DE4332153A1

DE4332153A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung, insbesondere zur räumlichen Vermessung von Objekten

Info

Publication number: DE4332153A1
Application number: DE4332153A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Apel; Hartmut Dipl Phys Dr Rer Lucht
Original assignee: LASER LABOR ADLERSHOF GmbH
Current assignee: LASER LABOR ADLERSHOF GmbH
Priority date: 1993-09-18
Filing date: 1993-09-18
Publication date: 1995-03-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die räumliche Vermessung im Bauwesen erfolgt zur Zeit durch manuelle Messungen mittels Theodoliten und durch zusätzli che Entfernungsmessungen. So sind aus der DE-OS 38 27 458 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Raum koordinaten eines beliebigen Meßpunktes bekannt. Dazu wird am Meßpunkt oder in dessen Nähe ein Reflektor angebracht, der der Distanzmessung mit Hilfe eines Lichtstrahls, vor zugsweise eines Laserstrahles, dient. Die gemessene Distanz wird zusammen mit den von einem Theodoliten ermittelten Ho rizontal- und Vertikalkreiswerten digitalisiert und in Koor dinaten umgerechnet.

Der Nachteil hierbei besteht darin, daß ein Reflektor erforderlich ist. Dieser muß für jeden zu ermittelnden Punkt manuell neu positioniert werden. Das erfordert für die Vermessung eines größeren Objektes, wie z. B. eines Hauses, einen erheblichen zeitlichen Aufwand und ist an vielen Meßobjekten, z. B. an Häuserfassaden, nur schwer realisierbar.

Aufwendige optische Verfahren, wie das Scanningverfahren oder bei denen dem Objekt Lichtmuster aufgeprägt werden, sind sowohl wegen des störenden Fremdlichtes bei Bauvermes sungen als auch wegen der großen Entfernungen nicht geeig net.

Das gleiche trifft für holographische Verfahren zu.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Vermessung, insbesondere die räumliche Vermessung von Objekten schneller und mit geringerem manuellen Aufwand zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird das durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt für jeden Meßpunkt die Entfernungsmessung mittels Lauf Zeitmessung durch Vergleich der Phasen des ausgesandten, des reflektier ten und eines Referenzstrahles. Die Lichtstrecken für den ausgesandten und den Referenzstrahl weisen fest verkoppelte Phasen auf.

Für die Entfernungsmessung wird neben der Intensität des ausgesandten Strahles, des reflektierten Strahles und des Referenzstrahles die Intensität des aufsummierten Signals des ausgesandten Strahles und des Referenzstrahles sowie die Intensität des aufsummierten Signals des ausgesandten Strahles und des reflektierten Strahles gemessen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, daß ein mit Hochfrequenz modulierter Lichtstrahl als ausge sandter Strahl direkt auf das zu vermessende Objekt gerich tet und das diffus reflektierte Licht gemessen wird. Nach Ermittlung der Koordinaten eines Meßpunktes wird durch ein Steuersignal der Lichtstrahl um einen vorher festgelegten Winkel bis zu einem nächsten Meßpunkt gedreht und so das Objekt abgetastet. Die Koordinaten jedes Meßpunktes werden gespeichert und mit Hilfe eines Computers zu einem Bild des zu vermessenden Objektes weiterverarbeitet.

Durch die Auswertung der diffusen Reflexion eines mit Hochfrequenz modulierten Lichtstrahles am Objekt steht ein Meßwert zur Verfügung, der eine vollständige Aussage zur Lage dieses Punktes im Raum liefert.

Durch diese Art der Entfernungsmessung mittels Laufzeitmes sung wird auch bei geringer Intensität des vom Meßobjekt diffus reflektierten Lichtes die Messung der Koordinaten eines Meßpunktes im Millisekundenbereich ermöglicht. Damit können auch bei einer großen Zahl von Scanpunkten noch Meßzeiten im Minutenbereich erreicht werden.

Eine weitere Beschleunigung der Messung und Erhöhung der Meßgenauigkeit wird dadurch erreicht, daß mit zwei Abtastzy klen gearbeitet wird, wobei beim zweiten Abtastzyklus die im ersten Abtastzyklus detektierten Unregelmäßigkeiten, wie Kanten, Vertiefungen oder Unregelmäßigkeiten der abgetaste ten Oberfläche mit höherer Auflösung abgetastet werden, wäh rend gleichförmige Bereiche, d. h. glatte Flächen, mit geringerer Auflösung abgetastet werden.

Es ist zweckmäßig, daß ein internes Referenzsignal, d. h. ein im Meßgerät erzeugtes Referenzsignal, verwendet wird und daß die erforderliche Länge des Referenzstrahles durch mehrmaliges Umlenken des Lichtstrahles erzeugt wird. Durch ein internes Referenzsignal werden die Einflüsse von Luft druck, Lufttemperatur und Luftfeuchte auf die Laufzeit des Lichtes korrigiert, da sich diese Einflüsse in gleicher Weise auf die Referenzstrecke auswirken wie auf die Meß strecke. Ebenso korrigiert wird der Einfluß von Änderungen der Oszillatorfrequenz.

