CN116893422A - 高速干扰时间光检测和测距系统及确定距离的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速干扰时间光检测和测距系统及确定距离的方法与装置，干扰时间光检测和测距系统基于各种点测量到对象的距离生成对象的图像。干扰时间光检测和测距系统检测从干扰光信号生成的电信号的包络。干扰光信号由从采样臂向对象的光发射与参考光发射组合而产生的后向反射光生成。通过分离脉冲调制相干光源的发射信号并且使参考光发射穿过参考臂来创建参考光发射。光学干扰信号被传输至平衡光电检测器以转换成转换为数字数据的电信号。评估数字数据以确定数字化电干扰信号的上升沿或下降沿，从而确定用于计算距离的参考光发射与后向反射光之间的时间延迟。

Description

高速干扰时间光检测和测距系统及确定距离的方法与装置
技术领域
本发明是2021年5月10日提交的美国序列号17/315,678的部分继续申请，该申请通过引用以其全部内容并入本文，并且转让给共同受让人。
本发明总体上涉及光检测和测距系统。更具体地，本发明涉及一种利用光学干扰测量设备的光检测和测距系统以及测量距离和速度的方法及确定距离的方法与装置。
背景技术
光检测和测距(LiDAR)与无线电检测和测距(雷达)相似，因为LiDAR使用光波来确定对象的距离、角度和速度。LiDAR利用激光返回时间和波长的差异，其可以用于对目标进行数字化3D表示，并且已经广泛地用于陆地、机载和移动应用中。LiDAR仪器由一个或多个激光发射器、光学器件、扫描仪、光电检测器和信号处理器组成。一个或多个激光发射器生成相干光束，该相干光束通过一组光学器件传输至扫描仪以发射至对象，用于确定到对象的距离或对象的速度。在三维(3D)扫描的情况下，确定物理特征。光电检测器接收从对象反射的相干光并且将相干光转换成电信号，该电信号被处理以确定对象的距离。发射器将生成作为脉冲的相干光。信号处理器记录发射脉冲的时间，并且记录相干光的反射的接收时间。该距离是发射时间与接收时间之间的差除以2并乘以光速。
调幅连续波(AMCW)LiDAR是LiDAR的基于相位的形式。与直接脉冲检测不同，基于相位的LiDAR发射连续的激光信号。它用高速射频(RF)信号调制激光发射振幅以编码输出光学信号。检测发射信号与反射信号之间的相位差以用于测距。正弦调制连续激光波形的相移可以用于推断距物体的距离。
频率调制连续波(FMCW)LiDAR与AMCW LiDAR相似，但是调制和解调以光学方式而不是电气方式执行。FMCW LiDAR使用波长调谐光源或者相位调制光源和干扰仪来以良好的灵敏度测量对象的距离。“Comb-Calibrated Frequency-Modulated Continuous-waveLiDAR(梳状校准调频连续波LiDAR)”，Y,Xie等人，2020年IEEE第七届国际航空航天计量研讨会(MetroAeroSpace)，意大利比萨，2020年，第372-376页，2021年2月15日，网址：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp？tp＝&arnumber＝9160234&isnumber＝ 9159966，描述了FMCW LiDAR非常适合于绝对距离测量。FMCW激光器的频率由载波信号线性调制，以精确地测量激光器往返飞行时间。通过检测返回的激光和发射的激光之间的拍频信号，可以高精度地计算飞行时间。可以实现高精度的距离测量。
干扰时间(TOI)LiDAR技术是克服传统LiDAR技术的局限性的新测距方法，包括具有以下特征的飞行时间(ToF)和频率调制连续波(FWCW)：(1)利用具有平衡检测器的干扰仪，允许高灵敏度地检测来自远距离的弱干扰信号；(2)即使在信号频率高时，也可以测量干扰信号的时间延迟，从而提供与物体距离的精确测量，消除了对高速数据采集系统的需要；(3)光源的相位调制或波长调制要求较低，并且由此可以简化用于光源的驱动器电路设计的复杂度。TOI LiDAR系统的操作速度主要受到光源的调制速度和光接收器的效率的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速干扰时间(TOI)光检测和测距(LiDAR)系统(以下简写为TOI LiDAR系统)及确定距离的方法与装置，用于基于时频域反射测量和相干光源的小波长瞬态调制。高速TOI LiDAR系统使用时间-数字转换器或数据采集系统来记录干扰信号的时间延迟或干扰时间(TOI)。输出波长由相干光源的工作电流或工作温度确定。
为了实现这个目的，高速TOI LiDAR系统具有连接至调制控制器的相干光源。调制控制器被配置为生成传输至相干光源的脉冲波长控制信号。脉冲波长控制信号可以是电流调制信号或激光环境温度调整信号。脉冲波长控制信号调制相干光源以生成脉冲波长调制相干光发射。
脉冲波长调制相干光发射是干扰仪的输入。该干扰仪被配置为将脉冲波长调制相干光发射分成采样部分和参考部分。脉冲波长调制相干光发射的采样部分被布置成照射在待测对象上。脉冲波长调制相干光发射的参考部分被布置成提供用于确定从TOI LiDAR系统到对象的距离的参考基础。干扰仪被进一步配置为将脉冲波长调制相干光传输至扫描仪。扫描仪被配置为将脉冲波长调制相干光的第一部分物理地传输至对象并且使用脉冲波长调制相干光扫描对象的表面。该扫描仪被进一步配置为接收从对象的后向反射的脉冲波长调制相干光的一部分。后向反射的脉冲波长调制相干光从扫描仪传输到干扰仪，并且然后与脉冲波长调制相干光的参考部分耦合以形成光学干扰光信号。
TOI LiDAR系统具有被配置为将光学干扰信号转换成电干扰信号的光电检测器阵列。在各种实施方式中，光电检测器被配置为偏振分集平衡放大检测器。光电检测器具有至少一个功率监视器以测量光电检测器的输入功率电平。功率监视器输出提供具有与对象的距离相关联的时间延迟的调制功率电平。
TOI LiDAR系统具有信号处理器，该信号处理器被配置为接收电干扰信号并且将电干扰信号转换成表示电干扰信号振幅的数字数据作为数字数据。信号处理器被配置为基于与目标的距离生成显示的成像范围。所显示的成像范围通过计算机系统来计算，该计算机系统被编程为计算由光学干扰信号确定的时间延迟。
调制控制器被配置为生成具有低占空比的波长调制控制信号，以通过控制窄相干光源的驱动电流、窄带宽光源的温度或者调整从光源发出的光的相位来调制相干光源。在其他实施方式中，当在干扰仪的样品臂与参考臂中的光之间存在时间延迟时，调制控制器将生成用于生成干扰的脉冲相位控制信号。
在各种实施方式中，干扰仪包括偏振控制器，该偏振控制器用于调整来自光源的相干光发射的偏振状态并且使光学干扰信号或电干扰信号的振幅最大化。干扰仪具有从偏振控制器接收脉冲波长调制相干光的第一耦合器。耦合器分割脉冲波长调制相干光。将脉冲波长调制相干光的第一部分馈送到至少一个样本臂中。将脉冲波长调制相干光的第二部分馈送到参考臂。干扰仪具有环行器，该环行器被连接以接收来自至少一个样本臂的脉冲波长调制相干光的第一部分。环行器被配置成使得来自样本臂的脉冲波长调制相干光进入环行器并且从下一端口离开。通常，下一端口是顺时针方向以将脉冲波长调制相干光引导至扫描仪。扫描仪被配置为物理地传输采样的脉冲波长调制相干光以扫描对象。采样的脉冲波长调制相干光从对象被后向反射以对扫描仪进行测距测量，并且被传输至干扰仪内的环形器。后向反射的脉冲波长调制相干光接着从后向反射发射到第二耦合器。
