CN110579770A - 补偿速度相关的距离测量误差的双射束fmcw距离测量方法 - Google Patents

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Abstract

补偿速度相关的距离测量误差的双射束FMCW距离测量方法。本发明涉及根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量的距离测量方法和测距仪，其中，分别作为第一发射辐射或者作为第二发射辐射向目标发射包括规定第一调制频带(8A)的第一频率调制(1A)的第一激光辐射的至少一部分和包括规定第二调制频带(8B)的第二频率调制(1B)的第二激光辐射的至少一部分。根据本发明，确定表示第一调制频带(8A)与第二调制频带(8B)之间的频率偏移的参数(tTOIF)，并且在确定距该目标的至少一个距离期间考虑所述参数(tTOIF)，以得出第一频率调制(1A)与第二频率调制(1B)之间的频率差(9)。

Description

补偿速度相关的距离测量误差的双射束FMCW距离测量方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量的距离测量方法和根据权利要求8的前序部分所述的测距仪。
背景技术
在电子测距领域已知各种原理和方法。一种方法是发射经频率调制的电磁辐射作为朝向待测量目标的发射信号，并且随后接收作为接收信号(也称为回波或回波信号)的该辐射从目标返回的至少一部分。在这种情况下，待测量目标可以包括反射式后向散射特性(例如，如果使用后向反射器)以及漫射式后向散射特性二者。
在接收后，回波信号与本机振荡器信号交叠以产生差拍信号，其中，该差拍信号具有与发射信号的飞行时间相关联的拍频。然后可以基于该拍频得出距目标的距离。
混合/交叠主要用于将接收信号朝着较低频率变换并放大，由此可以确定飞行时间，并因此可以利用所使用的辐射的已知传播速度来确定距待测量目标的距离。
还称为频率调制连续波雷达装置或FMCW雷达装置的所谓的FMCW测距仪(FMCW：“频率调制连续波”雷达)能够对待测量目标进行绝对距离测量。
可调谐激光源用于FMCW排布结构。在原则上最简单的实施方式中，在这种情况下，激光源的光学频率的调谐是线性地并按已知调谐速率执行的，然而，其中，这样生成的发射信号的绝对波长仅在一定程度上是已知的。接收信号与根据所发射的发射信号得出的第二信号交叠。由此产生的混合产物(干涉图)的拍频是距目标的距离的量度。
该基本实施方式的不同改进在现有技术中是已知的，例如使用参考干涉仪来测量激光器的调谐行为。
用于实现这些方法的测距装置通常使用信号发生器，借助于该信号发生器，将信号(例如，上升频率斜坡或下降频率斜坡)应用至可以调制的辐射源。可以调制的激光器通常用作光学领域中的辐射源。发射光学单元和接收光学单元用于光学领域的发射和接收，该发射光学单元和接收光学单元的下游连接有用于外差混合的检测器或正交检测器、A/D转换器以及数字信号处理器。
所发射的发射信号的频率的变化表示测量的尺度。根据距离测量的准确度要求，可以借助于附加测量更精确地验证或确定该尺度。例如，激光源的充分线性调谐通常需要额外工作量。为此，例如，经由具有规定参考长度的参考干涉仪来引导所发射的辐射的一部分。所发射的辐射信号随时间的频率变化可以基于已知的参考长度根据所得到的拍频产物来获得。如果该参考长度未知或不稳定(例如由于温度影响)，那么例如可以经由附加校准单元(例如，气室(gas cell)或Fabry-Perot元件)对该参考长度进行确定。
在最有利的情况下，该目标是相对于测距仪静止的目标，即，相对于测距仪具有不随时间变化的距离的目标。然而，也可以利用适当的补偿措施来对移动或振动目标进行绝对距离测量。
由于多普勒效应，目标相对于测距仪的径向移动导致接收频率的多普勒频移。然而，例如，通过借助于连续上升和下降的频率斜坡的组合测量，可以补偿该多普勒频移，因为在目标具有恒定径向速度的情况下，该多普勒频移对于两个斜坡来说是相等的，然而其中，由这两个斜坡产生的拍频具有不同的符号。
然而，通过使用按时间顺序连续的相反斜坡，即，随着啁啾(chirp)符号的连续变化，可用的测量速率也随之减半。此外，该方法基于在两个斜坡的循环时间期间提供的恒定相对目标速度。然而，在实践中，目标相对于测距仪的恒定相对速度的这种假设通常是不准确的，其中，在测量过程期间目标的加速度和/或振动、散斑效应或者其它效应导致距离测量中的不可忽略的测量波动。
为了补救这些问题，例如，在现有技术中使用两个同时且相反的频率斜坡，即，其中，发射具有两个辐射分量的辐射，其中，第一辐射分量的频率被“向上”调谐，即，向较高的频率调谐，并且同时，第二辐射分量的频率被“向下”调谐，即，向较低的频率调谐。因此，对目标的恒定相对径向速度的要求受限于短时间窗口。此外，例如，通过这种所谓的相反啁啾也可以避免测量速率的降低。
