FMCW激光雷达的多啁啾预畸变激光的线性化

技术领域

本公开涉及激光雷达(LiDAR，光探测和测距)仪器和校准，特别是FMCW(调频连续波)激光雷达系统发射的线性化。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于激光雷达(光探测和测距)啁啾信号线性化的系统，包括：第一分光器，其用于将来自激光器的啁啾激光信号分离成两种光学信号；延迟元件，其用于延迟所述两种光学信号中的一种光学信号以产生延迟的光学信号，所述两种光学信号中的另一种光学信号是未延迟的光学信号；和光学90°混合单元，其用于接收所述未延迟和延迟的光学信号，和从所述未延迟和延迟的光学信号生成第一IF光学信号输出和第二IF光学信号输出，其中这种生成在第一和第二IF光学信号输出之间赋予90°的相对IF相移，第一和第二IF光学信号输出对应于所述未延迟和延迟的光学信号的组合的IF光学信号的I/Q信道。

根据第二方面，提供了一种用于激光雷达(光探测和测距)啁啾信号线性化的方法，所述方法包括：将来自激光器的啁啾激光信号分离成两种光学信号；延迟所述两种光学信号中的一种光学信号以产生延迟的光学信号，所述两种光学信号中的另一种光学信号是未延迟的光学信号；和从所述未延迟和延迟的光学信号生成第一IF光学信号输出和第二IF光学信号输出，其中这种生成在第一和第二IF光学信号输出之间赋予90°的相对IF相移，第一和第二IF光学信号输出对应于所述未延迟和延迟的光学信号的组合的IF光学信号的I/Q信道。

一些实施方案还提供了I信道接收器和Q信道接收器对，其用于接收第一和第二IF光学信号输出，并生成I信道和Q信道数字数据。

一些实施方案还提供了处理和驱动电路，其用于接收所述I信道和Q信道数字数据，从所述I信道和Q信道数字数据确定所述IF光学信号的瞬时相位，利用所述IF光学信号的瞬时相位对数字啁啾波形数据进行预畸变，生成用于驱动所述激光器的新的预畸变数字啁啾波形数据，以生成具有改进的线性度的啁啾激光信号，和用所述新的预畸变数字啁啾波形驱动所述激光器。

在一些实施方案中，所述处理和驱动电路的对数字啁啾波形数据进行预畸变还包括：确定啁啾段的边缘；确定所述啁啾段的相位误差是否是可接受的；和对于相位误差不可接受的啁啾段，针对所述啁啾段的每个数据点生成所述新的预畸变数字啁啾波形数据。

在一些实施方案中，确定啁啾段的边缘包括：对所述IF光学信号的瞬时相位的副本进行平滑；确定所述IF光学信号的瞬时相位的平滑副本的梯度；和从所述梯度的零点确定所述啁啾段的边缘。

在一些实施方案中，确定所述啁啾段的相位误差是否是可接受的包括：对所述啁啾段的所述IF光学信号的瞬时相位进行平滑，针对所述啁啾段的每个数据点生成所述IF光学信号的平滑瞬时相位；确定所述啁啾段的每个数据点的标称相位；使用所述IF光学信号的所述标称相位和所述平滑瞬时相位来确定所述啁啾段的每个数据点的相位误差；使用度量，分配表征所述啁啾段的至少一部分的相位误差的单个值；和将所述单个值与可接受阈值进行比较，和其中针对所述啁啾段生成所述新的预畸变数字啁啾波形数据包括：利用所述相位误差确定所述啁啾段的每个数据点的校正因子；和使用当前啁啾波形数据和所述校正因子来确定新的预畸变啁啾波形数据。

在一些实施方案中，对所述IF光学信号的瞬时相位的副本进行平滑包括重度Savitzky-Golay滤波，其中对所述啁啾段的所述IF光学信号的瞬时相位进行平滑包括使用无扩展和三阶多项式的Savitzky-Golay滤波，其中所述度量是所述啁啾段的至少一部分的加权相位误差的标准偏差，其中所述校正因子与所述相位误差成正比，和其中确定新的预畸变啁啾波形数据包括将所述当前啁啾波形数据加到所述校正因子上。

在一些实施方案中，所述光学90°混合单元包括：第一和第二分光器，其用于将所述未延迟和延迟的光学信号中的每一个分离成相应的第一和第二未延迟的光学信号以及第一和第二延迟的光学信号；第一和第二组合器，其用于组合第一未延迟和延迟的光学信号以生成第一IF光学信号输出以及组合第二未延迟和延迟的光学信号以生成第二IF光学信号输出；和至少一个移相器，其用于对第一延迟的光学信号、第二延迟的光学信号、第一未延迟的光学信号和第二未延迟的光学信号中的一个或多个进行移相。

在一些实施方案中，所述至少一个移相器包括：第一移相器，其用于将第一光学相移赋予第一未延迟的光学信号；和第二移相器，其用于将第二光学相移赋予第一延迟的光学信号，其中第一光学相移和第二光学相移相差90°的相对光学相位差的等效值。

