CN106062511A - 利用阶梯状扫描廓线操作大地测量仪器 - Google Patents

Abstract

实施例提供了一种大地测量仪器(100，200)，其包括扫描头(170，125)、反射光学元件(180，380)、辐射源(101，384)、控制单元(150)和电子测距(EDM)单元(185，385)。所述扫描头围绕第一轴(120)可旋转。所述反射光学元件安装在所述扫描头中且围绕相同的第一轴可旋转。所述辐射源适用于发射光，所述光将经由所述反射光学元件的光反射沿着光束路径(135)从所述大地测量仪器输出。所述控制单元适用于相对于所述扫描头的角位移廓线(410)调整围绕所述第一轴的所述反射光学元件的角位移廓线(430)，使得作为时间的函数的围绕所述第一轴的所述光束路径的角位移呈现出阶梯状廓线。所述EDM单元适用于在所述阶梯状廓线的平坦部分期间确定到目标的距离。

Description

利用阶梯状扫描廓线操作大地测量仪器

本发明大体上涉及测量领域。特别地，本发明涉及大地测量仪器以及操作此类大地测量仪器的方法。

测量的领域涉及使用角度和距离的测量来确定物体的未知位置、表面或体积。为此目的，测量仪器可包括电子测距仪(EDM)，其可以集成于所谓的全站仪中。测距全站仪结合有电子、光学和计算机技术，并且此外可以配备有计算机或具有可写信息的控制单元以用于控制将要执行的测量和用于存储在测量期间获得的数据。

此外，为了建立土地地图或诸如建筑物或建筑物的墙壁的目标的外观，它往往可需要执行测量目标或工作地点的扫描。对于这种应用，测距全站仪可以被实现为大地测量扫描仪，该大地测量扫描仪用于基于对目标的表面处所感兴趣位置的距离的测量来确定该目标的外观。这种大地测量扫描仪可以记录该目标的表面或体积。

这种大地测量扫描仪的困难是将要提供足够高的测量速度同时还提供可靠的测量。

根据第一概括方面，提供了一种操作大地测量仪器的方法。在此方法中，大地测量仪器的扫描头根据第一角位移廓线(profile)围绕第一轴旋转，并且安装在扫描头中的反射光学元件根据第二角位移廓线围绕相同的第一轴旋转。经由反射光学元件的光反射提供了用于输出来自大地测量仪器的光的光束路径。相对于第一角位移廓线调整第二角位移廓线，使得作为时间的函数的围绕第一轴的光束路径的角位移呈现出阶梯状廓线。然后，在阶梯状廓线的平坦部分期间确定到目标的距离。

根据第二概括方面，提供了一种大地测量仪器，其包括扫描头、反射光学元件、辐射源、控制单元和电子测距(EDM)单元。扫描头围绕第一轴旋转且反射光学元件安装在扫描头中。反射光学元件也围绕相同的第一轴旋转。辐射源适用于发射光，该光经由反射光学元件的光反射沿着光束路径从大地测量仪器输出。控制单元适用于相对于扫描头的角位移廓线调整反射光学元件的角位移廓线，使得作为时间的函数的围绕第一轴的光束路径的角位移呈现出阶梯状廓线。EDM单元被配置为在阶梯状廓线的平坦部分期间确定到目标的距离。

上面的方法和大地测量仪器的优点在于提供了一种扫描，其中在目标的表面处的测量点可以以更有效的方式从一个位置移到另一位置。在这些实施例中，扫描头和光学元件围绕相同的轴彼此相对且彼此独立地旋转，使得作为时间的函数的围绕第一轴的光束路径的角位移具有阶梯状廓线。根据扫描头利用其旋转的第一角位移廓线，第二角位移廓线被调整以获得用于作为时间的函数的围绕第一轴的光束路径(或在从辐射源中连续发射光的情况中的光束)的角位移的阶梯状廓线。

在本应用中，阶梯状廓线定义了类似楼梯的台阶的角位移廓线，或者，换言之，阶梯状廓线定义了以暗示楼梯的台阶的图案移动的光束(或光束路径)。第二角位移廓线可以被调整以周期性地补偿第一角位移廓线，以便形成阶梯状廓线的台阶或平坦部分。

应该了解的是，阶梯状廓线的平坦部分(或台阶的顶部/顶边)可以对应于一个位置，在该位置处光束路径或在从辐射源中连续发射光的情况中的光束是静止的(没有移动)，或根据在第一和第二角位移廓线的调整中的准确度至少基本上是静止的。因此，平坦部分对应于在由大地测量仪器执行的扫描中的目标的表面处的位置或测量点。因此，上文描述的方法和大地测量仪器的优点也在于静止的光束在每个台阶或平坦部分处从大地测量仪器中输出，从而提供对目标的距离更可靠的确定。

