CN101203729A - 测距/测速仪和测距/测速方法 - Google Patents

测距/测速仪和测距/测速方法 Download PDF

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Abstract

激光器驱动器(4)使半导体激光器(1)工作，以使至少包括振荡波长连续且单调增大的周期的第一振荡周期和至少包括振荡波长连续且单调减小的周期的第二振荡周期交替存在。光电二极管(2)将半导体激光器(1)发射的激光和来自测量目标(12)的返回光转换为电信号。计数装置(13)在第一振荡周期和第二振荡周期的每一个中，对包含在光电二极管(2)的输出信号中的干涉波形分量的个数进行计数。计算装置(9)根据在计数装置(13)对干涉波形分量的个数进行计数的周期的最短激光波长和最长激光波长以及计数装置(13)获得的计数结果，计算与测量目标(12)的距离和测量目标(12)的速度。这可以测量与正在运动的测量目标(12)的距离和测量目标(12)的速度。

Description

测距/测速仪和测距/测速方法
技术领域
本发明涉及一种测距/测速仪和一种测距/测速方法，通过使用经过波长调制的波来测量与测量目标的距离和测量目标的速度。
背景技术
使用由激光器引起的光干涉的测距技术一直作为高精度测量方法而使用，由于测量是非接触式的，所以不会干扰测量目标。近来尝试了使用半导体激光器作为光学测量光源，以使设备小型化。典型示例时使用FM外差干涉仪。该设备可测量相对较长的距离，并具有高精度。然而，该设备要使用半导体激光器外部的干涉仪，因此需要复杂的光学系统。
还提出了一种在半导体激光器中使用激光器的输出光和测量目标的返回光之间的干涉(自混合效应/自耦合效益)的测量仪器。例如，在参考文献1(Tadashi Ueda，Jun Yamada和Susumu Shito，“Range FinderUsing Self-Coupling Effect of Semiconductor Laser”，1994TOKAI-SECTION JOINT CONVENTION RECORD OF THE SIXINSTITUTES OF ELECTRICAL AND RELATED ENGINEERS)、参考文献2(Jun Yamada，Susumu Shito，Norito Tsuda和Tadashi Ueda，“Studyof Compact Distance Meter by Self-Coupled Effect of Laser Diode”，Bulletin of Aichi Institute of Technology，Vol.31B pp.35-42，1996)以及参考文献3(Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati和ThierryBosch，“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”，JOURNAL OF OPTICS A：PURE AND APPLIED OPTICS，pp.283-294，2002)中公开了这种自混合/自耦合式的激光测量仪器。
根据自混合/自耦合式激光测量仪器，由于内置在光电二极管中的半导体激光器具有发光、干涉和光接收的组合功能，所以可大幅度简化外部干涉光学系统。因此，传感器单元仅包括半导体激光器和透镜，从而与现有技术相比，减小了尺寸。此外，该技术的特征在于具有比三角测量法更宽的测距范围。
图20示出了FP型(Fabry-Perot型)半导体激光器的复合谐振器模型。参考图20，附图标记101表示半导体激光谐振器；102表示半导体晶体的解理面；103表示光电二极管；104表示测量目标。从测量目标104的反射的一部分光会返回振荡区。少量返回光与谐振器101内的激光混合。这导致谐振器工作不稳定，并引起噪声(复合谐振器噪声或返回光噪声)。即使是与输出光相比非常少量的返回光也会引起半导体激光器特性的显著变化。这种现象不仅出现在Fabry-Perot型(下面称为FP型)半导体激光器中，还出现在其它类型的半导体激光器中，例如立式空腔表面发射型半导体激光器(称为VCSEL)和分布式反馈半导体激光器(称为DFB激光器)。
假设λ是激光器的振荡波长，L是从测量目标104附近的解理面102到测量目标104的距离，在满足下面的谐振条件时，谐振器101内的返回光和激光彼此加强，使激光器输出略微增加：
L＝nλ/2                    …(1)
其中n是整数。即使从测量目标104散射的光非常微弱，也可以令人满意地观察到该现象，这是因为半导体激光器的谐振器101中的表观反射率增大而产生放大效果。
半导体激光器根据注入电流的幅度而发射具有不同频率的激光束，因此可以使用注入电流来对振荡频率进行直接调制，而不需要任何外部调制器。图21示出了在振荡波长以给定恒率变化时半导体激光器的振荡波长与光电二极管103的输出波形之间的关系图。在满足由等式(1)表示的L＝nλ/2时，谐振器101内的返回光和激光之间的相位差是0°(同相)，而且谐振器101内的返回光和激光以最大幅度彼此加强。在L＝nλ/2+λ/4时，相位差变为180°(反相)，谐振器101内的返回光和激光以最大幅度彼此削弱。由此，随着半导体激光器的振荡波长改变，激光器输出强度交替且重复地增大和减小。此时使用向谐振器101提供的光电二极管103来检测激光器输出，这会获得如图21所示的具有预定周期的逐阶波形。通常将这种波形称为干涉带(interferencefringe)。
