CN109425866A

CN109425866A - 应用光电振荡器（oeo）的光测距雷达（lidar）和光频域反射计（ofdr）系统

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Publication number: CN109425866A
Application number: CN201810020821.XA
Authority: CN
Inventors: 姚晓天
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-03-05
Also published as: US20190072672A1

Abstract

本发明提供了一种光学测量（包括距离测量）的方法和装置，采用一个载有射频的光电振荡器用于测量的光源输出，光源通过一个可控扫描器对被测目标进行光扫描，并接受来自被测目标的反射光信号，光探测器将反射回来的光信号转换成电信号，与光电振荡器输出的射频信号进行混频，通过测量两个信号的拍频，获得被测目标的信息。

Description

应用光电振荡器（OEO）的光测距雷达（LIDAR）和光频域反射计（OFDR）系统

技术领域

本专利文献中公开的技术涉及基于应用光电振荡器的装置或系统。

背景技术

光电振荡器（“OEO”）是产生加载在光波上的射频（RF）或微波振荡的特殊振荡器。OEO最初是由本专利的发明人在NASA喷气推进实验室和加利福尼亚理工学院开发的，是具有独特特征的混合振荡器。这种OEO包括电光调制器和至少一个主动光电反馈回路，还包括光探测器等其他光学器件。光电反馈回路从调制器接收经调制的输出光，并将被调制器调制的输出光转换成电信号并控制调制器。该回路产生一个所需的光延迟，并提供一个相同相位的电信号给调制器，在整个光电回路的主动增益和任何其他的反馈回路增益超过回路中的损耗的时候，可产生和维持光调制和在射频或微波的电振荡。参见本专利发明人和Maleki的美国专利5,723,856（附录A），和本专利发明人的美国专利5,777,778（附录B）。

OEO使用光学调制的方法，可产生频率在光波波谱以外的振荡，比如说射频（RF）和微波频率的振荡。与其他RF和微波振荡器产生的信号相比，OEO产生的振荡信号的频率是可调谐的，并且可以具有极窄的谱线宽度和极低的相位噪声。OEO可用作具有锁相环功能的电压可控RF振荡器，用于时钟恢复、载波恢复、信号调制和解调以及频率合成等。

发明内容

本发明采用光电振荡器（OEO）作为激光雷达稳定的光频和射频基础，从而可以大大提高系统的探测精度，并降低整个系统的成本。可实现基于光电振荡器（“OEO”）构建的设备或系统，由于OEO包括相位噪声低、频谱纯度高或频谱宽度窄、抗干扰能力强、频宽下降陡峭、易于光学处理和易于光传输等独特性质，可使得系统或设备获得益处。

本发明之一，是一种光检测和测距的方法，包括：

采用一个光电振荡器，提供一个调制光输出，和一个射频输出电信号；

一个光学扫描器接收来自光电振荡器的调制光输出的一部分，作为照射目标的探测光扫描照射被测目标；

一个光探测器，接收从目标返回的探测光，并产生检测器电信号；

一个耦合信号混合器，接收来自光电振荡器的射频输出电信号，并从光探测器接收检测器电信号，信号混合器混合光电振荡器的电信号和检测器电信号，以产生表示目标位置信息的拍频信号。

本发明还包括一种光学测量装置，包括：

一个光电振荡器，提供一个调制输出光信号，和一个射频输出电信号；

所述光电振荡器的调制输出光信号通过一个光环形器后，被一个光学探头接收后并发射出去，所述光学探头接收来自被测目标的反射光，并将所述反射光输出到光环形器；

一个光探测器接收来自光环形器的输出光，并将该输出光转换成电信号；

一个信号放大器接收来自光探测器的输出电信号，并将其放大；

一个信号混合器，接收来自信号放大器的输出电信号，和来自光电振荡器的射频输出电信号，并产生一个混合输出信号；

一个滤波器对混合器输出的混合输出信号进行滤波后，输出一个滤波信号给一个频谱分析器；所述频谱分析器产生一个频谱分析信号，输出给一个信号处理器；

所述信号处理器计算出被测目标的测量信息；

上述方法和装置中所采用光电振荡器，起基本构成包括：

一个光源产生一束输出光，一个电光调制器接收光源的输出光并对其进行调制，产生调制后的第一输出光和第二输出光；

将调制后的第一输出光作为光电振荡器的光输出；

将调制后的第二输出光，经过一个光延迟器后，输出到一个光探测器转换成电信号输出；

一个滤波器接收光探测器输出的电信号，并产生一个滤波器射频输出信号；

一个分路器将所述滤波器射频输出信号分成一个光电振荡器射频输出信号，和一个滤波器射频反馈信号；

所述滤波器射频反馈信号反馈到可控电光调制器对电光调制器的调制输出光进行反馈调制，使得经调制的光输出被调制，以承载射频或微波频率的射频或微波振荡信号；

附图说明：

图 1是基于OEO的调频连续波（FMCW LiDAR）系统的示意图，其中可调OEO同时产生具有线性扫频和调制光信号的低相位噪声射频（RF）信号。光束被引导到1D（一维）或2D（二维）光束扫描器，并发送到开放空间用于检测障碍物。然后，来自不同障碍物的反射光通过环形器被引导到光探测器，将其转换成RF信号后再被RF放大器放大。然后将反射信号与OEO的RF输出混合以产生低频差拍（拍频）信号，然后通过低通滤波器，并由RF频谱分析仪或具有FFT的数字转换器进行分析。拍频就代表了障碍物的位置。

