专利名称：光电测距设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的光电测距方法，根据权利要求17的前序 部分的光电测距设备，以及根据权利要求11的前序部分的用于光电测距的接收电路。
背景技术：
从现有技术可以充分了解普通类型的光电测距设备。它们的测距范围是几十米， 并且常常是手持设备。它们主要用于建筑测量或者内部修饰，例如，用于房屋的三维测量。 测距设备的其它使用领域是测地和工业测量。利用已知的测距设备测距的基本原理基于对 由测距设备发且由所瞄准物体反射的电磁辐射的特性随时间的变化的评价。为此，测距设 备配备了用于发射强度可调制的辐射的发射机。手持设备主要采用可见波长频谱中的光辐 射，以便于测量点的瞄准。光辐射被所瞄准的物体反射，并由测距设备中安装的接收机检 测。根据所接收的辐射相比于发射机发射的辐射的时滞来得到与被测物体的距离。在已知的测距设备中，通常使用用于将所接收的由被测物体反射的辐射变换为电 信号的Pin光电二极管或雪崩光电二极管作为检测器。基于相位测量原理确定距离的测距 设备是非常普遍的。在这样的设备中，电接收信号直接叠加在雪崩光电二极管上，或者在预 放大之后与混合器频率叠加，以给出低频测量信号。对于该低频信号，确定其相位，并将此 相位与参考信号的相位进行比较。低频测量信号的测量相位和参考信号的相位之间的差值 是与被测物体的距离的量度。EP-B-O 738 899描述了用于可见光辐射的激光二极管的性能以及相关的测距精 度问题。为了改进测距的精度，EP-B-O 738 899提出了利用小于2纳秒的脉冲宽度来调制 所发射的激光辐射。该已知设备的调制频率在约50MHz的区域中。例如，在脉冲的脉冲宽 度为1纳秒而周期为20纳秒的情况下，在这些已知设备中需要约20毫瓦的脉冲功率，以便 实现通常能够确保足够的视觉确定度的1毫瓦的平均功率。还可以利用市场上销售的3毫 瓦激光器实现所提出类型的调制，而无需接受与连续3毫瓦工作相比增大的脉冲功率所导 致的激光器使用寿命方面的相对较大的牺牲。作为短脉冲和高脉冲功率的结果，实现了激 光辐射的短相干长度。这导致由被测瞄准物体的总体粗糙的表面反射的辐射的大致粒状强 度分布的降低。该粒状强度分布也被称为斑点，并且影响所能实现的测量精度。WO 02/16964描述了一种测距方法和设备，该方法和设备基于对由被测瞄准物体 反射的光测量辐射的相位测量。向被测物体发送由测量设备发射的经强度调制的光测量辐 射，被测物体反射的测量辐射的一部分被设置在测量设备中的接收机检测，并被转换为电 测量信号。然后，将该电测量信号与通过对经过已知参考距离的测量光分量进行检测和转 换而生成的参考信号进行比较，以便根据相位差来确定测量设备和被测物体之间的距离。 提出利用脉冲串调制发射测量辐射，仅在依赖于有效脉冲串时长的时间间隔期间评估接收 机的测量信号。有效脉冲串时间是存在脉冲串信号的时段，然而，在死时间(dead time)期间， 在作为发射机的激光器二极管处不存在信号。脉冲串和死时间序列的周期被称为脉冲串周期。脉冲串信号具有占空比，占空比的定义是有效脉冲串时间与脉冲串周期的百分比。 因此，脉冲串调制与脉冲调制的区别在于，在测量周期的整个时段上准连续地存在调制信 号。在脉冲串调制的情况下，另一方面，仅在测量周期的一部分期间存在调制信号，因此，仅 在有效脉冲串时间期间发射脉冲序列。根据上述定义，在脉冲调制的情况下，占空比总是 100%，而在脉冲串调制的情况下，该值总是小于100%。例如，可以通过利用方波调制的脉 冲串信号实现脉冲串调制。通过仅在有效脉冲串期间评估接收机的测量信号，可以提高信号/噪声比(S/N)。 可以通过最大平均输出功率为1毫瓦的激光器的简化示例来对此进行解释。如果代替在已 知设备的情况下发射的具有2. 5毫瓦峰值功率的测量辐射，发射峰值功率为25毫瓦、占空 比为10%的激光脉冲串，则再次得到1毫瓦的平均激光功率。由于仅在有效脉冲串时段期 间评估所接收的信号，所以得到相同的总信号，其中，如果对连续信号求和，该总信号将增 加。然而，由于在周期的90%期间不进行评估，所以噪声的90%也能够被抑制。