CN106353768A - 利用实时解模糊的飞行时间测量装置和飞行时间测量方法 - Google Patents

利用实时解模糊的飞行时间测量装置和飞行时间测量方法 Download PDF

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Abstract

利用实时解模糊的飞行时间测量装置和飞行时间测量方法。本发明涉及用于测量电磁信号的飞行时间的距离测量装置，该距离测量装置至少具有：发送器(2)，该发送器(2)用于发送根据由编码器(8)指定的模式编码的发送信号(6)；接收器(3)，该接收器(3)用于检测由至少一个物体(12)反射的所述信号作为接收信号(7)；计数器单元(17)，该计数器单元(17)具有用于将计时值写入到至少一个寄存器中的计时器，该计时器值在发送信号(6)的发送和接收信号(7)的接收的每种情况下生成；以及控制和估计单元(9)，该控制和估计单元(9)用于基于对所述接收信号(7)进行解码并且读取计数器单元(17)的寄存器来计算飞行时间。

Description

利用实时解模糊的飞行时间测量装置和飞行时间测量方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序的用于电子测距中解模糊(ambiguityresolution)的装置并且涉及根据权利要求15的前序的方法。
背景技术
使用飞行时间方法的通用测量仪器例如是激光扫描仪、轮廓仪、旋转激光器、LIDAR、激光***以及另外在大地测量任务中使用的最近的全站仪。在此使用的原理基本上包括发射脉冲电磁辐射(例如，诸如激光)到要测量的目标上，并且随后接收由该目标返回的反射，其中，基于脉冲的飞行时间来确定到目标的距离。这种脉冲飞行时间测量***在许多不同领域的应用中是当今的标准解决方案。
不同的方法被用于检测散射回的(scattered-back)脉冲。在已知的阈值方法中，如果入射辐射的强度超出特定阈值则检测到光脉冲。在此相关的其它方法是基于散射回的脉冲的瞬时非常精确的采样。由目标物体散射回的光信号被检测器捕获。使用模数转换器将由检测器生成的电信号转换成数字信号序列。通常，该数字信号被随后进一步实时处理。在第一步中，通过特殊的数字滤波器检测(通常被调制为脉冲的)信号，并且随后确定其在信号序列中的位置。通过使用大量的采样序列，即使在不利条件下也能够标识有用的信号，使得可以管理更大的距离或嘈杂的背景场景。
被认为是现有技术的是以远大于10GHz对时间轴进行采样的采样器装置。在特殊采样器装置的情况下，通过对许多具有附加相位偏移的相同脉冲进行采样来执行采样，并且在该过程中，即使利用较慢的硬件部件也实际上实现了千兆赫范围内的非常快的采样速率。EP 1832897B1也描述了能够利用相同的超快采样方法来接收以振幅、相位、偏振、波长和/或频率进行编码或调制的脉冲或脉冲序列。即使在评估期间在非常短的一段时间内出现大量的数据，非相等(non-identical)采样(例如，高频范围内的振幅调制脉冲)同样也是可能的。
调制的最简单的类型中的一种是每个距离编码的单个脉冲或脉冲序列的标记。这用于例如重新可标识性的目的。如果出现可以由脉冲的飞行时间测量中的不同的情况引起的模糊，则该识别是必要的。原则上，通过在测量设备与目标物体之间存在多于一个脉冲或脉冲组来创建非唯一性。在文献EP 1832897 B1中也详细描述了该问题。另外，由于返回到测量设备的脉冲彼此混合，也就是说与发送的序列不同的序列一起返回的事实，也可以使得非唯一性更困难。每当多个脉冲同时“在飞行中”，或换言之：如果发送脉冲距离短于测量距离的两倍，则后者会出现。
所谓的模糊距离的特征在于在发送周期内所反射的信号仍然返回到测量设备的最长距离，其中，信号可以包括一个或更多个脉冲，也就是说，脉冲序列或突发(burst)。对于关于相位差方法的飞行时间测量，模糊的现象是已知的并且直到与最长周期对应的距离(模糊距离)模糊的现象通常是可解决的。例如，发送信号序列的周期性是相匹配的，使得到目标的距离保持在模糊距离内。如果旨在避免模糊，较远的目标距离由此导致较低的频率和测量速率。然而，最长的周期也可以通过在发送信号编码中隐含的长周期性进行编码。在此提及的最简单的示例是由生成长周期节拍(beat)的两个高频率组成的调制。在此甚至不必同时发射两个频率。可以在许多变型中改变的这种编码方法直到具有高频分量的扩频方法在相位差方法中尤其已经被使用数十年。也已知当使用具有长周期节拍的高频时，测量速率不降低，而是直到捕捉到距离信息仅延迟时间变得更长。这里，最小延迟时间与模糊距离上的光的飞行时间对应。
此外，在测量设备与各个目标物体之间的突然距离跳跃可以导致所谓的脉冲缠绕(pulse wrapping)，也就是说，相比于在发射时的原始序列，反射的脉冲的序列中的变化。具体地，这种情况出现在快速旋转激光器或轮廓仪中，如果由于脉冲被发送到更近设置的目标物体上并且脉冲距离不足够大以让先前发射的脉冲首先到达在后发送的脉冲却更早到达接收器。
如果脉冲或脉冲序列撞击多于一个目标物体上(例如，部分撞击房子边缘上并且部分撞击位于房子后面的区域上)，则另一种模糊出现。结果，信号从不同的距离被反射多于一次，由于不再能够唯一地确定第二回波源于何处，这使得测量估计复杂化。
