双激光频率扫描干涉测量系统和方法

摘要

本文公开了一种光学装置、方法和测量系统。所述装置包括：第一输入，其用于从频率扫描激光器接收第一光束；第二输入，其用于从固定频率泵浦激光源接收第二光束。非线性光学人工装置接收第一和第二光束并将其互调制以产生第三光束，所述第三光束是相对于泵浦激光源的固定频率呈镜像的第一光束的反转拷贝。选择性组合元件输出第一和第三光束。选择或配置非线性人工装置或激光器中的一个或两个，使得第一和第二光束的光频分离满足非线性人工装置的相干长度条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于双激光频率扫描干涉测量(双扫描FSI)的系统和方法。

背景技术

干涉测量是一种使用波长(诸如光)测量到目标的距离的技术。干涉测量可以用于许多不同的领域和应用，包括：远程测量、三维定位，其中对于工程和航空航天应用，尤其有利的是能够由单个干涉仪同时测量多个目标(主要仅使用频率)和小位移(还使用相位)；质量控制设备的表面检验和成像；用于生物应用的近距离精细成像，比如光学相干断层扫描(OCT)技术。

频率观测干涉测量(Frequency Scanning Interferometry)(FSI，也被称为频率扫描干涉测量(Frequency Sweeping Interferometry))是一种使用光来测量到合作反射目标或非合作镜面反射表面的距离的干涉测量。它也被称为波长移位干涉测量、调频连续波测距和激光雷达。在图1中示出了示例实施方式。

FSI使用干涉仪来照射目标点(在所谓的非合作目标的情况下)或合作回光反射目标。干涉仪设置有一些将光源的光分离成参考光束和测量光束的装置。将测量光束朝向目标点引导，目标点将一些入射光反射回干涉仪。参考光束由干涉仪内的参考反射镜反射，使得返回的参考光束与测量光束在检测器或接收器处组合。

FSI使用可调谐激光器作为光源。在一个频率范围内对来自可调谐激光器的光的频率进行扫描。完成扫描后，在检测器处接收到正弦信号。该信号的频率与到目标的距离成比例，因此测量信号频率允许测量到目标的距离。这在图2中示出，其中相对于到达接收器的时间来表示反射频率。观察到的频率差(拍频)ΔF与测量光束的往返时间τ成比例，τ与通过光速c到目标的距离D相关。

利用连续扫描，由不同距离引起的时间延迟产生拍频。如果扫描是线性的(或者如果它通过另一参考被线性化)，则该拍频的频率与到目标的距离成正比，并且由于通过FFT处理频率相比时间延迟测量更容易且更可靠，因此该方法尤其适用于精确测量。

从仅依赖于频率的简单系统到增加相位测量的更复杂系统(这种系统提高了精度，但是由于需要附加的参考，系统不太灵活，并且如果信号在任何点处丢失，则出现问题)，已经提出了该设计的不同替代方案。

在FSI中，在测量过程中可以用以下等式来描述激光器的光频率：

f(t)＝2π(at+f₀)

其中，f(t)是激光的光学频率，α是激光频率的变化率，是时间(其中T是总测量时间)，f₀是t＝0时的激光频率。利用该扫描，如果消除DC和高频分量，干涉检测之后的场强度符合以下表达式：

τ是参考反射镜和与目标之间的时间延迟，ατ是图2中测量的拍频信号频率ΔF。τ²项通常可以忽略，因此被舍弃。该表达式可以容易地通过频率傅立叶分析(例如，通过快速傅里叶变换FFT)评估，并且如果τ是常数，将给出与到目标的距离对应的频率ΔF下的清晰峰。在非理想情况下，当目标有意地抑或由于振动而移动时，或者如果光程由于例如空气运动而改变，则出现问题，τ与t由此具有相关性。由于f₀与余弦自变量中的其它项相比较大，因此即使τ在测量期间小的变化也可能对信号造成大的干扰。在测量过程中，当目标移动是随机的的情况下(例如，当由振动引起时)通过增加测量方差，以及当目标运动处于恒定速率时，通过存在系统误差，这种多普勒频移大大增加了距离测量的不确定性。

两种不同扫描(来自两个不同的光源)的使用已被应用于解决该问题，这被称为双扫描FSI。例如，US8687173中描述的系统使用两个可调谐激光器以两种不同的调谐速率操作并且沿相反方向(一个频率向上和一个频率向下)进行调谐，以在具有两个频率分量(每个激光器一个)的单个光电检测器上产生单个信号。通过在频率上分离两个信号，可以对它们进行独立的处理以确定单个距离测量，该距离测量基本上不具有多普勒诱导误差。

Schneider等人(2000)提出了另一种解决方案，其中两个激光器以相同的调谐速率但沿相反的方向操作以产生两个信号。激光器需被分离(在频率、偏振或其它技术方面)，使得它们可以由两个不同的接收器独立地检测，其中我们将得到以下信号：

