CN110031859A - 近场脉冲检测 - Google Patents

Abstract

近场脉冲检测。本发明涉及布置在用于探测目标的飞行器上的机载测距仪，其包括朝目标发射电磁脉冲的发射器；接收反向散射脉冲的接收器，其包括包含内部区域和外部区域的投影面；聚焦光学器件，其将从等于或长于阈值距离的距离反向散射的脉冲成像到内部区域的至少一部分上，并将从短于阈值距离的距离反向散射的脉冲成像到内部区域和外部区域的至少一部分上；分别对于内部区域和外部区域检测并输出成像到投影面上的脉冲的检测器；记录器，其读取检测器并将仅在内部区域内检测到的脉冲存储为目标脉冲，将至少部分在外部区域内检测到的脉冲存储为近场脉冲，并用相应的脉冲接收时间标记每个存储的脉冲；以及控制发射器和接收器的控制单元。

Description

近场脉冲检测

技术领域

本发明涉及一种机载测距仪，该机载测距仪被配置成布置在用于探测目标的飞行器上。

背景技术

利用机载探测装置探测目标的2D或3D地形通常通过激光测距仪实现，该激光测距仪发出光脉冲以对目标(诸如地面)进行采样，并且在脉冲从目标被反射之后接收它们。每个脉冲的发射和返回之间的飞行时间可用于确定到目标的相应距离。

有时，在到达目标之前，输出脉冲可能撞击到诸如粒子或云的障碍物，可能导致错误测量，因为利用这些反射的脉冲计算出的飞行时间不代表到预定目标的距离。

根据定义，反射的光的强度减小与距离的平方成比例的因子。因此，从预定目标所在的较远距离返回，所检测到的光通常具有较小的幅度。

虽然可以基于所接收到的脉冲的强度来对错误的测量值进行分类，但是，当例如由于部分反向散射而导致从近场障碍物反向散射的光的强度类似于从目标常规反射的信号的强度时，该方法是无效的。在这种情况下，返回的光脉冲仍然可能错误地触发脉冲的检测。

只要发射脉冲之间的时间大于(从发射器到目标，并且再返回到接收器的)反射的脉冲的往返时间，那么就仍然可以通过考虑估计的距离将近距离返回与预定目标返回区分开。

但是，当激光测距仪在空中多脉冲(MPiA)模式下操作时，该解决方案也变得不切实际。在这种情况下，在检测到被目标反射的来自第一脉冲的光之前发射额外的起始脉冲。通过知道在反射到达之前必须发射多少脉冲，返回脉冲通常与正确发射的脉冲相关联，并且准确地计算出真实距离。这是近距离返回使顺序混淆的地方：它们碰巧被错误地视为目标返回，因为无法轻易地将它们与真正的目标返回区别开。与真实目标反射相比，这些近场反射在尺寸和形状上相似的可能性非常高，使得很难将它们滤除。

因此，本发明的目的是改进传统的激光测距仪，即使在MPiA模式下操作时，其也允许检测反射的脉冲是来自近距离还是来自远距离。尤其是，该区别信息可以用于抑制不需要的近距离脉冲被记录，从而保持测量数据清晰并且没有错误的测量值。

通过根据本发明的机载激光测距仪来实现这些改进中的至少一个。

发明内容

本发明涉及一种被配置成布置在用于探测目标的飞行器上的机载测距仪，其中，该机载测距仪包括发射器，该发射器配置成朝向目标发射电磁脉冲；接收器，该接收器配置成接收反向散射的脉冲，其中，该接收器包括包含内部区域和外部区域的投影面；聚焦光学器件，该聚焦光学器件被配置和布置成将从等于或长于阈值距离的距离反向散射的脉冲成像到内部区域的至少一部分上，并且将从比所述阈值距离短的距离反向散射的脉冲成像到内部区域上和外部区域的至少一部分上；检测器，该检测器被配置成分别对于内部区域和外部区域检测并输出成像到投影面上的脉冲；以及记录器，该记录器被配置成读取检测器并将仅在内部区域内检测到的脉冲作为目标脉冲进行存储，将至少部分地在外部区域内检测到的脉冲作为近场脉冲进行存储，并且用相应的脉冲接收时间标记每个所存储的脉冲；以及控制单元，该控制单元被配置成控制发射器和接收器。

接收器还可以包括光学分离元件，该光学分离元件包括形成具有内部区域和外部区域的投影面的入口、配置成输出进入入口的内部区域的光的第一出口、以及配置成输出进入入口的外部区域的光的第二出口。

