CN108351418A - 空间分析测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述的是用于空间分析测量的系统、方法和处理器可读介质。在一种布置中，所描述的系统包括：光源，该光源被配置为提供在多个波长信道中选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，该至少一个时变属性包括(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个；光束定向器，该光束定向器被配置为在空间上在二维的多个方向中的一个方向上将出射光引导到具有空间分布的环境中，该多个方向中的一个方向对应于多个波长信道中所选择的一个波长信道；光接收器，该光接收器被配置为接收由环境反射的出射光的至少一部分；以及处理单元，该处理单元被配置为确定与反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与多个方向中的相应的一个方向相关联的环境的空间分布。

Description

空间分析测量系统和方法
发明领域
本发明涉及用于对环境的空间分布进行估计的系统和方法。
发明背景
空间分析测量(profiling)是指从所期望的视场观察到的环境的三维测绘。视场中的每个点或像素与距离相关联，以形成对于环境的三维表示。空间分布可有助于识别环境中的物体和/或障碍物，由此促进作业的自动化。
一种空间分析测量技术涉及在特定方向上将光发送到环境中，并检测例如由环境中的反射表面反射从该方向反射回的任何光。反射光携带用于确定到反射表面的距离的相关信息。特定方向和距离的组合形成了环境的三维表示中的点或像素。以上步骤可针对多个不同方向重复，以形成三维表示的其他点或像素，由此估计在所期望的视场内环境的空间分布。
说明书中对任何现有技术的引用并非也不应被视为承认或以任何形式暗示该现有技术构成在任何管辖范围中的公知常识的一部分，或者该现有技术可合理地预期被理解、由本领域技术人员认为是相关的和/或与其他现有技术的组合。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种空间分析测量系统，其包括：
光源，该光源被配置为提供在多个波长信道中选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，该至少一个时变属性包括在(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个；
光束定向器，该光束定向器被配置为在空间上将出射光引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，该多个方向中的一个方向对应于多个波长信道中所选择的一个波长信道；
光接收器，该光接收器被配置为接收由环境反射的出射光的至少一部分；以及
处理单元，该处理单元被配置为确定与反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与多个方向中的相应的一个方向相关联的环境的空间分布，
其中，光接收器被配置为基于在出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测非反射光。
禁止检测非反射光可以包括基于波长信道的预定的或随机化的序列来选择多个波长中所选择的一个波长。
禁止检测非反射光可以包括使接收到的光从出射光去相关，并且将去相关的光与出射光的样本非相干地混合。
禁止检测非反射光可以包括：在其中光源被配置为提供在多个波长信道中所选择的一个波长信道处的采样光的时间窗期间，执行出射光的样本和接收到的光的光学自外差。
禁止检测非反射光可以包括：根据编码序列，对出射光的时变强度分布施加编码调制，并且其中至少一个特性包括反射光与编码序列的自相关。编码序列可以包括巴克码。可选地，编码调制可以包括缓慢变化的巴克码和快速变化的巴克码。
编码序列可以是可调的，以避免与另一空间测绘系统干扰。
时变强度分布可以包括以预定频率的周期性调制。周期性调制可以包括正弦调制，并且其中至少一个特性可以包括正弦调制的反射光的相移。可选地，周期性调制包括多个频率分量，并且其中至少一个特性包括下列各项中的至少一项：(a)促进更粗糙的和更远距的距离估计的因多个频率分量而产生的拍频的包络的延迟，以及(b)促进更精细的和更近距的距离确定的周期性调制的反射光的相移。可选地或另外地，时变强度分布可以包括啁啾正弦调制。
在一种配置中，光源被配置为以顺序方式提供在多个波长信道中另外选择的一个或更多个波长信道处具有相同或不同的(多个)时变属性的另外的出射光，光束定向器被配置为以顺序方式将另外的出射光引导到在多个方向中的相应的一个或更多个方向，并且处理单元被配置为确定与在多个波长信道中另外选择的一个或更多个波长信道处的反射光的相同或不同的时变属性相关联的至少一个特性，以用于估计与在多个方向中的对应的一个或更多个方向相关联的环境的空间分布。
在该配置中，顺序方式包括预定序列。可选地，顺序方式包括随机化序列。
光束定向器可以包括用于下列各项的可逆光学器件：(a)将来自光源的出射共线光束在空间上引导到多个方向，以及(b)将反射光在多个相反的方向上在空间上引导到入射共线光束。可逆光学器件可以包括空间交叉色散模块。空间交叉色散模块可以包括呈正交布置的两个空间色散元件，每个空间色散元件被布置为将出射光导引到在两个维度中的相应的一个维度中。这两个空间色散元件可以包括光子晶体结构。
该系统还可以包括不可逆光学器件，该不可逆光学器件用于将出射光从光源路由到光束定向器并且用于将反射光从光束定向器路由到光接收器。不可逆光学器件可以包括光环行器。
该系统还可以包括跟随光源的光耦合器或分束器。
光束定向器可以包括准直光学器件，该准直光学器件用于沿着未由出射光所占用的路径共享的路径将由光束定向器收集的反射光路由到光接收器。
在一种配置中，光束定向器是多个光束定向器中的一个，在多个光束定向器中的每个光束定向器(a)光学耦合到光源和光接收器，并且(b)配置成将出射光引导到具有响应于多个波长信道的相应子集的相应空间分布的相应环境。在这种配置中，光束定向器每个都光纤耦合到光源和光接收器。可选地，光接收器是多个光接收器中的一个，并且光束定向器每个都光学耦合到光源和在多个光接收器中的相应的一个光接收器。
光源可以包括标准具模块，该标准具模块用于向处理单元提供温度相关的信息，并且处理单元可以被配置为基于温度相关的信息来控制光源。
光束定向器包括腔体，用于基于从腔体反射的并由光接收器接收的光的强度来获得环境相关的信息。
在一种配置中，时变频率偏差可以包括光频率的线性变化。时变频率偏差可以包括锯齿波形或三角波形。处理单元还可以被配置为确定反射光的至少另一特征，以估计目标在环境中的速度。
根据本发明的第二方面，提供了空间分析测量方法，该方法包括下列步骤：
由光源提供在多个波长信道中选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，至少一个时变属性包括在(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个；
由光束定向器在空间上将出射光引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，多个方向中的一个方向对应于多个波长信道中所选择的一个波长信道；
由光接收器接收由环境反射的出射光的至少一部分；以及
由处理单元确定与反射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与多个方向中的相应的一个方向相关联的、环境的空间分布，
其中，光接收器被配置为基于在出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测非反射光。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括指令的处理器可读介质，该指令在由空间分析测量系统中的处理单元执行时，使系统：
