專利名稱：光學(xué)測(cè)距方法和相應(yīng)的光學(xué)測(cè)距裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的電光測(cè)距方法并且涉
及根據(jù)權(quán)利要求7的前序部分所述的這種測(cè)距裝置。
背景技術(shù)：
在電子或電光測(cè)距的領(lǐng)域中，已知各種原理和方法。 一種方法包括: 向要被測(cè)量的目標(biāo)發(fā)射脈沖化的電磁輻射(例如，激光)，并且隨后從作 為漫反射對(duì)象的該目標(biāo)接收回波(Echo)，基于脈沖的渡越時(shí)間(往復(fù)時(shí) 間)來(lái)確定到要測(cè)量的目標(biāo)的距離。這種脈沖渡越時(shí)間測(cè)量裝置目前已 經(jīng)在許多領(lǐng)域被確立成為標(biāo)準(zhǔn)解決方案。
一般來(lái)說(shuō)，采用兩種不同的方法來(lái)檢測(cè)漫反射的脈沖。 在所謂的閾值方法中，如果入射輻射的強(qiáng)度超出特定閾值，則檢測(cè) 光脈沖。該閾值防止來(lái)自背景的噪聲和干擾信號(hào)被不正確地檢測(cè)為有用 的信號(hào)(即，檢測(cè)為發(fā)射脈沖的漫反射光)。然而，該方法的問(wèn)題在于 如果脈沖強(qiáng)度降到低于檢測(cè)閾值，則對(duì)于例如通過(guò)相對(duì)較大測(cè)量距離生 成的弱漫反射脈沖的情況來(lái)說(shuō)，無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。因此，這種閾值方法的 實(shí)質(zhì)缺點(diǎn)在于測(cè)量信號(hào)的幅值必須充分大于信號(hào)路徑中的光和電噪聲 源的噪聲幅值，以便充分地最小化不正確檢測(cè)。
另一方法基于對(duì)漫反射脈沖的掃描或采樣。通過(guò)對(duì)利用檢測(cè)器檢測(cè) 到的輻射進(jìn)行采樣、識(shí)別采樣區(qū)內(nèi)的信號(hào)以及最后確定該信號(hào)的位置來(lái) 檢測(cè)發(fā)射信號(hào)。通過(guò)使用大量的釆樣值，在不利環(huán)境下也可以識(shí)別有用 信號(hào)，以使得甚至可以處理相對(duì)較大的距離、或涉及噪聲或與干擾相關(guān) 的背景情況。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)利用時(shí)間窗或相位的移位來(lái)掃描許多 相同脈沖而實(shí)現(xiàn)采樣，當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)具有足夠高的頻率的非常快速的電 路，以釆樣單獨(dú)脈沖。然而該方法的問(wèn)題在于需要預(yù)先已知要檢測(cè)的信號(hào)的大約時(shí)間位置，這是因?yàn)槿绻贿@樣，作為要被采樣的時(shí)段的時(shí)間 窗和由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就可能變得非常大，或另選地使用許多脈沖和要 移位的時(shí)間窗。另一方面，該信號(hào)采樣的最嚴(yán)重的缺點(diǎn)在于在接收電 子設(shè)備飽和的狀態(tài)下，無(wú)法獲得測(cè)量信號(hào)的能夠被分析的適當(dāng)信息。
US 6115112公開(kāi)了一種借助信號(hào)采樣的測(cè)量方法，在該測(cè)量方法中， 通過(guò)預(yù)先執(zhí)行的粗略測(cè)量，在時(shí)間方面大致確定脈沖的抵達(dá)時(shí)間。接著， 針對(duì)作為精確測(cè)量的部分的其他光脈沖實(shí)施釆樣，然后釆樣該光脈沖的 受限的可能抵達(dá)時(shí)段。由此，將該測(cè)量分成粗略測(cè)量和精確測(cè)量。因?yàn)?首先通過(guò)閾值測(cè)量來(lái)限定其中發(fā)生采樣測(cè)量的時(shí)間窗，所以使用這種方 法不可避免地需要一個(gè)序列。因而，將針對(duì)不同脈沖分別實(shí)施一系列的 作為時(shí)間的函數(shù)的粗略測(cè)量和精確測(cè)量。
因此，迄今已知的測(cè)量原理和基于脈沖渡越時(shí)間原理的實(shí)質(zhì)缺點(diǎn)表 現(xiàn)為對(duì)通過(guò)檢測(cè)閾值的信號(hào)檢測(cè)的限制，或者建立用于采樣的時(shí)間窗 的必要性，或者檢測(cè)器的飽和。
另外的缺點(diǎn)是，由于要對(duì)這些影響進(jìn)行限制，所以對(duì)技術(shù)組件提出 要求，例如，大的動(dòng)態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種避免或減少上述缺點(diǎn)的新穎測(cè)距方 法和新穎測(cè)距裝置。
