專利名稱:單通道外差距離測量方法
技術領域:
本發(fā)明涉及根據(jù)權利要求1的前序部分所述的距離測量方法、根據(jù)權利要求9的前序部分所述的距離測量裝置以及計算機程序產(chǎn)品。
背景技術:
在電子距離測量領域中,已知多種原理和方法,測量的兩種基本光電原理體現(xiàn)為相位計(phase meter)和渡越時間計(transit time meter)。這兩種原理都具有優(yōu)點和缺點,并且用于多種大地測量裝置中。因此,例如,因為相位計具有精度高且設計緊湊(這有利于集成在望遠鏡中)的優(yōu)點,所以大地測量中使用的諸如經(jīng)緯儀或準距儀的測量裝置主要配備有相位計。
在相位測量技術中,按范圍在幾MHz到幾百MHz的重復頻率發(fā)射光脈沖(通常為方波信號)。除了LED以外,峰值功率為幾mW的常規(guī)CW激光二極管也可以用作這種用途的光源。使用相位計,平均發(fā)射能量足夠高,并且目標上的激光點的可見性對于要測量的距離來說不是問題。
對于距離測量來說,將發(fā)射信號的相位位置與返回信號的相位位置進行比較。相移與測量距離成比例。對由光電二極管接收的RF信號進行放大,并且借助于由鎖相環(huán)(PLL)控制的本機振蕩器信號將其忠實于相位地下變頻到較低頻帶。
作為對按GHz范圍的采樣率進行高頻信號采樣的替代,采用低頻接收器信號要容易得多。在此,在低頻(LF)范圍中的采樣和模擬到數(shù)字轉換更簡單、更精確、并且電流消耗有數(shù)量級上的降低。在常規(guī)相位計中,僅使用基諧波或下變頻LF信號。
為了將相位測量系統(tǒng)的確定度(unambiguity)從米的范圍擴展到千米的范圍,除了精細距離測量以外,還通常執(zhí)行使用較低調制頻率的一種或更多種粗略距離測量。
為了實現(xiàn)足夠的絕對精度,通常接連地測量內部光路(校準或參考路徑)和外部光路(測量路徑)。這樣,可以在電子裝置中校準渡越時間的變化。還可以通過兩個相同的并行接收通道來實現(xiàn)對渡越時間變化的校準。在相位計僅具有高信號分離度的2個通道的情況下,精確的距離測量是可能的。
相位計的優(yōu)點尤其在于設計簡單、在LF級進行測量、并且可使用可靠的束源。
由于因光串擾造成的信號疊加而導致的測量距離失真被證明是不利的,從而需要高度抑制的顯著通道分離。由此,精確的距離測量需要發(fā)送通道與接收通道之間的嚴格信號分離,在緊湊設計的望遠鏡中,這是非常難于實現(xiàn)、復雜且昂貴的。此外,在測量光束中應當只有一個目標,因為否則除了精細距離測量誤差以外還可能出現(xiàn)粗略距離測量中的誤差。對于較長的距離,需要至少一個粗略測量和一個精細測量。使用簡單的頻率概念,單通道測量原理(即沒有光路切換或通道切換的單通道測量原理)是不可能的。
渡越時間計沒有嚴格信號分離的缺點,但是它們的測量精度對于大地測量來說常常是不夠的,尤其是對于需要亞毫米級精度的情況常常是不夠的。
在根據(jù)該原理工作的測距儀的情況下,同樣發(fā)射光脈沖,通過適當?shù)墓鈱W措施對該光脈沖進行分割,從而使得光的一部分通過內部光路(校準路徑)直接傳到接收器,而光的剩余分量從裝置通過外部光路發(fā)送。
該外部分量到達某距離(要測量的距離(=測量距離))之外的目標,并且從那里反射回來,通過適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)傳到同一接收器,適當?shù)氖?,接收器是具有降頻電路(down-circuit)放大器的光電二極管。
經(jīng)由內部光路傳送的光脈沖在接收器中產(chǎn)生參考脈沖,在下文中將其稱為起始脈沖。經(jīng)由外部光路(測量距離)傳送的光脈沖在接收器中產(chǎn)生所謂的測量脈沖,在下文中將其稱為停止脈沖。
因為內部光路的長度和外部光路的長度不同,所以兩個光脈沖在不同時間抵達接收器。起始脈沖與停止脈沖之間的時間差稱為渡越時間,其與內部光路和外部光路之間的長度差成比例。要測量的時間差非常小,即,為了達到適合于實用距離測量系統(tǒng)的毫米或亞毫米級的測地精度,必須極其精確地確定它們。為了確定渡越時間,至少將接收的信號數(shù)字化,為此需要采樣率在GHz范圍的非常復雜的高頻電子電路。
此外,僅在停止脈沖抵達了接收器之后才由發(fā)送器發(fā)射光脈沖。為了能夠確保幾千米的確定度,這需要幾十kHz的相對較低的脈沖重復頻率。為了能夠以這種低脈沖重復頻率發(fā)射足夠大的光能以使得激光點可以容易地可視或者使得可以進入對眼睛安全的限度(激光器類2),根據(jù)脈沖寬度,峰值功率必須處于幾十W到1KW的范圍內。
