[发明专利]材料感测式光成像、检测和测距(LIDAR)系统

说明书

材料感测式光成像、检测和测距(LIDAR)系统可选地包括：激光器，被配置成生成光脉冲；光束转向器，被配置成产生朝向对象发射的偏振调整光脉冲；至少一个偏振器，被配置成使从对象返回的反射光、散射光或发射光偏振；以及处理器，被配置成基于来自对象的偏振反射光、散射光或发射光的强度和偏振来检测对象的至少一种材料。光束转向器可以包括剪纸技术纳米复合材料。还提供了一种方法，该方法例如包括：生成光脉冲；调整光脉冲的偏振以产生朝向对象发射的偏振调整光脉冲；使从对象返回的反射光、散射光或发射光偏振；以及基于来自对象的偏振反射光、散射光或发射光的强度和偏振来检测对象的至少一种材料。

政府支持

本发明是在国家科学基金会所授予的1240264的政府支持下做出的。政府享有本公开内容中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月13日提交的美国临时申请第62/571,986号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开内容涉及光成像、检测和测距(LIDAR)系统，并且更具体地，涉及材料感测式LIDAR系统以及用于制造和使用该系统的方法。

背景技术

本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

LIDAR是通过利用脉冲激光照射对象并且利用传感器测量反射脉冲来测量到对象的距离的勘测方法。然后可以使用激光返回时间以及波长的差来作出所检测的对象的数字3D表示。LIDAR可以用于产生高分辨率地图，并应用于大地测量学、测绘学、考古学、地理学、地质学、地貌学、地震学、林业学、大气物理学、激光制导、机载激光测绘图(ALSM)和激光测高学。LIDAR技术还可以用于自动驾驶汽车的控制和导航。

常规的LIDAR装置可以如下操作。激光源产生特定波长的偏振或非偏振光的脉冲。当首次发射光时，飞行时间传感器记录初始时间。飞行时间用于通过使用光行进的速度来确定光从源行进至检测器的总距离。

然后将所发射的光以给定角度“转向”。该“转向”还可以包括将光脉冲分离成针对不同角度的多个脉冲分量。转向角将随着时间而变化，以获得特定的视野以用于环境的全面测绘。在瞄准之后，光可以在发射之前和发射之后穿过线性偏振光学器件。这些类型的LIDAR被称为偏振LIDAR，并且可以在配准步骤处使用偏振光学器件。

常规的LIDAR装置通常采用笨重且昂贵的光学透镜。此外，由于常规LIDAR装置中使用的光学透镜对水分的敏感性，因此光学透镜需要大量的保护性封装，这增加了采用光学透镜的LIDAR装置的重量、尺寸和复杂性。在自动驾驶交通工具和机器人中实现具有旋转光学器件的LIDAR系统(例如，Velodyne-HDL64^TM模型)的一个公知的问题是LIDAR系统的大尺寸和高成本。旋转整个装置以使激光束转向会降低可靠性、限制微型化并且增加能耗。基于固态光束转向的LIDAR系统解决了该问题，但是由于准确性和范围不足阻碍了其实现。另一问题是LIDAR和所有其他传感器在恶劣天气下的性能。当前使用的波长约在900nm至940nm的激光束可能会被雨、雾和雪强烈散射，使得在这种情况下其读数可能变得非常不确定。

另外，常规的LIDAR装置及其附属分析系统已经被证明在其准确地执行对象识别的能力方面受到限制。例如，已知LIDAR点云仅基于从激光源至对象的距离读数。在人类世界的这种表示中，坐在长凳上的人和其雕像是相同的。对于正在睡觉的婴儿和躺在婴儿旁边的大小类似的塑料玩偶，或者当试图区分在远处的黑色汽车与人行道时，该问题也是真实存在的。区分这些对象和辨认周围环境的负担通过这些3D地图的计算处理来承担。