專利名稱：用于光學地掃描和測量目標物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的前序部分的特征的方法。
背景技術(shù)：
例如借助于諸如從US 7，430，068 B2中已知的激光掃描器，可以光學地掃描和測量激光掃描器的周圍環(huán)境。用于此的一個已知的、被稱為“過零”的方法確定發(fā)射光束和接收光束的調(diào)制的過零點。時間差對應(yīng)于距離。因此僅估計少量的位置——即，過零點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于改進背景技術(shù)中提到的類型的方法的目的的。根據(jù)本發(fā)明、借助于一種包括權(quán)利要求1的特征的方法實現(xiàn)了該目的。從屬權(quán)利要求涉及有利的配置。根據(jù)本發(fā)明的方法可以首先不用校正地進行掃描，然后通過校正相移來校正樣本?？梢员豢醋魇菚r間或頻率域的失真的相移隨著對應(yīng)于距離的相角波動?？梢源_定虛擬速度，以用于相移的校正，所述虛擬速度提供近似相移。迭代地確定虛擬速度是優(yōu)選的?？梢哉w上利用時間信號，而不是利用個別位置。在實際中可以基本上校正相移。在樣本與數(shù)據(jù)簡化相結(jié)合形成測量點之前，在線地執(zhí)行校正。


下面基于附圖中示出的示例性實施例，更詳細地說明本發(fā)明，其中圖1示出帶有目標物的激光掃描器的示意圖，圖2示出時間信號的示意圖，圖3示出具有頻移(陰影部分)的譜的示意圖，圖4示出校正之前(虛線)和之后(實線)取決于相角的相移，以及圖5示出激光掃描器的部分剖視圖。
具體實施例方式激光掃描器10被提供為用于光學地掃描和測量該激光掃描器10的周圍環(huán)境的裝置。激光掃描器10具有測量頭12和基座14。測量頭12作為可以繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)的單元安裝在基座14上。測量頭12具有可以繞水平軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡16。兩條旋轉(zhuǎn)軸線的交點被稱為激光掃描器10的中心C”測量頭12還具有用于發(fā)射光束18的發(fā)射的光發(fā)射器17。發(fā)射光束18優(yōu)選地是波長在約300nm至IOOOnm可見范圍內(nèi)的激光光束，諸如790nm的激光光束。但是，原則上， 也可以使用具有例如更長波長的其他電磁波。發(fā)射光束18例如采用正弦或方形波形調(diào)制信號進行幅度調(diào)制。發(fā)射光束18從光發(fā)射器17發(fā)射到反射鏡16上，在反射鏡16處被偏轉(zhuǎn)并被發(fā)射到周圍環(huán)境中。從周圍環(huán)境中的目標物0以某種方式散射或者反射的接收光束 20又被反射鏡16捕獲、被偏轉(zhuǎn)并被傳遞到光接收器21上。發(fā)射光束18和接收光束20的方向由反射鏡16和測量頭12的角位得到，反射鏡16和測量頭12的角位取決于其各自的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的位置，各自的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的位置又由各自的編碼器檢測?？刂坪驮u估裝置22具有到測量頭12中的光發(fā)射器17和光接收器21的數(shù)據(jù)鏈路連接，由此也可以在測量頭12的外面布置部分控制和評估單元22，例如作為連接到基座14的計算機。對于多個測量點X，控制和評估單元22被設(shè)計為由發(fā)射光束18和接收光束20的傳播時間來確定從目標物0(上的照射點)到激光掃描器10的距離d。為此目的，確定和評估兩束光束18和 20之間的相移。借助于反射鏡16的(快速)旋轉(zhuǎn)，沿著圓周線來實現(xiàn)掃描。借助于測量頭12相對于基座14的(慢速)旋轉(zhuǎn)，以圓周線逐步掃描整個空間。這種測量的測量點X的整體將被稱為掃描。對于這樣的掃描，激光掃描器10的中心Ci定義了其中基座14靜止的激光掃描器10的靜止坐標系。例如在US 7，430，068 B2和DE 20 2006 005 643 Ul中描述了關(guān)于激光掃描器10尤其是測量頭12的結(jié)構(gòu)的進一步細節(jié)，其公開文本的內(nèi)容在這方面被特別地并入本文中。由于激光掃描器10與目標物0之間(以及回向)的傳播時間，在發(fā)射光束18和接收光束20之間引起移相角Φ，所述相角Φ根據(jù)時間信號(隨著時間t的光接收器21的信號)確定。在數(shù)字化解決方式中，時間信號包括個體樣本，在每種情況下，大約2000個個體樣本與測量周期關(guān)聯(lián)，并且之后采用數(shù)據(jù)簡化來整合(integrate)這些個體樣本以形成測量點X，例如通過矩構(gòu)造(moment formation)或其他類型的整合。指定給個體樣本的、 合起來產(chǎn)生測量周期的時間間隔定義了測量時鐘fM，也就是生成樣本的頻率。測量時鐘fM 與對應(yīng)于發(fā)射光束18的調(diào)制頻率的目標頻率Qci同步，以此方式使得測量以相同的相角Φ 周期性地進行，例如每2 π測量25次。如果目標物0具有發(fā)射光束18幾乎垂直于其平面法線行進的表面，就是說呈現(xiàn)入射角α 90°，那么特定的測量誤差變得明顯。在空間(和時間)上相鄰的樣本之間存在距離差Ad。在考慮發(fā)射光束18和接收光束20的相角Φ的差時，該距離差Ad對應(yīng)于 “附加的”相移Δ Φ。