为了能够以度量学方式分离辐射分量，现有技术中已知各种措施，例如，基于极化的分离、基于频谱的分离或算法分离。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种改进的FMCW距离测量方法和测距仪。
该目的通过实现独立权利要求的特征化特征来实现。按另选或有利方式精炼本发明的特征可以根据从属专利权利要求来推断出。
本发明涉及一种距离测量方法，该距离测量方法具有以下步骤：生成第一激光辐射和第二激光辐射，其中，所述第一激光辐射包括定义第一调制频带的第一频率调制，并且所述第二激光辐射包括定义第二调制频带的第二频率调制，其中，所述第一频率调制的梯度在至少一些时间段内不同于所述第二频率调制的梯度(即，其中，在每种情况下，用于FMCW分析(FMCW：频率调制连续波雷达)的第一频率调制的时间段对应于第二频率调制的时间段，尤其是同时的，并且第一频率调制或第二频率调制在这些相应的时间段中各自包括用于FMCW分析的彼此相对应的不同梯度)；同时分别向目标发射所述第一激光辐射的至少一部分和所述第二激光辐射的至少一部分，作为第一发射辐射或者作为第二发射辐射；分别接收所述第一发射辐射从所述目标返回的至少一部分和所述第二发射辐射从所述目标返回的至少一部分，作为第一接收辐射或者作为第二接收辐射；基于所述第一接收辐射与第一本机振荡器辐射的混合或者基于所述第二接收辐射与第二本机振荡器辐射的混合，分别生成第一混合信号和第二混合信号，以根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量；以及基于所述第一混合信号和所述第二混合信号，确定距所述目标的至少一个距离。
通常，为了根据频率调制连续波雷达的原理来执行距离测量，例如，将所述第一激光辐射的至少一部分或者所述第二激光辐射的至少一部分分别提供至本机振荡器，以分别产生所述第一本机振荡器辐射或所述第二本机振荡器辐射，即，所述第一混合信号和所述第二混合信号分别表示差拍信号，所述差拍信号的拍频分别与所述第一发射辐射或所述第二发射辐射的飞行时间相关。
然而另选地，也可以通过不同的激光辐射源生成本机振荡器辐射。
所述第一激光辐射和所述第二激光辐射的生成例如可以按这样的方式执行，即，所述第一发射辐射和所述第二发射辐射被作为两个分离的发射射束向目标发射，或者所述第一激光辐射的至少一部分与所述第二激光辐射的至少一部分交叠，使得所述第一发射辐射和所述第二发射辐射被分别作为共同交叠射束的第一射束分量和第二射束分量来发射。尤其是，如果共同交叠射束被配置成分别与所述第一射束分量或所述第二射束分量相关联的接收频率可以在接收器处通过算法进行分离，那么对于执行根据本发明的距离测量方法是足够的。无需进行光学分离。
尤其是，所述第一混合信号和所述第二混合信号例如还可以是两个单独生成的信号，或者所述第一混合信号和所述第二混合信号可以是共同混合信号的两个不同的信号分量，所述共同混合信号由所述第一激光辐射的一部分、所述第二激光辐射的一部分、所述第一接收辐射的一部分以及所述第二接收辐射的一部分的共同混合而生成。
显然，所述距离测量方法可以包括来自现有技术的有利于根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量的另一些通用方法步骤。
尤其是，例如，所述第一激光辐射和所述第二激光辐射以这样的方式生成，即，所述第二频率调制包括如下至少一个时间段，在所述至少一个时间段中，所述第二频率调制具有与所述第一频率调制的调制方向相反的(尤其是反向延伸的)调制方向，尤其是其中，所述第一频率调制和所述第二频率调制根据具有相反的啁啾的频率调制连续波雷达来生成。
根据本发明，还确定表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数，并且在确定距所述目标的至少一个距离期间考虑所述参数，以得出所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差。
如已提到的，FMCW测距仪中的距离测量基于所发射的发射信号的频率变化，而在现有技术中则相反，通常省略了准确确定所生成的发射信号的绝对频率。由于频率变化通常很小，因此为了简化测量分析，通常进行的隐含假设是，例如相反的频率斜坡的频率是相同的。严格说来，该假设仅在径向目标速度等于零时导致没有距离测量误差，而在不可忽略的径向速度不等于零的情况下则相反，在每种情况下都产生距离测量误差，这取决于所述第一激光辐射和所述第二激光辐射的当前设定频率值，和/或取决于调谐的频率值的曲线，并且取决于当前的径向速度。
这种所谓的动态误差可以通过本发明进行补偿，其中，可以在第一步骤中通过确保所述第一激光辐射和所述第二激光辐射具有彼此大致相等的基频，在所述装置处减小所述动态误差。尤其是，所述第一频率调制和所述第二频率调制例如按这样的方式相对于彼此进行调制，即，所述第一频率调制和所述第二频率调制在恒定的中心频率附近发生。
