CN101641613B - 通过光脉冲确定距离的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于通过光脉冲确定距离的设备(1)。设备(1)包括：光源(2)，其用于发射具有特定频率的光脉冲；探测器(8)，其用于接收光源所发射和反射的光脉冲；以及控制器(4)，其与光源(2)和探测器(8)通信，并能够通过信号控制所述光源和探测器。设备(1)进一步包括连接到控制器(4)和探测器(8)的至少两个计时器(Z1，Z2，Z3)。所述控制器(4)设计成，当光源(2)发射光脉冲时，控制器(4)产生起始信号，所述起始信号按顺序触发所述至少两个计时器中的每个计时器的时间测量，并再次从头开始触发时间测量。探测器(8)设计成，当接收到反射的光脉冲时，所述探测器(8)产生停止信号，所述停止信号转发到所述至少两个计时器(Z1，Z2，Z3)，并停止所述至少两个计时器中的此时被控制器(4)暂时分配了测量窗的计时器的时间测量。该设备可优选地被设计为光纤扫描仪。此外，公开了用于通过光脉冲确定距离的方法。

Description

通过光脉冲确定距离的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于通过光脉冲确定距离的设备和方法。本发明特别涉及LIDAR设备和LIDAR方法。

背景技术

用于通过光脉冲确定距离的航空辅助设备特别用于在建立数字地形模型之前测量数据，其中到反射位置的距离由光脉冲从设备到反射位置再回到设备(即，回光)的传播时间确定。

这样的设备和方法就术语LIDAR(光探测和测距)来说对本领域技术人员是已知的。

常规LIDAR设备使用所谓的“空中单脉冲”方法工作。在这样的方法中，在设备的光源、反射位置和设备的探测器之间的路径上总是只有一个光脉冲或激光脉冲。在此过程中，产生的问题是，随着航空支持的LIDAR设备离反射位置的距离的增加，最大光脉冲频率，即，光脉冲可由LIDAR设备发射时的频率，必须降低，因为光脉冲的传播时间随着距离的增加而增加。很明显，以高的光脉冲频率工作是有利的，因为与较低的光脉冲频率比较，它允许较精细的扫描(较高的数据点密度)，因而允许获得待测量的地形的较好的分辨率。

在不考虑10^-6秒量级的与系统有关的时间偏移的情况下，最大可能的光脉冲频率f_max对飞行高度的相关性由下列关系式产生：

f_max＝c/(2×h)，

其中c是光速，而h是飞行高度。使用上面的关系式，我们得到，例如，飞行高度h为1500、3000和4500m时，最大光脉冲频率为100、50和33kHz(考虑到与系统有关的时间偏移时，则分别为，91、48和32kHz)。

如果LIDAR设备设计成例如横穿飞行方向扫描地形的光纤扫描仪，则上述效应的结果，即，在常规LIDAR设备中，最大可能的光脉冲频率随着飞行高度的增加而降低，由下列事实加强：在恒定的光束角下并随着飞行高度的增加，在物面中两个相邻测量点之间的间距增加，这实际上导致测量点密度的进一步降低。

在德国专利DE 3606544C1中，根据权利要求1的序言的用于通过激光器测量距离的设备，被描述为有发射器和接收器，其中脉冲传播时间表示对距离的度量。为了提供允许确定精确的触发时间点的干扰不灵敏的起始触发信号生成，在为远程信号提供的探测器元件的紧邻附近区域中提供至少一个额外的探测器元件，其对实际上通过发射器发射的、但没有达到目标反射而是在壳体中散射的辐射作用。

美国专利4,926,185描述了一种脉冲雷达系统，其中两个或多个连续的发射脉冲以不同的载波频率被循环地发射，允许将给定的接收脉冲明确地在时间上分配给发射脉冲。

本发明因此基于提供用于通过光脉冲确定距离的改进的设备或改进的方法，其特别避免了已知的LIDAR设备和LIDAR方法的上述缺点。

发明内容

此问题由根据权利要求1或12的用于通过光脉冲确定距离的设备以及方法解决。

根据本发明的用于通过光脉冲确定距离的设备包括：光源，其用于发射具有某个频率的光脉冲；探测器，其用于接收光源所发射和反射的光脉冲；以及控制设备，其连接到光源和探测器，并与光源和探测器通信，同时能够通过信号控制它们。

