CN113253243B - 快速扫描频率调制连续波(fmcw)激光雷达*** - Google Patents

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Abstract

本公开的技术使得激光雷达***能够作为快速扫描FMCW激光雷达***操作。快速扫描激光雷达***逐帧交替啁啾模式，以在不添加附加硬件的情况下增加扫描速度。每个连续帧对包括具有含有多个啁啾的长啁啾模式的帧和具有含有少至单个啁啾的短啁啾模式的帧，该短啁啾模式是在假设帧之间的对象速度恒定的情况下从长啁啾模式中推导出的。在每个帧内施加到每个像素的啁啾模式是一致的，但从一帧到下一帧是不同的。两个连续帧的组合持续时间小于从一帧到下一帧使用相同啁啾模式的传统FMCW激光雷达***的两个连续帧的组合持续时间。较短的持续时间加快了快速扫描激光雷达***的帧率、扫描速度或整体吞吐量。

Description

快速扫描频率调制连续波(FMCW)激光雷达***
背景技术
汽车激光雷达***确定静止目标和移动目标(例如，其他交通工具、行人、障碍物、其他感兴趣的对象)的速度和距离。频率调制连续波(FMCW)激光雷达是下一代自主驾驶传感器的有前景的技术，因为激光雷达允许高角度分辨率、强信噪比(SNR)、对环境光的抗扰、并且同时测量范围和速度。FMCW激光雷达***发出的激光信号具有比雷达***更短的波长(例如，一微米到十微米)并且因此具有提高的多普勒频率和角度分辨率。典型地，所发出和反射的激光信号以具有恒定斜率的连续的上啁啾(chirp)和下啁啾进行调制。如果相对速度不是零速度，则可由于多普勒频移而确定上差拍信号(beat signal)和下差拍信号。即使如此，传统FMCW激光雷达***的扫描速度、并且因此帧率受到该***的吞吐量的限制，使得传统激光雷达***对于一些汽车应用成为不太可行的传感器。
发明内容
本公开的技术使得FMCW激光雷达***能够作为快速扫描激光雷达***操作。快速扫描FMCW激光雷达***使用更快速的整体帧率进行操作，而不需要添加附加的发光二极管(例如，激光)或执行斜率的复杂调制。啁啾的频率模式(包括斜率和形状)对于每个帧内的每个像素是恒定的，但频率模式从一帧到下一帧是不同的。在初始帧期间，使用标准啁啾模式(例如，两个或更多个斜率以及较长的啁啾周期)来扫描视场内的每个像素，随后在后续帧期间，使用具有较少的啁啾或较短的持续时间的不同的啁啾模式来扫描每个像素。较长的标准啁啾模式使用两个或更多个斜率，使得能够确定范围和多普勒信息两者。假设在两个连续帧之间的对象速度恒定，在后续帧期间，第二啁啾模式可以使用较少的啁啾和/或不同的斜率，并结合重用从初始帧获取的信息的一部分，这使得能够确定后续帧的范围和范围变化率(速度)信息两者。因此，快速扫描激光雷达***的两个连续帧的扫描时间小于扫描从一帧到下一帧重复相同啁啾模式的传统激光雷达***的两个连续帧所花费的时间量。更短的扫描时间增加扫描速度，这使得帧率提升而同时保持了距离和速度两者感测的能力。
在一些方面，描述了一种方法，包括：由汽车的FMCW激光雷达***在两个连续帧中的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式；由激光雷达***基于两个或更多个啁啾的初始模式的扫描来确定与初始帧相关联的拍频；基于与初始帧相关联的拍频来识别与初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息。方法进一步包括：由激光雷达***在两个连续帧中的后续帧期间并针对视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的不同模式；由激光雷达***基于一个或多个啁啾的不同模式的扫描来确定与后续帧相关联的拍频；基于与后续帧相关联的拍频来识别与后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息。方法进一步包括：基于与初始帧和后续帧中的每一者相关联的对象范围和范围变化率信息来确定视场中呈现的对象的距离和速度；以及由激光雷达***输出视场中呈现的对象的距离和速度。
在其他方面，描述了一种激光雷达***，该激光雷达***包括被配置成用于执行上述方法的至少一个处理器或处理单元。在附加方面，描述了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括用于配置激光雷达***以执行上述方法的指令。另外，在其他方面，描述了一种包括用于执行上述方法的装置的***。
提供本发明内容是为了介绍快速扫描FMCW激光雷达***的简化概念，该快速扫描FMCW激光雷达***在下面的具体实施方式和附图中进一步描述。为了便于描述，本公开侧重于汽车激光雷达***；然而，这些技术不限于汽车，而适用于其他类型的交通工具的激光雷达和***。本发明内容并非旨在标识出要求保护的主题的必要特征，亦非旨在用于确定要求保护的主题的范围。
附图描述
本文档参考以下附图描述了快速扫描FMCW激光雷达***的一个或多个方面的细节。贯穿附图使用相同的数字来引用相似的特征和部件：
