CN1289919C - 测距方法及装置 - Google Patents

测距方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN1289919C
CN1289919C CNB018146643A CN01814664A CN1289919C CN 1289919 C CN1289919 C CN 1289919C CN B018146643 A CNB018146643 A CN B018146643A CN 01814664 A CN01814664 A CN 01814664A CN 1289919 C CN1289919 C CN 1289919C
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
frequency
radiation
measurement
standard
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
CNB018146643A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1449501A (zh
Inventor
库尔特·吉格
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leica Geosystems AG
Original Assignee
Leica Geosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Geosystems AG filed Critical Leica Geosystems AG
Publication of CN1449501A publication Critical patent/CN1449501A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1289919C publication Critical patent/CN1289919C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4915—Time delay measurement, e.g. operational details for pixel components; Phase measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)

Abstract

所述测距方法以一个由被瞄准的测量目标反射回或散射的测量光线的相位测量为基础。在这里，测量目标接受一个由测距装置发出的并经过强度调制的光测量辐射，由测量目标反射回或散射的测量辐射由一个安置在测距装置中的接收器来探测并被转变成电测量信号。然后，电测量信号与标准信号进行比较，该标准信号是从一由已知的标准距离推导出的测量光量的探测和转换中产生的，以便根据求得的相位差得到在测距装置和测量目标之间的距离。所发出的测量辐射接受色同步脉冲调制，接收器的测量信号只在有效的色同步脉冲时间内进行分析处理。还描述了用于实施该方法的装置。

