CN108027426B - 具有改善的动态范围的大地测量仪 - Google Patents

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Abstract

公开了用于通过大地测量仪确定到目标的距离的方法。该方法包括在发射时间朝向目标发射光脉冲；将偏置调整施加于光电二极管，该光电二极管被布置成接收在目标处被反射的返回光脉冲；获得指示光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的参考信号；通过基于参考信号从光电二极管输出的信号减去类似于或等同于光电二极管响应于偏置调整的瞬态行为的信号来获得差异信号；至少部分地基于差异信号提取与在光电二极管处的返回光脉冲信号的接收相对应的接收时间；以及基于发射时间和接收时间确定到目标的距离。

Description

具有改善的动态范围的大地测量仪
技术领域
本公开大体上涉及勘测领域。具体而言，本公开涉及大地测量仪和操作这种大地测量仪的方法以便确定到目标的距离。
背景
在勘测领域中，物体的位置是通过测量角度和距离确定的。为此，勘测仪或大地测量仪包括电子距离测量设备(EDM)，其可使用不同技术来估计EDM本身与目标物体之间的距离。一种这样的技术是所谓的“飞行时间(time-of-flight)”方法，其中到目标物体的距离是通过测量光脉冲的往返来估计的。使用诸如激光器的光源朝向目标发射光脉冲，并且希望脉冲的至少一些部分将在目标处被反射并且返回到从其发射脉冲的测量设备，然后在该测量设备中通过光电检测器检测脉冲。如果准确地测量出光脉冲行进到目标物体和从目标物体返回所花费的时间，则可以计算出到目标物体的距离的良好估计。
如果在几个方向上发射光脉冲，则可以确定到物体上几个点的距离。如果每个脉冲的发射角度被很好地控制(通过旋转EDM或大地测量仪本身，或者通过例如使用反射镜使在已知方向上的所发射的光脉冲偏转)，则距离与发射角度之间的映射可以被创建和使用，以构建物体的表面的三维图。以这种方式，大地测量仪可以用作三维(3D)扫描仪。
为了快速扫描物体的表面，现代的3D扫描仪每秒执行大约几千次的距离测量。如果目标物体上的两个附近点(或区域)之间的光学性质(诸如反射率)上的差异较大，则两个相应的返回的(反射的)光脉冲可能在例如在幅度方面差别很大。因此，要求EDM的接收端具有高动态范围，以便其能够检测不同特性的入射光脉冲。
鉴于上述内容，本公开的挑战因此是提供具有改善的动态范围的大地测量仪。
概述
因此，本公开的目的是至少部分地满足以上指定的要求。为了实现这一点，提供了方法和大地测量仪。该方法和该大地测量扫描仪的特征被限定在独立权利要求中，而本公开的另外的实施例被限定在从属权利要求中。
在第一方面内，提供了用于通过大地测量仪确定到目标的距离的方法。在该方法中，在发射时间朝向目标发射光脉冲，并且偏置调整被应用于光电二极管。光电二极管被布置成接收在目标处所反射的返回光脉冲。获得指示光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的参考信号。差异信号是通过基于参考信号从(例如，响应于返回光脉冲)而从光电二极管输出的信号减去类似于或等同于光电二极管响应于偏置调整的瞬态行为的信号而获得的。至少部分地基于差异信号，提取与返回光脉冲的接收相对应的接收时间，并且基于发射时间和接收时间来确定到目标的距离。
在第二个方面内，提供了一种大地测量仪。该大地测量仪包括光源、光电二极管、偏置调节单元、补偿单元和处理单元。光源被布置成在发射时间朝向目标发射光脉冲。光电二极管被布置成接收在目标处所反射的返回光脉冲。偏置调节单元被配置为执行对被施加到光电二极管的偏置的调整。补偿单元被配置为获得指示光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的参考信号。补偿单元被配置为通过基于参考信号从(例如，响应于返回光脉冲)而从光电二极管输出的信号减去类似于或等同于光电二极管响应于偏置调整的瞬态行为的信号来获得差异信号。处理单元被配置为至少部分地基于差异信号来提取与返回光脉冲的接收相对应的接收时间，并且基于发射时间和接收时间来确定到目标的距离。
