AT501456A1

AT501456A1 - System zur erfassung eines volumendatensatzes

Info

Publication number: AT501456A1
Application number: AT21052004A
Authority: AT
Inventors: Andreas Dr Ullrich
Original assignee: Riegl Laser Measurement Sys
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-09-15
Also published as: AT501456B1

Description

-PaL300
RIEGL
Laser Mcasurcmcnt Systems GmbH. HÖRN System zur Erfassung eines Volumendatensatzes.
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Erfassung eines Volumendatensatzes eines Raumes der Objekte beliebiger Grösse, Struktur, Reflektivität und Transparenz enthält. Bei bekannten Systemen dieser Art sind mehrzielfähige opto-elektronische Entfernungsmesser nach einem Signal-T_^ufzeitverfahren vorgesehen, die mit Sendeeinrichtungen zum Aussenden von Laser-Impulsen und Empfangseinrichtungen zum Empfangen von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert wird, ausgestattet sind. Diese Einrichtungen umfassen femer ScanEinrichtungen zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen, wobei die optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung im wesentlichen parallel verlaufen.

Ferner sind Auswerteeiririchtungen vorgesehen, die aus der Laufzeit und dem zeitlichen Verlauf der Echosignale Obj ektentfernungen und die zugehörige Signalstärken ermitteln.
Die vom Messstrahl in der Objektentfernung erfassten sog. Voxel sind in ihrer Grösse frei definierbar. Der Speicherwert der Voxel wird im wesentlichen durch die Signalstärke des Echosignals bestimmt, während sich die ktdices der einzelnen vom Messstrahl getroffenen Voxel des Volumsdatensatz aus den zylindrischen bzw. den sphärischen Raumkoordinaten der Strahlablenkung der Scan-Einrichtung und den Objektentfemungswerten ergeben. Berücksichtigt werden kann hierbei die laterale Energieverteilung des Sendestrahles in der Objektentfernung.

Systeme dieser Art sind in P.O.300
> .... .. ihrer Anwendung bevorzugt geeignet für den Einsatz im Hochtemperaturbereich, beispielsweise im Hüttenwesen zur Vermessung von Konvertern und Pfannen im Bereich deren Betriebstemperatur.
Bei merirzielfähigen Laser-Scanner-Systemen ist es relativ schwierig, die Reflektivität, Transparenz und das Absorbtionsverhalten der einzelnen Ziele abzuschätzen und damit die Art und St[pi]iktur des Zieles zu beurteilen. Beim Durchdringen optisch teildurchlässiger Objekte wird ein Teil der Laserstrahlung reflektiert, ein anderer Teil wird durch das Objekt absorbiert und ein weiterer Teil der Strahlung passiert, mehr oder weniger stark gedämpft das teildurchlässige Objekt, wobei es auch zu einer
Formänderung des Laserimpulses kommen kann.

Die das optisch teildurchlässige Objekt passierende Strahlung wird gegebenenfalls an einem optisch undurchlässigen Ziel im allgemeinen diffus reflektiert. Diese Echoimpulse passieren auf ihrem Weg zurück zum Laser-Scanner das teildurchlässige Ziel ein weiteres Mal und werden weiter gedämpft und gegebenenfalls auch verformt.
Durch die Erfindung wird eine Lösung vorgeschlagen, mit deren Hilfe die wahre Reflektivität, Transparenz und Absorbtion der verschiedenen Ziele abschätzbar ist.

Die Erfindung ist durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:
* Verwendung einer Sendeeinrichtung, welche eine Laserquelle hoher Strahlqualität, insbes. einen Singlemode-Laser umfasst und Impulsbreiten kleiner 10 ns aufweist, eine Strahlformungsoptik zu Erzeugung eines vorzugsweise kollimierten Messstrahls mit definierte Energieverteilung,
* einem Empfänger mit entsprechender Bandbreite und einer Digitaüsie[pi]ingseinrichtung für die Echosignale mit hinreichend hoher Abtastrate, <>at. -
* einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Objektentfernungswerte und der zugehörigen Signalstärken basierend auf einer Analyse der abgetasteten und digitalisierten Sende- und / oder Echosignale, z.B. in Form einer Schwe unktschätzung, einer Maximumbestimmung oder einem Einpassen von Musterfunktionen,
* und einer Einrichtung zur on-line und bzw.

