CN110114691B - 混合直接探测与相干光探测和测距系统 - Google Patents

混合直接探测与相干光探测和测距系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于确定环境中的物体的距离和相对速度的系统和方法。示例方法包括使得激光光源发射非相干和相干两者的多个光脉冲。光脉冲与环境相互作用以提供反射的光脉冲。该方法包括基于相干光脉冲提供本地振荡器信号。该方法还包括在探测器处接收反射的光脉冲和本地振荡器信号。该方法额外地包括基于反射的光脉冲中的至少一个确定环境中的物体的存在。该方法还包括基于另一反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于探测器的相对速度。

Description

混合直接探测与相干光探测和测距系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月23日提交的美国专利申请号15/390,454的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本申请总体上涉及光学系统，并且更具体地，涉及混合直接探测与相干光探测和测距系统。
背景技术
除非本文另有指示，否则本部分中描述的材料不是本申请中权利要求的现有技术，并且不因包含在本部分中而被承认是现有技术。
传统的光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR)系统被配置为将激光脉冲发射到系统的环境中。环境中的物体可以反射激光脉冲。可以通过LIDAR系统的接收器部分将反射的光的至少一部分探测为接收的光脉冲。可以基于发射的光脉冲和对应的接收的光脉冲之间的各个时间延迟来确定到环境内的物体的距离。
光外差探测包括未调制信号和以本地振荡器频率调制的信号的非线性光混合。当在平方律探测器处探测到叠加的光信号时，可能发生非线性光混合。探测过程以未调制信号和调制信号的和频率和差频率产生信号。
发明内容
本公开一般地涉及光学系统。光学系统可以被配置成发射和探测相干和非相干激光脉冲。在这样的场景中，光学系统可以提供指示系统的环境内的物体的距离和相对速度的信息。
在第一方面，提供了一种系统。该系统包括光电探测器。光电探测器被配置为从系统的环境接收光。该系统还包括激光光源。激光光源被配置为将激光发射到环境中。激光光源被配置为向光电探测器提供本地振荡器信号。该系统还包括具有至少一个处理器和存储器的控制器。至少一个处理器被配置为运行存储在存储器中的指令以执行操作。操作包括使得激光光源发射第一光脉冲。第一光脉冲是非相干光脉冲。第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲。操作包括：使得激光光源发射第二光脉冲。第二光脉冲是相干光脉冲。第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲。操作包括：在光电探测器处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号。该操作还包括基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在。操作还包括基于第二反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于系统的相对速度。
在第二方面，提供了一种方法。该方法包括使得激光光源发射第一光脉冲。第一光脉冲是非相干光脉冲。第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲。该方法还包括使得激光光源发射第二光脉冲。第二光脉冲是相干光脉冲。第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲。该方法还包括基于第二光脉冲提供本地振荡器信号。该方法额外地包括在光电探测器处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号。该方法还包括基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在。该方法还包括基于第二反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于光电探测器的相对速度。
在第三方面，提供了一种方法。该方法包括使得激光光源发射多个光脉冲。多个光脉冲包括至少一个非相干光脉冲和至少一个相干光脉冲。多个光脉冲与环境相互作用以提供多个反射的光脉冲。该方法还包括基于至少一个相干光脉冲提供本地振荡器信号。该方法额外地包括在光电探测器处接收本地振荡器信号和多个反射的光脉冲中的至少一些反射的光脉冲。该方法还包括基于与至少一个非相干光脉冲相对应的反射的光脉冲，确定环境中物体的存在。该方法还包括基于与至少一个相干光脉冲相对应的反射的光脉冲和本地振荡器信号，确定物体相对于光电探测器的相对速度。
通过阅读以下详细描述，并参考适当的附图，其他方面、实施例和实施方式对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据示例实施例的系统。
图2示出了根据示例实施例的系统。
图3A示出了根据示例实施例的信号。
图3B示出了根据示例实施例的信号。
图3C示出了根据示例实施例的信号。
图3D示出了根据示例实施例的涉及若干信号的场景。
