用于确定距离的测距设备和方法

专利名称：用于确定距离的测距设备和方法
用于确定距离的测距设备和方法
现有技术
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的测距设备.本发明此
外涉及一种按照权利要求9的前序部分的用于确定距离的方法.
根据EP 0 932 835 B2已知一种测距设备，所述测距设备具有用 于产生测量信号的激光二极管和用于接收测量信号的光电二极管。为 了对测距设备进行校准，由激光二极管所产生的测量信号经由参考路 段被偏转并且被对准参考二极管，通过将由测量对象反射的且由光电 二极管接收的测量信号与直接由参考二极管接收的测量信号进行比 较，可以确定关于测量对象的距离信息，
发明优点
在测距设备方面，本发明涉及一种具有用于产生发射信号的发射单 元的测距设备，所述发射信号具有至少一个为检测距离信息所期望的 测量频率.
建议所述发射单元包括用于产生评价信号的装置，所述评价信号 具有为评价距离信息所期望的评价频率，通过在发射单元内产生评价 信号，所述评价信号可以与发射信号在其所产生的状态下处于特別紧 密的联系。所述评价信号例如可以具有特征值，例如发射信号在其所 产生的状态下的频率、幅度、相位，由此可以有利地将所述评价信号 用作参考信号。在此，通过将携带距离信息的、由测量对象反射的且 作为接收信号由测距设备所接收的发射信号与所述评价信号相比较， 可以实现对所述距离信息的评价(Auswertung).尤其，如果所述评 价信号与发射信号的相位角值(Phaseiilage)在其所产生的状态下存 在固定的关系，则可以将所迷接收信号的相位角值简单地与所述评价 信号的相位角值相比较.可替代地或附近地，可以从所述评价信号与 所述接收信号的比较中直接地检测所述发射信号的传播时间 (Laufzeit〉。此外，可以有利地实施对所述距离信息的评价，而无 需另外地匹配评价信号的频率。如果所述评价信号被构造为参考信号， 可以附加地避免参考信号经由参考路段的发送、通过所述发射单元外部的接收单元(例如通过参考二极管)对所述参考信号的接收、以 及参考信号的可能的电子处理.由此可以有利地避免相应的部件和结
构空间.
此外建议所述装置被构造为用于混合用于产生所迷发射信号的产 生信号的混合单元.由此，例如如果所述产生信号具有相互偏差所期 望的低频信号频率的两个频率，则由此可以简单地在混合所述产生信 号时获得低频信号，如果所述评价信号被构造为混合所述产生信号的 混合结果，则可以简单地实现所述评价信号与发射信号在其所产生的 状态下的有利的紧密关系，诸如所述评价信号与发射信号在其所产的 生状态下的锁相耦合.分別具有至少一个频率的多个产生信号可以被 叠加到电信号中，所述电信号将所述产生信号传输到所述发射信号的 产生位置.在混合时，所述产生信号可以彼此相乘。可替代地或附加 地，所述产生信号可以彼此相加.如果在产生所述发射信号时发射信 号特征值(例如强度、频率和Z或相位)由所述产生信号关于特性曲线 来调制，并且所述产生信号在特性曲线的非线性处被混合，那么例如 可以实现所述产生信号的相乘.
在这方面另外建议所述发射单元具有用于发送所述发射信号的发 射装置，并且所述发射装置被构造为混合单元.由此可以避免用于混 合所述产生信号的附加的电子组件并且避免相应的结构空间，所迷发 射装置可以优选地被设置用于发射可见光束.特别地，所述发射装置 被实施为激光二极管.可替代地，可以设想将所述发射装置构造用于 发射其他电磁辐射，诸如红外线辐射、雷达辐射等，或者用于发射超 声波.在此，所述产生信号可以被构造为用于调制由所述发射装置所 发出的辐射的调制信号.
