專利名稱：用于基準線投影儀器的測距方法和該基準線投影儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據權利要求1的用于具有光電測距儀的基準線投影儀器的測距方 法和根據權利要求8的前序部分的基準線投影儀器以及測量系統。
背景技術：
在許多應用中，投影可見的或不可見的基準線，該基準線對于人眼或對于電子系 統作為基準，該基準也允許自動定位或者機器引導。在此情況下，基準線的產生大多通過激 光束擴展來完成，這尤其對于直線是可行的，但或者通過投射一個沿軌跡移動的激光點，這 原則上允許任何路徑和進而基準線。其一個例子就是旋轉激光器，它用于借助可見的或不可見的激光束確定一個平面 并且它很早就被投入使用，例如在建筑業(yè)或者工業(yè)中。旋轉激光器是一種寶貴的輔助手段， 用于沿水平平面、豎直平面或者規(guī)定傾斜平面標劃建筑線。但迄今的旋轉激光器具有缺點， 即只能限定一維如高度或傾斜度，這對使用者來說降低了效率。其它系統例如是利用天頂 光或極點光的激光水準儀，其適用于對于墻壁、上升管道、電纜通道、空調井、水平外窗臺、 安裝板、管子或管路限定垂線。此時，基準線可以用人眼或者光學檢測器發(fā)現，在這里，大多 產生人眼可見的標記。此時，激光平面只在被照射目標上投射出一條線，原則上與使用者可見的預定規(guī) 定高度相關。在此所用的信心因此也只是一維的。但是，通常還求出或者可視化其它信息。 例如，在某些任務中要求除高度之外還測量、檢查或者按規(guī)定保持可視地看到距一個點的 距離(x)或一個點的橫向位置(x，y)，因而例如在平面屋頂修葺時，不僅必須知道高度方向 上的下降，而且要知道橫向位置上的降低。此外，目前的基準線投影系統不提供關于其上完 成投影的表面的關系。在系統不知曉表面的形狀和位置的情況下，投影會導致所投射的基 準線扭曲。對表面缺少認識也根本不允許與之匹配的劃標。如果例如想要按照規(guī)定距離在門 洞左右側打孔，則目前必須人工進行單獨的測量，借此確定側向距離。所投射的基準線僅用 于指明該孔的高度。尤其是，該現有技術系統無法自動識別這種結構。在現有技術中眾所周知的尺寸測量系統是激光掃描器，它沿測量路徑逐點掃描和 測量表面。不過，它不提供規(guī)定基準線或者能投射可見標記的功能，該標記又能讓使用者進 行互動。因此缺少任何表面測量和可測或可察覺的指示或標記的輸出的邏輯關聯。此外， 因其應用目的，該掃描儀只具有相對測量的相對精度，因此，既不需要高精度地相對一個外 界坐標系或全球坐標系規(guī)定方向(取向)，儀器也做不到這一點，因此用這種裝置完成的豎 向鉛垂找準非常不準確。也無法做到精確高度測量，這種高度測量滿足建筑業(yè)中的要求或 規(guī)范。測距功能和投影功能的結合被US2007/0044331A1公開，在這里，公開了包括超聲 波測距單元的激光測平。靜態(tài)水準儀產生兩個相互垂直交叉的激光扇面。該這兩個扇面的 共同軸線旁邊設有超聲波測距儀，它在此方向上測量至目標的極距離，在這里，激光器本身懸置在擺動體上。這兩個激光扇面為此對準垂線。而測距儀被固定在殼體上并且只在儀器 精確地水平取向時指示兩個激光扇面的相交線的方向。如果安放姿勢不同，就無法精確知 道所測量的目標點。為此，測距方法不與測平功能邏輯關聯，在這里，也無法通過該儀器整 合兩種功能。如果是距離測量，則采用該儀器如獨立的手持測距儀。因此，使用者例如必須 在體積測量時三次調整儀器，按照三個單獨的、盡量相互垂直的姿勢分別執(zhí)行相應的距離 測量。此時無法利用測平功能或方向測量。此外，超聲波測距儀具有厘米級精度，因此，對于大多建筑要求來說太不精確。特 別不利的是衍射造成扇形展開的聲波，其在目標上得到幾厘米伸長。為此，無法測量支架或 門框的邊緣。US2006/0044570A1公開一種依靠激光的定位儀。它包括至少一 個激光發(fā)射器，其 能在水平平面內轉動并且針對與該軸相關的基準角度發(fā)出同步信號。如果發(fā)射光束擊中總 是安置在待測目標點上的檢測器，則它起到位置敏感光傳感器的作用，借此可掌握隨時間 的脈沖長度和相位角度。從相位位置和脈沖長度中，隨后可以確定相對檢測器的角度位置 和徑向距離。該裝置可被用于兩維和三維的測量任務。在目標上的時間測量如此完成，激光 被調制。而測距精度主要通過旋轉速度的保持一致來確定。如果實際經過的角度例如偏離 高于45度轉角的額定值僅100 u rad,則造成相對位置誤差為400 u rad/ ji = 127ppm。如 果待測距離長達50米，就會出現6. 4毫米誤差，這例如對于建筑領域的任務來說太不精確。在國際申請?zhí)朠CT/EP2007/007058中描述了一種系統，它包括用于活動工作機械 的循環(huán)測距儀器。此時，位置確定裝置具有發(fā)出發(fā)射光束的發(fā)射器、接收器以及可繞豎直軸 線轉動的且用于在水平方向引導發(fā)射光束的引導機構。通過引導機構，展現出一個基本水 平的平面，在該平面內，也測量接收器的接收光束。發(fā)射光束在器發(fā)出和隨后在基準目標上 反射之后借助定位系統的接收器又被測到，在這里，從接收器的接收信號中確定至基準目 標的距離，尤其按照相位測量原理或者脈沖傳播時間測量原理。此外，發(fā)射光束對準基準目 標和反射光束作為接收光束對準接收器通過引導機構來實現。但是，在該平面內的測量由 運動和與幾個且一般是四個合作目標即布置在已知位置上的反射器相關地進行。