CN110220583A - 散斑减轻方面的改进或与散斑减轻相关的改进 - Google Patents

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Abstract

本文中描述的是一种用于减轻激光多普勒系统中，并且尤其是在激光多普勒振动测量/测速系统中的散斑的影响的方法和系统。扫描单元(225、230)被提供在以下中的至少一者中：用于在移动目标表面(190)上扫描来自发射天线(125)的至少一个波束的发射路径和用于将被接收自移动目标表面的至少一个经反射的波束(230a)扫描到接收天线(230)上的接收路径。求平均单元(265)被提供在后处理或解调之前，以对与经反射的波束相对应的电信号求平均。通过在解调之前求平均，输出信号中的散斑被减轻。

Description

散斑减轻方面的改进或与散斑减轻相关的改进
技术领域
本公开涉及散斑减轻方面的改进或与散斑减轻相关的改进，并且更具体地涉及激光多普勒振动测量/测速。
背景技术
散斑图样通常出现在单色光(例如，激光)的漫反射中，并且是由于具有相同频率但不同相位和幅度的许多波的干涉而引起的。各个波相加在一起以提供合成波，其幅度和强度在空间域和时域两者中随机地变化。当使用激光系统测量位移或速度时，所生成的散斑图样的时间演变是成问题的，尤其是在激光多普勒振动测量/测速(LDV)中。
LDV依赖于使用激光束的光学相干检测，并且光学干涉仪是LDV系统的关键组件。如在干涉测量领域中已知的，光束被用来以相干信号的形式提供测量。在测量期间，至少一个相干光束(测量信号)被发送到待测量的目标，并且一定量的光(经反射的信号)被反射回测量系统。经反射的光被与至少一个参考信号或波束相组合，该至少一个参考信号或波束与经反射的光相干以产生干涉效应。由于频率差异，经组合的信号的光强度在时域中改变，并且这些变化可以在单个光电检测器(PD)或多个PD中被转换成电信号。因为电信号的频率与经反射的信号的多普勒频移线性相关，所以目标的速度和位移可以被导出。LDV系统可以是零差的(其中参考信号或波束与测量信号或波束的载波频率相同)，或者是外差的(其中参考信号或波束的载波频率与测量信号或波束的载波频率不同)。
后向反射器可以被附连到目标的表面以增强在入射波束的方向上的反射。这些后向反射器可以是基于微棱镜的反射器或微珠反射器，并且这两种设计都可以被用来增强回到传入方向的反射。尽管一块具有许多微反射单元的后向反射器可以被使用以避免对准方面的问题，但是此类后向反射器倾向于生成散斑图样。
有时，如果经聚焦的激光束的尺寸相比于从目标表面散射的尺寸而言更小，或者在后向反射器的情形中相比于从反射单元散射的尺寸而言更小，那么从经反射的波束移除散斑是可能的。然而，有必要确保光只被聚焦在目标或散射体的正确位置上，否则反射可能非常弱。每当存在后向反射器的面内移动时，测量光束可从一个散射体被移位到具有随机高度的另一散射体，从而在LDV输出中产生误差。该效应的影响与散斑图样的影响非常类似。
在IMAC 2009的威斯康星大学麦迪逊分校的Michael W.Sracic和MatthewS.Allen所著的标题为“散斑噪声对连续扫描激光多普勒振动计测量的影响的实验研究(Experimental Investigation of the Effect of Speckle Noise on Continuous ScanLaser Doppler Vibrometer Measurements)”的文章中，描述了一种连续扫描激光多普勒振动测量(CSLDV)系统，其中激光光斑在结构上被连续地扫描以同时做出多个测量。CSLDV测量被变换成一组响应，该组响应可以使用标准标识技术来被处理以从这些测量中提取模式。当扫描频率相对于感兴趣的最高固有频率高时，重采样被使用，并且尽管扫描振动计能够扫描相对高的扫描频率，但是在测量质量和扫描频率之间由于激光散斑噪声而存在着折衷。在该特定情形中需要进行扫描以映射振动模式而不是用于散斑减轻，并且信号在解调之后被求平均。
然而，对解调信号求平均包括了由散斑图样产生的误差，即由于散斑噪声并且由于非线性解调过程而导致原始信号的信噪比(SNR)较低，信号输出中的跳变被获得。作为结果，对解调信号求平均趋于困难。
发明内容
因此，本公开的目的是提供一种可被用来减轻散斑问题的方法、系统和设备。
根据本公开的一个方面，提供了一种减轻基于激光的振动/速度传感器中的散斑影响的方法，该方法包括以下步骤：
a)从至少一个相干光源生成至少一个光束；
b)将该至少一个光束拆分成第一分量和第二分量；
c)将该至少一个光束的第一分量引导至发射天线；
d)将该至少一个光束的第一分量从发射天线朝向移动目标表面发射；
e)在接收天线处接收来自移动目标表面的至少一个经反射的光束；
f)将该至少一个经反射的光束与该至少一个光束的第二分量相组合以形成至少一个经组合的波束；
g)将该至少一个经组合的光束转换成至少一个电信号；以及
h)处理该至少一个电信号以导出指示移动目标表面的运动的输出信号；
其特征在于以下中的至少一者：步骤d)包括在移动目标表面上扫描该至少一个光束，以及步骤e)包括将该至少一个经反射的波束扫描到接收天线上；
并且该其中：步骤h)包括对与经反射的波束相对应的电信号求平均并且对经平均的电信号进行解调。
