本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于确定到回射目标的距离的方法，并且涉及用于执行如根据权利要求8所述的本发明所述的方法的测量仪器。
背景技术
如例如用于工业测量的激光跟踪仪或测地测量仪器(例如，经纬仪或全站仪)的测距仪通常被实现为干涉仪或具有与干涉单元的组合，例如，根据脉冲飞行时间原理的距离测量与干涉测量的组合。
可通过使用干涉测量方法来获得非常高的精度。这里，使用干涉仪的距离测量的可实现分辨率(例如，基于相长干涉和相消干涉之间的计数转换可实现的距离测量精度)由所发射的激光的波长限定。因此，通常将可实现分辨率基本上指定为测量辐射的波长的一半的整数倍，因为激光必须在其通向目标和返回的路上两次行进相同的路径。
用于干涉测量仪器(例如，用于连续跟踪目标点的激光跟踪器)的目标点以及该点的坐标位置确定可由回射单元(例如，立方体棱镜)表示，测量设备的光学测量光束(特别地，激光束)瞄准该回射单元。激光束被平行反射回到测量仪器，其中，反射光束被设备的捕获单元捕获。在激光跟踪器的示例中，在该过程中例如借助于用于角度测量的传感器来确定光束的发射或接收方向，这些传感器被分配给系统的偏转镜或瞄准单元。此外，例如，借助于飞行时间或相位差测量在捕获光束时确定从测量仪器到目标的距离。
考虑到由此促成的大的相干长度和测量范围，气体激光器(例如，hene激光器)通常被用作干涉仪的光源。另选地，近来也越来越多地使用二极管激光器，所述二极管激光器本身是紧凑且成本有效的，并且与气体激光器相比具有较低的功耗。
通常还需要稳定到已知波长，特别是对于使用激光二极管作为干涉仪光源或作为波长标准。举例来说，这可以在光谱方式下在吸收介质的吸收线上(例如，使用气室)实现。
现有技术已经公开了不同的干涉测量方法，例如，用于测量相对距离变化的各种相对简单的测量布置以及借助于干涉测量来测量绝对距离的复杂布置，或者相对干涉距离测量与所谓的绝对测距仪的组合。
举例来说，在leicageosystemsag的产品at901中已知用于确定距离的测量装置的组合。例如，在wo2007/079600a1中已知用于使用hene激光器来确定距离的绝对测距仪和干涉仪的组合。
根据基本干涉测量原理(例如借助于相长干涉到相消干涉的转换对波长增量进行计数)，干涉仪测量距离的相对变化，通常无法区分目标物体是远离测量器具(instrument)移动还是目标物体朝向测量器具移动。
用于推导出方向信息项的选项(关于到目标的距离是增大还是减小的信息)包括例如出于确定干涉输出信号的目的，将频率偏移(shift)参考辐射叠加在目标处发射和反射的测量辐射上，其中，随后，例如可借助于多普勒效应确定方向信息项。
为了执行距离变化的正确测量，尤其是在跟踪目标时的连续正确测量，借助于干涉仪，必须在测量期间确保由干涉效应产生的干涉仪信号(例如，强度最大值和最小值)的连续捕获和正确读出。这里，确定距离的变化取决于检测到的干涉仪信号的数量(波长增量)。
特别地，根据现有技术的常规干涉仪原则上受到限制，因为距离测量的分辨率受限于基本上由测量辐射的波长的一半给出的波长增量，这是因为来自干涉仪输出信号的波长增量的计数器只能推导出整个360度相移并且因为在目标静止的情况下不能推导出相位信息。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种用于距离测量仪器的方法，在该距离测量仪器的范围内，干涉测量的距离分辨率增大，特别地，其中，可按比所发射的辐射的波长的一半更大的精度来执行距离测量。
通过实现独立权利要求的特性化特征来实现该目的。可从从属专利权利要求中收集以替代或有利方式开发本发明的特征。