此外，根据本发明，尤其是简化的估计项可以被用于补偿所述动态误差，这完全取决于所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差，其中，可以省略对所述第一频率调制和所述第二频率调制的绝对频率的确定。
根据一个实施方式，表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数是时间交点，在该时间交点，所述第一激光辐射和所述第二激光辐射具有相同的频率。
所述时间交点例如可以根据所述第一激光辐射的至少一部分和所述第二激光辐射的至少一部分的交叠的干涉曲线来确定。所述两个激光束在交点处具有相同的频率，其中，例如，来自所述第一激光辐射和所述第二激光辐射在本机振荡器处的交叠的干涉信号在所述时间交点处具有强干涉偏转。发生这种干涉偏转的时间点(也称为干涉时间点)可以利用相对简单的手段来确定，例如，基于所述干涉曲线的干涉信号强度的阈值。
例如，基于具有相对于所述交点的已知时间偏移的规定测量间隔，基于所述第一频率调制的已知参数和所述第二频率调制的已知参数，可以确定所述测量间隔内的一时间点处所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的实际频率差的近似值。
基于表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数，以及针对所述第一频率调制的第一曲线参数和针对所述第二频率调制的第二曲线参数，来确定所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差，其中，尤其是，所述第一曲线参数表示所述第一频率调制的梯度和/或所述第二曲线参数表示所述第二频率调制的梯度。
尤其是，在测量间隔期间进行对所述至少一个距离的确定，其中，所述测量间隔以及所述第一频率调制和所述第二频率调制按这样的方式彼此适应，即，所述第一发射辐射和所述第二发射辐射在所述测量间隔期间各自包括基本上线性的频率调制。
此外，根据另一实施方式，针对参考干涉仪的参考参数，对所述第一频率调制的频率曲线和/或所述第二频率调制的频率曲线的进行参考，其中，在确定所述至少一个距离期间，基于所述参考来补偿在生成所述第一频率调制和/或所述第二频率调制时的非线性。因此，例如，可以通过确保所述激光源的充分线性调谐，来增强所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的实际频率差的近似值的估计准确度。
本发明还涉及一种测距仪，该测距仪具有激光辐射源，该激光辐射源被配置成生成第一激光辐射和第二激光辐射，其中，所述第一激光辐射包括定义第一调制频带的第一频率调制，并且所述第二激光辐射包括定义第二调制频带的第二频率调制，并且其中，所述第一频率调制的梯度在至少一些时间段内不同于所述第二频率调制的梯度。此外，所述测距仪还包括：发射路径，该发射路径被配置成同时分别向目标发射所述第一激光辐射的至少一部分和所述第二激光辐射的至少一部分，作为第一发射辐射或者作为第二发射辐射；接收器，该接收器被配置成分别接收所述第一发射辐射从所述目标返回的至少一部分和所述第二发射辐射从所述目标返回的至少一部分，作为第一接收辐射或者作为第二接收辐射；混合器，该混合器被配置成基于所述第一接收辐射与第一本机振荡器辐射的混合或者基于所述第二接收辐射与第二本机振荡器辐射的混合，分别生成第一混合信号和第二混合信号，以根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量；以及处理单元，该处理单元被配置成基于所述第一混合信号和所述第二混合信号，确定距所述目标的至少一个距离。
显然，所述测距仪可以包括来自现有技术的有利于根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量的其它通用特性和组件。尤其是，所述第一本机振荡器辐射或所述第二本机振荡器辐射可以分别从所述第一激光辐射或第二激光辐射生成，其中，所述第一激光辐射的一部分或第二激光辐射的一部分各自通过本机振荡器路线引导，或者所述本机振荡器辐射也可以由不同的激光辐射源生成。
所述激光辐射源和所述发射路径例如可以被配置成使得所述第一激光辐射和所述第二激光辐射的生成按这样的方式来执行，即，所述第一发射辐射和所述第二发射辐射被作为两个分离的发射射束朝着目标发射，或者所述第一激光辐射的至少一部分与所述第二激光辐射的至少一部分交叠，使得所述第一发射辐射和所述第二发射辐射被分别作为共同交叠射束的第一射束分量或者第二射束分量来发射。如果共同交叠射束被配置成，使得与所述第一射束分量或所述第二射束分量相关联的接收频率可以在接收器处通过算法进行分离，那么所述方法尤其足够。
