TW202338397A - 高速干擾時間光檢測和測距系統及確定距離的方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種高速干擾時間光檢測和測距系統及確定距離的方法與裝置，干擾時間光檢測和測距系統基於各種點測量到物件的距離生成物件的圖像，檢測從干擾光信號生成的電信號的包絡。干擾光信號由從採樣臂向物件的光發射與參考光發射組合而產生的後向反射光生成。通過分離脈衝調製相干光源的發射信號並且使參考光發射穿過參考臂來創建參考光發射。光學干擾信號被傳輸至平衡光電檢測器以轉換成數位資料的電信號。評估數位資料以確定數位化電干擾信號的上升邊緣或下降邊緣，從而確定用於計算距離的參考光發射與後向反射光之間的時間延遲。

Description

高速干擾時間光檢測和測距系統及確定距離的方法與裝置
本發明是2021年5月10日提交的美國序號17/315,678的部分繼續申請，該申請通過引用以其全部內容併入本文，並且轉讓給共同受讓人。
本發明總體上涉及光檢測和測距系統。更具體地，本發明涉及一種利用光學干擾測量設備的光檢測和測距系統以及測量距離和速度的方法及確定距離的方法與裝置。
光檢測和測距（LiDAR）與無線電檢測和測距（雷達）相似，因為LiDAR使用光波來確定物件的距離、角度和速度。LiDAR利用雷射返回時間和波長的差異，其可以用於對目標進行數位化3D表示，並且已經廣泛地用於陸地、機載和移動應用中。LiDAR儀器由一個或多個雷射發射器、光學器件、掃描器、光電檢測器和信號處理器組成。一個或多個雷射發射器生成相干光束，該相干光束通過一組光學器件傳輸至掃描器以發射至物件，用於確定到物件的距離或物件的速度。在三維（3D）掃描的情況下，確定物理特徵。光電檢測器接收從對象反射的相干光並且將相干光轉換成電信號，該電信號被處理以確定物件的距離。發射器將生成作為脈衝的相干光。信號處理器記錄發射脈衝的時間，並且記錄相干光的反射的接收時間。該距離是發射時間與接收時間之間的差除以2並乘以光速。
調幅連續波（AMCW）LiDAR是LiDAR的基於相位的形式。與直接脈衝檢測不同，基於相位的LiDAR發射連續的雷射信號。它用高速射頻（RF）信號調製雷射發射振幅以編碼輸出光學信號。檢測發射信號與反射信號之間的相位差以用於測距。正弦調製連續雷射波形的相移可以用於推斷距物體的距離。
頻率調製連續波（FMCW）LiDAR與AMCW LiDAR相似，但是調製和解調以光學方式而不是電氣方式執行。FMCW LiDAR使用波長調諧光源或者相位調製光源和干擾儀來以良好的靈敏度測量物件的距離。“Comb-Calibrated Frequency-Modulated Continuous-wave LiDAR（梳狀校準調頻連續波LiDAR）”，Y, Xie等人，2020年IEEE第七屆國際航空航太計量研討會（MetroAeroSpace），義大利比薩，2020年，第372-376頁，2021年2月15日，網址：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp＝&arnumber＝9160234&isnumber＝9159966，描述了FMCW LiDAR非常適合於絕對距離測量。FMCW雷射器的頻率由載波信號線性調製，以精確地測量雷射器往返飛行時間。通過檢測返回的雷射和發射的雷射之間的拍頻信號，可以高精度地計算飛行時間。可以實現高精度的距離測量。
干擾時間（TOI）LiDAR技術是克服傳統LiDAR技術的局限性的新測距方法，包括具有以下特徵的飛行時間（ToF）和頻率調製連續波（FWCW）：（1）利用具有平衡光電檢測器的干擾儀，允許高靈敏度地檢測來自遠距離的弱干擾信號；（2）即使在信號頻率高時，也可以測量干擾信號的時間延遲，從而提供與物體距離的精確測量，消除了對高速資料獲取系統的需要；（3）光源的相位調製或波長調製要求較低，並且由此可以簡化用於光源的驅動器電路設計的複雜度。TOI LiDAR系統的操作速度主要受到光源的調製速度和光接收器的效率的限制。
本發明的目的是提供一種高速干擾時間（TOI）光檢測和測距（LiDAR）系統（以下簡寫為TOI LiDAR系統）及確定距離的方法與裝置，用於基於時頻域反射測量和相干光源的小波長瞬態調製。高速TOI LiDAR系統使用時間-數位轉換器或資料獲取系統來記錄干擾信號的時間延遲或干擾時間（TOI）。輸出波長由相干光源的工作電流或工作溫度確定。
為了實現這個目的，高速TOI LiDAR系統具有連接至調製控制器的相干光源。調製控制器被配置為生成傳輸至相干光源的脈衝波長控制信號。脈衝波長控制信號可以是電流調製信號或雷射環境溫度調整信號。脈衝波長控制信號調製相干光源以生成脈衝波長調製相干光發射。
脈衝波長調製相干光發射是干擾儀的輸入。該干擾儀被配置為將脈衝波長調製相干光發射分成採樣部分和參考部分。脈衝波長調製相干光發射的採樣部分被佈置成照射在待測物件上。脈衝波長調製相干光發射的參考部分被佈置成提供用於確定從TOI LiDAR系統到物件的距離的參考基礎。干擾儀被進一步配置為將脈衝波長調製相干光傳輸至掃描器。掃描器被配置為將脈衝波長調製相干光的第一部分物理地傳輸至物件並且使用脈衝波長調製相干光掃描物件的表面。該掃描器被進一步配置為接收從物件的後向反射的脈衝波長調製相干光的一部分。後向反射的脈衝波長調製相干光從掃描器傳輸到干擾儀，並且然後與脈衝波長調製相干光的參考部分耦合以形成光學干擾光信號。
TOI LiDAR系統具有被配置為將光學干擾信號轉換成電干擾信號的光電檢測器陣列。在各種實施方式中，光電檢測器被配置為偏振分集平衡放大檢測器。光電檢測器具有至少一個功率監視器以測量光電檢測器的輸入功率電平。功率監視器輸出提供具有與物件的距離相關聯的時間延遲的調製功率電平。
TOI LiDAR系統具有信號處理器，該信號處理器被配置為接收電干擾信號並且將電干擾信號轉換成表示電干擾信號振幅的數位資料作為數位資料。信號處理器被配置為基於與目標的距離生成顯示的成像範圍。所顯示的成像範圍通過電腦系統來計算，該電腦系統被程式設計為計算由光學干擾信號確定的時間延遲。
調製控制器被配置為生成具有低占空比的波長調製控制信號，以通過控制窄相干光源的驅動電流、窄頻寬光源的溫度或者調整從光源發出的光的相位來調製相干光源。在其他實施方式中，當在干擾儀的樣品臂與參考臂中的光之間存在時間延遲時，調製控制器將生成用於生成干擾的脈衝相位控制信號。
在各種實施方式中，干擾儀包括偏振控制器，該偏振控制器用於調整來自光源的相干光發射的偏振狀態並且使光學干擾信號或電干擾信號的振幅最大化。干擾儀具有從偏振控制器接收脈衝波長調製相干光的第一耦合器。耦合器分割脈衝波長調製相干光。將脈衝波長調製相干光的第一部分饋送到至少一個樣本臂中。將脈衝波長調製相干光的第二部分饋送到參考臂。干擾儀具有環行器，該環行器被連接以接收來自至少一個樣本臂的脈衝波長調製相干光的第一部分。環行器被配置成使得來自樣本臂的脈衝波長調製相干光進入環行器並且從下一埠離開。通常，下一埠是順時針方向以將脈衝波長調製相干光引導至掃描器。掃描器被配置為物理地傳輸採樣的脈衝波長調製相干光以掃描物件。採樣的脈衝波長調製相干光從物件被後向反射以對掃描器進行測距測量，並且被傳輸至干擾儀內的環形器。後向反射的脈衝波長調製相干光接著從後向反射發射到第二耦合器。
