CN107621242B - 记录距离轮廓的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种记录距离轮廓的装置，其中每一距离轮廓具有多个距离像点。该装置包括：设置成发射器阵列的多个发射器，将电磁辐射传送到测量区域；至少一接收单元，用于检测被该测量区域反射的辐射；评估单元，用于确定反射了被发射的辐射的物体的距离，每个距离形成一距离像点；以及偏转单元，该偏转单元将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，从而为每一距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，且每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔。本发明还提供了一种记录距离轮廓的方法，及一种记录距离轮廓装置的用于自检的运行方法。

Description

记录距离轮廓的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量物体的装置及方法。

背景技术

距离轮廓(distance profile)可以采用例如光学地检测物体的方法进行确定，利用具有可见或不可见光波长的电磁辐射(electromagnetic radiation)。其目的包括在离散测量点光学地扫描相应物体的表面，并在此基础上推断该物体的几何状态，特别是物体的尺寸乃至物体的类型。因此，通过定位物体表面的点可以进行对相应物体的扫描。例如，通过激光方法，并测量激光束从装置到物体的一距离像点(distance image point)的往返飞行时间(time of flight，TOF)。

现有的所谓线扫描器(line scanners)包括脉冲激光源，其激光脉冲通过一旋转镜反复地偏转以进行扫描，从而在扫描方向的扫描角度上连续地确定多个距离像点。然后，假定一物体存在于扫描仪的“视野”(viewing field)中，扫描所得的距离像点形成一相应的距离轮廓，该距离轮廓表示被测物体的点向检测距离。从扫描仪的视角，相应的各距离像点位于一条线上，也即是一般而言的对物体或轮廓的二维扫描。

只要待扫描的物体相对于该装置运动，可以在时间上连续地确定多个距离轮廓，从而通过算法完整地得到物体三维表面轮廓。通过这种方式，并借助譬如自动计数的装置，可对位于传送带上的物体，如行李件或物品包裹件，进行测量和/或分类。另外，也可应用于测量静止的物体的情景中，如隧道管，可以通过使该装置相对于被测的隧道管运动进行测量。

特别地，在被测物体与该装置之间存在相对运动的情况下，存在提高扫描速度(扫描速率)的需求，该扫描速率指能使装置确定距离轮廓的速率。例如，当应用该装置作为物体计数器时，必须确保每一个移动的物体的至少一个距离轮廓被扫描。否则，在应用中可能会出现在两个连续地被记录的距离轮廓之间存在“未被注意到(unnoticed)”的物体的不利情况。因此，被检测物体的速度和尺寸决定了所需的扫描速度。进一步地，若必须以一预定的分辨率扫描物体的表面，那么扫描速度必须随之相应地提高。

在此公开的内容中，术语“分辨率(resolution)”与两个距离像点之间的角距(angular spacing)相关。通过这种方式，分辨率不依赖于物体与装置之间的距离。然而，当物体与装置之间的距离增加时，两个相邻的距离像点之间的绝对距离增大。

现有的扫描装置的扫描速度通常不足以有效地检测快速移动的物体，除非以降低分辨率为代价，即减少每个距离轮廓中的距离像点。一方面，这是由于现有的发射器发射到测量区域的电磁辐射(特别是激光脉冲)的频率或脉冲速率有限。另一方面，现有的扫描装置中用于记录距离轮廓的发射器和/或发射光束在扫描角度上的移动速度有限，原因在于其构造，特别是与机械载荷相关。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种可以在高扫描速度下同时获取高分辨率的记录距离轮廓的装置及方法。

本发明提供了一种记录距离轮廓的装置，每一距离轮廓包括多个距离像点，该装置包括：

多个发射器，该多个发射器被设置成发射器阵列，该多个发射器分别将电磁辐射传送至测量区域；

至少一接收单元，该接收单元用于检测被该测量区域反射的辐射；

评估单元，该评估单元用于确定反射了被发射的辐射的物体的距离，每个距离形成一距离像点；及

偏转单元，该偏转单元将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，从而为每一距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔。

进一步地，在所述扫描方向上，每一所述扫描图案包括一最大纵向长度和一最大横向长度，所述最大横向长度垂直于所述最大纵向长度，所述最大横向长度小于所述最大纵向长度。

进一步地，每一所述扫描图案中的距离像点位于一直线上，所述直线沿平行于所述扫描方向的方向延伸。

进一步地，每一所述扫描图案中的距离像点被均匀地间隔。

进一步地，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于或等于被所述发射器发射的辐射束的最大宽度。

进一步地，每一所述距离轮廓的至少几个扫描图案彼此交叠。

进一步地，每一所述距离轮廓的距离像点被均匀地间隔。

进一步地，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于相应距离轮廓中相邻的距离像点之间的间隔。

进一步地，两个连续的扫描图案之间的偏移等于其中每一扫描图案中距离像点的数量与相应距离轮廓中相邻距离像点之间的间隔的乘积。

进一步地，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔由下式计算：

d＝2(A+k)-1

其中A为每一所述扫描图案中距离像点的数量；k为一间隔因子，选自非负整数构成的组。

进一步地，所述偏转单元包括多面镜，所述多面镜绕一旋转轴旋转，所述多面镜包括n个偏转表面，所述n个偏转表面连续地被所述发射的辐射照射，每个所述偏转表面覆盖相同的角度范围，所述角度范围至少为360°/n。优选地，n＝2，3，4，5，6，7或8。特别优选地，n＝2，4，或6。可选地，所述偏转表面沿平行于所述多面镜的旋转轴的方向延伸。

