使用脉冲电磁波的测距装置和方法

摘要

一种使用脉冲电磁波的测距装置和方法，即使在装置与目标之间的距离很小时，使用该装置和方法也可以进行高速响应的精确测距。从单独的投射器向目标投射电磁波,当电磁波被目标反射回时获得的反射波以及从电磁波中分出的参考波由单一接收器接收。参考波接收时间被延迟一个延迟时间，以致从投射器发射电磁波的电磁波投射时间与参考波接收时间之间的第一时间周期比投射时间与由接收器接收反射波的反射波接收时间之间的第二时间周期长，根据延迟时间和参考波接收时间与反射波接收时间之间的时间差确定距离。

说明书

技术领域

本发明涉及根据传播时间间隔法确定一个目标的距离的测量精度的改进，具体地是涉及使用脉冲电磁波的测距装置和方法，使用该装置和方法即使在距离很小时也可以进行高速响应的精确测距。

背景技术

根据投射时间和反射波接收时间之间的时期确定与一个目标的距离方法称为传播时间间隔法，其中在投射时间将脉冲电磁波投射到该目标，而在反射波接收时间接收从该目标反射回的电磁波。

例如，美国专利5,054,911中公开了脉冲型的光波测距仪。  根据该仪器，投射给目标的光波的一部分用作参考光波，并允许其通过预定长度的光路，但不穿过该目标。当光波被目标反射回时，获得反射波，参考波由单独的接收器接收。根据参考波接收时间和反射波接收时间之间的时间差确定该目标与仪器之间的距离，其中在参考波接收时间由接收器接收参考波，而在反射波接收时间由同一接收器接收反射波。

顺便提及，如图24中所示，当仪器与目标之间的距离很小时，参考波“S”在时间轴上的位置可能紧接近于反射波“R”。在这种情况下，无疑将很难将参考波“S”与反射波“R”清楚分开，因此存在测量精度低的问题。为了避免这样的问题，建议是将具有预定长度的光纤引入反射波的光路里，并将反射波的接收延迟一个延迟时间“Td”，这样反射波“R”就在时间轴上与参考波“S”分割开，如图24中虚线所示。借此，所述距离可以根据接收反射波和参考波之间的时间差“Ts-R”和所述延迟时间“Td”确定。

然而，目标的反射率根据目标表面的色彩，即表面色为白还是黑而改变。此外，反射率还根据目标表面的表面状况，即目标表面是镜面反射表面还是漫反射表面而改变。因此，当反射率很小时，就要担心由于让反射波穿过光纤而引起的相当大的光损失。而且不言而喻，随着光纤长度的增加，光损失问题将变得更加严重。另一方面，带来信噪比的恶化。举例来说，为了防止信噪比的恶化，可以建议增加放大器或增加投射给目标的光波量。然而，这将导致测距仪成本的增加。此外，还存在另外的问题，即使测距仪变得结构庞大而复杂。

发明内容

因此，考虑到上述问题，本发明的主要目的是提供一种使用脉冲电磁波的测距装置和方法，使用该装置和方法即使在装置和目标之间的距离很小时，也可以进行高速响应的精确测距。

更具体来讲，该测距装置包括：

一个单独的投射器，用于将电磁波投射给一个目标；

一个位于该投射器和目标之间的分支装置，用于从电磁波中分出一个参考波；

一个单独的接收器，用于接收参考波和在电磁波从目标反射回时接收反射波；

一个为参考波引入一个光路的延迟装置，从分支装置延伸到接收器而不穿过目标，用于为延迟参考波的接收时间提供一个延迟时间，在该延迟时间由接收器接收参考波，使得参考波接收时间与电磁波投射时间之间的第一时间周期长于投射时间与反射波接收时间之间的第二时间周期；以及

