專利名稱：用于測量絕對距離的方法和測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于距離的光電測量領(lǐng)域。它涉及一種根據(jù)相應(yīng)獨立權(quán)利要求的一般術(shù)語所述的用于測量絕對距離的方法和測量裝置。
背景技術(shù)：
高分辨率距離測量值通過使用用于確定相對距離的儀器(例如激光干涉儀)來獲取，其中，準直激光束從測量裝置傳播至反射目標。該投射射束疊加在測量裝置中所接收的反射射束上。當(dāng)距離變化時，該疊加射束的強度根據(jù)兩個射線的干涉而變化。由計數(shù)器來檢測并記錄這樣的強度變化。該距離變化將根據(jù)強度變化數(shù)目和激光頻率來確定。根據(jù)預(yù)定參考值(即在開始位置的絕對距離)，也可以確定其它位置的絕對距離。為了測量至運動反射體或運動目標的距離，將測量裝置設(shè)計為跟蹤器，即，激光束借助旋轉(zhuǎn)鏡而自動跟隨目標。測量激光束的仰角和方位角，從而能夠以三個維度確定目標位置。根據(jù)這種簡單的測量原理，即使在目標速度例如達到10m/s時也能夠記錄位置。
這種確定相對距離的方法的條件是測量裝置和目標之間的射束是不中斷的。如果發(fā)生了中斷，則該距離變化不再被記錄，且不能知道測量裝置和目標之間的絕對距離。因此，該絕對距離必須通過其它手段來重新確定或校準。在文獻DE19542490C1中公開了這樣一種絕對距離測量儀和干涉儀的組合。
已知測量絕對距離的各種方法，例如斐索(Fizeau)方法的不同變化形式，它們也在上述DE19542490C1中被引用和說明。為了合適作為干涉儀方法的基值，這樣一種距離必須有相似的精度，即，例如在測量距離達到100米時為微米范圍。
不過，與測量相對距離不同，以這樣的距離和精度來測量絕對距離要求該距離在一定最低限度的測量時間內(nèi)必須沒有變化。因此，目標不能由操作人員人工保持，而是必須布置在用于校準的穩(wěn)定支承件上，這需要中斷測量過程而消耗一定時間。
WO02/084327A2介紹了一種通過激光來測量絕對距離的方法，其中，交替地沿測量光通路和參考光通路引導(dǎo)該射線。測量光通路沿要測量的距離延伸，該參考光通路處于該測量裝置內(nèi)部。這樣，測定內(nèi)部參考光通路的距離變化以補償漂移以及與溫度相關(guān)的變化。
在WO00/63645中介紹了通過跟蹤器來間接確定位置，其中要確定測量裝置的參考點的位置。從跟蹤器不能看見該參考點。測量裝置上的向后反射體沿已知軌道運動，該跟蹤器跟隨該向后反射體運動。參考點的位置和方位能夠通過該向后反射體的測量位置以及該測量裝置的已知幾何形狀來確定。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是發(fā)明一種上述類型的用于測量絕對距離的方法和測量裝置，它即使在目標運動時也能夠精確確定絕對距離。
該目標通過具有相應(yīng)獨立權(quán)利要求特征的、用于測量絕對距離的方法和測量裝置來實現(xiàn)。
距離測量裝置包括用于確定絕對距離的裝置和用于確定該測量裝置與目標之間的相對距離的裝置，該距離測量裝置通過確定該相對距離的裝置來檢測在確定該絕對距離的過程中出現(xiàn)的距離變化，并在確定該絕對距離時考慮到這些變化。
這樣，在測量該絕對距離(特別目標運動時)的過程中所出現(xiàn)的距離變化可以被補償。它不再需要使目標保持靜止。該目標實際上可以握在操作人員的手中，而基本不需要中斷測量過程。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，用于確定絕對距離的裝置設(shè)計成執(zhí)行迭代方法。換句話說，該方法通過一系列采樣步驟而朝著正確的絕對距離測量值前進。在各步驟中，輸出值由輸入值來確定，該輸出值取決于該輸入值和該距離。在一個采樣步驟和下一個采樣步驟之間由于目標和/或測量裝置的移動而引起的任何距離變化都通過用于確定相對距離的裝置來檢測，并用于在為隨后的采樣步驟確定輸入值的過程中補償該距離變化。
