CN104635207B - 使用合成波激光测距的位置确定 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用合成波激光测距的位置确定。具体地，本申请公开用于确定物体在坐标系中的位置的系统和方法。示例性系统包含三个或更多激光测距传感器，每个均被配置为朝向目标直射连续波光的传感器波束。目标反射的光干涉传感器波束，从而创建干涉波束。干涉波束与每个激光测距传感器内的本机振荡器波束组合以产生合成波波束。每个激光测距传感器也包含感测合成波波束的光电探测器阵列，并能够基于光电探测器阵列的输出测量到目标的距离。系统进一步包含控制器，该控制器从每个激光测距传感器接收距离测量值，并基于距离测量值计算目标在坐标系中的位置。

Description

使用合成波激光测距的位置确定
技术领域
本公开涉及激光的领域，且更特别地，涉及可以在诸如大型物体的制造和/或装配的应用中使用的激光测距传感器。
背景技术
术语“测距”指的是确定从一个位置到另一个位置的距离的过程。存在能够确定距离的各种系统，如SONAR(声音导航和测距)，RADAR(无线电探测和测距)以及LADAR(光探测和测距)。一种类型的测距技术使用行进时间测量值来确定距离。例如，传感器可向目标发射声或光脉冲，且测量直到回声被目标反射回的时间，以确定到物体的距离。其他类型的测距技术使用连续的声波或光波。例如，传感器可向目标发射连续的声波或光波，且来自目标的反射将干涉声波或光波，从而产生“干涉”波。当发射波和反射波(具有相同频率)组合形成干涉波时，通过发射波和反射波之间的相位差确定干涉波的所产生的模式。该相位差能被用于确定到目标的距离。
像这样的测距传感器可被用在产品诸如飞行器的制造和装配中。当零件正在被装配时，可能需要精确的测量以确保该零件被正确装配。在装配期间，匹配大型零件的形状和轮廓可能是困难的，尤其是当这些零件在不同的地方被制造时。如果激光测距传感器被用于装配过程，则期望的是设计激光测距传感器以提供有非常高精度的测量值。
发明内容
本文所描述的实施例提供实施激光测距传感器的改进的系统和方法。如本文所描述的一种系统使用三个或更多的激光测距传感器，以确定目标在坐标系中的位置。例如，如果目标位于设施中正被装配的物体上，则可以将三个或更多激光测距传感器安装在设施中的已知位置处以测量到该目标的距离。利用来自激光测距传感器的距离测量值，该目标的位置能够被准确地确定(例如，通过三边测量法)。
如本文所描述的激光测距传感器使用合成波干涉量度法来测量到目标的距离。更具体地，激光测距传感器使用具有渐增波长的合成波的梯形图来计算到目标的准确的距离测量值。示例性激光测距传感器将来自多个连续波激光器的光束混合以生成传感器波束，且将传感器波束作为光锥向目标直射或投射。当光从目标反射时，该反射干涉来自激光测距传感器的传感器波束，从而导致干涉波束。连续波激光器以不同的频率发射光束。当光束被混合在干涉波束中时，具有不同频率的光束将产生在本文中被称为“合成波”的“拍”频。由于使用多个连续波激光器，产生了合成波的梯形图。该合成波的特性随后能够被处理以测量距离。
同样地，在激光测距传感器内，来自连续波激光器的一部分光束被分割且被频移以产生本地振荡器波束。当本地振荡器波束与干涉波束混合时，基于来自连续波激光器的光束的频率和其对应的本地振荡器波束之间的差值产生外差。外差携带干涉波束的信息(如幅度和相位)，但是处于较低的频率。因此，能够针对每个外差确定光相位，且外差的光相位可被用来确定合成波的相位。合成波的波长和相位随后可被用来确定到目标的距离。
一个实施例包括用于确定目标在坐标系内的位置的装置。该装置包含三个或更多激光测距传感器，每个激光测距传感器均被配置为朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中传感器波束的波束扩展具有比目标的宽度更大的宽度。每个激光测距传感器均被配置为将干涉波束与本地振荡器波束组合以产生合成波束，其中干涉波束由从目标反射且干涉传感器波束的光产生。每个激光测距传感器也包含光电探测器器件，该光电探测器器件包括被配置为感测合成波波束的光电探测器阵列。每个激光测距传感器被配置为基于光电探测器阵列的输出值测量到目标的距离。装置还包含控制器，该控制器被配置为从每个激光测距传感器接收距离测量值并基于距离测量值计算目标在坐标系内的位置。
在另一实施例中，激光测距传感器中的一个或多个包含被配置为产生第一光束的第一连续波激光器，被配置为产生第二光束的第二连续波激光器，以及被配置为产生第三光束的第三连续波激光器。激光测距传感器也包含光组合器，其被配置为组合第一、第二以及第三光束以产生传感器波束；以及望远镜，其被配置为将传感器波束聚焦在目标上，其中从目标反射的光干涉传感器波束，从而产生干涉波束。激光测距传感器也包含移频器单元，其被配置为接收第一、第二以及第三光束的一部分且频移第一、第二、以及第三光束以产生第一、第二以及第三本地振荡器波束。激光测距传感器的另一光组合器被配置为将干涉波束和第一、第二以及第三本地振荡器波束组合以产生合成波波束。激光测距传感器内的光电探测器阵列被配置为感测合成波波束以产生提供到信号处理器的输出信号。信号处理器被配置为处理输出信号以检测由第一光束和第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由第二光束和第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，检测由第三光束和第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差，以及确定第一、第二以及第三外差中每个的光相位。信号处理器进一步被配置为基于第一光束的第一频率和第二光束的第二频率之间的差值确定第一合成波长，基于第一外差的第一光相位和第二外差的第二光相位之间的差值确定第一合成相位，以及基于第一合成波长和第一合成相位确定到目标的距离。
在另一实施例中，信号处理器被配置为基于第一光束的第一频率和第三光束的第三频率之间的差值确定第二合成波长，基于第一外差的第一光相位和第三外差的第三光相位之间的差值确定第二合成相位，以及进一步基于第二合成波长和第二合成相位确定到目标的距离。
在另一实施例中，示例性激光测距传感器包含频率梳激光器，其被配置为产生包括频率梳的一组光束；以及另一光组合器，其被配置为将来自频率梳激光器的一组光束与来自第一、第二以及第三连续波激光器的第一、第二以及第三光束结合。激光测距传感器进一步包含相位锁控制器(phase-lockcontroller)，该相位锁控制器被配置为将第一、第二以及第三光束的频率与由频率梳激光器产生的频率梳进行比较，并将来自第一、第二以及第三连续波激光器的第一、第二以及第三光束的频率调谐到频率梳的不同梳齿(teeth)。另外，频率梳的梳齿的间隔等于频率梳激光器内使用的脉冲重复频率。该脉冲重复频率可与来自诸如美国国家标准技术研究所(NIST)的标准组织的频率标准绑定。因此，来自系统的测量值可追溯到NIST标准或其它标准，并且不管系统的环境或位置，其将是相同的。
另一实施例包括确定目标在坐标系内的位置的方法。该方法包括从至少三个激光测距传感器中的每个朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中传感器波束的波束扩展的宽度大于目标的宽度。该方法进一步包含将干涉波束与本地振荡器波束组合以产生合成波波束，其中干涉波束由从目标反射并且干涉传感器波束的光产生。该方法还包括使用光电探测器阵列感测合成波波束，并且基于光电探测器阵列的输出测量每个激光测距传感器中到目标的距离。该方法还包括基于来自激光测距传感器的距离测量值计算目标在坐标系中的位置。
已经论述的特征、功能和优点能够在各种实施例中被独立地实现，或者可在其他实施例中被组合，参考下列说明书和附图可以获知其进一步的细节。
附图说明
现将仅通过示例的方式且参考附图描述本发明的一些实施例。相同的参考编号表示所有附图上相同的元件或相同类型的元件。
