CN101349751A - 采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲再混合－手提激光测距设备(1)，具有控制装置(2)，其通过被测量对象(3)反射的测量脉冲(4)与光学发射的发送脉冲(7)经过设备内部的参考距离(5)的参考脉冲(6)之间的可获得的、以脉冲重复频率(f)周期性重复的时间差([tau])计算到测量对象(3)的距离(D)，以及本地振荡器(8)，用于产生具有脉冲重复频率(f)的发送脉冲(7)，其中具有至少一个可由控制装置(2)控制的延迟电路(9a，9b)，该延迟电路设置在本地振荡器(8)和光检测器(10)和/或光发射器(12)之间，并且为了对测量脉冲(4)和参考脉冲(6)进行采样而产生采样脉冲(11)和发送脉冲(7)之间的延迟。此外描述了相应的测量方法。

Description

采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备
技术领域
本发明涉及一种采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备，尤其是施工用手提激光测距设备。
背景技术
在建筑工业中，需要在最大几百米的距离范围内以几毫米的精度精确确定距离。适用于此的手提激光测距设备(正是本发明所涉及的内容)为了测量距离而采用对经过调制的可见激光射线的脉冲再混合方法。
DE10112833C1公开了采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备。在这种采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备中，采用商业上常见的激光二极管作为激光源，该激光二极管在可见的红光波长范围内发射。所发射的激光由非常窄的针状脉冲序列(下面也称为发射脉冲序列)调制，并用校准透镜成束为测量激光射线。该专用的脉冲再混合手提激光测距设备因此需要非常窄的、宽度通常在60ps到80ps之间的激光脉冲序列作为发送脉冲序列。激光脉冲的在50MHz到200MHz的范围内的脉冲重复频率与传统脉冲手提激光测距设备中几十kHz的脉冲重复频率相比非常高，从而在特定的固定脉冲重复频率下通常用一次测量无法在最大几百米的距离范围内唯一地确定距离。因此，为了唯一地确定距离，需要在两个明显不同的脉冲重复频率下或在脉冲重复频率有差异时进行至少两次测量，对具有更高精度的非常大的距离范围甚至需要更多个不同的测量。控制装置借助一种算法在脉冲重复频率不同的情况下确定低频混合脉冲序列的参考脉冲和测量脉冲之间通常非唯一的时间差，并从中通过一个方程组借助光速确定从测距仪到测量物体上的光斑之间的唯一距离。由光检测器获取的参考脉冲序列和测量脉冲序列在光检测器中被直接混合，接着被低通滤波，其中直接混合是在测量地点本地产生的本地振荡脉冲序列的控制下进行的，该本地振荡脉冲序列的占空比等于或近似等于测量脉冲序列的占空比，而且它的重复频率稍微不同。所产生的低频混合脉冲序列的混合脉冲重复频率因此等于发送或测量脉冲序列的脉冲重复频率和本地振荡脉冲序列的脉冲重复频率之间的差值。由此，时基增大了很大的倍数(例如1百万倍)。低频混合脉冲序列与高频检测脉冲序列一样(测量脉冲序列与参考脉冲序列的叠加)由经过频率转换的参考脉冲和测量脉冲组成，它们的时间移位是对距离的度量。具有例如小于1kHz的小混合脉冲重复频率的低频混合脉冲序列将被低通滤波、放大、由模拟-数字转换器采样、并输入用于确定经过频率转换的参考脉冲和测量脉冲之间的时间差并从中确定至测量对象的距离(可能还不是唯一)的控制装置，该距离与前面描述的一样通过具有不同脉冲重复频率的多次测量来唯一地确定。至于这样形成的采用脉冲再混合方法的手提激光测距设备的其他细节，本领域技术人员可参考该文献，其公开内容由此合并于此。由于在该方法中采用两个稍微不同的脉冲重复频率，因此该方法称为外差脉冲再混合。在这种外差方法中。连续经过一个脉冲周期的所有时刻，尽管信息内容仅存在于非常短的时间间隔内，也就是说在参考脉冲和测量脉冲的位置上。由于参考脉冲和测量脉冲仅占脉冲周期的一小部分，因此在该频率混合时测量时间仅被利用了很小的一部分。
