激光投射单元及扫频干涉测距系统的制作方法

本公开涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种激光投射单元及扫频干涉测距系统。

背景技术：

激光干涉法是距离测量的超高精度方法，该方法是基于光的干涉原理，即两列具有相同频率且具有固定相位差的光线会产生干涉现象。较为常见的激光干涉测距系统即是激光干涉法的具体应用，它的测量原理如下：由激光器发射的单波长激光经分光元件分成反射光束和透射光束，其中一光束经过固定反射镜反射回来，另一光束经过待测物上的待测物反射镜反射回来，两者在分光元件处汇合成相干光束，在观察面上产生干涉条纹。其中，被固定反射镜反射回来的光束，其从固定反射镜到分光元件的路程定义成固定臂，被待测物反射镜反射回来的光束，其从待测物反射镜到分光元件的路程定义成移动臂，则条纹明暗情况与固定臂和移动臂的距离差有关：当固定臂和移动臂的距离差为波长的整数倍时，观察面上产生明条纹；当固定臂和移动臂的距离差为半波长的奇数倍时，观察面上产生暗条纹。通过对明暗变化进行计数，即可计算得出移动臂的运动距离。这种测量方法精度很高，但只能测量相对的移动距离，而不能测量绝对位置，即只能实现相对测距。

而激光扫频干涉测距系统可以实现绝对测距，该系统具有测量范围大、无测距盲区、不依赖合作目标等优点。在激光扫频干涉测距系统中，常使用到半导体激光器，这是因为半导体激光器具备扫描频率快、调制方式简单灵活、尺寸小、成本低等优点。然而，半导体激光器也有明显的缺点，其输出波长随着电流和温度连续变化，而电流和温度的控制精度一般不超过1％，因此，半导体激光器的输出波长无法精确确定，从而给测距过程引入测量误差。

技术实现要素：

本公开实施例的目的在于提供一种激光投射单元及扫频干涉测距系统，能够精确确定激光器的输出波长。具体技术方案如下：

本公开第一方面的实施例提出了一种激光投射单元，包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光；第一分光元件，所述第一分光元件配置为将所述可调谐激光器输出的激光分成第一光束和第二光束，其中的所述第一光束作为所述激光投射单元所输出的投射光束；气体吸收池，所述气体吸收池设置在所述第二光束的传输路径上，所述气体吸收池内装有在所述扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体；及第一光电检测器，所述第一光电检测器配置为接收经过所述气体吸收池的所述第二光束，并将所述第二光束的光信号转换为电信号。

根据本公开实施例的激光投射单元，其在工作时，可调谐激光器在扫描波段内输出波长连续变化的激光，激光由第一分光元件分成第一光束和第二光束，其中的第二光束经过气体吸收池并对气体吸收池内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器对所输出的激光进行波长调制的过程中，每当激光的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器就可以精确地检测到激光波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光波长的精确确定。当激光投射单元应用于激光扫频干涉测距系统中时，可以将激光扫频干涉测距系统的采样时刻设置为第一光电检测器输出的电信号出现下陷尖峰的时刻，这样，采样点的数据所应对的激光波长就可以精确确定，从而有效减小测距过程的测量误差。

在本公开的一些实施例中，所述气体吸收池内的所述气体包括甲烷、氨气、氮气和一氧化碳中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述第一分光元件为分光镜，或者，在所述可调谐激光器与所述第一分光元件之间设置有光纤且所述第一分光元件为光纤分束器。

在本公开的一些实施例中，所述激光投射单元还包括反射镜，所述反射镜配置为将来自于所述第一分光元件且沿第一方向传输的所述第二光束反射至第二方向上，以使所述第二光束沿所述第二方向传输并通过所述气体吸收池。

