CN101031817A - 测量移动后向反射器的绝对测距仪 - Google Patents

Abstract

激光装置及方法能够无须使用增量干涉仪而进行移动外部后向反射器或其它移动目标表面的一维或多维绝对距离测量和/或表面扫描和/或坐标测量。

Description

测量移动后向反射器的绝对测距仪

技术背景

本发明公开的内容涉及坐标测量设备。一套坐标测量设备属于一类通过发射激光束到点而测量该点坐标的仪器。激光束可以直接照射到该点上或可以照射到与该点接触的后向反射器目标上。在任一情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度确定点的坐标。距离用距离测量设备测量，如绝对测距仪或干涉仪。角度用角度测量设备测量，如角编码器。仪器内部的万向光束操纵机构使激光束照射到感兴趣的点上。确定点的坐标的示例系统在布朗(Brown)等的美国专利4,790,651和劳(Lau)等的美国专利4,714,339中进行了描述。

激光跟踪器是一类特殊的坐标测量设备，其以所发射的一个或多个激光束跟踪后向反射器目标。与激光跟踪器密切相关的设备是激光扫描器。激光扫描器分步发射一个或多个激光束到漫射表面上的点。激光跟踪器和激光扫描器都是坐标测量设备。目前常用的术语激光跟踪器也指具有距离和角度测量能力的激光扫描器设备。这种激光跟踪器包括激光扫描器的广义定义，贯穿本申请使用。

一种类型的激光跟踪器仅包含没有绝对测距仪的干涉仪。如果物体阻挡了来自这些跟踪器之一的激光束路径，干涉仪将失去其距离参考。其后，操作员在继续测量之前必须跟踪已知位置的后向反射器。绕过这种局限性的一个办法是在跟踪器中放置绝对测距仪(ADM)。ADM可以对准即拍的方式测量距离。一些激光跟踪器仅包含ADM，没有干涉仪。这种类型的示例性激光跟踪器在Payne等的美国专利5,455,670中描述。其它激光跟踪器通常包含ADM和干涉仪。这种类型的示例性激光跟踪器在Meier等的美国专利5,764,360中描述。

激光跟踪器的主要应用之一是扫描物体的表面特征以确定物体的几何特征。例如，操作员可通过扫描两个表面中的每一表面并使几何平面与每一表面拟合而确定两个表面之间的角度。作为另一例子，操作员可通过扫描球面确定球的中心和半径。直到目前为止，是干涉仪而不是ADM被用以扫描的激光跟踪器需要。这是因为绝对距离测量仅可对于固定目标。因此，为获得扫描及对准即拍能力的全部功能，激光跟踪器已同时要求干涉仪和ADM。所需要的是ADM具有准确和快速扫描移动目标的能力。由于不再需要干涉仪，这将使得跟踪器的成本得以降低。

发明内容

现有技术的上述及其它问题和缺点被本发明激光设备的实施例克服和减轻，本发明使用绝对测距仪确定到移动后向反射器的距离。

本发明公开了一种激光设备及方法，其无须使用增量干涉仪，根据应用的要求可进行移动外部后向反射器或其它移动目标表面的一维或多维绝对距离测量和/或表面扫描和/或坐标测量。

本发明装置和方法的上述及其它特征和优点将由本领域的技术人员从下面的详细描述和附图意识到和理解。

附图说明

参考附图，其中同一元件在几个附图中均被标注为同一标记：

图1为将激光束发送到外部后向反射器的示例性激光跟踪器的透视图；及

图2为图1的示例性激光跟踪器内的部分主要元件的框图；及

图3为图2的示例性光纤耦合网络内的元件的框图；及

图4为图2的示例性ADM电子电路的元件的框图；及

图5为用于计算到移动后向反射器的距离的示例性ADM数据处理系统内的元件的框图。

具体实施方式

现在将详细参考示例性实施例，其例子如附图中所示。

示例性的激光跟踪器10如图1中所示。激光跟踪器的示例性万向光束操纵机构12包括安装在方位底座16上的顶点支架14。跟踪器内部的顶点和方位机械轴(未示出)均被旋转以使激光束46指向所需方向。如下面将描述的，激光束可包括一个或多个激光波长。跟踪器内部的顶点和方位角编码器(未示出)连到顶点和方位机械轴并高度准确地指明旋转角。为清晰和简单起见，在下述描述中采用这类万向机构12。然而，其它类型的万向机构也是可能的，且在此描述的技术也可应用于这些其它类型的万向机构。