图1说明一个示例性实施例中的激光测距传感器。
图2说明一个示例性实施例中的测量到目标的距离的激光测距传感器。
图3说明一个示例性实施例中的操作来校准测量单元的校准单元。
图4说明一个示例性实施例中的操作来距离测量的测量单元。
图5说明一个示例性实施例中的合成波的梯形图。
图6说明一个示例性实施例中的针对测量通道创建的外差。
图7是说明一个示例性实施例中的用于操作激光测距传感器的方法的流程图。
图8说明一个示例性实施例中的用于确定一个或多个目标在坐标系中的位置的系统。
图9是说明一个示例性实施例中的用于确定目标的位置的方法的流程图。
图10说明一个示例性实施例中的激光测距传感器的光电探测器器件。
具体实施方式
附图和下列描述说明具体的示例性实施例。因此将会意识到的是，本领域的技术人员能够想到虽然没有在本文中明确描述或示出但是体现本文所描述的原理并且被包含在该说明书之后的权利要求书的预期范围内的各种布置。而且，本文所描述的任何示例旨在帮助理解本公开的原理，并且被解释为非限制性的。因此，本公开不限于下文所描述的具体实施例或示例，但是受限于权利要求书及其等价物。
图1说明一个示例性实施例中的激光测距(例如，LADAR)传感器100。传感器100可操作以执行从传感器100到目标(图1中未显示)的距离或范围测量。例如，传感器100可被用于装配或制造过程以精确测量大型物体，例如，飞行器的零件。如果诸如此类的大型物体在不同的地点被制造，如果没有精确地形成匹配零件的形状和轮廓，则在装配期间有可能产生问题。因此，本文所描述的类型的激光测距传感器可被用在不同的地点以便在零件被制造或装配时精确地测量这些零件。
图2说明一个示例性实施例中的测量到目标的距离的传感器100。服务器100对准物体202，例如正被装配或制造的飞行器的零件。传感器100能够测量到物体202上的一个或多个目标204的距离。例如，传感器100可以测量到正被装配的零件的边缘的距离。目标204可以包括回复反射目标或非协作目标，该非协作目标不包含回复反射器。
在图1所示的实施例中，传感器100包含测量单元110和校准单元160。测量单元110包含使用合成波干涉量度法测量到目标的距离的组件。干涉量度法是用于将波(如光波)叠加并从波的组合中提取信息的技术。作为使用干涉量度法的简化示例，光束通过分束器被分成两个相同的波束。每个波束在不同的路径上行进，并且在检测器处被重新结合。如果波束行进的路径存在差异(如距离)，那么在波束之间产生相位差。波束之间的相位差可被用来确定路径的长度并因此确定到目标的距离。
当向目标发射光束时，从目标反射的光将干涉正在被发射的光束。当目标静止时，反射波束将处于与发射波束相同的频率。当发射光与反射光(处于相同频率)同相时，则会发生相长干涉。当发射光与反射光异相时，则发生相消干涉。干涉的结果被称为“干涉”波束。
如下文将更详细地描述的，测量单元110以紧密相间的光频率组合来自多个激光器的光束以便将波束直射向目标。紧密间隔的光频率将在干涉波束中产生一组拍频，其在本文被称为“合成波”的梯形图或集合。测量单元110能够确定每个合成波的相位(在本文中被称为合成相位)，并且随后基于合成波的相位测量到目标的距离。由于测量单元110使用具有不同频率的一组激光器，因此合成相位的梯形图从合成波的梯形图中创建。合成波中的一者(具有最长波长的波)是到目标的距离的直接测量(假设目标小于一个波长距离)，但是测量值的精确度可能不是足够的。来自该合成波的距离测量值的精确度定位下一个合成波的波长的绝对数目。下一个合成波的相位(具有下一个最长波长的波)提供距离测量值的增大的精确度。可以针对梯形图的每个相位重复该过程直到获得所期望的精确度。
校准单元160包含操作来校准用于执行距离测量的测量单元110的组件。如下文更详细地描述的，校准单元160使用频率梳激光器来调谐测量单元110内的连续波(CW)激光器。频率梳激光器其光谱包括一系列离散且等间距模式(mode)的光源。测量单元110内的CW激光器被调谐到频率梳的不同梳齿。由于频率梳的梳齿处在精确的频率，所以测量单元110的CW激光器将被调谐到精确频率。
为了创建合成波的梯形图，测量单元110包含图1中的三个测量通道，每个测量通道具有CW激光器112-114。激光器112-114中的每个都被调谐到不同的波长。例如，激光器112可被调谐到λ1，激光器113可被调谐到λ2，而激光器114可被调谐到λ3。波长λ1可以是大约1550纳米(nm)，波长λ2可以是大约1550.08nm，而λ3可以是大约1550.8nm。然而可以根据特定应用的需求选择不同的波长，每个激光器112-114的波长应该是不同的。不同的波长能够产生将被处理以确定到目标的距离的干涉。
对于第一测量通道，激光器112通过光纤被耦连到分束器116。分束器116通过光纤被耦连到另一分束器120。分束器116被配置为分割来自激光器112的光束。来自激光器112的光束的一部分行进到测量单元110内的分束器120，并且光束的一部分行进到校准单元160内的光组合器166(其将被稍后描述)。分束器120通过光纤维连接到移频器124，且通过光纤维连接到光组合器130。分束器120被配置为再次分割来自激光器112的光束。来自激光器112的光束的一部分行进到移频器124，并且光束的一部分行进到组合器130。移频器124被配置为将来自激光器112的光束频移固定的量。例如，移频器124可将来自激光器112的光束的频率移动170Hz。移频器124的一些示例是声光调制器(AOM)和多普勒移位器。被频移的光束被称为第一测量通道的本地振荡器波束。随后，第一测量通道的本地振荡器波束从移频器124行进到光组合器128。
对于第二测量通道，激光器113通过光纤被耦连到分束器117。分束器117通过光纤被耦连到另一分束器121。分束器117被配置为分割来自激光器113的光束。来自激光器113的光束的一部分行进到测量单元110内的分束器121，并且光束的一部分行进到校准单元160内的光组合器167。分束器121通过光纤连接到移频器125，且通过光纤连接到组合器130。分束器121被配置为再次分割来自激光器113的激光束。来自激光器113的光束的一部分行进到移频器125，并且光束的一部分行进到组合器130。移频器125被配置为将来自激光器113的光束频移固定(且不同于移频器124)的量，从而创建第二测量通道的本地振荡器波束。然后，第二测量通道的本地振荡器波束行进到组合器128。
对于第三测量通道，激光器114通过光纤耦连到分束器118。分束器118通过光纤耦连到另一分束器122。分束器118被配置为分割来自激光器114的光束。来自激光器114的光束的一部分行进到测量单元110内的分束器122，并且光束的一部分行进到校准单元160内的光组合器168。分束器122通过光纤连接到移频器126，且通过光纤连接到组合器130。分束器122被配置为再次分割来自激光器114的激光束。来自激光器114的光束的一部分行进到移频器126，并且光束的一部分行进到组合器130。移频器126被配置将来自激光器114的光束频移固定(且不同于移频器124和125)的量，从而创建第三测量通道的本地振荡器波束。然后，第三测量通道的本地振荡器波束行进到组合器128。
虽然图1示出三个测量通道，然而测量单元110可包含更多的通道。在测量单元110内使用三个或更多测量通道来提供距离测量所期望的精度。同样地，虽然图1示出三个移频器124-126，但是可实施共享的移频器单元以创建如上所述的本地振荡器波束。
来自三个测量通道的光束在组合器130内被组合或混合以形成传感器波束。组合器130通过光纤连接到分束器131。分束器131被配置为分割传感器波束。传感器波束的一部分行进到环行器132，并且传感器波束的一部分行进到参考通道(其将在下文更详细地描述)的光组合器150。传感器波束行进穿过环行器132到达望远镜134。望远镜134被配置为朝向正被测量的目标(图1中未显示)聚焦传感器波束。
