[发明专利]距离测量装置

说明书

技术领域

本发明总体涉及测距应用中的电子距离测量。具体而言，本发明涉及距离测量装置和包括该距离测量装置的测勘仪器(surveying instrument)。

背景技术

测勘或测距技术涉及利用角度和距离的测量来确定对象的未知位置、表面或体积。为了进行这些测量，光学测勘仪器或测地仪器通常包括一个电子距离测量(EDM)装置，该装置可被结合到所谓的全站仪或扫描仪中。距离测量全站仪结合有电子部件和光学部件，并且通常还设置有一个带有可写信息的计算机或控制单元，用于控制待被执行的测量以及用于存储在测量过程中获得的数据。优选地，全站仪计算目标在固定的地面坐标系(fixed ground-based coordinate system)中的位置。可在例如本申请人的WO 2004/057269中找到对这种全站仪的更详细描述。

在常规的EDM中，光束被以光脉冲的形式朝向目标发射，接下来被该目标反射的光在光学仪器诸如全站仪处被检测。借助例如飞行时间(TOF)或相位调制技术，处理所检测到的信号使得能够确定离目标的距离。使用TOF技术，测量光脉冲从测勘仪器(EDM装置)行进到目标、在目标处被反射并返回所述测勘仪器(EDM装置)的飞行时间，基于该飞行时间可计算所述距离。所接收的信号的功率损耗确定最大可能距离。利用相位调制技术，将以不同频率调制的光从所述测勘仪器发射至目标，由此检测被反射的光脉冲，基于所发射的脉冲和所接收的脉冲之间的相位差来计算所述距离。

在常规的扫描仪中，利用光束控制功能可将光束导向在所述目标的表面处的多个感兴趣的位置上。光脉冲被朝向每一个感兴趣的位置发射，检测从这些位置中的每一个反射的光脉冲，从而确定离这些位置中的每一个的距离。例如，使用LIDAR(光探测和测距)扫描仪或工业用扫描仪，可测量散射光的特性以确定远距离目标的距离和/或其他信息。通常，使用诸如上述的激光脉冲或相位调制技术，确定离对象或表面的距离。

代表被反射的光脉冲——即返回信号(return signal)——的检测信号可具有宽的动态范围。换言之，返回信号的强度或功率(或振幅)可从一个位置到另一个位置显著变化。返回信号的强度的变化可通过例如目标的表面处的不同位置之间的反射率差异和/或目标的表面状况的差异来解释。从而，因为测量装置在处理宽动态范围方面的困难，基于具有过高或过低功率的返回信号确定的距离有可能是不准确的。检测信号例如可能是饱和的或经受过量噪声或干扰。

从而，在测量装置诸如EDM装置或扫描仪的读出电子装置(即，用于记录被反射的光脉冲的部件)的输入处的返回信号的振幅必须受限，以避免读出电子装置的饱和。例如，高速A/D转换器的动态范围通常被限制至约25dB，而在测量装置处检测到的信号的振幅的变化可能高相当多，例如，约60dB-100dB或更高。

在一些常规的测量装置中，返回信号的宽动态范围的问题是通过忽略如下测量解决的：对于所述测量，返回信号的强度位于第一阈值以上或位于第二阈值以下。然而，这种方法暗含对无效测量的不必要处理。通常用在所谓的“上升沿”测量中的另一种方法是接受由于大的动态范围而导致的某一距离测量误差——走误差(walking error)，或设法补偿该误差，这在一定程度上是可行的。又一种方法是对于感兴趣的目标位置中的每一个都执行两步测量。在第一步中，第一光脉冲或一系列光脉冲被朝向目标发射，检测被反射的光脉冲并通过读出电子装置对其进行处理，以为在相应位置处的测量确定合适的增益。一般，在第一步中，如果认为返回信号的振幅低(在预定阈值以下)，则增益被设置为大于1的值。如果认为返回信号的振幅高(在预定阈值以上)，则增益被设置为小于1的值。接下来，在第二步中，第二光脉冲被朝向所述目标发射，检测被反射的光脉冲并使用第一步中设置的增益将其放大。然后处理放大的信号，以确定离目标的距离。这样，对于感兴趣的位置中的每一个，可使用合适的增益测量距离。然而，该方法提供有限的测量速度，从而降低了总体效率。

此外，意在允许在读出电子装置的输入处检测到的脉冲或信号的高动态范围的常规测量装置，通常都具有高成本，因为需要高级的定制设计的部件。此外，这样的高动态范围的常规装置通常不能提供快速的响应时间(例如，1ns数量级的或更短的响应时间)，而快速的响应时间对于高效执行高速EDM或扫描(例如，具有使得能够进行准确的单次(single shot)测量的高速)可能是必要的。

上述的测量装置在处理宽动态范围方面的困难与许多应用相关，这些应用中的一些应用已在上文提到，但对于雷达应用等来说也是有关的。