专利名称：在测距设备中实现频率合成的方法和装置及测距设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及按照独立方法权利要求1的前序部分或独立装置权利要求11的前序部分所述的，在测距设备中实现频率合成的方法和装置。本发明还涉及按照权利要求19前序部分所述的测距设备。
在建筑测量中或内部扩建中，譬如对空间的三维测量，通常都采用电子测距设备。所述的电子测距设备的测距范围为几十米，并且通常构造成手提设备。测距设备的其它应用范围为大地测量和工业测量。已知的设备的测距的原理是基于分析由设备发射的和由瞄准的目标再发射的电磁辐射射束的特征参数随时间的变化。为此，测距设备配备有发射机以发射强度调制的辐射射束。采用手提设备时，在这里首先涉及到可见波长频谱的光辐射射束，以便容易测定测量点的方位。光辐射射束由测定方位的测量点再发射或散射，并且由装在设备内的接收机寄存。从接收到的被调制的辐射射束相对于由发射机发射的辐射射束的时间延迟可得出离测量目标的距离。
在已知的测距设备中，通常作为检测器使用针式光电二极管或雪崩光电二极管以将由测量目标再发射的或散射的辐射射束变换成电信号。通常很常用的测距设备，其距离的确定是基于相位测量的测量原理。在采用这种设备时，电子接收信号直接在雪崩二极管上或在前置放大器之后用混频叠加成低频测量信号。在这个低频测量信号上确定相位并与参考信号的相位进行比较。低频测量信号所测得的相位与参考信号的相位之差是测量目标的距离的量度。
为实现基于分析相位差的测量原理，一方面需要优选较大的100MHz的激光调制频率，以及需要只与激光调制频率相差了所述低频值的混频。确定低频测量信号的相位比确定原高频接收信号的相位实现起来简单多了。因此，典型的方式是选择千赫范围的低频如10kHz。如果激光调制譬如用高频400MHz来实现，则为了产生所需要的低频测量信号必须产生不同于高频仅25ppm的混频。为此，对这两种高频需要尽可能高的串音衰减。在采用这两种几乎并存的高频时，如果确实是这样，则所不需要的边带只有用耗费极高的滤波才能进行抑制。这种措施是昂贵的并经常是导致其它故障的原因。
采用已知的大多数用现有技术制作的设备，都产生2个分立的石英振荡器的两种高频。在此，两种石英振荡器的一个受电压控制，并且在一个锁相环(PLL)中可调到与其它石英振荡器高频相差了所述低频量值的频率。为产生两个频率所用的石英振荡器必须在很紧公差内彼此一致。为保证较小的公差，所需制作方法费力费钱。此外，石英振荡器只在约100MHz的频率范围内才是制作经济的。对大于100MHz的调制频率，附加需要导致附加费用的倍频器。对于在100MHz之外产生高频的所选择的改进方案，要与石英振荡器相结合而使用附加的声表面波(SAW)谐振器或滤波器。
产生调制高频和与之只有很少区别的混频的另一个已知的方法是直接数字合成(DDS)。采用这种方法时，用一个石英振荡器就可产生在电子上成为倍频的频率。从这种获得的频率，利用数字相位累加器、余弦表和其后的数/模变换器可产生相差了该低频的混频。为产生调制频率和混频所用的特有的高频需要其它的倍频器。产生这两种高频的所述的改进方案虽然只需要唯一的一个石英振荡器。但是，这种方法在电路技术上实现起来很费事，并且由于需要多种电子元件，所以耗电量很大。这对于成本低廉的手提设备来说确是一个致命的缺点。
因此，本发明的任务在于弥补现有技术这个缺点。从而应提供一种方法和一种设备，用这种方法和设备可简便低廉地产生调制频率和混频所需的高频。产生高频应按所要求的精度实现，并且耗电量要小，以便在手提设备使用时仍能得到保证。频率产生器只需占很小的位置，以便可缩小设备体积。采用这种优选方式，频率产生器的结构就可成本低廉地、重复地大批量生产。
