CN110268280B - 双频fmcw雷达和方法 - Google Patents

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Abstract

一种雷达，包括：具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；耦合到激光器的第一波导，其中第一调频激光辐射和第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到第一波导中；第二波导；耦合在第一波导与第二波导之间的滤波器，其中该滤波器被配置为对第一调频激光辐射进行耦合并将其通过滤波器传送到第二波导，并且被配置为不对第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过滤波器传送到第二波导；以及耦合到第二波导的光电探测器。

Description

双频FMCW雷达和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求2017年1月24日提交的美国临时专利申请62/450,047和2017年5月31日提交的U.S.S.N.15/609,788的优先权的权益，其内容通过引用如同全部阐述并入在此。
技术领域
本公开涉及光检测与测距(LIDAR)，也称为雷达。
背景技术
调频连续波(FMCW)雷达允许远端测量对象的距离和速度。为了进行这些测量，必须从0Hz移位通过将接收到的信号与参考信号进行混合而产生的差拍信号。通常，电子或光电调制器用于这种移位。这些调制器生成两个频率边带并且不允许限定多普勒频移的符号，这是速度的清楚测量所必须的。如果需要速度测量则仅能使用直接移频器。当前，已知只有声光调制器(AOM)用于该目的。使用AOM的主要缺点是复杂性增加并且仅有少量可用频移，如下面通过引用并入在此的参考文献[1]所描述。而且，AOM可能不适合集成到一些应用中。
在过去十年，半导体激光器的进展已经导致能够直接用于集成光学电路的小尺寸高功率激光器的发展。另外，这些激光器的线性扫频能够简单地通过其电流的直接调制来实现。
各种频率调制模式能够用于雷达应用。最常见的频率调制模式是线性啁啾调制和三角频率调制。然而，只有作为上下扫描频率的三角频率调制，通过计算与调制的正负斜坡对应的频率之间的差值，来允许辨别多普勒频移。这是如果需要测量对象的速度则通常使用三角调制的原因，如下面通过引用并入在此的参考文献[2]和[3]所描述。三角频率调制的主要缺点在于，其需要使用调制器将拍频从0Hz进行移位，并且在与对象距离短和/或其速度高的情况下，距离和多普勒速度的测量是错误的，如下面通过引用并入在此的参考文献[3]中所提到的。调制器使测量中的噪声增加，并且后一情况能够导致关于距离和多普勒速度的模糊。
光电同相/正交(I/Q)调制器已经用于消除声光移频器，如参考文献[1]所描述。使用光电同相/正交(I/Q)调制器的主要缺点在于，针对发射和接收波束需要的非常复杂的光电子元件，这大大增加了测量中的噪声。
参考文献
以下参考文献通过引用如同全部阐述并入在此。
[1]S.Gao,R.Hui,"Frequency-modulated continuous-wave lidar using I/Qmodulator for simplified heterodyne detection(用于简化外差检测的使用I/Q调制器的调频连续波雷达)"Opt.Lett.(光学快报),第37卷,第11号,第2022页(2012年),
[2]C.J.K&rlsson,F.A.Olssonf,"Linearization of the frequency sweep ofa frequency-modulated continuous-wave semiconductor laser radar and theresulting ranging performance(频率调制连续波半导体激光雷达的频率扫描的线性化和由此产生的测距性能)"AppI.Opt.(应用光学),第38卷,第15号,第3376页(1999年),
[3]c.J.Karisson,at al.,"All-fiber multifunction continuous-wavecoherent laser radar at 1.55μm for range,speed,vibration,and windmeasurements(用于测量距离、速度、振动和风的1.55μm处的全光纤多功能连续波相干激光雷达)"Appl.Opt.(应用光学),第39卷,第21号,第3716页(2000年),
[4]J.V.Bryniewicz et al.,"Higher Order Filter Response in CoupledMicroring Resonators(耦合微环谐振器中的高阶滤波响应),"IEEE J.PhotonicsTechnology Letters(IEEE光电子技术快报杂志),第1.2卷,第3号,第320页(2000年)，以及
[5]B.E,Little,et al.,"Microring resonator channel dropping filters(微环谐振器信道分布滤波器),"J.Lightwave Technology(光波技术杂志),第15卷,第6号,第998页(1997年)。
需要的是一种用于测量对象速度的方法，该方法提供从0Hz的大幅偏移的拍频，其不需要给测量增加了噪声的调制器。本公开的实施例符合这些以及其他需要。
发明内容