單通道渡越時間測量的優(yōu)點在于因為起始脈沖和停止脈沖在短時間內接連發(fā)生并且經(jīng)歷相同的渡越時間,所以不存在時間偏移,因為停止脈沖僅在串擾脈沖之后發(fā)生,所以對光串擾不敏感,并且省略了對于內部光路和外部光路的不必要的可切換光學部件。
然而,渡越時間測量的缺點尤其在于對RF信號的采樣和時間測量非常復雜,并且光束源很復雜,這也是難以處理的(例如,具有優(yōu)質調制的微芯片激光器)。不利的是,具有高峰值功率的半導體激光二極管具有廣泛的輻射范圍,輻射能夠聚焦或準直到的程度是不足的。只能用從衍射受限的小區(qū)域進行發(fā)射的足夠空間相干的點光源將激光束聚焦到發(fā)散度足夠小的準平行光錐(pencil)。迄今為止,從這種衍射受限的小區(qū)域進行發(fā)射并且因此可以聚焦到發(fā)散度足夠小的光束的半導體激光二極管的峰值發(fā)送功率僅限于幾百mW,由此對于脈沖渡越時間計來說太低了。
盡管已知無需通道分離和光切換即可進行工作的多種設置,但是所有解決方案都與多種缺點相關聯(lián)。
在文獻DE 100 06 493 C2中描述了一種根據(jù)相位測量原理進行光電距離測量的方法和裝置。相位計配備有不具有機械光路切換的2-通道接收器,電路配備有兩個光接收器。在距離測量中,在每一種情況下,都在第一接收器和第二接收器測量信號相位。在第一接收器測量出的相位代表內部參考光路的距離,在第二接收器的相位代表到目標對象的距離?;趨⒖脊饴?,這兩個相位之間的差給出了無偏移(drift-free)絕對距離。使用第二發(fā)送器,可以同時測量通過兩個光接收器及其放大電路而產(chǎn)生的任何相位差。這種解決方案的缺點在于需要兩個發(fā)送單元和兩個光接收器,這導致構造更復雜,并且,對于兩個光接收器中的每一個都需要通過用于光束合成的兩個元件來對兩個光路進行交織。
在文獻US 6,369,880中描述了第二種設置。這里公開的相位計配備有不具有機械光路切換而具有兩個光接收器的2-通道接收器。在距離測量中,在每一種情況下,都測量在第一接收器和第二接收器的信號相位,兩個相位之間的差對應于測量距離。這種解決方案的缺點同樣在于重復的光敏及相敏接收單元。
WO 03/069779描述了具有2-通道接收器的渡越時間計,該2-通道接收器沒有機械光路切換,從而在渡越時間計的情況下也實現(xiàn)了無光切換的參考測量原理。然而,公開的渡越時間計同樣使用兩個光接收器。兩個光接收器的信號饋送到在高頻范圍工作的時間測量單元。在距離測量中,計算并行測量出的內部渡越時間與外部渡越時間之間的差。這種解決方案也具有接收單元重復的缺點。
由此,現(xiàn)有技術的解決方案需要外部光路與內部光路之間的切換機制或者重復的接收系統(tǒng),由此在設計方面昂貴且復雜。
DE 10112833 C1描述了一種用于電光距離測量的方法和裝置,其旨在結合相位渡越時間方法的優(yōu)點和脈沖渡越時間方法的優(yōu)點,在脈沖渡越時間方法的情況下,主要關心的是高峰值光功率,即良好的信噪比。對于電光距離測量來說,將發(fā)射二極管的激光束作為發(fā)送光脈沖的強度調制序列而發(fā)送到無目標板的測量對象,通過光檢測器檢測在那里反射的測量光脈沖,由此產(chǎn)生第一光電流分量。此外,將強度調制的發(fā)送光脈沖序列的一小部分分路為參考光脈沖序列,并且在通過已知的參考路徑之后,同樣傳到光檢測器,由此產(chǎn)生第二光電流分量。使用的光檢測器是雪崩光電二極管,其中,使用由本機振蕩器產(chǎn)生的混頻脈沖序列將疊加的測量光脈沖直接轉換到相對較低的中頻范圍,由此可以在恰當?shù)霓D換之后確定測量距離。
這種方法的困難在于起始脈沖和停止脈沖可能交疊,致使在這種情況下不能分離或分配脈沖。因為使用的諧波數(shù)量為20,所以頻率進入千兆赫茲范圍內是必要的。減少使用的諧波將導致寬脈沖,這繼而增加了脈沖交疊的概率。
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是分別提供降低了復雜性和技術工作量的用于距離確定的方法和裝置。
本發(fā)明的又一目的是在不必接受相位原理和渡越時間原理的缺點的情況下結合它們的優(yōu)點,具體是使得脈沖可以分離。
分別由權利要求1和9的主題、或者從屬權利要求的主題或進一步發(fā)展的技術方案來實現(xiàn)這些目的。
