用于基准线投影仪器的测距方法和该基准线投影仪器的制作方法

专利名称：用于基准线投影仪器的测距方法和该基准线投影仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的用于具有光电测距仪的基准线投影仪器的测距方 法和根据权利要求8的前序部分的基准线投影仪器以及测量系统。
背景技术：
在许多应用中，投影可见的或不可见的基准线，该基准线对于人眼或对于电子系 统作为基准，该基准也允许自动定位或者机器引导。在此情况下，基准线的产生大多通过激 光束扩展来完成，这尤其对于直线是可行的，但或者通过投射一个沿轨迹移动的激光点，这 原则上允许任何路径和进而基准线。其一个例子就是旋转激光器，它用于借助可见的或不可见的激光束确定一个平面 并且它很早就被投入使用，例如在建筑业或者工业中。旋转激光器是一种宝贵的辅助手段， 用于沿水平平面、竖直平面或者规定倾斜平面标划建筑线。但迄今的旋转激光器具有缺点， 即只能限定一维如高度或倾斜度，这对使用者来说降低了效率。其它系统例如是利用天顶 光或极点光的激光水准仪，其适用于对于墙壁、上升管道、电缆通道、空调井、水平外窗台、 安装板、管子或管路限定垂线。此时，基准线可以用人眼或者光学检测器发现，在这里，大多 产生人眼可见的标记。此时，激光平面只在被照射目标上投射出一条线，原则上与使用者可见的预定规 定高度相关。在此所用的信心因此也只是一维的。但是，通常还求出或者可视化其它信息。 例如，在某些任务中要求除高度之外还测量、检查或者按规定保持可视地看到距一个点的 距离(x)或一个点的横向位置(x，y)，因而例如在平面屋顶修葺时，不仅必须知道高度方向 上的下降，而且要知道横向位置上的降低。此外，目前的基准线投影系统不提供关于其上完 成投影的表面的关系。在系统不知晓表面的形状和位置的情况下，投影会导致所投射的基 准线扭曲。对表面缺少认识也根本不允许与之匹配的划标。如果例如想要按照规定距离在门 洞左右侧打孔，则目前必须人工进行单独的测量，借此确定侧向距离。所投射的基准线仅用 于指明该孔的高度。尤其是，该现有技术系统无法自动识别这种结构。在现有技术中众所周知的尺寸测量系统是激光扫描器，它沿测量路径逐点扫描和 测量表面。不过，它不提供规定基准线或者能投射可见标记的功能，该标记又能让使用者进 行互动。因此缺少任何表面测量和可测或可察觉的指示或标记的输出的逻辑关联。此外， 因其应用目的，该扫描仪只具有相对测量的相对精度，因此，既不需要高精度地相对一个外 界坐标系或全球坐标系规定方向(取向)，仪器也做不到这一点，因此用这种装置完成的竖 向铅垂找准非常不准确。也无法做到精确高度测量，这种高度测量满足建筑业中的要求或 规范。测距功能和投影功能的结合被US2007/0044331A1公开，在这里，公开了包括超声 波测距单元的激光测平。静态水准仪产生两个相互垂直交叉的激光扇面。该这两个扇面的 共同轴线旁边设有超声波测距仪，它在此方向上测量至目标的极距离，在这里，激光器本身悬置在摆动体上。这两个激光扇面为此对准垂线。而测距仪被固定在壳体上并且只在仪器 精确地水平取向时指示两个激光扇面的相交线的方向。如果安放姿势不同，就无法精确知 道所测量的目标点。为此，测距方法不与测平功能逻辑关联，在这里，也无法通过该仪器整 合两种功能。如果是距离测量，则采用该仪器如独立的手持测距仪。因此，使用者例如必须 在体积测量时三次调整仪器，按照三个单独的、尽量相互垂直的姿势分别执行相应的距离 测量。此时无法利用测平功能或方向测量。此外，超声波测距仪具有厘米级精度，因此，对于大多建筑要求来说太不精确。特 别不利的是衍射造成扇形展开的声波，其在目标上得到几厘米伸长。为此，无法测量支架或 门框的边缘。US2006/0044570A1公开一种依靠激光的定位仪。它包括至少一 个激光发射器，其 能在水平平面内转动并且针对与该轴相关的基准角度发出同步信号。如果发射光束击中总 是安置在待测目标点上的检测器，则它起到位置敏感光传感器的作用，借此可掌握随时间 的脉冲长度和相位角度。从相位位置和脉冲长度中，随后可以确定相对检测器的角度位置 和径向距离。该装置可被用于两维和三维的测量任务。在目标上的时间测量如此完成，激光 被调制。而测距精度主要通过旋转速度的保持一致来确定。如果实际经过的角度例如偏离 高于45度转角的额定值仅100 u rad,则造成相对位置误差为400 u rad/ ji = 127ppm。如 果待测距离长达50米，就会出现6. 4毫米误差，这例如对于建筑领域的任务来说太不精确。在国际申请号PCT/EP2007/007058中描述了一种系统，它包括用于活动工作机械 的循环测距仪器。此时，位置确定装置具有发出发射光束的发射器、接收器以及可绕竖直轴 线转动的且用于在水平方向引导发射光束的引导机构。通过引导机构，展现出一个基本水 平的平面，在该平面内，也测量接收器的接收光束。发射光束在器发出和随后在基准目标上 反射之后借助定位系统的接收器又被测到，在这里，从接收器的接收信号中确定至基准目 标的距离，尤其按照相位测量原理或者脉冲传播时间测量原理。此外，发射光束对准基准目 标和反射光束作为接收光束对准接收器通过引导机构来实现。但是，在该平面内的测量由 运动和与几个且一般是四个合作目标即布置在已知位置上的反射器相关地进行。