CN107430193A

CN107430193A - 距离测量仪器

Info

Publication number: CN107430193A
Application number: CN201480084664.9A
Authority: CN
Inventors: 约翰·莱克斯; S·斯瓦赫尔姆; 亚历克斯·斯拉沃米尔·克萨科夫斯基
Original assignee: Trimble AB
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2034-12-22
Also published as: CN107430193B; US10816646B2; EP3237926B1; US20170285149A1; WO2016101973A1; EP3237926A1

Abstract

公开了距离测量仪器(400)和操作距离测量仪器的方法。根据一些实施例，发射光信号由发射机单元(406)在发出时间沿着发射路径(408)发射，并且返回光信号由接收器单元(407)沿着接收路径(440)在接收时间接收。返回光信号被转换为返回电气信号。发射路径和接收路径中的至少一个由偏转模块(415)以相对于仪器的光轴(430)的偏转角偏转。时间相关衰减函数基于关于偏转角的信息来选择，并且衰减根据所选择的时间相关函数由衰减器(480、490)施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个。测量的距离可由处理器单元(470)至少基于发出时间和接收时间来确定。

Description

距离测量仪器

技术领域

本公开涉及电子距离测量的领域。更具体地，本公开涉及具有时间相关衰减以补偿测量参数的距离测量。

背景

电子距离测量(EDM)单元用于测量距离，例如景观勘测。在飞行距离测量中，激光脉冲的发出和接收之间的时间延迟可供距离计算之用。发出的脉冲行进到目标，例如反射器，并返回到接收其的检测器。激光脉冲的发出和接收之间的时间延迟与脉冲行进距离成比例。

对于给定的反射器(或目标)，在感兴趣范围内，所接收的脉冲的功率电平被假定与脉冲行进时间(和脉冲行程距离)的平方成反比。因此，所接收的脉冲的功率电平的动态范围可能非常大。

EDM单元用在勘测仪器中，诸如全站仪、以及固定式和移动式扫描仪。全站仪通常以低于扫描仪的重复率进行距离测量，使得时间可用于确定返回脉冲的振幅并设置检测器电路的衰减。

然而，需要具有改善的补偿的勘测仪器以获得更快的扫描和/或更适应的动态范围。

概述

本公开寻求提供克服至少一些上述缺点的测量仪器的至少一些实施例。更具体地，本公开旨在提供至少一些实施例，其针对勘测仪器提供了提高的检测灵敏度，其中发射路径和接收路径中的至少一个以相对于该仪器的光轴的偏转角被偏转。

为了实现这个目的，提供了具有如独立权利要求中所限定的特征的距离测量仪器和操作距离测量仪器的方法。从属权利要求中对本公开的进一步有利的实施例进行了限定。

根据第一方面的一些实施例，提供了距离测量仪器。距离测量仪器可包括发射机单元、接收器单元、至少一个偏转模块、至少一个衰减器以及处理器单元。发射机单元被配置为在发出时间沿着发射路径朝向目标发出发射光信号。接收器单元被配置为在接收时间接收沿着接收路径的返回光信号，并将该返回光信号转换为返回电气信号。偏转模块被配置为以相对于仪器的光轴的偏转角偏转发射路径和接收路径中的至少一个。衰减器被配置为根据基于关于偏转角的信息所选择的时间相关函数将衰减施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个。处理器单元被配置为至少基于发射时间和接收时间来确定到目标的测量的距离。

根据第二方面的一些实施例，提供了操作距离测量仪器的方法。该方法可包括在发出时间沿着发射路径发射发射光信号并在接收时间接收沿着接收路径的返回光信号的步骤。返回光信号可被转换为返回电气信号。此外，方法可包括以相对于仪器的光轴的偏转角偏转发射路径和接收路径中的至少一个的步骤，以及基于关于偏转角的信息选择时间相关衰减函数的步骤。然后，衰减可根据所选择的时间相关函数被施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个。然后，距离可至少基于发出时间和接收时间来确定。

在这些实施例中，提供了以偏转角偏转发射路径和接收路径中的至少一个的测量仪器。发射路径和/或接收路径的偏转可用于扫描目的，其中一定的偏转角提供与场景处的特定位置(或特定目标)对应的一定的发射路径和/或接收路径。通过迭代地改变偏转角，可扫描场景(例如，建筑物)或其一部分。由于接收的脉冲(即，在场景点处反射的光脉冲)的功率电平与时间相关，可应用用于衰减返回光信号或返回电气信号中的任何一个的时间相关函数。衰减在光学上可借助于例如光学衰减器或者在电气上可借助于例如电气衰减器来施加。

例如，时间相关函数可与脉冲行进时间(即，脉冲行进距离)的平方成反比。然而，如以下将进一步解释的，在一些实施例中，可使用其他时间相关函数。衰减可例如从发出时间(或与发出时间有关的时间)到某个临界时间增加(即对于由位于近场中的目标反射的光脉冲)，然后减小。

在第一方面和第二方面的实施例中，时间相关函数取决于发射路径和/或接收路径相对于仪器光轴偏转的偏转角。因此，选择对用于发射路径和/或接收路径的一定的偏转的偏转角适用的时间相关函数。换句话说，可选择适用于从发射机单元发出(并且，如果其在目标处被反射随后在接收机单元处被接收)的一定的光脉冲或光信号的光路的时间相关函数，然后将其用于衰减返回光信号和返回电气信号之一。结果是，获得了提高的检测灵敏度，并且可更精确地确定用于计算关于该特定光脉冲的距离的接收时间。特别地，衰减功能可适用于降低并且可能消除与接收器单元的感测元件(或检测单元)处的饱和度(或太弱信号)有关的任何影响。

测量仪器的偏转模块被布置在光路(发射路径和接收路径中的一个或二者)中以获得偏转角。偏转模块将光学地影响光路并影响发射光信号和/或返回光学脉冲的功率电平，这反过来将影响返回电气脉冲。根据偏转模块的定向或位置，即根据由偏转模块提供的偏转角，发射光信号和返回光信号将受到不同的影响，然后可选择特定的时间相关衰减函数。

对于给定的测量仪器及其特定光学器件(特别是对于特定偏转模块及其在仪器中的光学布置)，多个时间相关衰减函数可被校准或了解，使得针对一定的偏转角(例如，对于偏转模块的一定的定向或位移)，并且因此针对以这样的一定的偏转角发出的一定的光脉冲，使用一定的时间相关衰减函数。随着由偏转模块提供的偏转角而变的时间相关衰减函数的依从关系可例如被储存在查找表或者其他寄存器或数据库中。仪器中的偏转模块的特定光学布置和偏转模块的类型可能会不同影响发射光信号和返回光信号。因此，可设想校准规程，以确定适于特定勘测仪器的时间相关衰减函数集。

本公开可应用于任何类型的勘测仪器，其中发射路径和接收路径中的至少一个被偏转，即其中扫描经由偏转模块来提供。本实施例可应用于包括偏转模块的大地测量扫描仪，但是也可应用于配备有用于提供扫描功能的偏转元件的全站仪或应用于大地测量扫描仪。

发射机单元(或发射机)和接收器单元(或接收器)可以是距离测量模块的一部分，即，被配置为执行距离测量以用于确定从仪器到目标或到场景的其他元素(或点)的距离的模块。距离测量模块可以例如是电子距离测量(EDM)系统。处理器单元(或处理器)可以是单独的单元(或实体)，或者也可以是距离测量模块的一部分。距离可基于飞行时间测量结果来计算。

根据一些实施例，偏转模块可包括被安装用于旋转运动的至少一个偏转元件，使得发射路径和接收路径中的至少一个通过偏转元件的旋转而偏转。可替代地，偏转模块可包括被安装用于平移位移的至少一个偏转元件，使得发射路径和接收路径中的至少一个通过偏转元件的平移位移而偏转。仪器还可包括可操作用于旋转偏转元件或平移偏转元件的驱动元件。