因此，从现有技术已知具有脉冲编码的距离测量装置。在EP 1832897B1中，例如，描述了在发送器与接收器之间同时有五个或多于五个脉冲处于飞行中的飞行时间测量装置。其结果是，例如，位于飞机处的距离测量装置可以以非常高的脉冲速率同时以在空中的多个脉冲进行测量。然而，所描述的本发明既不关注接收脉冲的任何特定的调制识别，且也没有用于解决多个目标的交叠或交错脉冲的方法。
US 6031601 A还进一步公开了对于距离测量，使用伪随机数码生成器对多色光源或单色光源进行调制。根据编码对目标接收的光进行解密，并且由此计算出距离。该解决方案具有缺点在于，所生成的RN编码序列(随机噪声)具有大占空比，也就是说，大的脉冲持续时间与周期持续时间的比率。作为结果，实际上，仅存在信号脉冲之间的小的“中断”，这在多个目标的情况下导致交叠并且导致在接收信号表示的时间范围内多个目标的简单分离是不可能的。
US 2015/0070683 A1公开了用于扫描飞行时间仪器的每相位或间隔调制的距离测量方法。在此，对脉冲之间的间隔进行编码，并且使用自从最后发射的脉冲的发送时间已经经过的时间执行接收脉冲的估计。然后，将该相对的飞行时间与先前脉冲对的相对飞行时间进行比较。这里的解模糊是基于所观察到的相对差方案与根据通过特殊相位调制生成的所期望的方案的比较。相对距离对于每个间隔是不同的，作为这样的结果，可以借助于搜索预先设定的表格(由该特殊调制确定的)来解决唯一性。然而，来自US 2015/0070683 A1的教导具有这样的缺点，其仅对于这一种特定类型的信号调制起作用，并且另外，在多个目标情况下的脉冲标识不再是唯一的-巨大的数据缺口在这一点上将导致真/假调整。在文献US 2015/0070683 A1中，使用从垂直扫描线到垂直扫描线的附加相位偏移部分解决或减轻易受影响的解模糊的缺点。
WO 99/13356描述了具有突发(burst)调制的光电距离测量设备。该装置能够生成具有可调整的突发长度和可调整的相移的光脉冲的序列。作为结果，例如，按照情况优化信噪比，并且也可以改善接收信号的时间分辨率。然而，未公开用于解决唯一性问题的鲁棒信号估计。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于关于出现模糊的信号的鲁棒估计的改进的飞行时间测量装置或改进的飞行时间测量方法。
因此，本发明的另一个目的是提供用于关于由距离跳跃触发的模糊的信号的鲁棒估计的改进的飞行时间测量装置或改进的飞行时间测量方法。
因此，本发明的又一个目的是提供用于关于由多个目标触发的模糊的信号的鲁棒估计的改进的飞行时间测量装置或改进的飞行时间测量方法。
这些目的借助于实现独立权利要求的特征化特征来实现。可以在从属权利要求中找到以另选或者有利的方式进一步开发本发明的特征。
本发明涉及用于测量电磁信号的飞行时间的距离测量装置，该装置至少具有：发送器，所述发送器用于发送根据由编码器指定的模式编码的发送信号；接收器，所述接收器用于检测由至少一个物体反射的作为接收信号的信号；计数器单元，所述计数器单元具有用于将计时器值写入到至少一个寄存器中的计时器，该计时器值在发送信号的发送和接收信号的接收的每种情况下生成；以及控制和估计单元，其用于基于对接收信号进行解码和读取计数器单元的所述寄存器来计算飞行时间。
同样地，发送信号通过所述装置内的反馈同样地可引导至接收器作为基准信号，其中，控制和估计单元也被配置成用于对基准信号进行解码。
计数器单元还可以具有信号编码计数器，该信号编码计数器与每次信号发射同时地生成与各发送信号的编码相关的关联信号编码计数器值。
这里，信号的编码可以包括以下中的至少一种：间隔调制、振幅调制、频率调制、距离调制的双脉冲或多脉冲、突发调制、偏振调制、波长调制。
控制和估计单元还可以被配置成在解码之后直接标识所接收的信号作为所发送的信号的反射。
控制和估计单元此外可以被配置成基于计时器值直接计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且借助于解码来标识。
控制和估计单元可以被附加地或另选地配置成基于计时器值和信号编码计数器值直接计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且借助于解码来标识。
生成信号编码计数器值可以触发记录周期的开始，其中，记录周期具体地与每个信号编码计数器值和/或所述记录周期开始时的所述计时器值相关联。
记录周期具体地至少足够长以包括编码信号序列的完整的序列。
多个记录周期在时间上可以彼此无缝地紧随或它们可以交叠。
控制和估计单元可以被配置成基于在所述发送信号(6)的发送时间处的所述计时器值、在接收到信号的记录周期的起始点的计时器值以及接收信号在记录周期内的时间位置来计算所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且通过解码来标识。
控制和估计单元此外可以被配置成基于记录周期的信号编码计数器值、以及接收信号在记录周期内的时间位置来计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且通过解码来标识的。
