CN118355287A - 具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，激光雷达系统包括被配置为发射光脉冲的光源，其中每个发射的光脉冲包括多个不同光谱特征中的光谱特征。该激光雷达系统还包括被配置为检测接收的光脉冲的接收器，该接收的光脉冲包括来自由距激光雷达系统一定距离的目标散射的发射的光脉冲之一的光。发射的光脉冲包括光谱特征之一。该接收器包括：检测器，其被配置为产生与接收的光脉冲相对应的光电流信号；频率检测电路，其被配置为基于光电流信号确定接收的光脉冲的光谱特征；以及脉冲检测电路，其被配置为基于光电流信号确定接收的光脉冲的到达时间。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年10月8日提交的美国临时专利申请No.63/253,720的权益，该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及激光雷达系统。
背景技术
光检测和测距(激光雷达)是一种可用于测量到远程目标的距离的技术。通常，激光雷达系统包括光源和光接收器。光源可以包括例如发射具有特定工作波长的光的激光器。激光雷达系统的工作波长可位于例如电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分。光源朝向散射光的目标发射光，并且一些散射光在接收器处被接收回。该系统基于与接收的光相关联的一个或多个特性来确定到目标的距离。例如，激光雷达系统可以基于由光源发射的光脉冲行进到目标并返回激光雷达系统的飞行时间来确定到目标的距离。
附图说明
图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统。
图2示出由激光雷达系统产生的示例扫描图案。
图3示出具有示例旋转多面镜的示例激光雷达系统。
图4示出用于激光雷达系统的示例光源视场(FOVL)和接收器视场(FOVR)。
图5示出包括多个像素和多条扫描线的示例单向扫描图案。
图6示出包括具有脉冲检测电路和频率检测电路的接收器的示例激光雷达系统。
图7示出包括种子激光二极管和半导体光放大器(SOA)的示例光源。
图8示出包括具有锥形光波导的半导体光放大器(SOA)的示例光源。
图9示出包括种子激光器、半导体光放大器(SOA)和光纤放大器的示例光源。
图10示出示例光纤放大器。
图11-12各自示出示例种子电流和示例SOA电流。
图13示出发射的光脉冲的示例时域和频域曲线图以及对应的光电流和电压信号的示例时域曲线图。
图14示出发射的光脉冲的示例时域和频域曲线图。
图15示出接收的光脉冲的示例时域和频域曲线图以及对应的光电流和电压信号的示例时域曲线图。
图16-17各自示出示例光电流信号。
图18示出包括具有多个比较器和TDC的脉冲检测电路的示例接收器。
图19示出包括脉冲检测电路和频率检测电路的示例接收器。
图20示出电压信号的示例时域和频域曲线图。
图21示出包括具有模数转换器(ADC)的脉冲检测电路的示例接收器。
图22示出包括具有导数电路和过零电路的频率检测电路的示例接收器。
图23示出电压信号和对应的导数信号的示例曲线图。
图24示出发射由目标散射的光脉冲的示例激光雷达系统。
图25示出用于确定从激光雷达系统到目标的距离的示例方法。
图26示出示例计算机系统。
具体实施方式
图1示出示例光检测和测距(激光雷达)系统100。激光雷达系统100可以被称为激光测距系统、激光雷达系统、LIDAR系统、激光雷达传感器或激光检测和测距(LADAR或激光雷达)系统。激光雷达系统100可包括光源110、反射镜115、扫描器120、接收器140或控制器150(其可被称为处理器)。光源110可包括例如激光器，该激光器发射具有在电磁波谱的红外线、可见光或紫外线部分中的特定工作波长的光。作为示例，光源110可以包括具有在约900纳米(nm)和2000nm之间的一个或多个工作波长的激光器。光源110发射输出光束125，该输出光束可以是以任何合适的方式脉冲化或调制以用于给定应用的连续波(CW)。输出光束125顺发射方向引导到远程目标130。作为示例，远程目标130可以位于距激光雷达系统100约1m到1km的距离D处。
一旦输出光束125到达顺发射方向的目标130，目标可以散射或反射来自输出光束125的至少一部分光，并且一些散射或反射的光可以朝向激光雷达系统100返回。在图1的示例中，散射或反射的光由输入光束135表示，该输入光束穿过扫描器120并由反射镜115反射并被引导到接收器140。来自输出光束125的光的相对较小部分可返回至激光雷达系统100作为输入光束135。作为示例，输入光束135的平均功率、峰值功率或脉冲能量与输出光束125的平均功率、峰值功率或脉冲能量之比可以约为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9、10-10、10-11或10-12。作为另一示例，如果输出光束125的光脉冲具有1微焦(μJ)的脉冲能量，则输入光束135的对应脉冲的脉冲能量可以具有约10纳焦(nJ)、1nJ、100皮焦(pJ)、10pJ、1pJ、100飞焦(fJ)、10fJ、1fJ、100阿焦(aJ)、10aJ、1aJ或0.1aJ的脉冲能量。
输出光束125可包括或可被称为光信号、输出光信号、发射的光信号、输出光、发射的光脉冲、激光束、光束、光学束、发射光束、发送的光束、发射光或光束。输入光束135可包括或可被称为接收的光信号、接收的光脉冲、输入光脉冲、输入光信号、返回光束、接收光束、接收的光束、返回光、接收光、输入光、散射光或反射光。如本文所使用的，散射光可以指被目标130散射或反射的光。作为示例，输入光束135可以包括：来自输出光束125的被目标130散射的光；来自输出光束125的被目标130反射的光；或来自目标130的散射光和反射光的组合。
接收器140可接收或检测来自输入光束135的光子并产生一个或多个代表性电信号。例如，接收器140可以产生代表输入光束135的输出电信号145，并且电信号145可以被发送到控制器150。接收器140或控制器150可以包括处理器、计算机系统、ASIC、FPGA或其它合适的计算电路。控制器150可以被配置为分析来自接收器140的电信号145的一个或多个特性以确定目标130的一个或多个特性，诸如其距激光雷达系统100顺发射方向的距离。这可以例如通过分析发送的光束125或接收的光束135的飞行时间或频率或相位完成。如果激光雷达系统100测量飞行时间T(例如，T可表示发射的光脉冲从激光雷达系统100行进到目标130并返回激光雷达系统100的往返飞行时间)，则从目标130到激光雷达系统100的距离D可以表达为D＝c·T/2，其中c是光速(约3.0×108m/s)。作为示例，如果飞行时间被测量为T＝300ns，则从目标130到激光雷达系统100的距离可被确定为约D＝45.0m。作为另一示例，如果飞行时间被测量为T＝1.33μs，则从目标130到激光雷达系统100的距离可被确定为约D＝199.5m。从激光雷达系统100到目标130的距离D可被称为目标130的距离、深度或范围。如本文所使用的，光速c是指在任何合适介质中(诸如例如在空气、水或真空中)的光速。例如，真空中的光速约为2.9979×108m/s，并且空气(其具有约1.0003的折射率)中的光速约为2.9970×108m/s。
光源110可包括脉冲或CW激光器。作为示例，光源110可以是被配置为产生或发射具有约10皮秒(ps)至100纳秒(ns)的脉冲持续时间或脉冲宽度的光脉冲的脉冲激光器。脉冲可以具有约100ps、200ps、400ps、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns的脉冲持续时间或任何其它合适的脉冲持续时间。作为另一示例，光源110可以是产生具有约1-5ns的脉冲持续时间的光脉冲的脉冲激光器。作为另一示例，光源110可以是以约100kHz到10MHz的脉冲重复频率或约100ns到10μs的脉冲周期(例如，连续光脉冲之间的时间)产生光脉冲的脉冲激光器。脉冲周期τ可以通过表达式τ＝1/PRF与脉冲重复频率(PRF)相关。例如，1.33μs的脉冲周期对应于大约752kHz的PRF。光源110可具有基本上恒定的脉冲重复频率，或者光源110可具有可变或可调节的脉冲重复频率。作为示例，光源110可以是以与约1.56μs的脉冲周期相对应的约640kHz(例如，每秒640,000个脉冲)的基本上恒定的脉冲重复频率产生脉冲的脉冲激光器。作为另一示例，光源110可以具有可以从约200kHz到3MHz变化的脉冲重复频率(其可以被称为重复率)。如本文所使用的，光脉冲可被称为光学脉冲、光脉冲或脉冲。
光源110可包括产生具有任何合适平均光功率的自由空间输出光束125的脉冲或CW激光器。作为示例，输出光束125可以具有约1毫瓦(mW)、10mW、100mW、1瓦(W)、10W的平均功率，或任何其它合适的平均功率。输出光束125可包括具有任何合适的脉冲能量或峰值光功率的光脉冲。作为示例，输出光束125可以包括具有约0.01μJ、0.1μJ、0.5μJ、1μJ、2μJ、10μJ或100μJ的脉冲能量或任何其它合适的脉冲能量的脉冲。作为另一示例，输出光束125可以包括具有约10W、100W、1kW、5kW、10kW的峰值功率或任何其它合适的峰值功率的脉冲。光脉冲的峰值功率(Ppeak)可以通过表达式E＝Ppeak·Δt与脉冲能量(E)相关，其中Δt是脉冲的持续时间，并且脉冲的持续时间可以被定义为脉冲的半高全宽持续时间。例如，具有1ns的持续时间和1μJ的脉冲能量的光脉冲具有约1kW的峰值功率。输出光束125的平均功率(Pav)可以通过表达式Pav＝PRF·E与脉冲重复频率(PRF)和脉冲能量相关。例如，如果脉冲重复频率是500kHz，则具有1μJ脉冲的输出光束125的平均功率约为0.5W。
光源110可以包括激光二极管，诸如例如法布里-珀罗激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、量子点激光二极管、光栅耦合面发射激光器(GCSEL)、板条耦合光波导激光器(SCOWL)、单横模激光二极管、多模大面积激光二极管、激光二极管棒、激光二极管堆栈或锥形条纹激光二极管。作为示例，光源110可以包括铝镓砷(AlGaAs)激光二极管、铟镓砷(InGaAs)激光二极管、铟镓砷磷(InGaAsP)激光二极管或包括铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或任何其它合适材料的任何合适组合的激光二极管。光源110可以包括具有在1200nm和1600nm之间的峰值发射波长的脉冲或CW激光二极管。作为示例，光源110可以包括以约1550nm的波长产生光脉冲的电流调制的InGaAsP DFB激光二极管。作为另一示例，光源110可以包括发射波长在1500nm和1510nm之间的光的激光二极管。
光源110可以包括脉冲或CW激光二极管，其后是一个或多个光放大级。例如，种子激光二极管可以产生种子光信号，并且光放大器可以放大种子光信号以产生由光源110发射的放大光信号。光放大器可以包括光纤放大器或半导体光放大器(SOA)。例如，脉冲激光二极管可以产生由光纤放大器放大的相对低功率的光种子脉冲。作为另一示例，光源110可以包括光纤激光器模块，该光纤激光器模块包括具有约为1550nm的工作波长的电流调制激光二极管，其后是放大来自激光二极管的种子脉冲的单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)或铒镱共掺光纤放大器(EYDFA)。作为另一示例，光源110可以包括连续波(CW)或准CW激光二极管，其后是外部光调制器(例如，电光幅度调制器)。光调制器可以调制来自激光二极管的CW光以产生发送到光纤放大器或SOA的光脉冲。作为另一示例，光源110可以包括脉冲或CW种子激光二极管，其后是半导体光放大器(SOA)。SOA可以包括有源光波导，该有源光波导被配置为接收来自种子激光二极管的光并在光通过波导传播时放大光。SOA的光学增益可以由提供给SOA的脉冲或直流(DC)电流提供。SOA可以集成在与种子激光二极管相同的芯片上，或者SOA可以是一个单独的设备，在其输入端面或输出端面上具有抗反射涂层。作为另一示例，光源110可以包括种子激光二极管，其后是SOA，而SOA进而是光纤放大器。例如，种子激光二极管可以产生被SOA放大的相对低功率的种子脉冲，并且光纤放大器可以进一步放大光脉冲。
光源110可以包括直接发射器激光二极管。直接发射器激光二极管(其可被称为直接发射器)可包括产生随后不被光放大器放大的光的激光二极管。包括直接发射器激光二极管的光源110可以不包括光放大器，并且由直接发射器产生的输出光在被激光二极管发射后可以不被放大。由直接发射器激光二极管产生的光(例如，光脉冲、CW光或频率调制光)可以不经放大而直接作为自由空间输出光束125发射。直接发射器激光二极管可以由向激光二极管提供电流脉冲的电源驱动，并且每个电流脉冲可以导致输出光脉冲的发射。
光源110可以包括二极管泵浦固态(DPSS)激光器。DPSS激光器(其可被称为固态激光器)可指包括由一个或多个泵浦激光二极管泵浦的固态、玻璃、陶瓷或基于晶体的增益介质的激光器。增益介质可以包括掺杂有稀土离子(例如，钕、铒、镱或镨)的主体材料。例如，增益介质可以包括掺杂有钕(Nd)离子的钇铝石榴石(YAG)晶体，并且增益介质可以被称为Nd:YAG晶体。具有Nd:YAG增益介质的DPSS激光器可以产生在约1300nm和约1400nm之间的波长的光，并且Nd:YAG增益介质可以由具有在约730nm和约900nm之间的工作波长的一个或多个泵浦激光二极管泵浦。DPSS激光器可以是包括可饱和吸收体(例如，充当可饱和吸收体的掺钒晶体)的无源Q开关激光器。可替代地，DPSS激光器可以是包括有源Q开关(例如，声光调制器或电光调制器)的有源Q开关激光器。无源或有源Q开关DPSS激光器可以产生形成激光雷达系统100的输出光束125的输出光脉冲。
由光源110发射的输出光束125可以是非偏振的或随机偏振的，可以不具有特定的或固定的偏振(例如，偏振可以随时间推移而变化)，或者可以具有特定的偏振(例如，输出光束125可以是线偏振的、椭圆偏振的或圆偏振的)。作为示例，光源110可以产生不具有特定偏振的光或者可以产生线偏振的光。
激光雷达系统100可以包括一个或多个光学部件，该光学部件被配置为反射、聚焦、过滤、成形、修改、转向或引导激光雷达系统100内的光或由激光雷达系统100产生或接收的光(例如，输出光束125或输入光束135)。作为示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜、反射镜、滤波器(例如，带通或干涉滤波器)、分束器、光学分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如，半波或四分之一波片)、衍射元件、全息元件、隔离器、耦合器、检测器、光束组合器或准直器。激光雷达系统100中的光学部件可以是自由空间光学部件、光纤耦合光学部件、或自由空间和光纤耦合光学部件的组合。
激光雷达系统100可包括望远镜、一个或多个透镜或一个或多个反射镜，它们被配置为将输出光束125或输入光束135扩展、聚焦、准直或转向至所需的光束直径或发散角。作为示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个透镜以将输入光束135聚焦到接收器140的光电检测器上。作为另一示例，激光雷达系统100可以包括一个或多个平面镜或曲面镜(例如，凹面镜、凸面镜或抛物面镜)以转向或聚焦输出光束125或输入光束135。例如，激光雷达系统100可以包括离轴抛物面镜以将输入光束135聚焦到接收器140的光电检测器上。如图1中所示，激光雷达系统100可以包括反射镜115(其可以是金属或电介质反射镜)，并且反射镜115可以被配置为使得光束125穿过反射镜115或者沿反射镜115的边缘或侧面穿过并且输入光束135朝向接收器140反射。作为示例，反射镜115(其可被称为重叠反射镜、叠加反射镜或光束组合反射镜)可包括输出光束125穿过的孔、槽或孔径。作为另一示例，不是穿过反射镜115，而是可以引导输出光束125在输出光束125和反射镜115的边缘之间具有间隙(例如，宽度约为0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm或10mm的间隙)的反射镜115旁边通过。
反射镜115可以使输出光束125和输入光束135基本上同轴，使得这两个光束沿大致相同的光路(尽管方向相反)行进。输入光束和输出光束基本上同轴可以指光束至少部分重叠或共享公共传播轴，使得输入光束135和输出光束125沿基本上相同的光路(尽管方向相反)行进。作为示例，输出光束125和输入光束135可以彼此平行到小于10mrad、5mrad、2mrad、1mrad、0.5mrad或0.1mrad以内。随着输出光束125跨越能视域扫描，输入光束135可以跟随输出光束125，使得保持两个光束之间的同轴关系。
激光雷达系统100可以包括扫描器120，该扫描器120被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125。作为示例，扫描器120可以包括一个或多个扫描镜，该扫描镜被配置为围绕一个或多个旋转轴以角度方式枢转、旋转、摆动或移动。输出光束125可以由扫描镜反射，并且随着扫描镜枢转或旋转，反射的输出光束125可以以相对应的角度方式被扫描。作为示例，扫描镜可以被配置为在30度范围内周期性地前后枢转，这导致输出光束125跨越60度范围来回扫描(例如，扫描镜的Θ度旋转导致输出光束125的2Θ度角扫描)。
扫描镜(其可以被称为扫掠镜)可以附接到扫描器致动器或机构或由其机械驱动，该致动器或机构在特定角度范围内(例如，在5°角度范围、30°角度范围、60°角度范围、120°角度范围、360°角度范围或任何其它合适的角度范围)枢转或旋转反射镜。被配置为枢转或旋转反射镜的扫描器致动器或机构可包括检流计扫描器、共振扫描器、压电致动器、音圈电机、电动机(例如，DC电机、无刷DC电机、同步电机或步进电机)、微机电系统(MEMS)设备或任何其它合适的致动器或机构。作为示例，扫描器120可以包括附接到检流计扫描器的扫描镜，该扫描镜被配置为在1°至30°角度范围内来回枢转。作为另一示例，扫描器120可以包括扫描镜，该扫描镜附接到MEMS设备或者是MEMS设备的一部分，该MEMS设备被配置为在1°至30°的角度范围内进行扫描。作为另一示例，扫描器120可以包括被配置为在相同方向中连续旋转的多面镜(例如，不是来回枢转，多面镜在顺时针或逆时针方向中连续旋转360度)。多面镜可以耦合或附接到同步电机，该同步电机被配置为以基本上固定的旋转频率(例如，约1Hz、10Hz、50Hz、100Hz、500Hz或1000Hz的旋转频率)旋转多面镜。
扫描器120可以被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125(其可以包括由光源110发射的光的至少一部分)。激光雷达系统100的能视域(FOR)可以指激光雷达系统100可以被配置为扫描或捕获距离信息的面积、区域或角度范围。作为示例，具有带有30度扫描范围的输出光束125的激光雷达系统100可被称为具有30度角能视域。作为另一示例，具有在30度范围内旋转的扫描镜的激光雷达系统100可以产生跨越60度范围(例如，60度FOR)扫描的输出光束125。激光雷达系统100可具有约10°、20°、40°、60°、120°、360°的FOR或任何其它合适的FOR。
扫描器120可被配置为水平和竖直地扫描输出光束125，并且激光雷达系统100可具有沿水平方向的特定FOR和沿竖直方向的另一特定FOR。作为示例，激光雷达系统100可以具有10°到120°的水平FOR和2°到45°的竖直FOR。扫描器120可以包括第一扫描镜和第二扫描镜，其中第一扫描镜将输出光束125朝向第二扫描镜引导，并且第二扫描镜将输出光束125朝向激光雷达系统100的顺发射方向引导。作为示例，第一扫描镜可以沿第一方向扫描输出光束125，而第二扫描镜可以沿与第一方向不同的第二方向(例如，第一方向和第二方向可以彼此近似正交，或者第二方向可以相对于第一方向以任何合适的非零角度定向)扫描输出光束125。作为另一示例，第一扫描镜可以沿基本上水平的方向扫描输出光束125，并且第二扫描镜可以沿基本上竖直的方向扫描输出光束125(反之亦然)。作为另一示例，第一和第二扫描镜可以各自由检流计扫描器驱动。作为另一示例，第一或第二扫描镜可以包括由电动机驱动的多面镜。扫描器120可被称为光束扫描器、光学扫描器或激光扫描器。
一个或多个扫描镜可通信地耦合到控制器150，该控制器150可控制扫描镜以便在顺发射方向或沿所需扫描图案的所需方向中引导输出光束125。扫描图案可以指输出光束125被引导所沿的图案或路径。作为示例，扫描器120可以包括两个扫描镜，该扫描镜被配置为跨越60°水平FOR和20°竖直FOR扫描输出光束125。可以控制两个扫描镜遵循基本上覆盖60°×20°FOR的扫描路径。作为示例，扫描路径可导致具有基本上覆盖60°×20°FOR的像素的点云。像素可以大致均匀地跨越60°×20°FOR分布。可替代地，像素可具有特定的非均匀分布(例如，像素可跨越60°×20°FOR的全部或一部分分布，并且像素可在60°×20°FOR的一个或多个特定区域中具有更高密度)。
激光雷达系统100可以包括具有固态扫描设备的扫描器120。固态扫描设备可以指扫描输出光束125而不使用移动部件(例如，不使用机械扫描器，诸如旋转或枢转的反射镜)的扫描器120。例如，固态扫描器120可以包括以下中的一种或多种：光学相控阵扫描设备；液晶扫描设备；或液体透镜扫描设备。固态扫描器120可以是沿一个轴(例如，水平)或沿两个轴(例如，水平和垂直)扫描输出光束125的电寻址设备。扫描器120可以包括固态扫描器和机械扫描器。例如，扫描器120可以包括被配置为在一个方向中扫描输出光束125的光学相控阵扫描器和在近似正交方向中扫描输出光束125的检流计扫描器。光学相控阵扫描器可以在跨越能视域的水平方向中相对快速地扫描输出光束(例如，以每秒50到1,000条扫描线的扫描速率)，并且检流计可以以1-30Hz的速率枢转反射镜以垂直扫描输出光束125。
激光雷达系统100可以包括被配置为发射光脉冲的光源110和被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描发射的光脉冲的至少一部分的扫描器120。发射的光脉冲中的一个或多个可以被位于激光雷达系统100顺发射方向的目标130散射，并且接收器140可以检测由目标130散射的光脉冲的至少一部分。接收器140可以包括或可以被称为光接收器、光学接收器、光学传感器、检测器、光电检测器或光学检测器。激光雷达系统100可包括接收器140，该接收器140接收或检测输入光束135的至少一部分并产生与输入光束135相对应的电信号。作为示例，如果输入光束135包括光脉冲，则接收器140可以产生与由接收器140检测到的光脉冲相对应的电流或电压脉冲。作为另一示例，接收器140可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)。作为另一示例，接收器140可以包括一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构，其中PN首字母缩写词是指具有p掺杂和n掺杂区域的结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型和n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构，其中PIN首字母缩写词是指具有p掺杂、本征和n掺杂区域的结构)。APD、SPAD、PN光电二极管或PIN光电二极管可各自称为检测器、光电检测器或光电二极管。检测器可以接收包括光脉冲的输入光束135，并且检测器可以产生与接收的光脉冲相对应的电流脉冲。检测器可具有活性区域或雪崩倍增区域，其包括硅、锗、InGaAs、砷化铟铝(InAlAs)、InAsSb(砷化铟锑)、AlAsSb(砷化铝锑)、AlInAsSb(铝砷化锑化铟)或硅锗(SiGe)。活性区域可以指检测器可以接收或检测输入光的区域。活性区域可以具有任何合适的大小或直径，诸如例如约10μm、25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm的直径。
接收器140可以包括执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模数转换、时间到数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升边缘检测或下降边缘检测的电子电路。作为示例，接收器140可以包括将光电流(例如，APD响应于接收的光脉冲而产生的电流脉冲)转换为电压信号的跨阻放大器。电压信号可以被发送到脉冲检测电路，该脉冲检测电路产生模拟或数字输出信号145，该信号对应于接收的光脉冲的一个或多个光特性(例如，上升边缘、下降边缘、幅度、持续时间或能量)。作为示例，脉冲检测电路可以执行时间到数字的转换以产生数字输出信号145。电输出信号145可以被发送到控制器150进行处理或分析(例如，以确定与接收的光脉冲相对应的飞行时间值)。
控制器150(其可包括或可被称为处理器、FPGA、ASIC、计算机或计算系统)可位于激光雷达系统100内或激光雷达系统100外部。可替代地，控制器150的一个或多个部分可以位于激光雷达系统100内，并且控制器150的一个或多个其它部分可以位于激光雷达系统100外部。控制器150的一个或多个部分可以位于激光雷达系统100的接收器140内，并且控制器150的一个或多个其它部分可以位于激光雷达系统100的其它部分中。例如，接收器140可以包括被配置为处理来自接收器140的输出电信号的FPGA或ASIC，并且处理的信号可以被发送到位于激光雷达系统100内或激光雷达系统100外部的其它地方的另一计算系统。控制器150可以包括任何合适的布置或逻辑电路、模拟电路或数字电路的组合。
控制器150可以电耦合或通信地耦合到光源110、扫描器120或接收器140。作为示例，控制器150可以接收来自光源110的电触发脉冲或边缘，其中每个脉冲或边缘对应于光源110的光脉冲的发射。作为另一示例，控制器150可以向光源110提供指示光源110应该何时产生光脉冲的指令、控制信号或触发信号。控制器150可以发送包括电脉冲的电触发信号，其中每个电脉冲导致光源110的光脉冲的发射。由光源110产生的光脉冲的频率、周期、持续时间、脉冲能量、峰值功率、平均功率或波长可以基于由控制器150提供的指令、控制信号或触发脉冲进行调节。控制器150可以耦合到光源110和接收器140，并且控制器150可以基于与光源110发射脉冲时的时间和接收器140检测或接收到脉冲的一部分(例如，输入光束135)时的时间相关联的定时信息来确定光脉冲的飞行时间值。控制器150可以包括执行信号放大、采样、滤波、信号调节、模数转换、时间到数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升边缘检测或下降边缘检测的电路。
