激光雷达系统和用于提供线性调频电磁辐射的系统和方法

专利名称：激光雷达系统和用于提供线性调频电磁辐射的系统和方法
技术领域：
本发明涉及电磁辐射源，尤其是，本发明涉及提供线性调频电磁辐射的系统和方 法。
背景技术：
利用一个或多个激光雷达测量直线距离的各种测量装置是众所周知的。这种测量 装置可以产生涉及目标与测量装置的距离和/或目标相对于测量装置的速度或距离变化 率的信息。在这个申请中，术语“距离变化率”是指在目标与测量装置之间距离的变化率。例如，典型的测量装置可以包含频率调制的激光雷达系统。该系统可以包含发射 电磁辐射光束的激光源。可以在连续变化的频率或线性调频下发射电磁辐射光束。在一些 情况下，线性调频可以包括以周期的方式(例如，锯齿波形，三角波形，等等)扫描较低频率 与较高频率之间的频率。电磁辐射光束可以被分割成目标光束和参考光束。在常规实施例中，该系统可以包含目标干涉仪和参考干涉仪。目标干涉仪可以接 收目标光束，并可以产生一个目标信号，该目标信号对应于被引导到目标并从该目标上反 射的一个部分目标光束与被引导通过有已知或固定程长的光程上另一个部分目标光束之 间的频率差。基于从这两个部分目标光束中导出的干涉信号，目标干涉仪可以确定这个频 率差。参考干涉仪可以接收参考光束，并产生一个参考信号，该参考信号对应于两个部分参 考光束之间的频率差，这两个部分参考光束是被引导通过有已知程长差的两个分开的固定 光程。基于从这两个部分参考光束导出的干涉信号，参考干涉仪可以确定这个频率差。一般地说，该系统可以包含处理器。该处理器可以接收目标信号和参考信号，并可 以处理这些信号以确定目标干涉仪与目标之间的距离。基于目标信号和参考信号确定的距 离信息可用于确定目标相对于目标干涉仪的距离变化率。例如，可以按照在美国专利号5，114，226中描述的方法制作常规的系统，其标题 是“3-DIMENSI0NAL VISION SYSTEM UTILIZINGCOHERENT OPTICAL DETECTION”，全文合并在
此供参考。常规的系统通常在运行的各个方面受到限制。例如，这些常规的系统不能够基于 目标信号和参考信号瞬时地提供距离和/或距离变化率的信息，或无歧义地确定距离和速 度。这些常规的系统在其他方面也受到限制。这些限制可以因各种运行条件而加重，例如，指向或离开目标干涉仪的目标加速度，利用被激励的光学元件(例如，反射镜或透镜)以高 速度扫描目标，或其他的运行条件。在一些配置中，两个激光源产生的光束可以组合成一个电磁辐射光束，然后，把该 电磁辐射光束分割成目标光束和参考光束。在这些配置中，两个激光源的频率可以是反向 线性调频的，换句话说，可以按照这样的方式线性调频这两个频率，在一个激光源的频率上 升到较高频率的同时，另一个激光源的频率下降到较低的频率，反之亦然。利用这种配置的 系统可以遇到与单个激光源系统相关的一些或所有缺点，以及两个激光源系统独有的其他 缺点。此外，常规的系统不能够充分地控制被发射电磁辐射的频率，以便合适地操作辐射的 线性调频速率，或不能够以足够线性的方式线性调频被发射电磁辐射的频率，或包含其他 的缺点。

发明内容
本发明的一个方面可以涉及一种用于可控地线性调频辐射源的电磁辐射的系统 和方法。该系统和方法可以包含一个光谐振腔装置，它能够产生有基本线性调频速率和可 配置周期的电磁辐射。通过有选择地注入电磁辐射到光谐振腔，可以产生有单个谐振模的 电磁辐射，它是以基本线性的线性调频速率发生频移。产生有单个谐振模的电磁辐射可以 增大电磁辐射的相干长度，当电磁辐射是在各个应用中实现时，增大电磁辐射的相干长度 可能是有利的。例如，光谐振腔装置产生的电磁辐射可以提高激光雷达系统的距离，速度， 准确性，和/或其他特征。在本发明的一些实施例中，一种系统可以包含辐射源，形成光谐振腔的一个或多 个光学元件，频移器，干涉仪，光开关和光放大器。该系统可以提供线性调频的电磁辐射到 相干激光雷达装置，光谱分析装置，干涉仪，远程检测装置，或其他的装置。在一些实施例中，频移器可以设置在光谐振腔内，用于从光谐振腔中接收电磁辐 射，并输出接收的电磁辐射的频移部分回到光谐振腔。光开关可以设置在光谐振腔内，用于 从光谐振腔中接收电磁辐射。光开关能够可控地转储离开光谐振腔的接收的电磁辐射，或 返回接收的电磁辐射到光谐振腔。在一些情况下，光开关能够可控地耦合辐射源的辐射到 光谐振腔，与此同时，转储离开光谐振腔的接收的电磁辐射，辐射源的辐射在光开关中是以 初始光频被接收的。转储从光谐振腔中接收的电磁辐射，与此同时耦合辐射源的辐射到光 谐振腔可以复原光谐振腔内的电磁辐射的频率到初始频率。在一些实施例中，由于光谐振腔内的各种损耗，该光谐振腔的品质因素可以降级。 例如，从光谐振腔输出到一个装置的辐射可以构成一种损耗。还可以有其他的损耗，例如， 光学元件缺陷造成的损耗，或其他的寄生损耗。为了克服品质因素的降级，可以选取系统的 部件和/或可以设计系统的配置以减小光谐振腔损耗。光谐振腔损耗还可以减小在光谐振 腔内存储的能量和/或从光谐振腔中输出的功率。为了克服光谐振腔的损耗，可以在光谐 振腔内设置光放大器。可以选取这样的光放大器，它提供足够的增益给光谐振腔内的辐射 以克服光谐振腔的损耗之和，因此，可以保持从光谐振腔输出的辐射强度，从而形成一个光 振荡器或激光器。光放大器的选取也可以基于一个或多个其他的规定，例如，均勻的线宽， 增益带宽，或其他的技术规定。本发明各个实施例的一个方面可以涉及一种激光雷达系统，该系统无歧义地检测
5目标的距离和目标相对于激光雷达系统运动的距离变化率。本发明各个实施例的另一个方 面可以涉及一种激光雷达系统，该系统使用多个激光雷达段以得到多个同时测量结果(或 基本同时测量结果)，因此，可以确定距离和距离变化率，而没有采用单个激光部分作顺序 测量的系统所引入的各种时间效应。此外，本发明各个实施例的其他方面能够快速确定目 标的距离和距离变化率，更准确地确定目标的距离和距离变化率，和/或可以提供其他的 优点。在本发明的一些实施例中，激光雷达系统可以发射第一目标光束和第二目标光束 到一个目标。第一目标光束和第二目标光束可以被目标反射回到激光雷达系统。激光雷达 系统可以接收反射的第一目标光束和第二目标光束，并可以确定该目标与激光雷达系统的 距离，和目标的距离变化率中的至少一个。在本发明的一些实施例中，激光雷达系统可以包 含第一激光雷达段，第二激光雷达段，和处理器。在本发明的一些实施例中，第一激光雷达段可以产生第一目标光束和第一参考光 束。第一目标光束和第一参考光束可以由第一激光源以第一频率下产生，可以利用第一线 性调频速率进行调制。第一目标光束可以被引导到目标上的测量点。