本發(fā)明提供了一種新穎的距離測量原理、以及包括渡越時間測量單元和簡單的光學發(fā)送及接收單元而不在兩個光束路徑之間進行特殊通道分離的裝置。例如,在大地測量儀器的情況下,該距離測量裝置照例可以安裝在望遠鏡中。測量到自然對象的距離,以及到反射目標板(例如后向反射器)的距離。
基礎是對兩個渡越時間(具體是外部光信號的渡越時間和內部光信號的渡越時間)的接連測量(joint measurement)或并行測量。接連測量或并行測量被理解為表示相對于時間確定并且靠近的兩個脈沖的關聯(lián)記錄。由此,術語“接連”或“并行”并不需要任何嚴格同時意義上的嚴格并發(fā),而僅需要脈沖測量相對于時間的相干性或者在測量處理期間相對于時間的直接關系。輸出兩個渡越時間之間的差,作為實際測量變量。為了實現(xiàn)所爭取的在毫米級或亞毫米級精確的距離測量,因此進一步使用通常由內部參考光路形成的參考距離。根據(jù)本發(fā)明,可以省去兩個光路之間的切換。
信號經(jīng)由裝置內部的光路以及要測量的外部光路同時傳到公共的(具體來說為單一的)光電二極管,從而由此限定測量通道,確定兩個信號脈沖之間的渡越時間構成難題。因為激光脈沖頻率處于幾MHz到GHz的范圍內,所以使該目標額外復雜。由此,沿著要測量的外部光路同時進行多個光脈沖,在極端的情況下多達100個以上的光脈沖。由此,本發(fā)明還涉及如下方法盡管不對激光脈沖的標識使用編碼,也使得可以確定外部光路中的光脈沖的數(shù)量。迄今為止,與此原理相關聯(lián)的調制頻率通常僅出現(xiàn)在相位計的情況。
本發(fā)明所基于的原理還結合了渡越時間測量的優(yōu)點和相位測量的優(yōu)點。原則上,該方法類似于單通道脈沖渡越時間計。然而,作為對使用GHz范圍中的采樣率對信號進行高頻采樣(如在脈沖渡越時間計中)的替代,將具有起始脈沖和停止脈沖的高頻接收信號同時忠實于相位地下變頻到較低頻帶(如同在相位計中)。
可以將RF脈沖信號(例如,由PLL控制的本機振蕩器產(chǎn)生的RF脈沖信號)用作混頻信號。由此,在根據(jù)本發(fā)明的1-通道外差系統(tǒng)中,與相位計不同,伴隨地使用所有諧波。獲得高頻起始脈沖和高頻停止脈沖在LF范圍中的時間膨脹圖像(time-dilated image)。對適當時間膨脹的因數(shù)的選擇取決于發(fā)送器的脈沖頻率的各種情況。例如,在1MHz的脈沖頻率的情況下,1MHz/(1MHz/128)=128的膨脹因數(shù)足夠了,而在100MHz的脈沖頻率的情況下需要500MHz/(1MHz/128)=64000左右的膨脹因數(shù)。
借助于LF信號的低頻采樣(≤1MHz),可以容易地測量出起始脈沖和停止脈沖的間隔;它與要確定的測量路徑成比例。
可以將根據(jù)本發(fā)明的1-通道外差系統(tǒng)的優(yōu)點簡述如下a)不需要用于內部光路和外部光路的可切換光學部件。
b)該設置對串擾不敏感。例如,串擾甚至可以表示起始脈沖。此外,可以通過對脈沖率進行適當選擇來選擇停止脈沖,以使其不與串擾脈沖同時發(fā)生。
c)可以基于低頻范圍中的時間膨脹來實現(xiàn)對接收信號的評估。通過膨脹因數(shù)而減小了所有與時間相關的測量誤差。
d)因為經(jīng)由同一發(fā)送及接收電子裝置來饋送起始脈沖和停止脈沖,所以它們的信號渡越時間不相關并且不影響距離測量。
e)不存在顯著的時間偏移。起始脈沖和停止脈沖在短時間內接連發(fā)生,并且經(jīng)歷相同的內部渡越時間和外部渡越時間。
f)由于高脈沖頻率以及因此而對應地低的光峰值功率,因此可以使用具有良好聚焦特性的cw半導體激光器。
g)如果激光器發(fā)射可見輻射,則由于高激光脈沖頻率而使得平均光功率足夠強,以在目標對象上產(chǎn)生清楚可檢測的光點。
根據(jù)本發(fā)明的1-通道外差距離測量系統(tǒng)的具體進一步發(fā)展是可能的,例如通過以下措施來發(fā)展a)由于高重復頻率,因此在許多距離,停止脈沖與起始脈沖重合,從而這兩個脈沖強烈地彼此影響,并且不能容易地彼此分離。然而,對于每一個測量距離,可以找到或選擇停止脈沖與起始脈沖之間出現(xiàn)間隙的脈沖頻率。
b)對于粗略距離確定,類似于相位計,對靠近的頻率進行評估。然而,由于a)的限制,不是總是可以采用任意小的頻率步長,這在較差條件下允許可靠但不精確的測量。
