CN115407351A - 干涉时间光检测和测距***及确定对象距离的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开干涉时间光检测和测距***，其基于各种点测量到对象的距离来生成对象的图像。其检测由干涉光信号创建的电信号的包络。干涉光信号是由采样臂对对象的光发射产生的反向反射光与参考光发射相结合所产生的。参考光发射是通过分离脉冲式调制相干光源的发射信号并且使参考光发射通过参考臂来创建的。光学干涉信号被传输至平衡光检测器以转换为电信号，该电信号被转换成数字数据。数字数据被评估以确定数字化电干涉信号的上升沿或下降沿，以确定参考光发射与用于计算距离的反向反射光之间的时间延迟。

Description

干涉时间光检测和测距***及确定对象距离的方法与设备
技术领域
本发明涉及光检测和测距***。更具体地，本发明涉及利用光学干涉测 量装置和方法来测量距离和速度的光检测和测距***。
背景技术
光检测和测距(LiDAR)类似于无线电检测和测距(Radar)，因为LiDAR 使用光波来确定对象的距离、角度和速度。LiDAR利用激光返回时间和波长 的差异，可以用于对目标进行数字3D表示，并且已广泛用于地面、机载和 移动应用。LiDAR仪器由一个或多个激光发射器、光学器件、扫描仪、光检 测器和信号处理器组成。一个或多个激光发射器生成相干光束，该相干光束 通过一组光学器件传输至扫描仪以传输至对象，用于确定到对象的距离或对 象的速度。在三维(3D)扫描的情况下，确定物理特征。光检测器接收从对 象反射的相干光，并且将相干光转换为处理的电信号以确定对象的距离。发 射器将生成作为脉冲的相干光。信号处理器记录传输脉冲的时间，并且记录 接收相干光的反射的时间。距离是传输时间与接收时间之间的差除以2并且 乘以光速。
振幅调制连续波(AMCW)LiDAR是一种基于相位的LiDAR。与直接 脉冲检测不同，基于相位的LiDAR发射连续的激光信号。它用高速射频(RF) 信号调制激光发射振幅以对输出光学信号进行编码。检测发射信号与反射信 号之间的相位差进行测距。正弦调制的连续激光波形的相移可以用于推断到 对象的距离。
频率调制连续波(FMCW)LiDAR与AMCW LiDAR相似，但是调制和 解调以光学方式而不是电方式执行。FMCW LiDAR使用波长调谐光源和干涉 仪以良好的灵敏度测量对象的距离。参见“梳状校准频率调制连续波Lidar (Comb-Calibrated Frequency-ModulatedContinuous-wave Lidar)”，由Y.Xie 等人于2020年IEEE第七届航空航天计量国际研讨会(MetroAeroSpace) (Pisa，意大利，2020年，第372-376页)，于2021年2月15日将FMCW LiDAR描述为非常适合绝对距离的测量。FMCW激光的频率由载波信号线性 调制，以精确地测量激光往返飞行时间。通过检测返回激光与发射激光之间 的拍频信号，可以高精度地计算飞行时间，从而可以实现高精度的距离测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于时频域反射计的干涉时间(TOI)光检测和 测距(LiDAR)***。TOI LiDAR***使用时间数字转换器或数据获取*** 记录干涉信号的时间延迟或干涉时间(TOI)。
本发明的另一目的是提供一种基于相干光源的小波长调制的TOI LiDAR ***。输出波长由相干光源的工作电流或工作温度确定。
为了实现这些目的中的至少一个，本发明的TOI LiDAR***具有连接至 调制控制器的相干光源。调制控制器被配置为生成传输至相干光源的脉冲式 波长控制信号。脉冲式波长控制信号可以是电流调制信号或激光环境温度调 整信号。脉冲式波长控制信号调制相干光源以生成脉冲式波长调制相干光发 射。
脉冲式波长调制相干光发射是干涉仪的输入。干涉仪被配置为将脉冲式 波长调制相干光的发射分为采样部分和参考部分。脉冲式波长调制相干光发 射的采样部分被布置成撞击待测对象。脉冲式波长调制相干光发射的参考部 分被布置为提供用于确定从TOILiDAR***到对象的距离的参考基础。干涉 仪进一步被配置为将脉冲式波长调制相干光传输至扫描仪。扫描仪被配置为 物理地将脉冲式波长调制相干光的第一部分传输至对象，并且用脉冲式波长 调制相干光扫描对象的表面。扫描仪进一步被配置为接收从对象反向反射的 脉冲式波长调制相干光的一部分。反向反射的脉冲式波长调制相干光从扫描 仪传输至干涉仪，然后耦合至脉冲式波长调制相干光的参考部分以形成光学 干涉光信号。
TOI LiDAR***具有光检测器阵列，该光检测器阵列被配置为将光学干 涉信号转换为电干涉信号。在各种实施方式中，光检测器被配置为偏振分集 平衡放大检测器。光检测器具有至少一个功率监测器，以测量光检测器的输 入功率电平。功率监测器输出提供具有与对象的距离相关联的时间延迟的调 制功率电平。
TOI LiDAR***具有信号处理器，该信号处理器被配置为接收电干涉信 号并且将电干涉信号转换为表示电干涉信号振幅的数字信号作为数字数据。 信号处理器被配置为基于距目标的距离生成显示的成像范围。显示的成像范 围由计算机***计算，该计算机***编程用于计算由光学干涉信号确定的时 间延迟。
调制控制器被配置为通过控制窄相干光源的驱动电流、调整窄带宽光源 的温度，或调整从光源发射的光的相位生成波长调制控制信号来调制相干光 源。在其他实施方式中，当干涉仪的样品臂与参考臂中的光之间存在时间延 迟时，调制控制器将生成脉冲式相位控制信号以生成干涉。