进一步地，该装置通过一扫描角度检测单元检测所述偏转单元的扫描角度位置。所述扫描角度检测单元包括：

编码部分，所述编码部分连接于所述偏转单元；所述编码部分被设置有彼此间隔的标记，优选地，所述标记是均匀间隔的；及

检测单元，所述检测单元相对于所述编码部分静止，所述检测单元用于检测所述编码部分的所述标记；

所述扫描角度检测单元通过检测到的一个或多个所述编码部分的所述标记检测所述偏转单元的扫描角度位置。

进一步地，所述发射器阵列中发射器的排列对应于所述扫描图像中距离像点的排列。

进一步地，所述发射器的数量在2至32个之间。优选地，该发射器的数量为2至8个之间。特别优选地，发射器的数量为2个或4个。

进一步地，在所述发射器阵列中，每两个彼此直接相邻的发射器之间的距离为1-12毫米。优选地，每两个彼此直接相邻的发射器之间的距离为6毫米。

本发明还提供了一种使用上述装置记录距离轮廓的方法，每一距离轮廓包括多个距离像点，包括如下步骤：

通过多个发射器设置成的发射器阵列，将电磁辐射发射至测量区域；

通过至少一接收单元检测从该测量区域反射的辐射；

确定反射了发射的辐射的物体的距离，每个距离形成一距离像点；及

在扫描角度范围内该发射的辐射被偏转至扫描方向，从而为每一距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔。

进一步地，每一扫描图案的至少一部分距离像点在不同的时间点检测。

本发明还提供了一种装置的运行方法，具体地，是一种用于自检的运行方法，该装置为上述记录具有多个距离像点的距离轮廓的装置，在记录距离轮廓的过程中，

通过多个发射器设置成的发射器阵列，将电磁辐射发射至测量区域；

通过至少一接收单元检测从该测量区域反射的辐射；

确定反射了发射的辐射的物体的距离，每个距离形成一距离像点；

在扫描角度范围内该发射的辐射被偏转至扫描方向，从而为每一距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔；及

在多个记录时间点，将源自于至少两个发射器的距离像点和/或距离像点的点集进行比较，所述多个记录时间点之间具有规则的或不规则的时间间隔，当比较所得的偏差落在预定的容忍度之外时，所述装置的运行状态为非预期状态，被作为干扰或误差。

进一步地，所述比较为在一所述扫描图案内或一所述距离轮廓内进行相应的比较。

相较现有技术，本发明可以提高扫描速度及扫描所得的距离轮廓的分辨率。同时本发明还提供了记录距离轮廓的装置用于自检的运行方法。

附图说明

图1是本发明提供的用于记录距离轮廓的装置的第一实施例，其中包括两个发射器和两个接收器。

图2是本发明提供的用于记录距离轮廓的装置的第二实施例的电路框图，其中包括四个发射器和四个接收器。

图3a是图1所示的第一实施例中扫描角度测量单元的编码部分的示意图。

图3b是依次偏移的多个扫描图案的示意图。

图4是连续生成的长度为2的扫描图案及得到的距离轮廓的示意图。

图5是另一连续生成的长度为2的扫描图案及得到的距离轮廓的示意图。

图6是连续生成的长度为3的扫描图案及得到的距离轮廓的示意图。

图7是另一连续生成的长度为3的扫描图案及得到的距离轮廓的示意图。

图8是连续生成的长度为4的扫描图案及得到的距离轮廓的示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本发明涉及一种用于记录(recording)具有多个距离像点的距离轮廓的装置及方法。该装置包括被设置成发射器阵列的多个发射器，用于将电磁辐射传送到测量区域；至少一接收单元，用于检测被该测量区域反射的辐射；评估单元，用于确定反射了所发射的辐射的物体的距离，每个距离形成一距离像点；及偏转单元，该偏转单元将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，从而为每个距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移(displaced)的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，且每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔。

在本发明中，一方面设计了偏转单元，使其与其它部件之间具有巧妙的相互作用，另一方面对扫描图案进行了有利的设置。该偏转单元允许发射器阵列及接收单元可以相对于该装置静止的设置，也即是固定设置。这样的设置有利于使该装置具有简单的结构。为了使该发射器阵列成像的扫描图案产生偏移，优选地仅以某一方式移动该偏转单元即可实现该目的。进一步地，各扫描图案上的距离像点中的至少一部分在扫描方向上彼此间隔。换句话说，距离像点在扫描方向上被分散地排列。因此，扫描图案已经覆盖了待扫描的扫描角度范围的一部分，使相应的扫描图案通常可以更快地生成，从而可以更快和更有效地基于扫描图案记录得到距离轮廓。由于在扫描方向上的距离像点之间是彼此间隔的，该装置相对于现有技术可以实现更快的扫描速度。扫描速度还可以通过使用偏转单元进一步提高，将在下文进行更详细的描述。

各距离像点的距离可以通过如测量辐射(radiation)的飞行时间来确定。这可以通过将发射器设置为可发射多个激光脉冲的激光源实现。基于这些激光脉冲在发射器和接收器之间的飞行时间，可以计算相应的距离。可替换地或可附加地，该发射器可以发射连续的辐射和/或通过发射器与接收器之间的相移(phase shift)确定距离。