本发明涉及一种用于借助于干涉测量来确定到回射目标的距离的变化的方法，该方法包括以下步骤：产生限定的频率的辐射，其中，辐射中的至少一些被用作参考辐射并且辐射中的至少一些被作为测量辐射朝向目标发射；以及将测量辐射、参考辐射和至少部分地基于从所述目标返回的所述测量辐射中的一些的接收辐射中的至少一个中的一些的频率偏移。频率偏移是借助于由载波信号致动的移频器(例如，声光调制器)来产生的，其中，载波信号具有载波频率。本发明还包括基于接收辐射和参考辐射中的至少一些，例如，通过例如基于光电二极管通过光敏检测器来检测并可选地进一步电子处理接收辐射与参考辐射的光学叠加，捕获叠加信号。基于叠加信号来产生具有干涉仪输出频率(下面指定的ifm频率)的干涉仪输出信号，其中，基于ifm频率和载波频率，特别地，基于多普勒效应，即，基于波长增量的离散的正值和负值，来推导距离的变化，所述波长增量基本上被提供为所述测量辐射的波长的一半的整数倍。这里，通过接收计数器的接收计数来捕获ifm频率；通过参考计数器的参考计数来捕获载波频率；以及借助于同步构件基于具有系统频率的系统时钟将接收计数和参考计数传递到公共系统计数系统中，使得基于系统计数系统的系统计数，能够推导到目标的距离的当前变化。
根据本发明，系统频率与载波频率相差限定的差频，并且考虑到在系统计数系统的多个时钟脉冲上限定的计数范围内的所述系统计数系统的计数器历史，例如，通过在限定的计数范围内对计数器历史进行积分来推导距离的变化。
在一个实施方式中，系统频率大于50mhz，例如，特别地大于100mhz，具体地大于200mhz。这里，系统频率可大于或小于载波频率。
举例来说，基于格雷码(graycode)计数器特别地约翰逊(johnson)计数器的计数器可被用作接收计数器和/或参考计数器。
举例来说，由于两个输入信号(载波信号和叠加信号)通常是异步的，并且具有与系统频率类似的频率，因此输入信号由两个约翰逊计数器进行控制，并且不是被直接采样。约翰逊计数器与格雷码计数器具有相似的特性，但是具有单个比特频率较低的优点，因此也捕获长亚稳态，并且不会导致后续信号链中出现永久性错误。在这种情况下，两个计数器的位宽来自例如在两个系统时钟侧翼(flank)之间计数的最大计数、亚稳状态的捕获和所期望的安全余量。
举例来说，两个当前计数现在借助同步构件被传递到具有系统时钟的时钟脉冲的公共系统计数系统中，其中，用系统时钟的时钟脉冲，从之前计数中减去两个相应的当前计数。这些差值表明在最后的系统时钟阶段期间两个输入信号已经增加了它们相应的计数器的多少“计数”。由于两个输入时钟频率例如低于系统时钟的系统频率，因此出现的差异只能取值1和0。利用系统时钟的时钟脉冲，现在将这两个差值相减，并且可在加法构件中添加可取值-1、0和1的结果。因此，加法构件包含通常自测量开始以来的半波长的数量形式的干涉仪距离的快照。
举例来说，参考计数器、接收计数器、系统计数系统和同步构件可以这样的方式来实现：即系统的重复率被限定为这样的方式：用系统时钟的所限定的时钟脉冲的数量周期性地在完全相同的位置处实现载波信号的采样。
在以上提到的示例性系统中，在积分器中将加法构件的当前值相加，并且模数(modulo)计数器随着系统时钟的每个时钟脉冲而增加1。一旦模数计数器达到其与示例性系统的重复率对应的模数值，积分器的值就被写入读出寄存器中，并且积分器的内容随后被删除。读出寄存器的内容因此包含实际值的模数倍。
另选地，还能够例如在模数值的n倍内形成移动平均值，使得例如对于系统时钟的每个时钟脉冲都有新的结果可用。
