使用合成波激光测距的位置确定的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及激光的领域，且更特别地，涉及可以在诸如大型物体的制造和/或装配的应用中使用的激光测距传感器。
【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。存在能够确定距离的各种系统，如SONAR (声音导航和测距)，RADAR (无线电探测和测距)以及LADAR (光探测和测距)。一种类型的测距技术使用行进时间测量值来确定距离。例如，传感器可向目标发射声或光脉冲，且测量直到回声被目标反射回的时间，以确定到物体的距离。其他类型的测距技术使用连续的声波或光波。例如，传感器可向目标发射连续的声波或光波，且来自目标的反射将干涉声波或光波，从而产生“干涉”波。当发射波和反射波(具有相同频率)组合形成干涉波时，通过发射波和反射波之间的相位差确定干涉波的所产生的模式。该相位差能被用于确定到目标的距离。
[0003]像这样的测距传感器可被用在产品诸如飞行器的制造和装配中。当零件正在被装配时，可能需要精确的测量以确保该零件被正确装配。在装配期间，匹配大型零件的形状和轮廓可能是困难的，尤其是当这些零件在不同的地方被制造时。如果激光测距传感器被用于装配过程，则期望的是设计激光测距传感器以提供有非常高精度的测量值。
【发明内容】
[0004]本文所描述的实施例提供实施激光测距传感器的改进的系统和方法。如本文所描述的一种系统使用三个或更多的激光测距传感器，以确定目标在坐标系中的位置。例如，如果目标位于设施中正被装配的物体上，则可以将三个或更多激光测距传感器安装在设施中的已知位置处以测量到该目标的距离。利用来自激光测距传感器的距离测量值，该目标的位置能够被准确地确定(例如，通过三边测量法)。
[0005]如本文所描述的激光测距传感器使用合成波干涉量度法来测量到目标的距离。更具体地，激光测距传感器使用具有渐增波长的合成波的梯形图来计算到目标的准确的距离测量值。示例性激光测距传感器将来自多个连续波激光器的光束混合以生成传感器波束，且将传感器波束作为光锥向目标直射或投射。当光从目标反射时，该反射干涉来自激光测距传感器的传感器波束，从而导致干涉波束。连续波激光器以不同的频率发射光束。当光束被混合在干涉波束中时，具有不同频率的光束将产生在本文中被称为“合成波”的“拍”频。由于使用多个连续波激光器，产生了合成波的梯形图。该合成波的特性随后能够被处理以测量距离。
[0006]同样地，在激光测距传感器内，来自连续波激光器的一部分光束被分割且被频移以产生本地振荡器波束。当本地振荡器波束与干涉波束混合时，基于来自连续波激光器的光束的频率和其对应的本地振荡器波束之间的差值产生外差。外差携带干涉波束的信息(如幅度和相位)，但是处于较低的频率。因此，能够针对每个外差确定光相位，且外差的光相位可被用来确定合成波的相位。合成波的波长和相位随后可被用来确定到目标的距离。
[0007]—个实施例包括用于确定目标在坐标系内的位置的装置。该装置包含三个或更多激光测距传感器，每个激光测距传感器均被配置为朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中传感器波束的波束扩展具有比目标的宽度更大的宽度。每个激光测距传感器均被配置为将干涉波束与本地振荡器波束组合以产生合成波束，其中干涉波束由从目标反射且干涉传感器波束的光产生。每个激光测距传感器也包含光电探测器器件，该光电探测器器件包括被配置为感测合成波波束的光电探测器阵列。每个激光测距传感器被配置为基于光电探测器阵列的输出值测量到目标的距离。装置还包含控制器，该控制器被配置为从每个激光测距传感器接收距离测量值并基于距离测量值计算目标在坐标系内的位置。
[0008]在另一实施例中，激光测距传感器中的一个或多个包含被配置为产生第一光束的第一连续波激光器，被配置为产生第二光束的第二连续波激光器，以及被配置为产生第三光束的第三连续波激光器。激光测距传感器也包含光组合器，其被配置为组合第一、第二以及第三光束以产生传感器波束；以及望远镜，其被配置为将传感器波束聚焦在目标上，其中从目标反射的光干涉传感器波束，从而产生干涉波束。激光测距传感器也包含移频器单元，其被配置为接收第一、第二以及第三光束的一部分且频移第一、第二、以及第三光束以产生第一、第二以及第三本地振荡器波束。激光测距传感器的另一光组合器被配置为将干涉波束和第一、第二以及第三本地振荡器波束组合以产生合成波波束。激光测距传感器内的光电探测器阵列被配置为感测合成波波束以产生提供到信号处理器的输出信号。信号处理器被配置为处理输出信号以检测由第一光束和第一本地振荡器波束的组合产生的第一外差，检测由第二光束和第二本地振荡器波束的组合产生的第二外差，检测由第三光束和第三本地振荡器波束的组合产生的第三外差，以及确定第一、第二以及第三外差中每个的光相位。信号处理器进一步被配置为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值确定第一合成波长，基于第一外差的第一光相位和第二外差的第二光相位之间的差值确定第一合成相位，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]在另一实施例中，信号处理器被配置为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值确定第二合成波长，基于第一外差的第一光相位和第三外差的第三光相位之间的差值确定第二合成相位，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]在另一实施例中，示例性激光测距传感器包含频率梳激光器，其被配置为产生包括频率梳的一组光束；以及另一光组合器，其被配置为将来自频率梳激光器的一组光束与来自第一、第二以及第三连续波激光器的第一、第二以及第三光束结合。