Description

测距方法及装置
技术领域
本发明涉及测距方法及装置。
背景技术
这种测距装置在现有技术中是众所周知的。它们具有几十米的测距范围并且经常被设计成手持装置。它们主要用在建筑测量中或在内部结构中如被用于房屋的三维空间测量。测距装置的其它用途是大地测绘和工业测量。用已知装置进行距离测量的基本原理在于，对由测距装置发出的并由被瞄准目标返回的电磁射线束的特征参数随时间的变化进行分析处理。为此，测距装置配备有一个用于发出强度经过调制的射线的发射器。手持装置主要涉及在可见波长谱范围中的辐射，以便易于瞄准测量点。该辐射光线由被瞄准的测量目标返回或散射并被一个被装入测距装置中的接收器记录下来。根据所接收的调制射线相对由发射器发出的射线的时间滞后，可得到距测量目标的距离。
作为检测器，在已知的测距装置中一般采用P-i-n-型光电二极管或雪崩型光电二极管，它们用于将由测量由目标返回的或散射的射线转变成电信号。很常用的是这样的测距装置，即它们的距离测定基于相位测量的测量原理。在这种测距装置中，电接收信号直接在雪崩型光电二极管上或在一前置放大器后与一个混频叠加而形成低频测量信号。根据低频测量信号确定相位并将其与一个标准信号的相位进行比较。低频测量信号的测量相位与标准信号相位之差就是用于测量目标距离的标准。
在EP-B-0738899中介绍了用于可见辐射的激光二极管的性能以及与之相关的距离测量精度问题。为提高测距精度而提议，所发出的激光辐射以小于2ns(纳秒)的脉冲宽度加以调制。在这里，这种已知的测距装置的调制频率大约在50MHz区域内。在脉冲宽度例如为1ns和周期为20ns的脉冲条件下，这种已知的测距装置要求有约20mW的脉冲功率，以便达到1mW的平均脉冲功率，该平均功率对该测距装所用的激光器级别2来说仍是允许的。所提出的调制方法也可采用商业常用的3mW激光器来转化，而不会因相对连续的3mW工作而提高的脉冲功率而不得不忍受激光器使用寿命的较大损失。通过短脉冲和高脉冲功率，可获得激光辐射的一个短的相干长度。这造成了，由被瞄准的测量目标的通常很粗糙的表面反射回的辐射的主要粒化强度分布的减小。粒化强度分布也被称为斑点，它影响着可获得的测量精度。通过减少落到检波器上的反射的测量辐射中的斑点，可达到毫米级测量精度。
改进现有方法和装置的一个可能性在于，进一步提高测量辐射的调制频率。在较高频率的条件下，过零点时的信号互导增大，进而，缩短时间间隔Δt，固有噪声在该时间间隔内损害信号电平。但时间间隔的缩短还有如下缺点：可以按理想精度测定距离的测量范围被缩小了。在调制频率为50MHz时，按所要求的精度可测出的距离为3m，而在例如400MHz的频率情况下，仅多达37.5cm而已。在基于相位测量的测距装置中，可附带使用较低的测量辐射调制频率，以测定粗略距离。因此，在用于精密测量的高调制频率下，必须更费事地测量出粗略距离。
发明内容
尽管用已知的测距装置可取得良好结果，但人们仍希望相对已知测距装置进一步提高效率。这样的改进的目的例如是更短的测量时间、更精确的测量装置、更大的有效距离以及通过使用更小的光学接收元件而使测距装置结构更紧凑。应简化激光器功率调节并且鉴于测距装置被设计成蓄电池或电池驱动式手提测距装置而应减少激光器耗电。此外，应提出这样的测距方法及其装置，其中可考虑半导体技术的发展。
为了解决上述任务，本发明提供一种测距方法，它基于光测量辐射的相位测量，光测量辐射由被瞄准的测量目标反射回或散射，测量目标接收由测距装置发出的并经过强度调制的光测量辐射，由测量目标反射回或散射的测量辐射通过一个安置在测距装置中的接收器来探测并将其转换成电测量信号，电测量信号与一个标准信号进行比较，标准信号是从一由已知的标准距离推导出的测量光量的探测和转换中产生的，以便从所求得的相位差中求出在测距装置和测量目标之间的距离，其特征是，所发出的测量辐射接受色同步脉冲调制，接收器的测量信号在一个仅与一个有效色同步脉冲时间有关的时间段内进行处理。
本发明还提供一种根据相位测量原理的测距装置，它具有：一个发射光辐射的发射器；一个用于接收由测量目标反射回的或散射的光测量辐射的光学接收元件；一个接在光学接收元件后的并将光辐射转换成电测量信号的接收器；一个滤除干扰信号的滤波装置；一个信号处理器，它将测量信号与标准信号进行比较并对其相位进行分析，以便由此确定测量目标的距离并将所得结果提供给使用者，其特征是，发射器与频率合成器相连，利用该频率合成器向所发出的光辐射施加一个经过色同步脉冲调制的高频的调制频率，电测量信号和标准信号的处理与有效色同步脉冲时间有关联。
本发明的测距方法以由被瞄准的测量目标所反射回的或所散射的测量光线的相位测量为基础。此外，测量目标接受一个由一测量装置发出的并经过强度调制的测量光线并且通过一个安置在测量装置中的接收器来探测由测量目标反射回的或散射的测量辐射并将之转换成电测量信号。然后，电测量信号与一个标准信号进行比较，该标准信号是由对一个通过一已知标准路程所推导出的测量光量的探测和转换而产生的，以便根据求得的相位差中求出在测量装置和测量目标之间的距离。所求得的测量辐射接受色同步脉冲调制，接收器的测量信号只在一个与有效的色同步脉冲时间相关的期间内进行处理。
