光电测距方法和相应的测距仪的制作方法
【专利摘要】光电测距方法和相应的测距仪。本发明的主题涉及一种光电测距方法，其具有以下至少一个步骤：从至少一个光源(1)向目标对象(5)上发射光信号(41)，具体地，激光；使用检测器(47a、47b、51、61)和连接在检测器下游的信号处理电子系统检测从目标对象(5)返回的光信号的一部分；以及确定到目标对象(5)的距离。根据本发明，发射光信号(41)在此情况下包括以下构成的顺序要素的序列，在每种情况下至少一个光脉冲(P(TOF))和一个光信号列(P(Φ))，其中，光脉冲均具有比光信号列(P(Φ))高的强度振幅I。本发明的主题还涉及具有类似于根据本发明的测距方法的特征的光电测距仪。
【专利说明】
光电测距方法和相应的测距仪
技术领域
[0001]本发明涉及光电测距方法，其包括在目标对象上至少一次发射光信号，具体地激光，使用检测器和连接在检测器下游的信号处理电子系统来检测从目标对象反射的发射的光信号的部分，以及使用控制和分析部件来确定到目标对象的距离。本发明还涉及与根据本发明的光电测距方法相似的光电测距仪。
【背景技术】
[0002]在电子或光电测距领域中已知多种原理和方法。一种方案是向待测目标发射脉冲电磁辐射，例如，激光，并且随后接收从作为反向散射对象的此目标的反射，其中到待测目标的距离可以基于脉冲的运行时间确定。这种脉冲运行时间已经在很多领域走位标准方案普及。
[0003]通常使用两种不同方案来检测反向散射脉冲。
[0004]在所谓的阈值法中，当在所使用的测距仪的检测器上入射的辐射的强度超过特定阈值时，检测到光脉冲。这个阈值法防止来自背景的噪音和干扰信号被不正确地检测为有用信号，即，作为发射的脉冲的反向散射光。
[0005]然而，问题在于对于弱的反向散射脉冲，例如由于较大的测量距离造成，如果脉冲强度落到检测阈值下方，即低于阈值，则不再能够进行检测。这种阈值法的主要缺点因此是测量信号的振幅必须显著大于信号路径中的光和电噪声源的噪声振幅，以使得不正确检测充分地最小化，使得对于相对大距离的测量，阈值法仅能够有有限的使用。
[0006]另一方案是基于反向散射的脉冲的采样。发射信号被检测在于由检测器获取的辐射被采样，信号被标识在采样的范围内，并且按照时间顺序最终其位置。由于使用多个采样值和/或将与发射速率同步的接收到的信号相加，在不利情形下有用信号也可以被标识，使得也可以管理更大的距离或有噪音或受干扰的背景情况。
[0007]目前，由检测器获取的辐射的模拟信号的完整波形在此情况下被频率采样在标识接收信号的关联发送的信号的编码(ASK、FSK、PSK等)之后，根据采样且数字化的信号的限定的进展点(例如，屈折点、曲线最大值)或通过从时间插分得知的最佳滤波器积分地，非常准确地确定脉冲运行时间。
[0008]电子接收电路的有限的线性调制范围是有问题的。在近距离，信号会使接收器饱和，使得发送信号的编码不被正确地确定，或者运行时间被不充分准确地确定。
[0009]因此信号采样的一个致命缺点是在由于过强的接收光强度引起的饱和的接收电子系统的状态下，即，具体地在到目标对象的短距离的情况下，测量信号的信息的适当的可分析项目不再可用，因为由于检测器饱和，那时不能够建立实际信号包络。
[0010]WO 2008/009387描述了在此情况下针对脉冲运行时间测量(ToF，飞行时间)，交替地，即依赖于哪个接收器信号动态范围被返回信号寻址，可以使用阈值法(对于强返回信号)或采样法(对于较弱的返回信号)。
[0011]借助于信号采样的测量方法从US6，115，112已知，其中由先前进行的粗略测量进行近似时间顺序建立脉冲的到达时间。针对进一步光脉冲接着在精细测量的范围内进行实际距离测量，其受限制的可能到达时间被有效地采样。因此，测量被分配为粗略测量和精细测量。这个方案的应用必须要求测量结果的顺序序列，因为其中跟随进行采样测量的时间窗口首先由阈值测量限定。因此发生对不同脉冲的粗略测量和精细测量的时间顺序分离的序列。
[0012]由于检测阈值信号检测的限制或然而建立用于采样的时间窗口(粗略距离)的需要因此表示以上描述的根据脉冲运行时间原理的已知测量原理的重要缺点。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提供一种测距方法或测距仪，通过其避免了现有技术中已知的缺点，具体地其中对于短距离和长距离两者能够进行迅速和精确的测量。
[0014]这个目的通过实现独立权利要求的描述特征来实现。可以从从属权利要求导出按照另选或者有利方式限定本发明的特征。
