高準度測距裝置的製作方法
2023-06-04 10:58:51 2
專利名稱：高準度測距裝置的製作方法
技術領域：
本發明是為一高準度雷射測距儀，尤指一種架構單純且具有精確距離量測優點的雷射測距裝置。
背景技術：
於美國專利案第5,075,878號中，揭露一種測距裝置。其中，該裝置利用實時的過零檢驗相位法測量相位差。如圖5A所示，假設待量測信號為SR＝Asin(ωt+ψ)而參考信號為S0＝Bsinωt，以該待量測信號SR經過零比較後成為方波。如圖5B所示，該方波再與一高頻信號進行脈衝計數，以獲得相位信息φ。
由於待量測信號SR含有直流量，會造成裝置在進行過零檢測時造成實際的零點偏移，進而影響量測相位的準確度；再者，參考信號有一定的振幅波動，使得判斷參考信號的零點位置因正負值波動而會產生複數脈衝，同樣影響量測數值。
由上述可知，習知雷射測距儀的電路架構過於複雜，造成待量測信號於傳送中的相位變動，再者，其使用的過零相位檢測方式計算待量測信號的相位信息時，卻因待量測信號包含有直流量，影響過零點無法準確判斷，而造成雷射測距儀於計算相位信息時出現誤差。
發明內容
為此，本發明是提供一種減少電子電路的使用，令待量測信號由光接收元件接收後，能立即地進行與參考信號的相位差比較，進而提高測距準確率的雷射測距儀。
欲達上述目的所使用的主要技術手段是令該高精度雷射測距儀包含有發光源、光接收器、多頻信號產生模塊、第一量測模塊、第二量測模塊及中央處理單元；其中該光接收器是具有混頻功能，使目標物反射的脈衝光束的頻率與來自多頻信號產生模塊的一頻率相互混頻；該多頻信號產生模塊是產生複數頻率以分別提供發光源、光接收器、第一量測模塊及第二量測模塊；
該第一、第二量測模塊則分別提供脈衝光束往返於測距裝置與目標物之間的飛行時間及相位差；又，第二量測模塊採用IQ正交鑑相法獲得該相位差；該中央處理單元是透過第一、第二量測模塊取得飛行時間與相位差，進計算出測距裝置與目標物之間的距離。
由前述可知，本發明的光接收器因具有混頻的功能，因此，中央處理單元可省去電子混頻器使用，並能計算出測距裝置與目標物之間的距離，故可避免經電子混頻造成信噪比(SNR)惡化，而能提高量測的精準度。
本發明次一目的是提供一種新的相位量測方法，可改善過零相位檢測法不精確的缺點，而有效提升本發明量測距離的準確度者。
前述相位量測方法是令參考信號另外產生一具九十度相位差的信號，再分別與待量測信號相乘得到兩個直流量的積，再將兩積相除得三角tan(φ)函數，獲得相位φ的數值，如此，即可改善過零相位檢測法，因直流量影響相位檢測的準確度。
圖1是本發明第一較佳實施例的測距裝置的電路方塊圖。
圖2是概要說明信號經由第一量測模塊處理的過程。
圖3是概要說明執行IQ正交鑑相法的相位比較器的電路方塊圖。
圖4是本發明第二較佳實施例的測距裝置的電路方塊圖。
圖5 A、B是習用雷射測距儀的零點相位檢測法的波形示意圖。
附圖中10-雷射二極體 11-光接收器20-波寬測量元件21-波寬產生元件30-相位比較器 31-第一混頻器32-鎖相迴路33-第一低通濾波器34-第二混頻器 35-第二低通濾波器36-除法元件40-信號校正單元41-帶通濾波器 42-整形電路43-混頻器 50-多頻信號產生模塊51-振蕩器 52-分頻器53-頻率合成器 60-中央處理單元
具體實施例方式
本發明是為一種高精度的測距裝置，首先請參閱圖1所示，是為本發明的一較佳實施例，其包含有一組雷射光收發器、一多頻信號產生模塊50、一第一量測模塊、一第二量測模塊及一中央處理單元60。
如圖1所示，該雷射光收發器，是由一雷射二極體10及一光接收器11組成。第一量測模塊包括一波寬測量元件20與一波寬產生元件21。第二量測模塊包括一相位比較器30、一混頻器43及一信號校正單元40。多頻信號產生模塊50包括一振蕩器51、一分頻器52與一頻率合成器53。一中央處理單元60，是與第一、第二量測模塊的輸出連接，以取得飛行時間與相位差，進計算出測距裝置與目標物之間的距離。
上述多頻信號產生模塊50的振蕩器51是產生第一基礎信號S1，分別輸出至分頻器52、混頻器43、光接收器11及波寬測量元件20。於本發明所列舉的實施例中，第一基礎信號S1的頻率為25MHz。
又，該第一基礎信號S1是經由分頻器52處理後，輸出頻率為6.25KHz的第二基礎信號S2至頻率合成器53。而頻率合成器53是再輸出一頻率為25.00625MHz的第三基礎信號S3，該第三基礎信號S3是分別提供予雷射二極體10、混頻器43及波寬產生元件21。
該雷射二極體10根據第三基礎信號S3朝向一目標物發射脈衝光束，並且該目標物反射該脈衝光束至該光接收器11，而該光接收器11則將脈衝光束與第一基礎信號S1予以混頻，並輸出頻率為6.25KHz的一待量測信號SR至第一量測模塊與第二量測模塊中。
