專利名稱：用于推導大地測量距離信息的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1或23的前序部分所述的用于推導大地測量距離信息的方法和裝置，以及根據(jù)權(quán)利要求29所述的大地測量用測量儀器、根據(jù)權(quán)利要求31所述的掃描儀和根據(jù)權(quán)利要求32至34所述的裝置的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
執(zhí)行距離測量是一項技術(shù)標準任務(wù)，為此在光學系統(tǒng)的應(yīng)用下實現(xiàn)了許多解決方案，其中，視距儀是大地測量學和建筑業(yè)的測量任務(wù)用的典型測量儀器。近年，配備有無反射器測量的測距儀(EDM)的視距儀已越來越得到確立。
最初，要測量的作用距離是60m，但隨著該儀器的日益推廣，對其作用距離的要求也越來越高。今天，該儀器在無反射器時測量達到200m。
傳統(tǒng)測距儀主要以脈沖法(飛行時間)原理或相位差法為基礎(chǔ)。然而由于在mm范圍內(nèi)的要求高的測量精度，目前大多數(shù)儀器配備有EDM，該EDM根據(jù)相位測量原理來工作。此外，該儀器在測距經(jīng)緯儀的情況下，由于其體積較小而具有優(yōu)點。
然而，相位計由于對無反射器物體的低光學功率信號而具有較小的作用距離，以致使用相位計幾乎不能完成大于300m距離的無反射器測量。反之，渡越時間計在作用距離上與相位計相比處于優(yōu)勢，這是因為容易實現(xiàn)對無反射器目標的500m距離的測量。然而，渡越時間計具有的缺點是，幾乎達不到1mm的絕對測距精度。關(guān)于各種距離測量方法和裝置的概況例如可參見“Elektronische Entfernungs-und Richtungsmessung”，R.Joeckel and M.Stober，4.Auflage，Verlag Konrad Wittwer，Stuttgart，1999。
自從無反射器測距儀在總站內(nèi)的引進和推廣以來，使用者常常面對另一問題，該問題主要是在這種無反射器應(yīng)用中發(fā)生。特別是在較大測量距離或者特殊目標或背景幾何形狀的情況下，產(chǎn)生的效果是，從測距儀發(fā)射的測量光束同時照射2個物體。該問題的一例是邊緣測量，例如桌子邊緣的測量。如果測量該邊緣，則光束的一部分照射要測量的邊緣，光束的另一部分通過目標照射位于后面的物體或者地面。另一例是后向反射器，該后向反射器位于弱反射目標物體的附近，使得散射光可通過后向反射器到達測距單元的接收機內(nèi)。在常規(guī)相位計中，這導致誤測距，該誤測距既不會被分配給一個目標物體，也不會被分配給另一目標物體。特別是在較大距離的情況下執(zhí)行無反射器距離測量時，以下可能性增高，即在原本要測量的物體和儀器之間測量到意外物體。另一典型情況是通過樹木或網(wǎng)柵進行距離測量。在無反射器應(yīng)用中，這種干擾物體的散射光部分會導致嚴重的誤測量。因此，也應(yīng)是，多個物體同時由測量光束照射的情況使距離評價準確。
從自然表面反向散射的測量光也是極其弱的，特別是在大距離的情況下。由此產(chǎn)生的困難是，在雨、霧或雪中進行距離測量的情況下，空氣中存在的沉淀物顆?？瓷先ハ缶哂熊洷砻娴母郊幽繕宋矬w。依賴于沉淀物強度，干擾影響對本來的距離測量產(chǎn)生作用。例如在大雨中不排除誤測量。
另外，對于相位計出現(xiàn)的困難是，相位計不能準確測量到多目標的距離。在接收信號中，各種目標物體的相位以不可分離的方式重疊，使得采用相位差法不再能可識別地分離成各個目標物體的分量。特別是在霧、雨或雪中，可能發(fā)生誤測量。
根據(jù)脈沖法(渡越時間法)的測距儀屬于功率最強的測距儀。對無反射器目標物體的作用距離是突出的，其中，多目標能力原則上也是可實現(xiàn)的。相反，該裝置的測距精度缺乏以及復(fù)雜性卻是該測量原理的很大缺點。在大雨時或者在含有灰塵的空氣中，以往的渡越時間計也不起作用。其中一個原因是，脈沖信號中的低頻分量也被評價，而恰巧該分量由于灰塵或懸浮粒子而在渡越時間中失真。
渡越時間測量的另一缺點是由激光源引起的。具有良好光束質(zhì)量的脈沖激光器，例如固態(tài)激光器或者微芯片激光器，在控制和電流消耗方面是昂貴和復(fù)雜的。半導體激光器雖然成本低，但由于空間相干性減少或缺乏而至今在光束質(zhì)量上是不夠的。至今還沒有產(chǎn)生具有小測量點的激光束的基于激光二極管的渡越時間計。因此，到輪廓例如物體上的邊緣的距離不能使用基于半導體激光器的測距儀來準確測量。
因此，作為所有以往公知的測量原理的主要缺點是，要么對無反射器目標物體的作用距離不足，要么測量精度不夠。
另一缺點是技術(shù)上沒有實現(xiàn)的多目標能力。在大地測量的測量中，至今沒有公開以下測距儀，該測距儀可靠區(qū)分多目標，并因此可靠實現(xiàn)對各種目標的距離測量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種新的測距方法及適合此的裝置，該兩者特別是不僅在較大距離的情況下實現(xiàn)無反射器的測量，而且同時具有mm范圍內(nèi)的高測量精度。
本發(fā)明的另一目的是實現(xiàn)多目標的準確測量。
本發(fā)明的另一目的是減少一般大氣影響(例如含塵量或煙霧)的相關(guān)性，從而能進行精確測距而與這些影響無關(guān)。
此外，作為其他目的或者要滿足的要求，具有數(shù)秒內(nèi)的短測量時間，在特殊氣象條件，例如霧、雨或雪時的增強且不受影響的距離測量，以及合適裝置在大地測量系統(tǒng)內(nèi)的可集成性，例如經(jīng)緯儀。該可集成性由可微型化或者由小的構(gòu)造體積、模塊化布置和降低的能量效率來支持。
根據(jù)本發(fā)明，由權(quán)利要求1和23的特征以及從屬權(quán)利要求的特征來達到這些目的，或者使解決方案得到進展。
該解決方案以根據(jù)“系統(tǒng)分析”原理的電光測距儀的概念為基礎(chǔ)。在此，既不涉及純渡越時間計，又不涉及純相位計。測距系統(tǒng)現(xiàn)由以下組成發(fā)射光信號所需要的部件，具有至少一個目標的測量路程，可能的話儀器內(nèi)部的基準路程，以及接收信號所需要的部件。該系統(tǒng)分別通過作為系統(tǒng)輸入和系統(tǒng)輸出執(zhí)行功能的接口被定義。由發(fā)送單元和接收單元連同測量路程和目標物體一起組成的測距儀被解釋為光電信號的傳輸系統(tǒng)。以下為了簡便起見，把該傳輸系統(tǒng)稱為系統(tǒng)。因此，目標物體是系統(tǒng)的組成部分。使用根據(jù)本發(fā)明的方法對系統(tǒng)進行分析，特別是算出對各個目標的渡越時間(死時間)數(shù)及其持續(xù)時間數(shù)。原則上，執(zhí)行系統(tǒng)識別，其中，重點放在對被照射有測量光束的目標物體的渡越時間的算出上。
根據(jù)本發(fā)明的方法的可能較高的靈敏度由各種因素產(chǎn)生。一方面，在針對性選擇調(diào)制頻率的情況下發(fā)射和接收激勵信號，并對其信號形狀進行掃描和評價。該信號形狀可具有例如狄拉克脈沖序列，然而正弦形激勵信號正如在相位計的情況下也是可能的。另一方面，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，評價全部信號信息用于距離測定，并不僅僅像在相位差法中那樣評價相位，或者像在脈沖渡越時間測量法中那樣評價渡越時間。根據(jù)本發(fā)明的方法在評價中同時考慮到全部連續(xù)檢測的測量數(shù)據(jù)，其中，例如所有測量和模型信息被集中或組合在成本函數(shù)中。因此，不執(zhí)行相位測量，而是對時域或頻域內(nèi)的值號形狀，以及信道放大、噪聲等進行測量技術(shù)上的檢測，并將其包含在根據(jù)本發(fā)明的評價內(nèi)。而且，優(yōu)選地根據(jù)基于最大似然原理(最佳估計量)的成本函數(shù)進行信號評價。與以往的相位計不同，由于靈活且可快速切換的頻率合成器，加之與目標物體數(shù)及其相互間隔有關(guān)，可針對性地變更或選擇激勵信號的調(diào)制頻率。通過最佳調(diào)節(jié)的測量數(shù)據(jù)集，可實現(xiàn)具有高精度的系統(tǒng)分析。例子是減少由目標物體和測距裝置之間的多次反射所引起的干擾影響，或者回避在多目標情況下的干擾信號重疊。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)識別以許多調(diào)制頻率的發(fā)射為基礎(chǔ)，該調(diào)制頻率數(shù)比在常規(guī)相位計的情況下的大。許多調(diào)制頻率的產(chǎn)生可例如使用DDS合成器(直接數(shù)字合成器)或者另一現(xiàn)代的“跳頻裝置”例如“N分頻合成器”來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，信號產(chǎn)生可例如根據(jù)直接合成原理來進行，在此，在內(nèi)部存儲器內(nèi)所保存的信號形狀通過周期性重復(fù)順次被供給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，并被送到輸出(任意發(fā)生器)。
