CN114577138B - 用于环境的三维几何捕获的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于环境的三维几何捕获的测量装置。本发明涉及一种多波束距离测量装置，其被配置为通过使用具有多条并行延迟线的可编程集成电路来对传输脉冲的飞行时间进行计时。各条延迟线具有多个延迟元件，所述多个延迟元件按顺序传播相应延迟线的输入信号，其中，延迟元件中的各个延迟元件被配置为根据输入信号提供二进制输出。返回信号的信号变化的时间测量是通过对相应延迟线的二进制输出进行采样并通过进一步考虑延迟元件的个体时间延迟而在某个时间点同时考虑经采样的二进制输出来执行的。测量装置还包括参考生成器，其被配置为生成具有已知参考信号变化的参考信号。

Description

用于环境的三维几何捕获的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于环境的三维几何捕获的多波束测量装置，特别是用于勘测、监视或监测的多波束测量装置。

背景技术

这种测量装置可以用于移动测绘、勘测、监视或自动驾驶的领域。通过示例的方式，所述装置安装在车辆、机载系统、背包或无人机(例如，无人地面车辆(UGV)或无人驾驶飞行器(UAV))上，以测量环境或检测障碍物。此外，测量装置可以用在静态组件中，例如，以监测某些区域(监视)或对移动经过该测量装置的对象(诸如传送带上的工件或高速公路上的机动车辆)进行测量、检测、计数或分类。

对周围环境中的对象或表面进行扫描是借助于距离测量波束(例如，定向脉冲激光束)进行的，其中，表面点的空间位置是根据距目标表面点的测量距离和提供距离测量波束方向的角度信息确定的。典型的测量装置能够移动，例如，将一个或多个距离测量波束旋转至不同指向方向，其中，个体测量方向和相关联的距离相互关联，以生成所谓的3D点云。这种3D扫描是一种非常有效的技术，该技术在几分钟内或每秒多次产生数百万个个体测量点，特别是，3D坐标。

通常，与表面的这种纯几何获取并行地，通过摄像头另外地执行图像记录，从而不仅提供视觉整体视图，而且还提供例如关于表面纹理的另外的信息。

在电光距离测量领域中已知各种原理和方法。一种方法在于向待测目标发射脉冲电磁辐射(例如，诸如激光)，并且随后从作为反向散射对象的所述目标接收回波，其中，距待测目标的距离可以例如基于脉冲的飞行时间、形状和/或相位来确定。同时，这种激光测距装置已在许多领域中被接受为标准解决方案。

通过示例的方式，在基于飞行时间(ToF)方法的距离测量系统中，发射光脉冲朝向目标和返回的往返时间与测量装置与待测目标之间的距离相对应。

最近，对基于飞行时间方法的多通道(也称为多波束)测量系统的需求稳步增加。例如，这种多波束测量装置具有各种优点，例如，即使发送器单元的旋转速度较慢，也可以提供更高的点率或更高的点密度，不需要机械波束偏转，以及提供测量对象处的均匀的点分布。

通过示例的方式，现有技术的多通道装置中的通道的数量从8个变化到128个通道或更多个。作为光检测器，通常使用雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩光电二极管(SPAD)或SPAD阵列(也称为硅光电倍增管阵列)。由检测器生成的电信号通常被放大，然后被模数转换器(ADC)采样，以便确定时间离散和幅度离散的采样值。在信号脉冲基本上是同时生成的并且检测器不是按顺序读出(例如，通过复用)的情况下，多通道增加了针对ADC数量和对应评估单元数量的需求。这可能会导致附加成本、受限的空间以及因此而更复杂的封装和设计以及更高的能耗。

具体地，ADC价格昂贵且需要大量电能。另外，对由ADC生成的采样值进行后续处理以确定距数字化信号的距离在算法上很复杂。这导致需要现场可编程门阵列(FPGA)或微控制器(μC)形式的昂贵且复杂的处理单元。

针对这些问题的一个可能解决方案是使用多组检测器，所述多组检测器同时被采样，但其中，个体组是被按顺序读出的。另一解决方案是使用与单个ADC相关联的多个存储元件(所谓的采样保持电路)。

在任何情况下，例如，针对复杂但紧凑的多波束测量装置中的灵活且多重的实现方式，仍然需要提供精确、简单、经济高效且节能的时间测量电路。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改进的多波束测量装置，其克服了现有技术的不足。

本发明的一个特定目的是提供一种基于飞行时间距离测量方法的多波束测量装置，其具有改进的距离测量单元，该多波束测量装置提供了精确的距离测量，同时提供了关于测量装置的封装和/或能耗的更宽松的设计要求。

本发明涉及一种用于环境的三维几何捕获的测量装置。所述测量装置具有：用于发射多个传输波束的多波束发射器；具有多个接收区域(例如，多个个体接收表面或接收表面内的单独可读的子区域)的多波束接收器，所述多个接收区域用于接收多个传输波束的从环境返回的发射传输波束；以及接收器电路，该接收器电路被配置为生成与发射传输波束相对应的(数字)返回信号并且对返回信号的信号变化进行计时，以便获得发射传输波束的飞行时间。例如，多波束发射器具有多个发射元件并且/或者包括分束部件(例如，衍射或折射光学元件)，该分束部件被配置为将入射波束分成具有明确限定的角分离(angularseparation)的多个出射波束。

