專利名稱：距離測量儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及距離測量儀器和距離測量方法。具體地，本發(fā)明涉及這樣一種距離測量儀器和方法，其中向物體發(fā)射調(diào)制測量光，以及其中檢測和分析從物體接收回的測量光?；谶@個分析確定代表到物體距離的值。
背景技術(shù)：
常規(guī)的距離測量儀器包括測量光的激光生成脈沖，以及向物體引導(dǎo)測量光的脈沖 的光學(xué)器件。向光傳感器提供從物體接收回的測量光脈沖，以生成與光脈沖相應(yīng)的電信號， 并放大和分析電脈沖信號。所述分析包括在隨后脈沖之間的發(fā)生時間的確定，以基于所確 定的發(fā)生時間來確定到物體的距離。已經(jīng)知道的是，可在測量精度、測量速度和距離測量范圍中的至少一個方面改進 常規(guī)的距離測量儀器和方法。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上問題，實現(xiàn)了本發(fā)明。本發(fā)明實施例提供一種具有改進性能的距離測量儀器和距離測量方法，特別在精 度或速度方面。根據(jù)本發(fā)明實施例，該距離測量儀器包括可變增益放大器，用于放大所檢測的信 號，其中當所檢測的信號具有低強度時，應(yīng)用較大的增益；以及其中當所檢測的信號具有相 對高強度時，應(yīng)用相對較低的增益。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，該距離測量儀器包括第一分析器，用于分析所檢測的 信號，從而可基于該分析的結(jié)果設(shè)置所述可變增益放大器的增益。根據(jù)另一實施例，該距離測量儀器包括信號延遲模塊，用于延遲所檢測的信號的 第一部分，其中在延遲所述第一部分的同時，執(zhí)行所檢測的信號的第二部分的第一分析。然 后，可從所檢測的信號的所分析的第二部分導(dǎo)出增益值，以及將所導(dǎo)出的增益值提供至可 變增益放大器，從而當所檢測的信號的所延遲的第一部分用于放大時，設(shè)置可變增益放大 器的增益。然后，可變增益放大器將根據(jù)當前提供的增益值放大所檢測的信號。在特定實施例中，確定增益值，使得從可變增益放大器輸出的所放大的信號具有 基本恒定的強度，其相對地獨立于所檢測的信號的強度。然后，對于所放大的信號進行進一 步分析，其中這個分析相對地獨立于原始檢測的信號的強度。在實踐中這可能特別有利，因 為依據(jù)物體到測量儀器的距離和物體的反射率，從物體接收回的測量光和相應(yīng)檢測的信號 可以以多個數(shù)量級改變。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，一種距離測量儀器，包括至少一個光源；至少一個 光檢測器；光學(xué)器件，用于向物體引導(dǎo)從所述至少一個光源發(fā)射的測量光，以及向所述至少 一個檢測器引導(dǎo)從所述物體接收回的測量光；信號延遲模塊；第一信號分析器；以及可變 增益放大器；其中所述至少一個光傳感器的輸出連接至所述信號延遲模塊的輸入；所述至少一個光傳感器的輸出連接至所述第一信號分析器的信號輸入；所述信號延遲模塊的輸出連接至所述可變增益放大器的信號輸入；以及所述第一信號分析器的輸出連接至所述可 變增益放大器的增益設(shè)置輸入。在本申請的上下文中，術(shù)語“連接”不限于表示直接連接，還應(yīng)涵蓋與中間元件的 功能性連接。例如，如果第一元件的輸出連接至第二元件的輸入，這包括電子導(dǎo)體基本上未 改變地從第一元件向第二元件的輸入提供所輸出的信號的直接連接，這還包括連接是經(jīng)由 一個或多個額外元件，例如修改從第一元件輸出的信號然后將其輸入至第二元件的中間放 大器或濾波器。此外，連接是功能性連接，因為如果從第一元件輸出的信號經(jīng)歷逐漸或迅速 的改變，則可對于第二元件的輸入應(yīng)用相應(yīng)的并且可能修改的改變。根據(jù)本發(fā)明實施例，信號延遲模塊將輸入的信號延遲預(yù)定信號延遲時間，然后將 其輸出。信號延遲時間可大于或等于與第一信號分析器關(guān)聯(lián)的處理時間、與可變增益放大 器關(guān)聯(lián)的處理時間、以及第一信號分析器的處理時間和可變增益放大器的處理時間的總和 之一。在本發(fā)明的上下文中將與第一信號分析器關(guān)聯(lián)的處理時間定義為從對于第一信 號分析器的輸入施加理想瞬時階梯信號到第一信號分析器的輸出進入并保持于在第一信 號分析器的輸出所建立的最終值的0. 5至1. 5倍的值范圍內(nèi)所經(jīng)過的時間。類似地，在本發(fā)明的上下文中將與可變增益放大器關(guān)聯(lián)的處理時間定義為將處理 的輸出從第一信號分析器提供至可變增益放大器所經(jīng)過的時間，以及可變增益放大器將其 放大率調(diào)節(jié)至其最終值以具有所調(diào)節(jié)的放大率的最終值的0. 5至1. 5倍內(nèi)的精度的時間。根據(jù)示例性實施例，信號延遲時間大于0. 5ns、1. 0ns、3ns、5ns和7ns之一。根據(jù)示例性實施例，第一信號分析器被配置為在其輸出處提供輸出信號，其表示 向其信號輸入提供的輸入信號的強度。例如，輸出信號可表示輸入信號的峰值，其中輸入信 號的最大振幅可表示峰值。然而，第一信號分析器可確定其他值(例如總和能量和其他適 當值)，以表示輸入信號的強度或其他特征。根據(jù)示例性實施例，可變增益放大器是模擬放大器。在這里的示例性實施例中，可 變增益放大器包括除法器電路。根據(jù)其他示例性實施例，可變增益放大器是數(shù)字放大器。在這里的示例性實施例 中，可變增益放大器包括多個固定增益放大器。