激光雷达系统100可以包括一个或多个处理器(例如，控制器150)，该处理器被配置为至少部分地基于发射的光脉冲从激光雷达系统100行进到目标130并返回激光雷达系统100的往返飞行时间来确定从激光雷达系统100到目标130的距离D。目标130可以至少部分地包含在激光雷达系统100的能视域内并且位于距激光雷达系统100小于或等于激光雷达系统100的操作范围(ROP)的距离D处。激光雷达系统100的操作范围(其可被称为操作距离)可指激光雷达系统100被配置为感测或识别位于激光雷达系统100的能视域中的目标130的距离。激光雷达系统100的操作范围可以是任何合适的距离，诸如例如25m、50m、100m、200m、250m、500m或1km。作为示例，具有200m操作范围的激光雷达系统100可以被配置为感测或识别距离激光雷达系统100最远200m的各种目标130。
激光雷达系统100可用于确定到一个或多个顺发射方向的目标130的距离。通过跨越能视域扫描激光雷达系统100，该系统可用于将距离映射到能视域内的许多点。这些深度映射点中的每一个都可以被称为像素或体素。连续捕获的像素集合(可被称为深度图、点云或帧)可被渲染为图像或可被分析以识别或检测对象或确定在FOR内的对象的形状或距离。作为示例，点云可以覆盖水平延伸60°并且竖直延伸15°的能视域，并且点云可以包括水平方向中100-2000像素×竖直方向中4-400像素的帧。
激光雷达系统100可以被配置为以约0.1帧每秒(FPS)和约1000FPS之间的任何合适的帧速率重复捕获或生成能视域的点云。作为示例，激光雷达系统100可以以约0.1FPS、0.5FPS、1FPS、2FPS、5FPS、10FPS、20FPS、100FPS、500FPS或1000FPS的帧速率生成点云。作为另一示例，激光雷达系统100可以被配置为以5×105脉冲/秒的速率产生光脉冲(例如，系统可以确定每秒500,000个像素距离)并且扫描1000×50个像素的帧(例如，50,000像素/帧)，这对应于10帧每秒的点云帧速率(例如，每秒10个点云)。点云帧速率可以基本上固定，或者点云帧速率可以动态地可调节。作为示例，激光雷达系统100可以以特定帧速率(例如，1Hz)捕获一个或多个点云，并且然后切换以不同的帧速率(例如，10Hz)捕获一个或多个点云。较慢的帧速率(例如，1Hz)可用于捕获一个或多个高分辨率点云，并且较快的帧速率(例如，10Hz)可用于快速捕获多个较低分辨率的点云。
激光雷达系统100可以被配置为感测、识别或确定到能视域内的一个或多个目标130的距离。作为示例，激光雷达系统100可以确定到目标130的距离，其中目标130的全部或部分包含在激光雷达系统100的能视域内。目标130的全部或部分包含在激光雷达系统100的FOR内可以指FOR重叠、包围或封闭目标130的至少一部分。目标130可以包括相对于激光雷达系统100移动或静止的对象的全部或部分。作为示例，目标130可以包括人、车辆、摩托车、卡车、火车、自行车、轮椅、行人、动物、道路标志、交通灯、车道标记、路面标记、停车位、塔架、护栏、交通障碍、坑洼、铁路道口、道路内或附近的障碍物、路缘石、道路上或旁边的停车车辆、电线杆、房屋、建筑物、垃圾桶、邮箱、树、任何其它合适的对象的全部或部分，或两个或更多个对象的全部或部分的任何适当组合。目标可以被称为对象。
激光雷达系统100可包括一起封装在单个壳体内的光源110、扫描器120和接收器140，其中壳体可指容纳或包含激光雷达系统100的全部或部分的盒子、壳子或外壳。作为示例，激光雷达系统外壳可包含激光雷达系统100的光源110、反射镜115、扫描器120和接收器140。此外，激光雷达系统外壳可包括控制器150。激光雷达系统外壳还可以包括一个或多个电连接，用于向外壳或从外壳传送电力功率或电信号。激光雷达系统100的一个或多个部件可远离激光雷达系统外壳定位。作为示例，光源110的全部或部分可以远离激光雷达系统外壳定位，并且由光源110产生的光脉冲可以经由光纤传送到外壳。作为另一示例，控制器150的全部或部分可以远离激光雷达系统外壳定位。
光源110可以包括眼睛安全激光器，或者激光雷达系统100可以被归类为眼睛安全激光系统或激光产品。眼睛安全激光器、激光系统或激光产品可以指如下系统，该系统包括具有发射波长、平均功率、峰值功率、峰值强度、脉冲能量、光束大小、光束发散角、曝光时间或扫描输出光束的激光器，使得从系统发射的光对人的眼睛造成伤害的可能性很小或没有。作为示例，光源110或激光雷达系统100可被归类为在所有正常使用条件下都安全的1类激光产品(如国际电工委员会(IEC)的60825-1：2014标准所规定)或I类激光产品(如美国联邦法规(CFR)第21篇第1040.10节所规定)。激光雷达系统100可以是被配置为以约900nm和约2100nm之间的任何合适波长操作的眼睛安全激光产品(例如，具有1类或I类分类)。作为示例，激光雷达系统100可以包括具有在约1200nm和约1400nm之间或在约1400nm和约1600nm之间的工作波长的激光器，并且激光器或激光雷达系统100可以以眼睛安全的方式操作。作为另一示例，激光雷达系统100可以是眼睛安全的激光产品，其包括具有在约900nm和约1700nm之间的工作波长的扫描激光器。作为另一示例，激光雷达系统100可以是1类或I类激光产品，其包括具有在约1200nm和约1600nm之间的工作波长的激光二极管、光纤激光器或固态激光器。作为另一示例，激光雷达系统100可以具有约1500nm和约1510nm之间的工作波长。
一个或多个激光雷达系统100可以集成到车辆中。作为示例，卡车可包括具有指向卡车前部的60度到180度的水平FOR的单个激光雷达系统100。作为另一示例，多个激光雷达系统100可以集成到汽车中以提供围绕汽车的完整的360度水平FOR。作为另一示例，每个系统具有45度到180度的水平FOR的2-10个激光雷达系统100可以组合在一起以形成提供覆盖360度水平FOR的点云的感测系统。激光雷达系统100可以被定向为使得相邻的FOR具有一定量的空间或角度重叠，以允许来自多个激光雷达系统100的数据组合或拼合在一起以形成单个或连续的360度点云。作为示例，每个激光雷达系统100的FOR可以与相邻FOR具有约1-30度的重叠。车辆可以指被配置为运送人员或货物的移动机器。例如，车辆可包括用于工作、通勤、跑腿或运送人员的汽车。作为另一示例，车辆可包括用于将商品运送到商店、仓库或住所的卡车。车辆可包括如下，可采取如下形式，或可被称为如下：小汽车、汽车、机动车辆、卡车、公共汽车、货车、拖车、越野车、农用车辆、割草机、建筑设备、叉车、机器人、高尔夫球车、房车、出租车、摩托车、踏板车、自行车、滑板、火车、雪地摩托、船只(例如轮船或小船)、飞机(例如固定翼飞机、直升机或飞船)、无人驾驶飞行器(例如无人机)或航天器。车辆可包括为车辆提供推进力的内燃机或电动机。
一个或多个激光雷达系统100可以被包括在车辆中作为高级驾驶员辅助系统(ADAS)的一部分以帮助车辆的驾驶员操作车辆。例如，激光雷达系统100可以是ADAS的一部分，其向驾驶员提供信息(例如关于周围环境)或反馈(例如，提醒驾驶员注意潜在的问题或危险)或自动控制车辆的一部分(例如，制动系统或转向系统)以避免碰撞或事故。激光雷达系统100可以是车辆ADAS的一部分，其提供自适应巡航控制、自动制动、自动停车、碰撞避让，提醒驾驶员注意危险或其它车辆，将车辆保持在正确的车道上，或在对象或另一车辆位于盲点时提供警告。
一个或多个激光雷达系统100可以集成到车辆中作为自主车辆驾驶系统的一部分。作为示例，激光雷达系统100可以向自主车辆的驾驶系统提供关于周围环境的信息。自主车辆驾驶系统可以被配置为引导自主车辆穿过车辆周围的环境并朝向目的地。自主车辆驾驶系统可以包括一个或多个计算系统，该计算系统从激光雷达系统100接收关于周围环境的信息，分析接收到的信息，并向车辆的驾驶系统(例如，转向机构、加速器、制动器、灯或转向信号)提供控制信号。作为示例，集成到自主车辆中的激光雷达系统100可以每0.1秒向自主车辆驾驶系统提供点云(例如，点云具有10Hz的更新速率，表示每秒10帧)。自主车辆驾驶系统可以分析接收到的点云以感测或识别目标130及其相应的位置、距离或速度，并且自主车辆驾驶系统可以基于该信息更新控制信号。作为示例，如果激光雷达系统100检测到正在减速或停车的前方车辆，则自主车辆驾驶系统可以发送指令以释放加速器并应用制动器。
自主车辆可被称为自主汽车、无人驾驶汽车、自动驾驶汽车、机器人汽车或无人驾驶车辆。自主车辆可以指被配置为感测其环境并在很少或没有人工输入的情况下导航或驾驶的车辆。作为示例，自主车辆可以被配置为驾驶到任何合适的位置并在整个行程中控制或执行所有安全关键功能(例如，驾驶、转向、制动、停车)，而驾驶员不希望随时控制车辆。作为另一示例，自主车辆可以允许驾驶员安全地将他们的注意力从特定环境中(例如高速公路上)的驾驶任务上转移开，或者自主车辆可以在除少数环境之外的所有环境中提供对车辆的控制，只需要很少或没有驾驶员的输入或注意力。
自主车辆可以被配置为在车辆中有驾驶员的情况下驾驶，或者自主车辆可以被配置为在没有驾驶员的情况下操作车辆。作为示例，自主车辆可包括带有相关控制设备(例如，方向盘、加速踏板和制动踏板)的驾驶员座椅，并且车辆可被配置为驾驶时无人坐在驾驶员座椅上或者很少或没有来自坐在驾驶员座椅上的人的输入。作为另一示例，自主车辆可能不包括任何驾驶员座椅或相关联的驾驶员控制设备，并且车辆可以在没有人工输入的情况下执行几乎所有的驾驶功能(例如，驾驶、转向、制动、停车和导航)。作为另一示例，自主车辆可以被配置为在没有驾驶员的情况下操作(例如，车辆可以被配置为在车辆中没有驾驶员的情况下运送人类乘客或货物)。作为另一示例，自主车辆可以被配置为在没有任何人类乘客的情况下操作(例如，车辆可以被配置为在没有任何人类乘客在车辆上的情况下运送货物)。
光信号(其可被称为光信号、光波形、光学波形、输出光束、发射的光信号、或发射光)可包括光脉冲、CW光、幅度调制光、频率调制(FM)光或其任何合适的组合。尽管本公开描述或示出产生包括光脉冲的光信号的激光雷达系统100或光源110的示例实施例，但是在适当的情况下，本文描述或示出的实施例也可以应用于其它类型的光信号，包括连续波(CW)光、幅度调制光信号或频率调制光信号。例如，如本文描述或示出的激光雷达系统100可以是脉冲激光雷达系统并可以包括产生光脉冲的光源110。到远程目标130的距离可以基于光脉冲行进到目标130并返回的往返飞行时间来确定。可替代地，激光雷达系统100可以被配置为作为频率调制连续波(FMCW)激光雷达系统操作并且可以包括产生频率调制光信号的光源110。例如，图1或图3中的输出光束125可包括FM光。此外，光源还可以产生频率调制的本地振荡器(LO)光。FMCW激光雷达系统可以使用频率调制光来基于相对于LO光的频率的接收光(其包括由远程目标散射的发射光)的频率来确定到远程目标130的距离。发射光行进到目标130并返回激光雷达系统的往返时间可以对应于接收的散射光和LO光之间的频率差。较大的频率差可对应于较长的往返时间和到目标130的较大距离。接收的散射光和LO光之间的频率差可以被称为拍频。
用于FMCW激光雷达系统的光源110可以包括(i)直接发射器激光二极管，(ii)种子激光二极管，其后是SOA，(iii)种子激光二极管，其后是光纤放大器，或(iv)种子激光二极管，其后是SOA，并且然后是光纤放大器。种子激光二极管或直接发射器激光二极管可以以CW方式操作(例如，通过用基本上恒定的DC电流驱动激光二极管)，并且频率调制可以由外部调制器提供(例如，电光相位调制器可将频率调制施加到种子激光器光)。可替代地，可以通过将电流调制施加到种子激光二极管或直接发射器激光二极管来产生频率调制。电流调制(其可与DC偏置电流一起提供)可在激光二极管中产生对应的折射率调制，其导致由激光二极管发射的光的频率调制。电流调制分量(和对应的频率调制)可以具有任何合适的频率或形状(例如，分段线性、正弦、三角波或锯齿)。例如，电流调制分量(以及所得的发射光的频率调制)可以在特定时间间隔内单调增加或减少。作为另一示例，电流调制分量可以包括具有在特定时间间隔内线性增加或减少的电流的三角波或锯齿波，并且由激光二极管发射的光可以包括对应的频率调制，其中光学频率在特定时间间隔内近似线性地增加或减少。例如，在2μs时间间隔内以200MHz的线性频率变化发射光的光源110可以被称为具有1014Hz/s(或100MHz/μs)的频率调制m。
除了产生频率调制的发射光之外，光源110还可以产生频率调制的本地振荡器(LO)光。LO光可以与发射光相干，并且LO光的频率调制可以与发射光的频率调制相匹配。LO光可以通过在发射光离开激光雷达系统之前分离出发射光的一部分来产生。可替代地，LO光可以由作为光源110的一部分的种子激光二极管或直接发射器激光二极管产生。例如，LO光可以从种子激光二极管或直接发射器激光二极管的背面发射，或者LO光可以从种子激光二极管的正面发射的种子光中分离出。接收的光(例如，被目标130散射的发射光)和LO光可以各自以与到目标130的距离相对应的频率差或偏移进行频率调制。对于线性啁啾光源(例如，产生频率随时间的线性变化的频率调制)，接收的光和LO光之间的频率差越大，目标130的位置越远。
接收的光和LO光之间的频率差可以通过将接收的光与LO光混合(例如，通过将两个光束耦合到检测器上使得它们在检测器处相干地混合在一起)并确定所得的拍频来确定。例如，由APD产生的光电流信号可以包括由接收的光和LO光的相干混合产生的拍频信号，并且拍频信号的频率可以对应于接收的光和LO光之间的频率差。可以分析来自APD的光电流信号(或与光电流信号相对应的电压信号)以确定拍频信号的频率。如果将线性频率调制m(例如，以Hz/s为单位)应用于CW激光器，则往返时间T可以通过表达T＝ΔF/m与接收的散射光和LO光之间的频率差ΔF相关。另外，从目标130到激光雷达系统100的距离D可以表达为D＝(ΔF/m)·c/2，其中c是光速。例如，对于具有1014Hz/s的线性频率调制的光源110，如果测量到33MHz的频率差(接收的散射光和LO光之间)，则这对应于约330ns的往返时间和约50米的到目标的距离。作为另一示例，133MHz的频率差对应于约1.33μs的往返时间以及约200米的到目标的距离。FMCW激光雷达系统的接收器或处理器可以确定接收的散射光和LO光之间的频率差，并且可以基于该频率差来确定到目标的距离。接收的散射光和LO光之间的频率差ΔF对应于往返时间T(例如，通过关系T＝ΔF/m)，并且确定频率差可以对应于或可以被称为确定往返时间。
图2示出由激光雷达系统100产生的示例扫描图案200。激光雷达系统100的扫描器120可以沿着包含在激光雷达系统100的能视域(FOR)内的扫描图案200扫描输出光束125(其可以包括多个发射的光信号)。扫描图案200(其可以被称为光学扫描图案、光学扫描路径、扫描路径或扫描)可以表示随着输出光束125跨越FOR的全部或部分扫描而由输出光束125遵循的路径或路线。由输出光束125对扫描图案200的每次遍历可对应于单个帧或单个点云的捕获。扫描图案200可以跨越具有任何合适的水平FOR(FORH)和任何合适的竖直FOR(FORV)的任何合适能视域(FOR)扫描。例如，扫描图案200可以具有由40°×30°、90°×40°或120°×20°的角度尺寸(例如，FORH×FORV)表示的能视域。作为另一示例，扫描图案200可具有大于或等于10°、25°、30°、40°、60°、90°或120°的FORH。作为另一示例，扫描图案200可以具有大于或等于2°、5°、10°、15°、20°、30°或45°的FORV。
在图2的示例中，参考线220表示扫描图案200的能视域的中心。参考线220可以具有任何合适的定向，诸如例如0°的水平角(例如，参考线220可以是直线向前定向)和0°的竖直角(例如，参考线220可以具有0°的倾角)，或者参考线220可以具有非零水平角或非零倾角(例如，+10°或-10°的竖直角)。在图2中，如果扫描图案200具有60°×15°的能视域，则扫描图案200覆盖相对于参考线220的±30°水平范围和相对于参考线220的±7.5°竖直范围。此外，图2中的光束125相对于参考线220具有约-15°水平和+3°竖直的定向。光束125可以被称为相对于参考线220具有-15°的方位角和+3°的仰角。方位角(其可被称为方位角度)可表示相对于参考线220的水平角，并且仰角(其可被称为仰角角度、倾斜角或倾斜角度)可表示相对于参考线220的竖直角度。
扫描图案200可以包括多个像素210，并且每个像素210可以与一个或多个光脉冲或一个或多个距离测量相关联。此外，扫描图案200可以包括多条扫描线230，其中每条扫描线表示跨越能视域的至少一部分的一次扫描，并且每条扫描线230可以包括多个像素210。在图2中，如从激光雷达系统100观看的，扫描线230包括五个像素210并且对应于从右到左跨越FOR的近似水平扫描。扫描图案200的完整周期或遍历可以包括总共Px×Py像素210(例如，Px乘Py像素的二维分布)。作为示例，扫描图案200可以包括具有沿水平方向约100-2,000个像素210和沿竖直方向约4-400个像素210的尺寸的分布。作为另一示例，扫描图案200可以包括沿水平方向的1,000个像素210乘以沿竖直方向的64个像素210的分布(例如，帧大小为1000×64像素)，其中扫描图案200的每个周期总共64,000个像素。
像素210可以指包括(i)距离信息(例如，从激光雷达系统100到相关联的光脉冲从其散射的目标130的距离)或(ii)与像素相关联的倾斜角度和方位角度(例如，沿其发射相关联的光脉冲的倾斜角度和方位角度)的数据元素。每个像素210可以与距离(例如，到相关联的光脉冲从其散射的目标130的一部分的距离)或一个或多个角度值相关联。作为示例，像素210可以与距离值和表示像素210相对于激光雷达系统100的角位置的两个角度值(例如，方位角和仰角)相关联。到目标130的一部分的距离可以至少部分地基于对应脉冲的飞行时间测量来确定。角度值(例如，方位角或仰角)可以对应于输出光束125(例如，相对于参考线220)的角度(例如，当对应的脉冲从激光雷达系统100发射时)或输入光束135的角度(例如，当激光雷达系统100接收到输入信号时)。可以至少部分地基于扫描器120的部件的位置来确定角度值。作为示例，与像素210相关联的方位角或仰角值可以从扫描器120的一个或多个对应扫描镜的角位置来确定。
图3示出具有示例旋转多面镜301的示例激光雷达系统100。扫描器120可包括被配置为沿第一方向扫描输出光束125的多面镜301和被配置为沿与第一方向不同的第二方向(例如，第一方向和第二方向可以彼此近似正交，或者第二方向可以相对于第一方向以任何合适的非零角度定向)扫描输出光束125的扫描反射镜302。在图3的示例中，扫描器120包括两个扫描镜：(1)沿Θx方向旋转的多面镜301和(2)沿Θy方向来回摆动的扫描镜302。来自光源110的输出光束125(其在反射镜115旁边通过)由扫描镜302的反射表面320反射，并且然后由多面镜301的反射表面(例如，表面320A、320B、320C或320D)反射。来自目标130的散射光作为输入光束135返回到激光雷达系统100。输入光束135从多面镜301、扫描镜302和反射镜115反射，该反射镜115将输入光束135引导通过聚焦透镜330并到达接收器140的检测器340。检测器340可以是PN光电二极管、PIN光电二极管、APD、SPAD或任何其它合适的检测器。反射表面320(其可被称为反射性表面)可包括反射性金属涂层(例如，金、银或铝)或反射性电介质涂层，并且反射表面320可具有在光源110的工作波长处的任何合适的反射率R(例如，R可以大于或等于70％、80％、90％、95％、98％或99％)。
多面镜301可被配置为分别沿Θx或Θy方向旋转并沿基本上水平或竖直方向扫描输出光束125。沿Θx方向的旋转可以指导致输出光束125沿基本上水平方向扫描的反射镜301的旋转运动。类似地，沿Θy方向的旋转可指导致输出束125沿基本上竖直方向扫描的旋转运动。在图3中，反射镜301是沿Θx方向旋转并沿基本上水平方向扫描输出光束125的多面镜，并且反射镜302沿Θy方向枢转并沿基本上竖直方向扫描输出光束125。多面镜301可以被配置为沿任何合适的方向扫描输出光束125。作为示例，多面镜301可以相对于水平或竖直方向以任何合适的角度，诸如例如以相对于水平或竖直方向约0°、10°、20°、30°、45°、60°、70°、80°或90°的角度，来扫描输出光束125。
多面镜301可以指在其侧面或面的两个或多个上具有反射性表面320的多边对象。作为示例，多面镜可以包括任何合适数量的反射性面(例如，2、3、4、5、6、7、8或10个面)，其中每个面包括反射性表面320。多面镜301可具有任何合适多边形的横截面形状，诸如例如三角形(具有三个反射表面320)、正方形(具有四个反射表面320)、五边形(具有五个反射表面320)、六边形(具有六个反射表面320)、七边形(具有七个反射表面320)或八边形(具有八个反射表面320)。在图3中，多面镜301具有大致正方形的横截面形状和四个反射表面(320A、320B、320C和320D)。图3中的多面镜301可以被称为方形镜、立方镜或四面多面镜。在图3中，多面镜301可以具有类似于立方体、长方体或直角棱镜的形状。此外，多面镜301可具有总共六个侧面，其中四个侧面包括具有反射性表面(320A、320B、320C和320D)的面。
多面镜301可围绕多面镜301的旋转轴沿顺时针或逆时针旋转方向连续旋转。旋转轴可以对应于垂直于多面镜301的旋转平面并穿过多面镜301的质心的线。在图3中，多面镜301在图的平面中旋转，并且多面镜301的旋转轴垂直于图的平面。电动机可以被配置为以基本上固定的频率(例如，约1Hz(或1转/秒)、10Hz、50Hz、100Hz、500Hz或1000Hz的旋转频率)旋转多面镜301。作为示例，多面镜301可以机械地耦合到电动机(例如，同步电动机)，该电动机被配置为以约160Hz(或9600转/分钟(RPM))的转速旋转多面镜301。
在图3中，随着多面镜301旋转，输出光束125可以从反射性表面320A、320B、320C和320D顺序地反射。这导致沿着特定扫描轴(例如，水平或垂直扫描轴)扫描输出光束125以产生一系列扫描线，其中每条扫描线对应于输出光束125从多面镜301的反射性表面之一的反射。在图3中，输出光束125从反射性表面320A反射离开以产生一条扫描线。然后，随着多面镜301旋转，输出光束125从反射性表面320B、320C和320D反射离开，以产生第二、第三和第四相应的扫描线。激光雷达系统100可以被配置使得输出光束125首先从多面镜301反射，然后从扫描镜302反射(反之亦然)。作为示例，来自光源110的输出光束125可以首先被引导到多面镜301，在此被多面镜301的反射性表面反射，然后输出光束125可以被引导到扫描镜302，在此被扫描镜302的反射性表面320反射。在图3的示例中，输出光束125以相反的顺序从多面镜301和扫描镜302反射。在图3中，来自光源110的输出光束125首先被引导到扫描镜302，在此由反射性表面320反射，然后输出光束125被引导到多面镜301，在此被反射性表面320A反射。
图4示出激光雷达系统100的示例光源视场(FOVL)和接收器视场(FOVR)。激光雷达系统100的光源110可以随着FOVL和FOVR由扫描器120跨越能视域(FOR)扫描而发射光脉冲。光源视场可以指在特定时刻由光源110照射的角锥。类似地，接收器视场可以指接收器140可在特定时刻在其上接收或检测光的角锥，并且接收器视场外的任何光可以不被接收或检测到。作为示例，随着跨越能视域扫描光源视场，由光源110发射的光脉冲的一部分可以从激光雷达系统100顺发射方向发送，并且光脉冲可以在发射脉冲时FOVL指向的方向中被发送。光脉冲可以散射离开目标130，并且接收器140可以接收并检测沿着FOVR或包含在FOVR内的散射光的一部分。
扫描器120可以被配置为跨越激光雷达系统100的能视域扫描光源视场和接收器视场二者。随着扫描器120在描绘出扫描图案200的同时跨越激光雷达系统100的能视域扫描FOVL和FOVR，可以发射和检测多个光脉冲。光源视场和接收器视场可以相对于彼此同步地被扫描，使得随着FOVL跨越扫描图案200被扫描，FOVR以相同的扫描速度遵循基本上相同的路径。此外，FOVL和FOVR可以随着它们跨越能视域被扫描保持彼此相同的相对位置。作为示例，FOVL可以与FOVR基本上重叠或居中于FOVR(如图4中所示)，并且可以在整个扫描中保持FOVL和FOVR之间的该相对定位。作为另一示例，FOVR可在整个扫描中落后于FOVL特定的固定量(例如，FOVR可在与扫描方向相反的方向中偏离FOVL)。
由光源110发射的输出光束125可以是具有任何合适的光束发散角(诸如例如大约0.5至10毫弧度(mrad)的全角光束发散角ΘL)的准直光束。输出光束125的发散角ΘL(其可以被称为输出光束的角度大小)可以对应于随着输出光束125远离光源110或激光雷达系统100行进时光束大小(例如，光束半径或光束直径)增加的角度度量。输出光束125可以具有基本上圆形的横截面，其光束发散角由单个发散角值表征。作为示例，具有圆形横截面和2mrad的全角光束发散角ΘL的输出光束125在距激光雷达系统100一百米的距离处可以具有大约20cm的光束直径或光斑大小。输出光束125可以具有由两个发散角值表征的基本上椭圆形的横截面。作为示例，输出光束125可以具有快轴和慢轴，其中快轴发散角大于慢轴发散角。作为另一示例，输出光束125可以是具有4mrad的快轴发散角和2mrad的慢轴发散角的椭圆光束。
FOVR的角度大小ΘR可以对应于接收器140可以接收和检测光的角度。接收器视场可以是相对于光源视场的任何合适的大小。作为示例，接收器视场可以小于光源视场的角度大小，基本上与光源视场的角度大小相同或大于光源视场的角度大小。光源视场可以具有小于或等于50毫弧度的角度大小，并且接收器视场可以具有小于或等于50毫弧度的角度大小。FOVL可以具有任何合适的角度大小ΘL，诸如例如大约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad或50mrad的角度大小。类似地，FOVR可以具有任何合适的角度大小ΘR，诸如例如大约0.1mrad、0.2mrad、0.5mrad、1mrad、1.5mrad、2mrad、3mrad、5mrad、10mrad、20mrad、40mrad或50mrad的角度大小。光源视场和接收器视场可以具有近似相等的角度大小。作为示例，ΘL和ΘR可以均约等于0.5mrad、1mrad或2mrad。可替代地，接收器视场可以大于光源视场，或者光源视场可以大于接收器视场。作为示例，ΘL可以约等于1mrad，并且ΘR可以约等于2mrad。作为另一示例，ΘR可以是ΘL的大约L倍，其中L是任何合适的因子，诸如例如1.1、1.2、1.5、2、3、5或10。
图5示出包括多个像素210和多条扫描线230的示例单向扫描图案200。扫描图案200可以包括任何合适数量的扫描线230(例如，约1、2、5、10、20、50、100、500或1000条扫描线)，并且扫描图案200的每条扫描线230可以包括任何合适数量的像素210(例如，1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000或5000个像素)。图5中所示的扫描图案200包括八条扫描线230，并且每条扫描线230包括约16个像素210。在两个方向中扫描扫描线230(例如，交替地从右向左并且然后从左向右扫描)的扫描图案200可被称为双向扫描图案200，在相同方向中扫描扫描线230的扫描图案200可被称为单向扫描图案200。图2中的扫描图案200可以被称为双向扫描图案，并且图5中的扫描图案200可被称为单向扫描图案200，其中每条扫描线230在基本上相同的方向中(例如，从激光雷达系统100观看大约从左到右)跨越FOR行进。单向扫描图案200的扫描线230可以在任何合适的方向中跨越FOR引导，诸如例如从左到右、从右到左、从上到下、从下到上，或相对于水平轴或竖直轴以任何合适的角度(例如，以0°、5°、10°、30°或45°角)。单向扫描图案200中的每条扫描线230可以是不直接连接到前一或后一扫描线230的单独线。