由于高脈沖重復頻率,因此停止脈沖在僅1m到10m的距離與隨后的起始脈沖重合。由此,從這個距離起進行多于一個的光脈沖。與相位測量一樣,現(xiàn)在的問題是確定在發(fā)送器與接收器之間存在的脈沖的數(shù)量。起始脈沖和停止脈沖的重合構成特殊問題。根據(jù)相應的頻率概念,這種沖突出現(xiàn)在許多距離或者僅出現(xiàn)在幾個距離。如果將兩個脈沖設置為一個處于另一個之上或者彼此接觸,則存在相互影響,特別是對于渡越時間存在相互影響。在這種情況下,不再可以足夠精確地將脈沖彼此分離,并且不能實現(xiàn)具有足夠精度的時間測量。
通過對脈沖重復頻率的優(yōu)化選擇,可以將1-通道外差系統(tǒng)的確定度范圍并由此將測量范圍延伸超出脈沖周期Ti或者脈沖間隔Li=(c/2)×Ti。c表示光速。在迄今為止的渡越時間計的情況下,最長脈沖間隔Li對應于最大確定度范圍,并且在高脈沖頻率下僅為1m到10m。
根據(jù)本發(fā)明,在使用多個不同脈沖重復頻率的較大的期望確定度范圍的情況下,使用至少兩個不同脈沖重復頻率來測量距離,以擴展確定度范圍?;诮邮盏降男盘栃螤?,可以確定哪一個脈沖重復頻率具有無干擾停止脈沖并由此適合于時間測量??梢栽趦蓚€信號脈沖(即,起始脈沖和停止脈沖)并列地分開存在時使用接收到的信號形狀。另一方面,如果它們彼此接觸,或者甚至是一個處于另一個之上,則接收到的信號對于評估可能是無用的。
為了可以用盡可能少的頻率切換操作或者盡可能少的無用頻率來工作,可以根據(jù)數(shù)論的原理來有利地選擇其脈沖間隔以避免距離范圍中的公倍數(shù)。
對于實際情況來說,這意味著按如下方式來選擇頻率或脈沖間隔Li和Lj可以將與不同頻率相對應的停止脈沖選擇為靠近但不允許交疊。由此,如果兩個停止脈沖具有脈沖間隔Li,Lj地頻率靠近|Ni·Li-Nj·Lj|<1/2·min(Li,Lj) (1)則它們在期望的確定度范圍Dmax中不應當彼此接觸,或者至少應當在盡可能少的脈沖間隔Li,Lj彼此接觸如果Ni·Li≤Nj·Lj,則Ni·Li<Nj·Lj-2·脈沖寬度 (2)如果Ni·Li≥Nj·Lj,則Ni·Li>Nj·Lj+2·脈沖寬度具體來說,對于距離范圍Ni·Li<Dmax,并且Nj·Lj<Dmax(3)變量Ni,Nj表示正整數(shù),并且典型地包括直到500的自然數(shù)。
然而,由于合成器的頻率帶寬有限(例如,33MHz+/-5MHz),所以幾乎不能在根據(jù)等式(3)的整個距離范圍內都滿足條件(2)。如果一組或者一套頻率或脈沖間隔Li、Lj盡可能少地違反條件(2),則可以把這組頻率看作最優(yōu)(極小原理)。當然,存在用于在間隔(3)上盡可能最優(yōu)地滿足條件(2)的其他已知數(shù)學方法。即使在測量光束中存在多于一個的目標對象的情況下,條件(2)也仍然有效。
作為對靜態(tài)頻率組的替代,還可以使用根據(jù)相應測量距離的靈活頻率策略。激光脈沖頻率組例如可以包括五個指定頻率和一個可自由選擇的頻率。使用五個指定頻率執(zhí)行粗略距離測量,然后使用有利地選擇為使其起始脈沖和停止脈沖不交疊并且不彼此接觸的激光脈沖頻率來執(zhí)行精確距離測量。例如可以選擇自適應頻率以使得停止脈沖落在脈沖間隔Li的四分之一和四分之三之間|xi|∈{1/4…3/4) (4)xi(周期)作為針對起始脈沖與停止脈沖之間的距離的測量變量,按間隔Li來劃分。
接著,如下計算尋找的距離;D=Ni·Li+xi·Li(5)測量變量xi作為間隔Li中的周期,Ni作為距離范圍內的激光脈沖的數(shù)量。
存在用于解決不確定度Ni(即,儀器與目標對象之間的發(fā)送脈沖的數(shù)量)的幾種數(shù)值方法。由此,從雷達或GPS衛(wèi)星測量技術中得知多種適當?shù)姆椒ā_@里,作為示例,可以提到差分計算方法和線性組合(LC)方法(具體為窄譜線(narrowlane)LC或寬譜線(widelane)LC)。
在寬譜線LC的對應合成脈沖間隔Lw超過確定度范圍Dmax的情況下,對于具有對應脈沖間隔Lw的該LC,Nw=0,并且可以針對所有頻率或脈沖間隔Li立即求解不確定度Ni。
Ni=⟨xwLwLi⟩---(6)]]>括號表示四舍五入到下一個最小整數(shù)。當然,其他方法也是本領域技術人員所公知的。
進一步的發(fā)展使得可以準確確定或精確測量在脈沖間隔Li中的起始脈沖與停止脈沖之間的渡越時間差或周期xi。將信號脈沖(時間信號)存儲在存儲器中,作為按離散時間間隔的數(shù)據(jù)采樣。從采樣值到采樣值的時間分辨率(或者更準確地說是距離分辨率)典型地為10mm到100mm。因此,為了實現(xiàn)亞毫米級的分辨率,在采樣值之間的時間插值是必要的。一種不僅具有高分辨率而且具有足夠精度的方法是使用在測量之前記錄的參考信號來將接收到的信號脈沖互相關。將兩個參考脈沖的疊加與數(shù)字化的測量信號互相關??梢酝ㄟ^對參考信號的超采樣(supersampling)并且通過函數(shù)擬合計算來進行插值。
