Die Erfindung betrifft eine Vermessungseinrichtung mit Theodolit und Entfernungsmesser zur koordinatenmässigen Bestimmung eines Zielpunktes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus DE 3 407 588 ist ein Gerät mit einem um eine Horizontal- und eine Vertikalachse drehbaren Messkopf bekannt. Im Messkopf dieses Gerätes sind zwei optische Sender und ein damit ausgerichteter optischer Empfänger angebracht. Beide Sender senden alternierend eine Lichtimpulsfolge und führen dabei periodische mechanische Schwingungen in einer quer zur Senderachse stehenden Ebene aus. Ein Sender schwingt horizontal, der andere vertikal. Beim Empfang eines von den Lichtimpulsen an einem Zielreflektor hervorgerufenen Lichtechos im Empfänger wird die Auslenkung desjenigen Senders, der diesen Lichtimpuls ausgesendet hat, von seiner Nullage gemessen und in eine Stellgrösse für eine Verstellung des Messkopfes um seine Vertikal- bzw. Horizontalachse umgesetzt. Die Vorrichtung dient der automatischen Verfolgung von sich langsam bewegenden Objekten, in erster Linie von fahrenden Schiffen.
Eine Übertragung dieses bekannten Messprinzips auf eine Vermessungseinrichtung zur Bestimmung räumlicher Zielkoordinaten für die Erfüllung von Vermessungsaufgaben innerhalb eines Zielpunktnetzes würde wenig zuverlässige Einzelmessungen ergeben und damit für Absolutmessungen der geforderten Winkelgenauigkeit ungeeignet sein. Das bekannte Verfahren mag für die fortlaufende Zielverfolgung geeignet sein, bei der sich der gleiche Zielpunkt kontinuierlich und ausserdem relativ langsam bewegt. Die in diesem Vorgehen enthaltene Redundanz liefert für eine reine Verfolgungsmessung genügend genaue Messergebnisse. Im vorliegenden Fall geht es jedoch darum, unterschiedliche Zielpunkte nicht nur zu erfassen, sondern mit hoher Zuverlässigkeit koordinatenmässig zu bestimmen und diese Ortsbestimmungen in ein dreidimensionales Gesamtnetz einzufügen. Dabei sollen die Messergebnisse kurzzeitig vorliegen.
Die gesamte Vermessungseinrichtung soll automatisch, d.h. programmgesteuert, betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vermessungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Vorteil dieser Einrichtung liegt hauptsächlich in der Möglichkeit einer automatischen Zielpunktsuche innerhalb der Vermessungs-Gesamtaufgabe, einer besonders geringen Sendeleistung, so dass der Schutz des Bedienungspersonals gewährleistet ist, sowie trotz einer geringen Sendeleistung in einer ausserordentlich guten Unterdrückung des Hintergrundrauschens. Die empfangsseitige Signalauswertung liefert somit Messergebnisse mit einer hohen Zuverlässigkeit.
Der Aufbau des Gerätes ist einfach. Es liefert Zielkoordinaten mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung der Zielabmessung. Die Messeinrichtung lässt sich besonders einfach modulartig mit weiteren Messeinrichtungen kombinieren, z.B. mit einer Zusatzeinrichtung für höhere Messpunktauflösung, wobei die Art der Signalverarbeitung eine einfache Übergabe der mit der beschriebenen Einrichtung gewonnenen Messsignale an andere Gerätemodule sowie eine einfache Gerätesteuerung erlaubt. Die beschriebene Einrichtung dient im Rahmen der Vermessungs-Gesamtaufgabe in erster Linie als Gerät zur koordinatenmässigen Grobdetektion, während hier nicht beschriebene Zusatzmodule eine Feindetektion übernehmen.
Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Vermessungseinrichtung gemäss dieser Beschreibung,
Fig. 2 die schematische Darstellung der Verbindung zwischen Baugruppen des Messgerätes 1 gemäss Fig. 1,
Fig. 3 die Erläuterung des Sendeprinzips für den Sendeteil im Messgerät 1 nach Fig. 1,
Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung des Empfängerteils im Messgerät 1,
Fig. 5 die prinzipielle Darstellung einer Grobdetektion mit der beschriebenen Einrichtung,
Fig. 6 das Prinzip einer Einrichtung für die Grobdetektion in vertikaler Richtung,
Fig. 7 das Beispiel eines Zielreflektors,
Fig. 8 ein weiteres Beispiel einer Empfängereinrichtung mit einem Objektiv für sehr grossen Bildwinkel und
Fig.
9-13 weitere Ausführungsbeispiele für geeignete Objektive in einem Empfängerteil nach Fig. 8.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Bestandteile der Vermessungseinrichtung, nämlich eine als Basisstation bezeichnete Messstation 1, bestehend aus einem Theodoliten mit kombiniertem Entfernungsmesser zur Messung von Azimut, Elevation und Distanz. Am Gehäuse 7 der Messstation 1 ist ein drehbarer Messkopf 5 mit einem Sende-und Empfangskopf 8 angebracht. Das komplette Gerät steht auf einem Stativ 6.
Ferner sind an mehreren Zielpunkten Zielpunktgeräte 2 aufgestellt, die im Beispiel aus einer Messlatte 11 mit aufgesetztem Strahlungsreflektor 10 bestehen. Die Zielpunktgeräte 2 können beweglich oder stationär sein. Von stationären, z.B. fest installierten, Zielpunktgeräten sind auch Referenzmessungen zu weiteren Zielpunkten möglich.
