大地测量仪器和用于控制其的方法

专利名称：大地测量仪器和用于控制其的方法
技术领域：
本发明涉及用于相对于目标执行测量的大地测量仪器。这样的大地测量仪器可例 如为视距仪、经纬仪、全站仪或测量水准仪或其组合。
背景技术：
目标可以例如是测量杆，如测距杆或水准标尺。测距杆允许在大地测量仪器的视 场中对该测距杆的探测，因而主要用于角度和距离测量。水准标尺此外在其上有图案(类 似于数字链)，该图案可被大地测量仪器读出以指示在水准标尺和大地测量仪器之间的相 对高度(假定仪器的瞄准轴布置在真正水平面内)。为了便于测量，测量杆可设置有具有 不同的反射能力的两个或多个部分的反射面或图案。进一步地，测量杆可设置有额外的反 射器。此外，可给测量杆涂上典型颜色或两种或多种不同颜色的图案。可选地，目标可甚至 例如为棱镜、发射信号的有源目标、任意物体或路标。当结合例如电子测距设备(EDM)使用 时，棱镜作为目标的使用提供了高精确度。有源目标的使用可便于目标的跟踪。这样的大地测量仪器例如在测量和绘图以及结构工程中被使用。它在需要相对于 目标的距离测量、位置测量、角度测定(角度测量)和相对高度差异的测量的任何领域中都 是适合的。而且，它可用于将几何点从例如技术图转移到“真实世界”环境(例如，当布置 边界标志时)。当结合目标使用大地测量仪器时，必须在大地测量仪器的视场中给目标定位。这 可通过调节大地测量仪器的方位或通过调节目标的位置来实现，取决于是目标的实际位置 还是储存在大地测量仪器中的预设位置是测量的参考点(甚至称为大地测量点)。大地测量仪器的视场取决于大地测量仪器的测量单元。在光学大地测量仪器的情 况下，视场取决于大地测量仪器的光学器件，并可通过使用可调节的透镜(例如，液体透镜 或变焦透镜布置)频繁地从近场测量改变到远场测量。在本文件中，视场是大地测量仪器 能够相对于目标执行测量而不改变大地测量仪器的方位的空间区域。当目标位于大地测量 仪器的视场的预设位置上时，实现目标和大地测量仪器之间的对齐。预设位置和仪器之间 的直线称为瞄准轴。该瞄准轴常常设置在大地测量仪器的视场的中间。显示器中的标线或 仪器的目镜常常在视觉上代表该瞄准轴。瞄准轴可由仪器的光学器件预先限定或甚至根据 仪器的视场中的预设位置的定位被动态地限定。本申请处理大地测量仪器的关于目标相对于仪器的方位、距离和高度中的至少一 个的、仪器的优先选择是测量的参考点的情况。因此，目标的位置必须根据大地测量仪器给 出的优先选择通过移动目标直到目标位于预设位置来调节。在开始时，目标通常与仪器的 瞄准轴(甚至称为瞄准方向)分离，因而在不同的方向上与预设位置分离不同的距离。相 对于瞄准轴的距离，特别是相对于预设位置的距离常常称为偏移。传统上，目标对大地测量仪器的位置的调节需要彼此相互作用的两个用户的到 场。第一个用户改变目标的位置，而第二个用户操作大地测量仪器来检查目标是否相对于 大地测量仪器位于预设位置处。第一个用户建议第二个用户改变目标的位置，直到目标相对于大地测量仪器位于预设位置(相对于角度、距离和高度中的至少一个)处。这个传统的方法的缺点在于，至少两个相互作用的人的到场对调节目标相对于大 地测量仪器的位置是必需的。这常常很难，因为操作大地测量仪器的用户和携带目标的用 户之间的距离可能非常长。一个用户独自执行目标的位置的这样的测量非常耗费时间，因 为单个用户必须改变目标的位置并操作大地测量仪器。为了克服这个问题，在专利US 4，560，270中描述了设置有用于便于边界的测定 的辅助工具的大地测量仪器。该仪器包括单向声音传输设备，可听得见的指令可通过该设 备从测量仪器发送到携带包括棱镜的测量杆的用户。该设备使仪器的操作员能够口头地将 携带测量杆的用户指引到期望边界标志。此外，该仪器还设置有相对于仪器安装在固定位 置但不电连接到其的线瞄准装置。线瞄准装置连续发射具有相互不同的特征的两个稍微发 散的光束。这两个光束在窄中央区中重叠。用户接着将测量杆移动到中央区内的标绘图上 的一点，在该点处，从指示该装置的单元的方向传输的两个光束重叠，且在该点处，棱镜与 测量仪器的瞄准轴对齐。包括从现有技术已知的线瞄准装置的大地测量仪器，线瞄准装置的窄中央区分别 与大地测量仪器的瞄准轴和测量路径完全对齐是及其重要的。而且，线瞄准装置必须保证， 在近场测量和远场测量的情况下这两条光束都在非常窄的中央区中重叠。即使在棱镜和 仪器之间的最大工作距离处，两条不同的光束重叠的中央区可以不明显比仪器的测量路径 大。结果，线瞄准装置的光学器件必须具有足够的质量，且必须与仪器的测量路径完全对 齐。这对线瞄准装置导致相当大的测量成本。此外，存在线瞄准装置在使用期间变得未对 齐因而必须被再次调整的相当大的风险。进一步地，由于窄中央区的缘故，位于中央区的任 一侧上的用户只能看到两个光束中的任一个。线瞄准装置必须不断地发射两个光束。从US 5，051，934中已知使用上面的线瞄准装置的大地测量仪器。根据该现有技 术，距离测量装置具有棱镜跟踪设备，当棱镜位于从合并在测量装置中的电子测距仪EDM 发射的测量光束的路径中时，棱镜跟踪设备保持该装置自动与在定线杆上承载的棱镜不变 地对齐。因此，通过绕着垂直和水平轴自动旋转该装置，棱镜被不变地维持在EDM的测量轴 上。当棱镜托架在杆和棱镜周围支撑时，EDM对在定线杆上承载的棱镜进行连续的测量。该 装置也设置有水平角指示器并且也设置有垂直角指示器，水平角指示器指示水平方向上的 EDM的方位，S卩，相对于参考角位置的水平角，而垂直角指示器指示EDM相对于水平面的垂 直角。该装置根据EDM的测量结果和由垂直角探测器给出的信号计算水平距离和高度差。 水平长度、水平角度和高度差的测量值与在测量之前输入到装置的定线点数据比较。因此， 水平和垂直角指示器以及EDM的预设目标值与水平和垂直角指示器以及EDM所输出的实际 值比较。