在各种实施方式中，干涉仪包括偏振控制器，该偏振控制器用于调整来 自光源的相干光发射的偏振状态并且使光学干涉信号或电干涉信号的幅度最 大化。干涉仪具有接收来自偏振控制器的脉冲式波长调制相干光的第一耦合 器。耦合器将脉冲式波长调制相干光分开。脉冲式波长调制相干光的第一部 分被馈送至至少一个样品臂中。脉冲式波长调制相干光的第二部分被馈送至 参考臂。干涉仪具有连接以接收来自至少一个样品臂的脉冲式波长调制相干 光的第一部分的环行器。环行器被配置为使得来自样品臂的脉冲式波长调制 相干光进入环行器并且从下一端口离开。通常，下一端口是顺时针方向以将 脉冲式波长调制相干光引导至扫描仪。扫描仪被配置为物理地传输样本脉冲 式波长调制相干光以扫描对象。采样的脉冲式波长调制相干光从用于进行测 距测量的对象反向反射至扫描仪并且传输至干涉仪内的环行器。然后将反向 反射脉冲式波长调制相干光从环行器传输至第二耦合器。
干涉仪的参考臂长度大于采样臂长度的两倍。参考臂中的脉冲式波长调 制相干光的第二部分被施加至第二耦合器。在参考臂中传输的脉冲式波长调 制相干光的第二部分耦合至收集的反向反射脉冲式波长调制光以形成光学干 涉光信号。光学干涉光信号离开第二耦合器进入光检测器阵列。
参考臂的光程长度比样品臂的光程长度长超过***最大测距深度的两 倍。光学干涉信号的最大频率对应于***的最小测距深度。
光学干涉信号的最大频率对应于TOI LiDAR***的最小测距深度。它大 于数据获取和信号处理器中的数字化仪的奈奎斯特(Nyquist)采样频率。光 学干涉信号的最小频率对应于TOI LiDAR***的最大测距深度。在光学干涉 信号包络的下降沿处测量检测到的光干涉的时间延迟。
附图说明
图1A、图1B、图1C是体现本发明原理的TOI LiDAR***的示意图。
图2A是体现本发明原理的电TOI测量电路的框图。
图2B是被配置为执行体现本发明原理的电TOI测量的信号处理器的程 序结构的框图。
图2C是体现本发明原理的参考臂的脉冲输入条纹和包络的曲线图。
图2D是体现本发明原理的样本臂的反向反射脉冲条纹和包络的曲线图。
图3示出体现本发明原理的TOI LiDAR***的基于帧的速度测量方法。
图4A是体现本发明原理的小信号调制器的框图。
图4B是体现本发明原理的小信号相干光源的示意图。
图5A是体现本发明原理的SSM-TOI电测量电路的框图。
图5B是被配置为执行体现本发明原理的SSM-TOI电测量的信号处理器 的程序结构的框图。
图6是被配置为执行体现本发明原理的SSM-TOI多普勒速度测量的数字 信号处理器的框图。
图7是体现本发明原理的集成TOI和飞行时间电路的框图。
图8A是采用体现本发明原理的SSM-TOI电测量用于确定对象距离的方 法的流程图。
图8B是采用体现本发明原理的SSM-TOI电测量用于确定对象多普勒速 度的方法的流程图。
具体实施方式
TOI激光雷达***被配置为基于各种点测量到对象的距离来生成对象的 图像。TOI LiDAR***检测由干涉光信号创建的电信号的包络。干涉光信号 是由采样臂对对象进行光发射产生的反向反射光与参考光发射所产生的。参 考光发射是通过分离脉冲式波长调制相干光源的发射信号并且使参考光发射 通过参考臂来创建的。光学干涉信号传输至光检测器以用于转换为电信号， 该电信号被转换为数字数据，该数字数据被评估以确定参考光发射和反向反 射光的下降沿，以确定参考光发射与反向反射光之间的时间延迟。然后根据 时间延迟计算距离。
图1A、图1B、图1C是体现本发明原理的TOI LiDAR***的示意图。 参考图1A，TOILiDAR***100包括脉冲式波长调制窄带宽光源105。脉冲 式波长调制窄带光源105发射具有由单个或多个纵向模式构成的输出光谱的 脉冲式调制相干光。谐振腔体的纵向模式是由限制在谐振腔体中的波形成的 特定驻波图案。在激光器中，光在通常由两个或多个反射镜组成的谐振腔中 放大。腔体具有反射光的镜像壁以使驻波模式在腔体中存在且损耗很小。纵 向模式对应于在从腔体的反射表面多次反射后通过相长干涉加强的反射波的 波长。所有其他波长都被相消干涉抑制。纵向模式图案具有沿腔体的长度轴 向定位的节点。脉冲式波长调制窄带光源105被实现为本领域已知的四种类 型的激光器中的一种并且被归类为固态激光器、气体激光器、液体激光器或 半导体激光器。在本发明的讨论结构中，脉冲式波长调制窄带光源105被示 出为半导体激光器，该半导体激光器的波长或频率受到电流或温度的控制。 在下文中对脉冲式波长调制窄带光源105进行调制。
脉冲式波长调制窄带光源105将脉冲式波长调制相干光发射至干涉仪 110。脉冲式波长调制窄带宽光源105发射的脉冲式波长调制相干光通过自由 空间、光纤或光波导到达干涉仪110。
在各种实施方式中，干涉仪110被实现为光纤、体光学器件、集成光子 电路或它们至少两个的组合。干涉仪110具有接收脉冲式波长调制相干光的 偏振控制器115。偏振控制器115调整来自脉冲式波长调制窄带光源105的 脉冲式波长调制相干光的偏振状态。其最大化在光程155a和155b中传输的 光学干涉信号或电干涉信号162的振幅。来自脉冲式波长调制窄带光源105 的脉冲式波长调制相干光或通过偏振控制器115传输的脉冲式波长调制相干 光被施加至耦合器120。耦合器120将相干光分成馈送至至少一个样本臂122 中的样本部分和馈送至干涉仪110内的参考臂140中的脉冲式波长调制相干 光的参考部分。样本臂122和参考臂140被实现为自由空间路径、光纤或光 波导。