在另一实施变型方案中，所述测距设备具有相位輛合单元，所述相
位耦合单元被设置用于通过调节所述产生信号将所述评价信号与参考
信号锁相地耦合.通过将所述评价信号耦合到参考信号，可以实现特
别稳定的评价信号.附加地，通过调节所述产生信号可以实现所述发 射信号与所述参考信号的锁相连接.在此，所述参考信号例如在其频
率和其相位角值方面有利地被预先给定，由此可以通过将携带距离信
息的接收信号与所述参考信号相比较来评价所述距离信息.所述相位
耦合单元可以有利地由PLL电路构造，其中所迷评价信号和参考信号被提供到所述PLL电路.用于生成所述产生信号的VCO电路可以优选 地被放置在PLL电路的输出端之后，所述VCO电路根据参考信号与评 价信号之间的相位差别来调节所述产生信号的频率。PLL电路("锁相 环(Phase Loacked Loop)"或者"相位限制环路")以及VCO电路 ("压控振荡器(Voltage Controlled Oszillator)"或者"电压频 率转换器")在电子学中是充分已知的.PLL电路比较两个信号的相位 角值并且输出依赖于相位角值的电压.VCO电路产生具有依赖于输入到 VCO电路中的电压的频率的信号.因此，通过组合PLL电路和VCO电路 可以实现电路装置，利用所迷电路装置可以使由VCO电路所产生的输 出频率以高的精度与基频相适应.
有利地，所述评价信号是低频信号.由此可以将成本低的电子组件 应用于借助所述评价信号来评价距离信息，和/或应用于在发射单元中 产生(例如检测)评价信号。携带距离信息的接收信号(优选是高频 信号)例如在其被测距设备接收之后优选自动地被转换成低频信号. 为了评价距离信息，于是可以直接将所述评价信号与所迷低频信号相 比较。在这方面，"低频信号"应理解为具有在允许通过现有的电于 组件来以电子方式处理信号的频率范围内的频率的信号.特别地，应 理解为具有处于500Hz和lOOkHz之间的频率的信号.此外"高频信号" 尤其应理解为具有处于500kHz和lGHz之间的频率的信号，
本发明的另 一扩展方案规定所述发射单元包括用于发送所述发射 信号的发射装置和用于监视所迷发射装置的监控器单元，并且所述监 控器单元被构造为用于接收所述评价信号的接收羊元。由此可以取消 用于接收所述评价信号的附加的接收装置、例如光电二极管.如果所 述评价信号通过在发射装置内的混合被产生并且由发射装置至少暂时 地与所述发射信号一起被发送，则所述评价信号可以在短的路段之后 在所述发射单元内被检测。为此，所述监控器单元由监控器二极管来 构成，所述监控器二极管被设置用于监视由发射装置所产生的辐射。
携带距离信息的接收信号(优选是高频信号)有利地在其被测距设 备接收之后自动地被转换成具有所述评价频率的低频信号，以便例如 通过与所述评价信号的比较来实施对距离信息的评价.如果所述评价 信号当在发射装置自身中混合时由发射装置发送，则由发射装置所产 生的发射信号可以自身包括具有评价频率的低频分量，因此，在测量对象上被反射的且作为接收信号被接收的发射信号也包含具有评价频 率的低频分量。由此可能发生所述低频信号与该低频分量的不期望的 叠加，因为两者都具有评价频率.如果所述发射单元具有用于发送所 述发射信号的发射装置和用于控制所述发射装置的控制单元，其中所 述控制单元被设置用于反向控制具有评价频率的发射信号的发送，则 在发送所述发射信号时可以有利地抑制低频分量。
在这方面此外建议所述测距设备包括在所述控制单元与所述发射 装置之间的电连接，所述电连接具有用于检测所述评价信号的检测位 置.如果所述发射信号中具有评价频率的低频分量通过对所述发射装 置的匹配控制而被抑制，则具有评价频率的相应控制信号有利地作为 评价信号在所述检测位置处被检测.
