专利名称：电子测量方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的基于外差接收原理的电子测量方法、根据权利要求10的前序部分所述的测量装置以及计算机程序产品。
背景技术：
在电子测量方法的领域中，已经公开了各种原理和方法，其中根据外差接收原理，将高频信号通过与混频信号非线性叠加来下变频为低频信号以便于评价。在外差接收机中和零差接收机中都工作有混频器，以便把输入信号转换到另一频率范围。在该情况下，根据接收机类型来应用不同的混频电路，这些混频电路间的差异应予以表现和定性评价。
在零差接收的特殊情况下，本机振荡器的混频信号和待测辐射在调制频率方面一致。由非线性混频产生的拍频信号与大小取决于所接收的辐射相对于本机振荡器的相位位置的直流信号相对应。
反之在外差原理中，本机振荡器产生在频率方面与所调制的测量信号不同的混频信号。外差原理例如应用在根据相位差原理的测距仪中，在该测距仪中，发射可见或红外范围内的电磁辐射。
当然，还公开了与外差接收原理一起用于测距的其他载波。其中一例是雷达技术。
在相位测量技术中，使用在从数MHz到数GHz的范围内的重复频率发射调幅光脉冲(通常是正弦波信号或矩形波信号)。另外，作为光源，除了LED以外还可应用具有数mW的峰值功率的常规CW激光二极管。平均发射能量足够高，因此针对要使用相位计测量的距离，激光点在目标上的可见度没有问题。
为了测距，把发射信号的相位位置与返回信号的相位位置进行比较。相移与测量距离成正比。将由光电二极管接收到的HF信号放大，并借助于经锁相环(PLL)调节的本机振荡器信号将该HF信号同相地(true tophase)下变频到更低频带。
取代采样率在GHz范围内的高频信号采样，可使用低频接收信号非常简单地进行工作。这里，在低频(LF)范围内进行采样和模/数转换在某种程度上更简单、更准确、而且电流消耗更少。在传统的相位计中，仅应用已下变频的低频信号的基波。
为了获得充分的测距精度或者绝对测量精度，通常依次测量内部光路(校准距离或基准距离)和外部光路(测量距离)。这样可校准电子装置内的渡越时间的变化。还可借助于两个相同的并行的接收通道来实现对渡越时间变化的校准。在仅具有2个通道的相位计的情况下可进行准确测距。这种相位计的优点特别是在于设计简单、以低频级进行测量以及能获得可靠的束源。而该相位计的一大缺点是其针对发射通道和接收通道之间的光学或电子串扰的抑制不充分而易出现故障，另一缺点是其检测灵敏度通常很低。
相反，根据脉冲原理的渡越时间测距仪不具有这些缺点，然而其测距精度经常太不准确，而无法用于大地测量，特别是在要求亚毫米精度的情况下。
在渡越时间测距仪的情况下，同样也发射光脉冲，其中利用适当的光学措施将该光脉冲分为，使得一部分通过内部光路(校准距离)直接导到接收机，而该光的剩余部分通过外部光路从仪器发出。在该情况下，该光脉冲是强度曲线具有峰值的脉冲信号。在该情况下，该峰值或者其位置原则上定义用于推导信号渡越时间的时间相关基准参量，该时间相关基准参量可在进行适当求解和评价的情况下来确定。光脉冲的外部部分照射到位于一定距离(即，待测距离(＝测量距离))远的目标上，并从那里反射回，通过适当的光学系统导到同一接收机，其中该接收机合适地是具有后置电路放大器的光电二极管。
通过内部光路所导行的光脉冲在接收机中产生基准脉冲，该基准脉冲在以下被称为起始脉冲。通过外部光路(测量距离)所导行的光脉冲在接收机中产生所谓的测量脉冲，该测量脉冲在以下被称为停止脉冲。
由于内部光路的长度和外部光路的长度不同，因而两个光脉冲在不同时间到达接收机。在起始脉冲和停止脉冲之间的时间差被定义为渡越时间，并与内部光路和外部光路的长度差成正比。待测的时间差非常小，即，必须极其准确地确定该时间差，以便达到适于可使用的测距系统的毫米或亚毫米的大地测量精度。该脉冲测距仪的缺点在于，该装置用于时间测量是非常复杂的。为了确定渡越时间，通常使接收信号数字化，为此需要采样率在GHz范围内的非常复杂的高频电子电路。
