[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufnahme eines als Zielraum mit Objekten definierten Objektraumes, mit einem opto-elektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von optischen Signalen und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von optischen Signalen, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert werden, ferner mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung, wobei die optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung des Entfernungsmessers im Wesentlichen parallel verlaufen und die Scan-Einrichtung ein rotierendes Polygon-Spiegelrad in einem Entfernungsmesskanal umfasst.
Ferner mit einer Auswerteeinrichtung, die aus der Laufzeit bzw. der Phasenlage des ausgesandten optischen Signals Entfernungswerte ermittelt, wobei sich die Raum-Koordinaten der einzelnen Datenelemente, aus den Entfernungswerten und der Strahlablenkung der Scan-Einrichtung ergeben.
[0002] Derartige, sogenannte Laserscanner können in verschiedenen Ausführungen realisiert sein. So kann beispielsweise der oben beschriebene Scanner, der den Raum fächerartig abtastet, auf einem Drehtisch angeordnet sein, der um einen bestimmten Winkel, vergleichsweise langsam, verstellbar ist, so dass ein entsprechender Raumwinkel abgetastet wird. Mit einer solchen Einrichtung werden zu einer Vielzahl von Messpunkten zu den Polarkoordinaten des Abtaststrahles die zugehörigen Entfernungswerte gespeichert, aus welchen sogenannte Entfernungsbilder rekonstruierbar sind.
Solche Laser-Scanner werden beispielsweise zur Dokumentation von Bauwerken, im Bergbau zur Vermessung von Minen und Kavernen, zur Lawinenforschung und für viele andere Zwecke eingesetzt.
[0003] Eine andere Anwendung ist die Vermessung von Tunnels, insbesondere von Eisenbahntunnels. Hierbei wird das Polygon-Spiegelrad so auf einem Wagen montiert, dass die Rotationsachse parallel zur Bewegungsrichtung verläuft. Durch die Bewegung des Fahrzeuges im Tunnel überstreicht der Abtastfächer die Tunnelwand, so dass ein 3D-Bild derselben aufgezeichnet wird.
[0004] Ähnlich ist der Einsatz bei der luftgestützten Datenerfassung. Ein Laserscanner ist so auf einer Plattform in einem Flächenflugzeug oder einem Hubschrauber montiert, dass die Rotationsachse des Polygon-Spiegelrades im Wesentlichen der Flugrichtung entspricht.
Das Koordinatensystem des Aufnahmeortes des Laser-Scanners wird durch ein Navigations-System, z.B. ein Satellitennavigations-System (GPS) ermittelt. Der Abtastfächer überstreicht das überflogene Gelände, die zweite Abtastrichtung ergibt sich durch die Bewegung des Flugzeuges (Airborne Laser Scanner). Der grosse Vorteil dieses Systems gegenüber der Luftbild-Photogrammetrie besteht in der Art der Auswertung: während die photogrammetrischen Aufnahmen manuell oder zumindest mit manueller Unterstützung ausgewertet werden müssen, ist es möglich, die Daten von Laser-Scanner-Aufnahmen vollautomatisch auszuwerten.
[0005] Anstelle von Polygon-Spiegelrädern werden für Laser-Scanner auch andere Abtast-Systeme, wie etwa Schwingspiegel, eingesetzt. Mit Schwingspiegel wird bei der luftgestützten Datenerfassung das Gelände sinusartig abgetastet.
Hierdurch ergeben sich sehr unterschiedliche Dichten der Abtastraster. Um zu der gewünschten, in etwa quadratischen, Rasterung zu gelangen, ist eine sehr hohe Abtastrate erforderlich, wobei in einzelnen Bereichen des abgetasteten Objektfeldes sehr unterschiedlich hohe Dichten der Messpunkte auftreten.
Dies führt dazu, dass, um eine gegebene minimale Rasterdichte zu erreichen, zunächst eine ausserordentlich grosse Datenmenge aufgezeichnet und in der weiteren Folge verarbeitet werden muss.
[0006] Um bei einer Abtastung des Objektfeldes mit einem Polygon-Spiegelrad eine möglichst gleichmässig und quadratische Ausbildung des Rasternetzes zu erzielen und damit zu einer optimalen Aufzeichnungsrate zu gelangen, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass die Einrichtung mindestens einen weiteren Entfernungsmesskanal umfasst, wobei für jeden Entfernungsmesskanal ein eigenes Polygon-Spiegelrad vorgesehen ist.
Vorzugsweise weisen die Polygon-Spiegelräder parallele Achsen auf, sind synchron angetrieben und vorzugsweise so gegeneinander versetzt, dass während der Abtastlücke eines Systems ein anderes den Objektraum abtastet oder zwei bzw. mehrere Entfernungsmesskanäle mit einem einzigen Polygon-Spiegelrad zusammenwirken.
[0007] Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Polygon-Spiegelräder der Scan-Einrichtungen auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet, welche im Objektraum, vorzugsweise senkrecht zur Abtastrichtung der Polygon-Spiegelräder, bewegbar ist, wobei zu jedem Messpunkt gleichzeitig mit den Entfernungsdaten und dem Ablenkwinkel der Polygonspiegel die, beispielsweise von einem Navigationssystem, vorzugsweise einem GPS-System,
gelieferten Koordinaten des jeweiligen Standortes und die Ausrichtung der Plattform im Raum erfassbar sind.