[0015]本发明的主题是光电测距方法，其包括在目标对象上至少一次发射光信号，具体地激光，使用检测器(和连接在检测器下游的信号处理电子系统)来检测从目标对象反射的光信号的部分，以及使用控制和分析部件来确定到目标对象的距离。
[0016]根据本发明，发射光信号各包括至少一个光脉冲P(TOF)和一个光信号列Ρ(Φ )的顺序要素的序列，其中光脉冲P(TOF)各具有比光信号列Ρ( Φ )高的强度振幅I。
[0017]具体地，在此情况下，光脉冲P(TOF)的发射在每种情况下直接紧接着是光信号列P(Φ )的发射，即基本上没有延迟。在每种情况下光脉冲P(TOF)和光信号列Ρ( Φ )因此在到目标和返回的路径上在空中或多或少直接相继。另选地然而相应光信号列Ρ(Φ)例如也可以被以时间顺序发射(定时)使得其在每种情况下在时间上在相继发射的光脉冲P (T0F)中间。
[0018]光脉冲P(TOF)在此情况下对于其强度振幅I被构造成使得从位于针对测距方法的相应应用的适当距离范围内的目标对象返回的部分提供以在被检测器检测时将检测器在其上振幅范围内激活;并且光信号列Ρ( Φ)在此情况下对于其强度振幅I被构造成使得从位于针对测距方法的相应应用的适当(并且可选地还接近)距离范围内的目标对象返回的部分提供以在被检测器检测时将检测器在其线性振幅范围内激活。
[0019]本说明书对于光脉冲和光信号列的所选择的强度针对具有用于相应提供的应用的平均反射属性的目标而提供。
[0020]依赖于应用，因此存在以下情形:在针对此应用的关系中，强的返回信号(例如，短距离和/或目标上的高反射)以及在针对此应用的关系中，相对弱的信号(例如，长距离和/或低反射)。以上陈述将此情况关联到，在针对相关应用的关系中，适当强度范围的返回信号(即，到针对相应应用的适当强/适当弱的返回信号)。选择光脉冲P(TOF)和光信号列P(Φ)的强度接着使得对于适当强/弱的返回信号，在相关的应用区间中，光脉冲P(TOF)的返回部分将检测器在其上振幅范围内激活并且光信号列Ρ(Φ)的返回部分将检测器在其线性/中间振幅范围内激活。
[0021]这使得例如依赖于检测器在其中被顺序要素的所检测到的返回部分在每种情况下激活的振幅范围:
[0022]-仅光脉冲P(TOF)的相应检测到的返回部分关于时间顺序位置用于距离确定-或多或少地按照单次方法(利用-在针对此应用的关系中-相对弱的信号，即，例如，长距离和/或低反射)或者
[0023]-仅光脉冲Ρ(Φ)的相应检测到的返回部分用于距离确定(接着-在针对此应用的关系中-利用相对强的信号，即，例如，较短的距离和/或目标对象上的较高的反射，其中检测器由于此处的光脉冲的返回部分而处于或至少接近于饱和)。
[0024]此外，光脉冲P(TOF)的相应检测到的返回部分和光信号列Ρ(Φ)的相应检测到的部分也可以联合使用针对距离确定，具体地，其中，在分析相同顺序要素的光信号列Ρ(φ)的返回部分的范围内，将在每种情况下关于所确定的光脉冲P(TOF)的返回部分的时间顺序位置的信息项考虑在内。
[0025]因此可以设置与情形有关的选择(S卩，依赖于返回信号的强度)，使得依赖于返回信号的强度，仅返回光脉冲或另选地仅返回光信号列被分析;或还可以设置与情形有关的选择，其中，依赖于返回信号的强度从三个分析变形中进行选择(_>仅返回光脉冲、仅返回光信号列、或两者联合)；或两种返回信号部分-如果可能-也可以总被用于分析。
[0026]基于根据本发明的这个直接相继的发射，在每种情况下一个TOF光脉冲和一个光信号列，因此在不需要对目标的测试测量(以先前测量/粗略测量的含义)的情况下，能够覆盖整体动态范围。实际测量可以立即进行并且接着在没有时间延迟的情况下，可以进行适用于相应返回信号的相应强度(T0F信号脉冲或光信号列的强度)的分析。根据本发明，因此可以进行振幅分配，其中两个顺序要素类型(高功率TOF信号和光信号列)覆盖整个要求的信号动态范围-针对相应应用-实际上没有间隙。
[0027]光脉冲P(TOF)在此情况下均被调制使得其从目标对象返回的部分被提供以根据脉冲运行时间法TOF来分析。该分析因此如实质上已知的可以由用于确定运行时间(例如，根据波形数字化法WFD，使用使用返回TOF脉冲的时间顺序采样，或还使用数字阈值法)的数字滤波器法来提供。
