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专利名称：高精度距离测量装置的制作方法
高精度距离测量装置本发明一般地涉及根据权利要求I所述的高精度距离测量装置和根据权利要求13所述的在所述高精度距离测量装置中使用的信号估计方法。用于通过电光方式测量距离的现有技术的装置主要是基于下面三个测量原理
■相位测量■基于电平的飞行时间测量■采样飞行时间测量当比较这三种方法时，一般地，可以说，相位測量提供最高的精度，基于电平的飞行时间测量提供最快的結果，采样飞行时间测量具有最好的灵敏度的优点。通过使用相位測量，可以基于从测量目标反射回来的微弱的光信号，例如，在仅数皮瓦的范围内的信号，来估计距离。另ー方面，这些系统具有由于在那些装置中使用的外差混频或零差混频所引起的相当高的信号信息的损失的缺点，导致相当长的测量时间。另外的缺点与实际测量的经常发生的多次反射的处理难度有夫。基于电平的运行时间测量仅能够识别幅度水平高于特定阈值的反射信号。因此，通过如此的系统不能測量低反射或距离远的目标，因为需要的高功率光源诸如激光器在技术上是复杂的并且也是昂贵的。此外，眼睛安全规定是针对能够使用的激光器的功率的另一个限制因素。在CH670895中描述了基于采样飞行时间测量的第一距离测量装置中的ー种。其中的ー个重要方面是利用当确保眼睛安全时可用的低光功率来測量大范围的距离。通过采样方法，可以提高接收电子装置的灵敏度，并且还可以实现好得多的信噪比(SNR)。距离测量的精度不是其中教导的焦点。因为模数转换器(ADC)仅具有四个比特的分辨率，所以由此引入的量化误差往往限制可实现的距离测量的精度。模数转换器(ADC)通常还包含采样/保持単元，该采样/保持单元是信号数字化处理的第一级中的ー个。文献DE 3620226也遭受相似的缺陷。公开文献PCT/EP2007/006226公开了利用接收信号的直接采样的距离测量装置。其中，在允许大的动态范围的输入信号和提供在大范围的输入功率上的可靠结果的同吋，通过两种不同的方式来确定距离。国际申请PCT/EP2008/009010公开了利用移动测量束来测量距离的装置，由此，距离测量的动态和获取时间是重要的因素。如此的装置例如可以用于在建筑エ地上的旋转扫描仪、靠模工具机或激光投影仪，从而实现沿着投影到表面上的轨迹点的距离信息的估计。这里使用飞行时间测量，但是其中没有与距离测量的精度相关的信息或者存在任何改善的教导。基于采样运行时间测量的距离测量装置的特征在于，通过在幅度和时间上对信号的量化而直接地对由诸如光电ニ极管这样的光电装置所接收的光的反射脉冲的电子放大信号进行采样。由于所述事实，这些装置也称为WFD (波形数字化器(Wave FormDigitizer))，因为距离估计是基于接收信号的数字表示形式。根据WFD原理的用于距离测量的典型装置至少包括
发射器，用于向布置在待测量的距离上的目标上进行光辐射(通常为由激光二极管发射的光脉冲)。接收器，用于发射的光辐射的从目标散射回装置的那些部分。得到的电信号通过某一低噪声放大器来放大并且被馈送到诸如模数转换器(ADC)这样的采样装置中，以便于例如在FPGA、ASIC、uC、uP、DSP等中的进ー步的数字估计。在优选实施方式中，发射的光的一部分也以已知长度的參考路线为路径并且然后直接馈送到接收器。所述參考路线可以完全在装置内部和至少部分地在装置的外部，例如，通过在装置的壳体的内部或外部的某个地方安装到该装置的參考目标来实现。如在现有技术中已知的，沿着參考路线传播的光脉冲可以用作用于距离估计的參考脉冲，并且/或者它还可以用于信号幅度的校准。因为除了目标距离外，脉冲采取相同的信号路线，所以由此可以有效地校准电子装置和光学装置的非线性和环境影响。信号脉冲的经数字化的形状用来确定距离。因为装置可以采样重复发射的信号多 于一次并且按照正确的排列累计它的数字表示，所以可以根据累计的次数的平方根来改善信噪比，并且因此，例如通过弱反射或远离目标，基于采样运行时间测量的装置也能够在低信号強度的反射下工作。根据实际执行的測量任务的需要，可以通过累计的次数的变化，在测量的精度和測量所需要的时间之间进行权衡。由于如下的事实，WFD可以进一歩地实现良好的信噪比(SNR)，即，上述事实为仅在当脉冲也存在时的短的时段期间估计噪声，而在其余时间期间，噪声被消除。由此，根据光学測量信号的占空比的平方根降低SNR。低的占空比也引起了与眼睛安全相关的优点，如下面进ー步描述的。尽管通过现有技术的WFD执行的距离测量的再现性相当高，但是绝对距离的精度(例如，通常甚至高干3_)低于通过相位測量可实现的精度。因此，如此的测量不能用于高精度的测距仪或測地学设备，诸如经纬仪或3D扫描仪，因为这些装置通常需要更好的绝对精度。通过确定由发射器发出并且由接收器接收的光脉冲的传播时间来估计距离信息。在WFD中，这是在几百Mhz的适当的高采样速率下根据波形采样器(ADC)的数字化的脉冲信息来完成的。在第一步骤中，这可以通过仅识别脉冲的存在来完成，因此，可以在ー个或几个采样周期内估计光的传播时间。由此，获得了具有低分辨率的最初的粗糙距离信息。粗糙的分辨率具有依赖于ADC的采样频率fs的精度，从而导致Ts=l/fs的时间不确定度