使I₁(t，τ)和I₂(t，τ)相乘，我们得出：

使激光器以相同的速度但以相反的方向扫描它们的频率(在该情况下，α₂＝-α₂，并且f_0，1≈f_0，2)，上述表达式则变为：

第一项是具有与待测量距离成比例的频率的余弦，但是当τ在测量期间变化时，该项不会受到大的干扰。第二项是低频信号，并且不干扰我们的分析。

可替换地，如果α₁＝-α₂，且f_0，1≠f_0，2，f_0,1和f_0,2的平均值表示为f_p，并且使I₁(t，τ)和I₂(t，τ)相乘，我们得出：

同样地，第一项是具有与待测量距离成比例的频率的余弦，但是当τ在测量期间变化时，该项不会受到大的干扰。第二项是传达关于传感器与目标之间的相对运动(机械运动抑或光程长度变化)的信息的低频信号。

在上述等式中，t表示时间，且假设α₁和α₂随时间线性变化。如果α₁和/或α₂不随时间t线性变化，则参数t可以用另一个参数i代替，其中α₁和α₂随i线性变化。

该方案可以使用两个单独的可调谐激光器来实现，这两个激光器以同步方式操作，从而以完全相同的速率但沿相反的方向进行调谐。

双扫描FSI系统所需的可调谐激光器通常是这类系统中最昂贵的部件(特别是，如果需要高精度，则可调谐激光器需要大的无跳模调谐范围)，并且可能难以以足够的精确度来同步它们的频率扫描。可实现的距离分辨率/精确度与激光器可被无跳模调谐的频率范围直接相关。通常，激光器的调谐范围越大，费用则越昂贵。

已经尝试提高双扫描FSI系统的精确度，例如，包括激光器和同步方法的不同组合的双扫描FSI系统。

然而，尽管有改进，但是实施和维护的方式仍然非常昂贵和复杂。

FSI使用外差检测通过用参考光束差拍(beating)测量光束产生正弦信号，如图11所示，该图示出了用于获取调谐激光输出的环行器。从激光器穿过环行器的一部分光由光纤端面反射回而形成参考信号。大部分光投射到由一个或多个目标反射的空间。反射光返回光纤端并耦合回到光纤中，并且与参考光束一起由环行器引导至光电检测器，其中光束进行干涉并产生信号。参考光束因此执行本机振荡器(local oscillator，LO)的作用。通常知道，信号幅度与LO和测量光束幅度的乘积成比例。因此，增加LO或测量光束幅度会引起更高的信号电平。但是，对于工业应用，测量光束必须保证眼睛安全，以防止对用户造成伤害。这限制了通过增加测量光束幅度可获得的信号增益的量。因此，通过控制参考光束幅度可以最佳地实现经改进的信号增益。

一种产生LO光束的便捷方式是通过光纤端的背向反射，光纤端用于将激光传输至测量点。这便于将测量数据置于光纤的物理端(如图8所示)。这种方法的第二个优点是，当测量光束和参考光束由于光纤中的应力(温度、物理应变等)沿着光纤传播时，对它们的干扰是共模干扰，并且不利于在检测器处检测到的信号。

然而，以这种方式从光纤端获取LO信号限制了可实现的信号增益的量。未经改进的光纤将反射大约4％的入射光而导致弱的LO信号。可以通过涂覆纤维端来增加反射率。但是增加反射率而增加LO信号减弱了测量信号，这是因为测量信号从目标返回时耦合回到了光纤中。最佳的反射率是33％。

得到LO参考的另一种方法是使用具有分离比R：T的分路器，如图12所示。该分路器将R％的光发送到LO光束中，而将T％的光发送到测量光束中。环行器再次用来将测量光束引导至空间中，并且将测量光束沿着返回光纤返回。然后将LO和测量光束通过50：50的耦合器组合，以产生可使用平衡检测器检测到的两个信号。这种设置具有的优点是，可以通过适当地设置R：T比率和激光器功率来控制增益，以产生期望的信号增益，同时保持测量光束的功率电平对眼睛是安全的。

这种方法的缺点是LO和测量光束不再采用公共路径通过光纤，因此由于例如温度变化或其它应力而对光纤造成的任何干扰将导致距离测量的漂移。换言之，没有明确地定义测量数据。

因此，生产这样的一种系统是一种挑战，该系统性价比高，可以操作成同时测量多个目标(用于坐标计量应用)，具有足够的光学增益，以提供鲁棒信号以及提供可靠的无漂移测量数据。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种光学装置，该装置包括：

第一输入，用于从频率扫描激光器接收第一光束；

第二输入，用于从固定频率泵浦激光源接收第二光束；

非线性光学人工装置，用于接收第一和第二光束并将其互调制以产生第三光束，第三光束是相对于泵浦激光源的固定频率呈镜像的第一光束的反转拷贝；以及

选择性组合元件，用于输出第一和第三光束，

其中选择或配置非线性人工装置，使得第一和第二光束的光学频率分离满足非线性人工装置的相干长度条件。

所述光学装置还包括第一耦合器，第一耦合器用于接收第一光束，将光束分成第一和第二部分，并且将第一部分提供给非线性光学人工装置。

非线性光学人工装置可以包括半导体光学放大器。

优选地，非线性人工装置诱导四波混频以产生第三光束。

所述光学装置还可以包括滤波器，用于从非线性光学人工装置的输出提取第三光束。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双激光束扫描生成系统，该系统包括：

