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CN112997098B - 包括高性能光学接收器的光学系统及其方法 - Google Patents

包括高性能光学接收器的光学系统及其方法 Download PDF

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Abstract

提供了确定物体相对于光学系统的诸如量、移动、距离以及速率/速度的各种特性的光学系统、装置以及方法。该系统和方法包括：光学发送器，其发送承载电参考信号的输出光学信号；以及光学接收器，其接收输出光学信号的反射。该接收器包括：至少一个本机振荡器，其以本机振荡器频率来提供本机振荡器光；至少一个组合器，其将输出光学信号的反射与本机振荡器光组合成经耦合的光学信号。光电转换器将经耦合的光学信号转换成第一电信号，该第一电信号经由包络检测器/整流器进行整流以提供第一经整流的电信号，该第一经整流的电信号通过信号处理器进行处理以计算对输出光学信号进行反射的物体的各种特性。

Description

包括高性能光学接收器的光学系统及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年10月15日提交的美国临时专利申请No.62/745,732的权益和优先权，其全部内容通过引用而并入于此。
发明背景
技术领域
本发明总体上涉及具有改进的性能的光学系统。更具体地，本发明涉及具有改进的接收器和系统性能的光学检测系统、装置以及方法。
背景技术
在过去的几十年中，已经开发出激光雷达(LIDAR)系统，来作为传统无线电波检测方法无法充分解决的距离(range)检测问题的解决方案。光检测系统采用：发送光和接收反射光并且基于由光的飞行时间(“ToF：time of flight”)所引入的发送的光与接收的光之间的差异来进行距离计算的各种技术；以及确定速度的各种技术，诸如多普勒频移(doppler-shift)测量。
诸如自动驾驶车辆、无人驾驶航空系统等的高性能应用的出现，增加了对距离检测系统(即，传感器)的需求。这些新的和传统的应用的能力将至少部分基于为该应用提供数据的各种传感器系统的性能。因此，对支持高性能应用的持续改进的高性能距离检测和其它传感器系统的需求不断增长。
发明内容
本发明通过提供使能实现高性能距离检测、光学时域反射法(“OTDR：opticaltime-domain reflectometry”)以及其它应用的光学系统、装置以及方法来满足上述需求。该系统可以包括与直接且外部调制的光学源以及双向/共享组件相结合的零差和外差检测接收器，其克服了现有技术解决方案的挑战，从而使得能够在各种应用中部署更紧凑且成本更低的系统。
提供了检测、确定或测量物体相对于光学系统的诸如量、移动、距离以及速度这样的各种特性的光学系统、装置以及方法。该系统和方法包括：一个或更多个光学发送器，所述一个或更多个光学发送器发送承载电参考信号的输出光学信号；以及一个或更多个光学接收器，所述一个或更多个光学接收器接收输出光学信号的反射光学信号。该接收器包括：至少一个本机振荡器，所述至少一个本机振荡器以本机振荡器频率来提供本机振荡器光；至少一个组合器，所述至少一个组合器将输出光学信号的反射光学信号与本机振荡器光组合成经耦合(coupled)的光学信号。该本机振荡器可以包括或者可以不包括在光学发送器中使用的光学源。一个或更多个光电转换器将经耦合的光学信号转换成电信号，可以将该电信号经由包络检测器/整流器进行整流以提供第一经整流的电信号，将该第一经整流的电信号连同参考信号通过一个或更多个信号处理器进行处理，以计算输出光学信号的反射光学信号的各种特性，诸如反射该输出光学信号的物体的量、移动、距离、速度等。另外，该光学系统可以包括多个光学发送器和接收器，所述多个光学发送器和接收器以一个或更多个波长进行操作，以提供物体的多维表征。
在各种实施方式中，可以将参考信号在光域中或者在经反射的光学信号已经被接收到并转换成电信号之后与经反射的光学信号进行组合。电参考信号可以包括具有或没有参考标识符的模拟和/或数字参考信号，因为它们可能适合于响应时间和期望的精度水平。光电转换器可以以考虑参考信号和经调制的光的带宽的带宽来加以实现，该经调制的光包括诸如频率啁啾(chirp)、突发模式频谱偏移(spectral excursion)、温度、老化(aging)等的变化。可以对本机振荡器进行控制或仅进行选择，以使得能够相对于接收器的带宽高效地接收经反射的光学信号。