一个处理器，用于根据接收器的输出计算参考波接收时间和反射波接收时间之间的时间差，并根据时间差和延迟时间确定测距装置与目标之间的距离。

根据本发明的测距装置，由于参考波接收时间比反射波接收时间延迟了延迟时间，因此防止如图24中所示的参考波与反射波重叠从而不能准确测量距离的麻烦的发生。具体来讲，由于维持高强度参考波相对地容易，因此由于允许参考波穿过象光纤这样的延迟装置而延迟了参考波接收时间所引起的参考波光损失并没有对距离测量精度产生大的影响。

当所述电磁波是光时，最好是用具有预定长度的光纤或若干排列以便延长参考波光路的反光镜提供延迟装置。在使用光纤的情况下，可以根据光纤长度得到期望的延迟时间。在使用反光镜的情况下，可以在即使有环境温度变化等干扰因素的情况下稳定地提供延迟时间。

此外，最好是延迟装置包括仅用于从分支装置接收参考波的参考波接收设备；用于延迟来自参考波接收设备的输出信号的延迟电路；和用于向接收器提供延迟电路输出的参考波发射装置。该实施例有效地减小了本发明的测距装置的尺寸。

最好是延迟装置包括用于改变延迟时间的延迟时间调节器。在这种情况下，由于可以根据被测距离选择适当的延迟时间，所以可以用改善响应速度精确地确定距离。

还最好是该测距装置进一步包括温度补偿部件，用于补偿由环境温度变化引起的延迟时间波动。在这种情况下，可以稳定地维持测量精度，而不受环境温度的影响。

当电磁波是光时，该测距装置最好进一步包括光量调节器，用于调节由接收器接收的反射波和参考波中的至少一个的光量。由于调节反射波和/或参考波的光量有效的减少了噪声分量，所以可以改善信噪比并且可以更加精确地确定距离。

最好是处理器允许投射器向目标多次投射电磁波，并根据接收器在电磁波的每一次投射时提供的输出计算参考波接收时间和反射波接收时间之间的平均时间差，以便根据平均时间差和延迟时间确定距离。该实施例尤其是在需要高精度确定距离时有用。此外，该实施例最好是在通过使用临时确定的延迟时间进行粗略确定距离的初步测量时使用，然后根据初步测量结果调整用于精确测量距离的实际测量的延迟时间。

延迟装置最好是提供比允许电磁波穿过测距装置的最大可测距离的两倍距离所要求的周期还要长的延迟时间。当被测距离小于最大可测距离时，仍可以确保反射波与参考波分开。

本发明的进一步目的是提供使用脉冲电磁波的测距方法，通过该方法可以实现如上所述的相同有益效果。具体来讲，该方法包括以下步骤：

从一个单独的投射器向目标投射电磁波；

利用接收器在所述电磁波从所述目标反射回时接收反射波；

通过同一接收器，接收在所述电磁波到达目标前从电磁波分出的参考波；以及

根据接收器的输出确定离目标的距离；

其中该方法的特征在于，由接收器接收参考波的参考波接收时间被延迟时间进行延迟，使得从投射器发射电磁波的电磁波投射时间与反射波接收时间之间的第一时间周期长于投射时间与由接收器接收反射波的反射波接收时间之间的第二时间周期，并且根据延迟时间和参考波接收时间与反射波接收时间之间的时间差确定离目标的距离。

在上述方法中，最好是根据与目标的距离大或小改变延迟时间。通过选择适当的延迟时间，可以有效地进行测距。

此外，最好是通过使用临时确定的延迟时间进行粗略确定与目标距离的初步测量，然后根据初步测量结果调整用于精确测量距离的实际测量的延迟时间。由于所述初步测量结果对于选择适当的延迟时间很有用，所以可以顺利地用高精度进行实际测量。具体来讲，推荐在下述时候执行所述初步测量：在实际测量中向目标多次投射电磁波，并根据接收器在电磁波的每次投射时提供的输出计算参考波接收时间和反射波接收时间之间的平均时间差，以致根据平均时间差和延迟时间确定距离。

