光電測距方法和相應(yīng)的測距儀的制作方法
【專利摘要】光電測距方法和相應(yīng)的測距儀。本發(fā)明的主題涉及一種光電測距方法，其具有以下至少一個步驟：從至少一個光源(1)向目標(biāo)對象(5)上發(fā)射光信號(41)，具體地，激光；使用檢測器(47a、47b、51、61)和連接在檢測器下游的信號處理電子系統(tǒng)檢測從目標(biāo)對象(5)返回的光信號的一部分；以及確定到目標(biāo)對象(5)的距離。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射光信號(41)在此情況下包括以下構(gòu)成的順序要素的序列，在每種情況下至少一個光脈沖(P(TOF))和一個光信號列(P(Φ))，其中，光脈沖均具有比光信號列(P(Φ))高的強(qiáng)度振幅I。本發(fā)明的主題還涉及具有類似于根據(jù)本發(fā)明的測距方法的特征的光電測距儀。
【專利說明】
光電測距方法和相應(yīng)的測距儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光電測距方法，其包括在目標(biāo)對象上至少一次發(fā)射光信號，具體地激光，使用檢測器和連接在檢測器下游的信號處理電子系統(tǒng)來檢測從目標(biāo)對象反射的發(fā)射的光信號的部分，以及使用控制和分析部件來確定到目標(biāo)對象的距離。本發(fā)明還涉及與根據(jù)本發(fā)明的光電測距方法相似的光電測距儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子或光電測距領(lǐng)域中已知多種原理和方法。一種方案是向待測目標(biāo)發(fā)射脈沖電磁輻射，例如，激光，并且隨后接收從作為反向散射對象的此目標(biāo)的反射，其中到待測目標(biāo)的距離可以基于脈沖的運行時間確定。這種脈沖運行時間已經(jīng)在很多領(lǐng)域走位標(biāo)準(zhǔn)方案普及。
[0003]通常使用兩種不同方案來檢測反向散射脈沖。
[0004]在所謂的閾值法中，當(dāng)在所使用的測距儀的檢測器上入射的輻射的強(qiáng)度超過特定閾值時，檢測到光脈沖。這個閾值法防止來自背景的噪音和干擾信號被不正確地檢測為有用信號，即，作為發(fā)射的脈沖的反向散射光。
[0005]然而，問題在于對于弱的反向散射脈沖，例如由于較大的測量距離造成，如果脈沖強(qiáng)度落到檢測閾值下方，即低于閾值，則不再能夠進(jìn)行檢測。這種閾值法的主要缺點因此是測量信號的振幅必須顯著大于信號路徑中的光和電噪聲源的噪聲振幅，以使得不正確檢測充分地最小化，使得對于相對大距離的測量，閾值法僅能夠有有限的使用。
[0006]另一方案是基于反向散射的脈沖的采樣。發(fā)射信號被檢測在于由檢測器獲取的輻射被采樣，信號被標(biāo)識在采樣的范圍內(nèi)，并且按照時間順序最終其位置。由于使用多個采樣值和/或?qū)⑴c發(fā)射速率同步的接收到的信號相加，在不利情形下有用信號也可以被標(biāo)識，使得也可以管理更大的距離或有噪音或受干擾的背景情況。
[0007]目前，由檢測器獲取的輻射的模擬信號的完整波形在此情況下被頻率采樣在標(biāo)識接收信號的關(guān)聯(lián)發(fā)送的信號的編碼(ASK、FSK、PSK等)之后，根據(jù)采樣且數(shù)字化的信號的限定的進(jìn)展點(例如，屈折點、曲線最大值)或通過從時間插分得知的最佳濾波器積分地，非常準(zhǔn)確地確定脈沖運行時間。
[0008]電子接收電路的有限的線性調(diào)制范圍是有問題的。在近距離，信號會使接收器飽和，使得發(fā)送信號的編碼不被正確地確定，或者運行時間被不充分準(zhǔn)確地確定。
[0009]因此信號采樣的一個致命缺點是在由于過強(qiáng)的接收光強(qiáng)度引起的飽和的接收電子系統(tǒng)的狀態(tài)下，即，具體地在到目標(biāo)對象的短距離的情況下，測量信號的信息的適當(dāng)?shù)目煞治鲰椖坎辉倏捎?，因為由于檢測器飽和，那時不能夠建立實際信號包絡(luò)。
[0010]WO 2008/009387描述了在此情況下針對脈沖運行時間測量(ToF，飛行時間)，交替地，即依賴于哪個接收器信號動態(tài)范圍被返回信號尋址，可以使用閾值法(對于強(qiáng)返回信號)或采樣法(對于較弱的返回信號)。
[0011]借助于信號采樣的測量方法從US6，115，112已知，其中由先前進(jìn)行的粗略測量進(jìn)行近似時間順序建立脈沖的到達(dá)時間。針對進(jìn)一步光脈沖接著在精細(xì)測量的范圍內(nèi)進(jìn)行實際距離測量，其受限制的可能到達(dá)時間被有效地采樣。因此，測量被分配為粗略測量和精細(xì)測量。這個方案的應(yīng)用必須要求測量結(jié)果的順序序列，因為其中跟隨進(jìn)行采樣測量的時間窗口首先由閾值測量限定。因此發(fā)生對不同脈沖的粗略測量和精細(xì)測量的時間順序分離的序列。
[0012]由于檢測閾值信號檢測的限制或然而建立用于采樣的時間窗口(粗略距離)的需要因此表示以上描述的根據(jù)脈沖運行時間原理的已知測量原理的重要缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種測距方法或測距儀，通過其避免了現(xiàn)有技術(shù)中已知的缺點，具體地其中對于短距離和長距離兩者能夠進(jìn)行迅速和精確的測量。
[0014]這個目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求的描述特征來實現(xiàn)。可以從從屬權(quán)利要求導(dǎo)出按照另選或者有利方式限定本發(fā)明的特征。
