提供啁啾电磁辐射的系统和方法 |
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| 申请号 | CN200780012665.2 | 申请日 | 2007-02-14 | 公开(公告)号 | CN101421888B | 公开(公告)日 | 2011-05-11 |
| 申请人 | 数字信号公司; | 发明人 | K·贝尔斯利; | ||||
| 摘要 | 用于可控制地啁啾来自 辐射 源的 电磁辐射 的系统和方法包括光学 谐振腔 布置。光学谐振腔布置使得电磁辐射能够以几乎线性的啁啾率和可配置的周期产生。通过有选择地将电磁辐射注入光学谐振腔中，可以产生具有以几乎线性的啁啾率频移的单谐振模的电磁辐射。产生具有单谐振模的电磁辐射可以增加当在各种应用中实现电磁辐射时可能有利的电磁辐射相干长度。例如，由光学谐振腔布置产生的电磁辐射可以扩大和/或提高 激光雷达 系统的距离、速度、 精度 和/或其它方面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于可控制地啁啾电磁辐射的系统，该系统包含： |
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| 说明书全文 | 提供啁啾电磁辐射的系统和方法技术领域背景技术[0002] 利用一个或多个激光雷达来测量直线距离的各种测量设备是公知的。这样的测量设备可以生成与目标和测量设备的距离或范围和/或目标相对于测量设备的速度或距离变化率有关的信息。这种距离和距离变化率信息可用在各种设置中。就本申请而言，术语“距离变化率”指的是目标与测量设备之间的距离的变化率。 [0003] 典型的测量设备可以包括，例如，调频激光雷达系统。该系统可以包括发出电磁辐射束的激光源。该电磁辐射束可以以连续变化或啁啾的频率发出。在一些情况下，啁啾频率可以包括周期性地(例如，锯齿波形、三角波形等)扫过低频和高频(或反之)之间的频率。该电磁辐射束可被分为目标束和参考束。 [0004] 在传统实施例中，该系统可以包括目标干涉仪和参考干涉仪。目标干涉仪可以接收目标束，并且可以生成与引向目标并从目标反射的一部分目标束和引导经过具有已知或固定路径长度的路径的另一部分目标束之间的频率差相对应的目标信号。可由目标干涉仪根据源自两个部分目标束的干涉信号来确定该频率差。参考干涉仪可以接收参考束，并且可以生成与可引导经过具有已知路径长度差的两条单独的固定路径的两个部分参考束之间的频率差相对应的参考信号。可由参考干涉仪根据源自两个部分参考束的干涉信号来确定该频率差。 [0005] 一般说来，该系统可以包括处理器。该处理器可以接收目标信号和参考信号，并且可以处理这些信号，以确定目标干涉仪与目标之间的距离。根据目标信号和参考信号确定的距离信息可以用于确定目标相对于目标干涉仪的距离变化率。 [0006] 传统系统可以像描述在例如特此全文引用以供参考的发明名称为“3-DIMENSIONAL VISION SYSTEM UTILIZING COHERENTOPTICAL DETECTION”的美国专利第5,114,226号中那样构建。 [0007] 传统系统通常在操作的许多方面都受到限制。例如，这些传统系统不能根据目标信号和参考信号来瞬时地提供距离和/或距离变化率信息，或明确地确定距离和速度。这些传统系统在其它方式上也受到限制。这些限制可能由于像例如目标加速地逼近或远离目标干涉仪、利用致动光学元件(例如，反射镜或透镜)来高速扫描目标的各种操作条件或其它操作条件而加重。 [0008] 在一些配置中，可以组合两个激光源产生的辐射束，以提供然后可被分成参考束和目标束的电磁辐射束。在这些配置中，可以反向啁啾两个激光源的频率，换句话说，可以啁啾两个频率，使得在激光源之一的频率正向高频上升的同时，另一个正向低频下降，或反过来。利用这样配置的系统可能具有与单个激光源系统相关联的一些或所有缺点，以及两个激光源系统特有的其它缺点。另外，传统系统可能无法对发出的电磁辐射的频率施加足够的控制，以适当地操纵辐射的啁啾率，可能不能充分线性地啁啾发出的电磁辐射的频率，或包括其它缺点。 发明内容[0009] 本发明的一个方面涉及一种可控制地啁啾来自辐射源的电磁辐射的系统和方法。该系统和方法可以包括使电磁辐射能够通过几乎线性的啁啾率和可配置的周期产生的光学谐振腔布置。通过有选择地将电磁辐射注入光学谐振腔中，可以产生具有以几乎线性的啁啾率频移的单谐振模的电磁辐射。产生具有单谐振模的电磁辐射可以增加电磁辐射的相干长度，这在各种应用中实现电磁辐射时可能是有利的。例如，由光学谐振腔布置产生的电磁辐射可以扩大激光雷达系统的距离、速度、精度和/或其它方面。 [0010] 在本发明的一些实施例中，系统可以包括辐射源、形成光学谐振腔的一个或多个光学元件、频移器、光学开关、和光学放大器。该系统可以实现成将啁啾电磁辐射提供给相干激光雷达设备、谱分析设备、干涉仪、遥感设备、或其它设备。 [0011] 在一些实施例中，可以将频移器放置在光学谐振腔内，以便从光学谐振腔接收电磁辐射，并将接收的电磁辐射的频移部分输出回到光学谐振腔。可以将光学开关放置在光学谐振腔内，以便从光学谐振腔接收电磁辐射。光学开关可控制成将接收的电磁辐射从光学谐振腔转出，或将接收的电磁辐射返回到光学谐振腔。在一些情况下，光学开关可控制成在将接收的电磁辐射从光学谐振腔转出的同时，将来自辐射源的辐射耦合到光学谐振腔，来自辐射源的辐射在光学开关处以初始频率接收。在将来自辐射源的辐射耦合到光学谐振腔的同时从光学谐振腔转出接收的电磁辐射可以将光学谐振腔内的电磁辐射的频率重置成初始频率。 [0012] 在一些实施例中，光学谐振腔的品质因数可能因光学谐振腔内的各种损耗而变差。例如，从光学谐振腔输出到设备的辐射可能构成损耗。还可能存在其它损耗，譬如，光学元件的瑕疵引起的损耗，或其它寄生损耗。