專利名稱：在測(cè)距設(shè)備中實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法和裝置及測(cè)距設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照獨(dú)立方法權(quán)利要求1的前序部分或獨(dú)立裝置權(quán)利要求11的前序部分所述的，在測(cè)距設(shè)備中實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法和裝置。本發(fā)明還涉及按照權(quán)利要求19前序部分所述的測(cè)距設(shè)備。
在建筑測(cè)量中或內(nèi)部擴(kuò)建中，譬如對(duì)空間的三維測(cè)量，通常都采用電子測(cè)距設(shè)備。所述的電子測(cè)距設(shè)備的測(cè)距范圍為幾十米，并且通常構(gòu)造成手提設(shè)備。測(cè)距設(shè)備的其它應(yīng)用范圍為大地測(cè)量和工業(yè)測(cè)量。已知的設(shè)備的測(cè)距的原理是基于分析由設(shè)備發(fā)射的和由瞄準(zhǔn)的目標(biāo)再發(fā)射的電磁輻射射束的特征參數(shù)隨時(shí)間的變化。為此，測(cè)距設(shè)備配備有發(fā)射機(jī)以發(fā)射強(qiáng)度調(diào)制的輻射射束。采用手提設(shè)備時(shí)，在這里首先涉及到可見波長(zhǎng)頻譜的光輻射射束，以便容易測(cè)定測(cè)量點(diǎn)的方位。光輻射射束由測(cè)定方位的測(cè)量點(diǎn)再發(fā)射或散射，并且由裝在設(shè)備內(nèi)的接收機(jī)寄存。從接收到的被調(diào)制的輻射射束相對(duì)于由發(fā)射機(jī)發(fā)射的輻射射束的時(shí)間延遲可得出離測(cè)量目標(biāo)的距離。
在已知的測(cè)距設(shè)備中，通常作為檢測(cè)器使用針式光電二極管或雪崩光電二極管以將由測(cè)量目標(biāo)再發(fā)射的或散射的輻射射束變換成電信號(hào)。通常很常用的測(cè)距設(shè)備，其距離的確定是基于相位測(cè)量的測(cè)量原理。在采用這種設(shè)備時(shí)，電子接收信號(hào)直接在雪崩二極管上或在前置放大器之后用混頻疊加成低頻測(cè)量信號(hào)。在這個(gè)低頻測(cè)量信號(hào)上確定相位并與參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較。低頻測(cè)量信號(hào)所測(cè)得的相位與參考信號(hào)的相位之差是測(cè)量目標(biāo)的距離的量度。
為實(shí)現(xiàn)基于分析相位差的測(cè)量原理，一方面需要優(yōu)選較大的100MHz的激光調(diào)制頻率，以及需要只與激光調(diào)制頻率相差了所述低頻值的混頻。確定低頻測(cè)量信號(hào)的相位比確定原高頻接收信號(hào)的相位實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單多了。因此，典型的方式是選擇千赫范圍的低頻如10kHz。如果激光調(diào)制譬如用高頻400MHz來實(shí)現(xiàn)，則為了產(chǎn)生所需要的低頻測(cè)量信號(hào)必須產(chǎn)生不同于高頻僅25ppm的混頻。為此，對(duì)這兩種高頻需要盡可能高的串音衰減。在采用這兩種幾乎并存的高頻時(shí)，如果確實(shí)是這樣，則所不需要的邊帶只有用耗費(fèi)極高的濾波才能進(jìn)行抑制。這種措施是昂貴的并經(jīng)常是導(dǎo)致其它故障的原因。
采用已知的大多數(shù)用現(xiàn)有技術(shù)制作的設(shè)備，都產(chǎn)生2個(gè)分立的石英振蕩器的兩種高頻。在此，兩種石英振蕩器的一個(gè)受電壓控制，并且在一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)中可調(diào)到與其它石英振蕩器高頻相差了所述低頻量值的頻率。為產(chǎn)生兩個(gè)頻率所用的石英振蕩器必須在很緊公差內(nèi)彼此一致。為保證較小的公差，所需制作方法費(fèi)力費(fèi)錢。此外，石英振蕩器只在約100MHz的頻率范圍內(nèi)才是制作經(jīng)濟(jì)的。對(duì)大于100MHz的調(diào)制頻率，附加需要導(dǎo)致附加費(fèi)用的倍頻器。對(duì)于在100MHz之外產(chǎn)生高頻的所選擇的改進(jìn)方案，要與石英振蕩器相結(jié)合而使用附加的聲表面波(SAW)諧振器或?yàn)V波器。