通过要么在发射路径要么在接收路径上扫描波束，多个信号被获得、被求平均，并接着被解调以补偿由经组合的波束产生的输出信号中的散斑的影响。
在一实施例中，步骤d)包括在移动目标表面上扫描该至少一个光束，并且步骤e)包括从移动目标表面接收经反射的经扫描的波束。
以此方式，经扫描的波束产生来自移动目标表面的多个经反射的经扫描的波束，其可以接着在解调之前被求平均。
在一实施例中，其中步骤e)包括在接收天线处扫描来自移动目标表面的该至少一个经反射的波束，并且步骤d)包括将该至少一个光束从发射天线发射到移动目标表面。
以此方式，接收天线上的经扫描的经反射的波束产生多个波束，其可以接着在解调之前被求平均。
步骤g)包括使用检测器阵列检测该至少一个经组合的波束，电信号对应于来自检测器阵列中的每个检测器元件的输出。以此方式，检测器阵列(包括一个或多个检测器元件)以便利的形式生成电信号以供后续处理。
步骤g)进一步包括从检测器阵列读出电信号。在已读出来自检测器阵列的电信号的情况下，它们可以在解调之前被求平均。
任选地，该方法可进一步包括对以下中的至少一者进行聚焦：到移动目标表面上的所发射的光束，和在接收天线处的经反射的光束。这使得测量波束能够被更清晰地聚焦在移动目标表面上，并且使得能够收集经反射的波束以供聚焦在接收天线上。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于激光的振动/速度传感器，包括：-
至少一个相干光源，其被配置成用于生成至少一个光束；
至少一个分束器，其被配置成用于将该至少一个光束拆分成第一分量和第二分量；
发射天线，其被配置成用于从该至少一个光源接收该至少一个光束的第一分量，并且用于将该至少一个光束的第一分量发射到移动目标表面；
接收天线，其被配置成用于接收来自移动目标表面的至少一个经反射的光束；
组合器，其被配置成用于将该至少一个经反射的波束与该至少一个光束的第二分量相组合以形成至少一个经组合的波束；
检测器阵列，其被配置成用于从组合器接收该至少一个经组合的光束，并且用于将该至少一个经组合的光束转换成至少一个电信号；以及
至少一个处理器，其被配置成用于处理该至少一个电信号以导出指示移动目标表面的运动的输出信号；
其特征在于，该传感器进一步包括以下中的至少一者：被配置成用于在移动目标表面上扫描该至少一个光束的第一分量的发射扫描单元，和被配置成用于将该至少一个经反射的波束扫描到接收天线上的接收扫描单元；
并且其中：该传感器进一步包括求平均单元，其被配置成用于对与该至少一个经组合的波束相对应的电信号求平均，并且用于将经平均的电信号传递到该至少一个处理器以供解调。
通过要么在发射路径要么在接收路径中具有扫描单元，多个反射从移动目标表面被获得，并且这些反射可以在解调之前被求平均以减轻由经组合的波束产生的散斑的影响。
在一实施例中，该至少一个相干光源、发射天线、接收天线、检测器阵列，以及，扫描发射单元和接收扫描单元中的至少一个形成光子集成电路的一部分。
在该实施例中，传感器进一步包括被配置成用于驱动光子集成电路的驱动器电路。
传感器进一步包括被配置成用于读出来自检测器阵列的电信号的读出电子电路。
在一实施例中，传感器可进一步包括光学移频器，其被配置成用于在与该至少一个经反射的波束相组合之前对以下中的至少一者的频率进行移位：该至少一个光束的第一分量，和该至少一个光束的第二分量。
聚焦光学器件可以被提供，这些聚焦光学器件被配置成用于对以下中的至少一者进行聚焦：到移动目标表面上的所发射的光束，和在接收天线处的经反射的光束。
根据本公开的其他方面，提供了一种包括如以上所描述的传感器的激光多普勒振动测量/测速系统。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在将以示例的方式参考附图，在附图中：-
图1a至1d是示出来自不同表面的入射光束的反射的示意图示；
图2是用于激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的常规光子集成电路的示意图示；
图3是具有90度光学混合器的常规零差激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图4是根据本公开的光子集成电路激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图5a是根据本公开的具有90度光学混合器和发射波束扫描的零差激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图5b是根据本公开的具有90度光学混合器和接收波束扫描的零差激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图6例示了根据本公开的用于操作光子集成电路激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的方法的步骤的流程图；
图7a是根据本公开的具有光学移频器和发射波束扫描的外差激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图7b是根据本公开的具有光学移频器和接收波束扫描的外差激光多普勒振动测量/测速系统或传感器的示意图示；
图8a至8e是根据本公开的用于利用快速相位调制器的光子集成电路中的发射/接收天线的可能配置的示意图示；