在一些实施方案中，确定所述啁啾段的相位误差是否是可接受的包括使用表征所述啁啾段的至少一部分的相位误差的度量来评估所述啁啾段的所述相位误差的每次迭代的收敛性。

一些实施方案还提供了接收第一和第二IF信号输出，并生成I信道和Q信道数字数据。

一些实施方案还提供了接收所述I信道和Q信道数字数据，从所述I信道和Q信道数字数据确定所述IF光学信号的瞬时相位，利用所述IF光学信号的瞬时相位对数字啁啾波形数据进行预畸变，生成用于驱动所述激光器的新的预畸变数字啁啾波形数据，以生成具有改进的线性度的啁啾激光信号，和用所述新的预畸变数字啁啾波形驱动所述激光器。

在一些实施方案中，从所述未延迟和延迟的光学信号生成第一IF光学信号输出和第二IF光学信号输出包括：接收所述未延迟和延迟的光学信号，将所述未延迟和延迟的光学信号中的每一个分离成相应的第一和第二未延迟的光学信号以及第一和第二延迟的光学信号，对第一延迟的光学信号、第二延迟的光学信号、第一未延迟的光学信号和第二未延迟的光学信号中的一个或多个进行移相，组合第一未延迟和延迟的光学信号以生成第一IF光学信号输出，和组合第二未延迟和延迟的光学信号以生成第二IF光学信号输出。

在一些实施方案中，所述移相还包括：将第一光学相移赋予第一未延迟的光学信号，将第二光学相移赋予第一延迟的光学信号，其中第一光学相移和第二光学相移相差90°的相对光学相位差的等效值。

结合附图，通过对各种实施方案和/或方面的详细说明，本公开的上述和附加方面以及实施方案对本领域普通技术人员来说将是显而易见的，下面将提供对附图的简要说明。

附图说明

通过阅读以下详细说明并参照附图，本公开的上述和其他优点将变得显而易见。

图1是根据实施方案的采用预畸变激光线性化的系统的示意框图；

图2示出了根据实施方案的诸如图1所示的光学90°混合单元的实现方式；

图3是根据实施方案的用于在激光雷达系统中实现预畸变激光线性化的过程的框图；和

图4示出了用于从激光雷达系统发射的激光信号的示例性期望的重复多啁啾分布。

尽管本公开容易进行各种修改和替代形式，但是具体实施方案或实现方式已在附图中以示例的方式示出，并且将在本文中详细说明。然而，应当理解，本公开并不旨在局限于所公开的特定形式。相反，本公开涵盖落入所附权利要求限定的发明范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

传统的调频连续波(FMCW)激光雷达利用具有恒定斜率的一系列激光频率扫描，被称为啁啾激光信号并且由线性啁啾段组成，以用于在其探测和测距操作中实现高的信噪比(SNR)信号。顾名思义，FMCW激光雷达利用可调谐连续波激光的频率调制，生成用于传输和最终接收的激光啁啾段序列。尽管在理论上很简单，但是在实践中实现理想的啁啾激光信号并不简单。即使表示用于驱动可调谐激光器的模拟波形的数据是线性的(以下称为“数字啁啾波形”)，调制行为也具有相关的加热和载流子注入/提取效应，这些效应经常导致在实际的激光器输出信号中的非线性啁啾行为。这会影响SNR，从而影响FMCW激光雷达系统生成的读数的准确性。

理想化的重复啁啾激光信号示于图4中。如图4所示，预定序列的啁啾段，例如啁啾段1、2、3和4，构成具有被称为啁啾周期的持续时间的特定有限啁啾分布。这种啁啾分布通常由任选不同斜率的交替“下啁啾”和“上啁啾”段组成，在激光雷达系统运行时连续地重复。激光雷达系统以使激光器发射光学频率的方式驱动激光器，该光学频率理想地根据重复的线性啁啾序列而变化。输出的啁啾激光信号在一定范围内从外部物体反射，并且反射信号被接收和处理以生成关于物体的信息，例如，关于物体的位置、形状、距离和/或速度的信息。因为该处理的准确度和SNR通常取决于啁啾激光信号的每个啁啾段的线性度，并且起因于由于电气载流子或热效应造成的激光器不线性跟随驱动信号而导致的非线性度，所以一些提高准确度的方法包括确定和存储“预畸变”数字啁啾波形，其专门构造成当用于控制激光器的驱动时产生具有较小非线性度的激光啁啾信号。

为了清楚起见，用于调制激光器的数据，包括构成用于重复驱动激光器的啁啾分布的啁啾段，在下文中将称为数字啁啾波形，有时也称为函数发生器波形。应当注意，由于函数发生器1300、激光器驱动器1400和激光器1100可以全部或各自根据专有信令、数据格式和/或电压或电流水平进行操作，因此函数发生器1300和激光器驱动器1400内的数字啁啾波形值的单位、大小和格式同样可以是专有的。应当理解，对“数字啁啾波形”的引用，因为其存在于这些部件中的任何一个中，已经被适当地格式化和/或转换，并且特别地，应当理解，已经相应地执行了将数字啁啾波形从微处理器/FPGA 1200(以IF相位单位，如下所述)传输到函数生成器1300所需的任何必要的格式化和转换。此外，从下面将变得明显的是，一旦数字啁啾波形已经被预畸变，其每个啁啾段尽管仍然可以被识别为啁啾段，但是从技术上讲将不再是线性的。

