CN108226905B - 通过采样时刻的变化进行adc误差补偿的激光测距模块 - Google Patents

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Abstract

通过采样时刻的变化进行ADC误差补偿的激光测距模块。本发明涉及用于利用模数转换器进行快速信号检测的测距方法和电子激光测距模块，其特别是用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的测距装置中，其中，在信号数字化的背景下出现的转换误差(特别是ADC的定时、增益以及偏移误差)借助于采样时刻的变化加以补偿。

Description

通过采样时刻的变化进行ADC误差补偿的激光测距模块
技术领域
本发明涉及用于利用模数转换器(ADC)进行快速信号检测的测距方法和电子激光测距模块，其特别用于测距装置(例如用于激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪)中，其中，在信号数字化的背景下出现的转换误差(特别是所述ADC的定时、增益以及偏移误差)借助于采样时刻的变化加以补偿。
背景技术
在电子和光电测距领域已知各种原理和方法。一种方法包括向待测量目标发射脉冲电磁辐射(例如，诸如激光)，并且接收来自作为反向散射物体的目标的回波，其中，例如可以基于该脉冲的飞行时间、形状、和/或相位，来确定离待测量目标的距离。这种激光测距装置在作为许多领域中的标准解决方案期间得到认可。
通常使用两种不同的方法或其组合来检测反向散射脉冲。
所谓的阈值方法涉及如果入射在所使用的测距装置的检测器上的辐射的强度超过某个阈值，则检测光脉冲。所述阈值防止来自背景的噪声和干扰信号被错误地检测为有用信号，即，作为发射脉冲的反向散射光。
另一种方法是基于反向散射脉冲的采样。这种方法通常用在弱反向散射信号(例，如脉冲信号)的情况下，例如，诸如由相对大测量距离引起，或者通常用于提高测量准确度。依靠对由检测器检测到的辐射进行采样的事实来检测发射信号，在采样区内识别信号，并且最后，在时间上确定该信号的位置。通过与发射率同步地使用多个样本和/或接收信号的总和，甚至在不利情况下也可以识别有用信号，使得可以应付甚至相对大距离或背景场景，这些场景嘈杂或者受干扰所困扰。
现今，通常借助于波形数字化(WFD)方法对检测器检测到的辐射的模拟信号的整个波形进行采样。在识别所接收信号的关联发送信号(ASK、FSK、PSK等)的编码之后，信号飞行时间(“脉冲飞行时间”)根据经采样、数字化并重建的信号的限定分布点(例如，拐点、曲线最大值)被非常准确地确定，或者借助于从时间插值已知的最佳滤波被整体地确定。
作为确定脉冲飞行时间的另选方案或者除其以外，通常还关于在幅值、相位、极化、波长和/或频率方面编码或调制的脉冲或脉冲序列实现(快速)采样。
在对反向散射信号进行时间上非常精确的采样的方法中，由检测器生成的电信号借助于模数转换器(ADC)被转换成数字信号序列。然后，对所述数字信号进一步实时处理。在第一步骤中，通常调制为脉冲的信号由特定数字滤波器识别，并且最后，确定其在该信号序列内的位置。通过利用多个采样脉冲序列，甚至在不利情况下也可以识别有用信号，使得可以应付甚至相对大距离或背景场景，这些场景嘈杂或者受干扰所困扰。
最简单的调制类型之一是根据距离编码来识别各个脉冲或脉冲序列，举例来说，如在EP 1 832 897 B1中所述的。这例如被用于重新识别的目的。如果出现模糊，则这种重新识别是必要的，模糊可能因脉冲飞行时间测量期间的各种情况引起，例如，如果一个以上的脉冲或脉冲组位于测量装置与目标物体之间。
在快速模数转换器(ADC)中，结合信号幅值的高分辨率(例如，1GS/s，14比特)的高采样率例如通过生成多个ADC转换级来实现，例如通过：
·使多个慢ADC转换级在时间上交织(“交织”)，
·按级量化采样信号幅值(“流水线”、“流水线化”)，或
·多个ADC转换级的信号样本的组合多级量化。
在这些架构的情况下，尽管经过仔细的内部校正，但仍会出现典型架构误差。所述误差随时间和温度而变化。
在交织ADC的情况下，该误差特别是由于不同ADC转换级在偏移、增益以及定时方面没有完全相同的特性而出现。结果，典型误差特别表现为：
·偏斜(不同ADC转换级或ADC的采样时刻之间的定时误差)；
·增益(内部ADC内核组件之间的不同增益因子。该信号通常在ADC中被放大和/或缓冲)；
·偏移(ADC转换级的内部输出的不同DC电平)。
在流水线化ADC的情况下，典型误差通常表现为微分非线性DNL和积分非线性INL。DNL和INL是在将模拟信号值转换成数字(整数)值期间的误差，例如，因随着步骤变得越来越精细/分辨率变得越来越高而在流水线化ADC中按级量化所引起。
INL误差本质上是低于要转换的信号电平的DNL误差的所有贡献的部分总和，并且可以获得多个LSB(“最低有效位”)。因此，即使在信号值适度波动的情况下，INL误差特别是对数字化信号波形准确度有严重的影响。数字化信号波形不再对应于原始模拟信号波形。借助于ADC组件的内部校正，这些DNL和INL误差可以被部分地最小化，但是没有被消除，并且外部校准(其可以通过测量和记录残留误差来实现)可随时间变化并且例如高度依赖于温度。
在测距期间，作为各个ADC转换级的误差的结果，在距离上，采样/样本模式的距离出现周期性距离误差。数字信号脉冲的边缘通过偏移时的转换误差恶化，其结果是信号脉冲的位置可能相对于时间轴移位。即使在具有起始和停止脉冲或者起始和停止信号序列的测距系统中，也可能发生测量距离的误差。举例来说，情况是，如果起始脉冲具有处于中等调制范围内的幅值，而停止脉冲具有处于低幅值范围内的幅值，其中，作为INL支配的形状畸变的结果，例如，两个脉冲不同地畸变，并且绝对距离恶化。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种同时具有高测量准确度和高距离分辨率的改进测距。
在这种情况下，本发明的一个具体目的是提供一种用于信号数字化的改进方法和改进系统。
此外，本发明的另一特定目的是在快速ADC中提供改进的误差补偿，特别是用于交织ADC。