[0008] Vorteilhaft werden die Synergien der verschiedenen Entfernungsmesskanäle genutzt, so dass Komponenten der Entfernungsmesser z.B. der Lasertransmitter und/oder das Empfangssystem und/oder die Auswerteeinrichtung nur einfach vorgesehen sind und von den verschiedenen Entfernungsmessern gemeinsam nutzbar sind.
[0009] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der optischen Achse des Lasertransmitters, vorzugsweise teildurchlässige, Spiegel oder Prismen vorgesehen, durch welche der Strahl des Lasertransmitters teilbar ist, wobei die entsprechenden Teilstrahlen den jeweiligen Polygon-Spiegelrädern zuleitbar sind.
[0010] Zusätzlich oder auch alternativ können in der optischen Achse des Empfangssystems, vorzugsweise teildurchlässige,
Spiegel oder Prismen vorgesehen sein, durch welche die verschiedenen, von den Polygon-Spiegelrädern reflektierten Strahlen zu einem einzigen Strahlenbündel kombinierbar sind. Vorzugsweise wird als optischer Strahlteiler im Sende- und/oder im Empfangsteil ein Glasfaserstrahlteiler verwendet.
[0011] In einer Variante der Erfindung ist als optischer Strahlteiler ein schwingendes Spiegelelement vorgesehen, welches zwei, alternierend in das Strahlenbündel eintauchende Spiegelflächen mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweist.
[0012] Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung die Polygon-Spiegelräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
[0013] Die Polygon-Spiegelräder können dabei in an sich bekannter Weise als Spiegel-Pyramiden ausgeführt sein, die um ihre Achse rotieren,
wobei zwei Polygon-Spiegelräder koaxial angeordnet und an ihrer Basis miteinander verbunden sind.
[0014] Eine besonders hohe Flexibilität des Erfindungsgegenstandes kann dadurch erzielt werden, dass die Polygon-Spiegelräder über je einen eigenen Antrieb verfügen und diese Antriebe die Polygon-Spiegelräder synchron antreiben, wobei die Phasenlage der einzelnen Polygon-Spiegelräder zueinander einstellbar ist.
[0015] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Fig. 1 zeigt schematisch eine luftgestütze Datenerfassung mit Laser-Scanner gemäss dem Stand der Technik (Quelle: GEOLAS Consulting). Die Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip der Abtastung mit einem rotierenden Polygon-Spiegelrad.
Die Fig. 3 stellt einen Abtastraster gemäss dem Stand der Technik dar, die Fig. 4 zeigt einen solchen gemäss der Erfindung. Die Fig. 5 und 6 zeigen in Form von Blockschaltbildern verschiedene Varianten der gemeinsamen Nutzung von Komponenten der Entfernungsmesssysteme. Die Fig. 7 veranschaulicht einen optischen Umschalter. Die Fig. 8, 9 und 10 stellen ebenfalls schematisch verschiedene Varianten von Laser-Scannern gemäss der Erfindung dar, wobei die Fig. 10a und 10b eine Ausführung in zwei verschiedenen Rissen veranschaulicht.
[0016] Die Fig. 1 zeigt schematisch ein flugzeuggetragenes Laser-Scanning-System zur Erstellung von sog. DSM (digital surface models) und davon abgeleiteten DTM (digital terrain models). In einem Flugzeug 11 ist auf einer Plattform ein Laser-Scanner 12 montiert, der das unter dem Flugzeug liegende Gelände 13 abtastet.
Die jeweiligen geographischen Koordinaten des Flugzeuges werden durch ein Navigationssystem 14 ermittelt. In dem vorliegenden Beispiel ist ein Satellitennavigationssystem GPS (Global Positioning System) eingesetzt. Mit 15a und 15b sind einige der durch das System benutzten Satelliten bezeichnet. Durch eine terrestrische Station 16, deren Koordinaten bekannt sind, kann die Genauigkeit der Positionsangabe wesentlich erhöht werden. Die Plattform mit dem Laser-Scanner 12 kann durch Kreisel im Raum stabilisiert sein oder es werden zusätzlich zu den geographischen Koordinaten Kurs-, Roll- und Nickwinkel aufgezeichnet. Diese Winkel können entweder ebenfalls vom Navigationssystem 14 ausgegeben werden oder werden von einem Kreiselgerät 17 abgeleitet. Der Laser-Scanner 12 sendet eine Folge von Laser-Impulsen auf den darunterliegenden Geländestreifen 13.