評價是針對各個調(diào)制頻率單獨進行的，或者是針對多個調(diào)制頻率集中進行的。在此，可選的單獨評價主要可在良好接收信號時實現(xiàn)，例如用作次最佳估計量。在集中的情況下，所有信號數(shù)據(jù)被包含在公共模型內(nèi)，并用于參數(shù)估計，特別是渡越時間，例如用作最佳估計量。
優(yōu)選的是，僅發(fā)射MHz至GHz范圍內(nèi)的高調(diào)制頻率，從而使系統(tǒng)對硬目標的渡越時間是有選擇性的，而對例如雨、霧、雪那樣的軟目標是有防御性的。使用高頻率的另一優(yōu)點是測距精度由此提高。在專門高頻的情況下，各頻率對參數(shù)確定的最終結(jié)果產(chǎn)生作用。對于常規(guī)相位計，情況不是這樣。然而，該優(yōu)點也針對渡越時間計而存在，在渡越時間計內(nèi)由于低脈沖重復(fù)率而對1000次以下的脈沖進行統(tǒng)計求平均，這導致測量精度低下。
對所有調(diào)制頻率中的組或者族的選擇影響系統(tǒng)分析結(jié)果的質(zhì)量。例如，可通過最佳選擇頻率，在少量接收信號時，特別是在較大目標距離時的信號極限的情況下，實現(xiàn)增強的距離測量。此外，對所有調(diào)制頻率中的組或者族的選擇也確定最大的唯一要分辨的作用距離(唯一性)。如果所有頻率的族例如由DDS合成器靈活處理并且適合要完成的測量任務(wù)，則由目標物體和測距裝置之間的多次反射引起的干擾效應(yīng)，以及在多目標情況下的不期望的信號重疊效應(yīng)也被消除。
在此情況下，數(shù)字信號合成的強度處于靈活頻率概念的可能性內(nèi)，因此，處于所有頻率的族與要分析的由裝置和測量路程組成的測距系統(tǒng)的最佳匹配內(nèi)。
使用根據(jù)本發(fā)明的測距方法或裝置，與相位計不同，也能測量交錯的目標，例如通過窗玻璃進行測量。測距儀同時確定距處于光束中的多個目標的距離。在此情況下，最佳頻率概念是與單目標情況不同的概念。
根據(jù)本發(fā)明的測距方法具有多目標能力。因此能同時測量內(nèi)部基準光路的距離。內(nèi)部基準光路是第一目標物體，所有其他目標物體的距離是相對于已知基準物體來測量的。因此，距離測量是沒有溫度波動和其他分散影響的。因此，多目標能力可用于通過內(nèi)部基準光路的同時校準，從而避免了以往所需要的儀器方面的費用，例如由基準路程的選擇性切換或者第二基準接收機的應(yīng)用所產(chǎn)生的費用。
根據(jù)本發(fā)明的所定義的數(shù)學系統(tǒng)包含測距單元，所涉及的目標物體，以及距目標物體的距離。該系統(tǒng)在通信技術(shù)方面被理解為線性傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)特性由所謂的脈沖響應(yīng)h(t)的規(guī)格來描述。如果系統(tǒng)使用狄拉克脈沖來激勵，則這是該系統(tǒng)的響應(yīng)。脈沖響應(yīng)的傅里葉變換被稱為傳遞函數(shù)H(ω)或者復(fù)合頻率響應(yīng)，其中，這是在頻率空間或頻率范圍或頻域內(nèi)的系統(tǒng)的可能描述之一。
由于系統(tǒng)通常使用因果信號來激勵，因而也能使用稍微一般且相對于收斂更穩(wěn)定的拉普拉斯變換來取代傅里葉變換。
然而，在周期性激勵信號的情況下，傅里葉變換(FT)通常被認為是足夠的。系統(tǒng)的一般復(fù)值傳遞函數(shù)H(ω)的定義則按如下給出H(ω)=Y(ω)S(ω)---(1)]]>系統(tǒng)描述傳遞函數(shù)是在各自傅里葉變換后的接收信號y(t)和傅里葉變換后的激勵信號s(t)之間的商。
FTy(t)→Y(ω)FTs(t)→S(ω)系統(tǒng)分析器的復(fù)值頻率響應(yīng)具有下式H(·ω)=an·(i·ω)n+an-1·(i·ω)m-1+···a0·(i·ω)0bm·(i·ω)m+bm-1·(i·ω)m-1+···b0·(i·ω)0·(Σk=1dρk·exp(-i·ω·tk))---(2)]]>在此，ω表示角頻率，i表示虛數(shù)單位，并與頻率f按如下聯(lián)系在一起ω＝2·π·f。此外，d是所照射的目標物體數(shù)，ρk是反射率，tk是與距離成比例的信號渡越時間。要測量的距離根據(jù)Dk=c2·tk]]>來計算，其中，c表示光速。
頻率通過系統(tǒng)得到放大、衰減以及相移。傳遞函數(shù)由在物理特性上基本不同的兩個項組成有理商以及具有作為線性自變量的角頻率的指數(shù)函數(shù)的和。
第一系數(shù)(商)描述由激光二極管、接收二極管以及濾波器那樣的電子部件產(chǎn)生的所謂色散影響。這些色散影響引起從系統(tǒng)的輸入到輸出的振幅和相位變化。
第二因子由指數(shù)函數(shù)的和組成并描述在測距單元和各個目標物體之間的所查找的死時間或渡越時間。死時間的確定與距相關(guān)物體的各個距離的測量對應(yīng)。
為了能高精度測量系統(tǒng)的渡越時間或死時間，表示為商的第一因子必須以計算方式來消除，或者通過系統(tǒng)校準來測量和消除。
這例如可由制造商的系統(tǒng)校準來確保，該系統(tǒng)校準在交貨前、在制造期間或者后續(xù)循環(huán)進行。特別是在難以評價的老化效應(yīng)的情況下，該老化效應(yīng)引起例如頻率相關(guān)的渡越時間延遲，在本來的距離測量之前或期間直接進行現(xiàn)場的恒定系統(tǒng)校準是有利的。
優(yōu)選的是，這種系統(tǒng)校準應(yīng)在與距離測量有關(guān)聯(lián)的時間實現(xiàn)。為此，測量光被引導通過已知長度的內(nèi)部光路。因此，傳遞函數(shù)中的第一項的信息在所施加的激勵頻率時被檢測。
本來的距離測量是后續(xù)或同時執(zhí)行的。在此，測量光被引導到外部目標物體。該外部系統(tǒng)測量優(yōu)選地在與內(nèi)部光路時相同的頻率進行，即，傳遞函數(shù)被測量。而在現(xiàn)有技術(shù)中，只有具有可切換的基準路程或者發(fā)射機或接收機的雙重布置的復(fù)雜解決方案是公知的。例如，EP 0 738 899公開了一種可切換的基準路程，EP 0 932 835描述了兩臺接收機的應(yīng)用，以及DE 40 02 356公開了兩臺可切換的發(fā)射機的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明，通過內(nèi)部光路的測量也可與通過外部光路的測量同時進行，這是因為該方法能夠高精度評價多目標，其中，內(nèi)部基準路程被檢測為多個目標中的第一目標。在此情況下，無需復(fù)制系統(tǒng)的部件或者把基準路程布置成可切換，而這在現(xiàn)有技術(shù)的某些解決方案中是必要的。
根據(jù)本發(fā)明的用于系統(tǒng)校準的技術(shù)和計算實施的方法是在所選數(shù)量的頻率(不定期或定期的頻率抽樣)情況下確定傳遞函數(shù)H(ω)，更確切地說，一方面通過內(nèi)部光路，另一方面通過外部測量光路。
對于系統(tǒng)校準，公式(1)完全可寫為極或指數(shù)表達式H(ω)=|H(ω)|·exp(-i·ω·tdisp(ω))·(Σk=1dρk·exp(-i·ω·tk))]]>通過系統(tǒng)校準，可在測量信號中所發(fā)射的頻率時確定系統(tǒng)放大|H(ω)|和色散tdisp(ω)。因此，它們可在針對目標物體的本來距離測量時被假定為已知。
因此此外，校正還考慮放大/衰減以及在測量頻率時的色散延遲時間。這種不期望的效應(yīng)被包含在傳遞函數(shù)的前兩項內(nèi)。
傳遞函數(shù)的計算例如通過離散傅里葉變換(DFT)來進行。接收信號使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)在時間范圍內(nèi)來掃描，然后通過DFT計算在測量信號內(nèi)所包含的頻率以及復(fù)值振幅Y(ω)。與Y(ω)一起，系統(tǒng)放大|H(ω)|和分散tdisp(ω)也是已知的。
