多普勒频移的。返回在适当的RF f0处没有峰；而是蓝移了ΔfD到移位的频率fS。
在一些多普勒补偿实施方式中，不是如图1D所示通过获取发送信号和返回信号的谱并在每个中搜索峰，然后减去相应峰的频率来找到ΔfD，而是获取RF频带中的下混合返回信号的同相和正交分量的交叉谱是更有效的。图1E是示出根据实施方式的示例交叉谱的示意图150。水平轴152以任意单位表示相对于参考谱的移位；并且，竖直轴154以相对于零的任意单位表示交叉谱的幅度。迹线155表示具有理想化(无噪声)返回信号的交叉谱，该返回信号由一个对象朝向LIDAR系统移动(图1D中的ΔfD1＝ΔfD的蓝移)和第二对象远离LIDAR系统移动(ΔfD2的红移)生成。当分量之一蓝移ΔfD1时出现峰；并且，当分量之一红移ΔfD2时出现另一峰。因此确定多普勒频移。这些移位可以用于确定LIDAR附近的对象的接近速度，这对于碰撞避免应用可能是关键的。
如下面更详细描述的，在交叉谱中检测到的多普勒频移用于校正交叉相关，使得峰135在滞后Δt的多普勒补偿多普勒频移返回中是明显的，并且距离L可以被确定。确定和补偿多普勒频移所需的信息或者不被收集，或者不在现有的相位编码LIDAR系统中使用。
2.光学检测硬件概述
为了描述如何实施相位编码检测方法，描述了一些通用和特定的硬件方法。图2是示出根据实施方式的高分辨率LIDAR系统的示例部件的框图。激光源212射出载波201，载波201在相位调制器282中被进行相位调制以生成具有符号长度M*N和持续时间D＝M*N*τ的相位编译光学信号203。分束器216将光学信号分成具有光束203的大部分能量的目标光束205(在本文中也称为发送信号)以及具有非常小的能量的参考光束207a，但是该参考光束足以产生与从对象(未示出)散射的返回光束291的良好混合。在一些实施方式中，分束器216放置在相位调制器282的上游。参考光束207a穿过参考路径220，并且作为参考光束207b被引导到一个或多个检测器。在一些实施方式中，参考路径220引入足以使参考光束207b与散射光一起到达检测器阵列230的已知延迟。在一些实施方式中，参考光束207b被称为本地振荡器(LO)信号，其指其中从分开的振荡器本地产生参考光束207b的较旧方法。在各个实施方式中，从较少灵活性到较多灵活性的方法，通过以下步骤使得参考与散射或反射场一起到达：1)将反射镜放入场景中以将发送光束的一部分反射回检测器阵列，使得路径长度良好匹配；2)使用光纤延迟以紧密匹配路径长度，并且利用检测器阵列附近的光学器件传播参考光束，如图2中所建议的，其具有或不具有路径长度调整以补偿对于特定距离所观察到或预期的相位差；或者，3)使用频移设备(声光调制器)或本地振荡器波形调制的时间延迟来产生分开的调制以补偿路径长度失配；或一些组合。在一些实施方式中，对象足够接近并且发送持续时间足够长，使得返回充分地与参考信号重叠而没有延迟。
检测器阵列是单个成对或不成对检测器，或者是布置在大致垂直于来自对象的返回光束291的平面中的成对或不成对检测器的1维(1D)或2维(2D)阵列。参考光束207b和返回光束291在零个或多个光学混合器中被组合，以产生具有待适当检测的特性的光学信号。获取系统240在信号持续时间D期间多次为每个探测器记录干涉模式的相位或幅度或一些组合。每个信号持续时间的时间样本的数量影响顺向距离范围(down-range extent)。数量通常是基于每个信号的符号数目、信号重复率和可用相机帧速率所选择的实际考虑。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化器频率”。距离范围的唯一基本限制是激光器的相干长度以及在其重复之前的线性调频或唯一代码的长度(对于明确的测距)。其被启用的原因是，可以将返回比特的任何数字记录与来自先前发送历史的已发送比特的任何部分进行交叉相关。所获取的数据可用于处理系统250，诸如下面参考图12描述的计算机系统，或者下面参考图13描述的芯片组。多普勒补偿模块270确定多普勒频移的大小和基于其的校正范围以及本文描述的任何其它校正。任何已知的设备或系统都可以用于实施激光源212、相位调制器282、分束器216、参考路径220、光学混合器284、检测器阵列230或获取系统240。未描绘用于泛射或聚焦于目标上或焦点越过光瞳平面的光学耦合。如本文所使用的，光耦合器是用于影响光在空间坐标内的传播以将光从一个部件引导到另一部件的任何部件，诸如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、分束器、相位板、偏振器、光纤、光学混合器等等，单独地或以一些组合。
3.相位编码光学检测
在一些实施方式中，电光调制器提供调制。系统被配置为产生长度M*N和符号持续时间τ的相位代码，其适合于期望的顺向距离分辨率，如以下针对各个实施方式更详细地描述的。在实施方式中，相位代码包括多个M块，其中每个块具有N*τ的持续时间或相位代码持续时间。例如，在3D成像应用中，总脉冲数M*N在约500至约4000的范围内。由于处理通常在数字域中进行，因此，例如在从512至4096的区间内，将M*N选择为2的幂是有利的。当没有进行平均时，M为1。如果存在随机噪声成分，则M为大约10是有利的。结果，对于M＝1，N在从512到4096的范围内，且对于M＝10，N在从大约50到大约400的范围内。对于500Mbps到1Gbps的波特率，这些代码的持续时间则在大约500ns到8微秒之间。注意，在这些条件下，可以使距离窗口扩展到几公里，并且多普勒分辨率也可以相当高(取决于发送信号的持续时间)。尽管在图2中，为了说明的目的，将过程、设备和数据结构描述为特定布置中的整体块，但是在其他实施方式中，一个或多个过程或数据结构或其部分以不同的方式布置在相同或不同的主机上、在一个或多个数据库中、或者被省略，或者一个或多个不同的过程或数据结构被包括在相同或不同的主机上。例如，分束器216和参考路径220包括零个或多个光耦合器。
3.1多普勒补偿LIDAR
图3A是示出相位编码LIDAR系统300a的示例部件的框图。尽管描绘了对象390以示出系统300a的操作，但是对象390不是系统300a的一部分。系统包括激光源310、分束器312、相位调制器320、偏振分束器322、光学混合器360、光检测器330(在本文中也称为“光学检测器330”)和处理系统350，后者包括数字代码模块372和多普勒补偿模块370。光学信号由粗箭头表示，电信号由细箭头表示。
在电气工程中，具有相位调制(对应于在数学函数exp(iωt)的实部和虚部之间的角度调制)的正弦曲线可以被分解为在相位上偏移四分之一周期(π/2弧度)的两个幅度调制的正弦曲线、或者从该两个幅度调制的正弦曲线合成。所有三个函数具有相同的频率。幅度调制的正弦曲线被称为在0相位处的同相分量(I)和在π/2相位处的正交分量(Q)。激光器310产生在载波频率fc处的光学信号。激光光学信号L由等式4数学表示。
L＝I0 exp(iωt) (4)
其中I0是激光器输出的强度，exp()是指数函数，使得exp(x)＝ex，i是具有-1的平方根的性质的虚数，t是时间，并且ω＝2πfc是与光载波频率fc对应的角频率。数学上，这个表达式具有实部＝I0R cos(ωt)和虚部＝I0I sin(ωt)，其中I0R是强度的实部(同相)，且I0I是虚部。振荡的相位由在实部和虚部之间的角度给出。因此，L＝I0R cos(ωt)+iI0I sin(ωt)，并且I0是实部和虚部的平方和的根，I0 2＝I0R 2+I0I 2。分束器312引导信号强度的一小部分以用作由等式5给出的参考信号(称为本地振荡器)LO。
LO＝ALO exp(iωt)＝AR cos(ωt)+iA1 sin(ωt). (5a)
其中A是表示分束器312的强度效应的常数。电场ELO因此可以写成等式5b。
ELO＝ALOeiωt (5b)
当参考信号(LO)是未调制激光学信号时，整个信号同相并且虚部为零，因此
LO＝A cos(ωt). (5c)
处理系统350中的数字代码模块372发送电信号，该电信号表示将随着光载波上的相位变化而施加的符号的数字代码，表示为B(t)，其中B(t)作为t的函数在0和π/2之间切换。相位调制器320通过将数字线路从现场可编程门阵列(FPGA)中取出、将它们放大并驱动EO相位调制器，来将相位变化强加在光载波上。发送光学信号T然后由等式6给出。
T＝C eip(i[ωt+B(t)]) (6)
其中C是常数，计入了通过分出部分A而在I0中的减少以及由相位调制器320施加的任何放大或进一步减少。
任何相位调制器可以用作调制器320。例如，使用包括诸如铌酸锂的晶体的电光调制器(EOM)，该晶体的折射率是局部电场强度的函数。这意味着如果铌酸锂暴露于电场，光将更慢地穿过它。但是离开晶体的光的相位与光通过晶体所花费的时间长度成正比。因此，可以通过根据由数字代码模块372提供的数字代码改变晶体中的电场来控制离开EOM的激光的相位。相位变化引起宽带频率信号，其中，带宽B近似等于波特率1/τ。
由相位调制器320输出的相位编码的光学信号通过一些光耦合器(诸如偏振分束器(PBS)322或其它循环器光学器件)发送，之后，它在携带所发送的信号的光束中被任何对象390散射。例如，发现光纤耦合偏振分束器组合器在端口之间提供比作为该光学部件的基于光纤的循环器更好的隔离。这是重要的，因为在发送和接收之间没有被很好地隔离的信号将作为不希望的大峰出现在距离轮廓中。因此发送信号被注入到端口1，从端口2发送出去，并且背散射的返回信号在端口2中被接收并从端口3离开。一些目标(例如，金属目标)维持波束的偏振，而一些目标(例如，漫射目标)使返回波束去偏振。在一些实施方式中，四分之一波片被包括在发送光学器件中以适当地补偿未去偏振的目标。
返回信号324由光耦合器(例如PBS 322)引导到光学混合器360，其中返回光学信号324与由等式5给出的参考光学信号(LO)314混合，来自第k个对象的被发送光束拦截的返回信号R由等式7a给出。