频率扫描激光源、泵浦激光源以及如上所述的光学装置，频率扫描激光器被耦合至第一输入，而泵浦激光源被耦合至第二输入。

根据本发明的另一个方面，提供了一种测量系统，该测量系统可操作成从频率扫描激光源接收第一测量光束和第二测量光束，第二测量光束包括第一测量光束和第一测量光束的镜像拷贝。

所述测量系统设置成将第二测量光束沿着光纤引导至干涉仪中并且测量沿着光纤返回的光。

所述测量系统还设置成将第一测量光束引导至另一干涉仪中并且从中导出采样信号，所述测量系统设置成以与采样信号相关的频率对沿着光纤返回的第二测量光束的光进行采样。

所述测量系统还可以包括数据分析系统，该数据分析系统用于估计沿着光纤返回的第二测量光束的采样光的频率并且确定将根据其测量的距离。

数据分析系统可以设置成计算快速傅里叶变换并且通过执行拟合来估计峰的位置以确定所述距离。

数据分析系统可以设置成：在计算快速傅立叶变换之前，通过在频域中开窗口或在时域中进行窄带通滤波来隔离与各个目标对应的各个信号分量，并且通过执行拟合来估计峰的位置以确定到每个目标的距离。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于产生双激光频率扫描信号的方法，包括：

从频率扫描激光器提供第一光束；

从固定频率泵浦激光源提供第二光束；

在非线性光学人工装置中将第一和第二光束互调制以产生第三光束，第三光束是相对于泵浦激光源的固定频率呈镜像的第一光束的反转拷贝；以及

输出第一和第三光束，

其中选择或配置非线性人工装置，使得第一和第二光束的光频分离满足非线性人工装置的相干长度条件。

所述方法还可以包括将第一光束分成第一部分和第二部分并且将第一部分提供给非线性光学人工装置。

所述方法优选地包括在非线性人工装置处诱导四波混频以产生第三光束。

所述方法还包括对非线性光学人工装置的输出进行滤波以提取第三光束。

根据本发明的另一个方面，提供了一种测量方法，该测量方法包括：

从频率扫描激光源接收第一测量光束和第二测量光束，第二测量光束包括第一测量光束和第一测量光束的镜像拷贝；

将第二测量光束沿着光纤引导至干涉仪中；

测量沿着光纤返回的光；

将第一测量光束引导至另一干涉仪中并从中导出采样信号；以及

以与采样信号相关的频率对沿着光纤返回的第二测量光束的光进行采样。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双激光束扫描生成系统，该系统包括：

频率扫描激光源，其耦合到第一输入以从频率扫描激光器提供第一光束；

固定频率泵浦激光源，其耦合到第二输入以提供第二光束；

非线性光学人工装置，其用于接收第一和第二光束并将其互调制以产生第三光束，第三光束是相对于泵浦激光源的固定频率呈镜像的第一光束的反转拷贝；以及

选择性组合元件，其用于输出第一和第三光束，

其中选择或配置频率扫描激光源和固定频率泵浦激光源，使得第一和第二光束的光频率分离满足非线性人工装置的相干长度条件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于产生双激光频率扫描信号的方法，该方法包括：

从频率扫描激光器提供第一光束；

从固定频率泵浦激光源提供第二光束；

在非线性光学人工装置中将第一和第二光束互调制以产生第三光束，第三光束是相对于泵浦激光源的固定频率呈镜像的第一光束的反转拷贝；以及

输出第一和第三光束，

其中提供第一光束和提供第二光束的步骤中的一个或多个还包括：选择或配置固定频率泵浦激光源和频率扫描激光器中的一个或两个，使得第一和第二光束的光学频率分离满足非线性人工装置的相干长度条件。

本发明的优选实施例设法利用R：T分路器来控制分离比并由此控制光学增益。

在一个实施例中，光纤端反射被用作基准来补偿漂移。在某些实施方式中，可从光纤端输出的对眼睛安全的最大功率可以限制光学增益。然而，在诸如图12、图14、图15所示的优选实施例中，可以通过从本机振荡器(LO)分离出两个频率f_sweep和f_FWM来增加光学增益。这允许使用更强大的LO而不影响从光纤端输出的最大功率，从而保持安全性。

在一些实施例中，LO所采用的路径的长度与光纤中的测量信号可能不匹配。这将使得测量的任何距离增加偏移。这种偏移可以通过分析由光纤端处的光的背向反射获得的信号来测量。

在一些实施例中，f_sweep和f_FWM信号在光纤中传播的光程长度将由于光纤的色散而不同。这将导致在每个具有不同长度偏移的信号情况下进行测量。这可以通过在系统中包括适当长度的色散补偿光纤来减轻。可替换地，可以通过在频率空间中将f_sweep和f_FWM信号对准来补偿两个信号之间的偏移差，使得从光纤端的背向反射获得的频率分量重合，如图17所示。

