CN102150007B - 用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构 - Google Patents

Abstract

一种用于确定测量装置(20A)和物体(21)之间的测量距离的系统和方法，该系统包括：用于产生具有第一波形(32)和第一频率的第一光束(13A)的第一激光源(13)；用于产生具有第二频率的第二光束(11A)的第二激光源(11)，所述第二光束(11A)具有第二波形(36)，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，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(13A)和第二光束(11A)结合为结合光束路径(17)的光学元件(15)，所述光学元件(15)将结合光束路径(17)的返回部分分离为第三光束(24)；以及用于接收所述第三光束(24)的单独的检测器(23)，第三光束(24)包括两个与测量距离成比例的不同的差频。

Description

用于反啁啾调频连续波相干激光雷达的紧凑型光纤结构

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。

具体而言，本发明是用于精确测量绝对距离的双工双啁啾激光仪器，其包含发射具有由第一啁啾调制信号调制的第一发射频率的第一相干光束的第一调频激光器以及发射具有由第二啁啾调制信号调制的第二发射频率的第二相干光束的第二调频激光器。第二啁啾调制信号与第一啁啾调制信号具有恒定相位差，最好是180度相位差。此外，第二激光源的啁啾率与第一激光源的啁啾率不同到足以在检测器中产生两个明显可测量的差频。本实施例可以进一步包括与第一调频激光器光学连接的光纤耦合器，其中，第一相干光束被分为两个各标为50％的部分。另外，光纤耦合器与第二调频激光源光学连接，其中第二相干光束被分为两个各标为50％的部分。

线性保偏纤维的光束出口端还具有一个界面，来自第一相干光束和第二相干光束的一小部分透射光借此反射回光纤耦合器并且从那里传输进入光电检测器，并且，透射光的另一部分传输到目标并且从目标回到界面；光学检测器与光纤耦合器光学连接；在来自第一相干光束的透射光的反射部分和来自目标的第一相关光束的返回之间建立第一干涉，并且因此光学检测器检测来自第一干涉的第一差频以及来自第二干涉的第二差频，在来自第二相干光束的透射光的反射部分和第二相干光束的返回之间建立第二干涉。然后，将差频信号发送至设置为产生第一差频测量值和第二差频测量值的数字信号处理装置。在本实施例中，校准的参考臂标准可以与光纤耦合器光学连接并且可以接收第一相干光束的两个标称50％的部分的其中之一，并且还产生第一参考臂输出；该参考臂也接收第二相干光束的两个标称50％的部分的其中之一并进一步产生第二输出频率。计算机装置可以结合第一差频测量值和第一参考臂输出产生第一绝对距离测量值，并且还可以结合第二差频测量值和第二参考臂输出产生第二绝对距离测量值。计算机装置还可以结合第一绝对距离测量值和第二绝对距离测量值产生综合绝对距离测量值，其中综合绝对距离测量值的不可靠性大大降低。

可选择地，校准参考臂标准是光纤干涉仪。同样可选择地，光纤干涉仪可以包括第一光纤耦合器，其与第二光纤耦合器光学连接，第一光纤耦合器能将输入光分成两部分；具有校准光程长度差的不同光程长度的两根光纤，每根光纤接收来自第一光纤耦合器的输入光的一部分；位于每根光纤末端的耦合器终端，借此光反射回光纤耦合器，来自两根光纤的光的两部分借此重新结合，从而建立干涉和随之而来的差频；检测差频的检测器。结果传送至设置成为每个激光器产生差频测量值的数字信号处理装置，每个激光器的所述差频测量值包含用于参考臂标准的参考臂输出。

本实施例可以在不稳定环境，例如存在于飞机和汽车厂中的非接触精确测距应用中使用，例如用于零件组装时的直列测量。

为了对本实施例以及其它实施例有更好的理解，请参考附图和具体实施方式。

附图说明

图1是相干激光雷达的激光光频和外差射频(RF)信号的示意图；

图2是线性调频，或者说“啁啾”，与相应的“差”频的示意图，“差”频是当出现相对目标运动时，为第一激光源13和第二激光源11结合LO信号和目标光信号的结果；

图3是反啁啾装置中具有两个激光源的结构的示意图；

图4是一个可选实施例的示意图，其可以最小化背反射(backreflections)并且也可以使电路更容易在平面光波导(Planar LightwaveCircuit)上实现；

