CN110986756B - 用于周围环境的三维几何采集的测量设备 - Google Patents

Abstract

具有多个传输通道和半导体光电倍增管传感器的周围环境几何3D扫描测量设备。本发明涉及一种借助于旋转收发器平台(4)和用于发射脉冲距离测量射束的多个传输通道来对周围环境进行三维几何采集的测量设备(1)，其中在不同情况下可利用每个传输通道扫描相对于与旋转轴(3)正交的参考平面的不同仰角(α)。此外，测量设备(1)包括具有半导体光电倍增管传感器(SPM)(15)的传感器布置的接收单元，其中SPM传感器(15)的数量小于传输通道的数量，并且发送单元和接收单元被配置为使得至少两个传输通道被分配给共同的SPM传感器(15)，该传感器被配置用于产生关于至少两个传输通道的距离测量数据。

Description

用于周围环境的三维几何采集的测量设备

技术领域

本发明涉及借助于多个传输通道对周围环境进行三维几何采集的测量设备。

背景技术

为了获取周围环境中的对象或表面，通常使用借助于距离测量射束(例如激光扫描器的定向脉冲激光束)进行扫描的方法。这里在不同情况下，通过借助于激光测得的到目标表面点的距离来获取表面点的空间位置，并且该测量与激光发射的角度信息相结合。例如，根据该距离信息和该角度信息，可以确定所获取的点的空间位置并测量表面。

典型的3D测量设备能够在表面上或沿着边缘引导距离测量仪器的距离测量射束，因此能够以预定的扫描或测量速率、逐渐地针对不同测量方向同时获取到相应测量点的方向和距离。在这种情况下，方向和距离与测量参考点(例如测量设备的位置或零点)有关，换言之，位于共同的参考系或坐标系中，因此，使得各个测量方向以及因此各个测量数据通过局部坐标系相互关联。根据各个点的距离测量值以及与其相关联的测量方向，随后可以根据多个扫描点产生所谓的3D点云，例如借助于集成或外部数据处理系统。

通常，与表面的这种纯几何采集并行地，通过相机另外执行图像记录，这不仅提供视觉整体视图而且提供例如关于表面纹理的进一步信息。

特别地，3D采集也可以在测量设备的空间移动期间执行，其中可以例如借助于全球卫星定位系统(GSNS，“全球导航卫星系统”)、借助于惯性测量系统(IMU，“惯性测量单元”)、和/或借助于同时位置确定与地图创建(SLAM，“同时定位与地图创建”)来获取测量设备的自身移动并且对其进行考虑。

3D扫描是一种在几分钟或几秒钟内产生数百万个单独的测量数据(特别是3D坐标)的非常有效的技术。典型的测量任务是，例如，在建筑领域、采矿或工业设施中记录对象或其表面；记录建筑物立面或历史建筑物；或者记录事故地点和犯罪现场。进一步的3D测量任务例如存在于周围环境的监控中，例如在用于工业制造设施的警告或监督系统的背景下或者在用于驾驶辅助系统的背景下。此外，3D扫描例如用于对移动经过测量设备的对象(例如人、车辆或工件)进行识别、分类或测量。

在电子或电光距离测量领域中已知各种原理和方法。一种方法包括在待测量的目标处发射脉冲电磁辐射(例如激光)并随后从作为后向散射对象的所述目标接收回波，其中可以例如基于脉冲的飞行时间、形状和/或相位确定到待测量目标的距离。与此同时，这种激光距离测量仪器在许多领域中作为标准解决方案获得了认可。

主要通过使用两种不同方法或其组合来检测后向散射脉冲或脉冲序列。

在所谓的阈值方法的情况下，如果入射在所使用的距离测量设备的检测器上的辐射的强度超过某个阈值，则检测到光脉冲。所述阈值防止来自背景的噪声和干扰信号被错误地检测为有用信号，即，检测为所发射的脉冲的后向散射光。

另一种方法基于后向散射脉冲的采样。该方法也可以被视为集成信号采集，其中通过采样获取整个信号信息和重要噪声信息，这带来测量精度的提高。通过以下过程检测发射信号：在该过程中对由检测器获取的辐射进行采样，在采样区域内识别信号，最后，按时间顺序确定信号的位置。通过使用与发射速率同步的接收信号的多个采样值和/或总和，即使在不利的情况下也可以识别出有用信号，使得可以应对甚至相对大的距离或嘈杂的背景场景或受干扰困扰的背景场景。

如今，通常借助于波形数字化(WFD)方法对由检测器获取的辐射的模拟信号的整个波形进行采样。在识别接收信号的关联传输信号的编码(ASK、FSK、PSK，也称为距离或间隔调制等)之后，例如借助于傅里叶变换或根据经采样、数字化和重建的信号的定义的轮廓点(例如拐点、曲线最大值)或者整体地借助于从时间内插已知的最佳滤波器，非常准确地确定信号飞行时间(“脉冲飞行时间”)。