因此，本公开解决了对具有改进的成本和性能的距离检测和物体表征系统以及接收器的持续需求。
附图说明
附图被包括进来是为了示例性地例示本发明的各个方面，而非为了限制本发明，其中：
图1至图5示出了示例性光学系统实施方式和示例性测量。
在附图和详细的描述中，相同或相似的标号可以标识相同或相似的要素。应意识到，除非明确声明或者原本就不可行，否则参照特定图中的实施方式所描述的实现、特征等均可以参照其它图中的其它实施方式来实现。
具体实施方式
可以以各种配置采用本发明的光学系统10，来检测目标物体并且确定目标物体相对于光学系统10的各种特性。系统10可以是独立的固定或移动单元，或者与宿主(host)物体关联，该宿主物体可以是静止物体(例如，杆子)或移动物体(例如，水上船舶、地面载具或飞行器)。根据系统10的特定应用，正被检测、测量的目标物体可以很大(例如，车辆)或者很小(例如，颗粒)。
图1例示了本发明的光学系统10，该光学系统10可以包括：通过介质12发送承载参考信号的输出光学信号的一个或更多个光学发送器(OTx：optical transmitter)20；以及接收输入光学信号的一个或更多个光学接收器(ORx：optical receiver)30，该输入光学信号可以包括该输出光学信号的、已经从目标物体14反射通过介质12直至返回到光学接收器30的至少一些输出光学信号。普通技术人员应意识到，在系统10的许多测量和检测应用中，介质12将是自由空间(即，非波导)，但是根据应用以及系统10中使用的光频率，可以包括采用各种组合的宽泛范围的材料，例如，空气(气体)、水(液体)、玻璃(固体)、真空等。
由于光学发送器20和光学接收器30通常可以位于同一位置，并且在一些实施方式中是作为同一单元的一部分，因此，发送器20和接收器30可以共享诸如透镜、组合器、分路器(splitter)、信号发生器等的组件，如本文所描述以及在附图中所示的。如下面提到的，应意识到，虽然在附图中可以描绘分立的组件以方便说明，但是可以采用光纤、非光纤波导、自由空间以及光子集成电路(“PIC：photonic integrated circuit”)组件和传输介质来以各种组合实现和集成所述各种组件。
如图2所示，系统10可以包括电参考信号发生器22，该电参考信号发生器22可以是模拟的(诸如来自射频(RF)源的经调制的射频(RF)载波)或者数字的(诸如数字信号处理器)，以提供参考信号，或者被配置成从外部电信号发生器接收该参考信号的一个或更多个电输入。可以将该参考信号诸如经由电分路器在系统内部或外部分成或复制成发送部分和接收部分。可以将发送部分用于直接调制光学发送器20中的光源24，和/或在外部以发送频率/波长调制来自光源24的光输出从而生成经调制的光。该经调制的光从光学发送器20的一个或更多个光学输出端口或者系统10的发送段输出，作为输出光学信号。
根据技术人员所期望的特定性能和成本特性，光源24可以包括各种类型的激光器，诸如DFB、VCSEL、DBR、ECL或者其它类型的激光器。本发明通常使得商业上现成的激光器能够用于许多应用，从而使能实现低成本、稳健的平台。在其它应用中，可能希望使用外部调制器来将参考信号施加(imparted)到输出光学信号上和/或使用一个或更多个定制光源。例如，可以将一个或更多个激光器用作光学发送器20中的光源24和用作光学接收器30中的本机振荡器(“LO：local oscillator”)32。
在各种实施方式中，可以设置一个或更多个耦合器26，以将来自光学发送器24的输出光学信号经由一个或更多个透镜28耦合至介质12。透镜28可以是分立的透镜和/或透镜光纤或者其它波导。还可以将耦合器26用于将输出光学信号分成多个信号，如下面进一步描述的。如进一步描述的，可以将耦合器26双向地用作光学接收器30的一部分。
光学接收器30通过一个或更多个光学输入端口接收来自介质12的光，所述光学输入端口可以包括一个或更多个透镜28，所述一个或更多个透镜28可以与光学发送器20共享以用于所述输出光学信号，或者可以不与光学发送器共享。接收到的光可以包括输出光学信号的来自目标物体14的反射(“经反射的光学信号”)，并且很可能还包括存在于介质12中的其它光，以及可能来自除目标物体14以外的其它物体的反射(这种反射可能表示输入光学信号中的噪声)。