一些试图预先调整调制以校正激光器输出中的非线性啁啾的方法，依赖于对瞬时激光频率的准确测量来确定需要校正的非线性度的性质和大小。然而，基于希尔伯特(Hilbert)变换的已知激光频率估计是缓慢和不准确的，尤其是在啁啾段相交的边缘附近，这也是经常表现出最非线性度的关键区域，并且因此决定了激光雷达系统的整体性能，特别是准确度。此外，在这些方法中，来自接收器的测量噪声、激光器的相位噪声和调制信号噪声都对测量的表观非线性度起贡献，其很难与需要校正的激光信号的啁啾段的实际非线性度区分开来，这经常导致不期望的线性化结果。

已知方法通常无法准确测量瞬时激光频率，这也阻碍了复杂啁啾段序列的线性化。例如，对具有非常不同的啁啾段带宽的多个上啁啾和下啁啾段的热效应将产生不对称的非线性啁啾段行为，其仅在啁啾激光信号的啁啾段的过渡边缘附近是明显的，如前所述，使用已知技术很难准确地确定。

在一种已知的啁啾段线性化方法中，在单个的上下啁啾段上实现了预畸变调制数字啁啾波形，其源自预定的标称激光频率和使用希尔伯特变换估计的瞬时激光频率之间的移位。然而，所产生的残余非线性噪声对于远程激光雷达系统来说仍然很高并且不切实际。

参照图1，下面将讨论根据实施方案的利用等效于瞬时激光频率测量的光学处理的示例性激光雷达啁啾线性化系统1000。为了便于说明和理解，利用图1所示的激光雷达啁啾线性化系统1000的激光雷达系统的大部分其余结构和功能没有被详细示出或说明。在这方面，应当理解，激光器1100和第一分光器1110之间的光分接器用于保留相对较小但足够量的用于线性化的光功率，该光功率被传送到线性化系统1000的分光器1110，而大部分光功率被用作来自实际用于探测和测距中的激光雷达系统(未示出)的激光输出信号。因此，激光器1100应被理解为是在用于探测和测距的激光雷达系统中使用的主要测距激光器，并且激光器驱动器1400、函数发生器1300和微处理器/FPGA 1200中的任何一个或多个可以是通常在激光雷达系统中发现的、根据以下构成和适配的那些相同部件，或者可以是仅用于线性化目的的附加部件。

激光雷达系统和激光雷达啁啾线性化系统1000的可调谐激光器1100，例如，通常集成在PIC(光子IC)上的分布式布拉格反射器(DBR)激光器、分布式反馈(DFB)激光器、阶梯光栅激光器和使用AWG进行波长选择的激光器，经由波导和分接器(未示出)光学连接到第一分光器1110(1x2、2x2光学耦合器等)，第一分光器具有经由波导光学连接到延迟元件1120(在图1中标记为“SIGNAL(信号)”的波导臂上)的一个输出和经由波导光学连接到偏振控制器1130(在图2中标记为“LO”的波导臂上)的第二输出，例如光纤挤压或基于波片的偏振控制器。延迟元件1120可以是具有适合于生成IF(中频)信号的自由空间群延迟的任何延迟元件(如下所述)，并且可以是延迟线，例如但不限于恒定宽度的绕组集成波导或者在其转弯之前(之后)逐渐变细(加宽)为较窄单模波导的绕组宽多模波导。在一些实现方式中，例如使用偏振维持波导的芯片上实现方式，不需要偏振控制器1130。来自延迟元件1120和偏振控制器1130的光学输出在光学90°混合单元2000中进行光学组合，如下面结合图2所示和说明的。通过相应的波导从光学90°混合单元2000输出四个信号，即，一对I信道信号I+、I-和一对Q信道信号Q+、Q-，I+/I-对经由相应的一对波导连接到I信道接收器1140，Q+/Q-对经由相应的一对导波连接到Q信道接收器1150。I信道接收器1140和Q信道接收器1150例如可以包括光电检测器、TIA和高速ADC(模数转换器)。I信道和Q信道接收器的电气输出和通常的数字输出连接到微处理器/FPGA 1200。微处理器/FPGA 1200电气连接到函数发生器1300，该函数发生器连接到激光器驱动器1400，该激光器驱动器又连接到激光器1100。应当注意，激光雷达啁啾线性化系统1000的光学部分可以完全构建在集成光子学芯片上，或者完全使用自由空间光学部件(例如，利用自由空间分束器)，或者这两种部件的任何组合。在这方面，在一些实施方案中，元件之间的波导可以存在也可以不存在。还应当注意，在一些实施方案中，通过使用定向耦合器、锥形耦合器、作为分光器和组合器的MMI、作为移相器的微加热器以及用于延迟元件的长绕组螺旋波导，可以完全在集成光子芯片上实现激光雷达啁啾线性化系统1000的光学部分。