此外，最好是通过使用临时确定的延迟时间进行粗略确定与目标的距离的初步测量，然后根据初步测量结果调整用于精确测量距离的实际测量的由接收器接收述反射波和参考波中的至少一个的光量。通过选择所述反射波和/或参考波的适当的光量，可以用改善的信噪比地确定距离。

通过下面参照附图对本发明的优选实施例的描述，本发明的这些和其它目的及优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的测距装置的框图；

图2A和2B表示本发明的测距方法的原理的示意图；

图3是该测距方法的流程图；

图4A和4B是表示延迟装置的实例的解释性图；

图5是根据本发明的另一优选实施例的具有电气延迟装置的测距装置的框图；

图6是根据本发明的另一优选实施例的具有温度补偿部件的测距装置的框图；

图7是根据本发明的另一个优选实施例的测距装置的框图；

图8A至8C是表示温度补偿部件的实例的解释性图；

图9是具有另一种温度补偿部件的测距装置的框图；

图10是根据本发明的另一优选实施例的测距方法的流程图；

图11是表示延迟时间调节器实例的解释性图；

图12是表示延迟时间调节器的另一实例的解释性图；

图13A至13C是表示延迟时间调节器的另一实例的解释性图；

图14是根据本发明的另一优选实施例的测距方法的流程图；

图15A和15B是表示光量调节器实例的解释性图；

图16是表示光量调节器的另一实例的解释性图；

图17是表示光量调节器的另一实例的解释性图；

图18是根据本发明的另一个优选实施例的测距装置的框图；

图19A和19B分别是根据本发明的使用光开关和光波导的测距装置的方框图，以及显示该装置操作的时序图；

图20是表示根据本发明的优选实施例的使用门“G”的测距装置的操作的时序图；

图21是测距装置的操作的流程图；

图22是表示根据本发明的另一优选实施例的使用一对门“G0”和“G1”的测距装置的操作的时序图；

图23是该测距装置操作的流程图；以及

图24是图示一种传统测距方法原理的示意图。

具体实施方式

根据以下优选实施例，详细说明本发明的测距装置和方法。然而不言而喻，本发明并不局限于这些实施例。

图1表示该实施例的测距装置。附图标记1表示用于根据驱动电路7的输出发射脉冲激光的投射器，例如半导体激光器。所发射的激光的一部分被象分光镜10这样的分支装置分出来作为参考波，而其余穿过光束分路器。穿过光束分路器10的激光被目标9反射，提供一个反射波。反射波穿过一个透镜(未示出)由象光电二极管这样的接收器2接收。另一方面，参考波穿过光纤8由同一接收器2接收，光纤8用作稍后将解释的延迟装置。因此，从由单一投射器1提供的脉冲激光获得参考和反射波，并在不同的时序(timing)由单一接收器2接收。

放大器3将接收器2的输出放大。然后放大的输出发送给屏蔽部件4，用于有选择地产生参考波分离屏蔽和反射波分离屏蔽。当所述屏蔽部件4产生参考波分离屏蔽时，仅对应于所述参考波的信号分量可以穿过参考波分离屏蔽。相反地，当屏蔽部件4产生反射波分离屏蔽时，仅对应于反射波的信号分量可以穿过所述反射波分离屏蔽。可以使用模拟开关或选通电路对所述参考波分离屏蔽和反射波分离屏蔽的生成进行切换。

屏蔽部件4的输出输入给计数电路5。计数电路5具有时钟功能。即，计数电路5在产生参考波分离屏蔽周期内测量从投射器1投射激光的激光投射时间与由接收器2接收参考波的参考波接收时间之间的第一时间周期(T1)，并在产生所述反射波分离屏蔽的周期内，测量激光投射时间与由接收器2接收反射波的反射波接收时间之间的第二周期(T2)。可以由所述计数电路5控制参考波分离屏蔽和反射波分离屏蔽之间的选择。