產(chǎn)生調(diào)制高頻和與之只有很少區(qū)別的混頻的另一個(gè)已知的方法是直接數(shù)字合成(DDS)。采用這種方法時(shí)，用一個(gè)石英振蕩器就可產(chǎn)生在電子上成為倍頻的頻率。從這種獲得的頻率，利用數(shù)字相位累加器、余弦表和其后的數(shù)/模變換器可產(chǎn)生相差了該低頻的混頻。為產(chǎn)生調(diào)制頻率和混頻所用的特有的高頻需要其它的倍頻器。產(chǎn)生這兩種高頻的所述的改進(jìn)方案雖然只需要唯一的一個(gè)石英振蕩器。但是，這種方法在電路技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來很費(fèi)事，并且由于需要多種電子元件，所以耗電量很大。這對(duì)于成本低廉的手提設(shè)備來說確是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)這個(gè)缺點(diǎn)。從而應(yīng)提供一種方法和一種設(shè)備，用這種方法和設(shè)備可簡(jiǎn)便低廉地產(chǎn)生調(diào)制頻率和混頻所需的高頻。產(chǎn)生高頻應(yīng)按所要求的精度實(shí)現(xiàn)，并且耗電量要小，以便在手提設(shè)備使用時(shí)仍能得到保證。頻率產(chǎn)生器只需占很小的位置，以便可縮小設(shè)備體積。采用這種優(yōu)選方式，頻率產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)就可成本低廉地、重復(fù)地大批量生產(chǎn)。
解決這個(gè)任務(wù)的方案在于頻率合成的方法，特別是在于具有權(quán)利要求1中特征部分所述的特征的一種測(cè)距設(shè)備。按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)所述的方法而構(gòu)成的裝置特別具有權(quán)利要求11特征部分所述的特征。配備有按照本發(fā)明所述的頻率產(chǎn)生器的頻率測(cè)量設(shè)備是權(quán)利要求19的內(nèi)容。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施改進(jìn)方案和/或擴(kuò)展方案是各從屬的方法要求和裝置要求的內(nèi)容。
本發(fā)明所述的頻率合成的方法，特別是用在以分析由輻射源發(fā)射的和由瞄準(zhǔn)的目標(biāo)再發(fā)射的電磁輻射射束的相位隨時(shí)間變化的原理為基礎(chǔ)的測(cè)距設(shè)備中，該方法是基于，將優(yōu)選地由石英振蕩器提供的頻率在有N個(gè)延遲元件的環(huán)形振蕩器中調(diào)到所需的第一高頻，該高頻可用作為混頻或調(diào)制頻率。N個(gè)延遲元件上的信號(hào)輸送給一個(gè)多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器用相當(dāng)于所分析的低頻測(cè)量信號(hào)的頻率的2*N倍的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)接。以此，在多路復(fù)用器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)與第一高頻相差了低頻測(cè)量信號(hào)頻率的第二高頻，該第二高頻用作為調(diào)制頻率或混頻。
利用環(huán)形振蕩器產(chǎn)生第一高頻，譬如混頻。在此，對(duì)石英振蕩器精度的要求并不高，以致于使用的是成本低廉的石英諧振器。用有N個(gè)延遲元件的環(huán)形振蕩器產(chǎn)生固有的高頻。如果延遲元件具有延遲時(shí)間td，則頻率1/(2*N*td)就毗連在環(huán)形振蕩器的輸出端。各個(gè)延遲元件上的電壓波形按每一個(gè)延遲時(shí)間移相。如果現(xiàn)在多路復(fù)用器用總計(jì)為所分析的低頻測(cè)量信號(hào)頻率的N倍的時(shí)鐘脈沖轉(zhuǎn)接，則輻射源調(diào)制輸出端上的第二高頻在低頻周期期間恰好丟失一個(gè)高頻周期。這就意味著第二高頻、即調(diào)制頻率比顯示為混頻的第一高頻恰好小了低頻測(cè)量信號(hào)的頻率。在疊加混頻和調(diào)制頻率時(shí)形成的低頻的拍頻雖然無連續(xù)的信號(hào)變化曲線。但形成的具有2N級(jí)的信號(hào)相當(dāng)于環(huán)形振蕩器雙倍的延遲元件數(shù)。于是，在采用足夠高的延遲元件數(shù)時(shí)和使用平滑濾波器時(shí)，這個(gè)信號(hào)卻不再是干擾的。對(duì)環(huán)形振蕩器相位噪聲的要求相當(dāng)小，因?yàn)檎糜赏粋€(gè)振蕩器推導(dǎo)出兩個(gè)高頻。在接收機(jī)中疊加形成的低頻的相位與兩個(gè)高頻的相位差成正比。這樣，重新消除了接收機(jī)中高頻振蕩器的大部分相位噪聲，因?yàn)閮煞N相位噪聲彼此恰好是相關(guān)的。