发明内容
本发明要解决的技术问题是改善在脉冲再混合方法中对测量时间的利用，由此提高手提激光测距设备的灵敏度或作用范围。
该技术问题主要通过权利要求1的特征解决。有利的扩展由从属权利要求给出。
因此脉冲再混合-手提激光测距设备具有控制装置，其通过被测量对象反射的测量脉冲与光学发射的发送脉冲经过设备内部的参考距离的参考脉冲之间的可获得的、以脉冲重复频率周期重复的时间差计算到测量对象的距离，本地振荡器，用于产生具有脉冲重复频率的发送脉冲，以及至少一个可由控制装置可变控制的延迟电路，该延迟电路设置在本地振荡器和光检测器和/或光发射器之间，并且为了对测量脉冲和参考脉冲进行采样而产生采样脉冲和发送脉冲之间的延迟。
相应的测量方法在由测量脉冲和参考脉冲之间的至少一个时间差通过控制装置的算法计算出距离的计算步骤内具有至少一个行程时间确定步骤，其用于确定测量脉冲和参考脉冲之间的时间差，以及在该行程时间确定步骤内具有多个采样步骤，其中直接在光检测器上用恰好等于脉冲重复频率的采样脉冲对由光检测器接收并以脉冲重复频率周期性重复的测量脉冲或参考脉冲进行采样，并由控制装置获取采样结果，其中由控制装置借助延迟电路控制采样脉冲和发送脉冲之间的延迟，并在上级的行程时间确定步骤中分别由各时间延迟计算测量脉冲和参考脉冲之间的时间差，这些时间延迟对应于成功的采样事件。
在此，受控的延迟应同等地理解为采样脉冲相对于发送脉冲的延迟或者发送脉冲相对于采样脉冲的延迟。
通过用以相同的脉冲重复频率可变地、受控地相对于发送脉冲经过时间延迟的采样脉冲对测量脉冲和参考脉冲进行采样，在本发明的零差脉冲再混合中不是形成像在已知的外差脉冲再混合中那样的低频混合脉冲序列，而是形成等信号(Gleich signal)作为采样结果，该等信号在采样脉冲与测量脉冲或与参考脉冲时间重合时具有很高的幅值。在其它情况下，该等信号具有很小的幅值或等于0。由此通过由控制装置主动改变的时间移位，测量脉冲和参考脉冲在脉冲周期内的时间位置被控制装置所了解，由此可以由控制装置产生更频繁的采样脉冲以检测在这些时间上已知的位置上的脉冲，由此可以将测量时间更好地用于检测。
优选的是具有第二延迟电路，其设置在本地振荡器和用于发射发送脉冲的光发射器之间，更有利的是具有与第一延迟电路不同的延迟时间，由此关于已实现的延迟时间存在更多的组合可能，时间分辨率也因此存在更多的组合可能。
优选地，具有(分别)设置于延迟电路的输出端上的脉冲成型器，由此实现了非常短的脉冲宽度和短时的采样，因此提高了测量精度。在这种情况下(优选可控的)本地振荡器本身不必是(良好的)脉冲发生器。此外有利的是，分别在脉冲成型器前设置可编程的分频器，由此(在划分相同时)可以产生具有可控且相同重复频率的脉冲序列。
优选的是，具有与控制装置相连的相位检测器，在其两个输入端施加发送脉冲和采样脉冲，从而可以测量通过延迟电路所改变的时间延迟，并可控制延迟电路的正确工作方式。
优选的是，延迟电路实现为数字延迟电路，更为优选的是实现为完全集成的延迟组件，由此该延迟组件可通过控制装置数字控制，从而可以调节精确的延迟时间。
优选的是，光检测器是雪崩光电二极管(APD)，其截止偏压与本地振荡器提供的采样脉冲序列叠加，而且该雪崩光电二极管用于零差的脉冲混合，其中该雪崩光电二极管在不存在采样脉冲序列时的放大系数明显低于在采样脉冲存在期间的放大系数，由此对已接收的、微弱的光信号进行高灵敏的采样。
优选的是，光检测器与低通滤波器相连接，该低通滤波器更为优选的是与放大器相连接，该放大器更为优选的是与模拟数字转换器相连接，该模拟数字转换器更为优选的是与控制装置相连接，由此可以由控制装置无干扰地采集等信号。
优选的是，在采样步骤中，在采样时产生的采样结果以模拟等信号的形式首先经过低通滤波，然后被放大，最后用模拟数字转换器采样，并数字地输入控制装置。