干扰仪的参考臂具有大于采样臂长度的两倍的长度。参考臂中的脉冲波长调制相干光的第二部分被施加到第二耦合器。在参考臂中输送的脉冲波长调制相干光的第二部分与所收集的后向反射的脉冲波长调制光耦合以形成光学干扰光信号。光学干扰光信号离开第二耦合器以进入光电检测器阵列。
参考臂的光路长度比样本臂的光路长两倍以上，是系统的最大测距深度的两倍以上。光学干扰信号的最大频率对应于系统的最小测距深度。
光学干扰信号的最大频率对应于TOI LiDAR系统的最小测距深度。其大于数据采集和信号处理器中数字化器的奈奎斯特采样频率。光学干扰信号的最小频率对应于TOILiDAR系统的最大测距深度。在光学干扰信号的包络的下降沿处测量所检测的光学干扰的时间延迟。
附图说明
图1A、图1B、图1C是体现本发明的原理的TOI LiDAR系统的示意图。
图1D是体现本发明的原理的接收图1A、图1B和图1C的采样臂的端部的渐变折射率透镜的扫描仪的示意图。
图2A是体现本发明的原理的电TOI测量电路的框图。
图2B是体现本发明的原理的被配置为执行电TOI测量的信号处理器的程序结构的框图。
图2C是体现本发明的原理的在零(0)米位置处的样本臂的后向反射脉冲条纹和包络的曲线图。
图2D是体现本发明的原理的在180米位置处的样本臂的后向反射脉冲条纹和包络的曲线图。
图3示出了体现本发明的原理的TOI LiDAR系统的基于帧的速度测量方法。
图4A是体现本发明的原理的瞬态光源调制器的框图。
图4B是体现本发明的原理的瞬态光源调制器和相干光源的示意图。
图5A是体现本发明的原理的SSM-TOI电测量电路的框图。
图5B是被配置为执行体现本发明的原理的SSM-TOI电测量的信号处理器的程序结构的框图。
图6是被配置为执行体现本发明的原理的SSM-TOI多普勒速度测量的数字信号处理器的框图。
图7是体现本发明的原理的集成TOI和飞行时间电路的框图。
图8A是体现本发明的原理的用于采用SSM-TOI电测量来确定对象距离的方法的流程图。
图8B是体现本发明的原理的用于采用SSM-TOI电测量来确定对象速度的方法的流程图。
附图标记说明：110-干扰仪；130-扫描仪；155b-干扰光信号；162-干扰电信号；165-信号处理器；170-计算机；175-调制/扫描控制器；179-调制/扫描同步信号；215-反射镜；315-扫掠线性校准设备；400-包络检测器；410-边沿检测器；420-时间-数字转换器；445-包络检测器；450-边沿检测器；455-计数器；Voltage-电压；Input Fringe-输入条纹；Time-时间；Amplitude-振幅；Envelope of fringe-条纹的包络；Time-时间；507-瞬态发生器；510-激光驱动器；Or-或；To interferometer-至干扰仪；525-频率-电压转换器；535-边沿检测器；550-时间-电压转换器；570-频率检测器；585-边沿检测器；600-光学钟；610-频率检测器；615-边沿检测器；625-多普勒/速度计算器；630-多普勒/速度；155-后向反射的信号；660-第二边沿检测器；2nd Edge detector--第二边沿检测器；665-时间数字转换器；1st pulse-第一脉冲；655-第一边沿检测器；650-包络检测；800-生成激光束；805-调制激光束；810-偏振激光束；815-将激光束的第一部分耦合至采样臂；820-将激光束的第二部分耦接至参考臂；825-在待测对象处扫描激光束的第一部分；830-接收来自待测对象的激光的第一部分的反射；835-将激光的第一部分的反射与激光的参考部分耦合；840-将干扰光传输至平衡检测器；845-将干扰光转换成振荡电信号；850-将振荡电信号数字化；855-检测振荡电信号的包络；860-确定振荡电信号的包络的上升沿或下降沿；865-确定上升沿与下降沿之间的时间差；870-计算到待测对象的距离；875-随时间执行图8A的步骤的多次迭代；880-根据距离随时间的变化计算速度。
具体实施方式
TOI LiDAR系统被配置为基于各种点测量到对象的距离生成对象的图像。TOILiDAR系统检测从干扰光信号生成的电信号的包络。干扰光信号由从采样臂向对象的光发射和参考光发射而产生的后向反射光生成。通过分离脉冲波长调制相干光源的发射信号并且使参考光发射穿过参考臂来创建参考光发射。光学干扰信号被传输至光电检测器用于转换成转换为数字数据的电信号，该数字数据被评估以确定参考光发射和后向反射光的下降沿以确定参考光发射与后向反射光之间的时间延迟。然后，从该时间延迟计算距离。
图1A、图1B、图1C是体现本发明的原理的TOI LiDAR系统的示意图。参考图1A，TOILiDAR系统100包括脉冲波长调制窄带宽光源105。脉冲波长调制光源105发射具有由单个或多个纵向模式构成的输出光谱的脉冲调制相干光。谐振腔的纵向模式是由限制在空腔中的波形成的特定驻波图案。在激光器中，光在通常由两个或更多个反射镜组成的空腔谐振器中放大。空腔具有反射光的镜像壁，以允许在该空腔中存在驻波模式而损失很小。纵向模式对应于在从空腔的反射表面的许多反射之后通过相长干扰加强的反射波的波长。所有其他波长被相消干扰抑制。纵向模式图案具有沿空腔的长度轴向定位的其节点。脉冲波长调制光源105被实现为本领域已知的四种类型的激光器中的一种，并且被归类为固态激光器、气体激光器、液体激光器或半导体激光器。在本发明的结构的讨论中，脉冲波长调制光源105被示出为相干光源105，其波长或频率由电流或温度控制。在下文中描述脉冲波长调制光源105的调制。
脉冲波长调制窄带光源105将脉冲波长调制相干光发射到干扰仪110。脉冲波长调制窄带宽光源105发射通过自由空间、光纤或光波导到达干扰仪110。
在各种实施方式中，干扰仪110被实现为光纤、体光纤、集成光子电路、或它们的一些组合。干扰仪110具有接收脉冲波长调制相干光的偏振控制器115。偏振控制器115调节来自光源105的脉冲波长调制相干光的偏振状态。它使在光路155a和155b中传输的光学干扰信号或干扰电信号162的振幅最大化。来自光源105的脉冲波长调制相干光或通过偏振控制器115传输的脉冲波长调制相干光被应用于耦合器120。耦合器120将相干光分成馈送到至少一个样本臂122的样本部分和馈送到干扰仪110内的参考臂140的脉冲波长调制相干光的参考部分。样本臂122和参考臂140实现为自由空间路径、光纤或光波导。
干扰仪119具有环形器125，该环形器接收来自样本臂122的脉冲波长调制相干光的样本部分。环形器125被配置为使得脉冲波长调制相干光的样本部分进入环形器125并且从下一端口离开到样本臂122的区段。通常但不要求在顺时针方向上的下一端口将相干光引导通过样本臂122至扫描仪130。扫描仪130被配置为物理地传输采样的脉冲波长调制相干光135以扫描对象。采样的脉冲波长调制相干光135从对象被后向反射以进行测距测量。后向反射的脉冲波长调制相干光被扫描仪130接收并且被传输至环行器125。通过光路145的后向反射的脉冲波长调制相干光然后被传输至第二耦合器150。光路被实现为自由空间路径、光纤或光波导。
被实现为自由空间路径、光纤或光波导的参考臂140具有提供额外路径长度的额外光路142，使得参考臂140的路径长度与TOI LiDAR系统100的最大测距深度匹配。来自至少一个样本臂122和参考臂140的光学脉冲波长调制相干光信号在耦合器150中组合以生成光学干扰信号。