图5A是另一个可选实施例的示意图，其具有3×3保偏耦合器，该实施例能通过减少沿着输出光纤背向散射的光产生的噪声量增加系统的灵敏度；

图5B是另一个可选实施例的示意图，其具有2×2保偏耦合器，该实施例也能通过减少沿着输出光纤背向散射的光产生的噪声量增加系统的灵敏度；

图6是具有多个输出光束的另一个可选实施例的示意图；

图7是一种结构的示意图，其使用延迟线将各种输出信号多路传输至一个检测器，因此降低了雷达的成本和复杂度；

图8是多光束概念结构的一个可选实施例的示意图。

图9是另一个可选的多输出实施例的示意图；

图10是将来自具有光纤尾纤的可见激光二极管的光耦合至输出光纤的示意图；以及

图11是本地振荡器路径和信号路径产生的示意图。

具体实施方式

在描述本实施例之前，应理解的是本公开不限于所描述的特定装置、方法和组件，因为它们是可以变化的。还应理解的是，这里使用的术语仅用于描述特定实施例，而并不限制本公开的范围。以下出现的对结构的描述仅用于说明的目的。任何符合此处要求的结构和架构都可以适用于实施本实施例的系统和方法。

还应理解的是，除非文中另有明确规定，在这里使用的以及在独立权利要求中的单数形式“1”、“一个”和“该”也包括复数。因此，例如，“一个隔离装置”包括多个这种隔离装置，“透镜系统”表示一个或多个透镜以及对本领域技术人员而言公知的其等同物。除非另有其他定义，这里使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。

参考图1，在使用二极管激光器作为光源的相干或调频激光雷达中，通过调节激光器的输入电流直接调节激光的频率。通常，使用具有产生线性调制目标的波形来调制频率。这种调制类型通常被称为啁啾(chirp)。发送至两个激光器以调节它们的输出波长的两个啁啾调制输入信号或波形不相同。每个激光器如何调节是唯一的，因此必须为每个激光器产生一个唯一的波形。每个激光器的波形的形状和振幅都各不相同。重要的是要生成在啁啾期间产生波长特定变化的线性啁啾的输入电流波形。在用于这种应用的常用调制形式中，每个激光器的注入电流调制信号具有唯一的形状并且变形为锯齿波以为激光器的输出产生线性锯齿频率调制包线。相干FMCW反射计的基础是将来自同一线性啁啾源的两个信号外差混合，一个信号沿着本地振荡器“LO”路径，而另一个从目标反射回来。沿测试路径从站点反射回来的信号和参考反射而来的信号之间的任何时间延迟都会导致混合输出中的差频。差频的值与时间延迟成比例，而差频处信号的大小与相应的反射系数成比例。因此，该输出的频谱分析揭示出沿着测试路径的任何反射点(相对于参考路径长度)的位置和强度。

现在参考图1，第一激光源13和第二激光源11的LO光和信号光的频率图示为波形32、34、36和38。对于雷达和目标21(在此与物体21可交替使用)之间没有相对运动的情况，不存在多普勒频移，并且混合LO和信号光所产生的差频对于第一激光源13和第二激光源11的每一个的上升和下降是相同的。对于第一激光源13，差频是f133，对于第二激光源11，差频是f235。对于第一激光源13和第二激光源11，调制周期42Tmod是相同的，并且第一激光源13与第二激光源11具有180°的相位差。第一激光源13的上升曲线发生在在第二激光源11的下降曲线过程中。这两种激光的曲线是同一额定频率，但第一激光源13的曲线与第二激光源的Δf2 46相比具有较大值Δf1 44。在该实施例中，f1 33和f2 35的比例与Δf1 44和Δf2 46的比例相同。通过以不同的速率调制第一激光源13和第二激光源11，可以使用一个单独的检测器23检测两个混合的信号以减少所需元件的数量。两个信号在不同的频率并且可以使用数字信号处理技术测量每一个信号。

