CN112400119A - 用于同时的范围和速度测量的基于相干接收器和多个激光器的互补调制的lidar系统 - Google Patents

用于同时的范围和速度测量的基于相干接收器和多个激光器的互补调制的lidar系统 Download PDF

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Abstract

一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统和方法。该LIDAR系统可以包括被配置为从具有正频率扫描的第一激光束和具有负频率扫描的第二激光束生成激光场的激光器组(62)、光学组合器(65)、光学耦合器(63)、光接收器(66)和控制电路(69)。光学耦合器将激光场的第一部分指向目标，使得第一部分被目标反射到光学组合器。光学组合器可以光学地组合激光场的部分。根据激光场的光学组合的部分输出I‑输出(67)和Q‑输出(68)。相应地，控制电路可以确定对应于目标的距离的标称拍频和对应于目标的速度的频移。

Description

用于同时的范围和速度测量的基于相干接收器和多个激光器 的互补调制的LIDAR系统
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119(e)要求于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEMBASED ON COMPLEMENTARY MODULATION OF MULTIPLE LASERS AND COHERENT RECEIVERFOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT的美国临时专利申请号62/669,803；于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEM BASED ON LIGHT MODULATOR ANDCOHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITY MEASUREMENT的美国临时专利申请号62/669,801；以及于2018年5月10日提交的题为LIDAR SYSTEM BASED ON MULTI-CHANNEL LASER MODULE FOR SIMULTANEOUS BEAM SCANNING OF TARGET ENVIRONMENT的美国临时专利申请号62/669,808的优先权，其中每个申请都通过引用整体并入本文。
本申请还与以下PCT申请相关，其中以下每个申请与本申请同时提交并且通过引用整体并入本文：代理人案号为1403106.00028，题为LIDAR SYSTEM BASED ON LIGHTMODULATOR AND COHERENT RECEIVER FOR SIMULTANEOUS RANGE AND VELOCITYMEASUREMENT；以及代理人案号为1403106.00034，题为LIDAR SYSTEM BASED ON MULTI-CHANNEL LASER MODULE FOR SIMULTANEOUS BEAM SCANNING OF TARGET ENVIRONMENT。
技术领域
本公开处于调频连续波(FMCW)光检测和测距(LIDAR)技术领域。
背景技术
一般而言，FMCW LIDAR系统通过测量来自本地路径和目标路径的光信号之间的干涉来感测范围。通过扫描激光的频率，干涉信号将成为频率与目标距离成比例的振荡。可以将FMCW激光器调制为以三角方式从较低频率到较高频率、然后从较高频率到较低频率的线性频率扫描。
移动的反射器可能导致所测量的频率与反射器的速度成比例地偏移。为了辨别反射器的距离和速度的影响之间的差异，可以测量正向激光扫描期间的干涉频率，然后测量负向频率扫描期间的干涉频率。
获得测量的速率可能是重要的，并且进行两次测量以获得速度的方法所花费的时间可能是仅测量范围的方法的两倍。因此，使用具有互补频率扫描的多个调频激光器的方法与区分互补频率扫描的方法相结合可以提高距离和速度LIDAR传感器的测量速率。区分互补频率扫描的方法解决了其中时间延迟和频移效应无法充分分离的模糊性问题。
此外，一般而言，FMCW LIDAR系统使用扫频(swept-source)激光器来测量距离和速度。反射信号的频率可能与目标的距离成比例。由于多普勒效应，移动目标偏移与目标的速度成比例的反射信号的频率，这可以同时被测量。
光束操纵模块可以扫描整个目标环境的激光束。在光学系统中具有多个激光通道可能涉及几个扫描元件来捕获更大的视场(FOV)。将允许几个激光束共享扫描元件的方案可以帮助降低系统的复杂性和成本。通过在集成光子芯片上实现这种方案，将进一步降低系统成本。
发明内容
在一个总体方面，本公开涉及一种示例FMCW LIDAR系统，该系统使用激光器对阵列和相干接收器来同时检测范围和速度。在这个示例中，使用激光器对来创建探测场。在每对激光器中，一个被直接调制为具有增加的光频率，而另一个被直接调制为具有减少的光频率。其随后可以是由如下组成的干涉仪：沿着两条路径(一条“本地”路径和一条“目标”路径)发送光的分光器、被称为“90度光学混合器”的光学组合器、具有多个光电二极管的光接收器、以及用于信号处理的控制电路或计算机。90度光学混合器和多个光电二极管允许区分正拍频和负拍频。本公开可以使得FMCW LIDAR能够使用激光器对来生成和区分同时的激光频率扫描，这可以缩短进行范围和速度估计所需的测量时间。可以使用集成的光子学器件来实现系统的几个部分，包括分光器、组合器、扫描光学器件、传输光学器件、接收器光学器件和光接收器，以使系统紧凑。
附图说明
图1是根据本公开的一个方面的具有调制和检测的FMCW LIDAR系统的图。
图2是图示根据本公开的一个方面的激光频率随时间变化的曲线图，用于确定用于同时测量范围和速度的拍频。
图3是图示根据本公开的一个方面的使用光接收器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量随频率变化的曲线图。
图4是根据本公开的一个方面的包括N个激光器和Nx1非相干组合器的激光器组(bank)的图。
图5是根据本公开的一个方面的具有Nx1激光器组和相干检测的FMCW LIDAR系统的图。
图6是图示根据本公开的一个方面的激光频率随时间变化的曲线图，用于确定用于同时测量范围和速度的拍频。
图7是图示根据本公开的一个方面的使用光接收器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量结果随频率变化的曲线图。
图8A是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第一实现方式的图。
图8B是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第二实现方式的图。
图8C是根据本公开的一个方面的干涉仪的目标臂的第三实现方式的图。
图9是根据本公开的一个方面的多通道FMCW LIDAR系统的图。
图10A是根据本公开的一个方面的其中单个扫描器引导多个激光束的光束操纵模块的第一示例的图。
图10B是根据本公开的一个方面的其中多个扫描器引导激光束的光束操纵模块的第二示例的图。
图11A是根据本公开的一个方面的在集成光子芯片上实现的多通道FMCW LIDAR收发器系统的图。
图11B是根据本公开的一个方面的在图11A所示的系统中使用的相干接收的第一示例的图。
图11C是根据本公开的一个方面的在图11A所示的系统中使用的相干接收的第二示例的图。
图12A是根据本公开的一个方面的被配置为在第一方向上从片上天线发射激光束的集成光子芯片的图。
图12B是根据本公开的一个方面的被配置为在第二方向上从片上天线发射激光束的集成光子芯片的图。
图13是根据本公开的一个方面的用于在集成光子芯片上实现的多通道FMCWLIDAR系统的光束操纵模块布置和扫描图案的图。
具体实施方式
用于同时进行范围和速度测量的光调制器和相干接收器
图1是示出根据本公开的一个方面的FMCW LIDAR系统的示例的框图。在这个示例中，系统包括耦合到激光调制器2(例如，光强度调制器)的激光器1。激光调制器2被配置为调制例如由激光器1输出的激光束的强度或振幅。该系统还可以包括分离器3(例如，2x2分离器或耦合器)。来自激光调制器2的输出光可以被注入到分离器3中，该分离器3被配置为将光分离到两条路径中(例如，使用定向耦合器或多模干涉仪)。该系统还可以包括组合器5(例如，2x4组合器或耦合器)。由激光器2生成的一些光(如由激光调制器2调制的)可以经由分离器3直接耦合到组合器5的一个输入。由激光器2生成的其余光可以在耦合到组合器5的另一个输入之前经由分离器3传输通过到目标臂4的目标路径(其示例在下面结合图8A-8C描述)。在一个方面，组合器5可以被实现为“光学混合器”或“90度光学混合器”，其被配置为将光分离到四条路径中以在四通道光接收器6(也称为“I-Q检测器”)处被检测。光学混合器被配置为接收两个光信号(S和L)，并且作为响应生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL(其中j是虚数)。I-Q检测器6的输出可以是两个电信号的形式：I-通道7和Q-通道8。该系统还可以包括耦合到I-Q检测器6的控制电路9。控制电路9可以被配置为同时处理I-通道7和Q-通道8。
