CN104635237B - 合成波激光测距传感器和方法 - Google Patents

合成波激光测距传感器和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104635237B
CN104635237B CN201410645103.3A CN201410645103A CN104635237B CN 104635237 B CN104635237 B CN 104635237B CN 201410645103 A CN201410645103 A CN 201410645103A CN 104635237 B CN104635237 B CN 104635237B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light beam
heterodyne
wave
frequency
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410645103.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104635237A (zh
Inventor
D·C·索瑞德
J·M·塞恩特克莱尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Boeing Co
Original Assignee
Boeing Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Boeing Co filed Critical Boeing Co
Publication of CN104635237A publication Critical patent/CN104635237A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104635237B publication Critical patent/CN104635237B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G01S7/4815—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone using multiple transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4917—Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及合成波激光测距传感器和方法，公开了用于测量到物体的距离的系统和方法。一种示例性方法包括将来自三个或更多个连续波激光器的光束引导到目标上，以生成干涉束，并且还频移从激光器分裂的光束，以生成本地振荡器束。当干涉束和本地振荡器束组合时，该方法进一步包括确定通过组合所述光束和本地振荡器束而产生的外差光学相位，且通过获取外差光学相位之间的差来确定合成相位。该方法进一步包括基于激光器的频率之间的差确定合成波长。该方法进一步包括基于合成相位和合成波长确定到目标的距离。

Description

合成波激光测距传感器和方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，且更具体地，涉及可用在诸如大物体制造和/或组装等应用中的激光测距传感器。
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。存在各种能够确定距离的系统，如SONAR(声音导航和测距)、RADAR(无线电探测和测距)、LIDAR(光探测和测距)和LADAR(激光探测和测距)。其中一种类型的测距技术使用行程时间测量来确定距离。例如，传感器可向目标处发送声音或光脉冲，并测量时间直到目标反射回声，以确定到物体的距离。其他类型的测距技术使用连续声波或光波。例如，传感器可向目标处发送连续声波或光波，并且来自目标的反射将与声波或光波干涉，形成“干涉”波。当(同一频率的)发送波和反射波组合以形成干涉波时，所产生的干涉波的模式由发送波和反射波之间的相位差确定。此相位差能够用来确定到目标的距离。
测距传感器可用在诸如飞行器等产品的制造或组装中。当正在组装部件时，可以需要精确测量以便确保正确组装部件。在组装过程中，尤其是当它们是在不同位置处制造时，难以匹配大部件的形状和轮廓。如果在组装过程中使用激光测距传感器，可取的是设计激光测距传感器，以提供具有非常高精确度的测量。
发明内容
本文所描述的实施例提供改进的激光测距传感器和方法。如本文所描述的系统确定具有增加波长的合成波阶梯，以计算到目标的精确距离测量。一种示例性系统混合来自多个连续波激光器的光束，以生成传感器束，并将传感器束引导到目标处，这产生干涉束。连续波激光器以不同频率发射光束。当光束混合在干涉束中时，不同频率的光束将生成“拍”频率(在本文中称为“合成波”)。因为使用多个连续波激光器，产生合成波阶梯。
来自连续波激光器的光束的一部分被分裂且被频移，以生成本地振荡器束。当本地振荡器束与干涉束混合时，基于来自连续波激光器的光束的频率和其相应的本地振荡器束的频率之间的差产生外差。外差携带干涉束的信息(例如，振幅和相位)，但是处于较低频率。因此，能够确定每个外差的光学相位。外差的光学相位可用来确定合成波的相位。然后能够处理合成波的特征以测量距离。
另外，在激光测距传感器内，来自连续波激光器的光束的一部分被分裂并被频移以生成本地振荡器束。当本地振荡器束与干涉束混合时，基于来自连续波激光器的光束的频率和其相应的本地振荡器束的频率之间的差产生外差。外差携带干涉束的信息(例如，振幅和相位)，但是处于较低频率。因此，能够确定每个外差的光学相位，并且外差的光学相位可以用来确定合成波的相位。然后合成波的波长和相位可以用来确定到目标的距离。
本文所描述的系统可使用频率梳激光器校准连续波激光器。频率梳激光器生成波长分开精确量的光束集，这称为频率梳。该系统能够将连续波激光器调整到频率梳的不同齿，以便连续波激光器的波长分开精确量。而且，频率梳的齿的分离量等于频率梳激光器内使用的脉冲重复频率。脉冲重复频率可以与来自诸如美国国家标准与技术研究院(NIST)等标准组织的频率标准相关。因此，来自该系统的测量可以起源于NIST标准或其他标准，并且不论该系统的环境或位置如何，其将是相同的。
其中一个实施例包括用于测量到目标的距离的设备。该设备包括：第一连续波激光器，其经配置生成第一光束；第二连续波激光器，其经配置生成第二光束；和第三连续波激光器，其经配置生成第三光束。该设备也包括：光学组合器，其经配置组合第一、第二和第三光束，以生成传感器束；和望远镜，其经配置将传感器束聚焦到目标上，其中来自目标的反射光与传感器束干涉，产生干涉束。该设备也包括移频器单元，其经配置接收第一、第二和第三光束的一部分且频移第一、第二和第三光束，以生成第一、第二和第三本地振荡器束。该设备的另一个光学组合器经配置以将干涉束和第一、第二和第三本地振荡器束组合，以生成合成波束。光检测器装置经配置以感测合成波束，从而生成被提供至信号处理器的输出信号。信号处理器经配置以处理来自第一光检测器装置的输出信号，以检测第一光束和第一本地振荡器束的组合产生的第一外差、检测第二光束和第二本地振荡器束的组合产生的第二外差、检测第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第三外差，且确定第一外差、第二外差和第三外差的每个的光学相位。该信号处理器经进一步配置以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确定第一合成波长、基于第一外差的第一光学相位和第二外差的第二光学相位之间的差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。
在另一个实施例中，信号处理器经配置以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确定第二合成波长、基于第一外差的第一光学相位和第三外差的第三光学相位之间的差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。
在另一个实施例中，该设备包括：频率梳激光器，其经配置以生成包括频率梳的光束集；和另一光学组合器，其经配置以组合来自频率梳激光器的光束集与来自第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束。该设备进一步包括锁相控制器，其经配置以比较第一、第二和第三光束的频率与频率梳激光器生成的频率梳，且将来自第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束的频率调整到频率梳的不同齿。