图9a至9e是根据本公开的用于具有光学延迟的光子集成电路中的发射/接收天线的可能配置的示意图示；
图10是根据本公开的使用光栅耦合器以进行波束转向(beam steering)的发射天线配置的示意图示；
图11是根据本公开的经组合的发射/接收天线配置的示意图示；
图12是根据本公开的具有波长控制的扫描的经组合的发射/接收天线配置的示意图示；以及
图13解说了当与在解调之前求平均相比时的在解调之后求平均的效果。
具体实施方式
本公开将针对特定实施例且参考某些附图进行描述，但是本公开不限于此。所描述的附图只是示意性的而非限制性的。在附图中，出于解说的目的，元件中的一些的大小可能被夸大并且未按比例绘制。
来自四种不同类型的目标表面的反射在图1a至1d中示出。图1a例示了来自光学光滑平面表面的反射；图1b例示了来自光学粗糙表面的反射；图1c例示了来自可以被安装在目标表面上的微棱镜后向反射器的反射；而图1d例示了来自可以被安装在目标表面上的微珠后向反射器的反射。
在许多情形中，目标的表面粗糙度或结构化拓扑结构较大(对于光源的给定波长而言)。作为结果，反射波束在空间域中具有强度和相位波动，即光强度/相位在某些位置中强而在其他位置中弱。该强度波动模式通常被称为散斑图样。散斑图样的出现是因为源自目标的不同位置的反射干涉，并且当来自粗糙表面的不同位点的反射的相位和强度是随机的时，散斑的位置预测起来是困难的。如果目标正在移动，则散斑的分布也随机地改变。在使用激光多普勒振动测量/测速(LDV)的测量期间，可能存在由于散斑的时间上的变化而引起的两个主要影响。在一方面，被反射到LDV接收器的光功率可由于散斑的时间上的变化而下降到非常低的水平达某个时间段，而在另一方面，经反射的光信号的相位可由于散斑的改变而随机地变化。这些问题将导致LDV输出中的低质量信号，例如，低信噪比(SNR)以及甚至诸如意想不到的相位漂移之类的输出误差。
尽管参考光子集成电路(PIC)技术描述了本公开，但是其他技术可以被使用，其中与所描述的那些组件类似的组件可以在另一平台中被实现，诸如分立光学器件或光纤。
常规LDV系统或传感器100如图2所示。该系统或传感器包括光子头110，光子头110包括LDV电路120、光发射天线125、光接收天线130、激光源140和光电二极管或光电二极管阵列150。读出电子电路160被连接到光子头110并且被连接到后处理电路170，该后处理电路170提供输出信号175。输出信号通常是与目标190的位移成比例的角度θ。光子头110被连接到驱动器电路180。驱动器电路180被配置成用于控制光子头110的操作。任选的外部光学器件185可以被提供在光子头110和移动目标表面190之间。
在发射路径中，激光源140经由LDV电路120为发射天线125提供波束，该波束被引导到目标表面190，如箭头125a所指示。
在接收路径中，来自目标表面190的反射(如箭头130a所指示)在接收天线130处被接收，并且经由LDV电路120被引导到光电二极管或光电二极管阵列150。
光电二极管或光电二极管阵列150根据由天线130接收的反射向读出电子电路160提供电子信号。读出电子电路160将电子信号传递到后处理电路170以供处理，以提供输出信号175。
如果存在的话，则外部光学器件185被用来将波束(由箭头125a指示)从光发射天线125聚焦到移动目标表面190上，并且将来自移动目标190的反射(由箭头130a指示)聚焦在光接收天线130处。
光子头中的PIC技术可以包括例如零差LDV，如图3所示。这里，参考图2描述的组件具有相同的附图标记。
在光子头110中，激光源140被连接到Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。MZI的提供测量波束145a的一个臂被连接到光发射天线125，使得光可以从光子头110被发射到目标表面190，如波束125a所示。
如以上所描述，外部光学器件185可被提供用于将光聚焦到移动目标表面190上。
从移动目标表面190反射的光(由波束130a指示)在光子头110中由光接收天线130接收，该光学接收天线130生成反射信号。MZI的另一个臂(被指示为145b)被称为参考臂。来自参考臂145b的光信号被与来自光接收天线130的反射信号相组合，伴随集成的90度光学混合器135和包括四个光电二极管元件(PD)的光电二极管阵列150。来自光电二极管阵列150的输出包括四个光电流信号s1、s2、s3、s4，这些光电流信号可被表示为：
s1＝dc+r·sinθ
s2＝dc-r·sinθ
s3＝dc+r·cosθ
s4＝dc-r·cosθ
其中θ是移动目标表面190的多普勒相移，r与反射的幅度成比例，而dc是dc信号并且与反射信号的位移成比例，换句话说：
其中θ0是恒定相位，λ是光的波长，而d是目标的位移。
为了确定θ的值并因此确定位移信号，解调方法在后处理电路170中被使用。通常使用的一种解调方法是arctan(反正切)方法，即dc信号通过减法被移除：
I＝s1-s2＝2r·sinθ
Q＝s3-s4＝2r·cosθ
并且计算：
激光源140可以通过使用被称为微光学工作台的技术或使用其他技术来被集成在PIC上。光电二极管阵列150也可以被集成在PIC上，例如，如果PIC基于绝缘体硅片(SOI，silicon-on-insulator)，则PD可以是集成的锗PD。