在脉冲测距仪的情况下进行渡越时间测量的复杂性可通过使用外差原理而得以大大简化。在该情况下，例如由经PLL调节的本机振荡器利用略微不同的频率而产生的HF脉冲信号与接收脉冲串倍增叠加。与相位计的情况不同，在该方法中，所有谐波都一起使用。在该情况下，在低频范围内产生高频起始脉冲和停止脉冲的时间膨胀图像。对合适的时间膨胀(time dilation)的因子的选择分别取决于发射机的脉冲频率。例如在1MHz的脉冲频率下，1MHz/(1MHz/128)＝128的膨胀因子就足够了，而在100MHz的脉冲频率下，则需要在500MHz(1MHz/128)＝64000范围内的膨胀因子。
可借助于低频采样(≤1MHz)容易地测量经时间膨胀和低通滤波后的输出信号的起始脉冲和停止脉冲间的间距；该间距与待确定的测量距离成正比。
然而，该方法具有以下缺点，即，即使在评价低频转换后的接收信号的谐波的情况下，由于接收信号(起始脉冲和停止脉冲)的时间膨胀也会损失原始高频信号内存在的时间信息或距离信息的大部分。在该情况下，如果高频接收脉冲的最高谐波的每周期不存在至少两个采样脉冲，则将违反奈奎斯特(Nyquist)准则。这种损失源自外差原理，在该外差原理中，与在子采样系统中相似，有时高频接收脉冲不遇到混频脉冲(＝采样脉冲)。因为这些高频接收脉冲的渡越时间信息落入混频器间隙内，所以该信息不由外差时间转换或频率转换来决定，因此对低频信号没有贡献。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种精度提高的用于确定渡越时间的测量方法或测量装置。
本发明的另一目的是提供一种信号灵敏度提高的用于确定渡越时间的测量方法或测量装置。
本发明的又一目的是改善在根据零差原理或外差原理接收信号时对信号信息的使用。
这些目的是分别通过权利要求1和10或者从属权利要求的主题来实现的，或者借此进一步发展这些解决方案。
本发明不仅提供一种新颖的根据外差接收原理的电子测量方法，而且提供一种具有多个混频器的对应的测量装置。根据本发明的测量方法和测量装置不限于下面纯粹是以示例的方式描述的以光辐射作为载波的外差接收的变型例。例如也能根据本发明采用无线电波、微波、亚毫米波波段内的载波。
根据本发明的原理是通过以下方式来补偿在外差接收时的信号信息的损失将高频接收脉冲与多个相移混频脉冲信号并行地同时下变频为多个单独的低频信号，其中可将这些低频信号同相相互累加或组合而合并成单个接收信号。由于在该并行混频器系统中噪音和脉冲都不相关，因而信/噪比与混频通道数一起得到改善。在这一点上，同相组合意味着用于集合的相移正好对应于相对应的混频信号的相移。就这点而言，在其他混频信号的采样值之间进行采样值的同相插入。作为混频信号可应用例如由经PLL调节的本机振荡器所产生的高频脉冲信号。
不同相位的混频信号的最佳数M取决于高频发送信号(特别是最高频率为F1＝1/Ti的发送信号)的脉冲持续时间和脉冲周期T1。混频信号的最大数M对应于脉冲周期对脉宽(脉冲持续时间)的商的两倍。这些出现在混频通道的输出处的多个低频信号现可进行同相相互累加或者数字组合。因此，该原理基于使用两个或多个模拟采样器进行子采样，这些模拟采样器相互间相移并实现信息获取。
下面参照在附图中示意性地示出的实施例，仅通过示例的方式来更详细地描述或者解释根据本发明的电子或电光测量方法和根据本发明的测量装置。具体来说，在附图中图1示意性示出根据本发明的测量装置的一实施方式的框图；图2示出高频外差混频之前和之后的信号；图3示出以更大比例进行高频外差混频之前和之后的信号；图4示出以更大比例进行高频外差混频之前和之后的信号并示出转换后的起始脉冲；图5示出已转换到低频带的由起始脉冲和停止脉冲组成的低频信号脉冲序列；图6示意性示出针对仅一个混频信号的情况的外差子采样的影响。
具体实施例方式
图1示出根据本发明的基于外差接收原理的测量装置的一实施方式的框图，其与公知的相位测距方法相比灵敏度显著提高。
在信号串的开头，存在典型精度为0.5ppm至5ppm的石英校准的基准振荡器。在发送通道中存在所谓的直接数字频率合成器2a。根据使用微控制器或微处理器μP进行编程，元件2a产生在数kHz或MHz范围内的期望频率。变频器3同样与发送通道相对应并将频率倍增到更高范围，从而产生测量频率F1。此外，变频器3还用作滤波器并确保频谱信号的纯度。为了进行粗测距，类似于相位计的情况那样，发送优选地互相靠近的多个频率F1。驱动级4把控制频率转换成持续时间短的电脉冲并驱动光源5(例如为激光二极管)，该光源5随后产生与电脉冲曲线相关的发射，该发射具有与时间相关的强度上升和继峰值之后的强度下降。该峰状光脉冲的一部分作为发射信号ES指向待测目标物体，另一部分作为内部信号IS通过分束器直接被导行到光接收机。配置6对应于内部基准光路，借助于该内部基准光路产生各个起始脉冲。由目标物体反射而又接收到的光脉冲被作为反射信号RS同时或者并行地导行到同一光接收机7，并形成停止脉冲。