另一个实施例包括一种测量到目标的距离的方法。该方法包括：在第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的每个中生成光束；组合从第一、第二和第三连续波激光器接收的光束，以生成传感器束；以及将传感器束聚焦到目标上，其中来自目标的反射光与传感器束干涉，产生干涉束。该方法进一步包括：频移从连续波激光器分裂的光束，以生成本地振荡器束；组合干涉束和本地振荡器束，以生成合成波束；以及利用第一光检测器装置感测合成波束。该方法进一步包括处理来自第一光检测器装置的输出，以检测来自第一连续波激光器的第一光束和第一本地振荡器束的组合产生的第一外差、检测来自第二连续波激光器的第二光束和第二本地振荡器束的组合产生的第二外差以及检测来自第三连续波激光器的第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第三外差。该方法进一步包括：确定第一外差、第二外差和第三外差的每个的光学相位；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确定第一合成波长；以及基于第一外差的第一光学相位和第二外差的第二光学相位之间的差确定第一合成相位。该方法进一步包括基于第一合成波长和第一合成相位确定到目标的距离。
已经讨论的特征、功能和优点能够在各种实施例中单独实现，或者可以组合在其他实施例中，其进一步细节可以参考下面具体实施方式和附图了解。
附图说明
现在仅通过示例的方式并参照附图描述本发明的一些实施例。相同的附图标记表示所有附图上的相同元件或相同类型的元件。
图1示出一个示例性实施例中的激光测距传感器。
图2示出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示出一个示例性实施例中的操作以校准测量单元的校准单元。
图4示出一个示例性实施例中的操作以执行距离测量的测量单元。
图5示出一个示例性实施例中的合成波阶梯。
图6示出一个示例性实施例中针对测量信道产生的外差。
图7的流程图示出一个示例性实施例中用于操作激光测距传感器的方法。
具体实施方式
附图和下面具体实施方式示出具体示例性实施例。因此，将理解，本领域的技术人员将能够想出各种布置，虽然未在本文明确描述或示出，但体现本文描述的原理且包括在此具体实施方式之后的权利要求书的预期范围内。此外，本文描述的任何示例意在帮助理解本发明的原理，且将被解释为无限制。因此，本发明不限于下面描述的具体实施例或示例，但由权利要求书及其等同物限制。
图1示出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中未示出)的距离测量或测距测量。例如，可以在组装或制造过程中使用传感器100，以精确地测量大物体，如飞行器的部件。如果大物体，例如在不同位置处制造，如果匹配部件的形状和轮廓未精确形成，在组装过程中会出现问题。因此，本文所述类型的激光测距传感器可在不同位置处使用，以在制造或组装部件时精确地测量这些部件。
图2示出一个示例性实施例中的测量到目标的距离的传感器100。传感器100以物体202(如正在组装或制造的飞行器的部件)为目标。传感器100能够测量到物体202上的一个或更多个目标204的距离。例如，传感器100可测量到正在组装的部件的边缘的距离。目标204可包括回归反射目标或不包括回归反射器的非协作目标。
在图1中所示的实施例中，传感器100包括测量单元110和校准单元160。测量单元110包括使用合成波干涉测量法测量到目标的距离的组件。干涉测量法是一种用于叠加波(例如，光波)并从波的组合提取信息的技术。作为使用干涉测量法的一种简化示例，光束由分束器分裂成两个相同的束。每个束在不同路径上行进，且在检测器处重新组合。如果束行进的路径存在差异(例如，距离)，则束之间产生相位差。束之间的相位差可用来确定路径长度并因而确定到目标的距离。
当光束发送到目标处时，目标反射的光将与正传输的光束干涉。当目标静止时，反射束与传输束将具有相同频率。当传输光与反射光同相(处于相同频率)时，则发生相长干涉。当传输光与反射光不同相时，则发生相消干涉。干涉的结果被称为“干涉”束。
如将在下面更详细描述的，测量单元110组合来自多个激光器、紧密间隔光频率的光束，以将束引导到目标处。紧密间隔的光频率将在干涉束中生成拍频率集，这在本文中被称为阶梯或“合成波”集。测量单元110能够确定每个合成波的相位(在本文称为合成相位)，且然后基于合成波的相位测量到目标的距离。因为测量单元110使用一组具有不同频率的激光器，合成波阶梯创建合成相位阶梯。合成波的其中之一(具有最长波长的波)是到目标的距离的直接测量值(假设距目标小于一个波长)，但测量的精确度不足够。根据此合成波的距离测量的精确度足以定位下一个合成波的绝对数量的波长。下一个合成波(具有下一个最长波长的波)的相位使得距离测量精确度增加。可以针对阶梯的每个相位重复该过程，直到获得所需的精确度。
校准单元160包括操作以校准执行距离测量的测量单元110的组件。如下面更详细描述，校准单元160使用频率梳激光器调整测量单元110内的连续波(CW)激光器。频率梳激光器是具有频谱的光源，所述频谱包括一系列离散且等间隔模式。测量单元110内的连续波激光器被调整到频率梳的不同齿。因为频率梳的齿处于精确频率，测量单元110的CW激光器将被调整到精确频率。
为了创建合成波阶梯，测量单元110包括图1中的三个测量信道，每个具有CW激光器112-114。激光器112-114的每个都被调整到不同波长。例如，激光器112可被调整到λ1，激光器113可被调整到λ2，且激光器114可被调整到λ3。波长λ1可以约为1550纳米(nm)，波长λ2可以约为1550.08nm，且波长λ3可以约为1550.8nm。虽然可以根据需要为具体应用选择不同的波长，但是来自每个激光器112-114的波长应该有差异。不同的波长能够产生干涉，所述干涉将被处理以确定到目标的范围。
对于第一测量信道，激光器112由光纤耦合到分束器116。分束器116由光纤耦合到另一个分束器120。分束器116经配置以分裂来自激光器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，并且该光束的一部分行进到校准单元160内的光学组合器166(其将稍后描述)。分束器120经由光纤连接到移频器124，且经由光纤连接到光学组合器130。分束器120经配置以再次分裂来自激光器112的光束。来自激光器112的光束的一部分行进到移频器124，并且该光束的一部分行进到组合器130。移频器124经配置以频移来自激光器112的光束固定量。例如，移频器124可将来自激光器112的光束的频率偏移170Hz。移频器124的一些示例是声-光调制器(AOM)和多普勒移频器。频移后的光束被称为第一测量信道的本地振荡器束。然后第一测量信道的本地振荡器束从移频器124行进到光学组合器128。
对于第二测量信道，激光器113由光纤耦合到分束器117。分束器117由光纤耦合到另一个分束器121。分束器117经配置以分裂来自激光器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，并且该光束的一部分行进到校准单元160内的光学组合器167。分束器121经由光纤连接到移频器125，且经由光纤连接到组合器130。分束器121经配置以再次分裂来自激光器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，并且该光束的一部分行进到组合器130。移频器125经配置以频移来自激光器113的光束固定量(并且不同于移频器124)，从而生成第二测量信道的本地振荡器束。然后第二测量信道的本地振荡器束行进到组合器128。
对于第三测量信道，激光器114由光纤耦合到分束器118。分束器118由光纤耦合到另一个分束器122。分束器118经配置以分裂来自激光器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，并且该光束的一部分行进到校准单元160内的光学组合器168。分束器122经由光纤连接到移频器126，且经由光纤连接到组合器130。分束器122经配置以再次分裂来自激光器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，并且该光束的一部分行进到组合器130。移频器126经配置以频移来自激光器114的光束固定量(并且不同于移频器124和125)，从而生成第三测量信道的本地振荡器束。然后第三测量信道的本地振荡器束行进到组合器128。