激光束46传到外部后向反射器26。最通常类型的后向反射器是球面安装的后向反射器(SMR)，其包括金属球，金属球内嵌有立体角后向反射器(未示出)。立体角后向反射器包括在公共顶点汇聚在一起的三个垂直反射镜。顶点位于金属球的中心。代替SMR，后向球(retrosphere)或任何其它发送返回激光束回到其自身的装置均可用作外部后向反射器26。

激光跟踪器的元件

激光跟踪器内的部分主要元件如图2中所示。ADM电子电路300调节ADM激光器102的光亮度，其通过光缆104和光纤耦合网络200发送光。来自光纤耦合网络200的部分光传到ADM光束发射通过光纤环路106继而回到光纤耦合网络200中。ADM光束发射140包括稳定的箍142和正透镜144。平行校正的光108从光纤发射140形成。

在ADM激光器在红外波长运行的情况下，其很方便提供可见激光束以有助于使ADM光束更容易发现。可见光激光器110发送可见光到光束发射150中，光束发射包括稳定的箍152和正透镜154。在光束发射150出现的可见激光束112被平行校正。二色分束镜114透射ADM光束108但反射可见光束112。在分束镜114的右边，合成激光束116包括可见激光束和ADM激光束，二者实质上在同一直线上。激光束116通过分束镜118和扩束器160，成为更大的准直激光束46。扩束器包括负透镜162和正透镜164。

激光束46传到外部后向反射器26，如图1中所示。光束从后向反射器26发射并返回激光跟踪器。如果激光束照在后向反射器的中心上，则所反射的激光束折回入射激光束的路径。如果激光束偏离中心照在后向反射器上，则所反射的激光束平行于入射光束但有偏移地返回。返回的激光束重新进入跟踪器并折回光学系统。部分返回的激光从分束镜118反射。反射的激光126通过滤光片128并照在位置检测器130上。滤光片128阻挡光束126中的ADM光或可见光。位置检测器130通过在其表面指示激光束的位置而响应于通过滤光片128的光。位置检测器的折回点被定义为在光束46照在后向反射器26的中心上时激光束126所照射的点。当激光束46移离后向反射器26的中心时，激光束126移离折回点并导致位置检测器130产生电误差信号。伺服系统处理该误差信号以启动电动机，其将激光跟踪器转向外部后向反射器26的中心。

二色分束镜114反射返回的可见激光束但透射返回的ADM激光束。返回的ADM激光束传经光束发射并被耦合到稳定箍142内的光纤中。该光传经光纤耦合网络200并从光纤230出现。传经光纤环路106的激光的一部分从光纤232出现。光纤230和232延伸到ADM电子部分300中，在那里它们的调制功率被转换为电信号。这些信号由ADM电子电路处理从而提供结果，其是从跟踪器到后向反射器目标的距离。

光纤耦合网络

图3的示例性光纤耦合网络200包括第一光纤耦合器204、第二光纤耦合器206、和低反射端208和210。来自ADM激光器102的光传经光缆104并进入第一光纤耦合器204。光纤耦合器204发送10％的激光通过光纤环路106并进入光纤232中，其传到ADM电子电路300。光纤耦合器204发送其余的90％激光通过光纤耦合器206，其发送一半激光到低反射端208及将另一半激光发送到稳定箍142。来自稳定箍142的光传到外部后向反射器26并传回箍142中，如上所述。返回通过箍142的激光的一半通过第二光纤耦合器206、光缆230传回ADM电子电路300中。激光的另一半通过第二光纤耦合器206、第一光纤耦合器204传入ADM激光器102中，在那里其被内部法拉第(Faraday)隔离器(未示出)阻挡。