来自至少一个样本臂122和参考臂140的脉冲波长调制相干光信号被外差检测以从基础信号中提取拍频。差拍信号在来自耦合器的两个输出中具有180°的相位差。平衡检测器160从每个输入信道中减去信号以提取作为差拍信号的干扰信号。
光学干扰信号被施加至被实现为自由空间路径、光纤或光波导的光路155a和155b。光学干扰信号被施加至光路155a和155b并传输至平衡光电检测器160，以将来自光路155a和155b的光学干扰信号转换成干扰电信号162。
干扰电信号162由平衡光电检测器160生成，并且传输至信号处理器165内的数据采集电路，其中干扰电信号162被转换成数字数据。光学干扰信号的最大频率对应于TOILiDAR系统的最小测距深度。光学干扰信号的最大频率大于数据采集中的数字转换器或信号处理器165的奈奎斯特采样频率。
施加于光路155a和155b的光学干扰信号的最小频率对应于TOI LiDAR系统100的最大测距深度。在光学干扰信号的包络的下降沿处测量所检测的光学干扰的时间延迟。
然后，数字数据被传输至计算机170用于进一步处理和显示。在一些实施方式中，信号处理器165可以作为单个单元与计算机170集成。
在各种实施方式中，计算机170连接至调制/扫描控制器175。在其他实施方式中，计算机170与调制/扫描控制器175集成。调制/扫描控制器175具有调制子电路，该调制子电路确定施加至相干光源105的调制控制信号177的调制、频率和形状。调制/扫描控制器175进一步具有向信号处理器165和扫描仪130提供调制/扫描同步信号179的扫描控制电路。扫描控制电路产生期望的扫描模式，其用于生成施加到扫描仪130的适当的调制/扫描同步信号179。
扫描仪130可以被实现为一维或二维扫描仪，以分布脉冲波长调制相干光135的样本以基于TOI测量形成图像。一维扫描图案在时间上可以是线性的或非线性的，并且可以是单向的或双向的。在TOI LiDAR系统100的一些实现方式中，二维扫描图案在时间上可以是线性的或非线性的。它可以采用光栅扫描、螺旋扫描或其他模式来收集测量信息。扫描仪130可以被机械地实现为检流计镜、微机电系统(MEMS)、压电致动器、包括声光(AO)偏转器的光学致动器、或固态扫描仪。按照本发明的原理，可以有其他方法来提供收集测量信息所需的扫描运动。
参考图1B，TOI LiDAR系统100具有与图1A相同的结构，但是脉冲波长调制相干光的第二部分被施加到参考臂200。被实现为自由空间路径、光纤或光波导的参考臂200的光缆具有额外光路142，使得参考臂200的光路长度与TOI LiDAR系统100的最大测距深度匹配。参考臂200中的脉冲波长调制相干光施加到第二环形器210的输入端口。脉冲波长调制相干光从第二环形器210的输入/输出端口发射出至参考臂200的附加段。相干光照射到反射镜215上。反射镜215提供相干光的延迟，并且在一些实施方式中，被光学延迟线替代。反射镜215将相干光直接反射回第二环行器210并且引导至耦合器150。镜反射相干光与反射脉冲波长调制相干光耦合以形成光学干扰信号。反射镜215用作对应于TOI LiDAR系统100的最大范围的参考图像平面。如果由于光的双程，反射镜215位于第二环形器210与反射镜215之间，则反射镜215允许附加路径长度202为该长度的一半。反射镜215允许成本节省和空间节省。
用光学延迟线替换反射镜215增加了微调总参考臂路径长度的灵活性。延迟的可调谐范围通常在厘米的数量级，所以其主要适应系统变化的小变化，而不是改变整个成像范围。
光学干扰信号被施加至被实现为自由空间路径、光纤或光波导的光路155a和155b。如上所描述，光学干扰信号被施加至光路155a和155b并传输至平衡光电检测器160，以将来自光路155a和155b的光学干扰信号转换成干扰电信号162。
在一些实现方式中，图1A的参考臂140和图1B的参考臂200可以具有比样本臂103更长的光路长度。来自采样臂122和参考臂140和200的脉冲波长调制相干光信号的干扰的定时在干扰包络的下降沿处。在各种实施方式中，参考臂140和200可以具有比样本臂122更短的光路长度。来自采样臂122和参考臂140和200的脉冲波长调制相干光信号的干扰的定时在干扰包络的上升沿处。
参考图1C，TOI LiDAR系统100具有与图1A相同的结构，但是参考臂140的脉冲波长调制相干光的第二部分离开第一耦合器120进入第三耦合器300。参考臂140被实现为自由空间路径、光纤或光波导。第三耦合器300进一步将脉冲波长调制相干光的第二部分分成两个脉冲波长调制相干光束。脉冲波长调制相干光束的第二部分的第一小部分被应用至第二参考臂305，该第二参考臂类似地被实现为自由空间路径、光纤或光波导。第二参考臂305的脉冲波长调制相干光束的第二部分的第二小部分被应用至扫掠线性校准设备315。
扫掠线性校准设备315是马赫-曾德尔干扰仪或法布里-珀罗滤波器，其生成电信号以校准相干光源105的波长扫掠的线性度。如果波长调制在光频域中不是线性的，则扫掠线性校准设备315从来自马赫-曾德尔干扰仪或法布里-珀罗滤波器的固定路径长度差生成干扰信号。它典型地涉及光电检测器或平衡检测器以生成电信号。其过零定时对应于光频域中的相等空间并且为信号处理器165内的数据采集系统提供光学钟。扫掠线性校准设备315校准由平衡检测器160检测的干扰信号162。扫掠线性校准设备315的输出被传输至信号处理器165。
参考臂305的第二脉冲波长调制相干光束被施加至第二耦合器150。如上所描述，将后向反射的相干光引导至耦合器150。参考臂305中的参考相干光与后向反射的相干光耦合以形成光学干扰信号。光学干扰信号被应用至被实现为自由空间路径、光纤或光波导的光路155a和155b。如上所描述，光学干扰信号通过待传输的光路155a和155b传输至平衡光电检测器160，以将来自光路155a和155b的光学干扰信号转换成干扰电信号162。
图1D是体现本发明原理的被配置为接收具有图1A、图1B和图1C的光缆的采样臂122的扫描仪130的示意图。采样臂122被插入并固定在扫描仪130中。采样臂122的远端与渐变折射率光纤棒122a连接或接触。渐变折射率光纤棒122a具有工程化的渐变折射率透镜122b，该透镜形成为渐变折射率光纤棒121a的远端表面以提高高速操作的总效率。作为替换实施方式，工程化的渐变折射率透镜122b形成为与渐变折射率光纤棒121a接触的单独的透镜。带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒121a对于远距离照明需要低数值孔径，但是接收来自对象的后向反射的脉冲波长调制相干光需要高数值孔径。带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒122a对通过工程化的尖端的中心部分出来的轴上样本脉冲波长调制相干光135的光进行准直。通过工程化的渐变折射率透镜122b的环形部分122c的来自对象的离轴后向反射的脉冲波长调制相干光136耦合回到采样臂122中。带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒122a被实现为具有单模光纤的渐变折射率(GRIN)光纤透镜、具有少模光纤的GRIN光纤透镜、光纤球透镜、GRIN透镜组件或自由空间准直器。实现带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒122a可以组合所列出的实现方式中的任一种。工程化的渐变折射率透镜122b由锥形尖端、菲涅耳表面、超表面或其组合形成。
