調制激光測距器和方法
【專利摘要】本發明的名稱是調制激光測距器和方法。一種激光測距器，其包括激光器，該激光器經配置將激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自目標物體反射，其中激光束具有頻率，并且其中以已知的速度調制頻率；第一分束器，其被布置以從激光束分裂出基準光束；第二分束器，其被布置以接收目標光束和基準光束，其中目標光束和基準光束被相干組合，該相干組合光束確立差頻；以及探測器，其經配置測量差頻。
【專利說明】調制激光測距器和方法【技術領域】
[0001]該申請涉及到目標物體的距離的測量，更具體地，涉及使用調頻激光束測量到目標物體的距離。
【背景技術】
[0002]激光測距器投射激光束，從而測量到目標物體的距離。傳統的激光測距器是相對小型的，同時仍提供了相對精確的距離測量。因此，傳統激光測距器被用于各種應用中，如體育應用(例如，高爾夫和狩獵)、建筑應用(例如，測繪)以及軍事應用(例如，目標獲得)。
[0003]傳統的激光測距器通常采用“飛行時間”方法，進行測量距離。飛行時間激光測距器一般包括激光器和探測器。激光器朝向目標物體投射激光脈沖并且開始計時(clock)。探測器探測由于激光脈沖撞擊目標物體的反向散射。計時器(clock)在最初探測到反向散射后鳴響。激光脈沖的投射和反向散射的最初探測之間的時間差是飛行時間(即，光從激光測距器飛行到達目標物體，并且然后返回至激光測距器所花費的時間)。然后，通過將飛行時間乘以光的速度再除以二(到目標物體的距離是所傳播的距離的一半)，計算到目標物體的距離。
[0004]因為傳統的“飛行時間”激光測距器基于反向散射的第一次探測測量距離，這種激光測距器被限制為僅探測一個物體(即，激光脈沖的路徑內的第一個物體)。此外，僅測量到目標物體的前緣的距離。因此，限制了傳統的“飛行時間”激光測距器的利用。
[0005]因此，本領域技術人員在激光測距器領域繼續研究和開發努力。
【發明內容】
[0006]在一個實施方式中，公開的激光測距器可包括激光器，其經配置將激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自目標物體反射，其中激光束具有頻率，其中以已知速度調制該頻率；第一分束器，其被布置以從激光束分裂出基準光束；第二分束器，其被布置以接收目標光束和基準光束，其中目標光束和基準光束被相干組合，相干組合光束確立差頻；以及探測器，其經配置測量差頻。
[0007]在另一個實施方式中，公開的激光測距器可包括激光器，其經配置將激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自目標物體反射，其中激光束具有頻率，其中以已知的調制速度調制頻率；第一分束器，其被布置以從激光束分裂出基準光束；第二分束器，其被布置以接收目標光束和基準光束，其中目標光束和基準光束被相干組合，相干組合光束確立差頻；以及探測器，其經配置以測量差頻并且基于所測量的差頻和已知的調制速度計算到目標物體的距離。
[0008]在另一個實施方式中，公開的測量到目標物體的距離的方法可包括以下步驟:
(I)將連續的激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自目標物體反射，其中激光束具有頻率；(2)以已知的調制速度調制頻率；(3)從激光束分裂出基準光束；(4)相干組合目標光束與基準光束，其中相干組合光束確立差頻；(5)測量差頻；以及(6)基于所測量的差頻和已知的調制速度，計算距離。
[0009]在仍另一個實施方式中:
[0010]根據本公開的方面，提供了激光測距器，其包括:
[0011 ] 激光器，其經配置將激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自所述目標物體反射，其中所述激光束具有頻率，并且其中以已知的調制速度調制所述頻率；
[0012]第一分束器，其被布置以從所述激光束分裂出基準光束；
[0013]第二分束器，其被布置以接收所述目標光束和所述基準光束，其中所述目標光束和所述基準光束被相干組合，其中所述相干組合光束確立差頻；以及
[0014]探測器，其經配置測量所述差頻。
[0015]有利地，所述探測器經進一步配置，以基于所述測量的差頻和所述調制速度測量到所述目標物體的距離。