根据本发明的一个方面，接收器电路包括所谓的可编程集成电路(也称为可编程数字电子部件)，其提供硬件相关并行处理。可编程集成电路是专门设计用于在制造之后例如由用户或设计者进行配置(编程)的集成电路(也称为固态电路或单片集成电路)。可编程集成电路的可编程性也称为集成电路的所谓的“现场可编程性”，即，“现场可编程”或“原位可编程”的意义，例如，由客户进行。

例如，可编程集成电路可以体现为现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、可编程逻辑器件(PLD)或自适应计算加速平台(ACAP)。

可编程集成电路具有多条并行延迟线。各条延迟线具有多个延迟元件，所述多个延迟元件按顺序传播相应延迟线的输入信号，其中，延迟元件中的各条延迟元件被配置为根据输入信号(例如，根据输入信号的信号变化或信号幅度)提供二进制输出。

例如，延迟元件(例如，其被配置为加法器的进位链、逻辑元件或路由元件)在识别到输入信号的上升沿和下降沿时提供二进制输出。

在一个实施方式中，多条并行延迟线中的各条并行延迟线包括至少一百个特别是至少一千个延迟元件。

接收器电路被配置为通过对相应延迟线的二进制输出进行采样并通过进一步考虑延迟元件的个体时间延迟而在某个时间点同时考虑经采样的二进制输出来执行输入信号的信号变化的时间测量。这种在某个时间点同时考虑经采样的二进制输出也称为所谓的精细测量。

通过示例的方式，针对多条并行延迟线中的各条并行延迟线，接收器电路包括寄存器线(或多条寄存器线)，其中，各条寄存器线具有与多个延迟元件相关联的多个寄存器并且被配置为存储二进制输出，例如，该二进制输出然后被提供至分析单元，该分析单元被配置为基于所存储的二进制输出来执行信号变化的时间测量。

接收器电路还包括参考生成器和选择器。参考生成器和选择器可以构建为分离的部件，或者参考生成器和选择器中的至少一者可以是可编程集成电路的一部分。例如，选择器放置在具有电子复用器电路的可编程集成电路之外。

参考生成器被配置为生成具有参考信号变化的参考信号，其中，参考信号(例如，参考信号变化的发生)与驱动二进制输出的采样的采样时钟异步。

选择器被配置为使得向延迟线中的个体延迟线馈送返回信号中的个体返回信号，并且作为代替交替地将参考信号馈送至延迟线中的个体延迟线中的各个延迟线。

此外，接收器电路被配置为对与传播通过延迟线中的一条延迟线的参考信号相对应的经采样的二进制输出进行统计分析，并基于此确定延迟线中的一条延迟线的延迟元件的个体时间延迟。然后在延迟线中的一条延迟线馈送有返回信号中的一个返回信号时，在信号变化的时间测量中考虑这些所确定的个体时间延迟。

换句话说，不是实现复杂的数学算法来确定参考脉冲针对数字化测量脉冲的时移，而是以延迟线的形式使用数百或数千个延迟元件(例如，其被配置为加法器的进位链、逻辑元件或路由元件)的串联连接，输入信号的变化(例如，输入信号的边沿)按顺序传播通过该延迟线。通过使用个体延迟元件的时间延迟并在某个时间点同时考虑延迟线的延迟元件的所有输出，可以确定自输入信号的变化(例如，切换边沿)以来的经过时间。

通过示例的方式，时间采样根据高精度外部时钟在固定预定时间发生。因此，在另外的实施方式中，接收器电路包括公共采样时钟，该公共采样时钟被配置为共同驱动所有延迟线的二进制输出的采样。

在另外的实施方式中，接收器电路被配置为对采样时钟的在发生信号变化之前的时钟周期进行计数(也称为粗略计数或粗略测量)，并通过使用异步逻辑单元(例如，在可编程集成电路被体现为FPGA的情况下，则是异步FPGA逻辑单元)来确定(也称为精细测量)自发生信号变化以来采样时钟的时钟周期之间的经过时间。然后通过将所计数的采样时钟的时钟周期与所确定的采样时钟的时钟周期之间的经过时间进行组合来执行信号变化的时间测量。

通过示例的方式，计数采样时钟的在发生信号变化之前的时钟周期称为粗略计数，其中，确定自发生信号变化以来采样时钟的时钟周期之间的经过时间称为精细测量。因此，在了解粗略计数增加的时间以及自在可编程集成电路的输入端处发生信号变化以来的附加经过时间(这是由延迟线内信号变化的时间延迟和按顺序传播决定的)的情况下，可以确定可编程集成电路输入端处发生信号变化的精确且绝对的时间。

时间分辨率由延迟线的个体元件的延迟时间决定。元件的延迟越低，计时电路的时间分辨率就越好。由于可编程集成电路制造工艺领域的技术进步，所以可编程集成电路将变得更快，这将进一步提高未来延迟元件的时间分辨率。此外，由于技术进步，所以可编程集成电路内的个体延迟元件需要的安装空间越来越小，这意味着可编程集成电路内的可用延迟元件的数量将不断增加，并且可以在可编程集成电路上实现更多数量的测量通道。

然而，为了能够精确地确定时间延迟，必须精确地知道个体延迟元件的时间延迟。为此，根据本发明的一个方面，在在实际测量序列之前或在后台运行的延迟线的校准过程中确定个体延迟元件的时间延迟。该校准过程主要包括应用例如已知参考信号，该已知参考信号具有校准切换边沿(参考信号变化)，该已知参考信号与采样时钟异步(例如，与粗略计数异步)。

