基于欠采樣方法的絕對距離計(jì)量儀的制作方法
【專利摘要】一種包括維度測量裝置和目標(biāo)的維度測量系統(tǒng)，包括：信號發(fā)生器，被配置為產(chǎn)生RF調(diào)制頻率和采樣頻率，RF調(diào)制頻率與采樣頻率之間的頻率差小于RF頻率除以2；信號發(fā)生器還被配置為向模數(shù)變換器（ADC）的第一信道和第二信道發(fā)送采樣頻率，并發(fā)送RF頻率以調(diào)制產(chǎn)生第一光線的第一光源；光學(xué)系統(tǒng)，被配置為發(fā)送一部分第一光線到參考光學(xué)檢測器，發(fā)送另一部分第一光線離開維度測量裝置到遠(yuǎn)程回射器目標(biāo)，遠(yuǎn)程回射器目標(biāo)將第二光線返回光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)發(fā)送第二光線到測量光學(xué)檢測器，參考和測量光學(xué)檢測器被配置為將參考和測量光信號分別變換為參考和測量電信號；第一ADC信道，被配置為接收來自測量檢測器的電測量信號以產(chǎn)生數(shù)字測量值；第二ADC信道，被配置為接收來自參考檢測器的電參考信號并產(chǎn)生數(shù)字參考值；以及處理器，被配置為接收數(shù)字測量值和數(shù)字參考值，并計(jì)算從測量裝置到目標(biāo)的距離。
【專利說明】基于欠采樣方法的絕對距離計(jì)量儀
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求2012年I月30日提交的美國臨時專利申請N0.61/592，049以及2011年4月15日提交的美國臨時申請N0.61/475，703的優(yōu)先權(quán)，因此通過參考將這兩個申請的全部內(nèi)容合并。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開涉及坐標(biāo)測量裝置。一套坐標(biāo)測量裝置屬于通過向點(diǎn)發(fā)送激光束來測量該點(diǎn)的三維(3D)坐標(biāo)的一類儀器。激光束可以直接撞擊點(diǎn)，也可以撞擊與點(diǎn)接觸的回射器目標(biāo)。在任何情況下，儀器通過測量到目標(biāo)的距離和兩個角度來確定點(diǎn)的坐標(biāo)。距離通過諸如絕對距離計(jì)量儀或干涉儀這樣的測距裝置來測量。角度通過諸如角度編碼器這樣的測角裝置來測量。儀器中的萬向束控機(jī)構(gòu)將激光束引導(dǎo)到感興趣的點(diǎn)。
[0004]激光跟蹤儀是通過它發(fā)射的一個或多個激光束來跟蹤回射器目標(biāo)的特定類型的坐標(biāo)測量裝置。與激光跟蹤儀密切相關(guān)的坐標(biāo)測量裝置是激光掃描儀和全站儀。激光掃描儀向表面上的點(diǎn)逐步發(fā)射一個或多個激光束。它拾取從表面散射的光線并根據(jù)該光線確定到目標(biāo)的距離和兩個角度。全站儀在測量應(yīng)用中最常使用，可用于測量擴(kuò)散散射或回射目標(biāo)的坐標(biāo)。下面在廣義地使用包括激光掃描儀和全站儀的術(shù)語激光跟蹤儀。
[0005]通常激光跟蹤儀向回射器目標(biāo)發(fā)射激光束。普通類型的回射器目標(biāo)是球面安裝的回射器(SMR),它包括嵌入金屬球中的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三面相互垂直的鏡子。頂點(diǎn)是三面鏡子的公共交點(diǎn)，設(shè)置在球心。因?yàn)榍蛑辛⒎接缃堑倪@種布置，所以從頂點(diǎn)到SMR所在任何表面的垂直距離都保持恒定，即使在SMR旋轉(zhuǎn)時。因此，當(dāng)SMR在表面上移動時，激光跟蹤儀可以通過跟隨SMR的位置，測量表面的3D坐標(biāo)。換言之，激光跟蹤儀只需要測量三個自由度(一個徑向距離和兩個角度)，就能完全表現(xiàn)表面的3D坐標(biāo)的特征。
[0006]一種類型的激光跟蹤儀只包含干涉儀(IFM)，沒有絕對距離計(jì)量儀(ADM)。如果物體阻擋了來自這些跟蹤儀其中之一的激光束的路徑，IFM就會失去它的距離參考。然后操作者必須跟蹤回射器到已知位置，以在繼續(xù)測量之前復(fù)位到參考距離。解決這種限制的方法是將ADM置于跟蹤儀中。ADM可以以點(diǎn)和射擊方式來測量距離，如下更詳細(xì)所述。某些激光跟蹤儀只包含ADM，沒有干涉儀。授予Bridges等人的美國專利N0.7，352，446 (‘446)(其內(nèi)容通過參考合并于此)描述了只有ADM (并且沒有IFM)的激光跟蹤儀，其能夠準(zhǔn)確地掃描移動目標(biāo)。在‘446專利之前，絕對距離計(jì)量儀太慢，不能準(zhǔn)確地找到移動目標(biāo)的位置。
[0007]激光跟蹤儀中的萬向機(jī)構(gòu)可用于將來自跟蹤儀的激光束引導(dǎo)到SMR。被SMR回射的一部分光線進(jìn)入激光跟蹤儀并傳遞到位置檢測器上。激光跟蹤儀中的控制系統(tǒng)可以利用位置檢測器上光線的位置來調(diào)節(jié)激光跟蹤儀的機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)角度，以保持激光束以SMR為中心。通過這種方式，跟蹤儀能夠跟隨(跟蹤)在感興趣的物體的表面上移動的SMR。
[0008]諸如角度編碼器的角度測量裝置被附接于跟蹤儀的機(jī)械軸。通過激光跟蹤儀進(jìn)行的一個距離測量和兩個角度測量足以完全指定SMR的三維位置。
[0009]若干激光跟蹤儀可應(yīng)用于或者被提議用于測量6個自由度而不是通常的3個自由度。授予Bridges等人的美國專利N0.7，800, 758 (‘758)(其內(nèi)容通過參考合并于此的)以及授予Bridges等人的美國公開專利申請N0.2010/0128259 (其內(nèi)容通過參考合并于此的)描述了示例性的6自由度(6DOF)系統(tǒng)。
[0010]當(dāng)今使用的ADM的一種類型通過在光束從測量裝置傳播到目標(biāo)并返回時測量正弦調(diào)制的光線光束的相位移動，來確定到目標(biāo)的距離。為了測量光線相位的移動，利用一個或多個混頻器將被檢測的光線下變換，然后發(fā)送到模數(shù)變換器(ADC)，以獲得測量樣本，測量樣本經(jīng)過處理，以確定相位。在此方案中，混頻器增加了 ADM設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，因此如果將其取消會更好。在下變換階段使用混頻器的另一個問題是混頻器會由于進(jìn)入混頻器的RF信號的功率等級的變化而經(jīng)歷相位的移動，從而在計(jì)算的到測量目標(biāo)的距離中產(chǎn)生誤差。
[0011]Poujouly 等人的論文 “Digital laser range finder:phase_shift estimationby under samp ling technique”描述了在基于相位的距離計(jì)量儀中用于提取相位的兩種方法，該論文通過參考合并于此。在第一方法中，結(jié)合數(shù)字濾波器和自動增益控制(AGC)來使用正交(I/Q)解調(diào)方案。通過所公開的方法獲得的精度大約是6mm，這相比于這里考慮的應(yīng)用所期望的差大約1000倍。在第二方法中，使用第一頻率來調(diào)制激光。將被調(diào)制的激光信號發(fā)送到目標(biāo)，并且以ADC中的另一個頻率將檢測信號采用，以獲得可用于計(jì)算被調(diào)制光線的相位移動的采樣值。但是，單個頻率不足以在較大的范圍中操作，因?yàn)樾枰鄠€調(diào)制頻率來確定被測量目標(biāo)所在的“明確區(qū)域”。所公開的構(gòu)造不允許消除這種不明確。
[0012]授予Mori等人的美國專利N0.7，177，014( ‘014)公開了一種使用基于欠采樣方法的絕對距離計(jì)量儀測量到物體的距離的方法。該專利中的方法采用第一調(diào)制信號或第二調(diào)制信號來調(diào)制激光的光功率。被檢測的光線被提供給第一ADC，而相同頻率的電信號被提供給第二ADC。使用兩個ADC信號之間的相位差來計(jì)算到物體的距離。但是，所公開的方法未提供對來自激光二極管和光學(xué)檢測器的噪聲的良好抑制，因?yàn)榈诙?ADC信號只是電信號。因?yàn)镸ori專利未公開通過回射器使用的距離計(jì)量儀，而是公開通過諸如“鋁板、卡片板、PC板、柔軟布、黑色紙張、木材以及著色板”(來自‘014專利)的物體使用的距離計(jì)量儀，其距離精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過回射器可能得到的距離精度。對于其中使用回射器的維度測量系統(tǒng)，通常需要更高的精度，并且在這些情況下重要的是提供光學(xué)參考信號來消除與激光器以及光學(xué)檢測器相關(guān)聯(lián)的普通模式噪聲。此外，‘014專利提供用于解決范圍不明確的方法是限制性的。在需要較高精度的多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)中，必須提供使用三種或更多種調(diào)制頻率來消除不明確的方法。