优选的是，在行程时间确定步骤中，在(不必严格交替或等分的)时间上连续的采样步骤中对测量脉冲和参考脉冲进行采样，由此可以分开地、无干扰地采集它们与发送脉冲之间的时间延迟。
优选的是，所采样的参考脉冲和测量脉冲在时间上相关，由此可以确定时间移位。
优选的是，在行程时间确定步骤中，在多个时间上连续的采样步骤中重复地对测量脉冲或参考脉冲进行采样，并求平均，由此可以累加它们的各个采样结果，并根据采样结果的重叠通过相关来可靠地确定它们与发送脉冲之间的时间延迟。
优选的是，在计算步骤中，采用来自具有不同脉冲重复频率的行程时间确定步骤的时间差来计算距离，由此即使在距离很大时也保证测量的唯一性。更为优选的是，调节或改变脉冲重复频率，使得参考脉冲和测量脉冲之间不发生重叠。
附图说明
下面参照优选实施例详细描述本发明：
图1是脉冲再混合-手提激光测距设备
图2是测量方法的算法
具体实施方式
根据图1，脉冲再混合-手提激光测距设备1具有微控制器形式的控制装置2，其用于通过被测量对象反射的测量脉冲4与光学发射的发送脉冲7经过设备内部的参考距离6的参考脉冲6之间的至少一个可获得的、以脉冲重复频率f周期重复的时间差计算到测量对象3的距离D。此外，具有受控的本地振荡器8，用于产生具有脉冲重复频率f的发送脉冲7，以及两个可由控制装置2可变控制的延迟电路9a，9b，其中第一延迟电路9a设置在本地振荡器8和光检测器10之间，并且为了对测量脉冲和参考脉冲进行采样而产生相对于发送脉冲7延迟的采样脉冲11。第二延迟电路9b设置在本地振荡器8和激光二极管形式的光发射器12之间，该光发射器用于发射发送脉冲7。可控的延迟电路9a、9b以数字的、完全集成的延迟组件的形式提供，并且在输出端之前分别具有可编程的分频器21，在该输出端之后分别连接有脉冲成型器13。此外，具有与控制装置2相连的相位检测器14，在其两个输入端上施加发送脉冲7和采样脉冲11。光检测器10实现为雪崩光电二极管，其截止偏压U_APD与本地振荡器8提供的采样脉冲序列叠加，其中该雪崩光电二极管在不存在采样脉冲序列时的放大系数明显低于在采样脉冲11存在期间的放大系数。此外，光检测器10与低通滤波器15相连接，该低通滤波器与放大器16相连接，该放大器与模拟数字转换器17相连接，该模拟数字转换器与控制装置2相连接。由此在采样时产生的采样结果以模拟的等信号的形式首先被低通滤波，然后被放大，接着用模拟数字转换器17采样，最后数字地输入控制装置2。
根据图2，由控制装置2(图1)的算法实现的测量方法具有用于唯一计算距离D的计算步骤18。为此在计算步骤18内以不同的脉冲重复频率f执行多个行程时间确定步骤19，它们分别确定测量脉冲4和参考脉冲6之间的对应时间差[tau]，但是单个观察这些时间差[tau]却不一定推导出唯一的距离D。但在计算步骤18中，距离D作为由所有脉冲重复频率f和时间差[tau]组成的线性方程组的解而被唯一地计算出来。在该行程时间确定步骤19内执行多个采样步骤20，其中直接在光检测器10(图1)上用恰好等于脉冲重复频率f的采样脉冲多次重复地采样由光检测器10(图1)接收并以脉冲重复频率f周期性重复的测量脉冲4(或在时间上连续的采样步骤中是参考脉冲5)，并由控制装置2(图1)获取采样结果，其中由控制装置2(图1)借助延迟电路9a、9b(图1)可变控制地将采样脉冲11相对于发送脉冲7延迟，并在上级的行程时间确定步骤19中分别由各时间延迟计算测量脉冲4和参考脉冲6之间的时间差[tau]，这些时间延迟对应于成功的采样事件。

Claims (13)

1.一种脉冲再混合-手提激光测距设备，具有控制装置(2)，其用于通过被测量对象(3)反射的测量脉冲(4)与光学发射的发送脉冲(7)经过设备内部的参考距离(5)的参考脉冲(6)之间的可获得的、以脉冲重复频率(f)周期性重复的时间差([tau])计算到测量对象(3)的距离(D)，还具有本地振荡器(8)，用于产生具有脉冲重复频率(f)的发送脉冲(7)，其特征在于，具有至少一个可由控制装置(2)控制的延迟电路(9a，9b)，该延迟电路设置在本地振荡器(8)和光检测器(10)和/或光发射器(12)之间，并且为了对测量脉冲(4)和参考脉冲(6)进行采样而产生采样脉冲(11)和发送脉冲(7)之间的延迟。
