[发明专利]单通道外差距离测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的距离测量方法、根据 权利要求9的前序部分所述的距离测量装置以及计算机程序产品。

背景技术

在电子距离测量领域中，已知多种原理和方法，测量的两种基本光 电原理体现为相位计(phase meter)和渡越时间计(transit time meter)。 这两种原理都具有优点和缺点，并且用于多种大地测量装置中。因此， 例如，因为相位计具有精度高且设计紧凑(这有利于集成在望远镜中) 的优点，所以大地测量中使用的诸如经纬仪或准距仪的测量装置主要配 备有相位计。

在相位测量技术中，按范围在几MHz到几百MHz的重复频率发射 光脉冲(通常为方波信号)。除了LED以外，峰值功率为几mW的常规 CW激光二极管也可以用作这种用途的光源。使用相位计，平均发射能量 足够高，并且目标上的激光点的可见性对于要测量的距离来说不是问题。

对于距离测量来说，将发射信号的相位位置与返回信号的相位位置 进行比较。相移与测量距离成比例。对由光电二极管接收的RF信号进行 放大，并且借助于由锁相环(PLL)控制的本机振荡器信号将其忠实于相 位地下变频到较低频带。

作为对按GHz范围的采样率进行高频信号采样的替代，采用低频接 收器信号要容易得多。在此，在低频(LF)范围中的采样和模拟到数字 转换更简单、更精确、并且电流消耗有数量级上的降低。在常规相位计 中，仅使用基谐波或下变频LF信号。

为了将相位测量系统的确定度(unambiguity)从米的范围扩展到千 米的范围，除了精细距离测量以外，还通常执行使用较低调制频率的一 种或更多种粗略距离测量。

为了实现足够的绝对精度，通常接连地测量内部光路(校准或参考 路径)和外部光路(测量路径)。这样，可以在电子装置中校准渡越时间 的变化。还可以通过两个相同的并行接收通道来实现对渡越时间变化的 校准。在相位计仅具有高信号分离度的2个通道的情况下，精确的距离 测量是可能的。

相位计的优点尤其在于设计简单、在LF级进行测量、并且可使用可 靠的束源。

由于因光串扰造成的信号叠加而导致的测量距离失真被证明是不利 的，从而需要高度抑制的显著通道分离。由此，精确的距离测量需要发 送通道与接收通道之间的严格信号分离，在紧凑设计的望远镜中，这是 非常难于实现、复杂且昂贵的。此外，在测量光束中应当只有一个目标， 因为否则除了精细距离测量误差以外还可能出现粗略距离测量中的误 差。对于较长的距离，需要至少一个粗略测量和一个精细测量。使用简 单的频率概念，单通道测量原理(即没有光路切换或通道切换的单通道 测量原理)是不可能的。

渡越时间计没有严格信号分离的缺点，但是它们的测量精度对于大 地测量来说常常是不够的，尤其是对于需要亚毫米级精度的情况常常是 不够的。

在根据该原理工作的测距仪的情况下，同样发射光脉冲，通过适当 的光学措施对该光脉冲进行分割，从而使得光的一部分通过内部光路(校 准路径)直接传到接收器，而光的剩余分量从装置通过外部光路发送。

该外部分量到达某距离(要测量的距离(＝测量距离))之外的目标， 并且从那里反射回来，通过适当的光学系统传到同一接收器，适当的是， 接收器是具有降频电路(down-circuit)放大器的光电二极管。

经由内部光路传送的光脉冲在接收器中产生参考脉冲，在下文中将 其称为起始脉冲。经由外部光路(测量距离)传送的光脉冲在接收器中 产生所谓的测量脉冲，在下文中将其称为停止脉冲。

因为内部光路的长度和外部光路的长度不同，所以两个光脉冲在不 同时间抵达接收器。起始脉冲与停止脉冲之间的时间差称为渡越时间， 其与内部光路和外部光路之间的长度差成比例。要测量的时间差非常小， 即，为了达到适合于实用距离测量系统的毫米或亚毫米级的测地精度， 必须极其精确地确定它们。为了确定渡越时间，至少将接收的信号数字 化，为此需要采样率在GHz范围的非常复杂的高频电子电路。

此外，仅在停止脉冲抵达了接收器之后才由发送器发射光脉冲。为 了能够确保几千米的确定度，这需要几十kHz的相对较低的脉冲重复频 率。为了能够以这种低脉冲重复频率发射足够大的光能以使得激光点可 以容易地可视或者使得可以进入对眼睛安全的限度(激光器类2)，根据 脉冲宽度，峰值功率必须处于几十W到1KW的范围内。