虽然图1中示出三个测量信道，但是测量单元110可包括更多信道。测量单元110中使用三个或更多个测量信道，以提供距离测量所需的精确度。另外，虽然图1中示出三个移频器124-126，但是可以实施共用移频器单元以生成如上所述的本地振荡器束。
来自三个测量信道的光束在组合器130内组合或混合，以形成传感器束。组合器130经由光纤连接到分束器131。分束器131经配置以分裂传感器束。该传感器束的一部分行进到循环器132，并且该传感器束的一部分行进到基准信道的光学组合器150，这在下面更详细描述。传感器束行进穿过循环器132到达望远镜134。望远镜134经配置以朝向正被测量的目标(图1中未示出)聚焦传感器束。
当望远镜134朝着目标引导传感器束时，目标反射的光将与传感器束干涉，产生“干涉”束136。然后，循环器132引导干涉束136到光学组合器138。同时，三个测量信道的本地振荡器束在组合器128内组合或混合，形成集合本地振荡器束。集合本地振荡器束从组合器128行进到分束器152。分束器152经配置以分裂集合本地振荡器束。该集合本地振荡器束的一部分行进到组合器138，并且该集合本地振荡器束的一部分行进到组合器150。组合器138经配置以组合或混合干涉束与集合本地振荡器束，以生成“合成波”束。合成波束投射到光检测器装置140上。光检测器装置140可包括单个光检测器元件，或者可包括如在数码摄像机中的光检测器元件阵列。光检测器装置140经配置以感测来自合成波束的光，且提供输出信号至信号处理器144。
测量单元110也包括基准信道。对于基准信道，从分束器131分裂的传感器束的一部分行进到组合器150。同时，来自分束器152的集合本地振荡器束的一部分行进到组合器150。组合器150经配置以组合或混合传感器束与集合本地振荡器束，以生成基准“合成波”束。基准合成波束投射到光检测器装置146。光检测器装置146经配置以感测来自基准合成波束的光，且提供输出信号至信号处理器144。
校准单元160包括频率梳激光器162，其经由光纤连接到分束器164。分束器164经由光纤连接到组合器166-168。分束器164经配置以分裂来自频率梳激光器162的光束，以便来自频率梳激光器162的光束的一部分行进到组合器166-168。组合器166-168的每个经配置以组合或混合来自频率梳激光器162的光束与来自其各自测量信道的光束。组合器166-168每个都与锁相控制器169连接。控制器169进而与每个激光器112-114连接。
图1中所示的传感器100的架构仅仅是其中一个示例。可以存在这种架构的变体，其允许传感器100如下所述操作。
下面描述传感器100的示例性操作。为了执行精确距离测量，传感器100内的测量单元110由校准单元160校准。图3示出一个示例性实施例中操作以校准测量单元110的校准单元160。激光器112-114发送分别行进到分束器116-118的光束301-303。分束器116将来自激光器112的光束301的一部分提供至组合器166，分束器117将来自激光器113的光束302的一部分提供至组合器167，且分束器118将来自激光器114的光束303的一部分提供至组合器168。
同时，频率梳激光器162生成包括频率梳的光束集306。为了生成频率梳，激光器162具有光源(例如，飞秒激光器)，其能够生成超短脉冲的光。该光源发射规律性的短的光脉冲串，其在时间上分开重复周期Trep。组成这些脉冲的载波光波的电磁场以更高的频率振荡。来自光源的该脉冲串包括间隔等于脉冲重复频率frep的光学频率梳。载波信号fc是振幅调制的，其在频域中产生间隔等于调制频率frep的边频带。在频域中，边频带类似于关于载波频率为中心的梳上的齿。梳齿(也称为梳元件)中的任何一个的频率是：f＝n xfrep+fo，其中n是整数，frep是脉冲重复频率，且fo是载波偏移频率。
因此，频率梳激光器162生成光束集306，它们在波长上以激光器162内使用的脉冲重复频率分开。分束器164从激光器162接收光束306，且将光束306的一部分提供至每个组合器166-168。组合器166组合来自频率梳激光器162的光束与来自第一测量信道的激光器112的光束，且将组合后的光束311提供至锁相控制器169。组合器167组合来自频率梳激光器162的光束与来自第二测量信道的激光器113的光束，且将组合后的光束312提供至锁相控制器169。类似地，组合器168组合来自频率梳激光器162的光束与来自第三测量信道的激光器114的光束，且将组合后的光束313提供至锁相控制器169。
锁相控制器169能够将激光器112-114的频率与频率梳激光器162生成的光束集的频率进行比较。然后锁相控制器169能够通过分别发送控制信号321-323至激光器112-114以将激光器112-114调整到频率梳的各个齿。例如，锁相控制器169选择频率梳上的齿，然后调节激光器112的输出，以(在可接受容差内)匹配频率梳的选定齿的频率。对于每个激光器112-114，锁相控制器169执行类似过程，直到每个激光器正操作在期望频率。这有利地利用每个激光器112-114的波长之间的已知差，将激光器112-114调整到精确波长。
另外，通过调整如上所述的测量单元110，测量单元110测量的距离可以起源于标准，如美国国家标准与技术研究院(NIST)。来自频率梳激光器162的梳的齿由频率梳激光器162的脉冲重复频率分隔，并且激光器112-114被精确调整到频率梳的齿。因此，如果频率梳激光器162的脉冲重复频率能够与已知频率标准相关，则从测量单元110测量的距离可以起源于所述标准。
校准之后，测量单元110能够执行到目标的距离测量。图4示出一个示例性实施例的正操作以执行距离测量的测量单元110。看向第一测量信道，激光器112发送光束401至分束器116，这将光束401的一部分提供至分束器120。分束器120接着将光束401的一部分提供至组合器130，且将光束401的一部分提供至移频器124。移频器124将光束401的频率偏移已知量(例如，170Hz)以生成第一测量信道的本地振荡器束411。然后，第一测量信道的本地振荡器束411从移频器124行进到组合器128。
第二和第三测量信道发生类似过程。对于第二测量信道，激光器113发送光束402至分束器117，这将光束402的一部分提供至分束器121。分束器121接着将光束402的一部分提供至组合器130，且将光束402的一部分提供至移频器125。移频器125将光束402的频率偏移已知量(不同于移频器124)以生成第二测量信道的本地振荡器束412。然后第二测量信道的本地振荡器束412从移频器125行进到组合器128。对于第三测量信道，激光器114发送光束403至分束器118，这将光束403的一部分提供至分束器122。分束器122接着将光束403的一部分提供至组合器130，且将光束403的一部分提供至移频器126。移频器126将光束403的频率偏移已知量(不同于移频器124和125)以生成第三测量信道的本地振荡器束413。然后第三测量信道的本地振荡器束413从移频器126行进到组合器128。
测量信道的光束401-403在组合器130内组合或混合以生成测量单元110的传感器束420。分束器131分裂传感器束420。传感器束420的一部分穿过循环器132行进到望远镜134，并且传感器束420的一部分行进到基准信道的组合器150。然后使用望远镜134朝向正被测量的目标聚焦传感器束420。随着目标反射传感器束420，从目标反射的光将与传感器束420干涉，产生干涉束136。干涉束136行进返回通过循环器132到组合器138。另外，测量信道的本地振荡器束411-413在组合器128内组合或混合，以生成集合本地振荡器束422。集合本地振荡器束422由分束器152分裂。集合本地振荡器束422的一部分行进到组合器138，并且集合本地振荡器束422的一部分行进到组合器150。
组合器138接收干涉束136和集合本地振荡器束422，并组合或混合这些束，以生成合成波束430。然后合成波束430行进到光检测器装置140，其中光检测器装置140经配置以将来自合成波束430的光转换成电信号。然后光检测器装置140将电信号提供至信号处理器144。所述电信号包括在时间上的合成波束430的多个样本。
