CN102047071A - 利用延迟的啁啾信号的干涉测距方法和这样的装置 - Google Patents

Abstract

在测距方法中包括测距装置，测距装置具有用于产生啁啾的激光辐射的至少一个频率可调制的激光源。激光辐射具有相反啁啾的辐射分量，作为调制波长的时间依赖，经由光学路径(3)针对两个辐射分量之一实现同时相反的频率曲线。产生的辐射在测量干涉仪(5)中通过而到达目标(6)并且经由本地振荡器而平行。在接收到从目标(6)反向散射并经过本地振荡器路径的激光源后，将接收的激光辐射转换为信号，并且在干涉混频的基础上根据该信号来确定至少一个目标(6)的距离。

Description

利用延迟的啁啾信号的干涉测距方法和这样的装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的利用延迟的啁啾信号的干涉测距方法以及根据权利要求6的前序部分的干涉测距装置。

背景技术

在电子测距领域中已知各种原理和方法。一种方法在于，例如向待测量目标发射诸如光的电磁辐射接着接收来自反向散射(back-scattering)的物体(理想情况下只是来自待测量目标)的一个或更多个回波，待测量目标可以同时具有反射(例如，回射器)和漫射反向散射特性。

接收之后，将可选的叠加回波信号与混频信号相叠加，由此来减小待分析信号的频率，从而降低了对于装置的费用。该混频可以按照与发送信号的零差方法来进行或按照与已知周期的周期性(特别为谐波)信号的零差方法来进行。因而，这些方法的不同之处在于，混频是与发送信号自身进行的或者是与具有它自己频率的谐波信号来进行的。该混频用于将接收的信号变换为较低频率并放大所述信号。然后，根据所得到的信号来确定经过时间(transit time)由此来确定(在所使用的辐射的传播速度已知的情况下)到待测量目标的距离。在外差干涉仪结构中，使用可调激光源来进行绝对距离测量。在原理最简单的实施方式中，激光源的光学频率的调整是线性进行的。将接收信号与源自所发射的光信号的第二信号进行叠加。所得到的外差混频产物、干涉图的拍频(beat frequency)是到目标物体的距离的量度。用于实现这些方法的装置通常利用信号发生器作为啁啾发生器，其将某个信号标记(impress)在可调制辐射源上。在光学范围内，通常使用可通过对外腔(例如布喇格光栅)或内腔(例如分布式反馈(DFB)或分布式布喇格反射器(DBR))进行调制而发生啁啾的激光器作为辐射源。在光学范围内，使用以下变频电路(down-circuit)方式连接有用于外差混频的检测器或正交检测器、A/D转换器和数字信号处理器的发射和接收光学系统来进行发送和接收。

US 4830486中描述了一种光学相干FMCW测距方法的例子，该方法与短测量时间结合而具有在相位测量方法领域中的精度。啁啾发生器产生被分为测量信号和本地振荡器信号的线性频率调制信号，这两个信号在接收器中叠加。

发射的光信号的波长的改变表示了测量的等级。这一般是未知的，因此必须在额外的测量中加以确定。为此，在现有技术中，例如，发射的光的一部分经过具有预定参考长度的参考干涉仪。可以基于已知的参考长度根据所得的拍频乘积来推断出发射的光信号的波长随时间的改变。如果参考长度例如由于温度影响而未知或不稳定，则它可以经由额外的校准单元(例如充气光电池或法布里-珀罗元件)来确定。

EP 1696201公开了这样一种测距方法，该方法包括向至少一个待测量目标发射经过频率调制的电磁辐射随后接收从目标反向反射的辐射的外差混频，该辐射在干涉参考长度上并行地通过。

尽管固定的目标具有随时间可变的预定距离，但正在移动或振动的目标会造成一些问题。在调整期间，目标的持续移动导致针对频率斜坡的不同方向的相反多普勒频移。因而，移动例如导致通过在上升频率斜坡时的正多普勒频移，而负多普勒频移在该情况下在通过下降的斜坡时产生。通过使用连续的上升斜坡和下降斜坡，可以补偿该影响。