[0013]所需要的是用于獲得較高精度的絕對距離測量結(jié)果的較廉價的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]一種包括維度測量裝置和目標(biāo)的維度測量系統(tǒng)，包括:頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，產(chǎn)生具有標(biāo)準(zhǔn)頻率的標(biāo)準(zhǔn)電信號；以及信號發(fā)生器，被配置為在第一模式中產(chǎn)生具有第一頻率的第一電信號以及具有第二頻率的第二電信號，第一頻率和第二頻率得自標(biāo)準(zhǔn)電信號，其中第一頻率除以第二頻率小于2，并且第一頻率不同于第二頻率。此外系統(tǒng)包括:產(chǎn)生第一光線的第一光源；光學(xué)系統(tǒng)，被配置為發(fā)送第一光線的第一部分離開測量裝置作為第一光束的光線，以及發(fā)送第一光線的第二部分到參考光學(xué)檢測器，第一光束和第二部分具有在第一頻率下調(diào)制的第一光學(xué)特性；目標(biāo)被配置為回射器，以接收第一光束，以及返回第二光束至光學(xué)系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)還被配置為發(fā)送第二光束的第三部分到測量光學(xué)檢測器，測量光學(xué)檢測器被配置為將第三部分變換為第一測量電信號，參考光學(xué)檢測器被配置為將第二部分變換為第一參考電信號。此外系統(tǒng)包括:具有第一樣本端口、第一信號端口以及第一數(shù)據(jù)端口的第一模數(shù)變換器信道，第一模數(shù)變換器信道被配置為在第一模式中在第一樣本端口接收第二電信號，在第一信號端口接收第一測量電信號，在第一數(shù)據(jù)端口提供表示第一測量電信號的多個第一數(shù)字測量值；以及具有第二樣本端口、第二信號端口以及第二數(shù)據(jù)端口的第二模數(shù)變換器信道，第二模數(shù)變換器信道被配置為在第一模式中在第二樣本端口接收第二電信號，在第二信號端口接收第一參考電信號，在不同的時間在第二數(shù)據(jù)端口提供表示第一參考電信號的多個第一數(shù)字參考值；以及處理器，被配置為在第一模式中計(jì)算從維度測量裝置到目標(biāo)的第一距離，所計(jì)算的第一距離至少部分地基于第一頻率、第二頻率、多個第一數(shù)字測量值、多個第一數(shù)字參考值以及空氣中的光速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面參照附圖，所示的示例性實(shí)施例不應(yīng)解釋為對本公開的全部范圍的限制，并且其中，在若干附圖中對元件同樣地編號:
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有回射器目標(biāo)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有6-D0F目標(biāo)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0018]圖3是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光跟蹤儀光學(xué)器件和電子器件的元件的方框圖；
[0019]圖4包括圖4A和圖4B,不出兩種類型的現(xiàn)有技術(shù)無焦點(diǎn)光束擴(kuò)大器；
[0020]圖5不出現(xiàn)有技術(shù)光纖光學(xué)光束發(fā)射器；
[0021]圖6A-D是示出4種類型的現(xiàn)有技術(shù)位置檢測器組件的示意圖；
[0022]圖6E和圖6F是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位置檢測器組件的示意圖；
[0023]圖7A是現(xiàn)有技術(shù)ADM中的電學(xué)和電光元件的方框圖；
[0024]圖7B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ADM中的電學(xué)和電光元件的方框圖；
[0025]圖7C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一波形和第二波形的示意圖，示出在模數(shù)變換器中怎樣使用第一波形來產(chǎn)生第二波形的欠采樣復(fù)制品；
[0026]圖7D是示出在超尼奎斯特模式中怎樣使用直接數(shù)字合成器(DDS)來增加DDS頻率的不意圖；
[0027]圖8A和圖SB是示出現(xiàn)有技術(shù)光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的光纖光學(xué)元件的示意圖；
[0028]圖SC是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的光纖光學(xué)元件的示意圖；
[0029]圖9是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的分解圖；
[0030]圖10是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的剖視圖；以及
[0031]圖11是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光跟蹤儀的計(jì)算和通信元件的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]圖1示出的示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)5包括激光跟蹤儀10、回射器目標(biāo)26、可選輔助單元處理器50和可選輔助計(jì)算機(jī)60。激光跟蹤儀10的示例性萬向束控機(jī)構(gòu)12包括天頂架14，天頂架14安裝在方位底座16上并繞方位軸20旋轉(zhuǎn)。載荷15安裝在天頂架14上并繞天頂軸18旋轉(zhuǎn)。在跟蹤儀10內(nèi)部，天頂軸18與方位軸20在萬向點(diǎn)22垂直相交，萬向點(diǎn)22通常是距離測量的原點(diǎn)。激光束46虛擬通過萬向點(diǎn)22并被指向?yàn)榇怪庇谔祉斴S
18。換言之，激光束46近似垂直于與天頂軸18以及方位軸20兩者平行的任何平面。出射激光束46通過載荷15繞天頂軸18的旋轉(zhuǎn)以及天頂架14繞方位軸20的旋轉(zhuǎn),指向期望的方向。在跟蹤儀10內(nèi)部，天頂角度編碼器附接于與天頂軸20對準(zhǔn)的天頂機(jī)械軸。在跟蹤儀10內(nèi)部，方位角度編碼器附接于與方位軸20對準(zhǔn)的方位機(jī)械軸。天頂和方位角度編碼器以較高的精度測量旋轉(zhuǎn)的天頂和方位角度。出射激光束46傳播到回射器目標(biāo)26，回射器目標(biāo)26例如可以是上述球面安裝的回射器(SMR)。通過測量萬向點(diǎn)22與回射器26之間的徑向距離、關(guān)于天頂軸18的旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于方位軸20的旋轉(zhuǎn)角度，在跟蹤儀的球面坐標(biāo)系中找到回射器26的位置。
[0033]出射激光束46可包括一個或多個激光波長，如下所述。為了清楚和簡明起見，在下面的討論中假定圖1所示類型的控制機(jī)構(gòu)。但是，其他類型的控制機(jī)構(gòu)也可以。例如，可以將激光束反射離開繞著方位軸和天頂軸旋轉(zhuǎn)的鏡子。這里所述的技術(shù)不管控制機(jī)構(gòu)的類型如何都是可行的。
[0034]可將磁巢17包括在激光跟蹤儀中，用于針對不同尺寸的SMR，例如1.5,7/8和1/2英寸的SMR，將激光跟蹤儀復(fù)位到“原本”位置。跟蹤儀上的回射器19可用于將跟蹤儀復(fù)位到參考距離。此外，從圖1的視圖看不見的跟蹤儀上的鏡子可用于與跟蹤儀上的回射器組合，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償性能，如美國專利N0.7，327，446所述，該專利的內(nèi)容通過參考被合并。