Mit der Messstation 1 ist eine Datenstation 3 verbunden, wobei die Verbindung über eine Datenübertragungseinrichtung 4 erfolgen kann. Alternativ kann die Datenstation 3 auch direkt an der Messstation 1 angeordnet oder mit dieser verbunden sein. Die Datenstation 3 enthält mindestens einen Steuerrechner oder zusätzlich einen Rechner zur Verarbeitung der Messdaten sowie Ein- und Ausgabeeinrichtungen. Vorzugs weise ist die Datenstation mit einer Schnittstelle zur Verbindung mit anderen Datenverarbeitungseinrichtungen versehen.
Aufgabe der gesamten Messeinrichtung ist es, die dreidimensionalen Koordinaten der Zielpunkte an den Positionen der Zielpunktgeräte relativ zur Messstation 1 zu ermitteln, um sie in ein Gesamt-Koordinatennetz übertragen zu können.
Anhand von Figur 2 werden im folgenden Einzelheiten sowie die Arbeitsweise der Messstation 1 beschrieben. Der Messkopf 5 ist in der horizontalen Ebene schwenkbar, wobei seine Lage von einem horizontalen Teilkreis 16 mit Hilfe einer Ableseeinrichtung, z.B. einer photoelektrischen Vorrichtung mit einer Lichtquelle 17 und einem Photoelement 18, erfasst wird. Diese Positionsdaten über die Lage des Messkopfes 5 werden über eine Leitung 19 an den Computer 15 weitergeleitet. Über eine Leitung 21 werden entsprechende Nachführsignale über einen Motorverstärker 22 an einen Stellantrieb 23 gegeben, der z.B. aus einem Schrittschaltmotor bestehen kann. Der Stellantrieb 23 dient zur Positionierung des Messkopfes 5 in der horizontalen Ebene. Er stellt damit den Azimutantrieb dar. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet ein Elevationsantrieb, der in Figur 2 nicht dargestellt ist.
Durch ihn ist der Sende-Empfangskopf 8 in der vertikalen Ebene bewegbar.
Der Sende-Empfangskopf 8 enthält einen elektronischen Theodoliten 13 und einen Entfernungsmesser 14. Unter Einfluss eines Steuerungsprogramms im Computer 15 wird der Sende-Empfangskopf 8 so lange in der horizontalen und vertikalen Ebene bewegt, bis der Sendestrahl S auf ein Zielpunktgerät 2 trifft und der von diesem reflektierte Strahl vom Empfangsteil des Theodoliten 13 detektiert wird. Das empfangene Signal wird über eine Leitung 25 und einen Empfangsverstärker 26 dem Computer 15 zugeleitet. Dort werden die empfangenen Signale mit den Nachführwerten für Azimut und Elevation aus der Positionssteuerung des Sende-Empfangskopfes 8 in Beziehung gebracht. Schliesslich werden daraus die gewünschten Messwerte abgeleitet.
Zur Vervollständigung der Positionssteuerung für den Sende-Empfangskopf 8 ist in Figur 2 ein Verbindungspfad 27 zwischen den Leitungen 21 und 25 angedeutet, der zur Übertragung von Stoppimpulsen dient, sobald ein zugelassenes Empfangssignal festgestellt wurde.
Vom Entfernungsmesser 14 wird nun die Distanz zwischen dem Messkopf 5 und dem angepeilten Zielpunktgerät 2 erfasst. Die gewonnenen Daten werden ebenfalls über Leitung 25 an den Computer 15 übermittelt.
In Figur 3 sind die wesentlichen Elemente des Sendeteils aus dem Sende-Empfangskopf 8 dargestellt. Der Sendeteil enthält eine Lichtquelle, im Beispiel eine Laser-Lichtquelle 30 zur Aussendung eines stark gebündelten Strahls. Der Lichtstrahl passiert eine anamorphotische Optik 29, welche eine starke Auffächerung des Lichtstrahls in einer Richtung, in diesem Fall in vertikaler Richtung bewirkt. In horizontaler Richtung behält der Lichtstrahl seine ursprüngliche Fächerbreite im wesentlichen bei. Das Auffächerungsverhältnis beträgt im Beispiel 1:20. Der entsprechende Fächer 24 ist aus der perspektivischen Darstellung in Fig. 3 zu erkennen.
Die wirksame Fläche 31 der Laserlichtquelle 30, wie sie vom angepeilten Zielpunkt 2 aus gesehen wird, ist in Figur 3 in einem Bild 28 gezeigt. Die Fläche 31 hat die Form eines hochkant gestellten Rechtecks. Des weiteren sind in Figur 3 das vom Fächer 24 erfassbare Nahfeld 33 sowie das Fernfeld 34 angedeutet, welche die äusseren Begrenzungen für eine sichere Zielpunkterkennung darstellen. Das Nahfeld 33 ist im dargestellten Beispiel etwa 3 m von der Optik 29 entfernt, während die Distanz zwischen dem Nahfeld 33 und dem Fernfeld 34 im Beispiel etwa 300 m beträgt. Der Pfeil H deutet die Möglichkeit einer horizontalen Schwenkbewegung des Sende-Empfangskopfes 8 an.
In Figur 4 sind die wesentlichen Bestandteile des Empfängerteils vom Sende-Empfangskopf 8 gezeigt. Sie dienen der Detektion eines vom Zielpunktgerät 2 reflektierten Strahls 36. Der Empfänger ist mit einer Empfangsoptik 35 versehen. Zwischen dieser und einem optoelektrischen Wandler 32 befindet sich in der Bildfeldebene eine Schlitzblende 37. Ihre Aufgabe besteht darin, aus dem empfangenen Lichtstrahl 36 Hintergrundlicht auszuschalten. Aus dem Bild der Stirnfläche 38 des Wandlers 32 ist ersichtlich, dass der auf dieser Fläche erscheinende Lichtfleck 39 die Kontur der \ffnung 43 in der Blende 37 aufweist. Die Form der \ffnung 43 in der Blende 37 ist an die Form der reflektierenden Fläche des Zielpunktgerätes 2 angepasst.