此外，所述第一混合信号和所述第二混合信号例如可以是两个单独生成的信号，或者所述第一混合信号和所述第二混合信号可以是共同混合信号的两个不同的信号分量，所述共同混合信号由所述第一激光辐射的一部分、所述第二激光辐射的一部分、所述第一接收辐射的一部分以及所述第二接收辐射的一部分的共同混合而生成。
根据本发明，所述处理单元被配置成，确定表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数，并且在确定距所述目标的至少一个距离期间考虑该参数，以得出所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差。
尤其是，根据本发明的测距仪被配置成执行上述距离测量方法。
根据一个实施方式，所述测距仪尤其被配置成，所述第二频率调制包括如下至少一个时间段，在所述至少一个时间段中，所述第二频率调制具有与所述第一频率调制的调制方向相反的(尤其是反向延伸的)调制方向。
在一个实施方式中，表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数是时间交点，在该时间交点，所述第一频率调制和所述第二频率调制具有相同的频率。
例如，在另一实施方式中，所述测距仪针对该目的而具有干涉仪排布结构，该干涉仪排布结构被配置成，生成所述第一激光辐射的至少一部分与所述第二激光辐射的至少一部分的交叠的干涉曲线，并且所述处理单元被配置成，根据所述干涉曲线确定所述时间交点。
例如，将所述干涉曲线的干涉信号强度的阈值存储在所述处理单元上，所述阈值尤其是能够设定的，并且基于所述阈值和所述干涉曲线来确定所述时间交点。
在某些情况下，如果根据所述测距仪的已知组件规格和控制信号(例如，基于所述测距仪的信号发生器的、用于生成所述第一频率调制和所述第二频率调制的已知启用)得出了所述第一激光辐射的频率和所述第二激光辐射的频率的时间相关性，那么这就足够了。
例如，根据另一实施方式，将针对所述第一频率调制的第一曲线参数和针对所述第二频率调制的第二曲线参数存储在所述处理单元上，并且所述处理单元被配置成，基于表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数，并且还基于所述第一曲线参数和所述第二曲线参数，来确定所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差。
例如，所述第一曲线参数表示所述第一频率调制的梯度和/或所述第二曲线参数表示所述第二频率调制的梯度。
然而，为了增加准确度或者用于装置监测(例如，检测所述测距仪的老化过程)，可以在所述测距仪中安装用于确定所述第一频率调制和所述第二频率调制的附加排布结构。
例如，根据另一实施方式，所述测距仪包括参考干涉仪，该参考干涉仪被配置成，针对所述参考干涉仪的参考参数，对所述第一频率调制的频率曲线和/或所述第二频率调制的频率曲线进行参考，其中，所述处理单元被配置成，在确定所述至少一个距离期间，基于所述参考来补偿在生成所述第一频率调制和/或所述第二频率调制时的非线性。
在另一实施方式中，所述测距仪被配置成，确定针对所述第一频率调制的第三曲线参数和针对所述第二频率调制的第四曲线参数，并且基于表示所述第一调制频带与所述第二调制频带之间的频率偏移的参数，并且还基于所述第三曲线参数和所述第四曲线参数，来确定所述第一频率调制与所述第二频率调制之间的频率差。
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，完全通过示例的方式，对根据本发明的方法和根据本发明的测距仪进行更详细的描述。在附图中，相同元件由相同标号表示。所述实施方式通常不按比例示出，并且它们也不应被理解为限制。
在具体附图中：
图1示出了具有上升频率斜坡和下降频率斜坡的频率调制连续波雷达的发射频率和接收频率的时间顺序相关性的例示图；
图2示出了具有相反的啁啾的频率调制连续波雷达的发射频率和接收频率；
图3a和图3b示出了第一调制频带与第二调制频带之间的不同频率偏移的示意性例示图；
图4示出了根据本发明的具有相反的啁啾的FMCW距离测量期间的动态误差的补偿参数的示意性例示图；
图5示出了来自两个FMCW辐射分量在本机振荡器处的交叠的干涉图的示意性例示图，以确定所述两个辐射分量的时间交点；
图6示出了用于确定两个FMCW激光束之间的频率差的近似值的示例性测量序列的例示图。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有上升频率斜坡和下降频率斜坡的频率调制连续波雷达(还称为FMCW雷达装置)的发射辐射1的频率和接收辐射2的频率的时间顺序相关性，该频率调制连续波雷达能够对待测量目标进行绝对距离测量。