干擾儀的參考臂具有大於採樣臂長度的兩倍的長度。參考臂中的脈衝波長調製相干光的第二部分被施加到第二耦合器。在參考臂中輸送的脈衝波長調製相干光的第二部分與所收集的後向反射的脈衝波長調製光耦合以形成光學干擾光信號。光學干擾光信號離開第二耦合器以進入光電檢測器陣列。
參考臂的光路長度比樣本臂的光路長兩倍以上，是系統的最大測距深度的兩倍以上。光學干擾信號的最大頻率對應於系統的最小測距深度。
光學干擾信號的最大頻率對應於TOI LiDAR系統的最小測距深度。其大於資料獲取和信號處理器中數位化器的奈奎斯特採樣頻率。光學干擾信號的最小頻率對應於TOI LiDAR系統的最大測距深度。在光學干擾信號的包絡的下降邊緣處測量所檢測的光學干擾的時間延遲。
TOI LiDAR系統被配置為基於各種點測量到物件的距離生成物件的圖像。TOI LiDAR系統檢測從干擾光信號生成的電信號的包絡。干擾光信號由從採樣臂向物件的光發射和參考光發射而產生的後向反射光生成。通過分離脈衝波長調製相干光源的發射信號並且使參考光發射穿過參考臂來創建參考光發射。光學干擾信號被傳輸至光電檢測器用於轉換成轉換為數位資料的電信號，該數位資料被評估以確定參考光發射和後向反射光的下降邊緣以確定參考光發射與後向反射光之間的時間延遲。然後，從該時間延遲計算距離。
圖1A、圖1B、圖1C是體現本發明的原理的TOI LiDAR系統的示意圖。參考圖1A，TOI LiDAR系統100包括脈衝波長調製窄頻寬光源105。脈衝波長調製光源105發射具有由單個或多個縱向模式構成的輸出光譜的脈衝調製相干光。諧振腔的縱向模式是由限制在空腔中的波形成的特定駐波圖案。在雷射器中，光在通常由兩個或更多個反射鏡組成的空腔諧振器中放大。空腔具有反射光的鏡像壁，以允許在該空腔中存在駐波模式而損失很小。縱向模式對應於在從空腔的反射表面的許多反射之後通過相長干擾加強的反射波的波長。所有其他波長被相消干擾抑制。縱向模式圖案具有邊緣空腔的長度軸向定位的其節點。脈衝波長調製光源105被實現為本領域已知的四種類型的雷射器中的一種，並且被歸類為固態雷射器、氣體雷射器、液體雷射器或半導體雷射器。在本發明的結構的討論中，脈衝波長調製光源105被示出為相干光源105，其波長或頻率由電流或溫度控制。在下文中描述脈衝波長調製光源105的調製。
脈衝波長調製窄帶光源105將脈衝波長調製相干光發射到干擾儀110。脈衝波長調製窄頻寬光源105發射通過自由空間、光纖或光波導到達干擾儀110。
在各種實施方式中，干擾儀110被實現為光纖、體光纖、集成光子電路、或它們的一些組合。干擾儀110具有接收脈衝波長調製相干光的偏振控制器115。偏振控制器115調節來自光源105的脈衝波長調製相干光的偏振狀態。它使在光路155a和155b中傳輸的光學干擾信號或干擾電信號162的振幅最大化。來自光源105的脈衝波長調製相干光或通過偏振控制器115傳輸的脈衝波長調製相干光被應用於耦合器120。耦合器120將相干光分成饋送到至少一個樣本臂122的樣本部分和饋送到干擾儀110內的參考臂140的脈衝波長調製相干光的參考部分。樣本臂122和參考臂140實現為自由空間路徑、光纖或光波導。
干擾儀119具有環形器125，該環形器接收來自樣本臂122的脈衝波長調製相干光的樣本部分。環形器125被配置為使得脈衝波長調製相干光的樣本部分進入環形器125並且從下一埠離開到樣本臂122的區段。通常但不要求在順時針方向上的下一埠將相干光引導通過樣本臂122至掃描器130。掃描器130被配置為物理地傳輸採樣的脈衝波長調製相干光135以掃描物件。採樣的脈衝波長調製相干光135從物件被後向反射以進行測距測量。後向反射的脈衝波長調製相干光被掃描器130接收並且被傳輸至環行器125。通過光路145的後向反射的脈衝波長調製相干光然後被傳輸至第二耦合器150。光路被實現為自由空間路徑、光纖或光波導。
被實現為自由空間路徑、光纖或光波導的參考臂140具有提供額外路徑長度的額外光路142，使得參考臂140的路徑長度與TOI LiDAR系統100的最大測距深度匹配。來自至少一個樣本臂122和參考臂140的光學脈衝波長調製相干光信號在耦合器150中組合以生成光學干擾信號。
來自至少一個樣本臂122和參考臂140的脈衝波長調製相干光信號被外差檢測以從基礎信號中提取拍頻。差拍信號在來自耦合器的兩個輸出中具有180°的相位差。平衡光電檢測器160從每個輸入通道中減去信號以提取作為差拍信號的干擾信號。
光學干擾信號被施加至被實現為自由空間路徑、光纖或光波導的光路155a和155b。光學干擾信號被施加至光路155a和155b並傳輸至平衡光電檢測器160，以將來自光路155a和155b的光學干擾信號轉換成干擾電信號162。
干擾電信號162由平衡光電檢測器160生成，並且傳輸至信號處理器165內的資料獲取電路，其中干擾電信號162被轉換成數位資料。光學干擾信號的最大頻率對應於TOI LiDAR系統的最小測距深度。光學干擾信號的最大頻率大於資料獲取中的數位轉換器或信號處理器165的奈奎斯特採樣頻率。
施加於光路155a和155b的光學干擾信號的最小頻率對應於TOI LiDAR系統100的最大測距深度。在光學干擾信號的包絡的下降邊緣處測量所檢測的光學干擾的時間延遲。
然後，數位資料被傳輸至電腦170用於進一步處理和顯示。在一些實施方式中，信號處理器165可以作為單個單元與電腦170集成。
在各種實施方式中，電腦170連接至調製/掃描控制器175。在其他實施方式中，電腦170與調製/掃描控制器175集成。調製/掃描控制器175具有調製子電路，該調製子電路確定施加至相干光源105的調製控制信號177的調製、頻率和形狀。調製/掃描控制器175進一步具有向信號處理器165和掃描器130提供調製/掃描同步信號179的掃描控制電路。掃描控制電路產生期望的掃描模式，其用於生成施加到掃描器130的適當的調製/掃描同步信號179。
掃描器130可以被實現為一維或二維掃描器，以分佈脈衝波長調製相干光135的樣本以基於TOI測量形成圖像。一維掃描圖案在時間上可以是線性的或非線性的，並且可以是單向的或雙向的。在TOI LiDAR系統100的一些實現方式中，二維掃描圖案在時間上可以是線性的或非線性的。它可以採用光柵掃描、螺旋掃描或其他模式來收集測量資訊。掃描器130可以被機械地實現為檢流計鏡、微機電系統（MEMS）、壓電致動器、包括聲光（AO）偏轉器的光學致動器、或固態掃描器。按照本發明的原理，可以有其他方法來提供收集測量資訊所需的掃描運動。
參考圖1B，TOI LiDAR系統100具有與圖1A相同的結構，但是脈衝波長調製相干光的第二部分被施加到參考臂200。被實現為自由空間路徑、光纖或光波導的參考臂200的光纜具有額外光路142，使得參考臂200的光路長度與TOI LiDAR系統100的最大測距深度匹配。參考臂200中的脈衝波長調製相干光施加到第二環形器210的輸入埠。脈衝波長調製相干光從第二環形器210的輸入/輸出埠發射出至參考臂200的附加段。相干光照射到反射鏡215上。反射鏡215提供相干光的延遲，並且在一些實施方式中，被光學延遲線替代。反射鏡215將相干光直接反射回第二環行器210並且引導至耦合器150。鏡反射相干光與反射脈衝波長調製相干光耦合以形成光學干擾信號。反射鏡215用作對應於TOI LiDAR系統100的最大範圍的參考圖像平面。如果由於光的雙程，反射鏡215位於第二環形器210與反射鏡215之間，則反射鏡215允許附加路徑長度202為該長度的一半。反射鏡215允許成本節省和空間節省。