图 2是测距图的图示。2图a）是一系列数据，显示反射信号作为不同光束角度下的距离函数。图2b）2D球面坐标系中的障碍物分布图。也可以在3D球面坐标中获得类似的分布图。

图 3是基于OEO的光频域反射计（OFDR），是基于OEO的LiDAR的简化版本，这里不需要光束扫描。可以测到光纤内部或自由空间内的反射，并且可以识别这些反射点的位置。

图 4示出了可调光电振荡器的示例。激光器可以是DFB（分布反馈）型，调制器可以是铌酸锂，或电吸收半导体MZ调制器。可调滤波器可以是YIG滤波器或图7所示的有源滤波器。

图 5显示了混合集成OEO模块。激光器和调制器可以集成在相同的半导体芯片上，例如用于DFB激光器和电吸收调制器的情况。DFB激光器/调制器与光探测器，RF放大器和可调谐滤波器可以集成在相同的基板上，只有光纤线圈在基板之外。OEO模块可以基于硅光子学集成电路，其中激光器，调制器，光探测器，耦合器都集成在硅衬底上。进一步的集成还可以包括RF放大器和滤波器。

图 6是芯片上的可调谐光电振荡器的例子，其中激光器，调制器，波导和光探测器均由InGaAs半导体制成。作为能量存储部件，使用高Q型谐振器，例如微球或微盘。

图 7是快速可调谐有源RF滤波器（TF）的示例。放大器的增益被适当地选择为略低于振荡阈值以获得非常高Q，该滤波器可以集成在陶瓷或其他采用合成技术的RF基板上，以实现紧凑性。

图 8是基于耦合光电振荡器（COEO）的LiDAR的图示。COEO在RF域中产生低相位噪声RF时钟信号的同时，还在光学域中产生脉冲光信号。脉冲光束在自由空间中发出通过扫描以检测障碍物。来自障碍物的反射光信号由光探测器转成电信号并被信号放大器放大。通过电子电路获得RF时钟与反射信号之间的相对延迟，以确定障碍物的位置。

图 9是集成到芯片上的耦合光电振荡器（COEO）的一个例子。微球是微谐振器示例，也可以使用其他类型的微谐振器。可以通过施加电压或通过改变其温度来调谐微谐振器的谐振频率，从而调谐COEO的振荡频率。COEO芯片可以采用InGaAs材料和相关技术制成。

具体实施方式

本专利文献中公开的技术可实现基于光电振荡器（“OEO”）构建的设备或系统，由于OEO相位噪声低、光谱纯度高或频谱宽度窄、抗干扰能力强、频宽下降陡峭、易于光学处理和易于光传输等独特性质，可使得系统或设备获得益处。

可以采用的OEO种类有多种。美国专利5,723,856（附录A）和5,777,778（附录B）提供了单回路OEO和多回路OEO的实例。另一种类型的OEO是美国专利No.5,929,430（附录C）中描述的耦合光电振荡器（“COEO”），其中COEO将光反馈环路中的激光振荡直接耦合到光电反馈环路的电振荡中。可以通过在OEO环中包括光谐振器来构造OEO，如美国专利No.6,567,436（附录D）中所公开的，其中可以使用各种形式的光谐振器，包括光学回音壁模式谐振器（例如，美国专利号6,389,197和6,795,481 ）和其它紧凑型谐振器，例如用于形成具有光谐振器的集成光电振荡器的集成环形谐振器（例如，美国专利号6,873,631（附录E））。还可以通过具有至少一个有源光电反馈回路来实现OEO，该反馈环路基于受激布里渊散射产生电调制信号，其中布里渊光学介质包括在反馈回路中，提供布里渊散射的自然窄线宽，以选择单模振荡（例如，美国专利号5,917,179、6,417,957和6,476,959）。 OEO可用于抑制RF或微波振荡信号中的相位噪声（例如，美国专利号6,580,532）。

