專利名稱：采用脈沖再混合方法的手提激光測距設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用脈沖再混合方法的手提激光測距設備，尤其 是施工用手提激光測距設備。
背景技術：
在建筑工業中，需要在最大幾百米的距離范圍內以幾毫米的精度 精確確定距離。適用于此的手提激光測距設備(正是本發明所涉及的 內容)為了測量距離而采用對經過調制的可見激光射線的脈沖再混合 方法。
DE10112833C1公開了采用脈沖再混合方法的手提激光測距設 備。在這種采用脈沖再混合方法的手提激光測距設備中，采用商業上 常見的激光二極管作為激光源，該激光二極管在可見的紅光波長范圍 內發射。所發射的激光由非常窄的針狀脈沖序列(下面也稱為發射脈 沖序列)調制，并用校準透鏡成束為測量激光射線。該專用的脈沖再 混合手提激光測距設備因此需要非常窄的、寬度通常在60ps到80ps 之間的激光脈沖序列作為發送脈沖序列。激光脈沖的在50MHz到 200MHz的范圍內的脈沖重復頻率與傳統脈沖手提激光測距設備中幾 十kHz的脈沖重復頻率相比非常高，從而在特定的固定脈沖重復頻率 下通常用一次測量無法在最大幾百米的距離范圍內唯一地確定距離。 因此，為了唯一地確定距離，需要在兩個明顯不同的脈沖重復頻率下 或在脈沖重復頻率有差異時進行至少兩次測量，對具有更高精度的非 常大的距離范圍甚至需要更多個不同的測量。控制裝置借助一種算法 在脈沖重復頻率不同的情況下確定低頻混合脈沖序列的參考脈沖和 測量脈沖之間通常非唯一的時間差，并從中通過一個方程組借助光速 確定從測距儀到測量物體上的光斑之間的唯一距離。由光檢測器獲取的參考脈沖序列和測量脈沖序列在光檢測器中被直接混合，接著被低 通濾波，其中直接混合是在測量地點本地產生的本地振蕩脈沖序列的 控制下進行的，該本地振蕩脈沖序列的占空比等于或近似等于測量脈 沖序列的占空比，而且它的重復頻率稍微不同。所產生的低頻混合脈 沖序列的混合脈沖重復頻率因此等于發送或測量脈沖序列的脈沖重 復頻率和本地振蕩脈沖序列的脈沖重復頻率之間的差值。由此，時基 增大了很大的倍數(例如l百萬倍)。低頻混合脈沖序列與高頻檢測 脈沖序列一樣(測量脈沖序列與參考脈沖序列的疊加)由經過頻率轉 換的參考脈沖和測量脈沖組成，它們的時間移位是對距離的度量。具
有例如小于lkHz的小混合脈沖重復頻率的低頻混合脈沖序列將被低 通濾波、放大、由模擬-數字轉換器采樣、并輸入用于確定經過頻率轉 換的參考脈沖和測量脈沖之間的時間差并從中確定至測量對象的距 離(可能還不是唯一)的控制裝置，該距離與前面描述的一樣通過具 有不同脈沖重復頻率的多次測量來唯一地確定。至于這樣形成的采用 脈沖再混合方法的手提激光測距設備的其他細節，本領域技術人員可 參考該文獻，其公開內容由此合并于此。由于在該方法中采用兩個稍 微不同的脈沖重復頻率，因此該方法稱為外差脈沖再混合。在這種外 差方法中。連續經過一個脈沖周期的所有時刻，盡管信息內容僅存在 于非常短的時間間隔內，也就是說在參考脈沖和測量脈沖的位置上。 由于參考脈沖和測量脈沖僅占脈沖周期的一小部分，因此在該頻率混 合時測量時間僅被利用了很小的一部分。
發明內容
本發明要解決的技術問題是改善在脈沖再混合方法中對測量時 間的利用，由此提高手提激光測距設備的靈敏度或作用范圍。
該技術問題主要通過權利要求1的特征解決。有利的擴展由從屬 權利要求給出。
因此脈沖再混合-手提激光測距設備具有控制裝置，其通過被測 量對象反射的測量脈沖與光學發射的發送脈沖經過設備內部的參考
距離的參考脈沖之間的可獲得的、以脈沖重復頻率周期重復的時間差 計算到測量對象的距離，本地振蕩器，用于產生具有脈沖重復頻率的 發送脈沖，以及至少一個可由控制裝置可變控制的延遲電路，該延遲 電路設置在本地振蕩器和光檢測器和/或光發射器之間，并且為了對測
