AT512782B1 - Opto-elektronisches Vermessungsverfahren - Google Patents

Abstract

Opto-elektronisches Vermessungsverfahren mit zwei Laserentfernungsmessern, mit je einer Scan-Einrichtung, die ein um eine Achse rotierendes Polygon-Spiegelrad umfasst, ferner mit mindestens einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der ausgesendeten Laserstrahlen Objektentfernungen ermittelt und das Vermessungssystem entlang eines Bewegungs-Vektors bewegbar ist, wobei die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrades und der Bewegungs-Vektor einen Winkel von ca. 90° einschließen und die Auswerteeinrichtung aus den Messwerten der verschiedenen Sensoren 3D-Punktwolken des Zielgebiets berechnet, wobei die Laserstrahlen der verschiedenen Entfernungsmesser auf verschiedene Spiegelflächen eines gemeinsamen, rotierenden Polygon-Spiegelrads gerichtet werden und die Schnittgeraden der Strahlenfächer der verschiedenen Entfernungsmesser mit der Zielfläche untereinander Winkel von ca. 90° einschließen, so dass die Zielfläche rasterartig abgetastet wird und ein im Wesentlichen gleichmäßiges Netz von Messpunkten auf der Zielfläche erzielbar ist.

Description

österreichisches Patentamt AT512 782B1 2013-11-15

Beschreibung OPTO-ELEKTRONISCHES VERMESSUNGSVERFAHREN.

[0001] Die Erfindving betrifft ein opto-elektronisches Vermessungsverfahren mit mindestens zwei Laserentfernungsmessern nach einem Signal-Laufzeitverfahren. Diese Laserentfernungsmesser sind mit je einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserstrahlen und mit je einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, ausgestattet. Das Vermessungssystem verfügt ferner über je eine Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangseinrichtungen der Laserentfernungsmesser. Diese Scan-Einrichtungen umfassen ein um eine Achse rotierendes Polygon-Spiegelrad, wobei die durch die Scan-Einrichtung abgelenkten Laserstrahlen der verschiedenen Entfernungsmesser in ihrer Gesamtheit jeweils einen Strahlenfächer definieren. Das Vermessungssystem verfügt ferner über mindestens eine Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der ausgesendeten Laserstrahlen Objektentfernungen ermittelt. Das Vermessungssystem ist im Betrieb entlang eines Bewegungs-Vektors bewegbar, wobei die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrades und der Bewegungs-Vektor einen Winkel von 30° bis 150°, vorzugsweise von ca. 90° einschließen. Die Auswerteeinrichtung berechnet aus den gemessenen Entfernungswerten, den zugehörigen Ablenkwinkeln sowie aus der jeweiligen Position des Vermessungssystems 3D-Punktwolken des Zielgebiets.

[0002] Bevorzugt wird ein derartiges Vermessungssystem in Fluggeräten installiert. Es ermöglicht eine außerordentlich rationelle Vermessung großer und auch schwer zugänglicher Zielgebiete.

[0003] An solche „airborne" Vermessungsverfahren werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf die Auflösung gestellt. Diese setzt eine entsprechende Dichte der Messpunkte und eine möglichst gleichmäßige Verteilung derselben auf der Zielfläche voraus, die zum Teil durch eine Reduktion der Fluggeschwindigkeit und der Flughöhe erreicht werden könnte. Nun wird aber die Fluggeschwindigkeit durch die Vermessungsaufgabe vorgegeben, sie wird ferner durch das eingesetzte Fluggerät aber auch durch wirtschaftliche Überlegungen bestimmt. Die Flughöhe ist durch die Topographie des Zielgebietes aber auch durch gesetzliche Auflagen und Anforderungen bezüglich der Augensicherheit vorgegeben.

[0004] Eine Erhöhung der Messpunkt-Dichte könnte auch durch eine Steigerung des Lasertaktes und der Scan-Rate erreicht werden. Aber auch diese Maßnahmen haben relativ enge Grenzen. Die verfügbare mittlere Laserleistung muss bei einer Erhöhung des Lasertaktes auf mehrere Pulse aufgeteilt werden, höhere Scan-Raten sind auf Grund der Signallaufzeiten problematisch.

[0005] Die oben angeführten Anforderungen könnten wohl durch den Einsatz von mehreren Laser-Scannern erfüllt werden. Nachteilig sind aber die hohen Kosten, und die extremen Anforderungen an die Stabilität einer gemeinsamen Plattform für die verschiedenen Scanner, wenn für diese ein gemeinsames Trägheitsnavigationssystem zur Bestimmung der Lage der Systeme im Raum, vorgesehen ist. Da die Bodenöffnungen im Fluggerät normaler Weise vorgegeben und relativ limitiert sind, ergeben sich im Allgemeinen auch von dieser Seite her Einschränkungen.

[0006] Durch die Erfindung wird eine Lösung vorgeschlagen, welche die oben angeführten Probleme vermeidet und auf der Basis eines wirtschaftlich herstellbaren und kompakten Vermessungssystems eine hohe Messpunkt-Dichte bei optimaler Gleichmäßigkeit gewährleistet.

[0007] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Laserstrahlen der verschiedenen Entfernungsmesser auf verschiedene Spiegelflächen eines gemeinsamen, vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildeten, rotierenden Polygon-Spiegelrads gerichtet sind. Die Schnittgeraden der Strahlenfächer der verschiedenen Entfernungsmesser und die Zielfläche schließen einen Winkel von 60° bis 120°, vorzugsweise von ca. 90° ein, so dass die Zielfläche rasterartig abgetastet wird und ein im Wesentlichen gleichmäßiges Netz von Messpunkten auf der Zielflä- 1 /9 österreichisches Patentamt AT512 782B1 2013-11-15 che erzielbar ist.

[0008] Vorteilhaft sind die Strahlaustrittsfenster der Laser-Sender („Laser-Front-Ends") von zumindest 2 Entfernungsmessern auf verschiedenen Seiten der durch die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrads und dem Bewegungs-Vektor definierten Ebene angeordnet, wobei die optischen Achsen der Laser-Front-Ends vorzugsweise parallel ausgerichtet sind.

[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die, durch die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrads und dem Bewegungs-Vektor definierte, Ebene die Symmetrieebene eines Scan-Moduls dar, das aus dem Polygon-Spiegelrad und den Laser-Front-Ends verschiedener Entfernungsmesser besteht.

[0010] Gegenseitige Störungen der verschiedenen Entfernungsmesser können dadurch vermieden werden, dass die Laser-Sender der Entfernungsmesser synchronisiert sind. Durch diese Maßnahme kann auch erreicht werden, dass die Anordnung der Messpunkte auf der Zielfläche in einem regelmäßigen Muster weiter verbessert wird.

[0011] Im Interesse einer hohen Auflösung arbeiten die verschiedenen Entfernungsmesser mit hohen Takt-Raten, bei welchen bereits wieder Pulse ausgesandt werden, wenn die Echosignale vorhergehender Pulse die Entfernungsmesser noch nicht erreicht haben. In solchen Fällen kommt es zu Mehrdeutigkeiten der Messergebnisse. Diese Mehrdeutigkeiten können vermieden werden, wenn verschiedene Entfernungsmesser mit unterschiedlichen Takt-Raten und bzw. oder mit verschiedenen Laserfrequenzen arbeiten. Vorteilhaft unterscheiden sich bei Einsatz von 2 Laser-Entfernungsmessern deren Takt-Raten um 10-25%.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstands sind die Laserstrahlen eines Entfernungsmessers in Bezug auf den Bewegungs-Vektor nach vorne, die eines zweiten nach hinten gerichtet, so dass Abschattungen von vertikalen Flächen der Zielobjekte weitgehend vermieden werden. Die Verschwenkung der Laserstrahlen nach vorne bzw. nach hinten kann durch Verstellung der Laser-Front-Ends in Bezug auf das Polygon-Spiegelrad bzw. durch Verschwenken eines im Strahlengang zumindest eines Laser-Senders angeordneten Umlenkspiegels, erfolgen.

[0013] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Fig. 1a zeigt schematisch eine luftgestützte („airborne") Vermessung mit einer ersten Einstellung des Vermessungssystems, die Fig. 1b eine solche Vermessung mit einer zweiten Einstellung. Die Fig. 2 veranschaulicht, ebenfalls schematisch, ein erfindungsgemäßes Vermessungssystem. Die Fig. 3 ist eine Projektion in Richtung der Rotationsachse des Polygon-Spiegelrads des Laser-Scanners, die Fig. 4 zeigt einen Schnitt gemäß der Ebene AA in Fig. 3.

[0014] Gemäß der Fig. 1a ist das Vermessungssystem so im Flugzeug 1 montiert, dass die Laserstrahlen von 2 Entfernungsmessern vertikal nach unten auf die Zielfläche gerichtet sind. Die Laserstrahlen werden durch die Scan-Einrichtung mit einer, im Vergleich zur Flugzeug-Geschwindigkeit, hohen Scan-Rate abgelenkt und beschreiben damit in erster Annäherung eine Ebene bzw. einen Fächer. Die Schnittlinien dieser Fächer auf der Zielfläche sind in der Zeichnung dargestellt. In der Grundeinstellung schneiden sich die entsprechenden Schnittlinien, auf welchen die Messpunkte aufgereiht sind, vertikal unter dem Flugzeug 1. Die Zeichnung zeigt 3 aufeinander folgende Mess-Scans, wobei beginnend mit dem ersten Scans des einen Systems die entsprechenden Schnittlinien mit 2,4 und 6 bezeichnet sind, die zugehörigen Schnittlinien des anderen Systems mit 3,5 und 7.

[0015] Da sich vertikale Flächen im Zielgebiet bei dieser Einstellung der Laser-Fächer im Allgemeinen nicht befriedigend darstellen lassen, wird gemäß der Fig.1 b der Laser-Fächer des einen Systems nach vorne gerichtet, der des anderen nach hinten. Die entsprechenden Linien auf der Zielfläche sind in Übereinstimmung mit Fig. 1a mit 2,4 und 6 bzw. 3,5 und 7 bezeichnet.

[0016] Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Vermessungssystem, das für einen luftgestützten Einsatz bestimmt ist. In einem Gehäuse 10 ist eine stabile Plattform 11 angeordnet, auf welcher alle wesentlichen Teile der Scan-Einrichtung starr befestigt sind. Die 2/9 österreichisches Patentamt AT512 782 B1 2013-11-15

Plattform 11 ist im Gehäuse 10 mit nicht dargestellten elastischen und dämpfenden Befestigungselementen montiert.

[0017] Das Vermessungssystem verfügt über 2 Laser-Entfernungsmesser, die nach einem Puls-Laufzeitprinzip arbeiten. Die beiden Laser-Sender sind unter Nutzung von Synergieeffekten zu einer Laser-Einheit 12 zusammengefasst. Die Laser der beiden Systeme sind mit Glasfaserkabel mit den Laser-Front-Ends 15 und 16 verbunden. Das Ende des Glasfaserkabels 17 ist im Brennpunkt einer Kollimatorlinse 18 angeordnet, so dass ein paralleles Strahlenbündel 19 auf eine Spiegelfläche 20 des mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Polygonspiegelrads 21 gerichtet wird und dort um 90° abgelenkt wird. An einem Umlenkspiegel 22 wird das Strahlenbündel 19 neuerlich reflektiert, vertikal nach unten gerichtet und tritt durch ein Fenster 23 aus dem Gehäuse 10 aus. Durch den stets wechselnden Auftreffwinkel der Strahlen auf der Spiegelfläche 20 beschreiben die Strahlen einen Fächer. Der zweite Kanal mit dem Front-End 15 ist analog aufgebaut, ist jedoch in Bezug auf das Polygonspiegelrad 21 um 90° versetzt angeordnet, so dass die Laser-Strahlen 48 auf die Spiegelfläche 24 gerichtet sind, die mit der Spiegelfläche 20 einen Winkel von 90° einschließt. Ein Umlenkspiegel 27 reflektiert die Strahlen 48 vertikal nach unten und treten durch das Fenster 28 aus dem Gehäuse 10 aus. Die von den beiden Systemen gebildeten Strahlenfächer bzw. deren Schnittgeraden 29 und 30 schließen auf der Zielfläche ebenfalls einen rechten Winkel ein (vgl. Fig. 3). Die beiden Systeme sind so im Raum orientiert, dass die von dem Bewegungsvektor 31 und der Rotationsachse 32 des Polygon-Spiegelrads 21 definierte Ebene die Symmetrieebene des gesamten Systems darstellt (Fig. 3).

[0018] Die Laser-Strahlen werden von den verschiedenen, im Zielraum befindlichen Objekten im Allgemeinen diffus reflektiert. Ein Teil dieser Strahlung trifft auf das Vermessungssystem und tritt durch die Fenster 23 und 28 in das Gehäuse 10 ein. Die Strahlen 33 und 34 werden durch die Umlenkspiegel 22 und 27 auf die Flächen 20 und 24 des Polygon-Spiegelrads gelenkt und von diesen auf die Objektive 35 und 36 gerichtet. In den Brennpunkten dieser Objektive 35 und 36 sind Foto-Empfänger, beispielsweise Foto-Dioden 37 und 38 angeordnet, welche die auf sie konzentrierte Echo-Signale in elektrische Signale umwandeln. Die Signale dieser Empfänger werden über Kabel einer Empfänger-Elektronik 39 zugeleitet, durch welche sie verstärkt und gegebenenfalls digitalisiert werden. Die Ausgangssignale dieser Einheit 39 werden der Auswerteeinheit 40 zugeleitet, in welcher sie zusammen mit den Signalen anderer Sensoren verarbeitet werden.

[0019] Das Polygon-Spiegelrad 21 wird durch einen Motor 41 angetrieben, mit 42 ist ein Winkeldecoder bezeichnet, der die jeweilige Winkelstellung des Spiegelrades 21 an die Steuerelektronik 43 und die Auswerte-Einrichtung 40 meldet. Das Polygon-Spiegelrad 21 mit seiner nicht dargestellten Lagerung, seinem Antriebsmotor 41 und dem Decoder 42 ist mit den Laser-Frontends 15 und 16 und den Foto-Empfängern 35,37 und 36, 38 zu einer in sich starren und stabilen Einheit zusammengefasst, die auf der Plattform 11 befestigt ist. Auf der Plattform 11 ist ferner ein Trägheitsnavigationssystem (IMU bzw. INS) 44 befestigt, welches die jeweilige Lage der Plattform 11 im Raum ermittelt und die entsprechenden Signale der Auswerteeinheit 40 zuführt.

[0020] Auf der Plattform 11 kann ferner eine digitale Einzelbild-Kamera oder eine Videokamera 45 montiert sein, deren optische Achse parallel zur Rotationsachse 32 des Polygon-Spiegelrades 21 verläuft. Die Bild-Daten dieser Kameras werden ebenfalls der Auswerte-Einrichtung 40 zugeführt und zusammen mit den Signalen der anderen Sensoren verarbeitet.

[0021] Das Vermessungssystem verfügt ferner über ein Satelliten-Navigationssystem GNSS (Global Navigation Satellite System), beispielsweise ein GPS-System. Da die Lage eines solchen Systems im Raum nur einen unbedeutenden Einfluss auf die Messergebnisse hat, kann darauf verzichtet werden, diese auf der Plattform 11 unterzubringen. Die aus einer Antenne und einer Elektronik-Einheit 46 bestehende Navigations-Anlage kann daher auch direkt am Gehäuse 10 befestigt sein. Wird allerdings ein integriertes INS-GNSS- System eingesetzt so wird dieses auf der Plattform 11 angeordnet. 3/9 österreichisches Patentamt AT512 782 B1 2013-11-15 [0022] Die mit der in Fig. 2 gezeigten Anlage erzeugten Strahlenfächer bzw. deren Schnittgera-de auf der Zielfläche entsprechen in einem ersten Scan den Positionen 2 und 3 in der Fig.1a, die der folgenden Scans sind mit 4,6 und 5,7 bezeichnet. Wie eingangs erwähnt wurde, kann zur optimalen Erfassung vertikaler Flächen im Zielraum ein Fächer nach vorne, der andere nach hinten verschwenkt werden. Es ergeben sich dann Fächer bzw. Schnittgerade gemäß den Positionen 2' und 3' in Fig. 1b. Die Schnittlinien der Strahlenfächer der folgenden Scans sind mit 4', 6' und 5', 7' bezeichnet. Die entsprechende Neigung der Strahlenfächer kann durch Ver-schwenken der Umlenkspiegel 22 und 27 um eine Achse 46 entsprechend dem Pfeil 47 in Fig. 4 erfolgen. Eine Einstellung der Strahlenfächer gemäß der Fig. 1b kann durch entsprechende Verstellung der Spiegel 22 und 27 erfolgen. Die eingestellten Winkel der beiden Umlenkspiegel 22 und 27 können durch einen Kalibriervorgang ermittelt und in das System eingegeben, oder die beiden Spiegel werden mit Winkel-Decoder ausgerüstet, welche die Stellwinkel automatisch zur Auswerte-Einrichtung 40 melden.

[0023] Das neue Vermessungsverfahren zeichnet sich durch den Einsatz von zwei Laser-Entfernungsmessern mit sich schneidenden Strahlenfächern durch eine optimale Verteilung der Messpunkte über die Zielfläche aus. Darüber hinaus bietet sie eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anpassung an die Erfordernisse der jeweiligen Vermessung.

[0024] Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann im Rahmen der Erfindung in verschiedener Weise abgeändert werden. 4/9

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT512 782 B1 2013-11-15 Patentansprüche 1. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren mit mindestens zwei Laserentfernungsmessern nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit je einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laserstrahlen und mit je einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von Laserstrahlung, die vom im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, ferner je mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen der Sende- und Empfangseinrichtungen, die ein um eine Achse rotierendes Polygon-Spiegelrad umfasst, wobei die durch die Scan-Einrichtung abgelenkten Laserstrahlen der verschiedenen Entfernungsmesser in ihrer Gesamtheit jeweils einen Strahlenfächer definieren, ferner mit mindestens einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit der ausgesendeten Laserstrahlen Objektentfernungen ermittelt und das Vermessungssystem entlang eines Bewegungs-Vektors bewegbar ist, wobei die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrades und der Bewegungs-Vektor einen Winkel von 30° bis 150°, vorzugsweise von ca. 90° einschließen und die Auswerteeinrichtung aus den gemessenen Entfernungswerten, den zugehörigen Ablenkwinkeln sowie aus der jeweiligen Position des Vermessungssystems 3D-Punktwolken des Zielgebiets berechnet dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen der verschiedenen Entfernungsmesser auf verschiedene Spiegelflächen eines gemeinsamen, vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildeten, rotierenden Polygon-Spiegelrads gerichtet sind und die Schnittgeraden der Strahlenfächer der verschiedenen Entfernungsmesser mit der Zielfläche untereinander Winkel von 60° bis 120°, vorzugsweise ca. 90° einschließen, so dass die Zielfläche rasterartig abgetastet wird und ein im Wesentlichen gleichmäßiges Netz von Messpunkten auf der Zielfläche erzielbar ist.
2. 2. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaustrittsfenster der Laser-Sender („Laser-Front-Ends") von zumindest 2 Entfernungsmessern auf verschiedenen Seiten der durch die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrads und dem Bewegungs-Vektor definierten Ebene angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der Laser-Front-Ends vorzugsweise parallel ausgerichtet sind.
3. 3. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrads und dem Bewegungs-Vektor definierte Ebene die Symmetrieebene eines Scan-Moduls darstellt, das aus dem Polygon-Spiegelrad und den Laser-Front-Ends verschiedener Entfernungsmesser besteht.
4. 4. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Sender verschiedener Entfernungsmesser synchronisiert sind, so dass gegenseitige Störungen der verschiedenen Entfernungsmesser vermieden und die Messpunkte auf der Zielfläche in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
5. 5. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Entfernungsmesser mit unterschiedlichen Takt-Raten und bzw. oder mit verschiedenen Laserwellenlängen arbeiten, so dass Mehrdeutigkeiten bezüglich der Entfernungsmessungen vermieden werden können.
6. 6. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von 2 Laser-Entfernungsmessern sich deren Takt-Raten um 10-25 % unterscheiden. 5/9 österreichisches Patentamt AT512 782 B1 2013-11-15
7. 7. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen eines Entfernungsmessers in Bezug auf den Bewegungs-Vektor nach vorne, die eines zweiten nach hinten gerichtet sind so dass Abschattungen von vertikalen Flächen weitgehend vermieden werden.
8. 8. Opto-elektronisches Vermessungsverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkung der Laserstrahlen nach vorne bzw. nach hinten durch Verstellung der Laser-Front-Ends in Bezug auf das Polygon-Spiegelrad bzw. durch Verschwenken eines im Strahlengang zumindest eines Laser-Senders angeordneten Umlenkspiegels erfolgen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9