CN103792540A

CN103792540A - 调制激光测距器和方法

Info

Publication number: CN103792540A
Application number: CN201310532671.8A
Authority: CN
Inventors: D·R·琼沃思
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-05-14
Also published as: IL228545B; US9335415B2; US20140118718A1; IL228545A0; EP2728377A3; EP2728377A2; EP2728377B1

Abstract

本发明的名称是调制激光测距器和方法。一种激光测距器，其包括激光器，该激光器经配置将激光束投射至目标物体上，从而引起目标光束自目标物体反射，其中激光束具有频率，并且其中以已知的速度调制频率；第一分束器，其被布置以从激光束分裂出基准光束；第二分束器，其被布置以接收目标光束和基准光束，其中目标光束和基准光束被相干组合，该相干组合光束确立差频；以及探测器，其经配置测量差频。

Description

调制激光测距器和方法

技术领域

该申请涉及到目标物体的距离的测量，更具体地，涉及使用调频激光束测量到目标物体的距离。

背景技术

激光测距器投射激光束，从而测量到目标物体的距离。传统的激光测距器是相对小型的，同时仍提供了相对精确的距离测量。因此，传统激光测距器被用于各种应用中，如体育应用（例如，高尔夫和狩猎）、建筑应用（例如，测绘）以及军事应用（例如，目标获得）。

传统的激光测距器通常采用“飞行时间”方法，进行测量距离。飞行时间激光测距器一般包括激光器和探测器。激光器朝向目标物体投射激光脉冲并且开始计时(clock)。探测器探测由于激光脉冲撞击目标物体的反向散射。计时器(clock)在最初探测到反向散射后鸣响。激光脉冲的投射和反向散射的最初探测之间的时间差是飞行时间（即，光从激光测距器飞行到达目标物体，并且然后返回至激光测距器所花费的时间）。然后，通过将飞行时间乘以光的速度再除以二（到目标物体的距离是所传播的距离的一半），计算到目标物体的距离。

因为传统的“飞行时间”激光测距器基于反向散射的第一次探测测量距离，这种激光测距器被限制为仅探测一个物体（即，激光脉冲的路径内的第一个物体）。此外，仅测量到目标物体的前缘的距离。因此，限制了传统的“飞行时间”激光测距器的利用。

因此，本领域技术人员在激光测距器领域继续研究和开发努力。

发明内容

在一个实施方式中，公开的激光测距器可包括激光器，其经配置将激光束投射至目标物体上，从而引起目标光束自目标物体反射，其中激光束具有频率，其中以已知速度调制该频率；第一分束器，其被布置以从激光束分裂出基准光束；第二分束器，其被布置以接收目标光束和基准光束，其中目标光束和基准光束被相干组合，相干组合光束确立差频；以及探测器，其经配置测量差频。

在另一个实施方式中，公开的激光测距器可包括激光器，其经配置将激光束投射至目标物体上，从而引起目标光束自目标物体反射，其中激光束具有频率，其中以已知的调制速度调制频率；第一分束器，其被布置以从激光束分裂出基准光束；第二分束器，其被布置以接收目标光束和基准光束，其中目标光束和基准光束被相干组合，相干组合光束确立差频；以及探测器，其经配置以测量差频并且基于所测量的差频和已知的调制速度计算到目标物体的距离。

在另一个实施方式中，公开的测量到目标物体的距离的方法可包括以下步骤：（1）将连续的激光束投射至目标物体上，从而引起目标光束自目标物体反射，其中激光束具有频率；（2）以已知的调制速度调制频率；（3）从激光束分裂出基准光束；（4）相干组合目标光束与基准光束，其中相干组合光束确立差频；（5）测量差频；以及（6）基于所测量的差频和已知的调制速度，计算距离。