相應的測量方法在由測量脈沖和參考脈沖之間的至少 一 個時間 差通過控制裝置的算法計算出距離的計算步驟內具有至少一個行程 時間確定步驟，其用于確定測量脈沖和參考脈沖之間的時間差，以及 在該行程時間確定步驟內具有多個采樣步驟，其中直接在光檢測器上 用恰好等于脈沖重復頻率的采樣脈沖對由光檢測器接收并以脈沖重 復頻率周期性重復的測量脈沖或參考脈沖進行采樣，并由控制裝置獲 取采樣結果，其中由控制裝置借助延遲電路控制采樣脈沖和發送脈沖 之間的延遲，并在上級的行程時間確定步驟中分別由各時間延遲計算 測量脈沖和參考脈沖之間的時間差，這些時間延遲對應于成功的釆樣 事件。
在此，受控的延遲應同等地理解為釆樣脈沖相對于發送脈沖的延 遲或者發送脈沖相對于采樣脈沖的延遲。
通過用以相同的脈沖重復頻率可變地、受控地相對于發送脈沖經 過時間延遲的采樣脈沖對測量脈沖和參考脈沖進行采樣，在本發明的 零差脈沖再混合中不是形成像在已知的外差脈沖再混合中那樣的低
頻混合脈沖序列，而是形成等信號(Gleich signal)作為采樣結果， 該等信號在采樣脈沖與測量脈沖或與參考脈沖時間重合時具有很高 的幅值。在其它情況下，該等信號具有很小的幅值或等于0。由此通 過由控制裝置主動改變的時間移位，測量脈沖和參考脈沖在脈沖周期 內的時間位置被控制裝置所了解，由此可以由控制裝置產生更頻繁的 采樣脈沖以檢測在這些時間上已知的位置上的脈沖，由此可以將測量
時間更好地用于檢測。
優選的是具有第二延遲電路，其設置在本地振蕩器和用于發射發 送脈沖的光發射器之間，更有利的是具有與第 一延遲電路不同的延遲
時間，由此關于已實現的延遲時間存在更多的組合可能，時間分辨率 也因此存在更多的組合可能。
優選地，具有(分別)設置于延遲電路的輸出端上的脈沖成型器， 由此實現了非常短的脈沖寬度和短時的采樣，因此提高了測量精度。 在這種情況下(優選可控的)本地振蕩器本身不必是(良好的)脈沖 發生器。此外有利的是，分別在脈沖成型器前設置可編程的分頻器， 由此(在劃分相同時)可以產生具有可控且相同重復頻率的脈沖序列。
優選的是，具有與控制裝置相連的相位檢測器，在其兩個輸入端 施加發送脈沖和采樣脈沖，從而可以測量通過延遲電路所改變的時間 延遲，并可控制延遲電路的正確工作方式。
優選的是，延遲電路實現為數字延遲電路，更為優選的是實現為 完全集成的延遲組件，由此該延遲組件可通過控制裝置數字控制，從 而可以調節精確的延遲時間。
優選的是，光檢測器是雪崩光電二極管(APD),其截止偏壓與 本地振蕩器提供的采樣脈沖序列疊加，而且該雪崩光電二極管用于零 差的脈沖混合，其中該雪崩光電二極管在不存在采樣脈沖序列時的放 大系數明顯低于在采樣脈沖存在期間的放大系數，由此對已接收的、 微弱的光信號進行高靈敏的采樣。
優選的是，光檢測器與低通濾波器相連接，該低通濾波器更為優 選的是與放大器相連接，該放大器更為優選的是與模擬數字轉換器相 連接，該模擬數字轉換器更為優選的是與控制裝置相連接，由此可以 由控制裝置無干擾地采集等信號。
優選的是，在采樣步驟中，在采樣時產生的釆樣結果以模擬等信 號的形式首先經過低通濾波，然后被放大，最后用模擬數字轉換器采 樣，并數字地輸入控制裝置。
優選的是，在行程時間確定步驟中，在(不必嚴格交替或等分的) 時間上連續的采樣步驟中對測量脈沖和參考脈沖進行采樣，由此可以 分開地、無干擾地采集它們與發送脈沖之間的時間延遲。
優選的是，所采樣的參考脈沖和測量脈沖在時間上相關，由此可
以確定時間移位。
優選的是，在行程時間確定步驟中，在多個時間上連續的釆樣步 驟中重復地對測量脈沖或參考脈沖進行采樣，并求平均，由此可以累 加它們的各個采樣結果，并根據采樣結果的重疊通過相關來可靠地確 定它們與發送脈沖之間的時間延遲。
優選的是，在計算步驟中，采用來自具有不同脈沖重復頻率的行 程時間確定步驟的時間差來計算距離，由此即使在距離很大時也保證 測量的唯一性。更為優選的是，調節或改變脈沖重復頻率，使得參考 脈沖和測量脈沖之間不發生重疊。
下面參照優選實施例詳細描述本發明 圖1是脈沖再混合-手提激光測距設備 圖2是測量方法的算法