根據(jù)示例性實施例，該距離測量儀器包括第二信號分析器，其具有連接至所述可 變增益放大器的輸出的第一信號輸入。因此，第二信號分析器接收放大的檢測信號用于以 后分析。具體地，放大的信號可具有基本上額定的強度，從而由第二信號分析器執(zhí)行的分析 可基本上獨立于接收信號的強度。根據(jù)示例性實施例，第二信號分析器被配置為確定向其輸入提供的信號的預(yù)定信 號特征的發(fā)生時間。例如，信號特征可定義為信號電平超過預(yù)定電平的發(fā)生。根據(jù)示例性 實施例，預(yù)定電平是固定電平。根據(jù)另一示例性實施例，預(yù)定電平是取決于某些其他輸入的 可變電平。例如，可變電平可取決于表示所檢測信號的強度的第一信號分析器的輸出。根據(jù)示例性實施例，第二信號分析器包括連接至所述第一信號分析器的輸出的第 二信號輸入。根據(jù)另一實施例，第二信號分析器被配置為相對于指向物體的測量光的脈沖的發(fā)射時間確定所述信號特征的發(fā)生時間。根據(jù)這里的示例性實施例，從所述光源發(fā)射的測量光的一部分直接入射在所述光檢測器上，而不向所述物體引導(dǎo)和從所述物體返回。測量光的這個部分生成第一檢測脈沖 信號，根據(jù)其強度對其放大并通過第二信號分析器分析以識別第一發(fā)生時間。隨后，從物體 接收回的測量光的脈沖生成第二檢測信號，根據(jù)其強度對其放大并通過第二信號分析器分 析以確定第二發(fā)生時間。然后，可基于第一和第二發(fā)生時間的差確定值，其中這個值表示物 體到測量儀器的距離。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，至少一個光源可包括高功率脈沖二極管激光器和脈 沖微芯片激光器。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，距離測量儀器的至少一個光源包括信號激光器和光放 大器，所述光放大器包括至少一個光纖，其摻雜有稀土元素，例如鉺和鐿。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)， 摻雜光纖激光器具有優(yōu)于用作常規(guī)距離測量儀器中的光源的Q開關(guān)微芯片激光器的優(yōu)勢。 例如，Q開關(guān)微芯片激光器不允許光脈沖的發(fā)射時間的精確限定，而摻雜光纖激光器考慮了 發(fā)射光脈沖的精確定時。例如，可在使用摻雜光纖激光器時，從例如約20ps或IOps的測量 儀器實現(xiàn)光脈沖的發(fā)射時間的限定。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種距離測量方法，包括向物體發(fā)射測量光的脈 沖；從所述物體接收脈沖測量光，以及生成與從所述物體接收的測量光的脈沖相應(yīng)的脈沖 信號；將所生成的脈沖信號的第一部分延遲預(yù)定時間；在延遲所生成的脈沖信號的第一部 分的同時，生成用于表示所生成的脈沖信號的強度的強度信號；使用取決于所生成的強度 信號的增益來放大所生成的脈沖信號的所延遲的第一部分；基于放大的生成的脈沖信號的 延遲的第一部分來確定表示距離的值。


參照附圖，根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以下具體描述，本發(fā)明的以上和其他有益 特征將更加清楚。應(yīng)注意，并非本發(fā)明的所有可能實施例都有必要展示這里識別的每個或 任意優(yōu)點。圖1是根據(jù)本發(fā)明的距離測量儀器的實施例的功能元件的示意性視圖；圖2、3是圖1中所示的距離測量儀器的細節(jié)的示意性視圖；圖4示出圖1中所示的第一信號分析器的另一實施例；圖5、6、7是圖1中所示的可變增益放大器的另一實施例的視圖；圖8是根據(jù)另一實施例的距離測量儀器的細節(jié)的視圖；圖9是根據(jù)另一實施例的距離測量儀器的細節(jié)的視圖；圖10是具有不同強度的檢測脈沖的示意性視圖；圖11是圖1中所示的第二信號分析器的另一實施例的視圖；圖12是圖1中所示的第二信號分析器的另一實施例的視圖；以及圖13是根據(jù)另一實施例的距離測量儀器的細節(jié)的視圖；圖14是根據(jù)另一實施例的距離測量儀器的細節(jié)的視圖；圖15、16是可用在圖1中所示的距離測量儀器的光源的另一實例的示意性視圖。
具體實施例方式在以下描述的示例性實施例中，盡可能用同樣的標號表示功能和結(jié)構(gòu)類似的元 件。因此，為了理解特定實施例的各個元件的特征，應(yīng)參照其他實施例以及本發(fā)明的發(fā)明內(nèi) 容的描述。
圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的距離測量儀器的實施例的框圖。距離測量儀器1生成并向遠程物體3發(fā)射測量光，其中入射測量光的部分被漫射， 使其能夠由儀器1接收。分析從物體接收的測量光，以確定物體3到儀器1的距離。為此， 儀器1包括光源5，其生成測量光；光學(xué)器件7，其將從光源5發(fā)射的測量光引導(dǎo)至物體3， 以及從物體接收回測量光。儀器1還包括光檢測器9，用于檢測從物體3接收回的測量光， 以及生成與從檢測器接收回的光的強度相應(yīng)的電信號。在本發(fā)明中使用的術(shù)語“測量光”通常應(yīng)涵蓋適于距離測量的任何波長或波長范 圍的電磁輻射，例如微波輻射、可見光和不可見光。在所示實施例中，光源5是激光器，例如 微芯片激光器、摻雜光纖激光器或其他適合激光器。從激光器發(fā)射的光9進入棱鏡11，后者 包括部分反射表面13和鏡面14。從部分反射表面13反射發(fā)射的光9的小監(jiān)測部分10，從 而使其入射在將所述部分10引導(dǎo)到監(jiān)測器9上的鏡面14。儀器1還包括分析器和控制系統(tǒng)21，用于分析所檢測的測量光，確定測量結(jié)果， 和控制整個儀器。