[0028]在一个示例性实施方式中，光信号列Ρ(Φ)在此情况下可以各包括例如光信号列光脉冲的序列，其在时间上相对彼此接近地排列并且具体地被半连续地发射，其具有比光脉冲P(TOF)相比低的振幅。具体地，单独光信号列光脉冲Ρ(Φ)可以例如以1MHz到10GHz之间的重复频率、特别在50MHz到1000MHz之间的重复频率发射。
[0029]此外，每个光信号列Ρ(Φ)的光信号列光脉冲(如已知是指对于相继发射很多脉冲)可以均在接收器侧或分析侧积累以确定在每种情况下整个相应光信号列Ρ(Φ)的平均运行时间。
[0030]然而，根据一个示例性实施方式，光信号列Ρ(Φ)还可以各包括仅2个到50个光信号列光脉冲的序列(具体地，即使再次还是不同振幅的两个光信号列光脉冲)。在极端情形下，由仅一个光信号列光脉冲组成的光信号列在此情况下也可以被实现。
[0031]根据本发明的另一个方面，光脉冲P(TOF)和光信号列Ρ(Φ)的所检测到的返回部分可以均被信号处理电子系统采样并且数字化，并且在此情况下可以生成数字数据，其可以用于进一步分析，具体地，通过FPGA、SoC或微处理器。具体地，在本发明的范围内，返回光信号可以在此情况下被逐步时间顺序采样并且以其整体被数字化(具体地由具有采样单元的相同信号处理电路)，具体地，以50Ms到20Gs之间的采样率，特别是在200Ms到2GS之间的米样率。
[0032]根据本发明的另一个方面，运行时间光脉冲P(TOF)和光信号列(Ρ(Φ))可以具有相同或还不同的载波频率。
[0033]此外，光脉冲P(TOF)和光信号列Ρ(Φ)可以从同一光源或还从不同光源发射。在此情况下，例如，光脉冲P(TOF)可以有利地从激光光源发射并且光信号列Ρ(Φ)可以从超亮二极管SLD发射。
[0034]根据本发明的实施方式，光信号列Ρ(Φ)还可以均被调制成使得其从目标对象返回的一部分被提供以根据相位比较法Φ来分析。光脉冲P(TOF)的检测到的返回部分接着被关于时间顺序位置进行分析，并且光信号列Ρ(Φ)的检测到的返回部分被关于相位位置进行分析。
[0035]在此情况下，光信号列Ρ(Φ)可以均覆盖信号序列的两个相继的光脉冲P(TOF)之间的时间间隔的例如40%到95%之间的持续时间。
[0036]两个相继的光脉冲P(TOF)之间的时间间隔Δ (TOF)可以进一步在例如50ns到2000ns之间。
[0037]相位比较光信号列在此情况下还可以根据波形数字化法WFD来获取和分析。相位确定可以在此情况下例如使用高分辨率精细插值算法来进行。
[0038]在检测的范围内，根据本发明的以上提到的方面，因此可以进行信号采样以标识和确定TOF时间脉冲的返回部分的时间顺序位置(S卩，根据波形数字化法WD对TOF脉冲的采样和分析)，并且于此平行地，可以根据相位比较法Φ进行分析相位比较光信号列的检测到的返回部分。
[0039]光信号因此接着作为整体包括TOF光脉冲和光信号列的序列，其中这些均以时间顺序交织，使得交替地并且具体地以时间顺序相继地，采样光脉冲P (TOF)和相位比较光信号列Ρ( φ )均被发射。
[0040]相位比较光信号列可以在整个测量或可选地扫描持续时间上连续发射，S卩，在多个TOF脉冲的发射期间连续发射，其中，例如，各个信号序列(低频率TOF脉冲和高频率相位测量法信号，具体地以高频率Φ脉冲的形式)接着以适当方式的信号从彼此提取或彼此相加，例如，用对应的相对缩放，用于分析。
[0041]该方法因此在本发明的一个实施方式中是基于仅运行时间法(TOF)和相位比较法的组合。在此情况下，可以针对两种信号调制联合地使用接收器原理WFD(波形数字化)，其中信号处理和分析相反有利地被不同地设计。在此情况下，具有两种类型的分量的光信号向目标对象发射，在一方面，相对高强度的TOF脉冲对应于用于脉冲运行时间法(T0F法)所使用的通常脉冲，例如，具有50nJ的强度并且相比较而言低重复率，例如，2MHz，对应于在两个相继的TOF运行时间脉冲之间的500ns的时间间隔，以及在另一方面，较低强度的光信号列，具体地以光信号列光脉冲的形式，即，相对低强度且相比较而言较高频率的脉冲列，例如，具有InJ的强度和对应于在两个单独相继光信号列光脉冲之间的8.33ns的时间间隔的120MHz的频率。强度大的TOF脉冲设计成它们可以由用于采样法的信号处理电子部件还在到目标对象的较大距离(例如，大于30m的距离)可靠地采样和分析。具体地在相比较而言较短距离的情况下，即，例如，小于30m，然而也能够使用于检测从目标对象反向散射的光的检测器饱和，即，被强光信号过载，使得脉冲运行时间的高准确确定并且因此到目标对象的距离不再充分可能“仅仅”基于TOF方法，即使在此情况下仍确保了有些粗略的距离确定。相反地，较弱的光信号列光脉冲被确定大小使得其反射光信号不得到检测器饱和并且其信号可以被用于例如相位比较法的信号处理电子系统的部件处理。
