光电测距仪及距离测量方法技术

光电测距仪及距离测量方法。本发明专利技术涉及光电测距仪(1)和距离测量方法，其中，借助于以脉冲速率发射的辐射脉冲(12、13)基于行进时间来测量到目标(100)的距离。借助于采样对所接收的辐射脉冲(13)进行数字化，其中，根据脉冲速率(P、22)来设置采样速率(S)，其中，基于对多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样而生成数字化信号(13D)。

Photoelectric distance meter and distance measurement method

【技术实现步骤摘要】
光电测距仪及距离测量方法
本专利技术涉及一种光电测距仪以及用于距离测量的方法。
技术介绍
在电子和/或光电距离测量领域中已知多种原理和方法。一种方法是朝向要确定到其的距离的待测量目标发射脉冲电磁辐射，例如激光，并且随后从作为反向散射对象的该目标接收回波。为了使得目标对象上用于测量的点可识别，在这种情况下可以使用可见光。通过光敏元件在装置中将反射的光辐射转换成电信号。在这种情况下，用于射束形成、偏转、滤波等的光学部件-例如透镜、波长滤波器、反射镜等-通常位于光发射和/或接收路径中。例如，可以基于脉冲的行进时间(runtime)或发射模式和/或调制周期内脉冲的相位来确定到要测量的目标的距离。这种激光测距仪现在已经作为许多领域中的标准解决方案而变得广泛，例如在大地测量或工业勘测领域，例如以全站仪、激光扫描器、EDM或激光跟踪器的形式。由于光辐射在自由空间中的传播速度较高，因此为了实现对应高准确度的距离测量，对针对距离测量的时间分辨率能力的要求相当高。例如，在进行典型的距离测量时，对于1mm或显著更小的距离分辨率需要具有至少大约6.6ps的准确度的时间分辨率。为了拥有尽可能清晰的接收信号，期望有尽可能高的输出功率，因此可以精确地对其进行分析。然而，对于这里讨论的光电装置，关于可以发射的信号功率预先确定了极限。因此，在发射激光的情况下，眼睛的安全性确定了可以发射的最大允许平均信号功率。尽管如此，为了获得接收器可以检测到的足够强的信号强度以用于测量，因此优选使用脉冲操作。发射具有高峰值功率的短脉冲，随后暂停而不发射信号。因此，脉冲的反射分量具有足够高的强度，以能够根据背景干扰和噪声，尤其是在存在背景光(阳光、人工照明等)时，以高信噪比对它们进行评估。具有与系统同步的高峰值功率的脉冲或调制序列的已知光源例如是与光放大器结合的电子脉冲激光二极管或超辐射发光二极管。所有这些光源的缺点在于，脉冲长达数百皮秒，并且在对粗糙的自然表面进行测量的情况下，由于空间和色彩不规则性而生成通常为0.1mm至2mm的距离测量误差。已知品质切换(调Q)固态激光器，其具有高达200ps范围的相当短的脉冲和几兆赫的脉冲速率。相反，一个缺点是脉冲速率的按时间顺序(chronological)的噪声，这通常是脉冲间隔的1％至5％。在精确的距离测量系统中处理这种不规则性需要复杂的装置和对应需求的分析方法。具有稳定频率梳激光器的测距仪在使用脉冲操作的干涉式距离测量领域中也是已知的，例如从DE102009012646A1中已知。这些测距仪包括用于高精度距离测量(ppm准确度)的可调谐谐振器，以稳定脉冲速率或脉冲频率(通常在100fs左右的脉冲长度)，从而以ppm准确度对其进行调节，并且其CEP(载波包络相位)稳定。这种稳定实现了光波长和相位的一致性。然而，这种装置和/或方法也具有高复杂性和伴随此的高生产、使用和维护费用的缺点。为了确定信号的行进时间，一方面已知所谓的相位测量原理，其通过比较发射信号与接收信号的幅度调制的相位来确定信号行进时间。另一方面，已知所谓的飞行时间(TOF)法，其确定光脉冲的发射与接收之间的时间，其中，基于脉冲形式的侧边、峰值或另一特征来执行时间测量。在这种情况下，脉冲形式被理解为接收信号的按时间顺序的光强度曲线，特别是由光敏元件获取的接收光脉冲的按时间顺序的光强度曲线。在这种情况下，可以基于施加到发射器的信号的电触发脉冲或者基于上述的参考信号来确定发射的时间点。在这种情况下，如果信号行进时间超过脉冲发射速率的倒数并且因此在装置与测量对象之间同时进行多个相同的信号，则在距离测量中可能出现模糊，由此接收脉冲不再能够明确地与其相应的发射脉冲相关联。因此，在没有进一步测量的情况下，不清楚作为除法余数(divisionremainder)的距离或部分距离是否是通过发射脉冲周期测量出的。