CN107003407A - 测距设备和系统 - Google Patents

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Abstract

一种测距系统包括：电磁输出端，其用于提供沿着第一射束路径的第一电磁辐射束；电磁输入端，其用于接收所述第一射束从对象反射的电磁辐射以便于确定所述测距系统距所述对象的距离；以及外壳，其包括围绕所述外壳的中心轴线的侧壁，所述侧壁可透过由所述电磁输出端提供的所述电磁辐射。所述电磁输出端和所述电磁输入端设置在所述外壳内，使得所述电磁输入端位于由所述第一射束在所述侧壁上的镜面反射限定的电磁辐射的第二射束的第二射束路径外部。由于所述电磁输入端位于所述第二射束路径外部，所述第一射束离开所述侧壁的所述镜面反射不会到达所述电磁输入端。

Description

测距设备和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月17日提交的澳大利亚临时专利申请号2014904166的优先权，所述申请的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于确定设备与对象的距离的测距设备。本公开还涉及用于确定与对象的距离的测距系统。
背景技术
确定从观察位置到环境中的一个或多个对象的距离信息对于许多应用来说是重要的。例如，距离信息可由测量员用作确定环境中的对象的位置的一个量度。距离信息结合其他信息(诸如对象相对于观察位置的取向和观察位置的位置信息)可用来构建具有地形信息的地图，或者展示对象位置和/或环境中的对象轮廓的其他形式的表示。
在已知形式中，测距设备设置在观察位置处，并且所述设备包括用于朝向对象传输激光束的激光发射器。光束反射离开对象并且测距设备的传感器检测到光的反射。测量出光从激光发射器行进到对象并且从对象行进到传感器的飞行时间。此飞行时间结合光速用来确定观察位置处的测距设备与对象之间的距离。
其他形式的测距设备包括在多个取向上确定与观察位置的多个距离的三维扫描仪。在一种形式中，所述测距设备包括转向来在相应取向上进行多次测量的激光测距仪。测量结果可以用来提供对象的轮廓信息或者甚至提供观察位置周围的环境。此类信息可用于确定地下矿井中的周围特征部的大小和形状。
在整篇本说明书中，用词“包括(comprise)”或变型(诸如“comprises”或“comprising”)应理解为暗示包括所述要素、整数或步骤、或成组要素、整数或步骤，而非排除任何其他要素、整数或步骤、或成组要素、整数或步骤。
对本说明书中已包括的文件、法令、材料、装置、物品等的任何讨论不应认为是承认任何或所有这些内容形成现有技术基础的部分或者是本公开相关领域中的一般常识，因为其在本申请的每个权利要求的优先权日期之前已经存在。
发明内容
本公开提供测距系统，其包括：电磁输出端，其用来提供沿着第一射束路径的第一电磁辐射束；电磁输入端，其用来接收第一射束从对象反射的电磁辐射以便于确定测距系统与对象的距离；和外壳，其包括围绕外壳的中心轴线的侧壁，所述侧壁可透过由电磁输出端提供的电磁辐射，其中所述电磁输出端和所述电磁输入端设置在外壳内，使得电磁输入端位于由第一射束在侧壁上的镜面反射限定的第二电磁辐射束的第二射束路径外部。
由于电磁输入端位于第二射束路径外部，第一射束离开侧壁的镜面反射不会到达电磁输入端。这可防止或减小第一射束的镜面反射使电磁输入端炫目或者以其他方式对其进行干扰的效应。
在一个实例中，本公开提供测距系统，其用来通过以下方式避免第一射束从侧壁的镜面反射干扰电磁输入端：对电磁输出端进行定位和定向，以使得电磁辐射不会反射离开侧壁并且返回朝向电磁输出端和定位在近侧的电磁输入端。在另一个实例中，这通过以下方式来实现：对电磁输出端进行定位和定向，以使得第一射束与侧壁的入射角不为(也不接近于)零度。
在一种形式的测距系统中，外壳还包括一个或多个特征部，所述一个或多个特征部防止外壳外部的气体被来自外壳内部的点火触发器点燃。这些特征(本文称为防火特征)可见于关于防火和防暴外壳的识别标准中，所述识别标准诸如IEC 60079-0 Ed.6.0 b:2011和IEC 60079-1 Ed.7.0 b:2014。关于防火和防暴外壳的其他标准可见于以下标准中：美国标准ANSI/UL1203:2006、英国标准BS EN 60079-1:2007和/或澳大利亚标准AS60079.1:2007。在一些实施方案中，这些特征部包括密封元件，所述密封元件结合侧壁将外壳内部与外壳外部密封，使得一个或多个密封元件防止外壳外部的气体被来自外壳内部的点火触发器点燃。在一个实例中，密封是气密密封。在替代实施方案中，防火和防暴外壳并未与周围大气完全密封，但是可相反地包括零件，所述零件在组装成时为具有一些间隙的紧密配合件。然而，间隙的构造可被设计来在由于外壳内部着火所产生的火焰可能蔓延到外壳外部的大气之前使其熄灭。此类构造可包括例如具有大小相对较小的间隙和/或具有曲折路径(例如，迷宫)的间隙以防止或者降低火焰蔓延的机会。
在替代实施方案中，外壳包括内壁和外壁。外壁优选地作用来提供耐冲击屏障，优选地以便符合上述标准。内壁优选地作用来承受高压，优选地以便符合上述标准。(例如，至少100kPa、优选地至少500kPa、并且更优选地至少1000kPa)。内壁和外壁可由相同或不同材料构造而成。在优选的实施方案中，内壁和外壁由玻璃构造而成。在替代实施方案中，一个壁由玻璃产生而另一个壁由塑料产生，例如，外壁可由玻璃构造而成，而内壁可由透明塑料(诸如聚碳酸酯)构造而成。
在又一个实施方案中，外壁包括可剥离透明塑料膜，诸如成功用于竞赛汽车挡风玻璃的聚酯膜由MADICO，Inc.，Woburn，Mass.制造，这是因为所述聚酯膜的产品标注LCL-600-XSR和LCL-800-XSR以及5-7密尔膜由所述公司出售。可剥离膜具有以下优点：当膜被刮擦时能够替换，由此维持外壳所希望的透明度。
优选地，使用粘合剂层将内壁和外壁层压或粘合在一起。粘合剂层可包括由塑料聚合物制成的液态树脂，所述塑料聚合物由丙烯酸基或硅酮基化合物配制而成，所述丙烯酸基或硅酮基化合物可包括光引发剂，所述光引发剂往往会在所施加树脂暴露于UV光时使所述树脂非常迅速地固化。一个此类的粘合剂可以是来自Epoxies Etc.，Deco-CoatProduct Line，21Starline Way，Cranston，R.I.02921的UV固化7155。在优选的实施方案中，粘合剂包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。粘合剂层优选地减小外壳的倾向和/或大小以便提供电磁辐射源的多次反射，并且在内壁与外壁之间提供冲击屏障。
在示例性的实施方案中，外壳包括双壁玻璃柱，所述双壁玻璃柱包括使用PVB(聚乙烯醇缩丁醛)或者其他合适的层压/粘合物质层压在一起的内玻璃柱和外玻璃柱。
测距系统还可包括：第一支撑元件，其可在外壳内围绕第一旋转轴线旋转，其中电磁输出端由第一支撑元件支撑，使得第一支撑元件的旋转使由电磁输出端提供的第一射束转向。