解决这个任务的方案在于频率合成的方法，特别是在于具有权利要求1中特征部分所述的特征的一种测距设备。按照本发明实现所述的方法而构成的装置特别具有权利要求11特征部分所述的特征。配备有按照本发明所述的频率产生器的频率测量设备是权利要求19的内容。本发明优选的实施改进方案和/或扩展方案是各从属的方法要求和装置要求的内容。
本发明所述的频率合成的方法，特别是用在以分析由辐射源发射的和由瞄准的目标再发射的电磁辐射射束的相位随时间变化的原理为基础的测距设备中，该方法是基于，将优选地由石英振荡器提供的频率在有N个延迟元件的环形振荡器中调到所需的第一高频，该高频可用作为混频或调制频率。N个延迟元件上的信号输送给一个多路复用器，该多路复用器用相当于所分析的低频测量信号的频率的2*N倍的时钟脉冲进行转接。以此，在多路复用器的输出端产生一个与第一高频相差了低频测量信号频率的第二高频，该第二高频用作为调制频率或混频。
利用环形振荡器产生第一高频，譬如混频。在此，对石英振荡器精度的要求并不高，以致于使用的是成本低廉的石英谐振器。用有N个延迟元件的环形振荡器产生固有的高频。如果延迟元件具有延迟时间td，则频率1/(2*N*td)就毗连在环形振荡器的输出端。各个延迟元件上的电压波形按每一个延迟时间移相。如果现在多路复用器用总计为所分析的低频测量信号频率的N倍的时钟脉冲转接，则辐射源调制输出端上的第二高频在低频周期期间恰好丢失一个高频周期。这就意味着第二高频、即调制频率比显示为混频的第一高频恰好小了低频测量信号的频率。在叠加混频和调制频率时形成的低频的拍频虽然无连续的信号变化曲线。但形成的具有2N级的信号相当于环形振荡器双倍的延迟元件数。于是，在采用足够高的延迟元件数时和使用平滑滤波器时，这个信号却不再是干扰的。对环形振荡器相位噪声的要求相当小，因为正好由同一个振荡器推导出两个高频。在接收机中叠加形成的低频的相位与两个高频的相位差成正比。这样，重新消除了接收机中高频振荡器的大部分相位噪声，因为两种相位噪声彼此恰好是相关的。
环形振荡器中延迟元件的数量确定了相位步距。但是，可能的延迟元件的数量受到所要求的调制频率和必要时也受到环形振荡器的制作方法限制。相反，如果从精度的要求出发需要较小的相位步距，则这个相位步距譬如可用多路复用器输出端的延迟网络产生。为此，毗连在多路复用器输出端上的第二高频输送给另一个延迟元件装置，和输送给以该另外的延迟元件数量乘以低频测量信号的频率为时钟脉冲而进行转接的另一个多路复用器，以便把毗连在第一多路复用器的粗的相位步距分成细的相位步距，和达到平滑的低频信号。
在可选择的改进方案中，为减少在低频信号上的分级可数字式地插入高频中间级。为此，第一多路复用器的输出信号不通过其它延迟网络传送，以便直接由一个相位步距转接到下一个步距。更确切地说，在各个相位步距之间的时间被分成其它的时间窗口，譬如8个时间窗口。多路复用器在这个时间窗口中首先完全连接到低的级别。在下一个时间窗口中，多路复用器按给出的例子以1/8、7/8的比连接到较高的、或者低的相位级。那么，可用每个跟在后面的时间窗提高这个比。由此可得出的比为2/8、6/8；3/8、5/8；等等。这种方法允许以很小的代价在各个相位级之间进行插值，以便获得一个平滑的信号变化曲线。
为将调制频率或混频调到多倍晶体频率，可用电压控制的延迟构成延迟元件。在锁相环(PLL)中，环形振荡器频率可优选调到石英振荡器频率的8倍直到64倍。
在一个很简单和成本低廉的改进方案中，作为延迟元件优选使用双稳触发级譬如RS触发器、倒相器或诸如此类的元器件。
事实证明特别优选的是，以集成的半导体结构方式，优选C-MOS结构方式制造环形振荡器和多路复用器。集成的半导体结构方式成本低廉、节省空间，并且特别以C-MOS结构方式需要很少的能量。这对于电池供电的设备首先是一个十分重要的优点。
为了用相位步距所需要的细分级获得所要求的高频，环形振荡器有8-32譬如16个延迟元件证实具有优点。
