具体实施方式

本公开的实施方式通常涉及用于使用LIDAR提供光学测距的系统和方法，包括但不限于用于在相干LIDAR中提供发射和接收模式的空间移位的系统和方法。

为了实现可接受的距离精度和检测灵敏度，直接长距离LIDAR系统使用具有低脉冲重复率和极高脉冲峰值功率的短脉冲激光器。高脉冲功率能够导致光学组件的快速退化。啁啾和相位编码LIDAR系统使用具有相对低的峰值光学功率的长光学脉冲。在这种配置中，距离精度随着啁啾带宽或相位代码的长度和带宽而不是脉冲持续时间而增加，并且因此仍然能够获得很好的距离精度。

使用宽带射频(RF)电信号来调制光学载波已经实现了有用的光学带宽。LIDAR的最新进展包括使用相同的调制光学载波作为参考信号，参考信号在光学检测器处与返回信号组合以在得到的电信号中产生在RF频带中的相对低的拍频，该拍频与在参考光学信号和返回光学信号之间的频率或相位差成比例。在检测器处对频率差的这种拍频检测被称为外差检测。它具有若干优点，诸如使用现成且廉价的可用性的RF组件的优点。

本发明人的最近工作示出了用于检测返回信号中的多普勒频移光学组件和相干处理的新颖布置，其不仅提供了改进的距离，而且提供了在LIDAR系统与每个外部对象之间的向量上的相对带符号速度。这些系统在本文中被称为高分辨率距离多普勒LIDAR。这些改进能够在具有或不具有目标速度的情况下，在具有适当频率或相位内容的笔形细激光束中提供范围。当这种光束扫过场景时，关于周围对象的位置和速度的信息能够被获得。该信息预期在用于诸如自驾汽车或驾驶员辅助汽车的自动驾驶车辆的控制系统中具有价值。

此外，本公开的发明人注意到，包括采用单基地收发器的那些系统的传统LIDAR系统涉及单模式(SM)光纤在准直光学元件的焦平面处的对准。虽然这种布置具有自对准的优点，因为发射和接收光沿着相同的光路行进，但是本公开的发明人还认识到，发射和接收模式的分离必须通过一些循环方式在SM光纤内被完成。本公开的发明人还认识到，采用双基地收发器的常规LIDAR系统不提供用于在空间上分离发射模式与接收模式的手段。这种缺陷的一个缺点是，在这种传统LIDAR系统中，发射和接收模式与双基地收发器的相应发射和接收波导的必要对准非常困难。

为了解决这个问题，本公开的一些实施方式提供定位在收发器(例如，双基地收发器)的发射和接收波导外部的自由空间光学组件(自由空间光学器件)，以在空间上分离发射和接收模式。这种配置能够提供容易地将发射和接收模式与收发器(例如，双基地收发器)中的相应发射和接收波导对准的优点。这里，术语“自由空间光学器件”是指使用在自由空间(例如，空气、外部空间、真空等)中传播的光来无线地发射用于电信或计算机网络的数据的光学组件或设备。

在一些实施方式中，一种装置包括收发器(例如，单基地收发器)和自由空间光学器件。收发器可以被配置为沿着发射路径从激光源发射第一信号并且接收由目标反射的第二信号。自由空间光学器件可以被配置为沿着接收路径引导第二信号，使得第二信号在发射路径处不被接收。这种配置能够提供在收发器(例如，单基地收发器)中仅从发射路径发射光束并且仅在接收路径处接收返回光束的优点，使得发射和接收模式在收发器内被分离。

在下文中，描述用于扫描LIDAR系统的方法、装置、系统和计算机可读介质。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其它情况下，以框图形式示出了、公知结构和设备，以避免不必要地模糊本公开。

在高分辨率LIDAR系统的上下文中描述本公开的一些实施方式。在高精度双基地LIDAR系统的上下文中描述本公开的一个实施方式。在个人汽车上的单个前置高分辨率多普勒LIDAR系统的上下文中描述本公开的其它实施方式；但是，实施方式不限于该上下文。在其它实施方式中，采用具有或不具有多普勒分量、具有重叠或非重叠视场的相同类型或其他高分辨率LIDAR的一个或多个系统、或者安装在先导的或自主驾驶的、较小或较大的、陆地、海洋或空中交通工具上的一个或多个此类系统。基于静态陆地的LIDAR扫描也适用于以下描述的本公开的实施方式。

出于该描述的目的，“双基地LIDAR系统”意味着采用双基地收发器在目标处从发射波导发射光束并且在一个或多个接收波导处接收从目标反射的一个或多个返回波束的LIDAR系统。另外，出于该描述的目的，“双基地收发器”意味着包括至少一个发射波导和至少一个接收波导的波导阵列。在一些实施方式中，双基地收发器是一对或多对波导，其中每对波导是一个发射波导和一个接收波导。在其它实施方式中，双基地收发器是一组或多组波导，其中每组包括一个发射波导、与波导的第一侧间隔开第一间距的第一接收波导以及与发射波导的第二侧间隔开第二间距的第二接收波导。在另外的其它实施方式中，双基地收发器的波导被布置在波导的一维阵列或二维阵列中。

1.相位编码检测概述

使用用于距离的测量的光学相位编码信号，发射信号与用于发射信号的一部分的载波(相位＝0)同相，并且然后在短时间间隔内改变由符号Δφ表示的一个或多个相位改变(因此相位＝Δφ)，在发射信号上在两个或更多个相位值之间重复地来回切换。恒定相位的最短间隔是称为脉冲持续时间τ的编码的参数，并且通常是频带中最低频率的几个周期的持续时间。倒数1/τ是波特率，其中每个波特指示一个符号。在发射信号的时间期间，这种恒定相位脉冲的数量N是符号的数量N，并且表示编码的长度。在二进制编码中，存在两个相位值，并且最短间隔的相位能够被认为是对于一个值为0而对于另一值为1，因此符号是一个比特，并且波特率也被称为比特率。在多相编码中，存在多个相位值。例如，诸如Δφ*{0，1，2和3}的4个相位值，其中对于Δφ＝π/2(90度)，分别等于{0，π/2，π和3π/2}；并且因此，4个相位值能够分别表示0，1，2，3。在该示例中，每个符号是两个比特，并且比特率是波特率的二倍。

相移键控(PSK)是指通过改变(调制)参考信号(载波)的相位来传送数据的数字调制方案。通过在精确的时间改变正弦和余弦输入来施加调制。在射频(RF)上，PSK被广泛用于无线局域网(LAN)、RF识别(RFID)和蓝牙通信。替代地，代替相对于恒定的参考波操作，发射能够相对于其自身操作。单个发射波形的相位变化能够被认为是符号。在这个系统中，解调器确定接收信号的相位的变化，而不是相位(相对于参考波)本身。由于该方案取决于在连续相位之间的差，因此它被称为差分相移键控(DPSK)。DPSK能够在通信应用中的实施比普通PSK显著地更简单，因为不需要解调器具有参考信号的副本来确定接收信号的精确相位(因此，它是非相干方案)。

对于光学测距应用，由于发射机和接收机在同一设备中，因此能够使用相干PSK。载波频率是光学频率fc，并且RF f₀被调制到光学载波上。符号的数量N和持续时间τ被选择以实现所需的距离精度和分辨率。选择符号的方式以与编码信号和噪声的其他源可区分。因此，在发射信号与返回信号之间的强相关性可以是反射的或反散射的信号的强指示。发射信号由符号的一个或多个块组成，其中每个块足够长，以即使在存在噪声的情况下也提供与反射的或反散射返回的强相关性。在以下讨论中，假设发射信号可以由每块N个符号的M个块组成，其中M和N是非负整数。

图1A是根据实施方式的示意曲线图120，其图示了作为一系列二进制数字的示例发射信号以及用于距离测量的返回光学信号。水平轴122指示在零处的开始时间之后的任意单位的时间。竖直轴124a以相对于零的任意单位指示在频率fc+f₀处的光学发射信号的幅值。竖直轴124b以相对于零的任意单位指示在频率fc+f₀处的光学返回信号的幅值，并且从轴124a偏移以分离迹线。迹线125表示M*N个二进制符号的发射信号，具有如图1A所示的相位变化以产生以00011010开始并以省略号指示后续的代码。迹线126表示从不运动的对象散射的理想化的(无噪声)返回信号(并且因此，返回是没有多普勒频移的)。幅值被减小，但代码00011010是可识别的。迹线127表示理想化的(无噪声)的返回信号，返回信号从正在移动的对象散射并因此是多普勒频移的。返回不在适当的光学频率fc+f₀处，并且在预期的频带中未被很好地检测到，因此幅值被减弱。

通过等式1给出的多普勒效应，观测到的返回的频率f’与返回的正确频率f＝fc+f₀不同。

其中c是介质中的光速，v₀是观察者的速度，并且v_s是源沿着将源连接到接收器的向量的速度。注意，如果观察者和源以它们之间的向量上的相同的速度沿相同的方向移动，则两个频率是相同的。在两个频率之间的差Δf＝f′-f是多普勒频移，Δf_D，它会对距离测量造成问题，并且由等式2给出。

注意，误差的幅值随信号频率f的增加而增加。还注意，对于固定的LIDAR系统(v₀＝0)，对于以每秒10米进行移动的对象(v_s＝10)，并且可见光的频率约为500THz，则误差的大小在16兆赫兹(MHz，1MHz＝10⁶赫兹(Hz)，1Hz＝每秒1个循环)的量级。在下面描述的各种实施方式中，多普勒频移误差被检测并被用于处理用于距离的计算的数据。

在相位编码测距中，相位编码反映的到达通过将发射信号或其他参考信号与返回信号交叉相关来在返回中而被检测，其通过使用外差检测将RF信号的代码与来自光学检测器的电信号交叉相关并因此下混频回到RF频带来实现。对于任何一个滞后的交叉相关可以通过对两个迹线进行卷积，即，通过将两个迹线中的对应值相乘并对迹线中的所有点求和，并且然后对每个时间滞后进行重复而被计算。替代地，交叉相关能够通过两个迹线中的每一个的傅立叶变换的乘法、随后通过傅立叶逆变换而被实现。快速傅立叶变换(FFT)的有效的硬件和软件实施方式对于前向和逆向傅立叶变换两者是广泛地可用的。

注意，交叉相关计算在光学检测器处检测到返回的幅值和相位之后利用模拟或数字电信号被完成。为了将光学检测器处的信号移动到能够容易地被数字化的RF频率范围，光学返回信号在撞击到检测器上之前与参考信号光学地混合。相位编码的发射的光学信号的副本能够被用作参考信号，但是也可能、并且通常优选的是使用由激光器输出的连续波载波频率光学信号作为参考信号，并且获取由检测器输出的电信号的幅值和相位两者。

对于从不移动的对象反射的(并且因此返回没有多普勒频移的)理想化的(无噪声的)返回信号，峰值在发射信号开始之后在时间Δt处出现。这指示返回信号包括在时间Δt开始的发射相位码的版本。反射(或反散射)对象的距离R是根据基于介质中的光速c的双向行进时间延迟而被计算的，如由等式3给出。

R＝c*Δt/2 (3)

对于从移动的对象散射的(并且因此返回是多普勒频移的)理想化(无噪声)的返回信号，返回信号不包括在适当频率间隔(frequency bin)中的相位编码，相关性对于所有时间滞后保持为低，并且峰值不容易被检测到、而且在存在噪声的情况下通常是不可检测的。因此，Δt不容易被确定，并且距离R不容易产生。

根据本发明人的以前工作的各种实施方式，多普勒频移在返回信号的电学处理中被确定；并且多普勒频移可以被校正交叉相关计算。因此，峰值更容易地被发现，并且距离能够更容易地被确定。图1B是根据实施方式的示意图140，其图示发射信号的示例频谱和多普勒频移复返回信号的示例频谱。水平轴142指示任意单位的从光学载波fc的RF频率偏移。竖直轴144a指示相对于零的任意单位的特定窄频率间隔的幅值，也称为频谱密度。竖直轴144b表示相对于零的任意单位的频谱密度，并且从轴144a偏移以分离迹线。迹线145表示发射信号；并且，峰值在适当的RF f₀处出现。迹线146表示理想化(无噪声)的复返回信号，复返回信号是从朝向LIDAR系统移动的对象反散射的，并且因此被多普勒频移到更高的频率(称为蓝移)。返回在适当的RF f₀处没有峰值；反而是被Δf_D蓝移到频移的频率fs。实际上，用于表示返回的同相和正交(I/Q)分量两者的复返回被用于确定在+Δf_D处的峰值，因此，多普勒频移的方向以及在传感器与对象之间的向量上的目标的运动方向根据单个返回是明显的。

在一些多普勒补偿实施方式中，代替如图1B所示通过取得发射信号和返回信号两者的频谱并在每个信号中搜索峰值、然后减去对应峰值的频率来得到Δf_D，取得在RF频带中的下混合返回信号的同相和正交分量的交叉频谱是更有效的。图1C是根据实施方式的图示示例交叉频谱的示意图150。水平轴152指示任意单位的相对于参考频谱的频移；并且，竖直轴154指示相对于零的任意单位的交叉频谱的幅值。迹线155表示具有理想化(无噪声)的返回信号的交叉频谱，返回信号由朝向LIDAR系统移动的一个对象(图1B中的蓝移Δf_D1＝Δf_D)和远离LIDAR系统移动的第二对象(红移Δf_D2)生成。当分量中的一个被蓝移Δf_D1时，峰值156a出现；并且，当分量中的一个被红移Δf_D2时，另一峰值156b出现。因此多普勒频移被确定。这些频移能够被用于确定在LIDAR附近的对象的带符号的接近速度，例如用于避免碰撞的应用。然而，如果没有进行I/Q处理，则峰值出现在+/-Δf_D1两者和+/-Δf_D1两者处，因此多普勒频移的符号以及移动方向存在模糊。

如在发明人的先前的工作中更详细地描述的，在交叉频谱中检测到的多普勒频移被用于校正交叉相关，使得峰值135在滞后Δt处的多普勒补偿多普勒频移返回中是明显的，并且距离R能够被确定。在一些实施方式中，同时的I/Q处理被执行，如在S.Crouch等人的题目为“Method and system for Doppler detection and Doppler correction ofoptical phase-encoded range detection(用于光学相位编码距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统)”的专利申请公开文本中更详细地描述的，其全部内容通过引用而并入本文，如同在本文中完整阐述一样。在其它实施方式中，使用串行I/Q处理来确定多普勒返回的符号，如在S.Crouch等人的题目为“Method and System for Time SeparatedQuadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements(用于光学距离测量中的多普勒效应的时间分离正交检测的方法和系统)”的专利申请公开文本中更详细地描述的，其全部内容通过引用而并入本文，如同在此完整阐述一样。在其它实施方式中，其他装置被用于确定多普勒校正；并且，在各种实施方式中，使用本领域中已知的执行多普勒校正的任何方法。在一些实施方式中，由于多普勒频移而引起的误差是被容忍的或被忽略的；并且，没有对距离测量应用多普勒校正。

2.啁啾检测概述

图1D是根据实施方式的图示示例光学啁啾距离测量的一组曲线图。水平轴102对于所有四个曲线图是相同的，并且在毫秒(ms，1ms＝10^-3秒)的量级上以任意单位表示时间。曲线图100指示用作发射的光学信号的光束的功率。曲线图100中的竖直轴104指示任意单位的发射信号的功率。迹线106指示在从时间0开始的有限的脉冲持续时间τ内功率是导通的。曲线图110指示发射信号的频率。竖直轴114指示任意单位的发射的频率。迹线116指示脉冲的频率在脉冲的持续时间τ上从f₁增加到f₂，并且因此具有带宽B＝f₂-f₁。频率变化速率是(f₂-f₁)/τ。

返回信号被描绘在曲线图160中，其具有指示时间的水平轴102和指示频率的竖直轴114，如在曲线图110中。曲线图110的啁啾116也被绘制为曲线图160上的虚线。第一返回信号由迹线166a给出，其仅是强度减小(未示出)并延迟Δt的发射的参考信号。当在覆盖2R的距离之后从外部对象接收到返回信号时，其中R是到目标的距离，在延迟时间Δt处开始的返回信号由2R/c给出，其中c是根据上述等式3相关的介质中的光速(大约3x10⁸米每秒，m/s)。在这段时间内，频率已经改变了取决于距离的量，称为f_R，并且由频率变化速率乘以延迟时间给出。这由等式4a给出。

f_R＝(f₂-f₁)/τ*2R/c＝2BR/cτ (4a)

在被称为去啁啾的时域混和操作中，通过在发射信号116与返回信号166a之间的频率差来测量f_R的值。因此距离R由等式4b给出。

R＝f_Rcτ/2B (4b)

当然，如果返回信号在脉冲被完全发射之后到达，即，如果2R/c大于τ，则等式4a和4b无效。在这种情况下，参考信号可以被延迟已知或固定量，以确保返回信号与参考信号重叠。参考信号的固定或已知延迟时间可以乘以光速c，以给出附加距离，该附加距离被添加到由等式4b计算的距离上。虽然由于介质中的光速的不确定性，绝对距离可能偏离，但是这是接近恒定的误差，并且基于频率差的相对距离仍然非常精确。

在一些情况下，被发射的光束照射的点(笔形束横截面)遇到在不同距离的两个或更多个不同的散射体，诸如半透明对象的前面和后面，或者在距LIDAR不同距离处的对象的较近和较远部分，或者在被照射的点内的两个分开的对象。在这种情况下，还将接收第二减弱强度和不同延迟的信号，如在曲线图160上由迹线166b所示。这将具有不同的测量值f_R，其使用等式4b给出不同的距离。在一些情况下，接收多个附加返回信号。

曲线图170描绘在第一返回信号166a与参考啁啾116之间的差频fR。如图1D中所有其他对准的曲线图中那样，水平轴102指示时间，并且竖直轴164指示在很大的扩展比例上的频率差。迹线176描绘响应于发射的啁啾而测量的恒定频率fR，其指示如由等式4b给出的特定距离。第二返回信号166b，如果存在的话，在去啁啾期间将产生不同的更大的f_R值(未示出)；并且，因此使用等式4b产生更大的距离。

用于去啁啾的一种通常方法是将参考光学信号和返回光学信号两者引导到相同的光学检测器。检测器的电学输出由等于或以其他方式取决于会聚在检测器上的两个信号的频率差的拍频而被控制。该电学输出信号的傅立叶变换将在拍频处产生峰值。该拍频在兆赫兹(MHz，1MHz＝10⁶赫兹＝10⁶循环每秒)的射频(RF)范围内，而不是在太赫兹(THz，1THz＝10¹²赫兹)的光学频率范围内。这种信号可以容易地由普通和不昂贵的RF组件处理，诸如在微处理器上运行的快速傅立叶变换(FFT)算法或专门构建的FFT或其他数字信号处理(DSP)集成电路。在其它实施方式中，返回信号与作为本机振荡器的连续波(CW)音调(tone)混合(相对于作为本机振荡器的啁啾)。这导致本身是啁啾(或无论什么波形被发射)的检测信号。在这种情况下，如在Kachelmyer 1990所描述的，检测到的信号将在数字域中进行匹配滤波，其全部内容通过引用结合于此，如同在本文中完全阐述一样，除了与本文使用的术语不一致以外。缺点是数字化仪的带宽要求通常更高。在其他方面保留了相干检测的积极方面。