激光雷达啁啾线性化系统1000的功能是形成激光线性化回路，其测量激光器1100的啁啾激光信号的瞬时频率，确定该啁啾激光信号表现出什么样的非线性度，并且通过更新用于驱动激光器1100的数字啁啾波形的啁啾分布来校正其啁啾线性度。

激光器1100输出啁啾激光信号，其由被激光器驱动器1400用于驱动或调制激光器1100的数字啁啾波形所驱动。第一分光器1110经由分接器(未示出)接收来自激光器1100的啁啾激光信号，并通过各自的路径将输入的激光功率分为“LO”(本地振荡器)信号和“SIGNAL”信号。如果需要，偏振控制器1130被构造为确保LO和SIGNAL路径上的偏振在I信道接收器1140和Q信道接收器1150处是相同的。穿过SIGNAL路径的光学信号被延迟元件1120延迟，该延迟元件可以是具有0.1～5米的等效自由空间群延迟的延迟线、或者大到足以延迟光学信号以允许对下面讨论的IF信号进行精确的I信道和Q信道检测并且小到足以降低延迟元件中的光学损耗的任何其他延迟值。应当注意，延迟元件1120和偏振控制器可以在LO和SIGNAL路径上互换，或者两者都可以存在于单个LO或SIGNAL路径上，只要到光学90°混合单元2000的两个光学输入之间存在适当的延迟差并且两个光学输入的偏振在上述意义上匹配即可。光学SIGNAL和LO信号(其中已并入延迟且其偏振已被控制或维持)被输入到光学90°混合单元2000的两个输入。

参照图2，下面将讨论根据实施方案的示例性光学90°混合单元2000的结构和功能。

连接到LO信号路径的光学90°混合单元2000的LO输入经由波导光学连接到第二分光器2100(1x2、2x2光学耦合器等)，而连接到SIGNAL信号路径的光学90°混合单元2000的信号输入经由波导光学连接到第三分光器2200(1x2、2x2光学耦合器等)。第二分光器的第一输出经由波导光学连接到第一移相器2300，第三分光器2200的第一输出经由波导光学连接到第二移相器2400。第二分光器2100和第三分光器2200中的每一个的第二输出经由波导连接到第一组合器2500(例如，2x2 MMI或50/50定向耦合器)。第一移相器2300和第二移相器2400中的每一个的输出经由波导连接到第二组合器2600(例如，2x2 MMI或50/50定向耦合器)。第一组合器2500和第二组合器2600中的每一个输出一对光学信号，第一组合器2500输出一对I信道信号I+、I-，并且第二组合器2600输出一对Q信道信号Q+、Q-。

光学90°混合单元2000的功能是生成光学信号(LO)和光学信号(SIGNAL)的延迟版本的两种组合。由于LO和SIGNAL信号之间的延迟，当在光学90°混合单元2000中组合时，它们具有略微不同的频率，从而产生呈现IF(中频)信号的组合。光学90°混合单元2000将相对光学相移应用于组合之一，用于产生具有90°的相对IF信号相移的I/Q信号对。测量与激光器的光学信号的瞬时频率直接相关联的IF信号的相位。应当注意，尽管激光器的瞬时频率可以从IF信号的相位数字地确定，但是由于IF信号的相位与瞬时频率成正比，因此可以仅参照IF信号的相来执行线性化，而无需实际频率的任何附加计算，如下所述。

穿过光学90°混合单元2000的LO输入的光学信号(LO)由第一分光器2100分离成两种信号，而穿过光学90°混合单元2000的信号输入的光学信号(SIGNAL)的延迟版本也由第二分光器2200分离成两种信号。延迟的(SIGNAL)光学信号的第一版本和未延迟的(LO)光学信号在第一组合器2500中被组合，无需向其应用任何相移，而延迟的(SIGNAL)光学信号的第二版本和未延迟的(LO)光学信号在被组合之前各自通过移相器。光学信号的未相移组合作为I+/I-对从第一组合器2500和光学90°混合单元2000出现，而光学信号的相移组合作为Q+/Q-对从第二组合器2600和光学90°混合单元2000出现。