通过光源提供在多个波长信道中选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，通过光束定向器将出射光在空间上引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，至少一个时变属性包括在(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个，多个方向中的一个方向对应于多个波长信道中所选择的一个波长信道；以及
通过处理单元确定与由环境反射并且由光接收器接收的出射光中的至少一部分出射光的至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与多个方向中的相应的一个方向相关联的环境的空间分布，
其中，光接收器被配置为基于在出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测非反射光。
根据以下通过示例的方式并且参考附图给出的描述，本发明的其他方面和前面段落中描述的各方面的其他实施例将变得明显。
附图说明
图1A、1B和1C每个都示出了空间分析测量系统的布置。
图2A和图2B每个都示出了提供具有时变强度分布的出射光的光源的布置。
图2C和图2D每个都示出了提供具有时变频率偏差的出射光的光源的布置。
图3A示出了空间分析测量系统的光束定向器的布置。
图3B示意性地示出了视场的像素与光源的发射光的波长信道之间的关联。
图4A示出了光发送窗口和光接收窗口的时序控制的布置。
图4B示出在光发送窗口和光接收窗口的随时间变化的出射光强度的示例。
图4C和4D每个都示出了周期性调制的示例。
图4E和4F每个都示出了编码调制的示例。
图5A和图5B分别示出了不具有时变频率偏差控制和具有时变频率偏差控制的布置之间的比较。
图6A示出了在目标静止的情况下，本地光的光频率、接收到的光的光频率及其频率差。
图6B示出了在目标正在移动的情况下，本地光的光频率、接收到的光的光频率及其频率差。
实施例的详细描述
在本说明书中，“强度”意为光强度，除非另有说明，可与“光功率”互换。
在本文中描述的是空间分析测量系统。所描述的系统通过确定在立体角或每个角度的视场内的任何反射表面的距离(诸如，物体或障碍物的距离)，提供在从一个或更多个特定角度看到时的环境的空间分布的估计。所描述的系统可用于监测环境中的相对移动或变化。
例如，在自动交通工具的领域中(陆地、空中、水或太空)，所描述的系统可以从交通工具的角度估计交通状况的空间分布，包括任何物体(诸如，障碍物或前方目标)的距离。随着交通工具移动，在另一位置从该交通工具观察的空间分布可以改变，并且可被重新估计。作为另一个示例，在停靠领域中，所描述的系统可以从集装箱船的角度估计码头的空间分布(诸如，集装箱船到码头的特定部分的接近度)，以促进在不与码头的任何一部分碰撞的情况下成功停靠。作为另一个例子，在视距通信(例如自由空间光通信或自由空间微波通信)的领域，所描述的系统可以用于对准目的。在收发器已经移动或正在移动的情况下，它可以被连续跟踪，以便对准光束或微波束。
作为进一步的示例，适用的领域包括但不限于工业测量和自动化、现场勘测、军事、安全监控和监视、机器人和机器视觉、印刷、投影仪、照明、攻击和/或淹没和/或干扰其他激光和IR视觉系统。
图1A示出了根据本公开的空间分析测量系统100A的布置。系统100A包括光源102、光束定向器103、光接收器104和处理单元105。在图1的布置中，来自光源102的出射光由光束定向器103在二维方向上引导到具有空间分布的环境110中。如果出射光射到物体或反射表面，则出射光的至少一部分可以被物体或反射表面反射(例如，以实线箭头表示)(例如散射)回到光束定向器103，并在光接收器104处被接收。处理单元105可操作地耦合到光源102，以控制其操作。处理单元105还可操作地耦合到光接收器104，以通过确定反射光行进的往返距离来确定与反射表面的距离。
光源102、光束定向器103、光接收器104可以经由自由空间光学器件和/或光学波导(诸如，光纤或2D或3D波导形式的光学电路)彼此光学耦合。如下面进一步描述的，来自光源102的出射光被提供给光束定向器103，以引导进入环境。由光束定向器103收集的任何反射光可以被引导至光接收器104。在一种布置中，来自光源102的光也经由从光源102到光接收器104的直接光路(未示出)被提供给光接收器104，以用于光学处理目的。例如，来自光源102的光可以首先进入采样器(例如，90/10光纤耦合器)，其中光的大部分(例如，90％)被提供给光束定向器103，并且光的剩余样本部分(例如，10％)经由直接路径被提供给光接收器104。在另一个示例中，来自光源102的光可以首先进入光开关的输入端口，并且从两个输出端口中的一个输出端口离开，其中，一个输出端口将光引导到光束定向器103，并且在由处理单元105确定的时间，其他输出端口将光重新引导到光接收器104。光接收器104被配置为基于在出射光和非反射光之间的波长或调制的差异来禁止检测非反射光。非反射光包括并非因出射光的反射而产生的光，因此不能帮助处理单元105确定反射表面的距离。这种抑制旨在解决诸如错误检测和安全性的问题。如从描述的其余部分中将明显的，存在多种方式来禁止检测非反射光，诸如包括下列各项中的一项或更多项：
●基于预定的或随机化的波长信道序列来选择波长信道；
●使接收到的光与出射光去相关，并且将去相关的光与出射光的样本非相干地混合；
●在特定时间窗处对接收到的光与出射光的样本执行光学自外差；
●对出射光施加具有特定频率的时变强度调制分布；
●对出射光施加具有特定频率啁啾特性(例如，特定调频率)的时变频率偏差或强度分布；以及
●对出射光施加具有特定编码序列的编码调制。
在一个示例中，主要布置有光源102、光束定向器103、光接收器104和处理单元105。例如，在自主交通工具应用中，该布置使得这些部件可以紧凑地组装在交通工具的范围内或者在单个壳体内。在另一个示例中，在如图1B所示的空间分析测量系统100B中，光源102、光接收器104和处理单元105基本上布置在“中央”单元101内，而光束定向器103远离中央单元101。在该示例中，中央单元101经由一个或更多个光纤106光学耦合到远程光束定向器103。这个示例允许远程光束定向器103(其可以仅包括无源部件(诸如，无源交叉色散光学器件))被放置在更恶劣的环境中，因为它不易受诸如高温、潮湿、腐蚀或物理损坏的外部损害。在又一示例中，如图1C中所示，空间分析测量系统100C可以包括单个中央单元101和多个光束定向器(诸如，130A、130B和130C)。多个光束指向器中的每一个可以经由相应的光纤(诸如106A、106B和106C)光学耦合到中央单元101。在图1C的示例中，多个光束指向器可被放置在不同的位置和/或以不同的视场取向。
光源
光波涉及振荡场E，其可以在数学上被描述为：
其中I(t)表示光的强度，表示了场的相位，λk表示第k个波长信道的中心波长，fd(t)表示与第k个波长信道的中心光频率的光频率偏差(为了简单起见，以下称为“频率偏差”)，并且c＝2.998×108m/s是光速。光源102被配置为提供具有至少一个时变属性(诸如，时变强度分布I(t)和/或时变频率偏差fd(t))的出射光。
具有至少一个时变属性的光可以被引导到环境中，由反射表面向后反射，并由系统100A收集。如下面将进一步描述的，处理单元105可以被配置为通过确定与向后反射的光的至少一个时变属性相关联的至少一个特性来确定向后反射光的往返时间并且因此确定向后反射光的往返距离。
(a)时变强度分布I(t)
在一种布置中，光源102被配置为提供在多个波长信道(每个波长信道由其各自的中心波长λ1、λ2、...λN表示)中所选择的一个波长信道处具有时变强度分布I(t)的出射光。图2A示出了光源102的一个这种布置的示例。在该示例中，光源102可以包括基本上连续波(CW)光强度的波长可调激光器202(诸如，波长可调激光二极管)，其基于施加到激光二极管的一个或更多个电流(例如，注入到激光器腔中的一个或更多个波长调谐元件内的注入电流)提供可调波长的光。在另一个示例中，光源102可以包括宽带光源和可调光谱滤波器，以提供在所选波长处的基本上连续波(CW)的光强度。