下面将进一步披露本发明的实施方式。

每一扫描图案可以在扫描方向上具有一最大纵向长度及垂直于该最大纵向长度的最大横向长度，其中该最大横向长度小于该最大纵向长度。优选地，该横向长度可以多倍地小于该纵向长度。

因此，扫描图案可被配置为细长的形状。优选地，其纵向长度与扫描方向平行。每一扫描图案中的距离像点可位于一条直线上，该直线沿基本上平行于扫描方向的方向延伸，则此时进行的是所谓的真实的“线扫描”(line scan)。这意味着从空间角度而言，所得到的距离轮廓沿一平面延伸。

在另一实施方式中，每一扫描图案中的距离像点彼此均匀地间隔。扫描图案之间的偏移值(offset)可以被设置为固定值，从而使所得到的距离轮廓的相应的距离像点之间具有均匀的间隔。换言之，可以以更简单的方式实现距离轮廓在扫描方向上具有一固定不变的分辨率，这意味着在扫描图案之间具有一确定不变的偏移值。

相应的扫描图案上相邻的距离像点之间的间隔值可以根据发射器发射的辐射束(bunch of radiation)的最大宽度确定。该辐射束的最大宽度一方面是由该辐射束在发射器一侧被预设的发散度(divergence)及其下游的光学器件确定的，另一方面，也是由该装置与反射了该辐射束的被检测物体之间的距离确定的。因此，扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值的选择可以考虑该辐射束的有效发散度及最大的“扫描距离”。优选地，该间隔值被选为足够大，以使扫描图案中生成距离像点的相应的辐射束的不会在距离像点处相交。因此，该间隔值可选为大于该辐射束的宽度和/或横截面的长度，从而避免在不利的光学调节下相邻辐射束之间发生光学串扰(optical cross-talk)。

在又一实施方式中，每一距离轮廓的扫描图案中至少有几个扫描图案彼此交叠(overlap)。这意味着被连续记录的扫描图案之间的偏移值被选为能够使在后记录的扫描图案中的至少一距离像点落入在先记录的扫描图案的范围区域内。特别地，一在后记录的扫描图案可以具有在扫描方向上位于在先记录的扫描图案的距离像点之间的距离像点。这样时间上前后获取的扫描图案可以彼此部分重叠，实现了更为有利的配置。扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值实际上可以根据需要任意增加，而不必为此减小距离轮廓中距离像点之间的间隔。生成的相对粗糙的扫描图案，可以彼此互补得到具有精细分辨率的距离轮廓，其中距离轮廓中的距离像点并不必在扫描方向上严格地按时间顺序生成，这意味着它们不必一个接着一个地生成。因此，距离像点可在扫描过程中被写入缓冲区(bufferspace)。当一距离轮廓所需的所有扫描图案都已被生成，所有相应的距离像点都已经被保存，这些通常可以被读取并且根据各自相关的扫描角度完成扫描图案的交叠，得到该距离轮廓。这意味着所有扫描图案中的距离像点被根据它们各自的上升角度排序。

每一距离轮廓中的距离像点可被均匀地间隔。也即是说，每一距离轮廓的扫描图案可被用于补充为被均匀间隔的距离像点序列。优选地，距离轮廓的理想化的全部距离像点都被均匀地间隔，从而避免分辨率的误差。

在优选的实施方式中，每一扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于相应距离轮廓中相邻的距离像点之间的间隔。因此，如上所述，扫描图案的分辨率可以显著地低于获得的距离轮廓的分辨率。这可以产生多个优点：一方面，单一扫描图案的距离像点可以以高质量生成，相邻距离像点之间的光学干涉，特别是光学串扰可以基于该间隔值的减小被减弱，得到更精细的扫描效果；另一方面，扫描速度可以被提高到现有技术远未及的高度，当扫描图案已经覆盖了相当大部分的扫描角度，由于各距离像点之间具有较大的间隔值，完整的扫描角度范围可以用大的移位(shift)“以粗略地方式”在极短的时间内进行。这对于一些应用是非常有意义的，这类应用可以忽略距离轮廓的高分辨率，追求最大的扫描速度。例如，用于计数特别快速移动的物体。距离像点的分布覆盖了扫描角度范围的相当大部分使非常快速的“粗略扫描”成为了可能。

距离像点在扫描方向上的分布并不意味该装置仅能进行“粗略扫描”。通过设置偏转单元的速度及根据旋转角度控制发射器，可使装置进行高分辨度的“精细扫描”。换句话说，同一装置可以被灵活地配置，从而以最佳的方式满足对于扫描速度和距离轮廓的分辨率的需求。

优选地，两个连续的扫描图案之间的偏移值等于每一扫描图案中距离像点的数量与每一距离轮廓中相邻的距离像点之间间距的乘积。通过这种方式，一具有均一分辨率的距离轮廓，假定偏移值被设为一常数，可以用最少数量的扫描图案记录。这意味着双重扫描(double scanning)可以被避免，如避免两个相同的距离像点连续生成，及避免因缺少距离像点引起的间隙(gap)。这是可以实现的，因为每一扫描图案中相邻距离像点之间的间隔值并非任意的，下面将对此进行更详细的描述。