在一些实施方式中，LIDAR系统被改变以同时产生上啁啾和下啁啾。这种方法消除由对象速度差、或实际上确实改变了距离的LIDAR位置相对于对象的改变、或光束中的瞬时散射体等等或一些组合引入的可变性。该方法保证在上啁啾和下啁啾上测量的多普勒频移和距离实际上是相同的，并且可以最有用地被组合。多普勒方案保证在频率空间中并行获取非对称频移的返回对，以用于高可能性的正确补偿。

图1E是根据实施方式的使用对称LO信号的曲线图，并且以虚线示出在当没有多普勒频移时，这个频率时间图中的返回信号。水平轴表示以10^-5秒(几十微秒)为单位的示例时间。竖直轴表示相对于载波频率f_c或示例参考信号的光学发射信号的频率，例如单位为千兆赫兹(GHz，1GHz＝10⁹赫兹)。在脉冲持续时间期间，在任何时间包括两个光学频率的光束被产生。一个频率从f₁增加到f₂(例如在光学载波以上1到2GHz)，而另一频率同时从f₄减小到f₃(例如在光学载波以下1到2GHz)。两个频带(例如从f1到f2的频带1，以及从f3到f4的频带2)不重叠，使得发射信号和返回信号两者都可以由高通或低通滤波器或某种组合光学地分离，其中通带开始于通过频率fP。例如f₁＜f₂＜f_P＜f₃＜f₄。尽管在图示的实施方式中，较高频率提供上啁啾，并且较低频率可以提供下啁啾，但在其它实施方式中，较高频率产生下啁啾，并且较低频率产生上啁啾。

在一些实施方式中，两个不同的激光源被用于在每个时间在每个光束中产生两个不同的光学频率。然而在一些实施方式中，单个光学载波由单个RF啁啾调制以产生用作同时的上啁啾和下啁啾的对称边带。在这些实施方式的一些中，使用双边带马赫-曾德尔强度调制器，其通常不会在载波频率中留下太多能量；反而是，几乎所有能量进入边带。

由于边带对称性，如果使用相同阶次的边带，两个光学啁啾的带宽将是相同的。在其它实施方式中，使用其他边带，例如，使用两个二阶边带，或者使用一阶边带和非重叠的第二边带，或者一些其他组合。

如在Crouch等人的题目为“Method and System for Doppler Detection andDoppler Correction of Optical Chirped Range Detection(用于光学啁啾距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统)”的美国专利申请公开文本中所描述的，当选择发射(TX)和本机振荡器(LO)啁啾波形时，确保系统的频移频带最大程度地利用可用的数字化仪带宽是有利的。通常，这可以通过将上啁啾或者下啁啾移位以具有接近于零的距离频率拍频而被实现。

图1F是类似于图1E的使用对称LO信号的曲线图，并且在这个频率时间图中以虚线示出当存在非零多普勒频移时的返回信号。在啁啾波形的情况下，时间分离的I/Q处理(又称为时域复用)能够被用于克服如上的其他方法的硬件要求。在这种情况下，AOM被用于打破对于实数值信号的距离-多普勒模糊。在一些实施方式中，计分系统被用于将上啁啾返回和下啁啾返回配对，如在S.Crouch等人的题目为“Method and system for Dopplerdetection and Doppler correction of optical phase-encoded range detection(用于光学相位编码距离检测的多普勒检测和多普勒校正的方法和系统)”的专利申请公开文本中更详细地描述的，其全部内容通过引用而并入本文，如同在本文中完整阐述一样。在其它实施方式中，I/Q处理被用于确定多普勒啁啾的符号，如在S.Crouch等人的题目为“Method and System for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effectsin Optical Range Measurements(用于光学距离测量中的多普勒效应的时间分离正交检测的方法和系统)”的专利申请公开文本中更详细地描述的，其全部内容通过引用而并入本文，如同在本文中完整阐述一样。

3.光学检测硬件概述

为了描述如何使用高分辨率距离多普勒检测系统，描述了一些通用的硬件方法。图2A是根据实施方式的示出高分辨率距离LIDAR系统200的示例组件的框图。光学信号由箭头表示。电子有线或无线连接由不带箭头的分段线指示。激光源212发射载波201，其在分束器216之前或之后在调制器282a中被相位或频率调制，以产生具有持续时间D的相位编码或啁啾光学信号203。分束器216分开调制(或如图所示，未调制)的光学信号以用于参考路径220。具有光束201的大部分能量的目标光束205，在本文也称为发射信号被产生。还可以产生调制或未调制的参考光束207a，其可以具有小得多的能量，但是足以产生与从对象(未示出)散射的返回光291的良好混合。在图示的实施方式中，参考光束207a在调制器282b中被分离地调制。参考光束207a穿过参考路径220，并被引导到一个或多个检测器作为参考光束207b。在一些实施方式中，参考路径220引入已知延迟，其足以使参考光束207b与在感兴趣的距离的传播内的来自LIDAR外部的对象的散射光一起到达检测器阵列230。在一些实施方式中，参考光束207b被称为本机振荡器(LO)信号，这参考了参考光束207b从另外的振荡器本地地产生的旧方案。在各个实施方式中，从较不灵活到更灵活的方法，可以通过以下方式使参考与散射或反射场一起到达：1)将镜子放入场景中以将发射光束的一部分反射回检测器阵列，使得路径长度被良好匹配；2)使用光纤延迟以紧密地匹配路径长度，并且利用检测器阵列附近的光学装置传播参考光束，如图2A中所建议的，具有或不具有路径长度调整以补偿对于特定距离所观察到或预期的相位或频率差；或者，3)使用频移装置(声光调制器)或本机振荡器波形调制的时间延迟(例如在调制器282b中)来产生另外的调制以补偿路径长度失配；或一些组合。在一些实施方式中，对象足够接近并且被发射持续时间足够长，使得返回充分地与参考信号重叠而没有延迟。

然后，发射信号被发射以照射感兴趣的区域，通常通过一些扫描光学器件218。检测器阵列是单个成对或不成对检测器，或者是布置在大致垂直于来自对象的返回光束291的平面中的成对或不成对检测器的1维(1D)或2维(2D)阵列。参考光束207b和返回光束291在零个或多个光学混合器284中被组合以产生具有要被适当检测的特性的光学信号。获取系统240在信号持续时间D期间多次为每个检测器记录干涉方式的频率、相位或幅值、或者一些组合。每信号持续时间或积分时间所处理的时间样本的数量影响顺向距离范围(down-range extent)。数量或积分时间通常是基于每信号的符号数量、信号重复速率和可用摄像机帧速率所选择的实际考虑因素。帧速率是采样带宽，通常称为“数字化仪频率”。距离范围的唯一基础限制是激光器的相干长度以及在其重复之前的啁啾或唯一相位代码的长度(对于明确的测距)。其被启用，因为可以将返回的外差信号或比特的任何数字记录与来自先前发射历史的发射的比特的任何部分进行比较或交叉相关。

所获取的数据对于处理系统250是可用的，诸如下面参考图7描述的计算机系统，或者下面参考图8描述的芯片组。根据以下描述的一个或多个实施方式，扫描器控制模块270提供扫描信号以驱动扫描光学器件218。在一个实施方式中，扫描器控制模块270包括指令以用于执行与图6A的流程图相关的方法600的一个或多个步骤和/或与图6B的流程图相关的方法650的一个或多个步骤。处理系统250中的带符号的多普勒补偿模块(未示出)确定多普勒频移的符号和大小以及基于其的校正范围以及任何其他校正。处理系统250还包括调制信号模块(未示出)，以发送用于驱动调制器282a、282b的一个或多个电信号。在一些实施方式中，处理系统还包括车辆控制模块272，以控制其上安装有系统200的车辆。

任何已知的设备或系统均可以被用于实现激光源212、调制器282a、282b、分束器216、参考路径220、光学混合器284、检测器阵列230、扫描光学器件218或获取系统240。用于泛射或目标上的聚焦或越过光瞳平面的聚焦的光学耦合未被描绘。如本文中所使用的，光学耦合器是用于影响光在空间坐标内的传播以将光从一个组件引导到另一组件的任何组件，诸如真空、空气、玻璃、晶体、镜子、透镜、光学循环器、分束器、相位板、偏振器、光纤、光学混合器等，单独地或以一些组合。

图2A还图示了根据实施方式的用于同时的上啁啾和下啁啾LIDAR系统的示例组件。在这个实施方式中，调制器282a是被添加到发射光束205的光学路径上的频移器。在其它实施方式中，频移器被替代地添加到返回光束291的光学路径或参考路径220。通常，由于用作调制器的装置(例如声光调制器AOM)具有一些关联的损耗，并且在接收侧上或在光放大器之后放置损耗组件是不利的，因此可以在本机振荡器(LO，也称为参考路径)侧或在发射侧(在光放大器之前)添加频移元件作为调制器282b。光学频移器的目的是使发射信号(或返回信号)的频率相对于参考信号的频率移动已知量Δfs，使得上啁啾和下啁啾的拍频发生在不同频带中，拍频能够在对由光学检测器230输出的电信号的分析中例如由处理系统250中的FFT组件拾取。例如，如果引起距离效应的蓝移为f_B，则上啁啾的拍频将增加该偏移量，并出现在f_B+Δfs处，而下啁啾的拍频将减少该偏移量，降低至f_B-Δfs。因此，上啁啾的拍频将比下啁啾的拍频处于更高的频带，从而将它们分离。如果Δfs大于任何预期的多普勒效应，则在与上啁啾和下啁啾相关联的范围内将不存在模糊。然后，能够利用已知的Δfs的正确带符号的值来校正所测量的节拍，以获得合适的上啁啾范围和下啁啾范围。在一些实施方式中，从平衡检测器出来的RF信号被直接数字化，其中频带经由FFT被分离。在一些实施方式中，用模拟RF电子装置对从平衡检测器出来的RF信号进行预处理，以将低频带(对应于上啁啾或下啁啾之一)和高频带(对应于相反的啁啾)分离，低频带能够被直接数字化，高频带能够被电子地下混合到基带且然后被数字化。两种实施方式都提供了将检测到的信号的频带与可用的数字化仪资源相匹配的路径。在一些实施方式中，排除了调制器282a(例如直接测距)。

图2B是图示在一些实施方式中用于高分辨率多普勒系统的简单锯齿扫描方式的框图。扫描扫过方位角(水平地)和倾斜角(在零倾角处竖直地在水平方向之上和之下)的范围。在下面描述的各种实施方式中，使用其他扫描方式。在各种实施方式中可以使用本领域已知的任何扫描方式。例如，在一些实施方式中，使用在Crouch等人的题目为“Method andSystem for adaptive scanning with optical ranging systems(用于利用光学测距系统进行自适应扫描的方法和系统)”和题目为“Method and system for automatic real-time adaptive scanning with optical ranging systems(用于利用光学测距系统进行自动实时自适应扫描的方法和系统)”的PCT专利申请文本中描述的方法来执行自适应扫描，其每一个的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。图2C是根据实施方式的示出由高分辨率多普勒LIDAR系统产生的示例速度点云的图像。

图2D是根据实施方式的图示高分辨率LIDAR系统200’的示例组件的框图。在一个实施方式中，系统200’类似于系统200，除了本文中讨论的特征之外。在一个实施方式中，系统200’是用单基地收发器构建的相干LIDAR系统。系统200’包括源212，其沿着单模光学波导225在发射路径222上发射载波201，通过自由空间光学器件226并且从定位于准直光学器件229的焦平面中的单模式光学波导225的尖端217出来。在一些实施方式中，自由空间光学器件226可以是光学循环器但不限于此。在一个实施方式中，尖端217被定位在准直光学器件229的焦平面的阈值距离(例如大约100μm)内或者在准直光学器件229的焦距的从大约0.1％到大约0.5％的范围内。在另一实施方式中，准直光学器件229包括双合透镜、非球面或多元件设计中的一个或多个。在一个实施方式中，离开光学波导尖端217的载波201由光学器件229整形为准直目标光束205’，其由扫描光学器件218在角度范围227上扫描。在一些实施方式中，载波201在位于准直光学器件229上游的调制器282a中被相位或频率调制。在其它实施方式中，调制器282被排除。在一个实施方式中，来自对象的返回光束291由扫描光学器件218引导并且由准直光学器件229聚焦在尖端217上，使得返回光束291在单模式光学波导尖端217中被接收。在一个实施方式中，然后，自由空间光学器件226将返回光束291沿接收路径224重引导到单模式光学波导中，并重引导到光学混合器284，其中返回光束291与参考光束207b组合，参考光束207b沿着本机振荡器路径220被引导通过单模式光学波导。在一个自由空间光学器件中，系统200’可以在以下原理下操作：返回光束291与参考信号207b的最大空间模式重叠将使在返回信号291与本机振荡器207b之间的外差混合(光学干涉)效率最大化。这种单基地布置是有利的，因为它能够帮助避免与双基地LIDAR系统相关联的具有挑战性的对准过程。

图2E是根据实施方式的图示双基地LIDAR系统200”的示例组件的侧视图的框图。图2F是根据实施方式的图示图2E的双基地LIDAR系统200”的示例组件的俯视图的框图。在一个实施方式中，双基地系统200”类似于图2D中的系统200’，除了本文中讨论的特征之外。

在一个实施方式中，系统200”包括双基地(bistatic)收发器215，其包括发射波导223和一个或多个接收波导225a、225b。第一接收波导225a与发射波导223间隔开间距221a。第二接收波导225b与发射波导223间隔开大于间距221a的间距221b。虽然图2F描绘了两个接收波导225a、225b，但是系统不限于两个接收波导，并且可以包括一个或多于两个接收波导。在示例实施方式中，双基地收发器215由诸如平面光回路的片上波导技术支持，其允许制造紧密间隔的波导以用作双基地收发器孔。在示例实施方式中，双基地收发器215以由加利福尼亚州圣何塞市的公司开发的平面光波回路技术为特征。在另一示例实施方式中，双基地收发器215是在对平面光波回路技术的标准制造过程进行最小修改的情况下定制的。在又一示例实施方式中，双基地收发器215由俄亥俄州哥伦布市的PLC制造。

在一个实施方式中，在系统200”中，源212将载波作为光束201沿着发射波导223在发射路径222上发射到发射波导223的尖端217。在一个实施方式中，系统200”排除自由空间光学器件226，这可以有利地降低了系统200”的成本和复杂性。从发射波导223的尖端217发出的载波201被准直光学器件229整形为如系统200’中的准直目标光束205’。

在一个实施方式中，扫描光学器件218是具有多个反射镜或面245a、245b并且被配置为以角速度249围绕旋转轴243旋转的多边形扫描器244。在一个实施方式中，多边形扫描器244被配置为以恒定速度围绕旋转轴243旋转。在示例实施方式中，多边形扫描器244具有以下特性中的一个或多个：由Sensors利用Copal旋转镜制造，具有约2英寸或在约1英寸至约3英寸范围内的内接直径，每个镜约0.5英寸高或在约0.25英寸至约0.75英寸范围内，具有约2.5英寸或在约2英寸至约3英寸范围内的总高度，由具有编码器极对切换的三相无刷直流(BLDC)电机供电，具有在约1000转/分钟(rpm)至约5000rpm范围内的旋转速度，具有约5:1的减速比，并且与准直器231的距离为大约1.5英寸或者在大约1英寸到大约2英寸范围内。在其它实施方式中，系统200”的扫描光学器件218是除了多边形扫描器244之外的任何光学器件。

在一个实施方式中，准直目标光束205’从多边形面245中的一个反射成扫描光束205”，并且当多边形扫描器244以角速度249旋转时，它会通过角度范围227进行扫描。在一个实施方式中，包括发射波导223和接收波导225的双基地收发器215被布置在第一平面(例如图2F的平面)中，并且多边形扫描器244在相同的第一平面(或在平行于第一平面的平面)中在角度范围227上调整光束205”的方向。在另一实施方式中，第一平面正交于旋转轴线243。为了本说明书的目的，“平行”意味着在±10度内，“正交”意味着在90±10度内。

在一个实施方式中，光束205”被定位于一个范围的目标反射，并且返回光束291’被面245中的一个反射到准直光学器件229，其将返回光束291’聚焦到接收波导225a的尖端217。

在一个实施方式中，系统200”、200”’、200””的一个或多个参数的值在系统200”、200”’、200””的设计阶段期间被选择，以使返回光束291’的信噪比(SNR)最优化。在一个实施方式中，这些参数的值包括基于在角度范围227上的目标设计范围而选择以使SNR最优化的多边形扫描器244的旋转速度的值。图4G是根据实施方式的图示对于在图2E的系统200”中的各种扫描速率的SNR相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线440d描绘了基于光束不被扫描的目标范围的在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。第二曲线440b描绘了基于光束在慢扫描速率(例如，大约2500度每秒)被扫描的目标范围的在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。第三曲线440c描绘了基于光束在最优化的扫描速率(例如，大约5500度/秒)被扫描的目标范围的在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR在。还描绘了SNR阈值442(例如，10dB)。因此，当设计系统200”时，用户首先确定角度范围(例如0m-150m)上的目标设计范围，然后使用图4G来快速确定迹线440b、440c、440d中的哪一个在该目标设计范围上保持高于SNR阈值442的SNR。在该示例实施方式中，曲线440c在目标设计范围(例如0m-150m)内保持高于SNR阈值442的SNR，因此用户在设计系统200”时选择与迹线440c相关联的最优化的扫描速度(例如大约5500度/秒)。因此，基于这种最优化的扫描速度，多边形扫描器244被设置为具有固定的旋转速度。因此，曲线440有利地为用户提供了一种设计系统200”的有效方式，特别是在选择多边形扫描器244的固定扫描速度时。在一个实施方式中，每条曲线440使用系统200”并测量返回光束291’在与每条曲线440相关联的多边形扫描器的每个扫描速度下的SNR被生成。曲线440不限于图4G中描述的那些，并且包括通过使用类似适度产生的任何SNR曲线。在一些实施方式中，能够以与上述系统200”类似的方式为系统200”’(图2I)或系统200””(图2J)生成类似于图4G中的那些的曲线，并且该曲线为用户提供了设计系统200”’或系统200””的有利且有效的方式。

