CN117826172A - 基于调频连续波的测距系统 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种基于调频连续波的测距系统，包括配置为发射测量光束的发生模块和配置为探测目标的测量模块，测量模块包括第一耦合单元、反射单元、以及耦合至第一耦合单元的第一探测单元，第一耦合单元和反射单元沿测量光束的传播方向依次设置，反射单元配置为接收经由第一耦合单元的测量光束且反射部分测量光束作为第一光束，并透射部分测量光束作为第二光束，目标接收第二光束并反射第二光束以形成第三光束；第一探测单元配置为接收经由第一耦合单元的第一光束和经由第一耦合单元的第三光束以获得目标的距离。根据本公开，能够提供一种提高测量精度的基于调频连续波的测距系统。

Description

基于调频连续波的测距系统

技术领域

本公开涉及智能制造装备产业领域，具体涉及一种基于调频连续波的测距系统。

背景技术

线性调频激光测距系统因测量范围大、精度高、非接触、非合作目标等显著优势，广泛应用于航天、航空、汽车、船舶等大型先进设备制造领域。高精度线性调频激光测距用到的光路结构一般有空间光路和光纤光路结构两种。光纤光路结构相对于传统的空间光路结构具有质量轻、占用空间少、安装调试方便、维护便捷等特点。然而，光纤光路容易受所处环境的温度、湿度等不稳定因素的影响，导致光纤光路中的电学部件和光学部件随时间的变化而发生抖动和漂移，进而会造成线性调频激光测距系统测量精度的降低。

在目前的测距系统中，通常是基于迈克尔逊干涉仪的测量原理对样品进行测量。具体而言，调频激光经过分束器后被分为测量光和参考光，参考光和测量光分别被耦合至参考光路和测量光路，参考光经过反射镜反射后或者直接经过参考光纤传导到达探测器，测量光经过样品表面反射后同样回到探测器，并与参考光进行干涉以获得样品的距离。现有技术中，为了降低光纤光路受所处环境的影响，通常会在测距系统内部设置一个能够保持光纤光路所处的环境处于可控状态的恒定装置。

然而，上述恒定装置的设置难以实现精确的环境控制(包括温度控制和湿度控制)，随着环境的变化光纤光路依然会引入漂移和抖动，也即无法有效地减小光纤光路中由于电学部件和光学部件的抖动和漂移而引入的误差。另外，恒定装置的设置会增加测距系统的结构尺寸和重量，不利于提高测距系统的集成度。

发明内容

本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够提高测量精度的基于调频连续波的测距系统。

为此，本公开提供一种基于调频连续波的测距系统，是用于探测目标的距离的测距系统，包括配置为发射调频连续波作为测量光束的发生模块和配置为利用所述测量光束以探测所述目标的测量模块，所述测量模块包括第一耦合单元、反射单元、以及耦合至所述第一耦合单元的第一探测单元，所述第一耦合单元和所述反射单元沿所述测量光束的传播方向依次设置，所述反射单元配置为接收经由所述第一耦合单元的所述测量光束且反射部分所述测量光束作为第一光束，并透射部分所述测量光束作为第二光束，所述目标接收所述第二光束并反射所述第二光束以形成第三光束；所述第一探测单元配置为接收经由所述第一耦合单元的第一光束和经由所述第一耦合单元的第三光束以获得所述目标的距离。