[0035]圖2示出示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)7，除了用6D0F探針1000代替回射器目標(biāo)26之夕卜，激光跟蹤儀系統(tǒng)7與圖1的激光跟蹤儀系統(tǒng)5相似。在圖1中，可使用其他類型的回射器目標(biāo)。例如，有時候使用貓眼回射器，貓眼回射器是玻璃回射器，其中光線聚焦在玻璃結(jié)構(gòu)的反射性后表面上的小光點(diǎn)。
[0036]圖3是示出激光跟蹤儀實(shí)施例中的光學(xué)和電學(xué)元件的方框圖。它示出發(fā)射兩種波長的光線的激光跟蹤儀的元件——第一波長用于ADM，第二波長用于可見指示器并用于跟蹤?？梢娭甘酒魇沟糜脩裟軌蚩匆姼檭x發(fā)射的激光光點(diǎn)的位置。利用自由空間光束分離器，將兩種不同的波長組合。電光(EO)系統(tǒng)100包括可見光源110、隔離器115、可選第一光纖發(fā)射器170、可選干涉儀(IFM) 120、擴(kuò)束器140、第一光束分離器145、位置檢測器組件150、第二光束分離器155、ADM160以及第二光纖發(fā)射器170。
[0037]可見光源110可以是激光器、超級發(fā)光二極管或者其他光發(fā)射裝置。隔離器115可以是法拉第隔離器、衰減器或者能夠減少反射回到光源的光線的其他裝置?？蛇xIFM可以以多種方式配置。作為可能實(shí)施方式的特定不例，IFM可包括光束分離器122、回射器126、四分之一波片124、130以及相位分析器128?？梢姽庠?10可以向自由空間發(fā)射光線，然后光線通過隔離器115以及可選IFM120在自由空間中傳播。或者，通過光纖線纜可將隔離器115連接到可見光源110。在這種情況下，可將來自隔離器的光線通過第一光纖光學(xué)發(fā)射器170發(fā)射到自由空間，如下參照圖5所述。
[0038]擴(kuò)束器140可以利用多種透鏡配置來設(shè)置，兩種常用的現(xiàn)有技術(shù)配置在圖4A和圖4B中示出。圖4A示出基于使用負(fù)透鏡141A和正透鏡142A的配置140A。入射到負(fù)透鏡141A的準(zhǔn)直光束220A從正透鏡142A顯現(xiàn)為更大的準(zhǔn)直光束230A。圖4B示出基于使用兩個正透鏡141B、142B的配置140B。入射到第一正透鏡141B的準(zhǔn)直光束220B從第二正透鏡142B顯現(xiàn)為更大的準(zhǔn)直光束230B。在離開擴(kuò)束器140的光線中，少量在脫離跟蹤儀的路徑上反射離開光束分離器145、155并損失。傳遞通過光束分離器155的那部分光線與來自ADM160的光線組合，形成復(fù)合光束188，復(fù)合光束188離開激光跟蹤儀并傳播到回射器90。
[0039]在實(shí)施例中，ADM160包括光源162、ADM電子器件164、光纖網(wǎng)絡(luò)166、互連電纜165以及互連光纖168、169、184、1860 ADM電子器件向光源162發(fā)送電調(diào)制和偏置電壓，光源162例如可以是以大約1550nm的波長操作的分布式反饋激光器。在實(shí)施例中，光纖網(wǎng)絡(luò)166可以是圖8A所示的光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)420A。在該實(shí)施例中，來自圖3中的光源162的光線在光纖184上傳播，光纖184等價于圖8A中的光纖432。
[0040]圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)包括第一光纖耦合器430、第二光纖耦合器436以及低傳輸反射器435、440。光線傳播通過第一光纖耦合器430并在兩條路徑之間分離，第一路徑通過光纖433到第二光纖耦合器436，而第二路徑通過光纖422和光纖長度均衡器423。光纖長度均衡器423連接到圖3中的光纖長度168，光纖長度168傳播到ADM電子器件164的參考信道。光纖長度均衡器423的目的是將參考信道中光線穿過的光纖的長度與測量信道中光線穿過的光纖的長度匹配。通過這種方式匹配光纖長度減少了由于環(huán)境溫度變化所致的ADM誤差。這些誤差會因?yàn)楣饫w的有效光路長度等于光纖的平均折射系數(shù)乘以光纖長度而出現(xiàn)。因?yàn)楣饫w的折射系數(shù)取決于光纖的溫度，所以光纖溫度的變化引起測量信道和參考信道的有效光路長度的變化。如果測量信道中光纖的有效光路長度相對于參考信道中光纖的有效光路長度而變化，那么即使將回射器目標(biāo)90保持靜止，結(jié)果也將是回射器目標(biāo)90位置的明顯移動。為了避免這個問題，采取兩個步驟。首先，盡可能將參考信道的光纖長度與測量信道的光纖長度匹配。其次，將測量光纖和參考光纖布置為并排到可以保證兩個信道中的光纖經(jīng)歷幾乎相同的溫度變化的程度。
[0041]光線傳播通過第二光纖光學(xué)耦合器436并分離為兩條路徑，第一路徑到低反射光纖終止器440，第二路徑到光纖438，光線從其傳播到圖3中的光纖186。光纖186上的光線傳播到第二光纖發(fā)射器170。
[0042]在實(shí)施例中，在現(xiàn)有技術(shù)圖5中示出光纖發(fā)射器170。來自圖3的光纖186的光線進(jìn)入圖5中的光纖172。光纖發(fā)射器170包括光纖172、套環(huán)174以及透鏡176。光纖172附接于套環(huán)174，套環(huán)174穩(wěn)定地附接于激光跟蹤儀10中的結(jié)構(gòu)。如果需要的話，光纖終端可以以一個角度拋光，以減少背射。光線在光纖中心顯現(xiàn)，光纖可以是直徑在4微米與12微米之間的單模式光纖，取決于所使用光線的波長以及光纖的特定類型。光線250以一個角度發(fā)散并與透鏡176相交(interc印t)，透鏡176校準(zhǔn)光線250。在專利‘758中參照圖3描述通過ADM系統(tǒng)中的單個光纖發(fā)射和接收光信號的方法。
[0043]參照圖3，光束分離器155可以是二色性光束分離器，其透射的波長與其反射的波長不同。在實(shí)施例中，來自ADM160的光線反射離開二色性光束分離器155，并與來自可見激光器110的光線組合，來自可見激光器110的光線傳輸通過二色性光束分離器155。合成光束的光線188傳播離開激光跟蹤儀到回射器90作為第一光束，第一光束返回一部分光線作為第二光束。第二光束處于ADM波長的那一部分反射離開二色性光束分離器155,并返回第二光纖發(fā)射器170，第二光纖發(fā)射170將光線耦合回到光纖186。
[0044]在實(shí)施例中，光纖186對應(yīng)于圖8A中的光纖438。返回光線從光纖438傳播通過第二光纖耦合器436并分離為兩條路徑。第一路徑導(dǎo)向光纖424，在實(shí)施例中，光纖424對應(yīng)于光纖169，光纖169導(dǎo)向圖3中ADM電子器件164的測量信道。第二路徑導(dǎo)向光纖433，然后導(dǎo)向第一光纖耦合器430。離開第一光纖耦合器430的光線在兩條路徑之間分離，第一路徑到光纖432，而第二路徑到低反射率終端435。在實(shí)施例中，光纖432對應(yīng)于光纖184，光纖184導(dǎo)向圖3中的光源162。在多數(shù)情況下,光源162包括內(nèi)建的法拉第隔離器,法拉第隔離器將從光纖432進(jìn)入光源的光量最小化。在相反方向上饋入激光器的額外光線可以使激光器不穩(wěn)定。
[0045]來自光纖網(wǎng)絡(luò)166的光線通過光纖168、169進(jìn)入ADM電子器件164?，F(xiàn)有技術(shù)ADM電子器件的實(shí)施例在圖?中示出。圖3中的光纖168對應(yīng)于圖7中的光纖3232，而圖3中的光纖169對應(yīng)于圖7中的光纖3230。下面參照圖7，ADM電子器件3300包括頻率基準(zhǔn)3302、合成器3304、測量檢測器3306、參考檢測器3308、測量混合器3310、參考混合器3312、調(diào)節(jié)電子器件3314、3316、3318、3320、N倍預(yù)分頻器3324以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 3322。頻率基準(zhǔn)向合成器發(fā)送基準(zhǔn)頻率fREF (例如可以是10MHz)，頻率基準(zhǔn)例如可以是恒溫控制晶體振蕩器(0CX0)，合成器生成兩個電信號，一個信號處于頻率fRF，兩個信號處于頻率fLO。信號fRF進(jìn)入光源3102，光源3102對應(yīng)于圖3中的光源162。處于頻率fLO的兩個信號進(jìn)入測量混合器3310和參考混合器3312。來自圖3中光纖168、169的光線分別出現(xiàn)在圖7中的光纖3232、3230上，并分別進(jìn)入?yún)⒖夹诺篮蜏y量信道。參考檢測器3308和測量檢測器3306將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這些信號分別通過電學(xué)構(gòu)件3316、3314調(diào)節(jié)，并分別被發(fā)送至混合器3312、3310。混合器產(chǎn)生頻率flF，其等于fLO-fRF的絕對值。信號fRF可以是較高的頻率，例如2GHz，而信號flF可以是較低的頻率，例如IOkHz。