在另一实施方式中，在系统200”的设计阶段期间被选择的设计参数的值包括间距221的值，间距221的值基于多边形扫描器244的扫描速度和在角度范围227内的目标设计范围被选择以使SNR最优化。在另一实施方式中，在系统200”’(图2I)的设计阶段期间被选择的设计参数的值包括自由空间光学器件260的间距221和/或长度262的值。在一些实施方式中，自由空间光学器件260可以是双折射移位器，但不限于此。在一个实施方式中，沿着系统的纵轴测量自由空间光学器件260的长度262，其中纵轴由发射光束205’(图2I)和/或返回光束291’(图2J)的方向和/或从光纤阵列215’、215”到目标292的向量限定。在又一实施方式中，在系统200”’(图2J)的设计阶段被选择的设计参数值包括第一自由空间光学器件260a的间距221a、221b和/或长度262a和/或第二自由空间光学器件260b的长度262b。在一些实施方式中，第一自由空间光学器件和第二自由空间光学器件中的每一个可以是双折射移位器，但不限于此。图4K是根据实施方式的图示在低固定扫描速度(例如4000度/秒)下对于图2E的系统200”中的各个间距221值的SNR相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线464a描绘了对于4w₀的间距221的基于目标范围在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR，其中w₀是发射波导223的直径。第二曲线464b描绘了对于0间距221(例如0W₀)的基于目标范围在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。在第一曲线464a与第二曲线464b之间的每个曲线464表示在间距221值中的0.25w₀减量。在一个实施方式中，对于目标设计范围(例如0m-250m)，选择曲线464c，因为其在目标设计范围上具有高于SNR阈值442的SNR值。与曲线464c相关联的间距221值是0.25W₀，因此当设计具有目标设计范围(例如0m-250m)和低固定扫描速度(例如4000度/秒)的系统200”时，间距221被设置为0.25W₀。在一些实施方式中，能够基于系统200”’(图2I)的各个间距221和/或长度262值和/或基于系统200””(图2J)的各个间距221a、221b和长度262a、262b值来生成与图4K的曲线464类似的SNR曲线。图4L是描述具有低固定扫描速度(例如4000度/秒)的系统200”的多个SNR曲线466的曲线图。对于沿水平轴402的特定设计目标范围(例如，250m)，SNR曲线466传达能够维持与曲线466相关联的SNR水平的间距221的值(沿垂直轴409)。在示例实施方式中，对于250米的设计目标范围，曲线466a指示18dB的SNR能够被维持在间距221的多个值(例如，大约0.25W₀和大约2.75W₀)，并且因此在设计系统200”时给予用户不同的选项。除了图4K之外，曲线466在基于已知设计目标范围和固定扫描速度设计系统200”时为用户提供快速查找装置。在一个实施方式中，与图4K的曲线464一样，使用系统200”通过跨目标范围值的多个间距221值处测量返回光束291’的SNR来产生曲线466。另外，曲线466不限于图4L中所描绘的那些。在一些实施方式中，可以基于系统200”’的各个间距221和/或长度262值和/或基于系统200””的各个间距221a、221b和长度262a、262b值来生成与图4L的曲线466类似的SNR曲线。

图4M是类似于图4K的曲线图，但用于高固定扫描速度(例如12000度/秒)。第一曲线465a类似于第一曲线464a，并且用于4w₀的间距221。第二曲线465b类似于第二曲线464b，并且用于0(例如0w₀)的间距221。使用相同的目标设计范围(例如0m-250m)，选择曲线465c，因为它在目标设计范围上具有高于SNR阈值442的SNR值。与曲线465c相关联的间距221值是2.75w₀，因此如果多边形扫描器244以高固定扫描速度(例如12000度/秒)操作，则系统200”中的分隔221被设置为2.75w₀。因此，当设计系统200”时，用户能够首先确定在角度范围上的目标设计范围(例如，0米-250米)，然后使用图4M来快速地确定曲线465中的哪一个在该目标设计范围和多边形扫描器244的固定扫描速度上保持高于SNR阈值442的SNR。在一些实施方式中，能够基于系统200”’的各个间距221和/或长度262值和/或基于系统200””的各个间距221和长度262值来生成与图4M的曲线465类似的SNR曲线。图4N是描绘具有高固定扫描速度(例如12000度/秒)的系统200”的多个SNR曲线467的曲线图。对于沿水平轴402的特定设计目标范围(例如100米)，SNR曲线467传送保持与曲线467相关联的SNR水平所必需的间距221的值(沿竖直轴409)。在示例实施方式中，对于100米的设计目标范围，曲线467a指示28dB的SNR能够被维持在间距221的多个值(例如，大约0.75w₀和大约2.25w₀)处。除了图4M之外，在基于已知的设计目标范围和固定的扫描速度来设计系统200”时，曲线467为用户提供了快速查找手段。在一个实施方式中，如同图4M的曲线465，使用系统200”通过在多个目标范围值上的多个间距221值处测量返回光束291’的SNR来产生曲线467。另外，曲线467不限于图4N中所描绘的那些曲线。在一些实施方式中，能够基于系统200”’的各个间距221和/或长度262值和/或基于系统200)””的各个间距221和长度262值来生成与图4N的曲线467类似的SNR曲线。

图4O是根据实施方式的曲线图，其图示了在图2E的系统中对于具有最小SNR阈值的各个目标范围值的间距相对于扫描速度的示例。水平轴403是以每秒千度为单位的扫描速度。竖直轴409是以w₀为单位的间距221。在沿水平轴403的特定扫描速度处，曲线469提供间距221的值以在与曲线469相关联的设计目标范围值上维持SNR阈值442(例如，10dB)。在示例实施方式中，对于12,000度/秒的扫描速度，曲线469a指示大约2.75w₀的分隔221值，以在250米的设计目标范围上保持SNR阈值442。这与图4M的曲线465c的示例实施方式一致。另外，在示例实施方式中，对于4,000度/秒的扫描速度，曲线469a指示约0.25w₀的间距221值，以对于250米的设计目标范围保持SNR阈值442。这与图4K的曲线464c的示例实施方式一致。因此，图4O提供了在系统200”的设计阶段期间有用的另外的有利的查找曲线图。在一些实施方式中，能够基于系统200”’的各个间距221和/或长度262值和/或基于系统200””的各个间距221a，221b和长度262a，262b值来生成与图4O的曲线469类似的SNR曲线。

如图2F所描绘的，在到目标的往返时间期间，例如在光束205”从面245a被反射到目标的时间和返回光束291’被面245a反射到光学器件229的时间之间，多边形扫描器244从第一定向(例如实线)旋转到第二定向(例如虚线)。在一个实施方式中，面245a在这些时间之间的旋转考虑到返回光束291’被面245a相对于入射光束205’偏转角度228。在一个实施方式中，多边形扫描器244的目标范围(例如，基于往返时间)和/或旋转速度和/或双基地收发器215上的返回光束291’的图像418(图4E)的直径确定了角度228，并且因此确定了间距221a，间距221a被选择以相对于发射波导223定位接收波导225a以使得返回光束291’被聚焦在接收波导225a的尖端中。在图2I的系统200”’的实施方式中，除了自由空间光学器件260的长度262(例如双折射移位器)和/或返回光束291′的移位距离264之外，还考虑上述参数中的一个或多个，因此返回光束291′被聚焦在接收波导225′的尖端中。在图2J的系统200””的实施方式中，除了自由空间光学器件260a、260b的长度262a、262b和/或返回光束291’的移位距离264a、264b之外，还考虑上述参数中的一个或多个，因此返回光束291’被聚焦在接收波导225a’、225b’的尖端。在实施方式中，对于图2F的系统200”，等式5表达了间距221、多边形扫描器244的旋转速度和目标范围之间的关系：

其中y是间距221，焦距是准直光学器件229的焦距(以米为单位)；旋转速率是多边形扫描器244的旋转速度(以弧度每秒为单位)，c是光速(以米每秒为单位)，并且距离是目标范围(以米为单位)。

在系统200”’、200””的实施方式中，自由空间光学器件260(例如，双折射移位器)的走离角(α)，其被限定为移位的光束(例如，具有第二线性偏振254的返回光束291’)被偏转的角度(例如，图2I中的角度259)，该走离角(α)由下式限定：

其中n_o和n_e是自由空间光学器件260(例如双折射移位器)的寻常和非寻常折射率，并且θ是晶轴角度(例如通常为大约45度以使走离最大化)。在一个实施方式由，移位距离264则简单地为：

d＝L*tan(α) (7)

其中d是移位距离，并且L是自由空间光学器件260的长度262。在一个实施方式中，系统200”’，200””中的波导之间的间距221是移位向量d(例如，使用等式7)与基于间距(例如，使用等式5)的往返延迟的量的总和。这里，“寻常折射率”意味着由具有与晶轴正交的线性偏振(例如图2I-2J中的线性偏振254)并且根据法向折射定律而行动(例如，垂直于自由空间光学器件260的表面入射并且在该方向上继续通过自由空间光学器件260)的光束所经历的折射率。另外，“非寻常折射率”意味着由具有平行于晶轴的线性偏振(例如，图2I-2J中的线性偏振252)并且不根据法向折射定律而行动(例如，垂直于自由空间光学器件260的表面入射并且不在该方向上继续通过自由空间光学器件260)的光束所经历的折射率。

在实施方式中，接收波导225a具有大约为发射波导223的直径w_o的2-5倍的间距221a，并且被用于接收来自定位于更远范围(例如大于约50m)的目标的返回光束291’。对于定位在更远范围的目标，往返时间更长，面245a旋转的程度比图2F中所描绘的更大，因此返回光束291’向准直光学器件229被偏转更大的角度228。然而，对于定位在更远范围的目标，双基地收发器215上的返回光束291’的图像418(图4E)的直径更小，因此间距221a在幅值和范围上更小(例如，增加的精度)，以便确保图像418被适当的间距221a向接收波导225a移位。在一个实施方式中，间距221基于图像418的直径的比率(例如，小于一)。在一些实施方式中，间距221(图2I)和/或间距221a、221b(图2J)还基于相应双基地收发器215’、215”上的图像418的直径的比率(例如，小于一)和/或其它参数，诸如双折射移位器的长度和/或双折射移位器引起的光束的移位距离。

在实施方式中，接收波导225b具有间距221b，其大约是发射波导223的直径w₀的5-10倍，并且用于从定位于较小距离(例如小于大约50米)的目标接收返回光束291’。对于定位在较小范围的目标，往返时间较短，面245a旋转的程度比图2F中所描绘的小，因此返回光束291’向准直光学器件229被偏转较小的角度228。然而，对于定位于较小距离的目标，双基地收发器215上的返回光束291’的图像418(图4E)的直径较大，因此间距221b在幅值和范围上较大(例如，降低的精度)，因为对于较大图像418是否被偏移特定量的宽容度较宽，以便在接收波导225b中实现最小的SNR。

因此，在实施方式中，当光束205”以固定旋转速度在角度范围227上被扫描时，接收波导225a、225b能够被用于接收来自不同距离的目标的返回光束291’。在示例实施方式中，波导225a接收来自定位于角度范围227的第一部分上的较长距离处的目标的返回光束291’，并且波导225b接收来自定位于角度范围227的第二部分上的较短距离处的目标的返回光束291’。然而，在其它实施方式中，当在角度范围227(例如，从约0米到约250米)上扫描光束205”时，仅使用一个接收波导225a或225b来从在目标范围的一个值内或在目标范围的值的范围内的目标接收返回光束291’。

在一个实施方式中，系统200”排除自由空间光学器件226，因此接收波导225a沿接收路径224被设置，并且被连接到光学混合器284。参考光束207b在波导中沿LO路径220被发射，使得参考光束207b在光学混合器284中与来自接收波导225a的返回光束291’组合。在其中提供了多个接收波导225a、225b的实施方式中，类似的布置被提供用于接收波导225b，使得接收波导225b沿着接收路径224被提供并且被连接到相应的光学混合器284，其中相应的参考光束207b与来自接收波导225b的返回光束291’组合。在一个实施方式中，其中一个接收波导225a在双基地收发器215中，仅一个处理通道(例如，一个接收波导、一个光学混合器、沿LO路径的一个波导)被提供。在一个示例实施方式中，仅为图2I的系统200”’的双基地收发器215’的接收波导225’提供一个处理通道。然而，为图2K的系统200”’的接收波导225a’、225b’提供多个处理通道，其描绘包括多于一对波导的波导线性阵列(例如，一维线性阵列)，其中每对波导包括图2I的发射波导223’和接收波导225’。在提供多个接收波导225a、225b的另一实施方式中，多个处理通道被提供。在示例实施方式中，多个处理通道被提供用于图2J的系统200””的双基地收发器215”的接收波导225a’、225b’。在该示例实施方式中，多个处理通道被配置为处理在接收波导225a’、225b’的尖端中接收到的多个返回光束的正交线性偏振。在另一示例实施方式中，双基地收发器215”是线性阵列(例如，一维阵列)，因此多个处理通道被提供用于同时处理在波导的一维线性阵列中的多个接收波导中接收到的多个返回光束信号(例如，具有正交线性偏振)。因此，在实施方式中，系统200”、200”’、200””包括与接收波导225的数量相等数量的处理通道。在实施方式中，获取系统240和/或处理系统250被配置为在相继的时间段上处理来自接收波导225的返回光束291’(例如，在第一时间段上处理来自接收波导225a的返回光束291’，在第二时间段上处理来自接收波导225b的返回光束291’)，因为返回光束291’在非重叠的时间段上从接收波导225a、225b被相继地接收。获取系统240和/或处理系统250被配置为同时处理在系统200”’、200””处接收到的多个返回光束。

4.相干LIDAR系统参数

在实施方式中，通过将系统参数包括在所谓的“链路预算”中来对系统200’的单基地相干LIDAR性能进行建模。链路预算估算各种系统和目标参数的信噪比(SNR)的期望值。在一个实施方式中，在系统侧，链路预算包括输出光学功率、积分时间、检测器特性、波导连接中的插入损耗、在成像的光斑和单基地收集波导之间的模式重叠、以及光学收发器特性中的一个或多个。在另一实施方式中，在目标侧，链路预算可以包括大气特性、目标反射率和目标范围中的一个或多个。

图4A是根据实施方式的图示图2D的系统200’中的返回光束291在没有扫描的情况下的示例信噪比(SNR)相对于目标范围的曲线图。在其它实施方式中，图4A描绘了图2A的系统200中返回光束291的SNR相对于目标范围的示例。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围。竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。曲线410描绘了SNR的值相对于被划分成近场406和远场408的范围，其中从具有相对平坦斜率的曲线410的近场406过渡到具有负斜率(例如约-20dB/10m)的曲线410的远场408。远场408中SNR的降低由“r平方”损耗支配，因为返回光束291所通过的散射空气随着到目标的距离的平方增长，而用于收集返回光束291的光学波导尖端217的表面积是固定的。图4B是根据实施方式的图示曲线411的示例的曲线图，该曲线411表示在远场408中驱动SNR曲线410的形状的1/r平方损耗。水平轴402是以米(m)为单位的范围，并且竖直轴407是无单位的功率损耗。

在近场406中，SNR的主要驱动力是准直返回光束291在被准直光学器件229聚焦到尖端217之前的直径。图4C是根据实施方式的图示在没有扫描的情况下图2D的系统200’中的返回光束291的准直光束直径相对于范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴405是以米(m)为单位的返回光束291的直径。在一个实施方式中，曲线414描绘了在返回光束291被聚焦到光学波导的尖端217之前入射在准直光学器件229上的准直返回光束291的直径。曲线414图示了入射在准直光学器件229上的准直返回光束291的直径随着目标范围的增大而增大。

在实施方式中，在近场406中，随着准直返回光束291的直径在更大的目标范围增大，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的直径缩小。图4D是根据实施方式的图示在没有扫描的情况下在图2D的系统中与在尖端217处的返回光束291的收集效率相关的SNR相对于发射信号的距离的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。曲线416描绘了基于目标范围由在尖端217处的准直光学器件229聚焦的返回光束291的近场SNR。在近场406内的近距离处，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的图像418a充分大于单模光纤尖端217的纤芯尺寸。因此，与收集效率相关联的SNR相对较低。在近场406内的较长范围内，由准直光学器件229在尖端217处聚焦的返回光束291的图像418b比图像418a小得多，因此可归因于收集效率的SNR在更长范围增加。在一个实施方式中，曲线416表明，基于在更长范围的聚焦返回光束291的改进的收集效率，近场406中的SNR具有正斜率(例如每10米+20dB)。在一个实施方式中，近场SNR中的这个正斜率抵消了图4B中讨论的近场SNR中的负斜率，该负斜率可归因于“r平方”损耗，并因此导致近场406中的SNR迹线410的相对平坦的区域。图4D中的SNR曲线416中的正斜率没有延伸到远场408中，并因此图4B的“r平方”损耗主导了远场408SNR，如远场408中的SNR曲线410中所描绘的。

虽然关于图4A-4D的讨论预测了根据目标范围的返回光束291的SNR，但是图4A-4D中的预测SNR是用于单基地相干LIDAR系统200’的，并且没有完全表征扫描单基地相干LIDAR系统200’的性能，因为它没有考虑扫描光学器件218的扫描速率。下面的图4E-4G是在双基地相干LIDAR系统200”的背景中讨论的，其中光束205”以大于零的扫描速率被扫描。在实施方式中，由于返回光束291’的往返延迟，当光束正在被扫描光学器件218(例如多边形扫描器244)扫描时，返回光束291’的接收模式将从发射光束205’的发射模式横向偏移或“走离”。在一个实施方式中，如果横向偏移或“走离”对应于间距221a或者在间距221a的阈值内，则返回光束291’相对于发射光束205’以角度228偏转，并且准直光学器件229将返回光束291’聚焦到接收波导225a的尖端217中。在实施方式中，阈值是接收波导225的尖端217上的返回光束291’的图像的直径的最大比率(例如，小于1的比率)。在一个实施方式中，走离需要使得返回光束291’的图像418与接收波导225的重叠导致了最优化的收集效率，例如，走离使得图像418的中心在接收波导225的尖端217的±10％以内。图4E是图示了根据实施方式的在图2E的系统200”中对于各种目标范围和扫描速度的光束走离的示例的图像。水平轴402是目标范围，并且竖直轴422是使用扫描光学器件218的光束的扫描速度。如图4E所示，当光束不被扫描时(底行)，不存在光束走离，因为聚焦的返回光束291’的图像418a以发射波导223的尖端217为中心，表明在短目标范围没有光束走离，并且聚焦的返回光束291’的图像418b也以发射波导223的尖端217为中心，表明在远目标范围没有光束走离。在实施方式中，由于光束291’不以接收波导225的尖端217为中心或在其附近和/或存在很少或不存在光束走离，并且因此光束走离不在发射波导223与接收波导225之间的间距221的阈值内。因此，这不是双基地收发器系统200”的最优化的布置。如图4E所描绘的，图像418a的直径大于间距221，因此返回光束291’的图像418a与接收波导225的尖端217部分重叠。因此，返回光束291’的一些部分在较短目标范围被接收波导225的尖端217接收，因此信噪比(SNR)大于零，即使在光束205”未被扫描时也是如此。另外，如图4E所描绘的，图像418b的直径小于或约等于间距221，因此返回光束291’的图像418b可以对于更长的目标范围不与接收波导225的尖端217重叠。结果，当光束205”不被扫描时，在接收波导225的尖端中在较长目标范围处接收返回光束291’的很少部分或者没有接收到返回光束291’。

当以中等扫描速度扫描光束205”时(图4E中的中间行)，对于小目标范围，在聚焦返回光束291’的图像418a和发射波导223的尖端217之间观察到中等光束走离419a，并且对于远目标范围，在聚焦返回光束291’的图像418b和发射波导223的尖端217之间观察到较大光束走离419b。尽管对于较大目标范围的光束走离419b大于对于较小目标范围的光束走离419a，但是由于接收波导225上的图像418a的大得多的直径，返回光束291’在较小目标范围处具有较高的SNR。由于走离419b小于图像418b的直径的比率，因此这对于用于远目标范围的双基地收发器系统200”不是最优化的布置。然而，在一些实施方式中，基于走离419a来选择间距221，使得接收波导225a被配置为当多边形扫描器244以中等扫描速度旋转时在短范围处接收返回光束291’，因为对于短目标范围的图像418a的增大的直径可以导致返回光束291’的SNR大于SNR阈值，尽管是小走离419a。