例如，随机出现的切换边沿(例如，以时间统计噪声信号的形式)传播通过延迟线，使得能够记录许多随机切换操作。

假设校准切换边沿随时间推移均匀分布并且各个延迟元件具有完全相同的延迟，人们还期望切换边沿在延迟线内的均匀分布。这意味着针对各条延迟线的非常大量的测量(例如，超过100000，特别是1000000或更多)，切换边沿出现的次数相同。如果延迟元件具有较大的延迟，则在该延迟元件中会发生切换边沿的统计累积(即，更高的数量)。因此，基于对所有延迟元件的切换边沿的统计检测，可以推断出个体延迟元件中的各个推迟元件的延迟持续时间。

在另外的实施方式中，用于确定延迟线中的一条延迟线的延迟元件的个体时间延迟的统计分析是基于参考信号通过延迟线中的一条延迟线的多次传播以及参考信号(即，校准切换边沿)随时间推移均匀分布的假设的。

由于足够精确地确定个体延迟元件的延迟所需的测量数量(例如，超过100000，特别是1000000或更多)的大量统计，所以校准过程需要相当长的时间段(例如，几毫秒高达几秒)。在该时段期间，延迟线不能用于实际测量。

本发明的一个方面的特征在于，延迟线的校准过程是在后台进行的并且与实际测量并行地进行。为此，延迟线被配置为使得它们可以通过输入选择器(例如，复用器)与实际测量输入分离并连接至上述参考信号。例如，在具有n-1个(例如，8个)并行计时通道的测量系统的可编程集成电路中实现数量n条(例如，9条)延迟线。由于可编程集成电路中可用的延迟线数量多于测量通道的所需数量，因此校准过程的持续时间无关紧要，并且可以在后台并与实际时间测量并行地执行。因此，不必中断实际测量过程。

个体延迟元件的延迟/通过时间(transit time)可以改变并且除此之外可以受到可编程集成电路的温度和电源电压等的影响。由于这些参数随时间推移(例如，在从一到几分钟或几小时的范围内)变化非常缓慢，所以仅在后台校准这一条延迟线就足够了。一旦这一条延迟线的校准完成，参考信号就通过切换输入开关(例如，复用器)连接至另一延迟线，并且已经校准的延迟线可以再次用于测量外部输入信号的时间。针对所有延迟线及其延迟元件(例如，周期性地)重复该过程，使得永远不必中断实际测量。

作为该校准方案的另选，还可以设想实现用于并行校准延迟线的外部计时通道，其中，将延迟线的长度(例如，由设置延迟元件的数量限定)与在参考通道中测量的时间/距离进行比较。在多通道系统中，各个延迟线的输入脉冲随后与参考通道循环同步。在这种校准中，不需要在不同延迟线之间进行内部切换。

为了提高测量精度(例如，由于更高的采样率)，延迟线的相同输入信号可以利用若干寄存器(也称为寄存器线)来测量，其中，延迟元件与相关联的若干寄存器之间的附加路线延迟导致更高的采样率。因此，在本发明的另外的实施方式中，针对多条并行延迟线中的各条并行延迟线，接收器电路包括多条寄存器线，各条寄存器线具有与多个延迟元件相关联的多个寄存器并且被配置为存储二进制输出，其中，接收器电路被配置为使得传播通过多条延迟线中的相应延迟线的输入信号被对应寄存器线中的各条寄存器线单独采样。

在时域中生成信号的多重采样的另一方式是将相同的输入信号施加至可编程集成电路的若干(不同)延迟线。因此，在另外的实施方式中，接收器电路包括分配器部分，该分配器部分被配置为从分配器部分输入信号中生成若干相同的分配器部分输出信号，特别是其中，分配器部分输出信号是分配器部分输入信号的副本，并且接收器电路被配置为将分配器部分输出信号并行地馈送至多条并行延迟线中的若干并行延迟线。然后，接收器电路被配置为向分配器部分馈送返回信号中的一个返回信号和/或向分配器部分馈送参考信号。

例如，分配器部分被配置为将电信号(即，分配器部分输入信号)连接至下游部件的若干输入端(即，接收分配器部分输出信号中的一个分配器部分输出信号的下游部件的各个输入端)。另选地，分配器部分包括专用乘法部件，例如其中，若干比较器的不同输入端电连接，以形成所谓的乘法器。

在幅度范围内使用输入信号的多重采样也可以是有益的，这可以通过在将输入信号施加至可编程集成电路的若干(不同)延迟线之前使用比较器布置结构来实现。因此，在另外的实施方式中，接收器电路包括提供不同切换阈值的多个比较器，各个比较器根据对应切换阈值提供对应比较器输出信号。例如，在输入信号低于或超过所指派的阈值的情况下，比较器可以提供不同的输出信号，例如其中，比较器具有两个输入(测量信号和阈值信号)和一个(数字)输出(信号>阈值：输出＝1；信号<阈值：输出＝0)。接收器电路还被配置为将个体比较器输出信号并行地馈送至多条并行延迟线中的个体延迟线，并且向多个比较器馈送根据返回信号中的一个返回信号和/或根据参考信号生成的比较器输入信号。

在另外的实施方式中，接收器电路被配置为对比较器输出信号进行比较，以便确定信号变化的时间测量中的幅度相关计时偏移，特别是由于距离徙动(range walk)引起的计时偏移。

具体地，在处理纯数字信号的通用时间数字电路(TDC)中，阈值比较器通常根据模拟输入信号生成数字脉冲，其中，通常测量脉冲宽度，以补偿上升沿和下降沿的幅度相关计时(所谓的距离徙动效应)。脉冲宽度是接收能量或幅度的指标。在(例如，基于ADC的)通用TDC中，TDC必须测量上升沿与下降沿之间的时间差，以便补偿距离徙动。相比之下，通过使用如上所述的可编程集成电路，可以直接经由一条或更多条延迟线中的延迟线信息或经由内部或外部反转和单独的TDC通道来检测上升/下降沿。