光学接收器30，或者系统10的接收段可以包括：
·一个或更多个本机振荡器32，各个本机振荡器以本机振荡器频率/波长来提供光；
·至少一个耦合器34，所述至少一个耦合器34将接收到的光与来自本机振荡器32的本机振荡器光耦合成经组合的光学信号；
·具有预定义的频宽的至少一个光电(“OE：optical-electrical”)转换器(例如，光电二极管)36，该光电转换器36将经组合的接收到的光和本机振荡器光转换成接收到的电信号；
·在各个实施方式中，可以包括一个或更多个线性放大器38，所述一个或更多个线性放大器38对来自光电转换器36的接收到的电信号进行放大；
·至少一个整流器(例如，包络检测器)40，所述至少一个整流器40对接收到的电信号进行整流并提供对应的经整流的电信号；
·至少一个电组合器(例如，混频器(mixer))42，所述至少一个电组合器42将对应的经整流的电信号中的各个电信号与参考信号的接收部分进行组合，以基于参考信号的发送部分与接收部分之间的差异来生成检测信号；以及
·至少一个信号处理器44，所述至少一个信号处理器44基于检测信号来计算目标物体的各种特性，例如相对于光学接收器的量、移动、距离以及速度。
该参考信号可以包括具有或没有参考标识符的模拟和/或数字参考信号，因为它们可能适合于响应时间和技术人员所期望的精度水平。在各种实施方式中，将参考信号的发送部分(来自输出信号的接收到的经反射的输出信号)与直接提供给接收器的参考信号的接收部分进行比较，以确定经反射的输出光学信号的飞行时间以及目标物体14与系统10的距离。可以将按距离和/或随时间的所发送的光学信号和接收到的光学信号的相对强度用于执行各种计算。
可以将随时间的多次比较用于计算包括系统10在内的物体与目标物体14的相对量、移动、速率/速度，也可以将该多次比较与包括系统10在内的宿主物体的其它速率或速度、测量结合使用。在各种实施方式中，被施加至输出光学信号的参考信号可以包括时间戳或者其它标记，该时间戳或其它标记可以在光学接收器30中用来计算经反射的输出光学信号的飞行时间以及目标物体14与系统10的距离。技术人员可以采用上面的比较或其它比较中的一个或更多个比较，来执行基于反射的飞行时间和/或强度的检测、距离以及其它计算。另外，可以将参考信号用于减少输入光学信号中的噪声影响。
可以将光电转换器36实现为具有足以转换用于参考信号和经调制的光的宽泛范围带宽的带宽，并且还可以被选择成解决由频率啁啾(chirp)、突发模式频谱偏移、温度、老化等而引起的变化，例如，商业上现成的光电二极管和整流器的带宽可能高达40GHz或更高。可以对本机振荡器32进行控制或仅进行选择(即，不进行控制)，以使得能够相对于转换器36的带宽高效地接收经反射的光学信号。
图2的实施方式可以采用电生成调频连续波(EFMCW：electrically generatedfrequency-modulated continuous wave)发生器，以生成具有扫频的参考信号作为正弦波信号(即，正弦调制的幅度保持恒定/连续并且频率是扫描的/调制的)。参考信号的频率可以以在检测系统的带宽内的范围线性地上下扫描。可以将小于1的调制指数用于允许激光啁啾仍保持在接收器带宽内。然而，与其它相干方法相比，可以容忍更高量的啁啾。信号处理可以利用电零差(homodyne)或外差(heterodyne)检测。然后将经反射并恢复的信号与用于生成发送信号的参考信号进行比较。
图3的实施方式类似于图2的实施方式，其中光学发送器20包括光源驱动器25，该光源驱动器25将参考信号施加至光源24。在接收器30中，信号处理器44可以包括：将检测信号从模拟转换成数字检测信号的模数(“A/D：analog to digital”)转换器46；以及对该数字检测信号进行处理的数字信号处理器48。
在这些实施方式中，可以通过控制直接调制激光器的偏压电流来产生光学调频连续波(OFMCW：optical frequency-modulated continuous wav)光学信号。可以通过对照偏压控制啁啾(control of the chirp versus bias)来校准激光器，以获得上下线性频率扫描。另选例是使用外部调制器来产生扫频，或者使用温度控制器来调制激光的温度，以便引入期望的频率调制。