图3E示出了根据示例实施例的信号。
图4示出了根据示例实施例的方法。
图5示出了根据示例实施例的方法。
具体实施方式
本文描述了示例方法、设备和系统。应当理解，词语“示例”和“示例性”在本文中用于意味着“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征不一定被解释为比其他实施例或特征更优选或更具优势。在不脱离本文呈现的主题的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。
因此，本文描述的示例实施例不意味着限制。如在本文通常描述的和在附图中示出的本公开的各方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本文中预期。
此外，除非上下文另有暗示，否则每个附图中示出的特征可以彼此组合使用。因此，附图通常应被视为一个或多个整体实施例的组成方面，应理解并非所有示出的特征对于每个实施例都是必需的。
I.概述
光学系统包括至少一个激光光源。在示例实施例中，多个激光光源可以在主光功率放大器(master optical power amplifier，MOPA)光纤激光器配置中以各种组合使用。例如，种子激光器和泵浦激光器可以在高功率(15W平均功率)和1550nm波长下提供具有相对短的相干长度的光的短脉冲(2-4ns)。这些脉冲在本文中被描述为“非相干”脉冲。应当理解，脉冲长度、平均功率和波长的其他组合是可能的。此外，本地振荡器和泵浦激光器可以在相对较低的功率(例如，1瓦的平均功率)下提供具有相对较长的相干长度的光的相对较长的脉冲(例如，8微秒或更多)。这些脉冲在本文中描述为“相干”脉冲。在一些实施例中，种子激光器和本地振荡器光源可以经由耦合到单模光纤的90％-10％光纤组合器组合。然而，光学地耦合若干光源的其他方式是可能的。
光学系统还包括接收器系统。接收器系统可以包括光电探测器的阵列(例如，单光子雪崩探测器(single photon avalanche detector，SPAD)阵列)和读出集成电路(readout integrated circuit，ROIC)(例如，专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC))，其可以放大/滤波来自各个光电探测器的信号。这样，在示例实施例中，接收器系统可以被配置为接收非相干光脉冲，以便提供指示所接收的非相干光脉冲的飞行(flight)的时间的信息。根据飞行的时间信息，所接收的非相干光脉冲可以提供测距信息(例如，与传统的LIDAR系统类似或相同)。
从本地振荡器产生的光的至少一部分可以被引向SPAD阵列。在这样的场景中，在SPAD阵列处接收的相干光可以以非线性方式(例如，经由零差或外差混合)组合以形成拍频(beat frequency)信号。这样，SPAD阵列的每个光电探测器元件可以被认为是非线性混合元件。拍频信号可以提供关于基于多普勒技术相对于光学系统移动的物体(光脉冲从该物体被反射)的信息。例如，慢速移动物体的拍频(例如，0.1m/s)可以是大约125kHz，而快速移动的物体(例如，20m/s)可以具有40MHz的拍频。这样，光学系统可以被配置为提供关于在光学系统附近的环境中移动物体的信息。在示例实施例中，零差或外差信号的拍频可以通过将信号转换为数字形式(例如，利用模数转换器)并使用数字探测方法探测波形频率来确定。额外地或可替代地，可以通过锁相环(phase locked loop，PLL)和/或锁定放大器来探测拍频。预期经由非线性混合获得相干脉冲信息的其他方式。
在一些实施例中，光学系统的ROIC或其他计算元件可以包括放大器、滤波器、采样和保持电路、和/或比较器的各种组合。在这样的场景中，ROIC可以提供与采样示波器(例如，对数跨阻抗放大器(logarithmic transimpedance amplifier，TIA)、低通滤波器(low-pass filter，LPF)、采样和保持电路、和/或比较器)类似或相同的功能。预期提供缓慢变化的信号(拍频)的采样的数据的其他方法和系统。
可以以交错的方式发射“非相干”和“相干”激光脉冲。例如，对于发射的每个短“非相干”激光脉冲，可以发射单个长的“相干”激光脉冲。可替换地，对于每10个非相干脉冲，可以发射1个相干激光脉冲。其他交错的脉冲序列也是可能的。
在示例实施例中，本地振荡器可以具有非常高的Q(品质因数)。例如，本地振荡器的Q可以是100万或更多，以便提供大约100米的相干长度。本地振荡器可以包括电信级二极管激光器、外腔分布反馈(external cavity distributed feedback，DFB)激光器、回音壁模式振荡器/激光器、或垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser，VCSEL)。
在一些实施例中，本地振荡器信号可以被“啁啾(chirped)”。也就是说，可以以预定方式有意地调整本地振荡器的波长。这样，可以通过探测啁啾返回信号的时域位置来获得测距信息。
II.示例系统
图1示出了根据示例实施例的系统100。系统100包括至少一个激光光源110、一个或多个光电探测器130、读出电路140、和控制器150。系统100可以包括调制器120。系统100可以是光探测与测距(LIDAR)系统的至少一部分。也就是说，系统100可以被配置为与环境交互。在一些实施例中，如本文所描述的，系统100可以提供关于环境中的物体(例如，车辆、建筑物、地标、动物等)的位置和相对速度信息。