Rk＝Ak exp(i[(ω+ωDk)(t+Δtk)+B(t+Δtk)]) (7a)
其中Ak是计入了由于传播到对象390和从对象390传播以及在第k个对象390处散射而导致的强度损失的常数，Δtk是LIDAR系统和第k个对象390之间的双向行进时间，并且ωDk＝2πΔfD是第k个对象的多普勒频移(这里为了方便称为多普勒频移)的角频率。然后，由等式7b给出在所有目标上求和的返回信号ER的电场。
在光学混合器360处的重合信号(例如，返回光学信号324和LO 314)产生具有与正被混合的两个光学信号的频率和相位以及幅度的差相关的拍频的混合光学信号362，并且产生取决于光学混合器360的功能的输出。如本文所使用的，下混合指的是光学外差检测，其是使用非线性光学过程的外差检测原理的实施方式。在光学外差检测中，本文称为“下混合”，在某个光频率的感兴趣的光学信号与设置在相近频率的参考“本地振荡器”(LO)非线性混合。期望的结果是差频，其携带原始光频率信号的信息(幅度、相位和频率调制)，但是其在较低的更容易处理的频率(这里称为拍频)处方便地在RF频带中振荡。在一些实施方式中，这种拍频处于可以作为电信号332从光学检测器330输出的RF频带中，诸如可以容易地由RF模数转换器(ADC)数字化的电模拟信号。电信号332被输入到处理系统350，并且与来自数字代码模块372的数字代码一起被多普勒补偿模块370用来确定交叉相关和距离，并且在一些实施方式中，确定速度和多普勒频移。
在一些实施方式中，原始信号被处理以找到多普勒峰，并且使用该频率ωD来校正相关性计算并确定正确的距离。在其他实施方式中，已发现如果光学混合器和处理被配置为确定同相和正交分量、且使用该分离来首先估计ωD、且接着使用ωD来校正交叉相关计算以推导Δt，那么将是有利的。ωD的值也用于呈现对象的速度，并且第一时间段被选择以调整ωD的分辨率和对象的速度。通过使用上述等式3，Δt的值用于确定和呈现到对象的距离。通过光学混合器来分离I和Q信号使得能够清楚地确定多普勒频移的符号。
这里图示用于支持相位编译的发送信号的同相和正交(I/Q)信号的相干检测的示例硬件实施方式。这种方法的优点是非常便宜但带宽高的波形产生要求(二进制数字或多相数字代码)和最小调制要求(单个电光相位调制器)。90度光学混合器允许在两个信道上对光学下混合信号进行I/Q检测，然后对其进行数字化。该系统允许出现非常灵活的“软件定义的”测量体系结构。
图3B是示出根据实施方式的多普勒补偿相位编码LIDAR系统300b的示例部件的框图。该实施方式使用二进制相位编码，其中两个相位分离π/2，但是具有同相和正交分量的光学分离而不是电分离。尽管描绘了对象390以示出系统300a的操作，但是对象390不是系统300a的一部分。系统包括激光源310、分束器312、相位调制器320、偏振分束器322、代替图3A的通用光学混合器360的90度混合式混合器361、代替图3A的光检测器330的平衡光检测器331、以及处理系统350，后者包括数字代码模块372和多普勒补偿模块371。光学信号由粗箭头表示，电信号由细箭头表示。激光器310产生处于光学载波频率fc的光学信号。分束器312引导信号的一小部分功率以用作参考信号(称为本地振荡器)LO 314。处理系统350中的数字代码模块372发送电信号，该电信号表示待作为相位变化被施加在光学载波上的符号的数字代码(例如M个块，每个块具有相位代码持续时间N*τ)。如以上描述的，相位调制器320在光学载波上施加相位变化。
由相位调制器320输出的相位编码光学信号被发送通过一些光学耦合器(诸如偏振分束器(PBS)322)，之后它被由携载发送信号的波束拦截的任何对象390散射。返回信号324被光学耦合器例如PBS 322引导到90度混合式光学混合器361，其中返回光学信号324与由等式5b给出的参考光学信号(LO)314混合。返回信号R由等式7a给出。混合式混合器输出四个光学信号，分别称为I+、I-、Q+和Q-，将LO与返回信号R的同相分量(称为RI)和返回信号R的正交分量(称为RQ)组合，如等式8a至8d中所定义。
I+＝LO+R1 (8a)
I-＝LO-RI (8b)
Q+＝LO+RQ (8c)
Q-＝LO-RQ (8d)
其中RI是返回信号R的AC分量的同相相干交叉项，而RQ是返回信号R的AC分量的90度异相相干交叉项。例如，可以基于上面的等式5b和等式7b以及下面的等式8e至等式8g来表达上述关系的电场，以产生等式8h至等式8k。
LO＝|ELO|2 (8e)
其中*表示复数的复共轭，Imag()是返回复数的虚部的函数，而Real()是返回复数的实部的函数。AC项消除信号的所有光频部分，仅留下LO的RF“拍频”与返回信号的RF部分——在这种情况下是多普勒频移和代码函数。项|ELO|2和|ER|2是恒定(直流，DC)项。后者相对于前者可以忽略不计；因此，在等式8h至等式8k中表达的组合中忽略后一项，作为等式8a至等式8d的特定形式。
根据等式9a和9b，两个同相分量I+和I-在平衡检测器对处组合以在通道1(Ch1)上产生RF电信号I，并且两个正交分量Q+和Q-在第二平衡检测器对处组合以在通道2(Ch2)上产生RF电信号Q。
I＝I+-I- (9a)
Q＝Q+-Q- (9b)
使用平衡检测器(具有一对平衡的光学检测器)提供了消除共模噪声的优点，其提供具有高信噪比(SNR)的可靠测量。在一些实施方式中，这种共模噪声可忽略不计或者以其他方式不受关注；因此，使用简单的光学检测器或不平衡对来代替平衡对。
在一些实施方式中，LO信号在发送信号的同相和正交版本之间交替，使得在相等持续时间的接近但不同的时间测量电信号I和Q。
然后，多普勒补偿模块371使用信号I和Q在至少作为一个代码块的持续时间的第一持续时间的时间段上确定具有相应速度的一个或多个多普勒频移ωD。在一些实施方式中，假设多个块正在对相同对象进行采样或预期对相同对象进行采样，通过将第一持续时间延长到一个代码块的持续时间的倍数，增加多普勒频移的分辨率(以及因此增加速度分辨率)，如以下更详细解释的。
来自数字代码模块372的ωD的值和B(t)的值以及信号I和Q然后用于在对应的时间段(例如，具有至少一个代码块的持续时间的第二持续时间)上产生校正的相关迹线，其中峰表示在一个或多个速度中的每个速度下的一个或多个Δt。当检测到多个速度时，每个速度与对应的多个相关迹线中的峰相关联。在一些实施方式中，这通过重合处理来完成，以确定哪个当前速度/位置配对最可能与先前的类似速度/位置的配对有关。然后使用上面描述的等式3，一个或多个Δt用于确定一个或多个距离。为了增加距离分辨率，期望在尽可能短时间段内进行该计算，例如，第二持续时间等于一个代码块的持续时间。
因此，通常，第一持续时间和第二持续时间是不同的。对于增加的多普勒频移分辨率和增加的距离分辨率，第一持续时间比第二持续时间长是有利的。这可以通过例如在存储缓冲器中存储先前返回的若干块以延长第一持续时间来实现。
有利的是，在开始时准备用于相关性的代码的频域表示并且重复用于扫描中的每个测量点的代码的频域表示；因此，这在一些实施方式中完成。具有持续时间D＝(M*N)*τ的长代码被编码到发送光上，并且数据采集电子装置收集相同时间长度的返回信号。将戴拿和信号都分成M个长度为N和相位代码持续时间N*τ的较短块，以便可以在相同的数据流上进行若干次相关，并且结果被平均以改善信噪比(SNR)。每个N个符号和相位代码持续时间N*τ的块都与N个符号的不同块有区别，因此每个块是独立的测量。因此，平均降低了返回信号中的噪声。输入I/Q信号的相位分离π/2。在一些实施方式中，在若干照射点上进行进一步的取平均，以便去除来自纯内部光学器件的反射的效应，如在先前工作中所述。
3.2.光学检测方法
所提出的方法增加了分辨率或信噪比或两者以使用I/Q信号(在电信号或光学信号中)利用相位差来计算交叉谱，其在多普勒频率处提供清晰的峰。该方法还利用I/Q信号的相位差来构建用于相关性的复数信号以确定距离。通过首先采用复数返回信号的FFT、然后在频率区间的阵列内使FFT的值移位来完成多普勒补偿。可以通过对移位的FFT应用逆FFT来恢复校正的信号，但是这不是必需的，因为在一些实施方式中，移位的FFT直接用于与代码FFT的相关性。在其他实施方式中，复数返回信号乘以由交叉谱中测量的多普勒频率形成的复指数，并且校正信号的FFT用于与代码的相关性。在一些实施方式中，使用有限脉冲响应(FIR)滤波器来确定相关性。在针对每个代码/信号块计算相关性(本文也称为距离轮廓)之后，将结果在M个块上取平均，并且根据平均距离轮廓中的峰的时间延迟计算到目标的距离。如果距离轮廓中有不止一个峰，则该方法将记录到多个目标的距离。所提出的方法利用在不同时间段上对多普勒频移和到目标的距离的异步处理，从而可以优化多普勒频移的分辨率和对象的速度。
图4A是示出根据实施方式的用于使用多普勒校正的相位编码LIDAR系统来确定和补偿对距离的多普勒效应的示例方法400的流程图。尽管步骤出于说明的目的在图4A和图4B中被描绘为以特定顺序的整体步骤，但是在其他实施方式中，一个或多个步骤或其部分以不同的顺序进行，或者在时间上重叠、串联或并行进行，或者被省略，或者添加一个或多个附加步骤，或者方法以方式的一些组合改变。在一些实施方式中，步骤403以及步骤410至433、和/或步骤451至461由处理系统350进行。例如，步骤403中的确定数字代码的FFT以及步骤410至433、和/或步骤451至461中的所有步骤由图3A中的多普勒补偿模块370或图3B中的模块371进行。
在步骤401中，收发器，例如，LIDAR系统，被配置为基于相位码序列的输入来发送相位编码光学信号。来自激光器的未调制的输入光学信号或相位编码发送信号的一部分(例如，1％至10％)还被引导到参考光学路径。收发器还被配置为从由发送信号照射的任何外部对象接收背散射的光学信号。在一些实施方式中，步骤401也包括以硬件配置其他光学部件以提供以下步骤中的一个或多个步骤的功能，如例如图3A或图3B或等效物所示。注意，发送信号不必是波束。发散信号肯定会在单个距离轮廓内有许多不同的距离和多普勒值；但是，在照射点内不提供横向距离(cross range)分辨率。然而，使用提供了逐点扫描所带来的固有稀疏性的窄波束以提供对识别对象有用的横向距离分辨率是有利的。