反射光学元件可以是扫描镜、扫描棱镜或提供反射表面的任何其他光学元件，光束对该反射表面可以被反射且然后从大地测量仪器中输出。

根据实施例，扫描头可以连续向前旋转且反射光学元件可以来回旋转。在此实施例中，反射光学元件的向后旋转的速度可以然后被调整以补偿扫描头的向前旋转的速度，以便提供静止的光束路径(或在连续发射光的情况中的光束)，即，以便提供阶梯状廓线的平坦部分。如通过扫描头的和反射光学元件的向前旋转的速度所确定的，扫描头的和反射光学元件的向前旋转的联合作用有助于围绕第一轴的光束路径的向前角位移。连同来回旋转的周期性，扫描头的和反射光学元件的这些速度确定在阶梯状廓线中的台阶的高度，即，在目标处的光束路径的角位移，其造成了在由大地测量仪器扫描的目标处的两个测量点(或位置)之间的距离。

根据一个实施例，第一角位移廓线在第一角方向中可以是线性的，同时第二角位移廓线在与第一角方向相反的第二角方向中可包括线性部分。在此实施例中，在线性部分中反射光学元件的旋转速度等于扫描头的旋转速度。在特定实施例中，第二角位移廓线可以是锯齿状图案。

这些实施例的优点在于通常比反射光学元件大的扫描头可以以恒定速度移动，即，不需要加速。在这些实施例中，通过以相同的旋转速度在与旋转扫描头的方向相反的方向中周期性地旋转光学元件来提供阶梯状廓线的平坦部分。在这些时间段期间，光学元件的旋转补偿了扫描头的旋转，从而提供静止的光束路径。

应该了解的是，尽管锯齿状图案被描述作为用于在上文中的第二角位移廓线的示例，但与用于旋转扫描头的第一角位移廓线结合而产生阶梯状廓线的任何其他第二角位移廓线可以用于旋转反射光学元件。

在这些实施例中，扫描头的旋转和反射光学元件的旋转可以经由控制单元来控制。更具体而言，控制单元可以发送指令，其使扫描头和反射光学元件分别根据第一和第二角位移廓线旋转。

在这些实施例中，扫描头的和反射光学元件的旋转的联合作用导致在扫描中的测量点或位置到下一个测量点(或在扫描中的位置)的位移。这些实施例的优点在于有可能以有效的方式进行扫描，同时实现足够大的网格间距。

根据实施例，大地测量仪器还可包括电流计、压电致动器或磁致伸缩致动器，以用于旋转反射光学元件。然后，控制单元可被配置为向这些致动器中的一个提供指令以用于分别根据第一角位移廓线和第二角位移廓线旋转扫描头和反射光学元件。例如，印刷电路板(PCB)压电电机已经被示出以充分运行用于根据锯齿状图案控制反射光学元件的功能。PCB压电电机具有的优点是具有相对高的力矩和低惯性，其适合用于以锯齿状方式驱动反射光学元件。

根据一个实施例，EDM单元可以适用于基于飞行时间测量或相移测量确定与目标的距离。

在飞行时间测量(或脉冲测量)中，测量了从大地测量仪器(或扫描仪)中输出的激光脉冲到目标以及再次回到该大地测量仪器的飞行时间。然后，可以使用光的速度来确定该距离。

可选地，可以基于调幅相位测量方法测量距离。在此方法中，光脉冲从大地测量仪器(或扫描仪)的辐射源到目标的发射通过由如处理器示出的基础信号来控制。光电探测器然后可以检测表示反射的光脉冲的信号，并且向处理器发射表示检测的光脉冲的电信号，该处理器基于在电信号和基础信号之间的相位差来计算距离。

根据实施例，EDM单元可以适用于通过将阶梯状廓线的平坦部分期间获得的值重复地进行平均来确定距离。换言之，EDM单元可以是“平均”EDM，从几个光脉冲中获得的结果利用其进行平均以用于扫描的单个测量位置。对于阶梯状廓线的平坦部分，多个光脉冲可以被发射，并且与目标的距离可以通过将基于在接收机(或传感器)处接收的用于这些光脉冲的信号(或者，如上所述，基于电信号和基础信号之间的相位差)所获得的飞行时间值进行平均来确定。平均的EDM单元是有利的，这是因为它通常是成本低得多的备选方案，由于光脉冲中的每一个的功率可被降低(从而要求比较便宜的辐射源)，并且所接收的光脉冲的处理可以不那么复杂，由于比如从几个信号中去除噪音更容易(从而要求不太先进的接收机)。因此，以上方法和大地测量仪器的优点在于它能够使用平均EDM，这是因为有可能保持测量点(或光束路径或光束)静止，同时进行平均，以及同时，还能够以有效的方式将测量点从一个位置移到另一个位置。基于连续周期性的调制波的使用，即，基于调幅相位测量，这些优点对EDM单元也是有效的，在调幅相位测量期间，所接收的信号的相位与周期性发射的调制信号的相位进行比较以确定相移(从而确定距离)。