当望远镜134将传感器波束直射向目标时，从目标反射的光将干涉传感器波束，从而产生“干涉”波束136。环行器132随后将干涉波束136直射到光组合器138。同时，三个测量通道的本地振荡器波束在组合器128内被组合或混合以形成总体本地振荡器波束。总体本地振荡器波束从组合器128行进到分束器152。分束器152被配置为分割总体本地振荡器波束。总体本地振荡器波束的一部分行进到组合器138，并且总体本地振荡器波束的一部分行进到组合器150。组合器138被配置为将干涉波束与总体本地振荡器波束组合或混合以生成“合成波”波束。合成波波束被投射到光电探测器器件140上。光电探测器器件140可包括单个光电探测器元件，或者可包括诸如数字照相机中的光电探测器元件阵列。光电探测器器件140被配置为感测来自合成波波束中的光，并向信号处理器144提供输出信号。
测量单元110也包含参考通道。对于参考通道，从分束器131中分割出的那部分传感器波束行进到组合器150。同时，来自分束器152的总体本地振荡器波束的一部分行进到组合器150。组合器150被配置为将传感器波束与总体本地振荡器波束组合或混合以产生参考“合成波”波束。参考合成波波束被投射到光电探测器器件146上。光电探测器器件146被配置为感测来自参考合成波波束的光，并向信号处理器144提供输出信号。
校准单元160包含通过光纤连接到分束器164的频率梳激光器162。分束器164通过光纤连接到组合器166-168。分束器164被配置为分割来自频率梳激光器162的光束，以使得来自频率梳激光器162的光束的一部分行进到组合器166-168。组合器166-168都被配置为将来自频率梳激光器162的光束与来自其相应的测量通道的光束组合或混合。组合器166-168中的每个都与相位锁控制器169连接。控制器169进而与激光器112-114中的每个连接。
图1所示的传感器100的结构只是一个示例。可以存在对该结构的多种变化，其允许按如下所述来操作传感器100。
下文描述传感器100的示例性操作。为了执行精确的距离测量，通过校准单元160校准传感器100内的测量单元110。图3说明一个示例性实施例中的操作来校准测量单元110的校准单元160。激光器112-114发射分别行进到分束器116-118的光束301-303。分束器116将来自激光器112的光束301的一部分提供到组合器166，分束器117将来自激光器113的光束302的一部分提供到组合器167，分束器118将来自激光器114的光束303的一部分提供到组合器168。
同时，频率梳激光器162生成包括频率梳的一组光束306。为了生成频率梳，激光器162具有能够生成超短光脉冲的光源(如飞秒激光器)。光源发出在时间上以重复周期Trep分隔的一系列有规律的短光脉冲。组成这些脉冲的载波光波的电磁场以高的多的频率振荡。来自光源的这一系列脉冲由间隔等于脉冲重复频率frep的光频率的梳构成。载波信号fc被调幅，这在频域内以等于调制频率frep的间隔产生旁带。在频域内，旁带类似于以载波频率为中心的梳上的梳齿。任何一个梳齿(也被称为梳元件)的频率为：f＝nxfrep+fo，其中n是整数，frep是脉冲重复频率，而fo是载波偏移频率。
因此，频率梳激光器162生成在波长上以激光器162内使用的脉冲重复频率分隔的一组光束306。分束器164从激光器162接收光束306，并将光束306的一部分提供到组合器166-168中的每个。组合器166将来自频率梳激光器162的光束与来自第一测量通道的激光器112的光束组合，并将该组合光束311提供到相位锁控制器169。组合器167将来自频率梳激光器162的光束与来自第二测量通道的激光器113的光束组合，并将该组合光束312提供到相位锁控制器169。相似地，组合器168将来自频率梳激光器162的光束与来自第三测量通道的激光器114的光束组合，并将该组合光束313提供到相位锁控制器169。
相位锁控制器169能够比较激光器112-114的频率与由频率梳激光器162生成的光束组。相位锁控制器169随后能够通过分别发送控制信号321-323到激光器112-114将激光器112-114调谐到频率梳的各个梳齿。例如，相位锁控制器169选择频率梳上的某个梳齿，并且随后根据频率梳的选定梳齿(通常是梳齿之间的间隔的一小部分)的频率将激光器112的输出调整到固定且已知的偏移量。相位锁控制器169对每个激光器112-114执行相似的过程，直到每个激光器以所期望的频率操作。这在获悉每个激光器112-114的波长之间的差值的情况下，将激光器112-114有利地调谐到精确的波长。
同样地，通过调谐如上所述的测量单元110，由测量单元110测量的距离可以追溯到如美国国家标准技术研究所(NIST)的标准。来自频率梳激光器162的梳齿由频率梳激光器162的脉冲重复频率分隔开，且激光器112-114被精确地调谐到频率梳的梳齿。因此，如果频率梳激光器162的脉冲重复频率能够与已知的频率标准绑定，那么由测量单元110测量的距离可以追溯到该标准。
校准之后，测量单元110能够执行到目标的距离测量。图4说明一个示例性实施例中操作来执行距离测量的测量单元110。考虑第一测量通道，激光器112向分束器116发射光束401，分束器116将光束401的一部分提供到分束器120。分束器120进而将光束401的一部分提供到组合器13，并且将光束401的一部分提供到移频器124。移频器124将光束401的频率移动已知的量(如170Hz)，以生成第一测量通道的本地振荡器波束411。随后，第一测量通道的本地振荡器波束411从移频器124行进到组合器128。
对于第二和第三测量通道发生类似的过程。对于第二测量通道，激光器113向分束器117发射光束402，分束器117将光束402的一部分提供到分束器121。分束器121进而将光束402的一部分提供到组合器13，并且将光束402的一部分提供到移频器125。移频器125将光束402的频率移动已知的量(不同于移频器124)，以生成第二测量通道的本地振荡器波束412。随后，第二测量通道的本地振荡器波束412从移频器125行进到组合器128。对于第三测量通道，激光器114向分束器118发射光束403，分束器118将光束403的一部分提供到分束器122。分束器122进而将光束403的一部分提供到组合器130，并且将光束403的一部分提供到移频器126。移频器126将光束403的频率移动已知的量(不同于移频器124和125)，以生成第三测量通道的本地振荡器波束413。随后，第三测量通道的本地振荡器波束413从移频器126行进到组合器128。
测量通道的光束401-403在组合器130内被组合或混合，以生成用于测量单元110的传感器波束420。分束器131分割传感器波束420。传感器波束420的一部分穿过环行器132行进到望远镜134，并且传感器波束420的一部分行进到参考通道的组合器150。望远镜134随后被用来朝向正被测量的目标聚焦传感器波束420。当传感器波束420从目标反射时，从目标反射的光将干涉传感器波束420，从而产生干涉波束136。干涉波束136穿过环行器132行进回到组合器138。同样地，测量通道的本地振荡器波束411-413在组合器128内被组合或混合以生成总体本地振荡器波束422。总体本地振荡器波束422被分束器152分割。总体本地振荡器波束422的一部分行进到组合器138，并且总体本地振荡器波束422的一部分行进到组合器150。
组合器138接收干涉波束136和总体本地振荡器波束422，且组合或混合这些波束以生成合成波波束430。合成波波束430随后行进到光电探测器器件140，其中光电探测器器件140被配置为将来自合成波波束430的光转换成电信号。光电探测器器件140随后将该电信号提供到信号处理器144。电信号包括合成波波束430在时间上的多个样本。