每一个逐阶波形分量(即每一个干扰带分量)被称为模式跳变脉冲(下面称为MHP)。MHP是与后面要描述的模式跳变现象不同的现象。假定由L1表示与测量目标104的距离，并且MHP的个数是10。在这种情况下，在距离减小到距离L2(是距离L1的一半)时，MHP的个数变为5。也就是说，当半导体激光器的振荡波长在预定时间段中改变时，MHP的个数与测量距离成比例地改变。因此，通过使用光电二极管103来检测MHP并测量MHP的频率，可容易地测量距离。注意，FP型半导体激光器特有的模式跳变现象是如下现象：振荡波长具有根据注入电流的连续增大/减小的不连续部分。在注入电流增大和减小时，振荡波长表现出轻微的滞后。
发明内容
本发明要解决的问题
如上所述，自混合/自耦合式激光测量仪器可大幅度简化谐振器外部的干涉光学系统，因此可以实现设备尺寸的减小。此外，这种仪器不需要高速电路，并对于干扰光是鲁棒的。此外，由于从测量目标返回的光可以非常微弱，所以仪器不会受到测量目标的反射率的影响。也即，该仪器可应用于任何测量目标。
然而，包括自混合/自耦合式仪器的传统干涉型测量仪器不能够测量与正在运动的测量目标的距离及其速度，即使该仪器可以测量与静止测量目标的距离。
本发明用于解决上述问题，并且本发明的目的是测量与正在运动的测量目标的距离及其速度以及与静止测量目标的距离。
解决问题的手段
本发明的测距/测速仪的特征在于包括：半导体激光器，用于向测量目标发射激光；激光器驱动器，用于驱动半导体激光器工作，以使至少包括振荡波长连续且单调增大的周期的第一振荡周期和至少包括振荡波长连续且单调减小的周期的第二振荡周期交替存在至少两个周期；光接收器，用于将半导体激光器发射的激光和来自测量目标的返回光转换为电信号；计数装置，用于在第一振荡周期和第二振荡周期的每一个的至少一部分中，对包含在光接收器的输出信号中的、半导体激光器发射的激光和来自测量目标的返回光所引起的干涉波形分量的个数进行计数；以及计算装置，用于根据在计数装置对干涉波形分量的个数进行计数的周期的最短激光波长和最长激光波长以及计数装置获得的计数结果，计算与测量目标的距离和测量目标的速度。
本发明的测距/测速方法的特征在于包括以下步骤：向测量目标发射经过波长调制的波；检测在所发射的波与测量目标所反射的返回波之间引起的干涉；以及基于与所检测的干涉相关联的信息，来计算与测量目标的距离和测量目标的速度。
本发明的效果
根据本发明，不仅可以测量与静止测量目标的距离，而且可以测量与运动测量目标的距离及其速度(速率、方向)。此外，根据本发明，可以根据半导体激光器的最短和最长激光波长以及计数装置所获得的计数结果，来判定测量目标是处于匀速运动还是加速运动。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的测距/测速仪的配置的框图；
图2是示出了本发明实施例中的半导体激光器的振荡波长的时间变化示例的图；
图3是示出了本发明实施例中的半导体激光器的振荡波长的时间变化示例的图；
图4A至4C是分别示意性地示出了本发明实施例中电流-电压转换放大器的输出电压波形和微分电路的输出电压波形的图；
图5是示出了本发明实施例中计算装置的配置示例的框图；
图6是示出了本发明实施例中计算装置的操作的流程图；
图7是示出了本发明实施例中当测量目标在微小位移区中(匀速)运动时的速度候选值和距离扣减的示例的图；
图8是示出了本发明实施例中当测量目标在正常位移区中(匀速)移动时的速度候选值和距离扣减的示例的图；
图9是示出了本发明实施例中当测量目标在微小位移区中(加速)振动时的速度候选值和距离扣减的示例的图；
图10是示出了图9的一部分的放大图；
图11是示出了本发明实施例中当测量目标在正常位移区中(加速)振动时的距离扣减的示例的图；
图12是示出了图11的一部分的放大图；
图13是示出了本发明实施例中当测量目标在微小位移区中(匀速)运动时所测量的距离和实际距离值的图；
图14是示出了本发明实施例中当测量目标在正常位移区中(匀速)运动时所测量的距离和实际距离值的图；
图15是示出了本发明实施例中当测量目标在微小位移区中(加速)振动时所测量的速度和实际速度值的图；
图16是示出了本发明实施例中当测量目标在微小位移区中(加速)振动时所测量的距离、平均距离值和实际距离值的图；
图17是示出了本发明实施例中当测量目标在正常位移区中(加速)振动时所测量的速度和实际速度值的图；
图18是示出了本发明实施例中当测量目标在正常位移区中(加速)运动时所测量的距离、平均距离值和实际距离值的图；
图19是示出了本发明实施例中计算装置配置的另一示例的框图；
图20是示出了传统激光测量仪器中复合谐振器模型的半导体激光器的图；
图21是示出了半导体激光器的振荡波长和内置光电二极管的输出波形之间的关系的图；以及
图22是示出了由模式跳变现象导致不连续的频率宽度幅度的图。
具体实施方式