用光學延遲線替換反射鏡215增加了微調總參考臂路徑長度的靈活性。延遲的可調諧範圍通常在釐米的數量級，所以其主要適應系統變化的小變化，而不是改變整個成像範圍。
光學干擾信號被施加至被實現為自由空間路徑、光纖或光波導的光路155a和155b。如上所描述，光學干擾信號被施加至光路155a和155b並傳輸至平衡光電檢測器160，以將來自光路155a和155b的光學干擾信號轉換成干擾電信號162。
在一些實現方式中，圖1A的參考臂140和圖1B的參考臂200可以具有比樣本臂103更長的光路長度。來自採樣臂122和參考臂140和200的脈衝波長調製相干光信號的干擾的定時在干擾包絡的下降邊緣處。在各種實施方式中，參考臂140和200可以具有比樣本臂122更短的光路長度。來自採樣臂122和參考臂140和200的脈衝波長調製相干光信號的干擾的定時在干擾包絡的上升邊緣處。
參考圖1C，TOI LiDAR系統100具有與圖1A相同的結構，但是參考臂140的脈衝波長調製相干光的第二部分離開第一耦合器120進入第三耦合器300。參考臂140被實現為自由空間路徑、光纖或光波導。第三耦合器300進一步將脈衝波長調製相干光的第二部分分成兩個脈衝波長調製相干光束。脈衝波長調製相干光束的第二部分的第一小部分被應用至第二參考臂305，該第二參考臂類似地被實現為自由空間路徑、光纖或光波導。第二參考臂305的脈衝波長調製相干光束的第二部分的第二小部分被應用至掃描線性校準設備315。
掃描線性校準設備315是馬赫-曾德爾干擾儀或法布裡-珀羅濾波器，其生成電信號以校準相干光源105的波長掃描的線性度。如果波長調製在光頻域中不是線性的，則掃描線性校準設備315從來自馬赫-曾德爾干擾儀或法布裡-珀羅濾波器的固定路徑長度差生成干擾信號。它典型地涉及光電檢測器或平衡光電檢測器以生成電信號。其過零定時對應於光頻域中的相等空間並且為信號處理器165內的資料獲取系統提供光學鐘。掃描線性校準設備315校準由平衡光電檢測器160檢測的干擾信號162。掃描線性校準設備315的輸出被傳輸至信號處理器165。
參考臂305的第二脈衝波長調製相干光束被施加至第二耦合器150。如上所描述，將後向反射的相干光引導至耦合器150。參考臂305中的參考相干光與後向反射的相干光耦合以形成光學干擾信號。光學干擾信號被應用至被實現為自由空間路徑、光纖或光波導的光路155a和155b。如上所描述，光學干擾信號通過待傳輸的光路155a和155b傳輸至平衡光電檢測器160，以將來自光路155a和155b的光學干擾信號轉換成干擾電信號162。
圖1D是體現本發明原理的被配置為接收具有圖1A、圖1B和圖1C的光纜的採樣臂122的掃描器130的示意圖。採樣臂122被插入並固定在掃描器130中。採樣臂122的遠端與漸變折射率光纖棒122a連接或接觸。漸變折射率光纖棒122a具有工程化的漸變折射率透鏡122b，該透鏡形成為漸變折射率光纖棒121a的遠端表面以提高高速操作的總效率。作為替換實施方式，工程化的漸變折射率透鏡122b形成為與漸變折射率光纖棒121a接觸的單獨的透鏡。帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒121a對於遠距離照明需要低數值孔徑，但是接收來自物件的後向反射的脈衝波長調製相干光需要高數值孔徑。帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒122a對通過工程化的尖端的中心部分出來的軸上樣本脈衝波長調製相干光135的光進行準直。通過工程化的漸變折射率透鏡122b的環形部分122c的來自物件的離軸後向反射的脈衝波長調製相干光136耦合回到採樣臂122中。帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒122a被實現為具有單模光纖的漸變折射率（GRIN）光纖透鏡、具有少模光纖的GRIN光纖透鏡、光纖球透鏡、GRIN透鏡元件或自由空間準直器。實現帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒122a可以組合所列出的實現方式中的任一種。工程化的漸變折射率透鏡122b由錐形尖端、菲涅耳表面、超表面或其組合形成。
採樣臂122被插入並固定在掃描器130中。其將脈衝波長調製相干光135輻射到第一反射鏡132。第一反射鏡132水平旋轉134a，以用水平掃描圖案反射脈衝波長調製相干光135。水平掃描圖案覆蓋期望的視場。反射的脈衝波長調製相干光135照射在第二反射鏡133上。第二反射鏡133垂直旋轉134b以生成垂直掃描圖案。垂直掃描圖案覆蓋垂直視場。
離軸後向反射的脈衝波長調製相干光136從期望的待測物件反射並且後向反射到掃描器130並且因此到第二反射鏡133並且然後到第一反射鏡132。離軸後向反射脈衝波長調製相干光136被反射並傳送至採樣臂122的帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒122a。離軸後向反射的脈衝波長調製相干光136在離軸上傳輸到採樣臂122，該採樣臂具有帶有工程化的漸變折射率透鏡122b的漸變折射率光纖棒122a。光通過漸變折射率光纖棒122a傳輸並且傳送至採樣臂122進行進一步處理。
圖2A是體現本發明的原理的電TOI測量電路的方塊圖。從平衡光電檢測器160生成的圖1A、圖1B和圖1C的干擾電信號162被包絡檢測器400接收並轉換成干擾電信號162的包絡405。包絡檢測器400被實現為射頻（RF）功率檢測器、均方根（RMS）檢測器或頻率解調器。射頻（RF）功率檢測器、均方根（RMS）檢測器或頻率解調器在本領域中是已知的並且是可商購的設備。射頻（RF）功率檢測器、均方根（RMS）檢測器或頻率解調器去除干擾電信號162中的高頻分量，並且因此識別干擾電信號162的包絡。
包絡信號405被傳輸至邊緣檢測器410。邊緣檢測器410確定脈衝事件並且將脈衝事件放置在邊緣檢測器410的輸出處。脈衝事件指示包絡信號405的前邊緣或下邊緣。邊緣檢測器410被實現為邊緣-毛刺轉換器、XOR柵極和延遲電路、微分器電路等。邊緣-毛刺轉換器、XOR柵極和延遲電路、微分器電路在本領域中是類似地已知的並且是可商購的。
邊緣檢測器的輸出415連接至時間-數位轉換器420的輸入。時間-數位轉換器420生成傳輸到時間-數位轉換器420的輸出端430的時間差信號。時間差信號指示上升邊緣或下降邊緣脈衝事件405與脈衝事件425之間的時間。脈衝事件425對應於從調製/掃描控制器175傳輸的光源調製信號的上升邊緣或下降邊緣。脈衝事件425是用於在對時間間隔進行計數時啟動時間-數位轉換器420的觸發。邊緣檢測器410的脈衝輸出415提供用於終止由時間-數位轉換器420進行的時間間隔的計數的脈衝事件。在時間-數位轉換器420的輸出端430處的一系列時間差信號被轉換成深度測量結果以形成由電腦170顯示的圖像。
圖2B是體現本發明的原理的信號處理器的程式結構的方塊圖。由資料獲取模組440對從平衡光電檢測器160生成的圖1A、圖1B和圖1C的干擾電信號162進行數位化。由來自調製/掃描控制器175的調製/掃描同步信號179觸發資料獲取模組440。該干擾電信號轉換成數位化的信號442並且放置在資料獲取模組440的輸出處。干擾電信號162的最大頻率對應於TOI LiDAR系統100的最小測距深度。干擾電信號162的最大頻率大於資料獲取模組440的數位化器的奈奎斯特採樣頻率。干擾電信號的最小頻率對應於TOI LiDAR系統100的最大測距深度。在干擾電信號162的包絡的下降邊緣處測量所檢測的干擾電信號162的時間延遲。