信号占空比优选地低于50％，具体地低于5％，具体地低于0.5％。
接收器接收到的基准信号可以与由目标反射的接收信号正交。
除了所接收到的脉冲之外，数据缓冲区或缓冲区还可以将所发送的信号或与信号的身份和发送的时间相关的简单信息登记为时间戳。例如，从现有技术可知，作为起始脉冲或基准脉冲的发送信号的模拟检测基于经由至少一个部分***的光学偏转(其将激光发送信号引导至光接收器)或者基于内部电通道(其将发送触发序列引导到电子接收通道上)被实现。
借助于硬件或软件实现的计数器生成并且登记根据编码模式调制的所发送的脉冲或脉冲序列的编码。这里，编码模式可以是间隔调制、振幅调制、频率调制或另一种形式的调制。最后发送的脉冲或当前发送的脉冲的签名由此被存储。
另选地或附加地，对于上述提及的计数器，可以实现精确到亚纳秒的时钟，这允许像上述的计数器那样的至少脉冲或脉冲序列的发送时间和接收时间。这里的时钟基本上仅指定隐式地捕捉信号编码的快速递增计数器。
在第一实施方式中，借助于数据缓冲区实现所接收到的信号的连续捕获，数据缓冲区的长度与发送脉冲序列的周期的时间距离(例如，几MHz)对应。数据缓冲区因此捕获发送脉冲周期内的模数转换器的大量的采样点。该数据缓冲区下面也被指定为数字记录窗口(DRW)或采样窗口。在第一示例性实施方式中，利用计数器确定的身份在接收侧也标记所述-同步活动-数字记录窗口(DRW)或采样窗口。依次记录并且从目标物体发送回的信号相应地被重新标识并解码，并且因此可以直接与相应的发送信号相关联。DRW基本上是存储利用模数变换器在GHz范围内采样的接收信号形式的缓冲区。信号被光接收器无缝地采样并且被连续地写入到DRW中。在脉冲的到达时间的原有知识的情况下，记录窗口也可以仅记录子区间(距离门)，并对其进行缓冲。通常也被称为波形的“采样”信号包括所接收到的脉冲的强度分布，并且也包括无有用信号的长周期(其可能以噪声出现)。如今，主要在现场可编程门阵列(FPGA)中实现这些发生在纳秒或甚至亚纳秒范围内的记录或缓冲功能。
在多脉冲或多目标的情况下，有利的是缓冲区长度无缝地记录从发送脉冲到发送脉冲的整个时间周期。在相位调制(PM)(也就是说，来自统一方案的间隔的加密偏差)的情况下，缓冲区长度可以相应地随脉冲或脉冲序列而不同。然而，缓冲区长度也可以具有循环相同长度，该长度例如对应于相位调制的间隔的均值，例如。通过串联地布置多个缓冲区，记录了任意长时间轴部分。
另选地，单个缓冲长度也可以包括多个间隔或脉冲序列周期。多个缓冲区以暂时平行或部分交叠的形式处于激活也是可能的。
根据本发明的一个方面，如果n个不同的编码信号被程序化到距离测量装置中，计数器例如从1至n计数。作为结果，每个发送的信号模式与标识号相关联。同时，相应的数字与接收器侧活动记录窗口相关联。针对相对短的距离，激活的DRW利用相同的编码接收和登记距离测量脉冲。然而，在先前发送的信号在下一个信号的发送之前没有被接收到的距离中，所接收到的距离测量脉冲的确定的标识号不与当前记录窗口的计数器数字对应。两个计数器数字之间的差值直接表示在发送和接收之间有多少个DRW以及因此多少个脉冲间隔或脉冲周期。该数字或所经过的脉冲间隔的相关间隔时间将被添加到在当前记录窗口中测量的飞行时间，作为其结果，获得了当前接收到并标识出的距离测量脉冲的整个飞行时间。在该最简单的实施方式中，计数器具有两个功能：首先，该计数器捕获当前发送脉冲的编码，并且其次，其直接对已经经过发送和接收具有相同编码的脉冲之间的完整时间间隔(发送脉冲周期)的数量进行计数。
利用(例如，FPGA上的实时)直接解码的该改进的飞行时间测量方法同样地相对于由距离跳跃触发的模糊更鲁棒。在由距离测量跳跃生成的任何序列改变的情况下，所接收到的信号脉冲或信号脉冲序列的确定的标识号可以正确地与发送脉冲相关联，并且无需任何先验假设，可以估计整个飞行时间，并且可以计算距目标物体的关联的绝对距离。
在n个不同的发射信号模式的情况下，继续以相同的顺序暂时地重复，可以被唯一地解密的可实现的最大距离是与已经行进n个脉冲间隔的光的路径部分对应的距离。
能够借助于每个单个接收脉冲的编码签名以及借助于(具有当前发送的编码签名的)脉冲计数器相对于整个模糊距离直接鲁棒地计算真正距离—并且例如无需编码相关的先验表以及情况区别。
在多个目标的情况下，使反射的脉冲的数量加倍并且简单的编码/解码规则(诸如，脉冲间隔调制)可以导致错误的解决方案。因此，建议在多个目标的情况下选择相对于脉冲加倍具有编码冗余的脉冲编码类型。由于利用所接收到的脉冲的直接解码以及与相同编码的发送脉冲的时间关联的发明方法相对于信号编码的几乎所有可能类型是开放的，所以能够选择具有高冗余度的编码类型。增加编码冗余度并且因此实现误差和鲁棒性的避免的第一方法是双重编码的使用。
根据本发明的进一步的方面，不仅考虑相对于直接在前的接收信号的飞行时间距离，而且考虑了较长的序列。鲁棒性通过旨在信号登记和估计并且与发送脉冲编码相关联的接收缓冲区长度正如各自的总代码长度一样长的事实增加。为此，不仅考虑到直接在前的接收脉冲的飞行时间距离，而且考虑了较长的序列。