具體來(lái)說(shuō)， 一個(gè)任務(wù)是針對(duì)接收到的測(cè)量信號(hào)增加測(cè)距裝置的動(dòng)態(tài) 范圍，或者減少與其組件有關(guān)的要求。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)權(quán)利要求1或7所述的特征或?qū)贆?quán)利要求的特征
來(lái)實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)，或者進(jìn)一步改進(jìn)該解決方案。
該解決方案基于在測(cè)距時(shí)常用的、信號(hào)檢測(cè)用的兩種基本原理的組 合。己經(jīng)描述的第一種基本原理基于通過(guò)閾值方法來(lái)檢測(cè)被測(cè)量信號(hào)， 而第二種基本原理基于利用用于識(shí)別信號(hào)和時(shí)間性地確定該信號(hào)的位置 的下游信號(hào)處理的信號(hào)采樣。在閾值方法中，通常利用超出閾值的信號(hào) 幅值來(lái)限定信號(hào)檢測(cè)，但特定距離的信號(hào)特征可能差別很大。 一方面，接收信號(hào)的上升沿可以激活時(shí)間觸發(fā)器，另一方面，可以借助電子濾波器將 接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一合適形式，以便生成有利地與脈沖幅值無(wú)關(guān)的觸 發(fā)器特征。將相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)作為幵始或停止信號(hào)輸送到時(shí)間測(cè)量電路。
將這兩種方法并行地用于信號(hào)檢測(cè)，即，通過(guò)兩種方法檢測(cè)接收脈 沖或信號(hào)結(jié)構(gòu)，這通常是指這兩種方法同時(shí)發(fā)生或至少存在時(shí)間交疊。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的、包括閾值方法和信號(hào)采樣的兩種原理的組合的
方法來(lái)說(shuō)，可以從三種基本接收信號(hào)狀態(tài)開(kāi)始
A) 測(cè)量信號(hào)小于噪聲電平或可能的干擾信號(hào)。
這里，因?yàn)樵谶@種情況下，因噪聲而觸發(fā)不正確的測(cè)量，所以閾值 方法不起作用或者僅在有限程度上起作用。這里，采樣方法可以根據(jù)針 對(duì)多個(gè)信號(hào)脈沖或激光調(diào)制順序進(jìn)行的均值計(jì)算和信號(hào)處理方法，來(lái)識(shí) 別噪聲中的信號(hào)。例如，對(duì)于已知發(fā)送脈沖形狀的情況來(lái)說(shuō)，可以通過(guò) 數(shù)字信號(hào)處理方法將信號(hào)從疊加有噪聲的接收信號(hào)中濾出。因此，還可 以在低于純閾值方法的檢測(cè)閾值的范圍中使用根據(jù)本發(fā)明的方法。該識(shí) 別方法也可以用于對(duì)由多個(gè)目標(biāo)物的反射分量形成的接收信號(hào)的情況。
B) 信號(hào)大于噪聲電平，但仍小于接收電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。 在這種范圍中可以充分利用兩種方法。如果兩種方法并行工作(具
體地說(shuō)，同時(shí)工作)，則可以識(shí)別閾值方法的不正確檢測(cè)，并由此可以降 低閾值，以使得在單一脈沖測(cè)量模式(即，還針對(duì)每一個(gè)脈沖執(zhí)行測(cè)距) 下還可以增加工作范圍。共同使用兩種方法的結(jié)果可以使得準(zhǔn)確度增加。 釆樣使得能夠確定脈沖長(zhǎng)度和脈沖幅值，由脈沖長(zhǎng)度和脈沖幅值可以推 導(dǎo)脈沖能量?？梢詫⒚}沖能量用于修正閾值方法的觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間位置的
相關(guān)性。這種誤差通常被稱為"距離徙動(dòng)(rangewalk)"。這例如可以通 過(guò)修正表來(lái)實(shí)現(xiàn)，這代替了 "關(guān)于在現(xiàn)有技術(shù)中常見(jiàn)的參考距離，借助 可變發(fā)送功率來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)"。如果接收器的非線性限制了測(cè)量的準(zhǔn)確度， 則可以在使用閾值方法的情況下經(jīng)由采樣方法對(duì)該準(zhǔn)確度進(jìn)行補(bǔ)償。