图2是图示根据本公开的一个方面的激光频率随时间变化的曲线图，其图示了在I-Q检测器6的输出处的示例性信号生成。在这个示例中，调制器2被配置为生成具有双边带频率调制的激光。在一个方面，调制器2可以被配置为将上边带10和下边带11直接传输到组合器5，该组合器5如上所述可以被实现为光学混合器。此外，调制器2还可以被配置为通过目标路径传输上边带10和下边带11以指向目标，从而引起由于系统和目标之间的距离而导致的时间延迟12和由于在被组合器5接收之前目标的移动而导致的频移13。接收到的上边带14和接收到的下边带15可以在组合器5处与传输的上边带10和传输的下边带11组合。传输的上边带10和接收的上边带14之间的干涉可以创建等于其在激光频率上的间隔16的拍频。此外，传输的边带11和接收的边带15之间的干涉可以同样创建等于其在激光频率上的间隔17的拍频。
在这个示例中，可以将组合器5生成的I-通道7和Q-通道8相加，以创建复数值信号I+jQ(其中j是虚数)。该复数和的功率谱密度(PSD)在示例性图3中示出，图3是图示根据本公开的一个方面的使用I-Q检测器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量随频率变化的曲线图。PSD测量被处理(例如，由控制电路9)以产生对目标的范围和速度的估计，而无需连续测量。PSD可以具有在第一频率值16(其同样在图2上指示)处的第一峰值18和在第二频率值17(其同样在图2上指示)处的第二峰值19。在这个示例中，第一频率值16为正，并且负频率值17为负。第一频率值16从第一标称频率值20(也称为“标称拍频”)偏移。第二频率值17从第二标称频率值21偏移，第二标称频率值21与第一标称频率值20的符号相反。在一个方面，控制电路9可以被配置为通过从第一频率值16减去第二频率值17并除以二来计算标称拍频20。此外，控制电路9可以被配置为通过将第一频率值16和第二频率值17相加并除以二来计算信号远离频率值20的频移。标称拍频20可以与目标距离(即，从系统的发射器到目标的距离)成比例，而频移可以与目标速度(即，目标正在移动的速度)成比例。如果目标正在与图2和3所示的示例相反的方向上移动，那么测得的峰18、19可能在相反的方向上偏移。因此，这将导致频移的不同的符号值，但是标称拍频仍可以被计算为频率值20。
用于同时进行范围和速度测量的多个激光器和相干接收器的互补调制
图4是根据本公开的一个方面的包括N个激光器和Nx1非相干组合器的激光器组的图，该激光器组可以被配置为少至两个激光器。在各个方面，N可以是任何>1的整数。在示例中，该系统可以包括耦合到第一激光器52并直接对其进行调制的第一激光器驱动器51。该系统还可以包括第二激光器驱动器53，该第二激光器驱动器53独立于第一激光器驱动器51耦合到第二激光器54并直接对其进行调制。该配置可以包括激光器对55。激光器对55可以被重复许多次，如在图4所示的系统的特定示例中由第二激光器对60所展示的。每个激光器可以经由Nx1光学耦合器61耦合到单个波导中。在一个方面，第一激光器52可以被调制以发射具有正频率扫描的激光束，并且第二激光器54可以被同时调制以发射具有负频率扫描的激光束。Nx1光学耦合器61可以被配置为从由激光器52、54、57、59生成的每个激光束生成激光场。由具有正和负频率扫描的激光束生成的激光场然后被激光器组输出。
图5是根据本公开的一个方面的具有Nx1激光器组62和相干检测的FMCW LIDAR系统的图。在这个示例中，系统包括激光器组62(也称为“激光器阵列”)，诸如图4中所示的激光器组。在一个方面，该系统还包括耦合到激光器组62的光学耦合器63(例如，2x2光学耦合器)，该光学耦合器63被配置为(例如，使用定向耦合器或多模干涉仪)分离来自激光器组62的光(即，激光场)。该系统还可以包括组合器65(例如，2x4组合器或耦合器)。在耦合到组合器65中之前，可以经由耦合器63将激光器组62生成的光中的一些或一部分传输通过到目标臂64的目标路径(下面结合图8A-8C描述了其示例)。激光器组62生成的光的其余或剩余部分可以经由耦合器63直接耦合到组合器65中。在一个方面，组合器65可以被实现为“光学混合器”，其被配置为将光分离到四条路径中以在四通道光接收器66(也称为“I-Q检测器”)处被检测。光学混合器被配置为接收两个光信号(S和L)，并且作为响应，生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL(其中j是虚数)。I-Q检测器66的输出可以是两个电信号的形式：I-通道67和Q-通道68。该系统还可以包括耦合到I-Q检测器66的控制电路69。控制电路69可以被配置为同时处理I-通道67和Q-通道68。
图6是根据本公开的一个方面的图示激光频率随时间变化的曲线图，其图示了在I-Q检测器66的输出处的示例性信号生成。值得注意的是，图6与图2中所绘出的曲线图相似；但是，在这个示例中，激光器组62被配置为同时生成两个光学频率扫描。在一个方面，耦合器63可以被配置为将正扫描70和负扫描71的第一部分直接引导或传输到组合器65，该组合器65如上所述可以被实现为光学混合器。此外，耦合器63可以被配置为引导或传输正扫描70和负扫描71的第二部分通过目标路径，从而引起由于系统和目标之间的距离而导致的时间延迟72和由于在被组合器65接收之前目标的移动而导致的频移73。接收到的正扫描74和接收到的负扫描75可以在组合器65处与传输的正扫描70和传输的负扫描71组合。传输的正扫描70和接收的正扫描74之间的干涉可以创建等于其在激光频率上的间隔76的拍频。此外，传输的负扫描71和接收的负扫描75之间的干涉同样可以创建等于其在激光频率上的间隔77的拍频。
在这个示例中，可以将组合器65生成的I-通道67和Q-通道68相加，以创建复数值信号I+jQ(其中j是虚数)。此复数和的功率谱密度(PSD)可以在示例性图7中示出，图7图示了根据本公开的一个方面的使用I-Q检测器的输出通道执行的功率谱密度(PSD)测量随频率变化的曲线图。PSD测量被处理(例如，由控制电路69)以产生对目标的范围和速度的估计，而无需连续测量。PSD可以具有在第一频率值76(其同样在图6上指示)处的第一峰值78和在第二频率值77(其同样在图6上指示)处的第二峰值79。在这个示例中，第一频率值76为正，并且负频率值77为负。第一频率值76从第一标称频率值80(也称为“标称拍频”)偏移。第二频率值77从第二标称频率值81偏移，第二标称频率值81与第一标称频率值80的符号相反。在一个方面，控制电路69可以被配置为通过从第一频率值76减去第二频率值77并除以二来计算标称拍频80。此外，控制电路69可以被配置为通过将第一频率值76和第二频率值77相加并除以二来计算信号远离频率值80的频移。标称拍频80可以与目标距离(即，从系统的发射器到目标的距离)成比例，而频移可以与目标速度(即，目标正在移动的速度)成比例。如果目标正在与图6和7所示的示例相反的方向上移动，那么测得的峰78、79可能在相反的方向上偏移。因此，这将导致频移的不同的符号值，但是标称拍频仍可以被计算为频率值70。
目标臂组件
图8A-8C图示了目标臂的三个说明性实现方式，其可以与以上结合图1-7描述的任何系统结合使用。在这些各种实现方式中，光可以通过分立的光纤部件(诸如光纤循环器或2x2耦合器(诸如定向耦合器或多模干涉仪))耦合到同轴光收发器。此外，可以通过结合机械扫描的透镜来对光进行成形和操纵，或者可以通过集成的光子收发器来对光进行成形和操纵。图8A-8C所示的每个示例实现方式包括同轴光收发器，其中输入光被耦合到扫描光学器件中、被传输到目标物体、由相同的扫描光学器件接收、并且被传递到目标臂4、64的输出。在图8A所示的目标臂的第一示例实现方式中，输入光被传递到光纤循环器502的输入臂501。循环器502的第一输出光被传递到光纤端面(facet)503，并且输出光束由光学器件504成形。成形光束通过扫描光学器件505(诸如，检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜)传输。经操纵的成形光束506被传输到反射一些光的目标。扫描光学器件505可以用于接收反射光，并且光学器件504可以用于将接收光聚焦回到光纤端面503中。来自光纤端面503的输入光被传送回到光纤循环器502，并耦合到光纤循环器502的输出507。