采样臂122被插入并固定在扫描仪130中。其将脉冲波长调制相干光135辐射到第一反射镜132。第一反射镜132水平旋转134a，以用水平扫描图案反射脉冲波长调制相干光135。水平扫描图案覆盖期望的视场。反射的脉冲波长调制相干光135照射在第二反射镜133上。第二反射镜133垂直旋转134b以生成垂直扫描图案。垂直扫描图案覆盖垂直视场。
离轴后向反射的脉冲波长调制相干光136从期望的待测对象反射并且后向反射到扫描仪130并且因此到第二反射镜133并且然后到第一反射镜132。离轴后向反射脉冲波长调制相干光136被反射并传送至采样臂122的带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒122a。离轴后向反射的脉冲波长调制相干光136在离轴上传输到采样臂122，该采样臂具有带有工程化的渐变折射率透镜122b的渐变折射率光纤棒122a。光通过渐变折射率光纤棒122a传输并且传送至采样臂122进行进一步处理。
图2A是体现本发明的原理的电TOI测量电路的框图。从平衡检测器160生成的图1A、图1B和图1C的干扰电信号162被包络检测器400接收并转换成干扰电信号162的包络405。包络检测器400被实现为射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调器。射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调器在本领域中是已知的并且是可商购的设备。射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调器去除干扰电信号162中的高频分量，并且因此识别干扰电信号162的包络。
包络信号405被传输至边沿检测器410。边沿检测器410确定脉冲事件并且将脉冲事件放置在边沿检测器的输出410处。脉冲事件指示包络信号405的前沿或下沿。边沿检测器410被实现为边沿-毛刺转换器、XOR栅极和延迟电路、微分器电路等。边沿-毛刺转换器、XOR栅极和延迟电路、微分器电路在本领域中是类似地已知的并且是可商购的。
边沿检测器的输出415连接至时间-数字转换器420的输入。时间-数字转换器420生成传输到时间-数字转换器420的输出端430的时间差信号。时间差信号指示上升沿或下降沿脉冲事件405与脉冲事件425之间的时间。脉冲事件425对应于从调制/扫描控制器175传输的光源调制信号的上升沿或下降沿。脉冲事件425是用于在对时间间隔进行计数时启动时间-数字转换器420的触发。边沿检测器410的脉冲输出415提供用于终止由时间-数字转换器420进行的时间间隔的计数的脉冲事件。在时间-数字转换器420的输出端430处的一系列时间差信号被转换成深度测量结果以形成由计算机170显示的图像。
图2B是体现本发明的原理的信号处理器的程序结构的框图。由数据采集模块440对从平衡检测器160生成的图1A、图1B和图1C的干扰电信号162进行数字化。由来自调制/扫描控制器175的调制/扫描同步信号179触发数据获取模块440。该干扰电信号转换成数字化的信号442并且放置在数据采集模块440的输出处。干扰电信号162的最大频率对应于TOILiDAR系统100的最小测距深度。干扰电信号162的最大频率大于数据获取模块440的数字化器的奈奎斯特采样频率。干扰电信号的最小频率对应于TOI LiDAR系统100的最大测距深度。在干扰电信号162的包络的下降沿处测量所检测的干扰电信号162的时间延迟。
数字化的信号442被由信号处理器165执行的包络检测器过程445处理，以确定数字化的干扰电信号442的包络信号447。通过获取数字化的信号442的希尔伯特变换的绝对值来执行包络检测器过程445。然后，包络信号447由边沿检测过程450处理以识别干扰电信号的出现定时。可以计算包络信号的上升沿或下降沿447与调制/扫描同步信号179之间的时间差457。
图2C是体现本发明的原理的参考臂的脉冲输入条纹460和包络465的曲线图。图2C的曲线图是在零(0)米位置处检测对象的原型TOI系统100的示例干扰电信号。图2D是体现本发明的原理的样本臂的后向反射的脉冲条纹470和包络475的曲线图。图2D的曲线图是在180m位置处检测对象的原型TOI系统100的示例干扰电信号。图2A的边沿检测器410或图2B的边沿检测器处理450确定参考臂460的包络的下降沿的时间t0和样本臂475的包络的下降沿的时间t1。计数器420或计数器进程455对参考臂的下降沿时间t0和样本臂的下降沿时间t1之间的时间间隔进行计数。距被测对象的距离由以下等式确定：
距离＝c*(t0-t1)
其中：
c是光速；
t0是参考臂的下降沿时间；
t1是样本臂的下降沿时间。
一系列时间差457可以被转换成深度信息并且形成由计算机170显示的图像。
图3示出了体现本发明的原理的TOI LiDAR系统的基于帧的速度测量方法。每个帧490a、490a、490b、…、490m、490m+1、…、490y、490z由图1A、图1B和图1C的平衡光电检测器160捕获并且表示数据495n和495m+1。数据495n和495m+1被传输至信号处理器165并且如图2A和图2B中所描述进行处理，从而确定数据的上升沿或下降沿。因此，确定数据的上升沿或下降沿提供了数据495n与495n+1之间的时间差。然后，将数据495n与495n+1之间的距离确定为数据495n与495n+1之间的时间差(tm+1–tm)。数据495n与495n+1之间的时间差(tm+1–tm)乘以光学干扰信号采样应用到光路155a和155b的帧速率以确定被测对象的速度。
图4A是并入体现本发明的原理的图1A、图1B和图1C的调制驱动器中的小信号瞬态调制器的框图。瞬态光源调制器具有连接成接收DC电压源VDC和调制电压VMOD的求和电路500。求和电路500将DC电压源与调制电压VMOD相加组合以形成调制信号505。调制信号505具有小于电压源VDC电压的振幅。调制信号505选自波形组，包括方波、三角波、正弦波、鲨鱼齿波、或任何任意波形、甚至波形的组合。瞬态发生器507通过在调制信号505中引入电压尖峰来生成尖峰瞬态调制信号508。尖峰瞬态调制信号508被施加至激光驱动器510。尖峰瞬态调制信号的电压508被转换成电流以驱动相干光源105。瞬态发生器507的作用是改变瞬态光源调制器的有效电感值并且生成非常大的尖峰瞬态电流，以减小激光驱动器510的响应时间并且由此克服了传统激光驱动方法的速度限制。瞬态发生器507的示意图在下文中在图4B中讨论。替代地，调制信号505的转换电流被施加至用于稳定相干光源105的激光二极管的温度的热电冷却设备。通过将调制电流注入通过热电冷却设备，改变相干光源105的激光二极管的温度。相干光源105的激光二极管具有内置热敏电阻，用于监测二极管温度并用于允许热电冷却设备和热敏电阻形成以提供温度监测和精确的温度调节的控制回路。
相干光源105将相干光信号520发射到干扰仪。在波长/光学频率中的波形调制被选择以引入光学干扰，其中，图1A的样本臂122与参考臂140、图1B的200和图1C的305之间的光路长度差。
