CN100549726C - 用于测量绝对距离的方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量对应于在测量装置(10)与目标(8)之间的范围(9)的绝对距离的方法和测量装置(10)，由绝对距离测量装置(1)在多个测量步骤中对所述绝对距离的进行测量。根据所述方法，在该测量装置(10)与目标(8)之间的距离变化也与各测量步骤至少近似同时地通过该相对距离测量装置(2)来测量，且在确定该绝对距离时考虑所述距离变化。优选是，包括多个扫描步骤的迭代方法用于测量绝对距离值，例如根据斐索方法。在各扫描步骤中，输出值(A)由输入值(f_n、f_n+1、f_n+2、…)来产生并测量，所述输出值(A)取决于该输入值(f_n、f_n+1、f_n+2、…)和该距离。在一个扫描步骤和下一个扫描步骤之间产生的各距离变化被测量并用于在确定随后的采样步骤的输入值(f_n+1、f_n+2、f_n+3、…)的过程中补偿该距离变化。

Description

用于测量绝对距离的方法和测量装置

技术领域

本发明属于距离的光电测量领域。它涉及一种用于测量绝对距离的方法和测量装置。

背景技术

高分辨率距离测量值通过使用用于确定相对距离的仪器(例如激光干涉仪)来获取，其中，准直激光束从测量装置传播至反射目标。该投射射束叠加在测量装置中所接收的反射射束上。当距离变化时，该叠加射束的强度根据两个射线的干涉而变化。由计数器来检测并记录这样的强度变化。该距离变化将根据强度变化数目和激光频率来确定。根据预定参考值(即在开始位置的绝对距离)，也可以确定其它位置的绝对距离。为了测量至运动反射体或运动目标的距离，将测量装置设计为***，即，激光束借助旋转镜而自动跟随目标。测量激光束的仰角和方位角，从而能够以三个维度确定目标位置。根据这种简单的测量原理，即使在目标速度例如达到10m/s时也能够记录位置。

这种确定相对距离的方法的条件是：测量装置和目标之间的射束是不中断的。如果发生了中断，则该距离变化不再被记录，且不能知道测量装置和目标之间的绝对距离。因此，该绝对距离必须通过其它手段来重新确定或校准。在文献DE19542490C1中公开了这样一种绝对距离测量仪和干涉仪的组合。

已知测量绝对距离的各种方法，例如斐索(Fizeau)方法的不同变化形式，它们也在上述DE19542490C1中被引用和说明。为了合适作为干涉仪方法的基值，这样一种距离必须有相似的精度，即，例如在测量距离达到100米时为微米范围。

不过，与测量相对距离不同，以这样的距离和精度来测量绝对距离要求该距离在一定最低限度的测量时间内必须没有变化。因此，目标不能由操作人员人工保持，而是必须布置在用于校准的稳定支承件上，这需要中断测量过程而消耗一定时间。

WO02/084327A2介绍了一种通过激光来测量绝对距离的方法，其中，交替地沿测量光通路和参考光通路引导该射线。测量光通路沿要测量的距离延伸，该参考光通路处于该测量装置内部。这样，测定内部参考光通路的距离变化以补偿漂移以及与温度相关的变化。

在WO00/63645中介绍了通过***来间接确定位置，其中要确定测量装置的参考点的位置。从***不能看见该参考点。测量装置上的向后反射体沿已知轨道运动，该***跟随该向后反射体运动。参考点的位置和方位能够通过该向后反射体的测量位置以及该测量装置的已知几何形状来确定。

发明内容

因此，本发明的目的是发明一种上述类型的用于测量绝对距离的方法和测量装置，它即使在目标运动时也能够精确确定绝对距离。

该目标通过本发明的用于测量绝对距离的方法和测量装置来实现。

距离测量装置包括用于确定绝对距离的装置和用于确定该测量装置与目标之间的相对距离的装置，该距离测量装置通过确定该相对距离的装置来检测在确定该绝对距离的过程中出现的距离变化，并在确定该绝对距离时考虑到这些变化。

这样，在测量该绝对距离(特别目标运动时)的过程中所出现的距离变化可以被补偿。它不再需要使目标保持静止。该目标实际上可以握在操作人员的手中，而基本不需要中断测量过程。