此外，仪器可包括操作用于通过驱动元件来控制至少一个偏转元件的旋转运动和/或平移位移的驱动控制器。

根据一些实施例，测量仪器还可包括操作用于检测偏转元件的旋转角和/或平移位移的传感器。然后，关于偏转角的信息可以是所检测的旋转角和/或所检测的平移位移。传感器可以是角度传感器，像角度编码器、线性传感器或任何其它运动传感器。因此，用于衰减返回光信号或返回电气信号中的任意一个的时间相关函数可基于所检测的旋转角和/或所检测的平移位移来选择。

此外，将认识到的是，驱动控制器可响应于传感器来控制驱动元件。由角度传感器提供的关于偏转角的信息可通过传感器本身或通过驱动控制器传送到处理器单元或另一控制实体，使得衰减器相应地调整时间相关衰减函数。

根据一些实施例，关于偏转角的信息可包括偏转元件相对于仪器光轴的起始位置以及偏转元件的旋转速度、平移速度和位移曲线中的至少一个。在这些实施例中，偏转元件在时刻t₂的位置从偏转元件在时刻t₁的已知起始位置和已知的旋转速度、平移速度或位移曲线导出。然后，偏转元件在时刻t₂的位置将确定发射路径和/或接收路径相对于仪器的光轴的偏转角，并且适用于该偏转角(并且因此，以该偏转角发出的发射光信号)的时间相关衰减函数将被应用到衰减器。将认识到的是，偏转元件在光信号从仪器行进到目标并返回所花费的时间期间的旋转在大多数情况下是可忽略的，使得认为偏转角对于发射路径和接收路径相同或近似相同。然而，根据旋转速度(相对于光信号在仪器和目标之间来回行进所花费的时间)，由偏转元件为发射路径和接收路径提供的偏转角的差可得到补偿。

根据一些实施例，仪器还可包括偏转透镜。然后，由于偏转元件引起的光学位移可被转换成光学偏转，以产生跨仪器光轴的发射路径和/或接收路径的角度偏转。偏转透镜(或偏转透镜组件)可以是偏转模块的一部分或单独的实体。偏转透镜与偏转模块的偏转元件一起工作，以将偏转元件的运动变换成角度偏转。

根据一些实施例，偏转元件可包括棱镜、多面反射镜和具有扇形弯曲镜面化表面的盘中的至少一个。棱镜可以具有任意数量的面，并且多面反射镜可以具有任意数量的面。仅出于例示的目的，至少一个偏转元件可以是具有围绕旋转轴线分布的六到十个面的棱镜。

根据一些实施例，时间相关衰减函数可包括在自发射光信号的发出时间起过去的临界时间处的最大衰减。

根据一些实施例，临界时间可取决于光学子系统的至少一个几何参数，利用该光学子系统，在接收器单元处接收返回光信号。

例如，接收器单元的光学子系统可包括第一孔径和检测孔径。然后，临界时间可取决于第一孔径的大小、检测孔径的大小和从第一孔径到检测孔的距离中的至少一个。将认识到的是，从目标到达第一孔径的光的量可通过取决于第一孔径和目标之间的距离的第一函数来描述，并且穿过第一孔径到达检测孔径而没有被施加衰减的光的量可通过取决于第一孔径和目标之间的距离的第二函数来描述。组合这两个函数的结果是，返回光信号在离仪器的特定(或临界)距离处达到最大值，特定(或临界)距离也对应于发射光信号从仪器的发射机单元行进到目标并从目标返回到仪器的接收器单元的光学子系统的临界时间。因此，如上所述，衰减可随着时间的推移变化，以在发出发射光信号之后达到在自发射光信号的发出时间起过去的临界时间的最大值。

特别地，临界时间对应于在光学子系统的检测孔径处获得最大量的光的(临界)光行进距离(即，仪器和目标之间的距离的两倍)。换句话说，可针对目标(发射光信号在其处被反射)的特定位置或目标到仪器的距离获得最大返回光信号。

在一些实施例中，自发射光信号的发出时间起直至临界时间衰减增加。因此，虽然返回光信号的强度的依从关系可与目标和仪器之间的距离的平方成反比(或与目标和仪器之间的发射光信号的行进时间成反比)，但返回光信号(并且因此，返回电气信号)的强度或功率电平可首先增加直至临界距离以达到最大值。因此，代替在发出发射光信号之后直接减小返回光信号(或返回电气信号)的功率的衰减，可增加衰减直到达到临界时间。例如，临界时间可以在大约0.1到0.5微秒的范围内，其对应于大约15到75米的到目标的临界距离。

在一些实施例中，衰减器被配置成使得返回光信号和返回电气信号中的至少一个的衰减在临界时间之后减小。超过临界距离(即，对于较大的距离)时，返回光信号将主要随着距离平方的倒数而变受到影响。

可针对特定仪器指定临界时间，更具体地，可给仪器的接收器单元中的光学器件指定临界时间。在一些实施例中，装置还可包括用于在校准规程期间确定临界时间的校准模式或工作模式。校准规程可在工厂中或在现场进行，并且可被执行用于光学子系统的基本配置。校准规程也可在现场执行，以便相较于基本配置(即，对于仪器的任何新配置)考虑在光学子系统或在返回光信号的光路中的任何附加的光学元件。

将认识到的是，特定的时间相关衰减函数可针对每个偏转角来确定。对于给定的仪器，达到函数最大值的临界时间可能对于各种时间相关函数(即，各种偏转角)来说是相等或类似的，从一个函数到另一函数(即，从一个偏转角到另一偏转角)的衰减水平可变化。

尽管本文中描述了针对一定的偏转角可应用包括在临界时间的最大值的时间相关衰减函数，但可根据本公开的其他实施例应用其他类型的时间相关衰减函数。

本文中所描述的实施例提供了改善的补偿，使得从目标接收的光的功率电平的光学器件相关变化减小。

在一些实施例中，发射光信号包括至少一个光脉冲。在一些实施例中，发射光信号包括多个光脉冲。

根据一些实施例，测量仪器还可包括具有沿着仪器光轴的光路的前透镜，并且偏转模块可被光学定位在前透镜与发射机单元和接收器单元中的至少一个之间。

在这些实施例中，偏转模块可被插入在测量仪器的发射机单元和接收器单元中的至少一个(或二者，诸如例如，包括发射机单元和接收器单元的距离测量模块)和其前透镜之间的光路中。测量仪器可以是全站仪，使得在第一模式中，测量可用静止的偏转模块来执行，其中仪器通过其主体的至少一些部件(诸如，其中心单元或照准仪)的旋转/移动来瞄准特定目标。在该第一模式中，可移动仪器的主体的部件，使得仪器光轴被引导朝向目标。在第二模式中，测量仪器可被操作以通过经由偏转模块偏转仪器跨仪器光轴的测量路径(即，发射路径和接收路径中的一个或二者)来执行场景(包括例如，建筑物)的扫描。因此，测量仪器可作为全站仪(即当对特定目标执行距离测量时以全站仪的精度)提供用于进行测量，并提供用于以在类似于大地测量扫描仪的重复速率的重复速率下执行的测量来对场景进行扫描。

将认识到的是，测量仪器可包括中心单元、照准仪和底座，其中发射机单元和接收器单元可以位于中心单元中。中心单元可被安装在照准仪上以用于围绕第一轴线旋转，并且该照准仪可被安装在底座上以用于围绕与第一轴线相交(例如，正交)的第二轴线旋转，使得该仪器光轴围绕旋转点是可旋转的。

通常，前透镜(或前透镜组件)可以是在发射路径中具有一定的折射属性或效应的、测量光束在其处或其之后离开(或退出)测量仪器的最后的光学元件(或组/组件，例如，发散/会聚透镜)。类似地，前透镜是具有一定折射属性的、测量光束在进入测量仪器时或在进入测量仪器之后遇到的第一光学元件(或组/组件，例如，发散/会聚透镜)。

在一些其他实施例中，测量仪器可以是大地测量扫描仪和诸如旋转镜的偏转模块，可以是测量光束离开大地测量扫描仪的最后的光学元件。类似地，在该示例中，偏转模块是在测量光束进入仪器时遇到的第一光学元件。