在该简化 的示例中，这导致信号/噪声比(S/N)提高了 V (10)(即10的平方根)因子。可以原则上利用仅限于单个峰值的有效脉冲串时长来实现脉冲串调制。然而，便 利的是，将有效脉冲串时长选择为，使得所得到的占空比为约5%到约50%，优选地，为约 10% 到约 40%。对于脉冲串调制效应，具体地可以用大于IOOMHz的调制频率以及大于10毫瓦的 峰值功率来调制所发射的测量辐射。由于激光器跨跳具有相同脉冲宽度但具有更高峰值功 率的几种模式，所以在脉冲串调制的情况下，更高的激光器峰值功率还缩短了所发射的激 光辐射的相干长度。这对测量设备的精度具有有利的影响。此外，脉冲串调制还使得激光器功率的控制得到简化，并使得功率消耗降低。WO 02/16964中描述的测距设备具有发射脉冲串调制光辐射的发射机、用于由被 测物体反射的部分光测量辐射的接收光系统、位于接收光系统下游且用于将光辐射转换为 电测量信号的接收机、用于产生参考辐射(该参考辐射在经过已知的参考距离之后可被转 换为参考电信号)的设备、用于滤除噪声信号的滤波器装置、以及信号处理单元，特别是数 字信号处理单元，该信号处理单元用于针对测量信号和参考信号的相位位置对测量信号和 参考信号进行分析——以便根据其确定到被测物体的距离，并使得用户可以获得该结果。 发射机连接到频率合成器，利用该频率合成器，可以对所发射的光辐射施加基于脉冲串调 制原理的强度调制。在接收机端，电测量和参考信号的评估与有效脉冲串时间相关联。例如，可以利用分束器产生参考光辐射，参考光辐射在经过已知的参考距离之后， 被分立的参考接收机检测到，并被转换为参考电信号。然而，所发射的光测量辐射还可以周 期性地或者传送到被测物体，或者经过参考距离传送到接收机。例如，为此，可以提供偏向 镜，该偏向镜可以周期性地转动到光束路径。对于脉冲串调制，可以使用用于可见光辐射的半导体激光器二极管作为发射机， 所述可见光辐射的波长例如在从约630纳米到约650纳米的范围内。这样的半导体激光器 二极管可以以所需的平均输出功率进行操作，并且特别地可以提供所需的脉冲能量，而几 乎不会牺牲使用寿命。在WO 02/16964所述的方法中，电测量信号被高频混合器频率的连续或者脉冲串 式的叠加转换为低频信号，并且仅在有效脉冲串时间期间被滤波，或者被作为滤波器的互阻抗放大器转换为输出电压，这样，可以在信号处理单元中对该低频信号进行进一步处理， 以便根据相应相位位置确定到被测物体的距离。例如，混合器频率可以对应于脉冲串信号 的调制频率值士低频信号的频率值。例如，可以在模拟低频信号上实现噪声滤除，以及/ 或者在数字信号处理中将信号数字化之后来执行噪声滤除。根据WO 02/16964，有效脉冲串时间被有利地选作低频测量信号的约一个半周期。 为了使滤波器同步，需要有效脉冲串时间的前三分之一。随后，仅在随后的三分之二有效脉 冲串时间期间对信号求和，这对应于低频测量信号的完整周期。然而，滤波器同步所需的相对较长的时段被证明是不利的，这是因为，与脉冲串调 制原理的实际思想相反，还必须选择相对较长的有效脉冲串时间。脉冲串调制实际可实现 的优势，特别是与信号/噪声比(S/N)提高有关的优势，仅可由WO 02/16964所述的测距设 备在有限的范围内实现。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的接收电路，特别是关于信号/噪声比的改 进，该接收电路用于为发射根据脉冲串调制原理调制的测量辐射而形成的测距设备。本发明的另一目的是提供一种改进的光电测距方法和改进的光电测距设备。可以通过实现独立权利要求的特征部分特征来实现这些目的。在从属专利权利要 求中以另选的或者有利的方式描述了作为本发明的进一步发展的特征。根据本发明的光电测距方法基于对由被测物体反射的测量辐射的一部分进行相 位测量的原理。为此，在被测物体的方向上发射根据脉冲串调制原理调制的光测量辐射。以所谓的脉冲串方式来发射测量辐射。在各种情况中的确定了脉冲串宽度的有效 脉冲串时间期间，应用经调制的信号，从而以特定调制频率且以强度调制形式发射测量辐 射。另一方面，在死时间期间，即，脉冲串之间的各种情况中，不施加调制信号。脉冲串周期 被定义为有效脉冲串时间和死时间的时长，从而，例如，脉冲串周期给出了各种情况中两个 连续的脉冲串起始处之间的距离。