在仍另一个实施方式中：

根据本公开的方面，提供了激光测距器，其包括：

激光器，其经配置将激光束投射至目标物体上，从而引起目标光束自所述目标物体反射，其中所述激光束具有频率，并且其中以已知的调制速度调制所述频率；

第一分束器，其被布置以从所述激光束分裂出基准光束；

第二分束器，其被布置以接收所述目标光束和所述基准光束，其中所述目标光束和所述基准光束被相干组合，其中所述相干组合光束确立差频；以及

探测器，其经配置测量所述差频。

有利地，所述探测器经进一步配置，以基于所述测量的差频和所述调制速度测量到所述目标物体的距离。

有利地，所述调制速度是线性的。

有利地，所述基准光束泛射(flood)所述探测器。

有利地，所述探测器包括光电探测器。

优选地，所述光电探测器在所述差频下形成电流振荡。

优选地，所述探测器进一步包括互阻抗放大器，其经配置将所述电流转换成电压信号。

优选地，所述探测器进一步包括处理器，其经配置基于所述电压信号确定所述差频。

有利地，所述探测器是光学探测器。

有利地，所述激光束被连续投射。

根据本公开的进一步方面，提供了用于测量到目标物体的距离的方法，所述方法包括以下步骤：

将连续的激光束投射至所述目标物体上，从而引起目标光束自所述目标物体反射，其中所述激光束具有频率；

以已知的调制速度调制所述频率；

从所述激光束分裂出基准光束；

相干组合所述目标光束与所述基准光束，其中所述相干组合光束确立差频；

测量所述差频；以及

基于所测量的差频和所述已知的调制速度，计算所述距离。

有利地，用于测量到目标物体的距离的方法进一步包括以下步骤：

确定所述目标物体的方位角和升运角(elevation angle)；以及

基于所述计算的距离和所述方位角和升运角计算所述目标物体的空间坐标。

有利地，用于测量到目标物体的距离的方法进一步包括扫描所述激光束的步骤。

有利地，在用于测量到目标物体的距离的方法中的所述调制速度是线性的。

有利地，在用于测量到目标物体的距离的方法中的所述相干组合步骤包括将多个目标光束与所述基准光束相干组合。

有利地，用于测量到目标物体的距离的方法进一步包括计算所述目标物体的深度的步骤。

有利地，用于测量到目标物体的距离的方法进一步包括计算所述目标物体的散射横截面的步骤。

有利地，用于测量到目标物体的距离的方法进一步包括计算所述目标物体的加速度的步骤。

有利地，在用于测量到目标物体的距离的方法中的所述测量步骤包括将所述相干组合光束投射至光电探测器上。

有利地，在用于测量到目标物体的距离的方法中的所述测量步骤包括：

产生电压信号；以及

分析所述电压信号。

由以下具体实施方式、附图和所附权利要求，所公开的调制激光测距器的其他实施方式和方法将变得明显。

附图说明

图1是所公开的调制激光测距器的一个实施方式的图示，其示出探测目标物体；

图2是图1调制激光测距器的探测器的示意性方框图；

图3是图1调制激光探测器的基准光束的频率随时间变化的图形表示；

图4是由图1调制激光探测器所接收的目标光束的频率随时间变化的图形表示；

图5是图3和图4的图形比较，其示出由于调制激光束的传播时间导致的时间移位；

图6是由图4目标光束和图3基准光束的相干叠加产生的差频随时间变化的图形表示；

图7是由于图4目标光束和图3基准光束的相干叠加观察到的光信号（电压随时间变化）的图形表示；

图8是图1调制激光测距器探测多个目标物体的图示；

图9是公开的调制激光测距器的另一个实施方式的图示；以及

图10是描绘用于测量到目标物体的距离的所公开方法的一个实施方式的流程图。

具体实施方式

参考图1，所公开的调制激光测距器的一个实施方式——一般指定为10——可包括激光器12、探测器14、第一分束器16和第二分束器18。调制激光测距器10可被采用，以测量到目标物体20的距离、以及任选地测量目标物体20的深度、加速度、散射横截面和/或角度位置。

