通过采样时刻的变化进行ADC误差补偿的激光测距模块制造技术

通过采样时刻的变化进行ADC误差补偿的激光测距模块。本发明专利技术涉及用于利用模数转换器进行快速信号检测的测距方法和电子激光测距模块，其特别是用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的测距装置中，其中，在信号数字化的背景下出现的转换误差(特别是ADC的定时、增益以及偏移误差)借助于采样时刻的变化加以补偿。

【技术实现步骤摘要】
通过采样时刻的变化进行ADC误差补偿的激光测距模块
本专利技术涉及用于利用模数转换器(ADC)进行快速信号检测的测距方法和电子激光测距模块，其特别用于测距装置(例如用于激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪)中，其中，在信号数字化的背景下出现的转换误差(特别是所述ADC的定时、增益以及偏移误差)借助于采样时刻的变化加以补偿。
技术介绍
在电子和光电测距领域已知各种原理和方法。一种方法包括向待测量目标发射脉冲电磁辐射(例如，诸如激光)，并且接收来自作为反向散射物体的目标的回波，其中，例如可以基于该脉冲的飞行时间、形状、和/或相位，来确定离待测量目标的距离。这种激光测距装置在作为许多领域中的标准解决方案期间得到认可。通常使用两种不同的方法或其组合来检测反向散射脉冲。所谓的阈值方法涉及如果入射在所使用的测距装置的检测器上的辐射的强度超过某个阈值，则检测光脉冲。所述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，作为发射脉冲的反向散射光。另一种方法是基于反向散射脉冲的采样。这种方法通常用在弱反向散射信号(例，如脉冲信号)的情况下，例如，诸如由相对大测量距离引起，或者通常用于提高测量准确度。依靠对由检测器检测到的辐射进行采样的事实来检测发射信号，在采样区内识别信号，并且最后，在时间上确定该信号的位置。通过与发射率同步地使用多个样本和/或接收信号的总和，甚至在不利情况下也可以识别有用信号，使得可以应付甚至相对大距离或背景场景，这些场景嘈杂或者受干扰所困扰。现今，通常借助于波形数字化(WFD)方法对检测器检测到的辐射的模拟信号的整个波形进行采样。在识别所接收信号的关联发送信号(ASK、FSK、PSK等)的编码之后，信号飞行时间(“脉冲飞行时间”)根据经采样、数字化并重建的信号的限定分布点(例如，拐点、曲线最大值)被非常准确地确定，或者借助于从时间插值已知的最佳滤波被整体地确定。作为确定脉冲飞行时间的另选方案或者除其以外，通常还关于在幅值、相位、极化、波长和/或频率方面编码或调制的脉冲或脉冲序列实现(快速)采样。在对反向散射信号进行时间上非常精确的采样的方法中，由检测器生成的电信号借助于模数转换器(ADC)被转换成数字信号序列。然后，对所述数字信号进一步实时处理。在第一步骤中，通常调制为脉冲的信号由特定数字滤波器识别，并且最后，确定其在该信号序列内的位置。通过利用多个采样脉冲序列，甚至在不利情况下也可以识别有用信号，使得可以应付甚至相对大距离或背景场景，这些场景嘈杂或者受干扰所困扰。最简单的调制类型之一是根据距离编码来识别各个脉冲或脉冲序列，举例来说，如在EP1832897B1中所述的。这例如被用于重新识别的目的。如果出现模糊，则这种重新识别是必要的，模糊可能因脉冲飞行时间测量期间的各种情况引起，例如，如果一个以上的脉冲或脉冲组位于测量装置与目标物体之间。在快速模数转换器(ADC)中，结合信号幅值的高分辨率(例如，1GS/s，14比特)的高采样率例如通过生成多个ADC转换级来实现，例如通过：·使多个慢ADC转换级在时间上交织(“交织”)，·按级量化采样信号幅值(“流水线”、“流水线化”)，或·多个ADC转换级的信号样本的组合多级量化。在这些架构的情况下，尽管经过仔细的内部校正，但仍会出现典型架构误差。所述误差随时间和温度而变化。在交织ADC的情况下，该误差特别是由于不同ADC转换级在偏移、增益以及定时方面没有完全相同的特性而出现。结果，典型误差特别表现为：·偏斜(不同ADC转换级或ADC的采样时刻之间的定时误差)；·增益(内部ADC内核组件之间的不同增益因子。该信号通常在ADC中被放大和/或缓冲)；·偏移(ADC转换级的内部输出的不同DC电平)。在流水线化ADC的情况下，典型误差通常表现为微分非线性DNL和积分非线性INL。DNL和INL是在将模拟信号值转换成数字(整数)值期间的误差，例如，因随着步骤变得越来越精细/分辨率变得越来越高而在流水线化ADC中按级量化所引起。INL误差本质上是低于要转换的信号电平的DNL误差的所有贡献的部分总和，并且可以获得多个LSB(“最低有效位”)。因此，即使在信号值适度波动的情况下，INL误差特别是对数字化信号波形准确度有严重的影响。数字化信号波形不再对应于原始模拟信号波形。借助于ADC组件的内部校正，这些DNL和INL误差可以被部分地最小化，但是没有被消除，并且外部校准(其可以通过测量和记录残留误差来实现)可随时间变化并且例如高度依赖于温度。