第一方面的方法和第二方面的大地测量仪可以提供用于到目标的距离的测量。具体而言，当例如被用于物体的3D扫描时，该方法和该仪器由于在信噪比没有大的降级的情况下光电二极管(更一般地是光电检测器)的动态范围的改善的可调整性，而允许在更短的时间段期间执行增加次数的距离测量。当通过估计光脉冲行进到目标并返回所花费的时间来测量到目标的距离时，通常可以执行一系列不同步骤。以例如朝向目标发射光脉冲的步骤开始，最后的步骤通常可以包括当脉冲从目标返回来时对它进行检测，并且估计从发射起所经过的时间以计算距离。由于光学器件和电子器件两者的物理性质，在每个步骤期间都可能引入噪声。在本实施例中，信号的放大可以在一系列步骤的早期执行，并且与在一系列步骤中的稍后阶段相比，较少的噪声会有时间在信号中积累。结果，较少的噪声可能被放大，并且可以实现改善的信噪比。通过调整其所施加的偏置来控制光电二极管的动态范围，可以在一系列步骤的早期引入与入射光脉冲相对应的信号的适当放大(或修正)。
当快速调整光电二极管的施加偏置时(如果每秒将执行几千次测量将可能是必要的，符合现代3D扫描仪的要求)，光电二极管可能经历瞬态行为，其中所施加的偏置的变化导致例如瞬态尖峰出现在其输出信号中，而不依赖于是否存在输入光脉冲。这种行为可以归因于例如光电二极管的内部电容。如果瞬态尖峰大到足以部分地或完全地掩盖信号中的输入光脉冲的特征，或者如果瞬态尖峰本身被解释为输入光脉冲的特征，则可能很难甚至不可能执行对光脉冲的精确检测以及随之对接收时间的确定。结果，距离测量可能是错误的且不可靠的。
在第一方面的方法和第二方面的仪器中，通过从光电二极管输出的信号减去类似于或等同于光电二极管的瞬态行为的信号来解除或者至少部分地衰减瞬态尖峰的发生。结果，在光电二极管处检测到的最终输入光脉冲的特征可能是差异信号中的主要特征。至少部分地基于差异信号，与光脉冲的接收相对应的接收时间可以被提取并且还可以与来自光源的光脉冲的发射时间相结合，即使在快速调整光电二极管的偏置以改变动态范围之后，也可以基于发射时间和接收时间来确定到目标的距离。
根据一个实施例，参考信号可以从参考电子部件获得，该参考电子部件被布置成使得其信号输出不受返回光脉冲的影响并且经受与施加到光电二极管的偏置调整相关(或者基于施加到光电二极管的偏置调整)的(例如由偏置调节单元执行的)偏置调整。参考电子部件可以被包括在大地测量仪中，或者被单独设置与大地测量仪相接触的另一个设备或作为该另一个设备的一部分。当从参考电子部件输出的信号不受输入脉冲(即，经反射的光脉冲或返回光脉冲)的影响时，参考电子部件可以在经受与施加到光电二极管的偏置调整有关(或基于施加到光电二极管的偏置调整)的偏置调整时，生成可能仅包含例如瞬态尖峰而没有经反射的光脉冲的特征的信号响应。
在一些实施例中，参考电子部件可以具有类似于或等同于光电二极管的瞬态行为的瞬态行为。参考电子部件还可以具有拥有与光电二极管的瞬态行为具有已知偏差的瞬态行为。
如果该瞬态行为类似于或等同于光电二极管的瞬态行为，则参考电子部件可以生成在获得差异信号时可以直接使用的参考信号。如果光电二极管和参考电子部件的瞬态行为在经受相同的偏置调整时是相同的，则偏置调节单元可以被配置成使得向两个部件供应相同的偏置，并且对所供应的偏置执行相同的调整。
如果该瞬态行为具有与光电二极管的瞬态行为的已知偏差，则可以在获得差异信号时，在例如被包括在大地测量仪中的补偿单元中对这个已知偏差进行补偿。作为示例，光电二极管和参考电子部件在两个部件供应有相同偏置时可以具有成比例的但幅度不同的瞬态行为。然后仍然可以(例如通过偏置调节单元)供应相同的偏置，但是可以在获得差异信号和/或参考信号时，例如在处理单元中对瞬态行为中的已知差异或偏差进行补偿。
在一些实施例中，可以通过向光电二极管和参考电子部件供应不同的偏置(即，通过施加不同的偏置调整)来补偿光电二极管与参考电子部件之间的瞬态行为上的差异，使得在光电二极管处所检测出的最终入射光脉冲的特征仍将支配性地存在于差异信号中。作为示例，只有在施加到参考电子部件的偏置调整在幅度上与用于光电二极管的偏置调整的幅度成比例但是小于或者大于光电二极管的偏置调整的幅度时，光电二极管和参考电子部件才会显示出相同的瞬态行为。通过供应(来自例如偏置调节单元的)不同的偏置，仍然可以获得差异信号。
在一些实施例中，还可以设想，可以在大地测量仪的操作期间分析在光电二极管与参考电子部件之间的瞬态行为或信号输出上的未知差异，并且仍可以在通过使用差异并且相应地通过执行偏置调整在提取差异信号时(诸如在例如补偿单元中)对该差异进行补偿。
根据实施例，可以基于来自光电二极管的校准的校准数据来获得参考信号。可以通过使光电二极管经受不同的偏置调整并且研究所得到的瞬态行为，而在工厂中获得代表光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的这种校准数据。还可以设想，可以由大地测量仪本身在测量操作之前、期间或之后在现场执行这种校准。