通過這些 測量，確定測量單元相對這些合作目標的相對位置，從而能從對其位置的掌握結果中推導 出運動單元的位置。所述的測距儀既未設置用來確定在非配合表面上的點，也適用于此。 因為它按照常規(guī)的相位測量原理工作，所以它對于投射基準線時所需要的較速度而言太慢 了。在為此所需的角速度情況下，激光器會在目標測量過程中遇到測量延遲。而且，測量儀 器需要占較大的地方，因為在所示除的雙軸布置發(fā)射器和接收器的情況下，接收器繞發(fā)射 器旋轉。最終沒有投射可由人眼或檢測器發(fā)現的標記，所述標記允許引導使用者或允許通 過另一個測量單元來核對位置。EP1001251公開一種具有測距和目標跟蹤功能的激光掃描儀，它具有產生可見激 光射線的機構和包括可繞兩個非平行軸線轉動和控制的偏轉機構。偏轉機構的控制逐點分 辨地借助伺服馬達和相角傳感器按照預定的任一圖案進行。這樣，一方面實現了任意點、線 或面圖案在例如室壁上的投射，另一方面實現了精確的空間測量以及關于運動目標的光束 制導。可是，做不到對投射圖案路徑中的多個點的連續(xù)自動化測量。而且，點的掃描測量已 經在一次經過掃描路徑的過程中決定了在每次測量時必須以期望的或者需要的精度完成 距離的完整確定。如果環(huán)境條件差，則必須采用輔助手段或者可能無法測量。因此，對弱反散射表面或者有時被遮住的目標的測量無法實現。但是，如果例如基準線投影儀器在一個 屋室中被投入工作并且使用者的身體總是遮斷運動的光束，從而一次測量僅提供不完整的 結果，則后一點尤其在建筑業(yè)中是有意義的。US5629756描述一種旋轉激光器，借此并在墻壁上利用特殊的反射器件情況下，可 以測量至墻壁的距離。該距離被用于聚焦激光束于墻壁上，從而在墻壁上產生清晰可辯的 明亮線。此外提出，所測距離被用于調整旋轉速度，因為在至墻壁的距離超過例如30米的 情況下，投射的激光束在旋轉速度低時可被更好地發(fā)現。該解決方案也無法在所有正常工 作時的條件下對自然表面即在不利用反射器件的情況下進行測量。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的任務在于提供一種改善的測距用基準線投影儀器以及一種相應的 方法。另一任務在于這種方法或儀器的測距功能的測量精度的提高和/或應用范圍的 擴展。另一個任務在于提供這種方法或儀器，其自動求出關于其上進行投影的表面的連 續(xù)信息，尤其相應調整投影或監(jiān)測工作進展。這些任務通過實現獨立權利要求的特征部分特征或從屬權利要求來完成。在根據本發(fā)明的測距方法或者同樣的儀器中，如此整合基準線投影功能和距離測 量功能，用于投影的發(fā)射或至少其光路同樣被用于距離測量。在此情況下，結合由電子測距 儀發(fā)出的測量光束，將經過或者說走過規(guī)定的測量路徑，就是說，測量光束如此被引導，其 投影軌跡對應于該規(guī)定的測量路徑和待投射的基準線。此時，對于測量路徑的至少一個點， 尤其是對于測量路徑的許多點，確定距離，其中按照本發(fā)明，在一次測量過程中，就是說對 于距離確定來說，通過測量光束的投射重復至少一次且尤其重復多次地經過或走過測量路 徑。因此與掃描式運動的系統不同，多次經過相同的路徑，因此在角度同步地測量距離時多 次掃描輪廓點，這不僅允許通過累計或者求平均值來改善測量結果，而且允許連續(xù)監(jiān)測距 離和進而允許分析變化。按照本發(fā)明，在儀器方面進行將高靈敏度測距儀整合到投影單元 中，在這里，測量光束和投影光束的光路最好同軸耦合。通過以測量光束的投影重復走過規(guī)定的測量路徑，可以在每次經過時分別針對測 量路徑的點求出距離參數，并且對于至該點的距離的確定，分別累計該距離參數，就是說集 合起來，尤其被求平均。多次經過測量路徑和同時進行的數據記錄允許高測量速率求出至 所經過的路徑的多個點的距離，從而可以推導出例如完整路徑的三維模型，這例如實現了 房屋輪廓的高精度自動建立。其基本條件是角度同步地多次經過同一測量路徑，其借此允許測量點的測量光束 的重復接收和其累計。此時，該累計可以很鄰近射線地進行，即例如像在光敏元件中的電荷 載體積累，或者在信息處理平面內例如通過數字值的存儲和相加。在此情況下，距離測量值 原則上可以在每次經過時被確定并且被連續(xù)輸出，或者接著被繼續(xù)處理，例如被求平均，或 是只在多次經過后進行距離確定，例如結合至此為每個測量點積累的電荷載體或者累加的 信號。對于連續(xù)輸出距離的情況，適用所謂的IIR濾波器(無線脈沖響應)，它是數字濾波 器并且尤其適用于測量結果的快速處理和改善。
在此情況下，測量速率和進而測距單元的設計依據經過軌跡時的角速度，在此，角 速度又由可由人眼或電子檢測器識別的能力來限定。與這樣的條件相關的典型測量速率此 時位于IkHz至幾千kHz之間。其它要實現的系統性能是小于3毫米的徑向測量精度、沿測 量路徑的小于5毫米至20米的橫向分辨率以及至少達到50米的應用距離。雖然現有技術的傳播時間測量器是單通道的且因而可同軸構成，但具有毫米級精 度的常見解決方案全都具有赫茲級緩慢測量速度，這是因為精度只通過對大量發(fā)射激光求 平均來獲得。還知道了高達幾百MPts/sec的快速相位傳感器，但是，這種裝置易受通道串擾影 響，尤其在光束引導機構同軸布置時。當雙軸或形態(tài)分開地布置測量光束引導時，原則上可 以利用這組樣的距離測量器。以下示出了適用于根據本發(fā)明的整合方式的測距儀。它此時利用同軸布置的發(fā)射 光束和接收光束。