CN110325821A - 利用时间同步的大地测量 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于确定从测地仪器到测地目标的方向的方法。该方法包括从测地目标发射光学脉冲，使用布置在测地仪器处的照相机捕获测地目标的第一图像和第二图像，获取第一图像和第二图像之间的差值图像，以及基于光学脉冲在差值图像中的位置来确定从测地仪器到测地目标的方向。该方法还包括使测地仪器与测地目标同步，以用于与捕获第一图像同时地而与捕获第二图像不同时地发射光学脉冲。本公开还提供了测地仪器、测地目标和大地测量系统。

Description

利用时间同步的大地测量

技术领域

本公开大体上涉及土地测量领域。具体地，本公开涉及一种用于确定从测地(geodetic)仪器到测地目标(target)的方向的方法。本公开还涉及测地仪器、测地目标和大地测量(geodetic surveying)系统。

背景

测地仪器(如全站仪或经纬仪)可用于确定一个或更多个测地目标的方向和/或位置。例如，目标可以用于在施工现场标桩(stake out)，或者定位于在施工现场上操作的施工车辆(construction vehicle)上以便在车辆操作时引导这些车辆。

在较大的施工现场，可能同时存在多个目标，和/或测地目标可能位于离测地仪器相当长距离的地方。因此，需要改进的测地仪器、测地目标和操作它们的方法，以精确地和有效地确定测地目标的方向和/或位置。

概述

为了至少部分地满足上述需求，本公开寻求提供至少一种改进的方法、改进的测地仪器和改进的测地目标，以用于确定从测地仪器到测地目标的方向。

为了实现这一点，提供了如独立权利要求中所限定的方法、测地仪器和测地目标。在从属权利要求中提供了本公开的另外的实施例。

根据第一方面，提供了用于确定从测地仪器到测地目标的方向的方法。在该方法中，可以从测地目标向测地仪器发射光学脉冲，并且可以使用布置在测地仪器处的至少一个成像设备捕获测地目标的第一图像和第二图像。测地仪器和测地目标可以被同步，以用于与捕获第一图像同时地发射光学脉冲，并且用于与捕获第二图像不同时地发射光学脉冲。可以获取第一图像和第二图像之间的差值图像(difference image)，并且可以基于光学脉冲在差值图像中的位置来确定从测地仪器到测地目标的方向。

根据第二方面，提供了由测地仪器实现的用于确定到测地目标的方向的方法，该测地目标被配置为通过发射光学脉冲来进行自身识别。在该方法中，可以使用布置在测地仪器处的至少一个成像设备来捕获测地目标的第一图像和第二图像。测地仪器和测地目标可以被同步，以用于与测地目标发射光学脉冲同时地捕获第一图像，并且用于与测地目标发射光学脉冲不同时地捕获第二图像。可以获取第一图像和第二图像之间的差值图像，并且可以基于由测地目标发射的光学脉冲在差值图像中的位置来确定从测地仪器到测地目标的方向。

根据第三方面，提供了测地仪器。测地仪器可以包括处理单元，该处理单元可以被配置为使得至少一个成像设备至少捕获测地目标的第一图像和第二图像，该测地目标被配置为通过发射光学脉冲来进行自身识别。处理单元还可以被配置为同步至少一个成像设备，以与测地目标发射光学脉冲同时地捕获第一图像，并且与测地目标发射光学脉冲不同时地捕获第二图像。处理单元还可以被配置为从至少一个成像设备接收第一图像和第二图像，获得第一图像和第二图像之间的差值图像，并且基于由测地目标发射的光学脉冲在差值图像中的位置来确定从测地仪器到测地目标的方向。

根据第四方面，提供了被配置为通过发射光学脉冲而向测地仪器识别自身的测地目标。测地目标可以包括光源，该光源可以被配置成发射光学脉冲。测地目标还可以包括处理单元，该处理单元可以被配置为使光源同步成与测地仪器捕获第一图像同时地而与测地仪器捕获第二图像不同时地发射至少一个光学脉冲。

上述方面的方法、测地仪器和测地目标是有利的，例如，这是因为就明确性(unambiguity)而言可以执行对测地目标的更可靠的识别。除了由测地目标发射的光学脉冲之外，待测量的场景可以包含源自干扰源的附加的光，例如来自车辆、建筑物、交通信号灯的光或来自太阳的光。通过获取第一图像和第二图像之间的差值图像，这种干扰光可以被测地仪器滤除和拒绝，从而降低或消除测地仪器对于捕获的光是否源自测地目标变得困惑的风险。

此外，通过如上所述使光学脉冲的发射与第一图像和第二图像的捕获同步，光学脉冲可以仅在成像设备捕获第一图像时的短时间内被发射。这可以允许光学脉冲的持续时间减少，并且允许光学脉冲的幅度增加同时仍将光源的功耗保持在其热极限内。随着光学脉冲的幅度的增加，脉冲在被衰减到不能被布置在测地仪器处的成像设备检测到之前可以行进的距离可由此增加，这可以允许测地仪器和测地目标之间的测量距离增加。

根据一个实施例，同步可以包括接收指示公共事件的信号。例如，指示公共事件的信号可以是无线电信号、光学信号或电子信号。该信号可以包含例如指示公共事件的脉冲，或者该信号可以更复杂并且包含一起指示公共事件的许多脉冲和/或码(code)。还设想该信号可以是机械信号，其中例如使用例如激波或一个或更多个其他机械力/冲击(impulse)来传递脉冲。

根据一个实施例，指示公共事件的信号可以包括电磁信号或电信号。对于电磁信号，设想例如无线电信号、无线网络信号、光学信号或类似信号。对于电信号，设想在例如电缆或电线中传播的信号。

