专利名称：用于光学地扫描和测量目标物的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的方法。
背景技术：
例如借助于诸如从US 7，430，068 B2中已知的激光扫描器，可以光学地扫描和测量激光扫描器的周围环境。用于此的一个已知的、被称为“过零”的方法确定发射光束和接收光束的调制的过零点。时间差对应于距离。因此仅估计少量的位置——即，过零点。
发明内容
本发明是基于改进背景技术中提到的类型的方法的目的的。根据本发明、借助于一种包括权利要求1的特征的方法实现了该目的。从属权利要求涉及有利的配置。根据本发明的方法可以首先不用校正地进行扫描，然后通过校正相移来校正样本。可以被看作是时间或频率域的失真的相移随着对应于距离的相角波动。可以确定虚拟速度，以用于相移的校正，所述虚拟速度提供近似相移。迭代地确定虚拟速度是优选的。可以整体上利用时间信号，而不是利用个别位置。在实际中可以基本上校正相移。在样本与数据简化相结合形成测量点之前，在线地执行校正。
下面基于附图中示出的示例性实施例，更详细地说明本发明，其中图1示出带有目标物的激光扫描器的示意图，图2示出时间信号的示意图，图3示出具有频移(阴影部分)的谱的示意图，图4示出校正之前(虚线)和之后(实线)取决于相角的相移，以及图5示出激光扫描器的部分剖视图。
具体实施例方式激光扫描器10被提供为用于光学地扫描和测量该激光扫描器10的周围环境的装置。激光扫描器10具有测量头12和基座14。测量头12作为可以绕垂直轴线旋转的单元安装在基座14上。测量头12具有可以绕水平轴线旋转的反射镜16。两条旋转轴线的交点被称为激光扫描器10的中心C”测量头12还具有用于发射光束18的发射的光发射器17。发射光束18优选地是波长在约300nm至IOOOnm可见范围内的激光光束，诸如790nm的激光光束。但是，原则上， 也可以使用具有例如更长波长的其他电磁波。发射光束18例如采用正弦或方形波形调制信号进行幅度调制。发射光束18从光发射器17发射到反射镜16上，在反射镜16处被偏转并被发射到周围环境中。从周围环境中的目标物0以某种方式散射或者反射的接收光束 20又被反射镜16捕获、被偏转并被传递到光接收器21上。发射光束18和接收光束20的方向由反射镜16和测量头12的角位得到，反射镜16和测量头12的角位取决于其各自的旋转驱动装置的位置，各自的旋转驱动装置的位置又由各自的编码器检测。控制和评估装置22具有到测量头12中的光发射器17和光接收器21的数据链路连接，由此也可以在测量头12的外面布置部分控制和评估单元22，例如作为连接到基座14的计算机。对于多个测量点X，控制和评估单元22被设计为由发射光束18和接收光束20的传播时间来确定从目标物0(上的照射点)到激光扫描器10的距离d。为此目的，确定和评估两束光束18和 20之间的相移。借助于反射镜16的(快速)旋转，沿着圆周线来实现扫描。借助于测量头12相对于基座14的(慢速)旋转，以圆周线逐步扫描整个空间。这种测量的测量点X的整体将被称为扫描。对于这样的扫描，激光扫描器10的中心Ci定义了其中基座14静止的激光扫描器10的静止坐标系。例如在US 7，430，068 B2和DE 20 2006 005 643 Ul中描述了关于激光扫描器10尤其是测量头12的结构的进一步细节，其公开文本的内容在这方面被特别地并入本文中。由于激光扫描器10与目标物0之间(以及回向)的传播时间，在发射光束18和接收光束20之间引起移相角Φ，所述相角Φ根据时间信号(随着时间t的光接收器21的信号)确定。在数字化解决方式中，时间信号包括个体样本，在每种情况下，大约2000个个体样本与测量周期关联，并且之后采用数据简化来整合(integrate)这些个体样本以形成测量点X，例如通过矩构造(moment formation)或其他类型的整合。指定给个体样本的、 合起来产生测量周期的时间间隔定义了测量时钟fM，也就是生成样本的频率。测量时钟fM 与对应于发射光束18的调制频率的目标频率Qci同步，以此方式使得测量以相同的相角Φ 周期性地进行，例如每2 π测量25次。如果目标物0具有发射光束18几乎垂直于其平面法线行进的表面，就是说呈现入射角α 90°，那么特定的测量误差变得明显。在空间(和时间)上相邻的样本之间存在距离差Ad。在考虑发射光束18和接收光束20的相角Φ的差时，该距离差Ad对应于 “附加的”相移Δ Φ。所述相移Δ Φ取决于相角Φ可以变得比较大(大于测量精度)。从激光扫描器10的角度看，两个时间相邻的样本的所述距离差Ad作用就像目标物0的虚拟移动。测量时钟fM不再与目标频率Qci匹配(就是说测量不再以相同的相角进行)，而是接收光束20显现出具有相对于目标频率Oci偏移了频移△ ω的调制频率。所述频移Δ ω 对应于真实移动目标物的情况下的多普勒效应下的频移。