激光器12可朝向目标物体20投射连续的激光束22。在距离激光器12的给定距离下激光束22的直径D可以是光束发散度（例如，1度）的函数，其将取决于经选择用于调制激光测距器10的激光器12的类型等。因此，调制激光测距器10的视场可随着距调制激光测距器10的距离增加。

激光器12可以在已知的调频速度下连续地调制激光束22的频率。任何可用的技术可被用于调制激光束22的频率，条件是调制速度是已知的（用于随后的信号处理）。调频可受到激光器12本身的影响（即，调制可以与激光器12整合）。可选地，可以采用附加组件如调频器（例如，可布置在激光束22的路径中），从而调制朝向目标物体20投射的激光束22的频率。

调频速度可以是线性的。图3提供了在设定的线性速度下正被调制的激光束22的频率的图形表示。然而，非线性调频速度的使用也被考虑，并且不会导致脱离本公开的范围。

作为一个具体的、非限制性的例子，由激光器12所投射的激光束22可以是477tHz激光束，并且可以以1Hz每秒被调制，如下：t=0s时477tHz；t=1s时477tHz+1Hz；t=2s时477tHz+2Hz；t=3s时477tHz+3Hz；t=4s时477tHz+4Hz；t=5s时477tHz+5Hz；t=6s时477tHz+6Hz；t=7s时477tHz+7Hz；t=8s时477tHz+8Hz；t=9s时477tHz+9Hz；t=10s时477tHz；t=11s时477tHz+1Hz；等等。

第一分束器16可分裂出激光束22的一部分（例如，相对小的部分），从而产生基准光束24。基准光束24可被引导至第二分束器18，并且最终被引导至探测器14。

激光束22的余量(balance)（即，激光束22减去被分裂出的基准光束24的部分）可投射至目标物体20。当激光束22碰撞目标物体20时，反向散射可引起目标光束26朝向调制激光测距器10返回。

第二分束器18可接收基准光束24和目标光束26。在第一和第二分束器16、18适当定向的情况下，目标光束26可与基准光束24平行对齐，并且可相干叠加至基准光束24。相干组合的基准光束和目标光束24、26可作为相干组合光束28传递到探测器14。基准光束24可泛射探测器14。

如图3-5所示，在任何给定时间下，探测器14处的基准光束24的频率（图3）可不同于探测器14处的目标光束26的频率（图4）。图5所示移位可能由于目标光束26和基准光束24之间的时间延迟所致，所述时间延迟是由于目标光束26从调制激光测距器10至目标物体20，然后返回至调制激光测距器10的飞行时间所致。

因此，如图6所示，相干组合光束28可产生谐波，其为基准光束24和目标光束26之间的差频（或者拍频）。差频ω_beat可如下表式：

ω_beat=ω₁–ω₂

其中ω₁是基准光束24的频率，而ω₂是目标光束26的频率。

差频可与基准光束24和目标光束26之间的时间延迟直接成比例。基于差频和已知的调频速度可以计算时间延迟。例如，时间延迟可等于差频除以调频速度。因为光的速度是已知的，通过将时间延迟乘以光的速度再除以2，可将时间延迟转换成距离。因此，差频也可与到目标物体20的距离直接成比例。

探测器14可接收相干组合光束28并且可基于相干组合光束28的差频确定到目标物体20的距离。探测器14可探测相干组合光束28的差频，而不是基准光束和目标光束24、26的单个频率。探测器14可采用各种技术探测相干组合光束28的差频。例如，探测器14可以是光学探测器，其经配置观察相干组合光束28的差频。

参考图2，在一个具体实施中，探测器14可包括光电探测器30、互阻抗放大器32和处理器34。额外的组件（例如，显示器、存储器）可以与探测器14相关联，而不背离本公开的范围。