根据第三概括方面，一组提供了操作大地测量仪器的方法。在此方法中，安装在大地测量仪器的基座上的中心单元围绕第一轴和第二轴中的任一个旋转，并且可旋转地安装在中心单元上的反射光学元件围绕相同的第一轴或第二轴旋转。在反射光学元件处的光反射提供光沿着其从大地测量仪器中输出的光束路径。中心单元和反射光学元件的各自旋转被控制，使得作为时间的函数的围绕第一轴和第二轴中的任一个的光束路径的角位移产生阶梯状廓线。在阶梯状廓线的平坦部分期间，可以基于表示针对目标的光的反射的信号的检测来测量与目标的距离。

根据第四概括方面，提供了大地测量仪器，其包括中心单元、反射光学元件、光源、控制单元和处理单元。中心单元可旋转地安装在基座上以用于围绕第一轴和/或第二轴旋转。反射光学元件可旋转地安装在中心单元上以用于围绕第一轴和/或第二轴旋转。光源适用于发射光，该光经由反射光学元件处的光反射沿着光束路径从大地测量仪器输出。控制单元适用于控制中心单元和反射光学元件的各自旋转，使得作为时间的函数的围绕第一轴和第二轴中的任何一个的光束路径的角位移产生阶梯状廓线。处理单元被配置为在阶梯状廓线的平坦部分期间，基于表示针对目标的光的反射的信号的检测来测量与目标的距离。

根据实施例，阶梯状廓线可通过控制中心单元在第一旋转方向中以恒定速度围绕第一轴和第二轴中的任一个的旋转并且通过周期性地控制反射光学元件在与第一旋转方向相反的旋转方向中以相同的恒定速度围绕相同的轴的旋转来获得。尽管其意图为在一些时间段期间控制反射光学元件在与中心单元的旋转相同的速度处的旋转以用于提供阶梯状廓线的平坦部分，但应该了解的是，可以产生一些变型(至少根据在控制这些旋转速度中的准确度)。

在其处光束路径(或在从光源或辐射源中连续发射光的情况下的光束)被指向的位置可以覆盖目标的表面的至少一区域，从而提供大量的测量点。测量点可以被布置为沿水平方向和垂直方向的行和列的矩阵。为此目的，第一轴可以沿着水平方向布置并且第二轴可以沿着垂直方向布置。

根据第五概括方面，提供了一种计算机程序产品，其包括计算机可执行组件，用于当计算机可执行组件在处理单元上被执行时来执行根据上述实施例的任何一个的方法。例如，根据第二或第四方面，计算机程序产品可以被加载到大地测量仪器的内部存储器中，该计算机程序产品包括软件代码部分以用于使大地测量仪器的控制单元或处理器分别根据第一或第三方面执行步骤。

根据第六概括方面，提供了一种计算机可读数字存储介质，其包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行组件，该计算机可执行组件适用于当其在处理单元上执行时，根据上述实施例的任何一个执行方法。

应该了解的是，可以设想使用上述实施例和各方面中记载的特征的全部可能组合的其他实施例。

现将参考下面所附附图来更详细地描述示例性实施例：

图1示出了根据实施例的大地测量仪器的示意图；

图2示出了根据另一个实施例的大地测量仪器的示意图；

图3示出了根据实施例的大地测量仪器的中心单元的示意图；

图4示出了说明根据实施例的角位移廓线的示例的曲线图；

图5示出了根据实施例的操作大地测量仪器的方法的概要；以及

图6示出了根据另一个实施例的操作大地测量仪器方法的概要。

如图中所示，元件、层和区的大小可以被放大以用于说明性目的，并且因此可以被提供以说明实施例的一般结构。自始至终，相似的参考数字指的是相似的元素。

现在将在下文参照附图对示例性实施例进行更全面地描述，附图中示出当前优选的实施例。然而本发明可以以许多不同形式来体现，且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；更确切地说，这些实施例出于彻底性和完整性被提供，并将本发明的范围充分传达给技术人员。

参照图1，描述了根据实施例的大地测量仪器。

图1示出了诸如大地测量扫描仪的大地测量仪器100的示意图。大地测量仪器包括扫描头170、反射光学元件180、辐射源101、控制单元150和电子测距(EDM)单元(或至少处理器)185。

扫描头170围绕第一轴120可旋转。特别地，扫描头170可以根据第一角位移廓线围绕第一轴120旋转，即，根据围绕第一轴120的旋转的一定速度和一定取向。应该了解的是，扫描头170围绕第一轴120的旋转的速度和/或取向可以随着时间变化，从而导致了(特定)第一角位移廓线。

反射光学元件180安装在扫描头170中(或扫描头170内)且围绕相同的第一轴120可旋转。反射光学元件180相对于扫描头170围绕第一轴可旋转。换言之，扫描头170和反射光学元件180是相互独立地围绕第一轴120可旋转。反射光学元件180可以根据第二角位移廓线围绕第一轴120旋转，即，根据围绕第一轴120的旋转的一定速度和一定取向。应该了解的是，反射光学元件180围绕第一轴120的旋转的速度和/或取向可以随着时间变化，从而导致了(特定)第二角位移廓线。