將發(fā)射的光9的監(jiān)測部分10引導(dǎo)到檢測器，使得分析和控制系統(tǒng)21監(jiān)測發(fā)射的 測量光。例如，分析和控制系統(tǒng)21可確定與距離測量相關(guān)的該部分10的特定特征的發(fā)生 時間。例如，可基于從光源5發(fā)射的光9的監(jiān)測部分10的檢測和分析來確定距離測量的開 始時間。從源5發(fā)射的光9的較大部分17穿過部分反射表面13，并從鏡面15反射，并進而 從反射鏡18反射，從而沿著透鏡23的光軸21引導(dǎo)從反射鏡18反射的測量光。圖1中將 透鏡23示意性表示為一個透鏡元件。然而，實際上，透鏡23可包括多個透鏡元件，以形成 適合于沿著光軸21向物體3引導(dǎo)測量光的物體透鏡。為此，透鏡23可具有以可變距離將 測量光聚焦于物體3上的功能。透鏡23的截面較大，必須能夠向物體發(fā)射測量光，其中超 過截面的部分用于接收從物體23反射回的測量光25，以及用于將這個測量光25引導(dǎo)到檢 測器9上。在參照圖1所示的示例性實施例中，由反射表面13和14來分開引導(dǎo)到物體的光 脈沖的部分，以入射在檢測器9上，所述檢測器9是同樣接收從物體反射回的光脈沖的相同 檢測器。因此，從入射在相同檢測器9上的光脈沖導(dǎo)出距離測量的開始時間和停止時間。 在其他實施例中，通過其他原理確定距離測量的開始時間。例如，儀器可包括額外的光檢測 器，例如PIN 二極管，用于接收向物體發(fā)射的光脈沖的一部分。然后，可基于這種額外檢測 器的輸出信號生成距離測量的開始時間。此外，可以直接根據(jù)從光源發(fā)射光脈沖的觸發(fā)信號的發(fā)生時間確定距離測量的開 始時間?？紤]到在確定開始時間時可能的時間延遲和偏移，可例如相對于到儀器的已知距 離所設(shè)置的物體來校準儀器。檢測器9通常包括傳感器部分，用于接收入射光；和電路部分，用于生成與入射 光的強度相應(yīng)的電信號。檢測器9可包括放大器，用于調(diào)整所生成的電信號的信號電平和 阻抗，使其適于由分析器和控制系統(tǒng)21進行的隨后分析。
分析和控制系統(tǒng)21包括分析器31，用于分析在檢測器9的輸出29處提供的電信號的形狀或特征。然而，從檢測器9輸出的信號的強度可依據(jù)物體3到儀器1的距離和 物體3的反射率以多個數(shù)量級改變。因此，由檢測器9提供的信號具有很高的動態(tài)范圍，而 分析器31具有由分析器31的配置所確定的有限動態(tài)范圍。因此，分析器和控制系統(tǒng)21包 括可變增益放大器33，其被配置為以適當增益放大由檢測器9提供的信號，使得放大的信 號具有在適于分析器31所分析的縮減動態(tài)范圍內(nèi)的強度。將可變增益放大器33的輸出35 連接至分析器31的第一信號輸入36。在本發(fā)明中使用的術(shù)語“可變增益放大器”不應(yīng)限制為如下放大器，即始終具有大 于1的增益，使得從可變增益放大器的輸出35所輸出的信號電平始終大于向可變增益放大 器33的信號輸入37提供的信號的信號電平。因此，可將可變增益放大器的增益設(shè)置為小 于1的值。分析器和控制系統(tǒng)21包括信號分析器41，用于確定由可變增益放大器33使用 的增益，其中代表增益的信號從信號分析器41的輸出42輸出，并提供至可變增益放大器33 的增益設(shè)置輸入43。將信號分析器41的信號輸入45連接至檢測器9的輸出29，使得信號 分析器41接收由光檢測器9生成的檢測信號的一部分。信號分析器41被配置為基于輸出 信號的特征(例如光檢測器9的輸出信號的強度)確定增益。為此，信號分析器41必須處 理輸入的信號。這樣的處理將依據(jù)信號分析器41的配置采用一定的處理時間量。在比信 號到達信號分析器41的信號輸入45的時間稍晚的時間，由可變增益放大器33施加的代表 增益的信號將在信號分析器41的輸出42可用。此外，當代表增益的信號在信號分析器41 的輸出42可用并提供至可變增益放大器33的增益設(shè)置輸入43時，可變增益放大器33將 依據(jù)可變增益放大器的配置需要一定的時間量，直到根據(jù)輸入的增益值精確地調(diào)節(jié)了放大 器的增益。這個時間量指的是可變增益放大器33的處理時間。接下來，可變增益放大器33 準備在比以下時間稍晚的時間點準備好對給定檢測信號的放大，即要通過可變增益放大的 信號在檢測器9的輸出29可用時的時間。因此，在所示實例中，可變增益放大器33的信號輸入不直接連接至光檢測器9的 輸出29，并且將信號延遲模塊51設(shè)置在光檢測器9和可變增益放大器33之間的信號路徑 中。更詳細地，延遲模塊51具有信號輸入52，其連接至光檢測器9的輸出29 ；并且延遲模 塊51的信號輸出53連接至可變增益放大器33的信號輸入37。延遲模塊被配置為在其輸 入52處接收給定信號，并且構(gòu)成在其輸出53處可用的基本相同或相似的信號，其中以預(yù)定 延遲時間將輸出的信號相對于輸入的信號延遲。延遲模塊51可包括例如延遲線、表面聲 波設(shè)備或適用于將輸入信號延遲預(yù)定時間量的其他設(shè)備。在所示實例中，選擇延遲模塊的 延遲時間，使其大于信號分析器41的處理時間與可變增益放大器33的處理時間的總和。通 過這樣的設(shè)置，可以完成可變增益放大器33的增益的設(shè)置，直到要通過設(shè)置增益放大的信 號到達可變增益放大器33的信號輸入37。例如，如果信號分析器41被配置使其具有3ns 的處理時間，并且如果可變增益放大器33被配置使其具有2ns的處理時間，則將延遲模塊 設(shè)計為，使其具有5ns或6ns或更多的延遲時間。如上所述，信號分析器41被配置為確定向其輸入45提供的信號的強度。在所示 實施例中，信號分析器41被配置為，使其檢測向其輸入45提供的信號的波峰振幅作為信號 強度。