信号处理器144从光电探测器器件140接收输出信号，且能够处理来自光电探测器器件140的输出信号以识别来自合成波波束430的合成波的梯形图。通过激光器112-114之间的频差值创建合成波的梯形图。图5说明一个示例性实施例中的合成波的梯形图。通过来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差值创建第一合成波。当这两个光束被组合时，该组合创建以拍频振荡的波，该波被称为第一合成波(图5中标注为合成波1)。第一合成波的频率将是来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率的差值。通过来自激光器112的光束和来自激光器114的光束之间的频率差值创建第二合成波。当这两个光束被组合时，该组合创建以拍频振荡的波，该波被称为第二合成波(图5中标注为合成波2)。第二合成波的频率将是来自激光器112的光束和来自激光器114的光束之间的频率的差值。通过来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差值将创建又一合成波。然而，该合成波的频率将接近上述第二合成波的频率，所以该合成波可被忽略。
图5中合成波的梯形图包含两个合成波。然而，如果更多的激光器被添加到测量单元110，那么针对梯形图更多的合成波被创建。例如，如果添加第四CW激光器，那么将通过来自激光器112的光束和来自第四激光器的光束之间的频率差值创建第三合成波。如果添加第五CW激光器，那么将通过来自激光器112的光束和来自第五激光器的光束之间的频率差值创建第四合成波。梯形图内合成波的数量可取决于距离测量所需的精确度、传感器100和目标之间的距离等。
由于信号处理器144知道合成波的频率，所以信号处理器144也知道每个合成波的波长。第一合成波的波长被标注为λsyn1，而第二合成波的波长被标注为λsyn2。由于合成波将携带干涉波束的信息(如幅度和相位)，为了从合成波中得出距离测量值，信号处理器144确定干涉波束内合成波的相位。然而在测量单元110内，一个或多个合成波的频率可能太高而不能用常规的信号处理来处理。为了识别合成波的相位，信号处理器144处理针对每个测量通道创建的外差上的信息，如下所述。
图6说明一个示例性实施例中的针对测量通道创建的外差。干涉波束是来自激光器112-114的光束的组合。当干涉波束与本地振荡器波束组合时，第一测量通道的本地振荡器波束将干涉第一测量通道的光束，从而创建以低得多的拍频振荡的第一外差。第一外差(在图6中为外差1)的频率将是来自激光器112的光束和第一测量通道的本地振荡器波束(如在图1中由移频器124确定的)之间的频率的差值。第一外差携带与第一测量通道有关的干涉波束的信息(如幅度和相位)。第一外差的频率在RF频谱(图170Hz)中，所以信号处理器144能够轻易地提取第一外差的光相位(θhet1)。
用相似的方式，第二测量通道的本地振荡器波束将干涉第二测量通道的光束，从而创建以低得多的拍频振荡的第二外差。第二外差(图6中为外差2)的频率将是来自激光113的光束和第二测量通道的本地振荡器波束(如在图1中由移频器125确定的)之间频率的差值。第二外差携带与第二测量通道有关的干涉波束的信息(如幅度和相位)。信号处理器144能够提取第二外差的光相位(θhet2)。
第三测量通道的本地振荡器波束将干涉第三测量通道的光束，从而创建以低得多的拍率振荡的第三外差。第三外差(图6为外差3)的频率将是来自激光器114的光束和第三测量通道的本地振荡器波束(如图1中由移频器126确定的)之间频率的差值。第三外差携带与第三测量通道有关的干涉波束的信息(如幅度和相位)。信号处理器144能够提取第三外差的光相位(θhet3)。
在确定测量通道的外差的光相位之后，基于从外差中提取出的光相位，信号处理器144能够确定合成波的相位。基于干涉波束内来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差值创建第一合成波(见图5)。信号处理器144能够基于第一外差的光相位和第二外差的光相位之间的差值确定第一合成波的相位(θsyn1)。基于干涉波束内来自激光器112的光束和来自激光器114的光束之间的频率差值创建第二合成波(见图5)。信号处理器144能够基于第一外差的光相位和第三外差的光相位之间的差值确定第二合成波的相位(θsyn2)。因此，信号处理器140能够基于从外差提取的光相位计算每个合成波的相位。
在该阶段，信号处理器144具有第一合成波的波长(λsyn1)和相位(θsyn1)，以及第二合成波的波长(λsyn2)和相位(θsyn2)。通过合成波的这些信息，信号处理器144能够计算到目标的距离。信号处理器144首先处理具有最长波长的合成波的数据(对于该示例，假定具有最长波长的合成波是第一合成波)。在该实施例中假定从传感器100到目标的距离小于最长波长合成波的波长。信号处理器144使用以下等式来计算距离：
Z＝λ*θ，其中Z是距离，λ是波长(如nm)，而θ是相位(如弧度或循环)。
信号处理器144随后可将第一合成波的波长(λsyn1)和第一合成波的相位(θsyn1)相乘以获得距离值(Z1)。该距离值表示在第一合成波的周期中目标位于何处。例如，如果第一合成波的波长是一米且第一合成波的相位是0.5个循环，那么信号处理器144计算出到目标的距离为0.5米。
接下来，信号处理器144处理梯形图内下一个较短合成波的数据(对于该示例，假定第二合成波是梯形图内的下一个)。信号处理器144通过将第一合成波的计算的距离值(Z1)除以第二合成波的波长(λsyn2)来计算第二合成波的估计相位(θest)。估计相位(θest)具有整数和小数分量。信号处理器144将估计相位(θest)的整数部分添加到第二合成波的测量相位(θsyn2)以获得第二合成波的总相位(θsyn2total)。第二合成波的总相位(θsyn2total)表示在传感器100和目标之间发生在第二合成波上的循环的数目。信号处理器144随后将第二合成波的总相位(θsyn2total)和第二合成波的波长(λsyn2)相乘以计算出更准确的距离值(Z2)。
例如，假定信号处理器144计算出Z1的值为0.5米，且第二合成波的波长(λsyn2)为10mm。然后，信号处理器144用0.5米除以10mm产生值50，该值是第二合成波的估计相位(θest)。信号处理器144随后将估计相位(θest)的整数部分添加到第二合成波的测量相位(θsyn2)。对于该示例假定第二合成波的测量相位(θsyn2)是0.57。因此，第二合成波的总相位(θsyn2total)是第二合成波的估计相位(θest)和测量相位(θsyn2)的和，即50.57。信号处理器144随后将第二合成波的总相位(θsyn2total)与第二合成波的波长(λsyn2)相乘以计算距离值(Z2)。如果第二合成波的波长(λsyn2)是10mm，那么第二合成波的总相位(θsyn2total)和波长(λsyn2)的乘积是0.5057米(50.57*10mm)。该距离测量值具有比更长波长的先前距离测量值(其为0.5米)更高的分辨率。
信号处理器144可以对梯形图中具有下一个较短波长的每个合成波重复以上过程直到距离值(Z)具有所期望的精确度。
信号处理器144也可以处理来自参考通道的数据以确定是否有任何非计划中的相位正在被移频器124-126添加到系统中。来自组合器130的传感器波束420(见图4)行进到组合器150。组合器150也接收来自组合器128的总体本地振荡器波束422(通过分束器152)，并将这些波束组合或混合以生成参考合成波波束440。参考合成波波束440随后行进到光电探测器器件146。光电探测器器件146感测来自参考合成波波束440的光，并生成表示该参考合成波波束440的电信号。光电探测器器件146随后将该电信号提供到信号处理器144。
信号处理器144处理来自光电探测器器件146的电信号以检测参考合成波波束440(图4)内的外差。当传感器波束440与本地振荡器波束组合时，第一测量通道的本地振荡器波束将干涉传感器波束中来自激光112的光束，从而创建参考通道中的外差，该外差被称为第四外差。该外差的频率将是来自激光器112的光束和第一测量通道的本地振荡器波束(如在图1中由移频器124确定的)之间的频率的差值。信号处理器144能够提取参考通道的第四外差的光相位(θhet4)。