分析低频测量信号，特别是相位测量可与用混频的分频器推导出的内部低频的同步频率同步地实现。随着测量距离的增加，接收信号的相位相对于内部低频同步信号的相位有偏移。由于非理想的延迟元件和其它的公差，虽然不可能用多路复用器的转接产生绝对相同的相位步距。但可大大减少由此所形成的系统的相位误差，方式是在采用与内部同步信号不同的相位情况下测量相同的距离，然后求中值。这实现起来很简单，方法是不在输入端1而是在另一个输入端启动多路复用器的转接过程。
本发明所述的频率合成装置特点是结构特别简单。产生第一高频的装置包括一个与具有N个延迟级的环形振荡器协作的石英振荡器。用于产生与第一高频相差了低频测量信号频率的第二高频的装置包括一个多路复用器，该多路复用器用一个相当于2*N倍低频测量信号频率的时钟脉冲转接。在此，对石英振荡器的精度要求不高，以致于可用成本低廉的石英谐振器。用具有N个延迟元件的环形振荡器产生固有高频。对环形振荡器的相位噪声的要求相当低，因为由同一个振荡器确实可推导出两个高频。在接收机中叠加形成的低频的相位与两个高频相位差成正比。这样，重新消除了接收机中高频振荡器的大部分相位噪声，因为两种相位噪声彼此的确是相关的。
延迟元件的数量产生所要求的调制频率和相位步距的细度。另一方面，延迟元件的数量也确定了由两个高频的叠加获得的低频信号的分级。对于环形振荡器，证实了8-64譬如16个延迟元件是合适的。如果环形振荡器譬如可调到400MHz，并且要求低频为约6.1KHz，则证实16个延迟元件是合适的。这些譬如可构成为RS触发器。为了从400MHz高频获得所要求的6.1KHz的低频，则可用因数216除以环形振荡器频率。在采用16个RS触发器时具有32个输入端的多路复用器必须用一个以因数32高于低频的频率按顺序转接。这样就可在多路复用器的输出端得到一个正好与环形振荡器频率相差了所述低频量值的第二高频。
为准确地确定高频，环形振荡器配有锁相环(PLL)，通过该锁相环(PLL)环形振荡器频率可调到石英振荡器频率的多倍，优选8-64倍。PLL调节电路减少环形振荡器的相位噪声，因为它首先调整了低频相位噪声部分。
延迟元件的可能的数量受到所要求的调制频率和有时也受到制造过程的限制。如果用延迟元件的数量所进行的相位步距的分级对于所要求的精度太粗，则多路复用器的输出端可与延迟网络连接，该延迟网络包括一个具有延迟级的环形振荡器和一个串接的多路复用器。以这种方式可从粗的相位步距产生所需的细的相位分级。
事实证明应特别优选将频率合成器集成在一个半导体组件上。在此，特别以集成的半导体结构方式，譬如C-MOS技术制造环形振荡器和多路复用器。制造的这种元器件在制造过程中可随意再生产、成本低廉，并且特别在采用C-MOS技术时能量消耗小。
按照相位测量原理，本发明所配备的测距设备具有一个发射机以发射光射束、具有一个光接收装置以接收由测量目标再发射的或散射的测量射束，具有一个串接在光接收装置之后的光电接收机以把光射束变换成电测量信号，以及具有一个信号处理设备以进行测量信号与参考信号的比较和进行有关其相位的检测，以便由此确定测量目标的距离和使用户得到结果。所发射的射束用高频调制频率进行调制。高频混频与调制频率相差了所分析的低频测量信号的频率，并且与接收机提供的电信号进行叠加。产生所发射的光射束的高频调制频率的装置和产生与调制频率不同的、且与由光电接收机提供的电信号叠加的高频混频的装置，按照本发明或其改进方案的一个来构成。这就降低了制造测距设备的价格。其尺寸可保持很小。特别是采用集成的结构在一个或多个半导体组件上而优选用C-MOS技术构成产生高频的装置时，所述的设备也具有能量损耗减少特点。这对电池供电的手提设备首先显示出很大的优点。
下面就图中以方框图所示的实施例详细说明本发明。图中
图1示出了按照本发明所述的测距设备；图2示出了频率合成装置的第一实施例；图3示出了图2产生细的相位分级的装置的改进型；图4示出了频率合成装置的调节电路的例子；图5示出了频率合成装置另一个改进型。