为了抵抗品质因数变差，可以选择系统组件和/或可以设计系统配置以减小谐振腔损耗。谐振腔损耗还可能减小存储在光学谐振腔内的能量和/或从光学谐振腔输出的功率。为了抵抗谐振腔损耗，可以将光学放大器放置在光学谐振腔内。可以将光学放大器选择成向光学谐振腔内的辐射提供足以克服总谐振腔损耗的增益，使得可以保持从光学谐振腔输出的辐射的强度，形成光学振荡器或激光器。也可以根据像例如单色线宽、增益带宽、或其它规范的一个或多个其它规范来选择光学放大器。 [0013] 本发明的各种实施例的一个方面涉及一种激光雷达系统，用于明确地检测目标的距离和目标相对于激光雷达系统运动的距离变化率。本发明的各种实施例的另一个方面涉及一种激光雷达系统，使用多个激光雷达部分来获取多个同时测量结果(或几乎同时)，从而可以确定距离和距离变化率两者，而不受应用单个激光部分进行顺序测量的系统所带来的各种短暂影响。另外，本发明的各种实施例的其它方面可以使得目标的距离和距离变化率的确定更快，使得目标的距离和距离变化率的确定更精确，和/或可以提供其它好处。 [0014] 在本发明的一些实施例中，所述激光雷达系统可以向目标发出第一目标束和第二目标束。第一目标束和第二目标束可被目标反射回到所述激光雷达系统。所述激光雷达系统可以接收反射的第一目标束和第二目标束，并且可以确定目标与所述激光雷达系统的距离和目标的距离变化率的至少一个。在本发明的一些实施例中，所述激光雷达系统可以包括第一激光雷达部分、第二激光雷达部分、和处理器。 [0015] 在本发明的一些实施例中，第一激光雷达部分可以生成第一目标束和第一参考束。第一目标束和第一参考束可以由第一激光源以可以以第一啁啾率调制的第一频率生成。第一目标束可被引向目标上的测量点。第一激光雷达部分可以组合可被引向目标并从目标反射的第一目标束的一部分和被引导经过具有已知或固定路径长度的路径的被称为本机振荡器束的第一目标束的另一部分。 [0016] 按照本发明的各种实施例，第二激光雷达部分可以相对于第一激光雷达部分并置和固定。更具体地说，并置和固定用于发送和接收各自激光束的相关光学部件。第二激光雷达部分可以生成第二目标束和第二参考束。第二目标束和第二参考束可以由第二激光源以可以以第二啁啾率调制的第二频率生成。第二啁啾率可以不同于第一啁啾率。这可能有助于诸如信号鉴别的下游处理的一个或多个方面或下游处理的其它方面。第二目标束可被引向与第一目标束相同的目标上的测量点。第二激光雷达部分可以组合被引向目标并从目标反射的第二目标束的一部分和被引导经过具有已知或固定路径长度的路径的第二目标束的另一部分。这导致组合的第二目标束。 [0017] 按照本发明的各种实施例，处理器接收第一和第二组合目标束，并且测量由各自反射目标束的每一个与它的相应本机振荡器束之间的路径长度差，以及由目标相对于激光雷达系统的运动所产生的任何多普勒频移引起的拍频。然后，只要各自本机振荡器束的每一个与它的反射目标束之间的拍频对应于反射目标束的同时(或几乎同时)时间分量，就可以线性组合拍频以生成目标的距离和距离变化率的明确确定结果。反射目标束的同时(或几乎同时)时间分量可以包括：1)入射在目标的几乎相同部分上；2)受相似传输效应影响；3)由扫描光学元件在几乎相同条件下引导；和/或4)共有其它相似性的目标束的时间分量。将对应于反射目标束的同时(或几乎同时)时间分量的拍频用于线性组合可以有效地消除由环境或其它效应引入数据的任何噪声(参见，例如方程(1))。 [0018] 由于可以通过将第一本机振荡器束和第二本机振荡器束分别与不同目标束或相同目标束的不同部分组合来生成组合目标束，第一组合目标束和第二组合目标束可以代表正好在最终处理之前存在于两个单独但一致的单源调频激光雷达系统中的光学信号。例如，组合目标束可以代表由单源系统中的目标干涉仪产生的光学信号。 [0019] 根据各种实施例，目标束可被引向单独光路上的目标和/或从单独光路上的目标接收。在一些实施例中，这些光路可以相似但有差别。在其它实施例中，可以在发送之前耦合第一目标束和第二目标束，以生成沿着公共光路引向目标的组合目标束。在一些实施例中，目标束可被目标反射，并可以沿着与将目标束引向目标的公共光路分开的接收光路被激光雷达系统接收。这样的实施例可被标记为“收发分置的”。或者，组合目标束可以沿着公共光路被激光雷达系统接收。这些后面的实施例可被标记为“收发合置的”。当利用可逆光学器件操作时，收发合置实施例可以提供超过它们的收发分置对应物的好处。更具体地说，本发明的收发合置实施例较少受到差分多普勒效应和由斑纹引起的失真等的影响。差分多普勒效应是由例如将目标束引向目标上的不同位置的扫描镜引起的。由于反射镜的不同部分以不同速度运动，目标束的不同部分经历不同的多普勒频移，这可以将误差引入距离和/或距离变化率的测量结果中。Anthony Slotwinski等人已经对这些效应作了调查和分析，例如，参见NASA Langley ContractNo.NASI-18890(May 1991)Phase II Final Report，Appendix K，submitted by DigitalSignal Corporation，8003Fobbes Place，Springfield，VA.22151，特此全文引用以供参考。 [0020] 在一些情况下，第一激光源和第二激光源可以分别以第一载波频率和第二载波频率生成电磁辐射。第一载波频率可以与第二载波频率几乎相同。这可以向激光雷达系统提供像例如使由斑纹引起的失真最小或其它改进的各种改进。 [0021] 在一些实施例中，第一激光源和第二激光源可以依靠或应用高度线性化部件来生成它们各自的激光束。为此，可以频繁地(例如，每次啁啾)或在一些实施例中连续地(或几乎连续地)线性化第一激光源和第二激光源。这种线性化可以提供超过传统系统的改进距离测量精度或其它改进，在传统系统中，可以在启动时、当操作者注意到系统性能下降时、当根据性能可能变差来提示操作者开始线性化时、或当一个或多个系统参数超出容限时等，发生线性化。