被测物体反射的至少部分所发射的测量辐射被再次接收，并被转换为输入测量信号。按照以下方式实现与混合器频率的叠加，特别是与混合器频率的连续叠加，S卩，使 得输入测量信号的脉冲串脉冲基本上具有根据有效脉冲串时间确定的恒定宽度以及经调 制的幅度。按照以下方式来调制并叠加混合器信号，即，使得包络脉冲串脉冲的曲线，作为 低频包络曲线，是相对于测量辐射的调制频率具有低包络曲线频率的近似正弦曲线。然后，通过对测量信号的评估来确定与被测物体的距离，其中，根据输入测量信号 生成该测量信号，并为此目的将该测量信号与参考信号进行比较。具体地，将所生成的测量 信号就相位位置与参考信号进行比较，例如，可以通过对经过已知参考距离的测量辐射分 量进行检测和转换来生成参考信号。根据本发明，在生成测量信号时，在与有效脉冲串时间相关联的采样时间内，测量 信号在各种情况中的取值取决于输入测量信号，并且，在与死时间相关联的保持时间内，测 量信号在各种情况中保持恒定，大致为测量信号在第一周期的末端的各种情况中所具有的 值。具体地，为此可以在接收机端集成所谓的采样保持部件。
从现有技术可以充分了解普通的采样保持部件，采样保持部件也被称为采样保持 电路或部件(S&H)，或者跟踪保持电路或部件。采样保持部件的中心元件通常是为到来模拟 值执行存储功能的电容器。为此，采样保持部件一般具有电子开关，以确定采样阶段和保持 阶段。在开关处于开状态时，采样保持部件的输出信号对应于输入信号的值，而输出信 号在开关处于关状态时恒定保持为输出信号在关时刻的值。例如，根据本发明，采样保持部 件在所接收的测量辐射的有效脉冲串时间的开始的各种情况下可以打开，而在所接收的测 量辐射的死时间的开始的各种情况下可以关闭。取决于采样保持部件的带宽，可以根据采样保持部件的打开来设计由输入信号导 致的对电容器的充电处理，例如，对电容器的充电处理还影响采样保持部件的响应时间。该 响应时间应当被理解为采样保持部件打开之后直到电容器的电压在一定容限内对应于输 入电压的时间。例如，如果采样保持部件具有低带宽，确定输出信号的电容器电压在与有效 脉冲串时间相关联的采样时间期间仅略微接近到来脉冲串脉冲的值，然而，在非常高的带 宽的情况下，采样保持部件的电容器被完全充电为到来脉冲串的值。因此，根据本发明的测距方法并不必须仅在有效脉冲串时间期间利用低频包络曲 线对低频脉冲串脉冲进行滤波，通过叠加作为输入信号的混合器信号来生成低频包络曲 线，在打开滤波器或互阻抗放大器时会出现不希望发生的振荡过程，并且，暂态时段是必须 的。另一方面，可以通过互阻抗放大器连续放大利用叠加的混合器信号生成的脉冲串式输 入信号，并且对脉冲串式输入信号进行低通滤波，从而，相对于低包络曲线频率较高的调制 频率范围中的频率分量消失，并且，可以通过仅在有效脉冲串时间内滤波避免不期望发生 的振荡过程。此后，输入信号大致具有方形脉冲串脉冲，该脉冲串脉冲的宽度为有效脉冲串时 间——可以认为脉冲串分组在每种情况下近似是在有效脉冲串时间上的平均——并且具 有近似正弦变化的幅度。利用采样保持部件，可以将每个到来脉冲串的值保持得超出死时 间，从而得到信号放大效果。粗略地考虑，产生了具有低频包络曲线的变化的测量信号，可 以基于用于确定与被测物体的距离的相位测量原理来评估该测量信号的包络曲线，优选 地，利用带通滤波器或抗混频滤波器在评估之前对测量信号滤波，以便平滑测量信号，几乎 仅使得低包络曲线频率附近的频率通过。与从现有技术可以充分理解的接收电路相反，基于采样保持部件，可以在接收时 根据所反射的测量辐射直接生成测量信号，并且该测量信号具有与测量辐射相同的频率， 根据本发明，将光电二极管的直接接收测量信号与适当的混合器频率叠加，从而生成具有 低频包络曲线的低频脉冲串式的输入测量信号，其中，通过采样保持部件对输入测量信号 采样。根据本发明，采样或采样时间因此与脉冲串频率相关联，而不是像根据现有技术的光 电二极管信号的直接采样的情况一样与测量辐射的频率相关联。例如，在公开的美国2004/0135992A1中描述了根据现有技术的这样的已知接收 电路，例如，使用具有20MHz的相对低频的强度调制的测量辐射。与本发明相反，直接采 样并且评估光电二极管信号，其中，在接收所反射的测量辐射时生成该光电二极管信号， 并且该光电二极管信号具有与有效脉冲时间内的经调制测量辐射相同的频率(即，例如， 20MHz)。
