CN102348998A - 距离测量 - Google Patents

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Abstract

根据本发明提供一种用于测量物体的距离的方法，在该方法中，生成具有脉冲序列的发射信号(S)，该脉冲序列具有规定的脉冲重复频率(fw)，以使得所述发射信号在频域中具有频率梳，将所述发射信号导向物体，并且接收从该物体反射的反射信号(R)，针对频率梳的规定的谱线确定发射信号和反射信号之间的相位差
Figure DPA00001431292000011
并且借助于该相位差确定距离。

Description

距离测量
本发明涉及用于对距离测量设备和物体之间的距离进行测量的方法。
本发明的目标是说明一种便于执行但是提供高测量精确度的方法。
根据本发明、利用具有按照专利权利要求1的特征的方法来实现这个目标。在从属权利要求中详细说明了发明的方法的有利改进。
因此，根据本发明提供了生成具有脉冲序列的发射信号，其中该脉冲序列具有规定的脉冲重复频率，使得该发射信号在频域中具有频率梳，将发射信号导向物体，并接收从该物体反射的反射信号，针对频率梳的规定的谱线确定发射信号和反射信号之间的相位差，并借助于该相位差确定距离。
依据下列公式可以特别容易并从而有利地确定距离：
Figure BPA00001431292300011
c表示发射信号到物体的传播速率，是谱线的发射信号和反射信号之间的相位差。
为了增加距离测量的唯一性范围(uniqueness range)，依据本方法的有利改进提供了针对频率梳的两个谱线(即，针对第一和第二谱线)来确定发射信号和反射信号之间的相位差，在确定距离时针对第一谱线的发射信号和反射信号之间的相位差和针对第二谱线的发射信号和反射信号之间的相位差两者均被使用。
优选地，就针对第一谱线的相位差是大于还是小于针对第二谱线的相位差进行测试，并且根据测试结果来确定距离值。
如果第二谱线具有高于第一谱线的频率，那么可以依据下列公式来确定距离值A：
Figure BPA00001431292300013
如果其满足
Figure BPA00001431292300014
以及
Figure BPA00001431292300021
如果其满足
Figure BPA00001431292300022
c表示发射信号到物体的传播速率，
Figure BPA00001431292300023
表示针对第一谱线的发射信号和反射信号之间的相位差，
Figure BPA00001431292300024
表示针对第二谱线的发射信号和反射信号之间的相位差，并且fw表示脉冲重复频率。
将频率梳的在频谱中相邻的两条谱线优选地作为第一谱线和第二谱线。
下列情况也被认为是有利的：当发射信号和反射信号的第一和第二谱线被分别下混频(downmix)到相同的中频时，借助于下混频信号确定针对第一谱线的发射信号和反射信号之间的相位差和针对第二谱线的发射信号和反射信号之间的相位差。
将在不对称地位于频率梳的两条相邻谱线之间的频带中的振荡器频率优选地用于进行下混频。这种频率选择的结果是：仅将频率梳的单条谱线而不是两条不同的谱线下混频到中频。
优选地，针对第一谱线和第二谱线，将发射信号和反射信号分别下混频到位于1kHz和20MHz之间的中频，并且为，例如10.7MHz。在这种中频的选择的情况下，依靠来自于VHF无线电技术的有成本效益的混频器部件是可能的。
本发明还涉及用于测量物体距离的装置。根据本发明，该装置配备有：发射机，其用于生成发射信号，所述发射信号在时域中具有脉冲序列以及在频域中具有频率梳，该脉冲序列具有规定的脉冲重复频率；接收机，其用于接收由物体反射的反射信号；以及，估计设备，其使用针对频率梳的规定的谱线的发射信号和反射信号之间的相位差以便确定距离。
估计设备优选地针对频率梳的两条不同的谱线确定发射信号和反射信号之间的相位差，并使用这个两个相位差来确定距离。
优选地以这样的方式对估计设备进行配置，以使得估计设备测试针对第一谱线的相位差是大于还是小于针对第二谱线的相位差；然后，估计设备根据测试结果确定距离。
至于其它的，下列情况被认为是有利的：当所述装置具有至少一个可切换的振荡器和连接到该振荡器的至少两个混频器时，这两个混频器可选择地将发射信号第一或第二谱线以及反射信号的第一或第二谱线下混频到相同的中频。
振荡器的振荡器频率优选地在不对称地位于发射信号或反射信号的频率梳的两条相邻的谱线之间的频带中。
下面结合图1到图8对本发明的示例性实施例进行描述。当然，这些应当仅被理解为示例。