環(huán)形振蕩器中延遲元件的數(shù)量確定了相位步距。但是，可能的延遲元件的數(shù)量受到所要求的調(diào)制頻率和必要時(shí)也受到環(huán)形振蕩器的制作方法限制。相反，如果從精度的要求出發(fā)需要較小的相位步距，則這個(gè)相位步距譬如可用多路復(fù)用器輸出端的延遲網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。為此，毗連在多路復(fù)用器輸出端上的第二高頻輸送給另一個(gè)延遲元件裝置，和輸送給以該另外的延遲元件數(shù)量乘以低頻測(cè)量信號(hào)的頻率為時(shí)鐘脈沖而進(jìn)行轉(zhuǎn)接的另一個(gè)多路復(fù)用器，以便把毗連在第一多路復(fù)用器的粗的相位步距分成細(xì)的相位步距，和達(dá)到平滑的低頻信號(hào)。
在可選擇的改進(jìn)方案中，為減少在低頻信號(hào)上的分級(jí)可數(shù)字式地插入高頻中間級(jí)。為此，第一多路復(fù)用器的輸出信號(hào)不通過其它延遲網(wǎng)絡(luò)傳送，以便直接由一個(gè)相位步距轉(zhuǎn)接到下一個(gè)步距。更確切地說，在各個(gè)相位步距之間的時(shí)間被分成其它的時(shí)間窗口，譬如8個(gè)時(shí)間窗口。多路復(fù)用器在這個(gè)時(shí)間窗口中首先完全連接到低的級(jí)別。在下一個(gè)時(shí)間窗口中，多路復(fù)用器按給出的例子以1/8、7/8的比連接到較高的、或者低的相位級(jí)。那么，可用每個(gè)跟在后面的時(shí)間窗提高這個(gè)比。由此可得出的比為2/8、6/8；3/8、5/8；等等。這種方法允許以很小的代價(jià)在各個(gè)相位級(jí)之間進(jìn)行插值，以便獲得一個(gè)平滑的信號(hào)變化曲線。
為將調(diào)制頻率或混頻調(diào)到多倍晶體頻率，可用電壓控制的延遲構(gòu)成延遲元件。在鎖相環(huán)(PLL)中，環(huán)形振蕩器頻率可優(yōu)選調(diào)到石英振蕩器頻率的8倍直到64倍。
在一個(gè)很簡(jiǎn)單和成本低廉的改進(jìn)方案中，作為延遲元件優(yōu)選使用雙穩(wěn)觸發(fā)級(jí)譬如RS觸發(fā)器、倒相器或諸如此類的元器件。
事實(shí)證明特別優(yōu)選的是，以集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方式，優(yōu)選C-MOS結(jié)構(gòu)方式制造環(huán)形振蕩器和多路復(fù)用器。集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方式成本低廉、節(jié)省空間，并且特別以C-MOS結(jié)構(gòu)方式需要很少的能量。這對(duì)于電池供電的設(shè)備首先是一個(gè)十分重要的優(yōu)點(diǎn)。
為了用相位步距所需要的細(xì)分級(jí)獲得所要求的高頻，環(huán)形振蕩器有8-32譬如16個(gè)延遲元件證實(shí)具有優(yōu)點(diǎn)。
分析低頻測(cè)量信號(hào)，特別是相位測(cè)量可與用混頻的分頻器推導(dǎo)出的內(nèi)部低頻的同步頻率同步地實(shí)現(xiàn)。隨著測(cè)量距離的增加，接收信號(hào)的相位相對(duì)于內(nèi)部低頻同步信號(hào)的相位有偏移。由于非理想的延遲元件和其它的公差，雖然不可能用多路復(fù)用器的轉(zhuǎn)接產(chǎn)生絕對(duì)相同的相位步距。但可大大減少由此所形成的系統(tǒng)的相位誤差，方式是在采用與內(nèi)部同步信號(hào)不同的相位情況下測(cè)量相同的距離，然后求中值。這實(shí)現(xiàn)起來很簡(jiǎn)單，方法是不在輸入端1而是在另一個(gè)輸入端啟動(dòng)多路復(fù)用器的轉(zhuǎn)接過程。
