高精度距離測量裝置的製作方法

2023-09-21 06:47:45

專利名稱：高精度距離測量裝置的製作方法
高精度距離測量裝置本發明一般地涉及根據權利要求I所述的高精度距離測量裝置和根據權利要求13所述的在所述高精度距離測量裝置中使用的信號估計方法。用於通過電光方式測量距離的現有技術的裝置主要是基於下面三個測量原理
■相位測量■基於電平的飛行時間測量■採樣飛行時間測量當比較這三種方法時，一般地，可以說，相位測量提供最高的精度，基於電平的飛行時間測量提供最快的結果，採樣飛行時間測量具有最好的靈敏度的優點。通過使用相位測量，可以基於從測量目標反射回來的微弱的光信號，例如，在僅數皮瓦的範圍內的信號，來估計距離。另ー方面，這些系統具有由於在那些裝置中使用的外差混頻或零差混頻所引起的相當高的信號信息的損失的缺點，導致相當長的測量時間。另外的缺點與實際測量的經常發生的多次反射的處理難度有夫。基於電平的運行時間測量僅能夠識別幅度水平高於特定閾值的反射信號。因此，通過如此的系統不能測量低反射或距離遠的目標，因為需要的高功率光源諸如雷射器在技術上是複雜的並且也是昂貴的。此外，眼睛安全規定是針對能夠使用的雷射器的功率的另一個限制因素。在CH670895中描述了基於採樣飛行時間測量的第一距離測量裝置中的ー種。其中的ー個重要方面是利用當確保眼睛安全時可用的低光功率來測量大範圍的距離。通過採樣方法，可以提高接收電子裝置的靈敏度，並且還可以實現好得多的信噪比(SNR)。距離測量的精度不是其中教導的焦點。因為模數轉換器(ADC)僅具有四個比特的解析度，所以由此引入的量化誤差往往限制可實現的距離測量的精度。模數轉換器(ADC)通常還包含採樣/保持単元，該採樣/保持單元是信號數位化處理的第一級中的ー個。文獻DE 3620226也遭受相似的缺陷。公開文獻PCT/EP2007/006226公開了利用接收信號的直接採樣的距離測量裝置。其中，在允許大的動態範圍的輸入信號和提供在大範圍的輸入功率上的可靠結果的同吋，通過兩種不同的方式來確定距離。國際申請PCT/EP2008/009010公開了利用移動測量束來測量距離的裝置，由此，距離測量的動態和獲取時間是重要的因素。如此的裝置例如可以用於在建築エ地上的旋轉掃描儀、靠模工具機或雷射投影儀，從而實現沿著投影到表面上的軌跡點的距離信息的估計。這裡使用飛行時間測量，但是其中沒有與距離測量的精度相關的信息或者存在任何改善的教導。基於採樣運行時間測量的距離測量裝置的特徵在於，通過在幅度和時間上對信號的量化而直接地對由諸如光電ニ極管這樣的光電裝置所接收的光的反射脈衝的電子放大信號進行採樣。由於所述事實，這些裝置也稱為WFD (波形數位化器(Wave FormDigitizer))，因為距離估計是基於接收信號的數字表示形式。根據WFD原理的用於距離測量的典型裝置至少包括
發射器，用於向布置在待測量的距離上的目標上進行光輻射(通常為由雷射二極體發射的光脈衝)。接收器，用於發射的光輻射的從目標散射回裝置的那些部分。得到的電信號通過某一低噪聲放大器來放大並且被饋送到諸如模數轉換器(ADC)這樣的採樣裝置中，以便於例如在FPGA、ASIC、uC、uP、DSP等中的進ー步的數字估計。在優選實施方式中，發射的光的一部分也以已知長度的參考路線為路徑並且然後直接饋送到接收器。所述參考路線可以完全在裝置內部和至少部分地在裝置的外部，例如，通過在裝置的殼體的內部或外部的某個地方安裝到該裝置的參考目標來實現。如在現有技術中已知的，沿著參考路線傳播的光脈衝可以用作用於距離估計的參考脈衝，並且/或者它還可以用於信號幅度的校準。因為除了目標距離外，脈衝採取相同的信號路線，所以由此可以有效地校準電子裝置和光學裝置的非線性和環境影響。信號脈衝的經數位化的形狀用來確定距離。因為裝置可以採樣重複發射的信號多 於一次並且按照正確的排列累計它的數字表示，所以可以根據累計的次數的平方根來改善信噪比，並且因此，例如通過弱反射或遠離目標，基於採樣運行時間測量的裝置也能夠在低信號強度的反射下工作。根據實際執行的測量任務的需要，可以通過累計的次數的變化，在測量的精度和測量所需要的時間之間進行權衡。由於如下的事實，WFD可以進一歩地實現良好的信噪比(SNR)，即，上述事實為僅在當脈衝也存在時的短的時段期間估計噪聲，而在其餘時間期間，噪聲被消除。由此，根據光學測量信號的佔空比的平方根降低SNR。低的佔空比也引起了與眼睛安全相關的優點，如下面進ー步描述的。儘管通過現有技術的WFD執行的距離測量的再現性相當高，但是絕對距離的精度(例如，通常甚至高幹3_)低於通過相位測量可實現的精度。因此，如此的測量不能用於高精度的測距儀或測地學設備，諸如經緯儀或3D掃描儀，因為這些裝置通常需要更好的絕對精度。通過確定由發射器發出並且由接收器接收的光脈衝的傳播時間來估計距離信息。在WFD中，這是在幾百Mhz的適當的高採樣速率下根據波形採樣器(ADC)的數位化的脈衝信息來完成的。在第一步驟中，這可以通過僅識別脈衝的存在來完成，因此，可以在ー個或幾個採樣周期內估計光的傳播時間。由此，獲得了具有低解析度的最初的粗糙距離信息。粗糙的解析度具有依賴於ADC的採樣頻率fs的精度，從而導致Ts=l/fs的時間不確定度