在方法方面，本发明涉及一种用于借助发射信号确定距离的方法， 其中所述发射信号由发射装置发送并且所述发射信号借助两个产生信 号来产生。建议所述产生信号被混合并且通过混合来产生评价信号. 由此，所述评价信号与发射信号在其所产生的状态下处于特别紧密的 联系.如果所述评价信号被构造为参考信号，则附加地可以避免'.参 考信号经由参考路段的发送、通过发射单元外的接收单元(例如参考 二极管)对所述参考信号的接收、以及所述参考信号的可能的电子处 理.由此可以有利地避免相应的部件和结构空间。例如如果所述产生
信号具有相互偏差所期望低频信号的频率的两个频率，则可以简单地 在混合所述产生信号时实现低频信号.所述产生信号可以被构造为用 于调制由所述发射装置所发射的辐射的调制信号.在混合时，所述产 生信号可以彼此相乘.可替代地或附加地，所述产生信号可以彼此相 加.如果在产生所述发射信号时发射信号特征量(例如强度、频率和/ 或相位)由所述产生信号关于特性曲线来调制并且所述产生信号在特 性曲线的非线性处被混合，则例如可以实现所述产生信号的相乘。所 述产生信号有利地被提供到所述发射装置的输入端并且所述混合可以 在发射装置自身中予以实施。
此外建议所述评价信号至少暂时地由所述发射装置发送并且由用 于监视发射装置的监控器单元接收.当在所述发射装置中产生发射信 号时，在评价信号与发射信号之间的相移可以有利地被均衡，因为所 述评价信号与所述发射信号一起由所述发射装置发送.通过将所述监控器单元用于接收所述评价信号，可以避免附加的接收装置.
在一个实施变型方案中，所述评价信号作为用于控制所述发射装置 的控制信号被提供到发射装置。由此可以抑制通过所述发射装置对所 述评价信号的发送，特别地，可以有利地抑制在所述发射信号中具有 评价信号的频率的、对距离信息的评价进行干扰的分量.


由下面的

得到其他优点.在附图中示出了本发明的实施 例。附图、说明书和权利要求书包含组合方式的大量特征.对于技术 人员而言所述特征有利地也被单独考察并且被组合成有意义的其他组 合.
图l示出了具有发射单元、接收单元和计算单元的测距设备，
图2示出了图l的测距设备的电路，所述电路具有发射单元、接收 单元、计算单元和用于产生评价信号的装置，并且
图3示出了图1的测距设备的可替代电路，所述可替代电路具有相 位耦合单元.
实施例说明
图1示出了作为激光测距设备10所实施的测距设备.不持续地保 持直流电压值的每个信号在下面被认为具有频率f.在此，该信号可以 是正弦形的、长方形的、脉冲形的、高斯形的等等或者仅仅针对有限 的时间是正弦形的、长方形的、脉冲形的等等.当然也可以设想信号 的另外的时间曲线.除了基本振荡频率f还可以出现其他频率、即所 谓的谐振，对此的理论根据数学是已知的并且在这里将不予以详细阐 述.
所述激光测距设备IO具有外壳12、用于接通和关断激光測距设备 IO并且用于启动或者配置测量过程的操作元件14、以及显示器16。在 外壳12内的支撑元件18上是用于产生光束的发射单元20，所述光束 在激光测距设备10工作中经由发射光学系统22被发射.由远距离的 测量对象24 (图2)的表面所反射的光束经由接收光学系统26被接收 单元28接收.根据在计算单元30中在所发射的光束与所接收的光束 之间的相位比较，可以确定光传播时间并且经由光速来确定所寻求的间距.
固2以示意图的方式示出了激光测距设备10的内部电路，在所述 内部电路中可以识别出发射单元20、接收单元28和计算单元30.