第一激光雷达段可以 组合被引导到目标并从该目标上反射的第一目标光束中的一部分和称之为本地振荡器光 束的第一目标光束中的另一部分，其中第一目标光束中的另一部分是被引导通过有已知程 长或固定程长的光程。这可以得到组合的第一目标光束。按照本发明的各个实施例，第二激光雷达段相对于第一激光雷达段可以是并置和 固定的。更具体地说，用于发射和接收各自激光束的相关光学部件是并置和固定的。第二 激光雷达段可以产生第二目标光束和第二参考光束。第二激光源可以在第二频率下产生第 二目标光束和第二参考光束，该频率可以在第二线性调频速率下进行调制。第二线性调频 速率可以不同于第一线性调频速率。这可以有利于下游处理的一个或多个特征，例如，信号 鉴别，或下游处理的其他特征。第二目标光束可以被引导到与第一目标光束的目标相同的 测量点上。第二激光雷达段可以组合被引导到目标并从该目标上反射第二目标光束中的一 部分和第二目标光束中的另一部分，其中第二目标光束中的另一部分被引导通过有已知程 长或固定程长的光程。这可以得到组合的第二目标光束。按照本发明的各个实施例，处理器接收第一组合目标光束和第二组合目标光束， 并测量每个各自反射目标光束与其对应的本地振荡器光束之间程长差以及相对于激光雷 达系统的目标运动建立的多普勒频移造成的拍频。然后，只要每个各自本地振荡器光束与 与其反射目标光束之间的拍频对应于反射目标光束的同时(或基本同时)时间分量，可以 线性地组合这些拍频以产生目标的距离和距离变化率的无歧义确定。反射目标光束的同时 (或基本同时)时间分量可以包含目标光束的时间分量，其中这些目标光束1)已入射到目 标的基本相同部分，2)已受到类似传输效应的影响，3)在基本相同的条件下已被扫描光学 元件引导，和/或4)分享其他的类似性。利用拍频可以有效地抵消被环境或其他效应引入 到该数据中的任何噪声(例如，见公式(1))，这些拍频对应于线性组合的反射目标光束的 同时(或基本同时)时间分量。由于分开地组合第一本地振荡器光束和第二本地振荡器光束与不同的目标光束， 或相同目标光束的不同部分，可以建立组合的目标光束，第一组合目标光束和第二组合目 标光束可以代表这样的光信号，在最后处理之前，它们出现在两个分开而重合的单个源频
6调制的激光雷达系统中。例如，组合的目标光束可以代表在单个源系统中目标干涉仪产生 的光信号。按照各个实施例，目标光束可以被引导到分开光程的目标上和/或从分开光程的 目标上接收。在一些实施例中，这些光程可以是类似的，但是不同的光程。在其他的实施 例中，第一目标光束和第二目标光束可以在发射之前被耦合，用于建立沿共同的光程被引 导到该目标的组合目标光束。在一些实施例中，目标光束可以被目标反射，并可以被沿着 与共同光程分开的接收光程的激光雷达系统接收，它引导该目标光束到目标上。这些实施 例可以标记为“双基地”实施例。或者，组合的目标光束可以被沿共同光程的激光雷达系 统接收。这后一类实施例可以标记为“单基地”实施例。在利用互易光学元件运行时，单 基地实施例优于对应的双基地实施例。更具体地说，本发明的单基地实施例较少受差动多 普勒效应和因散斑造成畸变的影响。例如，利用引导目标光束到该目标上不同位置的扫描 反射镜，可以产生差动多普勒效应。由于该反射镜的不同部分是以不同的速度运动，目标 光束的不同部分经受不同的多普勒频移，这可以在距离和距离变化率的测量中引入误差。 Anthony Slotwinski和其他人已研究和分析过这些效应，例如，在NASA Langley Contract No. NAS1-18890 (May 1991)PhaseII Final Report, Appendix K 中，该报告是由 Digital SignalCorporation提出，地址是8003 Forbes Place, Springfield, VA. 22151，全文合并在 此供参考。在一些情况下，第一激光源和第二激光源可以分别产生第一载频和第二载频的电 磁辐射。第一载频可以与第二载频基本相同。这可以给激光雷达系统提供各种增强特征， 例如，减小因散斑造成的畸变，或其他的增强特征。在一些实施例中，第一激光源和第二激光源可以依靠或采用高度线性化元件以产 生它们各自的激光束。为此目的，第一激光源和第二激光源可以在频率基础上被线性化 (例如，每个线性调频)，或在一些实施例中是在连续地(或基本连续地)。与线性化可能是 在启动时发生的常规系统比较，这种线性化可以增强距离测量的准确性，或其他的增强特 征，其中当操作员注意到降级系统的性能时，当操作员是在降级性能的潜在基础上起动线 性化，或当一个或多个系统参数落在容差之外时，等等。在高速扫描时，频繁和/或自动的 线性化可以减小反射镜差动多普勒噪声效应，并可以使双线性调频技术的有效性最大化， 用于抵消在距离估算时的这些和其他噪声影响。在本发明的一些实施例中，当目标与激光雷达系统的距离落在最小距离与最大距 离之间的一组距离内时，激光雷达系统确定目标的距离和距离变化率可以有增大的准确 性。当目标的距离没有落在该组距离内时，激光雷达系统的准确性可以降级。这种降级可 以是第一激光源和第二激光源的相干长度是有限性质的结果。例如，最小距离与最大距离 之间的距离可以是相干长度的函数。第一激光源和第二激光源的相干长度越长，则最小距 离与最大距离之间的距离就越大。因此，通过增强确定该组距离上的能力，增大第一激光源 和第二激光源的相干长度可以提高激光雷达系统确定的距离和距离变化率。在本发明的一些实施例中，第一激光源和第二激光源中的一个或两个激光源可以 实现这样一种系统和方法，用于可控地线性调频来自辐射源的电磁辐射，如此处所描述的。 该系统和方法能够以基本线性的调频速率产生有可配置周期的电磁辐射。在一些实施例 中，电磁辐射可以包含单个频移的谐振模。