Die Impulse werden an der Geländeoberfläche diffus reflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung wird in Richtung des Laser-Scanners 12 zurückgeworfen. Aus der Laufzeit der Impulse wird die jeweilige Entfernung ermittelt. Durch die Scan-Einrichtung des Gerätes wird der Messstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Flugrichtung abgelenkt, so dass das Gerät 12 das darunterliegende Gelände 13 fächerartig abtastet. Im Idealfall wird das Gelände 13, wie in Fig. 1 angedeutet durch einen quadratischen Raster von Messpunkten 19 abgetastet. Von jedem Messpunkt 19 werden folgende Daten abgespeichert: geographische Koordinaten (geographische Breite und Länge, Höhe) und gemessene Entfernung sowie den zugehörigen Ablenkwinkel der Scan-Einrichtung.
Sofern der Laser-Scanner 12 nicht auf einer stabilisierten Plattform angeordnet ist, werden zusätzlich Kurs-, Roll- und Nickwinkel aufgezeichnet.
[0017] Bei einer solchen topographischen Kartierung wird das Gelände mäanderförmig, in einer Flughöhe von einigen hundert Meter mit relativ geringer Geschwindigkeit abgeflogen. Aus den aufgezeichneten Daten kann bei der Auswertung ein digitales 3D-Geländemodell rekonstruiert werden.
[0018] Die fächerartige Abtastung kann mit verschiedenen Einrichtungen durchgeführt werden. Bekannt sind beispielsweise Schwingspiegel, die den Laser-Strahl im Wesentlichen sinus-artig über das Gelände führen. Diese Art der Abtastung führt zu einem Abtastraster, in welchem die Abstände zwischen den einzelnen Messpunkten sehr grossen Streuungen unterliegen.
Eine wesentlich gleichmässigere Rasterung wird mit einem Scanner erzielt, bei welchem die Strahlablenkung mit einem rotierenden Polygon-Spiegelrad erfolgt.
[0019] Anhand der Fig. 2 wird die Funktion eines solchen Spiegelrades näher erläutert. Ein in diesem Beispiel 3-seitiges Spiegelpolygon 20 ist um eine Achse 21 drehbar gelagert und wird durch einen nicht dargestellten Kleinmotor entgegen dem Uhrzeigersinn (Pfeil 22) mit hoher Geschwindigkeit angetrieben. Durch einen ebenfalls nicht dargestellten Drehwinkelsensor wird die jeweilige Position des Spiegelpolygons an einen Computer rückgemeldet, der das System steuert und die Messdaten erfasst und verarbeitet. Der Laser-Messstrahl 23 wird durch eine Optik aufgeweitet, von welcher die Kollimatorlinse 24 gezeigt ist.
Man erkennt, dass von den verschiedenen, in der Zeichnung dargestellten Winkelstellungen des Spiegelprismas 20, nur in den Stellungen 1-3 der volle Querschnitt des Strahlenbündels auf das Messobjekt gelenkt wird. In der Stellung 0 wird die Strahlung zur Quelle reflektiert, so dass keine Strahlung auf das Messobjekt gelangt. In Zwischenstellungen wird die Strahlung entsprechend gedämpft. Dies führt dazu, dass je nach Auslegung des Spiegelrades 20 bei der Abtastung eine sogenannte Abtastlücke auftritt, in welcher kein Mess-Strahl ausgesandt wird. In dem vorliegenden Beispiel beträgt diese Austastlücke in etwa 50%.
[0020] Bei einer gegebenen Abtastrate und Fluggeschwindigkeit ergibt sich nun ein Abtastraster, wie er in Fig. 3 veranschaulicht ist.
Der Raster ist nicht, wie dies optimal wäre, in den beiden Richtungen quer und parallel zur Flugrichtung gleichdicht mit Messpunkten belegt, sondern der Abstand der Messpunkte in Flugrichtung ist etwa doppelt so gross als in Querrichtung. Grundsätzlich könnte man durch Einsatz von langsamer fliegenden Flugzeugen oder Hubschraubern das Rasterverhältnis verbessern, dies würde jedoch die Messzeit beträchtlich vergrössern und damit zu deutlich höheren Kosten führen.
Eine Reduktion der Abtastrate kommt ebenfalls nicht in Frage, da dies zu einer Verringerung der Auflösung und damit zu einem Qualitätsverlust führen würde.
[0021] Dieses Problem wird erfindungsgemäss vorzugsweise dadurch gelöst, dass ein weiteres Entfernungsmess-System samt Scan-Einrichtung vorgesehen ist, wobei die Scanner der beiden Entfernungsmesser in ihrer Phasenlage so versetzt sind, dass in der Abtastlücke des einen Entfernungsmessers der andere das Gelände abtastet. Die Fig. 4 zeigt einen Abtastraster, der mit der erfindungsgemässen Einrichtung erzielt wird. Die Messpunkte des ersten Entfernungsmessers sind mit 19, die des zweiten mit 29 bezeichnet.
