JP2023119469A - Contactless distance measuring device and method - Google Patents
Contactless distance measuring device and method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023119469A JP2023119469A JP2022022391A JP2022022391A JP2023119469A JP 2023119469 A JP2023119469 A JP 2023119469A JP 2022022391 A JP2022022391 A JP 2022022391A JP 2022022391 A JP2022022391 A JP 2022022391A JP 2023119469 A JP2023119469 A JP 2023119469A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- frequency
- optical
- probe
- frequencies
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 55
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000010076 replication Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 78
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 25
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000012952 Resampling Methods 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002168 optical frequency-domain reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本開示は、周波数掃引光を用いた非接触型測距装置及び方法に関する。 The present disclosure relates to a non-contact ranging device and method using frequency swept light.
正確な測距技術は大規模構造物の形状測定のような計測において重要な技術である。このような応用は多数存在し、パラボラアンテナや建築物のような人工物の形状測定、氷床の厚み計測や森林の高さ測定に代表される自然形成物の測定、等がある。特に、建物等のヘルスモニタリングや防災を目的とした大規模構造物の計測では、遠方の測定物の位置や形状を高精細に測定する需要が存在する。 Accurate ranging technology is an important technique in metrology such as shape measurement of large-scale structures. There are many such applications, including shape measurement of man-made objects such as parabolic antennas and buildings, measurement of natural formations such as the thickness measurement of ice sheets and the height measurement of forests. In particular, in the measurement of large-scale structures for the purpose of health monitoring of buildings and disaster prevention, there is a demand for high-definition measurement of the position and shape of distant objects.
LiDAR(Light Detection And Ranging:光による検知と測距)は、レーザ光を使って被測定物までの光路長を計測する非接触型測距技術である。このような技術において、周波数変調連続波(FMCW)型LiDARは単一光源で測距を行い、速度・振動検知の能力がある。FMCW型LiDARでは、光周波数を掃引し、戻り光との干渉により生じる周波数差(ビート周波数、IF)を距離に換算する。100nmの掃引帯域を有する光源を用いれば約12μmの分解能が実現できる。 LiDAR (Light Detection And Ranging) is a non-contact ranging technology that uses laser light to measure the optical path length to an object. Among such technologies, frequency-modulated continuous wave (FMCW) LiDAR provides ranging with a single light source and is capable of velocity and vibration sensing. The FMCW LiDAR sweeps the optical frequency and converts the frequency difference (beat frequency, IF) caused by interference with the returned light into distance. A resolution of about 12 μm can be achieved using a light source with a swept bandwidth of 100 nm.
しかしながら、FMCW型LiDARでは、測定距離は光源のコヒーレンス長により数十mに限定されている。また、得られるビート周波数が受信帯域を上回る計測はできない。これは、受信帯域が一定である限り、周波数の掃引速度と測定距離の積に上限が生じることを意味する。すなわち、受信帯域が一定ならば、測定距離又は周波数の掃引速度のいずれかを犠牲にしなければならないという課題がある。なお、測定の繰り返し周波数(リフレッシュレート)は周波数の掃引速度に比例するため、周波数の掃引速度を犠牲にすることは、リフレッシュレートを犠牲することになる。以上2つの要因により、FMCW型LiDARは専ら数十m程度以内の比較的短距離の測距に限定されていた。 However, in FMCW-type LiDAR, the measurement distance is limited to several tens of meters due to the coherence length of the light source. In addition, it is not possible to measure the obtained beat frequency exceeding the reception band. This means that there is an upper limit to the product of frequency sweep speed and measurement distance as long as the reception band is constant. That is, if the reception band is constant, there is a problem that either the measurement distance or the frequency sweep speed must be sacrificed. Since the measurement repetition frequency (refresh rate) is proportional to the frequency sweep speed, sacrificing the frequency sweep speed means sacrificing the refresh rate. Due to the above two factors, FMCW-type LiDAR has been limited exclusively to relatively short distance measurement within several tens of meters.
前記課題を解決するために、本開示は、単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現することを目的とする。 In order to solve the above problems, an object of the present disclosure is to extend the measurement distance without lowering the frequency sweep speed in a simple rangefinder using a single light source.
