小型激光雷达系统的制作方法
本申请要求于2015年4月7日提交的临时申请62/143912的优先权。该专利及其他被引用的专利和申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
本发明领域是激光雷达系统，尤其是调频连续波激光雷达系统。
背景技术：
背景描述包括可能有益于理解本发明的信息，但并不表示本文提供的任何信息是现有技术或与本申请请求保护的发明相关，或任何明确地或隐含地引用的出版物是现有技术。
雷达越来越多地被用于各种应用中的距离测量，如从制图到显微镜检查。将这种功能融合到包括自动驾驶汽车或半自动驾驶汽车在内的日益多样化的设备中，促进了越来越小型化和低耗能设备的开发。同时，对于更远距离、更高分辨率的雷达设备的需求持续增长。
雷达可以通过多种方式实现。在“传播时间(tof)”雷达中，短光脉冲被发射并接收反射的脉冲，发射和接收之间会有所延迟，为发射器和反射物体之间的距离提供量度。然而，此类tof系统有许多缺点。例如，简单的tof测量极易受其他信号源的干扰。随着发射器和反射物体之间的距离增加，这一问题变得更加明显，因为距离增加必然会降低反射信号的强度。另一方面，精确测量极短时间间隔中固有的局限性限制了此类近距离处的tof雷达系统的空间分辨率。此外，这种tof雷达的距离的功能还在于能够检测相对微弱的反射信号。通过使用高灵敏度的光电探测器，由此产生的距离限制通常会得到解决。在一些情况下，这种探测器能够探测单个光子。但不幸的是，这种高灵敏度也会导致作为反射tof雷达脉冲的干扰信号的错误识别增加。尽管存在这些缺点，但tof雷达系统目前仍得到广泛应用，主要是因为它能够以非常紧凑的形式提供这种系统，并且能够利用相对便宜的非相干激光光源。
目前已经开发了tof雷达的替代方案。频率调制(fm)雷达就是其中之一，其依赖于相干激光源来产生有时间分隔的、调频光能的重复、短暂的“啁啾”。每个“啁啾”内的频率呈线性变化，并且相对于参考信号的回波“啁啾”的相位和频率的测量提供了相对于发射器的反射物体的距离和速度的量度。反射啁啾的其他性质(例如强度)可以与反射表面的颜色、表面纹理或组成有关。此外，此类fm雷达不受干扰光源(其倾向于产生非调制信号)的影响，并且不需要使用高灵敏度的光电检测器。
此种测量的精确度取决于多种因素，包括发射激光器的线宽限制，啁啾内的频率幅度(即带宽)，每个啁啾期间频率变化的线性度以及各个啁啾的再现性。不幸的是，其中一个因素的改善通常会损害其余几个因素。例如，当啁啾的带宽增加时提高分辨率，这样使啁啾内频率变化的线性度难以维持。类似地，具有窄线宽的激光器可能不太适合产生啁啾所需的距离频率。此外，至今开发的fm雷达系统一点也不紧凑小型，因为它们依赖于相对较大的fmcw激光源。另外，此类系统通常依赖于精确调制的、低噪音的本地振荡器(例如，窄线宽的固态、气体或光纤激光器)，该振荡器的调频与由相对大的干涉仪提供的发射的啁啾的调频相一致。此本地振荡器能精确地复制发射的啁啾，并作为所接收到的反射啁啾的参考。因此，fm雷达相对较大、复杂且昂贵，并且尽管其具有功能性优势，但相对于tof雷达而言，fm雷达的实施有限。
quack等人(在2015年3月23日至26日，于美国密苏里州，圣路易斯举行的gomactech,上的演说)提出了开发fmcw雷达源装置，该装置需要构建机电调制激光源、光学干涉仪和调制电子设备并将其集成到单个硅片上。然而，所得到的装置依赖于一电子反馈系统，该系统内在生成非线性光学啁啾。通过应用供给激光源的“预失真的”反馈信号和使用可以充当变化附加来源的外部参考频率发生器，这只能部分得到校正(satyan等人opticsexpress第17卷,2009)。所产生的雷达源非常复杂，并且，能否以可靠地方式将这种多样化的特征集成到在单个硅片上还有待观察。此外，包含这种源的雷达还依赖于使用复杂的本地振荡器来提供有用的数据。
因此，需要一种小型、强大且高效的雷达系统，该系统具有高度啁啾线性度、大啁啾带宽和高啁啾重现性。
以下描述包括可能有益于理解本发明的信息，不表示本文提供的任何信息是现有技术或与本申请请求保护的发明相关，或任何明确地或隐含地引用的出版物是现有技术。
技术实现要素：
本发明构思的实施例包括调频的雷达系统，其包括一激光源，该激光源被光耦合到回音壁模式的光学谐振器上。来自于被耦合至回音壁模式的光学谐振器的激光源的光，则作为具有光学谐振器的回音壁模式的频率特征的返回反向传播波被耦合回来。通过光注入，该返回波被用于降低源激光的线宽。对于回音壁模式的光学谐振器的光学特性的调制导致对由振荡器的回音壁模式支持的频率的频率的调制，并且提供了一种方法，用于生产高线性度和可再生的光啁啾，该方法非常适用于雷达系统。
本发明构思的一个实施例是包含一种激光光源、一种可调制的回音壁模式的谐振器，该谐振器通过光注入被光耦合至激光光源以提供线宽收缩，一种可以改变回音壁模式的光学谐振器的光学特性(例如，折射率)的换能器，一种控制该换能器的控制器，一种传输由控制器产生的光啁啾的传输组件，一种接收反射的光啁啾的接收器，以及提供一种利用来自反射啁啾的数据来确定用来反射啁啾的物体位置的处理器。在一些实施例中，所有这些组件都设置在单个基板上。光注入锁定的激光源的线宽可以小于1khz。在一优选实施例中，激光源还可以作为一参考啁啾的源，该参考啁啾与反射的啁啾相结合来确定反射物体的位置。