可替换地，可以应用一些其它形式的后处理。

所述方法还可以包括：估计沿着光纤返回的第二测量光束的采样光的频率；以及确定将根据其测量的距离。

所述方法还可以包括：计算沿着光纤返回的第二测量光束的采样光的快速傅立叶变换；以及通过执行拟合来估计峰的位置以确定所述距离。

本发明的实施例设法通过第一调谐激光输出，光学地产生第二光信号来克服与两个可调谐激光器的布局相关联的成本问题。在优选实施例中，通过使用具有经优化R:T比的分路器来解决光学增益问题，以控制LO信号幅度，并且通过设置将产生在输出光纤端处的基准信号来克服该变化引入的潜在漂移问题。光纤端的反射表现为检测到的信号频谱中的第一峰。可以由来自目标的信号的频率与来自光纤端的信号之间的差来计算到目标的距离。由于光纤中的应力引起的信号漂移使所有信号在频率上相等地移动，但是它们的相对频率保持恒定，如图13所示。

另外，本发明的实施例设法将运动补偿方法延伸运用在存在多个目标的情况中。如果将上述分析应用于从不止一个目标所获得的信号(即，包含多个频率分量的信号)，则倍增处理产生多个差拍，这是因为一个信号中的每个频率分量与另一个信号中的每个分量进行差拍，从而导致潜在地隐藏或干扰真实信号的多个不期望频率。

克服这一点的优选实施例如下：

1.计算两个信号的FFT。

2.识别与每个目标相关的频率分量。

3.对于每个目标：

a.通过在频域中应用窗口来隔离每个信号中的信号分量。

b.在频域中对两个信号进行卷积。

c.例如通过找到最高的数据点，在卷积信号的幅度中粗略地定位峰。

d.然后通过将代表性模型(例如Sinc squared)拟合到峰周围的数据并且求解峰中心来精确定位该峰。

上述算法可以不同的方式来实现，例如，一些步骤可在时域而不是频域中实施。

实施例设法在信号电平和成本方面优化双激光频率扫描干涉测量(双扫描FSI)，从而同时使多个目标的检测没有多普勒误差。实施例设法通过改进SNR而相对于运动所致(多普勒频移)的误差来提高信号完整性并增大操作范围。当与诸如WO2013/144648中所述的系统组合使用时，实施例可以是特别有利的。

在本发明的实施例中，使用单个频率扫描激光器可以实现双扫描FSI的操作。通过称为四波混频(four wave mixing，FWM)的现象，利用光学装置产生第二扫描光学频率。代替第二频率扫描激光源的输出(不再被需要)，而使用FWM产生扫描光学频率。这具有各种优点。该系统比常规双扫描FSI系统便宜得多。还避免了使用两个频率扫描激光源时所遭遇的同步问题。当与具有两个频率扫描激光器的系统相比时，额外的优点还包括对获取测量的各种简化。

在本发明的实施例中，单个可调谐激光器可用于提供一个频率扫描，而FWM非线性效应用于产生第二扫描。由于FWM产生过程的性质，第二扫描将始终是不同频率下的原始扫描的精确镜像拷贝。这种实施方式的成本远低于同步双激光系统。该实施方式具有实用的优点，即不需要额外的同步，并且这简化了实施方式并增加了可靠性。

注意，为避免混淆，本文件多次提及“光学频率”。该术语是指电磁波的频率f＝c/λ，其中c是光速，λ是电磁波的波长。电磁波不涉及波的任何类型的调制。它可以提供具有两个光频率f1和f2的光，f1是可变频率，f2是固定频率抑或可变频率。

在本发明的实施例中，光学装置从频率扫描激光源和泵浦激光源(f2)接收光(f1)，光被引导通过非线性光学介质，使得通过四波混频产生两个附加光频率(f3＝2f1-f2和f4＝2f2-f1)。

在测量系统中利用f1和f3或f4可以执行双扫描频率扫描干涉测量。

在优选实施例中，来自频率扫描激光源的光在至少两个路径之间分离，一个用于四波混合处理以产生镜像拷贝，而另一个保留为用于双激光频率扫描干涉测量的两个源之一。

在优选实施例中，测量系统将来自光学装置输出的光接收到光检测器上。由发送到系统中的两个激光频率接收的信号被独立地隔离和处理。

在优选实施例中，分析系统将接收的信号组合，用于以容许变化的光程长度的方式计算测量系统中至少一对光程之间的路径长度差。

有利的是，本发明的实施例能够创建所提供频率的镜像拷贝，这使用两个独立源来实现是极其复杂的，因为每个独立光源的规格的任何小的差异都导致不完美的拷贝。

有利的是，由于所提供的频率是镜像拷贝，因此简化了检测激光频率的隔离和处理。从其中一个信号获得的时钟和数据自然将对另一个有效。

将FWM的使用应用于频率扫描仪激光器能够创建原始扫描的同步镜像拷贝。本发明的实施例能够创建有效的第二扫描信号，该第二扫描信号是原始扫描的大致完美的拷贝(顶多为任何小的缺陷或瑕疵)。有利的是，这可以在FWM的速度(小于皮秒)下执行。应当理解，使用两个单独的扫描源不能实现该精度的镜像拷贝。还应当理解，两个单独的扫描源的操作不能以这样的速度操作。人们认为，即使最精密的补偿设备和技术也不能匹配通过FWM设备产生的拷贝的精确度。其结果是，使用所生成信号测量质量和精度预期将在现有的双扫描源系统上得到改进。此外，测量结果中的噪声预期相比其他系统减少。

