CN111208487A

CN111208487A - 光电测距仪及距离测量方法

Info

Publication number: CN111208487A
Application number: CN201911139647.1A
Authority: CN
Inventors: 雷托·施图茨; J·辛德林; A·沃尔泽
Original assignee: Hexagon Technology Center GmbH
Current assignee: Hexagon Technology Center GmbH
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-05-29
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: EP3657203A1; US20200166643A1; CN111208487B; US11789148B2

Abstract

光电测距仪及距离测量方法。本发明涉及光电测距仪(1)和距离测量方法，其中，借助于以脉冲速率发射的辐射脉冲(12、13)基于行进时间来测量到目标(100)的距离。借助于采样对所接收的辐射脉冲(13)进行数字化，其中，根据脉冲速率(P、22)来设置采样速率(S)，其中，基于对多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样而生成数字化信号(13D)。

Description

光电测距仪及距离测量方法

技术领域

本发明涉及一种光电测距仪以及用于距离测量的方法。

背景技术

在电子和/或光电距离测量领域中已知多种原理和方法。一种方法是朝向要确定到其的距离的待测量目标发射脉冲电磁辐射，例如激光，并且随后从作为反向散射对象的该目标接收回波。为了使得目标对象上用于测量的点可识别，在这种情况下可以使用可见光。通过光敏元件在装置中将反射的光辐射转换成电信号。在这种情况下，用于射束形成、偏转、滤波等的光学部件-例如透镜、波长滤波器、反射镜等-通常位于光发射和/或接收路径中。

例如，可以基于脉冲的行进时间(runtime)或发射模式和/或调制周期内脉冲的相位来确定到要测量的目标的距离。这种激光测距仪现在已经作为许多领域中的标准解决方案而变得广泛，例如在大地测量或工业勘测领域，例如以全站仪、激光扫描器、EDM或激光跟踪器的形式。由于光辐射在自由空间中的传播速度较高，因此为了实现对应高准确度的距离测量，对针对距离测量的时间分辨率能力的要求相当高。例如，在进行典型的距离测量时，对于1mm或显著更小的距离分辨率需要具有至少大约6.6ps的准确度的时间分辨率。

为了拥有尽可能清晰的接收信号，期望有尽可能高的输出功率，因此可以精确地对其进行分析。然而，对于这里讨论的光电装置，关于可以发射的信号功率预先确定了极限。因此，在发射激光的情况下，眼睛的安全性确定了可以发射的最大允许平均信号功率。尽管如此，为了获得接收器可以检测到的足够强的信号强度以用于测量，因此优选使用脉冲操作。发射具有高峰值功率的短脉冲，随后暂停而不发射信号。因此，脉冲的反射分量具有足够高的强度，以能够根据背景干扰和噪声，尤其是在存在背景光(阳光、人工照明等)时，以高信噪比对它们进行评估。

具有与系统同步的高峰值功率的脉冲或调制序列的已知光源例如是与光放大器结合的电子脉冲激光二极管或超辐射发光二极管。所有这些光源的缺点在于，脉冲长达数百皮秒，并且在对粗糙的自然表面进行测量的情况下，由于空间和色彩不规则性而生成通常为0.1mm至2mm的距离测量误差。

已知品质切换(调Q)固态激光器，其具有高达200ps范围的相当短的脉冲和几兆赫的脉冲速率。相反，一个缺点是脉冲速率的按时间顺序(chronological)的噪声，这通常是脉冲间隔的1％至5％。在精确的距离测量系统中处理这种不规则性需要复杂的装置和对应需求的分析方法。

具有稳定频率梳激光器的测距仪在使用脉冲操作的干涉式距离测量领域中也是已知的，例如从DE 10 2009 012 646 A1中已知。这些测距仪包括用于高精度距离测量(ppm准确度)的可调谐谐振器，以稳定脉冲速率或脉冲频率(通常在100fs左右的脉冲长度)，从而以ppm准确度对其进行调节，并且其CEP(载波包络相位)稳定。这种稳定实现了光波长和相位的一致性。然而，这种装置和/或方法也具有高复杂性和伴随此的高生产、使用和维护费用的缺点。

为了确定信号的行进时间，一方面已知所谓的相位测量原理，其通过比较发射信号与接收信号的幅度调制的相位来确定信号行进时间。

另一方面，已知所谓的飞行时间(TOF)法，其确定光脉冲的发射与接收之间的时间，其中，基于脉冲形式的侧边、峰值或另一特征来执行时间测量。在这种情况下，脉冲形式被理解为接收信号的按时间顺序的光强度曲线，特别是由光敏元件获取的接收光脉冲的按时间顺序的光强度曲线。在这种情况下，可以基于施加到发射器的信号的电触发脉冲或者基于上述的参考信号来确定发射的时间点。

在这种情况下，如果信号行进时间超过脉冲发射速率的倒数并且因此在装置与测量对象之间同时进行多个相同的信号，则在距离测量中可能出现模糊，由此接收脉冲不再能够明确地与其相应的发射脉冲相关联。因此，在没有进一步测量的情况下，不清楚作为除法余数(division remainder)的距离或部分距离是否是通过发射脉冲周期测量出的。