使用多个并行排列的混频模块9a、9b、9c、9d可消除信号子采样的损失相关的影响。在该扩展的装置中，变频器级13例如产生相对于发送通道再次略微频移的四个高频控制信号脉冲。这些控制信号的相位优选地采用(2π/控制信号数)的整数步阶(step)彼此相对移位。
因此，混频模块9a、9b、9c、9d在对应于低通滤波器10a、10b、10c、10d的输出处还产生移位了这些相位步阶的信号。几乎同时在相对应的模/数(AD)转换器11a、11b、11c和11d内对时间转换后的信号进行数字化，并通过微处理器μP将它们存储在存储器内。
在外差接收时通过子采样而发生的信噪比损失将通过以下方式在后处理中加以消除将四个数字信号脉冲序列同相(更确切地说按照优选的(2π/控制信号数)的整数步阶)累加成单个信号脉冲序列。
本发明的测量方法的灵敏度与现有的外差接收或零差接收相比提高了根(M)。
作为用于通过外部光路确定信号的渡越时间的测量参量，针对每个激光脉冲频率Fi把停止脉冲与起始脉冲之间的时间转换后的相对延滞xi对时间转换后的脉冲距离Ti之比计算为测量参量。根据互相关法或函数补偿法来实现在AD转换器11a、11b、11c、11d的采样点之间的时基内插。
要确定的距离计算如下D＝Ni·Li+xi·L1(1)这里，N1表示在测距仪与目标物体之间的停止脉冲数，Li表示两个发送脉冲之间的脉冲距离。
例如通过计算对应于测量频率F1的测量值x1之间的差值来求解模糊度N1。这些值和与最长距离的长度可比的长脉冲周期相对应，所述最长距离的长度仍可单值地进行求解且对于如非模糊度领域的技术人员来说在术语上是公知的。实际上关于用于根据一组相对延滞x1确定模糊度参数N1的策略对本领域技术人员来说是公知的，例如根据GPS算法中对相位模糊度的求解。
图2示出在仅一个混频模块处的高频外差混频之前和之后的信号。脉冲周期为T1＝1/F1的高频接收信号17由起始脉冲和停止脉冲组成，并通过频率相对于脉冲周期1/Fi略微移位的由多个单脉冲组成的混频信号18进行电模拟混频。在混频器的输出处形成具有下位(underlaid)的高载波频率的调幅输出信号。该输出信号的包络14具有两个信号脉冲，其中一个对应于时间转换后的起始脉冲15，另一个对应于时间转换后的停止脉冲16。借助于信号的时间膨胀，如现有的相位测量的情况那样，将利用以下优点，即，可使用低成本的电子元件，以低的电流消耗进一步处理低频范围内的信号并使该信号数字化。此外，电子元件的系统性的渡越时间误差的影响减少了混频级的时间膨胀因子，这大大提高了装置的测量精度。根据本发明，组合由至少2个混频信号产生的输出信号和由该输出信号所确定的渡越时间，即，在最简单的情况下计算期望值。
图3以时间膨胀图的形式示出图2的信号的部分。图中示出如何在高频接收信号17中不放大停止脉冲而仅部分地放大起始脉冲。因此，在该阶段，仅起始脉冲被导行到混频器的输出处，而损失停止脉冲。在混频器的输出处形成具有较高的频率但具有附加调幅的输出信号19。还示出了输出信号19的包络14。在根据本发明的使用同时作用但彼此相对移相的至少两个混频信号的测量方法中，不存在或者仅部分存在这种信号信息的损失，这要视混频信号数M不同于输入信号的脉冲周期对脉冲持续时间的商的两倍的程度来定。
图4中同样示出图2的放大部分，此外还示出包络14或者经过了低通滤波和时间膨胀的起始脉冲15。在例示的区域20中可以看出，混频信号18对接收信号17中的起始脉冲的获取以及由此到输出处的导行。而在该阶段，接收信号17中的经时移的、较小的停止脉冲不会被混频信号18所获取并因此不会出现在混频器的输出处。其包络14描述了时间转换后的起始信号或停止信号的高频调幅输出信号19被继续导行。而且，通过根据本发明的测量方法可减少或消除这种信号信息的损失。