如果信号包括例如具有n个相位编码的脉冲的总代码长度的序列，DRW(同样地有n个)出现在第i个脉冲的发送时间之间的每种情况下，其中i为1至n。作为结果，与第i个脉冲相关联的i个DRW相对于彼此暂时平行偏移(offset)。
在FPGA中，在发送脉冲i时，具有索引i的缓冲区被启动，该缓冲区持续到下一个相同的脉冲i的发送。如果相关联的缓冲区i被填满，则搜索脉冲i的脉冲形式。具有不同签名的脉冲在该缓冲区中被丢弃。随后，例如，具有代码i的最强的目标被正常处理，其中，真实脉冲飞行时间并且因此真实距离可以被直接计算，因为具有相同签名的DRW缓冲区一个接一个而没有时间间隙。在轮廓仪或扫描器的情况下，该测得的距离与同样地与发送脉冲i相关联的方向角度结合被直接存储。由于每个缓冲区必须等待直到其模糊距离被填充，保持脉冲i本身的顺序，即使任何距离跳跃出现在模糊距离的过程中。
作为借助于间隔、振幅或其它脉冲编码对具有代码i的信号模式的简单搜索的替代方案，也能够总体上以基准脉冲序列的形式比较编码的脉冲序列的部分长度或整个长度。这可以具体地以互相关的形式受到影响并且具有可以通过信号估计检测并解决多个目标的优点。在两个目标的情况下，关联搜索给出具有代码i的相同模式的两个接收脉冲，其中，每种情况下的估计过程输出到两个关联物体的距离。
由于数据的微小占用(非常短的信号占空比)，这里增加的存储需求可以通过FPGA中的资源友好实现来补偿。同样地，可以借助于在中间缓冲区中立即转发来清空DRW，使得最多n+1个DRW需要激活。
根据本发明的另一方面，仅单个DRW可以被用于采样以优化存储。通过经由计数器(来自n的i)索引脉冲和DRW，采样存储需求可以被降低为单个DRW长度。然后，仅在已经行进将要确定的最长测量距离之后飞行时间信息是可用的，但是仅存储DRW内的相对微调距离(从DRW开始到脉冲出现的飞行时间内的距离)连同各自的接收脉冲代码以及各自DRW的DRW计数器值。能够利用基于解码确定的脉冲代码数和DRW计数器数来确定回绕(wrap-around)的数量。然后，最终的飞行时间等于估计的DRW中的相对时间加上所有之前的DRW缓冲区的持续时间。可以借助于多个、冗余编码实现附加的鲁棒性。例如，因此能够编码脉冲组和脉冲组的距离两者。
根据本发明的另一方面，可以基于具体地分别与先前的突发不同的突发对信号进行编码。为了最大化鲁棒性，在特殊的实施方式中，能够将突发模式被构造成相对于彼此信号理论上正交，使得它们的波形的互相关为零。从可用的不同突发代码的数量乘以突发的距离来获得模糊距离。
根据本发明的另一方面，从目标物体返回并且同时到达测量设备的接收器的信号可以借助于产生不同偏振的单个信号进行区分。作为结果，可以将在接收传感器上检测到的交叠信号相对于它们的偏振保持分开。另外，通过信号(突发、经调制的脉冲、脉冲序列等)被配置成尽可能短并且信号之间的中断被配置成尽可能长，占空比的缩短降低了交叠的概率。
根据本发明的另一方面，记录周期(DRW)就其长度而言是可变的。具体地，至少一个信号一与识别到的信号相关联就自动关闭DRW。这是可能的，因为由记录器记录的信号的解码发生在无缝的流过程中。作为结果，缓冲区仅是必要的那么长，并且不会不必要地占用存储器。这里，DRW具有最大长度或中断标准，作为这种情况的结果，当不能找到信号时DRW就自动关闭。
根据本发明的另一方面，记录周期(DRW)被***为优选地具有相同尺寸的片段。DRW再次借助于流以增量建立，直到将被标识的信号被识别到。随后，存储器再次被释放。
根据本发明的另一方面，无需由A/D转换器生成的采样数据的按块缓冲的序列也是可能的。数据在采样周期中被“无缝地”例如分配到移位寄存器中以进一步处理。这是优化存储器的进一步的方式。在数据获取和进一步处理的该方法中，时间轴不再是按块被捕获，而是逐信号采样连续捕获、分析并处理。为了确定测量装置与目标物体之间的光信号飞行时间，(如在上述实施方式中描述的)计数器在该方法中不再是足够的。在该无缝方法中，在上述实施方式中对编码的发送信号的标识和已经经过的时间间隔(DRW)二者进行计数的计数器仅标记发送信号的单个编码。由于当今利用FPGA技术管理的时钟以纳秒周期递增(例如，作为具有超过16比特的数据宽度的快速计数器的时钟)，所以能够提供具有时间戳的激光信号的时间点，该时间戳连同脉冲身份(计数器值)一起被保持为起始时间的粗略值。使用已知的二次采样插值方法从被瞬时缓存在移位寄存器中并同样被存储的信号采样确定至皮秒的确切的起始脉冲时间。例如使用脉冲识别法或采样周期中的互相关不断地搜索移位寄存器中的所接收到的数据。如果检测到具有足够SNR(信噪比)的接收信号，则该接收信号被提供有时间戳。另外，利用已知的二次采样插值方法确定信号脉冲相对于采样网格的细小偏移，并且将两个时间存储在寄存器中。在与加时间戳相同的时间(另选地，直到后面的步骤)，对接收信号进行解码并且利用代码索引对其进行标记。优选地实时搜索起始脉冲的与当前接收信号匹配(即，是相同的)的代码索引，并且直接从相关联的存储的时间戳计算飞行时间。这里，时间数据包括具有皮秒时间插值的纳秒精度的粗略测量。
另选地，也能够免除(dispense)脉冲识别计数器。作为具有例如18比特的宽度的具有纳秒周期的时钟递增的计数器当然足以记录几千米的测量距离上的所有相关时间和编码信息。