以下参考附图中示意性示出的特定工作示例，仅作为示例，详细描述了根据本发 明的方法和根据本发明的设备，还讨论了本发明的其它优点。具体地说图1示出用于生成根据脉冲串调制原理调制的测量辐射的调制信号图；图2示出通过接收所反射的测量辐射部分而根据本发明生成的输入测量信号，其 中在接收和转换时将该输入测量信号与混合器信号叠加；图3示出作为采样保持部件输入信号而生成的输入测量信号，以及依赖于该输入 测量信号的采样保持部件输出信号；图4示出根据本发明用于具有采样保持部件的光电测距设备的接收电路的实施 方式；图5示出根据本发明用于具有采样保持部件的光电测距设备的接收电路的另一 实施方式；以及图6示出根据本发明的测距设备的实施方式。
具体实施例方式图1示出脉冲串调制信号图，以例示出发射光辐射的脉冲串调制的特征。将存在 具有特定调制频率的调制信号M的时长称为有效脉冲串时间tBurst_。n。另一方面，死时间 tBurst_off是不存在调制信号M的时长。有效脉冲串时间tBurst_。n和死时间tBuret_。ff构成的周 期被称为脉冲串周期tBuret，其中，
^Burst — ^Burst-on^^Burst-off °脉冲串信号的占空比被定义为有效脉冲串时长tBmst_。n与测量周期tBuret的百分 比。结果，脉冲串调制与脉冲调制的区别在于，调制信号在测量周期的整个时长上准连续地 存在。在脉冲串调制的情况下，另一方面，仅在脉冲串周期tBurst的一部分上存在调制信号 M。在有效脉冲串时间tBurst_。n期间，所发射的脉冲序列具有特别是2纳秒或更短的脉冲。图 1仅作为示例示出具有方波长度调制和选定调制频率(特别地高于100MHz)的调制信号Μ。 方波调制总体上可以得到降低的峰值功率。然而，根据从现有技术得知的所有脉冲调制方 法，还可以实现有效脉冲串时间tBuret_。n期间的调制。占空比特别是对可实现的信号/噪声比(S/N)改进的量度，例如可以被选择为约 5%到约50%，特别是约10%到约40%。图2示出的是例示了根据本发明生成的输入测量信号ES的图。在接收到由被测物体反射的且根据脉冲串调制原理调制的测量辐射的一部分时， 以及在将其转换为电信号时，按以下方式实现与混合器信号的叠加，即，使得依赖于所接收 的辐射的输入测量信号ES大致具有幅度以正弦方式变化并且宽度恒定的脉冲串脉冲。根 据有效脉冲串时间确定脉冲串脉冲的宽度。现在将包络脉冲串脉冲的曲线知称为LF包络曲线，该LF包络曲线大体上(即， 近似地)是具有低包络曲线频率的正弦曲线，其中该低包络曲线频率在0.5至500kHz的范 围内。仅作为示例，按以下方式来为根据本发明的测距方法选择脉冲串周期tBurst和低包 络曲线频率，即，使得由低包络曲线频率确定的LF包络曲线周期沁是脉冲串周期tBmst的 十六倍，从而使LF包络曲线周期包含十六个脉冲串脉冲。
由于脉冲串脉冲是入射测量辐射的强度的映射，所以脉冲串脉冲还包含测量辐射 的调制频率区域中的频率分量。例如，可以通过提供低通滤波的互阻抗放大器来滤除这些 分量，从而可以认为脉冲串分组在有效脉冲串时间tBuret_。n上被平均。因此，仅存在宽度为 ttost-。n、幅度为An的大致方波脉冲。根据以上示例描述的对LF包络曲线周期沁与脉冲串 周期Virst的比值的选择，LF包络曲线周期具有十六个这样的脉冲。它们的相应幅度An构 成正弦式LF包络曲线Hlf的内插节点，其中，例如可以用An = AMean+A · sin (η · (2 π /16)) 来描述Αη。图3示出作为采样保持部件的输入信号而生成的输入测量信号ES，以及根据该输 入测量信号ES而生成的采样保持部件的输出信号MS。图3a所示的输入测量信号ES具有 由此得到的LF包络曲线H…而图3b中所示的输入测量信号ES则不具有包络曲线。在与有效脉冲串时间tBurst_。n相关联的采样时段的各种情况中，尤其在所接收的测 量辐射的有效脉冲串时间tBurst_。