光电探测器30可以是响应于相干组合光束28产生电子信号的任何装置（图1）。在一个具体构造中，光电探测器30可以是光电二极管等，并且可以响应于入射光子形成自由电子（即，电流）。例如，光电二极管可包括具有p-n结的硅片。

探测器14处的相干组合光束28的强度可以是基准光束24的频率ω₁和目标光束26的频率ω₂的函数，并且可与以下成比例：

(sin(ω₁)+sin(ω₂))²

其等于：

sin²(ω₁)+sin²(ω₂)+cos(ω₁–ω₂)–cos(ω₁+ω₂)

因此，由光电探测器30所产生的电流将在相干组合光束28的差频下振荡。

互阻抗放大器32可被联接至光电探测器30或者以其他方式与光电探测器30相关联，从而将由光电探测器30所产生的电流转换成可处理的电压信号。因为相干组合光束28与光电探测器30相互作用产生自由电子，互阻抗放大器32可产生电压信号，其严密地对应于相干组合光束28的差频，如图7所示。

处理器34可以是能够接收和处理信号的任何设备或者系统（例如，包括硬件和软件的计算机处理器）。因此，处理器34可自互阻抗放大器32接收电压信号，并且可处理电压信号，从而确定相干组合光束28的差频，并且使用已知调频速度确定到目标物体20的距离（图1）。

可使用各种技术处理接收自互阻抗放大器32处的电压信号，从而确定相干组合光束28的差频，而不背离本公开的范围。作为一个例子，处理器34可使用傅里叶变换分析处理接收自互阻抗放大器32的电压信号。作为另一个例子，处理器34可使用频率-电压转换器处理接收自互阻抗放大器32的电压信号。

因此，通过将调频激光束22投射至目标物体20上以及观察基准光束24和自目标物体20反射的目标光束26之间的差频，公开的调制激光测距器10可确定到目标物体20的距离。因为调频速度是已知的，可以根据所观察的差频确定到目标物体20的距离。

尽管在图1中示出仅一个目标物体，但是公开的调制激光测距器10可同时确定到多个目标物体T₁、T₂、T₃的距离，如图8所示。激光束22视场内的每个目标物体T₁、T₂、T₃可将目标光束26′、26″、26″′反射回至调制激光测距器10。每个目标光束26′、26″、26″′可与基准光束24相干组合，从而产生被引导至探测器14的相干组合光束28。探测器14可观察相干组合光束28内的各种差频，其彼此叠加，并且可基于多个差频确定多个距离。

在这一点上，本领域技术人员将明白甚至当激光束22的视场内仅存在一个目标物体时，连续和同时处理多个目标光束26′、26″、26″′——每个与不同距离的相关——的能力将是有用的。具体地，同时处理多个目标光束26′、26″、26″′的能力可促进计算目标物体的散射横截面、目标物体的深度和/或目标物体的加速度。例如，基于到目标物体前缘的距离以及到目标物体后缘的距离，可以确定目标物体的深度。另外，即使两个目标处于相同的视线中，两个目标均可提供能够由公开的调制激光测距器10所探测的信号（目标光束），从而允许公开的调制激光测距器10在相同视线下看穿目标和/或看到多个目标。

任选地，可以在云台机构(pan-tilt mechanism)上安装所公开的调制激光测距器10，如本领域已知的。云台机构可控制调制激光测距器10的云台角度，以便可在目标区域上扫描激光束22（即，促进激光束22的扫描）。当探测目标物体20时，可以确定到目标物体20的距离，如上所述。另外，探测时的云台角度可被用于确定目标物体相对于调制激光测距器10的方位角和升运角。所测量的距离、方位角和升运角、以及任何其它数据如调制激光测距器10的位置和速度则可被用于计算目标物体的空间坐标（例如，相对于调制激光测距器10的位置），如本领域已知的。

