专利名称：用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构的制作方法
用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构
背景技术：
本发明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。
发明内容
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，本发明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
。
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信号和目标光信号的结果；图3是反啁啾装置中具有两个激光源的结构的示意图；图4是一个可选实施例的示意图，其可以最小化背反射(back reflections)并且 也可以使电路更容易在平面光波导(Planar Lightwave Circuit)上实现；图5A是另一个可选实施例的示意图，其具有3 X 3保偏耦合器，该实施例能通过减 少沿着输出光纤背向散射的光产生的噪声量增加系统的灵敏度；图5B是另一个可选实施例的示意图，其具有2 X 2保偏耦合器，该实施例也能通过 减少沿着输出光纤背向散射的光产生的噪声量增加系统的灵敏度；图6是具有多个输出光束的另一个可选实施例的示意图；图7是一种结构的示意图，其使用延迟线将各种输出信号多路传输至一个检测 器，因此降低了雷达的成本和复杂度；图8是多光束概念结构的一个可选实施例的示意图。图9是另一个可选的多输出实施例的示意图；图10是将来自具有光纤尾纤的可见激光二极管的光耦合至输出光纤的示意图； 以及图11是本地振荡器路径和信号路径产生的示意图。
具体实施例方式在描述本实施例之前，应理解的是本公开不限于所描述的特定装置、方法和组件， 因为它们是可以变化的。还应理解的是，这里使用的术语仅用于描述特定实施例，而并不限 制本公开的范围。以下出现的对结构的描述仅用于说明的目的。任何符合此处要求的结构 和架构都可以适用于实施本实施例的系统和方法。还应理解的是，除非文中另有明确规定，在这里使用的以及在独立权利要求中的 单数形式“1”、“一个”和“该”也包括复数。因此，例如，“一个隔离装置”包括多个这种隔离 装置，“透镜系统”表示一个或多个透镜以及对本领域技术人员而言公知的其等同物。除非 另有其他定义，这里使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。参考图1，在使用二极管激光器作为光源的相干或调频激光雷达中，通过调节激光 器的输入电流直接调节激光的频率。通常，使用具有产生线性调制目标的波形来调制频率。 这种调制类型通常被称为啁啾(chirp)。发送至两个激光器以调节它们的输出波长的两个 啁啾调制输入信号或波形不相同。每个激光器如何调节是唯一的，因此必须为每个激光器 产生一个唯一的波形。每个激光器的波形的形状和振幅都各不相同。重要的是要生成在啁 啾期间产生波长特定变化的线性啁啾的输入电流波形。在用于这种应用的常用调制形式 中，每个激光器的注入电流调制信号具有唯一的形状并且变形为锯齿波以为激光器的输出 产生线性锯齿频率调制包线。相干FMCW反射计的基础是将来自同一线性啁啾源的两个信 号外差混合，一个信号沿着本地振荡器“L0”路径，而另一个从目标反射回来。沿测试路径 从站点反射回来的信号和参考反射而来的信号之间的任何时间延迟都会导致混合输出中 的差频。差频的值与时间延迟成比例，而差频处信号的大小与相应的反射系数成比例。因 此，该输出的频谱分析揭示出沿着测试路径的任何反射点(相对于参考路径长度)的位置 和强度。现在参考图1，第一激光源13和第二激光源11的LO光和信号光的频率图示为波 形32、34、36和38。对于雷达和目标21 (在此与物体21可交替使用)之间没有相对运动的 情况，不存在多普勒频移，并且混合LO和信号光所产生的差频对于第一激光源13和第二激 光源11的每一个的上升和下降是相同的。对于第一激光源13，差频是Π33，对于第二激光 源11，差频是f235。对于第一激光源13和第二激光源11，调制周期42Tmod是相同的，并 且第一激光源13与第二激光源11具有180°的相位差。第一激光源13的上升曲线发生 在在第二激光源11的下降曲线过程中。这两种激光的曲线是同一额定频率，但第一激光源 13的曲线与第二激光源的八f2 46相比具有较大值ΔΠ 44。在该实施例中，fl 33和f2 35的比例与ΔΠ 44和八f2 46的比例相同。通过以不同的速率调制第一激光源13和第 二激光源11，可以使用一个单独的检测器23检测两个混合的信号以减少所需元件的数量。 两个信号在不同的频率并且可以使用数字信号处理技术测量每一个信号。现在参考图2，图示了线性频率调制，或者说“啁啾”，以及相应的“差”频，“差”频 是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信号和目标光信号所产 生的。在示例图2中，激光的基频约为200太赫，“差”频在IMhz范围内。如果被测量表面 相对于第一激光源13移动，由于多普勒频移，与激光上升曲线相应的差频将不同于与下降 曲线相应的差频。测量两个信号之间的频率差可以使速度的确定成为可能。如果在一个调 制周期中，目标的距离和速度是恒定的，那么flup和fldown可以表示为flup= |frfd|(1)fldown= |f1+fd|(2)其中，fl是因距离产生的频率，fd是因多普勒频移的频率。如果fl >fd，那么
权利要求
