CN112433220B - 测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
测量装置300包括：激光装置110；分支部件120，将调频激光束分支为参考光和测量光；差拍信号生成部件150，通过混合参考光和反射光来生成差拍信号，该反射光是照射到待测对象10上的测量光；第一分析部件310，基于差拍信号来分析与参考光和测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量；第二分析部件320，基于差拍信号来分析与光学共振腔的共振腔频率相对应的第二信号分量；以及计算部件180，计算参考光和测量光之间的传播距离的差。
Description
技术领域
本发明涉及测量装置和测量方法。
背景技术
已知一种在共振腔(cavity)(谐振器)中设有频移器、并且输出多个其振荡频率随时间线性变化的纵模(longitudinal-mode)激光的频移反馈激光器(frequency-shiftedfeedback laser，FSFL)。此外，已知一种使用这种FSFL的光学测距仪(例如，参见专利文献1:日本专利第3583906号的说明书，以及非专利文献1：“Distance Sensing by FSF Laserand Its Application”，Takefumi HARA，Optonews，第7卷，第3期，2012年，第25-31页)。
发明内容
本发明要解决的问题
使用频移反馈激光器(FSFL)的光学测距仪可以以非接触方式获取大量的三维信息，并且已经被用于例如设计和生产场所。FSFL有时会导致光学测距仪的测量准确度降低，因为共振腔长度(谐振器长度)可能会因温度等环境波动而变化。为了防止测量准确度的降低，通常，已经考虑通过将FSFL安装在温度室中来减少环境波动，通过监测FSFL的输出来观察共振腔长度的变化等。然而，这种措施导致装置规模的增加，并且导致成本增加等问题。
本发明是鉴于这个问题而做出的，并且本发明的目的是即使在光学测距仪中出现环境波动，也能以简单的配置抑制准确度的降低。
解决问题的手段
本发明的第一方面提供了一种测量装置，包括：激光装置，具有光学共振腔(激光谐振器)，并且输出具有多种模式的调频激光束；分支部件，将由激光装置输出的调频激光束的一部分分支为参考光，并且将调频激光束的其余部分的至少一些分支为测量光；差拍信号生成部件，通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；第一分析部件，基于差拍信号来分析与参考光和测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量；第二分析部件，基于差拍信号来分析与光学共振腔的共振腔频率(谐振频率)相对应的第二信号分量；以及计算部件，基于第一信号分量和第二信号分量的分析结果，计算参考光和测量光之间的传播距离的差。
差拍信号生成部件可以正交检测所述反射光和所述参考光，并且输出彼此正交的第一差拍信号和第二差拍信号，第一分析部件可以基于第一差拍信号和第二差拍信号对第一信号分量执行频率分析，并且第二分析部件可以基于第一差拍信号和第二差拍信号之一对第二信号分量执行频率分析。
第二分析部件可以对第二信号分量执行频率分析，并且计算光学共振腔的共振腔频率。
第二分析部件可以获得包含在第二信号分量中的差拍信号和图像信号当中彼此相邻的差拍信号和图像信号的频率，并且通过将两个获得的频率相加来计算光学共振腔的共振腔频率。
第二分析部件可以通过对来自第二信号分量内、与光学共振腔的共振腔频率相对应的信号分量进行频率分析来获得光学共振腔的共振腔频率。
测量装置还包括：第一AD转换器，将第一差拍信号转换为数字信号；以及第二AD转换器，将第二差拍信号转换为数字信号，其中第一分析部件可以通过对(i)由第一AD转换器作为实部输出的数字信号和(ii)由第二AD转换器作为虚部输出的数字信号执行频率转换来生成第一信号分量，并且第二分析部件可以通过对由第一AD转换器或第二AD转换器输出的数字信号执行频率转换来生成第二信号分量。
测量装置还可以包括数字滤波器，数字滤波器对第二分析部件的分析结果进行数字滤波。
数字滤波器可以以比第一AD转换器和第二AD转换器分别将第一差拍信号和第二差拍信号转换为数字信号的采样率慢的采样率执行数字滤波。
本发明的第二方面提供了一种测量方法，包括以下步骤：从具有光学共振腔的激光装置输出具有多种模式的调频激光束；将调频激光束的一部分分支为参考光，并且将其余部分的至少一些分支为测量光；通过混合参考光和通过将测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；基于差拍信号来分析与参考光和测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量；基于差拍信号来分析与光学共振腔的共振腔频率相对应的第二信号分量；以及基于第一信号分量和第二信号分量的分析结果，计算参考光和测量光之间的传播距离的差。
发明效果
根据本发明，存在即使在光学测距仪中出现环境波动、也以简单的配置抑制准确度的降低的效果。
附图说明
图1示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。
图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。
图3示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。