图1到图8示出了用于利用周期性的激光脉冲作为发射信号和一个或多个光电检测器作为接收机进行距离测量的方法。在下面描述的示例性实施例中所使用的是短脉冲激光器，该短脉冲激光器发射具有例如T＝100fs的时间长度并且具有例如fw＝100MHz的重复率的脉冲。激光的波长优选地在红外区中。
在本文所描述的示例性实施例的情况中，具有激光辐射的形式的电磁波被用于距离测量；当然，使用其它类型的测量波束，例如，微波、声波等也是可能的。
图1通过举例的方式示出了激光脉冲的时间曲线。例如，激光的平均功率为100mW。例如，脉冲的形状为正割双曲线平方(sech2)。
对于由光电二极管接收的激光信号，在光电二极管的输出处生成电信号。以与激光信号类似的方式，所述信号由具有重复率fw＝100MHz的短脉冲组成。
图2通过举例的方式示出了由光电二极管递送的电信号。可以看到在光电二极管的输出处的时域和频域中的脉冲梳。在频域中，信号由间隔为100MHz的等距谱线组成。由于这种非常短的脉冲，脉冲梳的频域延伸到数千吉赫兹(＞1000GHz)的数量级。
图3示出了用于距离测量的装置的示例性实施例。由激光器所产生的光被两次引导至光电二极管。第一次，直接在发射之后(参考路径R)，以及第二次，在测量物体处发生了反射之后(测量路径M)。为了简化信号的估计，借助于频率变换器(混频器)将它们变换到较低的中频。在这种情况下，保持了信号的相对于彼此的相位信息。因此，在相位比较器的输入处可以得到两个经下混频的信号一参考信号R和测量信号M。
图4示出了由光接收机(具有放大器的光电二极管)递送的信号，以及参考信号和测量信号的时间和相位偏移。在时域中，脉冲梳彼此偏移了传播时间τ。从仅针对单条谱线(正弦曲线)的电压的时间曲线可以看出相位偏移了
Figure BPA00001431292300041
如已经提到的，在频率变换之后，同样保持了参考信号和测量信号的时间偏移和相位偏移。
因此，根据关系(1)可以容易地确定目标传播时间，
Figure BPA00001431292300042
其中，ω＝2πf，并且f是两个接收的信号(R，M)的频率。在使用飞秒激光器的情况下，频率f以极高的精确度被知道。
在本文所描述的示例性实施例中，对24GHz处的谱线进行估计。由于相移是与频率成比例的，因而其可以达到非常高的测量精确度。
如同任何实际的振荡器，要求频率变换的本地振荡器受到相位噪声的影响。如果使用两个物理上相互独立的本地振荡器，则它们的相位噪声彼此不相关。在这种情况下，在对两个经下混频的信号的相位进行比较时，两个本地振荡器的相位噪声将产生另外的测量不确定性。可以依据本方法的有利的改进，通过使用单个本地振荡器对两个混频器进行驱动来避免这一点。然而，另一个本地振荡器可以被用于两个100MHz混频器(参见下文和图5)而不是两个24GHz混频器。
在相位测量的情况下，可以仅在0到360°的范围内对传播时间进行所测量的相位的唯一分配。24GHz的估计频率对应于12.5mm的自由空间波长，因此，唯一性范围对应于同样的12.5mm的路径距离。由于光必须两次覆盖去往测量物体的单程距离，因此，根据到测量物体的距离的唯一性范围仅对应于6.25mm。
可以对两个不同的频率进行估计以便增加唯一性范围。如果，除了24GHz以外，将100MHz的激光脉冲序列的基本频率选择作为第二估计频率，则唯一性范围位于3-(路径距离)或1.5m(距离)。由于在100MHz和24GHz处同时对信号进行估计，因此保持了较高的测量精确度。从而，将高估计频率的优势(较高的测量精确度)与低估计频率的优势(较大的唯一性范围)相互结合。
通过举例的方式，图5示出了一直到(upto)中频的组合的100MHz/24GHz接收机，因为其可以被执行以对测量信道和参考信道的100MHz信号和24GHz信号进行估计(在图中仅示出了两个信道中的一个)。在图5的示例中，将中频选择在10MHz处。
由于叠加接收机的基本功能，振荡器频率(图6中的第一本地振荡器LO)的选择在很大程度上是任意的。然而，当以下列方式选择第一本地振荡器频率时，结合频率梳，可以得到特别有利的接收机：在位于本地振荡器线之上和之下的频率梳的分量的本地振荡器线处卷积之后，没有产生频率梳的谱线的重叠。在另一种表述中，这意味着在这种情况下，本地振荡器频率优选地不对称地位于频率梳的两条线之间。从而，本地振荡器频率和任意选择的频率梳的谱线之间的所有频率差(对应于可能的中频)是不同的。同时，这意味着可以借助于单个频率变换和足够地窄带中频滤波器(IF滤波器)，以目标的方式将频率梳的(单个)谱线唯一地变换到(在很大程度上任意地)可选择的中频(图6中的第一IF)。