上述每个美国专利通过引用并入本文，作为本专利文献的公开内容的一部分。

光检测和光测距（LiDAR）系统发出照射被测目标的探测光（例如，激光），并且接受和检测从目标返回的探测光以测量系统到目标的距离。然后可以通过对激光返回时间和波长的变化来进行目标的数字3D计算。LiDAR可有广泛的应用，包括通过运用旋转激光束扫描的方式，用于自动驾驶车辆行驶过程中障碍物的检测，以在汽车导航过程中安全地躲避环境中障碍物。这样的LiDAR还可用于为机器人软件提供必要的数据，以确定环境中存在的障碍的位置，以及机器人与那些潜在障碍的位置关系。

将LiDAR与许多使用RF（射频）波而不是激光的雷达系统相比，LiDAR在确定障碍物的位置方面往往更准确，因为激光束不像RF射束那样扩散角大。大多数LiDAR采用发出脉冲激光束，并将反射回的脉冲光通过传感器进行测量。物体的距离可以通过测量输出脉冲和返回的脉冲之间的相对延迟时间来确定。发出的脉冲越短，位置确定可越准确。

自动驾驶车辆可配备雷达和LiDAR装置，用于检测障碍物、行人和其他车辆。LiDAR不需要进行射频频谱的分配，可避免干扰其他射频信号。LiDAR能提供更好的方向性、空间分辨率和更长的测量距离。

对于自动驾驶汽车，为了在汽车制造商商业上获得广泛应用，LiDAR的成本必须足够低。通常对于脉冲LiDAR，产生非常短的光脉冲（大约为几纳秒或更短）的系统会很昂贵。此外，用于检测这种短脉冲的电子装置也会很昂贵，这就进一步加剧了LiDAR传感器的整体成本。因此，市场期望在各种现有的LiDAR基础上，设计开发出低成本的LiDAR传感器。

一种类型的LiDAR系统是啁啾或FMCW（调频连续波）LiDAR，其激光器的频率被线性扫描，这样的FMCW LiDAR系统中，被测距的障碍物的反射光与参考光束的频率相同。因此，光探测器中的两个光束的拍频就携带了障碍物的距离信息，可以通过对拍频信号的快速傅立叶变换（FFT）来提取障碍物的距离信息。这种啁啾的LiDAR系统类似于用于光纤测量的光频域反射计（OFDR），如US专利号9,719,883和9,632,006中的OFDR示例所示（其通过引用并入本文，作为本专利的公开内容的一部分），并且激光源应该发射具有比LiDAR的预期检测范围更长的相干长度的激光。不幸的是，这样的可调谐激光器往往是昂贵的。

本专利文献中公开的技术提供了一种基于光电振荡器（OEO）的LiDAR系统。这种LiDAR系统与通常其他FMCW LiDAR系统相比，不要求激光器的频率可调，也不要求其具有长距离的相干长度。相反，这种LiDAR系统中的OEO产生调制的激光，载有用于LiDAR测距的RF或微波信号。

本发明所公开的技术以包含光电振荡器的LiDAR系统来实现，其中所述光电振荡器包括电光调制器等光学部件构成的光电反馈回路和由光探测器连接的电子部件，光探测器用以接收来自电光调制器的调制光输出，并将调制的光输出转换成电信号再控制电光调制器，使调制的输出光再被调制，以承载射频或微波频率的电RF或微波振荡信号。光电反馈环路被设计成能将电信号同相位馈送到电光调制器，以在射频或微波频率处产生并维持光调制和电振荡。 LiDAR系统包括一个光学扫描器，其接收来自光电振荡器的电光调制器的调制光输出的一部分，作为用于照射目标的探测光；还包括一个光探测器，用来接收从目标反射回来的探测光，以产生光探测器电信号；还包括一个耦合到光电振荡器的信号混合器，接收来自光电振荡器的光电反馈回路的电子部分的电信号，并同时从光探测器接收检测器电信号，信号混合器（混频器）混合所述两种电信号，以产生表示目标的位置信息的拍频信号。

图1示出了基于OEO的FMCW LiDAR系统的示例，其中可调谐OEO同时产生具有线性扫频/调制的光信号和低相位噪声的RF信号。光束被引导到1D或2D光束扫描器，其扫描光束对开放空间检测并感测障碍物。然后将来自不同障碍物的反射光经由光环形器导向光探测器。光探测器将光学反射信号转换为RF信号，再由RF放大器放大。光反射信号生成的RF信号通过放大器放大后的RF输出与OEO的RF输出混频后，产生差频信号，再通过低通滤波器滤波，并由RF频谱分析仪或具有快速傅里叶变换频谱分析仪（FFT）分析。拍频率代表障碍物的位置。