该比较的结果被馈送到指示器，其产生可容易被棱镜托架辨别的光信号，并具有指 示棱镜是否应移动和如何移动的相互不同的编码，以便从起始点被定位到不同于起始点的 预设定线点。水平和垂直角指示器以及EDM的预设值一与水平和垂直角指示器以及EDM所 输出的实际值匹配，定线点就被达到。作为例子提议，如果棱镜需要移动到右边，该编码使 得指示器产生红光，而如果棱镜需要移动到左边以位于下一定线点，则产生绿光。可选地， 提议传输摩尔斯电码。根据一个例子，指示器发射稍微发散的不同颜色(例如绿和红)的 两个光束，使得光束在窄中央区中重叠，以向携带棱镜的用户指示装置的测量轴。现有技术的缺点是，跟踪在从装置的电子测距仪发射的测量光束的路径中的棱镜很难。该装置必须始终绕两个正交轴倾斜，以保持棱镜与从电子测距仪发射的、沿着测量轴 的窄测量光束对齐。因此，存在跟踪失败且必须被重复的高风险。这意味着，用户必须返回 到装置并手动地操作该装置，以在可执行新的跟踪之前使测量光束与棱镜对齐。如果装置 和棱镜之间的距离大，这是非常耗费时间的。可选地，关于US 4，560，270描述的线瞄准仪 器可用于使棱镜与测量光束对齐。在这种情况下，从US 5，051，934已知的装置遭受与线瞄 准装置相同的问题。在没有该线瞄准装置的情况下，不可能在没有手动地使仪器与棱镜对 齐的情况下将棱镜布置在从EDM发射的测量光束中以开始跟踪过程。

发明内容
从上面的现有技术文件开始，本发明的目的是提供大地测量仪器和用于控制其的 方法，其避免了现有技术的上面的缺点。根据实施方式，本发明的目的是提供大地测量仪器和用于控制其的方法，该方法 通过只操纵目标同时维持瞄准轴的方位不变而便于目标与该仪器的瞄准轴的对齐。根据实施方式，公开了使用目标来执行测量的大地测量仪器。该仪器包括用于测 量目标相对于仪器的瞄准轴的位置因而用于测量目标和瞄准轴之间的偏移(相对距离)的 探测器。瞄准轴通常是在储存在仪器中的预设位置和该仪器之间的直线。在使用光学大地 测量仪器的情况下，该瞄准轴可例如与仪器的光学器件的光轴重合，或被在仪器中使用的 光探测器(例如，图像传感器或四象限探测器)的某个区域限定。该仪器还包括光发射器， 其用于从仪器输出具有第一波长的第一锥形光和具有不同于第一波长的第二波长的第二 锥形光。第一和第二波长相差一个量，使得第一和第二锥形光具有可被远处的用户辨别的 不同的颜色。第一锥形光与第二锥形光在离仪器一米的距离处重叠至少30%。可选地，该 重叠量甚至可为至少50%。因此，第一和第二锥形光的辐射方位非常相似。仪器还包括连 接到探测器和光发射器的控制器。控制器配置成根据目标的所探测的位置控制光发射器， 以输出第一锥形光和第二锥形光中的至少一个。类似地，根据一个实施方式，用于在使用目标执行测量时控制大地测量仪器的方 法包括测量目标相对于仪器的瞄准轴的位置以及从仪器输出具有第一波长的第一锥形光 和具有不同于第一波长的第二波长的第二锥形光中的至少一个。第一锥形光与第二锥形光 在离仪器一米的距离处重叠至少30%。可选地，该重叠量甚至可为至少50%。此外，第一 和第二锥形光根据目标的所探测的位置被选择性地输出。第一和第二锥形光可交替地或同 时被输出。当仪器和方法测量目标相对于仪器的瞄准轴的位置的偏移并根据所探测的偏移 选择性地输出第一和第二锥形光时，可通过按锥形光所指示的简单地操纵目标来使目标与 仪器的瞄准轴对齐。不必另外操纵仪器来使仪器的瞄准轴与目标成一直线，假定目标布置 在探测器的视场内。因此，仪器因而瞄准轴的方位可在将目标的对齐期间维持不变。当没 有操作仪器的需要时，只有一个用户就足以使目标与仪器对齐。当第一和第二锥形光在很大程度上重叠时，第一和第二锥形光都同时在远处的用 户的视场内。不需要复杂的光学器件来在特定的方向上引导第一和第二锥形光或使锥形光 与仪器的瞄准轴对齐。因此，光发射器因而大地测量仪器具有非常简单和牢靠的结构，并能 以低成本制造。显然本发明不限于使用仅仅两个具有不同波长的锥形光。可替代地使用多于两个的具有不同波长的锥形光。为了使远处的用户可辨别，根据实施方式，锥形光的颜色相对于坐标alPb*中的 至少一个在CIELAB颜色空间中相差至少50个单位。根据可选的实施方式，锥形光的波长 彼此相差至少50nm，特别是lOOnm，以及进一步特别是150nm，以容易被甚至在远处的用户 辨别。根据一个实施方式，第一波长在可见光的蓝光范围或绿光范围内，而第二波长在可见 光的红光范围内。锥形光的波长在可见光的380nm到780nm的范围内。根据另一实施方式，本仪器还包括底盘和物镜。物镜限定探测器和仪器的光轴。可 选地，光轴可与瞄准轴重合。光发射器定位成与底盘上的物镜相邻。包括物镜的光学器件 结合光探测器被广泛使用。由于在底盘上相邻于物镜的布置光发射器，保证操纵目标的用 户可看到光发射器，只要目标(因而甚至用户)在仪器的视场中。而且，当瞄准轴与物镜的 光轴频繁地重合时，上面的布置保证光发射器实际上布置在瞄准轴旁。此外，根据一个实施方式，光发射器包括发射第一锥形光和第二锥形光的多个光 源。此外，光源围绕这物镜布置在底盘上，因而接近于瞄准轴。用于发射第一和第二锥形光 的多个光源的使用是增加第一和第二锥形光的强度因而可见度的容易和可靠的方法。此 外，由于光源的冗余，如果光源状态不好，仍然可使用仪器。根据一个实施方式，光发射器包括发射第一锥形光的第一光源和发射第二锥形光 的第二光源。因此，第一和第二锥形光在该实施方式中被不同的光源发射。例如，可使用结 合不同的滤波器使用发射白光的光源，或使用不同的光源，每个光源发射不同波长，因而发 射不同颜色的光。光源可例如为发光二极管(LED)、灯泡、放电灯或辉光灯。根据一个实施方式，为了进一步增加第一和第二锥形光的强度，光发射器包括多 对第一和第二光源。在这方面，根据一个实施方式，第一和第二光源可以彼此交替地布置。