附图说明
纯粹地借助于参照附图中示意地示出的具体示例性实施方式的下面的示例，将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，也将提及本发明的进一步优点。具体地，
图1示出根据本发明的测量设备的示意图；
图2示出根据本发明的测量装置的构成部件的原理图；
图3a至图3e示出在同时飞行的多个发送信号的情况下的模糊；
图4a至图4e示出在发送信号的突然距离跳跃的情况下的模糊；
图5a至图5c示出在多个目标的情况下的模糊；
图5d示出解模糊的实施方式；
图6a至图6b示出接近地设置的双目标的情况下的模糊；
图7a至图7e示出根据本发明的信号调制的示例性选择。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的测量设备，该测量设备具有距离测量单元1、偏转单元5和估计单元9，其中，后者可以具有FPGA(现场可编程门阵列)和CPU(中央处理单元)。估计单元9也可以以SoC-FPGA架构装配，其具有由处理器、具有到FPGA部件的宽带总线连接的***接口和存储器接口组成的HW处理器***。距离测量单元1具有至少一个基准信号单元4和接收器3。提供接收器3以接收从目标物体12返回的接收信号7和/或基准信号7'，该基准信号7'是由部分透镜16转移(divert)的发送信号6。发送信号6由发送器2(例如，激光二极管、具有光放大器或光纤激光器的超发光LED)发送并且被引导通过具有偏转单元5的光学***到目标物体12上。
图2示出了根据本发明的测量设备的原理图，该测量设备具有(如通常在诸如激光扫描器、轮廓仪和激光追踪器的一般激光测量设备中的)在基板中的至少一个角度测量单元11和***计算机18，以及诸如在实际距离测量单元中的图1中所示的至少各种部件。
这里所示与发送器2分离并且也可以被集成在其中的编码器8提供编码信号6(诸如，脉冲、脉冲序列或脉冲突发)和/或还有波长或偏振。发送器2将这些编码信号6例如发送至光学单元19，该光学单元19将信号6引导至目标物体12上。为此，可能需要具有进一步的角度测量单元(未示出)的专用的偏转单元5。如果需要，发送信号6可以沿着其路径被部分转移，例如，借助于部分透射转移元件16。发送信号6被转移到进一步转移元件16，该进一步转移元件16将发送信号6进而引导到接收设备3上。在目标物体12处被反射的信号7行进返回测量设备并且在那里同样地被耦合至接收器3中。接收器3因此接收发送信号6(以基准信号7'的形式)和接收信号7二者。经由转移元件16的内部光路径的目的是提供用于生成无漂移距离零点的起始脉冲，即，用于校准测量装置与目标物体之间的绝对测量距离。如现有技术中所已知的，同样地能够允许或者仅基准信号7'或者仅接收信号7到接收设备3上，而不是两个信号7'和7同时到接收设备3上。这例如以用于束中断的可枢转的盖子的形式发生。接收设备3包括模拟信号路径和数字化单元二者，尤其由适于GHz范围的周期的模数转换器组成。记录器10至少临时记录到达接收单元3的每件事。然后，信号数据的解码和估计可以在控制和估计单元9中发生。大部分数字模块(诸如，8、9和10)可以在FPGA模块15中实现。
由控制和估计单元9生成并管理关于来自发送器2的发送的基本信息(调制或编码、脉冲的数量、发送的时间戳等)。在每个发送信号处，控制和估计单元9通过一个计数器单元提示计数器单元17的信号编码计数器的计数状态的增加。在接收侧，控制和估计单元9借助于读取计数器单元17的信号编码计数器来对数字化的信号进行分析并且存储与接收脉冲相关联的所经过的DRW周期。在距离计算中，所述经过的DRW脉冲间隔的总和被确定并被添加到飞行时间，在当前记录窗口中测量该飞行时间到皮秒。作为结果，通过多个模糊间隔也已知绝对飞行时间。
在利用“无缝”数据缓冲(也就是说，不用按块的数据缓冲)的又一实施方式中，使用计数器单元17的计时器，该计时器用作时钟，并且优选地随模数转换器的周期递增。如果需要，附加地能够保持信号编码计数器。控制和估计单元9针对每个发送脉冲模式将条目(时间戳)存储在发送寄存器中。该条目由用作时钟的计数器的时间戳和信号编码计数器的信号代码组成。在特殊的脉冲序列编码中，如在具有编码相互距离的双脉冲的情况下，也足以仅在发送寄存器中存储与单个脉冲相关联的时间戳。然后，可以基于所存储的时间戳随时重新构造发送信号的代码。在这种情况下，能够在计数器单元17中免除信号编码计数器。在接收侧，控制和估计单元9组织第二寄存器。在每个识别到的接收信号脉冲(即，在借助于足够的SNR(信噪比)检测的接收信号脉冲)处，用作时钟的计数器单元17的计数器的状态被同步读取并连同通过解码确定的信号代码一起被存储在接收脉冲寄存器中。在特殊的脉冲序列编码中，再次足以仅将脉冲序列中的所接收到的单个脉冲的时间戳存储在接收脉冲寄存器中。通过将发送寄存器中的条目与接收寄存器中的条目进行比较，匹配发送信号频繁地与根据信号解码的多个接收到的信号进行配对，并且借助于登记的时间戳直接计算飞行时间。在寄存器不包含信号编码条目的情况下，寄存器估计需要中间步骤。在该解码步骤中，借助于搜索过程确定形成每种情况下的代码模式的寄存器中的时间戳布置。如上所述，发送和接收脉冲的相关联的时间戳然后可以与该解码信息进行配对，并且飞行时间以及进而距离可以被计算。