图1所示的基于OEO的FMCW LiDAR系统，包括：一个光电振荡器（101）发出一个光输出（113）和一个射频输出（114），一个光环形器（102）接收来自光电振荡器（101）的输出光（113），一个射频混合器（107）接收来自光电振荡器（101）的射频输出（114）；所述光环形器102并将接收的光电振荡器光输出（113），并将该光束出射到一个准直器（103）后，经过准直再进入一个一维或者二维的光束扫描器（104），光束扫描器（104）发射出扫描光束（111）对空间中进行探测扫描，当遇到障碍物（112）后光会反射回来进入扫描器（104）后，再通过准直器（103）返回到光环形器（102），进入光环形器的障碍物反射光从光环形器（102）的第三端口射出，到达一个光探测器（105）转换成电信号；通过一个射频放大器（106）进行放大，然后进入射频混合器（107）与来自光电振荡器（101）的射频输出（114）混合，并产生一个拍频输出，通过一个低通滤波器（108）后，进入到一个射频频谱分析模拟器或数据采集器DAQ（110）进行傅里叶变换分析；一个信号处理器和运算单元（109），接收来自数据采集器（110）的分析结果，并结合从光束扫描器（104）来的光束扫描角度信息（115），计算出障碍物的位置；所述信号处理器和运算单元（109）的另外一个功能，就是向光束扫描器（104）发出扫描角度控制信息（116）对扫描角度进行控制。

这个装置依赖于一个可调频OEO，用以产生高频谱纯微波信号和具有相同频率的调制光信号。在理想情况下这个可调谐OEO可以产生线性频率斜率，例如从5GHz到15GHz，然后调制的光信号被发送到用于障碍物检测的开放空间，然后由光探测器检测来自障碍物的反射光信号，由RF放大器放大，最后与OEO直接发出的微波信号混合。在环形器或光探测器之前，可采用诸如掺铒光纤放大器（EDFA）和/或半导体光放大器（SOA）之类的光学放大器，以增强发送到目标的光信号，从而也增强来自目标的返回信号。OEO信号和反射信号之间的拍频与障碍物的范围成正比。因此，通过获得拍频信号的FFT，可以确定所有障碍物的位置。由于OEO的低相位噪声和高频谱纯度，可以大大提高测距范围。

图2示出了图1所示的基于OEO的FMCW LiDAR系统的处理测距图的示例。图2（a）示出了一系列表示在不同波束角处的信号的反射作为函数距离的数据，其中纵轴表示反射信号强度，横轴表示距离。图2（b）示出2D圆平面坐标中的障碍（112）图的例子。在3D球面坐标中也可以获得类似的图。

与其他FMCW LiDAR系统相比，图1所示的基于OEO的FMCW LiDAR系统中的信号处理主要在RF域中，OEO的应用对激光器的相位噪声或相干长度的要求大大降低。在OEO系统中不需要使用可调谐激光，具有固定波长的电信级DFB激光器就足够了。与其他普通FMCWRADAR系统不同，图1中基于OEO的FMCW LiDAR系统仅发送调制的激光探测光用于感测，在调制的激光探测光源中嵌入RF信号，因此不会在空间中发出射频信号，不会对其他射频设备（例如通信设备）造成电磁干扰，因此，图1中基于OEO的FMCW LiDAR系统不涉及RF频谱许可问题，可以大大降低相关业务成本。图1中基于OEO的FMCW LiDAR系统的测距光束处于光学领域，并且具有适用于自动驾驶车辆的LiDAR高空间和角度精度和分辨率的优点。

图3示出了基于OEO的光频域反射计（OFDR）的示例，其可以被视为没有光束扫描的简化的基于OEO的LiDAR。与图1所示的方案主要区别在于，由光环形器（102）发出的光可以进入一根传感光纤（312），传感光纤（312）中的散射体反射光会回到光环形器（102），再从下方端口输出进入光探测器转换成电信号；由光环形器（102）右侧端口发出的光也可以不通过传感光纤，直接通过由准直器（103）构成的光发射器直接输出到自由空间（311），然后准直器再接收自由空间障碍物的反射光回到光环形器（102）；或者将传感光纤（312）同时当作传输光纤，光环行器（102）右侧端口的输出光通过传感光纤（312）后，再通过准直器（103）发射出去。这种系统可以检测到光纤内部或自由光空间内的反射点，并且可以识别它们的位置。由于这种光频域反射计（OFDR）是进行一维探测，所以与图1相比，不需要角度扫描和控制，因此没有图1所示的光束扫描器（104）。

