CN102047070B - 利用光谱可分离双啁啾的干涉距离测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在距离测量方法中，经由本机振荡器路径将具有两个可分离辐射分量的啁啾激光辐射发射至至少一个要测量的目标，并且所述辐射分量由于调制波长(λ1、λ2)的时间相关性而具有相反的啁啾。在接收从所述目标散射回来并通过本机振荡器路径的激光辐射之后，将所接收的激光辐射转换为信号，并且基于干涉测量混合来根据信号确定到至少一个目标的距离，并基于所述辐射分量的光谱特征来实现辐射分量的分离。

Description

利用光谱可分离双啁啾的干涉距离测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的利用光谱可分离双啁啾的干涉距离测量方法，以及一种根据权利要求9的前序部分的干涉距离测量装置。
背景技术
在电子测距领域，已知多种原理和方法。一种方法在于向要测量的目标发射频率经调制的电磁辐射(例如，光)，然后从反向散射(back-scattering)物体接收一个或更多个回波(echo)，理想的是，所述反向散射物体不包括要测量的目标，要测量的目标可以既具有反射(例如后向反射器)特征又具有反向漫散射(diffuse back-scattering)特征。
在接收了所述一个或更多个回波之后，在随意叠加的回波信号上叠加混合信号，从而降低了要分析的信号的频率，使得对于该装置需要较少的费用。可以由使用已发送的信号的零差(homodyne)方法或者由使用已知周期的周期信号(具体地说，谐波信号)的外差(heterodyne)方法来实现所述混合。因而，该两种方法的不同之处在于是利用已发送的信号本身还是利用具有其自身频率的谐波信号来实现所述混合。所述混合用来将所接收的信号变换至较低的频率，并放大所述信号。此后，在已知所使用的辐射的传播速度的情况下，根据所得到的信号来确定通行时间(transit time)从而确定到要测量的目标的距离。在外差干涉仪装置中，将可调激光光源用于绝对距离测量。在原理上最简单的实施方式中，线性地实现对激光光源的光学频率的调整。所接收的信号与从所发射的光信号获得的第二信号叠加。外差混合乘积所产生的拍频(beatfrequency)(即，干涉图)是对到目标物体的距离的度量(measure)。用于实现这些方法的装置通常使用信号发生器作为啁啾发生器，该信号发生器在可调制辐射源上施加信号。在光学测距中，通常将由于外部腔(例如，Bragg光栅)或内部腔(例如分布式反馈(DFB：Distributed Feedback)或分布式Bragg反射器(DBR：Distributed Bragg Reflector))的调制而发生啁啾的激光作为辐射源。在光学测距中，将下电路(down-circuit)中连接了用于外差混合的检测器或正交检测器、模/数转换器和数字信号处理器的发送及接收光学系统用于发送和接收。
在US 4,830,486中描述了光学相干FMCW距离测量方法的示例，该方法在结合较短测量时间的相位测量方法的领域中具有精确性。啁啾发生器产生线性的频率调制信号，将该频率调制信号分为测量信号和本机振荡器信号，这两个信号在接收器中被叠加。
所发射的光信号的波长的改变表示测量的比例(scale)。这通常是未知的，因此需要在另外的测量中进行确定。为此，例如在现有技术中，所发射的光的一部分经过具有已限定的基准长度的基准干涉计。可以根据基于已知的基准长度所得到的拍乘积(beat product)推导出作为时间的函数的所发射的光信号的波长的改变。如果该基准长度是未知的或不稳定的(例如由于温度的影响)，则可以经由附加的校准单元(例如，气室或Fabry-Perot元件)来确定该基准长度。
EP 1 696 201公开了这种距离测量方法，该距离测量方法包括向至少一个要测量的目标发射频率调制的电磁辐射，并随后接收从该目标散射回来的辐射的外差混合，该辐射平行地通过干涉测量基准长度。
当静止目标具有作为时间的函数的已定义的距离不变量时，移动或振动目标会引起一些问题。在调谐期间，目标的稳定移动会导致针对频率斜坡的不同方向的相反的多普勒频移。因而，例如，在通过上升的频率斜坡时，移动导致正的多普勒频移，而在通过下降的斜坡的情况下，会导致负的多普勒频移。通过利用连续的上升斜坡和下降斜坡，可以补偿该效应。