信号处理器144从光检测器装置140接收输出信号，且能够处理来自光检测器装置140的输出信号，以识别来自合成波束430的合成波阶梯。该合成波阶梯由激光器112-114之间的频率差建立。图5示出一个示例性实施例中的合成波阶梯。第一合成波由来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差建立。当这两个光束被组合时，该组合建立以拍频率振荡的波，其被称为第一合成波(图5中标记的合成波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的光束之间的频率差。第二合成波由来自激光器112的光束和来自激光器114的光束之间的频率差建立。当这两个光束组合时，该组合建立以拍频率振荡的波，其被称为第二合成波(图5中标记的合成波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的光束之间的频率差。另一个合成波将由来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差建立。然而，此合成波的频率将接近于上述第二合成波的频率，所以该频率可以忽略。
图5中的合成波阶梯包括两个合成波。然而，如果更多个激光器添加到测量装置110，则针对阶梯建立更多个合成波。例如，如果添加第四CW激光器，则第三合成波将由来自激光器112的光束和来自第四激光器的光束之间的频率差建立。如果添加第五CW激光器，则第四合成波将由来自激光器112的光束和来自第五激光器的光束之间的频率差建立。阶梯中的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。
因为信号处理器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。第一合成波的波长标记为λsyn1，且第二合成波的波长标记为λsyn2。为了得到合成波之外的距离测量，信号处理器144确定干涉束中的合成波相位，因为合成波将携带干涉束的信息(例如，振幅和相位)。然而，在测量单元110中，合成波中的一个或更多个合成波的频率可能太高而不能用常规信号处理进行处理。为了识别合成波的相位，信号处理器144处理关于针对每个测量信道所建立的外差的信息，如在下面描述。
图6示出一个示例性实施例中针对测量信道建立的外差。干涉束是来自激光器112-114的光束的组合。当干涉束与本地振荡器束组合时，第一测量信道的本地振荡器束将与第一测量信道的光束干涉，以建立以更低拍频率振荡的第一外差。第一外差(图6中的外差1)的频率将是来自激光器112的光束和第一测量信道的(如由图1中的移频器124所确定的)本地振荡器束之间的频率差。第一外差携带与第一测量信道有关的干涉束的信息(例如，振幅和相位)。第一外差的频率是在RF频谱(例如，170Hz)中，所以信号处理器144能够容易地提取第一外差的光学相位(θhet1)。
以类似方式，第二测量信道的本地振荡器束将与第二测量信道的光束干涉，以建立以更低拍频率振荡的第二外差。第二外差(图6中的外差2)的频率将是来自激光器113的光束和第二测量信道的本地振荡器束(如由图1中的移频器125确定)之间的频率差。第二外差携带与第二测量信道有关的干涉束的信息(例如，振幅和相位)。信号处理器144能够提取第二外差的光学相位(θhet2)。
第三测量信道的本地振荡器束将与第三测量信道的光束干涉，以建立以更低拍频率振荡的第三外差。第三外差(图6中的外差3)的频率将是来自激光器114的光束和第三测量信道的本地振荡器束(如由图1中的移频器126确定)之间的频率差。第三外差携带与第三测量信道有关的干涉束的信息(例如，振幅和相位)。信号处理器144能够提取第三外差的光学相位(θhet3)。
在确定测量信道的外差的光学相位之后，信号处理器144能够基于从外差提取的光学相位确定合成波的相位。第一合成波基于来自激光器112的光束和来自激光器113的光束之间的频率差在干涉束内建立(参见图5)。信号处理器144能够基于第一外差的光学相位和第二外差的光学相位之间的差确定第一合成波的相位(θsyn1)。第二合成波基于来自激光器112的光束和来自激光器114的光束之间的频率差在干涉束内建立(参见图5)。信号处理器144能够基于第一外差的光学相位和第三外差的光学相位之间的差确定第二合成波的相位(θsyn2)。因此，信号处理器144能够基于从所述外差提取的光学相位计算每个合成波的相位。
在此阶段，信号处理器144的第一合成波具有波长(λsyn1)和相位(θsyn1)，且第二合成波具有波长(λsyn2)和相位(θsyn2)。利用合成波的这个信息，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(对于此示例，假设具有最长波长的合成波是第一合成波)。在此实施例中，假设从传感器100到目标的距离小于最长波长的合成波的波长。信号处理器144使用下列等式计算距离：Z＝λ*θ，其中Z是距离，λ是波长(例如，nm)，并且θ是相位(例如，弧度或周(循环))。
然后，信号处理器144可以使第一合成波的波长(λsyn1)和第一合成波的相位(θsyn1)相乘，得到距离值(Z1)。此距离值表示目标位于第一合成波的周期中。例如，如果第一合成波动的波长是一米且第一合成波的相位是0.5个循环，则信号处理器144计算出到目标的距离是0.5米。
接着，信号处理器144处理阶梯中下一个较短合成波的数据(对于此示例，假设第二合成波是该阶梯中的下一个)。信号处理器144通过针对第一合成波所计算的距离值(Z1)除以第二合成波的波长(λsyn2)计算第二合成波的估计相位(θest)。估计相位(θest)具有整数和小数部分。信号处理器144将估计相位(θest)的整数部分与针对第二合成波所测量的相位(θsyn2)相加，得到第二合成波的总相位(θsyn2总)。第二合成波的总相位(θsyn2总)表示传感器100和目标之间的第二合成波上出现的循环数。然后，信号处理器144使第二合成波的总相位(θsyn2总)和第二合成波的波长(λsyn2)相乘，计算更精确的距离值(Z2)。
例如，假设信号处理器144计算的Z1值为0.5米，且第二合成波的波长(λsyn2)是10mm。然后信号处理器144使得0.5米除以10mm，得到的值为50，其是第二合成波的估计相位(θest)。然后信号处理器144将估计相位(θest)的整数部分与针对第二合成波测量的相位(θsyn2)相加。对于此示例，假设第二合成波测量的相位(θsyn2)是0.57。因此，第二合成波的总相位(θsyn2总)是估计相位(θest)和针对第二合成波测量的相位(θsyn2)的和，为50.57。然后信号处理器144使第二合成波的总相位(θsyn2总)与第二合成波的波长(λsyn2)相乘，计算距离值(Z2)。如果第二合成波的波长(λsyn2)是10mm，则第二合成波的总相位(θsyn2总)和波长(λsyn2)的乘积是0.5057米(50.57*10mm)。此距离测量比用于较长波长的在先距离测量(其为0.5米)具有更高的分辨率。
信号处理器144可针对阶梯中的每个合成波重复上述过程，所述阶梯具有下一个更短波长，直到距离值(Z)具有期望精确度。
信号处理器144也可以处理来自基准信道的数据，以确定是否任何未预期的相位正由移频器124-126添加到系统中。来自组合器130的传感器束420(参见图4)行进到组合器150。组合器150也接收(穿过分束器152)来自组合器128的集合本地振荡器束422，且组合或混合这些束，以生成基准合成波束440。然后，基准合成波束440行进到光检测器装置146。光检测器装置146感测来自基准合成波束440的光，且生成表示基准合成波束440的电信号。然后光检测器装置146将电信号提供至信号处理器144。
信号处理器144处理来自光检测器装置146的电信号，以检测基准合成波束440中的外差(参见图4)。当传感器束440与本地振荡器束组合时，第一测量信道的本地振荡器束将与来自激光器112的光束在传感器束中干涉，以在基准信道中建立外差，其被称为第四外差。此外差的频率将是来自激光器112的光束和第一测量信道的本地振荡器束(如由图1中的移频器124确定)之间的频率差。信号处理器144能够提取基准信道的第四外差的光学相位(θhet4)。
以类似方式，第二测量信道的本地振荡器束将与来自激光器113的光束在传感器束中干涉，以在基准信道中建立另一个外差，称为第五外差。此外差的频率将是来自激光器113的光束和第二测量信道的本地振荡器束(如由图1中移频器125确定)之间的频率差。信号处理器144能够提取基准信道的第五外差的光学相位(θhet5)。
第三测量信道的本地振荡器束将与激光器114的光束在传感器束中干涉，以在基准信道中建立又一个外差，其被称为第六外差。此外差的频率将是来自激光器114的光束和第三测量信道的本地振荡器束(如由图1中移频器126确定)之间的频率差。信号处理器144能够提取基准信道的第六外差的光学相位(θhet6)。