oder off-line Verarbeitung der Rohdaten, insbes. zur Erstellung eines 3-D Modells bestehend aus der Gesamtheit der erfassten Voxels des Objektraumes, vorzugsweise zur Erstellung eines Oberflächenmodells basierend auf den ausgewählten
Entfernungswerten einer jeden Messung wobei die wahre Transparenz und damit die Struktur der Objekte im genannten Raumvolumen bzw. die Schwärzung der einzelnen Voxel aus dem der gemessenen Entfernung entsprechenden Strahlquerschnitt und aus der Transparenz der diesem Voxel vorgelagerten Voxels abschätzbar ist,
* ferner mit einer Speichereinheit für die Rohdaten für die, oder gegebenenfalls für eine zusätzliche, detaillierte off-lineDatenverarbeitung.
Je nach Beschaffenheit der dem eigentlichen Ziel vorgelagertem, optisch teildurchlässigen, Objekt ist der Zusarnmenhang zwischen Reflektivität, Transparenz und Absorbtion unterschiedlich.

So ergeben sich andere Wertekombinationen, wenn es sich beispielsweise bei dem optisch teildurchlässigem Objekt um eine Partikel- oder Aerosol- Wolke oder etwa um Bäume oder Sträucher bzw. bei Anwendungen im militärischen Bereich um Tarnnetze handelt Ist die Art der dem eigentlichen Ziel vorgelagerten Objekte bekannt, was im allgemeinen der Fall sein wird, so kann die Beschaffenheit und Ausdehnung der vorgelagerten Objekte und die Struktur und Oberflächenbeschaffenheit des eigentlichen Zieles mit noch höherer Genauigkeit beurteilt werden.

B. -
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Vorteilhaft ist zwischen der Sendeeinrichtung und dem Empfänger in an sich bekannter Weise eine Kopplungseinrichtung mit einer definierten Dämpfung vorgesehen, so dass ein Bruchteil des Sendeimpulses in den Empfangspfad einspeisbar ist.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Clockgenerator vorgesehen, we»cher die Digitalisierungseinrichtung taktet und auch die Sendeeinrichtung steuert, wobei das Sendesignal mit dem Abtasttakt synchronisierbar ist, so dass eine Digitalisierung des Sendesignals entfallen kann.
Vorzugsweise sind die digitalisierten Abtastwerte einer wählbaren Anzahl aufeinanderfolgender Laserpulse vor deren Analyse zur Steigerung der Empfindlichkeit er Entfernungsmessung und / oder der Messgenauigkeit aufsummierbar.
Weitere vorteilhafte Merkmale,

Ausgestaltungen und Alternativen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind schliesslich der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele zu entnehmen, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
Die Fig. 1 zeigt eine Anwendung der Erfindung im Tunnel- bzw. Bergbau. Die Fig. 2 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Anlage gemäss der Erfindung. Die Fig. 3 stellt eine Alternative zu der Ausfiihrung gemäss Fig. 2 dar. Die Fig.4 stellt in 3 verschiedenen Diagrammen a-c die vom Empfänger aufgenommen Impulse und die verschiedenen Stufen der Auswertung derselben dar. Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch einzelne Voxel in dem aufgenommenen Volumen.

Die Diagramme gemäss den Fig. 7a-7c veranschaulichen die Ergebnisse und der Auswertung einer Variante zu der der Fig. 4a4c zugrunde liegenden Version. .
Die Fig. 1 zeigt, das erfindungsgemässe Laser-Scan-System in einer Anwendung im Bergbau. Zur Vermessung einer Kaverne 1 wird in diese ein Laser-Scanner Messkopf 2 eingeführt, der an einem Rohr 3 befestigt ist, welches seinerseits auf einem Wagen 4 axial verschiebbar gelagert ist. Der Messkopf 2 umfasst ein optisches System 5, das um eine Achse 6 in Richtung des Pfeils 7 rotiert (vgl. auch Fig. 2). Die zugehörige
Messelektronik ist in einer Box 8 am anderen Ende des Rohres 3 angeordnet. In dieser befindet sich auch der Lasersender und r Empfänger. Mit Glasfaserkabel 9,10 sind diese mit dem Messkopf 2 verbunden. Das optische System 5 umfasst nicht dargestellte Spiegel bzw.