此外，測量原理既不同于典型的傳播時間測量器，也不同于相位傳感器。 盡管距離像在傳播時間測量器中那樣從傳播時間測量結果中推導得到，但像激光功率和調 制頻率這樣的輻射測量參數要早于相位測量儀的輻射測量參數。這種測距儀能夠以幾kHz 至幾MHz且尤其高達大約IMHz的速率以毫米級精度測量距離，不會超出激光器級3R的臨 界值。這種高靈敏度測距儀的整合可以與一個角度傳感器結合。為此，可以確定在一個平 面或一個圓錐上的局部坐標。角度傳感器或者旋轉編碼器此時測量投射基準線的轉動角 度。利用角度傳感器和測距儀的數據，可以非常精確地確定例如被標劃的、可識別的結構如 門寬或窗寬以及反射的目標標記的坐標。如果測距單元安裝在直線激光器中，就是說安裝在一種具有可相對鉛垂方向做調 整的傾斜平面的旋轉激光器中，則可以掌握局部坐標(x，y，z)，其至少在有限的直線范圍或 斜度范圍內。除了用在水平位置或按規(guī)定傾斜的位置，本發(fā)明的系統也可以在所謂的鋪放變型 方案中實現。在此實施方式中，基準線投影儀器位于側面并且安置在旋轉臺上，該儀器借此 能繞一個配設有其它角度傳感器的豎軸轉動。繞豎軸轉動最好分步或者間歇進行，這具有 多次記錄下當時的表面輪廓和進而累計點坐標的優(yōu)點。通過逐步繞豎軸轉動，整個空間可 被掃描。就是說，此實施方式具有產生點云的掃描儀功能，但與傳統的解決方案相比，靈活 性較差?，F在，將這種測距儀整合到配備有相角傳感器的基準線投影系統中也允許結合所 求出的信息如表面形貌來控制投影。通過在旋轉平面內的已知的目標數據，例如可以可視 地顯示出鉆孔的位置，以及通過用在直線激光器中，也可以標記出在水平基準線之上和之 下的定線點的位置。為了能發(fā)現點或者所界定的線區(qū)域，投射光束將只在所設置的待標定 區(qū)域內被接通。尤其在基準線投影系統具有掃描器功能即能夠掃描測量相關的兩維部分的情況 下，軌跡可以在確定表面輪廓形狀之后匹配于弧形表面，從而器形狀對應于待標定物體或 目標的未扭曲外形。此外，可以在識別結構后也提供或者投射與結構相關的信息。例如，可 以在沿測量路徑的掃描測量后識別一個窗。在該系統支配該自動求出的關于該窗的位置、 形狀和姿態(tài)的信息之后，例如可以與窗口有一定距離地自動投射標記。相似地，本發(fā)明的儀器或者方法也可以被用于建筑驗收或額定尺寸驗證，做法是，自動記錄下表面輪廓形狀并 與已有的額定輪廓形狀進行比較。例如，可以通過測量墻壁檢查室的輪廓，或通過記錄側面 輪廓檢查室高。此外，可實現下述儀器實施例，其也能測量在目標上的激光光斑的三維位置或者測量反射的目標標記物的坐標。這要求精確掌握兩個發(fā)射角度、方位角和海拔高度，或是要 求直接測量被測點的位置，這例如可通過采用一個具有自身測距功能的合作目標來實現。 反射的目標標記物可以是所謂的“智能接收器”，就是說一個智能型接收器或反射器，其具 有自身測距功能或者至少能確定自身高度位置，因此也可以將作為被測點的反射器的高度 位置與坐標測量結果關聯起來。作為可選方式，也可以確定在該智能型目標標劃單元的軸線延長線上的任何一個 點的坐標。這種確定最好以非接觸方式進行，例如通過三角測量傳感器或者通過自身的傳 播時間測量器或相位測量器，或者也可以以機械方式例如通過可抽出的測規(guī)。從表面形貌 的測倆故那中，最終也可以進行體積確定或面積確定，在這里，或許也能加入關于被測目標 的其它信息。因此，從管剖面輪廓中可以推導出其截面，或者在知道長度的情況下，也推導 出其體積。另一個例子是掌握和測量屋室的墻壁。從其幾何形狀中，可以自動確定屋室的 面積，由此計算出例如對地面覆材的需求。


以下將結合附圖示意表示的具體實施例單純舉例詳細說明本發(fā)明方法和本發(fā)明 儀器，其中圖1是本發(fā)明方法的示意圖；圖2是圖1的示意圖的俯視圖；圖3是本發(fā)明方法的測距原理的示意圖；圖4是用于執(zhí)行測距原理的示意框圖；圖5表示測距原理的應用例的信號曲線；圖6是本發(fā)明儀器的第一實施例的示意圖；圖7示意表示本發(fā)明方法的第一應用例，其包括一個合作目標；圖8示意表示本發(fā)明方法的第二應用例，其包括一個合作目標；圖9示意表示本發(fā)明儀器的第二實施例；圖10示意表示用于本發(fā)明儀器第二實施例的應用例；圖11示意表示本發(fā)明儀器的第三實施例，其包括自然反射目標。
具體實施例方式圖1表示用于帶有光電測距儀的基準線投影儀器1的本發(fā)明測距方法的示意圖。 儀器1產生光束，光束通過透光開口或罩2作為基準光束RS被發(fā)出并且沿規(guī)定的基準路徑 RP被引導。在這里，基準路徑RP的至少一部分在其經過人眼和/或檢測器時被檢測為基準 線。發(fā)光控制通過光束引導機構3來實現，光束引導機構3作為基準光束RS的引導機構并 且通過驅動裝置4被驅動運動。隨后，可以使其它加工過程在其定位方面與由基準光束RS產生的基準線關聯起來，例如做法是測量至可見地投影在表面OF上的基準線的距離。除可見的或通過檢測器可 測量的投影在表面上的投影外，在敲擊檢測器時被該檢測器測量到的投影也是可行的。在 這兩種情況下，基準線具有多于僅唯一一個點的點，因此可以測量基準線的變化曲線。根據本發(fā)明，進行到該基準路徑RP的至少一個點Pi尤其是多個點Pi (例如在其被 用于掃描基準路徑RP的一部分時)的距離測量。在此，測量原理依據的是發(fā)射與基準光束 RS平行或同軸的測量光束或者采用基準光束RS作為測量光束，隨后接收反射回的測量光 束的多個部分，從這些部分推導出信號。