上記目的を達成するため、本開示は、参照光又はプローブ光の一方から複数の周波数の光を複製し、複製した複数の周波数の光と参照光又はプローブ光の他方とを干渉させる。 To achieve the above object, the present disclosure replicates light of multiple frequencies from one of the reference light and the probe light, and causes the replicated light of multiple frequencies to interfere with the other of the reference light and the probe light.
具体的には、本開示に係る非接触型測距装置は、
周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距装置において、
前記参照光又は前記プローブ光が入射され、入射された光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、
前記複数の周波数の光及び前記複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出する主干渉計と、
を備える。
Specifically, the non-contact ranging device according to the present disclosure includes:
A non-contact type that determines the distance to the object by irradiating the object to be measured with frequency swept light and measuring the frequency of the beat signal resulting from the interference between the probe light and the reference light reflected by the object to be measured. In the rangefinder,
an optical duplicator that receives the reference light or the probe light and duplicates the incident light into light of a plurality of different frequencies;
combining the light of the plurality of frequencies and the reference light or the probe light that has not entered the replication section, and combining the light of the plurality of frequencies and the reference light or the probe light that has not entered the optical replication section; a main interferometer for detecting the minimum beat frequency obtained by the interference of
Prepare.
具体的には、本開示に係る非接触型測距方法は、
周波数掃引光を被測定物に照射し、前記被測定物で反射されたプローブ光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することにより、前記被測定物までの距離を求める非接触型測距方法において、
前記参照光又は前記プローブ光を異なる複数の周波数の光に複製すること、
前記複数の周波数の光及び複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出すること、
を行う。
Specifically, the non-contact ranging method according to the present disclosure includes:
A non-contact type that determines the distance to the object by irradiating the object to be measured with frequency swept light and measuring the frequency of the beat signal resulting from the interference between the probe light and the reference light reflected by the object to be measured. In the ranging method,
duplicating the reference light or the probe light into light of different frequencies;
A minimum beat obtained by combining the lights of the plurality of frequencies and the non-duplicated reference light or the probe light, and by interference of the light of the plurality of frequencies and the non-duplicated reference light or probe light. detecting a frequency;
I do.
本開示によれば、単一光源を用いる簡便な測距装置において、周波数の掃引速度を低下させることなく測定距離の延長を実現することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, in a simple distance measuring device using a single light source, it is possible to extend the measurement distance without reducing the frequency sweep speed.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments shown below. These implementation examples are merely illustrative, and the present disclosure can be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art. In addition, in this specification and the drawings, constituent elements having the same reference numerals are the same as each other.
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1にFWCW型LiDAR方式をベースとした本開示の実施形態を示す。1は周波数掃引光源、2は光を分波または合波するカプラ、3は光サーキュレータ、4はレンズ、5は被測定物、6は遅延器、7は光周波数コム発生器、8は光90度ハイブリッド、9はバランス型フォトデテクタ、10はADコンバータ、11はコンピュータ等の演算部、12はRFシンセサイザである。
(Embodiment 1)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present disclosure based on the FWCW LiDAR scheme. 1 is a frequency sweep light source, 2 is a coupler for demultiplexing or combining light, 3 is an optical circulator, 4 is a lens, 5 is an object to be measured, 6 is a delay device, 7 is an optical frequency comb generator, and 8 is light 90. 9 is a balanced photodetector; 10 is an AD converter; 11 is an arithmetic unit such as a computer; and 12 is an RF synthesizer.