在步骤403中，生成由M*N个符号序列组成的代码以用于测距，表示M个N个符号的块，其中在M个块之间没有重复。在一些实施方式中，还在步骤403期间确定具有这种相位编码的RF信号的傅里叶变换，因为可以在如下面描述的步骤423中重复使用变换，并且有利的是不必对每个传输单独计算傅里叶变换。例如，根据生成代码生成具有角RF频率ω和相位π/2的复数(实部和虚部)数字信号，并且对该复数字信号计算复数数字快速傅里叶变换(FFT)。通过采用复数信号的复共轭，为步骤423中的操作准备结果复数FFT函数。例如，对于代码的M个块中的每个块，由等式10表示复数FFT的复共轭CodeFFT。
CodeFFT＝conj(FFT(exp(iBt)) (10)
其中，conj()表示复共轭运算，其是conj(x+iy)＝x-iy。该复数FFT例如存储在计算机可读介质上，以便在步骤423期间随后使用，如下所述。
在步骤405中，使用从数字代码模块372接收的代码对由等式4表示的激光输出的第一部分进行相位编码，以产生如等式6所示的发送的相位编码信号，并且该第一部分被引导到在可能存在或可能不存在对象或对象的一部分的场景中的点。另外，在步骤405中，激光输出的第二部分沿参考路径被引导作为如等式5a或等式5b所示的参考信号，也称为本地振荡器(LO)信号。
在步骤407中，如等式7所示的具有任何行进时间延迟Δt和多普勒频移ωD的背散射返回信号R与如等式5a或等式5b所示的参考信号LO混合，以输出一个或多个混合的光学信号362。混合信号通知同相和正交分量。例如，在图3B所示的实施方式中，混合的光学信号362包括通知同相和正交分量的四个光学信号，即I+、I-、Q+、Q-，如等式8a至8d中所定义。在其他实施方式中，使用其他光学混合器。例如，在一些实施方式中，使用3×3耦合器代替90度光学混合以仍然支持I/Q检测。
在步骤408中，将混合的光学信号引导到一个或多个光学检测器并在一个或多个光学检测器处进行检测，以将光学信号转换成一个或多个对应的电信号。例如，在图3B所示的实施方式中，检测器产生两个电信号。一个通道(Ch 1)上的一个电信号表示由等式9a给出的下混合同相分量I；另一个通道(CH 2)上的另一个电信号表示由等式9b给出的下混合正交分量Q。基于两个电信号计算复数下混合信号S，如等式11给出。
S＝I+iQ (11a)
注意，信号S、I和Q是具有至少持续时间D＝M*N*τ的时间t的函数。
在一些实施方式中，对若干不同的返回信号S(t)进行取平均，以去除在沿返回信号路径的内部光学部件诸如PBS 322处产生的相位编码信号的伪副本。这样的伪副本可能使与来自外部对象的实际返回的相关性降低，从而掩蔽几乎无法检测到的实际返回。如果对P个不同的照射点和返回进行取平均，使得单个对象不在所有那些照射点中，则平均由内部光学部件产生的代码的伪副本主导。然后可以从返回信号中去除该代码的伪副本，以仅在校正的复数电信号S(t)中留下实际返回。P是足够大的数量，以确保同一个对象没有在所有点被照射。低至P＝100的值对于图形处理单元(GPU)实施方式在计算上是有利的；而高达P＝1000的值是优选的，并且适用于现场可编程门阵列(FPGA)实施方式。在示例实施方式中，P约为100。在其他实施方式中，取决于应用，P可以在从约10到约5000的范围内。图11是示出根据实施方式的用以从内部光学器件移除返回的示例多点平均的框图。步骤409和410进行该校正。
在步骤409中，确定是否已经接收到P个返回。如果不是，则控制转回到步骤405以照射另一点。如果是，则控制转到步骤410。在步骤410中，根据等式11b计算平均信号SS(t)，其中，将持续时间D的每个接收信号指定为Sp(t)。
该平均信号用于校正每个接收信号Sp(t)，以产生校正信号SpC(t)，该校正信号SpC(t)在后续步骤中用作接收信号S(t)，如等式(11c)给出。
S(t)＝SpC(t)＝Sp(t)-SS(t) (11c)
在一些实施方式中，内部光学器件在受控条件下被校准一次，以产生SS(t)的固定值，其被存储用于系统的多个后续部署。因此，步骤410仅包括应用等式11c。在一些实施方式中，由内部光学器件产生的代码的伪副本足够小，或者相关联的距离与到外部对象的距离足够不同，使得可以省略步骤409和410。因此，在一些实施方式中，省略步骤409和410，并且控制直接从步骤408转到步骤411，使用来自步骤408的S(t)而不是步骤410中的等式11c。
在一些实施方式中，在步骤410期间基于平均信号SS(t)对电信号S(t)应用附加校正。例如，如在部分4.4中更详细描述的，在不同点上的信号Sp(t)的演变或每组p个点上的平均信号SS(t)的演变中检测激光器的相位和频率漂移。这种观察到的漂移用于制定校正，该校正用于数字地补偿由硬件或其它噪声源引起的激光线宽问题。在示例部分4.5中更详细描述的另一示例中，在更短尺度上(例如，在N个编译符号的每个块的尺度上)具有时间演变的漂移用于补偿由于多普勒频域中的相干展宽而导致的信噪比(SNR)降低。
在步骤411中，交叉谱用于检测多普勒频移。出于解释的目的提供以下说明；然而，各种技术的特征和效用不受该解释的准确性或完整性的限制。I和Q的频率内容包含多普勒(正弦)和代码(方波)。对于多普勒分量，由于它是正弦的，因此预计I会比Q滞后或提前90度。滞后或提前取决于多普勒频移的符号。代码分量没有图示该效应——指示基于时间的返回比特的I和Q水平同相或180度异相地移动。XS操作的括号内的操作计算给定频率下I和Q之间的复数相量差。如果在给定频率下I和Q之间存在90度相位差(如在多普勒分量的情况下)，则这将在结果的虚部中显现出来。相反，代码频率内容不会出现在结果的虚部中，因为如上所述，对于所选二进制代码，代码的I和Q方面要么同相要么180度异相，所以每个频率下的复数相量差总是真实的。交叉谱操作XS()可以被视为仅揭示与多普勒有关的信号谱的那些方面的方式，其中代码丢失。这使得更容易找到多普勒频率内容。相反，在返回信号的常规谱中，代码频率内容可能模糊了期望进行良好多普勒估计/校正的多普勒频率内容。
例如，如等式12给出，计算S的交叉谱。
XS(S)＝FFF(I)*conj[FFT(Q)] (12)
由公式12得到的XS(S)是复数值阵列。该交叉谱中的峰表示返回信号中的一个或多个多普勒频移ωD。注意，ωD＝2πΔfD。任何峰检测方法可以用于自动确定交叉谱XS(S)中的峰。通常，识别交叉谱的虚部中的大的正峰或负峰将揭示关于多普勒频移的信息。但是，在一些特殊情况下，实部也可能会揭示此类信息。这种情况的示例是存在具有类似多普勒值的多个距离返回。实部中的升高的幅度可以表示这种情况。在一些实施方式中，交叉谱操作在每个数据块上单独进行，并在M个块上取平均。存储这些多普勒频移和对应的相对速度以供例如在一个或多个计算机可读介质上进一步使用。如下面进一步详细描述的，功率谱对于识别多普勒频移和获得相位也是有用的。
在一些实施方式中，在若干块上计算多普勒频移以增加频率分辨率(并因此增加速度分辨率)。速度测量的分辨率基本上受相干处理间隔(CPI)(例如，具有等于N*τ的持续时间的一个符号块的持续时间)的限制。CPI将测量的频率分辨率限制为1/CPI，并且最终限制LIDAR系统的多普勒频率和相应速度测量的分辨率。测量信号对于多普勒和距离的异步处理是灵活的。如果期望更大的多普勒频移分辨率(以及因此更大的速度分辨率)，则有可能缓冲比相位编译波形的一个块的持续时间更长的时域数据的持续时间。然后，可以利用交叉谱或功率谱来分析该时域数据段，以便以更精细的速度分辨率来求解目标的速度。
增加的持续时间伴随着一些计算成本，因为交叉谱计算随着信号中的样本数量的增加而增加。然而，采样速率(每秒样本)确定最高明确频率(奈奎斯特频率(Nyquistfrequency)＝采样速率/2)。奈奎斯特频率通常对应于大大超过任何预期速度的多普勒频移速度。因此，通过下采样到较低采样率(例如通过在计算交叉谱之前对几个连续样本取平均)，可以降低计算成本(例如，较短的FFT和较短的峰搜索)，而不损失有意义的速度测量空间。这些概念在图5A到图5C中示出。
图5A是示出根据实施方式的多个时间块和比每个时间块长的第一持续时间的示例的框图，其中每个时间块是图1B的相位代码的一个块的持续时间。在一些实施方式中，具有第一持续时间的多个块被一起处理并且被下采样以确定具有高分辨率的多普勒频移而不损失预期的多普勒频移。使用相应的多普勒频移测量针对距离值单独处理具有较短的第二持续时间的N个符号的每个块；并且，对M个块取平均以增加到单个点的距离的信噪比。用于计算多普勒频移的第一持续时间可以短于或长于对每个点取平均的M个块。图5B是示出根据实施方式的示例功率谱与针对每个时间块和针对多个时间块的第一持续时间所计算的频率的关系的曲线图。在第一持续时间等于四个代码块(4xCPI)的实线迹线中分解具有不同多普勒频移的两个返回。使用等于一个块的持续时间(持续时间等于CPI)在虚线迹线中不区分这两个返回。在各个实施方式中，用于计算多普勒频移的第一持续时间的连续时间间隔可以重叠、连续或断开。图5C是示出根据实施方式的图5A的多个时间块和第一持续时间的多个时间段的示例的框图，其中连续时间段重叠。在部分4.1中更详细地描述了示例实施方式。
这些方法导致不对称的功率谱或交叉谱，从而允许通过来自残差载波的拍频峰的位置来辨别多普勒频移的符号。在一些实施方式中，电信号是实值的；例如，对于返回的实部和复部，或者返回信号的同相和正交部，不存在单独电信号。在这样的实施方式中，多普勒频移仍然由两个相同时间序列的交叉谱确定，该交叉谱等效于自动谱，简单地称为谱。因此，如本文所使用的，谱是指当两个时间序列相同时的交叉谱。因此，如果在时域中仅测量光场的单个相位，则输入时域数据是实数，因此在FFT之后，功率谱或交叉谱关于DC(f＝0)频率区间对称，并且频谱的负半部分正好是频谱的正半部分的复共轭。因此，如果存在多普勒频移，则观察到关于0多普勒频移对称的两个相同的幅度峰，并且不知道频移符号。