单向扫描图案200可由包括多面镜(例如，图3的多面镜301)的扫描器120产生，其中每条扫描线230与多面镜的特定反射性表面320相关联。作为示例，图3中的多面镜301的反射性表面320A可以产生图5中的扫描线230A。类似地，随着多面镜301旋转，反射表面320B、320C和320D可以分别连续地产生扫描线230B、230C和230D。此外，对于多面镜301的随后旋转，扫描线230A'、230B'、230C'和230D'可以分别通过来自反射性表面320A、320B、320C和320D的输出光束125的反射而连续产生。N面多面镜的一圈完整旋转可对应于单向扫描图案200的N条连续扫描线230。作为示例，图5中的四条扫描线230A、230B、230C和230D可以对应于图3中的四面多面镜301的一圈完整旋转。此外，多面镜301的随后旋转可产生图5中接下来的四条扫描线230A'、230B'、230C'和230D'。
图6示出示例激光雷达系统100，其包括具有脉冲检测电路365和频率检测电路600的接收器140。图6中的激光雷达系统100包括光源110、扫描器120、接收器140和控制器150。接收器140包括聚焦透镜330、检测器340、电子放大器350、脉冲检测电路365和频率检测电路600。控制器150可以包括或可以被称为处理器或计算机系统(例如，如本文描述的图26中所示)。如图6中所示并且如本文所述的激光雷达系统100可以被称为具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统。具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100可以包括发射包括光谱特征的光脉冲400的光源110。光谱特征可以由光源110赋予光脉冲400。图6中的光源110发射光脉冲400，其中每个发射的光脉冲可以包括光谱特征。每个发射的光脉冲400可以包括多个不同光谱特征中的一个光谱特征。由光源110产生的多个不同光谱特征可以包括2、4、10、20、50、100，或任何其它合适数量的不同光谱特征，或几乎无限数量的不同光谱特征。包括光谱特征的光脉冲可以被称为光谱编码光脉冲，并且光谱特征可以被称为频率特征或光谱指纹。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100的光源110可以包括产生种子光的种子激光器和放大种子光以产生发射的光脉冲400的光放大器。发射的光脉冲400可以是由扫描器120跨越激光雷达系统100的能视域扫描的输出光束125的部分。由光源110发射的光脉冲400可以具有以下光学特性中的一个或多个：在900nm和2000nm之间的波长；在0.01μJ和100μJ之间的脉冲能量；在80kHz和10MHz之间的脉冲重复频率；以及在0.1ns和100ns之间的脉冲持续时间。例如，光源110可以发射具有大约1550nm的波长、大约每脉冲0.5μJ的脉冲能量、大约750kHz的脉冲重复频率和大约3ns的脉冲持续时间的光脉冲400。作为另一示例，光源110可以发射具有在大约1400nm和大约1600nm之间的波长的光脉冲400。作为另一示例，光源110可以发射具有大于或等于1500nm且小于或等于1510nm的波长的光脉冲400。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可包括扫描器120，该扫描器120跨越激光雷达系统100的能视域扫描输出光束125(其包括发射的光脉冲400)。扫描器120可以从光源110接收输出光束125，并且扫描器120可以包括扫描输出光束125的一个或多个扫掠镜。除了扫描输出光束125之外，扫描器还可以跨越能视域扫描检测器340的FOV，使得输出光束125(其对应于光源FOV)和检测器FOV(其对应于输入光束135)被同步扫描，其中光源FOV和检测器FOV的扫描速度相等。另外，随着光源FOV和检测器FOV跨越能视域被扫描，它们可以具有彼此相同的相对位置(例如，光源FOV和检测器FOV可以完全或部分重叠，并且重叠量在扫描光源FOV和检测器FOV时可以保持大致固定)。可替代地，激光雷达系统100可被配置为使得仅扫描输出光束125，并且检测器可具有不被扫描的静态FOV。在该情况下，输入光束135(其包括接收的光脉冲410)可以绕过扫描器120并且被引导到接收器140而不穿过扫描器120。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以包括接收器140，该接收器140检测接收的光脉冲410。接收的光脉冲410可以包括来自由位于距激光雷达系统100一定距离D的目标130散射的发射的光脉冲400的光。接收器140可以包括将输入光束135(其包括接收的光脉冲410)聚焦到检测器340上的透镜330。响应于接收的光脉冲410，检测器340可以产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号i。接收器140的检测器340可以包括雪崩光电二极管(APD)、PIN光电二极管或任何其它合适类型的检测器。光电流信号i可以被称为光电流、电流信号、电气电流或电流。
接收器140可以包括一个或多个检测器340，并且每个检测器可以被配置为产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号i。图6中的激光雷达系统100包括具有一个检测器340的接收器140，该检测器340接收光脉冲410并产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号i。例如，响应于接收的光脉冲410，检测器340可以产生光电流信号i，该光电流信号i包括与接收的光脉冲410相对应的电流脉冲。作为另一示例，接收器140可以包括检测器阵列，该检测器阵列包括两个或更多个检测器340的一维或二维布置。检测器阵列可以包括两个检测器340的1×2一维阵列、四个检测器340的1×4一维阵列、96个检测器340的8×12二维阵列，或任何其它合适的检测器340的1×n一维阵列或检测器340的m×n二维阵列(其中m和n各自是大于或等于2的整数)。接收的光脉冲410可以入射到检测器阵列的两个或更多个检测器上，并且两个或更多个检测器中的每一个检测器可以产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号i。
产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号i的检测器340可以指响应于接收或检测光脉冲410而产生电流脉冲的检测器340。另外，彼此对应的光电流信号i(其包括电流脉冲)和光脉冲410可以指具有相似脉冲特性(例如，相似的上升时间、下降时间、形状或持续时间)的电流脉冲和光脉冲410。例如，电流脉冲可以具有大约等于或稍微大于光脉冲410的上升时间、下降时间或持续时间的上升时间、下降时间或持续时间(例如，光脉冲410的上升时间、下降时间或持续时间的1倍和2倍之间的上升时间、下降时间或持续时间)。由于检测器340或检测器电路的有限电带宽，电流脉冲可以具有稍长的上升时间、下降时间或持续时间。作为另一示例，光脉冲410可以具有1ns的上升时间和4ns的持续时间，并且由检测器340产生的对应的电流脉冲可以具有1.2ns的上升时间和5ns的持续时间。
由接收器140的检测器340产生的光电流信号i可以被发送到电子放大器350。图6中的放大器350可以接收来自检测器340的光电流信号i并放大光电流信号以产生与光电流信号i相对应的电压信号360。例如，检测器340可以响应于接收的光脉冲410而产生光电流脉冲，并且电压信号360可以是与电流脉冲相对应的模拟电压脉冲。产生与电流脉冲相对应的电压脉冲的放大器350可以指响应于接收电流脉冲而产生电压脉冲的放大器350。另外，彼此对应的电压脉冲和电流脉冲可以指具有相似的上升时间、下降时间、形状、持续时间或其它相似特性的电压脉冲和电流脉冲。例如，电压脉冲可以具有电流脉冲的上升时间、下降时间或持续时间的1倍和2倍之间的上升时间、下降时间或持续时间。由于放大器350的有限电带宽，电压脉冲可以具有稍长的上升时间、下降时间或持续时间。作为另一示例，电流脉冲可以具有1.2ns的上升时间和5ns的持续时间，并且对应的电压脉冲可以具有1.5ns的上升时间和7ns的持续时间。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以包括频率检测电路600，该频率检测电路600确定接收的光脉冲410的光谱特征。图6中接收的光脉冲410可以包括来自从目标130散射的发射的光脉冲400的光的一部分。发射的光脉冲400可以包括光谱特征，并且由于接收的光脉冲410包括发射的光脉冲410的一部分，因此接收的光脉冲410可以包括与发射的光脉冲400大致相同的光谱特征。接收的光脉冲410的光谱特征可以基于由检测器340产生的对应光电流信号i来确定。光电流信号i可以包括与接收的光脉冲410相对应的电流脉冲，并且由电子放大器350产生的电压信号360可以包括与电流脉冲相对应的电压脉冲。由于电压信号360对应于光电流信号i，因此基于光电流信号i确定光谱特征可以包括从对应的电压信号360确定光谱特征。例如，图6中的频率检测电路600可以从电压信号360确定接收的光脉冲410的光谱特征，其中电压信号360对应于光电流信号i。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以包括脉冲检测电路365，该脉冲检测电路365确定接收的光脉冲410的到达时间。接收的光脉冲410的到达时间可以对应于与接收的光脉冲410的上升边缘、下降边缘、峰值或时间中心相关联的时间。接收的光脉冲410的到达时间可以基于由检测器340产生的对应光电流信号i来确定。光电流信号i可以包括与接收的光脉冲410相对应的电流脉冲，并且电子放大器350可以产生具有与电流脉冲相对应的电压脉冲的电压信号360。脉冲检测电路365可以基于电压脉冲的特性(例如，基于与电压脉冲的上升边缘、下降边缘、峰值或时间中心相关联的时间)来确定接收的光脉冲410的到达时间。由于电压信号360对应于光电流信号i，因此基于光电流信号i确定到达时间可以包括从对应的电压信号360确定到达时间。例如，图6中的脉冲检测电路365可以从电压信号360确定接收的光脉冲410的到达时间，其中电压信号360对应于光电流信号i。
图6中的接收器140检测接收的光脉冲410，并且可以产生与接收的光脉冲410相对应的输出信号(例如，输出信号145a和145b)。例如，图6中的输出信号145a可以是与模拟电压信号360相对应的数字信号，该模拟电压信号360进而对应于光电流信号i，该光电流信号i进而对应于接收的光脉冲410。输出信号145a可以被称为脉冲检测输出信号，并且输出信号145b可以被称为频率检测输出信号。如由脉冲检测电路365确定的接收的光脉冲410的到达时间可以作为输出信号145a发送到控制器150。类似地，如由频率检测电路600确定的接收的光脉冲410的光谱特征可以作为输出信号145b发送到控制器150。输出信号145a和145b可以分别发送至控制器150，或者输出信号145a和145b可以作为一个输出信号(例如，如由图1中的输出信号145示出)发送。图6中的控制器150可以至少部分地基于频率检测输出信号145b来确定接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。控制器150还可以至少部分地基于脉冲检测输出信号145a来确定到目标130的距离。
图6中的接收器140包括单独的脉冲检测电路365和单独的频率检测电路600。在另一实施例中，脉冲检测电路365的全部或部分和频率检测电路600的全部或部分可以组合在一起。例如，脉冲检测电路365和频率检测电路600可以共享至少一些相同的硬件。作为另一示例，脉冲检测电路365和频率检测电路600可以组合在一起成为执行脉冲检测和频率检测两者的单个电路。另外，输出信号145a和145b可以组合在一起成为发送到控制器150的单个输出信号。
频率检测电路600的一部分可以被包括在控制器150中，反之亦然。例如，频率检测电路600可以包括控制器150的一部分，或者控制器150可以包括频率检测电路600的一部分。取决于频率检测电路600和控制器150的配置，由频率检测电路600确定接收的光脉冲410的光谱特征可以指由(i)频率检测电路600，(ii)频率检测电路600和控制器150，或(iii)控制器150确定光谱特征。
脉冲检测电路365的一部分可以被包括在控制器150中，反之亦然。例如，脉冲检测电路365可以包括控制器150的一部分，或者控制器150可以包括脉冲检测电路365的一部分。取决于脉冲检测电路365和控制器150的配置，由脉冲检测电路365确定接收的光脉冲410的到达时间可以指由(i)脉冲检测电路365，(ii)脉冲检测电路365和控制器150，或(iii)控制器150确定到达时间。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以包括处理器(例如，控制器150)，该处理器至少部分地基于接收的光脉冲410的到达时间来确定到目标130的距离。接收的光脉冲410的到达时间可以对应于发射的光脉冲400的至少一部分行进到目标130并返回到激光雷达系统100的往返时间(ΔT)，其中行进返回到目标130的发射的光脉冲400的部分对应于接收的光脉冲410。例如，到目标130的距离D可以从接收的光脉冲410的到达时间以及由表达式D＝c·ΔT/2确定。往返飞行时间可由表达式ΔT＝T2-T1确定，其中T2是接收的光脉冲410的到达时间，并且T1是发射对应的光脉冲400的时间。例如，如果脉冲检测电路365确定光脉冲400的发射和光脉冲410的到达时间之间的时间ΔT是1μs，则控制器150可以确定到目标130的距离约为150m。取决于脉冲检测电路365和控制器150的配置，由控制器150确定到目标130的距离D可以指由(i)脉冲检测电路365，(ii)脉冲检测电路365和控制器150，或(iii)控制器150确定到目标130的距离。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以包括将激光雷达系统的一个或多个部件耦合在一起的一个或多个数据链路425。图6中的每个链路425表示将控制器150耦合到激光雷达系统100的另一部件(例如，光源110、扫描器120、脉冲检测电路365和频率检测电路600)的数据链路。每个数据链路425可包括一个或多个电气链路、一个或多个无线链路，或一个或多个光链路，并且数据链路425可用于向控制器150或从控制器150发送数据、信号或命令。例如，控制器150可以经由链路425向光源110发送命令，指示光源110发射光脉冲400。作为另一示例，脉冲检测电路365可以经由链路425向控制器150发送具有接收的光脉冲410的到达时间信息的输出信号145a。类似地，频率检测电路600可以经由链路425向控制器150发送具有接收的光脉冲410的光谱特征信息的输出信号145b。另外，控制器150可以经由链路(图6中未示出)耦合到自主车辆驾驶系统的处理器。自主车辆处理器可以从控制器150接收点云数据并且可以基于接收的点云数据提供驾驶决策。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以允许确定接收的光脉冲410是否与特定的发射的光脉冲400相关联。例如，基于接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配，接收的光脉冲410可以明确地与发射的光脉冲400相关联。与发射的光脉冲400相关联的接收的光脉冲410可以指包括发射的光脉冲400的一部分的接收的光脉冲410。例如，如果由接收器140检测到的接收的光脉冲410包括来自发射的光脉冲400的散射光的一部分，则接收的光脉冲410和发射的光脉冲400可以被称为彼此相关联。另外，接收的光脉冲410和发射的光脉冲400可以具有匹配的光谱特征。在图6中，接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配可以指示接收的光脉冲410是与来自发射的光脉冲400的光的一部分相关联并包括来自发射的光脉冲400的光的一部分的有效的接收的光脉冲。通过确定接收的光脉冲410和发射的光脉冲400的光谱特征相匹配，可以确定接收的光脉冲410与发射的光脉冲400相关联。在另一种情况下，如果第二接收的光脉冲410的光谱特征与第二发射的光脉冲400的光谱特征不匹配，则这可以指示第二接收的光脉冲410与来自第二发射的光脉冲400的光不相关联或不包括来自第二发射的光脉冲400的光。例如，第二接收的光脉冲410可以包括来自激光雷达系统100外部的另一光源的光，或者第二接收的光脉冲410可包括来自光源110在发射第二光脉冲400之前或之后发射的不同光脉冲的光。如果第二接收的光脉冲410不包括光谱特征(或者光谱特征不能由频率检测电路600测量)，则具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统可以确定第二接收的光脉冲不是由激光雷达系统发射的有效光脉冲。如果第二接收的光脉冲410包括与一组最近发射的光脉冲的光谱特征中的任何一个都不匹配的光谱特征，则激光雷达系统可以确定第二接收的光脉冲不是有效的光脉冲。如果第二接收的光脉冲410包括与不同于第二发射的光脉冲的另一发射的光脉冲相匹配的光谱特征，则激光雷达系统可以确定第二接收的光脉冲与另一发射的光脉冲相关联。
图7示出包括种子激光二极管450和半导体光放大器(SOA)460的示例光源110。具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100的光源110可以包括(i)种子激光器450，其产生种子光440，以及(ii)脉冲光放大器460，其放大种子光440的时间部分以产生发射的光脉冲400，其中种子光的每个放大的时间部分对应于发射的光脉冲400之一。例如，种子激光器450可以产生具有基本上恒定的光功率的种子光440，并且光放大器460可以放大种子光440的3ns时间部分以产生具有大约3ns的持续时间的发射的光脉冲400。在图7的示例中，种子激光器是产生种子光440的种子激光二极管450。种子激光二极管450可以包括Fabry-Perot激光二极管、量子阱激光器、DBR激光器、DFB激光器、VCSEL、量子点激光二极管，或任何其它合适类型的激光二极管。在图7中，脉冲光放大器是半导体光放大器(SOA)460，其发射作为输出光束125的一部分的光脉冲400。SOA 460可以包括半导体光波导，该半导体光波导接收来自种子激光二极管450的种子光440并在种子光440传播通过波导时放大种子光440的时间部分以产生发射的光脉冲400。SOA的光波导可以是锥形的(例如，如图8所示)或者可以是直的非锥形波导。基于发射的光脉冲400包括来自放大的种子光440的时间部分的光子以及在放大时间部分时由光放大器460提供的附加光子，种子光440的放大的时间部分可被称为对应于发射的光脉冲400。SOA 460可以具有20分贝(dB)、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB的光功率增益或任何其它合适的光功率增益。例如，SOA 460可以具有40dB的增益，并且具有20pJ能量的种子光440的时间部分可以被SOA 460放大以产生具有大约0.2μJ能量的光脉冲400。包括提供由SOA 460放大的种子光440的种子激光二极管450的光源110可被称为主振荡器功率放大器激光器(MOPA激光器)或MOPA光源。种子激光二极管450可被称为主振荡器，并且SOA460可被称为功率放大器。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100的光源110可以包括电子驱动器480，其(i)向种子激光器450提供电流并且(ii)向SOA 460提供电流。在图7中，电子驱动器480向种子激光二极管450提供种子电流I1以产生种子光440。提供到种子激光二极管450的种子电流I1可以是基本上恒定的DC电流，使得种子光440包括连续波(CW)光或具有基本上恒定光功率的光。基本上恒定的电流可以指在大约100s、10s或1s的时间间隔内变化小于10％、5％或1％的电流。类似地，具有基本上恒定的光功率的种子光440可以指在大约100s、10s或1s的时间间隔内光功率的变化小于10％、5％或1％的种子光。例如，种子电流I1可包括大约1mA、10mA、100mA、200mA、500mA、1A的基本上恒定的DC电流或任何其它合适的DC电流。另外或可替代地，种子电流I1可以包括电流脉冲，使得种子光440包括由SOA 460放大的种子光脉冲。种子激光器450可以用具有足够长的持续时间的电流脉冲进行脉冲化，使得种子光440的波长在脉冲期间的某个时间稳定或达到基本上恒定的值。例如，电流脉冲的持续时间可以在5ns和100ns之间，并且SOA 460可以被配置为放大种子光440的3ns时间部分以产生发射的光脉冲400。被选择用于放大的种子光440的时间部分可以在时间上定位在电流脉冲的中间或末端附近，以允许种子光的波长有足够的时间稳定。
在图7中，电子驱动器480向SOA 460提供SOA电流I2，并且SOA电流I2向通过SOA 460的波导传播的种子光440的时间部分提供光学增益。SOA电流I2可以包括电流脉冲，其中每个电流脉冲使SOA 460放大种子光440的一个时间部分以产生对应的发射的光脉冲400。SOA电流I2可以具有大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns的持续时间或任何其它合适的持续时间。SOA电流I2可以具有大约1A、2A、5A、10A、20A、50A、100A、200A、500A的峰值幅度或任何其它合适的峰值电流。例如，提供给SOA 460的SOA电流I2可以包括具有大约5-10ns的持续时间和大约100A的峰值电流的一系列电流脉冲。该一系列电流脉冲可导致发射对应系列的光脉冲400，并且每个发射的光脉冲400可具有小于或等于对应电流脉冲的持续时间的持续时间。例如，电子驱动器480可以以700kHz的重复频率向SOA 460提供5ns持续时间的电流脉冲。这可以导致具有大约4ns的持续时间和700kHz的相同脉冲重复频率的发射的光脉冲400。
脉冲光放大器可以指以脉冲模式操作的光放大器，使得由光放大器发射的输出光束125包括光脉冲400。例如，脉冲光放大器可以包括SOA 460，该SOA 460通过向SOA 460提供电流脉冲以脉冲模式操作。种子光440可以包括CW光或具有基本上恒定的光功率的光，并且提供给SOA 460的每个电流脉冲可以放大种子光的时间部分以产生发射的光脉冲400。作为另一示例，脉冲光放大器可以包括光放大器以及光调制器。光调制器可以是以脉冲模式操作的任何合适的光调制器(例如声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)或电吸收调制器(EAM))，使得调制器选择性地传输光脉冲。SOA 460也可以以与光调制器同步的脉冲模式操作以放大种子光的时间部分，或者可以向SOA460提供基本上DC电流以作为CW光放大器操作。光调制器可以位于种子激光二极管450和SOA 460之间，并且光调制器可以以脉冲模式操作以传输种子光440的时间部分，该时间部分然后被SOA 460放大。可替代地，光调制器可以位于SOA 460之后，并且光调制器可以以脉冲模式操作以传输发射的光脉冲400。
图7中所示的种子激光二极管450包括正面452和背面451。种子光440从正面452发射并被引导至SOA 460的输入端461。种子光440可以作为自由空间光束发射，并且光源110可包括一个或多个透镜(图10中未示出)，该透镜准直从正面452发射的种子光440或将种子光440聚焦到SOA 460中。可替代地，种子激光二极管450和SOA 460可以集成在一起，使得种子光440直接从种子激光二极管450耦合到SOA 460。种子激光二极管450的正面452或背面451可包括由半导体-空气界面形成的离散面(例如，通过切割或抛光半导体结构以形成种子激光二极管450而形成的表面)。另外，正面452或背面451可包括介电涂层，其提供约50％至约99.9％之间的反射率(在种子激光器工作波长处)。例如，背面451在种子激光的波长处可以具有90％至99.9％的反射率。
图8示出包括具有锥形光波导463的半导体光放大器(SOA)460的示例光源110。SOA460可以包括输入端461、输出端462以及从输入端461延伸到输出端462的光波导463。输入端461可以接收来自种子激光二极管450的种子光440。当种子光440的时间部分沿着波导463从输入端461传播到输出端462时，波导463可以放大种子光440的时间部分。放大的时间部分可以从输出端462作为发射的光脉冲400发射。发射的光脉冲400可以是输出光束125的一部分，并且光源110可以包括透镜490，该透镜490被配置为收集和准直来自输出端462的光脉冲400以产生准直的输出光束125。图8中的种子激光二极管450可以具有大约100μm、200μm、500μm、1mm或任何其它合适长度的二极管长度。SOA 460可以具有大约1mm、2mm、3mm、5mm、10mm、20mm或任何其它合适长度的放大器长度。例如，种子激光二极管450可以具有大约300μm的二极管长度，并且SOA 460可以具有大约4mm的放大器长度。
波导463可以包括至少部分地由SOA 460的半导体材料形成的半导体光波导，并且波导463可以在光传播通过SOA 460时沿横向方向限制光。波导463可以具有沿着SOA的长度基本上固定的波导宽度(例如，输入端461处的宽度近似等于输出端462处的宽度)，或者波导463可以具有锥形宽度(例如，如图8中所示)。例如，波导463可具有大约5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm、500μm的基本上固定的宽度，或任何其它合适的宽度。在图8中，SOA 460具有锥形波导463，其宽度沿着SOA的长度从输入端461到输出端462增加。例如，输入端461处的锥形波导463的宽度可以大约等于种子激光二极管450的波导的宽度(例如，输入端461处的波导宽度可以大约是1μm、2μm、5μm、10μm或50μm)。在SOA 460的输出端462处，锥形波导463可以具有大约50μm、100μm、200μm、500μm、1mm的宽度或任何其它合适的宽度。作为另一示例，锥形波导463的宽度可以从输入端461处的大约20μm的宽度近似线性地增加到输出端462处的大约250μm的宽度。