因此，为了获得分辨率和相位信息项的改进，例如，根据本发明，系统时钟与参考计数器的参考时钟(以及接收计数器的接收时钟)分离，并且要注意，系统时钟和参考时钟尽可能不同，其中，加法构件具有附接到其上的积分器。举例来说，可借助于锁相环例如借助于包含在fpga(现场可编程门阵列)中的锁相环(pll)来产生参考时钟的频率。这至少允许与系统时钟受限地无关。
此外，由于参考时钟和系统时钟可选地受到抖动，可产生进一步的分辨率提高。
在一个实施方式中，参考计数器、接收计数器、系统计数系统和同步构件例如被以这样的方式配置：计数范围被限定为周期性计数范围，因此例如定义系统的重复率，即以这样的方式：用计数范围的时钟脉冲的数量周期性地分别再次在相同的位置处对载波信号进行采样。
另一个实施方式涉及用与计数范围的时钟脉冲的数量相等的周期来周期性实现距离的变化的推导或者以移动的方式，特别地借助于基于系统计数的连续积分的移动平均值，实现距离的变化的推导。
举例来说，假设系统频率为100mhz，并且由此推导出的用于声光调制器(aom)的载波频率为100mhz×31/52＝59.615mhz(基于32位加法构件、4位减法构件和48位积分器；参见例如图4中的实施方式)，其中，在系统时钟的52个时钟脉冲之后在完全相同的位置再次实现载波信号的采样。因此，该系统的分辨率是测量辐射的波长的1/52×1/2。
另一个实施方式涉及系统计数系统的计数器历史的积分是借助于在系统计数系统的几个时钟脉冲上自动化的积分处理来实现的，其中，积分处理包括以下步骤：通过形成两个接收计数之间的差值来产生接收差值，特别地通过形成在紧接着的两个接收计数之间的差值来产生接收差值；通过形成两个参考计数之间的差值来产生参考差值，特别地通过形成在两个紧接着的参考计数之间的差值来产生参考差值；在加法构件中产生用于相加的被加数，其中，被加数是通过形成接收差值和参考差值之间的差值来产生的；并且借助于积分器基于被加数来对计数器历史进行积分。举例来说，在这种情况下，在每种情况下，在周期性计数范围的时钟脉冲的数量上周期性地实现积分。
根据本发明的另一实施方式，载波信号具有限定的载波频率的抖动和/或例如通过使系统时钟经受抖动来产生限定的系统频率的抖动。举例来说，载波信号和/或系统频率被以这样的方式配置：它们具有1/(2×fs×nmod)的最小周期抖动，其中，fs是系统频率并且nmod是周期性计数范围的时钟脉冲的数量。
这里，应该注意，例如，调制信号分别由用于使参考时钟和/或系统时钟噪声白化的白噪声或三角形信号提供，根据以上提到的示例的所述三角形信号的峰值幅度造成例如±1/(2×100mhz×52)＝±100ps的最小周期抖动。
本发明还涉及一种用于借助于干涉测量来确定到回射目标的距离变化的测量仪器(appliance)，该测量仪器包括：辐射源，其用于产生具有限定波长的辐射；参考通道和测量通道，其被配置成使得由辐射源产生的辐射中的至少一些可经由参考通道用作参考辐射，并且由辐射源产生的辐射中的至少一些可经由测量通道作为测量辐射发射到目标。所述测量仪器还具有可由载波信号致动的移频器，尤其是声光调制器，其被配置为基于载波信号的载波频率，产生测量辐射、参考辐射和至少部分地基于从目标返回的测量辐射的接收辐射中的至少一个的一部分的频率偏移。测量仪器还具有接收器，例如，基于具有对应信号处理电子器件的光电二极管的光敏检测器，所述接收器被配置成基于接收辐射和参考辐射中的至少一些来捕获叠加信号，并且基于叠加信号来提供具有干涉仪输出频率(以下被称为ifm频率)的干涉仪输出信号。此外，测量仪器具有含接收计数器、参考计数器、系统计数系统和同步构件的电路，接收计数器被配置成通过接收计数来捕获ifm频率，参考计数器被配置成通过参考计数来捕获载波频率，系统计数系统基于具有系统频率的系统时钟，所述系统计数系统被配置成提供公共计数系统，以及同步构件被配置成将接收计数和参考计数传递到公共系统计数系统中。借助于计算单元，基于系统计数系统的系统计数来推导到目标的距离的当前变化，计算单元被配置成基于ifm频率和载波频率特别地基于多普勒效应来推导距离变化，使其基于波长增量的离散正值和负值是精确的，所述波长增量基本上被提供为测量辐射波长的一半的整数倍。