盡管對經(jīng)LF變換的接收信號的諧波進行了評估,但是原始RF信號中存在的大部分時間信息或距離信息由于對接收信號(起始脈沖和停止脈沖)的時間膨脹而丟失了。因此違反了尼奎斯特(Nyquist)準則,除非在RF接收脈沖的最高諧波的每個周期都存在至少兩個采樣脈沖。由于外差原理而出現(xiàn)這種丟失,在外差原理中,類似于二次采樣(subsampling)系統(tǒng),其間有RF接收脈沖碰不到混頻脈沖(=采樣脈沖)。因為這些RF接收脈沖出現(xiàn)在混頻間隙中,所以它們的渡越時間信息沒有包括在外差時間或頻率變換中,因此無助于LF信號。
現(xiàn)在,根據(jù)本發(fā)明的最小丟失時間擴展原理通過使用至少兩個(但是優(yōu)選為更多個)相對于彼此有相移的混頻脈沖信號將RF接收脈沖同時且并行地下變頻為多個分離LF信號,從而補償這種信號信息丟失?,F(xiàn)在,可以將這幾個LF信號按正確相位進行求和并合成以給出單個接收信號。因為在這種并行混頻系統(tǒng)中沒有關聯(lián)噪聲分布,所以信噪比隨著混頻通道的數(shù)量而提高。
不同相位的混頻信號的最優(yōu)數(shù)量取決于高頻但頻帶限制的接收信號的脈沖持續(xù)時間和脈沖周期Ti,特別是取決于最高頻率的接收信號的脈沖持續(xù)時間和脈沖周期Ti?;祛l通道的最大數(shù)量對應于脈沖周期與脈沖寬度(脈沖持續(xù)時間)的商的兩倍?,F(xiàn)在,可以使用正確相位對在混頻通道的輸出處出現(xiàn)的這幾個低頻信號進行求和。
下面,參照在附圖中示意性地示出的工作示例,僅僅作為示例,對根據(jù)本發(fā)明的距離測量裝置或距離測量方法進行更詳細的說明或解釋。具體來說,圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施例的示意性框圖;圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實施例的示意性框圖,其與相位計相比增加了靈敏度;圖3示出了在高頻外差混頻之前和之后的信號的圖;圖4示出了在更大規(guī)模的高頻外差混頻之前和之后的信號的圖;
圖5示出了在更大規(guī)模上的高頻、外差混頻之前和之后的信號的圖,并且示出了經(jīng)變換的起始脈沖;圖6示出了由起始脈沖和停止脈沖組成的LF信號脈沖序列的圖;圖7示出了外差二次采樣的效果的示意圖。
具體實施例方式
圖1中示意性地示出的框圖例示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一實施例,示出了1-通道外差系統(tǒng)的基本構成塊。在信號鏈的開始處存在具有石英精度并且具有0.5至5ppm的典型時鐘精度的基準振蕩器。在發(fā)送通道中存在所謂的直接數(shù)字頻率合成器2a。根據(jù)微控制器或微處理器μP的編程,部件2a產(chǎn)生幾kHz或MHz范圍內的期望頻率。
頻率轉換器3a同樣與發(fā)送通道對應,并且使頻率倍增在較高范圍中,以獲得測量頻率Fi。此外,頻率轉換器3a充當濾波器并且確保頻譜信號純度。驅動器級4將控制頻率轉換成短持續(xù)時間的電脈沖,并且驅動光源5,例如激光二極管。將光脈沖的一部分作為發(fā)射信號ES導向要測量的目標對象,將另一部分作為內部信號IS經(jīng)由分束器直接傳到光接收器。裝置6對應于產(chǎn)生各個起始脈沖的內部參考光路。在最簡單的實現(xiàn)情況下,從發(fā)送器散射到光接收器上的光足夠作為參考光路;在這種設計中,不需要分束器。將由目標對象反射并被接收的光脈沖作為反射信號RS同時或并行傳到同一光接收器7,并且形成停止脈沖。
隨后經(jīng)由放大器8通過高帶寬的電子混頻器9對高頻起始脈沖和高頻停止脈沖進行模擬采樣,高帶寬的電子混頻器9繼而受到高頻脈沖信號(但是頻率與發(fā)送器通道相比略有不同)的控制。這是忠實于相位的具有時間膨脹效果的二次采樣。只有在降頻電路低通濾波器10的輸出處可以獲得經(jīng)時間膨脹的信號?;祛l器控制信號由合成器的第二部分產(chǎn)生,合成器的第二部分繼而例如包括直接數(shù)字頻率合成器2b,直接數(shù)字頻率合成器2b的頻率受同一微控制器或微處理器μP的控制,在時間角度上相位忠實于第一頻率合成器2a。