在此情況下，相應的信號以IkHz或更高的測量速 率被記錄下來。與距離測量同步地，分別進行關于該點Pi的引導方向的角度測量或角度確 定。至所述至少一個點Pi的距離Di的確定此時依據在圖3和圖4的下側示出的信號 調制和分析計算來進行，在這里，沿基準路徑RP的引導也可重復進行。在每次經過基準路 徑RP時，針對至少一個點Pi分別求出接收器在每個角度位置的距離Di或者距離相關參數， 例如信號形狀或相位。在經過幾次之后，隨后可以根據距離相關參數求出距離D”為此，可 通過重復經過基準路徑RP來累計針對該至少一個點Pi接收到的測量光束部分和/或相加 其對應信號。在所示旋轉激光器為基準線投影儀器1的情況下，通過基準光束RS的旋轉速度， 可以實現穩(wěn)定的基準路徑掃描，其中多次重復經過相同的軌跡并且對應于同一點的重復測 量地具有相同角度分辨率，其中該基準路徑RP能按限定的可變方式規(guī)定。如果是旋轉激光 器，則例如可以通過改變軸線A的姿態(tài)來傾斜旋轉平面，從而可實現相應傾斜的平面(度)。 不過，利用相應的控制機構，也可以投射自由形狀圖形作為基準線或者測距掃描該自由形 狀圖形。為了實現基準線投影功能，沿基準路徑RP的引導能以這樣的速度進行，使得在經 過基準路徑RP的過程中，人眼可同時感知到基準路徑RP的全部。如果是旋轉激光器，則使 用者看到環(huán)繞投射到墻壁上的連貫線。在此，發(fā)出的光束有利地具有可見光范圍內的波長， 但原則上也可以利用誘導熒光發(fā)光或類似效應。測量光束可被準直并且具有直徑為5mm或 更小的光束截面。在圖1所示的例子中，旋轉激光器將被如此定位，其投影激光平面的高度和取向 對應于在房角部的工作臺的高度和取向，因此基準路徑RP位于其邊緣，工作臺被自動測 量。這種水平布置例如允許測量平面，如在圖2的俯視圖中中結合圖1示意所示的情況看到 的那樣。通過在此例子中同時作為測量光束的基準光束RS，在360度角度范圍內在一個平 面內進而兩維地掃描房屋，在這里，一個管和在角落的工作臺被測量?；鶞事窂綖榇颂幱谝?個通過作為測量光束的基準光束RS繞豎直軸線進行旋轉而產生的平面內，在這里，該旋轉 例如以至少4 π rad/s的規(guī)定角速度進行。在確定至該點的距離時，確定其在基準路徑中的 相對位置，在這里，尤其是相對于儀器內部的或者外界的參考方向BR測量對應方向角α it) 此時可以相對于一個外界坐標系確定取向或零方向。對于關于旋轉軸線的角度確定，可以采用具有秒級精度的快速相角傳感器。如果 角速度被限定且其保持足夠穩(wěn)定，則角度α i也可以結合時間關系來確定，從而可以省掉直 接測量角度的部件?；谟涗浀谋砻嫘螤?，隨后可以求出房屋的面積Al、管的橫截面面積A2以及工作 臺的面積A3。于是部分根據沿基準路徑的測量結果以及通過對于未掃描或不可掃描區(qū)域的計算或假定，得到待測目標的輪廓或者邊界。在此例子中，背對儀器1的背面從在工作臺 左、右測的房屋墻壁走勢中來評估。作為替代或補充，也可以在工作臺之上或之下執(zhí)行其它 測量，從而位于其下的墻壁走勢也可被直接掃描。不過有利的是，在儀器1中存儲基本幾何 形狀作為測量信息或計算信息，該信息可被相應地選出。此外，可以自動求出通往房間的門 的寬度B門。圖3結合例如在電子測距儀中出現的典型信號序列的示意圖表示用于本發(fā)明方 法的優(yōu)選測距原理。相對于時間軸示出了信號曲線，在這里，點表示掃描點或采樣點。在此 情況下，就像在傳播時間測量器中，那樣左側脈沖表示開始脈沖，右側脈沖表示停止脈沖。 傳播時間和進而距離Di例如隨兩個脈沖的頂點的時間距離而生，其中該脈沖類似于在相位 測量器中一樣被掃描。例如在國際專利申請PCT/EP2007/006226中描述一種相應方法的原 理。該解決方案依據在測距中常見的信號檢測基本原理的結合。第一種基本原理依據結 合閾值方法的測量信號檢測，第二種基本原理依據信號采樣和后續(xù)的信號處理，以便識別 并隨時間來確定信號位置。在閾值方法中，雖然大多通過信號幅值超過閾值來確定信號檢 測，但確定距離的信號特征可能是完全不同的。一方面，接收信號的上升沿可能觸發(fā)時間觸 發(fā)器，而另一方面，接收信號可以借助電子濾波器被轉換為其它適當形狀，用于產生觸發(fā)特 征，該觸發(fā)特征最好與脈沖幅值無關。相應的觸發(fā)信號作為開始信號或停止信號被供給時 間測量電路。并行采用兩種方式進行信號檢測，就是說，利用兩種方法檢測所接收的脈沖或者 說信號結構，這大多暗示同時性或者方法至少在時間上的重疊。該原理的核心是無損失的信號測量，其中無損失是指傳播時間信息獲得意義上。 此時，該方法依據所接收的GHz級時間信號的直接信號采樣。借助寬帶但噪聲極低的互阻 抗接收器預放大的接收信號將用快速的AD變換器被采樣并以至少8位被量化。這樣的互 阻抗放大器例如在歐洲專利申請07114572有所描述。該AD變換器的特點是低INL(整體 非線性)和在測量精度范圍內可忽略不計的孔徑抖動，在這里，孔徑抖動是指被采樣的點 或區(qū)域的隨時間變化，就是說，采樣之間的距離的隨時間變化。該AD變換器被高度穩(wěn)定的 振蕩單元施加節(jié)拍。它基本上通過在AD變換器入口上的追蹤及保持單元來定，在這里，典 型值為1至2psec。INL是指在AD變換器中植入的量化單元的在動態(tài)范圍內是非直線的傳遞函數。理 想的AD變換器按比例將一個模擬輸入信號的波幅轉換為在輸出端的數碼。但在理想情況 下，偏差可接近0. 3LSB，這會導致干擾性的信號扭曲。這方面尤其對于在波幅大和小時保證 精度是重要的。