当以高扫描速度扫描光束205”(图4E中的顶行)时，在短范围处观察到的光束走离421a超过了在中等扫描速度下的光束走离419a，并且大范围处观察到的光束走离421b超过了在中等扫描速度下的光束走离419b。因此，光束走离随着目标范围和扫描速度的增加而增加。在实施方式中，增加的目标范围引起时间延迟，在该时间延迟期间，图像418a、418b从发射波导223的尖端217偏移开。因此，模式重叠的模型适当地考虑了这种走离。在一个实施方式中，这样的模型应当基于图像418的直径(例如，不大于图像418的直径的一半)来限制光束走离419、421，并且因此对于在较小目标范围处的目标418a，存在光束走离419、421的可接受范围的较宽的宽容度。在一个实施方式中，基于光束走离421a调整间距221b，并且基于光束走离421b调整间距221a，使得多边形扫描器244能够被设置在固定的最优化的扫描速度，并且使得来自较短距离的目标的返回光束291’被偏转到接收波导225b中，并且来自较长范围的目标的返回光束291’被偏转到接收波导225a中。在这个示例实施方式中，光束走离421a在间距221a的阈值内，并且光束走离421b在间隔221b的阈值内。在一些实施方式中，能够为图2I的系统200”’和/或图2J的系统200””中的各种目标范围、扫描速度、双折射移位器长度和/或移位光束距离，生成与图4E中所描绘的光束走离类似的光束走离。

图4F是根据实施方式的图示在图2E的系统200”中的各种扫描速率的耦合效率相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴430是无单位的耦合效率。在实施方式中，耦合效率与在间距221和光束走离419、421之间的差和/或图像418的直径成反比(例如，对于较大直径，在间距221和光束走离419、421之间的差的宽容度较宽，并且对于较小直径，在差中的宽容度较窄)。第一曲线432a描绘了基于没有光束205’的扫描的对于各种目标范围的在单基地系统200’中的聚焦返回光束291到光纤尖端217中的耦合效率。耦合效率对于宽范围的目标范围保持相对高和恒定。第二曲线432c描绘了基于光束的中等扫描速率，对于各种目标范围，聚焦返回光束291’进入接收波导225的尖端217的耦合效率。在实施方式中，中等扫描速率下的耦合效率在高目标范围(例如，大约450m)处达到峰值，然后对于高于和低于该高目标范围的目标范围降低。第三曲线432b描绘了基于光束的高扫描速率，对于各种目标范围，聚焦返回光束291’到接收波导225的尖端217中的耦合效率。在一个实施方式中，高扫描速率的耦合效率在中等目标范围(例如，约180m)处达到峰值，然后随着目标范围的增加而降低。第四曲线432d描绘了基于没有光束的扫描，对于各种目标范围，聚焦返回光束291’到接收波导225的尖端217中的耦合效率。由于没有光束的扫描导致返回光束291’以发射波导223为中心(图4E的底行)，所以在整个目标范围内耦合效率约为0。因此，对于双基地LADAR系统200”，没有光束205”的扫描不是有利的操作模式。在一些实施方式中，能够为图2I的系统200”’和/或图2J的系统200””中的各种目标范围、扫描速度、双折射移位器长度和/或移位光束距离产生与图4F中所描绘的耦合效率类似的耦合效率。

基于图4F中的曲线，没有扫描导致很少或没有耦合效率进入接收波导225，因此对于双基地LIDAR系统200”不是最优化的。另外，扫描太慢使得不可能在宽的目标范围(例如，＜300m)内看到。在这种情况下，聚焦返回光束291’的图像418b的光束走离419b仅在非常大的目标范围(例如超过300m)处接近间距221。因此，以慢扫描速度操作双基地LIDAR系统200”不是最优化的，至少对于获取对于具有比该非常大的范围短的范围的目标(例如，对于距离＜300m的目标)的返回光束291’数据不是最优化的。图4F还描绘了以最优化的速度(例如曲线432b)扫描使得可能看到定位于宽目标范围(例如从大约100m到大约300m)中的目标。这是基于光束走离421b在间距221的阈值内。在示例实施方式中，中等扫描速度在从约1000度/秒到约2000度/秒的范围内，并且最优化的扫描速度在从约4000度/秒到约7000度/秒的范围内。

图4G是根据实施方式的图示在图2E的系统200”中对于各种扫描速率的SNR相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线440d描绘的基于光束不被扫描的目标范围的接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。尽管当光束不被扫描时没有光束走离，但是聚焦返回光束291’的图像418a与接收波导225的尖端217部分重叠(图4E的底行)，因此SNR大于零，并且由于图像418a的直径相对较大，SNR可以大于SNR阈值442。另外，当对于大的目标范围不扫描光束(图4E的底行)时，聚焦返回光束291’的图像418b的直径与较小的目标范围相比小得多，并且不能与接收波导225的尖端217重叠。因此，超过某一目标范围(例如，约90m)时，曲线440d的SNR接近零。

第二曲线440b描绘了基于光束以慢扫描速率被扫描的目标范围的在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。在示例实施方式中，慢扫描速率为大约2500度每秒(度/秒)或在大约1000度/秒到大约4000度/秒的范围内或在大约500度/秒到大约5000度/秒的范围内。第三曲线440c描绘了基于光束以最优化扫描速率被扫描的目标范围的在接收波导225的尖端217上的聚焦返回光束291’的SNR。在示例实施方式中，最优化的扫描速率为大约5500度/秒，或者在大约4000度/秒至大约7000度/秒的范围内，或者在大约3000度/秒至大约8000度/秒的范围内。在实施方式中，慢扫描速率和最优化的扫描速率基于系统200”的一个或多个参数，包括光束尺寸和/或间距221和/或系统200”的目标。在示例实施方式中，上述慢扫描速率和最优化的扫描速率的数值范围基于具有大约1厘米(cm)直径的准直光束，其用于将图像扫描到大约400米(m)的最大目标范围。

最终，在光束走离419、421和间距221之间的差是在相干双基地LIDAR系统200”中的SNR的显著抑制，和/或对于特定目标范围的图像418的直径指示差的公差或精度以便实现阈值SNR。在实施方式中，将双基地系统200”中的光束的扫描速率在角度范围和得到的目标范围上设置为固定扫描速率(例如，多边形扫描器244的角速度249的固定速度)，其中固定扫描速率被选择以使得固定扫描速率的关联SNR在目标范围上高于SNR阈值。如前面所讨论的，能够为系统200”’(图2I)和系统200””(图2J)中的接收波导的尖端处接收到的返回光束生成图4G的SNR曲线。在实施方式中，能够将如本文中所讨论的类似方法与SNR曲线一起使用以确定那些系统中的扫描光学器件的固定扫描速率(例如，设置在相关联的SNR曲线在目标范围上高于SNR阈值的扫描速率)。在传统的相干LIDAR系统中，这导致使用相对低的固定扫描速率来在扫描轨迹460上扫描光束，其导致在相邻扫描之间的大间隙462，如图4H所描绘的。扫描速度限制导致了沿着光束轨迹460的密集采样。当光束在几个合理大的场(例如，在任一维度上的10度)上被扫描时，光束轨迹460在角度覆盖范围中留下大的间隙462。这不是理想的，因为定位于大间隙462中的目标不被检测到。没有实现矩形采样的“正方形网格”。相反，在沿着扫描轨迹460的采样与在轨迹460之间的间隙462之间观察到不对称性，其能够大于10:1。考虑到这个问题，本公开的发明人开发了几种补充的解决方案，包括最大化固定光束扫描速度和为这些概念生成有效的硬件解决方案(例如多边形扫描器244)中的一个或多个。

除了光束的扫描速率之外，返回光束291’的SNR还受到积分时间的影响，在该积分时间上获取系统240和/或处理系统250采样并处理返回光束291’。在一些实施方式中，光束在离散的角度之间被扫描，并在每个离散角度的相应积分时间内在角度范围227中在离散角度处保持静止或几乎静止。在其它实施方式中，光束在整个角度范围227中以固定的扫描速率(例如，使用多边形扫描器244)被扫描。返回光束291’的SNR受积分时间和/或目标范围和/或扫描速率和/或间距221的值影响。因此，需要更长的积分时间实现用于来自更长的目标范围的返回光束291’的相同SNR。

图4I是根据实施方式的图示图2E的系统200”中的对于各种积分时间的SNR相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴404是以分贝(dB)为单位的SNR。第一曲线450a描绘了在目标范围上的返回光束291的SNR值，其中系统200”被设置为第一积分时间(例如3.2μs)。第二曲线450b描述了在目标范围上的返回光束291的SNR值，其中系统200”被设置为第二积分时间(例如1.6μs)。第三曲线450c描绘了在目标范围上的返回光束291的SNR值，其中系统200”被设置为第三积分时间(例如800ns)。第四曲线450d描绘了在目标范围上的返回光束291的SNR值，其中系统200”被设置为第四积分时间(例如400ns)。曲线450表明，对于固定的目标范围，SNR随着积分时间的增加而增加。曲线450还表明，对于固定的积分时间，返回光束291’的SNR由于前面讨论的原因随着距离的增加而降低。在一个实施方式中，对于在角度范围227处的扫描和得到的目标范围选择固定积分时间(例如，1.6μs)，使得与固定积分时间相关联的SNR在目标范围上超过SNR阈值452。另一实施方式涉及通过使用在每个角度的目标范围来最小化在角度范围227内的每个角度的积分时间，以便最小化在角度范围227上的积分时间。图4J是根据实施方式的图示图2E的系统200”中的测量速率相对于目标范围的示例的曲线图。水平轴402是以米(m)为单位的目标范围，并且竖直轴474是以每秒的可允许测量数量为单位的每单位时间允许的测量数量。曲线476描绘在每个目标范围的每秒可允许测量数量。在一个实施方式中，曲线476表示积分时间的倒数，例如能够在每秒每个目标范围处被检测到的返回光束291’的数量，而积分时间表示在每个目标范围上处理返回光束291’所花费的时间。还提供了曲线478，它是在每个目标范围每秒允许的测量数量的良好目标。曲线478基于对于给定ADC(模拟到数字转换)速率的2个间隔的幂。曲线478表示每秒可允许测量的数量的良好目标，因为当数字化样本的数量是2的幂时，对这样的长信号的快速傅立叶变换更有效。曲线450基于一个或多个系统200”系统参数而变化，系统参数包括但不限于波导间距221、发射信号205’的功率以及准直光学器件229的焦距。在实施方式中，能够为在系统200”’(图2I)和系统200””(图2J)中的接收波导的尖端处接收到的返回光束的积分时间，生成与图4I的曲线450类似的曲线。能够采用如本文中所讨论的类似方法来确定固定积分时间，例如，在目标范围上高于SNR阈值的曲线的积分时间值。

5.用于双基地LIDAR系统的自由空间光学器件

图2G和图2H是根据实施方式的图示单基地LIDAR系统的示例部件的俯视图的框图。图2G和图2H中所示的单基地LIDAR系统类似于图2D的系统，除了本文中所讨论的特征之外。与图2D的系统不同，图2G和图2H的系统207、209的发射路径222’和接收路径224’是具有正交定向的偏振保持(PM)波导。另外，图2G的单基地LIDAR系统207包括自由空间光学器件226’(代替图2D的自由空间光学器件226)和定位在准直光学器件229与目标292之间的四分之一波片211。在一些实施方式中，自由空间光学器件226’可以是光隔离器或偏振分束器/组合器，但不限于此。自由空间光学器件226’(例如，偏振分束器/组合器)利用第一线性偏振(例如，垂直线性偏振)使来自发射路径222’的光束偏振，然后从单基地光纤的尖端217输出。然后，准直光学器件229使具有第一线性偏振的光束准直，之后，四分之一波片211将光束的第一线性偏振转换成第一圆偏振(例如，右圆偏振)。然后，光束从目标292反射，这使第一圆偏振到与第一圆偏振方向相反的第二圆偏振(例如左圆偏振)的相位变化。然后，准直光学器件229将该返回光束聚焦到单基地光纤的尖端217中。自由空间光学器件226’然后通过将第二圆偏振转换成与发射光束的第一线性偏振正交的第二线性偏振(例如，水平线性偏振)来使光束偏振。接收路径224’的PM光纤与第二线性偏振对准，因此具有第二线性偏振的返回光束仅在接收路径224’的PM光纤中被接收，而在发射路径222’的PM光纤中不被接收，因为它与第二线性偏振正交对准。

图2H的系统209以与图2G的系统207类似的方式操作，除了图2H的系统209的特征在于自由空间光学器件226并且不包括四分之一波片211之外。在一些实施方式中，图2H中的自由空间光学器件226可以是光纤耦合循环器，但不限于此。在一些实施方式中，图2H中的自由空间光学器件226(例如，光纤耦合循环器)被设计为仅许可从第一端口(例如，发射路径222’波导)到第二端口(例如，波导尖端217)的一个方向上的行进，而不许可从第二端口到第一端口的相反方向上的行进。类似地，自由空间光学器件226(例如，光纤耦合循环器)被设计为仅许可从第二端口(例如，波导尖端217)到第三端口(例如，接收路径224’波导)的一个方向上的行进，而不许可从第三端口到第二端口的相反方向上的行进。这确保来自发射路径222’波导的发射光束仅从波导尖端217被发射，并且在波导尖端217处接收到的返回光束仅在接收路径224’波导处被接收。

本公开的发明人注意到，图2G和图2H的系统是专门为单基地LIDAR系统设计的，其中，发射模式和接收模式在单基地光纤内被分离。因此，这些系统不提供用于在光纤阵列或双基地收发器中具有空间上分离的发射和接收波导的双基地LIDAR系统中的发射模式和接收模式的空间上分离的机制。另外，本公开的发明人注意到，图2G的系统需要在准直光学器件229之外放置偏振转换光学器件(例如，四分之一波片211)，因此认识到，设计更接近LIDAR系统方便地采用自由空间光学器件的布置将是更有利的。例如，将自由空间光学器件放置成更接近LIDAR系统将有利地允许在双基地LIDAR系统的操作期间更容易维持发射模式与接收模式的关键对准。在其它示例中，将自由空间光学器件放置成更接近LIDAR系统的优点包含使用较小(例如，较不昂贵)的组件，因为光束在波导尖端附近相对于准直光束小得多。此外，在准直光学器件的另一侧使用循环器将必须使用双折射光楔来产生接收模式的角偏移，这将更难以维持对准公差。

图2I是根据实施方式的图示双基地LIDAR系统200”’的示例组件的俯视图的框图。在实施方式中，双基地LIDAR系统200”’类似于双基地LIDAR系统200”，除了本文中所讨论的特征之外。在实施方式中，系统200”’包括光纤阵列或双基地收发器215’，其包括一对波导，该对波导包括发射波导223′和通过间距221与发射波导223’间隔开的接收波导225’。在示例实施方式中，间距221是大约127μm或在从大约100μm到大约150μm的范围内和/或在从大约50μm到大约300μm的范围内。在一个实施方式中，双基地收发器215’是波导的线性阵列(例如一维或二维)。在示例实施方式中，双基地收发器215’是标准电信组件，其具有通过光刻技术限定的平行光纤之间的亚微米对准公差。在一个实施方式中，发射波导223’和/或接收波导225’是偏振保持(PM)波导或光纤。在示例实施方式中，发射波导223′和接收波导225′是具有正交定向的PM光纤(例如，发射波导223’是具有垂直定向的PM光纤，并且接收波导225’是具有水平定向的PM光纤，反之亦然)。在该实施方式中，来自发射波导223’的尖端的发射光束205’例如利用对应于发射波导223’的PM光纤的第一线性偏振252(例如，垂直线性偏振)而被偏振。另外，在该实施方式中，在接收波导225’的尖端处接收到的返回光束291’诸如利用与接收波导225’的PM光纤相对应并且与第一线性偏振正交的第二线性偏振254(例如，水平线性偏振)而被偏振。

在实施方式中，双基地LIDAR系统200”’包括自由空间光学器件260(例如双折射移位器)，其不使具有第一线性偏振252(例如垂直线性偏振)的光束移位，并且使具有与第一线性偏振正交的第二线性偏振254(例如水平线性偏振)的光束与光束方向正交移位了距离264。在实施方式中，距离264基于光束穿过的自由空间光学器件260的长度262和/或自由空间光学器件260的材料。在示例实施方式中，自由空间光学器件260由诸如方解石、YVO₄、αBBO或金红石的任何双折射材料制成。在另一示例实施方式中，自由空间光学器件260在长度262上具有大约±0.01毫米(mm)的精密制造公差和/或对于晶轴和表面角具有±0.1度的精密制造公差。这许可移位距离264的微米级公差。出于本说明书的目的，“表面角”是指双折射移位器的输入和输出表面相对于入射和出射光束的任何倾斜角。另外，出于本说明书的目的，“晶轴”是双折射移位器的晶体的c轴(例如光轴)，其限定移位(例如图2I中的移位264)的方向，并且其相对于光束的角度(例如图2I中的角度259)被用于计算走离角。在示例实施方式中，在一个示例中的移位平面中的角度(例如，图2I的平面中的角度259)相对于光束的方向(例如，图2I中入射在自由空间光学器件260上的返回光束291’的方向)为大约45度。由于材料的类型指示正或负双折射，因此晶轴的方向取决于材料。在图2I的示例实施方式中，自由空间光学器件260由YVO₄材料(例如，正双折射)制成，并且将具有在图2I的平面中的光轴，从左下到右上(非定向)成约45度的角度。在另一示例实施方式中，由αBBO材料(例如，负双折射)制成的置换器将具有在图2I的平面中从左上到右下成角度的光轴。偏转角(例如走离角)在等式6中被限定。

在实施方式中，来自发射波导223’的具有第一线性偏振252的发射光束205’入射到自由空间光学器件260上。由于自由空间光学器件260不使入射光束随第一线性偏振252移位，所以发射光束205’穿过自由空间光学器件260而不经历移位。然后，发射光束205’入射到偏振转换光学器件上，以调整发射光束205’的正交场分量之间的相对相位。在一个方式中，偏振转换光学器件是四分之一波片211，其将发射光束205’的第一线性偏振252调整为具有第一方向(例如，顺时针方向)的第一圆偏振256。在示例实施方式中，四分之一波片由石英制成，并且相对于自由空间光学器件260的移位的轴线以约45度被定向。

然后，具有第一圆偏振256的发射光束205’被准直光学器件229准直和/或被扫描光学器件218扫描。在一些实施方式中，省略扫描光学器件218，并且通过准直光学器件229准直发射光束205’。在示例实施方式中，准直光学器件229是非球面透镜，其可以通过研磨和抛光或通过模制来制成。在另一示例实施方式中，准直光学器件229是单透镜或多元件(例如，双合透镜、三合透镜等)球面透镜。如图2I所描绘的，自由空间光学器件260(例如双折射移位器)和偏振转换光学器件(例如四分之一波片211)被定位于双基地收发器215’与准直光学器件229之间，这与其中四分之一波片211被定位在准直光学器件229的远离单基地波导尖端217的一侧的图2G的单基地系统207不同。

在一个实施方式中，准直光学器件229和/或扫描光学器件218将发射光束205’引导到目标292。这里，返回光束291’从目标292的反射引起从第一圆偏振256到具有与第一圆偏振256的第一方向相反的第二方向(例如逆时针方向)的第二圆偏振258的相位变化。准直光学器件229和/或扫描光学器件218将具有第二圆偏振258的返回光束291’引导到四分之一波片211，其将第二圆偏振258调整为与发射光束205’的第一线性偏振252正交的第二线性偏振254。

在实施方式中，具有第二线性偏振254的返回光束291’入射在自由空间光学器件260(例如，双折射移位器)上。由于自由空间光学器件260使具有第二线性偏振254的入射光束发生移位，因此当返回光束291’穿过自由空间光学器件260时，返回光束291’在与返回光束291’的行进方向正交的方向上移位了距离264。在实施方式中，自由空间光学器件260的长度262和/或自由空间光学器件260的材料被选择为使得距离264基于发射波导223’和接收波导225’的间距221来调整。在示例实施方式中，自由空间光学器件260的长度262和/或材料被选择为使得距离264约等于(例如，在其±2％或±5％内)间距221。在另一示例实施方式中，自由空间光学器件260的材料被选择为原钒酸钇(YV0₄)并且具有晶体定向，并且长度262被确定大小以使得距离264约等于间距221。