在步骤413中，例如使用以硬件或软件实现的复数FFT函数FFT(S)来确定复数下混合返回信号S的复数傅立叶变换。
在步骤421中，对于步骤411中观察到的零个或多个多普勒频移的当前多普勒频移，使FFT(S)移位该多普勒频移以产生如下面描述的等式14a或14b给出的校正的谱SFFT。如Foucras 2014等式27所示，可以应用时移定理来实现多普勒代码补偿。实际上，时移频率定理由等式13给出。
其中表示傅里叶算子，x(t)是时间t的函数，δ是时移，并且F(ζ)表示x(t)的傅里叶变换。然后，对于基于FFT的采集方法，可以通过在频域中将局部扩展代码的FFT乘以复指数来补偿由代码多普勒引起的代码延迟。该方法的优点在于，如果已经构建了扩展代码序列的傅里叶变换并将其存储在存储器中，则可以以简单的方式将后退的(或延伸的)扩展代码的傅里叶变换变换到频域。然后可以快速产生正确的扩展代码。该技术由Krasner在1998年获得专利。多普勒的效应是使代码的谱频移。因此，当使用卷积定理来快速计算交叉相关关系时，测量的代码的频率内容与参考的频率内容不匹配。通过多普勒补偿，使频谱回到对准，并且交叉相关关系再次有效。
在一些实施方式中，使用等式14a计算正确谱。
SFFT＝circshift(FFT(S)，ωD) (14a)
其中，circshift(x，y)将独立变量的函数x在有限域上移位独立变量中的量y，使得从有限域的一端移位的任何对象移位到有限域的相对端。在一些实施方式中，使用等式14b计算正确谱，其通过与复指数相乘、然后计算FFT来去除多普勒效应，如等式13所示。
SFFT＝FFT(S*exp(-iωDt)) (14b)
在一些实施方式中，步骤421包括。
在步骤423中，确定相位编码exp(iB(t))与校正的复数信号Scorr的交叉相关XC对于M个具有N个符号的独立块中的每个块指定为XC(Code，Scorr)，然后取平均。在一些实施方式中，这通过采用校正的复数谱SFFT的逆快速傅里叶变换(invFFT)并使校正的复数返回Scorr与表示代码的数字信号exp(iB(t))相关来完成，如等式15a给出。
其中correl(x，y)是确定系列x与系列y的相关性的函数，并且Bm(t)是第m个块的代码。invFFT和correl函数都涉及对系列的每个成员的多个操作。在一些实施方式中，通过使用在步骤421中已经确定的SFFT进行傅里叶空间中的乘法、然后采用逆FFT来节省计算资源，如等式15b给出。
XC(Code，Scorr)中的任何峰都用于确定在当前多普勒偏移下的延迟时间Δt，并且零个或多个延迟时间用于计算当前多普勒偏移下的零个或多个对应距离。
在一些实施方式中，还可以利用如等式15c给出的基于有限脉冲响应(FIR)滤波器的卷积来有效地进行用于确定交叉相关(XC)的基于FFT的卷积。对于一些较短的代码长度并且在一些计算硬件设置(FPGA)中，这可能更有效。对于交叉相关中的每个距离区间k。
注意，点乘(*)暗示在参考代码Bm和校正信号S之间的不同移位(k)处的一系列内积。可以看出，等式15c的FIR方法暗示与等式15b的更复杂的FFT方法相比较的简单的寄存器移位操作和简单的乘法。对于较短的代码B，FIR方法的重复移位和乘法可以在计算上更有效。
步骤423包括在距离区间中找到任何峰(零或多个)以指示距离，如果有的话，其中一些外部对象散射了发送波束。由于噪声和散斑，来自每个距离区间的返回将存在可变性。峰检测过程确定从一个距离区间到下一个距离区间的可变性是否表示实际散射体。该决定可能是困难的。
在一些实施方式中，来自任何距离区间的返回的相位可以与步骤411中已经检测到的多普勒频移相关。如果在该区间中的测量相位与期望相位不匹配，给定已知多普勒频移，则该返回作为实际散射体的距离被消除，并且该距离区间被忽略或丢弃。这在示例部分4.2中更详细地描述。
在不使用电信号的同相和正交分离的一些实施方式中，在步骤411中确定的谱在多普勒频移的正值和负值处具有相等的峰(例如，在图1D中，除了fS＝f0+ΔfD处的峰之外，在f0-ΔfD处将存在具有相等高度的第二峰)；并且，不能从谱确定多普勒频移的正确符号。虽然可以使用等式15a到15c来确定具有在一些实施方式中可用的无符号多普勒频移的距离(因为可以使用正或负多普勒频移)，但是带符号多普勒频移在例如速度传感器中或者用于车辆的控制时仍然是有价值的。发现等式16a中的返回信号的相位取决于多普勒频移的符号，其中正和负多普勒频移出现在描绘相位的单位圆的两个相对侧。如果多普勒频移的幅度和目标的距离是已知的，例如由于强多普勒峰和在一个或多个特定距离区间处的强峰，则可以如在示例部分4.3中更详细描述的那样推断带符号多普勒。图7是示出根据实施方式的关于多普勒频移的符号的距离峰的相位补偿复数值的示例依赖性的图。圆圈表示蓝移多普勒数据集，x表示红移多普勒数据集，而沿实轴的正方形表示DC(即零多普勒频移)数据集。如可以看到，蓝移(正)多普勒频移数据具有正虚部；红移(负)多普勒频移数据具有负虚部；并且，零移位数据具有零虚部，并且导致实值距离峰。
在一些实施方式中，修改与代码信号的FFT的交叉相关的计算，以数字地补偿多普勒域中的相干展宽，该相干展宽是由于相位编译LIDAR脉冲的CPI量级的演变而引起的连续相位和频率波动造成的。这种补偿在示例部分4.5中在下面更详细地描述。
在步骤425中，确定是否存在另一多普勒频移，例如，当在步骤411中检测到超过一个多普勒频移时。如果这样，则控制转回到步骤421以利用下一个多普勒频移来校正复数返回谱FFT(S)。如果不是，则控制转到步骤427。在步骤427中，例如通过如以上描述的重合处理来去除多普勒模糊(如果有的话)。在扫描时存在发生所谓的“分离像素”场景的一些可能性。在这种场景中，可以剪切波束，使得其一部分测量一个距离和多普勒处的表面，而其他部分测量不同的距离和多普勒。在这种场景中，需要有效的处理策略来提取所有相关信息。例如，交叉谱可以感测多个非零多普勒值。这将导致多个多普勒校正和交叉相关。一种策略是在单个交叉相关之前对多普勒校正的时域信号进行相干求和。这避免了多个交叉相关的计算负担，代价是在距离-多普勒配对中的一些模糊以及将每个校正信号的噪声分量添加到最终距离轮廓。可以利用空间对应算法来分类模糊，该空间对应算法被设计为基于与非模糊(单距离-多普勒)点的空间接近度来找到“最可能的”距离-多普勒配对。加性噪声可能不足以成为问题。这种处理策略值得考虑，因为某些用户可能期望多返回功能。在一些实施方式中，省略步骤427并且控制直接转到步骤431。
在步骤431中，例如，通过扫描以查看感兴趣场景中的新点来确定在感兴趣场景中是否存在待照射的另一点。如果存在，则控制转回到步骤405和随后的步骤以照射下一点并处理任何返回。在使用多点平均的一些实施方式中，将新点添加到平均值并且去除最旧点，或者在步骤405至409形成的循环中收集P个新点。如果不存在待照射的另一点，则使用结果，并且控制转到步骤433。
在步骤433中，基于多普勒效应或校正距离来操作设备。在一些实施方式中，这涉及在显示设备上呈现指示在由发送光学信号照射的多个点处的任何对象的多普勒校正位置的图像。在一些实施方式中，这涉及向设备传达基于在由发送光学信号照射的多个点处的多普勒校正位置的点云来识别至少一个对象的数据。在一些实施方式中，这涉及在显示设备上呈现指示在由发送光学信号照射的多个点处的多普勒效应的大小的图像，由此将移动对象与静止对象和不存在的对象区分开。在一些实施方式中，这涉及移动车辆以避免与对象碰撞，其中基于由发送光学信号照射的多个点处的多普勒效应的大小来确定车辆与对象之间的接近速度(closing speed)。在一些实施方式中，这涉及基于由发送光学信号照射的多个点处的多普勒校正位置的点云来识别车辆或识别碰撞路线上的对象。基于多普勒过滤点云数据具有识别和去除可能在微风中移动的植被的效果。然后通过过滤过程更好地揭示硬对象、人造对象或密集对象。这在防御和监视场景中可能是有利的。在车辆场景中—多普勒可以用于分割对象(即路面与移动车辆相比)。
在具有针对单个返回的多个多普勒频移的一些实施方式中，步骤433包括使每个延迟时间与多普勒频移中之一相关联，假设特定返回基于在一个发送信号的持续时间内以特定平均速度移动的对象或对象的一部分，对于给定的多普勒校正，仅与该多普勒校正相关联的那些距离峰将出现在交叉相关中。因此，在多个实例的情况下，不可能错误地将给定距离和多普勒配对。换句话说，这种方法的模糊功能保证可以不存在混淆。
图4B是示出根据实施方式的用于增强光学相位编码距离检测中的速度分辨率和信噪比的示例方法的流程图。尽管出于说明的目的在图4B中将步骤描绘为特定顺序的整体步骤，但是在其它实施方式中，一个或多个步骤或其部分以不同的顺序进行，或者在时间上重叠、串行或并行进行，或者被省略，或者添加一个或多个附加步骤，或者以某种方式组合来改变方法。在一些实施方式中，方法400B的一些或所有操作可以由处理系统350进行。
方法400b包括接收通过混合第一光学信号和第二光学信号而生成的电信号的操作402b，其中，第一光学信号通过调制光学信号而生成，并且其中，第二光学信号响应于向对象发送第一光学信号而被接收。该方法包括确定第二光学信号的多普勒频移的操作404b。该方法包括通过基于多普勒频移调整电信号来生成校正的电信号的操作406b。该方法包括基于校正的电信号与关联于第一光学信号的RF信号的交叉相关来确定到对象的距离的操作408b。
4.示例实施方式