通过这些 测量，确定测量单元相对这些合作目标的相对位置，从而能从对其位置的掌握结果中推导 出运动单元的位置。所述的测距仪既未设置用来确定在非配合表面上的点，也适用于此。 因为它按照常规的相位测量原理工作，所以它对于投射基准线时所需要的较速度而言太慢 了。在为此所需的角速度情况下，激光器会在目标测量过程中遇到测量延迟。而且，测量仪 器需要占较大的地方，因为在所示除的双轴布置发射器和接收器的情况下，接收器绕发射 器旋转。最终没有投射可由人眼或检测器发现的标记，所述标记允许引导使用者或允许通 过另一个测量单元来核对位置。EP1001251公开一种具有测距和目标跟踪功能的激光扫描仪，它具有产生可见激 光射线的机构和包括可绕两个非平行轴线转动和控制的偏转机构。偏转机构的控制逐点分 辨地借助伺服马达和相角传感器按照预定的任一图案进行。这样，一方面实现了任意点、线 或面图案在例如室壁上的投射，另一方面实现了精确的空间测量以及关于运动目标的光束 制导。可是，做不到对投射图案路径中的多个点的连续自动化测量。而且，点的扫描测量已 经在一次经过扫描路径的过程中决定了在每次测量时必须以期望的或者需要的精度完成 距离的完整确定。如果环境条件差，则必须采用辅助手段或者可能无法测量。因此，对弱反散射表面或者有时被遮住的目标的测量无法实现。但是，如果例如基准线投影仪器在一个 屋室中被投入工作并且使用者的身体总是遮断运动的光束，从而一次测量仅提供不完整的 结果，则后一点尤其在建筑业中是有意义的。US5629756描述一种旋转激光器，借此并在墙壁上利用特殊的反射器件情况下，可 以测量至墙壁的距离。该距离被用于聚焦激光束于墙壁上，从而在墙壁上产生清晰可辩的 明亮线。此外提出，所测距离被用于调整旋转速度，因为在至墙壁的距离超过例如30米的 情况下，投射的激光束在旋转速度低时可被更好地发现。该解决方案也无法在所有正常工 作时的条件下对自然表面即在不利用反射器件的情况下进行测量。

发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种改善的测距用基准线投影仪器以及一种相应的 方法。另一任务在于这种方法或仪器的测距功能的测量精度的提高和/或应用范围的 扩展。另一个任务在于提供这种方法或仪器，其自动求出关于其上进行投影的表面的连 续信息，尤其相应调整投影或监测工作进展。这些任务通过实现独立权利要求的特征部分特征或从属权利要求来完成。在根据本发明的测距方法或者同样的仪器中，如此整合基准线投影功能和距离测 量功能，用于投影的发射或至少其光路同样被用于距离测量。在此情况下，结合由电子测距 仪发出的测量光束，将经过或者说走过规定的测量路径，就是说，测量光束如此被引导，其 投影轨迹对应于该规定的测量路径和待投射的基准线。此时，对于测量路径的至少一个点， 尤其是对于测量路径的许多点，确定距离，其中按照本发明，在一次测量过程中，就是说对 于距离确定来说，通过测量光束的投射重复至少一次且尤其重复多次地经过或走过测量路 径。因此与扫描式运动的系统不同，多次经过相同的路径，因此在角度同步地测量距离时多 次扫描轮廓点，这不仅允许通过累计或者求平均值来改善测量结果，而且允许连续监测距 离和进而允许分析变化。按照本发明，在仪器方面进行将高灵敏度测距仪整合到投影单元 中，在这里，测量光束和投影光束的光路最好同轴耦合。通过以测量光束的投影重复走过规定的测量路径，可以在每次经过时分别针对测 量路径的点求出距离参数，并且对于至该点的距离的确定，分别累计该距离参数，就是说集 合起来，尤其被求平均。多次经过测量路径和同时进行的数据记录允许高测量速率求出至 所经过的路径的多个点的距离，从而可以推导出例如完整路径的三维模型，这例如实现了 房屋轮廓的高精度自动建立。其基本条件是角度同步地多次经过同一测量路径，其借此允许测量点的测量光束 的重复接收和其累计。此时，该累计可以很邻近射线地进行，即例如像在光敏元件中的电荷 载体积累，或者在信息处理平面内例如通过数字值的存储和相加。在此情况下，距离测量值 原则上可以在每次经过时被确定并且被连续输出，或者接着被继续处理，例如被求平均，或 是只在多次经过后进行距离确定，例如结合至此为每个测量点积累的电荷载体或者累加的 信号。对于连续输出距离的情况，适用所谓的IIR滤波器(无线脉冲响应)，它是数字滤波 器并且尤其适用于测量结果的快速处理和改善。
在此情况下，测量速率和进而测距单元的设计依据经过轨迹时的角速度，在此，角 速度又由可由人眼或电子检测器识别的能力来限定。与这样的条件相关的典型测量速率此 时位于IkHz至几千kHz之间。其它要实现的系统性能是小于3毫米的径向测量精度、沿测 量路径的小于5毫米至20米的横向分辨率以及至少达到50米的应用距离。虽然现有技术的传播时间测量器是单通道的且因而可同轴构成，但具有毫米级精 度的常见解决方案全都具有赫兹级缓慢测量速度，这是因为精度只通过对大量发射激光求 平均来获得。还知道了高达几百MPts/sec的快速相位传感器，但是，这种装置易受通道串扰影 响，尤其在光束引导机构同轴布置时。当双轴或形态分开地布置测量光束引导时，原则上可 以利用这组样的距离测量器。以下示出了适用于根据本发明的整合方式的测距仪。它此时利用同轴布置的发射 光束和接收光束。此外，测量原理既不同于典型的传播时间测量器，也不同于相位传感器。 