[发明专利]利用动态脉冲宽度调节的测距方法

说明书

本发明总体上涉及一种用于测量至物体的距离的方法以及一种用于测量至物体的距离的电子测距仪。

对真实世界的物体的数据采集和随后的计算机模型生成是在许多行业中具有利益，并且用于包括建筑、厂房设计、测量、制造质量控制、医疗成像与建设以及制图与地理应用的许多应用。为了获得物体的精确坐标或三维(3D)模型以及该物体在真实世界中所存在的区域，有必要进行精确测量或对构成物体的表面及周边区域的元素进行采样。从历史上看，使用每小时最多数十或数百个样本的速率提供样本的技术来执行这种采样。

诸如利用LIDAR扫描的技术这样的扫描技术中的最新进展已经带来了在约数小时、数分钟或甚至数秒钟内在大的面积上采集物理表面上的数以亿计的点样本的能力。在扫描过程中，扫描装置使用激光束对包含感兴趣的结构的一场景进行扫描，并且由该扫描装置捕捉从该场景反射的光束。扫描装置因此测量了位于场景中可见的表面上的大量的点。每个扫描点在3D空间中在一定测量误差内具有测得的位置，该位置通常相对于扫描仪的本地坐标系统中的点(x，y，z)而被记录成。得到的点的集合通常被称为一个或更多个点云，其中，每个点云可包括位于所扫描的视野中的很多不同表面上的点。

常规的扫描系统不原生地创造点，而是创建具有被转换为x、y和z坐标的相关联的镜角(mirror angle)的范围集合。将这些原本的测量值映射成x、y和z轴坐标的功能取决于如何组装扫描仪，并且对于高精度系统，该功能对每个扫描仪是不同的并且是温度和其它环境条件的函数。通常由被称为校准参数的数的集合来表示扫描仪系统之间的差异。

对于觇标(target)的精确位置的获取，特别是在测量领域中，现今主要使用全站仪。可以由不反射物体或诸如棱镜的反射物体来代表这样的觇标。全站仪是在测量中使用的手动操作的光学仪器。全站仪是电子经纬仪(转镜(transit))、电子测距仪(EDM)及运行在计算机(诸如被称为数据收集器的远程计算机)上的软件的组合。使用全站仪，可以确定从仪器到待测量的点的角度和距离。借助于三角法和三角测量，角度和距离可以用于按绝对值来计算测量点的实际位置(x、y和z或北向、东向和高度)的坐标或仪器相距已知点的位置的坐标。现代的全站仪仪器借助于光电扫描例如被刻蚀在位于所述仪器内的旋转玻璃圆柱体或圆盘上的极精确的数字条形码来测量角度。

随着上述系统使用激光工作并使得能够测量相对远的距离内的物体，当进入执行这样的测量的区域时，对人和动物组织的危害性(尤其对人类的眼睛受到损伤)是相当高的。

鉴于激光安全性，DE 10 2005 027 208描述了一种以根据至物体的距离而降低激光功率或关闭激光的方式控制激光扫描仪的方法。此外，提出了在扫描过程中限定固定的激光功率。以最大激光输出功率开始扫描。如果被测量的最小距离小于所处理的安全距离，则停止扫描，按比例降低激光输出功率并再次开始扫描。这个过程是反复的。如果被测量的距离小于限定的最小激光输出并且是最小的激光输出功率步长的最小安全距离，则取消扫描。

另外，US 2005/0205755提出了一种根据环境影响以自适应的方式控制激光参数的方法。在这种情况下，在近场(near field)中，激光输出功率被降低以适应激光安全限度。根据实施方式，为了保持安全规则，使用两个距离范围–一个距离范围具有有限的激光输出功率，并且另一个距离范围具有全激光功率。激光功率幅度通过光衰减器(例如滤光轮)从20一直到200个振幅步长是可控的。衰减器根据范围或接收信号强度来设置。

根据DE 10 2005 027 208的技术方案，当扫描正在运行的同时，激光功率是固定的，因此保留了在由待测量的不同距离导致的扫描区域上改变的测量性能的缺点。

根据US 2005/0205755的技术方案，为了满足激光安全性，激光功率(特别是幅度)也是可调的，但仍然保留了一个扫描周期内的改变的测量性能的问题。具体地，对于扫描未考虑系统的信噪比，其中，该比值影响测量质量并取决于到物体的距离，因此随着距离而改变。

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于根据激光安全要求和针对距离测量的测量性能来控制激光输出特性的改进方法以及相应的测量装置。

本发明的特定目的在于提供一种改进的激光扫描仪或全站仪，该激光扫描仪或全站仪分别包括用于在觇标的扫描或位置确定时针对人类保证激光安全的功能。

本发明的另一个目的在于提供一种用于控制测量装置以便在扫描和/或觇标的位置确定的同时连续提供针对高质量测量性能的系统设置。