ADM电子电路

图4的ADM电子电路300包括频率参考302、合成器304、测量检测器306、参考检测器308、混频器310、312、放大器314、316、318、320、分频器324、及模数转换器(ADC)322。频率参考302为ADM提供时基并应具有低相噪和低频漂移。频率参考可以是恒温晶体振荡器(OCXO)、铷振荡器、或任何其它高度稳定的频率参考。优选地，振荡器频率应精确并稳定到百万分之几的小部分。来自频率参考的信号被送入合成器，其产生三个信号。第一信号在频率f_RF并调节ADM激光器102的光亮度。这种类型的调节被称为亮度调制(IM)。或者，对于在频率f_RF的信号调节来自ADM激光器102的激光的电场振幅而不是光亮度也是可能的。这种类型的调节称为振幅调制(AM)。第二和第三信号，二者均在频率f_LO，传到混频器310和312的本机振荡器部分。

光缆230和232携载激光。在这些光缆中的光被测量检测器306和参考检测器308转换为电信号。这些光纤检测器将调制频率f_RF发送到放大器314、316继而发送到混频器310、312。每一混频器产生两个频率，一个在|f_LO-f_RF|，|f_LO+f_RF|。这些信号传到低频放大器318、320。这些放大器阻止高频信号，使得只有在中频(IF)即f_IF＝|f_LO-f_RF|的信号传到模数转换器(ADC)322。频率参考302将信号发送到分频器324中，其将参考302的频率除以整数N以产生采样时钟。总之，ADC可通过整数因子M抽选采样的信号，使得有效的采样率为f_REF/NM。该有效采样率应是中频f_IF的整数倍。

在此为示例性ADM的频率：频率参考f_REF＝20MHz。驱动激光器的合成器RF频率为f_RF＝2800MHz。应用于混频器的合成器LO频率为f_LO＝2800.01MHz。LO和RF频率之间的差为中频f_IF＝10kHz。频率参考除以N＝10，以产生作为采样时钟应用于ADC的2MHz频率。ADC具有抽选因子M＝8，其产生250kHz的有效采样率。由于IF为10kHz，则ADC每周期进行25次采样。

ADC将用于测量和参考路径的采样数据发送给数据处理器400进行分析。数据处理器包括数字信号处理器(DSP)芯片和通用微处理器芯片。这些处理器执行的处理如下所述。

数据处理器

图5的数据处理器400从ADC322获取数字化的数据并从其推导从跟踪器到外部后向反射器26的距离。图5将该距离标记为结果。数据处理器400包括数字信号处理器410、微处理器450、和晶体振荡器402、404。

模数转换器322将采样的数据发送给DSP410。该数据被发送给在DSP内运行的程序。该程序包含三个主要功能：相位提取器功能420、补偿器功能422、和卡尔曼滤波器功能424。相位提取器功能的目的是确定参考和测量路径中信号的相位，即通过测量检测器306和参考检测器308的信号的相位。为确定这些相位，调制范围必须被首先计算。对于2π弧度变化的激光调制相位，调制范围被定义为ADM激光在空气中传播的往返距离。调制范围由下述等式给出：

R_MOD＝c/2nf_RF                                       (1)

其中c是光在真空中的速度，n为ADM激光在空气中的总折射率，f_RF为合成器304产生并应用于ADM激光器102的RF频率。在具有2860MHz的RF频率的示例性ADM中，调制范围大约为52毫米。

如先前所述，应用于ADC322的采样时钟具有有效频率f_SAMP＝f_REF/NM，每周期ADC采样的数量V＝f_SAMP/f_IF。在示例性的跟踪器中，f_REF＝20MHz，N＝10，M＝8，f_IF＝10kHz。则采样频率为250kHz，每周期ADC采样的数量为N_ADC＝25采样每周期。

设x_k为测量路径来自ADC的第k个采样数据值，设v为在测量期间外部后向反射器26的相应速度。相位提取器功能420计算移动的外部后向反射器26的测量路径的相位p_M如下：

$a=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right)---\left(2\right)$

$b=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right)---\left(3\right)$

p_M＝tan^-1(a/b)                                      (4)

设y_k为参考路径的ADC的第k个采样数据值。相位提取器功能420计算移动的外部后向反射器26的参考路径的相位p_R如下：

$g=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right)---\left(5\right)$

$h=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right)---\left(6\right)$

p_R＝tan^-1(g/h)                                     (7)

重要地，相位提取器功能420取决于目标的速度或速率v，例如径向速度，如等式(2)、(3)、(5)和(6)中所示。相位提取器功能420还将测量相位p_M和参考相位p_R传递给补偿器功能，其使用这些相位计算距离值：

d＝d₀+R_MOD[W+(p_M-p_R)/2π]                          (8)