此外，信號分析器41具有重置輸入55，可向其施加預(yù)定信號，用于重置信號分析器，使其開始分析向其信號輸入45提供的下一信號。例如，如果要分析的信號是脈沖形狀，則 信號分析器41可確定脈沖的強度，或在給定實例中，確定脈沖的峰值，并在其輸出42提供 相應(yīng)信號。要由可變增益放大器33使用的代表增益的該信號的電平將保持恒定，直到信號 分析器41通過向其重置輸入55提供重置信號被重置。之后，信號分析器41被準備，以分 析向其信號輸入45提供的下一脈沖信號的強度。圖2中更詳細地示出信號分析器41和可變增益放大器33的配置。圖2是分析器和控制系統(tǒng)21的一部分的元件的示意性視圖。在所示實例中，可變 增益放大器包括x/y除法器61，其中x/y除法器61的χ輸入連接至可變增益放大器的信 號輸入37，以及其中x/y除法器61的y輸入連接至可變增益放大器33的增益設(shè)置輸入43。 如圖2所示，可以在延遲模塊51的輸出53和x/y除法器的χ輸入之間的信號路徑中提供 固定增益放大器63。x/y除法器的信號輸出連接至可變增益放大器的輸出35，或提供可變 增益放大器的輸出35。信號分析器41包括高速峰值檢測器和保持模塊67，其具有信號輸入S，以提供 信號分析器41的信號輸入45 ；重置輸入，以提供信號分析器41的重置輸入55 ；和輸出0， 其連接至模擬MAX模塊69的第一信號輸入S1，所述模擬MAX模塊69輸出向其輸入S1和S2 提供的兩個信號的最大值。輸入S2用于向信號分析器41提供信號Sf，其中信號Sf代表要 向可變增益放大器33施加的最大增益。MAX模塊69的輸出0連接至MUX模擬模塊71的第一信號輸入S1, MUX模擬模塊71 還包括第二信號輸入S2、信號輸出0和選擇輸入C。MUX模塊被配置為依據(jù)向其選擇輸入C 提供的選擇信號，輸出向其輸入S1和S2提供的兩個信號之一。在第一實施方式中，其中選擇信號選擇輸AS2作為MUX模塊的71的輸出，可向MUX 模塊71的輸入S2提供與電平Vg相應(yīng)的固定增益，以將可變增益放大器33的增益設(shè)置為由 電平Vg代表的值。然后，將x/y除法器61的增益設(shè)置為1/Vg，其獨立于向信號分析器41的 輸入45提供的信號S的強度。這個實施方式有效地禁用信號分析器41，并且可在不期望根 據(jù)輸入的信號S的強度對輸入的信號S進行適應(yīng)放大時使用。在第二實施方式中，其中選擇信號被選擇，從而選擇MUX模塊71的輸入S1用于輸 出，啟用信號分析器41的強度分析操作，其中在信號分析器41的輸出42提供的增益值取 決于向輸入45提供的信號S的強度。然而，可通過向MAX模塊69的S2輸入提供代表最大 增益的信號電平Sf來設(shè)置最大增益。圖3是分析器和控制模塊21的其他元件的更詳細視圖。如圖3所示，信號分析器 31包括快速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器75，其具有模擬輸入76，其從可變增益放大器33的輸出35接 收放大的信號S/\，其中Stl是分析器41的輸出42，例如信號S的最大振幅。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器75由時鐘81來驅(qū)動，從而根據(jù)時鐘81確定的速率來取樣向輸入76提供的信號電平，并 且根據(jù)時鐘81確定的速率在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出77處使得代表向輸入76提供的信號 電平的數(shù)字值可用。然后，將這些數(shù)字值寫入存儲器83中由地址生成器85選擇的地址處。 地址生成器85也由時鐘81驅(qū)動，從而根據(jù)時鐘81確定的速率前進由地址生成器85選擇 的地址。因此，將模擬輸入信號的隨后數(shù)字讀取存儲在隨后的存儲器位置中。存儲器83可 由控制器91訪問，所述控制器91可以是任意適合的計算設(shè)備或設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，例如個人計算 機或其他硬件。
控制器91可連接至用戶接口設(shè)備(例如顯示器92和鍵盤93)，或其他適合的用戶 接口(例如觸摸屏)。訪問存儲器83的控制器91可執(zhí)行記錄的數(shù)字值的分析。例如，控制器可確定數(shù) 字化的信號的特征，例如超過閾值的信號值的出現(xiàn)或數(shù)字化的脈沖信號的重心?？刂破?1還可計算在確定的信號特征發(fā)生時的時間。此外，如果在存儲器中存儲 有兩個隨后的數(shù)字化脈沖，則控制器可根據(jù)存儲器地址確定兩個信號的重心，然后基于時 鐘81的速率計算兩個脈沖的發(fā)生之間的時間長度，以前進地址發(fā)生器85。假設(shè)存儲器中存 儲的這兩個數(shù)字化脈沖的第一個相應(yīng)于由光源5發(fā)射并且直接入射在光檢測器9上的光脈 沖9的監(jiān)測部分10，而存儲器中存儲的這 種數(shù)字化光脈沖的第二個相應(yīng)于引導(dǎo)到物體3并 從物體3接收回的發(fā)射的光脈沖的部分17，則兩個分析的信號之間的時間長度代表物體3 到測量儀器1的距離，其中可通過將時間長度乘以光速除以2來計算物體的距離。如圖1所示的距離測量儀器還包括致動器95，由控制器91驅(qū)動并用于改變光學(xué) 器件7的光軸21的取向。例如，光學(xué)器件7、光源5和檢測器9可以被設(shè)置為相對于位于地 面上的臺座圍繞水平軸和垂直軸可旋轉(zhuǎn)的模塊。然后，控制器91可驅(qū)動致動器95，從而可 通過測量光掃描物體3，其中如上所述確定物體3的隨后掃描點到測量儀器1的距離。結(jié)果 數(shù)據(jù)(還稱為點云)可由控制器91存儲在存儲器(例如圖1中所示的硬盤97)中，用于以 后的分析。