根据本发明，此外，测量仪器被以这样的方式配置：系统频率与载波频率相差所限定的差频，并且在所述系统计数系统的几个时钟脉冲上限定的计数范围内提供所述系统计数系统的计数器历史，其中，计算单元被配置成使得考虑到计数器历史来执行距离的变化的推导。举例来说，该电路还具有积分器，积分器用于在所限定的计数范围内对计数器历史进行积分。
举例来说，系统频率可在一个实施方式中大于50mhz，特别地大于100mhz，具体地大于200mhz。一般来说，在这种情况下，系统频率可大于或小于载波频率。
举例来说，基于格雷码计数器，特别地基于约翰逊计数器的计数器可被用作接收计数器和/或参考计数器。
因此，根据本发明，例如，系统时钟与参考计数器的参考时钟(和/或接收计数器的接收时钟)分离，并且注意系统时钟和参考时钟尽可能不同。
在测量仪器的一个实施方式中，参考计数器、接收计数器、系统计数系统和同步构件被以这样的方式配置：计数范围被限定为周期性计数范围，因此例如定义系统的重复率，即，以这样的方式：用计数范围的时钟脉冲的数量周期性地分别再次在同一点处对载波信号进行采样。
另一个实施方式涉及电路和计算单元，该电路和计算单元被以这样的方式配置：用与计数范围的时钟脉冲的数量相等的周期来周期性地推导距离的变化或者以移动的方式，特别地借助于移动平均值来推导所述距离的变化，所述移动平均值基于借助于积分器对所述系统计数的连续积分。
根据另一个实施方式，该电路具有积分器，并且其被以这样的方式配置：对系统计数系统的计数器历史的积分是借助于在系统计数系统的几个时钟脉冲上自动化的积分处理来实现的，其中，积分处理包括以下步骤：通过形成两个接收计数之间的差值来产生接收差值，特别地通过形成在两个紧接着的接收计数之间的差值来产生接收差值；通过形成两个参考计数之间的差值来产生参考差值，特别地通过形成在两个紧接着的参考计数之间的差值来产生参考差值；在被加数中产生用于相加的被加数，其中，被加数是通过形成接收差值和参考差值之间的差值来产生的；并且借助于积分器基于被加数来对计数器历史进行积分。举例来说，在每种情况下，在周期性计数范围的时钟脉冲的数量内，周期性地实现积分。
举例来说，出于进一步提高分辨率的目的，载波信号例如可以以这样的方式配置：载波信号具有限定的载波频率的抖动，例如，其中，载波信号的参考时钟经受抖动，和/或电路可被配置成例如使得例如通过使系统时钟经受抖动来产生限定的系统频率的抖动。举例来说，经受抖动可被以这样的方式实现：载波信号和/或系统频率具有1/(2×fs×nmod)的最小周期抖动，其中，fs是系统频率并且nmod是周期性计数范围的时钟脉冲的数量。
附图说明
下面，基于附图中示意性地例示的示例性实施方式，以纯粹的示例性方式更详细地描述根据本发明的距离测量方法和根据本发明的距离测量仪器。在附图中，用相同的附图标记来表示相同的元件。通常，所描述的实施方式没有按照真实比例例示出，并且也不应该被理解为是限制。
具体地：
图1示出(零差)干涉仪布置的原理的例示；
图2示出根据本发明的外差干涉仪布置的原理的例示；
图3示出根据本发明的距离的变化的推导原理的例示；以及
图4示出用于推导距离的变化的根据本发明的电路的示例性实施方式。
具体实施方式