图4示出了可调光电振荡器的示例，其中激光器（401）产生的激光被电光调制器（402）接收，该电光调制器通过输入调制信号对所接收的激光进行调制。激光器（401）可以是分布式反馈（DFB）型激光器；电光调制器可以采用各种调制器配置来实现，例如铌酸锂电光调制器，电吸收电光调制器，马赫 - 曾德尔调制器等。光分路器或耦合器（403）用于将来自电光调制器（402）的调制输出光的一部分分离出来，作为可调谐OEO的光输出（404），而另一部分被耦合到光环路构成的延迟器（405）中，通过光环路后再进入光探测器（406），光探测器（406）作为光学部件和OEO回路电路部分的接口，对光信号进行光电转换。在耦合到光探测器（406）的OEO回路的电路部分中，一个可调RF滤波器（408）用来过滤光探测器的RF输出。这个可调RF滤波器可以是快速可调滤波器，可以采用图7所述的钇铁石榴石（YIG）滤波器或有源RF滤波器。可调RF滤波器（408）的一部分输出通过一个分路器（409）作为光电振荡器的射频输出（411），分路器（409）将一部分滤波器（408）的输出作为反馈调制信号（410）对电光调制器（402）进行调制。在光探测器（405）和滤波器（408）之间，可以加入一个RF放大器（407），对光探测器（405）的电信号进行前期放大。其中由光调制器（402）、光延迟器（405）、光探测器（406）、光放大器（407）、光滤波器（408）构成的光电反馈回路被构造成将电信号（410）同相位馈送到电光调制器（402），在射频或微波频率下产生和维持光调制和电振荡；调节可调频滤波器中心频率，使滤波器射频输出信号频率线性变化，从而使光电振荡器的射频输出频率和电光调制器的调制频率线性变化。

图5示出了将图4的器件采用组合集成方式的OEO模块的示例。激光器（401）和电光调制器（402）（例如DFB激光器和电吸收调制器）可以集成在同一个半导体芯片上。 DFB激光器（401）或调制器（402）与光探测器（406）、RF放大器（407）、可调谐滤波器（410）可以集成在同一个基板（512）上，只有光纤环（405）在基板（512）之外。OEO模块可以采用基于硅光电子集成电路，其中激光器（401）、调制器（402）、光探测器（406）、耦合器（403）都集成在硅衬底上。进一步的集成还可以包括RF放大器（407）和滤波器（408）。在整个基片（512）上设置射频输出端口（411）、光输出端口（404）和滤波器驱动端口（410）。值得说明的是，这种集成组合并不是仅限于简单的在电路板上将图4中的各种器件放置固定焊接在上面，更有效的方法是采用半导体加工技术，将这些光电器件直接生成在半导体基片上，形成一个高度集成的光电振荡器芯片。

图6示出了一种芯片集成的可调谐光电振荡器的示例，其中激光器（601）、调制器（602）、波导（603、607）、滤波器（606）和光探测器（608）都由InGaAs或其他合适的半导体材料在一个基片上制成。使用诸如微球或微盘的高Q微谐振器（605）作为能量存储部件，耦合在两个光波导（603、607）之间（例如，经由光学衰减耦合），形成OEO回路的光学部件的一部分。激光器（601）的光输出通过调制器（602）后，进入一个与微型球或微型盘储能部件（605）耦合的波导（603），一部分光作为整个可调谐光电振荡器的光输出（604），另一部分光被耦合进入微型球（605）当中；微型球（605）是一个光学部件，被耦合进微型球（605）中的光会沿着微型球的内表面呈回音壁式的反射传播，并可以从与微型球（605）耦合的另一个波导（607）输出；光探测器（608）接收波导（607）的光输出，转换成射频信号，一部分射频信号成为整个光电振荡器的射频输出（609），另一部分通过一个滤波器（606）后，对调制器（602）进行调制。

图7是可以用于实现图5和图6中的OEO设备的快速可调主动RF滤波器（TF）的示例。包括一个射频定向耦合器（701）、射频放大器（702）和一个可调移相器（703）；放大器（702）的增益适当地略低于振荡阈值。该滤波器可以在的陶瓷或其它类型的RF衬底上实现，以实现紧凑性。

图8示出了基于耦合光电振荡器（COEO）的LiDAR的示例。

耦合光电振荡器（801）产生的脉冲光输出（813）进入一个光环形器（802）第一端口后，从光环形器（802）第二端口的输出光通过一个准直器（803）进入一个一维或者二维的光束扫描器（804），该扫描器的输出光对被测空间发出扫描光束（811）对被测空间的障碍物（812）进行扫描；从障碍物（812）反射回来的光进入光束扫描器（804），通过准直器（803）后进入光环形器（802）的第二端口，并从其第三端口输出；光探测器（805）接收光环形器（802）第三端口的输出，并转换成电信号，通过一个信号放大器（806）放大后，输出到一个高速A/D转换器（808）由模拟信号转换成数字信号。高速A/D转换器（808）在接收来自信号放大器（806）的信号的同时，还从耦合光电振荡器（801）接收其本身的射频信号输出（814），并将这两个信号转换成数字信号输出给一个运算模块（810），该模块（810）通过FPGA运算或其他电子运算，计算出耦合光电振荡器（801）发出的射频信号（813）和光探测器（805）收到反射脉冲信号之间的时间差，并将这个代表被测目标距离的运算结果输出给一个计算机（809）；计算机（809）会通过电路连接发出信号（816）驱动光束扫描器（804），并接收来自光束扫描器（804）的扫描角度信息（815），计算机（809）通过综合光束扫描器（804）的扫描角度信息和来自运算模块（810）的时间差运算信息，计算出被测目标（812）的分布情况。