在图8B所示的目标臂4、64的第二示例实现方式中，光纤循环器502输出被传递到集成光子设备508，该集成光子设备将输出光束509成形并引导到目标。相同的集成光子设备508可以用于接收由目标反射的光，然后将接收光传递回光纤循环器502，使得接收光被耦合到光纤循环器502的输出507。
在图8C所示的目标臂4、64的第三示例实现方式中，输入光被传递到光学耦合器511(例如，2x2耦合器)的输入臂510。2x2耦合器511的输出被传递到集成光子设备508，该集成光子设备对输出光束509成形并引导到目标。相同的集成光子设备508可以用于接收由目标反射的光，然后将接收光传递回2x2耦合器511，使得接收光被耦合到2x2耦合器511的输出512。在一个方面，2x2耦合器511可以被实现为例如光纤耦合模块或被实现为集成光子部件(诸如定向耦合器或多模干涉仪)，其可以与集成光子设备508串联制造。
多通道调频连续波LIDAR系统
图9是根据本公开的一个方面的示例多通道FMCW LIDAR系统的图。在一个方面，该系统可以包括耦合到光子学组件228的具有N个激光二极管212的激光器模块211，其中N是≥2的整数。在所示的示例中，该系统包括激光二极管212的单个对(即，N＝2)。在下面的描述中，将主要根据具有两个或一对激光二极管212来讨论该系统；但是，这仅是为了简洁起见，并且应理解为非限制性的。在一个方面，该系统还包括耦合到激光器模块211以用于从其生成激光束的激光器驱动器227和耦合到激光器驱动器227的控制电路218。在这个示例中，激光二极管212由来自激光器驱动器227的信号调制，这些信号又由控制电路218控制，以从每个激光二极管212生成扫频波形。激光二极管212的两个输出沿着分开但相同的路径215、216前进，其中每条路径215、216包括用于频率测量的干涉仪结构。该系统还包括耦合到每条路径215、216的光功率抽头214(其也可以称为“分光器”)。光功率抽头214被配置为沿着通向光束操纵模块229(并间接地通向相干接收器220)的“目标”路径221(在光功率抽头214的第一端口处)和“本地”路径213(在光功率抽头214的第二端口处)引导从激光二极管212接收到的光输出。在所示的方面，目标路径221包括光学循环器217。在其它方面，目标路径221可以包括定向耦合器而不是光学循环器217。光学循环器217(或定向耦合器)被配置为将射出光束223引导到光束操纵模块229，并且将返回光束222引导到相干接收器220的信号端口。在所示的方面，本地路径213直接通向相干接收器220的本地振荡器(LO)端口。因此，每个相干接收器220被配置为接收从目标反射的第一或目标激光束、和从由激光器模块211的相应激光二极管212生成的直接来自激光器模块211的第二或本地激光束。在一个方面，光功率抽头214、循环器217和相应的相干接收器220的每种组合可以被统称为“光学系统”。虽然图9中所示的光子学组件228包括两个光学系统，但这仅是示例性的，并且光子学组件228可以包括n个光学系统，其中n是大于0的整数。
在图9所示的系统的一个方面，相干接收器220可以被配置为通过经由光学混合器结构混合两个光信号(即，返回光束222和经由本地路径213传递的本地光束)并将光信号馈送到两对平衡的光电二极管来生成两个电信号，其被称为“I-通道”24和“Q-通道”27。在系统的替代方面，相干接收器220可以被配置为通过经由光学耦合器混合两个光信号并馈送到单对平衡的光电二极管来生成单个电信号。这种相干接收器220的示例在图11B中示出并且在下面进行描述。这些信号可以由跨阻放大器(TIA)226放大、由模数转换器(ADC)225数字化、并且通过控制电路上的数字信号处理(DSP)224或经由控制电路同时进行处理。分开但相同的路径215、216分别在光束操纵模块229处通向光束_1和光束_2。光子学组件228的全部或部分部件、模块和/或电路可以在集成光子芯片上实现，所述芯片包括但不限于硅光子芯片或平面光波电路(PLC)，诸如图11A-12B所示的芯片。
图10A和10B图示了根据本公开的各个方面的光束操纵模块229的替代布置的两个示例。在图10A所示的这个方面，光束操纵模块229包括一束自由空间接口37，其被配置为接收从光子学组件228(图9)的循环器39到达的激光束。光束操纵模块229还包括光学透镜系统35，该光学透镜系统35从自由空间接口37接收激光束并将激光束投射到单光束扫描器36上。借助于光学透镜系统35，不同的光束可以以一维或二维覆盖扩展的FOV。在一个方面，自由空间接口37被放置在光学透镜系统35的焦平面处，并且被配置为以相同角度或不同角度发送和接收光信号。
在图10B所示的替代示例中，光束操纵模块229包括多个自由空间接口37、多个光学透镜系统35和多个光束扫描器36。在这个方面，从光子学组件(图9)的循环器39到达的激光束进入光束操纵模块229，并且每个光束通过自由空间接口37进入到光学透镜系统35中，在那里光束被投射到多个扫描器36上并以不同方向指向目标环境，从而以一维或二维覆盖大的FOV。
图9中所描绘的多通道架构以及图10A和10B中所描绘的光束操纵模块229可以在集成光子芯片上实现，以显著减小FMCW LIDAR系统的尺寸和成本。图11A图示了具有片上多通道FMCW LIDAR收发器的集成光子芯片101的一种实现方式。在一个方面，集成光子芯片101包括一系列片上耦合器102(例如，边缘耦合器或表面光栅耦合器)，其被配置为接收调频的光信号(例如，如由激光器模块211根据激光器驱动器227生成的)，并经由光学分配网络103(例如，二叉树结构)将光信号分配到并行收发器切片。每个收发器切片包括相干接收器(CR)104和光学天线105。例如，图11B和11C示出了CR的两个版本。光学分配网络103被配置为将接收光(例如，调频激光束)提供给CR 104的第一线路123(即，光输入)。CR还包括分离器122(例如，2x2双向分离器)，其被配置为将光分离为第一输出和第二输出，第一输出通过第二线路125引导，第二输出通过第三线路126引导。第二线路125耦合到光学天线105；相应地，CR 104被配置为使用光学天线105将第二输出引出芯片。此外，光学天线105是可逆的，并且因此被配置为收集来自物体(目标)的反射光束，并将反射光束通过同一线路(即，第二线路125)发送回CR 104。第三线路126对应于CR 104的LO。分离器122还被配置为分离第一线路123和第四线路124之间的返回信号(即，如由光学天线105接收的目标所反射的光束)。在图11B所示的方面，第三线路126和第四线路124耦合到平衡的2x2 121，其被配置为将传输的光信号(经由第三线路126接收的)和反射的光信号(经由第四线路124接收的)混合。在图11C所示的方面，第三线路126和第四线路124被耦合到光学混合器129。此外，CR104包括光电二极管(PD)127，光电二极管(PD)127被配置为将光信号转换成电信号以用于拍音(beat tone)检测。例如，图11B中描绘的方面包括一对PD 127，而图11C中描绘的方面包括四个PD 127。图11B中示出的方面可以被称为“平衡的光电二极管”(BPD)CR。BPD CR被配置为提供单个电信号输出。图11C所示的方面可以被称为“混合”CR。混合CR被配置为提供同相(I)和正交(Q)输出，其用于根据测得的拍音中的多普勒频移确定速度的符号。
图12A和12B图示了集成光子芯片101的各个方面可以如何被配置以根据光学天线105的类型发射和接收多个光束203(例如，如图12A中所示的表面光栅耦合器301或如图12B中所示的边缘耦合器302)。在各个方面，模式场转换器可以用作天线105的一部分，以使多个光束203的发散角成形。取决于透镜系统202的设计，光束的出射角可以相同或不同。
图13是根据本公开的一个方面的用于在集成光子芯片上实现的多通道FMCWLIDAR系统的光束操纵模块布置和扫描图案的图。在图13中，透镜系统202被配置为当将集成光子芯片101(图12A和12B)放置在其焦平面处时创建指向不同角度的准直光束204。单轴或双轴光束扫描器201扫描整个FOV上的光束204。在所描绘的示例中，存在四个光束204，但这仅出于说明的目的，不应解释为限制性的。此外，图13描绘了远场中的光栅扫描图案的示例，其中与四个光束204对应的四个光斑205在扫描轨迹206中作为一组一起进行扫描。注意的是，光栅扫描的扫描步骤可以是不均匀的(例如，在FOV的中心处更密集)，并且可以是四个点的角跨度的一部分，以解决中心处的更高分辨率要求。
示例
在以下编号的示例中阐述了本文描述的主题的各个方面：