尽管距离像在传播时间测量器中那样从传播时间测量结果中推导得到，但像激光功率和调 制频率这样的辐射测量参数要早于相位测量仪的辐射测量参数。这种测距仪能够以几kHz 至几MHz且尤其高达大约IMHz的速率以毫米级精度测量距离，不会超出激光器级3R的临 界值。这种高灵敏度测距仪的整合可以与一个角度传感器结合。为此，可以确定在一个平 面或一个圆锥上的局部坐标。角度传感器或者旋转编码器此时测量投射基准线的转动角 度。利用角度传感器和测距仪的数据，可以非常精确地确定例如被标划的、可识别的结构如 门宽或窗宽以及反射的目标标记的坐标。如果测距单元安装在直线激光器中，就是说安装在一种具有可相对铅垂方向做调 整的倾斜平面的旋转激光器中，则可以掌握局部坐标(x，y，z)，其至少在有限的直线范围或 斜度范围内。除了用在水平位置或按规定倾斜的位置，本发明的系统也可以在所谓的铺放变型 方案中实现。在此实施方式中，基准线投影仪器位于侧面并且安置在旋转台上，该仪器借此 能绕一个配设有其它角度传感器的竖轴转动。绕竖轴转动最好分步或者间歇进行，这具有 多次记录下当时的表面轮廓和进而累计点坐标的优点。通过逐步绕竖轴转动，整个空间可 被扫描。就是说，此实施方式具有产生点云的扫描仪功能，但与传统的解决方案相比，灵活 性较差。现在，将这种测距仪整合到配备有相角传感器的基准线投影系统中也允许结合所 求出的信息如表面形貌来控制投影。通过在旋转平面内的已知的目标数据，例如可以可视 地显示出钻孔的位置，以及通过用在直线激光器中，也可以标记出在水平基准线之上和之 下的定线点的位置。为了能发现点或者所界定的线区域，投射光束将只在所设置的待标定 区域内被接通。尤其在基准线投影系统具有扫描器功能即能够扫描测量相关的两维部分的情况 下，轨迹可以在确定表面轮廓形状之后匹配于弧形表面，从而器形状对应于待标定物体或 目标的未扭曲外形。此外，可以在识别结构后也提供或者投射与结构相关的信息。例如，可 以在沿测量路径的扫描测量后识别一个窗。在该系统支配该自动求出的关于该窗的位置、 形状和姿态的信息之后，例如可以与窗口有一定距离地自动投射标记。相似地，本发明的仪器或者方法也可以被用于建筑验收或额定尺寸验证，做法是，自动记录下表面轮廓形状并 与已有的额定轮廓形状进行比较。例如，可以通过测量墙壁检查室的轮廓，或通过记录侧面 轮廓检查室高。此外，可实现下述仪器实施例，其也能测量在目标上的激光光斑的三维位置或者测量反射的目标标记物的坐标。这要求精确掌握两个发射角度、方位角和海拔高度，或是要 求直接测量被测点的位置，这例如可通过采用一个具有自身测距功能的合作目标来实现。 反射的目标标记物可以是所谓的“智能接收器”，就是说一个智能型接收器或反射器，其具 有自身测距功能或者至少能确定自身高度位置，因此也可以将作为被测点的反射器的高度 位置与坐标测量结果关联起来。作为可选方式，也可以确定在该智能型目标标划单元的轴线延长线上的任何一个 点的坐标。这种确定最好以非接触方式进行，例如通过三角测量传感器或者通过自身的传 播时间测量器或相位测量器，或者也可以以机械方式例如通过可抽出的测规。从表面形貌 的测俩故那中，最终也可以进行体积确定或面积确定，在这里，或许也能加入关于被测目标 的其它信息。因此，从管剖面轮廓中可以推导出其截面，或者在知道长度的情况下，也推导 出其体积。另一个例子是掌握和测量屋室的墙壁。从其几何形状中，可以自动确定屋室的 面积，由此计算出例如对地面覆材的需求。


以下将结合附图示意表示的具体实施例单纯举例详细说明本发明方法和本发明 仪器，其中图1是本发明方法的示意图；图2是图1的示意图的俯视图；图3是本发明方法的测距原理的示意图；图4是用于执行测距原理的示意框图；图5表示测距原理的应用例的信号曲线；图6是本发明仪器的第一实施例的示意图；图7示意表示本发明方法的第一应用例，其包括一个合作目标；图8示意表示本发明方法的第二应用例，其包括一个合作目标；图9示意表示本发明仪器的第二实施例；图10示意表示用于本发明仪器第二实施例的应用例；图11示意表示本发明仪器的第三实施例，其包括自然反射目标。
具体实施例方式图1表示用于带有光电测距仪的基准线投影仪器1的本发明测距方法的示意图。 仪器1产生光束，光束通过透光开口或罩2作为基准光束RS被发出并且沿规定的基准路径 RP被引导。在这里，基准路径RP的至少一部分在其经过人眼和/或检测器时被检测为基准 线。发光控制通过光束引导机构3来实现，光束引导机构3作为基准光束RS的引导机构并 且通过驱动装置4被驱动运动。随后，可以使其它加工过程在其定位方面与由基准光束RS产生的基准线关联起来，例如做法是测量至可见地投影在表面OF上的基准线的距离。除可见的或通过检测器可 测量的投影在表面上的投影外，在敲击检测器时被该检测器测量到的投影也是可行的。在 这两种情况下，基准线具有多于仅唯一一个点的点，因此可以测量基准线的变化曲线。根据本发明，进行到该基准路径RP的至少一个点Pi尤其是多个点Pi (例如在其被 用于扫描基准路径RP的一部分时)的距离测量。在此，测量原理依据的是发射与基准光束 RS平行或同轴的测量光束或者采用基准光束RS作为测量光束，随后接收反射回的测量光 束的多个部分，从这些部分推导出信号。在此情况下，相应的信号以IkHz或更高的测量速 率被记录下来。与距离测量同步地，分别进行关于该点Pi的引导方向的角度测量或角度确 定。