图1示出了其中可实现快速扫描FMCW激光雷达***的示例环境。
图2示出了作为交通工具的一部分的快速扫描FMCW***的示例实现方式。
图3-1到图3-3示出了快速扫描FMCW激光雷达***的示例操作。
图4-1示出了快速扫描FMCW激光雷达***的示例发射器和接收器。
图4-2示出了由快速扫描FMCW激光雷达***的处理器实现的示例方案。
图5示出了与快速扫描FMCW激光雷达***的示例啁啾模式并列的传统FMCW激光雷达***的示例啁啾模式。
图6示出了由快速扫描激光雷达***的处理器执行的示例过程。
具体实施方式
在下面描述快速扫描FMCW激光雷达***的一个或多个方面的细节。汽车激光雷达***正在成为一些基于交通工具的子***用于获取关于交通工具周围的环境的关键信息所依赖的重要感测技术之一。激光雷达***具有视场(field-of-view)，视场表示激光雷达***正在寻找对象的空间体积。视场由大量像素(大约一百万像素)组成。一帧表示完成对视场内的每个像素的扫描(例如，收集所有像素的信息)所花费的时间。通过扫描一系列帧中的每个像素，可以推断出对象的范围和范围变化率(例如，距离和速度)。为了扫描每个像素，FMCW激光雷达***发出具有在正负频率调制斜率之间交替的多个啁啾的频率调制激光信号。典型地，FMCW激光雷达***在每个啁啾中包括延迟时间，以避免啁啾模糊。该延迟基于所期望的检测范围而变化(例如，一微秒到十微秒)。通过将本地激光信号与从对象返回的信号混合，激光雷达***确定与啁啾相关联的相应拍频。当反射的啁啾信号返回到FMCW激光雷达***时，反射的信号在光电二极管中与出射的啁啾波束混合以产生拍频。将来自不同啁啾的拍频分解成在每个帧期间针对每个像素的对象距离或“范围”和对象速度或“范围变化率”。对每个帧重复该过程。
传统上，该过程使激光雷达***具有缓慢的扫描速度并且因此具有缓慢的帧率，使激光雷达***不太适于高吞吐量应用。为了对抗该问题，一些复杂FMCW激光雷达***包括多个激光器或执行高级调制的激光器以提高扫描速度。可实现在不同频率范围或不同啁啾边带中的双啁啾以减少每个像素的扫描时间，并且通过降低扫描每个像素所花费的时间来增加帧率。这些***需要多个激光器、更复杂的读出、或增加体积、重量和成本的其他附加硬件，使得这些***不太适于汽车应用。
本公开的技术使得现有激光雷达***能够作为快速扫描FMCW激光雷达***操作。***逐帧交替啁啾模式，以在不添加额外的激光器或其他硬件的情况下提高扫描速度并获得对多对象识别的更高置信度。每个连续帧对都包括具有标准模式或长啁啾模式的初始帧，该标准模式或长啁啾模式包括在后续帧之前具有不同斜率的至少两个啁啾，该后续帧具有与来自初始帧的标准模式或长啁啾模式不同的啁啾模式。应用于每个像素的啁啾模式在每个帧内是一致的，但从一帧到下一帧是不同的。来自快速扫描FMCW激光雷达***的两个连续帧的组合持续时间小于从一帧到下一帧使用相同啁啾模式的传统FMCW激光雷达***的两个连续帧的组合持续时间。较短的持续时间加快了快速扫描激光雷达***的扫描速度和平均帧率。
不同的啁啾模式还使得快速扫描FMCW激光雷达***能够区分在同一像素上的多个对象，但使用更少扫描时间和/或更少啁啾。与现有激光雷达***相比，平均帧率并且由此扫描速度得到了显著提升，同时保持了距离和速度两者感测的能力。该基于帧的啁啾模式变型使得能够在更短时间内扫描更多像素并且还实现了多对象识别。使用快速扫描FMCW激光雷达***，交通工具的另一***(例如，碰撞避免***)能够更快速地获取激光雷达数据，以便更好地了解交通工具的周围环境。
示例环境
图1示出了其中可实现快速扫描FMCW激光雷达***102的示例环境100。在所描绘的环境100中，快速扫描FMCW激光雷达***102(简称为“激光雷达***102”)安装到交通工具104或集成在交通工具104内。激光雷达***102能够检测交通工具104附近区域内的一个或多个对象108。尽管示出为汽车，但交通工具104可以表示其他类型的机动交通工具(例如，摩托车、公共汽车、拖拉机、半挂车、或施工装备)、其他类型的非机动交通工具(例如，自行车)、其他类型的有轨交通工具(例如，火车或电车)、水运工具(例如，船只或船舶)、飞行器(例如，飞机或直升机)、或航天器(例如，卫星)。在一些情况下，交通工具104可以拖曳或包括拖车或其他附接件。一般而言，激光雷达***102可以被安装到任何类型的移动平台(包括移动机械或机器人装备)上。
在所描绘的实现方式中，激光雷达***102被安装在交通工具104的顶部并且提供照亮对象108的视场106。视场106被划分成像素。激光雷达***102可以从交通工具104的任何外表面投射视场106。例如，激光雷达***102被集成在保险杠、侧窗、或需要检测对象距离和速度的任何其他内部或外部位置中。在一些情况下，交通工具104包括多个激光雷达***102，诸如一起提供更大视场的第一激光雷达***102和第二激光雷达***102。一般而言，一个或多个激光雷达***102的位置可以被设计成提供包含对象108可能存在的感兴趣区域的特定视场106。示例视场106包括360度视场、一个或多个180度视场、一个或多个90度视场等，这些视场可以重叠或组合成特定大小的视场。