然而，利用作为时间的函数连续的斜坡(即，激光辐射的不同或相反的啁啾)，也以二为因数降低了可用的测量速率，例如，从1kHz到500Hz，即，降低了一半。此外，该方法基于在通过两个斜坡所用的时间期间目标速度恒定的事实。振动或在测量过程中目标的加速会导致测量距离的误差。
为了消除该问题，US 7,139,446提出利用两个同时发生并相反的频率斜坡，即，发射具有两个有相反的啁啾的辐射分量的辐射，这还避免了测量速率的下降。为了能够针对测量分离这些辐射分量，以不同的偏振来实现这些辐射分量的发射和检测。利用该方法，可以检测加速并消除振动。然而，通过不同的偏振来分离这两个辐射分量需要在设置中确保偏振的保持(preservation)。因此，使用光学纤维(fibre optics)的设置需要保偏光纤并且容易受到光纤相对于彼此的相互定向的误差或者连接的设计的影响。此外，该方法基于目标也具有保偏特性的事实，即，该目标对偏振根本没有影响。为了产生这两个偏振分量，使用了以正交偏振方式耦接的两个激光源以及以正交偏振方式定向的两个检测器。
然而，在测量金属表面时，使用偏振光具有缺点。金属表面具有微粗糙度(这在技术方面是常见的)，导致在倾斜入射光情况下的消偏振。在现有技术中，这在实验中和理论上(通过模拟)都得到了详尽的研究，从而得出US 7,139,446中描述的方法的可用性的实质性限制，例如，针对此的实验可参照K.A.O’Donne11和E.R.Mendez的″Experimental studyof scattering from characterized random surfaces″，(J.Opt.Soc.Am.A/Vol 4，No.7，1987年7月，第1194-1205页)，或Gareth D.Lewis等的″Backscatter linear and circular polarization analysis of roughened aluminum″，(Applied Optics，Vol.37，No.25，1998年9月，第5985-5992页)，并且例如，针对此的理论(通过模拟)可参照E.R.Mendez等的″Statistics of thepolarization properties of one-dimensional randomly rough surfaces″，(J.Opt.Soc.Am.A，Vol.12，No.11，1995年11月，第2507-2516页)，以及G.Soriano和M.Saillard的″Scattering of electromagnetic waves fromtwo-dimensional rough surfaces with an impedance approximation″，(J.Opt.Soc.Am.A，Vol.18，No.1，2001年1月，第124-133页)。
因此，现有技术的具有较高测量速率的干涉距离测量方法的可用性(其还适用于测量振动目标或移动目标)对于金属表面是不可行的，或仅在限制条件下对于金属表面可行。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种经改进的利用双啁啾的距离测量方法以及一种这样的装置。
本发明的另一目的是提供一种包括简化的并且更鲁棒的设置的对应的距离测量装置，具体地，无需使用保偏光纤。
本发明的另一目的是提供一种方案，该方案通过利用双啁啾的方法使得即使对于金属表面也允许精确的距离测量，并且避免或减少偏振相关的误差效应。
通过权利要求1或9的主题或从属权利要求的主题来实现这些目的或进一步开发这些方案。
根据本发明的方案基于干涉距离测量装置，例如，在EP 1 696 201中公开的外差干涉计装置。根据本发明，通过光谱分离来提供两条频率曲线之间的可区别性，这或者是基于在检测之前或检测期间对啁啾激光光源的不同的绝对光学频率或波长的色彩滤光，或者是利用调制器(光学频率增加)通过在所检测的信号中对上啁啾激光光源和下啁啾激光光源的不同拍频的电滤光来实现。