Prismen, mit welchen das durch die Glasfaserkabel 9 zugeführte Laserlicht in radia»e Richtung abgelenkt wird. Durch eine ebenfalls nicht dargestellten
Strahlformungs-Optik wird die Energieverteilung des Messstrahles definiert. In analoger Weise leitet das optische System 5 die von der Kavernenwand reflektierten EchoImpulse über das Glasfaserkabel 10 zur Elek ronik-Box 8. Bei Rotation 4es optischen Systems 5 wird d»e Kaverne 1 längs einer Meridianebene 11 abgetastet ( in Fig. 1 entspricht diese Meridianebene der Zeichenebene ). Lediglich ein kleiner Winkel 12 wird durch den Fussteil 13 des Messkopfes 2 abgeschattet. Dieser Fussteil 13 des Messkopfes 2 enthält einen motorisch angetriebenen Drehteller, durch welchen der Messkopf 2 um [phi]e Ac»jse 14 des Rohres 3 schwenkbar ist.

Per Messkopf 2 wird in einer hin- und hergehenden Bewegung entsprechend dem Pfeil 20 um jeweils mindestens 90 [deg.] verschwenkt, wodurch die Meridianebene 11 um die Achse 14 verdreht wird und damit das gesamte Kavernenvolumen mit Ausnahme des abgeschatteten Volumens abgetastet wird.
Der Messkopf 2 und der angrenzenden Abschnitt des Rohres 3 kann eine kombinierte Flüssigkeits- und Gaskühlung aufweisen, wodurch sich das System dann auch für
Einsätze im Hochtemperaturbereich, beispielsweise in der Hüttenindustrie eignet. In der Fig. 1 ist ein entsprechender Kühlmantel 15 für das Rohr 3 dargestellt.
An dem freien Ende des Rohres 3 sind, an diesem starr, zwei gekreuzte Arme 16 und 17 angeordnet, die an ihren Enden je einen Retroreflektor 18 aufweisen.

Beim Einsatz . im Bergbau oder bei ähnlichen Anwendungen kann damit mit einem üblichen Laserthepdoliten die Position und Ausrichtung des Messkopfes 2 bestimmt und damit das vermessene Volumen in ein übergeordnetes Koordinatensystem eingefügt werden. In der in Fig. 1 dargestellten Kaverne 1 ist auch eine Wolke 19 aus Staub, Partikel und Aerosolen angedeutet, [phi]e bei der Messung Laserlicht teilweise reflektiert und absorbiert, zum anderen Teil passieren lässt, so dass auch in diesem Fall die Kavernenwand la gemessen wird. Bei der vorliegenden Anwendung werden die Messergebnisse so bewertet, dass jeweils nur die maximale Entfernung für die Auswertung herangezogen wird. Bei anderen Anwendungen können aber Echosignale aus den dem eigentlichen Ziel vorgelagerten, optisch teildurchlässigen, Objekten wichtige Hinweise liefern.

So können beispielsweise bei der Vermessung von Geländen die Echosignale vorgelagerter, teildurchlässiger Objekte Aufschlüsse über die Vegetation ergeben.
An Hand des Blockschaltbildes der Fig. 2 wird die Elektronik des Messsystems näher erläutert: In der Elektronik-Box 8, deren Stromversorgungseinheit mit 36 bezeichnet ist, ist der Laser-Sender 2 langeordnet, der eine Laserquelle hoher Strahlqualität, vorzugsweise einen Single-Mode-Laser umfasst. Der Laser emittiert im sichtbaren Bereich des Spektrums oder im nahen Infra-Rot. Die Laserquelle ist mittels des Glasfaserkabels 9 mit dem Messkopf 2 verbunden. Mit 22 ist die entsprechende
Kupplung für das Glasfaserkabel bezeichnet. In analoger Weise ist der Messkopf 2 mit dem Empfangskanal verbunden.

In der Kupplung 23 des Glasfaserkabels 10 wird das Empfangssignal gesplittet. Über einen, nicht dargestellten schmalbandigen, dichroitischen Spiegel wird der Teil des Signals, dessen Wellenlänge der des Lasersenders entspricht über einen Vorverstärker 24 einer Auswertestufe 25 zugeführt, in welcher die Echoimpulse digitalisiert werden. Der übrige Teil des Empfangssignals wird einem passiven Kanal 26 zugeführt. Nach entsprechender Weiterverarbeitung in einem Mikro-Controller 27 können diese Signale zur Erzeugung von Videobildern des zu untersuchenden Volumens herangezogen werden. Bei den Bildern des passiven Kanals handelt es sich um Schwarz- Weiss oder auch um Farbbilder, die unter Nutzung des Umgebungslichtes entstanden sind. Solche Bilder können zusätzüch zu den sog.