在本发明的优选实施例中，用于确定绝对距离的装置设计成执行迭代方法。换句话说，该方法通过一系列采样步骤而朝着正确的绝对距离测量值前进。在各步骤中，输出值由输入值来确定，该输出值取决于该输入值和该距离。在一个采样步骤和下一个采样步骤之间由于目标和/或测量装置的移动而引起的任何距离变化都通过用于确定相对距离的装置来检测，并用于在为随后的采样步骤确定输入值的过程中补偿该距离变化。

这样，该迭代方法能够不受距离变化干扰地收敛。对同一测量距离应用两种不同的测量方法，并对这两种测量方法进行组合，它们的优点相互补充：绝对值的“较慢”确定和相对值的“较快”确定。

在本发明的优选实施例中，测量绝对距离的方法是斐索(Fizeau)方法。该输入值是作用在发出的和返回的光射束的调制频率，该输出值是该返回的光射束在其调制之后的亮度。

在本发明的另一优选实施例中，装备有用于确定绝对距离的装置，以便确定多个测量值。为了消除噪音，这些测量值通过积分或通过平均来进行过滤。为了补偿在各个测量值之间的距离变化，由用于确定该相对距离的装置来检测各距离变化，同时从过滤之前的测量值中减去该距离变化的同步值。

在本发明的还一优选实施例中，该距离变化的测量值用于通过以下方式来校正该绝对值的测量值：

●利用调制光的相位测量方法；

●“线性调频脉冲”信号，相干或非相干；或者

●绝对值干涉仪。

这里同样地，该原理是：与绝对距离相关的计算值通过同时的相对距离或对应距离变化的测量值来校正。

用于测量绝对距离的测量装置包括：用于确定与测量装置和目标之间的范围相对应的绝对距离的装置、以及用于确定沿该范围的方向的相对距离的装置。用于确定绝对距离的装置设计成执行多个测量步骤，且该测量装置包括当确定绝对距离时考虑距离变化的装置。

在第一优选实施例中，该测量装置包括执行由多个采样步骤构成的迭代方法的装置，其中，取决于输入值和该距离的输出值能够在各采样步骤中由输入值来测量。用于确定相对距离的装置设计成确定在一个采样步骤和下一个采样步骤之间出现的距离变化。该测量装置还包括用于在为随后的采样步骤确定输入值时补偿距离变化的装置。

在第二优选实施例中，该测量装置包括用于测量一系列绝对距离值的装置、用于测量至少近似同时的一系列相对距离值的装置、以及用于通过对应的近似同时的相对距离值来校正各绝对距离值的装置。用于校正的该装置形成一系列经校正的绝对距离值，用于计算的装置由这些经校正的值来确定一代表性绝对距离。该代表性绝对距离例如为加权平均值或通过其它过滤方法获得的值。

用于补偿的前述装置或用于计算的装置能够设计为该用于确定绝对距离的装置的一部分，或者它们可以设计为处理单元的一部分，该处理单元组合绝对距离测量值和相对距离测量值的数据。在第一情况下，该测量装置包括用于将相对距离值传递给用于确定绝对距离的装置的装置。该相对距离值涉及根据任意预定参考位置的任意预定开始值。

在本发明的另一优选实施例中，该测量装置包括用于将测量射束聚焦在目标上的装置，例如如EP0313518A2中所述。这可以用非配合目标进行绝对和相对距离测量。非配合目标是指并不是特别准备的目标或者只装备有简单装置的目标，例如反射箔。

附图说明

下面将结合附图中所示的优选实施例来更详细地介绍本发明的目的，附图中：

图1示意表示了本发明的距离测量装置的结构；

图2是在斐索方法中可能出现的各种变量；以及

图3是在过滤方法中可能出现的变量。

附图中使用的参考标号以及它们的意思将在参考标号索引中概括说明。原则上，在所有附图中，相同参考标号表示相同部件。

具体实施方式

图1表示了本发明的距离测量装置的结构以及根据本发明优选实施例的组合式绝对距离测量的视图。从绝对距离测量仪(absolutedistance meter，ADM)1和从相对距离测量仪(relative distancemeter，IDM)2投射出的光射线由第一分束器来组合，而返回光分别分配给这两个距离测量仪1、2。第一分束器4例如为二色分束器。控制单元3用于与绝对距离测量仪1和相对距离测量仪2交换数据和控制信号。控制单元3将来自相对距离测量仪2的数据传送给该绝对距离测量仪1，和/或组合由这两个测量仪1、2产生的数据或测量距离值。射线从第一分束器4经由第二分束器5到达绕两个轴线旋转的跟踪镜7。跟踪调节器6用位置灵敏二极管(PSD)来检测一部分返回光，并根据光位移来调节该跟踪镜7的位置，使得该光束跟随着反射目标或反射体8而运动。反射体8包括例如三棱镜或反射箔。该测量距离9沿投射光束和反射光束在测量装置10中的预定参考零点与反射体8之间延伸。