在校准期间获得的校准数据可以被存储在例如被包括在大地测量仪中或以其他方式与大地测量仪通信(或可由其访问)的存储器中，并且随后用于获得参考信号以便补偿光电二极管的瞬态行为，使得可以更适当地检测返回光脉冲的特征。将认识到的是，校准数据可以在获得参考信号时单独使用或者与例如参考电子部件组合使用。
根据一个实施例，该偏置可以至少部分地基于先前所接收到的返回光脉冲的信号电平被调整(例如通过偏置调节单元，并且被供应给光电二极管)。如果例如朝向大致相同的目标(或目标上的相同点或附近点)发射两个脉冲，则可以预期它们所碰到的表面将具有大致相同的光学反射特性。因此，在目标处所反射的返回脉冲的幅度可以预期处于相同的范围中。如果第一脉冲的特征的幅度有点低，则可以调整光电二极管的偏置(并且从而调整了内部增益)，使得第二返回脉冲可以产生更大的特征。同样地，如果例如在一系列最近的脉冲中的几个已经生成了具有相同量级的幅度的特征，则下几个脉冲中的一个或更多个将在幅度上相似的机会可能会更高，并且然后可以仅稍微调整增益。至少部分地基于先前返回的光脉冲的信号电平来调整增益，大地测量仪和其中实施的方法可以实现可以应用于光电二极管的预测增益设置，从而增加一系列的距离测量的结果的速度和准确度。
根据一个实施例，偏置可以在朝向目标发射脉冲之前、与朝向目标发射脉冲同时、或至少接近于朝向目标发射脉冲时被调整(例如通过偏置调节单元，并且被供应给光电二极管)。通过紧挨着在光脉冲的发射之前、之后或同时地执行偏置调整，在光电二极管处接收到入射的反射光脉冲之前，将有更多的时间来减少由偏置的快速变化引起的瞬态行为。
根据一个实施例，偏置可以在通过光电二极管接收到返回光脉冲之前被调整(例如通过偏置调节单元，并且被供应给光电二极管)。在光脉冲返回之前调整该偏置确保了光电二极管可以被优化，使得其内部增益适合于入射光脉冲的预期幅度。
根据一个实施例，偏置可以至少部分地基于差异信号在发射下一个光脉冲之前被调整(例如通过偏置调节单元，并且被供应给光电二极管)。例如，如果在差异信号中没有或几乎没有检测到先前预期的返回光脉冲的特征，则可以调整偏置使得光电二极管的增益使下一个发射(和反射)的光脉冲具有较高概率被检测到。同样地，如果光电二极管的增益使得先前预期的返回光脉冲的检测饱和或者以其他方式变得不可能，则可以调整偏置。偏置的调整还可以至少部分地基于差异信号与下一个光脉冲的发射同时地或在下一个光脉冲的发射之后执行。
将认识到的是，返回光脉冲可以对应于在发射时间所发射的并且在目标处所反射的光脉冲的一部分。因为源自于例如另一个光源的入射脉冲可以无需如此地通过光电二极管检测，故这将在距离确定过程中引入较少的不确定性。为了区分由光源和另一个光源所发射的脉冲，可以预料的是，由光源发射具有(在例如频率、幅度、偏振和相位方面)特定特性的脉冲，并且还可以预料的是，这些特性在两个发射脉冲之间改变以在不同发射时间所发射的脉冲之间进行区分。
根据一个实施例，发射时间可以至少部分地基于先前提取的接收时间。如果先前的接收时间是已知的，则如果需要的话，下一个光脉冲可以在其后不久被发射以便增加测量的速率。速率可以以适于取决于光源与光源当前布置为朝向其发射光脉冲的目标(或其上的点)之间的当前预期的距离的这种方式，来代替以固定速率发射脉冲。如果部分地基于先前的接收时间而确定的预期距离短，则可以以较高的速率发射脉冲。如果预期距离较长，则发射速率会降低。
根据实施例，可以在发射时间(例如，在发射光脉冲时的时间)之后已经过了测量时间间隔之后(例如，通过处理单元)提取接收时间。作为示例，因为光脉冲固有地需要一些时间才能到达目标并返回到光电二极管处，则在朝向目标发射光脉冲之后，在开始检查光脉冲是否已经返回到光电二极管之前，等待一定的测量时间会是合适的。然后可以在等待测量时间间隔过去的同时执行其他步骤，并且在这个间隔期间，大地测量仪中的功率资源然后可以用于其他目的。同样地，如果在另一个测量时间间隔内没有检测到光脉冲(如果所发射的脉冲例如碰巧没有到达目标，或者脉冲在其从目标返回的路上丢失)，则可能不需要继续检查返回光脉冲长于经过另一个测量时间间隔的时间，并且该方法和仪器可以转而继续其他步骤，例如中止当前的距离测量并且转而启动新的步骤。
根据一个实施例，测量时间间隔可以至少部分地基于先前提取的接收时间。例如，可以预期如果两个连续脉冲在大致相同的方向上被发射并且由此在大致相同的目标(或者目标上的大致相同的点或附近点)处反射，则它们的回程将行进大约相同的时间。如此，第一光脉冲的接收时间可以给出测量时间间隔的持续时间的指示以及关于下一个脉冲被预期何时可以返回的指示。