本发明构思的另一实施例是利用雷达系统的方法。在所述方法中，雷达系统包括一种激光光源，一种可调制的回音壁模式的谐振器，该谐振器通过光注入被光耦合至激光光源以提供线宽收缩，一种可以改变回音壁模式的谐振器的光学特性(例如，折射率)的换能器，一种控制该换能器的控制器，一种传输由控制器产生的光啁啾的传输组件，一种接收反射的光啁啾的接收器，以及提供一种利用来自反射啁啾的数据来确定用来反射啁啾的物体位置的处理器。将同样由激光源产生的参考啁啾与雷达系统距离内反射物体反射的反射啁啾进行比较，以确定反射物体的位置。
本发明构思的另一个实施例是一种包含雷达系统的汽车辅助系统，该雷达系统包括一种激光光源，一种可调制的回音壁模式的谐振器，该谐振器通过光注入被光耦合至激光光源以提供线宽收缩，一种可以改变回音壁模式的光学谐振器的光学特性(例如，折射率)的换能器，一种控制该换能器的控制器，一种传输由控制器产生的光啁啾的传输组件，一种接收反射的光啁啾的接收器，以及一种利用来自反射啁啾的数据来确定用来反射啁啾的物体位置的处理器，以及一种接收由雷达产生的数据和与汽车效应器通信的辅助引擎。此效应器可以是车辆驾驶员使用的通知系统。在一些实施例中，所述效应器被耦合至影响车辆操作(例如转向、发动机速度等)的换能器。在一些实施例中，车辆受驾驶员的控制，驾驶员可以在车上控制或远程操作。在其他实施例中，车辆是自动驾驶的。通过结合附图对优选实施例进行具体说明，本发明主题的各种对象、特征、方面和优点将会变得更加显而易见，其中在附图中，如数字，代表组件。
附图说明
图1一装置的实施例的示意图，该装置利用光学谐振支持激光的注入锁定。
图2是一装置的替代实施例的示意图，该装置利用光学谐振器支持激光的注入锁定。
图3是一装置的替代实施例的示意图，装置利用光学谐振器支持激光的注入锁定。
图4a至4d示出了用于示例性光学谐振器的配置。图4a示出了球面光学谐振器。图4b示出了具有凸出外表面的环形光学谐振器。图4c示出了盘状光学谐振器。图4d示出了具有平面外表面的环形光学谐振器。
图5a至5b示出了光学谐振器上的电极的放置。图5a是在周边施加电极的盘状光学谐振器的示意图。图5b是调制的回音壁模式的光学谐振器560的示意图，其包括一盘状光学谐振器565，其具有被应用在谐振器相对平面上的电极570及580。
图6a至6d示出了集成到硅片中的光学谐振器的各种实施方法。图6a示出了一球面光学谐振器，其了被光耦合至产生于硅片的波导上。图6b示出了一盘状光学谐振器，其产生于硅片并被光耦合至在同一硅片上产生的波导上。所述波导反过来被耦合至相邻的硅片。图6c示出了一环形光学谐振器，其产生于硅片并被光耦合至同一硅片产生的波导上。所述波动反过来被耦合至相邻的硅片。图6d示出了一球面光学谐振器，其被光耦合至一对grin透镜，所述grin透镜反过来被耦合至硅片上产生的波导。
图7a至7b示出了发射和反射线性和单调光学频率啁啾。图7a示出了发射光学频率啁啾和返回式反射光学频率啁啾的光学频率随着时间变化而发生的变化。图7b示出了典型数据的快速傅里叶变换处理的结果。
图8a至8b示出了发射和反射的双向线性光学频率啁啾。图7a示出了发射光学频率啁啾和返回式反射光学频率啁啾的光学频率随着时间变化而发生的变化。图7b示出了典型数据的快速傅里叶变换处理的结果。(
图9示出了复杂的双相光学频率啁啾，其中频率以s形随时间而变化。
图10是本发明构思的雷达系统示意图。
图11是包含本发明构思的雷达系统的自动驾驶辅助系统(adas)的示意图。
具体实施方式
以下描述包含可能有益于理解本发明的信息，但并不表示本文提供的任何信息是现有技术或与本申请要求保护的发明相关，或任何明确地或隐含地引用的出版物是现有技术。
本发明主题提供一种装置，系统和方法，其中雷达系统是基于一fmcw激光光源，其光注入锁定在回音壁模式谐振器。这提供了具有非常窄的线宽的激光源，允许(当与具有可控的光学特性的回音壁模式一起使用时)通过简单直接的光学机理产生大带宽、高度线性和高度可再生的啁啾。此种调频(fm)雷达不需要使用单独的本地振荡器，而能够利用分束器(或功能对等)来提供来自于注入锁定fmcw激光的参考fm信号。这类雷达系统可以是紧凑型的，且可以使用光刻方法在硅晶片上生产得到，经济又实惠。这种系统中产生的啁啾的线性可以低于10％至低于0.2％。产生的啁啾的带宽可以是10ghz或更高，信噪比可以低达10db，激光功率低至3mw，这可以提供高达200米或更大的距离。
通过结合附图对优选实施例进行具体说明，本发明主题的各种对象、特征、方面和优点将变得更加显而易见，其中附图中，如数字，代表组件。
在一些实施例中，表示用于描述和要求保护本发明的某些实施例的浓度、反应条件的量的数字将被理解为在某些情况下，被术语“约”修饰。相应地，在一些实施例中，在书面说明和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，其可以根据寻求由特定实施例获得的所需特性而变化。在一些实施例中，数值参数应根据所报告的有效数字的数量以及通过应用普通舍入技术来解释。尽管阐述本发明的一些实施方式的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体示例中阐述的数值尽可能精确地被报告。在本发明的一些实施方式中呈现的数值可能包含必须由其各自的测试测量中发现的标准偏差导致的某些误差。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的术语“一”、“一个”和“该”的含义包括复数参考，除非上下文另有明确规定。此外，如本文说明书中所实用的，“在…中”包括“在…中”和“在…上”，除非上下文另有明确规定。