现在参考图2，图示了线性频率调制，或者说“啁啾”，以及相应的“差”频，“差”频是出现相对目标运动时，为第一激光源13和第二激光源11结合LO信号和目标光信号所产生的。在示例图2中，激光的基频约为200太赫，“差”频在1Mhz范围内。如果被测量表面相对于第一激光源13移动，由于多普勒频移，与激光上升曲线相应的差频将不同于与下降曲线相应的差频。测量两个信号之间的频率差可以使速度的确定成为可能。如果在一个调制周期中，目标的距离和速度是恒定的，那么f1up和f1down可以表示为：

f_1up＝|f₁-f_d| (1)

f_1down＝|f₁+f_d| (2)

其中，f1是因距离产生的频率，fd是因多普勒频移的频率。如果f1＞fd，那么

$f_1=\frac{f_{1\mathrm{up}}+f_{1\mathrm{down}}}{2}---\left(3\right)$

$f_d=\frac{f_{1\mathrm{up}}-f_{1\mathrm{down}}}{2}---\left(4\right)$

距离和速度可以表示为

$f_1=\frac{f_{1\mathrm{up}}+f_{1\mathrm{down}}}{2}=\frac{2\mathrm{R\Δ}{f}_1}{c{T}_{\mathrm{mod}}}---\left(5\right)$

$f_d=\frac{f_{1\mathrm{up}}-f_{1\mathrm{down}}}{2}=\frac{2\mathrm{\ν}}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

其中，λ是光波长，ν是相对速度。

类似地，

$f_2=\frac{f_{2\mathrm{up}}+f_{2\mathrm{down}}}{2}=\frac{2\mathrm{R\Δ}{f}_2}{c{T}_{\mathrm{mod}}}---\left(7\right)$

$f_d=\frac{f_{2\mathrm{down}}-f_{2\mathrm{up}}}{2}=\frac{2v}{\mathrm{\λ}}---\left(8\right)$

继续参考图2，如果被测量表面相对于激光源移动，由于多普勒频移，与激光上升曲线相应的差频将不同于与下降曲线相应的差频。测量这些信号之间的频率差可以使速度的确定成为可能。虽然单一激光的上升或下降啁啾允许分别检测目标的距离和速度，但如果存在任何例如目标正在振动时会出现的内啁啾速度变化，距离数据可能受到影响。通过使用两个反啁啾激光，可以补偿这些速度导致的幅度误差。然后，可以处理产生的信号以提供对速度误差更大的免疫力。如下面的方程式(9)所示，可以通过仅使用一个激光的上升和另一个激光的相应的下降使校正的幅度被多普勒补偿，而不是像上述方程式(5)和(7)使用来自一个激光的上升啁啾和下降啁啾来确定多普勒校正的幅度。

$f_1=\frac{f_{1\mathrm{up}}+\frac{\mathrm{\Δ}{f}_1}{\mathrm{\Δ}{f}_2}{f}_{2\mathrm{down}}}{2}=\frac{f_{1\mathrm{down}}+\frac{\mathrm{\Δ}{f}_1}{\mathrm{\Δ}{f}_2}{f}_{2\mathrm{up}}}{2}---\left(9\right)$

该方法不仅极大地减少了多普勒误差，而且还有效地使测量速率加倍，将一次测量时间从Tmod减少到Tmod的一半。

如果计数间隔上的调频线性度限制距离测量的精度，那么，如果目标在一米远处，则千分之一的线性度能提供的精度为1mm。如果可以检测并且补偿线性度的实时差异，那么可以实现数微米精度的距离测量。由于FM激光雷达可以根据不依赖于信号振幅的差频来计算距离，所以FM激光可以不受环境照明条件以及表面反射率变化的影响。这可以使FM相干系统使用非常小例如1皮瓦的返回激光能量，或具有9阶数量级的动态灵敏度范围进行可靠的测量。