在另一种形式中，电磁输出端从第一旋转轴线偏移，以使得从电磁输出端到侧壁的第一射束路径不会与第一旋转轴线交叉。在另一种形式中，第一旋转轴线与中心轴线同轴。
测距系统还可包括：第二支撑元件，其用于在电磁输出端与第一支撑元件之间提供支撑，其中所述第二支撑元件可围绕第二旋转轴线旋转，并且其中所述第二支撑元件的旋转使由电磁输出端提供的第一射束转向。在另一种形式中，第二旋转轴线垂直于第一旋转轴线。
在一种形式中，测距系统还包括：控制器模块，其用于使第一射束转向到多个取向以便提供周围环境中的对象的多次距离确定。在又一种形式中，测距系统包括处理器，用于基于所述多次距离确定生成周围环境的三维表示。
在一种形式的测距系统中，电磁输出端包括激光发射器，用于提供呈激光形式的第一射束，并且其中所述电磁输入端包括光传感器，用于接收从对象反射的激光。
在替代形式中，测距系统包括激光发射器，用于提供呈激光形式的第一射束，其中所述电磁输出端包括第一反射器，用于将所述第一射束重新引导至第一射束路径之上。在另一种形式中，测距系统包括光传感器，用于检测从对象反射的激光，其中所述电磁输入端包括第二反射器，用于朝向光传感器重新引导经反射激光。
在一种形式的测距系统中，第一射束路径与侧壁的表面法线之间的入射角大于5度。入射角优选地不超过40度并且更优选地不超过30度。小于5度的角增大了镜面反射干扰电磁输入端的隐患。更大的角可遭致从侧壁的反射增加并且结果是测距仪性能降低。
在一种形式的测距系统中，第一射束路径与侧壁的表面法线之间的入射角小于与侧壁的临界角。
在一种形式的测距系统的中，侧壁是圆柱形侧壁。侧壁的几何结构将由以下功能需求规定：电磁输出端和电磁输入端设置在外壳内，使得电磁输入端位于第一射束在侧壁上的镜面反射所限定的第二电磁辐射束的第二射束路径外部。
在一种形式的测距系统中，系统还包括控制器，用于使第一射束朝向反射器转向；确定指示反射离开反射器并且由光传感器接收的光的强度的强度值；以及基于所述强度值确定煤尘粒子所污染的水平。
本公开还提供用于防火外壳内的测距设备，所述防火外壳包括围绕外壳的中心轴线的侧壁，所述测距设备包括：电磁输出端，其用于提供沿着第一射束路径的通过圆柱形侧壁的第一电磁辐射束；电磁输入端，其用于接收从对象反射的第一射束以便于确定测距设备与对象的距离；第一支撑元件，其可围绕第一旋转轴线旋转，其中所述电磁输出端由第一支撑元件支撑并且第一支撑元件的旋转使第一射束转向，并且其中所述电磁输出端被安装成从第一旋转轴线偏移，以使得从电磁输出端到圆柱形侧壁的第一射束路径的轴线不会与第一旋转轴线交叉，使得当测距设备位于外壳内、同时第一旋转轴线与圆柱形侧壁的中心轴线同轴时，电磁输入端位于由第一射束在圆柱形侧壁上的镜面反射产生的第二射束的第二射束路径外部。
在一种形式中，测距系统还包括第二支撑元件，用于在电磁输出端与第一支撑元件之间提供支撑，其中所述第二支撑元件可围绕第二旋转轴线旋转，其中所述第二支撑元件的旋转使由电磁输出端提供的第一射束转向，其中第二旋转轴线垂直于第一旋转轴线。
本公开还提供以下方法：使用上述测距系统或者测距设备确定封闭环境内的对象的距离。在一个实例中，所述方法在封闭环境诸如煤矿矿井中执行。
本公开还提供绘制一个或多个对象的表面的方法，其中所述方法包括使用上述测距系统或者测距设备执行与一个或多个对象的多次距离确定。
本公开还提供使用上述测距系统或者测距设备来执行与一个或多个对象的多次距离确定。
附图说明
将参考以下描述本公开的实例：
图1示出定位来测量周围环境中的对象的距离的测距系统的简化图；
图2是向对象提供第一电磁辐射束以便于确定与对象的距离的测距系统的透视图；
图3是测距系统的电磁输出端、电磁输入端、以及第一支撑元件和第二支撑元件的透视图；
图4是图2的测距系统的侧视图，其示出由电磁输出端提供的第一射束以及由电磁输入端接收的第一射束的经反射电磁辐射；
图5是图4的测距系统的顶视图；
图6是图4的测距系统的简化顶视图，其示出在围绕第一旋转轴线的三个不同方位角取向上的电磁输出端，并且示出第一射束的折射实例；
图7(a)至图7(c)是图4的简化侧视图，其示出在围绕第二旋转轴线的三个不同仰角取向上的电磁输出端，并且示出第一射束的折射效应的实例；
图8是具有控制器模块、计算机系统和显示器的测距系统的原理图；
图9(a)至图9(c)示出呈一种形式的测距系统的第一射束的可能的仰角范围；
图10(a)至图10(d)是测距系统的外壳的替代形式的透视图；
图11(a)和图11(b)是电磁输入端的透视图，所述电磁输入端具有用于使磁输入端屏蔽不想要的电磁辐射的外罩；
图12(a)和图12(b)是包括用于测试测距设备的操作的反射器的测距系统的透视图；
图13是测距设备的顶视图，其示出呈两种构型的电磁输出端和电磁输入端以便于确定与对象上的同一位置的距离；
图14(a)和图14(b)是测距设备的替代形式的顶视图；并且
图15(a)至图15(c)是测距系统的外壳的替代形式的顶视图。
具体实施方式
现将参考图1和图2来总体描述测距系统100的实施方案。
图1是设置在观察位置3处以便确定相对于环境1的距离信息的测距系统100的简化视图。环境1包括位于测距系统100的视线内的对象5、7和9。测距系统100可被转向到方向A以便确定观察位置3与第一对象5之间的第一距离15，由此第一对象5相对于观察位置3位于方向A上。类似地，测距系统100可被转向以确定在方向B上与第二对象7的第二距离17。还可对一个对象进行多次距离确定，如在方向C上与第三对象9的第三距离18以及在第四方向D上与第三对象9的第四距离19所示。可在多个方向上进行多次距离确定并且结合距离信息来诸如以三维点云提供环境的轮廓信息。在一个示例性应用中，对象9是地下煤矿矿井中的采煤工作面。使用本文所公开的测距仪提供轮廓信息(也就是说绘制采煤工作面的表面)具有以下优点：更少人员进入矿井的未支撑部分并且机械可被更有效地控制。
现在将参考图2简要描述测距系统100。测距系统100包括电磁输出端102，用于提供沿着第一射束路径106朝向对象112的第一电磁辐射束104。第一射束104从对象反射以便提供经反射电磁辐射110。测距系统100还包括电磁输入端108，用于从对象112接收第一射束的经反射电磁辐射110以便于确定测距系统100与对象112的距离114。系统100还包括外壳120，所述外壳120具有围绕中心轴线136的侧壁122，所述侧壁122可透过由电磁输出端102提供的电磁辐射。电磁输出端102和电磁输入端108设置在外壳120内，使得电磁输入端108位于由第一射束104在侧壁122上的镜面反射128限定的第二电磁辐射束126的第二射束路径124外部。此构型有利地避免或者减小第一射束104的镜面反射128的负面影响，所述负面影响可使电磁输入端108炫目、提供错误读数、减小电磁输入端108的有效性或寿命、和/或以其他方式影响测距系统100的距离确定。
测距系统100包括一个或多个密封元件130，所述一个或多个密封元件130结合侧壁122将外壳120内部与外壳120外部密封。此构型可有利地防止外壳120外部的气体被来自外壳内部的点火触发器点燃。