在此公开的第一实施例中，一种雷达，包括：具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；耦合到激光器的第一波导，其中第一调频激光辐射和第二调频激光辐射通过激光器被传输到第一波导中；第二波导；耦合在第一波导与第二波导之间的滤波器，其中该滤波器被配置为对第一调频激光辐射进行耦合并将其通过滤波器传送到第二波导，并且被配置为不对第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过滤波器传送到第二波导；以及耦合到第二波导的光电探测器。
在此公开的另一实施例中，一种对于对象的距离和速度进行调频连续波(FMCW)检测的方法，包括：通过第一波导传输来自激光器的第一调频激光辐射和来自激光器的第二调频激光辐射；通过滤波器将第一调频激光辐射重定向到第二波导中；将第二调频激光辐射从第一波导向外耦合用于对象的曝光；将接收到的来自对象的散射辐射的波形耦合到第二波导中；以及将接收到的散射辐射与第一调频激光辐射进行混合。
在此公开的又一实施例中，一种雷达，包括：具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；耦合到激光器的第一波导，其中第一调频激光辐射和第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到第一波导；第二波导；耦合在第一波导与第二波导之间的滤波器，其中该滤波器被配置为对第一调频激光辐射进行耦合并将其通过滤波器传送到第二波导，并且被配置为不对第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过滤波器传送到第二波导；第三波导；以及耦合到第二波导并且耦合到第三波导的光电探测器。
根据随后的详细说明和附图，这些及其他特征和优点将变得更加清楚。在附图和说明书中，附图标记表示各种特征，贯穿附图和说明书相同的附图标记指代相同的特征。
附图说明
图1示出根据现有技术的具有斜坡调制功能的用于调频的波形；
图2示出根据本公开的双频FMC雷达；
图3示出根据本公开的参考、发射和接收到的FMCM波形双频FMC雷达；以及
图4示出根据本公开的双频FMCW雷达的另一实施例。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述许多具体细节来清楚地描述在此公开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在无需以下讨论的所有具体细节的情况下实践当前要求保护的发明。在其他示例中，没有描述公知的特征从而不会模糊本发明。
本公开描述了用于距离和定向速度测量的调频连续波(FMCW)雷达的集成光学电路和方法。使用了双频激光器。双频激光器的一个频率的辐射用作参考辐射并且在光电探测器与从远端对象散射或反射的双频激光器的另一频率的辐射进行混合，其中双频激光器的另一频率的辐射。混合信号是由光电探测器(PD)检测的拍频，用于进行光谱测量从而导出对象的距离和定向速度。这里的速度可以是包括待测对象的速率和方向的向量。
该方法提供了拍频从0Hz的大幅光谱偏移，这是对象的距离和速度的测量所需要的。在本公开中，光谱偏移在不使用任何电子或电光设备/调制器的情况下完成，这简化了雷达并且减少了测量中的噪声。本方法更加重要的优点在于，通过使用来自同一激光器的两个频率用于FMCW雷达，由于在光电探测器(PD)拍频从0Hz的实际频移，可以获得明确的速度测量。通常，这样的频移通过应用电子或电光调制器来提供，并且导致生成相对于辐射中心频率对称定位的两个边带。这些对称边带不允许明确测量速度。
总体来说，本公开提供了拍频在光电探测器上的大幅光谱频移，使得能够明确测量对象速度，并且不需要应用任何电子或电光设备/调制器。因此，本公开允许准确的光谱测量，引起距离和速度的可靠导出。另外的优点在于，近十年间半导体激光器的进展允许实现本方法的集成光子器件具有非常小的尺寸和重量。
在此呈现了用于距离和速度测量的标准FMCW方法。下面，光学频率由v表示，100GHz以下的频率由f来表示。通常，对于FMCW测量，使用窄带激光器。激光器的频率v0随时间线性变化。在半导体激光器的情况下，频率的变化由电流调制来提供。通过线性地改变电流，生成线性啁啾频率vm＝v0+Bt/T，其中B是频率调制的带宽或范围，T是频率扫描的周期，并且t是时间。
啁啾频率通常分为两个信号。例如，较低功率辐射可以用作参考光束，较低功率辐射可以用于远端对象的曝光。当辐射从对象被反射或散射时，反射或散射辐射被延迟Δt＝2L/c，其中是L到对象的距离并且c是光速。这样的延迟引起频移，通常称为中频fIF，如图1所示。该频移线性地取决于时间延迟。
并且由此
因此，如果频移已知，则能够计算与对象的间距或距离。为了测量该频移，经延迟的信号与参考信号在光电探测器(PD)上进行混合。
考虑参考光场和信号光场入射到PD上：
其中和/>是光功率，并且/>和/>是辐射相位。PD的总场则等于Eref+Esig。
因此，具有响应率的光电探测器所产生的光电流i(t)为：
其中
从公式(1)能够看出，光电流i(t)不取决于任何光学频率。它的可变分量仅取决于能够通过光电探测器测量的中间微波频率fIF。
如果对象具有径向速度，这将引起值为fD＝(2V/c)v0的返回频率的多普勒频移，其中V是对象的速度。返回频率是图1中的虚线。能够发现，在此情况下，在PD处生成的光电流为