本发明是一种根据在使用波长调制的感测操作中输出的波和由目标反射的波这一基础上的干涉信号，同时计算与目标的距离及其速度的技术。因此，本发明也可以应用于除自混合/自耦合型干涉仪之外的光学干涉仪和光学干涉仪之外的干涉仪。更具体地，在使用半导体激光器的自混合/自耦合的情况下，当从激光器向测量目标施加激光时，随着半导体激光器的振荡波长改变，在振荡波长从最短激光波长变化为最长激光波长的周期(或者振荡波长从最长激光波长变化为最短激光波长的周期)中测量目标的位移反映在MHP的个数中。因此，在振荡波长改变时检查MHP的个数就可以检测到测量目标的状态。以上是本发明的基本原理。
参考附图来描述本发明的实施例。图1是示出了根据本发明实施例的测距/测速仪的配置的框图。图1中的测距/测速仪包括：半导体激光器1，向测量目标12发射激光；光电二极管(光接收器)2，将半导体激光器1输出的激光转换为电信号；透镜3，聚集来自半导体激光器的光并将其施加于测量目标12，同时，聚集来自测量目标12的返回光并将其施加于半导体激光器1；激光器驱动器4，使半导体激光器1交替地重复振荡波长连续增大的第一振荡周期和振荡波长连续减小的第二振荡周期；计数单元13，在第一和第二振荡周期的每一个中，对包含在光电二极管2的输出信号中的、由于在半导体激光器1中产生的自混合效应/自耦合效应而产生的干涉波形分量的个数进行计数；计算装置9，计算与测量目标12的距离和测量目标12的速度；以及显示装置10，显示计算装置9所获得的计算结果。计数单元13包括：电流-电压转换放大器5，用于将来自光电二极管2的输出电流转换为电压并放大该电压；信号提取电路11，用于对来自电流-电压转换放大器5的输出电压的进行二阶微分；以及计数电路8，用于对来自信号提取电路11的输出电压中包含的MHP的个数进行计数。
为了方便描述，假定在下面的说明中，使用并不表现出上述模式跳变现象的类型(VCSEL类型或DFB激光器类型)的激光器，作为半导体激光器1。在将表现出模式跳变现象的类型(FP类型)的激光器用作半导体激光器1时，会特别地提到对其的使用。
例如，激光器驱动器4向半导体激光器1提供在时间上以预定变化率重复增大和减小的三角形驱动电流，作为注入电流。这使得半导体激光器1交替地重复第一振荡周期和第二振荡周期，在第一振荡周期中振荡波长以与注入电流的幅度正比例的预定变化率连续增大，而在第二振荡周期中振荡波长以预定变化率连续减小。图2是示出了半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图。假定t-1是第(t-1)个振荡周期，t是第t个振荡周期，λa是每个周期中振荡波长的最小值，λb是每个周期中振荡波长的最大值。在本实施例中，振荡波长的最大值λb和振荡波长的最小值λa总是恒定的，并且两者之差λb-λa也总是恒定的。
激光器驱动器4使半导体激光器1工作，以使第一和第二振荡周期交替地各自存在至少两个周期。如果每个振荡周期持续两个或更多个周期，则可以检测与匀速运动的测量目标12的距离及其速度。如果每个振荡周期持续三个或更多个周期，则可以检测与加速运动的测量目标12的距离及其速度。注意，为了区分匀速运动和加速运动，需要三个或更多个周期。此外，可以使用除上述三角波之外的任意波形(例如正弦波)，只要这种波形包括在第一振荡中振荡波长连续且单调增大的周期和在第二振荡中振荡波长连续且单调减小的周期。例如，如图3所示，可以使用每两个峰值(即每四个周期)就具有休眠期ST的间歇波形，以抑制电流消耗。
从半导体激光器1发射的激光由透镜3聚集并到达测量目标12。由测量目标12反射的光由透镜3聚集并到达半导体激光器1。注意，由透镜3聚集光并不是必要的。光电二极管2将从半导体激光器1输出的光转换为电流。电流-电压转换放大器5将来自光电二极管2的输出电流转换为电压并放大该电压。信号提取电路11具有从调制波中提取叠加信号的功能。例如，该电路包括两个微分电路6和7。微分电路6对来自电流-电压转换放大器5的输出电压进行微分。微分电路7对来自微分电路6的输出电压进行微分。图4A是示意性地示出了来自电流-电压转换放大器5的输出电压波形的图。图4B是示意性地示出了来自微分电路6的输出电压波形的图。图4C是示意性地示出了来自微分电路7的输出电压波形的图。这些图示出了通过从图4A中光电二极管103输出的波形(调制波)中去除图2中半导体激光器1的振荡波形(载波)而提取出图4C中MHP波形(叠加波)的过程。
计数电路8在第一振荡周期t-1和第二振荡周期t的每一个周期中，对来自微分电路7的输出电压中包含的MHP的个数进行计数。假定在下面的说明中，第一振荡周期t-1中的MHP的个数由MHPt-1(“t-1”是变量MHP的下标，对于下面的说明，同上)表示，第二振荡周期中的MHP的个数由MHPt表示。可将包括逻辑门的计数器用作计数电路8。如果使用其波形以预定变化率重复地增大和减小的驱动电流来操作半导体激光器，则可使用快速傅立叶变换(下面称为FFT)来测量MHP的频率(即每单位时间MHP的个数)。
计算装置9基于半导体激光器1的最短激光波长λa和最长激光波长λb、振荡周期t-1中MHP的个数MHPt-1以及振荡周期t中MHP的个数MHPt，计算与测量目标12的距离和测量目标12的速度。如上所述，半导体激光器1进行操作，以使最长激光波长λb和最短激光波长λa之差λb-λa总是恒定的。然而，如果半导体激光器的操作使得差值λb-λa并不一定恒定，则在计算速度之前，需要利用目标周期内的差值λb-λa来将MHP个数归一化。