2· TOF-= Wl-AWl+ ιι/'Ι (1)
I s其中，TOF表示“飞行时间”，激光脉冲利用该飞行时间在目标和测量装置之间来回传播。测量值nfl表示在开始触发和采样波形的接收脉冲的特性信号之间的采样间隔的数量。符号NRl表示在由发射器发送的两个脉冲之间的采样的数量。因此，NRl=I/(TS*frepl)，其中fr印I为发射的光辐射的脉冲率，并且nl是同时在測量装置和目标之间传播的脉冲的数量。对于短距离，nl估计为零，但是如果激光的脉冲重复时间小于脉冲相对于两倍的待测量距离的传播时间，则多于ー个的脉冲同时在沿着测量距离传播的途中。例如，根据相位測量装置已知的ー种方法允许脉冲的数量nl的确定也应用到采样距离测量仪表。为了示例而进ー步描述的示例是基于使用用于发射脉冲的第二发射速率frep2,由此,可以估计采样间_的第二数量nf2。然后可以根据下面的公式来估计针对距离不确定性的解
权利要求
1.一种用于确定到目标的距离的高精度的电光飞行时间距离测量装置，所述装置至少包括 发射器(1)，所述发射器用于向所述目标(7)发出脉冲成形光辐射(e)，该脉冲成形光福射(e)特别地为脉冲调制激光束； 用于光返回信号(e’+r)的接收器(2)，所述光返回信号包括从所述目标散射回来的光辐射部分(r)，所述接收器被构造用于将所述光返回信号转变为电信号，所述接收器特别地为光电ニ极管或雪崩光电ニ极管； 滤波器(3)，所述滤波器具有用于对所述电信号进行滤波的传递函数，所述滤波器特别地为模拟信号低通或带通滤波器； 波形采样器(4)，所述波形采样器例如为模数转换器，用于将来自经滤波的电信号的脉冲形状数字化为时间量化或值量化的数字数据； 计算装置(5)，所述计算装置用于根据所述脉冲形状或者根据表示来自所述数字数据的数值信号的脉冲形状对所述距离进行数值估计，其中时间分辨率高于所述波形采样器(4)的采样间隔，这是通过对由所述数字数据表示的脉冲形状的数值重采样来实现的，特别地，根据奈奎斯特香农理论，将所述脉冲形状采样为在时间量化采样时间之间的当所述电信号的实际值还没有被采样时的时刻处的幅度值， 其特征在干， 所述滤波器(3)被构造为，使得它的传递函数至少为七阶，特别地为十四阶或更高阶，从而抑制混叠。
2.根据权利要求I所述的电光距离测量装置，其特征在干， 针对所述电信号的在所述波形采样器(4)的时间量化的选定的奈奎斯特频带外的混叠生成频率，所述滤波器(7)具有至少60dB的抑制率。
3.根据权利要求I到2中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 所述滤波器(3)例如为巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、反向切比雪夫滤波器、考尔滤波器、椭圆滤波器、高斯滤波器或贝塞尔滤波器，或者有源或者无源，实现为集成电路或通过离散部件实现。
4.根据权利要求I到2中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 所述滤波器(3)被实现为表面声波滤波器、陶瓷滤波器或者压电滤波器。
5.根据权利要求I到4中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 所述滤波器(3)直接连接到所述波形采样器(4)的输入端，从而用作抗混叠滤波器的所述滤波器(7)为在信号路线中位于所述波形采样器(4)之前的最后的电路块。
6.根据权利要求I到5中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 在所述发射器(I)处具有用于对发出的光辐射(e)成形的发射滤波器(6)，特别地，其中，所述发射滤波器(6)被构造用于对发出的光辐射的脉冲的带宽进行低通滤波，使得在所述发射器(I)也减少导致混叠的频率分量。
7.根据权利要求I到6中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 所述装置进ー步包括至少ー个放大器和/或至少另ー个滤波器，特别地，所述至少一个放大器具有可调的增益。