本發(fā)明所述的頻率合成裝置特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單。產(chǎn)生第一高頻的裝置包括一個(gè)與具有N個(gè)延遲級(jí)的環(huán)形振蕩器協(xié)作的石英振蕩器。用于產(chǎn)生與第一高頻相差了低頻測(cè)量信號(hào)頻率的第二高頻的裝置包括一個(gè)多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器用一個(gè)相當(dāng)于2*N倍低頻測(cè)量信號(hào)頻率的時(shí)鐘脈沖轉(zhuǎn)接。在此，對(duì)石英振蕩器的精度要求不高，以致于可用成本低廉的石英諧振器。用具有N個(gè)延遲元件的環(huán)形振蕩器產(chǎn)生固有高頻。對(duì)環(huán)形振蕩器的相位噪聲的要求相當(dāng)?shù)?，因?yàn)橛赏粋€(gè)振蕩器確實(shí)可推導(dǎo)出兩個(gè)高頻。在接收機(jī)中疊加形成的低頻的相位與兩個(gè)高頻相位差成正比。這樣，重新消除了接收機(jī)中高頻振蕩器的大部分相位噪聲，因?yàn)閮煞N相位噪聲彼此的確是相關(guān)的。
延遲元件的數(shù)量產(chǎn)生所要求的調(diào)制頻率和相位步距的細(xì)度。另一方面，延遲元件的數(shù)量也確定了由兩個(gè)高頻的疊加獲得的低頻信號(hào)的分級(jí)。對(duì)于環(huán)形振蕩器，證實(shí)了8-64譬如16個(gè)延遲元件是合適的。如果環(huán)形振蕩器譬如可調(diào)到400MHz，并且要求低頻為約6.1KHz，則證實(shí)16個(gè)延遲元件是合適的。這些譬如可構(gòu)成為RS觸發(fā)器。為了從400MHz高頻獲得所要求的6.1KHz的低頻，則可用因數(shù)216除以環(huán)形振蕩器頻率。在采用16個(gè)RS觸發(fā)器時(shí)具有32個(gè)輸入端的多路復(fù)用器必須用一個(gè)以因數(shù)32高于低頻的頻率按順序轉(zhuǎn)接。這樣就可在多路復(fù)用器的輸出端得到一個(gè)正好與環(huán)形振蕩器頻率相差了所述低頻量值的第二高頻。
為準(zhǔn)確地確定高頻，環(huán)形振蕩器配有鎖相環(huán)(PLL)，通過該鎖相環(huán)(PLL)環(huán)形振蕩器頻率可調(diào)到石英振蕩器頻率的多倍，優(yōu)選8-64倍。PLL調(diào)節(jié)電路減少環(huán)形振蕩器的相位噪聲，因?yàn)樗紫日{(diào)整了低頻相位噪聲部分。
延遲元件的可能的數(shù)量受到所要求的調(diào)制頻率和有時(shí)也受到制造過程的限制。如果用延遲元件的數(shù)量所進(jìn)行的相位步距的分級(jí)對(duì)于所要求的精度太粗，則多路復(fù)用器的輸出端可與延遲網(wǎng)絡(luò)連接，該延遲網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)具有延遲級(jí)的環(huán)形振蕩器和一個(gè)串接的多路復(fù)用器。以這種方式可從粗的相位步距產(chǎn)生所需的細(xì)的相位分級(jí)。
事實(shí)證明應(yīng)特別優(yōu)選將頻率合成器集成在一個(gè)半導(dǎo)體組件上。在此，特別以集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方式，譬如C-MOS技術(shù)制造環(huán)形振蕩器和多路復(fù)用器。制造的這種元器件在制造過程中可隨意再生產(chǎn)、成本低廉，并且特別在采用C-MOS技術(shù)時(shí)能量消耗小。
按照相位測(cè)量原理，本發(fā)明所配備的測(cè)距設(shè)備具有一個(gè)發(fā)射機(jī)以發(fā)射光射束、具有一個(gè)光接收裝置以接收由測(cè)量目標(biāo)再發(fā)射的或散射的測(cè)量射束，具有一個(gè)串接在光接收裝置之后的光電接收機(jī)以把光射束變換成電測(cè)量信號(hào)，以及具有一個(gè)信號(hào)處理設(shè)備以進(jìn)行測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比較和進(jìn)行有關(guān)其相位的檢測(cè)，以便由此確定測(cè)量目標(biāo)的距離和使用戶得到結(jié)果。所發(fā)射的射束用高頻調(diào)制頻率進(jìn)行調(diào)制。高頻混頻與調(diào)制頻率相差了所分析的低頻測(cè)量信號(hào)的頻率，并且與接收機(jī)提供的電信號(hào)進(jìn)行疊加。產(chǎn)生所發(fā)射的光射束的高頻調(diào)制頻率的裝置和產(chǎn)生與調(diào)制頻率不同的、且與由光電接收機(jī)提供的電信號(hào)疊加的高頻混頻的裝置，按照本發(fā)明或其改進(jìn)方案的一個(gè)來構(gòu)成。這就降低了制造測(cè)距設(shè)備的價(jià)格。其尺寸可保持很小。特別是采用集成的結(jié)構(gòu)在一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體組件上而優(yōu)選用C-MOS技術(shù)構(gòu)成產(chǎn)生高頻的裝置時(shí)，所述的設(shè)備也具有能量損耗減少特點(diǎn)。這對(duì)電池供電的手提設(shè)備首先顯示出很大的優(yōu)點(diǎn)。