Der Einfluß von Luftdruck, Lufttemperatur und Luftfeuchte auf die Laufzeit des Lichtes würde ohne diese Korrektur zu beträchtlichen Verfälschungen des Meßwertes führen. So ergeben folgende geringste Änderungen von

Lufttemperatur\|um 0,1 K
Luftdruck	um 0,28 mm Hg
relative Luftfeuchte	um 10%
CO₂-Konzentration	um +670 ppm

einen Meßfehler von 0,1 Mikrometern/m.

Die Frequenz des ausgesandten und des Referenzstahles wird zweckmäßig so gewählt, daß die Wellenlänge in der Größenordnung der zu messenden Entfernung liegt und daß sie insbesondere größer als die zu vermessende Strecke ist. Auf diese Weise werden auf einfache Weise Zweideutigkeiten ausgeschlossen.

Als Licht wird vorzugsweise Laserlicht verwendet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Laser-Sende- und -Empfangseinheit mit einem zugeordneten Winkelgeber für zwei Ebenen, mit einem Modulator und mit einer Scansteuerung auf. Der Laser-Sende- und -Empfangsein heit ist eine Phasenmeßschaltung nachgeordnet, der eine Referenzstrecke und eine zentrale Steuereinheit zugeordnet sind. An die Phasenmeßschaltung schließt sich eine Spei cher- und Auswerteeinrichtung an.

Die Phasenmeßschaltung weist Summierglieder auf. Dabei ist es zweckmäßig, daß zwei Summierglieder vorgesehen sind, wobei einem Summierglied ein Oszillator und eine Referenz strecke und dem zweiten Summierglied die Meßstrecke und der Oszillator zugeordnet sind. Weiterhin sind dem Oszillator, der Meßstrecke, der Referenzstrecke und den Ausgängen der Summierschaltungen je ein Lock-In-Gleichrichter nachgeord net, denen je ein Integrator, eine Sample- und Hold-Schal tung sowie ein A/D-Wandler nachgeordnet sind.

Zur Erzeugung des internen Referenzsignals ist die Referenz strecke als Bestandteil des Meßgerätes ausgebildet. Die Referenzstrecke weist mehrere Umlenkspiegel auf. Dadurch ist es möglich, auf einer kurzen Baulänge einen Referenz strahl mit der erforderlichen Länge zu erzeugen.

Die Empfangslinse der Laser-Sende- und -Empfangseinheit ist zweckmäßig durchbohrt, so daß der Laser direkt durch diese Öffnung abstrahlt.

Es ist weiterhin zeckmäßig, daß ein HF-Verstärker in der Laser-Sende- und -Empfangseinheit integriert ist.

Vor einem in der Laser-Sende- und -Empfangseinheit vorgese henen SEV sollten optische Filter, z. B. ein Interferenzfil ter und ein Kantenfilter angeordnet sein.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Phasenmeßschaltung;

Fig. 3 eine Laser-Sende- und -Empfangseinheit.

Die Vorrichtung weist eine Laser-Sende-und -Empfangseinheit 1 auf, der ein Winkelgeber 2 für zwei Ebenen sowie ein Modu lator 3 zugeordnet sind. Weiterhin ist eine Phasenmeßschal tung 4 vorgesehen, der eine Referenzstrecke 5 zugeordnet ist. Die Steuersignale für die Phasenmeßschaltung 4 und die Scan-Steuerung des Laserstrahles werden von einer zentra len Steuereinheit 6 erzeugt.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Phasenmeßschaltung sind zwei Summierschaltungen 7, 8 vorgesehen. In der Summier schaltung 7 werden die Signale des ausgesandten Strahles und des Referenzstrahles summiert, während in der Summier schaltung 8 die Signale des reflektierten Strahles und des Referenzstrahles summiert werden. Auf diese Weise wird die Meßentfernung ständig mit der genauen internen Referenz strecke 5 verglichen und die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesandten Strahl und dem Referenzstrahl mit hoher Genauigkeit erfaßt. Damit kann dann auch die Phasenverschie bung zwischen dem ausgesandten und dem reflektierten Strahl genau erfaßt werden. Die Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen dem ausgesandten und dem reflektierten Strahl über den Vergleich mit dem Referenzstrahl ist genauer als die direkte Ermittlung, da der Referenzstrahl genauer erzeugt werden kann als der ausgesandte Strahl.

Die Signale des ausgesandten Strahls, des Referenzstrahles, des reflektierten Strahles und der Summierschaltungen 7, 8 werden je einem Lock-In-Gleichrichter 9 bis 13 zugeführt. Diesen sind Integratoren 14 bis 18, Sample and Hold-Schal tungen 19 bis 23 sowie A/D-Wandler 24 bis 28 nachgeordnet. An den Ausgängen der A/D-Wandler 24 bis 28 stehen folgende digitale Werte zur Verfügung:
A/D-Wandler 24
Wert für die Intensität des ausgesandten Strahles
A/D-Wandler 25
Wert für die Phasenlage des Referenzstrah les nach Durchlauf der Referenzstrecke ohne Korrektur bezüglich der Intensitäts schwankungen;
A/D-Wandler 26
Wert für die Intensität des Referenzstrah les nach Durchlaufen der Referenzstrecke;
A/D-Wandler 27
Wert für die Phasenlage des vom Meßobjekt reflektierten Strahles zum ausgesandten Strahl bei fehlender Korrektur bezüglich der Intensitäten des ausgesandten Strahls und des reflektierten Strahles;
A/D-Wandler 28
Wert für die Intensität des vom Meßobjekt reflektierten Strahles.