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在本发明的一些实施例中，一个线性调频速率可以设置成等于零。换句话说，一个 激光源可以发射恒定频率的辐射。这能够使以恒定频率发射的激光源可以有较简单的设 计，小的占地面积，较轻的重量，降低的成本，或可以给整个系统提供优点的其他增强特征。 在这些实施例中，线性调频速率设置成等于零的激光雷达段可用于仅仅确定目标的距离变化率。在本发明的一些实施例中，处理器可以按照数字方式线性组合第一组合目标光束 和第二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包含第一检测 器和第二检测器。第一检测器可以接收第一组合目标光束，并可以产生对应于第一组合目 标光束的第一模拟信号。第一模拟信号可以被第一转换器转换成第一数字信号。处理器可 以包含第一频率数据模块，该数据模块可以确定对应于第一数字信号中一个或多个频率分 量的第一组频率数据。第二检测器可以接收第二组合目标光束，并可以产生对应于第二组合目标光束的 第二模拟信号。第二模拟信号可以被第二转换器转换成第二数字信号。处理器可以包含第 二频率数据模块，该数据模块可以确定对应于第二数字信号中一个或多个频率分量的第二 组频率数据。第一组频率数据和第二组频率数据可以被频率数据组合模块接收。该频率数据组 合模块可以产生从第一组频率数据和第二组频率数据中导出的距离变化率信号和距离信 号。在本发明的其他实施例中，处理器可以按照电子方式混合第一组合目标光束和第 二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包含调制器。该调 制器可以把第一检测器产生的第一模拟信号与第二检测器产生的第二模拟信号相乘以建 立组合的模拟信号。在这些实施例中，处理器可以包含接收组合模拟信号的第一滤波器和 第二滤波器。第一滤波器可以滤波组合模拟信号以产生第一滤过的信号。第一滤过的信号 可以被第一转换器转换以产生距离变化率信号。第二滤波器可以滤波组合模拟信号以产生 第二滤过的信号。第二滤过的信号可以被第二转换器转换以产生距离信号。按照本发明的其他实施例，处理器可以按照光学方式混合第一组合目标光束和第 二组合目标光束以产生距离信号和距离变化率信号。例如，处理器可以包含检测器，该检测 器接收第一组合目标光束和第二组合目标光束，并基于第一组合目标光束和第二组合目标 光束的检测，产生组合的模拟信号。在这些实施例中，处理器可以包含接收组合模拟信号的 第一滤波器和第二滤波器。第一滤波器可以滤波组合模拟信号以产生第一滤过的信号。第 一滤过的信号可以被第一转换器转换以产生距离变化率信号。第二滤波器可以滤波组合模 拟信号以产生第二滤过的信号。第二滤过的信号可以被第二转换器转换以产生距离信号。通过优选实施例及其附图的详细描述，本发明的这些和其他目的，特征，益处和优 点是显而易见的。还应当明白，以上的简单描述和以下的详细描述是作为举例，而不是对本 发明范围的限制。


图1表示一种产生电磁辐射的常规系统。图2表示按照本发明一个或多个实施例用于产生电磁辐射的系统。
图3A表示按照本发明一个或多个实施例在产生电磁辐射的系统中实现的光开关。图3B表示按照本发明一个或多个实施例在产生电磁辐射的系统中实现的光开关。图4表示一种常规的激光雷达系统。图5表示按照本发明一个或多个实施例的激光雷达系统。图6表示按照本发明一个或多个实施例按照数字方式混合两个组合目标光束的 处理器。图7表示按照本发明一个或多个实施例按照电子方式混合两个组合目标光束的 处理器。图8表示按照本发明一个或多个实施例按照光学方式混合两个组合目标光束的 处理器。
具体实施例方式图1表示一种用于产生电磁辐射的系统110，其频率是以基本线性调频的速率 被线性调频。系统110可以包括辐射源112，一个或多个光学元件114(例如，光学元件 114a-114d)，和频移器116。系统110可以提供线性调频的电磁辐射到相干的激光雷达装 置，光谱分析装置，干涉仪，远程检测装置，或其他装置。如图1所示，辐射源112可以提供相干的电磁辐射光束118到系统110。光学元件 114可以形成光谐振腔120，例如，环形腔。光束118可以被耦合到光谐振腔120以引入电磁 辐射，该电磁辐射形成进入光谐振腔120的光束118。频移器116可以设置在光谐振腔120 中以接收电磁辐射，并可以包含用于衍射电磁辐射的衍射元件。被频移器116衍射的零级 电磁辐射可以传输通过频移器116而没有发生频移，并可以形成电磁辐射的输出光束122， 该光束可用在上述的一个装置中。非零级的衍射电磁辐射(例如，一级电磁辐射)可以发 生预定量(且在一些情况下是可调节的)的频移，用于形成电磁辐射的频移光束124。然 后，光束124和118可以在光谐振腔120内被组合，并被再次引导到频移器116。按照这种 方式，在每次传输通过频移器116时，频移器116可以逐渐增长地频移光谐振腔120内谐振 模式电磁辐射的频率。这些增长的频移可以使光谐振腔120内电磁辐射(和输出光束122) 的频率以基本线性的速率发生线性调频。由于光谐振腔120内的各种损耗，光谐振腔120的品质因素(它的定义是光谐振 腔中存储的能量与耗散的能量之比)可以降级。例如，在输出光束122中从系统110输出 的辐射可以构成一种损耗。还可以存在其他的损耗，例如，光学元件114缺陷造成的损耗， 或其他的寄生损耗。为了克服光谐振腔的损耗，可以在光谐振腔120内设置光放大器126。 可以选取这样的光放大器126，它提供足够的增益给光束124以克服光谐振腔中各种损耗 之和，因此，可以保持输出光束122内所含谐振模式的强度。光放大器126的选取也可以基 于一个或多个其他的技术规定，例如，均勻的线宽，增益带宽，或其他的技术规定。可以选取 这样的辐射源112，该辐射源发射的电磁辐射频率落在光放大器126的增益带宽内。在系统110的一些实施方案中，线性调频输出光束122频率的线性调频速率可以 受光谐振腔120长度的控制，通过调整光学元件114的配置，可以调整光谐振腔120的长
9度。另一种用于控制线性调频速率的机构可以包括控制频移器116加到光谐振腔120内电 磁辐射的频移。在一些实施例中，频移器116可以包含声光Bragg单元，声光Bragg单元可 以被驱动以便加可选择的频移到光谐振腔120内的电磁辐射。在给Schmadel et al.的US Patent No. 4，697，888中可以找到一种用于产生电磁辐射的系统的一些普通实施例的例 子，它是在基本线性调频速率下线性调频该电磁辐射，该系统包含光谐振腔和有声光Bragg 单元的频移器，全文合并在此供参考。在系统110中，光谐振腔120内电磁辐射的模式可以被线性调频，直至该模式的频 率被偏移到不再落在光放大器126的增益带宽内。一旦该模式的频率是在光放大器126的 增益带宽之外，光放大器126可以不再给该模式提供增益，因此，光谐振腔120内的损耗可 以使该模式消失。由于模式是按照这种方式消失的，在光束114中被引入到光谐振腔120 的电磁辐射可以形成新的模式，其频率可以被频移器116进行线性调频，直至这些模式也 消失。图2是按照本发明一些实施例用于产生电磁辐射的典型系统210。系统210可以 发射单模的电磁辐射，其频率可以在基本线性调频速率下被线性调频。系统210的配置在 某些方面类似于图1中系统110的配置，并可以利用相同的参考数字标记类似的部件。