根据一个实施例，指示公共事件的信号可以包括全球导航卫星系统、GNSS、码。这种信号可以源自例如GPS、GLONASS或北斗卫星，并且由例如测地仪器或测地目标接收，并且使用例如适用于这种目的的集成电路进行处理。

根据一个实施例，指示公共事件的信号可以是单个电脉冲或单个电磁脉冲。通过使用单个脉冲，可以减少对更复杂的集成电路的需求。

根据一个实施例，指示公共事件的信号可以由测地仪器从测地目标接收。在一个实施例中，指示公共事件的信号可以由测地目标从测地仪器接收。在另外的实施例中，指示公共事件的信号可以由测地目标和测地仪器从第三方设备接收。第三方设备可以是例如卫星、广播时间信号的无线电塔或其他广播装备。第三方设备也可以是附加的测地仪器或附加的测地目标。

根据一个实施例，可以在特定时间间隔内捕获第一图像和第二图像。例如，特定时间间隔可以对应于至多至少一个成像设备的一次帧读出时间加上两倍的帧曝光时间。通过在时间上紧接地捕获第一图像和第二图像，可以减少在待测量的场景中发生的变化的影响。例如，这种变化可以是正在场景中移动的某物。对应于用于捕获第一图像的一次帧曝光时间、用于读出所捕获的第一图像的一次帧读出时间和用于捕获第二图像的一次帧曝光时间的特定时间间隔就成像设备的性能而言可以导致在捕获这两个图像之间经过的时间最短。

对应于至多至少一个成像设备的两倍的帧曝光时间加上一次帧读出时间的特定间隔仅仅是提供本公开的其他益处的示例。在某些情景和情况下，特定时间间隔可以更长。

本文中，帧曝光时间可以对应于成像设备捕获图像(即，例如在成像设备中的成像传感器处收集足够的光子)所花费的时间，同时帧读出时间可以对应于从成像传感器读出图像信息所需要的时间。

根据一个实施例，第一图像可以由第一成像设备捕获，第二图像可以由第二成像设备捕获。利用两个成像设备，可以同时捕获第一图像和第二图像，或者在比例如成像设备之一的帧读出时间更短的时间间隔内捕获第一图像和第二图像。这可进一步帮助减少场景中的变化——例如车辆的移动、风引起的移动或其他原因引起的移动——的影响。

根据一个实施例，可以重复地捕获第一图像和第二图像，以按照交错的方式捕获多个第一图像和多个第二图像。此处，“交错的方式”意味着图像被捕获使得第一图像后面跟着第二图像，并且该第二图像后面又跟着另一个第一图像，并且按照交替的方式以此类推。通过捕获多个第一图像和第二图像，可以获取多个差值图像，并且可以基于光学脉冲在多个差值图像中的位置来确定从测地仪器到测地目标的方向。可以随着时间推移跟踪测地目标，并且如果例如测地目标相对于测地仪器正在移动，则测地目标的移动可以根据随着时间推移所确定的方向来确定。

根据一个实施例，多个第一图像可以以与测地目标可以被配置为发射多个后续的光学脉冲的速率相对应的速率被捕获。通过以与测地目标发射脉冲的速率相同的速率捕获多个第一图像，可以捕获每个脉冲，并且测地仪器可以随着时间推移且更精确地确定到测地目标的方向(或测地目标的位置)。

根据一个实施例，多个第一图像和第二图像可以以与测地目标可以被配置为发射多个后续的光学脉冲的速率的两倍相对应的组合速率被捕获。通过以测地目标发射光学脉冲的速率的两倍的组合速率捕获多个第一图像和第二图像，可以捕获每个第一图像使得第一图像包含由测地目标发射的光学脉冲，并且可以捕获每个第二图像使得第二图像不包含由测地目标发射的光学脉冲。“包含”或“不包含”光学脉冲的图像可以被分别解释为包含或不包含表示光学脉冲的任何数据的图像。

根据一个实施例，捕获第一图像和捕获紧接在前的第二图像之间的时间间隔可以等于捕获该第一图像和捕获紧接在后的第二图像之间的时间间隔。此处，如果在图像之间没有其他图像被测地仪器(使用至少一个成像设备)捕获，则图像被称为“紧接在前的/在后的”另一个图像。

根据一个实施例，多个第一图像和第二图像可以以对应于至少60Hz的组合速率被捕获。通过以60Hz或更高的组合速率捕获第一图像和第二图像，待测量的场景和测地目标在捕获第一图像和第二图像期间的间隔内可以近似为静态的。

根据一个实施例，至少一个成像设备的帧曝光时间可以短于或等于由测地目标发射的光学脉冲的持续时间。

通常，为了捕获所发射的光学脉冲的至少一部分，可以认识到，帧曝光在时间上至少部分地与光学脉冲重叠。

如果帧的曝光和光学脉冲的发射在时间上对准，则等于光学脉冲的持续时间的帧曝光时间可以允许光学脉冲中的大量或最大数量的光子被成像设备捕获而在没有发射光子的时间期间没有任何曝光。

比光学脉冲的持续时间更短的帧曝光时间可以允许光学脉冲中足够数量的光子被捕获，且在没有发射光子的时间期间没有曝光，即使是在帧的曝光和光学脉冲的发射之间存在不对准的情况下，该不对准足够小以至于完全曝光仍然被包含在光学脉冲的持续时间的间隔内。

根据一个实施例，如上所述的方法还可以包括使测地仪器与测地目标和被配置为通过发射光学脉冲来进行自身识别的第二测地目标同步，以用于与第二测地目标发射光学脉冲不同时地捕获第一图像。通过同步测地目标和第二测地目标，使得它们不在同一时间发射脉冲，两个目标都可以被测地仪器跟踪，并且两个目标的方向可以根据多个差值图像确定。因为在仅发射一个脉冲的同时捕获第一图像，测地仪器可以更容易地识别在第一图像和/或与从测地目标发射光学脉冲不同时地捕获的第二图像中的光学脉冲，即使在存在多于一个的测地目标的情况下。

