CN1466692A - 在测距装置中信号检测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在测距装置中的信号检测装置，包含至少一个光电接收机(4)，其检测经过调制频率(M)高频调制的电磁辐射(L、R)并且转换为高频电信号(HF)，以及包含一个把由光电接收机(4)提供的高频电信号(HF)转变为低频测量信号(NF)的设备(5)，该低频信号传递给后接的信号处理单元(8)。把由光电接收(4)提供的高频电信号(HF)转变为低频测量信号(NF)的设备(5)包含至少一个开关(51、52)、由一个控制频率(F)控制开关的开关频率，该控制频率稍微比调制频率(M)大或小低频测量信号的数值。高频操作的开关(51、52)与一个后接的电容器(53；54)连接，互阻抗放大器(55、56)连接在该电容器上，在互阻抗放大器的输出端上当运行时存在低频的测量信号(NF)。也描述了驱动具备如此信号接收设备的测距装置的方法。

Description

在测距装置中信号检测的装置和方法
本发明涉及一个测距装置、特别涉及根据独立权利要求1的前序部分和独立权利要求13的前序部分、在测距装置中信号检测的装置和方法。
从现技术状况中已经十分了解这种形式的测距装置。该测距装置具有几十米的测距范围并且常常作为手提式装置形成。其主要在建筑测量中或在内部结构中例如用于房间的三维测量。测距装置的另外应用范围是大地测量和工业测量。以已知装置测距的基本原理基于估算由设备发射并且由一个测定目标反射的电磁辐射参数的时间变化。为此测距装置具备一个用于发射强度调制辐射的发射器。在手提式装置的情况下对此特别涉及在可见光波长频谱内的光辐射，以便简化测量点的定位。定位的测量目标反射或者散射光辐射并且由一个在装置中安装的接收机记录光辐射。从接收的已调制辐射与由发射器发射的辐射相比的时间延迟中得出到测量目标的距离。
作为检测器在已知的测距装置中通常使用PIN光电二极管或雪崩光电二极管用于把从测量目标反射或散射的辐射转变为电信号。基于相位测量原理确定距离的测距装置是很常用的。在如此装置中电接收信号直接在雪崩光电二极管上或在前置放大器之后与控制频率叠加为一个低频测量信号。在该低频信号上确定相位并且与参考信号的相位比较。低频测量信号的测量相位与参考信号相位的差是测量目标距离的标准。
从DE-A-196 43 287中公开了校准测距装置的方法和装置。特别说明，象在使用雪崩光电二极管的情况下一样可以产生稳定的参考频率，以便因此在不同环境影响和装置决定的影响下也可以保证测量精度。雪崩光电二极管与另外已知的光电二极管、例如PIN二极管相比具有大约100倍增益并且因此具有相当大的灵敏度。为了达到这样高的增益，其在工作中需要明确的较高工作电压，该增益显著依赖于雪崩光电二极管的工作温度。工作电压作为偏压置于雪崩光电二极管上并且此外光电二极管与光电二极管特别不同。在一个多级、高度专业化的半导体变化过程生产雪崩光电二极管。电路元件的附加集成还进一步使生产过程复杂化并且还进一步提高了本来已经很高的雪崩光电二极管费用，通过该附加集成稳定所需要的偏压并且偏压降低到适当的高度。所需要的高偏压和增高的电流消耗特别对于以电池组或蓄电池驱动的便携手提式装置表明是不利的。较多数目的传统电池要求较大的并且因此不轻便的外壳。此外这种电池驱动的装置的使用就绪是比较短的。特殊电池组和蓄电池的应用同样对手提式装置的尺寸和便携性产生影响并且此外反映出增高的价格。
因此本发明的任务是，产生一个测距装置，其具有较低的电流消耗。该装置的外壳可以保持较小，因此特别在手提式装置的情况下保证便携性。对此该装置的生产费用可以保持较低。
通过在测距装置中信号检测的装置和方法解决该任务，其具有在各自独立装置或者方法权利要求的特征部分中列表的装置或者方法特征。在各自独立的装置或者方法权利要求中记录了根据本发明装置或者根据本发明方法的优选实施变体和/或改进。在测距装置中信号检测的装置特别包含至少一个光电接收机，其检测通过调制频率高频调制的电磁辐射并转换为高频电信号，并且具有一个把由光电接收机提供的高频电信号转变为低频测量信号的设备，该低频信号可以传递给后面连接的信号处理单元。根据本发明用于把由光电接收机提供的高频电信号转变为低频测量信号的设备包含至少一个开关，由控制频率控制该开关的开关频率，该控制频率比调制频率大或小低频测量信号的频率。高频可操作的开关与后接的电容器连接，互阻抗放大器连接在该电容器上，在工作中在互阻抗放大器的输出端上存在低频测量信号。