數位化的信號442被由信號處理器165執行的包絡檢測器445處理，以確定數位化的干擾電信號442的包絡信號447。通過獲取數位化的信號442的希爾伯特變換的絕對值來執行包絡檢測器445。然後，包絡信號447由邊緣檢測器450處理以識別干擾電信號的出現定時。可以計算包絡信號447的上升邊緣或下降邊緣與調製/掃描同步信號179之間的時間差457。
圖2C是體現本發明的原理的參考臂的脈衝輸入條紋460和包絡465的曲線圖。圖2C的曲線圖是在零（0）米位置處檢測物件的原型TOI系統100的示例干擾電信號。圖2D是體現本發明的原理的樣本臂的後向反射的脈衝條紋470和包絡475的曲線圖。圖2D的曲線圖是在180 m位置處檢測物件的原型TOI系統100的示例干擾電信號。圖2A的邊緣檢測器410或圖2B的邊緣檢測器450確定參考臂460的包絡的下降邊緣的時間t 0和樣本臂的包絡475的下降邊緣的時間t 1。時間-數位轉換器420或計數器455對參考臂的下降邊緣時間t 0和樣本臂的下降邊緣時間t 1之間的時間間隔進行計數。距被測對象的距離由以下等式確定：
其中：
是光速；
t 0是參考臂的下降邊緣時間；
t 1是樣本臂的下降邊緣時間。
一系列時間差457可以被轉換成深度資訊並且形成由電腦170顯示的圖像。
圖3示出了體現本發明的原理的TOI LiDAR系統的基於幀的速度測量方法。每個幀490a、490a、490b、…、490m、490m+1、…、490y、 490z由圖1A、圖1B和圖1C的平衡光電檢測器160捕獲並且表示資料495n和495m+1。資料495n和495m+1被傳輸至信號處理器165並且如圖2A和圖2B中所描述進行處理，從而確定資料的上升邊緣或下降邊緣。因此，確定資料的上升邊緣或下降邊緣提供了資料495n與495n+1之間的時間差。然後，將資料495n與495n+1之間的距離確定為資料495n與495n+1之間的時間差（t m+1– t m）。資料495n與495n+1之間的時間差（t m+1– t m）乘以光學干擾信號採樣應用到光路155a和155b的畫面播放速率以確定被測物件的速度。
圖4A是併入體現本發明的原理的圖1A、圖1B和圖1C的調製驅動器中的小信號瞬態調製器的方塊圖。瞬態光源調製器具有連接成接收DC電壓源VDC和調製電壓VMOD的求和電路500。求和電路500將DC電壓源與調製電壓VMOD相加組合以形成調製信號505。調製信號505具有小於電壓源VDC電壓的振幅。調製信號505選自波形組，包括方波、三角波、正弦波、鯊魚齒波、或任何任意波形、甚至波形的組合。瞬態發生器507通過在調製信號505中引入電壓尖峰來生成尖峰瞬態調製信號508。尖峰瞬態調製信號508被施加至雷射驅動器510。尖峰瞬態調製信號的電壓508被轉換成電流以驅動相干光源105。瞬態發生器507的作用是改變瞬態光源調製器的有效電感值並且生成非常大的尖峰瞬態電流，以減小雷射驅動器510的回應時間並且由此克服了傳統雷射驅動方法的速度限制。瞬態發生器507的示意圖在下文中在圖4B中討論。替代地，調製信號505的轉換電流被施加至用於穩定相干光源105的雷射二極體的溫度的熱電冷卻設備。通過將調製電流注入通過熱電冷卻設備，改變相干光源105的雷射二極體的溫度。相干光源105的雷射二極體具有內置熱敏電阻，用於監測二極體溫度並用於允許熱電冷卻設備和熱敏電阻形成以提供溫度監測和精確的溫度調節的控制回路。
相干光源105將相干光信號520發射到干擾儀。在波長/光學頻率中的波形調製被選擇以引入光學干擾，其中，圖1A的樣本臂122與參考臂140、圖1B的參考臂200和圖1C的參考臂305之間的光路長度差。
圖4B是體現本發明的原理的瞬態光源調製器和相干光源的示意圖。求和電路500具有2x1多工器MUX1，該多工器用於組合DC電壓源V DC和由數位調製信號V DMOD控制的類比調製信號V AMOD。2x1多工器MUX1的第一輸入是DC電壓源V DC，提供較低的基電壓。到2x1多工器MUX1的第二輸入是調製電壓V MOD，其是用於形成輸出電壓的更高電壓。2x1多工器MUX1輸出電壓V O提供瞬態調製信號505，該信號是瞬態發生器507的輸入。瞬態發生器507的輸出是施加於雷射驅動器510的輸入的瞬態調製信號508。雷射驅動器510將瞬態調製信號508轉換成電流以驅動相干光源105。
多工器MUX1由兩個傳輸柵極TG1和TG2形成。兩個傳輸柵極TG1和TG2並聯連接。如本領域中已知的，兩個傳輸柵極TG1和TG2中的每個傳輸柵極具有連接的互補NMOS和PMOS電晶體。互補NMOS和PMOS電晶體中的每一個的源極和漏極連接。DC電壓源V DC和調製電壓V MOD分別連接至源傳輸柵極TG1和TG2。數位調製信號V DMOD連接至第一變換器INV1的輸入。第一變換器INV1的輸出連接至第二變換器INV2的輸入。第一變換器INV1的輸出連接至傳輸柵極TG1的異相柵極並且連接至傳輸柵極TG2的同相柵極。第二變換器INV2的輸出連接至傳輸柵極TG2的異相柵極和傳輸柵極TG1的同相柵極。
DC電壓源V DC連接至傳輸柵極TG1的輸入源極/漏極，並且調製電壓V MOD連接至傳輸柵極TG2的輸入源極/漏極。傳輸柵極TG1和傳輸柵極TG2的輸出源極/漏極連接至比較器COMP1的異相輸入。比較器COMP1的同相輸入端連接至極限電壓源V L。比較器COMP1將傳輸柵極TG1和TG2的輸出電壓V O與極限電壓源的電壓電平V L進行比較。如果極限電壓源的電壓電平V L大於傳輸柵極TG1和TG2的輸出電壓V O，則相干光源105關閉以用於安全目的，如下文所描述。
2x1多工器MUX1具有作為求和電路500的輸出被施加至瞬態發生器507的輸入的輸出電壓V O。瞬態發生器507具有電感器L，該電感器的第一端子連接至2x1多工器MUX1的輸出VO。電感器L的第二端子共同連接至電容器C和電阻器R 1的第一端子。電容器C的第二端子連接至接地參考源，並且第二端子連接至雷射驅動器510。
雷射驅動器510具有第一NMOS電晶體TX1，其柵極連接至瞬態發生器507的輸出。MOS電晶體TX1的漏極連接至相干光源LD1 105的陽極。第一MOS電晶體TX1的源極連接至第二MOS電晶體TX2的漏極。第二MOS電晶體TX2的源極連接至電阻器R 2的第一端子。第二MOS電晶體TX2的柵極連接至比較器COMP1的輸出，用於接收相干光源LD1 105的關閉命令。電阻器R 2的第二端子連接至接地參考電壓源。電阻器R 2建立了相干光源LD1 105的關閉電壓。NMOS電晶體TX1柵極被配置為電流源以生成雷射電流。
在本發明的實施方式中，在沒有瞬態發生器507的情況下，第一MOS電晶體TX1的柵極電容器以及連接至第一MOS電晶體TX1的線上的電阻器和電感器具有隨調製信號505的上升而可忽略的過沖或尖峰電平。由於2x1多工器MUX1的輸出電壓V O的切換的轉變時間，線上的電感器L、第一NMOS電晶體TX1的大柵極大小、和電容器C加速過沖以產生電流尖峰或瞬態信號。瞬態電流尖峰的電平高度取決於調製信號505的上升時間、電感器L的參數和第一NMOS電晶體TX1的柵極大小。正尖峰出現在第一NMOS電晶體TX1和第一NMOS晶體TX1的上升邊緣。當切換回DC電壓源V DC的基極電壓電平時，在第一NMOS電晶體TX1的下降邊緣處出現負尖峰。因此，在調製信號505的每次切換時存在兩個尖峰事件。