在另外的实施方式中，接收器电路包括与可编程集成电路分离的分析单元，具体地包括另外的可编程集成电路或微处理器。分析单元被配置为：在某个时间点同时考虑经采样的二进制输出，以进行信号变化的时间测量；对与传播通过延迟线中的一条延迟线的参考信号相对应的经采样的二进制输出进行统计分析；以及确定延迟线中的一条延迟线的延迟元件的个体时间延迟。例如，这导致性能提高，因为分析单元的切换噪声、串扰和功耗波动位于与包含延迟线的可编程集成电路不同的位置处。

通过示例的方式，各个距离测量通道由传输通道(涉及激光触发信号、激光源和脉冲发生器电子器件)以及对应接收通道(包括检测器、电子放大电路、一个或更多个如上所述的比较器或施密特触发器，以及一条或更多条指派可编程集成电路延迟线(指派不一定是1：1，而是可以在特定框架内任意进行))的唯一组合限定。

本发明的另外的方面涉及在多个传输波束内发送激光脉冲的精确已知时刻的生成。

例如，在一些应用中，可能期望所谓的仅停止(stop-only)系统，因为它的复杂性较低。在这种仅停止的布置结构中，仅确定接收到的信号脉冲的时间点，并且假设传输点是精确已知的，或者至少已知到提供期望的距离测量精度的程度。

无论如何，根据本发明的该方面，发送激光脉冲的时间(也称为激光触发)由可编程集成电路确定并(例如经由连接引脚)发送至激光脉冲发生器电子器件。激光触发的时间未被精确计时或有噪音，例如，由于非理想电子器件(可编程集成电路的输出驱动器和干扰，诸如来自可编程集成电路内其它信号的串扰或由于可编程集成电路中的电源电压波动)。这针对精确的距离测量而言是不够的，例如，不足以提供一到几毫米的精度。因此，有必要精确地确定或测量传输时间或对其进行精确的限定。

借助于单独的通道(所谓的起始通道)测量传输时间是复杂的，并且由于这需要包括评估在内的附加测量通道，因此可能并不理想。

提供不具有时间抖动的精确传输时间的另一可能性是在可编程集成电路外部使用同步电路，该同步电路将可编程集成电路输出的有噪声的激光触发信号与精确限定且无噪声的时钟信号同步。因此，可编程集成电路基本上只规定了发送激光脉冲的不精确时间，而准确的时间点由无噪声时钟信号确定。

在另外的实施方式中，测量装置包括激光脉冲发生器电子器件，该激光脉冲发生器电子器件被配置为生成同步激光触发信号，该同步激光触发信号触发多个传输波束的发射范围内的激光脉冲发射，其中，可编程集成电路包括触发生成器，该触发生成器被配置为生成初始触发信号，并且其中，激光脉冲发生器电子器件被配置为通过将初始触发信号与已知传输时钟信号同步来生成同步激光触发信号。

针对多通道距离测量系统，激光脉冲或至少一组激光脉冲通常一个接一个地按顺序发送，例如以减少个体通道之间的光学串扰并出于眼睛安全的原因。例如，这可以通过用于对应激光脉冲发生器的若干不同激光触发信号来实现。然而，由于可编程集成电路的(例如，高速)输出端或连接引脚的数量有限，所以这可能导致不期望的附加功耗，并且各个个体输出端都需要同步电路。

相反，根据本发明的另外的方面，由上述同步电路精确确定的单个同步激光脉冲(或者，如果需要，几个脉冲)经由电子链接电路引导，其中，激光脉冲在多个发送激光器中的任何一个发送激光器(逻辑“或”)被激活时基本上是有效的。此外，所谓的激活信号是由可编程集成电路生成的，所述激活信号明确指派给相应传输通道。这些激活信号在时间精度(抖动)方面的要求较低，并且可以以节省成本和功率的方式实现。链接电路现在可以使用由同步电路生成的单个或几个高精度同步激光触发和多个链接信号来针对个体激光脉冲发生器生成高精度且多个激光触发信号。这提供了如下优点，即只需要一个或几个快速可编程集成电路输出信号并且只需要一个或几个耗电量大的同步电路，并且具有低时间抖动的激光触发器仍然可用于大量激光脉冲发生器。

因此，在另外的实施方式中，测量装置包括链接生成器和多个激光触发器，其中，激光触发器中的各个激光触发器被配置为提供发射多个传输波束的关联传输波束的范围内的激光脉冲发射的触发。多个激光触发器是由同一同步激光触发信号控制的，其中，链接生成器被配置为生成用于与多个激光触发器相关联的传输波束的激活信号，特别是其中，与多个激光触发器相关联的传输波束中的各个传输波束被唯一地指派给激活信号中的一个激活信号。此外，测量装置被配置为使得激活信号中的各个激活信号通过其相关联的激光触发器激活其相关联的传输波束的发射。

另选实现方式是，由可编程集成电路发送的个体“公共”激光触发被路由至可编程集成电路输入端和连接在其后面的延迟线，以便精确地确定该公共激光触发信号的准确传输时间。

激光触发是与系统时钟同步地还是异步地(例如，角度触发)生成无关紧要。只需要知道或测量准确时间。

附图说明

参考附图中示意性示出的工作示例，仅通过示例的方式在下文更详细地描述或解释根据本发明的测量装置。相同的元件在附图中用相同的附图标记来标记。所描述的实施方式通常未按比例示出，它们也不应被解释为限制本发明。具体地，