在根据本发明的电路布置中光电接收机的输出端直接置于开关上。高频电信号通过同样高频开关输送到电容器上。开关的开关频率稍微大于或小于发射电磁辐射的调制频率。互阻抗放大器耦合在电容上，在电容器上收集的电荷引到该放大器上。如此电容上的电压实际上几乎保持恒定。在互阻抗放大器的输出端上存在一个低频测量信号，以通常方式在后接的信号处理单元中估算该测量信号。可高频驱动的开关代替现技术状况的设备已知的、相对复杂的混频器，在该混频器中由光电接收机提供的高频电信号与控制频率叠加，以便从高频信号中产生低频测量信号。通过施加的控制频率如此驱动开关，即高频信号的相同半波始终连接在电容器上。电容器把接通的电荷低频传递给互阻抗放大器。与已知的解决方案不同因此不必(前置)放大高频电信号。这有重要的优点，与已知的解决方案不同互阻抗放大器不必具有几百兆赫兹的带宽，这在仅仅几千欧姆的互阻抗中产生作用。与此相反在根据本发明的解决方案互阻抗放大器对于几千赫兹的低频信号足够。以该解决方案可以实现直到103的互阻抗。应该考虑，在中等环境亮度的情况下在测距装置中测量信号的前置放大器刚好是噪声突出的，当然信噪比的可实现改善是容易理解的。在使用的互阻抗放大器中反馈电阻的热噪声是决定性的。在互阻抗放大器输出端上的信号电平随着反馈电阻线性升高；可是在输出端上的噪声仅仅随着反馈电阻的平方根正比升高。通过根据本发明的电路布置可使用的、具有比较小带宽的互阻抗放大器刚好具有特别高的的反馈电阻并且因此导致信噪比的明显改善。通过这种方式也能够以简单的PIN光电二极管达到这样的信噪比，其与在应用雪崩光电二极管情况下的信噪比一致。而避免了雪崩二极管的已知缺点。
对于信号电平的改善表明这样的优点，在双结构中预先规定通过高频控制频率控制的开关、后接的电容器和互阻抗开关的顺序布置。可以以该控制频率交替接通这二个开关。由此在光电接收机的输出端上累加高频电信号的二个半波并且分别供给互阻抗放大器。二个互阻抗放大器的输出端与二个相反的、合并低频测量信号的差值放大器的输入端连接。通过这种措施还可以进一步改善信噪比。
根据本发明的电路布置为在半导体元件上集成信号检测装置提供前提条件。对此若干集成级是可能的。在任何情况下高阻开关作为场效应晶体管形成是适当的。对此主要使用C-MOS工艺的集成半导体元件。以该工艺实现的传输门具有所需要的高开关速度并且特点是低的电流消耗和小的供电电压。在比较先进的集成级中电容和后接的互阻抗放大器布置在集成半导体元件上。通过由此产生的、特别是高频信号的信号路径降低也降低了辐射。甚至能够在半导体元件上集成用于产生控制频率的电路布置，以便在装置中通过独立引入高频信号路径避免干扰影响。集成电路布置的低功率消耗对于测距装置的电池组或蓄电池驱动表明是有益的。此外在工作中产生较低的余热，这允许元件的较大封装密度并且对手提式装置的尺寸产生有益作用。
这种测距装置基于相位测量原理。对此表明这样的优点，对于参考信号路径所必需的接收电路具有类似于测量信号路径的结构并且同样布置在集成的半导体元件上。通过在同一个半导体元件上的集成布置完美地解决了校准问题。测量信号和参考信号的接收电路最佳热耦合并且具有在传统制造方式中可实现的对称。
在另一个集成级中也可以在半导体元件上集成测量辐射的光电接收机并且也许集成参考光束的独立光电接收机。根据本发明的电路布置和C-MOS工艺应用允许没有较大困难地实施这种集成步骤。通过接收机布置的进一步集成可以获得较大的封装密度并且可以减小手提式装置的尺寸。
光电接收机的集成形成提供非常简单的可能性，即其主表面分段形成。例如光电接收机可以具备至少二个、主要是三个或多个、彼此独立可激活的接收部分。通过这种结构措施可以考虑这种情况，即在从大距离到较小距离转变时在光电接收机的主表面上落下的测量光斑变大并且在其位置内移动。这是测距装置的输入光学系统的连续成像特性。通过光电接收机主表面的分段可以弥补这种效果，并且可以放弃复杂并易错的光学附件。