以下將描述本發(fā)明的其他示例性實施例。圖4是可具有與參照上述圖1所示類似結(jié)構(gòu)的距離測量儀器Ia的分析器和控制 器21a的一部分的示意性視圖。圖4中所示的信號分析器41a提供高速峰值檢測器和保持 模塊和MAX模塊的組合功能，由圖2中的虛線所示的功能框41’表示。信號分析器41a包 括增益1緩沖器，例如，可操作放大器101，其具有經(jīng)由理想二極管103提供輸入信號S的非 反向輸入，以及從其輸出提供反饋的反向輸入。保持電容器105連接至操作放大器101的 非反向輸入，并在重置開關(guān)107的操作時通過代表最大增益的電壓Sf來充電。圖5示出可類似于圖1所示結(jié)構(gòu)的距離測量儀器Ib的分析器和控制系統(tǒng)21b的 可變增益放大器33b的示例性實施例?？勺冊鲆娣糯笃?3b包括xy乘法器111，其具有χ 輸入，經(jīng)由恒定增益放大器63b向其提供要放大的信號S，其中還可省略放大器63b并向xy 乘法器的χ輸入直接提供要放大的信號S。操作放大器113經(jīng)由電阻器在其反向輸入處接 收代表往復(fù)增益的信號Stl，并且操作放大器113的非反向輸入接地。操作放大器113的輸 出在輸出35b處提供可變增益放大器33b的輸出0，其中操作放大器131的輸出還連接至xy 乘法器111的y輸入。經(jīng)由電阻器R將xy乘法器的輸出作為反饋提供至操作放大器113 的反向輸入。圖6是可變增益放大器33c的其他實施例的示意性視圖，其相比于圖5的實施例 可具有增強帶寬，特別地針對輸入信號S的低電平。可變增益放大器33c包括xy乘法器 121，其具有X輸入，經(jīng)由固定增益放大器63c向其提供要放大的信號S ；和Y輸入，連接至 xy除法器123的輸出。xy除法器具有X輸入，向其提供恒定信號(圖6中表示為“1)；和Y 輸入，向其提供往復(fù)增益&。圖14是作為圖6所示的可變增益放大器的變型的可變增益放大器331的另一實 施例的示意性視圖。在圖14所示的可變增益放大器331中，乘法器1211的Y輸入連接至乘法器261的輸出，后者從差分放大器263和265的輸出接收其χ和y輸入。這樣的設(shè)置 允許通過向差分放大器263、265和乘法器261提供的常數(shù)a、b和c來定形除法函數(shù)。還可 提供乘法器和差分放大器的其他額外組合，以增加用于定形除法函數(shù)的常數(shù)a、b、c...的 數(shù)目。圖7示出可用在圖1中所示的距離測量儀器中的可變增益放大器33d的另一實施 例?？勺冊鲆娣糯笃?3d包括xy乘法器127，其具有X輸入，向其提供要放大的信號S ；和 輸出，其連接至另一 xy乘法器129的X輸入。xy乘法器129的輸出提供可變增益放大器 33d的輸出。將往復(fù)增益Stl提供至平方根器131的輸入，并且平方根器131的輸出連接至 xy除法器133的Y輸入。將(圖7中的“1”表示的)恒定信號提供至xy除法器133的X 輸入。將xy除法器133的輸出連接至xy乘法器127和129的Y輸入。
圖8示出可用在根據(jù)本發(fā)明實施例的距離測量儀器中的分析器和控制系統(tǒng)21e的 另一實施例的一部分。在圖8所示的實施例中，使用數(shù)字電子器件實施信號分析器41e和 可變增益放大器33e。信號分析器41e包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器141，向其提供由光檢測器生成 的信號S。由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器141來數(shù)字化信號，并將其作為數(shù)字信號提供至最大編碼器 143，其在信號分析器41e的輸出42e處提供接收的數(shù)字值的最大值。可變增益放大器33e包括數(shù)字可變增益放大器151，其具有被提供來自延遲模塊 51e的要放大的信號的信號輸入?？蓪⒃谛盘柗治銎?1e的輸出42e處提供的峰值信號的 數(shù)字表示直接提供至數(shù)字可變增益放大器151的數(shù)字增益輸入。在圖8所示的實施例中， 提供查詢表153以接收峰值的表示，并將該峰值解譯成向數(shù)字可變增益放大器151的數(shù)字 增益輸入提供的增益。預(yù)先制備查詢表，以考慮數(shù)字可變增益放大器151的可能的非線性 效應(yīng)，或為了基于信號分析器41e檢測的峰值放大信號S而實現(xiàn)將施加的增益的期望進一 步改變。圖9是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的分析器和控制系統(tǒng)21f的部分的示意性視圖。 系統(tǒng)21f的信號分析器41f包括多個高速比較器和鎖存器的陣列161。例如，比較器和鎖存 器的數(shù)目可以為6。向每個比較器和鎖存器提供要分析的信號S，并且信號分析器41f還包 括多個最大編碼器的陣列163，其中每個最大編碼器連接至比較器和鎖存器的陣列161的 相應(yīng)鎖存器。多個最大編碼器163的輸出形成分析的信號S的數(shù)字表示。最大編碼器163 的這些輸出還驅(qū)動相應(yīng)數(shù)目的高速打開/關(guān)閉開關(guān)放大器33f，從而其輸出35f提供延遲的 和放大的信號S，其中為了放大而應(yīng)用的增益取決于信號S的峰值電平?，F(xiàn)在參照圖1，其中信號分析器31通常被配置為確定由光源9生成的信號S的信 號特征的發(fā)生時間。圖10是信號S的可能時間脈沖形狀的示意性視圖。圖IOa示出相對小峰值的脈 沖171，而圖IOb示出相對大峰值的脈沖172。由tp指示信號峰值的發(fā)生時間。由于不能 夠容易地確定峰值的發(fā)生時間tp，所以信號分析器31可被配置為確定與峰值的發(fā)生時間tp 不同的特征的發(fā)生時間tf。