以相似的方式，第二测量通道的本地振荡器波束将干涉传感器波束中来自激光器113的光束，从而创建参考通道中被称为第五外差的另一外差。该外差的频率将是来自激光器113的光束和第二测量通道的本地振荡器波束(如在图1中由移频器125确定的)之间的频率的差值。信号处理器144能够提取参考通道的第五外差的光相位(θhet5)。
第三测量通道的本地振荡器波束将干涉传感器波束中激光器114的光束，从而创建参考通道中被称为第六外差的又一外差。该外差的频率将是来自激光器114的光束和第三测量通道的本地振荡器波束(如在图1中由移频器126确定的)之间的频率的差值。信号处理器144能够提取参考通道的第六外差的光相位(θhet6)。
信号处理器144随后能够比较在测量通道中计算出的外差与参考通道中的外差以确定是否有任何无关的相位被移频器124-126引入到系统中。例如，信号处理器144能够比较第一测量通道的第一外差的光相位(θhet1)与参考通道的第四外差的光相位(θhet4)。信号处理器144能够比较第二测量通道的第二外差的光相位(θhet2)与参考通道的第五外差的光相位(θhet5)。信号处理器144能够比较第三测量通道的第三外差的光相位(θhet3)与参考通道的第六外差的光相位(θhet6)。如果存在任何差异，则信号处理器144将从测量通道的光相位中减去参考通道的光相位以校正测量通道中的外差。
虽然上文描述了操作传感器100的过程，然而下文总结了使用合成波干涉量度法来测量到目标204距离的示例方法。图7是说明一个示例性实施例中用于操作激光测距传感器100的方法700的流程图。方法700将就图1中的激光测距传感器100进行描述，然而本领域内的一个技术人员将认识到本文所描述的方法可以被没有示出的其他设备或系统执行。本文所描述的方法的步骤不是全包括的而是可包含没有示出的其它步骤。这些步骤也可以替换的顺序来执行。
如上所述，方法700使用合成波干涉量度法来确定到目标204的距离。步骤702包括通过组合来自第一连续波(CW)激光器、第二CW激光器以及第三CW激光器的光束来生成传感器波束，而步骤704包括使传感器波束聚焦到目标204上。从目标204反射的光干涉传感器波束，从而产生干涉波束。步骤706包括移动从CW激光器分割出的光束的频率以生成本地振荡器波束。步骤708包括组合干涉波束和本地振荡器波束以生成合成波波束，而步骤710包括用光电探测器器件感测合成波波束。步骤712包括处理来自光电探测器器件的输出以检测由来自CW激光器的光束和其相关联的本地振荡器波束的组合所产生的外差，而步骤714包括确定每个外差的光相位。
图7的方法通过处理存在于合成波波束中的合成波的数据来确定到目标204的距离。对于第一合成波，方法700包含步骤716，即基于来自第一个CW激光器的光束的频率和来自第二个CW激光器的光束的频率之间的差值确定第一合成波的合成波长。方法700还包含步骤718，即基于第一个外差的光相位和第二个外差的光相位之间的差值确定第一合成波的合成相位。
然后，步骤716-718针对另外的合成波重复进行。例如，对第二合成波，步骤716包括基于来自第一个CW激光器的光束的频率和来自第三个CW激光器的光束的频率之间的差值确定第二合成波的合成波长。步骤718包括基于第一个外差的光相位和第三个外差的光相位之间的差值确定第二合成波的合成相位。如果在合成波波束中存在额外的合成波，那么步骤716-718可针对n个合成波进行重复。
在确定合成波的数据之后，方法700还包含步骤720，即基于合成波的合成波长和合成相位确定到目标的距离。
在另一实施例中，如上所述的多个激光测距传感器可以与彼此联合使用以确定一个或多个目标在坐标系中的位置。例如，假定图2中的物体202是正在大型设施内被装配的零件。如上所述的多个激光测距传感器可被安装在设施中的已知位置处以确定物体202上的一个或多个目标的地点或位置。
图8说明一个示例性实施例中的用于确定一个或多个目标在坐标系中的位置的系统800。图8中的系统800使用三边测量法的概念来确定物体810上的目标812在坐标系中的位置。例如，物体810可包括正被制造或装配的飞行器的零件。目标812可包括回复反射目标。
对于系统800，三个激光测距传感器801-803被安装以测量到目标812的距离。本领域的技术人员将意识到，虽然示出三个激光测距传感器801-803，然而在其他实施例中可以实施更多的激光测距传感器。激光测距传感器801-803可被安装在物体810正在其中被制造或装配的设施中的天花板上或具有到物体810的视线的任何其他位置。同样地，激光测距传感器801-803的位置在与物体810相关的坐标系内是已知的。因此，系统800类似于“室内GPS”系统。
系统800也包含耦连到激光测距传感器801-803的控制器806。控制器806被配置为从每个激光测距传感器801-803接收到目标812的距离测量值。基于这些距离测量值，控制器806能够计算出物体812在与物体810相关的坐标系中的位置或地点。
图9说明一个示例性实施例中的用于确定目标812的位置的方法900的流程图。虽然方法900就图8的系统800进行描述，然而本领域的一个技术人员将认识到的是，本文所描述的方法可以被没有示出的其他设备或系统执行。本文所描述的方法的步骤不是全包括的，而是可包含没有示出的其他步骤。这些步骤也可以以替换的顺序来执行。
在步骤902中，激光测距传感器801-803中的每个都被配置为在目标812的方向中直射传感器波束。为了对此进行说明，图8示出朝向目标812发射传感器波束821的激光测距传感器801，朝向目标812发射传感器波束822的激光测距传感器802，以及朝向目标812发射传感器波束823的激光测距传感器803。来自每个激光测距传感器801-803的传感器波束表示如上针对激光测距传感器100所论述的传感器波束。因此，每个传感器波束821-823是来自CW激光器的多个光束的混合。在该实施例中，每个传感器波束821-823是具有宽波束扩展的光锥。锥的宽度能够根据需要调整，但是假定传感器波束821-823至少应该具有宽度大于目标812的宽度的波束扩展。那样，传感器801-803不需要必须直接瞄准用于测量的单个目标。来自传感器801-803的光锥能够被投射在一个或多个目标的方向中，并且这些目标将反射光以针对每个传感器801-803创建干涉波束。
例如，当来自激光测距传感器801的传感器波束821向目标812发射时，从目标812反射的光将干涉正在发射的传感器波束821。当目标812静止时，反射光将处于与组成传感器波束821的光频率相同的频率。当来自传感器波束821的光与反射光同相(处于相同的频率)时，那么相长干涉发生。当来自传感器波束821的光与反射光异相时，那么相消干涉发生。干涉的结果被称为激光测距传感器801的“干涉”波束。针对每个激光测距传感器802-803创建相似的干涉波束。
此外，如上所述，每个激光测距传感器801-803组合其相应的干涉波束与本地振荡器波束(见图9中的步骤903)。每个激光测距传感器801-803内干涉波束和本地振荡器波束的组合生成合成波波束。因此，每个激光测距传感器801-803能够感测合成波波束(见图9中的步骤904)。
在图9的步骤906中，每个激光测距传感器801-803被配置为处理其相应的合成波波束以测量到目标812的距离。用于测量到目标812的距离的示例性过程使用合成波干涉量度法，其在上文图1-7中被详细地描述。在本实施例中，当感测其相应的合成波波束时，激光测距传感器801-803中的每个都使用光电探测器器件，该光电探测器器件包含光电探测器阵列。图10说明一个示例性实施例中的激光测距传感器的光电探测器器件1000。光电探测器器件1000由光电探测器阵列1004组成。光电探测器阵列1004包括一组光电探测器元件。光电探测器元件可被连接到放大器或其他有关的电路元件以形成集成电路。光电探测器阵列1004可以是数码照相机中的组件，如CMOS传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器。