Die Ausgangssignale der A/D-Wandler werden einem Computer zugeführt, der zusammen mit den Winkelmeßwerten die Koordi naten eines Meßpunktes errechnet.

Die in Fig. 3 dargestellte Laser-Sende- und -Empfangsein heit weist einen Laser 29 auf, dessen Licht vom Modulator 3 (Fig. 1) mit einer Frequenz von . . . moduliert wird. Der Laserstrahl wird über eine Kollimatoroptik 30 auf das zu vermessende Objekt gerichtet und der dort diffus reflektier te Laserstrahl wird über eine Empfangslinse 31, über ein Interferenzfilter 32 und ein Kantenfilter 33 auf einen SEV 34 gerichtet. Die Empfangslinse 31 ist für den Strahlengang des Lasers 29 durchbohrt. Das in einem HF-Verstärker 35 verstärkte Ausgangssignal des SEV 34 wird anschließend der Phasenmeßschaltung zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

Claims

1. Verfahren zur Vermessung, insbesondere zur räumlichen Vermessung von Objekten unter Verwendung von Licht, bei dem die Koordinaten mehrerer Meßpunkte durch je eine Winkelmes sung in zwei Ebenen und durch eine Entfernungsmessung bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Meßpunkt die Entfernungsmessung mittels Lauf zeitmessung durch Vergleich der Phasen des ausgesandten, des reflektierten und eines Referenzstrahles erfolgt und die Lichtstrecken für den ausgesandten und den Referenz strahl fest verkoppelte Phasen aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Entfernungsmessung die Intensität des ausgesandten Strahles, des reflektierten Strahles, des Referenzstrahles, die Intensität des aufsummierten Signals des ausgesandten Strahles und des Referenzstrahles sowie die Intensität des aufsummierten Signals des ausgesandten Strahles und des reflektierten Strahles gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Hochfrequenz modulierter Lichtstrahl als ausge sandter Strahl direkt auf das zu vermessende Objekt gerich tet wird und nach Ermittlung der Koordinaten eines Meßpunk tes eine Drehung des ausgesandten Strahles um einen vor der Messung festgelegten Winkel zu einem nächsten Meßpunkt durch ein Steuersignal ausgelöst wird und so das Objekt abgetastet wird, und daß die Koordinaten jedes Meßpunktes gespeichert und mit Hilfe eines Computers zu einem Bild des zu vermessenden Objektes weiterverarbeitet werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abtastzyklen vorgesehen sind, wobei beim zweiten Abtastzyklus die im ersten Abtastzyklus detektierten Unregelmäßigkeiten der abgetasteten Oberfläche mit höherer Auflösung abgetastet werden, während gleichförmige Bereiche der abgetasteten Oberfläche mit geringerer Auflösung abgetastet werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl intern erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Länge des Referenzstrahles durch mehrmali ges Umlenken des Lichts erzeugt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des ausgesandten und des Referenzstrahles so gewählt ist, daß die Wellenlänge in der Größenordnung der zu messenden Entfernung liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge größer ist als die zu vermessende Strecke.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Licht Laserlicht verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach minde stens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laser-Sende- und -Empfangseinheit (1) mit einem zu geordneten Winkelgeber (2) für zwei Ebenen, einem Modulator (3) und einer Scan-Steuerung angeordnet ist, daß der La ser-Sende- und -Empfangseinheit (1) eine Phasenmeßschaltung (4) nachgeordnet ist, der eine Referenzmeßstrecke (5) und eine zentrale Steuereinheit (6) zugeordnet sind, und daß sich an die Phasenmeßschaltung eine Speicher- und Auswerte einrichtung anschließen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmeßschaltung Summierglieder aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Summierglieder vorgesehen sind, wobei einem Summierglied ein Oszillator und eine Referenzstrecke und dem zweiten Summierglied eine Meßstrecke und der Oszil lator zugeordnet sind, daß dem Oszillator, der Referenz strecke, der Meßstrecke und den Summiergliedern je ein Lock-in Gleichrichter nachgeordnet ist, denen je ein Inte grator, eine Sample and Hold-Schaltung sowie ein A/D-Wand ler nachgeordnet sind.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (5) Bestandteil des Meßgerätes ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrecke (5) mehrere Umlenkspiegel aufweist.

15. Vorrichtung nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangslinse (31) einer Laser-Sende- und -Empfangseinheit (1) durchbohrt ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein HF-Verstärker (35) in der Laser-Sende- und -Empfangseinheit (1) inte griert ist.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem in der Laser-Sende- und -Empfangseinheit (1) vorgesehenen SEV (34) optische Filter angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Interferenzfilter (32) und ein Kantenfilter (33) angeordnet sind.