根据一个实施例，如上所述的方法还可以包括使用布置在测地仪器处的至少一个成像设备捕获测地目标和第二测地目标的第三图像。如上所述的方法还可以包括使测地仪器与测地目标和第二测地目标同步，以用于与第二测地目标发射光学脉冲同时地而与测地目标发射光学脉冲不同时地捕获第三图像。如上所述的方法还可以包括获取第三图像和与第二测地目标发射光学脉冲不同时地捕获的图像之间的第二差值图像，并且基于由第二测地目标发射的光学脉冲在第二差值图像中的位置来确定从测地仪器到第二测地目标的方向。如所述，这种方法的优点在于，测地仪器可以从不同的差值图像中识别测地目标和第二测地目标二者。差值图像可用于获取到测地目标的方向，第二差值图像可用于获取到第二测地目标的方向。如上所述，测地仪器可以以这种方式跟踪多个目标，并且如上所述的图像的捕获可以帮助减少多个目标之间的串扰并且允许更方便地识别每个目标。

根据一个实施例，如在上述方法中使测地仪器与测地目标同步还可以包括建立测地仪器和测地目标共同的时间基准(time reference)，并且获取关于对至少包括第一时隙和第二时隙的一组非重叠时隙的分配的信息。光学脉冲可以在第一时隙内由测地目标发射，并且第一图像和第二图像可以分别在第一时隙和第二时隙内由测地仪器捕获。通过建立如上所述的时隙，测地目标可以被分配一子集的时隙(例如，第一时隙)，在该子集的时隙中测地目标被允许发射光学脉冲。当测地仪器捕获图像时，它可以考虑给定的时隙分配，以便捕获将包含由测地目标发射的光学脉冲的至少一个图像，以及捕获将不包含由测地目标发射的光学脉冲的至少一个图像，并且随后获取相应的差值图像并确定到测地目标的方向。为了获取关于该组非重叠时隙的分配的信息，测地仪器和测地目标可以例如被提供有指示时隙在时间上的分布的信息，例如某个时隙何时开始和何时结束。对于多个时隙，该信息可以例如指示在多个时隙中的第一个时隙何时开始、每个时隙有多长以及它们在时间上分隔多远。设想，属于相同的多个时隙的时隙也可以在时间上不均匀地间隔开，并且指示分配的信息然后可以包含在多个时隙内每个时隙的开始和持续时间，或者包含使例如测地仪器或测地目标能够计算时隙的开始和持续时间的其他信息。时隙的分配可以是静态的，并且指示时隙的分配的信息可以在设备制造期间、在操作之前的设置期间或在自身操作期间被提供给测地目标和/或测地仪器。在一些实施例中，时隙的分配可以是动态的，并且分配的改变可以在必要时被传送到测地目标和/或测地仪器。该信息可以与分配的改变相关联地提供，例如在分配的改变之前提供，或者可以提供这样的信息，测地目标和/或测地仪器可以从该信息计算出将何时以及在何种程度上发生改变。在较长的距离，例如利用较长的时隙来提供改善的积分信号(integrated signal)可能是有利的。在较短的距离，例如利用较短的时隙来提供例如较快的反应时间可能是有利的。根据测地仪器和测地目标之间的距离，可以相应地调整一个或许多个时隙的长度。

根据一个实施例，如在上述方法中使测地仪器与测地目标和第二测地目标同步可以包括建立测地仪器、测地目标和第二测地目标共同的时间基准，并且获取关于在该组非重叠时隙中第三时隙的分配的信息。光学脉冲可以在第三时隙内由第二测地目标发射。通过将一子集的时隙(例如第三时隙)分配给第二测地目标，其中该子集的时隙不与例如分配给测地目标的子集的时隙重叠，测地目标可以均发射在时间上彼此不冲突的脉冲。

根据一个实施例，测地目标和第二测地目标的第三图像可以在第三时隙内由测地仪器捕获。通过考虑时隙的分配，测地仪器可以捕获包含仅由测地目标发射的光学脉冲的至少一个图像，并且捕获包含仅由第二测地目标发射的光学脉冲的至少一个图像。因为所分配的时隙子集是不重叠的，所以测地目标还可以捕获不包含由测地目标发射的任何脉冲的至少一个图像、以及不包含由第二测地目标发射的任何脉冲的至少一个图像。这些图像可以是相同的图像，或者可以是不同的图像，只要可以获取相应的差值图像并且可以从该差值图像确定到测地目标和第二测地目标的方向。设想，差值图像可以从包含来自测地目标的脉冲的图像和不包含来自任何测地目标的脉冲的图像中获取。还设想，可以从包含来自测地目标的脉冲的图像和包含来自一个或更多个不同的测地目标的一个或更多个脉冲的图像中获取差值图像，只要来自测地目标——从测地仪器到该测地目标的方向将被确定——的光学脉冲不被包含在用于获取差值图像的两个图像中。

根据一个实施例，如上所述的方法可以包括基于由测地目标发射的光学脉冲在差值图像中的位置来确定测地目标相对于测地仪器的位置。如果例如知道到测地目标的方向，测地仪器就可以确定测地目标的位置。如果例如测地仪器知道它自己的位置(例如通过使用卫星导航)，并且如果测地仪器也知道到其到测地目标的距离(该距离通过使用例如激光测距仪或类似设备来获取)，则测地目标的位置可以由测地仪器基于所确定的从测地目标到测地目标的方向来计算。如果测地仪器不知道自己的位置，测地仪器仍然可以至少确定测地目标相对于测地仪器的位置。