该测量装置10还包括现有技术中已知的其它电装置和光装置，例如用于检测和准直射线。为了简明起见，它们并没有在图中表示。在本发明的优选实施例中，该测量装置10或其各部分集成在机动经纬仪(theodolite)的支承件中或集成在测量柱中。当为经纬仪时，将没有跟踪镜7。

优选是，该相对距离测量仪2为干涉仪。为了通过干涉仪来确定相对位置，它包括增减计数器，该计数器记录反射***移的瞬时值。每次目标沿测量方向移动光波长的一半时，根据位移的方向而增加或缩减计数脉冲。当例如为氦氖激光时，这将每0.32微米进行一次。该计数可以在任意时间被选取和储存。在两个相关选取之间由于两个不同计数而能够将相对运动dL确定为：

$\mathrm{dL}=\mathrm{dM}\·\mathrm{lambda}\·\frac{n}{2},$

其中：

dM＝两个计数值之间的差异；

lambda＝所使用的光的波长；

n＝介质(通常为空气)的相位折射率。

随后，例如测量距离可以为0.1至50m，目标速度可以达到或超过10m/s，分辨率可以为0.3至2.4微米，且精度为大约±0.3ppm。

优选是，该绝对距离测量仪1是根据斐索原理的距离测量仪。该测量光束由相同调制器进行两次调制；一次是在进入要测量范围的点处调制为发射射线，另一次是在出口点处调制为返回射束或接收射线。在调制过程中，例如要调制光的偏振和/或强度和/或频率。

因此，在第二次调制或反向调制之后，照明度作为反射体距离和调制频率的函数而周期性变化：例如，在调制频率成线性变化的过程中且在固定距离处，在解调器出口处交替产生照明度A的低点和高点，如图2中所示。该照明度A通过光电二极管来测量。最小照明度的点在频率上以df＝c/2D的频率间隔分布，其中，c是光速，D是要测量的距离。通过变化频率f来检测这些最小点中的至少两个(在f₁和f₀处)。由此，该距离由以下公式来确定：

$D=\mathrm{Round}\left(\frac{f_0}{|f_0-f_1}\right)\·\frac{c_0}{2f_0{n}_g}+\mathrm{Add}$

其中，函数Round()是向上取整数，且：

D＝绝对距离

f₀、f₁＝最小值的频率

n_g＝群折射率

c₀＝真空中的光速

Add＝附加常数

为了准确确定该最小值，光调制频率f优选是也被频率调制的：例如，在频段在2与2.3GHz之间的基频f上进行范围约500kHz的20kHz正弦频率调制(FM)。由此，由光电二极管所检测到的信号产生一阶导数，且在没有FM调制的信号最小点处发生该FM调制信号的零交叉。这样一种零交叉比最小值更容易检测。确定该输入信号在预定基频处的幅值(有或没有附加FM调制)将在下文中称为采样。

如上所述，需要至少两个最小值(即解调信号的两个相邻零通道)来用相关频率f₀和f₁确定该绝对距离。通过改变该基频来迭代地确定这些零点。在各迭代步骤中调节频率步长，以便尽可能快地通向该所需的零通道，且最后的步长根据最大所需分辨率(例如1ppm)来确定。这形成通向零通道或最小频率f₀、f₁、...的频率步长的时间最优采样序列。

这样，对于静止目标，例如在1至100m的测量距离内可以有大约1微米的分辨率以及小于±25微米的精确度。对于第一次确定距离所用的测量时间为例如200毫秒。通过随后在零点处重复测量，可以每秒确定大约10个值。在前述DE19542490C1中介绍了用于该距离测量的各种设备和方法。该绝对距离测量仪可以集成在干涉仪的射束路径中，使得两种测量方法都用来自相同光源的光来工作，或者这两个***以各自的光波长来工作，如图1中所示。例如，该干涉仪使用氦氖激光，而该绝对距离测量仪使用780nm激光二极管。