[0022] Die beiden Entfemungsmess-Systeme können völlig getrennt aufgebaut sein, es ist aber auch möglich, dass beide Systeme verschiedene Komponenten gemeinsam nutzen.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen Beispiele für eine solche Nutzung von Synergieeffekten. In Fig. 5 bezeichnet 30 einen Lasertransmitter, der Laserpulse 31 aussendet. In einem Teilungsprisma 32, dessen Reflexionsfläche 33 teilverspiegelt, ist wird 50% der Laserstrahlung durchgelassen, während 50% reflektiert wird. Der gerade durchtretende Strahl 31a wird durch ein schematisch angedeutetes, rotierendes vierseitiges Polygonspiegelrad 34 periodisch abgelenkt (Kanal 1-K1). Der im Teilungsprisma 32 reflektierte Strahl 31b wird durch einen ortsfesten Spiegel 35 umgelenkt. Ein rotierendes vierseitiges Polygonspiegelrad 36 lenkt den Mess-Strahl 31b periodisch so ab, dass er das Messfeld fächerartig abtastet (Kanal 2-K2).
Die beiden Spiegelräder 34 und 36 sind so winkelmässig gegeneinander versetzt, dass jeweils in der Abtastlücke des einen Systems das andere das Objektfeld abtastet.
[0023] Die im Messfeld reflektierte Strahlung wird von den rotierenden Spiegelrädern 37 (Kanal 1-K1) bzw. 38 (Kanal 2-K2) abgelenkt und einem Spiegelprisma 39 zugeführt. Das aus diesen beiden Teilen resultierende Strahlenbündel 40 wird durch eine Optik 41 auf einem Sensor in der Empfangsstufe 42 konzentriert. Vom Lasertransmitter 30 wird ein optisches oder elektrisches Signal abgeleitet und über einen Lichtleiter bzw. einen elektrischen Leiter 43 der Empfangsstufe 42 zugeführt. Die vom Lasertransmitter 30 abgeleiteten Signale dienen als Startimpulse für die Laufzeitmessung, durch die reflektierten Impulse wird die Zeitmessung beendet.
Die Zeitmessung und die entsprechende Auswertung zu Entfernungswerten und die Verknüpfung mit den Ablenkwinkeln, den geographischen Koordinaten, den Ausrichtwinkeln der Plattform und die Aufzeichnung aller dieser Datensätze erfolgt in der Auswertestufe 44.
[0024] Die Spiegelräder 34, 36 bis 38 laufen synchron um, wobei die Spiegelräder 34 und 37 bzw. 36 und 38 auch phasengleich rotieren. Bevorzugt sind die Spiegelräder 34 und 37 sowie die Spiegelräder 36 und 38 auf je einer gemeinsamen Welle angeordnet. Wird auf eine relative Phasenverstellung zwischen den beiden Messkanälen 1 und 2 verzichtet, so können sämtliche vier Spiegelräder, ein entsprechender Winkelversatz vorausgesetzt, auf einer gemeinsamen Welle montiert sein.
[0025] Bei der in Fig. 5 gezeigten Einrichtung geht ein Teil der Leistung des Lasertransmitters 30 verloren.
Ist es erforderlich, die Laserleistung optimal zu nutzen, wird gemäss Fig. 6 an Stelle des Teilungsprismas ein optischer Schalter 45 eingesetzt. Eine mögliche Ausführung eines solchen optischen Schalters wird beispielhaft in Fig. 7 veranschaulicht. Gemäss Fig. 6 führt der optische Schalter 45 einmal die gesamte Leistung des Lasertransmitters 30 dem Kanal 1 (K1) zu, in der anderen Phase der Abtastung dem Kanal 2 (K2). Der Empfangsteil ist ebenfalls abweichend von der Ausführung nach Fig. 5 aufgebaut. Gemäss Fig. 6 verfügt jeder der beiden Kanäle über einen separaten Sensor 46a und 46b. Die Ausgangssignale der beiden Sensoren werden elektrisch miteinander verknüpft und gemeinsam in der Stufe 42 weiter verarbeitet.
[0026] Gemäss Fig. 7 verfügt der optische Umschalter 45 über 2 verspiegelte Prismen 47 und 48, die auf einer schwingenden Plattform 49 angeordnet sind.
Diese Plattform 49 ist über Plattfedern 50 und 51 mit einer ortsfesten Basisplatte 52 verbunden. Die Plattform wird durch einen Linearmotor oder einen Hubmagnet 53 angetrieben. Der Antrieb kann auch durch einen rotierenden Motor über einen Nocken- oder Kurbeltrieb erfolgen, wobei dieser Motor gleichzeitig auch die Polygon-Spiegelräder 34, 36 bis 38 antreiben kann. In der dargestellten Position der Plattform 49 lenkt das Spiegelprisma 47 den Laserstrahl 31 in Richtung des Pfeiles 54 um; nimmt die Plattform 49 ihre rechte Endlage ein, so reflektiert das Spiegelprisma 48 den Laserstrahl 31 in Richtung des Pfeils 55.
[0027] In der Fig. 8 ist schematisch der Aufbau eines flugzeuggestützten Laser-Scanners gemäss der Erfindung dargestellt.