[0042]根据本发明，在近距离(对于例如小于大约25或30m的距离)，即，因此在返回TOF脉冲的饱和极限以上的上方动态范围内，信号的分析(利用在每种情况下返回光信号列的分析)可以利用应用相位比较法或积累法来决定性地进行，并且在长距离(即，例如，对于大于大约25或30m的距离)，即，因此在较低的动态范围内，可以主导地进行TOF脉冲的分析，例如，根据波形数字化和运行时间法。通过应用相位比较法或积累法，距离确定的准确性可以在近距离，以及通过应用TOF法在长距离被决定性地影响。
[0043]两种方法的优势因此根据本发明被有利地组合，并且弱点(T0F法在近距离，因为饱和；以及相位比较/积累在长距离，因为弱检测信号)均由另一种方法支持。
[0044]此外，作为增强效应，经由TOF法获得的距离信息(即使利用过饱和TOF脉冲在近距离相比较而言不准确)也可以针对在此情况下根据相位比较法的分析而被并入，具体地，解析相位比较中的模糊性。
[0045]在相移超过一个波长(或小的光信号列脉冲要求不模糊的指派)时，根据相位比较法/积累法的距离测量中的模糊性(通常针对相位比较法存在)在此可以根据本发明被解析，因为基于TOF脉冲的TOF分析获得的到目标的距离信息可以为此目的而使用(即使在近距离处的目标可能有些不准确)。
[0046]通过适当地定TOF脉冲的大小并且在数据分析中被考虑在内，双重目标，S卩，由同一脉冲获取多个对象也可以被识别。
[0047]在多个发射的光信号列的分析中缺少模糊性可以被确保，例如，在于使用不同模式调制相应光信号列，即，相位比较光信号列的调制在每次发射TOF脉冲之后改变。
[0048]另选地或附加地，然而，这还可以被进行在于作为顺序要素的两个发射的TOF脉冲之间的时间间隔改变，或，然而，使用双TOF脉冲被用作相应的顺序要素，并且在此情况下在双脉冲之间的短暂持续时间变化。
[0049]顺序要素的发射的重复率(S卩，在每种情况下TOF脉冲和光信号列的发射的重复率)可以被定大小使得总体上两个TOF脉冲从不在光源和检测器之间的路径上。如果使用了编码，例如，如在以前段落中说明的(例如，所发射的TOF光脉冲的时间间隔的已知变化)，则如果相同编码的仅两个或更多个TOF脉冲(或光信号列)从不在光源和检测器之间的路径上就是充分的。
[0050]根据本发明，如以上已经提到的，光信号列可以因此在列内包括Φ光脉冲的序列，其在时间顺序上彼此相对接近并且特别地准连续地发射，均具有较低振幅。然而，如已经提到一起的，还有可能在光信号列的范围内仅发射2到5个脉冲(可选地还在每种情况下在列内再次具有不同振幅，使得例如包括高能量TOF脉冲，“大-适当-小-更小”则得到相继发射的脉冲的振幅)。
[0051]具体地，对于单个测量值确定，多个具体地两个或更多个单个测量的重复也可以在每种情况下进行，并且在测量和确定高能量TOF脉冲和/或光信号列的返回部分中，其单独信号则可以被取平均以确定单个测量值。
[0052]具体地，在检测的范围内，返回光信号被逐步时间顺序采样并且以其整体被数字化，具体地，以50MS/s到20GS/s之间的采样率(S卩，每秒兆样本或千兆样本)，特别在200Ms/s至IJ2GS/S之间。返回光信号列的分析，例如，根据相位比较法Φ或积累法，借助于直接采样的信号形式(WFD)或对脉冲列(或由于脉冲列的平均而得到的脉冲)(直接采样)的WD分析，具体地作为一种数字相位测量而被测量。
[0053]本发明的进一步主题是光电测距仪，其具有至少一个光源，其用于向目标对象上发射至少一个光信号(具体地激光)；接收电路，其具有用于检测从目标对象反向散射的光信号的接收器，其中，该接收器包括具体地至少一个采样单元，该采样单元用于对从目标对象返回的光信号采样，并且用于确定到目标对象的距离的具有控制和分析部件。根据本发明，提供了一种发射控制器，其被构造和编程成使得根据以上描述的实施方式中的一个的测距方法因而在测距仪的操作中被执行。
[0054]具体地，接收电路设置有用于光脉冲P(TOF)和光信号列Ρ(Φ)的相应检测到的返回部分的信号采样并且生成数字数据的采样和数字化单元，该数字数据接着可用于进一步分析。
[0055]根据一个可能方面，同一采样单元可以设置在接收电路中用于在每种情况下获取和采样TOF光脉冲的返回部分以及在每种情况下光信号列的返回部分。