图4的实施方式例示了使用电分路器45将经整流的检测信号分成两个经整流的电信号，可以将这两个经整流的电信号经由两个电混频器42与参考信号进行混频，并且提供给相位检测器47。
图5的实施方式例示了将输出光学信号的一部分与经反射的输入光学信号和本机振荡器光进行耦合，并且采用高通滤波器49来提供检测信号。在这些实施方式中，来自本机振荡器32的光、经反射的光以及传输(部分(fractional))光全部通过光电转换器36中的一个或更多个组合器34进行组合。可以将本机振荡器32的频率从平均发送频率到大约电频带(信道)中间的偏移用于通过光电转换器36、线性放大器以及高通滤波器来创建：与Elo*(Et+Er)成正比的电流I，其中，Elo、Et&Er分别表示本机振荡器的电场、所发送的光以及经反射的光。这个项在包络检测器/整流器40中进行平方并校正，从而产生项Elo 2*Et*Er，在进行低通滤波之之后，可以从该项中找到包含频率变化的信号，并将该信号用于计算经反射的光学信号经反射的光学信号相对于参考信号所行进的距离和/或速度。可以将高通滤波器49用于从光电转换器36的输出中滤出Et*Er的混合信号，该混合信号可能很小。
本机振荡器32通常可以包括一个或更多个固定或可调谐的光源，诸如各种线宽(linewidth)的激光器，以便以一个或更多个本机振荡器频率来提供本机振荡器光，所述一个或更多个本机振荡器频率可以相对于光学信号的频率进行偏移，即，本机振荡器频率偏移。光学本机振荡器激光器32以光频率(Flo：optical frequency)发射光，该光频率相对于信号中心频率(Fc：center frequency)以频率偏移或频率差(dF：requency difference)进行偏移。如上所述，本机振荡器32可以包括一个或更多个激光器，诸如VCSEL、DFB、DBR、ECL或者其它类型的激光器。可以将本机振荡器32调谐成所述信号的频率或波长。这可以是带内配置或带外配置。在带内配置中，将本机振荡器32调谐成所述信号的频谱内的频率或波长。在带外配置中，将本机振荡器32调谐成所述信号的频谱之外的频率或波长。以这种方式，可以使用本机振荡器32来实现波长选择性。使用本机振荡器32作为波长选择器使得系统能够在具有或没有光学滤波器的情况下运行。
应意识到，虽然相对于图2至图5所描述的光学接收器实施方式描绘了使用利用一个光电转换器36接收的、包括经反射的输出光学信号的输入光学信号，但是光学接收器30可以包括涉及多个光电转换器36的各种实施方式。例如，美国专利申请号15927792(其全部内容通过引用并入本文)描述了可以在本发明中采用的包括偏振分集接收器的各种光接收器实施方式。利用多个光电转换器来进一步提高接收器灵敏度的其它配置可以包括平衡接收器。
前述公开内容提供了本发明的示例、图示以及描述，但是并非旨在排它或将这些实现限制成所公开的精确形式。按照上面的公开，可以进行修改和改变，或者可以从实现的实践中来获取修改和改变。本发明的这些以及其它改变和修改是可能的和可预期的，并且意图是前面的说明书和所附权利要求覆盖这样的修改和改变。
如本文所用，术语“组件”旨在被广义地解释为硬件、固件和/或硬件和软件的组合。很明显，本文所描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、固件或者硬件和软件的组合来实现。用于实现这些系统和/或方法的实际的专用控制硬件或软件代码并不限制所述实现。因此，本文在不参考特定软件代码的情况下描述了所述系统和/或方法的操作和行为—应理解，可以基于本文的描述来将软件和硬件设计成实现所述系统和/或方法。
所述系统的各种部件均可以采用各种级别的光子、电气以及机械集成。可以将多个功能集成在系统10中的一个或更多个模块或单元上。
硬件处理器模块的范围例如可以从通用处理器和CPU到现场可编程门阵列(FPGA)到专用集成电路(ASIC)。软件模块(在硬件上执行)可以采用多种软件语言(例如，计算机代码)来表达，包括：C、C++、JavaTM、Javascript、Rust、Go、Scala、Ruby、Visual BasicTM、FORTRAN、Haskell、Erlang和/或其它面向对象、过程化或其它编程语言和开发工具。计算机代码可以包括微代码或微指令、机器指令(诸如由编译器生成的机器指令)、用于生成Web服务的代码以及包含高级指令的文件，这些高级指令由计算机使用解释器来执行并且采用控制信号、加密的代码以及压缩的代码。