举例来说，在对后向散射信号进行时间上非常精确的采样的方法中，由检测器产生的电信号借助于模数转换器(ADC)被转换成数字信号序列。随后通常进一步实时处理该数字信号。在第一步骤中，所述信号序列被解码(ASK、FSK、PSK等)，即，由特定数字滤波器识别，最后，确定描述信号序列内的时间间隔的签名的位置。时间分辨签名的示例是质心、正弦余弦变换、其功能或者例如具有从脉冲形状得到的权重系数集的幅度归一化FIR滤波器(“有限脉冲响应滤波器”)。为了消除可能的距离漂移，还将对应的时间分辨签名与内部开始信号进行比较。为了避免不可逆的采样误差，应用了本领域技术人员已知的附加数字信号变换。

一种最简单类型的调制是通过距离编码识别单个脉冲或脉冲序列，如例如EP 1832 897 B1中所述。这用于例如可重新识别的目的。如果出现模糊性(ambiguity)，则这种重新识别是必要的，该模糊性可能是在脉冲的飞行时间测量期间由各种情况引起的，例如，如果在勘测设备与目标对象之间存在多于一个脉冲或一组脉冲。特别有利的是多射束系统中的脉冲编码，该多射束系统包括多个联合发射的激光束和分配的接收传感器。

多射束测量设备具有各种优点，例如，即使收发器单元(例如旋转射束偏转镜或旋转收发器平台)的旋转速度较慢，也可以实现较高的点速率或较高的点密度。然而，联合发射的激光束的各个部分射束必须分别与分配的接收区域对准。

此外，举例来说，干扰串扰可以发生在各个接收射束之间，其中分配给第一射束的特定接收区域检测到在第一射束附近发射的第二射束的光。结果，距离测量准确度受到限制，其中特别是甚至可能产生错误的测量值或者必须删除用于3D测量的各个测量点。

为了减少或避免串扰，已知各种措施，例如降低扫描密度、射束掩蔽，例如通过使用LCD或复杂的光学装置以便精确地对准多个发射器-检测器配对。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于周围环境的三维几何采集的多射束测量设备，利用该设备避免现有技术中已知的缺点，特别是其中测量设备的复杂度降低，但是尽管如此仍然可以进行具有高点密度的快速且精确的测量。

本发明的另一个具体目的是增加多射束系统的范围。

本发明涉及一种用于周围环境的三维几何采集的测量设备，其包括：底座；收发器平台，其可绕旋转轴相对于底座旋转，该收发器平台被配置用于使射束出射区域和射束入射区域绕旋转轴旋转；以及测角仪，其用于获取关于收发器平台绕旋转轴的角度取向的角度数据。

测角仪例如可以实施为用于递增地确定角度变化的角度编码器。此外，测角仪可以被配置为例如借助于开关精确地检测仅特定的角度位置，并且基于已知的旋转速度和已知的时间曲线和脉冲速率来计算或内插中间角。

该测量设备具有发送单元，该发送单元具有用于经由射束出射区域发射脉冲距离测量射束的多个n个传输通道，其中，在不同情况下，可以利用传输通道中的每一个来扫描相对于与旋转轴正交的参考平面的不同仰角。

对于收发器平台的方位角设置，传输通道因此限定(至少相对于它们的仰角)不同的射束或扫描方向，其中这里的传输通道可以具有相对于收发器平台的固定布置，即，其中例如在不同情况下，经由收发器平台的分程光通道产生多个距离测量射束。然而，另选地，也可以以这样的方式产生至少一部分传输通道：例如借助于可通过偏转元件改变的可共同使用的距离测量射束来产生不同的传输通道/扫描方向。

此外，测量设备包括接收单元和计算单元，其中接收单元被配置用于获取经由射束入射区域返回的脉冲距离测量射束并且用于产生关于多个传输通道的距离测量数据，计算单元被配置用于基于角度数据、距离测量数据和指示多个传输通道的布置的布置信息来得到三维点云。

优选地，射束出射区域和射束入射区域双轴地实现，其中垂直于n个传输通道的扇形实现双轴偏移，例如其中n个传输通道限定垂直扇形平面。

脉冲距离测量射束和距离测量数据被配置用于根据脉冲飞行原理进行距离测量，其中测量设备可以被配置为特别地基于脉冲的形状和/或相位来确定飞行时间，特别是借助于WFD方法。

布置信息使得可以得出关于同时激活的传输通道的共同参考系的结论，使得各个测量方向以及因此各个距离测量值借助于传输通道的各个距离测量射束通过局部坐标系彼此关联。

根据本发明，接收单元包括m个半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)的传感器布置，其中半导体光电倍增管传感器中的每一个在不同情况下包括多个微单元，这些微单元在不同情况下基于内部增益机制并且在Geiger模式下操作，并且相应的半导体光电倍增管传感器的微单元的输出值在不同情况下产生共同的输出信号。

结果，可以实现传输通道数量与针对各个传输通道的接收区域之间的基本独立。特别地，不需要各个传输通道与专门分配的接收区域的复杂对准。仅需要以这样的方式实现对准：同时活动的不同传输通道的距离测量射束分别成像到不同的SPM传感器上。

因此，根据本发明，m小于n，并且发送单元和接收单元被配置为使得多个传输通道中的至少两个传输通道被分配给传感器布置的共同的半导体光电倍增管传感器，该传感器被配置用于产生关于至少两个传输通道的距离测量数据。