下面就圖中以方框圖所示的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。圖中

圖1示出了按照本發(fā)明所述的測(cè)距設(shè)備；圖2示出了頻率合成裝置的第一實(shí)施例；圖3示出了圖2產(chǎn)生細(xì)的相位分級(jí)的裝置的改進(jìn)型；圖4示出了頻率合成裝置的調(diào)節(jié)電路的例子；圖5示出了頻率合成裝置另一個(gè)改進(jìn)型。
圖1中示出了一個(gè)配備本發(fā)明所述的頻率合成裝置的測(cè)距設(shè)備的例子。測(cè)距設(shè)備具有一個(gè)優(yōu)選發(fā)射可見激光射束的激光源1。發(fā)射的和由視準(zhǔn)光學(xué)設(shè)備2對(duì)準(zhǔn)的激光射束由一個(gè)射束分配器11分成測(cè)量射束S和參考射束R。作為射束分配器11譬如采用了一個(gè)部分透光的鏡子。測(cè)量射束S到達(dá)由測(cè)距設(shè)備測(cè)量其距離的測(cè)量目標(biāo)。由測(cè)量目標(biāo)再發(fā)射或散射的射束L由光學(xué)接收裝置3收集起來并且傳送到測(cè)量接收機(jī)4上。作為測(cè)量接收機(jī)4譬如采用了一個(gè)PIN光電二極管。參考射束R由一個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡12轉(zhuǎn)向，并且由一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)13收集起來并傳送到參考接收機(jī)14上。參考接收機(jī)14優(yōu)點(diǎn)是與測(cè)量射束L的接收機(jī)14結(jié)構(gòu)相同。從射束分配器11到參考接收機(jī)14由參考射束R經(jīng)過的路徑構(gòu)成了確定相位差所需要的參考路徑。
在激光源1發(fā)射的光射束上施加了由參考晶體10控制的頻率合成器9產(chǎn)生的高頻調(diào)制頻率M。通過高頻調(diào)制頻率M，在接收機(jī)4和參考接收機(jī)14上分別產(chǎn)生高頻電子測(cè)量信號(hào)HFL、HFR，這兩個(gè)測(cè)量信號(hào)毗連到進(jìn)行信號(hào)搜集的按本發(fā)明構(gòu)成的裝置的輸入端，該裝置在圖1中標(biāo)有參考符號(hào)5或15。頻率合成器9也產(chǎn)生類似高頻的控制頻率F，該控制頻率F通過通信連接線路輸送到進(jìn)行信號(hào)搜集的兩個(gè)裝置5、15，和對(duì)這兩個(gè)裝置5、15提供時(shí)鐘脈沖。在后面還要作詳細(xì)說明的信號(hào)搜集的裝置5、15中，將高頻輸入信號(hào)HFL、HFR轉(zhuǎn)換成低頻測(cè)量信號(hào)NFL或校準(zhǔn)信號(hào)NFR。
在毗連到進(jìn)行信號(hào)搜集的本發(fā)明兩個(gè)裝置5、15的輸出端的低頻測(cè)量信號(hào)NFL或校準(zhǔn)信號(hào)NFR通過一個(gè)模擬開關(guān)17按順序輸送到一個(gè)低頻濾波器6，在該濾波器中濾除多余的高頻信號(hào)。譬如在采用的濾波器方面是指抗混淆濾波器。所濾波的和放大的測(cè)量信號(hào)NFL或校準(zhǔn)信號(hào)NFR在一個(gè)模/數(shù)變換器7中進(jìn)行數(shù)字化并且在一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備8中根據(jù)其相位進(jìn)行分析。從相位推斷測(cè)量目標(biāo)的距離，該距離作為信號(hào)0轉(zhuǎn)接到輸出單元?？刂祁l率F具有的優(yōu)點(diǎn)是可如此進(jìn)行選擇，即F＝(n*M)±NF。這樣，控制頻率F就以調(diào)制頻率M的整數(shù)倍增長(zhǎng)或減少低頻信號(hào)NF的值。在此，n值比0大。