n期间，采样保持部件的输出信号MS的取值依赖于输入测 量信号的脉冲串脉冲。具体而言，由于采样保持部件的信号值存储装置的充电过程，其中， 信号值存储装置具体是电容器的形式，输出信号MS以指数方式逼近脉冲串脉冲的幅度。取 决于采样保持部件的设计，例如，取决于采样保持部件的带宽的选择，确定输出信号MS的 电容器电压仅略微逼近第一时段期间(即，采样时间期间)的到来脉冲串脉冲的值，或者， 采样保持部件的电容器被完全充电为到来脉冲串的值。具体而言，可以将采样保持部件设计为，使得输出信号MS的值基本上近似对应于 仅处于采样时间末端的脉冲串脉冲的幅度值。另选地，还可以将采样保持部件设计为，使得 输出信号MS的值略低于第一时段末端的脉冲串脉冲的幅度。在与死时间关联的保持时间的各种情况下，通过信号值存储装置，具体而言，通过 电容器形式的信号值存储装置，保持采样保持部件的输出信号MS基本上恒定为输出信号 MS在采样时间末端的各种情况下所具有的值。应当注意，一般而言，在保持时间内总会发生具体地由采样保持部件的电容器处 的放电电流确定的保持漂移，从而通常不能保持该值完全恒定。另一方面，术语“保持恒定” 应当被理解为意味着将该值保持在惯常的保持漂移之内。然后，通过带通方式对采样保持部件的输出信号MS进行滤波，这样仅允许低包络 曲线频率区域中的频率通过，并且表示基于相位原理对测量信号进行评估。例如，可以通过模数转换器将测量信号数字化，并通过信号处理单元就相位位置 将测量信号与参考信号相比较，以便确定被测物体的距离。图4示出根据本发明的用于光电测距设备的接收电路2，该光电测距设备被形成 为发射根据脉冲串调制原理调制的测量辐射。接收电路2具有接收机5，该接收机5用于将由被测物体反射的且根据脉冲串调制 原理调制的测量辐射23的至少一部分转换为电输入测量信号ES。例如，可以将雪崩光电二 极管(APD)用作为接收机5，该雪崩光电二极管经由串联电阻器被施加作为混合器电压的 调制偏置电压，为此，接收电路具有对应的用于施加经调制的混合器电压的装置6。可以按这种方式调制混合器电压，S卩，使得作为所接收的测量辐射的函数而生成 的APD电流具有和输入测量信号ES—样大体上宽度恒定(该恒定的宽度由有效脉冲串时 间确定)的脉冲串脉冲，并具有经调制的幅度，并且，根据图2，具有包络脉冲串脉冲的曲线，即LF包络曲线知，该曲线大致以低包络曲线频率呈正弦方式变化。作为输入测量信号ES生成的APD电流仍然在调制频率的区域中具有频率分量，可 以通过用作低通滤波器的互阻抗放大器7滤除这些频率分量，该互阻抗放大器7连接在接 收机和采样保持部件10之间，并将APD电流转换为输出电压。然后，仅存在宽度为tBuret_。n的大体上为方波的电压脉冲，该电压脉冲具有正弦变 化的幅度。根据本发明，互阻抗放大器7的输出电压表示经滤波的APD输入测量信号ES，该输 出电压被采样保持部件10转换为采样保持部件输出电压，作为测量信号MS，其中，可以认 为互阻抗放大器的输出电压是采样保持部件的输入电压。为此，采样保持部件10可以具有用于固定采样时间和保持时间的电子开关12、用 于在保持时间内维持电压值的电容器11、以及主要用于设计采样保持部件10的带宽的充 电电阻器13，其中，该充电电阻器例如影响响应时间。在电容器11处施加的电压是采样保 持部件的输出电压，该电压表示将要进行评估以便确定与被测物体的距离的测量信号MS。根据本发明，采样保持部件10的采样时间与有效脉冲串时间相关联，并且保持时 间与所接收的测量辐射23的死时间相关联。具体而言，可以选择采样时间等于有效脉冲串 时间，并选择保持时间等于死时间。然后，开关12在有效脉冲串时间内关闭，从而电容器电 压在各种情况下被到来脉冲串脉冲改变，并在死时间期间打开。在死时间期间，电容器电压 基本恒定保持为开关12打开时出现的电压值。然而，另选地，也可以选择保持时间比死时间稍长，而采样时间相应地比有效脉冲 串时间稍短，从而各种情况中的保持时间与所接收的测量辐射的前导和/或尾随有效脉冲 串时间略微交叠。因此，在此变化中，在整个有效脉冲串时间内的各种情况中不对输入测量 信号ES采样。仅作为示例，对于20%的占空比，例如，可以选择采样时间为有效脉冲串时间 的0. 8倍，相应地，选择保持时间为死时间的1. 