图4示出了以下两者之间的关系的示例：(i)由根据本实施例的测量装置100检测的差拍信号的频率和(ii)光学头部件140与待测对象10之间的距离d。
图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和转换部件160的配置示例。
图6示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和转换部件160进行的正交检测的概要的示例。
图7示出了根据本实施例的提取部件170的配置示例。
图8示出了根据本实施例的测量装置300的配置示例以及待测对象10。
图9示出了根据本实施例的由差拍信号生成部件150生成的差拍信号的示例。
图10示出了根据本实施例的对由差拍信号生成部件150生成的差拍信号进行滤波的结果的示例。
图11示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150、转换部件160、第一分析部件310和第二分析部件320的配置示例。
图12示出了根据本实施例的测量装置300的变型示例以及待测对象10。
具体实施方式
[测量装置100的配置示例]
图1示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。测量装置100光学地测量测量装置100与待测对象10之间的距离。另外，测量装置100可以通过扫描照射到待测对象10上的激光束的位置来测量待测对象10的三维形状。测量装置100包括激光装置110、分支部件120、光环行器130、光学头部件140、差拍信号生成部件150、转换部件160、提取部件170、计算部件180和显示部件190。
激光装置110具有光学共振腔(激光谐振器)，并输出具有多种模式的调频激光束。激光装置110在共振腔(谐振器)中设有频移器，并输出其振荡频率随着时间的推移而线性变化的多个纵模激光。激光装置110例如是频移反馈激光器(FSFL)。稍后将对FSFL进行描述。
分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束分支，其中一部分作为参考光，其余部分的至少一些作为测量光。例如，分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束分支为参考光、测量光和监测光。分支部件120例如是一进三出的光纤耦合器。在图1的示例中，分支部件120将测量光提供给光环行器130，将参考光提供给差拍信号生成部件150，并将监测光提供给提取部件170。图1示出了其中分支部件120是一进三出的光耦合器的示例，但可替换地，分支部件120可以是两个一进二出的光耦合器的组合。
光环行器130具有多个输入/输出端口。例如，光环形器130将从一个端口输入的光输出至下一端口，将从下一端口输入的光输出到再下一端口。图1示出了光环行器130具有三个输入/输出端口的示例。在这种情况下，光环形器130将从分支部件120提供的测量光输出到光学头部件140。另外，光环行器130将从光学头部件140输入的光输出到差拍信号生成部件150。
光学头部件140将从光环形器130输入的光朝向待测对象10照射。光学头部件140包括例如准直透镜。在这种情况下，光学头部件140首先使用准直透镜将经由光纤从光环形器130输入的光调节为光束形状，然后输出光。
此外，光学头部件140接收照射到待测对象10上的测量光的反射光。光学头部件140利用准直透镜将接收到的反射光聚焦到光纤上，并将其提供给光环行器130。在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的准直透镜，并且准直透镜可以用测量光照射待测对象10，并且可以接收来自待测对象10的反射光。光学头部件140与待测对象10之间的距离定义为d。
可替换地，光学头部件140可以包括聚焦透镜。在这种情况下，光学头部件140将经由光纤从光环行器130输入的光聚焦在待测对象10的表面上。光学头部件140接收在待测对象10的表面上反射的反射光的至少一部分。光学头部件140使用聚焦透镜将接收到的反射光聚焦到光纤上，并将该光提供给光环形器130。同样在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的聚焦透镜，并且该聚焦透镜可以用测量光照射待测对象10并接收来自待测对象10的反射光。
差拍信号生成部件150从光环形器130接收反射光，该反射光是照射到待测对象10上并从其反射的测量光。此外，差拍信号生成部件150从分支部件120接收参考光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成差拍信号。差拍信号生成部件150包括例如光电转换元件，其将差拍信号转换成电信号，并输出该电信号。
在此，由于反射光在从光学头部件140到待测对象10之间的距离上来回行进，因此与参考光相比，出现与至少距离2d相对应的传播距离的差。由于从激光装置110输出的光的振荡频率随着时间的推移而线性地变化，因此在参考光的振荡频率和反射光的振荡频率之间，出现取决于与传播距离的差相对应的传播延迟的频率差。差拍信号生成部件150生成与这种频率差对应的差拍信号。
转换部件160对差拍信号生成部件150生成的差拍信号进行频率分析以检测差拍信号的频率。在此，差拍信号的频率被定义为νB。
提取部件170提取与光学共振腔的共振腔频率(谐振频率)相对应的并且叠加在从激光装置110输出的调频激光束上的信号分量。例如，提取部件170基于监测光从包括在调频激光束中的信号分量当中提取频率等于与激光装置110的共振腔长度(谐振器长度)相对应的共振腔频率的信号分量。在此，将共振腔频率定义为νC。