此外，应该了解的是，为了提供二维扫描，扫描头170和反射光学元件180也可以围绕第二轴130可旋转。第一轴120例如可以是沿着垂直方向，而第二轴130例如可以是沿着水平方向。

辐射源101适用于发射光束(或电磁辐射束)136，其经由对反射光学元件180的光反射从大地测量仪器100沿着对应于大地测量仪器的瞄准线135的光束路径或光学路径135输出。辐射源101可以在特定波长处或在特定波长范围内发射激光束136。例如，辐射源101可以发射红光或红外光，即，850nm和之上的波长的光。出于安全原因，辐射源101可以优选地在1500nm处发射。然而，根据本实施例所实现的大地测量扫描仪的激光源并不限于特定波长。

为了驱动扫描头170的旋转，大地测量扫描仪100可包括扫描设备或扫描平台。扫描设备可包括水平偏转单元132和垂直偏转单元122以便使扫描头170和反射光学元件180分别围绕第一轴120(在图1中的垂直轴)和第二轴(在图1中的水平轴)进行旋转。因此，光束路径135以及因此的光束136在打开辐射源101时可以被移动，即，可以分别沿着垂直方向或水平方向执行目标50的扫描。这些偏转单元的每一个可包括偏转电机。

控制单元150可适用于相对于扫描头170的第一角位移廓线调整围绕第一轴120的反射光学元件180的第二角位移廓线，使得作为时间的函数的围绕第一轴120的光束路径135(以及因此的在打开辐射源101时的光束136)的角位移呈现出阶梯状廓线。

控制单元150可适用于使扫描头170(例如，经由扫描设备的垂直偏转单元122)以恒定旋转速度在第一角方向中围绕第一轴120旋转并且使反射光学元件180以相同恒定速度在与第一角方向相反的角方向中围绕第一轴120周期地旋转。

控制单元150例如可适用于使扫描头170的旋转连续向前且使反射光学元件180来回旋转。如参照图4将进一步详细描述的，第二角位移廓线可以是锯齿状图案。

对于阶梯状廓线的平坦部分，瞄准线135或光束136相对于地面静止。然后，阶梯状廓线的平坦部分中的每一个可以对应于目标50处的特定位置。换言之，对于平坦部分中的每一个，大地测量扫描仪100对准目标50处的特定(或期望)位置。因此，EDM单元或处理器185可适用于在阶梯状廓线的平坦部分期间确定到目标50的距离。

为此目的，在阶梯状廓线的平坦部分期间，光脉冲可以由光源101发射且经由对反射光学元件180的反射来指向目标50处的期望位置。对目标50反射的光脉冲在连接到大地测量仪器100的处理器185的传感器或接收机处被接收。接收机可以是适用于检测激光束的光敏感检测器。例如，接收机可以是基于半导体的光电探测器，诸如雪崩光电二极管(APD)或pin二极管。光电探测器可以优选地对辐射源101在其处发射的波长敏感。

应该了解的是，可以由EDM单元185执行沿着瞄准线135的光脉冲的传输和接收。换言之，上述的处理器、光源和接收机在可选实施例中可以集成于单个EDM单元185中。因此，尽管为了说明性目的在图1中光源101被表示为在EDM单元185的外部，但光源101也可以是EDM单元385的一部分。应该了解的是，提供用于光束的发射、在目标50处反射的光束的接收和对应信号的处理的元件可以或者集成于单个单元中或者作为单独的元件提供。

然后，表示在接收机处接收的反射的光脉冲的信号可以在处理器或EDM单元185处进行处理，并且大地测量仪器100和对于所期望位置的目标50之间的距离可以被计算。在实施例中，EDM单元185可包括具有逻辑的处理器和软件，以用于基于表示反射的光脉冲的信号来计算与目标的位置的距离。

此外，EDM单元185可以适用于通过将在阶梯状廓线的平坦部分期间获得的值重复地进行平均来确定与目标50的位置的距离。如上所述，可以基于飞行时间测量或基于调幅相位测量方法或其他类型的EDM(例如，基于具有相干检测的调频连续波(FMCW)的EDM)来测量距离。

扫描头170和反射光学元件180可以被旋转，使得获得具有多个台阶的阶梯状廓线，从而提供在目标50处的多个位置，即扫描。通过控制扫描头170和反射光学元件180围绕第一轴120和第二轴130的旋转，可以获得目标50的二维扫描。因此，大地测量仪器100可用于确定目标50的外观。

反射光学元件180可以是扫描镜或扫描棱镜。由于电流计、压电致动器或磁致伸缩致动器可以集成于偏转单元132和122的每个中，因此可以用于根据从控制单元150中接收的指令而产生反射光学元件180的旋转。

参照图2，描述了根据另一个实施例的大地测量仪器200。

图2示出了大地测量仪器200的示意图，例如全站仪，其可以在扫描模式中操作。全站仪200包括基座105、安装在基座上以用于围绕垂直轴120旋转的照准仪115以及安装在照准仪上以用于围绕水平轴130旋转的中心单元125。