具體實施例方式
根據圖l，脈沖再混合-手提激光測距設備1具有微控制器形式的 控制裝置2,其用于通過被測量對象反射的測量脈沖4與光學發射的 發送脈沖7經過設備內部的參考距離6的參考脈沖6之間的至少一個 可獲得的、以脈沖重復頻率f周期重復的時間差計算到測量對象3的 距離D。此外，具有受控的本地振蕩器8，用于產生具有脈沖重復頻 率f的發送脈沖7,以及兩個可由控制裝置2可變控制的延遲電路9a， 9b，其中第一延遲電路9a設置在本地振蕩器8和光檢測器IO之間， 并且為了對測量脈沖和參考脈沖進行采樣而產生相對于發送脈沖7延 遲的采樣脈沖11。第二延遲電路9b設置在本地振蕩器8和激光二極 管形式的光發射器12之間，該光發射器用于發射發送脈沖7。可控的 延遲電路9a、 9b以數字的、完全集成的延遲組件的形式提供，并且 在輸出端之前分別具有可編程的分頻器21，在該輸出端之后分別連接 有脈沖成型器13。此外，具有與控制裝置2相連的相位檢測器l4，
在其兩個輸入端上施加發送脈沖7和采樣脈沖11。光檢測器10實現 為雪崩光電二極管，其截止偏壓U一APD與本地振蕩器8提供的采樣 脈沖序列疊加，其中該雪崩光電二極管在不存在采樣脈沖序列時的放 大系數明顯低于在采樣脈沖11存在期間的放大系數。此外，光檢測 器10與低通濾波器15相連接，該低通濾波器與放大器16相連接， 該放大器與模擬數字轉換器17相連接，該模擬數字轉換器與控制裝 置2相連接。由此在采樣時產生的采樣結果以模擬的等信號的形式首 先被低通濾波，然后被放大，接著用模擬數字轉換器17采樣，最后 數字地輸入控制裝置2。
根據圖2，由控制裝置2 (圖1)的算法實現的測量方法具有用 于唯一計算距離D的計算步驟18。為此在計算步驟18內以不同的脈 沖重復頻率f執行多個行程時間確定步驟19，它們分別確定測量脈沖 4和參考脈沖6之間的對應時間差[tau，但是單個觀察這些時間差[tau
卻不一定推導出唯一的距離D。但在計算步驟18中，距離D作為由 所有脈沖重復頻率f和時間差[tauj組成的線性方程組的解而,皮唯一地 計算出來。在該行程時間確定步驟19內執行多個釆樣步驟20，其中 直接在光檢測器IO (圖1)上用恰好等于脈沖重復頻率f的采樣脈沖 多次重復地采樣由光檢測器10 (圖1)接收并以脈沖重復頻率f周期 性重復的測量脈沖4 (或在時間上連續的釆樣步驟中是參考脈沖5)， 并由控制裝置2 (圖1)獲取采樣結果，其中由控制裝置2 (圖1)借 助延遲電路9a、 9b (圖1)可變控制地將釆樣脈沖11相對于發送脈 沖7延遲，并在上級的行程時間確定步驟19中分別由各時間延遲計 算測量脈沖4和參考脈沖6之間的時間差[tauj，這些時間延遲對應于 成功的采樣事件。
權利要求
1.一種脈沖再混合-手提激光測距設備，具有控制裝置(2)，其用于通過被測量對象(3)反射的測量脈沖(4)與光學發射的發送脈沖(7)經過設備內部的參考距離(5)的參考脈沖(6)之間的可獲得的、以脈沖重復頻率(f)周期性重復的時間差([tau])計算到測量對象(3)的距離(D)，還具有本地振蕩器(8)，用于產生具有脈沖重復頻率(f)的發送脈沖(7)，其特征在于，具有至少一個可由控制裝置(2)控制的延遲電路(9a，9b)，該延遲電路設置在本地振蕩器(8)和光檢測器(10)和/或光發射器(12)之間，并且為了對測量脈沖(4)和參考脈沖(6)進行采樣而產生采樣脈沖(11)和發送脈沖(7)之間的延遲。
2. 根據權利要求1所述的手提激光測距設備，其特征在于，具有 第二延遲電路(9b)，其設置在本地振蕩器(8)和用于發射發送脈 沖(7)的光發射器(12)之間。
3. 根據權利要求1或2所述的手提激光測距設備，其特征在于， 具有設置在延遲電路(9a， 9b)的輸出端上的脈沖成型器(13)。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的手提激光測距設備，其特 征在于，具有與控制裝置(2)相連的相位檢測器(14)，在該相位 檢測器的兩個輸入端上施加采樣脈沖(11)和發送脈沖(7)。