该布置允许 在仪器的底盘上分布光源。因此，光发射器的可见度进一步增加。可选地，例如第一光源可 布置在第一组中，而第二光源可布置在不同于第一组的第二组中。根据另一实施方式，光发射器包括交替地发射第一锥形光和第二锥形光的至少一 个公共光源。例如，可结合变化的滤波器使用发射白光的光源，或使用能够选择性地发射不 同波长的光的LED。当一个光源用于发射第一和第二锥形光时，仪器的零件的数量减小，因 而制造成本减小了。根据一个实施方式，探测器包括图像传感器和用于在图像传感器上产生二维图像 的光学器件，图像传感器将二维图像转变成电信号。该图像传感器可例如为四象限探测器 或CCD传感器或CMOS传感器。光学器件可还能够提供例如聚焦或变焦功能。在该实施方 式中，控制器进一步配置成通过识别由图像传感器输出的信号中的目标的表示的位置并通 过比较目标的表示的所识别的位置与相应于瞄准轴的参考位置来探测目标相对于仪器的 瞄准轴的位置。该参考位置相对于图像传感器被限定。参考位置可与例如仪器的瞄准轴和 光学器件的光轴重合。例如，当四象限探测器用作图像传感器时，该参考位置可被定义为四个象限的角 相接的范围。因此，可通过探测目标的表示是否主要布置在四象限探测器的某些象限上而 不是相等地覆盖所有四个象限来判断目标的位置。当CCD传感器或CMOS传感器用作图像 传感器时，该参考位置可例如为探测器的参考像素或特别是中心像素。在这方面，数字图像
8处理可用于探测例如相应于目标的表示的传感器的像素。这些像素在传感器上的位置可与 参考像素的位置比较以判断例如目标相对于瞄准轴的位置。根据一个实施方式，该图像传 感器可为校准的数字摄像机的部分。在上面的实施方式中，仅使用图像传感器的输出可识别目标相对于瞄准轴的位 置。因此，在这方面，不必另外考虑大地测量仪器的方位或瞄准轴的方位。根据一个实施方式，控制器配置成控制光发射器，使得如果目标的位置被判断为 相对于仪器的瞄准轴在第一方向上移了位，则仅输出第一锥形光。进一步地，控制器配置成 控制光发射器，使得如果目标的位置被判断为相对于仪器的瞄准轴在与第一方向相反的第 二方向上移了位，则仅输出第二锥形光。分别根据所输出的第一和第二锥形光，由于第一和第二锥形光的不同波长因而不 同的颜色，操纵目标的、远处的用户可容易判断目标相对于瞄准轴是在第一还是第二方向 上偏移。这些第一和第二方向可识别相对于瞄准轴例如向左或向右的偏移，或向上或向下 的偏移，或向后或向前的偏移。根据另一实施方式，控制器配置成控制光发射器，使得第一和第二锥形光中的至 少一个作为交替的开启和关断脉冲的间歇的光被输出。如果目标的位置被判断为相对于仪 器的瞄准轴在第三方向上移了位，则开启和关断脉冲的持续时间相应于第一模式。进一步 地，如果目标的位置被判断为相对于仪器的瞄准轴在第四方向上移了位，则开启和关断脉 冲的持续时间相应于不同于第一模式的第二模式。开启和关断脉冲的每一个的持续时间大 于0. 6秒，因而可容易被用户识别。可选地，开启和关断脉冲的每一个的持续时间大于1. 0 秒。分别根据开启和关断脉冲的所输出的第一和第二模式，操纵目标的远处的用户可 容易判断目标相对于瞄准轴是在第三还是第四方向上偏移。这些第三和第四方向可识别相 对于瞄准轴例如向上或向下或向后或向前或向左或向右的偏移。第一和第二模式可在开启 脉冲的长度和关断脉冲的长度的至少一个上不同。第一和第二模式甚至可例如标识不同的 摩尔斯电码。显然本发明不限于使用仅仅两个不同的光开启和关断脉冲的模式。根据一个实施方式，控制器配置成控制所述光发射器，使得只有在目标的位置被 判断为相对于仪器的瞄准轴在预设位置上时才同时输出第一锥形光和第二锥形光。因此，操纵目标的远处的用户被主动通知目标已到达相对于仪器的瞄准轴的预设 位置。要强调的是，本发明不限于当目标到达预设位置时第一和第二锥形光的该输出。可 例如通过以预设的间隔交替地输出第一和第二锥形光、通过使第一和第二锥形光闪烁或例 如通过根本不输出锥形光以另一方式通知用户目标的位置相应于预设位置。根据一个实施方式，探测器能够通过测量目标相对于仪器的瞄准轴的角度和距离 以及高度中的至少一个来测量目标相对于仪器的瞄准轴的位置。目标离瞄准轴的相对距 离因而偏移可被直接(例如，通过相对于探测器测量目标和瞄准轴之间的距离)或隐含地 (例如，通过结合目标的距离的测量来测量在瞄准轴与仪器和目标间的直线之间的角度) 探测到。简单地检测目标相对于仪器所使用的探测器上的某个位置位于瞄准轴的哪一侧上 常常就足够了。显然，仪器甚至可包括多个探测器用于上面的测量或相对于目标执行额外 的测量。例如，电子测距仪EDM可用于测量目标(例如，棱镜)的距离，而在瞄准轴与仪器和 目标间的直线之间的角度可通过识别在仪器的图像传感器所输出的信号中的目标(例如，透镜或承载透镜的测量杆)的表示的位置来测量。根据一个实施方式，锥形光由包括光发射器所输出的光的强度的50%的角范围限 定。可选地，锥形光由包括光发射器所输出的光的强度的70%的角范围限定。这可例如在 一米的距离处被测量。根据该方法的一个实施方式，仪器包括图像传感器和用于在图像传感器上产生二 维图像的光学器件。在这种情况下，目标相对于仪器的瞄准轴的位置的测量包括识别在图 像传感器所输出的信号中的目标的表示的位置以及比较目标的表示的所识别的位置与相 应于瞄准轴的参考位置。参考位置相对于图像传感器被限定。在上面的实施方式中，图像传感器的输出足以识别目标相对于瞄准轴的位置。因 此，在这方面不必另外考虑大地测量仪器的瞄准轴的方位。根据该方法的另一实施方式，目标相对于仪器的位置的测量包括判断目标的位置 是否在第一方向上或在与第一方向相反的第二方向上相对于仪器的瞄准轴移了位。此外， 第一和第二锥形光的至少一个的输出包括如果目标被判断为在第一方向上移了位则只输 出第一锥形光，以及如果目标被判断为在第二方向上移了位则只输出第二锥形光。