在图2A的示例中，光源102可以包括调制器204，调制器204用于将时变强度分布赋予出射光。在一个示例中，调制器204是集成在激光二极管上的半导体光放大器(SOA)。施加到SOA的电流可以随着时间的推移而变化，以使由激光器产生的CW光的放大率随着时间的推移而变化，这进而提供具有时变强度分布的出射光。在另一个示例中，调制器204是激光二极管的外部调制器，诸如，马赫曾德尔(Mach Zehnder)调制器或外部SOA调制器。在另一种布置中，如图2B所示，与具有波长可调激光器202不同的是，光源206包括宽带激光器208，随后是波长可调滤波器210。
(b)时变频率偏差fd(t)
在另一种布置中，光源102被配置为提供在多个波长信道(λ1,λ2,…λN)中所选择的一个波长信道处具有时变频率偏差fd(t)的出射光。图2C示出了光源102的一个这种布置的示例。
光场的瞬时光学频率f和瞬时波长λ表示波的等效物理属性(光场的振荡率)，并且与波动方程c＝fλ相关。由于光速c是常数，因此使f或λ变化必然相应地使其他量变化。同样，使λk或者fd变化可以被描述为相应地使其他量变化。具体来说，fd(t)和λk相关如下：
λ＝c/(c/λk+fd)和
f＝c/λk+fd
实际上，光源102的fd(t)和λk的改变可以通过单一控制来产生，例如，通过例如进入激光二极管的注入电流来调谐光源102的波长。但是，为了清楚起见，以下描述将频率偏差fd(t)和在单个波长信道内的光频率与其中心光频率的偏差相关联，而λk的变化与导致光源102从一个波长信道跳到另一个波长信道相关联。例如，光源102的较小的且基本上连续的波长变化被描述为导致时变频率偏差fd(t)，而光源102的较大的且阶梯式的波长变化被描述为导致光源102从波长信道λk跳到λk+1。
在图2C的示例中，光源102可以包括基本上连续波(CW)光强度的波长可调激光器202(诸如，波长可调激光二极管)，其基于施加到激光二极管的一个或更多个电流(例如，注入到激光器腔中的一个或更多个波长调谐元件内的注入电流)提供可调波长的光。在另一个示例中，光源102可以包括宽带光源和波长可调光谱滤波器，以提供在所选波长处的基本上连续波(CW)的光强度。
(c)时变强度分布I(t)和频率偏差fd(t)
在另一种布置中，光源102可以被配置为提供具有时变强度分布I(t)和时变频率偏差fd(t)的出射光。图2A和图2B中所示的示例都适用于光源102的这种布置。以上关于(a)时变强度分布I(t)和(b)时变频率偏差fd(t)的描述适用于光源102的这种布置。
光源102(诸如，波长可调激光器202(例如，其波长)和调制器204(例如，调制波形)两者)的操作可以由处理单元105控制，下面将进一步对其进行描述。
光束定向器
光束定向器103被配置为在空间上在二维的多个方向(301-1、301-2、...、301-N)中的一个方向上将出射光引导到环境110中。出射光被引导到的方向对应于或基于在多个波长信道(以λ1、λ2、...λN为中心)中的所选择的一个波长信道。对于其中出射光具有在所选择的波长信道内的时变频率偏差fd(t)的布置，所选择的波长信道可以包含由在该波长信道内的时变频率偏差fd(t)导致的紧密间隔的波长集合。为了简单起见，在这种布置中，虽然确切的波长随着时间的推移而稍微变化，但除非另有说明，下面的描述使用符号λk(即，λ1、λ2、...λN)表示波长信道，并且总体地表示紧密间隔的波长集合。
图3A示出了光束定向器103的布置，其包括空间交叉色散光学器件，诸如，无源(即，非移动)空间交叉色散光学器件。在该布置中，无源空间交叉色散光学器件包括以正交方式光学耦合或布置的两个空间色散元件的组合。例如，第一空间色散元件302可以是中阶梯光栅、虚拟成像的相控阵列(VIPA)，并且第二空间色散元件303可以是光栅或棱镜或棱栅。第一空间色散元件302以第二空间色散元件303为导向，使得来自光源102的光由第一空间色散元件302在整个第一空间维度上(例如，沿着水平方向或X轴)被导引，并且由第二空间分散元件303在整个第二正交空间维度上(例如，沿着垂直方向或Y轴)被导引。这种布置通过将一维光束导引折叠成不同的衍射级来覆盖第二空间维度而引起二维光束导引。使用无源交叉色散光学器件的优点是其允许全固态系统没有移动部件并且因此有较低故障的倾向，以可能使系统小型化，从而可能实现高可靠性、高耐用性、低功率消耗并使其适合大规模制造。在另一种布置中，第一空间色散元件303和/或第二空间色散元件303可以由光学波导(诸如，3D光学波导)或光子晶体结构(诸如，3D光子晶体)来代替。在又一种布置中，空间色散元件302和303都可以由光子晶体结构代替。
虽然未示出，但是光源和光束定向器的组合的可选布置是波长可调发光器阵列，每个波长可调发光器与对应的空间色散元件相关联。发光器阵列被配置为沿着一个维度(例如，沿着X轴的水平方向)发射和传播光，而每个空间色散元件被配置为沿着基本上垂直的维度(例如，沿着Y轴的垂直方向)散射来自对应的发光器的光，从而导致光在两个维度上被引导到环境中。在一种配置中，波长可调发光器是各波长可调激光器的阵列。在另一种配置中，波长可调发光器是耦合到SOA阵列的单个激光器。如果使用多个SOA，则可以分别编码多个SOA(参见以下关于编码调制的描述)，以识别从阵列中的特定SOA发射的光。空间色散元件可以例如是光栅。
如上所述，在一些布置中，出射光具有时变频率偏差fd(t)，其中，瞬时光频率偏离第k个波长信道的中心光频率。在这些布置中，在每个所选择的波长信道处的瞬时波长也略有变化。如以下将参考图3B进一步解释的，这种时变频率偏差表现为在出射光的方向上的小的移动。
在以上布置中，光束定向器103包括可逆光学器件，该可逆光学器件用于将来自光源102的出射共线光束在空间上引导到多个方向。此外，可逆光学器件将任何反向的反射光在空间上引导到入射的共线光束中。第一空间色散元件302和第二空间色散元件303可以用作这种可逆光学器件。入射共线光束意味着光接收器104所需的光学器件被简化，因为反射光共享光束定向器103内的出射光所采用的光路的至少一部分。此外，可逆光学器件通过抑制来自未与出射光的方向对准的方向的任何欺骗光信号来增强系统的安全性。此外，可逆光学器件抑制对于经由多个路径或轨迹反射的光的收集，其中，在出射光的非反向方向上收集的任何反射光否则将会导致不正确的距离测量。
在可选的布置中，光束定向器103包括准直光学器件(未示出)，以收集反射光。准直光学器件可以与可逆光学器件和不可逆光学器件分开，使得由准直光学器件收集的任何光可以沿着未由光束定向器103内的出射光所采用的路径共享的路径路由到光接收器104。在一个示例中，准直光学器件包括用于加宽视场的大孔径透镜、角度放大器或鱼眼透镜，或者可选地包括像复合抛物面聚光器的非成像光学器件。
在图3A的布置中，光束定向器103还包括不可逆光学器件。在一个示例中，不可逆光学器件包括光环行器304。环行器304路由出射光，从光源102经由光束定向器103传递到环境110，并且把从环境110反射回来的在光束定向器103内收集的任何光路由传递到光接收器104。在可选示例中(未示出)，不可逆光学器件包括代替光环行器的分束器。在又一个可选示例中(未示出)，不可逆光学器件包括光耦合器(诸如，2×1或2×2光纤耦合器)，光耦合器用于将由光源102提供的光从一个端口在正向上耦合作为出射光，并且用于将由光束定向器103收集的反射光在反方向上耦合到另一个端口。
尽管这里的描述集中于在两个维度将光引导到环境中，但可能存在其中光仅在一个维度上被引导到环境中的情景。与二维情况相比，一维的光束引导放宽了功率要求以及视场要求。本领域技术人员将会理解的是，在本文中关于波束定向器的描述仍然适用于有微小修改的这种情况。例如，作为对光束定向器103的修改，可以省略第二空间色散元件303，保留第一空间色散元件302，以仅基于光源104的波长将光引导到一维中。在该示例中，空间色散元件302可以是复合棱镜或光栅或棱栅。反射光可以经由可逆光学器件或准直光学器件收集。在使用准直光学器件的情况下，准直光学器件可以包括复合棱镜，该复合棱镜用于将空间色散光准直成准直光，以提供给光接收器104。
光接收器