测距系统100还包括可在外壳120内围绕第一旋转轴线134旋转的第一支撑元件132。电磁输出端102由第一支撑元件132支撑，使得第一支撑元件132的旋转使由电磁输出端102提供的第一射束104转向。这允许测距系统100使第一射束104转向以便在多个方向上确定距离。第二支撑元件140设置在电磁输出端102与第一支撑元件132之间，并且第二支撑元件140可围绕第二旋转轴线142旋转以便提供用于使第一射束104转向的进一步的自由度。在所示的实施方案中，所述构型避免第一射束的镜面反射128在第一支撑元件132围绕第一旋转轴线134的整个360度旋转范围内使输入端108炫目。
现将详细地论述测距系统100的部件。
第一支撑元件和第二支撑元件
现将参考图3至图5描述第一支撑元件132和第二支撑元件140。第一支撑元件132可旋转地支撑第二支撑元件140。第二支撑元件140进而可旋转地支撑电磁输出端102和电磁输入端108。
第一支撑元件132可围绕第一旋转轴线134旋转，以便提供用于使电磁输出端102和电磁输入端108转向的方位角方向φ。在一个实施方案中，第一支撑元件132可旋转完整的360度以便允许测距系统100进行多次距离测量来扫描周围环境。
第一支撑元件132可操作地联接到致动器203(如图8所示)以便使第一支撑元件132连同被支撑的第二支撑元件140、电磁输出端102和电磁输入端108旋转。在一种形式中，致动器是电机，诸如从控制器模块201接收致动输入的步进电机。致动器可操作来直接致动第一支撑元件132(诸如直接传动)，或者间接致动，诸如通过齿轮机构或者皮带传动。在一种形式中，齿轮机构或者皮带传动提供旋转速度减小的传动以便允许第一支撑元件132的移动精度更大。
第二支撑元件140可围绕第二旋转轴线142(其不同于第一旋转轴线134)旋转以便向被支撑的电磁输出端102和输入端108提供进一步的自由度。第二支撑元件140支撑从第一旋转轴线134偏移的电磁输出端102，以使得从输出端102到侧壁122的第一射束路径不会与第一旋转轴线134交叉。此构型连同同轴的第一旋转轴线和中心轴线136提供射束路径106，所述射束路径106与圆柱形侧壁122具有不处于也不接近于零度的入射角。换句话讲，射束路径106并不沿着圆柱形侧壁122的表面法线111，如图5所示。因此，第一射束104在圆柱形侧壁122上的镜面反射128提供具有第二射束路径124的第二射束126，所述第二射束路径124远离电磁输出端102引导，并且更重要地远离定位在电磁输出端102近侧的电磁输入端108引导。
此外，射束路径106可优选地与圆柱形侧壁122具有不处于也不接近于90度的入射角。较大的角可致使电磁辐射发生显著的镜面反射，由此减少将由电磁输入端108接收的电磁辐射110。
在一种形式中，电磁输出端102由第二支撑元件140支撑，使得由电磁输出端102提供的第一射束104基本上垂直于第二旋转轴线142。
在一个实施方案中，第二旋转轴线142垂直于第一旋转轴线134。第二支撑元件140提供电磁输出端102和输入端108相对于垂直于第一旋转轴线134的水平面138的仰角θ的调节。第二支撑元件140的移动可通过致动器203(诸如以上所论述的那些)进行。
由于可围绕不同轴线134、142旋转，第一支撑元件132和第二支撑元件140允许使第一电磁辐射束104转向。应了解，在其他实施方案中，第二旋转轴线142并不需要垂直于第一旋转轴线134来提供额外的自由度。然而，这些旋转轴线的垂直布置可有助于轻易控制并计算第一射束104的方向。
电磁输出端和电磁输入端
电磁输出端102和电磁输入端108可操作来提供飞行时间信息以便允许进行距离确定。在一种形式中，电磁输出端102和输入端108基本上共同定位(或者彼此邻近)，其中输出端102和输入端108由第一支撑元件132和第二支撑元件140在相同方向上引导。通常，这涉及使电磁输出端102和输入端108朝向对象112引导，尽管可包括一些变型以便考虑到折射、位移、或者其他对齐考虑，这些将在以下详细地论述。
在一种形式中，电磁输出端102和输入端108呈激光测距仪的形式。因此，电磁输出端102可呈激光发射器的形式，所述激光发射器为第一射束104发射一个或多个激光脉冲。电磁输入端108可呈对激光敏感的光传感器的形式。激光发射器的实例可包括激光二极管。激光的波长可包括850nm、905nm、1535nm。在一种形式中，控制激光的功率输出以便确保激光输出满足安全要求，诸如为护眼激光器和/或防止激光变成点火触发器。在一种形式中，激光以及外壳120中的其他部件(诸如电机、致动器、光传感器、控制器、无线电通信模块等)的混合功率小于6W。在一个实施方案中，来自设备的有效辐射功率(9kHz至60GHz)优选地不超过10W，更优选地不超过6W，并且甚至更优选地不超过4W。激光优选地具有不超过1W并且更优选地不超过150mW的有效辐射功率。在特定的实施方案中，设备符合IEC 60079-0:2011的有效辐射功率(9kHz至60GHz)(优选地针对I级气体)(例如，针对煤矿开采环境)。
为了提供距离确定，电磁输出端102提供行进通过外壳120的侧壁122并且朝向对象112的激光脉冲(在第一射束104中)。光反射离开对象122，并且经反射激光110中的至少一些往回朝向测距系统100行进，传递通过侧壁122以便由电磁输入端108接收。光脉冲的输出端102与接收反射输入之间的飞行时间用来确定距离。对于输出端102位于输入端108附近的系统100，距离或者至少距离的近似值可由以下方程确定：
应了解，此方程可改变以便将已知变量和常量考虑在内。例如，第一射束104的行进通过外壳102的激光可以小于光通过空气的速度的速度行进。变化可包括计算光脉冲行进通过侧壁122的时间延迟。在一种形式中，可使用侧壁122的平均厚度。在另一种形式中，可使用射束104必须以电磁输出端102的给定取向行进通过外壳的距离。在另一个实例中，部件中的一个或多个的响应时间可存在延迟。可通过修改方程1或者通过校准系统100而将其考虑在内。
在一种形式中，电磁输出端102和电磁输入端108置于壳体(未示出)内部。壳体连同置于其内的电磁输出端102和电磁输入端108由第二支撑元件140支撑。因此，当第一支撑元件132和第二支撑元件140旋转时，壳体(与输出端102和输入端108一起)也旋转。壳体被密封以便减少灰尘污染。在另一个实施方案中，壳体被密封以便减小壳体内部的点火触发器点燃壳体外部的气体(或者其他易燃材料)的隐患。这提供除了由密封外壳120提供的密封之外的另一个安全层。在另一种形式中，壳体还可包括过滤器，所述过滤器覆盖电磁输入端108从而允许传输经反射电磁辐射110的波长，但是吸收或者反射一个或多个其他波长。
外壳
在图2所示的实施方案中，外壳包括侧壁122和呈圆形盖133形式的密封元件130，所述圆形盖133被接收在侧壁122的顶部部分处。另一个密封元件130(呈基座的形式)(未示出)被提供来与圆柱形侧壁122的底部部分对接。