調製信號505的開關脈衝寬度在驅動電流源電晶體TX1中起重要作用。在上升邊緣處，電流尖峰立即發生並且保持振鈴。然後，電流尖峰逐漸減小至電容器C的充電電壓至等於調製信號505的振幅的電壓電平。在調製信號505的下降邊緣處，當2x1多工器MUX1被切換至返回至DC電壓源的電壓電平V DC的電壓電平時，發生負尖峰。
關鍵方面是控制調製信號505的切換脈衝寬度以合併瞬態調製信號508的正負瞬態電壓尖峰。正負瞬態電壓尖峰的合併准許由於多工器MUX1接通和斷開而在兩個尖峰之間電壓振鈴和穩定的時間。對於TOI LiDAR應用，正負瞬態電壓尖峰之間的時間越短越好。考慮到所檢測的物件是否非常接近LiDAR設備，正負瞬態電壓尖峰的時間差將有助於TOI LiDAR範圍用於檢測（邊緣檢測）。
該相干光源105是一種相干光源105。相干光源105是一種類型的雷射二極體、量子級聯雷射器、或光纖雷射器，其中，設備的有源區包含週期性結構的元件或衍射光柵。電源電壓源V CC被施加至相干光源LD1 105。
數位調製信號V DMOD的高電平和低電平可以分別開啟和關閉相干光源LD1 105。雖然數位調製信號V DMOD高，但類比調製信號V AMOD可以向光源105提供小信號調製。當多工器的輸出V O通過第二電晶體TX2在短過渡時間內高於預定義的限制電壓VL時，光源LD1 105被去啟動。保護電流限制設置基於NMOS柵極TX2和相干光源LD1 105電流限制的特性。在本實施方式中，NMOS柵極TX2的擊穿電壓為20 V，足夠保護。相干光源LD1 105瞬態電流高，但是這對於相干光源LD1 105不應是問題，因為瞬態電流具有約一納秒的持續時間。
當數位調製信號V DMOD從低過渡到高時，瞬態發生器507產生電壓尖峰，該電壓尖峰接通第一電晶體TX1，這將立即耗盡光源LD1內的電流，因此將為TOI應用產生短的過渡時間。
圖5A是體現本發明的原理的SSM-TOI電測量電路的方塊圖。從平衡光電檢測器160生成的干擾電信號162由頻率-電壓轉換器525接收。干擾電信號162的頻率被轉換成頻率-電壓轉換器525的輸出530處的電壓。電壓與干擾電信號的頻率162成比例。頻率-電壓轉換器525包括FM解調器、頻率檢測器或本領域已知的任何頻率-電壓轉換器電路。輸出530處的電壓電平是邊緣檢測器535的輸入，其在邊緣檢測器535的輸出540處生成脈衝。該脈衝對應於頻率-電壓轉換器525的輸出530處的上升邊緣、或電壓電平的上升邊緣或下降邊緣。邊緣檢測器535由邊緣毛刺轉換器、XOR柵極和延遲電路、微分器電路或本領域已知的任何邊緣檢測器電路形成。時間-數位轉換器550生成時間差信號∆ TD 在時間-數位轉換器550的輸出555處。時差信號∆ TD 包含邊緣檢測器535的輸出540處的上升邊緣或下降邊緣脈衝與來自調製/掃描控制器175的調製/掃描同步信號179之間的時間差。一系列時間差507被轉換成深度以形成由電腦170顯示的圖像。
圖5B是被配置為執行體現本發明的原理的SSM-TOI電測量的信號處理器175的程式結構的方塊圖。通過來自調製/掃描控制器175的調製/掃描同步信號179觸發的資料獲取模組605，將從平衡光電檢測器160生成的干擾電信號162數位化。干擾電信號162在輸出565被轉換成數位化的干擾信號。干擾電信號162的最大頻率對應於TOI LiDAR系統的最小測距深度100的最小測距深度。干擾電信號162大於資料獲取模組605的數位化器的奈奎斯特採樣頻率。
施加於光路155a和155b的光學干擾信號的最小頻率對應於TOI LiDAR系統100的最大測距深度。在干擾電信號162的包絡的下降邊緣處測量所檢測的電干擾信號162的時間延遲。該干擾數位化信號由頻率檢測器570處理以標識其在頻率檢測器570的輸出575處的暫態頻率值。頻率檢測器過程570執行諸如短時間傅立葉轉換、小波變換或本領域已知的另一頻率檢測器過程的方法。然後，頻率檢測器570的輸出575處的暫態頻率值然後由邊緣檢測器585處理，以識別干擾電信號162的上升邊緣或下降邊緣的定時的出現，以及時間差162在邊緣檢測器處理的輸出590處。時間差∆ TD 被確定為在輸出575處的暫態頻率值的上升邊緣或下降邊緣與調製/掃描同步信號179之間的時間。一系列時間差∆ TD 被轉換成深度並且形成由電腦170顯示的圖像。
圖6是被配置為執行體現本發明的原理的SSM-TOI多普勒速度測量的數位訊號處理器的方塊圖。圖6示出了由在資料獲取和信號處理器165中使用的圖1C的掃描線性校準設備315執行的掃描線性化校正。當TOI LiDAR系統100在SSM-TOI模式下運行時，被測物件的速度資訊編碼在干擾電信號162中。由平衡光電檢測器160生成的干擾電信號162由資料獲取模組605數位化，該資料獲取模組由來自調製驅動器175的調製/掃描同步信號179和光學頻率校準時鐘600觸發，以便在資料獲取模組605的輸出607處將干擾電信號162轉換成數位化信號。數位化信號在光學頻率空間中是線性的。干擾電信號162的最大頻率對應於TOI LiDAR系統100的最小測距深度。干擾電信號162大於資料獲取模組605的奈奎斯特採樣頻率。
干擾電信號162的最小頻率對應於TOI LiDAR系統100的最大測距深度。在干擾電信號162的包絡的下降邊緣處測量所檢測的干擾電信號162的時間延遲。光頻校準時鐘600由馬赫-曾德爾干擾儀、法布裡-珀羅腔、標準具腔或適合於產生光學頻率校準鐘600的任何其他干擾儀或諧振器生成。數位化信號607是頻率檢測器過程610的輸入以確定暫態頻率值。暫態頻率值是放置在頻率檢測器610的輸出611處的解。在各種實施方式中，當資料獲取模組605的輸出607處的數位化信號在光學頻率空間中本質上是線性的時，不需要光頻率校準鐘600。在一些實施方式中，頻率檢測器可以實施為短時傅立葉轉換、小波變換或其他適當頻率檢測器過程。然後，頻率檢測器處理610的輸出611處的暫態頻率值由邊緣檢測器615處理，以識別干擾的發生定時。然後，邊緣檢測器615計算暫態頻率值的上升邊緣或下降邊緣與調製/掃描同步信號179之間的時間差∆ TD ，並且然後放置作為頻率檢測器過程610的輸出620的時間差∆ TD 。
在SSM-TOI多普勒速度測量的其他實現方式中，資料獲取模組605的輸出607處的數位化推斷電信號是多普勒速度計算器625的輸入，以計算目標的移動速度。目標的移動速度是多普勒速度計算器625的輸出630。在多普勒速度計算器625的一個實現方式中，多普勒速度計算器625通過測量與被測物件的移動速度成比例的連續向前和向後掃描的干擾電信號162的頻率之間的時間差∆ TD 來實現。調製/掃描同步信號179的對稱性使測量誤差最小化。邊緣檢測器620的輸出處的一系列時間差∆ TD 和被測物件的移動速度可以分別轉化為深度和速度，並且形成由電腦170顯示的圖像。在SSM-TOI多普勒速度測量的一些實現方式中，在干擾電信號162中引入的多普勒頻移的速度可以使用至少一個低通濾波器直接提取。在不需要數位信號處理的情況下，可以檢測頻率偏移並將其轉換成速度電信號。