2· TOF-= Wl-AWl+ ιι/'Ι (1)
I s其中，TOF表示「飛行時間」，雷射脈衝利用該飛行時間在目標和測量裝置之間來回傳播。測量值nfl表示在開始觸發和採樣波形的接收脈衝的特性信號之間的採樣間隔的數量。符號NRl表示在由發射器發送的兩個脈衝之間的採樣的數量。因此，NRl=I/(TS*frepl)，其中fr印I為發射的光輻射的脈衝率，並且nl是同時在測量裝置和目標之間傳播的脈衝的數量。對於短距離，nl估計為零，但是如果雷射的脈衝重複時間小於脈衝相對於兩倍的待測量距離的傳播時間，則多於ー個的脈衝同時在沿著測量距離傳播的途中。例如，根據相位測量裝置已知的ー種方法允許脈衝的數量nl的確定也應用到採樣距離測量儀表。為了示例而進ー步描述的示例是基於使用用於發射脈衝的第二發射速率frep2,由此,可以估計採樣間_的第二數量nf2。然後可以根據下面的公式來估計針對距離不確定性的解
權利要求
1.一種用於確定到目標的距離的高精度的電光飛行時間距離測量裝置，所述裝置至少包括 發射器(1)，所述發射器用於向所述目標(7)發出脈衝成形光輻射(e)，該脈衝成形光福射(e)特別地為脈衝調製雷射束； 用於光返回信號(e』+r)的接收器(2)，所述光返回信號包括從所述目標散射回來的光輻射部分(r)，所述接收器被構造用於將所述光返回信號轉變為電信號，所述接收器特別地為光電ニ極管或雪崩光電ニ極管； 濾波器(3)，所述濾波器具有用於對所述電信號進行濾波的傳遞函數，所述濾波器特別地為模擬信號低通或帶通濾波器； 波形採樣器(4)，所述波形採樣器例如為模數轉換器，用於將來自經濾波的電信號的脈衝形狀數位化為時間量化或值量化的數字數據； 計算裝置(5)，所述計算裝置用於根據所述脈衝形狀或者根據表示來自所述數字數據的數值信號的脈衝形狀對所述距離進行數值估計，其中時間解析度高於所述波形採樣器(4)的採樣間隔，這是通過對由所述數字數據表示的脈衝形狀的數值重採樣來實現的，特別地，根據奈奎斯特香農理論，將所述脈衝形狀採樣為在時間量化採樣時間之間的當所述電信號的實際值還沒有被採樣時的時刻處的幅度值， 其特徵在幹， 所述濾波器(3)被構造為，使得它的傳遞函數至少為七階，特別地為十四階或更高階，從而抑制混疊。
2.根據權利要求I所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 針對所述電信號的在所述波形採樣器(4)的時間量化的選定的奈奎斯特頻帶外的混疊生成頻率，所述濾波器(7)具有至少60dB的抑制率。
3.根據權利要求I到2中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 所述濾波器(3)例如為巴特沃茲濾波器、切比雪夫濾波器、反向切比雪夫濾波器、考爾濾波器、橢圓濾波器、高斯濾波器或貝塞爾濾波器，或者有源或者無源，實現為集成電路或通過離散部件實現。
4.根據權利要求I到2中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 所述濾波器(3)被實現為表面聲波濾波器、陶瓷濾波器或者壓電濾波器。
5.根據權利要求I到4中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 所述濾波器(3)直接連接到所述波形採樣器(4)的輸入端，從而用作抗混疊濾波器的所述濾波器(7)為在信號路線中位於所述波形採樣器(4)之前的最後的電路塊。
6.根據權利要求I到5中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 在所述發射器(I)處具有用於對發出的光輻射(e)成形的發射濾波器(6)，特別地，其中，所述發射濾波器(6)被構造用於對發出的光輻射的脈衝的帶寬進行低通濾波，使得在所述發射器(I)也減少導致混疊的頻率分量。
7.根據權利要求I到6中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 所述裝置進ー步包括至少ー個放大器和/或至少另ー個濾波器，特別地，所述至少一個放大器具有可調的增益。