数量W是说明目标的全部调制间隔的数量的整数。找到该整数的方法在下面讨论。在一些系统中，可以有另外的系统错误，其可通过向等式(8)附加另外的项而进行消除。例如，当正弦曲线周期等于调制范围R_MOD时，一些系统遭受随距离变化的错误。为消除这类错误，必须使用ADM测量在准确已知的距离的目标并观察正弦曲线错误模式。

补偿器422将距离值发送给卡尔曼滤波器424。卡尔曼滤波器是应用于距离数据的数值算法，其给出外部后向反射器26的距离和速度作为时间的函数及在存在噪声的情况下的最佳估计。ADM距离数据以高速度进行收集并在距离读出时具有一定水平的随机噪声。该小的错误在计算速度时被大大放大，因为小的距离差被除以小的时间增量。卡尔曼滤波器可被视为智能光滑函数，其基于系统噪声和目标的速度优化准确度。

卡尔曼滤波器还用于使ADM读数与角编码器和位置检测器的读数同步。角编码器和位置检测器无论在何时接收同步脉冲均锁存它们的读数，其在频率f_SYNC发生。总体上，同步脉冲的频率不同于ADM的计算的频率。在示例性跟踪器中，ADM以f_IF＝10kHz的速率进行计算，而同步脉冲具有1.024kHz的频率。卡尔曼滤波器通过将位置及时向前外推到下一同步脉冲而提供ADM与角编码器和位置检测器的同步。

有五个一般等式控制卡尔曼滤波器的行为。总体上，这些等式中的数量均由矩阵表示，其维数由卡尔曼滤波器的实施复杂性确定。五个一般等式为

x_m＝φx_p                                          (9)

P_m＝φP_pφ^T+Q                                    (10)

K＝P_mH^T(HP_mH^T+R)^-1                             (11)

x_p＝x_m+K(z-Hx_m)                                  (12)

$P_p={(P_m^{-1}+H^T{R}^{-1}H)}^{-1}---\left(13\right)$

在这些等式中，下标m表示先验估计，下标p表示后验估计。数量x是可采取多种形式的状态变量。因为示例性ADM系统以高速率进行测量，需要仅包含两个组分即位置d和径向速度v的相当简单的状态矢量：

$x=\left(\begin{array}{c}d\\ v\end{array}\right)---\left(14\right)$

假定单位时间步，相应的时间传播矩阵为

$\mathrm{\φ}=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(15\right)$

则等式(9)对应于等式d_m＝d_p+v_p，其意味着在目前时间点的估计距离(d_m)等于在最后时间点的估计距离(d_p)乘以在最后时间点的估计速度(v_p)乘以当前和最后时间点之间的时间间隔，所述时间间隔被假定等于1。矩阵Q为过程噪声协方差，在于此采用的简单卡尔曼滤波器中，加速度未被明确计算。而是，加速度被假定以具有由方差Q_A ²表征的弥散。选择过程噪声方差Q_A ²以使移动的目标的位置误差最小。所得的过程噪声协方差为

$Q=Q_A^2\left(\begin{array}{cc}1/4& 1/2\\ 1/2& 1\end{array}\right)---\left(16\right)$

P_m是在当前时间点的状态协方差矩阵。其从最后时间点的状态协方差矩阵及过程噪声协方差发现。状态协方差矩阵和测量噪声协方差R用于确定滤波器增益K。在于此考虑的简单情形下，测量噪声协方差仅是读数中由测量设备中的噪声引起的方差Q_M ²。在这种情况下，ADM系统中的测量噪声通过简单地计算在ADM正测量静态目标时所报告的距离中的方差Q_ADM ²而进行确定。H是测量矩阵，其被确定使得H乘以状态估计x等于所估计的输出，测量输出与其比较。在于此考虑的情形下，测量属于距离d，这样H＝(10)。