在测距期间，作为各个ADC转换级的误差的结果，在距离上，采样/样本模式的距离出现周期性距离误差。数字信号脉冲的边缘通过偏移时的转换误差恶化，其结果是信号脉冲的位置可能相对于时间轴移位。即使在具有起始和停止脉冲或者起始和停止信号序列的测距系统中，也可能发生测量距离的误差。举例来说，情况是，如果起始脉冲具有处于中等调制范围内的幅值，而停止脉冲具有处于低幅值范围内的幅值，其中，作为INL支配的形状畸变的结果，例如，两个脉冲不同地畸变，并且绝对距离恶化。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供一种同时具有高测量准确度和高距离分辨率的改进测距。在这种情况下，本专利技术的一个具体目的是提供一种用于信号数字化的改进方法和改进系统。此外，本专利技术的另一特定目的是在快速ADC中提供改进的误差补偿，特别是用于交织ADC。这些目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。按另选或有利方式开发本专利技术的特征可以根据从属专利权利要求来获得。本专利技术涉及一种用于确定离目标物体的距离的测距方法，该测距方法特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的激光测距装置，所述测距方法包括以下步骤：发射特别为脉冲发送信号的发送信号作为发送信号序列；接收发送信号序列中的所述发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列中的接收信号；借助于模数转换器(下文中称为ADC，特别是交织ADC或流水线化ADC类型)将所述接收信号序列中的接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号，其中，ADC采样模式由至少两个ADC转换级生成；以及处理所述数字信号序列，以便由其导出离所述目标物体的距离；特别是，其中，所述距离的确定基于脉冲飞行时间方法。紧接在开始记录接收信号之后，ADC恒定地提供均具有时钟周期的时间间隔的数字值，并且该硬件支配的ADC采样模式限定了接收信号的初始信号采样模式。所述发送信号被重复多次或者反复重复，按时间上连续移位的方式对该发送信号序列进行采样，并且出现二次信号采样模式。该多个二次数字接收信号在所述ADC时钟间隔内呈现不同相对时间位置。如果所述时间移位与所述时钟间隔的商是有理数，则过采样在限定时间之后被重复，并且包括以相同相位采样的限定数量的接收信号。这具有以下优点：这些相同类型的信号可以被联合处理(例如，累积)，并接着可以视为评估中的单个精细采样的接收信号。在这种情况下，由ADC转换误差所产生的误差在很大程度上彼此抵消，其中，特别是在多个ADC转换级的背景下考虑发送脉冲相对于采样模式的相对时间移位是至关重要的，例如，在发送脉冲的相同采样点由多个ADC转换级检测的意义上。一种另选评估方法按如下方式基于全部所述初始数字信号序列和二次数字信号序列进行处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定离目标物体的距离的测距方法，所述测距方法特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的激光测距装置，所述测距方法包括以下步骤·发射特别是脉冲发送信号的发送信号作为发送信号序列，·接收所述发送信号序列中的所述发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列(17)中的接收信号(16A、16B)，·借助于模数转换器将所述接收信号序列中的所述接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号(11、14A、14B)，所述模数转换器在以下称为ADC，特别是为交织ADC或流水线化ADC型，ADC采样模式(18)由至少两个ADC转换级(22A、22B、22C、22D)生成，以及·处理所述数字信号序列，以便导出离所述目标物体的距离，特别是，其中，所述距离的确定基于脉冲飞行时间方法，其中·所述ADC采样模式(18)相对于接收信号限定具有所述接收信号的至少一个初始采样点(20、20A、20B)的初始信号采样模式(19)，并且·所述接收信号序列(17)中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)在时间上移位：所述至少一个初始采样点(20、20A，20B)由第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次，特别是，其中，所述接收信号序列(17)中的接收信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述接收信号的多个二次采样点(21)，所述二次采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。...