1.一种用于确定测量装置(20A)的输出(19)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(1 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(IlA)；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(IlA)； 将结合的光束路径(17)导向物体；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061)； 接收与结合光束路径(17)有关的目标反射的信号路径光束G69)；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(2 检测两个差频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤由保偏光纤尾纤激光二 极管产生第一光束(13A)和第二光束(IlA)。
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(13A)和第二光束(IlA)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 合光束路径(17)。
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束路径(17) 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 (41/42)产生绝度距离测量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述参考标准(41/42)是迈克尔逊配置的 光纤干涉仪。
9.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有角度的光纤 (19Α)、1/4波片(463)和部分反射器065)防止由于背散射的光造成的噪声。
10.一种用于确定测量装置(20A)和物体之间的测量距离的系统，包括 用于产生具有第一波形(3 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(IlA)的第二激光源(11)，所述第二光束(IlA)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(IlA)结合为结合光束路径(17)的光学元件(15)， 所述光学元件(1 将结合光束路径(17)的返回部分分离为第三光束04)；以及用于接收所述第三光束04)的单独的检测器(23)，第三光束04)包括两个与测量距 离成比例的不同的差频。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含用于产生第一光束(13A)和第 二光束(IlA)的保偏光纤尾纤激光二极管。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含用于隔离结合光束路径(17) 的光隔离器(12)。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含将结合光束路径(17)向物体 (21)的测量区域聚焦的透镜系统07)。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，还包含所述透镜系统(XT)中的从固 定焦距系统和可调焦系统中选择的聚焦装置。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含产生绝对距离测量的参考标准 (41/42)。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述参考标准(41/42)是迈克尔逊配置 的光纤干涉仪。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含有角度的光纤(19A)；1/4波片063)；以及部分反射器(465)，所述有角度的光纤(19Α)、1/4波片(463)和部分反射器(465)的结合防止由于背散射 的光造成的噪声。
18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述光学元件(15)包含至少一个保 偏耦合器(41)。
19.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含将来自至少一个保偏耦合器 (41)的输入分离进入相对偏振的输出的偏振分离器(57)。
20.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含提供多个输出光束(75、77、79、 81,85)的多个耦合器(71、73)。
21.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含具有光纤延迟(D1、D2、D3、D4、 D5)的多个输出光纤(117、119、121、123、125)。
22.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，还包含提供测量区域中的物体 上的可视点的可见激光频率。
23.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含将来自可见激光二极管(451) 的可见光与来自偏振分离器G57)的红外光结合进入输出光纤053)的波长双工耦合器 (455)。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/14GK102150007SQ200980135345
公开日2011年8月10日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者安东尼·斯朗特文斯基, 美娜·里兹克 申请人:尼康计量公众有限公司
专业数控铣床产品供应商
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