计算部件180基于转换部件160的检测结果和提取部件170的提取结果来计算参考光和测量光之间的传播距离的差。例如，计算部件180基于差拍信号的频率νB和共振腔频率νC计算从光学头部件140到待测对象10的距离d。
显示部件190显示计算部件180的计算结果。显示部件190可以包括显示器等，并显示计算结果。另外，显示部件190可以将计算结果存储在存储单元等中。显示部件190可以经由网络等将计算结果提供给外部设备。
上述的测量装置100可以通过分析照射到待测对象10上的测量光的反射光与参考光之间的频率差来测量测量装置100与待测对象10之间的距离d。即，测量装置100可以形成非接触且非破坏性的光学测距仪。接下来，将描述测量装置100的更详细的配置。
[激光装置110的配置示例]
图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。图2的激光装置110示出了FSFL的示例。激光装置110包括光学共振腔，并且在光学共振腔中振荡激光束。激光装置110的光学共振腔包括含有频移器112、增益介质114、WDM耦合器116、泵浦光源117和输出耦合器118的光学共振腔。
频移器112通过近似恒定频率来移位输入的光的频率。频移器112例如是具有声光元件的声光频移器(acousto-optic frequency shifter，AOFS)。在此，将频移器112的频移量定义为+νs。即，频移器112移位在共振腔周围循环的光的频率，以使得对于每一轮，频率增加νs。
增益介质114被提供有泵浦光，且增益介质114放大输入光。增益介质114例如是掺杂有杂质的光纤。杂质是例如稀土元素，诸如铒(erbium)、钕(neodymium)、镱(ytterbium)、铽(terbium)、铥(thulium)等。经由WDM耦合器116从泵浦光源117将泵浦光提供给增益介质114。输出耦合器118将已经在共振腔中激光振荡的光的一部分输出到外部设备。
也就是说，图2所示的激光装置110包含在共振腔中具有频移器112的光纤环形激光器。激光装置110优选地在共振腔中进一步包括隔离器。而且，激光装置110可以具有使得共振腔中的预定波段(wavelength band)的光通过的光学带通滤波器。下面将描述从激光装置110输出的激光束的频率特性。
图3示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。图3在左侧示出了在时间t0由激光装置110输出的激光束的光谱。在该光谱中，横轴表示光强，纵轴表示光的频率。此外，光谱的多个纵模由数字q表示。多个纵模的频率以近似恒定的频率间隔进行布置。假设τRT(＝1/νc)表示光围绕共振腔传播的时间，多个纵模以1/τRT(＝νc)的间隔进行布置，如以下等式所示。应注意，ν0是在时间t0处光谱的初始频率。
[等式1]
图3在右侧示出了激光装置110输出的多个纵模的随着时间推移的频率变化。在图3的右侧，横轴表示时间，纵轴表示频率。即，图3在右侧示出了从激光装置110输出的激光束的频率随时间的变化，并且在左侧示出了激光束在时间t0处的瞬时频率。
在激光装置110中，每当共振腔中的光围绕共振腔传播时，频移器112将围绕共振腔行进的光的频率增加νs。即，由于每一模式的频率每经过τRT都增加νs，所以频率的变化率dν/dt(即调频率(chirp rate))变得近似等于νs/τRT。因此，由等式1表示的多个纵模随着时间t的推移而改变为如以下等式所示。
[等式2]
[距离测量过程的细节]
根据本实施例的测量装置100通过使用输出由等式2表示的频率元素的激光装置110来测量光学头部件140与待测对象10之间的距离d。假设参考光和反射光之间的光程差仅是距离2d，即，往复的距离d，并且与距离2d对应的传播延迟为Δt。即，当测量光在时间t处被反射并从待测对象10返回时，返回的反射光的频率近似匹配于比时间t早了时间Δt的过去频率，因此可以是由以下等式表示。
[等式3]
另一方面，可以以与等式2类似的方式，通过以下等式来表示时间t处的参考光，其中，参考光是νq'(t)。
[等式4]
因为差拍信号生成部件150将反射光和参考光叠加，所以在等式3表示的多个纵模与等式4表示的多个纵模之间生成多个差拍信号。假设这样的差拍信号的频率为νB(m,d)，νB(m,d)可以由根据等式3和等式4的以下等式表示，其中m是纵模数的间隔(＝q-q′)，且Δt＝2d/c。
[等式5]
根据等式5，距离d由以下等式表示，其中1/τRT＝νC。
[等式6]
从等式6可以理解，可以通过确定纵模数的间隔m来根据差拍信号的频率观测结果计算距离d。应当注意，当改变激光装置110的频移量νs时，可以通过检测差拍信号的变化来确定间隔m。因为此类确定间隔m的方法是已知的，如专利文献1等中记载的那样，所以省略其详细说明。
由于观测到的差拍信号始终是正频率，因此在计算中，在负频率侧生成的差拍信号被折回到正侧上并被作为图像信号来观测。接下来，将描述这种图像信号的生成。
图4示出了由根据本实施例的测量装置100检测到的差拍信号的频率与光学头部件140和待测对象10之间的距离d之间的关系的示例。在图4中，横轴表示距离d，纵轴表示差拍信号的频率νB(m,d)。图4中的实线所示的多条直线是示出对于多个m值中的每个，差拍信号的频率νB(m,d)相对于距离d的关系(如等式5所示)的曲线图。