对本发明所必不可少的是，用于通过光脉冲确定距离的设备另外包括至少两个计时器，且控制器设计成在光源发射光脉冲时产生起始信号。该起始信号在每种情况下按顺序开始或触发通过两个计时器中的至少一个计时器的时间测量，并再次从头开始。换句话说，起始信号首先触发第一计时器的时间测量、接着第二计时器的时间测量，最后，触发最后一个计时器的时间测量，以便可能以这种方式从头开始再次触发第一计时器。此外，探测器设计成当接收到反射的光脉冲时产生停止信号，该停止信号被发送到至少两个计时器，并停止所述至少两个计时器中被控制器暂时分配了测量窗的计时器的时间测量。

上面的设计，使至少两个计时器可以在彼此独立的每种情况下在短时间间隔内测量光脉冲的光传播时间，从而若干个光脉冲可同时存在于空气中，即，存在于光源、反射位置和探测器之间的路径上。

优选地，以对所述至少两个计时器的触发顺序将测量窗通过控制器分配到至少两个计时器，并再次从头开始分配，而没有测量窗的时间交叠。

此外，优选地，如下通过控制器将测量窗分配到至少两个测量计时器，使得所述至少两个计时器中的给定计时器的测量窗在前一计时器的测量窗结束时开始，以便每个被探测到的光脉冲落在测量窗内。

根据优选的实施方式，对所述至少两个计时器中的一个计时器的时间测量的相继发生的触发之间的时间段，是对所述至少两个计时器中的连续的计时器的时间测量的触发之间的时间段的整数倍。

此外，优选地，对所述至少两个计时器中的一个计时器的时间测量的触发和将测量窗通过控制器分配到计时器的发生方式为，使得在测量窗的结束和对计时器的额外的时间测量的触发之间存在缓冲期。

用于通过光脉冲确定距离的设备优选地是光纤扫描仪。光纤扫描仪包括发射单元和接收单元，在发射单元中，由光源发射的具有某个频率的光脉冲通过朝着其旋转轴倾斜的旋转反射镜被引导到第一玻璃纤维阵列的玻璃纤维的圆形布置的开端部分，接收单元相对于前面的单元对称地构造，其中，入射的光脉冲被引导到其末端部分为圆形布置的第二玻璃纤维阵列的玻璃纤维，且通过朝着旋转轴倾斜的旋转反射镜将所述光脉冲从所述玻璃纤维引导到探测器。发射单元和接收单元共同通过可受控于控制器的电动机驱动。

根据优选实施方式，第一玻璃纤维阵列的玻璃纤维的末端部分在第一透镜的焦平面中形成直线布置的发射行，且第二玻璃纤维阵列的玻璃纤维的开端部分在第二透镜的焦平面中形成直线布置的接收行。

可使用例如发光二极管或耦合玻璃纤维的发光二极管作为光源。例如，可使用调制的CW激光二极管或CW激光器。

玻璃纤维阵列是横截面转换器，通过其可将玻璃纤维的圆形布置转换成线性布置(从圆到线的焦平面转换)。例如，它由可具有0.2mm的芯径的很多石英丝组成。也可能使用其它多模或单模光纤。可按需要选择光纤的数量。光纤的最大数量只由阵列制造过程限制。

旋转元件是反射镜(优选地是平面反射镜)，其相对于其旋转轴(稍微)倾斜。反射镜能够以小的倾斜连接在平行于光轴旋转的支架上。反射镜的旋转轴也可能不位于扫描仪的光轴中。在这种情况下，光源也不布置在光轴中。然而，这两种设计共同的是，反射镜相对于其旋转轴倾斜。

一电动机设置为用于旋转元件的驱动装置。例如，高速电动机(直流或同步电动机)。转数例如为每分钟15,000转。它也可增加到比每分钟100,000转大得多的值。

在从属权利要求中定义了额外的实施方式。

附图说明

图1示出根据本发明的用于通过光脉冲测量距离的设备的示意图；

图2是图1的设备的根据本发明的部件的交互作用的示意图和简化表示；

图3示出时序图，其中示出将起始信号和测量窗(通过控制器来)分配到计时器的实例；以及

图4示出图1的设备作为光纤扫描仪的优选实施方式的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的用于通过光脉冲确定距离的设备的示意图。该设备可例如安装在飞机中，以便在h的飞行高度处执行距离测量，因而获得关于被掠过的地形的数据。用于通过光脉冲确定距离的设备1包括用于发射具有某个频率的光脉冲的光源(例如，激光器)2。由光源2发射并反射的光脉冲(例如LP1和LP2)由探测器8接收到。探测器8和光源2连接到与它们进行通信并控制它们的控制器4。