至所述至少一个点Pi的距离Di的确定此时依据在图3和图4的下侧示出的信号 调制和分析计算来进行，在这里，沿基准路径RP的引导也可重复进行。在每次经过基准路 径RP时，针对至少一个点Pi分别求出接收器在每个角度位置的距离Di或者距离相关参数， 例如信号形状或相位。在经过几次之后，随后可以根据距离相关参数求出距离D”为此，可 通过重复经过基准路径RP来累计针对该至少一个点Pi接收到的测量光束部分和/或相加 其对应信号。在所示旋转激光器为基准线投影仪器1的情况下，通过基准光束RS的旋转速度， 可以实现稳定的基准路径扫描，其中多次重复经过相同的轨迹并且对应于同一点的重复测 量地具有相同角度分辨率，其中该基准路径RP能按限定的可变方式规定。如果是旋转激光 器，则例如可以通过改变轴线A的姿态来倾斜旋转平面，从而可实现相应倾斜的平面(度)。 不过，利用相应的控制机构，也可以投射自由形状图形作为基准线或者测距扫描该自由形 状图形。为了实现基准线投影功能，沿基准路径RP的引导能以这样的速度进行，使得在经 过基准路径RP的过程中，人眼可同时感知到基准路径RP的全部。如果是旋转激光器，则使 用者看到环绕投射到墙壁上的连贯线。在此，发出的光束有利地具有可见光范围内的波长， 但原则上也可以利用诱导荧光发光或类似效应。测量光束可被准直并且具有直径为5mm或 更小的光束截面。在图1所示的例子中，旋转激光器将被如此定位，其投影激光平面的高度和取向 对应于在房角部的工作台的高度和取向，因此基准路径RP位于其边缘，工作台被自动测 量。这种水平布置例如允许测量平面，如在图2的俯视图中中结合图1示意所示的情况看到 的那样。通过在此例子中同时作为测量光束的基准光束RS，在360度角度范围内在一个平 面内进而两维地扫描房屋，在这里，一个管和在角落的工作台被测量。基准路径为此处于一 个通过作为测量光束的基准光束RS绕竖直轴线进行旋转而产生的平面内，在这里，该旋转 例如以至少4 π rad/s的规定角速度进行。在确定至该点的距离时，确定其在基准路径中的 相对位置，在这里，尤其是相对于仪器内部的或者外界的参考方向BR测量对应方向角α it) 此时可以相对于一个外界坐标系确定取向或零方向。对于关于旋转轴线的角度确定，可以采用具有秒级精度的快速相角传感器。如果 角速度被限定且其保持足够稳定，则角度α i也可以结合时间关系来确定，从而可以省掉直 接测量角度的部件。基于记录的表面形状，随后可以求出房屋的面积Al、管的横截面面积A2以及工作 台的面积A3。于是部分根据沿基准路径的测量结果以及通过对于未扫描或不可扫描区域的计算或假定，得到待测目标的轮廓或者边界。在此例子中，背对仪器1的背面从在工作台 左、右测的房屋墙壁走势中来评估。作为替代或补充，也可以在工作台之上或之下执行其它 测量，从而位于其下的墙壁走势也可被直接扫描。不过有利的是，在仪器1中存储基本几何 形状作为测量信息或计算信息，该信息可被相应地选出。此外，可以自动求出通往房间的门 的宽度B门。图3结合例如在电子测距仪中出现的典型信号序列的示意图表示用于本发明方 法的优选测距原理。相对于时间轴示出了信号曲线，在这里，点表示扫描点或采样点。在此 情况下，就像在传播时间测量器中，那样左侧脉冲表示开始脉冲，右侧脉冲表示停止脉冲。 传播时间和进而距离Di例如随两个脉冲的顶点的时间距离而生，其中该脉冲类似于在相位 测量器中一样被扫描。例如在国际专利申请PCT/EP2007/006226中描述一种相应方法的原 理。该解决方案依据在测距中常见的信号检测基本原理的结合。第一种基本原理依据结 合阈值方法的测量信号检测，第二种基本原理依据信号采样和后续的信号处理，以便识别 并随时间来确定信号位置。在阈值方法中，虽然大多通过信号幅值超过阈值来确定信号检 测，但确定距离的信号特征可能是完全不同的。一方面，接收信号的上升沿可能触发时间触 发器，而另一方面，接收信号可以借助电子滤波器被转换为其它适当形状，用于产生触发特 征，该触发特征最好与脉冲幅值无关。相应的触发信号作为开始信号或停止信号被供给时 间测量电路。并行采用两种方式进行信号检测，就是说，利用两种方法检测所接收的脉冲或者 说信号结构，这大多暗示同时性或者方法至少在时间上的重叠。该原理的核心是无损失的信号测量，其中无损失是指传播时间信息获得意义上。 此时，该方法依据所接收的GHz级时间信号的直接信号采样。借助宽带但噪声极低的互阻 抗接收器预放大的接收信号将用快速的AD变换器被采样并以至少8位被量化。这样的互 阻抗放大器例如在欧洲专利申请07114572有所描述。该AD变换器的特点是低INL(整体 非线性)和在测量精度范围内可忽略不计的孔径抖动，在这里，孔径抖动是指被采样的点 或区域的随时间变化，就是说，采样之间的距离的随时间变化。该AD变换器被高度稳定的 振荡单元施加节拍。它基本上通过在AD变换器入口上的追踪及保持单元来定，在这里，典 型值为1至2psec。INL是指在AD变换器中植入的量化单元的在动态范围内是非直线的传递函数。理 想的AD变换器按比例将一个模拟输入信号的波幅转换为在输出端的数码。但在理想情况 下，偏差可接近0. 3LSB，这会导致干扰性的信号扭曲。这方面尤其对于在波幅大和小时保证 精度是重要的。已知以下消除此影响的措施，例如几个AD变换器具有所谓的自校准功能， 其时不时测量INL并且在内部相应减小INL。