用于干涉仪绝对距离测量的相位噪声补偿制造技术

本发明专利技术涉及用于干涉仪绝对距离测量的相位噪声补偿。在向至少一个待测目标发射调频电磁射线并随后在外差混频下接收由目标散射回的射线的测距方法中，使射线平行经过干涉测量基准长度。此外，在接收时产生由目标散射回的射线的数字化第一干涉图和经过基准长度的射线的数字化第二干涉图。从第二干涉图的相位曲线数据中合成出虚拟干涉图或者虚拟干涉图的相位曲线，在这里，通过比较第一干涉图的相位曲线数据与虚拟干涉图的相位曲线数据来确定距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分的绝对距离测量方法、根据权利要求13的前序部分的绝对距离测量装置、以及计算机程序产品。
技术介绍
在电子测距领域，公开了各种不同的原理和方法。一种做法是将经调频的电磁射线(如光线)射向待测目标，随后接收来自反向散射型物体(back-scattering object)的一个或多个反射信号，在理想情况下接收只来自待测目标的反射信号，在这里，待测目标不仅可能具有镜面反散射特性如反射镜特性，而且具有反向散射特性。在外差式干涉仪结构中，可调谐的激光源被用于绝对距离测量。在原理上最简单的实施例中，激光源的光频率是可线性调谐的。接收的信号与从所发出的光信号中导出的另一个信号叠加。所得到的外差混合积(mixed product)(即干涉图)的差频(beat frequency)是到目标物的距离的指标。 所发出的光信号的波长是测量的尺度。它一般是未知的，因而必须通过附加测量来确定。为此，例如使发出的光的一部分经过具有确定的基准长度(reference length)的基准干涉仪。根据所产生的差拍(beatproduct)，可以基于已知的基准长度推断出所发出的光信号的随时间的波长变化。 用于实施这些方法的装置通常以激光器为光源，该光源能够被对外共振(如布拉格光栅)或内共振(如分布式反馈DFB或分布式布拉格反射器DBR)的调制所啁啾。在光学领域中，发射光学系统和接收光学系统被用于发射和接收，它们接在用于外差混频的检测器或正交检测器(quadrature detector)、A/D转换器和数字信号处理器的后面。 在实际应用中，主要存在以下多个基本难点 ●激光源的足以用于所需精度的线性调谐只能以高昂成本实现； ●激光源尤其是半导体激光二极管具有大的相位噪声，这意味着尺度长度(scale length)的变化不受控制，这一方面极大限制了测量范围，即将测量限制为测量小于激光相干长度的距离，另一方面，这造成大的测量波动，这种测量波动只随着长的测量时间减小。 ●在测量过程中发生的待测目标运动以及测量距离波动在干涉仪混合积中造成额外的频率分量，其可能导致大的测量误差。 现有技术公开了各种做法，这些做法都带有与之相关的问题。 在US4,830,486中描述了用于绝对距离测量的通用型系统。在这里，频率响应曲线的线性化借助控制措施实现，相位噪声抑制通过将干涉仪臂长选定为与目标距离近似一致来实现。测量过程中的待测目标运动可以通过适当选择频率响应曲线来加以区分。该系统允许测量反射性很低的目标，但为了达到所需的高测量精度而需要长时间的测量。此外，要求基准干涉仪的臂长处于待测距离的数量级内，这导致更大的复杂性或者更高的技术成本以及高昂的生产成本。 DE 19522262描述了一种系统，该系统具有两个激光源，以产生合成波长。为此，尽管对干涉仪的结构稳定性以及目标距离的稳定性的要求不高，但该系统由于有两个激光源而更复杂。 在US2003/0107743A1中描述了用于消除信号源的相位噪声的方法。该方法用于测量具有大的光学长度的光学元件的组穿越时间(grouptransit time)。它不适于以所描述的形式测量绝对距离。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供这样的解决方案，针对上述通用型的绝对距离测量仪，该方案允许更好地识别和掌握频率响应曲线和/或允许减小或避免误差及其影响。具体地，在基准干涉仪内，发出的激光的调谐特性和相位噪声应具有以下特征，即具体地可以通过计算来考虑非线性和噪声，并可以消除其对测量精度的影响。 本专利技术的另一个目的是也可以实现超过相干长度(coherence length)的干涉仪测量。 通过权利要求1或13以及从属权项的保护主题来完成这些任务或对解决方案的进一步改进。 