SOA 460的输入端461或输出端462可以是由半导体-空气界面形成的离散面。此外，输入端461或输出端462可包括介电涂层(例如，用于降低输入端461或输出端462的反射率的抗反射涂层)。抗反射(AR)涂层在种子激光器工作波长处可以具有在小于5％、2％、0.5％、0.1％或任何其它合适的反射率值的反射率。在图7中，输入端461可以具有减少由输入端461反射的种子光440的量的AR涂层。在图7或图8中，输出端462可以具有减少由输出端462反射的放大种子光的量的AR涂层。施加到输入端461或输出端462的AR涂层也可以通过在不存在种子光440时发射相干光来防止SOA 460充当激光器。
光源110可以包括种子激光二极管450和SOA 460，该种子激光二极管450和SOA460被集成在一起并且设置在单个芯片或衬底上或之中。例如，种子激光二极管450和SOA460可以各自单独制造，并且然后附接到相同的衬底(例如，使用环氧树脂、粘合剂或焊料)。衬底可以是导电的或导热的，并且衬底可以具有大约等于种子激光器450和SOA 460的热膨胀系数(CTE)的CTE。作为另一示例，种子激光二极管450和SOA 460可以一起制造在同一衬底上(例如，使用半导体制造工艺，诸如例如光刻、沉积和蚀刻)。种子激光二极管450和SOA460可以各自包括InGaAs或InGaAsP半导体结构，并且衬底可以包括磷化铟(InP)。InP衬底可以是n掺杂的或p掺杂的，使得它是导电的，并且InP衬底的一部分可以充当种子激光二极管450或SOA 460的阳极或阴极。衬底可以热耦合到(i)散热器，该散热器散发由种子激光二极管450或SOA 460产生的热量，或(ii)温度控制设备(例如，热电冷却器)，其将种子激光二极管450或SOA 460的温度稳定到特定温度设定点或特定温度范围内。在图7的示例中，种子激光器450和SOA 460可以是不设置在单个衬底上的单独设备，并且种子光440可以是自由空间光束。可替代地，在图7的示例中，种子激光器450和SOA 460可以是一起设置在单个衬底上的单独设备。在图8的示例中，种子激光器450和SOA 460可以集成在一起并且设置在单个芯片或衬底上或之中(例如，种子激光器450和SOA 460可以在单一衬底上一起制造)。
在图8中，种子激光二极管450的正面452和SOA 460的输入端461可以在没有半导体-空气界面的情况下耦合在一起，而不是具有由半导体-空气界面形成的离散面。例如，种子激光二极管450可以直接连接到SOA 460，使得种子光440从种子激光二极管450直接耦合到SOA 460的波导463中。正面452可以对接耦合或固定(例如，使用光学透明粘合剂)到输入端461，或者种子激光二极管450和SOA 460可以一起制造，使得没有单独的正面452或输入端461(例如，正面452和输入端461可以合并在一起以形成种子激光二极管450和SOA 460之间的单个界面)。可替代地，种子激光二极管450可以经由无源光波导或经由光调制器耦合到SOA 460，该无源光波导或光调制器将种子光440从种子激光二极管450的正面452传输到SOA 460的输入端461。例如，光调制器可以位于种子激光二极管450和SOA 460之间。光调制器可以包括AOM、EOM或EAM。EOM可以是相位调制器或幅度调制器。例如，光调制器可以包括电光相位调制器，其向由种子激光二极管450产生的种子光440添加相位或频率调制。电光相位调制器可以提供赋予到发射的光脉冲400的光谱特征的至少一部分。
在种子光440的两个连续时间部分之间的时间段期间，SOA 460可以被配置为光学吸收在SOA 460中传播的大部分种子光440。来自种子激光二极管450的种子光440可以耦合到SOA 460的波导463中。取决于提供给SOA 460的SOA电流I2的量，种子光440可以在沿着波导463传播的同时被光学放大或光学吸收。如果SOA电流I2超过克服SOA 460的光学损耗的阈值增益值(例如，100mA)，则种子光440可以通过光子的受激发射被光学放大。否则，如果SOA电流I2小于阈值增益值，则种子光440可以被光学吸收。种子光440的光学吸收过程可以包括种子光440的光子被位于SOA 460的半导体结构中的电子吸收。
SOA电流I2可以包括由与光源110的脉冲周期τ相对应的时间段分隔的电流脉冲，并且每个电流脉冲可以导致光脉冲400的发射。例如，如果SOA电流I2包括具有10ns持续时间的20A电流脉冲，则对于每个电流脉冲，可以放大种子光440的相对应的10ns时间部分，导致光脉冲400的发射。在连续电流脉冲之间的时间段τ期间，SOA电流I2可以设定为近似零或低于阈值增益值的某个其它值，并且在这些时间段期间SOA 460中存在的种子光440可以被光学吸收。当SOA电流I2为零时SOA 460的光学吸收可以大于或等于大约10分贝(dB)、15dB、20dB、25dB或30dB。例如，如果光学吸收大于或等于20dB，则耦合到波导463的输入端461中的小于或等于1％的种子光440可以从输出端462作为不需要的泄漏光发射。使大部分种子光440在SOA 460中被吸收可以防止不需要的种子光440(例如，位于连续光脉冲400之间的种子光440)从SOA 460泄漏并传播通过激光雷达系统100的其余部分。此外，光学吸收不需要的种子光440可以允许种子激光器450以基本上恒定的电流I1或基本上恒定的输出功率操作，使得种子光440的波长稳定且基本上恒定。
SOA 460可以被电配置为具有形成p-n结的p掺杂区域和n掺杂区域的二极管。SOA可以包括将SOA电流I2从电子驱动器480传输到SOA 460的p-n结中或从SOA 460的p-n结传输出的阳极和阴极。阳极可以对应于半导体p-n结的p掺杂侧，并且阴极可以对应于n掺杂侧。例如，SOA 460的阳极可以包括或者可以电耦合到SOA 460的p掺杂区域，并且p掺杂区域可以电耦合到沉积在SOA 460的表面上的导电电极材料(例如，金)。阴极可以包括或可以电耦合到位于SOA 460的相对侧上的n掺杂衬底。可替代地，SOA 460的阳极可以包括或可以电耦合到SOA 460的p掺杂衬底，并且阴极可以包括或可以电耦合到SOA 460的电极和n掺杂区域。阳极和阴极可以电耦合到电子驱动器480，并且驱动器480可以提供正SOA电流I2，该正SOA电流I2从驱动器480流入阳极，通过SOA 460，从阴极流出，并返回到驱动器480。流过SOA460的正SOA电流I2可以对应于SOA的p-n结处于允许电流流动的正向偏置状态。当考虑电流由电子流组成时，则对于正SOA电流，可以将电子视为在相反方向中流动(例如，从驱动器480流入阴极，通过SOA 460，并且从阳极流出，并且返回驱动器480)。
电子驱动器480可以被配置为在两个连续电流脉冲之间的时间段期间将SOA阳极电耦合到SOA阴极。例如，对于两个连续电流脉冲之间的大部分或全部时间段τ，电子驱动器480可以电耦合SOA 460的阳极和阴极。电耦合阳极和阴极可以包括将阳极直接电短路到阴极或通过特定电阻(例如，大约1Ω、10Ω或100Ω)耦合阳极和阴极。可替代地，将阳极和阴极电耦合可以包括向阳极和阴极施加反向偏压(例如，大约-1V、-5V或-10V)，其中反向偏压具有与施加的电流脉冲相关联的正向偏压极性相反的极性。通过将阳极电耦合到阴极，可以增加SOA的光学吸收。例如，当阳极和阴极电耦合时，SOA 460的光学吸收可以增加(与阳极和阴极没有电耦合相比)大约3dB、5dB、10dB、15dB或20dB。当阳极和阴极电耦合时，SOA460的光学吸收可以大于或等于大约20dB、25dB、30dB、35dB或40dB。例如，当SOA电流I2为零并且阳极和阴极没有电耦合时，SOA 460的光学吸收可以是20dB。当阳极和阴极电短路在一起时，光学吸收可增加10dB到30dB的光吸收。如果SOA 460的光学吸收大于或等于30dB，则耦合到波导463的输入端461中的小于或等于0.1％的种子光440可以从输出端462作为不需要的泄漏光发射。
包括种子激光二极管450和SOA 460的光源110可以被电配置为三端子设备。三端子光源可包括(i)共阴极和单独的、电隔离的阳极或(ii)共阳极和单独的、电隔离的阴极。种子激光二极管450可以被电配置为具有p掺杂区域(耦合到种子激光器阳极)和n掺杂区域(耦合到种子激光器阴极)的二极管，其中p掺杂区域和n掺杂区域区域形成p-n结。类似地，SOA 460可以被电配置为具有p掺杂区域(耦合到SOA阳极)和n掺杂区域(耦合到SOA阴极)的二极管，其中p掺杂区域和n掺杂区域形成p-n结。种子激光二极管450和SOA 460可以各自具有阴极和阳极，并且共阴极配置可以指种子激光二极管450和SOA 460的阴极电连接在一起形成连接到电子驱动器480的单个电端子或触点。被配置为三端子共阴极设备的光源110可以包括种子激光器阳极、SOA阳极和共阴极。种子激光器阳极和SOA阳极可以彼此电隔离，并且种子激光器阴极和SOA阴极可以电连接在一起以形成共阴极。可替代地，光源110可被配置为三端子共阳极设备，其包括种子激光器阴极、SOA阴极和共阳极。种子激光器阴极和SOA阴极可以彼此电隔离，并且种子激光器阳极和SOA阳极可以电连接在一起以形成共阳极。
彼此电隔离的两个端子(例如，两个阳极或两个阴极)可以指具有大于它们之间的特定值的电阻的两个端子(例如，两个电隔离的阳极之间的电阻可以大于1kΩ、10kΩ、100kΩ或1MΩ)。电连接的两个端子(例如两个阳极或两个阴极)可以指具有小于它们之间的特定值的电阻的两个端子(例如两个电连接的阴极之间的电阻可以小于1kΩ、100Ω、10Ω或1Ω)。共阳极或共阴极配置可通过经由导电衬底组合或电连接相应的阳极或阴极来提供。例如，种子激光二极管450和SOA 460可以单独制造，并且然后固定到导电衬底，使得它们的阳极或阴极电连接。作为另一示例，衬底可以包括其上生长种子激光二极管450和SOA 460的导电半导体材料。种子激光二极管450和SOA 460可以各自包括生长在InP衬底上的InGaAs或InGaAsP半导体结构。InP衬底可以是n掺杂的，使得其是导电的，并且种子激光二极管450和SOA 460的阴极可以各自电连接到InP衬底，使得InP衬底充当共阴极。可替代地，InP衬底可以是p掺杂的，并且种子激光二极管450和SOA 460的阳极可以各自电连接至充当共阳极的InP衬底。
图7-8中所示以及本文中所述的一个或多个光源110可以被配置为三端子设备(具有共阴极或共阳极)。例如，图8中的光源110可以被配置为三端子共阴极设备，其在电子驱动器480和如下三个电端子或触点中的每一个之间具有单独的电连接：(i)种子激光器阳极，(ii)SOA阳极，以及(iii)共阴极。在三端子共阴极设备中，种子激光器阳极和SOA阳极可以彼此电隔离，并且电子驱动器480可以通过向种子激光器阳极和SOA阳极提供单独的电信号来驱动种子激光二极管450和SOA 460。共阴极可以充当来自种子激光二极管450和SOA460的电流的公共返回路径以组合并返回到电子驱动器480。
包括种子激光二极管450和SOA 460的光源110可以被配置为四端子设备。在四端子光源110中，种子激光器阳极和SOA阳极可以彼此电隔离，并且代替具有共阴极，种子激光器阴极和SOA阴极也可以彼此电隔离。本文描述的一个或多个光源110可被配置为四端子设备。例如，图7和图8中每个图的光源110可以被配置为具有两个电隔离的阳极(种子激光器阳极和SOA阳极)和两个电隔离的阴极(种子激光器阴极和SOA阴极)的四端子设备。四端子光源110可以在电子驱动器480和如下四个电端子或触点中的每一个之间具有单独的电连接：(i)种子激光器阳极，(ii)种子激光器阴极，(iii)SOA阳极，以及(iv)SOA阴极。电子驱动器480可以与SOA460的阳极和阴极分开或独立地驱动种子激光二极管450的阳极和阴极。与三端子光源110相比，被配置为四端子设备的光源可以在种子激光二极管450和SOA 460之间提供改进的电隔离。例如，在四端子光源110中，向SOA 460施加电流脉冲可以导致被耦合到种子激光二极管450的减少量的不需要的串扰电流。
图9示出包括种子激光器450、半导体光放大器(SOA)460和光纤放大器500的示例光源110。除了种子激光器450和脉冲光放大器460之外，光源110还可以包括放大由脉冲光放大器460产生的光脉冲400a的光纤放大器500。在图9中，SOA 460可以放大来自种子激光器450的种子光440的时间部分以产生光脉冲400a，并且光纤放大器500可以进一步放大来自SOA 460的光脉冲400a以产生放大的光脉冲400b。在图9中，由SOA 460产生的光脉冲400a可以被称为初始光脉冲。放大的光脉冲400b(其可以被称为发射的光脉冲)可以是自由空间输出光束125的一部分，该自由空间输出光束125被发送到扫描器120并且跨越激光雷达系统100的能视域进行扫描。种子光440的每个放大的时间部分可以对应于初始光脉冲400a之一，该初始光脉冲400a进而可以对应于发射的光脉冲400b之一。每个初始光脉冲400a可以包括光谱特征，并且对应的发射的光脉冲400b可以包括与初始光脉冲400a基本上相同的光谱特征。例如，当初始光脉冲400a被光纤放大器500放大时，由种子激光器450或SOA 460赋予初始光脉冲400a的光谱特征可以基本上被保留，使得发射的光脉冲400b包括与初始光脉冲400a基本上相同的光谱特征。
SOA 460和光纤放大器500可各自具有10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB的光功率增益或任何其它合适的光功率增益。在图9的示例中，SOA 460可以具有30dB的增益，并且光纤放大器500可以具有20dB的增益，这对应于50dB的总增益。具有5pJ能量的种子光440的时间部分可以被SOA 460放大(具有30dB的增益)以产生具有大约5nJ能量的初始光脉冲400a。光纤放大器500可以将5nJ光脉冲400a放大20dB，以产生具有大约0.5μJ能量的输出光脉冲400b。
图10示出示例光纤放大器500。激光雷达系统100的光源110可以包括光纤放大器500，该光纤放大器500放大由SOA 460产生的光脉冲400a以产生具有放大的光脉冲400b的输出光束125。光纤放大器500可以由产生准直的自由空间输出光束125的透镜(例如，输出准直器570)终止，该准直的自由空间输出光束125可以被引导到扫描器120。光纤放大器500可以包括一个或多个泵浦激光器510、一个或多个泵浦WDM 520、一个或多个光学增益光纤501、一个或多个光学隔离器530、一个或多个光学分束器470、一个或多个检测器550、一个或多个光学滤波器560，或一个或多个输出准直器570。
光纤放大器500可以包括由一个或多个泵浦激光器510光学泵浦(例如，提供能量)的光学增益光纤501。光学泵浦增益光纤501可以向传播通过增益光纤501时的每个输入光脉冲400a提供光学增益。泵浦激光器光可以在与光脉冲400a相同的方向(同向传播)中或在相反方向(反向传播)中行进通过增益光纤501。图10中的光纤放大器500包括在放大器500的输入侧的一个同向传播的泵浦激光器510和在输出侧的一个反向传播的泵浦激光器510。泵浦激光器510可以产生任何合适波长的光以向增益光纤501的增益材料提供光激发(例如，大约808nm、810nm、915nm、940nm、960nm、976nm或980nm的波长)。泵浦激光器510可以作为CW光源操作并且可以产生任何合适量的平均光学泵浦功率，诸如例如大约1W、2W、5W、10W或20W的泵浦功率。来自泵浦激光器510的泵浦激光器光可以经由泵浦波分复用器(WDM)520耦合到增益光纤501中。泵浦WDM 520可以用于组合或分离泵浦光和由增益光纤501放大的光脉冲400a。
增益光纤501的光纤芯可以掺有吸收泵浦激光器光并且在光脉冲400a沿着增益光纤501传播时向光脉冲400a提供光学增益的增益材料。增益材料可以包括稀土离子，诸如例如铒(Er3+)、镱(Yb3+)、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、钬(Ho3+)、铥(Tm3+)、镝(Dy3+)或任何其它合适的稀土元素，或其任何合适的组合。例如，增益光纤501可以包括掺有铒离子或掺有铒和镱离子的组合的纤芯。稀土掺杂剂吸收泵浦激光器光并被“泵浦”或促进进入激发态，该激发态通过光子的受激发射向光脉冲400a提供放大。处于激发态的稀土离子也可以通过自发发射发射光子，导致增益光纤501产生放大的自发发射(ASE)光。
增益光纤501可以包括单包层或多包层光纤，其具有大约6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、20μm、25μm的纤芯直径或任何其它合适的纤芯直径。单包层增益光纤501可以包括由包层材料包围的纤芯，并且泵浦光和光脉冲400a二者可以基本上在增益光纤501的纤芯内传播。多包层增益光纤501可以包括纤芯、围绕纤芯的内包层、以及围绕内包层的一个或多个附加包层。光脉冲400a可以基本上在纤芯内传播，而泵浦光可以基本上在内包层和纤芯内传播。放大器500中的增益光纤501的长度可以是大约0.5m、1m、2m、4m、6m、10m、20m或任何其它合适的增益光纤长度。
光纤放大器500可包括位于放大器500的输入侧或输出侧的一个或多个光学滤波器560。光学滤波器560(其可包括吸收滤波器、二向色滤波器、长通滤波器、短通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、布拉格光栅或光纤布拉格光栅)可以在特定的光学通带上透射光并基本上阻挡通带外的光。图10中的光学滤波器560位于放大器500的输出侧并且可以减少伴随输出光脉冲400b的来自增益光纤501的ASE的量。例如，滤波器560可以透射光脉冲400a的波长(例如，1550nm)处的光，并且可以衰减远离以1550nm为中心的5nm通带的波长处的光。
光纤放大器500可以包括一个或多个光学隔离器530。隔离器530可以减少或衰减反向传播光，这可使种子激光二极管450、SOA 460、泵浦激光器510或增益光纤501不稳定或对其造成损坏。图10中的隔离器530可以允许光在隔离器中以绘制的箭头的方向通过并且阻挡在相反方向中传播的光。反向传播光可以从来自增益光纤501的ASE光、来自泵浦激光器510的反向传播的泵浦光或者来自光纤放大器500的一个或多个光学接口的光反射产生。光学隔离器530可以通过阻挡大部分反向传播光(例如，通过将反向传播光衰减大于或等于5dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB或任何其它合适的衰减值)来防止与反向传播光相关联的不稳定或损坏。
光纤放大器500可以包括一个或多个光学分束器470和一个或多个检测器550。分束器470可以分出一部分光(例如，由分束器470接收到的光的大约0.1％、0.5％、1％、2％或5％)并将分出部分引导到检测器550。在图10中，每个分束器470可以分离并向检测器550发送每个光脉冲(400a或400b)的大约1％。一个或多个检测器550可以用于监视光纤放大器500的性能或健康状况。如果来自检测器550的电信号下降低于特定阈值水平，则控制器150可以确定放大器500存在问题(例如，输入光脉冲400a中光功率可能不足或泵浦激光器510可能故障)。响应于确定放大器500存在问题，控制器150可以关闭或禁用放大器500，关闭或禁用激光雷达系统100，或者发送激光雷达系统100需要维修或修理的通知。
光纤放大器500可以包括输入光纤，该输入光纤被配置为接收来自SOA 460的输入光脉冲400a。输入光纤可以是光纤放大器500的一部分，或者可以耦合或接合到光纤放大器500的部件之一。例如，光脉冲400a可以耦合到光纤中，该光纤与位于放大器500输入端处的隔离器530的输入光纤接合。作为另一示例，来自SOA460的光脉冲400a可以是使用一个或多个透镜耦合到光纤放大器500的输入光纤中的自由空间光束的一部分。作为另一示例，光纤放大器500的输入光纤可以定位在SOA 460的输出端462处或附近，使得光脉冲400a直接从SOA 460耦合到输入光纤中。
光纤放大器500的光学部件可以是自由空间部件、光纤耦合部件或自由空间部件和光纤耦合部件的组合。作为示例，图10中的每个光学部件可以是自由空间光学部件或光纤耦合光学部件。作为另一示例，输入光脉冲400a可以是自由空间光束的一部分，并且位于放大器500的输入侧的隔离器530、分束器470和泵浦WDM 520可以各自是自由空间光学部件。另外，来自输入侧的泵浦激光器510的光可以是自由空间光束，该自由空间光束通过输入侧的泵浦WDM 520与输入光脉冲400a组合，并且组合的泵浦种子光可以形成经由一个或多个透镜耦合到增益光纤501中的自由空间光束。
光源110可以包括(i)包括光学滤波器的无源光波导和(ii)SOA 460，其中无源光波导和SOA460彼此光学耦合。另外，光源110可以包括向SOA 460提供电流脉冲的电子驱动器480，其中每个电流脉冲使SOA产生发射的光脉冲400。无源光波导可以指这样的光波导，其向通过波导传播的光提供光学引导或限制，但不向传播的光提供光学增益并且不产生光。无源光波导可以充当耦合到SOA 460的外部光学腔，并且光学滤波器可以将由SOA产生的光的一部分反射回SOA。光学滤波器可以包括附接到无源光波导或集成到无源光波导中的分立光学滤波器(例如，光学滤波器可以包括沉积到波导的背面上的介电涂层)。另外或可替代地，光学滤波器可以包括分布式光学滤波器，诸如例如分布式布拉格反射器，其包括沿着波导的全部或部分长度变化的折射率。由于无源光波导光学耦合到SOA 460，因此当施加电流脉冲时，无源光波导可以接收由SOA460产生的光的一部分。无源光波导的光学滤波器可以透射接收的光的一部分，并且透射的部分可以通过背面离开波导。另外，光学滤波器可以将接收的光的一部分反射回SOA 460，并且基于光学滤波器的配置，反射的部分可以包括特定波长范围内的光。例如，光学滤波器可以反射特定波长范围内的光并且可以透射特定波长范围之外的光。作为另一示例，由SOA460产生的由无源光波导接收的光的部分可以包括具有从大约1540nm到大约1560nm的光谱的光，并且由光学滤波器反射回SOA460的光的部分可包括约1549nm至约1551nm的光。由提供给SOA 460的电流脉冲产生的发射的光脉冲400的光学特性或光谱特征可以至少部分地取决于(i)电流脉冲的电特性(例如，上升时间、下降时间、幅度或持续时间)以及(ii)无源光波导和光学滤波器的光学特性(例如，波导长度、滤波器反射或透射带宽，或其它滤波器特性)。
包括无源光波导和SOA 460的光源110可以类似于图8中所示的光源110，除了可以使用无源光波导来代替种子激光二极管450。例如，图8中的种子激光二极管450可以用具有分布式光学滤波器的无源光波导来代替，该分布式光学滤波器具有沿着波导的长度周期性地变化的折射率。作为另一示例，图8中的光源110可以被配置为通过将种子电流I1设定为零安培来操作为具有无源光波导和SOA的光源。代替向种子激光二极管450提供非零种子电流I1，可以不向种子激光二极管450提供种子电流，使得种子激光二极管450不产生任何种子光440。在该实施例中，种子激光二极管450可以充当光耦合到SOA 460的无源光波导。此外，种子激光二极管450可以是DFB激光二极管，其包括沿着设备的长度变化的折射率，并且折射率的变化可以提供反射和透射特定波长的光的光学滤波器。为了将种子电流I1设定为零，种子激光二极管450的阳极和阴极可以通过以下方式电耦合在一起：(i)将阳极短路至阴极或通过电阻耦合阳极和阴极或(ii)向阳极和阴极施加反向偏置电压。可替代地，阳极和阴极可以保持开路，使得阳极和阴极之间不存在直接电连接。在另一实施例中，非零电流I1可以被提供到种子激光二极管450。电流I1可以包括基本上恒定的DC电流或者可以包括电流脉冲(例如，具有特定的上升时间、下降时间、幅度或持续时间)，并且电流I1可以被配置为使得种子激光二极管450提供很少光学增益或不提供光学增益，或者产生很少种子光或不产生种子光。由提供给SOA 460的电流脉冲产生的发射的光脉冲400的光谱特征可以至少部分地取决于(i)电流脉冲的电特性(例如，上升时间、下降时间、幅度、或持续时间)以及(ii)种子激光二极管的光学特性(例如，波导长度、滤波器反射或透射带宽，或其它滤波器特性)。另外，如果非零电流I1被提供到种子激光二极管450，则发射的光脉冲400的光谱特征可以取决于电流I1的电特性。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100的光源110可以被配置为发射测试光脉冲400t。除了产生具有发射的光脉冲400的输出光束125之外，光源110还可以产生包括测试光脉冲400t的测试光束402，其中每个测试光脉冲400t与发射的光脉冲400之一相关联。每个测试光脉冲400t可以包括相关联的发射的光脉冲400的一小部分。例如，图7中的测试脉冲400t可以包括来自发射的光脉冲400的大约1％的光(例如，测试脉冲400t可以具有的脉冲能量是发射的光脉冲400的脉冲能量的大约1％)。与发射的光脉冲400相关联的测试脉冲400t可以指包括发射的光脉冲400的一部分的测试脉冲400t。另外，与发射的光脉冲400相关联的测试脉冲400t可以指具有与发射的光脉冲400大致相同的光谱特征的测试脉冲400t。例如，发射的光脉冲400可以包括光谱特征，并且因为相关联的测试光脉冲400t包括发射的光脉冲400的一部分，因此测试脉冲400t可以包括与发射的光脉冲400大致相同的光谱特征。在图7中，测试光束402(其包括测试光脉冲400t)可被引导至接收器140，并且频率检测电路600可确定测试脉冲400t的光谱特征。
光源110可以包括光学分束器470，该光学分束器470将每个发射的光脉冲400的一部分分离出以产生相关联的测试光脉冲400t。图7-9中每个图中的光源110包括光学分束器470，该光学分束器470分离出输出光束125(其包括发射的光脉冲400)的一部分以产生测试光束402(其包括测试光脉冲400t)。光学分束器470可分离出每个发射的光脉冲400的小于约5％的脉冲能量或输出光束125的小于约5％的平均功率。例如，光学分束器470可分离出小于或等于大约0.001％、0.01％、0.1％、1％、5％或任何其它合适百分比的发射的光脉冲400，以产生测试光脉冲400t。作为另一示例，如果发射的光脉冲400具有1μJ的脉冲能量并且分束器分离出0.1％的发射的光脉冲400，则测试光脉冲400t可具有大约1nJ的脉冲能量。光学分束器470可以是自由空间光学分束器、光纤分束器或光波导分束器。例如，图7和图8中每一个图中的光学分束器470可以是自由空间光学分束器，并且图9中的光学分束器470可以是光纤分束器。图9中的分束器470位于光纤放大器500之后。在另一实施例中，图9中的分束器470可以设置在SOA 460和光纤放大器500之间，使得分束器470分离出每个初始光脉冲400a的一部分以产生测试光脉冲400t。可替代地，图9中的分束器470可以位于光纤放大器500内。
图8中的输出光束125可以被引导到扫描器120，并且测试光束402(其包括测试光脉冲400t)可以被引导到接收器140。接收器140可以检测测试光脉冲400t，并且接收器140可以包括频率检测电路600，其确定测试光脉冲400t的光谱特征。频率检测电路600可以基于相关联的测试光脉冲400t的光谱特征来确定每个发射的光脉冲400的光谱特征。由于图8中的测试光脉冲400t可以包括与相关联的发射的光脉冲400t基本上相同的光谱特征，因此发射的光脉冲400t的光谱特征可以通过确定相关联的测试光脉冲400t的光谱特征来确定。