這樣，該迭代方法能夠不受距離變化干擾地收斂。對同一測量距離應(yīng)用兩種不同的測量方法，并對這兩種測量方法進行組合，它們的優(yōu)點相互補充絕對值的“較慢”確定和相對值的“較快”確定。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，測量絕對距離的方法是斐索(Fizeau)方法。該輸入值是作用在發(fā)出的和返回的光射束的調(diào)制頻率，該輸出值是該返回的光射束在其調(diào)制之后的亮度。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，裝備有用于確定絕對距離的裝置，以便確定多個測量值。為了消除噪音，這些測量值通過積分或通過平均來進行過濾。為了補償在各個測量值之間的距離變化，由用于確定該相對距離的裝置來檢測各距離變化，同時從過濾之前的測量值中減去該距離變化的同步值。
在本發(fā)明的還一優(yōu)選實施例中，該距離變化的測量值用于通過以下方式來校正該絕對值的測量值●利用調(diào)制光的相位測量方法；●“線性調(diào)頻脈沖”信號，相干或非相干；或者●絕對值干涉儀。
這里同樣地，該原理是與絕對距離相關(guān)的計算值通過同時的相對距離或?qū)?yīng)距離變化的測量值來校正。
用于測量絕對距離的測量裝置包括用于確定與測量裝置和目標之間的范圍相對應(yīng)的絕對距離的裝置、以及用于確定沿該范圍的方向的相對距離的裝置。用于確定絕對距離的裝置設(shè)計成執(zhí)行多個測量步驟，且該測量裝置包括當(dāng)確定絕對距離時考慮距離變化的裝置。
在第一優(yōu)選實施例中，該測量裝置包括執(zhí)行由多個采樣步驟構(gòu)成的迭代方法的裝置，其中，取決于輸入值和該距離的輸出值能夠在各采樣步驟中由輸入值來測量。用于確定相對距離的裝置設(shè)計成確定在一個采樣步驟和下一個采樣步驟之間出現(xiàn)的距離變化。該測量裝置還包括用于在為隨后的采樣步驟確定輸入值時補償距離變化的裝置。
在第二優(yōu)選實施例中，該測量裝置包括用于測量一系列絕對距離值的裝置、用于測量至少近似同時的一系列相對距離值的裝置、以及用于通過對應(yīng)的近似同時的相對距離值來校正各絕對距離值的裝置。用于校正的該裝置形成一系列經(jīng)校正的絕對距離值，用于計算的裝置由這些經(jīng)校正的值來確定一代表性絕對距離。該代表性絕對距離例如為加權(quán)平均值或通過其它過濾方法獲得的值。
用于補償?shù)那笆鲅b置或用于計算的裝置能夠設(shè)計為該用于確定絕對距離的裝置的一部分，或者它們可以設(shè)計為處理單元的一部分，該處理單元組合絕對距離測量值和相對距離測量值的數(shù)據(jù)。在第一情況下，該測量裝置包括用于將相對距離值傳遞給用于確定絕對距離的裝置的裝置。該相對距離值涉及根據(jù)任意預(yù)定參考位置的任意預(yù)定開始值。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，該測量裝置包括用于將測量射束聚焦在目標上的裝置，例如如EP0313518A2中所述。這可以用非配合目標進行絕對和相對距離測量。非配合目標是指并不是特別準備的目標或者只裝備有簡單裝置的目標，例如反射箔。


下面將結(jié)合附圖中所示的優(yōu)選實施例來更詳細地介紹本發(fā)明的目的，附圖中圖1示意表示了本發(fā)明的距離測量裝置的結(jié)構(gòu)；圖2是在斐索方法中可能出現(xiàn)的各種變量；以及圖3是在過濾方法中可能出現(xiàn)的變量。
附圖中使用的參考標號以及它們的意思將在參考標號索引中概括說明。原則上，在所有附圖中，相同參考標號表示相同部件。