在色彩滤光的情况下，所产生的辐射具有两个有不同的绝对光学频率或波长的辐射分量，选择所述辐射分量以使得可以在接收侧分离所述辐射分量。一种实施方式使用具有不同平均波长或频率(例如，1530nm和1540nm)的两个分离的并可相反地调谐的激光光源(例如，分布式反馈激光二极管)来产生这些辐射分量，利用用于产生双啁啾的相反的频率斜坡来实现对这些激光光源的调制。因此，能够对这些激光光源的辐射进行色彩滤光。对现有技术的装置相比，可以利用标准的单模光纤来设置对应的距离测量装置，而无需偏振的保持。由于可以例如利用具有两个分离的检测器或两个光谱选择性检测器的色彩分束器或光学滤色来在色彩上分离辐射分量，所以金属目标表面的偏振改变行为不影响测量，从而可以不受干扰地消除振动影响。还如EP 1 696 201中所述，可以针对两个激光光源记录基准干涉图。
可以通过模拟的方法或数字的方法来实现电滤光。在模拟电滤光的情况下，例如，高通滤波器和低通滤波器用于上啁啾信号和下啁啾信号的光谱分离。在数字电滤光的情况下，利用适当的数字滤波器来实现不同拍频的光谱分离，该数字滤波器就硬件方面而言可以被集成在ASIC或FPGA组件中，或者就软件方面而言可以在信号处理中实现。在电滤光的情况下，通过根据调制频率区分正信号频率和负信号频率来实现在所检测的信号的频谱中对来自两个激光光源的信号的光谱分离。通过这种方式，不需激光信号的色彩滤光。具体地说，该方法允许使用相近的波长，从而激光光源的中心载波波长也可以是相同的。具体地说，还可以实现调谐曲线的重叠区域，这使得两个光源的波长可以相互匹配。在这种情况下，单个检测器对于检测是足够的。
针对实现信号分离的两种形式，即，色彩滤光和电滤光这两种形式，也可以在针对简单的相位确定的检测中以电的方式或光学的方式使用所谓的正交检测器。
附图说明
下面将完全地通过示例并参照在附图中示意性示出的实施例来更详细地描述或例示根据本发明的距离测量方法和根据本发明的距离测量装置。具体地说，
图1示出针对干涉距离测量方法的波长的时间相关性的示意图；
图2示出针对利用相反啁啾的干涉距离测量方法的波长的时间相关性的示意图；
图3a-3b示出根据本发明的距离测量装置的第一实施方式的示意图；
图4示出根据本发明的距离测量装置的第二实施方式的示意图；以及
图5示出在组件方面实现第二实施方式的可能性的图示。
具体实施方式
图1在示意图中例示了针对干涉距离测量方法的波长的时间相关性。通过信号发生器对测距仪发出的辐射进行频率调制，使得在作为时间的函数的波长λ的变化中形成上升斜坡和下降斜坡。然而，现有技术的该调制或发射形式产生时间上分离(即，相继)的上升斜坡和下降斜坡，使得测量速率减半，并且，斜坡变化的时间尺度(timescale)内的变化或具有相应的周期性的变化会导致误差。
因此，如图2中示意性示出的，现有技术针对干涉距离测量方法提出具有相反啁啾的经调制的波长λ1、λ2的时间相关性。从而发射至目标的辐射具有两个具有作为时间的函数的不同的波长变化的辐射分量，即，该发射至目标的辐射具有相反的频率斜坡。具体地说，可以以正好为180°的相反啁啾的相位偏移(即，严格按照相反的相位)来发射这些辐射分量。辐射分量的调制深度可以不同；具体地说，也可以不调制源-对应于频率调制方法与经典的增量干涉计的结合。
如果两个辐射分量经由共同的光学系统被发射至共同的目标或被所述光学系统所接收，则在接收机侧必须允许分离，以评估这两个辐射分量，在现有技术中通过不同的偏振来解决接收机侧的该分离。根据本发明，根据接收时辐射分量的光谱特征和/或对距离的评估或确定来分离辐射分量。
在图3a-3b中示意性地示出根据本发明的测距仪的第一实施方式。该距离测量装置具有：激光光源，其用于以至少两个不同的平均载波波长来进行发射，在第一实施方式中，该激光光源利用两个可调制的束光源1A或1B来产生啁啾激光辐射并向要测量的目标6发射该啁啾激光辐射；信号发生器2，其在两个束光源1A和1B上施加两个相反的啁啾。然而，在理论上，例如，如果利用光学参数振荡器对两个辐射分量进行随后的光谱分离或下游产生(downstream production)，也可以利用单个光源来产生要发射的激光辐射的两个辐射分量。例如，可以选取1530nm和1540nm作为载波波长。针对两个束源1A和1B既可以使用共同的信号发生器2，也可以使用在各种情况下与这些激光光源中的一个单独协作的信号发生器。