通常使用两种不同的方法或其组合来检测反向散射脉冲。在根据所谓的阈值原理的飞行时间法中，当入射在所利用的测距装置的检测器上的辐射的强度超过特定阈值时，检测到光脉冲。该阈值防止来自背景的噪声和干扰信号被错误地检测为有用信号，即，被检测为发射脉冲的反向散射光。飞行时间法的另一方法基于反向散射脉冲的采样。通常在弱反向散射信号(例如脉冲信号)的情况下使用这种方法，例如，由更大的测量距离产生的信号，或者通常用于提高测量准确度。通过对由检测器获取的辐射进行采样、识别采样范围中的信号并最终按时间顺序确定信号的位置来检测发射的信号。通过使用与发射速率同步的多个采样值和/或接收信号的总和，也可以在不利情况下识别有用信号，从而也可以对更大的距离或有噪声或受到干扰的背景场景进行管理。在按时间顺序非常精确地对反向散射信号进行采样的方法的情况下，借助于模数转换器(ADC)将由检测器生成的电信号转换成数字信号序列。在快速模数转换器(ADC)中，与信号幅度的高分辨率(例如，1GS/s，14比特)相结合地实现高采样速率，例如，通过生成多个ADC转换步骤，例如，通过多个慢速ADC转换步骤按时间顺序的交错、采样信号幅度的逐步量化(“流水线”)或者多个ADC转换步骤的信号采样值的多步骤量化的组合。这种ADC和/或这种方法具有高复杂性的缺点，这也反映在高生产成本中。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种简单或简化的测距仪和距离测量方法，使用该测距仪和距离测量方法能够实现高精度的、尤其是绝对的距离测量。通过实施独立权利要求的特征来实现该目的。可以从从属专利权利要求中推断出以另选的或有利的方式改进本专利技术的特征。本专利技术涉及用于距离测量的方法。在距离测量方法的范围中，优选地以至少1MHz的脉冲速率来执行脉冲光辐射的发射。在该情况下，优选地由频率梳激光器生成辐射。此外，使用光敏电接收元件接收从目标对象反射的光辐射的一部分并将其转换成电接收信号，以一定采样速率对可选地经过滤的接收信号进行采样，从而基于在该情况下生成的采样点生成数字化信号，并且执行对数字化信号的分析来确定发射与接收之间的信号行进时间，以基于该信号行进时间确定距离。在该情况下，根据脉冲速率来设置采样速率，其中，优选地，采样速率至少是脉冲速率的十倍。此外，在多个所接收的辐射脉冲上进行采样。优选地，为此目的，尤其是逐步地测量脉冲速率，并且根据所测量的脉冲速率尤其是逐步地设置采样速率。在该情况下，可选地还借助于外部和/或独立的时基(timebase)(例如，使用计数器)来绝对地确定得到的采样速率。另选地，基于预定的时钟速率，尤其是逐步地设置脉冲速率以及与其相适应的采样速率，其中，例如借助于独立的时钟发生器来生成时钟速率。采样速率优选地被设置成与脉冲速率成比率，使得采样速率和脉冲速率相对于彼此相位锁定。在该情况下，采样速率优选地被设置成脉冲速率的非整数倍，其中，例如，以下中的任一项适用于采样速率与脉冲速率的比率：采样速率＝脉冲速率*(N+1/x)或：采样速率＝脉冲速率*(N-1/x)，其中，N是自然数，并且x是多个所接收的辐射脉冲。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于距离测量的方法，所述方法包括：/n■以脉冲速率(P、22)发射脉冲光辐射(12)，尤其是其中，所述脉冲速率(P，22)为至少1MHz和/或由频率梳激光器(2)生成所述辐射(12)，/n■使用光敏电接收元件(4)接收从目标对象(100)反射的光辐射(13、13a、13b)的一部分并将其转换成电接收信号(13a、13b、13c...13x)，/n■以采样速率(S)对所述接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样，从而基于在该情况下生成的采样点(18a、18b、18c...18x)生成数字化信号(13D)，/n■对所述数字化信号(13D)进行分析以确定发射与接收之间的信号行进时间，以基于所述信号行进时间确定所述距离，/n其特征在于，/n根据所述脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)，并且在多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c....13x)上执行用于生成所述数字化信号(13D)的采样。/n