有利的是，作为创建所提供频率的镜像拷贝的结果，本发明实施例中所使用的用于测量和检测的部件和设备可以被大大地简化，因为由于镜像拷贝的确切性质，单个扫描方案中用于线性化和时钟生成的相同设置对于使用FWM第二扫描的本发明实施例将是有效的。对于不提供镜像拷贝的其它双扫描，所需要的元件数量及其复杂性将大得多(通常是以双倍频率工作的接收器的两倍)。

本发明的实施例是具有成本效益的，这至少部分地是因为用固定源、无源元件和非线性设备代替了完整的光学可变频率源(和适当地同步信号所需的设备)。与两个独立的频率扫描源替代方案相比，本发明的实施例节省了大量成本；不仅对于降低检测和同步部分的复杂性而言，而且因为扫描激光源大部分情况下是系统中最昂贵的部件。预期构建FWM生成系统所需的部件成本比频率扫描激光器的价格至少低四倍(仅考虑购买成本)。这个估计是基于使用现成的分立和台式元件。如果用于FWM生成的设备以模块形式集成并且大量生产，则预期价格差甚至将更大。

因为不需要同步(不只是向原始扫描信号源增加一些延迟光纤，从而使FWM产生的信号能够与原始扫描信号同时出现在输出处)并且不需要进行双重线性补偿，所以这使得检测过程更简单，并且还进一步降低了设备的成本。

由于原始扫描激光源和产生的镜像拷贝本质上彼此跟踪，因此该确切跟踪使得诸如采样或重新采样的活动更加简单和快速。

本发明的实施例还是可扩展且具有灵活性的。同样由于FWM的性质，光学装置能够使用不同的频率扫描激光源来操作，这是因为FWM将适用于原始信号的任何扫描速度。相反，双扫描源解决方案将需要改变用于激光源的同步的元件。

附图说明

现将参考附图对本发明的实施例以示例的方式进行描述，附图中：

图1是频率扫描测量系统的示意图；

图2是绘制出反射频率相对于到达图1的系统的接收器的时间的图表；

图3是包括根据本发明实施例的光学装置的扫描生成系统的结构示意图；

图4是由图3的光学装置产生的频率的示意图；

图5是绘制出扫描激光器的光学频率相对于时间的图表；

图6-9是示出根据本发明实施例的测量系统的一些方面的结构示意图；

图10是绘制出一系列的100次测量中到移动反射目标的测量距离的实验结果的一系列图表；

图11示出了如何使用光纤端使干涉仪形成为光束分路器，其中环行器用于分离输入和输出光束；

图12示出了如何通过包含具有分离比R：T的分路器来改进图11的基本设置，以便允许对光学增益的控制。该设置还有助于对改进SNR的平衡检测；

图13示出了从光纤端接收的基准信号如何通过图12所示的设置的光纤在光程漂移的情况下提供稳定的测量基准；

图14示出了原始扫描和FWM产生的扫描如何光学组合并解耦用于利用输出光纤端的基准反射从一个或多个目标产生信号；

图15示出了图14所示的方案的另一个版本，其中EDFA放大器被包括在LO路径中以加强LO信号；

图16示出了如何将相同的激光源信号反馈至多个传感器；以及

图17示出了如何通过对一个信号(例如，相对于来源于f_FWM的其它信号而言的来源于f_sweep的信号)进行频移来补偿光纤中的色散。

具体实施方式

图3是包括根据本发明实施例的光学装置的扫描生成系统100的示意图。

扫描生成系统100包括光学装置110，光学装置110具有第一输入120、第二输入130、非线性光学人工装置140和输出150。

第一输入120设置成从频率扫描激光器180接收第一光束101。第二输入130设置成从固定频率泵浦激光源190接收第二光束102。第一光束101和第二光束102的光频分离满足非线性光学人工装置140的相干长度条件。

非线性光学人工装置140设置成接收第一光束101和第二光束102并且通过四波混频进行互调制以产生第三光束103，第三光束103是相对于泵浦激光源190的固定频率呈镜像的第一光束101的反转拷贝。

第一光束101、第二光束102和第三光束103从非线性光学人工装置140输出。

优选地，在第三光束在光学装置的输出150处输出之前，在滤波器160处去除第一和第二光束101、102。

优选地，第一光束101在进入非线性光学人工装置140之前在分路器170处被分离，使得保留第一光束的拷贝101'并且可以在输出150处将其与第三光束103组合。优选地，第一光束的拷贝被第二次分离，使得可以输出第二拷贝101”以及第一光束的拷贝101'与第三光束103的组合。

假设组合的第一和第三光束以及第一光束能够使用如下所述的测量技术。然而，应当理解，第一和第三光束的组合可以稍后完成，并且无需是光学装置的一部分，光学装置可简单输出第一光束和第三光束，第三光束是第一光束的反转拷贝。

可使用的可行非线性人工装置的实例包括半导体光学放大器(SemiconductorOptical Amplifiers，SOA)、非线性光纤和非线性波导。可使用的示例性SOA是Kamelian1550nm非线性SOA(http://www.kamelian.com/data/nlsoa_ds.pdf)。可使用的非线性光纤的实例是美国奥维信有限公司(OFS Fitel,LLC)的OFS高度非线性光纤模块(http://ofscatalog.specialtyphotonics.com/viewitems/non-standard-optical-fibers/highly-non-linear-fiber-modules)。