在可见光和近红外光谱范围内具有光敏性的所谓的半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)，也称为SiPM(硅光电倍增管)，通常在芯片上布置为矩阵结构。在可见光和近紫外光谱范围内，SiPM逐渐取代迄今使用的光电倍增管，SiPM具有高光谱灵敏度，特别是在可见光波长范围内。在现有技术中，例如，可以获得对到远超过900nm波长的近红外范围灵敏的SiPM。也可获得波长介于800nm与1800nm之间的商业SPM传感器。这些传感器主要由半导体材料InGaAs构成。取决于设计，这些传感器也在光敏区域上具有外部或内部矩阵结构。

这些SPM传感器的特殊之处在于它们具有非常高的光敏性，这就是迄今为止它们在光信号非常弱的情况下使用的原因，这种情况下只有1到50个光子照射在传感器上。例如，与传统的PIN二极管和雪崩光电二极管(APD)相比，这种更高的光敏性使得距离测量仪器的范围显著增加。

此外，SPM传感器以低电压操作，具有高增益和高光子检测效率，并且尽管各个像素的检测面积大，但在GHz范围内具有非常高的电子带宽。这使得能够以高时间分辨率进行精确的距离测量。

SPM传感器由数百、数千到超过数万个微单元组成，因此能够同时接收具有数千或数十万个光子的脉冲。通常，SPM传感器在过载模式(Geiger模式)下操作，并且尽管内部数字架构，仍产生与模拟传感器相当的信号响应。当微单元响应时，它产生单独的离散(“数字”)电压脉冲，其中由于多个微单元均产生共同的离散电压脉冲而产生“模拟”行为。

一旦微单元被光脉冲触发，它就有一定的死区时间(“恢复时间”)，在该时间中不能再触发它。例如，该时间对应于光脉冲宽度的倍数。换言之，如果微单元已经被触发，则不再能够通过进一步照射同一光激励脉冲的光子来触发该微单元。已经被激发的微单元的数量越多，可以被光激励脉冲的光子激发的剩余微单元的数量就越少。由此产生的特性对应于负指数特性曲线，即，动态范围的固有减小，并且与传统的雪崩光电二极管(PIN、APD)相比提供了巨大的优势，传统的雪崩光电二极管一旦过载(override)就会突然变为很难控制的非线性行为。

此外，举例来说，由于许多微单元并联连接以形成微单元域，因此即使在背景太阳光的情况下，仍然有足够的自由单元用于信号光子。

SPM传感器通常作为多个单独SPM传感器的布置使用，各个SPM传感器包括多个微单元(所谓的SPM阵列)，其中在不同情况下，相应SPM传感器的微单元组合在单个共同输出中。

特别地，SPM传感器提供的优点是，例如，可以由此实现具有大的光活性区域的大面积传感器。由于光敏区域小，这种大面积传感器很难或者根本不能利用APD实现。

根据一个实施方式，接收单元还包括k个可分离距离测量通道，其中k小于或等于m，并且传感器布置的半导体光电倍增管传感器中的每一个在不同情况下可分配给k个可分离距离测量通道之一。在这种情况下，k个可分离距离测量通道中的每一个被配置用于产生关于分配给它的传感器布置的半导体光电倍增管传感器的距离测量数据。

因此，各个传输通道因此可以例如快速连续地或者同时成组地激活，例如以便借助于传输通道组的发射来实现增加的点速率和增加的点密度。

因此，在另一实施方式中，发送单元被配置为激活多个传输通道中的一组k个可同时激活的传输通道作为第一传输通道组，其中发送单元和接收单元被配置为使得第一传输通道组、传感器布置和可分离距离测量通道可以以彼此协调的方式激活，使得可同时获取传感器布置关于第一传输通道组的k个传输通道的输出信号。

举例来说，接收单元包括通道选择器(特别是多路器)、数据存储器和距离测量单元，其中通道选择器被配置用于选择传感器布置中的一组半导体光电倍增管传感器并用于将该组半导体光电倍增管传感器的输出信号转发到数据存储器。数据存储器被配置用于存储关于该组半导体光电倍增管传感器的输出信号的数据，距离测量单元被配置用于并行和/或顺序产生关于该组半导体光电倍增管传感器中的至少一部分半导体光电倍增管传感器的距离测量数据。

在另一实施方式中，发送单元被配置为激活多个传输通道，使得产生一系列传输间隔，特别地，各个传输间隔具有相同长度，其中在相应的传输间隔期间，第一传输通道组被激活，并且多个传输通道中的至少另一组同时激活的传输通道作为第二传输通道组被激活，其中第一和第二传输通道组在相应的传输间隔中在时间上连续激活，第二传输通道组被配置为扫描由第一传输通道组扫描的仰角的中间仰角，并且发送单元和接收单元被配置成使得第二传输通道组、传感器布置和可分离距离测量通道可以彼此协调的方式激活，使得可同时获取传感器布置关于第二传输通道组的传输通道的输出信号。

此外，测量设备也可以被配置成使得也可以并行地实现时间采集。因此，根据另一实施方式，接收单元包括时间采集单元，该时间采集单元具有以下装置中的至少一者：多通道波前数字转换器(WFD)、下游连接有时间-延迟转换器(TDC)的多通道阈值鉴别器单元、以及编写有多通道时间采集逻辑的现场可编程门阵列(FPGA)。

