多目标能力的激光测距仪的制作方法

本发明涉及一种用于求得相对于至少一个目标物体的距离的激光测距仪。此外，本发明涉及一种用于运行激光测距仪的方法以及一种适合于此的计算机程序产品和一种计算机可读的介质。

背景技术：

激光测距仪例如用于能够简单、快速并且精确地确定激光测距仪与目标物体之间的间距。为此，激光测距仪朝目标物体发出光。光例如在其强度方面在时间上经过调制。这种光的一部分被所述目标物体返回地反射给所述激光测距仪，并且可以在那里被光探测器探测到。光需要传播时间以便到达所述目标物体并且又返回到达所述激光测距仪，所述传播时间引起在所发出的光与所探测的光之间的相位差。因此，通过对于这种相位差的合适的测量，可以求得所述传播时间并且根据已知的光速由此可以反推出目标物体相对于激光测距仪的距离。

传统的激光测距仪通常基于所谓的混合、尤其是外差混合的方案。“混合”这个术语可以是指在时间上振荡的测量信号与同样在时间上振荡的基准信号相乘，以便产生输出信号。在进行“零差混合”时，将测量信号与相同频率的基准信号相混合。在进行“外差混合”时，将测量信号与不同频率的基准信号进行混合，其中所述频率差相对于测量信号的频率典型地较小。

所述混合的方案的使用可以用于产生输出信号，该输出信号以比所述测量信号小得多的频率进行振荡，其中关系到较高的调制频率的相位差得到保持。因此，可以在没有精度损失的情况下大为简单地探测低频的输出信号并且以电子的方式对其进行分析。但是，由于在将测量信号与基准信号混合时进行低通滤波而可能需要在对所述输出信号进行评估之前等候一定的时间，直至所混合的输出信号已经瞬态振荡并且已经稳定。

由于相位分析的2π-周期性，一般来说需要使用多个调制频率，以解决由此引起的唯一性问题。唯一性问题在距离大于调制波长时出现。借助相对于多个不同的调制频率的相位差，可以通过数学的处理算法（Abwicklungsalgorithmus）和对于频率数目及频率的合适的选择来明确地推断出离得更远的目标的距离。

此外，唯一性问题也可能由于以下情况而出现：在不同距离的目标处的显著的反射存在于测量信号中，也就是说出现多次反射。对于已知距离的各个少量的额外的反射情况来说——该反射例如也可以用于参考目的，在所使用的调制频率的选择及最低数目方面产生数学上的限制。

由于低通滤波的有限的瞬态振荡时间，对于所使用的调制频率的数目来说产生最佳值。这个最佳值通常是在所述处理算法相对于多次反射的稳健性与测量时间之间的折衷方案。传统的激光测距仪例如在DE 10 2011 076 491、DE 10 2011 076 493和DE 10 112 833中得到了说明。

在比较新颖的激光测距仪中，可以使用很快的光探测器和电子装置，以便能够直接同步地对基于经过调制的激光的测量信号进行扫描。“直接同步扫描”（“direct synchronous detection”）这个术语在此可以是指对于经过调制的接收信号的时间上的扫描，其中所述扫描以与对所发出的信号进行的调制相同的频率来进行。所述扫描与所述调制同步。在进行直接的同步扫描时，不与基准信号进行混合。接收信号在此相对于发送信号典型地具有衰减和传播时间延迟。

基于直接的同步扫描的激光测距仪例如在US 2007/0182949 A1和DE 10 2009 029 372中得到了说明。

但是，开头所描述的传统的激光测距仪经常在同时确定相对于多个目标物体的距离的情况下具有问题。所述问题尤其在涉及具有可变距离的多重目标时会加重。换句话说，它们一般来说缺少多目标能力。例如典型地在下述情况下出现故障：要用一台激光测距仪来确定相对于一个目标物体的间距并且在激光测距仪与目标物体之间例如有玻璃板，该玻璃板就像目标物体一样将所发出的激光部分返回地反射给激光测距仪。由于这种额外的反向反射而经常出现对被反向反射的、所探测的激光束的错误解释并且由此出现错误的距离说明。

技术实现要素：

本发明的实施方式尤其能够实现一种激光测距仪或者一种用于运行激光测距仪的方法，对于所述激光测距仪或者所述方法来说可以简单地、成本低廉地并且/或者以较短的测量持续时间来实现普遍的多目标能力，或者对于所述激光测距仪和所述方法来说也可以在由于额外的目标物体而引起干扰影响时可靠地并且精确地进行距离测量。

