CN102549449A - 操作smi传感器的方法和相应的传感器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操作自混合干涉传感器的方法和相应的自混合干涉传感器设备。在该方法中，设备的激光器（1）被控制为周期地发射激光脉冲，在该激光脉冲后面为具有较低幅度的激光辐射的发射周期。选择激光脉冲的脉冲宽度从而使得所述脉冲在物体（3）处反射后在具有较低幅度的激光辐射的发射周期期间重新进入激光器（1）。相应的SMI信号具有增加的信噪比。

Description

操作SMI传感器的方法和相应的传感器设备
技术领域
本发明涉及一种操作用于测量物体的速度和/或距离的自混和干涉（SMI）传感器的方法，所述传感器至少包括激光器和光检测器，该光检测器被设置为测量激光器的输出功率中的变化。本发明还涉及适于根据以上方法进行操作的自混和干涉传感器设备。
背景技术
基于自混和干涉度量法的激光传感器通常可以提供对速度、振动和距离的测量，并因而涵盖了广阔的应用范围。SMI激光传感器利用了以下效果，其中，从目标物体散射或反射回来并重新进入激光器腔的激光辐射与共振辐射发生干涉，并从而影响激光器的输出属性。在输出功率或频率中获得的变化包含有关于目标物体相对于传感器的移动和距离的可跟踪信息。通常经由光电二极管来收集包含此信息的激光器输出信号。目标物体的移动例如引起回散射激光辐射（该回散射激光辐射与激光器腔中的激光场发生干涉）的多普勒位移，从而导致腔内场和输出功率的调制。调制的强度取决于回散射的激光辐射的强度。例如，在G. Giuliani等人的“Laser diode self-mixing technique for sensing applications（用于感测应用的激光二极管自混合技术）”，Journal of Optics A: Pure and applied optics 4 (2002)第S283至S294页中对激光自混和的操作原理进行了解释。
回散射激光辐射的强度取决于激光器的激光功率和目标物体的反射属性。当回散射激光辐射的强度较低时，存在于激光辐射中的噪声占主导地位，并且不再能够观测到代表SMI信号的调制。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作自混和干涉传感器的方法和被设计为根据该方法进行操作的自混和干涉传感器设备，所述方法和设备实现了SMI信号的改进的信噪比。
利用根据权利要求1和4的方法和设备实现了该目的。该方法和设备的优选实施例是从属权利要求的主题，或者在说明书的后续部分中对其加以描述。
在所提出的操作用于测量物体的速度和/或距离的自混和干涉传感器的方法中，自混和干涉传感器的至少一个激光器被控制为周期地发射激光脉冲，该激光脉冲后面为具有比该激光脉冲更低的幅度的激光辐射的发射周期，调节所述激光脉冲的脉冲宽度从而使得该激光脉冲在物体处反射后在具有较低幅度的激光辐射的发射周期期间重新进入该激光器。这意味着激光脉冲的脉冲宽度必须满足以下条件：t<2d/c，其中d是物体的距离而c是光的速度。换言之，脉冲持续时间必须小于脉冲从激光器传播到物体所需的时间。
本发明的实质特征是利用等于或小于从激光器传播到目标物体并返回所需的时间的脉冲持续时间来施加激光功率的脉冲调制。通过此脉冲调制，将增强信噪比的SMI信号限制在其中回反射或回散射的脉冲与激光器腔中较低幅度的激光辐射发生干涉的时间周期。在这些周期期间，检测并评估SMI信号以便确定物体的速度和/或距离。
可以控制SMI传感器的激光器以使得具有较低幅度的激光辐射的发射周期延长直到生成下一个脉冲。具有较低幅度的激光辐射的发射周期还可以具有更短的持续时间，从而使得进一步减小激光功率（甚至到0）直到发射下一个脉冲。显而易见的是，在脉冲之后的较低幅度的激光发射的持续时间必须足够长以允许回散射或回反射的激光脉冲与激光器腔中的这种激光辐射进行自混和干涉。
利用SMI传感器的激光器的这种操作，基于以下原因改进了SMI信号S的信噪比。SMI信号S与强度为Ib的回反射场和强度为Il的激光器腔内部的激光辐射场之间的干涉强度成比例：