光周波数コム発生器7は本開示の光複製部として機能する。光90度ハイブリッド8、バランス型フォトデテクタ9-1及び9-2、ADコンバータ10-1は、本開示の光検出部として機能する主干渉計20を構成する。以下、「光検出部の受信帯域」を「受信帯域」と略記する。
The optical
周波数掃引光源1は、周波数が線形に変調されたレーザ光を発振する。その周波数は、一定の掃引速度γ[Hz/s]で、一定の周波数掃引時間ΔTに、周波数掃引幅ΔFにわたり掃引される。本実施形態では、周波数掃引光源1から出力される光をレーザ光として説明するが、コヒーレント光であればこれに限定されない。
A frequency swept
カプラ2-1は、周波数掃引光源1から入力された光を2つに分岐し、一方をプローブ光として光サーキュレータ3に入力し、他方を参照光として光周波数コム発生器7に入力する。光サーキュレータ3は、カプラ2-1からのプローブ光をレンズ4に入力する。また、光サーキュレータ3は、レンズ4からの光を光90度ハイブリッド8に入力する。レンズ4は、周波数掃引光源1からのプローブ光を平面波に変換する。また、レンズ4は、被測定物5からの反射されたプローブ光を集光して光サーキュレータ3に入力する。
The coupler 2-1 splits the light input from the frequency
光周波数コム発生器7は、入力された光に対して高次の変調側波帯を発生させるものである。光周波数コム発生器7の具体的な構成としては、例えば非特許文献1に記載がある。本実施形態では、一例として、アンプ13を介したRFシンセサイザ12の信号が光周波数コム発生器7に入力され、光周波数コム発生器7がRFシンセサイザ12からの信号に応じた周波数間隔で光周波数コムを発生させる例を示す。
The optical
光周波数コム発生器7は、カプラ2-1から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。光周波数コム発生器7は、生成した光周波数コムを、主干渉計20の参照光として光90度ハイブリッド8に入力する。被測定物5により反射されたプローブ光は、レーザ光(参照光)と光90度ハイブリッド8において干渉する(主干渉計)。主干渉計20では、被測定物5から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間を測定することができる。演算部11は、この遅延時間を用いて測距を行う。図1では、演算部11を主干渉計20に含まれる構成としているが、主干渉計20と演算部11は別々でもよい。
The optical
具体的には、光90度ハイブリッド8は、参照光と被測定物5からの反射光とを合波したビート信号の同相成分Iを生成し、バランス型フォトデテクタ9-1に入力する。また、光90度ハイブリッド8は、90度位相シフトさせた参照光と被測定物からの反射光とを合波したビート信号の直交成分Qを生成し、バランス型フォトデテクタ9-2に入力する。
Specifically, the optical 90-
バランス型フォトデテクタ9-1は、光90度ハイブリッド8からの入力に基づき、ビート信号の同相成分Iのアナログ電気信号を取得し、ADコンバータ10-1に入力する。バランス型フォトデテクタ9-2は、光90度ハイブリッド8からの入力に基づき、ビート信号の直交成分Qのアナログ電気信号を取得し、ADコンバータ10-1に入力する。ADコンバータ10-1は、カプラ9-1から入力されるビート信号の同相成分Iのアナログ電気信号及びカプラ9-2から入力されるビート信号の直交成分Qのアナログ電気信号をデジタル信号に変換し、演算部11に入力する。
The balanced photodetector 9-1 obtains an analog electrical signal of the in-phase component I of the beat signal based on the input from the optical 90-
ここで、光周波数コム発生器7を備えない従来のFMCW型LiDARにおける参照光とプローブ光の干渉について図2を用いて説明する。すなわち、従来のFMCW型LiDARは、図1の主干渉計において、カプラ2-1からの参照光が光90度ハイブリッド8に直接入力される構成である。従来のFMCW型LiDARでは、カプラ2-1からの参照光と、参照光に対して被測定物5までの距離を往復した分だけ遅延したプローブ光とが到着し、その周波数差に相当する周波数を持つビート信号が発生する。以下、ビート信号の周波数をビート周波数IFとする。このビート周波数IFは、被測定物5から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間に比例するため、測距ができる。
Here, the interference between the reference light and the probe light in a conventional FMCW LiDAR without the optical
ビート信号は、具体的には、光90度ハイブリッド8から出力されるビート信号のI相成分およびQ相成分を用いて複素数表示で式(1)のように表される。
(数1)
I+jQ=exp(jγτt) (1)
Specifically, the beat signal is represented by the complex number expression (1) using the I-phase component and the Q-phase component of the beat signal output from the optical 90-
(Number 1)
I+jQ=exp(jγτt) (1)
演算部11は、ADコンバータ10-1から入力されるハイブリッド信号の同相成分I及び直交成分Qに基づき、式(1)からビート信号の位相を求める。ここで、τは、参照光とプローブ光との光経路差に相当するプローブ光の参照光に対する遅延時間であり、γτがビート周波数IFである。
The
一般に、FMCW型LiDARの距離分解能Δzは、周波数掃引幅ΔFを用いて以下のように表される。
(数2)
Δz=c/(2ΔF) (2)
In general, the range resolution Δz of FMCW-type LiDAR is expressed as follows using the frequency sweep width ΔF.