根据之前的陈述，通过举例的方式，将本地振荡器设成24010.0MHz的频率。从而，在24000.0MHz处将谱线转换为10.0MHz的中频。被变换成其它频率的频率梳的谱线优选地被足够地窄带10MHz IF滤波器抑制。因而，在接收机的输出处可以获得纯粹的频率10MHz的正弦曲线IF信号，可以将其唯一地分配给频率梳的24.0GHz谱线。
为了进一步增加距离测量的唯一性范围，可以将接收机设计成使得其不仅可以对在24GHz的谱线进行估计，还可以例如对在24.1GHz的相邻的谱线进行估计。这可以通过两个LO频率f1和f2(参见图7)呈现。通过举例的方式，图7示出了具有频率变换器的接收机，该频率变换器具有可切换的本地振荡器。
由于三角函数的周期性，测量的相位差
Figure BPA00001431292300051
总是被限制在0°到360°的范围。然而，频率的角度ω1处的实际相位为
Figure BPA00001431292300052
其中，n∈N，(2)
以及，在频率的角度ω2处
Figure BPA00001431292300053
其中，m∈N。
首先，变量m、n在此是未知的。传播时间τ是正在查找的变量。对于f1＝24GHz和f2＝24.1GHz并且0＜τ＜10ns(对应于多达3m的路径距离)，项ω1·τ和ω2·τ可以彼此最多相差2·π。
ω2·τ-ω1·τ＝2π·τ(f2-f1)＝2·π，对于τ＝10ns    (4)
因此，其满足n＝m或n+1＝m。如果公式(2)和(3)彼此相减，则结果为
Figure BPA00001431292300061
现在使用公式(5)来确定传播时间τ，区别下列情况：对于
Figure BPA00001431292300062
设置m-n＝0；以及，对于
Figure BPA00001431292300063
设置m-n＝1。因此，
Figure BPA00001431292300064
对于
或者
Figure BPA00001431292300066
对于
Figure BPA00001431292300067
因此，所测量的相位和
Figure BPA00001431292300069
的唯一的分配可能与3m的唯一性范围之内的传播时间τ相关。
图8示出了根据信号传播时间所描绘的、针对两个信号频率所分别测量的相位。可以在唯一性范围内将所测量的相位
Figure BPA000014312923000610
和
Figure BPA000014312923000611
的特定对分配给一个确切的传播时间，并从而分配给离测量物体的一个确切的距离。
应将上面所选择的3m的唯一性范围作为一个例子，并且其是通过频率梳的两条谱线的频率间隔或通过其最低频率(在本例中为100MHz)而给出的。特别地，应加以说明的是，从不确定的(ambiguous)相位容易验证传播时间的确定的正确性：
如最初已示出的，总相位也就是说，对于给定的(不变的)传播时间τ，
Figure BPA000014312923000613
与ω成比例，并且τ是这种函数关系的斜率。因此，能够将公式(1)写成具有如下形式的离散公式：
Figure BPA000014312923000614
因此，针对普通的频率f，可以容易地证明从不确定的测量相位
Figure BPA000014312923000615
所确定的总相位
Figure BPA000014312923000616
的正确性。
通过对测量信号的信号强度进行估计可以区分不同的距离区域(图8中的区域1、区域2等)。因此，信号强度可以被用于对引入公式(2)和公式(3)中的序数m和n进行预选，从而可以依据公式(5)再次确定τ。如通过公式(8)所使用的，可以再次验证m、n的正确性。
上述方法的极大的优点在于：可以完全地舍弃100MHz接收机。从而极大地减少接收机电子设备上的花费。

Claims (13)

1.一种用于测量物体距离的方法，其中，在所述方法的过程中：
生成具有脉冲序列的发射信号(s)，所述脉冲序列具有规定的脉冲重复频率(fw)，以使得所述发射信号在频域中具有频率梳；
将所述发射信号导向所述物体，并且接收从所述物体反射的反射信号(R)；
针对所述频率梳的规定的谱线确定所述发射信号和所述反射信号之间的相位差
Figure FPA00001431292200011
以及
借助于所述相位差确定距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
针对所述频率梳的第二谱线确定所述发射信号和所述反射信号之间的相位差
Figure FPA00001431292200012