[0015]本發(fā)明的主題是光電測距方法，其包括在目標(biāo)對象上至少一次發(fā)射光信號，具體地激光，使用檢測器(和連接在檢測器下游的信號處理電子系統(tǒng))來檢測從目標(biāo)對象反射的光信號的部分，以及使用控制和分析部件來確定到目標(biāo)對象的距離。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射光信號各包括至少一個光脈沖P(TOF)和一個光信號列Ρ(Φ )的順序要素的序列，其中光脈沖P(TOF)各具有比光信號列Ρ( Φ )高的強(qiáng)度振幅I。
[0017]具體地，在此情況下，光脈沖P(TOF)的發(fā)射在每種情況下直接緊接著是光信號列P(Φ )的發(fā)射，即基本上沒有延遲。在每種情況下光脈沖P(TOF)和光信號列Ρ( Φ )因此在到目標(biāo)和返回的路徑上在空中或多或少直接相繼。另選地然而相應(yīng)光信號列Ρ(Φ)例如也可以被以時間順序發(fā)射(定時)使得其在每種情況下在時間上在相繼發(fā)射的光脈沖P (T0F)中間。
[0018]光脈沖P(TOF)在此情況下對于其強(qiáng)度振幅I被構(gòu)造成使得從位于針對測距方法的相應(yīng)應(yīng)用的適當(dāng)距離范圍內(nèi)的目標(biāo)對象返回的部分提供以在被檢測器檢測時將檢測器在其上振幅范圍內(nèi)激活;并且光信號列Ρ( Φ)在此情況下對于其強(qiáng)度振幅I被構(gòu)造成使得從位于針對測距方法的相應(yīng)應(yīng)用的適當(dāng)(并且可選地還接近)距離范圍內(nèi)的目標(biāo)對象返回的部分提供以在被檢測器檢測時將檢測器在其線性振幅范圍內(nèi)激活。
[0019]本說明書對于光脈沖和光信號列的所選擇的強(qiáng)度針對具有用于相應(yīng)提供的應(yīng)用的平均反射屬性的目標(biāo)而提供。
[0020]依賴于應(yīng)用，因此存在以下情形:在針對此應(yīng)用的關(guān)系中，強(qiáng)的返回信號(例如，短距離和/或目標(biāo)上的高反射)以及在針對此應(yīng)用的關(guān)系中，相對弱的信號(例如，長距離和/或低反射)。以上陳述將此情況關(guān)聯(lián)到，在針對相關(guān)應(yīng)用的關(guān)系中，適當(dāng)強(qiáng)度范圍的返回信號(即，到針對相應(yīng)應(yīng)用的適當(dāng)強(qiáng)/適當(dāng)弱的返回信號)。選擇光脈沖P(TOF)和光信號列P(Φ)的強(qiáng)度接著使得對于適當(dāng)強(qiáng)/弱的返回信號，在相關(guān)的應(yīng)用區(qū)間中，光脈沖P(TOF)的返回部分將檢測器在其上振幅范圍內(nèi)激活并且光信號列Ρ(Φ)的返回部分將檢測器在其線性/中間振幅范圍內(nèi)激活。
[0021]這使得例如依賴于檢測器在其中被順序要素的所檢測到的返回部分在每種情況下激活的振幅范圍:
[0022]-僅光脈沖P(TOF)的相應(yīng)檢測到的返回部分關(guān)于時間順序位置用于距離確定-或多或少地按照單次方法(利用-在針對此應(yīng)用的關(guān)系中-相對弱的信號，即，例如，長距離和/或低反射)或者
[0023]-僅光脈沖Ρ(Φ)的相應(yīng)檢測到的返回部分用于距離確定(接著-在針對此應(yīng)用的關(guān)系中-利用相對強(qiáng)的信號，即，例如，較短的距離和/或目標(biāo)對象上的較高的反射，其中檢測器由于此處的光脈沖的返回部分而處于或至少接近于飽和)。
[0024]此外，光脈沖P(TOF)的相應(yīng)檢測到的返回部分和光信號列Ρ(Φ)的相應(yīng)檢測到的部分也可以聯(lián)合使用針對距離確定，具體地，其中，在分析相同順序要素的光信號列Ρ(φ)的返回部分的范圍內(nèi)，將在每種情況下關(guān)于所確定的光脈沖P(TOF)的返回部分的時間順序位置的信息項考慮在內(nèi)。
[0025]因此可以設(shè)置與情形有關(guān)的選擇(S卩，依賴于返回信號的強(qiáng)度)，使得依賴于返回信號的強(qiáng)度，僅返回光脈沖或另選地僅返回光信號列被分析;或還可以設(shè)置與情形有關(guān)的選擇，其中，依賴于返回信號的強(qiáng)度從三個分析變形中進(jìn)行選擇(_>僅返回光脈沖、僅返回光信號列、或兩者聯(lián)合)；或兩種返回信號部分-如果可能-也可以總被用于分析。
[0026]基于根據(jù)本發(fā)明的這個直接相繼的發(fā)射，在每種情況下一個TOF光脈沖和一個光信號列，因此在不需要對目標(biāo)的測試測量(以先前測量/粗略測量的含義)的情況下，能夠覆蓋整體動態(tài)范圍。實際測量可以立即進(jìn)行并且接著在沒有時間延遲的情況下，可以進(jìn)行適用于相應(yīng)返回信號的相應(yīng)強(qiáng)度(T0F信號脈沖或光信號列的強(qiáng)度)的分析。根據(jù)本發(fā)明，因此可以進(jìn)行振幅分配，其中兩個順序要素類型(高功率TOF信號和光信號列)覆蓋整個要求的信號動態(tài)范圍-針對相應(yīng)應(yīng)用-實際上沒有間隙。
[0027]光脈沖P(TOF)在此情況下均被調(diào)制使得其從目標(biāo)對象返回的部分被提供以根據(jù)脈沖運行時間法TOF來分析。該分析因此如實質(zhì)上已知的可以由用于確定運行時間(例如，根據(jù)波形數(shù)字化法WFD，使用使用返回TOF脈沖的時間順序采樣，或還使用數(shù)字閾值法)的數(shù)字濾波器法來提供。