COEO将光反馈系统的激光振荡器直接耦合到光电反馈系统的电子振荡器，激光振荡和电振荡相互关联，使得一个振荡的模式和稳定性与另一个振荡耦合。在方案实现中，在COEO中存在两个相互耦合的振荡系统，即激光振荡器和光电反馈振荡器。激光振荡器包括具有增益介质的内部有源光学反馈回路，以实现响应于电信号的大于1的第一环路增益。激光振荡器产生相干的光学振荡。光电反馈振荡器本质上是耦合到激光振荡器的有源光电反馈环路，并且从激光振荡器的输出端接收光振荡的光信号。

在COEO的方案实现中，光电反馈回路可以包括光学延迟元件用于产生光延迟，以响应输入光信号的强度变化，光探测器用于将来自光延迟元件的光信号转换成电调制信号，与激光振荡器的电接口连接，将电调制信号馈送到调制光学反馈回路中的光学增益介质。此外，光电反馈回路可以包括大于1的第二环路增益以产生并维持其中的电振荡。在设计COEO时，可以让激光振荡器中的光反馈回路的环路长度与光电反馈环路的环路长度之间具有特定关系，使光振荡和电振荡均保持稳定。COEO光电反馈回路中还可以包含其他元件，例如RF放大器、可变电延迟元件、带通RF滤波器、可变RF衰减器、RF耦合器和光耦合器。其优点之一是COEO可以在没有外部泵浦激光的情况下进行自振荡（尽管在COEO中也可以使用外部激光）。因此，耦合光电振荡器，可以方便地用于在具有非常长的光电反馈回路的系统实现单模选择。在一些实施方案中，多模激光器可以与COEO一起使用以泵浦电子振荡，在保证有效的运转情况下降低制造成本。此外，COEO可以提供光学和微波振荡之间的连接，其可以同时产生稳定的光脉冲和连续的微波振荡信号（例如，正弦波）。

在图8中的LiDAR的示例中，COEO同时在RF域中产生低相位噪声RF时钟信号，并在光学域中产生脉冲光信号。脉冲光束在自由空间中发射出并扫射障碍物。来自障碍物的反射信号由光探测器检测并被放大。电子电路根据RF时钟与反射信号之间的相对延迟量，可以确定障碍物的位置。

图9是集成在芯片上的耦合光电振荡器（COEO）的另一示例。微球（905）所示例是一个微振荡器。也可以使用其他类型的微振荡器。可以通过改变微振荡器的工作条件来调整微振荡器的共振频率，从而调整系统的振荡频率；例如，在振荡器上施加一个电压，利用该振荡器出现电光效应改变振荡器的折射率；或者施加一个力来改变振荡器尺寸；或者改变其温度等，都可以调整振荡频率。

COEO可以集成在诸如半导体基片的衬底上，并且可以在衬底上同时集成半导体电光调制器，以响应于电调制信号来调制光束。图9是集成COEO的实例，包括：一个集成在衬底上的第一波导（902），其第一端口从电光调制器（901）接收经调制的光信号，第二端口有小角度小平面，通过消除散射波的方式耦合到微谐振器；一个第二波导（906）集成在所述基板上，其第一端也通过成角度小面耦合到所述微谐振器；一个集成在所述基板上的半导体光探测器，用于接收并将所述第二波导（906）的光输出转换为电信号。此外，在光探测器（903）和电光调制器（901）之间进行电连接以传输电调制信号。第一和第二波导的至少一部分被掺杂以产生光学增益，用以在由光波导（902、906）、高反射镜（909）、反射间隙（904）和微球谐振器（905）形成的激光腔中产生激光振荡，并产生光输出（908）和射频输出（907）。

图9所示的LiDAR系统或OFDR系统中使用的COEO可以是集成COEO，其包括电可控反馈环路中的高Q光谐振器。一个电光调制器用来调制光信号以响应至少一个电控制信号。至少一个具有光学部件和电气部件的光电反馈回路耦合到电光调制器，以产生正反馈的电控制信号。反馈环路的电路部分将耦合到反馈回路的光学部分的调制光信号的一部分转换为电信号，并将其至少一部分作为电控制信号馈入电光调制器。高Q光学谐振器可以设置在光电反馈回路的光学部分中，或者设置在耦合到光电反馈回路的另一光反馈回路中，以提供足够长的能量存储时间，从而产生窄振荡线宽和低相位噪声。光谐振器的模式间隔等于光电反馈回路的一个模式间隔或多个模式间隔。此外，OEO的振荡频率等于光谐振器的模式间隔的一个或倍数模式间隔。光学谐振器可以以多种配置来实现，包括例如法布里 - 珀罗（Fabry-Perot）谐振器、光纤环谐振器、以及回音壁模式的微球谐振器。这些光学谐振器配置可以减小OEO器件的物理尺寸，并可以将OEO与单个半导体芯片等其它光电子器件集成。