然后，信号处理器144能够比较测量信道中计算的外差与基准信道中的外差，以确定任何外来相位是否正由移频器124-126引入系统中。例如，信号处理器144能够比较第一测量信道的第一外差的光学相位(θhet1)与基准信道的第四外差的光学相位(θhet4)。信号处理器144能够比较第二测量信道的第二外差的光学相位(θhet2)与基准信道的第五外差的光学相位(θhet5)。信号处理器144也能够比较第三测量信道的第三外差的光学相位(θhet3)与基准信道的第六外差的光学相位(θhet6)。如果存在任何差异，信号处理器144将从测量信道的光学相位减去基准信道的光学相位，以校正测量信道中的外差。
虽然上面描述了操作传感器100的过程，但是下面总结了使用合成波干涉测量法测量到目标204的距离的示例性方法。图7的流程图示出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。方法700将相对于图1的激光测距传感器100而描述，尽管本领域的技术人员将认识到本文所述的方法可由其他未示出的装置或系统执行。本文所述的方法的步骤不是全部包括性的，并且可以包括其他未示出的步骤。所述步骤也可以以替换顺序执行。
如上所述，方法700使用合成波干涉测量法确定到目标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激光器和第三CW激光器的光束生成传感器束，并且步骤704包括将传感器束聚焦到目标204上。从目标204反射的光与传感器束干涉，产生干涉束。步骤706包括偏移从CW激光器分裂出来的光束的频率，以生成本地振荡器束。步骤708包括组合干涉束和本地振荡器束，以生成合成波束，且步骤710包括利用光检测器装置感测合成波束。步骤712包括处理光检测器装置的输出，以检测来自CW激光器的光束和其关联的本地振荡器束的组合产生的外差，且步骤714包括确定每个外差的光学相位。
图7的方法通过处理来自存在于合成波束中的合成波的数据确定到目标204的距离。对于第一合成波，方法700包括基于来自CW激光器的第一CW激光器的光束的频率和来自CW激光器的第二CW激光器的光束的频率之间的差确定第一合成波的合成波长的步骤716。方法700进一步包括基于外差的第一外差的光学相位和外差的第二外差的光学相位之间的差确定第一合成波的合成相位的步骤718。
然后针对额外的合成波重复步骤716-718。例如，对于第二合成波，步骤716包括基于来自CW激光器的第一CW激光器的光束的频率和来自CW激光器的第三CW激光器的光束的频率之间的差确定第二合成波的合成波长。步骤718包括基于外差的第一外差的光学相位和外差的第三外差的光学相位之间的差确定第二合成波的合成相位。如果额外的合成波存在于合成波束中，则可针对n个合成波重复步骤716-718。
在确定合成波的数据之后，方法700进一步包括基于合成波(一个或更多个)的合成波长和合成相位确定到目标的距离的步骤720。
附图中所示的或本文所述的各种元件的任何元件可被实施为硬件、软件、固件或它们的一些组合。例如，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”或一些类似术语。当由处理器提供时，所述功能可由单个专用处理器提供、由单个共享处理器提供或者由多个单独的处理器提供，其中一些可以共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应该被解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，并且可隐含地包括，但不限于，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)、非易失性存储器、逻辑或一些其他物理硬件组件或模块。
另外，元件可被实施为处理器或计算机可执行的指令，以执行该元件的功能。指令的一些示例是软件、程序代码和固件。所述指令可操作，当其由处理器执行以指导处理器执行该元件的功能。所述指令可以存储在处理器可读的存储装置上。存储装置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、硬盘驱动器或者光学可读数字数据存储介质。
进一步地，本公开包括根据下列条款的实施例：
第1条、一种设备，其包括：
第一连续波激光器，其经配置生成第一光束；
第二连续波激光器，其经配置生成第二光束；
第三连续波激光器，其经配置生成第三光束；
第一光学组合器，其经配置组合第一光束、第二光束和第三光束，以生成传感器束；
望远镜，其经配置以将传感器束聚焦到目标上，其中从目标反射的光与传感器束干涉，产生干涉束；
移频器单元，其经配置接收第一光束、第二光束和第三光束的一部分，且频移第一光束、第二光束和第三光束，以生成第一本地振荡器束、第二本地振荡器束和第三本地振荡器束；
第二光学组合器，其经配置组合干涉束和第一、第二和第三本地振荡器束，生成合成波束；
第一光检测器装置，其经配置感测合成波束，以生成第一输出信号；以及
信号处理器，其经配置处理来自第一光检测器装置的第一输出信号，以检测第一光束和第一本地振荡器束的组合产生的第一外差，检测第二光束和第二本地振荡器束的组合产生的第二外差，检测第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第三外差，且确定第一外差、第二外差和第三外差的每个的光学相位；
信号处理器经配置以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学相位和所述第二外差的第二光学相位之间的差确定第一合成波的第一合成相位，且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。
第2条、根据第1条所述的设备，其中：
所述信号处理器经配置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确定第二合成波的第二合成波长，基于第一外差的第一光学相位和第三外差的第三光学相位之间的差确定第二合成波的第二合成相位，且进一步基于第二合成波长和第二合成相位确定到所述目标的距离。
第3条、根据第2条所述的设备，其中：
所述信号处理器经配置以使第一合成波长和第一合成相位相乘以针对第一合成波计算到所述目标的第一距离测量值。
第4条、根据第3条所述的设备，其中：
所述信号处理器经配置以通过针对第一合成波计算的第一距离测量值除以第二合成波的第二合成波长以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与所述第二合成相位相加以得到第二合成波的总相位，且使第二合成波的总相位和所述第二合成波长相乘以针对所述第二合成波计算第二距离测量值。
第5条、根据第1条所述的设备，其进一步包括：
频率梳激光器，其经配置以生成包括频率梳的光束集；
第三光学组合器，其经配置以将来自所述频率梳激光器的光束集与来自所述第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束组合；以及
锁相控制器，其经配置以将所述第一、第二和第三光束的频率与频率梳激光器生成的频率梳进行比较，且将来自所述第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束的频率调整到所述频率梳的不同齿。
第6条、根据第5条所述的设备，其中：
所述频率梳的齿以所述频率梳激光器的脉冲重复频率分离；以及
所述频率梳激光器的脉冲重复频率与频率标准相关。
第7条、根据第6条所述的设备，其中：
所述频率标准由美国国家标准与技术研究院(NIST)定义。
第8条、根据第1条所述的设备，其进一步包括：
基准信道，其包括：
第三光学组合器，其经配置以从第一光学组合器接收传感器束，且组合所述传感器束与所述第一、第二和第三本地振荡器束，以生成基准合成波束；和
第二光检测器装置，其经配置感测所述基准合成波束，以生成第二输出信号。
第9条、根据第8条所述的设备，其中：
所述信号处理器经配置以处理来自所述第二光检测器装置的第二输出信号，以检测第一光束和第一本地振荡器束的组合产生的第四外差，检测第二光束和第二本地振荡器束的组合产生的第五外差，检测第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第六外差，且确定第四外差、第五外差和第六外差的光学相位；
所述信号处理器经配置以比较所述第一外差的第一光学相位与所述第四外差的第四光学相位，比较所述第二外差的第二光学相位与所述第五外差的第五光学相位，且比较所述第三外差的第三光学相位与所述第六外差的第六光学相位，以确定移频器单元是否引入相移。