图5是示出了计算装置9的配置示例的框图。图6是示出了计算装置9的操作的流程图。计算装置9包括：距离/速度计算单元91，用于基于半导体激光器1的最短激光波长λa和最长激光波长λb、第一振荡周期t-1中MHP的个数MHPt-1以及第二振荡周期t中MHP的个数MHPt，计算与测量目标12的距离候选值以及测量目标12的速度候选值；距离扣减计算单元92，用于计算距离/速度计算单元91所计算的距离候选值与一个周期之前计算的距离候选值之差，作为距离扣减；存储单元93，用于存储距离/速度计算单元91和距离扣减计算单元92所获得的计算结果；状态判定单元94，用于基于距离/速度计算单元91和距离扣减计算单元92所获得的计算结果来判定测量目标12的状态；以及距离/速度确定单元95，用于基于状态判定单元94所获得的判定结果，确定与测量目标12的距离以及测量目标12的速度。
假定在这种情况下，周期t的起点是时间t。还假定测量目标12的状态是指示移动小于预定基准的微小位移区或大于基准的正常位移区。假定V是振荡周期t-1和振荡周期t之间的每个周期上测量目标12的平均位移，微小位移区是满足(λb-λa)/λb＞V/Lb(其中Lb是时间t处的距离)的状态，正常位移区是满足(λb-λa)/λb＝V/Lb的状态。注意，可通过利用周期t-1和周期t的总时间来将位移V归一化而获得测量目标12的速度。
首先，计算装置9的距离/速度计算单元91根据以下等式来计算在当前时间t处的距离候选值La(t)和Lβ(t)以及速度候选值Va(t)和Vβ(t)，并将计算值存储在存储单元93中(图6中的步骤S1)：
La(t)＝λa×λb×(‘MHPt-1’+‘MHPt’)/{4×(λb-λa)}      …  (2)
Lβ(t)＝λa×λb×(|‘MHPt-1’-‘MHPt’｜)/{4×(λb-λa)}  …  (3)
Va(t)＝(‘MHPt-1’-‘MHPt’)×λ/4                         …  (4)
Vβ(t)＝(‘MHPt-1’+‘MHPt’)×λ/4                        …  (5)
注意，在等式中添加单引号，以区分“MHP”的下标和运算符(下面也是同样的)。在等式(4)和(5)中，λ表示在当前时间t前一个周期的时间t-1处的波长。例如，在图2所示的情况下，波长λ是λa。此外，如果当前时间是图2中的时间t+1，则波长λ是λb。
注意，上面给出的等式(2)和(3)是基于如下假定的：将没有任何模式跳变现象的激光器用作半导体激光器1。如果要将具有模式跳变现象的激光器用作半导体激光器1，则要用下面给出的等式(2A)和(3A)代替上面给出的等式(2)和(3)：
La(t)＝λa×λb×(‘MHPt-1’+‘MHPt’)
                   /{4×(λb-λa-∑λmp)}  …  (2A)
Lβ(t)＝λa×λb×(|‘MHPt-1’-‘MHPt’｜)
                   /{4×(λb-λa-∑λmp)}  …  (3A)
其中λmp表示由于模式跳变现象而不连续的频率宽度的幅度(图22)。如果在一个周期t中出现多个模式跳变现象，则幅度λmp表现为几乎相同的幅度。∑λmp表示对由于在一个周期t内出现的模式跳变现象而不连续的频率宽度的所有幅度λmp求和而获得的值。
候选值La(t)和Va(t)是基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的值，而候选值Lβ(t)和Vβ(t)是基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的值。计算装置9在图4所示的每个周期的每个起点处计算等式(2)至(5)。
随后，计算装置9的距离扣减计算单元92根据以下等式，计算在微小位移区和正常位移区中当前时间t处的距离候选值与存储在存储单元93中的当前时间之前一个周期的时间(t-1)处的距离候选值之差，作为距离扣减，并存储在存储单元93中(图6中的步骤S2)：
Vcala(t)＝La(t)-La(t-1)                        …(6)
Vcalβ(t)＝Lβ(t)-Lβ(t-1)                     …(7)
距离扣减Vcala(t)是基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的值，而距离扣减Vcalβ(t)是基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的值。计算装置9在每个开始时间t处计算等式(6)和(7)。注意，在等式(4)至(7)中，将测量目标12接近该实施例的测距/测速仪的方向定义为正方向，而将测量目标12远离仪器的方向定义为负方向。
计算装置9的状态判定单元94使用存储在存储单元93中的、根据等式(2)至(7)的计算结果，判定测量目标12的状态(图6中的步骤S3)。