在本公开中，第一光束和第二光束能够具有共同的出射光路，并且第一光束和第三光束能够具有共同的接收光路，则在计算目标的距离时能够将因环境变化引起的测量误差转变为二者的共模信号，并通过差分的方式将共模信号抵消，由此，能够提高对目标的测量精度。换言之，基于第一光束和第三光束获得的干涉信号仅与反射单元到目标的距离相关，也即，基于第一光束和第三光束获得的干涉信号不会受到光路结构中的光学元件的影响。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，所述测量模块还包括设置于所述第一耦合单元与所述反射单元之间且用于准直所述测量光束的准直单元，所述发生模块与所述第一耦合单元之间、所述第一耦合单元与所述准直单元之间、以及所述第一耦合单元与所述第一探测单元之间通过保偏光纤连接。在这种情况下，测量光束经过准直单元后能够变为平行光束，进而有利于提高测量光束的稳定性，并且通过设置准直单元能够调整测量光束的传播方向以使测量光束沿着期望的方向进行传播，由此，能够便于测距系统对准目标，并且在测量光束传播至目标的过程中，能够减少测量光束的能量损失；通过保偏光纤连接各个光学元件能够保持使测量光束在传播过程中的保持偏振态，提高测量光束的传播效率。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，所述测量模块还包括设置于所述反射单元与所述第一耦合单元之间且用于调整所述测量光束的偏振态的偏振单元，所述偏振单元为四分之一波片。在这种情况下，测量光束透过偏振单元后的偏振态能够从线偏振变为圆偏振，由于圆偏振光具有抗大气干扰能力强的优点，因此，测距系统获得干涉信号能够具有较高的信噪比，由此，能够提高测距系统的测量精度。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，所述第一耦合单元为偏振分束器。在这种情况下，通过第一耦合单元和偏振单元的相互配合，能够将出射光束和反射光束偏振分离，也即，出射的光束(测量光束)与被反射的光束(第一光束和第三光束)能够互不干扰，由此，第一探测单元能够获得更高信噪比的干涉信号，进而能够提高测距系统的测量精度。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括设置于所述测量模块与所述目标之间且用于将所述第二光束聚焦至所述目标的聚焦模块，所述聚焦模块包括至少一个透镜组件。在这种情况下，能够提高第二光束的功率密度和穿透力，进而能够提高被出射至目标的第二光束的能量，进一步地能够提高被目标反射回测距系统的第二光束的能量，由此，能够提高测距系统的分辨率。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括设置于所述发生模块与所述测量模块之间的第一分束单元，所述第一分束单元配置为将所述调频连续波分为所述测量光束和辅助光束，所述测距系统基于所述测量光束获得所述目标的距离，并基于所述辅助光束校正所述发生模块的调频频率。在这种情况下，能够保持发生模块的调频频率的稳定性，进而能够使测量光束的频率随时间均匀地线性变化。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括辅助模块，所述辅助模块包括配置为接收所述辅助光束且将所述辅助光束分为第一辅助光束和第二辅助光束的第二分束单元、配置为接收所述第一辅助光束的第一光路、配置为接收所述第二辅助光束且与所述第一光路具有预设光路差的第二光路、配置为将所述第一辅助光束和所述第二辅助光束进行合束的合束单元、以及配置为接收合束后的所述第一辅助光束和所述第二辅助光束的第二探测单元。在这种情况下，理想情况时，经过第一光路的第一辅助光束和经过第二光路的第二辅助光束能够具有与预设光路差相等的光程差，因此，能够以第一辅助光束和第二辅助光束的光程差是否与预设光路差相等作为判断条件，判断出调频连续波的线性频率是否稳定。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括控制模块，所述控制模块配置为基于所述第一辅助光束和所述第二辅助光束的光程差校正所述发生模块的调频频率。在这种情况下，通过多个模块之间的联合控制，能够持续地保持发生模块的调频频率维持稳定的线性调频状态，进而能够使调频连续波的频率持续地保持稳定的线性变化，由此，能够提高测距系统的测量精度。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括设置于所述发生模块与所述第一耦合单元之间的光纤隔离单元。在这种情况下，光纤隔离单元能够隔离被其他光学元件反射的光束，换言之，被其他光学元件反射的光束不能进入发生模块，由此，能够降低发生模块受到反向传播的光信号的干扰，进而能够提高发生模块的使用效率；另外，光纤隔离单元也能够降低光信号因反向传播引起的损耗。

另外，在本公开所涉及的测距系统中，可选地，还包括设置于所述第一耦合单元与所述反射单元之间的第二耦合单元，所述第二耦合单元配置为将用于指示所述目标的指示光束耦合至所述测量模块。在这种情况下，指示光束和测量光束能够被耦合，并且指示光束能够跟随测量光束共同被发射至目标，由此，能够根据指示光束判断测量区域是否准确，并且，能够根据指示光束实时观测目标。

根据本公开，能够提供一种提高测量精度的基于调频连续波的测距系统。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开。

图1是示出了本公开示例所涉及的测量仪器的示意图。

图2是示出了本公开示例所涉及的测距系统的应用场景的示意图。

图3是示出了本公开示例所涉及的测距系统的结构框图。

图4是示出了本公开示例所涉及的发生模块的结构框图。

图5是示出了本公开示例所涉及的测量模块的结构框图。

图6是示出了本公开示例所涉及的测距系统的光路原理图。

图7是示出了本公开示例所涉及的测量模块的光路原理图。

图8A是示出了本公开示例所涉及的测距系统的光路结构示意图；图8B是示出了本公开示例所涉及的测距系统的光路结构的变形例示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本公开提供一种基于调频连续波的测距系统(以下可以简称为测距系统)，是用于探测目标的距离的测距系统。通过本公开提供的测距系统，能够降低因环境因素导致对光学元件的负面影响而引起的测量误差，进而能够提高对目标测量的准确性。

本公开涉及的基于调频连续波的测距系统还可以称为用于提高测量精度的测距系统、具有共用光路的测距系统、用于激光雷达的测距系统、具有保偏光纤的测距系统、基于光纤光路的测距系统、具有谐振腔的测距系统、具有保偏光纤的光路系统等。本公开涉及的测距系统可以适用于任何需要对目标进行测距的应用场景。在一些示例中，本公开所涉及的测距系统还能够适用于识别目标并跟踪目标的应用场景。

以下，结合附图，对本公开所涉及的测距系统进行详细说明。

图1是示出了本公开示例所涉及的测量仪器1的示意图。图2是示出了本公开示例所涉及的测距系统10的应用场景的示意图。其中，图2还示出了测量仪器1的结构简图。

在一些示例中，本公开所涉及的测距系统10(稍后描述)可以应用于如图1所示的测量仪器1中。在一些示例中，参见图1，测量仪器1可以包括基座20和设置于基座20的光束偏转主体30。在一些示例中，测距系统10可以布置于基座20和光束偏转主体30，测距系统10产生的光束(例如图1所示的测量光束L1)可以从光束偏转主体30出射至目标2。在这种情况下，通过基座20和光束偏转主体30的配合，能够使测距系统10适用于多种测量场景，也即能够提高测距系统10的适用范围(稍后描述)。