例 如，系统210可以包含辐射源112，形成光谐振腔120的一个或多个光学元件114 (例如，光 学元件114a-114b)，频移器116，和光放大器126。如同系统110 —样，系统210可以提供线 性调频的电磁辐射给相干激光雷达装置，光谱分析装置，干涉仪，远程检测装置，或其他装 置。在本发明的一些实施例中，辐射源112可以提供相干电磁辐射的光束118到系统 210 ；而形成光谐振腔120的光学元件114，频移器116，和光放大器126可以与其中的电磁 辐射发生相互作用。光束118可以被耦合到光谐振腔120。在光谐振腔120内设置的频移 器116可以接收电磁辐射，并可以包含声光Bragg单元，频移器116可以被射频源212驱动， 用于加可配置的频移到光谐振腔120内的辐射。如同系统110中的情况一样，在系统210 中，来自频移器116的零级衍射电磁辐射可以传输通过频移器116而不发生频移，并可以形 成电磁辐射的输出光束122到上述的一种装置。非零级(例如，一级)衍射的电磁辐射可 以被频移一个预定量(且在一些情况下是可调节的)，用于形成电磁辐射的频移光束124。 然后，光束124可以再次被引导到频移器116。按照这种方式，在每次传输通过频移器116 时，频移器116可以按照增量方式频移在光谐振腔120内出现的电磁辐射的一种或多种谐 振模式。这些增量频移可以使光谐振腔120内的电磁辐射(和输出光束122)的频率以基 本线性速率被线性调频。为了克服光谐振腔120的品质因素的降级，在光谐振腔120内可 以设置光放大器126，用于给光谐振腔120内的电磁辐射提供增益。光放大器126的选取可 以基于上述的一个或多个准则。在本发明的一些实施例中，系统210可以包含光开关214。在光谐振腔120内可以 设置光开关214，用于接收光谐振腔120内和来自辐射源112的电磁辐射(例如，光束124)， 并可以有选择地可控制引导光束118和124，因此，光束118和124中的一个光束可以被转 储而离开光谐振腔120，而光束118和124中的另一个光束可以被耦合进入光谐振腔120。 这种配置能使单模线性调频的电磁辐射存储在光谐振腔120内和从光谐振腔120发射。更 具体地说，光开关214能使电磁辐射以辐射源112的发射频率从辐射源112引入到光谐振腔120。例如，光开关214能使光束118耦合进入光谐振腔120，其时间周期可以对应于光 谐振腔120的光程长。在这相同的时间周期内，光开关214可以转储来自光谐振腔120的 能量，利用辐射源112的能量代替它。在合适量的辐射被耦合进入光谐振腔120之后，光开 关214可以转储离开光谐振腔120的光束118，并可以耦合光谐振腔120内的电磁辐射(例 如，在光束124中包含的电磁辐射)回到光谐振腔120。只要从辐射源112接收的辐射进入 光谐振腔120的时间量基本上等于或小于光谐振腔120的光程长，这可以利用光谐振腔120 建立单谐振模的辐射。当光谐振腔120内包含的电磁辐射模式围绕光谐振腔120循环通过 频移器116，光放大器126，和光开关214时，该模式的频率是被频移器116逐渐地频移，从 而使光谐振腔120内的模式频率发生线性调频。在本发明的一些实施例中，光开关214能使光谐振腔120内的电磁辐射频率被复 原。例如，通过控制光开关214以转储在光谐振腔120内循环的辐射，可以有效地消除现有 的辐射模式，或现有的辐射模式有在光谐振腔120之外的偏移频率。与此同时(或基本上 相同的时间)，通过控制光开关214耦合辐射源112的光束118进入光谐振腔120，使现有 的或旧的模式(光束124)被转储，则可以开始新的辐射模式。这可以理解为放空有偏移频 率的旧电磁辐射模式的光谐振腔120，并引入辐射源112发射频率的新电磁辐射模式到光 谐振腔120。在允许进入光谐振腔120的辐射源112的电磁辐射有合适的时间量时(例如， 光谐振腔120的光程长)，可以再次控制光开关214以转储从辐射源112离开光谐振腔120 的光束118中包含的辐射，并能使新的辐射模式循环通过光谐振腔120。用于说明的目的，图3A和3B表示按照本发明一些实施例的光开关310。例如，光 开关310可以包含微机电系统(MEMS)开关。在这些实施例中，光开关310可以包含腔输 入312和源输入314，其中光开关310可以从光谐振腔120中接收电磁辐射，而光开关310 可以从辐射源312中接收电磁辐射。光开关310可以包含多个可移动的光学元件(例如， 微反射镜)316 (如图示的316a和316b，)。可移动的光学元件316可以按照图3A和3B所 示的方式可控地被激励进入和离开光开关310内的辐射光程，用于有选择地引导在腔输入 312或源输入314中接收的电磁辐射到腔输出318，在腔输出318的电磁辐射可以被引导进 入光谐振腔。没有被可移动光学元件316引导到腔输出318的辐射可以被光开关310转储 而离开光谐振腔。在本发明的其他实施例中，光开关310(和214)可以包括非机械的固态 光开关，Mach-Zender干涉仪开关，光-电-光开关，或其他的光开关。可以理解，图示系统210的配置仅仅是为了说明的目的，在不偏离本发明范围的 条件下，可以包含各种其他的方案和/或替换。例如，虽然频移器116被描述成一衍射个声 光Bragg单元，但是可以利用多个频移元件实施。类似地，图2中的光学元件114是多个反 射镜，但也可以是光纤，一个反射镜，棱镜，或能够引导电磁辐射的任何其他光学元件。在一 些实施例中，电磁辐射可以从系统210中的频移器116以外的点输出。例如，一个光学元件 114可以包含半反射镜，它能使从光谐振腔120输出的辐射用在一个装置中。在本发明的一些实施例中，来自辐射源112的电磁辐射可以耦合到光谐振腔120 而没有被光开关214接收，且当光开关214从光谐振腔120接收的电磁辐射转储到光谐振 腔120之外时，辐射源112可以配置成仅仅提供辐射到光谐振腔120。例如，来自辐射源112 的辐射可以借助于阻挡件或与光开关214分开的光开关被接收进入光谐振腔120，它仅能 使从辐射源112发射的辐射在合适的时间被耦合到光谐振腔120。在其他的实施例中，当光