借助于适当选择SPM传感器与传输通道的数量之比，可以调整信噪比，例如，通过将在传输间隔期间发射的距离测量射束成像到适合于射束尺寸的SPM传感器上。

举例来说，传感器布置包括至少k的两倍(特别是至少k的三倍)个半导体光电倍增管传感器，其中接收单元被配置成使得至少k的两倍(或k的三倍)个半导体光电倍增管传感器中的每一个在不同情况下可分配给可分离距离测量通道之一。

例如，为了降低确定点云的计算复杂度，如果传输间隔的持续时间短于连续传输间隔之间的时间差，则可能是有利的。因此，根据另一实施方式，发送单元被配置为以这样的方式产生一系列传输间隔：传输间隔与一系列传输间隔的连续传输间隔之间的时间差之比小于0.5。

为了产生多个传输通道，传输通道包括例如以下部件中的至少一者：激光二极管(例如脉冲激光二极管)、条形激光器和激光棒，特别地，其中发送单元包括光纤束并且该部件的激光辐射耦合到光纤束中。

激光束源可以例如在载体上多层布置(“堆叠”)或在激光芯片中多层布置(“多结”或“微堆叠”)，和/或作为激光器阵列布置，例如以便增加功率。激光器阵列(激光棒)是基板/晶片上的多个单独激光二极管的有效且经济的布置，这例如在光学单元的小结构尺寸方面具有优势。而且，由此可以实现例如距离测量射束之间的较小角度，并因此实现较高的扫描密度。

在另一个示例中，借助于与沿条形激光器的纵轴布置的光纤束的组合，可以直接从条形激光器和多个光纤产生多个单独的射束，其中例如光纤的纤维端布置在具有合适间距的多孔板中，以便利用一个或更多个透镜元件实现所需的角度偏移。

根据另一实施方式，用于产生多个传输通道的传输通道包括第一激光束源和光学分束器，其中激光束源被配置用于产生第一脉冲激光束并且光学分束器被配置用于将第一脉冲激光束分成多个脉冲部分射束。因此，传输通道被配置用于基于脉冲激光束的多个脉冲部分射束(距离测量射束)来产生多个传输通道。

举例来说，光学分束器包括Dammann光栅、光纤分路器、全息元件和/或衍射光学元件。

特别地，光学分束器能够被选择性地切换进入，其中例如借助于单独的激光束源产生粗略扫描图案，并且由于分束器被枢转移入(pivot in)，因此该粗略扫描图案被分成更精细的精细扫描图案，与粗略扫描图案相比其具有更高的扫描密度/点密度，也就是说能够实现更高的空间测量分辨率。举例来说，由于分束器被枢转移出(pivot out)，因此各个传输通道的距离测量射束的强度以及因此测量范围可以以空间分辨率为代价而增加。

因此，根据另一实施方式，传输通道被配置用于产生提供第一扫描密度的第一激光束布置，其中发送单元包括分束器单元，特别是在引言中描述的光学分束器，该分束器单元被配置用于将第一激光束布置分成第二激光束布置，其中第二激光束布置提供比第一激光束布置更高的扫描密度。此外，发送单元被配置用于将分束器单元耦合进出发送单元的射束路径，例如在射束出射区域的水平处，以用于基于第一激光束布置产生多个传输通道作为粗略扫描图案，以及用于基于第二激光束布置产生多个传输通道作为精细扫描图案。

根据另一实施方式，发送单元被配置成使得激光束在光学分束器上的入射角和/或照射点是可设置的，并且基于激光束的入射角和/或照射点的不同设置产生多个传输通道。

举例来说，第一和/或第二激光束的射束偏转可以通过插入的光学元件(例如透镜、准直器、反射镜(例如MEMS)和/或反射或透射棱镜)被移动而实现。此外，射束偏转也可以通过激光束被平移或旋转地移动而实现。

另选地，可以例如借助于载体的弯曲产生多个传输通道。例如，为此目的，发送单元包括被配置用于呈现至少两个不同弯曲状态的载体，以及多个激光束源的布置，每个激光束源限定激光束轴，所述布置布置在载体上。此外，发送单元被配置为根据至少两个不同的弯曲状态来设置激光束源的布置的激光束轴的方向，使得基于载体的弯曲状态不同的设置产生多个传输通道。举例来说，激光束源直接产生扇形基本射束图案的距离测量射束，其中距离测量射束之间的角度根据载体的弯曲状态而增大或减小。

此外，测量设备可以被配置用于机械地或光学地产生由距离测量射束形成的单独射束图案的不同传播方向。

作为示例，在另一实施方式中，发送单元包括偏转单元，该偏转单元被配置用于设置射束图案的至少一部分的传播方向，其中发送单元被配置用于基于射束图案的至少一部分的传播方向的不同设置来生成多个传输通道。

在另一变型中，收发器平台的至少一部分可相对于旋转轴以一定倾角倾斜，并且基于不同设定的倾角产生多个传输通道，特别地，其中通过不同设定的倾角产生测量设备的仰视视场的延伸。