在所示的实施方案中，侧壁122是围绕中心轴线136延伸以便形成圆柱形侧壁的弯曲侧壁。在此实施方案中，壁围绕中心轴线136延伸达360度。这有助于测距系统100、具体地安装在第一支撑元件132上的电磁输出端102和输入端108在多个方向上进行扫描。在一个实施方案中，这允许第一支撑元件132围绕测距系统100旋转并扫描完整的360度。
在一个实施方案中，第一旋转轴线134与圆柱形侧壁122的中心轴线136同轴。此布置可允许简化测距系统100的计算和/或校准。具体地，此布置可简化第一射束104传递通过圆柱形侧壁122时所述射束的方向变化或位移变化的计算(和/或校准)，因为第一射束104与表面法线111之间的角与方位角方向φ无关。
在替代形式中，侧壁122可包括多于一个单曲面或小面，并且可具有其他形状。图10(a)至图10(d)示出外壳120的替代形式。图10(a)示出具有弯曲侧壁122的外壳，也就是说，弯曲侧壁至少部分地类似于圆锥的表面。图10(b)示出类似于六角棱镜的多面侧壁122。图10(c)示出具有平面侧壁122以便形成类似于正四棱锥的外壳的又一个替代外壳120。图10(d)示出另一个实施方案，其中外壳120包括半球形侧壁122。
如以上所指出，密封元件130和圆柱形侧壁122的构型将外壳120内部与外壳120外部密封。在一种形式中，密封是防止或者基本上防止气体在外壳120内部与外部之间传送的气密密封。气密密封防止或者减小外壳120内部的点火触发器(诸如电火花)蔓延并且致使外壳120外部的气体点燃的隐患。这在以下情况下是有利的：当测距系统100用于具有易燃燃料(诸如可见于地下矿井中的烃气(诸如甲烷)、煤尘等)的环境中时。
应了解，在其他实施方案中，由密封元件130与圆柱形侧壁122形成的密封可能并不是完美的气密密封。在一种形式中，密封件130与圆柱形侧壁122之间的紧密配合可提供足够的屏障以防止火焰或者其他点火触发器从外壳120内部蔓延到外壳120外部。在一个实例中，一个或多个间隙可存在于圆柱形侧壁122与密封元件130之间。可替代地，圆柱形侧壁122和/或密封元件130可包括一个或多个间隙。在一种形式中，一个或多个间隙和外壳120一般符合构造防火外壳的要求，诸如IEC 60079-0 Ed.6.0 b:2011和IEC 60079-1 Ed.7.0b:2014或者本文所论述的其他标准中的一个或多个。
在所示的实施方案中，密封元件130与圆柱形侧壁122可移除地附接。这允许接近外壳120内的零件并且对其进行维修，所述零件诸如电磁输出端102和电磁输入端108。在另一个实施方案中，密封元件130可永久地附接到圆柱形侧壁122以便维持密封完整性，和/或防止或减小外壳120和其中的部件乱动的可能性。在又一个实施方案中，密封元件130中的一个或多个，诸如圆形盖133或基座134，可与圆形侧壁122一体形成。
在一些实施方案中，密封元件130至少部分地由钢或工业级塑料形成。密封元件130可由材料形成、或者由材料覆盖，所述材料不反射或者基本上不反射来自电磁输出端102的电磁辐射的波长。这会减小来自电磁输出端102的电磁辐射在外壳120内反射多次(其可由电磁输入端108接收)的机会和/或强度。
外壳120的侧壁122由一种材料制成，所述材料被选择成是基本上透明的以便允许传输来自电磁输出端102的一定波长的电磁辐射。在一个实例中，所述材料包括可透过由激光发射器产生的一定波长的光的玻璃。在此上下文中，透明的意味着可能存在一定的辐射衰减，但是经传输辐射的强度足以允许感测到从对象反射的辐射。
圆柱形侧壁122的材料可透过除了电磁输出端102的波长之外的波长。在一个实施方案中，可能合乎希望的是排除这些其他波长被电磁输入端108接收。这可包括在圆柱形侧壁122上提供涂层，所述涂层反射其他波长以防止外壳120外部的此类电磁辐射进入外壳120中并且被电磁输入端108接收。可替代地，圆柱形侧壁122可配备有用于吸收此类其他波长的涂层。在另一个实施方案中，外壳可由固有地对其他波长中的一个或多个不透明的材料构造而成。在又一个实施方案中，过滤器可设置在外壳外部或者外壳内部以便过滤掉此类其他波长或者减小被电磁输入端108接收的此类其他波长的强度。
在测距系统100的一个实例中，圆柱形侧壁122由具有近似10mm厚度的钢化玻璃形成。圆柱形侧壁122的内径具有150mm的半径。此实例包括从第一旋转轴线134(和中心轴线136)偏移30mm的电磁输出端102，并且其中电磁输出端102提供在基本上垂直于第二旋转轴线142的方向上的第一射束104。这些尺寸提供以远离表面法线111的角度入射到侧壁122上的第一射束104。优选地，侧壁122的表面应尽可能光滑和一致以防止或减小射束失真。
参考测距系统的工作波长，侧壁优选地具有以下光学特性：
·侧壁的内表面具有优选地不超过10％、更优选地不超过5％、并且甚至更优选地不超过2％而又甚至更优选地不超过1％的镜面反射(以5度的入射角进行测量)；以及
·侧壁的透明度(以5度的入射角进行测量)是使得存在工作波长的至少90％传输、更优选地95％传输、并且甚至更优选地98％传输。
低内部反射和高传输的组合促成极佳的测距仪性能和可靠性。低内部反射可通过使用抗反射涂层(诸如可购自DSM(Netherlands)的ClarylTM)而实现。
控制器模块、计算机系统和显示器
图8示出测距系统100的实施方案，其还包括控制器模块201，用于向致动器203提供输入以便于可操作地移动第一支撑元件132和第二支撑元件140来使电磁输出端102的第一射束104转向。这允许对周围环境中的一个或多个对象5、7、9、112进行多次距离确定。控制器模块201还与电磁输出端102对接以便控制第一射束104的生成，诸如提供可操作地生成激光脉冲的命令。此外，控制器模块201与电磁输入端108对接以便接收来自电磁输入端108的信息，诸如来自光传感器的信息。在一种形式中，控制器201包括计时模块(未示出)，用于基于激光脉冲从电磁输出端102行进与经反射光110被电磁输入端108接收的时间的时间差确定飞行时间。在一种形式中，计时模块包括振荡式石英并且控制器对生成激光脉冲与接收来自光传感器的信号之间的振荡次数进行计数。控制器接着将计数乘以常量以便确定距离。例如，振荡频率可以是256MHz，从而产生1.17m的分辨率。
在一种形式中，控制器模块是由Atmel生产的ATmega640微控制器。
测距系统100还包括通过通信端口207与控制器模块201通信的计算机系统205。控制器系统205包括连接到程序存储器211、数据存储器213和通信端口207的处理器209。程序存储器211是非暂态计算机可读介质，诸如硬盘驱动器、固态硬盘或者CD-ROM。
存储在程序存储器211上的软件(也就是可执行程序)致使处理器209执行任务，诸如确定对象5、7、9、112与测距系统100的距离，所述对象5、7、9和112与测距系统100的相对取向，对象的相对位置和/或所述对象5、7、9、112的表面上的一个或多个点的绝对位置。此类信息可基于接收来自控制器模块201的飞行时间信息以及与电磁输入端102、转向射束104和/或对致动器203的控制输入的取向有关的信息来确定。
额外的任务可包括处理器209引导控制器模块201在选定区域上执行扫描选定的次数(根据多次距离确定)。这可包括用来操作致动器203和电磁输出端102的具体指令。