干涉仪具有接收来自样本臂122的脉冲式波长调制相干光的样本部分的 环行器125。环行器125被配置为使得脉冲式波长调制相干光的样本部分进 入环行器125并且从下一端口流出到样本臂122的一部分。下一端口通常是 顺时针方向，但不是必需的，以将相干光通过样品臂122引导至扫描仪130。 扫描仪130被配置为物理地传输样品脉冲式波长调制相干光135以扫描对象。 采样的脉冲式波长调制相干光135从用于进行测距测量的对象反向反射。反 向反射的脉冲式波长调制相干光由扫描仪130接收并且传输至环行器125。 然后，通过光程145的反向反射的脉冲式波长调制相干光被传输至第二耦合 器150。光程被实现为自由空间路径、光纤或光波导。
实现为自由空间路径、光纤或光波导的参考臂140具有提供额外路径长 度的额外光程142，使得参考臂140的路径长度与TOI激光雷达***100的 最大测距深度匹配。来自至少一个样品臂122和参考臂140的光学脉冲式波 长调制相干光信号被组合在耦合器150中以生成光学干涉信号。
对来自至少一个样本臂122和参考臂140的脉冲式波长调制相干光信号 进行外差检测，以从基本信号中提取拍频。拍频信号在耦合器的两个输出中 有180°相位差。平衡检测器160从每个输入信道减去信号，以提取作为拍频 信号的干涉信号。
将光学干涉信号施加至实现为自由空间路径、光纤或光波导的光程155a 和155b。将光学干涉信号施加到光程155a和155b并且将其传输至平衡光检 测器160，以将来自光程155a和155b的光学干涉信号转换为电干涉信号162。
电干涉信号162由平衡光检测器160生成，并且传输至信号处理器165 内的数据获取电路，其中电干涉信号162被转换为数字数据。光学干涉信号 的最大频率对应于TOILiDAR雷达***的最小测距深度。光学干涉信号的最 大频率大于数据获取或信号处理器165中的数字化仪的奈奎斯特采样频率。
应用于光程155a和155b的光学干涉信号的最小频率对应于TOI LiDAR ***100的最大测距深度。在光学干涉信号包络的下降沿处测量检测到的光 干涉的时间延迟。
然后将数字数据传输至计算机170用于进行进一步处理和显示。在各种 实施方式中，信号处理器165可以作为单个单元与计算机170集成。
在各种实施方式中，计算机170连接至调制/扫描控制器175。在其他实 施方式中，计算机170与调制/扫描控制器175集成。调制/扫描控制器175具 有调制子电路，该调制子电路确定应用至相干脉冲式波长调制窄带光源105 的调制控制信号177的调制、频率和形状。调制/扫描控制器175还具有向信 号处理器165和扫描仪130提供调制/扫描同步信号179的扫描控制电路。扫 描控制电路创建期望的扫描模式，该扫描模式用于生成应用于扫描仪130的 适当调制/扫描同步信号179。
扫描仪130可以为一维或二维扫描仪，以分布样本脉冲波长调制的相干 光135，以形成基于TOI测量的图像。一维扫描图案在时间上可以是线性的 或非线性的，并且可以是单向的或双向的。在TOI LiDAR***100的一些实 现中，二维扫描图案在时间上可以是线性的或非线性的。可以采用光栅扫描、 螺旋扫描或其他模式来收集测量信息。扫描仪130可以机械地实现为检流计 镜、微机电***(MEMS)、压电致动器，或者在光学上包括声光(AO)偏转器或固态扫描仪。可能存在符合本发明原理的其他方法，即提供所需的扫 描运动以收集测量信息。
参考图1B，TOI LiDAR***100具有与图1A相同的结构，但是脉冲式 波长调制相干光的第二部分被应用于参考臂200。实现为自由空间路径、光 纤或光波导的参考臂200的光纤电缆具有附加光程142，使得参考臂200的 光程长度与TOI LiDAR***100的最大测距深度匹配。参考臂200中的脉冲 式波长调制相干光被施加至第二环行器210的输入端口。脉冲式波长调制相 干光从第二环行器210的输入/输出端口发射至参考臂200的额外段。相干光照射在镜子215上。镜子215在相干光中提供延迟，并且在一些实施方式中， 被光学延迟线代替。镜子215将相干光直接反射回第二环行器210，并且被 引导至耦合器150。镜子反射相干光耦合至后向反射脉冲式波长调制相干光， 以形成光学干涉信号。镜子215用作对应于TOI LiDAR***100的最大范围 的参考图像平面。如果额外路径长度202由于光的双通而位于第二回形器210 和镜子215之间，则镜子215允许额外路径长度202是该长度的一半。镜子215可以节省成本和空间。
用光学延迟线替换镜子215允许增加微调总参考臂路径长度的灵活性。 延迟的可调谐范围通常在厘米量级，因此它主要是为了适应***变化的微小 变化，而不是改变整体成像范围。
将光学干涉信号施加至实现为自由空间路径、光纤或光波导的光程155a 和155b。如上所描述，应用于光程155a和155b的光学干涉信号传输至平衡 光检测器160，以将来自光程155a和155b的光学干涉信号转换为电干涉信号 162。
在一些实施方式中，图1A的参考臂140和图1B的200可以具有比样品 臂103更长的光程长度。来自采样臂122与参考臂140和200的脉冲式波长 调制相干光信号的干涉的定时发生在干涉包络的下降沿。在各种实施方式中， 参考臂140和200具有可以比样品臂122短的光程长度。来自采样臂122与 参考臂140和200的脉冲式波长调制相干光信号的干涉的定时发生在干涉包 络的上升沿。
参考图1C，TOI LiDAR***100具有与图1A相同的结构，但是参考臂 140的脉冲式波长调制相干光的第二部分离开第一耦合器120进入第三耦合 器300。参考臂140被实现为自由空间路径、光纤或光波导。第三耦合器300 进一步将脉冲式波长调制相干光的第二部分分为两个脉冲式波长调制相干光 束。脉冲式波长调制相干光束的第二部分的第一小部分被施加至第二参考臂 305，该第二参考臂类似地被实现为自由空间路径、光纤或光波导。第二参考 臂305的脉冲式波长调制相干光束的第二部分的第二小部分被施加至扫描线 性校准装置315。