Sobald dieser Lichtfleck 39 auf dem Wandler 32 erscheint, bedeutet dies für eine dem Computer 15 zugeord nete Erkennungsschaltung, dass ein Zielpunktgerät 2 durch Bewegung des Sende-Empfangskopfes 8 in der horizontalen Ebene angezielt worden ist.
Figur 5 zeigt als Beispiel eine stark vereinfachte Anordnung für die grobe koordinatenmässige Bestimmung eines Zielpunktgerätes 2 mit der Lichtquelle 30 und dem Wandler 32, welche den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 3 und 4 entsprechen. Auf der optischen Achse dieser Anordnung liegen der optoelektrische Wandler 32 sowie ein optisches System, welches die anamorphotische Senderoptik 29 und die Empfangsoptik 35 umfasst. Die Senderoptik 29 befindet sich im axialen Bereich der Empfangsoptik 35, welche ebenfalls als anamorphotische Optik ausgebildet ist. Zwischen den optischen Elementen 29, 35 und dem Wandler 32 befindet sich ein halbdurchlässiger Spiegel 46 unter einem Winkel von ca. 45 Grad zur optischen Achse der Anordnung. Auf die Spiegelfläche ist der Strahl der Lichtquelle 30 gerichtet.
Der Sendefächer 24 der Lichtquelle 30 wird durch den Spiegel 46 zum Sendeanamorphot 29 umgelenkt, passiert diesen und gelangt in den Bereich der Objektebene 45. Hier wird der Sendestrahl 24 vom Zielpunktgerät 2 reflektiert und zum Sende-Empfangskopf 8 als Empfangsstrahl 36 zurückgeworfen. Im Sende-Empfangskopf 8 passiert der Strahl 36 den Empfangsanamorphot 35 und gelangt zum Wandler 32, wo er für die weitere Auswertung in elektrische Signale umgesetzt wird.
Ausser dem beschriebenen Teil für die Horizontaldetektion weist der Empfangsteil des Sende-Empfangskopfes 8 einen Vertikaldetektor auf, welcher ähnlich aufgebaut sein kann. Fig. 6 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Zur Bildung des Sendefächers, der die Form des Objektfeldes 45 bestimmt, dient der bereits besprochene Sender gemäss Figur 3. Wird dieser Sender um 90 Grad gedreht, ist der Sendefächer 24 und damit das Objektfeld gemäss Fig. 6 liegend. Im Unterschied zum Beispiel nach Figur 4 wird der horizontale Fächer gemäss Fig. 6 in vertikaler Richtung geschwenkt. Dies hat zur Folge, dass die viereckige \ffnung 43 in der Blende 37 des Empfängers gegenüber der Ausbildung nach Fig. 4 um 90 Grad gedreht angeordnet ist.
Diese Anordnung zur vertikalen Detektion wird sonst gleich eingesetzt wie die zuvor beschriebenen Anordnungen für die horizontale Grobdetektion gemäss den Figuren 3 und 4. Auch der vertikale Detektor 6 ist im Sende-Empfangskopf 8 eingesetzt. Damit lassen sich Zielpunktgeräte 2 nicht nur in horizontaler Ebene bezüglich des Azimuts orten, sondern auch hinsichtlich des Höhenwinkels.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt für ein strahlauffächerndes Objektiv. Es handelt sich um ein Fischauge-Objektiv, welches im vorliegenden Fall mit einem optoelektrischen Wandler kombiniert ist, der aus einem photoelektrischen Array besteht. Der Detektor 60 enthält in einer Ebene 62 das Array 63, welches aus ringförmig um ein Zentrum 64 angeordneten lichtempfindlichen Elementen besteht. Aus der bekannten Lage jedes der lichtelektrischen Elemente auf dem Array 63 lässt sich mit einer angeschlossenen Auswerteschaltung die Lage von Lichtsignalen auf dem Array ermitteln. Über dem Array und parallel dazu befindet sich das Fischauge-Objektiv 65.
Das von einem Zielpunktgerät 2 kommende Licht wird vom Objektiv 65 auf das Array 63 projiziert, wie dies durch die Strahlen 69 angedeutet ist. Der Azimutwinkel alpha des Messpunktes vom Zielpunktgerät 2 relativ zur Messstation 1 liegt auf dem Array zwischen einer Bezugslinie 76 und einer Linie, welche durch die Mitte 64 des Arrays 63 und durch den von der Laserlichtquelle 30 erzeugten Lichtfleck 70 auf dem Array 63 hindurchgeht. Die Bezugslinie geht durch das Zentrum 64 des Arrays 63 sowie durch einen Bezugspunkt ausserhalb der Messstation 1, auf den man sich vor Beginn der Messung eingemessen hat. Der Wert für den Winkel alpha wird in der angeschlossenen Auswerteschaltung bzw. im Computer 15 anhand der vom Array 63 gelieferten Signale errechnet.
Die Entfernung R des Lichtflecks 70 vom Zentrum 64 des Arrays 63 liefert die Elevation beta des Zielpunktgerätes 2 in bezug auf die Messstation 1. Auch dieser Wert wird durch Auswertung des beleuchteten Musters auf dem Array 63 in nachgeschalteten Auswerteschaltungen gewonnen.