通常使用两种不同的方法或其组合来检测反向散射脉冲。

在根据所谓的阈值原理的飞行时间法中，当入射在所利用的测距装置的检测器上的辐射的强度超过特定阈值时，检测到光脉冲。该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，被检测为发射脉冲的反向散射光。

飞行时间法的另一方法基于反向散射脉冲的采样。通常在弱反向散射信号(例如脉冲信号)的情况下使用这种方法，例如，由更大的测量距离产生的信号，或者通常用于提高测量准确度。通过对由检测器获取的辐射进行采样、识别采样范围中的信号并最终按时间顺序确定信号的位置来检测发射的信号。通过使用与发射速率同步的多个采样值和/或接收信号的总和，也可以在不利情况下识别有用信号，从而也可以对更大的距离或有噪声或受到干扰的背景场景进行管理。在按时间顺序非常精确地对反向散射信号进行采样的方法的情况下，借助于模数转换器(ADC)将由检测器生成的电信号转换成数字信号序列。

在快速模数转换器(ADC)中，与信号幅度的高分辨率(例如，1GS/s，14比特)相结合地实现高采样速率，例如，通过生成多个ADC转换步骤，例如，通过多个慢速ADC转换步骤按时间顺序的交错、采样信号幅度的逐步量化(“流水线”)或者多个ADC转换步骤的信号采样值的多步骤量化的组合。这种ADC和/或这种方法具有高复杂性的缺点，这也反映在高生产成本中。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种简单或简化的测距仪和距离测量方法，使用该测距仪和距离测量方法能够实现高精度的、尤其是绝对的距离测量。

通过实施独立权利要求的特征来实现该目的。可以从从属专利权利要求中推断出以另选的或有利的方式改进本发明的特征。

本发明涉及用于距离测量的方法。在距离测量方法的范围中，优选地以至少1MHz的脉冲速率来执行脉冲光辐射的发射。在该情况下，优选地由频率梳激光器生成辐射。此外，使用光敏电接收元件接收从目标对象反射的光辐射的一部分并将其转换成电接收信号，以一定采样速率对可选地经过滤的接收信号进行采样，从而基于在该情况下生成的采样点生成数字化信号，并且执行对数字化信号的分析来确定发射与接收之间的信号行进时间，以基于该信号行进时间确定距离。

在该情况下，根据脉冲速率来设置采样速率，其中，优选地，采样速率至少是脉冲速率的十倍。此外，在多个所接收的辐射脉冲上进行采样。优选地，为此目的，尤其是逐步地测量脉冲速率，并且根据所测量的脉冲速率尤其是逐步地设置采样速率。在该情况下，可选地还借助于外部和/或独立的时基(time base)(例如，使用计数器)来绝对地确定得到的采样速率。另选地，基于预定的时钟速率，尤其是逐步地设置脉冲速率以及与其相适应的采样速率，其中，例如借助于独立的时钟发生器来生成时钟速率。

采样速率优选地被设置成与脉冲速率成比率，使得采样速率和脉冲速率相对于彼此相位锁定。在该情况下，采样速率优选地被设置成脉冲速率的非整数倍，其中，例如，以下中的任一项适用于采样速率与脉冲速率的比率：

采样速率＝脉冲速率*(N+1/x)或：

采样速率＝脉冲速率*(N-1/x)，

其中，N是自然数，并且x是多个所接收的辐射脉冲。

采样速率可选地基本上小于接收单元的带宽(欠采样)，和/或以算法方式(即，计算机，采样速率(例如，作为重新采样)对脉冲速率的分析侧适应)来执行采样速率的与脉冲速率有关的设置。

在一种改进中，通过累加多个所接收的辐射脉冲的采样点来生成数字化信号，其中，这优选地在与各辐射脉冲无关的情况下进行。另选地或附加地，使用采样点来优化多项式的参数值，该多项式尤其实时地描述信号或信号形式。

在该情况下，可选地以以下这种方式执行采样：使得采样点在多个采样点之后重复，并且使用多个重复采样点来生成数字化信号。换句话说，采样模式在特定数量的采样点之后重复，使得在重复的时间点发生对脉冲的采样，并且然后，例如在多个这样的重复上发生累加。因此在x个脉冲之后，对脉冲形式的采样模式在各种情况下重复。

在进一步的改进中，通过大于发射脉冲速率的倍数(尤其是至多百万分之一)的附加分数(y，例如，表示成ppm)来执行采样速率相对于脉冲速率的(轻微)异步的设置，从而发生(受控的)相位滑移和/或采样而不重复采样点。借助于频率偏移的这种相位滑移可选地也可与上述采样速率与脉冲速率之比组合，因此在形式上表示成：