[0028]在一個示例性實施方式中，光信號列Ρ(Φ)在此情況下可以各包括例如光信號列光脈沖的序列，其在時間上相對彼此接近地排列并且具體地被半連續(xù)地發(fā)射，其具有比光脈沖P(TOF)相比低的振幅。具體地，單獨光信號列光脈沖Ρ(Φ)可以例如以1MHz到10GHz之間的重復(fù)頻率、特別在50MHz到1000MHz之間的重復(fù)頻率發(fā)射。
[0029]此外，每個光信號列Ρ(Φ)的光信號列光脈沖(如已知是指對于相繼發(fā)射很多脈沖)可以均在接收器側(cè)或分析側(cè)積累以確定在每種情況下整個相應(yīng)光信號列Ρ(Φ)的平均運行時間。
[0030]然而，根據(jù)一個示例性實施方式，光信號列Ρ(Φ)還可以各包括僅2個到50個光信號列光脈沖的序列(具體地，即使再次還是不同振幅的兩個光信號列光脈沖)。在極端情形下，由僅一個光信號列光脈沖組成的光信號列在此情況下也可以被實現(xiàn)。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，光脈沖P(TOF)和光信號列Ρ(Φ)的所檢測到的返回部分可以均被信號處理電子系統(tǒng)采樣并且數(shù)字化，并且在此情況下可以生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其可以用于進(jìn)一步分析，具體地，通過FPGA、SoC或微處理器。具體地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，返回光信號可以在此情況下被逐步時間順序采樣并且以其整體被數(shù)字化(具體地由具有采樣單元的相同信號處理電路)，具體地，以50Ms到20Gs之間的采樣率，特別是在200Ms到2GS之間的米樣率。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，運行時間光脈沖P(TOF)和光信號列(Ρ(Φ))可以具有相同或還不同的載波頻率。
[0033]此外，光脈沖P(TOF)和光信號列Ρ(Φ)可以從同一光源或還從不同光源發(fā)射。在此情況下，例如，光脈沖P(TOF)可以有利地從激光光源發(fā)射并且光信號列Ρ(Φ)可以從超亮二極管SLD發(fā)射。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，光信號列Ρ(Φ)還可以均被調(diào)制成使得其從目標(biāo)對象返回的一部分被提供以根據(jù)相位比較法Φ來分析。光脈沖P(TOF)的檢測到的返回部分接著被關(guān)于時間順序位置進(jìn)行分析，并且光信號列Ρ(Φ)的檢測到的返回部分被關(guān)于相位位置進(jìn)行分析。
[0035]在此情況下，光信號列Ρ(Φ)可以均覆蓋信號序列的兩個相繼的光脈沖P(TOF)之間的時間間隔的例如40%到95%之間的持續(xù)時間。
[0036]兩個相繼的光脈沖P(TOF)之間的時間間隔Δ (TOF)可以進(jìn)一步在例如50ns到2000ns之間。
[0037]相位比較光信號列在此情況下還可以根據(jù)波形數(shù)字化法WFD來獲取和分析。相位確定可以在此情況下例如使用高分辨率精細(xì)插值算法來進(jìn)行。
[0038]在檢測的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的以上提到的方面，因此可以進(jìn)行信號采樣以標(biāo)識和確定TOF時間脈沖的返回部分的時間順序位置(S卩，根據(jù)波形數(shù)字化法WD對TOF脈沖的采樣和分析)，并且于此平行地，可以根據(jù)相位比較法Φ進(jìn)行分析相位比較光信號列的檢測到的返回部分。
[0039]光信號因此接著作為整體包括TOF光脈沖和光信號列的序列，其中這些均以時間順序交織，使得交替地并且具體地以時間順序相繼地，采樣光脈沖P (TOF)和相位比較光信號列Ρ( φ )均被發(fā)射。
[0040]相位比較光信號列可以在整個測量或可選地掃描持續(xù)時間上連續(xù)發(fā)射，S卩，在多個TOF脈沖的發(fā)射期間連續(xù)發(fā)射，其中，例如，各個信號序列(低頻率TOF脈沖和高頻率相位測量法信號，具體地以高頻率Φ脈沖的形式)接著以適當(dāng)方式的信號從彼此提取或彼此相加，例如，用對應(yīng)的相對縮放，用于分析。
[0041]該方法因此在本發(fā)明的一個實施方式中是基于僅運行時間法(TOF)和相位比較法的組合。在此情況下，可以針對兩種信號調(diào)制聯(lián)合地使用接收器原理WFD(波形數(shù)字化)，其中信號處理和分析相反有利地被不同地設(shè)計。在此情況下，具有兩種類型的分量的光信號向目標(biāo)對象發(fā)射，在一方面，相對高強(qiáng)度的TOF脈沖對應(yīng)于用于脈沖運行時間法(T0F法)所使用的通常脈沖，例如，具有50nJ的強(qiáng)度并且相比較而言低重復(fù)率，例如，2MHz，對應(yīng)于在兩個相繼的TOF運行時間脈沖之間的500ns的時間間隔，以及在另一方面，較低強(qiáng)度的光信號列，具體地以光信號列光脈沖的形式，即，相對低強(qiáng)度且相比較而言較高頻率的脈沖列，例如，具有InJ的強(qiáng)度和對應(yīng)于在兩個單獨相繼光信號列光脈沖之間的8.33ns的時間間隔的120MHz的頻率。強(qiáng)度大的TOF脈沖設(shè)計成它們可以由用于采樣法的信號處理電子部件還在到目標(biāo)對象的較大距離(例如，大于30m的距離)可靠地采樣和分析。具體地在相比較而言較短距離的情況下，即，例如，小于30m，然而也能夠使用于檢測從目標(biāo)對象反向散射的光的檢測器飽和，即，被強(qiáng)光信號過載，使得脈沖運行時間的高準(zhǔn)確確定并且因此到目標(biāo)對象的距離不再充分可能“僅僅”基于TOF方法，即使在此情況下仍確保了有些粗略的距離確定。相反地，較弱的光信號列光脈沖被確定大小使得其反射光信號不得到檢測器飽和并且其信號可以被用于例如相位比較法的信號處理電子系統(tǒng)的部件處理。