为了产生光束，发射单元20配备有被构造为激光二极管的发射装 置32.在激光测距设备10工作中，该发射装置由控制单元34控制， 所述控制单元34经由电连接36与该发射装置32相连接，通过控制单 元34，光束频谦中的确定的幅度可以针对确定的应用被匹配.例如频 谦中的确定的幅度可以被控制单元34放大或抑制.为了监视由发射装 置32所发射的光束，发射羊元20此外配备有被构造为监控器二极管 的监控器单元38,所述监控器单元又经由电连接40与控制单元34相 连接.如果由发射装置32发射的光束与为应用所期望的形式不一致， 那么控制单元34可以相应地改变光束.
由发射装置32所发射的光束自动地由发射信号42幅度调制.为了 产生发射信号42，两个产生信号44、 46被提供到发射装置32，所述 发射装置在所考察的实施例中并且如在下面的说明中所述的那样被构 造为混合单元.所述产生信号44、 46由振荡器单元48输出并且具有 测量频率L和f2,振荡器单元48具有用于生成所述产生信号44、 46 以及另一混合信号56 (见下)的振荡器和用于控制调制的控制电路。 这些内部組件并未示出.在此，所述发射装置32承受输入电压V，所 述输入电压V由具有测量频率f,和f:的两个电压V,和l之和形成.根 据输入电压V，在发射装置32中所发出的光束的强度具有非线性特性 曲线，所述特性曲线在这里为了清楚起见通过二次曲线 I (V)-I。+IJ+I^来近似，如果所述输入电压V由电压￥1和V2之和来替 换，则所述强度I由测量频率f,、"的以及从所述产生信号44、 46的 相乘中所产生的频率的信号来调制.产生信号44、 46的这种相乘得自 于特性曲线中的二次项.特别地，频率f,f,-"通过产生信号44、 46 相乘在发射装置32中被产生并且在光束中被发射。所述测量频率^ 和f2两者都是高频.所述振荡器单元48经由电连接49被计算单元30 控制.
由测量对象24所反射的光束当然同样由测量频率L和fz的高频信 号来调制，所述高频信号称为接收信号50.所述接收信号50在光束接 收时与处于其所产生的状态下的发射信号42相比具有相移，所述相移与光束从其产生至其接收的传播时间成比例.所述接收信号50由接收 单元28的光电二极管52接收.为了对接收信号50的相位角值进行电 子分析，从高频接收信号50中产生信号54，所述信号54具有为电子 分析相移所匹配的低频.为此，接收信号50与混合频率为L的由振荡 器单元48输出的混合信号56相混合。振荡器单元48包括在图中未示 出的相位耦合单元，所述相位耦合单元使所述产生信号44、 46相互间 并且与所述混合信号56锁相地辆合.所述混合在接收单元28中进行，
在所考察的实施例中，所述混合在被构造为雪崩光电二极管的光电二 极管52中进行。这类雪崩光电二极管的结构和工作方式是已知的，使
得在本说明书的范闺内将不对此详细探讨，可替代地，在光电二极管 52之外、例如在接收单元28的混合单元中可以实现接收单元28中的 混合.由混合所产生的具有频率f广f3的低频信号被提供到所述接收单 元28的NF滤波器57 (低频滤波器)和放大器58，并且作为低频信号 54离开所述接收羊元28,该低频信号54接着被输入到计算单元30中 用以分析其相位角值.可选地，所述混合信号56可以在接收单元28 内被检测并且经由电连接59被提供到所述发射单元20.所述混合信号 56例如可以直接地被耦合输入到发射装置32中.由此可以均衡在将混 合信号56与所述接收信号50相混合时所产生的未知的相移.
