用于激光接收器的频闪光和激光束检测

摘要

一种装置以及一种方法，用来探测移动的较窄的激光束，并区分光电探测器是由激光束所照射，还是由无定向光脉冲所照射。多个光电探测器阵列排列为垂直的行，每个探测器阵列具有光电探测器元件的垂直的行。与阵列相关联的加权电路为每个阵列中提供与被照射的元件相关的第一和第二参考信号。确定参考信号之和与最大和最小参考信号之差的比值，并当该比值小于预定值时作为由较窄的激光束所照射的指示，当该比值大于预定值时作为由光的无定向脉冲所照射的指示。

说明书

技术领域

本发明涉及用于勘测和建筑的设备，尤其涉及用于此类应用的探测器，该探测器具有用于检测参考光位置的改进了的光电探测器配置。典型地，该光可以为定义了光的参考平面或者激光的固定参考平面或者激光锥的旋转激光束。该参考平面可以如应用要求的为水平或者倾斜。此外，发射参考光的发射器还可以按与光束的旋转同步的方式规则地发射频闪光以使光束定义特定的方位角。

背景技术

激光系统通常用于勘测及建筑，其中激光束在水平或者斜面旋转。于1977年12月13日授予Rando的美国专利第4,062,634号公开了一种具有这种旋转参考光束的激光发射器。旋转光束定义了平面，可以以该平面为参考进行多种测量。例如对远离激光发射器的某一点的抬升可以利用装有激光接收器的杆进行测量。杆的底部置于地上要进行测量的点处，操作员沿杆移动接收器至根据接收器的显示所指示的截获激光束的位置。于1987年6月30日授予Pehrson的美国专利第4,240,208号公开了这种激光接收器。

此外，激光系统还通过在每次旋转中每当光束指向参考方向时的发射一次例如频闪脉冲的光脉冲，提供了激光束相对于参考方向(例如正北)的方位角的指示。于2003年11月4日授予Detweiler等人的美国专利第6,643,004号公开了这种系统。另外，频闪光通常在建筑工地进行机械控制和勘测操作时用作警示光。

工作在此种环境中的激光接收器必须能够区分接收器是由激光束所照射还是由来自频闪源的光脉冲所照射。区分二者的方法之一是对激光和频闪光提供单独的探测器，用光滤波器滤除适当频率外的所有光。但该方法并不总是完全有效，光滤波器除带来不必要的干扰外还会衰减所需频率的光，使之难以检测。

因此，可见需要一种装置和方法，使用包含大量光电探测器的多个光电探测器阵列，通过处理具有连续变化关系的多个输出信号准确确定哪个或者哪些光电探测器发光以及被哪个光源所照射。

发明内容

根据本发明的方法可以满足以上需求，该方法检测移动的较窄的激光束并区分光电探测器是由该移动的较窄的激光束所照射还是由无定向光脉冲所照射。该方法包括沿垂直的行放置多个光电探测器阵列，其中每个阵列包括排列为垂直行的多个光电探测器元件。阵列中的光电探测器元件通常被集中排列为垂直取向并延伸的行。所述每个光电探测器元件在被照射时会提供电输出。对于每个阵列，在阵列中的每个光电探测器元件的电输出的部分被用作第一参考信号和第二参考信号，该第一参考信号与光电探测器元件距离阵列的行的第一端部的间距相关，而第二参考信号与光电探测器元件距离阵列的行的第二端部的间距相关。来自所述光电探测器阵列的第一和第二参考信号之和被确定，同样来自所述光电探测器阵列的第一及第二参考信号的最大和最小之差被确定。将所述光电探测器阵列的第一和第二参考信号之和除以所述光电探测器阵列的第一及第二参考信号的最大和最小之差。其商被解释为，当商值小于预定值时表示光电探测器是由移动的较窄的激光束所照射，当商值大于所述预定值时表示所述光电探测器是由无定向光脉冲所照射。如果商值表示所述光电探测器是由移动的较窄的激光束所照射，可根据来自每个阵列的第一和第二参考信号的强度来确定激光束关于延伸行的位置。