根据一个实施例，如上所述的测地仪器还可以包括接收器，其被配置为接收指示公共事件的信号，并且这种测地仪器的处理单元可以被配置为基于接收到的指示公共事件的信号来同步至少一个成像设备。

根据一个实施例，接收器可以是GNSS接收器。GNSS接收器可以是例如时间基准模块、或者通用GPS、GLONASS和/或北斗接收器，并且可以被集成到例如处理单元中，或者可以是可以与处理单元通信的独立电路。

根据一个实施例，至少一个成像设备可以是数字照相机。使用数字照相机可以减少对更昂贵的成像设备的需求。

根据一个实施例，如上述实施例中所述的测地仪器的处理单元可以被配置为根据在上述实施例的任一个中定义的方法操作。

根据一个实施例，如上所述的测地目标还可以包括接收器，其被配置为接收指示公共事件的信号，并且如上所述的测地目标的处理单元可以被配置为基于接收到的指示公共事件的信号来同步光源。

根据一个实施例，如上所述的测地目标的接收器可以是GNSS接收器。

根据一个实施例，可以提供大地测量系统。大地测量系统可以包括如上述实施例的任一个中定义的测地仪器和如上述实施例的任一个中定义的至少一个测地目标。

根据一个实施例，大地测量系统可以包括被配置为传输指示公共事件的信号的第三方设备。测地仪器和至少一个测地目标可以被配置为从第三方设备接收指示公共事件的信号。测地仪器的处理单元可以被配置为基于接收到的指示公共事件的信号来同步至少一个成像设备，并且测地目标的处理单元可以被配置为基于接收到的指示公共事件的信号来同步至少一个光源。

本公开涉及权利要求中所述特征的所有可能的组合。此外，参照根据本公开的第一方面或第二方面的方法描述的任何实施例可以与参照根据本公开的第三方面的测地仪器和/或根据本公开的第四方面的测地目标描述的实施例中的任一个组合，反之亦然。

以下将通过举例说明实施例来对本公开的各个实施例的另外的目标和优点进行描述。

附图简述

例示的实施例将在下面参照附图进行描述，在附图中：

根据本公开的实施例，图1a示出了测地仪器，图1b示出了测地目标，以及图1c示出了大地测量系统；

图2a示出了根据本公开的一个或更多个实施例的用于确定从测地仪器到测地目标的方向的方法；

图2b示出了根据本公开的一个或更多个实施例的用于确定从测地仪器到测地目标以及到第二测地目标的方向的方法；和

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e示出了根据本公开的一个或更多个实施例的如何捕获图像和发射光学脉冲的示例。

在附图中，除非另有说明，否则相似的参考数字将用于相似的元素。除非明确指出相反的情况，否则附图仅示出了说明示例实施例所必需的这些元素，而为了清楚起见，其他元素可以被省略或仅仅被提及。如图所示，出于说明的目的，元素和区域的尺寸可被夸大，从而被提供以对实施例的一般结构进行说明。

详细描述

现在将在下文参考附图更充分地描述例示的实施例。虽然附图示出了当前优选的实施例，但是本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文中阐述的实施例；更确切地说，这些实施例为了彻底性和完整性而被提供并且向技术人员充分地传达本公开的范围。

参考图1a、图1b和图1c，下面描述根据一些实施例的测地仪器、测地目标和测量系统。

图1a示出了测地仪器110。例如，测地仪器110可以是全站仪、扫描仪或经纬仪，并且可以包括至少一个成像设备112和处理单元116，处理单元116被配置为执行如将在本文中稍后描述的一种或更多种方法的至少部分。

成像设备112被配置成在其视场内捕获图像。例如，成像设备112可以是数字照相机。数字照相机可以是静止照相机或摄像机。照相机可以具有全局快门，尽管也设想使用具有滚动快门或类似装置的照相机。

图1b示出了测地目标120。测地目标120可以包括至少一个光源124和处理单元126，处理单元126被配置为执行如将在本文中稍后描述的一种或更多种方法的至少部分。

至少一个光源124可以被配置成例如向测地仪器110发射光学脉冲130。例如，至少一个光源124可以包括发光二极管(LED)、激光二极管或者可以以受控的方式发射光脉冲的任何其他合适的光源。虽然未在图1b中示出，但是测地目标120也被设想为包括用于向至少一个光源124提供电力的驱动电路、以及允许处理单元126通过例如这样的驱动电路来控制至少一个光源124的连接。为了给至少一个光源124供电，测地目标120还可以包括电池(未示出)，尽管设想也可以通过电线或类似物从外部源向测地目标120供电。例如，如果测地目标120被安装在车辆或其他结构上，则可以从该车辆或其他结构向测地目标120供电。

图1c示出了测量系统200，其包括测地仪器110和至少一个测地目标120。

测地仪器110和至少一个测地目标120可以彼此同步，使得可以以同步的方式执行它们的组成部分的操作。为了这个目的，测地仪器110和测地目标120都可以例如包含时钟。这种时钟可以是具有低漂移(drift)或小漂移的高精度时钟。当测地仪器110和测地目标120都检测到公共事件时，可以在大地测量系统200的操作之前或操作期间复位时钟。

一旦测地仪器110和测地目标120的同步被建立，可以由时钟来执行对同步的保持。如果需要，设想可以通过共享另一个公共事件来重建同步，该公共事件可以由测地仪器110和测地目标120以与上述类似的方式检测到。如果可以足够频繁地执行同步的重建，则设想通过时钟保持同步可能不是必需的，因为随后可以在任何需要的时候建立或重建同步。