等式(12)解释如下。x_m是基于先前时间点的距离和径向速度的状态矢量(距离和径向速度)的初始猜测。数量z为测量距离d，Hx_m为估计距离。数量z-Hx_m是测量和估计距离之间的差。该差乘以增益矩阵K以提供对状态矩阵的初始估计x_m的调整。换言之，距离的最佳估计是在测量距离和估计距离之间的值。等式(12)提供选择距离和径向速度的最佳(后验)估计的算术上可靠的方法。等式(13)提供状态协方差P_p在下一时间点的新估计。等式(9)-(13)在补偿器功能422每次发送新的测量值给卡尔曼滤波器时均被求解。

为使ADM测量与角编码器和位置检测器的测量同步，计数器414确定同步脉冲和最后状态距离之间的时间差。其以下述方式实现此。晶体振荡器404发送低频正弦波给位于微处理器450内的分频器452。该时钟频率被分割下至同步脉冲的频率f_SYNC。同步脉冲在设备总线72上发送给DSP410、角编码器电子电路74、和位置检测器电子电路76。在示例性系统中，振荡器发送32.768kHz信号通过分频器452，其除以32以产生同步脉冲频率f_SYNC＝1.024kHz。同步脉冲被发送给驻留在DSP410内的计数器414。计数器由晶体402进行时钟控制，其驱动DSP内的锁相环(PLL)器件412。在示例性系统中，振荡器402具有30MHz的频率，PLL使其加倍以产生给计数器414的60MHz时钟信号。计数器414将同步脉冲的到达确定到1/60MHz＝16.7纳秒的分辨度。当ADC322已发送一个周期的所有采样时相位提取器功能420发送信号给计数器。这将复位计数器414并开始新的计数。同步脉冲停止计数器412的计数。计数的总数量被除以频率以确定逝去的时间。由于上述等式中的时间间隔被设为1，归一化的时间间隔t_NORM为逝去时间除以时间间隔。外推到同步脉冲事件的状态距离x_EXT为

x_EXT＝x_k+v_kt_NORM                                   (17)

卡尔曼滤波器功能424提供结果，其是从跟踪器到外部后向反射器26的距离。卡尔曼滤波器还向相位提取器功能420提供速率以应用于等式(2)、(3)、(5)和(6)中。

在先前，数量W作为说明目标的所有调制间隔的数量的整数引入等式(8)中。该整数值W通过首先测量到外部后向反射器26的距离而得以建立。频率f_RF和f_LO被改变固定量且再次测量距离。如果变化前后的RF频率为f₁和f₂，及两个测量之间的相差为p，则整数W等于(p/2π)(f₁/|f₂-f₁|)的整数部分。该技术将计算出(c/2n)/(f₂-f₁)的范围。例如，如果f₁和f₂相差2.5MHz，及如果f₁为2800MHz，则该技术将计算出约60米。如果需要，可增加第三频率以帮助确定整数W的值。一旦W已被确定，则不需要再次切换频率，除非光束中断。如果ADM持续无中断地测量外部后向反射器26，则其可容易地跟踪整数W的变化。

本领域那些技术人员将意识到，在示例性实施例已被示出和描述的同时，可在不脱离本发明精神和范围的情况下对在此公开的使用绝对测距仪测量移动后向反射器的装置和方法进行各种修改和变化。因而，应理解多个实施例已为了说明而非限制进行了描述。

Claims (21)

1、能够不使用增量干涉仪进行绝对距离测量和能够扫描移动外部后向反射器或其它移动目标表面的三维坐标位置的激光跟踪器装置，包括：

激光源，所述激光为振幅或亮度调制并发送给移动外部后向反射器或其它移动目标表面并从其沿测量路径返回到激光跟踪器装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为第一电信号的光电元件；

用于条件处理第一电信号以产生第二电信号的条件处理电子电路；

产生第二电信号的数字化值的数字化电子电路；

用于接收第二电信号的数字化值的数字信号处理器，其中数字信号处理器至少包括被构造成基于数字化值执行依赖于速度的相位提取器功能的相位提取器模块，且其中数字信号处理器计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d；及

