专利名称：具有方位量测的测距仪及其量测方法
技术领域：
本发明涉及一种测距仪，特别是提出一种同时兼具远距离测量及方位量测能力的测距仪。
背景技术：
在传统脉冲式雷射测距仪中，产生的电流噪声以时间轴来观察时，产生的位置约于7米～10米处，使得10米以下无法分辨出噪声干扰或真实讯号。为了解决这一问题，可利用单一比较器订定一个大讯号参考电压，该方法可将小讯号噪声干扰滤除，但相对的却会将远距离的小讯号一并过滤掉，造成远距离无法量测。请参考本公司已获准的专利案6466307，它是一种可以准确测量距离且不需要增加取样频率的激光测距仪，但在近距离与远距离测量时往往无法获得精确数据。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种具有方位量测功能的测距仪，同时兼具精确进行远、近距离测量与方位测量，以及适用于该测距仪的一种量测方法。
为达成上述目的，本发明提供的具有方位量测功能的测距仪，包括一个距离检测单元、一个方位量测单元以及一个处理器。距离检测单元又包括一个发射源，它用以对一目标物发射一束光束；一个接收器，是用以接收目标物反射回的光束，并输出对应的一个接收讯号；一个比较电路，具有一个参考电压，并且接收该接收讯号，用以判断接收讯号中是否有大于参考电压的脉冲；以及一个增益电路，用以接收来自接收器的接收讯号，放大且输出对应的一个增益讯号。本发明的特征是，有一个方位量测单元，是用于一个待测方位角，分别测得第一、第二磁感值。处理器是根据该脉冲或增益讯号求出目标物与测距仪之间的距离，并且根据第一、第二磁感值得知待测方位角的角度。
此外，本发明更提出一量测方法，适用上述具有方位量测功能的测距仪。首先，通过一个距离检测单元中的发射器，对一个目标物发射一束光束。接着，利用一个接收器接收目标物反射回的光束，并输出对应的接收讯号。然后，利用一个比较电路及一个参考电压，消除接收讯号中小于参考电压的脉冲，并判断接收讯号中是否有大于参考电压的一个脉冲。当接收讯号内有任何脉冲大于参考电压时，则将该脉冲输出至一个处理器进行运算处理，以求得目标物与测距仪间的距离。当该接收讯号内无任何脉冲大于参考电压时，则发射器再次对目标物发射一束光束，且利用一个接收器接收目标物反射的光束，从而获得另一个接收讯号。然后，通过一个增益电路增益该另一接收讯号，并输出至处理器进行运算处理，以求得目标物与测距仪间的距离。接着，通过一个方位量测单元，于一个待测方位角，分别量测得一个第一磁感值与一个第二磁感值。接下来，处理器根据第一、第二磁感值，求出待测方位角的角度。最后，将求出的目标物与测距仪之间的距离，以及待测方位角的角度，显示在一个显示单元上。
本发明的特征在于，利用比较电路量测近距离的目标物及利用增益电路量测远距离的目标物，并且利用方位量测单元，进行测距地点的方位角的量测。其中，根据信道选择电路选择性地将比较电路与一个处理器电性连接或将增益电路与该处理器电性连接。
本发明的优点在于，可量测距离从数米远至数千米远的目标物，同时进行测距地点的方位角量测。
图1表示本发明之量测方法的流程图。
图2表示本发明之量测方法的另一流程图。
图3是根据图1的方法流程，概要构成本发明的具有方位量测的测距仪的框图。
图4是根据图2的方法流程，概要构成本发明的另一具有方位量测的测距仪的框图。
图5概要显示了接收讯号通过比较电路的时序图。
图6概要显示了接收讯号通过增益电路的时序图。
图7概要显示了第图3中的信道选择电路的具体实施图式。
图8概要显示了接收讯号通过比较/增益组件的时序图。
图9概要显示了接收讯号通过比较/增益组件的时序图。
图10为具体实施图3所述的距离量测单元的电路。
图11表示本发明方位量测单元的示意图。
符号说明300距离量测单元；302发射源；304接收器；306比较电路；308增益电路；310信道选择电路；311模式切换电路；