激光测距传感器进一步包含相位锁控制器(phase-lockcontroller),该相位锁控制器被配置为将第一、第二以及第三光束的频率与由频率梳激光器产生的频率梳进行比较，并将来自第一、第二以及第三连续波激光器的第一、第二以及第三光束的频率调谐到频率梳的不同梳齿(teeth)。另夕卜，频率梳的梳齿的间隔等于频率梳激光器内使用的脉冲重复频率。该脉冲重复频率可与来自诸如美国国家标准技术研究所(NIST)的标准组织的频率标准绑定。因此，来自系统的测量值可追溯到NIST标准或其它标准，并且不管系统的环境或位置，其将是相同的。
[0011]另一实施例包括确定目标在坐标系内的位置的方法。该方法包括从至少三个激光测距传感器中的每个朝向目标直射连续波光的传感器波束，其中传感器波束的波束扩展的宽度大于目标的宽度。该方法进一步包含将干涉波束与本地振荡器波束组合以产生合成波波束，其中干涉波束由从目标反射并且干涉传感器波束的光产生。该方法还包括使用光电探测器阵列感测合成波波束，并且基于光电探测器阵列的输出测量每个激光测距传感器中到目标的距离。该方法还包括基于来自激光测距传感器的距离测量值计算目标在坐标系中的位置。
[0012]已经论述的特征、功能和优点能够在各种实施例中被独立地实现，或者可在其他实施例中被组合，参考下列说明书和附图可以获知其进一步的细节。
【附图说明】
[0013]现将仅通过示例的方式且参考附图描述本发明的一些实施例。相同的参考编号表示所有附图上相同的元件或相同类型的元件。
[0014]图1说明一个示例性实施例中的激光测距传感器。
[0015]图2说明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说明一个示例性实施例中的操作来校准测量单元的校准单元。
[0017]图4说明一个示例性实施例中的操作来距离测量的测量单元。
[0018]图5说明一个示例性实施例中的合成波的梯形图。
[0019]图6说明一个示例性实施例中的针对测量通道创建的外差。
[0020]图7是说明一个示例性实施例中的用于操作激光测距传感器的方法的流程图。
[0021]图8说明一个示例性实施例中的用于确定一个或多个目标在坐标系中的位置的系统。
[0022]图9是说明一个示例性实施例中的用于确定目标的位置的方法的流程图。
[0023]图10说明一个示例性实施例中的激光测距传感器的光电探测器器件。
【具体实施方式】
[0024]附图和下列描述说明具体的示例性实施例。因此将会意识到的是，本领域的技术人员能够想到虽然没有在本文中明确描述或示出但是体现本文所描述的原理并且被包含在该说明书之后的权利要求书的预期范围内的各种布置。而且，本文所描述的任何示例旨在帮助理解本公开的原理，并且被解释为非限制性的。因此，本公开不限于下文所描述的具体实施例或示例，但是受限于权利要求书及其等价物。
[0025]图1说明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中未显示)的距离或范围测量。例如，传感器100可被用于装配或制造过程以精确测量大型物体，例如，飞行器的零件。如果诸如此类的大型物体在不同的地点被制造，如果没有精确地形成匹配零件的形状和轮廓，则在装配期间有可能产生问题。因此，本文所描述的类型的激光测距传感器可被用在不同的地点以便在零件被制造或装配时精确地测量这些零件。
[0026]图2说明一个示例性实施例中的测量到目标的距离的传感器100。服务器100对准物体202，例如正被装配或制造的飞行器的零件。传感器100能够测量到物体202上的一个或多个目标204的距离。例如，传感器100可以测量到正被装配的零件的边缘的距离。目标204可以包括回复反射目标或非协作目标，该非协作目标不包含回复反射器。
[0027]在图1所示的实施例中,传感器100包含测量单元110和校准单元160。测量单元110包含使用合成波干涉量度法测量到目标的距离的组件。干涉量度法是用于将波(如光波)叠加并从波的组合中提取信息的技术。作为使用干涉量度法的简化示例，光束通过分束器被分成两个相同的波束。每个波束在不同的路径上行进，并且在检测器处被重新结合。如果波束行进的路径存在差异(如距离)，那么在波束之间产生相位差。波束之间的相位差可被用来确定路径的长度并因此确定到目标的距离。
[0028]当向目标发射光束时，从目标反射的光将干涉正在被发射的光束。当目标静止时，反射波束将处于与发射波束相同的频率。当发射光与反射光(处于相同频率)同相时，则会发生相长干涉。当发射光与反射光异相时，则发生相消干涉。干涉的结果被称为“干涉”波束。
[0029]如下文将更详细地描述的，测量单元110以紧密相间的光频率组合来自多个激光器的光束以便将波束直射向目标。紧S间隔的光频率将在干涉波束中广生一组拍频，其在本文被称为“合成波”的梯形图或集合。测量单元110能够确定每个合成波的相位(在本文中被称为合成相位)，并且随后基于合成波的相