经频率调制的电磁辐射被作为发射信号朝向待测量目标发射，并随后接收作为回波信号从所述目标返回的辐射的至少一部分。在这种情况下，待测量目标可以包括反射式后向散射特性并且还包括漫射式后向散射特性。在接收后，所述回波信号例如与本机振荡器信号交叠以生成干涉图，其中，例如可以经由与飞行时间相关的拍频，从干涉图中得出发射信号的飞行时间进而得出距目标的距离。
FMCW测距仪所生成的辐射由信号发生器进行频率调制，使得例如上升斜坡和下降斜坡导致频率ν的时间曲线t。各自具有相关测量范围的上升频率斜坡和下降频率斜坡通常被用于补偿多普勒效应，因为在只有一个(例如，上升)频率斜坡的情况下，拍频的测量的频率变化无法被唯一地指派给目标或测距仪的距离贡献或速度贡献。
发射器的频率在发射信号到目标并返回的飞行时间3期间改变。在不考虑多普勒效应的情况下，由此将产生发射辐射的频率曲线随时间移位的图像4，而相反在考虑多普勒效应的情况下，随时间移位的图像4另外沿频率方向移位。分别针对上升频率斜坡和下降频率斜坡，相对于还在图中示出的测量范围5执行距离测量。
由于使用上升频率斜坡和下降频率斜坡，例如，借助于如图所示的三角频率调制，因此除了距离测量之外，还可以作为独立的测量变量确定作为目标的相对径向速度的量度的多普勒频率。
例如，根据一个示例(只是举例来说)，如果目标沿径向远离测距仪，那么接收频率2因上升斜坡的多普勒频率而减小，并且上升斜坡的差频绝对值6增加，即，上升斜坡中的发射频率1与接收频率2之间的绝对值增加，而相反，下降斜坡的差频绝对值7减小。
由于多普勒效应所引入的频率偏移在恒定的径向速度下对于上升斜坡和下降斜坡是相同的，例如，在上升斜坡和下降斜坡中频率调制的绝对值具有相等的斜率，因此所述差频相对于上升斜坡和下降斜坡的差值就是距离量度，与径向速度无关，而相反，所述差频的平均值是目标的径向速度的量度。
然而，上升频率斜坡与下降频率斜坡之间的时间顺序分离假设在距离测量期间目标的相对径向速度是恒定的。不过，这种假设通常不会在实践中提供，并且物体振动、散斑效应或者对干涉相位产生干涉的其它效应能够导致测量距离的不可忽略的波动。
因此，在现有技术中常常使用具有所谓的相反的啁啾的FMCW测距仪，即，其中，例如借助于两个激光束或两个激光束分量，基本上同时发射上升频率斜坡和下降频率斜坡。然后，仍然必须在短时间窗口内实现恒定径向速度的假设。
图2示意性地示出了具有相反的啁啾的频率调制连续波雷达的发射频率和接收频率。朝向目标发射的辐射具有两个辐射分量，在这种情况下，这两个发射分量具有频率ν的不同时间顺序变化，即，相反的频率斜坡1A和1B。
例如，在这种情况下，可以将所述辐射分量作为两个交叠的激光束发射，这两个交叠的激光束具有相反的啁啾的恰好180°(即，严格反相)的相位偏移。这两个激光束的调制深度可以不同。尤其是，也可以不对与所述频率调制方法和经典增量干涉仪的组合相对应的源进行调制。如果两个激光束经由共同的光学单元朝向共同的目标发射和/或由此接收，则必须能够在接收器处分成分别与相反的发射频率1A和发射频率1B相关联的两个接收频率2A和接收频率2B，以供对所述两个激光束进行分析，这在现有技术中例如在算法上或者通过激光束的不同偏振来解决。
此外，为了说明FMCW原理和多普勒频移，与图1类似地，除了经多普勒频移的接收频率2A和接收频率2B之外，在不考虑多普勒效应的情况下，所述图中还依次示出了沿相反方向调制的发射频率1A和发射频率1B的、按时间移位的虚拟图像4A和虚拟图像4B。
与图1所示的使用顺序频率斜坡类似，在上升斜坡和下降斜坡中频率调制的绝对值具有相等斜率的情况下，发射频率与接收频率之间的差频6和差频7的差值是距离量度，这与径向速度无关。
所述两个激光束之间的调制频率的差值通常很小，因此，在常规FMCW测距仪中常常不考虑这两个激光束的绝对频率。然而，这导致相对径向速度大于零，从而导致根据目标的相对径向移动的距离测量误差。这种所谓的动态误差(其取决于第一频率调制和第二频率调制两者的当前设定的频率值，和/或取决于经调谐的频率值的曲线)可以根据本发明，通过确保所述两个激光束的基频(发射频率1A和发射频率1B基于所述基频)大致相等来减小，尤其是其中，这两个发射频率1A和发射频率1B针对恒定的中心频率νc相对地，尤其是镜对称地进行调谐。
尤其是，根据本发明，简化的估计项可以被用于补偿仅取决于所述两个经相反调制的发射频率1A和发射频率1B之间的频率差的动态误差，使得可以省略发射频率1A和发射频率1B的绝对值的确定。
例如，在针对恒定的中心频率νc调制发射频率1A和发射频率1B的情况下，可以得出取决于经调制的发射频率1A和1B相对于中心频率νc的频率差的估计项。基于设计，中心频率νc通常已经足够准确地获知，因此，根据本发明，为了补偿动态误差，仅确定并考虑所述两个经相反调制的发射频率1A和1B之间的相对频率差就足够了，而无需确定两个发射射束的绝对频率。