本发明提供一种装置，用来检测移动的较窄的激光束并区分光电探测器是由该移动的较窄的激光束所照射还是由无定向光脉冲所照射，包括沿垂直的行排列多个光电探测器阵列，其中每个阵列包括排列为垂直的阵列的行的多个光电探测器元件，以将光电探测器元件排列为垂直取向并延伸的行。所述每个光电探测器元件在被照射时提供电输出。包括多个加权电路，每个加权电路分别与相应的多个光电探测器阵列之一相联系。每个加权电路提供相应阵列中的每个光电探测器元件的电输出的部分作为与光电探测器元件距离阵列的行的第一端部的间距相关的第一参考信号、和相应阵列中的每个光电探测器元件的电输出的部分作为与光电探测器元件距离阵列的行的第二端部的间距相关的第二参考信号。与各阵列行相联系的加权电路连接到与相邻阵列行相联系的加权电路。提供对应于并响应来自所连接加权电路的参考信号的电路以确定参考信号之和除以参考信号的最大和最小之差的比值并将其解释为，当比值小于预定值时为光电探测器是由移动的较窄的激光束所照射的指示，当比值大于预定值时所述光电探测器是由无定向光脉冲所照射的指示。

因此，本发明的目的在于：提供一种用于检测参考光的相对位置的装置和方法；提供一种装置和方法，其中放置多个光电探测器阵列以使所有阵列中的光电探测器排列于延伸行上；提供一种装置和方法，其中多个加权电路响应所述阵列，以及多个输出电路响应加权电路以确定参考光的位置并确定装置是由激光束还是由频闪光脉冲所照射。

通过以下对附图以及后附权利要求的说明，本发明的目的和优点将更为清晰。

附图说明

图1为构成本发明的装置的部分电路概要图。

图2为图1中部分光电探测器阵列及加权电路的概要图，连接至四个级联加权电路的四个探测器阵列。

图3为构成本发明的加权电路的部分概要图，给出了连接至m个级联加权电路的m个探测器阵列。

图4为用来说明本发明系统区分由频闪光脉冲所照射还是由较窄的激光束所照射的过程的流程图。

具体实施方式

图1表示了根据本发明的探测器装置10的部分。该装置检测参考光，例如激光，并给出参考光相对于该装置的位置。该装置还可检测参考频闪脉冲。参考光可以由例如于1977年12月13日授予Rando等人的美国专利第4,062,634号所公开的激光发射器、或者于1988年3月22日授予Cain等人的美国专利第4,732,471号所公开的激光发射器产生。也可以使用其他的光发射器。

探测装置10包括显示器12，和光电探测器装置14，其中光电探测器装置14包括如图2所示的排列为垂直的行的多个光电探测器阵列15¹、15²、15³和15⁴。尽管为了图1、2中示出了四个光电探测器阵列，还可以在更大或者更小的尺寸范围内在延伸行内放置更多或者更少的光电探测器阵列。每一阵列包括排列为垂直行的多个光电探测器元件CR1～CR12。这些阵列中的光电探测器元件15¹、15²、15³和15⁴集中排列为垂直取向并延伸的行。术语“水平”和“垂直”用于此处仅表示相对的意思，并不意指任何特定的绝对方向。探测装置可以通过其光电探测器元件的延伸行在任意方向上被操作，但光电探测器元件的行优选垂直于要检测的激光参考平面。光电探测元件CR1～CR12中的每个包括PIN二极管用来当由参考光所照射时提供电输出。当光电探测器装置14被照射时，输出电路22在显示器12上给出光的参考平面相对于探测装置10的位置的指示。例如，显示器12可以指示光是在参考范围之上、之下、或者是在参考范围内。另外，显示器12还可以给出关于参考光的位置的更精确的信息，例如位置的数字化表示或者多层次显示。也可以使用其他显示装置，或者也可以没有显示器，而是通过机械控制电路利用输出电路22的输出来自动控制机械位置。

输出电路22分别响应线23和24上的第一和第二参考信号的相对电平，该第一和第二参考信号由光电探测器14提供用以确定参考光的位置。输出电路22还响应来自其他阵列中光电探测器的线25和26上的参考信号的电平。

该装置还包括四个加权电路30¹、30²、30³和30⁴，见图2。以下将进行更充分的说明。加权电路30¹、30²、30³和30⁴分别与光电探测器阵列15¹、15²、15³和15⁴相联系。如果需要的话，可以使用更少的探测器阵列。加权电路30¹包括电阻R1～R4及R6～R13、电感L1和L2(旁路直流的太阳光电流)以及抽头变压器T1。多个光电探测元件CR1～CR12的每一个直接或通过一个以上的电阻连接至变压器T1。加权电路30¹提供各光电探测器元件在被照射时的电输出的部分作为线23上的第一参考信号的分量，该分量与被照射的光电探测器元件距离阵列15¹中的光电探测器行的上端的间距相对应。加权电路30¹还提供各光电探测器元件在被照射时的电输出的部分作为线24上的第二参考信号的分量，该分量与被照射的光电探测器元件距离阵列15¹中的光电探测器行的下端的间距相对应。加权电路30¹被配置成：线23上的第一参考信号随着光向PIN二极管行的上端移动而增大，线24上的第二参考信号随着光向PIN二极管行的下端移动而增大。反之，线23上的第一参考信号随着光向阵列15¹的PIN二极管CR1～CR12的行的下端移动而减小，线24上的第二参考信号随着光向该行的上端移动而减小。当光在行的中间位置时，线23和线24上的两个参考信号的电平相等。输出电路22响应线23和线24上的第一和第二参考信号的电平以确定参考光的位置。如下所讨论的，当其他阵列中的光电探测器被照射时，输出电路22响应线25和线26上的参考信号以确定参考光的位置。