根据一个实施例，光电二极管可以是雪崩光电二极管。雪崩光电二极管可以是更加高度敏感的，并且可以提供依赖于雪崩倍增的内置增益级。这可以减少对外部(在光电二极管本身之外的)放大器的需求并且可以允许通过调整施加到光电二极管的偏置来控制增益。优选地，可以利用反向电压使雪崩光电二极管偏置。除了雪崩光电二极管之外，可以设想其他替代方案，例如半导体光电晶体管或其他光电二极管。
更一般地，在本公开的实施例中，光电二极管也可以被称为光电检测器，其可以在调整施加于它的偏置时经受瞬态行为。光电检测器可以包括电容元件并且其输出信号可以依赖于撞击在其表面上的光，以用于检测光学光脉冲。
根据一个实施例，光电二极管的偏置可以(通过例如偏置调节单元)以线性模式进行调整，使得所施加的偏置的幅度不超过光电二极管的击穿电压。如果例如光电二极管是雪崩光电二极管，则入射光脉冲可能仅触发有限的、自猝熄的雪崩响应并且不需要额外的猝熄电路。使用线性操作模式，光电二极管可能对暗电流不太敏感。
根据一个实施例，参考电子部件可以光学屏蔽该返回光脉冲。换句话说，参考电子部件可以被布置成使得它不被光学暴露于返回光脉冲。参考电子部件可以例如被封装在盒子中或远离大地测量仪的视线(或测量路径)放置。光学屏蔽该参考电子元件可以用作使其信号输出不受返回光脉冲影响的一种途径。
根据一个实施例，参考电子部件可以包括光电二极管、电容器或具有电容元件的固态器件。电容元件可以响应于偏置调整而具有瞬态行为，并且从参考电子部件输出的信号可以对应于这个瞬态行为。
根据一个实施例，参考电子部件可以具有与光电二极管相同或相似的对所施加的偏置的电容依赖性。
例如，可以被包括在参考电子部件中的光电二极管可以具有类似于或等同于另一个光电二极管的瞬态行为的瞬态行为。具有大致相同的瞬态响应或行为的两个光电二极管在被供应有相同偏置时，可以以相同的方式响应，并且因为被包括在参考电子部件中的光电二极管可以光学屏蔽(或不暴露于)该返回光脉冲，则来自光电二极管的输出信号可以仅包含例如上面所讨论的瞬态峰值。然后可以通过从光电二极管的信号输出减去被包括在参考电子部件中的光电二极管的信号输出，来消除或至少减少所提取的差异信号中的瞬态峰值。为了具有相似的瞬态行为，具有与光电二极管的电容相等的电容的另一个电容元件(诸如电容器或被包括在固态器件中的电容元件)可以用于一些其他实施例，来代替使用第二光电二极管。
在一些实施例中，被包括在参考电子部件中的光电二极管可以与“检测”光电二极管相同。如果两个光电二极管不同，则可以供应不同的偏置并且可以执行不同的偏置调整以补偿不同的瞬态行为。
也可以设想，参考电子部件可能具有偏离的、但已知的对所施加的偏置的电容依赖性。
已知的对偏置调整的电容依赖性可以从已知的对所施加的偏置的电容依赖性、或者从已知的对所施加的偏置的电容依赖性中的偏差直接推断出来。
根据一个实施例，补偿单元可以包括差分放大器。差分放大器可以被配置为接收两个信号作为其输入，并且输出与两个输入信号的差异成比例的信号，从而产生差异信号。可以设想能够产生与两个输入信号的差异成比例的输出的其他设备，诸如某些电感器或变压器配置，或能够拒绝或至少部分地抑制共模信号的其他设备，来代替差分放大器。
也可以设想，(例如通过参考电子部件本身，或者由于一些其它电路元件和/或在参考信号到达补偿单元之前作用于参考信号的操作)使参考信号反转。在这种情况下，补偿单元可以在基于参考信号与从光电二极管输出的信号获得差异信号时，在通过使参考信号再次反转或者通过执行(代替减法的)加法来在获得该差异信号之前，对这个反转进行补偿。进一步设想，补偿单元可以被配置为在获得差异信号之前、期间或之后，对向其输入的信号的任何所执行的修正(例如反转、尺度变换、时间或频率的平移或其组合)进行补偿。
本公开涉及在权利要求中所述特征的所有可能的组合。此外，本文中所描述的任何实施例可以与也在本文中描述的其它实施例相组合，并且即使所述特征被记载在相互不同的权利要求中，但本公开涉及特征的所有组合。除非明确指出，否则本文中所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行，并且涉及第一方面的方法的特征可以与涉及第二方面的大地测量仪的特征相组合，并且反之亦然。
以下将借助于示例性实施例来对本公开的各个实施例的另外的目标和优点进行描述。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述示例性实施例，其中：
图1示意性地示出参与根据一些实施例的大地测量仪的测量过程的信号的时序；
图2是根据一些实施例的方法的流程图；