8.根據權利要求I到7中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹，所述波形採樣器(4)具有針對時間量化的在毎秒100兆次採樣到10吉次採樣的範圍中的採樣速率以及針對值量化的6到24比特的值解析度。
9.根據權利要求I到8中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 來自所述發射器(I)的所述光輻射的一部分作為參考信號(e』)沿著已知的參考路線饋送到所述接收器(2)，並且 返回信號(r)和所述參考信號(e』)由合束器合併，並且被同時地採樣，或者通過到所述波形採樣器(4)的選擇性輸入以ー個接ー個的方式被採樣。
10.根據權利要求I到9中的一項所述的電光距離測量裝置，其特徵在幹， 通過匹配由所述數字數據表示的所述脈衝形狀以及對在所述脈衝形狀中的至少兩個脈衝形狀之間的逝去時間進行估計，根據所述至少兩個脈衝形狀之間的所述逝去時間來估計距離，其中，所述兩個脈衝形狀中的至少ー個被重新採樣以實現二次量化時間解析度，特別地，其中，所述逝去時間被確定為所述脈衝形狀相對於彼此的時間對位，在所述時間對位中，所述脈衝形狀的相似度被最大化。
11.一種在根據權利要求I所述的波形數位化距離測量単元中的用於信號估計的方法，所述方法包括以下步驟 向目標對象(7)發出光輻射(e)的脈衝，特別地，在可見光或紅外範圍中的光輻射(e)的脈衝， 接收發出的所述光輻射的由所述目標對象散射回來的至少一部分作為電信號， 在採樣時間間隔中數位化所述電信號的波形， 根據所述飛行時間方法，基於數位化的波形確定到所述目標對象(7)的距離，其中時間解析度高於所述採樣時間間隔，這是通過以重採樣的表示方式對所述數位化的波形進行數值重構來實現的，特別地，根據奈奎斯特香農理論，將所述數位化的波形重構為在採樣時間間隔之間的當所述電信號的實際值還沒有被採樣時的時刻處的幅度值， 其特徵在幹， 在所述數位化之前利用至少七階的傳遞函數對所述電信號進行濾波，從而抑制在所述數位化中的混疊效應。
12.根據權利要求11所述的用於信號估計的方法，其特徵在幹， 對所述電信號的所述濾波將所述電信號的造成在所述數位化中的混疊效應的頻率分量抑制至少60dB。
13.根據權利要求11或12所述的用於信號估計的方法，其特徵在幹， 通過匹配所述數位化的波形中的至少第一個波形和第二個波形以用於飛行時間確定來執行確定所述距離的步驟，其中，對所述第一個波形和/或第二個波形中的至少ー個重採樣以實現二次採樣時間間隔解析度。
14.根據權利要求13所述的用於信號估計的方法，其特徵在幹， 確定所述距離的步驟至少包括針對在所述第一個波形的第一脈衝部分和所述第二個波形的第二脈衝部分之間的殘差的最小平方最小化迭代，其中，在所述波形的形狀內，所述第二個波形在與所述第一個波形的採樣時間對應的重新採樣時間點處被重新採樣， 或者 在從所述第一個波形的第一脈衝部分導出的數值信號和從所述第二個波形的第二脈衝部分導出的數值信號之間的殘差最小化過程，其中，所述第二個波形被重新採樣以便於最小化所述殘差。
15.根據權利要求11到14中的一項所述的用於信號估計的方法，其特徵在幹， 根據事先在辨識處理中記錄的校正表格或函數對所述數位化的波形進行校準。
全文摘要
用於確定到目標的距離的高精度的電光飛行時間距離測量裝置。該裝置至少包括發射器，用於向目標發出脈衝成形光輻射，特別地為來自雷射二極體的脈衝調製雷射束；用於光信號的接收器，所述光信號包括從目標散射回來的光輻射部分，該接收器被構造用於將光信號轉變為電信號，該接收器特別地為諸如光電二極體或雪崩光電二極體；和濾波器，該濾波器具有用於對電信號進行濾波的傳遞函數，該濾波器特別地為模擬低通或帶通濾波器，傳遞函數至少為四階，特別地為五階或七階或者更高階，從而抑制混疊。另外還包括波形採樣器，例如為模數轉換器，用於將來自經濾波的電信號的脈衝形狀數位化為時間量化或值量化的數字數據；以及計算裝置，用於根據脈衝形狀或者根據表示來自數字數據的數值信號的脈衝形狀的距離的數值估計，特別地，時間解析度的量級優於所述波形採樣器的時間量化間隔。
文檔編號G01S17/10GK102667521SQ201080058708
公開日2012年9月12日 申請日期2010年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者R·菲爾施, 於爾格·欣德林, 雷託·施圖茨, 馬塞爾·羅納 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司