在一些示例中，测量仪器1可以利用出射光束到达目标2以达到探测目标2的目的。具体而言，在一些示例中，测量仪器1可以发射光束至目标2，并且接收目标2反射回来的光束以探测目标2的距离，其中，目标2的距离可以指的是目标2与测量仪器1之间的距离。在一些示例中，测量仪器1还可以基于反射回来的光束探测目标2的方位、高度、速度、姿态、以及三维形状等信息。在一些示例中，测量仪器1还可以基于反射回来的光束识别并跟踪目标2。

在一些示例中，测量仪器1可以是激光雷达或激光跟踪仪等测量设备。但本公开不限于此，测量仪器1可以是任意发射光束至目标2并基于被目标2反射回来的光束以探测目标2的测量设备。

如上所述，光束偏转主体30可以设置于基座20。在一些示例中，基座20可以绕第一轴线D1进行旋转。在这种情况下，当基座20绕第一轴线D1旋转的时候，能够带动光束偏转主体30共同绕第一轴线D1进行旋转，换言之，光束偏转主体30也能够绕第一轴线D1进行旋转。在一些示例中，参见图2，第一轴线D1可以是基座20的几何中心轴线。令基座20绕第一轴线D1进行旋转的方向为第一方向。在一些示例中，第一方向可以是水平方向。

在一些示例中，光束偏转主体30可以绕第二轴线D2进行旋转。在一些示例中，参见图2，第二轴线D2可以是光束偏转主体30的几何中心轴线。在一些示例中，第二轴线D2可以正交于第一轴线D1。在这种情况下，光束偏转主体30能够实现多方向的运动，进而能够使测距系统10产生的光束从任意方向出射，进而能够探测任意位置的目标2，由此，在扩大测量仪器1的测量范围的同时还能够提高测量仪器1的适用范围。

令光束偏转主体30绕第二轴线D2旋转的方向为第二方向，在一些示例中，第二方向可以正交于第一方向，例如，第二方向可以是俯仰方向。但本公开不限于此，在一些示例中，第二方向可以不正交于第一方向。

在一些示例中，参见图1，测量仪器1还可以包括旋转装置40，光束偏转主体30可以通过旋转装置40设置于基座20。在一些示例中，参见图1，旋转装置40可以包括形成于基座20的第一支承部41和第二支承部42。在一些示例中，光束偏转主体30可以设置于第一支承部41和第二支承部42之间。由此，光束偏转主体30能够跟随基座20绕第一轴线D1旋转而旋转。

在一些示例中，第一支承部41可以具有第一孔。在一些示例中，第二支承部42可以具有第二孔。在一些示例中，光束偏转主体30可以通过第一孔和第二孔设置于第一支承部41和第二支承部42之间。具体而言，在一些示例中，测量仪器1可以包括用于设置光束偏转主体30的旋转轴43(参见图2)，旋转轴43可以穿过第一孔和第二孔以将光束偏转主体30设置于第一支承部41和第二支承部42之间。

在一些示例中，光束偏转主体30可以通过旋转轴43的旋转而绕第二轴线D2进行旋转。在一些示例中，参见图2，第二轴线D2可以是旋转轴43的几何中心轴线。但本公开不限于此，在一些示例中，光束偏转主体30可以自行旋转。在一些示例中，光束偏转主体30可以设置有用于驱动光束偏转主体30绕第二轴线D2进行旋转的驱动机构。

在一些示例中，参见图1，旋转装置40可以包括设置于基座20的基部44。在一些示例中，第一支承部41和第二支承部42可以形成于基部44。在一些示例中，基部44在由第一方向所限定的平面上的投影面积可以不小于基座20在由第一方向所限定的平面上的投影面积。在这种情况下，能够提高第一支承部41和第二支承部42的结构稳定性，进而能够提高光束偏转主体30设置于基座20上的稳定性，由此，能够使测量仪器1的结构布置更加精密化，有利于提高测量仪器1的测量精度。

图3是示出了本公开示例所涉及的测距系统10的结构框图。

如上所述，测距系统10可以布置于基座20和光束偏转主体30。在一些示例中，参见图3，测距系统10可以包括发生模块11和测量模块12。在一些示例中，发生模块11可以配置为发射测量光束L1，测量模块12可以配置为利用测量光束L1以实现对目标2的探测。在一些示例中，参见图2，发生模块11可以设置于基座20，测量模块12可以至少部分地设置于光束偏转主体30，测量光束L1可以从基座20被引导至光束偏转主体30并出射至目标2。由此，能够基于测量光束L1实现对目标2的探测。

在一些示例中，目标2可以是合作目标。合作目标可以指的是与测距系统10配套使用的反射器件。在一些示例中，目标2可以是非合作目标。换言之，目标2可以是任意待测的物体。