按照本发明的第一方面，建议一种激光测距仪，该激光测距仪具有激光光源、光探测仪和控制及分析电子装置。所述激光光源适合用于朝目标物体发出时间调制的激光。所述光探测器适合用于探测由目标物体来反射的激光，并且尤其被设计用于：直接同步地对以处于10 MHz到5 GHz、优选100 MHz 到1.5GHz范围内的频率经过调制的激光进行扫描。所述控制及分析电子装置适合用于控制所述激光光源并且用于对所述光探测器的信号进行分析。所述激光测距仪的突出之处在于，所述控制及分析电子装置被设计用于执行以下方法步骤：

操控所述激光光源，以便先后地以大量M的至少20个、优选至少100个离散地不同的调制频率f_m（m=1…M）来发出时间调制的激光，并且通过在测量持续时间Δt的范围内进行直接的同步扫描这种方式来探测由目标物体所反射的激光，并且以每个调制频率f_m产生探测信号I_m；

对所述探测信号I_m实施逆傅里叶变换，以便产生传播时间频谱L_m；并且

对所述传播时间频谱L_m进行评估，以便求得所述激光测距仪与所述目标物体中的至少一个目标物体之间的至少一个距离。所说明的方法步骤可以、但是并不需要一定以所说明的顺序来实施。

本发明的实施方式尤其可以被视为建立在以下所描述的认识和构思的基础上。

如开头所描述的那样，许多传统的激光测距仪都建立在测量信号与基准信号的混合的方案的基础上，以便尤其不必向所述光探测器及电子装置的速度提出很高的要求。但是，对于这样的激光测距仪来说，通常不允许以大量离散的频率发出经过调制的激光来作为测量信号，因为在每次更改所述调制频率之后必须等候瞬态振荡时间并且因此总测量持续时间可能不可接受地变得很长。但是，为了能够同时测量相对于多个目标物体的距离，显得有必要的是，以多个调制频率来测量由传播时间引起的相位差，从而对于这样的传统的激光测距仪来说多目标能力似乎不可能或者似乎与不可接受的很长的测量持续时间相关联。

在EP 1 757 956 A1中介绍了一种多目标能力的距离测量法，对于该距离测量法来说对于距离的计算建立在统计学的参数估计问题的解决方案之上。这种方法在能够区分的目标的最大数目方面有限制，并且受到将所使用的调制频率的数目降低到最低限度的愿望的促动，并且由此在数学上要求很高。

在这方面所介绍的激光测距仪的实施方式或者用于运行这样的激光测距仪的方法的实施方式能够以较短的测量持续时间并且在没有使用复杂的并且由此要麻烦地实现的数学算法的情况下实现不受限制的多目标能力。

现在已经发现，借助于现代的快速的、能够对由目标物体反向反射的光进行直接的同步扫描的光探测器和电子装置，可以实现多目标能力，方法是：以很多的调制频率来测量传播时间延迟并且借助于傅里叶变换来灵巧地对测量结果进行分析。在此，已被认为有利的是，在进行直接的同步扫描时典型地没有出现在将信号混合时常见的较长的瞬态振荡持续时间，并且由此尽管多次改变所述调制频率也可以将总测量持续时间保持较短的程度，因为不需要对混合信号进行低通滤波。

对于所建议的激光测距仪或者在其中所实施的运行方法来说，可以以大量的调制频率来测量传播时间，激光需要所述传播时间以便从所述激光测距仪到达一个或者多个目标物体处并且重又返回。例如可以以超过20个（也就是说m=1、…、M，其中M＞20）、优选超过100个（M＞100）不同的离散的调制频率或者进一步优选以几百个（例如M＞500）不同的离散的调制频率来测量探测信号I_m。所述调制频率的顺序和/或所述调制频率之间的频率间隔在此可以是任意的，其中，如下面进一步所描述的那样，相邻的调制频率之间的等距的间隔可能是有利的。最小的频率间隔一般来说限制了可以明确地得到确定的最大距离。整个可调的频率范围限制了最小的间距，用所述最小的间距可以对不同的地点处的目标进行分辨。

在此例如可以在预处理步骤中从接收信号P_n,m中计算所述探测信号I_m。在此可以在N个位置处对所述接收信号P_n,m进行扫描，其中针对以M个调制频率来检测的接收信号中的每个接收信号来实施这种时间上的扫描。

