激光测量系统的制作方法

本申请要求于2019年10月28日提交的美国专利申请No.16/665118的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种激光测量系统，并且更特别地涉及一种用于提供完整定位以及在一些实施方式中用于提供与激光接收器相关联的定向信息的激光测量系统。

背景技术

工地诸如例如建筑和农业工地的准备通常涉及对工地的部分进行分级以及挖掘成期望的拓扑结构。定位测量是工地准备中的重要方面，以便提高这种分级和挖掘的准确性。建筑机器(例如推土机、铲运机、挖掘机等)通常使用激光测量系统来促进定位测量。

在一种常规方法中，利用激光测量系统来促进定位测量。在这种常规的激光测量系统中，激光发射器的激光二极管投射激光脉冲，而激光接收器的光电二极管接收激光脉冲。激光发射器和激光接收器的每者都被提供有相应地以激光二极管和光电二极管为中心的反射表面。基于激光脉冲在反射表面上的反射，可以计算出激光发射器与激光接收器之间的距离。然而，当激光发射器靠近激光接收器时，用于计算激光发射器与激光接收器之间的距离的直接激光脉冲和反射激光脉冲是很难区分的。附加地，这种常规的激光测量系统不提供激光接收器的定向信息。

在2018年12月4日发布的美国专利No.10145671中描述了常规激光测量系统的一种示例，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。

技术实现要素：

根据一种或更多种实施方式，提供了用于操作激光接收器来测量激光接收器的定位和/或定向的系统和方法。来自激光发射器的初始激光脉冲由激光接收器的第一反射表面接收并反射，以产生第一反射激光脉冲，并且由激光接收器的第二反射表面反射以产生第二反射激光脉冲。在激光接收器的光电检测单元处检测第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲。第一双反射激光脉冲是由于从激光发射器的反射表面对第一反射激光脉冲进行反射而产生的。第二双反射激光脉冲是由于从激光发射器的反射表面对第二反射激光脉冲进行反射而产生的。基于第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲，确定与激光接收器相关联的方位角。

在一种实施方式中，通过确定第一双反射激光脉冲与第二双反射激光脉冲之间的相位差来确定方位角。可以使用(例如，倾斜)传感器来确定一个或更多个附加的定向角(例如，俯仰角和滚动角)。

在一种实施方式中，在激光接收器的光电检测单元处检测初始激光脉冲，并且在光电检测单元检测到初始激光脉冲之前，由激光接收器的第一反射表面接收初始激光脉冲，并且在光电检测单元检测到初始激光脉冲之后，由激光接收器的第二反射表面接收初始激光脉冲。

在一种实施方式中，由激光发射器利用多个调制的副载波来对初始激光脉冲进行调制，以发射与激光发射器相关联的水平角和与激光发射器相关联的附加数据。可以通过将多个调制的副载波的相位矢量与乘法器矢量相乘来对经调制的初始激光脉冲进行解调，以提取水平角。

根据一种实施方式，激光接收器包括光电检测单元和至少一个反射表面，所述至少一个反射表面均具有被定位成从光电检测单元的中心点偏移的中心点。

在一种实施方式中，至少一个反射表面包括第一反射表面和第二反射表面，该第一反射表面和第二反射表面被定位于与光电检测单元的中心相交的平面的相反两侧。激光接收器的第一反射表面和第二反射表面可以被相对于平面对称地定位。平面可以垂直于光电检测单元的表面。

在一种实施方式中，激光接收器还包括围绕光电检测单元被定位的非反射区域。光电检测单元可以用于接收来自激光发射器的初始激光脉冲，并且非反射区域的尺寸是激光发射器的反射表面的尺寸的至少两倍。

在一种实施方式中，激光接收器包括(例如，倾斜)传感器，该传感器用于确定一个或更多个附加定向角(例如，俯仰角和滚动角)。

根据一种或更多种实施方式，提供了用于操作激光发射器的系统和方法。初始激光脉冲被朝向激光接收器投射。接收并反射第一反射激光脉冲以产生第一双反射激光脉冲。接收并反射第二反射激光脉冲以产生第二双反射激光脉冲。第一反射激光脉冲和第二反射激光脉冲是由于从激光接收器的相应的第一反射表面和第二反射表面对初始激光脉冲进行反射而产生的。

在一种实施方式中，由激光发射器利用多个调制的副载波来对初始激光脉冲进行调制，以发射与激光发射器相关联的水平角和与激光发射器相关联的附加数据。

根据一种实施方式，提供了包括激光发射器和激光接收器的激光测量系统。激光发射器包括用于向激光接收器和反射表面投射初始激光脉冲的一个或更多个激光源。激光接收器包括用于反射初始激光脉冲以提供第一反射激光脉冲的第一反射表面，以及用于反射初始激光脉冲以提供第二反射激光脉冲的第二反射表面。激光接收器还包括光电检测单元，该光电检测单元用于接收：1)由于从激光发射器的反射表面对第一反射激光脉冲进行反射产生的第一双反射激光脉冲，以及2)由于从激光发射器的反射表面对第二反射激光脉冲进行反射产生的第二双反射激光脉冲。激光发射器基于第一和第二双反射激光脉冲确定与激光接收器相关联的方位角。