(Number 2)
Δz=c/(2ΔF) (2)
つまり、距離分解能Δzを向上するには、周波数掃引幅ΔFを大きくする必要がある。かつ、ビート周波数IFは被測定物5までの距離により変動する遅延時間τと掃引速度γに比例する。そのため、仮に受信帯域が一定であるならば、掃引速度γと距離との積に対して限界が生じることになる。具体的には、従来のFMCW型LiDARでは、図2(B)に示すように、ビート周波数IFが受信帯域外となるビート信号は検知できず、受信帯域による測定距離の限界が生じる。なお、繰り返し周波数(リフレッシュレート)は、掃引速度γに比例するため、掃引速度γが制限されれば、リフレッシュレートも制限されることになる。
That is, in order to improve the distance resolution Δz, it is necessary to increase the frequency sweep width ΔF. Moreover, the beat frequency IF is proportional to the delay time τ and the sweep speed γ, which vary depending on the distance to the device under
本開示では、この受信帯域による測定距離の限界を排除するため、参照光経路に、すなわち、カプラ2-1と光90度ハイブリッド8との間に、前述した光周波数コム発生器7を導入する。
In the present disclosure, in order to eliminate the limitation of the measurement distance due to this reception band, the optical
図3に、光周波数コム発生器7で生成される光周波数コムの一例を示す。本実施形態に係る光周波数コム発生器7は、カプラ2-1から入力された参照光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成する。図3に示す光周波数コムでは、理解が容易になるように、参照光Lref1が周波数掃引光源1が周波数を掃引するレーザ光に相当し、各時刻において、参照光Lref1を中心に両側に等間隔に離れた周波数を2つずつ含む計5つの周波数で構成される例を示す。
FIG. 3 shows an example of the optical frequency comb generated by the optical
本実施形態に係る光周波数コムは一例であり、周波数の数はこれに限定されない。また、光周波数コムの周波数間隔は等間隔ではなく、異なっていてもよい。なお、図3に示す数程度の複数の周波数を含む光周波数コムの生成を行う光複製部には、光周波数コム発生器7に限らず、入力された光に対して側波帯を発生させうる任意の手段を採用し得る。 The optical frequency comb according to this embodiment is an example, and the number of frequencies is not limited to this. Also, the frequency intervals of the optical frequency comb may not be equal but may be different. Note that the optical duplicator that generates an optical frequency comb including a plurality of frequencies shown in FIG. Any available means can be employed.
本実施形態では、カプラ2-1から入力された参照光が周波数掃引光源1によって線形に掃引されるため、光周波数コムも線形に掃引される。これにより、本開示におけるカプラ2-1からの参照光は、図3に示す周波数掃引された光周波数コムとなって光90度ハイブリッド8に入射する。
In this embodiment, since the reference light input from the coupler 2-1 is linearly swept by the frequency sweep
図4に、本実施形態の主干渉計20が検出するビート周波数の一例を示す。時刻τにおける光周波数コムを構成する参照光Lref1~Lref5とプローブ光Lpとのビート周波数IF1~IF5について示す。ビート周波数IF1は、プローブ光Lpと参照光Lref1との間のビート周波数である。ビート周波数IF2は、プローブ光Lpと参照光Lref2との間のビート周波数である。ビート周波数IF3は、プローブ光Lpと参照光Lref3との間のビート周波数である。ビート周波数IF4は、プローブ光Lpと参照光Lref4との間のビート周波数である。ビート周波数IF5は、プローブ光Lpと参照光Lref5との間のビート周波数である。
FIG. 4 shows an example of beat frequencies detected by the
