[发明专利]距离测量方法和距离测量元件

说明书

本发明涉及一种距离测量方法以及一种距离测量元件。

在电子和光电距离测量的领域中，已知有各种原理和方法。一种方法在于向待测量的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物的所述目标接收回波，其中，基于脉冲的传播时间(time of flight)来确定待测量的与目标的距离。这样的脉冲传播时间测量元件已经获得接受，同时在许多领域中作为标准的解决方案。

各种方法被用于检测反向散射脉冲。

所谓的阈值方法涉及如果入射辐射的强度超过特定阈值则检测光脉冲。

另一种方法是基于反向散射脉冲的采样。发射的信号是基于以下的事实来检测的：对由检测器检测到的辐射进行采样，在采样区内识别信号，并且最终确定所述信号的位置。通过使用大量的样本，即使在不利的环境下也能够识别有用信号，使得能够处理甚至相对大的距离或者嘈杂的或受到干扰的背景场景。在现有技术中，采样是通过使用正被偏移(shifted)的时间窗或相位对许多相同的脉冲进行采样来实现的，其中，目前能够实现非常快的电路，该电路具有高到足以对单独脉冲进行采样的频率。

然而，信号采样的要求和信号重构(reconstruction)的先决条件是不确定的(problematic)，尤其是在使用可变的或失真的信号的情况下。由于采样率在技术上受上限制约，所以并不是所有的信号分量都能够以相同的方式进行采样。如果不遵循所谓的奈奎斯特(Nyquist)采样定理，则会出现所谓的混叠效应，这将使信号重构恶化并因而降低测量精度。现有技术在这里公开了以下的解决方案：尽管接受了对奈奎斯特条件的轻微违反，但还是通过滤波减少了更高频率的信号分量，以至于经滤波的信号能够满足奈奎斯特条件。

在这方面，WO 2011/076907公开了一种设备，该设备根据对反射信号直接采样的原理进行高精度的距离测量，其中接收信号由采样电路进行采样并随后被量化。采样之前，在接收信号路径上分配有高阶滤波器。该滤波器通常是六阶滤波器或更高阶滤波器，并且不像根据现有技术的其他设备的情况，并没有将该滤波器设计为简单的一阶、两阶或最多三阶抗混叠滤波器。在这样的距离测量方法的情况下，波形的完整识别不再是绝对必要的。因为，在采样之前，信号带宽已被减小成使得与距离有关的所有频率都低于采样频率的一半，所以根据奈奎斯特采样定理，后来保留并满足预期测量目的的距离相关信号能够通过算法装置而完整地重构，并因而还能够确定其准确位置。该测量即使在改变信号的情况下仍起作用，并且通过此方法能够提高精度。然而，引导重构的先决条件是，信号的主要部分必须位于奈奎斯特频带内，优选使用第一频带。

现有技术的其他方法或设备确实对于首次近似符合奈奎斯特或香农(Shannon)条件。在此情况下，信号频谱的带宽BW或3dB下降点f3dB被限制到低于奈奎斯特极限频率fg的频率。然而，因为频谱在BW或f3dB以上的频率处的下降由于低阶滤波器而无一例外地太过缓和，所以无法百分之百地满足香农定理，并且不能提供针对精确的、无偏差的距离测量的混叠效应的抑制。

因此，现有技术中的解决方案使用保证遵循采样定理的复杂的滤波器概念，但是这些复杂的滤波器概念不能避免混叠效应到高精度测量所需的程度。

因此，本发明的目的是提供一种新的距离测量方法和一种新的距离测量元件，通过该新的距离测量方法和新的距离测量元件避免或减少了上述缺点。

进一步的目的是提供一种在采样过程之前不需要滤波或减少在滤波上的开支的高精度距离测量元件和距离测量方法。

进一步的目的是提供一种距离测量元件，该距离测量元件即使在非线性失真脉冲的情况下(例如，在信号饱和的情况下)也能够准确测量。

进一步的目的是提供一种距离测量元件，该距离测量元件使得即使利用更高频率的信号分量(尤其是在不受香农定理的限制的情况下)成为可能。

进一步的目的是提供一种高精度距离测量元件，该距离测量元件使得即使使用简化的结构(尤其是使用较慢的模数转换器)也能够进行高精度测量。

具体地，目的在于根据使用信号采样的传播时间测量方法进一步开发距离测量元件，使得在毫米(mm)范围或亚毫米(sub-mm)范围内的绝对精度得以保证。此处理想地旨在实现依照相位测量原理的距离测量元件的精度等级。