Gemäss Fig. 9 kann das Objektiv 65 auch als Halbkugel ausgebildet sein. Es kann auch nach Fig. 10 als ein Torus oder nach Fig. 11 als Konus oder nach Fig. 12 als Zylinder ausgeführt sein, dessen Hauptachse vertikal liegt. In der Wand des Zylinders 72 sind Linsen 73 eingebaut, durch welche das empfangene Licht zu zweidimensionalen Arrays 63 gelangt. Nach Fig. 13 kann das Objektiv auch durch eine ge wöhnliche Linse 74 simuliert werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dieser Linse 74 ein eindimensionales Array 75 auf lichtempfindlichen Elementen zuzuordnen. Die Anordnung 74 und 75 ist an einem Bewegungsmechanismus befestigt, der sie in horizontalen und vertikalen Ebenen bewegt. Auf diese Weise kann jede Richtung in bestimmten Zeitabständen abgetastet werden, wobei das Array zur Auswertung geeignete elektrische Signale liefert.
Die eigentliche Positionsbestimmung von Zielpunkten 2 mit Hilfe der Messstation 1 erfolgt automatisch auf die im folgenden beschriebene Weise. Vorzugsweise wird während des Messerfahrens das angezielte Zielpunktgerät 2 gleichzeitig identifiziert. Dadurch lassen sich Gebiete mit im voraus nicht bekannten Messpunkten netzwerkartig erfassen. Der Messvorgang erfolgt in zwei Phasen, einer Horizontal- oder Azimut-Erkennung und einer Vertikalerkennung unter Messung der Elevation. Dieser Grobdetektion kann eine Feindetektion nachgeschaltet werden, die einer hochpräzisen Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten des in der Grobdetektionsphase erfassten Zielpunktgerätes 2 dient. Wie eingangs erwähnt, befasst sich die hier beschriebene Einrichtung mit der Grobdetektion, verbunden mit der Indentifikation des Zielpunktgerätes 2.
Im einzelnen erfolgt die Ansteuerung der Laserdiode 30 derart, dass sie Lichtimpulse von gegebener Zeitdauer und mit einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz erzeugt. Bei einer angenommenen Bereichsgrenze von 300 m beträgt die Laufzeit eines Lichtimpulses vom Sender zum Zielpunktgerät 2 und zurück ca. 2 Mikrosekunden. In praktischen Versuchen hat es sich als zweckmässig erwiesen, für die angegebenen Distanzen Impulslängen von etwa 2 Nanosekunden zu wählen. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Sendeimpulsen wird unter diesen Voraussetzungen mindestens 2 Mikrosekunden betragen. Der Empfänger ist mit dem Sender derart gekoppelt, dass während eines bestimmten Abschnittes innerhalb der genannten Zeitspanne der Empfang gesperrt ist, wodurch Störimpulse, die aus dem Umfeld des Zielpunktgerätes 2 stammen, eliminiert werden.
Vorzugsweise ist diese Sperrzeitspanne im Empfänger entsprechend der gemessenen Distanz zwischen der Messstation 1 und dem Zielpunktgerät 2 einstellbar, so dass eine zweite oder weitere Messungen mit einer nachgeregelten Sperrzeitspanne durchgeführt werden können, wenn bei einer ersten Messung Störimpulse überlagert sind und zu einer nicht eindeutigen Messung führen sollten.
Gemäss einer weiteren Massnahme zur Unterdrückung von Störungen werden nur jene reflektierten Lichtimpulse zur Weiterverarbeitung durch den Empfänger angenommen, deren Amplitude z.B. zwischen 60 und 100% der erwarteten Amplitude der Empfangsimpulse aufweisen. Lichtimpulse, deren Amplitude ausserhalb dieses Bereiches liegt, werden als Störimpuls betrachtet und für die Weiterverarbeitung unterdrückt.
Als weitere Störunterdrückungsmassnahme können im Empfänger zusätzlich zu den vorerwähnten Massnahmen jene empfangenen Impulse unterdrückt werden, deren Impulslänge um mehr als eine vorgegebene Grenzabweichung von der Sendeimpulslänge abweicht.
Zum Lokalisieren eines Zielpunktgerätes 2 werden Lichtimpulse ausgesendet, während der Sende-Empfangskopf 8 um seine vertikale Drehachse in einer horizontalen Ebene dreht. Der Sendestrahl 24 ist dabei vertikal soweit aufgespreizt, dass das Fernfeld 34, beispielsweise in einer Entfernung von 300 m eine Höhe von ebenfalls 300 m aufweist. Die Breite des Sendefächers 24 beträgt dabei nur etwa 6 cm. Damit werden auch jene Zielpunktgeräte 2 erreicht, welche sich weit über oder unter dem Horizont der Messstation 1 befinden. Sobald während der Schwenkbewegung einer der Lichtimpulse auf ein Zielpunktgerät 2 auftrifft, erfolgt an dessen Reflektor 10 eine Reflexion des Sendestrahls. Der Sende-Empfangskopf 8 empfängt den reflektierten Impuls und löst programmgesteuert sofort eine Unterbrechung der Suchbewegung aus.
In einer darauf folgenden Vertikal-Detektionsphase wird der Sende-Empfangskopf 8 bei konstanter horizontaler Position in vertikaler Richtung geschwenkt. Gelangt ein vom Zielpunkt kommender Impuls auf den entsprechenden elektrooptischen Wandler, wird augenblicklich die Schwenkbewegung des Kopfes 8 unterbrochen, und der empfangene Impuls wird hinsichtlich der vertikalen Winkelinformation auf entsprechende Weise ausgewertet, wie für die horizontale Detektion beschrieben. Damit stehen die grobe azimutale und vertikale Lage des Zielpunktgerätes 2 fest. Ergänzt wird diese Messung durch eine Distanzmessung mit dem Distanzmesser 14 zu dem grob angepeilten Zielpunktgerät 2.