图1中示出了一个配备本发明所述的频率合成装置的测距设备的例子。测距设备具有一个优选发射可见激光射束的激光源1。发射的和由视准光学设备2对准的激光射束由一个射束分配器11分成测量射束S和参考射束R。作为射束分配器11譬如采用了一个部分透光的镜子。测量射束S到达由测距设备测量其距离的测量目标。由测量目标再发射或散射的射束L由光学接收装置3收集起来并且传送到测量接收机4上。作为测量接收机4譬如采用了一个PIN光电二极管。参考射束R由一个偏转镜12转向，并且由一个光学系统13收集起来并传送到参考接收机14上。参考接收机14优点是与测量射束L的接收机14结构相同。从射束分配器11到参考接收机14由参考射束R经过的路径构成了确定相位差所需要的参考路径。
在激光源1发射的光射束上施加了由参考晶体10控制的频率合成器9产生的高频调制频率M。通过高频调制频率M，在接收机4和参考接收机14上分别产生高频电子测量信号HFL、HFR，这两个测量信号毗连到进行信号搜集的按本发明构成的装置的输入端，该装置在图1中标有参考符号5或15。频率合成器9也产生类似高频的控制频率F，该控制频率F通过通信连接线路输送到进行信号搜集的两个装置5、15，和对这两个装置5、15提供时钟脉冲。在后面还要作详细说明的信号搜集的装置5、15中，将高频输入信号HFL、HFR转换成低频测量信号NFL或校准信号NFR。
在毗连到进行信号搜集的本发明两个装置5、15的输出端的低频测量信号NFL或校准信号NFR通过一个模拟开关17按顺序输送到一个低频滤波器6，在该滤波器中滤除多余的高频信号。譬如在采用的滤波器方面是指抗混淆滤波器。所滤波的和放大的测量信号NFL或校准信号NFR在一个模/数变换器7中进行数字化并且在一个数字信号处理设备8中根据其相位进行分析。从相位推断测量目标的距离，该距离作为信号0转接到输出单元。控制频率F具有的优点是可如此进行选择，即F＝(n*M)±NF。这样，控制频率F就以调制频率M的整数倍增长或减少低频信号NF的值。在此，n值比0大。
在图2中，频率合成器全部配有参考符号9。它包括一个具有N个延迟元件V1，V2，V3，…，VN的环形振荡器19。延迟元件V1，V2，V3，...，VN具有通过电压VC进行控制的延迟。譬如在延迟元件V1，V2，V3，…，VN方面是指双稳触发级，优选RS触发器。也可采用反相器作为延迟元件来代替触发器。延迟元件V1，V2，V3，…，VN的输出端与通过分频器21控制的多路复用器20连接。受电压控制的环形振荡器19譬如可调到400MHz。譬如第一高频可用作为混频F。环形振荡器19譬如具有16个RS触发器作为延迟元件。为获得约6.1KHz的低频，在分频器21中用因数216除以环形振荡器频率。在采用16个触发器时具有32个输入端的多路复用器20，可用高以因数32的频率作为所需的低频按顺序转接。以此，第二高频M毗连到多路复用器20的输出端，该第二高频M具有一个与第一高频F相差了低频量值的值。这个第二高频譬如可用作激光器的调制频率M。
在图2中所示的频率合成器根据其结构准备集成在半导体组件上。譬如按C-MOS结构方法制作该频率合成器。延迟元件V1，V2，V3，…，VN的可能的数量受到所用的半导体技术和所要求的调制频率M限制。如果从精度要求看需要小的相位步距，则可用多路复用器的输出端的其它的延迟网络产生更细的相位步距。图3示出了频率合成器的这种改进方案。在此，在多路复用器20的输出端的高频信号M*被传送到延迟元件22的另一个装置。延迟元件的输出端重又与同样受分频器21控制的另一个多路复用器23的输入端连接。譬如延迟元件22也可能是一个不可逆的串联的缓冲器。最后，所需的第二高频M毗连在另一个多路复用器23的输出端。在无须附加的延迟网络也行的可选择的改进方案中，在多路复用器的输出端的信号也可用数字方式进行插入。