2.根据权利要求1所述的手提激光测距设备，其特征在于，具有第二延迟电路(9b)，其设置在本地振荡器(8)和用于发射发送脉冲(7)的光发射器(12)之间。
3.根据权利要求1或2所述的手提激光测距设备，其特征在于，具有设置在延迟电路(9a，9b)的输出端上的脉冲成型器(13)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的手提激光测距设备，其特征在于，具有与控制装置(2)相连的相位检测器(14)，在该相位检测器的两个输入端上施加采样脉冲(11)和发送脉冲(7)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的手提激光测距设备，其特征在于，所述延迟电路(9a，9b)实现为数字的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的手提激光测距设备，其特征在于，光检测器(10)是施加了截止偏压的雪崩光电二极管，在该雪崩光电二极管上施加采样脉冲(11)，而且该雪崩光电二极管用于零差的脉冲混合。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的手提激光测距设备，其特征在于，光检测器(10)与低通滤波器(15)相连接，该低通滤波器与放大器(16)相连接，该放大器与模拟数字转换器(17)相连接，该模拟数字转换器与控制装置(2)相连接。
8.一种用于根据权利要求1至7中任一项所述手提激光测距设备的测量方法，其中在由测量脉冲(4)和参考脉冲(6)之间的至少一个时间差([tau])通过控制装置(2)的算法计算出距离的计算步骤(18)内，具有至少一个行程时间确定步骤(19)，用于确定测量脉冲(4)和参考脉冲(6)之间的时间差([tau])，其特征在于，在该行程时间确定步骤内执行多个采样步骤(20)，其中直接在光检测器(10)上用恰好等于脉冲重复频率(f)的采样脉冲(11)对由光检测器(10)接收并以脉冲重复频率(f)周期性重复的测量脉冲(4)或参考脉冲(6)进行采样，并由控制装置(2)获取采样结果，其中由控制装置(2)借助延迟电路(9a，9b)可变地控制采样脉冲(11)和发送脉冲(7)之间的延迟，并在上级的行程时间确定步骤(19)中分别由各时间延迟计算测量脉冲(4)和参考脉冲(6)之间的时间差([tau])，这些时间延迟对应于成功的采样事件。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在采样步骤(20)中，在采样时产生的采样结果以模拟的等信号的形式首先经过低通滤波，然后被放大，接着用模拟数字转换器(17)采样，最后数字地输入控制装置(2)。
10.根据权利要求8或9所述的测量方法，其特征在于，在行程时间确定步骤(19)中，在时间上连续的采样步骤(20)中对测量脉冲(4)和参考脉冲(6)进行采样。
11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，经过采样的参考脉冲(6)和测量脉冲(4)时间上相关。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的测量方法，其特征在于，在行程时间确定步骤(19)中，在多个时间上连续的采样步骤(20)中重复地对测量脉冲(4)或参考脉冲(6)进行采样，并求平均。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的测量方法，其特征在于，在计算步骤(18)中，采用来自具有不同脉冲重复频率(f)的多个行程时间确定步骤(19)的时间差([tau])来计算距离(D)。
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