采样速率＝脉冲速率*(N±1/x)*(1+y)。

在该情况下，采样速率可选地通过该分数从一个样本到另一样本累加地移位。在时间T_ACC上累加的情况下，采样模式因此相对于激光脉冲偏移时间ΔT：

ΔT＝＝y*T_ACC。

作为另一选择，借助于辐射脉冲序列的离散和/或模拟调制来解决距离确定中可能的模糊，其中，在该情况下，可选地执行发射与接收之间的辐射脉冲数量的确定。

此外，本发明还涉及光电测距仪，尤其是激光测距仪。该测距仪包括：辐射源，用于以脉冲速率生成脉冲辐射；以及光学物镜和光敏部件(尤其是光电二极管)，用于接收从目标对象反射的辐射的一部分并将其转换成接收信号；以及模数转换器(ADC)，用于借助于以一定采样速率进行采样来对接收信号进行数字化。此外，测距仪还包括电子分析单元或分析电子单元，该电子分析单元或分析电子单元基于信号行进时间借助于数字化的接收信号确定测距仪与目标对象之间的距离，其中，该距离优选地是可以绝对地测量的。

此外，测距仪还包括采样功能，在执行该采样功能时，根据脉冲速率来设置采样速率，其中，采样速率优选为脉冲速率的至少十倍。此外，在多个即x个所接收的辐射脉冲上进行采样，该采样用于对被用于距离确定的相应接收信号进行数字化。

在一个优选实施方式中，辐射源是续流的(freewheeling)、非频率稳定的频率梳激光器。频率梳激光器可选地被设计成生成脉冲持续时间在100fs与10ps之间的脉冲，和/或被设计成具有至少一个单片微谐振器(光学回音壁模式谐振器)的微频率梳激光器。

测距仪优选地被设计成，例如，借助于装置内部的辐射检测器优选逐步地获取脉冲速率，并且被设计成根据所获取的脉冲速率来设置采样速率，尤其是借助于锁相环(PLL)来设置，优选逐步地和/或异步地进行设置。测距仪可选地包括第一时钟发生器，尤其是借助于所获取的脉冲速率来生成采样速率的锁相环(PLL)以基于所测量的脉冲速率来设置采样速率，使得激光器被用作第一时钟发生器的低噪声时基，其中，该第一时钟发生器将脉冲速率中继到另一单元以测量激光器的准确脉冲速率。这例如在由准确的时基(TCXO、OCXO)计时的FPGA中执行。对准确采样速率的了解是准确距离确定的基础。

该测距仪可选地包括至少一个独立的时钟发生器，尤其是温度补偿(晶体)振荡器(TCO和/或TCXO或OCXO)，以生成独立的时钟速率。在执行采样功能时，然后可以基于时钟速率来设置采样速率和脉冲速率，优选逐步地进行设置。附加地或另选地，可以基于时钟速率逐步地确定辐射的绝对频率，其中，测距仪被设计成连续地计算采样对距离因子(sampling-to-distance factor)，使得能够以小于10ppm而且也小于1ppm的标度误差来进行距离的确定。

光敏电子部件可选地具有千兆赫范围内的带宽，其中，光敏电子部件可选地被设计成雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩光电二极管(SPAD)阵列。作为另一选择，测距仪包括光纤辐射放大器和/或内部参考目标，其中，可以基于参考目标来提供光学参考路径，用于距离确定的绝对参考。

测距仪优选地包括用于调制激光脉冲的调制器以解决距离确定中的模糊，尤其是用于以恒定频率生成幅度调制信号的激光腔外的可变光学衰减器(VOA)。另选地或附加地，借助于脉冲选择器进行调制，该脉冲选择器例如以10MHz的原始脉冲速率仅将每第九个或第十个脉冲传输到光学放大器中和/或发射到目标上。作为用于解决模糊的另一选择，该装置包括在激光器的腔的内部中的光电移相器，用于生成至少两个不同的脉冲序列频率。

测距仪可选地被设计用于光谱干涉测量。在该情况下，在距离确定范围内作为选择执行脉冲速率的频率调谐，使得借助于脉冲重叠，参考脉冲与接收脉冲之间的干扰是可用的，和/或借助于色散元件(尤其是光栅或虚拟成像相控阵列(VIPA))对接收脉冲的光谱进行分配，并且优选地，在参考光路径中，借助于测距仪的摄像头进行强度测量和/或借助于测距仪的接收侧的环形腔来减少脉冲间隔，和/或借助于测距仪的分离法布里-珀罗腔和光栅来加宽脉冲形式(脉冲拉伸)。

根据本发明的方法和根据本发明的装置提供的优点是，即使在到目标的距离较大(500m或更大)的情况下，也能够使用节约成本的部件(尤其是简单的ADC和简单的频率梳激光器)实现精确的距离测量，直到微米或纳米范围内的分辨率。除其它外，简单的ADC的特征在于相对低的采样速率、低功耗和系统误差影响(例如内部校准不准确)。

由于采样速率与脉冲速率的耦合或适配，即使在兆赫范围内的脉冲速率下，仍然可以提供高的或相当高的最终采样速率和/或高密度的采样点，其中，为了进一步降低多重采样的复杂性，可以省略采样点与“原始”接收信号的关联。