請再配合參閱圖2所示，是概要說明信號經由第一量測模塊處理的過程當雷射二極體10根據第三基礎信號S3發射脈衝光束時，波寬產生元件21亦根據第三基礎信號同時輸出一高電位VH。當光接收器11輸出待量測信號SR至該波寬產生元件21時，該波寬產生元件21會立即停止輸出該高電位VH。因此，波寬產生元件21會輸出一反應脈衝光束飛行期間的方波信號至該波寬測量元件20。該波寬測量元件20利用第一基礎信號S1測量方波信號的上升緣至下降緣，以取得該方波信號的波寬，並將波寬值輸出至中央處理單元60，供中央處理單元60以便概略計算出脈衝光束的飛行時間TR。
於第二量測模塊中，該混頻器43會將分別來自振蕩器5l及頻率合成器53的第一基礎信號S1與第二基礎信號S3予以混頻後，輸出頻率為6.25KHz的一合成信號Sm至相位比較器3O。
此外，該相位比較器30會接收來自光接收器11的待量測信號SR。該待量測信號SR在輸入至相位比較器前30，是經信號校正單元40的帶通濾波器41及整形電路42處理，以還原稍微失真的待量測信號SR，並且將待量測信號SR傳遞至相位比較器30。而該相位比較器30會根據IQ正交鑑相法，分析出待量測信號SR相較於合成信號Sm的相位差。
請參閱圖3所示，是為上述相位比較器30的電路方塊，是由一第一混頻器31、一鎖相迴路32、一第一低通濾波器33、一第二混頻器34及一第二低通濾波器35組成。以下進一步說明相位比較器30的電路動作首先假設待量測信號SR為 合成信號Sm為 待量測信號SR會分別傳遞至第一混頻元件31及第二混頻元件34，此時，該合成信號Sm亦分別傳遞至第一混頻元件31及相位鎖定迴路32。第一混頻元件31將待量測信號SR與合成信號Sm混頻後，再經由一第一低通率波元件33處理並輸出一第一直流量(ABcosφ)/2。當合成信號Sm通過相位鎖定迴路32後，其延遲π/2的相位成為一延遲信號 該延遲信號Sm』與待量測信號SR經由第二混頻器34混頻後，再經由一第二低通率波元件35處理輸出一第二直流量(ABsinφ)/2。因此，該相位比較器即輸出第一直流量與第二直流量。
由上述可知，該第二量測模塊輸出的第一直流量與第二直流量會輸入至中央處理單元60，以計算出相位差，而在輸入之前可先經由一除法元件36處理或經模數轉換後，再輸入至由中央處理單元60處理，計算出相位φ的值。以除法元件36來說，是將第一直流量與第二直流量相除得到數值tanφ，以進一步計算得相位φ的值。
又，請參閱圖4所示，是為本發明另一實施例，其可省略混頻器43的使用，而提供予相位比較器的合成信號SR，則可直接自分頻器52獲得，令整體架構更形簡單。
綜上所述，本發明是藉由光接收器接收反射的脈衝光束同時，即輸出一個含有與反射的脈衝光束相同相位延遲信息的待量測信號，如此，可立即將此待量測信號輸入至第一/第二量測模塊中，進行相位差的計算，由於待量測信號毋需經由電子混頻器取出低頻信號，故可避免待量測信號在輸入至量測單元前，造成相位延遲的抖動(jetter)誤差。再者，本發明在各量測單元使用IQ正交鑑相法，可令中央處理器判斷相位差時，不受待量測信號與參考信號的直流量影響，而能確實地判斷兩信號間確切的相位差。
為此，本發明確已具備產業上利用性、新穎性及進步性等專利要件，爰依法具文提出申請。
權利要求
1.一種高準度測距裝置，用以量測一目標物與該測距裝置之間的距離，其特徵在於，其包含一多頻信號產生模塊，分別產生一第一基礎信號、一第二基礎信號及一第三基礎信號；一雷射二極體，根據上述第三基礎信號朝向該目標物發射一脈衝光束；一光接收器，接收該目標物反射的脈衝光束，並與上述第一基礎信號混頻，輸出一待量測信號；一第一量測模塊，量測得上述第三基礎信號產生至上述待量測信號產生之間的時間差；一第二量測模塊，量測得上述待量測信號與第二基礎信號之間的相位差；及一中央處理單元，根據上述時間差與相位差計算得該測距裝置與該目標物之間的距離。
2.如權利要求第1項所述高準度測距裝置，其特徵在於，上述多頻信號產生模塊包括一振蕩器，產生上述第一基礎信號；一分頻器，接收上述第一基礎信號，並輸出一第二基礎信號；及一頻率合成器，接收上述第二基礎信號，並輸出一第三基礎信號。
3.如權利要求第1或2項所述高準度測距裝置，其特徵在於，上述第一量測模塊包括一波寬產生元件，根據上述雷射二極體發射該脈衝光束時的第三基礎信號，及根據上述光接收器產生的該待量測信號，產生一方波；及一波寬測量元件，利用上述第一基礎信號作為時脈信號，量測上述方波的波寬而獲得上述時間差。
4.如權利要求第1或2項所述高準度測距裝置，其特徵在於，上述第二量測模塊包括一信號校正單元，用以還原失真的該待量測信號；及一相位比較器，比較上述第二基礎信號與來自上述信號校正單元的該待量測信號，以便獲得上述相位差。