Kernstück der Anlage ist der Zentralrechner 56, der die einzelnen Komponenten derselben ansteuert und die Messdaten der Entfernungsmesser auswertet, mit den Scan-Winkeln, den geographischen Koordinaten und den Ausrichtwinkel der Messplattform verknüpft und diese Datensätze aufzeichnet. Die Ausgabe der Dateien kann über einen Datenträger (in der Zeichnung ist beispielhaft eine DVD (Pos. 57) als Speichermedium dargestellt). Der Zentralrechner 56 steuert einen Lasertransmitter 30 an. Die Laserstrahlung desselben wird durch zwei Glasfaserkabel 58 und 59 je einer Optik 60 bzw. 61 zugeführt, durch welche Optiken die Laserstrahlen aufgeweitet werden. Diese Optiken 60 und 61 liegen je einem Polygon-Spiegelrad 62, 63 gegenüber. Die Spiegelräder 62, 63 sind als vierseitige Pyramiden ausgeführt, die an ihrer Basis miteinander verbunden sind.
Die beiden Spiegelpyramiden sind um 45 deg. gegeneinander versetzt, so dass das eine System in der Abtastlücke des anderen aktiv ist. Angetrieben werden die Spiegelräder durch einen Motor 64, der durch den Rechner 56 gesteuert wird. Durch einen auf der Motorwelle angeordneten Winkeldekoder 65 wird die Momentanstellung der Spiegelräder 62, 63 an den Rechner zurückgemeldet.
[0028] Durch die beiden Polygonspiegelräder 62, 63 wird das überflogene Gelände 13 fächerartig abgetastet. Die entsprechenden Mess-Strahlen sind in der Zeichnung mit 66 und 67 bezeichnet, die Messpunkte an der Oberfläche des Geländes 13 mit 19. Ein Teil der vom Messpunkt 19 diffus reflektierten Strahlung erreicht wieder die Polygonspiegelräder 62 bzw. 63 und wird über Optiken 68, 69 und Glasfaserkabeln 70, 71 der Empfangsstufe 72 zugeführt.
Sowohl im Sende- als auch im Empfangskanal erfolgt die Strahlteilung unmittelbar durch die Glasfaserlichtleiter.
[0029] Die in der Empfangsstufe 72 in elektrische Signale umgewandelten Echoimpulse werden dem Zentralrechner 56 zugeleitet. Aus der Laufzeit der Impulse werden die entsprechenden Entfernungen ermittelt. Diese Messdaten werden im Rechner 56 mit dem durch die Position der Spiegelräder 62, 63 definierten Ablenkwinkel alpha und den von einem GPS-Navigationssystem 14 abgeleiteten geographischen Koordinaten x, y, z und den Kurs-, Nick-und Rollwinkeln epsilon, gamma , verknüpft. Durch diese Daten wird jeder Messpunkt im Raum exakt definiert, so dass aus den Daten 3D-Geländemodelle berechnet werden können.
[0030] Die Fig. 9 zeigt einzelne Komponenten einer Variante der oben beschriebenen Einrichtung.
In dieser Ausführungsform sind die beiden Spiegelräder 73, 74 als dreiseitige Pyramiden ausgebildet und weisen separate Antriebsmotoren 75, 76 und Winkeldekoder 77, 78 auf. Die mit dem Gegenstand der Fig. 8 übereinstimmenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Vorteil der Ausführung nach der Fig. 9 ist die grosse Flexibilität im Betrieb der Anlage. Die beiden Spiegelräder 73, 74 werden wohl synchron angetrieben, der Phasenwinkel zwischen den Spiegelrädern kann aber beliebig eingestellt werden. Es ist auch möglich, die beiden Spiegelräder 73, 74 mit unterschiedlichem Drehsinn zu betreiben.
[0031] Eine weitere Variante der Erfindung ist in den Fig. 10a und 10b dargestellt. Das Polygonspiegelrad 79 ist als dreiseitige Pyramide ausgebildet. Dem Spiegelrad liegen die Optiken 60, 68 und 61, 69 um 180 deg. gegeneinander versetzt gegenüber.
Durch Spiegel 80 bzw. 81 werden die Sende- bzw. Empfangsstrahlen um 90 deg. abgelenkt, so dass sie im Wesentlichen achsial aus- bzw. eintreten. Die mit anderen Ausführungen übereinstimmenden Teile sind in der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
[0032] Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Im Besonderen ist die Erfindung nicht auf flugzeuggestützte Systeme eingeschränkt, sondern kann mit gleichen Vorteilen auf Tunnelmess-Systeme od. dgl. und Geräte angewendet werden, bei welchen der Scanner auf einem Drehtisch montiert ist. Es können auch die verschiedenen Lösungen zur Nutzung der Synergieeffekte, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 bis 7 gezeigt sind, in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
The invention relates to a device for receiving an object space defined as a target space with objects, with an opto-electronic rangefinder according to a signal transit time method with a transmitting device for emitting optical signals and a receiving device for receiving optical signals from In the target space objects are reflected, further comprising a scanning device for deflecting the optical axes of the transmitting and receiving device, wherein the optical axes of the transmitting and receiving device of the rangefinder substantially parallel and the scanning device is a rotating polygon mirror in a distance measuring channel.
Further comprising an evaluation device which determines distance values from the transit time or the phase position of the emitted optical signal, the spatial coordinates of the individual data elements resulting from the distance values and the beam deflection of the scanning device.