[0046]基準(zhǔn)頻率fREF被發(fā)送至預(yù)分頻器3324，預(yù)分頻器3324將頻率除以整數(shù)值。例如，可將IOMHz的頻率除以40，獲得250kHz的輸出頻率。在本示例中，可以以250kHz的速率對進(jìn)入ADC3322的IOkHz信號采樣，從而每周期產(chǎn)生25個樣本。來自ADC3322的信號被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器3400，數(shù)據(jù)處理器3400例如可以是位于圖3的ADM電子器件164中的一個或多個數(shù)字信號處理器(DSP)單元。
[0047]提取距離的方法是基于用于參考信道和測量信道的ADC信號的相位的計(jì)算。授予Bridges等人的美國專利N0.7，701, 559 (‘559)中詳細(xì)描述了該方法，該專利的內(nèi)容通過參考合并于此。計(jì)算包括專利‘559的等式(I)- (8)的使用。此外，當(dāng)ADM首先開始測量回射器時，通過合成器生成的頻率被改變?nèi)舾杀稊?shù)(例如3倍)，并且在每種情況下計(jì)算可能的ADM距離。通過對于每個選擇的頻率比較可能的ADM距離，消除了 ADM測量中的不明確。結(jié)合參照專利‘559的圖5所述的同步方法以及專利‘559中所述的Kalman濾光器方法，專利‘559的方程式(I) - (8)使得ADM能夠測量移動目標(biāo)。在其他實(shí)施例中，可以使用獲得絕對距離測量結(jié)果的其他方法，例如通過使用脈沖飛行時間而不是相位差。
[0048]返回光束190通過光束分離器155的部分到達(dá)光束分離器145，光束分離器145將一部分光線發(fā)送到擴(kuò)束器140，將另一部分光線發(fā)送到位置檢測器組件150。從激光跟蹤儀10或EO系統(tǒng)100顯現(xiàn)的光線可以被認(rèn)為是第一光束,而反射離開回射器90或26的一部分光線可以被認(rèn)為是第二光束。一部分反射光束被發(fā)送到EO系統(tǒng)100的不同功能元件。例如，可將第一部分發(fā)送到距離計(jì)量儀，例如圖3中的ADM160。可將第二部分發(fā)送到位置檢測器組件150。在某些情況下，可將第三部分發(fā)送到其他功能元件，例如可選干涉計(jì)(120) 。重要的是理解，雖然在圖3的示例中，第二光束的第一部分和第二部分在反射離開光束分離器之后分別被發(fā)送到距離計(jì)量儀和位置檢測器，但是有可能將光線傳輸而不是反射到距離計(jì)量儀或位置檢測器。
[0049]圖6A-D中示出現(xiàn)有技術(shù)檢測器組件150A-150D的四個示例。圖6A描述最簡單的實(shí)施方式，其中位置檢測器組件包括安裝在電路板152上的位置傳感器151，電路板152從電子器件盒350獲得電力并向其返回信號，電子器件盒350可以代表激光跟蹤儀10、輔助單元50或者外部計(jì)算機(jī)60中任何位置的電子處理能力。圖6B包括濾光器154，濾光器154阻擋不需要的光學(xué)波長到達(dá)位置傳感器151。例如也可以通過用適當(dāng)?shù)谋∧じ采w光束分離器145或者位置傳感器151的表面來阻擋不需要的光學(xué)波長。圖6C包括縮小光束尺寸的透鏡153。圖6D包括濾光器154和透鏡153。
[0050]圖6E示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位置檢測器組件，包括光學(xué)調(diào)節(jié)器149E。光學(xué)調(diào)節(jié)器包含透鏡153,也可以包含波長濾波器(wavelength filter)1540此外,它至少包括擴(kuò)散器156和空間濾波器157的其中之一。如上所述，普通類型的回射器是立方隅角回射器。立方隅角回射器的一種類型由三面鏡子制成，每面鏡子與其余兩面鏡子成直角相交。這三面鏡子相交的交叉線可以有有限的厚度，其中光線并未完全反射回到跟蹤儀。有限厚度的線當(dāng)它們傳播時被衍射，因此在到達(dá)位置檢測器時，它們不一定出現(xiàn)為正好與位置檢測器相同。但是，衍射光圖案通常背離完全對稱。結(jié)果，撞擊位置檢測器151的光線在衍射線附近例如可以有光學(xué)功率(熱光點(diǎn))的下降或上升。因?yàn)閬碜曰厣淦鞯墓饩€的一致性可能隨回射器而變化，此外因?yàn)槲恢脵z測器上光線的分布可能在回射器旋轉(zhuǎn)或傾斜時變化，所以有利的是包括擴(kuò)散器156，以改善撞擊位置檢測器151的光線的平滑度。可以表明，因?yàn)槔硐氲奈恢脵z測器應(yīng)當(dāng)對應(yīng)于形心并且理想的擴(kuò)散器應(yīng)當(dāng)對稱地散布光點(diǎn)，所以對于位置檢測器給出的結(jié)果位置應(yīng)當(dāng)無效果。但是，實(shí)際上觀察到擴(kuò)散器改善了位置檢測器組件的性能，可能是因?yàn)槲恢脵z測器151和透鏡153中的非線性效果(缺點(diǎn))。玻璃制成的立方隅角回射器也可以在位置檢測器151產(chǎn)生不一致的光點(diǎn)。由于從6-D0F目標(biāo)中的立方隅角反射的光線，位置檢測器處光點(diǎn)的變化可以特別顯著，如同可以從普通轉(zhuǎn)讓的美國專利申請N0.13/370, 339 (2012 年 2 月 10 日提交)以及 N0.13/407，983 (2012 年 2 月 29 日提交)更清楚地理解，這兩個專利的內(nèi)容通過參考被合并。在實(shí)施例中，擴(kuò)散器156是全息擴(kuò)散器。全息擴(kuò)散器在指定的擴(kuò)散角度上提供受控的、均勻的光線。在其他實(shí)施例中，使用其他類型的擴(kuò)散器，例如毛玻璃或“乳玻璃”擴(kuò)散器。
[0051]位置檢測器組件150E的空間濾光器157的目的是阻擋鬼光束(ghost beam),鬼光束例如可以是由于撞擊位置檢測器151，離開光學(xué)表面的不需要的反射的結(jié)果?？臻g濾光器包括有孔隙的板157。通過將空間濾光器157放置為一個離開透鏡大約等于透鏡焦距的距離，當(dāng)返回光線243E在近它最窄的-光束腰部接時候，通過空間濾光器。例如作為光學(xué)元件的反射的結(jié)果的以不同角度傳播的光束撞擊空間濾光器，離開孔隙，并且被阻止到達(dá)位置檢測器151。圖6E示出一個示例，其中不需要的鬼光束反射離開光束分離器145并傳播到空間濾光器157，在空間濾光器157被阻擋。如果沒有空間濾光器，鬼光束244E將與位置檢測器151相交，從而導(dǎo)致位置檢測器151上的光束243E的位置被錯誤地確定。如果鬼光束被置于與主要光點(diǎn)相距較大的距離，那么即使鬼的幽靈光束也可以顯著改變位置檢測器151上形心的位置。[0052]這里所討論類型的回射器、立方隅角或貓眼回射器例如具有將以平行于入射射線的方向進(jìn)入回射器的光射線反射的性質(zhì)。此外，入射和反射的射線關(guān)于回射器的對稱點(diǎn)對稱地設(shè)置。例如，在露天立方隅角回射器中，回射器的對稱點(diǎn)是立方隅角的頂點(diǎn)。在玻璃立方隅角回射器中，對稱點(diǎn)也是頂點(diǎn)，但是在這種情況下必須考慮光線在玻璃-空氣界面的彎曲。在折射系數(shù)為2.0的貓眼回射器中，對稱點(diǎn)是球的中心。在由對稱地放置在公共平面上的兩個玻璃半球制成的貓眼回射器中，對稱點(diǎn)是位于平面上并且在每個半球的球心的點(diǎn)。要點(diǎn)是，對于一般由激光跟蹤儀使用的回射器類型，被回射器返回到跟蹤儀的光線相對于入射的激光束移動到頂點(diǎn)的另一側(cè)。
[0053]圖3中回射器90的這種行為是通過激光跟蹤儀跟蹤回射器的基礎(chǔ)。位置傳感器在其表面上具有理想的折返點(diǎn)(retrace point)。理想的折返點(diǎn)是發(fā)送到回射器的對稱點(diǎn)(例如，SMR中立方隅角回射器的頂點(diǎn))的激光束返回的點(diǎn)。通常，折返點(diǎn)靠近位置傳感器的中心。如果將激光束發(fā)送到回射器的一側(cè)，則它反射回到另一側(cè)并出現(xiàn)在位置傳感器上的折返點(diǎn)。通過指出位置傳感器上返回光束的位置，激光跟蹤儀10的控制系統(tǒng)可以使得電機(jī)將光束向回射器的對稱點(diǎn)移動。