[0042]根據(jù)本發(fā)明，在近距離(對于例如小于大約25或30m的距離)，即，因此在返回TOF脈沖的飽和極限以上的上方動態(tài)范圍內(nèi)，信號的分析(利用在每種情況下返回光信號列的分析)可以利用應(yīng)用相位比較法或積累法來決定性地進(jìn)行，并且在長距離(即，例如，對于大于大約25或30m的距離)，即，因此在較低的動態(tài)范圍內(nèi)，可以主導(dǎo)地進(jìn)行TOF脈沖的分析，例如，根據(jù)波形數(shù)字化和運行時間法。通過應(yīng)用相位比較法或積累法，距離確定的準(zhǔn)確性可以在近距離，以及通過應(yīng)用TOF法在長距離被決定性地影響。
[0043]兩種方法的優(yōu)勢因此根據(jù)本發(fā)明被有利地組合，并且弱點(T0F法在近距離，因為飽和；以及相位比較/積累在長距離，因為弱檢測信號)均由另一種方法支持。
[0044]此外，作為增強(qiáng)效應(yīng)，經(jīng)由TOF法獲得的距離信息(即使利用過飽和TOF脈沖在近距離相比較而言不準(zhǔn)確)也可以針對在此情況下根據(jù)相位比較法的分析而被并入，具體地，解析相位比較中的模糊性。
[0045]在相移超過一個波長(或小的光信號列脈沖要求不模糊的指派)時，根據(jù)相位比較法/積累法的距離測量中的模糊性(通常針對相位比較法存在)在此可以根據(jù)本發(fā)明被解析，因為基于TOF脈沖的TOF分析獲得的到目標(biāo)的距離信息可以為此目的而使用(即使在近距離處的目標(biāo)可能有些不準(zhǔn)確)。
[0046]通過適當(dāng)?shù)囟═OF脈沖的大小并且在數(shù)據(jù)分析中被考慮在內(nèi)，雙重目標(biāo)，S卩，由同一脈沖獲取多個對象也可以被識別。
[0047]在多個發(fā)射的光信號列的分析中缺少模糊性可以被確保，例如，在于使用不同模式調(diào)制相應(yīng)光信號列，即，相位比較光信號列的調(diào)制在每次發(fā)射TOF脈沖之后改變。
[0048]另選地或附加地，然而，這還可以被進(jìn)行在于作為順序要素的兩個發(fā)射的TOF脈沖之間的時間間隔改變，或，然而，使用雙TOF脈沖被用作相應(yīng)的順序要素，并且在此情況下在雙脈沖之間的短暫持續(xù)時間變化。
[0049]順序要素的發(fā)射的重復(fù)率(S卩，在每種情況下TOF脈沖和光信號列的發(fā)射的重復(fù)率)可以被定大小使得總體上兩個TOF脈沖從不在光源和檢測器之間的路徑上。如果使用了編碼，例如，如在以前段落中說明的(例如，所發(fā)射的TOF光脈沖的時間間隔的已知變化)，則如果相同編碼的僅兩個或更多個TOF脈沖(或光信號列)從不在光源和檢測器之間的路徑上就是充分的。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，如以上已經(jīng)提到的，光信號列可以因此在列內(nèi)包括Φ光脈沖的序列，其在時間順序上彼此相對接近并且特別地準(zhǔn)連續(xù)地發(fā)射，均具有較低振幅。然而，如已經(jīng)提到一起的，還有可能在光信號列的范圍內(nèi)僅發(fā)射2到5個脈沖(可選地還在每種情況下在列內(nèi)再次具有不同振幅，使得例如包括高能量TOF脈沖，“大-適當(dāng)-小-更小”則得到相繼發(fā)射的脈沖的振幅)。
[0051]具體地，對于單個測量值確定，多個具體地兩個或更多個單個測量的重復(fù)也可以在每種情況下進(jìn)行，并且在測量和確定高能量TOF脈沖和/或光信號列的返回部分中，其單獨信號則可以被取平均以確定單個測量值。
[0052]具體地，在檢測的范圍內(nèi)，返回光信號被逐步時間順序采樣并且以其整體被數(shù)字化，具體地，以50MS/s到20GS/s之間的采樣率(S卩，每秒兆樣本或千兆樣本)，特別在200Ms/s至IJ2GS/S之間。返回光信號列的分析，例如，根據(jù)相位比較法Φ或積累法，借助于直接采樣的信號形式(WFD)或?qū)γ}沖列(或由于脈沖列的平均而得到的脈沖)(直接采樣)的WD分析，具體地作為一種數(shù)字相位測量而被測量。
[0053]本發(fā)明的進(jìn)一步主題是光電測距儀，其具有至少一個光源，其用于向目標(biāo)對象上發(fā)射至少一個光信號(具體地激光)；接收電路，其具有用于檢測從目標(biāo)對象反向散射的光信號的接收器，其中，該接收器包括具體地至少一個采樣單元，該采樣單元用于對從目標(biāo)對象返回的光信號采樣，并且用于確定到目標(biāo)對象的距離的具有控制和分析部件。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種發(fā)射控制器，其被構(gòu)造和編程成使得根據(jù)以上描述的實施方式中的一個的測距方法因而在測距儀的操作中被執(zhí)行。
[0054]具體地，接收電路設(shè)置有用于光脈沖P(TOF)和光信號列Ρ(Φ)的相應(yīng)檢測到的返回部分的信號采樣并且生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的采樣和數(shù)字化單元，該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接著可用于進(jìn)一步分析。
[0055]根據(jù)一個可能方面，同一采樣單元可以設(shè)置在接收電路中用于在每種情況下獲取和采樣TOF光脈沖的返回部分以及在每種情況下光信號列的返回部分。
[0056]基于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的不同實施方式，光源被形成為用于具有相同或具有多個不同波長的發(fā)射光信號的單光源。