在所示的信号曲线中，采样点被等距分布，在此，以小于5pSeC的精度保持距离。 设在AD变换器之前的模拟接收器的模拟带宽在40至400MHz范围内变化，在这里，这造成 施加在AD变换器上的输入信号经过多个采样间隔期变平缓。重要的是，AD变换器一方面 没有减小信噪比，而另一方面，待测信号传播时间未失真或随时间消失。停止脉冲由发射单元传至待测目标并经由接收光学器件被传导给光检测器。由此 出现的时间信号包括至少一个起始脉冲并且对应于任何被照亮的目标具有停止脉冲。在AD变换器后的扫描顺序被传给FPG (现场可编程门阵列)或者PLD (可编程逻辑器件)并且在那里被实时处理。在第一步中，例如采样值以数字信号矢量被暂存。这种 数据记录的长度决定最大待测距离。如果例如以lGS/sec采样速率暂时存储8192个采样， 则记录长度对应于8192nSec的时间轴，这又等于1229米最大距离。如果在第二步中进行信号分析，则对时间轴或数字信号矢量进行搜索以找到起始 脉冲和任何停止脉冲。脉冲位置因此按照采样间隔被精确获知。此时，差对应于待求距离 Di的第一粗略估算值。为提高低于采样间隔的测量精度，已知各种依靠软硬件和依靠软件的方法。例如， 借助两个脉冲的重心计算来进行内插，直到一般达到时间间隔的百分之一。其它方法是包 括相位计算的数字傅立叶转换(DFT)或者包括过零确定的微分。不过，最好采用以下计算 方法，该方法不受信号失真和饱和的影响，在这里，通常采用从数字滤波和估算理论中知道 的方法。利用这些方法，可以获得1毫米测量精度。在图4中以示意框图表示被用于实现该测量原理的电路。在信号链起点有一个具有相应控制器LD的光源5例如激光二极管，其中光束的第 一部分在内部被直接传导至接收器6，光束的第二部分在外部被传至待测目标。在目标上 反射的光束随后通过接收光学器件同样被引向接收器。接收器测的信号链具有作为接收器 6的亚纳秒级快速光电探测器，例如雪崩光电二极管，以及其临界频率匹配于激光脉冲的宽 带低噪电流电压变换器，如例如在欧洲专利申请号07114572中描述的宽带低噪电流电压 变换器，和扭曲和噪声尽量少的电压放大器LNA和至少一个高速AD变换器。宽带低噪电流电压变换器TIA例如可以被构造成互阻抗器放大电路用于转换输 入电流为输出电压Uout，其包括带有信号输入、输出和T形反馈电路的放大元件。利用最佳 尺寸的反馈电路，可以实现线性放大器，其带宽超过500MHz并具有低输入噪声电流。T形反馈电路此时具有第一、第二和第三分支，它们均在一侧连至一个节点K。第 一分支在另一侧与放大元件的输出相连，第一分支具有反馈电阻Ri。反馈电阻Ri决定电流 噪声Inoiser，其由下式来定
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，T表示绝对温度，k表示波茨曼常数。流过反馈电流的电流IRi将在节点K上 按电容被分流，因而只有一部分电流且进而仅一部分噪声电流被反馈给放大元件的输入。 例如，就与电路互阻抗成比例地看，现在可以通过该电流分配来实现低噪声的放大电路。为此，T形反馈电路的第二分支具有至少一个电容元件C2，通向放大元件的信号 输入的第三分支具有至少一个电容元件C3。接收电路元件之间的信号线最好有区别地延伸。接收器侧的信号链也可以被划分 为具有不同放大率的多条路径。每条路径随后通往一个相应的AD变换器。标准的AD变换 器一般具有两个或更多的输入通道。这样一来，可以扩宽接收信号动态。数字信号顺序传给至少一个FPGA或者PLD (可编程逻辑器件)，以便信号处理和加 工。目前的FPGA资源足以以达到IMPts/sec的速率在实时工作时计算标准起始和停止脉 冲之间的脉冲距离计算并且显示在高速界面上。而且，快速FPGA允许与距离计算同步的信 号强度计算和发出，尤其是停止脉冲的信号强度计算和发出。由于计算过程的同时并行，也可以动用节省能量的PLD。对于数据存储，设置存储单元MEM。如果接收信号弱，则可当场从单发模式转换至累计模式。在此工作模式中，FPGA按 照激光器发射速率节奏同步累计对应于测量频率的数字信号矢量，并且将数据存储在相应 场的存储器中，不过将连续计算和发出距离。该方法的优点为，也能测量很弱的接收脉冲并 且测量速度不变地保持高速。如果目标如内室被重复扫描，就是说记录下剖面形状，则因为其轮廓形状的多次 测量而也能采用其它的测量灵敏度提高方法。在此情况下，尽管距离测量按照单发方式来 确定，但是同时将启动累计模式，该累计模式将对应于所扫描的轮廓形状的被测距离存储 在一个附加的存储器中。存储器查挂浓度此时恰好对应在轮廓轨迹上的点的数量，尤其取 决于重复频率或者旋转频率。在此工作模式中，FPGA累计恰好对应于一个目标轮廓上的对 应点的距离。在这里，轮廓存储器的长度对应于横跨待测目标的轨。在这里，也可以连续可 视地示出和发出连续改善的距离和角度测量值。在这里，此方法同样有以下优点，可以精确 测量或者扫描弱反射的空间和目标。精确传播时间测量的基础将从温度修正石英MC中推导得到。这一般在市场上可 买到并且具有0. 2ppm的典型运行精度。石英的时间信号或时钟信号将借助PLL振荡器VCO 例如被低噪声地乘高到1GHz。振荡器VCO的初始信号构成AD变换器的微微秒级时间信号。 