圖7是體現本發明的原理的集成的干擾時間和飛行時間電路的方塊圖。從平衡光電檢測器160生成的干擾電信號162被傳輸到包絡檢測器650。包絡檢測器650確定應用於包絡檢測器650的輸出652的干擾電信號162的包絡信號。包絡檢測器650被實現為射頻（RF）功率檢測器、均方根（RMS）檢測器或頻率解調器。然後，干擾電信號162的包絡信號通過第一邊緣檢測器655。第一邊緣檢測器655在第一邊緣檢測器655的輸出657處生成第一脈衝信號，該第一脈衝信號對應於包絡檢測器650的輸出657處的干擾電信號162的包絡信號的上升邊緣或下降邊緣。邊緣檢測器655由邊緣毛刺轉換器、XOR柵極和延遲電路、微分器電路或本領域已知的任何邊緣檢測器電路形成。
從平衡光電檢測器160的監控通道中提取來自後向反射的相干光145的電信號，以形成後向反射的電信號145。來自監控通道的後向反射的電信號145是後向反射的電信號145的功率譜並且可以被認為是包絡信號。後向反射的電信號145是第二邊緣檢測器660的輸入。第二邊緣檢測器660在第二邊緣檢測器660的輸出662處生成第二脈衝信號。
第一邊緣檢測器655的輸出657處的第一脈衝信號、第二邊緣檢測器660的輸出662處的第二脈衝信號以及調製/掃描同步信號179被施加至多通道時間-數位轉換器665。多通道時間-數位轉換器665在時間數位變換器665的輸出670處生成第一時間差信號。第一時間差信號∆ TD1 是第一脈衝信號的上升邊緣或下降邊緣和對應於光源調製/掃描同步信號179的上升邊緣或下降邊緣的調製/掃描同步信號179之間的時間的數位化表示。
多通道時間-數位轉換器665在第二邊緣檢測器660的輸出662處的第二脈衝信號的上升邊緣或下降邊緣與對應於光源調製的上升邊緣或下降邊緣的調製/掃描同步信號179之間生成第二時間差信號∆ TD2 。將第一時間差信號∆ TD1 和第二時間差信號∆ TD2 進行平均或加權平均。平均或加權平均的第一時間差信號∆ TD1 和第二時間差信號∆ TD2 被轉換成深度並且形成由電腦170顯示的圖像。
圖8A是體現本發明的原理的用於採用SSM-TOI電測量來確定物件距離的方法的流程圖。生成雷射光束（步驟800）。使用波長調製或頻率調製信號調製雷射光束以調整雷射光束的波長或頻率（步驟805）。然後，將雷射光束偏振以調整雷射的偏振狀態，從而最大化光學干擾信號或干擾電信號的振幅（步驟810）。
將雷射光束的第一部分耦合至採樣光纜（步驟815）。將雷射光束的第二部分耦接至參考光路（步驟820）。在確定距調製雷射光源的距離的物件處掃描雷射光束的第一部分（步驟825）。
雷射相干光束的第一部分的一小部分從待測物件被後向反射和接收（步驟830）。將雷射光束的第一部分的後向反射部分與雷射光束的第二部分耦合以形成光學干擾相干光信號（步驟835）。將光學干擾相干光信號傳輸到平衡光學光電檢測器（步驟840）以將光學干擾相干光信號轉換成振盪電干擾信號（步驟845）。將振盪電干擾信號數位化（步驟850）。干擾電信號的最大頻率對應於TOI LiDAR系統的最小測距深度並且大於數位化的奈奎斯特採樣頻率。干擾電信號162的最小頻率對應於TOI LiDAR系統100的最大測距深度。
數位化電干擾信號包絡經歷包絡檢測過程以標識數位化電干擾信號的包絡（步驟855）。確定數位化電干擾信號的包絡的上升邊緣或下降邊緣的上升邊緣或下降邊緣的時間（步驟860）。確定數位化電干擾信號的包絡與調製/掃描同步信號的上升邊緣或下降邊緣之間的時間差（步驟865），並且計算到待測物件的距離（步驟870）。
圖8B是體現本發明的原理的用於採用SSM-TOI電測量來確定物件速度的方法的流程圖。利用SSM-TOI電測量來確定物件速度的方法從反覆運算地執行圖8A的方法的步驟開始（步驟875）。將物件的速度確定為距離隨時間的變化（步驟880）。
雖然已經參考本發明的優選實施方式具體示出和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，可以對形式和細節進行各種改變。具體地，圖1A、圖1B或圖1C的TOI LiDAR系統100可以被實現為光纖、體光纖、集成光子電路或本領域已知的光學光子器件的任何組合。
100:TOI LiDAR系統 105:脈衝波長調製光源 110:干擾儀 115:偏振控制器 119:干擾儀 120:耦合器 122:樣本臂 122a:漸變折射率光纖棒 122b:漸變折射率透鏡 122c:環形部分 125:環形器 130:掃描器 132:第一反射鏡 133:第二反射鏡 134a:水平旋轉 134b:垂直旋轉 135:脈衝波長調製相干光 136:脈衝波長調製相干光 140:參考臂 142:額外光路 145:後向反射的電信號 150:耦合器 155a、155b:光路 160:平衡光電檢測器 162:干擾電信號 165:信號處理器 170:電腦 175:調製/掃描控制器 177:調製控制信號 179:調製/掃描同步信號 200:參考臂 202:附加路徑長度 210:第二環形器 215:反射鏡 300:第三耦合器 305:參考臂 315:掃描線性校準設備 400:包絡檢測器 405:包絡 410:邊緣檢測器 415:輸出 420:時間-數位轉換器 425:脈衝事件 430:輸出端 440:資料獲取模組 442:信號 445:包絡檢測器 447:包絡信號 450:邊緣檢測器 455:計數器 457:時間差 460:輸入條紋 465、475:包絡 470:脈衝條紋 490a、490a、490b、490m、490m+1、490y、490z:幀 495n、495m+1:資料 500:求和電路 505:調製信號 507:瞬態發生器 508:瞬態調製信號 510:雷射驅動器 520:相干光信號 525:頻率-電壓轉換器 530、540、555、565、575、590:輸出 535、585:邊緣檢測器 550:時間-數位轉換器 570:頻率檢測器 600:光學頻率校準時鐘 605:資料獲取模組 607、611、620、630、657、662、670:輸出 610:頻率檢測器 615:邊緣檢測器 625:多普勒速度計算器 650:包絡檢測器 655:第一邊緣檢測器 660:第二邊緣檢測器 665:時間-數位轉換器 800-880:步驟 C:電容器 COMP1:比較器 L:電感器 LD1:相干光源 INV1:第一變換器 INV2:第二變換器 R 1、R 2:電阻器 MUX1:多工器 t 0、t 1、t m、t m+1、t n、t n-1:時間 TG1、TG2:傳輸柵極 TX1、TX2:MOS電晶體 V CC:電源電壓源 V DMOD:數位調製信號 V DC:DC電壓源 V L:極限電壓源 V MOD:調製電壓 V O:輸出電壓 ∆ TD :時間差 ∆ TD1 :第一時間差信號 ∆ TD2 :第二時間差信號