11开关214转储辐射离开光谐振腔120时，辐射源112可以仅仅发射辐射。在本发明的一些实施例中，系统210可以包含一个或多个附加的元件和/或组件 以提供附加的增强功能到该系统。例如，在光谐振腔120中可以包含光二极管，从而确保在 光谐振腔120内的辐射是沿单个方向传播。在一些实施例中，可以添加光滤波装置，它能够 限制辐射源112可以运行的纵模数量。还可以添加一个或多个偏振元件以增强系统210的 光稳定性。图4表示频率调制的激光雷达系统410。系统410通常包含用于发射电磁辐射光 束414的激光源412。可以在连续变化或线性调频的频率下发射光束414。在一些情况下， 线性调频可以包括以周期方式(例如，锯齿波形，三角波形，等等)扫描较低频率与较高频 率之间(或相反)的频率。光束414可以被光耦合器416分割成目标光束418和参考光束 420。按照本发明的各个实施例，激光源412可以包含上述的系统210。通过增大激光雷 达系统410所用电磁辐射的相干长度，在激光源412中提供的系统210可以增强激光雷达 系统410的运行能力以确定距离和距离变化率信息。例如，增大电磁辐射的相干长度可以 增强激光雷达系统410的距离，速度，准确性，和/或其他特征。在一些实施例中，系统410可以包含目标干涉仪422和参考干涉仪424。目标干涉 仪422可以接收目标光束418，并可以在光耦合器426中分割目标光束。目标干涉仪422通 常用于产生目标信号，该目标信号可以取决于目标430与目标干涉仪422的距离。目标干 涉仪完成这个任务是通过在有固定程长的光程上引导目标光束418中的一个部分428到目 标430，而目标光束418中的另一个部分432被引导到目标频率差模块434。目标光束418 中的部分428可以被目标430反射，并可以通过光耦合器426和光纤436传输到目标频率 差模块434。基于在光耦合器448中的部分436与432之间的干涉，目标频率差模块434可 以产生对应于目标光束418中的部分436与432之间拍频的目标信号，拍频的产生是由于 它们之间的程长差。按照本发明的各个实施例，参考干涉仪424可以接收参考光束420，并可以产生对 应于参考光束420的两个部分之间频差的参考信号，这两个部分参考光束可以被引导通过 有已知程长差的两个分开的固定光程上。更具体地说，参考光束420可以被光耦合器440 分割成第一部分442和第二部分444。第一部分442相对于第二部分444可以有固定的光 程长差。基于在耦合器446中的第一部分442与第二部分444之间的干涉，参考频率差模 块450可以产生对应于参考光束420中的第一部分442与第二部分444之间拍频的参考信 号，拍频的产生是由于它们之间固定的程长差。可以理解，我们描述的目标干涉仪422和参考干涉仪424是Mach-Zehnder干涉 仪。然而，可以利用其他的干涉仪配置。例如，目标干涉仪422和参考干涉仪424可以包括 这样的实施例，其中这两个干涉仪是Mi che 1 son-Mor 1 ey干涉仪。 在一些实施例中，系统410可以包含处理器438。处理器438可以接收目标信号和 参考信号，并可以处理这些信号以确定目标430的距离。基于目标信号和参考信号确定的 距离信息可用于确定目标430相对于目标干涉仪422的距离变化率。
图5表示采用两个或多个激光雷达段的一个典型实施例激光雷达系统510，其中 每个雷达段发射目标光束到一个目标。例如，第一激光雷达段574发射第一目标光束512和第二激光雷达段576发射第二目标光束514到一个目标516。在本发明的一些实施例中， 第一目标光束512和第二目标光束514可以被线性调频以建立双重线性调频系统。按照本 发明的各个实施例，第一激光雷达段574可以包含激光源控制器536，第一激光源518，第一 光耦合器522，第一光束延迟器544，第一本地振荡器光耦合器530，和/或其他的部件。第 二激光雷达段576可以包含激光源控制器538，第二激光源520，第二光耦合器524，第二光 束延迟器550，第二本地振荡器光耦合器532，和/或其他的部件。例如，从Metric Vision 公司得到的激光雷达段574和576的每段中一些或所有部件可以作为相干激光雷达系统。 MetricVision 公司的相干激光雷达系统可以给激光雷达系统510在确定目标516的距离 和距离变化率时提供各种优点，例如，增强的线性功能，增强的相位漂移校正，和其他的优 点o按照本发明的各个实施例，第一激光源518和第二激光源520中的一个或两个激 光源可以包含以上描述的系统210。通过增大激光雷达系统510所用电磁辐射的相干长度， 在第一激光源518和第二激光源520中提供的系统210可以增强激光雷达系统510确定距 离和/或距离变化率信息的运行特征。例如，增大电磁辐射的相干长度可以增强激光雷达 系统510的距离，速度，准确性，和/或其他的特征。然而，应当理解，在其他的实施例中，激 光源518和520中的任何一个光源都没有包含以上描述的系统210。虽然这些实施例可能 没有包含系统210提供的(以上列举的)附加增强特征，激光雷达系统510仍然可以具有 一些或所有涉及两个或多个单独的并置激光雷达段的上述优点，和/或其他的优点。在本发明的一些实施例中，第一目标光束512和第二目标光束514可以被目标516 反射回到激光雷达系统510。激光雷达系统510可以接收第一目标光束512和第二目标光 束514，并至少可以确定目标516与激光雷达系统510的距离和目标516的距离变化率中的 ■~ 者之"‘o按照本发明的各个实施例，第一激光源518可以有第一载频。第一激光源518能 够以第一频率发射第一激光束540。第一频率可以被第一线性调频速率调制。显而易见，可 以按照电子方式，机械方式，声光方式，或其他方式调制第一频率。第一激光束540可以被 第一光耦合器522分割成第一目标光束512和第一本地振荡器光束542。在第一光束延迟 器544中，可以保持有第一延迟周期的第一本地振荡器光束542。在本发明的一些实施例中，第二激光源能够以第二频率发射第二激光束546。第二 频率可以用不同于第一线性调频速率的第二线性调频速率被调制。可以按照电子方式，机 械方式，声光方式，或其他的方式调制第二频率。第一线性调频速率和第二线性调频速率可 以在第一激光束540与第二激光束546之间建立反向的线性调频。在一些情况下，第二载频可以与第一载频基本相同。例如，在一些实施例中，第一 基线频率与第二基线频率之间的百分比差小于0. 05%。这可以给激光雷达系统510提供各 种增强特征，例如，减小因散斑造成的畸变，或其他的增强特征。第二激光束546可以被第 二光耦合器524分割成第二目标光束和第二本地振荡器光束548。在第二光束延迟器550 中，可以保持有第二延迟周期的第二本地振荡器光束548。第二延迟周期可以不同于第一延 迟周期。在一些实施例中，利用在METRIC VISION 型号MV200中安装的机构，第一激光源 518和/或第二激光源520的输出(例如，第一激光束540和/或第二激光束546)可以被