5.如權利要求第3項所述高準度測距裝置，其特徵在於，上述第二量測模塊包括一信號校正單元，用以還原失真的該待量測信號；及一相位比較器，比較上述第二基礎信號與來自上述信號校正單元的該待量測信號，以便獲得上述相位差。
6.如權利要求第1或2項所述高準度測距裝置，其特徵在於，上述第二量測模塊包括一信號校正單元，用以還原失真的該待量測信號；一混頻器，將來自該振蕩器的第一基礎信號與該頻率合成器的第三基礎信號混頻後，輸出一合成信號；及一相位比較器，比較上述合成信號與來自上述信號校正單元的該待量測信號，以便獲得上述相位差。
7.如權利要求第3項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中上述第二量測模塊包括一信號校正單元，用以還原失真的該待量測信號；一混頻器，將來自該振蕩器的第一基礎信號與該頻率合成器的第三基礎信號混頻後，輸出一合成信號；及一相位比較器，比較上述合成信號與來自上述信號校正單元的該待量測信號，以便獲得上述相位差。
8.如權利要求第4項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該相位比較器包括一第一混頻元件，將上述待量測信號與第二基礎信號混頻；一第一低通濾波元件，再處理上述第一混頻元件輸出的信號，而輸出一第一直流值；一相位鎖定迴路，將上述第二基礎信號的相位延遲π/2；一第二混頻元件，將上述待量測信號與來自該相位鎖定迴路的第二基礎信號混頻；一第二低通濾波元件，再處理上述第二混頻元件輸出的信號，而輸出一第二直流值；以及一邏輯操作數件，將上述第一直流值與上述第二直流值經由相除運算後，便可得到上述相位差。
9.如權利要求第5或7項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該相位比較器包括一第一混頻元件，將上述待量測信號與第二基礎信號混頻；一第一低通濾波元件，再處理上述第一混頻元件輸出的信號，而輸出一第一直流值；一相位鎖定迴路，將上述第二基礎信號的相位延遲π/2；一第二混頻元件，將上述待量測信號與來自該相位鎖定迴路的第二基礎信號混頻；一第二低通濾波元件，再處理上述第二混頻元件輸出的信號，而輸出一第二直流值；以及一邏輯操作數件，將上述第一直流值與上述第二直流值經由相除運算後，便可得到上述相位差。
10.如權利要求第6項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該相位比較器包括一第一混頻元件，將上述待量測信號與第二基礎信號混頻；一第一低通濾波元件，再處理上述第一混頻元件輸出的信號，而輸出一第一直流值；一相位鎖定迴路，將上述第二基礎信號的相位延遲π/2；一第二混頻元件，將上述待量測信號與來自該相位鎖定迴路的第二基礎信號混頻；一第二低通濾波元件，再處理上述第二混頻元件輸出的信號，而輸出一第二直流值；以及一邏輯操作數件，將上述第一直流值與上述第二直流值經由相除運算後，便可得到上述相位差。
11.如權利要求第4項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該信號校正單元包括一帶通濾波器與一整形電路。
12.如權利要求第5、7、8或10項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該信號校正單元包括一帶通濾波器與一整形電路。
13.如權利要求第6項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該信號校正單元包括一帶通濾波器與一整形電路。
14.如權利要求第9項所述高準度測距裝置，其特徵在於，其中該信號校正單元包括一帶通濾波器與一整形電路。
全文摘要
本發明是為一種高準度測距裝置，是包含有發光源、光接收器、多頻信號產生模塊、第一量測模塊、第二量測模塊及中央處理單元；該多頻信號產生模塊產生複數頻率以分別提供發光源、光接收器、第一量測模塊及第二量測模塊，而光接收器具有混頻功能，使目標物反射的脈衝光束的頻率與來自多頻信號產生模塊的一頻率相互混頻。第一、第二量測模塊提供脈衝光束往返於測距裝置與目標物之間的飛行時間及相位差；其中，第二量測模塊採用IQ正交鑑相法獲得該相位差，如此，中央處理單元是根據飛行時間與相位差，計算出測距裝置與目標物之間的距離。
文檔編號G01S17/00GK1609553SQ20031010231
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月24日 優先權日2003年10月24日
發明者簡碧堯, 黃東, 楊國華, 段丹 申請人:亞洲光學股份有限公司