图1示出具有用于测量仪器3(特别地激光跟踪器)的目标2的示例性干涉仪布置1的基本设计。例如在每种情况下被实施为具有大的相干长度的激光二极管或气体激光源的光束源4用于产生测量辐射，该测量辐射首先被作为参考辐射引导到参考路径5，其次被作为透射辐射借助于分束器引导到传输路径6。透射辐射被引导到回射目标2上并且从那里反射回干涉仪结构3。这里，借助干涉仪接收器7可以确定并且测量到干涉仪的距离的变化。为此，参考辐射和从目标2返回的透射辐射的部分被叠加在干涉仪接收器7上，由此这些光束以时间分辨方式干涉并产生作为输出可变分布的干涉分布，借助于干涉仪接收器7可读取所述输出可变分布。
如果目标2相对于测量仪器3的干涉仪布置以这样的方式发生移动，即至少在目标2和结构3之间的距离上有变化，则可借助于干涉仪接收器7来捕获干涉分布(输出可变分布)的变化。举例来说，在这种情况下，可检测由干涉产生的强度最大值和强度最小值的交替序列。在此背景下，能够读出所谓的干涉仪脉冲(波长增量)例如所捕获的最大值和/或最小值并且对其进行连续计数，使得可以从确定的脉冲的数量来确定目标2和干涉仪结构3之间的距离的变化。这里，最大可实现距离分辨率基本上受透射辐射的波长的一半限制，因为当行进到目标2并且返回时，透射辐射必须沿着相同路径行进两次。
此实施方式可被认为是(经典)零差干涉仪。在具体实施方式中，为此，例如可借助正交检测来确定距离的变化。
图2示出了作为外差干涉仪(例如，外差迈克尔逊(michelson)干涉仪)的根据本发明的测量仪器30的实施方式。这里，在干涉仪的两个臂(传输路径6和参考路径5)中分别使用通过差异波长在波长方面略微不同的辐射，所述辐射例如由声光调制器8产生，声光调制器8由(具有载波频率的)载波信号致动并且像在例如这种情况下那样布置在传输路径6中。另选地，接收路径中或参考路径5(未示出)中的单个声光调制器8’或传输路径、接收路径和/或参考路径(未示出)中的多个不同布置的调制器的组合的布置也是可能的。
出于产生具有不同波长(频率偏移)的辐射的目的，可使用例如利用塞曼效应(zeemaneffect)的激光器(例如，多频激光器)或声光调制器，如同所示出的示例中一样。
举例来说，调制器产生具有第一波长(或第一频率)的透射辐射和具有第二波长(或第二频率)的参考辐射，其中，透射辐射沿着传输路径6发射到目标2，并且透射辐射中的至少一些从目标2反射回干涉仪30。透射辐射的返回部分在其上叠加有参考辐射，所述参考辐射已经通过参考路径5，由此产生具有拍频(接收频率、ifm频率)的差拍(beat)信号，该拍频可被干涉仪检测器7捕获。例如，通过拍频的连续捕获，能够捕获时间分辨的差拍分布。
基于拍频的差拍分布和调制器的载波频率，能够通过对波长增量的离散值进行求和来推导到目标的距离，其中，波长增量基本上被给定为透射辐射的波长的一半的整数倍。
此外，例如，可基于使用多普勒效应的拍频的时间分布来推导距离变化的方向。举例来说，在如所描述的干涉仪结构一样的简单情况下，到目标2的恒定距离处的拍频基本上精确地对应于透射辐射和参考辐射之间的差频，其中，差频对应于所采用的声光调制器8的载波频率。在目标2在预定时间段内均匀移动的情况下，拍频经历取决于方向的频率偏置(offset)。如果距离减小，则拍频大于差频，而在增大的距离的情况下，拍频小于差频。
在确定到目标2的距离的范围内，通过接收计数器的接收计数来捕获拍频(ifm频率)，并且通过参考计数器的参考计数特别地借助于约翰逊计数器来捕获载波频率，其中，基于具有系统频率的系统时钟，借助于同步构件将接收计数和参考计数传递到系统计数系统的公共计数系统中，其中，根据本发明的系统频率与载波频率不同，并且考虑到系统计数系统的多个时钟脉冲所限定的计数范围内的系统计数系统的计数器历史来实现距离变化的推导。