根据一种实施方式，提供了用于操作激光接收器和激光发射器来测量激光接收器的定位和/或定向的系统和方法。由激光发射器朝向激光接收器投射初始激光脉冲。由激光接收器的第一反射表面接收并反射初始激光脉冲，以产生第一反射激光脉冲。由激光发射器的反射表面接收并反射第一反射激光脉冲，以产生第一双反射激光脉冲。在激光接收器的光电检测单元处检测第一双反射激光脉冲。由激光接收器的第二反射表面接收并反射初始激光脉冲，以产生第二反射激光脉冲。由激光发射器的反射表面接收并反射第二反射激光脉冲，以产生第二双反射激光脉冲。在激光接收器的光电检测单元处检测第二双反射激光脉冲。基于第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲，确定与激光接收器相关联的方位角。

通过参考以下详细描述和附图，本发明的这些和其他优点对于本领域技术人员将是明显的。

附图说明

图1示出了示例性激光测量系统；

图2A示出了具有两个反射表面的说明性的激光接收器；

图2B示出了说明性的激光发射器；

图3示出了在激光发射器与激光接收器之间的激光束发射和反射的示意图；

图4示出了当激光发射器旋转两圈时由激光接收器接收的N型光束信号的说明图；

图5示出了当激光发射器旋转一圈时由激光接收器接收的N型光束信号的说明图；

图6示出了具有一个直接脉冲和一个双反射脉冲的由激光接收器接收的信号的说明图600；

图7A是示出了激光测量系统的另外的细节的俯视图；

图7B是示出了激光测量系统的另外的细节的立体图；

图8示出了水平角的解调的工作流程；

图9示出了根据图8的由激光接收器执行的示例性解调的总结；

图10示出了对具有五个副载波的解调进行总结的示例性表格；

图11示出了对具有六个副载波的解调进行总结的示例性表格；

图12示出了用于确定与激光接收器相关联的定位和/或定向的激光接收器的说明性操作方法；

图13示出了用于确定与激光接收器相关联的定位和/或定向的激光发射器的说明性操作方法；

图14示出了示例性激光接收器的高级框图；和

图15示出了示例性激光发射器的高级框图。

具体实施方式

根据本发明的各种实施方式，提供了一种激光测量系统，该光测量系统用于基于从激光发射器接收的激光脉冲来计算与激光接收器相关联的完整3D定位(即，竖向角、水平角和距离)和/或完整3D定向(即，方位角和两个倾斜角)。在一种实施方式中，激光发射器包括从激光二极管的中心偏移的反射表面，以及激光接收器包括每个均从光电二极管的中心偏移的两个反射表面。以此方式，由激光发射器投射的初始激光脉冲将由激光接收器的两个偏移反射表面反射到激光发射器，作为第一和第二反射激光脉冲，然后将由激光发射器的偏移反射表面反射回到激光接收器，作为第一和第二双反射激光脉冲。通过对激光接收器的反射表面进行偏移，激光接收器能够通过在直接初始激光脉冲与第一和第二双反射激光脉冲之间添加时间延迟来轻松地区分直接初始激光脉冲与第一和第二双反射激光脉冲，从而在时域中分离信号。通过在光电二极管的相反侧上的激光接收器上提供两个反射表面，激光接收器能够通过比较第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲的相位来确定其方位角。有利地，激光接收器基于发射和反射信号确定与激光接收器相关联的方位角以及三维定位(即，竖向角、水平角和距离)。在一种实施方式中，激光接收器还可以被配备有一个或更多个传感器(例如倾斜传感器)以提供两个附加的定向角(即滚动角和俯仰角)，这些定向角与方位角(即偏航角)一起提供与激光接收器相关联的完整的三维定向。根据本发明实施方式的激光测量系统可以用于例如执行建筑和农业任务。

图1示出了根据一种或更多种实施方式的激光测量系统100。激光测量系统100包括激光发射器102和激光接收器104。如图1所示，激光接收器104被配置成附接到勘测杆106。然而，应当理解，激光接收器104的各种配置是可能的。例如，激光接收器104可以被配置成附接到建筑机器(例如，挖掘机、自卸卡车、推土机等)或者可以是手持设备。下面相应地参考图2A和图2B更详细地描述激光接收器104和激光发射器102。应当理解，激光测量系统100可以包括任意数量的激光接收器，所述激光接收器用于基于从激光发射器102接收的激光束来计算每个激光接收器104的定位和定向信息。

激光发射器102以恒定速度在旋转辐照中投射N形光束108，例如，如2007年3月27日发布的美国专利No.7196302中所述，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。激光发射器102可以投射具有调制(例如，相位或频率)的N形光束108。N形光束108包括多个扇形光束，这些扇形光束被投射使得光束108的光通量的截面形成N形。N形光束108在图1中被说明性地示为竖向光束110-A、竖向光束110-B以及相对于竖向光束110-A和110-B在对角线上以角度θ112倾斜以形成N形的光束110-C。