在一些示例中，可以通过多个反射镜的组合将测量光束L1从发生模块11引导至光束偏转主体30。

在一些示例中，可以通过光纤将测量光束L1从发生模块11引导至光束偏转主体30。在这种情况下，相较于采用反射镜式的光路，光纤光路的设置能够提高测距系统10的集成度，也即，光纤光路无需像反射镜式的光路占用过多的空间，由此，能够降低测距系统10的重量和尺寸；另外，在反射镜式的光路中，为了将测量光束L1准确地引导至光束偏转主体30，需要对各个反射镜的位置有严格的要求，而采用光纤光路则无需考虑类似的问题，由此，能够便于测距系统10的组装。

在一些示例中，光纤可以是保偏光纤。在这种情况下，能够使测量光束L1维持稳定的偏振态，进而能够提高测量光束L1的传播稳定性，并且，能够降低测量光束L1在传播过程中的能量损失。

在一些示例中，发生模块11可以发射调频连续波作为测量光束L1。在这种情况下，能够基于被反射的测量光束L1的干涉信息获得目标2的探测信息，例如距离、速度和方位等。在一些示例中，上述干涉信息可以是测量光束的拍频信息。拍频信息与测量光束L1的飞行时间呈比例关系，其中，飞行时间指的是测量光束L1从测量仪器1发射至目标2所发生的时间。

图4是示出了本公开示例所涉及的发生模块11的结构框图。

在一些示例中，参见图4，发生模块11可以包括用于发射测量光束L1的发射单元110。在一些示例中，发射单元110可以是调频激光光源。换言之，测量光束L1可以是调频连续激光。在这种情况下，有利于提高测距系统10的抗大气干扰的能力。

在一些示例中，参见图4，发生模块11可以包括用于调制测量光束L1的调制单元111。在一些示例中，调制单元111可以产生线性调制信号(例如三角波、锯齿波等信号)，并可以将线性调制信号施加至输入发射单元110的电流信号，发射单元110可以将包括线性调制信号的电流信号经光电转换形成调频连续波。在这种情况下，测量光束L1的瞬时光功率能够跟随线性调制信号的变化而变化，另外，由于基于调频连续波作为测量光束L1的测距系统10是根据被反射的测量光束L1的拍频信息以获得目标2的探测信息，探测器接收到的是交流信号，不依赖直流信号进行测量，因此受环境干扰的对光强敏感的直流信号不会对测量产生影响，因而不受环境影响，由此，能够提高测距系统10的抗干扰能力，进而能够提高测距系统10的测量精度。

在一些示例中，测量光束L1可以是脉冲激光。在另一些示例中，测量光束L1可以是宽带光，例如超辐射激光。

图5是示出了本公开示例所涉及的测量模块12的结构框图。图6是示出了本公开示例所涉及的测距系统10的光路原理图。图7是示出了本公开示例所涉及的测量模块12的光路原理图。其中，图7示出了本公开所涉及的第一光束L11、第二光束L12和第三光束L13。

如上所述，测距系统10可以包括测量模块12。在一些示例中，测量模块12可以包括第一耦合单元120和反射单元121(参见图5)。在一些示例中，参见图6，第一耦合单元120可以将发生模块11发射的测量光束L1耦合至测量模块12。由此，测量模块12能够基于测量光束L1对目标2进行探测。

在一些示例中，参见图6，第一耦合单元120和反射单元121可以沿测量光束L1的传播方向依次设置。换言之，反射单元121可以接收经由第一耦合单元120的测量光束L1。

在一些示例中，反射单元121可以配置为反射部分测量光束L1。在一些示例中，参见图7，可以将被反射单元121反射的部分测量光束L1作为第一光束L11。在一些示例中，第一光束L11也可以称为参考光束。

在一些示例中，反射单元121还可以配置为透射部分测量光束L1。在一些示例中，参见图7，可以将被反射单元121透射的部分测量光束L1作为第二光束L12。在一些示例中，第二光束L12也可以称为目标光束。

在一些示例中，参见图7，第二光束L12可以被出射至目标2，目标2可以接收第二光束L12并反射第二光束L12以形成第三光束L13。在这种情况下，测距系统10能够基于第三光束L13实现对目标2的探测。在一些示例中，第三光束L13也可以称为目标反射光束。

如上所述，反射单元121可以反射部分测量光束L1作为第一光束L11并透射部分测量光束L1作为第二光束L12。在这种情况下，第一光束L11和第二光束L12能够具有共同的出射光路。其中，出射光路可以指的是测量光束L1从发生模块11传播至反射单元121的光路路径，由于第一光束L11和第二光束L12是测量光束L1在反射单元121被分解而成，并且第二光束L12透过反射单元121后被出射至目标，因此第一光束L11和第二光束L12具有共同的出射光路。

在一些示例中，第一光束L11和第二光束L12的拍频信息可以与第一光束L11和第二光束L12之间的光路差相关。在一些示例中，第一光束L11和第二光束L12之间的光路差可以是反射单元121到目标2之间的距离。由此，能够基于第一光束L11和第二光束L12的拍频信息获得目标2的距离。在一些示例中，第一光束L11和第二光束L12的拍频信息实际上指的是第一光束L11和第三光束L13的拍频信息。

