合成波激光测距传感器和方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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】
[0013]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。
[0014]图1示出一个示例性实施例中的激光测距传感器。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]图5示出一个示例性实施例中的合成波阶梯。
[0019]图6示出一个示例性实施例中针对测量信道产生的外差。
[0020]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】
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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Cff激光器将被调整到精确频率。
[0028]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λ工，激光器113可被调整到λ 2,且激光器114可被调