为能用所要求的精度确定距离，必须准确地调节高频。对此，象在图4中所标明的那样，环形振荡器19的频率可用由一个相位检测器24、环路滤波器25和分频器26组成的锁相环准确地调到石英振荡器10的多倍频率、譬如8倍-64倍。通过这个调节电路，也可减少环形振荡器19的相位噪声，因为石英振荡器10提供无噪声的信号，并且首先调整低频噪声部分。
图5示出了另一个频率合成器的实施例改进方案。在该改进方案中，完全彼此分开地产生混频F和调制频率M。譬如，可通过环形振荡器按照图2产生混频F。这个环形振荡器可用集成的结构方式设置在分立的半导体组件上。混频被输送到相位检测器27上。相位检测器27的信号在通过一个环路滤波器28后到达具有N个延迟元件和一个多路复用器的受电压控制的延迟装置29。混频F也用来控制延迟装置29。以此，所需的调制频率M毗连到延迟装置29的输出端。通过在空间上分开合成两个高频F、M，可获得明显改进的信号分离。串音实际上也就消除。
权利要求
1.频率合成的方法，特别是在以分析由辐射源(1)发射和由瞄准的目标再发射的电磁辐射射束(S)的参量随时间变化的原理为基础的测距设备中，所述的参量优选为相位，其中产生高频调制频率(M)以发射电磁辐射射束(S)，和产生一个高频的混频(F)以与由目标再发射的和由检测器(4)转换成高频调制电信号的射束进行叠加，该混频(F)与调制频率(M)相差了所分析的低频测量信号(NF)的频率，其特征在于，一个优选地由石英振荡器(10)提供的频率在有N个延迟元件(V1，V2，V3，…，VN)的环形振荡器(19)中被调到所需要的第一高频(F)，该高频(F)用作为混频或调制频率，并且N个延迟元件(V1，V2，V3，...，VN)上的信号被输送给一个多路复用器(20)，该多路复用器(20)用一个相当于2*N倍低频测量信号(NF)频率的时钟脉冲进行转接，其中在多路复用器(20)的输出端产生一个与第一高频(F)相差了低频测量信号(NF)频率的第二高频(M)，该第二高频(M)可用作为调制频率或混频。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，毗连到多路复用器的输出端上的第二高频信号(M*)被输送到另一个延迟元件(22)装置，并被输送到以该另外的延迟元件数量乘以低频测量信号(NF)的频率为时钟脉冲而进行转接的另一个多路复用器(23)上，以便将毗连到第一多路复用器上的粗的相位步距划分成更细的相位步距。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，毗连在多路复用器的输出端上的第二高频以数字方式被插入。
4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，延迟元件(V1，V2，V3，…，VN)被构造成具有压控的延迟。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，环形振荡器频率优选用锁相环(PLL)(24、25、26)调到石英振荡器(10)频率的多倍、譬如16倍。
6.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为延迟元件(V1，V2，V3，...，VN)优选采用双稳触发级、譬如RS触发器、反相器或类似的元器件。
7.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以集成的半导体结构方式，优选C-MOS结构方式制作环形振荡器(19)和多路复用器(20)。
8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在2个不同的半导体组件上设置所述的环形振荡器以产生第一高频(F)和设置另一个环形振荡器、包括多路复用器(29)以产生与该第一高频相差了所述低频测量信号的频率的第二高频(M)，其中毗连在第一个半导体组件的输出端上的第一高频(F)连接在具有多路复用器的第二半导体组件的输入端。
