[發明專利]合成波激光測距傳感器和方法

有效

• 申請號: 201410645103.3
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104635237B
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: D·C·索瑞德;J·M·塞恩特克萊爾
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01S17/08
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

本發明涉及合成波激光測距傳感器和方法，公開了用于測量到物體的距離的系統和方法。一種示例性方法包括將來自三個或更多個連續波激光器的光束引導到目標上，以生成干涉束，并且還頻移從激光器分裂的光束，以生成本地振蕩器束。當干涉束和本地振蕩器束組合時，該方法進一步包括確定通過組合所述光束和本地振蕩器束而產生的外差光學相位，且通過獲取外差光學相位之間的差來確定合成相位。該方法進一步包括基于激光器的頻率之間的差確定合成波長。該方法進一步包括基于合成相位和合成波長確定到目標的距離。

技術領域

本發明涉及激光器領域，且更具體地，涉及可用在諸如大物體制造和/或組裝等應用中的激光測距傳感器。

背景技術

術語“測距”指的是確定從一個位置到另一個位置的距離的過程。存在各種能夠確定距離的系統，如SONAR(聲音導航和測距)、RADAR(無線電探測和測距)、LIDAR(光探測和測距)和LADAR(激光探測和測距)。其中一種類型的測距技術使用行程時間測量來確定距離。例如，傳感器可向目標處發送聲音或光脈沖，并測量時間直到目標反射回聲，以確定到物體的距離。其他類型的測距技術使用連續聲波或光波。例如，傳感器可向目標處發送連續聲波或光波，并且來自目標的反射將與聲波或光波干涉，形成“干涉”波。當(同一頻率的)發送波和反射波組合以形成干涉波時，所產生的干涉波的模式由發送波和反射波之間的相位差確定。此相位差能夠用來確定到目標的距離。

測距傳感器可用在諸如飛行器等產品的制造或組裝中。當正在組裝部件時，可以需要精確測量以便確保正確組裝部件。在組裝過程中，尤其是當它們是在不同位置處制造時，難以匹配大部件的形狀和輪廓。如果在組裝過程中使用激光測距傳感器，可取的是設計激光測距傳感器，以提供具有非常高精確度的測量。

發明內容

本文所描述的實施例提供改進的激光測距傳感器和方法。如本文所描述的系統確定具有增加波長的合成波階梯，以計算到目標的精確距離測量。一種示例性系統混合來自多個連續波激光器的光束，以生成傳感器束，并將傳感器束引導到目標處，這產生干涉束。連續波激光器以不同頻率發射光束。當光束混合在干涉束中時，不同頻率的光束將生成“拍”頻率(在本文中稱為“合成波”)。因為使用多個連續波激光器，產生合成波階梯。

來自連續波激光器的光束的一部分被分裂且被頻移，以生成本地振蕩器束。當本地振蕩器束與干涉束混合時，基于來自連續波激光器的光束的頻率和其相應的本地振蕩器束的頻率之間的差產生外差。外差攜帶干涉束的信息(例如，振幅和相位)，但是處于較低頻率。因此，能夠確定每個外差的光學相位。外差的光學相位可用來確定合成波的相位。然后能夠處理合成波的特征以測量距離。

另外，在激光測距傳感器內，來自連續波激光器的光束的一部分被分裂并被頻移以生成本地振蕩器束。當本地振蕩器束與干涉束混合時，基于來自連續波激光器的光束的頻率和其相應的本地振蕩器束的頻率之間的差產生外差。外差攜帶干涉束的信息(例如，振幅和相位)，但是處于較低頻率。因此，能夠確定每個外差的光學相位，并且外差的光學相位可以用來確定合成波的相位。然后合成波的波長和相位可以用來確定到目標的距離。

本文所描述的系統可使用頻率梳激光器校準連續波激光器。頻率梳激光器生成波長分開精確量的光束集，這稱為頻率梳。該系統能夠將連續波激光器調整到頻率梳的不同齒，以便連續波激光器的波長分開精確量。而且，頻率梳的齒的分離量等于頻率梳激光器內使用的脈沖重復頻率。脈沖重復頻率可以與來自諸如美國國家標準與技術研究院(NIST)等標準組織的頻率標準相關。因此，來自該系統的測量可以起源于NIST標準或其他標準，并且不論該系統的環境或位置如何，其將是相同的。