5. 根據權利要求1至4中任一項所述的手提激光測距設備，其特 征在于，所述延遲電路(9a， 9b)實現為數字的。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的手提激光測距設備，其特 征在于，光檢測器(10)是施加了截止偏壓的雪崩光電二極管，在該 雪崩光電二極管上施加采樣脈沖(11)，而且該雪崩光電二極管用于 零差的脈沖混合。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的手提激光測距設備，其特 征在于，光檢測器(10)與低通濾波器(15)相連接，該低通濾波器 與放大器(16)相連接，該放大器與模擬數字轉換器(17)相連接， 該模擬數字轉換器與控制裝置(2)相連接。
8. —種用于根據權利要求1至7中任一項所述手提激光測距設備 的測量方法，其中在由測量脈沖(4)和參考脈沖(6)之間的至少一 個時間差([tau)通過控制裝置(2)的算法計算出距離的計算步驟(18)內，具有至少一個行程時間確定步驟(19)，用于確定測量脈 沖(4)和參考脈沖(6)之間的時間差([tauj)，其特征在于，在該 行程時間確定步驟內執行多個采樣步驟(20)，其中直接在光檢測器(10)上用恰好等于脈沖重復頻率(f)的釆樣脈沖(11)對由光檢測 器(10)接收并以脈沖重復頻率(f)周期性重復的測量脈沖(4)或 參考脈沖(6)進行采樣，并由控制裝置(2)獲取采樣結果，其中由 控制裝置(2 )借助延遲電路(9a， 9b )可變地控制采樣脈沖(11 ) 和發送脈沖(7)之間的延遲，并在上級的行程時間確定步驟(19) 中分別由各時間延遲計算測量脈沖(4)和參考脈沖(6)之間的時間 差([taup ，這些時間延遲對應于成功的采樣事件。
9. 根據權利要求8所述的測量方法，其特征在于，在采樣步驟(20 ) 中，在采樣時產生的采樣結果以模擬的等信號的形式首先經過低通濾 波，然后被放大，接著用模擬數字轉換器(17)采樣，最后數字地輸 入控制裝置(2)。
10. 根據權利要求8或9所述的測量方法，其特征在于，在行程 時間確定步驟(19)中，在時間上連續的采樣步驟(20)中對測量脈 沖(4)和參考脈沖(6)進行采樣。
11. 根據權利要求10所述的測量方法，其特征在于，經過采樣的 參考脈沖(6)和測量脈沖(4)時間上相關。
12. 根據權利要求8至11中任一項所述的測量方法，其特征在于， 在行程時間確定步驟(19)中，在多個時間上連續的采樣步驟(20) 中重復地對測量脈沖U)或參考脈沖(6)進行采樣，并求平均。
13. 根據權利要求8至12中任一項所述的測量方法，其特征在于， 在計算步驟(18)中，采用來自具有不同脈沖重復頻率(f)的多個行 程時間確定步驟(19)的時間差([tau)來計算距離(D)。
全文摘要
一種脈沖再混合-手提激光測距設備(1)，具有控制裝置(2)，其通過被測量對象(3)反射的測量脈沖(4)與光學發射的發送脈沖(7)經過設備內部的參考距離(5)的參考脈沖(6)之間的可獲得的、以脈沖重復頻率(f)周期性重復的時間差([tau])計算到測量對象(3)的距離(D)，以及本地振蕩器(8)，用于產生具有脈沖重復頻率(f)的發送脈沖(7)，其中具有至少一個可由控制裝置(2)控制的延遲電路(9a，9b)，該延遲電路設置在本地振蕩器(8)和光檢測器(10)和/或光發射器(12)之間，并且為了對測量脈沖(4)和參考脈沖(6)進行采樣而產生采樣脈沖(11)和發送脈沖(7)之間的延遲。此外描述了相應的測量方法。
文檔編號G01S17/00GK101349751SQ20081013390
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年7月16日
發明者G·托斯敦, S·赫爾穆特, W·安德烈亞斯 申請人:希爾蒂股份公司