频率步长在接近零交叉时长度减小，这对应于不断缩短要测量距离的步长。由于该迭代逼近需要一定量的时间，现有技术主张在该时期中该距离不会变化，否则该迭代将在错误位置继续进行，且对距离变化的迭代通常不会跟随得足够快。

在所述迭代之前和之后也有相同问题：例如预先通过在预定带宽内采样多个输入值来进行距离的粗略测量，如下面所述。在第一次确定最小值后，这优选是重复多次，以便从这些结果来确定一平均值作为零通道频率f₀、f₁。总共需要例如20次扫描用于粗略测量、大约20次扫描用于迭代、以及10次扫描用于对最小值的重复检测，每次扫描1ms时，这意味着持续时间为50ms。

因此，相对距离变化的确定(例如通过干涉仪方法)与各次扫描同时进行，尤其是与迭代过程中的各次扫描同时进行。根据这样测量的相对运动，新的迭代步骤在上次扫描与该新一次扫描之间进行校正。

因此，在新的测量过程中，对距离进行粗略测量，以确定测量开始时的绝对距离。为此，零点间距变成f₀-f₁，且该粗略距离确定如下：

$D_0=\frac{c_0}{2\·|f_0-f_1|\·n_g}$

在随后的迭代中，各步骤的校正通过该值来校准。该粗略测量可以是在调制器的调制带宽上的扫描，即在调制带宽中确定多个扫描值。在f_a＝2Ghz至f_b＝2.25Ghz的基频中，调制带宽例如为250Mhz。在该扫描过程中，反射体的距离漂移将不会超过大约c/(4*f)＝35mm(c＝光速)，这通常在例如大约200ms的总测量时间中通过手持镜来获得。

对频率的校正值Δf由相对运动Δs来计算为

$\mathrm{\Δf}=-\frac{f_0}{D_0}\·\mathrm{\Δs}$

例如，f₀＝2GHz、D₀＝10m和Δs＝5mm将产生校正值Δf＝1MHz。

在初步粗略测量过程中和在随后的重复确定最小值的过程中也进行相对漂移的补偿。对至少两个不同频率f₀和f₁进行最小值的确定。一旦获得这些值，随后计算相对距离D也需要一定计算时间，因此，在进行该计算时继续监测相对位置。一旦知道了该距离，就通过同时更新的距离变化来进行校正，并从此以后作为参考值供该相对距离测量仪2使用。例如，根据该参考值来设置该相对距离测量仪2中的计数器，或者将根据参考值的恒定偏差加在该距离上。

概括地说，对于不同测量过程的扫描(优选是在整个测量过程中)来说，等于该绝对距离的各计算值是通过同时相关的相对距离的测量值来校正的。

因此，尽管反射体运动，但是本方法原则上就像没有运动那样良好且快速地收敛。

在用于确定绝对距离的测量过程之后，所述值传递至该相对距离确定装置，即例如传递给干涉仪。然后，该距离值通过干涉仪的测量值来跟踪甚至很快速的运动(例如超过5m/s)。

在本发明的还一优选实施例中，根据斐索原理的绝对距离测量仪使用两个光波长。除了前述780nm激光二极管，例如还使用波长例如低于450nm(“蓝色”)的另一激光二极管，该光被耦合到该测量射线中。这样，两种对距离的测量通过不同波长来进行，这有利于补偿或消除空气的折射率。

在本发明的另一优选实施例中，对输送和反射返回之间的间隔进行计时，以便确定绝对距离。为了得出用于补偿测量误差的多个该时间(例如通过平均)的值，所述值根据相对漂移值来校正。图3表示了绝对距离确定过程获得的测量值Da的示例序列、同时检测的一系列相对位置dr的序列以及由不同Da-dr得出的绝对距离Dac的校正序列。在测量光反射运动时至少近似地与目标位置相对应的各相对位置值用作校正值dr。

通过平均或积分，该方法可以同样用于消除一系列绝对值中的噪音。

在本发明的还一优选实施例中，在测量绝对值时对用于校正的距离变化的测量通过以下方式来进行：

●利用调制光的相位测量方法；

●“线性调频脉冲”信号，相干或非相干；或者

●绝对值干涉仪。

在所有这些情况中，都要在测量过程中检测和补偿在积分时间期间内的距离变化。

参考标号索引

1    绝对距离测量仪   6    跟踪调节器

2    相对距离测量仪   7    跟踪镜

3    控制单元         8    反射体

4    第一分束器       9    范围

5    第二分束器       10   测量装置

Claims (9)