光发射天线125和光接收天线130中的每一者可以包括基于表面光栅的耦合器、边缘耦合器、或PIC中的任何其他合适的耦合器。为了便于解释，在下面的描述中，光发射天线125和光接收天线130被认为是基于表面光栅的耦合器。
根据本公开，实现了一种扫描求平均(scan-averaging)方法。图4中示出了根据本公开的LDV系统或传感器200。LDV系统或传感器200具有与图2中所示的LDV系统或传感器100一样的组件，并且先前参考图2描述的组件具有相同的附图标记。
LDV系统或传感器200包括光子头210，光子头210包括LDV电路120、光发射天线125、光接收天线130、激光源140和光电二极管阵列150，如以上参考图2所描述。尽管这些组件可以被形成在光子头中，但其不是必需的，并且组件中的一些(例如，光源和/或检测器)可以是不位于PIC上的分开的组件。
读出电子电路160被连接到光子头210并且被连接到后处理电路170。后处理电路170提供输出信号175。光子头210被连接到驱动器电路280。驱动器电路280被配置成用于控制光子头210的操作。如果光子头不被使用，则驱动器电路对于驱动LDV系统或传感器而言仍是必需的。
任选的外部光学器件185可以被提供在光子头210和移动目标表面190之间，如以上所描述。
根据本公开的一实施例，LDV系统或传感器200包括发射扫描单元225和求平均单元265。
发射扫描单元225位于光发射天线125之后的发射路径中的光子头210内，并且被配置成用于跨移动目标表面190的表面扫描由光扫描天线125发射的光。来自移动目标表面190的经扫描的反射由光接收天线130接收，并且由光电二极管阵列150中的PD转换为电信号。电信号接着由读出电子电路160读出。
求平均单元265位于读出电子电路160和后处理电路170之间。求平均单元265在后处理之前对从读出电子电路160接收的信号求平均，如以下所描述。
作为在发射路径中具有发射扫描单元225的替代方案，接收扫描单元230可以被提供在接收路径中。如果接收扫描单元230是发射扫描单元225的替代，则其接收来自移动目标表面190的反射，并且通过改变接收天线的接收角和/或位置来在光接收天线130上对它们进行扫描，以生成在求平均单元265中被求平均的经扫描的信号。以此方式，接收扫描单元230可以与接收天线130相组合以在单个组件中提供两个功能。
发射扫描单元225可以包括被配置成用于跨移动目标表面190扫描波束125a的快速扫描器。发射扫描单元225可以在PIC上被实现为等离子体色散(plasma-dispersion)调制器、电光调制器或声光调制器。
接收扫描单元230(如果存在的话)也可以在PIC上被实现为等离子体色散调制器、电光调制器或声光调制器。
发射扫描和接收扫描两者都可以使用快速扫描波长(fast sweepingwavelength)和特定光子电路来实现。
发射扫描和/或接收扫描可以与偏振扫描相组合以增加可被用于求平均单元265的样本的数量。
求平均单元265被配置成对“原始”LDV光电流信号s1、s2、s3、s4求平均，如图5a和5b所示。求平均单元265可以包括低通滤波器、带通滤波器、数字域中的求平均算法、或慢速PD，并且必须被放置在从被接收自光子头210的LDV信号恢复的解调信号之前。求平均单元265也可以被包括在由处理电路170执行的解调过程的任何步骤中，只要这样的步骤的信号不对应于最终的解调信号。
图5a的LDV系统或传感器200A具有与图3中所示的LDV系统或传感器100共同的组件，并且先前参考图3描述的组件具有相同的附图标记。如图所示，形成MZI的测量臂的测量波束145a被引导到光发射天线125和发射扫描单元225。扫描波束225a被引导到移动目标表面190(被示为具有微珠后向反射器)，并且经反射的波束130a被引导到光接收天线130。如以上所描述，由光电二极管阵列150生成的四个光电流信号s1、s2、s3、s4被与MZI的参考臂中的参考波束145b相组合。经组合的信号155被传递到求平均单元265，其中对应于经扫描的波束225a的所接收的信号在后处理电路170中的解调之前被求平均。
发射扫描单元225和求平均单元265需要被一起使用。扫描速度应足够高，以使得光电流信号中的所得到的时间波动频率高于检测到的信号的频带。一个通用规则是扫描频率fs应被保持大于卡森带宽(Carson’s bandwidth)，即：
2(Δf+fm)
其中fm是移动目标表面的最大振动频率，而Δf是由于移动目标表面的移动而被引入到测量信号的最大多普勒频移。
求平均单元265被配置成移除由扫描导致的光电流中的高频波动，同时仍保持有用信号的频带。
如果求平均单元265是低通滤波器，则滤波器的截止频率flp应在[(Δf+fm)，fs-(Δf+fm)]的范围中。
在一实施例中，如果扫描处于使得所接收的信号中的所得到的时间波动高于读出电子电路160的工作带宽的速度，则分开的求平均单元265可能不被需要。在该情形中，读出电子电路160自身形成求平均单元。
尽管具有用于发射天线的发射扫描单元和用于接收天线的接收扫描单元两者是可能的，但是使这两者同时存在并不是必需的。