已知以下消除此影響的措施，例如幾個AD變換器具有所謂的自校準功能， 其時不時測量INL并且在內部相應減小INL。在所示的信號曲線中，采樣點被等距分布，在此，以小于5pSeC的精度保持距離。 設在AD變換器之前的模擬接收器的模擬帶寬在40至400MHz范圍內變化，在這里，這造成 施加在AD變換器上的輸入信號經過多個采樣間隔期變平緩。重要的是，AD變換器一方面 沒有減小信噪比，而另一方面，待測信號傳播時間未失真或隨時間消失。停止脈沖由發(fā)射單元傳至待測目標并經由接收光學器件被傳導給光檢測器。由此 出現的時間信號包括至少一個起始脈沖并且對應于任何被照亮的目標具有停止脈沖。在AD變換器后的掃描順序被傳給FPG (現場可編程門陣列)或者PLD (可編程邏輯器件)并且在那里被實時處理。在第一步中，例如采樣值以數字信號矢量被暫存。這種 數據記錄的長度決定最大待測距離。如果例如以lGS/sec采樣速率暫時存儲8192個采樣， 則記錄長度對應于8192nSec的時間軸，這又等于1229米最大距離。如果在第二步中進行信號分析，則對時間軸或數字信號矢量進行搜索以找到起始 脈沖和任何停止脈沖。脈沖位置因此按照采樣間隔被精確獲知。此時，差對應于待求距離 Di的第一粗略估算值。為提高低于采樣間隔的測量精度，已知各種依靠軟硬件和依靠軟件的方法。例如， 借助兩個脈沖的重心計算來進行內插，直到一般達到時間間隔的百分之一。其它方法是包 括相位計算的數字傅立葉轉換(DFT)或者包括過零確定的微分。不過，最好采用以下計算 方法，該方法不受信號失真和飽和的影響，在這里，通常采用從數字濾波和估算理論中知道 的方法。利用這些方法，可以獲得1毫米測量精度。在圖4中以示意框圖表示被用于實現該測量原理的電路。在信號鏈起點有一個具有相應控制器LD的光源5例如激光二極管，其中光束的第 一部分在內部被直接傳導至接收器6，光束的第二部分在外部被傳至待測目標。在目標上 反射的光束隨后通過接收光學器件同樣被引向接收器。接收器測的信號鏈具有作為接收器 6的亞納秒級快速光電探測器，例如雪崩光電二極管，以及其臨界頻率匹配于激光脈沖的寬 帶低噪電流電壓變換器，如例如在歐洲專利申請?zhí)?7114572中描述的寬帶低噪電流電壓 變換器，和扭曲和噪聲盡量少的電壓放大器LNA和至少一個高速AD變換器。寬帶低噪電流電壓變換器TIA例如可以被構造成互阻抗器放大電路用于轉換輸 入電流為輸出電壓Uout，其包括帶有信號輸入、輸出和T形反饋電路的放大元件。利用最佳 尺寸的反饋電路，可以實現線性放大器，其帶寬超過500MHz并具有低輸入噪聲電流。T形反饋電路此時具有第一、第二和第三分支，它們均在一側連至一個節(jié)點K。第 一分支在另一側與放大元件的輸出相連，第一分支具有反饋電阻Ri。反饋電阻Ri決定電流 噪聲Inoiser，其由下式來定
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，T表示絕對溫度，k表示波茨曼常數。流過反饋電流的電流IRi將在節(jié)點K上 按電容被分流，因而只有一部分電流且進而僅一部分噪聲電流被反饋給放大元件的輸入。 例如，就與電路互阻抗成比例地看，現在可以通過該電流分配來實現低噪聲的放大電路。為此，T形反饋電路的第二分支具有至少一個電容元件C2，通向放大元件的信號 輸入的第三分支具有至少一個電容元件C3。接收電路元件之間的信號線最好有區(qū)別地延伸。接收器側的信號鏈也可以被劃分 為具有不同放大率的多條路徑。每條路徑隨后通往一個相應的AD變換器。標準的AD變換 器一般具有兩個或更多的輸入通道。這樣一來，可以擴寬接收信號動態(tài)。數字信號順序傳給至少一個FPGA或者PLD (可編程邏輯器件)，以便信號處理和加 工。目前的FPGA資源足以以達到IMPts/sec的速率在實時工作時計算標準起始和停止脈 沖之間的脈沖距離計算并且顯示在高速界面上。而且，快速FPGA允許與距離計算同步的信 號強度計算和發(fā)出，尤其是停止脈沖的信號強度計算和發(fā)出。由于計算過程的同時并行，也可以動用節(jié)省能量的PLD。對于數據存儲，設置存儲單元MEM。如果接收信號弱，則可當場從單發(fā)模式轉換至累計模式。在此工作模式中，FPGA按 照激光器發(fā)射速率節(jié)奏同步累計對應于測量頻率的數字信號矢量，并且將數據存儲在相應 場的存儲器中，不過將連續(xù)計算和發(fā)出距離。該方法的優(yōu)點為，也能測量很弱的接收脈沖并 且測量速度不變地保持高速。如果目標如內室被重復掃描，就是說記錄下剖面形狀，則因為其輪廓形狀的多次 測量而也能采用其它的測量靈敏度提高方法。在此情況下，盡管距離測量按照單發(fā)方式來 確定，但是同時將啟動累計模式，該累計模式將對應于所掃描的輪廓形狀的被測距離存儲 在一個附加的存儲器中。存儲器查掛濃度此時恰好對應在輪廓軌跡上的點的數量，尤其取 決于重復頻率或者旋轉頻率。在此工作模式中，FPGA累計恰好對應于一個目標輪廓上的對 應點的距離。在這里，輪廓存儲器的長度對應于橫跨待測目標的軌。在這里，也可以連續(xù)可 視地示出和發(fā)出連續(xù)改善的距離和角度測量值。在這里，此方法同樣有以下優(yōu)點，可以精確 測量或者掃描弱反射的空間和目標。精確傳播時間測量的基礎將從溫度修正石英MC中推導得到。這一般在市場上可 買到并且具有0. 2ppm的典型運行精度。石英的時間信號或時鐘信號將借助PLL振蕩器VCO 例如被低噪聲地乘高到1GHz。