附图说明

下面基于附图中示意性示出的示例性实施方式，仅通过示例的方式更详细地描述根据本发明的测量设备和本发明的各个方面。在附图中，相同的要素由相同的附图标记标识。所描述的实施方式通常未按比例的方式示出，也不应将其理解为限制。

具体地，在附图中：

图1示出了本发明的测量设备的示例性基本结构的外部视图；

图2a、图2b以侧视图和俯视图示出了本发明的测量设备的示例性基本结构的内部视图；

图3示出了检测器处的激光光斑尺寸与测量距离的相关性，这导致同时激活的传输通道之间的距离相关的串扰；

图4示出了接收单元的一个实施方式，其包括用于同时测量多个距离测量射束的多个接收信号的多通道使能距离测量单元；

图5示出了三个传输通道组的示意图。

图6示出了作为传输时间的函数的、在传输间隔中激活的传输通道组的示意图。

图7示出了由多个SPM传感器构成的传感器区域以及传感器区域上的、在发送器间隔中发射的距离测量射束的距离测量射束按时间的照射图案的示意图。

图8示出了激光器阵列的示意图。

图9示出了商业激光器单元的示意图。

具体实施方式

图1、图2a和图2b分别示出了本发明的测量设备1的示例性基本结构的外部视图、内部侧视图和内部俯视图，该测量设备1具有底座2以及以可绕旋转轴3相对于底座旋转的方式布置在底座处的收发器平台4。在这种情况下，收发器平台4被保护壳体5包围，该保护壳体5固定到底座2并且具有圆周的辐射透射窗口6。

另选地，保护壳体5例如也可以被配置为与收发器平台4一起旋转，以便例如使辐射透射窗口6最小化，例如以与收发器平台4的射束出射区域7和射束入射区域8协调的方式。

特别地，保护壳体例如是防尘和/或防水的(IP65)，其中测量设备被配置成使得发射和接收射束的射束偏转得到补偿。

测量设备1被配置用于产生多个用于发射脉冲距离测量射束的传输通道，其中不同的仰角可通过不同的传输通道扫描。在这种情况下，仰角指的是相对于与旋转轴3正交的参考平面的角度。给定旋转轴3的精确垂直取向，如图2a所示，仰角因此对应于地面以上的高度，例如，在特定距离处。然而，显然，测量设备1可以相对于地面以任何期望的取向布置。举例来说，在旋转轴3的水平取向的情况下，仰角对应于相对于垂直平面的水平射束方向角。

如图2a所示，通过测量设备的示例性水平布置以及因此旋转轴3的垂直取向，多个传输通道因此限定了由距离测量射束组成的扇形9(位于垂直平面中)，所述扇形绕旋转轴3旋转。

结果，在扇形9绕旋转轴3旋转时，可以扫描例如圆周的视场(扫描区域的范围)，例如360°×25°，或者借助于方位角枢转移动(所谓的“扫描模式”)扫描部分视场，例如80°×25°。此外，垂直视场可以例如通过使收发器平台4相对于旋转轴3倾斜来延伸至例如360°×40°。

举例来说，多个传输通道借助于垂直间隔开的多个激光发射器来表示，例如借助于如图8和图9所示的激光器阵列，其中例如发送器孔径7和接收器孔径8(如图2a、图2b所示)以水平间隔开的方式布置。

回到不同传输通道的距离测量射束，由接收器孔径8获取的所述距离测量射束例如经由透镜系统和光学偏转装置10被引导至半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)的传感器布置11上，所述传感器布置被配置用于距离测量，其中借助于接收电子装置(未示出)产生关于多个传输通道的距离测量数据。

此外，收发器平台4还包括例如计算单元12，该计算单元12被配置用于基于关于收发器平台4绕旋转轴3的角度取向的角度数据、距离测量数据以及指示多个传输通道的布置的布置信息来得到三维点云。另选地，计算单元也可以以静态方式布置，例如布置在底座2中。

图3通过示例的方式示出了同时激活的传输通道之间的距离相关串扰的问题，特别是针对短测量距离。

该图再次参考如图2a和图2b所示的测量设备1的示例性水平布置，其中y方向对应于旋转轴3的(垂直)方向。该例示在此示出在不同情况下沿y方向的、作为测量距离d的函数的、以垂直偏移同时发射的两个距离测量射束13A、13B的成像的垂直光斑范围，以及传感器区域的单独检测区域(像素)的垂直宽度H(“高度”)。

首先，由于激光发射器的垂直偏移，不同传输通道的距离测量射束相对于接收器轴在垂直方向上双轴地布置，这是难以防止的，并且尤其是在短距离的情况下，这可能导致激光光斑在传感器区域上的距离相关的垂直位移增大，即，在分配给最近的相邻传输通道的检测区域的方向上。此外，由于散焦，在传感器区域上成像的激光光斑的尺寸通常随着距离变短而增大。

因此，在距离较短的情况下，(垂直)激光光斑范围超过传感器区域的垂直像素尺寸H，其中，在距离小于最小距离D_min的情况下，两个同时活动通道之间发生串扰，即，其中实际分配给检测区域的通道的距离测量具有来自另一通道的辐射，因此受到干扰。