在该情况下，频率梳激光器提供的优点在于，由于非常短的脉冲持续时间，与其它激光器相比，所谓的散斑的干扰影响显著减小，这对于利用信号行进时间的测量精度具有有利的影响，尤其是在目标具有不平坦表面的情况下。该装置的频率梳激光器既不包括脉冲速率稳定也不包括CEP稳定，这显著降低了复杂性、结构尺寸和成本。没有稳定脉冲速率和光载波相位的频率梳激光器具有极其短的脉冲，并因此空间和色度的不规则性较小。该问题通过所提出的采样速率设置来解决，该设置依赖于不稳定频率梳激光器的激光脉冲速率如此相对于距离测量系统的ppm准确度或亚ppm精度电子主振荡器异步地运行。

另外，本发明基本上避免了所谓的距离抖动。尽管既不执行主动的脉冲到脉冲稳定也不执行光学相位的稳定，但其甚至足够小到可以实现干涉式距离测量。短激光脉冲(例如在飞秒范围内)也能够实现在短距离(例如小于20m)进行准确的单次发射测量，并且还具有每接收脉冲少量的接收光子。距离测量的所谓散粒噪声水平远低于1微米。

附图说明

基于在附图中示意性例示的特定示例实施方式，下面仅通过示例的方式更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的装置，其中，还描述了本发明的其它优点。

在具体附图中：

图1a、图1b各自示出了根据本发明的测距仪和/或距离测量方法的示例实施方式；

图2示出了自由振荡频率梳激光器的优选实施方式；

图3示出了采样速率相对于脉冲速率的设置以及采样点累加的示例；

图4示出了信号累加的另一示例；

图5示出了采样速率相对于脉冲速率的附加偏移的示例；

图6示出了用于解决测量模糊的第一实施方式；以及

图7a、图7b、图7c示出了用于解决测量模糊的其它实施方式。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的测距仪1和/或距离测量方法的第一示例实施方式。测距仪1包括续流的、优选基于单模光纤的频率梳激光器2，其生成辐射脉冲12。因此辐射12具有特定的脉冲速率，例如在5MHz与25MHz之间，其中，由于激光器2的续流或没有频率稳定性，所以辐射12的脉冲速率不是(永久地)预定或固定的。

在该情况下，相应的脉冲持续时间优选在100fs与10ps之间，其中，脉冲长度例如借助于色散元件是可以固定的。作为选择，激光器被设计成具有单片微谐振器的微频率梳激光器，以生成孤子脉冲序列。作为另一选择，激光器2包括光学(例如基于光纤的)放大器单元，例如具有单模光纤的掺铒光纤放大器(EDFA)(也参见图1b)。在峰值功率大于5kW时，可以使用具有例如25μm的较大的芯直径的光纤(未示出)来避免不期望的脉冲加宽或饱和。所利用的光学放大器的另一示例是YDFA(掺镱光纤放大器)或基于掺铋玻璃的那些光学放大器。

激光脉冲12经由光学物镜布置14朝向目标100发射，其中，借助于部分透射的反射镜6分离脉冲12a的一部分，使得辐射12部分地偏转到光电检测器3(例如，千兆赫光电二极管)上。借助于接收单元(在该示例中借助于物镜14(或附加的接收物镜布置)和反射镜6)将从目标100反射的脉冲13引导至另一光敏电子部件4上。检测器4优选具有千兆赫范围的带宽，并且例如是雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩光电二极管阵列(SPAD)。检测器4以对能量敏感的方式工作，使得由超短激光脉冲释放的电子不会损失，而是有助于电检测器信号。

作为另一选择(未示出)，测距仪1包括光纤，例如在接收器侧的掺杂辐射放大器。光敏元件4的电接收信号被传送到模数转换器(ADC)5，在那里借助于以一定采样速率对接收信号进行采样而将该电接收信号数字化。在该情况下，测距仪1可选地以本身已知的方式包括连接在ADC 5上游的信号滤波器，以改进信噪比。

在该情况下，根据脉冲速率来设置采样速率，其中，采样速率优选地是脉冲速率的至少十倍。在该示例中，通过借助于检测器3和计数器11逐步地(连续地)测量脉冲速率来执行该与脉冲速率有关的设置，其中，在该示例中，计数器11被集成到集成电路(优选地，现场可编程门阵列(FPGA))8中，检测器3的信号被传导到该集成电路8。具有亚ppm准确度的TCX振荡器7例如优选地被用作计数器11的精确参考时基。作为另选的，由ADC 5本身测量脉冲速率。采样速率可选地小于接收带宽。

在该示例中，根据计数器11的测量值(即，根据脉冲速率)借助于合成器10和锁相环(PLL)6以相对于所测量的脉冲速率的相位锁定或(受控或可控的)相位滑移方式来设置ADC 5的采样速率。因此激光器2被用作用于时钟生成PLL的低噪声时基。在该情况下，基于相应的当前激光脉冲速率逐步地控制采样速率。

在具有调节的、稳定的(但因此更复杂的)辐射源的另选的可能实施方式中，可以省略脉冲速率的(逐步的)测量，并且可以例如最多在(初始)启动期间以及可能以更长的时间间隔来确定脉冲速率。