本发明涉及一种用于确定离目标物体的距离的测距方法，该测距方法特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的激光测距装置，所述测距方法包括以下步骤：发射特别为脉冲发送信号的发送信号作为发送信号序列；接收发送信号序列中的所述发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列中的接收信号；借助于模数转换器(下文中称为ADC，特别是交织ADC或流水线化ADC类型)将所述接收信号序列中的接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号，其中，ADC采样模式由至少两个ADC转换级生成；以及处理所述数字信号序列，以便由其导出离所述目标物体的距离；特别是，其中，所述距离的确定基于脉冲飞行时间方法。
紧接在开始记录接收信号之后，ADC恒定地提供均具有时钟周期的时间间隔的数字值，并且该硬件支配的ADC采样模式限定了接收信号的初始信号采样模式。所述发送信号被重复多次或者反复重复，按时间上连续移位的方式对该发送信号序列进行采样，并且出现二次信号采样模式。该多个二次数字接收信号在所述ADC时钟间隔内呈现不同相对时间位置。如果所述时间移位与所述时钟间隔的商是有理数，则过采样在限定时间之后被重复，并且包括以相同相位采样的限定数量的接收信号。这具有以下优点：这些相同类型的信号可以被联合处理(例如，累积)，并接着可以视为评估中的单个精细采样的接收信号。在这种情况下，由ADC转换误差所产生的误差在很大程度上彼此抵消，其中，特别是在多个ADC转换级的背景下考虑发送脉冲相对于采样模式的相对时间移位是至关重要的，例如，在发送脉冲的相同采样点由多个ADC转换级检测的意义上。
一种另选评估方法按如下方式基于全部所述初始数字信号序列和二次数字信号序列进行处理(特别是累积)：处理(例如，累积)相对于初始数字信号的样本移位小于正/负一半时钟间隔的所有二次数字信号的对应样本，并且结果，例如实现求平均，这极大地降低了ADC或各个ADC转换级的误差影响。如果所述时间移位与所述时钟间隔之间的商是无理数，则这种评估方法也是合适的。因此，该评估方法用于所述发送单元的时钟与所述接收电子装置的时钟之间的所有异步设定。
根据本发明，所述ADC采样模式相对于接收信号限定具有所述接收信号的至少一个初始采样点的初始信号采样模式(其中，所述初始信号采样模式的时钟周期通常由所述ADC转换级的硬件支配工作周期给出)，并且所述接收信号序列中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于所述ADC采样模式在时间上移位，所述至少一个初始采样点由第一ADC转换级检测至少一次并且由第二ADC转换级检测至少一次；特别是，其中，所述接收信号序列中的接收信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始采样点周围的限定采样范围内，出现所述接收信号的多个二次采样点，所述二次采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
ADC转换误差(例如，定时、增益、偏移或INL误差)可以随所述ADC采样序列在局部上极大地变化，从而随所述ADC采样序列产生周期性的测距误差。
作为对各个数字化信号值的具有变化幅值(信号强度)的不同信号位置的多个采样的结果，实际ADC测量信号在值范围内在至少一个初始采样点周围移位，其结果是，扫过ADC转换误差的不同信号值依赖误差区。作为处理多个接收信号(例如，求平均或求和)并且因此在初始采样点周围的多个二次采样的结果，自动对超过ADC转换误差的不同误差贡献的求平均。
作为对所述至少一个初始采样点采样并且(若合适的话)通过多个ADC转换级(“ADC转换级的混合”)进行二次采样(二次采样点)的结果，例如，在所述初始采样点周围的采样范围中，存在所述ADC转换级的误差贡献的混合，其结果是，在少量信号脉冲之后和在较短测量时间之后已经确保足够误差消除。
在一个具体实施方式中，所述发送信号基于发送时钟(具有固定发送时钟频率)被发射，而所述接收信号基于ADC时钟被检测，其中，在测量处理的背景下满足以下条件中的至少一个：所述发送时钟相对于所述ADC时钟是异步的；所述发送时钟的周期持续时间和/或所述发送信号的周期持续时间不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间或者不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间的整数倍；以及与所述发送时钟频率和/或与所述发送信号的重复率fs相对应的发送周期Ts＝1/fs)被给出为Ts＝(n+q)*TADC，其中，n是整数，q是绝对值<1的分数，而TADC是所述ADC时钟信号的周期持续时间(所述ADC采样周期对应于所述ADC时钟频率fACD，TADC＝1/fADC)，其中，针对所使用的ADC转换级的数量c，满足条件n模c≠0。
如上所述，补偿由ADC转换误差产生的误差关键取决于所述发送脉冲的相同采样点由多个ADC转换级检测(最好多次)，其结果是，所述ADC转换误差在很大程度上抵消掉。特别是，在多个ADC转换级的背景下，关键是考虑发送脉冲相对于采样模式的相对时间移位。
因此，本发明的另一实施方式的特征在于，所述接收信号序列中的所述接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于所述ADC采样模式移位，其中，第一时间移位的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：由所使用的ADC转换级中的每个对所述至少一个初始采样点进行采样的限定最小数量；用于确定所述距离的限定测量准确度；所述接收信号的测量信号值；以及所述预定义测量时间。
平均ADC转换误差例如可以根据不同值范围内的平均信号值而变化，例如，在(局部)ADC转换误差例如相比于针对具有低平均幅值的范围，针对具有更高平均幅值的范围更大的意义上。而且，局部误差的最小化(即，所实现的测距准确度)关键取决于实际测量信号变化(并因此被求平均)的值范围。