根据一些实施例，测量仪器可被配置为从与行进的发射光信号的发出有关的时间事件开始随着时间的推移针对行进的发射光信号调节衰减器的衰减，直至接收到对应于行进的发射光信号的返回光信号。可替代地，测量仪器可被配置为调节衰减器的衰减，直至发出随后的发射光信号或直至自发出时间(或与发出行进的发射光信号有关的时间事件)起过去的时间段超过阈值。时间事件可以是光脉冲本身的发出，但也可以是参考脉冲或与光脉冲的发出有关的另一信号(诸如，在与朝向目标不同的另一方向上被反射的光脉冲的一部分)的接收。

例如，衰减器可从发出行进的光脉冲起针对其进行调节，直至该行进的光脉冲返回，以使用与发出光脉冲的偏转角对应的时间相关衰减函数来测量与特定光脉冲相关联的距离。

为此，测量仪器可包括适用于调节随着时间而变的衰减器的衰减的控制器。更具体地，控制器可使衰减控制信号发生器使用时间相关衰减函数产生时间相关的衰减控制信号。衰减控制信号可在时间上与发出时间有关。

在本申请的上下文中，措辞距离测量仪器可用术语全站仪、勘测单元、勘测仪器、装置或大地测量仪器来可交换地替换，反之亦然。本公开旨在针对扫描目的提供具有提高的检测灵敏度(即，具有改善的衰减)的测量仪器的至少一些实施例。至少一些实施例旨在提供主要用作全站仪的勘测仪器，即，具有全站仪的特性和结构但配备有用于提供扫描功能(诸如，用大地测量扫描仪获得)的元件，特别是偏转模块。

本公开涉及权利要求和前面的实施例中所述特征的所有可能的组合。以下将借助于例示的实施例来对本公开的各个实施例的进一步的对象和优点进行描述。

附图简述

从以下参照附图所描述的实施例将更容易地理解本公开的这些方面和特征以及其他方面和特征，其中：

图1示意性地图示了在拍摄场景的测量结果的三脚架上的扫描仪的情境；

图2A、图2B和图2C示意性地图示了根据一些实施例的测量仪器；

图3是根据一些实施例的EDM子系统的示意图；

图4示意性地图示了根据实施例的测量仪器；

图5示意性地图示了根据一些实施例的距离测量系统；

图6示出了根据一些实施例的距离测量的时序图；

图7A-图7C示意性地图示了来自三个不同距离处的目标的返回光信号的示例；

图8A示出了随着时间而变的来自目标的返回光电平的示例；

图8B示出了根据一些实施例的随着时间而变的时间相关衰减函数；

图8C示出了具有随着时间而变的施加的时间相关衰减的返回信号电平的示例；

图9示出了根据一些实施例的随着距离(或时间)而变以及随着偏转角而变的来自目标的返回光的电平；

图10图示了根据一些实施例的偏转元件；

图11A-图11E分别示出了具有在零度旋转角、十度旋转角、二十度旋转角、二十五度旋转角和三十五度旋转角下的图10的偏转元件的光束路径；

图12A-图12C分别示出了与前透镜组件有关的具有处于零度旋转角、十度旋转角和二十度旋转角下的图10的偏转元件的光束路径；

图13示出了根据一些实施例的偏转元件的其他示例；

图14示出了根据一些实施例的偏转元件的其他示例；

图15A示出了根据一些实施例的围绕轴线旋转的偏转元件；

图15B示出了根据一些实施例的围绕轴线来回摆动的偏转元件；

图16A、图16B和图16C示出了根据一些实施例的通过偏转元件的线性运动的光束路径的偏转；

图17A、图17B和图17C示出了根据一些实施例的最终的透镜组件对由光楔偏转的光路的影响；

图18示出了根据一些实施例的用于测量距离的装置的示意图；

图19A示出了使到达图18的第一孔径的光的量与第一孔径和目标之间的距离D有关的第一函数的示例；

图19B示出了使穿过第一孔径并到达图18的偏转检测孔径的光的量与第一孔径和目标之间的距离D有关的第二函数的示例；

图20A示出了根据实施例的第一衰减配置；

图20B示出了根据实施例的第二衰减配置；

图20C示出了根据实施例的第三衰减配置；

图20D示出了根据实施例的第四衰减配置；

图21示出了根据一些实施例的用于测量距离的装置的示意图；

图22图示了由于施加的衰减引起的衰减电气信号的失真；

图23是根据一些实施例的接收系统的电子部分的示意图；

图24A-图24C示出了根据一些实施例的检测单元的示例；以及

图25示出了根据本发明的一些实施例的操作距离测量系统的方法的流程图。

如附图中所示，出于说明的目的，元件和区域的大小可被夸大，从而被提供以对实施例的一般结构进行说明。自始至终，类似的参考数字指的是类似的元件。

详细描述

现在将在下文中参照其中示出示例性实施例的附图更充分地对本发明进行描述。然而，本发明可以以许多不同形式来体现，并且不应解释为限于本文中所陈述的实施例，而是这些实施例通过示例来提供。

图1示意性地图示了被安装在三脚架110上用于拍摄诸如建筑物115和周围环境120的场景的测量结果以获得在由虚线125、130、135、140表示的竖直界线和方位角界线上的测量点的3D云的3D激光扫描仪105的情境100。扫描仪105通常具有作为偏转模块的旋转镜，以在竖直方向145上高速扫描仪器的光轴(即，EDM轴线)。旋转镜被安装在以低速围绕轴线150方位角地旋转的扫描头上。

扫描仪105的EDM以高重复率自由运行。扫描头的仰角和方位角以及由偏转模块提供的偏转角与每个距离测量结果一起被记录。

对于待扫描的场景的每个位置，发射光信号由扫描仪在发出时间沿着发射路径朝向所讨论的位置发出，并且返回光信号在接收时间沿着接收路径被接收在扫描仪处。然后，返回光信号可被转换为返回电气信号。从扫描仪到位置的距离可至少使用发出时间和接收时间基于飞行时间来确定。为了将发射光信号定向到特定位置，发射路径和接收路径中的至少一个以相对于扫描仪的光轴的偏转角偏转。

如以下将进一步详细解释的，可应用用于衰减返回光信号和返回电气信号中的一个的时间相关函数，以用于提高扫描仪处的检测灵敏度。时间相关函数可基于关于偏转角的信息来选择。

图2A示意性地图示了根据一些实施例的测量仪器200。仪器200包括具有仪器光轴210的中心单元205，诸如望远镜组件。望远镜组件205被安装成围绕两个轴线旋转：在用于围绕第一(耳轴)轴线220旋转的照准仪215的耳轴上，以及在用于围绕第二(方位角)轴线230旋转的底座225上。

图2B示出了图2A的仪器，具有假想线形式的照准仪215，以显露界定耳轴轴线220的耳轴245。望远镜组件205围绕耳轴轴线220的旋转由箭头250表示。照准仪215围绕方位角轴线230的旋转由箭头255表示。

如图2C中所图示的，仪器还可包括偏转模块255，使得与光轴210标称对准的电子距离测量(EDM)模块275的测量光束如箭头240所示围绕第三旋转轴235是可偏转的。图2C示出了从EDM 275延伸到在其处被偏转的偏转模块255的光路。EDM 275和偏转模块255可例如被布置在测量仪器的中心单元205内。

图3是根据一些实施例的电子距离测量(EDM)子系统300的示意图。距离测量模块305沿着发射路径发射光辐射，并沿着接收路径接收光辐射。在图3中，EDM 305和偏转模块315之间的发射路径和接收路径与EDM子系统300的光轴310叠加。偏转模块315跨仪器光轴310偏转发射路径和接收路径中的至少一个。偏转由箭头320表示。在该示例中，偏转模块315位于前透镜组件325的后面。角度偏转界线在330和335处表示。