图8是示出根据实施方式的包括安装在车辆810上的至少一个高分辨率多普勒LIDAR系统820的示例系统801的框图。在实施方式中，LIDAR系统820类似于LIDAR系统200、200’中的一个。车辆具有由星811表示的质心，并沿箭头813所给出的向前方向行进。在一些实施方式中，车辆810包括响应于来自处理器(诸如处理系统250的车辆控制模块272)的信号而操作的部件(诸如转向或制动系统(未示出))。在一些实施方式中，车辆具有车载处理器814，诸如图13中所示的芯片组。在一些实施方式中，车载处理器814与远程处理器有线或无线通信，如图12中所示。在实施方式中，LIDAR系统的处理系统250与车载处理器814通信地耦合，或者LIDAR的处理系统250用于进行车载处理器814的操作，使得车辆控制模块272使处理系统250向车辆的转向或制动系统发送一个或多个信号，以控制车辆的方向和速度。高分辨率多普勒LIDAR使用由未来光束823表示的从一侧扫描到另一侧的扫描光束822通过方位角视场824以及通过照射车辆810的周围中的点的垂直角。在一些实施方式中，视场是360度方位角。在一些实施方式中，倾斜角度视场是从约+10度到约-10度或其子集。
在一些实施方式中，车辆包括辅助传感器(未示出)，例如GPS传感器、里程表、转速表、温度传感器、真空传感器、电压或电流传感器等本领域公知的传感器。在一些实施方式中，包括陀螺仪330以提供旋转信息。
在这些示例实施方式中，LIDAR系统使用上面所示出的部件来产生相位编码的光发送信号。在这些实施方式中，符号时间(脉冲宽度)是2纳秒(ns，1ns＝10-9秒)，每块的符号数量N是2048，并且块的数量M是5。使用范围从约0至约250米的各种目标，并且用直径从约5至约20mm的波束点照射。
在各个实施方式中，目标识别的期望类型、空间分辨率和准确度以及对象速度分辨率和准确度用于选择上述系统的一个或多个参数的值。这些参数包括以下中的一个或多个：代码长度、代码块长度、用于取平均的代码块的数量、代码本身(研究工程化代码)、信号和代码之间的移位以便在长范围处更好地检测、速度的优化、数据采集速率、相位调制深度、发送激光功率、激光点大小、扫描方法和扫描图案。
4.1车辆设置中的增强的速度分辨率
如上所述，CPI(一个块的持续时间)将测量的频率分辨率限制为1/CPI，并且最终限制LIDAR系统的多普勒频率和相应速度测量的分辨率。实际上，这可能限制传感器检测缓慢移动的目标(诸如行人)相对于静止目标(诸如电话杆)的运动的能力。当缓慢移动的目标垂直于传感器的视线前进时，情况恶化，使得运动的径向分量进一步受限。对于3.1μs CPI，频率分辨率为323kHz(＝1/CPI)，对于1550nm LIDAR系统(192.5THz载波频率)，其对应于使用等式2的约0.25米每秒(m/s)的速度分辨率。注意，3.1μs CPI是实验实施方式的实际操作点。因此，如果在两个块上计算多普勒频移，则持续时间是6.2μs，频率分辨率在161kHz更精细，并且速度分辨率将更精细，在大约0.12m/s；因此，允许将较慢移动的对象(诸如接近垂直于LIDAR视线行走的行人)与静止对象区分开。
对于扫描光束LIDAR系统，多普勒计算持续时间的这种延长的实际上限可以是扫描光束在同一对象的多个散斑实现上的平移。这将导致相位演变，其可能最终限制分辨率的提高。下面参考部分4.5更详细地描述的多普勒展宽补偿解决了对这种限制的可能补救。
可以取决于操作LIDAR系统的车辆的速度或测量时波束的视角或其他操作者关注，动态地改变多普勒计算持续时间(第一持续时间)到用于速度分辨率目的的多CPI的延长。例如，密集城市交通中的车辆可能需要经由更精细的速度分辨率的更好的行人检测能力以安全地导航。或者，视场的某些区域(诸如车辆的前方)可以比车辆的侧面区域受益于更精细的速度分辨率。总之，该方法有助于信息有利于成功地安全地操作自主车辆。资源利用的选择将暴露给LIDAR系统的操作者。
例如，在图8中，诸如灯柱的静止对象834有利地与诸如行人的缓慢移动对象836区分开。如果行人在由速度矢量838给出的方向上移动，则存在垂直于LIDAR系统的视线的第一速度分量842，因此不提供多普勒频移；并且，存在从LIDAR系统指向视线的第二速度分量844，因此确实对多普勒频移有贡献。如果第二分量非常小，如图8所示，则可能难以将移动对象836与静止对象834区分开。在这个部分中描述的增强的速度分辨率在这种情况下是非常有用的。
4.2相干滤波
如上所述，可以通过考虑基于观察到的多普勒频移在每个距离处预期的相位来消除寄生返回。与行进时间Δt和多普勒频移ΔfD相关的距离区间的期望相位φE由等式16a给出。
φE＝angle{exp(i2πΔfDΔt)} (16a)
该因子可以用于强调实峰并且通过进一步校正与该相位的复数交叉相关来减少噪声变化，如等式16b中所给出的，以便用预期相位旋转交叉相关项，从而使它们沿着正实轴指向。
XCcorr＝XC/exp(iφE)} (16b)
这种方法具有改进检测统计的效果，因为对可能的错误警报有贡献的噪声区间的数量受到可用相位信息的附加分析的限制。该效果如图6A和图6B所示。图6A是示出根据实施方式的在功率方面与更远距离处的噪声区间几乎没有区别的实际距离峰的距离分布图。水平轴表示距离区间，并且竖直轴表示以dB为单位的功率。实际信号被标记在大约距离区间60处。绘制各个区间的复幅度的图图示噪声和信号之间的更好的分离，尤其是当将所考虑的样本限制到特定相位时。图6B是根据实施方式的等式16b中的交叉相关的实部和虚部的曲线图。具有与等式16a的预期相位相似的相位的返回沿正实轴指向，并且如果在零的几度内则由空心圆标记。其它的返回是简单点。该曲线图表示容易消除大量返回距离区间，使得更容易识别实际信号的检测。
4.3来自相干滤波的带符号多普勒
如上所述，如果多普勒频移的符号未知，则除了基于预期的相移对返回进行滤波之外或者代替基于预期的相移对返回进行滤波，可以基于每个距离区间中的补偿相位和测量的多普勒频移的幅度来确定多普勒频移的符号。距离峰的相位补偿φcomp是复共轭φE。距离峰的相位补偿复数值在图7中绘制。
图7是在不同条件下在约22dB的SNR下收集的。每个实验数据组由偏离漫射快速旋转目标的8000次距离测量组成，该漫射快速旋转目标与波束成一定角度以采样散斑分布并提供多普勒频移。这样做，发现蓝移多普勒信号导致主要沿正虚轴定向的距离峰的相位，红移多普勒信号导致沿负虚轴的相位，并且DC处的信号导致沿实轴的相位。最后的结果是信号和我们相关的代码都是实信号的事实的结果；因此，如果不应用多普勒频移，则所得到的相关性也必须是实值的。这种相位相关性允许从所得到的距离的相位确定多普勒频移的符号。例如，假定正多普勒频移进行补偿。如果假设是正确的，则沿正虚轴找到距离峰的相位。如果假设是错误的，则沿着负虚轴找到距离峰；并且相应地确定多普勒频移的符号为负。
该技术对于高SNR和距离DC超过2个频率分辨率区间的多普勒频移工作得非常好。对于较小的SNR和接近DC的多普勒频移，相位的分布不太一致，因此使用这种技术，小的多普勒频移可能保持无符号。在这种情况下，可以替代地使用同相和正交电信号的两个单独的测量。
4.4数字补偿激光线宽问题
激光线宽是相干LIDAR系统的系统设计中的关键性能参数。发送信号和本地振荡器信号之间的时间(距离)延迟以及相干处理间隔都导致取决于线宽的信噪比劣化。跨越此折衷空间的蒙特卡罗模拟(Monto Carlo simulations)图示归因于不完美的激光线宽的预期SNR损失。激光器在相干测量量级的时间尺度(例如，M*N*τ+Δt)上的相位漂移导致本地振荡器与时间延迟的返回光学信号R(t)＝RI+iRQ之间的消相干。最终，这扰乱了信号可达到的相干处理增益，并负面地影响SNR，即，降低了SNR。图9A和图9B是示出根据实施方式的在没有补偿的情况下在对于两个不同的相干处理间隔分别为2μs和3μs的距离和采样率的情况下由激光线宽引起的SNR的降低的曲线图。水平轴表示距离区间，竖直轴表示与具有线宽可忽略的理想激光源相比的SNR降低，并且不同迹线表示从10千赫兹(kHz，1kHz＝103样本/秒)开始的不同采样率，其中每个样本表示总持续时间D＝M*N*τ的M*N个符号；并且，CPI＝N*τ。由于在较长时间间隔期间增加的线宽漂移，对于较长的CPI(较大的τ)，SNR甚至降低得更快。
在确定交叉相关的进一步处理之前，这里使用上面参考等式11b所述的在内部反射信号Sp(t)中检测到的激光频率和相位的演变来数字地补偿实或复电信号S(t)。参考相位代码B(t)和时域信号Sp(t)的时间对准段或其子段(诸如一个或多个块)之间的内积运算在处理持续时间内的该时间延迟产生幅度A(t)和相位φ(t)，如等式17a和等式17b给出。
φ(t)＝angle{A(t)} (17b)
其中np是从t1到t2的时间间隔中的离散样本的数量。
随着时间进行该测量允许跟踪激光器的演变相位φ(t)。知道内部循环光学器件的距离延迟(ΔtI)允许相位演变φ(t)被转换成激光器的频率漂移(ΔfL)，如等式18a给出。
ΔfL＝Δφ/ΔtI (18a)
为了在每个时间步具有值，将在若干样本上检测到的缓慢演变漂移上采样到LIDAR系统的数字化器速率。激光器的相位/频率演变比波特率慢，但比N*τ快，因此这些校正在这样的时间尺度上发生。
一种校正是对本地振荡器的范围无关相位校正，在本文中称为LO校正。在这种情况下，时域信号向量S(t)按元素乘以复LO校正，如等式18b给出。
S’(t)＝S(t)*exp(-iφ(t)) (18b)
第二校正是距离相关相位校正，以减轻在延迟时间ΔtC由中心距离区间表示的感兴趣特定距离间隔中的SNR损失。在这种情况下，时域信号矢量S(t)按元素乘以距离相关校正，如等式18c给出。
S’(t)＝S(t)*exp(-i 2xf(t-ΔtC)ΔtC) (18c)
其中f(t-ΔtC)是使用等式8a推导的且在时间上移位ΔtC的频率演进。假定在多个点上粗略地确定所测量的时间演变，则预期由等式18c引入的时间延迟在距离区间的合理间隔上是有效的。