此外，有效的色同步脉冲时间是色同步信号存在的时间。色同步脉冲和没有调制信号的静止时间的序列周期被称之为测量周期。色同步信号具有一个占空期，该占空期被定义为以％表示的有效色同步脉冲时间与测量周期之比。这样，色同步脉冲调制不同于脉冲调制，在脉冲调制时，调制信号几乎是连续地位于一个测量周期的整个时间段内。而在色同步脉冲调制时，调制信号只在测量周期的一部分内。此外，根据上述定义，在脉冲调制时，作用周期总是100％，而在色同步脉冲调制时，该值总是小于100％。色同步脉冲调制利用一个最好调制成矩形的色同步信号来执行。调制成矩形的色同步信号总的导致一个缩小的巅值功率。此外，占空期也是用于可实现的信噪比(S/N)改善的标准。色同步信号具有一个调制频率，它与一个色同步脉冲内的信号过程周期有关。与有效的色同步脉冲时间相似，也可定义一个有效调制频率。它与这样的时间周期有关，即在该时间周期内信号不为零。根据有效调制频率与调制频率之比，可以确定以％表示的调制频率的一个占空期。
通过只在有效色同步脉冲时间内对接收器测量信号进行处理，信噪比(S/N)得到改善。这将以具有最高平均输出功率为1mW的2级激光器为例来说明。如果代替在已知测距装置中发出的具有2.5mW巅值功率的测量辐射地发出一个有10％占空期的且巅值功率为25mW的、调制频率为400MHz的激光器色同步信号，则也可获得一个1mW的平均激光器功率。通过只在有效色同步脉冲时间内处理接收信号，可获得将在累计连续信号时产生的相同的总信号。此后，在周期的90％时间内不进行处理，但仍有90％的噪音被抑制。由此使信噪比(S/N)以一个系数
Figure C0181466400071
或10的平方根得到改善。
色同步脉冲调制还可导致激光器功率调节的简化并可减少耗电。商业通用的激光器如在已知测距装置中使用的激光器在25℃时具有约40mA的阈电流(控制电流)，在这个电流下，激光器开始生效。由于在接在激光二极管后的激光准直器中产生损失，所以在激光二极管上的激光器功率并不等于在测距装置激光输出窗上的与激光器级别相关的功率。对具有输出功率为1mW的2级激光器的测距装置而言，在25℃时需要约为41mA的控制电流。在输出功率为10mW时，控制电流约为51mA。如果现在为了1mW的平均输出功率而用10％的占空期来调制出一个10mW的色同步脉冲调制，则需要约为5.1mA的平均控制电流。由于在大电流下的激光器电压只增大约10％，所以在这个例子中，控制功率以约为9的系数减小。
色同步脉冲调制的另一个优点在于，激光器功率的非严格调准。在2级激光器的测距装置中必须确保，在激光器的所有工作条件下，平均激光器功率在测距装置的激光输出窗处不得超过1mW。激光器调节大多这样进行，即在直流电流上叠加一个高频调制电流。利用直流电流调节激光器功率。在约1mW/mA的激光器电流升降效率的情况下，激光器电流必须在连续工作和2％的所需功率精度时且在1mA平均输出功率的条件下被精确调准到约20μA。在上述的色同步脉冲调制情况下，在相同功率精度的条件下，激光器电流只须调准到约200μA的精度。所需的控制电流精度以色同步脉冲调制的占空期的系数缩小。
色同步脉冲调制可按一个有效色同步脉冲时间来实现，该时间实际上只限制在唯一的巅值上。但如此适当地选择有效色同步脉冲时间，即由此产生一个占空期，它约为5％-50％并最好是约为10％-40％。通过为色同步脉冲时间所选的数值，仍可相对已知测量方法地获得充分改善。
对色同步脉冲调制效应来说，以下做法被证明是有利的：用一个大于100MHz的调制频率和一个大于10mW的巅值功率来调制发出的测量辐射。在色同步脉冲调制中，激光器的高巅值功率也会缩短所发出的激光辐射的相干长度，这是因为激光器在相同脉冲宽度但在巅值功率更高的条件下通过多个方式跃迁。这有利地影响到测距装置的精度。
在本发明方法的一变型方案中，电测量信号通过一高频混合频率的连续叠加被转变成低频测量信号并只在色同步脉冲时间内进行滤波。此外，混合频率的存在形式可以是色同步脉冲。在此情况下，混合频率例如等于色同步信号的调制频率的值±低频信号频率值。噪音滤除可以在一个模拟低频信号上进行。在本发明的一个优选变型方式中，噪音滤除是在一数字信号处理器中的低频信号数字化后完成的。色同步脉冲时间有利地被选择为低频测量信号的周期时间的一又二分之一。色同步脉冲时间的前三分之一是需要的，以便能使滤波器起振。然后，信号只在色同步脉冲时间的对应于低频测量信号的整个周期的后三分之二时间内进行累计。此外，色同步脉冲频率有利地被选择成低频测量信号的频率除以占空期系数。尽管因滤波器起振过程已丧失了低频测量信号的半个周期，但仍可获得足够高的信噪比(S/N)改善，信噪比仍可通过提高A/D变换器的扫描频率并通过优化所用的去假频滤波器来改善。
根据本发明的一个取代的变型实施方式，电测量信号只在大致为色同步脉冲时间的一至三倍的时间间隔内与一个成色同步脉冲形式的并最好大致对应于色同步脉冲频率的高频混合频率叠加并被转换成低频测量信号。然后，分析低频测量信号的相移。相对色同步脉冲时间延长的混合时间考虑了这样的情况，即接收信号与待测距离成函数地向着发射色同步脉冲移位。色同步脉冲频率被选择得大于低频测量信号频率。该方法的优点是，色同步脉冲频率可以选择得这么高，以至它可以用作用于测定粗略距离的粗略频率。
在本发明的另一个变型方式中，接收器所提供的高频电测量信号接受滤波并在后置的信号处理器中与标准信号进行比较并分析相移，以便由此算出所求距离。噪音滤除有利地在高频信号在数字式信号处理器中的数字化后进行。
本发明的测距装置与最接近现有技术所述的测距装置共有地具有以下特征：一个发出光辐射的发射器；一个用于由测量目标反射回的或散射的测量辐射的光学接收元件；一个设置在光学接收元件后的接收器，它用来将光辐射转换成电测量信号；一个用于产生一标准辐射的装置，该标准辐射在走过一已知标准距离后可被转换成电标准信号；一个滤掉干扰信号的滤波装置；一个最好是数字式的信号处理器，它用于研究测量信号和标准信号的相位，以便由此确定测量目标距离，并将结果提供给使用者。本发明的测距装置具有如下特点：发射器与一频率合成器相联，利用该频率合成器，可以将一个经过色同步脉冲调制的高频调制频率加给发出的光辐射，电测量信号和标准信号的处理与色同步脉冲时间有关联。这种基本设计思路是基于相位测量的本发明测距装置的所有变型方案的共同点。光标准辐射例如由分光器产生，该分光器将所发出的光辐射分解成一测量射线束和一标准射线束。此外，在标准射线束的光路中设有一个单独的标准接收器，它将经过标准路程后的标准射线束转变成电标准信号。但光辐射也可以周期地被引向测量目标或经过标准路程被引向接收器。例如，可以为此设置一个可周期性转入光路中的偏转镜。