相干FMCW反射计的基础是将两个来自同一线性啁啾源的信号外差混频，其中一个信号沿着本地振荡器“LO”路径，而另一个信号从目标反射回来。沿着测试路径从站点反射回来的信号和来自参考反射的信号之间的任何时间延迟都可以引起混合输出的差频。差频的值与时间延迟成比例，信号的差频大小与相应的反射系数成比例。因此，该输出的频谱分析揭示出沿着测试路径的任何反射点(相对于参考路径长度)的位置和强度。

现参考图3，系统100示出了在反啁啾配置中具有两个激光源的结构所形成的激光雷达光学结构。在外差混频方案中，使用两个不同的调谐率调节激光器以构造双啁啾相干激光雷达的实施例，其可以在平面光波导(PLC)上实现并且不受环境的影响。在该实施例中，激光可以但不限于由两个保偏(PM)光纤尾纤激光二极管LD1 13和LD2 11产生。以一个速率对来自激光器LD1 13的光进行调频，该速率是LD2 11的调谐速率的函数。每个激光器发出的光通过光纤光隔离器12以防止背反射光扰乱激光器的调谐特性。在例如但不限于3×3PM耦合器15中结合每个激光器发出的光，该耦合器使用6个可用端口中的5个。然后，光可以顺着结合光路光束17(这里与光纤17可交替地使用)传播并且可以通过具有几何灵活性的间隔18传送到测量位置。在光纤17的末端，光从结合光路光束17射出，在输出19离开光纤并且在光纤末端部分地反射回光纤中。每个激光雷达的反射光路成为本地振荡器(LO)路径。从光纤17射出、被目标21反射并且回到光纤17的光定义了激光雷达的信号路径。可选择地，可以使用透镜系统27将光聚焦在感兴趣的测量区域以使返回光纤17的光的总量最大化。透镜系统27可以例如是固定焦距系统或可根据所需光学景深调焦的系统。此外，光从透镜系统27射出后，可以由可选的扫描镜(未示出)导向目标21的不同部分以提供二维或三维测量。一旦从输出19射出，来自激光器LD1 13和LD2 11的光被线性偏振在一个方向。从目标21反射后，来自每个激光器的光重新回到承载相同偏振轴的结合光路光束17的光纤中。LO路径和信号路径中的光通过耦合器15回传到光检测器23，在光学检测器中，来自两个路径的光混合形成与两个路径之间的距离差成比例的RF信号。RF信号可包含可以与每个激光器的调谐速率相关的两个频率。由于LO路径和信号路径在承载结合光路光束17的光纤以及光纤24中传播，可以考虑在界面20出现干涉，其产生了LO信号，并且因此，LO路径和其各自的信号路径之间的路径长度差等于测量的距离。因此，由于环境影响例如温度变化所导致的承载结合光路光束17的光纤和承载结合光路光束的光纤24中的光学路径变化将不会对测量信号产生影响。因此，从耦合器15到输出19的承载结合光路光束17的光纤的长度可以是任意的，并不会使测量劣化。这允许可以包括但不限于输出19、透镜系统27以及扫描机构的传感器头的位置处于容量受限的区域，而系统100的其他部分，包括但不限于：其他光学、电子器件和电源，可以与传感器头分开。此外，全光纤结构可以提供能抵御空气中的内容物引起的偏差或退化的坚固耐用的单元。