在如图4和5a所示的仅发射扫描单元225被实现的情况下，可以在角度域中、或在空间域中、或在角度域和空间域两者中扫描被从PIC发送出的测量波束。该扫描的目的是确保被发送到目标的波束可以在目标上的空间域中被扫描，使得经扫描的波束可以以特定模式(例如，圆)行进穿过若干散射体。如果自由空间光学器件被用来将输出波束递送到目标，则目标上的输出扫描和波束扫描之间的关系由自由空间光学系统来确定。例如，在许多情形中，自由空间光学器件在该解决方案中可以被用来实现成像系统，其中目标表面被置于发射天线的图像平面上。成像系统确保来自移动目标表面的大百分比的经反射的光可以在接收天线处被收集回来。在具有M的放大倍数的成像系统中，经扫描的波束在目标上的位移是PIC上的波束位移的M倍。来自经扫描的区域中的不同位置的反射信号被发送回90度光学混合器135，并且在被传递到光电二极管阵列150中的PD之前被与参考信号相组合。
图5b类似于图5a，其中图5b的LDV系统或传感器200B被配置成用于接收扫描单元130/230。以上参考图4和5a描述的组件具有相同的附图标记。
在图5b中，测量波束125a被引导到移动目标190，并且来自移动目标190的经反射的波束230a由接收扫描单元230在接收天线130上扫描。图5b的LDV系统或传感器200B中的其他组件类似于图5a的LDV系统或传感器200A的那些组件。
在仅接收扫描单元被使用的情况下，被从PIC发送出的测量波束不在移动目标表面上被扫描。接收扫描单元230捕捉具有至少一个明亮散斑的场。接收扫描单元被用来以快速的速度收集不同位置和/或角度处的反射散斑。在该情形中，由PIC收集的反射波束在高频处具有随机变化。该高频信号也可以用被置于光电二极管阵列150中的PD之后的低通或带通滤波器被滤除出。
图6例示了流程图300，其指示根据如图4和5a所示的本公开的用于LDV系统或传感器200和200A的操作的方法中的步骤。自然地，一些步骤与图5b的LDV系统或传感器200B的步骤相同。第一步骤(步骤310)是从激光源140生成稳定的激光束。稳定的激光束被拆分成测量波束145a和参考波束145b(步骤320)。测量波束145a传递到发射天线120及相关联的发射扫描单元225，其中它在移动目标表面上被以高速扫描为测量波束225a(步骤330)。来自移动目标表面的经反射的波束130a在接收天线130处被接收(步骤340)并且在2x4光学混合器135中被与参考波束145b相组合(步骤350)。四个光电流信号s1、s2、s3、s4被从光电二极管阵列150中的四个PD的相应PD生成(步骤350)，并且被转换为带有被确定的两个差分信号的电压信号，其中：I＝s1-s2且Q＝s3-s4(步骤360)。I和Q的值居先于在后处理电路170中被解调，使用求平均单元265中的低通滤波器来被求平均(步骤380)，以导出θ
并且提供输出信号175(步骤390)。
虽然LDV的各实施例被描述为具有单个测量波束，但是具有不止一个波束也是可能的，该不止一个波束在有或者没有微珠后向反射器的情况下扫描移动目标表面190。自然地，移动目标表面可包括任何合适的后向反射器，以反射入射在其上的光。
对于图5b的实施例，其中存在接收扫描单元而不是发射扫描单元，该方法包括以下步骤：
稳定的激光束由激光源140形成；
稳定的激光束被拆分成测量波束145a和参考波束145b；
测量波束125a传递到发射天线120并且作为测量波束125a传递到移动目标表面；
来自移动目标表面的经反射的波束230a在接收扫描单元230处被接收，并且经反射的波束230a在接收天线130上被扫描；
来自接收天线130的输出信号在2x4光学混合器135处被与参考波束145b相组合；
四个光电流信号s1、s2、s3、s4从光电二极管阵列150中的四个PD的相应PD被生成，并且被转换为带有被确定的两个差分信号的电压信号，其中：I＝s1-s2且Q＝s3-s4。；
I和Q的值居先于在后处理电路170中被解调，使用求平均单元265中的低通滤波器来被求平均，以导出θ
并且提供输出信号175。
实际上，图5a和5b的各实施例的操作中的差异分别是发射和接收步骤，而所有其他步骤基本上相同。
图7a的外差LDV系统或传感器400A具有与图5a的零差LDV系统或传感器200A类似的组件，并且先前描述的组件具有相同的附图标记。图7a解说了外差LDV系统或传感器400A，其具有被置于干涉仪的参考臂或波束145b中的集成光学移频器415。另外，来自接收天线130的反射信号与频移的参考波束在这些信号在光电二极管阵列250的两个PD处被接收之前在50：50分束器435中被组合。反射信号通过读出电子电路260被从光电二极管阵列250读出，并且在如以上所描述的后处理之前被求平均。带通滤波器可被用来对光电流信号求平均。
类似地，对于图7b中所示的外差LDV系统或传感器400B(其具有与参考图5b的零差LDV系统或传感器200B所描述的那些组件类似的组件)，先前描述的组件具有相同的附图标记。这里，仅接收波束由接收扫描单元230在接收天线130上扫描，在来自接收扫描单元230和接收天线130的经扫描的经反射的信号在光电二极管阵列250的两个PD处被接收之前，这些信号与频移的参考波束在50∶50分束器435中被组合。反射信号通过读出电子电路260被从光电二极管阵列250读出，并且在如以上所描述的后处理之前被求平均。带通滤波器可被用来对光电流信号求平均。
如果测量波束跨N个散射单元被扫描，则当测量波束被发送到一个散射单元时，经反射的信号是：