具體實施例方式
圖1表示了本發(fā)明的距離測量裝置的結(jié)構(gòu)以及根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的組合式絕對距離測量的視圖。從絕對距離測量儀(absolutedistance meter，ADM)1和從相對距離測量儀(relative distancemeter，IDM)2投射出的光射線由第一分束器來組合，而返回光分別分配給這兩個距離測量儀1、2。第一分束器4例如為二色分束器?？刂茊卧?用于與絕對距離測量儀1和相對距離測量儀2交換數(shù)據(jù)和控制信號?？刂茊卧?將來自相對距離測量儀2的數(shù)據(jù)傳送給該絕對距離測量儀1，和/或組合由這兩個測量儀1、2產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或測量距離值。射線從第一分束器4經(jīng)由第二分束器5到達繞兩個軸線旋轉(zhuǎn)的跟蹤鏡7。跟蹤調(diào)節(jié)器6用位置靈敏二極管(PSD)來檢測一部分返回光，并根據(jù)光位移來調(diào)節(jié)該跟蹤鏡7的位置，使得該光束跟隨著反射目標或反射體8而運動。反射體8包括例如三棱鏡或反射箔。該測量距離9沿投射光束和反射光束在測量裝置10中的預(yù)定參考零點與反射體8之間延伸。
該測量裝置10還包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它電裝置和光裝置，例如用于檢測和準直射線。為了簡明起見，它們并沒有在圖中表示。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該測量裝置10或其各部分集成在機動經(jīng)緯儀(theodolite)的支承件中或集成在測量柱中。當(dāng)為經(jīng)緯儀時，將沒有跟蹤鏡7。
優(yōu)選是，該相對距離測量儀2為干涉儀。為了通過干涉儀來確定相對位置，它包括增減計數(shù)器，該計數(shù)器記錄反射體位移的瞬時值。每次目標沿測量方向移動光波長的一半時，根據(jù)位移的方向而增加或縮減計數(shù)脈沖。當(dāng)例如為氦氖激光時，這將每0.32微米進行一次。該計數(shù)可以在任意時間被選取和儲存。在兩個相關(guān)選取之間由于兩個不同計數(shù)而能夠?qū)⑾鄬\動dL確定為dL=dM·lambda·n2,]]>其中dM＝兩個計數(shù)值之間的差異；lambda＝所使用的光的波長；n＝介質(zhì)(通常為空氣)的相位折射率。
隨后，例如測量距離可以為0.1至50m，目標速度可以達到或超過10m/s，分辨率可以為0.3至2.4微米，且精度為大約±0.3ppm。
優(yōu)選是，該絕對距離測量儀1是根據(jù)斐索原理的距離測量儀。該測量光束由相同調(diào)制器進行兩次調(diào)制；一次是在進入要測量范圍的點處調(diào)制為發(fā)射射線，另一次是在出口點處調(diào)制為返回射束或接收射線。在調(diào)制過程中，例如要調(diào)制光的偏振和/或強度和/或頻率。
因此，在第二次調(diào)制或反向調(diào)制之后，照明度作為反射體距離和調(diào)制頻率的函數(shù)而周期性變化例如，在調(diào)制頻率成線性變化的過程中且在固定距離處，在解調(diào)器出口處交替產(chǎn)生照明度A的低點和高點，如圖2中所示。該照明度A通過光電二極管來測量。最小照明度的點在頻率上以df＝c/2D的頻率間隔分布，其中，c是光速，D是要測量的距離。通過變化頻率f來檢測這些最小點中的至少兩個(在f1和f0處)。由此，該距離由以下公式來確定D=Round(f0|f0-f1|)·c02f0ng+Add]]>其中，函數(shù)Round()是向上取整數(shù)，且D＝絕對距離