光接收器104被配置为接收由环境反射的出射光的至少一部分。光接收器104包括光电转换单元，以将光信号转换为电信号。在一种布置中，光电转换单元包括光电探测器，该光电探测器基于接收到的光信号的强度的时间变化产生其幅度随着时间的推移而变化的光电流。在另一种布置中，光电转换单元包括光信号处理单元(诸如，光学自外差探测器)，其将任何接收到的光与局部振荡信号(即，来自光源102的本地光)非线性地混合，以产生响应于在本地光与接收到的光之间的光学频率(或等同地，波长)差异的电信号。作为结果的电信号对于在本地波长处的或接近本地波长的接收波长具有改善的信噪比，同时由于探测器的本身受限的电子带宽，因此抑制了由远离本地波长的波长引起的电信号。由于反射光不需要相干，所以散斑减少。在一个示例中，光学自外差探测器可以是光电二极管，该光电二极管是提供本地振荡器信号与接收到的光的所要求的非线性混合的光电探测器。
在实现光学自外差检测的示例中，接收到的光和本地振荡信号可以通过到光学自外差检测器的差分光路长度去相关，使得光学自外差检测对于可控制地减少任何散斑来说足够不相干。基本无散斑的操作所需的差分路径长度取决于光源102的相干长度。在光源102是具有相对较短的相干长度的半导体激光器的情况下，预计需要约30米的光纤。相比之下，在光源102是具有相对长的相干长度的窄线宽激光器的情况下，预计需要大约1千米的光纤。
在任一布置中，作为结果的电信号可由处理单元105处理，以确定反射光行进的往返距离。根据随着时间的推移而变化的出射光的(多个)属性，与(多个)时变属性相关联的不同的(多个)特性被检测，以至少确定往返距离，如以下进一步描述的。
光电探测器所需的响应时间取决于赋予出射光的强度变化的时标。可以设想，本技术需要100MHz或更少的调制带宽，因此需要具有大约60-80MHz的带宽(或者响应时间在15-20ns左右)的光电探测器。
处理单元
如上所述，处理单元105可操作地耦合到光源102以控制其操作，并且也可操作地耦合到光接收器104以确定反射光行进的往返距离并因此确定物体的距离。在图2A或图2C的布置中，处理单元105通过例如控制施加到激光二极管的一个或更多个电流(例如，进入增益介质的注入电流或进入热沉的温度控制电流)来控制光源102的可调波长。这种波长控制允许控制两个波长信道λk，以用于由光束定向器103基于波长以及在波长信道内的任何时变频率偏差fd(t)来引导出射光。
此外，处理单元105通过例如控制施加于调制器204(其可以是SOA或马赫曾德尔外部调制器)的电流来控制时变强度分布。时变强度分布可以采取在几种形式中的一种或更多种形式，每种形式需要对应的检测方法，以用于确定物体距离。处理单元105可以包括处理器可读介质，该处理器可读介质包括用于所描述的功能的指令。处理单元105可以被实现为微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的任何一个或更多个。
波长控制
控制来自光源102的光波长信道λk有效地控制了光束定向器103将光引导到环境110的(在两个维度上的)方向。如图3B中示意性示出的，其示出了在基于笛卡尔坐标系中表示的100个像素或点，其中在X和Y方向中的每个方向上具有10个像素，每个波长信道表示在视场内的一个像素或点。在光束定向器103包括两个空间色散元件的布置中，第一空间色散元件和第二空间色散元件可以被配置为基于波长信道分别在X方向和Y方向上在空间上散射光。为了生成空间分布，每个波长(以及因此的每个方向、像素或点)可以关联于在该方向、像素或点处与反射表面的距离。另外，控制波长信道内的光的波长为出射光提供了时变化频率偏差fd(t)。如前所述，改变波长信道λk与在波长(或光频率)上的较大的以及阶跃的变化相关联，而时变频率偏差fd(t)与在波长(或光频率)上的较小且基本上连续的变化相关联。
如果光源102是电信级激光器，则其可以具有高达40nm的波长调谐范围(例如，从约1527nm到约1567nm)以及约10MHz的光频率调谐分辨率(其在1550nm处对应于约0.0001nm的波长调谐分辨率)。作为说明性示例，考虑其中心波长λk和λk+1分别为1550.00nm和1550.10nm的两个相邻波长信道分别对应于193.419355THz和193.406877THz的中心光频率。两个波长信道可以与图3B中的两个相邻像素相关联。在这个示例中，两个波长信道具有12.478GHz的光频率差。相反，可以在相同波长信道内使光源102的频率偏差在约+/-0.5GHz的范围内随着时间的推移而变化。换句话说，在这个示例中，虽然将出射光束从一个像素引导到下一个像素(即，一个像素的宽度)需要多于10GHz的光频变化，但是大约+/-0.5GHz的最大频率偏差导致出射光束移动小于像素宽度的+/-5％。由于时变频率偏差fd(t)导致的光束的轻微移动可能表现为对空间分布测量的噪声平均或平滑影响。
在图1C的示例中，在系统100C包括多个波束定向器的情况下，每个波束定向器可以被配置为响应于不同范围的波长信道。例如，路由到波束定向器103A的以λ1、λ2、...λN为中心的波长信道的光可以被引导到其相关环境，并且被反射回到光接收器104，而被路由到波束定向器103B和103C的相同波长信道的光可以不被引导到它们各自的环境(例如，反而是引导到光吸收器)，以抑制任何反射光到达光接收器104。
定时控制
处理单元105控制光发送窗口(诸如，401和403)和光接收窗口(诸如，402和404)的相应时序。图4A从整个系统的角度(参见以下光源102、光束定向器103和光接收器104的角度)示出了时序控制的一个这种布置。在该布置中，不同波长信道的光以顺序方式提供。处理单元105通常在不同波长信道λ1、λ2、...λN的光发送窗口与各个波长信道λ1、λ2...λN的光接收窗口之间交替。在另一种布置中，在相邻的发送窗口和接收窗口之间可能存在重叠。例如，对于特定波长信道的发送窗口和接收窗口可以同时开始和结束。作为另一个示例，特定波长信道的发送窗口和接收窗口可以同时开始，但是发送窗口比接收窗口结束得更早。在又一种布置中，在相邻的发送窗口和接收窗口之间可能没有重叠。
在光发送窗口401期间，处理单元105使光源102产生在第一波长信道λ1处的光。例如，处理单元105可以使对应于波长λ1的特定电流施加于激光二极管。
在光接收窗口402期间，来自光源102的光可能停止被产生。可选地，光源102继续产生经由光开关的直接路径重定向到光接收器104的光。还可选的是，在具有跟随光源102的采样器的示例中，其中出射光的一部分被提供给光接收器104，光源102继续产生光，但是重定向是必要的。处理单元105检测对应于由光接收器104接收的任何光的任何电信号。如果使用了利用来自光发送窗口401的本地振荡信号进行的光学自外差检测，则在与第一波长信道λ1的波长不同的波长处接收到的光将会由于检测器带宽本身有限而有可能会被抑制。这种抑制通过使得由例如光洪泛(optical flooding)引起的欺骗的影响最小化来增强系统的安全性。光学自外差的使用还具有如下优点：如果光源102是半导体激光器，则半导体激光器的任何不期望的边模也被滤除。在光接收窗口402期间，来自光源102的第一波长信道λ1处的光可以被停止提供或者例如经由光纤被重新引导到光接收器104以用于在光学自外差检测中的混合。关于光发送窗口401和光接收窗口402的描述类似地分别适用于光发送窗口403和光接收窗口404，其中波长信道λ1改变到波长信道λ2。窗口(诸如，401、402、403和404)可以具有相同或不同的持续时间。
为了便于由处理单元105进行的时序控制的布置，在说明性示例中，光源102、光束定向器103和光接收器104可以如下地起作用。在该示例中，来自光源102的光的采样部分被提供给光接收器，用于光学自外差检测，并且光源102在接收窗口期间不停止产生光：
●处理单元105控制光源102产生一系列的光发送窗口，在一系列的光发送窗口中的每一个光发送窗口与不同的波长信道(例如，λ1、λ2...λN)相关联。光源102连续地或基本上连续地产生光，其在不被关闭的情况下被调谐到另一个波长信道。
●光束定向器103被提供有在波长信道λ1处的光，并将其引导到方向1中。虽然在波长信道λ1处的光仍然被引导到方向1中，但是在波长信道λ1处的反射光可由光束定向器103收集。在处理单元105控制光源102改变到波长信道λ2时，光束定向器103被提供有在λ2处的光，并将其引导到方向2中。虽然在波长信道λ2处的光仍然被引导到方向2中，但是在波长信道λ2处的反射光可由光束定向器103收集，并且对于后续波长信道来说依此类推。