图1是本发明范围内的多波束测量装置的示例性实施方式；

图2是本发明范围内的多波束测量装置的另一示例性实施方式；

图3是将在根据本发明的接收器电路中使用的可编程集成电路设计的示例性实施方式；

图4是具有比较器的接收器电路的输入通道的示例性实施方式；

图5是在使用如图4所示的比较器的情况下，可编程集成电路的不同输入信号的示例性幅度与时间相关性；

图6是根据本发明可使用的可编程集成电路的一条延迟线的示例性延迟通道；

图7是图6所示延迟线通道的时序方案；

图8是可以在根据本发明的测量装置中使用以对测量脉冲的发射时刻进行精确计时的发射器电路的示例性实施方式。

具体实施方式

图1以俯视图和立体图示意性地描绘了在本发明的范围内的多波束测量装置1的实施方式。

测量装置1包括多波束发射器2，其被配置为生成多个距离测量波束(例如，脉冲距离测量波束)。所述多个测量波束(也称为传输波束)被引导到变化的偏转元件上，这里是绕竖直旋转轴线3旋转的反射多边形。

多个传输波束因此限定了绕旋转轴线3旋转的距离测量波束的扇形4(其位于竖直平面中)。由成扇形散开的多个测量波束覆盖了瞬时竖直视场，而方位向上的扫描是借助于快速旋转的多边形棱镜实现的。这里的仰角是指相对于旋转轴线3的角度，其通常从与旋转轴线3正交的地平面测量。如图所示，在旋转轴线3完全竖直对齐的情况下，仰角因此与高于地面一高度的特定距离相对应。然而，不言而喻，测量装置1可以以针对地面的任何取向布置。例如，旋转轴线3在水平取向上的仰角与从竖直平面测量的相对于旋转轴线的角度相对应。

通过示例的方式，多波束发射器2和多边形棱镜被保护壳体包围，该保护壳体具有允许发送和返回辐射通过的窗口5。

图2示例性地示出了本发明范围内的另一多波束测量装置1’的外视图，该多波束测量装置1’形成有基座和相对于基座绕旋转轴线3’可旋转地布置在基座上的旋转构件(未示出)。通过示例的方式，旋转构件被保护壳体包围，该保护壳体固定至基座并且具有允许发送和返回辐射通过的圆周窗口5’。另选地，保护壳体和(例如，非圆周的)发送和接收窗口也可以被配置为随旋转构件旋转。

测量装置1’被配置为生成多个传输波束，以发送脉冲距离测量辐射，其中，不同的仰角由不同的传输波束扫描。这里的仰角是指相对于旋转轴线3’的角度(类似于图1)。如图所示，在旋转轴线3’完全竖直对齐的情况下，仰角因此对应于高于地面一高度的特定距离。

参考图中所示的测量装置1’的示例性水平布置，即，旋转轴线3’的竖直对齐，多个传输波束因此限定了绕旋转轴线3’旋转的距离测量波束的扇形4’(其位于竖直平面中)。

结果，通过绕旋转轴线3’旋转扇形4’可以生成例如360°×25°的圆周视野(扫描区域的视野)。另选地，可以通过来回摆动扇形4’或通过仅生成特定观察窗口(例如，特定方位角范围)的坐标测量数据来扫描部分视野(例如，80°×25°)。此外，测量装置还可以被配置为通过关于旋转轴线3’倾斜旋转构件来提供竖直视野的延伸。

例如，传输波束是借助于多个激光阵列生成的。进入接收器物镜单元的不同传输波束的返回距离测量波束例如以直线或成角度的方式被引导至例如基于被配置用于距离测量的半导体光电倍增管传感器(SiPM传感器或SPAD阵列)或雪崩光电二极管(APD)的多个接收器阵列。

测量装置1’的数据然后可以由计算单元使用，该计算单元被配置为基于提供旋转构件绕旋转轴线3’的角取向的角度数据、距离测量数据和所存储的提供多个传输波束中的各个传输波束的波束方向的方向数据来获得三维点云。

图3示出了将用于根据本发明的接收器电路的可编程集成电路设计(例如，FPGA设计)的示例性实施方式。

FPGA(现场可编程门阵列)是如下电子部件，其功能可以通过逻辑元件的可自由选择的排列在一定程度上自由编程。例如，FPGA允许针对激光雷达实现以皮秒精度编程的计时电路，这能够实现具有多个并行测量通道的测量装置1的紧凑设置。具体地，不需要特殊的ASIC(专用集成电路)，例如从而允许减少对硬件开发和投资成本的要求。由于FPGA的集成密度不断提高，所以可以在一个FPGA中实现多个通道。

FPGA 6包括多条并行延迟线7，其中，各条延迟线7具有多个延迟元件(未示出)，所述多个延迟元件按顺序传播相应延迟线的输入信号，其中，延迟元件中的各个延迟元件根据输入信号的信号变化提供二进制输出。通过示例的方式，FPGA安装在印刷电路板(PCB)上并接收返回信号8，各个返回信号与发射传输波束中的一个发射传输波束相对应。各条延迟线7的输出例如经由串行化/仲裁上行链路单元9被提供至分析单元10，该分析单元被配置为通过在某个时间点同时考虑个体延迟线7的经采样的二进制输出(通过进一步考虑相应延迟线7的延迟元件的个体时间延迟)来执行返回信号8的信号变化的时间测量。