全站仪200还可包括控制单元或控制器150。在图2中，控制器150被示出为布置在全站仪200的基座105处。然而，控制器150也可以布置在如照准仪115或中心单元125处。根据实施例，控制器150可以是远程单元，其通过无线通信与全站仪及其元件(诸如中心单元125)进行通信。

如图2所示，仪器200的基座105可以安装在三脚架110上。基座105是全站仪200的非旋转部件且可以安装在三角基座175上以用于调平目的。

中心单元125可包括瞄准轴或瞄准线135。可控制驱动器140可以响应于水平角控制信号被提供以用于围绕垂直轴120旋转照准仪115。诸如角编码器或磁性或电容分角器的角度传感器160产生水平测量信号，其表示照准仪115相对于基座105的水平角位置。类似地，可控制驱动器145响应于垂直角控制信号被提供以用于围绕水平轴130旋转中心单元125，以及角度传感器165被提供以用于产生垂直测量信号，其表示中心单元125相对于照准仪115的垂直角位置。

在操作中，基座105可以在相对于全站仪外部的水平参考(诸如大地或磁北)的期望的角取向处被安装在三脚架110上并且其中垂直旋转轴120通常是铅垂的。由于驱动器140旋转照准仪115，因此水平测量信号指示照准仪相对于基座105的瞬时角取向。类似地，由于驱动器145旋转中心单元125，因此垂直测量信号指示中心单元相对于照准仪的瞬时角取向。用于驱动器140、145的输入信号可以由控制器150提供。

参照图3，描述了根据实施例的中心单元。在图3中示出的中心单元125是在图2中示出的中心单元125的示例。

图3示出了中心单元125的侧视图。应该了解的是，图3仅示出了中心单元可包括的若干组件。例如，在同一申请人的WO 2004001333中，更详细地描述了中心单元。这种中心单元可以用在参照图2所描述的全站仪200中。

在中心单元125中，提供了通常被标记为385的电子测距单元(EDM单元)或处理器。EDM单元385通常在由发射光信道302和接收光信道303所限定的角锥之间的重叠内、在中心单元125的光学中心的方向上(即，沿瞄准线335(图2中的135))。操作角锥302的发散性主要由中心单元125中的发射和接收光学器件来确定。中心单元125可以包括用于在发射光信道302内发射辐射束的发射机(或辐射源384)和用于在接收光信道303内接收例如对目标(没有在图2和图3中示出)所反射的辐射束的接收机386。从辐射源384发射的辐射束可以向着围绕水平轴130和垂直轴120可旋转的扫描镜380发射。然后，辐射束是经由对扫描镜380的反射在发射光信道302内的中心单元125的输出。然后，EDM单元或处理器385可以基于在接收机386处接收的信号来计算目标和中心单元125(即，全站仪200)之间的距离。

辐射源384和接收机386可以集成在EDM单元385内。然后，辐射束从辐射源384(也叫做发射机)发射，作为向着目标(或景物)的表面的光(经由对扫描镜380的反射)，并且对目标的表面所反射的光束由接收机386检测，从而生成信号。如上所述，接收机386可以位于EDM单元385处并且接收经由例如对扫描镜380的反射在目标处所反射的光脉冲。根据例如飞行时间测量方法或调制相移测量方法的所检测信号的处理能够确定与表面的距离，即，EDM单元和目标之间的距离。

测量的准确度部分地依赖于大地测量仪器的机械稳定性。特别地，如果仪器的各种轴相互完全平行或垂直，那么仪器进行准确的测量。例如，EDM单元385的轴优选地平行于中心单元125的轴，即，全站仪200的瞄准线135。然而，可以在EDM单元的处理处例如通过校准过程来补偿任何偏差。

如上所述，参照图3所描述的中心单元125是参照图2所描述的全站仪200的中心单元125的示例。

由全站仪200做出的测量通常可以是由EDM单元385提供的距离测量和/或由角度传感器160、165提供的角度测量。

在扫描模式中由全站仪200在目标的表面处扫描的位置通过扫描镜380和中心单元125围绕垂直轴120和水平轴130的旋转来确定。

通过布置在中心单元125中的EDM单元的发射机所发射的光束对目标的表面的水平扫描通过照准仪115的旋转和由此的安装在其上的中心单元125的旋转以及中心单元125的扫描镜380围绕垂直轴120的旋转来确定。照准仪115的旋转和扫描镜380围绕垂直轴120的旋转可以被控制，使得作为时间的函数的光束围绕垂直轴120的角位移呈现出阶梯状廓线。

通过布置在中心单元125中的EDM单元的发射机所发射的光束对目标的表面的垂直扫描通过中心单元125的旋转和中心单元125的扫描镜380围绕水平轴130的旋转来确定。中心单元125的旋转和扫描镜380围绕水平轴130的旋转可以被控制，使得作为时间的函数的光束围绕水平轴130的角位移呈现出阶梯状廓线。

垂直扫描和水平扫描的结合产生了目标的二维扫描。然后，目标的外观可以经由针对二维扫描的位置中的每一个与目标的距离的计算来确定。全站仪200的控制单元150可以被配置为在垂直扫描和水平扫描之间交替。