如现在也可在图2和3中看到的，根据本发明的用于通过光脉冲确定距离的设备1此外包括若干个计时器或计数器(例如，在图1到3中，示出了3个计数器或计时器Z1、Z2和Z3)。下面参考图2和3，详细描述这些计时器Z1、Z2和Z3的功能及其与控制器4的交互作用。

扫描过程以通过光源或通过激光器2发射第一光脉冲或激光脉冲LP1开始。同时，控制器4产生起始信号或触发信号100a，其触发了通过第一计时器Z1进行的时间测量。在时间段T之后，发射第二激光脉冲LP2，并同时再次产生起始信号或触发信号100b，借助该触发信号，触发了通过第二计时器Z2进行的时间测量。在该时间点，第一光脉冲LP1已经在其从光源2到反射位置并回到探测器8的路径上传播了距离c＊T，因而仍然在空气中。在另一时间段T之后，发射第三激光脉冲(未在图1中示出)，并同时再次产生起始信号或触发信号100c，借助该触发信号，触发了通过第三计时器Z3进行的时间测量。在该时间点，第二光脉冲LP2已经在其从光源2到反射位置并回到探测器8的路径上传播了距离c＊，因而也仍然在空气中。根据飞行高度h，第一光脉冲LP1也可能仍然存在于空气中，或已经由探测器8探测到。在存在第四计时器或额外的计时器的情况下，在另一时间段T之后，发射第四激光脉冲或额外的激光脉冲，并产生起始信号，借助该起始信号，触发了通过第四计时器或额外的计时器进行的时间测量。如果不存在额外的计时器，则序列再次从头开始，即，在另一时间段T之后，发射第四激光脉冲，并再次产生起始信号或触发信号200a，借助该触发信号，触发了通过第一计时器Z1进行的时间测量，如下所述，第一计时器Z1已经在时间窗110a内接收到停止信号，因而再次可以测量激光脉冲的传播时间。在扫描过程的进一步的过程中，额外的起始信号或触发信号200b、200c和300a再次触发通过第二计时器Z2、第三计时器Z3进行的时间测量，并接着再次触发通过第一计时器Z1进行的时间测量。

光脉冲的预期传播时间可通过飞行高度h来估计，飞行高度h在扫描过程开始之前被作为参数输入到控制器4中，或者如果它在扫描过程期间变化则被控制器4采样，优选地被控制器4连续采样。使用该估计，控制器4将所谓的测量窗分配给计时器Z1、Z2和Z3。如下面更详细描述的，根据本发明，被触发的计时器只在它在控制器4分配给它的测量窗中的时间点接收到来自探测器8的停止信号的情况下，才停止时间测量。

如可在图3中看到的，控制器4将第一测量窗110a分配到第一计时器Z1。该测量窗110a的中点可例如与第一光脉冲的预期传播时间的末端重合，而如上所述，第一光脉冲的预期传播时间可通过飞行高度h来估计。测量窗110a的宽度应选择成：第一光脉冲实际上可能的所有传播时间都可由测量窗110a覆盖，因而第一光脉冲也在测量窗110a中被探测到。本领域技术人员应认识到，这可能取决于几个因素，包括被扫描区域的预期高度差以及被扫描区域的角范围。优选地，对于时间范围，测量窗110a、110b、110c、210a、210b的“宽度”分别为相同的，并相应于对连续的计时器进行的时间测量的触发之间的时间段。换句话说，所有的测量窗110a、110b、110c、210a、210b优选地都呈现时间范围T。

在通过光源2发射第一光脉冲LP1之后，后面的脉冲将在相应于待确定的传播时间的一段时间之后返回到探测器8。当接收到光脉冲时，探测器8优选地产生电信号，该电信号作为停止信号被发送到所有的计时器Z1、Z2和Z3。该停止信号的作用为：在该时间点被控制器4分配了测量窗的计时器Z1、Z2或Z3的时间测量停止。例如，在图3中，如果在时刻t0，被反射的光脉冲由探测器8接收到，并被后者被发送到所有的计时器Z1、Z2和Z3，则计时器Z1的时间测量被停止，因为，在此时，测量窗110a被控制器4分配到计时器Z1。在此时，停止信号对其它计时器Z2和Z3没有作用。