在一些实施例中，激光光源110被配置为将激光发射到系统100周围的环境中。激光光源110被配置为向一个或多个光电探测器130提供本地振荡器信号。例如，来自激光光源110的发射的激光可以分成两部分。发射的激光的第一部分(例如，总激光功率的10％)可以用作本地振荡器信号。发射的激光的第二部分(例如，90％)可以发射到系统100周围的环境中。
在零差探测操作模式中，发射的激光的第一部分可以直接入射到光电探测器130上。在这样的场景中，发射的激光的第二部分可以在当它们与光电探测器130相互作用时与来自环境的反射的光混合。这种直接混合可以提供零差信号。
在外差探测操作模式中，发射的激光的第一部分可在被引向光电探测器130之前经由调制器120调制，如本文其他地方所描述的。
在示例实施例中，激光光源110可以是单模激光器。例如，激光光源110可以包括被配置为提供具有波长约1550纳米的发射光的激光器。此外，其他低相位噪声、单模、单波长光源是可能的。近红外(例如，0.7-2.0微米)的其他波长是可能的并且是可以预期的。在示例实施例中，可以基于诸如环境条件、障碍物密度/位置、车辆速度等的考虑来选择和/或控制发射光的波长。
在一些实施例中，激光光源110可包括多个光源。例如，多个光源可以包括具有不同发射波长(或可调发射波长)的若干激光光源。在这样的场景中，可以基于对期望的发射波长的需要来选择激光光源110和/或调谐发射波长。
在一些实施例中，激光光源110可以包括主光功率放大器(MOPA)光纤激光器，其中MOPA包括种子激光器和泵浦激光器，该种子激光器和泵浦激光器被配置成发射至少15瓦平均功率并且发射波长约为1550nm的光脉冲。应该理解，其他平均功率和发射波长在本文是可能的并且可预期的。
激光光源110可以通过自由空间、光纤耦合、波导和/或分束器光学地耦合到调制器120。调制器120被配置为可控制地调制由激光光源110发射的光的至少第二部分。
在一些实施例中，来自调制器120的调制的光可以提供用于外差探测过程的本地振荡器信号。即，本地振荡器信号可以与从环境反射的激光混合以提供外差信号。
调制器120可以被配置为偏移(shift)由激光光源110发射的光的第二部分的光学频率。在一些实施例中，调制器120可以将发射的激光的频率偏移在1MHz至100MHz(例如，40MHz)的范围内。其他频率偏移在本文被预期。
在一些实施例中，调制器120可以是折射调制器。因此，折射调制器可包括具有可修改的折射率的材料。例如，折射调制器可以经由声光效应或电光效应调节其折射率。在这样的示例中，折射调制器可以是行波声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)或电光调制器(electrooptic modulator，EOM)。
可替换地，调制器120可以是被配置为修改入射光的相位的空间光调制器(spatial light modulator，SLM)。
在一些实施例中，调制器120可以根据各种传递函数调制射入(incoming)光。例如，调制器120可以根据正弦波调制输入信号调制射入光的相位。可替换地，调制输入信号可以包括线性锯齿波。在这样的场景中，调制器120可以根据线性调频转发器(serrodyne)相位调制来调制射入光。
可替换地，调制器120可以是吸收调制器。在这样的场景中，吸收调制器可以包括具有可修改的吸收系数的材料。例如，吸收调制器可以是电吸收调制器(electro-absorptive modulator，EAM)。额外地或可替代地，调制器120可以包括调制发射的激光的第二部分的频率、持续时间或另一方面的其他方式以便提供本地振荡器信号。
光电探测器130被配置为从系统100的环境接收光。光电探测器130可以包括一个或多个单光子雪崩探测器(SPAD)。在一些实施例中，光电探测器130可以包括雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)、互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)探测器或电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)。例如，光电探测器130可以包括被配置成探测波长约为1550nm的光的铟镓砷(indium galliumarsenide，InGaAs)APD。其他类型的光电探测器在本文是可能的并且可预期的。
光电探测器130可以包括以一维阵列或二维阵列设置的多个光电探测器元件。在示例实施例中，光电探测器130可以包括布置在单列(例如，线性阵列)中的十六个探测器元件。例如，探测器元件可以沿主轴布置，或者可以至少平行于主轴。应当理解，各个探测器元件的其他布置也是可能的。例如，探测器元件可以布置成平行于主轴的两列。
在示例实施例中，每个探测器元件可以基本上是具有350微米的边长的正方形。此外，探测器间距(pitch)沿主轴可以是400微米。也就是说，相邻探测器元件之间的中心到中心距可以是400微米。换句话说，假设350微米探测器的边长，当沿主轴布置时，探测器元件之间可具有50微米。应当理解，探测器间距的其他值是可能的并且是可以预期的。例如，对于较小的探测器元件，探测器间距小于50微米是可能的。
在示例实施例中，光电探测器130可以用作一个或多个非线性混合器。例如，光电探测器130可以被配置为将接收的反射的光与本地振荡器信号混合以提供拍频。拍频可以提供关于如本文所描述的环境中的物体的相对速度的信息。