例如，可將發(fā)生時間tf定義為在信號超過預(yù)定恒定閾值Lc時 的時間。清楚地，時間tf發(fā)生早于峰值時間tp，其中g(shù)tp-tf取決于信號的強度。期望確定 表示獨立于信號的強度的峰值tp的發(fā)生時間的特征時間tf。圖11示出可用于圖1中所示的距離測量儀器中的信號分析器31g的實施例。信 號分析器31g包括快速比較器181，其具有從延遲模塊(圖11中未示出)接收要分析的信號的第一輸入，并具有連接至乘法器183的輸出的第二輸入。乘法器183具有連接至信 號分析器31g的第二信號輸入185的輸入，所述輸入連接至信號分析器41的輸出并表示由 可變增益放大器33施加的增益。乘法器被配置為將提供至其輸入的信號乘以固定因數(shù)，例 如在示例性實施例中的0. 5。然后，比較器181的輸出Sd可提供階梯狀信號，其在輸入36g 處提供的信號超過在輸入85處提供的信號時改變值，并與固定因數(shù)相乘。然后，可將信號 Sd的值的改變的發(fā)生時間用作分析的信號的特征時間tf，并且相比于使用在上述圖10中所 示的恒定閾值，這種特征時間tf是在改變的信號強度下信號的峰值的發(fā)生時間tp的更好表
7J\ O現(xiàn)在參照圖3，圖3中所示的信號分析器還包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器187，其將信號分 析器41提供的并代表要應(yīng)用于可變增益放大器的增益的模擬值解譯成數(shù)字值。這個數(shù)字 值可由控制器91訪問，并且可在由控制器91確定信號的發(fā)生時間時考慮。
圖12示出信號分析器31h的另一實例，其具有類似于圖11所示的配置，其中乘法 器183a連接至快速比較器181a的輸入。對于快速比較器181a的其他輸入都提供要分析 的放大信號。然而，提供乘法器183a和比較器181h的陣列，其中乘法器183a被配置為將 他們的輸入信號與不同的固定向量X1, ...，Xi, ...，xn相乘。輸出S dl，· · ·，Sdi j · · ·，Sdn 表 示分析的信號的不同特征的發(fā)生時間，其中不同的發(fā)生時間是信號超過由乘法器183h的 乘法因數(shù)Xi所確定的不同信號電平的那些時間。這允許分析在信號的不同電平處的發(fā)生 時間，其中信號噪聲將在不同的信號電平處不同。然后，在不同電平處分析信號的可能性可 提高總精度。圖13示出可用在距離測量儀器的實施例中的分析和控制系統(tǒng)21k的元件的另一 實施例。分析和控制系統(tǒng)21k包括信號分析器41k，用于確定在向信號分析器41k和延遲 模塊51k提供信號S時用于放大信號S所使用的增益。圖13中所示的元件的配置類似于圖 2中所示的配置，其中可變增益放大器33k實施為乘法器111k。然而，在圖13所示的配置 中，不平衡變壓器251分別連接至信號分析器41k的輸出42k和延遲模塊51k的輸出53k， 用于經(jīng)由兩個對稱線路向乘法器Illk提供各個信號。此外，在信號分析器41k的輸出42k 和乘法器Illk的輸入之間的對稱線路中提供電平移位器253。另一不平衡變壓器251連接 至乘法器Illk的對稱線路輸出，從而放大信號的輸出35k也在對稱線路上。圖15示出可用在圖1中所示的距離測量儀器中的光源5i的可能實施例。光源 5i包括由控制器91i驅(qū)動的信號激光器201，其以由控制器91i確定的重復(fù)速率生成光脈 沖，并且其范圍可以是例如從IkHz至1000kHz。信號激光器201可具有例如從1至20mW的 范圍的輸出功率。然而，還可使用例如具有約5W的峰值功率的基本更高輸出功率的光源。 信號激光器可包括溫度穩(wěn)定性，或者不包括。由具有第一級205和第二級207的雙級放大器203放大信號激光器生成的激光， 其中每個級包括單模稀土摻雜光纖209和波長劃分復(fù)用器211。在該實例中，用于摻雜光纖 的稀土元素是餌。經(jīng)由波長劃分復(fù)用器211將待放大的光和泵浦光都提供至摻雜光纖205。泵浦光 由泵浦激光器213生成，并經(jīng)由分束器215提供至級205和207的波長劃分復(fù)用器211。 為了避免在第二級207中光的自發(fā)發(fā)射及其放大，在兩個級205和207之間提供光濾波器217。濾波器217可包括光學(xué)隔離器、波長濾波器和時間柵極器件，例如聲光調(diào)制器、電光調(diào) 制器和可飽和吸收器。在本實施例中，濾波器217是窄帶波長濾波器和光學(xué)隔離器。在參照上述圖15所示的實施例中，在單模稀土摻雜光纖中放大光，其中經(jīng)由波長 劃分復(fù)用器將泵浦光提供至光纖。還可使用雙包層光纖，其在將泵浦光所提供至的包層中 具有單模稀土摻雜芯。然后，泵浦光進入包層上的芯。盡管以上參照圖15示出的光源的實施例包括兩級放大器，但是還可使用具有多 于兩個放大級的光源。圖16示意性示出可用在圖1中所示的儀器中的光源5j的另一實施例。圖16中 的光源5j包括信號激光器201j，其用于生成向循環(huán)器221的端口 1提供的輸出光。這個 光從循環(huán)器221的端口 2輸出，以提供至稀土摻雜光纖209 j。從光纖209 j發(fā)射的放大信號 穿過波長劃分復(fù)用器221 j，并從組合濾波器和反射鏡223反射，從而其可再次穿過波長劃 分復(fù)用器221j，以在摻雜光纖209j中進一步放大。進一步放大的光在端口 2處進入循環(huán)器 221，并在端口 3處離開循環(huán)器221，以形成可向物體發(fā)射的測量光9j。摻雜光纖209利用來自泵浦激光器213 j的光進行泵浦，所述泵浦激光器213 j經(jīng) 由波長劃分復(fù)用器221 j耦合在光纖中。盡管參照本發(fā)明示例性實施例描述了本發(fā)明，但是明顯地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員來說，許多代替、修改和變型是清楚的。因此，這里闡述的本發(fā)明示例性實施例是示例 性的，并非任何方式的限制。在不脫離隨后權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況 下可做出各種修改。