频繁和/或自动线性化可以降低高速扫描期间的反射镜差分多普勒噪声效应，并且可以使用于消除对距离估计值的这些和其它噪声贡献的双啁啾技术的效果最大化。 [0022] 在本发明的一些实施例中，当目标与激光雷达系统的距离在最小距离和最大距离之间的一组距离内时，激光雷达系统可以以提高的精度来确定目标的距离和距离变化率。当目标的距离未在该组距离内时，激光雷达系统的精度可能变差。这种变差可能是由本质上有限的第一激光源和第二激光源的相干长度引起的。例如，最小距离与最大距离之间的距离可能是相干长度的函数。第一激光源和第二激光源的相干长度越长，最小距离与最大距离之间的距离就越大。因此，增加第一激光源和第二激光源的相干长度可以通过提供在改进的一组距离上作出确定的能力，来改进激光雷达系统的距离和距离变化率确定。 [0023] 在本发明的一些实施例中，第一激光源和第二激光源之一或两者可以实现如本文所述的可控制地啁啾来自辐射源的电磁辐射的系统和方法。该系统和方法可以使电磁辐射能够以几乎线性的啁啾率和可配置的周期产生。在一些实施例中，该辐射可以包括单个频移谐振模。 [0024] 在本发明的一些实施例中，可以将啁啾率之一设置成等于零。换句话说，激光源之一可以以恒定频率发出辐射。这可以使以恒定频率发出辐射的激光源能够以更简单的设计、小的覆盖区、更轻的重量、更低的成本、或可以对整个系统提供好处的其它改进实现。在这些实施例中，啁啾率设置成零的激光雷达部分可以用于只确定目标的距离变化率。 [0025] 在本发明的一些实施例中，处理器可以数字地线性组合第一组合目标束和第二组合目标束，以生成距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括第一检测器和第二检测器。第一检测器可以接收第一组合目标束并可以生成与第一组合目标束相对应的第一模拟信号，第一模拟信号可以由第一转换器转换成第一数字信号。处理器可以包括可以确定与第一数字信号的一个或多个频率分量相对应的第一组频率数据的第一频率数据模块。 [0026] 第二检测器可以接收第二组合目标束并可以生成与第二组合目标束相对应的第二模拟信号，第二模拟信号可以由第二转换器转换成第二数字信号。处理器可以包括可以确定与第二数字信号的一个或多个频率分量相对应的第二组频率数据的第二频率数据模块。 [0027] 第一组频率数据和第二组频率数据可以由频率数据组合模块接收。频率数据组合模块可以生成源自第一组频率数据和第二组频率数据的距离变化率信号和距离信号。 [0028] 在本发明的其它实施例中，处理器可以电子地混合第一组合目标束和第二组合目标束，以生成距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括调制器。调制器可以将第一检测器生成的第一模拟信号乘以第二检测器生成的第二模拟信号以形成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器可以滤波组合模拟信号以生成第一滤波信号。第一滤波信号可以经第一转换器转换，以生成距离变化率信号。第二滤波器可以滤波组合模拟信号以生成第二滤波信号。第二滤波信号可以经第二转换器转换以生成距离信号。 [0029] 按照本发明的其它实施例，处理器可以光学地混合第一组合目标束和第二组合目标束，以生成距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包括检测器，该检测器接收第一组合目标束和第二组合目标束，并且根据第一组合目标束和第二组合目标束的检测来生成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器可以滤波组合模拟信号以生成第一滤波信号。第一滤波信号可以经第一转换器转换，以生成距离变化率信号。第二滤波器可以滤波组合模拟信号以生成第二滤波信号。第二滤波信号可以经第二转换器转换，以生成距离信号。 [0030] 通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、益处和优点将变得显而易见。此外，还应该明白，前面的一般描述和下面的详细描述是示范性的，而不是限制本发明的范围。 附图说明[0031] 图1例示了用于提供电磁辐射的传统系统； [0032] 图2例示了按照本发明的一个或多个实施例的用于提供电磁辐射的系统； [0033] 图3例示了在按照本发明的一个或多个实施例的用于提供电磁辐射的系统中实现的光学开关； [0034] 图4例示了传统激光雷达系统； [0035] 图5例示了按照本发明一个或多个实施例的激光雷达系统； [0036] 图6例示了按照本发明的一个或多个实施例的数字地混合两个组合目标束的处理器； [0037] 图7例示了按照本发明的一个或多个实施例的电子地混合两个组合目标束的处理器；以及 [0038] 图8例示了按照本发明的一个或多个实施例的光学地混合两个组合目标束的处理器。 具体实施方式[0039] 图1例示了在以几乎线性的啁啾率啁啾的频率产生电磁辐射的传统系统110。系统110可以包括辐射源112、一个或多个光学元件114(例示成光学元件114a-114d)、和频移器116。系统110可以实现成将啁啾电磁辐射提供给相干激光雷达设备、谱分析设备、干涉仪、遥感设备、或其它设备。 [0040] 在各种传统实施例中，辐射源112可以向系统110提供相干电磁辐射束118。光学元件114可以形成像，例如，环形谐振腔那样的光学谐振腔120。可以将辐射束118耦合到光学谐振腔120，以便将形成辐射束118的电磁辐射引入光学谐振腔120中。可以将频移器116放置在光学谐振腔120中以接收电磁辐射，它可以包括衍射电磁辐射的一个衍射元件(或多个元件)。被频移器116零阶衍射的电磁辐射可以没有频移地穿过频移器116，并且可以形成可以为用在上面列出的设备之一中而提供的电磁辐射的输出束122。