图3a、图3b和图3c是根据一些实施例的大地测量仪的功能图；
图4示出了根据一些实施例的瞬态行为补偿电路的实施方式；以及
图5示出了根据一些实施例的大地测量扫描仪。
除非明确指出并非如此，否则附图仅示出说明示例性实施例所必需的这种元件，而为了清楚起见，其他元件可以被省略或者仅仅被提及。
详细描述
现在将在下文中参照其中示出示例性实施例的附图更充分地对本公开进行描述。然而，本发明可以以许多不同形式来体现，并且不应解释为限于本文中所陈述的实施例，并且这些实施例通过示例来提供。
参考图1，示意性地示出了在确定到目标的距离时所涉及的信号，并且将在尝试实现高动态范围时可能出现的障碍连同根据本公开的实施例的解决方案一起指出。还参考图2，其示出了由根据本公开的一些实施例的方法所采取的步骤，以便确定到目标的距离。
图1示出了当(根据方法200)通过测量朝向目标发射的并且在目标处被反射的发射光脉冲的飞行时间来确定距离时出现的不同信号。在时间t1，通过光源朝向目标发射光脉冲。这由发射信号101中的脉冲110a示出。
在随后的时间t2，光脉冲已经有时间在目标处被反射并且返回到被布置成接收返回光脉冲的光电二极管。来自光电二极管的输出信号102示出了所检测出的光脉冲120a。所检测出的光脉冲120a被确定为具有低的幅度，并且为了增加仪器的动态范围，通过在偏置调整时间t3快速斜升来调整施加到光电二极管的偏置信号(步骤S201)，以便确保光电二极管准备好以增加的放大率在随后的时间检测下一个入射的返回光脉冲。然而，偏置信号104的斜升140将从光电检测器生成瞬态响应或行为。瞬态行为130被示出在输出信号102中。
获得指示光电二极管的瞬态行为的参考信号103(步骤S203)。参考信号103可以从例如参考电子部件获得，该参考电子部件被布置成使得其信号输出不受返回光脉冲的影响并且经受与光电二极管相同的偏置调整。优选地，参考电子部件具有类似于或等同于光电二极管的瞬态行为的瞬态行为。
在时间te＝t4，优选地接近于检测时间t2和偏置调整时间t3，发射下一个光脉冲(步骤S202)，如在发射信号101中作为脉冲110b所指示的。此时，偏置信号104再次恒定具有有限的值，但是由于从偏置被调整后已过去的时间较短，故瞬态响应尚未消失，并且来自光电二极管和参考电子部件的两个信号102和103仍然分别以有限的幅度振荡。这在所发射的光脉冲返回回到光电二极管的随后的时间t5仍然是成立的。在没有瞬态响应的情况下，来自光电二极管的输出信号102会是(用虚线画出的)脉冲120b。然而，由于瞬态行为，信号102现在包含瞬态行为130和脉冲120b两者的叠加，如通过振荡脉冲120c在信号102中所示。由于瞬态响应与返回光脉冲120b具有相同的幅度或者甚至具有更大的幅度，因此返回光脉冲可能难以被检测到或不可能被检测到。
在该图中，光脉冲的发射时间te出现在偏置调整时间t3之后。然而，应注意，也可以在偏置调整时间t3之前或与其同时发射光脉冲。
根据本公开，不受返回光脉冲影响并且仅包含瞬态响应130的信号103可以被用于缓解前述问题。由于参考电子部件的瞬态行为类似于或等同于光电二极管的瞬态行为，故信号102和103两者中的瞬态响应130将是等同的或基本等同的。如果例如通过从来自光电二极管的信号102减去来自参考电子部件的信号103而获得差异信号105(步骤S204)，则差异信号105将显示没有瞬态响应的特征或者几乎没有瞬态响应的特征。差异信号105包括两个返回光脉冲150a(在t2处)和150b(在t5处)。如在差异信号105中所示出的，瞬态响应从返回光脉冲150b(在t5处)被抵消或者至少显著地减小，并且差异信号105中的返回光脉冲150b可以被有利地用于确定到目标的距离。可以从差异信号105提取接收时间tr＝t5(步骤S205)，并且可以基于该接收时间tr和发射时间te＝t4来确定到目标的距离d(步骤S206)。如果光脉冲在正常情况下通过空气传播，则从大地测量仪到目标的距离d例如可以近似为d＝(tr-te)*c/2，其中c是光在真空中的速度。然而，将认识到的是，可以考虑其他参数以便计算距离。
参考图3a，将更详细地说明大地测量仪300的实施例。将参考图3b和图3c更详细地说明其他实施例。
在图3a中，大地测量仪可以包括被布置成在发射时间te朝向目标发射光脉冲的光源310。光源310可以由处理单元350控制。处理单元350可以被配置为决定光源310何时发射光脉冲以及例如所发射的光脉冲可以具有什么样的幅度和/或相位。