对色同步脉冲调制来说，下述做法是可取的：即作为发射器，采用一个用于可见光辐射的半导体激光二极管，可见光辐射的波长最好在约630nm-约650nm的范围内。这种半导体激光二极管可按所需的平均输出功率工作并尤其能够几乎不缩短使用寿命地提供所需的脉冲能量。
由于滤波装置有至少一个高频滤波器，该高频滤波器在电信号线路中设置在信号处理器前，所以无需转换到低频测量信号。噪音滤除直接在高频测量信号或标准信号上进行。经过滤波的信号随后在信号处理器中继续进行处理。
根据本发明的一个取代的变型实施方式，在测量信号和标准信号的电信号线路中，分别设置一个混频器。混频器安置在滤波装置前并用于使高频电测量信号或标准信号与一个高频混合频率叠加。通过高频测量信号和标准信号与高频混合频率的叠加，产生一低频测量信号或标准信号，该信号在一个或多个后置的低通滤波器中被滤掉了噪音。经过滤波的低频信号随后被数字化并在信号处理器中继续处理，以便根据相位确定测量目标距离。作为低通滤波器，最好采用去假频滤波器。
附图说明
以下，参见附图示意所示的实施例来详细描述本发明，附图表示：
图1-图3是说明激光二极管的特征参数的曲线图；
图4-图6是说明本发明各变型方式的功能的示意图。
具体实施方式
图1表示光波长与激光二极管输出功率的关系。在相同脉冲宽度和高巅值功率的条件下，激光器以多种方式跃迁。这缩短了发出激光的相干长度，这对装备有激光器的测距装置的精度有利。半导体技术的进步允许在越来越高的频率条件下产生并处理信号。在测距装置中，可以将这些先进技术用于改善测距装置效率。这些改进方式可以是更短的测量时间、更精密的测距装置、更大的作用区域或装置越来越小，这样，具有更小接收信号电平的光学接收元件更小。在频率较高时，过零信号有较大升高。这样，其中噪音信号损害本真测量信号的时间段缩短了。
图2示出了在不同温度条件下的半导体激光器的控制特性曲线。对1mW的平均输出功率来说，激光器在25℃下具有约40mA的控制电流。由于控制特性曲线的斜率，用于10mW输出功率的控制电流约为51mA。激光器的增大10倍的平均输出功率只引起仅增大约10mA的控制电流。在该提高的控制电流的情况下，激光器电压仅增高约10％。
图3表示本发明的用于所发出光辐射的色同步脉冲调制的特征参数。在色同步信号顺序S中的持续时间被称为有效色同步脉冲时间tBORST-ON。色同步脉冲和其中没有调制信号的静止时间的顺序周期被称为测量周期TBURST。 色同步信号具有这样一个占空期，即它被定义为以％表示的有效色同步脉冲时间Tburst-ON与测量周期TBURST之比。这样，色同步脉冲调制不同于脉冲调制，在脉冲调制时，调制信号几乎连续地存在于测量周期的整个期间内。而在色同步脉冲调制时，调制信号仅仅存在于测量周期的部分时间内。因此，根据上述定义，在脉冲调制时，占空期总是100％，而在色同步脉冲调制时，该值总是小于100％。色同步脉冲调制最好通过一个被调制成矩形的色同步信号S进行。调制成矩形的色同步信号S总的导致获得一更小的巅值功率。此外，占空期也是用于可获得的信噪比(S/N)改善的一个标准。色同步信号具有一调制频率M，它与在一色同步信号内的信号过程周期ts有关。与有效色同步脉冲时间相似地，也可确定出一有效的调制频率MON＝1/ts-ON。该调制频率与其中信号不为零的持续时间有关。根据有效调制频率与调制频率之比，也能以％确定出调制频率的一占空期。
图4是本发明测距装置的第一变型方式的示意图。由一激光源1发出的并由一准直光学元件2校准的光辐射L被一分光器7分成一测量射线束和一标准射线束。测量射线束到达一测量目标，要测量该测量目标距测距装置的距离。由测量目标反射回或散射的辐射R由一个光学接收元件3收集并被引向一测量接收器4。作为测量接收器4，例如可采用雪崩型光电二极管，它通过一串联电阻5处于一可变预电压6上。标准射线束经过一偏转镜8和一光学元件9被引向一标准接收器。标准射线束所经过的路程即从分光器7到标准接收器10的路程构成已知的标准距离。
由激光源1发出的光辐射与一高频调制频率M叠加，该调制频率由一频率合成器12产生，该频率合成器由一标准石英元件13来控制。通过高频调制频率M，可在接收器4和标准接收器10上分别产生高频测量信号。频率合成器12也产生一相似高频的混合频率F，该混合频率同时经过一条连接导线而被输送给混频器11和接收器4。用于由测量目标反射回或散射的辐射的接收器4成雪崩型光电二极管形式并因此以直接混频器的形式工作。在不用雪崩型光电二极管而改用P-i-n-型二极管的情况下，需要一个附加的混频器，在该混频器中，混合频率F同测量信号叠加。通过与混合频率F的叠加，由接收器4产生的测量信号被转换为一低频测量信号NF。相似地，可在混频器11中将高频标准信号与混合频率F叠加而形成一低频校准信号NF-CAL。最好如此选择混合频率F，即F＝(n×M)±NF。因此，混合频率F是以调制频率M的整数倍加减低频测量信号NF值，其中n大于0。
低频测量信号NF或校准信号NF-CAL经过一个模拟开关14被顺序地输送给一低通滤波器15，在该滤波器中，高频信号部分被过滤掉。滤波器最好是去假频滤波器。经过滤波且得到增强的测量信号或标准信号在一模拟/数字变换器16中被数字化并在一数字式信号处理器17中与其相位有关地进行处理。根据相位，推断出测量目标距离，此距离作为信号O被继续传给一个输出装置。