图7示出了当测量目标12在微小位移区内(匀速)运动时的速度候选值Va(t)和Vβ(t)以及距离扣减Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。符号●、▲、○和△分别表示Va(t)、Vβ(t)、Vcala(t)和Vcalβ(t)(对于图8至12也是同样的)。在图7所示的情况下，测量目标12的速度是0.0005m/周期，半导体激光器1的最短激光波长λa是680nm，最长激光波长λb是681nm。从图7可见，当测量目标12在微小位移区中(匀速)运动时，基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号是恒定的(在图7所示的情况下是正的)，并且基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)等于距离扣减Vcala(t)的绝对平均值。相反地，基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号在每个开始时间t处反转。也就是说，第一振荡周期中的距离扣减的符号与第二振荡周期中的距离扣减的符号不同。
如果基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号是恒定的，并且基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)等于距离扣减Vcala(t)的绝对平均值，则状态判定单元94判定测量目标12在微小位移区中(匀速)运动。
图8示出了当测量目标12在正常位移区内(匀速)运动时的速度候选值Va(t)和Vβ(t)以及距离扣减Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在图8所示的情况下，测量目标12的速度是0.002m/周期，半导体激光器1的最短激光波长λa是680nm，最长激光波长λb是681nm。从图8可见，当测量目标12在正常位移区中(匀速)运动时，基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号是恒定的(在图8所示的情况下是正的)，并且基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)等于距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值。相反地，基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号在每个开始时间t处反转。
因此，如果基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号是恒定的，并且基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)等于距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值，则状态判定单元94判定测量目标12在正常位移区中(匀速)运动。
图9示出了当测量目标12在微小位移区中关于预定位置(加速)振动时的速度候选值Va(t)和Vβ(t)以及距离扣减Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在图9所示的示例中，测量目标12的最大速度是0.000002m/周期，半导体激光器1的最短激光波长λa是680nm，最长激光波长λb是681nm。从图9可见，当测量目标12(加速)振动时，基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)与基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的绝对平均值不一致。类似地，基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)与基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值不一致。
图10是图9在速度0附近的部分的放大视图。从图10可见，基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号在每个开始时间t处反转，而基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号在每个开始时间t处未改变，尽管该符号可能在其它时间点处改变。
因此，如果基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号在每个开始时间t处反转，而基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)与距离扣减Vcala(t)的绝对平均值不一致，而状态判定单元94判定测量目标12在微小位移区中(加速)振动。
考虑图9所示的速度候选值Vβ(t)。Vβ(t)的绝对值是常数，并等于半导体激光器1的波长变化率(λb-λa)/λb。因此，如果基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)的绝对值等于波长变化率，并且基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)与距离扣减Vcala(t)的绝对平均值不一致，则状态判定单元94判定测量目标12在微小位移区中(加速)振动。