f0、f1＝最小值的頻率ng＝群折射率c0＝真空中的光速Add＝附加常數(shù)為了準確確定該最小值，光調(diào)制頻率f優(yōu)選是也被頻率調(diào)制的例如，在頻段在2與2.3GHz之間的基頻f上進行范圍約500kHz的20kHz正弦頻率調(diào)制(FM)。由此，由光電二極管所檢測到的信號產(chǎn)生一階導(dǎo)數(shù)，且在沒有FM調(diào)制的信號最小點處發(fā)生該FM調(diào)制信號的零交叉。這樣一種零交叉比最小值更容易檢測。確定該輸入信號在預(yù)定基頻處的幅值(有或沒有附加FM調(diào)制)將在下文中稱為采樣。
如上所述，需要至少兩個最小值(即解調(diào)信號的兩個相鄰零通道)來用相關(guān)頻率f0和f1確定該絕對距離。通過改變該基頻來迭代地確定這些零點。在各迭代步驟中調(diào)節(jié)頻率步長，以便盡可能快地通向該所需的零通道，且最后的步長根據(jù)最大所需分辨率(例如1ppm)來確定。這形成通向零通道或最小頻率f0、f1、...的頻率步長的時間最優(yōu)采樣序列。
這樣，對于靜止目標，例如在1至100m的測量距離內(nèi)可以有大約1微米的分辨率以及小于±25微米的精確度。對于第一次確定距離所用的測量時間為例如200毫秒。通過隨后在零點處重復(fù)測量，可以每秒確定大約10個值。在前述DE19542490C1中介紹了用于該距離測量的各種設(shè)備和方法。該絕對距離測量儀可以集成在干涉儀的射束路徑中，使得兩種測量方法都用來自相同光源的光來工作，或者這兩個系統(tǒng)以各自的光波長來工作，如圖1中所示。例如，該干涉儀使用氦氖激光，而該絕對距離測量儀使用780nm激光二極管。
頻率步長在接近零交叉時長度減小，這對應(yīng)于不斷縮短要測量距離的步長。由于該迭代逼近需要一定量的時間，現(xiàn)有技術(shù)主張在該時期中該距離不會變化，否則該迭代將在錯誤位置繼續(xù)進行，且對距離變化的迭代通常不會跟隨得足夠快。
在所述迭代之前和之后也有相同問題例如預(yù)先通過在預(yù)定帶寬內(nèi)采樣多個輸入值來進行距離的粗略測量，如下面所述。在第一次確定最小值后，這優(yōu)選是重復(fù)多次，以便從這些結(jié)果來確定一平均值作為零通道頻率f0、f1?？偣残枰?0次掃描用于粗略測量、大約20次掃描用于迭代、以及10次掃描用于對最小值的重復(fù)檢測，每次掃描1ms時，這意味著持續(xù)時間為50ms。
因此，相對距離變化的確定(例如通過干涉儀方法)與各次掃描同時進行，尤其是與迭代過程中的各次掃描同時進行。根據(jù)這樣測量的相對運動，新的迭代步驟在上次掃描與該新一次掃描之間進行校正。
因此，在新的測量過程中，對距離進行粗略測量，以確定測量開始時的絕對距離。為此，零點間距變成f0-f1，且該粗略距離確定如下D0=c02·|f0-f1|·ng]]>在隨后的迭代中，各步驟的校正通過該值來校準。該粗略測量可以是在調(diào)制器的調(diào)制帶寬上的掃描，即在調(diào)制帶寬中確定多個掃描值。在fa＝2Ghz至fb＝2.25Ghz的基頻中，調(diào)制帶寬例如為250Mhz。在該掃描過程中，反射體的距離漂移將不會超過大約c/(4*f)＝35mm(c＝光速)，這通常在例如大約200ms的總測量時間中通過手持鏡來獲得。
對頻率的校正值Δf由相對運動Δs來計算為Δf=-f0D0·Δs]]>例如，f0＝2GHz、D0＝10m和Δs＝5mm將產(chǎn)生校正值Δf＝1MHz。
在初步粗略測量過程中和在隨后的重復(fù)確定最小值的過程中也進行相對漂移的補償。對至少兩個不同頻率f0和f1進行最小值的確定。一旦獲得這些值，隨后計算相對距離D也需要一定計算時間，因此，在進行該計算時繼續(xù)監(jiān)測相對位置。一旦知道了該距離，就通過同時更新的距離變化來進行校正，并從此以后作為參考值供該相對距離測量儀2使用。例如，根據(jù)該參考值來設(shè)置該相對距離測量儀2中的計數(shù)器，或者將根據(jù)參考值的恒定偏差加在該距離上。