Figure 756115DEST_PATH_IMAGE001
该信号的噪声由定义为n（Il）的激光噪声来确定，并且n是激光强度Il的函数。对于恒定激光功率，正如这种SMI传感器的已知操作模式中的情况那样，信噪比SNR给定为：
Figure 735572DEST_PATH_IMAGE002
。
当根据所提出的方法来操作SMI激光传感器时，激光器以较高强度g
Figure 79091DEST_PATH_IMAGE003
Il产生脉冲，并且脉冲持续时间等于或小于从激光器到目标物体并返回的往返时间。随后，回反射的激光辐射将具有增强的功率g
Figure 474301DEST_PATH_IMAGE003
Ib，其中Ib被视为低内腔功率的反射激光的功率水平。当在回反射脉冲和较低强度的正常激光辐射之间的干涉周期期间观测SMI信号S时，信号S具有增强的强度
Figure 288673DEST_PATH_IMAGE004
。另一方面，噪声同样仍为Il而没有改变并且回反射的部分g*Ib与Il相比仍然是小的。因此整体的信噪比以
Figure 173452DEST_PATH_IMAGE005
而增加。当SMI信号的检测是定时门控的从而使得仅在高功率的回反射脉冲与具有正常（较低）激光强度的激光辐射重叠的周期期间来检测或评估该信号时，根据以上解释，增加了信噪比。
激光脉冲的脉冲持续时间优选地应当长于激光器的松弛振荡频率的倒数。此条件确保了可以忽略场方程的激光动态并且常规的SMI描述仍然适用。例如，目标物体和激光器之间的距离的典型数字为30cm。这意味着根据所提出的方法，脉冲持续时间应优选地等于或小于2ns。在垂直腔面发射激光器（VCSEL）的情况下，当远超过阈值来操作该激光器时，松弛振荡频率高于10GHz。因此，应当将脉冲持续时间调节为比0.1ns长，即应在0.2ns和2ns之间的范围内。在所提出的方法中，反射的激光场和激光器腔中的激光场之间的重叠是必需的。在上述情况下，这意味着脉冲的输出功率中的变化需要比2ns更快，或者在通常的情况下，比光从激光器传播到目标并返回所需的时间更快。
在激光技术领域中，可以通过不同的已知手段来执行激光发射的脉冲调制，其中激光器腔内的增益和损耗被适当地控制。在激光二极管作为SMI传感器的激光器的情况下，可以通过激光二极管的驱动电流的调制来周期地进行该调制，从而使得具有高驱动电流的第一驱动周期之后为具有较低驱动电流的第二周期。第一周期对应于激光脉冲的生成，而第二周期对应于具有较低幅度的激光辐射的生成。通过驱动电流的调制允许非常简单地生成激光二极管的期望的脉冲产生发射行为。
相应的自混和干涉传感器设备因此至少包括激光器，优选地包括激光二极管；光检测器，其被设置为测量激光器的输出功率中的变化；以及控制单元，其控制激光器发射激光辐射。控制单元被设计为控制激光器周期地发射具有脉冲宽度和脉冲幅度的激光脉冲，其后为具有较低（优选为恒定的）幅度的激光辐射的发射周期。选择脉冲的宽度从而使得要被感测的脉冲在物体处反射后在具有较低幅度的激光辐射的发射周期期间重新进入激光器。优选地，将脉冲宽度调节或选择为等于或小于2ns。利用该值，覆盖了这种SMI传感器设备的典型应用及其测量范围。
连接到SMI传感器或与SMI传感器集成的检测单元以已知的方式对光检测器的信号进行检测和评估，以便基于测量的输出功率中的变化来确定物体的速度和/或距离。光检测器可以是检测单元的一部分，或者连接到检测单元。该检测单元仅对在回散射的脉冲与具有较低幅度的激光辐射重叠期间（即在回反射的激光脉冲与激光器腔内的这种辐射发生干涉时）测量的光检测器的信号周期进行评估。仅在这些周期期间评估或检测SMI信号。优选地，对从光检测器传递的信号或该光检测器的操作进行适当的门控以仅在上述周期期间提供信号。
所提出的方法也可以应用到具有超过一个激光器的SMI传感器设备。这些激光器可以共享仅有的一个检测单元以便降低这种设备的成本。在这样的情况下，控制不同的激光器从而使得相继地发射不同激光器的激光脉冲，并且其在时间上不重叠。因而，具有增加的信噪比的SMI信号在时间上也不重叠，并且可以按时间顺序通过检测单元对其进行检测。通过这样的手段，可以有利地利用单个检测单元来操作整个设备。
利用所提出的方法和相应的SMI传感器设备，与以正常操作条件（即具有恒定幅度的激光辐射）来操作SMI传感器的情况相比，增加了SMI信号的信噪比。当远高于阈值来操作这种激光器时，激光辐射包括以
Figure 502802DEST_PATH_IMAGE006
增加的散粒噪声。由于在较高功率处激光器通常接近于模式转换，所以噪声不仅被散粒噪声所占据而且所谓的模式分配噪声还使得噪声增加。在这样的情况下，根据本发明的脉冲技术具有显著的优势，这是因为高强度噪声仅存在于回反射脉冲中，其由于反射而变弱，并且不会影响SMI信号。所提出的方法和相应的设备的另一个优点在于可以以较低的平均操作电流以及因此较低的平均温度来操作激光器。这对于激光器的寿命来说是有好处的，对于较高的操作温度激光器寿命通常较短。
附图说明
在没有限制由权利要求所限定的保护范围的情况下，以示例的方式结合附图在下文中描述了所提出的方法和设备。附图示出：
图1 所提出的SMI传感器设备的示意性设置的示例；
图2 用于激光辐射的脉冲调制的驱动电流的两个示例；以及
图3 示出了在具有两个或更多激光器的SMI传感器的情况下根据所提出的方法的操作原理的示例。
具体实施方式
图1示出在测量目标物体的速度或距离时，所提出的SMI激光传感器设备的示意性设置的示例。SMI激光传感器设备包括连接到激光脉冲驱动器2的激光器1。激光脉冲驱动器代表激光器1的控制单元，或者是激光器1的控制单元的一部分，并产生经调制的驱动电流，从而使得激光器1周期地发射激光脉冲，在该激光脉冲后面为与该脉冲相比具有较低幅度或强度的激光发射的周期。该脉冲被朝向目标物体3引导并部分回反射到激光器1的腔中。在图1中指示了发射并回反射的激光辐射4。激光器1被控制为使得生成与激光脉冲相对应的高强度场，并且当该激光脉冲在目标物体3处回反射并且重新进入激光器腔1中时，将激光强度切换至正常（较低的）操作水平并且通过检测单元5来检测激光功率或激光强度。回反射激光脉冲在重新进入激光器腔时与内部的激光场6发生干涉，从而产生输出功率或内部功率中的调制，即SMI信号。由于此SMI信号与相比于正常激光器操作（没有较高强度的脉冲）处的回反射辐射的较高的回反射强度相对应，因此增加了信噪比。随后，检测单元5对检测的信号进行评估以便确定目标物体的距离和/或速度。此评估与利用SMI传感器测量距离和/或速度的已知现有技术是相同的（例如见此说明书的介绍部分中提及的G. Giuliani等人的发表）。
图2示出根据本方法用于生成脉冲激光输出的驱动电流的两个示例。在第一示例中，利用脉冲宽度为Δtp的脉冲驱动电流产生脉冲，并且该脉冲后面为随后减少到0的较低驱动电流的周期直到生成下一个脉冲。另一可能性是在用于生成脉冲的较高电流之后维持较低的驱动电流直到生成下一个脉冲。这在图2的第二幅图中被示出。然而，脉冲之间的电流也可以另外变化。较低驱动电流的周期应至少具有这样的持续时间，其确保回反射的脉冲与较低幅度的激光辐射之间的干涉可以在激光器腔的内部发生并且能被监测单元5检测，该检测单元5连接到适当的发光二极管或包括发光二极管。
图3示出具有三个激光器1的SMI传感器设备的示例。为了降低这种SMI传感器设备的成本，三个激光器1共享检测电子设备（即检测单元5）。这些激光器以根据本发明的脉冲模式来操作。进行此操作从而使得激光器发射的脉冲（并因此还有下面的电流脉冲）在时间上不重叠，如此图的左侧所示意性所示的那样，该图示出相应的激光器1的驱动电流的运行（run）的时间部分。这允许对不同激光器的信号顺序地进行采样。在此情况下，当检测第一激光器的信号时（即当高强度脉冲的回反射部分与具有正常脉冲强度的辐射重叠时），第二激光器的脉冲已经生成。在检测第一激光器的信号之后，检测单元5切换到第二激光器，随后对于该第二激光器，回反射脉冲部分正在重新进入激光器腔，等等。根据本发明，对于所有检测的SMI信号而言信噪比都因而增加，并且实现了仅利用一个检测单元5同时操作三个或更多个激光器。