如图2I所描绘的，在返回光束291’被移位了距离264之后，返回光束291’与接收波导225’对准并且在接收波导225’的尖端处被接收。在示例实施方式中，能够实现小于约1.2分贝(dB)的典型耦合损耗。在实施方式中，然后使用检测器阵列230中的一个或多个光学混合器284将返回光束291’与参考光束207b(或LO信号)组合。在实施方式中，返回光束291’有利地具有与发射光束205’的线性偏振252正交的线性偏振254，因此返回光束291’的处理可以提供在其它双基地系统中不能获得的关于目标292的另外的数据(例如，使用返回光束291’的线性偏振254)。通常，但不是唯一地，天然材料往往在散射时去偏振，而包括涂漆金属的人造材料往往更好地保持偏振。在处理步骤期间获取的返回光束291’的偏振特性能够被用于区分和识别对象与类似形状的对象。在示例实施方式中，用于国防或商业的空中和陆地静态和移动平台上的目标识别应用能够受益于偏振信息。

尽管图2I描绘了双基地收发器215’包括一对波导的一个实施方式，该对波导包括布置成阵列(例如一维阵列)的一个发射波导223’和一个接收波导225’，但是在其它实施方式中，双基地收发器215’包括多于一对波导。图2K是根据实施方式的图示双基地LIDAR系统200”’的示例组件的俯视图的框图。图2K的双基地收发器215’以布置在阵列(例如一维阵列)中的多于一对波导为特征，包括两个或更多个发射波导223a’、223b’和两个或更多个接收波导225a’、225b’，其中存在与每个相应的发射波导223a’、225b’相邻的接收波导225a’、225b’。如图2K所描绘的，在实施方式中，发射光束205a’、205b’从发射波导223a’、223b’的尖端并行或串行输出。如图2K中进一步所描绘的，在实施方式中，在接收波导225a’、225b’的尖端处并行或串行地接收返回光束291a’、291b’。在示例实施方式中，从发射波导223a’、223b’的尖端输出的发射光束205a’、205b’形成成角度分离的发射光束的扇形，并且在接收波导225a’、225b’的尖端处接收到的返回光束291a’、291b’形成成角度分离的返回光束的扇形。如图2K所描绘的，在实施方式中，单个自由空间光学器件260(例如，单个双折射移位器)和偏振转换光学器件(例如，四分之一波片211)被用于对来自双基地收发器215’的多个光束进行整形，这提供对于其中对于每个相应的发射和接收波导对使用单独的整形光学器件的传统双基地系统的优点。

图2J是根据实施方式的图示双基地LIDAR系统200””的示例组件的俯视图的框图。系统200””类似于图2I的系统200”’，除了本文中所讨论的特征之外。在实施方式中，图2J的光纤阵列或双基地收发器215”包括一组波导(例如三个)，该组波导包括发射波导223、与发射波导223的第一侧间隔开第一间距221a的第一接收波导225a’以及与发射波导223b的第二侧间隔开第二间距221b的第二接收波导225b’。在实施方式中，双基地收发器215”的波导以一维阵列或二维阵列被布置。在实施方式中，二维阵列基于与一维阵列的相邻堆叠一致的波导被布置。在一些实施方式中，第一间距221a约等于第二间距221b。尽管图2J描绘了双基地收发器215”包括一对接收波导，其中接收波导在发射波导的相对侧上，但是在其它实施方式中，该对接收波导被定位在发射波导的同一侧上，诸如利用图2F的布置。在示例实施方式中，间距221a和/或221b为大约127m或在从大约100μm到大约150μm的范围内和/或在从大约50μm到大约300μm的范围内。在一个实施方式中，收发器215”是波导的线性阵列(例如一维或二维)。在示例实施方式中，双基地收发器215”是标准电信组件，其具有通过光刻技术限定的平行光纤之间的亚微米对准公差。

在实施方式中，图2J的发射波导223是单模(SM)光纤，并且接收波导225a’、225b’是偏振保持(PM)光纤，它们被彼此正交地定向。在一个实施方式中，来自发射波导223的尖端的发射光束205’是非偏振的253，其由发射波导223的SM光纤容纳。在另一实施方式中，在第一接收波导225a’中接收到的返回光束291’的第一分量237具有与第一接收波导225a’的PM光纤对准的第一线性偏振252。此外，在另一实施方式中，在第二接收波导225b’中接收到的返回光束291’的第二分量239具有与第二接收波导225b’的PM光纤对准的第二线性偏振254。

在实施方式中，与以单个自由空间光学器件260(例如双折射移位器)为特征的图2I的系统200”’不同，图2J的系统200””以第一自由空间光学器件260a(例如双折射移位器)和第二自由空间光学器件260b(例如另一双折射移位器)以及定位在第一自由空间光学器件260a与第二自由空间光学器件260b之间的一个或多个偏振转换光学器件为特征。在一个实施方式中，第一自由空间光学器件260a和第二自由空间光学器件260b以与图2I的自由空间光学器件260类似的方式使光束移位，包括使具有第一线性偏振252的光束(或光束分量)移位，而不使具有与第一线性偏振252正交的第二线性偏振254的光束(或光束分量)移位。另外，第一自由空间光学器件260a和第二自由空间光学器件260b可以由用于制造自由空间光学器件260的类似材料制成。虽然描绘了两个双折射置换器，但是在其它实施方式中，提供了多于两个双折射置换器。

在实施方式中，如图2J所示，非偏振253的发射光束205’入射到第一自由空间光学器件260a(例如双折射移位器)上。在实施方式中，第一自由空间光学器件260a基于发射光束205′的第一线性偏振252将第一分量235与发射光束205’的行进方向正交移位了距离264a。在实施方式中，第一自由空间光学器件260a基于发射光束205’的第二分量233的第二线性偏振254来不使第二分量233移位。因此，在一个实施方式中，第一自由空间光学器件260a将非偏振发射光束205′分成具有正交线性偏振252、254的相应分量233、235。在实施方式中，选择第一自由空间光学器件260a的长度262a和/或材料，使得距离264a被确定大小为约等于第一间距221a(例如，在其±10％内)。这有利地将发射光束205’的第一分量235偏移为与第一接收波导225a’对准。

在实施方式中，如图2J所示，提供了一个或多个偏振转换光学器件以调整发射光束205’和/或返回光束291’的正交场分量之间的相对相位。在一个实施方式中，偏振转换光学器件包括法拉第旋转器266和半波片268。在示例实施方式中，法拉第旋转器266由铋铁石榴石(BIG)材料制成和/或实现大约45度的法拉第旋转。在另一示例实施方式中，半波片268由石英制成和/或定向成使得其将偏振旋转了大约45度。在其它实施方式中，提供了其它偏振转换光学器件和/或将偏振旋转除45度之外的角度的偏振转换光学器件。

在实施方式中，第一分量235的第一线性偏振252被法拉第旋转器266旋转到中间线性偏振255，并且第二分量233的第二线性偏振254被法拉第旋转器266旋转到中间线性偏振257。另外，在一个实施方式中，第一分量235的中间线性偏振255被半波片268旋转到第二线性偏振254，并且中间线性偏振257被半波片268旋转到第一线性偏振252。因此，在一个实施方式中，法拉第旋转器266和半波片268共同将第一分量235的第一线性偏振252旋转到第二线性偏振254，并且进一步共同将第二分量233的第二线性偏振254旋转到第一线性偏振252。

在实施方式中，第二自由空间光学器件260b(例如双折射移位器)基于第二分量233的第一线性偏振252来移位从偏振转换光学器件入射的发射光束205’的第二分量233。在实施方式中，选择第二自由空间光学器件260b的长度262b和/或材料，使得第二组件233移位了约等于第一间距221a(例如，在其±10％内)的距离264a。在另一实施方式中，第二自由空间光学器件260b基于第一分量235的第二线性偏振254来不使发射光束205’的第一分量235移位。在实施方式中，发射光束205’的第一分量235和第二分量233基于自由空间光学器件260b和非偏振253的发射光束205’的移位来重新组合。在一个实施方式中，入射到准直光学器件229和/或扫描光学器件218上的重新形成的发射光束205’与入射到第一自由空间光学器件260a上的发射光束205’相同，除了重新形成的发射光束205’横向偏移以与第一接收波导225a’对准之外。

在另一实施方式中，重新形成的发射光束205’由准直光学器件229准直和/或由扫描光学器件218扫描。在一些实施方式中，省略扫描光学器件218，并且通过准直光学器件229在目标292处准直重新形成的发射光束205’。返回光束291’从目标292被反射，并且类似地是非偏振的253。如图2J中所描绘的，在一个实施方式中，非偏振的返回光束291’入射在第二自由空间光学器件260b(例如，双折射移位器)上。在实施方式中，第二自由空间光学器件260b基于返回光束291’的第一分量237的第一线性偏振252来使第一分量237移位。在一个实施方式中，第一部件237被移位了约等于第一间距221a的距离264a。在另一实施方式中，第二自由空间光学器件260b基于与第一线性偏振252正交的返回光束291’的第二分量239的第二线性偏振254来不使第二分量239移位。

在另一实施方式中，返回光束291’的第一分量237和第二分量239入射到偏振转换光学器件上。在实施方式中，偏振转换光学器件不影响第一分量237的第一线性偏振252和第二分量239的第二线性偏振254。在一个实施方式中，在偏振转换光学器件包括法拉第旋转器266和半波片268的情况下，半波片268将第一分量237的第一线性偏振252旋转至中间线性偏振257，并且将第二分量239的第二线性偏振254旋转至中间线性偏振255。在另一实施方式中，法拉第旋转器266然后将第一分量237的中间线性偏振257旋转回到第一线性偏振252，并且将第二分量239的中间线性偏振255旋转回到第二线性偏振254。因此，在示例实施方式中，半波片268和法拉第旋转器266根据第一和第二分量237、239的线性偏振的旋转而彼此偏移，使得第一和第二分量237、239以与入射到偏振转换光学器件上的相同的相应线性偏振入射到第一自由空间光学器件260a(例如，双折射移位器)上。在示例实施方式中，半波片268和法拉第旋转器266使相应的线性偏振以相等且相反的方向旋转了大约45度。

在实施方式中，具有第一线性偏振252的第一分量237和具有第二线性偏振254的返回光束291’的第二分量239入射在第一自由空间光学器件260a(例如双折射移位器)上。在实施方式中，第一自由空间光学器件260a基于第一分量237的第一线性偏振252移位返回光束291’的第一分量237，并且进一步基于第二分量的第二线性偏振254来不使返回光束291’的第二分量239移位。在实施方式中，第一组件237移位了基于第二间距221b的距离264b，使得所移位的第一组件237与第二接收波导225b’对准。在示例实施方式中，选择第一自由空间光学器件260a的一个或多个参数，诸如自由空间光学器件260a的长度262a和/或材料，使得距离264b被调整为约等于第二间距221b。

图2L是根据实施方式的图示了图2I的LIDAR系统200”’的收发器215’的正视图的框图。图2L的左侧描绘其中没有扫描光学器件218和/或没有发射光束205’的扫描发生的一个实施方式。在实施方式中，移位向量274指示返回光束291’被自由空间光学器件260(例如双折射移位器)移位了距离264以使得返回光束291’在接收波导225’的尖端处被接收的方向。由于没有发射光束205’的扫描，所以没有走离由于往返时间延迟而发生，并且因此自由空间光学器件260被定位成使得移位向量274与从发射波导223’到接收波导225’的向量275对准。

图2L的中间描绘了其中采用扫描光学器件218并且发射光束205’的扫描在扫描方向276上发生的一个实施方式。在该实施方式中，扫描方向276与双基地收发器215’的发射和接收波导223’、225’之间的向量275成角度(例如，正交)。在实施方式中，返回光束291’由自由空间光学器件260(例如双折射移位器)沿着与图2L左侧中相同的移位向量274被移位，该移位向量与发射和接收波导223’、225’之间的向量275对准。然而，如图2L的中间所描绘的，可归因于光束扫描的往返时间延迟导致光束走离277，并且因此使返回光束291’错过接收波导225’。

图2L的右侧描绘了其中采用扫描光学器件218并且在扫描方向276上发生发射光束205’的扫描的一个实施方式。在实施方式中，返回光束291’由自由空间光学器件260(例如双折射移位器)沿着相对于发射和接收波导223’、225’之间的向量275以角度278定向的校正移位向量274’被移位。在一个实施方式中，这通过将自由空间光学器件260相对于收发器215’(例如，在图2I的平面之外的方向上)倾斜或定向角度278来实现。在实施方式中，角度278相对于向量275被定向在与扫描方向276相同的方向上。在另一实施方式中，角度278的大小基于扫描速度的大小。在示例实施方式中，角度278为大约5度或在从大约1度到大约10度的范围内和/或在从大约0度到大约20度的范围内。在一个实施方式中，角度278通过以下与扫描速度(例如，多边形扫描仪的旋转速率)相关：

其中θ是角度278，焦距是准直光学器件229的焦距(以米为单位)；旋转速率是多边形扫描器244的旋转速度(以弧度每秒为单位)；距离是目标范围(以米为单位)；波导间距是间距221(以米为单位)，并且c是光速(以米每秒为单位)。

在其它实施方式中，不是将自由空间光学器件260(例如，双折射移位器)旋转了角度278(例如，在图2I的平面之外)，而是将自由空间光学器件260的光轴切割了相同角度278。如图2L的右侧所描绘的，基于与来自扫描的往返延迟相关联的角移位向量274’和光束走离277，返回光束291’在接收波导225’的尖端被接收。

图2M是根据实施方式的示出图2I的LIDAR系统200”’的双基地收发器215’的正视图的框图。图2M的顶部描绘其中没有扫描光学器件218并且因此没有发生发射光束205’的扫描的实施方式。在实施方式中，移位向量274具有基于返回光束291’被自由空间光学器件260(例如双折射移位器)移位的方向和基于距离264的幅值，使得返回光束291’在接收波导225’的尖端处被接收。

图2M的中间描绘了其中采用扫描光学器件218并且发射光束205’的扫描的在扫描方向276’上发生实施方式。在该实施方式中，扫描方向276’大约平行于双基地收发器215’的发射和接收波导223’、225’之间的向量275(例如，在±10度内)。在实施方式中，自由空间光学器件260(例如双折射移位器)使返回光束291’沿着与图2L的左侧中相同的移位向量274幅值移位。然而，如图2M的中间所描绘的，由于光束扫描的往返时间延迟而引起的光束走离277’导致返回光束291’错过发射波导223’与接收波导225’之间的接收波导225’，因此移位向量274幅值(例如，距离264)太小。

图2M的底部描绘了其中采用扫描光学器件218并且发射光束205’的扫描在扫描方向276’上发生的实施方式。在实施方式中，自由空间光学器件260(例如双折射移位器)沿着具有增大的大小(例如增大的距离264)的校正移位向量274”对返回光束291’进行移位，使得光束走离277’由于往返延迟而导致返回光束291’在接收波导225’中被接收。在一些实施方式中，通过调整自由空间光学器件260的长度262来调整移位向量大小。在示例实施方式中，通过增加自由空间光学器件260的长度262来增加返回光束291’被移位的距离264。在一个实施方式中，长度262的变化是移位距离264的变化的比率(例如，大约10倍)。在示例实施方式中，长度262的变化小于大约200μm或者在大约100μm到大约300μm的范围内。在另一示例实施方式中，长度262的变化取决于相对于收发器的扫描方向而是正的或者负的。

图2N是根据实施方式的图示双基地LIDAR系统200”’的示例组件的俯视图的框图。在实施方式中，图2N描绘自由空间光学器件260(例如双折射移位器)相对于双基地收发器215’内的发射与接收波导223’、225’之间的方向或轴275以角度278被定向。因此，在实施方式中，返回光束291’被自由空间光学器件260相对于双基地收发器215’以角度278移位了距离264，使得当考虑与往返时间延迟相关联的光束走离277时，在接收波导225’的末端处接收返回光束291’。另外，在实施方式中，图2N描绘双基地收发器215’的一个或多个发射波导223’传输发散发射光束205a’、205b’的扇形，其随后由准直光学器件229和/或扫描光学器件218准直为准直发射光束205a”、205b”的扇形。在示例实施方式中，发散发射光束205a’、205b’在准直光学器件229处扩展到大约8毫米(mm)的直径，或者扩展到大约4mm到大约12mm的范围内和/或大约2mm到大约20mm的范围内。然而，在其它实施方式中，发散发射波束205a’、205b’的直径被改变以满足LIDAR系统的物理尺寸和范围性能的需要。在另一示例实施方式中，准直光学器件229是具有在从大约40mm到大约50mm的范围内和/或在从大约30mm到大约60mm的范围内的焦距的非球面透镜，其准直发射光束205a”、205b”。类似地，准直光学器件229接收准直返回光束(未示出)的扇形，其与它们各自的准直发射光束205a”、205b”大部分重叠。在示例实施方式中，准直发射光束205a”、205b”与准直返回光束的扇形之间的角间距在大约0.02度至大约0.05度的量级上和/或在大约0.01度至大约0.10度的量级上。在实施方式中，准直光学器件229将准直返回光束的扇形聚焦成在图2N的四分之一波片211处的会聚返回光束。在实施方式中，图2N中的光纤阵列215’与自由空间光学器件260之间的虚线下方的细虚线(例如，双折射移位器)表示进入相邻接收波导225’的分离的返回光束。在实施方式中，图2N的收发器有利地提供其中两个发射波导创建来自单个准直器的发射波束的扇形的一种布置。

图2O是根据实施方式的示出双基地LIDAR系统200””的示例部件的俯视图的框图。在一个实施方式中，图2O的双基地收发器215”包括一组或多组波导，其中每组波导是发射波导223和在发射波导223的相对侧上的一对接收波导225a’、225b’。在示例实施方式中，发射波导223是SM光纤，并且一对接收波导225a’、225b’是具有正交定向的PM光纤。在示例实施方式中，双基地收发器215”包括三的倍数个波导，其中每组三个波导是发射波导223和在发射波导223的相对侧上的一对接收波导225a’、225b’。另外，在实施方式中，图2O描绘双基地收发器215”的一个或多个发射波导223发射一对发散发射光束，其随后被准直光学器件229和/或扫描光学器件218准直为准直发射光束的扇形(例如，如图2N中所描绘的)。在示例实施方式中，发散发射光束在准直光学器件229处扩展到大约8毫米(mm)的直径，或者扩展到大约4mm到大约12mm的范围内和/或大约2mm到大约20mm的范围内。在另一示例实施方式中，准直光学器件229是具有在从大约40mm到大约50mm的范围内和/或在从大约30mm到大约60mm的范围内的焦距的非球面透镜，其准直发射光束205”。类似地，准直光学器件229接收准直返回光束291a”、291b”的扇形，并且将会聚返回光束291a’、291b’聚焦到图2J的自由空间光学器件260b。与图2N的实施方式一样，准直返回光束291a”、291b”的扇形与准直发射光束的扇形在很大程度上重叠。在示例实施方式中，准直返回光束291A”、291B”的扇形与准直发射光束之间的角间距大约为0.02度至0.05度和/或0.01度至0.10度。在实施方式中，图2O的收发器有利地提供其中两个发射波导创建来自单个准直器的发射波束的扇形的一种布置。