图2A示出了根据一种或更多种实施方式的激光接收器200的详细视图。在一种实施方式中，激光接收器200是图1的激光接收器104。激光接收器200包括用于检测或接收来自激光发射器(例如，图1的激光发射器102)的激光脉冲的光电检测单元202(例如，光电二极管)，和两个反射表面204-A和204-B(本文统称为反射表面204)。反射表面204可以是适合反射激光脉冲的任何反射表面。例如，反射表面204可以是角反射器或具有多个镜边缘的棱镜，或者可以是回复反射器的平坦表面。反射表面204的每个表面均被定位成使得每个反射表面204的中心点从光电检测单元202的中心点偏移，并且使得反射表面204的中心位于非反射区域206内。在一种实施方式中，反射表面204的中心位于尺寸(例如，直径)是激光发射器的反射表面(例如，图2B中的激光发射器210上的反射表面214)的两倍的区域内。在一种实施方式中，反射表面204在平面208的相反侧上偏移。平面208与光电检测单元202的中心相交并且垂直于光电检测单元202的表面。在一种示例中，反射表面204相对于平面208被对称地定位在平面208的相反侧上。在另一实施方式中，每个反射表面204的中心点从光电检测单元202的中心点偏移，使得初始激光脉冲(例如，从激光发射器102投射的)相应地在光电检测单元202检测到初始激光脉冲之前和之后，将反射离开反射表面204-A和204-B(或反之亦然)。

为了防止来自激光接收器200后面的反射物体的不需要的反射，激光接收器200的壳体的正面209至少是激光发射器的反射表面(例如，图2B中的激光发射器210上的反射表面214)的尺寸(例如，直径、表面积)的两倍。在一种实施方式中，激光接收器200具有非反射区域206，该非反射区域围绕光电检测单元202被定位(例如，居中)并且具有非反射表面。尽管出于说明性目的，在图2A中非反射区域206被示为反射表面204的重叠部分，但应当理解，反射表面204被定位于非反射区域206上方，并且反射表面204的这些部分不是非反射的。非反射区域206可以具有任何合适的尺寸并且可以具有任何合适的非反射表面，诸如黑色涂料。在一种实施方式中，非反射区域206至少是激光发射器的反射表面(例如，图2B中的激光发射器210上的反射表面214)的尺寸(例如，表面积)的两倍。

图2B示出了根据一种或更多种实施方式的激光发射器210的详细视图。在一种实施方式中，激光发射器210是图1中的激光发射器102。激光发射器210包括多个激光源212-A、212-B和212-C(本文统称为激光源212)，诸如例如激光二极管，激光源被配置成以旋转辐照的形式投射扇形光束，从而形成N形光束。激光发射器210还包括反射表面214，反射表面可以是适合于反射激光脉冲的任何表面(例如，角反射器或具有多个镜边缘的棱镜，或回复反射器的平坦表面)。反射表面214的中心点被定位成从多个激光源212的中心点偏移并且位于非反射区域216内。在一种实施方式中，反射表面214的中心位于尺寸(例如，直径)是激光接收器的反射表面(例如，图2A中的激光接收器200上的反射表面206)的两倍的区域内。在一种实施方式中，反射表面214与激光接收器上的反射表面(例如，图2A中的激光接收器200上的反射表面206)是相同的尺寸(例如，直径、表面积)，但也可以是不同的尺寸。

为了防止来自激光发射器210后面的反射物体的不需要的反射，激光发射器210的壳体的正面218至少是激光接收器上的反射表面(例如，图2A中的激光接收器200上的反射表面204-A或204-B)的尺寸(例如，直径、表面积)的两倍。在一种实施方式中，激光发射器210具有非反射区域216，该非反射区域围绕多个激光源212被定位(例如，居中)并且具有非反射表面。尽管出于说明性目的，在图2B中非反射区域216被示为反射表面214的重叠部分，但应当理解，反射表面214被定位于非反射区域216上方并且反射表面214的这些部分不是非反射的。非反射区域216可以具有任何合适的尺寸并且可以具有任何合适的非反射表面，诸如黑色涂料。在一种实施方式中，非反射区域216至少是激光接收器上的任何反射表面(例如，图2A中的激光接收器200上的反射表面204)的尺寸(例如，表面积)的两倍。

图3示出了根据一种或更多种实施方式的激光发射器210与激光接收器200之间的激光脉冲发射和反射的示意图300。将参照图1、图2A和图2B来描述图3。图300示出了根据一种实施方式的在激光发射器210和激光接收器200的元件之间的激光脉冲的发射和反射，其中事件在时间上相对于竖向轴线从顶部到底部发生。

激光发射器210的激光源212朝向激光接收器200投射初始激光脉冲302。随着时间的推移，初始激光脉冲302以旋转辐照的方式被连续投射穿过激光接收器200。因此，初始激光脉冲302相应地在时间点312、320和324处，以旋转辐照的方式被连续投射穿过激光接收器200的反射表面204-A、光电检测单元202和反射表面204-B上。在一种实施方式中，初始激光脉冲302是包括由激光源212-A、212-B和212-C分别投射的三个单独的光束110-A、110-C和110-B的N形光束(例如，N形光束108)。在一种实施方式中，使用多个调制副载波来对初始激光脉冲302进行调制，以发射与激光接收器200相关联的水平角和与激光发射器210相关联的附加数据。与激光接收器200相关联的水平角由激光发射器210上的编码器提供，并经由经调制的初始激光脉冲302发射到激光接收器200。

由激光发射器210的激光源212在时间点312处投射的初始激光脉冲302，在时间点314处由激光接收器200的反射表面204-A接收并向激光发射器210反射作为第一反射激光脉冲304，第一反射激光脉冲在时间点316处由激光发射器210的反射表面214接收并向激光接收器200反射作为第一双反射激光脉冲306，其中第一双反射激光脉冲在时间点318处由激光接收器200的光电检测单元202检测到。