移相器2300和2400的目的是在I+/I-信道和Q+/Q-信道之间提供90°的IF信号相移。为了使Q+/Q-对的IF信号相对于I+/I-对具有90°的相对IF信号相移，由第一移相器2300和第二移相器2400提供的光学相移被布置为使得它们各自赋予的光学相移之差等于90°的光学相移。应当理解，在这里的上下文中，90°的相对相位差等于90°+n*360°(其中n是整数)的任何相对相位差。例如，第一移相器2300可以被设定成将第二分光器2100的第一输出移位180°的光学相移，而第二移相器2400可以被设定成将第三分光器2200的第一输出移位90°的光学相移。因此，所得到的Q+/Q-对的IF信号将相对于I+/I-对移位90°的IF频率相移。由于在Q+/Q-和I+/I-对之间仅有相对90°的IF信号相移是重要的，所以可以使用在光学相移中赋予相隔90°的光学相移的第一移相器2300和第二移相器2400的任何组合。在一些实施方案中，仅使用具有90°的光学相移的单个移相器(在图2中的上部LO或下部SIGNAL路径上)。然而，在这样的实施方案中，在上部路径或下部路径的另一个上不存在移相器会引入幅度失衡，因此在一些实施方案中存在两个移相器2300、2400，即使其中一个移相器只是不会改变相位但仍然会引入平衡损耗的“伪移相器”(设定为0°)。为了获得完美的I/Q信号，移相器需要从I+/I-信道为Q+/Q-信道提供精确的90°的IF相位偏移。在实践中，这是在设备制造后进行微调的。还应当注意，由于Q+/Q-信号与I-/I+信号的不同之处仅在于它们的相对IF相位，所以图2中的标记可以被反转并且相移被反相，或者移相器2300、2400的位置被移动到通向第一组合器2500的波导，同时相移被反相，并且本领域技术人员可以理解的其他类似排列方式。一般来说，离开第一分光器2100和第二分光器2200的所有四种光学信号中的任何一个或多个都可以被适当地相移，以产生I+/I-和Q+/Q-信号。

由于移相器引起的组合光学信号的90°的相对相位会导致组合器的输出中的所得到的IF信号发生90°的相对移位，因此会产生IF信号的可用的I/Q信号对，而与实际频率差无关，其作为实际啁啾段中的任何非线性度的结果会变化。当在输出信号中产生的啁啾段明显偏离期望的啁啾信号时，特别是在啁啾段边缘附近，这是特别有用的，因为其允许测量对应于实际瞬时光学频率的实际瞬时IF相位。

从前述可以明显看出，光学90°混合单元2000的功能是生成由未延迟和延迟信号的组合产生的IF信号的I和Q信道版本。

从光学90°混合单元2000输出的I+/I和Q+/Q信号对由I信道和Q信道接收器(1140和1150)测量，它们将光学I和Q信号转换为数字电气信号，然后将其转发到微处理器/FPGA1200。在一些实施方案中，I信道接收器1140和Q信道接收器1150包括用于将光功率转换为电流的光电检测器、用于将电流转换为电压的跨阻放大器(TIA)以及用于从电压生成数字数据的模数转换器(ADC)。I/Q检测，特别是IF信号的瞬时相位的分析，提供了直接对应于瞬时频率的非常精确的测量，这形成了线性化过程的基础。微处理器/FPGA 1200确定新的预畸变数字啁啾波形，其导致激光器1100的光学输出的改进的线性化，下面结合图3更详细地说明。在一些实施方案中，微处理器/FPGA 1200将新的数字啁啾波形(根据需要格式化和/或转换)馈送到函数发生器1300并与其协作，以控制激光器驱动器1400根据新的预畸变数字啁啾波形来调制激光器1100。函数发生器1300存储将要提供给激光器驱动器1400的缓冲波形，其产生瞬时变化的模拟驱动电流(或电压)以调制激光器1100的频率。

函数生成器1300将整个周期性芯片分布存储为数字啁啾波形，例如，与图4中的啁啾段1、2、3和4相对应并用于生成啁啾段的数字啁啾波形，并将缓冲(和重放)波形输出到激光器驱动器1400，用于在激光雷达系统的主动操作期间调制激光器1100。在一些实施方案中，函数生成器1300是微处理器/FPGA 1200的一部分和/或与之集成，而在其他实施方案中函数生成器1300是激光器驱动器1400的一部分和/或与之集成。

在一些实施方案中，使用失衡的I信道接收器1140和Q信道接收器1150代替平衡的I信道接收器1140和Q信道接收器1150，每个接收器仅接受单个失衡输入。在那些实施方案中，仅有第一组合器2500和第二组合器2600中的每一个的单个输出作为各自的单个失衡I+和Q+信号(或失衡I-和Q-信号)从光学90°混合单元2000输出，以供各自的失衡I信道接收器1140和Q信道接收器1150检测。应当理解，即使在平衡的I信道接收器1140和Q信道接收器1150的情况下，在通向接收器1140、1150的光路中，在I-和I+或Q-和Q+之间也可能存在失衡，或者失衡可能是由接收器1140、1150本身引起的。在大多数情况下，任何不想要的失衡都可以通过微处理器/FPGA(1200)中的处理来减轻。

参照图3，下面将讨论根据实施方案的预畸变的示例性过程3000，以改进从激光器1100输出的啁啾光学信号的线性化。

图3中所示的过程3000可以与激光雷达系统的正常操作并行运行，即，同时执行激光雷达系统(未示出)的探测和测距的所有结构和功能都是在线的。图3的过程3000的循环用于分析和线性化整个啁啾分布，例如图4的啁啾段1～4，并且可以如下所述地重复。应当注意，由于图3的线性化过程3000的步骤，从I和Q信道接收器读取的数据块应当包括足以确保捕获整个啁啾分布的量，加上足以平滑和确定啁啾段的边缘的量，如下所述。在一些实施方案中，从I信道接收器1140和Q信道接收器1150接收的数据量对应于啁啾分布的整个啁啾周期的1.5～3倍的持续时间内的数据量。