本发明测距装置的改进在于，由频率合成器12产生调制频率M，该调制频率被加到由激光源1发出的光辐射L上。它尤其是具有色同步脉冲B的色同步脉中调制，色同步脉冲的色同步脉冲频率小于低频测量信号NF的频率。由于以色同步脉冲B表示的色同步脉冲调制而给出的测量辐射L被周期性地与较长的静止时间段分开。结果，分离出测量信号NF及标准信号NF-CAL，它们通过没有测量信号的长静止时间段相互分隔开。低频测量信号NF或标准信号NF-CAL在数字式信号处理器17中的处理同样是通过频率合成器来控制的并且基本上只在一个与色同步脉冲时间有关的测量时间E内进行。同样由频率合成器12产生的混合频率F可以连续地产生。不过，该频率也可以色同步脉冲形式存在，其频率位于加给光辐射的调制频率的范围内。
图5示意所示的实施例在发射范围和接收范围方面具有与图4所示实施例基本相同的结构。因此，相似结构部分也带有相同的参考标记。由一激光源1发出的并由一准直光学元件2所校准的光辐射L被一分光器7分成一测量射线束和一标准射线束。测量射线束到达一测量目标，应测量该测量目标距测距装置的距离。由测量目标反射回的或散射的辐射R被一光学接收元件3接收并被送往一测量接收器4。作为接收器，例如可采用雪崩型光电二极管，它通过一个串联电阻5处于一可变的预电压6上。标准射线束通过一偏转镜8和一光学元件9被引向一标准接收器。标准射线束所经过的从分光器7至标准接收器10的路程构成已知的标准距离。
一高频调制频率M被施加给由激光源1发出的光辐射，该调制频率由一个频率合成器12产生，该频率合成器由一标准石英元件13控制。通过高频调制频率M，在接收器4和标准接收器10上分别产生高频测量信号。频率合成器12也产生一个相似高频的混合频率F，该混合频率同时经过一条连接导线被送给一混频器11和接收器4。混合频率F在一后置的附加混频器21中被叠加在由接收器4产生的测量信号上。通过叠加混合频率F，由接收器4产生的测量信号被转换成低频测量信号NF。相似地，高频标准信号在混频器11中与一混合频率F叠加而形成一低频校准信号NF-CAL。
低频测量信号NF和低频校准信号NF-CAL被分别输送给一个低通滤波器21、22，在该滤波器中，高频信号部分被滤掉。这两个滤波器最好都是去假频滤波器。经过滤波且被增强的测量信号或标准信号在一个配有两个输入口的模拟/数字变换器23中被数字化并在一数字式信号处理器17中与其相位有关地进行处理。此外，低频测量信号和标准信号可同时或也可按顺序地进行处理。根据相位，推断出测量目标的距离，该距离作为信号O被继续传送给一个输出装置。
由频率合成器12产生的调制频率M被施加到由激光源1发出的光辐射L上，该调制频率经过色同步脉冲调制。这样，得到了成色同步脉冲B形式的测量辐射，其色同步脉冲频率大于低频测量信号NF的频率。以色同步脉冲B形式给出的测量辐射L周期性地与长静止时间段分隔开。结果，测量信号NF通过无测量信号的长静止时间段相互分隔开。同样由频率合成器12产生混合频率F也以色同步脉冲B形式存在并具有这样的频率，即它在施加给光辐射S的调制频率M的范围内。接收器4和标准接收器10的高频信号与混合频率F的混合只在一个与色同步脉冲时间有关的时间段内进行。当在数字式信号处理器17中经过数字化处理后，在低通滤波器21、22后出现的连续低频信号C的处理才进行。该处理装置与频率合成器12有关联并在一个与色同步脉冲时间有关的时间段内处理上述信号。
图6所示的本发明实施例放弃了将高频测量信号或标准信号转换成低频信号，而是直接处理高频信号。发射范围和接收范围的基本结构大体上与前述实施例的基本结构相同。因此，相同的结构部分也用相同的参考标记表示。由激光源1发出的并由一准直光学元件2校准的光辐射L被一分光器7分成一测量射线束和一标准射线束。测量射线束到达一测量目标，该测量目标距测距装置的距离是要测量的。由测量目标反射回或散射的辐射R被一光学接收元件3收集并被引向一测量接收器4。作为接收器，例如可采用雪崩型光电二极管，它通过一串联电阻5处于一可变的预电压6上。标准射线束经过一偏转镜8和一光学元件9被引向一标准接收器。标准射线束所经过的从分光器7至标准接收器10的路程构成已知的标准距离。
给由激光源1发出的光辐射施加一高频调制频率M，该调制频率由一频率合成器12产生，此频率合成器由一标准石英元件13来控制。调制频率M经过色同步脉冲调制B并造成光辐射S成束反射。在接收器4和安置在标准辐射光路中的标准接收器10的后面，分别设有一放大高频测量信号HF及标准信号HF-CAL的放大器31、32。在高频测量信号及标准信号HF及HF-CAL与混合频率叠加后，这些信号按照所发出光辐射L的色同步脉冲调制的情况也以光束形式P存在。高频测量信号HF及标准信号HF-CAL经过一开关14按顺序地被送入一高频滤波器33。作为高频滤波器，例如可考虑采用带通滤波器。在高频滤波器上连接一个快速模拟/数字变换器34，它可将测量信号及标准信号转换成数字信号并随后在数字式信号处理器17中对这些数字信号的相位进行处理。A/D变换器34和数字式信号处理器17分别从频率合成器中并根据色同步脉冲时间获得其节奏频率。根据相位，确定所求的测量目标距离0并将信息继续传给一输出装置如一个显示器或打印机。测量信号HF及标准信号HF-CAL也可以同时进行数字化和处理。在这种情况下，两条信号线路需要一个高频滤波器。从模拟信号到数字信号的转换可以在一个共同的且有两个输入端的模拟/数字(A/D)变换器中进行，或者可以配置独立的A/D变换器。