Such, so-called laser scanner can be realized in different versions. Thus, for example, the scanner described above, which scans the space in a fan-like manner, can be arranged on a turntable which is adjustable by a certain angle, comparatively slowly, so that a corresponding solid angle is scanned. With such a device, the associated distance values are stored for a plurality of measuring points relative to the polar coordinates of the scanning beam, from which so-called distance images can be reconstructed.
Such laser scanners are used for example for the documentation of structures, in mining for the measurement of mines and caverns, for avalanche research and for many other purposes.
Another application is the measurement of tunnels, especially railway tunnels. In this case, the polygon mirror wheel is mounted on a carriage such that the axis of rotation runs parallel to the direction of movement. Due to the movement of the vehicle in the tunnel, the scanning fan sweeps the tunnel wall, so that a 3D image of the same is recorded.
Similar is the use in the airborne data acquisition. A laser scanner is mounted on a platform in a surface aircraft or a helicopter so that the axis of rotation of the polygon mirror wheel substantially corresponds to the direction of flight.
The coordinate system of the location of the laser scanner is determined by a navigation system, e.g. a satellite navigation system (GPS) is detected. The scanning fan passes over the overflown terrain, the second scanning direction results from the movement of the aircraft (Airborne Laser Scanner). The great advantage of this system compared to aerial photogrammetry is the type of evaluation: while the photogrammetric images have to be evaluated manually or at least with manual support, it is possible to evaluate the data of laser scanner images fully automatically.
Instead of polygon mirror wheels, other scanning systems, such as oscillating mirrors, are used for laser scanners. With oscillating mirrors, the terrain is scanned sinusoidally in airborne data acquisition.
This results in very different densities of the sampling patterns. In order to achieve the desired, approximately square, screening, a very high sampling rate is required, with very different densities of the measuring points occurring in individual regions of the scanned object field.
As a result, in order to achieve a given minimum screen density, first of all an extraordinarily large amount of data must be recorded and processed in the subsequent sequence.
In order to achieve a uniform and square configuration of the grid network and thus to achieve an optimum recording rate in a scan of the object field with a polygon mirror wheel, it is proposed according to the invention that the device comprises at least one further distance measuring channel, wherein Each distance measuring channel is provided with its own polygon mirror wheel.
Preferably, the polygon mirror wheels have parallel axes, are driven synchronously, and preferably offset from one another such that during the sampling gap of one system another scans the object space or two or more range finding channels cooperate with a single polygon mirror wheel.
According to a further feature of the invention, the polygon mirror wheels of the scanning devices are arranged on a common platform which in the object space, preferably perpendicular to the scanning direction of the polygon mirror wheels, is movable, wherein at each measuring point simultaneously with the distance data and the Deflection angle of the polygon mirrors that, for example, from a navigation system, preferably a GPS system,
supplied coordinates of the respective location and the orientation of the platform in space are detectable.
Advantageously, the synergies of the various distance measuring channels are used, so that components of the rangefinder, e.g. the laser transmitter and / or the receiving system and / or the evaluation are only provided in a simple manner and are shared by the various rangefinders.
In an advantageous embodiment of the invention, preferably partially transmissive, mirrors or prisms are provided in the optical axis of the laser transmitter, through which the beam of the laser transmitter is divisible, the corresponding partial beams are the respective polygon mirror wheels zuleitbar.
Additionally or alternatively, in the optical axis of the receiving system, preferably partially transparent,
Mirrors or prisms be provided, through which the different, reflected by the polygon mirror wheels rays are combined into a single beam. Preferably, a glass fiber beam splitter is used as the optical beam splitter in the transmitting and / or in the receiving part.
In a variant of the invention is provided as an optical beam splitter, a vibrating mirror element having two, alternately immersed in the beam mirror surfaces with different orientation.
A particularly advantageous solution is obtained if, according to a further feature of the invention, the polygon mirror wheels are arranged on a common shaft.
The polygon mirror wheels can be designed in a manner known per se as mirror pyramids, which rotate about their axis,
wherein two polygon mirror wheels are arranged coaxially and interconnected at their base.
A particularly high flexibility of the subject invention can be achieved that the polygon mirror wheels each have their own drive and drive these drives the polygon mirror wheels synchronously, the phase angle of the individual polygon mirror wheels is adjustable to each other.
Further features of the invention will become apparent from the following description of some embodiments and with reference to the drawings. Fig. 1 shows schematically an airborne data acquisition with laser scanner according to the prior art (Source: GEOLAS Consulting). Fig. 2 illustrates the principle of scanning with a rotating polygon mirror wheel.
Fig. 3 shows a sampling pattern according to the prior art, Fig. 4 shows such according to the invention. FIGS. 5 and 6 show in the form of block diagrams various variants of the common use of components of the distance measuring systems. Fig. 7 illustrates an optical switch. FIGS. 8, 9 and 10 also schematically illustrate different variants of laser scanners according to the invention, wherein FIGS. 10a and 10b illustrate an embodiment in two different cracks.
Fig. 1 shows schematically an aircraft-borne laser scanning system for creating so-called. DSM (digital surface models) and derived DTM (digital terrain models). In an aircraft 11, a laser scanner 12 is mounted on a platform, which scans the underlying terrain 13 under the aircraft.
