用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构制造技术

一种用于确定测量装置（２０Ａ）和物体（２１）之间的测量距离的系统和方法，该系统包括：用于产生具有第一波形（３２）和第一频率的第一光束（１３Ａ）的第一激光源（１３）；用于产生具有第二频率的第二光束（１１Ａ）的第二激光源（１１），所述第二光束（１１Ａ）具有第二波形（３６），其中第二频率以第二速率啁啾下降时第一频率以第一速率啁啾上升，第一频率以第一速率啁啾下降时第二频率以第二速率啁啾上升；用于将第一光束（１３Ａ）和第二光束（１１Ａ）结合为结合光束路径（１７）的光学元件（１５），所述光学元件（１５）将结合光束路径（１７）的返回部分分离为第三光束（２４）；以及用于接收所述第三光束（２４）的单独的检测器（２３），第三光束（２４）包括两个与测量距离成比例的不同的差频。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构
技术介绍
本专利技术总体上涉及用于测量到物体(目标)的距离的光学传感器。众所周知，光通过光纤进行传输，但由于环境对光纤本身的影响，精度会受到影响。这些环境影响能改变光纤中的光程长度以及光的偏振，并会对测量精度产生不利的影响。使用光外差检测可以允许量子噪声水平的光辐射检测。因此，相干光学系统可以改善环境光条件下的幅度、精度、可靠性、扫描幅度、工作景深以及操作。此外，相干系统可以快速地获得足够的关于目标位置的特征信息。光外差检测包括导向目标并从目标反射的源光束。然后，返回的光束与本地振荡器光束在光电检测器上混合以提供光干涉条纹，可以处理该光干涉条纹以提供关于目标的详细信息。光外差技术可以利用源光束和反射光束的相互作用。例如，这些光束可以实质上具有相同波长并且导向在同一光轴上。在这种情况下，由于信噪比(SNR)非常高，所以可以使用小接收孔径，例如，能插入有限的入口区域的非常小的透镜。由于小接收孔径能够提供关于目标的详细信息，所以相干系统的光学组件可以制作得非常小。精密调频激光雷达可以装入一个线性调频(chirp，啁啾)激光源和具有分开的本地振荡器(LO)路径和信号路径的保偏光纤结构。需要一种反啁啾配置，由于精确的多普勒校正，其不受振动所致的幅度误差的影响。还需要为两个激光器将LO路径和信号路径结合进一根光纤中，以使光纤光学回路由于较少的元件变得没那么复杂并且便宜，并且不受由于环境因素例如温度变化所致的本振和信号路径长度的变化所引起的误差的影响。例如，存在背景振动和变化的环境条件的制造业可以是该激光结构的候选用户。LO路径和信号路径的结合可以提供额外的好处，那就是由于单元的传感器头部可以任意远离单元的其他部分，因此其可以放置在容量受限的区域。总之，需要一种能够非常精确、快速测量、能进入狭小空间、灵活和可靠的实用光学精密测量系统。
技术实现思路
上述需求以及其他进一步的需求和优点通过以下的实施例解决。本实施例涉及一种光学测距装置，其可以包括但不限于：用于产生第一光束的第一激光源，用于产生第二光束的第二激光源，其中，第一光束和第二光束的波形相互有180度的相位差以使第二光束啁啾向下时第一光束啁啾向上，并且反之亦然；第一光学元件，其用于将第一光束和第二光束结合为结合光束，并且将结合光束的任何返回部分分离为第三光束；用于接收第三光束的第一检测器。在另一个实施例中，设计了一种用于确定远处物体距离的方法，其包括：从第一激光源产生第一光束以及从第二激光源产生第二光束，其中，第一光束和第二光束的波形相互有180度的相位差以使第二光束啁啾向下时第一光束啁啾向上并且反之亦然，将从源射出的光导向物体，为每个源接收反射LO路径和目标反射的信号路径，为每个源检测LO路径和信号路径，以及为每个源将路径进行外差以生成差频，该差频与两个路径之间的距离差值成比例，LO路径和相应的信号路径之间的路程长度差等于要测量的距离。