如图4所示，生成对应于m值的多个差拍信号。然而，由于包括在反射光和参考光的每一个中的多个纵模以近似恒定的频率间隔νC进行布置，因此具有相等的m值的多个差拍信号被叠加在频率轴上近似相同的频率上。例如，当观测频率0和νC之间的频带时，多个差拍信号被叠加在近似相同的频率上，并且被观测为单线谱。
另外，在小于0的负范围内的差拍信号的频率νB(m,d)的绝对值作为图像信号被进一步观测。即，图4的纵轴小于0的区域的曲线图以频率0为边界被折回。图4通过多条虚线示出了折叠后的图像信号。由于只有折叠后的图像信号的正负被反转，所以图像信号以与折叠前的频率的绝对值相同的频率叠加在观测到的频率轴上。例如，当观测频率在0和νC之间的频带时，差拍信号和图像信号分别位于不同的频率，除非差拍信号和图像信号的频率变为νC/2。
如上所述，在频率0和νC之间的观测频带中，生成两个线谱，它们是(i)差拍信号νB(m,d)和(ii)图像信号νB(m′,d)，图像信号νB(m′,d)的m值与差拍信号νB(m,d)的m值不同。在此，作为示例，m'＝m+1。在这种情况下，差拍信号生成部件150可以通过使用正交检测来消除这种图像信号。接下来，将描述使用正交检测的差拍信号生成部件150和转换部件160。
图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和转换部件160的配置示例。差拍信号生成部件150对反射光和参考光进行正交检测。差拍信号生成部件150包括光学90度混合器152、第一光电转换部件154和第二光电转换部件156。
光学90度混合器152分别将输入的反射光和输入的参考光分支成两部分。光学90度混合器152利用光耦合器等将分支后的反射光之一与分支后的参考光之一复用以生成第一差拍信号。光学90度混合器152利用光耦合器等将另一分支后的反射光与另一分支后的参考光复用以生成第二差拍信号。在此，光学90度混合器152在两个分支后的参考光之间生成90度的相位差之后生成差拍信号。例如，光学90度混合器152将分支后的反射光与分支后的参考光之一进行复用，并且将分支后的反射光与由另一分支后的参考光穿过π/2波长板而生成的光进行复用。
第一光电转换部件154和第二光电转换部件156接收复用的反射光和参考光，并将它们转换为电信号。第一光电转换部件154和第二光电转换部件156中的每一个可以是光电二极管等。第一光电转换部件154和第二光电转换部件156中的每一个例如是平衡光电二极管。在图5中，假设第一光电转换部件154生成第一差拍信号，第二光电转换部件156生成第二差拍信号。如上所述，差拍信号生成部件150通过将相位相差90度的两个参考光和两个反射光分别进行复用来执行正交检测，并将两个差拍信号输出到转换部件160。
转换部件160对两个差拍信号执行频率分析。这里，将描述转换部件160使用第一差拍信号作为I信号并且使用第二差拍信号作为Q信号执行频率分析的示例。转换部件160包括第一滤波器部件162、第二滤波器部件164、第一AD转换器202、第二AD转换器204、第一时钟信号提供部件210和频率分析部件220。
第一滤波器部件162和第二滤波器部件164减少与用户等想要分析的频带不同的频带中的信号分量。在此，将用户等想要分析的频带设置为0至νC。第一滤波器部件162和第二滤波器部件164是例如使得频率等于或小于νC的信号分量通过的低通滤波器。在这种情况下，第一滤波器部件162将通过减少具有比频率νC高的频率的信号分量而获得的第一差拍信号提供给第一AD转换器202。此外，第二滤波器部件164将通过减少具有高于频率νC的频率的信号分量而获得的第二差拍信号提供给第二AD转换器204。
第一AD转换器202和第二AD转换器204将模拟信号转换为数字信号。例如，第一AD转换器202将第一差拍信号转换为数字信号，第二AD转换器204将第二差拍信号转换为数字信号。第一时钟信号提供部件210将第一时钟信号提供给第一AD转换器202和第二AD转换器204。通过这样做，第一AD转换器202和第二AD转换器204以与接收的第一时钟信号的时钟频率近似相同的第一采样率将模拟信号转换为数字信号。
这里，当观测频带为从0到νC时，差拍信号的频率至多为光学共振腔的共振腔频率νC。因此，第一时钟信号提供部件210将频率大于或等于光学共振腔的共振腔频率νC的两倍的第一时钟信号提供给第一AD转换器202和第二AD转换器204，从而可以观测到差拍信号。
频率分析部件220将第一差拍信号和第二差拍信号转换为频率数据。作为示例，频率分析部件220对第一差拍信号和第二差拍信号执行数字傅里叶转换(digital Fouriertransform，DFT)。频率分析部件220将转换为频率数据的第一差拍信号作为实部相加，且将转换为频率数据的第二差拍信号作为虚部相加，并消除图像信号。如上所述，转换部件160以第一采样率将差拍信号转换为数字信号，然后对数字信号执行频率分析。应当注意，在将差拍信号转换为数字信号之后，转换部件160可以使用集成电路等来配置频率分析部件220。以下将描述差拍信号生成部件150中的正交检测和转换部件160中的频率分析。
图6示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和转换部件160的正交检测的概要的示例。在图6中，横轴表示差拍信号的频率，纵轴表示信号强度。图6示出了I信号和Q信号之一的频谱。I信号和Q信号两者的频谱具有近似相同的频谱形状，如图6的上部分所示。在I信号和Q信号中，例如，在频率0和νC之间的频带中观测到差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m+1,d)。在这种情况下，在I信号和Q信号中，图像信号的原始差拍信号-νB(m+1,d)和差拍信号-νB(m,d)存在于负侧的频率0和-νC之间的频带中。