除了零阶之外的其它阶(例如，一阶)的衍射电磁辐射可被频移预定(在一些情况下是可调的)量，以形成电磁辐射的频移束124。然后，可以在光学谐振腔120内组合辐射束124和118，并且再次将它们引向频移器116。这样，频移器116可以在每次穿过频移器116时递增地移动光学谐振腔120内的电磁辐射的谐振模的频率。这些递增移动可以使光学谐振腔120内的电磁辐射的频率(和输出束122)以几乎线性的啁啾率啁啾。 [0041] 在传统实施例中，光学谐振腔120的品质因数(定义成存储在谐振腔中的能量与耗散在谐振腔中的能量之比)可能因光学谐振腔120内的各种损耗而变差。例如，输出束122中从系统110输出的辐射可能构成损耗。还可能存在其它损耗，譬如，光学元件114的瑕疵引起的损耗，或其它寄生损耗。为了抵抗谐振腔损耗，可以将光学放大器126放置在光学谐振腔120内。可以将光学放大器126选择成向辐射束124提供足以克服总谐振腔损耗的增益，以便可以保持包含在输出束122内的谐振模的强度。也可以根据像，例如，单色线宽、增益带宽、或其它规范那样的一个或多个其它规范来选择光学放大器126。源112可被选择成以在光学放大器126的增益带宽内的频率发出电磁辐射。 [0042] 在传统实施例中，可以通过光学谐振腔120的长度来控制可以啁啾输出束122的频率的啁啾率，光学谐振腔120的长度又可以通过调整光学元件114的配置来调整。控制啁啾率的另一种机制可以包括控制通过频移器116施加于光学谐振腔120内的电磁辐射的频移。在一些实施例中，频移器116可以包括可被驱动成将可选频移施加于光学谐振腔120内的电磁辐射的声光布拉格(Bragg)单元。包括光学谐振腔和包括声光布拉格单元的频移器、以几乎线性的啁啾率啁啾的频率产生电磁辐射的系统的一些传统实施例的例子可以在特此全文引用以供参考、授予Schmadel等人的美国专利第4,697,888号中找到。 [0043] 在传统实施例中，可以啁啾光学谐振腔120内的电磁辐射的模，直到将模的频率移动成频率不再落入光学放大器126的增益带宽之内。一旦模的频率在光学放大器126的增益带宽之外，光学放大器126就可以不向该模提供增益，使得光学谐振腔120内的损耗可以使该模逐渐消失。随着模以这种方式逐渐消失，辐射束118中引入光学谐振腔120的电磁辐射可以形成新的模，然后可以通过频移器116来线性啁啾新模的频率，直到这些模也逐渐消失。 [0044] 图2是按照本发明的一些实施例的产生电磁辐射的系统210的示范性例示。电磁辐射可以由系统210以单模发出，单模的频率可以以几乎线性的啁啾率啁啾。系统210被例示成在一些方面具有与图1的系统110的相似的配置，并且相似的部件可以用相同的标号标记。例如，系统210可以包括辐射源112、形成光学谐振腔120的一个或多个光学元件114(例示成光学元件114a-114d)、频移器116、和光学放大器126。与系统110一样，系统 210可以实现成将啁啾电磁辐射提供给相干激光雷达设备、谱分析设备、干涉仪、遥感设备、或其它设备。 [0045] 在本发明的一些实施例中，辐射源112可以向系统210提供相干电磁辐射的辐射束118；形成光学谐振腔120的光学元件114、频移器116、和光学放大器126可以与到来的电磁辐射相互作用。可以将辐射束118耦合到光学谐振腔120。可以将频移器116放置在光学谐振腔120中，以接收电磁辐射，它可以包括，例如，可以由RF(射频)源212驱动成将可配置频移施加于光学谐振腔120内的辐射的声光布拉格单元。与系统110的情况一样，在系统210中，来自频移器116的零阶衍射电磁辐射可以没有频移地穿过频移器116，并且可以形成可以为用在上面列出的设备之一中而提供的电磁辐射的输出束122。除了零阶之外的其它一个阶(或多个阶)(例如，一阶)的衍射电磁辐射可被频移预定(在一些情况下是可调的)量，以形成电磁辐射的频移束124。然后，可以再次将辐射束124引向频移器116。这样，频移器116可以在每次穿过频移器116时递增地移动存在于光学谐振腔120内的电磁辐射中的一个或多个谐振模的频率。这些递增移动可以使光学谐振腔120内的电磁辐射的频率(和输出束122)以几乎线性的啁啾率啁啾。为了抵抗光学谐振腔120的品质因数的变差，可以将光学放大器126放置在光学谐振腔120中，以便向光学谐振腔120内的电磁辐射提供增益。光学放大器126可以根据上面提供的一个或多个准则来选择。 [0046] 在本发明的一些实施例中，系统210可以包括光学开关214。可以将光学开关214放置在光学谐振腔120中，以便接收光学谐振腔120内的电磁辐射(例如，辐射束124)、和来自源112的电磁辐射，并且可选择地控制成引导辐射束118和124，以便辐射束118和124之一可以从光学谐振腔120转出，而辐射束118和124的另一个可以耦合到光学谐振腔120。这种配置可以使啁啾电磁辐射的单模能够存储在光学谐振腔120内和从光学谐振腔120发出。更具体来说，光学开关214可以使电磁辐射能够以源112的发出频率从源112引入光学谐振腔214中。例如，光学开关214可以使辐射束118能够在可以与光学谐振腔 120的光学长度相对应的时间周期内耦合到光学谐振腔120。在这个相同时间周期内，开关 214可以从谐振腔中转出能量，用来自辐射源112的能量取代它。在适当量的辐射耦合到光学谐振腔120之后，光学开关214可以从光学谐振腔120中转出辐射束118，并且可以将光学谐振腔120内的电磁辐射(例如，包括在辐射束124内的电磁辐射)耦合回到光学谐振腔120。倘若从源112到光学谐振腔120接收辐射的时间量几乎等于或小于光学谐振腔 120的光学长度，就可以利用光学谐振腔120来形成辐射的单谐振模。随着包含在光学谐振腔120内的电磁辐射的模通过频移器116、光学放大器126、和光学开关214围绕光学谐振腔120循环，频移器116递增地移动模的频率，引起光学谐振腔120内的模的频率的线性啁啾。 [0047] 在本发明的一些实施例中，光学开关214可以使光学谐振腔120内的电磁辐射的频率被重置。例如，通过控制光学开关214，可以有效地湮灭现有的辐射模，以便将在光学谐振腔120内循环的现有辐射模或发生频移的辐射模转出光学谐振腔120。同时(或几乎同时)，可以通过控制光学开关214来开始新的辐射模，以便当现有的或旧的模(辐射束124)被转出时，将来自源112的辐射束118耦合到光学谐振腔120。可以将此概念化成清空光学谐振腔120中发生频移的旧的电磁辐射模，然后将具有源112的发出频率的新的电磁辐射模引入光学谐振腔120中。当在适当时间量(例如，光学谐振腔120的光学长度)内使来自源112的电磁辐射进入光学谐振腔120中时，可以再次控制光学开关214，以便从光学谐振腔120转出包括在来自源112的辐射束118中的辐射，并且可以使新的辐射模能够在光学谐振腔120内循环。 [0048] 为了演示的目的，图3A和3B例示了按照本发明的一些实施例的光学开关310。例如，光学开关310可以包括微型机电系统(MEMS)开关。在这样的实施例中，光学开关310可以包括可以从诸如光学谐振腔120的光学谐振腔接收电磁辐射的谐振腔输入端312、和可以从诸如源112的辐射源接收电磁辐射的源输入端314。光学开关310可以包括多个可动光学构件(例如，微型反射镜)316(例示成316a和316b)。可控制地以例示在图3A和3B中的方式将可动光学构件316致动到光学开关310内的辐射光路中以及离开光学开关310内的辐射光路，以便有选择地将在谐振腔输入端312或源输入端314上接收的电磁辐射之一或另一个(或两者)引导到可以将电磁辐射引导到光学谐振腔的谐振腔输出端318。未被可动光学构件316引导到光学谐振腔318的辐射可以由光学开关310转出光学谐振腔。在本发明的其它实施例中，光学开关310(和214)可以包括非机械固态光学开关、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪开关、光-电-光开关、或其它光学开关。 [0049] 应该意识到，系统210的配置只是为了例示的目的而示出的，可以不偏离本发明的范围地包括各种的选择和/或替代。例如，尽管频移器116被例示成衍射声光布拉格单元，但也可以实现许多频移部件。类似地，在图2中例示成反射镜的光学构件114可以包括光纤、反射镜、棱镜、或能够引导电磁辐射的任何其它光学构件。在一些实施例中，电磁辐射可以在除了频移器116之外的其它点上从系统210输出。例如，光学构件114可以包括使辐射从光学谐振腔120输出用在设备中的半反射镜。 [0050] 在本发明的一些实施例中，可以将来自源112的电磁辐射耦合到光学谐振腔120，而不在光学开关214上接收，以及源112可以配置成只有当光学开关214将从光学谐振腔120接收的电磁辐射转出光学谐振腔120时，才将辐射提供给光学谐振腔120。例如，可以通过可以只在适当时间将从源112发出的辐射耦合到光学谐振腔120的遮挡构件或与光学开关214分开的光学开关将辐射从源112接收到光学谐振腔120。在其它实施例中，源112可以只在光学开关214将辐射转出光学谐振腔120时才发出辐射。 [0051] 在本发明的一些实施例中，系统210可以包括使系统得到进一步改进的一个或多个元件和/或部件。例如，可以将光学二极管插入光学谐振腔120中，以保证辐射在光学谐振腔120内单向传播。在一些实施例中，可以加入可以限制源112可以工作的纵模的量的滤光器件。也可以加入一个或多个偏振元件，以改进系统210的光学稳定性。 [0052] 图4例示了调频激光雷达系统410。系统410通常包括发出电磁辐射的辐射束414的激光源412。辐射束414可以以连续变化或啁啾的频率发出。在一些情况下，啁啾频率可以包括周期性地(例如，锯齿波形、三角波形等)扫过低频和高频(或反之)之间的频率。辐射束414可以由光耦合器416分成目标束418和参考束420。 [0053] 按照本发明的各种实施例，激光源412可以包括上述的系统210。在激光源412中提供系统210可以通过增加激光雷达系统410使用的电磁辐射的相干长度来改进激光雷达系统410的操作，以确定距离和/或距离变化率信息。例如，增加电磁辐射的相干长度可以扩大和/或提高激光雷达系统410的距离、速度、精度、和/或其它方面。 [0054] 在一些实施例中，系统410可以包括目标干涉仪422和参考干涉仪424。目标干涉仪422可以接收目标束418，并且可以在光耦合器426上划分目标束。目标干涉仪422通常用于生成可以取决于目标430与目标干涉仪422的距离的目标信号。目标干涉仪可以通过将目标束418的一部分428引向目标430，以及经过具有固定路径长度的光路将目标束418的另一部分432引向目标频率差模块434来达到这个目的。目标束418的一部分428可以被目标430反射，并且可以通过光耦合器426和光纤436发送到目标频率差模块434。根据耦合器448上两个部分436和432之间的干涉，目标频率差模块434可以生成与由于它们的路径长度的差异引起的目标束418的两个部分436和432的拍频相对应的目标信号。 [0055] 按照本发明的各种实施例，参考干涉仪424可以接收参考束420，并且可以生成与可被引导经过具有已知路径长度差的两条单独的固定路径的参考束424的两个部分之间的频率差相对应的参考信号。更具体地说，参考束420可以被光耦合器440分成第一部分442和第二部分444。第一部分442相对于第二部分444可以具有固定光路长度差。根据耦合器446上两个部分442和444之间的干涉，参考频率差模块450可以生成与由它们的路径长度的固定差异引起的参考束420的两个部分442和444的拍频相对应的参考信号。 [0056] 应该意识到，目标干涉仪422和参考干涉仪424已经被例示和描述成马赫-曾德尔干涉仪。但是，也可以利用其它干涉仪配置。