图11示出了当测量目标12在正常位移区中关于预定位置(加速)振动时的距离扣减Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在图11所示的示例中，测量目标12的最大速度是0.01m/周期，半导体激光器1的最短激光波长λa是680nm，最长激光波长λb是681nm。图11未示出与速度候选值Va(t)和Vβ(t)有关的信息，因为它们很小。
尽管在图11中未明确示出，但是与图9所示的情况一样，基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)并不与基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的绝对平均值一致，并且基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)与基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值不一致。
从图11可见，基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号在每个开始时间t处反向，而基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的距离扣减Vcala(t)的符号未在每个开始时间t处改变，尽管该符号可能在其它时间点处改变。
因此，如果基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的距离扣减Vcalβ(t)的符号在每个开始时间t处反转，并且基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)与距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值不一致，则状态判定单元94判定测量目标12在正常位移区中(加速)振动。
图12是图11在速度0附近的部分的放大视图。考虑速度候选值Va(t)。在这种情况下，Va(t)的绝对值是常数，并等于半导体激光器1的波长变化率(λb-λa)/λb。因此，如果基于测量目标12处于微小位移区的假定而计算的速度候选值Va(t)的绝对值等于波长变化率，并且基于测量目标12处于正常位移区的假定而计算的速度候选值Vβ(t)与距离扣减Vcalβ(t)的绝对平均值不一致，则状态判定单元94判定测量目标12在正常位移区中(加速)振动。表1示出了状态判定单元94的上述判定操作。
[表1]
  距离扣减   速度候选值
  Vcala(t)  Vcalβ(t)  Va(t) Vβ(t)
  匀速   微小位移区   符号恒定；速度候选值与距离扣减的绝对平均值一致   在每个符号周期反转
  正常位移区   在每个符号周期反向   符号恒定；速度候选值与距离扣减的绝对平均值一致
  加速   微小位移区   在每个符号周期反转；速度候选值与距离扣减的绝对平均值不一致
  正常位移区   在每个符号周期反转；速度候选值与距离扣减的绝对平均值不一致   绝对速度候选值与波长变化率一致   绝对速度候选值与波长变化率一致
计算装置9的距离/速度确定单元95基于状态判定单元94所获得的判定结果来确定测量目标12的速度和与测量目标12的距离(图6中的步骤S4)。
也就是说，如果判定测量目标12在微小位移区中(匀速)移动，则距离/速度确定单元95确定速度候选值Va(t)是测量目标12的速度，并且距离候选值La(t)是与测量目标12的距离。如果判定测量目标12在正常位移区中(匀速)移动，则距离/速度确定单元95确定速度候选值Vβ(t)是测量目标12的速度，并且距离候选值Lβ(t)是与测量目标12的距离。
此外，如果判定测量目标12在微小位移区中(加速)振动，则距离/速度确定单元95确定速度候选值Va(t)是测量目标12的速度，并且距离候选值La(t)是与测量目标12的距离。如果判定测量目标12在正常位移区中(加速)振动，则距离/速度确定单元95确定速度候选值Vβ(t)是测量目标12的速度，并且距离候选值Lβ(t)是与测量目标12的距离。注意，如果测量目标12(加速)振动，则实际距离是距离Lβ(t)的平均值。
计算装置9在每个开始时间t处执行步骤S 1至S4中的上述处理，直到例如用户发出了结束测量的指令为止(步骤S5中的“是”)。
显示装置10显示计算装置9所计算的测量目标12的速度和与测量目标12的距离。
如上所述，在本实施例中，半导体激光器1交替地重复半导体激光器1的振荡波长连续增大的第一振荡周期t-1和振荡波长连续减小的第二振荡周期t，并且在第一振荡周期t-1和第二振荡周期t的每一个周期中均对光电二极管输出的信号中包含的MHP的个数进行计数。然后，本实施例基于激光半导体1的最短激光波长λa和最长激光波长λb，计算与测量目标12的距离和测量目标12的速度。因此，本实施例不仅可测量与测量目标12的距离，而且可测量测量目标12的速度，同时充分利用了传统的自混合/自耦合类型的激光测量仪器的优点，即：(a)能够缩小设备尺寸，(b)不需要高速电路，(c)对抗干扰光的鲁棒性，以及(d)能够应用于任何类型的测量目标。此外，本实施例可判定测量目标12是在匀速运动还是加速运动。