在图3中，EDM的光轴表示为310。尽管发射路径和接收路径(即，到EDM和来自EDM的光辐射)被表示为叠加在图3中的EDM 305和偏转模块315之间，将认识到的是，EDM一方面可包括用于发射光辐射的激光源，另一方面，可包括检测器(或接收器)，其用于检测在光辐射从激光源经由偏转模块315和前透镜组件325朝向其发射的目标或任何对象(或周围环境)处反射的光辐射。激光源和检测器可以是被布置在EDM 305中的两个不同位置处的两个单独的实体，因此，发射路径和接收路径在EDM 305内可以是不同且分开的。可替代地，尽管未如图3中所表示，但发射路径和接收路径可在偏转模块315和EDM 305之间分开。

图3还图示了偏转模块可包括至少一个偏转元件340，以随着其旋转或移动偏转发射路径和接收路径中的至少一个。偏转元件340可通过驱动元件345旋转或移位(例如，平移)。在一些实施例中，驱动元件345可产生偏转元件340的来回摆动旋转运动。在一些实施例中，驱动元件345可产生偏转元件340的连续旋转运动。在一些实施例中，驱动元件345可产生偏转元件340的引导到选择的定向的旋转运动。驱动元件345可以例如是具有大体上恒定转速的电动机、三相电动机、直流电动机或压电元件。

图3还图示了测量仪器可包括用于测量偏转元件340的旋转角的角度传感器350或用于测量偏转元件340的平移位移的另一类型的传感器。在一些实施例中，传感器350可操作用于检测偏转元件340相对于光轴310的旋转角。可替代地，位移传感器可被配置为检测偏转元件340相对于光轴310的平移位移。在一些实施例中，角度传感器350可以是角度编码器。

EDM子系统300也可包括与驱动元件345和角度传感器350进行通信的驱动控制器355，以用于通过驱动元件345控制偏转元件340的旋转运动(和/或平移位移)。驱动控制器355可响应于角度传感器350(或位移/运动传感器)来根据偏转元件340的旋转角(或偏转元件340的平移位移)控制驱动元件345。

参照图3描述的子系统300可被安装在如参照图2A-图2C所描述的全站仪200的中心单元205内，其中仪器210的光轴与子系统300的光轴310对准。因此，提供了具有被布置在其中心单元内的偏转模块315的全站仪。这样的测量仪器或全站仪可根据具有全站仪的精度的第一模式提供用于对特定目标进行测量，并根据具有大地测量扫描仪的速度的第二模式提供用于对场景进行扫描。

如以下将进一步详细解释的，可应用用于衰减返回光信号和返回电气信号中的一个的时间相关函数，以用于提高测量仪器处的检测灵敏度。时间相关函数可基于关于偏转角的信息来选择。

图4示意性地图示了根据具有单独的发射路径和接收路径的实施例的测量仪器400。发射路径和接收路径可通过分离器(或混合器)425分开，在该分离器(或混合器)处，发射路径和接收路径被合并以形成沿着光路430的测量光束。发射路径从EDM 405的发射机406沿着路径408延伸到偏转模块415，然后沿着路径410经由可选反射镜415和420偏转到分离器425，然后沿着路径430通过前透镜组件475。接收路径从路径430穿过前透镜组件425延伸到分离器425，然后经由反射镜435沿着路径440延伸到偏转模块415，然后沿着路径445被偏转到EDM 405。反射镜以示例的方式示出；反射镜可被放置在发射路径中和/或接收路径中，或者作为设计的选择，在任意路径中都不放置。在没有任何反射镜的情况下，发射路径和接收路径将跟随不同的方向，例如由分离器425的光学属性所界定的彼此垂直的两个方向。因此，在一些实施例中，可设想偏转模块包括两个偏转元件，一个被布置在发射路径中，并且一个被布置在接收路径中。EDM的发射机和接收器也可独立于彼此布置。

从分离器425穿过前透镜组件475沿着路径430到目标的发射路径段与从目标沿着路径430穿过前透镜组件475到分离器425的接收路径段重叠。发射路径和接收路径的这些重叠段的组合形成测量光束。

图4中所示的偏转模块415可等效于参照图3所描述的偏转模块315。特别地，偏转模块415可包括传感器450，诸如用于测量偏转模块的偏转元件的旋转角的角度传感器，即与发射路径410和/或接收路径440中的任意一个被偏转的偏转角有关的信息。角度传感器450的测量可用于控制光学衰减器490或电子衰减器480中的任一个，以补偿偏转模块对沿着路径410的发射信号和/或对沿着接收路径440、445的接收信号的功率电平的光学影响。特别地，角度传感器450的测量可用于选择待被施加到衰减器480、490中的至少一个的时间相关衰减函数，因为接收信号的功率电平取决于接收路径和/或发射路径被偏转的偏转角，即取决于偏转模块415的定向和/或配置。因此，对于由角度传感器450测量的以一定的偏转角发射的发射光信号(例如光脉冲)，对应于(或适应于)该偏转角的时间相关衰减函数被施加到衰减器480、490中的至少一个。

尽管图4中未表示，但测量仪器400可包括控制器，其用于从角度传感器450接收与偏转角有关的信息并用于与衰减器480、490进行通信，使得合适的时间相关衰减函数被施加。将参照图5对这样的控制器进行描述。可替代地，信息可从角度传感器被直接发送到衰减器480、490。

控制器(或衰减器本身)不是发射旋转角或检测到的平移位移，而是可获得关于偏转元件相对于仪器光轴的起始位置的信息，以及偏转元件的旋转速度、平移速度和位移曲线中的至少一个，使得可计算偏转元件的各个偏转角或位置。

图4还图示了测量仪器400可包括处理器470，该处理器470与发射机406进行通信，用于获得光脉冲从发射机406发出的发出时间(或与发出时间有关的时间)，并且该处理器与接收器407进行通信，用于获得反射光脉冲在接收器处被接收的接收时间(或与接收时间有关的时间)。通过被施加到接收的光脉冲的衰减，接收时间的确定更准确。然后，处理器可以使用发出时间和接收时间来计算从测量仪器到发射的光脉冲被反射的目标的距离。

图5示意性地图示了其中可实现本发明的实施例的距离测量系统500。系统控制器505可通过控制信号510与发射信号控制器522进行通信，以协调系统操作。系统控制器505向发射信号控制器522发出控制信号510，以开始测量。发射信号控制器522向激光子系统525发出发射脉冲控制信号520。激光子系统525通过发出发射光信号530进行响应。发射光信号530可以是如图所示的单个脉冲，或者一组脉冲或其他符号模式。

发射光信号530穿过分离器535。来自发射光信号530的能量的一部分传递到检测器元件540，以向飞行时间(TOF)传感器545提供关于发射光信号530的发出时间参考。来自发射光信号530的能量的一部分穿过包括偏转模块515的光学子系统550，并在系统500外部的目标555处被以一定的偏转角引导。来自目标555的返回光信号穿过光学子系统550和偏转模块515到光电转换器560。光电转换器560向检测单元565提供返回电气信号。检测单元565通过返回电气信号确定接收时间。

TOF处理器545确定激光脉冲530的相应的飞行时间，并将得到的飞行时间值转换为例如储存在数据储存器565中的相应的测量距离。飞行时间处理器545可以是单独的处理器，或者可以是在还运行系统控制器505和/或脉冲控制器522的过程和/或其他过程的计算机中运行的过程。为了便于说明，功能在此参照图5的特定元件来进行描述，但根据需要可组合在一个或更多个元件中或分配给其他元件。

可选地，发射机525是在没有发射命令的情况下发出发射光信号的自由运行的激光系统。控制信号510、发射控制器522和发射控制信号520以虚线示出，以指示如果发射机525自由运行则不需要它们。

测量系统500还可包括用于检测偏转模块515的偏转元件的旋转角或位移的传感器。偏转模块515可等效于参照图3和图4描述的偏转模块315或415。

根据一些实施例，距离测量系统或装置500可配备有一个或更多个衰减器580、590(如根据各个可能的配置参照图18-图21还进一步描述的)，其被配置为将衰减施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个。对于一定的偏转角，根据诸如参照例如图8B将所描述的时间相关衰减函数，在发出发射光信号之后，衰减随着时间的推移而变化(或者衰减器的衰减水平被调节)。