Claims (16)

1.测距方法，它基于光测量辐射的相位测量，所述光测量辐射由一被瞄准的测量目标反射回来或散射，该测量目标接收一个由测距装置发出的并经过强度调制的光测量辐射，由该测量目标反射回或散射的测量辐射通过一个安置在测距装置中的接收器来探测并将其转换成电测量信号，该电测量信号与一个标准信号进行比较，所述标准信号是从一由已知的标准距离推导出的测量光量的探测和转换中产生的，以便从所求得的相位差中求出在测距装置和测量目标之间的距离，其特征在于：所发出的测量辐射接受色同步脉冲调制，该接收器的测量信号在一个仅与一个有效色同步脉冲时间有关的时间段内进行处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的有效色同步脉冲时间是如此选择的，即所获的占空期为5％-50％。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述占空期为10％-40％。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所发出的测量辐射用一大于100MHz的调制频率和一大于10mW的巅值功率进行调制。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电测量信号通过一高频的混合频率的连续叠加被转换成低频测量信号，并且只在所述的有效色同步脉冲时间内进行处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述色同步脉冲时间被选择成低频测量信号的周期时间的一又二分之一。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述色同步脉冲的频率被选择为低频测量信号频率除以该色同步脉冲占空期的值。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电测量信号在一个为有效色同步脉冲时间的一至三倍的时间间隔内与一个高频的混合频率叠加并被转换成低频测量信号，对所述低频测量信号的相位移进行分析处理。
9.如权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于：所述混合频率被选择成以调制频率的整数倍加减低频测量信号值。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：由该接收器提供的高频电测量信号在一个为色同步脉冲时间的一至三倍的时间间隔内进行滤波，在一个信号处理器中与标准信号进行比较并且与相位移有关地进行分析处理，以便得出所求的距离。
11.如权利要求8或10所述的方法，其特征在于：所述色同步脉冲的频率作为粗略频率被用于测定粗略距离。
12.根据相位测量原理的测距装置，它具有：一个发射光辐射(L)的发射器(1)；一个用于接收由一测量目标反射回的或散射的光测量辐射(R)的光学接收元件(3)；一个接在光学接收元件(3)后的并将光辐射转换成电测量信号的接收器(4)；一个滤除干扰信号的滤波装置(15，21，33)；一个信号处理器(17)，它将测量信号与标准信号进行比较并对其相位进行分析，以便由此确定测量目标的距离并将所得结果提供给使用者，其特征在于：发射器(1)与一频率合成器(12，13)相连，利用该频率合成器向所发出的光辐射(L)施加一个经过色同步脉冲调制的高频调制频率(M)；电测量信号和标准信号的处理与有效色同步脉冲时间(tBURST-ON)有关联。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：作为发射器(1)，采用一个用于可见光辐射(L)的半导体激光二极管，该光辐射的波长为630nm-650nm。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于：在所发出的光辐射(L)的光路中设置一个装置(7)，该装置从所发出的光辐射(L)中产生一个光标准辐射，该光标准辐射在其能被转换成标准信号前传导经过一段已知的标准路程。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：用于产生标准辐射的装置(7)是一分光器，在标准辐射光路中设置一个标准接收器(10)。
16.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于：滤波装置(33)包括至少一个高频滤波器，该高频滤波器在电信号线路中被设置在信号处理器(17)前。
CNB018146643A 2000-08-25 2001-08-10 测距方法及装置 Expired - Lifetime CN1289919C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH1668/2000 2000-08-25
CH16682000 2000-08-25
CH1668/00 2000-08-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1449501A CN1449501A (zh) 2003-10-15
CN1289919C true CN1289919C (zh) 2006-12-13