内部区域可以对应于从阈值距离反向散射的脉冲的弥散圆(circle ofconfusion)。

聚焦光学器件可以包括被配置成调节焦点的马达。

控制单元可以被配置成基于目标与机载测距仪之间的当前距离(即，飞行高度)来控制马达。例如，飞行高度可以由测距仪本身确定或者通过从外部单元接收相应数据来确定。

聚焦光学器件和投影面可以针对聚焦距离和焦距进行布置和配置，使得将从等于或长于阈值距离的距离反向散射的脉冲到投影面上的成像保持在内部区域内。聚焦光学器件的光轴可以穿过入口的内部区域，尤其是穿过内部区域的中心。聚焦光学器件和投射表面可以被布置和配置成使得从比阈值距离更近的物体反向散射的脉冲不仅被成像到内部区域上，而且还被成像到入口的外部区域上。

可以调整聚焦光学器件的景深使得从等于或长于阈值距离的距离反向散射的脉冲的弥散圆等于或小于内部区域。

在一特定实施方式中，光学分离元件被实现为光纤设备。在这种情况下，入口可以被配置成使得内部区域和外部区域中的至少一个由光纤设备所包括的光纤的至少一个端部形成。

检测器可以被配置成抑制在投影面的至少外部区域上检测到的脉冲的输出。

发射器可以被配置成调制脉冲，并且接收器被配置成检测(尤其是识别)作为通过所述调制的发射脉冲的反射的脉冲。

机载测距仪还可包括：光学元件，该光学元件被配置成沿着脉冲路径朝向目标偏转脉冲，并且使反向散射的脉冲朝向接收器偏转；以及马达，该马达被配置成通过移动光学元件来改变脉冲路径，其中，控制单元可以被配置成确定脉冲路径的方向。光学元件例如可以是棱镜或反射镜。

马达可以被配置成绕旋转轴旋转光学元件，并且该光学元件可以相对于发射器布置成，使得该光学元件使脉冲相对于旋转轴或相对于摆动轴偏转规定的恒定角度。

记录器可以被配置成从飞行器接收和存储飞行数据，所述飞行数据例如包括飞行高度数据。

机载测距仪还可以包括用于确定飞行高度数据和位置数据的定位传感器，其中，记录器可以被配置成从定位传感器接收所述飞行高度数据和位置数据。

附图说明

在下文中，将通过参照附图的示例性实施方式来详细描述本发明，其中：

图1示出了在地面上方飞行的飞行器、该飞行器的飞行路径(轨迹)、布置在该飞行器上的根据本发明的机载测距仪、由机载测距仪发射的激光脉冲、以及作为障碍物的云；

图2示出了机载测距仪的示意性配置；

图3示出了测距仪的接收器的具体实施方式的示意性配置；

图4示出了投影平面的具体实施方式的示意性配置，其中，可以对脉冲的投影进行分离；

图5示出了投影平面的实施方式；

图6示出了基于从聚焦光学器件到阈值距离的近场距离的聚焦光学器件和投影平面的示例性配置。

具体实施方式

图1示出了飞行器1沿飞行路径6(轨迹)在作为预定目标的地面3上方飞行。飞行器携带有根据本发明的实施方式的机载测距仪2。通过发射多个光脉冲E并且接收作为反向散射的脉冲R的光脉冲，测距仪可以至少连续地测量飞行高度，但是尤其可以记录飞行路径6的二维(2D)轮廓。在另一特定情况下，测距仪可以旋转或摆动脉冲路径，并且由此对飞行器的路径带的多个点5进行采样。在后处理中实时地或之后，可以基于由测距仪发射的激光脉冲E和所接收到的激光脉冲R生成点云，所述激光脉冲利用它们的发射/接收的相应时间戳进行登记。

云4表示示例性近场障碍物，其可能使得测距仪2产生不代表实际目标的错误测量值。R’是从所述障碍物4返回的脉冲。

根据图2所示的抽象概述，机载测距仪2包括发射器21、接收器22、以及控制单元23，该控制单元23与发射器和接收器协调数据采集。

图3示出了接收器22的基本结构、在距测距仪预期距离处的目标3(实线)、以及近场物体4(虚线)。反向散射的脉冲光R、R’穿过聚焦光学器件220进入接收器，该聚焦光学器件220在这里(为了简化问题)仅由一个透镜表示(在具体实施方式中它可以包括一个以上的透镜)。接收器22包括所述聚焦光学器件220，并且在优选实施方式中，可以包括作为光学分离元件的光纤设备221，其有助于分离脉冲光并且将脉冲光传输到检测器222。在所示的实施方式中，检测器222连接至光纤设备的出口2212和2213，并且被配置成检测脉冲R，并且与其分开地检测脉冲R’。检测器被配置成输出这些可区分的脉冲并且将其传递至记录器223。尤其是，检测器可以基于返回的脉冲光抑制输出从不打算进行探测的物体反向散射的脉冲。所示的光纤设备是光学分离元件的一个示例。光学分离元件的其它示例可以是透镜阵列、棱镜(结构)、孔径矩阵或光阑(diaphragm)等。