示例1.一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统，该LIDAR系统包括：被配置为输出激光束的激光器；耦合到激光器的激光调制器，该激光调制器被配置为调制激光束的强度；光学组合器；耦合到激光调制器的分光器，该分光器被配置为：将经调制的激光束光学地分离为第一激光束和第二激光束；以及将第一激光束指向目标，使得第一激光束被目标反射到光学组合器；其中光学组合器被配置为：接收从目标反射的第一激光束；接收直接来自分光器的第二激光束；以及光学地组合第一激光束和第二激光束；耦合到光学组合器的光接收器，该光接收器被配置为根据光学组合的第一激光束和第二激光束输出I-输出和Q-输出；以及耦合到光接收器的控制电路，该控制电路被配置为：根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；确定正频率值处的第一峰PSD；确定负频率值处的第二峰PSD；根据正频率值与负频率值之差确定标称拍频；以及根据正频率值与负频率值之和确定从标称拍频的频移；其中目标的距离对应于标称拍频；其中目标的速度对应于频移。
示例2.示例1的LIDAR系统，其中光接收器包括I-Q检测器。
示例3.示例1或2的LIDAR系统，其中激光调制器被配置为对激光器输出的激光束进行频率调制。
示例4.示例1-3中的任一项的LIDAR系统，其中光学组合器包括光学混合器，该光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
示例5.示例4的LIDAR系统，其中光接收器包括四通道光接收器，该四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
示例6.示例1-5中的任一项的LIDAR系统，其中分光器包括2x2耦合器。
示例7.示例1-6中的任一项的LIDAR系统，还包括耦合到分光器的目标臂组件，该目标臂组件被配置为将第一激光束指向目标，并将反射的第一激光束引导到光学组合器。
示例8.示例7的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，该循环器被配置为：从分光器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的扫描光学器件，该扫描光学器件被配置为：从循环器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；并将反射的第一激光束引导到循环器。
示例9.示例8的LIDAR系统，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
示例10.示例7的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，该循环器被配置为：从分光器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的集成光子设备，该集成光子设备被配置为：从循环器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到循环器。
示例11.示例7的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：2x2耦合器，其被配置为：从分光器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到2x2耦合器的集成光子器件，该集成光子器件被配置为：从2x2耦合器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到2x2耦合器。
示例12.一种经由LIDAR系统确定目标的距离和速度的方法，该方法包括：由激光器生成激光束；由激光调制器调制激光束；由分光器将经调制的激光束光学地分离为第一激光束和第二激光束；由分光器将第一激光束指向目标，使得第一激光束被目标反射到光学组合器；由光学组合器接收从目标反射的第一激光束；由光学组合器直接从分光器接收第二激光束；由光学组合器将反射的第一激光束和第二激光束光学地组合；由光接收器根据光学组合的反射的第一激光束和第二激光束输出I-输出和Q-输出；由耦合到光接收器的控制电路根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；由控制电路确定正频率值处的第一峰PSD；由控制电路确定负频率值处的第二峰PSD；由控制电路根据正频率值与负频率值之差确定标称拍频；由控制电路根据正频率值与负频率值之和确定从标称拍频的频移；其中目标的距离对应于标称拍频；其中目标的速度对应于频移。
示例13.示例12的方法，其中光接收器包括I-Q检测器。
示例14.示例12或13的方法，其中激光调制器被配置为对激光器输出的激光束进行频率调制。
示例15.示例12-14中的任一项的方法，其中光学组合器包括光学混合器，该光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
示例16.示例15的方法，其中光接收器包括四通道光接收器，该四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
示例17.示例12-16中的任一项的方法，其中分光器包括2x2耦合器。
示例18.示例12-17中的任一项的方法，其中LIDAR系统包括耦合到分光器的目标臂组件，该目标臂组件被配置为将第一激光束指向目标，并将反射的第一激光束引导到光学组合器。
示例19.示例18的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从分光器接收第一激光束；由循环器将反射的第一激光束引导到光学组合器；由目标臂组件的扫描光学器件从循环器接收第一激光束；由扫描光学器件将第一激光束指向目标；由扫描光学器件接收从目标反射的第一激光束；以及由扫描光学器件将反射的第一激光束引导到循环器。
示例20.示例19的方法，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
示例21.示例18的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从分光器接收第一激光束；由循环器将反射的第一激光束引导到光学组合器；由目标臂组件的集成光子设备从循环器接收第一激光束；由集成光子设备将第一激光束指向目标；由集成光子设备接收从目标反射的第一激光束；以及由集成光子设备将反射的第一激光束引导到循环器。
示例22.示例18的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从分光器接收第一激光束；由循环器将反射的第一激光束引导到光学组合器；由目标臂组件的2x2耦合器从循环器接收第一激光束；由2x2耦合器将第一激光束指向目标；由2x2耦合器接收从目标反射的第一激光束；以及由2x2耦合器将反射的第一激光束引导到循环器。
示例23.一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统，该LIDAR系统包括：激光器组，该激光器组包括：被配置为输出具有正频率扫描的第一激光束的第一激光器；被配置为输出具有负频率扫描的第二激光束的第二激光器；其中激光器组被配置为从第一激光束和第二激光束生成激光场；光学组合器；耦合到激光器组的光学耦合器，该光学耦合器被配置为：将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被目标反射到光学组合器；以及将激光场的第二部分直接指向光学组合器；其中光学组合器被配置为：接收反射的激光场的第一部分；以及光学地组合反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分；耦合到光学耦合器的光接收器，该光接收器被配置为根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；以及耦合到光接收器的控制电路，该控制电路被配置为：根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；确定正频率值处的第一峰PSD；确定负频率值处的第二峰PSD；根据正频率值与负频率值之差确定标称PSD频率；以及根据正频率值与负频率值之和确定从标称PSD频率的频移；其中目标的距离对应于标称PSD频率；其中目标的速度对应于频移。
示例24.示例23的LIDAR系统，其中光接收器包括I-Q检测器。
示例25.示例23或24的LIDAR系统，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
示例26.示例23-25中的任一项的LIDAR系统，其中光学组合器包括光学混合器，该光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
示例27.示例26的LIDAR系统，其中光接收器包括四通道光接收器，该四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