[0016]有利地，所述調制速度是線性的。
[0017]有利地，所述基準光束泛射(flood)所述探測器。
[0018]有利地，所述探測器包括光電探測器。
[0019]優選地，所述光電探測器在所述差頻下形成電流振蕩。
[0020]優選地，所述探測器進一步包括互阻抗放大器，其經配置將所述電流轉換成電壓信號。
[0021]優選地，所述探測器進一步包括處理器，其經配置基于所述電壓信號確定所述差頻。
[0022]有利地，所述探測器是光學探測器。
[0023]有利地，所述激光束被連續投射。
[0024]根據本公開的進一步方面，提供了用于測量到目標物體的距離的方法，所述方法包括以下步驟:
[0025]將連續的激光束投射至所述目標物體上，從而引起目標光束自所述目標物體反射，其中所述激光束具有頻率；
[0026]以已知的調制速度調制所述頻率；
[0027]從所述激光束分裂出基準光束；
[0028]相干組合所述目標光束與所述基準光束，其中所述相干組合光束確立差頻；
[0029]測量所述差頻；以及
[0030]基于所測量的差頻和所述已知的調制速度，計算所述距離。
[0031]有利地，用于測量到目標物體的距離的方法進一步包括以下步驟:
[0032]確定所述目標物體的方位角和升運角(elevation angle);以及
[0033]基于所述計算的距離和所述方位角和升運角計算所述目標物體的空間坐標。
[0034]有利地，用于測量到目標物體的距離的方法進一步包括掃描所述激光束的步驟。
[0035]有利地，在用于測量到目標物體的距離的方法中的所述調制速度是線性的。
[0036]有利地，在用于測量到目標物體的距離的方法中的所述相干組合步驟包括將多個目標光束與所述基準光束相干組合。
[0037]有利地，用于測量到目標物體的距離的方法進一步包括計算所述目標物體的深度的步驟。[0038]有利地，用于測量到目標物體的距離的方法進一步包括計算所述目標物體的散射橫截面的步驟。
[0039]有利地，用于測量到目標物體的距離的方法進一步包括計算所述目標物體的加速度的步驟。
[0040]有利地，在用于測量到目標物體的距離的方法中的所述測量步驟包括將所述相干組合光束投射至光電探測器上。
[0041]有利地，在用于測量到目標物體的距離的方法中的所述測量步驟包括:
[0042]產生電壓信號；以及
[0043]分析所述電壓信號。
[0044]由以下【具體實施方式】、附圖和所附權利要求，所公開的調制激光測距器的其他實施方式和方法將變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1是所公開的調制激光測距器的一個實施方式的圖示，其示出探測目標物體；
[0046]圖2是圖1調制激光測距器的探測器的示意性方框圖；
[0047]圖3是圖1調制激光探測器的基準光束的頻率隨時間變化的圖形表示；
[0048]圖4是由圖1調制激光探測器所接收的目標光束的頻率隨時間變化的圖形表示；
[0049]圖5是圖3和圖4的圖形比較，其示出由于調制激光束的傳播時間導致的時間移位；
[0050]圖6是由圖4目標光束和圖3基準光束的相干疊加產生的差頻隨時間變化的圖形表不;
[0051]圖7是由于圖4目標光束和圖3基準光束的相干疊加觀察到的光信號(電壓隨時間變化)的圖形表示；
[0052]圖8是圖1調制激光測距器探測多個目標物體的圖示；
[0053]圖9是公開的調制激光測距器的另一個實施方式的圖示；以及
[0054]圖10是描繪用于測量到目標物體的距離的所公開方法的一個實施方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0055]參考圖1，所公開的調制激光測距器的一個實施方式一一般指定為10—可包括激光器12、探測器14、第一分束器16和第二分束器18。調制激光測距器10可被采用，以測量到目標物體20的距離、以及任選地測量目標物體20的深度、加速度、散射橫截面和
/或角度位置。
[0056]激光器12可朝向目標物體20投射連續的激光束22。在距離激光器12的給定距離下激光束22的直徑D可以是光束發散度(例如，I度)的函數，其將取決于經選擇用于調制激光測距器10的激光器12的類型等。因此，調制激光測距器10的視場可隨著距調制激光測距器10的距離增加。