在接收器140检测到测试光脉冲400t之后，接收器可以检测接收的光脉冲410，该接收的光脉冲410包括来自相关联的发射的光脉冲400的散射光。频率检测电路600可以确定接收的光脉冲410的光谱特征，并且控制器150可以确定接收的光脉冲410的光谱特征与测试光脉冲400t的光谱特征相匹配。基于接收的光脉冲410的光谱特征与测试光脉冲400t的光谱特征相匹配，控制器150可以确定接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。由于测试光脉冲400t可以包括与相关联的发射的光脉冲400基本上相同的光谱特征，因此确定接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配可以包括确定接收的光脉冲410的光谱特征和与发射的光脉冲400相关联的测试脉冲400t的光谱特征相匹配。类似地，确定第二接收的光脉冲的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征不匹配可以包括确定第二接收的光脉冲的光谱特征和与发射的光脉冲400相关联的测试脉冲400t的光谱特征不匹配。另外，确定第二接收的光脉冲的光谱特征与第二发射的光脉冲的光谱特征相匹配可以包括确定第二接收的光脉冲的光谱特征和与第二发射的光脉冲相关联的测试脉冲的光谱特征相匹配。
激光雷达系统100可以包括接收器140，该接收器140检测并确定接收的光脉冲410和测试光脉冲400t的光谱特征。相同的检测器340可以用于检测接收的光脉冲410和测试光脉冲400t两者，或者接收器140可以包括用于单独地检测两个光脉冲的单独的检测器。另外，接收器140的相同频率检测电路600可用于确定接收的光脉冲410和测试光脉冲400t两者的光谱特征。可替代地，接收器可以包括单独的电路，该单独的电路分别确定两个光脉冲的光谱特征。
图11-12各自示出示例种子电流I1和示例SOA电流I2。种子电流I1的两个曲线图中的每一个表示由电子驱动器480提供到种子激光二极管450的电流，并且SOA电流I2的两个曲线图中的每一个表示由电子驱动器480提供到SOA 460的电流。图11-12是相对于时间绘制的，以示出作为时间函数的种子电流和SOA电流的行为。
在图11中，种子电流I1基本上恒定，并且由种子激光二极管450产生的对应种子光440可以具有基本上恒定的光功率。例如，种子电流I1的幅度IS1可以是大约1mA、10mA、100mA、200mA、500mA、1A或任何其它合适的电流值。作为另一示例，种子电流I1的幅度IS1可以近似为零安培，使得基本上没有施加到种子激光二极管450的电流。在种子电流设定为零安培的情况下，种子激光二极管450可以操作作为具有光学滤波器的无源光波导，并且种子激光二极管450可以是光源110的一部分，其中无源光波导光学耦合到SOA 460。
图11中的SOA电流I2包括提供给SOA 460的一个电流脉冲。SOA电流脉冲可以使SOA460放大种子光440的时间部分以产生发射的光脉冲400。被放大的种子光440的时间部分可以对应于在时间上与图11中的时间间隔tD一致的种子光。SOA电流脉冲的幅度IS2可以是大约1A、2A、5A、10A、20A、50A、100A、200A、500A或任何其它合适的峰值电流值。除了电流脉冲之外，SOA电流I2可以包括基本上恒定的偏移电流IS2-O。偏移电流IS2-O可以是大约1mA、100mA、1A或任何其它合适的电流值，或者偏移电流IS2-O可以是大约零安培，使得基本上没有施加到SOA的偏移电流。SOA电流脉冲具有tD的持续时间、tR的上升时间以及tF的下降时间。SOA电流脉冲的持续时间tD可以是大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns或任何其它合适的持续时间。上升时间tR和下降时间tF可以各自为大约0.1ns、0.2ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns或任何其它合适的时间。例如，SOA电流脉冲的持续时间可以是5ns，上升时间可以是0.5ns，并且下降时间可以是1ns。上升时间tR和下降时间tF可以各自对应于SOA电流I2从一个值改变到另一值的时间。例如，上升时间tR可以等于SOA电流I2从峰值的10％变化到90％(例如，从IS2的10％变化到IS2的90％，或者从(IS2-IS2-O)的10％变化到(IS2-IS2-O)的90％)的时间。类似地，下降时间tF可以等于SOA电流I2从峰值的90％变化到10％的时间。
在图11中，由光源110赋予发射的光脉冲400的光谱特征可以至少部分地取决于以下电流参数中的一个或多个：基本上恒定的种子电流I1的幅度IS1、SOA电流脉冲的幅度IS2、基本上恒定的SOA偏移电流IS2-O的幅度、SOA电流脉冲的持续时间tD、SOA电流脉冲的上升时间tR、SOA电流脉冲的下降时间tF，以及SOA电流脉冲的形状。例如，电子驱动器480可以提供大约250mA的基本上恒定的种子电流I1和零安培的基本上恒定的SOA偏移电流IS2-O。另外，电子驱动器480可以向SOA 460提供具有20A的幅度IS2、3ns的持续时间tD、0.5ns的上升时间tR以及1ns的下降时间tF的电流脉冲。种子电流I1和SOA电流I2的电流特性可以导致具有特定光谱特征的发射的光脉冲400。例如，赋予发射的光脉冲的光谱特征可以导致由检测器340产生的光电流信号i，其具有大约500MHz的拍频或在450MHz与550MHz之间拍频的拍频信号。电流脉冲的形状可以近似为梯形、正方形、三角形或任何其它合适的形状。另外，电流脉冲可以具有圆角(例如，如图11中的SOA电流脉冲所示)或相对尖锐的角(例如，如图12中的SOA电流脉冲所示)。图11和图12中的电流脉冲中的每一个可以被称为具有近似梯形形状。
电子驱动器480可以向SOA 460提供具有两个或更多个不同脉冲特性的电流脉冲，并且不同的脉冲特性可以导致具有不同的相应光谱特征的发射的光脉冲。例如，电子驱动器480可以在向SOA 460提供具有两个或更多个不同的幅度IS2、两个或更多个不同的偏移电流IS2-O、两个或更多个不同的持续时间tD、两个或更多个不同的上升时间tR、两个或更多个不同的下降时间tF、两个或更多个不同的形状或其任何合适的组合的电流脉冲之间交替。作为另一示例，电子驱动器480可以向SOA 460提供电流脉冲，其具有30A的幅度IS2、1ns的上升时间tR、2ns的下降时间tF，以及在4ns和8ns之间交替的持续时间tD。两个不同的持续时间可以导致在两个不同的光谱特征之间交替的发射的光脉冲400。作为另一示例，电子驱动器480可以向SOA 460提供电流脉冲，其具有20A的幅度IS2、5ns的持续时间tD、1ns的下降时间tF，以及在0.5ns和1ns之间交替的上升时间tR。两个不同的上升时间可以导致每个发射的光脉冲400具有两个不同的光谱特征之一，每个光谱特征对应于上升时间之一。例如，从具有0.5ns上升时间的电流脉冲产生的第一光脉冲可以具有与具有500MHz拍频的拍频信号相关联的第一光谱特征，并且从具有1ns上升时间的电流脉冲产生的第二光脉冲可以具有与具有300MHz拍频的拍频信号相关联的第二光谱特征。作为另一示例，从具有0.5ns上升时间的电流脉冲产生的第一光脉冲可以具有与450MHz和550MHz之间的拍频相关联的第一光谱特征，并且从具有1ns上升时间的电流脉冲产生的第二光脉冲可具有与250MHz和350MHz之间的拍频相关联的第二光谱特征。
图12类似于图11，例外之处在于图12中的种子电流I1包括提供给种子激光二极管450的种子电流脉冲。种子电流脉冲可以使种子激光二极管450产生种子光脉冲440，并且对应的SOA电流脉冲可以使SOA 460放大种子电流脉冲的至少一部分以产生发射的光脉冲400。种子电流脉冲的幅度IS1可以是大约10mA、100mA、500mA、1A、10A或任何其它合适的峰值电流值。除了种子电流脉冲之外，图12中的种子电流I1还包括基本上恒定的偏移电流IS1-O。偏移电流IS1-O可以是大约1mA、10mA、50mA或任何其它合适的电流值，或者偏移电流IS1-O可以是大约零安培，使得基本上没有施加到种子激光器的偏移电流。种子电流脉冲具有tD1的持续时间、tR1的上升时间和tF1的下降时间。种子电流脉冲的持续时间tD1可以是大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns或任何其它合适的持续时间。上升时间tR1和下降时间tF1可以各自为大约0.1ns、0.2ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns或任何其它合适的时间。例如，种子电流脉冲的持续时间可以是10ns，上升时间可以是2ns，并且下降时间可以是3ns。
图12中的SOA电流I2包括提供给SOA 460的一个电流脉冲。SOA电流脉冲可以使SOA460放大对应的种子光脉冲的至少一部分以产生发射的光脉冲400。被放大的种子光440的部分可以对应于在时间上与图12中的时间间隔tD2一致的种子光。SOA电流脉冲的幅度IS2可以是大约1A、2A、5A、10A、20A、50A、100A、200A、500A或任何其它合适的峰值电流值。除了电流脉冲之外，SOA电流I2可以包括基本上恒定的偏移电流IS2-O。偏移电流IS2-O可以是大约1mA、100mA、1A或任何其它合适的电流值，或者偏移电流IS2-O可以是大约零安培，使得基本上没有施加到SOA的偏移电流。图12中的SOA电流脉冲具有tD2的持续时间、tR2的上升时间以及tF2的下降时间。SOA电流脉冲的持续时间tD2可以是大约0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns、20ns、50ns、100ns或任何其它合适的持续时间。上升时间tR2和下降时间tF2可以各自为大约0.1ns、0.2ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns或任何其它合适的时间。例如，SOA电流脉冲的持续时间可以是8ns，上升时间可以是1ns，并且下降时间可以是1ns。种子电流脉冲的持续时间可以大于或等于SOA电流脉冲的持续时间(例如，tD1≥tD2)。
图12中的时间间隔tO表示种子电流脉冲和SOA电流脉冲之间的时间偏移。时间偏移tO可以是大约0.1ns、0.2ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns、10ns或任何其它合适的偏移时间。时间偏移tO可以具有正值，其对应于种子电流脉冲的开始发生在SOA电流脉冲开始之前(如图12中所示)。可替代地，时间偏移tO可以是大约0ns，其对应于种子电流脉冲和SOA电流脉冲大约在同一时间开始。
在图12中，由光源110赋予发射的光脉冲400的光谱特征可以至少部分地取决于以下电流参数中的一个或多个：种子电流脉冲的幅度IS1、基本上恒定的种子偏移电流IS1-O的幅度、种子电流脉冲的持续时间tD1、种子电流脉冲的上升时间tR1、种子电流脉冲的下降时间tF1、种子电流脉冲的形状、SOA电流脉冲的幅度IS2、基本上恒定的SOA偏移电流IS2-O的幅度、SOA电流脉冲的持续时间tD2、SOA电流脉冲的上升时间tR2、SOA电流脉冲的下降时间tF2、SOA电流脉冲的形状，以及种子电流脉冲和SOA电流脉冲之间的时间偏移tO。例如，电子驱动器480可以向种子激光二极管450提供具有500mA的幅度IS1、12ns的持续时间tD1、2ns的上升时间tR1和3ns的下降时间tF1的电流脉冲。种子电流脉冲可以具有任何合适的形状，诸如例如近似梯形、正方形或三角形。另外，电子驱动器480可以向SOA 460提供具有40A的幅度IS2、6ns的持续时间tD2、1ns的上升时间tR2以及2ns的下降时间tF2的电流脉冲。SOA电流脉冲可以具有任何合适的形状，诸如例如近似梯形、正方形或三角形。种子电流脉冲和SOA电流脉冲之间的时间偏移tO可以是大约2ns。种子电流I1和SOA电流I2的电流特性可以导致具有特定光谱特征的发射的光脉冲400。例如，赋予发射的光脉冲的光谱特征可以导致由检测器340产生的光电流信号i，其具有大约1GHz的拍频或在0.9GHz与1.1GHz之间拍频的拍频信号。
电子驱动器480可以提供具有两个或更多个不同脉冲特性的种子电流脉冲和SOA电流脉冲，并且不同的脉冲特性可以导致具有不同的相应光谱特征的发射的光脉冲。例如，电子驱动器480可以在向种子激光器450和SOA 460提供具有两个或更多个不同的幅度IS1、两个或更多个不同的偏移电流IS1-O、两个或更多个不同的持续时间tD1、两个或更多个不同的上升时间tR1、两个或更多个不同的下降时间tF1、两个或更多个不同的幅度IS2、两个或更多个不同的偏移电流IS2-O、两个或更多个不同的持续时间tD2、两个或更多个不同的上升时间tR2、两个或更多个不同的下降时间tF2、两个或更多个不同的形状、两个或更多个不同的时间偏移tO或其任何合适的组合的电流脉冲之间交替。作为另一示例，电子驱动器480可以向种子激光器450提供具有500mA的幅度IS1、20ns的持续时间tD1、3ns的上升时间tR1以及5ns的下降时间tF1的电流脉冲。另外，电子驱动器480可以向SOA 460提供具有10A的幅度IS2、5ns的持续时间tD2、3ns的下降时间tF2、6ns的时间偏移tO以及在1ns和2ns之间交替的上升时间tR2的电流脉冲。两个不同的上升时间可以导致发射的光脉冲400在两个不同的光谱特征之间交替。
图13示出发射的光脉冲400的示例时域和频域曲线图以及对应的光电流i和电压信号360的示例时域曲线图。发射的光脉冲400的时域曲线图指示光脉冲具有脉冲持续时间为Δt的近似高斯形状。频域曲线图(其可以被称为发射的光脉冲的光谱或频谱)示出作为光学频率的函数的发射的光脉冲的光功率或功率谱密度。可以被称为频率的光学频率表示光学范围内的光的频率，诸如例如大约150太赫兹(THz)和大约330THz之间的频率(其对应于大约900nm和大约2000nm之间的光波长)。通过比较，10MHz至40GHz范围内的电磁波的频率可以被称为射频(RF)或微波频率。图13中的频域曲线图是包括两个峰的示例光谱，峰之间具有谷。光谱峰位于频率f1和f2处，并以Δf的频率差分开。光脉冲的其它光谱可以包括单个峰(例如，如图14中的频域曲线图所示)、两个或更多个峰、一个或多个谷、一个或多个基本上平坦的区域，或任何其它合适的形状或形状的组合。
图13中的光电流信号i可以由检测器340响应于检测光脉冲400而产生，并且对应的电压信号360可以由电子放大器350产生。包括图13中的发射的光脉冲400的一部分的测试光脉冲400t可以具有与图13的上部中的那些时域和频域曲线图相似的相关联的时域和频域曲线图。另外，检测器340和电子放大器350可响应于检测测试光脉冲400t产生与图13中的光电流和电压信号相似的相应的光电流和电压信号。类似地，包括图13中发射的光脉冲400的一部分的接收的光脉冲410可以具有与图13的上部中的那些时域和频域曲线图相似的相关联的时域和频域曲线图，并且检测器340和电子放大器350可响应检测接收的光脉冲410而产生与图13中的光电流和电压信号相似的相应的光电流和电压信号。
光电流信号i(以及对应的电压信号360)的时域曲线图包括与拍频信号相对应的时间脉动。拍频信号可以包括一系列时间脉动，其中每个脉动包括电流或电压幅度的增加和减少。图13中的拍频信号包括大约7个脉动，并且拍频信号具有1/Δf的周期，其对应于Δf的拍频。图13中的拍频信号是具有近似恒定的拍频和周期的周期信号。其它拍频信号可以具有随时间变化的拍频(例如，如图16中所示)或者可以是非周期性的(例如，如图17中所示)。非周期性拍频信号可以包括以至少呈现随机的方式在时间上分布的时间脉动，或者非周期性拍频信号可以不具有显而易见的图案、频率或周期。
在图13中，光电流和电压信号中的拍频信号的拍频等于光脉冲400的光谱的光谱峰之间的频率差Δf。拍频信号可以由与两个光谱峰中的每一个光谱峰相关联的光在检测器340处的相干混合产生。检测器340对光脉冲的检测可以包括在检测器处相干混合的光脉冲的两个或更多个光频分量。两个或更多个光频分量的相干混合(其可以被称为光混合、频率混合或混合)可以指频率分量的电场(i)组合或相加在一起，并且(ii)由检测器340检测。作为光脉冲的一部分的两个或更多个光频分量的电场可以被认为组合在一起，因为它们是同一光脉冲的一部分。另外，检测器340对光脉冲的检测可以包括“平方律”检测，其中由检测器产生的光电流信号i与光脉冲的电场的平方成比例。当光脉冲(其包括两个或更多个光频分量)被检测器340检测到时，检测器可以产生与光脉冲的电场的平方成比例的光电流信号。电场的平方产生光脉冲的不同光频分量之间的混合，这导致可以包括光频分量的和频或差频的光电流信号。例如，由两个频率分量f1和f2的相干混合产生的光电流信号i可以包括拍频信号，该拍频信号的拍频近似等于与光频分量相关的频率之间的差(f2-f1)。
图13中发射的光脉冲400的光谱特征包括频率f1处的第一光频分量和频率f2处的第二光频分量，其中f2大于f1。第一光频分量可以用表达式E1(t)·cos[2πf1t+φ1]来表示，其中E1(t)表示第一光频分量的电场的幅度，并且φ1表示第一光频分量的相位。类似地，第二光频分量可以用表达式E2(t)·cos[2πf2t+φ2]来表示，其中E2(t)表示第二光频分量的电场幅度，并且φ2表示第二光频分量的相位。电场幅度E1(t)和E2(t)是随时间变化的并且可以各自对应于发射的光脉冲400的电场的包络。例如，E1(t)和E2(t)可以近似相等，并且发射的光脉冲的电场可以近似地表达为E0(t)·[cos(2πf1t+φ1)+cos(2πf2t+φ2)]，其中E0(t)表示发射的光脉冲400的电场包络。对于高斯形光脉冲，发射的光脉冲的电场包络可以具有形式E0exp[-a(t/Δt)2]，其中a是常数，并且E0是发射的光脉冲400的峰值电场。例如，如果发射的光脉冲400是具有Δt的半高全宽持续时间的高斯脉冲，则电场包络可表达为E0(t)＝E0exp[-2ln2(t/Δt)2]。由检测器340响应于光脉冲400而产生的光电流信号i可以与光脉冲的电场的平方成比例。对光脉冲的电场的上述表达式进行平方可产生与cos[2π(f2-f1)t+φ2-φ1]成比例的混合项，其对应于具有Δf＝f2-f1的拍频的拍频信号。混合项的该表达式指示，当检测器340检测到包括两个光频分量的光脉冲时，检测器可以产生包括拍频信号的光电流信号，该拍频信号的拍频等于与两个光频分量相关联的频率之间的差。
具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统100的光源110可以发射光脉冲400，其中光源向每个发射的光脉冲赋予多个不同光谱特征的光谱特征。每个光谱特征可以包括两个或更多个光频分量或者可以与两个或更多个光频分量相关联。例如，发射的光脉冲400的光谱特征可以包括2、3、4、5、10或任何其它合适数量的光频分量。可以被称为频率分量或光谱特征频率分量的光频分量可以包括光脉冲400的光谱的特定频率或频率范围。例如，峰值频率或者峰值周围的频率范围可以对应于光频分量。作为另一示例，光频分量可以包括光脉冲的光谱的峰、峰的一部分、谷、基本上平坦的区域、翼或任何其它合适的部分或者可以与光脉冲的光谱的峰、峰的一部分、谷、基本上平坦的区域、翼或任何其它合适的部分重叠。作为另一示例，光频分量可以包括从大约150THz到大约330THz的频率范围(其对应于大约900nm与大约2000nm之间的波长或波长范围)内的频率或频率范围。
图13中的光谱具有被Δf的频率差分开的频率f1和f2处的两个主要频率分量。图13中发射的光脉冲400可以被称为包括至少两个光频分量(例如，一个在光学频率f1处，而另一个在光学频率f2处)，其中光谱的两个峰中的每一个可以对应于光频分量。两个频率分量之间的频率差Δf可以具有100MHz、200MHz、500MHz、1GHz、2GHz、10GHz、40GHz的值，或者大约100MHz与40GHz之间的任何其它合适的值。如果图13中发射的光脉冲400具有大约1555nm的中心波长，则发射的光脉冲的光谱可以具有大约192.8THz的中心或平均光学频率f0。光频分量f1可以具有大约192.799THz的频率，并且光频分量f2可以具有大约192.801THz的频率，其对应于两个频率分量之间的2GHz的频率差Δf。
发射的光脉冲400、测试光脉冲400t或接收的光脉冲410可以由检测器340检测。响应于检测光脉冲，检测器340可以产生光电流信号i，该光电流信号i包括一个或多个拍频信号。每个拍频信号可以包括近似等于光脉冲的光谱特征的两个光频分量之间的频率差Δf的拍频。拍频信号可以包括光电流信号中的时间变化(例如，时间脉动)，并且时间变化的频率可以等于拍频信号的拍频。图13中的光电流信号i包括具有与Δf的拍频对应的1/Δf的周期的时间脉动的拍频信号。与光电流信号相对应的电压信号360还包括具有Δf的拍频的类似拍频信号。光脉冲可以包括两个或更多个光频分量，并且对应的光电流或电压信号可以包括一个或多个拍频信号。图13中的光脉冲400包括两个主要频率分量，并且光电流和电压信号中的每一个包括具有Δf的拍频的一个主要拍频信号。其它光电流和电压信号可以包括2、3、4、5、10个或任何其它合适数量的拍频信号的组合，每个拍频信号具有特定的拍频。例如，光电流信号可以包括具有五个不同的相应拍频的五个拍频信号的组合。
在图13的示例中，与两个光谱峰相关联的光的相干混合导致光电流和电压信号中的时间脉动。在检测器处光脉冲的相干混合可以包括光脉冲的两个或更多个光频分量之间的混合，并且混合的频率分量可以包括光脉冲的光谱的峰、峰的一部分、谷、基本上平坦的部分、翼或任何其它合适的光谱部分。在图13中，光电流信号包括由频率f1和f2处的光频分量的相干混合产生的拍频信号，并且拍频信号具有Δf的拍频，其中Δf＝f2-f1。在光电流信号i(以及对应的电压信号360)的时域曲线图中，拍频信号对应于具有大约1/Δf的周期的周期性时间脉动。拍频信号的拍频Δf可以具有100MHz、200MHz、500MHz、1GHz、2GHz、10GHz、40GHz的值，或者大约100MHz和40GHz之间的任何其它合适的值。类似地，拍频信号的时间脉动可以具有大约10ns、5ns、2ns、1ns、0.5ns、0.1ns或0.025ns的周期1/Δf。例如，图13中的频率f1和f2可以具有大约500MHz的频率差Δf，并且对应的光电流信号i可以具有大约500MHz的拍频Δf(其对应于大约2ns的拍频信号周期1/Δf)。作为另一示例，光源110可以发射光脉冲，其中每个脉冲包括两个或更多个光频分量，并且每对光频分量可以具有在约100MHz与约2GHz之间的频率差Δf。由光脉冲之一产生的相关联的拍频信号可以具有大约100MHz和大约2GHz之间的对应的拍频Δf，其对应于大约0.5ns和10ns之间的拍频信号周期1/Δf。
光脉冲(例如，发射的光脉冲400、测试光脉冲400t或接收的光脉冲410)的光谱特征可以基于光电流信号i或对应的电压信号360来确定。确定光脉冲的光谱特征可以包括确定与光脉冲相关联的一个或多个拍频。由于光谱特征可以与光脉冲的光频分量相关联，因此确定光脉冲的光谱特征可以包括确定与光脉冲的光频分量相关联的一个或多个拍频。图13中的光脉冲的光谱特征可以基于光电流信号i或者基于对应的电压信号360来确定。例如，频率检测电路600可以接收图13中的电压信号360，并且频率检测电路600可以通过确定作为电压信号的一部分的拍频信号的拍频Δf或周期1/Δf来确定光脉冲的光谱特征。
作为光脉冲的光谱特征的一部分的光频分量可以具有150-330THz范围内的频率(其对应于大约900nm与大约2000nm之间的波长)。通过检测光脉冲产生的拍频信号可以具有在100MHz至40GHz范围内的拍频，该拍频比光频分量的频率小几个数量级。例如，在检测器处两个光频分量(例如，具有150-330THz频率)的相干混合导致频率下转换，该频率下转换可以产生具有低于40GHz的频率的电信号。本文公开的技术的技术优点在于，通过将光脉冲的光频分量下转换到RF或微波信号的范围，可以使用基于电子的技术而不是基于光学的技术来确定光脉冲的光谱特征。另外，由于构成光谱特征的光频分量是光脉冲的一部分，因此光频分量之间的相干混合可以在检测器340处发生，而无需提供附加的光信号(诸如本地振荡器)。具有光谱编码光脉冲的激光雷达系统的另一技术优点在于，光谱编码可用于通过确定接收的光脉冲410与哪个发射的光脉冲400相关联来消除接收的光脉冲410的歧义。基于接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配，接收的光脉冲410可以明确地与发射的光脉冲相关联。
图14示出发射的光脉冲400的示例时域和频域曲线图。光脉冲具有脉冲持续时间为Δt的近似高斯形状，并且光脉冲的频谱具有Δν的光谱宽度。相关联的测试光脉冲400t或接收的光脉冲410可以具有与图14中的那些时域和频域曲线图相似的时域和频域曲线图。光脉冲的脉冲持续时间(Δτ)和光谱线宽(Δν)可以具有反比关系，其中乘积Δτ·Δν(其可以被称为时间带宽乘积)大于或等于恒定值。例如，具有高斯时间形状的光脉冲可以具有与大于或等于0.44的恒定值相等的时间带宽乘积。如果高斯脉冲具有大约等于0.44的时间带宽乘积，则该脉冲可以被称为变换受限脉冲。对于变换受限高斯脉冲，脉冲持续时间(Δτ)和光谱线宽(Δν)可以通过表达式Δτ·Δν＝0.44相关。脉冲持续时间和光谱线宽之间的该反比关系指示较短持续时间的脉冲具有较大的光谱线宽(反之亦然)。例如，图14中的光脉冲400可以是变换受限高斯脉冲，其具有(i)2ns的脉冲持续时间Δτ和大约220MHz的光谱线宽Δν，或者(ii)4ns的脉冲持续时间Δτ和大约110MHz的光谱线宽Δν。脉冲持续时间和光谱线宽之间的反比关系由脉冲的时域和频域表示之间的傅立叶变换关系产生。如果高斯光脉冲具有大于0.44的时间带宽乘积，则该光脉冲可以被称为非变换受限光脉冲。例如，图14中的光脉冲410可以是具有为1的时间带宽乘积的非变换受限光脉冲，并且接收的光脉冲410可以具有(i)2ns的脉冲持续时间Δτ和大约500MHz的光谱线宽Δν，或(ii)4ns的脉冲持续时间Δτ和大约250MHz的光谱线宽Δν。光源110可以发射变换受限的光脉冲400或非变换受限的光脉冲。
光源110可以包括产生种子光440的种子激光二极管450和放大种子光的时间部分以产生发射的光脉冲400的SOA 460。种子激光器450可产生具有基本上恒定的光功率和相对窄的光谱线宽的种子光440。放大种子光440的时间部分以产生光脉冲400可以导致种子光线宽根据脉冲持续时间和光谱线宽之间的反比关系被有效地展宽。例如，种子光440可具有1MHz的光谱宽度，并且种子光的时间部分可被放大以产生具有2ns脉冲持续时间和大于或等于220MHz的光谱线宽的发射的光脉冲400。