振蕩器VCO的初始信號構成AD變換器的微微秒級時間信號。 后者傳導在為此特意色黃之的PIN上的時間信號或時鐘給數字時鐘管理器，該單元可以按 照狀態(tài)機形式形成在FPGA中。該數字時鐘管理器尤其具有以下功能，在激光觸發(fā)器線路上 與AD變換器同步地以微微秒級精度產生經過配置的激光發(fā)出頻率。測距電路連通檢測器控制器、溫度傳感器和或許可調的光學衰減器一起被一個中 心控制單元CU控制。如果通過合作目標如反射器完成時刻的標記，則可以由信號曲線也啟動一個掃描 序列，這在圖5中以測距原理應用例的形式被示出。如圖7所示，可通過反射器可識別地 構成被測點，這是因為通過與非合作背景相比提高反射能力而出現與輪廓剖面中的被測點 號或角度相關的信號強度相應增強。因此，這種被測點的標劃允許觸發(fā)自動化的測量過程， 這在圖5中針對例如記錄兩個反射器之間的表面輪廓形狀被示出了。在立體掃描運動過程 中，通過接收器探測到信號強度的增大，其在超出閾值SW后導致觸發(fā)連續(xù)的測距過程和相 應數據的顯示，就是說，顯示被測點Pi和對應的角度α i以及尤其是對應的強度，作為點特 征。第一強度增大因此通過高于閾值SW的第一掃描值限定起點SP，該起始點同樣通過第二 強度增大的超閾值的第一掃描值又以終點EP形式被結束。通過起點和終點SP、EP，因此設 定了指示長度的輪廓窗AM。除了這樣觸發(fā)測量序列或記錄序列外，這也能以人工方式通過 規(guī)定所存儲的測量變化曲線控制角度地觸發(fā)，就是說以起始角度α s和終點角度αΕ，或者 通過其它方式被觸發(fā)。圖6示意表示根據本發(fā)明的基準線投影儀器的第一實施例。該儀器具有光源5，例 如激光二極管，用于產生基準光束RS，該基準光束同時用作測量光束7并且通過一個被驅 動裝置4驅動繞軸線A運動的且作為基準光束RS引導機構的光束引導機構3被發(fā)出。在 單純舉例以五角棱柱作為光束引導機構3來實現的實施方式中，引導角度為90度，因此基 準光束產生一個平面。驅動裝置4在這里僅例如通過皮帶來表示。按照本發(fā)明，可以采用 各種截然不同的、本領域技術人員已知的、例如借助傳動裝置被驅動或被直接驅動的空心軸馬達。在此實施例中，采用反射鏡作為相對軸線A固定安置的光束引導機構3，在此，其旋 轉軸線A可通過翻轉臺10對準豎向，尤其結合傾斜度傳感器11。不過，或許也可以利用一 個可移動的或者可轉動的光源，從而能省掉光束引導機構3。不過，在此具體實施方式
中，基 準光束RS引導機構具有可移動的光束引導機構3，它產生一個可水平取向的平面，但該平 面能以傾斜角度^和β 2翻轉，從而軸線A在規(guī)定方向上能以規(guī)定角度β Ν相對鉛垂豎向 傾斜地取向。
利用作為光束引導機構3的五角棱鏡，造成基準路徑RP位于一個垂直于軸線A的 平面內并且測量光束繞軸線A旋轉，尤其以至少4 π rad/s的規(guī)定角速度。光束引導機構3 的當時位置，即測量光束的發(fā)射角，可通過角度α i確定機構來推導。例如，位置可直接通 附加的或屬于驅動裝置4的角度傳感器4a測量，或者在旋轉速度不變時通過與發(fā)射時刻的 對應關系被求出。原則上，測量光束可以平行于或同軸于基準光束的形式實現，或者可以將 基準光束RS本身用作測量光束，在這里，基準光束通過一個電子測距單元被相應控制。將如此選擇待發(fā)射光束的特性，即基準路徑RA的至少一部分在其經過人眼和/或 檢測器時可作為基準光束被發(fā)現。由表面反射的測量光束或基準光束RS的一部分8又通過光束引導機構被引向呈 光敏接收元件形式的接收器6，它是電子測距單元的一部分。至基準路徑中的點Pi的距離 Di的確定在分析計算單元9中完成，在這里，該分析計算單元如此設計，在相應挑選一種模 式時，基準路徑包括至少一個點，該點在經過基準路徑時被測量以便確定其距離Di。該儀器 可被如此調節(jié)，即基準光束RS引導機構被如此控制，從而自動進行重復的尤其重復多次的 基準路徑經過，結果，實現了對距離測量的連續(xù)數據記錄。為此，分析計算單元9可具有一 個程序，由此一來，在重復經過基準路徑時針對所述至少一個點Pi測量的測量光束信號8 被累計和/或相應信號被集合。最好該數字化信號值被供給濾波器組，濾波器組連續(xù)求平 均該測量值，由此導致更好的坐標。對于快速被測點跟蹤，濾波器尤其適用，借此能在線完 成借助頻率過濾的的噪聲抑制。為了保證造成基準線可見投影的掃描，基準光束以大約2至IOHz旋轉是有利的， 測距單元此時應具有至少IkHz的掃描速率，輪廓點為此足夠緊密地位于基準路徑上。因此在此實施方式中，該儀器在激光源和基準光束RS引導機構之間具有發(fā)射光 路7，以及在基準光束RS引導機構和接收器6之間具有接收光路8，其中發(fā)射光路7和接收 光路8同軸于或者平行于軸線A地設置。此外，通過光源5發(fā)出的測量光束的一部分可以 在儀器內部被引向接收器6。圖7示意說明本發(fā)明方法的第一應用例，其包括一個合作目標。在這里，基準線投 影儀器1被定位在一個屋室中，由此一來，借助基準路徑RP將一個起到高度基準作用的平 面投射到墻壁。沿著該高度線，可以通過定位一個標劃單元12來標出多個測量點MP1-MP3。 儀器1在此情況下識別安置在標劃單元12上的反射元件12a，反射元件用于標志基準路徑 RP的一個點Pi。儀器1現在將與反射元件12a的反射相關的位置同測量點MP1-MP3邏輯 關聯，這例如允許確定空間中的構造特征或者觸發(fā)操作，例如掃描或測量橫向距離。