在一种最简单的实施方案中，用于继续处理的探测信号I_m例如可以简单地直接地由所述接收信号的N个扫描值的第一个扫描值所构成，也就是说I_m=P_1,m。此外，可以额外地将所述N个扫描值中的每个扫描值用于改进信噪比。这种简单的实施方案的可能的缺点可能是：所述接收信号中的高次谐波由于经过调制的信号的、可能非正弦状的脉冲形状而保持在所述探测信号中并且可能起干扰的作用。

所述探测信号I_m随后可以在逆傅里叶变换中又变回为时间间隔，并且由此可以在延迟线的范围内得到所述发送信号的传播时间频谱L_m。最后可以以较高的精度在幅度和/或相位方面对这种传播时间频谱进行分析。借助于光速，通过对幅度或相位的分析快速地并且以较高的精确性可以从中求得相对于一个或者也相对于多个目标物体的距离。

按照一种实施方式，在评估所述传播时间频谱L_m时求得所述激光测距仪分别与所述多个目标物体之一之间的多个距离。换句话说，能够实现并且利用多目标能力。在此利用这一点：根据本方法所产生的传播时间频谱包括关于所有对所发出的激光的部分进行反射的目标物体的距离的详细信息并且可以简单并且精确地进行分析。

按照一种实施方式，所述调制频率f_m等距地隔开。换句话说，两个相邻的调制频率之间的差对所有调制频率来说相同。这可以显著地使傅里叶变换变得简单或者使对其结果的分析变得简单。

例如在进行总测量时所述调制频率可以在从400 MHz到1000 MHz的总范围之内以1 MHz的等距的频率间隔变化601次。

按照一种实施方式，为了关于所述接收信号P_n,m来计算探测信号I_m而实施数字滤波。为此，可以作为在时间上经过扫描的接收信号的傅里叶变换来计算所述探测信号I_m，并且实部和/或虚部可以仅仅或者至少基本上仅仅使用所述调制频率的基波。换句话说，关于高次谐波的份额对所述探测信号进行滤波，方法是：在进行傅里叶变换时仅仅对基波的份额加以考虑。通过这种方式经过滤波的信号基本上不含有高次谐波的频谱份额（Spektralbeiträge），也就是说不含像可能会由于经过调制的激光信号的非纯正弦状的脉冲形状而在未经滤波的探测信号中存在的那样的频谱份额2、…、N/2。通过将高次谐波的份额从探测信号中滤出这种方式，例如可以避免测量结果中的测量误差和/或多义性。按照一种实施方式，通过关于幅度值对传播时间频谱进行的评估来实施粗略的距离确定。为此，可以在所述传播时间频谱中例如确定最大值或者峰值的位置并且从中相应地推导出相应的距离。也可以通过对传播时间频谱中的幅度的分析来将离得不一样远的目标物体的反射分开。

按照一种实施方式，通过关于相位值对所述传播时间频谱进行的评估来实施精细的距离确定。为此，例如可以确定所述相位值的过零点。尤其可以在所述传播时间频谱的下述位置处确定所述相位值的过零点，在所述位置处形式为峰值的幅度值显著地超过噪声幅度。所述相位值的相邻控制点（Stützstellen）例如可以在知道传播时间的范围内的相位梯度的情况下被处理（abgewickelt）。所提到的措施可以单个地使用或者在组合中使用，以便能够根据所述传播时间频谱来非常精确地求得一个或者尤其是多个目标物体的距离。

按照一种实施方式，所述激光测距仪的光探测器具有至少一个SPAD（Single Photon Avalanche Diode（单光子雪崩二极管））或者SPAD阵列。SPAD可以以很高的时间分辨率来探测所接收的激光中的、经过调制的强度变化，并且因此很好地适合用于实施在这方面所描述的方法。作为替代方案，也可以使用其他快速的光探测器、例如基于CMOS/CCD的探测器（photo gate（光栅））。

在这方面所描述的激光测距仪也可以通过以下方式来实现：适当地如此对设有足够快的组件的激光测距仪在其控制及分析电子装置方面进行调整，使得其实施前面所描述的方法步骤，以便通过这种方式来实现得到改进的距离确定和/或多目标能力。

为此，例如设有可编程的分析及控制电子装置的激光测距仪能够借助于适当地经过调整的计算机程序产品被编程用于实施所提到的方法步骤。所述计算机程序产品为此可以被保存在机器可读的介质、例如CD、DVD或者闪存盘上或者通过互联网来提供。作为替代方案，也可以实现一种适当地构成的DSP（digital signal processor（数字信号处理器））。