因此，另一实施方式的特征在于，所述接收信号序列中的所述接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于所述ADC采样模式移位，其结果是，通过限定数量的二次采样点对采样范围进行采样，其中，二次采样点的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：二次采样点的限定最小数量，特别是基于由所使用的ADC转换级中的每个对每个二次采样点进行采样的最小数量；用于确定所述距离的限定测量准确度；所述接收信号的测量信号值；以及预定义测量时间。
另一方面特别涉及基于“起始-停止(start-stop)”原理的测距，其中，对所述发射脉冲的信号序列和所述反射脉冲的接收信号序列进行采样并且在测距的背景下加以考虑。相比之下，在“仅停止(stop-only)”测量中，发射所述发送脉冲的时刻例如通过系统时钟获知，其中，仅对所述接收信号序列的所述反射信号进行采样。
在利用起始-停止采样的测量方法中，作为发送时刻的已知移位的结果，例如，基于系统时钟以及借助于对发送信号或发送信号序列进行采样对发送时刻的附加确定，可以确定可能未补偿或不可补偿的残留误差(特别是定时误差)，并且由此可以在从所述反射脉冲的接收信号序列导出的时刻或距离的确定的背景下应用附加校正。
从而，本发明的另一具体实施方式例如涉及这样的事实，即，所述发送信号的作为基准信号序列中的基准信号的至少部分经由具有已知不变长度的基准部分(referencesection)传递并借助于所述ADC被数字化，特别是借助于在处于已知不变距离处的目标物体处的反射或者不需要在所述目标物体处的在前反射，特别是，其中，所述基准部分完全在所述激光测距装置内延伸，其中，所述ADC采样模式相对于基准信号限定具有所述基准信号的至少一个初始基准采样点的初始基准采样模式，并且所述基准信号序列中的所述基准信号借助于所述第一时间移位相对于所述ADC采样模式移位，使得所述至少一个初始基准采样点由所述第一ADC转换级检测至少一次并且由所述第二ADC转换级检测至少一次；特别是，其中，所述基准信号序列中的基准信号借助于所述第二时间移位相对于所述ADC采样模式另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始基准采样点周围的限定采样范围内，出现所述基准信号的多个二次采样点，所述二次基准采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始基准采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
由于这种基准采样，可以基于数字化基准信号导出用于所述发送信号序列的基准发送时刻；可以基于系统时钟导出用于所述发送信号序列的系统发送时刻；以及可以基于所述基准发送时刻和所述系统发送时刻，导出用于确定所述第一时间移位和/或第二时间移位的基准时间信息，该基准时间信息在确定所述接收信号序列的接收时刻和/或确定离所述目标物体的距离期间加以考虑。
在另一实施方式中，借助于使所述发送信号的发送时刻移位和/或借助于使所述接收信号的采样时刻移位来生成相对时间移位。
在许多测距方法中，例如还借助于WFD，周期性地发射各个激光脉冲或多组短激光脉冲。作为例子，该脉冲重复率为几kHz到几MHz，其中，脉冲重复率根据更高频的振荡器导出，例如，也从中导出模数转换器的时钟频率。所述激光信号的发射时刻的时间移位可以借助于所述发送单元的触发通道中的数字移相器来设定。
例如，已知在12GHz下具有四到八位的相位分辨率以及优于四度的相位稳定性(其在12Ghz处例如对应于0.9psec的时间抖动)的电子移相器模块。
发送信号相对于接收器单元的时间移位因此可以按简单方式被设定和改变。在仅记录少量信号序列的短测量时间的情况下，移相单元下游的时间抖动可能过大。然而，所述时间抖动例如可以借助于下游连接的PLL(锁相环)被充分降低。
另一实施方式涉及这样的事实，即，所述发送信号基于发送时钟(具有固定发送时钟频率)被发射，并且发送信号的初始相对发射时刻相对于所述发送时钟被限定，和/或所述接收信号基于接收时钟(具有固定接收时钟频率)被检测，并且用于控制用于检测一系列接收信号的ADC的ADC时钟由接收时钟限定，其中，发送信号的相对于初始相对发射时刻在时间上移位的至少一个二次相对发射时刻借助于第一移相器被生成，和/或所述ADC时钟借助于第二移相器相对于接收时钟在时间上移位。
本发明还涉及一种用于确定离目标物体的距离的电子激光测距模块，该测距模块特别用于尤其被配置为激光跟踪仪、视距仪、激光扫描仪、或断面仪的激光测距装置，所述电子激光测距模块包括：具有发送单元的光学发送通道，该发送单元用于特别是借助于脉冲激光测量辐射来生成发送信号序列的发送信号；具有接收单元的光学接收通道，该接收单元用于接收发送信号序列中的所述发送信号的在目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列中的接收信号；接收电路，该接收电路用于利用模数转换器(下文中称为ADC，特别是交织ADC或流水线化ADC类型)将接收信号序列中的接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号，其中ADC采样模式由至少两个ADC转换级生成；以及监视和控制单元，该监视和控制单元用于基于数字信号序列的处理来确定离目标物体的距离；特别是，其中，距离的确定基于脉冲飞行时间方法。
根据本发明，所述激光测距模块按如下方式配置：ADC采样模式相对于接收信号限定具有接收信号的至少一个初始采样点的初始信号采样模式，并且接收信号序列中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于ADC采样模式在时间上移位，即，至少一个初始采样点由第一ADC转换级检测至少一次并且由第二ADC转换级检测至少一次；特别是，其中，接收信号序列中的接收信号借助于第二时间移位相对于ADC采样模式另外在时间上移位，使得在至少一个初始采样点周围的限定采样范围内，出现接收信号的多个二次采样点，所述二次采样点在每种情况下都移位ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对至少一个初始采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