示例28.示例23-27中的任一项的LIDAR系统，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
示例29.示例23-28中的任一项的LIDAR系统，还包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，该目标臂组件被配置为将激光场的第一部分指向目标，并将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器。
示例30.示例29的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，该循环器被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的扫描光学器件，该扫描光学器件被配置为：接收来自循环器的第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到循环器。
示例31.示例30的LIDAR系统，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
示例32.示例29的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：循环器，该循环器被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到循环器的集成光子设备，该集成光子设备被配置为：从循环器接收第一激光束；将第一激光束指向目标；从目标接收反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到循环器。
示例33.示例29的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：2x2耦合器，其被配置为：从光学耦合器接收第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及耦合到2x2耦合器的集成光子器件，该集成光子器件被配置为：从2x2耦合器接收第一激光束；以及将第一激光束指向目标；接收从目标反射的第一激光束；以及将反射的第一激光束引导到2x2耦合器。
示例34。根据示例23-33中的任一项的LIDAR系统，其中：第一激光器还被配置为输出具有负频率扫描的第三激光束；以及第二激光器还被配置为输出具有正频率扫描的第四激光束。
示例35.一种经由LIDAR系统确定目标的距离和速度的方法，该方法包括：通过激光器组生成具有正频率扫描的第一激光束和具有负频率扫描的第二激光束；由光学耦合器将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被目标反射到光学组合器；由光学组合器接收从目标反射的激光场的第一部分；由光学组合器直接从光学耦合器接收激光场的第二部分；由光学组合器将反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；由光接收器根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；由耦合到光接收器的控制电路根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；由控制电路确定正频率值处的第一峰PSD；由控制电路确定负频率值处的第二峰PSD；由控制电路根据正频率值与负频率值之差确定标称拍频；由控制电路根据正频率值与负频率值之和确定从标称拍频的频移；其中目标的距离对应于标称拍频；其中目标的速度对应于频移。
示例36.示例35的方法，其中光接收器包括I-Q检测器。
示例37.示例35或示例36的方法，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
示例38.示例35-37中的任一项的方法，其中光学组合器包括光学混合器，该光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
示例39.示例38的方法，其中光接收器包括四通道光接收器，该四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
示例40.示例35-39中的任一项的方法，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
示例41.示例35-40中的任一项的方法，其中LIDAR系统包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，该目标臂组件被配置为将第一激光束指向目标，并将反射的第一激光束引导到光学组合器。
示例42.示例41的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；由目标臂组件的扫描光学器件从循环器接收激光场的第一部分；由扫描光学器件将激光场的第一部分指向目标；由扫描光学器件从目标接收反射的激光场的第一部分；以及由扫描光学器件将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
示例43.示例42的方法，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
示例44.示例41的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；由目标臂组件的集成光子设备从循环器接收激光场的第一部分；由集成光子设备将激光场的第一部分指向目标；由集成光子设备从目标接收反射的激光场的第一部分；以及由集成光子设备将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
示例45.示例41的方法，还包括：由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；由目标臂组件的2x2耦合器从循环器接收激光场的第一部分；由2x2耦合器将激光场的第一部分指向目标；由2x2耦合器从目标接收反射的激光场的第一部分；以及由2x2耦合器将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
示例46.一种可耦合到光束操纵模块的光子学组件，该光子学组件包括：被配置为接收调频激光束的光学系统，该光学系统包括：可耦合到光束操纵模块的分光器，该分光器被配置为：将调频激光束光学地分离为本地激光束和目标激光束；将目标激光束传递到光束操纵模块；以及从光束操纵模块接收由目标反射的目标激光束；以及耦合到分光器的相干接收器，该相干接收器被配置为：从分光器接收本地激光束；从分光器接收反射的目标激光束；以及混合本地激光束和目标激光束以产生输出信号。
示例47.示例46的光子学组件，其中分光器包括光功率抽头，该光功率抽头被配置为将调频激光束光学地分离为本地激光束和目标激光束。
示例48.示例46或47的光子学组件，其中分光器包括光学循环器，该光学循环器被配置为：将目标激光束传递到光束操纵模块；从光束操纵模块接收由目标反射的目标激光束；以及将反射的目标激光束传递到相干接收器。
示例49.示例46-48中的任一项的光子学组件，其中光子学组件包括集成光子芯片。
示例50.示例46-49中的任一项的光子学组件，还包括光束操纵模块。
示例51.示例50的光子学组件，其中光束操纵模块还包括：光束扫描器；以及光学透镜系统，其被配置为：从分光器接收目标激光束；将目标激光束投射到光束扫描器；从光束扫描器接收反射的目标激光束；以及将反射的目标激光束引导到分光器。
示例52.示例46-49中的任一项的光子学组件，其中光学系统包括第一光学系统，调频激光束包括第一调频激光束，分光器包括第一分光器，并且相干接收器包括第一相干接收器，光子学组件还包括：第二光学系统，其被配置为在第一光学系统接收第一调频激光束时同时地接收第二调频激光束，第二光学系统包括：可耦合到光束操纵模块的第二分光器，该第二分光器被配置为将第二调频激光束光学地分离为第二本地激光束和第二目标激光束；将第二目标激光束传递到光束操纵模块；以及从光束操纵模块接收由目标反射的第二目标激光束；以及耦合到第二分光器的第二相干接收器，该第二相干接收器被配置为：从第二分光器接收第二本地激光束；从第二分光器接收反射的第二目标激光束；以及混合第二本地激光束和第二目标激光束以产生第二输出信号。
示例53.示例52的光子学组件，还包括光束操纵模块。
示例54.示例53的光子学组件，其中光束操纵模块还包括：光束扫描器；以及光学透镜系统，其被配置为：从第一分光器和第二分光器中的每一个接收第一目标激光束和第二目标激光束；将第一目标激光束和第二目标激光束投射到光束扫描器；从光束扫描器接收反射的第一目标激光束和反射的第二目标激光束；以及将反射的第一目标激光束和反射的第二目标激光束分别引导到第一分光器和第二分光器。