对象108由反射激光雷达信号的一种或多种材料构成。取决于应用，对象108可以表示感兴趣的目标或杂乱物。在一些情况下，对象108是移动的对象110，诸如另一交通工具110-1、半挂车110-2、人110-3、动物110-4、自行车110-5或摩托车110-6。在其他情况下，对象108代表静止的对象112，诸如锥形交通路标112-1、混凝土屏障112-2、护栏112-3、栅栏112-4、树木112-5或停放的交通工具112-6。静止的对象112甚至可包括道路屏障，该道路屏障可以沿着道路的一部分连续或不连续。关于图2进一步描述激光雷达***102和交通工具104。
一般而言，激光雷达***102与传统FMCW激光雷达***不同，是因为不同于逐帧使用同一三角啁啾模式的传统FMCW激光雷达***，激光雷达***102在连续帧之间使用不同的啁啾模式。激光雷达***102被配置成用于针对两个连续帧中的初始帧中的每个像素扫描多个啁啾的模式之后，针对两个连续帧中的后续帧中的每个像素扫描更少的啁啾和/或不同的啁啾斜率的模式。由于后续帧可能每个像素需要更少的啁啾，因此初始帧的持续时间可能比后续帧的持续时间更长。激光雷达***102从针对初始帧中的每个像素扫描的啁啾模式识别对象范围和对象范围变化率。激光雷达***102重用在初始帧中确定的多普勒频率以用于从每个像素更少的啁啾中确定与后续帧相关联的对象范围和范围变化率。激光雷达***102确定与两帧中的每个帧相关联的拍频作为每个帧的对象范围和范围变化率信息的基础。激光雷达***102输出从对象范围和范围变化率信息中确定的距离和速度信息。以此方式，与逐帧重复同一啁啾模式的传统激光雷达***相比，激光雷达***102可以在更短时间内扫描更多帧。
图2示出了作为交通工具104的一部分的激光雷达***102。交通工具104包括基于交通工具的子***202(诸如驾驶员辅助***204和/或自主驾驶***206)，交通工具的子***202依赖于来自激光雷达***102的数据。通常，基于交通工具的子***202使用由激光雷达***102提供的激光雷达数据来执行功能。例如，驾驶员辅助***204提供盲点监测并生成警报，该警报指示与激光雷达***102检测到的对象108的潜在碰撞。在该情况下，来自激光雷达***102的激光雷达数据指示改变车道何时是安全或不安全的。
作为另一个示例，驾驶员辅助***204抑制响应激光雷达***102的警报，该警报指示对象108代表静止的对象112(诸如道路屏障)。以此方式，驾驶员辅助***204可以避免在交通工具104在道路屏障旁边行驶时以警告使驾驶员烦恼。在来自道路屏障的反射生成看起来是移动的对象的错误的检测结果的情况下，这也是有益的。通过抑制警报，这些错误的检测将不会导致驾驶员辅助***204警告驾驶员。
自主驾驶***206可以将交通工具104移动到特定位置，同时避免与激光雷达***102检测到的其他对象108发生碰撞。由激光雷达***102提供的激光雷达数据可以提供与其他对象108的距离和速度有关的信息，以使自主驾驶***206能够执行紧急制动、执行车道改变或调整交通工具104的速度。
激光雷达***102包括通信接口208，以通过交通工具104的通信总线将激光雷达数据发射到基于交通工具的子***202或(例如，当激光雷达***102中所示的各个部件被集成在交通工具104内时)发射到交通工具104的另一个部件。一般而言，由通信接口208提供的激光雷达数据是呈基于交通工具的子***202可使用的格式。在一些实现方式中，通信接口208可以向激光雷达***102提供信息，诸如交通工具104的速度或转向指示灯是打开还是关闭。激光雷达***102可以使用该信息来适当地配置自身。例如，激光雷达***102可以通过补偿交通工具104的速度来确定对象108的绝对速度。替代地，激光雷达***102可以基于右转指示灯打开还是左转指示灯打开来动态地调整视场106。
激光雷达***102还包括一组波束引导(beam steering)部件210、发射器212和接收器213。波束引导部件210可包括机械和/或机电部件，以对激光雷达信号进行成形或引导并用于检测响应于该激光雷达信号的激光雷达反射。激光雷达***102可使用激光引导部件210来形成通过各种波束成形技术来引导和成形的激光雷达信号的波束。
激光雷达***102可以是机械激光雷达。在此情况下，波束引导部件210包括高级光学器件和旋转组件以产生宽的(例如，三百六十度)视场。替代地，激光雷达***102可以是固态激光雷达，诸如基于微机电***(MEMS)的激光雷达、基于闪光灯的激光雷达、或光学相位阵列激光雷达。当被配置为固态激光雷达时，波束引导部件210不包括旋转机械并且因此可能比机械激光雷达更便宜。固态激光雷达具有缩小的视场。激光雷达***102可包括多个固态激光雷达模块，其中每个模块定位在交通工具104上的不同位置处。例如，激光雷达***102可以在交通工具的前部、后部和/或侧面上，并且当融合在一起以产生单个点云时，激光雷达***的视场与机械激光雷达***的视场类似。