根据该方法的另一实施方式，目标相对于仪器的瞄准轴的位置的测量包括判断目 标的位置是否相对于仪器的瞄准轴在第三方向上或在与第三方向相反的第四方向上移了 位。而且，第一和第二锥形光中的至少一个的输出包括输出第一和第二锥形光中的至少一 个作为交替的开启和关断脉冲，其中，如果目标的位置被判断为在第三方向上移动，则开启 和关断脉冲的持续时间相应于第一模式，而如果目标的位置被判断为在第四方向上移动， 则开启和关断脉冲的持续时间相应于不同于第一模式的第二模式。开启和关断脉冲的每一 个的持续时间多于0.6秒。根据所输出的第一或第二锥形光中的至少一个以及根据开启和关断脉冲的所输 出的第一或第二模式，操纵目标的、远处的用户可容易判断目标是否在第一、第二、第三或 第四方向上相对于瞄准轴偏移。根据一个实施方式，目标相对于仪器的瞄准轴的位置的测量包括判断目标相对于 仪器的位置是否相应于预设位置。第一和第二锥形光中的至少一个的输出包括如果目标 的位置被判断为相应于预设位置则同时输出第一和第二锥形光，以主动通知操纵目标的远 处的用户，目标已相对于仪器的瞄准轴到达预设位置。根据一个实施方式，目标相对于仪器的位置的测量包括测量目标相对于仪器的瞄 准轴的角度和距离以及高度的至少一个。因此，目标相对于瞄准轴的相对距离因而偏移可 被直接或间接地测量。可选地，例如，可简单地测量目标当前所位于的瞄准轴的哪一侧上。


在下文中，通过参考附图更详细地描述了本发明的优选实施方式，其中类似或相 同的元件由类似或相同的参考符号表示。在附图中，图1是根据本发明的实施方式的大地测量仪器的示意性前视图；图2是图1的大地测量仪器的测量单元的示意性横截面图；图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G示意性示出根据可选实施方式的大地测量仪器的测量 单元上的前视图4示意性示出适合于在图1的大地测量仪器中使用的光发射器的光源的实施方 式；图5A是在图1的大地测量仪器的操作期间大地测量仪器和目标的两个位置的示 意性顶视图，而图5B是其上的侧视图；图6A、6B示出显示器和在相应于图5A、5B的不同示意性操作状态中的光发射器的 功能；以及图7是示出用于操作大地测量仪器的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式

在下文中，通过参考附图描述了根据本发明的大地测量仪器的实施方式。在图1所示的实施方式中，大地测量仪器1是包括电子测距仪、垂直测角仪、水平 测角仪和高度仪的数字视频视距仪。各种测量仪通过望远镜3结合连接到望远镜3的中央 控制器5实现。此外，目标2 (图5A、5B中所示)是测量杆。测量杆承载棱镜。电子测距仪使用棱 镜用于精确的距离测量。如图1所示的，大地测量仪器1由包括在安装在三脚架11上的测量单元12中的 望远镜3组成。测量单元12因而甚至望远镜3通过相应地使用步进电动机16’、16是绕着 两个正交的旋转轴13和14可枢轴转动的。绕着垂直旋转轴13的旋转角由传感器15’测 量，而绕着水平旋转轴14的旋转角由传感器15测量。望远镜3的光学元件限定仪器的光 轴。在图1所示的实施方式中，该光轴与仪器1的瞄准轴31重合。瞄准轴31是预设位置 和仪器1之间的直线。光发射器4在测量单元12的底盘上定位成与瞄准轴31相邻。如图2所示，控制器5布置在测量单元12的底盘中。在本实施方式中，控制器5是 微处理器。望远镜3、光发射器4的第一和第二光源411、421、传感器15、15’以及步进电动 机16、16’连接到控制器5。进一步地，显示器18和用户接口 17、17’连接到控制器5。在 图2所示的实施方式中，除了用于执行电子距离测量的望远镜3以外，测量单元还包括额外 的单独距离探测器35 (电子测距仪)。可选地或此外，提供了部分地使用与望远镜3相同的 光学器件的电子测距仪(未示出)。光发射器4包括第一和第二光源411和421。第一光源411能够发射具有第一波 长的第一锥形光41。第二光源421能够发射具有不同于第一波长的第二波长的第二锥形光 42。第一和第二波长被选择成使得第一和第二锥形光41、42具有不同的颜色。在本实 施方式中，为了使远处的用户可辨别，锥形光的颜色在CIELAB颜色空间中相差坐标a *和b *的70个单位。然而，如果锥形光在CIELAB颜色空间中相对于坐标a *和b *的至少一个 相差至少50个单位则认为就足够了。根据可选的实施方式，锥形光的波长彼此相差至少 150nm以容易被即使是远处的用户区分。然而，在可见光的黄光范围附近，如果波长相差至 少50nm以有可区分的颜色就认为足够了。在本实施方式中，第一波长在可见光的绿光范围内，而第二波长在可见光的红光 范围内。因此，锥形光的波长在从可见光的380nm到780nm的范围内。如从图2中明显的，第一和第二锥形光41和42彼此明显重叠。重叠的量使得锥形