示例55.示例53的光子学组件，其中光束操纵模块还包括：第一光束扫描器；第一光学透镜系统，其被配置为：从第一分光器接收第一目标激光束；将第一目标激光束投射到第一光束扫描器；从第一光束扫描器接收反射的第一目标激光束；以及将反射的第一目标激光束引导到第一分光器；第二光束扫描器；以及第二光学透镜系统，其被配置为：从第二分光器接收第二目标激光束；将第二目标激光束投射到第二光束扫描器；从第二光束扫描器接收反射的第二目标激光束；以及将反射的第二目标激光束引导到第二分光器。
示例56.示例46-55中的任一项的光子学组件，其中输出信号包括I-通道信号和Q-通道信号。
示例57.示例46-56中的任一项的光子学组件，其中相干接收器包括光学混合器。
示例58.示例46-56中的任一项的光子学组件，其中相干接收器包括被配置为输出输出信号的一对平衡的光电二极管。
示例59.一种用于经由包括光学系统的光子学组件扫描目标环境的方法，该光学系统包括分光器和耦合到该分光器的相干接收器，该方法包括：由光学系统接收调频激光束；由分光器将调频激光束分离为本地激光束和目标激光束；由分光器将目标激光束传递到光束操纵模块；由分光器从光束操纵模块接收由目标反射的目标激光束；由相干接收器从分光器接收本地激光束；由相干接收器从分光器接收反射的目标激光束；以及由相干接收器将本地激光束和目标激光束混合以产生输出信号。
示例60.示例59的方法，其中分光器包括光功率抽头，该光功率抽头被配置为将调频激光束光学地分离为本地激光束和目标激光束。
示例61.示例59或60的方法，其中分光器包括光学循环器，该方法还包括：由光学循环器将目标激光束传递到光束操纵模块；由光学循环器从光束操纵模块接收由目标反射的目标激光束；以及由光学循环器将反射的目标激光束传递到相干接收器。
示例62.示例59-61中的任一项的方法，其中光子学组件包括集成光子芯片。
示例63.示例59-62中的任一项的方法，其中光子学组件还包括光束操纵模块。
示例64.示例63的方法，其中光束操纵模块还包括光束扫描器、光学透镜系统，该方法还包括：由光学透镜系统从分光器接收目标激光束；由光学透镜系统将目标激光束投射到光束扫描器；由光学透镜系统从光束扫描器接收反射的目标激光束；以及由光学透镜系统将反射的目标激光束引导到分光器。
示例65.示例59-62中的任一项的方法，其中光学系统包括第一光学系统，调频激光束包括第一调频激光束，分光器包括第一分光器，并且相干接收器包括第一相干接收器，该方法还包括：由第二光学系统在第一光学系统接收第一调频激光束时同时地接收第二调频激光束；由分光器将第二调频激光束光学地分离为第二本地激光束和第二目标激光束；由分光器将第二目标激光束传递到光束操纵模块；由分光器从光束操纵模块接收由目标反射的第二目标激光束；由第二相干接收器从第二分光器接收第二本地激光束；由第二相干接收器从第二分光器接收反射的第二目标激光束；由第二相干接收器将第二本地激光束和第二目标激光束混合以产生第二输出信号。
示例66.示例65的方法，其中光子学组件还包括光束操纵模块。
示例67.示例66的方法，其中光束操纵模块还包括光束扫描器和光学透镜系统，该方法还包括：由光学透镜系统从第一分光器和第二分光器中的每一个接收第一目标激光束和第二目标激光束；由光学透镜系统将第一目标激光束和第二目标激光束投射到光束扫描器；由光学透镜系统从光束扫描器接收反射的第一目标激光束和反射的第二目标激光束；由光学透镜系统将反射的第一目标激光束和反射的第二目标激光束分别引导到第一分光器和第二分光器。
示例68.示例66的方法，其中光束操纵模块还包括第一光束扫描器、第一光学透镜系统、第二光束扫描器和第二光学透镜系统，该方法还包括：由第一光学透镜系统从第一分光器接收第一目标激光束；由第一光学透镜系统将第一目标激光束投射到第一光束扫描器；由第一光学透镜系统从第一光束扫描器接收反射的第一目标激光束；由第一光学透镜系统将反射的第一目标激光束引导到第一分光器；由第二光学透镜系统从第二分光器接收第二目标激光束；由第二光学透镜系统将第二目标激光束投射到第二光束扫描器；由第二光学透镜系统从第二光束扫描器接收反射的第二目标激光束；以及由第二光学透镜系统将反射的第二目标激光束引导到第二分光器。
示例69.示例59-68中的任一项的方法，其中输出信号包括I-通道信号和Q-通道信号。
示例70.示例59-69中的任一项的方法，其中相干接收器包括光学混合器。
示例71.示例59-70中的任一项的方法，其中相干接收器包括被配置为输出输出信号的一对平衡的光电二极管。
虽然已经图示和描述了几种形式，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围约束或限制到这样的细节。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以实现并将想到许多修改、变化、改变、替换、组合以及这些形式的等效形式。而且，与所描述的形式相关联的每个元件的结构可以替代地描述为用于提供由该元件执行的功能的装置。同样，在公开了用于某些部件的材料的情况下，可以使用其它材料。因此，应该理解的是，前述描述和所附权利要求书旨在涵盖落入所公开形式的范围内的所有此类修改、组合和变化。所附权利要求书旨在涵盖所有这样的修改、变化、改变、替代、修改和等同形式。
前述详细描述已经通过使用框图、流程图和/或示例阐述了设备和/或处理的各种形式。就这样的框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作而言，本领域技术人员将理解，这样的框图、流程图和/或示例内的每个功能和/或操作可以通过广泛的硬件、软件、固件或其几乎任何组合来单独地和/或共同地实现。本领域技术人员将认识到，本文公开的形式的一些方面可以全部或部分地等效地在集成电路中实现为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)、实现为固件或实现为其几乎任何组合，并且根据本公开，设计电路系统和/或为软件和/或固件编写代码将完全在本领域技术人员的能力范围内。另外，本领域技术人员将认识到的是，本文描述的主题的机制能够以各种形式作为一种或多种程序产品被分发，并且本文描述的主题的说明性形式适用，而与用于实际执行分发的信号承载介质的特定类型无关。
如本文的任何方面中所使用的，术语“控制电路”可以指例如硬连线电路系统、可编程电路系统(例如，包括一个或多个单独指令处理核的计算机处理器、处理单元、处理器、微控制器、微控制器单元、控制器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(PLD)、可编程逻辑阵列(PLA)或现场可编程门阵列(FPGA))、状态机电路系统、存储由可编程电路系统执行的指令的固件以及其任何组合。控制电路可以共同或单独地实施为形成更大系统的一部分的电路系统，例如，集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、服务器、智能电话等。因此，如本文所使用的，“控制电路”包括但不限于具有至少一个分立电路的电气电路系统、具有至少一个集成电路的电气电路系统、具有至少一个专用集成电路的电气电路系统、形成由计算机程序配置的通用计算设备(例如，由至少部分地执行本文描述的处理和/或设备的计算机程序配置的通用计算机、或由至少部分地执行本文描述的处理和/或设备的计算机程序配置的微处理器)的电气电路系统、形成存储器设备(例如，随机存取存储器的形式)的电气电路系统，和/或形成通信设备(例如，调制解调器、通信交换机或光电装备)的电气电路系统。本领域技术人员将认识到的是，本文描述的主题可以以模拟或数字方式或其某种组合来实现。
如本文的任何方面中所使用的，术语“部件”、“系统”、“模块”等可以指与计算机相关的实体、或者硬件、硬件和软件的组合、软件、或执行中的软件。
一个或多个部件在本文中可被称为“被配置为”、“可配置为”、“可操作/操作为”、“适于/可适于”、“能够”、“可符合/符合于”等。本领域技术人员将认识到的是，除非上下文另外要求，否则“被配置为”通常可以涵盖活动状态部件和/或非活动状态部件和/或待机状态组件。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：
激光器组，包括：
第一激光器，被配置为输出具有第一频率扫描的第一激光束；
第二激光器，被配置为输出具有第二频率扫描的第二激光束；
其中激光器组被配置为从第一激光束和第二激光束生成激光场；
光学组合器；
耦合到激光器组的光学耦合器，所述光学耦合器被配置为：
将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被所述目标反射到光学组合器；以及
将激光场的第二部分直接指向光学组合器；
其中光学组合器被配置为：
接收反射的激光场的第一部分；以及
对反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；