振荡器单元48包括在图中未示出的相位耦合单元，所迷相位耦合 单元使所述产生信号44、 46相互间并且与所述混合信号56锁相地
(phasenstarr )辆合。
为了能够从低频信号54的相位角值中确定与光传播时间成比例的 相移，应将另一信号输入到所述计算单元30中，所述另一信号与发射 信号42在其所产生的状态下锁相地耦合.为此，在所考察的实施例中
(如在以下说明中阐述的那样)，所述发射装置32被实施为用于产生 评价信号62的装置60.为此，在被构造为混合单元的发射装置32中 混合所述产生信号44、 46时所产生的、频率"-f广f2的信号被用作评 价信号62,其中频率f,f广f2被称为评价频率fA.测量频率f,和f2如 此被选择，使得所述评价信号62具有为评价低频信号54的相位角值 所匹配的评价频率f"在所考察的实施例中，测量频率L和f2如此被 选择，使得所述评价信号62是低频信号.为此，频率f,和f2相互偏差 小的频率.此外，所述评价信号62与处于其所产生的状态下的发射信号42处于固定的关系，因为所迷评价信号62与所述发射信号42 —起 在发射装置32中被产生。所述评价信号62由监控器单元38接收并且 被转换成电信号，所述评价信号62以电气形式在电连接40的检测位 置64处被检测，在电子处理单元66中被处理，并且被输入到所述计 算单元30中用于评价所寻求的相移.可替代地或附加地，所述评价信 号62以电气形式在电连接36的检测位置68处被检测.
因为所述评价信号62在其与所迷发射信号42 —起发送之后通过 监控器单元38被接收，所以在发射信号42与评价信号62之间的不期 望的相移被均衡，所述相移在产生发射信号42时在发射装置32中产 生.可能导致未知的信号传播时间延迟的该不期望的相移尤其取决于 发射单元20的环境条件，诸如工作温度、湿度等，环境条件的这种影 响尤其可以与所述发射单元20的老化状况有关.由于小的频率"，在 监控器单元38中接收所述评价信号62时的另一相移可以被忽略，使 得在检测位置64处的评价信号62基本上与处于其所产生的状态下的 发射信号42同相(in Phase).
在这方面，在被构造为光电二极管的接收单元28中将所述接收信 号50与所述混合信号56相混合时同样也可能形成低频信号54的未知 的相移。为了均衡这种相移，实施两个相位分析，首先实施频率f,-f3 的低频信号54的相位分析，其次实施频率f广f3的另一低频信号70的 相位分析，所述频率f广f3的另一低频信号70同样由所述接收信号50 与所述混合信号56的混合而产生.由此可以消除未知的相移.这些相 位分析可以同时或者在时间上依次地进行，
在实施变型方案中，所述接收信号50与所述产生信号44、 46之一 相混合，其中例如f产fa.在这种情况下，从接收信号50与频率f,的 混合信号56的混合中所产生的低频信号54具有评价频率fjfi-f" 如所述发射信号42 —样，所述接收信号50包括具有评价频率G的低 频分量，因为所述评价信号62与所述发射信号42 —起在光束中被发 射.为了避免接收信号50的评价频率fA的低频分量与低频信号54的 不期望的叠加，在所考察的实施例中抑制具有评价频率fA的低频分量 的发射.这通过控制单元34来实现，所述控制单元34如此调节发射 装置32，使得光束中的该不期望的评价频率fA被反耦合 (entgegengekoppelt)。为此，作为控制信号的评价信号62被负向地提供到所述发射装置32用以反向控制不期望的评价频率fA.所述评 价信号62因此可以继续以电气形式在检测位置68处被检测，
图3示出了激光测距设备10的电路的可替代的实施形式，该实施 形式具有由PLL电路所构造的相位耦合单元72.该相位耦合羊元72包 括未示出的相位比较器，通过所述相位比较器，所述评价信号62的相 位角值与提供到PLL电路的参考信号72的相位角值相比较，并且经由 电连接74由所述计算单元30控制.PLL电路产生电压Vru，所述电压 Vpu依赖于在参考信号74与评价信号62之间的相位差'该电压Vm控 制图中未示出的VCO电路，其中所述VCO电路生成所述产生信号 46和所述混合信号56.借助于PLL电路和VCO电路，通过调节所述产 生信号44、 46，将所述评价信号62和所述发射信号42锁相地并且以 已知的相位角值相互与参考信号74相耦合。利用由未示出的振荡器所 产生的且其相位角值已知的参考信号74，可以从低频信号M的相位分 析中来确定接收信号50的相移并且接着确定所寻求的至测量对象" 的间距.可替代地，参考信号74可以由所述计算单元30生成.附图标记