第10条、根据第1条所述的设备，其中：
所述第一光检测器装置包括数码摄像机中的光检测器阵列。
第11条、一种测量到目标的距离的方法，该方法包括：
通过组合来自第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的光束以生成传感器束；
将所述传感器束聚焦到所述目标上，其中来自所述目标的反射光与所述传感器束干涉，产生干涉束；
偏移从所述连续波激光器分裂出来的光束的频率，以生成本地振荡器束；
组合所述干涉束和所述本地振荡器束，以生成合成波束；
利用第一光检测器装置感测所述合成波；
处理来自所述第一光检测器装置的输出，以检测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束的组合产生的第一外差，检测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束的组合产生的第二外差，且检测来自所述第三连续波激光器的第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第三外差；
确定所述第一外差、第二外差和第三外差的每个的光学相位；
基于所述第一光束的第一频率和第二光束的第二频率之间的差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学相位和所述第二外差的第二光学相位之间的差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。
第12条、根据第11条所述的方法，其进一步包括：
基于所述第一光束的第一频率和所述第三光束的第三频率之间的差确定第二合成波的第二合成波长；
基于所述第一外差的第一光学相位和所述第三外差的第三光学相位之间的差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。
第13条、根据第12条所述的方法，其中确定到所述目标的距离包括：
使所述第一合成波长和所述第一合成相位相乘以针对所述第一合成波计算到所述目标的第一距离测量值。
第14条、根据第13条所述的方法，其中确定到所述目标的距离包括：
通过针对所述第一合成波计算的第一距离测量值除以所述第二合成波的第二合成波长以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与所述第二合成相位相加，得到所述第二合成波的总相位；以及
使所述第二合成波的总相位和所述第二合成波长相乘以针对所述第二合成波计算第二距离测量值。
第15条、根据第11条所述的方法，其进一步包括：
利用频率梳激光器生成包括频率梳的光束集；
组合来自所述频率梳激光器的光束集与来自所述第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束；
比较所述第一、第二和第三光束的频率与所述频率梳激光器生成的频率梳；以及
将来自所述第一、第二和第三连续波激光器的第一、第二和第三光束的频率调整到所述频率梳的不同齿。
第16条、根据第15条所述的方法，其中：
所述频率梳的齿以所述频率梳激光器的脉冲重复频率分离；以及
所述频率梳激光器的脉冲重复频率与频率标准相关。
第17条、根据第16所述的方法，其中：
所述频率标准由美国国家标准与技术研究院(NIST)定义。
第18条、根据第11条所述的方法，其进一步包括：
组合所述传感器束和所述本地振荡器束，以生成基准合成波束；
利用第二光检测器装置感测所述基准合成波束；
处理来自所述第二光检测器装置的输出，以检测所述第一光束和所述第一本地振荡器束的组合产生的第四外差，检测所述第二光束和所述第二本地振荡器束的组合产生的第五外差，且检测所述第三光束和所述第三本地振荡器束的组合产生的第六外差；
确定所述第四外差、第五外差和第六外差的光学相位；以及
比较所述第一外差的第一光学相位与所述第四外差的第四光学相位，比较所述第二外差的第二光学相位与所述第五外差的所述第五光学相位，且比较所述第三外差的第三光学相位与所述第六外差的第六光学相位，以确定所述频移步骤期间是否引入相移。
第19条、一种设备，其包括：
信号处理器，其经配置以处理来自光检测器装置的输出信号，所述光检测器装置感测组合束，其中组合束包括干涉束和本地振荡器束的组合，所述干涉束通过将来自至少三个连续波激光器的光束引导到目标处而产生，所述本地振荡器束由频移来自每个连续波激光器的光束的一部分而产生；
所述信号处理器经配置以检测通过组合来自所述连续波激光器的光束与所述本地振荡器束而产生的外差，且确定外差的光学相位；
所述信号处理器经配置以基于来自所述连续波激光器的第一连续波激光器的第一光束的第一频率和来自所述连续波激光器的第二连续波激光器的第二光束的第二频率之间的差确定合成波长；
所述信号处理器经配置以基于所述外差的第一外差的第一光学相位和所述外差的第二外差的第二光学相位之间的差确定合成相位；
所述信号处理器经配置以基于所述合成波长和所述合成相位确定到所述目标的距离。
第20条、根据第19条所述的设备，其进一步包括：
校准单元，其包括：
频率梳激光器，其经配置以生成包括频率梳的光束集；和
锁相控制器，其经配置以将来自所述连续波激光器的光束的频率调整到所述频率梳的不同齿。
虽然本文描述了具体实施例，但是本发明的范围并不限于那些具体的实施例。相反，本发明的范围由下列权利要求书及其任何等同物限定。

Claims (15)

1.一种激光测距传感器，其包括：
第一连续波激光器，其调整到第一波长并且经配置生成具有所述第一波长的第一光束；
第二连续波激光器，其调整到第二波长并且经配置生成具有所述第二波长的第二光束；
第三连续波激光器，其调整到第三波长并且经配置生成具有所述第三波长的第三光束；
所述第一波长、第二波长以及第三波长中的每个都处于不同的波长；
第一光学组合器，其经配置组合所述第一光束、第二光束和第三光束，以生成传感器束；
望远镜，其经配置将所述传感器束聚焦到目标上，其中来自所述目标的反射光与所述传感器束干涉，产生干涉束；
移频器单元，其经配置接收所述第一光束、第二光束和第三光束的一部分，且分别频移所述第一光束、第二光束和第三光束不同的固定量以生成第一本地振荡器束、第二本地振荡器束和第三本地振荡器束；
第二光学组合器，其经配置组合所述干涉束和所述第一本地振荡器束、第二本地振荡器束和第三本地振荡器束，以生成合成波束；
第一光检测器装置，其经配置感测所述合成波束，以生成第一输出信号；和
信号处理器，其经配置处理来自所述第一光检测器装置的所述第一输出信号，以检测由所述第一光束和所述第一本地振荡器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束的组合产生的第三外差，且确定所述第一外差、第二外差和第三外差中的每个的光学相位；
所述信号处理器经配置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学相位和所述第二外差的第二光学相位之间的差确定所述第一合成波的第一合成相位，且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。
2.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其中：
所述信号处理器经配置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学相位和所述第三外差的第三光学相位之间的差确定所述第二合成波的第二合成相位，且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所述距离。
3.根据权利要求2所述的激光测距传感器，其中：
所述信号处理器经配置使所述第一合成波长和所述第一合成相位相乘以针对所述第一合成波计算到所述目标的第一距离测量值。
4.根据权利要求3所述的激光测距传感器，其中：
所述信号处理器经配置以通过针对所述第一合成波所计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的第二合成波长，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与所述第二合成相位相加以得到所述第二合成波的总相位，以及使所述第二合成波的所述总相位和所述第二合成波长相乘以针对所述第二合成波计算第二距离测量值。
5.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其进一步包括：
频率梳激光器，其经配置生成包括频率梳的光束集；