作为采样速率基于所测量脉冲速率的所例示设置的替代，例如，借助于独立的时钟发生器7来“外部地”设置采样速率以及脉冲速率，使得采样速率适应于脉冲速率，并且例如提供采样速率相对于脉冲速率的异步，其中，异步也被理解成伪异步。还可以省略采样速率和/或脉冲速率的任何类型的有针对性的或主动的调节，使得采样速率和脉冲速率是“随机”不同的(至少以非常大的概率和/或除了可忽略的时刻之外)。

可选地，使用时钟发生器7来基于时钟速率逐步地确定辐射12和/或辐射13的绝对频率，其中，测距仪1被设计成逐步地计算采样对距离因子。该选择使得能够以小于10ppm或者甚至还小于1ppm的标度误差来进行到目标100的距离的确定。

ADC 5使用根据脉冲速率设置的采样速率来对接收信号进行采样。在该情况下，在多个所接收的辐射脉冲13上执行用于产生数字化的接收信号的采样，基于该采样，借助于电子分析单元15基于发射与接收之间的信号行进时间来最终确定到目标100的距离值。

借助于信号累加器9对多个脉冲13的ADC 5的采样值进行编译，尤其是相加，其中，省略了采样点与相应脉冲13的关联。因此，借助于信号累加器9一起执行对多个脉冲13的所有采样点的无分配考虑。因此得到一种人工采样速率，该人工采样速率比ADC 5的实际采样速率高因子x，其中，x指定所采样的接收脉冲13的最小数量。在x个脉冲之后，采样点在信号脉冲上重复和/或采样模式重复。

由于采样值的累加，最后对一个或多个模拟接收信号13进行足够密集地采样，使得能够以足够的精度根据由此提供的数字化信号非常准确地确定期望的距离。数量x也可以被认为是两个频率fs与flaser之间的拍频间隔的长度：

x*S＝(N+1)*P，其中，N是自然数，

和/或被认为成最小公倍数。

由于这种采样使用累加，因此平均了诸如光学和电子信号信道的串扰或ADC非线性之类的系统误差。因此，距离测量没有干扰，并且因此比传统的测距单元准确得多。可选地，在该情况下，参照TCXO或VCXO的测量激光脉冲速率也用作用于距离测量的准确到皮秒的时基。

作为累加多个即x个脉冲13的采样点的替代，基于x个脉冲13的采样点来执行描述数字化信号的多项式的参数值的优化，尤其是实时运行(running)。因此在该变型例中，基于许多脉冲13获得的采样点被用于通过基于采样值而指定的信号的数学描述(或者换句话说，所确定的期望的信号的函数表示的支持值)来生成数字信号，其中，激光脉冲速率指定支持值的间隔。采样速率的根据激光脉冲速率的这种算法设置的一个优点在于，信号已经作为函数可用并且不再需要被转换，由此采样存储器相对较小并且此外与采样频率无关。

作为累加多个即x个脉冲13的采样点的另一替代，基于x个脉冲13的采样点来执行参数值的优化(也是实时运行)，该参数值借助于从接收信号得出的明显特征(signature)来描述行进时间。该信号表示仅是数学的，可以以表格形式获取，并且因为采样数据仅被临时存储，所以节省存储空间。

在根据图1a的示例实施方式中，测距仪1另外还包括内部参考目标101。它可以枢转到射束路径中，从而可以因此提供已知距离的参考光路径。这使得能够确定距离测量的距离零点(例如，在对目标100进行距离测量的位置上或临测量之前)，使得可以对仪器的设置位置与目标100之间的距离进行绝对地测量。

作为另一选择(未示出)，测距仪1被设计用于光谱干涉测量以用于确定距离。在该情况下，例如在距离测量的范围内执行脉冲速率的频率调谐，使得可以借助于脉冲重叠来使用内部参考脉冲与接收脉冲13之间的干扰。附加地或另选地，借助于色散元件(例如光栅或虚拟成像相控阵列(VIPA))来执行对所接收的脉冲13的光谱划分，和/或借助于摄像头(测距仪1包括该摄像头)进行强度测量。测距仪1还可选地包括用于在接收侧减小脉冲间隔的环形腔和/或用于加宽脉冲形式(所谓脉冲拉伸)的强分离(高损耗)法布里-珀罗腔和光栅。

图1b示出了测距仪1的第二示例实施方式。为简化起见，与图1a相比，除其它以外，省略了对目标和光学单元的图示。在该示例中，由频率梳激光器2生成的辐射12被光学放大器25(例如EDFA)放大，从而发射经放大的辐射脉冲12’。因此，梳激光器2被用作光学放大器25的种子激光器。此外，频率梳激光器2(更确切地说，由此生成的脉冲速率)被用作锁相环6的输入(为此目的，例如，用于激光辐射检测的光电二极管被集成在频率梳激光器中)。使用PLL 6来根据脉冲速率控制或设置模数转换器5的采样速率。借助于如此设置的ADC 5，然后将借助于光敏检测器4检测到的目标辐射脉冲13数字化。PLL 6还用作FPGA8和/或集成在其上的计数器11的输入。在该示例中，TCX振荡器7再次用作计数器11的精确参考时基。图2示意性地示出了自由振荡频率梳激光器2的优选实施方式。在该示例中，基于光纤的激光器2包括泵浦二极管13，该泵浦二极管13借助于耦合器15经由光纤14对包括与可饱和吸收体(键合半导体可饱和吸收体(SESAM))组合的反射体16以及作为第二反射体的光栅17的腔中的功率进行耦合。