图4B是体现本发明的原理的瞬态光源调制器和相干光源的示意图。求和电路500具有2x1多路复用器MUX1，该多路复用器用于组合DC电压源VDC和由数字调制信号VDMOD控制的模拟调制信号VAMOD。2x1多路复用器MUX1的第一输入是DC电压VDC，提供较低的基电压。到2x1多路复用器MUX1的第二输入是调制电压VMOD，其是用于形成输出电压的更高电压。2x1多路复用器MUX1输出VO提供瞬态调制信号505，该信号是瞬态发生器507的输入。瞬态发生器507的输出是施加于激光驱动器510的输入的瞬态调制信号508。激光驱动器510将瞬态调制信号508转换成电流以驱动相干光源105。
多路复用器MX1由两个传输栅极TG1和TG2形成。两个传输栅极TG1和TG2并联连接。如本领域中已知的，两个传输栅极TG1和TG2中的每个传输栅极具有连接的互补NMOS和PMOS晶体管。互补NMOS和PMOS晶体管中的每一个的源极和漏极连接。DC电压源VDC和调制电压VMOD分别连接至源传输栅极TG1和TG2。数字调制信号VDMOD连接至第一反相器INV1的输入。第一变换器INV1的输出连接至第二变换器INV2的输入。第一变换器INV1的输出连接至传输栅极TG1的异相栅极并且连接至传输栅极TG2的同相栅极。第二变换器INV2的输出连接至传输栅极TG2的异相栅极和传输栅极TG1的同相栅极。
DC电压源VDC连接至传输栅极TG1的输入源极/漏极，并且调制电压VMOD连接至传输栅极TG2的输入源极/漏极。传输栅极TG1和传输栅极TG2的输出源极/漏极连接至比较器COMP1的异相输入。比较器COMP1的同相输入端连接至极限电压源VL。比较器COMP1将传输栅极TG1和TG2的输出电压VO与限制电压源的电压电平VL进行比较。如果极限电压源的电压电平VL大于传输栅极TG1和TG2的输出电压VO，则相干光源105关闭以用于安全目的，如下文所描述。
2x1多路复用器MX1具有作为求和电路500的输出被施加至瞬态发生器507的输入的输出电压VO。瞬态发生器507具有电感器L，该电感器的第一端子连接至2x1多路复用器MX1的输出Vo。电感器L的第二端子共同连接至电容器C和电阻器R1的第一端子。电容器C的第二端子连接至接地参考源，并且第二端子连接至激光驱动器510。
激光驱动器510具有第一NMOS晶体管TX1，其栅极连接至瞬态发生器507的输出。MOS晶体管TX1的漏极连接至相干光源LD1 105的阳极。第一MOS晶体管TX1的源极连接至第二MOS晶体管TX2的漏极。第二MOS晶体管TX2的源极连接至电阻器R2的第一端子。第二MOS晶体管TX2的栅极连接至比较器COMP1的输出，用于接收相干光源LD1 105的关闭命令。电阻器R2的第二端子连接至接地参考电压源。电阻器器R2建立了相干光源LD1 105的关闭电压。NMOS晶体管TX1栅极被配置为电流源以生成激光电流。
在本发明的实施方式中，在没有瞬态发生器507的情况下，第一MOS晶体管TX1的栅极电容器以及连接至第一MOS晶体管TX1的线上的电阻器和电感器具有随调制信号505的上升而可忽略的过冲或尖峰电平。由于2x1多路复用器MX1的输出VO的切换的转变时间，线上的电感器L、第一NMOS晶体管TX1的大栅极大小、和电容器C加速过冲以产生电流尖峰或瞬态信号。瞬态电流尖峰的电平高度取决于调制信号505的上升时间、电感器L的参数和第一NMOS晶体管TX1的栅极大小。正尖峰出现在第一NMOS晶体管TX1和第一NMOS晶体TX1的上升沿。当切换回DC电压源VDC的基极电压电平时，在第一NMOS晶体管TX1的下降沿处出现负尖峰。因此，在调制信号505的每次切换时存在两个尖峰事件。
调制信号的开关脉冲宽度505在驱动电流源晶体管TX1中起重要作用。在上升沿处，电流尖峰立即发生并且保持振铃。然后，电流尖峰逐渐减小至电容器C的充电电压至等于调制信号505的振幅的电压电平。在调制信号505的下降沿处，当2x1多路复用器MX1被切换至返回至DC电压源的电压电平VDC的电压电平时，发生负尖峰。
关键方面是控制调制信号505的切换脉冲宽度以合并瞬态调制信号508的正负瞬态电压尖峰。正负瞬态电压尖峰的合并准许由于多路复用器MX1接通和断开而在两个尖峰之间电压振铃和稳定的时间。对于TOI LiDAR应用，正负瞬态电压尖峰之间的时间越短越好。考虑到所检测的对象是否非常接近LiDAR设备，正负瞬态电压尖峰的时间差将有助于TOI LiDAR范围用于检测(边沿检测)。
该相干光源105是一种相干光源105。相干光源105是一种类型的激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器，其中，设备的有源区包含周期性结构的元件或衍射光栅。电源电压源VCC被施加至相干光源LD1 105。
数字调制信号VDMOD的高电平和低电平可以分别开启和关闭相干光源LD1 105。虽然数字调制信号VDMOD高，但模拟调制信号VAMOD可以向光源105提供小信号调制。当多路复用器VO的输出通过第二晶体管TX2在短过渡时间内高于预定义的限制电压VL时，光源LD1 105被去激活。保护电流限制设置基于NMOS栅极TX2和相干光源LD1 105电流限制的特性。在本实施方式中，NMOS栅极TX2的击穿电压为20V，足够保护。相干光源LD1 105瞬态电流高，但是这对于相干光源LD1 105不应是问题，因为瞬态电流具有约一纳秒的持续时间。
当数字调制信号VDMOD从低过渡到高时，瞬态发生器507产生电压尖峰，该电压尖峰接通第一晶体管TX1，这将立即耗尽光源LD1内的电流，因此将为TOI应用产生短的过渡时间。
图5A是体现本发明的原理的SSM-TOI电测量电路的框图。从平衡检测器160生成的干扰电信号162由频率-电压转换器525接收。干扰电信号162的频率被转换成频率-电压转换器525的输出530处的电压。电压与干扰电信号的频率162成比例。频率-电压转换器525包括FM解调器、频率检测器或本领域已知的任何频率-电压转换器电路。输出端530处的电压电平是边沿检测器535的输入，其在边沿检测器535的输出540处生成脉冲。该脉冲对应于频率-电压转换器525的输出530处的上升沿、或电压电平的上升沿或下降沿。边沿检测器535由边沿毛刺转换器、XOR栅极和延迟电路、微分器电路或本领域已知的任何边沿检测器电路形成。时间-数字转换器550生成时间差信号ΔTD在时间-数字转换器550的输出555处。时差信号ΔTD包含边缘检测器535的输出540处的上升沿或下降沿脉冲与来自调制/扫描控制器175的调制/扫描同步信号179之间的时间差。一系列时间差507被转换成深度以形成由计算机170显示的图像。
图5B是被配置为执行体现本发明的原理的SSM-TOI电测量的信号处理器175的程序结构的框图。通过来自调制/扫描控制器175的调制/扫描同步信号179触发的数据采集模块605，将从平衡检测器160生成的干扰电信号162数字化。干扰电信号162在输出565被转换成数字化的干扰信号。干扰电信号162的最大频率对应于TOI LiDAR系统的最小测距深度100的最小测距深度。干扰电信号162大于数据获取模块605的数字化器的奈奎斯特采样频率。
施加于光路155a和155b的光学干扰信号的最小频率对应于TOI LiDAR系统100的最大测距深度。在干扰电信号162的包络的下降沿处测量所检测的电干扰信号162的时间延迟。该干扰数字化信号由频率检测器过程570处理以标识其在频率检测器过程570的输出575处的瞬时频率值。频率检测器过程570执行诸如短时间傅立叶变换、小波变换或本领域已知的另一频率检测器过程的方法。然后，频率检测器过程570的输出575处的瞬时频率值然后由边缘检测器过程585处理，以识别干扰电信号162的上升沿或下降沿的定时的出现，以及时间差162在边沿检测器处理的输出590处。时间差ΔTD被确定为在输出575处的瞬时频率值的上升沿或下降沿与调制/扫描同步信号179之间的时间。一系列时间差ΔTD被转换成深度并且形成由计算机170显示的图像。