図4に示すように、被測定物5までの伝搬により遅延を受けたプローブ光は、光周波数コムを構成する参照光のすべてと干渉し、ビート周波数IF1~IF5のビート信号が発生する。本開示では、バランス型フォトデテクタ9-1及び9-2などの受信帯域が、観測されるビート周波数を、プローブ光と、その最も近い周波数の参照光Lref2との干渉により得られるビート周波数IF2のみにする。
As shown in FIG. 4, the probe light delayed by propagation to the device under
ここで、周波数が等間隔である図5に示す光周波数コムの周波数間隔をΔfとすると最小のビート周波数はΔf/2以下となる。そのため、主干渉計20は少なくともΔf/2以下を受信帯域とすることが望ましい。図5に示すように光周波数コムの周波数間隔Δfを狭めると、最小のビート周波数の最大値Δf/2が低くなるので、受信帯域が狭い主干渉計20でも最小のビート周波数を検出可能となる。なお、周波数間隔が等間隔ではない光周波数コムの場合は、周波数間隔が最大の周波数間隔をΔfとすれば等間隔の場合と同様に説明できる。
Here, if the frequency interval of the optical frequency comb shown in FIG. 5 in which the frequencies are equally spaced is Δf, the minimum beat frequency is Δf/2 or less. Therefore, it is desirable that the
図5では、参照光及びプローブ光の一部分を記載しているだけであり、参照光及びプローブ光はさらに高い周波数帯域側にも線形に掃引されているものとする。光周波数コム発生器7において周波数掃引光源1の周波数掃引幅ΔFよりも十分に広い周波数帯域の光周波数コムを発生すれば、被測定物5が遠方にある場合でも、バランス型フォトデテクタ9-1及び9-2などの受信帯域を拡張することなく、いずれかの光周波数コム成分との干渉を観測することができる。このとき、どの周波数成分と干渉したかはわからないので、測距結果には周期的な曖昧さが残ることになるが、これは事前の粗測定により排除することができる。
FIG. 5 shows only a part of the reference light and probe light, and it is assumed that the reference light and probe light are linearly swept to the higher frequency band side as well. If the optical
なお、上記構成において光周波数コム発生器7は主干渉計20手前のプローブ光経路、すなわち、光サーキュレータ3と光90度ハイブリッド8との間に配置してもよい。この場合、光周波数コム発生器7には、被測定物5で反射されたプローブ光が入力される。そのため、図6に示すように、光周波数コム発生器7は、被測定物5で反射されたプローブ光の周波数を含み、複数の異なる周波数で構成される光周波数コムを生成することになる。一方で、参照光は1つの光となる。この場合において、プローブ光に基づく光周波数コムのうち、参照光の周波数と最も近い周波数の光と参照光との干渉によるビート信号の周波数を計測することで、図1に示す構成と同様の効果を得ることができる。
In the above configuration, the optical
以上のように、光周波数コム発生器7の導入により、周波数の掃引速度を低下させることなく、受信帯域による測定距離の限界を排除することができる。
As described above, by introducing the optical
(実施形態2)
図7に、FWCW型LiDAR方式をベースとした本開示の実施形態を示す。一般に周波数掃引光源は、その周波数掃引のトレースは完全に線形ではなく、一定レベルの不完全さ(非線形性)をもつ。この非線形性は、掃引速度γの揺らぎを意味するから、一定距離からのビート周波数が揺らぐことになり、式(2)で与えられた理論的な距離分解能は得られなくなる。
(Embodiment 2)
FIG. 7 shows an embodiment of the present disclosure based on the FWCW LiDAR scheme. In general, a frequency swept light source has a certain level of imperfection (nonlinearity) in its frequency sweep trace, which is not perfectly linear. Since this nonlinearity means fluctuations in the sweep speed γ, the beat frequency from a fixed distance fluctuates, and the theoretical distance resolution given by equation (2) cannot be obtained.