在一优选的实施方式中，下式被用于计算每一扫描图案中相邻距离像点之间的间隔值d：

d＝2(A+k)-1

其中A为扫描图案中距离像点的数量；k为一间隔因子，选自非负整数构成的组，即k＝{0，1，2，3，...}。该间隔值d为每一距离轮廓中相邻的距离像点之间的间隔的几倍。用于计算扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值d的上式，确保了高的扫描效率，因为每个距离像点仅生成一次，从而避免发生双重扫描。这发生在如上所述的偏移值等于每一扫描图案中距离像点的数量与相应距离轮廓中相邻的距离像点之间间距的乘积的前提条件下。

优选地，该偏转单元可包括一旋转镜。具体地，该偏转单元包括一可绕轴旋转的多面镜。该多面镜具有n个偏转表面可连续地被发射的辐射照射，每个偏转表面覆盖相同的角度范围，至少约360°/n。优选地n＝2，3，4，5，6，7或8；特别优选地，n＝2，4或6。通过以这种方式构造偏转单元，距离轮廓可以被直接地一个接着一个地记录。这意味着该多面镜在使用中的“倒回”或进一步旋转至起始位置是不必要的。如此，在相同的扫描速率下，实际上通过设置扫描表面的数量可以降低多面镜的旋转速度。例如，当设置有4个偏转表面，每个偏转表面覆盖90°的角度范围，多面镜的旋转速度可以被降低4倍。因此，较小尺寸的驱动构件可被用于该多面镜，且被降低的旋转速度有利于提高装置的寿命。另外，通过采用多表面的多面镜也可以进一步提高扫描速率，如增加旋转速率及增加单位时间内同步生成的扫描图案的数量。

优选地，多面镜的各偏转表面彼此连接。此外，用于该多面镜的该驱动构件被配置为均匀地旋转，从而避免装置中加速相关的机械负载。

该偏转表面可以沿平行于该多面镜的旋转轴线的方向延伸，以此避免连续生成的距离像点的旋转，即，避免生成所谓的“旋转图像(rotating image)”。相反地，若将该偏转表面设置于该多面镜的旋转轴相对的位置，如，偏转表面与旋转轴之间成45°角，则距离像点将会旋转。优选地，该多面镜的偏转表面至少部分为平面。

根据优选实施方式，可以通过一扫描角度测量单元检测偏转单元的扫描角度位置，这意味着可根据当前相应的扫描角度激活发射器阵列，从而扫描图案的产生可以被精确地控制。

在一实施方式中，该扫描角度测量单元具有连接至该偏转单元的一编码部分。该编码部分具有被间隔开的标记，优选地，具有均匀间隔开的标记。进一步地，为检测该编码部分的标记，提供了相对于该编码部分静止的检测单元。其中，该扫描角度测量单元适于根据一个或多个被检测到的该编码部分的标记，检测该偏转单元的扫描角度位置。

在另一实施方式中，发射器阵列中的发射器的排列可对应于每一扫描图案中的距离像点的排列。以此，由发射器生成图像变得相当简单。例如，用于发射器发射的辐射的滤光器光学器件以及偏转单元，可以被简单和紧凑的设计。可以理解地，这一排列并不一定是精确对应的，如，在几何意义上定量地等同。因此，发射器之间的间隔(由发射的辐射束的光学滤波和偏转引起)可以偏离距离像点之间的间隔。该排列仅指定性地对应。然而，这样的排列足以实现简单紧凑的构造方式的优点。

发射器的数量可以在2-32个之间，优选地，在2-8个之间。特别优选地，发射器的数量是2或4个。进一步地，彼此直接相邻的两个发射器之间的间距可以在1-12毫米(mm)的范围内。

本发明进一步提供一种记录具有多个距离像点的距离轮廓的方法，具体地，通过应用符合至少一种前述实施方式的装置。该方法包括通过设置为发射器阵列的多个发射器将电磁辐射发射到测量区域，并通过至少一接收单元检测从测量区域反射的辐射，确定反射了被发射的辐射的被测物体的距离，其中每个距离形成一距离像点。进一步地，将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，从而为每个距离轮廓连续地生成在该扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，每一扫描图案为该发射器阵列所形成的图像，且每一扫描图案中的至少几个距离像点在该扫描方向上彼此间隔。

在一实施方式中，每一扫描图案中全部的距离像点并不是在相同的时间点确定的。也即是说，每一扫描图案中的至少几个距离像点在时间上是一个接一个的生成的。例如，发射器阵列中的单个发射器发射的辐射束随时间发生偏移，用于确定每个距离像点。因此，发射器不需同步的或分别在相同的时间点发射辐射。由此，可以以所需的方式改变每一扫描图案中的距离像点的间距值。从而，对于可能是制造或运行的原因造成的非均匀间隔的发射器，可以简单地通过相应的从时间上校正控制发射器的方式进行补偿，使得每一扫描图案中的距离像点均匀间隔。用这种方式，也可以实现距离像点之间非均匀地任意的间隔。相应的，对发射器的时间控制可通过软件实现。在此并不需要因发射器的机械位移或物理对准产生成本，这意味着可以用“随时间偏移(shift in time)”代替“机械位移”。其中，在发射的辐射被以旋转镜偏转的情况下，该旋转镜的旋转速度必须被考虑。当该偏转镜以一定速度旋转时，这是相对简单的。当该旋转速度不是固定不变的，理论上“随时间偏移”仍然是可能的，但其随时间的变化应是已知的。