其中，fD的符号取决于对象的方向。频移fIF±fD的周期测量允许计算间距/距离与时间的依赖关系，从而确定对象的速度。如果频移值小，测量可能受到0Hz周围的高噪声的影响。一种能够克服这种情况的方式是将拍频信号fIF±fD从0Hz进行偏移。通常，电子或光电调制器用于这种移位。然而，这些调制器如上所述产生两个频率边带，并且不允许限定多普勒频移的符号或者速度的明确测量。
图2示出了根据本公开的双频FMCW雷达。这里，通过激光器10的电流调制，激光辐射的频率v1和v2随时间线性变换，激光器10可以是半导体激光器。这些具有线性啁啾频率v1m＝v1+Bt/T 14和v2m＝v2+Bt/T 16的辐射通过激光器10传输到波导W1 12。来自激光器10的频率v1m 14耦合到窄带通滤波器18，该窄带滤波器18具有被布置为耦合v1m 14并使其通过窄带通滤波器18并进入波导W2 32中的通带。窄带通滤波器18可以光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。来自激光10的频率v2m 16的辐射未耦合到窄带通滤波器18进而到波导W2 32中，替代地v2m16在波导W1 12上继续进而到达准直器C1 22，并且照射速度待测的对象26。
接着，沿测量方向以速度±V移动来自对象26的散射辐射在准直器C2 30处被接收并且耦合到波导W2 32。接收辐射的中心频率v2m 16获取取决于物体速度方向的多普勒频移+fD＝+(2V/c)v2m或-fD＝-(2V/c)v2m和如上所述线性依赖于到物体的距离L的中频fIF。因此，接收到的谱线是v2m+fIF±fD34，该谱线不耦合到窄带通滤波器18，并且传递到光电探测器(PD)38，在该光电探测器(PD)38上与频率为v1m 14的参考辐射进行混合，产生拍频Δv+fIF±fD,36，其中Δv＝v1m-v2m是已知的常数值。这提供了拍频从0Hz发生v1-v2的大幅偏移。从0Hz的频移量取决于激光腔的设计，并允许测量多普勒频移符号以提供对物体速度方向的明确测量。不需要电子或电光调制器，因此与现有技术相比能够获得更精确的测量。
图3示出了参考、发射和接收的线性啁啾斜坡波形。在该图中，频率为v140和v2 44的来自激光器10的发射光束具有相同的调制带宽B，因为两个频率是具有调制电流的相同半导体激光器10的相邻纵模。图3示出了在v1m 14在v1 40与v1+B 42之间变化。图3还示出了v2m 16在v2 44与v2+B 46之间变化，并显示了接收波形v2m+fIF±fD 34。与标准零差配置不同，频率为v1m 14的参考辐射在PD处与多普勒频移的时间延迟辐射v2m+fIF±fD 34混合，产生时变中频Δv+fIF±fD 36，其中Δv＝v1m-v2m，这能够用于计算物体的范围和速度，如上述标准FMCW方法所述。
众所周知，激光器10的任意两个相邻激光模式之间的频率间隔ΔvL等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是腔体材料的折射率，Lc是腔长。因此，例如，腔的光学长度为nLc>5mm的任何激光器将提供等于或小于30GHz的频移Δv＝v1m-v2m。如此大的偏移对于多普勒频移线从0Hz发生偏移是足够的。该偏移是单侧频移并允许对象速度的定向测量。
两个相邻激光频率的调制带宽B可以具有小的差异。该差异能够调制激光器10的两个相邻纵模之间的频率间隔，并且可以影响测量的准确度。如上所述，该间隔ΔvL等于c/(2nLc)。因此，
其中λ和v是激光的波长和频率。调制带宽B通常为几千兆赫兹或更小的量级，并且激光频率通常为约2·1014Hz，或约1.55μm的波长。因此，具有大约几GHz的两个相邻纵模之间的频率间隔ΔvL可以通过电流调制改变到几十kHz或更小，这是可忽略的值。
图2中所示的单个光学微谐振器18可以具有相当窄的洛伦兹传输形状。如果该滤波器的传输线宽与调制带宽B相当，这能够导致波束v1m 14的幅度调制耦合到窄带通滤波器18并且通过该滤波器18进入波导W2 32。这种调制可以产生边带并降低测量准确度。因此，必须使用足够宽的滤波器传输线宽来排除这种调制。还可以使用高阶滤波器，其是多个相互耦合的环谐振器。如通过引用并入于此的参考文献[4]和[5]中所述，高阶滤波器具有更陡的滚降(roll-off)和更平坦的通带。这种更高阶滤波器的使用是优选实施例。
能够开发出图2中所示的实施例的不同修改。例如，如图4所示，接收到的散射辐射v2m±fD 34可以耦合到单独的波导W3 58中，该波导W3 58直接耦合到光电探测器(PD)38。在该实施例中，散射辐射v2m±fD 34经过窄带通滤波器18，与v2m±fD 34经过窄带通滤波器18的图2的实施例相比较，这减少了接收信号中的任何可能损失。
图4示出了三个耦合的微谐振器50、52和54，它们可以用于改善窄带通滤波器18的带通特性并增加带外信号抑制，如通过引用并入在此的参考文献[4]和[5]中所述。然而，图4的实施例，其中v2m+fIF±fD 34耦合到单独的波导W3 58中，可以使用任何窄带通滤波器18，例如参考图2所描述的滤波器。
来自激光器10的频率为v1m 14的辐射耦合到三个耦合的微谐振器50、52和54，它们共同具有被配置为耦合v1m 14将其传送到波导W2 56的通带。来自激光器10的频率为v2m 16不耦合到微谐振器50、52和54，而是v2m 16在波导W1 12上继续到准直器C1 22，并照射要测量其速度的对象26。