C) 接收到的測(cè)量信號(hào)大于接收電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。 閾值方法在這個(gè)范圍中工作，而采樣方法僅檢測(cè)低于接收電子設(shè)備
的飽和極限的有限信息。在測(cè)量信號(hào)的相應(yīng)的邊沿斜率(Flankensteilhdt)的情況下，可能出現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度受限于采樣間隔的結(jié)果。因而，也許不 再能夠或者僅能夠受限地使用這種信號(hào)形狀。然而，仍然可以對(duì)接收脈 沖的信號(hào)能量進(jìn)行粗略估算，并且可以將所述粗略估算用于修正利用閾 值方法進(jìn)行距離確定時(shí)的誤差(距離徙動(dòng))。
因此，兩種原理的組合使得能夠在檢測(cè)信號(hào)和推導(dǎo)距離信息時(shí)擴(kuò)展 動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠使用附加信息(例如，脈沖能量)。因?yàn)閼?yīng)當(dāng)針對(duì)電 光測(cè)距裝置最大化接收電路的動(dòng)態(tài)范圍，以便能夠覆蓋盡可能多的應(yīng)用 領(lǐng)域，所以這些方法的組合具有實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。
這些方法的組合還使得能夠簡(jiǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闇p少了要被采樣系 統(tǒng)覆蓋的動(dòng)態(tài)范圍大小，所以AD轉(zhuǎn)換只需要很低的分辨率，這使得較
低的復(fù)雜性或者說(shuō)使得對(duì)組件提出較低要求成為可能。在操作狀態(tài)A)
中，因?yàn)檫@里根據(jù)在信號(hào)累積的意義上計(jì)算的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的分辨率， 所以同樣僅需要低分辨率。主要必須針對(duì)與采樣速率和選定的脈沖寬度
有關(guān)的操作狀態(tài)B)來(lái)最優(yōu)化AD轉(zhuǎn)換的分辨率。
利用這些方法的組合，多個(gè)脈沖可以沿測(cè)量路徑同時(shí)行進(jìn)，而不會(huì) 出現(xiàn)多義性或指配問(wèn)題。接著，例如關(guān)于脈沖寬度對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行編碼， 并且可以借助采樣和相應(yīng)的信號(hào)處理向相關(guān)發(fā)送脈沖指配這些信號(hào)。
如果充分己知發(fā)送信號(hào)的脈沖形狀，則發(fā)送信號(hào)的直接采樣使得能 夠重新構(gòu)造接收到的信號(hào)，并由此精確確定接收到的信號(hào)的位置。在最 簡(jiǎn)單的實(shí)施方式中，例如，假定脈沖的重心是脈沖的中點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的、閾值方法和采樣方法的組合可以利用通過(guò)采樣而重 新構(gòu)造的脈沖形狀，以便以計(jì)算方式修正閾值方法的、因不對(duì)稱脈沖或 接收脈沖的幅值變化而造成的誤差。接收到的信號(hào)的能量可以通過(guò)釆樣 方法來(lái)確定，并由此可以計(jì)算出閾值方法的上述所謂的距離徙動(dòng)，艮P， 觸發(fā)時(shí)間或切換時(shí)間對(duì)信號(hào)功率的依賴性。例如，可以將獲取的有關(guān)脈 沖能量的信息用于按接收功率保持恒定的方式來(lái)控制布置在上游的電學(xué) 或光學(xué)衰減器，由此在控制回路中修正閾值方法的觸發(fā)點(diǎn)的移位。
如果通過(guò)發(fā)送脈沖形狀的無(wú)關(guān)聯(lián)變化使得發(fā)送脈沖頻譜的估算分量 與該發(fā)送脈沖譜充分無(wú)關(guān)，則通過(guò)選定頻率分量的相位確定來(lái)在頻率范圍中確定脈沖位置是有利的。
而且，在并行(同時(shí))使用兩種方法的范圍中，可以識(shí)別閾^[方法 的不正確檢測(cè)，并由此可以顯著增加測(cè)量值的可靠性。
而且，可以通過(guò)閾值方法來(lái)識(shí)別掃描方法的不正確測(cè)量，或者至少 可以找出兩種方法的測(cè)量值的過(guò)度偏差，以便識(shí)別不正確測(cè)量?？赡芤?傳感器中的串?dāng)_或者因外場(chǎng)影響而產(chǎn)生這些誤差。誤差可能性檢測(cè)的好 處在于電磁串?dāng)_對(duì)于閾值方法和采樣方法的不同實(shí)現(xiàn)很可能具有不同 影響，并由此，不對(duì)稱導(dǎo)致電路中的不同誤差影響，其最后可以作為偏 差而被識(shí)別。
