CN101482619B - 距离测量方法及距离测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种距离测量方法及距离测量系统。该方法包括：令距离测量系统的发射端发出第一光束及第二光束，其中该第一光束朝目标物行进；再藉由切换机制提供切换顺序；并设置接收端依切换顺序接收由该目标物所反射的该第一光束，且相应地提供第一电信号，及接收该第二光束且相应地提供第二电信号；最后，再利用控制端接收该第一电信号与该第二电信号，并依据该第一电信号与该第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统与该目标物之间的距离值。

Description

距离测量方法及距离测量系统

技术领域

本发明涉及一种距离测量方法和系统，特别有关于一种依据光束的相位变化来估算距离值的距离测量方法，及应用该方法的距离测量系统。 

背景技术

随着电子技术和半导体雷射组件的发展，掌上型距离测量装置已广泛地应用在建筑、交通、地形勘测与室内装潢等方面。 

一般而言，已知的距离测量装置常于发射模块中内置光发射组件，用于发出发射光束，并于接收模块中设置光接收组件，用以接收经由目标物所反射的反射光束。 

具体而言，已知的相位式距离测量装置所使用的光发射组件及光接收组件均是以半导体材料所制成。其目的是藉由半导体的特性，以光发射组件激发出发射光束，并利用光接收组件将目标物所反射或散射的反射光束由光信号转换成电信号，最后再比对发射光束与反射光束的相位变化，以估算出目标物与距离测量装置之间的距离值。 

由于已知的相位式距离测量装置是利用比对发射光束与反射光束之间的相位变化，以进行距离值的估算。但因为测量的过程中是利用光发射组件分别发出一道测量光束及一道参考光束，如此，将易使半导体材质的光发射组件因使用频繁而温度渐增，进而产生难以掌控的噪声。另外，若目标物与距离测量装置之间的距离太近，使光接收组件接收测量光束及参考光束的时间间隔过短，光接收组件亦会因测量光束及参考光束的相互干扰，导致所输出的电信号存在不可知的误差，进而影响距离测量的精准度。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中距离测量装置的光发射组件因使用频繁而温度渐增、且测量光束和参考光束时间间隔过短、可能相互干扰影响精准度的缺陷，提供一种距离测量方法，及一种距离测量系统，可避免光发射组件因使用频繁而温度渐增、以及测量光束和参考光束时间间隔过短的问题。 

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种距离测量方法，应用于距离测量系统中，包括以下步骤： 

(a)令发射端发出第一光束及第二光束，其中该第一光束朝目标物行进； 

(b)藉由切换机制设定切换顺序； 

(c)设置接收端依切换顺序接收由该目标物所反射的该第一光束，并相应地提供第一电信号，且接收该第二光束，并相应地提供第二电信号；以及， 

(d)利用控制端接收该第一电信号与该第二电信号，并依据该第一电信号与该第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统与该目标物之间的距离值。 

在本发明所述的距离测量方法中，步骤(a)更包括：藉由信号发生端依据该控制端所发出的驱动指令，提供第一频率信号及第二频率信号。 

在本发明所述的距离测量方法中，该接收端接收该第二频率信号，并分别与该第一光束进行混频以产生该第一电信号，及与该第二光束进行混频以产生该第二电信号。 

在本发明所述的距离测量方法中，该切换机制是依据该控制端所发出的第一切换指令，电性地控制该发射端的第一光发射组件及第二光发射组件依切换顺序发出该第一光束及该第二光束。 

在本发明所述的距离测量方法中，该切换机制是依据该控制端所发出的第二切换指令，机械式地控制该接收端依切换顺序接收该第一光束及该第二光束。 

在本发明所述的距离测量方法中，该切换机制是依据该第二切换指令，于该第一光束的第一光路径及该第二光束的第二光路径之间进行阻断。 

在本发明所述的距离测量方法中，步骤(c)与步骤(d)之间更包括以下步骤： 

(e)分别对已完成混频的该第一电信号及该第二电信号进行信号放大；以及， 

(f)分别对已放大的该第一电信号及该第二电信号进行信号进行滤波，并相应地产生定频的第一既定信号与第二既定信号。 

在本发明所述的距离测量方法中，步骤(d)更包括： 

(d1)分别对该第一电信号及该第二电信号进行模拟数字转换，以产生相应的第一数字信号及第二数字信号；以及， 

(d2)比较出该第一数字信号及第二数字信号间的该相位差值。 

本发明还提供了一种距离测量系统，包括： 

发射模块，分别发出第一光束及第二光束，其中该第一光束朝向目标物行进； 

接收模块，接收由该目标物所反射的该第一光束并转换为相应的第一电信号，且接收该第二光束并转换为相应的第二电信号； 

切换单元，控制该接收模块依切换顺序接收该第一光束及该第二光束；以及 

控制模块，接收该接收模块所输出的该第一电信号与该第二电信号，并依据该第一电信号与该第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统与该目标物间的距离值。 