在圖2中，頻率合成器全部配有參考符號(hào)9。它包括一個(gè)具有N個(gè)延遲元件V1，V2，V3，…，VN的環(huán)形振蕩器19。延遲元件V1，V2，V3，...，VN具有通過電壓VC進(jìn)行控制的延遲。譬如在延遲元件V1，V2，V3，…，VN方面是指雙穩(wěn)觸發(fā)級(jí)，優(yōu)選RS觸發(fā)器。也可采用反相器作為延遲元件來代替觸發(fā)器。延遲元件V1，V2，V3，…，VN的輸出端與通過分頻器21控制的多路復(fù)用器20連接。受電壓控制的環(huán)形振蕩器19譬如可調(diào)到400MHz。譬如第一高頻可用作為混頻F。環(huán)形振蕩器19譬如具有16個(gè)RS觸發(fā)器作為延遲元件。為獲得約6.1KHz的低頻，在分頻器21中用因數(shù)216除以環(huán)形振蕩器頻率。在采用16個(gè)觸發(fā)器時(shí)具有32個(gè)輸入端的多路復(fù)用器20，可用高以因數(shù)32的頻率作為所需的低頻按順序轉(zhuǎn)接。以此，第二高頻M毗連到多路復(fù)用器20的輸出端，該第二高頻M具有一個(gè)與第一高頻F相差了低頻量值的值。這個(gè)第二高頻譬如可用作激光器的調(diào)制頻率M。
在圖2中所示的頻率合成器根據(jù)其結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備集成在半導(dǎo)體組件上。譬如按C-MOS結(jié)構(gòu)方法制作該頻率合成器。延遲元件V1，V2，V3，…，VN的可能的數(shù)量受到所用的半導(dǎo)體技術(shù)和所要求的調(diào)制頻率M限制。如果從精度要求看需要小的相位步距，則可用多路復(fù)用器的輸出端的其它的延遲網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更細(xì)的相位步距。圖3示出了頻率合成器的這種改進(jìn)方案。在此，在多路復(fù)用器20的輸出端的高頻信號(hào)M*被傳送到延遲元件22的另一個(gè)裝置。延遲元件的輸出端重又與同樣受分頻器21控制的另一個(gè)多路復(fù)用器23的輸入端連接。譬如延遲元件22也可能是一個(gè)不可逆的串聯(lián)的緩沖器。最后，所需的第二高頻M毗連在另一個(gè)多路復(fù)用器23的輸出端。在無須附加的延遲網(wǎng)絡(luò)也行的可選擇的改進(jìn)方案中，在多路復(fù)用器的輸出端的信號(hào)也可用數(shù)字方式進(jìn)行插入。
為能用所要求的精度確定距離，必須準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)高頻。對(duì)此，象在圖4中所標(biāo)明的那樣，環(huán)形振蕩器19的頻率可用由一個(gè)相位檢測(cè)器24、環(huán)路濾波器25和分頻器26組成的鎖相環(huán)準(zhǔn)確地調(diào)到石英振蕩器10的多倍頻率、譬如8倍-64倍。通過這個(gè)調(diào)節(jié)電路，也可減少環(huán)形振蕩器19的相位噪聲，因?yàn)槭⒄袷幤?0提供無噪聲的信號(hào)，并且首先調(diào)整低頻噪聲部分。
圖5示出了另一個(gè)頻率合成器的實(shí)施例改進(jìn)方案。在該改進(jìn)方案中，完全彼此分開地產(chǎn)生混頻F和調(diào)制頻率M。譬如，可通過環(huán)形振蕩器按照?qǐng)D2產(chǎn)生混頻F。這個(gè)環(huán)形振蕩器可用集成的結(jié)構(gòu)方式設(shè)置在分立的半導(dǎo)體組件上。混頻被輸送到相位檢測(cè)器27上。相位檢測(cè)器27的信號(hào)在通過一個(gè)環(huán)路濾波器28后到達(dá)具有N個(gè)延遲元件和一個(gè)多路復(fù)用器的受電壓控制的延遲裝置29?；祛lF也用來控制延遲裝置29。以此，所需的調(diào)制頻率M毗連到延遲裝置29的輸出端。通過在空間上分開合成兩個(gè)高頻F、M，可獲得明顯改進(jìn)的信號(hào)分離。串音實(shí)際上也就消除。
權(quán)利要求
1.頻率合成的方法，特別是在以分析由輻射源(1)發(fā)射和由瞄準(zhǔn)的目標(biāo)再發(fā)射的電磁輻射射束(S)的參量隨時(shí)間變化的原理為基礎(chǔ)的測(cè)距設(shè)備中，所述的參量?jī)?yōu)選為相位，其中產(chǎn)生高頻調(diào)制頻率(M)以發(fā)射電磁輻射射束(S)，和產(chǎn)生一個(gè)高頻的混頻(F)以與由目標(biāo)再發(fā)射的和由檢測(cè)器(4)轉(zhuǎn)換成高頻調(diào)制電信號(hào)的射束進(jìn)行疊加，該混頻(F)與調(diào)制頻率(M)相差了所分析的低頻測(cè)量信號(hào)(NF)的頻率，其特征在于，一個(gè)優(yōu)選地由石英振蕩器(10)提供的頻率在有N個(gè)延遲元件(V1，V2，V3，…，VN)的環(huán)形振蕩器(19)中被調(diào)到所需要的第一高頻(F)，該高頻(F)用作為混頻或調(diào)制頻率，并且N個(gè)延遲元件(V1，V2，V3，...