应用这两种技术来图示在采用具有大约800kHz的次佳线宽的激光器的测量中的SNR恢复。由于线宽扩展——SNR改进约5dB，恢复与预期的SNR损失一致。这在图10至图10C中示出。图10A是示出根据各个实施方式的、在应用各种线宽校正的实验数据中的信号和噪声的示例分布的曲线图。水平轴表示相对于未应用线宽校正的距离峰中的功率的以dB为单位的功率；并且，竖直轴表示被归一化为任何功率水平的区间的最大数量的具有观察到的功率水平的区间的数量。用+符号标记的迹线对应于仅具有噪声的区间的一部分。最常见的功率相对于未校正的距离峰约为-10dB。虚线迹线对应于具有信号但没有应用校正的区间的一部分。最常见的功率是大约0dB，如通过定义所预期的。用空心圆标记的迹线对应于仅应用LO距离无关校正的区间的一部分。最常见的功率相对于未校正的范围峰约为+3dB，SNR恢复为3dB。用星号标记的迹线对应于具有LO距离无关校正和应用距离相关校正的区间的一部分。最常见的功率相对于未校正的距离峰约为+8dB，SNR恢复为8dB。这种后者星号迹线清楚地示出了噪声分布的最佳描绘。
图10B和图10C是示出根据各个实施方式的应用各种线宽校正的实际返回数据中的示例距离峰的曲线图。每个中的水平轴指示距离区间；并且，每个中的竖直轴表示相对于任意水平的功率(以dB为单位)。图10C是图10B的放大版本，以更好地区分所绘制的迹线。虚线迹线对应于没有应用校正的实际返回信号。观察到具有约1dB功率的峰。用空心圆标记的迹线对应于仅应用了距离无关LO校正的实际返回信号。观察到具有约3dB功率的峰。用星号标记的迹线对应于应用了距离无关LO校正和距离相关校正的实际返回信号。观察到具有超过6dB的功率的峰。显然，完全校正的信号具有最佳SNR，这对于远距离目标或噪声条件可能尤其有用。
4.5数字补偿多普勒频率展宽
多普勒域中的相干展宽在多普勒频移的计算期间表现为来自多个相邻频率区间中的一个目标的能量。这可能导致多普勒频移峰确定中的误差，然后导致交叉相关和所得峰距离区间中的误差。
由于连续相位和频率波动，随着相位编码LIDAR脉冲串的相干处理间隔(CPI)的量级的演变，发生相干展宽。这些相位和频率波动可以来自许多不同的源，包括激光器相位噪声、平台和目标振动以及散斑演变。散斑是指由于来自衍射受限发散角内的漫射目标的大量单独定相的返回的贡献而引起的相干返回的随机幅度和相位。衍射受限发散角是对于给定的准直高斯波束直径可能的最小发散——即，物理上不可能比衍射受限发散角做得更好，θD＝λ/πw，其中λ是激光频率，w是准直波束的高斯波束参数(1/(波束半径e2))。当这些散射体的贡献由于波束和/或目标运动而改变时，发生散斑演变。散斑演变是相干光束扫描LIDAR中的问题，其可能将扫描速度限制为每个CPI一个衍射受限发散角的量级的值，或者遭受距离峰SNR的显著损失。对这种相干展宽的数字补偿使得能够提高针对给定目标最大范围的波束扫描的速度，这允许相干波束扫描LIDAR系统的更快更新速率。
为了解释补偿，提供以下内容作为理由。然而，该方法不受以下内容的完整性或准确性的影响。在相干LIDAR中，测量信号的相位对于散射目标与LIDAR系统之间的距离L是干涉敏感的，如等式19a所示。
φ＝4πL/λ (19a)
其中λ是光学载波的波长。即使微米尺度移动也会导致相移，而更大的尺度移动会导致多普勒频移。对于漫射目标，干涉测量灵敏度导致包括相位变化的接收场的散斑分布(例如，多个返回)。对于近衍射受限准直激光束，散斑分布的尺度可以通过激光束的衍射受限发散角参数化。这里，“尺度”意指引起新散斑实现或相位和幅度的明显变化或两者所需的角扫描位移量。它是扫描速度相对于波束大小(由衍射受限发散角θD限制的波束发散角θB)和相干处理间隔(CPI)的归一化参数，并且例如以每秒度数为单位来表示。这种关系在等式19b中表示。
scale＝θB/CPI (19b)
在相干波束扫描LIDAR中，在单个相干处理间隔(CPI，例如，N*τ)中快速扫描超过该角度导致信号的相位展宽。相位展宽导致交叉相关处理之后的信号减少。
这里描述的处理方法通过利用多普勒域信号(频率)展宽作为在相干处理间隔期间的相位演变展宽的估计来部分地补偿相位展宽。
回想如上所述，核心处理块开始于在发送代码的重复周期(N*τ)被划分为阵列向量S’(t)的数字化和调节的时域数据。对于每个时域矢量，FFT被应用于S’(t)，例如在等式12中，将信号变换到频域，其中多普勒信号被识别为功率谱或交叉谱XS(S)中的峰。频率空间中的峰的位置n识别潜在目标的多普勒频率，并且峰的功率与返回信号成比例。信号与相位代码Bm(t)的交叉相关在等式15c中通过将信号的FFT(例如，SFFT)乘以已经被循环移位以将DC频率值与信号的多普勒频率对准的相位代码的FFT的共轭来实现。在其它实施方式中，进行乘法的其它版本，例如，如等式15a或15b所示。在相乘之后，应用逆FFT来计算时域信号与频移代码的交叉相关，从而产生多普勒补偿和信号数据矢量的完整距离轮廓。在每个发送/接收间隔(N*τ)重复该处理。在一些实施方式中，在M＞1的情况下，对M个这样的计算的结果取平均。
根据所示出的实施方式，信号与相位代码的多普勒补偿交叉相关被重复K次，每次通过应用多普勒补偿信号与代码Bm(t)的FFT的移位、缩放和定相版本的相乘。然后在进行逆FFT之前将这些结果相干相加，以计算补偿多普勒展宽的距离轮廓。重要的是注意到，该方法并不等同于补偿不同的多普勒目标。对于这种多普勒展宽补偿技术来改进距离域中的目标信号的SNR，多普勒补偿被共同地作为来自单个目标的单个信号来处理。对移位、缩放和相位的选择可引起距离峰的相长干涉或相消干涉。
图11A和图11B是示出根据各个实施方式的分别针对两个不同采样率由于散斑导致的频率展宽对多普勒峰的选择的示例影响的谱图。水平轴指示谱(频移)区间，并且竖直轴指示相对于最小观察到的功率的以dB为单位的功率。实线是具有在图11A中的14,400度每秒和图11B中的3,360度每秒的扫描速率下的快速散斑演变的模拟数据。对于100微弧度发散的波束，这对应于在许多示例实施方式中使用的单个3微秒CPI中的图11A中的约7.4个散斑单元和图11B中的1.8个散斑单元。第一结果是信号的峰高度被减小，这使得在散粒噪声背景噪声中对多普勒信号进行阈值处理更加困难。其次，多个多普勒区间之间的能量扩展意指要交叉相关的代码能量也在多于一个多普勒区间之间移位，使得单个多普勒补偿移位不会完全相关，从而降低了距离峰的最终SNR。在每个图中，由于模拟的散斑演变引起的相干展宽，两个或三个不同的峰是明显的。虚线是同一谱信号的低通高斯滤波版本。以虚线迹线(信号的低通版本)中的峰为中心的K＝5个多普勒频移用于数字补偿，并且由空心圆表示。
通常，为了补偿多普勒展宽，第一步是从散粒噪声背景中正确地识别功率谱中的多普勒峰。在优选实施方式中，有限脉冲响应(FIR)滤波器G用于平滑多普勒谱，在每个图中产生虚线迹线。这种平滑有助于在散斑展宽峰上对能量进行积分，以使其高于散粒噪声背景中的波动。在优选实施方式中，该滤波器由半径r定义，该半径r将滤波器中的抽头数量设置为2r+1，并且将滤波器本身作为高斯形状的1/e半宽设置为√2r。在应用滤波器之后，假设其处于超过阈值功率水平(例如平均背景噪声)的感兴趣多普勒区域中，多普勒峰明显为虚线迹线中具有最大功率的区间n。然后，在区间n周围的半径r内的原始信号(实线轨迹)中的K个最大点(在指定为nk的区间处)被选择用于多普勒补偿。
然后根据等式20计算多普勒展宽的补偿交叉相关距离轮廓。
该分数是缩放因子，并且指数是相位因子，其计入了在间隔Δf的不同多普勒频率区间之间累积的相位和到目标的参考往返时间，以及对应于参考距离Lr的返回Δtr。这种方法类似于在匹配滤波器之前在频域中的去卷积。距离相关相位因子意指补偿算法的有效性取决于对周围要补偿的距离的选择和实际距离。如果要校正的距离选择得很差，这将导致距离峰的SNR的劣化而不是最终SNR的增加。在LIDAR中，较短距离处的SNR通常优于长距离处的SNR，因此这表明如果选择单个距离来补偿，则其应该接近最大预期距离，因为较短距离通常具有足够的SNR，使得在这些波长处可以遭受一些损失，而不会显著降低检测概率。
图11C和图11D是示出根据各个实施方式的分别针对两个不同采样率的用于频率展宽的数字补偿的示例影响的距离图。水平轴表示以米为单位的距离区间(L)，并且竖直轴表示线性尺度上的任意单位的功率。原始距离轮廓由实线迹线指示；并且在补偿由模拟散斑引起的相干展宽之后的距离轮廓由每个图中的虚线表示，其中图11C对应于图11A中的模拟数据，图11D对应于图11B中的模拟数据。对于每个扫描速率，补偿距离轮廓在200m处示出明显更强的峰。对于图11C的较高扫描速率，补偿可以提供在200m处丢失和检测到目标之间的差。
图11E和图11F是示出根据各个实施方式的由于以对所使用的多普勒峰数量的两个不同选择对频率展宽进行数字补偿而导致的作为距离的函数的信噪比的示例改善的图。在每个图中，水平轴指示以米为单位的距离；而竖直轴表示以dB为单位的平均信噪比。这些图示出了对于给定选择的补偿半径r和要补偿的不同数量K的频率点将散斑补偿应用于模拟的散斑展宽数据相对于距离的结果。每个迹线指示当模拟目标从0移动到275米时的SNR。具有闭合圆圈的迹线表示没有相干展宽补偿的结果。用闭合正方形标记的迹线表示补偿相干展宽的结果，该相干展宽是针对与到目标的125m距离相对应的Lr而调谐的。具有闭合三角形的迹线指示使用补偿的增益。在参考距离Lr＝125m处，增益最大，约2dB。在50米之内有损失，而在200米之外没有增益。比较K＝3的图11E和K＝5的图11F，这些图示出散斑处理算法的最大增益随着多普勒频率补偿的数量K而增加。然而，当实际距离峰远离补偿中假定的参考距离Lr时，增加的增益也意指增加的损耗。
5.计算硬件概述