因此，根据本发明，扫描不同仰角的传输通道在时间上连续地被激活，使得例如同时发射的各个距离测量射束之间的角距可以被选择为足够大，以避免接收器端处的串扰。

此外，在接收器端使用半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)的传感器布置11，该传感器使得具有高时间分辨率的距离测量成为可能。此外，SPM传感器提供的优点是，例如，由此可以实现具有大的光活性区域和高频带宽(高达几GHz)的大面积传感器。

参考如图2a所示的测量设备的示例性水平布置，传感器布置11包括例如一个在另一个上方垂直布置的多个半导体光电倍增管传感器，其中在不同情况下同一半导体光电倍增管传感器的微单元的输出值产生共同的输出信号。

结果，例如可以实现传输通道的数量与接收通道(SPM传感器)的数量之间的基本独立。特别地，不需要各个传输通道与专门分配的接收区域的复杂对准。仅需要以这样的方式实现对准：不同传输通道的同时发射的距离测量射束分别被成像到传感器布置11的不同SPM传感器上。换言之：凭借具有高时间分辨率的大面积SPM传感器，SPM传感器的数量可以小于传输通道的数量，然而，其中可以保持高扫描速率，并且在收发器平台4的旋转期间可以借助于多个传输通道实现重复扫描。

图4示意性地示出了本发明的测量设备的接收单元的一个实施方式，其中接收单元包括多通道使能距离测量单元14，用于同时测量多个距离测量射束的多个接收信号。

举例来说，传感器布置包括以1D阵列布置的八个半导体光电倍增管传感器(像素)15，并且多通道使能距离测量单元14包括四个可分离距离测量通道。此外，接收单元包括布置在传感器布置与距离测量单元之间的通道选择器16，例如，多路器。

通道选择器16可以将八个SPM传感器15中的每一个分别分配给多通道使能距离测量单元14的四个距离测量通道之一，其中通道选择器16在不同情况下选择四个待激活的SPM传感器17，并且在不同情况下将其模拟信号转发到四个可分离接收通道之一，这些可分离接收通道例如经由信号转换器连接到FPGA(“现场可编程门阵列”)。作为时间测量电路，使用所谓的“时间-延迟转换器”(TDC)，其被编程到FPGA中并且例如基于具有一系列信号存储器的延迟线(抽头延迟线)的原理构造。例如，也可以使用4通道模数转换器代替FPGA，该4通道模数转换器将信号分别转发到四个可分离距离测量电路。在这种情况下可以使用波形数字化(WFD)方法。

特别地，多通道使能距离测量单元14可以用于利用分配的距离测量电路在可分离接收通道上同时接收同时发射的距离测量射束，即，在如图5至图7所示的本发明的测量设备的另一实施方式中，不同的传输通道组(在不同情况下包括同时激活的传输通道)在不同情况下在时间上连续地被激活。

图5示意性地示出了三个传输通道组18A、18B、18C，它们在不同的时间点被激活，为了简单起见，这里在同一附图中以一个在另一个上方的方式例示了所述传输通道组。

举例来说，传输通道组18A、18B、18C在不同情况下借助于单独的激光束源产生。这里的激光束源产生单独的激光束19A、19B、19C，它们在不同情况下以不同的角度(并且根据实施方式具有不同的照射点)照射在Dammann光栅20上，使得各个激光束19A、19B、19C在不同情况下分成多个距离测量射束21。传输通道组18A、18B、18C的距离测量射束例如具有1°的中间角，因此一组包括7°的角度范围，其中，传输通道组18A、18B、18C在不同情况下相对于彼此分别枢转0.33°或0.66°的角度。结果，扫描场仅略微变大，即7.66°，但是待扫描的对象被更密集地扫描三次。

图6示意性地示出了一种变型，其中在时间上连续发射的传输通道组被配置为在不同情况下扫描由先前激活的传输通道组扫描的仰角的中间仰角。在这方面，例如借助于十个激光束源和八倍Dammann光栅20可以产生在不同情况下具有不同定向的距离测量射束21的十个单独的传输通道组，结果是发射了扫描不同仰角的总共八十个距离测量射束21。

这里的十个激光束源在不同情况下快速连续地被激活，结果在传输间隔T_S内产生八十个距离测量射束21，其中传输通道以使得每次收发器平台4(图2a)绕旋转轴3旋转产生多个传输间隔T_S的重复率被激活。

举例来说，测量设备被配置成使得收发器平台以25Hz旋转，也就是说绕旋转轴3的一整圈(360°)花费40msec。假设在该360°旋转的情况下在水平面中布置了2000个点，则仍然保留40ms/2000＝20μsec用于在扇形中产生垂直点序列。如果该扇形包括80个点，则每个测量点的平均时间＝250nsec。

该图示意性地示出了作为传输时间t和仰角α的函数的、三个依次的传输间隔T_S的距离测量射束21。

根据该实施方式，传输通道组因此在不同情况下产生相同的扫描图案，该扫描图案在相应的传输间隔内在相同的方向上(这里例如“向上”)连续地移位。

此外，这里，传输间隔T_S比各个传输间隔T_S之间的时间差ΔT短。结果，作为示例，可以通过相对于传输间隔T_S的平均传输时间在不同情况下评估同一传输间隔T_S的传输通道来降低确定点云的计算复杂度。