图5示出了转换到低频范围的接收信号。信号脉冲序列的周期包含第一起始脉冲15a和停止脉冲16a，在该图中还可以看出其后以时间膨胀的脉冲间隔22为L1的第二起始脉冲15a’。这里，待确定的测量参量是时间，即，第一起始脉冲15a与停止脉冲16a之间的延滞21。在借助于AD转换器进行采样后，可计算延滞21并由此可计算周期x1作为延滞21与T1之比。借助于式(1)来计算距目标物体的距离。
D＝N1·L1+x1·L1有若干种数值法用以求解模糊度参数N1，即仪器与目标物体之间的发送脉冲数。因此，从雷达或者GPS卫星测量技术已知各种适合的方法。已经提到的GPS算法包括求差法、线性组合(LC)法，特别是窄线LC(narrowline LC)或宽巷LC(widelane LC)。
如图5所例示，在多个目标的情况下出现附加的停止脉冲，其周期x1可在每个调制发送频率F1处单独来测量。可以测量距交错的目标物体的距离是本发明装置的一特别强项。
图6清楚示出在迄今为止的外差技术的情况下的外差子采样的影响。如果该装置仅包含具有对应的脉冲混频信号的单个高频混频器，则会损失部分信号能量。这种损失相关的影响在位置24处很明显，在该位置，混频器的控制脉冲落入起始脉冲和停止脉冲之间。为了避免这一点，根据本发明在接收通道中相互并行地应用多个混频模块。在该情况下，控制信号的相位彼此相对移位了并行混频器数的一小部分。由此确保至少一个混频器执行有效的信号采样23，从而不损失信号能量。这种接收装置的灵敏度达到脉冲渡越时间测量仪的灵敏度，因此大大不同于现有的相位计的灵敏度。
显然本领域技术人员应理解，部件或者原理的各种配置可以按照另选或者增补的方式相互组合。
权利要求
1.一种基于外差接收原理的电子测量方法，该电子测量方法具有以下步骤发射具有至少一个脉冲重复频率的脉冲电磁辐射(ES)，特别是光；接收散射回的辐射(RS)，其中将所述散射回的辐射(RS)转换成接收信号(17)；将所述接收信号(17)与至少一个脉冲混频信号(18)相混频，用于产生频率低于所述脉冲重复频率的至少一个输出信号；以及从所述至少一个输出信号(19)来确定至少一个时间相关参量，所述电子测量方法的特征在于，在进行混频时，通过将所述接收信号(17)与至少两个脉冲混频信号(18)相混频来对其进行下变频从而给出至少两个输出信号(19)，其中所述至少两个混频信号(18)彼此相对相移。
2.根据权利要求1所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，由至少两个输出信号(19)构成一公共集合，特别是所有的输出信号(19)同相地合成为一公共信号集合。
3.根据权利要求1或2所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，所述混频信号(18)是根据外差方法而产生并应用的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，所述混频信号(18)的最大数对应于所述辐射的脉冲周期对脉宽的商的两倍。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，在发射和接收期间，所述辐射部分地通过装置外部的测量距离而被导行到至少一个待测目标；以及部分地被导行通过装置内部的基准距离(6)，其中，被导行通过所述基准距离(6)的辐射(IS)定义至少一个起始脉冲(15，15a，15a’)，而被导行通过所述测量距离的辐射(RS)定义至少一个停止脉冲(16，16a)；并且在确定至少一个时间相关参量时，从所述至少一个输出信号(19)求出到所述至少一个目标的至少一个距离。
6.根据权利要求5所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，由第一接收机来捕获从目标散射回的所述辐射(RS)，而由第二接收机来捕获被导行通过所述基准距离的所述辐射(IS)。
