使用合成波激光測距的位置確定的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及激光的領域，且更特別地，涉及可以在諸如大型物體的制造和/或裝配的應用中使用的激光測距傳感器。
【背景技術】
[0002]術語“測距”指的是確定從一個位置到另一個位置的距離的過程。存在能夠確定距離的各種系統，如SONAR (聲音導航和測距)，RADAR (無線電探測和測距)以及LADAR (光探測和測距)。一種類型的測距技術使用行進時間測量值來確定距離。例如，傳感器可向目標發射聲或光脈沖，且測量直到回聲被目標反射回的時間，以確定到物體的距離。其他類型的測距技術使用連續的聲波或光波。例如，傳感器可向目標發射連續的聲波或光波，且來自目標的反射將干涉聲波或光波，從而產生“干涉”波。當發射波和反射波(具有相同頻率)組合形成干涉波時，通過發射波和反射波之間的相位差確定干涉波的所產生的模式。該相位差能被用于確定到目標的距離。
[0003]像這樣的測距傳感器可被用在產品諸如飛行器的制造和裝配中。當零件正在被裝配時，可能需要精確的測量以確保該零件被正確裝配。在裝配期間，匹配大型零件的形狀和輪廓可能是困難的，尤其是當這些零件在不同的地方被制造時。如果激光測距傳感器被用于裝配過程，則期望的是設計激光測距傳感器以提供有非常高精度的測量值。

【發明內容】

[0004]本文所描述的實施例提供實施激光測距傳感器的改進的系統和方法。如本文所描述的一種系統使用三個或更多的激光測距傳感器，以確定目標在坐標系中的位置。例如，如果目標位于設施中正被裝配的物體上，則可以將三個或更多激光測距傳感器安裝在設施中的已知位置處以測量到該目標的距離。利用來自激光測距傳感器的距離測量值，該目標的位置能夠被準確地確定(例如，通過三邊測量法)。
[0005]如本文所描述的激光測距傳感器使用合成波干涉量度法來測量到目標的距離。更具體地，激光測距傳感器使用具有漸增波長的合成波的梯形圖來計算到目標的準確的距離測量值。示例性激光測距傳感器將來自多個連續波激光器的光束混合以生成傳感器波束，且將傳感器波束作為光錐向目標直射或投射。當光從目標反射時，該反射干涉來自激光測距傳感器的傳感器波束，從而導致干涉波束。連續波激光器以不同的頻率發射光束。當光束被混合在干涉波束中時，具有不同頻率的光束將產生在本文中被稱為“合成波”的“拍”頻。由于使用多個連續波激光器，產生了合成波的梯形圖。該合成波的特性隨后能夠被處理以測量距離。
[0006]同樣地，在激光測距傳感器內，來自連續波激光器的一部分光束被分割且被頻移以產生本地振蕩器波束。當本地振蕩器波束與干涉波束混合時，基于來自連續波激光器的光束的頻率和其對應的本地振蕩器波束之間的差值產生外差。外差攜帶干涉波束的信息(如幅度和相位)，但是處于較低的頻率。因此，能夠針對每個外差確定光相位，且外差的光相位可被用來確定合成波的相位。合成波的波長和相位隨后可被用來確定到目標的距離。
[0007]—個實施例包括用于確定目標在坐標系內的位置的裝置。該裝置包含三個或更多激光測距傳感器，每個激光測距傳感器均被配置為朝向目標直射連續波光的傳感器波束，其中傳感器波束的波束擴展具有比目標的寬度更大的寬度。每個激光測距傳感器均被配置為將干涉波束與本地振蕩器波束組合以產生合成波束，其中干涉波束由從目標反射且干涉傳感器波束的光產生。每個激光測距傳感器也包含光電探測器器件，該光電探測器器件包括被配置為感測合成波波束的光電探測器陣列。每個激光測距傳感器被配置為基于光電探測器陣列的輸出值測量到目標的距離。裝置還包含控制器，該控制器被配置為從每個激光測距傳感器接收距離測量值并基于距離測量值計算目標在坐標系內的位置。