单模光纤14的一部分例如是掺铒的。该放大器单元与SESAM的非线性传输一起致使许多光谱激光模式之间的锁定，并且致使激光发射在最低阶本征态的脉冲速率稳定。在该情况下，激光脉冲12具有小于10ps(通常小于1ps)的按时间顺序的持续时间。通过行进时间经由两个谐振器反射镜之间的光路径确定脉冲速率。激光脉冲速率可以可选地借助于改变两个反射镜之间的光路径长度来调整。一定百分比的脉冲功率经由耦合器15传导至输出12。

如图所示，激光器2既不包括脉冲速率稳定，也不包括CEP稳定(CEP：载波包络相位)，这有利地保持了复杂性、结构尺寸和低成本。另外，所示的基于光纤的激光器2与固态自由波束激光器相比例如在振动或冲击方面具有高的机械稳定性，这尤其在移动的测距仪的情况下是有利的。

图3例示了在距离测量方法的范围中采样速率S相对于脉冲速率P的设置以及采样点18a、18b的累加A的示例。在附图的三个部分中，在各种情况下，时间轴被示出为横坐标，并且信号强度被示出为纵坐标。

在图3的上部分中示出了发射脉冲12中的两个，以表示成时间跨度的脉冲速率P发射这两个发射脉冲12，其中，如所描述的，脉冲速率P优选地不是固定/稳定的。

在图3的中间部分中示出了分别来自多个即x个接收脉冲或接收信号中的两个接收脉冲或更确切地说是相应关联的接收信号13a、13b。以表示成时间跨度的采样速率S对接收信号13a、13b进行采样，从而生成包括接收信号13a、13b、...、13x的相关采样点18a、18b、18c、...、18x的采样点。因此根据脉冲速率P来设置采样速率S，使得如图所示，在两个接收信号脉冲之间提供1/x的偏移。在示例中，P：S＝P*(N+1/x)适用，其中，N是自然数并且优选地至少等于100，例如500、1000或更大。

换句话说，采样速率是脉冲速率的非整数倍(相位锁定)，其中，在该示例中，偏移适应于脉冲13a至13x和/或其采样点18a至18x的数量以用于累加。在数量x之后，采样点18a至18x然后关于接收信号上的按时间顺序的位置重复。采样模式在x个发射信号之后重复。测量通常包括多个这种周期，高质量的最短合理测量精确地包括数量x的一个周期。

在图3的下部分中示出了采样点18a至18x的累加A。采样点18a至18x被组合以形成数字接收脉冲13D，其中，在没有如上所述的分配的情况下进行编译，即，不包含接收脉冲13a、13b、...、13x或相应采样点源自哪个“源”。编译仅是接收信号脉冲模量x的顺序并置。

可选地，在多个脉冲x之后的采样点18a至18x的上述重复不仅用于累加脉冲x的一次“通过”，而且用于累加重复次数M的所有采样点Mx。例如，在M＝4次重复的情况下，则得到4*x个采样点。

图4示出了ADC转换范围中的信号累加的另一示例。在图4的上部分中，以按时间顺序的序列示出了各数字化采样脉冲或数字信号矢量(DSV)13Dx，其中，在该示例中x是7。从模拟接收脉冲通过以采样速率S进行采样而生成这些数字信号13Dx，采样速率S在该示例中是每秒320兆采样(MS/s)。

通过优选地不相关的累加(在4μs的时间帧上)从这些x个数字脉冲13Dx生成总数字脉冲13D(图4的下部分)。由于对所有采样点进行编译，因此提供了对应于采样速率S*x的采样，在该示例中，由于使用了七个脉冲13Dx，因此采样速率S*x对应于原始采样速率的七倍，在该示例中因此为每秒2.24千兆采样。通过这种使用其能够提供倍增采样速率的过程，即使使用测距仪的简单的、节约成本的部件，尤其是其中的ADC转换器，也能够实现精确的距离测量。此外，由于接收信号的异步获取，所以平均了具有同步行为的电子接收信道的系统误差。

图5例示了如何将采样光栅的移位的另一方法实现为改进的选择。该第二方法可以与上述方法组合，并且还可以作为采样速率相对于脉冲速率的独立移位来执行。在该情况下，发生通常小于发射脉冲频率的1/x的部分的偏移，例如相对于脉冲速率偏移0.5ppm。因此，与上述方法的组合可以描述如下，例如：

S＝P*(N-1/x)*(1+y)，其中，例如，y＝0.5ppm

相反，作为唯一的方法，其可以描述如下：

S＝P*N*(1+y)。

例如，在15ms的信号测量时间或累加时间，采样模式相对于脉冲模式偏移总共0.5ppm*15ms＝7.5ns。通过对采样点进行不相关地编译以形成单个数字化脉冲13Dx，得到略微弱的(faded)或模糊的脉冲形式。子采样或脉冲13Dx因此已经在几个信号脉冲之后混合，并且在短的测量时间之后已经确保了换能器误差(例如增益误差、计时误差或偏移误差)的充分减少或消除，否则这些误差尤其在节约成本的A/D转换器中具有干扰效应。