在相比于图2被简单化的实施方式中，起始脉冲的内部光路径也可以通过切换元件被中断，在这种情况下，仅由目标物体反射回的信号由接收单元3接收。这具有可以更容易并且更鲁棒地估计多个目标的优点。然后，例如，当偏转单元5在没有设置待测物体的方向上引导外部激光束6时，起始脉冲仅以非常特定的时间被允许到达接收器单元3上。
图3a示出了激光追踪器13发射多个经调制的脉冲A、B、C和D(未示出)到作为目标物体12的目标房子上的测量场景。示出的是脉冲A、B和C在飞行中的时间，其中，A和B被房屋反射、作为接收信号已经在返回，而脉冲C作为发送信号仍然向目标物体12飞行中。对四种不同的编码模式的限制纯粹是示例。
在图3b中，利用虚垂线在三个时间轴上绘制了图3a所示的时间，其中，中央时间轴定性地示出了所有四个信号A、B、C和D具有距物体相同的距离。下面的时间轴示出了信号的发送时间，并且上面的时间轴示出了测量设备处所反射的信号的到达时间。在此可以看到的是，在图3a所示的时间(虚线)，信号C尚未到达房子墙壁，并且信号A和B已经被反射，但是尚未到达测量设备，并且信号D尚未被发送。
图3c示出了在时间轴上绘制的图3a和图3b的相同的发送方案，以及记录周期DRWA、DRWB、DRWC和DRWD。这是使用借助于时间或信号编码计数器标记的时间部分(记录周期DRWj)的唯一性解决方案的第一实施方式。信号A的发送启动了记录窗口DRWA，信号B的发送启动了记录窗口DRWB等。可以看出的是，正当记录周期DRWC为激活时，接收信号A返回到达接收器。以相应的延迟，反射的信号B、C和D也返回到达测量设备。
图3d示出了对于单个脉冲的飞行时间的计算方案，并且以及发射编码的最长的周期20，该周期包括脉冲A、B、C和D的发送时间。虚水平线表示未明确测量的这些距离，但是仅以附加计算的形式考虑。在此明确测量的是例如信号C的发送与信号A的返回之间的时间(水平箭头，实线)。基于以下的关联：接收信号A-DRWC直接做出关于自从发送已经经过的时间的确定。计数器(计数器单元17)在每种情况下标记当前缓冲区(DRWj)。在DRW终止之后，控制和估计单元9搜索用于接收信号的DRW的内容并且对相关联代码(A、B、…)进行解码。控制和估计单元9基于接收信号的代码和与DRW缓冲区相关联的计数器值确定所经过的DRW间隔的数量，该数量对应于虚水平线。整个信号飞行时间是所经过的整数DRW间隔和正在那是估计的DRW缓冲区的所确定的相对飞行时间(实水平线)的总和。
图3e详细地示出了可以从图3d看出的将被添加的时间距离分量：DRWA+DRWB+τA。这里与具有代码A的发送脉冲相关联的距离与0.5*C0*(DRWA+DRWB+τA)对应，其中，C0是光通过空气的速度。
图4a示出了激光扫描器、旋转激光器或激光轮廓仪14借助于其旋转对平面不断进行采样的测量场景。在示例中，该平面沿着两个房子的墙壁延伸，其中，在扫描期间出现突然的距离跳跃。当信号A和B仍然处于撞击后面房子12b的过程中时，信号C和D首先在房子墙壁12a上被反射，该房子墙壁12a被明显更远的朝前设置。在该图中未示出单个脉冲和它们的位置。
类似于图3b的中间(in the center)，图4b例示出了到物体的距离随着激光扫描器的旋转而改变，其中，在这种情况下，从一个房子墙壁12b到另一个房子墙壁12a的距离跳跃显著地标记为扭结(kink)。作为结果，信号C即甚至信号B之前到达接收器。
类似于图3c，图4c例示出了发明的标记方法使用间隔计数器(信号编码计数器)和/或时间戳计数器(计时器)解决该交错问题并且建立发送和接收脉冲关联的唯一性的方式。通过该示例，发明的方法的第一实施方式例示出有记录周期DRWj，该记录周期DRWj进而借助于索引j＝(A、B、…)与发送代码相关联。在通过相应信号A、B、C和D的发送触发的每种情况下，记录周期DRWA、DRWB、DRWC和DRWD同样地开始。
类似于图3d，图4d示出了唯一地计算正确的距离的方式。通过示例，具有代码B的接收脉冲在具有计数器值D(DRWD)的DRW中被接收，控制和估计单元9立即计算位于B与D之间的两个完整的DRW间隔。因此，从DRWB、DRWC以及DRWD中的当前测量的部分飞行时间τA的持续时间得到总的飞行时间。这就是图4e所详细示出的：DRWA+DRWB+τA。
图5a示出了激光追踪器13将激光束对准房子边缘12并且在该过程中也将其部分对准位于房子边缘12后面的房子12'的测量场景。由于激光束的扩展的横截面尺寸，测量波束在物体边缘处被一分为二，发送信号的一部分撞击前景的较近的房子墙壁12，并且光的剩余部分撞击远处的房子12'的表面。该所谓的多目标问题通过接收器意外地接收多个反射并且不再能够将这些反射与发送信号唯一地关联的事实来区分。信号A在第一个房子墙壁12处的反射在所示时间已经返回到达测量设备13。另一方面，信号A在后面房子墙壁12'的反射仍然在其返回激光追踪器13的途中。由第一个房子墙壁12反射的信号B同样地仍然处于飞行中。信号B在第一个房子墙壁12处未被反射的部分(B')仍然在其到后面房子墙壁12'的途中，并且发送信号C刚刚离开测量设备13。