[0057]激光器12可以在已知的調頻速度下連續地調制激光束22的頻率。任何可用的技術可被用于調制激光束22的頻率，條件是調制速度是已知的(用于隨后的信號處理)。調頻可受到激光器12本身的影響(S卩，調制可以與激光器12整合)。可選地，可以采用附加組件如調頻器(例如，可布置在激光束22的路徑中)，從而調制朝向目標物體20投射的激光束22的頻率。
[0058]調頻速度可以是線性的。圖3提供了在設定的線性速度下正被調制的激光束22的頻率的圖形表示。然而，非線性調頻速度的使用也被考慮，并且不會導致脫離本公開的范圍。
[0059]作為一個具體的、非限制性的例子，由激光器12所投射的激光束22可以是477tHz激光束，并且可以以IHz每秒被調制，如下:t=0s時477tHz ；t=ls時477tHz+lHz ；t=2s 時 477tHz+2Hz ；t=3s 時 477tHz+3Hz ；t=4s 時 477tHz+4Hz ；t=5s 時 477tHz+5Hz ；t=6s時 477tHz+6Hz ；t=7s 時 477tHz+7Hz ；t=8s 時 477tHz+8Hz ；t=9s 時 477tHz+9Hz ；t=10s 時477tHz ；t=lls 時 477tHz+lHz ;等等。
[0060]第一分束器16可分裂出激光束22的一部分(例如，相對小的部分)，從而產生基準光束24。基準光束24可被引導至第二分束器18，并且最終被引導至探測器14。
[0061]激光束22的余量(balance) (S卩，激光束22減去被分裂出的基準光束24的部分)可投射至目標物體20。當激光束22碰撞目標物體20時，反向散射可引起目標光束26朝向調制激光測距器10返回。
[0062]第二分束器18可接收基準光束24和目標光束26。在第一和第二分束器16、18適當定向的情況下，目標光束26可與基準光束24平行對齊，并且可相干疊加至基準光束24。相干組合的基準光束和目標光束24、26可作為相干組合光束28傳遞到探測器14。基準光束24可泛射探測器14。
[0063]如圖3-5所示，在任何給定時間下，探測器14處的基準光束24的頻率(圖3)可不同于探測器14處的目標光束26的頻率(圖4)。圖5所示移位可能由于目標光束26和基準光束24之間的時間延遲所致，所述時間延遲是由于目標光束26從調制激光測距器10至目標物體20，然后返回至調制激光測距器10的飛行時間所致。
[0064]因此，如圖6所示，相干組合光束28可產生諧波，其為基準光束24和目標光束26之間的差頻(或者拍頻)。差頻Qbeat可如下表式:
[0065]Wbeat=Q1 - ω2
[0066]其中Q1是基準光束24的頻率，而ω2是目標光束26的頻率。
[0067]差頻可與基準光束24和目標光束26之間的時間延遲直接成比例。基于差頻和已知的調頻速度可以計算時間延遲。例如，時間延遲可等于差頻除以調頻速度。因為光的速度是已知的，通過將時間延遲乘以光的速度再除以2，可將時間延遲轉換成距離。因此，差頻也可與到目標物體20的距離直接成比例。
[0068]探測器14可接收相干組合光束28并且可基于相干組合光束28的差頻確定到目標物體20的距離。探測器14可探測相干組合光束28的差頻，而不是基準光束和目標光束
24、26的單個頻率。探測器14可采用各種技術探測相干組合光束28的差頻。例如，探測器14可以是光學探測器，其經配置觀察相干組合光束28的差頻。
[0069]參考圖2，在一個具體實施中，探測器14可包括光電探測器30、互阻抗放大器32和處理器34。額外的組件(例如，顯示器、存儲器)可以與探測器14相關聯，而不背離本公開的范圍。[0070]光電探測器30可以是響應于相干組合光束28產生電子信號的任何裝置(圖1)。在一個具體構造中，光電探測器30可以是光電二極管等，并且可以響應于入射光子形成自由電子(即，電流)。例如，光電二極管可包括具有p-n結的硅片。
[0071]探測器14處的相干組合光束28的強度可以是基準光束24的頻率ω:和目標光束26的頻率ω2的函數，并且可與以下成比例:
[0072](sin (ω J+sin (ω 2))2
[0073]其等于:
[0074]sin2 (ω J+sin2 (ω 2)+cos (ω 1- ω 2) - cos (ω j+ ω 2)
[0075]因此，由光電探測器30所產生的電流將在相干組合光束28的差頻下振蕩。