在本文中，列出的数值范围仅意在用作单独涉及落入范围中的各单独的数值的简写方法。除非本文中另有说明，各单独的数值结合在说明书中，就像其在本文中被单独地列举的那样。在本文中描述的所有方法可以按照任何适当的顺序进行，除非在本文中被另有说明或与上下文明显相矛盾。使用在本文中提供的任何或所有实施例或示例性语言(例如“诸如”)仅意在更好地说明本发明的实施例，并且不对本发明的范围构成限制，除非另外提出要求。说明书中的语言都不应当被解释成将任何未提出要求的元件指定为实现本发明的必需品。
本文公开的本发明的替代元件或实施例的分组不应该作为本发明的限定。每个组成员可以单独地或与组中的任何组成员或本文中找到的其他元素的任何组合被引用和要求保护。出于方便和/或可专利性的原因，组中的一个或多个成员可以被包括在组中或从组中删除。当发生任何这种包括或删除时，在本文中认为本说明书包含经修改从而满足所附权利要求中使用的所有markush组的书面描述。
应当理解的是，所公开的技术提供许多有利的技术效果，包括提供准确、有效的雷达系统，该系统可以使用常规光刻技术在单个晶片或芯片上经济地生产。
以下讨论提供了本发明主题的许多实施例。虽然每个实施例表示本发明元件的单个组合，但本发明主题被视为包括公开的元件的所有可能的组合。因此，如果一个实施例包括元件a、b和c，并且第二个实施例包括元件b和d，那么也认为本发明主题包括a、b、c或者d的其它剩余的组合，即使未明确地公开。
如本文所使用的，除非上下文另有说明，术语“耦合”意在包括直接耦合(其中耦合到彼此相互接触的两个元件)和间接耦合(其中至少一种附加元素位于两个元件之间)。因此，术语“耦合到”和“结合”是同义词。
在调频连续波(fmcw)雷达中，窄线宽fm激光被调制来提供频率斜坡，例如指数斜坡，线性斜坡和/或s形斜坡。这种斜坡可以是单调的(即仅向一个方向发展)、双峰或多峰的。在一些实施例中，呈线性斜升的频率斜坡产生线性光啁啾。此种线性啁啾可以通过分束器传输，并且部分会被发射出。一遇到物体，发射的啁啾就可以作为反射啁啾被fmcw雷达系统所反射并接收。该反射啁啾可以和与从fm激光(例如通过分束器)获得的参考啁啾相结合，例如通过光电探测器将所接收的反射啁啾和参考啁啾转化成fm电流中并将其组合在放大器中。组合信号可以被处理(例如用快速傅里叶转换)来表征信号之间的相位和/或频率的区别，因而测量反射物体的距离和/或速度。此类fmcm雷达系统的性能(即距离分辨率和精确度)与频率斜坡的带宽直接相关，如公式1所示，其中ar是距离分辨率，c是光速，b是发射频率啁啾的带宽。
本质上，啁啾的带宽越大，距离分辨率越好。性能受频率斜坡的线性度或整个啁啾变化的影响，线性度的偏差会导致啁啾之间的重现性变差。这种线性度通过增加激光源的带宽而受到不利影响。如果应用的斜坡非高度线性，那么所得的干扰数据的质量就会差。如果利用非线性频率啁啾(例如，随时间的推移频率作s形变化)，那么非线性函数的一致性同样重要。类似地，激光器(相对强度噪声或rin)提供的光的幅度变化会降低fm雷达的性能。不幸的是，通常用于fm雷达的激光源有相对大的rin。对于有效系统，用于啁啾的调制频率的拓展带宽和啁啾内的高线性度都是需要的。不幸的是，频率啁啾的带宽越大，线性化和/或生产此类啁啾也就越困难。
本发明构思的系统和装置利用fmcw激光光源，该fmcw激光光源被光耦合至支持回音壁模式的光学谐振器，其中所述回音壁模式与激光发射的一个或多个波长相对应。作为回音壁模式频率，光学谐振器中捕获的部分光被返回至激光器，以提供光注入锁定。这不仅有助于减小激光输出的线宽，而且还能将rin降低至少10倍(相对于没有这种光注入锁定的源激光)。所产生的激光输出会有非常窄的线宽(例如，1000hz，500hz，250hz，100hz或小于100hz)。这样的激光源可以为线性啁啾提供大带宽(例如，1ghz，5ghz，10ghz，15ghz或更高)，并且还可以提供(10cm、7.5cm、5cm、2.5cm、1cm或小于1cm)的距离分辨率。这种距离分辨率对于各种应用，包括便携式设备、自动和半自动驾驶的交通工具、增强和虚拟现实系统及呈现系统而言是有用的。应该理解的是，线性啁啾内15ghz的带宽相当于100hz激光带宽的1.5亿倍。这样的信号易于识别，并且可以实现在大带宽上的高度线性化。为了比较，利用具有1nm线宽的典型fm激光器的现有技术系统将必须利用具有与几十纳米(例如50nm的)相对应的频率斜坡的啁啾，以提供充分的区别，并且将不会提供可比较的分辨率和信噪比。还应当理解的是，线性化，如50nm带宽的啁啾在技术上是极具挑战性的。使用具有100khz或以上带宽的激光光源的典型现有技术时，会出现类似的问题。发明人已经发现，使用非常窄的线宽的激光光源可以改善雷达的性能，然而选择一种合适的缩小线宽的方法、同时也提供高度可控和可复制的频率调制可以简化雷达系统的结构、操作和降低最终的生产成本。在优选实施例中，具有上述性能特征的激光光源的所有或者至少大部分组件，以及雷达系统的剩余组件可以用光刻技术在硅片上制造。
例如，对于所生成的啁啾的一系列时间点来说，上升频率的单调啁啾的线性度可以表示为r值，表明测量频率与理想频率之间的关联。例如，如果光啁啾的期望轮廓正如图7a所示的那样，该图示出了频率随着时间单调的线性增加，线性度可以表示为在相应时间点测量的和所需的或最佳的频率的相关性。在该实施例中，完美线性所生成的啁啾有望在此相关性中产生值为1的r值。与理想状态(例如，在啁啾的开始和/或结束处的曲线偏差)的偏差将导致r值小于1。可以对双峰啁啾和非线性啁啾(如s形)进行相似的相关性研究。在本发明构思的实施例中，所生成的啁啾线性度可在所产生的啁啾的频率范围处产生大于0.8，大于0.85，大于0.88，大于0.9，大于0.92，大于0.95，大于0.97，大于0.98，大于0.99，和/或大于0.995的r值。