本实施例的用于确定测量装置的输出和物体之间的测量距离的方法可以包括，但不限于以下步骤：从第一激光源产生具有第一频率的第一光束以及从第二激光源产生具有第二频率的第二光束，第二频率以第二速率啁啾向下时第一频率以第一速率啁啾向上，第一频率以第一速率啁啾向下时第二频率以第二速率啁啾向上，结合第一光束和第二光束，检测指向物体的结合光束路径，接收与结合光束路径有关的反射的本地振荡器(LO)路径光束，接收与结合光束路径有关的目标反射的信号路径光束，以及将LO路径光束和目标反射的信号路径光束进行外差以产生两个与测量距离成比例的不同的差频，由单独的检测器检测两个差频。用于确定测量装置和物体之间的测量距离的系统包括但不限于：用于产生具有第一波形和第一频率的第一光束的第一激光源，用于产生具有第二频率的第二光束的第二激光源，第二光束具有第二波形，其中第二频率以第二速率啁啾下降时第一频率以第一速率啁啾上升，并且第一频率以第一速率啁啾下降时第二频率以第二速率啁啾上升，用于将第一光束和第二光束结合为结合光束路径的光学元件，该光学元件将结合光束路径的返回部分分离为第三光束，以及用于接收第三光束的单独的检测器，第三光束包括与测量距离成比例的两个不同的差频。具体而言，本专利技术是用于精确测量绝对距离的双工双啁啾激光仪器，其包含发射具有由第一啁啾调制信号调制的第一发射频率的第一相干光束的第一调频激光器以及发射具有由第二啁啾调制信号调制的第二发射频率的第二相干光束的第二调频激光器。第二啁啾调制信号与第一啁啾调制信号具有恒定相位差，最好是180度相位差。此外，第二激光源的啁啾率与第一激光源的啁啾率不同到足以在检测器中产生两个明显可测量的差频。本实施例可以进一步包括与第一调频激光器光学连接的光纤耦合器，其中，第一相干光束被分为两个各标为50％的部分。另外，光纤耦合器与第二调频激光源光学连接，其中第二相干光束被分为两个各标为50％的部分。线性保偏纤维的光束出口端还具有一个界面，来自第一相干光束和第二相干光束的一小部分透射光借此反射回光纤耦合器并且从那里传输进入光电检测器，并且，透射光的另一部分传输到目标并且从目标回到界面；光学检测器与光纤耦合器光学连接；在来自第一相干光束的透射光的反射部分和来自目标的第一相关光束的返回之间建立第一干涉，并且因此光学检测器检测来自第一干涉的第一差频以及来自第二干涉的第二差频，在来自第二相干光束的透射光的反射部分和第二相干光束的返回之间建立第二干涉。然后，将差频信号发送至设置为产生第一差频测量值和第二差频测量值的数字信号处理装置。在本实施例中，校准的参考臂标准可以与光纤耦合器光学连接并且可以接收第一相干光束的两个标称50％的部分的其中之一，并且还产生第一参考臂输出；该参考臂也接收第二相干光束的两个标称50％的部分的其中之一并进一步产生第二输出频率。计算机装置可以结合第一差频测量值和第一参考臂输出产生第一绝对距离测量值，并且还可以结合第二差频测量值和第二参考臂输出产生第二绝对距离测量值。计算机装置还可以结合第一绝对距离测量值和第二绝对距离测量值产生综合绝对距离测量值，其中综合绝对距离测量值的不可靠性大大降低。可选择地，校准参考臂标准是光纤干涉仪。同样可选择地，光纤干涉仪可以包括第一光纤耦合器，其与第二光纤耦合器光学连接，第一光纤耦合器能将输入光分成两部分；具有校准光程长度差的不同光程长度的两根光纤，每根光纤接收来自第一光纤耦合器的输入光的一部分；位于每根光纤末端的耦合器终端，借此光反射回光纤耦合器，来自两根光纤的光的两部分借此重新结合，从而建立干涉和随之而来的差频；检测差频的检测器。结果传送至设置成为每个激光器产生差频测量值的数字信号处理装置，每个激光器的所述差频测量值包含用于参考臂标准的参考臂输出。本实施例可以在不稳定环境，例如存在于飞机和汽车厂中的非接触精确测距应用中使用，例如用于零件组装时的直列测量。为了对本实施例以及其它实施例有更好的理解，请参考附图和具体实施方式。