313比较/增益组件；312比较模式；314增益模式；400处理器；500方位量测单元；Vfeedback反馈电压；Vref参考电压；D401光电传感器；AP放大电路；MS模式切换电路；U401比较/增益组件；Xm、Ym磁感组件；325、346、625、646突波；347、348、351、647、648、651方波；602、604、606、608与非门；616、O602、O604、O606、O608输出端；321、322、323、341、342、343、344、621、622、623、641、642、643、644讯号；324、326、349、345、350、624、626、649、645、650脉冲；610、612、614、I602a、I602b、I604a、I604b、I606a、I606b、I608a、I608b输入端。
具体实施例方式
根据图1所示的流程，首先，一信道选择电路设定执行比较电路，并将一个接收讯号与一个参考电压比较(步骤S102)。当参考电压稍大于发射源发射脉冲讯号时，同时产生的突波(spike noise)电压的电压；因此，突波将通过此比较电路消除。接着，发射源对目标物发射一束脉冲光束(步骤S104)，并且目标物反射回该脉冲光束。利用这一接收器，接收经由目标物反射的脉冲光束，并分别输出对应的接收讯号到比较电路及增益电路(步骤S106)。接着，比较电路判断该接收讯号的电压是否存在大于该参考电压的脉冲(步骤S108)。当该接收讯号存在大于参考电压的脉冲时，则该比较电路就会将大于参考电压的脉冲输出，并进一步利用一个处理器将其处理，以便计算出目标物与测距仪间的距离(步骤S110)。步骤S112，当接收讯号内无大于参考电压之脉冲时，则利用信道选择电路设定执行增益电路，并利用增益电路再次处理另一反射的脉冲光束，即以增益电路放大另一接收讯号；然后，输出放大后的接收讯号至上述处理器，以便计算出目标物与测距仪间的距离。接着，利用一个方位量测单元，于一待测方位角，分别量测得一第一、第二磁感值，并输出至处理器(步骤S114)。然后，步骤S116，处理器根据第一、第二磁感值，计算出该待测方位角的角度(即测距地点之方位角度)。最后，处理器将所求出的目标物与测距仪间的距离，与该待测方位角的角度，显示于一个显示单元上(S118)。
图2所示的流程图，首先，一个模式切换电路设定这一比较/增益组件执行比较模式，并将一个接收讯号与一个参考电压比较(步骤S202)。当参考电压稍大于发射源发射脉冲讯号时，同时产生的突波(spike noise)电压的电压；因此，突波将通过此比较/增益组件消除。接着，发射源对目标物发射一束脉冲光束(步骤S204)，并且目标物反射回该脉冲光束。利用这一接收器，接收经由目标物反射的脉冲光束并输出对应的接收讯号至比较/增益组件(步骤S206)。接着，判断该接收讯号的电压是否存在大于该参考电压之脉冲(步骤S208)。当该接收讯号存在大于参考电压的脉冲时，则该比较/增益组件将大于参考电压的脉冲输出，并进一步利用一处理器将其处理，以便计算出目标物与测距仪间的距离(步骤S210)。步骤S212，当接收讯号内无大于参考电压之脉冲时，则利用一模式切换电路将比较/增益组件切换到高增益放大模式，利用高增益放大模式再次处理另一反射的脉冲光束，即高增益放大模式放大接收的讯号。然后，输出放大后的接收讯号至上述处理器，以便计算出目标物与测距仪间的距离。接着，利用一个方位量测单元，于一待测方位角，分别量测得一第一、第二磁感值，并输出至处理器(步骤S224)。然后，处理器根据第一、第二磁感值，计算出该待测方位角之角度，即测距地点之方位角度(步骤S226)。最后，处理器将所求出的目标物与测距仪间的距离，与该待测方位角之角度，显示于一个显示单元上(S228)。
图3是根据图1的方法流程，概要构成本发明所述具有方位量测能力功能的测距仪的框图。如第图3所示，本发明的具有方位量测能力的测距仪100，包括一个距离检测单元300、一个处理器400以及一个方位仪500。距离检测单元300，是用以量测一目标物与测距仪100之间的距离，而方位量测单元500，是用以量测一待测方位角的角度。
