光學測距方法和相應的光學測距裝置的製作方法

2023-06-19 18:24:21

專利名稱：光學測距方法和相應的光學測距裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1的前序部分所述的電光測距方法並且涉
及根據權利要求7的前序部分所述的這種測距裝置。
背景技術：
在電子或電光測距的領域中，已知各種原理和方法。 一種方法包括: 向要被測量的目標發射脈衝化的電磁輻射(例如，雷射)，並且隨後從作 為漫反射對象的該目標接收回波(Echo)，基於脈衝的渡越時間(往復時 間)來確定到要測量的目標的距離。這種脈衝渡越時間測量裝置目前已 經在許多領域被確立成為標準解決方案。
一般來說，採用兩種不同的方法來檢測漫反射的脈衝。 在所謂的閾值方法中，如果入射輻射的強度超出特定閾值，則檢測 光脈衝。該閾值防止來自背景的噪聲和幹擾信號被不正確地檢測為有用 的信號(即，檢測為發射脈衝的漫反射光)。然而，該方法的問題在於 如果脈衝強度降到低於檢測閾值，則對於例如通過相對較大測量距離生 成的弱漫反射脈衝的情況來說，無法進行檢測。因此，這種閾值方法的 實質缺點在於測量信號的幅值必須充分大於信號路徑中的光和電噪聲 源的噪聲幅值，以便充分地最小化不正確檢測。
另一方法基於對漫反射脈衝的掃描或採樣。通過對利用檢測器檢測 到的輻射進行採樣、識別採樣區內的信號以及最後確定該信號的位置來 檢測發射信號。通過使用大量的釆樣值，在不利環境下也可以識別有用 信號，以使得甚至可以處理相對較大的距離、或涉及噪聲或與幹擾相關 的背景情況。在現有技術中，通過利用時間窗或相位的移位來掃描許多 相同脈衝而實現採樣，當前可以實現具有足夠高的頻率的非常快速的電 路，以釆樣單獨脈衝。然而該方法的問題在於需要預先已知要檢測的信號的大約時間位置，這是因為如果不這樣，作為要被採樣的時段的時間 窗和由此產生的數據量就可能變得非常大，或另選地使用許多脈衝和要 移位的時間窗。另一方面，該信號採樣的最嚴重的缺點在於在接收電 子設備飽和的狀態下，無法獲得測量信號的能夠被分析的適當信息。
US 6115112公開了一種藉助信號採樣的測量方法，在該測量方法中， 通過預先執行的粗略測量，在時間方面大致確定脈衝的抵達時間。接著， 針對作為精確測量的部分的其他光脈衝實施釆樣，然後釆樣該光脈衝的 受限的可能抵達時段。由此，將該測量分成粗略測量和精確測量。因為 首先通過閾值測量來限定其中發生採樣測量的時間窗，所以使用這種方 法不可避免地需要一個序列。因而，將針對不同脈衝分別實施一系列的 作為時間的函數的粗略測量和精確測量。
因此，迄今已知的測量原理和基於脈衝渡越時間原理的實質缺點表 現為對通過檢測閾值的信號檢測的限制，或者建立用於採樣的時間窗 的必要性，或者檢測器的飽和。
另外的缺點是，由於要對這些影響進行限制，所以對技術組件提出 要求，例如，大的動態範圍。

發明內容
因此，本發明的任務是提供一種避免或減少上述缺點的新穎測距方 法和新穎測距裝置。
具體來說， 一個任務是針對接收到的測量信號增加測距裝置的動態 範圍，或者減少與其組件有關的要求。
根據本發明，通過權利要求1或7所述的特徵或屬權利要求的特徵
來實現這些任務，或者進一步改進該解決方案。
該解決方案基於在測距時常用的、信號檢測用的兩種基本原理的組 合。己經描述的第一種基本原理基於通過閾值方法來檢測被測量信號， 而第二種基本原理基於利用用於識別信號和時間性地確定該信號的位置 的下遊信號處理的信號採樣。在閾值方法中，通常利用超出閾值的信號 幅值來限定信號檢測，但特定距離的信號特徵可能差別很大。 一方面，接收信號的上升沿可以激活時間觸發器，另一方面，可以藉助電子濾波器將 接收到的信號轉換成另一合適形式，以便生成有利地與脈衝幅值無關的觸 發器特徵。將相應的觸發信號作為幵始或停止信號輸送到時間測量電路。