Entfernungsbildern des aktiven Kanals weitere Informationen liefern: weist beispielsweise ein Bereich der Kavernenwandung in Bezug auf den Messkopf 2 eine sphärische Kontur auf, so liefert das Entfernungsbild einen geringen Kontrast über deren Oberfläche. Demgegenüber kann ein Bild des passiven Kanals zusätzlich Helligkeitsoder Farbunterschiede zeigen.
Da die Entfernungsmessung auf einer Laufzeitmessung (time of fUght ) beruht, ist es erforderlich, der Auswertestufe 25 nicht nur die Echoimpulse zuzuführen sondern auch ein vom Sendeimpuls abgeleitetes Referenzsignal. Grundsätzlich kann ein solches Signal aus dem Sendestrahlengang abgetrennt und, entsprechend gedämpft, dem Empfangskanal zugeleitet werden.

Man kann aber auch einen Teil des elektrischen Trigger-Impulses, welches die Emission des Laserimpulses auslöst, verarbeiten, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist: vom Lasersender 21 wird ein elektrisches Signal der Auswertestufe 25 zugeführt.
Im Mikro-Controller 27 werden aus den digitalisierten Sende- und Echo-Impulsen Entfernungs- und Amplitudenwerte berechnet. Der Mikro-Controller 27 steuert andererseits über die Motorsteuerung 28 und die Treiber 29 und ein Steuerkabel 30 die Antriebsmotore für den Messkopf und den Drehteller, wobei je ein Winkeldecoder die während einer Entfernungsmessung tatsächlich erreichte Winkelstellung um die beiden Achsen 6 und 14 an den Controller 27 zurückmelden. Aus den entlang eines durch die beiden Winkel definierten Messstrahls ermittelten Entfernungs- und Amplitudenwerten werden sog.

Voxel-Datensätze definiert, wobei den einzelnen Voxel Amplitudenwerte des Empfangssignals und gegebenenfalls (passive) Helligkeits- oder Farbwerte zugeordnet werden können. Diese Arbeiten können zumindest teilweise in einem dem Controller 27 nachgeschaltetem Computer 31 erfolgen. Die Ergebnisse können on-line über ein Interface 32 und einem externen Rechner 33 ausgewertet werden, wobei beispielsweise 3-D- Modelle des untersuchten Volumens kreiert werden. Zur Datensicherung und um off-line eine spätere detailliertere Auswertung zu ermöglichen, . werden die Datensätze auf einer Festplatte 34 gespeichert. Die entsprechenden Dateien können über ein Interface 35 abgerufen werden.
In der Fig. 3 ist eine Variante zu der oben beschriebenen Schaltung beschrieben.

Bei dieser Version wird der Lasersender von einem Clock-Generator 37 synchronisiert, der auch die Digitalisierungstufe 25 steuert. Da damit der Sendeimpuls stets in einer festen und definierten Phasenbeziehung zur Auswertung bzw. Digitalisierung steht, erübrigt es sich, einen Teil des ausgesandten Laserimpulses bzw. des Triggerimpulses der Auswerteeinrichtung als Startsignal für die Puls-Laufzeitmessung zuzuführen.

In dieser Version ist im Empfangskanal auch der dichroitische Spiegel 38 gezeigt, durch welchen die für die Entfernungsmessung verwendete Laserstrahlung vom Umgebungslicht abgetrennt wird.
Wie weiter unten näher erläutert werden wird, können aus den oben definierten VoxelDatensätzen die wahren Werte von Reflektivität, Absorbtion und Transmission geschätzt und damit eine der Wirklichkeit noch besser entsprechender Volumensdatensatz abgeleitet werden.
Das Prinzip der Auswertung der vom Empfangskanal aufgenommenen Echoimpulse wird an Hand der Fig. 4a-4c näher erläutert, wobei von einer Anlage gemäss der Fig. 3 ausgegangen wird, bei welcher bei der Auswertung der Echoimpulse eine feste Phasenbeziehung zum Sendeimpuls besteht, so dass dieser in den entsprechenden Diagrammen nicht in Erscheinung tritt.
In dem Diagramm gemäss der Fig.