图6B是根据实施方式的图示用于双基地LIDAR系统中的发射和接收模式的空间移位的示例方法650的流程图。在实施方式中，在步骤651中，光束205’从激光源212被发射并且通过双基地收发器的发射波导223’、223。在一些实施方式中，在光束205’是非偏振的步骤651中，光束205’从图2J的双基地收发器215”的发射波导223(例如SM光纤)被发射。在其它实施方式中，在光束205’被线性偏振的步骤651中，光束205’从图2I的双基地收发器215’的发射波导(例如PM光纤)被发射。

在实施方式中，在步骤653中，利用双折射移位器在与发射光束205’的方向正交的方向上对发射光束205’进行移位。在实施方式中，在步骤653中，图2J的系统200””中的发射光束205’的第一分量235与发射光束205’的方向正交移位了距离264a。在示例实施方式中，距离264a基于第一间距221a，使得所移位的第一分量235与第一接收波导225a’对准。在一些实施方式中，诸如图2I的系统200”’，步骤653被省略。

在实施方式中，在步骤655中，利用偏振转换光学器件来调整发射光束205’的正交场分量之间的相对相位。在一个实施方式中，在步骤655中，使用四分之一波片211(图2I)将发射光束205’的第一线性偏振252调整到第一圆偏振256。在另一实施方式中，在步骤655中，使用法拉第旋转器266和半波片268(图2J)，将发射光束205’的第一分量235的第一线性偏振252旋转到正交于第一线性偏振252的第二线性偏振254。类似地，在步骤655中，使用法拉第旋转器266和半波片268(图2J)将发射光束205’的第二分量233的第二线性偏振254旋转到第一线性偏振252。

在实施方式中，在步骤655中，利用偏振转换光学器件来调整返回光束291’的正交场分量之间的相对相位。在一个实施方式中，在步骤655中，使用四分之一波片211(图2I)将返回光束291’的第二圆偏振258调整为第二圆偏振254。

在实施方式中，在步骤657中，准直光学器件229被用于对来自发射波导的发射光束205’进行整形，并且对从目标292反射的返回光束291’进行整形。在一个实施方式中，在步骤657中，准直光学器件229具有使得发散发射光束205’(例如，在准直光学器件229处的约8mm的直径)被光学器件229准直的焦距。在示例实施方式中，准直光学器件229具有焦距，其被确定大小以(例如，在从大约40mm至大约50mm的范围内)使得发散发射光束205’被准直为准直发射光束205”。

在实施方式中，在步骤658中，利用双折射移位器在与返回光束291’的方向正交的方向上移位返回光束291’。在一个实施方式中，在步骤658中，图2I的系统200””中的返回光束291’与返回光束291’的方向正交地移位了距离264。在示例实施方式中，距离264基于间距221。在另一实施方式中，在步骤658中，图2J的系统200””中的返回光束291’的第一分量237与返回光束291’的方向正交地移位了距离264a。在示例实施方式中，距离264a基于第一间距221a，使得所移位的第一分量235与第一接收波导225a’对准。

在实施方式中，在步骤659中，返回光束291’在双基地收发器的一个或多个接收波导处被接收。在实施方式中，返回光束291’在图2I的系统200””的接收波导225’处被接收。在另一实施方式中，返回光束291’的正交线性偏振的第一和第二分量237、239在相应的接收波导225a’、225b’中被接收。

在实施方式中，在步骤661中，在步骤659中接收到的返回光束291’在一个或多个光学混合器284中与参考信号207(或LO信号)组合。在一些实施方式中，在返回光束291’的正交线性偏振的多个分量237、239在相应的接收波导225a’、225b’中被接收的情况下，为每个相应的分量提供多个处理通道，从而分离地处理返回光束291’的每个相应的分量。在一个实施方式中，在步骤663中，基于步骤661中的组合生成信号，并且在步骤665中，基于所生成的信号来操作设备。在一些实施方式中，该设备是车辆，诸如该车辆的制动或加速或转向系统。

6.车辆控制概述

在一些实施方式中，至少部分地基于从安装在车辆上的高分辨率多普勒LIDAR系统接收的数据来控制车辆。

图3A是根据实施方式的图示包括安装在车辆310上的至少一个高分辨率多普勒LIDAR系统320的示例系统301的框图。在实施方式中，LIDAR系统320类似于LIDAR系统200、200’、200”、200”’、200””中的一个。车辆具有由星号311表示的质心，并且沿箭头313给出的向前方向行驶。在一些实施方式中，车辆310包括响应于来自处理器的信号而操作的组件，诸如转向或制动系统(未示出)，处理器例如是处理系统250的车辆控制模块272。在一些实施方式中，车辆具有车载处理器314，诸如图8中所示的芯片组。在一些实施方式中，车载处理器314与远程处理器有线或无线通信，如图7中所描绘的。在实施方式中，LIDAR系统的处理系统250与车载处理器314通信地耦合，或者LIDAR的处理系统250被用于执行车载处理器314的操作，使得车辆控制模块272使处理系统250向车辆的转向或制动系统发送一个或多个信号，以控制车辆的方向和速度。高分辨率多普勒LIDAR使用扫描光束322，其从一侧扫描到另一侧，由未来光束323表示，穿过方位角视场324以及穿过垂直角(图3B)以照射在车辆310周围的光斑。在一些实施方式中，视场是360度方位角。在一些实施方式中，倾斜角视场为从约+10度到约-10度或其子集。在一些实施方式中，在系统320是系统200”的情况下，视场324由角度范围227限定。在设计系统301时，在视场324上在每个角度处的光束的预定最大设计范围被确定并且表示在视场324的范围中在每个角度处的最大预期目标范围。在示例实施方式中，最大设计范围是在视场324上的固定值或值的固定范围。在实施方式中，在视场324上的最大设计范围为约200米或在约150米至约300米的范围内。

在一些实施方式中，车辆包括辅助传感器(未示出)，诸如现有技术中已知的GPS传感器、里程表、转速表、温度传感器、真空传感器、电压或电流传感器等。在一些实施方式中，陀螺仪330被包括以提供旋转信息。

图3B是根据实施方式的图示包括安装在车辆310上的至少一个高分辨率LIDAR系统320的示例系统301’的框图。LIDAR系统320类似于系统200或系统200’或系统200”。在一个实施方式中，车辆310在表面349(例如，道路)上以基于箭头313的向前方向移动。LIDAR系统320在从以相对于箭头313测量的第一角度定向的第一光束342到以相对于箭头313测量的第二角度定向的第二光束346的角度范围326上扫描。在一个实施方式中，第一角度和第二角度是在相对于表面349大致正交定向的竖直平面内的竖直角。为了本说明书的目的，“大致正交”意味着在表面349的法线的±20度内。在一些实施方式中，其中LIDAR系统320类似于系统200”，角度范围326由角度范围227限定。

在设计系统301’时，在每个角度处的光束的预定最大设计范围被确定，并且表示在距离326中在每个角度处的最大预期目标范围。在其它实施方式中，在每个角度处的最大设计范围不是预定的，而是在处理系统250的存储器中以递增的时间周期被定期测量和更新的。在实施方式中，第一光束342朝向表面349被定向，并且在距离车辆310的某个最大设计范围内与表面349相交。因此，在第一角度处，系统320不考虑定位在表面349之外的目标。在示例实施方式中，第一光束342的第一角度相对于箭头313为大约-15度或在从大约-25度到大约-10度的范围内，并且最大设计范围为大约4米(m)或在从大约1m到大约10m的范围内或在从大约2m到大约6m的范围内。在一个实施方式中，第二光束346朝向天空定向，并且在距车辆310的某个最大设计范围内与上限347相交。因此，在第二角度处，系统320不考虑定位于上限347上方的目标。在示例实施方式中，上限347在距表面349约12m或在从约8m至约15m的范围内(例如，其限定0m的高度)的高度处，第二光束346的第二角度相对于箭头313为约15度或在从约10度至约20度的范围内，并且最大设计范围为约7m或在从约4m至约10m的范围内或在从约1m至约15m的范围内。在一些实施方式中，上限347的高度取决于LIDAR系统320的高度(例如，约1.5m或在约1m至约4m的范围内，其中表面349被限定为0m)。在实施方式中，在第一光束342与第二光束346之间的中间光束344被定向为大致平行于箭头313，并且与定位于距车辆310的最大设计范围处的目标343相交。在一个示例实施方式中，图3B未按比例绘制，并且目标343被定位在距离车辆310比所描绘的更远的距离处。为了本说明书的目的，“大致平行”意味着在箭头313的大约±10度内或大约±15度内。在示例实施方式中，目标343的最大设计范围为大约200m或者在大约150m至大约300m的范围内或者在大约100m至大约500m的范围内。

尽管图3B描绘了安装在被配置为在表面349之上行进的车辆310上的LIDAR系统，但是本发明的实施方式不限于这种类型的车辆，并且LIDAR系统能够被安装到被配置为飞行的空中交通工具310’上(例如，客运空中交通工具)。在实施方式中，交通工具310’被配置为在存在一个或多个目标343的表面349上方飞行。图3D是根据实施方式的图示示例系统301”的框图，其包括安装在被配置为在表面349上飞行的交通工具310’上的至少一个高分辨率LIDAR系统320上。在实施方式中，LIDAR系统320以与系统301’的LIDAR系统320类似的方式操作，不同之处在于，相对于箭头313成第一角度的第一光束342’的最大设计范围是相对于表面349基于下限348被限定的。在示例实施方式中，下限348具有的相对于系统320的高度的高度在从大约0m到大约-10m的范围内或者在从大约0m到大约-2m的范围内。在另一示例实施方式中，上限347具有的相对于系统320的高度的高度在从大约0m到大约10m的范围内。在另一示例实施方式中，第一角度是大约-30度或者在从大约-60度到大约-15度的范围内。在一些实施方式中，第一角度将为等于上限347的第二角度并且与之相反。

7.用于使相干LIDAR系统中的扫描方式最优化的方法

图6A是图示用于使LIDAR系统的扫描方式最优化的示例方法600的流程图。在一些实施方式中，系统600用于使安装在自主车辆上的LIDAR系统的扫描方式最优化。尽管出于说明的目的，在图6A中和在图6B中以及在随后流程图中将步骤描述为特定顺序的整体步骤，但是在其它实施方式中，以不同的顺序、或者在时间上重叠地、串接地或并行地执行、或省略一个或多个步骤或者其部分，或增加一个或多个附加步骤，或以某种方式组合改变方法。

在步骤601中，在处理器上接收数据，该数据指示在双基地收发器的发射波导传输信号之后由目标反射并由双基地收发器的接收波导接收的信号的第一SNR值，其中接收波导与发射波导以一间距被间隔开。第一SNR值基于目标范围的值，并且第一SNR值用于LIDAR系统的扫描速率的相应的值。在实施方式中，在步骤601中，第一SNR值是在由发射波导223发射光束205’之后由目标反射并且由双基地收发器215的接收波导225接收的返回光束291’的第一SNR值，其中接收波导225与发射波导223以间距221被间隔开。在一个实施方式中，数据是在系统200”中的接收波导225a、225b中的任一个或两个的尖端217上的聚焦返回光束291’的第一SNR值。在另一实施方式中，在步骤601中，数据是在系统200”中的检测器阵列230上的聚焦返回光束291’的第一SNR值。在一个实施方式中，数据包括用于指示返回光束291’的SNR值的曲线440b和/或曲线440c和/或曲线440d的值，其中每个曲线440用于光束的扫描速率的相应值。在示例实施方式中，曲线440b、440c、440d基于间距221的相同值，并且在步骤601中多组曲线440b、440c、440d被接收用于间距221的相应多个值。在一些实施方式中，数据不限于曲线440b、440c、440d，并包括比图4G中所描述的更少或更多的曲线的SNR值，其中每个SNR曲线基于扫描速率的相应值和/或曲线440b、440c、440d基于间距221的特定值。

在其它实施方式中，在步骤601中接收的数据包括SNR值，SNR值可以被用于为扫描速率的每个相应值和/或间距221的每个值形成在目标范围上的曲线。在一个实施方式中，基于扫描速率的固定值(例如4000度/秒)和间距221的多个值来提供曲线464、466。在另一实施方式中，基于扫描速率的固定值(例如12000度/秒)和间距221的多个值来提供曲线465、467。在又一个实施方式中，在步骤601中，为相应的目标范围提供曲线469以便实现SNR阈值，并且曲线469指示对于特定的固定扫描速度的所需的间距221值。在示例实施方式中，在步骤601中，数据被存储在处理系统250的存储器中，并且每组第一SNR值与LIDAR系统的扫描速率的关联值和/或间距221的关联值一起被存储。在一个实施方式中，在步骤601中，对于从约0米到约500米的范围内(例如机动车辆)或对于从约0米到约1000米的范围内(例如空中交通工具)、和对于从约2000度/秒到约6000度/秒或在从约1000度/秒到约7000度/秒的范围内的扫描速率值、和/或对于在从约0w₀到4w₀或从约0w₀到约10w₀的范围内的间距221的值，其中w₀是发射波导223的直径，获得第一SNR值。在一些实施方式中，第一SNR值是预定的，并且在步骤601中由处理器接收。在其它实施方式中，第一SNR值由LIDAR系统测量，并且随后在步骤601中由处理器接收。在一个实施方式中，在步骤601中使用输入装置712输入数据，和/或通过网络链路778从局域网780、互联网790或外部服务器792将数据上载到处理系统250的存储器704。

在实施方式中，在步骤601中，基于第一间距221a接收由第一接收波导225a接收的返回光束291’的第一SNR值(例如，曲线440b、440c、440d)，并且基于第二间距221b接收由第二接收波导225b接收的返回光束291’的另一组第一SNR值(例如，曲线440b、440c、440d)。在一个示例实施方式中，在步骤601中，由接收波导225a、225b接收的返回光束291’的第一SNR值被预定并由处理器接收。在另一示例实施方式中，在步骤601中，由接收波导225a、225b接收的返回光束291’的第一SNR值由LIDAR系统测量并且随后由处理器接收。

在步骤603中，在处理器上接收数据，该数据指示基于目标范围的值的、由目标反射且由LIDAR系统检测的信号的第二SNR值，其中第二SNR值用于LIDAR系统的积分时间的相应值。在实施方式中，在步骤603中，数据是在系统200”中的聚焦返回光束291对于相应积分时间的第二SNR值，光束在该积分时间上由获取系统240和/或处理系统250处理。在一个实施方式中，数据包括指示返回光束291的SNR值的曲线450a和/或曲线450b和/或曲线450c和/或曲线450d的值，其中每个曲线450对于由获取系统240和/或处理系统250处理光束的积分时间的相应值。在一些实施方式中，数据不限于曲线450a、450b、450c、450d，并且包括比图4I中所描绘的更少或更多的曲线，其中每个SNR曲线基于积分时间的相应值。在其他实施方式中，数据不需要是曲线，而是用于形成对于积分时间的每个相应值的在目标范围上的曲线的SNR值。在示例实施方式中，在步骤603中，数据被存储在处理系统250的存储器中，并且将每组第二SNR值与LIDAR系统的积分时间的关联值一起存储。在一个实施方式中，在步骤603中，在从大约0米到大约500米的范围内(例如，机动车辆)或从大约0米到大约1000米的范围内(例如，空中交通工具)并且对于从大约100纳秒(ns)到大约5微秒(μs)的积分时间值来获得第二SNR值。在一些实施方式中，第二SNR值是预定的，并且在步骤603中由处理器接收。在其它实施方式中，第二SNR值由LIDAR系统测量，并且随后在步骤603中由处理器接收。在一个实施方式中，在步骤603中数据通过使用输入装置712来输入和/或在网络链路778上从局域网780、互联网790或外部服务器792上载到处理系统250的存储器704。

在步骤605中，在处理器上接收数据，其指示用于限定角度范围227的第一角度和第二角度。在一个实施方式中，在步骤605中，第一角度和第二角度通过使用输入装置712(例如，鼠标或定点装置716)输入，和/或通过网络链路778上载到处理系统250。在一个实施方式中，其中角度范围227是图3A的视场324，第一角度被限定为在第一光束322与指示车辆310的行进方向的箭头313之间的角度，并且第二角度被限定为在第二光束323与箭头313之间的角度。

在另一实施方式中，其中角度范围227是图3B的角度范围326，第一角度被限定为在第一光束342与指示车辆310的行驶方向的箭头313之间的角度，并且第二角度被限定为在第二光束346与箭头313之间的角度。在实施方式中，第一角度和第二角度相对于箭头313对称，例如，第一角度和第二角度相等且彼此相反。在一个实施方式中，第一角度被选择，使得第一光束342朝向表面349被定向，并且第二角度被选择，使得第二光束346远离表面349被定向并且朝向上限347。

在一个实施方式中，在一个步骤中同时执行步骤601、603和605，其中在步骤601、603和605中的数据在处理器处在一个同时步骤中被接收。

在步骤607中，在处理器上接收数据，该数据指示在角度范围内的每个角度处的目标的最大设计范围。在实施方式中，最大设计范围是在角度范围227内的每个角度处的目标的预定最大范围。在一个实施方式中，在步骤607中，在每个角度处的目标的最大设计范围基于图3A的视场324。在示例实施方式中，最大设计范围是在视场324上的固定值或值的固定范围。在示例实施方式中，在视场324上的最大设计范围是约250米或在从大约150米到大约300米的范围内。

在另一实施方式中，在大于角度范围326的第一角度范围上提供在步骤607中的数据。在一个实施方式中，在角度范围上以增量角度提供在步骤607中的数据，其中增量角度在约0.005度至约0.01度的范围内或在约0.0005度至约0.01度的范围内被选择。

在一个示例实施方式中，在步骤607中的数据是通过使用输入设备712(例如，鼠标或定点设备716)输入的和/或通过网络链路778被上载到处理系统250的。在一些实施方式中，最大设计范围是预定的，并在步骤607期间被接收。在其它实施方式中，系统200、200’、200”被用于测量在角度范围227中的每个角度处的最大设计范围，并且在每个角度处的最大设计范围随后在步骤607中由处理系统250接收。

在步骤609，在角度范围227中的每个角度确定LIDAR系统的最大扫描速率，使得LIDAR系统的SNR大于最小SNR阈值。在实施方式中，在步骤609中，为角度范围227中的角度确定固定最大扫描速率。在步骤607中，首先基于所接收的数据确定在角度范围227上的最大设计范围的值的范围。然后，在步骤601中接收的第一SNR值被确定用于在角度范围227上的最大设计范围(例如，大约150m到大约300m)的值或值的范围，并且进一步确定这些第一SNR值中的哪一个超过最小SNR阈值。在一个实施方式中，曲线440b、440c、440d的值是在角度范围227上为最大设计范围(例如，大约80m-大约120m)的值的范围确定的，并且进一步确定，对于最大设计范围(例如，大约80m-大约120m)的值的范围，只有曲线440d的值超过最小SNR阈值442。由于只有曲线440d的值超过最小SNR阈值442，因此在角度范围227上的固定最大扫描速率被设置为对应于曲线440d的扫描速率。在示例实施方式中，在步骤609中确定最大扫描速率确保了在接收波导225a、225b的尖端217上的返回光束291’的光束走离419、421(图4E)在间距221的阈值内，其中该阈值基于在尖端上的返回光束291’的图像418的直径(例如，用于较大直径的较大阈值，用于较小直径的较小阈值)。在示例实施方式中，阈值是在接收波导225的尖端217上的返回光束291’的图像418的直径的比率。在示例实施方式中，该比率为约0.5或在约0.3至约0.7的范围内。