类似于图3b，图5b示出了在图5a中使用垂直虚线例示出的时间。中心轴示出了在不同的距离处的两个物体12和12'，其中，考虑较长的飞行距离以一定延迟接收来自物体12'的反射A'、B'、C'。
图5c示出了在过程中出现的所接收到的信号序列的交叠以及在此建议的解决方案。记录周期DRWA、DRWB、DRWC和DRWD与针对解模糊的第二实现形式对应。DRWj间隔(j＝A、B、…)在每种情况下是足够的直到相同代码的相应信号被再次发送。例如，从脉冲A的发送直到脉冲A的下一次发送，DRWA因而是足够的。单个数据缓冲区的长度因此包括整个代码长度20。为了实现最快速和最鲁棒的接收信号估计，这里的DRW仅旨在它们自身的信号类型，使得例如当DRWA记录所有接收信号脉冲时，控制和估计单元9在DRWA的终止登记时捕获并估计仅返回脉冲A和返回脉冲A'。
图5d示出了无需按块数据缓冲的又一实施方式。该方法使用一种类型的移位寄存器，其中，所接收到的数字化的原始数据由控制和估计单元9无缝地分析并处理。用作时钟的计数器单元17的计时器优选地以模数转换器的周期递增。在发送器侧，每个脉冲被设置有从时钟读取的时间戳，并且在该过程中，在发送脉冲寄存器中制出条目。如果需要，信号编码计数器也被读取，在发送脉冲寄存器中制出附加的条目。在接收器侧，针对接收信号实时“无缝地”搜索所接收到的数据流。一旦接收信号到达并且被识别到，从时钟读取的至少一个时间戳被输入到接收脉冲寄存器中。如果需要，通过解码确定的信号代码也作为附加条目被输入到接收脉冲寄存器中。下游连接的控制和估计单元9或估计单元将发送脉冲寄存器中的条目不断地与接收脉冲寄存器中的条目进行比较。如果对于发送的脉冲模式j，具有相同代码j的至少一个所接收到的脉冲模式在总编码序列的最长周期20的持续时间内被发现，则与发送脉冲和接收脉冲相关联的时间戳被配对，并且借助于时间戳的差异形成以及添加通过二次采样***的时间间隔τ直接计算飞行时间。使用用作时钟的该快速递增计数器自动地解决模糊问题。
作为对于代码类型A、B、C...的信号模式的简单搜索的替代方案，也能够比较以在整个各自的记录周期DRWj上的基准脉冲序列的形式的编码的脉冲序列的长度20的一些或整个长度20。例如，这以互相关的形式来完成。该整体(integral)类型的信号估计具有更鲁棒识别并且解决多目标的优点。在双目标的情况下，相关联搜索将产生具有代码j和j'的相同模式的两个接收脉冲，并且因此估计过程在每种情况下将具有到两个相关物体的一个距离。
图6a示出了简单的间隔调制的示例，并且图6b示出了对于双目标j、j'的情况的相关联的自相关函数。互相关唯一地示出了具有相关联的唯一时间的两个目标(利用圆点标记振幅值)。
图6a和图6b示出了在彼此靠近设置的双目标的情况下的模糊问题。具体地，电接收脉冲在特定环境下能够交叠，这使得估计更加困难。具有双目标的这种情况可以使用本发明的实施方式变型以特别说明的方式来解决，如关于图5c所描述的。单个DRW数据缓冲区的长度包括整个发送代码长度，并且两个反射的时间借助于存储在缓冲区中的接收信号序列的互相关利用发送信号的模式序列来确定。在图6b中例示出了互相关搜索的结果(圆点)。
图7a至图7e示出了可以根据本发明可被使用的不同的编码或调制选项。
图7a示出了具有脉冲对之间的编码距离的双脉冲调制。在它们的整体中，脉冲对被标记为A、B、C和D。如果信号序列的序列A、B、C、D被附加地改变，例如，如果序列A、B、C、D-B、A、C、D-C、A、B、D-A、C、B、D被发送，则唯一性距离可以被附加地扩展为多个。
图7b示出了由三个等距离的脉冲组成的脉冲振幅调制，其中，来自组的一个或两个脉冲在它们的振幅方面略有降低。所例示的调制序列因此生成编码序列A、B、C、D、E、F。
图7c示出了图7a的调制，其中，间隔ab、bc、cd和da的附加的编码被实现。在该编码的情况下，单个脉冲标识被标记两次并且因此是冗余的。例如，如果以倾斜的角度测量物体表面并且距离在扫面期间不断地改变，则可以伪造一个或其它的编码类型。然而，对于两种编码同时被扰乱或伪造是相当不可能的。作为结果，原理上冗余信号编码更加鲁棒。冗余的程度并且因此对多个目标的正确测量的概率以及动态扫描表面由此通过使用双编码而增加。
图7d示出了具有位置编码的突发调制，其中，在每种情况A、B、C和D下，突发以它们的整体再次被指定。
图7e示出了在接收器处检测的两个信号A和B的交叠。例如，如果同时经由内部光路径将基准信号作为起始脉冲引导到接收器上，则这种信号交叠是频繁的。例如相比于由目标物体返回的接收脉冲，可以通过利用正交调制对起始脉冲进行编码来区分这两种信号。
应当理解，先前示出并说明的附图仅示意性地示出可能的示例性实施方式。应当注意，具体地，明确示出并解释的示例无例外地可以单独地和以任意所需组合被使用，并且也可以与现有技术的相应的装置和方法结合。

Claims (15)

1.一种用于测量电磁信号的飞行时间的距离测量装置，所述距离测量装置至少具有：
·发送器(2)，所述发送器(2)用于发送根据由编码器(8)指定的模式编码的发送信号(6)；