在一些示例中，反射单元121和目标2能够组成“法布里-珀罗”干涉结构。具体而言，可以将反射单元121与目标2之间的部分称为“法布里-珀罗干涉腔”(以下可以称为F-P干涉腔或干涉腔)或谐振腔。在一些示例中，第一光束L11和第二光束L12之间的光路差即为F-P干涉腔的腔长。

在一些示例中，参见图5和图6，测量模块12可以包括第一探测单元122。在一些示例中，第一探测单元122可以配置为接收第一光束L11和第三光束L13以获得目标2的距离。具体而言，在一些示例中，第一探测单元122可以包括探测器和处理器，探测器可以将第一光束L11和第三光束L13的干涉信号由光信号转变为电信号，处理器可以基于电信号计算目标2的距离。在一些示例中，探测器可以是光电探测器。

在一些示例中，参见图6，第一探测单元122可以耦合至第一耦合单元120。在一些示例中，参见图7，第一探测单元122可以配置为接收经由第一耦合单元120的第一光束L11和经由第一耦合单元120的第三光束L13以获得目标2的距离。在这种情况下，第一光束L11和第二光束L12能够具有共同的出射光路，并且第一光束L11和第三光束L13能够具有共同的接收光路，则在计算目标2的距离时能够将因环境变化引起的测量误差转变为二者的共模信号，并通过差分的方式将共模信号抵消，由此，能够提高对目标2的测量精度。换言之，基于第一光束L11和第三光束L13获得的干涉信号仅与反射单元121到目标2的距离相关，也即，基于第一光束L11和第三光束L13获得的干涉信号不会受到光路结构中的光学元件的影响。

在本公开中，第一光束L11和第二光束L12具有共同的出射光路，并且第一光束L11和第三光束L13具有共同的接收光路，这样的设置能够实时将光学元件和/或电学元件因温度变化或振动产生的漂移信息差分掉，进而能够有效减小由于电学部件和/或光学部件的漂移信息而引入的测量误差。

在一些示例中，第一光束L11的接收光路可以指测距系统10中被反射单元121反射形成的第一光束L11经过的光路路径，也即由反射单元121到达第一耦合单元120，再由第一耦合单元120到达第一探测单元122的光路路径。在一些示例中，第三光束L13的接收光路可以与第一光束L11的接收光路相同。

图8A是示出了本公开示例所涉及的测距系统10的光路结构示意图；图8B是示出了本公开示例所涉及的测距系统10的光路结构的变形例示意图。

在一些示例中，参见图8A，并且如上所述，测量模块12可以包括第一耦合单元120、反射单元121和第一探测单元122。在一些示例中，第一耦合单元120可以为光环形器。由此，第一耦合单元120能够改变光束的传播方向，例如改变第一光束L11和第三光束L13的传播方向以使第一光束L11和第三光束L13到达第一探测单元122。

在一些示例中，第一耦合单元120可以为偏振分束器。在这种情况下，测量光束L1经过第一耦合单元120时能够被分解为正交偏振的两束光，由此，能够提高测距系统10的测量精度(稍后具体描述)。

在一些示例中，测量模块12还可以包括用于准直测量光束L1的准直单元123(参见图8A)。在一些示例中，准直单元123可以设置于第一耦合单元120与反射单元121之间。在这种情况下，测量光束L1经过准直单元123后能够变为平行光束，进而有利于提高测量光束L1的稳定性，并且通过设置准直单元123能够调整测量光束L1的传播方向以使测量光束L1沿着期望的方向进行传播，由此，能够便于测距系统10对准目标2，并且在测量光束L1传播至目标2的过程中，能够减少测量光束L1的能量损失。在一些示例中，测距系统10对准目标2可以指的是测量光束L1能够准确地被发射至目标2。

在一些示例中，准直单元123可以将发散的测量光束L1整型为准直的测量光束L1。在这种情况下，能够提高光路之间的耦合效应，减少测量光束L1的能量损失。

在一些示例中，准直单元123可以是准直透镜。在一些示例中，准直单元123可以是光纤准直器。在一些示例中，优选地，准直单元123可以是保偏光纤准直器。在这种情况下，能够使测量光束L1的偏振态保持稳定，进而有利于提高测量光束L1的传播效率和质量。

在一些示例中，测量模块12还可以包括设置于反射单元121与第一耦合单元120之间的偏振单元124。在一些示例中，偏振单元124可以配置为调整测量光束L1的偏振态。

在一些示例中，偏振单元124可以是四分之一波片。在这种情况下，测量光束L1透过偏振单元124后的偏振态能够从线偏振变为圆偏振，由于线偏振光具有抗大气干扰能力强的优点，因此，测距系统10获得得干涉信号能够具有较高的信噪比，由此，能够提高测距系统10的测量精度。