继续参考图3，为了精确测量，可以包括参考标准41/42以用于绝对测距精度并有助于激光啁啾波形的线性化和监控。参考标准41/42可以采用例如迈克尔逊(Michaelson)配置的光纤干涉仪的形式，但不限于此。如果参考臂中光纤的长度被校准，参考标准41/42可以作为系统100的绝对长度标准以及提供对第一激光源13和第二激光源11的波形线性化有用的信号。以类似的方式，参考检测器29可以提供对这两个激光的线性化有用的信号。参考标准41/42的另一种有用的用途是检测特定时刻激光的精确调谐，其可以用来确定差分多普勒。隔离器25可以将信号光电检测器23与来自参考标准41/42的光隔离。2×2耦合器41和光纤42的组合是迈克尔逊参考臂，其运转如下：光从隔离器25进入2×2耦合器41，并且在输出光纤42之间被分开。光一旦碰到光纤42末端的空气/玻璃界面，它的一部分在每个光纤中反射，然后回到2×2耦合器41以及参考检测器29上。产生的混合信号与每个激光的调谐速率以及光纤42之间的长度差有关。

继续主要参考图3，用于确定测量装置20A的界面20和物体21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13产生具有第一频率的第一光束13A，以及从第二激光源11产生具有第二频率的第二光束11A，当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，当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，结合第一光束13A和第二光束11A，将结合光束路径17导向物体21，接收反射的、与结合光束路径17有关的本地振荡器(LO)路径光束461(图11)，接收目标反射的、与结合光束路径17有关的信号路径光束469(图11)，并且将LO路径光束461(图11)与目标反射信号路径光束469(图11)进行外差以生成两个与测量距离成比例的不同的差频，由单独的检测器23检测两个差频。

继续进一步主要参考图3，用于确定测量装置20A和物体21之间的测量距离的系统100可以包括但不限于：用于产生具有第一波形32和第一频率的第一光束13A的第一激光源13，用于产生具有第二频率的第二光束11A的第二激光源11，第二光束11A具有第二波形36，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。系统100还可以包括用于将第一光束13A和第二光束11A结合为结合光束路径17的光学元件15。光学元件15可以将结合光束路径17的返回部分分为第三光束24(这里与光纤24可交替使用)，以及单独的检测器23，其用于接收包括两个与测量距离成比例的不同的差频的第三光束24。

现在主要参考图4，系统150示出了一个可选实施例。该配置可以最小化背反射，并且也可以使电路易于在平面光波导上实施。将3×2耦合器15(图3)替换为三个2×1耦合器43、45和47，并且将2×2耦合器41(图3)替换为两个2×1耦合器49和51。请注意，第一激光源13/第二激光源11和2×1耦合器47之间的隔离器12未示出，但是它是系统150的一部分。

现在参考图5A和图11，系统200示出了另一个可选实施例。该配置基于偏振双工方案，其可以通过减少光沿着输出光纤背散射所产生的噪声量来增加系统的灵敏度。在该结构中，在3×3保偏耦合器15中结合来自每个激光器的光。然后，光从最上面的光纤传播到偏振分离器57。分离器63使从光纤61传播的光消失。然后，从光纤55输出的光离开光纤55并进入透镜系统27。在该实施例中，光纤末端有角度，使得没有光从界面20反射回光纤55中。1/4波片463(图11)可以将光偏振转换为圆偏振光。光纤末端可以有角度，使得没有光从空气/玻璃界面反射回光纤55中。部分反射器465(图11)可以反射回小部分光经过1/4波片463(图11)并进入输出光纤55的正交偏振轴。将这个光作为本地振荡器(LO)。从透镜系统27发出、从目标21反射并通过1/4波片463(图11)回到光纤55的光可以定义激光雷达的信号路径。这个光也位于正交偏振轴中。LO和信号路径中的光经过偏振分离器57传回，并且沿着第二光纤62通过分离器63导向耦合器15，然后到达光检测器23，在光检测器23中，两个路径的光混合形成与两个路径之间的距离差成比例的RF信号。RF信号包含两个与各激光器的调谐速率相应的频率。在该结构中，输出光纤中的背散射光与LO光束正交偏振并且其不会相干混合，因此将不产生噪声信号。