共同使用兩種方法的結(jié)果同樣使得準(zhǔn)確度增加。在這種情況下，使 用共用的接收光學(xué)系統(tǒng)和共用的第一放大器級(jí)。接著，分離信號(hào)并且針 對(duì)兩種方法按最優(yōu)化方式進(jìn)一步處理該信號(hào)。因此，相對(duì)于并行工作的 兩個(gè)或更多個(gè)測(cè)距裝置，優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)共同使用接收光學(xué)系統(tǒng)和接收 電子設(shè)備的部件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。通過(guò)這樣使用同一接收光學(xué)系統(tǒng)和接收 電子設(shè)備的部件，同樣可以最小化因信號(hào)路徑之間的溫度影響而造成的 渡越時(shí)間差。
另一優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別多個(gè)目標(biāo)。采樣方法還可以在存在一個(gè)以上目標(biāo)物 的情況下給出可靠距離值。即使在信號(hào)過(guò)調(diào)制(超出動(dòng)態(tài)范圍)的情況 下，采樣方法也是可用的，可以將該采樣方法用作閾值方法的預(yù)觸發(fā)。 閾值方法的檢測(cè)機(jī)制僅在被指配目標(biāo)物的時(shí)間窗中被激活(檢測(cè)激活)。
對(duì)于過(guò)載(超出動(dòng)態(tài)范圍)的接收器來(lái)說(shuō)，閾值方法仍然可以確定 信號(hào)位置，而對(duì)于充分準(zhǔn)確的脈沖位置確定來(lái)說(shuō)，采樣方法在信號(hào)沿上 沒(méi)有足夠的測(cè)量點(diǎn)，因?yàn)樵谶@種工作情況下，采樣間隔限定了測(cè)量的不 確定性。因而，可以在不需要使用閾值方法的情況下，使采樣方法保持 更大的采樣速率。
關(guān)于裝置方面的設(shè)計(jì)而言，由AD轉(zhuǎn)換器覆蓋的動(dòng)態(tài)范圍可以保持 得較小。而且，如果在要被采樣的信號(hào)上疊加了充分不相關(guān)的噪聲，則 在A)情況下的工作通過(guò)與其相關(guān)聯(lián)的平均化導(dǎo)致AD轉(zhuǎn)換器的^^辨率 上的實(shí)質(zhì)增加。這種噪聲可能因接收系統(tǒng)、信號(hào)源、測(cè)量路徑的時(shí)變傳
8輸特性或背景輻射而造成。
如果例如要通過(guò)相位測(cè)量方法增加準(zhǔn)確度或測(cè)量速率，則可以在發(fā) 送器側(cè)或源側(cè)實(shí)現(xiàn)從脈沖測(cè)量到連續(xù)信號(hào)的過(guò)渡。


下面，參照在圖中示意性示出的實(shí)施例，純粹示例性地更進(jìn)一步說(shuō) 明根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距方法和根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距裝置。圖中
圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電光測(cè)距裝置的原理性示意圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的渡越時(shí)間測(cè)量方法的原理性示意圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對(duì)漫反射光信號(hào)的采樣方法的原理性 示意圖4示出了采樣方法的飽和問(wèn)題的原理性示意圖； 圖5示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對(duì)漫反射的光信號(hào)的閾值方法的原理 性示意圖6示出了閾值方法的閾值問(wèn)題的原理性示意圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距方法的原理性示意圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距裝置的接收器的實(shí)施例的框圖；以及