05倍，这样，保持时间与前导及尾随的有效 脉冲串时间略微交叠。具体而言，可以选择采样保持部件10的响应时间近似等于或者稍长于采样时间。 在前一种情况中，电容器11被完全充电或放电为例如采样时间末端处的到来脉冲串的值， 从而在采样时间末端出的电容器电压近似对应于采样保持部件输入电压。在采样保持部件 10的一种设计中，响应时间持续得稍长于采样时间，电容器11在各种情况中都不会完全充 电或放电为到来脉冲串的值。具体而言，仅在低包络曲线频率附近具有通过频率的带通滤波器8，特别是抗频混 滤波器，连接到采样保持部件10的下游电路，从而平滑作为测量信号MS存在的采样保持部 件输出信号。可以利用模数转换器9将经过带通滤波的测量信号gMS数字化。此后，例如，可以 通过对应的信号处理软件实现对测量信号的评估，以便确定与被测物体的距离。可以如下考虑在采样保持部件10的电容器11处出现的噪声电压在有效脉冲串 时间Vffst,内，开关12关闭，噪声具有利用低通滤波器滤波的输入噪声的形式。在开关12 被打开之后，电压保持为有效脉冲串时间的最后值。在保持时间内，恒定的脉冲作为噪声出 现。该脉冲的高度是期望值为零的随机过程。由于位于模数转换器9之前的带通滤波器仅允许低包络曲线频率附近的频率通过，仅在低包络曲线频率附近对保持时间内出现的过程的噪声功率密度感兴趣。例如，本领域技术人员可以根据关于集成了接收电路2的测距设备的要求，进行 接收电路2的规范和优化，例如，进行采样保持部件10的带宽的优化选择。图5示出根据本发明的接收电路2的另一实施方式。与图4所示的输入测量信 号(ES)经由二极管与混合器频率叠加的接收电路相比，图5所示的接收电路具有频率合成 器，该频率合成器连接在高频互阻抗放大器7之后，以便对输入测量信号(ES)的脉冲串脉 冲幅度进行调制。图6示出根据本发明的光电测距设备1，该光电测距设备包括发射机3，该发射机 3在被测物体33的方向上发射根据脉冲串调制原理调制的光测量辐射21，其中，脉冲串周 期包括有效脉冲串时间和死时间。此外，测距设备1具有图4所示的接收电路2，以及信号 处理单元4，信号处理单元4通过根据相位测量原理相对于参考信号来评估测量信号，以确
定距罔。作为发射机3的激光源在被测物体33的方向上发射以脉冲串的形式调制的光测 量辐射21，其中，被测物体33与测距设备1的距离是有待测量的。通过分束器，将一小部分 测量辐射分流成参考辐射22。接收光系统收集由被测物体反射的测量辐射23的至少一部 分，并将所述至少一部分测量辐射23发送给接收机5，其中，如上所述，接收机5连接到经过 调制的混合器电压。参考辐射22经由偏向镜传递到参考接收机32上。参考辐射22所覆 盖的从分束器到参考接收机32的距离是已知的参考距离。例如，通过施加于发射机3的调制信号实现对光测量辐射的脉冲串调制，并且例 如可由频率合成器31生成调制信号。如对图4的描述中所解释的，作为所接收的测量辐射23的映射，接收机5生成的 输入测量信号被转换为测量信号，随后由接收电路2数字化。为此，接收电路2具有施加装 置6，该施加装置6尤其连续地向接收机5、接收机5本身、阻抗放大器7、根据本发明的采样 保持部件10、通过频率在低包络曲线频率附近的区域中的带通滤波器8以及模数转换器9 施加经过调制的混合器电压。接着，信号处理单元4相对于由参考接收机32生成的参考信号来评估经过数字化 的测量信号，由此确定与被测物体的期望距离。根据本发明的测距设备1特别地可以形成为手持设备的形式。作为图6所示的实施方式(其中，一小部分测量辐射23被分流成参考辐射22，并 且根据参考辐射22生成参考信号)的另选方式，根据现有技术可以知道，还可以直接使用 发射机3处存在的调制信号作为参考信号，以对所生成的测量信号进行评估或校正。例如， 可以直接向信号处理单元4提供发射机3处存在的调制信号作为参考信号，从而相对于该 参考信号评估根据本发明生成的测量信号，由此确定与被测物体的期望距离。当然，这里示意性示出的附图仅作为可能的有效示例。例如，可以根据从现有技术 得知的其它实施方式来构成采样保持部件，例如，将采样保持部件集成到模数转换器中。另 外或另选地，还可以可选地为参考接收机配备根据本发明具有采样保持部件的接收电路。