至少两个用于确定到后向反射器或其它目标表面的坐标角的角编码器，其中数据处理器至少基于绝对距离d和坐标角计算后向反射器或其它目标的三维坐标位置。

2、根据权利要求1的激光跟踪器，还包括：

用于通过测量从移动外部后向反射器或其它移动目标表面返回的激光的位置而帮助对准激光跟踪器的位置检测器。

3、根据权利要求1的激光跟踪器，还包括：

用于将部分激光指引到包含移动外部后向反射器或其它移动目标表面的测量路径及将部分激光指引到单独的参考路径的参考光束光学元件。

4、根据权利要求3的激光跟踪器，还包括将所述测量路径中的所述激光转换为RF测量信号及将所述参考路径中的所述激光转换为RF参考信号的光电元件，其中所述RF测量信号和所述RF参考信号为保持在第一频率f_RF调制的电信号，及还包括另外的条件处理电子电路，其用于条件处理RF测量信号以产生IF测量信号及用于条件处理RF参考信号以产生IF参考信号。

5、根据权利要求4的激光跟踪器，还包括另外的数字化电子电路，其产生在第三频率f_SAMP的所述IF测量信号和所述IF参考信号的数字化值，f_SAMP是第二频率f_IF的多倍，及

其中数据信号处理器使用下述公式计算到在具有折射率n的空气中以速度v移动的后向反射器或其它移动目标表面的绝对距离，c为真空速度，整数比V＝f_SAMP/f_IF，，x_k为所述IF测量信号的所述数字化值，y_k所述IF参考信号的所述数字化值：

R_MOD＝c/(2nf_RF)，

$a=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

$b=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

p_M＝tan^-1(a/b)，

$g=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

$h=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

p_R＝tan^-1(g/h)，

d＝d₀+R_MOD[W+(p_M-p_R)/2π]，

其中d₀为常数，W为说明到所述后向反射器的全部调制长度R_MOD的数量的整数。

6、根据权利要求1的激光跟踪器，还包括：

指引从激光跟踪器发出的激光的光束操纵机构；及

位置检测器，其监视激光相对于位置检测器上的折回点的位置，其中光束操纵机构根据来自位置检测器的位置数据调整激光的方向。

7、根据权利要求1的激光跟踪器，还包括同步电子电路，其确定绝对距离测量相对于电同步信号的时间选择。

8、根据权利要求7的激光跟踪器，其中数字信号处理器处理卡尔曼滤波器以使绝对距离测量与来自位置检测器的位置检测器测量和角编码器的角测量同步并提供移动外部后向反射器或其它移动目标表面的距离和速度在存在噪声的情况下作为时间的函数的估计。

9、根据权利要求1的激光跟踪器，其中在两个机械轴的每一轴上的角编码器测量到移动外部后向反射器或其它移动目标表面的角度。

10、能够不使用增量干涉仪进行移动外部后向反射器或其它移动目标表面的一维绝对距离测量的激光装置，包括：

激光源，所述激光为振幅或亮度调制并发送给移动外部后向反射器或其它移动目标表面并从其沿测量路径返回到激光装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为电信号的光电元件；

产生电信号的数字化值的数字化电子电路；

用于接收电信号的数字化值的数字信号处理器，其中数字信号处理器至少包括被构造成基于数字化值执行依赖于速度的相位提取器功能的相位提取器模块，且其中数字信号处理器计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d。

11、根据权利要求10的激光装置，还包括：

用于通过测量从移动外部后向反射器或其它移动目标表面返回的激光的位置而帮助对准激光跟踪器的位置检测器。

12、根据权利要求11的激光装置，还包括：

用于将部分激光指引到包含移动外部后向反射器或其它移动目标表面的测量路径及将部分激光指引到单独的参考路径的参考光束光学元件。

13、根据权利要求12的激光装置，还包括将所述测量路径中的所述激光转换为RF测量信号及将所述参考路径中的所述激光转换为RF参考信号的光电元件，其中所述RF测量信号和所述RF参考信号为保持在第一频率f_RF调制的电信号；及还包括另外的条件处理电子电路，其用于条件处理RF测量信号以产生IF测量信号及用于条件处理RF参考信号以产生IF参考信号。

14、根据权利要求13的激光装置，还包括另外的数字化电子电路，其产生在第三频率f_SAMP的所述IF测量信号和所述IF参考信号的数字化值，f_SAMP是第二频率f_IF的多倍，及

其中数据信号处理器使用下述公式计算到在具有折射率n的空气中以速度v移动的后向反射器或其它移动目标表面的绝对距离，c为真空速度，整数比V＝f_SAMP/f_IF，，x_k为所述IF测量信号的所述数字化值，y_k所述IF参考信号的所述数字化值：