そこで、この問題を解決するために、本実施形態に係る非接触型測距装置では、補助干渉計21をさらに備える。補助干渉計21は、カプラ2-4、バランス型フォトデテクタ9-3、ADコンバータ10-2及び演算部11を備える。補助干渉計21は、遅延なしの光と遅延器6による遅延時間τauxだけ遅延させた光との干渉によるビート信号の位相を取得する干渉計である。補助干渉計21でのビート信号は遅延時間τauxに相当する距離にある被測定物5から反射されたプローブ光に基づくビート信号と同一である。
Therefore, in order to solve this problem, the non-contact rangefinder according to this embodiment further includes an
カプラ2-2は、周波数掃引光源1からのレーザ光を2分岐し、一方を主干渉計20用の光としてカプラ2-1に入力し、他方を補助干渉計21用のカプラ2-3に入力する。これにより、周波数掃引光の一部が取り出される。なお、カプラ2-1は、カプラ2-2から入力された光に対して実施形態1と同様の動作を行う。
The coupler 2-2 splits the laser light from the frequency sweep
補助干渉計21では、カプラ2-3は、カプラ2-2から入力された光を2つに分岐し、一方をカプラ2-4に入力し、遅延器6に入力する。遅延器6は、カプラ2-3から入力された光に遅延時間τauxの遅延を発生させてカプラ2-4に入力する。カプラ2-4は、カプラ2-3から直接入力された光及び遅延器6から入力された光を合波してビート信号を生成し、さらにビート信号を2つに分岐してバランス型フォトデテクタ9-3に入力する。バランス型フォトデテクタ9-3は、カプラ2-4からのビート信号をアナログ電気信号として取得し、ADコンバータ10-2に入力する。ADコンバータ10-2は、カプラ9-3から入力されるビート信号をデジタル信号に変換し、演算部11に入力する。
In the
補助干渉計21のビート信号の周波数で主干渉計20のビート信号を、補助干渉計21のビート信号を用いて“リサンプリング”することにより、光源の周波数掃引の非線形性を除去することができる。
By "resampling" the beat signal of the
しかし、この方法は、補助干渉計の遅延時間τauxに相当する測定距離付近でしか通用しない。すなわち、周波数掃引光源1からのレーザ光の位相は、コヒーレンス時間と呼ばれる個々の周波数掃引光源1に固有の時間においてのみ相関的であり、その時間を経過すると位相の相関は消失する。このことは、被測定物5までの距離(遅延時間)が、補助干渉計の遅延時間τauxとコヒーレンス時間以上に異なってしまうと、補助干渉計21のビート周波数と主干渉計20のビート周波数はもはや相関を持たなくなり、機能しなくなってしまう。
However, this method works only near the measurement distance corresponding to the delay time τ aux of the auxiliary interferometer. That is, the phase of the laser light from the frequency swept
そこで、本開示の第2のポイントとして、演算部11は、位相雑音補償アルゴリズムを内蔵する。この位相雑音補償アルゴリズムの原理は、非特許文献2に記載されている。演算部11は、非特許文献2で開示された方法に従ってもよい。すなわち、演算部11は、図7のADコンバータ10-2から入力されたビート信号を取得し、遅延時間τaux毎の補助干渉計21のビート信号の位相X(t)を取得する。演算部11は、補助干渉計21のビート信号の位相X(t)を用いて、式(3)に示す位相XN(τ)を計算する。
ここで、Nは正の整数である。τは前述した遅延時間である。τ≒Nτauxが成立する。また、遅延時間τはレーザ光のコヒーレンス時間を超えてもよい。非特許文献2に記載されているように、時間τauxがレーザ光のコヒーレンス時間よりも短い場合には、遅延時間τを遅延時間τauxの整数N倍とし、遅延時間τにおける主干渉計20のビート信号の位相を式(3)で計算できる。したがって、位相XN(τ)が一定値増加するごとに主干渉計20の信号をリサンプリングすれば、レーザ光のコヒーレンス時間を超える時間Nτaux近傍の遅延時間τに相当する距離の測定が可能となる。その結果、前述のコヒーレンス時間の有限性の課題を克服することができる。また、非特許文献2に記載されているように、式(3)の位相XN(τ)は遅延時間τにおけるレーザ光の位相にも相当する。そのため、式(3)を用いれば、レーザ光の周波数掃引の非線形性を補正することができ、式(2)の分解能も実現することができる。前述したように、補助干渉計の遅延時間τauxは使用する周波数掃引光源1のコヒーレンス時間よりも短く設定する必要がある。
where N is a positive integer. τ is the delay time described above. τ≈Nτ aux holds. Also, the delay time τ may exceed the coherence time of the laser light. As described in
本発明は、次に示す手順により、この位相雑音補償アルゴリズムを測距に適用する手法を開示する。まず、被測定物5までの距離を、補助干渉計の遅延τauxよりも高い精度で推定する。一般的に、周波数掃引光源のコヒーレンス長は数十m程度であり、遅延τauxも同程度のオーダーであるので、この推定は容易である。例えば、パルス法など公知の方法により、おおよその距離を事前に把握しておけばよい。
The present invention discloses a method of applying this phase noise compensation algorithm to ranging by the following procedure. First, the distance to the object under
次に、推定距離Lにある被測定物5から反射されたプローブ光の参照光に対する遅延時間をτとして、式(4)を満足する整数Mを求める。
(数4)
τ≒Mτref (4)
Next, assuming that the delay time τ of the probe light reflected from the
(Number 4)
τ≈Mτ ref (4)
さらに、式(3)を用いて位相XM(τ)を計算し、これを用いてレーザ光の周波数掃引の非線形性を補正する。これにより、式(2)の原理的には理論分解能を達成することができる。 Furthermore, the phase X M (τ) is calculated using Equation (3) and used to correct the nonlinearity of the frequency sweep of the laser light. This makes it possible to achieve the theoretical resolution of equation (2) in principle.