將這兩種方法並行地用於信號檢測，即，通過兩種方法檢測接收脈 衝或信號結構，這通常是指這兩種方法同時發生或至少存在時間交疊。
對於根據本發明的、包括閾值方法和信號採樣的兩種原理的組合的
方法來說，可以從三種基本接收信號狀態開始
A) 測量信號小於噪聲電平或可能的幹擾信號。
這裡，因為在這種情況下，因噪聲而觸發不正確的測量，所以閾值 方法不起作用或者僅在有限程度上起作用。這裡，採樣方法可以根據針 對多個信號脈衝或雷射調製順序進行的均值計算和信號處理方法，來識 別噪聲中的信號。例如，對於已知發送脈衝形狀的情況來說，可以通過 數位訊號處理方法將信號從疊加有噪聲的接收信號中濾出。因此，還可 以在低於純閾值方法的檢測閾值的範圍中使用根據本發明的方法。該識 別方法也可以用於對由多個目標物的反射分量形成的接收信號的情況。
B) 信號大於噪聲電平，但仍小於接收電子設備的動態範圍。 在這種範圍中可以充分利用兩種方法。如果兩種方法並行工作(具
體地說，同時工作)，則可以識別閾值方法的不正確檢測，並由此可以降 低閾值，以使得在單一脈衝測量模式(即，還針對每一個脈衝執行測距) 下還可以增加工作範圍。共同使用兩種方法的結果可以使得準確度增加。 釆樣使得能夠確定脈衝長度和脈衝幅值，由脈衝長度和脈衝幅值可以推 導脈衝能量。可以將脈衝能量用於修正閾值方法的觸發點的時間位置的
相關性。這種誤差通常被稱為"距離徙動(rangewalk)"。這例如可以通 過修正表來實現，這代替了 "關於在現有技術中常見的參考距離，藉助 可變發送功率來校準系統"。如果接收器的非線性限制了測量的準確度， 則可以在使用閾值方法的情況下經由採樣方法對該準確度進行補償。
C) 接收到的測量信號大於接收電子設備的動態範圍。 閾值方法在這個範圍中工作，而採樣方法僅檢測低於接收電子設備
的飽和極限的有限信息。在測量信號的相應的邊沿斜率(Flankensteilhdt)的情況下，可能出現測量準確度受限於採樣間隔的結果。因而，也許不 再能夠或者僅能夠受限地使用這種信號形狀。然而，仍然可以對接收脈 衝的信號能量進行粗略估算，並且可以將所述粗略估算用於修正利用閾 值方法進行距離確定時的誤差(距離徙動)。
因此，兩種原理的組合使得能夠在檢測信號和推導距離信息時擴展 動態範圍，並且能夠使用附加信息(例如，脈衝能量)。因為應當針對電 光測距裝置最大化接收電路的動態範圍，以便能夠覆蓋儘可能多的應用 領域，所以這些方法的組合具有實質優點。
這些方法的組合還使得能夠簡化技術實現。因為減少了要被採樣系 統覆蓋的動態範圍大小，所以AD轉換隻需要很低的解析度，這使得較
低的複雜性或者說使得對組件提出較低要求成為可能。在操作狀態A)
中，因為這裡根據在信號累積的意義上計算的均值來實現必要的解析度， 所以同樣僅需要低解析度。主要必須針對與採樣速率和選定的脈衝寬度
有關的操作狀態B)來最優化AD轉換的解析度。
利用這些方法的組合，多個脈衝可以沿測量路徑同時行進，而不會 出現多義性或指配問題。接著，例如關於脈衝寬度對這些信號進行編碼， 並且可以藉助採樣和相應的信號處理向相關發送脈衝指配這些信號。
如果充分己知發送信號的脈衝形狀，則發送信號的直接採樣使得能 夠重新構造接收到的信號，並由此精確確定接收到的信號的位置。在最 簡單的實施方式中，例如，假定脈衝的重心是脈衝的中點。