[0056]基于根据本发明的测距仪的不同实施方式，光源被形成为用于具有相同或具有多个不同波长的发射光信号的单光源。
[0057]基于根据本发明的测距仪的一个特别实施方式，可以在此情况下设置两个不同(部分)光源，其中一个用于发射光脉冲P(TOF)，并且另一个用于发射光信号列Ρ( Φ )。在此情况下，例如，光脉冲P(TOF)可以有利地从激光光源发射并且光信号列Ρ(Φ)可以从超亮二极管SLD发射。另外，例如，可以在从两个光源中的一个(具体地该超亮二极管SLD)或可选地两个光源在光学路径上的下游设置光放大器，该光放大器具体地为掺铒光纤放大器EDFA或MOPA(主振荡器功率放大器)。
【附图说明】
[0058]本发明在下文基于具体示例性实施方式仅作为示例描述，在附图中示意地示出示例性实施方式，其中还将描述本发明的进一步优点。在具体附图中:
[0059]图1a示出根据现有技术的光电测距仪的示意图，
[0060]图1b示出根据现有技术的运行时间测量法的示意图，
[0061]图2a示出根据现有技术的针对反向散射光信号的阈值法的示意图，
[0062]图2b示出阈值法的阈值问题的示意图，
[0063]图3a示出根据现有技术的针对反向散射光信号的采样法的示意图，
[0064I图3b示出采样法的饱和问题的示意图，
[0065]图4示出根据本发明的测距方法的图；
[0066]图5示出根据本发明的光电测距仪的可能实施方式，
[0067]图6示出来自针对返回光的检测器的输入光的处理的路径的图，
[0068]图7a示出用于生成并且准备用于相应的下游信号处理电子系统的接收的返回信号的接收器(和基准接收器)根据本发明的实施方式，以及
[0069]图7b示出针对在用于ToF信号的信号信道和在用于光信号列中的信号信道中的脉冲序列的顺序时间包络(编码)的可能实施方式的图。
【具体实施方式】
[0070]图1a示出根据脉冲运行时间原理的根据现有技术的光电测距仪I的示意图。在测距仪I中设置有发送器2和接收器3。发送器2发送光脉冲4a，其中在目标(例如，向后反射器5)上反射或反向散射之后，接着被接收器3检测作为反向散射光脉冲。根据本发明，不是光脉冲，而是可以使用连续调制的发送信号。
[0071]如在图1b中在示意图中说明，根据作为光脉冲4’的发射的开始时间和反向散射光脉冲4”的接收时间之间的时间顺序差异的运行时间T确定距离。在此情况下通过分析信号脉冲s(t)的特征例如，通过超过信号阈值或通过积分脉冲包络的焦点确定来进行接收时间的确定。在阈值法中，还可以使用其它方法来测量运行时间，例如，接收时间到双极信号的转换和随后的确定过零点。
[0072]在图2a中，说明根据现有技术的用于反向散射信号6c的阈值法。为了抑制噪声，背景分量或系统性干扰信号，例如由于发送器信号路径和接收器信号路径之间的光和电串扰，并且将其从检测中排除，使用检测阈值9。在此检测阈值9下方的信号强度s(t)不得到作为鉴别器的接收单元的响应(其产生停止信号)并且因此不得到检测。如果信号6c在其强度超过检测阈值9，则检测并且因此生成停止信号并且进行接收时间的登记。由阈值法提供的输出信号因此依赖于通过接收或输入信号到达或超出检测阈值9。如果如图2b所示信号强度s(t)总是保持在检测阈值9’下方，则不发生鉴别器的响应并且信号6d不被检测。阈值法的这个阈值问题例如在大测量距离或对应的背景影响的情况下发生，其可以向上驱动阈值信号的要求的阈值电平。
[0073]阈值法单独通常确保比以下提到的采样法(WFD原理)低的距离确定准确性。
[0074]图3a例示用于根据现有技术的反向散射光信号的采样法(WFD)的原理。接收的信号6a或其信号包络在各个时刻7或关联的时间间隔采样，使得可以导出信号形式。为了还能够检测信号脉冲s(t)的大的变化，在接收器侧要求高的动态，这使得能够信号6a的完全获取或采样。否则，如果信号6b的部分在动态范围外并且采样法的饱和问题发生，则图3b所示的情形会发生。在饱和极限以上，存在接收器的饱和范围8，其中没有脉冲的可用适当可用采样值。信号6b的采样接着局限于饱和极限以下的范围。具体地在高侧面陡度的情况下，信号形式和位置的确定则是困难的。