R_MOD＝c/(2nf_RF)，

$a=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

$b=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

p_M＝tan^-1(a/b)，

$g=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\sin \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

$h=\underset{k=0}{\overset{V-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\cos \left(2\mathrm{\πk}\frac{f_{\mathrm{IF}}-v/R_{\mathrm{MOD}}}{f_{\mathrm{SAMP}}}\right),$

p_R＝tan^-1(g/h)，

d＝d₀+R_MOD[W+(p_M-p_R)/2π]，

其中d₀为常数，W为说明到所述后向反射器的全部调制长度R_MOD的数量的整数。

15、根据权利要求10的激光装置，还包括：

指引从激光跟踪器发出的激光的光束操纵机构；及

位置检测器，监视激光相对于位置检测器上的折回点的位置，其中光束操纵机构根据来自位置检测器的位置数据调整激光的方向。

16、根据权利要求10的激光装置，还包括同步电子电路，其确定绝对距离测量相对于电同步信号的时间选择。

17、根据权利要求16的激光装置，其中数字信号处理器处理卡尔曼滤波器以使绝对距离测量与来自位置检测器的位置检测器测量同步并提供移动外部后向反射器或其它移动目标表面的距离和速度在存在噪声的情况下作为时间的函数的估计。

18、能够不使用增量干涉仪进行绝对距离测量和能够扫描移动外部后向反射器或其它移动目标表面的三维坐标位置的激光跟踪器装置，包括：

激光源，所述激光为振幅或亮度调制并发送给移动外部后向反射器或其它移动目标表面并从其沿测量路径返回到激光跟踪器装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为第一电信号的光电元件；

用于条件处理第一电信号以产生第二电信号的条件处理电子电路；

产生第二电信号的数字化值的数字化电子电路；

用于接收第二电信号的数字化值的数字信号处理器，其中数字信号处理器计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d；

至少两个用于确定到后向反射器或其它目标表面的坐标角的角编码器，其中数据处理器至少基于绝对距离d和坐标角计算后向反射器或其它目标的三维坐标位置；

位置检测器；及

其中数字信号处理器处理卡尔曼滤波器以使绝对距离d测量与来自位置检测器的位置检测器测量同步并提供移动外部后向反射器或其它移动目标表面的距离和速度在存在噪声的情况下作为时间的函数的估计。

19、能够不使用增量干涉仪进行移动外部后向反射器或其它移动目标表面的一维绝对距离测量的激光装置，包括：

激光源，所述激光为振幅或亮度调制并发送给移动外部后向反射器或其它移动目标表面并从其沿测量路径返回到激光装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为电信号的光电元件；

产生电信号的数字化值的数字化电子电路；

位置检测器；及

用于接收电信号的数字化值的数字信号处理器，其中数字信号处理器计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d；且其中数字信号处理器还在计算期间处理卡尔曼滤波器以使绝对距离d测量与来自位置检测器的位置检测器测量同步并提供移动外部后向反射器或其它移动目标表面的距离和速度在存在噪声的情况下作为时间的函数的估计。

20、能够不使用增量干涉仪进行移动外部后向反射器或其它移动目标表面的一维绝对距离测量的方法，包括：

发送和返回振幅或亮度调制的激光源，并沿测量路径从移动外部后向反射器或其它移动目标表面返回到激光装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为电信号；

数字化电信号的值；

接收电信号的数字化值；

基于数字化值执行依赖于速度的相位提取器功能；及

计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d。

21、能够不使用增量干涉仪进行绝对距离测量和能够扫描移动外部后向反射器或其它移动目标表面的三维坐标位置的激光跟踪器方法，包括：

发送和返回振幅或亮度调制的激光源，并沿测量路径发送给移动外部后向反射器或其它移动目标表面并从其返回到激光跟踪器装置；

将沿测量路径从后向反射器或目标表面返回的激光转换为第一电信号；

条件处理第一电信号以产生第二电信号；

产生第二电信号的数字化值；

接收第二电信号的数字化值；

基于数字化值执行依赖于速度的相位提取器功能；

计算到以速度v移动的移动后向反射器或其它目标的绝对距离d；

确定到后向反射器或其它目标表面的坐标角；及

至少基于绝对距离d和坐标角计算后向反射器或其它目标的三维坐标位置。

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