发射器212包括用于经由波束引导部件210发出激光雷达信号的电路***和逻辑。接收器213包括识别由波束引导部件检测到的来自激光雷达信号的反射所必需的部件。
激光雷达***102还包括一个或多个处理器214和计算机可读存储介质(CRM)216。CRM 216包括原始数据处理模块218和激光雷达控制模块220。可以使用硬件、软件、固件或它们的组合来实现原始数据处理模块218和激光雷达控制模块220。在该示例中，处理器214执行用于实现原始数据处理模块218和激光雷达控制模块220的指令。原始数据处理模块218和激光雷达控制模块220一起使得处理器214能够处理来自接收波束引导部件210的响应，以检测对象108并生成用于基于交通工具的子***202的激光雷达数据。
原始数据处理模块218将由发射器212和接收器213提供的原始数据转换为可由激光雷达控制模块220使用的激光雷达数据。激光雷达控制模块220分析激光雷达数据以映射一个或多个检测。
激光雷达控制模块220产生用于基于交通工具的子***202的激光雷达数据。激光雷达数据的示例类型包括指示对象108是否存在于感兴趣的特定区域内的布尔值、表示对象108的特性(例如，范围、范围变化率、距离、速度)的数字、或指示检测到的对象108的类型(例如，移动的对象110或静止的对象112)的值。激光雷达控制模块220将发射器212和接收器213配置成经由波束引导部件210发出激光雷达信号并检测反射。激光雷达控制模块220输出与从到达目标(诸如对象108)的激光雷达信号检测到的激光雷达反射相关联的信息。
图3-1到图3-3示出了激光雷达***102的示例操作。作为参考，参考图3-3，其示出了像素312-11、312-21、312-31、……、312-X1、……、312-XY、312-3Y、312-2Y、312-1Y、以及在帧308期间扫描的所有其他像素。像素312被示出为以X像素宽、Y像素高的网格布置，并且以由箭头所示的顺序一次一行(或一列)地单独扫描。
回到图3-1，在环境300中，对象108位于相对于激光雷达***102的特定倾斜范围和角度处。为了检测对象108，激光雷达***102发射激光雷达发射信号302。激光雷达发射信号302的至少一部分被对象108反射。该反射部分表示激光雷达接收信号304。激光雷达***102接收激光雷达接收信号304并处理激光雷达接收信号304以提取基于交通工具的子***202的激光雷达数据。如图所示，由于在传播和反射期间引起的损耗，因此激光雷达接收信号304的振幅小于激光雷达发射信号302的振幅。
激光雷达***102在初始帧308期间以连续顺序发射啁啾306-1-11、306-2-11、306-1-21和306-2-21，这些被统称为“啁啾306”。啁啾306表示对视场106内的各个像素312(未示出)的扫描。帧308表示扫描视场106内的所有各个像素312所花费的时间。
可使用激光信号来发出每个啁啾306，该激光信号的频率随时间增加(上啁啾)、减小(下啁啾)或保持恒定(平坦啁啾)。在所描绘的示例中，激光雷达***102采用三角斜率周期，该三角斜率周期在随时间线性增加和线性减小之间交替每个啁啾的频率。一般而言，啁啾306的传输特性(例如，带宽、中心频率、持续时间和发射功率)可以被定制以实现用于检测对象108的特定检测范围、范围分辨率或多普勒分辨率。
在激光雷达***102处，激光雷达接收信号304表示激光雷达发射信号302的延迟版本。延迟量与从激光雷达***102到对象108的范围(例如，距离)成比例。具体而言，该延迟表示激光雷达发射信号302从激光雷达***102传播到对象108所花费的时间、以及激光雷达接收信号304从对象108传播到激光雷达***102所花费的时间的总和。如果对象108和/或激光雷达***102在移动，则由于多普勒效应，激光雷达接收信号304相对于激光雷达发射信号302在频率上移位。换言之，激光雷达接收信号304的特性取决于对象108的运动和/或交通工具104的运动。类似于激光雷达发射信号302，激光雷达接收信号304由啁啾306中的一个或多个啁啾组成。相对于图3-2进一步描述了激光雷达发射信号302的发射和激光雷达接收信号304的接收。
图3-2示出了图表310，图表310更详细地示出了激光雷达发射信号302和激光雷达接收信号304。参考图表310，垂直轴表示频率而水平轴表示时间。图表跨越由包括像素312-11、312-21等的多个像素组成的单个帧308。
在帧308期间，激光雷达***102扫描激光雷达接收信号304，从啁啾306-1-11和306-2-11获得关于像素312-11的范围和范围变化率信息。然后，激光雷达***102扫描激光雷达接收信号304，从啁啾306-1-12和306-2-12获得关于像素312-12的范围和范围变化率信息，例如，以用于准同时范围多普勒感测(quasi-simultaneous range-Dopplersensing)。通过将激光(本地或“LO”)信号与激光雷达接收信号304混合，激光雷达***102生成两个拍频(上啁啾拍频(fbu)和下啁啾拍频(fbd))，随后可将这些拍频分解成速度和距离信息，如以下等式中所示。对于以下等式，假设R是到对象的范围(距离)，v是对象的速度(范围变化率)，c是光速，fc是载波频率(激光雷达发射信号302)，T是啁啾时间，并且B是带宽。因此：