[0075]图4示出根据本发明的测距方法的图。这是基于TOF法(阈值或WFD)与相位比较法(Φ)的组合的一个实施方式。在此情况下，两种类型的光信号发射到目标对象上，在一方面，对应于用于采样法的通常脉冲的相对高强度的脉冲(例如，具有50nJ的强度)和相对低的重复率(例如，2MHz，对应于在时刻TI和T2之间的两个相继脉冲P (TOF)(在此称为” TOF脉冲“)之间的500ns的时间间隔T(TOF))，或在另一个方面，相对低强度和相对高频率的脉冲(例如，具有InJ的强度和120MHz的频率)，其对应于在两个相继脉冲Ρ(Φ)之间的8.33ns的时间间隔τ(Φ)，如在相位比较法/脉冲积累法中通常使用的。这些光信号列的脉冲在下文也称为“Φ脉冲”。强度大的TOF脉冲设计成它们可以由用于脉冲法的信号处理电子部件还在到目标对象的较大距离(例如，大于30m的距离)可靠地采样和分析。具体地在较短距离的情况下，即，例如，小于30m，然而也能够使用于检测从目标对象反向散射的光的检测器饱和，即，被强光信号过载，使得脉冲运行时间的高准确确定并且因此到目标对象的距离不再可能，即使在此情况下仍确保了有些粗略的距离确定(在此方面再次参见图3b例示的情况)。相反地，较弱的Φ脉冲被确定大小使得其反射光信号不得到检测器饱和并且其信号可以被用于其的信号处理电子系统的部件处理。
[0076]为了测量根据本发明的脉冲组合，针对每个TOF脉冲测量脉冲运行时间，其中整个脉冲包络的模拟信号被测量并且在此情况下针对时间包络中的特征点(例如，峰值)取得运行时间。相反地，Φ脉冲主导地不被独立分析，而是发射脉冲列的相位和反向散射或反射的脉冲的相位被仅仅分析。
[0077]在相移超过单个脉冲长度(即对应于2JT)时发生的对于Φ型方法(g卩，相位比较法/小相位积累法(也称为小脉冲相加平均法))通常存在的距离测量中的不确定性在此没有提供，因为，至少对于TOP脉冲和Φ脉冲相互的脉冲持续时间或脉冲频率的关系的对应选择，能够防止超过231的相移，使得基于此，确保了关于距离确定的缺少模糊性。双重目标，g卩，由同一脉冲获取多个目标通过TOF脉冲的对应的大小确定也可以被识别并且在数据分析中被考虑。
[0078]确保了缺少模糊性，具体在于TOF脉冲和Φ脉冲被不同地调制，并且因此在TOF脉冲的每次发射之后改变调制。
[0079]在本情况下，例如，在两个相继TOF脉冲的TI和T2之间的时间段(500ns)期间，60个较低能量的Φ单脉冲被发射作为光信号列。光脉冲列在极端情况下可以覆盖两个相继TOF脉冲之间的时间段的100 %。然而，时间覆盖可以例如，在1 %到95 %之间，并且还可以特别在40%或75%。Φ脉冲可以在整个测量持续时间上连续发射，S卩，在多个TOF脉冲的发射期间连续发射，其中，接着各个脉冲列(低频率TOF脉冲和高频率Φ脉冲)以适当方式的信号从彼此提取或彼此相加，例如，使用对应的相对缩放，例如，用于分析。
[0080]另选地，然而，仅由2到20个单独较低能量Φ脉冲构成的光脉冲列也可以被发射(如以上已经提到的，可选地在每次情况下利用彼此不同的强度振幅)。
[0081]图5示出根据本发明的光电测距仪40的一个可能实施方式。可以发源自单个光源I(例如，激光器或激光二极管)或多个激光器/激光二极管的调制激发光41优选地经由激发光束路径41a中的光放大器41c(具体地，掺铒光纤放大器(EH)A))发射。相对于光传播路径以45°附接的分束器例如使得激发光的最大部分(例如，99%)通过，接着反射一小部分(例如，I % )用于开始信号的基准测量和建立，其用于接收电路50的获取和处理从目标对象5反向散射或反射的光。在激发光束路径中，在这个分束器之后，激发光通过半透明镜(单向镜)44，其对于激发光基本上是透明的，但是对从目标对象返回的光是反射性的。激发光接着入射在旋转镜45上，从其折射以扫描目标对象5。
[0082]从目标对象5返回的光经由旋转镜45折射到半透明镜44，在此其在接收光束路径46/接收电路50的方向反射，在开始处其入射在检测器47a(例如，雪崩光电二极管(APD))上。接收信号接着被提供到所指示的测量信号路径48a中到波形数字化器(“WFD”)49a。
[0083]在分束器43上反射的激发光41的一小部分经由进一步的检测器47b(例如，点触型二极管)获取，并且提供到所指示的基准信号路径48b到实现为简单基本版本的WFD 49b。应注意的是在测量和基准信号在两个检测器47a、47b(APD和点触型二极管)上的中继不必须以分离信号处理部件，而是也可以借助于适用于处理两种信号的共享的接收电子系统。然而，应注意的是如对于本领域技术人员知道的，还能够在没有专用的基准路径的情况下工作，例如，校准可以仅经由在已知距离的目标(例如，在激光扫描器的情况下，在旋转镜的每次通过期间以小的旋转角范围被击中的支架)进行。然而，作为用于时间测量的基准的开始信号也可以仅电子地给出(即，依赖于发射光脉冲的光源的激活)。