本发明的实施例利用非线性光学人工装置140的特性来诱导频率扫描激光器180和固定频率泵浦激光源190之间的所谓四波混频(FWM)。FWM是一种光学现象，两个光频率由此穿过非线性介质并产生附加频率。

应当理解，固定频率泵浦激光源190不需要是固定频率激光器，例如，它可以是以固定频率操作的可变频率激光器。

FWM是非线性光学器件中的互调制现象，其中非线性介质中的三个不同光学波长之间的相互作用产生其它波长。给定光频率f1、f2和f3，该效应在这三个光波长的组合(加和减)的频率中产生附加峰，其中主峰在f_ijk＝f_i+f_j-f_k(其中i、j≠k)时出现。

在本发明的实施例中，优选地使用该效应的特定变型，即退化四波混频(degenerate four-wave mixing，DFWM)。在该特定情况下，当仅存在两个频率(i＝j＝1，k＝2)时该效应发生，在这种情况下主峰处于2f₁-f₂和2f₂-f₁。这些峰在光学系统中通常被视为是不利的，尽管某些商业上使用的非线性器件利用并放大该效应，诸如以上所强调的。

虽然在本发明的优选实施方案中使用了退化FWM，但是当存在三个或更多个频率时，也可以使用诱导的FWM。在这种装置中，将会需要一个(或多个)附加激光源。

在本发明的实施例中，在没有调制的情况下，使用另一个固定频率(且廉价的)激光源作为泵浦，利用该转换效应来生成原始扫描激光束的拷贝。图4示出了峰的分布，最初具有处于中心频率(f_fixed)下的固定激光泵浦和以所需速率从“f_sweep>sweepstop'”连续改变频率的扫描激光源(f_sweep)。

两个信号都被反馈到非线性光学人工装置140，非线性光学人工装置140输出原始信号和f_FWM＝2f_fixed-f_sweep处的频率分量。在2f_sweep-f_fixed处还存在第三移动峰，尽管这可以用光学滤波器去除而仅留下如图4所示的分量，这将是相对于固定频率呈镜像的原始扫描源的精确反转拷贝。该第二扫描将精确地模拟原始频率扫描激光器的频率变化率的变化。作为精确的拷贝，有利的是不需要附加的同步。

为了有效地生成扫描拷贝，光学装置110中可以包括一些有利于FWM的存在的特性。FWM效应是与克尔效应(Kerr effect)相关联的非线性现象，这意味着所产生的新频率作为由输入光信号的规格(其频率、功率等)诱导的折射率调制的结果而出现。

FWM与材料的χ⁽³⁾系数相关，并且因此用于产生非线性的任何部件(光纤、半导体、波导等)都应该优选地具有该规格的高值。

选择或配置非线性人工装置(即，其具有一些性质抑或其它被调谐或以其它方式设置或配置)，使得第一和第二光束的光频率分离满足非线性人工装置的相干长度条件。优选地，对于泵浦和频率扫描激光源，输入的光频率分离应该低于非线性人工装置的相干长度阈值，对于每个设备的群折射率色散值而言，这是使输入保持相同的波数所必需的。

为了在非线性介质中产生显着的FWM效应，必须使两个输入信号在波数上基本匹配。对于输入之间的给定光频率间隔，存在设备的最大长度(称为相干长度)，若高于该最大长度，转换效率则大大降低。该相干长度条件取决于非线性人工装置。基于所使用的非线性人工装置的特性，这将对输入的频率分离施加限制，并且因此对FWM的转换范围施加限制。反之亦然，可以选择、调谐或以其它方式配置输入的频率分离，从而将所要使用的人工装置的相干长度条件考虑在内。

相干长度条件和光频分离的论述可以在如下文献中找到：O.Aso,M.Tadakuma,S.Namiki,“Four-Wave Mixing in Optical Fibers and Its Applications”,Furukawareview,No 19,2000 63–68；“Broadband four-wave mixing generation in shortoptical fibres”Electronics Letters,36(8),709–711；Diez,S.,Schmidt,C.,Ludwig,R.,Weber,H.G.,Obermann,K.,Kindt,S.,Koltchanov,I.,Petermann,K.,"Four-wavemixing in semiconductor optical amplifiers for frequency conversion and fastoptical switching"Selected Topics in Quantum Electronics,IEEE Journal of,vol.3,no.5,pp.1131,1145,Oct 1997，这些文献的内容通过引用并入本文。

应当理解，可以通过对人工装置和/或激光源中的一个或两个进行适当的选择/配置/调谐来满足相干长度条件。

相干长度条件识别可以生成信号的拷贝的波长范围。在一些实施例中，例如当使用长部件(超长半导体器件或km光纤)时，可能需要额外修改来确保宽的频率分离操作。偏振也发生类似的情况，FWM不是偏振相关的效应，因为它对于输入的任何任意性偏振都将发生。然而，所有输入的偏振都需要处于相同的状态以更有效地产生效果(输入的偏振状态的差异将造成转换输出的光功率损失)。对于短的设备，再次调节偏振是容易的(例如，通过在一个信号的输入处使用偏振控制器来匹配两个状态)，但是在长光纤中，其中与波长相关的双折射可以使输入的偏振在通过纤维传播一定的距离后不同。