图3a和图3b各自示意性地示出了具有相反的啁啾的FMCW测距仪的经相反调制的发射频率1A和1B(图2)的时间相关性，其中，示出了由第一频率调制生成的第一调制频带8A和由第二频率调制生成的第二调制频带8B之间的不同频率偏移。
发射频率1A和发射频率1B两者的相应相对频率曲线(即，发射频率1A和发射频率1B两者的频率变化的曲线)通常可以在工作期间根据信号发生器的启用电子器件的控制信号以及激光源的规格足够准确地得出。另外，从参考干涉仪的现有技术中已知的各种排布结构可以被用于补偿在频率调制的生成时的非线性或破坏频率曲线的其它影响。
因此，这意味着发射频率1A和发射频率1B各自通常在规定的调制频带8A和调制频带8B内被调制，该调制频带8A和调制频带8B具有通常已知的频率带宽。然而，对发射频率1A和发射频率1B的相应的调制频带8A和调制频带8B的绝对频率指派通常只可能到有限的程度。例如，启用电子器件的设定参数、环境影响(例如，温度)或者FMCW测距仪的各个组件的老化过程可以改变发射频率1A和发射频率1B的绝对频率参考。
因此，根据本发明，还确定表示分别由发射频率1A和发射频率1B的调制所限定的两个调制频带8A和调制频带8B之间的频率偏移的参数。基于该参数，借助于简化的估计项来确定并考虑所述两个经相反调制的发射频率1A和发射频率1B之间的相对频率差，以补偿FMCW距离测量中的动态误差。尤其是，根据本发明，由此不需要确定所述两个发射频率的绝对频率。
图3a示出了一种情况，其中，频带8A和频带8B仍然交叠。因此，例如(如参照图4所描述的)，所述两个发射频率1A和发射频率1B的时间交点可以被确定为第一调制频带与第二调制频带之间的频率偏移的参数。然而，根据本发明的距离测量方法也可以应用于根据图3b的情况，其中，两个频带8A和频带8B没有交叠。
图4示出了根据本发明的在具有相反的啁啾和动态误差补偿的FMCW距离测量中两个相反调制的发射频率1A和发射频率1B的示意性频率调谐曲线。为简单起见，在这种情况下，两个激光束的两个发射频率1A和发射频率1B通过信号发生器，针对中心频率νc基本上镜对称地进行频率调制。由此，减小取决于所述两个射束分量的发射频率1A和发射频率1B两者的频率值并且取决于目标的相对径向速度的动态误差。
如上所提到的，在工作期间，发射频率1A和发射频率1B两者的频率变化的相应曲线通常可以根据测距仪的参数和/或借助于为此目的设置的测量排布结构而足够准确地得出，并且发射频率1A和发射频率1B各自在规定的调制频带8A和调制频带8B内被调制，该调制频带8A和调制频带8B通常具有已知的频率带宽。然而，对发射频率1A和发射频率1B的相应的调制频带的绝对频率指派通常只可能到有限的程度。
然而，例如，现在根据本发明确定这样的参数，借助于该参数，可以得出两个发射频率1A和发射频率1B的相对频率差9。
例如，两个激光束在两个发射频率1A和发射频率1B的交点处具有相同的频率，其中，例如，来自所述两个辐射分量在本机振荡器处的交叠的干涉信号10(如图5所示)包括在所述时间交点处的强干涉偏转，并且可以利用相对简单的手段(例如，基于针对干涉信号10的规定阈值11)来检测出现干涉偏转的时间点tTOIF(干涉时间点)。
图6示出了示例性测量序列，其中，对生成发射频率1A的第一激光辐射的频率进行调谐，使得干涉时间点tTOIF在第一(或第二)发射频率1A的频率拐点12附近但在测量间隔5之外。由于检测到的干涉时间点tTOIF，然后，获知明确的参考点，在该参考点，所述两个发射频率1A和发射频率1B具有相同的频率。测量间隔5例如具有相对于干涉点tTOIF的已知时间偏移，其中，发射频率1A与发射频率1B之间的频率差在所述测量间隔不等于零。
然后，在测量间隔5内的一时间点，两个相反的发射频率1A和发射频率1B之间的实际频率差9可以例如借助于相对于干涉时间点tTOIF的近似值90来估计。
例如，近似值90基于第一发射频率1A和第二发射频率1B两者的频率梯度13A和频率梯度13B的理论值或者利用参考干涉仪确定的值，以及相对于干涉时间点tTOIF的线性近似来确定，尤其是其中，在测量范围5内对激光束的调谐基本上线性地进行。
显而易见的是，这些例示图仅示意性地例示了可能的示例性实施方式。不同方法还可以彼此组合以及与根据现有技术的方法相组合。
例如，动态误差以及得出简化的估计项来补偿该动态误差的可能性可以以数学方式描述如下。然而，不言而喻，这个数学描述只是作为例子，而不应以任何方式理解为对本发明的限制。
如上所述，例如，在上升斜坡和下降斜坡中频率调制的绝对值具有相等斜率的情况下，发射频率与接收频率之间的差频6和差频7(参见图2)的差值是距离量度，与径向速度无关。
为简单起见，下面假设如图2所示的完美镜对称三角频率调制。在上升斜坡或下降斜坡的相应频率与相关的各自从同一辐射源生成的本机振荡器信号交叠时，可以将这样生成的干涉频率(即，上升斜坡的干涉频率fTA(t)和下降斜坡的干涉频率fTB(t))分配成飞行时间分量fτ和多普勒分量fDoppler。例如，fTA(t)可以表示为