处理器209接着可将对象5、7、9、112与测距系统100的距离和其他信息(诸如测距系统的位置、环境条件、时间和日期、射束脉冲的飞行时间信息以及用于确定电磁输出端102和输入端108的取向的信息)存储在数据存储区213中。可对数据存储区213中的信息进行检索以便于分析或绘制测距系统100周围的环境。
在另一个实施方案中，处理器可执行基于多次距离确定和距离确定的对应方向生成周围环境的三维表示的方法。在一种形式中，所述表示存储在数据存储区213中。在又一个实施方案中，周围环境的表示在视觉显示器216上可视地呈现给用户。这可包括三维点云。
用来避免镜面反射干扰第二输入端的测距系统的操作
现将描述测距系统100的实施方案的操作。测距系统100可操作来对测距系统100周围的对象进行围绕中心轴线136完整的360弧度扫描。这通过使第一支撑元件132围绕第一旋转轴线134旋转至选定方位角φ来实现。测距系统100还可操作来通过使第二支撑元件140围绕第二旋转轴线142旋转而以各个仰角θ进行距离确定。这在图9(a)至图9(c)所示的实施方案中示出，其示出第一射束104的仰角范围，包括与水平面138成近似+/-40的仰角。然而，应了解，其他实施方案可包括使仰角从水平面转向多于或少于40度。
因此，在使用过程中，测距系统100在多个方向上引导射束，所述射束必须在多个相应位置处传输通过外壳120。有利地，测距系统100将第一射束104引导至侧壁122，以此方式避免第一射束104的镜面反射128使电磁输入端108炫目。
参考图4和图5，这通过引导来自电磁输出端102的第一射束104以基本上远离表面法线111的角入射到侧壁122上来实现。因此，第一射束104的镜面反射128(示出为沿着第二射束路径124的第二射束126)被引导远离电磁输入端108(和定位在近侧的电磁输出端102)。
在图4和图5所示的实施方案中，第一射束104与侧壁122的入射角总是远离表面法线111，而不管方位角方向(相对于第一支撑元件132围绕第一旋转轴线134的旋转)或者仰角(相对于第二支撑元件140围绕第二旋转轴线142的旋转)。这通过提供从基本上圆柱形侧壁122的共用第一旋转轴线134和中心轴线136偏移的电磁输出端102(和对应第一射束路径106)来实现。
参考以上实施方案，应了解，以接近但不精确地处于表面法线111的角入射到侧壁122的第一射束104仍可提供可能会影响电磁输入端108的镜面反射。例如，与侧壁111具有1度或2度入射角的第一射束104可往回朝向电磁输出端102和定位在近侧的电磁输入端108反射大量的电磁辐射。因此，在一些实施方案中，合乎希望的是第一射束104与侧壁122具有大于5度的入射角。在另一个实施方案中，入射角是至少10度。在又一个实施方案中，入射角是至少12度、或者至少15度、或者至少20度。较大的入射角可有利地减小第二射束126的电磁辐射通过以下方式影响电磁输入端108：致使第二射束126远离电磁输出端102和并置的电磁输入端108反射。
在一个实施方案中，第一支撑元件132以及测距系统100的其余支撑部件以每秒近似0.25转数旋转。第二支撑元件140以及被支撑的电磁输出端102和电磁输入端108可以每秒近似40转数旋转。支撑元件132、140的连续旋转允许测距系统100进行多次距离确定。应了解，可使用其他转速。
在一个实施方案中，第一支撑元件132和第二支撑元件140可围绕相应轴线旋转360度或更多。这允许确定对象112上的点与两种或更多种构型的电磁输出端112的距离。这允许冗余测量或者立体测量对象的表面或环境的距离。这在图13中示出，在图13中第一构型的电磁输出端3102’提供朝向对象112上的点3112的对应第一射束3104’。经反射电磁辐射(为简洁起见未示出)接着被电磁输入端3108’接收。电磁输出端和输入端接着可通过移动支撑元件被移动成第二构型。在第二构型中，电磁输出端3102”提供朝向对象上的相同点3112的对应第一射束3104”。经反射辐射接着被电磁输入端3102”接收。
上述实例是一种解决方案，并且应了解，在其他实施方案中，不同的构型可用来提供并未以一定角度入射到侧壁122上而致使镜面反射128(为引导朝向电磁输入端108的第二射束126)的第一射束104。例如，在一个替代方案中，电磁输出端102是第一反射器(例如，反射镜或棱镜)，所述第一反射器重新引导来自激光发射器的激光以便在第一射束路径106上提供第一射束104。在另一个实施方案中，电磁输入端108包括将经反射激光110重新引导至一个或多个光传感器的第二反射器。在此实施方案中，一个或多个第一和第二反射器作用来向激光发射器和/或光传感器提供偏移以防止第二射束124使光传感器炫目。以下描述这些替代方案的实例。
传递通过侧壁的第一射束的折射
如以上所指出，基本上圆柱形侧壁122有助于测距系统100的计算和/或校准。图6示出电磁输出端在以各个方位角φ’(其为零并且未示出)、φ”和φ”’围绕第一旋转轴线134的三个位置1102’、1102”、1102”’中的顶视图。当第一射束1104’、1104”、1104”’传递通过圆柱形侧壁122时，与圆柱形侧壁122的材料的折射率相比空气(外壳120内部和外壳120外部)的不同折射率致使第一射束1104’、1104”和1104”’发生折射。这会改变第一射束的路径，所述改变可包括方向变化和/或致使第一射束的路径发生位移。在图6中，这由入射到圆柱形侧壁122上的第一射束1104’、1104”和1104”’示出。经传输第一射束1104A’、1104A”和1104A”’的路径如图6所示被从相应初始射束路径1106’、1106”和1106”’改变角α。由于第一旋转轴线134和中心轴线136同轴并且圆柱形侧壁122基本上是圆柱形，第一射束1104的路径、至少垂直于中心轴线134的路径分量的变化基本上是恒定的。也就是说，第一射束1104A’、1104A”和1104A”’的经传输路径的变化对如图6所示的围绕中心轴线136的所有方位角方向φ基本上相同(如角α所示)。
应了解，角α所示的路径变化并不是唯一的，并且根据材料特性和物理构型，第一射束路径的变化可包括光束的位移。在又一个替代方案中，经传输第一射束1104A’、1104A”和1104A”’可具有与入射光束104’、104”和104”’相比发生位移并且引导朝向不同方向的路径。应了解，传递通过侧壁122并且被电磁输入端108接收的反射辐射110的路径可使用与针对第一射束1104所描述的原理类似的原理进行计算(和/或校准)。
在此说明书中为简洁起见，图6中仅描述射束路径的分量在垂直于中心轴线136的方向上的变化。现将参考图7(a)至图7(c)描述由于电磁输出端102的相对仰角θ所致的第一射束104的路径变化。
图7(a)示出电磁输出端2102，所述电磁输出端2102以0度仰角定向，使得第一射束2104’基本上平行于垂直于中心轴线136的平面138。在此取向中，经传输第一射束2104B’相对于仰角分量基本上平行于第一射束2104’且与所述第一射束2104’同轴，这是因为仰角分量的折射基本为零。