现在主要参考图5B，系统450示出了另一个可选实施例。该配置基于偏振双工方案，其可以通过减少光沿着输出光纤背向散射所产生的噪声量来增加系统的灵敏度。在该结构中，来自每个激光器的光通过隔离器12并且在2×2保偏耦合器41中结合。然后，光传播到偏振分离器57。从那里，输出光传播至光纤17A然后离开光纤输出19。光纤输出末端有角度以防止光背向散射回光纤17A中。由于所有元件都是保偏的，光纤输出19射出的光是线性偏振。然后，光经过1/4波片463(图11)，其可以将线性偏振光转换为圆偏振光，例如右手圆偏振。部分反射器465(图11)可以反射回小部分光经过1/4波片463(图11)并进入输出光纤19的正交偏振轴。这个光用作本地振荡器(LO)。经过透镜系统27、从透镜系统27射出、从目标21反射、并且经过1/4波片463回到光纤17A的光的其余部分可以定义激光雷达的信号路径。这个光也处于正交偏振轴中。LO和信号路径中的光经过偏振分离器57传回并且被导向至光检测器23，在光检测器23，两个路径的光混合形成与两个路径之间的距离差成比例的RF信号。RF信号将包含两个与每个激光器的调谐速率相应的频率。在该结构中，输出光纤19中的背散射光与LO光束正交偏振并且其将不会相干混合，因此将不产生噪声信号。

现在主要参考图5B和图3，该结构的一个可选方案是使用具有图3的光纤结构的有角度的光纤/1/4波片/部分反射器透镜结构。该结构可以防止由于背向散射光引起的噪声并且可以减少元件数量。部分反射器可以反射回小部分光通过1/4波片463(图11)并进入输出光纤17的正交偏振轴。将这个光作为本地振荡器。从透镜系统27射出、从目标21反射并且通过1/4波片463(图11)回到光纤17的光定义了激光雷达的信号路径。这个光也处于正交偏振轴中。激光由PM光纤尾纤激光二极管LD1 13和LD2 11产生。来自激光器LD1 13的光以不同于LD2 11的调频速率的速率调频。来自每个激光器的光经过光纤光隔离12以防止背向散射光扰乱激光器的调谐特性。在3×3保偏耦合器15中结合来自每个激光器的光。然后光经过光纤17传播并且可以具有几何灵活性地传播至测量地点。在光纤17的末端，光从光纤射出，经过1/4波片463(图11)并且被部分反射器465(图11)部分反射。反射光路径成为每个激光雷达的本地振荡器(LO)路径。从光纤17射出、从目标21反射并且回到光纤17的光定义了激光雷达的信号路径。可选择地，可以使用透镜系统27在感兴趣的测量区域聚焦光以最大化返回光纤17的光的总量。例如，透镜系统27可以是固定焦距系统或可以依据所需光学景深调焦的系统。此外，可选择地，光从透镜系统27射出后，可以通过使用扫描镜将其导向目标21的不同部分以提供二维或三维测量。

现在参考图6，表示能受益于具有多个输出光束的该技术的应用。系统250是另一个基于本发明主要理念的可选实施例。在系统250中，两个激光器的输出在2×2耦合器65中混合。耦合器65的输出67和69送入提供多个输出通道的耦合器71和73中。在该实施例中，使用1×3耦合器71和73以提供五个输出光束75、77、79、81和85以及参考臂83。每个输出通道由将光导向透镜系统75A、77A、79A、81A和83A的1×2耦合器、产生LO的光纤/玻璃界面以及用于检测两个信号频率的检测器组成。还示出了由2×2耦合器91、具有两个偏移长度的光纤93和95以及参考检测器97组成的迈克尔逊参考臂。还可以使用其他参考臂，例如马赫曾德尔(Mach Zehnder)结构的参考臂，但不限于此。

现在参考图7，系统300示出了一种结构，其使用延迟线将各种输出信号多路传输至一个检测器，因此减少了雷达的成本和复杂度。在该实施例中，在2×2耦合器101中结合激光。耦合器101的输出103馈入参考臂耦合器105。在该实施例中，参考臂示为例如但不限于是迈克尔逊结构。输出107被导向至2×2耦合器109，其又通过1×3耦合器111和113馈入多个输出光纤。在该实施例中，输出115用于通过空气/玻璃界面的反射产生LO。输出117、119、121、123和125是具有不同光纤延迟量(D1，D2，D3，D4和D5)的光纤。这些光纤的末端有角度，所以不会产生另外的LO。由于存在不同的延迟，目标反射的光所产生的信号在检测器23返回不同的频率。而且由于激光以不同速率调制，所以来自激光器的信号在频率上也是分开的。