9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，给环形振荡器(19)配备8-64个，譬如16个延迟元件(V1，V2，V3，…，VN)。
10.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，分析低频测量信号，譬如相位测量，要与通过混频的一个分频器推导出的内部低频的同步频率同步进行。
11.频率合成装置，特别是在以分析由辐射源(1)发射和由瞄准的目标再发射的电磁辐射射束的参量随时间变化的原理为基础的测距设备中，所述的参量尤其是相位，具有一些装置以产生发射电磁辐射射束(S)的高频调制频率(M)，和具有其它的一些产生高频混频(F)的装置以与由目标再发射的和由检测器(4)转换成高频调制电信号的射束进行叠加，该混频(F)与调制频率(M)相差了所分析的低频测量信号(NF)的频率，其特征在于，产生第一个高频(F)的装置包括一个石英振荡器(10)，该石英振荡器(10)与具有N个延迟元件(V1，V2，V3…，VN)的环形振荡器(19)协作，并且产生与第一个高频(F)相差了低频测量信号(NF)频率的第二高频(M)的装置包括一个多路复用器(20)，该多路复用器(20)用一个相当于低频测量信号(NF)的频率的2*N倍的时钟脉冲进行转接，以此在多路复用器(20)的输出端可产生第二高频(M)。
12.按权利要求11所述的装置，其特征在于，环形振荡器(19)的延迟元件(V1，V2，V3…，VN)受电压控制，并且这些延迟元件优选包括双稳触发级、譬如RS触发器、反相器或类似作用的元器件。
13.按权利要求11或12所述的装置，其特征在于，环形振荡器(19)的延迟元件(V1，V2，V3，…，VN)的数量是8-64，譬如16。
14.按权利要求11-13之一所述的装置，其特征在于，环形振荡器(19)具有一个锁相环(PLL)，通过该锁相环(PLL)环形振荡器频率可调到石英振荡器(10)的频率的多倍、优选8-64倍。
15.按权利要求11-14之一所述的装置，其特征在于，多路复用器(20)的输出端与一个延迟网络连接，该延迟网络包括具有延迟元件的另一个环形振荡器(22)和串联在其后的多路复用器(23)。
16.按权利要求11-14之一所述的装置，其特征在于，多路复用器(20)的输出端与一个对高频输出信号进行数字插入的设备连接。
17.按权利要求11-16之一所述的装置，其特征在于，以集成的半导体结构方式，譬如C-MOS技术来制作环形振荡器(19)和多路复用器(20)。
18.按权利要求17所述的装置，其特征在于，在分立的集成半导体组件上设置所述产生第一高频(F)的装置和所述产生第二高频(M)的装置。
19.按照相位测量原理的测距设备，具有一个发射机(1)以发射光射束(S)、具有一个光接收装置(3)以接收由测量目标再辐射的或散射的光测量射束(L)，具有一个串接在光接收装置(3)之后的光电接收机(4)以把光射束(L)变换成电测量信号，以及具有一个信号处理设备(8)以进行测量信号与参考信号的比较和进行有关其相位的检测，以便由此确定测量目标的距离和使用户得到结果，以及具有装置(9)以产生所发射的光射束(S)的高频调制频率(M)和产生与调制频率(M)不同的、用由光电接收机(4)提供的电信号与其叠加的高频混频(F)，其特征为具有按照权利要求11-18之一所述的频率合成装置(9)。
全文摘要
在采用频率合成的方法和装置时，特别是在以分析由辐射源发射的和由瞄准的目标再发射的电磁辐射射束的相位随时间变化的原理为基础的测距设备中，一个优选地由石英振荡器提供的频率在有N个延迟元件(V
文档编号G01S7/48GK1478204SQ01819768
公开日2004年2月25日 申请日期2001年11月8日 优先权日2000年11月30日
发明者库尔特·吉格, 库尔特 吉格 申请人:库尔特·吉格, 库尔特 吉格