图7(b)示出以高于垂直于中心轴线136的平面138的中等仰角θ”定向的电磁输出端2102”。在此构型中，经传输第一射束2104B”具有相对于第一射束2104”改变的路径，所述改变是因为电磁输出端的仰角致使第一射束2104”以大于零度的入射角入射到圆柱形侧壁122上，从而导致仰角分量中的第一射束发生折射。经传输第一射束2104B”与第一射束2104”的偏差被示出为位移β”。然而，应了解，偏差并不限于位移，而且可替代地或者相结合地可以是如上所论述的射束路径的方向变化。
图7(c)示出以高于垂直于中心轴线136的平面138的高仰角θ”’定向的电磁输出端2102”’。在此构型中，经传输第一射束2104B”’具有相对于第一射束2104”’发生更大改变的路径，所述更大改变是因为电磁输出端的较高仰角致使较大的入射角，从而导致较大的折射以及仰角分量中的第一射束的后续位移。经传输第一射束2104B”’与第一射束2104”’的偏差被示出为位移β”’。在此实施方案中，β”’大于β”并且位移β随仰角θ的增大而增大。
在一种形式中，第一射束的路径变化的计算(包括α和β)可使用斯涅尔定理(方程2)以及相关折射率进行计算。
其中
θ是根据介质1与2之间的边界的表面法线测量的光路径的角，
v是光在相应介质中的速度，并且
n是相应介质的折射率。
在一种形式中，电磁输出端102的构型被设置来在第一射束入射到圆柱形侧壁122上时避免第一射束104发生全内反射。此构型可包括提供第一支撑元件132和第二支撑元件130，使得电磁输出端102将不会被定向来提供具有高于空气与侧壁或者侧壁与空气、边界的临界角的入射角的第一射束104。
变型和替代方案
现将描述测距系统100的其他变型和替代方案的操作。
屏蔽电磁输入端
图11(a)和图11(b)示出具有被外罩312屏蔽的光传感器310的电磁输入端108的实施方案。外罩312在一个实施方案中呈形成通道314的中空管的形式。在使用中，外罩312可与电磁输入端108的其他零件一起移动，以使得通道总体上引导朝向测距系统100正进行测距的对象112。通道允许从对象112反射的电磁辐射110传递通过外罩312以便由光传感器310检测到。相反地，外罩阻止来自替代方向上的电磁辐射，诸如第二射束316或者第三和后续光束318被光传感器310直接接收。这可有利地防止多次反射离开侧壁122的第二射束316被光传感器310直接接收。另外，外罩312可使光传感器310屏蔽可能会影响传感器310的其他电磁辐射源，诸如灯光(用于照明)、来自太阳的光线、来自经反射电磁辐射的多条路径的电磁辐射、或者其他测距设备在所述区域中操作的电磁辐射。
在一个实施方案中，外罩312可包括抗反射表面。可包括防光眩挡板320以便屏蔽光传感器310，如图11(b)所示。
灰尘污染测试
在使用中，灰尘或者其他污染物可粘附到外壳120，从而可能会减小测距装置100的性能和有效性。例如，外壳120外部上或者外壳内部上的灰尘可削弱或者以其他方式破坏第一射束104和/或经反射电磁辐射110。这可减小测距装置的有效距离，或者在最坏的情况下完全妨碍距离确定。
在一些实施方案中，灰尘是易燃灰尘，诸如煤尘或者煤烟。在此类情况下，外壳内部或外部的灰尘水平的增加可反映安全隐患升高。外壳的定期维护检查可用来确保灰尘水平不会达到可能会不利地影响设备性能或者增强安全隐患的较高水平。
在一个实施方案中，测距装置100包括用来确定测距装置100的污染水平和性能的手段。优选地，当污染水平超过预定量时，测距仪触发警报或者关闭装置。在一个实施方案中，此预定量对应于具有较高着火隐患水平的污染水平。参考图12(a)，测距装置100包括设置在外壳120外部的具有反射表面353的反射器351。反射器351提供具有已知反射率的反射表面353，以便提供测试(或校准)表面。
在一种形式中，污染测试包括测距系统100提供第一射束104，所述第一射束104传递通过侧壁122并且反射离开反射表面353，并且经反射电磁辐射110传递通过侧壁122以便由电磁输入端108接收。已接收电磁辐射110的强度可与从反射表面353反射的最近的经反射电磁辐射110的强度相比较。强度减小可指示性能退化，诸如灰尘污染侧壁122的外部、侧壁的内部、或者诸如电磁输出端102和电磁输入端108上的其他部件。强度减小还可指示反射表面353受到污染。
图12(b)示出具有外壳120内部的含有反射表面357的反射器355的另一个实施方案。这允许污染测试针对确定外壳120内部、诸如电磁输出端102和输入端108上的污染。或者，所述污染测试可用来确定电磁输出端102和输入端108的条件。例如，随着时间的推移和使用，输出端102的强度或者输入端108对电磁辐射的灵敏度可能发生退化。
在另一种形式中，将如图12(a)所示的外壳120外部的污染测试的结果与如图12(b)所示的外壳120内部的污染测试的结果相比较。比较结果可提供外壳120的侧壁122的污染指示，从而平衡或者排除电磁输出端102和输入端108的污染和性能减小。
在另一个实例中，测距系统100监测电磁输入端108的信噪比。信噪比减小可指示测距系统100的一个或多个部件的灰尘污染。这可用作替代方案，或者结合上述污染测试使用。
在一种形式中，程序存储器211中的程序致使处理器209引导控制器模块201执行上述污染测试。这可在以下情况下执行：在操作过程中以固定时间间隔执行、在启动时、在关闭时、或者在已经确定在电磁输入端108处接收的辐射预期低于对象112和/或对象112的材料的给定距离时。此外，程序响应于测距系统100受到污染的确定可提示操作者维修测距系统100和/或关闭测距系统100。这在污染是火灾隐患的情况下可能是重要的。
在一种形式中，控制器201确定电磁输出端102发送电磁辐射脉冲与电磁输入端108接收经反射电磁辐射脉冲之间的时间差，而无需确定已接收电磁辐射的强度。换句话讲，电磁输入端108充当用来停止时钟脉冲的计数的触发器。这避免对超快模拟-数字(A/D)转换的需要并且因此减小控制器的成本、复杂性和功率消耗。
为了确定测距仪的污染或者环境中或侧壁122上存在颗粒，控制器201可将电磁输出端102从脉冲模式切换成连续模式并且将连接到电磁输入端108的控制器端口从触发模式切换成A/D模式。由于电磁输出端102是连续的，可使用如由常见微控制器提供的缓慢A/D转换。
结果(也就是表示已接收电磁辐射的数字值)接着可由处理器209与数据存储器213上的阈值进行比较。如果结果低于阈值，那么处理器209确定污染高于可接受水平。处理器209接着可激活警告或者激活控制灯光以便向操作者指示过度污染。这种确定污染的过程可周期性地执行。优选地，此过程每10秒执行一次或者围绕中心轴线136转动十次之后执行。
在一种形式中，指示从电磁输出端102到参考反射镜(诸如反射表面353、357)的方向的电磁输出端的方位角和仰角的值存储在数据存储器213上。处理器209接着可将控制数据发送给控制器模块201以便致使电磁输出端102在输出端102的方位角和仰角等于已存储值或者处于已存储值的一定范围内(诸如1度)时切换成连续输出。