顺便提及，如图2A中所示，当装置与目标9之间的距离很小时，参考脉冲波S在时间轴上的位置可能紧接近反射脉冲波R。因此，很难将所述反射脉冲波S和参考脉冲波R彼此分开。在本实施例中，在参考波光路里引入了光纤8，从光束分路器10延伸到接收器2，而不穿过目标9。由于光纤8具有比装置和目标9之间距离充分大的长度，所以参考波接收时间比反射波接收时间延迟。因此，如图2B中所示，光纤8起到延迟装置的作用，为延迟参考波接收时间提供延迟时间(Td)，这样以致参考波接收时间和激光器光投射时间之间的第一时间周期(T1)比激光投射时间和反射波接收时间之间的第二时间周期(T2)长。通过引入光纤8作为延迟装置，可以防止反射脉冲波R与参考脉冲波S重叠的情形，因此即使在装置与目标之间的距离比较小时，也可以精确地确定距离。

第一时间时期(T1)等于象接收器2的响应时间这样的时间分量(Ts)与上述延迟时间(Td)的总和，即Ts+Td。第二时间周期(T2)等于时间分量(Ts)与随装置与目标9之间距离而改变的时间分量(TL)的总和，即Ts+TL。由此可理解为，反射波接收时间与参考波接收时间之间的差(T1-T2)等于“Td-TL”。因此，时间分量TL可以通过“Td-(T1-T2)”确定。

为了进一步改善测量精度，上述用于测量第一和第二时间周期的步骤最好是重复规定的次数(N)。例如，当所规定的次数(N)是10000时，第一和第二时间周期中的每一个的测量被执行10000次，于是求得了对应于被测量了10000次的第一时间周期的总和的第一累积时间(S1)和对应于被测量了10000次的第二时间周期的总和的第二累积时间(S2)。由计数电路5测量的第一和第二累积时间被发送到处理器6。在处理器6中，根据第一和第二累积时间(S1，S2)、规定的次数(N)和延迟时间(Td)确定装置和目标9之间的距离。也就是说，距离可以根据延迟时间(Td)和参考波接收时间和反射波接收时间之间的平均时间差精确地确定，其中平均时间差是通过计算(S1-S2)/N得到的。

图3是上述测距方法的示意流程图。日本专利申请2001-124855 A公开的用于控制来自投射器2的脉冲激光的发射定时(timing)的屏蔽部件4、计数电路5、处理器6和驱动电路7可以用于本发明的测距装置。

顺便提及，当具有定长的光纤8用作延迟装置、并且装置和目标9之间的距离几乎等于光纤的定长时，就要担心参考脉冲波与反射脉冲波在时间轴上重叠。在这种情况下，光纤8的整体长度最好是大于测距装置的最大可测距离的两倍。换言之，即光纤8的整体长度最好是确定为提供比允许激光穿过两倍于测距装置的最大可测距离的距离所要求的时间周期更长的延迟时间。

另一方面，当最大可测距离比较长时，光纤8的延长长度可能导致测距装置尺寸的增加。在这种情况下，最好是当参考脉冲波与反射脉冲波重叠时，对从光路去掉光纤8的延迟装置使用转换机构，或使用另一种具有稍后将说明的延迟时间调节器的延迟装置。

在利用光纤8作为延迟装置的情况下，最好是使用具有极小热膨胀系数的光学材料的光纤，例如石英。这可以将环境温度的影响最小化。此外，作为光纤，“S1”型和“G1”型大体上是已知的。在本发明中，最好是使用“G1”型光纤，以便精确地设定延迟时间。

另外，可以使用多个排列的反光镜80作为延迟装置8，以便延长参考波的光路，或使用光波导作为延迟装置8，如图4A和4B中所示。此外，如图5中所示，延迟装置最好是电气延迟部件，包括仅用于从光分路器10接收参考波的参考波接收装置81；用于将参考波接收设备提供的输出信号延迟要求的周期的延迟电路82；以及用于向接收器2提供延迟电路的输出的参考波发射装置83。