然后，如上所述，沿着测量方向以速度±V移动的从对象26散射的辐射v2m+fIF±fD34在准直器C2 30处被接收从并且耦合到波导W3 58。然后W3 58上的v2m+fIF±fD 34在光电探测器(PD)38处与W256上频率为v1m 14的参考辐射混合，产生拍频Δv+fIF±fD 36，其中Δv＝v1m-v2m，这提供了拍频从0Hz的v1-v2的大幅偏移。波导W2 56和波导W3 58可以合并然后通过使用与分束器组合的标准公知的自由空间光束技术而耦合到光电检测器38或者单独地耦合到光电检测器38。然而，当光束在自由空间中耦合到光电探测器时，光束必须很好地准直并且彼此绝对平行，以有效地产生拍频fIF。
可以使用具有形成期望的纵向模式间隔的腔设计的任何激光器10。在过去十年，半导体激光器的进展已经导致能够直接用于集成光学电路的小尺寸高功率激光器的发展。因此，在所提出的方法中应用半导体激光器是优选的。
为了本方法的操作，不是必须使用仅具有两个频率的激光器10。在本方法中能够使用具有多于两个纵模的激光器10。而且，可以使用具有一个强纵模和一个或多个弱纵模的激光器。最强的纵模可以用于传输到对象，并且具有比最强纵模强度低10倍或甚至低100倍的任何相邻弱模可以用作参考辐射。
激光器10可以是激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。这样的激光器能够应用公知的技术来发展，通过在激光器的有源区域上方适当设计如分布反馈布拉格(DFB)光栅的周期结构或者分布布拉格反射器(DBR)作为多个激光器反射镜中的一个反射镜。能够用作激光器的光谱设计的反射镜的另一窄带反射器是体布拉格光栅(VBG)。
现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足他们的特定要求或条件。这样的改变和修改可以在不脱离在此公开的本发明的范围和精神的情况下做出。
出于根据法律要求而进行说明和公开的目的，给出了示例性和优选实施例的前述详细描述。并非旨在穷举也不旨在将本发明限制于所描述的精确形式，而是仅使本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定用途或实施方式。对于本领域技术人员来说，修改和变化的可能性是显而易见的。对于示例性实施例的描述不旨在限制，这些示例性实施例可以包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方式之间或者随着现有技术的改变而变化，并且不应该从中暗示限制。申请人已经就本领域的现有技术做出了本公开，但也考虑了进步以及未来可能考虑那些进步的适应，即根据当时的现有技术水平。本发明的范围旨在由权利要求书面和适用的等同物限定。除非明确说明，否则以单数形式提及权利要求要素并不旨在表示“一个且仅一个”。此外，无论要素、组件或步骤是否在权利要求中明确地陈述，本公开中的任何要素、组件、方法或工艺步骤都不旨在专用于公众。除非使用短语“用于......的装置”明确叙述要素，否则本文中的任何权利要求要素都不应根据美国法典第35卷第112节第六段的规定来解释，并且除非使用短语“包括......的步骤”明确地叙述一个或多个步骤，否则本文中的任何方法或过程步骤都不应根据那些规定来解释。
优选地包括在此描述的所有要素、部件和步骤。应当理解，这些要素、部件和步骤中的任何一个可以由其他要素、部件和步骤代替，或者完全删除，这对于本领域技术人员来说是清楚的。
概括地说，本文至少公开了以下内容：一种雷达，包括：具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；耦合到激光器的第一波导，其中第一调频激光辐射和第二调频激光辐射通过所述激光器传输到第一波导中；第二波导；耦合在第一波导与第二波导之间的滤波器，其中该滤波器被配置为对第一调频激光辐射进行耦合并将其通过滤波器传送到第二波导，并且被配置为不对第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过滤波器传送到第二波导；以及耦合到第二波导的光电探测器。
概念
至少已经公开了以下概念。
概念1.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导；以及
耦合到所述第二波导的光电探测器。
概念2.根据概念1所述的雷达，还包括：
耦合到所述第一波导的第一准直器；以及
耦合到所述第二波导的第二准直器。
概念3.根据概念1所述的雷达，其中：
所述激光器具有至少两个纵模。
概念4.根据概念1所述的雷达，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
概念5.根据概念1所述的雷达，其中：
所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m。
概念6.根据概念1、2、3、4或5所述的雷达：
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是v2m+fIF±fD；
其中所述光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形v2m+fIF+fD混合，以产生拍频Δv+fIF±fD，其中Δv＝v1m-v2m；并且
其中
其中Δt＝2L/c
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
概念7.根据概念6所述的雷达：
其中Δv＝v1m-v2m等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是所述激光器的腔材料的折射率，并且Lc是所述激光器的腔长度。
概念8.根据概念7所述的雷达：
其中腔的光学长度nLc大于5mm，使得Δv＝v1m-v2m等于或小于30GHz。