[0076]互阻抗放大器32可被聯接至光電探測器30或者以其他方式與光電探測器30相關聯，從而將由光電探測器30所產生的電流轉換成可處理的電壓信號。因為相干組合光束28與光電探測器30相互作用產生自由電子，互阻抗放大器32可產生電壓信號，其嚴密地對應于相干組合光束28的差頻，如圖7所示。
[0077]處理器34可以是能夠接收和處理信號的任何設備或者系統(例如，包括硬件和軟件的計算機處理器)。因此，處理器34可自互阻抗放大器32接收電壓信號，并且可處理電壓信號，從而確定相干組合光束28的差頻，并且使用已知調頻速度確定到目標物體20的距離(圖1)。
[0078]可使用各種技術處理接收自互阻抗放大器32處的電壓信號，從而確定相干組合光束28的差頻，而不背離本公開的范圍。作為一個例子，處理器34可使用傅里葉變換分析處理接收自互阻抗放大器32的電壓信號。作為另一個例子，處理器34可使用頻率-電壓轉換器處理接收自互阻抗放大器32的電壓信號。
[0079]因此，通過將調頻激光束22投射至目標物體20上以及觀察基準光束24和自目標物體20反射的目標光束26之間的差頻，公開的調制激光測距器10可確定到目標物體20的距離。因為調頻速度是已知的，可以根據所觀察的差頻確定到目標物體20的距離。
[0080]盡管在圖1中示出僅一個目標物體，但是公開的調制激光測距器10可同時確定到多個目標物體T1、T2、T3的距離，如圖8所示。激光束22視場內的每個目標物體T1、T2、T3可將目標光束26'、26"、26"'反射回至調制激光測距器10。每個目標光束26'、26"、26"'可與基準光束24相干組合，從而產生被引導至探測器14的相干組合光束28。探測器14可觀察相干組合光束28內的各種差頻，其彼此疊加，并且可基于多個差頻確定多個距離。
[0081]在這一點上，本領域技術人員將明白甚至當激光束22的視場內僅存在一個目標物體時，連續和同時處理多個目標光束26'、26"、26"'—每個與不同距離的相關一的能力將是有用的。具體地，同時處理多個目標光束26'、26"、26"'的能力可促進計算目標物體的散射橫截面、目標物體的深度和/或目標物體的加速度。例如，基于到目標物體前緣的距離以及到目標物體后緣的距離，可以確定目標物體的深度。另外，即使兩個目標處于相同的視線中，兩個目標均可提供能夠由公開的調制激光測距器10所探測的信號(目標光束)，從而允許公開的調制激光測距器10在相同視線下看穿目標和/或看到多個目標。
[0082]任選地,可以在云臺機構(pan-tilt mechanism)上安裝所公開的調制激光測距器10，如本領域已知的。云臺機構可控制調制激光測距器10的云臺角度，以便可在目標區域上掃描激光束22 (即，促進激光束22的掃描)。當探測目標物體20時，可以確定到目標物體20的距離，如上所述。另外，探測時的云臺角度可被用于確定目標物體相對于調制激光測距器10的方位角和升運角。所測量的距離、方位角和升運角、以及任何其它數據如調制激光測距器10的位置和速度則可被用于計算目標物體的空間坐標(例如，相對于調制激光測距器10的位置)，如本領域已知的。
[0083]參考圖9，公開的調制激光測距器的另一個實施方式一一般被指定為100—可包括激光器102、多個探測器104、第一分束器106、第二分束器108以及透鏡110。探測器104可按陣列103布置，如具有探測器104的行和列的二維陣列。陣列103的各種構造被考慮，并且在本領域任一普通技術人員的范圍內。
[0084]激光器102可投射連續激光束112。第一分束器106可分裂出激光束112的部分，從而產生基準光束114，其可以被引導至第二分束器108。第二分束器108可接收基準光束114，以及從激光束112的路徑內的目標物體122、124、126反射的目標光束116、118、120。目標光束116、118、120可與基準光束114對齊并且可與基準光束114相干組合，并且所產生的相干組合光束128可被投射至探測器104的陣列103上，以便可以觀察各個差頻。
[0085]陣列103內的每個探測器104可以是獨立的，并且可經配置以進行其自身信號處理。因此，可以形成數據云，其表示在陣列103的每個探測器104處所接收的信號。
[0086]透鏡110可將相干組合光束128聚焦至探測器104的陣列103上。接收光線的探測器104和所接收的光線的強度可取決于目標物體122、124、126相對于透鏡110的位置而變化。因此，除了距離測量之外，使用探測器104的陣列103還可提供相對更大的空間分辨率(與僅使用一個探測器104相比)。