通過比較內(nèi)部和外部測量路徑的與頻率相關(guān)的振幅、相位以及噪聲結(jié)果，可按以下方式成功進行傳遞函數(shù)的校正，即在H(ω)或H(f)中，僅具有死時間tk的項在指數(shù)和中保持為未知。
因此，校準數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)如下對于單目標情況Hc(f)＝p1·exp(-i·2·π·f·t1)對于具有d個目標的多目標情況 (3)Hc(f):=Σk=1dρk·exp(-i·2·π·f·tk)]]>式中，為了方便起見，針對所測量的目標物體的校準渡越時間再次由tk表示。
系統(tǒng)校準也可在時域內(nèi)直接執(zhí)行。在此，取代傳遞函數(shù)H(f)，通過內(nèi)部光路算出針對不同激勵信號的系統(tǒng)響應(yīng)的渡越時間。
在最大似然估計量理論方面，系統(tǒng)校準也能把所有測得的系統(tǒng)響應(yīng)組合到單個成本函數(shù)內(nèi)，以便從中評價針對目標物體的所校準的測距數(shù)據(jù)。
在知道總的連續(xù)光譜的情況下，可通過傅里葉逆變換(IFT)計算系統(tǒng)的對應(yīng)脈沖響應(yīng)h(t)＝∫H(f)·exp(+i·2·π·f·t)df(4)如果H(f)與公式3對應(yīng)并且在所有頻率處是已知的，則可完整求積分。脈沖響應(yīng)如下對于單目標情況
h(t)＝ρl·δ(t-tl)對于d個目標的多目標情況h(t):=Σk=1dρk·δ(t-tk)]]>顯然，脈沖響應(yīng)直接包含針對處于測量光束內(nèi)的d個目標物體的全部的距離信息tk。
如果未直接在調(diào)制頻率處進行測量，而是進行外差或零差測量，則公式3和4也是有效的。在此，把高頻接收信號與高頻混頻信號向下混頻為低頻電子信號。通過評價該低頻信號，可確定本來的高頻接收信號的振幅和相位。
在根據(jù)本發(fā)明的測距裝置的實施方式的情況下，系統(tǒng)的總復(fù)合光譜H(f)未被測量，測量信號或發(fā)射信號僅在所有系統(tǒng)頻率的一部分時才激勵系統(tǒng)，在通常情況下，僅一族離散頻率被測量。因此，光譜H(f)不是對各頻率都已知，而是僅逐點已知。
因此，也不能立即通過IFT把脈沖響應(yīng)h(t)重構(gòu)為時間信號。
該問題原則上在于計算公式3或公式4中的渡越時間tk的參數(shù)。
各種評價方法適合于計算渡越時間或距離。各自最佳方法的選擇依賴于系統(tǒng)特定狀態(tài)特征。屬于系統(tǒng)的這些特征的例如有目標數(shù)，距目標的距離，目標的反射能力，信號振幅，噪聲電平量等。
為了推導距離信息，可使用總信號形狀y(t)或者僅使用信號形狀的一部分，其中，該部分可理解為例如以下量信號形狀y(t)的最大值，第一諧波的振幅或者信號脈沖在半值寬度內(nèi)的曲線y(t)下的面積。在統(tǒng)計評價方法的情況下，信號形狀y(t)的RMS噪聲也可理解為信號形狀的一部分。
距離信息的主要部分存在于信號形狀的時間結(jié)構(gòu)內(nèi)。對此的例子是，系統(tǒng)響應(yīng)y(t)相對于激勵信號s(t)的時間移動，但特別是在具有多目標的系統(tǒng)中的反射脈沖的相互的相對時間間隔。在矩分析方面，一個或多個信號脈沖的重心的時間位置也可理解為信號形狀的時間結(jié)構(gòu)的例子。
下面，對時域或頻域內(nèi)評價的某些可能性純示例而不是總結(jié)性地進行說明。
距離確定的第一種方法是時間范圍內(nèi)的評價。如果例如短持續(xù)時間的周期性脈沖的渡越時間在不同脈沖率時相繼被測量，則可高精度唯一計算距離。
在時間范圍內(nèi)的距離確定中，脈沖重復(fù)頻率的最佳選擇是關(guān)系重大的。這些頻率應(yīng)如此設(shè)置，使得來自多目標的反射信號在不同時間落在接收機上。這樣可避免麻煩的信號脈沖重疊，并且各個信號脈沖可分配給各個目標物體。
根據(jù)本發(fā)明，這種最優(yōu)化的頻率選擇可使用頻率合成器來實現(xiàn)。評價方法的一例在圖5a示出。各激勵信號s(t)產(chǎn)生響應(yīng)信號y(t)。從中使用信號推導通過內(nèi)部光路所校準的信號響應(yīng)h(t)。所有激勵信號s(t)的這些校準的信號響應(yīng)h(t)是相互時移的，其中，相對偏移時間Δtjk可例如通過互相關(guān)計算或重心計算來確定。這些偏移時間Δtjk給出關(guān)于在發(fā)射路程途中的脈沖數(shù)的說明(唯一性)。
在另一步驟中，可構(gòu)建由所有激勵信號sk(t)的時移信號響應(yīng)hk(t-Δtjk)的和形成的時間信號z(t)。然后根據(jù)z(t)，例如再次使用互相關(guān)計算或重心計算來最終確定渡越時間tn。
另一方法是根據(jù)公式3的傳遞函數(shù)H(f)的光譜模型和在所分析的調(diào)制頻率時的測量點H(fk)之間的非線性平衡計算。
距離估計的另一方法以最大似然估計量原理為基礎(chǔ)。在此，所測量的光譜數(shù)據(jù)被輸入到成本函數(shù)，該函數(shù)的整體最大值或最小值則給出d距離的估計值。
在單目標情況下，最大似然估計量是具有顯著整體最大值的簡單一維成本函數(shù)。在合適選出復(fù)值光譜的離散測量值時，在單目標情況下，也可實現(xiàn)同樣使精確且增強的距離計算成為可能的其他方法。例如，可把離散頻率樣本的傅里葉逆變換解釋為最大似然函數(shù)的近似。
對于單目標情況，下式則適用z(t):=1N·Σk=0N-1H(fk)·exp(i·2·π·fk·t)---(5)]]>因此，一般復(fù)值函數(shù)z(t)直接根據(jù)離散頻譜的所有N個測量復(fù)值振幅H(fk)來計算并與時間信號對應(yīng)，其中，該函數(shù)包含所有在系統(tǒng)分析時所收集的信息。時間函數(shù)Re(z(t))的整體最大值是在渡越時間t1時所取的。
傅里葉逆變換(IFT)的方法也可成功地用于多目標情況。然而，在系統(tǒng)分析時所算出的離散頻率時的復(fù)數(shù)振幅的選擇卻被帶上附加條件。不是每一數(shù)量的無規(guī)則掃描的傳遞函數(shù)的點都導致在d個目標物體的渡越時間時具有最大值的單參數(shù)時間函數(shù)。
對于多目標情況，IFT由從傅里葉變換理論公知的窗函數(shù)W(f)，例如漢寧窗(Hanning window)或布賴克曼窗(Blackman window)擴展，下式則適用z(t):=1N·Σk=0N-1H(fk)·W(fk)·exp(i·2·π·fk·t)---(6)]]>在此，權(quán)函數(shù)W(f)在多目標情況下顯著提高測距精度。
下面給出適合于多目標情況的頻率概念的一例。
等距布置的激勵頻率形成針對多目標情況是最優(yōu)化的頻率組形式的頻率概念。這種概念可包含例如以下頻率400MHz，410MHz，420MHz，...，500MHz。
經(jīng)常只需計算由IFT產(chǎn)生的時間信號z(t)的數(shù)值即可，其中，這種從等距布置的激勵頻率產(chǎn)生的時間信號的典型形狀在圖13作了例示。所查找的渡越時間被包含在所計算的類脈沖的時間信號|z(t)|內(nèi)。如果發(fā)生多個脈沖，則存在多目標情況。所計算的時間信號由于離散測量頻率而是時間周期性的。因此，所計算的時間信號的周期性限制最大作用距離。通過合適選擇等距頻率組，可容易地把最大作用距離擴展到超過500m，而無損測量精度。
為了使為系統(tǒng)分析所需要的激勵頻率的數(shù)量保持最小化，頻率概念被劃分成多個等距分檔頻率。換句話說，在第一分析步驟中，發(fā)射具有細頻率間隔的等距頻率。然后通過IFT計算時間信號z(t)或|z(t)|，并從中確定粗略距離。圖14示出一例100MHz，100.5MHz，101MHz，101.5MHz，...，105MHz。
在第二分析步驟中，發(fā)射另一組具有較粗頻率間隔的等距頻率，然后再次通過ITF計算對應(yīng)的時間信號z(t)。結(jié)果是精確確定距離。這由圖14例示100MHz，107.5MHz，115MHz，..，175MHz。如果測距精度仍不充分，則可使用更粗分檔的等距頻率組細化系統(tǒng)分析。
取代用作成本函數(shù)的時間信號z(t)，也可使用由加權(quán)IFT產(chǎn)生的功率信號z(t)·z(t)用于距離計算，如圖15例示。z(t)在此表示共軛復(fù)數(shù)時間信號z(t)。