处理器209还将控制数据发送给控制器模块201以便致使连接到电磁输入端108的控制器端口在输出端102的方位角和仰角等于已存储值或者处于已存储值的一定范围内(诸如1度)时切换成A/D转换。
以此方式，尚未确定与参考反射镜353、357的距离，但是相反可在每次输出端102围绕轴线134旋转时测量污染，而无需开始和停止输出端102的移动(这会减小部件上的机械应力)。
电磁输出端和输入端的构型的变型
现将参考图14(a)描述测距系统4100的变型。在此变型中，电磁输出端4102包括反射器，例如反射镜。电磁输出端4102重新引导来自发射器152的电磁辐射束以便提供第一电磁辐射束104。电磁输入端4108还包括反射器，所述反射器也可以是反射镜。电磁输入端4108重新引导经反射电磁辐射110朝向电磁辐射传感器154。在此实施方案中，使用一个或多个反射器结合侧壁122的几何结构提供避免使传感器154炫目的第二射束126的第二射束路径124。
在另一个变型中，电磁输入端4108和电磁输出端4102的反射器由常见反射器形成。
现将参考图14(b)描述测距系统5100的另一个变型。在此变型中，电磁输出端5102和电磁输入端5108可由第二支撑元件5140和第一支撑元件5140旋转地支撑和转向。在此变型中，电磁输出端5102提供以表面法线或者基本上接近于所述表面法线入射到侧壁122上的第一射束104。所得镜面反射128在第二射束路径124上提供往回引导朝向电磁输出端5102的第二射束126。尽管如此，在此构型中，电磁输入端5108位于第二射束路径124外部以避免或者减小镜面反射对电磁输入端5108的效应。
外壳的侧壁的变型
现将参考图15(a)至图15(c)描述测距系统6100、7100、8100的变型，其具有不同构型的侧壁，包括外侧壁和内侧壁。
参考图15(a)，测距系统6100具有外壳120，所述外壳120具有围绕电磁输出端102和输入端108的内侧壁6122a。外侧壁6122b进而围绕内侧壁6122a。在此实施方案中，空白6131限定在外侧壁6122b与内侧壁6122a之间。
外侧壁6122b和内侧壁6122a可由不同材料制成。使用不同材料的优点在于材料的不同相应特性可相结合。例如，外侧壁6122b可由一种材料制成，所述材料具有高耐冲击材料以便提供耐冲击屏障。内侧壁6122a可由承受高压(诸如至少100kPa、或者至少500kPa、或者至少1000kPa)的材料制成。在一个实施方案中，外侧壁6122b由玻璃构造而成以便提供耐刮擦性。内侧壁6122a可由透明塑料构造而成以便提供耐压屏障。因此，外侧壁6122b和内侧壁6122a的组合可被构造来满足一个或多个用户需求，所述一个或多个用户需求可包括符合如本文所论述的工业标准。
在另一个变型中，外侧壁6122b和内侧壁6122a由具有相同或不同壁厚的相同材料制成。在一个实施方案中，外侧壁6122b和内侧壁6122a由玻璃构造而成。具有两个侧壁可以是有利的，原因在于外侧壁6122b可以是牺牲屏障，所述牺牲屏障可根据需要在不使电磁输出端102和输入端108暴露于污染物的情况下进行替换。在现场进行替换时(诸如通常在矿井中遇到的工业环境)，这可以是特别有利的。
外侧壁6122b与内侧壁6122a之间的空白6131可有利地提供平衡以便减小外侧壁6122b上的冲击效应影响内侧壁6122a和其中包含的系统部件。例如，外侧壁6122b可吸收致使其发生变形的冲击。然而，空白6131提供远离内侧壁6122a的间隔，以使得冲击力不会被直接传输至内侧壁6122a的表面。
测距系统7100的另一个实施方案由图15(b)示出，其包括由呈保护膜7122b形式的外侧壁围绕的由刚性材料制成的内侧壁7122a。保护膜7122b可以是可剥离透明塑料膜，所述可剥离透明塑料膜可在膜被刮擦、被以其他方式损坏或污染时移除并替换。有利地，保护膜7122b可提供低成本且容易替换的牺牲屏障，以便允许容易维持外壳120的透明度。保护膜7122b可包括类似于用于竞赛汽车挡风玻璃上的那些的聚酯膜，诸如由MADICO，Inc.，Woburn，Mass.制造的那些，其中产品标注LCL-600-XSR和LCL-800-XSR以及5-7密尔膜由所述公司出售。
测距系统8100的又一个实施方案由图15(c)示出，其包括使用粘合剂层8123层压或者粘合到外侧壁8122b的内侧壁8122a。粘合剂层可包括液态树脂，所述液态树脂由塑料聚合物制成，所述塑料聚合物由丙烯酸基或硅酮基化合物配制而成。这可以是包括将往往会在所施加树脂暴露于UV光时使所施加树脂非常迅速地固化的光引发剂。一个此类的粘合剂可以是来自Epoxies Etc.，Deco-Coat Product Line，21Starline Way，Cranston，R.I.02921的UV固化7155。在一个实例中，粘合剂包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。粘合剂层优选地减小外壳的倾向和/或大小以便提供电磁辐射源的多次反射，并且在内壁与外壁之间提供冲击屏障。
在示例性的实施方案中，外壳120包括双壁玻璃柱，所述双壁玻璃柱包括使用PVB(聚乙烯醇缩丁醛)8123或者其他合适的层压/粘合物质层压在一起的玻璃柱形成的内侧壁8122a和外侧壁8122b。
外侧壁6122b和内侧壁6122a可致使多个相应光反射点和光折射点，诸如内侧壁6122a、7122a、8122a处的位置6128a、7128a、8128a处以及外侧壁6122b、7122b、8122b处的位置6128b、7128b、8128b处。对这些效应的调节可根据如稍早所描述的那些的校准和/或计算进行但同时会考虑多次反射和折射。此外，还应考虑到由粘合剂层8123致使的反射和折射。
其他特征
在一种形式中，测距装置100的外壳120内部的电气部件和电子部件(包括激光器、电机和控制器)消耗不超过6W的功率以便减小由于测距系统暖机而着火的隐患。应了解，最大功率消耗水平可根据国家或管辖区的相关标准而改变。
测距系统优选地符合以下标准中的一个或多个(更优选地两个或更多个)：国际标准IEC 60079-0、IEC 60079-1；美国标准ANSI/UL1203:2006；英国标准BS EN 60079-1:2007；和澳大利亚标准AS60079.1:2007。在优选的实施方案中，测距系统还符合1级气体标准(例如，煤矿开采环境)。
本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的广泛总体范围的情况下，可对上文所述的实施方案进行各种变更和/或修改。因此，本实施方案视为在所有方面是说明性的而不是限制性的。
应用
本发明的测距系统特别适用于具体在暴露于点火源时易于着火或爆炸的环境。在一个实施方案中，测距系统用于确定矿井、具体地煤矿矿井内的对象的距离。煤矿矿井内的大气环境可包含煤尘、甲烷和氧气的爆炸和/或可燃混合物。

Claims (26)

1.一种测距系统(100)，其包括：
-电磁输出端(102)，其用于提供沿着第一射束路径(106)的第一电磁辐射束(104)；
-电磁输入端(108)，其用于接收所述第一射束从目标(112)反射的电磁辐射(110)以便于确定所述测距系统(100)与所述对象的距离(114)；以及