例如，目标干涉仪422和参考干涉仪424也可以包括可以形成迈克耳逊-莫雷(Michaelson-Morley)干涉仪的配置。 [0057] 在一些实施例中，系统410可以包括处理器438。处理器438可以接收目标信号和参考信号，并且可以处理这些信号以确定目标430的距离。根据目标信号和参考信号确定的距离信息可以用于确定目标430相对于目标干涉仪422的距离变化率。 [0058] 图5例示了应用每一个向目标发出目标束的两个或更多个激光雷达部分的激光雷达系统510的示范性实施例。例如，第一激光雷达部分574向目标516发出第一目标束512，以及第二激光雷达部分576向目标516发出第二目标束514。在本发明的一些实施例中，可以啁啾第一目标束512和第二目标束514以形成双啁啾系统。按照本发明的各种实施例，第一激光雷达部分574可以包括激光源控制器536、第一激光源518、第一光耦合器522、第一辐射束延迟器544、第一本机振荡器光耦合器530、和/或其它部件。第二激光雷达部分576可以包括激光源控制器538、第二激光源520、第二光耦合器524、第二辐射束延迟器550、第二本机振荡器光耦合器532、和/或其它部件。例如，激光雷达部分574和TM 576每一个的一些或所有部件可以作为相干激光雷达系统从MetricVision 获得。来自TM MetricVision 的相干激光雷达系统可以在确定目标516的距离和距离变化率时向激光雷达系统510提供像改进的线性功能、改进的相位漂游校正、和其它好处的各种好处。 [0059] 按照本发明的各种实施例，第一和第二激光源518和520之一或两者可以包括上述的系统210。在第一和/或第二激光源518和520中提供系统210可以通过增加激光雷达系统510使用的电磁辐射的相干长度来改进激光雷达系统510的操作，以确定距离和/或距离变化率信息。例如，增加电磁辐射的相干长度可以扩大和/或提高激光雷达系统510的距离、速度、精度、和/或其它方面。 [0060] 在本发明的一些实施例中，第一目标束512和第二目标束514可以被目标516反向回到激光雷达系统510。激光雷达系统510可以接收第一目标束512和第二目标束514，并且可以确定目标516与激光雷达系统510的距离、以及目标516的距离变化率的至少一个。 [0061] 按照本发明的各种实施例，第一激光源518可以具有第一载波频率。第一激光源518可以以第一频率发出第一激光束540。第一频率可以以第一啁啾率调制。第一频率可以电子地、机械地、声光地调制，或以显而易见的其它方式调制。第一激光束540可以被第一光耦合器522分成第一目标束512和第一本机振荡器束542。第一本机振荡器束542可以在第一辐射束延迟器544上保持第一延迟周期。 [0062] 在本发明的一些实施例中，第二激光源520可以以第二频率发出第二激光束546。第二频率可以以与第一啁啾率不同的第二啁啾率调制。第二频率可以电子地、机械地、声光地调制，或以其它方式调制。第一啁啾率和第二啁啾率可以产生第一激光束540与第二激光束546之间的反向啁啾。 [0063] 在一些情况下，第二载波频率可以与第一载波频率几乎相同。例如，在一些实施例中，第一基线频率和第二基线频率之间的百分比差小于0.05％。这可以向激光雷达系统510提供像，例如，使由斑纹引起的失真最小或其它改进的各种改进。第二激光束546可以被第二光耦合器524分成第二目标束514和第二本机振荡器束548。第二本机振荡器束548可以在第二辐射束延迟器550上保持第二延迟周期。第二延迟周期可以不同于第一延迟周期。 [0064] 在一些实施例中，可以利用配备在，例如，METRICVISIONTMModel MV200中的机构来线性化第一激光源518和/或第二激光源520的输出(例如，第一激光束540和/或第二TM激光束546)。可以利用配备在，例如，METRICVISION Model MV200中的机构来校正第一激光源518和/或第二激光源520的输出的相位漂游。 [0065] 在本发明的一些实施例中，当目标516与激光雷达系统510的距离在最小距离与最大距离之间的一组距离内时，激光雷达系统510可以以提高的精度来确定目标516的距离和距离变化率。当目标516的距离未在该组距离内时，激光雷达系统510的精度可能变差。 [0066] 按照本发明的各种实施例，第一辐射束延迟器544和第二辐射束延迟器550是可调的。调整第一辐射束延迟器544和第二辐射束延迟器550可以使激光雷达系统510能够调整成使得可以作出更精度确定的该组距离更接近激光雷达系统510或更远离激光雷达系统510。可以将第一辐射束延迟器544和第二辐射束延迟器550调整成保证目标516的距离在最小距离与最大距离之间的该组距离内，以便可以精确地确定目标516的距离和距离变化率。第一辐射束延迟器544和第二辐射束延迟器550可以由用户调整或自动调整。 [0067] 目标516的距离在该组距离之外时，距离和距离变化率的确定结果变差可能是第一激光源518和第二激光源520的相干长度的有限性的结果。例如，最小距离与最大距离之间的距离可能是相干长度的函数。第一激光源518和第二激光源520的相干长度越长，最小距离与最大距离之间的距离可能就越大。因此，增加第一激光源518和第二激光源520的相干长度可以通过提供在改进的一组距离上作出确定的能力，来改进激光雷达系统510的距离和距离变化率确定。 [0068] 在本发明的一些实施例中，第一本机振荡器束542可被分成多个第一本机振荡器束，以及第二本机振荡器束548也可被分成多个第二本机振荡器束。在这样的情况下，激光雷达系统510可以包括可以将可变延迟周期的多个延迟施加于多个第一本机振荡器束和多个第二本机振荡器束的多个辐射束延迟器。这可以保证多个第一本机振荡器束之一和多个第二本机振荡器束之一被延迟可以使目标的距离和距离变化率得到精确确定的延迟周期。 [0069] 于是，在本发明的一些实施例中，第一激光源518和第二激光源520可以发出具有改进相干长度的啁啾电磁辐射。