系统100可以包括一个或多个其他光学组件。例如，系统100可以包括分束器和/或光学耦合器。光学组件可以被配置成如本文所描述修改、引向和/或吸收光。例如，在光纤设置中，可以使用一个或多个光纤耦合器。此外，光纤可以是单模光纤。额外地，系统100可以包括各种光学组件以在光电探测器130处提供模式匹配。也就是说，为了在从样本接收的光学信号和本地振荡器信号之间实现适当的光学外差混合，可以选择光学组件以维持跨光电探测器130的至少一些的模式匹配。可以在系统100中实施其他光学元件，诸如滤光器、透镜、光圈和快门。
读出电路140可以包括专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)中的至少一个，诸如Xilinx XCVU3P Virtex UltraScale+FPGA。例如，信号接收器电路140可以表示放大器或被配置为接收来自光电探测器130的各个光信号的另一类型的模拟前端系统。额外地或可替代地，读出电路140可以包括读出集成电路(ROIC)。
读出电路140可以执行各种其他功能，包括但不限于，信号路由/选择(例如，开关、多路复用器或多路分解器)和信号处理(例如，去噪、解码或编码)。读出电路140可以额外地或可替代地被配置为基于所接收的光信号(例如，时间平均)来提供各种图像处理任务。在示例实施例中，读出电路140可以包括跨阻抗放大器(TIA)，诸如Maxim MAX 3658低噪声TIA。在其他实施例中，TIA可以嵌入在定制ASIC或ROIC中。
控制器150包括至少一个处理器152和存储器154。处理器被配置为运行存储在存储器154中的指令以执行操作。
操作包括使得激光光源110发射第一光脉冲。第一光脉冲是非相干光脉冲。在一些实施例中，第一光脉冲包括测距脉冲。测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲。
操作还包括使得激光光源110发射第二光脉冲。第二光脉冲是相干光脉冲。例如，第二光脉冲可以包括多普勒脉冲。在这样的场景中，多普勒脉冲的持续时间可以在125纳秒和8微秒之间。此外，第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲。
操作还包括在(多个)光电探测器130处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号。
操作包括控制器150基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在。此外，第一反射的光脉冲可以用于基于例如发射的激光的飞行的时间来确定到环境中的物体的距离。
控制器150可以被配置为确定外差信号和/或零差信号的拍频。例如，拍频可以是第二反射的光脉冲和本地振荡器信号之间的和频率或差频率。
该操作额外地包括基于拍频确定物体相对于系统的相对速度。也就是说，控制器150可以使用所确定的外差信号的拍频来确定物体的相对速度。例如，物体的相对速度可以被计算或近似为：其中f是拍频，f0是发射的激光的频率。在一些实施例中，确定拍频可以使用锁相环(PLL)、锁定放大器或快速傅立叶变换(fast Fouriertransform，FFT)分析来获得。
图2示出了根据示例实施例的系统200。系统200的至少一些元件可以与参考图1所示和所描述的系统100的相应的元件相似或相同。系统200包括激光光源210、分束器213、调制器220、光学元件224、(多个)光电探测器230和读出电路240。
激光光源210可以包括光纤激光器或其他类型的激光源。
光学元件224可以包括但不限于偏振保持光纤、收集光学器件、反射镜、耦合器和被配置成从系统200周围的环境收集光的其他元件。在一些实施例中，光学元件224可以包括可以通过折射将光聚焦在一组同心曲面中的微菲涅耳(micro-Fresnel)透镜。此外，光学元件224可以包括二元光学器件。这种二元光学元件可以类似于光学材料的阶梯式布置。
光电探测器230可以光学地耦合到系统200周围的环境和调制器220。在示例实施例中，光电探测器230可以经由光学元件224光学地耦合到环境和调制器220。应当理解，其他光学布置是可能的，以使得光电探测器230能够探测来自环境视场以及来自本地振荡器信号的光。
在示例实施例中，激光光源210可以产生发射的激光212。发射的激光212可以与分束器213相互作用，以便将发射的激光212分离成至少两个部分。发射的激光的第一部分214可以由调制器220调制以提供本地振荡器信号222。发射的激光的第二部分216可以与可以存在于系统200周围的环境中的外部物体250相互作用。发射的激光的第二部分216中的至少一些可以从外部物体250反射以提供反射的光信号252。可以经由光学元件224收集反射的光信号252。
本地振荡器信号222和反射的光信号252可以与光电探测器230相互作用。即，光电探测器230可以在叠加的本地振荡器信号222和反射的光信号252上提供“平方律”混合功能。也就是说，由光电探测器230产生的探测器信号D与入射在光电探测器230上的光的电场幅度的平方成比例。例如，在光电探测器230上重合的两个偏振匹配的、正弦变化的相干(例如，同相地)光信号的情况下，即Sreflected(例如，反射的光信号252)和SLO(例如，本地振荡器信号222)，探测器信号可以表示为两个光信号的叠加：
D∝∫(Sreflected+SLO)2dt.