为了说明光电探测器器件1000可以在操作中如何被使用，来自激光测距传感器801(也见图8)的传感器波束821被示为正被朝向目标812发射。如上所述，激光测距传感器801发射作为光锥的传感器波束821，该光锥具有大于目标812的宽度的波束宽度。目标812反射回的光干涉正被发射的传感器波束821，从而形成干涉波束1008。在激光测距传感器801内生成的总体本地振荡器波束1010(见图4关于生成总体本地振荡器波束的说明)也在图10中被说明。干涉波束1008在光组合器1012内与总体本地振荡器波束1010混合。干涉波束1008和总体本地振荡器波束1010的组合在本文被称为合成波波束。来自组合器1012的合成波波束1014被投射到光电探测器阵列1004上。因此，光电探测器阵列1004中的独立光电探测器元件能够感测位于阵列中其特定像素位置处的光，并生成电信号。然后，来自光电探测器元件的电信号被传递到以上在图1-7中所述的信号处理器。
然后，信号处理器可处理来自光电探测器阵列1004的电信号以计算目标812的一个或多个距离测量值。在操作中，可假定一个光电探测器元件将被目标812反射的光照射。因此，信号处理器可以只需要针对光电探测器阵列1004中的一个像素计算距离测量值。然而，如果多个光电探测器元件被目标812反射的光照射，那么信号处理器能够针对光电探测器阵列1004中被照射的一个或多个独立像素计算距离测量值。
在每个激光测距传感器801-803(见图8)中执行相似的过程以便每个激光测距传感器801-803测量到目标812的距离测量值(见图9的步骤906)。然后，控制器806从每个激光测距传感器801-803接收距离测量值。控制器806能够基于这些距离测量值计算目标812在坐标系中的位置(见图9的步骤908)。例如，控制器806可以基于这些距离测量值计算出目标812在物体810的坐标系中的三维(3D)坐标(如笛卡尔x，y，z坐标)。通过三个(或更多)距离测量值，控制器806能够使用三边测量法来确定目标812在坐标系中的精确位置(或3D坐标)。
由于激光测距传感器801-803发射具有宽波束扩展的传感器波束并使用光电探测器阵列，所以通过每个激光测距传感器801-803可以测量多个目标。被激光测距传感器801-803的传感器波束照射的每个目标将反射光以形成干涉波束。因而，每个目标将照射激光测距传感器801-803的光电探测器阵列中的不同的光电探测器元件。来自光电探测器阵列中的的独立光电探测器元件的输出随后能够被处理以测量到每个目标的距离。随后，使用三边测量法能够确定每个目标的位置。
本公开也包含根据以下条款的配置：
1.一种装置，其包括：
至少三个激光测距传感器，每个被配置为朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中所述传感器波束的波束扩展具有大于所述目标的宽度的宽度；
所述激光测距传感器中的每个被配置为组合干涉波束与本地振荡器波束以生成合成波波束，其中所述干涉波束由从所述目标反射并干涉所述传感器波束的光产生；
所述激光测距传感器中的每个包含光电探测器器件，所述光电探测器器件包括被配置为感测所述合成波波束的光电探测器阵列，并基于所述光电探测器阵列的输出测量到所述目标的距离；以及
控制器，其被配置为从每个所述激光测距传感器接收距离测量值并基于所述距离测量值计算所述目标在坐标系中的位置。
2.根据条款1所述的装置，其中：
所述光电探测器阵列包括数字照相机中的组件。
3.根据条款1所述的装置，其中所述激光测距传感器中的至少一个包括：
第一连续波激光器，其被配置为生成第一光束；
第二连续波激光器，其被配置为生成第二光束；
第三连续波激光器，其被配置为生成第三光束；
第一光组合器，其被配置为组合所述第一、第二、以及第三光束以生成所述传感器波束；
望远镜，其被配置为将所述传感器波束聚焦在所述目标上，其中来自所述目标的反射光干涉所述传感器波束，从而产生所述干涉波束；
移频器单元，其被配置为接收所述第一、第二以及第三光束的一部分，并频移所述第一、第二以及第三光束以生成第一、第二以及第三本地振荡器波束；
第二光组合器，其被配置为组合所述干涉波束和所述第一、第二以及第三本地振荡器波束以生成所述合成波波束；
所述光电探测器器件包括被配置为感测所述合成波波束以生成输出信号的光电探测器阵列；以及
信号处理器，其被配置为处理来自所述光电探测器阵列的所述输出信号以检测由所述第一光束和所述第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由所述第二光束和所述第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，检测由所述第三光束和所述第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差，以及确定每个所述第一、第二以及第三外差的光相位；
所述信号处理器被配置为基于所述第一光束的第一频率和所述第二光束的第二频率之间的差值确定第一合成波的第一合成波长，基于所述第一外差的第一光相位和所述第二外差的第二光相位间之间的差值确定所述第一合成波的第一合成相位，以及基于所述第一合成波长和所述第一合成相位确定到所述目标的距离。
4.根据条款3所述的装置，其中：
所述信号处理器被配置为基于所述第一光束的所述第一频率和所述第三光束的第三频率之间的差值确定第二合成波的第二合成波长，基于所述第一外差的所述第一光相位和所述第三外差的第三光相位之间的差值确定所述第二合成波的第二合成相位，以及进一步基于所述第二合成波长和所述第二合成相位确定到所述目标的距离。
5.根据条款4所述的装置，其中：
所述信号处理器被配置为将所述第一合成波长与所述第一合成相位相乘以计算所述第一合成波的到所述目标的第一距离测量值。
6.根据条款5所述的装置，其中：
所述信号处理器被配置为通过用所述第一合成波的计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的所述第二合成波长来计算所述第二合成波的估计相位，将所述估计相位的整数部分添加到所述第二合成相位以获得所述第二合成波的总相位，以及把所述第二合成波的所述总相位与所述第二合成波长相乘以计算所述第二合成波的第二距离测量值。
7.根据条款3所述的装置，其中所述激光测距传感器中的至少一个还包括：
频率梳激光器，其被配置为生成包括频率梳的一组光束；
第三光组合器，其被配置为组合来自所述频率梳激光器的所述光束组与来自所述第一、第二以及第三连续波激光器的所述第一、第二以及第三光束；以及
相位锁控制器，其被配置为比较所述第一、第二以及第三光束的频率与由所述频率梳激光器生成的频率梳，且将来自所述第一、第二以及第三连续波激光器的所述第一、第二以及第三光束的频率调谐到所述频率梳的不同梳齿。
8.根据条款7所述的装置，其中：
所述频率梳的梳齿通过所述频率梳激光器的脉冲重复频率分隔开；以及
所述频率梳激光器的所述脉冲重复频率被绑定到频率标准。
9.根据条款8所述的装置，其中：
所述频率标准由美国国家标准技术研究所(NIST)限定。
10.根据条款3所述的装置，其中：
所述信号处理器被配置为计算所述光电探测器阵列中独立像素的距离测量值。
11.一种测量目标在坐标系中的位置的方法，所述方法包括：
朝向所述目标直射来自至少三个激光测距传感器中的每个的连续波光的传感器波束，其中所述传感器波束的波束扩展具有大于所述目标的宽度的宽度；
在每个所述激光测距传感器中，组合干涉波束与本地振荡器波束以生成合成波波束，其中所述干涉波束由从所述目标反射且干涉所述传感器波束的光产生；
在每个所述激光测距传感器中，使用光电探测器阵列感测所述合成波波束；
在每个所述激光测距传感器中，基于所述光电探测器阵列的输出测量到所述目标的距离；
基于来自所述激光测距传感器的距离测量值计算所述目标在所述坐标系中的位置。
12.根据条款11所述的方法，其中感测所述合成波波束包括：
通过数字照相机中的光电探测器阵列感测所述合成波波束。
13.根据条款11所述的方法，其中所述激光测距传感器中的至少一个中的直射传感器波束、感测干涉波束以及测量到所述目标的距离的步骤还包括：