虽然该专利文献包含许多细节，但是这些专利文献不应被解释为对任何发明的范围或可要求保护的范围的限制，而是作为特定发明的具体实施方案的特征的描述。在单独的实施例的上下文中，在该专利文献中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，虽然以上可以将特征描述为以某些组合的方式起作用，并且甚至最初要求保护，但要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中被切除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或变化的组合。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘操作，但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行此类操作，或者执行所有所示的操作以实现期望的结果。此外，在本专利文献中描述的实施例中的各种系统组件的分离在所有实施例中不应被理解为需要这样的分离。

仅描述了几个实施例和示例，并且可以基于本专利文献中描述和说明的其他实现，增强和变化来进行其他实现，增强和变化。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当被认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。

附录清单：

附录A：美国专利号5,723,856A

附录B：美国专利号5,777,778A

附录C：美国专利号5,929,430

附录D：美国专利号6,567,436B1

附录E：美国专利号6,873,631B2

美国专利号6,389,197

美国专利号6,795,481

美国专利号5,917,179

美国专利号6,417,957

美国专利号6,476,959

美国专利号6,580,532

Claims

1.一种光检测和测距方法，其特征在于，包括：

采用一个可调频光电振荡器（OEO），提供一个调制光输出，和一个射频输出电信号;

一个光学扫描器接收来自可调频光电振荡器的调制光输出的一部分，作为照射目标的探测光扫描照射被测目标；

一个混频器，接收来自可调频光电振荡器的射频输出电信号，并从光探测器接收探测器电信号，混频器混合光电振荡器的电信号和探测器电信号，并进行乘法运算，产生表示目标位置信息的拍频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述光电振荡器，包括：

采用一个光源产生一束光，采用一个电光调制器接收所述光源的光并对其进行调制，产生调制后的第一输出光和第二输出光；

将调制后的第一输出光作为光电振荡器的光输出，将调制后的第二输出光，经过一个光延迟器后，输出到一个光学探测器转换成电信号输出；

光探测器输出的电信号被一个可调频滤波器接收，并产生一个与滤波器中心频率大致一致的滤波器射频输出信号；

所述滤波器射频反馈信号反馈到电光调制器对经过调制器的光进行反馈调制，输出被调制的光信号，以承载具有射频或微波频率的射频或微波振荡信号；

其中光电反馈回路被构造成将电信号同相位馈送到电光调制器在射频或微波频率下产生和维持光调制和电振荡；

调节可调频滤波器中心频率，使滤波器射频输出信号频率线性变化，从而使光电振荡器的射频输出频率和电光调制器的调制频率线性变化。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，其中所述光路为光纤构成。

4.一种光学测量装置，其特征在于，包括：

一个频率可调光电振荡器，提供一个调制输出光信号，和一个射频输出电信号；

所述光电振荡器的调制输出光信号通过一个光环形器或耦合器后，再通过一个光学发射接收器发射出去到达被测目标并产生反射光信号；所述光学发射接收器接收来自被测目标的所述反射光信号，并将所述反射光输出到光环形器或耦合器；

一个光探测器接收来自光环形器或耦合器输出的被测目标反射光信号，并将该输出光转换成电信号；

一个混频器，接收来自信号放大器的输出电信号，与来自光电振荡器的射频输出电信号乘法运算，产生一个拍频输出信号；

一个滤波器对混频器输出的拍频输出信号进行滤波后，输出一个滤波信号给一个频谱分析器；所述频谱分析器产生一个频谱分析信号，输出给一个信号处理器；

所述信号处理器计算出被测目标的信息。

5.根据权利要求4所述的光学测量装置，其特征在于，其中所述光电振荡器包括：

将调制后的第一输出光作为光电振荡器的光输出；

一个可调频滤波器接收所述光探测器输出的电信号，并产生一个滤波器射频输出信号；

所述滤波器射频反馈信号反馈到可控电光调制器对电光调制器的调制输出光进行反馈调制，使得经调制器的光输出被调制，以承载射频或微波频率的射频或微波振荡信号；

调节可调频滤波器的中心频率，使滤波器射频输出信号频率线性变化，从而使光电振荡器的射频输出频率和电光调制器的调制频率线性变化。

6.根据权利要求4所述光学测量装置，其特征在于，包括：

所述光学发射接收器探测的目标是一根用来测量不同位置处的温度或压力或应变等信息的传感光纤；

或者光学发射接收器探测的目标是一维光学空间的障碍物；

或者通过一根传感光纤连接发射接收器，测量光纤不同位置处的温度或压力或应变等信息的同时，探测一维光学空间的障碍物。

7.根据权利要求4所述光学测量装置，其特征在于，包括：

所述光学发射接收器是一个二维或三维发射接收扫描器，通过二维或三维扫描探测二维或三维空间的目标；或者通过一根传感光纤连接发射接收扫描器，测量光纤不同位置处的温度或压力或应变等信息的同时，通过二维或三维扫描探测二维或三维空间的目标；