扫描线性校准装置315是马赫-曾德尔干涉仪或法布里-珀罗滤波器，其生 成电信号以校准相干光源105的波长扫描线性。如果波长调制在光学频域中 不是线性的，则扫描线性校准装置315从来自马赫-曾德尔干涉仪或法布里- 珀罗滤波器的固定路径长度差生成干涉信号。它通常包括光检测器或平衡检 测器来生成电信号。其过零定时对应于光学频域中的相等空间，并且为信号 处理器165内的数据获取***提供光学时钟。扫描线性校准装置315校准由 平衡检测器160检测到的干涉信号162。扫描线性校准装置315的输出传输至信号处理器165。
参考臂305的第二脉冲式波长调制相干光束被施加至第二耦合器150。 如上所描述，反向反射的相干光被引导至耦合器150。参考臂305中的参考 相干光与反向反射的相干光耦合以形成光学干涉信号。将光学干涉信号施加 至实现为自由空间路径、光纤或光波导的光程155a和155b。如上所描述，光 学干涉信号通过光程155a和155b的传输以被传输至平衡光检测器160用以 将来自光程155a和155b的光学干涉信号转换为电干涉信号162。
图2A是体现本发明原理的电TOI测量电路的框图。从平衡检测器160 生成的图1A、图1B和图1C的电干涉信号162被包络检测器400接收并且 转换为电干涉信号162的包络405。包络检测器400可以为射频(RF)功率 检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调器。射频(RF)功率检测器、均 方根(RMS)检测器或频率解调器在本领域中是已知的并且是可商购的装置， 因此不再赘述。射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频率解调 器去除电干涉信号162中的高频分量，从而识别电干涉信号162的包络。
包络信号405被传输至边沿检测器410。边沿检测器410确定脉冲事件 并且将脉冲事件置于边沿检测器的输出410。脉冲事件指示包络信号405的 前沿或下降沿。边沿检测器410可以为边沿毛刺转换器、异或门和延迟电路、 微分器电路等。边沿毛刺转换器、异或门和延迟电路、微分器电路在本领域 中同样是已知的并且是可商购的，因此不再赘述。
边沿检测器的输出415连接至时间数字转换器420的输入。时间数字转 换器420生成传输至时间数字转换器420的输出430的时间差信号。时间差 信号指示上升沿或下降沿脉冲事件405与脉冲事件425之间的时间。脉冲事 件425对应于从调制/扫描控制器175传输的光源调制信号的上升沿或下降 沿。脉冲事件425是用于启动时间数字转换器420以计数时间间隔的触发器。 边沿检测器410的脉冲输出415提供脉冲事件以终止时间数字转换器420对 时间间隔的计数。在时间数字转换器420的输出430处的一系列时间差信号 被转换为深度测量值以形成由计算机170显示的图像。
图2B是体现本发明原理的信号处理器的程序结构的框图。由数据获取模 块440对从平衡检测器160生成的图1A、图1B和图1C的电干涉信号162 进行数字化。数据获取模块440由来自调制/扫描控制器175的调制/扫描同步 信号179触发。电干涉信号被转换为数字化信号442，并且被置于数据获取 模块440的输出。电干涉信号162的最大频率对应于TOILiDAR***100的 最小测距深度，并且大于数据获取模块440中的数字化仪的奈奎斯特采样频 率。电干涉信号的最小频率对应于TOI LiDAR***100的最大测距深度。在 电干涉信号162包络的下降沿处测量检测到的电干涉信号162的时间延迟。
数字化信号442由信号处理器165执行的包络检测器处理445处理，以 确定数字化电干涉信号442的包络信号447。包络检测器处理445通过获取 数字化信号442的希尔伯特变换的绝对值来执行。然后，包络信号447由边 沿检测处理450处理以识别电干涉信号的发生定时，并且可以计算包络信号 447的上升沿或下降沿与调制/扫描同步信号179之间的时间差457。
图2C是体现本发明原理的参考臂的脉冲输入条纹460和包络465的曲线 图。图2C的曲线图是原型TOI***100在零(0)米位置检测对象的示例电 干涉信号。图2D是体现本发明原理的样本臂的反向反射脉冲条纹470和包 络475的曲线图。图2D的曲线图是原型TOI***100在180m位置检测对 象的示例电干涉信号。图2A的边沿检测器410或图2B的边沿检测器过程450 确定参考臂460的包络的下降沿t0的时间和样本臂475的包络的下降沿t1的 时间。计数器420或计数器处理455对参考臂的下降沿时间t0与样本臂的下 降沿时间t1之间的时间间隔进行计数。距离被测对象的距离由以下等式确定：
距离＝c*(t0-t1)
其中，
c是光速。
t0是参考臂的下降沿时间。
t1是样本臂的下降沿时间。
一系列时间差457可以被转换为深度信息并且形成由计算机170显示的 图像。
图3示出体现本发明原理的TOI LiDAR***的基于帧的速度测量方法。 每个帧490a、490a、490b、…、490m、490m+1、…、490y、490z由图1A、 图1B和图1C的平衡光检测器160捕获，并且表示数据495n和495m+1。数 据495n和495m+1被传输到信号处理器165并如图2A和图2B中所描述进 行处理，从而确定数据的上升沿或下降沿。因此，数据的上升沿或下降沿的 确定提供数据495n与495m+1之间的时间差。然后，将数据495n与495m+1 之间的距离确定为数据495n与495m+1之间的时间差(tm+1–tm)。将数据495n与495m+1之间的时间差(tm+1–tm)乘以应用于光程155a和155b的 光学干涉信号采样的帧速率，以确定被测量对象的速度。