在图3中，距离检测单元300包括一个发射源302、一个接收器304、一个比较电路306、一个增益电路308以及一个信道选择电路310。发射源302用以对目标物发射复数脉冲光束，并且目标物反射该等脉冲光束。接收器304用以接收目标物反射的脉冲光束并输出对应的接收讯号分别至比较电路306及增益电路308。在本发明中，发射源302所发出的脉冲光束可为激光束。
比较电路306具有一个参考电压Vref，当参考电压Vref稍大于发射源发射脉冲讯号时，同时产生的突波(spike noise)电压的电压；因此，突波将通过该比较电路消除。图5则概要显示了接收讯号通过比较电路的时序图。参考图5，讯号321是在时间T0驱动发射源302对于目标物发射的一束脉冲光束。在时间T0附近，接收讯号322具有一突波325；在时间T1，接收讯号322具有一个大于参考电压Vref的脉冲324。讯号323为接收讯号322经由比较电路306输出的图形。在比较电路306中，当距离30米内，小于参考电压Vref的脉冲将被消除；因此，讯号323已不具有突波325，只具有脉冲326。若目标物与测距装置之间的距离确实小于30米，则目标物反射的脉冲光束仍维持相当的能量强度；因此，经由接收器304输出的接收讯号322中，将具有一个大于参考电压Vref的目标脉冲324。
初始时，信道选择电路310与比较电路306导通，将比较电路306输出的讯号323传送至一处理器400处理，以判断时间Ta内目标物反射的脉冲光束是否经由接收器304接收并计算出目标物与测距仪100之间的距离。当信道选择电路310无讯号输出或处理器400无法计算出目标物的距离时，处理器400命令信道选择电路310与增益电路308导通。
增益电路308具有一个反馈电压Vfeedback，且该反馈电压Vfeedback是由增益电路308提供，且该反馈电压Vfeedback小于参考电压Vref。此外，增益电路308是以非线性放大通过增益电路308的脉冲。图5则概要显示了接收讯号通过增益电路的时序图。当目标物与测距仪100之间的距离大于30米时，脉冲光束在目标物与测距仪100之间的经过时间将大于时间Ta。参考第4b图，讯号341是在时间T0驱动发射源302对于目标物发射一脉冲光束。在时间T0附近，接收讯号342具有一突波346；及于时间T′1、T′2、T′3...，接收讯号342依序出现脉冲349、345、350...。接着，当接收讯号342通过增益电路308时，由于脉冲349的峰值小于反馈电压Vfeedback而被增益电路308消除，脉冲345与350及突波346皆通过增益电路308而非线性放大。增益讯号343系接收讯号342通过增益电路308而输出的波形；其中，方波348为突波346的放大、方波347为脉冲345的放大及方波351为脉冲350的放大，且方波347、348及351具有相同的峰值电压。增益讯号343接着经由信道选择电路310传递至处理器400处理，以便计算出目标物与测距仪100之间的距离。于本发明中，处理器400利用统计运算方式，将复数脉冲光束产生对应的增益讯号343累计，以便将目标物反射的脉冲光束与环境光束分辨出来。在统计运算时，处理器400将自动排除时间Ta之前产生的方波，如方波348，而对于讯号344执行统计运算。
图7概要显示了图3中的信道选择电路的具体实施图式。如图7所示，信道选择电路310包括了与非门(NAND gate)602、604、606及608，与非门602具有两个输入端I602a及I602b和一个输出端O602，输入端I602a耦接至第一通道输入端610，输入端I602b耦接至信道选择讯号输入端614。与非门604具有两个输入端I604a及I604b和一个输出端O604，两个输入端I604a及I604b都耦接至信道选择讯号输入端614。与非门606具有两个输入端I606a及I606b和一个输出端O606，输入端I606a耦接至第二通道输入端612，输入端I606b耦接至与非门604的输出端O604。与非门608具有两个输入端I608a及I608b和一个输出端O608，输入端I608a耦接至与非门602的输出端O602，输入端I608b耦接至与非门606的输出端O606，输出端O608为信道选择电路的输出端616。