該系統(tǒng)使用周期性發(fā)射信號作為輸入量來激勵。在最簡單的情況下，這可通過諧波正弦振蕩來實現(xiàn)。然而優(yōu)選的是，周期性產(chǎn)生具有例如矩形、三角形、狄拉克脈沖或者其他信號形狀的短持續(xù)時間的脈沖。發(fā)射信號的頻譜因此是離散的，除了基波以外，依賴于脈沖形狀，同時還在光譜內(nèi)產(chǎn)生對應(yīng)的高次諧波頻率。
對于系統(tǒng)分析，使用不同重復(fù)頻率的多個周期性發(fā)射信號。在此，將這些發(fā)射信號相繼施加給系統(tǒng)輸入，并且測量對應(yīng)的輸出信號。如果測量了所有周期性信號，則結(jié)束系統(tǒng)測量(系統(tǒng)分析)。在光譜范圍內(nèi)，除了周期性信號響應(yīng)的基波以外，還測量該信號響應(yīng)的高次諧波光譜分量。
在本發(fā)明的實施方式中，激勵頻率組的產(chǎn)生例如可使用DDS合成器(直接數(shù)字合成器)來實現(xiàn)。這些小型單芯片模塊可最高精度產(chǎn)生幾乎一切任意頻率。頻率變更用的切換時間小于1毫秒，并且與系統(tǒng)分析用的所需測量時間相比短得可忽略。切換是例如由微處理器通過數(shù)據(jù)總線來控制的。在此，DDS模塊同步用的時鐘頻率可由ppm精度主控振蕩器來產(chǎn)生。該頻率在此情況下用作保證ppm范圍內(nèi)的距離分辨率的所有激勵頻率的比例標度的基礎(chǔ)。
除了DDS頻率合成器以外，其他現(xiàn)代的“跳頻裝置”例如N分頻合成器也是公知的。這種模塊由于快速和細分檔的變頻而適合用作所需調(diào)制頻率的發(fā)生器。
一種有利的要素是檢測所發(fā)射的激勵頻率的信號強度(振幅)，這是因為，對發(fā)射信號和接收信號的兩個振幅的了解可用于計算復(fù)值傳遞函數(shù)H(f)。
各個最佳周期性激勵的類型和選擇，與在用于距離計算的方法一樣，依賴于系統(tǒng)特定狀態(tài)特征，例如目標數(shù)、目標距離、信噪比等?？紤]到這些實際的系統(tǒng)特定狀態(tài)特征，可使用DDS合成器以及可能的話其他部件，非常靈活地當場最佳選擇或配置用于系統(tǒng)分析的激勵光譜。
對于單目標情況，例如選擇具有對數(shù)等距分檔的周期性發(fā)射信號的重復(fù)頻率。然后，通過傅里葉逆變換所計算的成本函數(shù)s(t)產(chǎn)生對噪聲不敏感的估計量真整體最大值，如圖12所示。
對于在目標點和測距裝置之間產(chǎn)生多次反射的目標標志，優(yōu)選地使用具有根據(jù)質(zhì)數(shù)的分檔的發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率。然后，通過傅里葉逆變換所計算的成本函數(shù)s(t)產(chǎn)生距目標標志的所查找距離的估計量真整體最大值。
在測量光束中具有多個目標的測量狀況時，例如具有等距頻率分檔的周期性發(fā)射信號用于系統(tǒng)分析。
為了達到甚至在例如500m的大距離范圍內(nèi)的高測距精度(亞毫米)，可使用已述的多組等距分檔的激勵頻率。通常，具有重復(fù)頻率間的不同間隔的2組激勵信號就足夠了，如圖11所示。
總之，三種評價方法基本上達到系統(tǒng)分析的目標1.一種方法是在時間范圍內(nèi)的系統(tǒng)信息的評價。通過測量所有脈沖序列的時間相互偏移的信號響應(yīng)的相對渡越時間，可確定同時在傳輸路程途中(唯一性)的脈沖數(shù)。距所查找的目標物體的距離最終從當前發(fā)射和同時接收的信號脈沖之間的渡越時間，結(jié)合發(fā)射單元和接收單元之間的脈沖數(shù)一起的測量來得出。
2.另一方法是在頻率范圍內(nèi)的評價。通過把DFT/FFT應(yīng)用于所測量的周期性時間信號，在激勵頻率(包括高次諧波)時計算傳遞函數(shù)H(f)的參數(shù)。如果傳遞函數(shù)H(f)在足夠頻率時被測出，則距離確定例如可根據(jù)最小平方法，使用根據(jù)最大似然原理的成本函數(shù)或者根據(jù)其他準則所定義的成本函數(shù)來計算。
3.另一方法是在頻率范圍內(nèi)的繼續(xù)評價。如果在足夠數(shù)量的頻率下測出傳遞函數(shù)H(f)，則重構(gòu)與脈沖響應(yīng)對應(yīng)的時間信號z(t)通過ITF的應(yīng)用，從而再次在時間范圍內(nèi)進行評價。針對各個目標物體的系統(tǒng)死時間或渡越時間是由Re(z(t))的信號最大值或信號最小值來確定的。
在裝置側(cè)，由目標物體反射的光接收信號使用優(yōu)選地電子寬帶光電接收機來檢測。激勵信號是MHz或GHz范圍內(nèi)的高頻信號。為了避免使用AD轉(zhuǎn)換器(ADC)的高頻信號掃描，在一可能實施方式中，例如，也可把接收信號提供給電子混頻器(外差接收機)。在混頻器的輸出處，被轉(zhuǎn)換成低頻的時間信號使用ADC來掃描，并且測量點被提供給評價單元或存儲器。
不同重復(fù)率的掃描時間信號優(yōu)選地通過DFT變換被變換成頻率范圍，其中，作為結(jié)果得出在各自頻率時的傳遞函數(shù)H(f)的復(fù)值振幅。在此使用各個周期性發(fā)射或激勵信號算出復(fù)傳遞函數(shù)H(f)的其他測量點。如果復(fù)傳遞函數(shù)H(f)的足夠測量點是已知的，則可開始根據(jù)用于確定死時間的方法中的一種方法的距離計算。
作用距離增大且對雨、雪或霧不敏感的單目標情況用的系統(tǒng)分析器的根據(jù)本發(fā)明的實施方式例如按如下實施。用于系統(tǒng)分析的激勵頻率的產(chǎn)生是通過DDS合成器來進行的，其中，執(zhí)行激勵頻率的振幅確定。激勵頻率的振幅也可在工廠一次校準。
信號接收使用電子混頻器和PLL信號進行外差設(shè)計，其中，信號檢測通過使用ADC的脈沖同步數(shù)字化來進行。作為替代，也能實施高頻范圍內(nèi)的直接信號掃描來取代外差接收法。
數(shù)字化接收信號的評價的第一步驟是使用DFT變換在處理器單元內(nèi)來執(zhí)行的。然后使用IFT方法進行與脈沖響應(yīng)相當?shù)臅r間信號的計算。
然后使用IFT方法進行與脈沖響應(yīng)相當?shù)臅r間信號的計算。雨、霧或雪反射光發(fā)射信號的一部分。然而由于信號分量是通過散射而在整個測量路徑上求積分產(chǎn)生的，因而脈沖響應(yīng)不疊加與頻率無關(guān)的死時間，而是疊加與頻率相關(guān)的渡越時間(色散)。理論考慮和實驗表明，一旦激勵頻率超過10MHz，對系統(tǒng)的渡越時間特性的干擾色散影響就消失。雨或霧對信號振幅的影響顯示低通特性，截止頻率約1至5MHz。因此如果高于約10MHz的調(diào)制頻率專用于系統(tǒng)分析，則空氣中的沉淀顆粒對距本來目標物體的距離計算的影響可忽略。
起因于DDS技術(shù)的大調(diào)制頻率數(shù)所產(chǎn)生的信息冗余度作為另一優(yōu)點。如果例如在系統(tǒng)分析中測量光束由某人無意遮斷，則該故障產(chǎn)生傳遞函數(shù)H(f)的中斷，該中斷由于大調(diào)制頻率數(shù)而能容易識別，并在進一步的信號評價時可以不予考慮。然后，H(f)的剩余光譜點足夠用于距離計算，而不會使精度顯著受損。
多目標情況用的系統(tǒng)分析器的根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式例如根據(jù)以下方案來實現(xiàn)。
用于系統(tǒng)分析的優(yōu)選地靈活數(shù)量的激勵頻率的產(chǎn)生是通過與用于產(chǎn)生甚高頻的后置變頻器進行組合的第一DDS合成器來進行的。后者確保高測距精度。無PLL的配置可實現(xiàn)微秒范圍內(nèi)的快速變頻。同時在發(fā)射機側(cè)確定激勵頻率的振幅，其中，該振幅也可在工廠一次校準。在接收機電路中，同樣可快速切換的第二DDS合成器產(chǎn)生外差或零差接收用的混頻信號。因此與使用單個DDS可達到的相比，可在更大的頻率范圍內(nèi)進行頻率的逐步調(diào)諧。使用ADC的數(shù)字化被應(yīng)用于信號檢測。使用DFT/IFT方法的信號評價是在處理器單元內(nèi)，在計算與脈沖響應(yīng)相當?shù)臅r間信號的情況下進行的。