图6是根据本发明的测距仪的改进的示例。示出了激光器2和用于引导要发射的激光的光纤14。特别是在高脉冲速率下，在距离测量期间，多个光脉冲位于测量装置与目标之间，这导致距离模糊；因此，脉冲与行进时间测量的明确关联是不再可能的。为了解决或防止这种模糊，图6的示例中的测距仪包括作为可变光学衰减器的(光纤)幅度调制器19，在该示例中经由同轴电缆20激活该幅度调制器19。借助于幅度调制器19，激光脉冲幅度被(以模拟方式)调制成使得激光脉冲因此变得可区分。因此，在幅度的示例中，以以下方式进行调制：使得可以明确地识别激光脉冲、脉冲组或脉冲序列的包络曲线。因此，即使在测量装置与目标之间存在数千个脉冲的情况下，也可以明确地确定距离。

图7a和图7b示出了模糊解决方式的另一形式。在该示例中，从由激光器2生成的脉冲12中执行目标选择。为此，该装置包括脉冲选择器21(图7a)，该脉冲选择器21从以脉冲速率生成的激光脉冲序列22中选取脉冲12和/或抑制脉冲12的一部分。因此，借助于该离散调制得到修改的脉冲序列22m。

图7b示出了辐射脉冲12的这种调制脉冲序列22m。借助于脉冲选取以以下方式有意地中断(箭头23)原始脉冲序列(图7a中的22)：使得由此生成脉冲12的明确可识别的“分组”24a和24b，基于这些“分组”24a和24b可以解决和/或避免任何模糊。

还可以组合根据图6的幅度调制和根据图7a和图7b的脉冲选取。作为进一步的另选的或附加的改进，执行发射与接收之间的脉冲12的数量的确定。作为另一形式(未示出)，激光器2在腔的内部(而不是外部)包括光电移相器，由此脉冲速率是可变的，并且可以提供至少两个不同的脉冲序列频率。通过在至少两个这种频率处测量接收脉冲，可以解决模糊-其中，两个脉冲序列频率的差分频率指定最大可能模糊距离-并且该距离是可以绝对地确定的。

图7c示出了基于图1b的具有脉冲选择器21的测距仪1。在通过光学放大器25放大由激光器2生成的辐射12或脉冲序列22之前，借助于脉冲选择器21进行调制，从而发射经调制和放大的辐射脉冲序列22m1’。基于PLL 6的信号来执行脉冲选取。例如，在由100MHz的激光器2生成的“原始”脉冲速率的情况下，仅传输每第100个脉冲，从而以1MHz的有效脉冲速率发射辐射22。例如，如果激光器的(平均)功率为1mW，则在脉冲选择器之后为1μW并且然后通过放大器放大至10mW。

在该示例中，此外，PLL 6以以下方式调节对所生成的脉冲序列22的调制：使得除了第一脉冲序列22m1(例如，具有每第100个脉冲)之外，生成第二调制脉冲序列22m2(例如，具有每第110个脉冲的传输)。因此，一方面，在例如1MHz的第一脉冲频率下进行距离测量，另一方面，在例如909kHz的第二频率下进行距离测量。由此得到的对90.9kHz的合成中频的分析解决了在高达1650m的距离处的模糊。

显然，这些例示的附图仅示意性地例示了可能的示例实施方式。各种方法也可以彼此组合以及与现有技术的装置或方法组合。

Claims

1.一种用于距离测量的方法，所述方法包括：

■以脉冲速率(P、22)发射脉冲光辐射(12)，尤其是其中，所述脉冲速率(P，22)为至少1MHz和/或由频率梳激光器(2)生成所述辐射(12)，

■使用光敏电接收元件(4)接收从目标对象(100)反射的光辐射(13、13a、13b)的一部分并将其转换成电接收信号(13a、13b、13c...13x)，

■以采样速率(S)对所述接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样，从而基于在该情况下生成的采样点(18a、18b、18c...18x)生成数字化信号(13D)，

■对所述数字化信号(13D)进行分析以确定发射与接收之间的信号行进时间，以基于所述信号行进时间确定所述距离，

其特征在于，

根据所述脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)，并且在多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的接收信号(13a、13b、13c....13x)上执行用于生成所述数字化信号(13D)的采样。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述采样速率(S)至少是所述脉冲速率(P、22)的十倍。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

测量所述脉冲速率(P、22)，并且根据所测量的脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

基于尤其是借助于独立的时钟发生器(7)生成的预定时钟速率来设置所述脉冲速率(P、22)以及与所述脉冲速率(P、22)相适应的所述采样速率(S)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述采样速率(S)被设置成与所述脉冲速率(P、22)成比率，使得

■所述采样速率(S)是所述脉冲速率(P、22)的非整数倍，尤其是其中，对于所述采样速率(S)与所述脉冲速率(P、22)的比率，以下中的任一项适用：采样速率＝脉冲速率*(N+1/x)，或者采样速率＝脉冲速率*(N-1/x)，其中，N是自然数，和/或