[0054]如果回射器以恒定速度向跟蹤儀橫向移動，回射器上的光束將在離回射器的對稱點(diǎn)固定的偏移距離處撞擊回射器(在解決了瞬變現(xiàn)象之后)。激光跟蹤儀進(jìn)行校正，以基于從受控測量獲得的縮放系數(shù)并基于從位置傳感器上的光束到理想的折返點(diǎn)的距離，解釋回射器的這種偏移距離。
[0055]如上所述，位置檢測器執(zhí)行兩種重要的功能一實(shí)現(xiàn)跟蹤并校正測量結(jié)果，以解釋回射器的移動。位置檢測器中的位置傳感器可以是能夠測量位置的任何類型的裝置。例如，位置傳感器可以是位敏檢測器或感光陣列。位敏檢測器例如可以是橫向效應(yīng)檢測器或四分儀檢測器。感光陣列例如可以是CMOS或CCD陣列。
[0056]在實(shí)施例中，未反射離開光束分離器145的返回光線通過擴(kuò)束器140，因此變得更小。在另一個實(shí)施例中，位置檢測器與距離計(jì)量儀的位置反轉(zhuǎn)，因此通過光束分離器145反射的光線傳播到距離計(jì)量儀，而通過光束分離器傳輸?shù)墓饩€傳播到位置檢測器。
[0057]光線繼續(xù)通過可選IFM，通過隔離器并進(jìn)入可見光源110。在此階段，光功率應(yīng)當(dāng)足夠小，因此它不會使得可見光源110不穩(wěn)定。
[0058]在實(shí)施例中,通過圖5的光束發(fā)射器170發(fā)射來自可見光源110的光線。光纖發(fā)射器可以附接于光源110的輸出端或者隔離器115的光纖光學(xué)輸出端。
[0059]在實(shí)施例中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)是圖8B的現(xiàn)有技術(shù)光纖網(wǎng)絡(luò)420B。這里，圖3的光纖184、186、168、169對應(yīng)于圖8B的光纖443、444、424、422。圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)類似于圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)，除了圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)具有單個光纖耦合器而不是兩個光纖耦合器之外。圖SB相對于圖8A的優(yōu)點(diǎn)是簡單；但是，圖SB更可能有不需要的光學(xué)回射進(jìn)入光纖422和424。
[0060]在實(shí)施例中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)166是圖8C的光纖網(wǎng)絡(luò)420C。這里，圖3的光纖184、186、168、169對應(yīng)于圖8C的光纖447、455、423、424。光纖網(wǎng)絡(luò)420C包括第一光纖耦合器445和第二光纖稱合器451。第一光纖稱合器445是2X2稱合器，有兩個輸入端口和兩個輸出端口。這種類型的耦合器一般通過將兩個光纖芯放置為非常接近，然后在加熱時拖動光纖而制成。通過這種方式，光纖之間的消逝稱合(evanescent coupling)可將光線的期望部分分離到相鄰的光纖。第二光纖耦合器451是稱為循環(huán)器的類型。它有三個端口，每個端口具有傳輸或接收光線的能力，但是僅在指定的方向。例如，光纖448上的光線進(jìn)入端口453并向端口 454傳輸，如箭頭所示。在端口 454，光線可以傳輸?shù)焦饫w455。類似地，在端口 455上傳播的光線可以進(jìn)入端口 454，并沿著箭頭方向傳播到端口 456，在端口 456，一部分光線可以傳輸?shù)焦饫w424。如果僅需要三個端口，那么循環(huán)器451可能比2X2耦合器承受更少的光功率損失。另一方面，循環(huán)器451可能比2X2耦合器更貴，并且它可能經(jīng)歷極化模式的散布，這在某些情況下會有問題。
[0061]在實(shí)施例中，圖3的ADM160包括圖7B的ADM元件2900。ADM元件2900包括頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器2910、信號發(fā)生器2920、光源2930、參考檢測器2940、測量檢測器2950、模數(shù)變換器(ADC)的第一信道2960、ADC的第二信道2961、處理器2970、到互連元件的電導(dǎo)體以及光纖2982、2984、2986。頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器2910向信號發(fā)生器2920發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器2910例如可以是發(fā)射IOMHz正弦信號的恒溫控制晶體振蕩器(0CX0)。信號發(fā)生器2920產(chǎn)生頻率為fKF的射頻(RF)信號以及頻率為fs的采樣信號。信號發(fā)生器將RF信號用于調(diào)制光源2930。光源可以是多種類型的光源。例如,它可以是在1550nm下工作的分布式反饋(DFB)激光器、在635nm (紅光)下工作的激光二極管、在830nm下工作的超輻射發(fā)光二極管或者其他光源?；蛘撸蓪⑽凑{(diào)制光線發(fā)送到單獨(dú)的調(diào)制器，并將頻率為fKF的信號發(fā)送到單獨(dú)的調(diào)制器。在實(shí)施例中，圖7B中的光纖2982、2984和2986對應(yīng)于圖3中的光纖186、168、169。圖7B中的光源2930對應(yīng)于圖3中的光源162。參考檢測器2940和測量檢測器2950將光線轉(zhuǎn)換為頻率為fKF的電信號。來自參考檢測器和測量檢測器的RF信號在電導(dǎo)體上分別傳播到ADC2960、2961的第一信道和第二信道的信號端口。在樣本端口，信號發(fā)生器2920將采樣頻率為fs的采樣信號提供給ADC的第一信道和第二信道。來自ADC的第一信道和第二信道的輸出信號離開數(shù)據(jù)端口。如圖7C所示，欠采樣信號的頻率fD正好等于fKF與之間差的絕對值。這個結(jié)果類似于將兩個頻率發(fā)送給混頻器然后通過帶通濾波器所獲得的結(jié)果。例如，當(dāng)頻率是fKF和的信號分別輸入混頻器的RF端口和LO端口時，離開混頻器的IF端口的信號將具有頻率以及|ffKF - fj。在通常的實(shí)施方式中，在通過帶通濾波器之后，只保留頻率fIF= I ffEF - fL01。通過在欠采樣模式中使用ADC，因此可以取消對混頻器以及測量檢測器和參考檢測器后面的關(guān)聯(lián)電子器件的需要。這樣顯著簡化了電子器件，并且可以通過減少相位移動來改善性能，該相位移動作為進(jìn)入混頻器的RF端口的電功率變化的結(jié)果而出現(xiàn)，這些變化是由于到達(dá)測量檢測器的光功率的變化所致。在圖7A的ADM電子器件3300中，使用兩種頻率fKF和來獲得中間頻率，然后通過具有另一種頻率fKEF/N的信號在ADC3322的樣本端口對其采樣。因此，通過使用圖7B和圖7C的欠采樣模式中的ADC，只需要兩種頻率而不是三種頻率。
[0062]圖7C示出下變換處理。頻率為fKF的信號由實(shí)的正弦線3510表示。頻率為fs的米樣信號由虛的正弦線3520表不。任何時候米樣信號越過閾值3540同時增加其值,就在點(diǎn)3530采樣RF信號的振幅。離散樣本3530的頻率是數(shù)據(jù)頻率fD，正好是fD= I fEF _ fs I。來自參考信道和測量信道的數(shù)據(jù)信號被發(fā)送到處理器。下面參照現(xiàn)有技術(shù)圖7A說明基于這些信號計(jì)算到目標(biāo)的距離的方法。圖7B的ADM元件2900相比于圖7A的ADM3300的優(yōu)點(diǎn)是取消了混頻器，從而簡化了設(shè)計(jì)，并使得ADM單元更緊湊、更便宜。雖然圖7C的示意圖示出在采樣信號越過閾值3540的時候提取樣本，但是也可以使用在ADC中提取樣本的其他標(biāo)準(zhǔn)。[0063]圖7B中一種類型的信號發(fā)生器2920包括兩個直接數(shù)字合成器(DDS)。直接數(shù)字合成器是可編程裝置，其能在期望的頻率下產(chǎn)生信號，并且在很多情況下，能以多種波形形狀產(chǎn)生信號。通過實(shí)驗(yàn)我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在圖7B中使用的特別有利的信號發(fā)生器2920包括雙信道DDS，其中兩個信道都被集成在單個集成電路中。因?yàn)槊總€裝置中電構(gòu)件的緊密接近，并且因?yàn)閮蓚€DDS信道中對應(yīng)半導(dǎo)體元件的相似性，所以每個信道中的噪聲高度相關(guān)，并且大部分消除。當(dāng)通過這樣的DDS產(chǎn)生的兩種信號(頻率為^和fs)送入ADC時，普通模式(相關(guān))噪聲消除，留下正弦曲線的較低噪聲數(shù)據(jù)樣本，正弦曲線的頻率為fD。因此，可以構(gòu)造具有低噪聲并且因此具有高精度的簡單和低成本的ADM。