以下，根據(jù)在附圖中示意示出的實施例對根據(jù)本發(fā)明的方法和用于執(zhí)行該方法的合適裝置以純示例的方式作進一步說明。具體地圖1a-b是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的脈沖測量方法的原理圖；圖2a-b是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的相位測量方法的原理圖；圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的相位計的框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的具有多個目標物體的系統(tǒng)分析測量方法的一般原理圖；圖5a-b是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)分析測量方法的一例的原理圖；圖6a-b是根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)模型用的輸入量和輸出量的示例；圖7是根據(jù)本發(fā)明的具有各種子系統(tǒng)的組合的方法的系統(tǒng)模型；
圖8是系統(tǒng)分析用的合適發(fā)射信號的示例；圖9是所有發(fā)射信號的總量的合適光譜分布的示例；圖10是作為所有發(fā)射信號的總量的光譜分布的其他示例的帶通限制離散頻率；圖11是作為所有發(fā)射信號的總量的光譜分布的另一示例的具有各自不同等距配置的兩組離散頻率；圖12是作為光譜對數(shù)等距系統(tǒng)分析的IFT的實部的時間信號的示例；圖13是作為光譜等距系統(tǒng)分析的IFT(包絡(luò))數(shù)值的時間信號的示例；圖14是作為兩個光譜等距頻率組的IFT數(shù)值的兩個時間信號的示例；圖15是作為具有兩個不同反射目標物體的兩個光譜等距頻率組的IFT的功率信號的示例；圖16是根據(jù)本發(fā)明的具有外差混頻器的裝置的框圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的具有外差混頻器以及在頻率選擇時靈活性提高的裝置的框圖；圖18是作為根據(jù)本發(fā)明的大地測量用測量儀器一例的具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的經(jīng)緯儀望遠鏡的示意圖；圖19是具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的經(jīng)緯儀望遠鏡以及用于控制自動聚焦的附加應(yīng)用的示意圖；圖20是具有根據(jù)本發(fā)明的裝置以及用于同時校準的無切換的內(nèi)部光路的經(jīng)緯儀望遠鏡的示意圖；圖21是具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的根據(jù)本發(fā)明的掃描儀的示意圖；以及圖22是具有根據(jù)本發(fā)明的裝置以及用于同時校準的無切換的內(nèi)部光路的雙軸測距儀的示意圖。
具體實施例方式
圖1a-b示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的脈沖測量方法的原理圖。
在圖1a中，通過發(fā)射機1發(fā)射光脈沖2，該光脈沖2在由一目標例如后向反射器3反射后，再次由接收機4檢測。通常，發(fā)射機1和接收機4配置在一臺儀器內(nèi)。
距離是根據(jù)作為光脈沖2的發(fā)射開始時刻S和接收時刻E之間的時間差的渡越時間L來算出。接收時刻的算出在此是通過信號脈沖s(t)的特征評價，例如通過超過信號閾值或者通過集成脈沖曲線的重心確定來進行的。
圖2a-b示出確定儀器和目標之間的距離的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的相位測量方法的原理圖。
在圖2a中，從發(fā)射機1’把所調(diào)制的光信號作為光波2發(fā)射到可再次由后向反射器3組成的目標，并從該目標回反射到接收機4’。與渡越時間法不同，這時不記錄發(fā)射和接收之間的時間差。被記錄的是進入的信號和送出的信號的相移。該相移依賴于儀器和目標之間的距離，這是因為，該距離與所發(fā)射的光波2’的波長的倍數(shù)以及所剩余的余數(shù)R對應(yīng)。該余數(shù)是在距離除以波長W時所剩余的非整數(shù)分量，如圖2b所示。所測量的相移是余數(shù)R的測度，這樣在知道該余數(shù)R和波長W的數(shù)的情況下，可推導出測量儀器和目標之間的距離。由于在該方法中，波長W的數(shù)未直接被確定為整數(shù)分量，因而必須進行該模糊的附加分辨。這可例如通過使用多個(典型地為2至5個)調(diào)制頻率來進行，為此針對發(fā)射信號順次計算接收信號的絕對相位。然后，可從多個這些測量推導距一個目標物體的距離。
一種適合于現(xiàn)有技術(shù)的相位計的實施在圖3中通過框圖示意示出。在發(fā)射機1’中，信號通過由高頻振蕩器OSCI控制的調(diào)制器M0調(diào)制成輻射源SQ的光。所反射的光在由接收機4’的光學系統(tǒng)檢測后在光電轉(zhuǎn)換器OEW內(nèi)被轉(zhuǎn)換成低頻信號。為此目的，把重疊振蕩器UEO的信號施加給光電轉(zhuǎn)換器OEW。通過相同重疊振蕩器UEO提供混頻級MS，該混頻級MS根據(jù)高頻振蕩器的信號產(chǎn)生低頻基準信號。低頻信號由觸發(fā)器TR轉(zhuǎn)換成矩形脈沖。在后序配置的相位測量單元PME中，把高頻振蕩器OSCI和所接收的光的向下混頻后的低頻信號進行比較，并算出相位差。該相位差是距離的測度。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的把測距儀的系統(tǒng)模型用作線性傳輸系統(tǒng)的具有多個目標物體的系統(tǒng)分析測量方法的一般原理圖。從發(fā)射機1”發(fā)射光信號2”。該光信號2”在多個目標處進行反射，并由接收機4”檢測，該多個目標在此由第一目標3a和第二目標3b例示。由發(fā)射機1”、目標3a、3b以及接收機4”構(gòu)成的總系統(tǒng)在此被大致地看作非時變系統(tǒng)(LTI系統(tǒng))。然而，這不意味著目標物體不可以位移，而是在用于系統(tǒng)分析的測量時間內(nèi)移動必須保持適當少量。為了推導距離信息，把信號s(t)施加給系統(tǒng)輸入SE，并在系統(tǒng)輸出SA記錄描述系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)的信號振幅y(t)。系統(tǒng)輸入和輸出在此是LTI系統(tǒng)對外界的接口。
在圖5a中示出根據(jù)本發(fā)明的在時域內(nèi)的系統(tǒng)分析測量方法的實施例的原理圖。LTI系統(tǒng)多次由類脈沖的周期性信號激勵，該信號各自由多個離散頻率組成。對于各激勵脈沖序列s(t)，記錄由接收機記錄的系統(tǒng)響應(yīng)5的信號振幅或信號形狀y(t)。在把脈沖重復(fù)頻率從fj變?yōu)閒k的情況下，產(chǎn)生信號響應(yīng)的相對時移Δtjk。該位移時間Δtjk給出關(guān)于同時在傳輸路程途中的脈沖數(shù)的說明，并從而給出所查找的距離的粗估計。距離的精確細估計最后通過確定在瞬時發(fā)射和瞬時接收的信號脈沖之間的渡越時間差來獲得。為此目的，可構(gòu)建時間信號z(t)6，該時間信號z(t)6由所有時移的信號響應(yīng)hk(t-Δtjk)的和來形成。然后，根據(jù)z(t)通過隨機求平均來確定渡越時間tn。
在圖5b中示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)分析測量方法的另一實施例的原理圖。LTI系統(tǒng)多次由一信號激勵，該信號每次由多個離散頻率組成。對于各激勵，記錄由接收機5記錄的系統(tǒng)響應(yīng)5’的信號振幅或信號形狀y(t)，并對其進行離散傅里葉變換(DFT)。從DFT得出在發(fā)射信號的各個激勵頻率fj時的復(fù)值傳遞函數(shù)。根據(jù)實部和虛部，可針對光譜的各種頻率各自可選地計算振幅Sj和相移j。從各種激勵的所有系統(tǒng)響應(yīng)的光譜的集合，通過離散傅里葉逆變換(DFT)再次推導所重構(gòu)的時間信號z(t)6’。時間信號z(t)6’相當于距離信號z(D)，在該距離信號z(D)中，用光速c的一半乘以時間參數(shù)t。在該例中，可根據(jù)該重構(gòu)的時間信號6’的曲線算出渡越時間t1和t2，該渡越時間t1和t2允許識別兩個目標并確定其距離。