根據本發明的、閾值方法和採樣方法的組合可以利用通過採樣而重 新構造的脈衝形狀，以便以計算方式修正閾值方法的、因不對稱脈衝或 接收脈衝的幅值變化而造成的誤差。接收到的信號的能量可以通過釆樣 方法來確定，並由此可以計算出閾值方法的上述所謂的距離徙動，艮P， 觸發時間或切換時間對信號功率的依賴性。例如，可以將獲取的有關脈 衝能量的信息用於按接收功率保持恆定的方式來控制布置在上遊的電學 或光學衰減器，由此在控制迴路中修正閾值方法的觸發點的移位。
如果通過發送脈衝形狀的無關聯變化使得發送脈衝頻譜的估算分量 與該發送脈衝譜充分無關，則通過選定頻率分量的相位確定來在頻率範圍中確定脈衝位置是有利的。
而且，在並行(同時)使用兩種方法的範圍中，可以識別閾^[方法 的不正確檢測，並由此可以顯著增加測量值的可靠性。
而且，可以通過閾值方法來識別掃描方法的不正確測量，或者至少 可以找出兩種方法的測量值的過度偏差，以便識別不正確測量。可能因 傳感器中的串擾或者因外場影響而產生這些誤差。誤差可能性檢測的好 處在於電磁串擾對於閾值方法和採樣方法的不同實現很可能具有不同 影響，並由此，不對稱導致電路中的不同誤差影響，其最後可以作為偏 差而被識別。
共同使用兩種方法的結果同樣使得準確度增加。在這種情況下，使 用共用的接收光學系統和共用的第一放大器級。接著，分離信號並且針 對兩種方法按最優化方式進一步處理該信號。因此，相對於並行工作的 兩個或更多個測距裝置，優點在於通過共同使用接收光學系統和接收 電子設備的部件可以實現簡化。通過這樣使用同一接收光學系統和接收 電子設備的部件，同樣可以最小化因信號路徑之間的溫度影響而造成的 渡越時間差。
另一優點是識別多個目標。採樣方法還可以在存在一個以上目標物 的情況下給出可靠距離值。即使在信號過調製(超出動態範圍)的情況 下，採樣方法也是可用的，可以將該採樣方法用作閾值方法的預觸發。 閾值方法的檢測機制僅在被指配目標物的時間窗中被激活(檢測激活)。
對於過載(超出動態範圍)的接收器來說，閾值方法仍然可以確定 信號位置，而對於充分準確的脈衝位置確定來說，採樣方法在信號沿上 沒有足夠的測量點，因為在這種工作情況下，採樣間隔限定了測量的不 確定性。因而，可以在不需要使用閾值方法的情況下，使採樣方法保持 更大的採樣速率。
關於裝置方面的設計而言，由AD轉換器覆蓋的動態範圍可以保持 得較小。而且，如果在要被採樣的信號上疊加了充分不相關的噪聲，則 在A)情況下的工作通過與其相關聯的平均化導致AD轉換器的^^辨率 上的實質增加。這種噪聲可能因接收系統、信號源、測量路徑的時變傳
8輸特性或背景輻射而造成。
如果例如要通過相位測量方法增加準確度或測量速率，則可以在發 送器側或源側實現從脈衝測量到連續信號的過渡。


下面，參照在圖中示意性示出的實施例，純粹示例性地更進一步說 明根據本發明的測距方法和根據本發明的測距裝置。圖中
圖1示出了根據現有技術的電光測距裝置的原理性示意圖2示出了根據現有技術的渡越時間測量方法的原理性示意圖3示出了根據現有技術的針對漫反射光信號的採樣方法的原理性 示意圖4示出了採樣方法的飽和問題的原理性示意圖； 圖5示出了根據現有技術的針對漫反射的光信號的閾值方法的原理 性示意圖6示出了閾值方法的閾值問題的原理性示意圖7示出了根據本發明的測距方法的原理性示意圖8示出了根據本發明的測距裝置的接收器的實施例的框圖；以及