11在离仪器1的一米距离处重叠多于45%。在这方面，锥形光41、42由包括相应的光源411、 421所输出的光的强度的60%的角范围限定。 然而，根据可选的实施方式，如果第一和第二锥形光41和42的重叠仅仅是30 %就 足够了。而且，根据可选的实施方式，锥形光由包括光发射器所输出的光的强度的70%或仅 仅50%的角范围限定。例如，这可在一米的距离处被测量。望远镜3具有作为探测器的图像传感器32和用于在图像传感器32上产生二维图 像的光学器件33。图像传感器32将光学器件33在图像传感器的表面上产生的视觉图像转 变为电信号。在光学器件33的一些透镜之间的距离可改变以提供聚焦和变焦功能。在附图中，参考符号34表示光学器件33的物镜。物镜34的光轴与望远镜3的瞄 准轴31重合。然而，本发明不限于瞄准轴31与望远镜的物镜的光轴重合。瞄准轴31也常常称为标称立桩标定方向(nominal staking outdirection)。物 镜34的光轴是限定光通过透镜传播所沿着的路径的虚线，通过透镜的每个表面的曲率中 心，并与透镜的旋转对称轴重合。通过识别对目标2因而测量杆预设的特征颜色，在图像传感器32所输出的信号 中，可容易识别在该信号中包含的视觉图像中的目标2的表示21 (见图6A、6B)。可选地，测 量杆所承载的棱镜的表示可通过使用例如棱镜的特征形状在视觉图像中被识别。然而，本发明不限于使用特征颜色以在图像传感器32所输出的信号中识别目标2 的表示21。用于识别探测器(例如图像传感器)的输出信号中的目标的各种方法从现有技 术上已知的。可选地，例如，可通过比较输出信号与储存在仪器1中的预设模式信号来在信 号中识别目标2的表示21。使用通常由在图像传感器32的输出信号中的相应的目标2的 表示21引起的信号可产生这个预设模式信号。因此，该模式信号可包含关于目标的形状和 颜色的至少一个的信息。可选地，目标2因而测量杆可设置有某种类型的反射器例如棱镜， 以便于识别在例如图像传感器32的输出信号中的目标2的表示21。在目标2的表示21在图像传感器32的输出信号中被识别之后，测量目标2相对 于仪器1的相对位置。在本实施方式中，这通过比较信号中包含的图像中的目标2的表示 21的位置与图像中相应于仪器1的瞄准轴31的预设位置来执行。在本实施方式中，图像中 相应于仪器1的瞄准轴31的位置由图像传感器32的中心轴限定。因此，可容易测量形成 目标2的表示21的像素相对于中心轴因而瞄准轴32的垂直和水平偏移。很明显，不同于 图像传感器的中央像素的任何像素可用作用于限定瞄准轴32的参考像素。虽然产生包括二维图像的信号的图像传感器32在本实施方式中用作探测器，本 发明不限于使用图像传感器来探测目标相对于仪器的相对位置。为了可选地探测目标相 对于大地测量仪器的瞄准轴(因而测量轴)的位置，可使用提供空间分辨率的任何探测器 例如四象限探测器。可选地，目标相对于大地测量仪器的相对位置甚至可通过扫描仪器的 周围环境例如通过使用旋转的激光系统来测量。此外，目标相对于大地测量仪器的瞄准轴 31(因而测量轴)的位置不必以光学方法来探测，而是也可使例如雷达系统或超声波来探 测。电子测距仪35直接测量目标2和仪器1之间的距离。在本实施方式中，这通过测 量仪器1所发射并由形成目标2的测量杆承载的棱镜所反射的光束的运行时间来实现。可选地，该距离甚至可通过使用单独的距离探测器35来直接探测。在图2中，单独的距离探测器35测量目标2所反射的超声波的运行时间。然而，本发明不限于上面类型的直接距离测量。例如适合于大地测量仪器的各种 其它距离探测器如基于激光器的距离探测器、相位比较类型的探测器、脉冲时间测量类型 的探测器从现有技术是已知的，并可用在本发明的仪器中。可选地或此外，通过使用图像传感器32的输出信号来间接实现目标2和仪器1之 间的距离的测量。根据一个实施方式，这通过探测在包含在信号中的图像中的目标2的表 示21在垂直方向上的长度(因而测量杆和棱镜中的至少一个的表示的长度)来执行。所 探测的目标2的表示21的长度接着与相应的目标2的预设值比较以探测目标2和仪器1 之间的距离。在本实施方式中，高度仪也通过使用图像传感器32来实现。高度仪能够探测目标 2和仪器1之间的相对高度差异。在本实施方式中，这通过提供测量杆来执行，测量杆用作具有在测量杆的伸长方 向上布置的交替的光反射率的模式的目标2。这样的交替光反射率的模式从常规水准标尺 中是已知的。控制器5分析图像传感器32所输出的信号以识别所述模式的表示。根据所 识别的模式，表示所探测的仪器1和目标2之间的高度差异的水准信号由控制器5输出。现在通过参考图5A、5B、6A和6B将更详细地描述上述大地测量仪器1的功能。在图5A和5B中，示出了两个可选的操作状态。在第一操作状态中，只使用目标(测量杆)2。在该第一操作状态中，只有第二光源 421操作来发射第二锥形光42。在第二操作状态中，只使用目标(测量杆)2’。在第二操作状态中的目标2’可为 与在第一操作状态中相同的目标2，但位于不同的位置处。在该第二操作状态中，只有第一 光源411操作来发射第一锥形光41。然而，第一和第二锥形光41和42都在这些图5A和5B中被画出，因为这些图的进 一步的意图是示出在两个锥形光被同时发射的情况下的第一和第二锥形光41、42之间的
重叠的量。在图5A和5B的第一操作状态中，大地测量仪器的望远镜3测量出目标2从瞄准 轴31向左因而在与第二方向R相反的第一方向L上偏移。此外，测量出目标2从瞄准轴31 上的预设位置P向后因而在与第四方向F相反的第三方向B上偏移。最后，如从图5B中明 显的，望远镜3探测到目标2从瞄准轴31上的预设位置P向上因而在与第六方向D相反的 第五方向P上偏移。在图5A和5B中，结合通过使用距离探测器(EDM) 35测量仪器1和目标2之间的 距离A，通过测量在瞄准轴31与仪器1和目标2间的直线之间的角度α来测量目标2相对 于仪器1和相对于瞄准轴31的位置。在图6Α中示出了基于在第一操作状态中望远镜3的图像传感器32所产生的信号 在显示器18上输出的图片。在图6Α中，参考符号21代表目标2的表示。在图6Α中指示的偏移方向L、R、F、 B、U和D通常在显示器18中是不可见的，但在图中示出以便于理解本发明。参考符号18’ 表示在图像传感器32的输出信号上叠加的标线以指示瞄准轴31。在使用目标2的图5Α、5Β和6Α中所示的第一操作状态中，控制器5控制光发射器4的第二光源421以输出第二锥形光42。光发射器4的第一光源411不发射光。该第二锥 形光42的输出因而颜色向操作目标2的远处的用户(未示出)表示，目标2相对于瞄准轴 31在向左的方向L上移了位。