其中，rT表示距目标的距离，vT表示目标速度，c表示光速，并且λA(t)表示波长或vA(t)表示激光束(这里是第一激光束1A(图2))的频率。如果则针对fTB(t)只有飞行时间分量的符号发生变化。
因此，上升斜坡和下降斜坡两者的干涉频率可以写为
由此形成针对距目标的距离rT和目标速度vT的线性方程组，其中，λA、λB是波长，或者vA、vB分别是第一激光束1A和第二激光束1B(图2)的频率。由此得出以下距目标的距离
假设波长的变化很小，即，λ≈λA(t)≈λB(t)，可以得出对距目标的距离的第一估计项即，
因而断定
该方程现表明，在第一激光束1A与第二激光束1B之间具有波长差的情况下，即，在λA≠λB的情况下，对于目标速度vT大于零的情况来说，导致取决于第一激光束1A和第二激光束1B两者的频率值/波长值的动态误差。
针对rT的上述方程也可以写为光学频率而不是光波长的函数，即，
如果分别对上升斜坡的频率或下降斜斜坡的频率的调谐基于通常按时间顺序变化的中心频率v(t)进行参数化，即，
vA(t)＝v(t)+dv(t)
vB(t)＝v(t)-dv(t)
因而断定
如果第一激光辐射和第二激光辐射现在针对彼此相对调谐，则中心频率v(t)由此是恒定的，并且随后是改进的第二估计项，该第二估计项取决于第一激光辐射与第二激光辐射之间的频率差dv(t)以及中心频率v(t)或中心波长λ：
该项表示对先前估计距离的近似校正，该近似校正不需要确切获知第一激光束1A的绝对波长和第二激光束1B的绝对波长。在这种情况下，由于设计，通常已经足够准确地获知中心波长λ，因此所述任务是确定频率差dv(t)。

Claims (15)

1.一种距离测量方法，该距离测量方法具有以下步骤：
●生成第一激光辐射和第二激光辐射，其中，
○所述第一激光辐射包括规定第一调制频带(8A)的第一频率调制(1A)，并且
○所述第二激光辐射包括规定第二调制频带(8B)的第二频率调制(1B)，其中，所述第一频率调制(1A)的梯度在至少一些时间段内不同于所述第二频率调制(1B)的梯度，
●同时向目标分别发射所述第一激光辐射的至少一部分和所述第二激光辐射的至少一部分，作为第一发射辐射或者作为第二发射辐射，
●分别接收所述第一发射辐射从所述目标返回的至少一部分和所述第二发射辐射从所述目标返回的至少一部分，作为第一接收辐射或者作为第二接收辐射，
●基于所述第一接收辐射与第一本机振荡器辐射的混合或者基于所述第二接收辐射与第二本机振荡器辐射的混合，分别生成第一混合信号和第二混合信号，以根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量，以及
●基于所述第一混合信号和所述第二混合信号，确定距所述目标的至少一个距离，
其特征在于，
●确定表示所述第一调制频带(8A)与所述第二调制频带(8B)之间的频率偏移的参数(tTOIF)，并且
●在确定距所述目标的至少一个距离的期间考虑所述参数(tTOIF)，以得出所述第一频率调制(1A)与所述第二频率调制(1B)之间的频率差(9)。
2.根据权利要求1所述的距离测量方法，
其特征在于，
所述第二频率调制包括如下的至少一个时间段，在所述至少一个时间段中，所述第二频率调制具有与所述第一频率调制的调制方向相反的调制方向，尤其是反向延伸的调制方向。
3.根据权利要求1或2所述的距离测量方法，
其特征在于，
所述参数(tTOIF)是时间交点，在所述时间交点，所述第一频率调制(1A)和所述第二频率调制(1B)具有相同频率。
4.根据权利要求3所述的距离测量方法，
其特征在于，
尤其基于所述第一激光辐射的至少一部分与所述第二激光辐射的至少一部分的交叠的干涉曲线(10)的干涉信号强度的阈值(11)，根据所述干涉曲线(10)来确定所述时间交点(tTOIF)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量方法，
其特征在于，
●针对参考干涉仪的参考参数，执行对所述第一频率调制的频率曲线和/或所述第二频率调制的频率曲线的参考，并且
●在确定所述至少一个距离的期间，基于所述参考来补偿生成所述第一频率调制和/或所述第二频率调制时的非线性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量方法，
其特征在于，
基于表示所述第一调制频带(8A)与所述第二调制频带(8B)之间的频率偏移的所述参数(tTOIF)，以及针对所述第一频率调制(1A)的第一曲线参数(13A)和针对所述第二频率调制(1B)的第二曲线参数(13B)，来确定所述第一频率调制(1A)与所述第二频率调制(1B)之间的所述频率差(9)，尤其是其中，所述第一曲线参数(13A)表示所述第一频率调制(1A)的梯度且/或所述第二曲线参数(13B)表示所述第二频率调制(1B)的梯度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的距离测量方法，