如上所述，第一耦合单元120可以是偏振分束器。在一些示例中，当第一耦合单元120为偏振分束器时，测量光束L1经过偏振分束器后可以被分解为正交偏振的两束光(偏振光S和偏振光P)，当偏振光S和偏振光P两次透过偏振单元124后，偏振光S和偏振光P的偏振态会发生90度的变化，即偏振光S变为偏振光P，偏振光P变为偏振光S。在这种情况下，通过第一耦合单元120和偏振单元124的相互配合，能够将出射光束和反射光束偏振分离，也即，出射的光束(测量光束L1)与被反射的光束(第一光束L11和第三光束L13)能够互不干扰，由此，第一探测单元122能够获得更高信噪比的干涉信号，进而能够提高测距系统10的测量精度。在一些示例中，第一耦合单元120可以是保偏光纤偏振分束器。

在一些示例中，发生模块11与第一耦合单元120之间可以通过保偏光纤连接。在一些示例中，第一耦合单元120与准直单元123之间可以通过保偏光纤连接。由此，通过保偏光纤连接各个光学元件能够保持使测量光束L1在传播过程中的保持偏振态，提高测量光束L1的传播效率。在一些示例中，可以将测距系统10的光路称为光纤光路。

在一些示例中，第一耦合单元120与第一探测单元122之间可以通过保偏光纤连接。在这种情况下，能够保持测量光束L1的偏振态，并提高测量光束L1的传播效率；另外，通过保偏光纤连接第一耦合单元120和第一探测单元122能够便于将第一探测单元122设置为具有多通道探测器的光学元件，由此，能够提高干涉信号的信噪比。

在一些示例中，第一探测单元122可以是平衡探测器。在一些示例中，第一光束L11和第三光束L13可以通过第三耦合单元125均分为两路，并由第一探测单元122的两个通道接收。具体而言，第一光束L11和第三光束L13进入第三耦合单元125后，分别进入两路保偏光纤，并且两路保偏光纤分别接入平衡探测器的两个通道。在这种情况下，第一探测单元122通过对光信号进行光电转换、差分运算及放大，能够实现共模噪声抑制，从而提高干涉信号的信噪比，并对第一光束L11和第三光束L13的干涉信息进行解调得到干涉波形，基于干涉波形得到目标的距离信息。另外，若第三耦合单元125位于空间光路，则第一光束L11和第三光束L13在第三耦合单元125分为两路后为空间光，难以直接接入平衡探测器；若第三耦合单元125位于光纤光路，第一光束L11和第三光束L13能够直接通过保偏光纤接入平衡探测器。

在一些示例中，测量光束L1的偏振方向可以平行于第一耦合单元120的入射面。在这种情况下，测量光束L1透过第一耦合单元120后被分解为正交偏振的两束光，并且，偏振光S为零，换言之，测量光束L1的偏振方向均被调节为偏振光P的偏振方向，也即，测量光束L1经过第一耦合单元120后全部变为偏振光P，由此，能够提高被出射至目标2的测量光束L1的能量，进而能够提高测距系统10的测量精度。

在一些示例中，参见图8A，测量模块12还可以包括设置于测量模块12与目标2之间的聚焦模块13。在一些示例中，聚焦模块13可以用于聚焦第二光束L12。在这种情况下，能够提高第二光束L12的功率密度和穿透力，进而能够提高被出射至目标2的第二光束L12的能量，进一步地能够提高被目标2反射回测距系统10的第二光束L12的能量，由此，能够提高测距系统10的分辨率。

在一些示例中，聚焦模块13可以用于将第二光束L12聚焦至目标2。由此，能够提高对目标2的探测精度。

在一些示例中，聚焦模块13可以包括至少一个透镜组件131(参见图8A)。由此，能够将第二光束L12聚焦至目标2。在一些示例中，聚焦模块13可以包括一个透镜组件131。

在一些示例中，聚焦模块13可以包括多个透镜组件131。在这种情况下，能够通过多个透镜组件131的相互配合以将第二光束L12聚焦至目标2，并且，相较于单个透镜组件131，多个透镜组件131的相互配合能够实现不同焦距的调节，进而能够提高第二光束L12的聚焦位置的灵活性，由此，能够使测距系统10适应于更多的测量场景。另外，采用多个透镜组件131相互配合的方式，多个透镜组件131能够协同分散光程，从而各个透镜的尺寸和重量能够进行轻量化设计，换言之，当聚焦模块13包括多个透镜组件131时，各个透镜组件131的尺寸和重量能够设计得较小，由此，有利于提高聚焦模块13的集成度。

在一些示例中，参见图8A，多个透镜组件131可以包括固定透镜组件131a和运动透镜组件131b。在一些示例中，可以通过调节固定透镜组件131a和运动透镜组件131b之间的距离以调节聚焦模块13的焦距。由此，能够实现不同距离下的聚焦功能。在一些示例中，可以通过控制运动透镜组件131b移动以调节固定透镜组件131a和运动透镜组件131b之间的距离。

在一些示例中，参见图8B，测距系统10还可以包括设置于发生模块11与测量模块12之间的第一分束单元14。在一些示例中，第一分束单元14可以配置为将调频连续波分为测量光束L1和辅助光束L2。如上所述，测距系统10可以基于测量光束L1获得目标2的距离。在一些示例中，测距系统10还可以基于辅助光束L2校正发生模块11的调频频率。在这种情况下，能够保持发生模块11的调频频率的稳定性，进而能够使测量光束L1的频率随时间均匀地线性变化。