在本发明所述的距离测量系统中，更包括信号产生模块，依据该控制模块所发出的驱动指令，提供第一频率信号及第二频率信号。 

在本发明所述的距离测量系统中，该接收模块接收该第二频率信号，并分别与该第一光束进行混频以产生该第一电信号，及与该第二光束进行混频以产生该第二电信号。 

在本发明所述的距离测量系统中，更包括处理模块包括： 

放大器，分别对已完成混频的该第一电信号及该第二电信号进行信号放大；以及， 

滤波器，分别对该放大器所输出的该第一电信号及该第二电信号进行滤波，并相应产生定频的第一既定信号与第二既定信号。 

在本发明所述的距离测量系统中，该第二频率信号是藉由该接收模块的光接收组件，分别与该第一电信号及该第二电信号进行混频。 

在本发明所述的距离测量系统中，该切换单元是电子开关，依据该控制模块的第一切换指令，控制该发射模块的第一光发射组件及第二光发射组件依切换顺序发出该第一光束或该第二光束。 

在本发明所述的距离测量系统中，该切换单元是机械开关，依据该控制模块的第二切换指令，控制该光接收组件依切换顺序接收该第一光束及该第二光束。 

在本发明所述的距离测量系统中，该机械开关是依据该第二切换指令，阻断该光接收组件接收该第一光束或该第二光束。 

在本发明所述的距离测量系统中，该机械开关是遮光组件，依切换顺序于第一光路径上阻断该第一光束或于第二光路径上阻断该第二光束。 

在本发明所述的距离测量系统中，该控制模块包括模数转换器，用于分别对该第一电信号及该第二电信号进行模拟数字转换后，相应产生第一数字信号及第二数字信号；该控制模块还包括鉴相器，用于比较出该第一、第二数字信号间的该相位差值。 

在本发明所述的距离测量系统中，更包括： 

光学组件，对该第二光束执行反射；以及， 

光导管，将藉由该光学组件所反射的该第二光束传送至该接收模块。 

在本发明所述的距离测量系统中，更包括： 

输入模块，接收至少一个外部指令，并传送至该控制模块；以及， 

输出模块，用于接收该处理模块的显示指令，并显示相应的距离信息。 

本发明是藉由切换机制设定切换顺序，使发射端的发射模块或接收端的接收模块依照切换顺序作动，进而确保接收端的接收模块不因接收第一光束及第二光束的间隔时间太短，而发生光束信号相互干扰的问题。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 

图1为本发明的实施例的距离测量系统示意图； 

图2为切换单元依据切换顺序来控制发射模块发出测量信号及参考信号的一个实施例； 

图3为切换单元控制接收模块依切换顺序分别接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的一个实施例；以及， 

图4为切换单元控制接收模块依切换顺序分别接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的另一个实施例。 

附图标号说明： 

100～距离测量系统     10～控制模块 

20～信号产生模块      30～发射模块 

40～接收模块          50～处理模块 

60～切换单元          70～输入模块 

80～输出模块          11～模拟/数字转换器 

12～鉴相器            13～运算中心 

21～频率产生器        22～第一调变器 

23～第二调变器        24～第一滤波模块 

25～驱动器            31～第一准直透镜 

32～第一全反射组件    33～第一光发射组件 

34～第二光发射组件    35～分光组件 

41～第二准直透镜      42～光导管 

43～光接收组件        51～放大器 

52～第二滤波模块      61～电子开关 

62～机械开关          A～第一接点 

B～第二接点           C～第一位置 

D～第二位置 

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例并配合所附图标作详细说明。 

本发明提供一种距离测量方法，应用于距离测量系统中，以确保距离测量系统的精准度。 

图1为本发明的实施例的距离测量系统示意图。 

如图1所示，距离测量系统100至少包括控制模块10、信号产生模块20、发射模块30、接收模块40、处理模块50、切换单元60、输入模块70，以及输出模块80。 

距离测量系统100中的控制模块10是依据来自于输入模块70的测量指示，向信号产生模块20下达驱动指令，令信号产生模块20分别向发射模块30、接收模块40及控制模块10提供第一频率信号、第二频率信号，以及比较频率信号。 