●当光源102发光时，光接收器104接收来自光源102的出射光的样本部分。例如，在光接收机104被提供有在波长信道λ1处的采样出射光时，光接收器还可以接收在波长信道λ1处的反射光，在波长信道λ1处的反射光与在波长信道λ1处的所采样的出射光混合，用于光学自外差检测。在处理单元105控制光源102改变到波长信道λ2时，光接收器104被提供有在λ2处的采样出射光，同时仍然有可能接收在波长信道λ1处的光。在光接收机104被提供有在波长信道λ2处的采样出射光时，光接收器还可以接收在波长信道λ2处的反射光，在波长信道λ2处的反射光与在波长信道λ2处的所采样的出射光混合，用于光学自外差，并且对于后续波长信道来说依此类推。
●在光接收器104经受采样的出射光和处于不匹配的波长信道的反射光时，预计作为结果的电信号具有足够高的拍频，其可以通过电子或数字信号处理被滤除。此外，对于其中拍频高于光学处理单元(例如，光电二极管)的带宽的失配，由于光学处理单元的有限频率响应，因此不需要专门滤波。
时序控制的其他布置也可以是可能的。例如，来自光源102的光可以除被采样之外经由直接路径被重定向到光接收器104。
处理单元105可以被配置为以预定序列(例如，按照波长增加的顺序或波长减少的顺序)控制排序方式，对视场有效地执行2D光栅扫描。为了增强安全性，预定序列可以以仅仅系统已知的方式跳过不同的波长信道(例如，λ1、λ100、λ35、λ150...)。
例如，如果期望观看视场的选择部分，则也可以由处理单元105调整预定序列。参考图3B，系统可以是正常的“扫描”模式，其中，处理单元105被配置为预定序列是覆盖特定视场的λ1、λ2、...λ100。如果处理单元105确定100个像素中的大部分像素与大约300米的距离相关联(例如，指示相距300米的墙)(除了在λ12、λ13、λ22、λ23处的4个相邻像素与大约50米的距离相关联以外)，则处理单元105可以确定在4个相邻的像素的方向上存在相距大约50米的物体。
在确定在4个相邻像素的方向上存在相距大约50米的物体之后，在一种布置中，系统可以进入“凝视”模式，其中，处理单元105可以被配置为将预定序列调整为仅有λ12、λ13、λ22、和λ23(即，2×2像素)，仅覆盖4个相邻像素的方向，以确定该物体随着时间变化的推移而在距离上的任何变化。在距离上的任何变化都会指示表明接近或远离系统的运动。在另一种布置中，系统可以进入“追踪”模式，其中，处理单元105可以被配置为确定与4个相邻像素以及周围像素相关联的距离，以预测在所凝视的视场外部的物体的运动。例如，处理单元105可以被配置为将预定序列调整为λ1、λ2、λ3、λ4、λ11、λ12、λ13、λ14、λ21、λ22、λ23、λ24、λ31、λ32、λ33和λ34(即，4×4像素)。
处理单元105还可以被配置为通过控制光源102从一个波长信道调谐到下一个波长信道有多快来调整帧率，并且通过调谐到例如光源102的所有可调波长信道中的每隔一个的波长信道(即，λ1、λ3、λ5、λ7...)来调整空间分辨率。完成全扫描的刷新率(即，确定与所有期望波长相关联的距离)取决于视场内的方向、像素或点的期望数量、以及光发送窗口和光接收窗口的持续时间。不同应用的刷新率可能不同。例如，在停靠领域，5Hz的刷新率可能足够。在时间关键的领域(诸如，自主交通工具)，高于5Hz刷新率可能足够。
处理单元105还可以被配置为调整预定序列，以考虑光学像差效应。例如，在光束定向器103包括准直光学器件(诸如，角度放大器或鱼眼透镜)的布置中，视场可能表现出桶形畸变，这导致了视场在其外部部分翘曲。处理单元105可以被配置为使得光源102有意地省略对应于在外部像素中的一些像素的波长处的发射，以对抗这种失真。
可选地，顺序方式包括随机化的序列。处理单元105可以确定随机化的序列。
结合光学自外差检测，特定(无论是预定的还是随机的)序列的使用意味着只有在特定光接收窗口处的特定波长信道的反射光被充分检测到，这抑制了在其他波长信道处的光，由此增强了系统的安全性。
如上所述，本公开提供了其中至少一个时变属性是时变强度分布和时变频率偏差中的任一个或两者的布置。下面进一步描述在这些时变属性中的每一个以及对应的检测技术，以确定往返时间并因此确定往返距离。
时变强度控制
在涉及时变强度分布的布置中，处理单元105可以赋予出射光的时变强度分布。例如，处理单元105可以使得调制或时变电流被施加到调制器204，其随即对来自可调激光器202的出射光赋予时变强度分布。图4B示出了在光发送窗口401、403和光接收窗口402、404随时间变化的强度。图4B中的时变强度分布仅仅是说明性的。如下所述，可以存在向出射光赋予的许多不同的时变强度分布：
(i)周期性强度调制
在一个示例中，在光发送窗口401内(如图4C所示)，处理单元105引起具有DC分量和周期性调制的电流。周期性调制可以是具有单个频率分量的正弦调制。例如，如图4C所示，强度分布405包括单个循环18-MHz的频率，其转换为55.6ns的周期，并且表示16.66m的空间范围。由物体(即，反射体)反射的并且由光接收器104接收的任何光预计包括与强度分布的本地副本相比有相移的相同或基本相同的频率(忽略非理想的效应(诸如，散射和吸收))。相移与光往返物体所需的时间成正比。在这种实例中，每增加π/2或90°的相移表示16.66m/8＝2.08m的反射物距离。一旦接收到的光被例如光电探测器作为电信号检测到，则由于由处理单元105施加的周期性调制的本地副本的可用性，可以由处理单元105通过电自外差方法来确定相移。
在该示例中，在强度分布405包括特定频率的情况下，处理单元105可以对接收到的光执行信号处理，以禁止检测非反射光(例如，欺骗光)。在一种布置中，检测任何接收到的光并将其转换为数字信号，该数字信号然后通过具有相同特定频率的本地生成的电信号进行匹配滤波。匹配滤波在数学上等同于时间卷积运算。如果接收到的光未处于特定频率，则预计卷积输出为零。零或低输出本身就是对任何非反射光的检测的禁止。可选地，处理单元105可以基于零或低输出而不允许由光接收器104进行光检测，以禁止检测任何非反射光。在另一种布置中，为了允许有由于反射光离开移动的反射表面而引起的任何多普勒频移，首先在将任何接收到的光转换为数字信号之后进行快速傅立叶变换，以确定在接收到的光中存在的频率分量。通过采用由预计的多普勒频移设定的频率容限，处理单元105允许基于容差内存在任何频率分量而由光接收器104进行光检测。
在另一个实例中，周期性调制包括多个频率分量。如图4D中所示，在光发送窗口401内，强度分布406包括18-MHz和19-MHz的双频，产生1MHz的包络407或拍频，其转换为1μs的包络周期，并且表示300m的空间范围。预计由物体(即，反射物)反射的并由光接收器104接收的任何光包括与强度分布的本地副本相比有相移的或延迟的相同或基本相同的拍频(忽略非理想的效应(诸如，散射和吸收))。包络407的相移或延迟与光往返物体所需的时间成正比。在这种实例中，每增加包络的π/2或90°的相移表示300m/8＝37.5m的反射物距离。一旦接收到的光被例如光电探测器作为电信号检测到，则由于来自处理单元105的周期性调制的本地副本的可用性，可以由处理单元105通过电或数字自外差方法来确定相移。除了确定提供对于距离的更长范围测量的包络的相移之外，处理单元105还可以确定对于18-MHz频率和/或19-MHz频率的相移，以提供对于距离的更短范围测量。换句话说，拍频用于粗略的距离测量，而单独的频率(多个频率)用于精细的距离测量。
(ii)编码调制