，VN)上的信號(hào)被輸送給一個(gè)多路復(fù)用器(20)，該多路復(fù)用器(20)用一個(gè)相當(dāng)于2*N倍低頻測(cè)量信號(hào)(NF)頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)接，其中在多路復(fù)用器(20)的輸出端產(chǎn)生一個(gè)與第一高頻(F)相差了低頻測(cè)量信號(hào)(NF)頻率的第二高頻(M)，該第二高頻(M)可用作為調(diào)制頻率或混頻。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，毗連到多路復(fù)用器的輸出端上的第二高頻信號(hào)(M*)被輸送到另一個(gè)延遲元件(22)裝置，并被輸送到以該另外的延遲元件數(shù)量乘以低頻測(cè)量信號(hào)(NF)的頻率為時(shí)鐘脈沖而進(jìn)行轉(zhuǎn)接的另一個(gè)多路復(fù)用器(23)上，以便將毗連到第一多路復(fù)用器上的粗的相位步距劃分成更細(xì)的相位步距。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，毗連在多路復(fù)用器的輸出端上的第二高頻以數(shù)字方式被插入。
4.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，延遲元件(V1，V2，V3，…，VN)被構(gòu)造成具有壓控的延遲。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，環(huán)形振蕩器頻率優(yōu)選用鎖相環(huán)(PLL)(24、25、26)調(diào)到石英振蕩器(10)頻率的多倍、譬如16倍。
6.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，作為延遲元件(V1，V2，V3，...，VN)優(yōu)選采用雙穩(wěn)觸發(fā)級(jí)、譬如RS觸發(fā)器、反相器或類似的元器件。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，以集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方式，優(yōu)選C-MOS結(jié)構(gòu)方式制作環(huán)形振蕩器(19)和多路復(fù)用器(20)。
8.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在2個(gè)不同的半導(dǎo)體組件上設(shè)置所述的環(huán)形振蕩器以產(chǎn)生第一高頻(F)和設(shè)置另一個(gè)環(huán)形振蕩器、包括多路復(fù)用器(29)以產(chǎn)生與該第一高頻相差了所述低頻測(cè)量信號(hào)的頻率的第二高頻(M)，其中毗連在第一個(gè)半導(dǎo)體組件的輸出端上的第一高頻(F)連接在具有多路復(fù)用器的第二半導(dǎo)體組件的輸入端。
9.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，給環(huán)形振蕩器(19)配備8-64個(gè)，譬如16個(gè)延遲元件(V1，V2，V3，…，VN)。
10.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，分析低頻測(cè)量信號(hào)，譬如相位測(cè)量，要與通過混頻的一個(gè)分頻器推導(dǎo)出的內(nèi)部低頻的同步頻率同步進(jìn)行。
11.頻率合成裝置，特別是在以分析由輻射源(1)發(fā)射和由瞄準(zhǔn)的目標(biāo)再發(fā)射的電磁輻射射束的參量隨時(shí)間變化的原理為基礎(chǔ)的測(cè)距設(shè)備中，所述的參量尤其是相位，具有一些裝置以產(chǎn)生發(fā)射電磁輻射射束(S)的高頻調(diào)制頻率(M)，和具有其它的一些產(chǎn)生高頻混頻(F)的裝置以與由目標(biāo)再發(fā)射的和由檢測(cè)器(4)轉(zhuǎn)換成高頻調(diào)制電信號(hào)的射束進(jìn)行疊加，該混頻(F)與調(diào)制頻率(M)相差了所分析的低頻測(cè)量信號(hào)(NF)的頻率，其特征在于，產(chǎn)生第一個(gè)高頻(F)的裝置包括一個(gè)石英振蕩器(10)，該石英振蕩器(10)與具有N個(gè)延遲元件(V1，V2，V3…，VN)的環(huán)形振蕩器(19)協(xié)作，并且產(chǎn)生與第一個(gè)高頻(F)相差了低頻測(cè)量信號(hào)(NF)頻率的第二高頻(M)的裝置包括一個(gè)多路復(fù)用器(20)，該多路復(fù)用器(20)用一個(gè)相當(dāng)于低頻測(cè)量信號(hào)(NF)的頻率的2*N倍的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)接，以此在多路復(fù)用器(20)的輸出端可產(chǎn)生第二高頻(M)。