在一些示例中，第一分束单元14可以是以预设比例将调频连续波进行分束的分束器。在一些示例中，预设比例可以为95：5。具体地，测量光束L1可以是占比95％的调频连续波，辅助光束L2可以是占比5％的调频连续波。在这种情况下，能够有较高能量的调频连续波作为测量光束L1对目标2进行探测，由此，能够提高测距系统10的测量精度。在一些示例中，预设比例可以不小于90：10。

如上所述，可以基于辅助光束L2校正发生模块11。在一些示例中，测距系统10还可以包括辅助模块15(参见图8B)。在一些示例中，辅助模块15可以包括第二分束单元151、第一光路152、第二光路153、合束单元154以及第二探测单元155。在一些示例中，第二分束单元151可以配置为接收辅助光束L2且将辅助光束L2分为第一辅助光束和第二辅助光束。在这种情况下，辅助光束L2能够被分为两路光束，进而能够基于两路光束的光程差对发生模块11进行校正。

在一些示例中，第一光路152可以配置为接收第一辅助光束，第二光路153可以配置为接收第二辅助光束。在一些示例中，第二光路153可以与第一光路152具有预设光路差。在这种情况下，理想情况时，经过第一光路152的第一辅助光束和经过第二光路153的第二辅助光束能够具有与预设光路差相等的光程差，因此，能够以第一辅助光束和第二辅助光束的光程差是否与预设光路差相等作为判断条件，判断出调频连续波的线性频率是否稳定。

在一些示例中，第一光路152可以是具有预设长度的延时光纤。在一些示例中，第二光路153可以是具有预设长度的延时光纤。在这种情况下，通过设置延时光纤的方式，能够使第一光路152和第二光路153具有预设光路差。

在一些示例中，合束单元154可以配置为将第一辅助光束和第二辅助光束进行合束。具体地，是将经过第一光路152的第一辅助光束和经过第二光路153的第二辅助光束进行合束。

在一些示例中，第二探测单元155可以配置为接收合束后的第一辅助光束和第二辅助光束。在这种情况下，能够基于第一辅助光束和第二辅助光束的干涉信号获得第一辅助光束和第二辅助光束的光程差。

在一些示例中，可以基于第一辅助光束和第二辅助光束的光程差对发生模块11进行校正。在一些示例中，测距系统10还可以包括与第二探测单元155信号连接的控制模块。在一些示例中，控制模块也可以与发生模块11信号连接。由此，能够实现多个光学单元/模块之间的信号传输。

在一些示例中，第二探测单元155可以将计算获得的第一辅助光束和第二辅助光束的光程差发送至控制模块。在一些示例中，控制模块可以基于上述光程差校正发生模块11的调频频率。在这种情况下，通过多个模块之间的联合控制，能够持续地保持发生模块11的调频频率维持稳定的线性调频状态，进而能够使调频连续波的频率持续地保持稳定的线性变化，由此，能够提高测距系统10的测量精度。

在一些示例中，当第一辅助光束和第二辅助光束的光程差与第一光路152和第二光路153之间的预设光路差二者之差不大于预设值时，则表示发生模块11的调频频率维持稳定的线性调频状态，此时控制模块无需对发生模块11进行校正。

在一些示例中，当第一辅助光束和第二辅助光束的光程差与第一光路152和第二光路153之间的预设光路差二者之差大于预设值时，则表示发生模块11的调频频率失稳，此时控制模块需要及时对其进行调控以使发生模块11的调频频率恢复稳定的线性调频状态。

在一些示例中，预设值可以是基于测距系统10的分辨率设定的允许的误差值。在一些示例中，预设值可以是人为设定的误差值。

在一些示例中，测距系统10还可以包括设置于发生模块11与第一耦合单元120之间的光纤隔离单元17(参见图8A和图8B)。在一些示例中，光纤隔离单元17可以用于隔离反向传播的光信号。在这种情况下，光纤隔离单元17能够隔离被其他光学元件反射的光束，换言之，被其他光学元件反射的光束不能进入发生模块11，由此，能够降低发生模块11受到反向传播的光信号的干扰，进而能够提高发生模块11的使用效率；另外，光纤隔离单元17也能够降低光信号因反向传播引起的损耗。

在一些示例中，光纤隔离单元17可以调节调频连续波的偏振方向。在这种情况下，能够改变调频连续波的偏振方向以使调频连续波的偏振方向满足预设条件，由此，能够提高光信号传播的效率。在一些示例中，预设条件可以是调频连续波的偏振方向正交于第一耦合单元120的入射面。

在一些示例中，调频连续波经过光纤隔离单元17后的偏振态可以变为线偏振。在这种情况下，有助于提高光信号的传输质量和测距系统10的测量性能。

在一些示例中，测距系统10还可以包括指示光源18(参见图8A和图8B)。在一些示例中，指示光源18可以发射用于指示目标2的指示光束。在这种情况下，通过指示光束能够指示待测的目标2，进而能够便于实时监测待测的目标2的情况。在一些示例中，指示光束可以是可见光。由此，能够便于观察。在一些示例中，指示光束可以是红外光。