参考图9，公开的调制激光测距器的另一个实施方式——一般被指定为100——可包括激光器102、多个探测器104、第一分束器106、第二分束器108以及透镜110。探测器104可按阵列103布置，如具有探测器104的行和列的二维阵列。阵列103的各种构造被考虑，并且在本领域任一普通技术人员的范围内。

激光器102可投射连续激光束112。第一分束器106可分裂出激光束112的部分，从而产生基准光束114，其可以被引导至第二分束器108。第二分束器108可接收基准光束114，以及从激光束112的路径内的目标物体122、124、126反射的目标光束116、118、120。目标光束116、118、120可与基准光束114对齐并且可与基准光束114相干组合，并且所产生的相干组合光束128可被投射至探测器104的阵列103上，以便可以观察各个差频。

阵列103内的每个探测器104可以是独立的，并且可经配置以进行其自身信号处理。因此，可以形成数据云，其表示在阵列103的每个探测器104处所接收的信号。

透镜110可将相干组合光束128聚焦至探测器104的阵列103上。接收光线的探测器104和所接收的光线的强度可取决于目标物体122、124、126相对于透镜110的位置而变化。因此，除了距离测量之外，使用探测器104的阵列103还可提供相对更大的空间分辨率（与仅使用一个探测器104相比）。

参考图10，同样公开的是用于测量到目标物体的距离的方法，一般被指定为200。方法200可以以产生连续激光束的步骤在方框202处开始，其中以已知调频速度调制激光束的频率。在方框204处，可从激光束中分裂出基准光束。在方框206处，激光束可被投射至目标物体上，其可导致目标光束自目标物体被反射。在方框208处，目标光束可与基准光束相干组合，这将确立差频。在方框210处，可以测量差频。最终，在方框212处，可以基于差频和已知的调频速度计算到目标物体的距离。

尽管已经示出和描述了本公开调制激光测距器的各种实施方式和方法，但是在阅读说明书后，对于本领域技术人员来说可想到各种变更。本申请包括这种变更并且仅由权利要求的范围限制。

Claims

1.一种激光测距器，其包括：

第一分束器，其被布置以从所述激光束分裂出基准光束；

第二分束器，其被布置为接收所述目标光束和所述基准光束，其中所述目标光束和所述基准光束被相干组合，并且其中所述相干组合光束确立差频；以及

探测器，其经配置测量所述差频。

2.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述探测器经进一步配置以基于所述测量的差频和所述调制速度测量到所述目标物体的距离。

3.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述调制速度是线性的。

4.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述基准光束泛射所述探测器。

5.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述探测器包括光电探测器。

6.根据权利要求5所述的激光测距器，其中所述光电探测器在所述差频下形成电流振荡。

7.根据权利要求6所述的激光测距器，其中所述探测器进一步包括互阻抗放大器，其经配置将所述电流转换成电压信号。

8.根据权利要求7所述的激光测距器，其中所述的探测器进一步包括处理器，其经配置基于所述电压信号确定所述差频。

9.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述探测器是光学探测器。

10.根据权利要求1所述的激光测距器，其中所述激光束被连续投射。

11.一种用于测量到目标物体的距离的方法，所述方法包括以下步骤：

以已知调制速度调制所述频率；

从所述激光束分裂出基准光束；

测量所述差频；以及

基于所述测量的差频和所述已知的调制速度，计算所述距离。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：

确定所述目标物体的方位角和升运角；以及

基于所述计算的距离以及所述方位角和升运角，计算所述目标物体的空间坐标。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括扫描所述激光束的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述调制速度是线性的。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述相干组合步骤包括将多个目标光束与所述基准光束相干组合。

16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括计算所述目标物体的深度的步骤。

17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括计算所述目标物体的散射横截面的步骤。

18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括计算所述目标物体的加速度的步骤。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量步骤包括将所述相干组合光束投射至光电探测器上。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量步骤包括：

产生电压信号；以及

分析所述电压信号。