第一通道输入端610耦接到增益电路308(参考图3)的输出端，第二通道输入端612耦接到比较电路306(参考图3)的输出端，并通过信道选择讯号输入端614的信道选择讯号，控制第一信道输入端610与增益电路308导通或者第二通道输入端612与比较电路306导通。信道选择电路的输出端616则与一处理器400连接，借着输出端O608输出的讯号计算距离。
在本发明中，方位量测单元500用以量测一待测方位角的角度。举例来说，如图11中所示，方位量测单元500经由两组正交设置之磁感组件Xm、Ym来感应地磁，其中磁感组件Xm平行于地面，作为X轴方位之量测，而磁感组件Ym则垂直于地面，作为Y轴方位之量测，并将感应到的信号输出至处理器400，处理器400便根据量测到的第一、第二磁感值，计算出该待测方位角的角度。最后，处理器400将所求出的目标物与测距仪100间之距离，与该待测方位角的角度(即测距地点之方位角度)，显示于一显示单元(未显示于图中)上。
图4是根据图2的方法流程，概要构成本发明的另一具有方位量测的测距仪的框图。如图4所示，距离量测单元300′包括一个发射源302、一个接收器304、一个模式切换电路311、一个比较/增益组件313。发射源302用以对目标物发射复数脉冲光束，并且目标物反射该等脉冲光束。接收器304用以接收目标物反射的脉冲光束并输出对应的接收讯号。
初始时，测距仪100预设目标物(图中未显示)和测距仪的距离在30米以内，模式切换电路311设定比较/增益组件313以比较模式312工作，并对于比较/增益组件313提供一参考电压Vref。因此，接收器304输出之接收讯号经由模式切换电路311传递至以比较模式312工作之比较/增益组件313。若比较模式312无法测量得目标物与测距仪100之间的距离时，模式切换电路311切换比较/增益组件313以增益模式314工作，并处理上述接收器304送入的接收讯号。
当比较模式312工作时，模式切换电路提供一参考电压Vref至该比较/增益组件313。参考电压Vref系稍大于发射源发射脉冲讯号时，同时产生的突波(spike noise)的电压；因此，突波将通过此比较/增益组件消除。图8则概要显示了接收讯号通过比较/增益组件的时序图。参考图8，讯号621是在时间T0驱动发射源302对于目标物发射一脉冲光束。在时间T0附近，接收讯号622具有一突波625；及当时间T1，接收讯号622具有一个大于参考电压Vref的脉冲624。讯号623是接收讯号622经由比较/增益组件313输出的图形。在比较模式312中，在距离30米内，小于参考电压Vref的脉冲将被消除；因此，讯号623已不具有突波625。若目标物与测距装置之间的距离确实小于30米，则目标物反射的脉冲光束仍维持相当的能量强度；因此，经由接收器304输出的接收讯号622中，将具有一大于参考电压Vref的目标脉冲624。
初始时，模式切换电路311系切换比较/增益组件313执行比较模式312，并将比较/增益组件313输出的讯号623传送至一处理器400处理，以判断时间Ta内目标物反射的脉冲光束是否藉由接收器304接收并计算出目标物与测距仪100之间的距离。当比较/增益组件313无讯号输出或处理器400无法获得目标物之距离时，处理器400命令模式切换电路311改变比较/增益组件313成为增益模式314。