耦合到光学组合器的光接收器，所述光接收器被配置为根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；以及
耦合到光接收器的控制电路，所述控制电路被配置为：
根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；
确定正频率值处的第一峰PSD；
确定负频率值处的第二峰PSD；
根据正频率值与负频率值之差确定标称PSD频率；以及
根据正频率值与负频率值之和确定从所述标称PSD频率的频移；
其中所述目标的距离对应于所述标称PSD频率；
其中所述目标的速度对应于所述频移。
2.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光接收器包括I-Q检测器。
3.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
4.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学组合器包括光学混合器，所述光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
5.如权利要求4所述的LIDAR系统，其中光接收器包括四通道光接收器，所述四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
6.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
7.如权利要求1所述的LIDAR系统，还包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，所述目标臂组件被配置为将激光场的第一部分指向目标，并且将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器。
8.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
循环器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到循环器的扫描光学器件，所述扫描光学器件被配置为：
从循环器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
从目标接收反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到循环器。
9.如权利要求8所述的LIDAR系统，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜、基于MEMS的扫描镜或固态光学扫描器组成的组。
10.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
循环器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到循环器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：
从循环器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
接收从目标反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到循环器。
11.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
2x2耦合器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到2x2耦合器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：
从2x2耦合器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
接收从目标反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到2x2耦合器。
12.如权利要求25所述的LIDAR系统，其中：
第一激光器还被配置为输出具有负频率扫描的第三激光束；以及
第二激光器还被配置为输出具有正频率扫描的第四激光束。
13.一种用于经由LIDAR系统确定目标的距离和速度的方法，所述方法包括：
由激光器组生成具有第一频率扫描的第一激光束和具有第二频率扫描的第二激光束；
由光学耦合器将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被所述目标反射到光学组合器；
由光学组合器接收从所述目标反射的激光场的第一部分；
由光学组合器直接从光学耦合器接收激光场的第二部分；
由光学组合器将反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；
由光接收器根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；
由耦合到光接收器的控制电路根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；
由控制电路确定正频率值处的第一峰PSD；
由控制电路确定负频率值处的第二峰PSD；
由控制电路根据正频率值与负频率值之差确定标称拍频；以及
由控制电路根据正频率值与负频率值之和确定从所述标称拍频的频移；
其中所述目标的距离对应于所述标称拍频；
其中所述目标的速度对应于所述频移。
14.如权利要求13所述的方法，其中光接收器包括I-Q检测器。
15.如权利要求13所述的方法，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
16.如权利要求13所述的方法，其中光学组合器包括光学混合器，所述光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
17.如权利要求16所述的方法，其中光接收器包括四通道光接收器，所述四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
18.如权利要求13所述的方法，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
19.如权利要求13所述的方法，其中LIDAR系统包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，所述目标臂组件被配置为将第一激光束指向目标，并且将反射的第一激光束引导到光学组合器。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一引导到光学组合器；
由目标臂组件的扫描光学器件从循环器接收激光场的第一部分；
由扫描光学器件将激光场的第一部分指向目标；
由扫描光学器件从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由扫描光学器件将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
21.如权利要求20所述的方法，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜、基于MEMS的扫描镜或固态光学扫描器组成的组。
22.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；
由目标臂组件的集成光子设备从循环器接收激光场的第一部分；
由集成光子设备将激光场的第一部分指向目标；
由集成光子设备从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由集成光子设备将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
23.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；
由目标臂组件的2x2耦合器从循环器接收激光场的第一部分；
由2x2耦合器将激光场的第一部分指向目标；
由2x2耦合器从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由2x2耦合器将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
24.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中第一频率扫描和第二频率扫描是互补的。
25.如权利要求24所述的LIDAR系统，其中第一频率扫描包括正频率扫描，以及第二频率扫描包括负频率扫描。