后者传导在为此特意色黄之的PIN上的时间信号或时钟给数字时钟管理器，该单元可以按 照状态机形式形成在FPGA中。该数字时钟管理器尤其具有以下功能，在激光触发器线路上 与AD变换器同步地以微微秒级精度产生经过配置的激光发出频率。测距电路连通检测器控制器、温度传感器和或许可调的光学衰减器一起被一个中 心控制单元CU控制。如果通过合作目标如反射器完成时刻的标记，则可以由信号曲线也启动一个扫描 序列，这在图5中以测距原理应用例的形式被示出。如图7所示，可通过反射器可识别地 构成被测点，这是因为通过与非合作背景相比提高反射能力而出现与轮廓剖面中的被测点 号或角度相关的信号强度相应增强。因此，这种被测点的标划允许触发自动化的测量过程， 这在图5中针对例如记录两个反射器之间的表面轮廓形状被示出了。在立体扫描运动过程 中，通过接收器探测到信号强度的增大，其在超出阈值SW后导致触发连续的测距过程和相 应数据的显示，就是说，显示被测点Pi和对应的角度α i以及尤其是对应的强度，作为点特 征。第一强度增大因此通过高于阈值SW的第一扫描值限定起点SP，该起始点同样通过第二 强度增大的超阈值的第一扫描值又以终点EP形式被结束。通过起点和终点SP、EP，因此设 定了指示长度的轮廓窗AM。除了这样触发测量序列或记录序列外，这也能以人工方式通过 规定所存储的测量变化曲线控制角度地触发，就是说以起始角度α s和终点角度αΕ，或者 通过其它方式被触发。图6示意表示根据本发明的基准线投影仪器的第一实施例。该仪器具有光源5，例 如激光二极管，用于产生基准光束RS，该基准光束同时用作测量光束7并且通过一个被驱 动装置4驱动绕轴线A运动的且作为基准光束RS引导机构的光束引导机构3被发出。在 单纯举例以五角棱柱作为光束引导机构3来实现的实施方式中，引导角度为90度，因此基 准光束产生一个平面。驱动装置4在这里仅例如通过皮带来表示。按照本发明，可以采用 各种截然不同的、本领域技术人员已知的、例如借助传动装置被驱动或被直接驱动的空心轴马达。在此实施例中，采用反射镜作为相对轴线A固定安置的光束引导机构3，在此，其旋 转轴线A可通过翻转台10对准竖向，尤其结合倾斜度传感器11。不过，或许也可以利用一 个可移动的或者可转动的光源，从而能省掉光束引导机构3。不过，在此具体实施方式
中，基 准光束RS引导机构具有可移动的光束引导机构3，它产生一个可水平取向的平面，但该平 面能以倾斜角度^和β 2翻转，从而轴线A在规定方向上能以规定角度β Ν相对铅垂竖向 倾斜地取向。
利用作为光束引导机构3的五角棱镜，造成基准路径RP位于一个垂直于轴线A的 平面内并且测量光束绕轴线A旋转，尤其以至少4 π rad/s的规定角速度。光束引导机构3 的当时位置，即测量光束的发射角，可通过角度α i确定机构来推导。例如，位置可直接通 附加的或属于驱动装置4的角度传感器4a测量，或者在旋转速度不变时通过与发射时刻的 对应关系被求出。原则上，测量光束可以平行于或同轴于基准光束的形式实现，或者可以将 基准光束RS本身用作测量光束，在这里，基准光束通过一个电子测距单元被相应控制。将如此选择待发射光束的特性，即基准路径RA的至少一部分在其经过人眼和/或 检测器时可作为基准光束被发现。由表面反射的测量光束或基准光束RS的一部分8又通过光束引导机构被引向呈 光敏接收元件形式的接收器6，它是电子测距单元的一部分。至基准路径中的点Pi的距离 Di的确定在分析计算单元9中完成，在这里，该分析计算单元如此设计，在相应挑选一种模 式时，基准路径包括至少一个点，该点在经过基准路径时被测量以便确定其距离Di。该仪器 可被如此调节，即基准光束RS引导机构被如此控制，从而自动进行重复的尤其重复多次的 基准路径经过，结果，实现了对距离测量的连续数据记录。为此，分析计算单元9可具有一 个程序，由此一来，在重复经过基准路径时针对所述至少一个点Pi测量的测量光束信号8 被累计和/或相应信号被集合。最好该数字化信号值被供给滤波器组，滤波器组连续求平 均该测量值，由此导致更好的坐标。对于快速被测点跟踪，滤波器尤其适用，借此能在线完 成借助频率过滤的的噪声抑制。为了保证造成基准线可见投影的扫描，基准光束以大约2至IOHz旋转是有利的， 测距单元此时应具有至少IkHz的扫描速率，轮廓点为此足够紧密地位于基准路径上。因此在此实施方式中，该仪器在激光源和基准光束RS引导机构之间具有发射光 路7，以及在基准光束RS引导机构和接收器6之间具有接收光路8，其中发射光路7和接收 光路8同轴于或者平行于轴线A地设置。此外，通过光源5发出的测量光束的一部分可以 在仪器内部被引向接收器6。图7示意说明本发明方法的第一应用例，其包括一个合作目标。在这里，基准线投 影仪器1被定位在一个屋室中，由此一来，借助基准路径RP将一个起到高度基准作用的平 面投射到墙壁。沿着该高度线，可以通过定位一个标划单元12来标出多个测量点MP1-MP3。 仪器1在此情况下识别安置在标划单元12上的反射元件12a，反射元件用于标志基准路径 RP的一个点Pi。仪器1现在将与反射元件12a的反射相关的位置同测量点MP1-MP3逻辑 关联，这例如允许确定空间中的构造特征或者触发操作，例如扫描或测量横向距离。因此， 利用这种由基准线投影仪器1和标划单元12构成的测量系统，也可以限定和测量表面上的 距离。通常，标划单元所限定的局部轮廓可在测量点之间MPk被记录下来。