如可在图3中看到的，测量窗110a、110b、110c、210a、210b，...到计时器Z1、Z2和Z3的分配，优选地以对计时器Z1、Z2和Z3的触发顺序通过控制器4进行，其中，时间窗110a、110b、110c、210a、210b，...必须不存在任何时间上的交叠，因为，否则的话，被探测到的光脉冲可能触发两个计时器，并因此将产生两个传播时间。此外，将测量窗110a、110b、110c、210a、210b，...通过控制器4分配到计时器Z1、Z2和Z3的方式优选为，使得连续的时间窗彼此紧接着跟随。换句话说，计时器Z1、Z2和Z3的测量窗在上一个计时器Z3、Z1和Z2的测量窗结束时开始。作为结果，确保了每个所探测到的光脉冲都落在测量窗中。达到这个目的的一种方式是，将对计时器(Z1或Z2或Z3)的时间测量的相继触发之间的时间段，增加为对连续的计时器(Z1、Z2或Z2、Z3或Z3、Z1)的时间测量的触发之间的时间段的整数倍。

如可在图3中看到的，对计时器Z1、Z2或Z3进行的时间测量的触发，以及通过控制器4将测量窗110a、110b、110c、210a、210b，...分配到该计时器的方式，使得在测量窗的结束和对通过计时器的额外的时间测量的触发之间存在缓冲期t。也就是说，例如，使得在被分配给第一时间窗Z1的测量窗110a结束后，首先跟着的是缓冲期t，然后是下一光脉冲被光源2触发，同时，起始信号或触发信号200a产生，借助该触发信号，再次触发通过第一计时器Z1进行的时间测量。缓冲期t确保在测量窗结束之前，没有计时器被触发。对于计时器未接收到停止信号，同时测量窗被控制器4分配给它且时间窗的时间测量因而不终止的情况，则在该测量窗结束时下一光脉冲的触发之前中断该计时器的时间测量，或者在缓冲期t期间中断该计时器的时间测量。

特别优选地，根据本发明的用于通过光脉冲探测距离的设备被设计为光纤扫描仪。图4示出根据本发明的这样的光纤扫描仪10，其适合于光发射和光接收。其结构是对称的，且它在左侧上具有发射部分或发射单元，在右侧上具有接收部分或接收单元。优选地，在这里优选地使用脉冲激光器12作为光源。激光器12的光被引入玻璃纤维13a的开端部分，玻璃纤维13a的末端部分布置在光纤扫描仪10的光轴A上。从玻璃纤维13a的末端部分发射的光脉冲射到旋转反射镜20a。反射镜20a朝着旋转轴A倾斜，在反射镜20a上反射之后，光脉冲耦合在玻璃纤维22a的圆形阵列24a的玻璃纤维的开端部分中。该圆形形状可通过适当的支架元件获得。反射镜20a通过反射镜支架安装电动机16的驱动轴上，作为反射镜20a的旋转的结果，从玻璃纤维13a发射的光脉冲被连续射入玻璃纤维22a的各个玻璃纤维开端部分24a中。玻璃纤维开端部分24a在这里布置成环形形状并相对于射入光的玻璃纤维13a同心。从玻璃纤维22a的末端部分发射的光束被透镜28a准直。玻璃纤维22a的末端部分在透镜28a的焦平面中以行模式布置，因而形成发射行26a。在这里，玻璃纤维22a的末端部分定向成，使得光脉冲的中央轴通过透镜28a的中心。此布置使以最小发射损耗将任何直径的准直光束相对于其方向以非常高的速度偏转成为可能。

在图4的右侧上，刚刚被描述的系统再次对称地布置在电动机16的驱动轴的第二端。该右侧可用作接收单元，即，接收行26b和发射行26a相对于其透镜28b和28a被调节，使得它们获取相同的物点上的方位。光路在相对于在光纤扫描仪10的发射单元中的上述光路的相反的方向上延伸。被反射的光脉冲通过在接收行26b中的第二玻璃纤维阵列22b的玻璃纤维的开端部分处的透镜28b，并通过玻璃纤维末端部分24b的玻璃纤维的末端部分，射到旋转反射镜20b上，光脉冲在该处被反射。在这里，玻璃纤维阵列22b的玻璃纤维末端部分24b布置成环形形状，并相对于玻璃纤维13b的开端部分同心。被反射的光脉冲射入位于光轴A上的玻璃纤维13b的此开端部分中，且在通过玻璃纤维之后，它被探测器18探测到。第一玻璃纤维阵列22a和第二玻璃纤维阵列22b可具有用于较准目的的公共参考纤维。