但是，随时间彼此衔接的斜坡(即，激光辐射的不同或相反的啁啾)的使用还会导致可使用测量速率降低2的因数，例如从1kHz到500Hz(即，降为一半)。而且，该方法基于以下事实：在通过两个斜坡所花费的时间内存在恒定的目标速度。目标在测量处理期间的加速或振动会造成测得距离的误差。

为了消除这个问题，US 7139446提出使用两个同时且相反的频率斜坡(即，发射具有两个辐射分量的辐射，这两个辐射分量具有相反的啁啾)，这还避免了测量速率的降低。为了能够相对于测量来分离这些辐射分量，利用不同的偏振来实现它们的发射。通过这种方法，可以检测加速度并且消除振动。相反的啁啾被标记在这两个不同偏振的辐射分量上，为此使用了两个分离的激光源。两个光源(无论在哪种情况下都必须按相反的方式或180°的相位偏移进行调制)的使用要求装置方面的费用，还要求同步以获得同步的动作。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有双啁啾的改进测距方法或这样的装置。

本发明的另一目的是提供一种具有简化设计、特别是不使用第二激光源的相应测距装置。

通过权利要求1或权利要求6的主题或从属权利要求的主题来实现这些目的，进一步研究这些技术方案。

根据本发明的技术方案基于干涉测距装置，例如在EP 1696201中公开的外差干涉仪装置。根据本发明，具有相反频率曲线的两个辐射分量由公共的激光源产生，例如分布式反馈(DFB)激光二极管。辐射的可分离性原则上可以由不同的偏振来实现，但是也可以在信号处理过程中通过在频率空间中进行滤波或另外的方式来实现。这里，产生的辐射具有两个辐射分量，选择这两个分量以使得可以在接收器侧进行分离或进行单独的评价。

根据本发明，两个频率曲线的相位偏移是通过光学延迟路径来实现的，两个辐射分量之一经过了该光学延迟路径。由此获得了两个频率曲线的同步，并且产生了表观的(apparent)第二源，示出相同频率曲线的两个信号在调整时具有彼此固定的相位关系。结果，误差和非线性在相同程度上影响了这两个信号。

如果这两个辐射分量的可分离性是通过不同的偏振来实现的，则可以通过设置在激光二极管下游的偏振分束器来进行分离，这对于要由保偏光纤形成的光学延迟路径是可能的。

如果使用了偏振自适应元件(它可以调节或改变两个辐射分量的偏振)，则利用保偏光纤来部分地分配并且另选地使用单模光纤是可能的。在该方法中，保偏光纤的使用可以限于延迟路径以及检测器部件，这尤其允许设计出具有标准单模光纤的干涉仪。

为了表现啁啾信号的特征，可以记录参考干涉图，这在EP 1696201中也有描述。

附图说明

纯粹以示例的方式，参照在图中示意性示出的工作示例，在下面更详细地描述或例示了根据本发明的测距方法和根据本发明的测距装置。具体来讲，

图1示出了干涉测距方法的波长的时间依赖性的示意图；

图2示出了具有相反啁啾的干涉测距方法的波长的时间依赖性的示意图；

图3a-b示出了根据本发明的测距装置的第一实施方式的示意图；

图4示出了根据本发明的测距装置的第二实施方式的示意图；

图5示出了根据本发明的测距装置的第三实施方式的示意图；

图6示出了在组件侧实现第二实施方式的可能性的图；

图7示出了在组件侧实现第三实施方式的可能性的图；

图8示出了在组件侧实现第四实施方式的可能性的图。

具体实施方式

图1在示意图中例示了干涉测距方法的波长的时间依赖性。由测距仪发射的辐射经过信号发生器进行频率调制，使得波长λ形式的上升和下降斜坡根据时间而改变。但是，现有技术的这种调制或发射形式产生了时间分离(即，顺序)的上升和下降斜坡，从而测量速率减半并且在斜坡的时标内改变，或者相应的周期会导致误差。

因此，在干涉测距方法的现有技术中描述了图2中示意性示出的具有相反啁啾的经调制辐射分量的波长λ₁或λ₂的时间依赖性。因此发射到目标的辐射具有两个辐射分量，这两个辐射分量具有随时间而不同的波长变化，即，相反的频率斜坡。辐射分量可以具体地按照精确的180°(即，严格地相反相位)的相反啁啾的线性偏移而发射。在现有技术中，该相反性由两个不同调制的源产生。根据本发明，通过将公共或单个的源分离并随后延迟这两个辐射分量之一而产生具有相位偏移的频率曲线的第二虚拟源。图2示出了辐射分量的频率曲线，未被延迟的分量用实线示出，而经过延迟的辐射分量用虚线示出。