具体而言，信号产生模块20包括频率产生器(Frequency Source Divider)21、第一调变器(First Modulator)22、第二调变器(Second Modulator)23、第一滤波模块24(First Filter)，及驱动器25(Drier)。频率产生器21至少输出第一频率信号、第二频率信号，以及比较频率信号。第一频率信号先经第一调变器22将方波转换为弦波，并由驱动器25据以向发射模块30提供驱动信号，其中驱动信号具有调变频率f1；第二频率信号经第二调变器23进行方波-弦波转换后成为本振信号，并传送至接收模块40，其中本振信号具有本振频率f2；比较频率信号经由第一滤波模块24进行滤波后，产生具有比较频率(f1-f2)的比较信号，并被传送至控制模块10。实作上，第一调变器22与第二调变器23可采用LC滤波器(LC filter)，特别是指LC谐振带通滤波器，且第一滤波模块24可以是以窄带进行滤波。 

发射模块30根据驱动器25所提供的驱动信号，依序发出第一光束及第二光束。举例而言，发射模块30利用至少一个雷射二极管(Laser Diode，LD)作为光发射组件。光发射组件经由来自于驱动器25的驱动信号所驱使，根据第 一频率信号分别发出第一光束及第二光束。其中，第一光束作为测量信号，用以朝向目标物T发射，且第二光束作为参考信号。 

接收模块40于不同的时间点分别接收参考信号，及由目标物T所反射的测量信号，并分别将参考信号及测量信号与第二频率信号进行混频，以输出相应的第一电信号及第二电信号。 

举例而言，接收模块40可利用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)作为光接收组件43。其中，将雪崩光电二极管的正极与第二调变器23耦接，用于接收来自于信号产生模块20的第二频率信号，并同时依序接收由发射模块30所输出的参考信号及由目标物T所反射的测量信号。如此，即可利用雪崩光电二极管将第二频率信号分别与测量信号及参考信号进行混频，并藉由雪崩光电二极管的光电转换特性，分别产生与测量信号相应的第一电信号，以及与参考信号相应的第二电信号。 

处理模块50至少包括放大器51及第二滤波模块52，用于依序接收由接收模块40所输出的第一电信号及第二电信号，并分别对第一电信号及第二电信号进行信号处理。其中，放大器51是分别对已完成混频的第一电信号及第二电信号进行信号放大；且第二滤波模块52是分别对放大器51所输出的第一电信号及第二电信号进行滤波，并相应地输出特定频率的第一既定信号与第二既定信号。其中，第二滤波模块52是可以窄带进行滤波，且第一既定信号及第二既定信号分别为具有频率为(f1-f2)的中频信号。 

控制模块10至少包括模拟/数字转换器11、鉴相器12，及运算中心13。模拟/数字转换器11接收来自于信号产生模块20的比较信号及来自于处理模块50所输出的第一既定信号及第二既定信号，并分别对第一既定信号及第二既定信号进行模拟/数字转换，以产生相对应的第一数字信号及第二数字信号；鉴相器12接收第一数字信号及第二数字信号，并输出第一数字信号及第二数字信号之间的相位差值；最后，再由运算中心13依据相位差值计算出距离测量系统100与目标物T之间的距离值，并由处理模块50对输出模块80发出显示指令，令输出模块80呈现距离值或相关信息。 

切换单元60是作为切换机制，用以依照控制模块10所下达的切换指令， 控制接收模块40遵照切换顺序接收由目标物T反射的测量信号及参考信号。 

换言之，控制模块10除了对信号产生模块20发出驱动指令之外，亦对切换单元60发出切换指令。其中，切换单元60是电性地连结于控制模块10与发射模块30之间，并依照切换指令以切换顺序控制发射模块30以第一频率信号发出测量信号及参考信号，以控制接收模块40接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的顺序；或者，切换单元60是机械式地连结于控制模块10与接收模块40之间，以控制接收模块40接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的顺序。 

图2为切换单元60依据切换顺序来控制发射模块30发出测量信号及参考信号的一个实施例。 

同时参考图1及图2。 

发射模块30包括第一准直透镜31、第一全反射组件32、第一光发射组件33，及第二光发射组件34。 

切换单元60以电子开关61作为切换机制，依据控制模块10所发出的第一切换指令，电性地控制发射模块30中的第一光发射组件33及第二光发射组件34依序发出测量信号及参考信号。 