举例来说，所述发送单元和所述接收单元可以按如下方式配置：激光脉冲触发和ADC时钟通过两个独立时钟发生器异步地生成。另选地，举例来说，所述激光脉冲触发和ADC时钟可以例如借助于一个或更多个锁相环(PLL，例如，整数PLL或分数PLL)从同一时钟发生器生成。
而且，采样时刻例如可以例如借助于移相器改变例如可设定(非常小)延迟，其中，例如，ADC时钟的频率对应于发送时钟的频率的倍数。
根据另一实施方式，所述激光测距模块按如下方式配置：所述发送信号基于发送时钟被发射，而所述接收信号基于ADC时钟被检测，其中，在测量处理的背景下满足以下条件中的至少一个：所述发送时钟相对于所述ADC时钟是异步的；所述发送时钟的周期持续时间和/或所述发送信号的周期持续时间不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间或者不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间的整数倍；以及与所述发送时钟频率和/或与所述发送信号的重复率相对应的发送周期Ts被给出为Ts＝(n+q)*TADC，其中，n是整数，q是绝对值在-1到+1之间的分数，而TADC是ADC时钟信号的周期持续时间，其中，针对所使用的ADC转换级的数量c，满足条件n模c≠0。
在一个具体实施方式中，所述激光测距模块按如下方式配置：接收信号序列中的接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于ADC采样模式移位，其中，第一时间移位的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：由所使用的ADC转换级中的每个对至少一个初始采样点进行采样的限定最小数量；用于确定所述距离的限定测量准确度；所述接收信号的测量信号值；以及预定义测量时间。
特别地，根据另一实施方式的激光测距模块按如下方式配置：所述接收信号序列中的接收信号利用限定数量的第二时间移位相对于ADC采样模式移位，其结果是，利用限定数量的二次采样点对采样范围进行采样，其中，二次采样点的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：相互不同的二次采样点的限定最小数量，特别是基于由所使用的ADC转换级中的每个对每个二次采样点进行采样的最小数量；用于确定所述距离的限定测量准确度；所述接收信号的测量信号值；以及预定义测量时间。
在另一实施方式中，所述激光测距模块按如下方式配置：所述发送信号的作为基准信号序列中的基准信号的至少部分经由具有已知不变长度的基准部分传递并借助于所述ADC被数字化，特别是借助于在处于已知不变距离处的目标物体处的反射或者不需要在目标物体处的在前反射，特别是，其中，所述基准部分完全在所述激光测距装置内延伸，其中，所述ADC采样模式相对于接收信号限定具有所述基准信号的至少一个初始基准采样点的初始基准采样模式，并且所述基准信号序列中的所述基准信号借助于所述第一时间移位相对于所述ADC采样模式移位，使得所述至少一个初始基准采样点由所述第一ADC转换级检测至少一次并且由所述第二ADC转换级检测至少一次；特别是，其中，所述基准信号序列中的所述基准信号借助于所述第二时间移位相对于所述ADC采样模式另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始基准采样点周围的限定采样范围内，出现所述基准信号的多个二次基准采样点，所述二次基准采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对至少一个初始基准采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
由于这种基准采样，可以基于所述数字化基准信号导出用于所述发送信号序列的基准发送时刻；可以基于系统时钟导出用于所述发送信号序列的系统发送时刻；以及可以基于所述基准发送时刻和所述系统发送时刻，导出用于确定所述第一时间移位和/或第二时间移位的基准时间信息，该基准时间信息在确定所述接收信号序列的接收时刻和/或确定离所述目标物体的距离期间加以考虑。
在另一实施方式中，所述激光测距模块按如下方式配置：借助于使所述发送信号的发送时刻移位和/或借助于使所述接收信号的采样时刻移位来生成相对时间移位。
另一实施方式涉及这样的事实，即，所述发送信号基于发送时钟被发射，并且发送信号的初始相对发射时刻相对于所述发送时钟被限定，和/或所述接收信号基于接收时钟被检测，并且用于控制用于检测一系列接收信号的ADC的ADC时钟由所述接收时钟限定，其中，借助于第一移相器生成发送信号的相对于初始相对发射时刻在时间上移位的至少一个二次相对发射时刻，和/或所述ADC时钟借助于第二移相器相对于所述接收时钟在时间上移位。
附图说明
下面，基于附图中示意性地例示的示例性实施方式，完全通过示例对根据本发明的测距方法和根据本发明的激光测距模块进行更详细描述。在图中，相同元件用相同标号识别。所述实施方式通常不按真实比例例示，也不应将它们理解为限制。
具体地，
图1a、图1b示出了根据现有技术的电光测距装置中的脉冲飞行时间方法的示意图；
图2a、图2b示出了利用ADC输入信号与数字化输出值之间的线性关系(a)并且利用微分非线性(b)，通过模数转换器(ADC)进行数字化的基本示图；
图3示出了针对快速ADC的积分非线性的典型误差曲线；
图4a至图4c示出了各个ADC转换级(例如，ADC内核)的偏移、定时以及增益特性/误差的示图；
图5示出了根据本发明的一个思想的接收信号序列的时间移位的示图；
图6a、图6b示出了对多个在时间上移位的接收信号求平均的示图，其中，时间移位在每种情况下都小于ADC时钟间隔(a)，而附加移位为ADC时钟间隔(b)的整数倍。
具体实施方式
图1a和图1b例示了诸如在根据现有技术的典型电光测距装置中使用的脉冲飞行时间原理。
图1a示出了根据脉冲飞行时间原理的现有技术的电光测距装置1的基本示图。发送器2和接收器3被布置在测距装置1中。发送器2发射光脉冲4，其在目标(例如，诸如后向反射器5的协作目标物体或者诸如自然表面的非协作目标物体)处的反射或反向散射之后，被接收器3再次检测为反向散射光脉冲4'。通常还可以使用连续调制的发送信号来代替光脉冲。