1.一种用于测量绝对距离的方法，该绝对距离对应于测量装置(10)与目标(8)之间的范围(9)，其中，由绝对距离测量仪(1)来执行多个测量步骤，以测量该绝对距离，其特征在于，与这些测量步骤至少近似同时地，由相对距离测量仪(2)测量该测量装置(10)与该目标(8)之间的距离变化作为目标位移的瞬时值，并且在确定该绝对距离的过程中考虑所述距离变化，这种考虑的方法是：该绝对距离测量仪(1)通过多个采样步骤而迭代地获得该绝对距离值，且由该相对距离测量仪(2)来检测在两个采样步骤之间所出现的测量装置(10)与目标(8)之间的距离变化，并在该两个采样步骤中的后一个步骤中将该距离变化加入到对该绝对距离测量仪(1)的控制中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使用包括多个采样步骤的迭代方法来测量该绝对距离值，其中，在各采样步骤中，输出值(A)由输入值(f_n、f_n+1、f_n+2、...)来产生并测量，该输入值(f_n、f_n+1、f_n+2、...)是作用在发出射线和返回射线上的调制频率，该输出值(A)是经调制的返回射线的强度(A)且取决于输入值(f_n、f_n+1、f_n+2、...)以及该绝对距离，其中，在一个采样步骤和下一个采样步骤之间出现的各距离变化被测量并用于在确定随后的采样步骤的输入值(f_n+1、f_n+2、f_n+3、...)的过程中补偿该距离变化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：根据该迭代方法从理论上所确定的迭代步骤的频率f_ntheor将以以下方式根据测量距离变化Δs来校正，以便确定实际使用频率f_n：

f_n＝f_ntheor+Δf

其中：

$\mathrm{\Δf}=-\frac{f_0}{D_0}\·\mathrm{\Δs}$

且f₀是测量频率或基本调制频率，而D₀是粗略距离，即该待测距离的临时近似值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

测量一系列绝对距离值；

测量一系列至少近似同时的相对距离值；

通过该相应的至少近似同时的相对距离值来校正各绝对距离值，以便形成一系列经校正的绝对距离值；以及

计算该一系列经校正的绝对距离值，以便确定一代表性绝对距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：该计算包括平均、积分或其它类型的过滤。

6.一种用于测量绝对距离的测量装置(10)，包括用于确定绝对距离的绝对距离测量仪(1)，该绝对距离对应于该测量装置(10)与目标(8)之间的范围(9)，其特征在于：该测量装置(10)包括用于确定该测量装置(10)与目标(8)之间的距离变化的相对距离测量仪(2)，该距离变化作为该目标的位移的瞬时值，该绝对距离测量仪(1)设计成通过多个测量步骤来迭代产生该绝对距离值，且该测量装置(10)包括一装置，该装置在两个采样步骤中的后一个步骤中在由绝对距离测量仪(1)确定该绝对距离的过程中考虑在这两个采样步骤之间出现并由该相对距离测量仪(2)所确定的该测量装置(10)与目标(8)之间的距离变化。

7.根据权利要求6所述的测量装置(10)，其特征在于：该测量装置包括执行包括多个采样步骤的迭代斐索方法的装置(1)，其中，在各采样步骤过程中，输出值(A)可由输入值来测量，该输入值是作用在发出射线和返回射线上的调制频率，该输出值是经调制的返回射线的强度(A)且取决于该输入值和该绝对距离，并且，用于确定该相对距离的装置(2)设计成确定在一个采样步骤和下一个采样步骤之间出现的距离变化，且该测量装置(10)包括用于在确定随后的采样步骤的输入值的过程中补偿该距离变化的装置。

8.根据权利要求6所述的测量装置(10)，其特征在于：该测量装置包括用于测量一系列绝对距离值的装置(1)、用于测量一系列至少近似同时的相对距离值的装置、用于通过该相应的至少近似同时的相对距离值来校正各绝对距离值以便形成一系列经校正的绝对距离值的装置、以及用于计算该一系列经校正绝对距离值以便确定一代表性绝对距离的装置。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的测量装置(10)，其特征在于：该测量装置包括用于将相对距离值传递至用于确定该绝对距离的装置(1)的装置。

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