权利要求
一种根据相位测量原理的光电测距方法，该光电测距方法包括以下步骤在被测物体(33)的方向上发射根据脉冲串调制原理调制的光测量辐射(21)，其中，脉冲串周期(tBurst)包括有效脉冲串时间(tBurst on)和死时间(tBurst off)，接收由被测物体(33)反射的测量辐射(23)中的至少一部分测量辐射，并将所述至少一部分测量辐射转换为输入测量信号(ES)，以及通过评估根据所述输入测量信号(ES)生成的测量信号(MS，gMS)来确定与被测物体(33)的距离，其特征在于，在接收和转换时，按以下方式实现与混合器信号的叠加，特别是与混合器信号的连续叠加，即，使得所述输入测量信号(ES)的脉冲串脉冲大致具有根据有效脉冲串时间(tBurst on)确定的恒定宽度和经过调制的幅度，并且，包络所述脉冲串脉冲的曲线，作为LF包络曲线(HLF)，以低包络曲线频率近似正弦地变化，并且其中，在与所述有效脉冲串时间(tBurst on)相关联的采样时间期间的各种情况下，所述测量信号(MS，gMS)的取值依赖于所述输入测量信号(ES)，而在与所述死时间(tBurst off)相关联的保持时间期间的各种情况下，所述测量信号(MS，gMS)基本被保持为所述测量信号(MS，gMS)在所述采样时间的末端处的各种情况下所具有的值。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征在于，通过低通滤波器对所述输入测量信 号(ES)滤波，从而滤除了调制频率附近的频率范围中的频率分量，其中，在所述有效脉冲 串时间(Vffst,)期间利用所述调制频率来调制所述测量辐射(21)。
3.根据权利要求1或2所述的测距方法，其特征在于，所述测量信号(MS，gMS)的取值 依赖于在所述采样时间期间所述脉冲串脉冲的幅度。
4.根据权利要求3所述的测距方法，其特征在于，在所述采样时间期间，所述测量信号 (MS, gMS)以指数方式逼近所述脉冲串脉冲的幅度，特别是使得所述测量信号(MS，gMS)的 值基本上对应于所述脉冲串脉冲仅在所述采样时间的末端处的幅度值，或者略低于所述脉 冲串脉冲在所述采样时间的末端处的幅度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测距方法，其特征在于，在所述评估之前利用带 通滤波器(8)对所述测量信号(MS，gMS)进行滤波，其中所述带通滤波器(8)基本上仅允许 所述低包络曲线频率附近的频率通过。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测距方法，其特征在于在所述有效脉冲串时间(tBurst_。n)期间以大于IOOMHz的调制频率对所述测量辐射(21) 进行调制，并且按照所述低包络曲线频率在0. 5到500kHz之间的范围内的方式，实现与所述混合器频率的叠加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测距方法，其特征在于，选择所述脉冲串周期 (tBurst)和所述低包络曲线频率，以使得所述LF包络曲线周期是所述脉冲串周期(tBmst)的 十六倍。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测距方法，其特征在于，由所述有效脉冲串时间(Vffst-J与所述脉冲串周期(tBuret)的比值定义的占空比被实现为约5%至约50%，特别地 被实现为约10%至约40%。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测距方法，其特征在于，相对于参考信号实现对 所述测量信号(MS，gMS)关于相位位置的评估，其中通过对所述测量辐射的经过已知参考 距离的分量(22)进行检测和转换来生成所述参考信号。