圖9示出了根據本發明的測距裝置的實施例的框圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據脈衝渡越時間原理的現有技術的電光測距裝置1的 原理性示意圖。在該測距裝置l中設置有發送器2和接收器3。發送器2 發射光脈衝4a，該光脈衝在被目標(例如，逆反射器5)反射或漫反射 之後，再次被接收器3檢測為漫反射光脈衝4b。根據本發明，還可以代
替光脈衝使用連續調製的發送信號。
如圖2中的原理性示意圖所示，根據作為光脈衝4'的發射開始點S 與漫反射光脈衝4"的接收時刻之間的時間差的渡越時間T來確定距離。 通過估算信號脈衝s (t)的特徵(例如，根據超出信號閾值或者通過確 定積分的脈衝曲線的重心)來確定接收時間。如所述，對於閾值方法的
9情況來說，還可以使用其它方法來測量渡越時間T，舉例來說，將接收信
號轉換成雙極信號，並且隨後確定過零點(Nulldurchgang)。
圖3例示了根據現有技術的針對漫反射光信號的採樣方法的原理。 按不同時刻7或者說按對應的時間間隔，採樣接收到的信號6a或者說其 信號曲線(Signalverlauf)，以使得可以推導信號形狀。為了還能夠檢測 到信號脈衝s (0中的較大變化，在接收器側需要較大動態範圍，該動 態範圍準許對信號6a進行完全檢測或釆樣。否則，如果信號6b的部分 處於動態範圍的外部並且出現釆樣方法的飽和問題，則可能出現圖4所 示情況。在飽和極限以上，存在接收器的飽和區8，在該飽和區中，不能 獲得有意義的可用脈衝採樣值。接著，將信號6b的採樣限制在低於該飽 和極限的範圍內。特別是對於陡峭的邊沿斜率的情況來說，很難確定那 時的信號形狀和位置。
圖5例示了根據現有技術的針對漫反射光信號6c的閾值方法。為了 抑制噪聲、背景分量或例如因發送器信號路徑與接收器信號路徑之間的 光學或電學串擾而造成的系統性幹擾信號，並且為了將它們從檢測中排 除，使用檢測閾值9。低於這個檢測閾值9的信號強度s (t)不會導致生 成停止信號的鑑別器(Discriminator)使得接收單元做出響應，並由此不 會導致檢測。如果信號6c在其強度上超出檢測閾值9，則發生檢測，並
由此生成停止信號並且登記接收時間。因而，通過閾值方法提供的輸出 信號取決於接收信號或者說輸入信號對檢測閾值9的到達或超出。然而， 如圖6的示例所示，如果信號強度s (t)總是保持低於檢測閾值9'，則不 存在鑑別器的響應，並且不會檢測信號6d。閾值方法的這種閾值問題例 如將在可能使得所需閾值信號的閾值電平變得更大的較大測量距離或相 應的背景影響的情況發生。
圖7作為原理性示意圖示出了根據本發明的測距方法。根據本發明， 將閾值方法SWM的原理和釆樣方法ATM的原理組合，以使得可以利用 擴展的動態範圍EDB來獲取並且檢測漫反射信號6。與根據閾值方法 SWM檢測被目標物漫反射的光信號6並行地實施信號採樣，以識別漫反 射的光信號6並時間性地確定漫反射的光信號6的位置。閾值方法SWM
10和採樣方法ATM的動態範圍交疊以獲得擴展的動態範圍EDB，但也可以 實現彼此簡單相鄰的範圍。從而，在針對同一光信號的檢測期間，並行地 (具體地說，同時)針對低和高動態範圍，使用不同的檢測方法，高動態 範圍被閾值方法SWM覆蓋，而低動態範圍被釆樣方法ATM的信號採樣 覆蓋，以識別漫反射的光信號並時間性地確定漫反射的光信號的位置。
對於信號強度非常高的極端情況來說，仍然可以使用閾值方法 SWM，而對於信號強度非常弱的情況來說仍然可以通過採樣方法ATM 來實現檢測，並且可以提取信息。特別是對於具有小於10的信/噪比的弱 信號的情況來說，可以通過對檢測信號累積遠高於iooo個的脈衝的採樣 方法來增加信/噪比，並由此使得能夠進行測距。在信號強度的交疊區中， 兩種原理一起進行檢測並且實現改進的信號估算。