4a ist die Laufzeiten in Richtung der Abszissenachse 40 aufgetragen, in Richtung der Ordinatenachse 41 die Amplituden der analogen, durch das Sampeln abgetasteten und digitalisierten Echosignale. In dem Diagramm ist mit 42 das Echosignal eines teiltransparenten Zieles bezeichnet, das beispielsweise aus einer Partikelwolke 19 bestehen kann, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. In der Auswertestufe 25 gemäss den Figuren 2 und 3 werden diese Analogsignale bei konstanten, von einem Clock-Generator 37 vorgegebenen Zeitintervallen 44 gesampelt und in einem Hochgeschwindigkeits- Analog-Digitalwandler dieser Auswertestufe 25 digitalisiert. Mittels einer Schwerpunktschätzung oder einer Maximumbestimmung können aus den 4igitalisierten Impulsen Rohdaten der Reflektivität über der Entfernung gewonnen werden.

Diese Rohdaten stellen die scheinbare Reflektivität der Ziele dar, die durch die Streuung und Absorbtion von den, dem eigentlichen Ziel vorgelagerten, teiltransparenten Objekten verfälscht wird. Diese werden im Diagramm gemäss der Fig. 4b veranschaulicht. In Richtung der Abszisse 45 ist in diesem Diagramm die Entfernung vom Messkopf aufgetragen, in Richtung der Ordinate 46 die Amplitude die Reflektivität, und zwar ein Rohwert derselben. Der Puls 47 ("last puls") entspricht dem Echoimpuls 43 in Fig. 4a und damit der Wand la der Kaverne 1.

Das Signal 48 entspricht 4em Echosignal 42 in Fig. 4a und ist auf die Partikelw[omicron]lke 19 in Fig. 1 zurück-[alpha]iführen ("Volumsstreuer").
Der sich ergebende Datenstrom wird dem Mikro-Controller 27 z[mu]geleitet und dort mit den zugehörigen Koordmatenwinkeln verknüpft, die von den Winkeldecodern des Messkopfes 2 und des Drehtellers 13 abgeleitet werden und die Verdrehung des Messkopfes 2 um die Achsen 6 und 14 definieren. Die Rohwerte der Reflektivitäten gemäss Fig. 4b können on-line im Mikrokontroller 31, in dem externen Computer 33 oder off-line in einem "post-processing" mit definierten mathematischen Algorithmen weiter bearbeitet werden, um aus den Rohdaten der Reflektivität eine korrigierte oder die wahre Reflektivität der Ziele zu ermitteln.

Die Fig. 4c zeigt diese Werte über der Entfernungsachse 49, die korrigierte oder wahre Reflektivität ist hingegen in Richtung der Ordinate 50 aufgetragen. Die wahre Reflektivität der Kavernenwand la ist deutlich höher als die scheinbare (Rohdaten), da durch den vorgelagerten Volumsstreuer 19 sowohl die ausgesandten Laserimpulse als auch die reflektierten Echoimpulse beim Durchdringen des Volumsstreuers 19 gedämpft werden. Die entsprechenden wahren Werte der Reflektivität sind in Fig. 4c mit 47' und 48' bezeichnet. Die auf diese Weise gewonnen Daten können schliesslich mit den Helligkeits- bzw. Farbinformationen des passiven Kanals 26 kombiniert werden.

Die entsprechenden Datensätze können . einerseits über die Schnittstelle 32 ausgegeben und in einem Rechner 33 on-line weiterverarbeitet werden, wobei beispielsweise 3-D-Modelle des untersuchten Volumens berechnet werden.
Die Datensätze können aber auch einem Computer 31 zugeleitet und auf einer Festplatte 34 gespeichert werden. Die auf dieser Festplatte gespeicherten Daten sind dann über die Schnittstelle zugänglich und können im Anschluss an die Messung off-line ausgewertet werden, wobei verschiedene mathematische Algorithmen zum Einsatz kommen können. Besondere Vorteile des erfindungsgemässen System bestehen in der verbesserten Genauigkeit gegenüber Systemen gemäss dem Stand der Technik bei Anwesenheit mehrerer Ziele in geringem Abstand im Messstrahl, die sich aus der Möglichkeit einer detaillierten Analyse komplexer Wellenformen ergibt.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Option teiltransparente, dem eigentlichen Ziel vorgelagerte Objekte zu unterdrücken. Daraus resultiert eine erhöhte Sicherheit bei der Messung der eigentlichen Ziele (last pulse capability). In der Fig. 1 ist dieses eigentliche Ziel die Wand la der Kaverne 1. Ferner ermöglicht eine detaillierte Analyse der Wellenform eine zuverlässige Klassifizierung von Zielen entsprechend ihrer räumlichen Ausdehnung in sog. "harte" Ziele und Volumsstreuer. Durch die Abstastung des Echosignals ist es möglich, die Daten nach verschiedenen Kriterien zu untersuchen.