圖1A、圖1B、圖1C是體現本發明的原理的TOI LiDAR系統的示意圖。 圖1D是體現本發明的原理的接收圖1A、圖1B和圖1C的採樣臂的端部的漸變折射率透鏡的掃描器的示意圖。 圖2A是體現本發明的原理的電TOI測量電路的方塊圖。 圖2B是體現本發明的原理的被配置為執行電TOI測量的信號處理器的程式結構的方塊圖。 圖2C是體現本發明的原理的在零（0）米位置處的樣本臂的後向反射脈衝條紋和包絡的曲線圖。 圖2D是體現本發明的原理的在180米位置處的樣本臂的後向反射脈衝條紋和包絡的曲線圖。 圖3示出了體現本發明的原理的TOI LiDAR系統的基於幀的速度測量方法。 圖4A是體現本發明的原理的瞬態光源調製器的方塊圖。 圖4B是體現本發明的原理的瞬態光源調製器和相干光源的示意圖。 圖5A是體現本發明的原理的SSM-TOI電測量電路的方塊圖。 圖5B是被配置為執行體現本發明的原理的SSM-TOI電測量的信號處理器的程式結構的方塊圖。 圖6是被配置為執行體現本發明的原理的SSM-TOI多普勒速度測量的數位訊號處理器的方塊圖。 圖7是體現本發明的原理的集成TOI和飛行時間電路的方塊圖。 圖8A是體現本發明的原理的用於採用SSM-TOI電測量來確定物件距離的方法的流程圖。 圖8B是體現本發明的原理的用於採用SSM-TOI電測量來確定物件速度的方法的流程圖。
800-870:步驟

Claims (30)

  1. 一種高速干擾時間光檢測和測距系統，用於基於時頻域反射測量從所述干擾時間光檢測和測距系統到物件的距離，其特徵在於，所述干擾時間光檢測和測距系統包括： 相干光源； 調製控制器，所述調製控制器連接至所述相干光源並且被配置為生成和控制脈衝波長控制信號的脈衝寬度，所述脈衝波長控制信號傳輸至所述相干光源用於調製所述相干光源以生成脈衝波長調製相干光發射，並且所述調製控制器包括瞬態發生器，所述瞬態發生器用於生成正瞬態電壓尖峰和負瞬態電壓尖峰，並且控制所述瞬態調製信號以合併所述正瞬態電壓尖峰和所述負瞬態電壓尖峰，以便允許用於在所述正瞬態電壓尖峰和所述負瞬態電壓尖峰之間進行電壓振鈴和穩定的時間； 干擾儀，所述干擾儀與所述相干光源相連接以用於接收所述脈衝波長調製相干光發射並且被配置為將所述脈衝波長調製相干光發射分成樣品部分和參考部分，其中，所述脈衝波長調製相干光發射的所述樣本部分被佈置成照射在待測物件上，並且所述脈衝波長調製相干光發射的所述參考部分被佈置成提供用於確定從所述干擾時間光檢測和測距系統到所述物件的所述距離的基礎； 掃描器，所述掃描器包括漸變折射率光纖棒，所述漸變折射率光纖棒具有工程化的表面，所述工程化的表面具有用於發射的低數值孔徑和用於接收的高數值孔徑，所述工程化的表面連接至所述干擾儀以接收所述脈衝波長調製相干光的所述樣品部分，其中，所述掃描器被配置為將所述脈衝波長調製相干光的樣本部分物理地傳輸至所述物件並且利用所述脈衝波長調製相干光來掃描所述物件的表面，並且所述掃描器被進一步配置為接收所述脈衝波長調製相干光的後向反射部分並且將所述後向反射部分從所述掃描器轉移至所述干擾儀；其中，所述脈衝波長調製相干光的所述後向反射部分與所述脈衝波長調製相干光的所述參考部分耦合以形成光學干擾光信號； 光檢測器陣列，所述光檢測器陣列被配置為接收所述光學干擾光信號並且將所述光學干擾信號轉換成電干擾信號； 信號處理器，所述信號處理器與所述光電檢測器陣列通信以接收所述電干擾信號並且轉換所述電干擾信號以將所述電干擾信號轉換成數位化電干擾信號；以及 電腦系統，所述電腦系統被配置成程式設計為計算由所述光學干擾信號確定的時間延遲並且基於與所述物件的距離生成所顯示的成像範圍。
  2. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，具有所述瞬態發生器的所述調製控制器被配置為通過控制所述相干光源的驅動電流、調整窄頻寬光源的溫度或者調整從光源發出的光的相位來調製所述相干光源，其中，所述瞬態發生器包括電感器、電容器以及被配置為生成所述正瞬態電壓尖峰和所述負瞬態電壓尖峰的電阻。
  3. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述干擾儀包括： 第一耦合器，所述第一耦合器被配置為從所述相干光源接收所述脈衝波長調製相干光，並且被配置為將所述脈衝波長調製相干光分成所述脈衝波長調製相干光的第一部分和所述脈衝波長調製相干光的第二部分； 環行器，所述環行器被連接至所述第一耦合器以接收所述脈衝式波長調製相干光的所述第一部分，並且所述環行器被配置為使得所述脈衝式波長調製相干光的所述第一部分進入所述環行器的第一埠並且從所述後續埠離開，以將所述脈衝式波長調製相干光的所述第一部分引導至所述掃描器； 樣本臂，所述樣本臂連接至所述第一耦合器以接收所述脈衝波長調製相干光的所述第一部分並且將所述脈衝波長調製相干光的所述第一部分傳輸至所述掃描器； 參考臂，所述參考臂連接至所述第一耦合器以接收所述脈衝波長調製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為接收所述脈衝波長調製相干光的所述後向反射部分，被配置為從所述參考臂接收所述脈衝波長調製相干光的所述第二部分，並且被配置為將所述脈衝波長調製相干光的所述後向反射部分和所述脈衝波長調製相干光的所述第二部分耦合以形成光學干擾光信號。
  4. 根據請求項3所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述干擾儀還包括： 偏振控制器，所述偏振控制器被配置為接收所述脈衝波長調製相干光發射，將所述脈衝波長調製相干光發射傳輸至所述第一耦合器，並且被配置為調整來自所述光源的所述相干光發射的偏振狀態並且使所述光學干擾信號或所述干擾電信號的振幅最大化。
  5. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述光電檢測器陣列被配置作為偏振分集平衡放大檢測器並且包括測量到所述光電檢測器陣列的輸入功率電平的至少一個功率監視器，其中，所述功率監視器輸出提供具有與所述物件的距離相關聯的時間延遲的調製功率電平。
  6. 根據請求項3所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述參考臂的長度大於所述樣本臂的長度，並且所述參考臂的光路長度大於所述系統的最大測距深度的兩倍。
  7. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述光學干擾信號的最大頻率對應於所述系統的最小測距深度。
  8. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述信號處理器被配置為確定數位化電干擾信號的包絡。
  9. 根據請求項8所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述信號處理器被配置為測量所述數位化電干擾信號在所述數位化電干擾信號的所述包絡的下降邊緣處的時間延遲。
  10. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，還包括掃描控制器，所述掃描控制器被配置為創建生成掃描同步信號的掃描圖案並且被配置為將所述掃描同步信號應用於所述掃描器以生成實現對描述所述物件的測量資訊的收集的掃描圖案。
  11. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述干擾時間光檢測和測距系統被實現為光纖、體光纖、集成光子電路或光學光子器件的任何組合。
  12. 根據請求項2所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述漸變折射率光纖棒具有形成在所述漸變折射率光纖棒的遠端的工程化的表面，以提供所述漸變折射率光纖棒和工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自所述物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的較高數值孔徑。