圖8示出了根據本發明的測距裝置的接收器的實施例的框圖。藉助 光電二極體APD接收並且利用低噪聲寬帶放大器APM1來放大由目標物 反射的光學信號。將所得電信號分成兩個信道並接著輸送到根據本發明 的、組合的檢測電路(下側的)和時間測量電路(上側的)。 一方面，借 助放大器級APM2將信號儘可能按線性方式放大，接著輸送至具有合適 的時間和幅值解析度的快速、信號解析的(signalaufl6send)模/數轉換器 電路ADC。將採樣數據實時處理或者在適當設計的電子硬體FPGA中以 管道方式處理，並且存儲在存儲器EPROM中或者輸出。對於弱信號的 情況來說，針對信號發射時間正確地累積接收到的信號，以使得針對多 個光信號按累積方式完成信號釆樣。在足夠大的且恰當編程的FPGA上 直接進行距離確定也是可實現的。例如，實時輸出距離和時間標記。
另一方面，將放大器AMP1的輸出信號並行輸送至鑑別器。如果接 收到的信號超過閾值，則激活觸發器單元，該觸發器單元結合形狀特徵 (Formmerkmal)根據接收到的信號生成開始或停止信號。布置在下遊的 時間測量電路TDC以幾皮秒的精度數位化這些觸發信號。
這樣，這些信號的時間差t與要確定的距離D是成比例的。在充分 已知測量信號的傳播速度c並且考慮到例如因基準距離而造成的系統性 誤差的情況下，如圖9所示，可以根據基本關係"=備。/來確定至被測物體的距離D。經由數據線路DATtdc和DATadc發送時間數字轉換器 TDC的採樣值和模/數轉換器電路ADC的採樣值以進行進一步處理。
圖9示出了根據本發明的測距裝置的實施例的框圖，根據本發明的 電路主要在按圖8說明的模塊AMP和WFD中實現。通過具有電源PSP 的控制單元ICTRL來控制具有全部模塊的測距裝置的功能序列，在時間 上高度解析的序列由具有ppm準確度的中央石英振蕩器來限定。頻率生 成器GEN生成一方面同步化光電發送器LAS 、另 一方面同步化模塊AMP 和WFD的相應信號。發射的雷射信號順序或同時通過內部光路(e')和 外部光路(e) + (r)。外部光路朝向要測量的目標物定向。內部光路按已 知方式被用於校準絕對距離。對於同時測量兩個光路(e')和(e)的情 況來說，將接收到的信號(e' + e)投射在接收器AMP上。光電接收器 單元AMP例如具有圖8的模塊AMP1、 AMP2以及鑑別器，處理單元 WFD具有根據閎值方法和釆樣方法或掃描方法的時間測量電路的兩個模 塊。因而，接收器具有低和高動態範圍，該低動態範圍由作為檢測單元 的閾值相關模塊提供，而該高動態範圍由作為採樣單元的釆樣方法的模 塊提供。如果兩個時間測量信道同時激活，則例如可以在完成確定信號 強度之後選擇最佳距離估算方法。對於具有中等信號強度的幅值的情況 來說，低動態範圍和高動態範圍交疊。在這種情況下，因為檢測和估算 方法並行激活並且信號信息可以被有利地組合處理，所以可以同時充分 地使用兩種方法。
接收單元AMP的兩個輸出信號CH1和CH2對應於根據本發明的測 距方法的兩個信號。將信號CH1發送至根據閾值方法的測距單元，而信 號CH2通過對應的採樣單元的快速模/數轉換器來獲取。根據本發明的具 有擴展動態範圍WFD的測距單元的模塊，按所述方式獲取針對至少一個 目標物的時間間隔和信號數據。經由控制單元ICTRL的接口輸出該結果 和其他數據。該控制單元ICTRL計算最終距離和/或考慮如距離徙動 (range walk)、溫度或氣壓影響的任何修正。該數據可以經由EXT/CTRL 連接而向外部輸出。