在一个示例中，处理单元105引起具有DC分量和图案或编码调制的电流。编码调制可以涉及根据一个或更多个编码序列来调制强度分布。图4E示出在光发送窗口401内的出射光的强度分布408的一个这种情况。在这种情况下，强度根据11100010010的巴克(Barker)编码序列随时间而变化，其中，逻辑1通过在DC分量之上的强度增加(+m)来表示，并且逻辑0通过在DC分量之下的强度下降(-m)来表示。预计由物体(即，反射物)反射的并且由光接收器104接收的任何光包括与强度分布的本地副本相比有延迟的相同或基本相同的编码序列(忽略非理想的效应(诸如，散射和吸收))。延迟与光往返物体所需的时间成正比。在这种情况下，一旦接收到的光被例如光电探测器作为电信号检测到，处理单元105就可以被配置为将检测到的信号与利用处理单元105本地已知的编码序列生成的信号进行自相关。在出现峰值自相关信号时的自相关延迟对应于物体的距离。例如，获得最大自相关信号所需要的自相关延迟的每增加的10ns表示1.5m的物体距离。使用具有自相关的编码调制的优点在于，作为延迟的函数的自相关信号通常包括在最大峰值的任一侧相距相等延迟处(即，在延迟-τ3处、-τ2处、-τ1处、0处、+τ1处、+τ2处、+τ3处)的多个峰值(即，局部最大值)。多个峰值允许更准确地确定出现最大峰值时的延迟。此外，使用编码调制增强了系统的安全性。使用与本地已知序列不相同的序列来执行自相关导致了噪声自相关信号。已经提出使用巴克码序列来增强自相关的准确性。然而，只存在有限数量的已知巴克码序列，并且它们的位长是有限的。为了解决这个限制，另一个例子依赖于快速变化的巴克码和缓慢变化巴克码的组合。具体地，如图4F所示，处理单元105可以将在缓慢变化的巴克码(具有分别表示逻辑1和0的附加的强度+m和-m)之上的快速变化的巴克码(具有分别表示逻辑1和0的强度+m和0)应用到出射光的强度分布409。
编码序列是可调的，以避免与另一空间测绘系统干扰。在一些配置中，编码序列可以是随机化的。该编码可以被随机化一次，例如，在系统的初始启动时或者在恢复出厂设置时，或者可以在经过一定时间之后(例如，以规律的间隔)被重新随机化。
发送和接收窗口的持续时间也可用于管理空间分析测量系统的范围。如果处于波长λ1的反射光在光接收窗口402外被接收，该反射光可能不能被检测到，因为该系统或者是光发送窗口(其中，处理单元105可以被配置为忽略由光接收器104检测到的任何光)或者处于不同波长的光接收窗口中，导致了如果光学自外差检测被使用，对于波长λ1的检测被抑制。
(iii)非周期性强度调制
在一个示例中，出射光的时变强度分布可以包括非周期性强度调制。在该示例中，处理单元105可以使具有DC分量和非周期性调制的电流被施加到光源102。非周期性调制可以是啁啾正弦调制。调频率可以是预定的，例如，在频率上增加或减少。在一种情况下，啁啾可能在10MHz和100MHz之间的范围。例如，时变强度分布可以在光发送窗口401的开始处以10MHz被调制，并且在光发送窗口401的终点处以100MHz被调制，其中，强度调制在光发送窗口401期间从10MHz逐渐增加到100MHz(或从100MHz减小到10MHz)。调频率可以是线性的或非线性的。
可选地或另外地，啁啾可被改变。例如，啁啾可以包括在10MHz开始的强度调制，并且在第一时间段朝着100MHz增加，并且随后在第一时间段之后的第二时间段改变为从20MHz处开始并且朝着200MHz增加地调制。此外，啁啾的变化可以是预定的或随机化的，以禁止检测非预期的反射光(例如，欺骗光)，以增加安全性。
预计这样非周期性地调制并且由物体(即，反射物)反射的并且由光接收器104接收的任何光包括与强度分布的本地副本相比有延迟的相同或基本相同的非周期性的调制(忽略非理想的效应(诸如，散射和吸收))。延迟与光往返物体所需的时间成正比。在这种情况下，一旦接收到的光被例如光电探测器作为电信号检测到，处理单元105就可以被配置为由于来自处理单元105的非周期性调制的本地副本的可用性而执行电或数字外差检测。电或数字外差检测的输出是由于啁啾导致的本地光和反射光之间的调制频率的差异。利用预定的或另外已知的调频率r，处理单元105可以被配置为基于电或数字外差检测的输出来确定延迟。
例如，如果在本地光和反射光之间的延迟对应于持续1μs的发送窗口401的一半，并且如果调频率从10MHz到100MHz是线性的(即，每1μs为90MHz)，则电或数字外差检测将产生包括在本地光和反射光之间的调制频率上的45MHz差异(基于发送窗口401的起点处的10MHz和在中点处的55MHz)的输出。处理单元105可基于调制频率与电或数字外差检测的输出之间的45MHz的差异来确定延迟等于45MHz/90MHz×1μs＝0.50μs，对应于与目标的距离等于(c×0.5μs)/2＝74.95m。对于给定的调频率，在调制频率上的更大的差异表示与目标的延迟和距离更大。
时变频率偏差控制
在涉及时变频率偏差的布置中，处理单元105可以将相应的时变频率偏差fd(t)赋予给在一个或更多个波长信道的每个处的出射光。在这些布置中，光接收器104包括光学自外差检测器，其响应于在接收到的光和本地光之间的光频率(或波长)的差异而产生电信号。以下将这个电信号称为混合信号。
图5A和图5B示出在具有和不具有这种时变频率偏差的布置之间的比较。图5A示出了使得光源102按以下序列改变其波长信道的示例：在没有任何时变频率偏差的情况下，经过时隙501、502、503和504的λ1、λ2、λ3和λ4(对应于光频率c/λ1、c/λ2、c/λ3和c/λ4，其中，λk是第k个波长信道的中心波长)。每个时隙涉及在相应波长信道处的光的发送和检测。相比之下，图5B示出了其中使得光源102按照经过时隙(但每个时隙具有时变频率偏差505)的相同序列改变其波长信道的示例。在图5B所示的例子中，所有波长信道都被赋予相同的时变频率偏差505。在其他示例中，波长信道可以被赋予不同的时变频率偏差。在又一些示例中，在波长信道中的一些波长信道可以不被赋予时变频率偏差。在通过图5B表示的示例中，波长信道是按照连续的序列。在其他示例中，波长信道可以按照另一个预定序列，诸如，非连续序列或随机化序列。在每个时隙内，随着时间的推移，光频率在其各自的波长信道内偏离。频率偏差可以以由处理单元105确定的或以其他方式已知的速率R线性地改变(增加和/或减少)。时变频率偏差可以是三角波形的(例如，如图5B所示的一个或更多个递增并且递减的线性斜坡)或锯齿波形的(例如，一个或更多个递增线性斜坡，跟随以频率偏差的突然减小(未示出))。
处理单元105可以被配置为基于具有相同或基本相同的时变频率偏差的反射光来确定目标的距离。图6A示出随着时间的推移的本地光601的和接收到的光602(顶部)的光频率和频率差Δf 603(底部)。由于频率偏差不断变化，因此任何反射光602在频率偏差上落后本地光601往返时间Δt，如图6A所示。在频率偏差根据锯齿波形而变化的情况下，频率差603达到最大值Δf最大，在其之间，频率差随着时间的推移而变化为瞬间降到零。此外，反射光必须行进的往返距离越远，往返时间Δt越长，并且在接收到的光和本地光之间的频率差Δf越大。如上所述，光接收器104的光学自外差检测器将接收到的光和本地光混合，并且产生以该频率差Δf振荡的电信号。频率差Δf很可能处于射频(RF)区域。在前面提到的示例中，其中，频率差Δf在+/-0.5GHz之间变化，Δf最多为1.0GHz。因为频率偏差以已知速率R线性变化，所以混合信号将以与往返距离成比例的频率振荡。因此，处理单元105可以被配置为基于混合信号的频率测量结果603来确定距离。具体地，通过下式给出往返时间Δt：
Δt＝Δf最大/R (1)
通过下式给出往返距离d往返：
d往返＝c×Δt (2)
并且通过往返距离的一半来给出目标d目标的距离：
d目标＝(c×Δt)/2 (3)
在目标移动的情况下，出现返回光的光频率的多普勒频移，其中，多普勒频移基于目标的速度v。在这种情况下，处理单元105可以被配置为基于具有相同或基本相同的时变频率偏差的反射光来确定目标的速度和距离。图6B示出随着时间的推移的本地光601的光频率和接收到的光604(顶部)的光频率和频率差Δf 605(底部)。在频率偏差根据锯齿波形而变化的情况下，频率差603在上限值Δf上限和下限值Δf下限之间交替，在其之间，频率差随着时间的推移而变化为瞬间降到零。处理单元105可以被配置为在目标并非正在移动的情况下确定目标的距离，但是通过Δf上限和Δf下限的方式替换Δf最大。另外，处理单元105可以被配置为通过下式来确定目标的速度v：
其中，λ是瞬时波长，并且θ是在目标速度矢量与出射光的光束方向之间的角度。
应该注意，方程(1)-(4)也适用于确定其中出射光包括非周期性强度调制形式的时变强度分布的目标的延迟(以及因此的目标距离)和速度，其中，非周期性强度调制包括类似于图6A的顶部图的以锯齿图案变化的线性啁啾。在这种情况下，电或数字外差检测的相关输出类似于图6A的底部图，其中，“光频率”现在代表强度调制的频率(例如，在10MHz和100MHz之间变化)，Δf现在代表在本地光和反射光之间强度调制的频率差，并且R现在代表调频率。