在第一连续波激光器、第二连续波激光器以及第三连续波激光器中的每一个中生成光束；
组合从所述第一、第二以及第三连续波激光器中接收的光束以生成所述传感器波束；
将所述传感器波束聚焦到所述目标上，其中来自所述目标的反射光干涉所述传感器波束，从而产生干涉波束；
移动从所述连续波激光器分割出的光束的频率以生成本地振荡器波束；
组合所述干涉波束与所述本地振荡器波束以生成所述合成波波束；
通过包括光电探测器阵列的光电探测器器件感测所述合成波波束；
处理来自所述光电探测器阵列的输出以检测由来自所述第一连续波激光器的第一光束和第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由来自所述第二连续波激光器的第二光束和第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，以及检测由所述第三连续波激光器的第三光束和第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差；
确定所述第一、第二以及第三外差中每个的光相位；
基于所述第一光束的第一频率和所述第二光束的第二频率之间的差值确定第一合成波的第一合成波长；
基于所述第一外差的第一光相位和所述第二外差的第二光相位之间的差值确定所述第一合成波的第一合成相位；以及
基于所述第一合成波长和所述第一合成相位确定到所述目标的距离。
14.根据条款13所述的方法，其还包括：
基于所述第一光束的所述第一频率和所述第三光束的第三频率之间的差值确定第二合成波的第二合成波长；
基于所述第一外差的所述第一光相位和所述第三外差的第三光相位之间的差值确定所述第二合成波的第二合成相位；
进一步基于所述第二合成波长和所述第二合成相位确定到所述目标的距离。
15.根据条款14所述的方法，其还包括：
将所述第一合成波长与所述第一合成相位相乘以计算所述第一合成波的到所述目标的第一距离测量值。
16.根据条款15所述的方法，其还包括：
通过用所述第一合成波的计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的所述第二合成波长来计算所述第二合成波的估计相位；
将所述估计相位的整数部分添加到所述第二合成相位以获得所述第二合成波的总相位；以及
将所述第二合成波的所述总相位与所述第二合成波长相乘以计算所述第二合成波的第二距离测量值。
17.根据条款13所述的方法，其还包括：
通过频率梳激光器生成包括频率梳的一组光束；
组合来自所述频率梳激光器的所述光束组与来自所述第一、第二以及第三连续波激光器的所述第一、第二以及第三光束；
比较所述第一、第二以及第三光束的频率与由所述频率梳激光器生成的频率梳；以及
将来自所述第一、第二以及第三连续波激光器的所述第一、第二以及第三光束的频率调谐到所述频率梳的不同梳齿。
18.根据条款17所述的方法，其中：
所述频率梳的梳齿通过所述频率梳激光器的脉冲重复频率分隔开；以及所述频率梳激光器的所述脉冲重复频率被绑定到频率标准。
19.根据条款18所述的方法，其中：
所述频率标准由美国国家标准技术研究所(NIST)限定。
20.一种装置，其包括：
至少三个激光测距传感器，其中每个激光测距传感器被配置为：
朝向目标投射传感器波束，其中所述传感器波束包括来自至少三个连续波激光器的光束的组合；
组合干涉波束与本地振荡器波束以生成合成波波束，其中所述干涉波束由从所述目标反射并干涉所述传感器波束的光产生；使用光电探测器阵列感测所述合成波波束；以及
使用合成波干涉量度法处理所述合成波波束以测量到所述目标的距离；以及
控制器，其被配置为从每个所述激光测距传感器接收距离测量值，并基于所述距离测量值计算所述目标在坐标系中的位置。
附图中所示以及本文中所描述的各种元件中的任何一个都可以被实施为硬件、软件、固件或其某些组合。例如，某元件可被实施为专用硬件。专用硬件元件可被称为“处理器”、“控制器”或某些相似术语。当通过处理器提供功能时，这些功能可以通过单个专用处理器、通过单个共享处理器或通过多个独立处理器(其中的一些可以被共享)来提供。而且，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包含不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)或其他电路、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性存储、逻辑或一些其他物理硬件组件或模块。
同样地，元件可被实施为可由处理器或计算机执行从而执行元件的功能的指令。指令的一些示例是软件、程序代码以及固件。当指令被处理器执行时，指令可操作以指引处理器执行元件的功能。指令可被存储在处理器可读的存储设备上。存储设备的一些示例是数字或固态存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光可读数字数据存储介质。
虽然本文描述了具体的实施例，但是本发明的范围不限于那些具体的实施例。更确切地说，本发明的范围由以下权利要求及其任何等同物限定。

Claims (15)

1.一种使用合成波激光测距的位置确定装置，其包括：
至少三个激光测距传感器，每个被配置为朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中所述传感器波束的波束扩展具有大于所述目标的宽度的宽度；
至少一个所述激光测距传感器被配置为组合来自每个被调谐到不同波长的至少三个连续波激光器的光束，以生成朝向所述目标直射的所述传感器波束；
所述激光测距传感器中的每个被配置为组合干涉波束与本地振荡器波束以生成合成波波束，其中所述干涉波束由从所述目标反射并干涉所述传感器波束的光产生，其中所述本地振荡器波束是通过将来自所述至少三个连续波激光器的光束频移不同的固定量产生的；
所述激光测距传感器中的每个包含光电探测器器件，所述光电探测器器件包括被配置为感测所述合成波波束的光电探测器阵列，并基于所述光电探测器阵列的输出测量到所述目标的距离；以及
控制器，其被配置为从每个所述激光测距传感器接收距离测量值并基于所述距离测量值计算所述目标在坐标系中的位置。
2.根据权利要求1所述的位置确定装置，其中：
所述光电探测器阵列包括数字照相机中的组件。
3.根据权利要求1所述的位置确定装置，其中所述激光测距传感器中的至少一个包括：
第一连续波激光器，其被配置为生成第一光束；
第二连续波激光器，其被配置为生成第二光束；
第三连续波激光器，其被配置为生成第三光束；
第一光组合器，其被配置为组合所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束以生成所述传感器波束；
望远镜，其被配置为将所述传感器波束聚焦在所述目标上，其中来自所述目标的反射光干涉所述传感器波束，从而产生所述干涉波束；
移频器单元，其被配置为接收所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束的一部分，并频移所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束以生成第一本地振荡器波束、第二本地振荡器波束以及第三本地振荡器波束；
第二光组合器，其被配置为组合所述干涉波束和所述第一本地振荡器波束、所述第二本地振荡器波束以及所述第三本地振荡器波束以生成所述合成波波束；
所述光电探测器器件包括被配置为感测所述合成波波束以生成输出信号的光电探测器阵列；以及
信号处理器，其被配置为处理来自所述光电探测器阵列的所述输出信号以检测由所述第一光束和所述第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由所述第二光束和所述第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，检测由所述第三光束和所述第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差，以及确定所述第一外差、所述第二外差以及所述第三外差中的每一个的光相位；