Family

ID=4565826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB018146643A Expired - Lifetime CN1289919C (zh) 2000-08-25 2001-08-10 测距方法及装置

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6864966B2 (zh)
EP (1) EP1311873B1 (zh)
JP (1) JP2004507742A (zh)
KR (1) KR100780259B1 (zh)
CN (1) CN1289919C (zh)
AT (1) ATE520042T1 (zh)
AU (2) AU7953201A (zh)
WO (1) WO2002016964A1 (zh)

Families Citing this family (63)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10235562A1 (de) * 2002-08-03 2004-02-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur optischen Distanzmessung
KR100489436B1 (ko) * 2002-10-25 2005-05-16 한국원자력연구소 펄스형 레이저를 이용한 물체의 거리측정장치 및 그 방법
JP4104991B2 (ja) * 2003-01-16 2008-06-18 株式会社トプコン 光波距離計
GB2421383A (en) * 2004-12-07 2006-06-21 Instro Prec Ltd Surface profile measurement
EP1672383A1 (de) * 2004-12-18 2006-06-21 Leica Geosystems AG Elektronisches Messverfahren
EP1757956A1 (de) * 2005-08-24 2007-02-28 Leica Geosystems AG Mehrzielfähiges Distanzmessverfahren nach dem Phasenmessprinzip
CN100364315C (zh) * 2005-08-24 2008-01-23 英保达资讯（天津）有限公司 内置激光定位测距摄像头的usb闪存盘
CN101263402B (zh) * 2005-09-26 2012-05-30 香港应用科技研究院有限公司 具有调制光探测器的光接收机
US7592615B2 (en) 2005-10-11 2009-09-22 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Optical receiver with a modulated photo-detector
EP1793243A1 (de) * 2005-12-05 2007-06-06 Leica Geosystems AG Verfahren zur Auflösung einer Phasenmehrdeutigkeit
JP4116053B2 (ja) 2006-09-20 2008-07-09 北陽電機株式会社 測距装置
JP5092613B2 (ja) * 2007-08-06 2012-12-05 日産自動車株式会社 距離計測方法および装置、ならびに距離計測装置を備えた車両
KR100912132B1 (ko) * 2007-11-13 2009-08-13 인하대학교 산학협력단 레이저 마커를 이용한 거리측정장치
CA2713652C (en) 2008-02-11 2014-04-29 Leica Geosystems Ag Optoelectronic distance measuring device
US9482755B2 (en) 2008-11-17 2016-11-01 Faro Technologies, Inc. Measurement system having air temperature compensation between a target and a laser tracker
JP5014382B2 (ja) 2009-06-17 2012-08-29 株式会社 ソキア・トプコン 光波距離計
US8659749B2 (en) * 2009-08-07 2014-02-25 Faro Technologies, Inc. Absolute distance meter with optical switch
DE102009029372A1 (de) * 2009-09-11 2011-03-24 Robert Bosch Gmbh Messvorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Messvorrichtung und einem Zielobjekt mit Hilfe optischer Messstrahlung
US9400170B2 (en) 2010-04-21 2016-07-26 Faro Technologies, Inc. Automatic measurement of dimensional data within an acceptance region by a laser tracker
US9377885B2 (en) 2010-04-21 2016-06-28 Faro Technologies, Inc. Method and apparatus for locking onto a retroreflector with a laser tracker
US8619265B2 (en) 2011-03-14 2013-12-31 Faro Technologies, Inc. Automatic measurement of dimensional data with a laser tracker
US9772394B2 (en) 2010-04-21 2017-09-26 Faro Technologies, Inc. Method and apparatus for following an operator and locking onto a retroreflector with a laser tracker
US8615376B2 (en) 2010-05-21 2013-12-24 Sure-Shot Medical Device Inc. Method and apparatus for dimensional measurement
US9109877B2 (en) 2010-05-21 2015-08-18 Jonathan S. Thierman Method and apparatus for dimensional measurement
US8401816B2 (en) 2010-05-21 2013-03-19 Sure-Shot Medical Device Inc. Apparatus and method for geometric measurement
JP5690541B2 (ja) 2010-09-30 2015-03-25 株式会社トプコン 距離測定装置
US9675250B2 (en) 2010-11-01 2017-06-13 Oxirate, Inc. System and method for measurement of vital signs of a human
CN102176021B (zh) * 2011-01-25 2013-03-27 华中科技大学 一种激光相位法测距装置
US8902408B2 (en) 2011-02-14 2014-12-02 Faro Technologies Inc. Laser tracker used with six degree-of-freedom probe having separable spherical retroreflector
CN103403575B (zh) 2011-03-03 2015-09-16 法罗技术股份有限公司 靶标设备和方法
GB2504890A (en) 2011-04-15 2014-02-12 Faro Tech Inc Enhanced position detector in laser tracker
USD688577S1 (en) 2012-02-21 2013-08-27 Faro Technologies, Inc. Laser tracker
US9686532B2 (en) 2011-04-15 2017-06-20 Faro Technologies, Inc. System and method of acquiring three-dimensional coordinates using multiple coordinate measurement devices
US9482529B2 (en) 2011-04-15 2016-11-01 Faro Technologies, Inc. Three-dimensional coordinate scanner and method of operation
US9164173B2 (en) 2011-04-15 2015-10-20 Faro Technologies, Inc. Laser tracker that uses a fiber-optic coupler and an achromatic launch to align and collimate two wavelengths of light
KR101223953B1 (ko) * 2011-07-05 2013-01-21 한국 천문 연구원 표준 시각 동기용 주파수를 이용한 자체 온도 보상 기능을 갖는 고 분해능 정밀 시각 측정 장치 및 방법
EP2568547B1 (de) 2011-09-06 2014-04-16 Leica Geosystems AG Monitordiodenloser Lasertreiber
EP2597483B8 (de) 2011-11-25 2017-06-07 Safran Vectronix AG Entfernungsmesser
EP2607924A1 (de) 2011-12-23 2013-06-26 Leica Geosystems AG Entfernungsmesser-Justage
US9638507B2 (en) 2012-01-27 2017-05-02 Faro Technologies, Inc. Measurement machine utilizing a barcode to identify an inspection plan for an object
US9908182B2 (en) 2012-01-30 2018-03-06 Black & Decker Inc. Remote programming of a power tool
JP5916443B2 (ja) * 2012-03-08 2016-05-11 株式会社トプコン 光波距離計
JP2013195117A (ja) * 2012-03-16 2013-09-30 Ricoh Co Ltd 測距装置
CN103991553B (zh) 2013-02-19 2016-02-24 成都海存艾匹科技有限公司 飞机精准着陆辅助装置
US9041914B2 (en) 2013-03-15 2015-05-26 Faro Technologies, Inc. Three-dimensional coordinate scanner and method of operation
EP2789972B1 (de) 2013-04-12 2017-08-16 Hexagon Technology Center GmbH Vermessungsgerät mit verformbarem optischem Element
CN104515997B (zh) * 2013-09-26 2017-08-25 江苏徕兹测控科技有限公司 基于单个液晶光阀相位测量的校准方法及其测距装置
KR101539556B1 (ko) * 2014-01-17 2015-07-28 여태운 듀얼 주파수 레이저를 이용한 거리 측정장치
US9606228B1 (en) 2014-02-20 2017-03-28 Banner Engineering Corporation High-precision digital time-of-flight measurement with coarse delay elements
CN104034265B (zh) * 2014-06-14 2016-11-09 哈尔滨工业大学 抗光学混叠的可溯源精测尺相位激光测距装置与方法
US9395174B2 (en) 2014-06-27 2016-07-19 Faro Technologies, Inc. Determining retroreflector orientation by optimizing spatial fit
CN105824028B (zh) * 2016-03-22 2020-06-19 深圳市威睿晶科电子有限公司 一种激光相位测距方法
CN107328354B (zh) * 2016-04-29 2019-05-31 美国西北仪器公司 一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法
CN109790723B (zh) 2016-07-15 2021-12-31 快砖知识产权私人有限公司 结合在交通工具中的砖块/砌块铺设机器
EP3485109B1 (en) 2016-07-15 2021-09-29 Fastbrick IP Pty Ltd Boom for material transport
EP3649616A4 (en) 2017-07-05 2021-04-07 Fastbrick IP Pty Ltd POSITION AND ORIENTATION TRACKER IN REAL TIME
EP3669242A4 (en) 2017-08-17 2021-07-21 Fastbrick IP Pty Ltd COMMUNICATION SYSTEM FOR AN INTERACTION SYSTEM
AU2018317941B2 (en) 2017-08-17 2023-11-09 Fastbrick Ip Pty Ltd Laser tracker with improved roll angle measurement
WO2019071313A1 (en) 2017-10-11 2019-04-18 Fastbrick Ip Pty Ltd MACHINE FOR CARRYING OBJECTS AND CARROUSEL WITH SEVERAL COMPARTMENTS FOR USE WITH THE SAME
EP3502617B1 (de) 2017-12-21 2021-10-20 Leica Geosystems AG Vermessungsgerät mit messstrahlhomogenisierung
EP3783305B1 (en) 2019-08-21 2022-03-23 Leica Geosystems AG Drive system in a geodetic measurement instrument
EP3812701B1 (en) 2019-10-23 2022-08-24 Hexagon Technology Center GmbH Online leveling calibration of a geodetic instrument
EP4354084A1 (en) 2022-10-10 2024-04-17 Hexagon Technology Center GmbH In-the-field leveling calibration of a surveying instrument