相应的控制方案可以在装置校准的过程中被确定，并可在装置预期的运行模式中被自动地考虑到。可以理解地，一控制方案可以被考虑用于生成所有的扫描图案或仅选择性地生成某些扫描图案，如，取决于扫描角。进一步地，该控制也不必以相邻的距离像点分别被在时间上延迟的方式进行，这意味着它们被依据一种琶音(arpeggio)确定。相反，根据其物理排列，单个发射器可被任意地控制。

本发明的优点将引用下述应用情境中进行清楚的说明。例如，传送带上多个行李件的多个表面应当以2x2平方厘米的分辨率被扫描。传送带的传送速度为每秒3米(3m/s)。在这种情况下，产生距离轮廓的速率(扫描速率)应当等于f_profile＝300cm/2cm＝150Hz。扫描装置与传送带之间的距离为5米。因此，在扫描方向上(横向于传送方向)需要的角度为A＝2cm/5m＝0.004rad。根据传送带的宽度，每个距离轮廓覆盖一扫描角度90度＝π/2rad。每个距离轮廓中距离像点的数量近似于M_profile＝(π/2rad)/(0.004rad)＝393。考虑M_profile与扫描速率f_profile，每秒大约需要检测60 000个距离像点。由于在运行中存在许多不可用的传输脉冲使得有效测量速率一般明显地低于传输速率，用于此目的的发射器必须具有至少120千赫(kHz)的传输速率。这意味着实际上检测距离像点的速率一般明显地低于该传输速率。然而，现有的激光二极管仅有75kHz的最高传输速率。根据本发明，两个激光二极管，每个具有75kHz的传输速率，被排列在扫描方向上，从而实现所需的至少120kHz的传输速率，可有效地实现距离轮廓的两个距离像点同时被检测，并在扫描方向上彼此间隔。同时，偏转单元的旋转速度，当一个偏转表面的旋转速度等于扫描速率，可以通过该偏转单元的偏转表面的数量被减少。因此，一具有四个偏转表面的多面镜的旋转速度必须等于35.5Hz。

可以理解地，该装置的性能并不受限于上述示例中的参数。本发明还可以用于提供更高性能的加强的扫描装置。例如，在上述应用情境中，本发明提供的装置也可以实现1x1平方厘米的更精细的分辨率，毫无问题地实现f_profile＝300Hz的相对较高的扫描速率以及240kHz的传输速率。

本发明还披露了一种记录具有多个距离像点的距离轮廓的装置的运行方法，具体地用于自检(self-diagnostics)，特别是用于本发明所披露的装置的运行方法。该装置通过布置为阵列的多个发射器将电磁辐射发射到测量区域，并通过至少一接收单元检测从该测量区域反射的辐射，确定反射了被发射的辐射的物体的距离，其中每个距离形成一距离像点。进一步地，将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，为每个距离轮廓连续地生成在扫描方向上依次偏移的多个扫描图案的距离像点，且由该发射器阵列形成的每一扫描图案中的至少几个距离像点在扫描方向上彼此间隔。具体地，在多个之间具有规则或不规则的时间间隔的记录时间点，将源自至少两个不同发射器的距离像点和/或多组距离像点进行相互比较，当比较所得的偏差落在一预定的容忍度(tolerance)之外时，装置的运行被视为非预期状态(non-intended mode)，具体地可将其作为干扰(interference)或误差(error)。该容忍度可以是预先定义或预先确定的。

该方法适用于存在多个发射器的情况，也即存在多个平行工作的“单独的距离测量器”，为其自动提供冗余度(redundancy)用于识别装置运行中的非预期模式。例如，它可以用于识别在每个接收器都与每个发射器相关联时，接收器中的一个无法正确工作、或存在某种电子故障的情况。两个“单独的距离测量器”同时存在上述干扰是极为不可能的，这就是为什么可以在通过如上方式的比较识别出偏差的情况下，得出两个“单独的距离测量器”之一存在干扰的结论。

本发明所提供的包括分别用作单独距离测量器的多个发射器的记录装置，不仅可以提高扫描速度和分辨率，同时在实践中并不增加成本地提供了自检或安全功能。

因此，本发明提供的装置可以满足与安全相关的高要求，如在识别到干扰的情况下，该装置可以用信号通知该情况，或使该情况被知晓，或执行任何设置下另一不同类型的安全测量。该记录装置或包含有该记录装置进行操作的更大的设备的安全，例如，测量系统、交通工具或运输处理单元(如起重机)，可以通过上述方法得到可靠地保障。

有利地，距离像点的比较，即比较相应的测量值的过程，可以与记录距离轮廓的正常运行模式并行地进行，仅需通过软件来实现该比较步骤。

本发明中，上述距离像点的相互比较可以多种方式进行，例如，在一扫描图案内或在一所述距离轮廓内进行相应的比较，也即是说，可比较一扫描图案中源自不同发射器的距离像点，也可比较一距离轮廓中源自不同发射器的的距离像点。对于后一种情形，源于一发射器的几个或优选地全部距离像点可被作为该距离轮廓中的部分轮廓或子轮廓，用于比较源于另一发射器的几个或优选地全部距离像点形成的部分轮廓或子轮廓。