所述信号处理器被配置为基于所述第一光束的第一频率和所述第二光束的第二频率之间的差值确定第一合成波的第一合成波长，基于所述第一外差的第一光相位和所述第二外差的第二光相位间之间的差值确定所述第一合成波的第一合成相位，以及基于所述第一合成波长和所述第一合成相位确定到所述目标的距离。
4.根据权利要求3所述的位置确定装置，其中：
所述信号处理器被配置为基于所述第一光束的所述第一频率和所述第三光束的第三频率之间的差值确定第二合成波的第二合成波长，基于所述第一外差的所述第一光相位和所述第三外差的第三光相位之间的差值确定所述第二合成波的第二合成相位，以及进一步基于所述第二合成波长和所述第二合成相位确定到所述目标的距离；
所述信号处理器被进一步配置为将所述第一合成波长与所述第一合成相位相乘以计算所述第一合成波的到所述目标的第一距离测量值；以及
所述信号处理器也被配置为通过用所述第一合成波的计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的所述第二合成波长来计算所述第二合成波的估计相位，将所述估计相位的整数部分添加到所述第二合成相位以获得所述第二合成波的总相位，以及把所述第二合成波的所述总相位与所述第二合成波长相乘以计算所述第二合成波的第二距离测量值。
5.根据权利要求3所述的位置确定装置，其中所述激光测距传感器中的至少一个还包括：
频率梳激光器，其被配置为生成包括频率梳的光束组；
第三光组合器，其被配置为组合来自所述频率梳激光器的所述光束组与来自所述第一连续波激光器、所述第二连续波激光器以及所述第三连续波激光器的所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束；以及
相位锁控制器，其被配置为比较所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束的频率与由所述频率梳激光器生成的所述频率梳，并将来自所述第一连续波激光器、所述第二连续波激光器以及所述第三连续波激光器的所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束的频率调谐到所述频率梳的不同梳齿。
6.根据权利要求5所述的位置确定装置，其中：
所述频率梳的所述梳齿通过所述频率梳激光器的脉冲重复频率分隔开；以及
所述频率梳激光器的所述脉冲重复频率被绑定到频率标准；以及
所述频率标准由美国国家标准技术研究所即NIST限定。
7.根据权利要求3所述的位置确定装置，其中：
所述信号处理器被配置为计算所述光电探测器阵列中独立像素的距离测量值。
8.一种测量目标在坐标系中的位置的方法，所述方法包括：
朝向所述目标从至少三个激光测距传感器中的每个直射连续波光的传感器波束，其中所述传感器波束的波束扩展具有大于所述目标的宽度的宽度；
其中至少一个所述激光测距传感器被配置为组合来自每个被调谐到不同波长的至少三个连续波激光器的光束，以生成朝向所述目标直射的所述传感器波束；
在每个所述激光测距传感器中，组合干涉波束与本地振荡器波束以生成合成波波束，其中所述干涉波束由从所述目标反射且干涉所述传感器波束的光产生，其中所述本地振荡器波束是通过将来自所述至少三个连续波激光器的光束频移不同的固定量产生的；
在每个所述激光测距传感器中，使用光电探测器阵列感测所述合成波波束；
在每个所述激光测距传感器中，基于所述光电探测器阵列的输出测量到所述目标的距离；以及
基于来自所述激光测距传感器的距离测量值计算所述目标在所述坐标系中的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中感测所述合成波波束包括：
通过数字照相机中的所述光电探测器阵列感测所述合成波波束。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光测距传感器中的至少一个中的直射传感器波束、感测所述合成波波束以及测量到所述目标的距离的步骤还包括：
在第一连续波激光器、第二连续波激光器以及第三连续波激光器的每一个中生成光束；
组合从所述第一连续波激光器、所述第二连续波激光器以及所述第三连续波激光器中接收的光束以生成所述传感器波束；
将所述传感器波束聚焦到所述目标上，其中来自所述目标的反射光干涉所述传感器波束，从而产生干涉波束；
移动从所述连续波激光器分割出的光束的频率以生成本地振荡器波束；
组合所述干涉波束与所述本地振荡器波束以生成所述合成波波束；
通过包括光电探测器阵列的光电探测器器件感测所述合成波波束；
处理来自所述光电探测器阵列的输出以检测由来自所述第一连续波激光器的第一光束和第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由来自所述第二连续波激光器的第二光束和第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，以及检测由所述第三连续波激光器的第三光束和第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差；
确定所述第一外差、所述第二外差以及所述第三外差中每个的光相位；
基于所述第一光束的第一频率和所述第二光束的第二频率之间的差值确定第一合成波的第一合成波长；
基于所述第一外差的第一光相位和所述第二外差的第二光相位之间的差值确定所述第一合成波的第一合成相位；以及
基于所述第一合成波长和所述第一合成相位确定到所述目标的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其还包括：
基于所述第一光束的所述第一频率和所述第三光束的第三频率之间的差值确定第二合成波的第二合成波长；
基于所述第一外差的所述第一光相位和所述第三外差的第三光相位之间的差值确定所述第二合成波的第二合成相位；以及
进一步基于所述第二合成波长和所述第二合成相位确定到所述目标的距离；以及
将所述第一合成波长与所述第一合成相位相乘以计算所述第一合成波的到所述目标的第一距离测量值。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括：
通过用所述第一合成波的计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的所述第二合成波长来计算所述第二合成波的估计相位；
将所述估计相位的整数部分添加到所述第二合成相位以获得所述第二合成波的总相位；以及
将所述第二合成波的所述总相位与所述第二合成波长相乘以计算所述第二合成波的第二距离测量值。
13.根据权利要求10所述的方法，其还包括：
通过频率梳激光器生成包括频率梳的光束组；
组合来自所述频率梳激光器的所述光束组与来自所述第一连续波激光器、所述第二连续波激光器以及所述第三连续波激光器的所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束；
比较所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束的频率与由所述频率梳激光器生成的频率梳；以及
将来自所述第一连续波激光器、所述第二连续波激光器以及所述第三连续波激光器的所述第一光束、所述第二光束以及所述第三光束的频率调谐到所述频率梳的不同梳齿。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述频率梳的所述梳齿通过所述频率梳激光器的脉冲重复频率分隔开；以及
所述频率梳激光器的所述脉冲重复频率被绑定到频率标准。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述频率标准由美国国家标准技术研究所即NIST限定。
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