Da die beschriebene Vermessungseinrichtung vollautomatisch arbeiten soll, ist es erforderlich, die Zielpunktgeräte 2 automatisch zu identifizieren. Dazu werden aufgrund des Ergebnisses der Distanzmessung die Sende- und Empfangsoptiken 29 und 35 so fokussiert, dass am elektrooptischen Wandler 32, der auch aus einer Kamera mit einem lichtempfindlichen Array bestehen kann, ein scharfes Bild des Zielpunktgerätes entsteht. Sind die Zielpunktgeräte 2 mit unterscheidungsfähigen, vom elektrooptischen Wandler 32 lesbaren Merkmalen versehen, lässt sich eine Identifikation durch Auswertung solcher Merkmale im Auswertegerät oder im Computer 15 durchführen.
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Reflektor 10, der einen Bestandteil des Zielpunktgerätes 2 bildet und dessen Ausführung eine derartige Identifikation ermöglicht. Der Reflektor 10 weist einen Rahmen 55 auf, der einen Dorn 56 trägt. Dieser Dorn 56 ist in die Messlatte 11, vorzugsweise in ihr oberes Ende, eingesteckt, wodurch der Rahmen 55 an der Messlatte 11 befestigt ist. Im Rahmen 55 ist ein Hauptspiegel 57 befestigt, der im Beispiel als Tripelspiegel ausgebildet ist. Der Rahmen 55 trägt ferner wenigstens einen zweiten Spiegel 58, der ebenfalls als Tripelspiegel ausgebildet ist.
Der Hilfsspiegel 58 ist im Rahmen 55 verschiebbar angeordnet, so dass der Abstand zwischen den Zentren des Hilfsspiegels 58 und des Hauptspiegels 57 geändert werden kann. Vorzugsweise weist die Bahn, entlang welcher der Hilfsspiegel 58 im Rahmen 55 bewegt werden kann, in der Figur nicht dargestellte Rastelemente auf, mit denen der Hilfsspiegel 58 nur an bestimmten Stellen des Reflektorrahmens 55 eingerastet wird.
Figur 7 zeigt den Hilfsspiegel 58 in seiner tiefsten Stellung. Zwei weitere vorbestimmte Positionen sind in Figur 7 mit Ausschnitten aus der Kontur 59 des Hilfsspiegels 58 angedeutet. Die vollständige Kontur 59 im oberen Abschnitt des Rahmens 55 gibt die oberste mögliche Lage des Hilfsspiegels 58 an. Im Rahmen 55 können die Rastmittel für mehrere, beispielsweise acht Positionen des Hilfsspiegels 58 vorgesehen sein. Jede dieser Positionen zeichnet sich durch einen charakteristischen Abstand D zwischen den Zentren des Hauptspiegels 57 und des Hilfsspiegels 58 aus. Dies erlaubt die Verwendung von mehreren, in diesem Beispiel acht Zielpunktgeräten 2 während der Vermessung eines zusammenhängenden Gebietes.
Für jedes der beteiligten Zielpunktgeräte wird der Hilfsspiegel 58 in eine andere der vorgesehenen Positionen gebracht, so dass der jeweilige Abstand D innerhalb des Vermessungssystems nur einmal vorkommt.
Eine alternative Massnahme zur Identifikation von Zielpunktgeräten 2 besteht darin, eine der reflektierenden Flächen des Tripelspiegels mit Hilfe eines Magnetfeldes oder eines Piezogenerators zu mechanischen Schwingungen anzuregen. Die Frequenz dieser Schwingungen kann dabei von Gerät zu Gerät variieren, so dass jedes einzelne Zielpunktgerät 2 eine charakteristische Schwingungsfrequenz aufweist. Für diese Ausführung kann der Reflektor 2 mit einem einzigen Spiegel 57 versehen sein, der ebenfalls als Tripelspiegel ausgebildet sein kann.
Durch die mechanischen Schwingungen einer der spiegelnden Flächen des Reflektors 10 wird das vom Laser 30 ausgesendete Licht 24, dessen Amplitude zunächst konstant ist, im Takt der mechanischen Schwingungen intensitätsmoduliert. Durch Detektion dieser überlagerten Frequenzen auf der Empfängerseite lässt sich das betreffende Zielpunktgerät 2 identifizieren. Die Ausbildung eines derartigen spiegelnden Elementes im Zielpunktgerät 2 kann aus einem nachgiebigen Material als spiegelnde Fläche bestehen, so dass die Randpartien dieser Fläche eingespannt sind und der mittlere Bereich vom Schwingungsgenerator angetrieben wird, wodurch eine Deformation der spiegelnden Fläche im Takt der mechanischen Schwingung stattfindet.
The invention relates to a measuring device with theodolite and a rangefinder for the coordinate determination of a target point according to the preamble of claim 1.
DE 3 407 588 discloses a device with a measuring head which can be rotated about a horizontal and a vertical axis. In the measuring head of this device there are two optical transmitters and an optical receiver aligned with them. Both transmitters alternately transmit a light pulse sequence and in doing so carry out periodic mechanical vibrations in a plane which is transverse to the transmitter axis. One transmitter swings horizontally, the other vertically. Upon receipt of a light echo in the receiver caused by the light pulses at a target reflector, the deflection of the transmitter that emitted this light pulse is measured from its zero position and converted into a manipulated variable for adjusting the measuring head about its vertical or horizontal axis. The device is used for the automatic tracking of slowly moving objects, primarily of moving ships.