概括地說，對于不同測量過程的掃描(優(yōu)選是在整個測量過程中)來說，等于該絕對距離的各計算值是通過同時相關(guān)的相對距離的測量值來校正的。
因此，盡管反射體運動，但是本方法原則上就像沒有運動那樣良好且快速地收斂。
在用于確定絕對距離的測量過程之后，所述值傳遞至該相對距離確定裝置，即例如傳遞給干涉儀。然后，該距離值通過干涉儀的測量值來跟蹤甚至很快速的運動(例如超過5m/s)。
在本發(fā)明的還一優(yōu)選實施例中，根據(jù)斐索原理的絕對距離測量儀使用兩個光波長。除了前述780nm激光二極管，例如還使用波長例如低于450nm(“藍色”)的另一激光二極管，該光被耦合到該測量射線中。這樣，兩種對距離的測量通過不同波長來進行，這有利于補償或消除空氣的折射率。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，對輸送和反射返回之間的間隔進行計時，以便確定絕對距離。為了得出用于補償測量誤差的多個該時間(例如通過平均)的值，所述值根據(jù)相對漂移值來校正。圖3表示了絕對距離確定過程獲得的測量值Da的示例序列、同時檢測的一系列相對位置dr的序列以及由不同Da-dr得出的絕對距離Dac的校正序列。在測量光反射運動時至少近似地與目標位置相對應(yīng)的各相對位置值用作校正值dr。
通過平均或積分，該方法可以同樣用于消除一系列絕對值中的噪音。
在本發(fā)明的還一優(yōu)選實施例中，在測量絕對值時對用于校正的距離變化的測量通過以下方式來進行●利用調(diào)制光的相位測量方法；●“線性調(diào)頻脈沖”信號，相干或非相干；或者●絕對值干涉儀。
在所有這些情況中，都要在測量過程中檢測和補償在積分時間期間內(nèi)的距離變化。
參考標號索引1絕對距離測量儀6跟蹤調(diào)節(jié)器2相對距離測量儀7跟蹤鏡3控制單元 8反射體4第一分束器9范圍5第二分束器10 測量裝置
權(quán)利要求
1.一種用于測量絕對距離的方法，該絕對距離對應(yīng)于測量裝置(10)與目標(8)之間的范圍(9)，其中，由絕對距離測量儀(1)來執(zhí)行多個測量步驟，其特征在于，與這些測量步驟至少近似同時地，還由相對距離測量儀(2)測量該測量裝置(10)與目標(8)之間的距離變化，并且在確定該絕對距離的過程中考慮所述距離變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該絕對距離測量儀(1)通過多個采樣步驟而迭代地獲得該絕對距離值，且由該相對距離測量儀(2)來檢測在兩個采樣步驟之間所出現(xiàn)的測量裝置(10)與目標(8)之間的距離變化，并在該兩個采樣步驟中的后一個步驟中將該距離變化加入到該絕對距離測量儀(1)的輸入中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于使用包括多個采樣步驟的迭代方法來測量該絕對距離值，其中，在各采樣步驟中，輸出值(A)由輸入值(fn、fn+1、fn+2、...)來產(chǎn)生并測量，該輸出值(A)取決于該輸入值(fn、fn+1、fn+2、...)和該距離，其中，在一個采樣步驟和下一個采樣步驟之間出現(xiàn)的各距離變化被測量并用于在確定隨后的采樣步驟的輸入值(fn+1、fn+2、fn+3、...)的過程中補償該距離變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于測量該絕對距離值的方法是斐索方法，該輸入值(fn、fn+1、fn+2、...)