具体而言，电子开关61是继电器(Relay)，耦接于信号产生模块20与发射模块30之间，依第一切换指令致使第一接点A或第二接点B开路。也就是，当电子开关61致使第一接点A开路时，继电器将与第二接点B接连，使来自于信号产生模块20的驱动信号驱使第一光发射组件33发出测量信号，此时，第二光发射组件34因第一接点A开路而不导通(Shut Down)；当电子开关61致使第二接点B开路时，继电器将与第一接点A接连，使来自于信号产生模块20的驱动信号驱使第二光发射组件34向接收模块40发出参考信号，此时，第一光发射组件33因第二接点B开路而不导通。 

测量信号穿透过第一准直透镜31后，朝向目标物T发出；参考信号自第一全反射组件32反射后，直接传送至接收模块40。 

接收模块40包括第二准直透镜41、光导管42，及光接收组件43。当参考信号传送入接收模块40后，由光导管42引导至光接收组件43；且当测量 信号经由目标物T反射后，也藉由第二准直透镜41引导至光接收组件43。 

由此，控制模块10即可藉由第一切换指令，掌控发射模块30于不同时间点发出测量信号及参考信号，以达到接收模块40以切换顺序，依序分别接收测量信号及参考信号。 

图3为切换单元60控制接收模块40依切换顺序分别接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的一个实施例。 

同时参考图1及图3。 

发射模块30至少包括第一准直透镜31、第一光发射组件33，及分光组件35。第一光发射组件33根据信号产生模块20所提供的驱动信号发出光束信号，光束信号穿透第一准直透镜31后，传送至分光组件35，以藉由分光组件35的分光特性将光束信号划分为测量信号及参考信号，其中，测量信号穿透过分光组件35朝向目标物T发出；参考信号自分光组件35反射后直接传送至接收模块40。 

接收模块40包括第二准直透镜41、光导管42，及光接收组件43。当参考信号传送入接收模块40后，经由光导管42引导至光接收组件43；而当测量信号经由目标物T反射后，经由第二准直透镜41引导后传送至光接收组件43。 

切换单元60以机械开关62作为切换机制，依据控制模块10所发出的第二切换指令，机械式地控制光接收组件43依切换顺序接收测量信号及参考信号。 

具体而言，机械开关62是遮光组件(shutter)，被设置于光导管42的末端，依第二切换指令于第一位置C与第二位置D之间进行切换。也就是，当机械开关62被设定于第一位置C时，机械开关62将阻断测量信号的光路径，此时，光接收组件43仅能接收参考信号而无法接收测量信号；当机械开关62被设定于第二位置D时，遮光组件将阻断参考信号的光路径，此时，光接收组件43仅能接收测量信号而无法接收参考信号。 

由此，控制模块10即可藉由第二切换指令，精确地掌控接收模块40依照切换顺序，分别接收测量信号及参考信号。 

图4为切换单元60控制接收模块40依切换顺序分别接收由目标物T所反射的测量信号及参考信号的另一个实施例。 

同时参考图1及图4。 

发射模块30包括第一准直透镜31、第一全反射组件32、第一光发射组件33，及第二光发射组件34。 

接收模块40包括第二准直透镜41、光导管42，及光接收组件43。 

切换单元60利用电子开关61及机械开关62作为切换机制。 

电子开关61电性地耦接于信号产生模块20与发射模块30之间，用于依据控制模块10所发出的第一切换指令，驱动发射模块30中的第一光发射组件33及第二光发射组件34分别依序发出测量信号及参考信号；机械开关62设置于光导管42的末端，用于依据控制模块10所发出的第二切换指令，控制光接收组件43依切换顺序接收测量信号及参考信号。其中，电子开关61可以是继电器(Relay)，而机械开关62可以是遮光组件(shutter)。 

具体而言，电子开关61依第一切换指令致使第一接点A或第二接点B开路。也就是，当电子开关61致使第一接点A开路时，继电器将与第二接点B接连，使来自于信号产生模块20的驱动信号驱使第一光发射组件33发出测量信号，此时，第二光发射组件34因第一接点A开路而不导通(Shut Down)；当电子开关61致使第二接点B开路时，继电器将与第一接点A接连，使来自于信号产生模块20的驱动信号驱使第二光发射组件34向接收模块40发出参考信号，此时，第一光发射组件33因第二接点B开路而不导通。 