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距裝置的實(shí)施例的框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)脈沖渡越時(shí)間原理的現(xiàn)有技術(shù)的電光測(cè)距裝置1的 原理性示意圖。在該測(cè)距裝置l中設(shè)置有發(fā)送器2和接收器3。發(fā)送器2 發(fā)射光脈沖4a，該光脈沖在被目標(biāo)(例如，逆反射器5)反射或漫反射 之后，再次被接收器3檢測(cè)為漫反射光脈沖4b。根據(jù)本發(fā)明，還可以代
替光脈沖使用連續(xù)調(diào)制的發(fā)送信號(hào)。
如圖2中的原理性示意圖所示，根據(jù)作為光脈沖4'的發(fā)射開(kāi)始點(diǎn)S 與漫反射光脈沖4"的接收時(shí)刻之間的時(shí)間差的渡越時(shí)間T來(lái)確定距離。 通過(guò)估算信號(hào)脈沖s (t)的特征(例如，根據(jù)超出信號(hào)閾值或者通過(guò)確 定積分的脈沖曲線的重心)來(lái)確定接收時(shí)間。如所述，對(duì)于閾值方法的
9情況來(lái)說(shuō)，還可以使用其它方法來(lái)測(cè)量渡越時(shí)間T，舉例來(lái)說(shuō)，將接收信
號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極信號(hào)，并且隨后確定過(guò)零點(diǎn)(Nulldurchgang)。
圖3例示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對(duì)漫反射光信號(hào)的采樣方法的原理。 按不同時(shí)刻7或者說(shuō)按對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，采樣接收到的信號(hào)6a或者說(shuō)其 信號(hào)曲線(Signalverlauf)，以使得可以推導(dǎo)信號(hào)形狀。為了還能夠檢測(cè) 到信號(hào)脈沖s (0中的較大變化，在接收器側(cè)需要較大動(dòng)態(tài)范圍，該動(dòng) 態(tài)范圍準(zhǔn)許對(duì)信號(hào)6a進(jìn)行完全檢測(cè)或釆樣。否則，如果信號(hào)6b的部分 處于動(dòng)態(tài)范圍的外部并且出現(xiàn)釆樣方法的飽和問(wèn)題，則可能出現(xiàn)圖4所 示情況。在飽和極限以上，存在接收器的飽和區(qū)8，在該飽和區(qū)中，不能 獲得有意義的可用脈沖采樣值。接著，將信號(hào)6b的采樣限制在低于該飽 和極限的范圍內(nèi)。特別是對(duì)于陡峭的邊沿斜率的情況來(lái)說(shuō)，很難確定那 時(shí)的信號(hào)形狀和位置。
圖5例示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的針對(duì)漫反射光信號(hào)6c的閾值方法。為了 抑制噪聲、背景分量或例如因發(fā)送器信號(hào)路徑與接收器信號(hào)路徑之間的 光學(xué)或電學(xué)串?dāng)_而造成的系統(tǒng)性干擾信號(hào)，并且為了將它們從檢測(cè)中排 除，使用檢測(cè)閾值9。低于這個(gè)檢測(cè)閾值9的信號(hào)強(qiáng)度s (t)不會(huì)導(dǎo)致生 成停止信號(hào)的鑒別器(Discriminator)使得接收單元做出響應(yīng)，并由此不 會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)。如果信號(hào)6c在其強(qiáng)度上超出檢測(cè)閾值9，則發(fā)生檢測(cè)，并
由此生成停止信號(hào)并且登記接收時(shí)間。因而，通過(guò)閾值方法提供的輸出 信號(hào)取決于接收信號(hào)或者說(shuō)輸入信號(hào)對(duì)檢測(cè)閾值9的到達(dá)或超出。然而， 如圖6的示例所示，如果信號(hào)強(qiáng)度s (t)總是保持低于檢測(cè)閾值9'，則不 存在鑒別器的響應(yīng)，并且不會(huì)檢測(cè)信號(hào)6d。閾值方法的這種閾值問(wèn)題例 如將在可能使得所需閾值信號(hào)的閾值電平變得更大的較大測(cè)量距離或相 應(yīng)的背景影響的情況發(fā)生。
圖7作為原理性示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距方法。根據(jù)本發(fā)明， 將閾值方法SWM的原理和釆樣方法ATM的原理組合，以使得可以利用 擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍EDB來(lái)獲取并且檢測(cè)漫反射信號(hào)6。與根據(jù)閾值方法 SWM檢測(cè)被目標(biāo)物漫反射的光信號(hào)6并行地實(shí)施信號(hào)采樣，以識(shí)別漫反 射的光信號(hào)6并時(shí)間性地確定漫反射的光信號(hào)6的位置。閾值方法SWM