如果两个辐射分量都经由公共的光学系统发射到共同的目标或由所述光学系统接收，则必须允许在接收方进行分离，以评价这两个辐射分量，这在现有技术中是通过不同的偏振来解决的。但是，原则上，在根据本发明的方法或相应装置中，也可以使用其他类型的分离，例如光谱上或色彩上或算法上的分离。

图3a-b中示意性地示出了根据本发明的测距仪的第一实施方式。该测距装置具有激光源，该激光源包括用于向待测量目标6发射啁啾的激光辐射的DFB激光二极管1，激光辐射被进行了频率调制，以使得它具有啁啾。激光二极管产生的激光辐射经偏振分束器分为π和σ偏振这两个辐射分量，在发射之前，两个辐射分量之一相对于另一个辐射分量被延迟，例如使其经过这里示出的光延迟路径3。选择光延迟路径的长度，使得至少针对每个周期的时间间隔得到相反频率曲线。为了使可用周期最大化和为了实现最大测量速率，选择延迟或延迟路径的长度，使得辐射分量可以按照180的相反啁啾的相位偏移被发射。为了在组件侧上实现，例如，可以使用保偏光纤作为延迟路径3和引导未被延迟的辐射分量，在每种情况下发射都是在光纤的偏振轴上经由偏振分束器来实现的。该分离的耦合对于全部设置(setup)保持，使得按照该方式并行地存在实际两个干涉仪。

在辐射分量的光谱可分离的情况下，可以使用具有单个信号发生器的两个不同源来调制，这通常使两个源的费用也成为必要，但允许降低复杂性以及通过公共调制的频率曲线的同一性。但是，如果两个辐射分量的随后光谱分离或下游产生例如是通过光学参数振荡器而进行的或用于产生的源从开始就产生两个可分离的载波波长，则也可以使用单个源而产生待发射的激光辐射。例如，EP 1906137中描述了其他可能的激光源是经调制的电吸收激光器(EAL)。

然而，在示出的实施方式中，以示例的方式，通过两个辐射分量的不同偏振来允许分离。

激光辐射的两个辐射分量经由同时位于测量干涉仪5和参考干涉仪7中的两个光纤耦合器4a和4b或复用器而耦合，测量干涉仪5包括经由待测量目标6的光束引导器，参考干涉仪7具有限定的参考路径，这两个干涉仪这里被表示为没有进一步的细节的功能单元，而是出于说明的原因纯粹地示意性地示出。例如按照马赫-策恩德干涉仪的形式给出干涉仪的可能的具体设置。每个干涉仪都有检测器8，检测器8用于接收从目标6反向散射的激光辐射或经过参考路径的激光辐射。

根据本发明，仅一个辐射分量经过参考干涉仪的实现是同样可能的，评价测得的干涉图所需的第二辐射分量的相位信息是通过在例如中间存储部的处理单元中的时间延迟而获得的。

例如在标准具或马赫-策恩德配置中的参考干涉仪用于考虑或补偿激光源的调整动作的非线性。如果激光源的行为足够线性或是已知的且稳定，则也可以原则上利用参考干涉仪来分配。但是，通常情况并不是这样。除了参考干涉仪，还可以将这里未示出的校准单元、具体地为充气光电池或法布里-珀罗元件形式的校准单元集成进来，以确定参考干涉仪的长度。例如在EP 1696201中公开了这种校准组件的使用。

测量和参考干涉仪还可以具有公共的路径几何排列，即，可以具有部分公共的用于测量臂和本地振荡器臂的干涉仪光束路径。针对测量干涉仪，这里通过在光出射表面处的反射来限定本地振荡器臂，从而指定恒定的、特别是已知的距离，而避免进一步的反向反射。另一方面，测量干涉仪的测量臂通过待测量目标6处的反射来限定。在该另选方案中，测量臂和本地振荡器臂的反向反射光最终通过了公共检测器。