相似地，所产生的啁啾之间的变化应该被最小化。啁啾可以通过许多量化因素来表征，包括持续的时间、频率分布、幅度和与线性度的偏差(如上所述)。啁啾群内的变化可以表示为围绕这种可量化因素的中心值的标准偏差和/或变异系数(cv)。在本发明构思的实施例中，持续时间、频率分布、振幅和/或源于对于统计学意义的啁啾组(即大于32)的线性度偏差的cv可以小于25％，小于20％，小于15％，小于10％，小于7.5％，小于5％，小于2.5％，小于1％，小于0.5％，小于0.25％，小于0.2％，和/或小于0.1％。
在本发明构思的一些实施例中，可以通过光耦合激光光源，将用于雷达系统的合适的激光光源提供到光学谐振器。该光学谐振器可以标出尺寸和由支持回音壁模式在波长处的材料构建而成，其中所述波长由激光光源发射而出，也可以由允许光学谐振器光学性质(如折射率)的受控调制的材料(例如电光材料)构建而成。调制回音壁模式谐振器的光学性质(例如，通过运用电势、温度变化和/或机械压力)可以改变回音壁模式的频率。通过倏逝波耦合，例如使用棱镜、刻面光纤或类似装置，光可以从fmcw激光光源被耦合至回音壁模式。类似地，源于光学谐振器内相向传播的回音壁模式波可以被耦合出来并被返回到源激光器，以提供光注入锁定，这反过来提供窄线宽激光输出。
光学谐振器(例如通孔电极、电阻加热器和/或压电器件)光学性质的调制改变了回音壁模式支持的频率。这反过来改变了用于光学注入锁定的频率，并导致激光频率输出的调制，该激光频率输出持续具有非常窄的线宽。
结果，通过光学手段，在这样的配置中，与fmcw激光(例如，通过被编程的啁啾生成器来生产一种或更多种啁啾类型和间隔)光通信中的回音壁模式谐振器的光学性质中的受控调制允许高度线性(或高度一致的非线性)频率啁啾直接生成。所产生的激光发射的高度重现性和窄线宽允许使用简单的分束器(或类似装置)来提供雷达系统，其中，作为用于表征反射物体的发射啁啾的首要来源的调制fmcw激光也可以充当用于表征返回的反射啁啾的参考啁啾的来源。应当理解的是，这大大降低了所得雷达系统的复杂性和尺寸。在本发明构思的一些实施例中，通过以受控的方式改变光学谐振器的光学特性，例如通过向光学谐振器施加电流、向光学谐振器施加压力、和/或改变光学谐振器的温度，可以生产高度可再生的频率啁啾。应当理解的是，此种配置允许生成各种各样的频率啁啾构造，其适用于不同的应用。
各种配置适合于以这种方式光耦合激光光源和回音壁模式。图1示出了一个实施例，图中描述了带有一组反馈光学器件8的配。在图1显示的配置中，利用一光耦合器4a，例如棱镜，源激光1提供了一种被耦合至回音壁模式谐振器4(wgm谐振器)的激光束。在一些实施例中，利用透镜3，激光束通过相位旋转器2并被引入光学耦合器中。表现在激光束中的频率子集作为一种自我强化的回音壁模式波5a传播通过谐振器，该谐振器被“捕获”在回音壁模式中。通过一第二光耦合器4b，部分这种传播的光被耦合到wgm谐振器外，通过反射镜8a(可以设置在安装件8c上)反射的输出光束6b用以提供反射光束6b。在一些实施例中，通过透镜8b，输出光束和/或反射光束得以引导。反射光束被耦合回wgm谐振器中，以形成反向传播波5b。通过第一个光耦合器，这可以被耦合至谐振器之外并作为反馈光lb被返回到源激光，在所述源激光中，光注入导致变窄的线宽激光输出7。源激光中变窄的线宽可通过第一个棱镜的暴露面而被输出且可用于雷达系统。
在本发明构思的一些实施例中，源激光和光学谐振器之间及光学谐振器和反射器之间的光耦合通过光导提供一种反向传播波。合适的光导包括硅晶片上提供的光纤和光导材料。图2是这种实施例的示意图。如图所示，通过使用一个或多个光导210，230，源激光200被耦合至回音壁谐振器。在一些实施例中，瞄准仪或光模式选择器220可以置于所述激光器和所述回音壁模式谐振器之间。源于该激光器的光被耦合至该回音壁模式谐振器中，此谐振器中与回音壁模型相对应的光被截留。至少一部分被截留的光被耦合到回音壁模式谐振器之外，至光导250，在光导250中，这部分被截留的光被引导至反射器。在一些实施例中，瞄准仪或光模式选择器260置于回音壁模式谐振器和反射器之间，其中额外的光导270提供光通信。从反射器被返回的光被耦合回回音壁模式谐振器以及将其引导至激光器的光路中。该返回的光向与谐振器回音壁模式相对应的频率提供激光的光注入锁定，以此提供相较于没有光注入锁定的源激光的返回光而线宽变窄的激光输出290。在一些实施例中，这些组件可以设置在单个集成芯片295上。
在一些实施例中，可以将光学滤波器并入设备中。图3示出了与图1所示的光布置类似的实施例，但图3还显示了在第二个棱镜和反射器之间置入一个光学空间滤波器，旨在改善光束的空间分布。可以包含反射器350的激光源300提供了通过光光耦合器315被传送到回音壁模式谐振器320的光。在一些实施例中，瞄准仪或光模式选择器310置于到激光器和光耦合器之间。与谐振器的回音壁模式相对应的光被截留在谐振器之内，且至少部分被截留的光被一第二个光耦合器325耦合至谐振器之外并被引导至一组反馈光学器件327中。这些反馈光学器件可以包括反射器340，以及被置于第二个光耦合器和反馈光学组件的反射器之间的光学空间滤波器335(例如，针孔)。在一些实施例中，瞄准仪或光模式选择器可以置于第二个光学耦合器和光学滤波器之间。从反馈光学器件的发射器中反射的光被耦合至回音壁模式谐振器中，以提供反向传播波。至少部分这种相向传播波被传送到回音壁模式谐振器外，并被引导回激光器，从而提供导致激光线宽变窄的光注入。窄线宽输出作为输入激光束345被提供。在一些实施例中，所提供的控制电路350允许激光调制。