[0057]基于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的一個特別實施方式，可以在此情況下設(shè)置兩個不同(部分)光源，其中一個用于發(fā)射光脈沖P(TOF)，并且另一個用于發(fā)射光信號列Ρ( Φ )。在此情況下，例如，光脈沖P(TOF)可以有利地從激光光源發(fā)射并且光信號列Ρ(Φ)可以從超亮二極管SLD發(fā)射。另外，例如，可以在從兩個光源中的一個(具體地該超亮二極管SLD)或可選地兩個光源在光學(xué)路徑上的下游設(shè)置光放大器，該光放大器具體地為摻鉺光纖放大器EDFA或MOPA(主振蕩器功率放大器)。
【附圖說明】
[0058]本發(fā)明在下文基于具體示例性實施方式僅作為示例描述，在附圖中示意地示出示例性實施方式，其中還將描述本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點。在具體附圖中:
[0059]圖1a示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光電測距儀的示意圖，
[0060]圖1b示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的運行時間測量法的示意圖，
[0061]圖2a示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對反向散射光信號的閾值法的示意圖，
[0062]圖2b示出閾值法的閾值問題的示意圖，
[0063]圖3a示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對反向散射光信號的采樣法的示意圖，
[0064I圖3b示出采樣法的飽和問題的示意圖，
[0065]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的測距方法的圖；
[0066]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光電測距儀的可能實施方式，
[0067]圖6示出來自針對返回光的檢測器的輸入光的處理的路徑的圖，
[0068]圖7a示出用于生成并且準(zhǔn)備用于相應(yīng)的下游信號處理電子系統(tǒng)的接收的返回信號的接收器(和基準(zhǔn)接收器)根據(jù)本發(fā)明的實施方式，以及
[0069]圖7b示出針對在用于ToF信號的信號信道和在用于光信號列中的信號信道中的脈沖序列的順序時間包絡(luò)(編碼)的可能實施方式的圖。
【具體實施方式】
[0070]圖1a示出根據(jù)脈沖運行時間原理的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光電測距儀I的示意圖。在測距儀I中設(shè)置有發(fā)送器2和接收器3。發(fā)送器2發(fā)送光脈沖4a，其中在目標(biāo)(例如，向后反射器5)上反射或反向散射之后，接著被接收器3檢測作為反向散射光脈沖。根據(jù)本發(fā)明，不是光脈沖，而是可以使用連續(xù)調(diào)制的發(fā)送信號。
[0071]如在圖1b中在示意圖中說明，根據(jù)作為光脈沖4’的發(fā)射的開始時間和反向散射光脈沖4”的接收時間之間的時間順序差異的運行時間T確定距離。在此情況下通過分析信號脈沖s(t)的特征例如，通過超過信號閾值或通過積分脈沖包絡(luò)的焦點確定來進(jìn)行接收時間的確定。在閾值法中，還可以使用其它方法來測量運行時間，例如，接收時間到雙極信號的轉(zhuǎn)換和隨后的確定過零點。
[0072]在圖2a中，說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于反向散射信號6c的閾值法。為了抑制噪聲，背景分量或系統(tǒng)性干擾信號，例如由于發(fā)送器信號路徑和接收器信號路徑之間的光和電串?dāng)_，并且將其從檢測中排除，使用檢測閾值9。在此檢測閾值9下方的信號強(qiáng)度s(t)不得到作為鑒別器的接收單元的響應(yīng)(其產(chǎn)生停止信號)并且因此不得到檢測。如果信號6c在其強(qiáng)度超過檢測閾值9，則檢測并且因此生成停止信號并且進(jìn)行接收時間的登記。由閾值法提供的輸出信號因此依賴于通過接收或輸入信號到達(dá)或超出檢測閾值9。如果如圖2b所示信號強(qiáng)度s(t)總是保持在檢測閾值9’下方，則不發(fā)生鑒別器的響應(yīng)并且信號6d不被檢測。閾值法的這個閾值問題例如在大測量距離或?qū)?yīng)的背景影響的情況下發(fā)生，其可以向上驅(qū)動閾值信號的要求的閾值電平。
[0073]閾值法單獨通常確保比以下提到的采樣法(WFD原理)低的距離確定準(zhǔn)確性。
[0074]圖3a例示用于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的反向散射光信號的采樣法(WFD)的原理。接收的信號6a或其信號包絡(luò)在各個時刻7或關(guān)聯(lián)的時間間隔采樣，使得可以導(dǎo)出信號形式。為了還能夠檢測信號脈沖s(t)的大的變化，在接收器側(cè)要求高的動態(tài)，這使得能夠信號6a的完全獲取或采樣。否則，如果信號6b的部分在動態(tài)范圍外并且采樣法的飽和問題發(fā)生，則圖3b所示的情形會發(fā)生。在飽和極限以上，存在接收器的飽和范圍8，其中沒有脈沖的可用適當(dāng)可用采樣值。信號6b的采樣接著局限于飽和極限以下的范圍。具體地在高側(cè)面陡度的情況下，信號形式和位置的確定則是困難的。
