单通道外差距离测量方法技术

本发明专利技术涉及单通道外差距离测量方法。根据本发明专利技术，可以通过使用至少两个脉冲重复频率来广播脉冲电磁辐射（ＥＳ）而执行高精度的距离测量，将这些脉冲重复频率选择为使得对应的脉冲间隔在最大外部测量范围的数量级范围内不具有公倍数。因此，既通过装置外部的测量路径向测量目标发射辐射，又通过装置内部基准路径（６）发射辐射，由此，沿基准路径（６）传送来的辐射（ＩＳ）限定至少一个起始脉冲，沿测量路径传送来的辐射（ＥＳ）限定至少一个停止脉冲。接收从目标散射回的辐射（ＥＳ）和沿基准路径传送来的辐射（ＩＳ），并且将它们转换成接收信号，由此确定距至少一个目标的至少一个距离。并行地记录从目标散射回的辐射（ＲＳ）和沿基准路径（６）传送来的辐射（ＩＳ），从而使得接收信号包括从目标散射回的辐射（ＲＳ）的分量和沿基准路径传送来的辐射（ＩＳ）的分量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分所述的距离测量方法、根据权利要求9的前序部分所述的距离测量装置以及计算机程序产品。
技术介绍
在电子距离测量领域中，已知多种原理和方法，测量的两种基本光电原理体现为相位计(phase meter)和渡越时间计(transit time meter)。这两种原理都具有优点和缺点，并且用于多种大地测量装置中。因此，例如，因为相位计具有精度高且设计紧凑(这有利于集成在望远镜中)的优点，所以大地测量中使用的诸如经纬仪或准距仪的测量装置主要配备有相位计。在相位测量技术中，按范围在几MHz到几百MHz的重复频率发射光脉冲(通常为方波信号)。除了LED以外，峰值功率为几mW的常规CW激光二极管也可以用作这种用途的光源。使用相位计，平均发射能量足够高，并且目标上的激光点的可见性对于要测量的距离来说不是问题。对于距离测量来说，将发射信号的相位位置与返回信号的相位位置进行比较。相移与测量距离成比例。对由光电二极管接收的RF信号进行放大，并且借助于由锁相环(PLL)控制的本机振荡器信号将其忠实于相位地下变频到较低频带。作为对按GHz范围的采样率进行高频信号采样的替代，采用低频接收器信号要容易得多。在此，在低频(LF)范围中的采样和模拟到数字转换更简单、更精确、并且电流消耗有数量级上的降低。在常规相位计中，仅使用基谐波或下变频LF信号。为了将相位测量系统的确定度(unambiguity)从米的范围扩展到千米的范围，除了精细距离测量以外，还通常执行使用较低调制频率的一种或更多种粗略距离测量。为了实现足够的绝对精度，通常接连地测量内部光路(校准或参考路径)和外部光路(测量路径)。这样，可以在电子装置中校准渡越时间的变化。还可以通过两个相同的并行接收通道来实现对渡越时间变化的校准。在相位计仅具有高信号分离度的2个通道的情况下，精确的距离测量是可能的。相位计的优点尤其在于设计简单、在LF级进行测量、并且可使用可靠的束源。由于因光串扰造成的信号叠加而导致的测量距离失真被证明是不利的，从而需要高度抑制的显著通道分离。由此，精确的距离测量需要发送通道与接收通道之间的严格信号分离，在紧凑设计的望远镜中，这是非常难于实现、复杂且昂贵的。此外，在测量光束中应当只有一个目标，因为否则除了精细距离测量误差以外还可能出现粗略距离测量中的误差。对于较长的距离，需要至少一个粗略测量和一个精细测量。使用简单的频率概念，单通道测量原理(即没有光路切换或通道切换的单通道测量原理)是不可能的。渡越时间计没有严格信号分离的缺点，但是它们的测量精度对于大地测量来说常常是不够的，尤其是对于需要亚毫米级精度的情况常常是不够的。在根据该原理工作的测距仪的情况下，同样发射光脉冲，通过适当的光学措施对该光脉冲进行分割，从而使得光的一部分通过内部光路(校准路径)直接传到接收器，而光的剩余分量从装置通过外部光路发送。该外部分量到达某距离(要测量的距离(＝测量距离))之外的目标，并且从那里反射回来，通过适当的光学系统传到同一接收器，适当的是，接收器是具有降频电路(down-circuit)放大器的光电二极管。经由内部光路传送的光脉冲在接收器中产生参考脉冲，在下文中将其称为起始脉冲。经由外部光路(测量距离)传送的光脉冲在接收器中产生所谓的测量脉冲，在下文中将其称为停止脉冲。因为内部光路的长度和外部光路的长度不同，所以两个光脉冲在不同时间抵达接收器。起始脉冲与停止脉冲之间的时间差称为渡越时间，其与内部光路和外部光路之间的长度差成比例。要测量的时间差非常小，即，为了达到适合于实用距离测量系统的毫米或亚毫米级的测地精度，必须极其精确地确定它们。为了确定渡越时间，至少将接收的信号数字化，为此需要采样率在GHz范围的非常复杂的高频电子电路。此外，仅在停止脉冲抵达了接收器之后才由发送器发射光脉冲。为了能够确保几千米的确定度，这需要几十kHz的相对较低的脉冲重复频率。