衰减器580、590可等效于参照图4所描述的衰减器480、490，并且可以以类似的方式与测量系统的其他单元进行通信。

图6以600示出了根据一些实施例的距离测量的时序图。时间t1是发射光信号605的发出时间，诸如用于测量的光脉冲。时间t2是相应的返回光信号610的接收时间(即，表示目标处的、发射的光脉冲的反射的返回光脉冲或反射光脉冲)。距离测量结果从时间差δt＝t2-t1导出。时间t3是随后测量的发射光信号615的发出时间。时间差t3-t1是发射光信号的重复间隔。

尽管图6的示例示出了各个返回光脉冲的峰值处的时间t1和t2以及t3，但返回光的接收时间可以以其他方式来确定，诸如前沿的阈值或计算的脉冲或脉冲集合的重心或返回光信号的其他特性。

参照图7A-7C和图8A-8C，将对针对偏转角施加到衰减器的时间相关衰减函数的示例进行描述。

图7A在700示意性地图示了来自离光学子系统710的距离A处的目标705的返回光信号。从距离A处的目标反射的发射光信号的大部分由光学子系统710收集，但只有该光的小部分到达检测器715。

图7B在750示意性地图示了来自离光学子系统710的距离C处的目标705的返回光信号。从距离C处的目标反射的发射光信号的小部分由光学子系统710收集，但该光的大部分到达检测器715。

图7C在775示意性地图示了来自离光学子系统710的距离B处的目标705的返回光信号。距离B大于距离A且小于距离C。从距离B处的目标反射并到达检测器715发射光信号的量在距离B处的目标处于最大。

将认识到的是，尽管偏转模块未在图7A-图7C中的光学子系统710中示出，但原理是相同的，除了偏转模块将向光束引入偏转。

图8A在800示出了在没有将时间相关衰减施加到返回光信号或返回电气信号的情况下，随着在发出发射光之后的时间而变的来自目标的返回光电平的示例。对应于图7C的布置，来自距离B处的目标的返回光的电平805最大。对应于图7A的布置，来自距离A处的目标的返回光的电平810小于来自距离B处的目标的返回光的电平。对应于图7B的布置，来自距离C处的目标的返回光的电平815也小于来自距离B处的目标的返回光的电平。

图8B示出了随着在发出发射光之后的时间而变的期望的时间相关衰减函数815。施加这样的时间相关衰减可显著减少返回光和/或通过检测返回光得到的电气信号的动态范围。

图8B示出了衰减函数的示例，其中衰减随着从发射光信号的发出时间(或从与发射光信号的发出时间有关的任何时间事件)起上升到临界时间的时间而变增加。在临界时间之后，衰减随着时间而变减小。

临界时间至少取决于接收系统的光学子系统的几何参数。返回参照图7C，临界时间对应于在光学子系统的检测器715处获得光的最大量的光行进距离(B)，即，从目标反射并到达检测器715的发射光信号的量为最大的距离。

如图5和图7A-图7C中所示意性图示的，诸如透镜的光学元件可被布置在第一孔径处，以引导在检测器560、715处到达光学子系统550、710的返回光信号。

图8C在875示出了具有施加的时间相关衰减815的返回信号电平的示例，该时间相关衰减针对特定的偏转角随着在发出发射光之后的时间而变。如以下参照示例所解释的，衰减被施加于返回光和/或通过检测返回光而得到的电气信号。来自距离B处的目标的返回信号电平876基本上与来自距离A处的目标的返回信号电平877相同。来自距离C处的目标的返回信号电平878不受影响，因为在对应于距离C的时间衰减最小。

虽然已经参照图7A-图7C以及图8A-图8C对特定的时间相关衰减函数进行了描述，但应认识到的是，可使用任何时间相关衰减函数。本实施例甚至可适用于偏离图8B中所示的函数的时间相关衰减函数。例如，可设想在与脉冲行进时间的平方成反比的多个函数中选择适当的时间相关衰减函数。

图9示出了图示随着距离(或时间)而变的以及随着发射路径和接收路径中的至少一个被传输的偏转角而变的返回电信号的振幅的依从关系的曲线图。可以看出，返回电信号的振幅或功率电平取决于偏转角，特别是在近场中，即在本示例中为约0至x米的区域。因此，用于补偿在特定的偏转角(例如，在图9中所示的示例中为偏离角α2)下的随时间(或距离)而变的功率电平的依从关系的衰减函数可能不适于在诸如0度的另一偏转角或在偏转角α1下的补偿。因此，测量仪器可被配置为针对一定的偏转角选择特定的时间相关衰减函数。

将认识到的是，确定(或选择)待被施加到光学衰减器或电子衰减器的时间相关衰减函数的功能可位于测量仪器中的任何实体处。通过示例，测量仪器可包括处理器，诸如参照图4所描述的仪器400中所示的处理器470，以用于选择取决于偏转角的适当的时间相关衰减函数。然而，单独的控制器或诸如参照图5所描述的仪器500的控制器505的系统控制器可被配置为选择时间相关衰减函数。作为另一示例，衰减器本身可被配置为进行这样的选择。被配置为选择时间相关衰减函数的实体可被配置为接收关于诸如偏转角本身的偏转角、或者偏转发射路径和/或接收路径的偏转元件的旋转角或位置的信息。然后，该实体可与衰减器进行通信，以施加所选择的时间相关衰减函数。

参见图10-图17，分别用作例如图4和图5中所示的仪器400、500的偏转模块415、515中的偏转元件的偏转元件的配置和多个偏转元件将在以下进行描述。

图10在1000图示了偏转元件的第一实施例，其可分别用作参照图3、图4和图5所描述的子系统300或仪器400、500中表示为340的偏转元件。偏转元件可以是围绕旋转轴线1015如箭头1010所示旋转的棱镜1005。光束1020横穿棱镜1005并作为光束1025离开。棱镜1005被示为具有围绕旋转轴线1015分布的八个面。在一些实施例中，棱镜1005可具有围绕旋转轴线1015分布的六到十个面。

棱镜1005可操作用于随着其旋转使发射路径和/或接收路径移位。图11A-图11E图示了通过旋转棱镜1005的光束路径的偏转。

如在1105所示，图11A在1100示出了处于零度旋转角下的棱镜1005。进入光束路径1110和离开光束路径1115是对准的。

如在1115所示，图11B在1120示出了相对于图11A的顺时针方向上处于十度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1135相对于进入光束路径1110向下移位，并且平行于进入光束路径1110的延伸。参考数字1115示出了入射光束1110在棱镜1005中的延伸。虽然不是必需的，但将认识到的是，在一些实施例中，如1115所示的出射光束的标称光路，即具有如图11A中的零度旋转角的配置中的光束路径，可与其中布置有偏转元件1005的子系统的标称光轴对准。

如在1145所示，图11C在1140示出了在相对于图11A的顺时针方向上处于二十度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1155相对于进入光束路径1110比图11B中进一步向下移位，并且平行于进入光束路径1110的延伸1115。

如在1165所示，图11D在1160示出了在相对于图11A的顺时针方向上处于二十五度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1175相对于进入光束路径1110向上移位，并且平行于进入光束路径1110(的延伸1115)。

如在1185所示，图11E在1180示出了在相对于图11A的顺时针方向上处于三十五度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1195相对于进入光束路径1110比图11D中的较少向上移位，并且平行于进入光束路径1110。

图11A-图11E中的一系列图像示出了光束路径随着棱镜1005旋转而在一个方向上移位，并且当进入的光束从一个面切换到下个面时立即跳回。这具有将连续旋转转换成光束的重复且线性的位移的优点。与例如机械元件的来回摆动移动相比，连续旋转需要很少的能量来维持和引起非常小的振动。如已经参照图5所描述的，例如，如例如由角度传感器或控制棱镜1000的控制器提供的关于旋转角的信息，可被发送到衰减器或控制衰减器的另一实体，使得选择适用于特定旋转角(并因此适用于当前行进的光脉冲)的时间相关衰减函数，以在该旋转角下衰减与发射光脉冲对应的返回光信号和/或返回电气信号。