在一些实施方案中，诸如图1所示的微处理器/FPGA执行图3的线性化过程3000的所有步骤。由于激光器1100产生的啁啾波形和所得的啁啾分布之间的关系中的非线性度，这就是为什么需要校正的原因，所以一般来说，数字啁啾波形的任何调整的确切效果都是未知的，因此，线性化经常涉及整个过程3000的多次迭代。

线性化过程3000可以作为校准来执行，并且存储在持久存储器中的预畸变数字啁啾波形例如存储在函数生成器1300中或其他地方(存储步骤未明确示出)。例如，可以在制造激光雷达系统时、在激光雷达系统的操作寿命期间的周期性和/或规则间隔期间、或者在刚好在激光雷达系统的主动使用之前的系统启动时、和/或在现场使用激光雷达系统的会话期间周期性地或连续地执行这样的校准。表现出改进的线性化的值也可以被校准并存储在随激光雷达系统一起提供的查找表(LUT)中，该LUT包含针对不同可能的外部条件(例如，针对不同的温度范围或者针对特定的温度)定制的单独的预畸变啁啾分布。当在特定外部条件下操作激光雷达系统时，使用LUT中特定条件落入的范围或者LUT中该条件最接近的特定值来查找和获取对应于该特定外部条件的预畸变数字啁啾分布。在一些实施方案中，在激光雷达系统的使用寿命期间，这些分布可以被更新，或者自定义分布可以由用户或激光雷达系统添加到LUT。在一些实施方案中，线性化过程可以实时执行，其中在激光雷达系统主动操作以执行探测和测距的同时实时收集I/Q数据。在这样的实施方案中，一旦对所有啁啾段的线性化完成(或可接受)，就更新数字啁啾波形，并且此后，可以在激光雷达系统处于操作中时无限期地重复，以维持和/或连续地改进线性化。

首先，在3010，读取来自I信道接收器1140和Q信道接收器1150的数字I/Q数据，直到已经读取并存储了足够持续时间的数据块，例如，作为存储在阵列或存储器中的一系列数据点。在3020，从数据点例如通过计算瞬时IF相位＝Arctan(Q/I)来确定表示瞬时激光频率的I/Q信号(中频(IF)信号)的瞬时相位。这是针对块的所有啁啾段的所有数据点执行的。在这一点上，应当强调，IF信号的相位对应于瞬时光学频率，如下式那样：

其中

然后，在3030(参见图4，其示出了各种带宽和啁啾段持续时间的多个啁啾段)，通过找到IF相位的平滑版本的梯度(斜率)的过零点来确定块内的啁啾段边缘或端点。因为由于与啁啾非线性度无关的噪声源(例如，激光相位噪声、接收器噪声和函数发生器噪声)而在数据中可能存在明显的噪声，所以在一些实施方案中，对IF相位的临时副本应用重度平滑，以在确定啁啾段边缘的过程中去除它们。平滑算法可以是诸如移动平均或低阶多项式(例如，n＝1～5)Savitzky-Golay滤波器的任何类型的数字低通滤波器，其窗口尺寸由用户定义，以优化效率和准确性等。在典型的啁啾激光雷达信号中，在IF相位的斜率中将存在多个过零点，这些过零点对应于每个啁啾段的边缘处的不同转折点。在一些实施方案中，过零点中的一个被任意地分配为重复啁啾分布的起始点(通常，对应于函数生成器1300的缓冲中的第一啁啾段的起始点)，例如，在啁啾分布起始处的第一零点包括段1、2、3和4，一起具有如图4所示的啁啾周期。在一些实施方案中，IF相位的平滑版本的梯度(斜率)本身在找到零点之前被平滑。

在一些使用浮动标称值的实施方案中(见下)，从该起始点开始，并通过块前进，基于找到的过零点，将块的啁啾分布的每个啁啾段隔离为单独的IF相位段。

在使用固定标称值的一些实施方案中(见下)，从起始点开始，啁啾分布的剩余边缘从一组用户定义的数据确定，该数据将它们相对于起始点固定。在一些实施方案中，除了开始点之外，还确定结束点，并且从基于开始点和结束点两者固定边缘的一组用户定义数据来确定啁啾分布的剩余边缘。例如，如果块包括四个相等长度的啁啾段，则四个啁啾段的组的起始边缘和结束边缘将被确定为具有上述的过零点，但是啁啾段之间的边缘可以根据用户定义的数据被计算为在沿着四个啁啾段的整个组的四分之一、一半和四分之三点处。

在一些实施方案中，不是根据IF相位数据确定啁啾段边缘，而是确定啁啾段边缘的步骤3030使用外部数据(例如，外部时钟)将存储的IF相位数据中的点与啁啾段的已知边缘相关联。

然后，在3040，使用数字低通滤波器对每个啁啾段进行单独平滑，该数字低通滤波可以与3030中用于确定啁啾边缘的滤波器相同或不同，但是将啁啾段的末端视为固定限值来执行。在一些实施方案中，可以使用无扩展和三阶多项式的Savitzky-Golay滤波器，以更好地匹配热诱导延迟响应的边缘行为。