随着激光源212继续以旋转辐照穿过激光接收器200，由激光源212在时间点320处投射的初始激光脉冲302在时间点322处由激光接收器200的光电检测单元202检测到。

随着激光源212继续以旋转辐照穿过激光接收器200，由激光源212在时间点324处投射的初始激光脉冲302在时间点326处由激光接收器200的反射表面204-B接收并向激光发射器210反射作为第二反射激光脉冲308，第二反射激光脉冲在时间点328处由激光发射器210的反射表面214接收并向激光接收器200反射作为第二双反射激光脉冲310，其中第二双反射激光脉冲在时间点在330处由激光接收器200的光电检测单元202检测到。

由于激光接收器200上反射表面204-A和204-B的偏移，在光电检测单元202检测到初始激光脉冲302(在时间点322处)之前，初始激光脉冲302被第一反射表面204-A接收并反射(在时间点314处)，并且在光电检测单元202检测到初始激光脉冲302(在时间点322处)之后，初始激光脉冲302被第二反射表面204-B接收并反射(在时间点326处)。反射表面204-A和204-B的偏移使激光接收器200能够容易地区分(在时域中)初始激光脉冲302(直接从激光发射器210接收的)与第一和第二双反射激光脉冲306和310。激光接收器200基于发射和反射的激光脉冲来确定激光接收器200的完整3D定位信息(即，竖向角、水平角和距离)以及方位角。

图4示出了根据一种或更多种实施方式由激光接收器(例如，图2A的激光接收器200)从旋转两圈的激光发射器(例如，图2B的激光发射器210)接收的N型光束信号的说明图400。曲线图400示出了激光接收器检测到：N型光束信号402，该信号包括由激光源212-A投射的第一激光脉冲402-A、由激光源212-B发射的中间激光脉冲402-B、以及第一次旋转期间由激光源212-C发射的最后激光脉冲402-C；和N型光束信号404，该信号包括由激光源212-A投射的第一激光脉冲404-A、由激光源212-B投射的中间激光脉冲404-B，以及在第二次旋转期间由激光源212-C投射的最后激光脉冲404-C。N型光束信号402和N型光束信号404之间的时间表示以10赫兹旋转的激光发射器(即，激光发射器的发射器头部)的一圈。应当理解，激光接收器可以检测未在图400中示出的N型光束信号402和404的双反射激光脉冲。

图5示出了根据一种或更多种实施方式的由激光接收器(例如，图2的激光接收器200)从旋转一圈的激光发射器接收的N型光束信号的说明图500。激光接收器接收光束502、504和506，这些光束共同形成N形光束(例如，图1的N形光束108)。具体地，光束502对应于竖向光束(例如，竖向光束110-A)，光束504对应于倾斜光束(例如，倾斜光束110-C)，以及光束506对应于竖向光束(例如，竖向光束110-B)。

图6示出了根据一种或更多种实施方式的由激光接收器(例如，图2中的激光接收器200)接收的具有一个直接脉冲和一个双反射脉冲的信号的说明图600。如关于图6描述的激光接收器包括单个反射表面(例如，图2中的反射表面204-B)。因此，如图600所示，激光接收器接收直接初始激光脉冲602和双反射激光脉冲604。

图7A是俯视图，图7B是立体图，该立体图示出了根据一种或更多种实施方式的激光测量系统700的另外的细节。在图7A和图7B中，激光发射器702以旋转辐照的方式将N形光束706连续地投射到激光接收器704。激光发射器702和激光接收器704相应地包括反射表面718和716。在一种实施方式中，激光发射器702可以是图1的激光发射器102或图2B的激光发射器210，以及激光接收器704可以是图1的激光接收器104或图2A的激光接收器200。应当理解，图7A和图7B示出了激光测量系统700的高级表示并且激光测量系统700可以包括附加部件(例如，非反射区域)。

激光接收器704的定位可以依据各种参数来限定。在一种实施方式中，激光接收器704的定位可以由3D坐标和3D定向角表示。激光接收器704的3D坐标可以由竖向角720、水平角710和距离D 708来限定。激光接收器704的3D定向角可以由方位定向角712(即，偏航角)和两个倾斜角(即，俯仰角和滚动角)来定限定。竖向角720是激光接收器704相对于发射器参考水平平面722所定位的角度。水平角710是激光接收器704相对于发射器参考方向714所定位的角度。距离D 708是激光发射器702和激光接收器704之间的距离。定向角712是激光接收器704相对于参考方向724接收N形光束706的角度。

可以基于N形光束706及其反射来确定限定激光接收器704的3D坐标和3D定向角的参数。与激光接收器704相关联的竖向角720可以根据如下的等式1来计算：

其中，k是基于N型光束706的激光倾斜的角的系数(即，基于图1中倾斜光束110-C的角112)，以及t1、t2和t3是接收N型光束706的每个光束(例如，图1中的光束110-A、110-C和110-B，图4中的脉冲402-A、402-B、402-C，或图5中的光束502、504、506)的时间戳。

与激光接收器704相关联的水平角710可以根据如下等式2从N形光束706解调：

水平角H＝P1-P2-P3+P4 (等式2)