软件可以采用各种输入和输出接口，这些输入和输出接口可以包括一个或更多个应用编程接口以及提供数据输入和输出的用户界面。用户界面可以包括图形用户界面、非图形用户界面、基于文本的用户界面等。用户界面可以提供用于显示的信息。在一些实现中，用户可以诸如通过经由装置的以下输入组件提供输入来与信息交互：该输入组件提供用于显示的用户界面。在一些实现中，用户界面是可由装置和/或用户配置的(例如，用户可以改变用户界面的大小、经由用户界面提供的信息、经由用户界面提供的信息的位置等)。另外或者另选地，可以将用户界面预先配置成标准配置、基于在其上显示用户界面的装置的类型的特定配置、和/或基于与在其上显示用户界面的装置关联的能力和/或规格的一组配置。
本文结合阈值描述了一些实现。如本文所用，满足阈值可以是指以下值：该值大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等等。
除非同样地明确描述，否则本文所使用的任何要素、动作或指令都不应被解释为关键或必要的。而且，如本文所用，冠词“一(a和an)”旨在包括一个或更多个项，并且可以与“一个或更多个”互换使用。而且，如本文所用，术语“组/集(set)”旨在包括一个或更多个项，并且可以与“一个或更多个”互换使用。在意指仅一个项的情况下，使用术语“一个”或类似语言。而且，如本文所用，术语“具有(has、have、having等)”旨在作为开放式术语。此外，除非另有明确声明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。
即使在权利要求中陈述了特征的特定组合和/或在说明书中公开了特征的特定组合，这些组合也并非旨在限制可能实现的公开。实际上，这些特征中的许多特征均可以以权利要求中未具体陈述和/或说明书中未公开的方式来进行组合。尽管下面列出的各个从属权利要求可以直接取决于仅一项权利要求，但是可能实现的公开包括各项从属权利要求与权利要求集中的每一项其它权利要求的组合。
在本申请中存不存在发明内容、摘要或权利要求，决不应被认为是对本文所公开的任何发明范围的限制。

Claims (20)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
电参考信号发生器，所述电参考信号发生器用于提供电参考信号；
至少一个光学发送器，所述至少一个光学发送器发送承载所述电参考信号的输出光学信号；以及
至少一个光学接收器，所述至少一个光学接收器接收所述输出光学信号的反射光学信号，所述至少一个光学接收器包括：
至少一个本机振荡器，所述至少一个本机振荡器以本机振荡器频率来提供本机振荡器光，所述本机振荡器光不相对于所述输出光学信号被控制，并且相对于所述输出光学信号偏移一频率差；
组合器，所述组合器将所述输出光学信号的反射光学信号与所述本机振荡器光耦合成经耦合的光学信号；
光电转换器，所述光电转换器将所述经耦合的光学信号转换成第一电信号；
整流器，所述整流器对所述第一电信号进行整流，以提供第一经整流的电信号，所述光电转换器和所述整流器具有这样的带宽，该带宽用于接收所述经耦合的光学信号，并且考虑由对光源和不被控制的所述本机振荡器光直接调制产生的、所述输出光学信号的至少一个频率啁啾引起的变化；
电组合器，所述电组合器将所述第一经整流的电信号与所述电参考信号进行组合，以基于所述第一经整流的电信号和所述电参考信号之间的差异来生成检测信号；以及
信号处理器，所述信号处理器基于所述第一经整流的电信号和所述电参考信号来计算所述输出光学信号的反射光学信号所行进的距离。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述输出光学信号是通过利用所述电参考信号对激光器进行直接调制来生成的。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述输出光学信号是通过利用所述电参考信号对DFB激光器进行直接调制来生成的。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述信号处理器包括：