应该了解的是，尽管在以上示例中提到了用于限定水平扫描和垂直扫描的光束，但替代地可已经提到了光束路径或瞄准线。

通常，应该了解的是，在上述实施例中，光在阶梯状廓线的平坦部分期间从大地测量仪器中发射。为此目的，大地测量仪器的光源或辐射源可以或者连续地打开或者周期性地打开。如果光源(或辐射源)连续地打开，其在光功率方面对于稳定性是优选的，则光束本身呈现出阶梯状廓线。然而，可以关闭光源同时测量点从一个位置移到另一个位置，并且仅针对在光束路径的阶梯状廓线的平坦部分期间执行的距离测量而打开光源。换言之，可以设想当没有测量时中断来自光源的光的发射。特别地，控制单元可被配置为将来自光源或辐射源的光的发射与在阶梯状廓线的平坦部分期间与目标的距离的确定或测量进行同步。

参照图4，描述了用于照准仪115和扫描镜380的角位移廓线的示例。尽管在下面将要提到参照图2所描述的全站仪200的元件，但应该了解的是，相同示例对于参照图1所描述的扫描头170和反射光学元件180的旋转的控制将是有效的，其中照准仪115对应于扫描头170。

图4示出了曲线图，其中照准仪115的角位移廓线由虚线410表示，扫描镜180的角位移廓线由点线430表示，以及光束的(或光束路径的或全站仪200的瞄准线的)合成角位移是连续线450。该曲线图的水平轴表示时间，而该曲线图的垂直轴表示角位移。

在此示例中，照准仪115向着相同旋转方向以恒定速度围绕垂直轴120连续向前地旋转。结果是，照准仪115的角位移廓线410线性依赖于时间，如图4中示出的曲线图中所表示的。线性曲线410的斜率由角旋转速度确定。此外，扫描镜380围绕相同的垂直轴120来回旋转，即，或者在与照准仪115相同的旋转方向中或者在与其相反的方向中。扫描镜380围绕垂直轴120的角位移廓线430可以由锯齿状图案在图4中示出的曲线图中表示。扫描镜380的角位移廓线430包括第一类型的部分或线段432和第二类型的部分或线段434，该第一类型的部分或线段432对应于扫描镜380在与照准仪115的旋转相反的方向中围绕垂直轴120的旋转，该第二类型的部分或线段434对应于扫描镜380在与照准仪115的旋转相同的方向中围绕垂直轴120的旋转。对于锯齿状图案的情况，第二角位移廓线430包括序列的重复，其包括跟随有第二类型的线段的第一类型的线段。

角位移廓线430对于第一类型的线段432的斜率由扫描镜380围绕垂直轴120的旋转的速度来确定。当照准仪115和扫描镜380围绕纵坐标轴120彼此相反地旋转时，如果照准仪的旋转速度等于或至少接近于扫描镜380的旋转速度，则扫描镜380的旋转和照准仪115的旋转相互补偿，使得围绕垂直轴120的光束(或光束路径)的角位移450可忽略不计，并且优选地为零，从而产生阶梯状廓线450的平坦部分451。

阶梯状廓线的平坦部分的长度由在其间扫描镜380和照准仪115围绕垂直轴120彼此相反地旋转的时间来确定。阶梯状廓线的平坦部分的长度确定了在其间光束在特定测量点(即，目标的表面处的特定位置)处静止的时间段。这依次确定了对于EDM单元在目标的特定位置处执行测量可用的时间。

因此，EDM单元的操作可以经由例如与控制单元150的同步而与扫描镜380和中心单元125的旋转同步。

角位移廓线430对于第二类型的线段434的斜率由扫描镜380围绕垂直轴120的旋转的速度来确定。当照准仪115和扫描镜380在相同的方向中围绕垂直轴120旋转时，扫描镜380和照准仪115的旋转的联合作用确定了围绕垂直轴120的光束路径的角位移450。因此，扫描镜380的旋转速度和照准仪115的旋转速度确定了扫描中两个测量点之间的间距。

应该了解的是，图4中示出的角位移廓线仅显示了控制围绕垂直轴120的照准仪115和扫描镜380以用于获得诸如由450标记的阶梯状廓线的示例。尽管线性角位移可以促进照准仪115的旋转和扫描镜380的旋转的控制，但可以设想其他类型的更先进的角位移廓线，只要针对围绕垂直轴120的光束(或光束路径)的合成角位移廓线是阶梯状廓线。

此外，尽管已经参考围绕垂直轴120的旋转描述了上面的示例，但应该了解的是，可以作出相同的示例和相同的概括以用于中心单元125和扫描镜380围绕水平轴130的旋转的控制。

参照图5，描述了根据实施例操作大地测量仪器的方法的概要。

本实施例的方法可以根据参照图1-4所描述的实施例中的任何一个在大地测量仪器中实现。本实施例的方法也可以在任何大地测量仪器中实现，其提供了相对于在其处布置扫描镜的扫描头的旋转的扫描镜(或反射光学元件)的旋转。