在图3b中更详细地示出了检测器8的实施方式的设置。在分离辐射分量后，由目标反向散射的辐射或在本地振荡器中穿过的辐射通过偏振依赖的分束器8A到达检测器单元8B。随后可以例如通过外差干涉混频方法来进行信号评价，提供相应的混频器或将检测器单元8B形成为这样的混频器。根据在检测器侧上使用的可分离性和分量来进行激光源和针对偏振的选择或载波波长。

图4中的示意图中示出了根据本发明的测距仪的第二实施方式，该实施方式在基本概念上对应于第一实施方式，但具有声光调制器10，利用随后的分束器10A将两个干涉仪的本地振荡器提高了调制器10的调制频率，这促进了检测能力。因此辐射的分离经由调制器10中的针对两个干涉仪的总共三个出口处的光纤耦合器4C来实现。通过光纤耦合器9再次实现组合，光纤耦合器9的出口在每种情况下在检测之前都连接到位于干涉仪的出口处的检测器8。

对于该第二实施方式，用于将激光辐射发射到目标6并从所述目标接收激光辐射的光学系统5’示意性地示出在测量干涉仪中。

图5按照示意图示出了根据本发明的测距装置的第三实施方式。通过使用延迟路径3下游的偏振控制元件11来改变两个辐射分量的偏振，可以获得保偏光纤的份额(share)的降低。因而，测距装置的组件之间的光学连接的一部分可以是单模光纤的形式。通过改变偏振，偏振控制元件11补偿了单模光纤的影响，直到在检测器侧上两个辐射分量的接收再次最优。通过使用偏振控制元件11，保偏光纤的使用可以限于延迟路径3和平行的未延迟光束引导部以及检测器8的区域，该区域在图中用虚线例示。

图6示出了针对第二实施方式的工作原理的在组件侧上可能的示例性实现。通过DFB激光二极管1来产生激光辐射，光学组件之间的连接是保偏、单模光纤的形式。激光辐射通过偏振分束器2而被π和σ偏振，在该实施方式中，σ偏振辐射分量经过了延迟路径3，延迟路径3可以按照光纤绕组的形式来实现。在频率曲线的例如10kHz的接收速率处，频率斜坡可以同色但相反方向通过10km的这样的延迟路径，结果获得了180°的相位偏移所需要的0.05ms的延迟。例如，针对标准单模光纤在波长范围1.55μm中的最大损耗为0.2dB/km(康宁SMF-28e)，这意味着经由示例性延迟路径传输的损耗为2dB。

两个辐射分量通过光学耦合器4A’而组合，随后再次经由光纤4D再次耦入测量干涉仪以及具有下游分束器10A的声光调制器10。光学系统5’的形式为具有至少部分公共的发送和接收光束路径的望远镜，待测量目标6在测量期间是测量干涉仪的一部分。经由光学路径和光纤耦合器9、9’，信号被传输到检测器，检测器具有针对两个偏振的偏振依赖分束器8A和检测器单元8B。检测器信号接着经由电缆传递到信号处理器。信号处理器执行信号的处理和评价，并且可选地作为信号发生器，经由控制线缆来控制两个光束源。

图6中示出的实施方式的变型例在图7中被示出为第三实施方式的在组件侧上的可能实现。偏振控制元件11以及另外的等同设置的使用使得可以在测距装置的大部件中分配保偏光纤，出于该目的，偏振控制元件11布置在延迟路径3之后。偏振控制元件11匹配这两个偏振，使得接收以及产生的信号针对检测器单元8B被优化。结果，可以补偿由于非保偏分量导致的影响。在该图中，用保偏部件形成的部分再次用虚线示出。