赋予发射的光脉冲的光谱特征可以由(i)由于脉冲持续时间和光谱线宽之间的时间-带宽反比关系引起的光谱展宽和(ii)一种或多种非线性光学效应中的至少一者或两者产生。除了基于时间-带宽关系向发射的光脉冲400提供展宽的光谱线宽之外，光源110还可以通过可在光源110中发生的一个或多个非线性光学效应向发射的光脉冲400赋予光谱特征的至少一部分。例如，在包括种子激光二极管450和SOA 460的光源110中，种子激光二极管450或SOA 460中发生以下非线性光学效应中的一种或多种可以向发射的光脉冲赋予光谱特征：四波混合、克尔非线性光学效应、自相位调制、种子激光二极管和SOA之间的耦合腔效应、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)和等离子体分散效应。与一种或多种非线性光学效应相关联的光谱特征可以引起发射的光脉冲400的光谱线宽的展宽或发射的光脉冲400的光学频率的偏移。发射的光脉冲400可以具有由于时间-带宽反比关系和一种或多种非线性光学效应引起的光谱展宽的组合产生的光谱特征。作为示例，对于具有4ns脉冲持续时间和500MHz光谱线宽Δν的发射的光脉冲，500MHz的光谱线宽中的大约300MHz可归因于与时间-带宽关系相关的光谱展宽。另外，光谱线宽的大约200MHz可归因于光源中发生的一种或多种非线性光学效应。
光源110可以向发射的光脉冲400赋予光谱特征，其中光谱特征从一个脉冲到另一个脉冲以近似随机的方式改变。对于包括种子激光二极管450和SOA460的光源110，向发射的光脉冲赋予的光谱特征的类型或特性可以至少部分地取决于种子电流I1和SOA电流I2的电流特性，如关于图11-12所讨论的。另外，向发射的光脉冲赋予的光谱特征可以取决于光源110内发生的非线性光学效应。一些非线性光学效应可以表现出随机或混沌行为，并且由于非线性光学效应的该随机性质，向发射的光脉冲赋予的光谱特征可以从一个脉冲到另一个脉冲以随机方式改变。向光脉冲赋予的光谱特征可以由以下组合产生：(i)与提供到光源的电流的电流特性相关联的近似确定性效应和(ii)与非线性光学效应的混沌性质相关联的基本上随机的变化。近似确定性效应可以导致与特定拍频(例如，大约500MHz)相关联的光谱特征，并且随机变化可以导致在特定拍频周围的频率范围内(例如，450-550MHz)拍频的随机脉冲到脉冲变化。例如，提供给SOA的具有0.5ns上升时间的电流脉冲可产生与450-550MHz范围内的拍频相关联的光脉冲，而具有1ns上升时间的电流脉冲可产生与250-350MHz范围内的拍频相关联的光脉冲。从具有0.5ns上升时间的SOA电流脉冲产生的第一光脉冲可以具有与450MHz和550MHz之间的拍频相关联的第一光谱特征，并且从具有1ns上升时间的SOA电流脉冲产生的第二光脉冲可以具有与250MHz和350MHz之间的拍频相关联的第二光谱特征。与发射的光脉冲相关联的拍频可以近似随机地分布在每个100MHz频率范围内，并且随机变化可以归因于光源中发生的非线性光学效应的随机性质。例如，由具有0.5ns上升时间的SOA电流脉冲产生的一个光脉冲可具有475MHz的相关联拍频，而由具有相同上升时间的SOA电流脉冲产生的另一光脉冲可具有540MHz的相关联拍频。
以随机的方式向发射的光脉冲400赋予光谱特征(例如，赋予的光谱特征从一个脉冲到另一个脉冲以近似随机的方式改变)的光源110可以包括光学分束器470。光学分束器470可以分离出每个发射的光脉冲400的一部分以产生相关联的测试光脉冲400t。测试光脉冲400t可被引导至接收器140，该接收器140确定测试光脉冲400t的光谱特征(其对应于相关联的发射光脉冲的光谱特征)。激光雷达系统100的控制器150可以从接收器140接收光谱特征信息，并且控制器可以存储光谱特征信息以用于与随后接收的光脉冲410的光谱特征进行比较。例如，控制器可以存储P个最近发射的光脉冲的光谱特征，其中P是大于或等于2的整数。可以将存储的P个发射的光脉冲的光谱特征与接收的光脉冲的光谱特征进行比较以确定接收的光脉冲是否与P个发射的光脉冲之一相关联。P的值可以是2、3、4、5、10、20、50、100或大于或等于2且小于或等于约100的任何其它合适的值。
图15示出接收的光脉冲410的示例时域和频域曲线图以及对应的光电流i和电压信号360的示例时域曲线图。接收的光脉冲410的时域曲线图指示光脉冲具有脉冲持续时间为Δt的近似高斯形状。频域曲线图包括位于频率f1、f2和f3处的三个峰，其对应于包括在频率f1、f2和f3处的三个主要光频分量的光谱特征。图15中接收的光脉冲410可以包括来自由目标130散射的发射的光脉冲400的光，并且发射和接收的光脉冲可以包括大致相同的光谱特征。光电流信号i可以由检测器340响应于检测到接收的光脉冲410而产生，并且对应的电压信号360可以由电子放大器350产生。光电流信号i包括与三个拍频信号的组合相对应的时间脉动，每个拍频信号具有不同的拍频。三个拍频信号可以通过光频分量f1、f2和f3之间的相干混合来产生，并且拍频信号可以具有(f2-f1)、(f3-f2)和(f3-f1)的拍频。例如，三个拍频可以分别约为500MHz、700MHz和1.2GHz。具有三个拍频信号中最高频率的频率(f3-f1)处的拍频信号可以对应于具有周期1/(f3-f1)的相对高频时间脉动，如图15中光电流信号的虚线插图所示。电压信号360包括具有频率(f2-f1)和(f3-f2)的两个较低频率拍频信号，并且电压信号中不存在高频(f3-f1)拍频信号。产生电压信号360的电子放大器350可以包括去除或衰减高频信号的低通滤波器。例如，电子放大器可以包括衰减1GHz以上的信号的低通滤波器。如果三个拍频是500MHz、700MHz和1.2GHz，则1.2GHz的拍频信号可以被电子放大器350滤除。所得的电压信号360可以包括500MHz和700MHz的拍频信号，并且1.2GHz的拍频信号可以被显著衰减或者可以不存在于电压信号360中。确定图15中的接收的光脉冲410的光谱特征可以包括确定存在于电压信号360中的500MHz和700MHz频率的两个拍频信号，并且被滤除的1.2GHz的拍频信号可以不包括在光谱特征确定中。
图16-17各自示出示例光电流信号i。图16和图17的每个图中的光电流信号可以由检测器340响应于检测测试光脉冲400t或接收的光脉冲410而产生，并且光电流信号中的时间脉动可以由光脉冲的光频分量之间的相干混合产生。拍频信号可以包括具有恒定频率的周期性时间脉动(例如，如图13中所示)或者两个或更多个周期性时间脉动的组合(例如，如图15中所示)。其它拍频信号可以具有随时间变化的拍频或者可以是非周期性的。图16中的拍频信号包括频率随时间增加的时间脉动。图17中的拍频信号可以被称为具有时间脉动的非周期性拍频信号，该时间脉动看起来是随机的或者看起来不具有容易辨别的图案、频率或周期。尽管图17中的拍频信号可能看起来不具有容易辨别的图案，但是拍频信号可以包括组合在一起以产生图17中的所得拍频信号的两个或更多个拍频。
图18示出示例接收器140，其包括具有多个比较器370和TDC 380的脉冲检测电路365。图18中的接收器140包括接收包括光脉冲410的输入光束135的检测器340，并且检测器340产生与接收的光脉冲相对应的光电流信号i。光电流信号包括光电流脉冲以及与拍频信号相对应的时间脉动。检测器340可以包括APD、PN光电二极管或PIN光电二极管。例如，检测器340可以包括被配置为检测激光雷达系统100的800-1100nm工作波长处的光的硅APD或PIN光电二极管，或者检测器340可以包括被配置为检测1200-1600nm工作波长处的光的InGaAs APD或PIN光电二极管。
图18中的接收器140包括从检测器340接收光电流信号i的电子放大器350。放大器350放大光电流信号以产生与光电流信号相对应的电压信号360。例如，检测器340可以是响应于接收的光脉冲410而产生光电流脉冲的APD，并且电压信号360可以包括与光电流脉冲相对应的模拟电压脉冲。电子放大器350包括跨阻放大器(TIA)300，其后是电压放大器310。TIA300可以被称为电流到电压转换器，并且从接收的光电流信号产生电压信号可以被称为执行电流到电压转换。TIA 300的跨阻增益或放大率可以以欧姆(Ω)或等效的伏每安(V/A)为单位来表达。例如，如果TIA 300具有100V/A的增益，则对于具有10μA的峰值电流的光电流i，TIA可以产生具有大约1mV的对应峰值电压的电压信号360。在图18中，TIA 300接收光电流i并放大光电流以产生中间电压信号360i，并且电压放大器310进一步放大中间电压信号以产生提供给脉冲检测电路365的输出电压信号360。可替代地，如图21中所示，电子放大器350可以不包括单独的电压放大器，并且TIA 300可以放大光电流信号i以直接产生电压信号360(例如，没有位于TIA之后的附加或单独的电压放大级)。电子放大器350可包括对光电流信号i或电压信号360进行滤波的电子滤波器(例如，低通、高通或带通滤波器)。例如，TIA300或电压放大器310可包括衰减低于特定频率(例如，低于1MHz、10MHz、50MHz、100MHz、200MHz或任何其它合适频率)的信号的高通滤波器。作为另一示例，TIA 300或电压放大器310可以包括衰减高于特定频率(例如，高于200MHz、500MHz、1GHz、2GHz或任何其它合适的频率)的信号的低通滤波器。
由图18中的放大器350产生的电压信号360耦合到脉冲检测电路365，该脉冲检测电路365包括多个比较器370和多个时间数字转换器(TDC)380。每个比较器370耦合到TDC380，并且每个比较器可以接收电压信号360并在电压信号上升到高于特定阈值电压或下降到低于特定阈值电压时向对应的TDC提供电边缘信号。脉冲检测电路365包括N个比较器(比较器370-1,370-2,...,370-N)，并且每个比较器设置有特定阈值或参考电压(VT1,VT2,…,VTN)。例如，接收器140可以包括N＝10个比较器，并且阈值电压可以被设定为0伏特和1伏特之间的10个值(例如，VT1＝0.1V，VT2＝0.2V并且VT10＝1.0V)。当电压信号360上升到高于特定阈值电压或下降到低于特定阈值电压时，比较器可以产生电边缘信号(例如，上升或下降电边缘)。例如，当电压信号360上升到高于阈值电压VT2时，比较器370-2可以在时间t2产生上升边缘。另外或可替代地，当电压信号360下降到低于阈值电压VT2时，比较器370-2可以在时间t′2产生下降边缘。
图18中的脉冲检测电路365包括N个时间数字转换器(TDC 380-1,380-2,…,380-N)，并且每个比较器370耦合到TDC 380之一。在脉冲检测电路365中比较器370和TDC 380的数量N可以是2、4、8、10、20、30、50、100、200、500、1,000或任何其它合适数量的比较器和TDC。图18中的每个比较器-TDC对(例如，比较器370-1和TDC 380-1)可以被称为阈值检测器。比较器可以向对应的TDC提供电边缘信号，并且TDC可以充当定时器，该定时器产生表示从比较器接收到边缘信号时的时间的电输出信号(例如，数字信号、数字字或数字值)。例如，如果电压信号360上升到高于阈值电压VT1，则比较器370-1可以产生被提供到TDC 380-1的输入的上升边缘信号，并且TDC 380-1可产生与TDC 380-1接收到边缘信号时的时间相对应的数字时间值。数字时间值可以指发射光脉冲的时间，并且数字时间值可以对应于或者可以用于确定光脉冲行进到目标130并返回到激光雷达系统100的往返时间。此外，如果电压信号360随后下降到低于阈值电压VT1，则比较器370-1可以产生被提供给TDC 380-1的输入的下降边缘信号，并且TDC 380-1可以产生与TDC 380-1接收到边缘信号时的时间相对应的数字时间值。
脉冲检测输出信号145可以包括与接收的光脉冲410相对应的电信号。例如，图18中的输出信号145可以是与模拟电压信号360相对应的数字信号，该模拟电压信号360进而对应于光电流信号i，该光电流信号i进而对应于接收的光脉冲410。如果输入光信号135包括接收的光脉冲410，则脉冲检测电路365可以接收电压信号360(其对应于光电流i)并产生与接收的光脉冲410相对应的输出信号145。输出信号145可以包括来自接收来自比较器370的一个或多个边缘信号的TDC 380中的每个TDC 380的一个或多个数字时间值，并且数字时间值可以表示模拟电压信号360。脉冲检测输出信号145可以被发送到控制器150，并且接收的光脉冲410的到达时间可以至少部分地基于由TDC产生的一个或多个时间值来确定。例如，可以从与电压信号360的峰值(例如，Vpeak)、电压信号的时间中心或电压信号的上升边缘相关联的时间来确定到达时间。由于电压信号360、光电流信号i和输出信号145彼此对应，并且由于脉冲检测电路365的一部分可被包括在控制器150中(反之亦然)，因此脉冲检测电路365可被称为基于对应的光电流信号i或电压信号360来确定接收的光脉冲410的到达时间。
脉冲检测输出信号145可以包括一个或多个数字值，该数字值对应于(1)发射光脉冲400的时间和(2)由接收器140检测到接收的光脉冲410的时间之间的时间间隔。图18中的输出信号145可以包括来自从比较器接收边缘信号的TDC中的每个TDC的数字值，并且每个数字值可以表示由光源110发射光脉冲400和从比较器接收边缘信号之间的时间间隔。例如，光源110可以发射被目标130散射的光脉冲400，并且接收器140可以接收散射的光脉冲的一部分作为输入光脉冲410。当光源发射光脉冲400时，TDC的计数值可以被重置为零计数。可替代地，接收器140中的TDC可以在两个或更多个脉冲周期(例如，10、100、1,000、10,000或100,000个脉冲周期)上连续累积计数，并且当发射光脉冲400时，在发射脉冲时的时间的TDC计数可以存储在存储器中。在发射光脉冲400之后，TDC可以累积与经过的时间相对应的计数(例如，TDC可以按照时钟周期或时钟周期的一部分来计数)。
在图18中，当TDC 380-1从比较器370-1接收边缘信号时，TDC 380-1可以产生表示光脉冲400的发射和边缘信号的接收之间的时间间隔的数字信号。例如，数字信号可以包括与光脉冲400的发射和边缘信号的接收之间经过的时钟周期的数量相对应的数字值。可替代地，如果TDC 380-1在多个脉冲周期上累积计数，则数字信号可以包括与接收边缘信号时的TDC计数相对应的数字值。脉冲检测输出信号145可包括和与发射的光脉冲400相关联的一个或多个时间或者当TDC接收到与接收的光脉冲410相关联的边缘信号时的一个或多个时间相对应的数字值。来自脉冲检测电路365的输出信号145可以对应于接收的光脉冲410，并且可以包括来自从比较器接收边缘信号的TDC中的每个TDC的数字值。脉冲检测输出信号145可以被发送到控制器150，并且控制器可以至少部分地基于输出信号145来确定接收的光脉冲410的到达时间或到目标130的距离。另外或可替代地，控制器150可以至少部分地基于从脉冲检测电路365的TDC接收的输出信号145来确定接收的光脉冲410的光学特性。接收的光脉冲410的光学特性可以对应于接收的光脉冲410的峰值光强度、峰值光功率、平均光功率、光能量、形状或幅度、时间持续时间或时间中心。例如，控制器150可以向脉冲检测输出信号145的值应用曲线拟合或插值操作，并且然后从曲线拟合或插值确定光脉冲的光学特性。
图18的虚线插图中所示的示例电压信号360对应于接收的光脉冲410。电压信号360可以是由电子放大器350产生的模拟信号，并且可以对应于由接收器140检测到的光脉冲410。y轴上的电压电平对应于相应比较器370-1,370-2,...,370-N的阈值电压VT1,VT2,…,VTN。时间值t1,t2,t3,…,tN-1对应于电压信号360超过对应阈值电压时的时间，并且时间值t′1,t′2,t′3,…,t′N-1对应于电压信号360下降到低于对应阈值电压时的时间。例如，在电压信号360超过阈值电压VT1时的时间t1处，比较器370-1可以产生边缘信号，并且TDC380-1可以输出与时间t1相对应的数字值。另外，TDC 380-1可以输出与当电压信号360下降到低于阈值电压VT1时的时间t′1相对应的数字值。可替代地，接收器140可以包括附加的TDC(图18中未示出)，该附加的TDC被配置为产生与当电压信号360下降到低于阈值电压VT1时的时间t′1相对应的数字值。来自脉冲检测电路365的输出信号可以包括与时间值t1,t2,t3,…,tN-1和t′1,t′2,t′3,…,t′N-1中的一个或多个相对应的一个或多个数字值。另外，脉冲检测输出信号还可包括和与时间值相关联的阈值电压相对应的一个或多个值。由于图18中的电压信号360不超过阈值电压VTN，因此对应的比较器370-N可以不产生边缘信号。结果，TDC 380-N可以不产生时间值，或者TDC 380-N可以产生指示没有接收到边缘信号的信号。
接收器140可以包括脉冲检测电路365和频率检测电路600。脉冲检测电路可以确定接收的光脉冲410的到达时间，并且频率检测电路可以确定接收的光脉冲的光谱特征。图6和图19中每个图中的接收器140包括脉冲检测电路365和与脉冲检测电路分离的频率检测电路600。在其它实施例中，接收器140可以包括至少部分地组合在一起的脉冲检测和频率检测电路。例如，脉冲检测电路365的至少一部分和频率检测电路600的至少一部分可以被组合在一起成为执行脉冲检测和频率检测两者的单个电路。可以被称为组合的脉冲检测和频率检测电路的图18中的脉冲检测电路365也可以充当频率检测电路。图18中的脉冲检测和频率检测电路包括多个比较器370和多个TDC 380。每个比较器370(i)接收电压信号360(其对应于光电流信号i)并且(ii)当电压信号上升到高于特定阈值电压或下降到低于特定阈值电压时向对应的TDC 380提供电边缘信号。对应的TDC 380产生与TDC接收到电边缘信号时的时间相对应的时间值。由图18中的脉冲检测和频率检测电路产生的输出信号145对应于电压信号360并且包括由从比较器370接收一个或多个边缘信号的TDC 380中的每个TDC 380产生的时间值。除了基于输出信号145确定接收的光脉冲410的到达时间外，控制器150还可以基于输出信号145确定接收的光脉冲410的光谱特征。例如，接收的光脉冲410的到达时间可从与电压信号360的上升边缘、峰值或时间中心相关联的时间确定。此外，可以分析输出信号145以确定电压信号360的一个或多个拍频。例如，快速傅立叶变换(FFT)或导数可以被应用到输出信号145，并且电压信号360的拍频可以从所得的FFT或导数信号来确定。
图19示出包括脉冲检测电路365和频率检测电路600的示例接收器140。由图19中的电子放大器350产生的电压信号360耦合到频率检测电路600和脉冲检测电路365。脉冲检测电路365可以包括多个比较器370和多个TDC 380(例如，如图18中所示)或者可以包括模拟数字转换器(例如，如图21中所示)。脉冲检测电路365接收电压信号360并产生脉冲检测输出信号145a，该脉冲检测输出信号145a可包括或可用于确定接收的光脉冲410的时域信息(例如，接收的光脉冲的到达时间或持续时间)。频率检测电路600接收电压信号360(其对应于光电流信号i)并且可以确定与接收的光脉冲410相关联的频域或光谱特征信息。例如，频率检测电路600可以从电压信号确定接收的光脉冲410的光谱特征。由于电压信号360和光电流信号i彼此对应，因此基于电压信号确定光谱特征可以被称为基于光电流信号确定光谱特征。频率检测电路600产生输出信号145b，该输出信号145b可包括电压信号360的一个或多个拍频的幅度信息。频率检测输出信号145b可包括与接收的光脉冲410相关联的一个或多个拍频的幅度，并且该幅度信息可以对应于接收的光脉冲的光谱特征。输出信号145b可以被发送到控制器150，并且基于输出信号145b，控制器可以确定接收的光脉冲410的光谱特征是否与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。
频率检测电路600可以包括多个并行的频率测量信道，并且每个频率测量信道可以包括滤波器610和对应的幅度检测器620。每个滤波器610可以接收电压信号360(其对应于光电流信号i)并产生发送到对应的幅度检测器的滤波信号。在图19中，频率检测电路600包括M个电子滤波器(滤波器610-1,610-2,…,610-M)，其中每个滤波器与特定频率(频率fa,fb,…,fM)相关联。滤波器610可以包括用一个或多个无源电子部件(例如，一个或多个电阻器、电感器或电容器)实现的无源滤波器。可替代地，滤波器610可包括有源滤波器，该有源滤波器包括一个或多个有源电子部件(例如，一个或多个晶体管或运算放大器)以及一个或多个无源部件。图19中的每个滤波器610可以包括具有特定通带中心频率和宽度的电子带通滤波器，并且由滤波器产生的滤波信号可以对应于在滤波器的通带内的电压信号360的光谱部分。带通滤波器可以具有(i)在大约100MHz和大约40GHz之间的中心频率，以及(ii)具有大约1MHz、10MHz、20MHz、50MHz、100MHz、200MHz的频率宽度或任何其它合适的频率宽度的通带。例如，滤波器610-2可以包括具有500MHz的中心频率fb和50MHz的通带宽度的带通滤波器，并且滤波器可通过或传输具有在约475MHz和525MHz之间的频率的电压信号360的光谱分量。作为另一示例，频率检测电路600可以包括具有大约400MHz、600MHz、800MHz和1GHz的中心频率的四个带通滤波器610，并且每个滤波器可以具有带有大约100MHz的频率宽度的通带。具有100MHz通带的1.0GHz滤波器可以通过或传输从大约0.95GHz到大约1.05GHz的频率分量，并且可以衰减该频率范围之外的频率分量。滤波器的通带可用于适应由于光源中可能出现的非线性光学效应的混沌性质而赋予脉冲光的光谱特征的随机变化。例如，如果拍频在100MHz的频率范围内随机分布，则100MHz的通带可允许检测拍频。
除了M个电子滤波器610之外，图19中的频率检测电路600还包括M个电子幅度检测器(幅度检测器620-1,620-2,…,620-M)，并且每个电子滤波器可以耦合到对应的幅度检测器。频率检测电路600中的滤波器610和幅度检测器620的数量M可以是1、2、4、8、10、20、50或任何其它合适数量的滤波器和幅度检测器。幅度检测器620可以被配置为产生与从滤波器610接收的电信号的幅度(例如，峰值、大小或能量)相对应的幅度信号。例如，图19中的滤波器610-M可以接收电压信号360并向幅度检测器620-M提供滤波信号，该滤波信号包括在频率fM处或附近的电压信号360的光谱部分。幅度检测器620-M可以产生与滤波信号的幅度或能量相对应的数字或模拟幅度信号，并且滤波信号的幅度或能量可以指示具有大约fM的拍频的拍频信号的幅度。如果拍频信号的幅度高于特定阈值，则电压信号360可以被认为包括具有大约fM的拍频的拍频信号。类似地，如果拍频信号幅度低于阈值，则电压信号360可以被认为不包括具有大约fM的拍频的拍频信号。
每个幅度检测器620可以包括采样保持电路、峰值检测器电路、积分器电路、比较器或ADC。例如，幅度检测器620-M可以包括采样保持电路和ADC。采样保持电路可以产生与从滤波器610-M接收的滤波信号的幅度相对应的模拟电压，并且ADC可以产生表示模拟电压的数字值。作为另一示例，幅度检测器620-M可以包括积分器电路，其后是比较器。如果来自积分器电路的信号大于或等于特定阈值电压，则比较器可以产生数字高值(例如，数字值“1”)。由比较器产生的数字高值可以指示电压信号360包括具有大约fM的拍频的拍频信号。来自比较器的数字低值可以指示电压信号360不包括具有大约fM的拍频的拍频信号。
由频率检测电路600产生的输出信号145可以包括来自一个或多个幅度检测器620的一个或多个幅度信号。例如，图19中的输出信号145b可以包括与滤波器通带中心频率中的每一个滤波器通带中心频率处的拍频信号的M个相应幅度相对应的M个幅度值。来自每个幅度检测器的幅度信号可以包括特定拍频的幅度信息，并且由幅度检测器620产生的幅度信号(其一起对应于输出信号145b)可以表示接收的光脉冲410的光谱特征。例如，由幅度检测器620产生的幅度信号可以具有表示由对应滤波器610产生的滤波信号的幅度的值(例如，幅度信号可包括表示滤波信号的幅度的数字值)。滤波信号的幅度可以表示具有滤波器610的通带内的拍频的拍频信号的幅度。作为另一示例，如果滤波信号的幅度大于或等于特定阈值，则由幅度检测器620产生的幅度信号可以包括第一值(例如数字值“1”)，并且如果滤波信号的幅度小于特定阈值，则由幅度检测器620产生的幅度信号可以包括第二值(例如数字值“0”)。数字值1可以指示对应的拍频存在于光电流信号i或电压信号360中，并且数字值0可以指示不存在拍频。例如，如果图19中的拍频信号的拍频Δf是600MHz，则耦合到具有大约600MHz的中心频率的带通滤波器610的幅度检测器620可以产生数字值1，其指示电压信号360中存在600MHz的拍频。另外，耦合到具有400MHz、800MHz和1GHz的中心频率的带通滤波器的幅度检测器可以各自产生数字值0(其指示电压信号360不包括400MHz、600MHz或1GHz的拍频信号)。
图20示出电压信号360的示例时域和频域曲线图。电压信号360的时域曲线图包括与具有Δf的拍频的拍频信号相对应的时间脉动。频域曲线图(其可以被称为电压信号的频谱或电子频谱)示出作为频率的函数的电压信号360的电子功率或功率谱密度。图20中的频谱曲线图类似于图13中的频谱图，例外之处在于图20中的频谱曲线图是频率轴具有小于40GHz的范围(例如100MHz至1GHz的电子频率范围)的电子频谱，而图13中的频谱曲线图是频率轴具有大约150THz和330THz之间的范围(例如，从190THz到200THz的光学频率范围)的光学频谱。图20中的频率fa,fb,fc,…,fM可以对应于图19中的带通滤波器610的中心频率。频域曲线图在拍频Δf处具有峰，该峰对应于滤波器610-2的带通频率fb。例如，带通滤波器可以具有400MHz、600MHz、800MHz和1GHz的相应的中心频率，并且拍频可以具有大约600MHz的频率，其对应于600MHz的带通频率fb。由图19中的频率检测电路600响应于图20中的电压信号360而产生的输出信号145b可包括幅度值A2、A1、A2和A2(其对应于相应的频率fa、fb、fc和fM的幅度)。幅度AT表示阈值幅度值。具有高于AT的幅度的拍频信号可以指示对应的拍频存在于电压信号360中，并且低于AT的幅度可以指示对应的拍频不存在。幅度A1高于阈值AT，这指示具有大约fb的拍频的拍频信号存在于电压信号360中。在频率fa、fc和fM处的拍频信号的幅度A2低于拍频信号阈值，这指示那些拍频不存在于电压信号360中。如果图19中的输出信号145b包括指示存在拍频的数字值1和指示不存在拍频的数字值0，则响应于图20中的电压信号360的输出信号可以包括值0、1、0和0(其对应于相应频率fa、fb、fc和fM的幅度值A2、A1、A2和A2)。