概念9.根据概念1、2、3、4或5所述的雷达，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
概念10.根据概念1、2、3、4或5所述的雷达：
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射，所述散射辐射偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移；并且
其中所述光电探测器将所述第一调频激光辐射与由所述第二波导接收的波形进行混合以产生拍频。
概念11.一种对于对象的距离和速度进行调频连续波(FMCW)检测的方法，包括：
通过第一波导传输来自激光器的第一调频激光辐射和来自激光器的第二调频激光辐射；
通过滤波器将所述第一调频激光辐射重定向到第二波导中；
将所述第二调频激光辐射从所述第一波导向外耦合用于对象的曝光；
将接收到的来自所述对象的散射辐射的波形耦合到所述第二波导中；并且
将接收到的散射辐射与所述第一调频激光辐射进行混合。
概念12.根据概念11所述的方法，还包括：
对于拍频进行光谱测量，所述拍频来自经混合的所述接收到的散射辐射和所述第一调频激光辐射；以及
导出所述对象的距离和速度。
概念13.根据概念11或12所述的方法，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
概念14.根据概念11、12或13所述的方法，其中：
所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m，并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m。
概念15.根据概念11、12、13或14所述的方法，其中：
其中散射辐射包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是v2m+fIF±fD；
其中所述光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形进行混合，以产生拍频Δv+fIF±fD，其中Δv＝v1m-v2m；并且
其中
其中Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
概念16.根据概念11、12、13、14或15所述的方法，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
概念17.根据概念11、12、13、14、15或16所述的方法：
其中接收到的散射辐射包括由所述对象的速度引起的多普勒频移；并且
其中光电探测器将接收到的散射辐射与所述第一调频激光辐射进行混合以产生拍频。
概念18.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导；
第三波导；以及
耦合到所述第二波导并且耦合到所述第三波导的光电探测器。
概念19.根据概念18所述的雷达，还包括：
耦合到所述第一波导的第一准直器；以及
耦合到所述第三波导的第二准直器。
概念20.根据概念18所述的雷达，其中：
所述激光器具有至少两个纵模。
概念21.根据概念18所述的雷达，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
概念22.根据概念18所述的雷达，其中：
所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m，并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m。
概念23.根据概念18、19、20、21或22所述的雷达：
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是v2m+fIF±fD；
其中所述光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形v2m+fIF±fD进行混合，以产生拍频Δv+fIF±fD，其中Δv＝v1m-v2m；并且
其中
其中Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
概念24.根据概念23所述的雷达：
其中Δv＝v1m-v2m等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是激光器的腔材料的折射率，并且Lc是激光器的腔长度。
概念25.根据概念24所述的雷达：
其中腔的光学长度nLc大于5mm，使得Δv＝v1m-v2m等于或小于30GHz。
概念26.根据概念18、19、20、21、22或23所述的雷达，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
概念27.根据概念18、19、20、21、22或23所述的雷达：
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射，所述散射辐射偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移；并且
其中所述光电探测器将所述第一调频激光辐射与由所述第二波导接收的波形进行混合以产生拍频。

Claims (28)

1.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，其中所述滤波器被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且其中所述滤波器被配置为，不进行通过所述滤波器将所述第二波导上的第一调频激光辐射耦合到所述第一波导；以及