The respective geographical coordinates of the aircraft are determined by a navigation system 14. In the present example, a satellite navigation system GPS (Global Positioning System) is used. 15a and 15b are some of the satellites used by the system. By a terrestrial station 16 whose coordinates are known, the accuracy of the position information can be significantly increased. The platform with the laser scanner 12 may be stabilized by gyros in space, or it may record course, roll and pitch angles in addition to the geographic coordinates. These angles can either also be output by the navigation system 14 or be derived from a gyroscope 17. The laser scanner 12 sends a train of laser pulses onto the underlying land strip 13.
The pulses are diffusely reflected on the terrain surface. Part of the reflected radiation is reflected back towards the laser scanner 12. From the duration of the pulses, the respective distance is determined. By the scanning device of the device, the measuring beam is deflected substantially perpendicular to the direction of flight, so that the device 12 scans the underlying terrain 13 like a fan. Ideally, the terrain 13 is scanned, as indicated in FIG. 1, by a square grid of measuring points 19. From each measuring point 19, the following data are stored: geographical coordinates (latitude and longitude, altitude) and measured distance and the associated deflection angle of the scanning device.
If the laser scanner 12 is not arranged on a stabilized platform, additional course, roll and pitch angles are recorded.
In such a topographic mapping, the terrain is meandering, flown at a height of a few hundred meters at a relatively low speed. From the recorded data, a digital 3D terrain model can be reconstructed during the evaluation.
The fan-like scanning can be performed with various devices. For example, oscillating mirrors are known which guide the laser beam substantially sinusoidally over the terrain. This type of scanning leads to a sampling grid in which the distances between the individual measuring points are subject to very large variations.
A much more uniform screening is achieved with a scanner in which the beam deflection takes place with a rotating polygon mirror wheel.
2, the function of such a mirror wheel is explained in detail. A 3-sided mirror polygon 20 in this example is rotatably mounted about an axis 21 and is driven by a small motor, not shown counterclockwise (arrow 22) at high speed. By a rotation angle sensor, also not shown, the respective position of the mirror polygon is fed back to a computer which controls the system and detects and processes the measurement data. The laser measuring beam 23 is widened by optics, of which the collimator lens 24 is shown.
It can be seen that, of the various angular positions of the mirror prism 20 shown in the drawing, the full cross-section of the radiation beam is directed onto the test object only in the positions 1-3. In position 0, the radiation is reflected to the source, so that no radiation reaches the measurement object. In intermediate positions, the radiation is attenuated accordingly. This results in that, depending on the design of the mirror wheel 20 in the scan, a so-called sampling gap occurs, in which no measuring beam is emitted. In the present example, this blanking interval is approximately 50%.
At a given sampling rate and airspeed now results in a sense pattern, as illustrated in Fig. 3.
The grid is not, as would be optimal, in the two directions transverse and parallel to the direction of flight uniformly covered with measuring points, but the distance of the measuring points in the direction of flight is about twice as large as in the transverse direction. Basically one could improve the raster ratio by using slower flying airplanes or helicopters, but this would considerably increase the measurement time and thus lead to significantly higher costs.
A reduction in the sampling rate is also out of the question, since this would lead to a reduction of the resolution and thus to a loss of quality.
This problem is inventively preferably solved in that a further distance measuring system including scanning device is provided, the scanners of the two rangefinders are offset in their phase position so that in the scanning gap of a rangefinder the other scans the terrain. Fig. 4 shows a sampling pattern, which is achieved with the inventive device. The measuring points of the first rangefinder are denoted by 19, the second of 29.
The two Entfemungsmess systems can be completely separated, but it is also possible that both systems use different components together.
Figures 5 and 6 illustrate examples of such use of synergy effects. In Fig. 5, 30 denotes a laser transmitter which emits laser pulses 31. In a dividing prism 32, whose reflecting surface 33 is partially mirrored, 50% of the laser radiation is transmitted while 50% is reflected. The currently passing beam 31a is periodically deflected by a schematically indicated, rotating four-sided polygon mirror wheel 34 (channel 1-K1). The beam 31b reflected in the dividing prism 32 is deflected by a stationary mirror 35. A rotating four-sided polygon mirror wheel 36 deflects the measuring beam 31b periodically such that it scans the measuring field in a fan-like manner (channel 2-K2).
The two mirror wheels 34 and 36 are angularly offset from each other so that each scans the object field in the Abtastlücke of one system.
The reflected radiation in the measuring field is deflected by the rotating mirror wheels 37 (channel 1-K1) and 38 (channel 2-K2) and fed to a mirror prism 39. The beam 40 resulting from these two parts is concentrated by an optic 41 on a sensor in the receiving stage 42. From the laser transmitter 30, an optical or electrical signal is derived and fed via a light guide or an electrical conductor 43 of the receiving stage 42. The signals derived from the laser transmitter 30 serve as start pulses for the propagation time measurement, the timing is ended by the reflected pulses.
The time measurement and the corresponding evaluation of distance values and the link with the deflection angles, the geographical coordinates, the alignment angles of the platform and the recording of all these data sets takes place in the evaluation stage 44.