在此，由于I信号和Q信号是由差拍信号生成部件150进行正交检测的信号分量，因此它们即使频谱形状相同，也包含不同的相位信息。例如，在正侧的频率0和νC之间的频带中，I信号的图像信号νB(m+1,d)和Q信号的图像信号νB(m+1,d)的相位相互反转。类似地，在负侧的频率0和-νC之间的频带中，I信号的差拍信号-νB(m,d)和Q信号的差拍信号-νB(m,d)的相位相互反转。
因此，如图6的下部分所示，当频率分析部件220使用I信号和Q信号计算I+jQ时，在频率0和νC之间的频带中，频率为νB(m,d)的差拍信号彼此增强，而频率为νB(m+1,d)的图像信号彼此消除。类似地，在频率0和-νC之间的频带中，频率为-νB(m+1,d)的差拍信号彼此增强，而频率为-νB(m,d)的差拍信号彼此消除。
根据频率分析部件220的频率分析结果，对于在频率0和νC之间的频带中的频率νB(m,d)，观测到一个差拍信号。由于测量装置100可以以这种方式抵消图像信号，因此可以检测差拍信号的频率νB(m,d)。例如，频率分析部件220将转换后的频率信号的信号强度最高的频率作为差拍信号的频率νB(m,d)输出。
这里，由测量装置100测量的距离d由等式6表示。从等式6可以看出，可以通过使用三个频率νC、νs和νB(m,d)计算距离d。在所述三个频率中，可以如上所述检测νB(m,d)。另外，由于νC和νs是基于在激光装置110中使用的分量而确定的频率，因此理想情况下νC和νs应为固定值。在此，由于νs是频移器112的频移量，因此通过将具有稳定频移量的设备用作频移器112，可以将νs基本上视为固定值。
另一方面，由于νC对应于激光装置110的共振腔的光学长度，因此其可能由于诸如温度的环境波动而改变。例如，如果激光装置110如图2所示是光纤环形激光器并且共振腔由光纤形成，则当周围温度变化一摄氏度时，共振腔长度可以大约变化10ppm。应当注意，即使激光装置110是诸如半导体激光器等的固态激光器，共振腔长度也可能由于这种环境波动而改变。因此，提取部件170提取与共振腔长度相对应的共振腔频率，以便监测共振腔长度的这种变化。下面将描述提取部件170。
图7示出了根据本实施例的提取部件170的配置示例。提取部件170包括光电转换部件，并且从由光电转换部件转换的电信号中提取与光学共振腔的共振腔频率相对应的信号分量。提取部件170包括第三光电转换部件172、第三滤波器部件174、第三AD转换器176和共振腔频率输出部件178。
第三光电转换部件172将监测光转换为电信号。第三光电转换部件172可以是光电二极管等。如图4所示，激光装置110输出具有多个纵模的频率的调频激光束，该多个纵模以与共振腔频率νC近似匹配的频率间隔进行布置。因此，当第三光电转换部件172对调频激光束进行光电转换时，输出包括共振腔频率νC的电信号。
第三滤波器部件174在由第三光电转换部件172转换的电信号内使得具有光学共振腔的共振腔频率νC的信号分量通过。第三滤波器部件174具有例如高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器中的至少一个。图7示出了其中第三滤波器部件174是带通滤波器的示例。
第三AD转换器176将输入的模拟信号转换为数字信号。第三AD转换器176与具有大于或等于谐振频率νC的两倍的频率的时钟信号同步地，将模拟信号转换为数字信号。例如，当从第一时钟信号提供部件210接收到时钟信号时，第三AD转换器176进行操作。
共振腔频率输出部件178对已经通过第三滤波器部件174的信号分量执行频率分析。共振腔频率输出部件178首先将从第三AD转换器176输出的数字信号转换为频率数据。作为示例，共振腔频率输出部件178对数字信号执行数字傅里叶变换(DFT)。共振腔频率输出部件178对频率数据进行频率分析，并输出共振腔频率νC。例如，共振腔频率输出部件178输出频率数据的信号强度最高的频率作为共振腔频率νC。
如上所述，图7中所示的提取部件170从监测光中提取共振腔频率νC的信号分量，并输出共振腔频率νC的信号分量。因此，即使激光装置110的共振腔长度由于周围温度的波动而变化，提取部件170也能够提取并输出与该变化相对应的共振腔频率νC的信号分量。由于计算部件180使用以上述方式检测到的固定值νs、νB(m,d)和共振腔频率νC，因此可以计算与周围温度的波动相对应的距离d。
如上所述，即使出现环境波动，测量装置100也可以抑制测量准确度的降低，因为测量装置100监测与环境波动相对应的共振腔频率νC并且在距离d的计算中反映共振腔频率νC。可替换地或附加地，可以将激光装置110放置在诸如恒温室之类的温度稳定的受控室中，以减小环境波动的影响并抑制测量装置100的测量准确度的降低。
然而，由于上述测量装置100趋于成为大型装置，因此可能出现诸如成本增加、电路调整等所需的努力增加以及安装面积增加等问题。因此，根据本实施例的测量装置即使在出现这种环境波动的情况下也能以简单的配置抑制准确度的降低。接下来，将描述这种测量装置。
[测量装置300的配置示例]
图8示出了根据本实施例的测量装置300的配置示例以及待测对象10。在图8所示的测量装置300中，与图1所示的根据本实施例的测量装置100的操作大致相同的操作由相同的附图标记表示，并且省略其描述。测量装置300还包括第一分析部件310和第二分析部件320。