因此， 利用這種由基準線投影儀器1和標劃單元12構成的測量系統，也可以限定和測量表面上的 距離。通常，標劃單元所限定的局部輪廓可在測量點之間MPk被記錄下來。有利的是，基準 線投影儀器1和標劃單元12具有通信機構，用于產生單方面尤其是雙向通信連接，從而傳輸數據或者儀器1可通過標劃單元12被遙控。在圖7所示的儀器1水平安放姿態(tài)下，僅測量在相應水平取向的平面的多個點的 坐標。如果該儀器為分度激光器，即具有可傾斜的旋轉平面，則可以測量空間中的每個點并 且確定其坐標(X，1, ζ)。圖8表示本發(fā)明方法的第二應用例的示意圖，其包括一個合作目標。在此例子中， 采用了一個標劃單元13，它能夠確定自己的高度ΗΜ，這可以或是通過自己的對地測距功能 來實現，或是進行機械式距離確定。例如，除了也能裝載零高度標記13d的反射元件13a外， 標劃單元13也能具有鉛垂塊13b和作為斜率測量儀13c的水準儀。標劃單元13于是用鉛 垂塊13b的尖定位在底面上并且借助斜度測量儀13c被帶入鉛垂位置，從而通過反射元件 13a的位置以及鉛垂塊13b上的零高度標記13d限定出高度。反射元件13a此時最好也可 以相對鉛垂塊13b移動地設置，在這里，可結合刻度來讀取精確的高度。在一個應用例子中，可利用這種測量系統來執(zhí)行平屋頂下沉的測量。對此，例如呈 旋轉激光器形式的儀器1安置在屋頂上，在此，基準光束的平面此時是水平的?，F在，利用 標劃單元13以鉛垂塊13b的下端接觸平屋頂的不同地點，尤其是在凹坑或積水區(qū)域里。于 是，鉛垂塊13b豎直取向，帶有零高度標記13d的反射元件13a—直移動，直到它們被儀器 1的測量光束測到。它借助信號強度和對應的掃描曲線發(fā)現反射元件13a，失去與之相關的 相應距離DM和方向，將所完成的測量報告給標劃單元13。因此，知道了在鉛垂塊下端上的 點的完整坐標。作為零高度標記13d的替代，反射元件13a也可以形成有用于測量光束或 基準光束的檢測器功能，因而標劃單元13自動識別反射元件13a何時到達基準光束RS的 平面，這意味著可以讀出相應的高度HM。在這組應用例子中也包括測量具有不變坡度的地點或陸地斜坡。對于此任務，儀 器1產生一個基準光束，其限定出一個相應傾斜的平面。圖9示意表示本發(fā)明儀器的第二實施例。在這里，該結構近似于圖6所示的儀器。 不過，作為反射鏡面地構成的光束引導機構3'現在被構造逞可繞一水平軸線翻轉，因此可 以進行按照兩個角度α和Y的發(fā)射方向快速調整。作為可快速擺動的引導機構，在此例 如可以采用電鍍反射鏡。兩個旋轉軸線最好相互垂直。通過這樣設計基準線投影儀器，可 以實現具有原則上任何變化過程的基準線的投影。尤其是，現在也可以投射標記等類似信 息于表面上，也利用發(fā)光的暫時斷開或中斷。除了圖6和圖9所示的、具有剛性的但可在一 個或兩個軸線上擺動的反射鏡面的實施例中，作為光束引導機構，也可以采用本領域技術 人員已知的其它光學元件，作為用于引導基準光束的機構。例如，可變形的反射鏡面例如作 為微機械可調元件也允許在兩個軸線上的光束引導。圖10表示用于本發(fā)明儀器的第二實施例的一個應用例子。該儀器現在能夠因表 面掃描和對基準路徑中的點的測量而建立起表面形貌，或至少基準路徑形貌。這允許以補 償由表面OF形狀引起的投影扭曲的方式投射基準光束RS，就是說，基準路徑的投影按照扭 曲方式進行，其在彎曲的表面上又描繪出預期的未扭曲圖像。在圖10中示出了針對圓形 切口例子的情況，該圓形切口應該開設在一個傾斜的或還可能彎曲的表面中。傾斜和彎曲 使在一個平面豎直壁上看上去為圓形的基準線扭曲成橢圓形。由于方向測定功能和測距功 能，可以掌握表面OF的形貌和取向并且在引導基準光束RS時加以考慮，因此基準光束按照 相應調整的橢圓形被發(fā)射出，它在照中傾斜而彎曲的表面OF后又以所期望的圓形基準線的形式被記錄下。利用這樣的測量系統，例如可以劃出用于通道引導的缺口或管孔的輪廓。 圖11表示本發(fā)明的儀器1'的第三實施例，其結構又類似于圖6所示的儀器。在這里，配備 有旋轉激光器的儀器可以安裝在一個旋轉臺14的側面。旋轉臺軸線和旋轉軸線A最好相 互垂直。基準光束的平面由此平行于旋轉臺軸線。在儀器1'圍繞旋轉臺軸線轉動的安置 位置上，與角度測量和距離測量一起，可以測量出整個空間的三維坐標。此實施方式因此具 有類似掃描器的功能。 當然，所示出的附圖只是可能的實施方式的例子?；鶞示€投影儀器的內部結構尤 其是也可以其它方式或者利用其它組成部件來實現。
權利要求
一種用于具有光電測距儀的基準線投影儀器(1)的測距方法，該方法包括以下步驟發(fā)出并沿規(guī)定的基準路徑(RP)尤其是可按規(guī)定可變方式指定的基準路徑(RP)引導基準光束(RS)，其中該基準路徑(RP)的至少一部分在經過人眼和/或檢測器時能被檢測為基準線，通過以下操作測量至該基準路徑(RP)上的至少一個點(Pi)尤其是多個點(Pi)的距離發(fā)射與基準光束(RS)平行或同軸的測量光束，或者使用基準光束(RS)作為測量光束，接收反射的測量光束部分并且根據所述部分得到至少一個信號，以及根據該至少一個信號確定至該至少一個點(Pi)的距離(Di)，特別地按照至少1kHz的測量速率記錄該信號，其特征是，至少重復一次尤其是重復多次沿基準路徑(RP)的引導，并且在每次經過基準路徑(RP)時，針對該至少一個點(Pi)，總是求出距離(Di)或者距離相關參數(Dij)，尤其是傳播時間或相位。