为了就公共事件达成一致，测地仪器110和测地目标120可以例如接收指示公共事件的信号。例如，这种信号可以是光学信号、无线电信号或电子信号，并且公共事件可以由信号中包括的脉冲来指示。信号也可以更复杂并且由几个脉冲和/或码组成，诸如例如全球导航卫星系统(GNSS)信号。在图1c中，这种第三方设备被示出为卫星210，其传输被测地仪器110和测地目标120接收的指示公共事件的信号220。在一些实施例中，设想例如测地仪器110和测地目标120中的一个代替第三方设备的功能，并且指示公共事件的信号从测地仪器110和测地目标120中的一个被传送到另一个。还设想测地仪器110和测地目标120中的一个可以从第三方设备接收指示公共事件的信号，然后将该信号转发和/或中继到另一设备。如果指示公共事件的信号是卫星信号，则测地仪器110和测地目标120中的一个或两个可以配备有例如卫星接收电路和/或卫星时间基准模块，以便接收和处理信号。

在一些实施例中，指示公共事件的信号可以是无线信号，例如无线电信号或光学信号，并且测地仪器和/或测地目标可以配备有合适的检测器，例如无线电天线、WiFi检测器/接收器、蓝牙检测器/接收器或Zigbee检测器/接收器、和/或例如由Si、Ge和/或InGaAs制造的光学脉冲检测器。然而，也可以设想，指示公共事件的信号使用例如光纤(通过光纤可以接收光学脉冲)、电缆或电线(通过电缆或电线可以接收电信号/脉冲)来被传输到测地仪器110和/或测地目标120。这可能在例如大地测量系统200被用于不可能从卫星接收例如无线电信号的区域(例如地下或植被密集的区域和/或具有许多且高的建筑物的区域)的情况下是有用的。如果使用光纤、电缆或电线，测地仪器和/或测地目标可以配备有合适的连接器，这样的光纤、电缆或电线可以被附接到该连接器。

也可以设想接收指示公共事件的信号的其他方法，诸如例如通过使用合适的雷达脉冲接收器来接收作为雷达脉冲的信号。

如果使用内部时钟，测地仪器110和测地目标120可以在操作之前(通过例如电缆)彼此连接并同步，然后在自身操作期间断开连接，因为同步随后由内部时钟保持。

还设想获得和保持同步的其他方法也是可能的。例如，这种方法可以包括感测主电网上的(例如50或60Hz)AC信号的相位以保持同步，或者例如来自附近无线电塔的广播时间信号。

参考图2a，更详细地描述了根据一个或更多个实施例的用于确定从测地仪器到测地目标的方向的方法。

在图2a中，测地仪器110使用布置在测地仪器110处的至少一个成像设备112来捕获第一图像150。第一图像150示出了待测量的场景。在该示例中，场景包含包括例如湖泊、树木、道路、一些山丘的景观，以及还包含诸如建筑物、无线电塔和施工车辆的结构。在场景中还有测地目标120，其向测地仪器110发射光学脉冲130。在捕获的第一图像150中，由测地目标120发射的光学脉冲130是可见的，并且其他光学干扰140也是可见的，例如来自湖泊的太阳反射、来自建筑物中的窗户的光、来自施工车辆的光和来自无线电塔的光。

测地仪器110还使用至少一个成像设备112捕获覆盖同一场景的第二图像152。第二图像也包括测地目标120。测地仪器110和测地目标120以前述或类似的方式同步，使得与捕获第一图像150同时地而与捕获第二图像152不同时地由测地目标120发射光学脉冲130。这是为什么测地目标120发射的光学脉冲130在第一图像150中可见，而在第二图像152中不可见。

在已经捕获第一图像150和第二图像152之后，测地仪器110获取差值图像160。此处，通过从第一图像150中减去第二图像152来获取差值图像160。由于假设除了在第一图像150中存在光学脉冲130之外第一图像150和第二图像152是相似的，所以差值图像160将不包含干扰光的特征或包含至少可以忽略的特征。基于光学脉冲130在差值图像160中的位置170，测地仪器110可以确定从测地仪器110到测地目标120的方向。

参考图2b，更详细地描述了根据一个或更多个实施例的用于确定从测地仪器到测地目标以及到第二测地目标的方向的方法。

在图2b中，测地仪器110捕获待测量的场景的第一图像150。与图2a中所示的场景相比，图2b中的场景不包含施工车辆。代替的是，在第一图像150中捕获的场景包含位于湖泊附近的第二测地目标122。除了这个区别，图2a和图2b中的两个场景是相同的。

测地仪器110、测地目标120和第二测地目标122以前述或类似的方式同步，使得第一图像150仅包含由测地目标120发射的光学脉冲130。测地仪器110还捕获其中不存在光学脉冲的第二图像152。如参考图2a所述，测地仪器110可以生成差值图像160、识别光学脉冲130在差值图像160中的位置170、并基于位置170确定从测地仪器110到测地目标120的方向。如前所述，“光学脉冲在图像中的位置”可以解释为在图像中表示光学脉冲的数据的位置。

此外，测地仪器110、测地目标120和第二测地目标122同步，使得测地仪器110可以与第二测地目标122发射光学脉冲132同时地捕获第三图像154。第二测地目标122与测地目标120发射光学脉冲不同时地发射光学脉冲132。这是为什么第三图像154不包含由测地目标120发射的光学脉冲130。测地仪器110还可以与第二测地目标122发射光学脉冲132不同时地捕获第四图像156，并且通过从第三图像154中减去第四图像156来获取第二差值图像162。根据第二差值图像162，测地仪器110可以基于由第二测地目标122发射的光学脉冲132的位置172来确定从测地仪器110到第二测地目标122的方向。