处理单元350可以通过例如电子布线直接地或经由适于控制光源310的其他电路(未示出)间接地连接到光源310。处理单元350也可以直接地或间接地连接到偏置调节单元330。偏置调节单元330可以供应被施加到光电二极管320的偏置，并且偏置调节单元330可以执行对施加到光电二极管320的偏置的调整。光电二极管320可以被布置成接收在目标处被反射的返回光脉冲。
来自光电二极管320的输出信号321可以被馈送到补偿单元340中。补偿单元340可以被配置为获得与从光电二极管320输出的信号321和参考信号342之间的差异相对应的差异信号341，该参考信号342指示光电二极管320关于偏置调整的瞬态行为。在获得差异信号341之后，信号341可以被馈送回处理单元350。
至少部分地基于差异信号341，其中光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的特征已经减少(并且可能被消除)，处理单元350可以被配置为提取与返回光脉冲的接收时间相对应的接收时间tr。基于发射时间te和接收时间tr，处理单元350然后可以如之前概述的确定到目标的距离。
在图3b中，示意性地示出了大地测量仪301的另一个实施例。该大地测量仪301除了它包括参考电子部件360之外，可以等效于参考图3a所描述的大地测量仪300。该参考电子部件360可以被供应有来自偏置调节单元330的偏置，并且被连接到补偿单元340以便提供参考信号342。参考电子部件360在通过偏置调节单元330进行偏置调整时，可以具有类似于或等同于光电二极管320的瞬态行为的瞬态行为。参考电子部件360可以被布置成使得它不受返回光脉冲的影响，即，其信号输出不受返回光脉冲的影响。
例如，参考电子部件360可以布置在大地测量仪301的内部，使得它屏蔽光。只要参考电子部件360以某种方式，例如通过具有光屏蔽罩或类似物而屏蔽入射的返回光脉冲，则它也可以被放置在大地测量仪301的外部。
在一些实施例中，参考电子部件360可以是与光电二极管320相同种类的另一个光电二极管。然而，可以设想的是，在一些其他实施例中，参考电子部件360可以仅仅是电容器(或者例如是包括电容元件的固态器件)，其中电容对应于(或匹配)光电二极管320的例如寄生和/或内部电容。参考电子部件360的瞬态行为可以使得其输出信号342指示光电二极管320的瞬态行为，或者使得在经受偏置调整时其与光电二极管320的瞬态行为的偏差是已知的，使得补偿单元340可以补偿光电二极管的瞬态行为在从光电二极管输出的信号中的贡献，从而提供参考信号。
在图3c中，示出了大地测量仪302的另一个实施例。该大地测量仪302除了它包括存储器370之外，可以等效于参照图3a和图3b所描述的大地测量仪300和301，来自光电二极管320的校准的校准数据可以被存储在该存储器370上。存储器370可以被布置成使得其可以被补偿单元340访问。校准数据可以被补偿单元340使用以获得差异信号341。作为示例，光电二极管320可以经历校准过程，在校准过程中，它在没有返回光脉冲的情况下经受一系列不同的偏置调整。对于每次偏置调整，光电二极管320的瞬态行为可以被存储在存储器370上。这个校准过程可以在工厂中执行，但是仪器可能稍后被操作员重新校准。该校准过程也可以在测量操作之前、期间或之后由仪器本身在现场执行。大地测量仪300然后可以被操作为确定到目标的距离。由于知晓了光电二极管320的瞬态行为(如存储作为存储器370上的校准数据)如何取决于所施加的偏置调整，补偿单元可以通过例如使用所存储的校准数据作为参考信号342来补偿光电二极管的瞬态行为。
尽管图3c仅示出了存储器370，但是可以设想额外的实施例，其中包括具有校准数据的存储器370和参考电子部件360两者，并且在该实施例中，可以通过使用所存储的校准数据和来自参考电子部件360的输出的组合来获得参考信号342。
参照图4，将根据一些实施例描述用于瞬态行为补偿的示例性电路。
在图4中，偏置调节单元330向光电二极管320和参考电子部件360供应偏置。在所示出的示例中，向两个部件供应相同的偏置。如通过电容器符号所示出的，参考电子部件360可以是第二光电二极管，或者是具有类似于或等同于光电二极管320的对所施加的偏置的电容依赖性的任何其他部件(诸如电容器)。来自光电二极管320的输出信号321和来自参考电子部件360的输出信号(或参考信号)342可以被用作对补偿单元340的输入。补偿单元340例如可以包括运算放大器343，该运算放大器被操作使得其输出信号与在其输入端子上输入的信号(诸如信号321和342)之间的差异成比例。只要可以获得与信号321与342之间的差异成比例的差异信号，则也可以考虑其它电子装置，例如变压器或具有共模信号抑制功能的其他设备。运算放大器343的输出(其也是补偿单元340的输出)是可以由(在图4中未示出的)处理单元使用的差异信号341，以便提取返回光脉冲的接收时间。