为了向用户指示目标2还在向后的方向B上移了位，控制器 5以第二锥形光42不是恒定地而是作为交替的开启和关断脉冲被输出的方式控制第二光 源421。如图6A所示，开启和关断脉冲都相当长，以向远处的用户指示目标2相对于沿着瞄 准轴31的预设位置P在向后的方向上移了位。最后，控制器5以表示字母“U”的摩尔斯电 码以规则的间隔输出的方式(未在图6A中示出)控制第二光源421。这向远处的用户指示 目标2相对于预设位置P还在向上的方向U上移了位。图6B示出在图5A和5B中示出的第二操作状态中因而在目标2’被使用的情况下 显示器18以及光发射器4的输出。在这种情况下，望远镜3判断出目标2’在向右因而第 二方向R和向前因而第四方向F上相对于瞄准轴31上的预设位置P移位，以及在向下因而 第六方向D上相对于该预设位置P移位。在图6B所示的第二操作状态中，控制器5控制光发射器4的第一光源411以发射 第一锥形光41因而颜色。光发射器4的第二光源421不发射光。这向远处的用户表示目 标2’相对于瞄准轴31向右侧R移位。此外，第一锥形光41不是恒定地而是作为交替的开 启和关断脉冲来输出。开启和关断脉冲的持续时间相当短，以用向远处的用户表示目标2’ 相对于预设位置P在前向方向F上移了位。最后，控制器5以表示字母“D”的摩尔斯电码 以规则的间隔对远处的用户输出的方式来控制第一光源411，以通知用户目标2’相对于预 设位置P在向下的方向D上移了位。在图6A中，开启和关断脉冲的持续时间是2秒，而在图6B中，开启和关断脉冲的 持续时间是0. 8秒。在这方面，优选地，开启和关断脉冲的最小持续时间是0. 6秒，以被远 处的用户清楚地辨别。在目标2、2’确切地位于仪器1的瞄准轴31中的预设位置P处的情况下(这种情 况未在图中示出)，控制器5将控制第一和第二光源411、421来恒定地发射两个锥形光41、 42，以向用户表示目标2、2’已到达预设位置。图3A示出根据图1、2、5A和5B的实施方式的仪器的测量单元12的外壳的前视图。如从图3A中明显的，光发射器4的第一和第二光源411、421布置成相邻于物镜34 因而相邻于瞄准轴31。而且，第一和第二光源411、421关于瞄准轴31对称地布置。然而，本发明不限于光发射器的第一和第二光源的这样的布置。如图3G所示，光发射器4因而第一和第二光源也可与望远镜3的物镜34分离地 布置在望远镜3的外壳12上。可选地，光发射器4甚至可布置在三脚架11上。此外，光发射器4的第一和第二锥形光源411、421可布置成在望远镜3的物镜34 附近彼此接近，如图3B和3D所示。在这方面，光发射器4不必围绕物镜34。如图3C所示，光发射器4甚至可包括多对第一和第二光源，每对由通常发射第一 锥形光41的第一光源411、412、413、414和发射第二锥形光42的第二光源421、422、423、 424组成。这增加了第一和第二锥形光41、42的强度。在图3C中，第一和第二光源交替地 布置并围绕望远镜3的物镜34。根据在图3E、3F中示出的另一可选实施方式，一个公共光源430用于发射第一和 第二锥形光41、42。该公共光源430可为能够选择性地发射具有不同波长的光的LED。可
14选地，该公共光源430可发射白光并与可置换的滤波器组合。如从图3F中明显的，光发射器4可甚至包括多个公共光源430、430’以增加被公 共光源430、430’选择性地发射的第一和第二锥形光41、42的强度。在图3F中，示出没有 物镜34的测量单元12。然而，公共光源430、430’布置成与仪器的瞄准轴31相邻。如图4所示，在本实施方式中，光发射器4的每个光源411包括在产生光的灯泡 46前方的准直透镜44。此外，反射器45布置在灯泡46后面。准直透镜44和反射器45的 使用增加了光源411的光发射效率。然而，本发明不限于这样的光源的使用，因为准直透镜 44和反射器45都只是可选的。此外，本发明不限于常规灯泡的使用，因为甚至例如辉光灯、 LED、激光二极管或放电灯可用于产生光。关于LED，准直透镜44可甚至是LED的部分。最后，参考图7描述了在使用目标执行测量时用于控制大地测量仪器的方法的实 施方式。根据该实施方式，在第一步骤Sl中通过测量目标相对于仪器的角度和距离以及 高度中的至少一个来测量目标相对于仪器的位置。如果仪器是包括图像传感器和用于在图像传感器上产生二维图像的光学器件的 光学大地测量仪器，则可如下执行测量步骤Sl 首先，目标的表示的位置可在将二维图像转换成信号的图像传感器所输出的信号 中被识别。其次，所表示的目标的所识别的位置可与相应于仪器的瞄准轴的参考位置比较。 该参考位置相对于图像传感器被限定。在步骤Sl中测量了目标的位置之后，在方法步骤SlO中，进行目标相对于仪器的 位置是否相应于预设位置的确定。如果答案是YES，则在步骤S25中，具有第一波长的第一锥形光和具有不同于第一 波长的第二波长的第二锥形光被输出。在这方面，在离仪器一米的距离处，第一锥形光与第 二锥形光重叠至少30%。该方法接着结束。如果确定步骤SlO的结果是N0，则在步骤Sll中确定目标相对于仪器在第一方向 上或在与第一方向相反的第二方向上移动的位置。如果目标被判断为在第一方向上移了位，则在步骤S21中只输出具有不同于第二 波长的第一波长的第一锥形光。如果目标被判断为在第二方向上移了位，则在步骤S22中只输出具有第二波长的 第二锥形光。在步骤S21或S22之后，或在步骤Sll中判断在第一或第二方向上没有移位的情 况下，在步骤S12中确定目标相对于仪器在第三方向上或在与第三方向相反且不同于第一 和第二方向的第四方向上移了位的位置。在目标的位置被判断为在第三方向上移了位的情况下，在步骤S23中，第一、相应 地第二锥形光作为交替的开启和关断脉冲被输出，其中开启和关断脉冲的持续时间相应于 不同于第二模式的第一模式。可选地，如果目标的位置被判断为在第四方向上移了位，则在步骤S24中，第一、 相应地第二锥形光作为交替的开启和关断脉冲被输出，其中开启和关断脉冲的持续时间相