多普勒频率是：
上啁啾拍频是：
下啁啾拍频是：
对于每个啁啾，并且为了避免啁啾模糊，在每个啁啾期间对激光雷达接收信号304进行积分之前需要延迟时间Td以确定上啁啾拍频或下啁啾拍频。该延迟时间Td取决于激光雷达***102的最大范围，并且因此在一微秒到十微秒的范围中，这通常限制扫描速度。在延迟时间Td之后，在Ti期间对激光雷达接收信号304进行积分。对帧中的每个像素重复该过程。例如，在啁啾306-1-11期间，激光雷达***102在Ti1期间对接收信号进行积分104之前延迟了延迟时间Td1。在后续的啁啾(啁啾306-2-11)期间，激光雷达***102在Ti2期间对接收信号进行积分104之前延迟了延迟时间Td2。与使用传统激光雷达***所做的一样，通过重复包括逐帧的三角啁啾模式来捕获速度信息和距离信息两者，延迟时间Td限制了每个像素处的扫描速度和整体帧率。
如下面将解释清楚的，激光雷达***102通过应用快速扫描技术克服了传统激光雷达***在扫描速度方面以及由此在帧率方面的限制。激光雷达***102在连续帧中在使用两个不同的啁啾模式(例如，一个模式具有两个啁啾并且另一个模式具有一个啁啾)之间交替，以便区分两个帧的多普勒频率，同时减少每个像素的扫描时间。与啁啾模式逐帧相同的传统激光雷达***不同，由于在两个连续帧中的后一帧中的啁啾模式具有比在两个连续帧中的初始帧中的啁啾模式更短的持续时间，因此帧率显著提升。
图4-1示出了快速扫描FMCW激光雷达***102的示例发射器212-1和示例接收器213-1。图4-1所示的发射器212-1是来自图2的发射器212的示例。同样地，接收器213-2是来自图2的接收器213的示例。在所描绘的配置中，发射器212-1和接收器213-1各自耦合在波束引导部件210与处理器214之间。
除了其他发射元件之外，发射器212-1包括发射机(emitter)414，诸如激光器，并且除了其他接收器元件之外，接收器213-1包括光电检测器424，诸如Ge光电二极管。
处理器214执行激光雷达控制模块220，该激光雷达控制模块220将控制信号416输入到发射器212-1。响应于控制信号416，发射器212-1根据控制信号416中指定的频率调制使用发射机414输出发射信号302。光电检测器424检测作为差拍信号436输出到原始数据处理模块218的接收信号304。
图4-2示出了由激光雷达***102的处理器214实现的用于执行激光雷达功能的示例方案。在所描绘的配置中，处理器214实现原始数据处理模块218，并且激光雷达控制模块220输出基于交通工具的子***202的激光雷达数据444。处理器214连接到接收信道422。
在接收期间，原始数据处理模块218接受差拍信号436。差拍信号436表示原始或未经处理的复杂激光雷达数据。原始数据处理模块218执行一个或多个操作以基于差拍信号436生成激光雷达数据。作为示例，原始数据处理模块218可以执行一个或多个傅里叶变换操作，诸如快速傅里叶变换(FFT)操作。随时间流逝，原始数据处理模块218生成激光雷达接收信号304的多个帧308的激光雷达数据。
原始数据处理模块218输出振幅和/或相位信息(例如，同相和/或正交分量)。激光雷达控制模块220分析信息以生成基于交通工具的子***202的激光雷达数据444。作为示例，激光雷达数据444指示对象108是否在交通工具104的盲点中。
图5示出了与依赖于连续帧中的不同啁啾模式的快速扫描激光雷达***的示例啁啾模式并列的传统激光雷达***的示例啁啾模式。如图5所示，对于波形500-1到波形500-3中的任何一个波形，对于帧内的每个像素，啁啾模式502-1到啁啾模式502-4(统称为“啁啾模式502”)是一致的。然而，波形500-2和波形500-3分别在啁啾模式502-1与啁啾模式502-2之间或在啁啾模式502-3与啁啾模式502-4之间逐帧交替。可以从串行地检测和比较跨两个连续帧的差拍信号提取速度和距离信息。帧n的长啁啾模式使用两个或更多个斜率，使得能够确定范围和多普勒信息两者。假设对象范围变化率或速度v在这些两个连续帧n与帧n+1之间是恒定的。因此，可将帧n处的多普勒频率重用于帧n+1中的测量。因此，等式1到等式3提供了速度v以及帧n+1处的范围Rn+1。
例如，传统激光雷达***可以从一帧到下一帧输出包括啁啾模式502-1的波形500-1，该啁啾模式502-1是在每个像素处的双啁啾三角波形。传统激光雷达***在时间t0至t3之间使用啁啾模式502-1扫描帧n中的每个像素，然后在帧之间的短暂延迟之后，传统激光雷达***在时间t4至t7之间使用同一啁啾模式502-1扫描帧n+1中的每个像素。具有两个不同的斜率使得能够将由对象的范围(距离)导致的频移与由对象的范围变化率(速度)导致的频移分开。