在该示例中，在频率偏差包括特定频率啁啾特性(例如，已知的速率R)的情况下，处理单元105可以对接收到的光执行信号处理，以禁止检测非反射光(例如，欺骗光)。在一种布置中，处理单元105被配置为确定频率差603是否对于在图6A中表示的Δf最大处的平台(或在图6B中表示的Δf上限处的上限平台和Δf下限处的下限平台)的大致持续时间在Δf最大处保持相对恒定(或如果允许某种多普勒频移，则在Δf上限和Δf下限处保持相对恒定)。如果所述确定是否定的，处理单元105可以基于否定的确定而不允许由光接收器104进行光检测，以禁止检测任何非反射光。在另一种布置中，为了允许由于反射光离开移动的反射表面而引起的任何多普勒频移，处理单元105被配置为确定频率差603是否在图6B中表示的处于Δf上限的上限平台和Δf下限的下限平台的大致持续时间保持处于Δf上限和Δf下限。如果所述确定是否定的，处理单元105可以基于否定的确定而不允许由光接收器104进行光检测，以禁止检测任何非反射光。
温度监测
激光二极管的波长稳定性与温度有关。在一些布置中，激光二极管(或其封装或安装)包括标准具模块，其有助于跟踪由于环境温度变化而引起的波长变化。标准具模块可以包括标准具，该标准具由两个部分反射且基本平行的界面组成，光学耦合到光强度检测器。光强度检测器基于由标准具透射或反射的光的强度来生成电信号。已知标准具的反射率和透射率对温度变化高度敏感(参见例如1971年9月1日的Appl Opt.的10(9)：2065-9)。由光强度检测器检测到的光的强度因此提供对于标准具中的或附近的温度变化的指示。处理单元105可以被配置为接收来自标准具模块的与温度相关的信息。基于与温度相关的信息，处理单元105可以向光源102提供反馈信号，以对发生的任何温度漂移进行波长补偿。该反馈机构通过例如消除对于主动温度控制的需求来放宽对于光源102的要求。
环境效应监测
在光束定向器103远离中央单元(诸如，图1C中的中央单元)的布置中，还可以有益的是获得来自远程光束定向器的环境相关信息，以表征远程光束定向器所经受的环境相关的效应。对于其中光束定向器103包括用于将光在空间上散射到两个基本上正交的方向上的两个空间色散元件的那些布置，光束定向器103还可以在两个空间色散元件中的一个空间色散元件中包括用于获得环境相关信息的腔体。像标准具一样，腔体的反射率和透射率可能对温度或其他物理效应(诸如，应力)高度敏感。
例如，参考图3B，腔体可以由在第二空间色散元件303的区域中的部分反射涂层形成，其中从光源102发射到此的在从λ11到λ20的波长(即，第二行像素)处的光将会被引导。在这个示例中，波长λ11到λ20被指定用于监测环境相关的效应。当在特定时间需要环境相关的信息(诸如，温度或压力信息)时，处理单元105可以被配置为使光源102在波长λ11到λ20中的任何一个处发射。当由光束定向器103引导时，这种发射的光到达腔体(而不是环境)。由腔体(而不是环境)反射的并随后由光接收器104接收的光的强度提供了在腔体处的或腔体附近的环境相关的信息。
例如，在车辆应用中，系统需要在扩展的温度范围(例如，-40至+60摄氏度)下工作，其中，光束定向器中的无源部件也可能随着温度而改变特性。不同光学材料或胶粘物的热膨胀系数轻微的不匹配可能会在无源光学器件中引入应力和变化，这导致不良影响，诸如，光学上的未对准。由于这些温度相关的效应对于不同的部件会有所不同，因此可能需要在制造时对其进行表征，以在操作期间将这些效应校准掉。如果此校准是在整个温度范围内执行的，则获得在操作时的温度信息将允许对系统基于校准进行温度补偿。
现在描述了本公开的布置，对于本领域技术人员来说应该明显的是，所描述的布置具有下列优点：
●使用与波长有关的光束定向器将出射光基于波长引导到一方向上，不需要移动部件，并且没有或很少有惯性来提高光束重定向的速度。
●在其中强度分布随着时间的推移而变化的布置中，与测量光脉冲的时间延迟的技术(其可能由于使用改善时间分辨率的短光脉冲而需要使用具有快速响应时间(大约是1ns)的光电探测器)相比较，使用周期性调制或编码调制(连同相移或自相关检测方法)降低了对于光接收机实现类似的时间分辨率的响应时间的要求。
●在其中频率偏差随者时间的推移而变化的布置中，相同波长控制可以用于频率偏差和波束定向。
●通过下列各项中的任何一项或更多项，有助于对抗“欺骗”的安全性或能力：
о凭借光学自外差检测，仅在特定时间(例如，光接收窗口)接收到的特定波长的光可以被充分检测。按特定顺序的波长序列也可以用于增强安全性。
о凭借调制(诸如，周期性调制或编码调制)，仅其强度以特定方式(诸如，处于特定频率或采用特定编码序列调制)变化的光可以被充分检测到。
о对于具有空间色散光学器件的(多个)光束定向器，只有从特定方向由(多个)光束定向器接收到的光可以被充分地路由到光接收器，并因此被充分地检测到。
о在所描述的系统用于视距通信(例如，自由空间光或微波)对准目的的情况下，环境的空间测绘可用于将通信光束(例如，光束或微波束)对准收发器。例如，收发器可以通过可识别的3D形状(例如，环形)标记。一旦在环境的空间分布中(例如，通过3D形状识别软件的方式)识别出可识别的3D形状，视距通信系统可以被配置为指向识别出的收发器的方向，以用于视距通信。在自由空间光通信的情况下，一旦实现对准，正是来自光源102的、由光束定向器103引导作为出射光的光可用作自由空间光通信的光源。类似地，一旦实现对准，正是由光接收器104接收的、由光束定向器103引导作为入射光的光可用作自由空间光通信接收的光。
将理解的是，在本说明书中公开和限定的本发明扩展到从文本或附图中提及或明显的各个特征中的两个或更多个特征的所有可选组合。例如，并非SOA或马赫曾德尔调制器的调制器装置可能是很合适的。这些不同的组合中的所有组合构成了本发明的各种可选的方面。

Claims (33)

1.一种空间分析测量系统，包括：
光源，所述光源被配置为提供在多个波长信道中的选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，所述至少一个时变属性包括(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个；
光束定向器，所述光束定向器被配置为在空间上将所述出射光引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，所述多个方向中的所述一个方向对应于所述多个波长信道中所选择的一个波长信道；
光接收器，所述光接收器被配置为接收由所述环境反射的所述出射光的至少一部分；以及
处理单元，所述处理单元被配置为确定与反射光的所述至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与所述多个方向中的相应的一个方向相关联的、所述环境的空间分布，
其中，所述光接收器被配置为基于在所述出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测所述非反射光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，禁止检测所述非反射光包括基于波长信道的预定的序列或随机化的序列来选择所述多个波长中所选择的一个波长。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，禁止检测所述非反射光包括使所接收到的光从所述出射光去相关，并且将去相关的光与所述出射光的样本非相干地混合。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，禁止检测所述非反射光包括：在其中所述光源被配置为提供在多个波长信道中所选择的一个波长信道处的采样光的时间窗期间，执行所述出射光的样本和所述接收到的光的光学自外差。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，禁止检测所述非反射光包括：根据编码序列，对所述出射光的时变强度分布施加编码调制，并且其中所述至少一个特性包括所述反射光与所述编码序列的自相关。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述编码序列包括巴克码。