虽然所示实施例利用反射器来在光学谐振器内提供反向传播波，但本发明构思的其他实施例不需要使用反射镜或反射器。例如，在本发明构思的一些实施例中，wgm谐振器材料内的光散射可以提供足够强度的反向传播波，该反向传播波在源激光的光注入锁定方面是有用的。在其他实施例中，特征可以被引入到wgm谐振器之内和/或表面之上，以提供反向传播波。合适的特征包括wgm谐振器体内的夹杂物、凹坑、通道，或wgm谐振器表面产生的其他特征，和/或在wgm谐振器表面产生的光栅。
合适的光学谐振器有多种配置。如图4a，4b，4c和4d所示，可以以各种方式配置合适的谐振器。如图4a所示，回音壁模式光学谐振器400可以被配置为具有圆形横截面410并且延伸穿过z轴405的球体。可替代地，回音壁模式谐振器可以被配置为一个环形固体，如图4b所示。在图4b中，回音壁模式光学谐振器415具有圆形横截面420并且沿着z轴425延伸，同时具有中心孔。在该示例中，回音壁模式光学谐振器的外壁具有从中心向外延伸的凸形轮廓。图4c是回音壁模式光学谐振器的合适配置的另一示例。在图4c中，回音壁模式光学谐振器430具有盘形结构，具有圆形横截面，高度为455，这限制了顶面435，外表面445，边缘450和下表面440。这样的边缘可以描述约90°(例如约70°至约90°)的角度，并且在一些实施例中可呈现为锋利边缘。图4d描绘了一种回音壁模式光学谐振器的替代的旋转配置，其类似于具有中心孔的圆盘。如图所示，回音壁模式光学谐振器460基本上可以是圆形，并且包括中心孔465，及由孔半径所限定的宽度495。这种回音壁模式光学谐振器包括上表面470，下表面475，及具有高度490的外壁480，。外壁的边缘497可以有大约90°的角度(例如从大约70°到约90°)，并且在一些实施例中可以是锋利的边缘。
在本发明构思的一些实施例中，回音壁模式谐振器是可调制的。例如，本发明构思中雷达系统中的回音壁模式谐振器可以由具有折射率的材料构成，所述折射率在收热、压力和/或电势的应用中会发生变化。在此类实施例中，回音壁模式谐振器可以被耦合至诸如电阻加热器、压电器件和/或电极的换能器。以电极的形式被耦合到换能器的回音壁模式谐振器的实施例如图5a和5b所示。图5a示出了电子调制谐振器组件300，其包括由电光材料构成的回音壁模式光学谐振器510，所述回音壁模式光学谐振器510与电极对520，530接触。电极对与控制器540存在电子通讯，所述控制器540可以将电流和/或电压施加到电极对，从而改变回音壁模式光学谐振器的折射率(并且从而改变回音壁模式中支持的频率)。这种组件还可以包括光学接口545(如具有适当角度接口表面的棱镜或波导)，该光学接口545可以传输进入的光550并将其耦合至回音壁模式光学谐振器中。应当理解的是，本发明构思中雷达系统中的此类回音壁模式谐振器的调制可以提供激光源的调制，所述激光源通过光注入锁定被锁定在回音壁模式谐振器中。结果，光学谐振器中折射率的变化会导致回音壁模式支持的频率的变化，进而在保持较窄的线宽的同时，会导致在新波长处源激光的注入锁定。
发明者们已经发现，通过使用从光耦合的回音壁模式谐振器中提取的光，源激光的注入锁定可以提供一种方法，通过谐振器的光学特性调节，以生成高度线性的光学啁啾，所述高度线性的光学啁啾包含多种频率。如上所述，这种谐振器的光学特性可以通过电压电位的应用、温度变化、压力的应用或这些组合来直接调制。这种调制可以改变谐振器的回音壁模式支持的频率，从而改变用来源激光注入锁定的频率，并随后锁定激光至改变的频率。例如，在规定的时间内，通过纯粹的光学反应，向这种回音壁模式光学谐振器中施加电压梯度(如线性、双峰和/或s形梯度)，导致生成与所述运用的梯度向对应的光学啁啾。
在本发明构思的一些实施例中，源激光、光学谐振器、用于光学组件的光耦合的波导、为激光提供动力和控制光学谐振器的相关电子电路、光学扫描和接收子系统和提供数据分析的电子电路可以组装在一个或多个不同的支撑件(例如电路板、硅片或其组合)上。例如，系统组件(例如，一种激光、回音壁模式谐振器和相关光学耦合等)的子集可以组装在第一个支撑件上，光学扫描子系统可以组装在第二个支撑件上，引导谐振器活动的控制电路和扫描子系统可以组装在第三个支撑件上，提供传入参考转换和/或反射啁啾至电子数据中用于分析这种电子数据的集成电路可以组装到第四个支撑件上，在该组装的系统中，合适的光学和电子连接为这些不同的支撑件之间提供通信。应当理解的是，可以考虑两个或更多支撑件上进行系统组件的其他组合。
在其他实施例中，雷达系统(即一种激光和光耦合的回音壁模式谐振器、光学扫描和接收组件、控制电路、传入参考和/或反射啁啾至电子数据中的转换，和数据分析)中的所有功能元件可以组装在一个单独的支撑件(例如电路板或硅片)上。在一些实施例中，可以使用倒装芯片组装法，例如，包含回音壁模式谐振器。例如，用于生产电子信号的集成电路可以像激光和谐振器一样组装到同一个硅片上，以及合适的电子连接。所述电子信号用来调制光学谐振器的光学特性。光束扫描器的组件(例如，包含单稳态光学器件的光束扫描仪)可以与波导一起被组装在相同的硅片上，其中所述波导向调频激光提供光学连接。。相似地，用来控制扫描时间(例如扫描时钟)的集成电路也可以组装在硅片上，一起组装的还有具有光束扫描仪和生成电路的啁啾的、合适的电连接。提供光束扫描和光电管之间通信的光波导也可以一起组装，以便向相应的电子返回信号提供反射光学啁啾的转录。用来提供调频激光和第二个光电管之间的光学连接的类似的光波导也可以一起组装，以便向相应的电子传输信号提供传输光学啁啾的转录。这种光电管可以组装在硅片上，一起组装的还有类似地组装放大器的电子连接。放大的电子反射传输啁啾信号可以从放大器中被引导至提供接收信号的快速傅里叶转换的集成电路，转换的数据被传送到集成电路，该集成电路处理该类数据以生成雷达点云，这种集成电路也可以组装在一个共同的硅片上。这种装置提供一种组装在单个硅片上的完整的低功率的雷达装置。