下面将结合附图进一步描述本发明的内容。可以理解地，相关附图仅用于更好的说明及理解本发明，并不应被认为是对本发明的限制。

图1示出了本发明所提供的装置10的第一实施例。该装置10包括发射器阵列30和一接收单元36。发射器阵列30包括两个排列成阵列的发射器32(LM1与LM2)。该接收单元36包括两个接收器40(RM1与RM2)，这两个接收器40排列成接收器阵列38。该装置10进一步包括一偏转单元42。该偏转单元42包括一多面镜44，该多面镜44可以绕着旋转轴16旋转，且该多面镜44具有四个偏转表面11(图1的视角仅能看到两个偏转表面11)。该偏转表面11被设置为平面，且该偏转表面11沿平行于旋转轴16的方向延伸。相邻的偏转表面11彼此垂直。通过驱动构件14可使该多面镜44旋转。进一步提供一角度编码器15(angle encoder)用于测量该平面镜44的旋转角度位置，其功能原理将在后文详述。

该发射器32可以是激光二极管，具体地可以是GaAs激光二极管，分别用于产生发射的辐射束12(即激光脉冲)到测量区域46中。每个距离像点17、18是通过该测量区域46中的发射的辐射束12确定的。具体地，测量一发射器32发射的辐射束12到该测量区域46及一接收器40收到的被反射的辐射束13的飞行时间，如测量从LM1到RM1的飞行时间、测量从LM2到RM2的飞行时间。

距离像点17，18是在该测量区域46中的一对应点(反射点)，相关的发射的辐射束12在距离像点17，18处被反射。数学上地，距离像点17，18被以下因素描述：(i)该装置10与该测量区域46上的反射点之间的距离，及(ii)作用于发射的辐射束12的该多面镜44的旋转角度位置。在下文中所述的“距离像点”既可以指该测量区域46中的各反射点，也可以指其成像和/或数学描述。

作为示例，图1示出了各扫描图案19的形成。该扫描图案19包括一对距离像点17，18。在该距离像点17，18处，发射的辐射束12结束并转换为反射的辐射束13。在图1所示的实施例中，该扫描图案19是一距离轮廓54的一部分，该距离轮廓54仅部分地示出于图1。该距离轮廓54是通过多个彼此相对偏移的扫描图案19生成的，将在后文中更详细的解释。各扫描图案19之间在扫描方向56上发生偏移，且该偏移是由该多面镜44的旋转引起的。

虽然在图1中发射的辐射束12、反射的辐射束13是以线条表现的，这并不意味着发射的辐射束12与反射的辐射束13在光学上受限于这些线条。具体地，各发射的辐射束12可以从发射器32处开始发散，分别具有不可忽略宽度的“光斑尺寸”(spot size)。因此，图1中的距离像点17，18为椭圆形。可以理解地，图1中的距离像点17，18仅仅是用于示例，并不必对应于实际的尺寸或形状。

该装置10还包括一光学系统48，该光学系统48包括透射透镜50(transmissionlens)和接收透镜52(reception lens)。可以理解地，该光学系统48可以具有不同的设计，并且也可以由一共同的透射和接收透镜(图中未示出)形成。此外，该装置10还可以包括图中未示出的元件，如一具有窗口的壳体，发射的辐射束12、反射的辐射束13可以从该窗口进入和/或离开壳体。

图2示出了用于记录距离轮廓54的装置10(图中未示出)的第二实施例的电路框图。与图1所示的第一实施例不同的，第二实施例包括四个发射器32(LM1，LM2，LM3和LM4)和四个接收器40(RM1，RM2，RM3和RM4)。发射器阵列30、接收单元38、用于偏转单元42的驱动构件14、及角度编码器15连接至控制单元57。一评估单元58连接于该接收单元38与该控制单元57之间。该评估单元58包括四个评估模块60(TMC1，TMC2，TMC3和TMC4，其中TMC意为时间测量通道，time measurement channel)。每个评估模块60被用于确定一发射器32发射的辐射束12和与其相应的一接收器40接收的反射的辐射束13之间的飞行时间。各距离像点17，18的距离可以由该飞行时间确定。

图3a及图3b用于示意偏转单元42的多面镜44的旋转位置与通过发射器32生成的扫描图案19之间的关联。图1中所示的角度编码器15的编码部分62被示意性地示于图3a。该编码部分62包括一系列相等间隔的标记64，该标记64围绕该角度编码器15的旋转轴16环绕设置。该编码部分62连接至该多面镜44，使得该编码部分62总是与该多面镜44一起旋转。

该标记64的数量可以根据每一距离轮廓19的距离像点17，18之间所需的间隔进行适应性的设置。例如，该编码部分62可以具有8 000个标记64，均可通过光学检测单元(图中未示出)检测。那么，该角度编码器15可以以每个标记360°/8 000＝0.045°的分辨率测量角度。借助于X-Or逻辑，该分辨率可进一步乘以4，这意味着该角度编码器15可以以0.01125°的精度测量角度。

根据该角度编码器15测量得到的旋转角度，可以生成单独的发射的辐射束12。依据该角度编码器15的分辨率，得到连续的发射的辐射束12之间的最小间隔和/或可以生成的距离像点17，18之间的最小间隔。该最小间隔被称为最小增量22并被示于图3b。该最小增量22实际上是之前所述的该角度解码器22的精度0.01125°的两倍，即该最小增量22为0.02250°，这是由于该多面镜44对发射的辐射束12的反射。