一旦确定了块内啁啾分布的啁啾段的边缘并且对啁啾段进行了平滑，则在3050确定每个啁啾段的每个数据点的标称相位。标称相位表示与测量值进行比较的期望啁啾波形。

在一些实施方案中，确定固定标称值。啁啾段的起始标称值取自啁啾段的平滑IF相位的第一个值。然后，从该啁啾段的期望IF相移来确定啁啾段的结束标称值，该期望的IF相移被加到啁啾段的IF相位的起始标称值上。对于向上倾斜的啁啾段，期望的相移是正的，而对于向下倾斜的啁啾段，期望的相移是负的。可以从啁啾段的期望频率移位和式(1)来计算期望的IF相移。下一个啁啾段和后续段的标称相位是基于前一个段的标称相位的最后点加上期望的IF相位来计算的。因此，利用固定标称值方法的实施方案基于固定啁啾段带宽，利用所有标称啁啾值的固定阵列来优化啁啾线性度。

在一些实施方案中，使用了浮动标称值方法。在这些实施方案中，啁啾段的起始和结束标称值取自啁啾段端点的平滑IF相位，并且这些端点之间的标称值被线性插值。应当注意，由于每个啁啾段的端点由平滑IF相位的零点定义，因此啁啾段的这些起始和结束标称值对应于啁啾段的平滑IF相位的最大值和最小值(反之亦然)。因此，利用浮动标称值方法的实施方案优化了线性度，但是不将啁啾波形固定到特定的绝对相位点，也不固定到任何固定的啁啾段带宽。在涉及多次迭代的一些实施方案中，从当前迭代和先前迭代的啁啾段端点的平滑IF相位的加权平均值来确定啁啾段的起始和结束标称值。

一旦在3050确定或检索到每个啁啾段的每个数据点的标称相位，则在3060计算每个啁啾段的每个数据点的相位误差分布。对于每个啁啾段的每个数据点，相位误差被确定为：

相位误差＝标称相位–平滑IF相位(2)

然后，每个啁啾段(或其一部分)的该相位误差的标准偏差可以用作度量，以确定啁啾段在分支点3070是否足够线性，其中每个啁啾段被单独处理并且可以沿着不同的分支前进。如果特定啁啾段(或其一部分)的相位误差的标准偏差低于用户定义的特定阈值，则该过程确定该啁啾段是可接受的，并且不对该啁啾段执行校正。在一些实施方案中，仅有每个啁啾段的一部分(例如，每个啁啾段的中间部分)的相位误差的标准偏差被用作度量。在一些实施方案中，加权相位误差的标准偏差被用作度量，其中沿着啁啾段的至少一部分的每个点的相位误差由加权函数加权。在一些实施方案中，代替从标称相位和平滑IF相位之差来计算相位误差，相位误差被确定为标称相位与平滑IF相位之比。

如果特定啁啾段的相位误差的标准偏差高于用户定义的阈值，则分支点3070确定相位误差是不可接受的，并且线性化过程继续计算数字啁啾波形的啁啾段的新数据，以替换函数生成器当前使用的数据。首先，在3080针对啁啾段中的每个数据点确定校正因子，其被确定为：

校正因子＝相位误差*灵敏度(3)

在一些实施方案中，灵敏度是用户定义的常数，类似于反馈回路的增益。当迭代地重复整个线性化过程3000以优化线性度时，这尤其适用。在一些实施方案中，该常数对于啁啾分布的不同啁啾段是不同的。例如，具有较高带宽的啁啾可能具有较低的灵敏度。在具有多次迭代的实施方案中，还可以设定和调整灵敏度以控制收敛速度。在一些实施方案中，灵敏度可以作为IF相位的斜率、与啁啾的初始或后缘的接近度、梯度的符号等的函数而变化，而不是常数。在其他实施方案中，校正因子是相位误差的函数，该相位误差已被确定为在较少的迭代中收敛到理想值。在一些实施方案中，例如那些具有由比值确定的相位误差的实施方案，确定无量纲和/或乘法校正因子。

一旦确定了啁啾段的每个数据点的校正因子，则在3090针对每个啁啾段从该校正因子来确定新的数字啁啾波形：

新波形＝旧波形+校正因子(4)

这里，新的数字啁啾波形数据存储在与IF相位相关的单元中，但是在传输之前必须转换成适合在函数生成器1300中使用的波形数据。在利用比值形式的相位误差并利用无量纲乘法校正因子的一些实施方案中，将旧波形乘以校正因子，并用结果替换。在一些实施方案中，为灵敏度或通常为校正因子确定选择的值考虑了单位和/或格式(例如，各种位格式)，使得校正因子可以直接加到函数生成器1300中的波形数据中，而不是替换它。在一些实施方案中，落在函数生成器1300可接受的范围之外的值被固定在最小或最大可接受值。