本发明构思的雷达系统包括一种组件，该组件提供引导发射啁啾传输的扫描功能和接收传入的反射啁啾的接收系统。有多种机构适用于提供这种扫描功能，包括旋转或万向反射镜，mems装置，以相互正交方式安装在制动器(如电动机、螺线管和/或压电装置)上的一组或多组反射镜，旋转棱镜和/或旋转透镜。合适的mems装置的一个实施例是由
这种小型、轻便的fmcw雷达在便携式设备和空间、重量和/或功率消耗都处于最佳状态的系统中有着广泛的应用。例如，这种小型fmcw雷达系统可以用于有人驾驶、自动驾驶，和/或半自动无人机、机器人系统、增强现实型vr系统中。应当理解的是，这种fmcm雷达系统可以提供不仅与反射物体的位置和速度相关的信息，而且还可以提供与物理性质，如颜色、组成和表面粗糙度相关的信息。在这种情况下，术语“位置”通常指的是相对空间坐标，但或者仅局限于距离大小的量度。
如上所述，在本发明构思的优选实施例中，雷达系统的全部或部分组件被设置在包含硅或其他合适材料的晶片或芯片上。利用光刻方法或光刻与常规光学制造技术(包括倒装芯片技术)结合的方法，可以生产这些组件。硅表面上的处理器和光电探测器的部件的生产在电子行业是众所周知的。类似地，也可以在硅基板上生产激光源(如二极管激光器)。诸如光导的其他光学组件也可以设置在硅基板上，例如通过使用光学方法沉积光导材料。类似地，wgm光学谐振器既可以在硅基板上生产，也可以被引入硅基板上的制备部位并与这些组件组合以提供集成雷达系统。此实施例的示例如图6a所示。在图6a中，使用光刻技术，光耦合入球形wgm谐振器和耦合出球形wgm谐振器，其中球形wgm谐振器由生成于硅晶片上或芯片上的光波所提供。在该例中，wgm谐振器被单独制造并被集成到雷达芯片中。
另一实施例如图6b所示。在图6b中，使用光刻技术而生成于硅晶片上或芯片上的光波导提供了盘状wgm谐振器的光耦合进去和光耦合出来。在这种实施例中，例如通过通过布局在使用光刻法产生的共振腔中，盘状wgm谐振器可被单独制造并被集成到雷达芯片中。或者，使用光刻法和合适的掺杂剂和/或沉积的光学材料，在硅晶片或芯片的表面上生产盘状wgm谐振器。
另一实施例如图6c所示。在图6c中，使用光刻技术而生成于硅晶片上或芯片上的光波导提供了环形或环状wgm谐振器的光耦合进去和光耦合出来。在这种实施例中，例如通过布局在使用光刻法产生的通道中，环状(即平整环面)wgm谐振器可以被单独制造并被集成到雷达芯片中，。或者，使用光刻法和合适的掺杂剂和/或沉积的光学材料，在硅晶片或芯片的表面上生产环状wgm谐振器。
在其他实施例中，使用透镜系统，回音壁模式谐振器可以被集成到位于硅晶片或芯片上的雷达系统中。在硅晶片或芯片的表面上，通过光刻技术可以制造这种透镜，或者替代地，这种透镜可以被单独制造并被放置在硅晶片或芯片上制备好的合适的共振腔中。此实施例的示例如图6d所示。在图6d中，硅基板上生产的硅波导提供了与grin透镜的光通信。grin透镜可被单独生产并被固定到硅晶片或芯片上，或可以通过光刻技术方法在硅晶片或者芯片上生产。grin透镜包括一个有角度的平面。提供类似的拥有类似平面的grin透镜，使一对grin透镜的有角度的平面朝向彼此。通过将合适的光学谐振器与有角度的平面相接触，光学谐振器就与grin透镜产生了光通信。在一些实施例中，光栅耦合器是用来提供在硅晶片或芯片上制造的波导与grin透镜之间的光通信。
适用于雷达系统的线性光学频率啁啾的另一个实施例如图7a所示。在图7a中，将随时间发展具有单一、增加趋势的光学频率的发射啁啾710与完全相同配置的返回光学频率啁啾720进行比较，其中返回光学频率啁啾720产生于一个远距离物体的反射。在特定时间点测量的频率差异730的特征在于雷达发射器和所检测到的反射物体之间的距离。如图7b所示，信号功率与源于此类线性、单调的光学啁啾的数据的拍频信号的傅里叶变换分析提供了功率信号峰值740，该功率信号峰值740表示雷达发射器和所检测物体之间的距离。
从光学频率啁啾中可以得到其他信息，所述光学频率啁啾拥有双峰或由拐点连接的δ配置，即有上升的频率段和下降的频率段。此类光学频率啁啾的使用例如图8a所示。在图8a中，被发射的啁啾810被叠加在返回的回波啁啾820上。不同组的频率差830，840与啁啾的上升频率分支和下降频率分支关联。在此实施例中，上升频率分支差830可以与雷达发射器和反射物体之间的距离差关联，而下降频率分支差840可以与雷达发射器和反射物体之间的相对速度关联。如图8b所示，信号功率与源于此类光学啁啾的数据的拍频信号的傅里叶变换分析提供了功率信号峰值860，功率信号峰值860表示雷达发射器和所检测物体之间的距离，同时第二个信号功率与拍频信号频率峰值850比较分析，所述拍频信号频率峰值850表示雷达发射器和反射物体之间的相对速度。
图7a和8a示出了光学频率啁啾随时间推移出现光学频率变化，然而，如图9所示，本发明构思的装置可以产生具有非线性配置的光学频率啁啾。如图所示，这种光学频率啁啾可具有第一个频率段，该频率段显示出光学频率随时间推移发生信号趋势的变化，并且还具有第二个频率段，该频率段显示出光学频率随时间推移发生对称的(反向的)s形变化。如图所示，这种光学频率啁啾910也可以在啁啾持续期间(例如，在光学频率啁啾的开头部分期间，振幅快速增加；在光学频率啁啾的最后部分，振幅快速下降)呈振幅920变化。发明者们已经发现，这种光学频率啁啾的使用提供了有所改善的分辨率和信噪比，同时减少了波瓣形成。