图6是被配置为执行体现本发明的原理的SSM-TOI多普勒速度测量的数字信号处理器的框图。图6示出了由在数据获取和信号处理器165中使用的图1C的扫描线性化校准器315执行的扫掠线性化校正。当TOI LiDAR系统100在SSM-TOI模式下运行时，被测对象的速度信息编码在干扰电信号162中。由平衡光电检测器160生成的干扰电信号162由数据采集模块605数字化，该数据采集模块由来自调制驱动器175的调制/扫描同步信号179和光学频率校准时钟600触发，以便在数据采集模块605的输出端607处将干扰电信号162转换成数字化信号。数字化信号在光学频率空间中是线性的。干扰电信号162的最大频率对应于TOILiDAR系统100的最小测距深度。干扰电信号162大于数据获取模块605的奈奎斯特采样频率。
干扰电信号162的最小频率对应于TOI LiDAR系统100的最大测距深度。在干扰电信号162的包络的下降沿处测量所检测的干扰电信号162的时间延迟。光频校准时钟600由马赫-曾德尔干扰仪、法布里-珀罗腔、标准具腔或适合于产生光学频率校准钟600的任何其他干扰仪或谐振器生成。数字化信号607是频率检测器过程610的输入以确定瞬时频率值。瞬时频率值是放置在频率检测器过程610的输出611处的解。在各种实施方式中，当数据采集模块605的输出607处的数字化信号在光学频率空间中本质上是线性的时，不需要光频率校准钟600。在一些实施方式中，频率检测器可以实施为短时傅立叶变换、小波变换或其他适当频率检测器过程。然后，频率检测器处理610的输出611处的瞬时频率值由边沿检测器处理615处理，以识别干扰的发生定时。然后，边沿检测器过程615计算瞬时频率值的上升沿或下降沿与调制/扫描同步信号179之间的时间差ΔTD，并且然后放置作为频率检测器过程610的输出620的时间差ΔTD。
在SSM-TOI多普勒速度测量的其他实现方式中，数据获取模块605的输出607处的数字化推断电信号是多普勒速度计算过程625的输入，以计算目标的移动速度。目标的移动速度是多普勒速度计算过程625的输出630。在多普勒速度计算过程625的一个实现方式中，多普勒速度计算过程625通过测量与被测对象的移动速度成比例的连续向前和向后扫掠的干扰电信号162的频率之间的时间差ΔTD来实现。调制/扫描同步信号179的对称性使测量误差最小化。边沿检测器620的输出处的一系列时间差ΔTD和被测对象的移动速度可以分别转化为深度和速度，并且形成由计算机170显示的图像。在SSM-TOI多普勒速度测量的一些实现方式中，在干扰电信号162中引入的多普勒频移的速度可以使用至少一个低通滤波器直接提取。在不需要数字信号处理的情况下，可以检测频率偏移并将其转换成速度电信号。
图7是体现本发明的原理的集成的干扰时间和飞行时间电路的框图。从平衡光电检测器160生成的干扰电信号162被传输到包络检测器650。包络检测器650确定应用于包络检测器650的输出652的干扰电信号162的包络信号。包络检测器650被实现为射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调器。然后，干扰电信号162的包络信号通过第一边沿检测器655。第一边沿检测器655在第一边沿检测器655的输出657处生成第一脉冲信号，该第一脉冲信号对应于包络检测器650的输出657处的干扰电信号162的包络信号的上升沿或下降沿。边沿检测器655由边沿毛刺转换器、XOR栅极和延迟电路、微分器电路或本领域已知的任何边沿检测器电路形成。
从平衡检测器160的监控信道中提取来自后向反射的相干光145的电信号，以形成后向反射的电信号145。来自监控信道的后向反射的电信号145是后向反射的电信号145的功率谱并且可以被认为是包络信号。后向反射的电信号145是第二边沿检测器660的输入。第二边沿检测器660在第二边沿检测器660的输出662处生成第二脉冲信号。
第一边沿检测器655的输出657处的第一脉冲信号、第二边沿检测器660的输出662处的第二脉冲信号以及调制/扫描同步信号179被施加至多信道时间-数字转换器665。多信道时间-数字转换器665在时间数字变换器665的输出670处生成第一时间差信号。第一时间差信号ΔTD1是第一脉冲信号的上升沿或下降沿和对应于光源调制/扫描同步信号179的上升沿或下降沿的调制/扫描同步信号179之间的时间的数字化表示。
多信道时间-数字转换器665在第二边沿检测器660的输出662处的第二脉冲信号的上升沿或下降沿与对应于光源调制的上升沿或下降沿的调制/扫描同步信号179之间生成第二时间差信号ΔTD2。将第一时间差信号ΔTD1和第二时间差信号ΔTD2进行平均或加权平均。平均或加权平均的第一时间差信号ΔTD1和第二时间差信号ΔTD2被转换成深度并且形成由计算机170显示的图像。
图8A是体现本发明的原理的用于采用SSM-TOI电测量来确定对象距离的方法的流程图。生成激光束(框800)。使用波长调制或频率调制信号调制激光束以调整激光束的波长或频率(框805)。然后，将激光束偏振以调整激光的偏振状态，从而最大化光学干扰信号或干扰电信号的振幅(框810)。
将激光束的第一部分耦合至采样光缆(框815)。将激光束的第二部分耦接至参考光路(框820)。在确定距调制激光光源的距离的对象处扫描激光束的第一部分(框825)。
激光相干光束的第一部分的一小部分从待测对象被后向反射和接收(框830)。将激光束的第一部分的后向反射部分与激光束的第二部分耦合以形成光学干扰相干光信号(框835)。将光学干扰相干光信号传输到平衡光学光电检测器(框840)以将光学干扰相干光信号转换成振荡电干扰信号(框845)。将振荡电干扰信号数字化(框850)。干扰电信号的最大频率对应于TOI LiDAR系统的最小测距深度并且大于数字化的奈奎斯特采样频率。干扰电信号162的最小频率对应于TOI LiDAR系统100的最大测距深度。
数字化电干扰信号包络经历包络检测过程以标识数字化电干扰信号的包络(框855)。确定数字化电干扰信号的包络的上升沿或下降沿的上升沿或下降沿的时间(框860)。确定数字化电干扰信号的包络与调制/扫描同步信号的上升沿或下降沿之间的时间差(框865)，并且计算到待测对象的距离(框870)。
图8B是体现本发明的原理的用于采用SSM-TOI电测量来确定对象速度的方法的流程图。利用SSM-TOI电测量来确定对象速度的方法从迭代地执行图8A的方法的步骤开始(框875)。将对象的速度确定为距离随时间的变化(框880)。
虽然已经参考本发明的优选实施方式具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。具体地，图1A、图1B或图1C的TOI LiDAR系统100可以被实现为光纤、体光纤、集成光子电路或本领域已知的光学光子器件的任何组合。

Claims (30)

1.一种高速干扰时间光检测和测距系统，用于基于时频域反射测量从所述干扰时间光检测和测距系统到对象的距离，其特征在于，所述干扰时间光检测和测距系统包括：
相干光源；