通過具有kHz到MHz范圍中的足夠快采樣率的AD轉換器ADC對經(jīng)時間膨脹的接收信號進行數(shù)字化并且將其存儲在存儲器中。
對于每一個激光脈沖頻率Fi,相對于經(jīng)時間變換的脈沖間隔Ti來計算停止脈沖與起始脈沖之間的經(jīng)時間變換的相對時滯xi,作為測量變量。使用互相關方法或函數(shù)擬合方法來實施在采樣點之間的相對于時間的插值。
實施對不確定度Ni(即儀器與目標對象之間的光脈沖的數(shù)量)的求解——如上所述——例如通過計算測量值xi之間的差的方法來實施。將這些值與長脈沖周期(其可以與確定度范圍Dmax的長度相提并論)對應。因此將對不確定度的確定限制到小搜索區(qū)域,由此可以快速找到不確定度參數(shù)Ni的正確集合。對于本領域技術人員來說,根據(jù)相對時滯xi來確定不確定度的實踐的相關策略是公知的,例如,根據(jù)GPS算法中的相位不確定度的分辨率來進行確定。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的1-通道外差裝置的第二實施例的框圖,與圖1相比,特別是與相位計相比,其充分增加了靈敏度。
除了外差高頻混頻器級之外,其余部件基本對應于圖1所示的工作示例。然而,內部參考光路6′是經(jīng)由反射表面12引導的,內部信號IS通過該反射表面12而傳到光接收器7。這種反射表面12例如可以由裝置殼體的內側形成,從而將限定的反射用作內部信號IS。
使用并聯(lián)設置的多個混頻模塊9a、9b、9c、9d,可以消除信號二次采樣的與丟失相關聯(lián)的影響。在這種擴展裝置中,頻率轉換器級13例如產(chǎn)生四個高頻控制信號脈沖,再一次使它們相對于發(fā)送通道略微頻移。使這些控制信號的相位相對于彼此偏移(2π/控制信號的數(shù)量)的整數(shù)階躍(integral step)。
由此,混頻模塊9a、9b、9c、9d也在其與10a、10b、10c、10d中的低通濾波器相對應的輸出處產(chǎn)生延遲了這些相位階躍的信號。幾乎同時地對經(jīng)時間變換的信號進行數(shù)字化,并且通過微處理器μP將其存儲在存儲器中。在另一實施例中,還可以按正確相位對模擬輸出信號進行求和,并且僅在此后進行數(shù)字化。
在后處理的過程中,通過按正確相位(尤其是按(2π/控制信號的數(shù)量)的整數(shù)階躍對數(shù)字信號脈沖序列(在該示例中為4個)進行累積求和以給出單個信號脈沖序列,從而消除通過二次采樣造成的信噪比損失。
對于每一個經(jīng)時間膨脹的累積脈沖頻率,類似于圖1,相對于經(jīng)時間膨脹的脈沖間隔來計算停止脈沖與起始脈沖之間的經(jīng)時間變換的相對時滯xi,作為測量變量。再一次通過互相關方法、傅立葉變換或函數(shù)擬合算法來實施對累積信號脈沖信號的采樣點之間的相對于時間的插值。
這種距離測量裝置的特別有利的特性在于,測量靈敏度可以與渡越時間計相比,測量精度可以與相位計相比。
圖3示出了在高頻外差混頻之前和之后的信號的圖。脈沖周期為Ti=1/Fi的RF接收信號17由起始脈沖和停止脈沖構成,通過由單一脈沖構成并且頻率相對于脈沖周期1/Fi略有偏移的混頻信號18對其進行電子模擬混頻。在混頻器的輸出處形成具有底層高頻載波頻率的調幅輸出信號14。這種輸出信號14的包絡具有兩個信號脈沖;一個是經(jīng)時間變換的起始脈沖15,而另一個與經(jīng)時間變換的停止脈沖16一致。通過信號的時間膨脹,如同常規(guī)相位測量的情況,利用了如下優(yōu)點可以使用經(jīng)濟的電子部件和低電流消耗來對低頻范圍中的信號進行進一步處理和數(shù)字化。此外,混頻器級的時間膨脹因數(shù)降低了電子部件的系統(tǒng)性渡越時間誤差的影響,這顯著地增強了裝置的測量精度。
圖4按時間膨脹的形式示出了來自圖3的信號的一部分。在此示出了RF接收信號17中的停止脈沖沒有被放大并且起始脈沖僅僅被部分放大的情況。因此,僅將起始脈沖傳到混頻器的輸出,而停止脈沖在這個階段被丟棄。在混頻器的輸出處形成具有較高頻率但是附加有調幅的輸出信號14。還示出了輸出信號14的包絡19。
圖5也示出了根據(jù)圖3的放大部分;此外,例示了包絡19或者經(jīng)深度通過濾波(deep pass-filter)和時間膨脹的起始脈沖15。在作為示例示出的區(qū)域20中,通過混頻信號18對接收信號17中的起始脈沖的捕捉和由此前向傳送到輸出是很明顯的。另一方面,在這個階段,接收信號17中的有時間偏移的較小的停止脈沖沒有被混頻信號18捕獲,因此不出現(xiàn)在混頻器的輸出。高頻的調幅輸出信號14(其包絡19描述經(jīng)時間變換的起始信號或停止信號)繼續(xù)前進。