如图2b中虚线箭头所示，代替捕获第四图像156，测地仪器也可以通过从第三图像154中减去第二图像152来生成第二差值图像，只要从第三图像154中减去的图像中不存在由第二测地目标122发射的光学脉冲132。还设想测地仪器可以通过从第三图像154中减去第一图像150来生成第二差值图像。另外，设想可以通过从第一图像152中减去第三图像154来生成差值图像160。只要来自一测地目标的脉冲仅出现在两个图像之一中，这两个图像就可以相减以提取脉冲在所得的差值图像中的位置。

参考图3a-3e，更详细地描述了根据本公开的实施例的如何捕获图像和发射光学脉冲的示例。

在图3a中，测地仪器110捕获多个第一图像150和多个第二图像152，并且测地目标120发射多个光学脉冲130。以交错的方式捕获多个第一图像150和多个第二图像152，使得按时间顺序第一图像150的捕获之后是第二图像152的捕获，反之亦然。

测地仪器110和测地目标120同步，使得与第一图像150的捕获同时地而与第二图像152的捕获不同时地发射每个光学脉冲130。在该示例中，每次捕获之间的时间间隔对于所有图像都是相等的。包括第一时隙180和第二时隙182的一组非重叠时隙被均等地分配和间隔开，光学脉冲130的发射和第一图像150的捕获发生在第一时隙180的一个中，并且第二图像152的捕获发生在第二时隙182的一个中。在该示例中，在例如第二时隙182与紧接在前的第一时隙180之间的时间上的距离和第二时隙182与紧接在后的第一时隙180之间的时间上的距离是相等的。换句话说，测地仪器110和测地目标120是同步的，使得光学脉冲130由测地目标120以测地仪器110的图像捕获速率的一半发射，这样每隔一个被捕获的图像中(即，在每个第一图像150中)存在光学脉冲130。将认识到，尽管在该特定示例中示出了一种时隙在时间上等距间隔开，但是可以使用时隙随着时间推移的另一种分布，只要测地仪器和测地目标被告知时隙的分配。如本文之前所述，指示时隙的分配的信息可以被传送到测地仪器110和测地目标120。指示分配的信息可以使用例如无线链路、有线或电缆、或者通过任何其他合适的方式来传送。例如，时隙的分配可以遵循时分多址(TDMA)方案的时隙分配。

在图3b中，第一时隙180和第二时隙182不是均匀间隔的，而是被分配成使得例如在第二时隙182和紧接在前的第一时隙180之间的时间上的距离短于在第二时隙182和紧接在后的第一时隙180之间的时间上的距离。在第一时隙180中发射光学脉冲130，并且捕获第一图像150，并且在第二时隙182中捕获第二图像152。

在图3c中，第一时隙180和第二时隙182被分配成使得例如在第二时隙182和紧接在前的第一时隙180之间的时间上的距离长于在第二时隙182和紧接在后的第一时隙180之间的时间上的距离。类似于在图3a和图3b中，在第一时隙180中发射光学脉冲130，并且捕获第一图像150，并且在第二时隙182中捕获第二图像152。

在图3b和图3c中，在第一图像150和第二图像152的捕获之间的时间上的距离的减小可以允许减小例如移动的测地目标120或待测量的场景的非静态背景的影响。

在图3d中，第二测地目标122被配置成发射多个光学脉冲132。第二测地目标122与测地仪器110和测地目标120同步，使得第二测地目标122发射光学脉冲132与测地目标120发射光学脉冲130是不同时的，或者与测地仪器110捕获第一图像150和第二图像152是不同时的。在图3d中，该组非重叠时隙包括分配在第一时隙180和紧接在后的第二时隙182的每个时间对(chronological pair)之间的多个第三时隙184。在第三时隙184中，光学脉冲132由第二测地目标122发射，因此可能对测地仪器110的操作及其跟踪由测地目标120发射的光学脉冲130的能力干扰较少，或者根本不干扰。还设想的是，例如来自与测地仪器110、测地目标120和第二测地目标122同步的第三测地目标(未示出)的更多的光学脉冲可以在多个第四时隙中不同时地发射，该第四时隙例如被分配在第三时隙184和紧接在后的第二时隙182的每个时间对之间、或者例如在第二时隙182和紧接在后的第一时隙182的每个时间对之间。

在图3e中，测地仪器110被配置成与第二测地目标122发射光学脉冲同时地而与测地目标120发射光学脉冲130不同时地捕获多个第三图像154，并且与测地目标120或第二测地目标122发射任何脉冲130或132不同时地捕获多个第四图像156。第三图像154在第三时隙184中被捕获，第四图像156在被分配在该组非重叠时隙中的多个第四时隙186中被捕获。

在图3a、图3b、图3c、图3d和图3e中，图像(例如图像150、图像152、图像154或图像156)被示出为具有比光学脉冲(例如光学脉冲130或光学脉冲132)的时间更长的时间上的延长(或持续时间)(即柱条的宽度)。将认识到，提供这些图仅仅是为了说明的目的，并且可以设想，特定图像的至少帧曝光时间比要捕获的脉冲的持续时间更短。在这些图中，光学脉冲和图像之间的重叠示出了图像被捕获使得其包含至少一部分光学脉冲。

在该示例设置中，测地仪器110可以跟踪由第二测地目标122发射的光学脉冲132，同时由测地目标120发射的光学脉冲130可以对测地仪器110的操作的干扰很小或者根本不干扰。

类似于先前参考例如图2b所述，设想第四图像156可以被例如第二图像152替代，或者被例如第一图像150替代，只要这些图像不与第二测地目标122发射任何光学脉冲132同时被捕获。

如上所述的一种或更多种方法可以增加测地仪器跟踪测地目标的稳定性，并且还提供例如在测量距离方面的更大灵活性。通过将测地仪器和测地目标的同步与从由测地仪器捕获的测地目标的两个图像获取差值图像相结合，可以减少脉冲的持续时间，并且可以避免或至少减少多个测地目标之间的串扰。这允许一种确定从测地仪器到一个或更多个测地目标的方向的改进的方式。