附图说明图1是相干激光雷达的激光光频和外差射频(RF)信号的示意图；图2是线性调频，或者说“啁啾”，与相应的“差”频的示意图，“差”频是当出现相对目标运动时，为第一激光源13和第二激光源11结合LO信号和目本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于确定测量装置（２０Ａ）的输出（１９）和物体（２１）之间的测量距离的方法，包括以下步骤：从第一激光源（１３）产生具有第一频率的第一光束（１３Ａ）以及从第二激光源（１１）产生具有第二频率的第二光束（１１Ａ）；第二频率以第二速率啁啾向下时第一频率以第一速率啁啾向上；第一频率以第一速率啁啾向下时第二频率以第二速率啁啾向上；结合第一光束（１３Ａ）和第二光束（１１Ａ）；将结合的光束路径（１７）导向物体（２１）；接收与结合光束路径（１７）有关的反射的本地振荡器（ＬＯ）路径光束（４６１）；接收与结合光束路径（１７）有关的目标反射的信号路径光束（４６９）；以及将ＬＯ路径光束（４６１）和目标反射的信号路径光束（４６９）进行外差以产生两个与测量的距离成比例的不同的差频，由单独的检测器（２３）检测两个差频。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US61/096,2612008年9月11日1.一种用于确定测量装置的输出和物体之间的测量距离的方法，包括以下步骤：从第一激光源产生具有第一频率的第一光束以及从第二激光源产生具有第二频率的第二光束；第一激光源和第二激光源的调制周期相同，并且第一激光源与第二激光源具有180°的相位差；第二频率以第二速率啁啾向下时第一频率以第一速率啁啾向上，所述第二速率不同于第一速率；第一频率以第一速率啁啾向下时第二频率以第二速率啁啾向上；第一速率和第二速率是不同的速率；使用光学保偏耦合器结合第一光束和第二光束；将结合光路光束沿输出光纤传播，通过输出光纤的有角度的末端、1/4波片和部分反射器，导向物体；部分反射器提供反射的本地振荡器路径光束；接收与结合光路光束有关的反射的本地振荡器路径光束；接收与结合光路光束有关的目标反射的信号路径光束；其中，回到输出光纤之后，目标反射的信号路径光束与反射的本地振荡器路径光束处于承载相同正交偏振轴的输出光纤中；并且其中输出光纤中的背向散射光的偏振与反射的本地振荡器路径光束的偏振正交；通过光学保偏耦合器将反射的本地振荡器路径光束及与结合光路光束有关的目标反射的信号路径光束通过第二光纤传送至单独的检测器；将本地振荡器路径光束和目标反射的信号路径光束进行外差以产生两个与测量的距离成比例的不同的差频，由单独的检测器检测两个差频。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由作为第一激光源的保偏光纤尾纤激光二极管产生第一光束和由作为第二激光源的保偏光纤尾纤激光二极管产生第二光束。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：防止背向散射的光扰乱第一光束和第二光束的调谐特性。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述防止步骤包含以下步骤：光学隔离结合光路光束。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：将结合光路光束向物体的测量区域聚焦。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚焦步骤包含：从固定焦距系统和可调焦系统中选择聚焦装置。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：通过使用参考标准产生绝对距离测量。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述参考标准是迈克尔逊配置的光纤干...

【专利技术属性】
技术研发人员：美娜·里兹克，
申请(专利权)人：尼康计量公众有限公司，
类型：发明
国别省市：BE