13线性化。例如，在METRICVISI0N 型号MV200中安装的机构，可以校正第一激光源518和/ 或第二激光源520输出的相位漂移。在本发明的一些实施例中，若目标516与激光雷达系统510的距离落在最小距离 与最大距离之间一组距离内，则激光雷达系统510可以有增大的准确性确定目标516的距 离和距离变化率。若目标516的距离没有落在该组距离内，则激光雷达系统510的准确性 可以降级。按照本发明的各个实施例，第一光束延迟器544和第二光束延迟器550是可调整 的。调整第一光束延迟器544和第二光束延迟器550能够使激光雷达系统510被调整到这 样一组距离内，接近或远离激光雷达系统510可以作出更准确的确定。可以调整第一光束 延迟器544和第二光束延迟器550，用于确保目标516的距离是在最小距离与最大距离之间 的一组距离内，因此，可以准确地确定目标516的距离和距离变化率。第一光束延迟器544 和第二光束延迟器550可以由用户或按照自动方式进行调整。当目标516的距离是在该组距离之外时，确定距离和距离变化率的降级可能是第 一激光源518和第二激光源520的有限相干长度性质的结果。例如，最小距离与最大距离 之间的距离可以是相干长度的函数。第一激光源518和第二激光源520的相干长度越长， 则最小距离与最大距离之间的距离就越大。因此，通过在增强一组距离上提供作出确定的 能力，增大第一激光源518和第二激光源520的相干长度可以增强激光雷达系统510的距 离和距离变化率的确定。在本发明的一些实施例中，第一本地振荡器光束542可以被分割成多个第一本地 振荡器光束，而第二本地振荡器光束548可以被分割成多个第二本地振荡器光束。在这种 情况下，激光雷达系统510可以包含多个光束延迟器，这些延迟器可以加不同延迟周期的 延迟到多个第一本地振荡器光束和多个第二本地振荡器光束。这可以确保多个第一本地振 荡器光束中的一个光束和多个第二本地振荡器光束中的一个光束已被延迟了能够准确地 确定目标和距离变化率的延迟周期。按照各个实施例，第一目标光束512和第二目标光束514可以在分开的光程上被 引导到目标516和/或从目标516上接收。在一些实施例中，这些光程可以是类似的，但它 们是不同的。在其他的实施例中，在发射之前，第一目标光束512和第二目标光束514可以 被目标光耦合器526耦合成组合目标光束552，并可以沿共同光程被弓丨导到目标516。在一 些实施例中，组合目标光束552 (或第一目标光束512和第二目标光束514，若它们是被分开 地引导到目标516)可以被目标516反射，并可以沿与共同光程分开的接收光程被激光雷达 系统510接收，该光程引导组合目标光束552到目标516。这种实施例可以标记为“双基地” 实施例。或者，组合目标光束552可以沿共同的光程被激光雷达系统510接收作为反射目 标光束556。这后一类实施例可以标记为“单基地”实施例。在利用互易光学元件运行时， 单基地实施例优于对应的双基地实施例。在单基地实施例中，共同的光程可以包含光学元 件528，该光学元件可以提供用于发射组合目标光束552和接收反射目标光束556的共同端 口。显而易见，光学元件528可以包含光环行器，光耦合器，或其他的光学元件。在一些实施例中，共同光程可以包含扫描元件557。扫描元件557可以包括这样 的光学元件，例如，反射镜，透镜，天线，或可以被振荡，旋转或激励的其他光学元件，该光学 元件能使组合的目标光束552扫描目标516。在一些情况下，扫描元件557能够以高速扫描。在常规的系统中，扫描元件可能是反射镜差动多普勒效应噪声效应的源，这是由于散斑 或其他光学缺陷产生的，它可以使这些系统的准确性降级。然而，因为各个实施例的激光雷 达系统510使用同时测量(或基本上同时测量)，可以无歧义地确定距离和距离变化率，从 而可以避免因高速扫描引入的不准确性。在本发明的一些实施例中，目标光耦合器554可以把反射目标光束556分割成第 一反射目标光束部分558和第二反射目标光束部分560。第一本地振荡器光耦合器530可 以把第一本地振荡器光束542与第一反射目标光束部分558组合成第一组合目标光束562。 第二本地振荡器光耦合器532可以把第二本地振荡器光束548与第二反射目标光束部分 560组合成第二组合目标光束564。在附图中未画出的一些实施例中，例如，第一目标光束 512和第二目标光束514可以被分开地引导到目标516和/或从目标516上接收，第一本 地振荡器光耦合器530可以组合反射的第一目标光束512与第一本地振荡器光束542以建 立第一组合目标光束562，而反射的第一组合目标光束514可以与第二本地振荡器光束548 组合以建立第二组合目标光束564。因为第一本地振荡器光束542和第二本地振荡器光束548可以与不同的目标光束 进行组合，或与相同目标光束(例如，反射的目标光束556)的不同部分进行组合，第一组合 目标光束562和第二组合目标光束564可以代表这样的光信号，在最后的处理之前，它们出 现在两个分开的，但重合的单个激光源频率调制的激光雷达系统中。例如，激光源控制器 536，第一激光源518，第一光耦合器522，第一光束延迟器544，和第一本地振荡器光耦合器 530可以被看成是第一激光雷达段574，激光雷达段574可以产生与第二组合目标光束564 分开的第一组合目标光束562，而第二组合目标光束564可以由第二激光雷达段576产生。 第二激光雷达段576可以包含激光源控制器538，第二激光源520，第二光耦合器524，第二 光束延迟器550，和第二本地振荡器光耦合器532。在一些实施例中，激光雷达系统510可以包含处理器534。处理器534可以包含检 测模块566，混合模块568，处理模块570，和/或其他的模块。这些模块可以利用硬件(包 含光学和检测元件)，软件，固件，或硬件，软件和/或固件的组合实现。处理器534可以接 收第一组合目标光束562和第二组合目标光束564。基于第一组合目标光束562和第二组 合目标光束564，处理器534可以产生距离信号和距离变化率信号。基于距离信号和距离变 化率信号，可以无歧义地确定目标516的距离和距离变化率。在本发明的一些实施例中，处理器534可以确定第一组合本地振荡器光束562的 第一拍频。第一拍频可以包含第一本地振荡器光束542与对应于第一目标光束512的反射 目标光束556分量的频率差，频率差归因于光程长差，其中反射目标光束556是从目标516 上反射的。处理器534可以确定第二组合本地振荡器光束564的第二拍频。第二拍频可以 包含第二本地振荡器光束548与对应于第二目标光束514的反射目标光束556分量的频率 差，频率差归因于光程长差，其中反射目标光束556是从目标516上反射的。可以同时(或 基本同时)确定第一拍频和第二拍频以消除环境或其他因素引入的噪声。可以采取这样 的一个或多个措施，它能使第一拍频和第二拍频区别于第一组合目标光束562内的其他频 率分量，第二组合目标光束564内的其他频率分量，和/或互相区别。例如，这些措施可以 包括利用两个分开的线性调频速率作为第一线性调频速率和第二线性调频速率，分别在 第一光束延迟器544和第二光束延迟器550中延迟有不同延迟时间的第一本地振荡器光束