在本公开的一些实施例中，在所述气体吸收池与所述第一分光元件之间设置有光纤。

在本公开的一些实施例中，所述可调谐激光器为半导体扫频激光器。

本公开第二方面的实施例提出了一种扫频干涉测距系统，包括：根据上述任一实施例中的激光投射单元；第二分光元件，所述第二分光元件配置为将所述第一光束分成第三光束和射向所述待测物的第四光束；固定反射镜，所述固定反射镜配置为对所述第三光束进行反射，以形成射向所述第二分光元件的第一反射光束；待测物反射镜，所述待测物反射镜配置为设置在待测物上，以及对所述第四光束进行反射，以形成射向所述第二分光元件并于所述第二分光元件处与所述第一反射光束汇合的第二反射光束；第二光电检测器，所述第二光电检测器配置为接收由第二反射光束和所述第一反射光束汇合而形成的相干光束，并将所述相干光束的光信号转换为电信号；及采样装置，所述采样装置配置为在所述第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰的时刻对所述第二光电检测器的电信号进行采样，采样点的数据用于确定待测物的距离。

本公开实施例的扫频干涉测距系统，其在工作时，可调谐激光器在扫描波段内输出波长连续变化的激光，激光由第一分光元件分成第一光束和第二光束，第一光束进一步由第二分光元件分成第三光束和射向待测物的第四光束，固定反射镜对第三光束进行反射，从而形成第一反射光束，设置在待测物上的待测物反射镜对第四光束进行反射，从而形成第二反射光束，第一反射光束和第二反射光束再在第二分光元件处汇合成相干光束，第二光电检测器接收相干光束并将相干光束的光信号转换为电信号。另一方面，第二光束经过气体吸收池并对气体吸收池内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器对所输出的激光进行波长调制的过程中，每当激光的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器就可以精确地检测到激光波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光波长的精确确定。基于此，扫频干涉测距系统还设置有采样装置，采样装置配置为在第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰的时刻对第二光电检测器的电信号进行采样，这样，采样点的数据所应对的激光波长就可以精确确定。进而，根据采样点的数据所计算出的待测物距离，其精准性更高。

在本公开的一些实施例中，所述采样装置包括：下降沿触发器，所述下降沿触发器与第一光电检测器电连接，所述下降沿触发器配置为在所述第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰时发出触发信号；及高速模数转换器，所述高速模数转换器与所述下降沿触发器和所述第二光电检测器电连接，所述高速模数转换器配置为在接收到所述触发信号的时刻对所述第二光电检测器的电信号进行采样。

在本公开的一些实施例中，所述扫频干涉测距系统还包括数字处理器，所述数字处理器与所述高速模数转换器电连接，所述数字处理器用于对采样点的数据进行处理，以得到待测物的距离。

在本公开的一些实施例中，所述第二分光元件为分光镜，或者，在所述第一分光元件与所述第二分光元件之间设置有光纤且所述第二分光元件为光纤分束器。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本公开实施例的扫频干涉测距系统的结构示意图；

图2为1％甲烷气体(以氮气为平衡气)在1650nm附近的吸收光谱；

图3为本公开实施例的扫频干涉测距系统的局部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，本公开第一方面的实施例提出了一种激光投射单元10。激光投射单元10包括可调谐激光器11、第一分光元件12、气体吸收池13和第一光电检测器14。可调谐激光器11能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光s1，第一分光元件12配置为将可调谐激光器11输出的激光s1分成第一光束s2和第二光束s3，其中的第一光束s2作为激光投射单元10所输出的投射光束。气体吸收池13设置在第二光束s3的传输路径上，气体吸收池13内装有在扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体，第一光电检测器14配置为接收经过气体吸收池13的第二光束s3，并将第二光束s3的光信号转换为电信号。

根据本公开实施例的激光投射单元10，其在工作时，可调谐激光器11在扫描波段内输出波长连续变化的激光s1，激光s1由第一分光元件12分成第一光束s2和第二光束s3，其中的第二光束s3经过气体吸收池13并对气体吸收池13内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器11对所输出的激光s1进行波长调制的过程中，每当激光s1的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器14输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器14就可以精确地检测到激光s1波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元10所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光s1波长的精确确定。当激光投射单元10应用于激光s1扫频干涉测距系统1中时，可以将激光s1扫频干涉测距系统1的采样时刻设置为第一光电检测器14输出的电信号出现下陷尖峰的时刻，这样，采样点的数据所应对的激光s1波长就可以精确确定，从而有效减小测距过程的测量误差。