接收器电路还包括参考生成器11，其被配置为生成具有参考信号变化的参考信号12，其中，参考信号与驱动二进制输出的采样的采样时钟异步。此外，使用选择器13，其被配置为使得向延迟线7中的个体延迟线馈送有返回信号8中的个体返回信号，并且作为代替交替地将参考信号12馈送至延迟线7中的所述个体延迟线中的各条延迟线。

分析单元10被配置为对与传播通过延迟线7中的一条延迟线的参考信号12相对应的经采样的二进制输出进行统计分析，并基于此确定延迟线中的该延迟线的延迟元件的个体时间延迟，并且在延迟线7中的该延迟线馈送有返回信号8中的一个返回信号时，在信号变化的时间测量中考虑所确定的个体时间延迟。

例如，在FPGA中，TDC使用粗略测量和精细测量来测量二进制信号边沿的时间点。粗略测量基于ns(例如，2×10^-9s)范围内的计数时钟周期。精细测量通过按照异步FPGA逻辑单元的信号传播确定时钟周期之间的时间。这是通过链接基本FPGA资源(诸如，查找表(LUT)、路由资源或加法器的进位逻辑)来实现的。加法器的使用目前允许最高的时间分辨率，因此有利于高测量精度。这种模块的链接称为延迟线。当延迟线被采样时，人们通常将其称为抽头延迟线(tapped delay line)。在时钟边沿时，延迟线的内容被存储在一条或更多条并行寄存器线中，然后被评估。寄存器线中的模式与校准一起允许精确确定边沿的时间。

通过示例的方式，分析单元10被放置在与包含延迟线的FPGA 6不同的FPGA(分析FPGA)中。这导致性能提高，因为分析FPGA的切换噪声、串扰和功耗波动位于与包含延迟线的FPGA 6不同的位置处。因此，分析FPGA对延迟线7的个体时间延迟没有影响。

图4示出了具有比较器布置结构14的接收器电路的输入通道的示例性实施方式，该比较器布置结构具有由不同切换阈值150驱动的多个不同比较器15，其中，各个比较器15根据对应切换阈值150提供对应比较器输出信号19。个体比较器输出信号19例如经由选择器13(未示出，参见图3)被并行馈送至多条并行延迟线中的个体延迟线7。

例如，返回传输脉冲16由检测器17检测并且比较器布置结构14接收由放大器18放大的信号。比较器布置结构14输出数字化信号19(各个数字化信号19与返回传输脉冲16相关联)，所述数字化信号被并行地馈送至多条并行延迟线7中的多条并行延迟线。

这样就在幅度范围内实现了返回信号的多重采样。这意味着返回信号被多次阈值化，以根据其幅度生成不同信号。这产生了FPGA 6的个体延迟线7的不同输入信号200，例如，如图5所示，其示出了不同输入信号200随时间(水平)推移的幅度(竖直)，其中，预见了各个输入信号200将被馈送至延迟线7中的一条延迟线。

图6和图7示意性地描绘了根据本发明可使用的FPGA的延迟通道(一条延迟线7)(图6)和对应时序方案(图7)。

图6所示的延迟线包括连接至用于接收输入信号200的输入通道20的输入缓冲器21。通过示例的方式，延迟线可以具有100个至1000个延迟元件22。各个延迟元件导致一定时间量的延迟。延迟元件的异步输出信号由寄存器23(寄存器23的数量与延迟元件22的数量相同)使用由振荡器24生成的高度稳定的采样时钟进行采样。振荡器24之后可以是用于减少抖动的FPGA内部或外部PLL。寄存器23被附加寄存器25再次注册至少一次或两次，例如，以便避免亚稳态。陷阱逻辑单元(trap logic)26确定附加寄存器25中的数据是否包含边沿，并且基于此将包括粗略计数器27的值的寄存器内容提供至FIFO 28(“先进先出”)。FIFO 28的输出29然后用于另外的处理。

图7示出了上述示例的时序方案，其中，描绘了以下线：对应于采样时钟的线240、对应于激光触发器的线300、对应于输入信号的线200、对应于传播通过延迟元件的输入信号的线220、对应于第一寄存器的线230、对应于附加寄存器的线250和对应于陷阱逻辑单元的线260，其中，在底部指示了对应粗略计数器值270。

为了简单起见，在以下示例中，通过具有九个延迟元件22的延迟线来馈送输入信号200。输入脉冲是1.5个时钟周期宽。这导致在t₂时在延迟线上的附加寄存器25的二进制序列250为111000000，即，输入脉冲上升沿的精细时间点位于第三延迟元件处，并且可以向其指派边沿时间点(精细测量)。

在该示例中，我们假设延迟元件在一次传递中都花费相同量的时间，即，上升沿大约是时钟周期的3/9。然而，通常情况下，通过时间是不等的，并且必须进行校准。下降沿可以在时间t₄时找到，其中，二进制序列为000000011，因此，在时钟周期的大约7/9。

当陷阱逻辑单元决定存储记录时，还需要保存粗略计数器值270，以用于最终计算边沿发生的时间。在该示例中，上升沿在粗略计数器值t₂＝124处，下降沿在t₄＝125处。因此脉冲宽度可以被确定并且大约为13/9，即，接近原始脉冲宽度(1.5)。