其中θDoppler(t)是反射中的多普勒相移，θk是与目标(其是随机的)的位置相关联的相位，fofs是参考臂中的频移(对于零差，fofs为零)，而ak是经反射的信号的幅度。如果参考信号的幅度是则在2x1组合器之后的经组合的信号将是
为简单起见，如果每个散射单元的贡献具有相同的强度，则PD中的平均信号可被表示为如下：
在外差和零差两个系统中，前两项可被移除。由于θDoppler(t)+2πfofst是第三项中的公共相变，因此它们也可以通过解调来被检索。因此，当目标正进行出平面的(out-of-plane)移动时，解调之后所获得的相变与在没有扫描的情形中的相同，因为ak和θk在移动期间不改变。
然而，如果同时存在平面内移动，则两件事情可能发生：最初在检测区域中的多个散射单元在移动之后不再被照射，而最初不对反射有贡献的一些其他散射单元移动到检测区域中并且将反射发送到接收天线。M个散射单元的改变意味着第三项的求和中的M个分量将随着随机幅度和相位而被改变，这导致解调结果中的突然的相变。然而，与当不存在求平均时的情形相比，这种改变较小。被考虑求平均的散射单元的数量N越多，散斑的减轻就越好。如果存在被附连到接收天线的接收扫描单元而不是被附连到发射天线的发射扫描单元，则该求平均也可以被做出。
求平均可以以不同方式来被实现。例如，在零差LDV系统中，可以使用低通滤波器来实现求平均，其中截止频带低于由扫描引入的频率但高于有用信号的卡森带宽。在外差LDV系统中，求平均单元可以是低通滤波器或以外差光电流信号的载波频率为中心的带通滤波器。
将发射天线或接收天线与相关扫描单元相组合是可能的，并且这些可以以多种方式来被实现。图8a至8e是经组合的发射天线和发射扫描单元的可能实施例的示意图示。
在图8a中，示出了经组合的发射天线和发射扫描单元500A的第一实施例。MZI被实现在发射路径中，并且相位调制器被配置成以高速工作。在该实施例中，第一分束器510被提供，该第一分束器510将波束拆分成两个路径512、514，并接着在第二分束器520中重新组合这两个路径512、514。第二分束器520A还将经重新组合的路径拆分成用于耦合器530A、540A的相应耦合器的两个新路径。在路径512中，坐落着快速相位调制器550。
对于SOI平台，通过使用等离子体色散效应来实现高速相位调制器是可能的。这里，测量光可以基于以下等式，经由任何耦合器来被耦合出PIC。
其中θ(t)是在MZI的两个臂之间的相位差。在该情形中，光束可以在两个位置上被扫描。
经组合的发射天线和发射扫描单元500B的第二实施例在图8b中示出。图8b的单元500B类似于图8a的单元500A，但第二分束器520A由2x4分束器520B代替，该2x4分束器520B为耦合器530B、535B、540B、545B的相应耦合器提供四个输出路径。四个输出路径的每一者可以具有不同的功率，其中功率分布随着调制器550被调制而改变。2x4分束器520B可以由2xN分束器代替，使得输出波束的数量可以甚至更大。
耦合器不需要是内联(inline)的，并且它们可以如经组合的发射天线和发射扫描单元500C的第三实施例中所示的那样以不同的布局来被分布，如图8c所示。在各实施例中，被连接到2x4分束器520C的耦合器530C、535C、540C、545C根据每个耦合器具有不同的路径长度来被分布。
经组合的发射天线和发射扫描单元500D的第四实施例在图8d中示出。图8d例示了阵列波导光栅(AWG)配置，其中耦合器530D、535D、540D、545D形成AWG。来自激光源的光被拆分成被连接至耦合器530D、535D、540D、545D之一的四个路径512D、514D、516D、518D，其中每个路径具有快速相位调制器550。通过控制AWG中的相位关系，来自AWG的输出光可以被发送到PIC上的不同耦合器530D、535D、540D、545D，并接着被耦合到移动目标表面上的不同位置。这些耦合器530D、535D、540D、545D可以被物理地连接或分离。
利用相位调制器的阵列，还可以如经组合的发射天线和发射扫描单元500E的第五实施例中所示的那样扫描测量波束的输出角，如图8e所示。这里，耦合器530E、535E、540E、545E靠近在一起并且小于图8a至8d中所示的耦合器。用于扫描测量波束的输出的这种技术被称为波束转向。
如果测量波束不被扫描，则可以在接收天线(未示出)中实现类似的设计。参考图8a至8e描述的各实施例可以全部被用在接收天线中。在该情形中，被发送到不同接收耦合器(或被发送到相同的接收耦合器但具有不同角度)的反射被求平均掉，因此散斑问题也可以被减轻。同时，扫描相位调制器可以被提供在发射天线中，但是这么做不是必需的。
在该情形中，耦合器可以被认为是接收天线。例如，在图8a中，经反射的光被发送回具有耦合器的区域。经反射的光在耦合器的平面处形成散斑图样，并且明亮的散斑可以在耦合器530A处或在耦合器540A处被找到。因为不止一个接收耦合器被使用，所以一个明亮的散斑被捕捉的机会变得更高。两个耦合器处的所捕捉的反射信号在扫描器500A中被组合，该扫描器500A用相位调制器550来被调制。通过改变调制器550的相位状态，到单个波导的被从组合器510发送出的信号可以是要么来自530A要么来自540A的反射光。
在图8b和8c中，扫描器执行类似的功能。到被连接至组合器510的单个波导的输出信号不对应于仅一个耦合器，而是来自所有耦合器(例如，530B、535B、540B、545B)的信号的组合。通过改变相位调制器550的状态，经组合的信号的权重因子可以被改变。因此，图8b和8c所示的各实施例像用于接收天线的扫描器那样工作。