8.根据权利要求I到7中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干，所述波形采样器(4)具有针对时间量化的在毎秒100兆次采样到10吉次采样的范围中的采样速率以及针对值量化的6到24比特的值分辨率。
9.根据权利要求I到8中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 来自所述发射器(I)的所述光辐射的一部分作为參考信号(e’)沿着已知的參考路线馈送到所述接收器(2)，并且 返回信号(r)和所述參考信号(e’)由合束器合并，并且被同时地采样，或者通过到所述波形采样器(4)的选择性输入以ー个接ー个的方式被采样。
10.根据权利要求I到9中的一项所述的电光距离测量装置，其特征在干， 通过匹配由所述数字数据表示的所述脉冲形状以及对在所述脉冲形状中的至少两个脉冲形状之间的逝去时间进行估计，根据所述至少两个脉冲形状之间的所述逝去时间来估计距离，其中，所述两个脉冲形状中的至少ー个被重新采样以实现二次量化时间分辨率，特别地，其中，所述逝去时间被确定为所述脉冲形状相对于彼此的时间对位，在所述时间对位中，所述脉冲形状的相似度被最大化。
11.一种在根据权利要求I所述的波形数字化距离测量単元中的用于信号估计的方法，所述方法包括以下步骤 向目标对象(7)发出光辐射(e)的脉冲，特别地，在可见光或红外范围中的光辐射(e)的脉冲， 接收发出的所述光辐射的由所述目标对象散射回来的至少一部分作为电信号， 在采样时间间隔中数字化所述电信号的波形， 根据所述飞行时间方法，基于数字化的波形确定到所述目标对象(7)的距离，其中时间分辨率高于所述采样时间间隔，这是通过以重采样的表示方式对所述数字化的波形进行数值重构来实现的，特别地，根据奈奎斯特香农理论，将所述数字化的波形重构为在采样时间间隔之间的当所述电信号的实际值还没有被采样时的时刻处的幅度值， 其特征在干， 在所述数字化之前利用至少七阶的传递函数对所述电信号进行滤波，从而抑制在所述数字化中的混叠效应。
12.根据权利要求11所述的用于信号估计的方法，其特征在干， 对所述电信号的所述滤波将所述电信号的造成在所述数字化中的混叠效应的频率分量抑制至少60dB。
13.根据权利要求11或12所述的用于信号估计的方法，其特征在干， 通过匹配所述数字化的波形中的至少第一个波形和第二个波形以用于飞行时间确定来执行确定所述距离的步骤，其中，对所述第一个波形和/或第二个波形中的至少ー个重采样以实现二次采样时间间隔分辨率。
14.根据权利要求13所述的用于信号估计的方法，其特征在干， 确定所述距离的步骤至少包括针对在所述第一个波形的第一脉冲部分和所述第二个波形的第二脉冲部分之间的残差的最小平方最小化迭代，其中，在所述波形的形状内，所述第二个波形在与所述第一个波形的采样时间对应的重新采样时间点处被重新采样， 或者 在从所述第一个波形的第一脉冲部分导出的数值信号和从所述第二个波形的第二脉冲部分导出的数值信号之间的残差最小化过程，其中，所述第二个波形被重新采样以便于最小化所述残差。
15.根据权利要求11到14中的一项所述的用于信号估计的方法，其特征在干， 根据事先在辨识处理中记录的校正表格或函数对所述数字化的波形进行校准。
全文摘要
用于确定到目标的距离的高精度的电光飞行时间距离测量装置。该装置至少包括发射器，用于向目标发出脉冲成形光辐射，特别地为来自激光二极管的脉冲调制激光束；用于光信号的接收器，所述光信号包括从目标散射回来的光辐射部分，该接收器被构造用于将光信号转变为电信号，该接收器特别地为诸如光电二极管或雪崩光电二极管；和滤波器，该滤波器具有用于对电信号进行滤波的传递函数，该滤波器特别地为模拟低通或带通滤波器，传递函数至少为四阶，特别地为五阶或七阶或者更高阶，从而抑制混叠。另外还包括波形采样器，例如为模数转换器，用于将来自经滤波的电信号的脉冲形状数字化为时间量化或值量化的数字数据；以及计算装置，用于根据脉冲形状或者根据表示来自数字数据的数值信号的脉冲形状的距离的数值估计，特别地，时间分辨率的量级优于所述波形采样器的时间量化间隔。
文档编号G01S17/10GK102667521SQ201080058708
公开日2012年9月12日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者R·菲尔施, 于尔格·欣德林, 雷托·施图茨, 马塞尔·罗纳 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司