如图1b中示意性地阐明的，该距离根据飞行时间Tf被确定为光脉冲4的发射起始时刻与反向散射光脉冲4'的接收时刻之间的时间差。在这种情况下，通过评估信号脉冲s(t)的特征(例如，通过超过信号阈值或者(如在本发明中)通过对信号脉冲进行采样)来确定接收时刻，其中，在识别接收信号的关联发送信号的编码之后，脉冲飞行时间根据经采样并数字化的信号的限定分布点(例如，拐点、曲线最大值)被非常准确地确定，或者借助于根据时间插值已知的最佳滤波被整体地确定。用于确定限定分布点的另一方法例如还包括将接收信号转换成偶极信号并且随后确定零交叉。
在对反向散射脉冲进行时间上非常精确采样的方法中，由检测器生成的电信号借助于模数转换器(ADC)被转换成数字信号序列，然后，通常进一步实时处理所述数字信号。通过与发射率同步地使用多个样本序列和/或接收信号的总和，甚至在不利情况下也可以识别有用信号，使得可以应付甚至相对大距离或背景场景，这些场景嘈杂或者受干扰所困扰。
在快速模数转换器(ADC)中，结合信号值的高分辨率的高采样率例如通过多个ADC转换级来实现，例如通过在时间上交织(“交织”)多个慢ADC或ADC转换级，和/或通过按级量化(“流水线”、“流水线化”)来实现。在这种情况下，尽管经过仔细内部校正，仍会出现架构典型误差，该误差随时间和例如温度而变化。
在交织ADC的情况下，该误差特别是由于不同ADC转换级在偏移、增益以及定时方面不具有完全相同的特性而出现。
在流水线化ADC的情况下，典型误差通常表现为微分非线性DNL和积分非线性INL。DNL和INL是在将模拟信号值转换成数字(整数)值期间的误差，例如，因随着步骤变得越来越精细/分辨率变得越来越高而在流水线化ADC中按级量化所引起的。
图2a和图2b例示了在由模数转换器(ADC)进行数字化期间的微分非线性DNL的影响。这些图在每种情况下示出针对所生成的数字信号DS根据模拟ADC输入信号的电压V的标绘图。
图2a例示了理想情况，其中，数字化以如下方式实现，即，阈值电压与下一个数字值之差是恒定的，即，产生利用数字化阶跃函数6a的线性数字化，其步长VLSB是恒定的。在每种情况下，两个相邻数字值(例如，数字值001和010)由此对应于两个转换后的模拟输入电压，其间具有恰好一个设定点电压VLSB(“最低有效位”)的间隔。
与此形成对比，图2b示出了微分非线性DNL的影响，其中，现在在每种情况下，相邻数字值(例如，数字值001和010)对应于具有小于或大于设定点电压VLSB的电压差的模拟输入电压。这产生了利用变化步长的数字化阶跃函数6b的非线性数字化。
INL误差本质上是累积达输入信号的电压值V的所有DNL误差之和，并且可以获得多个LSB。因此，即使在信号值适度波动的情况下，INL误差特别是对数字化信号波形准确度具有严重影响，并且作为INL误差的结果，在距离上，在测距期间出现采样模式的距离的周期性距离误差。
图3示出了例如快速交织ADC架构或者流水线ADC的针对积分非线性INL的典型误差曲线7。INL误差曲线7示出了数字化值与以LSB为单位表达的理想设定点值根据ADC输入电压V的偏差。
为简单起见，INL误差曲线7(通常为S形)的全局分布图在此由具有三个不同梯度的之字形线8表示。如果接收信号的采样电压值保持在具有大致线性梯度值的INL范围内，那么这产生幅值依赖信号增益，其导致脉冲形状畸变并降低了测距准确度。如果采样的信号波形包括与INL曲线的平均线性梯度范围的相对大偏差(该信号波形例如包括之字形线8的“弯折”)，那么在该信号波形上会出现进一步畸变，并且测距准确度相对于采样模式呈现循环误差。
INL误差曲线7的局部曲率(INL误差曲线7相对于全局分布图8的局部漂移/偏差)产生例如相对于采样模式至少单独周期性的测距误差。INL曲线的所述局部漂移(excursion)显著影响测距准确度。INL误差曲线的局部曲率以及由此产生的测距误差同样由本发明的特征来校正。
图4a至图4c例示了各个ADC转换级(例如，交织ADC中的各个ADC内核)的偏移、定时以及增益特性/误差，这从ADC内核到ADC内核可能稍微不同。
图4a例示了在将传入模拟信号10转换成数字化值11(从其依次导出输出信号12)期间的偏移误差9(通常还称为零误差)。偏移误差9指示当前数字化阶跃函数6a(参见图2a)在单独点处多好地再现理想传递函数。在理想ADC的情况下，第一转换发生在0.5LSB处，其中，将零电压施加至传入模拟信号10。根据零电压的设定、外部影响(例如，温度)、以及电子装置的内部特性，ADC转换级的内部输出的电压电平例如在交织ADC的情况下不同。
图4b例示了定时误差13(还称为偏斜)，这是由于用于对模拟信号10'采样的不同ADC转换级或ADC的相对采样间隔不同的事实引起的，其结果是，模拟信号10'通过非均匀采样模式进行采样。结果，在根据由不同ADC转换级数字化的值14A、14B重建模拟信号10’期间出现信号波形的畸变。
图4c例示了增益误差，例如，在交织式ADC的情况下。ADC或ADC转换级的增益误差是乘性误差，并且描述了ADC输入电压与ADC输出信号之间的比例关系，即，有效数字化阶跃函数6a的梯度(参见图2a)多好地再现理想传递函数。典型地，传入信号在ADC中被放大或缓冲。作为内部ADC内核组件的不同增益因子的结果，因为不同ADC内核组件表示不同放大模拟信号15A、15B，所以数字化信号波形畸变。
根据本发明，借助于接收信号序列通过至少一个初始采样点相对于ADC采样模式的时间移位，对具有变化信号值的不同信号位置的多个采样(特别是，短于ADC采样模式的时钟间隔的时间移位)被生成并且例如被求平均，其中，尤其是INL误差，并且特别是在交织ADC的情况下，例如，定时误差以及ADC转换级的增益和偏移差异被求平均并且降低。
图5例示了根据本发明的接收信号序列17的相对于ADC采样模式18的接收信号16A到相对于在此的固定ADC采样模式18在时间上移位的接收信号16B的相对时间移位，其中，这里ADC采样模式18由具有两个转换级的ADC生成。结果，例如，借助于在测量的起始时刻相对于接收信号16A的ADC采样模式18的布置，相对于接收信号16A限定了具有初始采样点20A、20B的初始信号采样模式19，其中，这里初始采样点被交替地指配给第一ADC转换级20A和第二ADC转换级20B。
作为相对时间移位dT(这里恰好是ADC采样模式18的一个时钟周期)(“第一”时间移位)的结果，例如，作为对发送信号的发送时刻进行时间移位的结果，例如，借助激光器相对于ADC采样以不同频率或异步地操作，各个接收信号在相应初始采样点20A、20B处在每种情况下交替地由第一转换级和第二转换级进行采样。