The mirror wheels 34, 36 to 38 run synchronously, wherein the mirror wheels 34 and 37 and 36 and 38 also rotate in phase. Preferably, the mirror wheels 34 and 37 and the mirror wheels 36 and 38 are each arranged on a common shaft. If a relative phase adjustment between the two measuring channels 1 and 2 is dispensed with, then all four mirror wheels, assuming a corresponding angular offset, can be mounted on a common shaft.
In the device shown in Fig. 5, part of the power of the laser transmitter 30 is lost.
If it is necessary to optimally use the laser power, an optical switch 45 is used instead of the graduation prism according to FIG. One possible embodiment of such an optical switch is exemplified in FIG. 7. According to FIG. 6, the optical switch 45 once supplies the entire power of the laser transmitter 30 to the channel 1 (K1), in the other phase of the sampling channel 2 (K2). The receiving part is also deviating from the embodiment of FIG. 5 constructed. According to FIG. 6, each of the two channels has a separate sensor 46a and 46b. The output signals of the two sensors are electrically linked together and further processed in the stage 42 on.
7, the optical switch 45 has two mirrored prisms 47 and 48, which are arranged on a swinging platform 49.
This platform 49 is connected via flat springs 50 and 51 to a stationary base plate 52. The platform is driven by a linear motor or a solenoid 53. The drive can also be done by a rotating motor via a cam or crank drive, this motor can also drive the polygon mirror wheels 34, 36 to 38 at the same time. In the illustrated position of the platform 49, the mirror prism 47 deflects the laser beam 31 in the direction of the arrow 54; If the platform 49 assumes its right end position, then the mirror prism 48 reflects the laser beam 31 in the direction of the arrow 55.
In Fig. 8 the structure of an aircraft-based laser scanner according to the invention is shown schematically.
The core of the system is the central computer 56, which controls the individual components thereof and evaluates the measuring data of the rangefinder, linked to the scanning angles, the geographical coordinates and the alignment angle of the measuring platform and records these data sets. The output of the files can be via a data carrier (in the drawing, for example, a DVD (pos. 57) is shown as a storage medium). The central computer 56 drives a laser transmitter 30. The laser radiation of the same is supplied by two fiber optic cables 58 and 59 each optics 60 and 61, through which optics, the laser beams are expanded. These optics 60 and 61 are each opposite a polygon mirror wheel 62, 63. The mirror wheels 62, 63 are designed as four-sided pyramids, which are interconnected at their base.
The two mirror pyramids are at 45 deg. offset from each other so that one system is active in the other's sampling gap. The mirror wheels are driven by a motor 64, which is controlled by the computer 56. By means of an angle decoder 65 arranged on the motor shaft, the momentary adjustment of the mirror wheels 62, 63 is reported back to the computer.
Through the two polygonal wheels 62, 63, the overflown terrain 13 is scanned fan-like. The corresponding measuring beams are denoted in the drawing by 66 and 67, the measuring points on the surface of the terrain 13 by 19. A portion of the radiation diffusely reflected by the measuring point 19 again reaches the polygonal mirror wheels 62 and 63 and is illuminated by optics 68, 69 and fiber optic cables 70, 71 fed to the receiving stage 72.
Both in the transmitting and in the receiving channel, the beam splitting takes place directly through the glass fiber light guide.
The in the receiving stage 72 converted into electrical signals echo pulses are fed to the central computer 56. From the duration of the pulses, the corresponding distances are determined. These measured data are linked in the computer 56 with the deflection angle alpha defined by the position of the mirror wheels 62, 63 and the geographical coordinates x, y, z derived from a GPS navigation system 14 and the course, pitch and roll angles epsilon, gamma. This data defines each measuring point in space exactly, so that 3D terrain models can be calculated from the data.
Fig. 9 shows individual components of a variant of the device described above.
In this embodiment, the two mirror wheels 73, 74 are formed as three-sided pyramids and have separate drive motors 75, 76 and angle decoder 77, 78. The matching with the subject of FIG. 8 parts are designated by the same reference numerals. The advantage of the embodiment of FIG. 9 is the great flexibility in the operation of the system. The two mirror wheels 73, 74 are probably driven synchronously, but the phase angle between the mirror wheels can be set arbitrarily. It is also possible to operate the two mirror wheels 73, 74 with different directions of rotation.
A further variant of the invention is shown in FIGS. 10a and 10b. The polygon mirror wheel 79 is designed as a three-sided pyramid. The mirror wheel are the optics 60, 68 and 61, 69 by 180 °. offset against each other.
By mirrors 80 and 81, the transmit and receive beams are 90 °. deflected so that they exit or enter substantially axially. The matching with other embodiments parts are provided in the drawing with the same reference numerals.
The invention is not limited to the embodiments described above. In particular, the invention is not limited to aircraft-based systems, but may be applied with equal advantages to tunneling measurement systems or the like and devices in which the scanner is mounted on a turntable. It is also possible to combine the various solutions for utilizing the synergy effects, as shown for example in FIGS. 5 to 7, in any desired manner.