参考信号自第一全反射组件32反射后，直接传送至接收模块40，且经由光导管42引导至光接收组件43；测量信号穿透过第一准直透镜31后，朝向目标物T发出，并经由目标物T反射后，藉由第二准直透镜41引导至光接收组件43。 

具体而言，机械开关62依第二切换指令于第一位置C与第二位置D之间进行切换。也就是，当机械开关62被设定于第一位置C时，机械开关62将阻断测量信号的光路径，此时，光接收组件43仅能接收参考信号而无法接收测量信号；当机械开关62被设定于第二位置D时，遮光组件将阻断参考信号 的光路径，此时，光接收组件43仅能接收测量信号而无法接收参考信号。 

这样，控制模块10即可藉由第一切换指令及第二切换指令，更精确地掌控接收模块40依照切换顺序，分别接收测量信号及参考信号。 

另外，本发明也提供一种距离测量方法，应用于距离测量系统100中。其中，本方法是以发射模块30作为距离测量系统100的发射端，依据控制端的控制模块10所下达的驱动指令，令发射端的发射模块30依序发出第一光束及第二光束；并设置接收模块40作为接收端，依序接收由该目标物所反射的第一光束且相应地提供第一电信号，及接收第二光束且相应地提供第二电信号；最后，再利用控制端接收第一电信号与第二电信号，并依据第一电信号与第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统100与该目标物T之间的距离值。其中，藉由切换单元60作为切换机制，以控制接收端依照切换顺序接收第一光束及第二光束。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但是其并非用于限定本发明，任何本技术领域的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准。 

Claims (8)

1.一种距离测量方法，应用于距离测量系统中，其特征在于，包括以下步骤：

(a)令发射端发出第一光束及第二光束，其中该第一光束朝目标物行进；

(b)藉由切换机制设定切换顺序；

(c)设置接收端依切换顺序接收由该目标物所反射的该第一光束，并相应地提供第一电信号，且接收该第二光束，并相应地提供第二电信号；以及，

(d)利用控制端接收该第一电信号与该第二电信号，并依据该第一电信号与该第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统与该目标物之间的距离值；

其中该切换机制是依据该控制端所发出的第一切换指令，电性地控制该发射端的第一光发射组件及第二光发射组件依切换顺序发出该第一光束及该第二光束。

2.如权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，步骤(a)更包括：藉由信号发生端依据该控制端所发出的驱动指令，提供第一频率信号及第二频率信号，其中，该接收端接收该第二频率信号，并分别与该第一光束进行混频以产生该第一电信号，及与该第二光束进行混频以产生该第二电信号。

3.如权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，该切换机制还依据该控制端所发出的第二切换指令，机械式地控制该接收端依切换顺序接收该第一光束及该第二光束。

4.一种距离测量系统，其特征在于，包括：

发射模块，分别发出第一光束及第二光束，其中该第一光束朝向目标物行进；

接收模块，接收由该目标物所反射的该第一光束并转换为相应的第一电信号，且接收该第二光束并转换为相应的第二电信号；

切换单元，控制该接收模块依切换顺序接收该第一光束及该第二光束；以及

控制模块，接收该接收模块所输出的该第一电信号与该第二电信号，并依据该第一电信号与该第二电信号之间的相位差值，计算出该距离测量系统与该目标物间的距离值；

其中该切换单元包括电子开关，依据该控制模块的第一切换指令，控制该发射模块的第一光发射组件及第二光发射组件依切换顺序发出该第一光束或该第二光束。

5.如权利要求4所述的距离测量系统，其特征在于，更包括信号产生模块，依据该控制模块所发出的驱动指令，提供第一频率信号及第二频率信号。

6.如权利要求5所述的距离测量系统，其特征在于，该第二频率信号是藉由该接收模块的光接收组件，分别与该该第一光束进行混频以产生第一电信号，及与该第二光束进行混频以产生该第二电信号。

7.如权利要求4所述的距离测量系统，其特征在于，该切换单元还包括机械开关，依据该控制模块的第二切换指令，控制该光接收组件依切换顺序接收该第一光束及该第二光束。

8.如权利要求4所述的距离测量系统，其特征在于，该控制模块包括模数转换器，用于分别对该第一电信号及该第二电信号进行模拟数字转换后，相应产生第一数字信号及第二数字信号；该控制模块还包括鉴相器，用于比较出该第一、第二数字信号间的该相位差值。

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