在增益模式314下，比较/增益组件313具有一个反馈电压Vfeedback，且该反馈电压Vfeedback是从比较/增益组件313输出端再提供的电压，且该反馈电压Vfeedback小于参考电压Vref。此外，增益模式314是以非线性放大通过比较/增益组件313的脉冲。图9为概要显示接收讯号通过比较/增益组件的时序图。当目标物与测距仪之间的距离大于30米时，脉冲光束在目标物与测距仪之间的经过时间将大于时间Ta。参考图9，讯号641是在时间T0驱动发射源302对于目标物发射的一脉冲光束。在时间T0附近，接收讯号642具有一突波646；而在时间T′1、T′2、T′3...，接收讯号642依序出现脉冲649、645、650...。接着，当接收讯号642通过比较/增益组件313时，由于脉冲649之峰值小于反馈电压Vfeedback而被比较/增益组件313消除，脉冲645与650及突波646皆通过比较/增益组件313而非线性放大。增益讯号643为接收讯号642通过比较/增益组件313而输出的波形；其中，方波648为突波646的放大、方波647为脉冲645的放大，而方波651为脉冲650的放大，且方波647、648及651具有相同的峰值电压。增益讯号643接着传递至处理器400处理，以便计算出目标物与测距仪之间的距离。在本发明中，处理器400利用统计运算方式，将复数脉冲光束产生对应的增益讯号643累计，以便将目标物反射的脉冲光束与环境光束分辨出来。当统计运算时，处理器400将自动排除时间Ta之前产生的方波，如方波648，而对于讯号644执行统计运算。
图10为具体实施第图4的光讯号处理的电路。该电路包括一个光电检测器D401、一个放大电路AP、一个模式切换电路MS及一个比较/增益组件U401。光电检测器D401接收目标物反射的脉冲光束；并输出对应的接收讯号至放大电路AP。放大电路AP将该接收讯号放大后，再将放大的接收讯号输出至比较/增益组件U401。比较/增益组件U401经由一模式切换电路MS切换其工作模式。当比较/增益组件U401被切换至比较模式工作时，模式切换电路MS提供一参考电压Vref至该比较/增益组件U401的端点1；因此，在接收讯号中，小于参考电压Vref的脉冲将被消除，而仅输出高于参考电压Vref的峰值讯号。一般而言，模式切换电路MS初始便提供一参考电压至该比较/增益组件U401，而使比较/增益组件U401以比较模式工作。当接收讯号经由比较/增益组件U401处理而无讯号输出，或输出之峰值讯号再经由处理器处理后未获得目标物的距离时，模式切换电路MS将使比较/增益组件U401切换至增益模式工作；其中，模式切换电路MS不再提供参考电压Vref至端点1。于本发明中，当比较/增益组件U401改变以增益模式工作时，端点1改自比较/增益组件U401获得一反馈电压Vfeedback。因此，当增益模式工作时，部分接收讯号小于反馈电压的脉冲将被消除，且剩余的接收讯号将通过比较/增益组件U401非线性放大。
在本实施例中，同样地，方位量测单元500系通过两组正交设置之磁感组件Xm、Ym来感应地磁，其中磁感组件Xm平行于地面，作为X轴方位的量测，而磁感组件Ym则垂直于地面，作为Y轴方位的量测，并将感应到的信号输出至处理器400，处理器400便根据量测到的第一、第二磁感值，计算出该待测方位角的角度。最后，处理器400将所求出的目标物与测距仪间的距离，与该待测方位角的角度(即测距地点之方位角度)，显示于一显示单元(未显示于图中)上。
要注意的是，在上述的实施例中，以目标物和测距仪的距离在30米以内时，将测距仪订在近距离模式为例进行说明，但此距离是由测距仪所决定的，不同的测距仪可订定不同的距离。
因此，本发明具有方位量测能力之测距仪及其量测方法，并能达到兼俱远距离测量能力、近距离测量能力以及方位量测能力之目的。
权利要求