【技术特征摘要】
20181122 EP 18207757.81.一种用于距离测量的方法，所述方法包括：
■以脉冲速率(P、22)发射脉冲光辐射(12)，尤其是其中，所述脉冲速率(P，22)为至少1MHz和/或由频率梳激光器(2)生成所述辐射(12)，
■使用光敏电接收元件(4)接收从目标对象(100)反射的光辐射(13、13a、13b)的一部分并将其转换成电接收信号(13a、13b、13c...13x)，
■以采样速率(S)对所述接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样，从而基于在该情况下生成的采样点(18a、18b、18c...18x)生成数字化信号(13D)，
■对所述数字化信号(13D)进行分析以确定发射与接收之间的信号行进时间，以基于所述信号行进时间确定所述距离，
其特征在于，
根据所述脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)，并且在多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c....13x)上执行用于生成所述数字化信号(13D)的采样。


2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述采样速率(S)至少是所述脉冲速率(P、22)的十倍。


3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
测量所述脉冲速率(P、22)，并且根据所测量的脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
基于尤其是借助于独立的时钟发生器(7)生成的预定时钟速率来设置所述脉冲速率(P、22)以及与所述脉冲速率(P、22)相适应的所述采样速率(S)。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述采样速率(S)被设置成与所述脉冲速率(P、22)成比率，使得
■所述采样速率(S)是所述脉冲速率(P、22)的非整数倍，尤其是其中，对于所述采样速率(S)与所述脉冲速率(P、22)的比率，以下中的任一项适用：采样速率＝脉冲速率*(N+1/x)，或者采样速率＝脉冲速率*(N-1/x)，其中，N是自然数，和/或
■所述采样速率(S)小于接收单元的带宽。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
通过以下方式来生成所述数字化信号(13D)，
■将多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的所述采样点(18a、18b、18c...18x)累加，尤其是与各接收信号(13a、13b、13c...13x)无关地累加，和/或
■使用多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的所述采样点(18a、18b、18c...18x)来优化描述所述信号(13D)的至少一个多项式的参数值。


7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
使用在多个即x个和Mx个采样点(18a、18b、18c...18x)之后重复的所述采样点(18a、18b、18c...18x)来生成所述数字化信号(13D)，其中，M是自然数。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述采样速率(S)
■被设置成相对于所述脉冲速率(P、22)偏移小于1/x的分数，尤其是至多百万分之一，和/或
■以算法方式进行设置。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
为了避免距离确定中的模糊，执行对辐射脉冲序列(22)的离散和/或模拟调制(23)，尤其是其中，为此目的，对发射与接收之间的辐射脉冲(12、13)的数量进行确定。


10.一种光电测距仪(1)，尤其是激光测距仪，所述光电测距仪(1)包括：
■辐射源，所述辐射源用于以脉冲速率(P、22)生成脉冲辐射(12)，
■物镜(14)和光敏部件(4)，尤其是光电二极管，...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷托·施图茨，J·辛德林，A·沃尔泽，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH