AT508344A1 - Verfahren zur aufnahme eines objektraumes - Google Patents

Description

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RIEGL

Laser Measurement Systems GmbH.

HORN 5

Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes. 10

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem Laser-Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer 15 Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laser-Strahlen, insbes. von Laserpulsen mit geringer Strahldivergenz. Der Laser-Entfernungsmesser umfasst ferner eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Laser-Strahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert worden ist. Sowohl der Sende- als auch der Empfangseinrichtung sind optische Systeme vorgeschaltet. Es ist ferner eine Scan-20 Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangs-Einrichtung vorgesehen, die diese in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen ablenkt Weiters ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die aus der Laufzeit bzw. Phasenlage der empfangenen Lasersignale Entfemungswerte ermittelt und vorzugsweise auch die Signalamplitude erfasst. Der Laser-Entfernungsmesser bildet zusammen mit 25 der Scan-Einrichtung einen Laser-Scaner, der geeignet ist einen bestimmten Ziel- bzw. Objektraum abzutasten, wobei jedem einzelnen Messwert ein bestimmter Raumwinkel zugeordnet ist.

Bei solchen Messverfahren werden vielfach im Zielraum Referenzmarken, z.B. Retro-30 Reflektoren angeordnet. In einem Such- oder Ortungsmodus des Verfahrens wird zunächst das gesamte Messfeld zur Identifizierung der Referenzmarken abgetastet. Nach Identifizierung von Referenzmarken werden in einem Definitionsmodus lediglich die ) ·· ·· ···· ·· ····

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Bereiche, in welchen Referenzmarken identifiziert worden sind, mit hoher Auflösung vermessen und damit die Position der Referenzmarken mit hoher Genauigkeit ermittelt. In dem anschließenden eigentlichen Vermessungsmodus wird schließlich das gesamte Messfeld abgetastet. 5

In der österreichischen Patentschrift AT 412 032 ist ein Verfahren zur Abtastung eines Objektraumes beschrieben, bei welchem im Zielraum Referenzmarken vorgesehen sind. Um auch bei Vermessungen über große Distanzen die relativ kleinen, als Referenzmarken dienenden Reflektoren mit Sicherheit zu erfassen, ist dort 10 vorgeschlagen worden, im Such- bzw. Ortungsmodus des Messzyklus, die Divergenz des Laserstrahles gegenüber der im Messmodus verwendeten Divergenz so zu vergrößern, dass das Ziel lückenlos abgetastet wird. Die Messzeit für den Suchmodus ist bei diesem Verfahren gleich der Messzeit im eigentlichen Messmodus, so dass sich eine relativ lange Gesamt-Messzeit ergibt. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung den 15 Zeitbedarf für die Durchführung solcher Messungen bei mindestens gleicher

Genauigkeit bzw. Auflösung und gleicher Messsicherheit deutlich zu verkürzen und das Verfahren zu rationalisieren, so dass sich beim Einsatz des Verfahrens eine nicht unwesentliche Kostenreduktion ergibt. 20 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Suchmodus die Auswerteeinrichtung, vom Mess-Algorithmus, der eine hohe Auflösung der Entfemungswerte ergibt, auf einen weiteren Algorithmus umgeschaltet wird, der bei reduzierter Auflösung eine erhöhte Scan-Rate zulässt. Gegebenenfalls werden gleichzeitig die Empfangs- und die Auswerteeinrichtung von einer Mehrzielfahigkeit 25 auf eine Erstzielstrategie umgeschaltet.

Vorzugsweise wird die Scanrate im Suchmodus gegenüber der im Messmodus in etwa um den Faktor 10 erhöht, so dass sich die Messzeit in diesem Modus auf ca.l Zehntel reduziert. Beispielsweise beträgt die Scanrate im Suchmodus 1,5 MHz. 2 Μ #· ···· · ·· ··*· ····· · · · · · • ·· ···· · · · ·

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Werden bei dem erfindungsgemäßem Verfahren durch die Empfangs- und Auswerte-Einrichtungen im Suchmodus die Amplitudenwerte der Empfangssignale erfasst, so kann in diesem Modus auf eine Entfernungsmessung verzichtet werden, wobei zur 5 Identifizierung der Referenzmarken die Amplitudenwerte der Empfangssignale herangezogen werden. Durch diese Maßnahme kann die Berechnung der Entfemungswerte, die auch im Suchmodus einen nicht vemachlässigbaren Zeitbedarf hat, zur Gänze entfallen, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Scanrate weiter zu erhöhen und damit die Messzeit zu verkürzen. 10

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn bei der oben beschriebenen Variante im Suchmodus zur Identifizierung der Referenzmarken Amplitudensignale herangezogen werden, die den Reflexionseigenschaften des Ziels entsprechen und dadurch entfemungsunabhängig sind, wodurch die Identifikation der Referenzmarken durch eine 15 einfache Schwellwertüberschreitung erfolgen kann.

Gegebenenfalls wird im Suchmodus der Lasersender vom Puls- auf einen Dauerstrichbetrieb umgeschaltet. 20 Durch die sehr unterschiedlichen Reflexionseigenschaften des Zielobjektes einerseits und der Referenzmarken andererseits, kann es beim Scannen zu sehr großen Pegelsprüngen der Empfangssignale kommen. Treten im Suchmodus solche großen Pegelsprünge auf, wird im anschließenden Identifizierungs- und Mess-Modus in den entsprechenden Winkelbereichen des Messfeldes die Sendeleistung und / oder die 25 Empfindlichkeit der Empfangseinrichtung reduziert, so dass die Empfangs- und

Auswerteeinrichtung jeweils in einem optimalen Dynamikbereich betrieben und damit Fehler in der Entfernungsmessung vermieden werden.

Zusätzlich zur oder anstelle der oben angeführten Maßnahme wird, wenn die Pegel der 3

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Empfangssignale einen ersten vorgegebenen Schwellwert überschreiten, eine Warnung ausgegeben. Bei Überschreiten eines zweiten Schwellwertes können die entsprechenden Winkelbereiche in den folgenden Modi von einer Entfernungsmessung ausgenommen werden. 5

Im Suchmodus kann durch Vergrößerung des Abstandes benachbarter Messpunkte die Winkelauflösung reduziert und damit die Messgeschwindigkeit weiter erhöht werden, wenn in an sich bekannter Weise die Divergenz des Sendestrahles so vergrößert wird, dass sich die Mess-Flecke (Foot-prints) im Zielraum jeweils überlappen. 10

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird im zweiten Messmodus, dem Definitionsmodus, in Winkelbereichen, in welchen sich die identifizierten Referenzpunkte befinden, die Auswerteeinrichtung auf den Mess-Algorithmus umgeschaltet. Vorzugsweise wird gleichzeitig die Divergenz des Sendestrahls auf die 15 des Mess-Modus reduziert und der Abstand der Messpunkte so verkleinert, dass sich die Mess-Flecke bei einer Strahldivergenz entsprechend dem Messmodus überlappen, während in Winkelbereichen ohne Referenzpunkte die Scan-Einrichtung die optischen Achsen der Sende- und Empfangs-Einrichtung mit hoher Winkelgeschwindigkeit ablenkt. Vorzugsweise wird in diesen Phasen auf eine Entfernungsmessung und 20 gegebenenfalls auch auf eine Amplitudenmessung verzichtet.

Vorzugsweise wird im Defmitionsmodus in Winkelbereichen, in welchen sich die identifizierten Referenzpunkte befinden, bei vorgegebener Lasertaktrate die Winkelauflösung so gewählt, dass sich eine minimale Messzeit ergibt. 25

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung von Laserscannem zur Vermessung eines Objektes. Die Fig. 2 stellt ein Blockschaltdiagramm eines Laser-Scanners zur Durchführung des 4 ·· ····

Pat480 erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen die Messflecke (foot-prints) eines Scanners in zwei verschiedenen Mess-Modi. Die Figuren 5a und 5b zeigen schematisch und beispielhaft eine Einrichtung zur axialen Verstellung von Gliedern eines optischen Systems. 5

In Fig. 1 ist gegenüber von dem aufzunehmenden Objekt 4 in einer ersten Position A auf einem Stativ 2 ein Laser-Scanner la und lb gezeigt. Das Objekt 4 kann ein Bauwerk, beispielsweise ein historisches Bauwerk, eine Industrieanlage oder auch eine Geländeformation, wie z.B. ein Steinbruch oder eine Tagbau-Mine sein. Der Laser-10 Scanner umfasst einen stationär am Stativ 2 befestigten Unterteil 1 a, auf welchem der Geräte-Oberteil bzw. Messkopf lb um eine vertikale Achse 7 dreh- bzw. schwenkbar angeordnet und von einem Motor angetrieben ist. Der Messkopf lb enthält den Lasersender und einen Empfänger für die vom Objekt reflektierte Laserstrahlung. Beiden Systemen sind Objektive vorgeschaltet, deren optische Achsen durch eine Scan-15 Einrichtung um eine horizontale Achse schwenkbar sind. Die Scan-Einrichtung kann einen Schwingspiegel oder einen rotierenden Spiegel, wie beispielsweise ein rotierendes Spiegelprisma umfassen. Die Laserstrahlen, bzw. die optischen Achsen von Sender und Empfänger werden mit hoher Geschwindigkeit um einen Winkel α abgelenkt und beschreiben hierbei einen vertikal verlaufenden Fächer 8. Die Fenster durch welche die 20 Laserstrahlen aus dem Messkopf lb aus- bzw. in diesen eintreten sind in der Zeichnung mit 9a und 9b bezeichnet. Durch Verschwenken des Geräte-Oberteiles lb um die vertikale Achse 7 wird ein entsprechender Raumwinkel abgetastet. Der Schwenkwinkel des Geräte-Oberteiles lb gegenüber dem stationären Unterteil la ist in der Zeichnung mit φ bezeichnet. 25

Mit dem gezeigten Laser-Scanner la, lb kann von der Position A aus, eine Punktwolke bzw. ein 3-dimensionales Entfemungsbild des Objektraumes aufgenommen werden, wobei allerdings verschiedene Objekte, wie z.B. das Objekt 4 nur unvollständig vermessen werden können. Von sämtlichen, bei der Messung von der Position A aus 5 »· ·· ·»«· ·· ···! • · · · ···· · • · · ··· · · · ·

Pat.480 • · · · · ··· · • · · Φ · Φ Φ Φ nicht sichtbaren Flächen können keine Informationen gewonnen werden. Um ein vollständiges 3-dimensionales Bild des Objekts zu erzeugen, werden zusätzlich Aufnahmen von weiteren Standorten, beispielsweise von den Positionen B und C gemacht. Die Standorte A, B und C werden dabei so gewählt, dass von sämtlichen 5 Flächen des eigentlichen Messobjektes abschattungsfieie Entfemungsbilder bzw. Punktwolken erzeugt werden. Um anschließend eine gemeinsame Punktewolke und damit ein vollständiges 3-D Bild des Objekts zu erzeugen, werden die bei den verschiedenen Messungen bzw. Aufnahmen gewonnenen Punktwolken miteinander kombiniert, wobei markante, homologe Punkte in den Aufnahmen zur Deckung 10 gebracht werden. Da ein solcher Vorgang unter ausschließlicher Verwendung des

Messobjektes 4 praktisch nicht automatisiert werden kann, werden wie an sich bekannt, im Messfeld Retro-Reflektoren, beispielsweise Folien oder Prismen angebracht, die von allen Aufnahmepositionen (z.B. A, B und C) aus erfasst werden können, wobei sich zwischen den Laserscannem und den Referenzpunkten keine weiteren Ziele, wie z.B. 15 Baumäste od. dgl. befinden sollen. Da diese Reflektoren gegenüber den im Messfeld befindlichen übrigen Objekten eine wesentlich höhere Reflektivität aufweisen, sind sie auf Grund ihrer hohen Signalamplitude in den Punktwolken relativ leicht zu orten, so dass ein Zusammenführen der Bilder dieser als Referenzpunkte dienenden Reflektoren auch ohne menschliches Eingreifen bei der Auswertung durch einen Computer erfolgen 20 kann. Die Reflektoren sind in der Zeichnung mit 6 bezeichnet, die zugehörigen Stative mit 5.

An Hand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Einrichtung näher erläutert. Die Steuerung des Laser-25 Scanners und damit des gesamtes Ablaufes des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt durch einen Prozessor 34, der über einen Datenbus 39 mit allen wesentlichen Komponenten des Systems kommuniziert. Die entsprechenden Rechenprogramme für den Prozessor 34 sind im Programmspeicher 40 abgelegt. Dieser Prozessor 34 erzeugt 6 44 4444 ·· ·· ···· • •••4 ·· · f # 4 # 4 4 444 4 4 « 4

Pat.480 4 4 4 4 4 4 444 4 • 444 4 4 444 auch ein Startsignal für den Laser 11, der daraufhin einen Laserlicht-Impuls hoher Leistung aussendet. Die ausgesandten Laserstrahlen 12 werden durch ein optisches System 10 gebündelt. Ein gleichartiges System 13 ist im Empfangskanal angeordnet.

Die an den im Objektraum befindlichen Zielen reflektierte Laserstrahlung 14 wird 5 durch das optische System 13 auf die Empfangsdiode 15 konzentriert. Die beiden optischen Systeme 10 und 13 sind axial verstellbar, die Verstelleinrichtungen sind miteinander gekoppelt und werden vom Prozessor 34 über die Fokussiereinheit 54 angesteuert. Die von der Empfangsdiode 15 abgegebenen elektrischen Impulse werden im Verstärker 36 verstärkt und gegebenenfalls gefiltert. Ein Signal, welches der 10 Amplitude des Empfangssignals entspricht, wird über eine Leitung 16 dem Datenbus 39 zugeführt und steht damit dem Prozessor 34 sowie anderen Systemkomponenten zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Die Ausgangssignale des Verstärkers 36 werden im A/D-Wandler 37, der vom Clock-Generator 32 getaktet wird, digitalisiert. 15 Im Strahlengang 12 des Lasers ist ein Lichtleiter 53 angeordnet, der einen kleinen Teil der vom Laser 11 emittierten Strahlung direkt dem Empfangskanal zuführt. Der auf diese Weise gewonnene Startimpuls wird bei der weiteren Auswertung in seiner zeitlichen Lage mit der des Empfangsimpulses verglichen. In einer ersten Zeitmesseinheit 17 wird die Anzahl der Taktimpulse des Clock-Generators 32 zwischen 20 dem Eintreffen des Startimpulses und dem des Empfangsimpulses gezählt Das

Ausgangssignal dieser Stufe 17 weist eine relativ geringe zeitliche Auflösung auf, da es weder die exakte zeitliche Position der Impulse, noch deren Amplitude und Form berücksichtigt. 25 In der Stufe 24 werden nach einem vorgegebenen Algorithmus definierte zeitliche Positionen sowohl des Start- als auch des Empfangsimpulses in Relation zu den Taktimpulsen ermittelt, wobei die Amplituden und Formen der Impulse berücksichtigt werden. Es sind eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden, mit welchem die zeitlichen Positionen von Impulsen mit hoher Genauigkeit berechnet werden können, 7 ·· ···· ·· ·♦ ···· ····· ·· · · · • · · I ·♦· · · · ·

Pat.480 • · · · · · ··· · ···· · · ♦ · · wodurch extrem hohe Entfernungs-Auflösungen von Laserpuls-Entfemungsmessem erzielbar sind. Alle diese Verfahren bedingen aber einen hohen Rechenaufwand, der entsprechende Zeitaufwand für die Auswertung ergibt dann eine relativ lange Taktzeit pro Messpunkt. 5

Abhängig vom Messmodus wird entweder direkt der grobe Messwert aus der Stufe 17 oder der in der Stufe 24 ermittelte hochaufgelöste Wert für die Impulslaufzeit (time of flight) einer Stufe 18 zugefuhrt, in welcher aus dieser die zu dem Messpunkt gehörige Entfernung ermittelt wird. Über den Datenbus 39 werden der Stufe 18 die zugehörigen 10 Verstellwinkel α und φ der Scan-Einrichtung sowie der entsprechende Amplitudenwert AM des Empfangssignals zugeleitet. Diese Daten werden in einem Speicher 19 bzw. 20 abgelegt. Am Ende des Messzyklus wird der Inhalt des Speichers 19 bzw. der des Speichers 20 vom Prozessor 34 über den Datenbus 39 abgefiagt und ausgewertet. 15 Die Ansteuerung der verschiedenen Komponenten erfolgt durch den Prozessor 34 auf rein elektronischem Weg. Zur besseren Verdeutlichung werden in der Fig. 2 zur Herstellung der verschiedenen Verbindungen schematisch mechanische Schalter 21,22 und 23 dargestellt, die entsprechend den drei Messmodi drei verschiedene Positionen 1-3 einnehmen können. 20

Die Position 1 der Schalter 21-23 entspricht hierbei dem ersten Modus des Messzyklus (Such- oder Ortungsmodus). Im diesem Modus werden jene Punkte, die einen hohen Amplitudenwert aufweisen, als Referenzpunkte definiert Da die Auswertung in der Stufe 17 mehrzielfähig ist, werden durch den Prozessor 34 Punkte mit einem nicht 25 plausiblen Entfemungswert ausgeschieden. Die Daten der als Referenzpunkte erkannten Punkte werden im Zwischenspeicher 41 abgelegt Dieser erste Messmodus hat gegenüber einem normalen Messvorgang mit hoher Entfemungsauflösung den Vorteil, dass durch die Anwendung einer lediglich groben Entfernungsmessung der für die 8 ·· ·# ···· • ·· ·»·· • · • • • • · » • • « • • • · • • ♦ • • • • ··· • • • • • • • • ·

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Auswertung erforderliche Zeitaufwand, der die Taktzeit des Systems maßgeblich bestimmt, bis auf ein Zehntel reduziert werden kann.

Da sich das Vorliegen eines Referenzpunktes primär aus dem hohen Pegelunterschied 5 gegenüber der Umgebung definiert, kann unter bestimmten Voraussetzungen im ersten Messmodus auf eine Entfernungsmessung überhaupt verzichtet werden und stattdessen lediglich ein aus der Integration über die gesamte Laser-Taktzeit gewonnenes Amplitudensignal herangezogen werden. 10 In dem zweiten Messmodus (Definitionsmodus), in welchem ausschließlich die Referenzpunkte vermessen werden, nehmen die Schalter 21-23 die Position 2 ein.

Hier werden durch die Scan-Einrichtung nur die erkannten Referenzpunkte mit den im Zwischenspeicher abgelegten Daten angefahren, wobei der Prozessor 34 die beiden Verstelleinrichtungen des Scanners über die Einheiten 45 (a) und 46 (φ) entsprechend 15 ansteuert. Bei diesem Messvorgang werden die Referenzpunkte mit hoher Genauigkeit vermessen und die Ergebnisse, die neben dem Entfemungswert die Ablenkwinkel α und φ der Scan-Einrichtung, die Amplitudenwerte AM der Empfangssignale etc. umfassen, im Speicher 20 abgelegt. Die Messergebnisse der Stufen 17 und 24 werden der Stufe 18 zugeleitet, wo aus den beiden Werten ein Entfemungswert mit hoher Auflösung 20 berechnet wird. Dieser wird zusammen mit den zugehörigen Ablenkwinkeln α und φ und gegebenenfalls dem Amplitudenwert AM des Empfangssignals im Speicher 20 abgelegt.

Wurde im ersten Messmodus für einzelne Messpunkte ein Amplitudenwert ermittelt, 25 der den Dynamikbereich des Empfangskanals überschreitet und zu Fehlmessungen und im Extremfall zu einer Beschädigung des Systems fuhren könnte, wird eine entsprechende Warnung ausgelöst. Anstelle einer solchen oder zusätzlich zu dieser, kann automatisch die Leistung des Lasers 11 und gegebenenfalls auch die Empfindlichkeit des Empfangskanals reduziert werden. Für solche Zwecke ist auch 9 ·· ·· ···· • · · • · · • · ·· • t·« · • · • · Pat.480 • · • · · • · • · · • · · • •t ··#· schon vorgeschlagen worden, mehrere, parallele Empfangskanäle mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten vorzusehen, die je nach dem Pegel des Empfangssignals eingesetzt werden. 5 In einem dritten Messmodus (Vermessungsmodus, Stellung 3 der Schalter 21-23) erfolgt die Vermessung des gesamten Messfeldes mit hoher Genauigkeit analog zum Messmodus 2. Die Ergebnisse dieser Messung werden zusammen mit dem Inhalt des Speichers 20 in einem Speicher 43 abgelegt. 10 Wie eingangs erwähnt wird der Messvorgang zur Erzeugung einer schattenlosen Darstellung des Messobjekts 4 von mindestens einem weiteren Standort (B) aus wiederholt. Die Ergebnisse dieser Messung werden im Speicher 44 abgelegt. Für Messungen von weiteren Standorten (C und ff) aus, werden gegebenenfalls weitere Speicher vorgesehen. Durch einen Rechner 42, der im Allgemeinen über eine 15 Datenschnittstelle mit dem System bzw. dem Datenbus 39 verbunden ist, werden die in den Speichern 43 und 44 abgelegten Punktwolken zusammengefuhrt, wobei die homologen Referenzpunkte zur Deckung gebracht werden. Das Ergebnis dieser Rechnung ist ein Datensatz einer vollständigen 3-D-Punktewolke des Objektes 4, der anschließend, ggf. nach Erstellung eines entsprechenden 3-D Modells, mit 20 verschiedenen CAD-, Architektur- oder anderen Programmen weiter bearbeitet werden kann. Diese Berechnung kann sowohl On-Line als auch Off-Line erfolgen.

Um den Zeitbedarf für einen kompletten Messzyklus einzuschränken, wird im Allgemeinen das Messfeld nicht lückenlos abgetastet. Für die Rekonstruktion eines 3-D-25 Modells genügt es in der Regel, den Messraster so zu wählen, dass sich die Foot-Prints der einzelnen Messpunkte nicht überlappen. Speziell bei großen Messdistanzen besteht dann aber die Gefahr, dass im ersten Messmodus, in welchem die Referenzpunkte geortet werden sollen, die relativ kleinen Retro-Reflektoren von den Foot-Prints des Laserstrahles nicht erfasst werden. Wird, wie beschrieben, im ersten Modus mit einer 10

Pat.480 ·· »· ···· ····· ···· * • · · · ··· · · · · • · · · · · ··· · ···· · · · · · 9 eingeschränkten Auflösung der Entfernungsmessung gearbeitet, kann die Messrate durch Erhöhen der Lasertaktrate entsprechend der Zeitersparnis durch Wegfallen der Berechnung des hochaufgelösten Entfemungswerts, erhöht werden. Wird auf eine Entfernungsmessung überhaupt verzichtet, so kann durch einen Dauerstrichbetrieb des 5 Lasers 11 und einer kontinuierlichen Ablenkung des Messstrahls in Richtung des

Ablenkwinkels α die Wahrscheinlichkeit der Ortung der Referenzpunkt erhöht werden.

Um eine wirklich lückenlose Abtastung des Messfeldes zu erreichen, kann im ersten Messmodus der Laserstrahl auch so weit aufgeweitet werden, dass sich die Foot-Prints 10 der einzelnen Messpunkte überlappen. In der Fig. 3 werden die Foot-Prints im normalen Messmodus gezeigt (Position 62). Im ersten Modus, in welchem die Referenzpunkte 64 geortet werden, sind die Foot-Prints 63 so vergrößert, dass sie sich lückenlos überlappen Da die Referenzpunkte 64 eine sehr hohe Reflektivität aufweisen, stellt die durch die Strahlaufweitung bedingte Intensitätsreduktion im Allgemeinen kein Problem dar. Im 15 folgenden Modus 2 (Definitionsmodus) werden die Bereiche der im ersten Modus georteten Referenzpunkte 64 mit normaler Strahldivergenz abgetastet, wobei allerdings die Ablenkwinkel zwischen den einzelnen Messpunkten so gewählt werden, dass sich die Foot-prints der Messstrahlen 65 trotz der normalen Strahldivergenz überlappen und damit gewährleistet ist, dass auch im zweiten Modus die Referenzpunkte mit Sicherheit 20 erfasst werden (Siehe Fig. 4). Im dritten Modus wird die Ablenkeinrichtung mit normalen Winkelschritten betrieben, die Foot-Prints überlappen sich daher in diesem Modus nicht notwendigerweise. Durch Kombination der Messdaten des dritten Modus mit denen des zweiten wird aber sichergestellt, dass die vom Scanner von einem Standort aus aufgenommene Punktwolke in jedem Fall die Referenzpunkte enthält. Ein 25 Verfahren zur Vergrößerung der Strahldivergenz mit dem Ziel die Referenzpunkte mit Sicherheit zu erfassen ist in der Österreichischen Patentschrift AT 412 032 beschrieben. Das dort beschriebene Verfahren weist jedoch sehr lange Messzeiten auf. Durch die Kombination des bekannten Verfahrens mit dem nach der vorliegenden Erfindung ergeben sich zusätzliche Vorteile. 11 ·· · + ·!»· • «· ···· • · • · • 9 · • · * • · • * • · • · ··· • • • · · ·*· • · • · • • • · ·

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Die Änderung der Strahldivergenz erfolgt gemäß der Erfindung durch entsprechende Änderung der Fokussierung der optischen SystemlO und 13. Wie sich aus den Figuren 5a und 5b der Zeichnung ergibt, erfolgt die erforderliche axiale Verstellung der 5 Objektive 10 und 13 durch piezo-elektrische Elemente, insbes. durch Piezo-

Biegeschwinger, die direkt in die Fassung der Objektive 10 und 13 eingreifen. Beide Systeme werden parallel von der Fokussiereinheit 54 angesteuert, so dass sich diese gleichartig in axialer Richtung verstellen. Mit der Fokussiereinheit 54, die vom Prozessor 34 gesteuert wird, kann der Laserstrahl auf Objekte in großer Distanz oder 10 auch im Nahbereich fokussiert werden. Es ist aber auch möglich, den Sende-Strahl zu „defokussieren“, so dass er eine größere Divergenz erhält und dadurch parallel hierzu auch den Aulhahmewinkel des Empfangskanals entsprechend zu vergrößern.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. So kann die 15 Änderung der Strahldivergenz auch mittels eines Elektromotors erfolgen, der die in Gewinde geführten Linsenglieder axial verstellt. Es ist auch möglich, durch Einbringen von Linsen in den Strahlengang des Lasers die Strahldivergenz zu verändern.

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Hom, am 20.05 2009 Laser Measurement Systems GmbH 25 12

Claims (10)

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   * · · · · Pat. 480 'J&E.QLLaserMeasurementSystems RIEGL Laser Measurement Systems GmbH HORN 5 PATENTANSPRÜCHE 10 1. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem Laser- Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laser-Strahlen, insbes. von Laseipulsen mit geringer Strahldivergenz und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von Laser-15 Strahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert worden ist, wobei sowohl der Sende- als auch der Empfangseinrichtung optische Systeme vorgeschaltet sind, ferner mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangs-Einrichtung in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen, ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit bzw. Phasenlage der 20 empfangenen Lasersignale Entfemungswerte ermittelt und vorzugsweise auch die Signalamplitude erfasst, wobei jedem Messwert ein Raumwinkel zugeordnet ist und im Zielraum Referenzmarken, z.B. Retro-Reflektoren angeordnet sind und in einem Suchmodus zunächst das gesamte Messfeld zur Identifizierung der Referenzmarken abgetastet wird und nach Identifizierung von Referenzmarken in einem 25 Definitionsmodus lediglich die Bereiche, in welchen Referenzmarken identifiziert worden sind, mit hoher Auflösung vermessen und damit die Position der Referenzmarken mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, worauf im eigentlichen Vermessungsmodus das gesamte Messfeld abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 30 im Suchmodus die Auswerteeinrichtung, vom Mess-Algorithmus, der eine hohe Auflösung der Entfemungswerte ergibt, auf einen weiteren Algorithmus 1 ·· ··»* ·· ·· **·· « • •••· ·· · · · • I I · *·· · · · · Pat. 480 Laser Measurement Systems umgeschaltet wird, der bei reduzierter Auflösung eine erhöhte Scan-Rate zulässt und gegebenenfalls die Empfangs- und Auswerteeinrichtung von einer Mehrzielfähigkeit auf eine Erstzielstrategie umgeschaltet wird.
2. 2. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, die Scanrate im Suchmodus gegenüber der im Messmodus in etwa um den Faktor 10 erhöht wird und beispielsweise 1,5 MHz beträgt.
3. 3. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einer Empfangs- und Auswerte-Einrichtung, durch welche die Amplitudenwerte der Empfangssignale erfasst werden, dadurch gekennzeichnet dass, im Suchmodus auf eine Entfernungsmessung verzichtet wird und zur Identifizierung 15 der Referenzmarken Amplitudensignale herangezogen werden.
4. 4. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach Patentanspruch 1 oder 2 mit einer Empfangs- und Auswerte-Einrichtung, durch welche die Amplitudenwerte der Empfangssignale erfasst werden, 20 dadurch gekennzeichnet dass, im Suchmodus zur Identifizierung der Referenzmarken Amplitudensignale herangezogen werden, die den Reflexionseigenschaften des Ziels entsprechen und dadurch entfemungsunabhängig sind, wodurch die Identifikation der Referenzmarken durch eine einfache Schwellwertüberschreitung erfolgen kann. 25
5. 5. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach Patentanspruch 1,2 oder 3 mit einem Laser-Puls-Entfemungsmesser, dadurch gekennzeichnet dass, im Suchmodus der Lasersender vom Puls- auf einen Dauerstrichbetrieb umgeschaltet 30 wird. 2 Pat. 480 ·· ·· ···· • « · · • · · ··· t ♦ · · · • · « · · ♦ · »· »·* ·· ··· ·· ·♦·« ♦ · · • · · ’ξίίΕβί Laser Measurement Systems
6. 6. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass, 5 bei Auftreten von großen Pegeln des Empfangssignals im Suchmodus, im anschließenden Identifizierungs- und Mess-Modus in den entsprechenden Winkelbereichen des Messfeldes die Sendeleistung und / oder die Empfindlichkeit der Empfangseinrichtung reduziert wird, so dass die Empfangs- und Auswerteeinrichtung jeweils in einem optimalen Dynamikbereich betrieben und 10 damit Fehler in der Entfernungsmessung vermieden werden.
7. 7. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass, sofern die Pegel einen ersten vorgegebenen Schwellwert überschreiten eine Warnung 15 ausgegeben wird und bei Überschreiten eines zweiten Schwellwertes die entsprechenden Winkelbereiche in den folgenden Modi von einer Entfernungsmessung ausgenommen werden.
8. 8. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach einem der 20 Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Suchmodus in an sich bekannter Weise durch Vergrößerung des Abstandes benachbarter Messpunkte die Winkelauflösung reduziert und damit die Messgeschwindigkeit erhöht wird und gleichzeitig die Divergenz des Sendestrahles 25 so vergrößert wird, dass sich die Mess-Flecke (Foot-prints) im Zielraum jeweils überlappen.
9. 9. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, 30 dadurch gekennzeichnet, dass 3 ·« Μ»» ·· Μ ··?· · ····· ···· · • · · | ··· · <1 · * Pat. 480 ·#···.♦*·..· ’JäEßL Laser Measurement Systems im Definitionsmodus in Winkelbereichen, in welchen sich die identifizierten Referenzpunkte befinden, bei vorgegebener Lasertaktrate die Winkelauflösung so gewählt wird, dass die Messzeit minimal wird.
10. 10. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach einem der Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Messmodus, dem Definitionsmodus, in Winkelbereichen, in welchen sich die identifizierten Referenzpunkte befinden, die Auswerteeinrichtung auf den Mess-10 Algorithmus umgeschaltet wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig die Divergenz des Sendestrahls auf die des Mess-Modus reduziert und der Abstand der Messpunkte so verkleinert wird, dass sich die Mess-Flecke bei einer Strahldivergenz entsprechend dem Messmodus überlappen, während in Winkelbereichen ohne Referenzpunkte die Scan-Einrichtung die optischen Achsen der Sende- und Empfangs-Einrichtung mit 15 hoher Winkelgeschwindigkeit ablenkt und vorzugsweise gleichzeitig auf eine Entfernungsmessung und gegebenenfalls auch auf eine Amplitudenmessung verzichtet wird. 20 Horn, am 20.05.2009 RIEGL Laser Measurement Systems GmbH 25