■所述采样速率(S)小于接收单元的带宽。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

通过以下方式来生成所述数字化信号(13D)，

■将多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的所述采样点(18a、18b、18c...18x)累加，尤其是与各接收信号(13a、13b、13c...13x)无关地累加，和/或

■使用多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的所述采样点(18a、18b、18c...18x)来优化描述所述信号(13D)的至少一个多项式的参数值。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

使用在多个即x个和Mx个采样点(18a、18b、18c...18x)之后重复的所述采样点(18a、18b、18c...18x)来生成所述数字化信号(13D)，其中，M是自然数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述采样速率(S)

■被设置成相对于所述脉冲速率(P、22)偏移小于1/x的分数，尤其是至多百万分之一，和/或

■以算法方式进行设置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

为了避免距离确定中的模糊，执行对辐射脉冲序列(22)的离散和/或模拟调制(23)，尤其是其中，为此目的，对发射与接收之间的辐射脉冲(12、13)的数量进行确定。

10.一种光电测距仪(1)，尤其是激光测距仪，所述光电测距仪(1)包括：

■辐射源，所述辐射源用于以脉冲速率(P、22)生成脉冲辐射(12)，

■物镜(14)和光敏部件(4)，尤其是光电二极管，所述物镜(14)和所述光敏部件(4)用于接收从目标对象(100)反射的辐射(13)的一部分并将其转换成接收信号(13a、13b、13c...13x)，

■模数转换器(5)，所述模数转换器(5)用于借助于以采样速率(S)对所述接收信号(13a、13b、13c...13x)进行采样来生成数字化信号(13D)，以及

■电子分析单元，所述电子分析单元借助于所述数字化信号(13D)基于信号行进时间来确定所述光电测距仪(1)与所述目标对象(100)之间的距离，尤其是绝对地确定所述距离，

其特征在于，

所述光电测距仪(1)包括采样功能，在执行所述采样功能时，根据所述脉冲速率(P、22)来设置所述采样速率(S)，并且在多个即x个所接收到的辐射脉冲(13)的所述接收信号(13a、13b、13c...13x)上执行用于生成所述数字化信号(13D)的采样，尤其是其中，所述采样速率(S)至少是所述脉冲速率(P、22)的十倍。

11.根据权利要求10所述的光电测距仪(1)，

其特征在于，

所述辐射源是续流的、非频率稳定的频率梳激光器(2)，尤其是

■被设计用于生成脉冲持续时间在100fs至10ps之间的辐射脉冲(12)，和/或

■被设计成具有单片微谐振器的微频率梳激光器。

12.根据权利要求10或11所述的光电测距仪(1)，

其特征在于，

所述光电测距仪(1)被设计成测量所述脉冲速率(P、22)并根据所测量的脉冲速率(P、22)尤其是借助于锁相环(6)或合成器来设置所述采样速率(S)。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的光电测距仪(1)

其特征在于，

所述光电测距仪(1)包括用于生成独立的时钟速率的至少一个独立的时钟发生器(7)，

■其中，在执行所述采样功能时，基于所述时钟速率来设置所述采样速率(S)和所述脉冲速率(P、22)，和/或

■使得能够基于所述时钟速率逐步地确定所述辐射(12)的绝对频率，并且所述光电测距仪(1)被设计成连续地计算采样对距离因子，使得能够以小于10ppm的标度误差来进行所述距离的确定。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的光电测距仪(1)，

其特征在于，

■所述光敏电部件(4)具有在千兆赫范围内的带宽，尤其是其中，所述光敏电部件(4)被设计为雪崩光电二极管或单光子雪崩光电二极管阵列，和/或

■所述光电测距仪(1)包括光纤辐射放大器，和/或

■所述光电测距仪(1)包括内部参考目标(101)，基于所述内部参考目标(101)能够提供光学参考路径，使得能够实现所述距离确定的绝对参考。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的光电测距仪(1)，

其特征在于，

为了解决所述距离的确定中的模糊，所述光电测距仪(1)包括：

■调制器(19、21)，尤其是可变光学衰减器(VOA)和/或脉冲选择器，所述调制器(19、21)用于对所述激光脉冲(12)进行调制，和/或

■光电移相器，所述光电移相器位于所述激光器(2)的腔的内部，以生成至少两个不同的脉冲序列频率。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的光电测距仪(1)，

其特征在于，

所述光电测距仪(1)被设计用于在所述距离确定的范围内的光谱干涉测量，尤其是其中，在所述距离确定的范围内

■执行所述脉冲速率(P、22)的频率调整，使得借助于脉冲重叠，参考脉冲与接收脉冲(13、13a、13b)之间的干扰是能够使用的，和/或

■借助于色散元件对所接收到的脉冲(13、13a、13b)进行光谱分配，尤其是借助于光栅或虚拟成像相控阵列来进行，并且借助于所述光电测距仪(1)的摄像头进行强度测量，和/或

■借助于所述光电测距仪(1)的接收侧环形腔来减小脉冲间隔，和/或

■借助于所述光电测距仪(1)的分离法布里-珀罗腔和光栅来加宽脉冲形式。