在确定所述距离时，使用针对所述第一谱线的所述发射信号和所述反射信号之间的所述相位差
Figure FPA00001431292200013
和针对所述第二谱线的所述发射信号和所述反射信号之间的相位差
Figure FPA00001431292200014
两者。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
就针对所述第一谱线的所述相位差
Figure FPA00001431292200015
是大于还是小于针对所述第二谱线的所述相位差
Figure FPA00001431292200016
进行测试，以及
根据所述测试的结果确定所述距离。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：
所述第二谱线具有比所述第一谱线高的频率，并且依据下式来确定距离值A：
Figure FPA00001431292200017
如果其满足
Figure FPA00001431292200018
以及
Figure FPA00001431292200019
如果其满足
Figure FPA000014312922000110
其中，c表示所述发射信号到所述物体的传播速率，
Figure FPA00001431292200021
表示针对所述第一谱线的发射信号和反射信号之间的所述相位差，
Figure FPA00001431292200022
表示针对所述第二谱线的发射信号和反射信号之间的所述相位差，以及fw表示所述脉冲重复频率。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：
将所述频率梳的在频谱中相邻的两条谱线作为第一谱线和第二谱线。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：
将所述发射信号和所述反射信号的所述第一谱线和所述第二谱线分别下混频到相同的中频；以及
借助于经下混频的信号确定针对所述第一谱线的所述发射信号和反射信号之间的所述相位差
Figure FPA00001431292200023
以及针对所述第二谱线的所述发射信号和反射信号之间的所述相位差
Figure FPA00001431292200024
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
将在不对称地位于所述频率梳的两条相邻的谱线之间的频带中的振荡器频率用于所述下混频。
8.根据前述权利要求6-7中的任一项所述的方法，其特征在于：
将针对所述第一谱线和所述第二谱线的所述发射信号和所述反射信号分别下混频到1kHz和20MHz之间的中频，优选地到10.7MHz。
9.一种用于测量物体的距离(A)的装置，其具有：
发射机，其用于生成发射信号(S)，所述发射信号在时域中具有脉冲序列以及在频域中具有频率梳，所述脉冲序列具有规定的脉冲重复频率(fw)；
接收机，其用于接收由所述物体反射的反射信号(R)；以及
估计设备，其使用针对所述频率梳的规定的谱线的所述发射信号和所述反射信号之间的相位差
Figure FPA00001431292200025
以便确定距离。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
所述估计设备针对所述频率梳的两条不同的谱线确定所述发射信号和所述反射信号之间的所述相位差，并且使用所述两个相位差以便确定所述距离。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：
以这样的方式对所述估计设备进行配置，以使得所述估计设备测试针对所述第一谱线的所述相位差
Figure FPA00001431292200031
是大于还是小于针对所述第二谱线的所述相位差
Figure FPA00001431292200032
并且根据所述测试的结果来确定所述距离。
12.根据前述权利要求10-11中的任一项所述的装置，其特征在于：
所述装置具有至少一个可切换的振荡器和连接到所述振荡器的至少两个混频器；
所述两个混频器可选择地将所述发射信号的和所述反射信号的所述第一谱线或所述第二谱线下混频到相同的中频。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：
所述振荡器的振荡器频率在不对称地位于所述发射信号或反射信号的所述频率梳的两条相邻的谱线之间的频带中。
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