当光纤8用作延迟装置时，光纤的长度随环境温度变化所引起的光纤的热膨胀和收缩而波动，因此担心延迟时间(Td)的变化对测量精度的影响。在这种情况下，如图6中所示，最好是使用补偿电路12，用于根据由测温器11检测的温度值补偿延迟时间(Td)。环境温度的影响可以以实时方式补偿。

例如，如图7和8A中所示，由热膨胀和收缩所引起的光纤8的长度变化还可以使用距离调节器13补偿，距离调节器13根据由测温器11检测的温度值控制光纤8的一端与接收器2之间的距离。另外，如图8B所示，由热膨胀和收缩所引起的光纤8的长度变化可以通过根据由所述测温器11检测的温度值在光纤8的端部与所述接收器2之间的一个位置插入具有不同长度的半透明构件(例如14a，14b，14c)之一进行补偿。此外，如图8C中所示，由热膨胀和收缩引起的光纤8长度变化可以通过根据由测温器11检测的温度值在光纤8的端部与接收器2之间的一个位置插入具有不同折射率的延迟构件(例如15a，15b，15c)之一补偿。当参考波接收时间被电气延迟时，如上面参照图5所阐明的，最好是根据检测的温度值精细调整延迟时间。

为用作接收器2的光电二极管提供温度补偿部件也是有效的。例如，在图9示出的实施例中，测温器(即温度传感器11)检测环境温度以输出一个模拟数据。该模拟数据通过模-数转换器发送到微型计算机(即控制器)。从微型计算机输出的补偿电压值被再次由数-模变换器转换为模拟数据，然后施加到补偿电源。该补偿电源根据外加电压值改变为光电二极管提供的电压值。

顺便提及，在进行投射所述脉冲电磁波的一系列步骤时，在设定比较长的延迟的条件下，重复地从所述目标9接收反射波R和接收参考波S，这样确定装置与目标之间距离所要求的总时间变长。在这种情况下，延迟装置8最好具有用于改变延迟时间(Td)的延迟时间调节器，如图10中所示，通过使用临时确定的延迟时间执行粗略确定装置与目标之间距离的初步测量，然后根据初步测量结果通过使用延迟时间调节器调整用于精确测量距离的实际测量的延迟时间。

用于初步测量的延迟时间最好是比激光穿过两倍于测距装置的最大可测距离的距离所要求的时期长。因此，在多数情况下，用于实际测量的延迟时间比用于初步测量的延迟时间短。因而，与不进行初步测量而使用比较长的延迟时间确定距离的情况相比，可以在维持测量精度的同时更有效地确定距离。

图10中，在初步测量和实际测量中，投射脉冲电磁波的一系列步骤、反射波R的接收以及参考波S的接收都重复了特定次数(N)。在这种情况下，初步测量中的特定次数(Np)最好是小于实际测量中的特定次数(Na)，以便减少确定距离要求的总时间。另外，可以仅在实际测量中重复如上所述的一系列步骤。

当从投射器1投射脉冲电磁波重复定时(timing)为恒定时，确定距离需要的总时间无法通过改变延迟时间长度减少。这种情况下，最好是从屏蔽部件4的参考波屏蔽输出的对应于参考波的信号分量，或从屏蔽部件4的反射波分离屏蔽输出的对应于反射波的信号分量用作触发信号，提供投射脉冲电磁波的重复定时(timing)。此外，触发信号不局限于上述信号。例如，由接收器2接收到参考波也可以用作触发信号。在这种情况下，当进行投射脉冲电磁波的一系列步骤时，反射波R的接收和参考波的接收被重复特定次数(N)，当接收器2接收到来源于前一个投射电磁波的参考波时，立即执行每一次的向目标9的脉冲电磁波投射。另外，作为重复定时(timing)，可以在所述参考波被接收器2接收后过了一预定时期后投射所述脉冲电磁波。

举例来说，图9表示用于提供触发信号的电气延迟部件60。延迟部件60从用于将接收器2接收的参考波和反射波彼此分开的信号分离器61处接收参考波检测信号，然后让投射器1从接收到参考波检测信号后经过一个预定时间周期投射脉冲电磁波。在图中，附图标记63表示用于计算重复次数的计数器。

例如，如图11所示，延迟装置8最好具有改变延迟时间(Td)的能力，其由若干具有不同长度的光纤和作为光分路器的光波导85组成。此外，如图12所示，可以用诸如光开关这样的光路开关装置86和多个光波导85作为具有改变延迟时间(Td)能力的延迟装置8。另外，如图13A-13C所示，可以使用具有嵌入光开关87的光波导85。

如图14所示，最好是形成用于调整参考波的光量的光量调节器90，并且参考波的光量由光调节器90根据初步测量中接收的反射波的信号电平(或装置与目标之间的距离)自动调整。在这种情况下，由于接收的参考波的信号电平与实际测量中接收的反射波的信号电平相匹配，所以可以减少参考脉冲波附近产生的噪声分量，并防止将噪声分量作为参考波错误地识别出。此外，可以通过对参考波和反射波之间的信号电平进行匹配而更加稳定地执行测距。

例如，如图15A和15B中所示，当参考波光路中在光束分路器10至接收器2之间串联放置一对光波导85a、85b作为延迟装置8、并使用马达91使得具有光波导85a的平台相对于具有光波导85b的平台光滑移动时，可以通过改变光波导85a和85b的端部之间的接触面积来调整光量。在图中，附图标记92表示高分辨率编码器。由马达91驱动移动的具有光波导85a的平台的移动量由处理器6和驱动电路7控制。

此外，根据图16表示的光量调节器90，由于使用马达94调节投射器1和用作延迟装置的光纤8的一端之间距离，并且在接收器2的前面放置了可以由马达91移动以便控制由接收器2接收的光量的保护屏95，所以可以调节反射波的光量以及参考波的光量。另外，如图17所示，可以将液晶滤光器96用作光量调节器90。

为了减少参考波和反射波中包含的噪声分量，如图18所示，最好是在接收器2的前面放置带通滤波器97，仅允许用于确定距离的特定波长的脉冲电磁波通过。

为了阻止噪声分量的干扰，为进入接收器2的光进行屏蔽是很有益的。例如，如图19所示，为了掩蔽参考波，当诸如光开关之类的一对门“G1”和“G0”分别配置在延迟装置8的光输入和输出部分时，这些门可以在通过参考波的定时(timing)打开。可以仅形成门“G1”和“G0”中的一个。

在执行初步和实际测量的情况下，最好是为反射波形成门“G”。在这种情况下，门“G”可以在通过反射波的定时(timing)打开。由于根据装置和目标之间的距离改变通过反射波的定时(timing)，所以门“G”最好是在初步测量期间始终打开，而在实际测量时，门“G”仅在由初步测量得到的反射波接收时间附近的预定时期打开，如图20中所示。图21是这种情况的流程图。

可以令参考波和反射波通过同一个门“G0”。图22示出在令参考波和反射波通过同一个门“G0”的情况下，打开和闭合门“G1”和“G0”的定时(timing)。此外，图23表示这种情况的流程图。作为门“G0”，最好是使用光开关将参考波和反射波有选择地引入到接收器2里。

上述优选实施例中，脉冲激光被用作所述脉冲电磁波。替换地，可以使用具有与激光不同波长的脉冲电磁波。

此外，为了避免噪声分量的影响，最好是用树脂材料制造所述测距装置的外壳。在这种情况下，可以减少电子部件之间产生的感应噪声影响，尤其是用于高压电源的部件以及用于安放那些电子部件的插件板。