在一些实施例中，读出电路240可以被配置为确定探测器信号的拍频。拍频可以在10kHz至100MHz之间的频率范围内。然而，其他拍频和频率范围是可能的。例如，频率范围可以基于一个或多个感兴趣的相对速度。在一些实施例中，感兴趣的相对速度可包括在0.1m/s(例如，步行的行人)至90m/s(在高速公路的相对侧行进的车辆)之间的范围内的速度。更高或更低的速度也可能是感兴趣的。
在发射的激光具有1550nm的波长的场景中，0.1m/s可以对应于约66kHz的拍频，并且90m/s可以对应于58MHz的拍频。因此，在一些实施例中，系统200可以被配置为确定在大约66kHz和58MHz之间的频率范围内的探测器信号的拍频。应当理解，其他相对速度和/或其他相应的拍频是可能的和可预期的。
在示例实施例中，读出电路240可以用于基于反射的光信号252的多普勒偏移来区分相对于系统200的移动方向。也就是说，可以使用读出电路240消除“接近”和“后退”物体的歧义(例如，朝向和远离系统200移动的车辆)。
虽然图2将系统200示出为具有元件的特定的布置，但是其他布置也是可能的。额外地或可替代地，系统200的一些元件可以组合和/或重新布置。例如，某些类型的光调制器(例如，声光调制器(AOM))可以同时用作频率偏移器/调制器和分束器两者。此外，本地振荡器信号222可以由不同的激光源产生。系统200的元件的其他配置是可能的。
图3A、3B、3C、3D和3E示出了那些信号之间的各种信号和相互作用。即，提供了信号和交互作为其示例，其可以如关于图1和2所示和所描述的由系统100和200发送、接收和处理。
图3A示出了根据示例实施例的信号300。如图3A所示，信号300可以表示在光电探测器(例如，光电探测器230)处接收的光子通量。即，信号300可以包括至少两个光脉冲。可以在相对较短的时间段期间(例如，在时间t0和t1之间)和在相对高的光子通量Φ2处观察第一光脉冲310。可以在相对较长的时间段期间(例如，在t2和t3之间)和在相对低的光子通量Φ1处观察第二光脉冲320。在图3A中所示的其他时间，信号300可以指示通量Φ0，其可以表示接收器系统的噪声水平。应当理解，本文使用相对通量值，因为在实践中可以基于光学系统的各种参数(例如，激光波长、光学器件、探测器类型、探测器光子效率、探测器线性、探测器响应度等)使用宽范围的绝对通量值。
在示例实施例中，第一光脉冲310可以表示来自“测距脉冲”的反射的返回信号，其被发射以便识别环境中物体的范围。此外，第二光脉冲320可以表示来自“多普勒脉冲”的反射的返回信号，其被发射以便识别物体的相对速度。
图3B示出了根据示例实施例的信号340。如图3B所示，信号340可以包括在系统100或200的一个或多个光电探测器处接收的光子通量的脉冲序列。即，脉冲序列可以包括测距脉冲342a、342b、342c和342d以及多普勒脉冲344a、344b、344c和344d。在示例实施例中，脉冲序列可以包括时域交织的测距脉冲和多普勒脉冲。
图3C示出了根据示例实施例的信号350。图3C示出了系统100或200如何发射和接收光的另一变化。即，信号350包括脉冲序列，该脉冲序列包括随后是多普勒脉冲354a的第一组四个测距脉冲(352a-d)，随后是是多普勒脉冲354的第二组四个测距脉冲(352e-h)，以及第三组四个测距脉冲(352i-352l)和多普勒脉冲354c。
图3D示出了根据示例实施例的涉及若干信号362、364和368的场景360。信号362可以表示基于从激光光源发射的多普勒脉冲的本地振荡器信号。在零差探测示例中，本地振荡器信号可以包括多普勒脉冲本身(例如，未调制信号)。在外差探测示例中，本地振荡器信号可以包括以预定频率(例如，40MHz)调制的多普勒脉冲。在两种情况下，本地振荡器信号可以具有特征光学频率f1。
信号364可以表示已经与系统100或系统200的环境中的移动物体相互作用的反射的多普勒脉冲。由于发射的多普勒脉冲和移动物体之间的相互作用，与发射时的(as-emitted)多普勒脉冲的光学频率相比，反射的多普勒脉冲的光学频率f2可能已经偏移(例如，多普勒偏移)。
信号368可以表示外差信号，其可以由在混合器366处混合信号362和364来提供。混合器366可以是被配置为混合光信号的设备，诸如平方律探测器(例如，光电探测器130)。信号368可以包括特征拍频。信号368还可以包括偏移量369。拍频可以是信号362和信号364的和频率(例如，fbeat＝f1+f2)或差频率(例如，|fbeat|＝f1-f2)。可以基于傅立叶分析或经由锁定放大和/或锁相环方法来确定拍频。基于拍频，可以确定环境中物体的相对速度。
图3E示出了根据示例实施例的信号370。信号370可以表示由光电探测器130接收的光。即，光电探测器130可以在t0和t1之间接收测距脉冲372。在一些实施例中，系统100或200与反射物体之间的距离可以基于发射测距脉冲和接收反射的测距脉冲之间的时间量来确定。