第三光学组合器，其经配置组合来自所述频率梳激光器的光束集与来自所述第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的所述第一光束、第二光束和第三光束；和
锁相控制器，其经配置比较所述第一光束、第二光束和第三光束的频率与所述频率梳激光器生成的所述频率梳，以及将来自所述第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的所述第一光束、第二光束和第三光束的频率调整到所述频率梳的不同齿。
6.根据权利要求5所述的激光测距传感器，其中：
所述频率梳的齿以所述频率梳激光器的脉冲重复频率分离；以及
所述频率梳激光器的脉冲重复频率与频率标准相关。
7.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其进一步包括：
基准信道，其包括：
第三光学组合器，其经配置从所述第一光学组合器接收所述传感器束，且组合所述传感器束和所述第一本地振荡器束、第二本地振荡器束和第三本地振荡器束，以生成基准合成波束；和
第二光检测器装置，其经配置感测所述基准合成波束，以生成第二输出信号。
8.根据权利要求7所述的激光测距传感器，其中：
所述信号处理器经配置处理来自所述第二光检测器装置的所述第二输出信号，以检测由所述第一光束和所述第一本地振荡器束的组合产生的第四外差，检测由所述第二光束和所述第二本地振荡器束的组合产生的第五外差，检测由所述第三光束和所述第三本地振荡器束的组合产生的第六外差，且确定所述第四外差、第五外差和第六外差的光学相位；
所述信号处理器经配置比较所述第一外差的第一光学相位与所述第四外差的第四光学相位，比较所述第二外差的第二光学相位与所述第五外差的第五光学相位，以及比较所述第三外差的第三光学相位与所述第六外差的第六光学相位，以确定所述移频器单元是否引入相移。
9.根据权利要求1所述的激光测距传感器，其中：
所述第一光检测器装置包括数码摄像机中的光检测器阵列。
10.一种测量到目标的距离的方法，该方法包括：
通过组合来自第一连续波激光器的第一光束、来自第二连续波激光器的第二光束和来自第三连续波激光器的第三光束以生成传感器束，所述第一光束、第二光束以及第三光束中的每个都处于不同的波长；
将所述传感器束聚焦到所述目标上，其中来自所述目标的反射光与所述传感器束干涉，产生干涉束；
分别以不同的固定量偏移从所述连续波激光器分裂出来的所述光束的频率，以分别生成第一本地振荡器束、第二本地振荡器束和第三本地振荡器束；
组合所述干涉束、所述第一本地振荡器束、所述第二本地振荡器束以及所述第三本地振荡器束，以生成合成波束；
利用第一光检测器装置感测所述合成波束；
处理来自所述第一光检测器装置的输出，以检测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束的组合产生的第一外差、检测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束的组合产生的第二外差以及检测来自所述第三连续波激光器的第三光束和第三本地振荡器束的组合产生的第三外差；
确定所述第一外差、第二外差和第三外差的每个的光学相位；
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学相位和所述第二外差的第二光学相位之间的差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，其进一步包括：
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确定第二合成波的第二合成波长；
基于所述第一外差的第一光学相位和所述第三外差的第三光学相位之间的差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。
12.根据权利要求11所述的方法，其中确定到所述目标的距离包括：
使所述第一合成波长和所述第一合成相位相乘以针对所述第一合成波计算到所述目标的第一距离测量值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定到所述目标的距离包括：
通过针对所述第一合成波计算的所述第一距离测量值除以所述第二合成波的第二合成波长以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与所述第二合成相位相加，以得到所述第二合成波的总相位；以及
使所述第二合成波的所述总相位和所述第二合成波长相乘以针对所述第二合成波计算第二距离测量值。
14.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
利用频率梳激光器生成包括频率梳的光束集；
将来自所述频率梳激光器的光束集与来自所述第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的第一光束、第二光束和第三光束组合；
将所述第一光束、第二光束和第三光束的频率与所述频率梳激光器生成的所述频率梳比较；以及
将来自所述第一连续波激光器、第二连续波激光器和第三连续波激光器的第一光束、第二光束和第三光束的频率调整到所述频率梳的不同齿，其中，所述频率梳的齿由所述频率梳激光器的脉冲重复频率分离；并且所述频率梳激光器的所述脉冲重复频率与频率标准相关。
15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
组合所述传感器束和所述本地振荡器束以生成基准合成波束；
利用第二光检测器装置感测所述基准合成波束；
处理来自所述第二光检测器装置的输出，以检测所述第一光束和所述第一本地振荡器束的组合产生的第四外差、以检测所述第二光束和所述第二本地振荡器束的组合产生的第五外差以及检测所述第三光束和所述第三本地振荡器束的组合产生的第六外差；
确定所述第四外差、第五外差和第六外差的光学相位；以及
比较所述第一外差的所述第一光学相位与所述第四外差的第四光学相位、比较所述第二外差的所述第二光学相位与所述第五外差的第五光学相位以及比较所述第三外差的所述第三光学相位与所述第六外差的第六光学相位，以确定频移步骤期间是否引入相移。
CN201410645103.3A 2013-11-08 2014-11-10 合成波激光测距传感器和方法 Active CN104635237B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/075,904 US20150131078A1 (en) 2013-11-08 2013-11-08 Synthetic wave laser ranging sensors and methods
US14/075,904 2013-11-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104635237A CN104635237A (zh) 2015-05-20
CN104635237B true CN104635237B (zh) 2018-10-30

Family

ID=51786903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410645103.3A Active CN104635237B (zh) 2013-11-08 2014-11-10 合成波激光测距传感器和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20150131078A1 (zh)
EP (1) EP2871492B1 (zh)
JP (1) JP6792933B2 (zh)
CN (1) CN104635237B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10261187B2 (en) 2016-05-10 2019-04-16 Raytheon Company Optical phasograms for LADAR vibrometry
US10578740B2 (en) * 2017-08-23 2020-03-03 Mezmeriz Inc. Coherent optical distance measurement apparatus and method
US10955534B2 (en) * 2017-10-31 2021-03-23 Raytheon Company Linear FM chirp waveform for a LADAR transceiver