与传统激光雷达***相反，激光雷达***102从一帧到下一帧改变啁啾模式，如由波形500-2和波形500-3所示的。激光雷达***102针对帧n中的每个像素输出啁啾模式502-1，就像传统激光雷达***在波形500-1中所做的一样。然而，在波形500-2的后续帧n+1中，激光雷达***102输出不同的啁啾模式502-2以扫描每个像素。在每个像素处，啁啾模式502-2包括具有与啁啾模式502-1斜率不同的斜率的啁啾。由于啁啾模式502-2具有的啁啾数量是啁啾模式502-1的一半，因此波形500-2中的帧n+1具有比波形500-1的帧n+1更短的持续时间。
如已经解释的，具有两个不同的斜率使得能够将由对象的范围导致的频移与由对象的范围变化率导致的频移分开。使用单斜率较短啁啾模式(如啁啾模式502-2)，则不能分开该信息。因此，激光雷达***102依赖于在先前帧期间从啁啾模式502-1中确定的多普勒信息。
作为另一示例，激光雷达***102针对帧n中的每个像素输出包括啁啾模式502-3的波形500-3并且针对后续帧n+1输出啁啾模式502-4。在每个像素处，啁啾模式502-3包括后跟恒定啁啾的上啁啾，而啁啾模式502-4包括上啁啾但从啁啾模式502-3中省略了恒定啁啾。由于啁啾模式502-4具有的啁啾数量是啁啾模式502-3的一半，因此波形500-3中的帧n+1具有更短的持续时间。
可由激光雷达控制模块220来执行逐帧啁啾模式的改变，这不需要附加的硬件并且因此不增加成本或复杂性。然而，增加了激光雷达帧率或扫描速度。可以通过限制信道的数量来降低成本。
许多其他种类的波形是可能的。例如，第一啁啾模式和第二啁啾模式可以散布在单个帧上。例如，帧n包括针对像素312-11的第一啁啾模式和针对像素312-12的第二啁啾模式。后续帧n+1包括针对像素312-11的第二啁啾模式和针对像素312-12的第一啁啾模式。
图6示出了由快速扫描FMCW激光雷达***102的处理器214执行的示例过程600。可执行包括比所示的操作更多或更少操作的过程600，或以不同的顺序执行过程600。
在602处，处理器214使激光雷达***102在初始帧期间针对汽车的激光雷达***的视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式。例如，激光雷达***102可以输出包括初始帧中的每个像素处的啁啾模式502-1的波形500-1。
在604处，处理器214基于两个或更多个啁啾的初始模式的扫描来确定与初始帧相关联的拍频。在606处，处理器214基于与初始帧相关联的拍频来识别与初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息。
在608处，处理器214使激光雷达***102在后续帧期间针对视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的不同模式。例如，激光雷达***102可以输出包括后续帧中的每个像素处的啁啾模式502-2的波形500-1。
在610处，处理器214基于不同模式的扫描来确定与后续帧相关联的拍频。在612处，处理器214基于与初始帧和后续帧相关联的拍频来识别与后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息。
在614处，处理器214基于与初始帧相关联的拍频和与后续帧相关联的拍频来确定针对视场中呈现的至少一个对象的距离和速度信息。例如，原始数据处理模块218将包含在差拍信号436中的信息变换成视场106中的每个像素中的一个或多个对象的对象范围和范围变化率信息。
以下是快速扫描FMCW激光雷达***和适用技术的附加示例。
示例1：一种方法，包括：由汽车的激光雷达***在两个连续帧的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式；由激光雷达***基于两个或更多个啁啾的初始模式的扫描来确定与初始帧相关联的拍频；基于与初始帧相关联的拍频来识别与初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息；由激光雷达***在两个连续帧的后续帧期间并针对视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的不同模式；由激光雷达***基于一个或多个啁啾的不同模式的扫描来确定与后续帧相关联的拍频；基于与初始帧和后续帧中的每一者相关联的拍频来识别与后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息；基于与初始帧和后续帧中的每一者相关联的对象范围和范围变化率信息来确定视场中呈现的至少一个对象的距离和速度；以及由激光雷达***输出视场中呈现的至少一个对象的距离和速度。
示例2：示例1的方法，其中识别与后续帧相关联的对象信息进一步包括将针对初始帧确定的多普勒频率用作后续帧的多普勒频率。
示例3：示例1或2的方法，其中两个或更多个啁啾的初始模式包括一对啁啾，并且一个或多个啁啾的后续模式包括单个啁啾。
示例4：示例3的方法，其中初始帧中的一对啁啾包括第一啁啾和第二啁啾，并且在后续帧中的单个啁啾包括与第一啁啾或第二啁啾不同或类似的第三啁啾。
示例5：示例4的方法，其中第一啁啾的频率随时间增加，并且第二啁啾的频率降低或保持恒定。