10和采樣方法ATM的動(dòng)態(tài)范圍交疊以獲得擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍EDB，但也可以 實(shí)現(xiàn)彼此簡(jiǎn)單相鄰的范圍。從而，在針對(duì)同一光信號(hào)的檢測(cè)期間，并行地 (具體地說(shuō)，同時(shí))針對(duì)低和高動(dòng)態(tài)范圍，使用不同的檢測(cè)方法，高動(dòng)態(tài) 范圍被閾值方法SWM覆蓋，而低動(dòng)態(tài)范圍被釆樣方法ATM的信號(hào)采樣 覆蓋，以識(shí)別漫反射的光信號(hào)并時(shí)間性地確定漫反射的光信號(hào)的位置。
對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度非常高的極端情況來(lái)說(shuō)，仍然可以使用閾值方法 SWM，而對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度非常弱的情況來(lái)說(shuō)仍然可以通過(guò)采樣方法ATM 來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，并且可以提取信息。特別是對(duì)于具有小于10的信/噪比的弱 信號(hào)的情況來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)累積遠(yuǎn)高于iooo個(gè)的脈沖的采樣 方法來(lái)增加信/噪比，并由此使得能夠進(jìn)行測(cè)距。在信號(hào)強(qiáng)度的交疊區(qū)中， 兩種原理一起進(jìn)行檢測(cè)并且實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的信號(hào)估算。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距裝置的接收器的實(shí)施例的框圖。借助 光電二極管APD接收并且利用低噪聲寬帶放大器APM1來(lái)放大由目標(biāo)物 反射的光學(xué)信號(hào)。將所得電信號(hào)分成兩個(gè)信道并接著輸送到根據(jù)本發(fā)明 的、組合的檢測(cè)電路(下側(cè)的)和時(shí)間測(cè)量電路(上側(cè)的)。 一方面，借 助放大器級(jí)APM2將信號(hào)盡可能按線性方式放大，接著輸送至具有合適 的時(shí)間和幅值分辨率的快速、信號(hào)解析的(signalaufl6send)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 電路ADC。將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理或者在適當(dāng)設(shè)計(jì)的電子硬件FPGA中以 管道方式處理，并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器EPROM中或者輸出。對(duì)于弱信號(hào)的 情況來(lái)說(shuō)，針對(duì)信號(hào)發(fā)射時(shí)間正確地累積接收到的信號(hào)，以使得針對(duì)多 個(gè)光信號(hào)按累積方式完成信號(hào)釆樣。在足夠大的且恰當(dāng)編程的FPGA上 直接進(jìn)行距離確定也是可實(shí)現(xiàn)的。例如，實(shí)時(shí)輸出距離和時(shí)間標(biāo)記。
另一方面，將放大器AMP1的輸出信號(hào)并行輸送至鑒別器。如果接 收到的信號(hào)超過(guò)閾值，則激活觸發(fā)器單元，該觸發(fā)器單元結(jié)合形狀特征 (Formmerkmal)根據(jù)接收到的信號(hào)生成開(kāi)始或停止信號(hào)。布置在下游的 時(shí)間測(cè)量電路TDC以幾皮秒的精度數(shù)字化這些觸發(fā)信號(hào)。