现在参考图8，系统350给出了多光束概念结构的可选实施例。系统350可以最小化背反射并且也可以使电路更容易在平面光波导上实现。在系统350中，光在2×1耦合器201中结合然后在2×1耦合器203中分开，光纤207连接至参考臂，光纤205连接至信号臂。将光纤205导向分离器2x(n+1)209，其中n是光束的数量。光纤211承载LO路径以及光纤213A、213B，…，213n承载具有不同光纤长度的输出光束，从而使光电检测器23可以承载可以依不同的延迟传播的所有信号。

现在参考图9，系统400给出了另一个可选的多输出实施例。在系统400中，由两个PM光纤尾纤激光二极管401和403产生激光。来自标明为慢激光器的激光器401的光与PM光纤的慢轴对齐。来自标明为快激光器的激光器403的光与PM光纤的快轴对齐。在系统400中，来自激光器L1401和L2403的光在分别经过隔离器405和407后，由偏振分离器409结合。偏振分离器409可以将光纤411的慢轴中的光和光纤413的快轴中的光耦合到光纤415的相应的轴中。来自激光器LD1 401和LD2 403的光通过使用1×2光纤耦合器421分离进入光纤417和419以维持它们的正交偏振。然后，光通过1×3耦合器423和425分离进入多个输出。每个输出通道可以包括可以将光导向透镜系统27的1×2耦合器、产生LO的光纤/玻璃界面、将各激光器产生的两个信号分开的偏振分离器427、以及用于检测信号频率的检测器429。来自激光器L1401的处于慢轴的光反射回到慢轴中，来自激光器L2 403的处于快轴的光反射回到快轴中。这些反射光路径成为每个激光雷达的本地振荡器(LO)路径。从光纤射出、从目标反射并回到光纤的光定义了每个激光雷达的信号路径。一旦从输出光纤射出，来自激光器L1 401的光被线性偏振在一个方向，来自激光器L2 403的光被线性偏振在与激光器L1 401的光正交的方向。一旦从目标反射，来自每个激光器的光重新输入回到光纤中并位于它原来的轴。LO和信号路径中的激光器L1的光传播回来经过1×2耦合器431以及偏振分离器427到达光学检测器428，在这里，两个路径的光混合形成与两个路径之间的距离差成比例的RF信号。类似地，来自LO和信号路径的激光器L2的光传播至L2检测器429。由于来自两个激光器的光始终处于正交偏振状态，因此它们不会相互干扰并且产生的两个激光雷达信号仅出现在它们各自的检测器中。图中还示出了由1×2耦合器435、偏移长度光纤437、将两个参考臂信号分开的偏振分离器439以及两个参考检测器组成的马赫曾德尔参考臂。也可以使用迈克尔逊结构的参考臂。在这种应用中通常使用的源激光器是输出波长集中于大约1550nm(近红外)的二极管激光器。由于这种波长对于人类视觉是不可见的，因此光纤回路中可以增加第二、可见的激光频率，以通过在目标上提供位置与红外测量点相同的可视点来帮助用户。

现在参考图10，来自光纤尾纤可见激光二极管451的光可以通过使用波长双工耦合器455耦合进入输出光纤453。耦合器455可以将来自可见激光二极管451的可见光与来自偏振分离器457的IR光结合进入输出光纤453。

现在参考图11，光纤输出19的末端是有角度的。这是空气和光纤的玻璃之间的界面。如果不是有角度的，将会出现沿光纤返回的反射。图5A中LO路径就是这样产生的。光从光纤19射出，经过1/4波片463并且其中一些从部分反射器465反射。反射光的一部分返回经过1/4波片463并重新进入光纤19。这是LO路径。现在，由于两次经过1/4波片463，光处于正交偏振。1/4波片463有一角度的以防止杂散反射再次进入光纤。可选择地，部分反射器465的侧面465A也可以是有角度的或可以涂有抗反射层。