15542和第二本地振荡器光束548，或可以采取其他的措施。应当理解，虽然图5表示本发明的一个典型实施例，其中主要是利用光纤和光耦 合器，但是这个实施例绝不是对本发明的限制。在本发明的范围内可以有其他的实施例，其 中存在其他的光学元件，例如，棱镜，反射镜，半反射镜，分束器，二向色薄膜，二向色棱镜， 透镜，或其他的光学元件，用于引导，组合，指向，聚焦，漫射，放大，或处理电磁辐射。按照本发明的各个实施例，处理器534可以混合第一组合目标光束562和第二组 合目标光束564以产生一个混合信号。该混合信号可以包含对应于第一拍频与第二拍频之 和的拍频和分量，以及对应于第一拍频与第二拍频之差的拍频差分量。对于有恒定速度的 目标，可以按照以下公式描述第一激光束540和第二激光束546的拍频 其中(t)代表第一拍频，f2 (t)代表第二拍频，、和、是两个光波长，v是目 标速度，、和“正比于各自的线性调频速率，R是被测量的距离，以及叽和叽代表这 两个激光雷达的距离偏移。假设、=X2= X，我们把这两个公式相减，可以得到以下的 公式
重新排列公式(3)，我们得到 作为校正后的距离测量结果。类似地，我们可以组合公式(1)与公式(2)以得到 以下的表达式 该表达式给出目标速度的测量结果。按照本发明的各个实施例，可以从混合信号中滤波以上公式(4)描述的拍频和分 量以产生距离信号。根据在距离信号中包含的拍频和分量(例如，1(0+4(0)，可以确定 激光雷达系统510与目标516之间的距离。基于距离信号的确定可以是无歧义的，而且它 与多普勒频移的瞬时行为或平均行为无关(例如，v/A)0在一些实施例中，可以从混合信号中滤波以上公式(4)描述的拍频差分量以产生 距离变化率信号。根据在距离变化率信号中包含的拍频差分量，可以无歧义地确定目标516
的距离变化率。为了确定目标516的距离变化率，— 力)可以代表正比于第一线性调
/ 2
频速率与第二线性调频速率之间线性调频速率差的-的信息，该信息可以代表目标516的瞬时速度。
卜数值。这能使我们提取多普勒频移
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在本发明的一些实施例中，第二线性调频速率可以设置成等于零。换句话说，第二 激光源518可以发射恒定频率的辐射。这能够使第二激光源518有简单的设计，小的占地 面积，较轻的重量，降低的成本，或可以给整个系统提供优点的其他增强特征。在这些实施 例中，激光雷达系统510可以包含频移装置。该频移装置可以声光调制器572，或其他的装 置。声光调制器572可以提供频率偏移给第二本地振荡器光束548，该频率偏移可以增强下 游处理。例如，频率偏移能够使第二本地振荡器光束548与第二反射目标光束部分560之 间有稳定的目标拍频，它代表从零偏移的稳定目标的距离变化率，因此，可以根据拍频确定 目标运动的方向，以及运动速率的幅度。本发明的这个实施例还有其他的优点，可以连续地 监测目标的距离变化率，不会因线性调频转向或回扫而中断。线性调频转向或回扫可以产 生这样的时间间隔，线性调频的激光雷达段在此时间间隔内不可能进行准确的测量。在这 些实施例中，激光雷达段576可能仅确定目标516的距离变化率，而激光雷达系统510仍然 保持测量距离和距离变化率的能力。图6表示按照本发明一个实施例的处理器534。处理器534可以按照数字方式混 合第一组合目标光束562和第二组合目标光束564。例如，处理器534可以包含第一检测器 610和第二检测器612。第一检测器610可以接收第一组合目标光束562，并可以产生对应 于第一组合目标光束562的第一模拟信号。第一模拟信号可以被第一转换器614转换成第 一数字信号。处理器534可以包含第一频率数据模块616，该数据模块616可以确定对应 于第一数字信号中一个或多个频率分量的第一组频率数据。在一些情况下，在第一平均模 块618中可以对第一数字信号取平均。在这种情况下，可以发射平均的第一数字信号到第 一频率数据模块616。第二检测器612可以接收第二组合目标光束564，并可以产生对应于第二组合目 标光束564的第二模拟信号。第二模拟信号可以被第二转换器620转换成第二数字信号。 处理器534可以包含第二频率数据模块622，该数据模块622可以确定对应于第二数字信号 中一个或多个频率分量的第二组频率数据。在一些情况下，在第二平均模块624中可以对 第二数字信号取平均。在这种情况下，可以发射平均的第二数字信号到第二频率数据模块 622。第一组频率数据和第二组频率数据可以被频率数据组合模块626接收。频率数据 组合模块626可以线性地组合第一组频率数据和第二组频率数据，并可以产生从混合的频 率数据中导出的距离变化率信号和距离信号。图7表示按照本发明另一个实施例的处理器534。处理器534可以包含分别接收 第一组合目标光束562的第一检测器710和第二组合目标光束564的第二检测器712。第 一检测器710和第一检测器712可以分别产生与第一组合目标光束562相关的第一模拟信 号和与第二组合目标光束564相关的第二模拟信号。处理器534可以按照电子方式混合第 一组合目标光束562和第二组合目标光束564，用于产生距离信号和距离变化率信号。例 如，处理器534可以包含调制器714。调制器714可以把第一检测器710产生的第一模拟信 号与第二检测器712产生的第二模拟信号相乘以建立组合的模拟信号。在这些实施例中， 处理器534可以包含接收组合模拟信号的第一滤波器716和第二滤波器718。第一滤波器 716可以滤波组合的模拟信号以产生第一滤过的信号。在一些情况下，第一滤波器716可以 包含低通滤波器。第一滤过的信号可以被第一转换器720转换以产生距离变化率信号。第