這樣，這些信號(hào)的時(shí)間差t與要確定的距離D是成比例的。在充分 已知測(cè)量信號(hào)的傳播速度c并且考慮到例如因基準(zhǔn)距離而造成的系統(tǒng)性 誤差的情況下，如圖9所示，可以根據(jù)基本關(guān)系"=備。/來(lái)確定至被測(cè)物體的距離D。經(jīng)由數(shù)據(jù)線路DATtdc和DATadc發(fā)送時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 TDC的采樣值和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路ADC的采樣值以進(jìn)行進(jìn)一步處理。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距裝置的實(shí)施例的框圖，根據(jù)本發(fā)明的 電路主要在按圖8說(shuō)明的模塊AMP和WFD中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)具有電源PSP 的控制單元ICTRL來(lái)控制具有全部模塊的測(cè)距裝置的功能序列，在時(shí)間 上高度解析的序列由具有ppm準(zhǔn)確度的中央石英振蕩器來(lái)限定。頻率生 成器GEN生成一方面同步化光電發(fā)送器LAS 、另 一方面同步化模塊AMP 和WFD的相應(yīng)信號(hào)。發(fā)射的激光信號(hào)順序或同時(shí)通過(guò)內(nèi)部光路(e')和 外部光路(e) + (r)。外部光路朝向要測(cè)量的目標(biāo)物定向。內(nèi)部光路按已 知方式被用于校準(zhǔn)絕對(duì)距離。對(duì)于同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光路(e')和(e)的情 況來(lái)說(shuō)，將接收到的信號(hào)(e' + e)投射在接收器AMP上。光電接收器 單元AMP例如具有圖8的模塊AMP1、 AMP2以及鑒別器，處理單元 WFD具有根據(jù)閎值方法和釆樣方法或掃描方法的時(shí)間測(cè)量電路的兩個(gè)模 塊。因而，接收器具有低和高動(dòng)態(tài)范圍，該低動(dòng)態(tài)范圍由作為檢測(cè)單元 的閾值相關(guān)模塊提供，而該高動(dòng)態(tài)范圍由作為采樣單元的釆樣方法的模 塊提供。如果兩個(gè)時(shí)間測(cè)量信道同時(shí)激活，則例如可以在完成確定信號(hào) 強(qiáng)度之后選擇最佳距離估算方法。對(duì)于具有中等信號(hào)強(qiáng)度的幅值的情況 來(lái)說(shuō)，低動(dòng)態(tài)范圍和高動(dòng)態(tài)范圍交疊。在這種情況下，因?yàn)闄z測(cè)和估算 方法并行激活并且信號(hào)信息可以被有利地組合處理，所以可以同時(shí)充分 地使用兩種方法。
接收單元AMP的兩個(gè)輸出信號(hào)CH1和CH2對(duì)應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的測(cè) 距方法的兩個(gè)信號(hào)。將信號(hào)CH1發(fā)送至根據(jù)閾值方法的測(cè)距單元，而信 號(hào)CH2通過(guò)對(duì)應(yīng)的采樣單元的快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)獲取。根據(jù)本發(fā)明的具 有擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍WFD的測(cè)距單元的模塊，按所述方式獲取針對(duì)至少一個(gè) 目標(biāo)物的時(shí)間間隔和信號(hào)數(shù)據(jù)。經(jīng)由控制單元ICTRL的接口輸出該結(jié)果 和其他數(shù)據(jù)。該控制單元ICTRL計(jì)算最終距離和/或考慮如距離徙動(dòng) (range walk)、溫度或氣壓影響的任何修正。該數(shù)據(jù)可以經(jīng)由EXT/CTRL 連接而向外部輸出。
權(quán)利要求
1、一種測(cè)距方法，該測(cè)距方法至少包括以下步驟·向目標(biāo)物(5)發(fā)射至少一種光信號(hào)，具體地說(shuō)是激光；·檢測(cè)被所述目標(biāo)物(5)漫反射的所述光信號(hào)(6)；·推導(dǎo)到所述目標(biāo)物(5)的距離；其特征在于，在檢測(cè)低動(dòng)態(tài)范圍和高動(dòng)態(tài)范圍時(shí)針對(duì)同一所述光信號(hào)(6)并行地、具體地說(shuō)是同時(shí)地使用不同的檢測(cè)方法，其中，-所述高動(dòng)態(tài)范圍由閾值方法來(lái)檢測(cè)，而-所述低動(dòng)態(tài)范圍由用于識(shí)別漫反射的所述光信號(hào)(6)并在時(shí)間上確定該光信號(hào)的位置的信號(hào)采樣來(lái)檢測(cè)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距方法，其特征在于，針對(duì)多個(gè)光信號(hào)(6)累積地實(shí)施所述信號(hào)采樣。