7.根据权利要求5所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，由公共接收机(7)来捕获从目标散射回的所述辐射(RS)和被导行通过所述基准距离的所述辐射(IS)，使得所述接收信号(17)具有从目标散射回的所述辐射(RS)的分量和被导行通过所述基准距离的所述辐射(IS)的分量。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电子测量方法，该电子测量方法的特征在于，将和所述混频信号(18)相对应的所述输出信号(19)的至少一个脉冲与基准信号进行互相关，特别是将和所述混频信号(18)相对应的所述输出信号(19)的至少一个脉冲与合成产生的基准信号或者从先前测量所存储的基准信号进行互相关。
9.一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有存储在可机读介质上或者通过电磁波来体现的程序代码，该程序代码用于执行根据权利要求1至8中的任一项所述的电子测量方法，特别是当该程序在计算机中执行时用于实现所述电子测量方法。
10.一种测量装置，该测量装置用于执行根据权利要求1至8中的任一项所述的电子测量方法，该测量装置至少具有脉冲辐射源(5)，其用于产生并发射辐射(ES)，特别是光；第一接收机(7)，其用于接收所述辐射并把所述辐射转换成至少一个接收信号(17)；用于提供至少一个脉冲混频信号(18)的部件；第一混频器(9a)，其用于将所述接收信号(17)与第一混频信号相混频，从而产生频率低于脉冲重复频率的第一输出信号；以及信号处理器(μP)，其用于处理至少一个输出信号(19)，所述测量装置的特征在于包括至少一个第二混频器(9b-d)，所述第二混频器用于将所述至少一个接收信号(17)与至少一个第二脉冲混频信号相混频，从而产生频率低于所述脉冲重复频率的至少一个第二输出信号。
11.根据权利要求10所述的测量装置，该测量装置的特征在于，所述用于提供至少一个混频信号(18)的部件被形成为用于提供至少两个彼此相对相移的脉冲混频信号(18)。
12.根据权利要求11所述的测量装置，该测量装置的特征在于，所述第一混频器(9a)和所述至少一个第二混频器(9b)被形成为以不同相位工作、并联连接、并按照多通道外差布置的至少两个电子信号混频器(9a，9b)的形式。
13.根据权利要求10、11或12所述的测量装置，该测量装置的特征在于具有在装置内部的基准距离(6)，特别是其中所述辐射能够同时通过装置外部的测量距离而被发射到至少一个待测目标并被发射通过装置内部的所述基准距离(6)。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的测量装置，该测量装置的特征在于，所述信号处理器(μP)被形成为用于集合至少两个输出信号(19)，特别是用于把所有的输出信号(19)同相合成为一公共信号集合。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的测量装置，该测量装置的特征在于包括第二接收机，该第二接收机用于接收被导行通过所述基准距离的辐射(IS)，其中所述第一接收机(7)被形成为用于接收从目标散射回的辐射(RS)。
16.根据权利要求10至14中的任一项所述的测量装置，该测量装置的特征在于，所述第一接收机(7)被形成为用于共同接收从目标散射回的所述辐射(RS)和被导行通过所述基准距离的所述辐射(IS)，使得所述接收信号(17)具有从目标散射回的所述辐射(RS)的分量和被导行通过所述基准距离的所述辐射(IS)的分量。
全文摘要
本发明提供了一种电子测量方法。根据本发明，可以提高根据外差接收原理执行的电子测量方法的灵敏度，该电子测量方法具有以下步骤发射具有至少一个脉冲重复频率的脉冲电磁辐射(ES)；接收散射回的辐射(RS)，其中将所述散射回的辐射(RS)转换成接收信号；对所述接收信号进行混频；以及从至少一个输出信号来确定至少一个时间相关参量，这样，在进行混频时，通过将所述接收信号与至少两个脉冲混频信号相混频而给出至少两个输出信号，所述至少两个混频信号彼此相对相移。
文档编号G01S7/486GK101080646SQ200580043157
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月18日
发明者保罗·本茨, 于尔格·欣德林, 马丁·德-朗格 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司