减少脉冲持续时间可以允许脉冲的最大幅度被增加而不超过最大允许功耗(即不超过用于发射光学脉冲的光源的热极限)。增加脉冲的幅度可以允许脉冲在变得太微弱以至于不能被成像设备检测到之前行进更远，并且允许测地目标在更长的距离被跟踪。另外，通过使用具有自己的光源的有源(active)测地目标，与依赖于从其他地方产生和发送的反射回的光的无源(passive)测地目标相比，光学脉冲在到达测地仪器之前行进的距离可以被减半。由于可以假设单位面积的光功率随着脉冲行进的距离的平方而减小，所以有源跟踪距离可以长达四倍，因为光学脉冲只需要从测地目标行进到测地仪器(而不是例如从测地仪器行进到测地目标，并且然后返回到测地仪器，就如使用无源目标的情况一样)。

通过使测地仪器与一个或更多个测地目标同步，可以增加测量到正确的测地目标的置信度。通过适当的同步，测地仪器可以确信在特定时隙内检测到的脉冲源自被同步为在该特定时隙内发射其光学脉冲的特定目标。同样地，关于时隙的分配的了解可以帮助测地仪器基于测地仪器在哪个时间帧中发射光学脉冲而识别测地目标。

通过获取在与测地目标发射光学脉冲同时地捕获的一个图像和与测地目标发射任何光学脉冲不同时地捕获的一个图像之间的差值图像，可以消除或至少部分地消除由于例如来自其他源的反射或干扰光而引起的误捕获(false lock)。足够静态以至于在用于获取差值图像的两个图像中都存在的干扰光可以被抵消掉，从而不允许使测地仪器困惑。

通过同步，例如通过非重叠时隙的分配，即使在存在多个测地目标时，测地仪器的操作也可以得到改善。测地仪器可以基于光学脉冲何时发射的定时和在该特定时刻被允许/被配置为发射光学脉冲的测地目标而更精确地区分其视场内的多个目标。以这种方式，测地仪器可以同时跟踪和/或测量多个目标。

在本公开的上下文中，词测地仪器、测地扫描仪(geodetic scanner)、测量仪器(measuring instrument)、全站仪、测量单元(survey unit)或测量仪器(surveyinginstrument)可以互换使用。

本文中，第三方设备可以是例如附加的测地仪器或附加的测地目标。第三方设备可以形成大地测量系统的一部分，并且可以是例如与用于向测地仪器和测地目标传输指示公共事件的信号的装置相结合的外部时钟或时间基准。第三方设备也可以是例如卫星或广播时间信号的无线电塔。

举例来说，处理单元可以包括通用处理器、专用处理器、常规处理器、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更多个微处理器以及任何其他类型的集成电路(IC)。集成电路的示例可以包括用于接收和/或处理卫星导航信号或时间信号的电路、用于控制和提供对例如光源和成像设备的电力的电路、以及用于接收和/或处理来自成像设备(例如图形处理单元、GPU)或类似设备的成像数据的电路。

处理单元可以被配置为包含指令，该指令在被执行时使得处理单元通过其自身和/或通过引导也被包括的其他组件来执行根据本文描述的任何实施例的一种或更多种方法。如果一种方法涉及几个设备例如测地仪器和测地目标的操作，则位于每个设备中的处理单元可以负责执行方法中涉及该处理单元所在的设备的部分。

除非明确指出相反的情况，否则本文公开的任何方法的步骤不需要必须以所公开的确切顺序执行。

本领域中的技术人员认识到，本公开决不限于以上所描述的实施例。相反，很多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。

尽管以上以特定的组合描述了特征和元素，但是每个特征或元素可以在没有其他特征和元素的情况下单独使用，或者以含有或不含有其他特征和元素的各种组合来使用。

此外，尽管已经参考大地测量系统描述了测地仪器和测地目标的应用，但是本公开可以适用于其中必须在这种测地仪器附近检测目标或物体的任何系统或仪器。

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实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元素，并且不定冠词“一(a)”或“一(an)”不排除复数。事实上，在相互不同的从属权利要求中所引用的某些特征并不指示这些特征的组合不能有利地被使用。

Claims (32)

1.一种用于确定从测地仪器(110)到测地目标(120)的方向的方法，所述方法包括：

从所述测地目标向所述测地仪器发射光学脉冲(130)；

使用布置在所述测地仪器处的至少一个成像设备(112)捕获所述测地目标的第一图像(150)和第二图像(152)；

使所述测地仪器与所述测地目标同步，以用于与捕获所述第一图像同时地发射所述光学脉冲，并且用于与捕获所述第二图像不同时地发射所述光学脉冲；

获取所述第一图像和所述第二图像之间的差值图像(160)；和

基于所述光学脉冲在所述差值图像中的位置(170)，确定从所述测地仪器到所述测地目标的方向。

2.一种由测地仪器(110)实现的用于确定到测地目标(120)的方向的方法，所述测地目标被配置为通过发射光学脉冲(130)来进行自身识别，所述方法包括：

使用布置在所述测地仪器处的至少一个成像设备(112)捕获所述测地目标的第一图像(150)和第二图像(152)；

使所述测地仪器与所述测地目标同步，以用于与所述测地目标发射所述光学脉冲同时地捕获所述第一图像，并且用于与所述测地目标发射所述光学脉冲不同时地捕获所述第二图像；

获取所述第一图像和所述第二图像之间的差值图像(160)；和

基于由所述测地目标发射的所述光学脉冲在所述差值图像中的位置(170)，确定从所述测地仪器到所述测地目标的方向。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述同步包括接收指示公共事件的信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号包括电磁信号或电信号。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号包括GNSS码。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号是单个电脉冲或单个电磁脉冲。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号是由所述测地仪器从所述测地目标接收的。