權(quán)利要求
一種距離測量儀器，包括至少一個光源；至少一個光檢測器；光學(xué)器件，用于向物體引導(dǎo)從所述至少一個光源發(fā)射的測量光，以及向所述至少一個檢測器引導(dǎo)從所述物體接收回的測量光；信號延遲模塊；第一信號分析器；以及可變增益放大器；其中所述至少一個光傳感器的輸出連接至所述信號延遲模塊的輸入；所述至少一個光傳感器的輸出連接至所述第一信號分析器的信號輸入；所述信號延遲模塊的輸出連接至所述可變增益放大器的信號輸入；以及所述第一信號分析器的輸出連接至所述可變增益放大器的增益設(shè)置輸入。
2.如權(quán)利要求1所述的距離測量儀器，其中由所述信號延遲模塊提供的信號延遲時間 大于與所述第一信號分析器關(guān)聯(lián)的處理時間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的距離測量儀器，其中由所述信號延遲模塊提供的信號延遲 時間大于與所述可變增益放大器關(guān)聯(lián)的處理時間。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的距離測量儀器，其中由所述信號延遲模塊提供的信號 延遲時間大于0. 5ns。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的距離測量儀器，其中信號延遲時間包括表面聲波設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的距離測量儀器，其中所述第一信號分析器被配置為在 其輸出處提供輸出信號，其表示向其信號輸入提供的輸入信號的峰值。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的距離測量儀器，其中所述第一信號分析器包括振幅檢 測器。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的距離測量儀器，其中所述第一信號分析器包括重置輸入。
9.如權(quán)利要求1至7之一所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器包括除法器 電路。
10.如權(quán)利要求9所述的距離測量儀器，其中所述除法器電路包括操作放大器和乘法 器電路。
11.如權(quán)利要求1至9之一所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器包括除法器 電路和第一乘法器電路，其中所述除法器電路的輸出連接至所述第一乘法器電路的第一輸 入。
12.如權(quán)利要求11所述的距離測量儀器，其中所述除法器電路的第一輸入連接至所 述第一信號分析器的輸出，以及所述第一乘法器的第二輸入連接至所述信號延遲模塊的輸出o
13.如權(quán)利要求11所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器還包括第二乘法 器，其中所述第二乘法器的第一輸入連接至所述信號延遲模塊的輸出，所述第二乘法器的 輸出連接至所述第一乘法器的第二輸入。
14.如權(quán)利要求13所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器還包括平方根器， 其中所述平方根器的輸入連接至所述第一信號分析器的輸出，以及所述平方根器的輸出連 接至所述除法器電路的第一輸入。
15.如權(quán)利要求1至8之一所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器包括數(shù)字可 變增益放大器。
16.如權(quán)利要求15所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器還包括最大編碼 器和查詢表，其中所述最大編碼器的輸出連接至所述查詢表的輸入，以及所述查詢表的輸 出連接至所述數(shù)字可變增益放大器的增益設(shè)置輸入。
17.如權(quán)利要求1至8之一所述的距離測量儀器，其中所述可變增益放大器包括多個比 較器、鎖存器和固定增益放大器。
18.如權(quán)利要求1至17之一所述的距離測量儀器，還包括第二信號分析器，其具有連 接至所述可變增益放大器的輸出的第一信號輸入，其中所述第二信號分析器被配置為確定 向其第一輸入提供的信號的信號特征的發(fā)生時間。
19.如權(quán)利要求18所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器被配置為確定作為 在向所述第二信號分析器的第一輸入提供的信號超過預(yù)定電平時的時間的發(fā)生時間。
20.如權(quán)利要求19所述的距離測量儀器，其中所述預(yù)定電平是固定電平。
21.如權(quán)利要求20所述的距離測量儀器，其中所述預(yù)定電平是取決于所述第一信號分 析器的輸出的可變電平。
22.如權(quán)利要求21所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器包括連接至所述第 一信號分析器的輸出的第二信號輸入。
23.如權(quán)利要求18至22之一所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器包括第 一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，被配置為生成數(shù)字值序列，其代表隨后的向所述第二信號分析器的 第一信號輸入提供的信號讀取。