分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束分支为参考光和测量光。分支部件120例如是一进二出光纤耦合器。在图8的示例中，分支部件120将测量光提供给光环行器130，并且将参考光提供给差拍信号生成部件150。差拍信号生成部件150基于测量光和参考光生成差拍信号。转换部件160将由差拍信号生成部件150生成的差拍信号转换为数字信号。
第一分析部件310对由转换部件160转换的数字信号执行频率分析。第一分析部件310使用频率分析来检测并输出差拍信号的频率vB。
第二分析部件320对由转换部件160转换的数字信号中的一些执行频率分析。第二分析部件320使用频率分析检测并输出激光共振腔的共振腔频率vC。
计算部件180基于第一分析部件310和第二分析部件320的分析结果来计算参考光和测量光之间的传播距离的差。例如，计算部件180基于差拍信号的频率vB和共振腔频率vC来计算从光学头部件140到待测对象10的距离d
根据本实施例的上述测量装置300通过对由差拍信号生成部件150生成的差拍信号执行频率分析来检测共振腔频率vC，而不需要使用图1和图7中描述的提取部件170。接下来，将描述由差拍信号生成部件150生成的差拍信号。
图9示出了根据本实施例的由差拍信号生成部件150生成的差拍信号的示例。图9的横轴表示频率，纵轴表示信号水平。图9所示的差拍信号示出了通过其生成图像信号(诸如由差拍信号生成部件150输出的I信号或Q信号)的信号波形的示例。例如，如图4中所述，观察到差拍信号νB(m,d)、νB(m-1,d)、νB(m-2,d)等以及折叠的图像信号νB(m+1,d)、νB(m+2,d)、νB(m+3,d)等。
图10示出了根据本实施例的对由差拍信号生成部件150生成的差拍信号进行滤波的结果的示例。图10的横轴表示频率，纵轴表示信号水平。图10中所示的差拍信号示出了这样的差拍信号的示例：其中通过使频率0和νC之间的频带中的信号分量经过第一滤波器部件162或第二滤波器部件164来减少超过频率νC的信号分量。
在这种情况下，如图6所述，例如，在频率0和νC之间的频带中观察到差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m+1,d)。这里，由于图像信号νB(m+1,d)是以频率νC折叠的信号分量，所以差拍信号νB(m,d)的频率和图像信号νB(m+1,d)的频率之和是νC。这是相同的，即使观察频带是频率(k-1)·νC和k·νC之间的频带，其中差拍信号νB(m,d)的频率和图像信号νB(m+1,d)的频率之和是k·νC。这里，k是1或更大的整数。
如上所述，由于彼此相邻的差拍信号和图像信号之和是频率νC的常数倍数，所以测量装置300可以从差拍信号获得共振腔频率νC，而不需要使用提取部件170从监测光提取共振腔频率νC。接下来，将描述这种测量装置300的差拍信号生成部件150、转换部件160、第一分析部件310和第二分析部件320。
图11示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150、转换部件160、第一分析部件310和第二分析部件320的配置示例。在图11所示的差拍信号生成部件150和转换部件160中，与图5所示的根据本实施例的差拍信号生成部件150和转换部件160的操作大致相同的操作用相同的附图标记表示，并且省略其描述。
差拍信号生成部件150正交检测反射光和参考光，并且输出彼此正交的第一差拍信号和第二差拍信号。转换部件160具有第一滤波器部件162、第二滤波器部件164、第一AD转换器202、第二AD转换器204和第一时钟信号提供部件210，并且将第一差拍信号和第二差拍信号转换为数字信号。上述差拍信号生成部件150和转换部件160的操作与图5等中描述的操作相同。
第一分析部件310基于差拍信号来分析与参考光和测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量。第一分析部件310生成第一信号分量，该第一信号分量由(i)通过对由第一AD转换器202输出的数字信号执行频率转换而生成的实部和(ii)通过对第二AD转换器204输出的数字信号执行频率转换而生成的虚部组成。以这种方式，第一分析部件310通过基于第一差拍信号和第二差拍信号对第一信号分量执行频率分析来检测差拍信号的频率νB。也就是说，第一分析部件310的操作与图5等中描述的频率分析部件220的操作相同，并且在此省略其详细描述。
第二分析部件320基于差拍信号来分析与激光共振腔的共振腔频率相对应的第二信号分量。第二分析部件320对其执行频率分析的第二信号分量是基于第一差拍信号或第二差拍信号之一的信号分量。例如，第二分析部件320通过对由第一AD转换器202或第二AD转换器204输出的数字信号执行频率转换来生成第二信号分量。
图11示出了第二分析部件320通过对由第二AD转换器204输出的数字信号执行频率转换来生成第二信号分量的示例。第二分析部件320分析第二信号分量，获得差拍信号νB(m,d)的频率和图像信号νB(m+1,d)的频率，并将两个获得的频率相加，以计算激光共振腔的共振腔频率νC。
如上所述，第一分析部件310检测差拍信号的频率νB，第二分析部件320检测光学共振腔的共振腔频率νC。因此，计算部件180可以基于第一信号分量和第二信号分量的分析结果来计算参考光和测量光之间的传播距离的差。
如上所述，即使激光装置110的共振腔长度由于环境波动等而改变，根据本实施例的测量装置300也检测到与波动相对应的共振腔频率νC和差拍信号νB(m,d)。因此，由于计算部件180使用固定值νs、以上述方式检测到的差拍信号νB(m,d)和共振腔频率νC，所以可以计算与环境温度波动相对应的、光学头部件140和待测对象10之间的距离d。