应于第二模式。在任何情况下，开启和关断脉冲的每个的持续时间大于0. 6秒，以使它们对于远处的用户是可辨别的。在步骤S23、相应地S24之后，该方法返回到步骤Si。因此，该方法重复，直到在步 骤Sio中目标相对于仪器的位置被判断为相应于预设位置为止。虽然关于包括电子测距仪、垂直测角仪、水平测角仪和高度仪的视距仪描述了本 发明，显然本发明可选地可应用于包括电子测距仪、垂直测角仪、水平测角仪和高度仪中的 至少一个的数字视距仪。例如，本发明可应用于包括垂直测角仪和水平测角仪中的至少一个的数字经纬 仪。可选地，本发明可应用于只包括高度仪的数字测量水准仪。因此，不必执行所有上面的测量。唯一的前提是大地测量系统能够产生视场的图 像并识别在该图像中测量杆的表示。根据识别结果，大地测量系统的光源被控制，使得在图 像中测量杆的表示相对于图像中目标位置的偏移方向对操作测量杆的用户被视觉化。在上述实施方式中，承载棱镜的测量杆被用作目标以执行各种测量。然而，显然没 有某个反射器的测量杆或甚至任意物体可用作目标，取决于大地测量仪器所使用的测量技 术的种类。唯一的前提是大地测量系统能够相对于目标执行所需的测量。在该上下文中应注意，在本说明书中或权利要求要求中的术语“包括 (comprise)”、“包括(include) ”、“具有(having) ”和“具有(with) ”以及其语法变形指示 技术特征例如规定部件、零件、整体、步骤等的存在，且决不排除一个或多个可选特征特别 是其它部件、零件、整体、步骤或其组的存在或添加。虽然关于某些示例性实施方式描述了本发明，显然很多可选方案、更改和变化对 本领域技术人员将是明显的。因此，其中阐述的本发明的示例性实施方式被规定为例证性 的而不以任何方式是限制性的。可进行各种变化而不偏离如下面的权利要求所限定的本发 明的精神和范围。
权利要求
一种用于使用目标(2)执行测量的大地测量仪器(1)，所述仪器(1)包括探测器(3)，其用于测量所述目标(2)相对于所述仪器(1)的瞄准轴(31)的位置；光发射器(4)，其用于将具有第一波长的第一锥形光(41)和具有不同于所述第一波长的第二波长的第二锥形光(42)输出到所述大地测量仪器(1)的外部，其中所述第一锥形光(41)与所述第二锥形光(42)在离所述仪器(1)一米的距离处重叠至少30％；以及控制器(5)，其连接到所述探测器(3)和所述光发射器(4)，其中所述控制器(5)配置成根据所探测到的所述目标(2)的位置控制所述光发射器(4)，以输出所述第一锥形光(41)和所述第二锥形光(42)中的至少一个。
2.如权利要求1所述的仪器(1)，其中所述仪器(1)包括底盘(12)和物镜(34)，所述 物镜(34)限定所述探测器(3)的光轴；以及其中所述光发射器(4)在所述底盘(12)上定位成与所述物镜(34)相邻。
3.如权利要求2所述的仪器(1)，其中所述光发射器(4)包括发射所述第一锥形光 (41)和所述第二锥形光(42)的多个光源(411-413,421-423 ；430，430’ )；以及其中所述光源(411-413,421-423 ；430，430’ )在所述底盘(12)上围绕所述物镜(34) 布置。
4.如前述权利要求中任一项所述的仪器(1)，其中所述光发射器(4)包括发射所述第 一锥形光(41)的第一光源(411-414)和发射所述第二锥形光(42)的第二光源(421-424)。
5.如权利要求4所述的仪器(1)，其中所述光发射器(4)包括多对第一光源和第二光 源(411,421,412,422,413,423,413,424)。
6.如权利要求5所述的仪器(1)，其中所述第一光源和第二光源(411，421，412，422， 413，423，414，424)彼此交替地布置。
7.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述光发射器(4)包括可选择地 发射所述第一锥形光(41)和所述第二锥形光(42)的至少一个公共光源(430，430’)。
8.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述探测器(3)包括图像传感 器(32)和用于在所述图像传感器(32)上产生二维图像的光学器件(33)，所述图像传感器 (32)将所述二维图像转换成电信号；以及其中所述控制器(5)配置成通过识别在所述图像传感器(32)所输出的信号中的所述 目标⑵的表示(21)的位置并通过比较所述目标(2)的所述表示(21)的所识别的位置与 相应于所述瞄准轴(31)的参考位置，来探测所述目标(2)相对于所述仪器(1)的所述瞄准 轴(31)的位置，所述参考位置相对于所述图像传感器(32)限定。
9.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述控制器(5)配置成控制所述 光发射器(4)，使得如果所述目标(2)的位置被判断为相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴 (31)在第一方向(L)上移了位，则仅输出所述第一锥形光(41)；以及其中所述控制器(5)配置成控制所述光发射器(4)，使得如果所述目标(2)的位置被 判断为相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴(31)在与所述第一方向(L)相反的第二方向(R) 上移了位，则仅输出所述第二锥形光(42)。