另外，举例来说，可以生成比ADC时钟信号18的时钟间隔更小的(“明显的”，见下文)相对时间移位(“第二”时间移位，未例示)，其结果是，各个接收信号在ADC采样模式18上在相应初始采样点20A、B周围的限定时间范围内被“移位”。结果，在初始采样点20A、20B周围对每个脉冲采样，另外多个二次采样在每种情况下移位ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，其中，借助二次采样点，初始采样点20A、20B周围的具有变化幅值(变化信号值)的不同信号位置被数字化并且例如被求平均。
明显小于ADC采样模式18的时钟间隔(周期持续时间)的一部分相对时间移位可以例如借助发送信号序列的各个信号之间的时间距离(例如为接收单元的n+q个时钟间隔)来生成，其中，n为整数并且q<1。然后，即使n例如为555，二次采样的接收信号的相对时间移位也小于初始采样的接收信号的时钟间隔。
如果ADC转换器的架构包括c个转换级，那么例如如果在表达式n+q中，数字n模c＝r不等于0是有利的。如果这可应用，那么有效时间移位是r+q个时钟间隔，并且接收信号在ADC中从转换级m移位至转换级m+r。例如如果(n模c)＝1或者c-1保持为真，则存在最佳设定。例如在图6a和图6b中描述了两个示例。
通过扫过不同幅值(信号值)(即，ADC转换级的不同误差区)，例如，借助于对多个接收信号求平均，INL误差影响和定时误差的影响以及测距的增益和偏移差异被显着减小。
用于具体补偿INL误差贡献的另选解决方案(考虑到幅值变化的相同概念)例如在欧洲申请“Laser distance measuring module with INL error compensation”(申请号EP16205847.3)中进行了描述，其由同一申请人在同一天提交。
图6a例示了对接收信号序列的多个相同接收信号16X(“单个发射”)进行求平均，这里例如借助于四个不同ADC转换级来处理，例如，交织架构中的四个不同ADC转换级22A、22B、22C、22D。
根据本发明，单发射(shots)例如以如下方式发射，即，接收信号在每种情况下在初始采样点20处被采样，多个附加二次采样点21在限定采样范围内布置初始采样点20周围，其中，二次采样点21在每种情况下与关联初始采样点相差仅ADC时钟间隔的一部分(以上称为“第二”时间移位)。例如，与这里ADC转换器的c＝4个转换级相比，如果发送信号序列的各个信号之间的时间距离n+q(参见上面关于图5的描述)满足关系n模c＝0，则是这种情况，因此，其意指通过同一指配转换级在多个发送信号序列上对二次采样点进行采样(更精确地说，其1/q)。在足够数量的所接收发送信号之后，这里出现足够误差消除，特别是如果每个初始采样点的子样本已经经过接收信号16X的限定值范围。
如图6b所示，这对于预定义误差消除特别有利，例如，为了显著缩短求平均所需的信号脉冲的数量，并因此缩短测量时间，除了从ADC的转换级至转换级连续移位(超过“第二”时间移位，<时钟间隔)整数倍时钟间隔之外，在每种情况下使各个信号脉冲16X移位(以上称为“第一”时间移位)。
例如，如果在表达式n+q中，数字n模c＝r不等于0，则实现有效时间移位。针对发送信号周期的最佳设定例如在n模c＝1或＝c-1时呈现，这意味着对应二次采样点从转换级到转换级移位并被采样。结果，指配给ADC转换级的子样本22A、22B、22C、22D已经在少量信号脉冲之后被混合，并且在短测量时间之后已经确保了足够误差消除。
很明显，例示的所述图仅示意性地例示了可能示例性实施方式。不同方法同样可以彼此组合而且与根据现有技术的方法相组合。

Claims (25)

1.一种用于确定离目标物体的距离的测距方法，所述测距方法用于激光测距装置，所述测距方法包括以下步骤
·发射发送信号作为发送信号序列，
·接收所述发送信号序列中的所述发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列(17)中的接收信号(16A、16B)，
·借助于模数转换器将所述接收信号序列中的所述接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号(11、14A、14B)，所述模数转换器在以下称为ADC，ADC采样模式(18)由至少两个ADC转换级(22A、22B、22C、22D)生成，以及
·处理所述数字信号序列，以便导出离所述目标物体的距离，
其中
·所述ADC采样模式(18)相对于接收信号限定具有所述接收信号的至少一个初始采样点(20、20A、20B)的初始信号采样模式(19)，并且
·所述接收信号序列(17)中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)在时间上移位：所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)由第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次。
2.根据权利要求1所述的测距方法，
其中
所述接收信号序列(17)中的接收信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述接收信号的多个二次采样点(21)，所述二次采样点在每种情况下都移位ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
3.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
所述发送信号基于发送时钟被发射，并且所述接收信号基于ADC时钟被检测，其中，在测量处理的背景下满足以下条件中的至少一个：
·所述发送时钟相对于所述ADC时钟是异步的，
·所述发送时钟的周期持续时间和/或所述发送信号的周期持续时间不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间或者不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间的整数倍，以及