在本公开的一些实施例中，气体吸收池13内的气体包括甲烷、氨气、氮气和一氧化碳中的一种或多种。下面以甲烷气体和氮气的组合为例进行说明：

图2所示为1％甲烷气体(以氮气为平衡气)在1650nm附近的吸收光谱，从图中可以看到其包含1644.73nm、1647.44nm、1650.16nm等多个强吸收峰，每隔约2.72nm出现一个吸收峰，半峰宽0.08nm。甲烷吸收谱线系列的覆盖范围为1600～1650nm。由于吸收峰宽约为0.08nm，推算激光s1波长的计算精度能够达到0.08nm。

在本公开的一些实施例中，第一分光元件12为分光镜，分光镜能够对激光s1进行分光处理，将激光s1分成第一光束s2和第二光束s3。

在本公开的另外一些实施例中，在可调谐激光器11与第一分光元件12之间设置有光纤且第一分光元件12为光纤分束器。光纤的设置，可以在可调谐激光器11和第一分光元件12之间构建出供激光s1传输的光传导路径，并且，该光传导路径既可以是直线型的，也可以是弯曲型的，这样可以使激光投射单元10在结构布置上更为灵活。基于以光纤作为激光s1的光传导路径的情况，可以以光纤分束器作为第一分光元件12，以对激光s1进行分光处理。

在本公开的一些实施例中，激光投射单元10还包括反射镜15，反射镜15配置为将来自于第一分光元件12且沿第一方向传输的第二光束s3反射至第二方向上，以使第二光束s3沿第二方向传输并通过气体吸收池13。在本实施例中，通过设置反射镜15可以使第二光束s3的传输方向发生改变，而改变后的方向(即第二方向)可以根据实际情况进行选择，这样，有利于较为灵活地对气体吸收池13和第一光电检测器14的位置进行布置。

在本公开的另外一些实施例中，在气体吸收池13与第一分光元件12之间设置有光纤，由于光纤可以是曲线型的，因此，通过设置光纤，也可以获得使第二光束s3的传输方向发生改变的效果。

在本公开的一些实施例中，可调谐激光器11为半导体扫频激光器，半导体扫频激光器具有扫描频率快、调制方式简单灵活、尺寸小、成本低等优点。

如图1所示，本公开第二方面的实施例提出了一种扫频干涉测距系统1，包括激光投射单元、固定反射镜20、待测物反射镜30、第二分光元件40、第二光电检测器50和采样装置60。其中，激光投射单元为上述任一实施例中的激光投射单元10。第二分光元件40配置为将第一光束s2分成第三光束s4和射向待测物的第四光束s5，固定反射镜20配置为对第三光束s4进行反射，以形成射向第二分光元件40的第一反射光束s6。待测物反射镜30配置为设置在待测物上，以及对第四光束s5进行反射，以形成射向第二分光元件40并于第二分光元件40处与第一反射光束s6汇合的第二反射光束s7。第二光电检测器50配置为接收由第二反射光束s7和第一反射光束s6汇合而成的相干光束，并将相干光束的光信号转换为电信号。采样装置60配置为在第一光电检测器14的电信号出现下陷尖峰的时刻对第二光电检测器50的电信号进行采样，采样点的数据用于确定待测物的距离。

本公开实施例的扫频干涉测距系统1，其在工作时，可调谐激光器11在扫描波段内输出波长连续变化的激光s1，激光s1由第一分光元件12分成第一光束s2和第二光束s3，第一光束s2进一步由第二分光元件40分成第三光束s4和射向待测物的第四光束s5，固定反射镜20对第三光束s4进行反射，从而形成第一反射光束s6，设置在待测物上的待测物反射镜30对第四光束s5进行反射，从而形成第二反射光束s7，第一反射光束s6和第二反射光束s7再在第二分光元件40处汇合成相干光束s8，第二光电检测器50接收相干光束s8并将相干光束s8的光信号转换为电信号。