此外，由于测量装置300基于由差拍信号生成部件150输出的差拍信号来检测共振腔频率νC，所以用于监测共振腔频率νC的提取部件170等不是必要的。因此，测量装置300能够以简单的配置抑制准确度的降低，而不需要增加装置的规模。
已经描述了根据本实施例的第二分析部件320通过将差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m+1,d)的频率相加来计算共振腔频率νC的示例，但是本发明不限于此。例如，第二分析部件320可以直接检测共振腔频率νC。如图9和图10所示，与激光共振腔频率νC相对应的信号分量叠加在由差拍信号生成部件150生成的差拍信号上。
这是分别输入到第一光电转换部件154和第二光电转换部件156的光信号的强度水平不平衡的结果，强度水平不平衡由差拍信号生成部件150的光学90度混合器152中的失配等引起。即使出现这种失配，如果测量装置300的差拍信号检测的S/N没有降低，则第二分析部件320也可以通过分析由差拍信号生成部件150生成的差拍信号来直接获得共振腔频率νC。在这种情况下，由于计算部件180可以使用固定值νs、检测到的νB(m,d)和共振腔频率νC，所以可以计算与环境温度波动相对应的距离d。
已经描述了根据本实施例的测量装置300除了测量差拍信号νB(m,d)之外还检测共振腔频率νC并且计算光学头部件140和待测对象10之间的距离d的示例。当共振腔长度变化的观察结果以这种方式被用于距离测量时，共振腔长度的观察变化叠加在距离测量的变化上，这导致距离测量的变化增加。这里，假设距离测量的变化是Δd，差拍信号的测量的变化是ΔνB，并且共振腔频率的测量的变化是ΔνC，距离测量的变化Δd由下式表示。
[等式7]
如等式7所示，通过使用共振腔频率的测量结果，可以理解，距离测量的变化Δd增加了包括共振腔频率的测量变化ΔνC的项。因此，根据本实施例的测量装置300可以减小共振腔频率的测量变化ΔνC，以使得能够高准确度地测量距离。
例如，第二分析部件320检测共振腔频率νC的定时可以被设置为晚于测量第一分析部件310的差拍信号νB(m,d)的定时。在这种情况下，例如，要为第二分析部件320的操作而同步的时钟频率可以比要为第一分析部件310的操作而同步的时钟频率慢。此外，第二分析部件320的输出信号可以被滤波。接下来，将描述这种测量装置300。
图12示出了根据本实施例的测量装置300的变型示例以及待测对象10。在图12所示的测量装置300中，与图8所示的根据本实施例的测量装置300的操作基本相同的操作由相同的附图标记表示，并且省略其描述。变型示例的测量装置300还包括数字滤波器330和第二时钟信号提供部件340。
数字滤波器330对第二分析部件320的分析结果进行数字滤波。数字滤波器330对由第二分析部件320输出的与共振腔频率νC相对应的信号分量进行滤波，并且减小共振腔频率νC的测量变化ΔνC。数字滤波器330例如是卡尔曼滤波器、高斯滤波器、移动平均滤波器等。数字滤波器330还可以包括稀疏滤波器、高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和/或带阻滤波器等。
第二时钟信号提供部件340将第二时钟信号提供给数字滤波器330。此外，第二时钟信号提供部件340可以将第二时钟信号提供给第二分析部件320。此外，第一时钟信号提供部件210可以将第一时钟信号提供给第一分析部件310。
由于第二分析部件320对共振腔频率νC的检测和由数字滤波器330执行的滤波处理用于测量由环境温度等引起的共振腔频率νC的波动，所以用于这些处理操作的时钟频率可以相对较低。例如，由第二分析部件320和数字滤波器330使用的第二时钟信号可以具有比第一时钟信号的时钟频率低的时钟频率，第一时钟信号用于测量差拍信号以测量参考光和测量光之间的传播距离的差。
因此，第二时钟信号提供部件340将时钟频率低于第一时钟信号的第二时钟信号提供给数字滤波器330。通过这样做，数字滤波器330以比第一AD转换器202和第二AD转换器204将输入信号转换为数字信号的采样率慢的采样率执行数字滤波。
因此，例如，即使共振腔频率νC的测量变化ΔνC叠加在由第二分析部件320输出的共振腔频率νC上，数字滤波器330也输出具有减小的测量变化ΔνC的共振腔频率νC。数字滤波器330的这种滤波过程可以通过已知的算法等来实现，而不需要提供特殊的设备等。因此，测量装置300能够以更高的准确度测量到待测对象10的距离d，同时抑制成本的增加。
根据本实施例的测量装置300的一部分例如由集成电路等形成。在这种情况下，计算部件180、显示部件190、频率分析部件220、第一分析部件310、第二分析部件320和数字滤波器330的至少一部分包括例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和/或中央处理单元(CPU)。此外，测量装置300可以包括存储单元。
当计算机等用作计算部件180、显示部件190、频率分析部件220、第一分析部件310、第二分析部件320和数字滤波器330的一部分时，存储单元可以存储操作系统(OS)和各种信息，诸如执行计算机等的程序。此外，存储单元可以存储各种信息，包括在执行程序时要参考的数据库。例如，计算机通过执行存储在存储单元中的程序，而至少用作计算部件180、显示部件190、频率分析部件220、第一分析部件310、第二分析部件320和数字滤波器330的一部分。