从图7可见，当测量目标12在微小位移区中(匀速)运动时，测量目标12的速度和所测量的速度Va(t)均为0.0005m/周期。也就是说，测速结果与实际值一致。图13示出了在图7所示情况下测量的距离La(t)和实际值。符号●和○分别表示距离La(t)和实际距离值。从图13可见，测距结果与实际值一致。
从图8可见，当测量目标12在正常位移区中(匀速)运动时，测量目标12的速度和所测量的速度Vβ(t)均为0.002m/周期。也就是说，测速结果与实际值一致。图14示出了在图8所示的情况下测量的距离Lβ(t)和实际距离值。符号●和○分别表示距离Lβ(t)和实际距离值。从图14可见，测距结果与实际值一致。
图15示出了当测量目标12在微小位移区中(加速)振动时在图9所示的情况下测量的速度Va(t)和实际速度值。图16示出了在图9所示的情况下测量的距离La(t)、距离La(t)的平均值和实际距离值。参考图15，符号●和○分别表示速度Va(t)和实际速度值。参考图16，符号●、-和○分别表示距离La(t)、距离La(t)的平均值以及实际距离值。从图15和16可见，测速结果与实际值一致，距离平均值的测量结果与实际值一致。
图17示出了当测量目标12在正常位移区中(加速)振动时在图11所示的情况下测量的速度Vβ(t)和实际速度值。图18示出了在图11所示的情况下测量的距离Lβ(t)、距离Lβ(t)的平均值和实际距离值。参考图17，符号●和○分别表示速度Vβ(t)和实际速度值。参考图18，符号●、-和○分别表示距离Lβ(t)、距离Lβ(t)的平均值以及实际距离值。从图17和18可见，测速结果与实际值一致，距离平均值的测量结果与实际值一致。
本实施例以计数单元13对整个第一和第二振荡周期内的MHP个数进行计数的情况为例。然而，对每个振荡周期的一部分中的MHP个数进行计数也是能够满足需要的。在这种情况下，计算装置9通过使用在计数单元13对MHP个数进行计数的周期中的最短激光波长和最长激光波长，来计算与测量目标12的距离和测量目标12的速度。
此外，例如，本实施例中的计算装置9可以实现为包括CPU、存储装置和接口以及控制这些硬件资源的程序的计算机。提供使计算机作为计算装置9而进行操作的程序，该程序记录在诸如软盘、CD-ROM、DVD-ROM或存储卡之类的记录介质上。CPU将读取的程序写入存储装置，并根据程序来执行本实施例中所述的处理。此外，显示装置10实时地同时显示与测量目标的距离(位移)和测量目标的速度。
当测量目标12以非常小的位移(例如以2nm的最大速率)振动时，距离的实际改变(幅度)是几个nm。然而，由于距离计算的分辨率(距离分辨率)低于位移分辨率，所以出现较大误差。具体而言，当位移小于距离分辨率时，即使所计算的距离应该不变，距离值也会根据微小的位移而改变了一些分辨率等级。因此，如果位移小于距离分辨率，则必须避免距离值的变化。因此，使用图19所示的计算装置9A就能够满足需要了。
在计算装置9A中，如果距离/速度确定单元95所确定的速度小于预定基准值，则积分单元96计算速度的积分值(位移)。状态判定单元96将所计算的位移与距离分辨率相比较。如果位移小于距离分辨率，则状态判定单元94A判定距离的变化小于分辨率。然后，状态判定单元94A判定最终距离不变，即距离的变化量为零。
工业实用性
本发明可应用于对与测量目标的距离和测量目标的速度进行测量的技术。

Claims (16)

1.一种测距/测速仪，其特征在于包括：
半导体激光器，用于向测量目标发射激光；
激光器驱动器，用于驱动半导体激光器工作，以使第一振荡周期和第二振荡周期交替地存在至少两个周期，所述第一振荡周期至少包括振荡波长连续且单调增大的周期，所述第二振荡周期至少包括振荡波长连续且单调减小的周期；
光接收器，用于将所述半导体激光器发射的激光和来自所述测量目标的返回光转换为电信号；
计数装置，用于在第一振荡周期和第二振荡周期中每一个周期的至少一部分中，对包含在所述光接收器的输出信号中的、由所述半导体激光器发射的激光和来自所述测量目标的返回光引起的干涉波形分量的个数进行计数；以及
计算装置，用于根据在所述计数装置对干涉波形分量的个数进行计数的周期中的最短激光波长和最长激光波长以及由所述计数装置获得的计数结果，计算与所述测量目标的距离和所述测量目标的速度。
2.根据权利要求1所述的测距/测速仪，其特征在于，所述计数装置对由所述半导体激光器发射的激光和来自所述测量目标的返回光之间的自混合/自耦合效应而引起的干涉波形分量的个数进行计数。
3.根据权利要求1所述的测距/测速仪，其特征在于，所述计算装置使用所述半导体激光器的每个振动周期中的最短激光波长和最长激光波长，作为在所述计数装置对干涉波形分量的个数进行计数的周期中的最短激光波长和最长激光波长。
4.根据权利要求3所述的测距/测速仪，其特征在于，所述计算装置包括：
距离/速度计算单元，用于基于所述半导体激光器的最短激光波长和最长激光波长以及由所述计数装置获得的计数结果，计算与所述测量目标的距离候选值以及所述测量目标的速度候选值；
距离扣减计算单元，用于计算由所述距离/速度计算单元计算的距离候选值与先前计算的距离候选值之差，作为距离扣减；