[0064]在某些情況下，雙信道DDS裝置不一定可用于具有高達(dá)期望的頻率。解決這個問題的方法是使用DDS產(chǎn)生的圖像信號。通常，DDS具有得自提供給DDS的參考信號的采樣頻率FSAmp。例如，頻率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器2910可以是提供給雙信道DDS的輸入端口的信號。在某些情況下，DDS可具有可應(yīng)用的某個最小頻率(例如，25MHz)。根據(jù)用戶輸入的可編程倍增器值，DDS可將輸入的參考信號增加到期望的采樣頻率。DDS采樣頻率Fsamp確定DDS在基頻帶中可產(chǎn)生信號的頻率范圍。根據(jù)尼奎斯特標(biāo)準(zhǔn)，基頻帶從OHz擴(kuò)展到采樣頻率的一半。但是，除了基頻帶中的頻率之外，DDS還產(chǎn)生其他頻率。通過圖7C中所示的混淆原理，可以在尼奎斯特區(qū)2，3，4…中產(chǎn)生圖像信號，如圖7D所示。通過在DDS之后提供帶通濾波器(濾波器具有適當(dāng)?shù)膸V波器限制)，可將DDS用于產(chǎn)生更高的頻率。因此，通過在所謂的超尼奎斯特模式中使用DDS芯片，可以從DDS獲得相比其他可能的情況更高的頻率。在AnalogDevices Application Note AN-939,uSuper-Nyquist operation of the AD9912yields ahigh RF output signal, ”中討論了超尼奎斯特模式中DDS的使用，其內(nèi)容通過參考合并。通過在超尼奎斯特模式中使用DDS芯片，可以獲得在較高頻率下、具有較低噪聲等級的兩種緊密分隔的頻率。因此，在超尼奎斯特模式中使用的DDS芯片是圖7B的信號發(fā)生器2920的良好選擇。
[0065] 當(dāng)通過回射器(例如圖1的SMR26)使用ADM時，為了在較大的范圍中測量，通常必須以測量在三種或四種頻率調(diào)制的光線的相對相位開始，調(diào)制頻率的數(shù)量取決于測量的要求范圍，并取決于系統(tǒng)的精度。完成初始測量之后，通過回射器可以使用單個調(diào)制頻率，只要測量裝置與回射器之間的光束沒有中斷。需要多種調(diào)制頻率的原因最初是在測量距離不出現(xiàn)不明確的情況下僅覆蓋小范圍。必須有多種頻率來區(qū)別對應(yīng)于從零到360度的相位的每個明確區(qū)域。明確區(qū)域的尺寸是c/ (2fn)，其中f是調(diào)制的頻率，c是光速，η是折射系數(shù)。例如，對于3GHz的調(diào)制頻率，不明確區(qū)域大約是50毫米，在大多數(shù)情況下這是期望的測量區(qū)域的一小部分。為了提供多種調(diào)制頻率來消除初始測量中的范圍不明確，可編程信號發(fā)生器2920可以提供期望的多種調(diào)制頻率。例如，這些頻率容易從可編程DDS芯片或者從可編程合成器芯片獲得。通過利用可編程頻率，可以獲得頻率為期望的RF和采樣頻率的多種頻率。頻率fKF和fs的一種可能組合滿足fKF除以fKF與fs之差的絕對值為整數(shù)值的條件。例如，在圖7C中，有25個RF信號周期用于24個采樣信號周期。因此，如果RF信號的頻率為25MHz，則采樣信號的頻率為24MHz。頻率之間的差為IMHz，并且RF頻率除以頻率差為25。對圖7C的檢查顯示，每個周期收集點(diǎn)的數(shù)量為24，它比RF頻率除以頻率差小I。因此這里所述的條件也就是說循環(huán)圖案周期性地重復(fù)——在圖7C中，周期以每25個RF周期或者每24個樣本周期重復(fù)。不一定要使用這里所述的ADM方法來獲得這樣的條件。這里的討論簡單地示出一種可能性。
[0066]圖9和圖10分別示出現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀2100的分解圖和剖視圖，激光跟蹤儀2100在Bridges等人的美國公開專利申請N0.2010/0128259的圖2和圖3中示出，該專利通過參考而合并。方位組件2110包括立柱外殼2112、方位編碼器組件2120、上下方位支承2114A、2114B、方位電機(jī)組件2125、方位滑環(huán)組件2130以及方位電路板2135。
[0067]方位編碼器組件2120的目的是準(zhǔn)確地測量架座(yoke) 2142關(guān)于立柱外殼2112的旋轉(zhuǎn)角度。方位編碼器組件2120包括編碼器盤2121和閱讀頭組件2122。編碼器盤2121附接于架座外殼2142的軸，而閱讀頭組件2122附接于立柱組件2110。閱讀頭組件2122包括上面緊固了一個或多個閱讀頭的電路板。從閱讀頭發(fā)出的激光反射離開編碼器盤2121上的精細(xì)柵格線。被編碼器閱讀頭上的檢測器拾取的反射光線被處理，以找到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤相對于固定的閱讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0068]方位電機(jī)組件2125包括方位電機(jī)轉(zhuǎn)子2126和方位電機(jī)定子2127。方位電機(jī)轉(zhuǎn)子包括直接附接于架座外殼2142的軸的永磁體。方位電機(jī)定子2127包括產(chǎn)生預(yù)定磁場的場繞組。該磁場與方位電機(jī)轉(zhuǎn)子2126的磁體相互作用，產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。方位電機(jī)定子2127附接于立柱框架2112。
[0069]方位電路板2135表提供方位構(gòu)件(例如編碼器和電機(jī))所需電功能的一個或多個電路板。方位滑環(huán)組件2130包括外部部件2131和內(nèi)部部件2132。在實(shí)施例中，導(dǎo)線束2138從輔助單元處理器50顯現(xiàn)。導(dǎo)線束2138可以向跟蹤儀傳輸功率，或者與跟蹤儀往來信號?？蓪?dǎo)線束2138的一部分導(dǎo)線引導(dǎo)到電路板上的連接器。在圖10所示的示例中，導(dǎo)線被引導(dǎo)到方位電路板2135、編碼器閱讀頭組件2122以及方位電機(jī)組件2125。其他導(dǎo)線被引導(dǎo)到滑環(huán)組件2130的內(nèi)部部件2132。內(nèi)部部件2132附接于立柱組件2110并因此保持固定。外部部件2131附接于架座組件2140并因此關(guān)于內(nèi)部部件2132旋轉(zhuǎn)?；h(huán)組件2140被設(shè)計(jì)為允許在外部部件2131關(guān)于內(nèi)部部件2132旋轉(zhuǎn)時的低阻抗電接觸。
[0070]天頂組件2140包括架座外殼2142、天頂編碼器組件2150、左右天頂支承2144A、2144B、天頂電機(jī)組件2155、天頂滑環(huán)組件2160以及天頂電路板2165。
[0071]天頂編碼器組件2150的目的是準(zhǔn)確地測量載荷框架2172關(guān)于架座外殼2142的旋轉(zhuǎn)角度。天頂編碼器組件2150包括天頂編碼器盤2151和天頂閱讀頭組件2152。編碼器盤2151附接于載荷外殼2142，而閱讀頭組件2152附接于架座外殼2142。天頂閱讀頭組件2152包括上面緊固了一個或多個閱讀頭的電路板。從閱讀頭發(fā)出的激光反射離開編碼器盤2151上的精細(xì)柵格線。被編碼器閱讀頭上的檢測器拾取的反射光線被處理，以找到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤相對于固定的閱讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0072]天頂電機(jī)組件2155包括天頂電機(jī)轉(zhuǎn)子2156和天頂電機(jī)定子2157。天頂電機(jī)轉(zhuǎn)子2156包括直接附接于載荷框架2172的軸的永磁體。天頂電機(jī)定子2157包括產(chǎn)生預(yù)定磁場的場繞組。該磁場與轉(zhuǎn)子磁體相互作用，產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。天頂電機(jī)定子2157附接于架座框架2142。