12.按權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，環(huán)形振蕩器(19)的延遲元件(V1，V2，V3…，VN)受電壓控制，并且這些延遲元件優(yōu)選包括雙穩(wěn)觸發(fā)級(jí)、譬如RS觸發(fā)器、反相器或類似作用的元器件。
13.按權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，環(huán)形振蕩器(19)的延遲元件(V1，V2，V3，…，VN)的數(shù)量是8-64，譬如16。
14.按權(quán)利要求11-13之一所述的裝置，其特征在于，環(huán)形振蕩器(19)具有一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，通過該鎖相環(huán)(PLL)環(huán)形振蕩器頻率可調(diào)到石英振蕩器(10)的頻率的多倍、優(yōu)選8-64倍。
15.按權(quán)利要求11-14之一所述的裝置，其特征在于，多路復(fù)用器(20)的輸出端與一個(gè)延遲網(wǎng)絡(luò)連接，該延遲網(wǎng)絡(luò)包括具有延遲元件的另一個(gè)環(huán)形振蕩器(22)和串聯(lián)在其后的多路復(fù)用器(23)。
16.按權(quán)利要求11-14之一所述的裝置，其特征在于，多路復(fù)用器(20)的輸出端與一個(gè)對(duì)高頻輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字插入的設(shè)備連接。
17.按權(quán)利要求11-16之一所述的裝置，其特征在于，以集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方式，譬如C-MOS技術(shù)來制作環(huán)形振蕩器(19)和多路復(fù)用器(20)。
18.按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，在分立的集成半導(dǎo)體組件上設(shè)置所述產(chǎn)生第一高頻(F)的裝置和所述產(chǎn)生第二高頻(M)的裝置。
19.按照相位測(cè)量原理的測(cè)距設(shè)備，具有一個(gè)發(fā)射機(jī)(1)以發(fā)射光射束(S)、具有一個(gè)光接收裝置(3)以接收由測(cè)量目標(biāo)再輻射的或散射的光測(cè)量射束(L)，具有一個(gè)串接在光接收裝置(3)之后的光電接收機(jī)(4)以把光射束(L)變換成電測(cè)量信號(hào)，以及具有一個(gè)信號(hào)處理設(shè)備(8)以進(jìn)行測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比較和進(jìn)行有關(guān)其相位的檢測(cè)，以便由此確定測(cè)量目標(biāo)的距離和使用戶得到結(jié)果，以及具有裝置(9)以產(chǎn)生所發(fā)射的光射束(S)的高頻調(diào)制頻率(M)和產(chǎn)生與調(diào)制頻率(M)不同的、用由光電接收機(jī)(4)提供的電信號(hào)與其疊加的高頻混頻(F)，其特征為具有按照權(quán)利要求11-18之一所述的頻率合成裝置(9)。
全文摘要
在采用頻率合成的方法和裝置時(shí)，特別是在以分析由輻射源發(fā)射的和由瞄準(zhǔn)的目標(biāo)再發(fā)射的電磁輻射射束的相位隨時(shí)間變化的原理為基礎(chǔ)的測(cè)距設(shè)備中，一個(gè)優(yōu)選地由石英振蕩器提供的頻率在有N個(gè)延遲元件(V
文檔編號(hào)G01S7/48GK1478204SQ01819768
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2001年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月30日
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