图4A是结合在体现本发明原理的图1A、1B和1C的调制驱动器中的小 信号调制器的框图。小信号调制器具有连接以接收DC电压源VDC和调制电 压VMOD的求和电路500。求和电路500额外地组合DC电压源VDC和调制电 压VMOD以形成调制信号505。调制信号505具有小于电压源VDC电压的振幅， 并且从波形组中选择，包括方波、三角波、正弦波、鲨鱼齿波或任何任意波 形、甚至波形的组合。调制信号505被施加至激光驱动器510。调制信号505 的电压被转换为电流以驱动相干脉冲式波长调制窄带光源105。或者，调制 信号505的转换电流被施加至热电冷却装置，该热电冷却装置用于稳定相干 脉冲式波长调制窄带光源105的激光二极管的温度。通过热电冷却装置注入 调制电流，改变相干脉冲式波长调制窄带光源105的激光二极管的温度。相 干脉冲式波长调制窄带光源105的激光二极管具有用于监测二极管温度的内 置热敏电阻。这允许热电冷却装置和热敏电阻形成控制回路，该控制回路提供温度监测和精确的温度调制。
相干脉冲式波长调制窄带光源105将相干光信号520发射至干涉仪。当 在图1A的样本臂122和参考臂140、图1B的200与图1C的305之间存在 光程长度差时，选择波长/光学频率的波形调制以引入光学干涉。
图4B是如图4A中描述的体现本发明原理的小信号调制相干光源的示意 图。电源电压源VDC被施加至第一PMOS晶体管TX1的源极。第一晶体管 TX1的漏极连接至相干光源LD1(图1A、图1B和图1C的105)。第一晶 体管TX1的栅极由数字调制信号VDMOD控制。相干光源LD1连接至第二晶 体管TX2的源极，其栅极也由数字调制信号VDMOD控制。第二PMOS晶体管 TX2的漏极连接至第一NMOS晶体管TX3的源极，其栅极由模拟调制信号 VAMOD控制，其漏极连接至电阻R，电阻R然后连接至公共地。数字调制信 号VDMOD的高电平和低电平可以分别打开和关闭光源410。当数字调制信号 VDMOD较高时，模拟调制信号VAMOD可以向光源LD1提供小信号调制。光源LD1可以通过逆变器INV1在短过渡时间内停用。逆变器INV1用于反转数字 调制信号VDMOD，并且控制第三PMOS晶体管TX4和第二NMOS晶体管TX5 的栅极。第三PMOS晶体管TX4的源极和第二NMOS晶体管TX5的漏极连 接至光源LD1。第三PMOS晶体管TX4的漏极和第二NMOS晶体管TX5的 源极连接至地。当数字调制信号VDMOD从高转换至低时，第三PMOS晶体管 TX4和第二NMOS晶体管TX5接通，并且将立即耗尽光源LD1内的电流， 从而将生成用于TOI应用的短转变时间。
图5A是体现本发明原理的SSM-TOI电测量电路的框图。由平衡检测器 160生成的电干涉信号162由频率电压转换器525接收。电干涉信号162的 频率被转换为频率电压转换器525的输出530处的电压。电压与电干涉信号 162的频率成比例。频率电压转换器525由FM解调器、频率检测器或本领域 已知的任何频率电压转换器电路形成。输出530处的电压电平是边沿检测器 535的输入，该边沿检测器在边沿检测器535的输出540处生成脉冲。脉冲对应于频率电压转换器525的输出530处的上升沿、电压电平的上升沿或下 降沿。边沿检测器535由边沿到毛刺转换器、异或门和延迟电路、微分器电 路或本领域已知的任何边沿检测器电路形成。时间数字转换器550生成时间 数字转换器550的输出555处的时间差信号ΔTD。时间差信号ΔTD是边沿检测 器535的输出540处的上升沿或下降沿脉冲与来自调制/扫描控制器175的调 制/扫描同步信号179之间的差。一系列时间差507可以被转换为深度以形成 由计算机170显示的图像。
图5B是被配置为执行体现本发明原理的SSM-TOI电测量的信号处理器 175的程序结构的框图。由来自调制/扫描控制器175的调制/扫描同步信号179 触发的数据获取模块605对从平衡检测器160生成的电干涉信号162进行数 字化。电干涉信号162在输出565处被转换为干涉数字化信号。电干涉信号 162的最大频率对应于TOI LiDAR***100的最小测距深度，并且大于数据 获取模块605中的数字化仪的奈奎斯特采样频率。
应用于光程155a和155b的光学干涉信号的最小频率对应于TOI LiDAR ***100的最大测距深度。在电干涉信号162包络的下降沿处测量检测到的 电干涉信号162的时间延迟。干涉数字化信号由频率检测器处理570处理， 以在频率检测器处理570的输出575处识别其瞬时频率值。频率检测器处理 570执行诸如短时傅里叶变换、小波变换或本领域已知的另一频率检测器处 理之类的方法。然后，边沿检测器处理585处理频率检测器处理570的输出 575处的瞬时频率值，以识别电干涉信号162的上升沿或下降沿的定时的发 生，以及时间差ΔTD在边沿检测程序的输出590处。时间差ΔTD被确定为输出 575处的瞬时频率值的上升沿或下降沿与调制/扫描同步信号179之间的时间。 一系列时间差ΔTD被翻译为深度并且形成由计算机170显示的图像。
图6是被配置为执行体现本发明原理的SSM-TOI多普勒速度测量的数字 信号处理器的框图。图6示出在数据获取和信号处理器165中使用的由图1C 的扫描线性化校准器315执行的扫描线性化校正。当TOI LiDAR***100在 SSM-TOI模式下工作时，被测量对象的速度信息被编码在电干涉信号162中。 由来自调制驱动器175的调制/扫描同步信号179触发的数据获取模块605和 光学频率校准时钟600对由平衡光检测器160生成的电干涉信号162进行数 字化，以在特定时间将电干涉信号162转换为数字化信号数据获取模块605 的输出607。数字化信号在光学频率空间是线性的。电干涉信号162的最大 频率对应于TOI LiDAR***100的最小测距深度，并且大于数据获取模块605 的奈奎斯特采样频率。