圖6示出了轉換至低頻范圍的接收信號的圖。在該圖中,同樣明顯的是,適當脈沖序列的周期包含第一起始脈沖15a和停止脈沖16a,第二起始脈沖15a’跟在作為Li的經(jīng)時間膨脹的脈沖間隔22之后。在此,要確定的測量變量是第一起始脈沖16a與停止脈沖15b之間的時間,即時滯21。在通過AD轉換器進行采樣之后,可以將時滯21并由此將周期xi計算為時滯21與Ti=Li/c之間的比率。通過上述關系(5)D=Ni·Li+xi·Li來執(zhí)行對距目標對象的距離的計算。
在多個目標的情況下,除了第一停止脈沖以外,還出現(xiàn)可以按各個調制發(fā)送頻率Fi來分別測量其周期xi的其他停止脈沖。能夠測量距交錯的目標對象的距離是本發(fā)明的裝置的一特別長處。
圖7闡明了外差二次采樣的效果。如果裝置僅包括一個高頻混頻器,則丟失一部分信號能量。這種關于丟失的影響在其中混頻器的控制脈沖落入起始脈沖與停止脈沖之間的點24處很明顯。為了避免這種情況,在接收通道中并排地并聯(lián)使用多個混頻模塊。移位控制信號的相位相對于彼此偏移了并聯(lián)混頻器的數(shù)量的一小部分。這確保了在每個脈沖周期Ti至少一個混頻器執(zhí)行有效的信號采樣23并由此不會丟失信號能量。這種接收裝置的靈敏度達到脈沖渡越時間計的靈敏度,由此與常規(guī)相位計的靈敏度大有不同。
對于本領域技術人員來說,很明顯,可以按另選或補充方式將部件的各種設置或原理彼此組合。此外,裝置的工作示例可以具有外差設計或零差設計。
權利要求
1.一種高精度的距離測量方法,該距離測量方法包括以下步驟發(fā)射步驟,該發(fā)射步驟經(jīng)由以下兩種路徑發(fā)射具有至少一個脈沖重復頻率的脈沖電磁輻射(ES)、特別是發(fā)射具有至少一個脈沖重復頻率的光裝置外部的到要測量的至少一個目標的測量路徑,以及裝置內部的參考路徑(6),經(jīng)由所述參考路徑(6)傳送的輻射(IS)限定至少一個起始脈沖,經(jīng)由所述測量路徑傳送的輻射(RS)限定至少一個停止脈沖,接收步驟,該接收步驟接收由所述目標散射回的輻射(RS)并且接收經(jīng)由所述參考路徑傳送來的輻射(IS),并行檢測由所述目標散射回的輻射(RS)和經(jīng)由所述參考路徑傳送來的輻射(IS),特別是使用公共接收器(7)來接收,從而使得接收信號(17)具有由所述目標散射回的輻射(RS)的分量和經(jīng)由所述參考路徑傳送來的輻射(IS)的分量,并且將輻射轉換成接收信號(17),確定步驟,該確定步驟根據(jù)所述接收信號(17)來確定距所述至少一個目標的至少一個距離,其中,按如下方式選擇至少兩個脈沖重復頻率、特別是選擇四個脈沖重復頻率使得它們的對應脈沖間隔在最大外部測量路徑的數(shù)量級的范圍內不具有公倍數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的距離測量方法,其中,將所述接收信號(17)下變頻為頻率低于脈沖重復頻率的輸出信號(14)。
3.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的距離測量方法,其中,按如下方式在預定的頻率帶寬內選擇所述至少兩個脈沖重復頻率、特別是四個脈沖重復頻率使得對于盡可能多的對應脈沖間隔(22)Li和Lj的組合來說,滿足以下條件|Ni·Li-Nj·Lj|≥2·脈沖寬度其中Ni和Nj是滿足以下條件的正整數(shù)|Ni·Li-Nj·Lj|<1/2·min(Li,Lj)特別是滿足Ni,Nj<500。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的距離測量方法,其中,至少一個脈沖重復頻率是可變的并且是根據(jù)相應的測量距離來選擇的,以使其起始脈沖和停止脈沖既不交疊也不彼此接觸。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的距離測量方法,其中,對所述低頻接收信號(14)的至少一個脈沖與參考信號進行互相關,特別是將所述低頻接收信號(14)的至少一個脈沖與合成產(chǎn)生的參考信號或者從先前測量而存儲的參考信號進行互相關。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的距離測量方法,其中,將所述接收信號(17)與彼此有相移的至少兩個混頻信號(18)同時且并行地下變頻為至少兩個低頻信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的距離測量方法,其中,按正確的相位來合成所述至少兩個低頻信號。