其中H是粗略水平角，P1、P2、P3和P4是N形光束706的解调副载波的相位。对于N形光束706的每个直接脉冲(例如，对于图5中的每个光束502、504、506)，可以单独解调水平角。N形光束706的每个直接脉冲之间的物理角被用于针对N形光束706的每个脉冲之间的水平角之间的差异(例如，光束502、504和506的水平角的差异)进行补偿。在补偿之后，可以平均N形光束706的每个脉冲的那些水平角以减少噪声。

激光发射器702和激光接收器704之间的距离D 708是通过比较N形光束706(即直接初始激光脉冲)的相位和由激光接收器704接收的N形光束706的双反射激光脉冲中的一个脉冲(例如，图3的第一双反射激光脉冲306或第二双反射激光脉冲310，或图6的脉冲602和脉冲604)的相位来计算的，根据等式3计算如下：

其中，c是光速，是N形光束706的反射脉冲(即，双反射脉冲)的相位(例如，P1、P2、P3或P4)，单位为弧度，是N形光束706(即，直接初始激光脉冲)的相位，并且fi是第i个副载波的有效频率。可以在所有4个副载波上独立计算距离，然后取平均值。在一种实施方式中，对于N形光束706的每个直接脉冲可以单独计算距离并对该距离进行平均。

与激光接收器704相关联的方位定向角712可以通过比较N形光束706的第一双反射激光脉冲(例如，图4的第一双反射激光脉冲306)的相位和N形光束706的第二双反射激光脉冲(例如，第二双反射激光脉冲310)的相位来计算，根据等式4B计算如下：

方位角＝arcsin(c(P1-P2)/4πLF) (等式4)

其中，c是光速，P1和P2相应地是第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲的相位，L是反射第一双反射激光脉冲和第二双反射激光脉冲的反射表面(例如，图2A的反射表面204-A和204-B)的中心之间的距离，以及F是有效载波频率。

在一种实施方式中，激光接收器704被配置有一个或更多个传感器(未示出)以测量激光接收器704的一个或更多个附加定向角，诸如例如滚动角和俯仰角。一个或更多个传感器可以是用于测量激光接收器200的定向的任何合适的传感器。例如，一个或更多个传感器可以包括倾斜传感器，诸如例如惯性测量单元、加速度计、倾角计等。

有利地，根据一种或更多种实施方式，对于在六个维度上的完整的刚体定向，实现完整的3D定位和3D定向。这种完整的3D定位和3D定向由激光接收器704确定，而没有从激光接收器704到激光发射器702的通信。特别地，激光接收器704确定关于其定位和方向的所有信息，而激光发射器702传播所有所要求的信息并被动地反射激光脉冲。因此，消除了从激光接收器704到激光发射器702的通信的需要。

根据一种实施方式，参考图1，激光发射器102使用具有激光发射器102的瞬时旋转角以及可能对激光接收器有用的附加信息104的多个副载波来对N形光束108进行调制。以此方式，在接收到调制的N型光束108时，激光接收器104可以通过测量在调制中使用的载波的副载波的相位(或频率)来附加地或替代地估计与激光接收器104相关联的水平角。应当理解，虽然本文是在激光测量系统的上下文中描述的，但是使用多个副载波的调制可以应用于发射任何类型的信号，诸如例如射频信号。

多个副载波是用于调制N形光束108的载波的边带。多个副载波可以包括任何合适数量的副载波。在一种实施方式中，多个副载波包括采用直接合成方法的至少两个副载波，其中在载波频率和符号频率之间存在锁定同步(即，一个振荡器)。在另一实施方式中，多个副载波包括没有采用直接合成方法的至少三个副载波，其中在载波频率和符号频率之间没有同步(即，两个独立的振荡器)。

激光接收器104接收调制的N形光束108并测量多个副载波中的每个副载波的相位。多个副载波中的每个副载波的相位形成N维空间中的矢量，其中N是副载波的数量。使用变换矩阵将矢量变换为变换矢量。激光发射器102的载波相位、副载波相位和头部旋转(水平)角可以从变换矢量中被独立地提取。

多个副载波提供虚拟通道，激光发射器102可以通过虚拟通道将数据发射到激光接收器104(以及图1中未示出的其他激光接收器)。虚拟通道是独立调制的信号，并且虚拟通道的数量与副载波的数量相对应。通过将副载波相位矢量(例如，四个副载波的副载波相位矢量{P1、P2、P3、P4})与解调矩阵(例如，图9的表900的矩阵)相乘来提取虚拟通道。在一种实施方式中，一个或更多个虚拟通道可以被用于发射与激光接收器104相关联的水平角的粗略估计，而不会产生模糊性。可以添加不同的乘法以增加与激光接收器104相关联的水平角的估计的准确性。在另一实施方式中，一个或更多个虚拟通道可以用于传播附加数据，诸如例如，激光发射器102的序列号、发射器通道、激光发射器102的定位坐标(例如，由用户输入或使用其他方法计算)、校准数据(例如，N形光束108的精确角)或可能对激光接收器104有用的任何其他数据。

参考图8，继续参考图1，示出了根据一种或更多种实施方式的用于解调水平角的工作流程800。工作流程800可以由激光接收器执行，诸如例如图1的激光接收器104、图2A的激光接收器200或图7的激光接收器704。