-外壳(120)，其包括围绕所述外壳(120)的中心轴线(136)的侧壁(122)，所述侧壁(122)可透过由所述电磁输出端(102)提供的所述电磁辐射，
其中所述电磁输出端(102)和所述电磁输入端(108)设置在所述外壳(120)内，使得所述电磁输入端(108)位于由所述第一射束(104)在所述侧壁(122)上的镜面反射(128)限定的第二电磁辐射束(126)的第二射束路径(124)外部。
2.如权利要求1所述的测距系统，其中所述外壳(120)还包括一个或多个特征部，所述一个或多个特征部防止所述外壳外部的气体被来自所述外壳内部的点火触发器点燃。
3.如权利要求2所述的测距系统，其中所述一个或多个特征部包括密封元件(130)，所述密封元件(130)结合所述侧壁(122)将所述外壳(120)内部与所述外壳(120)外部密封，使得所述一个或多个密封元件(130)防止所述外壳(120)外部的气体被来自所述外壳(120)的所述内部的点火触发器点燃。
4.如前述权利要求中任一项所述的测距系统，其还包括：
-第一支撑元件(132)，其可在所述外壳(120)内围绕第一旋转轴线(134)旋转，其中所述电磁输出端由所述第一支撑元件(132)支撑，使得所述第一支撑元件(132)的旋转使由所述电磁输出端(102)提供的所述第一射束(104)转向。
5.如权利要求4所述的测距系统，
其中所述电磁输出端(102)从所述第一旋转轴线(134)偏移，以使得从所述电磁输出端(102)到所述侧壁(122)的所述第一射束路径(106)不会与所述第一旋转轴线(134)交叉。
6.如权利要求4或5所述的测距系统，其中所述第一旋转轴线(134)与所述中心轴线(136)同轴。
7.如权利要求4至6中任一项所述的测距系统，其还包括：
-第二支撑元件(140)，其用于在所述电磁输出端(102)与所述第一支撑元件(132)之间提供支撑，其中所述第二支撑元件(140)可围绕第二旋转轴线(142)旋转，并且其中所述第二支撑元件(140)的旋转使由所述电磁输出端(102)提供的所述第一射束(104)转向。
8.如权利要求7所述的测距系统，其中所述第二旋转轴线(142)垂直于所述第一旋转轴线(134)。
9.如权利要求4至8中任一项所述的测距系统，其还包括：
-控制器模块，其用于使所述第一射束(104)转向到多个取向以便提供周围环境中的所述对象的多次距离确定。
10.如权利要求9所述的测距系统，其还包括：
-处理器，其用于基于所述多次距离确定生成所述周围环境的三维表示。
11.如前述权利要求中任一项所述的测距系统，其中所述电磁输出端包括激光发射器，用于提供呈激光形式的所述第一射束，并且其中所述电磁输入端包括光传感器，用于接收从所述目标反射的激光。
12.如权利要求1至10中任一项所述的测距系统，其还包括：
-激光发射器，其用于提供呈激光形式的所述第一射束，
其中所述电磁输出端包括用于将所述第一射束重新引导至所述第一射束路径的第一反射器。
13.如权利要求12所述的测距系统，其还包括：
-光传感器，其用于检测从所述对象反射的激光，
其中所述电磁输入端包括用于朝向所述光传感器重新引导经反射激光的第二反射器。
14.如前述权利要求中任一项所述的测距系统，其中所述第一射束路径与所述侧壁的表面法线之间的入射角大于5度。
15.如前述权利要求中任一项所述的测距系统，其中所述第一射束路径与所述侧壁的表面法线之间的入射角小于与所述侧壁(122)的临界角。
16.如前述权利要求中任一项所述的测距系统，其中所述侧壁(122)是圆柱形侧壁。
17.一种用于防火外壳(120)内的测距设备，所述防火外壳(120)包括围绕所述外壳的中心轴线的侧壁，所述测距设备包括：
-电磁输出端，其用于提供沿着第一射束路径的通过所述圆柱形侧壁的第一电磁辐射束；
-电磁输入端，其用于接收从对象反射的所述第一射束以便于确定所述测距设备与所述对象的距离；
-第一支撑元件，其可围绕第一旋转轴线旋转，其中所述电磁输出端由所述第一支撑元件支撑，并且所述第一支撑元件的旋转使所述第一射束转向，并且
其中所述电磁输出端偏移所述第一旋转轴线安装，以使得从所述电磁输出端到所述圆柱形侧壁的所述第一射束路径的轴线不会与所述第一旋转轴线交叉，使得当所述测距设备位于所述外壳内、同时所述第一旋转轴线与所述圆柱形侧壁的中心轴线同轴时，所述电磁输入端位于由所述第一射束在所述圆柱形侧壁上的镜面反射产生的所述第二射束的第二射束路径外部。
18.如权利要求17所述的测距设备，其还包括：
-第二支撑元件，其用于在所述电磁输出端与所述第一支撑元件之间提供支撑，其中所述第二支撑元件可围绕第二旋转轴线旋转，其中所述第二支撑元件的旋转使由所述电磁输出端提供的所述第一射束转向，
其中所述第二旋转轴线垂直于所述第一旋转轴线。
19.如权利要求1至16中任一项所述的测距系统，其符合以下国际标准中的一个或多个：IEC 60079-0；IEC 60079-1；美国标准：ANSI/UL1203:2006，英国标准BS EN 60079-1:2007；以及澳大利亚标准AS60079.1:2007。
20.一种测距系统，其包括：
-激光发射器，其用于提供沿着第一射束路径的第一激光束；
-光传感器，其用于接收所述第一射束从对象反射的激光以便于确定所述测距系统距所述对象的距离；
-外壳，其包括圆柱形侧壁，所述侧壁可透过由所述激光发射器提供的所述光，其中所述外壳包括一个或多个特征部，所述一个或多个特征部防止所述外壳外部的气体被所述外壳内部的点火触发器点燃；以及
第一支撑元件，其可在所述外壳内旋转，其中所述激光发射器和所述光传感器由所述第一支撑元件支撑，使得所述第一支撑元件的旋转使由所述激光发射器提供的所述第一射束转向；并且
其中所述激光发射器和所述光传感器设置在所述外壳内，使得所述光传感器位于由所述第一射束在所述圆柱形侧壁上的镜面反射限定的第二激光束的第二射束路径外部。
21.如权利要求20所述的测距系统，其还包括控制器，所述控制器用来：
使所述第一射束朝向反射器转向；
确定指示反射离开所述反射器并且由所述光传感器接收的光的强度的强度值；并且
基于所述强度值确定被煤尘颗粒所污染的水平。
22.一种使用如权利要求1至16和20至21中任一项所述的测距系统或者权利要求17或18所述的测距设备确定封闭环境内的对象的距离的方法。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述封闭环境是煤矿矿井。
24.一种绘制一个或多个对象的表面的方法，其中所述方法包括使用如权利要求22或23所述的方法执行与所述一个或多个对象的多次距离确定。
25.一种绘制采煤工作面的表面的方法，其中所述方法包括使用如权利要求23或24所述的方法执行与所述采煤工作面上的多个点的多次距离确定。
26.如权利要求1至16和19至21中任一项所述的测距系统或者如权利要求17或18所述的测距设备的用于执行与所述一个或多个对象的多次距离确定的用途。
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