其特征在于，
在测量间隔(5)期间进行所述至少一个距离的确定，其中，所述测量间隔(5)以及所述第一频率调制(1A)和所述第二频率调制(1B)彼此适应，以使得所述第一发射辐射和所述第二发射辐射在所述测量间隔(5)期间各自包括基本上线性的频率调制。
8.一种测距仪，该测距仪具有：
●激光辐射源，该激光辐射源被配置成生成第一激光辐射和第二激光辐射，其中，
○所述第一激光辐射包括规定第一调制频带(8A)的第一频率调制(1A)，并且
○所述第二激光辐射包括规定第二调制频带(8B)的第二频率调制(1B)，其中，所述第一频率调制(1A)的梯度在至少一些时间段内不同于所述第二频率调制(1B)的梯度，
●发射路径，该发射路径被配置成同时分别向目标发射所述第一激光辐射的至少一部分和所述第二激光辐射的至少一部分，作为第一发射辐射或者作为第二发射辐射，
●接收器，该接收器被配置成分别接收所述第一发射辐射从所述目标返回的至少一部分和所述第二发射辐射从所述目标返回的至少一部分，作为第一接收辐射或者作为第二接收辐射，
●混合器，该混合器被配置成基于所述第一接收辐射与第一本机振荡器辐射的混合或者基于所述第二接收辐射与第二本机振荡器辐射的混合，分别生成第一混合信号和第二混合信号，以根据频率调制连续波雷达的原理进行距离测量，以及
●处理单元，该处理单元被配置成基于所述第一混合信号和所述第二混合信号，确定距所述目标的至少一个距离，
其特征在于，
所述处理单元被配置成
●确定表示所述第一调制频带(8A)与所述第二调制频带(8B)之间的频率偏移的参数(tTOIF)，并且
●在确定距所述目标的至少一个距离的期间考虑所述参数(tTOIF)，以得出所述第一频率调制(1A)与所述第二频率调制(1B)之间的频率差(9)。
9.根据权利要求8所述的测距仪，
其特征在于，
所述第二频率调制包括如下的至少一个时间段，在所述至少一个时间段中，所述第二频率调制具有与所述第一频率调制的调制方向相反的调制方向，尤其是反向延伸的调制方向。
10.根据权利要求8或9所述的测距仪，
其特征在于，
所述参数(tTOIF)是时间交点，在所述时间交点，所述第一频率调制(1A)和所述第二频率调制(1B)具有相同频率。
11.根据权利要求10所述的测距仪，
其特征在于，
●所述测距仪包括干涉仪结构，该干涉仪结构被配置成生成所述第一激光辐射的至少一部分与所述第二激光辐射的至少一部分的交叠的干涉曲线(10)，并且
●所述处理单元被配置成根据所述干涉曲线(10)确定所述时间交点(tTOIF)。
12.根据权利要求11所述的测距仪，
其特征在于，
将所述干涉曲线(10)的干涉信号强度的阈值(11)存储在所述处理单元上，所述阈值尤其是可设定的，并且基于所述阈值(11)和所述干涉曲线(10)来确定所述时间交点(tTOIF)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的测距仪，
其特征在于，
●所述测距仪包括参考干涉仪，该参考干涉仪被配置成针对所述参考干涉仪的参考参数，执行对所述第一频率调制(1A)的频率曲线和/或所述第二频率调制(1B)的频率曲线的参考，并且
●所述处理单元被配置成在确定所述至少一个距离的期间，基于所述参考来补偿生成所述第一频率调制(1A)和/或所述第二频率调制(1B)时的非线性。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的测距仪，
其特征在于，
●将针对所述第一频率调制(1A)的第一曲线参数(13A)和针对所述第二频率调制(1B)的第二曲线参数(13B)存储在所述处理单元上，并且
●所述处理单元被配置成基于表示所述第一调制频带(8A)与所述第二调制频带(8B)之间的频率偏移的所述参数(tTOIF)，并且还基于所述第一曲线参数(13A)和所述第二曲线参数(13B)，来确定所述第一频率调制(1A)与所述第二频率调制(1B)之间的所述频率差(9)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的测距仪，
其特征在于，
所述测距仪被配置成，
●确定针对所述第一频率调制的第三曲线参数(13A)和针对所述第二频率调制的第四曲线参数(13B)，并且
●基于表示所述第一调制频带(8A)与所述第二调制频带(8B)之间的频率偏移的所述参数(tTOIF)，并且还基于所述第三曲线参数(13A)和所述第四曲线参数(13B)，来确定所述第一频率调制(1A)与所述第二频率调制(1B)之间的所述频率差(9)。
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