在另一实施方式中，在步骤609中，对应于间距221的不同值的第一SNR值(例如曲线464、465、466、467、469)被用于确定第一SNR值(例如用于固定扫描速度4000度/秒的曲线464中的一个或用于固定扫描速度12000度/秒的曲线465中的一个)，该第一SNR值超过最小SNR阈值442并且是超过最小SNR阈值442的那些第一SNR值当中的最大值。在实施方式中，在系统200”的设计阶段期间，基于对应于所确定的第一SNR值的间距221的值来选择在发射波导223与接收波导225之间的间距221，并且基于对应于所确定的第一SNR值的扫描速率来选择固定最大扫描速率(例如，基于用于0m-250m的目标设计范围的曲线465c在2.75w₀处选择间距221的值，和/或对于曲线465，基于12,000度/秒的固定扫描速率来选择固定扫描速率)。在一个示例实施方式中，对应于第一间距221a(例如0.25w₀)的第一SNR值(例如曲线464c)被用于固定扫描速率(例如4000度/秒)，使得SNR在角度范围227的第一部分(例如对于＞80m的目标范围)上超过SNR阈值442，并且对应于第二间距221b(例如4w₀)的第一SNR值(例如曲线464a)被用于固定扫描速率，因此SNR在角度范围227的第二部分(例如对于＜80m的目标范围)上超过SNR阈值442。在该实施方式中，在角度范围227上的固定最大扫描速率被设置为最优化的扫描速率。该实施方式有利地使用多个接收波导225a、225b来检测在角度范围227上来自最大设计范围的不同部分的返回光束291’数据(例如，接收波导225a接收来自较长距离的目标的返回光束291’，接收波导225b接收来自较短范围的目标的返回光束291’)，同时扫描速率在角度范围227上是固定的。在示例实施方式中，其中角度范围227是角度范围326，接收波导225b基于在第一和第二角度处的发射光束342、346接收返回光束291’，并且接收波导225a基于中间发射光束344接收返回光束291’。

在另一实施方式中，在步骤609中，为角度范围227中的每个角度确定相应的最大扫描速率。在每个角度，首先在步骤607中基于所接收的数据确定该角度的最大设计范围。然后，为在该角度的最大设计范围确定在步骤601中接收的第一SNR值，并且进一步确定这些第一SNR值中的哪些超过最小SNR阈值。在一个实施方式中，为最大设计范围(例如，约90m)确定曲线440b、440c、440d的值，并进一步确定曲线440b、440c的值超过最小SNR阈值442。在超过最小SNR阈值的那些第一SNR值之中，选择具有最大扫描速率的第一SNR值，以及在步骤609中对于该角度确定最大扫描速率。在上述实施方式中，在最大设计范围(例如，约90m)处超过最小SNR阈值442的曲线440b、440c的值之中，曲线440c的值被选择作为最大扫描速率，并且在步骤609中为该角度确定最大扫描速率(例如，与曲线440c相关的最优化的扫描速率)。在一个示例实施方式中，图4G描绘了在步骤609中为在第一和第二角度的光束342、346确定的最大扫描速率(例如，基于曲线440c的最优化的扫描速率)大于在步骤609中为在第一角度与第二角度之间的光束344确定的最大扫描速率(例如，基于曲线440b的慢扫描速率)。在这个示例实施方式中，扫描光学器件218的扫描速率在角度范围227上变化，并且返回光束291’为对应于较短目标范围(例如光束342、346)的角度范围227的那部分以快扫描速率被扫描，以及为对应于较长目标范围(例如光束344)的角度范围227的那部分以慢扫描速率被扫描。在该示例实施方式中，一个接收波导225被用于获取在角度范围227上的返回光束291’。在示例实施方式中，在步骤609中确定最大扫描速率确保了在接收波导225的尖端217上的返回光束291’的光束走离419(图4E)在间距221的阈值内，其中阈值小于在尖端217上的返回光束291’的图像418的直径的比率。在示例实施方式中，比率为约0.5或在约0.3至约0.7的范围内。

图3C是根据实施方式的示出从图3B的LIDAR系统320以多个角度345a、345b发射的光束343a、343b的示例的框图。在一个实施方式中，光束343a、343b是在第一光束342与中间光束344之间的中间光束。在其它实施方式中，光束343a是第一光束342，并且光束343b是在第一光束342之后被处理的后续光束。在步骤609中，在角度345a处确定LIDAR系统320的最大扫描速率。首先使用步骤607中的数据来确定在角度345a处的光束343a的最大设计范围(例如30m)。然后确定用于最大设计范围的来自步骤601的第一SNR值。在示例实施方式中，第一SNR值包括曲线440b、440c、440d的值。然后确定在最大设计范围处的那些第一SNR值中的哪一个超过最小SNR阈值。在该示例实施方式中，曲线440b、440c、440d在最大设计范围(例如30m)处的值都超过最小SNR阈值442。然后确定这些第一SNR值中的哪一个具有最大扫描速率，并且在步骤609中对于那个角度确定该最大扫描速率。在示例实施方式中，曲线440c具有最大扫描速率，并且因此这个最大扫描速率被用于在角度345a处扫描光束343a。在实施方式中，图4I描绘了在步骤611中为在第一和第二角度处的光束342、346确定的最小扫描速率(例如，基于曲线450d的400ns)短于在步骤611中为在第一与第二角度之间的角度处的光束344所确定的最小积分时间(例如，基于曲线450a的3.2μs)。

在步骤611中，在角度范围227中的每个角度处确定LIDAR系统的最小积分时间，使得LIDAR系统的SNR大于最小SNR阈值。在一些实施方式中，其中最大设计范围具有在角度范围227上的固定值或值的固定范围，在步骤611中，基于固定最大设计范围(例如，200m)或最大设计范围的值的固定范围(例如，180m-220m)在角度范围227上确定固定最小积分时间。在其它实施方式中，在角度范围227中的每个角度处，首先基于在步骤607中接收的数据被确定用于该角度的最大设计范围。然后，在步骤603中接收的第二SNR值被确定用于该角度处的最大设计范围，并且进一步确定这些第二SNR值中的哪些超过最小SNR阈值。在一个实施方式中，曲线450a、450b、450c、450d的值被确定用于最大设计范围(例如，约120m)或最大设计范围的值的范围，并且进一步确定曲线450a、450b、450c的值超过最小SNR阈值452。在超过最小SNR阈值的那些第二SNR值中，选择具有最小积分时间的第二SNR值，并且最小积分时间在步骤611被确定用于那个角度或角度范围227。在上述实施方式中，在最大设计范围(例如，约120m)处超过最小SNR阈值452的曲线450a、450b、450c的值之中，曲线450c的值被选择具有最小积分时间，并且最小积分时间(例如，约800ns)在步骤611中被确定那个角度。

在步骤611中，在角度345a处确定LIDAR系统320的最小积分时间。首先使用步骤607中的数据来确定在角度345a处的光束343a的最大设计范围(例如30m)。然后，确定来自步骤603的用于最大设计范围的第二SNR值。在示例实施方式中，第二SNR值包括曲线450a、450b、450c、450d的值。然后确定在最大设计范围处的那些第二SNR值中的哪一个超过最小SNR阈值。在示例实施方式中，在最大设计范围(例如30m)处的曲线450a、450b、450c、450d的值全都超过最小SNR阈值452。然后确定这些第二SNR值中的哪一个具有最小积分时间，并且这个最小积分时间在步骤611中被确定用于那个角度。在示例实施方式中，曲线450d具有最小积分时间(例如，大约400ns)，并且因此该最小积分时间被用于处理在角度345a处的光束343a。

在步骤613中，确定附加角度是否保持在角度范围227中以执行步骤609、611的另一迭代。在一些实施方式中，其中最大设计范围具有在角度范围227上的固定值或值的固定范围，步骤609、611各自基于最大设计范围的这个固定值或值的固定范围而被执行一次，步骤613和615被省略，并且方法600进行到步骤617。在这个实施方式中，在步骤609中，基于最大设计范围的固定值或值的固定范围来确定固定的最大扫描速率，并且在步骤611中，基于最大设计范围的固定值或值的固定范围来确定固定的最小积分时间。

在一个实施方式中，在步骤613中，对于角度范围326，其中步骤609、611的初始迭代在范围326中的第一光束342的第一角度处，步骤613涉及确定是否步骤609、611的先前迭代在或超过在角度范围326中的第二光束346的第二角度处。在另一实施方式中，其中步骤609、611的初始迭代在范围326的第二角度处，步骤613涉及确定是否步骤609、611的先前迭代处于或超过角度范围326的第一角度处。如果步骤613确定在范围326中剩余更多角度，则方法前进到框615。如果步骤613确定在范围326中没有进一步的角度，则方法前进到框617。

在步骤615中，在初始角度处执行了步骤609、611的先前迭代之后，确定迭代步骤609、611的后续角度。在实施方式中，图3C描绘了在初始角度345a处在初始光束343a处执行了步骤609、611的先前迭代之后，迭代步骤609、611的后续光束343b的后续角度345b。在一个实施方式中，步骤615涉及确定后续角度345b和在初始角度345a与后续角度345b之间的角度增量350a。在一个实施方式中，后续角度345b基于初始角度345a、在步骤609中确定的角度345a处的最大扫描速率和在步骤611中确定的角度345a处的最小积分时间。在示例实施方式中，后续角度θ_s基于初始角度θ_i、最大扫描速率S_m和最小积分时间I_m，其使用：

θ_s＝θ_i+S_mI_m (9)

在示例实施方式中，如果初始角度345a是-15度，最大扫描速率是15度每秒，并且最小积分时间是2μs，则后续角度345b使用等式9是大约-14.97度。在步骤615中确定后续角度之后，方法返回到框609，因此步骤609、611在后续角度被迭代。

在步骤617中，在确定不需要执行步骤609、611的进一步迭代之后，基于来自步骤609的最大扫描速率和来自步骤611的在角度范围326中的每个角度处的最小积分时间来限定LIDAR系统的扫描方式。在一些实施方式中，其中最大设计范围具有在角度范围227上的固定值或值的固定范围，在步骤609中，基于最大设计范围的固定值或值的固定范围来确定固定最大扫描速率，并且在步骤611中，基于最大设计范围的固定值或值的固定范围来确定固定最小积分时间。在该实施方式中，在步骤617中，基于在角度范围227上的每个角度处的固定最大扫描速率和固定最小积分时间来限定扫描方式。

在另一实施方式中，扫描方式包括用于在第一光束342的第一角度与第二光束346的第二角度之间的角度范围326中的每个角度的最大扫描方式和最小积分时间。在示例实施方式中，扫描方式被存储在处理系统250的存储器(例如，存储器704)中。在另一示例实施方式中，在步骤615中确定在扫描方式中的相邻角度之间的角度增量，例如，在步骤615中，角度增量是在后续角度和初始角度之间的间隔。在另一示例实施方式中，图3C描绘了出于步骤615和在步骤617中确定的扫描方式的目的在后续角度345b与初始角度345a之间的角度增量350a。

在步骤619中，根据在步骤617中确定的扫描方式来操作LIDAR系统。在一个实施方式中，其中最大设计范围在角度范围227上具有固定值或值的固定范围，在步骤609中基于最大设计范围的固定值或值的固定范围确定固定最大扫描速率。在该实施方式中，在步骤619中，使用扫描光学器件218在角度范围227上以固定最大扫描速率扫描LIDAR系统的光束。在示例实施方式中，在步骤619中，使用多边形扫描器244以固定最大扫描速率来扫描光束205”。在一个实施方式中，处理系统250向多边形扫描器244发射信号以使多边形扫描器244使得角速度249的速度是固定最大扫描速率。另外，在该实施方式中，LIDAR系统的最小积分时间基于固定最小积分时间，固定最小积分时间基于最大设计范围的固定值或值的固定范围。在实施方式中，当光束205”被多边形扫描器244的相邻面245扫描时，光束205”在角度范围227上被连续地扫描。因此，在示例实施方式中，光束205”由面245a在角度范围227上被扫描，并且光束205”随后由面245b在角度范围227上被扫描。在步骤619期间，返回光束291’被准直光学器件229聚焦到接收波导225的尖端217中。在示例实施方式中，其中提供了多个接收波导225a、225b，当在角度范围227的第一部分(例如，较远的目标范围；光束344)上以固定最大扫描速率扫描光束205”时，返回光束291’被聚焦到第一接收波导225a的尖端217中，并且当在角度范围227的第二部分(例如，较短的目标范围；光束342、346)上以固定最大扫描速率扫描光束205”时，返回光束291’被聚焦到第二接收波导225b的尖端中。在另一示例实施方式中，一个接收波导225a和接收波导225b被省略，并且当在角度范围227(例如，视场324)上以固定最大扫描速率扫描光束205”时，返回光束291’在接收波导225a的尖端中被接收。

在步骤619中，在系统200”的设计阶段期间选择LIDAR系统的一个或多个参数。在示例实施方式中，基于使用曲线图464、465、466、467、469中的一个或多个来选择在发射波导223和接收波导225之间的间距221的值，其中用户基于设计目标范围和扫描速度的已知值来确定间距221的值，以便实现返回光束291’的SNR阈值。在又一示例实施方式中，基于曲线图464、465、466、467、469和曲线图440的使用来选择多边形扫描器244的扫描速度的值，其中用户基于设计目标范围和扫描速度的已知值来确定扫描速度的值，以便实现返回光束291’的SNR阈值。

在另一实施方式中，在步骤619中，在一个或多个循环内在角度范围326中扫描LIDAR系统的光束，其中，在每个角度处的光束的扫描速率是对于该角度的扫描方式中的最大扫描速率，并且在每个角度处的LIDAR系统的积分时间是对于该角度的最小积分时间。在一个实施方式中，在步骤619中，LIDAR系统的处理系统250在每个角度处将一个或多个信号发送到扫描光学器件218，使得在每个角度处的扫描速率是对于该角度的扫描方式的最大扫描速率。另外，在一个实施方式中，在步骤619中，LIDAR系统的处理系统250在每个角度处为在每个角度处接收的返回光束291调整获取系统240和/或处理系统250的积分时间，使得积分时间是对于该角度的扫描方式的最小积分时间。这有利地确保了光束以最大扫描速率被扫描，并且确保了返回光束在每个角度处以最短的积分时间被处理，同时确保LIDAR系统在每个角度处保持足够的SNR。

图5是根据实施方式的图示在图2E的系统中在多个角度范围上随时间变化的垂直角度的示例的曲线图。水平轴502是以秒(s)为单位的时间，并且竖直轴是以弧度(rad)为单位的角度。曲线540描绘了在步骤619中在多个扫描方式期间在光束上的扫描期间随时间变化的光束的角度。曲线540在时间瞬间的斜率指示在那个时间处光束的扫描速率。在实施方式中，曲线540的区域542表明当光束朝向上限347定向时的较快的扫描速率(例如，曲线540的高斜率)；曲线540的区域544还表明当光束朝向表面349定向时的较快的扫描速率(例如，曲线540的高斜率)；并且曲线540的区域546表明当光束定向成与表面349大约平行时的较慢的扫描速率(例如曲线540的较低斜率)。在其它实施方式中，其中光束205”以固定最大扫描速率被扫描，曲线将在角度范围227上显示出固定的斜率。

在另一实施方式中，在步骤619期间或之后，处理器可以至少部分地基于在步骤619期间由LIDAR系统收集的数据来操作车辆310。在一个实施方式中，LIDAR系统的处理系统250和/或车辆310的处理器314基于在步骤619中由LIDAR系统收集的数据向车辆的转向和/或制动系统发射一个或多个信号。在一个示例实施方式中，处理系统250响应于LIDAR数据向车辆310的转向或制动系统发射一个或多个信号以控制车辆310的位置。在一些实施方式中，处理系统250基于在步骤619中收集的LIDAR数据将一个或多个信号发射到车辆310的处理器314，并且处理器314进而将一个或多个信号发射到车辆310的转向和制动系统。

8.计算硬件概述

图7是图示计算机系统700的框图，其中可以实施本公开的实施方式。计算机系统700包括诸如总线710的通信机构，其用于在计算机系统700的其他内部和外部部件之间传递信息。信息被表示为可测量现象的物理信号，通常为电压，但在其它实施方式中包括例如磁、电磁、压力、化学、分子原子和量子交互的现象。例如，北和南磁场，或者零和非零电压，表示二进制数字(比特)的两个状态(0，1)。其他现象能够表示更高基数的数字。在测量之前多个同时量子状态的叠加表示量子比特(qubit)。一个或多个数字的的序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。在一些实施方式中，称为模拟数据的信息由在特定范围内的可测量值的近连续统(continuum)表示。计算机系统700或其一部分构成用于执行本文中所描述的一个或多个方法的一个或多个步骤的装置。

二进制数字序列构成用于表示字符的数字或代码的数字数据。总线710包括许多并行的信息导体，使得信息在耦合到总线710的装置之中被快速地传递。用于处理信息的一个或多个处理器702与总线710耦合。处理器702对信息执行一组操作。该组操作包括从总线710引入信息和将信息放在总线710上。该组操作通常还包括比较两个或多个信息单元、移动信息单元的位置以及组合两个或多个信息单元，诸如通过加法或乘法。由处理器702执行的一系列操作构成计算机指令。

计算机系统700还包括耦合到总线710的存储器704。诸如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置的存储器704存储了包括计算机指令的信息。动态存储器允许存储在其中的信息被计算机系统700改变。RAM允许存储在称为存储器地址的位置处的信息单元独立于在相邻地址处的信息而被存储和检索。存储器704还由处理器702用于在计算机指令的执行期间存储临时值。计算机系统700还包括只读存储器(ROM)706或其他静态存储装置，其耦合到总线710以用于存储不被计算机系统700改变的静态信息，包括指令。也耦合到总线710的是非易失性(永久性)存储装置708，例如磁盘或光盘，用于存储即使当计算机系统700关闭或以其他方式掉电时也会持续的信息，包括指令。

信息(包括指令)从外部输入设备712(例如包含由人类用户操作的字母数字键的键盘或传感器)被提供给总线710以供处理器使用。传感器检测其附近的状况，并将这些检测转换成与用于表示计算机系统700中的信息的信号兼容的信号。耦合到总线710的主要用于与人类交互的其他外部设备包括用于呈现图像的显示设备714，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)、以及定点设备716，诸如鼠标或轨迹球或光标方向键，定点设备用于控制呈现在显示器714上的小光标图像的位置并发出与呈现在显示器714上的图形元件相关联的命令。

在所图示的实施方式中，诸如专用集成电路(IC)720的专用硬件被耦合到总线710。专用硬件被配置为出于专用目的而足够快速地执行处理器702未执行的操作。专用IC的示例包括用于生成用于显示器714的图像的图形加速卡、用于对通过网络发送的消息进行加密和解密的密码板、语音识别、以及到特殊外部设备的接口，诸如用于重复地执行某些复杂操作序列的机器人臂和医疗扫描装备，操作在硬件中更高效地被实现。