记录器223被配置成记录由检测器222输出的数据。对于每个接收到的脉冲，存储接收的相应时间值。此外，脉冲被标记有关于它们是从近场距离还是从预定目标的距离返回的信息。

从近距离物体4反向散射的光R’在投影面P上呈现为具有相对大的弥散圆的模糊的返回光点40。在包括所示光纤221的接收器的特定情况下，投影面P由入口2211形成。在任何情况下，对于投影面P，内部区域和外部区域被限定用于区分来自近场距离的脉冲和常规脉冲。模糊光点40至少部分地覆盖内部区域和外部区域。根据物体4的接近度，成像到投影面上的返回脉冲的弥散圆可能很大，使得光R’的一部分甚至落在外部区域之外(即，尤其是超出入口2211)。

从预期(远程)目标3反向散射的光R被成像为内部区域内的聚焦光点30。光点30也可以稍微不聚焦。但是，聚焦光学器件220被设计和布置成使得只要测距仪与反射物体之间的距离远远超过限定的阈值距离或远至该阈值距离，那么光点30就保持在内部区域内。预定景深使得从一特定近场距离返回的脉冲总是至少部分地成像到投影面的外部区域上。

投影面的内部区域和外部区域的限定基于所述阈值距离，其中，预定目标预期位于比阈值距离更远的位置。可以在可以排除比阈值距离更近的物体可能是预定目标的前提下选择阈值距离。

光纤设备221被配置成将投射到入口2211(投影面P)的表面上的光分成到第一出口2212和到第二出口2213。第一出口2212被配置成输出投射到入口表面的内部区域上的光，并且第二出口2213被配置成输出投射到入口表面的外部区域上的光。利用这种配置，检测器222可以通过检测脉冲来自出口2212和出口2213中的哪个来实现近反射和远反射的辨别。

如果仅第一出口2212输出光，则记录器可以因此存储脉冲接收以及当前脉冲对应于远程目标的指示。此外，如果第二出口2213也输出光，则记录器可以相应地存储脉冲接收以及所接收到的脉冲对应于近场目标的指示，或者，另选地，检测器222甚至可以立即完全抑制输出。如果来自近距离的返回脉冲与数据采集无关，则可能需要先验抑制。

图4示出了图3中所示的光纤设备221的示意性配置。其接口是入口2211、第一出口2212、和第二出口2213。图5示出了所述入口的另选实施方式2211’、2211”、和2211”’。

例如，光纤设备221包括携带至少一个光纤(阴影圆圈)的矩阵材料(黑色元件)，该光纤具有在投影面(入口2211)的外部区域O中的端部和在第二出口2213的外部区域O’中的端部。光纤设备还包括至少一个(尤其是相对于矩阵材料同心地布置的)光纤(白色圆圈)，其具有在投影面(入口2211)的内部区域I中的端部和在第一出口2212的内部区域I’中的端部。每根光纤被配置成将脉冲光从入口引导到相应的出口。

为了强调内部区域/外部区域辨别的原理，出口2212和出口2213与来自入口2211的相应元件/圆圈一起被精确地显示。但是，对于本领域技术人员显而易见的是，出口不必完全像入口处的相应端部一样地进行配置。例如，通过适当的光学耦合，可以合并或分开光纤。尤其是，每个出口可以仅具有一个端部光纤。

根据图5，外部区域可以包括较少(2211’)或甚至仅一个偏芯光纤(eccentricfibre)(2211”)端部，其通向相应的第二出口。此外，可以使用其它纤维形状，如环形端部所示(参见出口2211”’)。

图6示出了聚焦光学器件220如何基于超出目标3预期所在的位置的近场距离相对于投影面P进行配置和布置。近场距离由距离测距仪的阈值距离N定义。具体地，聚焦距离被设定成使得目标3被清晰地成像到入口2211的内部区域I的中心上，并且尤其使得近场距离的边界将脉冲完全成像到内部区域I上并且恰好不成像到外部区域O上。根据定义，这些是感兴趣的脉冲，并且因此它们不覆盖外部区域O。另一方面，将从小于阈值距离N的距离反向散射的脉冲将被成像到内部区域I上并且也成像到外部区域O的至少一部分上。

在一特定实施方式中，当前飞行高度可以影响聚焦光学器件220和投影面P的布置。例如，用于聚焦光学器件的马达被配置成根据当前飞行高度来调节焦点。飞行高度可以通过单次飞行测量来进行测量，或者可以从当前已经在飞行器中的电子飞行仪表系统读取。例如，在飞行高度显著降低的情况下，投影面P和聚焦光学器件之间的相对布置可以被适配成避免期望的目标“潜入”距离N中。

如上所述，在外部区域O上的投影使得记录器将该特定脉冲作为近场脉冲进行存储。在一特定实施方式中，检测器还可以引起该近场脉冲的抑制。在这种情况下，检测器刚好跳过近场脉冲。

