[發(fā)明專利]距離測量方法和距離測量元件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380027826.0
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN104364671B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發(fā)明（設計）人: 雷托·施圖茨
• 申請（專利權(quán)）人: 萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司
• 主分類號: G01S7/486
• 分類號: G01S7/486;H03M1/12
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11127
• 代理人: 呂俊剛,劉久亮

本發(fā)明涉及一種距離測量方法以及一種距離測量元件。

在電子和光電距離測量的領域中，已知有各種原理和方法。一種方法在于向待測量的目標發(fā)射脈沖電磁輻射(例如激光)，并且隨后從作為反向散射物的所述目標接收回波，其中，基于脈沖的傳播時間(time of flight)來確定待測量的與目標的距離。這樣的脈沖傳播時間測量元件已經(jīng)獲得接受，同時在許多領域中作為標準的解決方案。

各種方法被用于檢測反向散射脈沖。

所謂的閾值方法涉及如果入射輻射的強度超過特定閾值則檢測光脈沖。

另一種方法是基于反向散射脈沖的采樣。發(fā)射的信號是基于以下的事實來檢測的：對由檢測器檢測到的輻射進行采樣，在采樣區(qū)內(nèi)識別信號，并且最終確定所述信號的位置。通過使用大量的樣本，即使在不利的環(huán)境下也能夠識別有用信號，使得能夠處理甚至相對大的距離或者嘈雜的或受到干擾的背景場景。在現(xiàn)有技術(shù)中，采樣是通過使用正被偏移(shifted)的時間窗或相位對許多相同的脈沖進行采樣來實現(xiàn)的，其中，目前能夠?qū)崿F(xiàn)非常快的電路，該電路具有高到足以對單獨脈沖進行采樣的頻率。

然而，信號采樣的要求和信號重構(gòu)(reconstruction)的先決條件是不確定的(problematic)，尤其是在使用可變的或失真的信號的情況下。由于采樣率在技術(shù)上受上限制約，所以并不是所有的信號分量都能夠以相同的方式進行采樣。如果不遵循所謂的奈奎斯特(Nyquist)采樣定理，則會出現(xiàn)所謂的混疊效應，這將使信號重構(gòu)惡化并因而降低測量精度。現(xiàn)有技術(shù)在這里公開了以下的解決方案：盡管接受了對奈奎斯特條件的輕微違反，但還是通過濾波減少了更高頻率的信號分量，以至于經(jīng)濾波的信號能夠滿足奈奎斯特條件。

在這方面，WO 2011/076907公開了一種設備，該設備根據(jù)對反射信號直接采樣的原理進行高精度的距離測量，其中接收信號由采樣電路進行采樣并隨后被量化。采樣之前，在接收信號路徑上分配有高階濾波器。該濾波器通常是六階濾波器或更高階濾波器，并且不像根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的其他設備的情況，并沒有將該濾波器設計為簡單的一階、兩階或最多三階抗混疊濾波器。在這樣的距離測量方法的情況下，波形的完整識別不再是絕對必要的。因為，在采樣之前，信號帶寬已被減小成使得與距離有關的所有頻率都低于采樣頻率的一半，所以根據(jù)奈奎斯特采樣定理，后來保留并滿足預期測量目的的距離相關信號能夠通過算法裝置而完整地重構(gòu)，并因而還能夠確定其準確位置。該測量即使在改變信號的情況下仍起作用，并且通過此方法能夠提高精度。然而，引導重構(gòu)的先決條件是，信號的主要部分必須位于奈奎斯特頻帶內(nèi)，優(yōu)選使用第一頻帶。

現(xiàn)有技術(shù)的其他方法或設備確實對于首次近似符合奈奎斯特或香農(nóng)(Shannon)條件。在此情況下，信號頻譜的帶寬BW或3dB下降點f3dB被限制到低于奈奎斯特極限頻率fg的頻率。然而，因為頻譜在BW或f3dB以上的頻率處的下降由于低階濾波器而無一例外地太過緩和，所以無法百分之百地滿足香農(nóng)定理，并且不能提供針對精確的、無偏差的距離測量的混疊效應的抑制。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中的解決方案使用保證遵循采樣定理的復雜的濾波器概念，但是這些復雜的濾波器概念不能避免混疊效應到高精度測量所需的程度。

因此，本發(fā)明的目的是提供一種新的距離測量方法和一種新的距離測量元件，通過該新的距離測量方法和新的距離測量元件避免或減少了上述缺點。

進一步的目的是提供一種在采樣過程之前不需要濾波或減少在濾波上的開支的高精度距離測量元件和距離測量方法。

進一步的目的是提供一種距離測量元件，該距離測量元件即使在非線性失真脈沖的情況下(例如，在信號飽和的情況下)也能夠準確測量。

進一步的目的是提供一種距離測量元件，該距離測量元件使得即使利用更高頻率的信號分量(尤其是在不受香農(nóng)定理的限制的情況下)成為可能。

進一步的目的是提供一種高精度距離測量元件，該距離測量元件使得即使使用簡化的結(jié)構(gòu)(尤其是使用較慢的模數(shù)轉(zhuǎn)換器)也能夠進行高精度測量。

具體地，目的在于根據(jù)使用信號采樣的傳播時間測量方法進一步開發(fā)距離測量元件，使得在毫米(mm)范圍或亞毫米(sub-mm)范圍內(nèi)的絕對精度得以保證。此處理想地旨在實現(xiàn)依照相位測量原理的距離測量元件的精度等級。