另一方面，第二光束s3经过气体吸收池13并对气体吸收池13内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器11对所输出的激光s1进行波长调制的过程中，每当激光s1的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器14输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器14就可以精确地检测到激光s1波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元10所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光s1波长的精确确定。基于此，扫频干涉测距系统1还设置有采样装置60，采样装置60配置为在第一光电检测器14的电信号出现下陷尖峰的时刻对第二光电检测器50的电信号进行采样，这样，采样点的数据所应对的激光s1波长就可以精确确定。进而，根据采样点的数据所计算出的待测物距离，其精准性更高。

为了更好地说明本公开实施例的有益效果，下面结合上述扫频干涉测距系统1对扫频激光s1测距的原理进行说明：

设激光s1波数为k，可调谐激光器11的波数的调制范围为k1至k2，第二光电检测器50的输出为i，其为固定臂zr和移动臂zs的函数，其中，固定臂zr是指第一反射光束s6由固定反射镜20传输到第一反射光束s6与第二反射光束s7的汇合点所经过的路程，移动臂zs是指第二反射光束s7由待测物反射镜30传输到第一反射光束s6与第二反射光束s7的汇合点所经过的路程。为简化起见，忽略直流常数，根据光的干涉原理，输出值为：

i(k,zr,zs)＝acos(2k(zr-zs))

在利用扫频法进行测距时，电子仪器控制可调谐激光器11波数以约1khz的三角波进行扫描。由于扫描速度很快，远高于待测物的运动速度，在每次扫描中认为移动臂zs为固定值，因而函数中k为自变量，令θ＝zr-zs，zr为已知值，θ即为待测量，可得

i(k)＝acos(2θk)

可调谐激光器11的波数的调制范围为k1至k2，预期在每个扫描周期内，对第二光电检测器50的信号进行n次采样，以便进行n点的数字傅里叶变换，可得t为采样点序数，δk＝k2-k1，为波数的调制范围。可得：

用数字傅里叶变换fft对上述信号进行分析，得到频率项f＝2θδk/n，从而得到，θ＝fn/(2δk)，再由θ进一步计算出待测物的距离。

基于上述扫频激光s1测距的原理可知，频率项f的分辨率为1/n。最小分辨率下2δθδk/n＝1/n，δθ＝1/(2δk)。因此系统的测量分辨率为1/2激光s1调制范围的倒数。假设某一款可调谐激光器11的波长调制范围为1400～1600nm，则波数的调制范围为k＝6250～7142cm^-1(注：波数和波长是互为倒数的关系)，δk＝892cm^-1，可得分辨率为δθ＝5.6μm。在测量范围方面，2θδk/n＜π/2，θ＜π*n/δk/4。当n＝16384时，θ＜14cm，即最大测量范围为14cm。

在本公开的一些实施例中，气体吸收池13内的气体包括甲烷、氨气、氮气和一氧化碳中的一种或多种。仍以甲烷气体和氮气的组合为例，1％甲烷气体(以氮气为平衡气)包含1644.73nm、1647.44nm、1650.16nm等多个强吸收峰，每隔约2.72nm出现一个吸收峰，半峰宽0.08nm。甲烷吸收谱线系列的覆盖范围为1600～1650nm。由于吸收峰宽约为0.08nm，推算激光s1波长的计算精度能够达到0.08nm。因而激光s1波数的调制范围δk量的不确定度降低到50ppm量级。可推算在测量10mm距离时，由于δk误差导致的偏差仅为10nm，因而极大提高了测量准确度。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，采样装置60包括下降沿触发器61和高速模数转换器62，下降沿触发器61与第一光电检测器14电连接，下降沿触发器61配置为在第一光电检测器14的电信号的出现下陷尖峰时发出触发信号，高速模数转换器62与下降沿触发器61、第二光电检测器50电连接，高速模数转换器62配置为在接收到触发信号时对第二光电检测器50的电信号进行采样。在本实施例中，第一光电检测器14通过下降沿触发器61、高速模数转换器62与第二光电检测器50连接，在第一光电检测器14的电信号出现下陷尖峰的时刻，下降沿触发器61即可触发高速模数转换器62对第二光电检测器50的电信号进行采样，这样，不仅保证了采样点的数据所应对的激光s1波长能够精确确定，而且实现了采样过程的自动化控制，从而有利于提高采样效率。