8.一種計算機程序產(chǎn)品,該計算機程序產(chǎn)品包括存儲在可機讀介質上或者通過電磁波來體現(xiàn)的程序代碼,該程序代碼用于執(zhí)行如權利要求1至7中的任一項所述的距離測量方法,特別是如果在計算機中執(zhí)行該程序則執(zhí)行根據(jù)權利要求1至7中的任一項所述的距離測量方法。
9.一種距離測量裝置,該距離測量裝置用于執(zhí)行如權利要求1到7中的任一項所述的距離測量方法,所述距離測量裝置至少包括脈沖輻射源(5),該脈沖輻射源(5)用于產(chǎn)生并發(fā)射輻射(ES),特別是產(chǎn)生并發(fā)射光,裝置內部的參考路徑(6),可以發(fā)射輻射以使其通過裝置外部的到要測量的至少一個目標的測量路徑、同時通過裝置內部的所述參考路徑(6),接收器(7),特別是單接收器(7),該接收器(7)用于接收輻射并且將該輻射轉換為至少一個接收信號(17),共同檢測由所述目標散射回的輻射(RS)和經(jīng)由所述參考路徑傳送來的輻射(IS),從而使得所述接收信號(17)具有由所述目標散射回的輻射(RS)的分量以及經(jīng)由所述參考路徑傳送來的輻射(IS)的分量,信號處理器(μP),該信號處理器(μP)用于對信號進行處理,其中,所述輻射源(5)被設計為可以使用至少兩個、特別是四個或五個的優(yōu)選為可調的脈沖重復頻率來發(fā)射輻射。
10.根據(jù)權利要求9所述的距離測量裝置,其中,所述脈沖重復頻率被選擇為使得在最大外部測量路徑的數(shù)量級的范圍內,存在停止脈沖隨時間不相互接觸并且不交疊的至少兩個脈沖重復頻率。
11.根據(jù)權利要求10所述的距離測量裝置,其中,所述脈沖重復頻率被選擇為使得對于盡可能多的對應脈沖間隔(22)Li和Lj的組合來說滿足以下條件|Ni·Li-Nj·Lj|≥2·脈沖寬度其中,Ni和Nj是滿足以下條件的正整數(shù)|Ni·Li-Nj·Lj|<1/2·min(Li,Lj)特別是滿足Ni,Nj<500。
12.根據(jù)權利要求9、10或者11所述的距離測量裝置,所述距離測量裝置包括至少一個混頻器(9、9a-9d),所述至少一個混頻器用于將所述接收信號(17)下變頻為低頻輸出信號(14)。
13.根據(jù)權利要求12所述的距離測量裝置,所述距離測量裝置包括按脈沖方式工作的模擬混頻器,作為用于對所述接收信號(17)進行時間膨脹的二次采樣器。
14.根據(jù)權利要求9到13中的任一項所述的距離測量裝置,其中,所述脈沖輻射源(5)是CW半導體激光器。
15.根據(jù)權利要求9到14中的任一項所述的距離測量裝置,所述距離測量裝置包括按不同相位工作并且并聯(lián)連接的至少兩個電子信號混頻器,作為多通道外差裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及單通道外差距離測量方法。根據(jù)本發(fā)明,可以通過使用至少兩個脈沖重復頻率來廣播脈沖電磁輻射(ES)而執(zhí)行高精度的距離測量,將這些脈沖重復頻率選擇為使得對應的脈沖間隔在最大外部測量范圍的數(shù)量級范圍內不具有公倍數(shù)。因此,既通過裝置外部的測量路徑向測量目標發(fā)射輻射,又通過裝置內部基準路徑(6)發(fā)射輻射,由此,沿基準路徑(6)傳送來的輻射(IS)限定至少一個起始脈沖,沿測量路徑傳送來的輻射(ES)限定至少一個停止脈沖。接收從目標散射回的輻射(ES)和沿基準路徑傳送來的輻射(IS),并且將它們轉換成接收信號,由此確定距至少一個目標的至少一個距離。并行地記錄從目標散射回的輻射(RS)和沿基準路徑(6)傳送來的輻射(IS),從而使得接收信號包括從目標散射回的輻射(RS)的分量和沿基準路徑傳送來的輻射(IS)的分量。
文檔編號G01S7/486GK101080647SQ200580043485
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權日2004年12月18日
發(fā)明者保羅·本茨, 于爾格·欣德林, 馬丁·德-朗格 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司