耦合到所述第二波导的光电探测器；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；
其中所述光电探测器被配置为将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形v2m+fIF+fD混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；并且
其中
Δt＝2L/c
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
2.根据权利要求1所述的雷达，还包括：
耦合到所述第一波导的第一准直器；以及
耦合到所述第二波导的第二准直器。
3.根据权利要求1所述的雷达，其中：
所述激光器具有至少两个纵模。
4.根据权利要求1所述的雷达，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的雷达，其中所述第二调频激光辐射被配置为在所述第一波导上继续并且被用于照射物体。
6.根据权利要求5所述的雷达：
其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是所述激光器的腔材料的折射率，并且Lc是所述激光器的腔长度。
7.根据权利要求6所述的雷达：
其中腔的光学长度nLc大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。
8.根据权利要求1所述的雷达，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
9.根据权利要求1所述的雷达：
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射，所述散射辐射偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移；并且
其中所述光电探测器将所述第一调频激光辐射与由所述第二波导接收的波形进行混合以产生拍频。
10.一种对于对象的距离和速度进行调频连续波(FMCW)检测的方法，包括：
通过第一波导传输来自激光器的第一调频激光辐射和来自激光器的第二调频激光辐射；
通过滤波器将所述第一调频激光辐射重定向到第二波导中，其中所述滤波器不将所述第二波导上的所述第一调频激光辐射耦合到所述第一波导中；
将所述第二调频激光辐射从所述第一波导向外耦合用于对象的曝光，其中所述滤波器不将所述第二调频激光辐射耦合到所述第二波导中；
将接收到的来自所述对象的散射辐射的波形耦合到所述第二波导中，其中所述滤波器不将接收到的波形耦合到所述第一波导中；并且
将接收到的散射辐射的波形与所述第一调频激光辐射进行混合；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中接收到的散射辐射的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；
其中光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形进行混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；并且
其中
其中Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
对于拍频进行光谱测量，所述拍频来自所述接收到的散射辐射的波形和所述第一调频激光辐射的混合；以及
导出所述对象的距离和速度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
14.根据权利要求10所述的方法：
其中接收到的散射辐射包括由所述对象的速度引起的多普勒频移；并且
其中光电探测器将接收到的散射辐射与所述第一调频激光辐射进行混合以产生拍频。
15.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，其中所述滤波器被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且其中所述滤波器被配置为，不进行通过所述滤波器将所述第二波导上的第一调频激光辐射耦合到所述第一波导；
第三波导；以及
耦合到所述第二波导并且耦合到所述第三波导的光电探测器；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；并且
所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；
其中所述光电探测器被配置为将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形v2m+fIF+fD混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；并且
其中
其中Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，并且
T是频率扫描的周期。
16.根据权利要求15所述的雷达，还包括：
耦合到所述第一波导的第一准直器；以及
耦合到所述第三波导的第二准直器。
17.根据权利要求15所述的雷达，其中：
所述激光器具有至少两个纵模。
18.根据权利要求15所述的雷达，其中：