虽然在上述优选实施方式中，计时器被描述为控制器的分离的部件，本领域技术人员应认识到，根据本发明分配给计时器的功能或任务也可通过可与控制器分离或作为控制器的部分的各个部件执行。

Claims (16)

1.一种通过光脉冲测量距离的设备，包括：

光源，其用于发射具有某个频率的光脉冲；

探测器，其用于接收由所述光源发射且从目标反射的光脉冲；

控制器，其与所述光源和所述探测器通信，并能够通过信号控制所述光源和所述探测器；以及

连接到所述控制器和所述探测器的至少两个计时器；

其中，所述控制器设计成，当所述光源发射光脉冲时，所述控制器产生起始信号，每个所述起始信号顺序触发所述至少两个计时器中的一个计时器的时间测量，并重复地再次从头开始触发时间测量；以及

其中，所述探测器被设计成，当接收到反射的光脉冲时，所述探测器产生停止信号，所述停止信号被发送到所述至少两个计时器，并停止所述至少两个计时器中被所述控制器暂时分配了测量窗的计时器的时间测量。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制器适于以对所述至少两个计时器触发的顺序重复地将各个测量窗暂时分配给所述至少两个计时器中的一个，而在所述测量窗之间不存在时间上的交叠。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制器适于将所述测量窗暂时分配到所述至少两个计时器，使得所述至少两个计时器中的给定计时器的测量窗在前一计时器的测量窗结束时开始，以便每个由探测器接收到的光脉冲落在一测量窗内。

4.如权利要求1所述的设备，其中，对所述至少两个计时器中的一个计时器的时间测量的相继触发之间的时间段，是对所述至少两个计时器的连续的计时器的时间测量的触发之间的时间段的整数倍。

5.如权利要求1所述的设备，其中，对所述至少两个计时器中的一计时器的时间测量的触发和将测量窗由所述控制器分配到该计时器发生的方式为，使得在该测量窗的结束和对该计时器的第二时间测量的触发之间存在缓冲期。

6.如权利要求1所述的设备，还包括：

发射单元，其中，由所述光源发射的光脉冲通过第一旋转反射镜被引导到第一玻璃纤维阵列的玻璃纤维的圆形布置的开端部分，其中，所述第一旋转反射镜朝着其自身的旋转轴倾斜，

接收单元，其结构相对于所述发射单元是对称的，其中，入射的光脉冲被引导到其末端部分被圆形地布置的第二玻璃纤维阵列的玻璃纤维，且从那里通过朝着其旋转轴倾斜的旋转反射镜被引导到所述探测器，以及

电动机，其作为所述发射单元和所述接收单元的共用驱动装置，

其中，所述控制器与所述电动机通信并适于通过信号控制所述电动机。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述第一玻璃纤维阵列的玻璃纤维的末端部分在第一透镜的焦平面中被设置成直线的发射行，且所述第二玻璃纤维阵列的玻璃纤维的开端部分在第二透镜的焦平面中被设置成直线的接收行。

8.如权利要求6所述的设备，其中，所述光源包括以下装置中的一种：发光二极管、以及连续波(CW)激光器。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述发光二极管为耦合玻璃纤维的发光二极管。

10.如权利要求8所述的设备，其中，所述连续波(CW)激光器是调制的连续波(CW)激光二极管。

11.如权利要求6所述的设备，其中，所述第一玻璃纤维阵列和所述第二玻璃纤维阵列的每个由128或300条玻璃纤维制成。

12.如权利要求6所述的设备，其中，所述电动机是高速直流电动机或高速同步电动机。

13.如权利要求6所述的设备，其中，所述第一玻璃纤维阵列和所述第二玻璃纤维阵列具有用于校准目的的共用参考纤维。

14.一种通过光脉冲测量距离的方法，包括下列步骤：

当通过光源发射多个光脉冲中的每个时，产生起始信号，所述起始信号在每种情况下都按顺序触发至少两个计时器中的一个计时器的时间测量，并重复地再次从头开始触发，

当在探测器处接收到多个被反射的光脉冲的每个时，产生停止信号，所述停止信号停止所述至少两个计时器中暂时被分配了测量窗的计时器的时间测量。

15.根据权利要求14的方法，其中分配测量窗以避免连续测量窗在时间上的交叠。

16.根据权利要求14的方法，其中分配测量窗，使得对所述至少两个计时器中的一个计时器的时间测量的相继触发之间的时间段，是对所述至少两个计时器的连续的计时器的时间测量的触发之间的时间段的整数倍。

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