在一些实施例中，偏转元件还可包括发射路径和/或接收路径中的偏转透镜组件，使得发射路径和/或接收路径的位移被转换成跨仪器的光轴的角度偏转。图12A-图12C图示了通过旋转棱镜1005的光束路径的位移，以及引入偏转透镜组件1202的影响。

如在1205所示，图12A在1200示出了处于如图11A中的零度旋转角下的棱镜1005。进入光束路径1110和离开光束路径1115是对准的。偏转透镜组件1202具有在1215处示出的焦距f。离开光束路径穿过偏转透镜组件1202到焦点1210而没有偏转。

如在1225所示，图12B在1220示出了与图12A中(即，如图11B中)示出的配置相比处于十度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1135相对于进入光束路径1110移位。然后，离开光束路径1135穿过偏转透镜组件1202，并以偏转角1230朝向焦点1210偏转。

如在1245所示，图12C在1240示出了处于如图11C中的二十度旋转角下的棱镜1005。离开光束路径1155相对于进入光束路径1110又进一步移位。然后，离开光束路径1155穿过偏转透镜组件1202，并以偏转角1250朝向焦点1210偏转。

图12A-图12C中的一系列图像示出了离开光束路径随着棱镜1005旋转以各自的偏转增量被引导朝向焦点1210。焦点1210是偏转光束的旋转点。

在一些实施例中，棱镜1005可操作用于随着其旋转使接收路径移位，诸如通过使接收路径沿着棱镜1005的旋转轴线1015与发射路径间隔开并平行于该发射路径。在一些实施例中，偏转透镜组件也可位于接收路径中，使得接收路径通过旋转棱镜1005的位移被转换成跨仪器的光轴的角偏转。在一些其他实施例中，两个完全独立的偏转元件可用于发射路径和接收路径。

图13在1300示出了可分别用作参照图4和图5所描述的仪器400、500中的偏转模块415、515的偏转元件的偏转元件的另一示例。在该示例中，偏转元件可以是围绕旋转轴线1315如在1310所示旋转的多面反射镜1305。多面反射镜1305被示出为具有围绕旋转轴线1315分布的六个面。在一些实施例中，多面反射镜1305可具有二十到四十个这样的面。沿着路径1320到达的光束可以从反射镜1305的面反射，以沿另一路径1325离开。该另一路径1325可通过反射镜1305的旋转而偏转，使得离开的光束路径(即，离开的光束的指示方向)可在旋转轴线1315周围扫过。换句话说，如在1330所示，离开的光束路径1325在旋转轴线周围旋转，同时它保持与旋转轴线1315正交。

图14在1400示出了可分别用作参照图4和图5所描述的仪器400、500中的偏转模块415、515的偏转元件的偏转元件的另一示例。在该示例中，偏转元件可以是具有扇形弯曲镜面化表面1410的镜盘1405。镜盘1405可如箭头1415所示围绕旋转轴线1420旋转。沿着进入光束路径1425进入的光束可沿着离开光束路径1430偏转。离开光束路径1430可通过使镜盘1405围绕旋转轴线1420旋转而来回偏转。

在一些实施例中，扇形弯曲镜面化表面1410可以被成形为当以恒定的旋转速度围绕旋转轴线1420旋转时提供发射路径和接收路径中的至少一个的线性偏转。在一些其他实施例中，扇形弯曲镜面化表面1410可以被成形为当以恒定的旋转速度围绕旋转轴线1420旋转时提供发射路径和接收路径中的至少一个的非线性偏转。

图11A-图11E、图12A-图12C、图13以及图14示出了在顺时针方向上旋转的偏转元件。在一些实施例中，偏转元件可在相反(逆时针)方向上旋转。在一些实施例中，偏转元件可在顺时针方向和逆时针方向上交替旋转(即，来回摆动)。

将认识到的是，在图11-图14中所示的示例中，在诸如棱镜、多面反射镜或具有扇形弯曲镜面化表面的盘的偏转元件旋转使得入射光束在两个面之间的边缘处撞击偏转元件的情况下，光束可分成两部分，然后偏转可能会变得模糊。为此，可调节偏转元件的旋转以避免光束撞击两个面之间的边缘。可替代地，仪器可被配置为使得当边缘位于光束的光路中时不会捕获测量结果(例如，通过控制距离测量模块的操作)，或者使得在这样的条件下捕获的任何测量结果不被记录或考虑。虽然较大数量的面将需要较低的旋转速度来实现一定数量的偏转扫描，但另一方面将导致更多的边缘阻碍测量，由于模糊性这随后将必须忽略。

图15A在1500示出了一般在1510示出的偏转元件的示例，其可以用作分别参照图4和图5所描述的仪器400、500中的偏转模块415、515的偏转元件。偏转元件1510可如箭头1530所示在一个方向(例如，逆时针)上围绕光轴1520旋转。

图15B在1550示出了一般在1560示出的偏转元件的示例，其可以用作分别参照图4和图5所描述的仪器400、500中的偏转模块415、515的偏转元件。偏转元件1560可如箭头1570所示在顺时针方向上和在逆时针方向上交替地围绕光轴1520旋转(即，来回摆动)。

图16A、图16B和图16C示出了根据一些实施例的通过偏转元件的线性运动的光束路径的偏转。

图16A在1600示出了沿着偏转元件1625的光轴1605的进入光束路径1610，该偏转元件在本示例中是透镜(或透镜组件)。透镜被安装以用于跨光轴1605的线性运动。在图16A-图16C中所示的具体示例中，透镜1625正交于光轴1605移动。在图16A中，离开光束路径1615也位于透镜1625的光轴1605上，并且与进入光束路径1610对准。

图16B在1620示出了相对于进入光束路径1630向下移位的透镜1625。结果，离开光束路径1635相对于进入光束路径1630的延伸以一定角度向下偏转。

图16C在1640示出了相对于进入光束路径1650向上移位的透镜1625。离开光束路径1655相对于进入光束路径1650的延伸以一定角度向上移位。

在一些实施例中，光束可通过偏转元件的位移偏转。

图17A-图17C示出了偏转元件是通过大致横向于偏转透镜组件1712的光轴1710的线性驱动元件移位的光楔1705的示例。

在图17A中的1700，进入光束路径1715通过楔1705朝向光轴1710偏转。离开光束路径1720沿着光轴1710传递。

在图17B中的1730，楔1705如箭头1735所示向上移动。进入光束路径1715被偏转(或移位)到光轴1710的下面。离开光束路径1740可通过偏转透镜组件1712穿过光轴1715向上偏转。

在图17C中的1760，楔1705如箭头1765所示向下移动。进入光束路径1715被偏转到光轴1710以上。离开光束路径1770可通过偏转透镜组件1712穿过光轴1715向下偏转。

图18示出了根据一些实施例的用于测量距离的装置1800的示意图。装置1800包括发射机，其操作用于在发出时间朝向目标1890发出发射光信号。目标1890不构成装置1800的一部分。

装置1800可包括控制器1805和衰减控制信号发生器1820，该衰减控制信号发生器响应于控制器1805以产生在时间上与发出时间有关的至少一个时间相关的衰减控制信号。

控制器1805被配置为接收与由仪器的偏转模块1815提供的偏转角相关联的信息，诸如这样的偏转模块的偏转元件的旋转角或位移，以便选择相应的时间相关衰减函数。作为另一示例，控制器1805可接收或获得与偏转元件的控制有关的信息，诸如通过其可导出偏转元件的位置和/或定向并从而导出偏转角的其旋转速度或位移曲线。与偏转角或所选择的时间相关衰减函数相关联的信息可被传递到衰减控制信号发生器1820，以用于生成时间相关的衰减控制信号。