这种取决于相角Φ的偏移也可以被解释为时间域或频率域的失真。为了校正这种测量误差，针对目标物0的这种虚拟移动确定虚拟速度V。该虚拟速度ν与频移Δω成比例。借助于虚拟速度ν校正了相角Φ并从而校正了距离d，结果是，从样本中并因此从测量点X中消除了相移ΔΦ。迭代地实现虚拟速度ν的确定和相移 Δ Φ的校正。该过程以零级近似V= Ad*fM开始。由于可以(根据相角Φ)计算目标物 0的每个采样点与中心Ci之间的距离d，因此Ad是两个时间相邻的、也是由于反射镜16的旋转造成的空间相邻的样本的距离d的差。虚拟速度ν的该零级近似用于在每种情况下对于样本确定近似的相移Δ Φ。借助于所述相移Δ Φ，对于每个样本对分别指定给样本的距离d进行校正。然后，根据校正距离d确定两个空间和时间相邻的样本之间的校正距离差 Ad0根据所述校正距离差Δ d，对于下一个近似来确定虚拟速度V。当相对校正(例如与
4绝对距离差Ad相比的对距离差Ad的校正)小于预定义的极限时，该方法收敛。如果方法收敛且虚拟速度ν已知，那么在理论上完全地、在实际上基本地校正了相移△Φ(也就是时间域或频率域的失真)。图4示出校正之前(虚线)和之后(实线) 的相移Δ Φ。相移Δ Φ的校正导致时间信号的校正，并最终在对样本进行整合之后导致测量点X的校正。可以在其整体上、也就是不仅仅相对于个别相角Φ (例如过零点)来使用时间信号，其中全信号质量是可用的。在优选地被集成到控制和评估装置22中的校正装置中，实现了相移Δ Φ的校正， 并由此实现了距离d的校正。参考符号列表
10激光扫描器
12测量头
14基座
16反射镜
17光发射器
18发射光束
20接收光束
21光接收器
22控制和评估装置
Ci中心
d距离
Δ d距离差
f 丄M测量时钟
0目标物
t时间
ν速度
X测量点
α入射角
Φ相角
ΔΦ相移
ω频率
ω,3目标频率
Δω频移
权利要求
1.一种借助于激光扫描器(10)通过以下过程光学地扫描和测量目标物(0)的方法，所述过程包括借助于光发射器(17)，发射以目标频率(COtl)调制的发射光束(18)；借助于光接收器01)，以测量时钟(fM)接收由所述激光扫描器(10)的周围环境中的目标物(0)以某种方式散射或者反射的接收光束(20)，作为多个样本；以及在每种情况中，借助于控制和评估装置(22)，对于多个测量点(X)，根据所述多个样本的相角(Φ)来至少确定距所述目标物(0)的距离(d)，其特征在于，为了确定所述距离(d)，校正由时间相邻的样本的距离差(Ad)引起的相移(Δ Φ)，从而校正所述距离(d)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述目标物(0)的虚拟速度(V)，以用于校正所述相移(ΔΦ)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据两个时间相邻的样本的距离(d)之间存在的距离差(△(!)和所述测量时钟(fM)，确定所述速度(ν)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，根据所述虚拟速度(ν)确定近似相移 (Δ Φ)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述近似相移(ΔΦ)确定所述样本的校正距离(d)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，迭代地执行所述相移(ΔΦ) 的校正。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有校正距离(d)的所述多个样本与数据简化结合，以形成所述多个测量点(X)。
8.一种用于执行前述权利要求中任一项所述的方法的激光扫描器(10)。
9.根据权利要求8所述的激光扫描器，其特征在于，由所述控制和评估装置02)校正所述距离(d)。
全文摘要
一种借助于激光扫描器(10)通过以下过程来光学地扫描和测量目标物(O)的方法，所述过程包括借助于光发射器(17)，发射以目标频率(ω0)调制的发射光束(18)；借助于光接收器(21)，以测量时钟(fM)接收从激光扫描器(10)的周围环境中的目标物(O)以某种方式散射或者反射的接收光束(20)，作为多个样本；以及在每种情况中，借助于控制和评估装置(22)，对于多个测量点(X)，根据多个样本的相角(Φ)来至少确定距目标物(O)的距离(d)，为了确定该距离(d)，校正由时间相邻的样本的距离差(Δd)引起的相移(ΔΦ)，从而校正该距离(d)。
文档编号G01S7/497GK102232195SQ201080003400
公开日2011年11月2日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年7月22日
发明者菲利普·舒曼, 马丁·奥西格 申请人:法罗技术股份有限公司