电分路器，所述电分路器将所述经整流的电信号分成第一经整流的信号和第二经整流的信号；
第一电组合器和第二电组合器，所述第一电组合器和第二电组合器将所述第一经整流的信号和所述第二经整流的信号与所述电参考信号进行组合，并且提供第一经整流的参考信号和第二经整流的参考信号；以及
相位检测器，所述相位检测器对所述第一经整流的参考信号与所述第二经整流的参考信号之间的相位差进行检测。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述信号处理器包括：
模数转换器，所述模数转换器将所述经整流的参考信号转换成数字信号，以及
数字信号处理器，所述数字信号处理器对所述数字信号进行处理。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述电参考信号发生器是来自RF源的经调制的RF信号和数字信号处理器中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述输出光学信号的反射光学信号来自物体，并且
所述计算包括：基于所述输出光学信号的反射光学信号来计算所述物体距所述光学系统的距离。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光电转换器具有至少40GHz的带宽。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
以小于1的调制指数直接调制所述光源。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述电参考信号发生器是电生成调频连续波(EFMCW)发生器。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，
所述光源包括被控制以产生光学调频连续波(OFMCW)输出光学信号的偏置电流。
12.一种测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
通过电参考信号发生器提供电参考信号；
通过光学发送器发送承载所述电参考信号的输出光学信号；
通过光学接收器接收所述输出光学信号的反射光学信号作为输入光学信号；
通过本机振荡器以本机振荡器频率提供本机振荡器光，所述本机振荡器光不相对于所述输出光学信号被控制，并且相对于所述输出光学信号偏移一频率差；
通过组合器将所述本机振荡器光与所述输出光学信号的接收到的反射光学信号进行组合，以提供经耦合的光学信号；
通过光电转换器将所述经耦合的光学信号转换成第一电信号；
通过整流器对所述第一电信号进行整流，以提供第一经整流的电信号，所述光电转换器和所述整流器具有这样的带宽，该带宽用于接收所述经耦合的光学信号，并且考虑由对光源和不被控制的所述本机振荡器光直接调制产生的、所述输出光学信号的至少一个频率啁啾引起的变化；
通过电组合器将所述第一经整流的电信号与所述电参考信号进行组合，以基于所述第一经整流的电信号和所述电参考信号之间的差异来生成检测信号；以及
通过信号处理器对所述检测信号进行处理，以计算所述输出光学信号的反射光学信号所行进的距离。
13.根据权利要求12所述的测量方法，所述测量方法还包括以下步骤：
通过高通滤波器对所述第一电信号进行滤波。
14.根据权利要求12所述的测量方法，其中，处理步骤包括：
将所述第一经整流的电信号转换成数字信号；以及
以数字方式对所述数字信号进行处理。
15.根据权利要求12所述的测量方法，所述测量方法还包括以下步骤：
通过线性放大器对所述第一电信号进行放大。
16.根据权利要求12所述的测量方法，其中，所述输出光学信号的反射光学信号来自物体，并且
所述计算是基于所述输出光学信号的反射光学信号来计算所述物体的距离和速度中的至少一者的。
17.根据权利要求12所述的测量方法，其中，
所述电参考信号发生器是RF源和数字信号处理器中的至少一者。
18.根据权利要求12所述的测量方法，其中，
所述电参考信号包括时间戳。
19.根据权利要求13所述的测量方法，其中，
速度是基于连续的距离计算来计算的。
20.根据权利要求12所述的测量方法，其中，
所述光电转换器具有至少40GHz的带宽。
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