·与所述发送时钟频率和/或与所述发送信号的重复率相对应的发送周期Ts被给出为Ts＝(n+q)*TADC，其中，n是整数，q是绝对值<1的分数，并且TADC是所述ADC时钟信号的周期持续时间，其中，针对所使用的ADC转换级的数量c，满足条件n模c≠0。
4.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，其中，第一时间移位的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：
·由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个对所述至少一个初始采样点进行采样的限定最小数量，
·用于确定所述距离的限定测量准确度，
·所述接收信号的测量信号值，以及
·预定义测量时间。
5.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，结果是，通过限定数量的二次采样点(21)对采样范围进行采样，其中，二次采样点的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：
·相互不同的二次采样点的限定最小数量，
·用于确定所述距离的限定测量准确度，
·所述接收信号的测量信号值，以及
·预定义测量时间。
6.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
所述发送信号的作为基准信号序列(17)中的基准信号的至少部分经由具有已知不变长度的基准部分传递并借助于所述ADC被数字化，其中
·所述ADC采样模式(18)相对于基准信号限定具有所述基准信号的至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)的初始基准采样模式(19)，并且
·所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于所述第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，使得所述至少一个初始基准采样点由所述第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由所述第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次，
其中，所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述基准信号的多个二次基准采样点(21)，所述二次基准采样点在每种情况下都移位ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始基准采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样，
其中
·基于数字化的基准信号导出用于所述发送信号序列的基准发送时刻，
·基于系统时钟导出用于所述发送信号序列的系统发送时刻，以及
·基于所述基准发送时刻和所述系统发送时刻，导出用于确定所述第一时间移位和/或第二时间移位的基准时间信息，所述基准时间信息在确定所述接收信号序列的接收时刻和/或确定离所述目标物体的距离期间加以考虑。
7.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
如下生成相对时间移位
·借助于使所述发送信号的发送时刻移位，和/或
·借助于使所述接收信号的采样时刻移位。
8.根据权利要求1或2所述的测距方法，
其中
·所述发送信号基于发送时钟被发射，并且发送信号的初始相对发射时刻相对于所述发送时钟被限定，和/或
·所述接收信号基于接收时钟被检测，并且用于控制用于检测一系列接收信号的ADC的ADC时钟由所述接收时钟限定，
其中
·所述发送信号的相对于所述初始相对发射时刻在时间上移位的至少一个二次相对发射时刻借助于第一移相器被生成，和/或
·所述ADC时钟借助于第二移相器相对于所述接收时钟在时间上移位。
9.根据权利要求1所述的测距方法，
其中
所述发送信号是脉冲发送信号。
10.根据权利要求1所述的测距方法，
其中
所述ADC是交织ADC或流水线化ADC型。
11.根据权利要求5所述的测距方法，
其中
所述限定最小数量是基于由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个ADC转换级对每个二次采样点进行采样的最小数量的。
12.根据权利要求6所述的测距方法，
其中
所述至少部分借助于在处于已知不变距离的目标物体处的反射或者不需要在所述目标物体处的在前反射被数字化。
13.根据权利要求6所述的测距方法，
其中
所述基准部分完全在所述激光测距装置内延伸。
14.一种用于确定离目标物体的距离的电子激光测距模块，所述电子激光测距模块用于测距装置中，所述电子激光测距模块包括
·具有发送单元的光学发送通道，所述发送单元用于借助于脉冲激光测量辐射来生成发送信号序列的发送信号，
·具有接收单元的光学接收通道，所述接收单元用于接收所述发送信号序列中的发送信号的在所述目标物体处反射的至少部分，作为接收信号序列(17)中的接收信号(16A、16B)，
·接收电路，所述接收电路用于利用模数转换器将所述接收信号序列中的接收信号数字化成数字信号序列中的数字信号(11、14A、14B)，所述模数转换器此后被称为ADC，其中ADC采样模式(18)由至少两个ADC转换级(22A、22B、22C、22D)生成，以及
·监视和控制单元，所述监视和控制单元用于基于所述数字信号序列的处理来确定离所述目标物体的距离，
其中
所述激光测距模块按如下方式配置：
·所述ADC采样模式(18)相对于接收信号限定具有所述接收信号的至少一个初始采样点(20、20A、20B)的初始信号采样模式(19)，并且
·所述接收信号序列(17)中的接收信号按如下方式借助于第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)在时间上移位：所述至少一个初始采样点(20、20A，20B)由第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次。
15.根据权利要求14所述的激光测距模块，
其中