半导体光学放大器(SOA)具有从其输出的四个光频率。当对扫描激光器的光频率进行扫描时，这些频率随时间变化，如图5所示。理想的是获得仅由f_sweep和f_FWM组成的输出。这样做的一种方法是通过滤波器发送SOA的输出，该滤波器拒绝从f_fixed至更高的所有光学频率，其仅隔离f_FWM。f_FWM然后可以与f_sweep组合。使用光学滤波器、组合器等的不同组合的其它实现方式也是可行的，用于实现相同的效果，例如，获取SOA的输出，并且使用拒绝f_fixed和f_dbl(f_dbl＝(2*f_sweep)-f_fixed)的滤波器。然而，这不是理想的，因为f_dbl和f_sweep的频率范围重叠。这可以通过f_sweep的扫描范围的不同选择来避免，但是它限制了扫描范围，而降低了测量精度。

图6是根据本发明的实施例的测量系统的示意图。测量系统分为三个阶段，但是应当理解，可以使用更多或更少的阶段。

第一部分(扫描生成系统100)产生包含如上所述的扫描光学频率的光。该光被提供给第二部分(测量系统200)，第二部分将该光发送通过待测量的光学系统并检测该光学系统的输出。测量系统300(数据分析系统300)向最后部分提供数据，该最后部分处理该数据并且计算最终测量结果：距离测量。

图7是图6的干涉测量源100的实施例的示意图。

来自扫描激光器180的光由光耦合器分离，信号的一部分101用于反馈FWM转换，而另一部分101'保留供用户以后使用。固定激光器190以中心波长操作。优选地用闸板控制器(paddle controller)195来控制固定激光器190输出的偏振并且供应泵浦。

进入非线性介质的两个信号(固定和扫描)优选地具有大致相同的偏振状态。这样，FWM效应被最大化。两个输入耦合到非线性人工装置140中，在这种情况下，半导体光学放大器(SOA)特别地选择或设计成增强非线性效应(高χ⁽³⁾)，并且其长度低于最大输入频率分离的相干长度。非线性人工装置中的增益减少了对升压输入的需要。在SOA输出处，提供了原始信号和新生成的峰。利用光学滤波器160，使得仅保留第二反向扫描峰。扫描信号和固定输入都被舍弃，因此在输出处只能找到经转换的FWM。最后，使用EDFA放大器165将输出信号的电平升高到第一扫描的类似值。该方案产生双FSI应用所需的两个反相扫描信号。

虽然这种设置使用了适于在电信C波段下(在1530nm至1560nm的波长下)操作的部件，但是它可以通过使用具有适合于新波长范围的特性的非线性设备而转换成其它光学频率，因为FWM效应存在于许多光学带中，其中我们可以找到具有期望规格(高χ⁽³⁾、满足相干长度条件、匹配偏振)的材料(参见下面的“增加坐标分辨率”)。因此，改变特定C波段分量的类似设计可用于在其它波长范围内操作的干涉测量的应用。应当理解，这将开启采用双扫描生成来改进诸如光学相干断层扫描(optical>

示出的扫描生成系统100经由光纤向测量系统200提供两个光输出；一个光纤只包含f_sweep，而另一个包含f_sweep和f_fwm两者。

图8是图6的测量系统200的实施例的示意图。扫描生成系统100经由光纤(示出在图的左上方)提供包含f_sweep和f_FWM的光。该光纤经由光纤环行器210将光引导至干涉仪220中。待测量的距离是该干涉仪220的光程差，干涉仪220将用于对应于需要测量的一些物理长度。在该实例中，干涉仪220由两个光程221、222形成。到达平滑光纤端223的光经历约4％的反射，并且反射的光沿同一光纤返回。剩余的光向外传播到自由空间中，其中一些光通过回光反射器230(在该实例中，折射率为2的玻璃球用作回光反射器)反射回光纤。

这两个路径的干涉所产生的光学功率沿着光纤传回，并且由光纤环行器210引导至红/蓝滤波器240。这将f_sweep和f_FWM分离成单独的光纤，每个光纤将它们的光引导至光电二极管250上。光电二极管信号由ADC>

在图的下半部分中，包含频率f_sweep的光的光纤260将该光通过光纤型马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder干涉仪)270引导至一对平衡光电二极管280上，该对平衡光电二极管280的差分输出通过零比较器290发送，零比较器290生成触发信号的，该触发信号被发送到ADC>sweep的变化率发生变化(它通常是这样)也以f_sweep的等间隔对数据进行采样(因此也以f_FWM的等间隔对数据进行采样，因为其中一个是作为另一个的反相而变化)。