图21示出示例接收器140，其包括具有模数转换器(ADC)368的脉冲检测电路365。ADC 368可以对电压信号360进行采样并产生包括电压信号的数字表示的输出信号145。例如，输出信号145可以包括表示电压信号360的时间行为或形状的一系列数字值，并且可以基于输出信号145确定接收的光脉冲410的到达时间。图21中的脉冲检测电路365还可以充当频率检测电路并且可以被称为脉冲检测和频率检测电路。除了基于输出信号145确定接收的光脉冲410的到达时间之外，还可以基于输出信号145确定接收的光脉冲410的光谱特征。ADC 368可以接收电压信号360(其对应于光电流信号i)并产生与电压信号和光电流信号相对应的数字输出信号145。控制器150可以基于输出信号145确定接收的光脉冲410的到达时间和光谱特征。接收的光脉冲410的到达时间可以基于与电压信号360的上升边缘、峰值或时间中心相关联的时间来确定。此外，可以分析输出信号145以确定电压信号360的一个或多个拍频。例如，快速傅立叶变换(FFT)或导数可应用于输出信号145，并且可以从所得的FFT或导数信号来确定电压信号360的一个或多个拍频。FFT的峰可以对应于电压信号360的拍频。与接收的光脉冲410相关联的拍频可以表示接收的脉冲的光谱特征。ADC 368可以以大于或等于要测量的最高拍频两倍的采样率对电压信号360进行采样。例如，如果脉冲检测电路365被配置为测量高达最大值Δfmax的拍频，则ADC 368可以具有大于或等于2Δfmax的采样率。作为另一示例，如果要测量的最大拍频是1GHz，则ADC 368可以以大于或等于2GHz的采样率对电压信号360进行采样。
频率检测电路可以被配置为基于对应的光电流信号i来确定接收的光脉冲410的光谱特征。确定接收的光脉冲410的光谱特征可以包括确定光电流信号i的电子频谱。例如，放大器350可以产生与光电流信号i相对应的电压信号360，并且频率检测电路可以确定电压信号的频谱(其对应于光电流信号的频谱)。与发射的光脉冲400或接收的光脉冲410相关联的频谱可以从由通过如下产生的输出信号145来确定：(i)脉冲检测和频率检测电路，其包括多个比较器370和TDC 380(例如，如图18中所示)，(ii)包括多个滤波器610和幅度检测器620的频率检测电路600(例如，如图19中所示)，或(iii)脉冲检测和频率检测电路，其包括ADC 368(例如，如图21中所示)。例如，图21中的ADC 368可以产生包括表示电压信号360的时域行为的一系列数字值的输出信号145。电压信号的频谱可以通过对输出信号进行快速傅立叶变换(FFT)来确定。频谱可以是电压信号或光电流信号的功率谱密度的数字表示。与接收的光脉冲410相关联的频谱可以包括指示作为频率的函数的电压信号360的幅度(例如，功率、能量、电流或电压的量)的曲线图、列表、表格或矩阵。在图20的示例中，电压信号360的频谱可以包括表示图20的下部中的频域曲线的一系列值。
控制器150可以基于光脉冲的相关联频谱来确定接收的光脉冲410和发射的光脉冲400的光谱特征是否匹配。确定接收的光脉冲410的光谱特征是否与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配可以包括将与接收的光脉冲相关联的频谱和与发射的光脉冲相关联的频谱进行比较。例如，控制器150可以将与接收的光脉冲相关联的电压信号360的频谱和与发射的光脉冲相关联的电压信号的频谱进行比较。频谱的比较可以包括确定与接收的光脉冲相关联的频谱和与发射的光脉冲相关联的频谱之间的相关性度量。例如，可以计算两个频谱之间的卷积或互相关以确定相关性度量，并且如果相关性度量超过特定阈值，则接收和发射的光脉冲的光谱特征可被确定为匹配。
图22示出示例接收器140，其包括具有导数电路630和过零电路640的频率检测电路600。导数电路630接收电压信号360并产生与电压信号360对时间的一阶导数相对应的导数信号632。图22中的电压信号360对应于光电流信号i，并且导数信号632可以对应于光电流信号i的一阶导数。导数电路630可以包括模拟微分器，诸如例如被配置为充当电压信号360的模拟微分器的运算放大器(op-amp)。运算放大器微分器电路可以包括耦合到运算放大器反相输入端子的串联电容器和跨越运算放大器(例如，从运算放大器反相输入耦合到输出)定位的电阻器，以提供负反馈。导数信号632可以是与电压信号360对时间的一阶导数成比例的模拟电压信号。过零电路640可以确定导数信号632的两个或更多个过零点。每个过零点可以包括指示导数信号632与x轴相交的时间的时间值，其中x轴对应于导数信号的大约零伏的值。每个过零点可以对应于与电压信号360或对应的电流信号i的局部最大值或最小值相关联的时间。过零电路640可以包括比较器，其后是定时器电路(例如，TDC)，并且比较器的阈值电压可以被设定为大约零伏。当导数信号632跨越零伏时，比较器370可以产生电边缘信号，并且定时器电路可以产生表示从比较器接收到边缘信号时的时间的数字值。频率检测输出信号145b可以包括两个或更多个数字时间值，每个时间值对应于过零点之一。
在另一实施例中，代替使用模拟微分器来确定电压信号360的导数，可以采用数字或数值技术。例如，来自脉冲检测电路365的输出信号145a可以被提供给控制器150，并且控制器可以从输出信号确定电压信号360的导数。包括多个比较器和TDC(例如，如图18中所示)或包括ADC 368(例如，如图21中所示)的脉冲检测电路365可以产生输出信号，该输出信号包括电压信号的数字表示。控制器可以将数值技术应用于输出信号以确定电压信号的对应导数。另外，代替使用过零电路来确定电压信号的导数的过零点，控制器可以分析电压信号的导数以确定过零时间。
图23示出电压信号360和对应的导数信号632的示例曲线图。电压和导数信号可以由图22的接收器140响应于检测接收的光脉冲410而产生。电压信号360包括与拍频信号相对应的时间脉动，并且导数信号632表示电压信号的一阶导数。导数信号632的每个过零点对应于电压信号的峰值或谷值(例如，电压信号的局部最大值或最小值，或者具有零斜率的点)。图23中的导数信号632包括由九个时间值t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8和t9表示的九个过零点。输出信号145b可以包括九个过零点的时间值，并且输出信号可以表示图22中接收的光脉冲410的光谱特征。图22中的频率检测电路600可以将包括过零点的时间值的频率检测输出信号145b发送到控制器150。基于过零点，控制器150可以确定接收的光脉冲410的光谱特征是否与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。
图24示出发射由目标130散射的光脉冲400-1和400-2的示例激光雷达系统100。接收的光脉冲410-a和410-b中的每一个可以包括来自发射的光脉冲之一的散射光。光电流信号i-1对应于发射的光脉冲400-1，并且光电流信号i-2对应于发射的光脉冲400-2。激光雷达系统100可以包括光学分束器470，该光学分束器470分离出每个发射的光脉冲的一部分以产生相关联的测试光脉冲400t，并且激光雷达系统可以包括检测器，该检测器响应于测试光脉冲而产生光电流信号i-1和i-2。激光雷达系统100可以基于相关联的光电流信号i-1和i-2来确定发射的光脉冲400-1和400-2中的每一个发射的光脉冲的光谱特征。例如，频率检测电路600可以基于与光电流信号i-1相对应的电压信号来确定发射的光脉冲400-1的光谱特征。类似地，激光雷达系统100可以基于相关联的光电流信号i-a和i-b来确定接收的光脉冲410-a和410-b的光谱特征。确定光脉冲的光谱特征可以包括(i)确定与光脉冲相关联的光电流信号或电压信号的一个或多个拍频，(ii)确定与光脉冲相关联的光电流信号或电压信号的频谱，或(iii)确定与光脉冲相关联的光电流信号或电压信号的导数的过零点。
图24中的激光雷达系统100可以包括控制器150，该控制器150确定接收的光脉冲的光谱特征是否与发射的光脉冲的光谱特征相匹配。例如，控制器可以比较光谱特征并确定接收的光脉冲410-a的光谱特征与发射的光脉冲400-1的光谱特征相匹配。另外或可替代地，控制器可以确定接收的光脉冲410-a的光谱特征与发射的光脉冲400-2的光谱特征不匹配。基于光谱特征的比较，控制器可以确定接收的光脉冲410-a与发射的光脉冲400-1相关联，这指示接收的光脉冲410-a包括来自从目标130散射的发射的光脉冲400-1的光。另外，控制器可以确定接收的光脉冲410-a与发射的光脉冲400-2不相关联。类似地，控制器可以确定接收的光脉冲410-b与发射的光脉冲400-2相关联并且与发射的光脉冲400-1不相关联。
确定两个光脉冲的光谱特征是否匹配可以包括确定光脉冲是否与大致相同的拍频相关联(例如，与每个光脉冲相关联的一个或多个拍频中的每一个拍频都近似相等)。光脉冲可以与具有一个或多个相应拍频的一个或多个拍频信号相关联，并且如果与光脉冲中的每个光脉冲相关联的拍频近似相等，则可以确定接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。例如，如果与每个光脉冲相关联的每对拍频近似相等(例如，每对拍频可以在±1％、±2％、±5％或±10％之内彼此相等)，则可以确定光谱特征匹配。另外，如果与一个光脉冲相关联的一个或多个拍频也不与另一光脉冲相关联，则可以确定接收的光脉冲410和发射的光脉冲400的光谱特征不匹配。例如，具有500MHz的相关联拍频的第一光脉冲和具有505MHz的相关联拍频的第二光脉冲可被确定为具有匹配的光谱特征。作为另一示例，具有500MHz的相关联拍频的第一光脉冲和具有800MHz的相关联拍频的第二光脉冲可被确定为具有不匹配的光谱特征。作为另一示例，具有200MHz和800MHz的相关联拍频的第一光脉冲和具有205MHz和790MHz的相关联拍频的第二光脉冲可被确定为具有匹配的光谱特征。作为另一示例，具有200MHz和800MHz的相关联拍频的第一光脉冲和具有205MHz、500MHz和805MHz的相关联拍频的第二光脉冲可被确定为具有不匹配的光谱特征。作为另一示例，具有200MHz和800MHz的相关联拍频的第一光脉冲和具有205MHz和500MHz的相关联拍频的第二光脉冲可被确定为具有不匹配的光谱特征。
在图24中，发射的光脉冲400-1与具有拍频为Δf1的拍频信号的光电流信号i-1相关联，并且发射的光脉冲400-2与具有拍频为Δf2的拍频信号的光电流信号i-2相关联，其中Δf1和Δf2不相等。接收的光脉冲410-a与具有拍频为Δfa的拍频信号的光电流信号i-a相关联，并且接收的光脉冲410-b与具有拍频为Δfb的拍频信号的光电流信号i-b相关联，其中Δfa和Δfb不相等。控制器可以确定拍频Δfa和Δf1近似相等，并且基于拍频Δfa和Δf1近似相等可以确定接收的光脉冲410-a的光谱特征与发射的光脉冲400-1的光谱特征相匹配。另外，基于拍频Δfa不同于拍频Δf2，接收的光脉冲410-a的光谱特征可以被确定为与发射的光脉冲400-2的光谱特征不匹配。类似地，基于拍频Δfb和Δf2近似相等，接收的光脉冲410-b的光谱特征可以被确定为与发射的光脉冲400-2的光谱特征相匹配。另外，基于拍频Δfb不同于拍频Δf1，接收的光脉冲410-b的光谱特征可以被确定为与发射的光脉冲400-1的光谱特征不匹配。
确定两个光脉冲的光谱特征是否匹配可以包括确定与每个光脉冲相关联的拍频的特定阈值数量或百分比是否近似相等。例如，代替要求所有相关联的拍频相等以便两个光脉冲具有匹配的光谱特征，如果至少特定百分比(例如，70％、80％或90％)的相关联拍频近似相等，则可以确定两个光谱特征匹配。五个拍频中有四个拍频近似相等(例如，相关联拍频的80％近似相等)的两个光脉冲可以被确定为具有匹配的光谱特征。作为另一示例，频率检测电路600可以包括测量电压信号的五个不同频率分量的幅度的五个频率测量信道。对于两个光脉冲，如果五个频率中的至少四个频率的幅度近似相等，则可以确定两个光脉冲具有匹配的光谱特征。可替代地，如果五个频率中的小于或等于三个频率近似相等，则两个光脉冲可被确定为具有不匹配的光谱特征。
确定两个光脉冲的光谱特征是否匹配可以包括确定两个光谱特征之间的相关性度量是否大于特定阈值相关性值。如果光谱特征之间的相关性度量大于阈值相关性值，则控制器150可以确定两个光谱特征匹配。例如，控制器150可以将与接收的光脉冲410相关联的电压信号360的频谱和与发射的光脉冲400相关联的电压信号的频谱进行比较。频谱的比较可以包括确定与接收的光脉冲相关联的频谱和与发射的光脉冲相关联的频谱之间的相关性度量。相关性度量可以通过计算两个频谱之间的卷积或互相关来确定，并且如果相关性度量超过阈值相关性值，则可以确定接收的和发射的光脉冲的光谱特征匹配。用于确定两个光谱特征匹配的阈值可以是任何合适的值，诸如例如1.0(指示两个光谱特征之间的100％相关性)、0.9(指示90％相关性)或0.8(指示80％相关性)。在图24中，与接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-1相关联的频谱之间的相关性可以被确定为90％，并且与接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-2相关联的频谱之间的相关性可以被确定为30％。如果阈值相关性值为80％，则接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-1的光谱特征可以被确定为匹配，这指示接收的光脉冲包括来自发射的光脉冲的散射光。另外，接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-2的光谱特征可以被确定为不匹配。
两个光脉冲的光谱特征之间的相关性度量可以基于与光脉冲中的每个光脉冲相关联的导数信号632的过零点来确定。例如，接收器140可以包括产生导数信号632的导数电路630和确定导数信号的过零时间的过零电路640。控制器150可以将与接收的光脉冲410相关联的过零点和与发射的光脉冲400相关联的过零点进行比较，以确定两组过零数据之间的相关性的量。相关性度量可以通过计算两组过零数据之间的卷积或互相关来确定，并且如果相关性度量超过阈值相关性值，则接收的和发射的光脉冲的光谱特征可以被确定为匹配。在图24中，与接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-1相关联的过零点之间的相关性可以被确定为45％，并且与接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-2相关联的过零点之间的相关性可以被确定为95％。如果阈值相关性值为90％，则接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-2的光谱特征可以被确定为匹配。另外，接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-1的光谱特征可以被确定为不匹配。
比较两组过零点可以包括时间值的直接比较。例如与图22中接收的光脉冲410相关联的图23中的时间间隔t2-t1、t3-t1、t4-t1等可以与发射的光脉冲400的对应时间间隔进行比较。可替代地，比较两组过零点可以包括比较时间间隔的比率，它可允许一组过零点相对于另一组过零点的缩放、失真或拉伸(例如，由于多普勒频移)。例如，与图22中接收的光脉冲410相关联的缩放时间间隔值(t3-t1)/(t2-t1)、(t4-t1)/(t2-t1)、(t5-t1)/(t2-t1)等可以与发射的光脉冲400的对应缩放时间间隔值进行比较。
两个光脉冲的光谱特征之间的相关性度量可以基于与光脉冲中的每个光脉冲相关联的输出信号145来确定。例如，脉冲检测电路365可以包括多个比较器和TDC(例如，如图18中所示)或者可以包括ADC 368(例如，如图21中所示)，并且由脉冲检测电路365产生的输出信号145可以包括与光脉冲相对应的电压信号360的数字表示。作为示例，输出信号145可以包括表示电压信号360的时间行为或形状的一系列数字值。控制器150可以将与接收的光脉冲410相关联的输出信号和与发射的光脉冲400相关联的输出信号进行比较，以确定两个光脉冲之间的相关性的量。例如，可以通过计算两个输出信号145之间的卷积或互相关来确定相关性度量。如果相关性度量超过阈值相关性值，则接收的和发射的光脉冲的光谱特征可被确定为匹配。
确定接收的光脉冲410与两个或更多个发射的光脉冲400中的哪一个相关联可以包括确定接收的光脉冲与发射的光脉冲中的每一个发射的光脉冲之间的相关性度量。例如，频率检测电路600可以确定P个最近发射的光脉冲400的光谱特征(其中P是大于或等于2的整数)，并且控制器150可以存储P个光谱特征。参数P可以具有2、3、4、5、10、20、50、100的值，或者小于或等于大约100的任何其它合适的值，并且P个最近发射的光脉冲中的每一个可以具有不同的光谱特征。接收的光脉冲410的光谱特征可以与存储的P个发射的光脉冲400的光谱特征中的每一个进行比较，以确定接收的光脉冲和发射的光脉冲中的每一个发射的光脉冲之间的P个相关性度量。相关性度量可以基于与光脉冲相关联的频谱、过零点或输出信号145来确定。控制器可以基于与接收的光脉冲具有最高相关性度量的特定发射的光脉冲(其指示接收的光脉冲与特定发射的光脉冲相关联)来确定接收的光脉冲410的光谱特征与特定发射的光脉冲的光谱特征相匹配。接收的光脉冲和特定发射的光脉冲的光谱特征之间的相关性度量可以大于接收的光脉冲和其它(P-1)个发射的光脉冲的光谱特征之间的(P-1)个相关性度量中的每一个相关性度量。
如果P个相关性度量中没有一个超过最小阈值(例如，70％相关性的最小阈值)，则控制器可以确定接收的光脉冲410的光谱特征与最近发射的光脉冲的P个不同光谱特征中的任何一个都不匹配。例如，接收的光脉冲410可以是与P个最近发射的光脉冲中的任何一个都不相关联的干扰光信号。接收的光脉冲可以源自激光雷达系统外部的光源(例如，光脉冲可以源自另一激光雷达系统)，并且接收的光脉冲可以被确定为无效或干扰光信号。如果接收的光脉冲被确定为干扰光信号，则该干扰光信号可以被丢弃或忽略，因为它不与发射的光脉冲400中的任何一个相关联。激光雷达系统100可以避免确定到达时间或确定到目标130的距离，直到确定接收的光脉冲410是有效的。例如，接收器140或控制器150在确定接收的光脉冲的到达时间或确定到与接收的光脉冲相关联的目标130的距离之前，可以首先验证接收的光脉冲410是有效的(例如，基于相关性度量)。如果接收的光脉冲410被确定为干扰光信号，则接收器140可以不执行进一步分析来确定到达时间或确定到目标的距离。
在图24中，参数P可以是2，并且发射的脉冲400-1和400-2可以表示两个最近发射的光脉冲。接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-1的光谱特征之间的相关性度量可以被确定为高于接收的光脉冲410-a与发射的光脉冲400-2的光谱特征之间的相关性度量。与发射的光脉冲400-1的较高相关性可以指示接收的光脉冲410-a和发射的光脉冲400-1的光谱特征匹配。这指示接收的光脉冲410-a与发射的光脉冲400-1相关联(例如，接收的光脉冲410-a包括来自从目标130散射的发射的光脉冲400-1的光)。另外，接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-1的光谱特征之间的相对较低的相关性度量可以指示接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-1的光谱特征不匹配。接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-1的光谱特征之间的相关性度量可以被确定为低于接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-2的光谱特征之间的相关性度量。与发射的光脉冲400-2的较高相关性可以指示接收的光脉冲410-b和发射的光脉冲400-2的光谱特征匹配。
图25示出用于确定从激光雷达系统100到目标130的距离的示例方法2500。方法2500可以开始于步骤2510，其中激光雷达系统100的光源110发射光脉冲400。每个发射的光脉冲可以包括多个不同光谱特征的光谱特征。在步骤2520处，激光雷达系统100的接收器140可以检测接收的光脉冲410。接收的光脉冲410可以包括来自由位于距激光雷达系统100一定距离D的目标130散射的发射的光脉冲400之一的光，并且发射的光脉冲400可以包括多个不同光谱特征的光谱特征之一。检测接收的光脉冲410的步骤2520可以包括步骤2522、步骤2524和步骤2526。在步骤2522处，检测器340可以产生与接收的光脉冲410相对应的光电流信号。在步骤2524处，频率检测电路600可以确定接收的光脉冲410的光谱特征。在步骤2526处，脉冲检测电路365可以确定接收的光脉冲410的到达时间。在步骤2530处，激光雷达系统100的处理器或控制器150可以确定接收的光脉冲410的光谱特征与发射的光脉冲400的光谱特征相匹配。两个光脉冲的光谱特征匹配可以指示接收的光脉冲410与发射的光脉冲400相关联(例如，接收的光脉冲包括来自从目标散射的发射的光脉冲的光)。在步骤2540处，处理器或控制器150可以基于接收的光脉冲410的到达时间来确定从激光雷达系统100到目标130的距离，在该点处方法2500可以结束。例如，到目标130的距离D可以由表达式D＝c·ΔT/2确定，其中ΔT是发射的光脉冲400的一部分行进到目标130并返回到激光雷达系统100的往返飞行时间。往返飞行时间可以从表达式ΔT＝T2-T1来确定，其中T2是接收的光脉冲410的到达时间，并且T1是发射对应的光脉冲400的时间。
图26示出示例计算机系统2600。一个或多个计算机系统2600可以执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。一个或多个计算机系统2600可以提供本文描述或示出的功能。在一个或多个计算机系统2600上运行的软件可以执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤，或者可以提供本文描述或示出的功能。计算机系统可以被称为处理器、控制器、计算设备、计算系统、计算机、通用计算机或数据处理装置。例如，图1中或如本文描述的控制器150可以被称为或可以包括计算机系统。本文中，在适当的情况下，对计算机系统的提及可以涵盖一个或多个计算机系统。
计算机系统2600可以采用任何合适的物理形式。作为示例，计算机系统2600可以是嵌入式计算机系统、片上系统(SOC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、单板计算机系统(SBC)、台式计算机系统、膝上型或笔记本计算机系统、大型机、计算机系统网格、服务器、平板计算机系统，或者其中两个或更多个的任何合适的组合。作为另一示例，计算机系统2600的全部或部分可以与各种设备组合、耦合或集成到各种设备中，各种设备包括但不限于：照相机、摄像机、个人数字助理(PDA)、移动电话、智能电话、电子阅读设备(例如电子阅读器)、游戏机、智能手表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、车辆显示器(例如里程表显示器或仪表板显示器)、车辆导航系统、激光雷达系统、ADAS、自动驾驶车辆、自动驾驶车辆驾驶系统、驾驶舱控制器、照相机视图显示器(例如，车辆中的后视照相机的显示器)、眼镜或头戴式显示器。在适当的情况下，计算机系统2600可以包括一个或多个计算机系统2600；是单一的或分布式的；跨越多个位置；跨越多台机器；跨越多个数据中心；或驻留在云中，云可包括一个或多个网络中的一个或多个云部件。在适当的情况下，一个或多个计算机系统2600可以在没有实质空间或时间限制的情况下执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。作为示例，一个或多个计算机系统2600可以实时或以批处理模式执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。在适当的情况下，一个或多个计算机系统2600可以在不同时间或在不同位置执行本文描述或示出的一种或多种方法的一个或多个步骤。
如图26的示例中所示，计算机系统2600可包括处理器2610、存储器2620、存储设备2630、输入/输出(I/O)接口2640、通信接口2650或总线2660。计算机系统2600可包括在任何合适的布置中的任何合适数量的任何合适的部件。
处理器2610可以包括用于执行指令的硬件，诸如构成计算机程序的那些。作为示例，为了执行指令，处理器2610可以从内部寄存器、内部高速缓存、存储器2620或存储设备2630取得(或获取)指令；解码并执行它们；并且然后将一个或多个结果写入内部寄存器、内部高速缓存、存储器2620或存储设备2630。处理器2610可包括用于数据、指令或地址的一个或多个内部高速缓存。在适当的情况下，处理器2610可以包括任何合适数量的任何合适的内部高速缓存。作为示例，处理器2610可以包括一个或多个指令高速缓存、一个或多个数据高速缓存、或者一个或多个转换后备缓冲器(TLB)。指令高速缓存中的指令可以是存储器2620或存储设备2630中指令的副本，并且指令高速缓存可以加速处理器2610对那些指令的取得。数据高速缓存中的数据可以是存储器2620或存储设备2630中的数据的副本，用于在处理器2610处执行以操作的指令；在处理器2610处执行的先前指令的结果，以供在处理器2610处执行的随后指令访问或写入存储器2620或存储设备2630；或其它合适的数据。数据高速缓存可以加速处理器2610的读取或写入操作。TLB可以加速处理器2610的虚拟地址转换。处理器2610可以包括用于数据、指令或地址的一个或多个内部寄存器。在适当的情况下，处理器2610可以包括任何合适数量的任何合适的内部寄存器。在适当的情况下，处理器2610可以包括一个或多个算术逻辑单元(ALU)；可以是多核处理器；或者可以包括一个或多个处理器2610。
存储器2620可以包括用于存储供处理器2610执行的指令或供处理器2610操作的数据的主存储器。作为示例，计算机系统2600可以将指令从存储设备2630或另一个源(诸如例如，另一个计算机系统2600)加载到存储器2620。处理器2610然后可以将指令从存储器2620加载到内部寄存器或内部高速缓存。为了执行指令，处理器2610可以从内部寄存器或内部高速缓存中取得指令并对它们进行解码。在指令执行期间或之后，处理器2610可将一个或多个结果(其可为中间或最终结果)写入内部寄存器或内部高速缓存。处理器2610然后可以将这些结果中的一个或多个写入存储器2620。一个或多个存储器总线(其可以各自包括地址总线和数据总线)可以将处理器2610耦合到存储器2620。总线2660可以包括一个或多个存储器总线。一个或多个存储器管理单元(MMU)可以驻留在处理器2610和存储器2620之间并且促进处理器2610请求的对存储器2620的访问。存储器2620可以包括随机存取存储器(RAM)。在适当的情况下，该RAM可以是易失性存储器。在适当的情况下，该RAM可以是动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)。在适当的情况下，存储器2620可以包括一个或多个存储器2620。