[0084]图6例示来自针对返回光的检测器的输入光的处理的路径61。信号由放大器9(未示出)放大接着分束成两个信号路径62和63:—部分是经由低通滤波器64(“低通”)提供到作为WD电子装置(“WFD ADC”)的一部分的模数转换器66a以进行TOF信号的分析，另一信号部分使用高通滤波器64( “高通”)滤波并且提供到作为信号处理电子系统的一部分的模数转换器66b以进行高频率光信号列的分析。然而，应注意光信号列和TOF信号脉冲也可以由同一电子系统分析。
[0085]图7a示出用于生成并且准备用于相应下游信号处理电子系统的接收到的返回信号(T0F脉冲和光信号列的接收到的返回信号)的接收器/接收电路的根据本发明的实施方式。经由接收光学装置获取的光信号优选地在光纤的帮助下传导到检测器，具体地雪崩光电二极管(ATO)。为了产生开始信号，发射光信号的相应基准信号可以被提供到点触型二极管。AH)和点触型二极管的输出信号分别借助于转阻放大器(TIA)71a、71b放大接着在处理部件72组合或相加(“+” )，接着联合提供到模数转换器73。
[0086]图7b例示对发射的信号编码以产生缺少模糊性以便分析的可能示例。这可以被确保例如在于相应光信号列使用不同模式调制，即，光信号列的调制在每个情况下在TOF脉冲的每次发射之后改变(参见来自图7b的示例2)。
[0087]另选地或附加地，然而，这还可以被进行，在于作为顺序要素的两个发射的TOF脉冲之间的时间间隔改变(即，来自图7b的示例I)或双TOF脉冲被用作相应顺序要素，并且在此情况下在双脉冲之间的(短暂)持续时间(时间间隔)变化(参见来自图7b的示例3)。
[0088]明显地这些例示的附图仅仅示意性地例示了可能的示例性实施方式。各个方案也可以彼此组合以及与现有技术的方法组合。
【主权项】
1.一种光电测距方法，该测距方法至少具有以下步骤: ?从至少一个光源(I)向目标对象(5)上发射光信号(41)，具体地，激光； ?使用检测器(47a、47b、51、61)和连接在所述检测器下游的信号处理电子系统检测从该目标对象(5)返回的所述光信号的部分； ?确定到所述目标对象(5)的距离， 其特征在于， 所发射的光信号(41)在每种情况下包括以下构成的顺序要素的序列 ?至少一个光脉冲(P(TOF))JP ? 一个光信号列(Ρ(Φ))， 其中，所述光脉冲(P(TOF))均具有比所述光信号列(Ρ(Φ))高的强度振幅I。2.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， ?所述光脉冲(P(TOF))关于其强度振幅I被构造成使得从位于适当距离范围内的目标对象(5)返回的所述部分被提供以用于在被所述检测器检测时将所述检测器在其上振幅范围内激活;并且 ?所述光信号列(Ρ(Φ))关于其强度振幅I被构造成使得从位于适当距离范围内的目标对象(5)返回的所述部分被提供以在被所述检测器检测时将所述检测器在其线性振幅范围内激活。3.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， 所述光信号列(Ρ( Φ ))各包括光信号列光脉冲的序列，该光信号列光脉冲在时间上相对彼此接近地排列并且具体地被半连续地发射，各光信号列光脉冲具有与所述光脉冲(P(TOF))相比低的振幅， 具体地其中，单独的光信号列光脉冲(Ρ(Φ))以1MHz到10GHz之间的重复频率发射，特别地以50MHz到I OOOMHz之间的重复频率发射。4.根据权利要求3所述的测距方法， 其特征在于， 每个光信号列(Ρ(Φ))的所述光信号列光脉冲均在接收器侧或分析侧积累以确定针对在每种情况下相应光信号列(Ρ( Φ ))的平均运行时间。5.根据权利要求3或4所述的测距方法， 其特征在于， 所述光信号列(Ρ( Φ ))各包括2到50个之间的光信号列光脉冲的序列， 具体地其中，该序列包括具有不同振幅的两个光信号列光脉冲。6.根据权利要求1到3中任一项所述的测距方法， 其特征在于， ?所述光脉冲(P(TOF))均被调制使得其从所述目标对象(5)返回的所述部分被提供以用于根据脉冲运行时间法TOF来进行分析，并且 ?所述光信号列(Ρ(Φ))均被调制成使得其从所述目标对象(5)返回的所述部分被提供以用于根据相位比较法Φ来进行分析， 使得在每种情况下所述光脉冲(P(TOF))的所检测到的返回部分被关于时间顺序位置来进行分析，并且所述光信号列(Ρ(Φ))的所检测到的返回部分被关于相位位置来进行分析。