状态判定单元，用于基于由所述距离/速度计算单元和所述距离扣减计算单元获得的计算结果，判定所述测量目标的状态；以及
距离/速度确定单元，用于基于由所述状态判定单元获得的判定结果，确定与所述测量目标的距离以及所述测量目标的速度。
5.根据权利要求4所述的测距/测速仪，其特征在于，
在所述测量目标处于移动小于基准的微小位移区和所述测量目标处于移动大于所述基准的正常位移区的两种情况中的每一种情况下，假定所述测量目标的状态是微小位移区和正常位移区之一，所述距离/速度计算单元和所述距离扣减计算单元针对作为第一振荡周期和第二振荡周期之和的每个周期，计算距离候选值、速度候选值和距离扣减；以及
所述状态判定单元基于由所述距离/速度计算单元和所述距离扣减计算单元获得的计算结果，针对所述距离/速度计算单元和所述距离扣减计算单元的每次计算，判定所述测量目标是处于微小位移区还是正常位移区，并且判定所述测量目标是匀速运动还是加速运动。
6.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的距离扣减的符号恒定，并且根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值相等时，所述状态判定单元判定所述测量目标在微小位移区中匀速运动。
7.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的距离扣减的符号恒定，并且根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值相等时，所述状态判定单元判定所述测量目标在正常位移区中匀速运动。
8.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的距离扣减的符号在每次计算时均反转，并且根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值不一致时，所述状态判定单元判定所述测量目标在微小位移区中加速运动。
9.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的速度候选值的绝对值与所述半导体激光器的波长变化率相等，并且根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值不一致时，所述状态判定单元判定所述测量目标在微小位移区中加速运动。
10.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的距离扣减的符号在每次计算时均反转，并且根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值不一致时，所述状态判定单元判定所述测量目标在正常位移区中加速运动。
11.根据权利要求5所述的测距/测速仪，其特征在于
当根据所述测量目标处于微小位移区的假定而计算的速度候选值的绝对值与所述半导体激光器的波长变化率相等，并且根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的速度候选值与根据所述测量目标处于正常位移区的假定而计算的距离扣减的绝对平均值不一致时，所述状态判定单元判定所述测量目标在正常位移区中加速运动。
12.根据权利要求4所述的测距/测速仪，其特征在于还包括积分单元，用于在由所述距离/速度确定单元确定的速度低于基准值时计算所述速度的积分值，
其中，当由所述积分单元计算的积分值小于距离计算分辨率时，所述状态判定单元将距离变化量设置为零。
13.一种测距/测速方法，其特征在于包括以下步骤：
向测量目标发射经过波长调制的波；
检测在所发射的波与从所述测量目标反射的返回波之间引起的干涉；以及
基于与检测到的干涉相关联的信息，计算与所述测量目标的距离和所述测量目标的速度。
14.根据权利要求13所述的测距/测速方法，其特征在于计算步骤包括：
基于与检测到的干涉相关联的信息，计算与所述测量目标的距离和所述测量目标的速度；以及
从所计算的候选值中选择一个距离值和一个速度值。
15.根据权利要求13所述的测距/测速方法，其特征在于
所述发射步骤包括：驱动半导体激光器工作，以使第一振荡周期和第二振荡周期交替地存在至少两个周期，所述第一振荡周期至少包括振荡波长连续且单调增大的周期，所述第二振荡周期至少包括振荡波长连续且单调减小的周期；
所述检测步骤包括：使用光接收器，将所述半导体激光器发射的激光和来自所述测量目标的返回光转换为电信号，以及
在第一振荡周期和第二振荡周期中每一个周期的至少一部分中，对包含在所述光接收器的输出信号中的、由所述半导体激光器发射的激光和来自所述测量目标的返回光引起的干涉波形分量的个数进行计数；以及
所述计算步骤包括：根据对干涉波形分量进行计数的周期中的最短激光波长和最长激光波长以及所计数的干涉波形分量的个数，计算与所述测量目标的距离和所述测量目标的速度。
16.根据权利要求15所述的测距/测速方法，其特征在于
所述计算步骤还包括：
当所计算的速度低于预定基准值时，计算所述速度的积分值，以及
当所计算的积分值小于距离计算分辨率时，将距离变化量设置为零。
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