因此，在3100，在函数生成器中校正、转换并更新相位误差不可接受的每个啁啾段的新的数字啁啾波形数据，而在函数生成器中与误差可接受的啁啾分布的任何啁啾段相关联的数字啁啾波形数据保持不变。

一旦啁啾分布的所有啁啾段已经通过分支点3070的过程，过程在3110检查是否使啁啾分布经受整个过程3000的另一次迭代：如果“是”，过程3000返回到3010，从I信道接收器1140和Q信道接收器1150读取数字I/Q数据；如果“否”，则过程3000结束。在一些实施方案中，过程总是肯定地回答3110，无限期地重复过程3000循环，直到用户否决并结束过程3000。在一些实施方案中，计数器用于对过程3000将要经历的预定固定数量的循环进行计数。在其他实施方案中，迭代地执行线性化过程3000以连续地改善预畸变数字啁啾波形的线性度，并且进行重复，直到：1)每个啁啾段的相位误差的标准偏差已经收敛并波动在由用户定义的非常小的值，或者2)标准偏差达到也由用户定义的令人满意的较低阈值，或者可以重复直到满足关于相位误差及其水平或收敛性的任何其他标准。在一些实施方案中，在3110中利用上述条件的组合来确定是继续到另一次迭代还是结束该过程。

尽管图3的分支点3070的过程已被说明为基于啁啾段的相位误差的标准偏差，但是可以使用其他标准来确定特定啁啾段是否足够线性，从而决定是否将要进行校正。在执行多次迭代的情况下，可以单独确定收敛标准，并且针对每个啁啾段进行跟踪。在这样的实施方案中，为了3070的目的，已经满足每次迭代的收敛标准(例如，由用户定义的非常小的值波动)的啁啾段被认为具有可接受的相位误差。在一些实施方案中，收敛标准和规范都由分支点3070的过程使用。

尽管图3的分支点3070的过程已被说明为单独处理每个啁啾段，但是在一些实施方案中，分支点3070的过程评估每个啁啾段的相位误差是否是可接受的，并且如果任何啁啾段的相位误差不可接受，则线性化过程继续为所有啁啾段计算新数据。在一些实施方案中，例如，当将要执行过程3000的预定固定数量的循环或迭代时，可以完全消除分支点3070的过程，并且过程3000可以直接从确定相位误差3060的步骤进行到确定所有啁啾段的校正因子3080的步骤。

尽管图3的分支点3070的过程已被说明为根据表征每个单独啁啾段的相位误差的度量来处理每个啁啾段，但是在一些实施方案中，分支点3070的过程评估共同表征所有啁啾段的相位误差的单个度量，并且确定所有啁啾段的相位误差作为一个整体是否可接受。在这样的实施方案中，所有啁啾段或者共同地经历线性化或者不经历线性化。

尽管上述线性化过程3000包括在确定啁啾边缘3030的步骤中对IF相位数据进行重度平滑，但是在一些实施方案中，在确定IF相位3020时，在根据上式计算IF相位之前，对I和Q数据单独应用一些平滑。在这样的实施方案中，可以减少或适当地改变在确定啁啾边缘3030和平滑啁啾段3040的步骤中的平滑量。

应当理解，考虑到I信道接收器1140和Q信道接收器1150的采样率与函数生成器1300的数据更新率之间存在差异的可能性，必要时可进行插值。

应当理解，与其合作的激光雷达系统和激光雷达线性化系统1000的组成部分可以作为单个仪器或设备的一部分进行操作，或可以作为在附近或远程一起工作的多个互连设备的一部分进行操作，或其任何组合。

上述线性化过程3000可以由处理设备执行，例如图1的微处理器/FPGA 1200或任何一个或多个其他类似设备，其可以使用一个或多个专用集成电路(ASIC)、微控制器、通用计算机系统、数字信号处理器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)等，如光学、网络、软件和计算领域的技术人员所理解的，根据本文所示和说明的教导进行编程。

此外，两个或多个计算系统或设备可以替代本文所述的任何一个处理器或控制器。因此，分布式处理的原理和优点，例如冗余、复制等，也可以根据需要来实现，以提高本文所述的处理器或控制器的鲁棒性和性能。

示例性线性化方法的操作可以通过机器可读指令来执行。在这些示例中，机器可读指令包括用于由(a)处理器、(b)控制器和/或(c)一个或多个其他合适的处理设备执行的算法。该算法可以体现在存储在有形介质上的软件中，例如闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字视频(通用)盘(DVD)或其他存储设备，但是本领域的普通技术人员将容易地理解，整个算法和/或其部分可选择地由处理器以外的设备执行和/或以众所周知的方式体现在固件或专用硬件中(例如，其可以由专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等来实现)。例如，线性化方法的任何或所有部件过程或步骤都可以通过软件、硬件和/或固件来实现。此外，所表示的机器可读指令中的一些或全部可以手动地实现。

尽管已经示出和说明了本公开的特定实现方式和应用，但是应当理解，本公开不限于本文公开的精确结构和组成，并且在不脱离所附权利要求中限定的发明的精神和范围的情况下，从上述说明中各种修改、改变和变化可以是显而易见的。