激光发射器102可以使用四个副载波来调制N形光束108。调制信号(TxSignal)在公式5中表示如下，其中，A是激光发射器102的瞬时头部旋转角(来自其编码器)，C是载波相位，S是副载波相位，并且P1、P2、P3和P4是调制的副载波信号的相位。

TxSignal＝sin(P1)+sin(P2)+sin(P3)+sin(P4) (等式5)

其中，和相位P1、P2、P3和P4是从同一个相位S用整数乘法导出的，因此是互锁的(即，从同一个振荡器导出的，不是自由运行的)。

如图8所示，激光接收器104(例如，激光接收器104的光电检测单元)接收调制信号802，该调制信号802由模拟数字转换器(ADC)804以适当的速率采样。采样的信号被输入到执行频移的乘法器806-A、806-B、806-C和806-D(本文统称为乘法器806)以及脉冲检测器812。脉冲检测器812通过例如将采样信号与阈值进行比较来确定采样信号是否为脉冲，并触发相位{P1、P2、P3、P4}的采样。乘法器806将采样信号与来自数字本地振荡器840的相应的相位相乘，其中相应的相位被确定为：载波相位+N*副载波相位，其中，N在图8中所示的示例中相应地为-3、-1、+1和+3。乘法器806的输出是包括同相(I)和正交(Q)分量的复信号，它们由相应的低通滤波器808-A、808-B、808-C和808-D(本文统称为低通滤波器808)进行低通滤波。

来自低通滤波器808的滤波信号由相应的相位转换器810-A、810-B、810-C和810-D(本文统称为相位转换器810)使用：相位＝arctan(Q/I)来确定相位P1、P2、P3和P4。乘法器814应用标量乘法以相应地将相位P1、P2、P3和P4与正交乘法器矢量{+1、+1、+1、+1}相乘。输出由组合器822组合，以提取具有4x乘法因子的载波相位C。载波相位C被输入到载波锁相回路838中，该锁相回路向数字本地振荡器840输出相位。乘法器816应用标量乘法以相应地将相位P1、P2、P3和P4与正交乘法器矢量{+3、+1、-1、-3}相乘。输出由组合器824组合，以提取具有20x乘法因子的副载波相位S。副载波相位S被输入到副载波锁相回路836中，该锁相回路向数字本地振荡器840输出相位。

乘法器818应用标量乘法以相应地将相位P1、P2、P3和P4与正交乘法器矢量{+1、-1、-1、+1}相乘。输出由组合器826组合，以提取没有模糊性并且具有1x乘法因子的粗略水平角A 826。因此，水平角A的估计可以根据等式6提取如下：

乘法器820应用标量乘法以相应地将相位P1、P2、P3和P4与正交乘法器矢量{+1、-3、+3、-1}相乘。输出由组合器828组合，以提取具有模糊性和具有20x乘法因子的精确水平角A 832。无模糊性的粗略水平角830和具有模糊性的精确水平角832被组合以确定无模糊性的精确水平角834。

图9示出了总结图8的工作流程800中所示的解调的表900。

矢量{+1，+1，+1，+1}，{+3，+1，-1，-3}，{+1，-1，-1，+1}和{+1，-3，+3，-1}是四个维度的正交矢量。由于{+1，-1，-1，+1}和{+1，-3，+3，-1}使用关于相同的角A的信息进行编码，因此可以提取噪声估计矢量{+21，-23，-17，+19}。具体地，四个矢量中的两个矢量使用相互依赖的信息(A/4和A)进行编码，因此新的独立矢量可以表示为线性组合如V'＝(0.25)*{+1，-1，-1，+1}+{+1，-3，+3，-1}＝{1.25，-3.25，2.75，-0.75}。乘以4得到整数系数的结果为V＝{5，-13，11，-3}。因此，所有关于旋转角A的信息都沿基础{5，-13，11，-3}进行编码。具有整数系数的{5，-13，11，-3}，{1，1，1，1}和{+3，+1，-1，-3}的正交矢量为{+21，-23，-17，+19}。沿着这个矢量{+21，-23，-17，+19}提取的信号不会携带任何关于载波相位、副载波相位和旋转角A的信息，因此它只会有噪声。该噪声量可以被测量并用于估计旋转角A的准确性。

图10示出了对具有五个副载波的解调进行总结的表格1000，其中N个副载波限定了N维空间。两个维度被用于载波相位信息和副载波相位信息。其余三个维度提供三个虚拟数据通道(即通道A、通道B和通道C)，其用于发射水平角信息和其他数据发射。在一种实施方式中，通道A、通道B和通道C可以被用于以不同的精度水平来发射水平角。在另一实施方式中，只有通道A、通道B和通道C中的两个通道被用于发射水平角，而第三通道被用于向所有接收器传播支持信息。

图11示出了总结具有六个副载波的解调的表1100。四个虚拟数据通道(即通道A、通道B、通道C和通道D)被共享用于水平角度信息和其他数据的发射。

图12示出了根据一种或更多种实施方式的用于确定与激光接收器相关联的定位和/或定向的激光接收器的操作方法1200。将参考图1至图3来描述方法1200。在一种实施方式中，方法1200的步骤可以由图1的激光接收器104、图2A的激光接收器200或图7A和图7B的激光接收器704执行。

