[发明专利]用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构

说明书

背景技术

本发明总体上涉及用于测量到物体(目标)的距离的光学传感器。

众所周知，光通过光纤进行传输，但由于环境对光纤本身的影响，精度会受到影响。这些环境影响能改变光纤中的光程长度以及光的偏振，并会对测量精度产生不利的影响。使用光外差检测可以允许量子噪声水平的光辐射检测。因此，相干光学系统可以改善环境光条件下的幅度、精度、可靠性、扫描幅度、工作景深以及操作。此外，相干系统可以快速地获得足够的关于目标位置的特征信息。

光外差检测包括导向目标并从目标反射的源光束。然后，返回的光束与本地振荡器光束在光电检测器上混合以提供光干涉条纹，可以处理该光干涉条纹以提供关于目标的详细信息。光外差技术可以利用源光束和反射光束的相互作用。例如，这些光束可以实质上具有相同波长并且导向在同一光轴上。在这种情况下，由于信噪比(SNR)非常高，所以可以使用小接收孔径，例如，能插入有限的入口区域的非常小的透镜。由于小接收孔径能够提供关于目标的详细信息，所以相干系统的光学组件可以制作得非常小。

精密调频激光雷达可以装入一个线性调频(chirp，啁啾)激光源和具有分开的本地振荡器(LO)路径和信号路径的保偏光纤结构。需要一种反啁啾配置，由于精确的多普勒校正，其不受振动所致的幅度误差的影响。还需要为两个激光器将LO路径和信号路径结合进一根光纤中，以使光纤光学回路由于较少的元件变得没那么复杂并且便宜，并且不受由于环境因素例如温度变化所致的本振和信号路径长度的变化所引起的误差的影响。例如，存在背景振动和变化的环境条件的制造业可以是该激光结构的候选用户。LO路径和信号路径的结合可以提供额外的好处，那就是由于单元的传感器头部可以任意远离单元的其他部分，因此其可以放置在容量受限的区域。

总之，需要一种能够非常精确、快速测量、能进入狭小空间、灵活和可靠的实用光学精密测量系统。

发明内容

上述需求以及其他进一步的需求和优点通过以下的实施例解决。

本实施例涉及一种光学测距装置，其可以包括但不限于：用于产生第一光束的第一激光源，用于产生第二光束的第二激光源，其中，第一光束和第二光束的波形相互有180度的相位差以使第二光束啁啾向下时第一光束啁啾向上，并且反之亦然；第一光学元件，其用于将第一光束和第二光束结合为结合光束，并且将结合光束的任何返回部分分离为第三光束；用于接收第三光束的第一检测器。在另一个实施例中，设计了一种用于确定远处物体距离的方法，其包括：从第一激光源产生第一光束以及从第二激光源产生第二光束，其中，第一光束和第二光束的波形相互有180度的相位差以使第二光束啁啾向下时第一光束啁啾向上并且反之亦然，将从源射出的光导向物体，为每个源接收反射LO路径和目标反射的信号路径，为每个源检测LO路径和信号路径，以及为每个源将路径进行外差以生成差频，该差频与两个路径之间的距离差值成比例，LO路径和相应的信号路径之间的路程长度差等于要测量的距离。

本实施例的用于确定测量装置的输出和物体之间的测量距离的方法可以包括，但不限于以下步骤：从第一激光源产生具有第一频率的第一光束以及从第二激光源产生具有第二频率的第二光束，第二频率以第二速率啁啾向下时第一频率以第一速率啁啾向上，第一频率以第一速率啁啾向下时第二频率以第二速率啁啾向上，结合第一光束和第二光束，检测指向物体的结合光束路径，接收与结合光束路径有关的反射的本地振荡器(LO)路径光束，接收与结合光束路径有关的目标反射的信号路径光束，以及将LO路径光束和目标反射的信号路径光束进行外差以产生两个与测量距离成比例的不同的差频，由单独的检测器检测两个差频。

用于确定测量装置和物体之间的测量距离的系统包括但不限于：用于产生具有第一波形和第一频率的第一光束的第一激光源，用于产生具有第二频率的第二光束的第二激光源，第二光束具有第二波形，其中第二频率以第二速率啁啾下降时第一频率以第一速率啁啾上升，并且第一频率以第一速率啁啾下降时第二频率以第二速率啁啾上升，用于将第一光束和第二光束结合为结合光束路径的光学元件，该光学元件将结合光束路径的返回部分分离为第三光束，以及用于接收第三光束的单独的检测器，第三光束包括与测量距离成比例的两个不同的差频。