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)距方法，其特征在于，按脈沖形式發(fā)射所述光信號(hào)，并且借助脈沖渡越時(shí)間測(cè)量方法來(lái)實(shí)施所述推導(dǎo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)距方法，其特征在于，在發(fā)射期間，發(fā) 射一系列光脈沖(4')，并且針對(duì)各個(gè)所述光脈沖(4')推導(dǎo)至少一距離。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)距方法，其特征在于，通過(guò)連續(xù)調(diào) 制而發(fā)射所述光信號(hào)，并且借助相位測(cè)量方法來(lái)實(shí)施所述推導(dǎo)。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的測(cè)距方法，其特征在于，確 定漫反射的所述光信號(hào)(6)的幅值或能量，尤其用于計(jì)算所述閾值方法 的切換點(diǎn)對(duì)漫反射的所述光信號(hào)(6)的幅值或能量的依賴性。
7、 一種電光測(cè)距裝置，該電光測(cè)距裝置至少包括，光束源(LAS)，該光束源向目標(biāo)物(5)發(fā)射至少一光信號(hào)，具 體地說(shuō)是激光；，接收器(APD)，該接收器檢測(cè)被所述目標(biāo)物漫反射的光信號(hào)(6)，該接收器包括。閾值相關(guān)檢測(cè)單元，禾口。采樣單元(WFD)，其對(duì)所述漫反射的光信號(hào)(6)進(jìn)行采樣；*控制和估算組件，其推導(dǎo)到所述目標(biāo)物(5)的距離； 其特征在于，所述接收器具有低動(dòng)態(tài)范圍和高動(dòng)態(tài)范圍，由所述閾 值相關(guān)檢測(cè)單元來(lái)檢測(cè)所述低動(dòng)態(tài)范圍，而由所述采樣單元(WFD)來(lái) 檢測(cè)所述高動(dòng)態(tài)范圍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)距裝置，其特征在于，按接收功率保持恒定的方式來(lái)控制設(shè)置在所述接收器上游的電學(xué)或光學(xué)衰減器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)距裝置，其特征在于，按接收功率保持恒定的方式來(lái)控制信號(hào)源。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7、 8或9所述的測(cè)距裝置，其特征在于接收光學(xué) 系統(tǒng)和/或放大器級(jí)被共同用于所述閾值相關(guān)檢測(cè)單元和所述采樣單元(WFD)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7到10中的任一項(xiàng)所述的測(cè)距裝置，其特征在于， 所述輻射源(LAS)被設(shè)計(jì)用于發(fā)射連續(xù)調(diào)制的光信號(hào)，并且所述控制 和估算組件被設(shè)計(jì)為相位測(cè)量裝置。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7到10中的任一項(xiàng)所述的測(cè)距裝置，其特征在于， 所述輻射源(LAS)被設(shè)計(jì)用于發(fā)射脈沖化的光信號(hào)，并且所述控制和 估算組件被設(shè)計(jì)為渡越時(shí)間測(cè)量裝置。
全文摘要
為了推導(dǎo)到目標(biāo)物的距離，在至少包括向目標(biāo)物上發(fā)射至少一光信號(hào)的發(fā)射步驟和檢測(cè)被該目標(biāo)物漫反射的光信號(hào)(6)的檢測(cè)步驟的光電測(cè)距方法中，在檢測(cè)低和高動(dòng)態(tài)范圍時(shí)針對(duì)同一光信號(hào)(6)并行地使用不同檢測(cè)方法，其中，該高動(dòng)態(tài)范圍由閾值方法來(lái)檢測(cè)，而該低動(dòng)態(tài)范圍通過(guò)用于識(shí)別漫反射的光信號(hào)(6)并在時(shí)間上確定該光信號(hào)的位置的信號(hào)采樣來(lái)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01S17/10GK101490579SQ200780026874
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者克努特·西爾克斯 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開(kāi)股份有限公司