·接收器(3)，所述接收器(3)用于检测由至少一个物体(12)反射的所述信号作为接收信号(7)；
·计数器单元(17)，所述计数器单元(17)具有用于将计时器值写入到至少一个寄存器中的计时器，所述计时器值在所述发送信号(6)的发送以及所述接收信号(7)的接收的每种情况下生成；以及
·控制和估计单元(9)，所述控制和估计单元(9)用于基于以下来计算所述飞行时间：
□对所述接收信号(7)进行解码并且
□读取所述计数器单元(17)的所述寄存器。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发送信号(6)通过所述装置内的反馈(16)同样地能够引导至所述接收器(3)作为基准信号(7')，其中，所述控制和估计单元(9)也被配置成用于对所述基准信号(7')进行解码。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述计数器单元(17)还具有信号编码计数器，所述信号编码计数器与每次信号发射同时地生成与各发送信号(6)的编码相关的关联信号编码计数器值。
4.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
信号的编码包括以下中的至少一种：
·间隔调制；
·振幅调制；
·频率调制；
·距离调制的双脉冲或多个脉冲；
·突发调制；
·偏振调制；
·波长调制。
5.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述控制和估计单元(9)被配置成在所述解码之后直接标识所接收的信号(7)作为所发送的信号的反射。
6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述控制和估计单元(9)被配置成基于所述计时器值直接计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且借助于解码来标识。
7.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述控制和估计单元(9)被配置成基于所述计时器值和所述信号编码计数器值直接计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且借助于解码来标识。
8.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
生成信号编码计数器值触发了记录周期的开始，其中，所述记录周期具体地与以下相关联：
·每个信号编码计数器值和/或
·所述记录周期开始时的所述计时器值。
9.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述记录周期具体地至少足够长以包括编码信号序列的完整的序列。
10.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
多个记录周期在时间上
·彼此无缝地紧随或
·交叠。
11.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述控制和估计单元(9)被配置成基于以下计算由所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且通过解码来标识：
·在所述发送信号(6)的发送时间处的所述计时器值，
·在接收到所述信号的所述记录周期的起始点的所述计时器值，以及
·所述接收信号(7)在所述记录周期内的时间位置。
12.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
所述控制和估计单元(9)被配置成基于以下计算所发送的信号行进的距离，所发送的信号被识别为返回信号并且通过解码来标识：
·所述记录周期的所述信号编码计数器值，以及
·所述接收信号(7)在所述记录周期内的时间位置。
13.根据前述权利要求中的一项所述的装置，
其特征在于，
信号占空比低于50％，具体地低于5％，具体地低于0.5％。
14.根据权利要求2到13中的一项所述的装置，
其特征在于，
由所述接收器(3)接收到的所述基准信号(7')与由目标反射的所述接收信号(7)正交。
15.一种用于测量电磁信号的飞行时间的方法，该方法由激光扫描器、轮廓仪、全站仪或激光追踪器执行，所述激光扫描器、轮廓仪、全站仪或激光追踪器至少具有：
·发送器(2)，所述发送器(2)用于发送根据由编码器(8)指定的模式编码的发送信号(6)；
·接收器(3)，所述接收器(3)用于检测由至少一个物体(12)反射的所述信号作为接收信号(7)；
·计数器单元(17)，所述计数器单元(17)具有用于将计时器值写入到至少一个寄存器中的计时器，所述计时器值在所述发送信号(6)的发送以及所述接收信号(7)的接收的每种情况下生成；以及
·控制和估计单元(9)，所述控制和估计单元(9)用于基于以下来计算所述飞行时间：
□对所述接收信号(7)进行解码并且
□读取所述计数器单元(17)的所述寄存器。
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