26.如权利要求24所述的LIDAR系统，其中第一频率扫描包括负频率扫描，以及第二频率扫描包括正频率扫描。
27.如权利要求13所述的方法，其中第一频率扫描和第二频率扫描是互补的。
28.如权利要求27所述的方法，其中第一频率扫描包括正频率扫描，以及第二频率扫描包括负频率扫描。
29.如权利要求27所述的方法，其中第一频率扫描包括负频率扫描，以及第二频率扫描包括正频率扫描。

Claims (23)

1.一种用于确定目标的距离和速度的LIDAR系统，所述LIDAR系统包括：
激光器组，包括：
第一激光器，被配置为输出具有正频率扫描的第一激光束；
第二激光器，被配置为输出具有负频率扫描的第二激光束；
其中激光器组被配置为从第一激光束和第二激光束生成激光场；
光学组合器；
耦合到激光器组的光学耦合器，所述光学耦合器被配置为：
将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被所述目标反射到光学组合器；以及
将激光场的第二部分直接指向光学组合器；
其中光学组合器被配置为：
接收反射的激光场的第一部分；以及
对反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；
耦合到光学耦合器的光接收器，所述光接收器被配置为根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；以及
耦合到光接收器的控制电路，所述控制电路被配置为：
根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；
确定正频率值处的第一峰PSD；
确定负频率值处的第二峰PSD；
根据正频率值与负频率值之差确定标称PSD频率；以及
根据正频率值与负频率值之和确定从所述标称PSD频率的频移；
其中所述目标的距离对应于所述标称PSD频率；
其中所述目标的速度对应于所述频移。
2.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光接收器包括I-Q检测器。
3.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
4.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学组合器包括光学混合器，所述光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
5.如权利要求4所述的LIDAR系统，其中光接收器包括四通道光接收器，所述四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
6.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
7.如权利要求1所述的LIDAR系统，还包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，所述目标臂组件被配置为将激光场的第一部分指向目标，并且将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器。
8.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
循环器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到循环器的扫描光学器件，所述扫描光学器件被配置为：
从循环器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
从目标接收反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到循环器。
9.如权利要求8所述的LIDAR系统，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
10.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
循环器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到循环器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：
从循环器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
接收从目标反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到循环器。
11.如权利要求7所述的LIDAR系统，其中目标臂组件包括：
2x2耦合器，被配置为：
从光学耦合器接收第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到光学组合器；以及
耦合到2x2耦合器的集成光子设备，所述集成光子设备被配置为：
从2x2耦合器接收第一激光束；
将第一激光束指向目标；
接收从目标反射的第一激光束；以及
将反射的第一激光束引导到2x2耦合器。
12.如权利要求1所述的LIDAR系统，其中：
第一激光器还被配置为输出具有负频率扫描的第三激光束；以及
第二激光器还被配置为输出具有正频率扫描的第四激光束。
13.一种用于经由LIDAR系统确定目标的距离和速度的方法，所述方法包括：
由激光器组生成具有正频率扫描的第一激光束和具有负频率扫描的第二激光束；
由光学耦合器将激光场的第一部分指向目标，使得激光场的第一部分被所述目标反射到光学组合器；
由光学组合器接收从所述目标反射的激光场的第一部分；
由光学组合器直接从光学耦合器接收激光场的第二部分；
由光学组合器将反射的激光场的第一部分和激光场的第二部分进行光学组合；
由光接收器根据激光场的光学组合的部分输出I-输出和Q-输出；
由耦合到光接收器的控制电路根据I-输出和Q-输出确定功率谱密度(PSD)；
由控制电路确定正频率值处的第一峰PSD；
由控制电路确定负频率值处的第二峰PSD；
由控制电路根据正频率值与负频率值之差确定标称拍频；以及
由控制电路根据正频率值与负频率值之和确定从所述标称拍频的频移；
其中所述目标的距离对应于所述标称拍频；
其中所述目标的速度对应于所述频移。
14.如权利要求13所述的方法，其中光接收器包括I-Q检测器。
15.如权利要求13所述的方法，其中激光器组包括耦合到第一激光器和第二激光器中的每一个的Nx1非相干耦合器。
16.如权利要求13所述的方法，其中光学组合器包括光学混合器，所述光学混合器被配置为基于输入信号S和L生成四个输出信号：S+L、S-L、S+jL、S-jL。
17.如权利要求16所述的方法，其中光接收器包括四通道光接收器，所述四通道光接收器被配置为接收光学混合器的输出信号中的每一个。
18.如权利要求13所述的方法，其中光学耦合器包括2x2耦合器。
19.如权利要求13所述的方法，其中LIDAR系统包括耦合到光学耦合器的目标臂组件，所述目标臂组件被配置为将第一激光束指向目标，并且将反射的第一激光束引导到光学组合器。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一引导到光学组合器；
由目标臂组件的扫描光学器件从循环器接收激光场的第一部分；
由扫描光学器件将激光场的第一部分指向目标；
由扫描光学器件从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由扫描光学器件将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
21.如权利要求20所述的方法，其中扫描光学器件选自由检流计扫描镜或基于MEMS的扫描镜组成的组。
22.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；
由目标臂组件的集成光子设备从循环器接收激光场的第一部分；
由集成光子设备将激光场的第一部分指向目标；
由集成光子设备从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由集成光子设备将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
23.如权利要求19所述的方法，还包括：
由目标臂组件的循环器从光学耦合器接收激光场的第一部分；
由循环器将反射的激光场的第一部分引导到光学组合器；
由目标臂组件的2x2耦合器从循环器接收激光场的第一部分；
由2x2耦合器将激光场的第一部分指向目标；
由2x2耦合器从目标接收反射的激光场的第一部分；以及
由2x2耦合器将反射的激光场的第一部分引导到循环器。
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