图7示意性地示出了传感器区域上的距离测量射束21的按时间的照射图案(对应于图6)，该传感器区域包括多个半导体光电倍增管传感器(SPM传感器)15的布置。该图示出了十个不同的接收时间t₁-t₁₀，其分别对应于在传输间隔中发射的十个传输通道组(各包括八个同时活动的传输通道)。

举例来说，传感器区域包括串在一起的二十四个SPM传感器15，其中每个SPM传感器15在不同情况下包括连接到共同信号输出的数千个微单元。然而，为了简单起见，该图仅例示了二十四个SPM传感器中的十二个，其中对应于传输通道组的各个扫描图案随着各个时间步长从底部到顶部迁移。

因此，借助于不同的SPM传感器15在不同情况下获取不同传输通道组的距离测量射束21，其中，与传输通道组的相应的八个同时活动的传输通道相比，由于三倍数量的SPM传感器15，可以提供大面积传感器区域，但不会损害与传感器区域成比例的信噪比。

为了节省存储器空间，例如，在例如在内部记录的情况下的短距离的情况下，测量设备还可以被配置为使得在不同情况下在各个传输间隔中并非所有传输通道组被激活。

图8示意性地示出了激光器阵列(激光棒27)的三个不同空间视图A、B、C，该激光器阵列包括具有对应的连接器22的九个激光二极管以及绝缘体基板23。举例来说，这里每个激光二极管具有一个在另一个上方堆叠的三个有源发射区(emission zone)。脉冲激光二极管的发射区的宽度通常在75μm与350μm之间。为了保持射束发散小，优选使用尽可能窄的发射区，例如75μm。可选地，举例来说，进一步将圆柱形棒透镜定位在发射条(emissionstrip)附近，首先是为了减小横向发射角，其次是为了使射束轮廓对称。

图9示出了商业激光器单元的各种视图，该激光器单元由具有微堆叠发射区的四个激光二极管24的阵列和壳体25组成，其中激光器阵列的发射侧26在图中进一步示出。

显然，这些例示的附图仅示意性地例示了可能的示例性实施方式。各种方法还可以相互组合，以及与现有技术的方法相结合。

Claims (19)

1.一种用于周围环境的三维几何采集的测量设备（1），该测量设备（1）包括：

· 底座（2），

· 收发器平台（4），所述收发器平台（4）能够相对于所述底座（2）绕旋转轴（3）旋转，并且被配置用于使射束出射区域（7）和射束入射区域（8）绕所述旋转轴（3）旋转，

· 测角仪，所述测角仪用于获取关于所述收发器平台（4）绕所述旋转轴的角度取向的角度数据，

· 发送单元，所述发送单元具有用于经由所述射束出射区域（7）发射脉冲距离测量射束（21）的n个传输通道，其中，在不同情况下能够利用所述传输通道中的每一个来扫描相对于与所述旋转轴（3）正交的参考平面的不同仰角（α），

· 接收单元，所述接收单元被配置用于获取经由所述射束入射区域（8）返回的脉冲距离测量射束，并且产生关于多个传输通道的距离测量数据，以及

· 计算单元，所述计算单元被配置用于基于所述角度数据、所述距离测量数据以及表示所述多个传输通道的布置的布置信息来得到三维点云，

其特征在于，

· 所述接收单元包括m个半导体光电倍增管传感器（15）的传感器布置（11），其中，所述半导体光电倍增管传感器（15）中的每一个在不同情况下包括多个微单元，所述微单元在不同情况下基于内部增益机制并且在Geiger模式下操作，并且各半导体光电倍增管传感器（15）的微单元的输出值在不同情况下产生共同的输出信号，

· 其中，m小于n，

· 所述发送单元和所述接收单元被配置成使得所述传输通道中的至少两个传输通道被分配给所述传感器布置（11）的共同的半导体光电倍增管传感器（15），该传感器被配置用于产生关于所述至少两个传输通道的距离测量数据，并且

· 所述接收单元包括k个可分离距离测量通道，其中，k小于或等于m，

· 所述传感器布置（11）的所述半导体光电倍增管传感器（15）中的每一个在不同情况下能够分配给所述k个可分离距离测量通道中的一个，并且

· 所述k个可分离距离测量通道中的每一个被配置用于产生关于分配给它的传感器布置（11）的半导体光电倍增管传感器（15）的距离测量数据。

2.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

· 所述发送单元被配置成激活所述多个传输通道中的一组同时激活的k个传输通道作为第一传输通道组，并且

· 所述发送单元和所述接收单元被配置成使得所述第一传输通道组、所述传感器布置（11）和所述可分离距离测量通道能够以彼此协调的方式激活，使得能够同时获取所述传感器布置（11）关于所述第一传输通道组的所述k个传输通道的输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述接收单元包括通道选择器（16）、数据存储器和距离测量单元，其中，

· 所述通道选择器被配置用于选择所述传感器布置（11）中的一组半导体光电倍增管传感器（15），并且将该组半导体光电倍增管传感器（15）的输出信号转发到所述数据存储器，