權利要求
1、一種測距方法，該測距方法至少包括以下步驟·向目標物(5)發射至少一種光信號，具體地說是雷射；·檢測被所述目標物(5)漫反射的所述光信號(6)；·推導到所述目標物(5)的距離；其特徵在於，在檢測低動態範圍和高動態範圍時針對同一所述光信號(6)並行地、具體地說是同時地使用不同的檢測方法，其中，-所述高動態範圍由閾值方法來檢測，而-所述低動態範圍由用於識別漫反射的所述光信號(6)並在時間上確定該光信號的位置的信號採樣來檢測。
2、 根據權利要求1所述的測距方法，其特徵在於，針對多個光信號(6)累積地實施所述信號採樣。
3、 根據權利要求1或2所述的測距方法，其特徵在於，按脈衝形式發射所述光信號，並且藉助脈衝渡越時間測量方法來實施所述推導。
4、 根據權利要求3所述的測距方法，其特徵在於，在發射期間，發 射一系列光脈衝(4')，並且針對各個所述光脈衝(4')推導至少一距離。
5、 根據權利要求1或2所述的測距方法，其特徵在於，通過連續調 制而發射所述光信號，並且藉助相位測量方法來實施所述推導。
6、 根據前述權利要求中的任一項所述的測距方法，其特徵在於，確 定漫反射的所述光信號(6)的幅值或能量，尤其用於計算所述閾值方法 的切換點對漫反射的所述光信號(6)的幅值或能量的依賴性。
7、 一種電光測距裝置，該電光測距裝置至少包括，光束源(LAS)，該光束源向目標物(5)發射至少一光信號，具 體地說是雷射；，接收器(APD)，該接收器檢測被所述目標物漫反射的光信號(6)，該接收器包括。閾值相關檢測單元，禾口。採樣單元(WFD)，其對所述漫反射的光信號(6)進行採樣；*控制和估算組件，其推導到所述目標物(5)的距離； 其特徵在於，所述接收器具有低動態範圍和高動態範圍，由所述閾 值相關檢測單元來檢測所述低動態範圍，而由所述採樣單元(WFD)來 檢測所述高動態範圍。
8、 根據權利要求7所述的測距裝置，其特徵在於，按接收功率保持恆定的方式來控制設置在所述接收器上遊的電學或光學衰減器。
9、 根據權利要求7所述的測距裝置，其特徵在於，按接收功率保持恆定的方式來控制信號源。
10、 根據權利要求7、 8或9所述的測距裝置，其特徵在於接收光學 系統和/或放大器級被共同用於所述閾值相關檢測單元和所述採樣單元(WFD)。
11、 根據權利要求7到10中的任一項所述的測距裝置，其特徵在於， 所述輻射源(LAS)被設計用於發射連續調製的光信號，並且所述控制 和估算組件被設計為相位測量裝置。
12、 根據權利要求7到10中的任一項所述的測距裝置，其特徵在於， 所述輻射源(LAS)被設計用於發射脈衝化的光信號，並且所述控制和 估算組件被設計為渡越時間測量裝置。
全文摘要
為了推導到目標物的距離，在至少包括向目標物上發射至少一光信號的發射步驟和檢測被該目標物漫反射的光信號(6)的檢測步驟的光電測距方法中，在檢測低和高動態範圍時針對同一光信號(6)並行地使用不同檢測方法，其中，該高動態範圍由閾值方法來檢測，而該低動態範圍通過用於識別漫反射的光信號(6)並在時間上確定該光信號的位置的信號採樣來檢測。
文檔編號G01S17/10GK101490579SQ200780026874
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月13日 優先權日2006年7月17日
發明者克努特·西爾克斯 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司