[0073]天頂電路板2165表示提供天頂構(gòu)件(例如編碼器和電機(jī))所需電功能的一個或多個電路板。天頂滑環(huán)組件2160包括外部部件2161和內(nèi)部部件2162。導(dǎo)線束2168從方位外部滑環(huán)2131顯現(xiàn)，并且可傳輸功率和信號。可將導(dǎo)線束2168的一部分導(dǎo)線引導(dǎo)到電路板上的連接器。在圖10所示的示例中，導(dǎo)線被引導(dǎo)到天頂電路板2165、天頂電機(jī)組件2150以及編碼器閱讀頭組件2152。其他導(dǎo)線被引導(dǎo)到滑環(huán)組件2160的內(nèi)部部件2162。內(nèi)部部件2162附接于架座框架2142并因此只在方位角度中旋轉(zhuǎn)，而不是在天頂角度。外部部件2161附接于載荷框架2172并因此在天頂角度和方位角度兩者中旋轉(zhuǎn)?；h(huán)組件2160被設(shè)計(jì)為允許在外部部件2161關(guān)于內(nèi)部部件2162旋轉(zhuǎn)時的低阻抗電接觸。載荷組件2170包括主要光學(xué)組件2180和次要光學(xué)組件2190。
[0074]圖11是示出維度測量電子器件處理系統(tǒng)1500的方框圖，維度測量電子器件處理系統(tǒng)1500包括激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510、外部元件1582、1584、1586、計(jì)算機(jī)1590以及其他網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件1600，這里用云表示。示例性激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510包括主處理器1520、載荷功能電子器件1530、方位編碼器電子器件1540、天頂編碼器電子器件1550、顯示器和用戶接口(UI)電子器件1560、可移動存儲器硬件1565、射頻識別(RFID)電子器件以及天線1572。載荷功能電子器件1530包括多個子功能器件，包括6-D0F電子器件1531、相機(jī)電子器件1532、ADM電子器件1533、位置檢測器(PSD)電子器件1534以及等級電子器件1535。大多數(shù)子功能器件有至少一個處理器單元，處理器單元例如可以是數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。電子器件單元1530、1540和1550因?yàn)樗鼈冊诩す飧檭x中的位置而分離，如圖所示。在實(shí)施例中，載荷功能器件1530被設(shè)置在圖9和圖10的載荷2170中，而方位編碼器電子器件1540被設(shè)置在方位組件2110中，天頂編碼器電子器件1550被設(shè)置在天頂組件2140中。
[0075]多種類型的外部裝置都可以，但是這里示出三個這樣的裝置:溫度傳感器1582、6-D0F探針1584以及個人數(shù)字助理1586，個人數(shù)字助理1586例如可以是智能電話。通過諸如相機(jī)的視覺系統(tǒng)，以及通過激光跟蹤儀到合作目標(biāo)(例如6-D0F探針1584)的距離和角度讀數(shù)，激光跟蹤儀可以以各種手段與外部裝置通信，包括通過天線1572的無線通信。
[0076]在實(shí)施例中，獨(dú)立的通信總線從主處理器1520延伸到每個電子器件單元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每個通信線例如可以有三個串行線，包括數(shù)據(jù)線、時鐘線和幀線。幀線指示電子器件單元是否應(yīng)當(dāng)注意時鐘線。如果它指示應(yīng)當(dāng)給予注意，則電子器件單元讀取數(shù)據(jù)線在每個時鐘信號的當(dāng)前值。時鐘信號例如可以對應(yīng)于時鐘脈沖的上升沿。在實(shí)施例中，信息以數(shù)據(jù)分組的形式在數(shù)據(jù)線上傳輸。在實(shí)施例中，每個數(shù)據(jù)分組包括地址、數(shù)值、數(shù)據(jù)消息以及校驗(yàn)和。地址指示在電子器件單元中將數(shù)據(jù)消息引導(dǎo)到哪里。位置例如可以對應(yīng)于電子器件單元中的處理器子程序。數(shù)值指示數(shù)據(jù)消息的長度。數(shù)據(jù)消息包含用于電子器件單元執(zhí)行的指令或數(shù)據(jù)。校驗(yàn)和是用于將通信線上傳輸?shù)腻e誤的可能性最小化的數(shù)值。
[0077]在實(shí)施例中，主處理器1520將信息的分組通過總線1610發(fā)送到載荷功能電子器件1530、通過總線1611發(fā)送到方位編碼器電子器件1540、通過總線1612發(fā)送到天頂編碼器電子器件1550、通過總線1613發(fā)送到顯示器和UI電子器件1560、通過總線1614發(fā)送到可移動存儲器硬件1565、以及通過總線1616發(fā)送到RFID和無線電子器件1570。
[0078]在實(shí)施例中，主處理器1520也通過同步總線1630同時向每個電子器件單元發(fā)送synch (同步)脈沖。synch脈沖提供通過激光跟蹤儀的測量功能收集同步值的方式。例如，方位編碼器電子器件1540和天頂電子器件1550 —接收synch脈沖就鎖存它們的編碼器值。類似地，載荷功能電子器件1530鎖存通過載荷中包含的電子器件收集的數(shù)據(jù)。當(dāng)給出synch脈沖時，6-D0F、ADM以及位置檢測器都鎖存數(shù)據(jù)。大多數(shù)情況下，相機(jī)和傾角計(jì)以相比于synch脈沖速率更低的速率收集數(shù)據(jù)，但是可以以synch脈沖周期的若干倍鎖存數(shù)據(jù)。
[0079]方位編碼器電子器件1540和天頂電子器件1550通過圖9、圖10所示的滑環(huán)2130、2160與載荷電子器件1530分離，并相互分離。這就是為什么在圖11中將總線1610、1611和1612不出為分尚的總線。
[0080]激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510可以與外部計(jì)算機(jī)1590通信，或者，它可以提供激光跟蹤儀中的計(jì)算、顯示和UI功能。激光跟蹤儀通過通信鏈路1606與計(jì)算機(jī)1590通信，通信鏈路1606例如可以是以太網(wǎng)或無線連接。激光跟蹤儀也可以通過通信鏈路1602與通過云表不的其他兀件1600通信,通信鏈路1606可包括一個或多個電纜(例如以太網(wǎng)線纜)以及一個或多個無線連接。元件1600的示例是其他的三維測試儀器一例如可通過激光跟蹤儀重置的鉸接臂CMM。計(jì)算機(jī)1590與元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線(例如以太網(wǎng))或無線。位于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)1590的操作者可通過以太網(wǎng)或無線線路與通過云1600表示的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，進(jìn)而通過以太網(wǎng)或無線線路連接到主處理器1520。通過這種方式，用戶可以控制遠(yuǎn)程激光跟蹤儀的動作。
[0081]雖然以上描述主要強(qiáng)調(diào)激光跟蹤儀中絕對距離計(jì)量儀的使用，但是顯然，可以單獨(dú)使用絕對距離計(jì)量儀，僅測量距離，或者可以在不同類型的維度測量儀器中使用。