  13. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述漸變折射率光纖棒形成有單獨的透鏡，所述單獨的透鏡與所述漸變折射率光纖棒接觸，以提供所述漸變折射率光纖棒和工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自所述物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的較高數值孔徑。
  14. 根據請求項1所述的高速干擾時間光檢測和測距系統，其中，所述瞬態發生器改變所述瞬態光源調製器的有效電感值以生成用於顯著減小雷射驅動器的回應時間並且因此克服任何速度限制的尖峰瞬態。
  15. 一種用於確定物件距離的方法，其特徵在於，包括以下步驟： 生成相干光束； 用波長調製信號調製所述相干光束； 將所述相干光束的第一部分耦合至樣本臂； 將所述相干光束的第二部分耦合至參考臂； 生成用於控制所述相干光束的正瞬態電壓尖峰和負瞬態電壓尖峰； 將所述相干光束的所述第一部分通過具有工程化的表面的漸變折射率光纖棒的低數值孔徑部分掃描在與波長調製相干光束的源的距離待測物件處； 通過具有工程化的表面的漸變折射率光纖棒的高數值孔徑，從待測物件反射回波長調製相干光束的第一部分的一部分； 從待測物件接收所述波長調製相干光束的後向反射部分； 將所述相干光束的所述後向反射部分與所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光學干擾相干光信號； 對所述光學干擾波長調製相干光信號進行光檢測以形成振盪電干擾信號； 將所述振盪電干擾信號數位化； 檢測數位化電干擾信號的包絡以確定所述數位化電干擾信號的包絡； 確定所述數位化電干擾信號的所述包絡的上升邊緣或下降邊緣的時間； 確定所述數位化電干擾信號的所包絡的上升邊緣或下降邊緣之間的時間差；以及 計算距所述待測物件的距離。
  16. 根據請求項15所述的方法，還包括以下步驟： 通過反覆運算地執行根據請求項15所述的步驟來確定所述物件的多普勒速度；以及 計算所述物件的多普勒速度作為距離隨時間的變化。
  17. 根據請求項15所述的方法，還包括以下步驟： 調整所述相干光束的偏振狀態以使所述光學干擾信號或干擾電信號的振幅最大化。
  18. 根據請求項15所述的方法，其中，所述干擾電信號的最大頻率對應於到所述物件的測量距離的最小測距深度，並且所述干擾電信號的最大頻率大於將所述干擾電信號數位化的步驟的奈奎斯特採樣頻率。
  19. 根據請求項18所述的方法，其中，所述干擾電信號的最小頻率對應於到所述物件的測量距離的最大測距深度。
  20. 根據請求項15所述的方法，還包括使用光纖、體光纖、集成光子電路或光學光子器件的任何組合來實現所述方法的步驟。
  21. 根據請求項15所述的方法，還包括以下步驟： 提供具有工程化的漸變折射率透鏡的所述漸變折射率光纖棒； 實現具有工程化的表面的所述漸變折射率光纖棒，以提供所述漸變折射率光纖棒和所述工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自所述物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的較高數值孔徑。
  22. 根據請求項21所述的方法，還包括以下步驟： 實現所述漸變折射率纖維棒；以及 提供單獨的透鏡與所述漸變折射率光纖棒接觸，以提供所述漸變折射率光纖棒和所述工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自所述物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的較高數值孔徑。
  23. 根據請求項15所述的方法，還包括以下步驟： 提供被配置為改變瞬態光源調製器的有效電感值的瞬態發生器以生成用於顯著減小雷射驅動器的回應時間並且因此克服任何速度限制的尖峰瞬態。
  24. 一種用於確定物件距離的裝置，其特徵在於，包括： 用於生成相干光束的裝置； 用於利用瞬態波長調製信號來調製所述相干光束以調整所述相干光束的振幅的裝置； 用於將所述相干光束的第一部分耦合至樣本光纖線纜的裝置； 用於將所述相干光束的第二部分耦合至參考臂的裝置； 用於生成用於控制所述相干光束的正瞬態電壓尖峰和負瞬態電壓尖峰的裝置； 用於掃描具有低數值孔徑的所述相干光束的所述第一部分通過具有工程化的表面的漸變折射率光纖棒的裝置，在與調製相干光束的源的距離待測的物件處進行掃描； 通過具有工程化的表面的漸變折射率光纖棒的高數值孔徑從待測對象反射回所述相干光束的所述第一部分的一部分的裝置； 用於從所述待測物件接收所述相干光束的具有高數值孔徑的後向反射部分的裝置； 用於將所述相干光束的所述後向反射部分與所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光學干擾相干光信號的裝置； 用於對所述光學干擾相干光信號進行光檢測以形成振盪電干擾信號的裝置； 用於將所述振盪電干擾信號數位化的裝置； 用於檢測所述數位化電干擾信號的包絡以確定所述數位化電干擾信號的包絡的裝置； 用於確定所述數位化電干擾信號的所述包絡的上升邊緣和下降邊緣的時間的裝置； 用於確定所述數位化電干擾信號的所包絡的上升邊緣或下降邊緣之間的時間差的裝置；以及 用於計算距所述待測物件的距離的裝置。
  25. 根據請求項24所述的裝置，還包括： 用於通過反覆運算地啟動根據請求項24所述的用於確定所述物件的距離的裝置來確定所述物件的速度的裝置；以及 用於將所述物件的速度計算為所述物件的距離隨時間的變化的裝置。
  26. 根據請求項24所述的裝置，其中，還包括： 用於調整所述相干光束的偏振狀態以使所述光學干擾信號或干擾電信號的幅度最大化的裝置。
  27. 根據請求項24所述的裝置，其中，所述干擾電信號的最大頻率對應於測量到所述物件的距離的最小測距深度並且大於用於將所述干擾電信號數位化的裝置的奈奎斯特採樣頻率。
  28. 根據請求項24所述的裝置，還包括： 用於提供以下的裝置： 用於工程化所述漸變折射率光纖棒的表面以提供所述漸變折射率光纖棒和工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自所述物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的高數值孔徑的裝置。
  29. 根據請求項24所述的裝置，還包括： 用於實現所述漸變折射率纖維棒的裝置；以及 用於提供單獨的透鏡以與所述漸變折射率光纖棒接觸以提供所述漸變折射率光纖棒和工程化的漸變折射率透鏡對於遠距離照明所需的低數值孔徑以及接收來自物件的後向反射的脈衝波長調製相干光所需的較高數值孔徑的裝置。
  30. 根據請求項24所述的裝置，還包括： 提供被配置為改變所述瞬態光源調製器的有效電感值的瞬態發生器以生成用於顯著減小雷射驅動器的回應時間並且因此克服任何速度限制的尖峰瞬態的裝置。
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