Transferring this known measuring principle to a measuring device for determining spatial target coordinates for the fulfillment of measuring tasks within a target point network would result in unreliable individual measurements and would therefore be unsuitable for absolute measurements of the required angular accuracy. The known method may be suitable for continuous target tracking, in which the same target point moves continuously and also relatively slowly. The redundancy contained in this procedure provides sufficiently precise measurement results for a purely tracking measurement. In the present case, however, the aim is not only to capture different target points, but also to determine them with high reliability in terms of coordinates and to insert these location determinations into a three-dimensional overall network. The measurement results should be available for a short time.
The entire measuring device should be automatic, i.e. program controlled, can be operated.
This object is achieved according to the invention by a measuring device with the features of patent claim 1.
The advantage of this device lies mainly in the possibility of an automatic target search within the overall survey task, a particularly low transmission power, so that the protection of the operating personnel is guaranteed, and, despite a low transmission power, an extraordinarily good suppression of the background noise. The signal evaluation on the receiving side therefore provides measurement results with a high degree of reliability.
The construction of the device is simple. It delivers target coordinates with an accuracy in the order of magnitude of the target dimension. The measuring device can be particularly easily combined in a modular manner with other measuring devices, e.g. with an additional device for higher measurement point resolution, the type of signal processing allowing simple transfer of the measurement signals obtained with the described device to other device modules and simple device control. Within the framework of the overall surveying task, the described device primarily serves as a device for coarse-coordinate detection, while additional modules, which are not described here, take over a fine detection.
Details and further advantages of the invention are explained in more detail in the following description using exemplary embodiments with the aid of the drawings. Show it:
1 is a schematic diagram of the measuring device according to this description,
2 shows the schematic representation of the connection between assemblies of the measuring device 1 according to FIG. 1,
3 the explanation of the transmission principle for the transmission part in the measuring device 1 according to FIG. 1,
4 shows a basic illustration of the receiver part in the measuring device 1,
5 shows the basic illustration of a coarse detection with the device described,
6 shows the principle of a device for rough detection in the vertical direction,
7 shows the example of a target reflector,
Fig. 8 shows another example of a receiver device with a lens for very large picture angles and
Fig.
9-13 further exemplary embodiments for suitable lenses in a receiver part according to FIG. 8.
FIG. 1 shows a schematic representation of the components of the measuring device, namely a measuring station 1 referred to as a base station, consisting of a theodolite with a combined range finder for measuring azimuth, elevation and distance. A rotatable measuring head 5 with a transmitting and receiving head 8 is attached to the housing 7 of the measuring station 1. The complete device is on a tripod 6.
Furthermore, target point devices 2 are set up at several target points, which in the example consist of a measuring stick 11 with a radiation reflector 10 attached. The target point devices 2 can be movable or stationary. From stationary, e.g. permanently installed, target point devices, reference measurements to other target points are also possible.
A data station 3 is connected to the measuring station 1, the connection being able to take place via a data transmission device 4. Alternatively, the data station 3 can also be arranged directly at the measuring station 1 or connected to it. The data station 3 contains at least one control computer or additionally a computer for processing the measurement data and input and output devices. The data station is preferably provided with an interface for connection to other data processing devices.
The task of the entire measuring device is to determine the three-dimensional coordinates of the target points at the positions of the target point devices relative to the measuring station 1 in order to be able to transfer them into an overall coordinate network.
Details and the mode of operation of the measuring station 1 are described below with reference to FIG. 2. The measuring head 5 can be pivoted in the horizontal plane, its position being determined by a horizontal pitch circle 16 with the aid of a reading device, e.g. a photoelectric device with a light source 17 and a photo element 18 is detected. These position data about the position of the measuring head 5 are forwarded to the computer 15 via a line 19. Corresponding tracking signals are sent via a line 21 via a motor amplifier 22 to an actuator 23 which e.g. can consist of a stepper motor. The actuator 23 is used to position the measuring head 5 in the horizontal plane. It thus represents the azimuth drive. An elevation drive works according to the same principle, which is not shown in FIG. 2.
Through it the transceiver head 8 is movable in the vertical plane.
The transceiver head 8 contains an electronic theodolite 13 and a range finder 14. Under the influence of a control program in the computer 15, the transceiver head 8 is moved in the horizontal and vertical plane until the transmission beam S strikes a target point device 2 and that of this reflected beam is detected by the receiving part of the theodolite 13. The received signal is fed to the computer 15 via a line 25 and a reception amplifier 26. There, the received signals are related to the tracking values for azimuth and elevation from the position control of the transceiver head 8. Finally, the desired measurement values are derived from it.
To complete the position control for the transmit / receive head 8, a connection path 27 between the lines 21 and 25 is indicated in FIG. 2, which is used for the transmission of stop pulses as soon as an approved receive signal has been determined.
The distance between the measuring head 5 and the targeted target point device 2 is now detected by the range finder 14. The data obtained are likewise transmitted to the computer 15 via line 25.
FIG. 3 shows the essential elements of the transmitting part from the transmitting / receiving head 8. The transmitting part contains a light source, in the example a laser light source 30 for emitting a highly focused beam. The light beam passes through an anamorphic optic 29, which causes the light beam to fanned out strongly in one direction, in this case in the vertical direction. In the horizontal direction, the light beam essentially maintains its original fan width. The fan-out ratio is 1:20 in the example. The corresponding subject 24 can be seen from the perspective illustration in FIG. 3.