信号370还包括多普勒脉冲374，其已经在平方律探测器处与本地振荡器信号光电混合。即，多普勒脉冲374可以具有基于发射时的多普勒脉冲的调制(或未调制，在零差探测的情况下)光学频率与反射的多普勒脉冲的光学频率之间的和频率或差频率的特征拍频。在一些实施例中，可以基于拍频确定反射物体的相对速度。
这样，包括测距脉冲和多普勒脉冲两者的脉冲序列可以用于获得关于到环境中的物体的距离的信息以及这些物体相对于系统100或200的相对速度。
III.示例方法
图4示出了根据示例实施例的方法400。方法400可以包括各种块或步骤。这些块或步骤可以单独进行或组合进行。块或步骤可以以任何顺序和/或串联或并行执行。此外，可以省略块或步骤或将其添加到方法400。
方法400的方块可以如参考图1和2所示和所描述的由系统100和200的各种元件来执行。此外，方法400可以涉及关于图3A、3B、3C、3D和3E示出和描述的诸如信号300、340、350、362、364、368和370的信号。
块402包括使得激光光源发射第一光脉冲。例如，非相干光脉冲可以具有小于1毫米的相干长度，其可以对应于2.4nm或300GHz的激光线宽。第一光脉冲是非相干光脉冲。第一光脉冲可以是测距脉冲。测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲。
块404包括使得激光光源发射第二光脉冲。第二光脉冲是相干光脉冲。例如，相干光脉冲可以具有大于激光脉冲的往返距离的相干长度。也就是说，为了获得200米外的物体的多普勒信息，相干激光脉冲的相干长度可以大于400米。其他相干长度在本文是可能的并且可预期的。在一些实施例中，第二光脉冲是多普勒脉冲。在这样的场景中，多普勒脉冲的持续时间可以在125纳秒和8微秒之间。预期其他持续时间。第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲。
块406包括基于第二光脉冲提供本地振荡器信号。可以通过利用相位和/或波长调制器(例如，调制器120)来提供本地振荡器信号。调制器可以是声光调制器或电光调制器。调制器被配置为基于参考频率信号(例如，40MHz)可控制地调制至少第二光脉冲，以便提供调制光(例如，频率和/或相位偏移光)。在零差探测模式中，本地振荡器信号可以包括未调制的相干光脉冲的一部分。在外差探测模式中，可以根据预定的参考频率调制相干光脉冲。在这样的场景中，本地振荡器信号可以包括调制的相干光脉冲。
块408包括在光电探测器处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号。光电探测器(例如，光电探测器130)可以包括以下中的至少一个：雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)、互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器或电荷耦合器件(CCD)。图像传感器光学地耦合到采样和光学调制器，使得调制光照射光电探测器。在一些实施例中，光电探测器可以包括以一维或二维阵列布置的多个光电探测器元件。
块410包括基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在。确定环境中物体的存在可以基于飞行的时间测量。额外地或可替代地，块410可以包括基于飞行的时间测量来确定到环境中的物体的距离。
块412包括基于第二反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于探测器的相对速度。在光电探测器和激光光源不移动的情况下，可以将移动物体的速度计算或近似为：其中f是来自移动物体的反射的或散射的光的多普勒偏移频率，并且f0是发射时的激光脉冲的光学频率。确定或计算物体的移动速率的其他方式在本文是可能的并且可预期的。
如本文所述，光电探测器可以用作被配置为将接收的光与本地振荡器信号混合的非线性混合器，其可以提供拍频。方法400可以包括确定拍频。确定拍频可以基于锁相环(PLL)、锁定放大器、或快速傅立叶变换(FFT)分析的输出来执行。确定物体的相对速度可以基于所确定的拍频。
在一些实施例中，读出电路(例如，ROIC)可以耦合到光电探测器。在这样的场景中，读出电路可以执行以下中的至少一个：确定环境中物体的存在或确定物体相对于系统的相对速度。
测距脉冲和多普勒脉冲可以经由各种类型的光学过程与环境相互作用。例如，测距脉冲和/或多普勒脉冲可以被环境中的物体和/或介质吸收、反射或以其他方式散射。
此外，当物体相对于光源移动时，可以在从移动物体散射的光中观察到多普勒偏移。例如，与发射的光的频率相比，多普勒偏移可以包括散射的光的频率(和相应的波长)的变化。换句话说，在物体相对于光源移动的场景中，由光电探测器接收的散射的光的至少一部分可以包括从移动物体散射的多普勒偏移光。