[0008]在另一實施例中，激光測距傳感器中的一個或多個包含被配置為產生第一光束的第一連續波激光器，被配置為產生第二光束的第二連續波激光器，以及被配置為產生第三光束的第三連續波激光器。激光測距傳感器也包含光組合器，其被配置為組合第一、第二以及第三光束以產生傳感器波束；以及望遠鏡，其被配置為將傳感器波束聚焦在目標上，其中從目標反射的光干涉傳感器波束，從而產生干涉波束。激光測距傳感器也包含移頻器單元，其被配置為接收第一、第二以及第三光束的一部分且頻移第一、第二、以及第三光束以產生第一、第二以及第三本地振蕩器波束。激光測距傳感器的另一光組合器被配置為將干涉波束和第一、第二以及第三本地振蕩器波束組合以產生合成波波束。激光測距傳感器內的光電探測器陣列被配置為感測合成波波束以產生提供到信號處理器的輸出信號。信號處理器被配置為處理輸出信號以檢測由第一光束和第一本地振蕩器波束的組合產生的第一外差，檢測由第二光束和第二本地振蕩器波束的組合產生的第二外差，檢測由第三光束和第三本地振蕩器波束的組合產生的第三外差，以及確定第一、第二以及第三外差中每個的光相位。信號處理器進一步被配置為基于第一光束的第一頻率和第二光束的第二頻率之間的差值確定第一合成波長，基于第一外差的第一光相位和第二外差的第二光相位之間的差值確定第一合成相位，以及基于第一合成波長和第一合成相位確定到目標的距離。
[0009]在另一實施例中，信號處理器被配置為基于第一光束的第一頻率和第三光束的第三頻率之間的差值確定第二合成波長，基于第一外差的第一光相位和第三外差的第三光相位之間的差值確定第二合成相位，以及進一步基于第二合成波長和第二合成相位確定到目標的距離。
[0010]在另一實施例中，示例性激光測距傳感器包含頻率梳激光器，其被配置為產生包括頻率梳的一組光束；以及另一光組合器，其被配置為將來自頻率梳激光器的一組光束與來自第一、第二以及第三連續波激光器的第一、第二以及第三光束結合。激光測距傳感器進一步包含相位鎖控制器(phase-lockcontroller),該相位鎖控制器被配置為將第一、第二以及第三光束的頻率與由頻率梳激光器產生的頻率梳進行比較，并將來自第一、第二以及第三連續波激光器的第一、第二以及第三光束的頻率調諧到頻率梳的不同梳齒(teeth)。另夕卜，頻率梳的梳齒的間隔等于頻率梳激光器內使用的脈沖重復頻率。該脈沖重復頻率可與來自諸如美國國家標準技術研究所(NIST)的標準組織的頻率標準綁定。因此，來自系統的測量值可追溯到NIST標準或其它標準，并且不管系統的環境或位置，其將是相同的。
[0011]另一實施例包括確定目標在坐標系內的位置的方法。該方法包括從至少三個激光測距傳感器中的每個朝向目標直射連續波光的傳感器波束，其中傳感器波束的波束擴展的寬度大于目標的寬度。該方法進一步包含將干涉波束與本地振蕩器波束組合以產生合成波波束，其中干涉波束由從目標反射并且干涉傳感器波束的光產生。該方法還包括使用光電探測器陣列感測合成波波束，并且基于光電探測器陣列的輸出測量每個激光測距傳感器中到目標的距離。該方法還包括基于來自激光測距傳感器的距離測量值計算目標在坐標系中的位置。
[0012]已經論述的特征、功能和優點能夠在各種實施例中被獨立地實現，或者可在其他實施例中被組合，參考下列說明書和附圖可以獲知其進一步的細節。
【附圖說明】