参考在图5中所示出的示意图来描述大地测量仪303。
在图5中，可以是例如全站仪或用于勘测的另一仪器的大地测量仪303包括底座382、照准仪381和中心单元380。中心单元380具有用于指向目标的仪器光轴或视线391。中心单元380可以安装在照准仪381上，用于围绕第一(耳轴)轴线392旋转。照准仪381可以安装在底座382上，用于围绕与第一(耳轴)轴线392正交并且相交的第二(方位角)轴线393旋转，使得仪器光轴391可以围绕旋转点(未在图5中示出)旋转。大地测量仪303还可以包括早前参考图3a至图3c所描述的全部的或一些功能部件，例如被示出为被包括在图3a中的大地测量仪300、图3b中的大地测量仪301、图3c中的大地测量仪302或其组合中的功能部件。大地测量仪303可以最初旋转其仪器光轴391，使得它指向目标(或者更具体地，指向目标上的点或区域)。然后，大地测量仪303可以执行根据本公开的方法，用于确定到目标的距离。在距离被确定之后，大地测量仪303可以旋转其仪器光轴391以指向下一个目标(或目标上的下一个点或区域)，并且可以确定下一个距离。可以通过旋转照准仪381或中心单元380中的任一个或通过调整中心单元390的光学部件(诸如扫描反射镜或其他偏转元件，未示出)和/或通过其任何组合，来调整光轴或视线391的方向(或角度)。大地测量仪303可以例如继续重复这样的过程，直到例如已经执行了一个或更多个目标的映射。
尽管已经参照详细的示例对本发明进行了描述，但详细的示例仅用于为本领域技术人员提供更好的理解，而不旨在限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附的权利要求限定。
另外，本领域技术人员在实践本发明时通过研究附图、本公开及所附权利要求书，能够理解并实现所公开实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。事实上，在相互不同的从属权利要求中引用某些特征并不表示这些特征的组合不能用于得到益处。

Claims (26)

1.一种用于通过大地测量仪确定到目标的距离的方法，所述方法包括：
在发射时间朝向目标发射光脉冲；
对被布置成接收在所述目标处反射的返回光脉冲的光电二极管施加偏置调整；
获得指示所述光电二极管关于所述偏置调整的瞬态行为的参考信号；
通过基于所述参考信号从所述光电二极管输出的信号减去类似于或等同于所述光电二极管响应于所述偏置调整的瞬态行为的信号，来获得差异信号；
至少部分地基于所述差异信号提取与在所述光电二极管处的所述返回光脉冲的接收相对应的接收时间；以及
基于所述发射时间和所述接收时间来确定到所述目标的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考信号是从参考电子部件获得的，所述参考电子部件被布置成使得所述参考电子部件的信号输出不受所述返回光脉冲的影响，并且经受与施加于所述光电二极管的所述偏置调整有关的偏置调整。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述参考电子部件具有类似于或等同于所述光电二极管的瞬态行为的瞬态行为，或者具有与所述光电二极管的瞬态行为有已知偏差的瞬态行为。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述参考信号是基于来自所述光电二极管的校准的校准数据而获得的。
5.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述偏置调整至少部分地基于先前所接收到的返回光脉冲的信号电平。
6.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在朝向所述目标发射所述光脉冲之前、与朝向所述目标发射所述光脉冲同时、或至少接近于朝向所述目标发射所述光脉冲，施加所述偏置调整。
7.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在通过所述光电二极管接收到所述返回光脉冲之前施加所述偏置调整。
8.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述发射时间至少部分地基于先前所提取的接收时间。