在一些示例中，参见图8A和图8B，测距系统10还可以包括第二耦合单元19。在一些示例中，第二耦合单元19可以配置为将用于指示目标2的指示光束耦合至测量模块12。在这种情况下，指示光束和测量光束L1能够被耦合，并且指示光束能够跟随测量光束L1共同被发射至目标2，由此，能够根据指示光束判断测量区域是否准确，并且，能够根据指示光束实时观测目标2。

在一些示例中，第二耦合单元19可以设置于第一耦合单元120与反射单元121之间。由此，能够将指示光束耦合至测量模块12。但本公开不限于此，在另一些示例中，第二耦合单元19可以设置于主光路的任意位置。由此，能够将指示光束与测量光束L1耦合并发射至目标2。其中，主光路可以是指沿着测量光束L1的传播方向，从发生模块11开始并依次设置有第一耦合单元120和准直单元123的光路。在一些示例中，第二耦合单元19可以是波分复用器。在一些示例中，第二耦合单元19可以是保偏光纤波分复用器。

在一些示例中，测距系统10的各个光学元件可以通过保偏光纤连接。在一些示例中，测距系统10中的各个光学元件可以是保偏光学元件。

根据本公开提供的测距系统10，以反射单元121和目标2形成F-P干涉腔，测量得到的距离实际就是测量F-P干涉腔的腔长，这种光路结构的设置能够将光纤光路因环境变化而引入的误差转变为第一光束L11和第三光束L13的共模信号。换言之，即第一光束L11和第二光束L12/第三光束L13共用一套光纤光路，将干涉腔与光纤光路分离，从而能够将光纤光路形成的共模信号差分抵消，因此测距系统10能够有效减小光纤光路的环境干扰带来的测量误差，由此，能够提高测量精度，另外还能够更好地优化测距系统10的结构，有利于系统集成化、小型化设计。

虽然以上结合附图和示例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

以上在具体实施方式中描述了本公开的各种示例。尽管这些描述直接描述了上述示例，但是应该理解的是，本领域技术人员可以想到对这里示出和描述的特定示例的修改和/或变形。落入本说明书范围内的任何这样的修改或变形也意图包括在其中。除非特别指出，否则发明人的意图是说明书和权利要求书中的术语被赋予普通技术人员的普通和习惯的含义。

Claims (10)

1.一种基于调频连续波的测距系统，是用于探测目标的距离的测距系统，其特征在于，包括配置为发射调频连续波作为测量光束的发生模块和配置为利用所述测量光束以探测所述目标的测量模块，

所述测量模块包括第一耦合单元、反射单元、以及耦合至所述第一耦合单元的第一探测单元，所述第一耦合单元和所述反射单元沿所述测量光束的传播方向依次设置，所述反射单元配置为接收经由所述第一耦合单元的所述测量光束且反射部分所述测量光束作为第一光束，并透射部分所述测量光束作为第二光束，所述目标接收所述第二光束并反射所述第二光束以形成第三光束；

所述第一探测单元配置为接收经由所述第一耦合单元的第一光束和经由所述第一耦合单元的第三光束以获得所述目标的距离。

2.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，所述测量模块还包括设置于所述第一耦合单元与所述反射单元之间且用于准直所述测量光束的准直单元，所述发生模块与所述第一耦合单元之间、所述第一耦合单元与所述准直单元之间、以及所述第一耦合单元与所述第一探测单元之间通过保偏光纤连接。

3.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，所述测量模块还包括设置于所述反射单元与所述第一耦合单元之间且用于调整所述测量光束的偏振态的偏振单元，所述偏振单元为四分之一波片。

4.根据权利要求3所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，所述第一耦合单元为偏振分束器。

5.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括设置于所述测量模块与所述目标之间且用于将所述第二光束聚焦至所述目标的聚焦模块，所述聚焦模块包括至少一个透镜组件。

6.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括设置于所述发生模块与所述测量模块之间的第一分束单元，所述第一分束单元配置为将所述调频连续波分为所述测量光束和辅助光束，所述测距系统基于所述测量光束获得所述目标的距离，并基于所述辅助光束校正所述发生模块的调频频率。

7.根据权利要求6所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括辅助模块，所述辅助模块包括配置为接收所述辅助光束且将所述辅助光束分为第一辅助光束和第二辅助光束的第二分束单元、配置为接收所述第一辅助光束的第一光路、配置为接收所述第二辅助光束且与所述第一光路具有预设光路差的第二光路、配置为将所述第一辅助光束和所述第二辅助光束进行合束的合束单元、以及配置为接收合束后的所述第一辅助光束和所述第二辅助光束的第二探测单元。

8.根据权利要求7所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块配置为基于所述第一辅助光束和所述第二辅助光束的光程差校正所述发生模块的调频频率。

9.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括设置于所述发生模块与所述第一耦合单元之间的光纤隔离单元。

10.根据权利要求1所述的基于调频连续波的测距系统，其特征在于，还包括设置于所述第一耦合单元与所述反射单元之间的第二耦合单元，所述第二耦合单元配置为将用于指示所述目标的指示光束耦合至所述测量模块。