在步骤1202处，由激光接收器200的第一反射表面(例如，反射表面204-A)接收并反射来自激光发射器210的初始激光脉冲302，以产生第一反射激光脉冲304。初始激光脉冲302可以是由激光发射器210的激光源212以旋转辐照的方式投射穿过激光接收器200的N形光束108。在一种实施方式中，利用多个调制副载波对初始激光脉冲302进行调制，以将与激光发射器210相关联的水平角信息以及与激光发射器210相关联的附加数据发射到激光接收器200。

在步骤1204处，在激光接收器200的光电检测单元202处检测第一双反射激光脉冲306。第一双反射激光脉冲306是由于从激光发射器210的反射表面214对第一反射激光脉冲304进行反射而产生的。

在步骤1206处，在激光接收器200的光电检测单元202处检测初始激光脉冲302。

在步骤1208处，由激光接收器200的第二反射表面(例如，反射表面204-B)接收并反射初始激光脉冲302，以产生第二反射激光脉冲308。在一种实施方式中，在光电检测单元202检测到初始激光脉冲302之前，初始激光脉冲302被第一反射表面204-A接收并反射，并且在光电检测单元202检测到初始激光脉冲302之后，初始激光脉冲302被第二反射表面204接收并反射。

在步骤1210处，在激光接收器200的光电检测单元202处检测第二双反射激光脉冲310。第二双反射激光脉冲310是由于从激光发射器210的反射表面214对第二反射激光脉冲308进行反射而产生的。

在步骤1212处，基于第一双反射激光脉冲306和第二双反射激光脉冲310确定与激光接收器200相关联的定向方位角。可以通过确定第一双反射激光脉冲306和第二双反射激光脉冲310之间的相位差来确定定向方位角。在一种实施方式中，激光接收器200可以包括一个或更多个传感器以确定一个或更多个附加的定向角。

在步骤1214处，确定与激光接收器200相关联的3D定位。例如，可以基于初始激光脉冲302的相位与第一双反射激光脉冲306或第二双反射激光脉冲310之一或两者的相位之间的差，来确定激光接收器200与激光发射器210之间的距离。可以基于初始激光脉冲302的N形光束的三个光束的时间差比例，来确定与激光接收器200相关联的竖向角。可以通过从经调制的初始激光脉冲302的一个或更多个调制副载波解调水平角，来确定与激光接收器200相关联的水平角。

图13示出了根据一种或更多种实施方式的激光发射器的操作方法1300。方法1300可以连同图12中所示的激光接收器的操作方法1200一起应用，以确定与激光接收器相关联的定位和/或定向。方法1300是被动的，因为它发射和被动反射激光脉冲，但不计算任何定位。将参考图1至图3来描述方法1300。在一种实施方式中，方法1300的步骤可以由图1的激光发射器102、图2B的激光发射器210或图7A和图7B的激光发射器702执行。

在步骤1302处，初始激光脉冲302以旋转辐照的方式连续地向激光接收器200投射。初始激光脉冲302可以是由激光发射器210的激光源212以旋转辐照方式投射的N形光束108。在一种实施方式中，初始激光脉冲302用多个副载波调制，以将与激光发射器相关联的水平角信息以及与激光发射器相关联的附加数据发射到激光接收器。

在步骤1304处，由激光发射器210的反射表面214接收并反射第一反射激光脉冲304，以产生第一双反射激光脉冲306。第一反射激光脉冲304是由于从激光接收器200的第一反射表面(例如，反射表面204-A)对初始激光脉冲302进行反射而产生的。

在步骤1306处，由激光发射器210的反射表面214接收并反射第二反射激光脉冲308，以产生第二双反射激光脉冲310。第二反射激光脉冲308是由于从激光接收器200的第二反射表面(例如，反射表面204-B)对初始激光脉冲302进行反射而产生的。

图14示出了根据一种或更多种实施方式的激光接收器1402的高级框图。在一种实施方式中，激光接收器1402可以是图1的激光接收器104、图2A的激光接收器200或图7A和图7B的激光接收器704。应当理解，图14是激光接收器1402的高级表示，以出于说明的目的，一般地示出激光接收器1402的功能计算部件，并且激光接收器1402可以用附加的结构或功能部件来实现。

激光接收器1402包括用于检测和接收一个或更多个激光脉冲1416(例如，图1中的N形光束108)的光电检测单元1408。光电检测单元1408可以包括例如一个或更多个光检测器、光电二极管或任何其他合适的设备。在接收到激光脉冲1416时，向光检测信号处理器1406提供光检测信号作为输入，其中，确定激光接收器1402是否接收到光。如将理解的，可以以已知的方式执行任何所要求的信号处理，诸如模拟数字转换，并且由光检测信号处理器1406连同处理器1404来提取和分析叠加在激光脉冲1416上的任何调制数据。电源1414以已知的方式向激光接收器1402供电。电源1414可以是例如可充电电池(例如NiMH)或碱性电池，或者可以由外部电源供电，诸如例如与激光接收器1402相关联的建筑机器。存储器1412存储计算机程序指令(例如代码)，当这些指令由处理器1404执行时，这些指令执行各种操作，诸如例如图12的方法1200的步骤1212和1214或本文描述的各种实施方式的其他操作。本领域技术人员将认识到，激光接收器1402的实现可以具有其他结构并且也可以包括其他部件，并且图14是出于说明目的的这种激光接收器的一些部件的高级表示。