为了进行测量，频率扫描激光器在一个范围内扫描其输出频率f_sweep，同时ADC在Mach-Zehnder干涉仪所控制的采样时间下记录数据。

图9是图6的数据分析系统的示意图。f_sweep和f_FWM的干涉信号优选地通过带通滤波器310并且相乘。这已在图中示出，以消除在测量期间由目标的移动引起的对信号的干扰。得到的信号包含正弦信号，该正弦信号具有与待测量的距离成比例的频率。许多现有频率估计算法中的任意一个均可以用来测量该频率，并且由此测量待测量的距离。例如，可以计算信号的快速傅里叶变换(FFT)320，并且可以通过多项式拟合或其它拟合技术来估计与目标正弦信号的峰对应的位置。

还可以使用其它数据分析方法，例如GB1013896.4中描述的“动态FSI”方法，其副本通过引用并入本文。

图14示出了图6的测量系统200的另一个实施例。原始调谐激光输出f_sweep和由FWM产生的镜像信号f_FWM光学组合并且用于测量观察范围内到一个或多个目标的距离。来自原始扫描和FWM产生的扫描的光任选地由EDFA放大。然后使用具有R：T的分离比的组合器/分路器对EDFA输出进行组合和分离。R部分形成本机振荡器，随后用于在两组平衡检测器上产生单独的信号。T部分被传送到环行器。环行器输出被耦合到光纤，光纤将大部分的经组合的原始f_sweep和FWM产生的光f_FWM朝向目标传输。两个信号的一小部分被光纤端反射回，以针对测量目标距离提供基准信号。透射的光被目标反射并返回到光纤中。

环行器将来自目标和光纤端的反射光(原始扫描和FWM产生的扫描)输出到组合器中，该组合器将这些信号与先前导出的LO信号组合。然后，一对滤波器将原始扫描信号和FWM产生的信号与其相应的LO分离。然后将这些光信号与其相应的LO独立地混合，并且在一对平衡检测器上进行检测。这种配置确保两个测量光束遵循相同的路径，并且两个LO光束遵循(独立的)公共路径直到最终组合器，使得任一路径中的光纤诱导延迟对于从原始扫描导出的信号和FWM生成的信号而言是共同的。在滤波器之后，每个信号及其LO遵循共同的路径，因此光纤诱导的变化是普遍的，因此不会引起距离测量误差。

图13示出了从一个检测器获得的频谱的实例。左手边的峰对应于光纤端的反射。其绝对频率对应于从光纤端反射的光与LO光束传播的路径之间的光程长度差。第二个峰对应于目标。第二个峰的频率对应于从目标反射的光与LO光束传播的路径之间的光程长度差。由于LO光束传播的路径对于两个信号是公共的，因此LO光束的光程长度的变化表示两个信号的频移，但是不改变它们的频率差。

图15示出了图6的测量系统200的替代实施例，其中输入信号f_sweep和f_FWM可以在组合之前再次被任选地放大，并且LO光束被另外的EDFA进一步放大，以进一步增加系统的光学增益。

图16示出了图14和15中的第一组合器/分路器如何重新配置成供应多个传感器。在通过EDFA任选地放大之后，使用2：N组合器/分路器将f_sweep和f_FWM组合/分离。然后将组合器/分路器的每个输出馈入到单独的传感器，该传感器包括R：T分路器、环行器、50：50组合器、两个滤波器以及平衡检测器对。任选地，EDFA可被包括在LO路径中。

图17示出了如何通过相对于另一个信号对一个信号进行频移来补偿扫描获得的两个信号之间的差分偏移，使得从光纤端导出的信号在频率上对准。

使用可替换的光学配置的其它实施例也是可行的。此外，图中所示的组合器、分路器、滤波器、环行器和光纤中的一些或全部可以使用平面波导电路代替光学设备来实现。

实验结果

对应于上述布置的设置已经构建，在实际距离测量实验中，已同时测试了所生成的FWM扫描和原始扫描，其中FWM生成的扫描是原始扫描的完美镜像拷贝。

针对同一移动目标的两次扫描的行为显示出每次扫描沿相反方向的拍频位移，因为在使用相反信号(sign)扫描速率时应当如此，这证明扫描可用于消除目标的振动。此外，测量数据的处理已经证明消除了随振动而发生的信号增宽。

图10a示出了在快速连续进行的一系列的100次测量中，到移动反射目标的测量距离的三个不同绘图。三条线对应于使用三种不同的分析方法计算的距离。最下面和最上面的线显示出使用单激光FSI分析方法计算的距离。最下面的线显示出仅使用来自可调谐激光器的数据所计算的距离。最上面的线显示出仅使用来自FWM产生的光的数据所计算的距离。中间的线显示出使用双扫描FSI章节中描述的双扫描FSI分析方法所计算的距离。

在100次测量期间，目标从一个静止位置移动到另一个位置，并且当它移动时，可以清楚地看到双扫描相对于单个扫描的优点。当目标开始移动时，原始扫描和FWM拷贝开始出现测量错误(并由显著的因素引起，以数十毫米的量级)，而组合的测量分析则给出移动时到目标的距离的精确估计。在单个扫描结果中还可以看到移动目标的振动：黑线和红线呈现波纹，并且相比于双扫描分析的绿线明显不太平滑。

图10b示出了与图10a类似的结果，但是三个目标以三种不同的速度移动。

本申请要求GB 1411206.4的优先权，所提交的摘要以及GB 1411206.4的内容通过引用并入本文。