是影響投射和返回射線的調(diào)制頻率，該輸出值是調(diào)制返回射線的亮度(A)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于根據(jù)該迭代方法從理論上所確定的迭代步驟的頻率fntheor將以以下方式根據(jù)測量距離變化Δs來校正，以便確定實際使用頻率fnfn＝fntheor+Δf其中Δf=-f0D0·Δs]]>且f0是測量頻率或基本調(diào)制頻率，而D0是粗略距離，即該待測距離的臨時近似值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它包括以下步驟測量一系列絕對距離值；測量一系列至少近似同時的相對距離值；通過該相應(yīng)的至少近似同時的相對距離值來校正各絕對距離值，以便形成一系列經(jīng)校正的絕對距離值；以及計算該一系列經(jīng)校正的絕對距離值，以便確定一代表性絕對距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該計算包括平均、積分或其它類型的過濾。
8.一種用于測量絕對距離的測量裝置(10)，包括用于確定絕對距離的絕對距離測量儀(1)，該絕對距離對應(yīng)于該測量裝置(10)與目標(8)之間的范圍(9)，其特征在于該測量裝置(10)包括用于確定該測量裝置(10)與目標(8)之間的距離變化的相對距離測量儀(2)，該絕對距離測量儀(1)設(shè)計成執(zhí)行多個單獨的測量步驟，且該測量裝置(10)包括在由絕對距離測量儀(1)確定該絕對距離的過程中考慮由相對距離測量儀(2)所檢測的距離變化的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置(10)，其特征在于該測量裝置包括執(zhí)行包括多個采樣步驟的迭代方法的裝置(1)，其中，在各采樣步驟中，輸出值可由輸入值來測量，該輸出值取決于該輸入值和該距離，其中，用于確定相對距離的裝置(2)設(shè)計成確定在一個采樣步驟和下一個采樣步驟之間出現(xiàn)的距離變化，且該測量裝置(10)包括用于在確定隨后的采樣步驟的輸入值的過程中補償該距離變化的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量裝置(10)，其特征在于該測量裝置包括用于測量一系列絕對距離值的裝置(1)、用于測量一系列至少近似同時的相對距離值的裝置、用于通過該相應(yīng)的至少近似同時的相對距離值來校正各絕對距離值以便形成一系列經(jīng)校正的絕對距離值的裝置、以及用于計算該一系列經(jīng)校正絕對距離值以便確定一代表性絕對距離的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任意一項所述的測量裝置(10)，其特征在于該測量裝置包括用于將相對距離值傳遞至用于確定該絕對距離的裝置(1)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量對應(yīng)于在測量裝置(10)與目標(8)之間的范圍(9)的絕對距離的方法和測量裝置(10)，由絕對距離測量裝置(1)在多個測量步驟中對所述絕對距離的進行測量。根據(jù)所述方法，在該測量裝置(10)與目標(8)之間的距離變化也與各測量步驟至少近似同時地通過該相對距離測量裝置(2)來測量，且在確定該絕對距離時考慮所述距離變化。優(yōu)選是，包括多個掃描步驟的迭代方法用于測量絕對距離值，例如根據(jù)斐索方法。在各掃描步驟中，輸出值(A)由輸入值(f
文檔編號G01S17/00GK101076743SQ200580042568
公開日2007年11月21日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者D·邁耶 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司