示例6：示例1-5中任一项的方法，其中初始帧的持续时间超过后续帧的持续时间。
示例7：示例1-6中任一项的方法，其中视场中呈现的对象的距离和速度包括视场中呈现单个像素的单个对象的距离和速度信息。
示例8：示例1-7中任一项的方法，其中视场中呈现的对象的距离和速度包括视场中呈现单个像素的多个对象的距离和速度信息。
示例9：示例1-8中任一项的方法，其中输出视场中呈现的至少一个对象的距离和速度信息包括向汽车的另一个***输出视场中呈现的对象的距离和速度信息。
示例10：一种激光雷达***，包括：发射器；接收器；以及至少一个处理单元，该至少一个处理单元被配置成用于：指导发射器和接收器在两个连续帧的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式；基于两个或更多个啁啾的初始模式的扫描来确定与初始帧相关联的拍频；基于与初始帧相关联的拍频来识别与初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息；指导发射器和接收器在两个连续帧的后续帧期间并针对视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的不同模式；基于一个或多个啁啾的不同模式的扫描来确定与后续帧相关联的拍频；基于与初始帧和后续帧相关联的拍频来识别与后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息；基于与初始帧和后续帧相关联的拍频来确定视场中呈现的至少一个对象的距离和速度；以及输出视场中呈现的至少一个对象的距离和速度。
示例11：示例10的激光雷达***，其中至少一个处理单元被进一步配置成用于执行示例1-9的方法中的任一种方法。
示例12：一种包括指令的计算机可读存储介质，该指令在被执行时使示例10的激光雷达***的至少一个处理单元执行示例1-9的方法中的任一种方法。
示例13：一种激光雷达***，包括：用于在两个连续帧的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式的装置；用于基于两个或更多个啁啾的初始模式的扫描来确定与初始帧相关联的拍频的装置；用于基于与初始帧相关联的拍频来识别与初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息的装置；用于在两个连续帧的后续帧期间并针对视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的不同模式的装置；用于基于一个或多个啁啾的不同模式的扫描来确定与后续帧相关联的拍频的装置；用于基于与初始帧和后续帧相关联的拍频来识别与后续帧相关联的对象信息的装置；以及用于基于与初始帧和后续帧相关联的拍频来确定视场中呈现的至少一个对象的距离和速度的装置。
示例14：示例13的激光雷达***，进一步包括用于执行示例1-9的方法中的任一种方法的装置。
虽然本公开的各种实施例在前述描述中进行了描述并且在附图中示出，但是应当理解，本公开不限于此，而是可以在接下来的权利要求的范围内以各种方式实施为实践。从前述描述中，将显而易见的是，可以在不偏离由接下来的权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种更改。

Claims (18)

1.一种用于汽车的方法，包括：
由所述汽车的激光雷达***在两个连续帧中的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式；
由所述激光雷达***基于所述两个或更多个啁啾的初始模式的所述扫描来确定与所述初始帧相关联的拍频；
基于与所述初始帧相关联的所述拍频来识别与所述初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息；
由所述激光雷达***在所述两个连续帧中的后续帧期间并针对所述视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的与所述初始模式不同的后续模式，所述初始帧的持续时间超过所述后续帧的持续时间；
由所述激光雷达***基于所述一个或多个啁啾的后续模式的所述扫描来确定与所述后续帧相关联的拍频；
基于与所述初始帧和所述后续帧中的每一者相关联的拍频来识别与所述后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息；
基于与所述初始帧和所述后续帧中的每一者相关联的对象范围和范围变化率信息来确定所述视场中呈现的至少一个对象的距离和速度；以及