10.一种用于光电测距设备(1)的接收电路(2)，该接收电路包括接收机(5)，其用于将由被测物体(33)反射的且根据脉冲串调制原理调制的光测量辐 射(21)中的至少一部分(23)转换为电输入测量信号(ES)，其中，脉冲串周期(tBuret)包括 有效脉冲串时间(tBurst-on )和死时间(tBurst-off^ ‘所述接收电路(2)被构成为用于根据所述输入测量信号(ES)生成测量信号(MS，gMS)， 该测量信号(MS，gMS)适于根据相位测量原理进行评估，其特征在于，该接收电路还包括施加装置(6)，其用于向所述接收机(5)施加、特别是连续施加经过调制的混合器电 压，以使得所述输入测量信号(ES)的脉冲串脉冲大致具有根据有效脉冲串时间(tBuret_。n) 确定的恒定宽度和经过调制的幅度，并且，包络所述脉冲串脉冲的曲线，作为LF包络曲线 (Hlf)，以低包络曲线频率近似正弦地变化，和采样保持部件(10)，该采样保持部件(10)具有与所述有效脉冲串时间(tBuret_。n)相关 联的采样时间以及与所述死时间(tBuret_。ff)相关联的保持时间。
11.根据权利要求10所述的接收电路(2)，其特征在于，该接收电路(2)还包括带通滤 波器(8)，该带通滤波器(8)连接到所述采样保持部件(10)的下游电路，并且该带通滤波器 (8)的通过频率在所述低包络曲线频率附近的范围内。
12.根据权利要求10或11所述的接收电路(2)，其特征在于，所述接收电路(2)具有 互阻抗放大器(7)，该互阻抗放大器(7)连接在所述接收机(5)和所述采样保持部件(10) 之间，并且被形成为用于低通滤波，以滤除调制频率附近的频率范围中的输入测量信号 (ES)的频率分量，其中在所述有效脉冲串时间期间利用所述调制频率来调制所述测量辐射 (21)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的接收电路(2)，其特征在于，所述采样保持 部件(10)的响应时间被选择为大约等于或稍长于所述采样时间。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的接收电路(2)，其特征在于，所述采样保持 部件(10)至少具有开关(12)，其用于确定所述采样时间和所述保持时间，电容器(11)，其用于在所述保持时间期间保持信号值恒定，以及充电电阻器(13)，其用于主要针对响应时间来设计所述采样保持部件(10)。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的接收电路(2)，其特征在于，所述采样保持 部件(10)被形成为用于对通过与所述混合器频率叠加而生成的且由所述LF包络曲线(Hj 包络的所述输入测量信号(ES)进行采样，其中所述LF包络曲线(Hj具有相对于所述测量 辐射(21)的所述调制频率较低的频率。
16.一种光电测距设备(1)，其特别地具有手持设备的形式，该光电测距设备(1)包括发射机(3)，其在被测物体(33)的方向上发射根据脉冲串调制原理调制的光测量辐射 (21)，其中脉冲串周期(tBuret)包括有效脉冲串时间(tBuret_。n)和死时间(tBurst_。ff)， 根据权利要求10至15中任一项所述的接收电路(2)，以及信号处理单元(4)，其用于通过根据相位测量原理评估测量信号(MS，gMS)来确定距 离，特别地，针对所述测量辐射的分量(22)沿着已知的参考距离通向为生成参考信号而构 成的参考接收机来提供参考路径，并且，所述信号处理单元(4)针对相对于所述参考信号 的相位位置来评估所述测量信号(MS，gMS)。
全文摘要
本发明涉及一种根据相位测量原理的光电测距方法，该方法包括以下步骤发射根据脉冲串调制原理调制的光测量辐射，使得脉冲串周期包括有效脉冲串时间和死时间，接收在被测物体上反射的所述测量辐射(23)的至少一部分，其中，将所述至少一部分测量辐射转换为输入测量信号(ES)，并且通过对根据所述输入测量信号(ES)生成的测量信号(MS，gMS)进行分析来确定与被测物体的距离。
文档编号G01S17/10GK101946189SQ200980104767
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月3日 优先权日2008年2月11日
发明者库尔特·吉热, 彼得·弗勒 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司