例如，第一激光源518和/或第二激光源520可以包括如例示在图5中和如上所述的系统210。 [0070] 按照各种实施例，第一目标束512和第二目标束514可被引向单独光路上的目标516和/或从单独光路上的目标516接收。在一些实施例中，这些光路可以相似但有差别。 在其它实施例中，可以在可以沿着公共光路引向目标516的发送之前，由目标光耦合器526将第一目标束512和第二目标束514耦合成组合目标束552。在一些实施例中，组合目标束 552(或如果分开引向目标516，则是第一目标束512和第二目标束514)可被目标516反射，并可以沿着与将组合目标束552引向目标516的公共光路分开的接收光路被激光雷达系统 510接收。这样的实施例可被标记为“收发分置的”。或者，组合目标束552可以沿着公共光路被激光雷达系统510接收作为反射目标束556。这些后面的实施例可以标记为“收发合置的”。当利用可逆光学器件操作时，收发合置实施例可以提供超过它们的收发分置对应物的好处。在收发合置实施例中，公共光路可以包括可以提供发出组合目标束552和接收反射目标束556的公共端口的光学构件528。光学构件528可以包括光循环器、光耦合器或显而易见的其它光学构件。 [0071] 在一些实施例中，公共光路可以包括扫描元件557。扫描元件557可以包括像，例如，反射镜、透镜、天线、或可以振荡、旋转、或致动，以使组合目标束552能够扫描目标516的其它光学元件的光学元件。在一些情况下，扫描元件557可以允许高速扫描。在传统系统中，扫描元件可能是由斑纹引起的反射镜差分多普勒噪声效应或可以使这些系统的精度变差的其它光学效应的来源。但是，因为激光雷达系统510的各种实施例使用同时测量(或几乎同时)来明确地确定距离和距离变化率，所以可以避免要不然由高速扫描引起的不精确。 [0072] 在本发明的一些实施例中，目标光耦合器554可以将反射目标束556分成第一反射目标束部分558和第二反射目标束部分560。第一本机振荡器光耦合器530可以将第一本机振荡器束542与第一反射目标束部分558组合成第一组合目标束562。第二本机振荡器光耦合器532可以将第二本机振荡器束548与第二反射目标束部分560组合成第二组合目标束564。在例如第一目标束512和第二目标束514可以分开引向目标516和/或从目标516接收的未显示在图中的一些实施例中，第一本机振荡器光耦合器530可以将反射的第一目标束512与第一本机振荡器束542组合，以形成第一组合目标束562，并且将反射的第二目标束514与第二本机振荡器束548组合，以形成第二组合目标束564。 [0073] 因为可以将第一本机振荡器束542和第二本机振荡器束548与不同目标束或相同目标束的不同部分(例如，反射目标束556)组合，所以第一组合目标束562和第二组合目标束564可以代表正好在最终处理之前，存在于两个单独但一致的单激光源调频激光雷达系统中的光学信号。例如，可以将激光源控制器536、第一激光源518、第一光耦合器522、第一辐射束延迟器544、和第一本机振荡器光耦合器530看作第一激光雷达部分574，第一激光雷达部分574可以生成与可以由第二激光雷达部分576生成的第二组合目标束564分开的第一组合目标束562。第二激光雷达部分576可以包括激光源控制器538、第二激光源520、第二光耦合器524、第二辐射束延迟器550、和第二本机振荡器光耦合器532。 [0074] 在一些实施例中，激光雷达系统510可以包括处理器534。处理器534可以包括检测模块566、混合模块568、处理模块570、和/或其它模块。这些模块可以用硬件(包括光学和检测部件)、软件、固件、或硬件、软件、和/或固件的组合实现。根据第一组合目标束562和第二组合目标束564，处理器534可以生成距离信号和距离变化率信号。根据距离信号和距离变化率信号，可以明确地确定目标516的距离和距离变化率。 [0075] 在本发明的一些实施例中，处理器534可以确定第一组合本机振荡器束562的第一拍频。第一拍频可以包括可归因于路径长度差的第一本机振荡器束542和从目标516反射的与第一目标束512相对应的反射目标束556的分量的频率差。处理器可以确定第二组合本机振荡器束564的第二拍频。第二拍频也可以包括可归因于路径长度差的第二本机振荡器束548和从目标516反射的与第二目标束514相对应的反射目标束556的分量的频率差。第一拍频和第二拍频可以同时(或几乎同时)确定，以消除环境或其它效应引入的噪声。可以采取一个或多个步骤来使第一拍频和第二拍频能够与第一组合目标束562内的其它频率分量以及第二组合目标束564内的其它频率分量区分开，和/或相互区分开。例如，这些措施可以包括：将两个单独的啁啾率用作第一啁啾率和第二啁啾率、在第一辐射束延迟器544和第二辐射束延迟器550上分别将第一本机振荡器束542和第二本机振荡器束550延迟不同的延迟时间，或可以采取其它措施。 [0076] 应该意识到，虽然图5例示了主要利用光纤和光耦合器实现的本发明的示范性实施例，但这个实施例决不会打算局限于此。在本发明的范围内存在像，例如，棱镜、反射镜、半反射镜、分束器、二向色薄膜、透镜、或其它光学构件那样的其它光学构件可以用于引导、组合、聚焦、扩散、放大、或处理电磁辐射的可替代实施例。 [0077] 按照本发明的各种实施例，处理器534可以混合第一组合目标束562和第二组合目标束564以产生混合信号。混合信号可以包括可以与第一拍频和第二拍频之和相对应拍频和分量、以及可以与第一拍频与第二拍频之差相对应拍频差分量。对于具有恒定速度的目标，第一激光束540和第二激光束546的拍频可以分别描述如下： [0078] 和 (1) [0079] [0080] 其中，f1(t)代表第一拍频，f2(t)代表第二拍频，λ1和λ2是两个光学波长，ν是目标速度，γ1和γ2与各自啁啾率成正比，R是测量的距离，以及RO1和RO2代表两个激光雷达的距离偏移。假设λ1＝λ2＝λ，我们可以相减这两个方程，得出： [0081] f1(t)-f2(t)＝2πR(γ1-γ2)-2π(γ1RO1-γ2RO2) (3) [0082] 重新排列(3)，我们获得 [0083] [0084] 作为校正距离测量结果。类似地，我们可以组合(1)和(2)以获得提供目标速度测量结果的表达式： [0085] [0086] 按照本发明的各种实施例，可以从混合信号中过滤出上面描述在方程(4)中的拍频和分量以产生距离信号。从包括在距离信号(例如，f1(t)+f2(t))中的拍频和分量中，可以作出从激光雷达系统510到目标516的距离的确定。基于距离信号的确定可以是明确的，并可以不依赖于多普勒频移(例如，ν/λ)的瞬时行为或平均行为。 [0087] 在一些实施例中，可以从混合信号中过滤出上面描述在方程(4)中的拍频差分量以产生距离变化率信号。从包括在距离变化率信号中的拍频差分量中，可以明确地作出目标516的距离变化率的确定。为了确定目标516的距离变化率，可以将 表示成与第一啁啾率和第二啁啾率之间的啁啾率差成正比的值。这可以提取出代表目标516的瞬时速度的多普勒频移信息。 [0088] 在本发明的一些实施例中，可以将第二啁啾率设置成零。换句话说，第二激光源518可以以恒定频率发出辐射。这可以使第二激光源518能够以更简单的设计、小的覆盖区、更轻的重量、更低的成本、或可以对整个系统提供好处的其它改进实现。在这样的实施例中，激光雷达系统510可以包括频移设备。频移设备可以包括声光调制器572或其它设备。声光调制器572可以向第二本机振荡器束548提供可以改进下游处理的频率偏移。例如，频率偏移可以使第二本机振荡器束548与代表静态目标的距离变化率的第二反射目标束部分560之间的静态目标拍频能够从零偏移，使得可以从拍频中确定目标运动的方向以及运动速率的幅度。本发明的这个实施例具有可以允许连续监视目标距离变化率而不被啁啾转向或回扫中断的进一步优点。啁啾转向或回扫可能造成啁啾激光雷达部分不可能精确测量的时间间隔。在这些实施例中，虽然激光雷达系统510保持测量距离和距离变化率两者的能力，但激光雷达部分576可以只确定目标516的距离变化率。 [0089] 图6例示了按照本发明一个实施例的处理器534。处理器534可以数字地混合第一组合目标束562和第二组合目标束564。例如，处理器534可以包括第一检测器610和第二检测器612。第一检测器610可以接收第一组合目标束562并可以生成与第一组合目标束562相对应的第一模拟信号。第一模拟信号可以由第一转换器614转换成第一数字信号。处理器534可以包括可以确定与第一数字信号的一个或多个频率分量相对应的第一组频率数据的第一频率数据模块616。在一些情况下，可以在第一求平均模块618上对第一数字信号求平均。在这样的情况下，接着可以将平均第一数字信号发送到第一频率数据模块616。 [0090] 第二检测器612可以接收第二组合目标束564并可以生成与第二组合目标束564相对应的第二模拟信号。第二模拟信号可以由第二转换器620转换成第二数字信号。处理器534可以包括可以确定与第二数字信号的一个或多个频率分量相对应的第二组频率数据的第二频率数据模块622。在一些情况下，可以在第二求平均模块624上对第二数字信号求平均。在这样的情况下，接着可以将平均第二数字信号发送到第二频率数据模块622。 [0091] 第一组频率数据和第二组频率数据可以由频率数据组合模块626接收。频率数据组合模块626可以线性组合第一组频率数据和第二组频率数据，并且可以生成源自混合频率数据的距离变化率信号和距离信号。 [0092] 图7例示了按照本发明另一个实施例的处理器534。处理器534可以包括可以分别接收第一组合目标束562和第二组合目标束564的第一检测器710和第二检测器712。第一检测器710和第二检测器712可以分别生成与第一组合目标束562和第二组合目标束 564相关联的第一模拟信号和第二模拟信号。处理器534可以电子地混合第一组合目标束 562和第二组合目标束564，以生成距离信号和距离变化率信号。例如，处理器534可以包括调制器714。调制器714可以将第一检测器710生成的第一模拟信号乘以第二检测器712生成的第二模拟信号，以形成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器534可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器716和第二滤波器718。第一滤波器716可以滤波组合模拟信号以生成第一滤波信号。在一些情况下，第一滤波器716可以包括低通滤波器。第一滤波信号可以经第一转换器720转换以生成距离变化率信号。第二滤波器718可以滤波组合模拟信号以生成第二滤波信号。例如，第二滤波器718可以包括高通滤波器。第二滤波信号可以经第二转换器722转换以生成距离信号。 [0093] 图8例示了按照本发明又一个实施例的处理器534。处理器534可以光学地混合第一组合目标束562和第二组合目标束564，以生成距离信号和距离变化率信号。例如，处理器534可以包括检测器810，该检测器810接收第一组合目标束562和第二组合目标束564，并且根据检测来生成组合模拟信号。在这样的实施例中，处理器534可以包括接收组合模拟信号的第一滤波器812和第二滤波器814。第一滤波器812可以滤波组合模拟信号，以生成第一滤波信号。第一滤波器812可以包括低通滤波器。第一滤波信号可以经第一转换器816转换，以生成距离变化率信号。第二滤波器814可以滤波组合模拟信号，以生成第二滤波信号。第二滤波器814可以包括高通滤波器。第二滤波信号可以经第二转换器818转换，以生成距离信号。 |
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