17二滤波器718可以滤波组合的模拟信号以产生第二滤过的信号。例如，第二滤波器718可 以包含高通滤波器。第二滤过的信号可以被第二转换器722转换以产生距离信号。图8表示按照本发明另一个实施例的处理器534。处理器534可以按照光学方式 混合第一组合目标光束562和第二组合目标光束564，用于产生距离信号和距离变化率信 号。例如，处理器534可以包含检测器810，该检测器用于接收第一组合目标光束562和第 二组合目标光束564，并基于这种检测产生组合模拟信号。在这些实施例中，处理器534可 以包含用于接收组合模拟信号的第一滤波器812和第二滤波器814。第一滤波器812可以 滤波组合模拟信号以产生第一滤过的信号。第一滤波器812可以包含低通滤波器。第一滤 过的信号可以被第一转换器816转换以产生距离变化率信号。第二滤波器814可以滤波组 合模拟信号以产生第二滤过的信号。第二滤波器814可以包含高通滤波器。第二滤过的信 号可以被第二转换器818转换以产生距离信号。虽然此处描述的本发明涉及各个实施例，专业人员应当明白，本发明不受这些实 施例的限制，而是仅受以下权利要求书范围的限制。
权利要求
一种激光雷达系统，包括第一相干激光雷达段，包含产生第一激光束的激光源，干涉仪，把第一激光束分割成第一目标光束和第一本地振荡器光束，并从第一目标光束的第一反射部分和第一本地振荡器光束中产生第一组合目标光束；第二相干激光雷达段，包含产生第二激光束的激光源，干涉仪，把第二激光束分割成第二目标光束和第二本地振荡器光束，第二目标光束是与第一目标光束的在相同位置入射到目标上，并且从第二目标光束的反射部分和第二本地振荡器光束中产生第二组合目标光束；和处理器，用于从第一组合目标光束和第二组合目标光束中无歧义地确定目标距离和目标距离变化率。
2.按照权利要求1的系统，其中第一线性调频速率与第二线性调频速率有相反的方向。
3.按照权利要求1的系统，还包括组合器，在发射之前用于从第一目标光束和第二目标光束中产生组合的目标光束；和 输入/输出端口，引导组合的目标光束到目标，并接收从该目标上反射的电磁辐射以 形成部分的共同光程。
4.按照权利要求3的系统，其中在输入/输出端口上有环行器，光耦合器，和光纤中的 一个或多个。
5.按照权利要求3的系统，其中在共同光程上包含扫描元件，它能使第一目标光束和 第二目标光束扫描经过该目标。
6.按照权利要求3的系统，其中第一激光源和第二激光源有基本相同的光频。
7.按照权利要求1的系统，其中处理器按照电子方式混合与第一组合目标光束相关的 第一拍信号和与第二组合目标光束相关的第二拍信号。
8.按照权利要求1的系统，其中第一本地振荡器光束被分割成多个第一本地振荡器光 束，而第二本地振荡器光束被分割成多个第二本地振荡器光束，且多个第一本地振荡器光 束和多个第二本地振荡器光束被延迟不同的延迟时间，可以确保目标的距离落在一组距离 内，系统在该组距离内确定的距离和距离变化率是准确的。
9.按照权利要求1的系统，其中第一激光源和第二激光源中的至少一个激光源包括 形成光学谐振腔的一个或多个光学元件，电磁辐射循环通过该光学谐振腔；和频移装置，用于加频移到循环通过光学谐振腔的电磁辐射。
10.按照权利要求9的系统，其中频移装置加恒定的频移到循环通过光学谐振腔的电磁辐射。
11.按照权利要求9的系统，其中频移装置是声光Bragg单元。
12.按照权利要求1的系统，其中第一激光源和第二激光源中的至少一个激光源是周 期性和自动地被线性化。
13.按照权利要求12的系统，其中第一激光源和第二激光源中的至少一个激光源是在 每个线性调频一次被自动地线性化。
14.按照权利要求1的系统，其中第一目标光束和第二目标光束被聚焦到共同的测量点ο
15.一种激光雷达系统，包括 第一相干激光雷达段，包含激光源，以第一线性调频速率产生第一激光束，干涉仪，把第一激光束分割成第一目标光束和第一本地振荡器光束，并从第一目标光 束的第一反射部分和第一本地振荡器光束中产生第一组合目标光束； 第二相干激光雷达段，包含 激光源，以固定的频率产生第二激光束，干涉仪，把第二激光束分割成第二目标光束和第二本地振荡器光束，第二目标光束与 第一目标光束在相同位置入射到目标上，并从第二目标光束的第二反射部分和第二本地振 荡器光束中产生第二组合目标光束；和处理器，用于从第一组合目标光束和第二组合目标光束中无歧义地确定目标的距离和 距离变化率。
16.按照权利要求15的系统，其中第二激光雷达段还包含频移装置，可以提供频移到 第二本地振荡器光束。
17.按照权利要求15的系统，还包括组合器，在发射之前从第一目标光束和第二目标光束中产生组合的目标光束；和 输入/输出端口，用于引导组合的目标光束到目标，并接收从该目标反射的电磁辐射 以形成部分的共同光程。
18.按照权利要求17的系统，其中在输入/输出端口上有环行器，光耦合器，和光纤中 的一个或多个。
19.按照权利要求17的系统，还包括包含在组合光程上的扫描元件，它从输入/输出 端口上接收组合目标光束，并扫描第一目标光束和第二目标光束经过该目标。
20.按照权利要求17的系统，其中第一激光源和第二激光源有基本相同的光频。
21.按照权利要求15的系统，其中第一本地振荡器光束被分割成多个第一本地振荡器 光束，和第二本地振荡器光束被分割成多个第二本地振荡器光束，而多个第一本地振荡器 光束和多个第二本地振荡器光束被延迟不同的延迟时间，以确保目标的距离落在一组距离 内，系统在该组距离内确定的距离和距离变化率是准确的。
22.按照权利要求15的系统，其中第一激光源包括一个或多个光学元件，形成光学谐振腔，电磁辐射循环通过该光学谐振腔；和 频移装置，用于加频移到循环通过光学谐振腔的电磁辐射。
23.按照权利要求22的系统，其中频移装置加恒定的频移到循环通过光学谐振腔的电磁辐射。
24.按照权利要求22的系统，其中频移装置是声光Bragg单元。
25.按照权利要求15的系统，其中第一激光源是周期性和自动地被线性化。
26.按照权利要求25的系统，其中第一激光源是每个线性调频一次被周期性地线性化。
27.按照权利要求15的系统，其中第一目标光束和第二目标光束被聚焦到共同的测量点。
全文摘要
一种用于可控地线性调频辐射源的电磁辐射的系统和方法包含光谐振腔装置。光谐振腔装置能够使产生的电磁辐射有基本线性的线性调频速率和可配置的周期。通过有选择地注入电磁辐射到光谐振腔中，可以产生有单谐振模的电磁辐射，该谐振模是在基本线性的线性调频速率下发生频移。产生单谐振模的电磁辐射可以增大该电磁辐射的相干长度，在各种应用中实现电磁辐射时，增大相干长度是有利的。例如，光谐振腔装置产生的电磁辐射可以提高激光雷达系统的距离，速度，准确性，和/或其他的特征。
文档编号G01S7/491GK101852855SQ201010121338
公开日2010年10月6日 申请日期2006年2月14日 优先权日2005年2月14日
发明者理查德·塞巴斯蒂安, 肯达尔·贝尔斯利 申请人:数字信号公司