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1623564B1 (de) * 1967-12-01 1971-08-26 Siemens Ag Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege
US3619058A (en) * 1969-11-24 1971-11-09 Hewlett Packard Co Distance measuring apparatus
JPS61218979A (ja) * 1985-03-25 1986-09-29 Matsushita Electric Works Ltd 距離限定型光センサ
JP2509301B2 (ja) * 1988-07-01 1996-06-19 浜松ホトニクス株式会社 光波測距装置
DE4316348A1 (de) * 1993-05-15 1994-11-17 Wild Heerbrugg Ag Vorrichtung zur Distanzmessung
JPH1020036A (ja) * 1996-06-28 1998-01-23 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 距離測定方法および装置
US5745437A (en) * 1996-08-05 1998-04-28 Wachter; Eric A. Method and apparatus for coherent burst ranging
US5889490A (en) * 1996-08-05 1999-03-30 Wachter; Eric A. Method and apparatus for improved ranging
DE19643287A1 (de) * 1996-10-21 1998-04-23 Leica Ag Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung von Entfernungsmeßgeräten
WO1999013356A2 (de) 1997-09-10 1999-03-18 Riegl Laser Measurement Systems Gmbh Opto-elektronisches messverfahren und opto-elektronische messeinrightung
AT405105B (de) * 1997-09-10 1999-05-25 Riegl Laser Measurement Sys Opto-elektronisches messverfahren

Also Published As

Publication number Publication date
EP1311873A1 (de) 2003-05-21
ATE520042T1 (de) 2011-08-15
AU7953201A (en) 2002-03-04
WO2002016964A1 (de) 2002-02-28
US6864966B2 (en) 2005-03-08
EP1311873B1 (de) 2011-08-10
CN1449501A (zh) 2003-10-15
AU2001279532B2 (en) 2006-06-08
KR100780259B1 (ko) 2007-11-28
KR20030067661A (ko) 2003-08-14
US20030164938A1 (en) 2003-09-04
JP2004507742A (ja) 2004-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1289919C (zh) 测距方法及装置
CA2713652C (en) Optoelectronic distance measuring device
KR101753312B1 (ko) 뎁스 영상 생성 장치 및 방법
CN100362366C (zh) 光纤激光器混沌激光测距装置及方法
US20020154291A1 (en) Optical fiber characteristic measuring device
CN108387902B (zh) 一种光测距方法及设备
KR20030040490A (ko) 거리 측정 장치에서 신호 포착을 위한 장치 및 방법
US20220397649A1 (en) Narrowband tia and signaling for optical distance measurement systems
CN109116369B (zh) 距离测量装置及其方法
US20210041541A1 (en) Phase anti-aliasing using spread-spectrum techniques in an optical distance measurement system
CN110702985B (zh) 拍频式频谱侦测***
US5710621A (en) Heterodyne measurement device and method
CN116990826A (zh) 高动态精度激光相位式测距仪
US20190162874A1 (en) Optoelectronic sensor and method of operation of an optoelectronic sensor
Lamela et al. A low power laser rangefinder for autonomous robot applications
CN113504532B (zh) 基于直接飞行时间法的光信号发射方法及测距***
US20210311170A1 (en) LIDAR Instrument and Method for Operating a LIDAR Instrument
CN108919287A (zh) 一种狭小空间点式激光测距装置及其测距方法
Morciano et al. A Novel Mixed-Signal Silicon Photomultiplier with Analog-Domain Cross-Correlation Computation for LiDAR Applications
CN117111079A (zh) 一种可探测物体组分的激光雷达***及其控制方法
Agishev et al. Development features of atmospheric LD ladar based on the CW-FM-range-finding principles
CN116482702A (zh) 一种测量***及其测量方法
JPH088470Y2 (ja) 光波測距儀
Kilpelae et al. Comparison of receiver channels for a fast TOF laser radar
CN115517633A (zh) 成像装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: LEICA MICRO-SYSTEMS AND MICRO CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: GIGER KURT

Effective date: 20040625

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20040625

Address after: Swiss Hill Brugger

Applicant after: Leica Geo Systems Aktien Gesellschaft

Address before: Swiss Lv Di

Applicant before: Giger Kurt

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CX01 Expiry of patent term

Granted publication date: 20061213

CX01 Expiry of patent term