[0013]現將僅通過示例的方式且參考附圖描述本發明的一些實施例。相同的參考編號表示所有附圖上相同的元件或相同類型的元件。
[0014]圖1說明一個示例性實施例中的激光測距傳感器。
[0015]圖2說明一個示例性實施例中的測量到目標的距離的激光測距傳感器。
[0016]圖3說明一個示例性實施例中的操作來校準測量單元的校準單元。
[0017]圖4說明一個示例性實施例中的操作來距離測量的測量單元。
[0018]圖5說明一個示例性實施例中的合成波的梯形圖。
[0019]圖6說明一個示例性實施例中的針對測量通道創建的外差。
[0020]圖7是說明一個示例性實施例中的用于操作激光測距傳感器的方法的流程圖。
[0021]圖8說明一個示例性實施例中的用于確定一個或多個目標在坐標系中的位置的系統。
[0022]圖9是說明一個示例性實施例中的用于確定目標的位置的方法的流程圖。
[0023]圖10說明一個示例性實施例中的激光測距傳感器的光電探測器器件。
【具體實施方式】
[0024]附圖和下列描述說明具體的示例性實施例。因此將會意識到的是，本領域的技術人員能夠想到雖然沒有在本文中明確描述或示出但是體現本文所描述的原理并且被包含在該說明書之后的權利要求書的預期范圍內的各種布置。而且，本文所描述的任何示例旨在幫助理解本公開的原理，并且被解釋為非限制性的。因此，本公開不限于下文所描述的具體實施例或示例，但是受限于權利要求書及其等價物。
[0025]圖1說明一個示例性實施例中的激光測距(例如，LADAR)傳感器100。傳感器100可操作以執行從傳感器100到目標(圖1中未顯示)的距離或范圍測量。例如，傳感器100可被用于裝配或制造過程以精確測量大型物體，例如，飛行器的零件。如果諸如此類的大型物體在不同的地點被制造，如果沒有精確地形成匹配零件的形狀和輪廓，則在裝配期間有可能產生問題。因此，本文所描述的類型的激光測距傳感器可被用在不同的地點以便在零件被制造或裝配時精確地測量這些零件。
[0026]圖2說明一個示例性實施例中的測量到目標的距離的傳感器100。服務器100對準物體202，例如正被裝配或制造的飛行器的零件。傳感器100能夠測量到物體202上的一個或多個目標204的距離。例如，傳感器100可以測量到正被裝配的零件的邊緣的距離。目標204可以包括回復反射目標或非協作目標，該非協作目標不包含回復反射器。
[0027]在圖1所示的實施例中,傳感器100包含測量單元110和校準單元160。測量單元110包含使用合成波干涉量度法測量到目標的距離的組件。干涉量度法是用于將波(如光波)疊加并從波的組合中提取信息的技術。作為使用干涉量度法的簡化示例，光束通過分束器被分成兩個相同的波束。每個波束在不同的路徑上行進，并且在檢測器處被重新結合。如果波束行進的路徑存在差異(如距離)，那么在波束之間產生相位差。波束之間的相位差可被用來確定路徑的長度并因此確定到目標的距離。
[0028]當向目標發射光束時，從目標反射的光將干涉正在被發射的光束。當目標靜止時，反射波束將處于與發射波束相同的頻率。當發射光與反射光(處于相同頻率)同相時，則會發生相長干涉。當發射光與反射光異相時，則發生相消干涉。干涉的結果被稱為“干涉”波束。
[0029]如下文將更詳細地描述的，測量單元110以緊密相間的光頻率組合來自多個激光器的光束以便將波束直射向目標。緊S間隔的光頻率將在干涉波束中廣生一組拍頻，其在本文被稱為“合成波”的梯形圖或集合。測量單元110能夠確定每個合成波的相位(在本文中被稱為合成相位)，并且隨后基于合成波的相