在本公开的一些实施例中，扫频干涉测距系统1还包括数字处理器70，数字处理器70与高速模数转换器62电连接，数字处理器70用于对采样点的数据进行处理，以得到待测物的距离。

在本公开的一些实施例中，第二分光元件40为分光镜，其能够对第一光束s2进行分光处理，将第一光束s2分成第三光束s4和第四光束。

在本公开的另外一些实施例中，在第一分光元件12与第二分光元件40之间设置有光纤且第二分光元件40为光纤分束器。光纤的设置，可以在第一分光元件12和第二分光元件40之间构成出供第一光束s2传输的光传导路径，并且，该光传导路径既可以是直线型的，也可以是弯曲型的，这样有利于使扫频干涉测距系统1在结构布置上更为灵活。基于以光纤作为第一光束s2的光传导路径的情况，可以以光纤分束器作为第二分光元件40，以对激光s1进行分光处理。

本公开第三方面的实施例提出了一种测距方法，包括：

生成波长可连续变化的激光s1，并将激光s1分成第一光束s2和第二光束s3；

将第一光束s2进一步分成第三光束s4和第四光束s5，并使第三光束s4射向设置在预设距离处的固定反射镜20，以及使第四光束s5射向待测物反射镜30；

接收来自于固定反射镜20的第一反射光束s6和来自于待测物反射镜30的第二反射光束s7，并将第一反射光束s6和第二反射光束s7汇合成相干光束s8；

将相干光束s8转换为第一电信号；

使第二光束s3通过具有一系列窄带吸收峰的气体，并将通过气体的第二光束s3转换为第二电信号；

在第二电信号出现下陷尖峰的时刻对第一电信号进行采样，同时记录此刻第二光束s3的波长；

对采样点的数据和所记录的第二光束s3的波长数据进行处理，以得到待测物的距离。

根据本公开实施例的测距方法，将激光s1分成第一光束s2和第二光束s3，其中，第一光束s2用于投射至固定反射镜20和待测物反射镜30并在反射后形成相干光束s8，第二光束s3通过具有一系列窄带吸收峰的气体。将上述的相干光束s8转换为第一电信号，以及将通过气体的第二光束s3转换为第二电信号，并在第二电信号出现下陷尖峰的时刻对第一电信号进行采样，同时记录此刻第二光束s3的波长。通过上述过程，可以精确地确定采样点的数据所述对应的激光s1波长，由此，使得根据采样点的数据所计算出的待测物距离，具有更为精确的精度。

在本公开的一些实施例中，所述对采样得到的数据和所记录的第二光束s3的波长数据进行处理，包括：

对采样点的数据进行快速数字傅里叶变换，得到频域图；

根据频域图找到频率f的最大值；

根据以下公式计算θ，再根据得到待测物的距离；

式中，θ表示固定臂与移动臂的差值，其中，固定臂是指第一反射光束s6由固定反射镜20传输到第一反射光束s6与第二反射光束s7的汇合点所经过的路程，移动臂是指第二反射光束s7由待测物反射镜30传输到第一反射光束s6与第二反射光束s7的汇合点所经过的路程，f为对采用点的数据进行快速数字傅里叶变换得到的频率项，n表示采样点的数量，δk表示激光s1波数的调制范围。

在本公开的一些实施例中，波数的调制范围δk由以下公式得到：

式中，t表示采样点序数，kt表示第t个采样点的数据对应的激光s1波数，k1表示第1个采样点的数据对应的激光s1波数。

根据前述的扫频激光s1测距的原理，可知，故而，可以得到δk的计算公式为：

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本公开的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本公开的较佳实施例，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。