电干涉信号162的最小频率对应于TOI LiDAR***100的最大测距深度。 在电干涉信号162包络的下降沿处测量检测到的电干涉信号162的时间延迟。 光学频率校准时钟600由马赫-曾德尔干涉仪、法布里-珀罗腔体、标准腔体或 适合于生成光学频率校准时钟600的任何其他干涉仪或谐振器生成。数字化 信号607是频率检测器处理610的输入，以确定瞬时频率值。瞬时频率值是 置于频率检测器处理610的输出611处的解。在各种实施方式中，当数据获 取模块605的输出607处的数字化信号在光学频率空间中本质上是线性的时， 不需要光学频率校准时钟600。在一些实现方式中，频率检测器可以实现为 短时傅里叶变换、小波变换或其他适当的频率检测器过程。频率检测器过程 610的输出611处的瞬时频率值然后由边沿检测器过程615处理以识别干涉 的发生时间。然后，边沿检测器过程615计算瞬时频率值的上升沿或下降沿 与调制/扫描同步信号179之间的时间差ΔTD，然后将时间差ΔTD放置为频率 检测器610的输出620。
在SSM-TOI多普勒速度测量的其他实现中，数据获取模块605的输出 607处的数字化推断电信号是多普勒速度计算过程625的输入，以计算目标 的移动速度。目标的移动速度是多普勒速度计算过程625的输出630。在多 普勒速度计算过程625的一个实现方式中，通过测量与被测对象的移动速度 成比例的连续向前和向后扫掠的电干涉信号162的频率之间的时间差ΔTD来 实现多普勒速度计算过程625。调制/扫描同步信号179的对称性使测量误差 最小化。一系列时间差可以将边沿检测器620的输出处的ΔTD和被测量对象的 移动速度分别被转换为深度和速度，并且形成由计算机170显示的图像。在 SSM-TOI多普勒速度测量的一些实现方式中，可以使用至少一个低通滤波器 直接提取电干涉信号162中引入的速度多普勒频移。频率偏移可以检测并且 转换为速度电信号，无需数字信号处理。
图7是体现本发明原理的集成干涉时间和飞行时间电路的框图。由平衡 光检测器160生成的电干涉信号162被传输至包络检测器650。包络检测器 650确定应用于包络检测器650的输出652的电干涉信号162的包络信号。 包络检测器650可以为射频(RF)功率检测器、均方根(RMS)检测器或频 率解调器。然后，电干涉信号162的包络信号通过第一边沿检测器655。第 一边沿检测器655在第一边沿检测器655的输出657处生成对应于包络检测 器650的输出657处的电干涉信号162的包络信号的上升沿或下降沿的第一 脉冲信号。边沿检测器655由边沿到毛刺转换器、异或门和延迟电路、微分 器电路或本领域已知的任何边沿检测器电路形成。
从平衡检测器160的监测器信道中提取来自后向反射相干光145的电信 号，以形成后向反射电信号145。来自监测器信道的反向反射电信号145是 反向反射电信号的145功率谱，并且可以被视为包络信号。反向反射电信号 145是第二边沿检测器660的输入。第二边沿检测器660在第二边沿检测器 660的输出662处生成第二脉冲信号。
将第一边沿检测器655的输出657处的第一脉冲信号、第二边沿检测器 660的输出662处的第二脉冲信号以及调制/扫描同步信号179施加至多信道 时间数字转换器665。多信道时间数字转换器665在时间数字转换器665的 输出670处生成第一时间差信号。第一时间差信号ΔTD1是第一脉冲信号的上 升沿或下降沿与对应于光源调制/扫描同步信号179的上升沿或下降沿的调制 /扫描同步信号179之间的时间的数字化表示。
多信道时间数字转换器665生成在第二边沿检测器660的输出662处的 第二脉冲信号的上升沿或下降沿与对应于光源调制的上升沿或下降沿的调制 /扫描同步信号179之间的第二时间差信号ΔTD2。第一时间差信号ΔTD1和第二 时间差信号ΔTD2是平均值或加权平均值。平均或加权平均第一时间差信号ΔTD1和第二时间差信号ΔTD2被转换为由计算机170显示的深度和形式图像。
图8A是采用体现本发明原理的SSM-TOI电测量用于确定对象距离的方 法的流程图。生成激光光束(框800)。用波长调制或频率调制信号对激光 光束进行调制(框805)，以调整激光光束的波长或频率。然后对激光光束 进行偏振(框810)以调整激光的偏振状态，使光学干涉信号或电干涉信号 的振幅最大化。
激光光束的第一部分耦合(框815)至采样光纤电缆。激光光束的第二 部分耦合(框820)至参考光程。在确定其与调制激光光束源的距离的对象 处扫描激光光束的第一部分(框825)。
激光相干光束的第一部分的一小部分从待测对象反向反射和接收(框 830)。激光光束的第一部分的后向反射部分耦合至激光光束的第二部分(框 835)，以形成光学干涉相干光信号。光学干涉相干光信号被传输(框840) 到平衡光学光检测器，以将光学干涉相干光信号转换(框845)为振荡电干 涉信号。将振荡电干涉信号数字化(框850)。电干涉信号的最大频率对应 于TOI LiDAR***的最小测距深度，并且大于数字化的奈奎斯特采样频率。电干涉信号162的最小频率对应于TOI LiDAR***100的最大测距深度。
数字化电干涉信号包络经过包络检测过程，以识别(框855)数字化电 干涉信号的包络。确定数字化电干涉信号的包络的上升沿或下降沿的时间(框 860)。确定数字化电干涉信号的包络的上升沿或下降沿与调制/扫描同步信 号之间的时间差(框865)，并且计算到待测对象的距离(框870)。