图10是本发明构思中fmcw雷达系统的示意图。在本发明构思的一些实施例中，这样的系统可以被分成两个或两个以上子系统。在所示示例中，fmcw雷达1000被分为四个子系统。其中一个子系统1010可以包括激光组件1015，该激光组件1015被光耦合到一个可调制的wgm谐振器，以提供窄线宽的激光输出，并且还包括探测器组件1120，其包括至少两个光电管，以及一个能够以电子数据的形式从光电管中集成输出的放大器。光学传递装置1025(例如，波导)提供激光组件和探测器组件之间的光通信。在一些实施例中，激光组件和探测器组件可以作为单独和不同的子系统存在。
激光组件1115也与发射器/接收器子组件1030保持光通信1035，该发射器/接收器子组件1030包含一种发射器，其将由激光组件产生的光学啁啾传输到环境中，还包括一种接收反射啁啾的接收器。类似地，所述接收器与探测器组件1020保持光通信1040。控制器子组件1045可以向激光组件1015和/或发射器/接收器子组件1030提供控制功能。例如，控制器子系统1045和激光组件1015之间的电子通信1050可以提供wgm光学谐振器(如经过电阻加热器、一个或多个压电制动器和/或一个或多个电触头)的调制来生成一种光学啁啾。所述控制器子系统也可以与发射器/接收器子系统1030保持电子通信1055，，以便于提供与发射的啁啾的方向和/或扫描相关的操作的控制。这种控制器子组件1045也可以控制附加组件的功能，例如集成至光通信线路中的一个或多个光开关。在一些实施例中，单独、不同的控制器子组件可用于控制fmcw雷达系统的不同方面。例如，可以使用单独的控制器子组件来控制激光组件1015和发射器/接收器子组件1030。
由探测器系统1020提供的电子数据，通过电子通信1060，也被提供给了数据分析子系统1065。这种数据分析子系统包括一个或多个处理模块，这(些)模块可以包含一个或多个微处理器。合适的微处理器的实施例包括来自
在本发明构思的一些实施例中，图10所描述的子组件被设置在单一操作表面(如电路板、硅片等)上。在其他实施例中，所述子组件可以分布在两个或多个操作表面之间。在其他实施例中，每个子组件被设置在独特的操作表面上。在子组件分布在不同的操作表面的实施例中，可以使用物理介质(如导线或引线)来提供通信，或可以使用无线通信(如wifi、蓝牙、ir、rf等)提供通信。这种无线通信可以应用在分布式fmcw雷达系统中，在此类系统中，子组件未被并置。
在一些实施例中，本发明构思的雷达被集成到车辆辅助系统中。在这种实施例中，雷达被集成到或安装在移动车辆(诸如汽车、飞机、无人机和/或船只)上(或内)。在此种实施例中，fmcw雷达可以提供与雷达系统内扫描范围内的反射物体的位置和/或速度相关的空间数据。所述扫描范围可以表示为平面和/或体积，这取决于雷达系统的配置。所述数据可以表示为一种点云，其中每个点代表至少与反射物体相关的2d或3d空间坐标。在一些实施例中，被反射的啁啾(例如振幅和/或强度)的特点可以提供与反射物体(例如组成、颜色、表面纹理等)的其他附加特征相关的信息。在点云的点中可以编码这些附加特征的值。
这种点云数据可以为车载或非车载处理器所用，以辅助操作装备此类数据的车辆。在一些实施例中，这种辅助的形式可以是提供给车辆操作者的警告和/或提示。所述车辆操作者可以位于车辆内，也可以远程操控车辆。在一些实施例中，可以以自动化车俩响应的形式向车辆操作者提供辅助。自动化车俩响应的例子包括速度(即加速、减速、制动等)、高度和/或方向的变化。可以在向车辆操作者发出提示后，或以自动化的方式提供此类自动化车俩响应。在一些实施例中，这种自动化车俩响应可以凌驾于车辆操作者对车辆的控制之上，例如，当检测到的条件符合某些标准时。此类标准的例子包括，确定所检测到的条件可能对操作者和/或检测到的个体造成伤害，造成车辆损坏或损失，或需要比操作者所能提供的动作还快的动作。
在本发明构思的其他实施例中，这种点云数据可以为车载或非车载处理器所用，以为装备此类数据的车辆赋予自动驾驶能力。在一些实施例中，这种自动驾驶功能可以由车辆内或远程操控车辆的操作者自行决定。在这类实施例中，车辆可以在其部分运行(例如起飞、着陆、行人拥堵等)期间由操作者操控，并在其他条件下自动运行。在其他实施例中，如此装备的车辆完全自动运行。此种自动运行的车辆可以被配置为运载乘客(即不参与操作车辆的人员)，或可以被设计为在没有人的情况下运行。
如图11所示，本发明构思的雷达可以被包括到高级驾驶辅助系统(adas)中。这种系统提供自动/自适应和/或增强的车辆系统，其提高驾驶时的安全性。通过利用提醒驾驶员可能出现的问题的技术，系统被设计为避免碰撞和事故，或通过车辆控制来避免碰撞。adas可以提供自适应功能，例如自动照明、自适应巡航控制，和自动制动，以及可以包含gps/交通警告，连接智能手机和/或数据云。adas系统可以警告驾驶员其他车辆或障碍物的存在和/或其附近有其他车辆或障碍物，使车辆一直处于合理的车道中，和/或向驾驶员提供汽车反光镜内看不到的东西。
本发明构思的雷达装置可以通过提供一种小型装置进而来提供改进的adas的主要部分，所述小型装置提供与其他车辆存在、位置和/或速度以及路面障碍物相关的高度精确的信息。图11示出了本发明构思的雷达的一个实施例，该实施例被配置以并入adas。如图所示，装备adas的车辆可包括被光耦合至光学谐振器的fm激光，使得fm激光通过光注入被锁定在光学谐振器内。通过啁啾生成器，调制fm激光的输出来提供光学频率啁啾，所述啁啾生成器与光学谐振器保持通信。经过光注入锁定，调制光学谐振器的光学属性提供了光学频率啁啾的频率调制。向光束扫描仪提供光学频率啁啾，所述光束扫描仪将光学频率啁啾向外引导，并收集返回的回波。