装置1800的接收系统1825包括具有第一孔径1835和检测孔径1840的光学子系统1830。

从目标到达第一孔径1835的光的量可通过取决于第一孔径和目标之间的距离D的第一函数来描述。第一函数例如如图19A中所示。

图19A示出了使到达第一孔径1835的光的量与第一孔径和目标之间的距离D有关的第一函数的示例。第一函数例如是1/d²的关系。

穿过第一孔径1835并到达检测孔径1840而没有被施加衰减的光的量可通过取决于第一孔径1835和目标之间的距离D的第二函数来描述。第二函数例如如图19B中所示。

图19B示出了使穿过第一孔径1835并到达检测孔径1840而没有被施加衰减的光的量与第一孔径1835和目标之间的距离D有关的第二函数的示例。在一些实施例中，第二函数可由光学子系统1830的设计参数确定，诸如第一孔径1835和第二孔径1840的大小、以及第一孔径1835和第二孔径1840之间的间隔。

接收系统1825还包括将返回光信号转换为返回电气信号的光电转换器1845。

装置1800可以包括至少一个衰减器，诸如可选的光学衰减器1850和/或可选的电气衰减器1855。每个衰减器1850、1855被配置为分别将衰减施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个。随着时间的推移，衰减在发出发射光信号(或光脉冲)之后被调节。对于特定的偏转角(即，对于特定的光脉冲)，衰减可根据时间相关衰减函数而变化，使得衰减在临界时间最大。然而，可使用其它衰减函数。

为此，每个衰减器1850、1855可响应于来自衰减控制信号发生器1820的控制信号。衰减通过光学衰减器1850被施加到返回光信号和/或通过电气衰减器1855被施加到返回电气信号，以获得针对至少第一函数和第二函数的组合而被补偿的衰减的电气信号。返回光信号可由一个或更多个合适的光学元件1860、1865(诸如光纤)传送到光电转换器1840。

图18描绘了衰减器的若干可选配置。第一配置是在返回光信号到达光电转换器1845之前使用光学衰减器1850来补偿返回光信号。然后，光电转换器1845产生根据所选择的时间相关衰减函数进行补偿的返回电气信号。

第二配置是在光电转换器1845将返回光信号转换为返回电气信号之后使用电气衰减器1855来补偿返回电气信号。

第三配置是在返回光信号到达光电转换器1845之前使用光学衰减器1850来对返回光信号做出部分补偿，并在光电转换器1845将来自光学衰减器1850的衰减的返回光信号转换成部分衰减的返回电气信号之后对返回电气信号做出附加补偿。

也就是说，补偿可完全由光学衰减器1850执行，完全由电气衰减器1855执行，或者部分由光学衰减器1850执行，以及部分由电气衰减器1855执行。

检测单元1870可使用合适的技术，诸如前沿的阈值或者计算的脉冲或脉冲集合的重心或者返回光信号的其他特性，通过返回电气信号(或衰减的电气信号)来确定接收时间。

所确定的接收时间被提供给处理器单元1875。处理器单元1875还接收对应于接收光信号的发射光信号的发出时间。在一些实施例中，处理器1875是诸如图5的TOF处理器545的飞行时间处理器。发出时间通过如参照图5所描述的发出参考或发射命令或者通过其他合适的手段来确定。

处理器单元1875至少基于发出时间和接收时间来计算测量的距离。可选地，在测量的距离计算中包括其他参数，诸如由返回光信号转换为返回电气信号、电气衰减、电气或电子元件以及环境影响(诸如，环境温度或环境湿度)引起的延迟和/或失真。

图18的实施例示出了被施加到返回光信号和/或返回电气信号的衰减。这些和其他配置在图20A、图20B、图20C和图20D中图示。

图20A示出了参照图18描述的第一配置。可选衰减器1845响应于来自衰减控制信号发生器1815的衰减控制信号，以将衰减施加到返回光信号。

图20B示出了参照图18描述的第二配置。可选衰减器1855响应于来自衰减控制信号发生器1815的衰减控制信号，以将衰减施加到返回电气信号。

图20C示出了另外的配置。在该实施例中，可选光学衰减器2055响应于来自衰减控制信号发生器1815的衰减控制信号，以将衰减施加到第一孔径1830和检测孔径1835之间的返回光。

图20D示出了另一配置。在该实施例中，可选光学衰减器2080响应于来自衰减控制信号发生器1815的衰减控制信号，以在返回光进入孔径1830之前将衰减施加到返回光。

一些实施例使用图20A、图20B、图20C和图20D的任意两个或更多个配置的组合来用于衰减返回光信号和返回电气信号中的任一个或二者。尽管图中20A-图20C中未表示，但仪器的偏转模块可位于如图18中所图示的第一孔径1830和检测孔径1835之间，以用于向光路提供偏转。

图21示出了其中具有可选光学衰减器1850、2055、2080的光学子系统2105和其中具有可选衰减器1855的电气子系统2110的这样的组合。一个或更多个衰减器1850、2055、2080和1855用于衰减返回电气信号和返回光信号中的任意一个或二者。

尽管在以上实施例中已经示出了衰减器的各种配置和布置，但将认识到的是，衰减函数也可在仪器内的其他位置或单元处实现。例如，衰减函数可在图21中所示的仪器的光电转换器1845中实现或集成。

图22图示了由于所施加的衰减引起的返回电气信号的失真。在该示例中，理想系统中的脉冲2205被示为时间的函数，没有施加的衰减。如箭头2215所示，当施加衰减时得到的脉冲2210失真(例如，脉冲形状已经改变)和/或延迟。

图23是接收系统1825的电子部分的示意图2300。接收系统1825由处理器2305控制。在一些实施例中，处理器2305还用作系统控制器单元505和/或用作处理器单元1875以计算测量的距离。

处理器2305加载储存表2310，其具有用于时间增量序列中的每个的衰减值，表示期望的时间相关衰减函数。衰减函数可从一个测量结果改变到下个，通过这样的布置来适应于用于每个测量结果的偏转角。

现场可编程门阵列(FPGA)2315依次从表2310中检索每个衰减值。每个衰减值由数模转换器(DAC)2320转换成一个或更多个衰减控制信号U1(t)、U2(t)、U3(t)、U4(t)，每个衰减控制信号用于设置各自的可变衰减器1855、1845、2055、2080的衰减电平。

光电转换器1845将返回光信号转换为返回电气信号。可变电气衰减器1855衰减返回电气信号和/或返回光信号由一个或更多个光学衰减器1850、2055、2080衰减。

得到的衰减的电气信号由模数转换器(ADC)2325转换成数字值的时间序列。FPGA2330确定返回光信号的接收时间。

FPGA 2315和FPGA 2330在图23中被示为单独的项目，但是如果需要，它们的功能可在单个设备中执行或分布在多个设备上。

在一些实施例中，表2310的值考虑到环境温度和/或环境湿度。在一些实施例中，为环境温度和/或环境湿度的多个范围中的每个提供了表，例如，通过在现场进行距离测量之前对装置进行校准。环境温度和/或环境湿度在现场通过用户输入或本地传感器数据和/或从远程源检索的天气信息来确定。

在一些实施例中，表2310的值通过在现场进行测量之前进行校准来确定。为此，距离测量系统可配备有用于校准光学子系统的校准单元或功能。校准可在工厂或现场执行。

图24A在2400示出了用于通过(衰减的)返回电气信号确定接收时间的检测单元1870的第一示例。ADC 2405对返回电气信号进行数字化，并将得到的数据传送到处理器2410，诸如中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)。处理器2410通过该数据来确定接收时间。

图24B在2430示出了用于通过返回电气信号确定接收时间的检测单元1870的第二示例。电平阈值比较器2435将返回电气信号与阈值进行比较，以指示返回电气信号何时超过预定阈值，并将结果传送给处理器2440，诸如CPU、DSP或FPGA。处理器2440通过阈值指示确定接收时间。

图24C在2460示出了用于通过返回电气信号确定接收时间的检测单元1870的第三示例。恒比鉴别器2465通过找到其斜率为零的时间来确定返回电气信号的最大电平。处理器2470通过斜率为零的时间来确定接收时间。