图8B是采用体现本发明原理的SSM-TOI电测量用于确定对象多普勒速 度的方法的流程图。用SSM-TOI电测量来确定对象的多普勒速度的方法首先 迭代地执行(框875)图8A的方法的步骤。根据距离随时间的变化确定对象 的多普勒速度(框880)。
虽然已经参考本发明的优选实施方式具体地示出和描述了本发明，但本 领域技术人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式 和细节进行各种改变。具体地，图1A、图1B或图1C的TOI激光雷达*** 100可以实现为光纤、体光学器件、集成光子电路或本领域已知的光学光子 器件的任何组合。

Claims (23)

1.一种干涉时间光检测和测距***，用于基于时频域反射法测量从所述***到对象的距离，其特征在于，所述***包括：
相干光源；
调制控制器，所述调制控制器连接至所述相干光源并且被配置为生成脉冲式波长控制信号，所述脉冲式波长控制信号被传输至所述相干光源用于调制所述相干光源以生成脉冲式波长调制相干光发射；
干涉仪，所述干涉仪连接至所述相干光源用于接收所述脉冲式波长调制相干光发射，并且所述干涉仪被配置为将所述脉冲式波长调制相干光发射分为样本部分和参考部分，其中，所述脉冲式波长调制相干光发射的所述样品部分被布置成撞击待测对象，并且所述脉冲式波长调制相干光发射的所述参考部分被布置成提供确定从所述***到所述对象的距离的基础；
扫描仪，所述扫描仪连接至所述干涉仪以接收所述脉冲式波长调制相干光的所述样本部分，其中，所述扫描仪被配置为将所述脉冲式波长调制相干光的所述样本部分物理地转移至所述对象并且用所述脉冲式波长调制相干光扫描所述对象的表面，并且所述扫描仪进一步被配置为接收所述脉冲式波长调制相干光的反向反射部分并且将所述反向反射部分从所述扫描仪传输至所述干涉仪；
其中，所述脉冲式波长调制相干光的所述反向反射部分耦合至所述脉冲式波长调制相干光的所述参考部分以形成光学干涉光信号；
光检测器阵列，所述光检测器阵列被配置为接收所述光学干涉光信号并且将所述光学干涉信号转换为电干涉信号；
信号处理器，所述信号处理器与所述光检测器阵列通信以接收所述电干涉信号并转换所述电干涉信号以将所述所述电干涉转换为数字化电干涉信号；以及
计算机***，所述计算机***被配置为编程成计算由所述光学干涉信号确定的时间延迟并且基于与所述目标的距离生成显示的成像范围。
2.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述调制控制器被配置为通过控制所述相干光源的驱动电流、调整窄带宽光源的温度或调整从所述相干光源发射的光的相位来调制所述相干光源。
3.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述干涉仪包括：
第一耦合器，所述第一耦合器被配置为从所述相干光源接收所述脉冲式波长调制相干光，并且所述第一耦合器被配置为将所述脉冲式波长调制相干光分成所述脉冲式波长调制相干光的第一部分和所述脉冲式波长调制相干光的第二部分；
环行器，所述环行器被连接以接收所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分，并且所述环行器被配置为使得所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分进入所述环行器的第一端口并且从后续端口离开，以将所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分引导至所述扫描仪；
样本臂，所述样本臂连接至所述第一耦合器以接收所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分并且将所述脉冲式波长调制相干光的所述第一部分传输至所述扫描仪；
参考臂，所述参考臂连接至所述第一耦合器以接收所述脉冲式波长调制相干光的所述第二部分；以及
第二耦合器，所述第二耦合器被配置为接收所述脉冲式波长调制相干光的反向反射部分，所述第二耦合器被配置为从所述参考臂接收所述脉冲式波长调制相干光的所述第二部分，并且所述第二耦合器被配置为将所述脉冲式波长调制相干光的所述反向反射部分和所述脉冲式波长调制相干光的所述第二部分耦合以形成光学干涉光信号。
4.根据权利要求3所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述干涉仪还包括：
偏振控制器，所述偏振控制器被配置为接收所述脉冲式波长调制相干光发射并且将所述脉冲式波长调制相干光发射传输至所述第一耦合器，并且所述偏振控制器被配置为调整来自所述光源的所述相干光发射的偏振状态并且使所述光学干涉信号或电干涉信号的振幅最大化。
5.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述光检测器阵列被配置为偏振分集平衡放大检测器并且包括至少一个功率监测器以测量所述光检测器阵列的输入功率电平，其中，所述功率监测器输出提供具有与所述对象的距离相关联的时间延迟的调制功率电平。
6.根据权利要求3所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述参考臂的长度大于所述样品臂的长度，并且所述参考臂的光程长度大于所述***的最大测距深度的两倍。
7.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述光学干涉信号的最大频率对应于所述***的最小测距深度。
8.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述信号处理器被配置为确定数字化电干涉信号的包络。