本实施例的方法包括根据第一角位移廓线围绕第一轴旋转(5100)大地测量仪器的扫描头，以及根据第二角位移廓线围绕相同的第一轴旋转(5200)安装在扫描头中的反射光学元件。经由对反射光学元件的光的反射提供了用于从大地测量仪器输出光的光束路径。因此，本方法可包括沿着光束路径至少周期性地输出(5300)光束。本方法还包括相对于第一角位移廓线调整(5400)第二角位移廓线，使得作为时间的函数的围绕第一轴的光束路径(或光束)的角位移呈现出阶梯状廓线。本方法还包括在阶梯状廓线的平坦部分期间确定(5500)到目标的距离。

参照图6，描述了根据另一个实施例的操作大地测量仪器的方法的概要。

本实施例的方法可以根据参照图1-4描述的实施例中的任何一个在大地测量仪器中实现。本实施例的方法也可以在任何大地测量仪器中实现，其相对于在其处布置了反射光学元件的扫描头或中心单元的旋转，提供了反射光学元件(或扫描镜)的旋转。

本实施例的方法包括围绕第一轴和第二轴中的任一个旋转(6100)安装在大地测量仪器的基座上的中心单元，以及围绕相同的第一或第二轴旋转(6200)可旋转地安装在中心单元中的反射光学元件。在反射光学元件处的光反射提供光沿着其从大地测量仪器中被输出的光束路径。本方法也包括控制(6400)中心单元和反射光学元件的各自旋转使得作为时间的函数的围绕第一轴和第二轴中的任一个的光束路径的角位移产生阶梯状廓线，以及在阶梯状廓线的平坦部分期间，基于表示针对目标的光束的反射的信号检测来测量(6500)与目标的距离。

在连续光发射的情况中或用于至少测量与目标的距离，本方法也可包括沿着光束路径从大地测量仪器输出(6300)光束。

上面参照图5和图6所描述的方法可以与上面参照图1-4所描述的实施例的任何特征合并。

应该了解的是，在上述方法中，光束可以在阶梯状廓线的平坦部分期间周期性地输出，以用于确定与目标处的所感兴趣的若干位置的距离，正如由对应于平坦部分的角位置所确定的。可选地，光束可以从大地测量仪器中连续输出，与目标处所感兴趣的位置的距离的确定或测量在阶梯状廓线的平坦部分期间被执行。

上述实施例可应用于几个类型的大地测量扫描仪、激光雷达、电子测量设备、测量设备和/或配备有扫描设备或扫描功能连同旋转的(或扫描的)反射光学元件的全站仪。

本领域的技术人员意识到，本发明决不限于上文描述的优选实施例。相反地，在所附的权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。

此外，尽管已经参考测量学描述了以上实施例的应用，但可以设想其他应用。

尽管在以上描述中以特定组合描述了特征和元件，但每个特征或元件可以单独使用而没有其他特征和元件或以具有或不具有其他特征和元件的各种组合来使用。在上文中，处理器或处理单元可包括例如通用处理器、专用处理器、传统处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心相关联的一个或多个微处理器以及任何其他类型的集成电路(IC)。

另外，技术人员在实践所要求保护的发明时通过研究附图、公开内容及所附权利要求书能够理解并实现所公开的实施例的各种变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)不排除复数。某些特征在相互不同的从属权利要求中被记载的纯粹事实并不指示这些特征的组合不能被有利地使用。

Claims (24)

1.一种操作大地测量仪器(100，200)的方法(5000)，包括：

根据第一角位移廓线(410)，围绕第一轴(120)旋转(5100)所述大地测量仪器的扫描头(125，170)；

根据第二角位移廓线(430)，围绕相同的第一轴旋转(5200)安装在所述扫描头中的反射光学元件(180，380)，其中，用于从所述大地测量仪器中输出光的光束路径(135，302)经由所述反射光学元件的光反射来提供；

相对于所述第一角位移廓线调整(5400)所述第二角位移廓线，使得作为时间的函数的围绕所述第一轴的所述光束路径的角位移(450)呈现出阶梯状廓线；以及

在所述阶梯状廓线的平坦部分期间，确定(5500)到目标(50)的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扫描头连续向前旋转并且所述反射光学元件来回旋转。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一角位移廓线在第一角方向中是线性的，同时所述第二角位移廓线在与所述第一角方向相反的第二角方向中包括线性部分，在所述线性部分中所述反射光学元件的旋转速度等于所述扫描头的旋转速度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二角位移廓线是锯齿状图案。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阶梯状廓线的平坦部分对应于由所述大地测量仪器扫描的所述目标处的位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定到目标的距离基于飞行时间测量或相移测量。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定距离包括将在所述阶梯状廓线的平坦部分期间获得的值重复地进行平均。