[0075]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的測距方法的圖。這是基于TOF法(閾值或WFD)與相位比較法(Φ)的組合的一個實施方式。在此情況下，兩種類型的光信號發(fā)射到目標(biāo)對象上，在一方面，對應(yīng)于用于采樣法的通常脈沖的相對高強(qiáng)度的脈沖(例如，具有50nJ的強(qiáng)度)和相對低的重復(fù)率(例如，2MHz，對應(yīng)于在時刻TI和T2之間的兩個相繼脈沖P (TOF)(在此稱為” TOF脈沖“)之間的500ns的時間間隔T(TOF))，或在另一個方面，相對低強(qiáng)度和相對高頻率的脈沖(例如，具有InJ的強(qiáng)度和120MHz的頻率)，其對應(yīng)于在兩個相繼脈沖Ρ(Φ)之間的8.33ns的時間間隔τ(Φ)，如在相位比較法/脈沖積累法中通常使用的。這些光信號列的脈沖在下文也稱為“Φ脈沖”。強(qiáng)度大的TOF脈沖設(shè)計成它們可以由用于脈沖法的信號處理電子部件還在到目標(biāo)對象的較大距離(例如，大于30m的距離)可靠地采樣和分析。具體地在較短距離的情況下，即，例如，小于30m，然而也能夠使用于檢測從目標(biāo)對象反向散射的光的檢測器飽和，即，被強(qiáng)光信號過載，使得脈沖運行時間的高準(zhǔn)確確定并且因此到目標(biāo)對象的距離不再可能，即使在此情況下仍確保了有些粗略的距離確定(在此方面再次參見圖3b例示的情況)。相反地，較弱的Φ脈沖被確定大小使得其反射光信號不得到檢測器飽和并且其信號可以被用于其的信號處理電子系統(tǒng)的部件處理。
[0076]為了測量根據(jù)本發(fā)明的脈沖組合，針對每個TOF脈沖測量脈沖運行時間，其中整個脈沖包絡(luò)的模擬信號被測量并且在此情況下針對時間包絡(luò)中的特征點(例如，峰值)取得運行時間。相反地，Φ脈沖主導(dǎo)地不被獨立分析，而是發(fā)射脈沖列的相位和反向散射或反射的脈沖的相位被僅僅分析。
[0077]在相移超過單個脈沖長度(即對應(yīng)于2JT)時發(fā)生的對于Φ型方法(g卩，相位比較法/小相位積累法(也稱為小脈沖相加平均法))通常存在的距離測量中的不確定性在此沒有提供，因為，至少對于TOP脈沖和Φ脈沖相互的脈沖持續(xù)時間或脈沖頻率的關(guān)系的對應(yīng)選擇，能夠防止超過231的相移，使得基于此，確保了關(guān)于距離確定的缺少模糊性。雙重目標(biāo)，g卩，由同一脈沖獲取多個目標(biāo)通過TOF脈沖的對應(yīng)的大小確定也可以被識別并且在數(shù)據(jù)分析中被考慮。
[0078]確保了缺少模糊性，具體在于TOF脈沖和Φ脈沖被不同地調(diào)制，并且因此在TOF脈沖的每次發(fā)射之后改變調(diào)制。
[0079]在本情況下，例如，在兩個相繼TOF脈沖的TI和T2之間的時間段(500ns)期間，60個較低能量的Φ單脈沖被發(fā)射作為光信號列。光脈沖列在極端情況下可以覆蓋兩個相繼TOF脈沖之間的時間段的100 %。然而，時間覆蓋可以例如，在1 %到95 %之間，并且還可以特別在40%或75%。Φ脈沖可以在整個測量持續(xù)時間上連續(xù)發(fā)射，S卩，在多個TOF脈沖的發(fā)射期間連續(xù)發(fā)射，其中，接著各個脈沖列(低頻率TOF脈沖和高頻率Φ脈沖)以適當(dāng)方式的信號從彼此提取或彼此相加，例如，使用對應(yīng)的相對縮放，例如，用于分析。
[0080]另選地，然而，僅由2到20個單獨較低能量Φ脈沖構(gòu)成的光脈沖列也可以被發(fā)射(如以上已經(jīng)提到的，可選地在每次情況下利用彼此不同的強(qiáng)度振幅)。
[0081]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光電測距儀40的一個可能實施方式?？梢园l(fā)源自單個光源I(例如，激光器或激光二極管)或多個激光器/激光二極管的調(diào)制激發(fā)光41優(yōu)選地經(jīng)由激發(fā)光束路徑41a中的光放大器41c(具體地，摻鉺光纖放大器(EH)A))發(fā)射。相對于光傳播路徑以45°附接的分束器例如使得激發(fā)光的最大部分(例如，99%)通過，接著反射一小部分(例如，I % )用于開始信號的基準(zhǔn)測量和建立，其用于接收電路50的獲取和處理從目標(biāo)對象5反向散射或反射的光。在激發(fā)光束路徑中，在這個分束器之后，激發(fā)光通過半透明鏡(單向鏡)44，其對于激發(fā)光基本上是透明的，但是對從目標(biāo)對象返回的光是反射性的。激發(fā)光接著入射在旋轉(zhuǎn)鏡45上，從其折射以掃描目標(biāo)對象5。
[0082]從目標(biāo)對象5返回的光經(jīng)由旋轉(zhuǎn)鏡45折射到半透明鏡44，在此其在接收光束路徑46/接收電路50的方向反射，在開始處其入射在檢測器47a(例如，雪崩光電二極管(APD))上。接收信號接著被提供到所指示的測量信號路徑48a中到波形數(shù)字化器(“WFD”)49a。
[0083]在分束器43上反射的激發(fā)光41的一小部分經(jīng)由進(jìn)一步的檢測器47b(例如，點觸型二極管)獲取，并且提供到所指示的基準(zhǔn)信號路徑48b到實現(xiàn)為簡單基本版本的WFD 49b。應(yīng)注意的是在測量和基準(zhǔn)信號在兩個檢測器47a、47b(APD和點觸型二極管)上的中繼不必須以分離信號處理部件，而是也可以借助于適用于處理兩種信號的共享的接收電子系統(tǒng)。然而，應(yīng)注意的是如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，還能夠在沒有專用的基準(zhǔn)路徑的情況下工作，例如，校準(zhǔn)可以僅經(jīng)由在已知距離的目標(biāo)(例如，在激光掃描器的情況下，在旋轉(zhuǎn)鏡的每次通過期間以小的旋轉(zhuǎn)角范圍被擊中的支架)進(jìn)行。然而，作為用于時間測量的基準(zhǔn)的開始信號也可以僅電子地給出(即，依賴于發(fā)射光脈沖的光源的激活)。