尽管在附图和前述描述中已经详细地图解和描述了本发明，然而这种图解和描述被看作是说明性和示例性的而非限制性的，并没有将本发明局限于所公开的实施例。还可以组合上述和权利要求中的不同实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时通过研究附图、公开内容和所附的权利要求可以理解并实现所公开的实施例的其他变形。例如，用于生成激光器的脉冲输出的驱动电流也可以不同于图2所示的示意性运行。具体而言，脉冲波形也可以不同于矩形波形。此外，也可以以独立于驱动电流的其他方式来执行激光发射的调制。设备的激光器并不局限于激光二极管，而还可以是其他类型的激光器，例如光抽运固态激光器（optically pumped solid state laser）。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件和步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。事实是，在彼此不同的从属权利要求中记述的手段并不表示不可以有利地使用这些手段的组合。权利要求中的任何附图标记不应被理解为对这些权利要求的范围进行限制。
附图标记
1 激光器
2 激光脉冲驱动器
3 目标物体
4 回反射激光辐射
5 检测单元
6 内部激光场
7 驱动电流的运行

Claims (8)

1.一种操作用于测量物体（3）的速度和/或距离的自混和干涉传感器的方法，所述传感器至少包括激光器（1）和光检测器，该光检测器被设置为测量激光器（1）的输出功率中的变化，其中激光器（1）被控制为周期地发射激光脉冲，在该激光脉冲后面为具有比该激光脉冲更低的幅度的激光辐射的发射周期，调节所述激光脉冲的脉冲宽度从而使得所述激光脉冲在物体（3）处反射后在具有较低幅度的激光辐射的发射周期期间重新进入激光器（1）。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中仅在以下周期期间对光检测器的测量信号进行评估，在所述周期中在物体（3）处反射并且重新进入激光器（1）的激光脉冲与激光器（1）中的较低幅度的激光辐射发生干涉。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中在自混和干涉传感器包括共享一个检测单元（5）的多个激光器（1）的情况下，所述多个激光器（1）被控制为使得不同激光器（1）的激光脉冲在时间上不重叠，从而允许检测单元（5）顺序地对不同激光器（1）的测量信号进行检测或评估。
4.一种自混和干涉传感器设备，其至少包括：
激光器（1），
光检测器，其被设置为测量激光器（1）的输出功率中的变化，以及
控制单元（2），其控制激光器（1）发射激光辐射，
其中所述控制单元（2）被设计为控制激光器（1）周期地发射激光脉冲，在该激光脉冲后面为具有比该激光脉冲更低的幅度的激光辐射的发射周期，调节所述激光脉冲的脉冲宽度从而使得要被感测的所述激光脉冲在物体（3）处反射后在具有较低幅度的激光辐射的发射周期期间重新进入激光器（1）。
5.根据权利要求4所述的设备，
其中控制单元（2）被设计为通过将经调制的驱动电流施加到激光器来控制激光器（1）发射激光脉冲。
6.根据权利要求4所述的设备，
其中所述脉冲宽度等于或小于2ns。
7.根据权利要求4所述的设备，
其中提供检测单元（5），在该检测单元（5）中，对光检测器的测量信号进行评估以便基于测量的输出功率中的变化确定物体（3）的速度和/或距离，所述检测单元（5）被设计为仅在以下周期期间对测量信号进行检测或评估，在所述周期中在物体（3）处反射并且重新进入激光器（1）的激光脉冲与激光器（1）中的较低幅度的激光辐射发生干涉。
8.根据权利要求7所述的设备，
包括共享所述检测单元（5）的多个激光器（1），其中控制单元（2）被设计为控制所述多个激光器（1）从而使得不同激光器（1）的激光脉冲在时间上不重叠。
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