CN108303708B (zh) 2018-01-03 2022-07-29 京东方科技集团股份有限公司 三维重建系统及方法、移动设备、护眼方法、ar设备
JP6760320B2 (ja) * 2018-03-15 2020-09-23 オムロン株式会社 光検出装置、光検出方法および光学式測距センサ
US11768291B1 (en) * 2019-04-11 2023-09-26 Ball Aerospace & Technologies Corp. High dynamic range ranging interferometer
CN112567265A (zh) * 2019-06-24 2021-03-26 深圳市汇顶科技股份有限公司 测距装置、测距方法及电子设备
CN111609798B (zh) * 2020-05-12 2021-04-16 浙江理工大学 锁至动态边带的可变合成波长绝对距离测量装置与方法
DE102023108333A1 (de) 2023-03-31 2024-10-02 Carl Zeiss Ag Messverfahren, verarbeitungseinrichtung und system für eine weglängenmessung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1099128A (zh) * 1994-03-04 1995-02-22 清华大学 用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统
DE10038346A1 (de) * 1999-08-16 2001-06-13 Johannes Trautner Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes
CN102168944A (zh) * 2010-12-24 2011-08-31 中国科学院上海光学精密机械研究所 用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法
CN103197322A (zh) * 2013-04-10 2013-07-10 清华大学 一种飞秒激光频率梳合成波干涉测距方法及测距系统

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5106192A (en) * 1990-03-16 1992-04-21 Eastman, Inc. Polarization insensitive absolute interferometeric method and apparatus for measuring position angular bearing and optical paths
WO2003078925A2 (en) * 2002-03-14 2003-09-25 Taylor Hobson Limited Surface profiling apparatus
JP2010230653A (ja) * 2009-03-03 2010-10-14 Canon Inc 光波干渉計測装置
JP5506491B2 (ja) * 2010-03-26 2014-05-28 株式会社日立製作所 距離測定装置および距離測定方法
JP2013083581A (ja) * 2011-10-11 2013-05-09 Canon Inc 計測装置
JP5882674B2 (ja) * 2011-10-24 2016-03-09 キヤノン株式会社 多波長干渉計、計測装置および計測方法
JP2013181780A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Canon Inc 計測装置及び物品の製造方法
JP2014149190A (ja) * 2013-01-31 2014-08-21 Canon Inc 計測装置、計測方法、光源装置および物品の製造方法
JP2014206419A (ja) * 2013-04-11 2014-10-30 キヤノン株式会社 計測装置、それを用いた物品の製造方法
US9025141B1 (en) * 2013-11-08 2015-05-05 The Boeing Company Position determination using synthetic wave laser ranging

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1099128A (zh) * 1994-03-04 1995-02-22 清华大学 用双波长激光进行外差干涉测量绝对距离系统
DE10038346A1 (de) * 1999-08-16 2001-06-13 Johannes Trautner Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes
CN102168944A (zh) * 2010-12-24 2011-08-31 中国科学院上海光学精密机械研究所 用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法
CN103197322A (zh) * 2013-04-10 2013-07-10 清华大学 一种飞秒激光频率梳合成波干涉测距方法及测距系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP2871492B1 (en) 2019-10-02
EP2871492A1 (en) 2015-05-13
CN104635237A (zh) 2015-05-20
JP2015094760A (ja) 2015-05-18
US20150131078A1 (en) 2015-05-14
JP6792933B2 (ja) 2020-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104635237B (zh) 合成波激光测距传感器和方法
EP2871493B1 (en) Position determination using synthetic wave laser ranging
US20230280463A1 (en) Chirped coherent laser radar system and method
US9798004B2 (en) Laser ranging sensors and methods that use a ladder of synthetic waves having increasing wavelengths to calculate a distance measurement
JP2015094760A5 (zh)
CN103885064B (zh) 数字激光测距仪的参照的方法和测量装置以及激光测距仪
JP7291385B2 (ja) 光学的測定装置及び測定方法
CN104364671A (zh) 距离测量方法和距离测量元件
EP3705908B1 (en) Multi-channel optical phase detector, multi-channel sensing system and multi-laser synchronization system
JP2011027649A (ja) 位置決め装置及び位置決め方法
CN108732579A (zh) 借助于干涉测量的高分辨率距离测量
JP2008045940A (ja) 連続波方式マイクロ波センサによる距離の測定方法
CN106199623A (zh) 一种飞秒激光模间拍频法测距系统
JP5234653B2 (ja) 光波距離計
KR102571110B1 (ko) 복수개의 광주파수 도약스캔 레이저를 이용한 광간섭 거리측정 시스템 및 방법
JP7290828B2 (ja) 測定装置及び測定方法
JP2903220B2 (ja) 光波距離計における測距方法
JPH0682552A (ja) 光波距離計における測距方法
KR101146218B1 (ko) 거리측정장치 및 방법
JP2010286240A (ja) 光波距離計
JP2005156175A (ja) レーザー測距儀
JP2011191106A (ja) 光波距離計

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant