CN104364671A - 距离测量方法和距离测量元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种距离测量方法，该方法包括至少以下步骤：向目标物发射至少一个测量信号，其中产生至少一个开始信号(S)，并且测量信号作为目标信号(Z)从目标物后向散射。以采样频率对该目标信号(Z)进行采样，并且开始信号(S)和目标信号(Z)的相对位置被确定以从开始信号(S)和目标信号(Z)的相对位置获得至目标物的距离。根据至目标物的较大距离，采样频率可被调整且被设置。

Description

距离测量方法和距离测量元件

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的距离测量方法和根据权利要求10的前序部分的距离测量元件。

在电子和光电距离测量领域，已知有许多不同的原理和方法。其中一种方法在于向待测量目标发射脉冲电磁辐射，例如激光，然后从作为后向散射目标物的该目标接收响应，其中基于脉冲的传播时间来确定与该目标的待测量距离。在许多领域，这种脉冲传播时间测量元件接受为标准的解决方案。

各种方法被用于检测后向散射脉冲。

所谓的阈值方法涉及当入射辐射的强度超过特定阈值时检测光脉冲。

另一方法是基于后向散射脉冲的采样。基于对由检测器检测到的辐射进行的采样的事实来检测发射的信号，信号在采样区内被识别信号，并最终确定该信号的位置。通过使用大量的样本，即使在不利的环境下，也可能识别出有用的信号，例如，从而甚至可以处理相对大的距离或嘈杂的噪声或由干扰包围的背景场景。在现有技术中，通过对时间窗口或正移位的相位中的许多相同的脉冲进行采样来执行采样，其中，目前可以实现非常快的电路，该电路具有足够高的频率以对个别脉冲进行采样。

然而，信号采样的要求和信号重建的先决条件是存在问题的，尤其是在使用可变的或失真的信号的情况下。由于采样率在技术上受上限制约，所以并非能够以相同的方式对所有的信号分量进行采样。假如不遵守所谓的奈奎斯特(Nyquist)采样定理，将出现所谓的混叠效应，这将损害信号重建并因而降低测量精确度。然而，现有技术公开的解决方案，或者是接受了对奈奎斯特条件的微小违背，或者通过滤波使更高频率的信号分量减少以至于滤波后的信号能够满足奈奎斯特条件。

在这方面，WO 2011/076907公开了一种设备，该设备根据对反射信号直接采样的原理进行高精度的距离测量，其中接收的信号由采样电路进行采样并随即被量化。采样之前，在接收信号的路径上分配有高阶滤波器。该滤波器通常是六阶滤波器或更高阶滤波器，并且不像根据现有技术的其他设备的情况，并没有将该滤波器设计为简单的一阶、两阶或最多三阶抗频混滤波器。在此距离测量方法的情况下，波形的完整识别不是必须的。因为，在采样之前，信号的带宽已减少以使得与距离有关的所有频率都低于采样频率的一半，所以，根据奈奎斯特抽样采样定理，后来保留的、且满足预期测量目的的该距离相关信号完全能够通过算法装置而重建，并因而还可以确定其准确位置。该测量即使在变化信号的情况下仍可以执行并且可以通过此方法提高准确性。然而，引导重建的先决条件是，信号的主要部分必须位于奈奎斯特频带内，最好使用第一频带。

现有技术的其他方法或装置确实在第一次近似时遵守第一次近似的奈奎斯特或香农(Shannon)条件。在此情况下，信号频谱的带宽BW或3dB衰减点f3dB被限制在低于奈奎斯特极限频率fg的频率范围内。然而，因为频谱在BW或f3dB以上的频率的衰减由于低阶滤波而无一例外地太过缓和，所以无法100％遵守香农定理并无法提供针对精确的、无偏差的距离测量的混叠效应的抑制。

因此，现有技术的解决方案使用复杂的滤波器概念来保证遵循采样定理，但其对混叠效应的抑制无法满足高精度测量的要求。

因此本发明的目的是提供一种新的距离测量方法和新的距离测量元件，通过该新的距离测量方法和新的距离测量元件以避免或减少上述缺点。

更进一步的目标是提供了一种在采样过程之前不需要滤波或减少在滤波上的开支的情况下的、高度准确性的距离测量元件和距离测量方法。

更进一步的目标是提供了一种距离测量元件，该距离测量元件使得即使在非线性失真脉冲的情况下(例如，在信号饱和的情况下)也能够准确测量。

更进一步的目标是提供了一种距离测量元件，该距离测量元件使得使用更高频率的信号分量成为可能，特别是在不受香农定理的限制的情况。

更进一步的目标是提供了一种高准确性的距离测量元件，该距离测量元件使得即使是在简化的结构，特别是较慢的模数转换器的情形下，仍可以进行高准确性的测量。

特别地，目标是，根据具有信号采样的传播时间测量方法，进一步开发距离测量元件，以保证绝对测量准确度在毫米范围或亚毫米范围内。此处旨在根据相位测量原理理想地实现距离测量元件的精确级别。

根据本发明，通过权利要求1或权利要求10的特征来实现这些目标，并且通过从属权利要求的特征扩展了这些方案。

本发明涉及距离测量元件，该距离测量元件向待测距的目标物发射信号，并且在与目标物的交互之后，再次接收反射信号分量作为目标信号并对其进行估算。可见或不可见的光谱范围的光通常用于此目的，例如，该光可由激光二极管、固态激光器产生，例如，调Q微片激光器或LED。然而，原则上，根据本发明的方法还可以用于其他类型的测量信号，例如，超声波测量元件。在通常类型的激光距离测量元件的情况下，通常根据传播时间测量原理来确定距离，即，根据接收开始信号和接收目标信号之间的时间差来确定距离，至少目标信号被采样用于数字化。

根据本发明的方案是基于通过模数转换器采样目标信号的方法，但与现有技术相比，通过针对该目的的调整以有针对性的方式采用采样率或频率。对此的先决条件是对待测距目标物的粗略距离的获知，这构成了随后的采样率的采用的先决条件。此粗略距离可以通过直接的先前的测量方法来估算，其中基础性的测量可以利用根据与实际测量相同的原理和根据不同的原理二者。相似的，粗略距离还可以是预定义的，例如，通过表格，在该表格中的粗略距离或各上次的测量距离被指定给多个目标。这些配置是常用的，例如在建筑工地监控中，其中对于相对大的结构，以特定的时间间隔测量多个测量点，从而识别可能的变化。对于当前各自的测量过程，先前已获知作为上次测量的距离或定位点距离的粗略距离，从而基于已知的该粗略距离，能够以有针对性的方式选择最佳的取样频率。

根据本发明的适当方法的，通过所谓的阈值方法提供了一种粗略距离测量方法，其中，如果入射辐射的强度超过特定的阈值，则光脉冲作为目标信号被检测。该阈值阻止了将背景中的噪声和干涉信号错误地检测为有用信号，即，作为已发射脉冲的后向散射光。然而，有问题的是，例如，在例如由相对大的测量距离引起的后向散射脉冲较弱的情况下，如果脉冲强度下降到低于阈值，则不再可能进行该检测。因此，该阈值方法的主要缺点是，测量信号的振幅必须足够大到大于信号传播路径上的光和电噪声源的噪声振幅，以充分地最小化不正确的测量。在此情况下，根据阈值方法的粗略距离测量能够使用至少一些分量，这些分量在后续的准确测量方法中也可以用于信号采样，从而较低的设备支出是可能的。

凭借有针对性地选择最优采样率，与信号波形相关的采样点的相对位置被设置以减少或抑制混叠效应。特别是，采样率适于使得对具有与采样模式相关的相同的相对位置的信号进行采样，其中，例如，信号波形的峰值点可以作为关于位置的基准变量。因此，参照脉冲波形的属性特征，对目标信号和开始信号的信号波形中的相同位置执行采样，在此情况下是峰值点。模数转换器的采样率和因而由采样率限定的采样模式的采样点适应于距离范围，其中，能够消除另外出现的混叠效应或者在算法上纳入考虑。

在采样过程之后，通过传播时间方法确定距离，即，基于信号之间的时间测量，可以在时间测量中指定距离。通常，在此情况下，可以发射单独的脉冲，但是根据本发明，使用更复杂的信号结构或信号模式也是可能的。

采样率或采样频率的设置可以使用多种不同的方法。

第一种方法是使用开始信号，其对应于目标信号并且在测量信号的发射之前或在测量信号发射时产生，例如，通过使用内部基准路径，仅有该内部基准路径，部分测量信号传输到设备内部的接收器。该开始信号也由接收器或模数转换器以与目标信号相同的方式采样。通过改变采样率，指定了各自采样率的采样模式可以移位使得开始信号和目标信号以相同的方式被采样，即，在与信号波形相同的点处。因此，只要采样率被选择使得两个脉冲的间隔与多个完整的采样间隔(即，采样点之间的间隔)相对应，则脉冲的完全重建或二次采样插值不再是必须的。然后，在相同的位置对两个信号进行采样并且因而使用直接比较的方式。因此，模数转换器的采样频率在已知粗略距离的情况下设置，从而两个信号位置一致，即，在采样模式中，关于采样点的相对位置完全相同。作为混叠结果的误差，在两个信号(即，目标信号Z和开始信号S二者)的采样期间被重复，并且如果在适当的振幅匹配之后，则可以根据两个信号的比较减少或消除误差。

为了比较具有不同波形的信号，可以通过可变的光滤波器匹配开始脉冲的振幅直至除了比例因子以外，开始信号S的波形与目标信号Z的信号波形相对应。在此情况下，混叠或非线性信号失真所产生的误差也在信号Z和S上重复，因此可以基于两个信号的比较再次消除该误差。

如果采用了例如没有以最佳方式设置的第一采样过程作为确定粗略距离的先前测量，则该方法也可用于粗略距离测量。然后通过非最佳采样确定的粗略距离可以作为针对该距离的最佳采样率的选择基础。

另一不同的方式是以独立的方式考虑了目标信号。为此，通过改变与信号波形相关的采样率来设置采样模式，从而减少或消除混叠效应。为此，先前确定的最佳设置或采样率可以以表格方式保持可用。在此方法中，使用的开始信号也可以是电子产生的开始信号，例如，其不需要是目标信号的复制，因而，如果仅使用目标信号，则信号位置的最优化在于将该信号置于最佳位置——为了估算——与采样模式相关。举例来说，目标信号可以被放置到采样模式中使得在制定到时间间隔中的一个采样点或一系列采样点的目标信号的第一次求导尽可能的大，其对应于每一距离变化的最大信号变化。

原则上，根据本发明的方法也可以与现有技术中的方法结合。在这点上，特别是，例如，也可以使用如WO 2011/076907所述的滤波器方法。

通过仅基于附图中示意性示出的示例性实施方式的以下示例对根据本发明的距离测量方法和根据本发明的距离测量元件进行更详细的描述。

附图说明：

图1示出了根据本发明的距离测量元件的一个示例性实施方式的框图；

图2-3示出了现有技术中的根据传播时间测量原理的距离测量元件的基本图示；

图4-5示出了根据本发明的距离测量方法的基本图示；

图6示出了现有技术中的根据阈值原理的距离测量方法的基本图示；

图7a-b示出了针对一阶滤波器和二阶滤波器的不同频谱；

图8a-b示出了针对作为采样率函数的一阶滤波器和二阶滤波器的不同频谱；

图9a-c示出了针对一阶滤波器的模拟时间信号和从其中插值的数字信号之间的差异，以及信号和采样模式之间不同的相对位置；

图10a-c示出了针对二阶滤波器的模拟时间信号和从其中插值的数字信号之间的差异，以及信号和采样模式之间不同的相对位置；

图11a-b示出了采用不同阶滤波器的信号采样期间的距离误差的出现以及信号和采样模式之间相对位置；

图12a-b示出了与根据本发明的距离测量方法相比，现有技术的距离测量方法的总误差的说明；

图13示出了根据本发明的停止信号的线性插值的基本图示；

图14示出了根据本发明的查找表创建的基本图示；

图1示出了根据本发明的距离测量元件的一个示例性实施方式的框图。距离测量元件包括至少一个测量信号源1，该测量信号源1用于向目标物2发射至少一个测量信号MS(特别是光信号)，其中产生至少一个开始信号。特别地，激光二极管、固态激光器或LED适合作为测量信号源1。开始信号可以被设置为电子产生的信号或者如该示例性实施方式所示，由测量信号MS的分裂或转换产生。为此，测量信号MS例如经由分束器4被传输并随后被发射到目标物2。测量信号MS的其他部分经由设备内基准路径传输到进一步的分束器5，在此测量信号MS的其他部分反馈回接收光路径。因此，这些设置限定了设备外测量部分和设备内基准部分，其中开始信号由耦合输出(coupling-out)和设备内部的光导提供。除了利用分束器4的耦合输出之外，还可能实现通过设备外测量部分和设备内基准部分的连续通道，例如，利用转换元件，其在每一情况下仅允许多个部分中的一个部分并来回地切换。

从目标物2反射的测量信号MS被传输到接收机3用于检测，其中，测量信号MS作为目标信号被检测，并且被下游(放大器级6的下游)的采样电路采样，采样电路包括模数转换器8，用于确定开始信号和目标信号的相对位置。在模数转换器8采样之前可由低通滤波器或低波段滤波器7滤波。至目标物的距离可由控制和估算组件9中的开始信号和目标信号的相对位置来确定。

为此，采样电路被设计为以可调节和可设置的采样率对目标信号进行采样，从而采样率和随之的采样行为可以适于先前已知的或先前确定的至目标物2的粗略距离。在此情况下，控制和估算组件9经由频率发生器10(特别是合成器、优选地是直接数字合成器或具有参考时钟11用于频率合成的、电压控制的且基于锁相环路的整数分频合成器)来控制模数转换器8。控制和估算组件9另外还经由放大器级12来控制测量信号源1，其中测量信号源1的频率还可以通过进一步的频率发生器(未在此例示)进行相应地调整，从而接收机和源二者的频率可以相应地适用。根据配置，采样率可以手动或优选地自动设置或适用于粗略距离。

在此示例性的实施方式中，粗略距离测量的执行与后面更精确的测量的原理相同，从而以不同的采样率连续采样的两个测量信号分别经由设备外测量部分和设备内基准部分进行传输。在此情况下，在每一个采样过程期间，在一个过程中以一个采样率对开始信号和目标信号进行共同分析。因此，第一采样过程提供了粗略距离测量，基于此，随后更有针对性地设置针对第二次、更准确的测量过程的采样率。

可选地，还可以利用进行传播时间测量的测量电路(未在此例示)来实现粗略距离测量，该电路被设计为，如果其强度超过预定阈值，则检测反向散射测量信号MS。针对该测量，可能使用至少一些用于精确测量的组件。例如，WO2008/009387中描述了适合本发明的、采样功能和阈值测量功能的集成。

然而，相似地，根据本发明，可以使用专用的粗略距离测量信号源和粗略距离接收机，其中该专用的粗略距离测量信号源和粗略距离接收机被设计且设置为限定独立于测量信号源和接收机的第二测量路径。除了阈值方法以外，还可以使用现有技术中的其他距离测量方法，例如，根据三角原理(triangulation principle)的方法。

相似地，还可以从存储单元中获取粗略距离，该存储单位用于存储先前获知的目标物的粗略距离。该方案特别适用于如果是静态目标物或者其位置已知的目标物将被多次测量的情况，如示例中的建筑工地监控或当测试空间准确性时的情况。此处的粗略距离已知为先前的测量结果或作为预定义的定位点变量，从而针对各测量过程，基于这些值，在无需先前的直接粗略测量的情况下，可以直接选择和设置合适的或最佳的采样率。

图2-3说明了根据现有技术用于脉冲传播时间距离测量元件的传播时间测量原理。测量信号源1和接收机3被设置在距离测量元件中。测量信号源1发射光脉冲，光脉冲由目标(例如回射器(retroreflector)13)反射或反向散射后，作为反向散射光脉冲被接收机3再次检测。作为光脉冲的替代，例如由一系列脉冲或矩形信号组成的模式，也可以用作测量信号。根据发射，用于生成开始信号S的部分测量信号经由设备内基准部分传输，从而该信号在时间上早于从目标物反射的目标信号Z被接收。该情形在图3中示出，其中信号脉冲s(t)根据时间t标绘，并且脉冲显示为信号波形。由一个模数转换器以同一采样率对开始信号S和目标信号Z进行共同采样，其中两个信号位于由采样间隔14构成的采样模式，该采样模式由采样率限定，并由n数个采样间隔分隔开。然后，在现有技术的方法中，开始信号S和目标信号Z在采样点被检测，信号被重建并且它们的时间间隔(temporal spacing)被确定，为了达到此目的，存在可用的各种基本方法，例如信号S和Z之间的互相关性或存储在存储器中的测量脉冲和模式脉冲之间的互相关性。然后以已知的方式，根据时间间隔(即，经由设备外测量部分传播的信号时间)来确定至目标的相关联的距离。

图4-5说明了根据本发明的距离测量原理。图4和图5示出了与图3对应的开始信号S和目标信号Z的放大了的部分，其中在该示例中目标信号Z显示为开始信号S的衰减的复制。然而实际上，目标信号Z也会出现失真。图4揭示了开始信号S和目标信号Z，相对于由采样间隔14限定的采样模式，具有不同的相对位置，其中采样间隔14构成了时间周期以及随之的两个采样点之间的间隔。在这点上，对于开始信号S，峰值点与采样点一致，而目标信号Z的峰值点位于采样间隔，从而位于两个采样点之间。因此，两个信号在其信号波形(signal profile)的不同点处被采样，并且混叠效应出现在二次采样插值期间，该混叠效应导致距离测量中的误差。

根据本发明，相同的信号波形，即，开始信号S的复制和目标信号Z，被再次采样或并行采样，其中在已知粗略距离的情况下，针对精确测量而选择、设置并使用合适的具有指定采样模式的采样率，从而在信号波形的其他位置处进行采样。开始信号S和目标信号Z的共同采样的示例中，这些采样位置沿着信号波形位移。根据本发明，所期望的情形出现在，如果缩短的、图5中所示的采样间隔14′具有如下的效果：以相同的相位角对开始信号S和目标信号Z进行采样，即，彼此之间没有相移。在此情况下，以相同的方式对两个信号的边缘和峰值点进行采样，从而两个信号相对于采样模式定位相同。根据本发明，同样可能的是，在确定它们的时间间隔之前，增加重复的发射、接收、采样过程并积累开始信号S和/或目标信号Z的采样值。

除了使用来自设备外信息的粗略距离或由基于通过不同方法的粗略距离测量的粗略距离之外，还可以基于第一次采样的结果，从而根据基于第一次采样的至目标物的粗略距离来选择二次采样的采样率。根据本发明，粗略距离测量的方法是适用的，但不适用于包括例如根据阈值法或三角法的脉冲传播时间测量的采样方法。在一系列的多次测量以及没有被构造成具有非常大尺寸的对象的情况下，举例来说，也可以对邻近点进行之前的测量作为粗略距离。在此情况下，可以从表格中选取采样率，该表格中对粗略距离指定了合适的采样率。特别地，可基于先前的距离测量过程(例如在构建工地监控)或从待检查或待监控的定位点距离的预定义中创建这些表格。

考虑存在粗略距离以及与预定义的采样率相关联的预定义的期望的采样方案，然后，可根据下面的关系设置精确测量的采样率：

其中，f代表针对采样的、将设置的采样率，c代表在传输媒介空气中光的速度，D代表粗略距离，代表开始信号S和目标信号Z之间的采样间隔14的数量的向下取整函数(rounding-down function)，其出现在与预定义的采样方案对应的采样率的情况下。

预定义的采样率作为针对精确采样率的初始变量，精确采样率随后被使用并被设置为最优，其中该精确采样率通常选择为具有比预定义的采样率稍低的频率。然而，原则上，调整到更高频的采样率也是可能的。

然而，也可以根据下述关系，以与粗略距离测量相同的方法选择二次采样的采样率：

其中f_n+1代表针对二次采样选择的采样率，f_n代表第一次采样的采样率，N代表开始信号S和目标信号Z之间的采样间隔14的数量，并且代表开始信号S和目标信号Z之间的采样间隔14的数量在fn处的向下取整函数。

考虑开始采样率或频率f_n＝500MHz，举例来说N＝789.358，其结果为位于开始信号和目标信号之间的采样间隔的数量。

相关联的距离D可根据以下公式计算：

$D=\frac{N}{f_n}\·\frac{c}{2}=236.807m$

其中c代表光的速率。

将选择的二次采样率的结果可根据以下公式：

在设备侧，这是由频率发生器(例如合成器(N，小数分频或DDS(直接数字频率合成器)))产生的模数转换器的采样频率实现。该方法受限于频率发生器对准确性的设置和先前距离测量或先前采样的质量。

然而，根据本发明，也可以通过向上取整函数以模拟的方式来选择待选择的采样率，因此产生下面的可选的关系：

或

根据本发明，另一可能性在于针对二次采样改变采样率直到在目标信号Z的采样点的信号或信号脉冲的第一导函数为最大，或如果第一导函数再次下降，则终止此变化。因而此方法可被限制为仅单独考虑目标信号Z的变化，并因而还允许使用电子产生的开始信号S，其在属性和信号处理方面完全不同于目标信号Z。

根据本发明，采用至少两个不同的采样率的该采样方法也可以与滤波(例如在WO 2011/076907中所述的)结合，从而在数字化之前进行滤波。

图6说明了阈值方法，该阈值方法适用于根据现有技术(例如，也如WO2008/009387中所述的)的、后向散射光信号作为目标信号Z的粗略距离测量。为了能够对例如举例来说作为发射机信号路径和接收机信号路径之间的光和电串扰的结果的噪声、背景分量或系统干扰信号进行抑制并排除在检测之外，使用了检测阈值SW。低于该检测阈值SW的信号强度s(t)不会导致接收单元的响应，接收单元向目标信号Z产生一个停止信号，并因此不会进行检测。如果目标信号Z的强度超过检测阈值SW，则会进行检测并因而产生停止信号并登记接收时刻。因此，由阈值方法提供的输出信号取决于已接收目标信号Z达到或超过检测阈值SW。

图7a-b例示了合适的一阶滤波器和二阶滤波器的不同光谱，这些滤波器是低通滤波器类型，在500MHz的采样率下具有80MHz的3dB的极限频率BW。在横轴上以MHz表示频率，在纵轴上以dB表示衰减，其中实线代表模拟信号AS，虚线代表数字信号DS。图7a示出了一阶滤波器，图7b示出了二阶滤波器。

在图8a-b中示出作为采样率的函数的相同滤波器的频谱，其中在纵轴上表示以采样率为单位的频率。

图9a-c例示了针对一阶滤波器的模拟时间信号AS及从其中插值的数字信号DS之间的差异，以及时间信号和采样模式之间不同的示例性相对位置的差异。在图9a-c中，例示了在与采样模式相关的三个不同位置处以实线描述的模拟时间信号AS。在图9a中，时间信号的最大值恰好位于标有时间单元250的采样模式的采样点处，其中从采样的时间信号AS中插值的数字信号DS在采样点处具有相同的值并且在中间区域偏离。在图9a中，时间信号AS的最大值直接位于采样模式中，其中作为重建的数字信号DS的最大值也位于此位置。在下面的图9b-c中，时间信号AS的时间位置相对采样模式向右位移，从而时间信号AS的最大值现在位于时间单元250和251的采样点之间。显然，在这些不同的相对位置的情况下，最大值的不同位置和数字信号DS的质心(centroid)也会跟随，因此引起信号重建依赖于在采样模式中的时间信号AS的相对位置，这导致了距离误差。

图10a-c说明了针对二阶滤波器的模拟时间信号和从其中插值的数字信号之间的相应差异，其中由于滤波的原因，使得信号波形之间的偏差以及随之的距离误差也更小。

图11a-b例示了在具有不同阶滤波器的信号采样期间出现的距离误差ΔD，以及信号和采样模式之间的相对位置。它们示出了在确定将相对于时间上的参考点而重建的信号的时间位置期间，不同的相对模式位置导致的误差上升，其中待确定的距离跟随经由传播信号时间的时间位置。如果位置通过数字化的插值信号确定，则距离误差将变得明显。模拟信号的最大值和数字化插值信号的最大值的位置假定为时间位置。距离误差ΔD作为最大值位置之间的差，显示在纵轴。

横轴以采样点的间隔为单位表示采样模式的变化，即，信号的位移与采样模式相关。如图11a所例示的一阶滤波器的情况下，显然，误差线性增加并且真实的距离只在最大值和采样点一致的情况下。图11b显示了对于二级滤波器相同的情形。

上述考虑不涉及开始信号或一些其他参考信号额外的采样可能引起的误差。此误差在下面的图11a-b中说明。

图12a-b说明了与根据本发明的距离测量方法相关的现有技术中的距离测量方法的总误差。

图12a例示了由混叠效应干扰的二次采样插值，以及开始信号的结果误差ΔD_s和目标信号的结果误差ΔD_z。此图示出了在与移位相关的采样间隔内出现的距离误差ΔD——由于间隔0到1中的周期性而指定——或者信号质心的相对位置相关于采样模式。在现有技术中也是已知的，在信号的重建或插值期间混叠误差上升。通常，信号质心相对于采样模式偏移越大，所有这些混叠误差越大。可选的，可以采用代表传播时间的信号特征码替代信号质心。如果两个信号互相比较，根据其采样时刻之间的差，待确定距离的较大或较小的总误差ΔD_z-ΔD_s上升。

相比之下，如果以相同的相对于采样模式的相对位置或相位位移对开始信号和目标信号进行采样，则如图9b所示，由于不同的格式，对于开始信号和目标信号的误差ΔD_s和ΔD_z的位移——由采样率的设置引起——结果误差减少到ΔD_s*和ΔD_z*。采样间隔内的分数位移对于开始脉冲和目标脉冲是相同的，从而在此情况下，作为总误差的ΔD_s*-ΔD_z*的差也变为零。

另外，通过使用附加的采样率对同一距离的多次测量，作为混叠的结果出现的误差也可以被识别或减少或完全消除。在图13中以目标信号或停止信号的线性插值的形式例示了第一个可能性。在此示例中，以进一步不同的采样率对目标信号进行额外两次的采样，其中后者被选择为使得结果的时间位移位于对开始信号进行相同采样的两侧。因此，在测量中检测两个目标信号的两个距离误差ΔD_z1和ΔD_z2，以及相对于采样模式的相对位置未变化的开始信号的距离误差ΔD_s。即使ΔD_z1和ΔD_z2两个值不确切存在，也已知ΔD_z1-ΔD_z2差值和具有相关联时间位移(子间隔)。通过线性插值的方法，从两个距离误差ΔD_z1和ΔD_z2之间的差，接着可计算出综合距离误差ΔD_z作为插值而不是直接测量的、通过与开始信号相同振幅的、目标信号相对于采样模式位移的值。在此综合值的协助下，可以很大程度上或完全地消除误差。

为了更进一步增加距离测量的准确性，根据本发明，在相对于采样模式的相应的位移的情况下出现的系统距离误差可以针对不同的采样率、测量距离和配置(例如，不同的目标和信号波形)来确定，并存储于表格中。该情况在图14中以根据本发明的查找表创建的基本例示的形式示出，其包括针对不改变的距离和测量配置，针对n个离散的采样率确定不同的距离误差ΔD_z1、ΔD_z2、ΔD_z3到ΔD_zn，并从中获得相对于采样模式的n个位移。通过示例的方式，通过多个不同频率对同一距离的多次测量使得记录两个采样点之间的整个间隔的完整曲线ΔD成为可能。图14例示了一系列n个相同位移的测量的结果。

Claims (15)

1.一种距离测量方法，特别地根据传播时间测量方法，至少包括：

·向目标物(2，13)发射至少一个测量信号(MS)，尤其是光信号，其中产生至少一个开始信号(S)；

·接收从目标物(2，13)反向散射的测量信号(MS)，作为目标信号(Z)；

·以一采样率采样所接收的目标信号(Z)，并确定所述开始信号(S)和所述目标信号(Z)的相对位置，其中所述目标信号(Z)在分配了所述采样率的采样模式的采样点处被采样；

·根据所述开始信号(S)和所述目标信号(Z)的相对位置，得到与目标物(2，13)的距离；

其特征在于，

所述采样率是能够调整的，并且按照依赖于与目标物的粗略距离的方式设置。

2.如权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，

所述采样率被设置为使得所述开始信号(S)和所述目标信号(Z)各自的位置相对于所述采样模式是相同的，从而所述开始信号和所述目标信号在各自信号波形的相同位置被采样。

3.如权利要求1或2所述的距离测量方法，其特征在于，

所述采样率根据下面的关系中的一个设置：

或者

其中

f代表待设置的用于采样的采样率，

c代表光速，

D代表粗略距离，

N代表开始信号和目标信号之间的采样间隔的数量，

代表向下取整函数，和

代表开始信号和目标信号之间的采样间隔的数量的向上取整函数。

4.如前面任意一个权利要求所述的距离测量方法，其特征在于，

对于所述目标信号(Z)，综合测量误差特别地是通过所述目标信号(Z)在其位置方面偏移的线性插值确定。

5.如前面任意一个权利要求所述的距离测量方法，其特征在于，

与所述目标物(2，13)的所述粗略距离通过粗略距离测量来确定。

6.如权利要求5所述的距离测量方法，其特征在于，

对第一测量信号和第二测量信号执行发射、接收和采样，其中粗略距离根据所述第一测量信号导出，并且用于第二测量信号的采样的采样率按照依赖于上述确定的粗略距离的方式设置。

7.如权利要求5或6所述的距离测量方法，其特征在于，

如果正被检测的反向散射的测量信号(MS)的强度超过预定的阈值，则通过正被检测的反向散射的测量信号(MS)，按照依赖于传播时间的方式确定与所述目标物(2，13)的粗略距离。

8.如上述任意一个权利要求所述的距离测量方法，其特征在于，

所述采样率来自于以下的表，在该表中，粗略距离被指派有合适的采样率，特别地，其中粗略距离到采样率的指派是基于以前的距离测量过程实现的。

9.如上述任任意一个权利要求所述的距离测量方法，其特征在于，

所述采样率变化，直到所述目标信号(Z)的采样点处的一阶导数最大为止。

10.一种距离测量元件，至少包括：

·测量信号源(1)，用于向目标物(2，13)发射至少一个测量信号(MS)，尤其是光信号，其中产生至少一个开始信号(S)，尤其是通过分离所述测量信号(MS)，其中所述测量信号(MS)的一部分通过内部的参考路径；

·接收机(3)，用于检测从所述目标物(2，13)反向散射的测量信号(MS)，作为目标信号(Z)；

·采样电路，用于采样所接收的目标信号(Z)，以确定所述开始信号(S)和所述目标信号(Z)的相对位置，其中所述目标信号(Z)在分配了采样率的采样模式的采样点处被采样；

·控制和评估组件(9)，用于根据所述开始信号(S)和所述目标信号(Z)的相对位置得到与所述目标物(2，13)的距离；

其特征在于，

所述采样电路被设计为使得所述采样率是能够调整的并且能够按照依赖于与所述目标物的粗略距离的方式设置，尤其是自动地设置。

11.如权利要求10所述的距离测量元件，其特征在于，

所述采样电路具有频率发生器(10)。

12.如权利要求11所述的距离测量元件，其特征在于，

所述采样电路具有频率合成器，尤其是直接数字式合成器、小数分频器合成器或基于电压控制和锁相环的整数分频器合成器。

13.如权利要求10到12中任意一个所述的距离测量元件，其特征在于，

传播时间测量的测量电路，用于粗略距离测量，其被设计为使得如果反向散射的测量信号(MS)的强度超过预定的阈值，则反向散射的测量信号(MS)被检测。

14.如权利要求10到13中任意一个所述的距离测量元件，其特征在于，

存储单元，用于存储以前获知的目标物的粗略距离。

15.如权利要求10到14中任意一个所述的距离测量元件，其特征在于，

粗略距离测量信号源和粗略距离接收机，其中所述粗略距离测量信号源和所述粗略距离接收机被设计和设置为使得它们限定了独立于所述测量信号源和所述接收机的第二测量路径。