有利的是，基准 线投影仪器1和标划单元12具有通信机构，用于产生单方面尤其是双向通信连接，从而传输数据或者仪器1可通过标划单元12被遥控。在图7所示的仪器1水平安放姿态下，仅测量在相应水平取向的平面的多个点的 坐标。如果该仪器为分度激光器，即具有可倾斜的旋转平面，则可以测量空间中的每个点并 且确定其坐标(X，1, ζ)。图8表示本发明方法的第二应用例的示意图，其包括一个合作目标。在此例子中， 采用了一个标划单元13，它能够确定自己的高度ΗΜ，这可以或是通过自己的对地测距功能 来实现，或是进行机械式距离确定。例如，除了也能装载零高度标记13d的反射元件13a外， 标划单元13也能具有铅垂块13b和作为斜率测量仪13c的水准仪。标划单元13于是用铅 垂块13b的尖定位在底面上并且借助斜度测量仪13c被带入铅垂位置，从而通过反射元件 13a的位置以及铅垂块13b上的零高度标记13d限定出高度。反射元件13a此时最好也可 以相对铅垂块13b移动地设置，在这里，可结合刻度来读取精确的高度。在一个应用例子中，可利用这种测量系统来执行平屋顶下沉的测量。对此，例如呈 旋转激光器形式的仪器1安置在屋顶上，在此，基准光束的平面此时是水平的。现在，利用 标划单元13以铅垂块13b的下端接触平屋顶的不同地点，尤其是在凹坑或积水区域里。于 是，铅垂块13b竖直取向，带有零高度标记13d的反射元件13a—直移动，直到它们被仪器 1的测量光束测到。它借助信号强度和对应的扫描曲线发现反射元件13a，失去与之相关的 相应距离DM和方向，将所完成的测量报告给标划单元13。因此，知道了在铅垂块下端上的 点的完整坐标。作为零高度标记13d的替代，反射元件13a也可以形成有用于测量光束或 基准光束的检测器功能，因而标划单元13自动识别反射元件13a何时到达基准光束RS的 平面，这意味着可以读出相应的高度HM。在这组应用例子中也包括测量具有不变坡度的地点或陆地斜坡。对于此任务，仪 器1产生一个基准光束，其限定出一个相应倾斜的平面。图9示意表示本发明仪器的第二实施例。在这里，该结构近似于图6所示的仪器。 不过，作为反射镜面地构成的光束引导机构3'现在被构造逞可绕一水平轴线翻转，因此可 以进行按照两个角度α和Y的发射方向快速调整。作为可快速摆动的引导机构，在此例 如可以采用电镀反射镜。两个旋转轴线最好相互垂直。通过这样设计基准线投影仪器，可 以实现具有原则上任何变化过程的基准线的投影。尤其是，现在也可以投射标记等类似信 息于表面上，也利用发光的暂时断开或中断。除了图6和图9所示的、具有刚性的但可在一 个或两个轴线上摆动的反射镜面的实施例中，作为光束引导机构，也可以采用本领域技术 人员已知的其它光学元件，作为用于引导基准光束的机构。例如，可变形的反射镜面例如作 为微机械可调元件也允许在两个轴线上的光束引导。图10表示用于本发明仪器的第二实施例的一个应用例子。该仪器现在能够因表 面扫描和对基准路径中的点的测量而建立起表面形貌，或至少基准路径形貌。这允许以补 偿由表面OF形状引起的投影扭曲的方式投射基准光束RS，就是说，基准路径的投影按照扭 曲方式进行，其在弯曲的表面上又描绘出预期的未扭曲图像。在图10中示出了针对圆形 切口例子的情况，该圆形切口应该开设在一个倾斜的或还可能弯曲的表面中。倾斜和弯曲 使在一个平面竖直壁上看上去为圆形的基准线扭曲成椭圆形。由于方向测定功能和测距功 能，可以掌握表面OF的形貌和取向并且在引导基准光束RS时加以考虑，因此基准光束按照 相应调整的椭圆形被发射出，它在照中倾斜而弯曲的表面OF后又以所期望的圆形基准线的形式被记录下。利用这样的测量系统，例如可以划出用于通道引导的缺口或管孔的轮廓。 图11表示本发明的仪器1'的第三实施例，其结构又类似于图6所示的仪器。在这里，配备 有旋转激光器的仪器可以安装在一个旋转台14的侧面。旋转台轴线和旋转轴线A最好相 互垂直。基准光束的平面由此平行于旋转台轴线。在仪器1'围绕旋转台轴线转动的安置 位置上，与角度测量和距离测量一起，可以测量出整个空间的三维坐标。此实施方式因此具 有类似扫描器的功能。 当然，所示出的附图只是可能的实施方式的例子。基准线投影仪器的内部结构尤 其是也可以其它方式或者利用其它组成部件来实现。
权利要求
一种用于具有光电测距仪的基准线投影仪器(1)的测距方法，该方法包括以下步骤发出并沿规定的基准路径(RP)尤其是可按规定可变方式指定的基准路径(RP)引导基准光束(RS)，其中该基准路径(RP)的至少一部分在经过人眼和/或检测器时能被检测为基准线，通过以下操作测量至该基准路径(RP)上的至少一个点(Pi)尤其是多个点(Pi)的距离发射与基准光束(RS)平行或同轴的测量光束，或者使用基准光束(RS)作为测量光束，接收反射的测量光束部分并且根据所述部分得到至少一个信号，以及根据该至少一个信号确定至该至少一个点(Pi)的距离(Di)，特别地按照至少1kHz的测量速率记录该信号，其特征是，至少重复一次尤其是重复多次沿基准路径(RP)的引导，并且在每次经过基准路径(RP)时，针对该至少一个点(Pi)，总是求出距离(Di)或者距离相关参数(Dij)，尤其是传播时间或相位。
2.根据权利要求1所述的测距方法，其特征是，通过重复经过基准路径(RP)，累积针对 该至少一个点(Pi)接收的测量光束部分和/或聚集其对应的信号。