所述接收信号序列(17)中的接收信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述接收信号的多个二次采样点(21)，所述二次采样点在每种情况下都移位所述ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始采样点(20、20A、20B)周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样。
16.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
所述激光测距模块按如下方式配置：所述发送信号基于发送时钟被发射，并且所述接收信号基于ADC时钟被检测，其中，在测量处理的背景下满足以下条件中的至少一个：
·所述发送时钟相对于所述ADC时钟是异步的，
·所述发送时钟的周期持续时间和/或所述发送信号的周期持续时间不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间或者不同于所述ADC时钟信号的周期持续时间的整数倍，以及
·与所述发送时钟频率和/或与所述发送信号的重复率相对应的发送周期Ts被给出为Ts＝(n+q)*TADC，其中，n是整数，q是绝对值在-1到+1之间的分数，并且TADC是所述ADC时钟信号的周期持续时间，其中，针对所使用的ADC转换级的数量c，满足条件n模c≠0。
17.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
所述激光测距模块按如下方式配置：所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，其中，第一时间移位的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：
·由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个对所述至少一个初始采样点进行采样的限定最小数量，
·用于确定所述距离的限定测量准确度，
·所述接收信号的测量信号值，以及
·预定义测量时间。
18.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
所述激光测距模块按如下方式配置：所述接收信号序列(17)中的接收信号利用限定数量的第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，结果是，通过限定数量的二次采样点(21)对采样范围进行采样，其中，二次采样点的数量基于以下组中的至少一个元素来设定：
·相互不同的二次采样点的限定最小数量，
·用于确定所述距离的限定测量准确度，
·所述接收信号的测量信号值，以及
·预定义测量时间。
19.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
所述激光测距模块按如下方式配置：所述发送信号的作为基准信号序列(17)中的基准信号的至少部分经由具有已知不变长度的基准部分传递并借助于所述ADC被数字化，其中
·所述ADC采样模式(18)相对于基准信号限定具有所述基准信号的至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)的初始基准采样模式(19)，并且
·所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于所述第一时间移位相对于所述ADC采样模式(18)移位，使得所述至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)由所述第一ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次并且由所述第二ADC转换级(22A、22B、22C、22D)检测至少一次，
其中，所述基准信号序列(17)中的基准信号借助于第二时间移位相对于所述ADC采样模式(18)另外在时间上移位，使得在所述至少一个初始基准采样点(20、20A、20B)周围的限定采样范围内，出现所述基准信号的多个二次基准采样点(21)，所述二次基准采样点在每种情况下都移位ADC时钟信号的周期持续时间的一部分，并且这导致对所述至少一个初始基准采样点周围的具有变化信号值的不同信号位置进行采样，
其中
·基于数字化的基准信号导出用于所述发送信号序列的基准发送时刻，
·基于系统时钟导出用于所述发送信号序列的系统发送时刻，以及
·基于所述基准发送时刻和所述系统发送时刻，导出用于确定所述第一时间移位和/或第二时间移位的基准时间信息，所述基准时间信息在确定所述接收信号序列的接收时刻和/或确定离所述目标物体的距离期间加以考虑。
20.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
如下生成相对时间移位
·借助于使所述发送信号的发送时刻移位，和/或
·借助于使所述接收信号的采样时刻移位。
21.根据权利要求14或15所述的激光测距模块，
其中
·所述发送信号基于发送时钟被发射，并且发送信号的初始相对发射时刻相对于所述发送时钟被限定，和/或
·所述接收信号基于接收时钟被检测，并且用于控制用于检测一系列接收信号的所述ADC的ADC时钟由所述接收时钟限定，
其中
·所述发送信号的相对于初始相对发射时刻在时间上移位的至少一个二次相对发射时刻借助于第一移相器被生成，和/或
·所述ADC时钟借助于第二移相器相对于所述接收时钟在时间上移位。
22.据权利要求14所述的激光测距模块，
其中
所述ADC是交织ADC或流水线化ADC型。
23.根据权利要求18所述的激光测距模块，
其中
所述限定最小数量是基于由所使用的ADC转换级(22A、22B、22C、22D)中的每个ADC转换级对每个二次采样点进行采样的最小数量的。
24.根据权利要求19所述的激光测距模块，
其中
所述至少部分借助于在处于已知不变距离的所述目标物体处的反射或者不需要在所述目标物体处的在前反射被数字化。
25.根据权利要求19所述的激光测距模块，
其中
所述基准部分完全在所述测距装置内延伸。
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