随着延迟元件数量的增加，延迟线的最大测量时间增加。例如，这意味着可以降低粗略计数器/采样时钟频率，但代价是由于抖动而导致精度降低。

随着延迟元件的延迟减小，延迟线的分辨率增加。因此，例如，技术进步将导致FPGA内部甚至更快的处理和切换速度。

陷阱逻辑单元26从寄存器23、25确定是否应保存和处理数据记录，它必须确定延迟线中是否存在边沿或脉冲。在最简单的情况下，陷阱逻辑单元26可以观察到与第一延迟元件相对应的第一寄存器，例如其中，如果这改变了它的状态，应该保存输出，否则不保存。这适用于长脉冲(>1个采样时段)，如果要检测更短的脉冲或脉冲间隔，则可以改进陷阱逻辑单元26，其中，例如，多个寄存器(例如，附加寄存器25的每一个第100寄存器)被包括在决策中。

输入脉冲也可以被并行馈送到多条延迟线中，即，输入脉冲可以被多次采样。这可以导致更高的测量精度。另外，脉冲也可以被引导至一条延迟线，该脉冲然后被多条并行的寄存器线采样多次。延迟元件与寄存器之间的附加路线延迟也会导致更高的采样分辨率，例如，从而提供更高的测量精度。

针对所有变型(单条或多条延迟线、单次或多次采样)，当延迟元件靠近彼此并靠近FPGA的输入引脚定位以使得延迟尽可能小时，可能是有利的。

根据本发明的一个方面，本发明的TDC校准用于确定延迟线中相邻延迟元件之间的时间延迟。例如，使用统计测量方法(代码密度分析)执行该TDC校准。TDC会多次测量异步脉冲，并且可以通过假设脉冲随时间是均匀分布的来确定各个延迟元件的延迟。然后使用该校准将延迟线信息转换为时间单位。

输入可以具有不同来源，例如，异步校准脉冲(振荡器)和测量脉冲。切换输入(选择器13的放置，参见图3)可以在FPGA内部或外部完成。另外，例如，内部或外部振荡器用于校准。

如上所述，校准包括在参考信号与返回信号之间进行交替，例如，通过使用如上所述的选择器13。例如，延迟线中的至少一条延迟线被预见用于测量过程期间的校准。然后切换至待校准的另一延迟线。另选地，在测量期间校准各个测量通道，例如，通过在各个测量脉冲之后使用校准脉冲。

图8示出了可以在根据本发明的测量装置中使用以对测量脉冲的发射时刻进行精确计时的发射器电路的示例性实施方式。

这里，上述FPGA 6还包括具有触发生成器36的激光脉冲发生器35。触发生成器36被配置为生成初始激光触发信号38，该初始激光触发信号用于触发个体激光触发器39的激光脉冲发射。发射器电路还包括同步电路37，该同步电路被配置为通过将初始触发信号38与已知(无抖动)传输时钟信号41同步来将初始有噪声的激光触发信号38转换成将被提供给激光触发器39的精确的同步触发信号40。

此外，激光脉冲发生器35包括链接生成器42，该链接生成器被配置为生成用于与多个激光触发器39相关联的传输波束的激活信号43。因此，由同步电路生成的单个同步(高精度)触发信号40可用于驱动个体激光触发器39。

尽管上文部分地参考一些优选实施方式例示了本发明，但必须理解，可以对所述实施方式的不同特征进行多种修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于环境的三维几何捕获的测量装置(1、1’)，所述测量装置具有：

多波束发射器(2)，所述多波束发射器(2)发射多个传输波束(4)，

多波束接收器，所述多波束接收器具有用于接收所述多个传输波束的从所述环境返回的发射传输波束的多个接收区域，以及

接收器电路，所述接收器电路被配置为生成与所述发射传输波束相对应的返回信号(8)并且对所述返回信号的信号变化进行计时，以便获得所述发射传输波束的飞行时间，

其特征在于，

所述接收器电路包括具有多条并行延迟线(7)的可编程集成电路(6)，其中，各条延迟线(7)具有多个延迟元件(22)，所述多个延迟元件按顺序传播相应延迟线(7)的输入信号(200)，其中，所述延迟元件(22)中的各个延迟元件被配置为根据所述输入信号(200)提供二进制输出，

所述接收器电路被配置为通过对所述相应延迟线(7)的所述二进制输出进行采样并通过进一步考虑所述延迟元件(22)的个体时间延迟而在某个时间点同时考虑经采样的二进制输出(230、250)来执行所述输入信号(200)的信号变化的时间测量，并且

所述接收器电路还包括：

参考生成器(11)，所述参考生成器(11)被配置为生成具有参考信号变化的参考信号(12)，其中，所述参考信号与驱动所述二进制输出的所述采样的采样时钟(24)异步，以及

选择器(13)，所述选择器(13)被配置为使得向所述延迟线(7)中的个体延迟线馈送所述返回信号(8)中的个体返回信号，并且所述选择器(13)被配置为作为代替交替地将所述参考信号(12)馈送至所述延迟线(7)中的所述个体延迟线中的各条延迟线；并且

所述接收器电路被配置为对与传播通过所述延迟线(7)中的一条延迟线的所述参考信号(12)相对应的所述经采样的二进制输出(230、250)进行统计分析，并基于此确定所述延迟线(7)中的该一条延迟线的所述延迟元件(22)的个体时间延迟，并且在所述延迟线(7)中的该一条延迟线馈送有所述返回信号(8)中的一个返回信号时，在所述信号变化的所述时间测量中考虑所确定的个体时间延迟。

2.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述延迟元件被配置为通过识别所述输入信号的上升沿和/或下降沿来提供所述二进制输出。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路包括公共采样时钟(24)，所述公共采样时钟(24)被配置为共同驱动所有所述延迟线(7)的所述二进制输出的所述采样。