10.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述控制器(5)配置成控制所述 光发射器(4)，使得所述第一锥形光和第二锥形光(41，42)中的至少一个作为交替的开启 脉冲和关断脉冲的间歇的光被输出，其中如果所述目标(2)的位置被判断为相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴(31)在第 三方向(F)上移了位，则所述开启脉冲和关断脉冲的持续时间相应于第一模式；其中如果所述目标(2)的位置被判断为相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴(31)在第 四方向(B)上移了位，则所述开启脉冲和关断脉冲的持续时间相应于不同于所述第一模式 的第二模式；以及所述开启脉冲和关断脉冲的每一个的持续时间大于0. 6秒。
11.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述控制器(5)配置成控制所述 光发射器(4)，使得如果所述目标(2)的位置被判断为相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴 (31)在预设位置(P)上，则同时输出所述第一锥形光(41)和所述第二锥形光(42)。
12.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述探测器(3)能够通过测量所 述目标⑵相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴(31)的角度(α)和距离㈧以及高度(H) 中的至少一个来测量所述目标(2)相对于所述仪器(1)的所述瞄准轴(31)的位置。
13.如前述权利要求中的任一项所述的仪器(1)，其中所述锥形光(41，42)由包括所述 光发射器(4)所输出的光的强度的50%的角范围限定。
14.一种用于在使用目标执行测量时控制大地测量仪器的方法，所述方法包括测量所述目标相对于所述仪器的瞄准轴的位置(Si)；以及将具有第一波长的第一锥形光和具有不同于所述第一波长的第二波长的第二锥形光 的至少一个输出到所述大地测量仪器的外部，其中所述第一锥形光与所述第二锥形光在离 所述仪器一米的距离处重叠至少30%，且其中所述第一锥形光和第二锥形光根据所述目标 的所探测的位置被选择性地输出(S2)。
15.如权利要求14所述的方法(1)，其中所述仪器包括图像传感器和用于在所述图像 传感器上产生二维图像的光学器件，所述图像传感器将所述二维图像转换成电信号；以及其中测量所述目标相对于所述仪器的瞄准轴的位置(Si)包括识别在所述图像传感器 所输出的信号中的所述目标的表示的位置以及比较所述目标的所述表示的所识别的位置 与相应于所述瞄准轴的参考位置，所述参考位置相对于所述图像传感器限定。
16.如权利要求14或15所述的方法(1)，其中测量所述目标相对于所述仪器的位置 (Si)包括判断所述目标的位置是否相对于所述仪器的所述瞄准轴在第一方向上或在与所 述第一方向相反的第二方向上移了位(Sll)；以及其中输出所述第一锥形光和第二锥形光的至少一个(S2)包括如果所述目标被判断为 在所述第一方向上移了位，则仅输出所述第一锥形光(S21)，且如果所述目标被判断为在所 述第二方向上移了位，则仅输出所述第二锥形光(S22)。
17.如权利要求14、15或16所述的方法，其中测量所述目标相对于所述仪器的瞄准轴 的位置(Si)包括判断所述目标的位置是否相对于所述仪器的所述瞄准轴在第三方向上或 在与所述第三方向相反的第四方向上移了位(S12)；以及其中输出所述第一锥形光和第二锥形光的至少一个(S2)包括输出所述第一锥形光和 第二锥形光的至少一个作为交替的开启脉冲和关断脉冲(S23，S24)，其中如果所述目标被 判断为在所述第三方向移了位，则所述开启脉冲和关断脉冲的持续时间相应于第一模式， 以及如果所述目标的位置被判断为在第四方向上移了位，则所述开启脉冲和关断脉冲的持 续时间相应于不同于所述第一模式的第二模式，其中所述开启脉冲和关断脉冲的每一个的持续时间大于0.6秒。
18.如权利要求14到17中的一项所述的方法，其中测量所述目标相对于所述仪器的瞄 准轴的位置(Si)包括确定所述目标相对于所述仪器的位置是否相应于预设位置(SlO)；以 及其中输出所述第一锥形光和第二锥形光的至少一个(S2)包括如果所述目标的位置被 确定为相应于所述预设位置则同时输出所述第一锥形光和第二锥形光(S25)。
19.如权利要求14到18中的一项所述的方法，其中测量所述目标相对于所述仪器的瞄 准轴的位置(Si)包括测量所述目标相对于所述仪器的所述瞄准轴的角度和距离以及高度 中的至少一个。
20.如权利要求14到19中的一项所述的方法，其中所述大地测量仪器是根据权利要求 1到13中的一项的仪器。
全文摘要
公开了一种用于使用目标(2)执行测量的大地测量仪器(1)和用于控制该大地测量仪器的方法。仪器(1)包括用于测量目标(2)相对于仪器(1)的瞄准轴(31)的位置的探测器(3)、用于将具有第一波长的第一锥形光(41)和具有不同于第一波长的第二波长的第二锥形光(42)输出到大地测量仪器(1)的外部的光发射器(4)以及连接到探测器(3)和光发射器(4)的控制器(5)。第一锥形光(41)与第二锥形光(42)在离仪器(1)一米的距离处重叠至少30％。控制器(5)配置成根据目标(2)的所探测的位置控制所述光发射器(4)，以输出第一锥形光(41)和第二锥形光(42)中的至少一个。
文档编号G01C15/02GK101965498SQ200880127850
公开日2011年2月2日 申请日期2008年3月6日 优先权日2008年3月6日
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