所述相移Δ Φ取決于相角Φ可以變得比較大(大于測量精度)。從激光掃描器10的角度看，兩個時間相鄰的樣本的所述距離差Ad作用就像目標物0的虛擬移動。測量時鐘fM不再與目標頻率Qci匹配(就是說測量不再以相同的相角進行)，而是接收光束20顯現(xiàn)出具有相對于目標頻率Oci偏移了頻移△ ω的調(diào)制頻率。所述頻移Δ ω 對應(yīng)于真實移動目標物的情況下的多普勒效應(yīng)下的頻移。這種取決于相角Φ的偏移也可以被解釋為時間域或頻率域的失真。為了校正這種測量誤差，針對目標物0的這種虛擬移動確定虛擬速度V。該虛擬速度ν與頻移Δω成比例。借助于虛擬速度ν校正了相角Φ并從而校正了距離d，結(jié)果是，從樣本中并因此從測量點X中消除了相移ΔΦ。迭代地實現(xiàn)虛擬速度ν的確定和相移 Δ Φ的校正。該過程以零級近似V= Ad*fM開始。由于可以(根據(jù)相角Φ)計算目標物 0的每個采樣點與中心Ci之間的距離d，因此Ad是兩個時間相鄰的、也是由于反射鏡16的旋轉(zhuǎn)造成的空間相鄰的樣本的距離d的差。虛擬速度ν的該零級近似用于在每種情況下對于樣本確定近似的相移Δ Φ。借助于所述相移Δ Φ，對于每個樣本對分別指定給樣本的距離d進行校正。然后，根據(jù)校正距離d確定兩個空間和時間相鄰的樣本之間的校正距離差 Ad0根據(jù)所述校正距離差Δ d，對于下一個近似來確定虛擬速度V。當相對校正(例如與
4絕對距離差Ad相比的對距離差Ad的校正)小于預定義的極限時，該方法收斂。如果方法收斂且虛擬速度ν已知，那么在理論上完全地、在實際上基本地校正了相移△Φ(也就是時間域或頻率域的失真)。圖4示出校正之前(虛線)和之后(實線) 的相移Δ Φ。相移Δ Φ的校正導致時間信號的校正，并最終在對樣本進行整合之后導致測量點X的校正。可以在其整體上、也就是不僅僅相對于個別相角Φ (例如過零點)來使用時間信號，其中全信號質(zhì)量是可用的。在優(yōu)選地被集成到控制和評估裝置22中的校正裝置中，實現(xiàn)了相移Δ Φ的校正， 并由此實現(xiàn)了距離d的校正。參考符號列表
10激光掃描器
12測量頭
14基座
16反射鏡
17光發(fā)射器
18發(fā)射光束
20接收光束
21光接收器
22控制和評估裝置
Ci中心
d距離
Δ d距離差
f 丄M測量時鐘
0目標物
t時間
ν速度
X測量點
α入射角
Φ相角
ΔΦ相移
ω頻率
ω,3目標頻率
Δω頻移
權(quán)利要求
1.一種借助于激光掃描器(10)通過以下過程光學地掃描和測量目標物(0)的方法，所述過程包括借助于光發(fā)射器(17)，發(fā)射以目標頻率(COtl)調(diào)制的發(fā)射光束(18)；借助于光接收器01)，以測量時鐘(fM)接收由所述激光掃描器(10)的周圍環(huán)境中的目標物(0)以某種方式散射或者反射的接收光束(20)，作為多個樣本；以及在每種情況中，借助于控制和評估裝置(22)，對于多個測量點(X)，根據(jù)所述多個樣本的相角(Φ)來至少確定距所述目標物(0)的距離(d)，其特征在于，為了確定所述距離(d)，校正由時間相鄰的樣本的距離差(Ad)引起的相移(Δ Φ)，從而校正所述距離(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述目標物(0)的虛擬速度(V)，以用于校正所述相移(ΔΦ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)兩個時間相鄰的樣本的距離(d)之間存在的距離差(△(!)和所述測量時鐘(fM)，確定所述速度(ν)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述虛擬速度(ν)確定近似相移 (Δ Φ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述近似相移(ΔΦ)確定所述樣本的校正距離(d)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，迭代地執(zhí)行所述相移(ΔΦ) 的校正。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，具有校正距離(d)的所述多個樣本與數(shù)據(jù)簡化結(jié)合，以形成所述多個測量點(X)。
8.一種用于執(zhí)行前述權(quán)利要求中任一項所述的方法的激光掃描器(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光掃描器，其特征在于，由所述控制和評估裝置02)校正所述距離(d)。
全文摘要
一種借助于激光掃描器(10)通過以下過程來光學地掃描和測量目標物(O)的方法，所述過程包括借助于光發(fā)射器(17)，發(fā)射以目標頻率(ω0)調(diào)制的發(fā)射光束(18)；借助于光接收器(21)，以測量時鐘(fM)接收從激光掃描器(10)的周圍環(huán)境中的目標物(O)以某種方式散射或者反射的接收光束(20)，作為多個樣本；以及在每種情況中，借助于控制和評估裝置(22)，對于多個測量點(X)，根據(jù)多個樣本的相角(Φ)來至少確定距目標物(O)的距離(d)，為了確定該距離(d)，校正由時間相鄰的樣本的距離差(Δd)引起的相移(ΔΦ)，從而校正該距離(d)。
文檔編號G01S7/497GK102232195SQ201080003400
公開日2011年11月2日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者菲利普·舒曼, 馬丁·奧西格 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司