在圖6a-b中示出根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)模型用的輸入量和輸出量的示例。圖6a示出三角形脈沖，該三角形脈沖在MHz范圍內(nèi)周期性重復(fù)的情況下被施加給系統(tǒng)輸入，用于激勵LTI系統(tǒng)，其中，信號振幅s(t)的最大值與時間t＝0對應(yīng)。在圖6b中示意示出由接收機所接收并在系統(tǒng)輸出所提供的系統(tǒng)響應(yīng)y(t)。在這里假定的兩目標情況下，該響應(yīng)由所接收的信號振幅y(t)的兩個三角形曲線組成，其頂點在時刻t1和t2被接收。
圖7示出把d個子系統(tǒng)組合成一個LTI系統(tǒng)7的根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)模型，其中，d個子系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)表示一個目標物體。適用于線性系統(tǒng)的是疊加原理和放大原理以及具有渡越時間或死時間tn的系統(tǒng)的可交換性原理。因此，一個系統(tǒng)可隨著死時間按順序交換，無需變更輸出，使得LTI系統(tǒng)7的子系統(tǒng)因而也被描繪在另一序列和另一分類中。存在于系統(tǒng)輸出SA的信號y(t)因此是所有d個子系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)y1(t-t1)至yd(t-td)在由信號s(t)施加在系統(tǒng)輸入SE所產(chǎn)生的各個激勵s1(t)至sd(t)上的線性和可交換疊加。圖7中的系統(tǒng)模型與公式2對應(yīng)。
圖8示出系統(tǒng)分析用的合適發(fā)射信號，該發(fā)射信號例如可形成為正弦振蕩(上)以及針形脈沖或狄拉克脈沖序列(中)或矩形脈沖(下)。
在圖9中示出所有發(fā)射信號的總量的合適光譜分布的示例。所有發(fā)射信號的總量的合適光譜分布(所有激勵信號光譜的和)對于系統(tǒng)分析是關(guān)系重大的。使用一個(單個周期性)發(fā)射信號通常產(chǎn)生多個頻率(傅里葉級數(shù))。根據(jù)本發(fā)明，在此測量、記錄和評價所有同時發(fā)射的頻率。
對于完整的系統(tǒng)分析，經(jīng)常相繼發(fā)射不同周期長度的多個發(fā)射信號，其中，作為光譜范圍內(nèi)的所有頻率的和的指配是重要的。這種由所有發(fā)射/接收頻率組成的光譜的指配可以不同。這些頻率可進行例如等距或?qū)?shù)等距布置。其他可能性在于頻率間隔，該頻率間隔是根據(jù)質(zhì)數(shù)或根據(jù)斐波納契數(shù)來選擇的。在圖9中，最上面的頻率分布與等距布置對應(yīng)，中間所示的頻率間隔的選擇是根據(jù)質(zhì)數(shù)方案來進行的，而最下面的分布具有對數(shù)等距布置。在上面和下面分布中示出所有測量信號的量明顯在接收機側(cè)受到光譜限制(低通)，使得模型假定和掃描定理得以實現(xiàn)。
圖10示出作為所有發(fā)射信號的總量的光譜分布的其他例的限帶離散頻率。在此進行具有等距(上面)或?qū)?shù)等距(下面)布置的所有激勵信號的光譜分布。
圖11示出以具有各自不同等距布置的兩組離散頻率形式的所有發(fā)射信號的總量的合適光譜分布的另一例。兩組的間隔優(yōu)選地是不同的。
在圖12中例示出作為光譜對數(shù)等距系統(tǒng)分析的IFT的重構(gòu)時間或距離信號。時間信號z(t)根據(jù)具有對數(shù)等距激勵頻率的系統(tǒng)分析被計算為成本函數(shù)。渡越時間的最佳估計是通過數(shù)據(jù)評價得出的，在數(shù)據(jù)評價中，所有并行和串行執(zhí)行的部分測量的信息都包括在內(nèi)。在最大似然法方面的最佳估計量對于單目標情況是通過IFT根據(jù)傳遞函數(shù)H(f)計算時間信號。所查找的渡越時間tn或目標距離Dn與最高信號峰值對應(yīng)。所示的時間信號是在頻率點fk時的傳遞函數(shù)H(fk)的IFT。
圖13例示出作為光譜等距系統(tǒng)分析的IFT的時間信號的包絡(luò)。目標距離Dn的確定是通過重構(gòu)時間信號|z(t)|來進行的，該時間信號|z(t)|根據(jù)具有等距激勵頻率的系統(tǒng)分析被計算為成本函數(shù)。時間信號是通過具有所測量的頻率點fk的復(fù)傳遞函數(shù)H(fk)的IFT產(chǎn)生的。所查找的渡越時間再次與最高信號峰值對應(yīng)。時間和距離由于D=c2·t]]>而彼此是相當?shù)摹?br> 圖14示出作為兩個光譜等距頻率組的IFT的兩個時間信號的示例。距離Dn的推導是通過根據(jù)具有不同等距分檔的2組激勵頻率的系統(tǒng)分析，把時間信號z(t)計算為成本函數(shù)來進行的。第一時間信號z1(t)(虛線)是通過復(fù)傳遞函數(shù)的IFT來算出的，該復(fù)傳遞函數(shù)是根據(jù)第一頻率組的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。第二時間信號z2(t)(實線)是由復(fù)傳遞函數(shù)的IFT產(chǎn)生的，該復(fù)傳遞函數(shù)是在第二組頻率時算出的。所查找的渡越時間的粗估計與第一時間信號的最高信號峰值對應(yīng)。所查找的渡越時間的細估計與第二功率信號的最高信號峰值對應(yīng)，其中，最大值與第一時間信號吻合。
圖15例示出作為具有兩個不同反射目標物體的兩個光譜等距頻率組的IFT的功率信號。示出對于多目標情況是優(yōu)選的成本函數(shù)|P(t)|。該成本函數(shù)與z(t)的時間功率信號P(t)的包絡(luò)對應(yīng)，其中，具有兩個目標物體的狀況被檢測。第一功率信號P1(t)(虛線)是通過復(fù)傳遞函數(shù)的IFT產(chǎn)生的，該復(fù)傳遞函數(shù)是根據(jù)第一頻率組的測量數(shù)據(jù)得出的。第二功率信號P2(t)(實線)是通過復(fù)傳遞函數(shù)的IFT產(chǎn)生，該復(fù)傳遞函數(shù)是在第二組頻率時算出的。所查找的渡越時間的粗估計與第一功率信號|P1(t)|的最高信號峰值對應(yīng)。所查找的渡越時間的細估計與第二功率信號|P2(t)|的最高信號峰值對應(yīng)，其中，最大值與第一功率信號吻合。
作為根據(jù)本發(fā)明的裝置的具有外差混頻器的簡單光電系統(tǒng)分析器的一實施例在圖16中以框圖的形式作了說明。使用根據(jù)DDS技術(shù)(直接數(shù)字合成器)的頻率合成器。使用這種模塊可對所有任意諧波頻率以及任意信號形狀進行編程。在此可通過微處理器在微秒內(nèi)切換合成器的頻率。因此，可在短時間內(nèi)掃描所有為系統(tǒng)分析所需要的頻率并測量傳遞函數(shù)的實部和虛部。鎖相環(huán)PLL與電壓控制振蕩器VCO一起用于產(chǎn)生外差接收機用的相位穩(wěn)定混頻。在系統(tǒng)響應(yīng)的直接掃描的情況下，或者在零差信號接收的情況下，可去除PLL。合成信號使用變頻器FC變換成甚高頻。接收信號在放大器電路A后，使用乘積混頻器MIX變換成低頻時間信號，然后被引導到低頻濾波器LF并在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC中進行數(shù)字化。信號數(shù)據(jù)由處理器單元PU提取，并可能的話被保存在存儲器M內(nèi)。頻率穩(wěn)定主控振蕩器OSCI用作距離測量的時間標準。
圖17示出根據(jù)本發(fā)明的具有外差混頻器以及在頻率選擇時靈活性提高的裝置的另一實施例的框圖。用于系統(tǒng)分析的激勵頻率的產(chǎn)生是通過與用于產(chǎn)生甚高頻的變頻器連接的第一DDS合成器來進行的。由于該配置不包含鎖相環(huán)PLL，因而產(chǎn)生各種優(yōu)點，例如可進行微秒范圍內(nèi)的快速變頻，或者可完全充分利用DDS的頻率范圍，這是因為PLL的窄鎖定范圍被去除。同樣可快速切換的第二DDS合成器產(chǎn)生用于外差接收的混頻信號。變頻器FC把激勵和混頻信號變換成期望頻帶。頻率穩(wěn)定主控振蕩器OSCI用作時間標準。其他模塊是外差混頻器MIX，用于信號掃描的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，用于數(shù)據(jù)保存的存儲器M，以及用作控制和評價單元的處理器單元PU。