24.如權(quán)利要求23所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器被配置為基于所述 第一信號分析器的輸出處理所生成的數(shù)字值序列。
25.如權(quán)利要求18至24之一所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器包括第 二模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其具有連接至所述第一信號分析器的輸出的輸入。
26.如權(quán)利要求18至25之一所述的距離測量儀器，還包括觸發(fā)器電路，其具有連接 至所述光源的輸出，其中所述觸發(fā)器電路和所述光源被配置為操作光源，從而發(fā)射隨后的 測量光脈沖。
27.如權(quán)利要求26所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器被配置為相對于隨 測量光的脈沖的發(fā)射時間而定的時間確定所述信號特征的發(fā)生時間。
28.如權(quán)利要求27所述的距離測量儀器，其中所述光學(xué)器件被配置為直接向所述檢測 器引導(dǎo)從所述光源發(fā)射的測量光的部分，而不向所述物體引導(dǎo)該部分。
29.如權(quán)利要求28所述的距離測量儀器，其中所述第二信號分析器被配置為確定隨后 的在其第一輸入處接收的信號脈沖對的相應(yīng)信號特征的時間。
30.如權(quán)利要求1至29之一所述的距離測量儀器，其中所述至少一個光源包括至少一個導(dǎo)光光纖，其摻雜有稀土元素；泵浦激光器，其連接至所述至少一個導(dǎo)光光纖；以及信號激光器，其連接至所述導(dǎo)光光纖；其中所述導(dǎo)光光纖被配置為放大和發(fā)射從所述信號激光器接收的光作為所述測量光。
31.如權(quán)利要求30所述的距離測量儀器，其中所述稀土元素包括鐿和鉺中的至少一個。
32.如權(quán)利要求30或31所述的距離測量儀器，其中所述至少一個導(dǎo)光光纖是具有單模 光纖芯的雙包層光纖。
33.一種距離測量方法，包括 向物體發(fā)射測量光的脈沖；從所述物體接收脈沖測量光，以及生成與從所述物體接收的測量光的脈沖相應(yīng)的脈沖信號；將所生成的脈沖信號的第一部分延遲預(yù)定時間；在延遲所生成的脈沖信號的第一部分的同時，生成用于表示所生成的脈沖信號的強度 的強度信號；使用取決于所生成的強度信號的增益來放大所生成的脈沖信號的所延遲的第一部分；基于所生成的脈沖信號的放大后的所延遲的第一部分來確定表示距離的值。
34.如權(quán)利要求33所述的距離測量方法，其中強度信號的生成包括確定所生成的脈 沖信號的第二部分的最大值。
35.如權(quán)利要求33或34所述的距離測量方法，其中放大所生成的脈沖信號的所延遲的 第一部分包括將與所延遲的第一部分相應(yīng)的信號除以所述強度信號。
36.如權(quán)利要求33至35之一所述的距離測量方法，其中確定表示距離的值包括識別 所生成的脈沖信號的所放大的第一部分的信號特征的發(fā)生時間。
37.如權(quán)利要求33至36之一所述的距離測量方法，其中相對于隨向所述物體發(fā)射的測 量光的脈沖的發(fā)射時間而定的時間執(zhí)行識別所生成的脈沖信號的所放大的第一部分的信 號特征的發(fā)生時間的操作。
38.如權(quán)利要求33至37之一所述的距離測量方法，還包括生成光脈沖，其中所生成 的光脈沖的第一部分形成向所述物體發(fā)射的測量光的脈沖；以及接收所生成的光脈沖的第 二部分，而不將其引導(dǎo)到所述物體；以及生成與不引導(dǎo)到所述物體的光的所接收的第二部 分相應(yīng)的脈沖信號。
39.如權(quán)利要求38所述的距離測量方法，其中生成第一脈沖信號，其相應(yīng)于所接收的 不引導(dǎo)到所述物體的光的第二部分；其中生成第二脈沖信號，其相應(yīng)于從所述物體接收的測量光的脈沖；以及 其中基于所述第一和第二脈沖信號之間的時間長度確定表示距離的值。
40.如權(quán)利要求33至39之一所述的距離測量方法，其中通過如權(quán)利要求1至32之一 限定的距離測量儀器執(zhí)行所述方法。
41.如權(quán)利要求1至32之一所述的距離測量儀器，其中所述儀器被配置為執(zhí)行如權(quán)利 要求33至39所述的距離測量方法。
全文摘要
一種距離測量儀器，包括至少一個光源(5)；至少一個光檢測器(9)；光學(xué)器件(23)，用于向物體(3)引導(dǎo)從所述至少一個光源發(fā)射的測量光，以及向所述至少一個檢測器引導(dǎo)從所述物體接收回的測量光；信號延遲模塊(51)；第一信號分析器(42)；以及可變增益放大器(33)。一種距離測量方法，包括向物體發(fā)射測量光的脈沖；從所述物體接收脈沖測量光，以及生成與從所述物體接收的測量光的脈沖相應(yīng)的脈沖信號；將所生成的脈沖信號的第一部分延遲預(yù)定時間；生成用于表示所生成的脈沖信號的強度的強度信號，同時延遲所生成的脈沖信號的第一部分；使用取決于所生成的強度信號的增益來放大所生成的脈沖信號的所延遲的第一部分；基于所生成的脈沖信號的放大后的所延遲的第一部分來確定表示距離的值。
文檔編號H03G3/30GK101828128SQ200780100859
公開日2010年9月8日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者A·達利尼, R·戴, Y·P·古瑟維 申請人:天寶3D掃描公司