8.一种大地测量仪器(100，200)，包括：

扫描头(125，170)，所述扫描头围绕第一轴(120)可旋转；

反射光学元件(180，380)，所述反射光学元件安装在所述扫描头中且围绕相同的第一轴可旋转；

辐射源(101，384)，所述辐射源适用于发射光，所述光待经由所述反射光学元件的光反射沿着光束路径(135，302)从所述大地测量仪器输出；

控制单元(150)，所述控制单元适用于相对于所述扫描头的角位移廓线(410)调整所述反射光学元件的角位移廓线(430)，使得作为时间的函数的围绕所述第一轴的所述光束路径的角位移(450)呈现出阶梯状廓线；以及

电子测距EDM单元(385,185)，所述电子测距EDM单元适用于在所述阶梯状廓线的平坦部分期间确定到目标(50)的距离。

9.根据权利要求8所述的大地测量仪器，其中，所述控制单元适用于使所述扫描头连续向前旋转且使所述反射光学元件来回旋转。

10.根据权利要求8和9中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述控制单元适用于使所述扫描头在第一角方向中以恒定旋转速度围绕所述第一轴旋转并且使所述反射光学元件在与所述第一角方向相反的角方向中以相同恒定速度围绕所述第一轴周期性地旋转。

11.根据权利要求8-10中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述反射光学元件的所述角位移廓线是锯齿状图案。

12.根据权利要求8-11中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述EDM单元适用于通过将在所述阶梯状廓线的平坦部分期间获得的值重复地进行平均来确定所述距离。

13.根据权利要求8-12中的任一项所述的大地测量仪器，还包括电流计、压电致动器和磁致伸缩致动器中的至少一个，以用于旋转所述反射光学元件。

14.根据权利要求8-13中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述反射光学元件是扫描镜或扫描棱镜。

15.一种操作大地测量仪器(200)的方法(6000)，包括：

围绕第一轴(120)和第二轴(130)中的任一个旋转(6100)安装在所述大地测量仪器的基座(105)上的中心单元；

围绕相同的第一轴或第二轴旋转(6200)可旋转地安装在所述中心单元中的反射光学元件(380)，其中，在所述反射光学元件处的光反射提供了光将沿着其从所述大地测量仪器中输出的光束路径(302)；

控制(6400)所述中心单元和所述反射光学元件的各自旋转，使得作为时间的函数的围绕所述第一轴和所述第二轴中的任一个的所述光束路径的角位移(450)产生阶梯状廓线；以及

在所述阶梯状廓线的平坦部分期间，基于表示目标对光的反射的信号的检测来测量到所述目标的距离。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述阶梯状廓线通过控制所述中心单元在第一旋转方向上以恒定速度围绕所述第一轴和所述第二轴中的任一个的旋转并且通过周期地控制所述反射光学元件在与所述第一旋转方向相反的旋转方向中以相同的恒定速度围绕相同的轴的旋转来获得。

17.一种大地测量仪器(200)，包括：

中心单元(125)，所述中心单元可旋转地安装在基座上以用于围绕第一轴(120)和第二轴(130)进行旋转；

反射光学元件(380)，所述反射光学元件可旋转地安装在所述中心单元上，用于围绕所述第一轴和所述第二轴进行旋转；

光源(384)，所述光源用于发射光，以经由在所述反射光学元件处的光反射沿着光束路径(302)从所述大地测量仪器被输出；

控制单元(150)，所述控制单元适用于控制所述中心单元和所述反射光学元件的各自旋转，使得作为时间的函数的围绕所述第一轴和所述第二轴中的任一个的所述光束路径的角位移(450)产生阶梯状廓线；以及

处理单元(385)，所述处理单元用于在所述阶梯状廓线的平坦部分期间，基于表示目标对所述光的反射的信号的检测来测量到所述目标的距离。

18.根据权利要求17所述的大地测量仪器，其中，所述控制单元适用于控制所述中心单元在第一旋转方向中以恒定速度围绕所述第一轴和所述第二轴中的任一个的旋转以及周期性地控制所述反射光学元件在与所述第一旋转方向相反的方向中以相同的恒定速度围绕相同的轴的旋转。

19.根据权利要求17或18所述的大地测量仪器，其中，所述第一轴沿着水平方向布置，而所述第二轴沿着垂直方向布置。

20.根据权利要求17-19中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述反射光学元件是扫描镜或扫描棱镜。

21.根据权利要求8-14或17-20中的任一项所述的大地测量仪器，其中，所述控制单元被配置为将从所述光源或所述辐射源发射光与在所述阶梯状廓线的平坦部分期间确定或测量到所述目标的距离进行同步。

22.根据权利要求1-7或15-16中的任一项所述的方法，其中，光在所述阶梯状廓线的平坦部分期间从所述大地测量仪器中发出。

23.一种计算机程序产品，其包括计算机可执行组件以用于在所述计算机可执行组件在处理单元上执行时来执行根据权利要求1-7、15-16和22中的任一项的方法。

24.一种计算机可读数字存储介质，其包括计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行组件，所述计算机可执行组件适用于当在处理单元上执行时，执行根据权利要求1-7、15-16和22中的任一项的方法。