总之，可以对本发明的方面和实施方式及其可能的特征和优点描述如下：

在迄今为止的、建立在用不同的调制频率进行的混合和相位测量的基础上的间距测量法中，典型地仅仅用一组有意义地选出的、较少的单个的调制频率来测量，以避免由于典型地较长的瞬态振荡时间引起的更大的时间损失。在这种情况下缺点是，不能实现多目标能力或者只能用巨大的数学上的花费来实现多目标能力。

因此，建议一种经过进一步研发的激光测距仪和一种用于运行该激光测距仪的方法。在此，以固定的调制频率在预先给定的测量持续时间的范围内直接同步地对被反向反射的激光进行扫描。可选地，将数字滤波器用作用于将高次谐波消除的预处理步骤。在离散的步骤中、优选在等距的步骤中改变调制频率。对以离散的调制频率经过扫描的并且必要时通过所述预处理步骤经过数字滤波的信号实施频谱分析，以用于确定传播时间频谱并且由此用于必要时对多个目标进行距离测量。然后可选地通过确定相位过零点的方式来对所述传播时间频谱进行相位分析，以用于提高精度。作为光探测器，可选地可以使用一个或者多个SPAD。

这里所描述的方法和相应地构成的激光测距仪可以将简单的、进行直接同步扫描的方法朝多目标能力扩展。这一点能够通过使用大量具有优选等距的间距的调制频率并且可选地使用数字滤波器作为预处理步骤这样的方式来实现。数字滤波器的使用允许为通过频谱分析进行进一步信号处理来抑制高一级的谐波，否则所述高一级的谐波会起干扰作用。

通过能够实现多目标能力，对所述激光测距仪来说能够有利地实现这一点：例如可以穿过部分反射的玻璃板来实施相对于目标物体的间距测量。此外，在故障识别的范围内可以探测，存在着不受欢迎的干扰反射。所需要的测量持续时间可以被保持在较低的程度上。共线的光学构造以及由此其他的优点可以得以实现。

这里所描述的、具有普遍的多目标能力的激光测距法的另一优点在于，可以穿过具有不同折射率的、在光学上透明的介质进行测量。可以探测边界层上的反射以及在所述边界层之间的光路长度。这例如对于测量任务、例如液体储槽中的液位或者类似参量的确定来说能够是有利的。

在此，例如可以如此使用激光测距仪，使得由其发出的激光束在测量时穿过一种介质，该介质的折射率有别于空气的折射率。根据在此在边界面上不可避免地出现的部分反射可以识别，所述激光束例如自在整个被透射的行程之内的特定位置起经过一光密介质。由此在知道那里的折射率的情况下例如可以反推出储存容器中的液位。

要指出，本发明的实施方式的可能的特征和优点在这方面部分地参照激光测距仪并且部分地参照用于运行所述激光测距仪的方法来了描述。本领域技术人员将认识到，可以以合适的方式来套用、替换并且/或者更改所述特征，以便实现本发明的另外的实施方式并且必要时能够实现协同效应。

附图说明

下面参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中不仅说明书而且附图都不应该设计为对本发明的限制。

图1示出了按照本发明的一种实施方式的激光测距仪；

图2示出了有待在按照本发明的激光测距仪中实施的方法步骤的流程图；

图3示出了对于用按照本发明的激光测距仪来记录的传播时间频谱的幅度分析；

图4示出了对于用按照本发明的激光测距仪来记录的传播时间频谱的相位分析。

附图仅仅是示意图并且不按比例绘制。相同的附图标记在不同的附图中表示相同的或者类似的特征。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的一种实施方式的激光测距仪1。在被接纳在共同的壳体3中的情况下，所述激光测距仪1包括激光光源5、例如激光二极管，光探测器7、例如SPAD或者SPAD阵列，以及控制及分析电子装置9。此外，所述激光测距仪1可以具有一个或者多个透镜11，以便使由所述激光光源5发射的激光束13聚焦、对准一个或者多个目标物体15、17并且/或者将被反向反射的光引导到所述光探测器7的探测面上。所述激光测距仪1尤其可以被设计得足够小并且紧凑，以便能够用作手持式的设备。

下面示范性地介绍一种如何能够通过合适地经过调整的控制及分析电子装置9来运行所述激光测距仪1的方法。在此参照在图2中作为流程图来示出的方法流程和方法步骤S1到S5。