なお、本実施形態に係る主干渉計20では、光90度ハイブリッド8を用いてハードウェアベースで処理する構成としたが、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理してもよい。また、本実施形態に係る補助干渉計20では、ヒルベルト変換を用いてソフトウェアベースで処理する構成としたが、光90度ハイブリッド8を用いてハードウェアベースで処理してもよい。
In the
本実施形態に係る演算部11はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
The
本開示に係る非接触型測距装置及び方法は、情報通信産業に適用することができる。 The non-contact ranging device and method according to the present disclosure can be applied to the information and communication industry.
1:周波数掃引光源
2:カプラ
3:光サーキュレータ
4:レンズ
5:被測定物
6:遅延器
7:光周波数コム発生器
8:光90度ハイブリッド
9:バランス型フォトデテクタ
10:ADコンバータ
11:演算部
12:RFシンセサイザ
13:アンプ
20:主干渉計
21:補助干渉計
1: Frequency sweep light source 2: Coupler 3: Optical circulator 4: Lens 5: DUT 6: Delay device 7: Optical frequency comb generator 8: Optical 90-degree hybrid 9: Balanced photodetector 10: AD converter 11: Calculation Part 12: RF synthesizer 13: Amplifier 20: Main interferometer 21: Auxiliary interferometer
Claims (5)
前記参照光又は前記プローブ光が入射され、入射された光を異なる複数の周波数の光に複製する光複製部と、
前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記光複製部に入射されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出する主干渉計と、
を備える非接触型測距装置。 A non-contact type that determines the distance to the object by irradiating the object to be measured with frequency swept light and measuring the frequency of the beat signal resulting from the interference between the probe light and the reference light reflected by the object to be measured. In the rangefinder,
an optical duplicator that receives the reference light or the probe light and duplicates the incident light into light of a plurality of different frequencies;
combining the light of the plurality of frequencies and the reference light or the probe light that has not been incident on the optical replication section, and combining the light of the plurality of frequencies and the reference light or the probe that has not been incident on the optical replication section; a main interferometer for detecting the minimum beat frequency obtained by light interference;
A non-contact rangefinder with
前記カプラで2分岐された前記周波数掃引光の一部の一方に、前記周波数掃引光のコヒーレンス時間よりも短い遅延時間τauxの遅延を発生させる遅延器と、
前記遅延器で遅延させた前記一方と前記カプラで2分岐された前記周波数掃引光の一部の他方との干渉によるビート信号の位相X(t)を取得する補助干渉計と、をさらに備え、
前記補助干渉計により取得されたビート信号の前記位相X(t)、整数N及び式(C1)を用いて、前記参照光と前記プローブ光との光経路差に相当する前記プローブ光の前記参照光に対する遅延時間τにおける前記周波数掃引光の位相XN(τ)を求め、前記主干渉計で得られた最小のビート周波数における前記周波数掃引光の非線形性を補正する
ことを特徴とする請求項1に記載の非接触型測距装置。
a delay device for generating a delay of a delay time τ aux shorter than a coherence time of the frequency swept light in one of the parts of the frequency swept light split by the coupler;
an auxiliary interferometer that acquires the phase X(t) of the beat signal due to interference between the one delayed by the delay device and the other of the part of the frequency swept light split into two by the coupler,
The reference of the probe light corresponding to the optical path difference between the reference light and the probe light using the phase X(t) of the beat signal obtained by the auxiliary interferometer, the integer N and equation (C1) 4. The phase X N (τ) of the frequency swept light at the delay time τ with respect to the light is obtained, and the nonlinearity of the frequency swept light at the minimum beat frequency obtained by the main interferometer is corrected. 2. The non-contact rangefinder according to 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の非接触型測距装置。
(数C2)
τ≒Nτaux (C2) 3. The non-contact distance measuring device according to claim 2, wherein the delay time τ is estimated in advance and the integer N that satisfies equation (C2) is used.