多普勒偏移Δf可以表示为：其中fsource是发射的光的频率，c是光速，以及v是移动物体相对于光源的速度。因此，从移动物体散射的光可以表示为：
Sobject(t)∝sin[2π(fsource+Δf)t].
图5示出了根据示例实施例的方法500。方法500可以包括各种块或步骤。这些块或步骤可以单独进行或组合进行。块或步骤可以以任何顺序和/或串联或并行执行。此外，可以省略块或步骤或将其添加到方法500。
方法500的方块可以如参考图1和2所示和所描述的由系统100和200的各种元件来执行。此外，方法500可以涉及关于图3A、3B、3C、3D和3E示出和描述的与信号300、340、350、362、364、368和370相似或相同的光和/或电信号。
块502包括使得激光光源发射多个光脉冲。多个光脉冲可以包括至少一个非相干光脉冲和至少一个相干光脉冲。多个光脉冲与环境相互作用以提供多个反射的光脉冲。多个光脉冲可包括脉冲序列。脉冲序列包括相干光脉冲和非相干光脉冲的交错图案。
至少一个非相干光脉冲包括测距脉冲。测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。至少一个相干光脉冲包括多普勒脉冲。多普勒脉冲的持续时间在125纳秒和8微秒之间。
块504包括基于至少一个相干光脉冲提供本地振荡器信号。在零差探测模式中，本地振荡器信号可以包括未调制的相干光脉冲的一部分。在外差探测模式中，可以根据预定的参考频率调制相干光脉冲。在这样的场景中，本地振荡器信号可以包括调制的相干光脉冲。
块506包括在探测器处接收本地振荡器信号和多个反射的光脉冲中的至少一些反射的光脉冲。
块508包括基于与至少一个非相干光脉冲相对应的反射的光脉冲，确定环境中物体的存在。
方块510包括基于与至少一个相干光脉冲相对应的反射的光脉冲和本地振荡器信号，确定物体相对于探测器的相对速度。
附图中所示的特定布置不应视为限制。应该理解的是，其他实施例可以包括给定附图中所示的每个元件的更多或更少。此外，可以组合或省略一些所示元件。此外，说明性实施例可包括未在附图中示出的元件。
表示信息的处理的步骤或块可以对应于可以被配置为执行本文描述的方法或技术的特定逻辑功能的电路。替代地或另外地，表示信息处理的步骤或块可以对应于模块、段或程序代码的一部分(包括相关的数据)。程序代码可以包括可由处理器可运行的一个或多个指令，用于实现该方法或技术中的特定逻辑功能或动作。程序代码和/或相关的数据可以存储在任何类型的计算机可读介质上，诸如包括磁盘、硬盘驱动器或其他存储介质的存储设备。
计算机可读介质还可以包括诸如在短时间段内存储数据的计算机可读介质的非暂时性计算机可读介质，如寄存器存储器、处理器高速缓存和随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)。计算机可读介质还可以包括存储程序代码和/或数据更长的时间段的非暂时性计算机可读介质。因此，计算机可读介质可以包括次级或持久长期存储，例如，如只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光盘只读存储器(compact-disc read only memory，CD-ROM)。计算机可读介质还可以是任何其他易失性或非易失性存储系统。例如，计算机可读介质可以被认为是计算机可读存储介质，或有形存储设备。
虽然已经公开了各种示例和实施例，但是其他示例和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。各种公开的示例和实施例是出于说明的目的而不是限制性的，准确的范围由所附权利要求指示。

Claims (20)

1.一种光学系统，包括：
光电探测器，其中所述光电探测器被配置为从系统的环境接收光；
激光光源，其中所述激光光源被配置为将激光发射到环境中，其中所述激光光源被配置为向所述光电探测器提供本地振荡器信号；和
控制器，包括至少一个处理器和存储器，其中所述至少一个处理器被配置为运行存储在存储器中的指令以执行操作，所述操作包括：
使得激光光源发射第一光脉冲，其中第一光脉冲是非相干光脉冲，其中第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲；
使得激光光源发射第二光脉冲，其中第二光脉冲是相干光脉冲，其中第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲；
在所述光电探测器处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号；
基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在；和