图11显示了本发明构思中可以被并入到adas的fmcw雷达的一个实施例。如图11所示，fm激光1110被光耦合至光学谐振器1120。所述谐振器可以支持一种或多种用于捕获和/或积累该谐振器内的光的回音壁模式。回音壁模式可以与fm激光产生的一种或多种光波长相对应。来自激光的光可以任何合适的方式，例如，棱镜或光纤，被耦合至光学谐振器中。光被耦合至光学谐振器1120之外，以提供fm激光1110的光注入锁定，从而大大减小其线宽。光学谐振器的光学属性可以被改变(例如，通过电阻加热器加热，通过给压电元件加压，和/或通过电极施加电压电位)，从而改变与回音壁模式相关联的波长。这种改变通过注入锁定被反馈至fm激光，以改变fm激光1110的输出频率。
如图所示，啁啾生成器1130与光学谐振器1120保持通信。此啁啾生成器可以被配置为生产一种或多种频率与时间的啁啾类型，其在雷达应用中是有用的。合适的啁啾类型的实施例如以上图7a，8a和9所描述和所示。通过啁啾生成器1120，光学谐振器1120的光学属性随时间推移而产生的变化导致从fm激光经由fm激光的注入锁定到光学谐振器的光学频率啁啾的发射。这种光学啁啾可被传输到其他系统组件中，例如使用一根或多根光纤。在图10所示的示例中，fm激光1110生成的光学频率啁啾，例如使用分束器，被分离成被保留和被传输的光学频率啁啾。被传输的光学频率啁啾经由光开关1165被引导至光学扫描仪1150。这种光学扫描仪可以具有光学传输和光学接收的功能，并且可以利用单稳态传输/接收(tx/rx)光学器件。
通过与光学扫描仪1050和啁啾生成器1130均保持通信的扫描时钟1140，来协调这些活动，至少是其中的部分活动。此扫描时钟可以提供一致的扫描率和/或啁啾生成率，或可以根据环境和/或交通状况来调整扫描和/或啁啾生成率。发射于扫描仪1150的被传输的光学频率啁啾可以作为源于反射物体1160的反射啁啾被返回，该反射物体1160位于定义雷达有效范围的扫描体积1155之内。
自反射物体1060反射的反射啁啾被扫描仪1150被引导至光电管/放大器组件1170。光电管/放大器组件的光电池将反射的光学频率啁啾转化成相应的电信号。所述电信号在组件的放大器部分被放大。同一光伏电池/放大器组件接收位于不同的光伏电池处的相应的被保留的啁啾，其中在不同的光伏电池处，被保留的啁啾被转化成类似被放大的电信号。
在快速傅里叶变换引擎1175中，与反射啁啾和被保留的啁啾相对应的被放大的电信号被处理，并且经过处理的数据被提供至数据处理引擎1180，以估算雷达发射器和反射物体之间的距离，以及雷达发射器和所述物体之间的相对速度，以及任何其他相关和可推论的信息。与这些参数相关的数据可以被提供至与车辆和/或点云1190相关联的adas引擎1185。该点云1090可以用作雷达系统产生的直角坐标和结点属性的储存库。这种结点属性可以包括扫描角度、返回信号的强度以及返回信号的其他特性。这种数据可以用来生成周围环境的模型，其反过来提供给adas。或者，出于成像目的，储存在点云1190中的数据可以被第三方访问，以获得与交通模式等相关的信息。
adas引擎1185可以利用与车辆外反射物体的距离和相对速度相关的数据来通知车上乘客(例如驾驶员)和/或直接操控车辆系统。在一些实施例中，adas引擎向车辆乘客提供通知。该通知可以是声音警报或警告，其可以例如通过车辆音频系统中的扬声器、独立的音频系统和/或车辆驾驶员佩戴的耳机来进行传输。在其他实施例中，该通知可以由视觉显示器提供。所述视觉显示可以被车辆乘客看到。这种视觉显示器可以包括用于该目的的专用显示器，车辆导航系统的显示器，被集成到车辆反射镜中的显示器，和/或从车窗内部反射出的“抬头”显示器。
在其他实施例中，adas引擎1185可以向系统提供直接影响车辆运行的指令。例如，adas引擎，adas引擎可以提供触发致动器的指令，该致动器操控车辆制动系统、转向系统和/或发动油门的部件。在这种实施例中，所述系统可以增强车辆驾驶员的动作，或可替代地，允许车辆以自动或半自动的方式运行。在其他实施例中，adas引擎可以向至少部分操作车辆的车辆系统提供指令。例如，此adas引擎可以向巡航控制系统提供指令，这反过来向致动器提供指令，该致动器被耦合至车辆的各种操作组件上。或者，此adas系统可以向自动驾驶系统提供指令，该自动驾驶系统无需车辆驾驶室员的帮助就可以自行操作车辆。
尽管图11示出了将本发明构思的雷达在adas中的应用，但应当理解的是，它在许多其他应用中也具有实用性。实施例包括远程遥控和自动驾驶无人机，农业，林业，地形测绘，仓库管理，增强和虚拟现实(vr)系统，建筑和结构传感器。
本领域内的技术人员应当明白，除了这些已描述的修改之外，在不脱离本文中本发明构思的前提下，更多的修改是可能的。因此，除了要在所附权利要求书的精神之内，本发明的主旨不受限制。此外，在解释说明书和权利要求书时，应当以与上下文一致的方式来解释所有术语。特别地，应以非排他性的方式，将术语“包含”理解为指元件、组件或步骤。所提到的元件、组件或步骤可以与其他没有明确提及的元件、组件或步骤一同存在、利用或结合。如果说明书的权利要求书涉及由a、b、c…n组成的物质组中的至少一种，则本文应当理解为仅需要该组中的一种元件，而不是a+n，或b+n等。
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