2.根據權利要求1所述的測距方法，其特征是，通過重復經過基準路徑(RP)，累積針對 該至少一個點(Pi)接收的測量光束部分和/或聚集其對應的信號。
3.根據權利要求1或2所述的測距方法，其特征是，沿基準路徑(RP)的引導以這樣的 速度來進行，即使基準路徑(RP)在經過時，其全部能同時被人眼感知。
4.根據任一前述權利要求所述的測距方法，其特征是，測量相對于垂向的至少一個傾 斜角度(^，旦2)。
5.根據任一前述權利要求所述的測距方法，其特征是，該測量光束尤其按照至少為 4 Ji rad/s的規(guī)定角速度繞可對準垂向的軸線(A)旋轉并且限定出一尤其被用作高度基準 的平面。
6.根據任一前述權利要求所述的測距方法，其特征是，在確定至該至少一個點(Pi)的 距離(DD時，確定該至少一個點(PD在基準路徑(RP)中的相對位置，尤其是確定關于旋轉 軸線(A)的角度(、)。
7.根據權利要求6所述的測距方法，其特征是，借助關于該旋轉軸線(A)的角度(a》 和相對于垂向的傾斜角度(0” 確定所述點(Pi)在基準路徑(RP)上的坐標，尤其是在 外參考坐標系中。
8.一種基準線投影儀器(1)，該基準線投影儀器(1)包括 產生基準光束(RS)的光源(5)，尤其是激光源，沿規(guī)定的基準路徑(RP)引導基準光束(RS)的機構，其中該基準路徑的至少一部分 (PA)在經過人眼和/或檢測器時能被檢測為基準線，電子測距單元，該電子測距單元用于發(fā)出與基準光束(RS)平行或同軸的測量光束或 者用于將基準光束(RS)作為測量光束進行控制，并且具有用于接收被表面(OF)反射回的 測量光束部分的接收器(6)，還具有確定至基準路徑(RP)上的點(P》的距離(DD的計算 單元(9)，其中基準路徑(RP)包括至少一個點(PD，該點在經過基準路徑(RP)時被測量以 便確定其距離(DD，其特征是，引導基準光束(RS)的機構被控制為，使得自動重復經過基準路徑(RP)，尤其是多次重復經過基準路徑(RP)。
9.根據權利要求8所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，計算單元(9)具有電路，該 電路在重復經過基準路徑(RP)時累積針對該至少一個點(Pi)接收的測量光束部分和/或 聚集對應的信號。
10.根據權利要求8或9所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，測距單元具有至少為 1kHz的測量速率。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，設有用于確 定測量光束(MS)的發(fā)射角度(4a)的機構。
12.根據權利要求8至11中任一項所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，引導基準光 束(RS)的機構具有可按角度(Y)移動的光束偏轉機構(3，3')，特別地光束偏轉機構(3， 3')的位置能夠確定，尤其是能夠由用于確定角度(Y，a》的機構測量。
13.根據權利要求8至12中任一項所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，基準路徑 (RP)位于一個平面內，引導基準光束(RS)的機構使得測量光束可尤其以至少AJirad/s的 規(guī)定角速度繞軸線(A)旋轉，尤其是繞由傾斜度傳感器(11)取向的軸線(A)旋轉。
14.根據權利要求8至13中任一項所述的基準線投影儀器(1)，其特征是，測距單元具 有在光源(5)和引導基準光束(RS)的機構之間的發(fā)射光路(7)以及在引導基準光束(RS) 的機構和接收器(6)之間的接收光路，發(fā)射光路(7)和接收光路(8)被與軸線(A)部分同 軸或平行地布置，尤其由光源(5)發(fā)出的測量光束的一部分未離開儀器(1)而在儀器內被 引導向接收器(6)。
15.一種測量系統，該測量系統具有根據權利要求8至14中任一項所述的基準線投 影儀器(1)和可獨立定位的且尤其包括測距機構的標劃單元(12，13)，用于標記基準路徑 (RP)上的點汜)，其中該標劃單元(12，13)具有反射元件(12a，13a)。
16.根據權利要求15所述的測量系統，其特征是，基準線投影儀器(1)和標劃單元 (12，13)具有用于建立至少單方面的、尤其是相互的通信聯絡的通信機構。
全文摘要
本發(fā)明涉及基準線投影儀器(1)，該基準線投影儀器(1)包括沿規(guī)定的基準路徑(RP)引導基準光束(RS)的光電測距單元，其中基準路徑的至少一部分可在經過人眼和/或檢測器時被檢測為基準線。在經過基準路徑(RP)時，對該基準路徑(RP)上的至少一個點(Pi)尤其是對多個點(Pi)進行測距，做法是發(fā)射與基準光束(RS)平行或同軸的測量光束，或者利用基準光束(RS)作為測量光束。在接收到反射測量光束的一部分后，根據該部分得到信號，根據該信號確定到至少一個點(Pi)的距離，其中，沿該基準路徑(RP)的引導至少重復一次，當每次經過基準路徑(RP)時，對每個點(Pi)得到距離(Di)或距離相關參數。
文檔編號G01C15/00GK101836077SQ200880113193
公開日2010年9月15日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者于爾格·欣德林, 安東·克爾, 沃爾夫岡·雷布漢, 羅蘭·格雷夫 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司