图12是示出了可以在其上实施本公开的实施方式的计算机系统1200的框图。计算机系统1200包括通信机制，诸如用于在计算机系统1200的其他内部和外部部件之间传递信息的总线1210。信息表示为可测量现象的物理信号，典型地是电压，但在其他实施方式中包括诸如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子相互作用的现象。例如，北极和南极磁场或者零和非零电压表示二进制位数(比特)的两个状态(0、1)。其他现象可以表示较高基数的数字。测量前多个同时量子态的叠加表示量子比特(量子位)。一个或多个数字的序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。在一些实施方式中，称为模拟数据的信息由特定范围内的可测量值的近似连续区表示。计算机系统1200或其一部分构成用于进行本文描述的一个或多个方法的一个或多个步骤的装置。
二进制位数序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。总线1210包括许多并行的信息导体，使得信息在耦合到总线1210的设备之间快速传递。用于处理信息的一个或多个处理器1202与总线1210耦合。处理器1202对信息进行一组操作。该组操作包括从总线1210引入信息以及将信息置于总线1210上。该组操作典型地还包括比较两个或更多个信息单元、移位信息单元的位置以及诸如通过加法或乘法组合两个或更多个信息单元。待由处理器1202执行的一系列操作构成计算机指令。
计算机系统1200还包括耦合到总线1210的存储器1204。诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置的存储器1204存储包括计算机指令的信息。动态存储器允许计算机系统1200改变存储在其中的信息。RAM允许存储在称为存储器地址的位置处的信息单元独立于相邻地址处的信息被存储和检索。存储器1204还被处理器1202用以在执行计算机指令期间存储临时值。计算机系统1200还包括只读存储器(ROM)1206或耦合到总线1210的用于存储包括指令的而不被计算机系统1200改变的静态信息的其他静态存储装置。还耦合到总线1210的是非易失性(永久性)存储装置1208，诸如磁盘或光盘，用于存储即使在计算机系统1200关闭或以其他方式断电时仍然存在的包括指令在内的信息。
包括指令在内的信息被从外部输入设备1212提供给总线1210以供处理器使用，该外部输入设备诸如由人类用户操作的包含字母数字键的键盘或传感器。传感器检测其附近的状况并将那些检测变换成与用于表示计算机系统1200中的信息的信号兼容的信号。耦合到总线1210的主要用于与人类交互的其他外部设备包括用于呈现图像的显示设备1214，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，以及定点设备(pointing device)1216，诸如鼠标或迹线球或光标方向键，用于控制在显示器1214上呈现的小光标图像的位置，并发出与在显示器1214上呈现的图形元素相关联的命令。
在所示实施方式中，诸如专用集成电路(IC)1220的专用硬件耦合到总线1210。专用硬件被配置成出于特殊目的进行处理器1202进行不够快的操作。专用IC的示例包括用于为显示器1214生成图像的图形加速器卡、用于加密和解密通过网络发送的消息的密码编译板、语音识别以及特殊外部设备的接口，诸如重复进行以硬件更有效地实现的一些复杂操作序列的机械臂和医疗扫描装备。
计算机系统1200还包括耦合到总线1210的通信接口1270的一个或多个实例。通信接口1270提供耦合到各种外部设备的双向通信，这些外部设备利用它们自己的处理器诸如打印机、扫描仪和外部磁盘操作。一般地，耦合利用网络链路1278，该网络链路连接到本地网络1280，具有其自己的处理器的各种外部设备连接到本地网络。例如，通信接口1270可以是个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(USB)端口。在一些实施方式中，通信接口1270是提供与相应类型的电话线的信息通信连接的综合业务数字网(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或电话调制解调器。在一些实施方式中，通信接口1270是将总线1210上的信号转换为用于通过同轴电缆的通信连接的信号或转换成用于通过光缆的通信连接的光学信号的电缆调制解调器。作为另一示例，通信接口1270可以是用以提供与兼容LAN(诸如以太网)的数据通信连接的局域网(LAN)卡。还可以实现无线链路。诸如声波和电磁波的载波包括无线电、光学和红外波，在没有线或电缆的情况下行进通过空间。信号包括载波的幅度、频率、相位、偏振或其他物理特性的人为变化。对于无线链路，通信接口1270发送和接收携载信息流诸如数字数据的电信号、声信号或电磁信号，包括红外和光学信号。
术语计算机可读介质在本文中用于指代参与向处理器1202提供信息的任何介质，上述信息包括用于执行的指令。这样的介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储设备1208。易失性介质包括例如动态存储器1204。传输介质包括例如同轴电缆、铜线、光纤电缆和在没有线或电缆的情况下行进通过空间的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光学波和红外波。术语计算机可读存储介质在本文中用于指代除了传输介质之外参与向处理器1202提供信息的任何介质。
常见形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、光盘ROM(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、FLASH-EPROM或任何其他存储器芯片或者盒式磁带、载波或计算机可以读取的任何其他介质。术语非暂时性计算机可读存储介质在本文中用于指代除了载波和其他信号之外参与向处理器1202提供信息的任何介质。
在一个或多个有形介质中编码的逻辑包括计算机可读存储介质和诸如ASIC 1220的专用硬件上的处理器指令中的一个或两个。
网络链路1278典型地通过一个或多个网络向使用或处理信息的其他设备提供信息通信。例如，网络链路1278可以提供通过本地网络1280到主机计算机1282或由因特网服务提供商(ISP)操作的装备1284的连接。ISP装备1284又通过现在通常称为因特网1290的网络的公共全球分组交换通信网络提供数据通信服务。称为服务器1292、连接到因特网的计算机响应于通过因特网接收的信息提供服务。例如，服务器1292提供用于在显示器1214处呈现的、表示视频数据的信息。
本公开涉及计算机系统1200用于实施本文所述技术的用途。根据本公开的一个实施方式，由计算机系统1200响应于处理器1202执行包含在存储器1204中的一个或多个指令的一个或多个序列而进行那些技术。这样的指令(也称为软件和程序代码)可以从诸如存储设备1208的另一计算机可读介质读入存储器1204。包含在存储器1204中的指令序列的执行使得处理器1202进行本文描述的方法步骤。在可替代实施方式中，可以使用诸如专用集成电路1220的硬件来代替软件或与软件组合以实施本公开。因此，本公开的实施方式不限于硬件和软件的任何特定组合。
通过网络链路1278和其他网络发送通过通信接口1270的信号将信息携载到计算机系统1200以及携载来自该计算机系统的信息。计算机系统1200可以通过网络链路1278和通信接口1270、通过网络1280、1290等发送和接收包括程序代码的信息。在使用因特网1290的示例中，服务器1292通过因特网1290、ISP装备1284、本地网络1280和通信接口1270发送由计算机1200发送的消息所请求的特定应用的程序代码。所接收的代码可以在其被接收时由处理器1202执行，或者可以存储在存储设备1208或其他非易失性存储器或者两者中以供稍后执行。以这种方式，计算机系统1200可以获得载波上的信号形式的应用程序代码。
将一个或多个指令序列或数据或两者携载到处理器1202以供执行可能涉及各种形式的计算机可读介质。例如，在诸如主机1282的远程计算机的磁盘上可以最初携载指令和数据。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中，并使用调制解调器通过电话线发送指令和数据。计算机系统1200本地的调制解调器接收电话线上的指令和数据，并使用红外传输器将指令和数据转换成用作网络链路1278的红外载波上的信号。用作通信接口1270的红外检测器接收红外信号中携载的指令和数据，并将表示指令和数据的信息置于总线1210上。总线1210将信息携载到存储器1204，处理器1202从该存储器检索并使用与指令一起发送的一些数据来执行指令。在存储器1204中接收的指令和数据可以可选地在由处理器1202执行之前或之后存储在存储设备1208上。
图13示出了在其上可以实施本公开的实施方式的芯片组1300。芯片组1300被编程为进行本文描述的方法的一个或多个步骤，并且包括例如结合在一个或多个物理封装(例如，芯片)中的关于图13描述的处理器和存储器部件。通过示例，物理封装包括在结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、部件和/或线的布置，以提供一种或多种特性，诸如物理强度、大小保持和/或电气相互作用限制。预期在某些实施方式中，芯片组可以在单个芯片中实现。芯片组1300或其一部分构成用于进行本文所述方法的一个或多个步骤的装置。