为了能够以这种低脉冲重复频率发射足够大的光能以使得激光点可以容易地可视或者使得可以进入对眼睛安全的限度(激光器类2)，根据脉冲宽度，峰值功率必须处于几十W到1KW的范围内。单通道渡越时间测量的优点在于因为起始脉冲和停止脉冲在短时间内接连发生并且经历相同的渡越时间，所以不存在时间偏移，因为停止脉冲仅在串扰脉冲之后发生，所以对光串扰不敏感，并且省略了对于内部光路和外部光路的不必要的可切换光学部件。然而，渡越时间测量的缺点尤其在于对RF信号的采样和时间测量非常复杂，并且光束源很复杂，这也是难以处理的(例如，具有优质调制的微芯片激光器)。不利的是，具有高峰值功率的半导体激光二极管具有广泛的辐射范围，辐射能够聚焦或准直到的程度是不足的。只能用从衍射受限的小区域进行发射的足够空间相干的点光源将激光束聚焦到发散度足够小的准平行光锥(pencil)。迄今为止，从这种衍射受限的小区域进行发射并且因此可以聚焦到发散度足够小的光束的半导体激光二极管的峰值发送功率仅限于几百mW，由此对于脉冲渡越时间计来说太低了。尽管已知无需通道分离和光切换即可进行工作的多种设置，但是所有解决方案都与多种缺点相关联。在文献DE 100 06 493 C2中描述了一种根据相位测量原理进行光电距离测量的方法和装置。相位计配备有不具有机械光路切换的2-通道接收器，电路配备有两个光接收器。在距离测量中，在每一种情况下，都在第一接收器和第二接收器测量信号相位。在第一接收器测量出的相位代表内部参考光路的距离，在第二接收器的相位代表到目标对象的距离。基于参考光路，这两个相位之间的差给出了无偏移(drift-free)绝对距离。使用第二发送器，可以同时测量通过两个光接收器及其放大电路而产生的任何相位差。这种解决方案的缺点在于需要两个发送单元和两个光接收器，这导致构造更复杂，并且，对于两个光接收器中的每一个都需要通过用于光束合成的两个元件来对两个光路进行交织。在文献US 6,369,880中描述了第二种设置。这里公开的相位计配备有不具有机械光路切换而具有两个光接收器的2-通道接收器。在距离测量中，在每一种情况下，都测量在第一接收器和第二接收器的信号相位，两个相位之间的差对应于测量距离。这种解决方案的缺点同样在于重复的光敏及相敏接收单元。WO 03/069779描述了具有2-通道接收器的渡越时间计，该2-通道接收器没有机械光路切换，从而在渡越时间计的情况下也实现了无光切换的参考测量原理。然而，公开的渡越时间计同样使用两个光接收器。两个光接收器的信号馈送到在高频范围工作的时间测量单元。在距离测量中，计算并行测量出的内部渡越时间与外部渡越时间之间的差。这种解决方案也具有接收单元重复的缺点。由此，现有技术的解决方案需要外部光路与内部光路之间的切换机制或者重复的接收系统，由此在设计方面昂贵且复杂。DE 10112833 C1描述了一种用于电光距离测量的方法和装置，其旨在结合相位渡越时间方法的优点和脉冲渡越时间方法的优点，在脉冲渡越时间方法的情况下，主要关心的是高峰值光功率，即良好的信噪比。对于电光距离测量来说，将发射二极管的激光束作为发送光脉冲的强度调制序列而发送到无目标板的测量对象，通过光检测器检测在那里反射的测量光脉冲，由此产生第一光电流分量。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度的距离测量方法，该距离测量方法包括以下步骤：　　　　发射步骤，该发射步骤经由以下两种路径发射具有至少一个脉冲重复频率的脉冲电磁辐射（ＥＳ）、特别是发射具有至少一个脉冲重复频率的光；　　　　装置外部的到要测量的至少一个目标的测量路径，以及　　　　装置内部的参考路径（６），　　　　经由所述参考路径（６）传送的辐射（ＩＳ）限定至少一个起始脉冲，经由所述测量路径传送的辐射（ＲＳ）限定至少一个停止脉冲，　　　　接收步骤，该接收步骤接收由所述目标散射回的辐射（ＲＳ）并且接收经由所述参考路径传送来的辐射（ＩＳ），并行检测由所述目标散射回的辐射（ＲＳ）和经由所述参考路径传送来的辐射（ＩＳ），特别是使用公共接收器（７）来接收，从而使得接收信号（１７）具有由所述目标散射回的辐射（ＲＳ）的分量和经由所述参考路径传送来的辐射（ＩＳ）的分量，并且将辐射转换成接收信号（１７），　　　　确定步骤，该确定步骤根据所述接收信号（１７）来确定距所述至少一个目标的至少一个距离，　　　　其中，按如下方式选择至少两个脉冲重复频率、特别是选择四个脉冲重复频率：使得它们的对应脉冲间隔在最大外部测量路径的数量级的范围内不具有公倍数。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗本茨，于尔格欣德林，马丁德朗格，
申请(专利权)人：莱卡地球系统公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]