3.根据权利要求1或2所述的测距方法，其特征是，沿基准路径(RP)的引导以这样的 速度来进行，即使基准路径(RP)在经过时，其全部能同时被人眼感知。
4.根据任一前述权利要求所述的测距方法，其特征是，测量相对于垂向的至少一个倾 斜角度(^，旦2)。
5.根据任一前述权利要求所述的测距方法，其特征是，该测量光束尤其按照至少为 4 Ji rad/s的规定角速度绕可对准垂向的轴线(A)旋转并且限定出一尤其被用作高度基准 的平面。
6.根据任一前述权利要求所述的测距方法，其特征是，在确定至该至少一个点(Pi)的 距离(DD时，确定该至少一个点(PD在基准路径(RP)中的相对位置，尤其是确定关于旋转 轴线(A)的角度(、)。
7.根据权利要求6所述的测距方法，其特征是，借助关于该旋转轴线(A)的角度(a》 和相对于垂向的倾斜角度(0” 确定所述点(Pi)在基准路径(RP)上的坐标，尤其是在 外参考坐标系中。
8.一种基准线投影仪器(1)，该基准线投影仪器(1)包括 产生基准光束(RS)的光源(5)，尤其是激光源，沿规定的基准路径(RP)引导基准光束(RS)的机构，其中该基准路径的至少一部分 (PA)在经过人眼和/或检测器时能被检测为基准线，电子测距单元，该电子测距单元用于发出与基准光束(RS)平行或同轴的测量光束或 者用于将基准光束(RS)作为测量光束进行控制，并且具有用于接收被表面(OF)反射回的 测量光束部分的接收器(6)，还具有确定至基准路径(RP)上的点(P》的距离(DD的计算 单元(9)，其中基准路径(RP)包括至少一个点(PD，该点在经过基准路径(RP)时被测量以 便确定其距离(DD，其特征是，引导基准光束(RS)的机构被控制为，使得自动重复经过基准路径(RP)，尤其是多次重复经过基准路径(RP)。
9.根据权利要求8所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，计算单元(9)具有电路，该 电路在重复经过基准路径(RP)时累积针对该至少一个点(Pi)接收的测量光束部分和/或 聚集对应的信号。
10.根据权利要求8或9所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，测距单元具有至少为 1kHz的测量速率。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，设有用于确 定测量光束(MS)的发射角度(4a)的机构。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，引导基准光 束(RS)的机构具有可按角度(Y)移动的光束偏转机构(3，3')，特别地光束偏转机构(3， 3')的位置能够确定，尤其是能够由用于确定角度(Y，a》的机构测量。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，基准路径 (RP)位于一个平面内，引导基准光束(RS)的机构使得测量光束可尤其以至少AJirad/s的 规定角速度绕轴线(A)旋转，尤其是绕由倾斜度传感器(11)取向的轴线(A)旋转。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的基准线投影仪器(1)，其特征是，测距单元具 有在光源(5)和引导基准光束(RS)的机构之间的发射光路(7)以及在引导基准光束(RS) 的机构和接收器(6)之间的接收光路，发射光路(7)和接收光路(8)被与轴线(A)部分同 轴或平行地布置，尤其由光源(5)发出的测量光束的一部分未离开仪器(1)而在仪器内被 引导向接收器(6)。
15.一种测量系统，该测量系统具有根据权利要求8至14中任一项所述的基准线投 影仪器(1)和可独立定位的且尤其包括测距机构的标划单元(12，13)，用于标记基准路径 (RP)上的点汜)，其中该标划单元(12，13)具有反射元件(12a，13a)。
16.根据权利要求15所述的测量系统，其特征是，基准线投影仪器(1)和标划单元 (12，13)具有用于建立至少单方面的、尤其是相互的通信联络的通信机构。
全文摘要
本发明涉及基准线投影仪器(1)，该基准线投影仪器(1)包括沿规定的基准路径(RP)引导基准光束(RS)的光电测距单元，其中基准路径的至少一部分可在经过人眼和/或检测器时被检测为基准线。在经过基准路径(RP)时，对该基准路径(RP)上的至少一个点(Pi)尤其是对多个点(Pi)进行测距，做法是发射与基准光束(RS)平行或同轴的测量光束，或者利用基准光束(RS)作为测量光束。在接收到反射测量光束的一部分后，根据该部分得到信号，根据该信号确定到至少一个点(Pi)的距离，其中，沿该基准路径(RP)的引导至少重复一次，当每次经过基准路径(RP)时，对每个点(Pi)得到距离(Di)或距离相关参数。
文档编号G01C15/00GK101836077SQ200880113193
公开日2010年9月15日 申请日期2008年10月24日 优先权日2007年10月26日
发明者于尔格·欣德林, 安东·克尔, 沃尔夫冈·雷布汉, 罗兰·格雷夫 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司