[0082]雖然參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種改變，并且等同物可以代替其中的元件。此外，可以做出很多修改，將特殊情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，不脫離其本質(zhì)范圍。因此，希望本發(fā)明不限于作為構(gòu)思為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式公開的特殊實(shí)施例，但是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求書范圍的所有實(shí)施例。此外，術(shù)語第一、第二等等的使用不表示任何順序或重要性，但是術(shù)語第一、第二等等用于區(qū)別一個元件與另一個元件。此外，術(shù)語一、一個等等的使用不表示數(shù)量的限制，而是表示至少一個提及項(xiàng)目的出現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種包括維度測量裝置(10)和目標(biāo)(26)的維度測量系統(tǒng)(5)，包括: 信號發(fā)生器(2920),被配置為在第一模式中產(chǎn)生具有第一頻率的第一電信號(2991)以及具有第二頻率的第二電信號(2992)，其中所述第一頻率除以所述第二頻率小于2，并且所述第一頻率不同于所述第二頻率； 第一光源(2930)，產(chǎn)生第一光線； 光學(xué)系統(tǒng)，被配置為發(fā)送所述第一光線的第一部分離開所述測量裝置作為第一光束的光線(46)，以及發(fā)送所述第一光線的第二部分到參考光學(xué)檢測器(2940)，所述第一光束和所述第二部分具有在所述第一頻率下調(diào)制的第一光學(xué)特性； 所述目標(biāo)被配置為回射器，以接收所述第一光束并且返回第二光束的光線(47)至所述光學(xué)系統(tǒng)； 所述光學(xué)系統(tǒng)還被配置為發(fā)送所述第二光束的光線的第三部分到測量光學(xué)檢測器(2950)，所述測量光學(xué)檢測器被配置為將所述第三部分變換為第一測量電信號，所述參考光學(xué)檢測器被配置為將所述第二部分變換為第一參考電信號； 第一模數(shù)變換器信道(2960)，被配置為在所述第一模式中接收所述第二電信號，接收所述第一測量電信號，提供表示所述第一測量電信號的多個第一數(shù)字測量值； 第二模數(shù)變換器信道(2961)，被配置為在所述第一模式中接收所述第二電信號，接收所述第一參考電信號，在不同時間提供表示所述第一參考電信號的多個第一數(shù)字參考值；以及 處理器(2970)，被配置為在所述第一模式中計(jì)算從所述維度測量裝置到所述目標(biāo)的第一距離(2995)，所計(jì)算的第一距離至少部分地基于所述第一頻率、所述第二頻率、所述多個第一數(shù)字測量值、所述 多個第一數(shù)字參考值以及空氣中的光速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中: 所述信號發(fā)生器還被配置為在第二模式中產(chǎn)生具有第四頻率的第四電信號以及具有第五頻率的第五電信號，其中所述第四頻率除以所述第五頻率小于2，并且所述第四頻率不同于所述第五頻率； 所述光學(xué)系統(tǒng)還被配置為發(fā)送所述第一光線的第四部分離開所述測量裝置作為第三光束的光線，以及發(fā)送所述第一光線的第五部分到所述參考光學(xué)檢測器，所述第三光束和所述第五部分具有在所述第四頻率下調(diào)制的第一光學(xué)特性； 所述回射器被配置為接收所述第三光束以及返回第四光束的光線至所述光學(xué)系統(tǒng)；所述光學(xué)系統(tǒng)還被配置為發(fā)送所述第四光束的光線的第六部分到所述測量光學(xué)檢測器，所述測量光學(xué)檢測器被配置為將所述第六部分變換為第二測量電信號，所述參考光學(xué)檢測器被配置為將所述第五部分變換為第二參考電信號； 所述第一模數(shù)變換器信道被配置為在第二模式中接收所述第五電信號，接收所述第二測量電信號，提供表示所述第二測量電信號的多個第二數(shù)字測量值； 所述第二模數(shù)變換器信道被配置為在第二模式中接收所述第五電信號，接收所述第二參考電信號，在不同時間提供表示所述第二參考電信號的多個第二數(shù)字參考值；以及 所述處理器還被配置為在第二模式中至少部分地基于所述多個第二數(shù)字測量值以及所述多個第二數(shù)字參考值，計(jì)算所述第一距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述信號發(fā)生器是具有合成器采樣頻率的雙信道直接數(shù)字合成器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的維度測量系統(tǒng)，其中通過所述處理器選擇所述第一頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述雙信道直接數(shù)字合成器的兩個信道包括在單個電組件中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一頻率和所述第二頻率大于所述直接數(shù)字合成器采樣頻率除以2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一光源在所述第一頻率下直接調(diào)制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一光源是激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一光學(xué)特性是光功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一光線從第一光纖(2982)發(fā)射。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述第一頻率減去所述第二頻率等于所述第四頻率減去所述第五頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的維度測量系統(tǒng)，其中第一頻率除以所述第一差是整數(shù)，并且所述第四頻率除以第二差是整數(shù)，所述第一差等于所述第一頻率減去所述第二頻率，所述第二差等于所述第四頻率減去所述第五頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述目標(biāo)是球面安裝的回射器(26)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述測量光學(xué)檢測器和所述參考光學(xué)檢測器是相同類型的Pin光電二極管。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的維度測量系統(tǒng)，其中所述測量光學(xué)檢測器和所述參考光學(xué)檢測器耦接到光纖(2986，2984)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的維度測量系統(tǒng)，還包括: 第一電機(jī)(2125)和第二電機(jī)(2155),它們一起被配置為將所述第一光束的光線引導(dǎo)到第一方向，所述第一方向由關(guān)于第一軸(20)的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸(18)的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，所述第一旋轉(zhuǎn)角度通過所述第一電機(jī)產(chǎn)生并且所述第二旋轉(zhuǎn)角度通過所述第二電機(jī)產(chǎn)生；以及 第一角度測量裝置(2120)，被配置為測量所述第一旋轉(zhuǎn)角度，以及第二角度測量裝置(2150)，被配置為測量所述第二旋轉(zhuǎn)角度，其中所述處理器還被配置為提供所述目標(biāo)的三維坐標(biāo)，所述三維坐標(biāo)至少部分地基于所述第一距離、所述第一旋轉(zhuǎn)角度以及所述第二旋轉(zhuǎn)角度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的維度測量系統(tǒng)，還包括: 位置檢測器組件(150A，150B, 150C, 150D, 150E, 150F)，包括位置檢測器(151 )，所述位置檢測器組件被配置為接收所述第二光束的第七部分，并響應(yīng)于所述位置檢測器上所述第七部分的位置產(chǎn)生位置檢測器電信號；以及 控制系統(tǒng)(1520，1530, 1540, 1550),用于向所述第一電機(jī)發(fā)送第一電機(jī)信號以及向所述第二電機(jī)發(fā)送第二電機(jī)信號，所述第一電機(jī)信號和所述第二電機(jī)信號至少部分地基于所述位置檢測器電信號，所述控制系統(tǒng)被配置為將所述第一光束的所述第一方向調(diào)節(jié)到所述目標(biāo)的空間中的位置。
【文檔編號】G01S7/491GK103477245SQ201280018615
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】雅各布·J·梅茨, 羅伯特·E·布里奇斯 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司