在已知的测距装置中运行复杂，因此精密校准光学元件和光电接收机。光电接收机的集成形成提供这种可能性，预先规定辅助校准。为此在光电接收机主表面的二个彼此垂直相邻分布的边缘附近分别布置一个集成形成的辅助光电二极管。以简单后接的检测电子元件该辅助光电二极管提供简单的校准可能性。
测量光束的光电接收机和也许参考光束的另一个光电接收机在半导体元件上的集成形成特别提供这种简单的可能性，在集成部件中预先规定一个滤光器。对此集成部件再度有较大优点，即测量光束和参考光束的光电接收机的滤光器由于生产方法的同一性具有相同特性。
由测距装置发射的电磁辐射的调制频率对于控制频率是决定性的，该控制频率驱动根据本发明的开关。由于达到特别好的信噪比，所以大于100MHz的控制频率表明是有益的。
按照相位测量原理的测距装置、该装置具备根据本发明的信号检测装置、特征是简化的结构。该装置具有较低的功率消耗并且可以以较低的供电电压驱动。这对于手提式装置是特别有益的，这种手提式装置通过根据本发明的部件也可以具有较小的外壳。
下面参考在图中示意描述的实施例详细阐述本发明。
图1-3指出了具备根据本发明装置的测距装置的不同实施变体的方框图；
图4指出了根据本发明装置的变体的示意描述；
图5指出了光电接收机的变体的示意描述。
在图1-3中描述了测距装置的不同变体，该测距装置具备根据本发明的信号检测装置。在描述中相同的部件和元件分别具有相同参考符号。根据图1的测距装置拥有一个激光源1，其主要发射可见的激光束。由一个光束分离器11把已发射的并且由平行光管2校直的激光束分为测量光束S和参考光束R。例如半透明的反射镜用作光速分离器11。测量辐射S到达测量目标，应当测量该测量目标与测距装置的间隔。由光学接收器件3收集由测量目标反射或散射的辐射L并且传递到测量接收机4上。例如一个PIN光电二极管用作测量接收机4。由偏转镜12偏转并且由光学件13收集参考辐射R并且传递给参考接收机14上。参考接收机14有益地与测量辐射L的接收机14结构相同。参考辐射R通过的、从光束分离器11到参考接收机14的路段形成对于确定相位差所必需的参考距离。
高频调制频率M调制到由激光源1辐射的光束上，由频率合成器9产生该调制频率。通过高频调制频率M在接收机4上和在参考接收机14上分别产生高频电测量信号HFL、HFR，这二个测量信号处在根据本发明形成的、信号检测装置的输入端上，装置在图1中具有参考符号5或者15。频率合成器9也产生类似高频的控制频率F，其经过连接线供给二个信号检测装置5、15，并且对于二个装置5、15给出时钟。在信号检测装置5、15中、下面还要详细传输这二个装置、高频输入信号HFL、HFR改变为低频的测量信号NFL、或者校准信号NFR。
处于二个根据本发明的信号检测装置5、15的输出端上的低频测量信号NFL或者校准信号NFR经过模拟开关17顺序供给低频滤波器6，在该滤波器中滤出剩余的高频信号部分。在该滤波器中例如涉及反混叠滤波器。滤出并放大的测量信号或者校准信号NFL或者NFR在一个模/数转换器7中数字化并且在数字信号处理设备8中关于其相位进行估算。从相位中反推出测量目标的距离，其作为信号0传递给输出单元。有益地如此选择控制频率F，即F＝(n×M)±NF。控制频率因此是调制频率M的整数倍增加或减少了低频信号NF的值。对此n大于0。
在图2中阐述的测距装置的实施例很大程度上与根据图1阐述的装置一致。主要区别在于，电路结构和元件布置允许，同时检测并估算参考光束和由目标散射或反射的光束L。特别是当测量信号NFL或者校准信号NFR在其在模/数转换器7中数字化之后在数据信号处理设备8中关于相位差进行估算之前，处于根据本发明的信号检测装置5、15的输出端上的低频测量信号NFL或者校准信号NFR分别供给特别布置的低频滤波器6或者16，以便从中确定目标的检索间隔0。在该实施变体中可以放弃在测量光路径和参考光路径之间的模拟转换开关。
最后图3指出了关于对于测量光或者参考光检测所必需部件简化形成的测距装置的简图。在该装置变体中同样的光电测量接收机4用于顺序检测并转换由目标散射或散射的辐射L和参考光束R。为此在测量光程S和在参考光程R中在光束分离器11后面布置遮光板18和19，通过电机20驱动这二个遮光板并且轮流封锁光程。通过这种方式或者由目标散射或者反射的辐射L或者参考辐射R到达光电测量接收机4上。在光电接收机4、例如PIN光电二极管的输出端上存在的、测量辐射或参考辐射的高频电信号、在图3中通过参考符号HFL/R表明、轮流馈入根据本发明的信号检测装置5中。通过在光程R、S中转变的遮光板18、19的频率确定转换周期。高频电信号HFL/R离开信号检测装置5轮流作为低频测量信号NFL/R，并且当其在模/数转换器7中数字化并在数字信号估算单元8中关于其相位差估算之后供给低频滤波器6。