图15示出了根据一种或更多种实施方式的激光发射器1502的高级框图。在一种实施方式中，激光发射器1502可以是图1的激光发射器102、图2B的激光发射器210或图7A和图7B的激光发射器702。应当理解，图15是激光发射器1502的高级表示，以出于说明的目的，一般地示出激光发射器1502的功能计算部件，并且激光发射器1502可以用附加的结构或功能部件来实现。

激光发射器1502包括一个或更多个激光源1506，所述激光源用于投射一个或更多个激光脉冲1514(例如，图1中的N形光束108)。激光发射器1502可以调制激光脉冲1514上的数据。旋转编码器1508测量激光发射器1502头部的瞬时角。电源1512以已知的方式向激光发射器1502供电。电源1512可以是例如可充电电池(例如NiMH)或碱性电池，或者可以由外部电源供电，诸如例如与激光发射器1502相关联的建筑机器。存储器1510存储计算机程序指令(例如代码)，当这些指令由处理器1504执行时，这些指令执行各种操作(例如调制)。本领域技术人员将认识到，激光发射器1502的实现可以具有其他结构并且也可以包括其他部件，并且图15是用于说明目的的这种激光发射器的一些部件的高级表示。

本文描述的系统、装置和方法可以使用数字电路或使用一个或更多个计算机来实现，这些计算机使用已知的计算机处理器、存储器单元、存储设备、计算机软件和其他部件。通常，计算机包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器。计算机还可以包括或被耦接到一个或更多个大容量存储设备，诸如一个或更多个磁盘、内部硬盘和可移动盘、磁光盘、光盘等。

本文描述的系统、装置和方法可以使用以客户端-服务器关系操作的计算机来实现。通常，在这种系统中，客户端计算机位于服务器计算机的远程定位，并经由网络进行交互。客户端-服务器关系可以由在相应的客户端和服务器计算机上运行的计算机程序来限定和控制。

本文描述的系统、装置和方法可以在基于网络的云计算系统内实现。在这种基于网络的云计算系统中，被连接到网络的服务器或另一处理器经由网络与一个或更多个客户端计算机通信。例如，客户端计算机可以经由在客户端计算机上驻留和操作的网络浏览器应用程序与服务器通信。客户端计算机可以将数据存储在服务器上并经由网络访问数据。客户端计算机可以经由网络向服务器发送数据请求或在线服务请求。服务器可以执行请求的服务并向客户端计算机提供数据。服务器还可以发射适于使客户端计算机执行指定功能的数据，例如执行计算、在屏幕上显示指定数据等。例如，服务器可以发送适于使客户端计算机执行本文描述的方法和工作流程的一个或更多个步骤或功能的请求，包括图12的一个或更多个步骤或功能。本文描述的方法和工作流程的某些步骤或功能，包括图12的一个或更多个步骤或功能，可以由服务器或由基于网络的云计算系统中的另一处理器来执行。本文描述的方法和工作流程的某些步骤或功能，包括图12的一个或更多个步骤，可以由基于网络的云计算系统中的客户端计算机来执行。本文描述的方法和工作流的步骤或功能，包括图12的一个或更多个步骤，可以由服务器和/或基于网络的云计算系统中的客户端计算机以任何组合来执行。

本文描述的系统、装置和方法可以使用有形地体现在信息载体中的计算机程序产品来实现，例如，在非瞬态机器可读存储设备中，以供可编程处理器执行；并且本文描述的方法和工作流程步骤，包括图12的步骤或功能中的一者或更多者，可以使用可由这样的处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现。计算机程序是一组计算机程序指令，该指令可以直接或间接地在计算机中使用以执行某种活动或带来某种结果。计算机程序可以以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式被部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或其他适合在计算环境中使用的单元。

本领域技术人员将认识到图14的激光接收器1402和图15的激光发射器1502的实现可以具有其他结构并且也可以包括其他部件，并且图14和图15是出于说明目的的这种激光接收器和激光发射器的一些部件的高级表示。例如，激光接收器1402和激光发射器1502还可以包括用于经由网络与其他设备通信的一个或更多个网络接口，以及能够使用户与其他计算机或系统交互的一个或更多个输入/输出设备(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等)。这种输入/输出设备可以包括外围设备，诸如打印机、扫描仪、显示屏等。例如，输入/输出设备可以包括：显示设备，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)监视器用于向用户显示信息；键盘；点击设备，诸如鼠标或轨迹球，用户可以通过这些设备提供输入。

处理器1404和1504可以包括通用和专用的微处理器，并且可以是唯一的处理器或多个处理器之一。例如，处理器1404和1504可以包括一个或更多个中央处理单元(CPU)。处理器1404和1504和/或存储器1412和1510可以包括一个或更多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)，由这些补充或并入这些设备。

存储器1412和1510每个均包括实体的非暂时性计算机可读存储介质，并且可以每个均包括高速随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRRAM)或其他随机存取固态存储器设备，并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或更多个磁盘存储设备诸如内部硬盘和可移动盘、磁光盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备、半导体存储设备，诸如可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘只读存储器(DVD-ROM)盘，或其他非易失性固态存储设备。

前述详细描述应被理解为在每个方面都是说明性和说明性的，而非限制性的，并且本文所公开的发明范围不是由详细描述确定，而是由根据专利法所允许的完整范围解释的权利要求书来确定。应当理解，本文所示和所描述的实施方式仅是说明本发明的原理，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下进行各种修改。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以实现各种其他特征组合。