[0084]圖6例示來自針對返回光的檢測器的輸入光的處理的路徑61。信號由放大器9(未示出)放大接著分束成兩個信號路徑62和63:—部分是經(jīng)由低通濾波器64(“低通”)提供到作為WD電子裝置(“WFD ADC”)的一部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換器66a以進(jìn)行TOF信號的分析，另一信號部分使用高通濾波器64( “高通”)濾波并且提供到作為信號處理電子系統(tǒng)的一部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換器66b以進(jìn)行高頻率光信號列的分析。然而，應(yīng)注意光信號列和TOF信號脈沖也可以由同一電子系統(tǒng)分析。
[0085]圖7a示出用于生成并且準(zhǔn)備用于相應(yīng)下游信號處理電子系統(tǒng)的接收到的返回信號(T0F脈沖和光信號列的接收到的返回信號)的接收器/接收電路的根據(jù)本發(fā)明的實施方式。經(jīng)由接收光學(xué)裝置獲取的光信號優(yōu)選地在光纖的幫助下傳導(dǎo)到檢測器，具體地雪崩光電二極管(ATO)。為了產(chǎn)生開始信號，發(fā)射光信號的相應(yīng)基準(zhǔn)信號可以被提供到點觸型二極管。AH)和點觸型二極管的輸出信號分別借助于轉(zhuǎn)阻放大器(TIA)71a、71b放大接著在處理部件72組合或相加(“+” )，接著聯(lián)合提供到模數(shù)轉(zhuǎn)換器73。
[0086]圖7b例示對發(fā)射的信號編碼以產(chǎn)生缺少模糊性以便分析的可能示例。這可以被確保例如在于相應(yīng)光信號列使用不同模式調(diào)制，即，光信號列的調(diào)制在每個情況下在TOF脈沖的每次發(fā)射之后改變(參見來自圖7b的示例2)。
[0087]另選地或附加地，然而，這還可以被進(jìn)行，在于作為順序要素的兩個發(fā)射的TOF脈沖之間的時間間隔改變(即，來自圖7b的示例I)或雙TOF脈沖被用作相應(yīng)順序要素，并且在此情況下在雙脈沖之間的(短暫)持續(xù)時間(時間間隔)變化(參見來自圖7b的示例3)。
[0088]明顯地這些例示的附圖僅僅示意性地例示了可能的示例性實施方式。各個方案也可以彼此組合以及與現(xiàn)有技術(shù)的方法組合。
【主權(quán)項】
1.一種光電測距方法，該測距方法至少具有以下步驟: ?從至少一個光源(I)向目標(biāo)對象(5)上發(fā)射光信號(41)，具體地，激光； ?使用檢測器(47a、47b、51、61)和連接在所述檢測器下游的信號處理電子系統(tǒng)檢測從該目標(biāo)對象(5)返回的所述光信號的部分； ?確定到所述目標(biāo)對象(5)的距離， 其特征在于， 所發(fā)射的光信號(41)在每種情況下包括以下構(gòu)成的順序要素的序列 ?至少一個光脈沖(P(TOF))JP ? 一個光信號列(Ρ(Φ))， 其中，所述光脈沖(P(TOF))均具有比所述光信號列(Ρ(Φ))高的強(qiáng)度振幅I。2.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， ?所述光脈沖(P(TOF))關(guān)于其強(qiáng)度振幅I被構(gòu)造成使得從位于適當(dāng)距離范圍內(nèi)的目標(biāo)對象(5)返回的所述部分被提供以用于在被所述檢測器檢測時將所述檢測器在其上振幅范圍內(nèi)激活;并且 ?所述光信號列(Ρ(Φ))關(guān)于其強(qiáng)度振幅I被構(gòu)造成使得從位于適當(dāng)距離范圍內(nèi)的目標(biāo)對象(5)返回的所述部分被提供以在被所述檢測器檢測時將所述檢測器在其線性振幅范圍內(nèi)激活。3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， 所述光信號列(Ρ( Φ ))各包括光信號列光脈沖的序列，該光信號列光脈沖在時間上相對彼此接近地排列并且具體地被半連續(xù)地發(fā)射，各光信號列光脈沖具有與所述光脈沖(P(TOF))相比低的振幅， 具體地其中，單獨的光信號列光脈沖(Ρ(Φ))以1MHz到10GHz之間的重復(fù)頻率發(fā)射，特別地以50MHz到I OOOMHz之間的重復(fù)頻率發(fā)射。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測距方法， 其特征在于， 每個光信號列(Ρ(Φ))的所述光信號列光脈沖均在接收器側(cè)或分析側(cè)積累以確定針對在每種情況下相應(yīng)光信號列(Ρ( Φ ))的平均運行時間。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測距方法， 其特征在于， 所述光信號列(Ρ( Φ ))各包括2到50個之間的光信號列光脈沖的序列， 具體地其中，該序列包括具有不同振幅的兩個光信號列光脈沖。6.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的測距方法， 其特征在于， ?所述光脈沖(P(TOF))均被調(diào)制使得其從所述目標(biāo)對象(5)返回的所述部分被提供以用于根據(jù)脈沖運行時間法TOF來進(jìn)行分析，并且 ?