8.根据权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号是由所述测地目标从所述测地仪器接收的。

9.根据权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，指示所述公共事件的所述信号是由所述测地目标和所述测地仪器从外部设备接收的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一图像和所述第二图像在对应于至多所述至少一个成像设备的一次帧读出时间加上两倍的帧曝光时间的时间间隔内被捕获。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一图像由第一成像设备捕获，并且所述第二图像由第二成像设备捕获。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，重复地捕获所述第一图像和所述第二图像，以按照交错的方式捕获多个第一图像和多个第二图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个第一图像以与所述测地目标被配置为发射多个后续的光学脉冲的速率相对应的速率被捕获。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述多个第一图像和所述多个第二图像以与所述测地目标被配置为发射所述多个后续的光学脉冲的速率的两倍相对应的组合速率被捕获。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，第一图像和紧接在前的第二图像之间的时间间隔等于所述第一图像和紧接在后的第二图像之间的时间间隔。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，所述多个第一图像和所述多个第二图像以对应于至少60Hz的组合速率被捕获。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个成像设备的帧曝光时间短于或等于由所述测地目标发射的所述光学脉冲的持续时间。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

使所述测地仪器与所述测地目标和被配置为通过发射光学脉冲(132)来识别自身的第二测地目标(122)同步，以用于与所述第二测地目标发射所述光学脉冲不同时地捕获所述第一图像。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

使用布置在所述测地仪器处的所述至少一个成像设备捕获所述测地目标和所述第二测地目标的第三图像(154)；

使所述测地仪器与所述测地目标和所述第二测地目标同步，以用于与所述第二测地目标发射所述光学脉冲同时地而与所述测地目标发射所述光学脉冲不同时地捕获所述第三图像；

获取所述第三图像和与所述第二测地目标发射所述光学脉冲不同时地捕获的图像(150，152，156)之间的第二差值图像(162)；和

基于由所述第二测地目标发射的所述光学脉冲在所述第二差值图像中的位置(172)，确定从所述测地仪器到所述第二测地目标的方向。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使所述测地仪器与所述测地目标同步包括：

建立所述测地仪器和所述测地目标共同的时间基准；和

获取关于一组非重叠时隙的分配的信息，所述一组非重叠时隙至少包括第一时隙(180)和第二时隙(182)，

其中所述光学脉冲由所述测地目标在所述第一时隙内发射，并且

其中所述第一图像和所述第二图像由所述测地仪器分别在所述第一时隙和所述第二时隙内捕获。

21.根据权利要求18和20所述的方法，其中，使所述测地仪器与所述测地目标和所述第二测地目标同步包括：

建立所述测地仪器、所述测地目标和所述第二测地目标共同的时间基准；和

获取关于在所述一组非重叠时隙中第三时隙(184)的分配的信息，

其中所述光学脉冲由所述第二测地目标在所述第三时隙内发射。

22.根据权利要求19和21所述的方法，其中，所述测地目标和所述第二测地目标的所述第三图像由所述测地仪器在所述第三时隙内捕获。

23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

基于由所述测地目标发射的所述光学脉冲在所述差值图像中的位置，确定所述测地目标相对于所述测地仪器的位置。

24.一种测地仪器(110)，包括：

至少一个成像设备(112)，其被配置为至少捕获测地目标(120)的第一图像(150)和第二图像(152)，所述测地目标被配置为通过发射光学脉冲(130)来进行自身识别，和

处理单元(116)，其被配置为：

同步所述至少一个成像设备，以与所述测地目标发射所述光学脉冲同时地捕获所述第一图像，并且与所述测地目标发射所述光学脉冲不同时地捕获所述第二图像；

从所述至少一个成像设备接收所述第一图像和所述第二图像；

获取所述第一图像和所述第二图像之间的差值图像(160)，以及

基于由所述测地目标发射的所述光学脉冲在所述差值图像中的位置(170)，确定从所述测地仪器到所述测地目标的方向。

25.根据权利要求24所述的测地仪器，还包括接收器，所述接收器被配置为接收指示公共事件的信号，其中，所述处理单元被配置为基于接收到的指示所述公共事件的信号来同步所述至少一个成像设备。

26.根据权利要求25所述的测地仪器，其中，所述无线接收器是GNSS接收器。

27.根据权利要求24-26中任一项所述的测地仪器，其中，所述至少一个成像设备是数字照相机。

28.一种测地目标(120)，其被配置为通过发射光学脉冲(130)而向测地仪器(110)识别自身，所述测地目标包括：

光源(124)，其被配置为发射所述光学脉冲，以及

处理单元(126)，其被配置为使所述光源同步成与所述测地仪器捕获第一图像(150)同时地而与所述测地仪器捕获第二图像(152)不同时地发射所述至少一个光学脉冲。

29.根据权利要求28所述的测地目标，还包括接收器，所述接收器被配置为接收指示公共事件的信号，其中所述处理单元被配置为基于接收到的指示公共事件的信号来同步所述光源。

30.根据权利要求29所述的测地目标，其中，所述无线接收器是GNSS接收器。

31.一种大地测量系统(200)，其包括根据权利要求24-27中任一项所述的测地仪器(110)和至少一个根据权利要求28-30中任一项所述的测地目标(120)。

32.根据权利要求31所述的大地测量系统，其包括被配置为传输指示公共事件的信号的第三方设备，其中所述测地仪器和至少一个所述测地目标被配置为接收指示所述公共事件的所述信号，并且其中所述测地仪器的所述处理单元被配置为基于接收到的指示所述公共事件的信号来同步所述至少一个成像设备，并且其中所述测地目标的所述处理单元被配置为基于接收到的指示所述公共事件的信号来同步所述至少一个光源。