为了能够测量所述激光测距仪1与所述目标物体15、17之间的距离，所述激光测距仪1将形式为由所述激光光源5发射的激光束13的发送信号发送给所述目标物体15、17，并且借助于所述光探测器7来探测反向反射的光来作为接收信号。

为了能够确定在此由所述激光束13所需要的传播时间，典型地用处于100到1500 MHz范围内的调制频率f_m在时间上例如在所述激光束13的功率方面对其进行调制（步骤S1）。因为所述接收信号包含在延迟线的范围内与光线传播特性相对应的传播时间延迟和功率衰减，所以可以测量在所发出的光与所探测到的被反向反射的光之间的、由于传播时间引起的相位滞后并且从中求得相对于所述目标物体的距离。

以给定的调制频率f_m在测量持续时间Δt的范围内直接同步地对所述接收信号P进行扫描（步骤S2）。这意味着，所述扫描直接地、也就是说在没有通过混合进行频率转换的情况下并且与对于所述发送信号的调制同步地、也就是在相同的时基上进行。

所述光探测器7和所述控制及分析电子装置9能够根据其技术的或者物理的特性来实现一定的扫描时间间隔。利用通过这种扫描时间间隔给定的时间分辨率δt来产生所述发送信号的每个调制周期的N=f_m*δt个扫描值。每个调制周期的N个扫描值周期性地通过N_周期=Δt/（N*δt）个调制周期来累积。N_周期在此不一定为整数。在测量时间Δt之后的结果P_n,m由此由所述接收信号的、在所述时间范围内以给定的调制频率f_m产生的N个累积的扫描值所构成。所述频率指数m在此具有从1到M的离散的数值。所述时间指数n则具有从1到N的离散的数值。

在一种最简单的实施方案中，用于继续处理的探测信号I_m例如简单地直接由所述接收信号的N个扫描值中的第一个扫描值所构成，也就是说I_m=P_1,m。此外，可以额外地将所述N个扫描值中的每个扫描值用于改进信噪比。这种简单的实施方案的缺点可能是，所述接收信号中的高次谐波由于经过调制的信号中的非正弦状的脉冲形状而保持在所述探测信号中并且可能起干扰作用。

因此，有利地、但是可选地通过数字滤波器的使用来计算I_m（步骤S3）。所述数字滤波器可以以最简单的方式在N个扫描值的离散傅里叶变换的范围内在时间域内实现。作为结果，以给定的调制频率f_m产生由N/2个相位矢量对N个时间上的扫描值所构成的傅里叶频谱。仅仅从基波的相位矢量的实部和/或虚部中计算所述探测信号I_m。通过这种方式经过数字滤波的探测信号在很大程度上不含频谱份额2、…、N/2，所述频谱份额可能会由于所述经过调制的发送信号的非纯正弦状的脉冲形状而存在于未经滤波的信号中。

现在针对M个调制频率一个接一个地先后实施至此所描述的过程，其中可以任意地选择所述调制频率的顺序。结果是以M个离散的调制频率（m=1…M）产生的探测信号I_m。

通过所述调制频率I_m将所述探测信号变换回为时间间隔的逆傅里叶变换IDFT_m在所述延迟线的范围内产生发送信号的传播时间频谱L_m（步骤S4）。

在间距确定D的范围内（步骤S5）不仅可以在幅度方面而且可以在相位方面对这种复杂的传播时间频谱L_m进行分析，以用于实现更高的精度。

可以通过对于所述传播时间频谱L_m的幅度值ρ_m的分析来进行粗略的间距确定D并且也可以将离得不一样远的目标的反射分开。如在图3中所示出的那样，为此例如可以确定所述幅度值的最大值19的位置。尤其也可以将更为复杂的、从信号处理中已知的方法用于对所述幅度进行分析，例如中心确定或者还有在考虑到传递函数的情况下的包络线拟合。

可以借助于相位分析来进行更加精确的间距确定D。为此，可以如在图4中示出的那样在所述幅度显著地超过噪声幅度的位置处确定所述相位Φ的过零点21，从而可以识别峰值。所述相位的相邻的控制点可以在知道传播时间的范围内的相位梯度的情况下被处理。所述相位梯度在此通过所述调制频谱的中心f_中心来产生并且由此已知（适用dΦ/dT=-2π*f_中心）。

通过对于所述传播时间频谱L_m的评估，可以明确地并且以较高的精度来求得所述激光测距仪1与多个目标物体15、17之间的间距D。