The effective area 31 of the laser light source 30, as seen from the targeted target point 2, is shown in FIG. 3 in an image 28. The surface 31 has the shape of an upright rectangle. Furthermore, the near field 33 and the far field 34, which can be detected by the fan 24, are indicated in FIG. 3, which represent the outer limits for reliable target point detection. In the example shown, the near field 33 is about 3 m away from the optics 29, while the distance between the near field 33 and the far field 34 is about 300 m in the example. The arrow H indicates the possibility of a horizontal pivoting movement of the transceiver head 8.
FIG. 4 shows the essential components of the receiver part of the transceiver head 8. They serve for the detection of a beam 36 reflected by the target point device 2. The receiver is provided with an optical receiving system 35. Between this and an optoelectric converter 32 there is a slit diaphragm 37 in the image field plane. Its task is to switch off background light 36 from the received light beam 36. It can be seen from the image of the end face 38 of the converter 32 that the light spot 39 appearing on this face has the contour of the opening 43 in the diaphragm 37. The shape of the opening 43 in the aperture 37 is adapted to the shape of the reflecting surface of the target point device 2.
As soon as this light spot 39 appears on the transducer 32, this means for a detection circuit associated with the computer 15 that a target point device 2 has been aimed in the horizontal plane by moving the transceiver head 8.
FIG. 5 shows, as an example, a greatly simplified arrangement for the coarse coordinate determination of a target point device 2 with the light source 30 and the converter 32, which correspond to the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4. The optoelectric converter 32 and an optical system, which includes the anamorphic transmitter optics 29 and the reception optics 35, lie on the optical axis of this arrangement. The transmitter optics 29 are located in the axial area of the reception optics 35, which is also designed as an anamorphic optics. Between the optical elements 29, 35 and the converter 32 there is a semi-transparent mirror 46 at an angle of approximately 45 degrees to the optical axis of the arrangement. The beam of the light source 30 is directed onto the mirror surface.
The transmission fan 24 of the light source 30 is deflected by the mirror 46 to the transmission anamorphic 29, passes it and arrives in the area of the object plane 45. Here the transmission beam 24 is reflected by the target point device 2 and is reflected back to the transmission / reception head 8 as a reception beam 36. In the transmit / receive head 8, the beam 36 passes the received anamorphic 35 and arrives at the converter 32, where it is converted into electrical signals for further evaluation.
In addition to the described part for horizontal detection, the receiving part of the transceiver head 8 has a vertical detector, which can be constructed similarly. Fig. 6 shows a corresponding embodiment. The previously discussed transmitter according to FIG. 3 is used to form the transmission fan, which determines the shape of the object field 45. If this transmitter is rotated by 90 degrees, the transmission fan 24 and thus the object field according to FIG. 6 are lying. In contrast to the example according to FIG. 4, the horizontal fan according to FIG. 6 is pivoted in the vertical direction. The consequence of this is that the square opening 43 in the aperture 37 of the receiver is arranged rotated by 90 degrees with respect to the embodiment according to FIG. 4.
This arrangement for vertical detection is otherwise used in the same way as the previously described arrangements for horizontal coarse detection according to FIGS. 3 and 4. The vertical detector 6 is also used in the transceiver head 8. This allows target point devices 2 to be located not only in the horizontal plane with respect to the azimuth, but also with respect to the height angle.
8 shows a further exemplary embodiment for a beam-spreading objective. It is a fisheye lens, which in the present case is combined with an optoelectric converter, which consists of a photoelectric array. In a plane 62, the detector 60 contains the array 63, which consists of photosensitive elements arranged in a ring around a center 64. The position of light signals on the array can be determined from the known position of each of the photoelectric elements on the array 63 with a connected evaluation circuit. The fisheye lens 65 is located above and parallel to the array.
The light coming from a target point device 2 is projected by the lens 65 onto the array 63, as is indicated by the rays 69. The azimuth angle alpha of the measuring point from the target point device 2 relative to the measuring station 1 lies on the array between a reference line 76 and a line which passes through the center 64 of the array 63 and through the light spot 70 generated by the laser light source 30 on the array 63. The reference line passes through the center 64 of the array 63 and through a reference point outside the measuring station 1, to which one had calibrated before the start of the measurement. The value for the angle alpha is calculated in the connected evaluation circuit or in the computer 15 on the basis of the signals supplied by the array 63.
The distance R of the light spot 70 from the center 64 of the array 63 provides the elevation beta of the target device 2 with respect to the measuring station 1. This value is also obtained by evaluating the illuminated pattern on the array 63 in downstream evaluation circuits.
9, the objective 65 can also be designed as a hemisphere. It can also be designed according to FIG. 10 as a torus or according to FIG. 11 as a cone or according to FIG. 12 as a cylinder, the main axis of which is vertical. Lenses 73 are installed in the wall of the cylinder 72, through which the received light reaches two-dimensional arrays 63. 13, the lens can also be simulated by a conventional lens 74 ge. For this purpose, it is necessary to assign a one-dimensional array 75 on photosensitive elements to this lens 74. The assemblies 74 and 75 are attached to a moving mechanism that moves them in horizontal and vertical planes. In this way, each direction can be scanned at certain time intervals, the array providing suitable electrical signals for evaluation.
The actual position determination of target points 2 with the aid of the measuring station 1 takes place automatically in the manner described below. Preferably, the targeted target device 2 is identified at the same time during the measuring process. This allows areas with previously unknown measurement points to be recorded in a network-like manner. The measuring process takes place in two phases, a horizontal or azimuth detection and a vertical detection while measuring the elevation. This coarse detection can be followed by a fine detection which serves for a highly precise determination of the three-dimensional coordinates of the target point device 2 detected in the coarse detection phase. As mentioned at the beginning, the device described here deals with the coarse detection, connected with the identification of the target point device 2.