存储单元100包括例如存储计算机等的基本输入输出系统(BIOS)等的只读存储器(ROM)和用作工作区的随机存取存储器(RAM)。此外，存储单元可以包括大容量存储设备，如硬盘驱动器(HDD)和/或固态驱动器(SSD)。此外，计算机还可以包括图形处理单元(GPU)等。
基于示例性实施例描述了本发明。本发明的技术范围不限于上述实施例中说明的范围，在本发明的范围内可以进行各种改变和修改。例如，装置的全部或一部分可以使用在功能上或物理上分布或集成的任何单元进行配置。此外，通过它们的任意组合生成的新的示例性实施例包括在本发明的示例性实施例中。此外，通过组合带来的新实施例的效果也一起具有原始示例性实施例的效果。
[附图标记说明]
102
10 待测对象
100 测量装置
110 激光装置
112 频移器
114 增益介质
116 WDM耦合器
117 泵浦光源
118 输出耦合器
120 分支部件
130 光环行器
140 光学头部件
150 差拍信号生成部件
152 光学90度混合器
154 第一光电转换部件
156 第二光电转换部件
160 转换部件
162 第一滤波器部件
164 第二滤波器部件
170 提取部件
172 第三光电转换部件
174 第三滤波器部件
176 第三AD转换器
178 共振腔频率输出部件
180 计算部件
190 显示部件
202 第一AD转换器
204 第二AD转换器
210 第一时钟信号提供部件
220 频率分析部件
300 测量装置
310 第一分析部件
320 第二分析部件
330 数字滤波器
340 第二时钟信号提供部件
Claims (9)
1.一种测量装置，包括：
激光装置，具有光学共振腔，并且输出具有多种模式的调频激光束；
分支部件，将由所述激光装置输出的所述调频激光束的一部分分支为参考光，并且将所述调频激光束的其余部分的至少一些分支为测量光；
差拍信号生成部件，通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；
第一分析部件，基于所述差拍信号来分析与所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量；
第二分析部件，基于所述差拍信号来分析与光学共振腔的共振腔频率相对应的第二信号分量；以及
计算部件，基于所述第一信号分量和所述第二信号分量的分析结果，计算所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述差拍信号生成部件正交检测所述反射光和所述参考光，并且输出彼此正交的第一差拍信号和第二差拍信号，
所述第一分析部件基于所述第一差拍信号和所述第二差拍信号对所述第一信号分量执行频率分析，以及
所述第二分析部件基于所述第一差拍信号和所述第二差拍信号之一对所述第二信号分量执行频率分析。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，所述第二分析部件对所述第二信号分量执行频率分析，并且计算所述光学共振腔的共振腔频率。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其中，所述第二分析部件获得包含在所述第二信号分量中的差拍信号和图像信号当中彼此相邻的差拍信号和图像信号的频率，并且通过将两个获得的频率相加来计算所述光学共振腔的共振腔频率。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其中，所述第二分析部件通过对来自所述第二信号分量内、与所述光学共振腔的共振腔频率相对应的信号分量进行频率分析来获得所述光学共振腔的共振腔频率。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的测量装置，还包括
第一AD转换器，将所述第一差拍信号转换为数字信号；以及
第二AD转换器，将所述第二差拍信号转换为数字信号，其中
所述第一分析部件生成所述第一信号分量，所述第一信号分量由(i)通过对由所述第一AD转换器输出的数字信号执行频率转换而生成的实部和(ii)通过对由所述第二AD转换器输出的数字信号执行频率转换而生成的虚部组成，并且
所述第二分析部件通过对由所述第一AD转换器或所述第二AD转换器输出的数字信号执行频率转换来生成所述第二信号分量。
7.根据权利要求6所述的测量装置，还包括数字滤波器，所述数字滤波器对所述第二分析部件的分析结果进行数字滤波。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述数字滤波器以比所述第一AD转换器和所述第二AD转换器将输入信号转换为数字信号的采样率慢的采样率执行数字滤波。
9.一种测量方法，包括以下步骤：
从具有光学共振腔的激光装置输出具有多种模式的调频激光束；
将所述调频激光束的一部分分支为参考光，并且将其余部分的至少一些分支为测量光；
通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；
基于所述差拍信号来分析与所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差相对应的第一信号分量；
基于所述差拍信号来分析与所述光学共振腔的共振腔频率相对应的第二信号分量；以及
基于所述第一信号分量和所述第二信号分量的分析结果，计算所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。
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