每个加权电路30¹、30²、30³和30⁴分别与多个光电探测器阵列15¹、15²、15³和15⁴之一相联系，并提供其所联系的阵列中的每个被照射的光电探测器元件的电输出的部分作为第一参考信号，该第一参考信号与被照射的光电探测器元件距离阵列的行的第一端的距离相对应；并提供其所联系的阵列中的每个被照射的光电探测器元件的电输出的部分作为第二参考信号，该第二参考信号与被照射的光电探测器元件距离阵列的行的第二端的距离相对应。与每个阵列行相联系的加权电路和与相邻阵列行相联系的加权电路相连接。

加权电路30¹以如下方式在线23和24上提供参考电流电平信号。假定仅PIN二极管CR3被照射。来自二极管CR3的输出电流被提供给变压器T1的节点32。该电流的约5/6经线圈34流至线23，电流的1/6经线圈36、38、40、42及44流至线24。以类似的方式，假定参考光移动使得仅PIN二极管CR9被照射。来自PIN二极管CR9的输出电流被提供给变压器T₁的节点46。来自二极管CR9的电流约4/6经线圈42和44流至线24。该电流的约2/6经线圈34、36、38及40流至线23。这样，二极管电流被划分并提供给线23和24的方式给出了哪个二极管被照射的指示，并因此指示了参考光的位置。

请注意，一些光电探测元件未连接至变压器T1的抽头。例如二极管CR2输出至节点48。节点48处的电流在此被划分，一半流经电阻R1至线23，另一半流经电阻R2至节点32。在节点32，这一半电流的5/6经线圈34流至线23，这一半的剩余的1/6经线圈36、38、40、42以及44流至线24。其结果是该电流的约11/12被供给了线23。

可以看出，参考光一般可以同时照射阵列15′的多于一个的PIN二极管CR1～CR12。这是因为激光参考光束的尺寸显著大于光电探测器元件的尺寸。另外，激光所经过的空气的热梯度会导致光束发生快速的位置波动，当光束在元件之间摆动时，同时有效地照射多个光电探测元件。加权电路30¹根据光电探测器在阵列行中的位置来划分来自多个光电探测器元件的每个的电流。其结果，线23和24上的最终信号电平为各个被照射的光电探测器元件之和，且这些信号电平准确地反映光束中部的平均位置。

阵列15¹中的光电探测元件CR1～CR12沿垂直取向的行均匀间隔。优选将元件CR1～CR12以比要探测的参考光束的尺寸小的间距间隔。其结果，随着光相对于元件行纵向移动，该光线将移向一个光电探测器元件而离开相邻的光电探测器元件。如果相邻的元件之间间距过大，线23和24上的信号电平会产生不希望的波动，即便其相对幅度仍然精确反映光的位置。

输出电路22与来自所连接的加权电路的线23、24、25及26上的参考信号相联系并反映所述参考信号。输出电路22评估来自加权电路30¹、30²、30³及30⁴的参考信号的相对电平以便确定参考光相对于探测装置的位置。每个输出电路优选包括单独的滤波电路、电流-电压放大电路、以及峰值检测和保持电路，用于对线23、24、25及26上的参考信号进行处理。优选将参考信号转换成数字形式。包括微处理器50的输出电路22评估处理后的参考信号的相对电平，用来确定光的参考平面相对于阵列15¹、15²、15³及15⁴中的PIN二极管行的位置。

这可以以不同的方法实现。例如，如果线23和24上的第一和第二参考信号随着光沿阵列15¹中的光电探测器行的上下移动而成线性变化，则参考光将沿行以行长度的若干分之一而被间隔，该若干分之一等于参考信号之一除以线23和24上的参考信号之和。通过该技术可以看到，光照射光电探测器元件的绝对强度是不重要的，而来自电路30¹的两个参考信号的相对电平确定了参考光的位置。另外，也可以采用第一和第二参考信号的比值作为查表算法的地址。可以看出参考光的位置可以被分类为宽或者窄的范围，或者由任何所期望的精度来确定。