1.一种具有方位量测的测距仪，它有一个距离检测单元，该单元包括(A)一个用以对目标物发射出光束的发射源；(B)一个用以接收上述目标物反射之上述该光束，并输出对应之一接收讯号的接收器；(C)一个用以接收上述接收讯号并且以一个比较模式或一个增益模式处理上述接收讯号的比较/增益组件；(D)一个供选择性地切换上述比较/增益组件执行比较模式或增益模式模式切换电路，其中，当上述模式切换电路致使上述比较/增益组件执行上述比较模式时，上述模式切换电路提供上述比较/增益组件一参考电压，并且上述比较/增益组件判断上述接收讯号中是否有大于上述参考电压的一个脉冲；当上述模式切换电路致使上述比较/增益组件执行上述增益模式时，上述比较/增益组件产生一反馈电压，并且放大上述接收讯号而输出一个增益讯号；其特征在于该测距仪还有一个用以在一个待测方位角，分别测得一个第一磁感值与一个第二磁感值方位的量测单元，以及一个用以根据上述脉冲或上述增益讯号求出上述目标物与上述测距仪间之距离的处理器，并根据上述第一、第二磁感值得知上述待测方位角的角度。
2.一种适用于具有方位量测的测距仪的量测方法，包括下列步骤(A)通过一个距离检测单元，对一目标物发射一束光束；(B)接收上述目标物反射之上述光束，并产生对应的接收讯号，其中上述接收讯号具有至少一个脉冲；(C)利用一个参考电压消除上述接收讯号中小于上述参考电压的脉冲，并判断上述接收讯号中是否有大于一个参考电压的一个脉冲；(D)当上述接收讯号内有任何一个脉冲大于上述参考电压时，则将上述脉冲输出至一个处理器进行运算处理，以求得上述目标物与上述测距仪间之距离；(E)当上述接收讯号内无任何一个脉冲大于上述参考电压时，则重复步骤(A)与步骤(B)而获得另一接收讯号，且增益该另一个接收讯号并输出至上述处理器进行运算处理，以求得上述目标物与上述测距仪间的距离；其特征在于(F)通过一个方位量测单元，从一个待测方位角，分别量测得一个第一磁感值与一个第二磁感值；(G)上述处理器根据上述第一、第二磁感值，求出上述待测方位角的角度；以及(H)将求出的上述目标物与上述测距仪间的距离，以及上述待测方位角的角度，显示于一个显示单元上。
3.根据权利要求2所述的量测方法，在上述步骤(C)中，是指利用一个比较/增益组件执行比较模式，当比较模式下根据上述比较/增益组件消除小于上述参考电压的脉冲。
4.根据权利要求3所述的量测方法，其中于上述步骤(E)中，是指利用上述比较/增益组件执行增益模式，以便放大上述另一个接收讯号。
5.根据权利要求4所述的量测方法，在上述增益模式下，比较/增益组件以非线性方式放大上述另一个接收讯号。
6.根据权利要求5所述的量测方法，其中更包括使用一个模式切换电路，选择性地切换上述比较/增益组件为比较模式或增益模式。
7.根据权利要求2所述的量测方法，其中在步骤(C)中，指利用一个比较电路来消除小于上述参考电压的脉冲。
8.根据权利要求7所述的量测方法，其中在步骤(E)中，指利用一个增益电路增益上述另一个接收讯号。
9.根据权利要求8所述的量测方法，其中该增益电路是指以非线性方式放大另一个接收讯号。
10.根据权利要求8所述的量测方法，其中更包括使用一个信道选择电路，选择性地与比较电路导通或与增益电路导通。
11.根据权利要求1所述的具有方位量测之测距仪，包括一个信道选择电路，经由一个信道选择讯号选择性使上述比较电路与该处理器电性连接或使上述增益电路与该处理器电性连接。
全文摘要
一种具有方位量测的测距仪及其量测方法，包括一个距离检测单元、一个方位量测单元以及一个处理器。距离检测单元系包括一个对目标物发射光束的发射源；一个接收目标物反射并输出对应接收讯号的光束接收器；一个具有一参考电位，并接收该接收讯号，以判断接收讯号中是否有大于参考电位的脉冲比较电路；以及一个接收来自接收器的接收讯号，放大且输出对应的增益讯号的增益电路。方位量测单元用一个待测方位角，分别测得第一、第二磁感值。处理器根据该脉冲或增益讯号求出目标物与测距仪间的距离，并根据第一、第二磁感值得知待测方位角的角度。本发明可量测从数米至数千米远的目标物，并可进行方位角量测。
文档编号G01S17/00GK1700039SQ200410038270
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月19日 优先权日2004年5月19日
发明者黄瑞峰, 钟隆斌, 杨国华, 林艾玲 申请人:亚洲光学股份有限公司