根据本专利技术，在基准干涉仪中确定信号源的相位曲线。所确定出的相位曲线数据随后被用于实际消除激光源非理想特性的影响。 对于发出的激光的给定频率响应曲线ν(t)，基准干涉仪的外差信号的相位曲线在长度(臂长差)为Rr＝c·τr/2的情况下如此得到 在理想的实施方式中，该相位曲线信号在采样点tk被采样和数字化， 其中， tk＝α·k·τr(2) 修正系数α≈1建模了采样间隔和基准长度的滞后时间之间的偏离。就是说，采样间隔在理想情况下精确对应于基准长度的已知的滞后时间τr。根据本专利技术，可以有利地将采样频率选择为基准长度的滞后时间倒数的整数倍。 由以下公式得到该长度(臂长差)R＝c·τm/2的测量距离的外差信号的相位曲线 根据现有技术的方法，对于静立的目标物，距目标物的距离R通过解以下方程式得到 方程式(4)的计算可以在给定时刻T(测量间隔结束)进行，或作为优化问题被程式化。 从严格意义上讲，方程式(4)只适用于以下条件之一得到满足时 ●光学频率响应曲线是线性的，该条件不仅因为频率调谐而无法得到确切满足，而且由于相位噪声而无法得到确切满足。 ●目标距离R与基准长度一致，R＝Rr。 根据现有技术，后者意味着，对于各希望的目标距离，必须可以得到具有相应长度的基准干涉仪。这显然实际上只能在特定情况下出现或者只能付出高昂成本来做到。 与方程式(4)不同，根据本专利技术，依据基准干涉仪(具有比所发出的激光的相干长度短的长度)的相位曲线数据的测量结果合成出等效于测量干涉仪(具有任意目标距离)的相位曲线。在最简单的实施例中，为此目的可应用 其中，R≈m·α·Rr，就像对方程式(4)的有效性要求的那样。 在这里，术语“合成”原则上与在多波长干涉测量领域中常用的术语不同。在该领域中，距离信息根据各色光信号的频率差来确定，所述频率差产生“合成”的差频。在那里的术语“合成”表示只用(可测的)频差来工作。而在本专利技术的上下文中，“合成”表示纯理论上的、非可测的量，即例如计算确定虚拟干涉图(virtual interferogram)或者虚拟干涉图的相位曲线。 现在，方程式(4)被表述为 并且该方程式可实现对于激光频率调谐和相位噪声的任何理想曲线的较高精度。此外，将方程式(5)带入方程式(6)表明，可以取消修正系数α。在测量数据分析中确定未知参数m，该未知参数表示基准干涉仪和测量干涉仪之间的长度比。 该结构的测量精度能进一步提高，其做法是，方程式(5)由以下内插公式来代替， 在这里，m被选择为(m-1)·α·Rr≤R≤m·α·Rr。 在本专利技术中，可以在激光的相干长度之外进行测量。在这种情况下，相位曲线在测量路程中退变为噪声过程。实际测量路程的合成相位曲线的形成产生相关的噪声处理。目标距离通过相关最大值的数字搜索来确定。 为了评估相位曲线数据，优选地通过以下类型的优化问题来替换方程式(6)的解 根据本专利技术，为了简化系统，也可以以逼近方式来实现优化。 方程式(6)和(8)假定可以确定基准干涉图的相位曲线以及测量干涉仪的相位曲线。通常，这适用于基准测量。不过，测量路程上的测量结果通常被噪声严重污染，以至无法从外差信号s(t)≈A·cos(ΔфM(t))的测量中确定相位。在这种情况下，为了确定目标距离，直接依据干涉图的测定的信号的振幅(而不是依据推导出的相位)，来解优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝对距离测量方法，该绝对距离测量方法包括以下步骤：●将经过啁啾的电磁射线，尤其是激光，发射○到至少一个待测目标，并○经过至少一个基准长度，●接收从目标所散射回的射线和经过该基准长度的射线，●将接收的射线转换为信号，尤其利用干涉混合，●根据所述信号确定距所述至少一个目标的至少一个距离，其中，在接收时，记录从目标散射回的射线的数字化的第一干涉图和经过该基准长度的射线的数字化的第二干涉图，其特征在于，根据所述第二干涉图的相位曲线数据合成出虚拟干涉图或者虚拟干涉图的相位曲线△φ↓［ｍ.ｒ］（ｔ↓［ｋ］），确定所述至少一个距离的步骤通过将所述第一干涉图的相位曲线数据与所述虚拟干涉图的相位曲线数据相比较来实现。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马塞尔罗纳，托马斯延森，
申请(专利权)人：莱卡地球系统公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[]