圖18示意示出作為具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的根據(jù)本發(fā)明的大地測量用測量儀器一例的經(jīng)緯儀望遠鏡。從與評價電子裝置10一起配置在共用支承元件9上的輻射源8把光通過可切換的偏轉(zhuǎn)元件兒、反射偏轉(zhuǎn)裝置12以及物鏡13發(fā)射到第一目標3a。該第一目標3a代表全體可能目標來成像，并且不限于單目標情況。在通過第一目標3a反射后，該光由物鏡13收集，并且為了信號處理而通過二向色鏡元件14以及反射偏轉(zhuǎn)裝置12被引導到接收機15。接收機15的信號由評價電子裝置10處理，并且距離信息被推導。通過可切換的偏轉(zhuǎn)元件11把從輻射源8發(fā)射的光的一部分直接引導到接收機15，以便實現(xiàn)也適合于系統(tǒng)校準的儀器內(nèi)部基準路程。物鏡13用作發(fā)射和接收物鏡，但其中發(fā)射機和接收機也可雙軸配置為兩個分離的物鏡。
除了用于信號處理的裝置以外，經(jīng)緯儀望遠鏡還具有視覺光學系統(tǒng)，該視覺光學系統(tǒng)使從第一目標3a向回反射的光可供觀察人員使用。為此使用聚焦組件16和目鏡組件17，而該聚焦組件16和目鏡組件17可具有不同部件，例如轉(zhuǎn)像棱鏡。
圖19示出具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的經(jīng)緯儀望遠鏡以及用于控制自動聚焦的附加應(yīng)用的示意圖。在原則上與圖18類似的結(jié)構(gòu)中，該實施方式具有調(diào)整元件18，該調(diào)整元件18由評價電子裝置10控制并用于自動調(diào)整聚焦組件16。
具有根據(jù)本發(fā)明的裝置和光束導向裝置的替代實施的經(jīng)緯儀望遠鏡的另一實施方式在圖20中作了示意圖示。從再次與評價電子裝置10一起配置在共用支承元件9上的輻射源8把光發(fā)射到反射偏轉(zhuǎn)裝置12。該反射偏轉(zhuǎn)裝置12把該光的一部分通過分光器19不僅直接引導到接收機15，而且引導到物鏡13，并因而引導到至少一個目標3a。在反射后，該光再次由物鏡13收集，并為了信號處理而通過二向色鏡元件14以及分光器19被引導到接收機15。接收機15的信號由評價電子裝置10處理，并且距離信息被推導。儀器內(nèi)部基準路程由分光器19來定義。系統(tǒng)校準在此情況下與對外部目標物體的距離測量同時進行。
圖21例示出具有根據(jù)本發(fā)明的裝置的根據(jù)本發(fā)明的掃描儀的示意圖。為了記錄三維圖像，從與評價電子裝置10’一起配置在具有共用支承元件9’的外殼內(nèi)的輻射源8把光通過分光偏轉(zhuǎn)元件19’、反射偏轉(zhuǎn)裝置12以及被分配給物鏡13’的偏轉(zhuǎn)元件12’發(fā)射到要記錄的景物，該景物的不同表面結(jié)構(gòu)在該圖示中由第一目標3a來表示。
在反射后，該光由物鏡13’收集，并通過二向色鏡元件14’被引導到接收機15。主要是測量環(huán)境，以及發(fā)射信號的一部分通過鏡元件14’被引導到圖像傳感器20。接收機15的信號由評價電子裝置10’處理，并且距離信息被推導。在二向色鏡元件14’和圖像傳感器之間配置有聚焦組件16，該聚焦組件16也可采用與圖19類似的方式設(shè)置有調(diào)整元件，并可自動調(diào)整。由圖像傳感器20檢測的測量環(huán)境因此被清晰成像。
通過分光偏轉(zhuǎn)元件19’把從輻射源8發(fā)射的光的一部分直接引導到接收機15，以便實現(xiàn)也在該實施方式中適合于系統(tǒng)校準的儀器內(nèi)部基準路程。
掃描光束的控制和對準可采用本來公知的方式，不僅通過旋轉(zhuǎn)整個儀器，而且通過變更發(fā)射方向來進行。在該例中，明示出整個儀器的運動，因而不排除其他實施方式，例如具有內(nèi)部調(diào)整元件或者改變光束的光學部件。在該例中，整個儀器圍繞水平軸線HA和垂直軸線VA可旋轉(zhuǎn)地安裝，使得整個檢測區(qū)域的可掃描性通過水平和垂直旋轉(zhuǎn)運動的相互配合來實現(xiàn)。
圖22示出具有根據(jù)本發(fā)明的裝置以及用于同時校準的無切換的內(nèi)部光路的雙軸測距儀的示意圖。光作為發(fā)射光束從與評價電子裝置10”一起配置在共用支承元件9”上的輻射源8被發(fā)射，并通過發(fā)射光學系統(tǒng)22經(jīng)過出射窗21發(fā)射到目標3a。在反射后，該光由接收光學系統(tǒng)13”收集，并為了信號處理而被引導到接收機15。接收機15的信號由評價電子裝置10”處理，并且距離信息被推導。發(fā)射光束的一部分在出射窗21被反射并照射到雙軸配置的接收機15。反射的位置和強度可通過合適的表面處理，例如通過涂層或者反射部件23的涂敷，在出射窗21上確定大小。
權(quán)利要求
1.一種用于推導大地測量距離信息的方法，具有信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生在MHz至GHz范圍內(nèi)的至少2個高調(diào)制頻率；系統(tǒng)(7)，具有·系統(tǒng)輸入，·光輻射源(8)，·至少一個目標物體(3、3a、3b)，以及·具有系統(tǒng)輸出的接收機(4、4’、4”)；以及評價電子裝置(10、10’、10”)；具有以下步驟-通過把至少一個激勵信號施加給系統(tǒng)輸入，利用至少兩個特別是合成的調(diào)制頻率、優(yōu)選的是一族離散調(diào)制頻率，來激勵系統(tǒng)(7)；-在系統(tǒng)輸出記錄至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)；-通過評價電子裝置(10、10’、10”)從所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀推導至少一條距離信息；其中，在所述推導至少一條距離信息時，從以下推導該距離信息，即-所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀的至少一部分，或者-所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀的時間結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在推導所述至少一條距離信息時，從以下推導該距離信息，即-所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀的至少一部分，和-所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀的時間結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，所述至少一個激勵信號被如此選擇，使得該激勵信號在頻域內(nèi)具有恰好一條譜線或一族譜線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，所述至少一個激勵信號被如此選擇，使得該激勵信號在頻域內(nèi)具有一條基波譜線和多條高次諧波譜線。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，以下步驟，即-激勵系統(tǒng)(7)，-記錄至少一個系統(tǒng)響應(yīng)，以及-推導至少一條距離信息，被至少一次全部或部分地重復(fù)，其中，在激勵系統(tǒng)(7)時，調(diào)制頻率在每次重復(fù)時改變。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，調(diào)制頻率如此產(chǎn)生，使得這些調(diào)制頻率高于10MHz。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，所述至少一個激勵信號如此產(chǎn)生，使得該激勵信號具有時間周期性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，所述至少一個激勵信號如此產(chǎn)生，使得該至少一個激勵信號具有以下脈沖方式-正弦，-矩形，-三角形，-狄拉克脈沖，-脈沖族。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，利用具有不同重復(fù)頻率的至少兩個激勵信號進行對系統(tǒng)(7)的激勵。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)時，根據(jù)以下方案之一選擇調(diào)制頻率-等距頻率間隔，-對數(shù)等距頻率間隔，-與質(zhì)數(shù)的部分序列對應(yīng)的頻率間隔，-與斐波納契數(shù)的部分序列對應(yīng)的頻率間隔，-至少2個頻率組，其中，各組內(nèi)的調(diào)制頻率具有等距頻率間隔。