图4示意指出了根据本发明的信号检测装置5的变体结构。处于光电接收机4的输出端上的高频电信号HF直接置于高频驱动的开关51上。以高频F驱动高频开关51，该控制高频仅仅与测量光束的高频调制稍微偏差，正如上面阐明的。对此控制频率有益地大于100MHz。高频电信号HF在控制频率F的时钟内传递到电容器53上，在该电容器上耦合一个互阻抗放大器55。处于电容器上的电荷被引到互阻抗放大器55上。对此电容器53上的电压几乎保持恒定。在互阻抗放大器55的输出端上由于仅仅稍微不同于测量辐射的调制频率的、高频开关51的开光速率而产生一个低频测量信号，以通常的方式进一步处理该测量信号，以便从相位中推断出目标的距离。由于仅仅稍微不同于调制频率的、高频开关的控制频率始终仅仅分别以正的或仅仅以负的、高频信号HF的半波对电容器充电。为了第二个负的或正的半波也用于信号估算，并行于第一开关电路布置一个由高频开关52、电容器54和互阻抗放大器56形成的开关电路。以控制频率F实现在二个开关电路之间的转换。由此通过第一个开关电路仅仅引领测量信号的正的半波并且通过第二开光电路仅仅引领测量信号的负的半波。处于二个互阻抗放大器55、56输出端上相反的低频测量信号在后接的差值放大器57中合并，并且作为公共的低频测量信号NF进一步处理。
根据本发明装置5的电路结构特别适合于不同集成度的各个半导体元件。特别以C-MOS工艺制造包括开关51、52、电容器53、54和互阻抗放大器55、56和可能的放大器57。对此光电接收机4可以外部存在或集成在元件上。举单个光电接收机4的例子阐述根据本发明的信号检测装置5。对于这个装置变体、在该变体中对于测量光路径和对于参考光路径预先规定单独的光电接收机(例如图1和图2)，信号检测装置分别集成存在于独立的半导体元件上。可是主要全部合成在一个唯一的半导体元件上。对此在一个唯一的半导体元件上也可以集成光电接收机、甚至于集成高频控制频率的发生器。
图5示意指出了在集成半导体结构中形成的光电接收机4。作为特点，光电接收机4具有一个分段的主范围。根据描述的实施例特别预先规定三个独特控制的主部分41、42、43。通过这三个部分41、42、43考虑接收光学元件的成像特性。这导致，在从远测量目标到近场测量的转变中在光电接收机上产生不同大小的光斑，其此外在原始光轴旁边移动、一般在远目标上校准该光轴。在图5中通过光斑L∞、LM和LN表明不同成像。目前尝试，通过在光电接收机4附近的特殊镜布置补偿成像误差。可是这一直有这样的缺点，干扰的环境光束被引到光电接收机。通过光电接收机4的主范围的分段形成有针对性地可以仅仅激活这个范围，测量光落到该范围上，而不激活光电接收机4的其余范围，在该范围上也许落下干扰光。
光电接收机4的集成形成的另外优点在于，在集成半导体元件上可以预先规定辅助校准。这例如通过辅助光电二极管进行，其布置在光电接收机4的主表面的二个彼此垂直分布侧面的附近。正如在按照图5的实施例描述的，辅助光电二极管44、45布置在检测远目标部分41的附近。在校准光轴时辅助光电二极管在出现校准光束时给出一个信号并且因此表明人或装置校准，在那个方向上光电接收机4的所需位置改变。集成光电接收机的这个实施变体对于自动的安装设备特别提供较大的优点。光电接收机4的集成形成也提供简单的可能性，即在元件上集成滤光器。例如从数字彩色摄像机的CCD(电荷耦合器件)摄像元件中已知如此布置并且也用在电影摄像机中。

Claims (15)