[0087]參考圖10，同樣公開的是用于測量到目標物體的距離的方法，一般被指定為200。方法200可以以產生連續激光束的步驟在方框202處開始，其中以已知調頻速度調制激光束的頻率。在方框204處，可從激光束中分裂出基準光束。在方框206處，激光束可被投射至目標物體上，其可導致目標光束自目標物體被反射。在方框208處，目標光束可與基準光束相干組合，這將確立差頻。在方框210處，可以測量差頻。最終，在方框212處，可以基于差頻和已知的調頻速度計算到目標物體的距離。
[0088]盡管已經示出和描述了本公開調制激光測距器的各種實施方式和方法，但是在閱讀說明書后，對于本領域技術人員來說可想到各種變更。本申請包括這種變更并且僅由權利要求的范圍限制。
【權利要求】
1.一種激光測距器，其包括: 激光器，其經配置將激光束投射至目標物體上，從而引起目標光束自所述目標物體反射，其中所述激光束具有頻率，并且其中以已知的調制速度調制所述頻率； 第一分束器，其被布置以從所述激光束分裂出基準光束； 第二分束器，其被布置為接收所述目標光束和所述基準光束，其中所述目標光束和所述基準光束被相干組合，并且其中所述相干組合光束確立差頻；以及探測器，其經配置測量所述差頻。
2.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述探測器經進一步配置以基于所述測量的差頻和所述調制速度測量到所述目標物體的距離。
3.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述調制速度是線性的。
4.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述基準光束泛射所述探測器。
5.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述探測器包括光電探測器。
6.根據權利要求5所述的激光測距器，其中所述光電探測器在所述差頻下形成電流振蕩。
7.根據權利要求6所述的激光測距器，其中所述探測器進一步包括互阻抗放大器，其經配置將所述電流轉換成電壓信號。
8.根據權利要求7所述的激光測距器，其中所述的探測器進一步包括處理器，其經配置基于所述電壓信號確定所述`差頻。
9.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述探測器是光學探測器。
10.根據權利要求1所述的激光測距器，其中所述激光束被連續投射。
11.一種用于測量到目標物體的距離的方法，所述方法包括以下步驟: 將連續的激光束投射至所述目標物體上，從而引起目標光束自所述目標物體反射，其中所述激光束具有頻率； 以已知調制速度調制所述頻率； 從所述激光束分裂出基準光束； 相干組合所述目標光束與所述基準光束，其中所述相干組合光束確立差頻； 測量所述差頻；以及 基于所述測量的差頻和所述已知的調制速度，計算所述距離。
12.根據權利要求11所述的方法，進一步包括以下步驟: 確定所述目標物體的方位角和升運角；以及 基于所述計算的距離以及所述方位角和升運角，計算所述目標物體的空間坐標。
13.根據權利要求11所述的方法，進一步包括掃描所述激光束的步驟。
14.根據權利要求11所述的方法，其中所述調制速度是線性的。
15.根據權利要求11所述的方法，其中所述相干組合步驟包括將多個目標光束與所述基準光束相干組合。
16.根據權利要求11所述的方法，進一步包括計算所述目標物體的深度的步驟。
17.根據權利要求11所述的方法，進一步包括計算所述目標物體的散射橫截面的步驟。
18.根據權利要求11所述的方法，進一步包括計算所述目標物體的加速度的步驟。
19.根據權利要求11所述的方法，其中所述測量步驟包括將所述相干組合光束投射至光電探測器上。
20.根據權利要求11所述的方法，其中所述測量步驟包括: 產生電壓信號；以及 分析所述電壓 信號。
【文檔編號】G01S17/32GK103792540SQ201310532671
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2012年10月31日
【發明者】D·R·瓊沃思 申請人:波音公司