因此，上述内容仅为了说明本发明的原理。此外，由于本领域技术人员可以容易地做出众多修改和变化，所以本发明不应限于所示出和描述的确切的结构和操作，因此，所有适当的修改和等同物都落在在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种用于确定测量装置的输出和物体之间的测量距离的方法，包括以下步骤：

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；第一激光源和第二激光源的调制周期相同，并且第一激光源与第二激光源具有180°的相位差；

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，所述第二速率不同于第一速率；

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；第一速率和第二速率是不同的速率；

使用光学保偏耦合器结合第一光束和第二光束；

将结合光路光束沿输出光纤传播，通过输出光纤的有角度的末端、1/4波片和部分反射器，导向物体；部分反射器提供反射的本地振荡器路径光束；

接收与结合光路光束有关的反射的本地振荡器路径光束；

接收与结合光路光束有关的目标反射的信号路径光束；其中，回到输出光纤之后，目标反射的信号路径光束与反射的本地振荡器路径光束处于承载相同正交偏振轴的输出光纤中；并且其中输出光纤中的背向散射光的偏振与反射的本地振荡器路径光束的偏振正交；

通过光学保偏耦合器将反射的本地振荡器路径光束及与结合光路光束有关的目标反射的信号路径光束通过第二光纤传送至单独的检测器；

将本地振荡器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的距离成比例的不同的差频，由单独的检测器检测两个差频。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由作为第一激光源的保偏光纤尾纤激光二极管产生第一光束和由作为第二激光源的保偏光纤尾纤激光二极管产生第二光束。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：防止背向散射的光扰乱第一光束和第二光束的调谐特性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述防止步骤包含以下步骤：光学隔离结合光路光束。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：将结合光路光束向物体的测量区域聚焦。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚焦步骤包含：从固定焦距系统和可调焦系统中选择聚焦装置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含以下步骤：通过使用参考标准产生绝对距离测量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述参考标准是迈克尔逊配置的光纤干涉仪。

9.一种用于确定测量装置和物体之间的测量距离的系统，包括：

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，所述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，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，所述第一速率与第二速率是不同的速率；其中，第一激光源和第二激光源的调制周期相同，并且第一激光源与第二激光源具有180°的相位差；

用于将第一光束和第二光束结合为结合光路光束的光学保偏耦合器，所述光学保偏耦合器提供结合光路光束，所述结合光路光束沿输出光纤传播，通过输出光纤的有角度的末端至1/4波片和部分反射器到达目标，部分反射器提供反射的本地振荡器路径光束，目标反射的信号路径光束通过1/4波片和输出光纤传播回至所述光学保偏耦合器，所述光学保偏耦合器将目标反射的信号路径光束和反射的本地振荡器路径光束导向为第三光束；其中，回到输出光纤之后，目标反射的信号路径光束与反射的本地振荡器路径光束处于承载相同正交偏振轴的输出光纤中；并且其中输出光纤中的背向散射光的偏振与反射的本地振荡器路径光束的偏振正交；以及

用于接收所述第三光束的单独的检测器，第三光束包括两个与测量距离成比例的不同的差频；其中，所述第三光束从光学保偏耦合器通过第二光纤传输至单独的检测器。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，用于产生第一光束的第一激光源和用于产生第二光束的第二激光源是保偏光纤尾纤激光二极管。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，还包含：用于隔离结合光路光束的光隔离器。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包含：将结合光路光束向物体的测量区域聚焦的透镜系统。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述透镜系统包含从固定焦距系统和可调焦系统中选择的聚焦装置。

14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包含：产生绝对距离测量的参考标准。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述参考标准是迈克尔逊配置的光纤干涉仪。

16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光学保偏耦合器是提供多个输出光束的多个耦合器。

17.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述输出光纤具有光纤延迟。