调制控制器，所述调制控制器连接至所述相干光源并且被配置为生成和控制脉冲波长控制信号的脉冲宽度，所述脉冲波长控制信号传输至所述相干光源用于调制所述相干光源以生成脉冲波长调制相干光发射，并且所述调制控制器包括瞬态发生器，所述瞬态发生器用于生成正瞬态电压尖峰和负瞬态电压尖峰，并且控制所述瞬态调制信号以合并所述正瞬态电压尖峰和所述负瞬态电压尖峰，以便允许用于在所述正瞬态电压尖峰和所述负瞬态电压尖峰之间进行电压振铃和稳定的时间；
干扰仪，所述干扰仪与所述相干光源相连接以用于接收所述脉冲波长调制相干光发射并且被配置为将所述脉冲波长调制相干光发射分成样品部分和参考部分，其中，所述脉冲波长调制相干光发射的所述样本部分被布置成照射在待测对象上，并且所述脉冲波长调制相干光发射的所述参考部分被布置成提供用于确定从所述干扰时间光检测和测距系统到所述对象的所述距离的基础；
扫描仪，所述扫描仪包括渐变折射率光纤棒，所述渐变折射率光纤棒具有工程化的表面，所述工程化的表面具有用于发射的低数值孔径和用于接收的高数值孔径，所述工程化的表面连接至所述干扰仪以接收所述脉冲波长调制相干光的所述样品部分，其中，所述扫描仪被配置为将所述脉冲波长调制相干光的样本部分物理地传输至所述对象并且利用所述脉冲波长调制相干光来扫描所述对象的表面，并且所述扫描仪被进一步配置为接收所述脉冲波长调制相干光的后向反射部分并且将所述后向反射部分从所述扫描仪转移至所述干扰仪；其中，所述脉冲波长调制相干光的所述后向反射部分与所述脉冲波长调制相干光的所述参考部分耦合以形成光学干扰光信号；
光检测器阵列，所述光检测器阵列被配置为接收所述光学干扰光信号并且将所述光学干扰信号转换成电干扰信号；
信号处理器，所述信号处理器与所述光电检测器阵列通信以接收所述电干扰信号并且转换所述电干扰信号以将所述电干扰信号转换成数字化电干扰信号；以及
计算机系统，所述计算机系统被配置成编程为计算由所述光学干扰信号确定的时间延迟并且基于与所述对象的距离生成所显示的成像范围。
2.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，具有所述瞬态发生器的所述调制控制器被配置为通过控制所述相干光源的驱动电流、调整窄带宽光源的温度或者调整从光源发出的光的相位来调制所述相干光源，其中，所述瞬态发生器包括电感器、电容器以及被配置为生成所述正瞬态电压尖峰和所述负瞬态电压尖峰的电阻。
3.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述干扰仪包括：
第一耦合器，所述第一耦合器被配置为从所述相干光源接收所述脉冲波长调制相干光，并且被配置为将所述脉冲波长调制相干光分成所述脉冲波长调制相干光的第一部分和所述脉冲波长调制相干光的第二部分；
环行器，所述环行器被连接至所述第一耦合器以接收所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分，并且所述环行器被配置为使得所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分进入所述环行器的第一端口并且从所述后续端口离开，以将所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分引导至所述扫描仪；
样本臂，所述样本臂连接至所述第一耦合器以接收所述脉冲波长调制相干光的所述第一部分并且将所述脉冲波长调制相干光的所述第一部分传输至所述扫描仪；
参考臂，所述参考臂连接至所述第一耦合器以接收所述脉冲波长调制相干光的所述第二部分；以及
第二耦合器，所述第二耦合器被配置为接收所述脉冲波长调制相干光的所述后向反射部分，被配置为从所述参考臂接收所述脉冲波长调制相干光的所述第二部分，并且被配置为将所述脉冲波长调制相干光的所述后向反射部分和所述脉冲波长调制相干光的所述第二部分耦合以形成光学干扰光信号。
4.根据权利要求3所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述干扰仪还包括：
偏振控制器，所述偏振控制器被配置为接收所述脉冲波长调制相干光发射，将所述脉冲波长调制相干光发射传输至所述第一耦合器，并且被配置为调整来自所述光源的所述相干光发射的偏振状态并且使所述光学干扰信号或所述干扰电信号的振幅最大化。
5.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述光电检测器阵列被配置作为偏振分集平衡放大检测器并且包括测量到所述光电检测器阵列的输入功率电平的至少一个功率监视器，其中，所述功率监视器输出提供具有与所述对象的距离相关联的时间延迟的调制功率电平。
6.根据权利要求3所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述参考臂的长度大于所述样本臂的长度，并且所述参考臂的光路长度大于所述系统的最大测距深度的两倍。
7.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述光学干扰信号的最大频率对应于所述系统的最小测距深度。
8.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述信号处理器被配置为确定数字化电干扰信号的包络。
9.根据权利要求8所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述信号处理器被配置为测量所述数字化电干扰信号在所述数字化电干扰信号的所述包络的下降沿处的时间延迟。
10.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，还包括扫描控制器，所述扫描控制器被配置为创建生成扫描同步信号的扫描图案并且被配置为将所述扫描同步信号应用于所述扫描仪以生成实现对描述所述对象的测量信息的收集的扫描图案。
11.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述干扰时间光检测和测距系统被实现为光纤、体光纤、集成光子电路或光学光子器件的任何组合。
12.根据权利要求2所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述渐变折射率光纤棒具有形成在所述渐变折射率光纤棒的远端的工程化的表面，以提供所述渐变折射率光纤棒和工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自所述对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的较高数值孔径。
13.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述渐变折射率光纤棒形成有单独的透镜，所述单独的透镜与所述渐变折射率光纤棒接触，以提供所述渐变折射率光纤棒和工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自所述对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的较高数值孔径。
14.根据权利要求1所述的干扰时间光检测和测距系统，其特征在于，所述瞬态发生器改变所述瞬态光源调制器的有效电感值以生成用于显著减小激光驱动器的响应时间并且因此克服任何速度限制的尖峰瞬态。