尤其是，内部区域和外部区域之间的径向间距可以根据期望的近场距离N来调节。例如，当飞越山脉时，高度差可能是巨大的，使得可能希望仅在飞行器下方约100米的距离内挑选出错误返回。在这种情况下，入口的外部区域中的纤维端部与内部区域中的纤维端部之间的间距相对较大，或者换句话说，内部区域相对较大。在沿着飞行路径6在目标3上仅存在小的高度差的情况下，入口的内部区域可以选择得相对较小。

在设置根据本发明的测距仪的接收器22时要考虑的其它变量是聚焦距离(即，聚焦光学器件220和投影面P之间的距离)以及聚焦光学器件的焦距。关于安装空间，尤其要考虑这些因素。

尽管以上说明了本发明，部分参考了一些优选实施方式，但是必须理解，可以对这些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 (15)

1.一种机载测距仪，所述机载测距仪被配置成布置在用于探测目标的飞行器上，其中，所述机载测距仪包括：

·发射器，所述发射器被配置成朝向所述目标发射电磁脉冲，

·接收器，所述接收器被配置成接收反向散射的脉冲，其中，所述接收器包括：

□投影面，所述投影面包括内部区域和外部区域，

□聚焦光学器件，所述聚焦光学器件被配置和布置成

·将从等于或长于阈值距离的距离反向散射的脉冲成像到所述内部区域的至少一部分上，并且

·将从短于所述阈值距离的距离反向散射的脉冲成像到所述外部区域的至少一部分以及所述内部区域上，

□检测器，所述检测器被配置成分别对于所述内部区域和所述外部区域检测并输出成像到所述投影面上的脉冲，以及

□记录器，所述记录器被配置成读取所述检测器，并且

·将仅在所述内部区域内检测到的脉冲作为目标脉冲进行存储，

·将至少部分地在所述外部区域内检测到的脉冲作为近场脉冲进行存储，并且

·用相应的脉冲接收时间对每个所存储的脉冲进行标记，以及

·控制单元，所述控制单元被配置成控制所述发射器和所述接收器。

2.根据权利要求1所述的机载测距仪，

其中，所述接收器包括：

□光学分离元件，所述光学分离元件包括：

·入口，所述入口形成具有所述内部区域和所述外部区域的所述投影面，

·第一出口，所述第一出口被配置成输出进入所述入口的所述内部区域的光，以及

·第二出口，所述第二出口被配置成输出进入所述入口的所述外部区域的光。

3.根据权利要求1或2所述的机载测距仪，

其中，所述内部区域对应于从所述阈值距离反向散射的脉冲的弥散圆。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述聚焦光学器件包括被配置成调节焦点的马达。

5.根据权利要求4所述的机载测距仪，

其中，所述控制单元被配置成基于所述目标与所述机载测距仪之间的当前距离来控制所述马达，所述当前距离即是飞行高度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述聚焦光学器件和所述投影面针对聚焦距离和焦距被布置和配置成，将从等于或长于所述阈值距离的距离反向散射的脉冲在所述投影面上的成像保持在所述内部区域内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述聚焦光学器件的景深被调节为，从等于或长于所述阈值距离的距离反向散射的脉冲的弥散圆等于或小于所述内部区域。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述光学分离元件是光纤设备，

其中，所述内部区域和所述外部区域中的至少一个由所述光纤设备所包括的光纤的至少一个端部形成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述检测器被配置成抑制在所述投影面的至少所述外部区域上检测到的脉冲的输出。

10.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述发射器被配置成调制脉冲，并且所述接收器被配置成检测经所述调制后的发射脉冲的反射脉冲。

11.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，该机载测距仪包括：

·光学元件，所述光学元件被配置成

□沿脉冲路径朝向所述目标偏转所述脉冲，并且

□朝向所述接收器偏转所述反向散射的脉冲，以及

·马达，所述马达被配置成通过移动所述光学元件来改变所述脉冲路径，

其中，所述控制单元被配置成确定所述脉冲路径的方向。

12.根据权利要求11所述的机载测距仪，

其中，所述光学元件是棱镜或反射镜。

13.根据权利要求11或12所述的机载测距仪，

其中，所述马达被配置成绕旋转轴旋转所述光学元件，并且

其中，所述光学元件被相对于所述发射器布置成，所述光学元件相对于所述旋转轴或者相对于摆动轴以规定的恒定角度偏转所述脉冲。

14.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

其中，所述记录器被配置成接收并存储来自所述飞行器的飞行数据，所述飞行数据包括飞行高度数据。

15.根据前述权利要求中任一项所述的机载测距仪，

该机载测距仪包括用于确定飞行高度数据和位置数据的定位传感器，

其中，所述记录器被配置成接收来自所述定位传感器的所述飞行高度数据和位置数据。