计算机系统700还包括耦合到总线710的通信接口770的一个或多个实例。通信接口770提供了与各种外部设备的双向通信耦合，外部设备利用它们自己的处理器进行操作，例如打印机、扫描器和外部盘。通常，耦合是与连接到本地网络780的网络链路778进行的，具有其自己的处理器的各种外部装置连接到该本地网络780。例如，通信接口770可以是个人计算机上的并行端口或串行端口或通用串行总线(USB)端口。在一些实施方式中，通信接口770是综合业务数字网(ISDN)卡或数字用户线(DSL)卡或电话调制解调器，其提供对相应类型的电话线的信息通信连接。在一些实施方式中，通信接口770是线缆调制解调器，其将总线710上的信号转换成用于在同轴线缆上进行通信连接的信号或转换成用于在光纤线缆上进行通信连接的光学信号。作为另一示例，通信接口770可以是局域网(LAN)卡，以提供对诸如以太网的兼容LAN的数据通信连接。也可以实现无线链路。载波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波，在没有导线或线缆的情况下通过空间传播。信号包括载波的幅值、频率、相位、偏振或其他物理属性的人为变化。对于无线链路，通信接口770发送和接收用于携带诸如数字数据的信息数据流的电、声或电磁信号，包括红外和光学信号。

术语计算机可读介质在本文被用于指代参与向处理器702提供信息的任何介质，信息包括用于执行的指令。这种介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储设备708。易失性介质包括例如动态存储器704。传输介质包括例如同轴线缆、铜线、光纤线缆和在没有电线或线缆的情况下通过空间行进的波，诸如声波和电磁波，包括无线电波、光波和红外波。术语计算机可读存储介质在本文中被用于指代除了传输介质之外参与向处理器702提供信息的任何介质。

计算机可读介质的常见形式包括，例如，软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、光盘ROM(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)或任何其他光学介质、穿孔卡、纸带或任何其他具有孔形式的物理介质、RAM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、FLASH-EPROM或任何其他存储器芯片或盒、载波或计算机可以从其读取的任何其他介质。术语非暂时性计算机可读存储介质在本文中被用于指代除了载波和其他信号之外参与向处理器702提供信息的任何介质。

编码在一个或多个有形介质中的逻辑包括计算机可读存储介质上的处理器指令和诸如ASIC 720的专用硬件中的一种或两种。

网络链路778通常通过一个或多个网络向使用或处理信息的其他设备提供信息通信。例如，网络链路778可以通过本地网络780提供到主机计算机782或到由互联网服务提供商(ISP)操作的设备784的连接。ISP设备784进而通过现在通常称为互联网790的网络的公共全球分组交换通信网络提供数据通信服务。连接到互联网的称为服务器792的计算机响应于在互联网上所接收的信息来提供服务。例如，服务器792提供用于表示视频数据的信息，以用于在显示器714呈现。

本公开涉及使用计算机系统700来实现本文中描述的技术。根据本公开的一个实施方式，那些技术由计算机系统700响应于处理器702执行包含在存储器704中的一个或多个指令的一个或多个序列来执行。这样的指令，也称为软件和程序代码，可以从诸如存储装置708的另一计算机可读介质读入存储器704。包含在存储器704中的指令序列的执行使得处理器702执行本文中描述的方法步骤。在替代实施方式中，诸如专用集成电路720的硬件可以代替软件或与软件结合被使用以实现本公开。因此，本公开的实施方式不限于硬件和软件的任何特定组合。

通过通信接口770在网络链路778和其他网络上传输的信号携带到和来自计算机系统700的信息。计算机系统700能够通过网络780、790等等，通过网络链路778和通信接口770发送和接收包括程序代码的信息。在使用互联网790的示例中，服务器792通过互联网790、ISP设备784、本地网络780和通信接口770来发射从计算机700发出的消息所请求的用于特定应用的程序代码。所接收的代码可以在其被接收时由处理器702执行，或者可以被存储在存储设备708或其他非易失性存储装置中以用于稍后执行，或者两者。以这种方式，计算机系统700可以获得在载波上的信号形式的应用程序代码。

各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令序列或数据或两者携带到处理器702以供执行。例如，指令和数据最初可以承载在诸如主机782的远程计算机的磁盘上。远程计算机将指令和数据加载到其动态存储器中，并使用调制解调器通过电话线发送指令和数据。计算机系统700本地的调制解调器接收在电话线上的指令和数据，并使用红外发射器将指令和数据转换为在用作网络链路778的红外载波上的信号。用作通信接口770的红外检测器接收红外信号中携带的指令和数据，并将表示指令和数据的信息放置在总线710上。总线710将信息携带到存储器704，处理器702从该存储器704检索指令并使用与指令一起发送的一些数据来执行指令。在存储器704中接收的指令和数据可以可选地在由处理器702执行之前或之后被存储在存储设备708上。

图8图示了可以在其上实现本公开的实施方式的芯片组800。芯片组800被编程为执行本文中描述的方法的一个或多个步骤，并且包括例如并入一个或多个物理封装(例如，芯片)中的关于图7描述的处理器和存储器组件。作为示例，物理封装包括结构组件(例如，基板)上的一个或多个材料、组件和/或导线的布置，以提供诸如物理强度、尺寸保持和/或电交互限制的一个或多个特性。考虑到在某些实施方式中，芯片组能够在单个芯片中被实现。芯片组800或其一部分构成用于执行本文中所描述的方法的一个或多个步骤的装置。

在一个实施方式中，芯片组800包括诸如总线801的通信机构，其用于在芯片组800的组件中传递信息。处理器803具有到总线801的连接，以执行指令和处理存储在例如存储器805中的信息。处理器803可以包括一个或多个处理核，其中每个核被配置为独立地执行。多核处理器能够在单个物理封装内进行多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多数量的处理核。替代地或另外地，处理器803可以包括经由总线801串联配置的一个或一个以上微处理器，以能够独立执行指令、管线和多线程。处理器803还可以伴随有一个或多个专用组件以执行某些处理功能和任务，例如一个或多个数字信号处理器(DSP)807或一个或多个专用集成电路(ASIC)809。DSP807通常被配置为独立于处理器803而实时地处理真实世界信号(例如，声音)。类似地，ASIC 809能够被配置为执行通用处理器不容易执行的专门功能。帮助执行本文中描述的发明功能的其他专用组件包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)或者一个或多个其他专用计算机芯片。

处理器803和伴随的组件具有经由总线801向存储器805的连接性。存储器805包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM、磁盘、可写光盘等)和静态存储器(例如，ROM、CD-ROM等)两者，当可执行指令被执行时将执行本文中描述的方法的一个或多个步骤。存储器805还存储与本文的方法的一个或多个步骤的执行相关联的数据或通过执行本文中描述的方法的一个或多个步骤而生成的数据。

9.变更、扩展和修改

在前述说明书中，已经参考本公开的特定实施方式描述了本公开。然而，将显而易见的是，在不脱离本公开的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”(comprise)及其变形，诸如“包括”(comprises)和“包括”(comprising)，将被理解为暗示所陈述的项目、元件或步骤或项目、元件或步骤的组，但不排除任何其他项目、元件或步骤或项目、元件或步骤的组。此外，不定冠词“一”或“一个”意味着指示由该冠词修饰的一个或多个项目、元件或步骤。如本文中所使用的，除非从上下文中另外清楚，否则如果一个值在另一值的两倍(两倍或一半)之内，则该值为“大约”另一值。尽管给出了示例性范围，但是除非从上下文中另外清楚，否则在各种实施方式中还旨在包含任何包含的范围。因此，在一些实施方式中，从0到10的范围包括从1到4的范围。

虽然阐述广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是尽可能精确地报告了在特定非限制性示例中阐述的数值。然而，任何数值固有地包含某些误差，这些误差必然是由于在撰写本文时在其各自的测试测量中发现的标准偏差而导致的。此外，除非从上下文中另外清楚，否则本文中呈现的数值具有由最低有效位数给出的隐含精度。因此，值1.1暗指从1.05到1.15的值。术语“大约”被用于指示以给定值为中心的较宽范围，并且除非从上下文清楚，否则暗指在最低有效位数周围的较宽范围，诸如“大约1.1”暗指从1.0到1.2的范围。如果最低有效位数不清楚，则术语“大约”暗指两倍，例如，“大约X”暗指0.5X至2X的范围内的值，例如，大约100暗指从50至200的范围内的值。此外，应理解本文中公开的所有范围涵盖其中包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围能够包括介于(并且包括)最小值零与最大值10之间的任何和所有子范围，即，等于或大于零的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，例如1至4。

本公开的一些实施方式以被调制到光信号上的射频在二进制π/2(90度)相位编码的上下文中在下面被描述；但是，实施方式不限于该上下文。在其它实施方式中，使用具有不同相位差(例如，30、60或180度)的其它相位编码或具有3个或更多个不同相位的编码。在单个光束及其在单个检测器或检测器对上的返回的上下文中描述实施方式，在其他实施方式中然后可以使用任何已知的扫描手段，诸如线性步进或旋转光学部件，或者利用发射器阵列或检测器对，来扫描该单个光束及其在单个检测器或检测器对上的返回。出于该说明书的目的，“相位代码持续时间”是指示被调制到光信号上的相位编码信号的相位序列的代码的持续时间。

在一些实施方式中，一种装置包括双基地收发器、双折射移位器、偏振转换光学器件以及准直光学器件。双基地收发器可以包括被配置为从激光源发射第一信号的发射波导，以及与发射波导间隔开一间距并且被配置为接收由目标反射的第二信号的接收波导。双折射移位器可以被配置为在与第一信号与第二信号中的一个的方向正交的方向上对第一信号和第二信号中的一个进行移位。偏振转换光学器件可以被配置成调整第一信号的正交场分量与第二信号的正交场分量之间的相对相位。准直光学器件可以被配置成对从发射波导传输的第一信号进行整形并且对由目标反射的第二信号进行整形。双折射移位器和偏振转换光学器件被定位在双基地收发器和准直光学器件之间。

在一些实施方式中，双折射移位器可以被配置为将第一信号和第二信号中的一个与第一信号和第二信号中的一个的方向正交移位一距离，并且该距离基于间距。

在一些实施方式中，双折射移位器可以具有沿着装置的纵轴的尺寸，并且该尺寸的大小被调整为使得该距离约等于该间距。

在一些实施方式中，双基地收发器可以包括一对或多对波导。每对可以包括一个发射波导和一个接收波导。双折射移位器可以被配置为使得第一信号不被双折射移位器移位，并且双折射移位器进一步被配置为基于间距来使第二信号移位，使得所移位的第二信号入射在接收波导上。

在一些实施方式中，发射波导和接收波导可以是具有正交定向的偏振保持光纤。第一信号和第二信号可以基于偏振保持光纤的正交定向而被线性偏振有正交偏振。

在一些实施方式中，偏振转换光学器件可以是四分之一波片。四分之一波片可以被配置为将第一信号的第一线性偏振调整为第一方向上的第一圆偏振。四分之一波片还可以被配置为将由目标反射的第二信号的第二圆偏振调整为与第一线性偏振正交的第二线性偏振。第二圆偏振可以具有与第一方向相反的第二方向。

在一些实施方式中，双基地收发器可以包括一个发射波导和一对接收波导，该对接收波导包括与发射波导的第一侧间隔开第一间距的第一接收波导和与发射波导的第二侧间隔开第二间距的第二接收波导。发射波导可以包括单模式光纤，并且第一和第二接收波导可以是具有正交定向的偏振保持光纤。第一信号可以是非偏振的。第一和第二接收波导可以被配置成接收相应的第二信号，该第二信号基于偏振保持光纤的正交定向而被线性偏振有正交偏振。

在一些实施方式中，双折射移位器可以包括第一双折射移位器和第二双折射移位器，其中偏振转换光学器件被定位在第一双折射移位器与第二双折射移位器之间。第一双折射移位器可以被配置为基于第一信号的第一分量的第一线性偏振来使第一信号的第一分量移位，并且可以进一步被配置为基于第二信号的与第一线性偏振正交的第二线性偏振来不使第一信号的第二分量移位。偏振转换光学器件可以被配置成将第一分量的第一线性偏振旋转到第二线性偏振，并且可以进一步被配置成将第二分量的第二线性偏振旋转到第一线性偏振。第二双折射移位器可以被配置为基于从偏振转换光学器件入射的第一信号的第二分量的第一线性偏振来使第二分量移位，并且可以进一步被配置为基于第一分量的第二线性偏振不使第一信号的第一分量移位。入射在第一双折射移位器上的第一信号可以是非偏振的。第一双折射移位器可以被配置为基于第一间距使第一信号的第一分量移位。第二双折射移位器可以被配置为基于第一间距使第一信号的第二分量移位。第二双折射移位器可以被配置为基于由目标反射的第二信号的第一分量的第一线性偏振来使第一分量移位，并且可以进一步被配置为基于与第一线性偏振正交的第二信号的第二分量的第二线性偏振来不使第二分量移位。第一双折射移位器可以被配置为基于第二信号的第一分量的第一线性偏振来使第一分量移位，并且可以进一步被配置为基于第一分量的第二线性偏振来不使第二信号的第二分量移位。来自目标的入射到第二双折射移位器上的第二信号可以是非偏振的。第二双折射移位器可以被配置为基于第一间距来使第二信号的第一分量移位。第一双折射移位器可以被配置为基于第二间距来使第二信号的第一分量移位。

在一些实施方式中，偏振转换光学器件可以被配置为不影响从第二双折射移位器入射在偏振转换光学器件上的第二信号的第一分量和第二分量的线性偏振。偏振光学器件可以包括法拉第旋转器和半波片。该半波片可以被配置成旋转第二信号的第一和第二分量的线性偏振。法拉第旋转器可以被配置为将第二信号的第一和第二分量的线性偏振旋转了与半波片相等且相反的量。

在一些实施方式中，该装置可以包括扫描光学器件，该扫描光学器件被配置为在由第一角度及第二角度限定的角度范围内以扫描速率在扫描方向上调整所述第一信号的方向。扫描方向可以相对于从发射波导到接收波导的向量的方向不平行。双折射移位器可以相对于向量以一定角度被定向，使得所移位的第二信号在接收波导中被接收。相对于向量的角度方向可以基于扫描方向，并且角度的大小基于扫描速率。

在一些实施方式中，扫描方向可以相对于从发射波导到接收波导的向量的方向大致平行。双折射移位器可以被配置为使得第二信号的移位的大小基于扫描方向。双折射移位器沿着该装置的纵轴的尺寸可以被选择以调整移位的大小。在一些实施方式中，扫描方向可以在与向量相同的方向上。移位的大小可以大于向量的大小，使得在接收波导中接收所移位的第二信号。

在一些实施方式中，一种方法包括从激光源发射来自收发器的发射波导的第一信号。该方法还包括在收发器的接收波导处接收由目标反射的第二信号。接收波导可以与发射波导间隔开一间距。该方法还包括利用双折射移位器在与第一信号和第二信号中的一个的方向正交的方向上使第一信号和第二信号中的一个移位。该方法还包括利用偏振转换光学器件调整第一信号和第二信号的正交场分量之间的相对相位。该方法还包括利用准直光学器件对从发射波导传输的第一信号和从目标所反射的第二信号进行整形。双折射移位器和偏振光学器件可以被定位在双基地收发器与准直光学器件之间。

在一些实施方式中，所述移位可以包括使所述第一信号和所述第二信号中的所述一个与所述第一信号和所述第二信号中的所述一个的方向正交移位一距离。该距离可以基于间距。

在一些实施方式中，移位可以包括利用双折射移位器基于间距在与第一信号的方向正交的方向上不使第一信号移位并且在与第二信号的方向正交的方向上使第二信号移位，使得所移位的第二信号入射在接收波导上。

在一些实施方式中，偏振转换光学器件可以是四分之一波片。调整步骤可以包括利用四分之一波片将第一信号的第一线性偏振调整为第一方向上的第一圆偏振。调整步骤还可以包括利用四分之一波片将由目标反射的第二信号的第二圆偏振调整为与第一线性偏振正交的第二线性偏振。第二圆偏振可以具有与第一方向相反的第二方向。

在一些实施方式中，双折射移位器可以包括第一双折射移位器和第二双折射移位器，其中偏振转换光学器件被定位在第一双折射移位器与第二双折射移位器之间。利用第一双折射移位器进行移位可以包括基于第一信号的第一分量的第一线性偏振来使第一信号的第一分量移位，并且基于第二信号的与第一线性偏振正交的第二分量的第二线性偏振来不使第一信号的第二分量移位。利用偏振转换光学器件进行调整可以包括将第一分量的第一线性偏振旋转到第二线性偏振并且将第二分量的第二线性偏振旋转到第一线性偏振。利用第二双折射移位器进行移位可以包括基于第二分量的第一线性偏振来使从偏振转换光学器件入射的第一信号的第二分量移位，并且基于第一分量的第二线性偏振不使第一信号的第一分量移位。

在一些实施方式中，双基地收发器可以包括一个发射波导和一对接收波导，该对接收波导包括与发射波导的第一侧间隔开第一间距的第一接收波导和与发射波导的第二侧间隔开第二间距的第二接收波导。入射在第一双折射移位器上的第一信号可以是非偏振的。利用第一双折射移位器来使第一信号的第一分量移位可以基于第一间距。利用第二双折射移位器来使第一信号的第二分量移位可以基于第一间距。

在一些实施方式中，利用第二双折射移位器进行移位可以包括基于由目标反射的第二信号的第一分量的第一线性偏振来使第二信号的第一分量移位，并且基于与第一线性偏振正交的第二信号的第二分量的第二线性偏振不使第二信号的第二分量移位。利用第一双折射移位器进行移位可以包括基于第一分量的第一线性偏振来使第二信号的第一分量移位，并且基于第一分量的第二线性偏振来不使第二信号的第二分量移位。

在一些实施方式中，双基地收发器可以包括一个发射波导和一对接收波导，该对接收波导包括与发射波导的第一侧间隔开第一间距的第一接收波导和与发射波导的第二侧间隔开第二间距的第二接收波导。来自目标的入射到第二双折射移位器上的第二信号可以是非偏振的。利用第二双折射移位器来使第二信号的第一分量移位可以基于第一间距。利用第一双折射移位器来使第二信号的第一分量移位可以基于第二间距。

在一些实施方式中，偏振转换光学器件可以被配置为不影响从第二双折射移位器入射在偏振转换光学器件上的第二信号的第一分量和第二分量的线性偏振。偏振光学器件可以包括法拉第旋转器和半波片。调整步骤可以包括利用半波片旋转第二信号的第一和第二分量的线性偏振，以及利用法拉第旋转器将第二信号的第一和第二分量的线性偏振旋转了等于半波片并且与半波片相反的量。

在一些实施方式中，该方法可以包括在由第一角度和第二角度限定的角度范围内以扫描速率在扫描方向上利用扫描光学器件调整所述第一信号的方向。扫描方向可以不平行于从发射波导到接收波导的向量。移位可以包括相对于所述向量以一定角度定向。角度的方向基于扫描方向，并且角度的大小基于扫描速率。扫描方向可以大约平行于从发射波导到接收波导的向量。移位可以包括基于扫描方向来调整移位的大小。

在一些实施方式中，一种用于使LIDAR系统的扫描方式最优化的系统可以包括LIDAR系统，该LIDAR系统包括上述装置和激光源。该系统可以进一步包括处理器和至少一个存储器，该至少一个存储器包括一个或多个指令序列。当由处理器执行时，一个或多个指令序列使得系统从发射波导传输第一信号，在接收波导处接收第二信号，在一个或多个光学混合器中将第二信号与来自激光源的参考光束组合，基于第二信号和参考光束的组合来生成信号，以及基于该信号来操作设备。该装置可以包括一维双基地收发器，该收发器包括发射波导和多个接收波导。该系统进一步可以包括多个处理通道。接收第二信号的步骤可以包括在相应的多个接收波导处接收多个第二信号。组合步骤可以包括在多个处理通道中组合多个第二信号与参考光束。每个处理通道可以被指派给相应的接收波导。