图8示出了根据本发明的测距装置的第四实施方式在组件侧上的可能实现，该示意图对应于图4。因此，该实施方式在基本概念上类似于第二实施方式以及根据图6在组件侧上的相应可能实现，但是由于相应的信号处理，使得可以完全地利用保偏光纤和偏振分离检测来分配，从而可以分配在图3b中示出的检测器，其具有分离的检测器单元，该检测器单元具有上游偏振依赖分束器。因而，检测器8’各具有仅一个检测器单元。通过使用延迟路径3，原则上还可以分配第二DFB激光器，在该激光器中按照相同波长范围发射的虚拟或表观的第二源由延迟路径3产生并且随后与未延迟的激光信号进行组合。通过使用调制器10和利用检测器8’对两个辐射分量的共同检测，干涉仪的载波信号现在出现在围绕调制器10的频率的分离侧上，这允许模拟或随后的软件信号的分离(滤波)。在几个GHz的范围内调整频率斜坡时，辐射分量的信号通常由于检测器8’的有限带宽而将不显著地干涉。在激光源的情况下仅在相交区域中会出现干涉，在激光源上，在延迟长度的范围内具有相干长度，结果为配对限于调整范围的一半。在调整期间在反转点之后，辐射分量或延迟以及未延迟分量相对于调制频率换边(change side)。

如在作为特定变型例的该实施例中，还可以完全分配保偏光纤，并且在标准单模设计中还设置具有定制光纤耦合器2’和4A’的延迟路径。适当的检测器8’是标准的PIN二极管，并且利用偏振分束器的特殊信号分离不是必需的。

Claims (14)

1.一种测距方法，该测距方法包括以下步骤：

经由本机振荡器路径向待测量的至少一个目标(6)发射具有两个可分离的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)反向散射的激光辐射以及经过参考路径的激光辐射；

将接收到的激光辐射转换为信号；

基于干涉混频根据所述信号来确定到所述至少一个目标(6)的至少一个距离，

该方法的特征在于，在发射之前使所述辐射分量中的一个相对于另一个辐射分量在时间上被延迟。

2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，对所述辐射分量中的一个进行延迟，使得所述辐射分量按照180°的相反啁啾的相位偏移被发射。

3.根据权利要求1或2所述的测距方法，其特征在于，所述两个辐射分量具有不同的正交偏振。

4.根据上述权利要求中任意一项所述的测距方法，其特征在于，具体通过对公共载波波长进行相反移位而使得所述两个辐射分量具有不同的载波波长。

5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于包括以下步骤：针对所述两个辐射分量进行模拟或软件数字信号分离。

6.根据上述权利要求中任意一项所述的测距方法，其特征在于包括以下步骤：参考用于考虑或补偿在确定所述至少一个距离的过程中产生啁啾时的非线性。

7.一种用于执行根据上述权利要求1至6中任意一项所述的方法的测距装置，该测距装置至少包括：

频率可调制的激光源，其用于产生啁啾激光辐射并向待测量的目标(6)发射该啁啾激光辐射，该激光辐射具有两个可分离的辐射分量；

信号发生器，其用于对所述激光源进行调制；

测量干涉仪(5)，其具有用于接收从目标(6)反向散射的激光辐射的检测器(8，8’)；

混频器，其用于执行外差干涉混频方法，

该测距装置的特征在于，所述激光源具有针对所述两个辐射分量之一的光学延迟路径(3)，从而得到了虚拟的第二激光源，该第二激光源相对于所述激光源具有时间特性偏移。

8.根据权利要求7所述的测距装置，其特征在于，对所述光学延迟路径(3)的长度进行选择，使得所述辐射分量能够按照180°的相反啁啾的相位偏移被发射。

9.根据权利要求7或8所述的测距装置，其特征在于，所述激光源具有用于产生所述可分离的辐射分量的偏振分束器(2)。

10.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于包括设置在所述延迟路径(3)的下游的偏振控制元件(11)，该偏振控制元件(11)旨在调整所述两个辐射分量的偏振。

11.根据权利要求10所述的测距装置，其特征在于，该测距装置的组件之间的光学连接的一部分是单模光纤的形式。

12.根据权利要求7至11中任意一项所述的测距装置，其特征在于包括声光调制器(10)，该声光调制器(10)用于将所述两个干涉仪的本机振荡器提高所述调制器(10)的调制频率。

13.根据权利要求12所述的测距装置，其特征在于，两个辐射分量是由公共检测器(8’)接收的，并且随后对所述两个辐射分量进行模拟或软件数字信号分离。

14.根据权利要求7至13中任意一项所述的测距装置，其特征在于包括参考干涉仪，该参考干涉仪用于考虑或补偿产生啁啾的过程中的非线性。

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