存储设备2630可以包括用于数据或指令的大容量存储设备。作为示例，存储设备2630可以包括硬盘驱动器(HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(USB)驱动器或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，存储设备2630可以包括可移除或不可移除(或固定)介质。在适当的情况下，存储设备2630可以在计算机系统2600的内部或外部。存储设备2630可以是非易失性固态存储器。存储设备2630可以包括只读存储器(ROM)。在适当的情况下，该ROM可以是掩模ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、闪存或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，存储设备2630可以包括促进处理器2610和存储设备2630之间的通信的一个或多个存储控制单元。在适当的情况下，存储设备2630可以包括一个或多个存储设备2630。
I/O接口2640可以包括硬件、软件或二者，为计算机系统2600和一个或多个I/O设备之间的通信提供一个或多个接口。在适当的情况下，计算机系统2600可以包括这些I/O设备中的一个或多个。这些I/O设备中的一个或多个可以实现人与计算机系统2600之间的通信。作为示例，I/O设备可以包括键盘、小键盘、麦克风、监视器、鼠标、打印机、扫描仪、扬声器、照相机、触控笔、平板计算机、触摸屏、轨迹球、另一个合适的I/O设备、或这些中的两个或更多个的任何合适的组合。I/O设备可以包括一个或多个传感器。在适当的情况下，I/O接口2640可以包括使处理器2610能够驱动这些I/O设备中的一个或多个I/O设备的一个或多个设备或软件驱动器。在适当的情况下，I/O接口2640可以包括一个或多个I/O接口2640。
通信接口2650可以包括硬件、软件或二者，其提供用于计算机系统2600和一个或多个其它计算机系统2600或一个或多个网络之间的通信(诸如例如基于分组的通信)的一个或多个接口。作为示例，通信接口2650可以包括用于与以太网或其它基于有线的网络或无线NIC(WNIC)通信的网络接口控制器(NIC)或网络适配器；用于与无线网络(诸如WI-FI网络)通信的无线适配器；或用于使用光纤通信或自由空间光通信进行通信的光发射器(例如，激光器或发光二极管)或光接收器(例如，光电检测器)。计算机系统2600可以与自组织网络、个人区域网(PAN)、车载网络(IVN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)或互联网的一个或多个部分、或这些中的两个或更多个的组合通信。这些网络中的一个或多个网络的一个或多个部分可以是有线的或无线的。作为示例，计算机系统2600可以与无线PAN(WPAN)(诸如例如BLUETOOTH WPAN)、WI-FI网络、全球微波接入互通(WiMAX)网络、蜂窝电话网络(诸如例如，全球移动通信系统(GSM)网络)、或其它合适的无线网络、或这些中的两个或更多个的组合通信。作为另一示例，计算机系统2600可以使用基于100吉比特以太网(100GbE)、10吉比特以太网(10GbE)或同步光网络(SONET)的光纤通信进行通信。在适当的情况下，计算机系统2600可以包括用于这些网络中的任何网络的任何合适的通信接口2650。在适当的情况下，通信接口2650可以包括一个或多个通信接口2650。
总线2660可以包括将计算机系统2600的组件彼此耦合的硬件、软件或二者。作为示例，总线2660可以包括加速图形端口(AGP)或其它图形总线、控制器局域网(CAN)总线、增强型工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、HYPERTRANSPORT(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、INFINIBAND互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微通道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCIe)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会本地总线(VLB)或另一合适的总线或这些中的两个或更多个的组合。在适当的情况下，总线2660可以包括一个或多个总线2660。
结合本文公开的实施方式描述的各种模块、电路、系统、方法或算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或硬件和软件的任何合适的组合。计算机软件(其可被称为软件、计算机可执行代码、计算机代码、计算机程序、计算机指令或指令)可用于执行本文描述或示出的各种功能，并且计算机软件可被配置为由计算机系统2600执行或控制其操作。作为示例，计算机软件可以包括被配置为由处理器2610执行的指令。由于硬件和软件的可互换性，各种示意性逻辑块、模块、电路或算法步骤已根据功能进行了一般性描述。此类功能是否以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现可取决于特定应用或强加于整个系统的设计约束。
计算设备可用于实现本文公开的各种模块、电路、系统、方法或算法步骤。作为示例，本文公开的模块、电路、系统、方法或算法的全部或部分可以由通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、ASIC、FPGA、任何其它合适的可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其任何合适的组合实现或执行。通用处理器可以是微处理器，或者任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合(例如DSP和微处理器的组合)、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或者任何其它此类配置。
本文描述的主题的一个或多个实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序(例如，编码或存储在计算机可读非暂态存储介质上的计算机程序指令的一个或多个模块)。作为示例，本文公开的方法或算法的步骤可以在可以驻留在计算机可读非暂态存储介质上的处理器可执行软件模块中实现。计算机可读非暂态存储介质可包括可用于存储或传输计算机软件并且可由计算机系统访问的任何合适的存储介质。在此，计算机可读非暂态存储介质或媒介可以包括一个或多个基于半导体的或其它集成电路(IC)(诸如例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用IC(ASIC))、硬盘驱动器(HDD)、混合硬盘驱动器(HHD)、光盘(例如，压缩光盘(CD)、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、蓝光光盘或激光光盘)、光盘驱动器(ODD)、磁光盘、磁光驱动器、软盘、软盘驱动器(FDD)、磁带、闪存、固态驱动器(SSD)、RAM、RAM驱动器、ROM、安全数字卡或驱动器、任何其它合适的计算机可读非暂态存储介质、或这些中的两个或更多个的任何合适组合(在适当情况下)。在适当的情况下，计算机可读非暂态存储介质可以是易失性、非易失性或易失性和非易失性的组合。
本文在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合并在单个实施方式中实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实现。此外，虽然特征可以在上面描述为以某些组合起作用并且本身甚至最初要求保护，但在一些情况下，要求保护的组合中的一个或多个特征可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
虽然在附图中可以将操作描述为以特定顺序发生，但这不应被理解为要求以所示的特定次序或顺序执行此类操作，或者要求执行所有操作。此外，附图可以以流程图或序列图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程或方法。然而，未描绘的其它操作可并入示意性示出的示例过程或方法中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行。此外，在适当的情况下，可以重复图中描绘的一个或多个操作。此外，图中描绘的操作可以以任何合适的顺序执行。此外，虽然特定组件、设备或系统在本文中被描述为执行特定操作，但是任何合适的组件、设备或系统的任何合适的组合可用于执行任何合适的操作或操作的组合。在某些情况下，可以执行多任务或并行处理操作。此外，本文描述的实施方式中各个系统部件的分离不应理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序部件和系统可以一起集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。
已经结合附图描述了各种实施例。然而，应当理解，这些图不一定按比例绘制。作为示例，图中描绘的距离或角度是说明性的并且可能不一定与所示设备的实际尺寸或布局具有精确关系。
本文描述的一个或多个附图可以包括预言性的示例数据。例如，图11-21、图23和图24中所示的示例曲线图可以包括或可以被称为预言性示例。
本公开的范围包括本领域普通技术人员将理解的对在此描述或示出的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。本公开的范围不限于本文描述或示出的示例实施例。此外，尽管本公开将本文中的各个实施例描述或示出为包括特定组件、元件、功能、操作或步骤，但是这些实施例中的任何一个实施例可包括本领域普通技术人员将理解的本文任何地方描述或示出的任何组件、元件、功能、操作或步骤的任何组合或排列。
如本文所使用的，术语“或”应被解释为包括或意指任何一个或任何组合，除非另有明确说明或上下文另有说明。因此，在本文中，表述“A或B”是指“A、B或A和B二者”。作为另一示例，在本文中，“A、B或C”是指以下中的至少一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C。如果元素、设备、步骤或操作的组合在某些方面本质上是相互排斥的，则会出现此定义的例外。
如本文所使用的，诸如但不限于“约”、“基本上”或“大约”的近似词是指这样一种条件，当如此修改时被理解为不一定是绝对的或完美的，但将被认为对本领域普通技术人员而言足够接近，以保证将所述条件指定为存在。描述可以变化的程度将取决于可以进行多大的改变，并且本领域的普通技术人员仍然认识到修改的特征具有未修改的特征所需的特性或能力。一般而言，但以前述讨论为前提，本文中通过诸如“约”的近似词修饰的数值可以与所述值相差±0.5％、±1％、±2％、±3％、±4％、±5％、±10％、±12％或±15％。术语“基本上恒定”是指在任何合适的时间间隔内变化小于特定量的值。例如，基本上恒定的值可以在大约104s、103s、102s、10s、1s、100ms、10ms、1ms、100μs、10μs或1μs的时间间隔内变化小于或等于20％、10％、1％、0.5％或0.1％。术语“基本上恒定”可以应用于任何合适的值，诸如例如光功率、脉冲重复频率、电流、波长、光学或电频率，或光学相位或电相位。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”、“第三”等可用作它们前面的名词的标签，并且这些术语可能不一定暗示特定排序(例如，特定空间、时间或逻辑顺序)。作为示例，系统可以被描述为确定“第一结果”和“第二结果”，并且术语“第一”和“第二”可能不一定暗示在第二结果之前确定第一结果。
如本文所使用的，术语“基于”和“至少部分地基于”可用于描述或呈现影响确定的一个或多个因素，并且这些术语可能不排除可能影响确定的附加因素。确定可以仅基于所呈现的那些因素或者可以至少部分地基于那些因素。短语“基于B确定A”表示B是影响A的确定的因素。在一些情况下，其它因素也可能有助于确定A。在其它情况下，A可以仅基于B确定。
Claims (37)
1.一种激光雷达系统，包括：
光源，其被配置为发射光脉冲，其中，每个发射的光脉冲包括多个不同光谱特征中的光谱特征；
接收器，其被配置为检测接收的光脉冲，所述接收的光脉冲包括来自由距所述激光雷达系统一定距离的目标散射的所述发射的光脉冲之一的光，所述发射的光脉冲包括所述光谱特征之一，其中，所述接收器包括：
检测器，其被配置为产生与所述接收的光脉冲相对应的光电流信号；
频率检测电路，其被配置为基于所述光电流信号确定所述接收的光脉冲的光谱特征；以及
脉冲检测电路，其被配置为基于所述光电流信号确定所述接收的光脉冲的到达时间；以及
处理器，其被配置为：
确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配；以及
基于所述接收的光脉冲的所述到达时间确定到所述目标的所述距离。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，每个光谱特征包括两个或更多个光频分量，其中，由所述检测器响应于所述接收的光脉冲而产生的所述光电流信号包括一个或多个拍频信号，每个拍频信号包括与所述接收的光脉冲的所述光谱特征的两个光频分量之间的频率差相对应的拍频。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征包括确定所述一个或多个拍频信号的一个或多个相应拍频。
4.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配包括确定与所述接收的光脉冲相关联的一个或多个拍频近似等于与所述发射的光脉冲相关联的一个或多个拍频。
5.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中：
所述发射的光脉冲的所述光谱特征包括具有第一频率f1的第一光频分量和具有第二频率f2的第二光频分量，其中，f2大于f1；
所述第一光频分量由E1(t)·cos[2πf1t+φ1]表示，其中，E1(t)表示所述第一光频分量的电场的幅度，并且φ1表示所述第一光频分量的相位；
所述第二光频分量由E2(t)·cos[2πf2t+φ2]表示，其中，E2(t)表示所述第二光频分量的电场的幅度，并且φ2表示所述第二光频分量的相位；以及
由所述检测器响应于所述接收的光脉冲而产生的所述光电流信号包括具有拍频(f2-f1)的拍频信号。
6.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，所述光频分量中的两个光频分量在所述检测器处相干地混合以产生所述拍频信号之一。
7.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中，每个拍频信号的所述拍频在100MHz与40GHz之间。
8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路进一步被配置为(i)接收与所述光电流信号相对应的电压信号，以及(ii)基于所接收的电压信号产生与所述光电流信号相对应的输出信号，其中，所述接收的光脉冲的所述光谱特征基于所述输出信号来确定。
9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述接收器进一步包括电子放大器，所述电子放大器被配置为从所述检测器接收所述光电流信号并放大所述光电流信号以产生与所述光电流信号相对应的所述电压信号。
10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置为(i)接收与所述光电流信号相对应的所述电压信号，以及(ii)基于所接收的电压信号产生与所述光电流信号相对应的所述输出信号。
11.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路包括多个比较器和多个时间数字转换器(TDC)，每个比较器耦合到对应的TDC，其中：
每个比较器被配置为(i)接收与所述光电流信号相对应的所述电压信号，以及(ii)当所述电压信号上升到特定阈值电压以上或下降到特定阈值电压以下时，向所述对应的TDC提供电边缘信号；以及
所述对应的TDC被配置为产生与接收到所述电边缘信号时的时间相对应的时间值，其中，与所述光电流信号相对应的所述输出信号包括由一个或多个所述TDC产生的时间值。
12.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路包括一个或多个电子带通滤波器和一个或多个幅度检测器，每个带通滤波器耦合到对应的幅度检测器，其中：
每个带通滤波器具有带有特定中心频率的特定通带，并且被配置为(i)接收与所述光电流信号相对应的所述电压信号，以及(ii)产生滤波信号，所述滤波信号对应于所述带通滤波器的所述特定通带内的所述电压信号的一部分；以及
所述对应的幅度检测器被配置为产生与所述滤波信号的幅度相对应的幅度信号，其中，与所述光电流信号相对应的所述输出信号包括来自一个或多个所述幅度检测器的一个或多个幅度信号。
13.根据权利要求12所述的激光雷达系统，其中，如果所述滤波信号的所述幅度大于或等于特定阈值，则由所述对应的幅度检测器产生的所述幅度信号包括第一值，以及如果所述滤波信号的所述幅度小于所述特定阈值，则由所述对应的幅度检测器产生的所述幅度信号包括第二值。
14.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路包括：
导数电路，其被配置为(i)接收与所述光电流信号相对应的所述电压信号，以及(ii)基于所接收的电压信号产生与所述光电流信号的导数相对应的导数信号；以及
过零电路，其被配置为确定所述导数信号的多个过零点，每个过零点对应于与所述光电流信号的局部最大值或最小值相关联的时间，其中，与所述光电流信号相对应的所述输出信号包括所述过零点。
15.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征包括确定所述光电流信号的频谱。
16.根据权利要求15所述的激光雷达系统，其中，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配包括将所述接收的光脉冲的所述光电流信号的所述频谱和与所述发射的光脉冲相关联的光电流信号的频谱进行比较。
17.根据权利要求15所述的激光雷达系统，其中：
所述频率检测电路进一步被配置为产生与所述光电流信号相对应的输出信号；以及
所述频率检测电路被配置为基于所述输出信号确定所述光电流信号的所述频谱。
18.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配包括确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征之间的相关性度量大于特定阈值相关性值。
19.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述发射的光脉冲是P个最近发射的光脉冲之一，其中，P为大于或等于2的整数；
所述频率检测电路进一步被配置为确定所述P个发射的光脉冲中的每一个发射的光脉冲的光谱特征，所确定的光谱特征包括所述发射的光脉冲的所述光谱特征和其它(P-1)个发射的光脉冲的光谱特征；以及
确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配包括确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征之间的相关性度量大于所述接收的光脉冲的所述光谱特征与其它(P-1)个发射的光脉冲的所述光谱特征之间的(P-1)个相关性度量中的每一个。
20.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述接收的光脉冲是第一接收的光脉冲；
所述接收的光脉冲的所述光谱特征是第一光谱特征；
所述接收器进一步被配置为检测第二接收的光脉冲；
所述频率检测电路进一步被配置为确定所述第二接收的光脉冲的第二光谱特征，其中，所述第二光谱特征不同于所述第一光谱特征；以及
所述处理器进一步被配置为确定所述第二光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征不匹配。
21.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源进一步被配置为发射测试光脉冲，其中，每个测试光脉冲与所述发射的光脉冲之一相关联。
22.根据权利要求21所述的激光雷达系统，其中，所述频率检测电路进一步被配置为基于相关联的测试光脉冲的光谱特征来确定所述发射的光脉冲中的每一个发射的光脉冲的光谱特征。
23.根据权利要求22所述的激光雷达系统，其中：
所述处理器进一步被配置为存储P个最近发射的光脉冲的所述光谱特征，其中，P是大于或等于2的整数，并且所述P个最近发射的光脉冲包括所述发射的光脉冲；以及
确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配包括将所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述P个最近发射的光脉冲中的每一个最近发射的光脉冲的所述光谱特征进行比较。
24.根据权利要求21所述的激光雷达系统，其中，所述处理器被配置为基于所述接收的光脉冲的所述光谱特征和与所述发射的光脉冲相关联的测试光脉冲的光谱特征相匹配，确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配。
25.根据权利要求21所述的激光雷达系统，其中：
所述激光雷达系统进一步包括光学分束器，所述光学分束器被配置为分离出每个发射的光脉冲的一部分以产生测试光脉冲；
所述接收器进一步被配置为检测所述测试光脉冲；以及
所述频率检测电路进一步被配置为确定所述测试光脉冲的光谱特征。
26.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源被配置为向每个发射的光脉冲赋予所述光谱特征之一。
27.根据权利要求26所述的激光雷达系统，其中，所述光源被配置为将光谱特征赋予所述发射的光脉冲以使得所述光谱特征以随机方式改变。
28.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源包括：
种子激光二极管，其被配置为产生种子光；以及
半导体光放大器(SOA)，其被配置为放大所述种子光的时间部分以产生所述发射的光脉冲，其中，所述种子光的每个放大的时间部分对应于发射的光脉冲。
29.根据权利要求28所述的光源，其中，所述SOA包括从所述SOA的输入端延伸到所述SOA的输出端的锥形光波导，其中，所述锥形光波导的宽度从所述输入端到所述输出端增加。
30.根据权利要求28所述的激光雷达系统，其中，所述光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为：
向所述种子激光二极管提供基本上恒定的电流以使得所述种子光包括具有基本上恒定的光功率的光；以及
向所述SOA提供电流脉冲，其中，每个电流脉冲使所述SOA放大所述种子光的所述时间部分之一以产生所述发射的光脉冲之一，
其中，每个发射的光脉冲的所述光谱特征至少部分地取决于以下中的一个或多个：所述基本上恒定的电流的幅度、所述电流脉冲的幅度、所述电流脉冲的持续时间、所述电流脉冲的上升时间、所述电流脉冲的下降时间以及所述电流脉冲的形状。
31.根据权利要求28所述的激光雷达系统，其中，所述光源进一步包括电子驱动器，所述电子驱动器被配置为：
向所述种子激光二极管提供电流脉冲，其中，每个种子电流脉冲使所述种子激光二极管产生种子光脉冲；以及
向所述SOA提供电流脉冲，其中，每个SOA电流脉冲使所述SOA放大所述种子光脉冲之一以产生所述发射的光脉冲之一，
其中，每个发射的光脉冲的所述光谱特征至少部分地取决于以下中的一个或多个：所述种子电流脉冲的幅度、所述种子电流脉冲的持续时间、所述种子电流脉冲的上升时间、所述种子电流脉冲的下降时间、所述种子电流脉冲的形状、所述SOA电流脉冲的幅度、所述SOA电流脉冲的持续时间、所述SOA电流脉冲的上升时间、所述SOA电流脉冲的下降时间、所述SOA电流脉冲的形状，以及所述种子电流脉冲和所述SOA电流脉冲之间的时间偏移。
32.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源包括：
种子激光二极管，其被配置为产生种子光；
半导体光放大器(SOA)，其被配置为放大所述种子光的时间部分以产生初始光脉冲；以及
光纤放大器，其被配置为进一步放大所述初始光脉冲以产生所述发射的光脉冲，其中，所述种子光的每个放大的时间部分对应于所述发射的光脉冲之一。
33.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光源包括：
无源光波导，其包括光学滤波器；
半导体光放大器(SOA)，其中，所述无源光波导和所述SOA彼此光学耦合；以及
电子驱动器，其被配置为向所述SOA提供电流脉冲，其中，每个电流脉冲使所述SOA产生所述发射的光脉冲之一。
34.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述检测器是多个检测器之一，每个检测器被配置为产生与所述接收的光脉冲相对应的相应光电流信号。
35.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述接收器进一步包括：
电子放大器，其被配置为接收来自所述检测器的所述光电流信号，并放大所述光电流信号以产生与所述光电流信号相对应的电压信号，其中：
所述频率检测电路从所述电压信号确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征；以及
所述脉冲检测电路从所述电压信号确定所述接收的光脉冲的所述到达时间。
36.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述脉冲检测电路包括多个比较器和多个时间数字转换器(TDC)，其中，每个比较器耦合到TDC，其中：
每个比较器被配置为接收与所述光电流信号相对应的电压信号，并且当所述电压信号上升到特定阈值电压以上或下降到特定阈值电压以下时，向对应的TDC提供电边缘信号；以及
所述对应的TDC被配置为产生与接收到所述电边缘信号时的时间相对应的时间值，其中，至少部分地基于由一个或多个所述TDC产生的一个或多个时间值确定所述接收的光脉冲的所述到达时间。
37.一种方法，包括：
由激光雷达系统的光源发射光脉冲，其中，每个发射的光脉冲包括多个不同光谱特征中的光谱特征；
由所述激光雷达系统的接收器检测接收的光脉冲，所述接收的光脉冲包括来自由距所述激光雷达系统一定距离的目标散射的所述发射的光脉冲之一的光，所述发射的光脉冲包括所述光谱特征之一，其中，检测所述接收的光脉冲包括：
产生与所述接收的光脉冲相对应的光电流信号；
基于所述光电流信号确定所述接收的光脉冲的光谱特征；以及
基于所述光电流信号确定所述接收的光脉冲的到达时间；
由所述激光雷达系统的处理器确定所述接收的光脉冲的所述光谱特征与所述发射的光脉冲的所述光谱特征相匹配；以及
由所述处理器基于所述接收的光脉冲的所述到达时间确定到所述目标的所述距离。
Applications Claiming Priority (1)
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