由所述激光雷达***输出所述视场中呈现的所述至少一个对象的所述距离和所述速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，识别与所述后续帧相关联的所述对象信息进一步包括将针对所述初始帧确定的多普勒频率用作所述后续帧的多普勒频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个啁啾的所述初始模式包括一对啁啾，并且所述一个或多个啁啾的后续模式包括单个啁啾。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述初始帧中的所述一对啁啾包括第一啁啾和第二啁啾，并且所述后续帧中的所述单个啁啾包括与所述第一啁啾或所述第二啁啾不同或类似的第三啁啾。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一啁啾的频率随时间增加，并且所述第二啁啾的频率降低或保持恒定。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视场中呈现的所述对象的距离和速度包括所述视场中呈现单个像素的单个对象的距离和速度信息。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视场中呈现的所述对象的距离和速度包括所述视场中呈现单个像素的多个对象的距离和速度信息。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，输出所述视场中呈现的所述至少一个对象的距离和速度信息包括向所述汽车的另一个***输出所述视场中呈现的所述对象的距离和速度信息。
9.一种激光雷达***，包括：
发射器；
接收器；以及
至少一个处理单元，所述至少一个处理单元被配置成用于：
指导所述发射器和所述接收器在两个连续帧的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式；
基于所述两个或更多个啁啾的所述初始模式的所述扫描来确定与所述初始帧相关联的拍频；
基于与所述初始帧相关联的所述拍频来识别与所述初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息；
指导所述发射器和所述接收器在所述两个连续帧的后续帧期间并针对所述视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的与所述初始模式不同的后续模式，所述初始帧的持续时间超过所述后续帧的持续时间；
基于所述一个或多个啁啾的所述后续模式的所述扫描来确定与所述后续帧相关联的所述拍频；
基于与所述初始帧和所述后续帧相关联的拍频来识别与所述后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息；
基于与所述初始和后续帧中的每一者相关联的对象范围和范围变化率信息来确定所述视场中呈现的至少一个对象的距离和速度；以及
输出所述视场中呈现的所述至少一个对象的所述距离和所述速度。
10.如权利要求9所述的激光雷达***，其特征在于：
所述两个或更多个啁啾的所述初始模式包括第一啁啾和第二啁啾，并且所述一个或多个啁啾的后续模式包括与所述第一啁啾或所述第二啁啾不同或类似的单个第三啁啾。
11.如权利要求10所述的激光雷达***，其特征在于，所述第一啁啾的频率随时间增加。
12.如权利要求11所述的激光雷达***，其特征在于，所述第二啁啾的频率随时间减小或保持恒定。
13.如权利要求9所述的激光雷达***，其特征在于，所述视场中呈现的所述对象的所述距离和所述速度包括所述视场中呈现单个像素的单个对象的距离和速度信息。
14.如权利要求9所述的激光雷达***，其特征在于，所述视场中呈现的所述对象的所述距离和所述速度包括所述视场中呈现单个像素的多个对象的距离和速度信息。
15.一种激光雷达***，包括：
用于在两个连续帧的初始帧期间并针对视场内的每个像素扫描两个或更多个啁啾的初始模式的装置；
用于基于所述两个或更多个啁啾的所述初始模式的所述扫描来确定与所述初始帧相关联的拍频的装置；
用于基于与所述初始帧相关联的所述拍频来识别与所述初始帧相关联的对象范围和范围变化率信息的装置；
用于在所述两个连续帧的后续帧期间并针对所述视场内的每个像素扫描一个或多个啁啾的与所述初始模式不同的后续模式的装置，所述初始帧的持续时间超过所述后续帧的持续时间；
用于基于所述一个或多个啁啾的所述后续模式的所述扫描来确定与所述后续帧相关联的拍频的装置；
用于基于与所述初始帧和所述后续帧相关联的拍频来识别与所述后续帧相关联的对象范围和范围变化率信息的装置；以及
用于基于与所述初始帧和所述后续帧中的每一者相关联的对象范围和范围变化率信息来确定所述视场中呈现的至少一个对象的距离和速度的装置。
16.如权利要求15所述的激光雷达***，其特征在于，所述用于识别与所述后续帧相关联的所述对象信息的装置进一步包括用于将针对所述初始帧确定的多普勒频率用作所述后续帧的多普勒频率的装置。
17.如权利要求15所述的激光雷达***，其特征在于，所述两个或更多个啁啾的所述初始模式包括一对啁啾，并且所述一个或多个啁啾的后续模式包括单个啁啾。
18.如权利要求17所述的激光雷达***，其特征在于，所述初始帧中的所述一对啁啾包括第一啁啾和第二啁啾，并且所述后续帧中的所述单个啁啾包括与所述第一啁啾或所述第二啁啾不同或类似的第三啁啾。
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