15.一种用于确定对象距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：
生成相干光束；
用波长调制信号调制所述相干光束；
将所述相干光束的第一部分耦合至样本臂；
将所述相干光束的第二部分耦合至参考臂；
生成用于控制所述相干光束的正瞬态电压尖峰和负瞬态电压尖峰；
将所述相干光束的所述第一部分通过具有工程化的表面的渐变折射率光纤棒的低数值孔径部分扫描在与波长调制相干光束的源的距离待测对象处；
通过具有工程化的表面的渐变折射率光纤棒的高数值孔径，从待测对象反射回波长调制相干光束的第一部分的一部分；
从待测对象接收所述波长调制相干光束的后向反射部分；
将所述相干光束的所述后向反射部分与所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光学干扰相干光信号；
对所述光学干扰波长调制相干光信号进行光检测以形成振荡电干扰信号；
将所述振荡电干扰信号数字化；
检测数字化电干扰信号的包络以确定所述数字化电干扰信号的包络；
确定所述数字化电干扰信号的所述包络的上升沿或下降沿的时间；
确定所述数字化电干扰信号的所包络的上升沿或下降沿之间的时间差；以及
计算距所述待测对象的距离。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过迭代地执行根据权利要求15所述的步骤来确定所述对象的多普勒速度；以及
计算所述对象的多普勒速度作为距离随时间的变化。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
调整所述相干光束的偏振状态以使所述光学干扰信号或干扰电信号的振幅最大化。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述干扰电信号的最大频率对应于到所述对象的测量距离的最小测距深度，并且所述干扰电信号的最大频率大于将所述干扰电信号数字化的步骤的奈奎斯特采样频率。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述干扰电信号的最小频率对应于到所述对象的测量距离的最大测距深度。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括使用光纤、体光纤、集成光子电路或光学光子器件的任何组合来实现所述方法的步骤。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供具有工程化的渐变折射率透镜的所述渐变折射率光纤棒；
实现具有工程化的表面的所述渐变折射率光纤棒，以提供所述渐变折射率光纤棒和所述工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自所述对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的较高数值孔径。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
实现所述渐变折射率纤维棒；以及
提供单独的透镜与所述渐变折射率光纤棒接触，以提供所述渐变折射率光纤棒和所述工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自所述对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的较高数值孔径。
23.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供被配置为改变瞬态光源调制器的有效电感值的瞬态发生器以生成用于显著减小激光驱动器的响应时间并且因此克服任何速度限制的尖峰瞬态。
24.一种用于确定对象距离的装置，其特征在于，包括：
用于生成相干光束的装置；
用于利用瞬态波长调制信号来调制所述相干光束以调整所述相干光束的振幅的装置；
用于将所述相干光束的第一部分耦合至样本光纤线缆的装置；
用于将所述相干光束的第二部分耦合至参考臂的装置；
用于生成用于控制所述相干光束的正瞬态电压尖峰和负瞬态电压尖峰的装置；
用于扫描具有低数值孔径的所述相干光束的所述第一部分通过具有工程化的表面的渐变折射率光纤棒的装置，在与调制相干光束的源的距离待测的对象处进行扫描；
通过具有工程化的表面的渐变折射率光纤棒的高数值孔径从待测对象反射回所述相干光束的所述第一部分的一部分的装置；
用于从所述待测对象接收所述相干光束的具有高数值孔径的后向反射部分的装置；
用于将所述相干光束的所述后向反射部分与所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光学干扰相干光信号的装置；
用于对所述光学干扰相干光信号进行光检测以形成振荡电干扰信号的装置；
用于将所述振荡电干扰信号数字化的装置；
用于检测所述数字化电干扰信号的包络以确定所述数字化电干扰信号的包络的装置；
用于确定所述数字化电干扰信号的所述包络的上升沿和下降沿的时间的装置；
用于确定所述数字化电干扰信号的所包络的上升沿或下降沿之间的时间差的装置；以及
用于计算距所述待测对象的距离的装置。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括：
用于通过迭代地激活根据权利要求24所述的用于确定所述对象的距离的装置来确定所述对象的速度的装置；以及
用于将所述对象的速度计算为所述对象的距离随时间的变化的装置。
26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括：
用于调整所述相干光束的偏振状态以使所述光学干扰信号或干扰电信号的幅度最大化的装置。
27.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述干扰电信号的最大频率对应于测量到所述对象的距离的最小测距深度并且大于用于将所述干扰电信号数字化的装置的奈奎斯特采样频率。
28.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括：
用于提供以下的装置：
用于工程化所述渐变折射率光纤棒的表面以提供所述渐变折射率光纤棒和工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自所述对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的高数值孔径的装置。
29.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括：
用于实现所述渐变折射率纤维棒的装置；以及
用于提供单独的透镜以与所述渐变折射率光纤棒接触以提供所述渐变折射率光纤棒和工程化的渐变折射率透镜对于远距离照明所需的低数值孔径以及接收来自对象的后向反射的脉冲波长调制相干光所需的较高数值孔径的装置。
30.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括：
提供被配置为改变所述瞬态光源调制器的有效电感值的瞬态发生器以生成用于显著减小激光驱动器的响应时间并且因此克服任何速度限制的尖峰瞬态的装置。
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