10激光测距设备54信号
56混合信号
12外壳57NF滤波器
14搮作元件58放大器
16显示器59电连接
18支撑元件60装置
20发射单元62评价信号
22发射光学系统64检测位置
24测量对象66处理单元
26接收光学系统68检测位置
28接收单元70信号
30计算单元72相位耦合单元
32发射装置74参考信号
34控制单元76连接
36电连接t 1测量频率
48监控器单元f2测量频率
40电连接fA评价频率
42发射信号f3混合频率
44产生信号V输入电压
46产生信号V,电压
48振荡器单元v2电压
49连接VpL^电压
50接收信号I强度
52光电二极管
权利要求
1. 具有用于产生发射信号(42)的发射单元(20)的测距设备，所述发射信号(42)具有至少一个为检测距离信息所期望的测量频率(f1，f2)，其特征在于，所述发射单元(20)包括用于产生评价信号(62)的装置(60)，所述评价信号具有为评价距离信息所期望的评价频率(fA)。
2. 按照权利要求1的测距设备，其特征在于，所述装置(60)被 构造为用于混合用于产生所述发射信号(42)的产生信号(44, 46) 的混合单元.
3. 按照权利要求2的测距设备，其特征在于，所述发射单元(20) 具有用于发送所述发射信号(42)的发射装置(32)，并且所述发射 装置(32 )被构造为混合单元。
4. 按照权利要求2或3的测距设备，其特征在于，相位耦合单元 (72)，所述相位耦合单元(72)被设置用于通过调节所述产生信号 (44, 46 )将所述评价信号(62)与参考信号(74)锁相地耦合.
5，按照上述权利要求之一的测距设备，其特征在于，所述评价信 号(62)是低频信号。
6. 按照上述权利要求之一的测距设备，其特征在于，所迷发射单 元(20)包括用于发送所述发射信号(42)的发射装置(32)和用于 监视所述发射装置(32)的监控器单元(38)，并且所述监控器单元(38)被构造为用于接收所述评价信号(62)的接收单元.
7. 按照上述权利要求之一的测距设备，其特征在于，所述发射单 元(20 )具有用于发送所述发射信号(42 )的发射装置(32 )和用于 控制所述发射装置(32 )的控制单元(34 ),所述控制单元(34 )被 设置用于反向控制具有所述评价频率(fA)的发射信号(42)的发送，
8. 按照权利要求7的测距设备，其特征在于，在所述控制单元(34 ) 与所述发射装置(32)之间的电连接(36)，所述电连接(36)具有 用于检测所述评价信号(62)的检测位置(68).
9. 用于借助发射信号(42)确定距离的方法，其中所述发射信号 (42 )由发射装置(32 )发送并且所述发射信号(42 )借助两个产生信号(44， 46)产生，其特征在于，所述产生信号(44， 46)被混合， 并且通过混合来产生评价信号(62)。
10. 按照权利要求9的方法，其特征在于，所述评价信号(62) 至少暂时地由所述发射装置(32)发送并且由用于监视所述发射装置(32)的监控器单元(38)接收.
11. 按照权利要求9或10的方法，其特征在于，所述评价信号(62 ) 作为用于控制所述发射装置(32)的控制信号被提供到所述发射装置(32).
全文摘要
本发明涉及一种具有用于产生发射信号(42)的发射单元(20)的测距设备，所述发射信号(42)具有至少一个为检测距离信息所期望的测量频率(f₁，f₂)。建议，所述发射单元(20)包括用于产生评价信号(62)的装置(60)，所述评价信号具有为评价距离信息所期望的评价频率(f_A)。
文档编号G01S7/48GK101305296SQ200680042289
公开日2008年11月12日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月14日
发明者B·哈塞, J·斯蒂尔勒, K·伦茨, P·沃尔夫 申请人:罗伯特·博世有限公司