在图3b中，该编码部分62的一部分被拉直并放大示出。根据该多面镜44对应于该编码部分62的角度位置，随时间连续地生成具有一对距离像点17，18的扫描图案19(参见图中的时间轴66)。这意味着两个发射器32同时运作，对该多面镜44对应于各标记64的每个旋转位置分别发射脉冲。如图3b所示，两个连续生成的扫描图案19之间的偏移值23意味着两个步长或两个标记64，即增量22的2倍。各扫描图案19中相应的距离像点17，18之间的间隔值24相当于五个步长。

在图4-图8中分别示出了记录距离轮廓54的方案68。在图4中，第一扫描图案19’在左上角生成，具有两个距离像点x和o。其中，距离像点x可以对应于图1中的距离像点18，距离像点o可以对应于图1中的距离像点17。生成的距离像点x，o被存储并用于记录距离轮廓54，距离轮廓54在图中的位于方案68的右侧且沿着垂直方向由上至下延伸。将多面镜44旋转2个增量22或两个标记64，生成又一个扫描图案19”，该扫描图案19”中的距离像点x和o被再次存储。该扫描图案19”沿着扫描方向56位移了2个增量22(即偏移值23)。每一扫描图案19中的距离像点x和o之间的间隔值24的值为3个增量22，从而使连续生成的扫描图案19’、19”彼此重叠和/或彼此交错，其中的距离像点x和o位于不同的点。时间上，扫描图案19”中的距离像点x是在扫描图案19’中的距离像点o之后生成的，虽然图中在扫描方向56上扫描图案19’中的距离像点o位于后生成的扫描图案19”中的距离像点x的前面。在得到的距离轮廓54中，距离像点x和o在时间上的产生顺序并不对应于距离像点x和o沿扫描方向56上的空间位置顺序。

以一固定不变的偏移值23生成并存储扫描图案19，直到一预设的扫描角度范围(图中未示出)被完全地扫描。随后，所有被存储的距离像点x和o被组合为距离轮廓54。从图4中可以清楚地看出，在距离轮廓54中，除了起始区域和结束区域，距离像点x和o均匀地彼此间隔，且之间具有一增量22的间距。在该距离轮廓54结束区域的具有更大间隔的距离像点x和o可以在确定实际感兴趣的记录轮廓中被忽略或排除。

因此，在距离轮廓54中没有重复生成或之间存在间隙的距离像点x和o，扫描图案19之间的偏移值23被设置为每个扫描图案19中距离像点x和o的数量，以增量22为计量单位。具体地，在图4中该偏移值23为2个增量22。图4中扫描图案19中距离像点x和o之间的间隔值24的值，如前所述，为3个增量22。为抵消发射的辐射束12、反射的辐射束13之间的光学串扰，生成单一扫描图案19的距离像点x和o之间的间隔值24可以被增加。也可以将激光二极管的接收器32与接收二极管的接收器40物理上一个挨着一个地布置。为此，可使用方程式d＝2(A+k)-1计算间隔值24。其中，A为扫描图案19中距离像点x和o的数量；k为一间隔因子，选自非负整数构成的组。在图4中间隔值24可被算出d＝2·(2+0)-1＝3。

图5中的方案68同样示出了用包括两个距离像点x和o的扫描图案19记录一距离轮廓54。在图5所示的实施例中，间隔值24为5个增量22，偏移值23为2个增量22。在本实施例中，在方程式中设定间隔因子k＝1，因此间隔值24可被算出d＝2·(2+1)-1＝5。如图5中的距离轮廓54所示，位于距离轮廓54扫描过程的开始和结束处的两个距离像点x和两个距离像点o之间的间距为2个增量22。类似与图4的实施例，这几个点可以被忽略或排除。

图6中的方案68示出了记录距离轮廓54的一实施例，其中使用三个发射器32(LM1，LM2，LM3)和三个接收器40(RM1，RM2，RM3)分别生成距离像点x，o，□。其中LM1生成的距离像点被表示为x，LM2生成的距离像点被表示为o，及LM3生成的距离像点被表示为□。每一扫描图案19中的距离像点x，o，□之间的间隔值24为5个增量22，在方程式中设定间隔因子k＝0，间隔值24可被算出d＝2·(3+0)-1＝5。根据对应于发射器32的数量的距离像点的数量，偏移值23为3个增量22。

对应于图6中的方案68，图7所示的实施例中在方程式中设定间隔因子k＝1，间隔值24的值d＝2·(3+1)-1＝7，即间隔值24为7个增量22。

图8中的方案68示出了记录距离轮廓54的一实施例，其中使用四个发射器32(LM1，LM2，LM3，LM4)。这意味着对应的每个扫描图案19生成有四个距离像点x，o，□，#。距离像点之间的间隔值24可被算出d＝2·(4+0)-1＝7，即7个增量22。对应于发射器32的数量，偏移值23为4个增量22。