【技术特征摘要】
2016.12.21 EP 16206010.71.一种用于确定离目标物体的距离的测距方法，所述测距方法特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的激光测距装置，所述测距方法包括以下步骤·发射特别是脉冲发送信号的发送信号作为发送信号序列，·接收所述发送信号序列中的所述发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列(17)中的接收信号(16A、16B)，·借助于模数转换器将所述接收信号序列中的所述接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号(11、14A、14B)，所述模数转换器在以下称为ADC，特别是为交织ADC或流水线化ADC型，ADC采样模式(18)由至少两个ADC转换级(22A、22B、22C、22D)生成，以及·处理所述数字信号序列，以便导出离所述目标物体的距离，特别是，其中，所述距离的确定基于脉冲飞行时间方法，其中·所述ADC采样模式(18)相对于接收信号限定具有所述接收信号的至少一个初始采样点(20、20A、20B)的初始信号采样模式(19)，并且·所述接收信号序列(17)中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)在时间上移位：所述至少一个初始采样点(20、20A，20B)由第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次，特别是，其中，所述接收信号序列(17)中的接收信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述接收信号的多个二次采样点(21)，所述二次采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。2.根据权利要求1所述的测距方法，其中所述发送信号基于发送时钟被发射，并且所述接收信号基于ADC时钟被检测，其中，在测量处理的背景下满足以下条件中的至少一个：·所述发送时钟相对于所述ADC时钟是异步的，·所述发送时钟的周期持续时间和/或所述发送信号的周期持续时间不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间或者不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间的整数倍，以及·与所述发送时钟频率和/或与所述发送信号的重复率相对应的发送周期Ts被给出为Ts＝(n+q)*TADC，其中，n是整数，q是绝对值<1的分数，并且TADC是所述ADC时钟信号的周期持续时间，其中，针对所使用的ADC转换级的数量c，满足条件n模c≠0。3.根据前述权利要求中的任一项所述的测距方法，其中所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，其中，第一时间移位的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：·由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个对所述至少一个初始采样点进行采样的限定最小数量，·用于确定所述距离的限定测量准确度，·所述接收信号的测量信号值，以及·预定义测量时间。4.根据前述权利要求中的任一项所述的测距方法，其中所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，结果是，通过限定数量的二次采样点(21)对采样范围进行采样，其中，二次采样点的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：·相互不同的二次采样点的限定最小数量，特别是基于由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个对每个二次采样点进行采样的最小数量，·用于确定所述距离的限定测量准确度，·所述接收信号的测量信号值，以及·预定义测量时间。5.根据前述权利要求中的任一项所述的测距方法，其中所述发送信号的作为基准信号序列(17)中的基准信号的至少部分经由具有已知不变长度的基准部分传递并借助于所述ADC被数字化，特别是借助于在处于已知不变距离的目标物体处的反射或者不需要在所述目标物体处的在前反射，特别是，其中，所述基准部分完全在所述激光测距装置内延伸，其中·所述ADC采样模式(18)相对于基准信号限定具有所述基准信号的至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)的初始基准采样模式(19)，并且·所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于所述第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，使得所述至少一个初始基准采样点由所述第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由所述第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次，特别是，其中，所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于所述第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述基准信号的多个二次基准采样点(21)，所述二次基准采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始基准采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样，其中·基于所述数字化基准信号导出用于所述发送信号序列的基准发送时刻，·基于系统时钟导出用于所述发送信号序列的系统发送时刻，以及·基于所述基准发送时刻和所述系统发送时刻，导出用于确定所述第一时间移位和/或第二时间移位的基准时间信息，所述基准时间信息在确定所述接收信号序列的接收时刻和/或确定离所述目标物体的距离期间加以考虑。6.根据前述权利要求中的任一项所述的测距方法，其中如下生成相对时间移位·借助于使所述发送信号的所述发送时刻移位，和/或·借助于使所述接收信号的所述采样时刻移位。7.根据前述权利要求中的任一项所述的测距方法，其中·所述发送信号基于发送时钟被发射，并且发送信号的初始相对发射时刻相对于所述发送时钟被限定，和/或·所述接收信号基于接收时钟被检测，并且用于控制用于检测一系列接收信号的ADC的ADC时钟由所述接收时钟限定，其中·所述发送信号的相对于所述初始相对发射时刻在时间上移位的至少一个二次相对发射时刻借助于第一移相器被生成，和/或·所述ADC时钟借助于第二移相器相对于所述接收时钟在时间上移位。8.一种用于确定离目标物体的距离的电子激光测距模块，所述电子激光测距模块特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的测距装置中，所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·沃尔格南特，S·贝斯特勒，J·辛德林，
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