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述编码序列是可调的，以避免与另一空间测绘系统干扰。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述编码调制还包括缓慢变化的巴克码和快速变化的巴克码。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述时变强度分布包括以预定频率的周期性调制。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述周期性调制包括正弦调制，并且其中所述至少一个特性包括正弦调制的反射光的相移。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述周期性调制包括多个频率分量，并且其中所述至少一个特性包括下列各项中的至少一项：(a)促进更粗糙的和更远距的距离估计的因所述多个频率分量而产生的拍频的包络的延迟，以及(b)促进更精细的和更近距的距离确定的周期性反射光的相移。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述时变强度分布包括啁啾正弦调制。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述光源被配置为以顺序方式提供在所述多个波长信道中另外选择的一个或更多个波长信道处具有相同或不同的时变属性的另外的出射光，所述光束定向器被配置为以所述顺序方式将所述另外的出射光引导到所述多个方向中的相应的一个或更多个方向，并且所述处理单元被配置为确定与在所述多个波长信道中的所述另外选择的一个或更多个波长信道处的所述反射光的相同或不同的时变属性相关联的至少一个特性，以估计与在所述多个方向中的对应的一个或更多个方向相关联的、所述环境的空间分布。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述顺序方式包括所述预定的序列。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述顺序方式包括所述随机化的序列。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中，所述光束定向器包括用于下列各项的可逆光学器件：(a)将来自所述光源的出射共线光束在空间上引导到所述多个方向，以及(b)将所述反射光在多个相反方向上在空间上引导到入射共线光束。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述可逆光学器件包括空间交叉色散模块。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述空间交叉色散模块包括呈正交布置的两个空间色散元件，每个空间色散元件被布置为将所述出射光导引到在所述二维中的相应的一个维度中。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述两个空间色散元件中的一个或两个空间色散元件包括光子晶体结构。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括不可逆光学器件，所述不可逆光学器件用于将所述出射光从所述光源路由到所述光束定向器，并且用于将所述反射光从所述光束定向器路由到所述光接收器。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述不可逆光学器件包括光环行器。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括跟随所述光源的光耦合器或分束器。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的系统，其中，所述光束定向器包括准直光学器件，所述准直光学器件用于沿着未由所述出射光所占用的路径共享的路径，将由光束定向器收集的反射光路由到所述光接收器。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的系统，其中，所述光束定向器是多个光束定向器中的一个，所述多个光束定向器中的每个光束定向器
(a)光学耦合到所述光源和所述光接收器，并且(b)配置成将所述出射光引导到具有响应于所述多个波长信道的相应子集的相应空间分布的相应环境。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述光束定向器每个都光纤耦合到所述光源和所述光接收器。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述光接收器是多个光接收器中的一个，并且所述光束定向器每个都光学耦合到所述光源和在所述多个光接收器中的相应的一个光接收器。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的系统，其中，所述光源包括标准具模块，所述标准具模块用于向所述处理单元提供温度相关的信息，并且所述处理单元被配置为基于所述温度相关的信息来控制所述光源。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的系统，其中，所述光束定向器包括腔体，用于基于从所述腔体反射的并由所述光接收器接收的光的强度来获得环境相关的信息。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的系统，其中，所述时变频率偏差包括光频率的线性变化。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述时变频率偏差包括锯齿波形或三角波形。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的系统，其中，所述处理单元还被配置为确定所述反射光的至少另一特征，以估计目标在所述环境中的速度。
32.一种空间分析测量方法，包括下列步骤：
由光源提供在多个波长信道中的选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，所述至少一个时变属性包括(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个；
由光束定向器在空间上将所述出射光引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，所述多个方向中的所述一个方向对应于所述多个波长信道中所选择的一个波长信道；
由光接收器接收由所述环境反射的所述出射光的至少一部分；以及
由所述处理单元确定与反射光的所述至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与所述多个方向中的相应的一个方向相关联的、所述环境的空间分布，
其中，所述光接收器被配置为基于在所述出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测所述非反射光。
33.一种包括指令的处理器可读介质，所述指令在由空间分析测量系统中的处理单元执行时，使所述系统：
通过光源提供在多个波长信道中的选择的一个波长信道处具有至少一个时变属性的出射光，通过光束定向器将所述出射光在空间上引导到在二维的多个方向中的一个方向上以进入具有空间分布的环境中，所述至少一个时变属性包括(a)时变强度分布和(b)时变频率偏差中的任一个或两个，所述多个方向中的所述一个方向对应于所述多个波长信道中所选择的一个波长信道；以及
通过所述处理单元确定与由所述环境反射并且由光接收器接收的所述出射光中的至少一部分的所述至少一个时变属性相关联的至少一个特性，以估计与所述多个方向中的相应的一个方向相关联的、所述环境的空间分布，
其中，所述光接收器被配置为基于在所述出射光和非反射光之间的波长或者调制的差异来禁止检测所述非反射光。
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