经由光纤耦合器3或复用器将这样产生的激光辐射耦合进入测量干涉计4A和具有限定的基准长度的基准干涉计4B，例如，可以将上述两个干涉计设计为Mach-Zehnder干涉计。上述干涉计各自具有检测器5，用于接收从目标6散射回来的激光辐射或通过本机振荡器的激光辐射。例如，标准具(etalon)或Mach-Zehnder配置中的基准干涉计用于考虑或补偿激光光源的调谐行为中的非线性。如果激光光源的行为是充分线性的或已知并稳定的，则在理论上也可以省去基准干涉计。然而，这并不作为规则。除基准干涉计之外，也可以集成校准单元(此处未示出)，具体地说，以气室或Fabry-Perot元件的形式集成校准单元，以便确定基准干涉计的长度。例如，在EP 1 696 201中公开了这种校准元件的使用。
测量干涉计和基准干涉计也可以具有共同的路径几何结构(pathgeometry)，即，对于测量支路(arm)或基准支路以及本机振荡器支路可以具有部分共同的干涉计光路。对于测量干涉计，通过光学出口表面的反射来在这里限定本机振荡器支路，以确定恒定的距离(具体地说是已知的距离)，进而避免了背反射(back-reflection)。另一方面，由要测量的目标6处的反射来限定测量干涉计的测量支路。在该另选方案中，测量支路和本机振荡器支路的背反射光最终传至共同的检测器。
图3b中更详细地示出了检测器5的一个实施方式的设置。除了基本上可能使用色彩选择性检测器之外，激光辐射的分离还可以具有例如电介质或色散元件5A，用来对背散射的激光辐射进行色彩滤光，辐射分量在被分离之后被传送至检测器单元5B。例如，随后可以基于外差干涉混合方法、所提供的对应的混合器或者同样地形成的检测器单元5B来进行信号评估。激光光源以及载波波长的选择取决于可分离性以及可以在检测器侧使用的组件，使得根据检测中的可分离性来调整两个激光之间的色彩距离，例如，可以将两个激光之间的色彩距离调整为20nm的色彩距离。
在图4的示意图中示出了根据本发明的测距仪的第二实施方式。该实施方式对应于第一实施方式的基本概念，但是具有声光调制器7，用于通过声光调制器7的调制频率来将两个干涉计的本机振荡器提高例如50MHz，以促进可检测性。因此，经由针对两个干涉计和调制器7的总共三个出口的两部件光纤耦合器3’来实现辐射的分离。在干涉计的出口处，在检测辐射之前通过光纤耦合器3”再次实现辐射的结合，其中光纤耦合器3”的出口在各种情况下被连接至检测器5。
对于第二实施方式，在测量干涉计中示意性地示出了用于向目标6发射激光辐射以及从目标6接收所述激光辐射的光学系统8。
图5示出了实现第二实施方式的光学组件的可能性。通过作为束源1A和1B的具有1530nm和1540nm的载波波长的两个DFB激光二极管来产生激光辐射，光学组件之间的连接是单模光纤的形式。所产生的光纤辐射被耦合进入测量干涉计、基准干涉计以及声光调制器7。光学系统8是具有至少部分共同的发送和接收光路的望远镜的形式，在测量期间，要测量的目标6是测量干涉计的一部分。信号经由光路发送至具有针对1530nm和1540nm的载波波长的检测器单元的检测器。然后，检测器信号通过电缆到达信号处理器。信号处理器执行信号的处理和评估，并经由控制线缆可选地控制作为信号发生器的两个束源。
第三实施方式在理论上与图4中的图示的设置相同，在第三实施方式中，将本机振荡器的频率增加了例如50MHz，用于通过信号的频谱中的电滤光来实现相反啁啾信号的光谱分离。上啁啾信号和下啁啾信号根据方向分别出现在中心调制频率的左边和右边。通过模拟或数字电频率滤光，信号可以被容易地分离，然后可以作为两个分离的检测器信号得到进一步处理。因此，例如，可以以数字方式在信号处理中利用软件或者通过电检测器信号的模拟滤光来实现在频谱中对啁啾的电滤光。由于光谱中的频率是通过啁啾速率而不是通过两个激光光源的载波波长来确定，所以中心载波波长λ1和λ2也可以相同。在该实施方式中，也可以完全省去偏振光纤。标准的PIN二极管足够用来进行检测，如图5中的检测的色彩滤光不是必需的。

Claims (12)

1.一种距离测量方法，该距离测量方法包括以下步骤：
向至少一个要测量的目标（6）以及测量干涉计的本机振荡器路径发射具有两个可分离辐射分量的啁啾激光辐射，所述辐射分量具有相反的啁啾；