图8d中的实施例在扫描器中具有更多的调制器550，因此确保仅来自一个特定耦合器的信号被引导到输出波导是可能的，并且该特定耦合器可以通过改变调制器550的状态来被改变。图8e中的实施例可以通过拾取具有不同接收方向的光来扫描所接收的光。
所有前面提及的扫描设备都基于光学电路中的快速相位调制器。通过使用快速可调谐激光器连同对应的PIC实现一起来实现扫描也是可能的。PIC实现600A、600B、600C在图9a至9c中示出，其中只有图8a至8c中的每一者的快速相位调制器550已经由光学延迟线660代替。在这些实现中，光学延迟被提供在MZI的两个臂之间，并且输出耦合器中的功率的分布可以通过调制输入光的波长来被控制。
AWG的输出场分布也可以由于输入光的波长改变而变化，并因此，如图9d所示的PIC实现600D也是可能的。图9d类似于图8d，但其中快速相位调制器550被用光学延迟线660代替。类似地，图9e的实施例600E类似于图8d，但其中快速相位调制器550被用光学延迟线660代替。
波长诱导的波束转向也可以用AWG结构来实现，如图9e所示。在该实现中，AWG被连接到相控阵列光栅耦合器(PAGC，phased array grating coupler)，并且AWG中的每个波导的光学延迟被实现，使得被发送到PAGC的光信号可以由输入波长来控制。作为结果，被耦合出PAGC的波束可以被调制。该实现可以与光栅耦合器解决方案相组合以供二维扫描。
图9a至9e所示的各实施例也可被用于接收扫描，但扫描功能仅在光的波长被调制时起作用。
基于波束转向的发射扫描单元也可以用波长调制来实现。这可以使用如图10所示的光栅耦合器700来实现。在该实施例中，输出波束角θ因变于光波长而改变，并且不同的波长对应于θ的不同值。如图10所示，光栅710接收来自具有不同波长的一个或多个相干光源的输入光720。不同波长处的波束可以根据光栅710被以不同的角度产生。如图所示，根据输入光的波长，波束730与光栅710的法线成角度θ1，而波束740与光栅710的法线成角度θ2。
发射天线和接收天线可以被组合在一起，如图11和12所示。图11类似于图8c，其中第一分束器710将光705划分成路径712、714并且在路径712、714上重新组合经反射的光。与图8c一样，快速相位调制器750位于路径712中，其中2x4分束器720对路径712、714进行组合并且将该组合划分成四个并将这四个部分的每一者引导到耦合器730、735、740、745的相应耦合器。图12类似于图11，但其中快速相位调制器750由光学延迟760代替。
虽然分束器710被示为50∶50或1x2分束器，但其可以由2x2分束器或2xN分束器或甚至NxN分束器代替。在该情形中，左端口的一个(或若干个)可被用来将经反射的光发送到其中它可以与参考信号相组合的组合器。
图13解说了在后处理(即，解调)之后或之前求平均的效果。
在没有散斑影响的理想情况下，(i)处所示的原始信号应被后处理或被解调，并且提供不带有不连续性的连续的输出波形。原始信号包括二维信息：
[r(t)，θ(t)]或[I(t)，Q(t)]
如(i)处所示，对于[r(t)，θ1(t)]并且在解调之后，仅一维信息被留下θ1(t)。这是理想的情况。
一个重要的散斑问题归因于r(t)的小的值，其被丢弃并且在解调之后不被考虑。然而，r(t)是用来显示散斑噪声对信号的影响程度的重要指标。典型的情形是，当被反射回接收天线的光束具有相消干涉时，r(t)值被相当大地降低。在该情形中，伪相位跃变或不连续性可由于低信噪比和非线性解调过程而存在于解调信号θ2(t)中，如(ii)处所示，其中存在由于散斑影响而引起的相位跃变。如果经解调的输出接着被求平均为则由于散斑影响而导致的不连续性如图所示被保留。
如果求平均在解调之前被完成(如(iii)处所示)，则平均化中的I2和Q2的影响很小，因为该求平均基于作为结果，经平均的信号可接着被解调而没有明显的不连续性。
在解调之前求平均的方法计及了求平均中的加权因子r(t)。相比而言，在解调之后求平均的方法中加权因子r(t)被丢弃。这就是为什么在解调之前求平均比在解调之后求平均更好地起作用的主要原因。

Claims (13)

1.一种减轻基于激光的振动/速度传感器中的散斑的影响的方法，所述方法包括以下步骤：
a)从至少一个相干光源(140)生成至少一个光束；
b)将所述至少一个光束拆分成第一分量(145a)和第二分量(145b)；
c)将所述至少一个光束的所述第一分量(145a)引导至发射天线(125)；
d)将所述至少一个光束(125a)的所述第一分量从所述发射天线(125)朝向移动目标表面(190)发射；
e)在接收天线(130)处接收来自所述移动目标表面(190)的至少一个经反射的光束(130a)；
f)将所述至少一个经反射的光束(130a)与所述至少一个光束的所述第二分量(145b)相组合以形成至少一个经组合的波束；
g)将所述至少一个经组合的光束转换成至少一个电信号(155)；以及
h)处理所述至少一个电信号(155)以导出指示所述移动目标表面(190)的运动的输出信号；
其特征在于以下中的至少一者：步骤d)包括在所述移动目标表面(190)上扫描所述至少一个光束(125a)，以及步骤e)包括将所述至少一个经反射的波束(130a)扫描到所述接收天线(130)上；