(number C2)
τ≈Nτ aux (C2)
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の非接触型測距装置。 4. The optical replication unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical replicator generates an optical frequency comb having a frequency range wider than a frequency sweep width of the frequency swept light as the light of the plurality of frequencies. Non-contact rangefinder.
前記参照光又は前記プローブ光を異なる複数の周波数の光に複製すること、
前記複数の周波数の光及び複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光を合波し、前記複数の周波数の光及び前記複製されなかった前記参照光又は前記プローブ光の干渉によって得られる最小のビート周波数を検出すること、
を行う非接触型測距方法。 A non-contact type that determines the distance to the object by irradiating the object to be measured with frequency swept light and measuring the frequency of the beat signal resulting from the interference between the probe light and the reference light reflected by the object to be measured. In the ranging method,
duplicating the reference light or the probe light into light of different frequencies;
A minimum beat obtained by combining the lights of the plurality of frequencies and the non-duplicated reference light or the probe light, and by interference of the light of the plurality of frequencies and the non-duplicated reference light or probe light. detecting a frequency;
non-contact ranging method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022022391A JP2023119469A (en) | 2022-02-16 | 2022-02-16 | Contactless distance measuring device and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022022391A JP2023119469A (en) | 2022-02-16 | 2022-02-16 | Contactless distance measuring device and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023119469A true JP2023119469A (en) | 2023-08-28 |
Family
ID=87763404
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022022391A Pending JP2023119469A (en) | 2022-02-16 | 2022-02-16 | Contactless distance measuring device and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023119469A (en) |
-
2022
- 2022-02-16 JP JP2022022391A patent/JP2023119469A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10852120B2 (en) | Length metrology apparatus and methods for suppressing phase noise-induced distance measurement errors | |
US10168137B2 (en) | Dual laser frequency sweep interferometry system and method | |
US6646723B1 (en) | High precision laser range sensor | |
EP3889644A1 (en) | Optical measurement device and measurement method | |
Wu | Periodic nonlinearity resulting from ghost reflections in heterodyne interferometry | |
JPWO2018230474A1 (en) | Optical distance measuring device and measuring method | |
JP2010112768A (en) | Measurement apparatus | |
JP2019045200A (en) | Optical distance measuring device and method | |
JP2019020143A (en) | Optical fiber vibration detection sensor and method therefor | |
EP3527964B1 (en) | Light angle modulation measurement apparatus and measurement method | |
JP2018059789A (en) | Distance measuring apparatus and distance measuring method | |
JP2011027649A (en) | Positioning device and positioning method | |
US11522606B2 (en) | Phase measurement method, signal processing device, and program | |
US11885607B2 (en) | Device for interferometric distance measurement | |
JP2023119469A (en) | Contactless distance measuring device and method | |
JP2018009896A (en) | Optical fiber sensor | |
JP2020051941A (en) | Optical fiber strain and temperature measuring device, and optical fiber strain and temperature measuring method | |
Kokuyama et al. | Vibration measurement without the Heydemann correction | |
JP2012112657A (en) | Laser beam measuring method and measurement device thereof | |
US10775503B2 (en) | Absolute distance measurement to dynamic targets | |
JP7069993B2 (en) | Optical spectrum line width calculation method, device and program | |
JP2022096792A (en) | Device and method for measuring strain and temperature of optical fiber | |
Shi et al. | Frequency-modulated continuous-wave laser distance measurement system using Fabry-Perot cavity as measuring reference | |
CN116222404A (en) | Sensing system for measuring difference between two arms of MZI and measuring method for difference between two arms of MZI | |
JP2002116103A (en) | Optical fiber sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20220217 |