7.根据权利要求1到4中任一项或根据权利要求6所述的测距方法， 其特征在于， 所述光信号列(Ρ(Φ))各覆盖两个相继的光脉冲(P(TOF))之间的10%到95%之间的时间间隔的持续时间。8.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， 两个相继的光脉冲P(TOF)之间的所述时间间隔Δ (TOF)在50ns到2000ns之间。9.根据前一项权利要求所述的测距方法， 其特征在于， 依赖于振幅范围，所述检测器在每种情况下在该振幅范围中被所述顺序要素的所检测到的返回部分激活: ?所述光脉冲(P(TOF))的仅相应的所检测到的返回部分关于时间顺序位置用于距离确定-或多或少地按照单次方法，或 ?所述光信号列(Ρ(Φ))的仅相应的所检测到的返回部分用于距离确定，或者?所述光脉冲(P(TOF))的相应的所检测到的返回部分和所述光信号列(Ρ(Φ))的相应的所检测到的返回部分还被联合使用用于距离确定，具体地其中，在对同一顺序要素的所述光信号列(Ρ(Φ))的所述返回部分的分析的范围内，在每种情况下将关于所述光脉冲(P(TOF))的所述返回部分的所确定的时间顺序位置的信息项考虑在内； 特别地其中，依赖于振幅范围，所述检测器在该振幅范围中被所述顺序要素的所检测到的返回部分在每种情况下激活，以下中的一项总是成立: ?所述光脉冲(P(TOF))的仅相应的所检测到的返回部分关于时间顺序位置用于距离确定-或多或少地按照单次方法，或 ?所述光信号列(Ρ(Φ))的仅相应的所检测到的返回部分用于所述距离确定。10.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， 所述光脉冲(P(TOF))和所述光信号列(Ρ(Φ))的所检测到的返回部分均被所述信号处理电子系统采样和数字化，并且在此情况下生成数字数据，所述数字数据用于进一步分析，具体地，由FPGA、SoC或微处理器进行，具体地其中，在检测的范围内，返回光信号(42)被逐步地按时间顺序采样并且以其整体被数字化，具体地，以50MS/s到20GS/s之间的采样率，即，每秒几兆样本或几千兆样本，特别地以在200Ms/s到2GS/s之间的采样率。11.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， 所述光脉冲(P(TOF))和所述光信号列(Ρ(Φ))具有相同的载波频率或具有不同的载波频率。12.根据以上权利要求中任一项所述的测距方法， 其特征在于， 所述光脉冲(P(TOF))和所述光信号列(Ρ(Φ))从同一光源或从不同光源发射，具体地，所述光脉冲(P(TOF))从激光光源发射并且所述光信号列(Ρ(Φ))从超亮二极管SLD发射。13.一种光电测距仪(40)，该光电测距仪(40)具有 ?至少一个光源(I)，该至少一个光源(I)用于向目标对象(5)上发射至少一个光信号(41)，具体地，激光， ?接收电路(50)，该接收电路(50)具有检测器(61)和连接在所述检测器(61)的下游的信号处理电子系统，该检测器(61)用于检测从所述目标对象反向散射的光信号(42)， ?分析部件，该分析部件用于确定到所述目标对象(5)的距离， 其特征在于， 提供控制器，该控制器被构造和编程成使得在操作中由该控制器执行根据权利要求1到12中任一项所述的测距方法。14.根据权利要求13所述的测距仪(40)， 其特征在于， 所述接收电路(50)设置有用于对所述光脉冲(P(TOF))和所述光信号列(Ρ(Φ))的相应的所检测到的返回部分进行信号采样并且生成数字数据的采样和数字化单元，所述数字数据接着能够用于进一步分析。15.根据权利要求13或14所述的测距仪， 其特征在于， 提供两个光源，其中一个光源是用于发射所述光脉冲(P(TOF))的激光光源以及用于发射所述光信号列(Ρ(Φ))的超亮二极管SLD，具体地其中，在所述两个光源中的至少一个的在光束路径中的下游设置光放大器(41c)，具体地，掺铒光纤放大器EDFA，所述两个光源中的至少一个具体地为所述超亮二极管SLD。
【文档编号】G01S17/10GK105988119SQ201610122460
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】雷托·施图茨
【申请人】莱卡地球系统公开股份有限公司