图25在2500示出了根据本发明的一些实施例的操作距离测量系统的方法的流程图。

在步骤2505，发射光信号在发出时间沿着发射路径被发射。在步骤2510，返回光信号(其对应于光发射信号在目标处的反射)沿着接收路径在接收时间被接收。在步骤2520，发射路径和接收路径中的至少一个以相对于仪器的光轴的偏转角被偏转。在步骤2525，返回光信号被转换为返回电气信号。在步骤2530，时间相关衰减函数基于关于偏转角的信息来选择。在步骤2535，衰减根据所选择的时间相关函数被施加到返回光信号和返回电气信号中的至少一个，以及在步骤2540，所测量的距离至少基于发出时间和接收时间来确定。可选地，过程在步骤2540返回重复步骤2505-2535用于随后的测量。

参照图25所描述的方法可与参照图1-图24所描述的装置或距离测量系统的任何特征或实施例组合。

尽管已经参照详细的示例对本发明进行了描述，但详细的示例仅用于为本领域技术人员提供更好的理解，而不旨在限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附的权利要求限定。

例如，尽管在以上实施例中已经示出了跨仪器光轴的测量路径的偏转可通过偏转元件的机械位移或旋转来实现，但可在没有任何机械运动的情况下，特别是在不旋转仪器或任何偏转元件或者移动其任何部件的情况下，获得测量路径的偏转。测量路径的偏转可基于电光效应使用偏转元件来实现，其中偏转元件的光学属性(或特征)，诸如其折射率或甚至其形状，可通过在偏转元件上施加电气偏压(电压)来改变。

另外，本领域技术人员在实践本发明时通过研究附图、本公开及所附权利要求书能够理解并实现所公开实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。事实上，在相互不同的从属权利要求中所引用的某些特征并不指示这些特征的组合不能有利地被使用。

根据本发明的实施例，组件、处理步骤和/或数据结构可以使用各种类型的操作系统(OS)、计算机平台、固件、计算机程序、计算机语言和/或通用机器来实现。方法的一部分可以作为在处理电路上运行的编程过程来运行。处理电路可采用处理器和操作系统或独立设备的多种组合的形式。过程可被实现为通过这样的硬件、通过单独硬件或通过其任意组合执行的指令。软件可被储存在机器可读的程序储存设备上。计算元素可使用面向对象的编程语言来容易地实现，使得每个所需元素根据需要被实例化。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本文中所公开的发明概念的范围和精神的情况下，也可使用较小通用性质的器件，诸如硬连线器件、现场可编程逻辑器件(FPLD)(包括现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD))、专用集成电路(ASIC)等。

根据本发明的实施例，方法可在诸如便携式计算设备、个人计算机、工作站计算机、大型计算机或运行操作系统的高性能服务器的数据处理计算机上部分实现。方法还可在多处理器系统上或在包括诸如输入设备、输出设备、显示器、指示设备、存储器、储存设备、用于向处理器和从处理器传递数据的媒体接口等的各种外围设备的计算环境中实现。这样的计算机系统或计算环境可在本地或通过互联网来联网。

上述方法及其实施例中的任何一个可借助于计算机程序来部分实现。计算机程序可被加载在如上所述的装置上。因此，本发明还涉及一种计算机程序，当其在装置上被执行时执行上述方法及其实施例中的任何一个的部分。

本发明还涉及包括上述计算机程序的计算机可读介质或计算机程序产品。计算机可读介质或计算机程序产品可以例如是磁带、光存储盘、磁盘、磁光盘、CD ROM、DVD、CD、闪存单元等，其中该计算机程序被永久或临时储存。本发明还涉及具有用于执行本发明的任何一种方法的计算机可执行指令的计算机可读介质(或计算机程序产品)。

本发明还涉及可被安装在已经在现场的装置上的固件更新，即作为计算机程序产品被输送到现场的计算机程序。这适用于上述各种方法和装置。

Claims

1.一种距离测量仪器(400、500)，包括：

发射机单元(406、525)，所述发射机单元被配置为在发出时间沿着发射路径(408、410)朝向目标(555)发出发射光信号；

接收器单元(407、560)，所述接收器单元被配置为在接收时间接收沿着接收路径(440、445)的返回光信号，并将所述返回光信号转换为返回电气信号；

至少一个偏转模块(315、415、515)，所述至少一个偏转模块被配置为以相对于所述仪器的光轴(430)的偏转角偏转所述发射路径和所述接收路径中的至少一个；

至少一个衰减器(480、490)，所述至少一个衰减器被配置为根据基于关于所述偏转角的信息选择的时间相关函数将衰减施加到所述返回光信号和所述返回电气信号中的至少一个；以及

处理器单元(470、545)，所述处理器单元被配置为至少基于所述发出时间和所述接收时间来确定到所述目标的测量的距离。

2.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述偏转模块包括至少一个偏转元件(340)，所述至少一个偏转元件被安装用于旋转运动和/或平移位移，使得所述发射路径和所述接收路径中的至少一个随着所述偏转元件的旋转和/或平移位移被偏转。

3.根据权利要求2所述的仪器，还包括传感器(350、450、550)和/或位移传感器，所述传感器操作用于检测所述偏转元件的旋转角，所述位移传感器操作用于检测所述偏转元件的平移位移，其中，关于所述偏转角的所述信息是所检测到的旋转角和/或所检测到的平移位移。

4.根据权利要求2或3所述的仪器，其中，关于所述偏转角的所述信息包括所述偏转元件相对于所述仪器光轴的起始位置、以及所述偏转元件的旋转速度、平移速度和位移曲线中的至少一个。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的仪器，还包括偏转透镜，其中，由于所述偏转元件引起的光学位移被转换为光学偏转，以产生跨所述仪器光轴的所述发射路径和/或所述接收路径的角度偏转。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的仪器，其中，所述偏转元件包括棱镜(1000)、多面反射镜(1300)和具有扇形弯曲的镜面化表面的盘(1400)中的至少一个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述时间相关衰减函数包括在自所述发射光信号的发出时间起过去的临界时间处的最大衰减。

8.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述临界时间取决于光学子系统的至少一个几何参数，通过用所述光学子系统，在所述接收器单元处接收所述返回光信号。

9.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，还包括前透镜(475)，所述前透镜具有沿着所述仪器光轴的光路，其中，所述偏转模块被光学定位在所述前透镜与所述发射机单元和所述接收器单元中的至少一个之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述测量仪器还被配置为从与行进的发射光信号的发出有关的时间事件开始，随着时间的推移，针对所述行进的发射光信号调节所述衰减器的衰减，直至接收到对应于所述行进的发射光信号的所述返回光信号，或直至发出随后的发射光信号，或直至自所述时间事件起过去的时间段超过阈值为止。

11.一种操作测量仪器的方法，包括：

在发出时间沿着发射路径发射(2510)发射光信号；

在接收时间接收(2515)沿着接收路径的返回光信号；

以相对于所述仪器的光轴的偏转角偏转(2520)所述发射路径和所述接收路径中的至少一个；

将所述返回光信号转换(2525)成返回电气信号；

基于关于所述偏转角的信息选择(2530)时间相关衰减函数；

根据所选择的时间相关函数将衰减施加(2535)到所述返回光信号和所述返回电气信号中的至少一个；以及

至少基于所述发出时间和所述接收时间确定(2540)测量的距离。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括检测偏转元件的旋转角和/或平移位移，所述偏转元件被布置为偏转所述发射路径和所述接收路径中的所述至少一个，其中，关于所述偏转角的所述信息包括所检测到的旋转角和/或所检测到的平移位移。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，关于所述偏转角的所述信息包括偏转元件的起始位置、以及所述偏转元件的旋转速度、平移速度和位移曲线中的至少一个，所述偏转元件被布置为相对于所述仪器光轴偏转所述发射路径和所述接收路径中的所述至少一个。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，所述时间相关衰减函数包括在自所述发射光信号的发出时间起过去的临界时间处的最大衰减。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述临界时间取决于光学子系统的至少一个几何参数，通过用所述光学子系统，接收所述返回光信号。