9.根据前述权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述发射时间之后已经过去了测量时间间隔之后，提取所述接收时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述测量时间间隔至少部分地基于先前所提取的接收时间。
11.一种大地测量仪，包括：
光源，所述光源被布置成在发射时间朝向目标发射光脉冲；
光电二极管，所述光电二极管被布置成接收在所述目标处反射的返回光脉冲；
偏置调节单元，所述偏置调节单元被配置为执行对被施加到所述光电二极管的偏置的调整；
补偿单元，所述补偿单元被配置为：
获得指示所述光电二极管关于偏置调整的瞬态行为的参考信号，以及
通过基于所述参考信号从所述光电二极管输出的信号减去类似于或等同于所述光电二极管响应于所述偏置调整的瞬态行为的信号来获得差异信号；以及
处理单元，所述处理单元被配置为至少部分地基于所述差异信号来提取与所述返回光脉冲的接收相对应的接收时间，其中，所述处理单元还被配置为基于所述发射时间和所述接收时间来确定到所述目标的距离。
12.根据权利要求11所述的大地测量仪，还包括参考电子部件，所述参考电子部件被布置成使得所述参考电子部件的信号输出不受所述返回光脉冲的影响以输出所述参考信号，其中，所述偏置调节单元被配置为基于对于所述光电二极管的所述偏置调整来执行对施加到所述参考电子部件的偏置的另一个调整。
13.根据权利要求12所述的大地测量仪，其中，所述参考电子部件具有类似于或者等同于所述光电二极管的瞬态行为的瞬态行为，或者具有与所述光电二极管的瞬态行为有已知偏差的瞬态行为。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，还包括存储器，所述存储器被配置为存储代表所述光电二极管关于所述偏置调整的瞬态行为的校准数据以生成所述参考信号。
15.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述偏置调节单元还被配置为至少部分地基于先前所接收到的返回光脉冲的信号电平来执行所述偏置调整。
16.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述光电二极管是雪崩光电二极管。
17.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述偏置调节单元还被配置为以线性模式调整所述光电二极管的偏置。
18.根据权利要求12至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述参考电子部件光学屏蔽所述返回光脉冲。
19.根据权利要求12至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述参考电子部件包括光电二极管、电容器或具有电容元件的固态器件。
20.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述补偿单元包括差分放大器。
21.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述处理单元被配置为在自发射所述光脉冲以后已经过去了测量时间间隔之后提取所述接收时间。
22.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述偏置调节单元被配置为在朝向所述目标发射所述光脉冲之前、与朝向所述目标发射所述光脉冲同时、或至少接近于朝向所述目标发射所述光脉冲来调整所述偏置。
23.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述偏置调节单元被配置为在由所述光电二极管接收到所述返回光脉冲之前调整所述偏置。
24.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述偏置调节单元被配置为至少部分地基于所述差异信号在发射下一个脉冲之前调整所述偏置。
25.根据权利要求11至13中的任一项所述的大地测量仪，其中，所述发射时间至少部分地基于先前所提取的接收时间。
26.根据权利要求12至13中的任一项所述的大地测量仪或根据权利要求2至3中的任一项所述的方法，其中，所述参考电子部件具有与所述光电二极管相同或相似的对所施加的偏置的电容依赖性。
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