对比图4与图8中的方案68，一方面，由于每个扫描图案19中的距离像点x，o，□，#的增加，扫描速度可以被增加；另一方面，距离轮廓54中外部的距离像点x，o，□，#之间的间隙的数量也在增加，这意味着需要生成更多的扫描图案19，直到距离轮廓54的距离像点x，o，□，#均匀地以增量22间隔开。上述效果也与间隔因子k的值相关，也就是说，当选择了更大的k值时，需要记录更多的扫描图案19直至实现“增量的分辨率(incrementalresolution)”。考虑到上述效果的背景，每个距离轮廓54中距离像点的数量可以被选择为足够高，例如，约1 000个距离像点。在大多数应用情况中，外部的距离像点之间的间隙可以被忽略。

上述披露的实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施方式的限制。以上实施方式仅是用于解释权利要求书。然本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种记录距离轮廓的装置，每一所述距离轮廓包括多个距离像点，所述装置包括：

多个发射器，所述多个发射器被设置成发射器阵列，所述多个发射器分别将电磁辐射传送至测量区域；

至少一接收单元，所述接收单元用于检测被所述测量区域反射的辐射；

评估单元，所述评估单元用于确定反射了被发射的辐射的物体的距离，每个所述距离形成一距离像点；及

偏转单元，所述偏转单元将被发射的辐射在扫描角度范围内偏转至扫描方向，从而为每一所述距离轮廓连续地生成在所述扫描方向上彼此偏移的多个扫描图案的距离像点，每一所述扫描图案为所述发射器阵列所形成的图像，每一所述扫描图案中的至少几个距离像点在所述扫描方向上彼此间隔，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于相应距离轮廓中相邻的距离像点之间的间隔。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述扫描方向上，每一所述扫描图案包括一最大纵向长度和一最大横向长度，所述最大横向长度垂直于所述最大纵向长度，所述最大横向长度小于所述最大纵向长度。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，每一所述扫描图案中的距离像点位于一直线上，所述直线沿平行于所述扫描方向的方向延伸。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述扫描图案中的距离像点被均匀地间隔。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于或等于被所述发射器发射的辐射束的最大宽度。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述距离轮廓的至少几个扫描图案彼此交叠。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述距离轮廓的距离像点被均匀地间隔。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两个连续的扫描图案之间的偏移等于其中每一扫描图案中距离像点的数量与相应距离轮廓中相邻距离像点之间的间隔的乘积。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔由下式计算：

d＝2(A+k)-1

其中A为每一所述扫描图案中距离像点的数量；k为一间隔因子，选自非负整数构成的组。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏转单元包括多面镜，所述多面镜绕一旋转轴旋转，所述多面镜包括n个偏转表面，所述n个偏转表面连续地被所述发射的辐射照射，每个所述偏转表面覆盖相同的角度范围，所述角度范围至少为360°/n。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，n＝2,3,4,5,6,7或8。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述偏转表面沿平行于所述多面镜的旋转轴的方向延伸。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过一扫描角度检测单元检测所述偏转单元的扫描角度位置。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述扫描角度检测单元包括：

编码部分，所述编码部分连接于所述偏转单元；所述编码部分被设置有彼此间隔的标记，且所述标记是均匀间隔的；及

检测单元，所述检测单元相对于所述编码部分静止，所述检测单元用于检测所述编码部分的所述标记；

所述扫描角度检测单元通过检测到的一个或多个所述编码部分的所述标记检测所述偏转单元的扫描角度位置。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器阵列中发射器的排列对应于所述扫描图像中距离像点的排列。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器的数量在2至32个之间。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述发射器阵列中，每两个彼此直接相邻的发射器之间的距离为1-12毫米。

18.一种使用如权利要求1所述的装置记录距离轮廓的方法，每一所述距离轮廓包括多个距离像点，包括如下步骤：

通过多个发射器设置成的发射器阵列，将电磁辐射发射至测量区域；

通过至少一接收单元检测从所述测量区域反射的辐射；

确定反射了发射的辐射的物体的距离，每个所述距离形成一距离像点；及

在扫描角度范围内所述发射的辐射被偏转至扫描方向，从而为每一所述距离轮廓连续地生成在所述扫描方向上彼此偏移的多个扫描图案的距离像点，由所述发射器阵列所形成的每一所述扫描图案中的至少几个距离像点在所述扫描方向上彼此间隔，每一所述扫描图案中相邻的距离像点之间的间隔值大于相应距离轮廓中相邻的距离像点之间的间隔。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，每一所述扫描图案的至少一部分距离像点在不同的时间点检测。

20.一种如权利要求1所述的装置的具有自检功能的运行方法，所述装置记录具有多个距离像点的距离轮廓，在记录所述距离轮廓的过程中，

通过多个发射器设置成的发射器阵列，将电磁辐射发射至测量区域；

通过至少一接收单元检测从所述测量区域反射的辐射；

确定反射了发射的辐射的物体的距离，每个所述距离形成一距离像点；

在扫描角度范围内所述发射的辐射被偏转至扫描方向，从而为每一所述距离轮廓连续地生成在所述扫描方向上彼此偏移的多个扫描图案的距离像点，由所述发射器阵列所形成的每一所述扫描图案中的至少几个距离像点在所述扫描方向上彼此间隔；及

在多个记录时间点，将源自于至少两个所述发射器的距离像点和/或距离像点的点集进行比较，所述多个记录时间点之间具有规则的或不规则的时间间隔，当比较所得的偏差落在预定的容忍度之外时，所述装置的运行状态为非预期状态，被作为干扰或误差。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述比较指在一所述扫描图案内或对一所述距离轮廓内进行相应的比较。

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