基于第二反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于系统的相对速度。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括读出电路，其中所述读出电路被耦合到所述光电探测器，其中所述读出电路被配置为执行以下中的至少一个：确定环境中物体的存在或者确定所述物体相对于系统的相对速度。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器包括单光子雪崩探测器SPAD。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器包括以一维阵列或二维阵列设置的多个光电探测器元件。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光光源包括主光功率放大器MOPA光纤激光器，其中所述MOPA包括种子激光器和泵浦激光器，所述种子激光器和泵浦激光器被配置成发射至少15瓦平均功率和波长为1550nm的光脉冲。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光脉冲包括测距脉冲，其中所述测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二光脉冲包括多普勒脉冲，其中所述多普勒脉冲的持续时间在125纳秒和8微秒之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述光电探测器包括被配置为将所接收的光与所述本地振荡器信号混合以提供拍频的非线性混合器，其中确定所述物体的相对速度基于确定所述拍频。
9.根据权利要求8所述的系统，其中确定所述拍频基于锁相环PLL、锁相放大器或快速傅立叶变换FFT分析的输出。
10.一种用于光学系统的方法，包括：
使得激光光源发射第一光脉冲，其中第一光脉冲是非相干光脉冲，其中第一光脉冲与环境相互作用以提供第一反射的光脉冲；
使得激光光源发射第二光脉冲，其中第二光脉冲是相干光脉冲，其中第二光脉冲与环境相互作用以提供第二反射的光脉冲；
基于第二光脉冲提供本地振荡器信号；
在探测器处接收第一反射的光脉冲、第二反射的光脉冲和本地振荡器信号；
基于第一反射的光脉冲确定环境中物体的存在；和
基于第二反射的光脉冲和本地振荡器信号确定物体相对于探测器的相对速度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中读出电路被耦合到光电探测器，其中所述读出电路执行以下中的至少一个：确定环境中物体的存在或者确定所述物体相对于探测器的相对速度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中光电探测器包括以一维阵列或二维阵列设置的多个光电探测器元件。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一光脉冲包括测距脉冲，其中所述测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二光脉冲包括多普勒脉冲，其中所述多普勒脉冲的持续时间在125纳秒和8微秒之间。
15.根据权利要求10所述的方法，其中光电探测器包括被配置为将所接收的光与所述本地振荡器信号混合以提供拍频的非线性混合器，其中确定所述物体的相对速度基于确定所述拍频。
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述拍频基于锁相环PLL、锁相放大器或快速傅立叶变换FFT分析的输出。
17.一种用于光学系统的方法，包括：
使得激光光源发射多个光脉冲，其中所述多个光脉冲包括至少一个非相干光脉冲和至少一个相干光脉冲，其中所述多个光脉冲与环境相互作用以提供多个反射的光脉冲；
基于至少一个相干光脉冲提供本地振荡器信号；
在探测器处接收本地振荡器信号和所述多个反射的光脉冲中的至少一些反射的光脉冲；
基于与至少一个非相干光脉冲相对应的反射的光脉冲，确定环境中物体的存在；和
基于与至少一个相干光脉冲相对应的反射的光脉冲和本地振荡器信号，确定物体相对于探测器的相对速度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个非相干光脉冲包括测距脉冲，其中所述测距脉冲的持续时间在2纳秒和5纳秒之间。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个相干光脉冲包括多普勒脉冲，其中所述多普勒脉冲的持续时间在125纳秒和8微秒之间。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个光脉冲包括脉冲序列，其中所述脉冲序列包括相干光脉冲和非相干光脉冲的交错图案。
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