接收从所述目标（6）散射回来并通过所述本机振荡器路径的激光辐射，并且基于干涉测量混合根据所述激光辐射来确定到所述至少一个目标的至少一个距离，其中，测量路径和本机振荡器路径具有部分共同的干涉计光路，其中，通过光学出口表面的反射来限定本机振荡器路径以确定恒定的距离，其中，啁啾激光光源是两个分离的并可相反地调谐的激光光源，利用用于产生双啁啾的相反的频率斜坡来实现对这些激光光源的调制，或者啁啾激光光源是单个光源，用于产生要发射的激光辐射的两个辐射分量，
该距离测量方法的特征在于：在接收所述辐射分量和/或根据所述辐射分量的光谱特征来确定所述辐射分量时，基于在检测之前或检测期间对啁啾激光光源的不同的绝对光学频率或波长的色彩滤光，或者利用区分调制频率附近的正频率和负频率通过在所检测的信号中对上啁啾激光光源和下啁啾激光光源的不同拍频的电滤光，来分离所述辐射分量。
2.根据权利要求1所述的距离测量方法，该距离测量方法的特征在于：以180°的相反啁啾的相位偏移来发射所述辐射分量。
3.根据权利要求1或2所述的距离测量方法，该距离测量方法的特征在于：所述辐射分量具有不同的调制深度。
4.根据权利要求1或2所述的距离测量方法，该距离测量方法的特征在于：以不同的平均载波波长来发射所述辐射分量。
5.根据权利要求1或2所述的距离测量方法，该距离测量方法的特征在于：所述辐射分量中的一个辐射分量无需调制而被发射。
6.根据权利要求1或2所述的距离测量方法，该距离测量方法的特征在于：在确定所述至少一个距离时，基准干涉计用于考虑或补偿在所述啁啾的产生过程中的非线性。
7.一种用于执行根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法的距离测量装置，该距离测量装置至少包括：
可调制激光光源，其产生具有两个可分离辐射分量的激光辐射，并向要测量的目标（6）发射所述具有两个可分离辐射分量的激光辐射；
信号发生器（2），其对具有两个相反啁啾的所述辐射分量的所述激光光源进行调制，其中，啁啾激光光源是两个分离的并可相反地调谐的激光光源，利用用于产生双啁啾的相反的频率斜坡来实现对这些激光光源的调制，或者啁啾激光光源是单个光源，用于产生要发射的激光辐射的两个辐射分量；
接收器，该接收器包括：
测量干涉计（4A），其包括测量支路和具有用于接收从目标（6）散射回来的所述激光辐射的至少一个检测器（5）的本机振荡器支路，其中，测量支路和本机振荡器支路具有部分共同的干涉计光路，其中，通过光学出口表面的反射来限定本机振荡器支路以确定恒定的距离；
混合器，其执行外差干涉测量混合方法，该混合器包括用于考虑或补偿所述啁啾的产生过程中的非线性的基准干涉计；
该距离测量装置的特征在于：基于所述辐射分量的光谱特征，基于在检测之前或检测期间对啁啾激光光源的不同的绝对光学频率或波长的色彩滤光，或者利用区分调制频率附近的较高频率和较低频率通过在所检测的信号中对上啁啾激光光源和下啁啾激光光源的不同拍频的电滤光，来在所述接收机侧分离所述辐射分量。
8.根据权利要求7所述的距离测量装置，该距离测量装置的特征在于：声光调制器（7），该声光调制器（7）用来在该声光调制器（7）的调制频率附近提高所述测量干涉计（4A）的所述本机振荡器的频率。
9.根据权利要求7或8所述的距离测量装置，该距离测量装置的特征在于：所述激光光源具有两个具有不同的平均载波波长的激光二极管（1A和1B）。
10.根据权利要求7或8所述的距离测量装置，该距离测量装置的特征在于：所述距离测量装置的组件之间的光学连接是单模光纤的形式。
11.根据权利要求7或8所述的距离测量装置，该距离测量装置的特征在于：所述检测器（5）具有用来以光谱方式分离所述辐射分量的接收的两个检测器单元（5B）。
12.根据权利要求9所述的距离测量装置，该距离测量装置的特征在于：所述两个激光二极管（1A和1B）具有1530nm和1540nm的载波波长。
CN2009801189499A 2008-05-28 2009-05-29 利用光谱可分离双啁啾的干涉距离测量方法及装置 Active CN102047070B (zh)

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