· 所述数据存储器被配置用于存储关于所述一组半导体光电倍增管传感器（15）的所述输出信号的数据，并且

· 所述距离测量单元被配置用于并行和/或顺序产生关于所述一组半导体光电倍增管传感器（15）中的至少一部分半导体光电倍增管传感器（15）的距离测量数据。

4.根据权利要求3所述的测量设备（1），其特征在于，所述通道选择器（16）是多路器。

5.根据权利要求2所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述发送单元被配置成激活所述多个传输通道，使得产生一系列传输间隔（T_S），其中，在各传输间隔（T_S）期间，

· 所述第一传输通道组被激活，

· 所述多个传输通道中的至少另一组同时激活的传输通道作为第二传输通道组被激活，

其中，

· 所述第一传输通道组和所述第二传输通道组在各传输间隔（T_S）中在时间上连续地被激活，

· 所述第二传输通道组被配置成扫描由所述第一传输通道组扫描的仰角的中间仰角，并且

· 所述发送单元和所述接收单元被配置成使得所述第二传输通道组、所述传感器布置（11）和所述可分离距离测量通道能够以彼此协调的方式激活，使得能够同时获取所述传感器布置（11）关于所述第二传输通道组的传输通道的输出信号。

6.根据权利要求5所述的测量设备（1），其特征在于，各个传输间隔具有相同长度。

7.根据权利要求5所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述发送单元被配置成以如下方式产生所述一系列传输间隔（T_S）：所述传输间隔（T_S）与所述一系列传输间隔的连续传输间隔（T_S）之间的时间差（ΔT）的比值小于0.5。

8.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述传感器布置（11）包括至少k的两倍个半导体光电倍增管传感器（15），其中，所述接收单元被配置成使得所述至少k的两倍个半导体光电倍增管传感器（15）中的每一个在不同情况下能够分配给所述可分离距离测量通道中的一个。

9.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述传感器布置（11）包括至少k的三倍个半导体光电倍增管传感器（15），其中，所述接收单元被配置成使得所述至少k的三倍个半导体光电倍增管传感器（15）中的每一个在不同情况下能够分配给所述可分离距离测量通道中的一个。

10.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述发送单元包括：

· 至少一个激光束源，所述至少一个激光束源被配置用于产生脉冲激光束（19A，19B，19C），以及

· 光学分束器（20），所述光学分束器（20）被配置用于将所述脉冲激光束（19A，19B，19C）分成多个脉冲部分射束（21），

其中，所述发送单元被配置用于基于所述脉冲激光束（19A，19B，19C）的所述多个脉冲部分射束（21）来产生所述多个传输通道。

11.根据权利要求10所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述光学分束器包括以下中的至少一者：

· Dammann光栅（20），

· 光纤分路器，

· 全息元件，以及

· 衍射光学元件。

12.根据权利要求10或11所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述发送单元被配置成使得

· 所述激光束（19A，19B，19C）在所述光学分束器（20）上的入射角和/或照射点是可设置的，并且

· 所述多个传输通道是基于所述激光束（19A，19B，19C）的所述入射角和/或照射点的不同设置而产生的。

13.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

用于产生所述多个传输通道的所述发送单元包括以下部件中的至少一者：

· 激光二极管，

· 条形激光器，以及

· 激光棒（27），

其中，所述发送单元包括光纤束，并且所述部件的激光辐射被耦合到光纤束中。

14.根据权利要求13所述的测量设备（1），其特征在于，所述激光二极管是脉冲激光二极管。

15.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述发送单元被配置用于产生提供第一扫描密度的第一激光束布置，其中，所述发送单元包括分束器单元（20），所述分束器单元（20）被配置用于将所述第一激光束布置分成第二激光束布置，其中，所述第二激光束布置提供比所述第一激光束布置更高的扫描密度，其中，所述发送单元被配置用于

· 耦合所述分束器单元使其进入所述发送单元的射束路径中以及从所述发送单元的射束路径中出来，

· 基于所述第一激光束布置产生所述多个传输通道作为粗略扫描图案，并且

· 基于所述第二激光束布置产生所述多个传输通道作为精细扫描图案。

16.根据权利要求15所述的测量设备（1），其特征在于，所述分束器单元（20）是光学分束器。

17.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

· 所述发送单元被配置用于产生由距离测量射束（21）形成的射束图案，

· 所述发送单元包括偏转单元，该偏转单元被配置用于设置所述射束图案的至少一部分的传播方向，并且

· 所述发送单元被配置用于基于所述射束图案的所述至少一部分的传播方向的不同设置来产生所述多个传输通道。

18.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述测量设备被配置成使得

· 所述收发器平台（4）的至少一部分能够相对于所述旋转轴（3）以倾角倾斜，并且

· 基于不同设定的倾角产生所述多个传输通道，其中，通过所述不同设定的倾角产生所述测量设备的仰角视场的延伸。

19.根据权利要求1所述的测量设备（1），

其特征在于，

所述接收单元包括时间采集单元，该时间采集单元具有以下布置中的至少一者：

· 多通道波前数字转换器，

· 多通道阈值鉴别器单元，其下游连接有时间-延迟转换器，以及

· 现场可编程门阵列，其中编写有多通道时间采集逻辑。

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