9.根据权利要求8所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述信号处理器被配置为在所述数字化电干涉信号的所述包络的下降沿处测量所述数字化电干涉信号的时间延迟。
10.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，还包括扫描控制器，所述扫描控制器被配置为创建生成扫描同步信号的扫描模式，并且所述扫描控制器被配置为将所述扫描同步信号应用于所述扫描仪以生成实现对描述所述对象的测量信息进行收集的扫描模式。
11.根据权利要求1所述的干涉时间光检测和测距***，其特征在于，所述干涉时间光检测和测距***被实现为光纤、体光学器件、集成光子电路或光学光子器件的任何组合。
12.一种用于确定对象距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：
生成相干光束；
用波长调制或频率调制信号调制所述相干光束；
将所述相干光束的第一部分耦合至样品臂；
将所述相干光束的第二部分耦合至参考臂；
在对象处扫描相干光束的第一部分，所述对象与波长调制相干光束源的距离为待测；
将所述波长调制相干光束的所述第一部分的一部分反射回待测的所述对象；
从待测的所述对象接收所述波长调制相干光束的反向反射部分；
将所述相干光束的所述反向反射部分与所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光学干涉相干光信号；
对光学干涉波长调制的所述相干光信号进行光检测以形成振荡电干涉信号；
将所述振荡电干涉信号数字化；
检测所述数字化电干涉信号的包络，其用于确定所述数字化电干涉信号的包络；
确定所述数字化电干涉信号的所述包络的上升沿或下降沿的时间；
确定所述数字化电干涉信号的所述包络的上升沿或下降沿之间的时间差；以及
计算与待测的所述对象的距离。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过迭代地进行权利要求11所述的步骤来确定所述对象的多普勒速度；以及
将所述对象的多普勒速度计算为距离随时间的变化。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
调整所述相干光束的偏振态以使所述光学干涉信号或所述电干涉信号的振幅最大化。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电干涉信号的最大频率对应于测量到所述对象的距离的最小测距深度，并且所述电干涉信号的最大频率大于将所述电干涉信号数字化的步骤的奈奎斯特采样频率。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电干涉信号的最小频率对应于测量到所述对象的距离的最大测距深度。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：还包括用光纤、体光学器件、集成光子电路或光学光子器件的任何组合来实现所述方法的步骤。
18.一种用于确定对象距离的设备，其特征在于，包括：
用于生成相干光束的装置；
用于以振幅调制或频率调制信号调制的所述相干光束，以调整所述相干光束的振幅的装置；
用于将所述相干光束的第一部分耦合至样本光纤线缆的装置；
用于将所述相干光束的第二部分耦合至参考臂的装置；
在对象处扫描所述相干光束的第一部分的装置，所述对象与调制相干光束源的距离为待测；
用于将所述相干光束的所述第一部分的一部分从待测的所述对象反射回去的装置；
用于从待测的所述对象接收所述相干光束的反向反射部分的装置；
用于将所述相干光束的所述反向反射部分与所述相干光束的所述第二部分耦合以形成光学干涉相干光信号的装置；
用于对所述光学干涉相干光信号进行光检测以形成振荡电干涉信号的装置；
用于将所述振荡电干涉信号数字化的装置；
用于检测所述数字化电干涉信号的包络以，其用于确定所述数字化电干涉信号的所述包络的装置；
用于确定所述数字化电干涉信号的所述包络的上升沿和下降沿时间的装置；
用于确定所述数字化电干涉信号的所述包络的上升沿或下降沿之间的时间差的装置；以及
用于计算与待测的所述对象的距离的装置。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，还包括：
用于通过迭代地激活权利要求18所述的设备来确定所述对象的多普勒速度的装置；以及
用于将所述对象的多普勒速度计算为距离随时间的变化的装置。
20.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，还包括：
用于调整所述相干光束的偏振态以使所述光学干涉信号或所述电干涉信号的振幅最大化的装置。
21.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述电干涉信号的最大频率对应于测量到所述对象的距离的最小测距深度，并且所述电干涉信号的最大频率大于用于将所述电干涉信号数字化的装置的奈奎斯特采样频率。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述电干涉信号的最小频率对应于测量到所述对象的距离的最大测距深度。
23.根据权利要求18所述的设备，其特征在于：还包括用光纤、体光学器件、集成光子电路或光学光子器件的任何组合来实现所述装置的步骤。
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