在一个实施方式中，芯片组1300包括通信机制，诸如用于在芯片组1300的部件之间传递信息的总线1301。处理器1303具有到总线1301的连接以执行指令并处理存储在例如存储器1305中的信息。处理器1303可以包括一个或多个处理核，其中每个核被配置成独立地进行。多核处理器能够在单个物理封装中实现多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多个处理核。可替代地或另外地，处理器1303可以包括经由总线1301依次排列配置的一个或多个微处理器，以能够实现独立执行指令、流水线和多线程。处理器1303还可以附属有一个或多个专用部件，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)1307或一个或多个专用集成电路(ASIC)1309，以进行某些处理功能和任务。DSP 1307典型地被配置成独立于处理器1303实时处理现实世界信号(例如，声音)。类似地，ASIC 109可以被配置成进行不易由通用处理器进行的专用功能。帮助进行本文描述的发明功能的其他专用部件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)、或一个或多个其他专用计算机芯片。
处理器1303和附属部件具有经由总线1301到存储器1305的连接。存储器1305包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，ROM、CD-ROM等)，该可执行指令在被执行时进行本文描述的方法的一个或多个步骤。存储器1305还存储与执行本文描述的方法的一个或多个步骤相关联或由其生成的数据。
6.改动、扩展和修改
已经参考本公开的具体实施方式描述了本公开。然而，很明显，在不脱离本公开的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，词语“包括”及其变体，诸如“包含”和“具有”将被理解为暗示包括的项目、元件或操作、或者项目、元件或操作的组，但不排除任何其他项目、元件或操作或项目、元件或操作的组。此外，不定冠词“一(a/an)”意在指示由冠词修饰的一个或多个项目、元件或操作。
尽管用于阐述宽范围的数值范围和参数是近似值，但在具体的非限制性示例中阐述的数值尽可能精确地被报告。然而，任何数值固有地包含一些误差，这些误差是由在撰写本文时在它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然引起的。此外，除非从上下文中清楚地看出，本文所呈现的数值具有由最低有效数字给出的隐含精度。因此，值1.1意味着从1.05到1.15的值。术语“约”用于表示以给定值为中心的较宽范围，除非从上下文中清楚地看出，它表示在最低有效位附近的较宽范围，例如“约1.1”表示1.0至1.2的范围。如果最低有效位不清楚，则术语“约”表示两倍，例如“约X”表示在从0.5X至2X范围内的值，例如约100表示在从50至200范围内的值。此外，本文公开的所有范围应理解为包括其中包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括在最小值零和最大值10之间(并且包括)的任何和所有子范围，即，具有等于或大于零的最小值以及等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至4。
下面在被调制到光学信号上的射频处的二进制π/2(90度)相位编码的场境中描述了本公开的一些实施方式；但是实施方式不限于此场境。例如，在其他实施方式中，使用具有不同相位差(例如，30、60或180度)的其他相位编码或具有3个或更多个不同相位的编码。在单个光束及其在单个检测器或检测器对上的返回的场境中描述了实施方式，在其他实施方式中，则可以使用任何已知的扫描装置，诸如线性步进或旋转光学部件，或者利用发送器阵列或检测器阵列或检测器对，来扫描单个检测器或检测器对。为了描述的目的，“相位代码持续时间”是指示调制到光学信号上的相位编码信号的相位序列的代码的持续时间。

Claims (20)

1.一种自主车辆控制系统，包括：一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述指令使所述一个或多个处理器：
接收基于从对象反射的返回光学信号生成的电信号；
将所述电信号变换到频域中以生成变换后的电信号；
基于所述变换后的电信号的交叉谱确定所述返回光学信号的多普勒频移；
基于所述多普勒频移确定指示所述对象正在移动更靠近还是更远离所述自主车辆控制系统的移动信息；以及
基于所述移动信息控制转向系统或制动系统中的所述至少一个。
2.根据权利要求1所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述变换后的电信号的所述交叉谱中的特定点确定所述返回光学信号的所述多普勒频移。
3.根据权利要求1所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
通过处理所述变换后的电信号和相位代码的傅里叶变换的共轭来生成所述变换后的电信号的所述交叉谱。
4.根据权利要求3所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
循环移位所述相位代码以将直流(DC)频率与和所述电信号相关联的多普勒频率对准。
5.根据权利要求3所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述电信号和所述相位代码的所述傅立叶变换计算交叉相关。
6.根据权利要求5所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
根据和光学信号的发送或接收相关联的内部，重新计算所述交叉相关。
7.根据权利要求3所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
应用多普勒补偿信号与所述相位代码的所述傅里叶变换的移位版本、所述相位代码的所述傅里叶变换的缩放版本、或者所述相位代码的所述傅里叶变换的定相版本中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
通过从所述电信号中去除所述多普勒频移来调整所述电信号以生成调整后的电信号；以及
基于所述调整后的电信号确定到所述对象的距离。
9.根据权利要求1所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述电信号确定所述返回光学信号的同相分量和正交分量；以及
确定所述同相分量和所述正交分量的分离。
10.根据权利要求9所述的自主车辆控制系统，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述分离确定所述多普勒频移的符号；以及
基于所述多普勒频移的所述符号确定指示所述自主车辆正在移动更靠近还是更远离所述自主车辆控制系统的所述移动信息。
11.一种光检测和测距(LIDAR)系统，所述LIDAR系统包括：
一个或多个处理器；以及存储指令的一个或多个计算机可读存储介质，当由所述一个或多个处理器执行时，所述指令使所述一个或多个处理器：
接收基于从对象反射的返回光学信号生成的电信号；
将所述电信号变换到频域中以生成变换后的电信号；
基于所述变换后的电信号的交叉谱确定所述返回光学信号的多普勒频移；以及
基于所述多普勒频移确定指示所述对象正在移动更靠近还是更远离所述自主车辆控制系统的移动信息。
12.一种自主车辆，包括：
转向系统或制动系统中的至少一个；以及
车辆控制器，所述车辆控制器包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器配置为：
接收基于从对象反射的返回光学信号生成的电信号；
将所述电信号变换到频域中以生成变换后的电信号；
基于所述变换后的电信号的交叉谱确定所述返回光学信号的多普勒频移；
基于所述多普勒频移确定指示所述对象正在移动更靠近还是更远离所述自主车辆的移动信息；以及
基于所述移动信息来控制所述转向系统或所述制动系统中的所述至少一个。
13.根据权利要求12所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述变换后的电信号的所述交叉谱中的特定点确定所述返回光学信号的所述多普勒频移。
14.根据权利要求12所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
通过处理所述变换后的电信号和相位代码的傅里叶变换的共轭来生成所述变换后的电信号的所述交叉谱。
15.根据权利要求14所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
循环移位所述相位代码以将直流(DC)频率与和所述电信号相关联的多普勒频率对准。
16.根据权利要求14所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述电信号和所述相位代码的所述傅立叶变换计算交叉相关。
17.根据权利要求16所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
根据和光学信号的发送或接收相关联的内部，重新计算所述交叉相关。
18.根据权利要求14所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
应用多普勒补偿信号与所述相位代码的所述傅里叶变换的移位版本、所述相位代码的所述傅里叶变换的缩放版本、或者所述相位代码的所述傅里叶变换的定相版本中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
通过从所述电信号中去除所述多普勒频移来调整所述电信号以生成调整后的电信号；以及
基于所述调整后的电信号确定到所述对象的距离。
20.根据权利要求12所述的自主车辆，其中所述一个或多个处理器还被配置为：
基于所述电信号确定所述返回光学信号的同相分量和正交分量；
确定所述同相分量和所述正交分量的分离；以及
基于所述分离确定所述多普勒频移的符号。
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