所述光学测量装置还包括，所述信号处理器与所述扫描器连接，输出一个控制信号，对扫描器进行扫描控制；

并将扫描器的扫描信息和所述频谱分析信号进行混合运算，计算出被测目标在二维或三维空间的分布信息。

8.根据权利要求5所述的光学测量装置，所述光电振荡器的

所述光源、电光调制器、光探测器、可调频滤波器集成为一个模块。

9.根据权利要求8所述的光学测量装置，其特征在于，

所述模块是将光源、电光调制器、光探测器、可调频滤波器集成在一个半导体芯片上。

10.根据权利要求5所述的光学测量装置，其特征在于，所述可调频滤波器包括：

一个射频定向耦合器，接收光探测器的输出电信号，并输出一个滤波器输出信号和一个射频定向耦合器反馈信号；

一个可调移相器接收所述射频定向耦合器反馈信号，产生一个可调移相器输出信号；

一个射频放大器接收可调移相器输出信号，并反馈到射频定向耦合器，对所述滤波器输出信号进行滤波调制。

11.根据权利要求4所述的光学测量装置，其特征在于，所述光电振荡器是一个可调光电振荡器，包括：

一个光源产生一束光源输出光；

一个调制器接收光源输出光，并产生一个调制器输出光；

一个与光学微型球或光学微型圆盘耦合的第一光波导接收调制器输出光，并产生一个光电振荡器光输出，和一个第一光波导耦合光输出；

所述光学微型球或光学微型圆盘接收来自第一光波导的第一光波导耦合光输出，并产生一个光学微型球或光学微型圆盘的光输出；

一个第二光波导与光学微型球或光学微型圆盘耦合，接收来自光学微型球和光学微型圆盘的光输出，并产生一个第二光波导的光输出；

一个光探测器接收来自第二光波导的光输出，产生一个光探测器射频输出信号，作为耦合光电振荡器的射频输出信号；

一个可调射频滤波器，接收来自光探测器射频输出信号的一部分，并产生一个射频滤波器输出信号给所述调制器，通过所述调制器对调制器输出光进行调制；

12.一种光学测量装置，其特征在于，包括：

一个耦合光电振荡器，提供一个脉冲输出光信号，和一个射频输出信号；

所述耦合光电振荡器的脉冲输出光信号通过一个光环行器或耦合器后，再通过一个光学发射接收器发射出去到达被测目标并产生反射光信号；所述光学发射接收器接收来自被测目标的所述反射光光信号，并将所述反射光输出到光环形器或耦合器；

一个A/D转换器接收来自所述信号放大器的输出电信号，同时接收来自所述耦合光电振荡器的射频输出信号，并将其由模拟信号转换成数字信号并输出；

一个运算模块接收来自所述A/D转换器的输出，并根据所述耦合光电振荡器输出的射频信号和所述光探测器收到的被测目标反射回来的脉冲信号的时间差，计算出被测目标的距离信息；

一个计算机接收来自所述运算模块的被测目标的距离输出信息；并在驱动光学发射接收器对被测目标空间进行2D或3D扫描的同时，接收所述光学发射接收器扫描角度信息；

所述计算机根据所接收的被测目标距离信息，和所接收的扫描角度信息，计算出被测目标的2D或3D空间分布情况。

13.如权利要求12所述装置，其特征在于，包括；

所述耦合光电振荡器包括：

一个第一光波导的第一端口和一个微型光学球或微型光学盘耦合，第一光波导的第二端口与通过一个调制器与一个高反射镜相连；

一个第二光波导的第一端口与所述微型光学球或微型光学盘耦合，第二光波导的第二端口与一个光探测器相连，且在所述光探测器和第二光波导之间保持一个可以引起反射的间隙；

所述高反射镜、第一光波导、第二光波导、微型光学球或微型光学盘和所述光探测器和第二光波导之间保持一个可以引起反射的间隙形成一个激光谐振腔，所述第一光波导或\和第二光波导通过掺杂可以产生激光谐振，并在所述反射间隙产生一个作为所述耦合光电振荡器的脉冲激光输出；

所述光探测器的电输出的一部分作为所述耦合光电振荡器的射频输出信号，所述光探测器的电输出的另外一部分，作为反馈信号到所述调制器，对所述谐振腔的激光进行调制。

14.根据权利要求11和13所述的光学测量装置，其特征在于，

所述光电振荡器是一个将所有器件集成到半导体芯片上的光电振荡器。

15.如权利要求4和12所述的光学测量装置，其特征在于，

所述光学测量装置的光路是由光纤构成。