1.在测距装置中的信号检测装置，包含至少一个光电接收机(4、14)，其检测经过调制频率(M)高频调制的电磁辐射(L、R)并且转换为高频电信号(HFL、HFR)，并且包含一个把由光电接收机(4、14)提供的高频电信号(HFL、HFR)转变为低频测量信号(NFL、NFR)的设备，该低频测量信号传递给后接的信号处理单元(8)用于估算，其特征在于，适用于由光电接收机(4)提供的高频电信号(HFL、HFR)的转变设备包含一个开关(51、52)、由一个控制频率(F)控制开关的开关频率，该控制频率稍微大于或小于调制频率(M)，并且包含一个后接的电容器(53；54)，其与互阻抗放大器(55、56)连接，在其输出端上当运行时存在低频的测量信号(NFL、NFR)。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，在双结构中存在通过高频控制开关(F)控制的开关、后接的电容器和互阻抗放大器的顺序布置，并且可以轮流接通，其中二个互阻抗放大器(55、56)的输出端与合并二个相反的低频测量信号的放大器(57)的输入端连接。
3.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，开关(51、52)作为场效应晶体管形成并且主要作为C-MOS工艺的集成半导体元件存在。
4.按照权利要求3的装置，其特征在于，电容器(53、54)和后接的互阻抗放大器(55、56)和可能的合并二个相反测量信号的放大器(57)布置在集成的半导体元件上。
5.按照权利要求3或4的装置，其特征在于，对于参考信号路径必需的接收电路具有一个类似于测量信号路径的结构并且同样布置在集成的半导体元件上。
6.按照权利要求4或5的装置，其特征在于，测量辐射(L)的光电接收机(4)和可能的参考辐射(R)的特别光电接收机(14)集成在半导体元件上。
7.按照权利要求6的装置，其特征在于，测量辐射(L)的光电接收机(4)具有一个分段的主表面，并且拥有至少二个、主要是三个或多个、彼此独立可激活的接收部分(41、42、43)。
8.按照权利要求6或7的装置，其特征在于，在测量辐射(L)的光电接收机(4)主表面的二个彼此垂直临近分布的边缘附近分别布置至少一个集成形成的辅助光电二极管(44、45)。
9.按照权利要求6-8之一的装置，其特征在于，测量辐射(L)的集成光电接收机(4)和可能的参考辐射(R)的光电接收机(14)具备在半导体元件上集成的滤光器。
10.按照上述权利要求之一的装置，其特征在于，测量辐射的光电接收机和可能的参考辐射的光电接收机形成为PIN光电二极管。
11.按照上述权利要求之一的装置，其特征在于，控制频率(F)大于100MHz。
12.按照相位测量原理的测距装置，具有一个发射机(1)用于发射光辐射(S)、一个适合于由测量目标反射或散射的测量光辐射(L)的光学接收元件(3)、连接在光学接收元件(3)后面的光电接收机(4)用于把光辐射(L)转换为电测量信号(HFL)以及用于把测量信号与参考信号比较并且用于关于信号的相位检查的信号处理设备(8)，以便从中确定测量目标的间隔(0)并且结果供应用者支配，其特征在于根据上述权利要求之一的信号检测装置(5、15)。
13.测距装置中的信号检测方法，在该测距装置中以光电接收机(4)检测经过调制频率(M)高频调制的、由测定目标散射或散射的电磁辐射(L)并且该辐射转换为高频电信号(HF)，其被进一步传递给转变为低频测量信号(NF)的设备，最后在后接的信号处理单元(8)中估算该低频测量信号。其特征在于，处于光电接收机(4)输出端上的高频电信号(HF)直接置于一个开关(51、52)上，由控制频率(F)控制其开关频率，选择该控制频率比电磁辐射(S)的调制频率(M)大或小低频测量信号的频率值，并且高频电信号通过开关(51、52)供给电容器(53、54)，该电容器与互阻抗放大器(55、56)连接，在输出端上当运行时存在低频测量信号。
14.按照权利要求13的方法，其特征在于，在光电检测器(4)的输出段上存在的高频电信号(HF)置于高频可转换的双路开关(51、52)上，如此以控制频率(F)驱动开关，即高频信号(HF)的半波供给后接的电容器(53)和与电容器连接互阻抗放大器(55)并且相反的半波供给第二电容器(54)和与其连接的第二互阻抗放大器(56)，其中在合并的低频测量信号(NF)传递给信号处理单元(8)进一步估算之前，处于二个互阻抗放大器(55、56)输出端上的低频测量信号被供给合并二个相反的低频测量信号的差值放大器(57)的输入端。
15.按照权利要求13或14的方法，其特征在于，以大于100MHz的控制频率驱动开关。
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