所述光信號列(Ρ(Φ))均被調(diào)制成使得其從所述目標(biāo)對象(5)返回的所述部分被提供以用于根據(jù)相位比較法Φ來進(jìn)行分析， 使得在每種情況下所述光脈沖(P(TOF))的所檢測到的返回部分被關(guān)于時間順序位置來進(jìn)行分析，并且所述光信號列(Ρ(Φ))的所檢測到的返回部分被關(guān)于相位位置來進(jìn)行分析。7.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項或根據(jù)權(quán)利要求6所述的測距方法， 其特征在于， 所述光信號列(Ρ(Φ))各覆蓋兩個相繼的光脈沖(P(TOF))之間的10%到95%之間的時間間隔的持續(xù)時間。8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， 兩個相繼的光脈沖P(TOF)之間的所述時間間隔Δ (TOF)在50ns到2000ns之間。9.根據(jù)前一項權(quán)利要求所述的測距方法， 其特征在于， 依賴于振幅范圍，所述檢測器在每種情況下在該振幅范圍中被所述順序要素的所檢測到的返回部分激活: ?所述光脈沖(P(TOF))的僅相應(yīng)的所檢測到的返回部分關(guān)于時間順序位置用于距離確定-或多或少地按照單次方法，或 ?所述光信號列(Ρ(Φ))的僅相應(yīng)的所檢測到的返回部分用于距離確定，或者?所述光脈沖(P(TOF))的相應(yīng)的所檢測到的返回部分和所述光信號列(Ρ(Φ))的相應(yīng)的所檢測到的返回部分還被聯(lián)合使用用于距離確定，具體地其中，在對同一順序要素的所述光信號列(Ρ(Φ))的所述返回部分的分析的范圍內(nèi)，在每種情況下將關(guān)于所述光脈沖(P(TOF))的所述返回部分的所確定的時間順序位置的信息項考慮在內(nèi)； 特別地其中，依賴于振幅范圍，所述檢測器在該振幅范圍中被所述順序要素的所檢測到的返回部分在每種情況下激活，以下中的一項總是成立: ?所述光脈沖(P(TOF))的僅相應(yīng)的所檢測到的返回部分關(guān)于時間順序位置用于距離確定-或多或少地按照單次方法，或 ?所述光信號列(Ρ(Φ))的僅相應(yīng)的所檢測到的返回部分用于所述距離確定。10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， 所述光脈沖(P(TOF))和所述光信號列(Ρ(Φ))的所檢測到的返回部分均被所述信號處理電子系統(tǒng)采樣和數(shù)字化，并且在此情況下生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用于進(jìn)一步分析，具體地，由FPGA、SoC或微處理器進(jìn)行，具體地其中，在檢測的范圍內(nèi)，返回光信號(42)被逐步地按時間順序采樣并且以其整體被數(shù)字化，具體地，以50MS/s到20GS/s之間的采樣率，即，每秒幾兆樣本或幾千兆樣本，特別地以在200Ms/s到2GS/s之間的采樣率。11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， 所述光脈沖(P(TOF))和所述光信號列(Ρ(Φ))具有相同的載波頻率或具有不同的載波頻率。12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的測距方法， 其特征在于， 所述光脈沖(P(TOF))和所述光信號列(Ρ(Φ))從同一光源或從不同光源發(fā)射，具體地，所述光脈沖(P(TOF))從激光光源發(fā)射并且所述光信號列(Ρ(Φ))從超亮二極管SLD發(fā)射。13.一種光電測距儀(40)，該光電測距儀(40)具有 ?至少一個光源(I)，該至少一個光源(I)用于向目標(biāo)對象(5)上發(fā)射至少一個光信號(41)，具體地，激光， ?接收電路(50)，該接收電路(50)具有檢測器(61)和連接在所述檢測器(61)的下游的信號處理電子系統(tǒng)，該檢測器(61)用于檢測從所述目標(biāo)對象反向散射的光信號(42)， ?分析部件，該分析部件用于確定到所述目標(biāo)對象(5)的距離， 其特征在于， 提供控制器，該控制器被構(gòu)造和編程成使得在操作中由該控制器執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一項所述的測距方法。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的測距儀(40)， 其特征在于， 所述接收電路(50)設(shè)置有用于對所述光脈沖(P(TOF))和所述光信號列(Ρ(Φ))的相應(yīng)的所檢測到的返回部分進(jìn)行信號采樣并且生成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的采樣和數(shù)字化單元，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接著能夠用于進(jìn)一步分析。15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的測距儀， 其特征在于， 提供兩個光源，其中一個光源是用于發(fā)射所述光脈沖(P(TOF))的激光光源以及用于發(fā)射所述光信號列(Ρ(Φ))的超亮二極管SLD，具體地其中，在所述兩個光源中的至少一個的在光束路徑中的下游設(shè)置光放大器(41c)，具體地，摻鉺光纖放大器EDFA，所述兩個光源中的至少一個具體地為所述超亮二極管SLD。
【文檔編號】G01S17/10GK105988119SQ201610122460
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月4日
【發(fā)明人】雷托·施圖茨
【申請人】萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司