图3示意性示出了基于外差干涉仪布置30(图2)推导到目标的距离的变化的根据本发明的实施方式，例如，外差干涉仪布置30具有在传输路径6中的移频器8和用于基于通过将参考信号叠加在透射信号的返回部分上而产生的具有拍频(ifm频率)的差拍来捕获和提供(具有干涉仪输出频率，被称为ifm频率的)干涉仪输出信号的干涉仪检测器7。
系统时钟10作为数据处理的基础，其中，载波频率和ifm频率中的每一个均分别由参考计数器11和接收计数器12捕获，参考计数器11和接收计数器12与系统时钟10分离。根据本发明，此外，要注意确保系统时钟10和参考计数器11的参考时钟13不同，并且系统时钟10和接收计数器12的接收时钟14不同。
借助同步构件并且基于系统时钟10的时钟脉冲15，参考计数器11和接收计数器12的计数分别被传递到系统时钟10所限定的公共计数系统(系统计数系统)的寄存器16a、16b中。借助于用于接收通道17a和参考通道17b的存储和减法单元17a、17b，通过从在前(例如，紧邻的前一个)接收器计数中减去接收器计数来产生接收差值，并且通过从在前(例如，紧邻的前一个)参考计数中减去参考计数来产生参考差值。借助于另一个存储和减法单元18，通过从参考差值中减去接收差值来产生被加数。举例来说，被加数被与每个系统时钟脉冲15一起提供给加法构件19，所述加法构件的值再次基于系统时钟脉冲15被提供到积分器20。在所限定的时钟脉冲数量内进行相应的积分之后，例如，根据限定的时钟脉冲数量周期性地或者以移动的方式，将积分器20的值写入读出寄存器21中，其中，考虑到读出寄存器21中的积分值来实现距离变化的推导。
图4示意性示出了用系统时钟10作为评价基础的根据本发明的电路的实施方式，其中，在这种情况下，载波频率13和ifm频率14例如分别由与系统时钟10分离的约翰逊计数器40a、40b(例如，4位约翰逊计数器)捕获。使用系统时钟10的时钟脉冲15，参考计数器40b和接收计数器40a的计数借助于同步分别被传递到第一寄存器41a、41b(例如，4位寄存器)中，并且第一寄存器41a、41b的在前值被分别移入另一个寄存器42a、42b，使得借助于减法构件43a、43b(例如，4位减法构件)分别产生接收差值43a和参考差值43b，并且通过另一个减法构件44(例如，4位减法构件)来产生被加数。
接收差值和参考差值表示在最后的系统时钟阶段期间两个输入频率已经增加了它们相应的计数器的计数数量。通常，两个输入时钟13、14低于系统时钟10，这就是为什么产生的差值仅取值1和0。
这里，被加数被加到32位加法构件45，例如，被加数中的每一个能够取值-1、0和1。因此，加法构件45获得自测量开始以来的半波长的数量形式的干涉仪距离的快照。
这里，被加数例如经由加法构件45被进一步馈送到48位积分器46，其中，这里还以这样的方式提供载波频率13和同步频率10：系统的重复率被以这样的方式限定：分别用系统的重复率周期性地再次在相同的位置处分别对载波信号进行采样。举例来说，载波频率对应于系统频率的31/52倍(基于32位加法构件、4位减法构件和48位积分器)，由此，在系统时钟10的52个时钟脉冲之后再次在完全相同的位置处实现载波信号的采样。
用系统时钟10的每个时钟脉冲15将加法构件45的当前值添加到积分器46，并且将模数计数器47加1。一旦模数计数器47达到其与示例性系统的重复率(在这种情况下是52)对应的模数值，积分器46的值就被写入读出寄存器48(在这种情况下是48位寄存器)中，并且积分器46的内容被删除。读出寄存器48的内容因此包含随波长增量的变化而变化的实际距离值的模数倍。
另选地，还能够在模数值的n倍内形成移动平均值，使得对于系统时钟10的每个时钟脉冲15都有新的结果可用。
应该理解，这些例示的附图仅仅示意性表示可能的示例性实施方式。各种方法同样地能够相互结合并且与现有技术的方法结合。