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在記錄所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)時，分配給系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的頻譜被限帶。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在激勵系統(tǒng)(7)并記錄所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)時，針對施加給系統(tǒng)輸入的各激勵信號，執(zhí)行對關(guān)聯(lián)系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的掃描，特別是等時間掃描。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在推導至少一條距離信息時，該距離信息是直接在時域內(nèi)通過評價至少兩個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的信號形狀和時移來推導的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項所述的方法，其特征在于，在推導至少一條距離信息時，在頻域內(nèi)，特別是根據(jù)所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的時間信號的拉普拉斯或傅里葉變換，優(yōu)選地在通過對所述至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的至少一次噪聲測量所確定的隨機加權(quán)的情況下，推導該距離信息。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，在推導至少一條距離信息時，特別是通過系統(tǒng)內(nèi)部光學基準路程執(zhí)行系統(tǒng)校準。
16.根據(jù)權(quán)利要求13、14和15中的任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一條距離信息是借助于非線性平衡計算來推導的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至15中的任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一條距離信息是借助于成本函數(shù)的參數(shù)最優(yōu)化，特別是在應(yīng)用最大似然估計量的情況下來推導的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在成本函數(shù)中，對由至少兩個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的集合組成的信息進行考慮和評價。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在成本函數(shù)中，對各個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)的各自信息進行考慮和評價。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項所述的方法，其特征在于，在推導至少一條距離信息時，通過在對至少一個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)在頻域內(nèi)的變換后進行逆變換并且隨后構(gòu)建時域內(nèi)時間信號(6、6’)來推導該距離信息。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，在頻域內(nèi)，至少兩個系統(tǒng)響應(yīng)(5、5’)被組合成一個集合，根據(jù)該集合進行時間信號(6、6’)在時域內(nèi)的構(gòu)建。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，在頻域內(nèi)，第一族等距復(fù)合譜線被組合，根據(jù)該譜線進行第一時間信號(6、6’)在時域內(nèi)的構(gòu)建，并且此外，第二族等距復(fù)合譜線被組合，根據(jù)該譜線進行第二時間信號(6、6’)在時域內(nèi)的構(gòu)建。
23.一種用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至22中的任一項所述的方法的裝置，具有a.信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制頻率；b.系統(tǒng)，具有·系統(tǒng)輸入，·光輻射源(8)，·至少一個目標物體(3、3a、3b)，以及·具有系統(tǒng)輸出的接收機(15)；以及c.評價電子裝置(10、10’、10”)；其特征在于，信號發(fā)生器具有至少一個直接數(shù)字合成器或者N分頻合成器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，數(shù)字信號發(fā)生器的上游連接有石英穩(wěn)定主控振蕩器。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的裝置，其特征在于，用于對調(diào)制頻率進行快速切換和濾波的電子變頻器被分配給數(shù)字信號發(fā)生器，特別是用作具有分頻器、倍頻器以及變頻器的ASIC。
26.根據(jù)權(quán)利要求23至25中的任一項所述的裝置，其特征在于，具有用于產(chǎn)生外差信號接收用的混頻的電壓控制振蕩器的跟蹤同步裝置被分配給數(shù)字信號發(fā)生器。
27.根據(jù)權(quán)利要求23至26中的任一項所述的裝置，其特征在于，信號發(fā)生器被形成為用于產(chǎn)生超過10MHz的調(diào)制頻率。
28.根據(jù)權(quán)利要求23至26中的任一項所述的裝置，其特征在于，在系統(tǒng)輸出的接收部分中的優(yōu)選地可調(diào)的低通或帶通濾波器。
29.一種大地測量用測量儀器，特別是經(jīng)緯儀，具有權(quán)利要求23至28中的任一項所述的裝置，用于對一個或同時多個物體(3、3a、3b)進行距離測量。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的大地測量用測量儀器，其特征在于，儀器內(nèi)部的反射部件(23)，優(yōu)選的是在被分配給輻射源(8)的出射窗(21)的內(nèi)側(cè)的反射涂層，用于限定系統(tǒng)內(nèi)部基準路程。
31.一種用于三維掃描要記錄的圖像的掃描儀，具有權(quán)利要求23至28中的任一項所述的裝置。
32.一種根據(jù)權(quán)利要求23至28中的任一項所述的裝置的應(yīng)用，用于控制自動聚焦。
33.一種根據(jù)權(quán)利要求23至30中的任一項所述的裝置的應(yīng)用，用作具有多目標能力的測距儀，其中，無切換的系統(tǒng)內(nèi)部光學基準路程限定第一要測量的目標物體。
34.一種根據(jù)權(quán)利要求23至31中的任一項所述的裝置的應(yīng)用，用作具有用于快速三維物體測量的同時多次調(diào)制的測距儀。
全文摘要
為了推導大地測量距離信息，把光信號發(fā)射到一個或多個目標上。在此情況下，把諸如發(fā)射機(1”)和接收機(4”)的儀器部件與目標(3a和3b)一起建模成一種線性非時變系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號s(t)激勵，并且該系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)y(t)被記錄。與渡越時間計或相位計不同，距離信息是根據(jù)時移和系統(tǒng)響應(yīng)的信號形狀兩者來推導的。
文檔編號G01S7/483GK1751222SQ200480004628
公開日2006年3月22日 申請日期2004年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者于爾格·欣德林, 保羅·本茨, 馬丁·德朗熱 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司