并且其特征在于，步骤h)包括对与经反射的波束相对应的所述电信号求平均并且对该经平均的电信号进行解调。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)包括在所述移动目标表面(190)上扫描所述至少一个光束(125a)，并且步骤e)包括从所述移动目标表面接收所述经反射的经扫描的波束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤e)包括在所述接收天线(130)处扫描来自所述移动目标表面(190)的所述至少一个经反射的波束(130a)，并且步骤d)包括将所述至少一个光束(125a)从所述发射天线(125)发射到所述移动目标表面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤g)包括使用检测器阵列(150)检测所述至少一个经组合的波束，所述电信号对应于来自所述检测器阵列中的每个检测器元件的输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤g)进一步包括从所述检测器阵列读出所述电信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括对以下中的至少一者进行聚焦：到所述移动目标表面(190)上的所发射的光束(125a)，和在所述接收天线(130)处的所述经反射的光束。
7.一种基于激光的振动/速度传感器(200；200A；200B；400A；400B)，包括：
至少一个相干光源(140)，所述至少一个相干光源(140)被配置成用于生成至少一个光束；
至少一个分束器，所述至少一个分束器被配置成用于将所述至少一个光束拆分成第一分量(145a)和第二分量(145b)；
发射天线(125)，所述发射天线(125)被配置成用于从所述至少一个光源(140)接收所述至少一个光束的所述第一分量(145a)，并且用于将所述至少一个光束(125a)的所述第一分量发射到移动目标表面(190)；
接收天线(130)，所述接收天线(130)被配置成用于接收来自所述移动目标表面(190)的至少一个经反射的光束(130a)；
组合器，所述组合器被配置成用于将所述至少一个经反射的波束(130a)与所述至少一个光束的所述第二分量(145b)相组合以形成至少一个经组合的波束；
检测器阵列(150)，所述检测器阵列(150)被配置成用于从所述组合器接收所述至少一个经组合的波束，并且用于将所述至少一个经组合的波束转换成至少一个电信号(155)；以及
至少一个处理器(170)，所述至少一个处理器(170)被配置成用于处理所述至少一个电信号(155)以导出指示所述移动目标表面(190)的运动的输出信号(175)；
其特征在于，所述系统进一步包括以下中的至少一者：发射扫描单元(225)以及接收扫描单元(230)，所述发射扫描单元(225)被配置成用于在所述移动目标表面(190)上扫描所述至少一个光束的所述第一分量，所述接收扫描单元(230)被配置成用于将所述至少一个经反射的波束(130a)扫描到所述接收天线(130)上；
并且其特征在于，所述系统进一步包括求平均单元(265)，所述求平均单元(265)被配置成用于对与所述至少一个经组合的波束相对应的电信号求平均，并且用于将该经平均的电信号传递到所述至少一个处理器(170)以供解调。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述至少一个相干光源(140)、所述发射天线(125)、所述接收天线(130)、所述检测器阵列(150)，以及，所述扫描发射单元(225)和所述接收扫描单元(230)中的至少一个，形成光子集成电路(210)的一部分。
9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，进一步包括被配置成用于驱动所述光子集成电路(210)的驱动器电路(280)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器，其特征在于，进一步包括被配置成用于从所述检测器阵列(150)读出所述电信号的读出电子电路(160)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的传感器，其特征在于，进一步包括光学移频器(415)，所述光学移频器(415)被配置成用于在与所述至少一个经反射的波束相组合之前对以下中的至少一者的频率进行移位：所述至少一个光束的所述第一分量，和所述至少一个光束的所述第二分量。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的传感器，其特征在于，进一步包括聚焦光学器件(185)，所述聚焦光学器件(185)被配置成用于对以下中的至少一者进行聚焦：到所述移动目标表面(190)上的所发射的光束(125a)，和在所述接收天线(130)处的所述经反射的光束。
13.一种激光多普勒振动测量/测速系统，包括根据权利要求7至13中任一项所述的传感器。
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