由于图1和2中的装置包括四组光电探测器阵列，光相对于由阵列限定的延伸行的相对位置可以由如下方式确定。阵列15¹连接至加权电路30¹以及分别提供了参考信号A1和A2的线23和24。阵列15²连接至加权电路30²以及分别提供了参考信号A2和A3的线24和25。阵列15³连接至加权电路30³以及分别提供了参考信号A3和A4的线25和26。最后，阵列15⁴连接至加权电路30⁴以及分别提供了参考信号A4和A5的线26和线27。

如果参考光在第一阵列15¹上，则参考光的位置可以通过公式(A1-A2)/(A1+A2)来确定；如果参考光在第二阵列15²上则可以通过公式(A2-A3)/(A2+A3)来确定；如果在第三阵列15³上则可以通过公式(A3-A4)/(A3+A4)来确定，等等。当然，参考光有可能同时照射二个相邻阵列的光电探测器，跨过相邻的二个光电探测器阵列的边界。这导致由两个阵列产生信号。对于每个单独阵列的公式可以合并成一个公式来处理多个阵列的同时所照射。对于两个相连的阵列，合并公式为(2×A1-2×A3)/(A1+A2+A3)。对于三个相连的阵列，合并公式为(3×A1+A2-A3-3×A4)/(A1+A2+A3+A4)。对于四个相连的阵列，合并公式为(4×A1+2×A2-2×A4-4×A5)/(A1+A2+A3+A4+A5)。可以对于期望的任意个阵列来选择公式。微处理器50以简单的方式进行这些简单计算。

图3为说明本发明的包括m个加权电路30¹、30²…30^m的装置的概要原理图，所述加权电路响应m个相应的光电探测器阵列15¹、15²…15^m。可以看出，大多数光电探测器，例如PIN二极管和光敏晶体管都相当小，因此以约0.1～0.3英寸的中心间距间隔。光电探测器的紧密间距可以探测较窄的激光束。结果，能构成从约6英寸至6英尺长度的接收器所需的光电探测器的数量为从15个直至超过250个。当然，根据用于从装置的不同面接受光的接收器的行数，该数量会增加。实用的装置可以典型地是18英寸高并包括7个或者8个阵列以及7个或8个相联系的加权电路的光电探测器延伸行。以级联的方式连接光电探测器阵列和加权电路可以产生较少量的参考信号，这反而会非常精确地确定探测到的参考光的位置。还要注意，图3的PIN二极管的连接与图2中的PIN二极管相反，说明可以与适当的电路一起利用任何一种连接方式。

所述装置探测激光参考平面的相对位置。最初多个光电探测器阵列排列为垂直的行。每个阵列包括也被排列为垂直的行的多个光电探测器元件。其结果，光电探测器元件被排列为垂直取向的延伸行。每个光电探测器元件在由光的参考平面所照射时提供电信号输出。每个阵列中的每个光电探测器的电输出的部分被提供作为第一参考信号，该第一参考信号与光电探测器元件距离阵列的行的第一端的间距相关。每个阵列中的每个光电探测器的电输出的部分被提供作为第二参考信号，该第二参考信号与光电探测器元件距离阵列的行的第二端的间距相关。激光参考平面相对于延伸行的位置由来自各阵列的第一和第二参考信号的电平确定。

可以利用抽头变压器，通过将多个光电探测器元件的每一个连接至变压器，来将电信号输出的部分分离。提供有多个抽头变压器。多个抽头变压器的每一个连接至相关的光电探测器阵列。变压器以与所述延伸列中与之相关的阵列的排列相同的顺序串联连接。利用抽头变压器，通过将多个光电探测器元件的每一个连接至变压器，将电信号输出的部分分离。对于每个光电探测器阵列，光电探测器元件利用一个或者多个电阻连接至变压器。

对本发明的阵列中可以进行多种改变和变化。例如，可以通过对同一放大电路提供多于一个的加权电路来减少输出电路22的数量。来自加权电路30^m的两个输出36中的下方的输出可以与来自加权电路30¹的线23上的输出并联的方式供给。在这样的配置中，由于在前者中可以在线23上接收信号而后者可以在线38上接收信号，微处理器在区分15¹被照射和15^m被照射的情形上没有困难。

本发明的结构和实施方式还可以有其他变化。级联在一起的阵列的数量可以比所示实施方式更多或更少，以得到更长或者更短的接收器。每个阵列中的光电探测器的数量可以比所示实施方式更多或者更少。这可以通过使用不同的元件构成加权网络来实现，例如具有不同数量抽头的变压器，或者在变压器抽头之间使用不同的电阻配置。

如果需要，加权功能可以通过变压器以外的装置来实现。例如，可以使用电阻网络。这样的配置可能需要对阵列中的光电探测器施加反向偏置电压，取决于其参数和入射光以及周围光线的强度。

可以看到，激光探测器会有各种误差，包括错误地将由外来的无关光源对探测器的照射识别为激光照射。此问题通过也产生周期性频闪光脉冲的发射器进一步复杂化，所述周期性频闪光脉冲典型的是在每次激光束的旋转期间产生一次频闪光脉冲。这样，尽管时间窗(识别仅在有规律地出现的时间窗内出现的光束)可以用来排除对许多外来无关的随机的照射，却不能用于阻止与激光束旋转频率相同的光脉冲。

但本发明能够进行这种区分。本发明从根本上认识到，大量光电探测器元件可能被频闪光脉冲同时照射，而很少量的光电探测器元件会被相当窄的激光束同时照射。

例如，如果在图3中有3个探测器阵列15¹至15^m被频闪光脉冲所照射，则可以期待来自加权电路30¹、30²......30^m的线23、24、36和38上的脉冲输出大致相等。另一方面，如果一束很窄的激光束扫过探测器阵列15¹至15^m，可以期待至少在线23、24、36和38上的脉冲输出之一会较低，即便光束的照射跨过桥接两个相邻阵列的区域。

考虑以下情况，最大加权电路输出在短暂的期间内等于sA，sB，sC和sD，最小加权电路输出通常与背景光水平相关，等于bA，bB，bC和bD。处理器50将每种情况的最大最小之差确定为与阵列15和加权电路30相关的四个参考信号A、B、C和D。然后处理器评估信号A、B、C和D的值以确定是否至少参考信号之一低于预定阈值。如果所有信号都超过阈值，处理器将此次照射归类为无定向的光脉冲。但如果至少A、B、C和D中的一个信号的值小于预定阈值，就进行第二次测试。处理器50确定最大和最小参考信号之差、以及所有参考信号之和。然后处理器确定参考信号之和与最大和最小参考信号之差的比值。该比值被解释为，当比值小于某预定值时，表示光电探测器由移动的较窄的激光束所照射。该比值还被解释为，当比值大于某预定值时，表示光电探测器由无定向光脉冲所照射。对于四个参考信号，发现预定值2.5较为适合。当比值小于2.5时，表明检测到激光束的照射；当比值大于2.5时，表明检测到了频闪脉冲。

额外的滤波会有用。例如，可以使用时间窗来检测来自第二发射器的激光束照射。此外，可以方便地使用对背景的毛刺滤波以从系统去除无关的光噪声。还可以看出，可以计算参考信号之和对最大和最小参考信号之差的比值的倒数，并根据该倒数比值进行归类。

在图4的流程图中更为详细地对本方法进行了说明。当光束未被捕获且一系列检测被接收到时，则在步骤100检测到最大的照射。四个参考信号值由步骤102计算，四个参考信号值之和由步骤104计算。接下来，信号强度被检测，如果小于阈值，信号被认为是弱信号，输入捕获任务重新开始。但如果探测到足够强的信号，则参考信号由步骤106按特征规则进行检查，包括例如确定参考信号之和与最大和最小参考信号之差的比值是否小于预定值，如2.5。如果确实如此，在步骤108该照射被划分为激光束照射。如果该比值大于2.5，入射被划分为接收到了无定向光源的光脉冲，例如频闪。如果需要，可以给出检测到频闪干扰的指示。当检测到光束时，在步骤110利用锁相电路来检查该光束的时序。如果在期望的时间框外检测到光束照射，则该光束照射被划分为来自第二激光源的照射。但如果在期待的时间窗内检测到光束照射，则被确定为有效光束照射，可以在步骤112中用于位置计算。

应该可以看出，本发明可适当应用任意多的阵列，并可以推广至其他类型的光探测装置。本发明可以使用具有多个阵列的任何探测器，其中每个阵列提供指示阵列中被照射的探测器的两个信号。

尽管为了解释本发明，给出了特定的典型实施方式和细节，但显然对于本领域的技术人员而言，可以在不偏离本发明所附的权利要求中限定的范围的情况下对本发明所公开的方法和装置进行各种变更。