4.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路被配置为：

对所述采样时钟的在发生所述信号变化之前的时钟周期进行计数，并且

通过使用异步逻辑单元来确定自发生所述信号变化以来所述采样时钟的时钟周期之间的经过时间，

其中，所述信号变化的所述时间测量是通过将所述采样时钟(24)的所计数的时钟周期与所确定的所述采样时钟(24)的时钟周期之间的经过时间进行组合来执行的。

5.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

针对所述多条并行延迟线(7)中的各条并行延迟线，所述接收器电路包括寄存器线，各条寄存器线具有与所述多个延迟元件(22)相关联的多个寄存器(23、25)并且被配置为存储所述二进制输出。

6.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

针对所述多条并行延迟线(7)中的各条并行延迟线，所述接收器电路包括多条并行寄存器线，各条寄存器线具有与所述多个延迟元件(22)相关联的多个寄存器(23、25)并且被配置为存储所述二进制输出，并且

所述接收器电路被配置为使得传播通过所述多条延迟线中的相应延迟线(7)的输入信号(200)被对应寄存器线中的各条寄存器线单独采样。

7.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路包括分配器部分，所述分配器部分被配置为从分配器部分输入信号(8、12)中生成多个相同的分配器部分输出信号，并且

所述接收器电路被配置为将所述分配器部分输出信号并行地馈送至所述多条并行延迟线(7)中的多条并行延迟线，

其中，所述接收器电路被配置为向所述分配器部分馈送所述返回信号(8)中的一个返回信号和/或向所述分配器部分馈送所述参考信号(12)。

8.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路包括提供不同切换阈值(150)的多个比较器(15)，各个比较器(15)根据对应切换阈值(150)提供对应的比较器输出信号(19)，

所述接收器电路被配置为将个体比较器输出信号(19)并行地馈送至所述多条并行延迟线中的个体延迟线(7)，并且

所述接收器电路被配置为向所述多个比较器(15)馈送根据所述返回信号(8)中的一个返回信号和/或根据所述参考信号(12)生成的比较器输入信号。

9.根据权利要求8所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路被配置为对所述比较器输出信号(19)进行比较，以便确定所述信号变化的所述时间测量中的幅度相关计时偏移。

10.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

用于确定所述延迟线(7)中的该一条延迟线的所述延迟元件(22)的所述个体时间延迟的所述统计分析是基于所述参考信号(12)多次传播通过所述延迟线(7)中的该一条延迟线以及所述参考信号的上升沿和/或下降沿随时间推移均匀分布的假设的。

11.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述多条并行延迟线(7)中的各条并行延迟线包括至少一百个延迟元件(22)。

12.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述接收器电路包括与所述可编程集成电路(6)分离的分析单元(10)，其中，所述分析单元(10)被配置为：

在某个时间点同时考虑所述经采样的二进制输出，以进行所述信号变化的所述时间测量，以及

对与传播通过所述延迟线(7)中的一条延迟线的所述参考信号(12)相对应的所述经采样的二进制输出进行所述统计分析，并基于此确定所述延迟线(7)中的该一条延迟线的所述延迟元件(22)的所述个体时间延迟。

13.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述测量装置(1、1’)包括激光脉冲发生器电子器件，所述激光脉冲发生器电子器件被配置为生成同步激光触发信号(40)，所述同步激光触发信号用于在所述多个传输波束(4、4’)的发射范围内触发激光脉冲发射，其中，

所述可编程集成电路(6)包括触发生成器(36)，所述触发生成器被配置为生成初始触发信号(38)，并且

所述激光脉冲发生器电子器件被配置为通过将所述初始触发信号(38)与已知传输时钟信号(41)同步来生成所述同步激光触发信号(40)。

14.根据权利要求13所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述测量装置(1、1’)包括链接生成器(42)和多个激光触发器(39)，其中，

所述激光触发器(39)中的各个激光触发器被配置为在发射所述多个传输波束(4、4’)的关联传输波束的范围内提供激光脉冲发射的所述触发，

所述多个激光触发器(39)是由同一同步激光触发信号(40)控制的，

所述链接生成器(42)被配置为生成用于与所述多个激光触发器(39)相关联的所述传输波束(4、4’)的激活信号(43)，并且

所述测量装置(1、1’)被配置为使得所述激活信号(43)中的各个激活信号通过其相关联的激光触发器(39)激活其相关联的传输波束的发射。

15.根据权利要求1所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述可编程集成电路(6)包括被配置为生成激光触发信号(38)的触发生成器(36)，

所述测量装置(1、1’)被配置为将所述激光触发信号(38)馈送至另一可编程集成电路的延迟线，并基于此确定所述激光触发信号(38)的发射时间。

16.根据权利要求7所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述分配器部分输出信号是所述分配器部分输入信号(8、12)的副本。

17.根据权利要求9所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述幅度相关计时偏移是由于距离游走引起的计时偏移。

18.根据权利要求11所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述多条并行延迟线(7)中的各条并行延迟线包括至少一千个延迟元件(22)。

19.根据权利要求12所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述分析单元(10)包括另外的可编程集成电路或微处理器。

20.根据权利要求13所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

所述传输时钟信号(41)与所述采样时钟是由相同的时钟源(24)生成的。

21.根据权利要求14所述的测量装置(1、1’)，

其特征在于，

与所述多个激光触发器(39)相关联的所述传输波束中的各个传输波束被唯一地指派给所述激活信号(43)中的一个激活信号。