所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。
19.根据权利要求15所述的雷达：
其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是激光器的腔材料的折射率，并且Lc是激光器的腔长度。
20.根据权利要求19所述的雷达：
其中腔的光学长度nLc大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。
21.根据权利要求15所述的雷达，其中：
所述滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。
22.根据权利要求15所述的雷达：
其中由所述第三波导接收的接收波形包括来自对象的散射辐射，所述散射辐射偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移；并且
其中所述光电探测器将所述第一调频激光辐射与由所述第二波导接收的波形进行混合以产生拍频。
23.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导；以及
耦合到所述第二波导的光电探测器；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；
其中所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中由所述第二波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；并且
其中所述光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形v2m+fIF+fD混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；
其中
Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，
T是频率扫描的周期；以及
24.一种对于对象的距离和速度进行调频连续波(FMCW)检测的方法，包括：
通过第一波导传输来自激光器的第一调频激光辐射和来自激光器的第二调频激光辐射；
通过滤波器将所述第一调频激光辐射重定向到第二波导中；
将所述第二调频激光辐射从所述第一波导向外耦合用于对象的曝光；
将接收到的来自所述对象的散射辐射的波形耦合到所述第二波导中；并且
将接收到的散射辐射与所述第一调频激光辐射进行混合；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；
其中所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中由第二波导收到的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；
其中耦合到所述第二波导的光电探测器被配置为将所述线性啁啾斜坡调制v1m与接收到的波形ν2m+fIF±fD进行混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；
其中
Δt＝2L/c，
L是到所述对象的距离，
c是光速，
B是频率调制的带宽或范围，
T是频率扫描的周期；以及
25.根据权利要求24所述的方法：
其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nLc)，其中c是光速，n是所述激光器的腔材料的折射率，并且Lc是所述激光器的腔长度。
26.根据权利要求25所述的方法：
其中腔的光学长度nLc大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。
27.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括：
通过进行fIF±fD的周期测量来确定所述对象的速度。
28.一种雷达，其包括：
具有第一调频激光辐射和第二调频激光辐射的激光器；
耦合到所述激光器的第一波导，其中所述第一调频激光辐射和所述第二调频激光辐射通过所述激光器被传输到所述第一波导中；
第二波导；
耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的滤波器，其中所述滤波器被配置为对所述第一调频激光辐射进行耦合并且将其通过所述滤波器传输到所述第二波导，并且被配置为不对所述第二调频激光辐射进行耦合或不将其通过所述滤波器传输到所述第二波导；
第三波导；以及
耦合到所述第二波导并且耦合到所述第三波导的光电探测器；
其中所述第一调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v1m；
其中所述第二调频激光辐射包括线性啁啾斜坡调制v2m；
其中由所述第三波导接收的波形包括来自对象的散射辐射v2m，所述散射辐射v2m偏移由所述对象的速度所引起的多普勒频移fD，使得接收到的波形是ν2m+fIF±fD；并且
其中所述光电探测器将所述线性啁啾斜坡调制v1m与在所述第三波导上接收到的波形ν2m+fIF±fD进行混合，以产生拍频Δν+fIF±fD，其中Δν＝ν1m-ν2m；其中
Δt＝2L/c，
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T是频率扫描的周期；以及
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