In particular, the control of the laser diode 30 takes place in such a way that it generates light pulses of a given duration and with a predetermined pulse repetition frequency. With an assumed range limit of 300 m, the transit time of a light pulse from the transmitter to the target point device 2 and back is approximately 2 microseconds. In practical tests, it has proven to be expedient to choose pulse lengths of approximately 2 nanoseconds for the specified distances. Under these conditions, the time interval between two successive transmission pulses will be at least 2 microseconds. The receiver is coupled to the transmitter in such a way that reception is blocked during the specified period of time, thereby eliminating interference pulses that originate from the surroundings of the target point device 2.
This blocking time period can preferably be set in the receiver in accordance with the measured distance between the measuring station 1 and the target point device 2, so that a second or further measurement can be carried out with a readjusted blocking time period if interference pulses are superimposed during a first measurement and lead to an ambiguous measurement should.
According to a further measure to suppress interference, only those reflected light pulses are accepted for further processing by the receiver, the amplitude of which, e.g. have between 60 and 100% of the expected amplitude of the received pulses. Light pulses whose amplitude lies outside this range are considered an interference pulse and suppressed for further processing.
As a further interference suppression measure, in addition to the aforementioned measures, those received pulses can be suppressed in the receiver, the pulse length of which deviates from the transmitted pulse length by more than a predetermined limit deviation.
To locate a target point device 2, light pulses are emitted while the transceiver head 8 rotates about its vertical axis of rotation in a horizontal plane. The transmission beam 24 is spread vertically so far that the far field 34, for example at a distance of 300 m, also has a height of 300 m. The width of the transmission fan 24 is only about 6 cm. This also means that those target point devices 2 are reached which are far above or below the horizon of the measuring station 1. As soon as one of the light pulses strikes a target device 2 during the swiveling movement, a reflection of the transmitted beam takes place at its reflector 10. The transmit / receive head 8 receives the reflected pulse and immediately triggers an interruption of the search movement under program control.
In a subsequent vertical detection phase, the transceiver head 8 is pivoted in the vertical direction at a constant horizontal position. If a pulse coming from the target point arrives at the corresponding electro-optical converter, the swiveling movement of the head 8 is interrupted immediately and the received pulse is evaluated with respect to the vertical angle information in a corresponding manner, as described for the horizontal detection. The rough azimuthal and vertical position of the target point device 2 are thus fixed. This measurement is supplemented by a distance measurement with the distance meter 14 to the roughly aimed target point device 2.
Since the measuring device described is to operate fully automatically, it is necessary to automatically identify the target point devices 2. For this purpose, based on the result of the distance measurement, the transmitting and receiving optics 29 and 35 are focused in such a way that a sharp image of the target point device is produced on the electro-optical converter 32, which can also consist of a camera with a light-sensitive array. If the target point devices 2 are provided with distinguishable features that can be read by the electro-optical converter 32, identification can be carried out by evaluating such features in the evaluation device or in the computer 15.
FIG. 7 shows an exemplary embodiment for a reflector 10, which forms a component of the target point device 2 and the design of which enables such identification. The reflector 10 has a frame 55 which carries a mandrel 56. This mandrel 56 is inserted into the measuring stick 11, preferably into its upper end, whereby the frame 55 is fastened to the measuring stick 11. A main mirror 57 is fastened in the frame 55, which is designed as a triple mirror in the example. The frame 55 also carries at least one second mirror 58, which is also designed as a triple mirror.
The auxiliary mirror 58 is arranged displaceably in the frame 55, so that the distance between the centers of the auxiliary mirror 58 and the main mirror 57 can be changed. The path along which the auxiliary mirror 58 can be moved in the frame 55 preferably has latching elements, not shown in the figure, with which the auxiliary mirror 58 is only engaged at certain points on the reflector frame 55.
Figure 7 shows the auxiliary mirror 58 in its lowest position. Two further predetermined positions are indicated in FIG. 7 with sections from the contour 59 of the auxiliary mirror 58. The complete contour 59 in the upper section of the frame 55 indicates the highest possible position of the auxiliary mirror 58. In the frame 55, the latching means can be provided for several, for example eight, positions of the auxiliary mirror 58. Each of these positions is characterized by a characteristic distance D between the centers of the main mirror 57 and the auxiliary mirror 58. This allows the use of several, in this example eight target point devices 2 during the measurement of a coherent area.
For each of the target point devices involved, the auxiliary mirror 58 is brought into a different one of the intended positions, so that the respective distance D occurs only once within the measuring system.
An alternative measure for identifying target point devices 2 is to excite one of the reflecting surfaces of the triple mirror with the aid of a magnetic field or a piezo generator to produce mechanical vibrations. The frequency of these vibrations can vary from device to device, so that each individual target device 2 has a characteristic vibration frequency. For this embodiment, the reflector 2 can be provided with a single mirror 57, which can also be designed as a triple mirror.
Due to the mechanical vibrations of one of the reflecting surfaces of the reflector 10, the light 24 emitted by the laser 30, the amplitude of which is initially constant, is intensity-modulated in time with the mechanical vibrations. The relevant target point device 2 can be identified by detecting these superimposed frequencies on the receiver side. The formation of such a reflective element in the target point device 2 can consist of a resilient material as a reflective surface, so that the edge parts of this surface are clamped in and the central region is driven by the vibration generator, whereby the reflective surface is deformed in time with the mechanical vibration.