Besonders begünstigt wird dies durch die Speicherung der Daten auf der Festplatte 34, welche off-line eine sehr flexible Daten-Nachverarbeitung (post-processing) erlaubt.
An Hand der Fig. 5 wird schematisch die Art der Abtastung des Objektraumes und die Gewinnung eines Volumendatensatzes erläutert: vom Messkopf 2 wird ein Laserstrahl 52 ausgesendet, der eine Divergenz [gamma] aufweist. Durch die Rotation des optischen
System des Messkopfes 2 wird der Strahl 52 um den Winkel [theta] verschwenkt, wobei der Messstrahl 52 eine Meridianebene 11 definiert, die normal zur Achse 6 und durch das Zentrum des Messkopfes verläuft. Durch eine hin- und hergehende Schwenkbewegung des Kopfes um die Achse 14 um den Winkel [phi] wird die Meridianebene verschwenkt. Durch das Entfernungsmesssystem des Laserscanners wird die Entfernung R zu einem a
Ziel ermittelt.

Durch Transformation der sphärischen Polarkoordinaten R, [theta] und [phi] in ein kartesisches Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z kann ein Volumselement V ("Voxel") mit den Koordinaten i, j und k adressiert werden. Das fragliche Voxel hat damit die Bezeichnung Vy^ während das zuvor gemessene die Bezeichnung Vy.k-[iota] aufweist. Die Divergenz [gamma] des Strahles 52 bedingt einen Durchmesser des Messstrahls in der Entfernung R, der grösser als die Abmessungen des von der Laserstrahlachse getroffenen Voxels sein kann.

In diesem Fall kann allen vom "footprint" des Laserstrahls getroffenen Voxels der Wert der Intensität entsprechend der lateralen Energieverteilung des Laserstrahl zugeordnet werden.
In dem vorliegenden Beispiel ist eine Laserquelle mit hoher Strahlqualität verwendet, welche eine sehr geringe Divergenz [gamma] des Messstrahles ergibt Wie aber aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind bei Erfassung eines grossen Volumens bzw. bei der Messung über grosse Distanzen die Unterschiede in der Voxels nicht unerheblich. Gemäss Fig. 6 ist wieder ein Volumsstreuer dargestellt, der im grossen Abstand vor einer Wand 1 a angeordnet ist. Die zugehörigen Voxel sind in der Zeichnung mit 53 bzw. 54 bezeichnet. Den Voxel ist ein Diagramm 55 zugeordnet, welches in Analogie zu der Fig. 4c über der Entfernungsachse 49 die wahren Werte der Reflektivität angibt (48 'und 47').

Die entsprechende Ordinatenachse ist mit 50 bezeichnet.
In der Ausführung gemäss Fig. 7 wird ein Zeit- bzw. Entfernungsfenster (Zeit T) definiert innerhalb welchem die Echosignale digitalisiert werden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen ist eine Pulslücke PL vorgesehen. Innerhalb dieser Pulslücke kann ein weiteres Fenster geöffnet werden, in welchem die vom Empfänger aufgenommenen Hintergrundsignale digitalisiert und gemessen werden können. Die entsprechenden Signale sind in Fig. 7b mit 56 bezeichnet, für eine bessere Auswertung kann dieses Signal aufsummiert werden (Pos. 57). Eine solche Lösung ist vor allem für Hochtemperaturanwendungen interessant, bei welchen aus der Amplitude des Hintergrundsignals die Temperatur des Zieles abgeschätzt werden kann. .
... ..
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.

So können zur Steigerung der Empfindlichkeit die digitalisierten Echo- Abtastwerte einer definierten Anzahl aufeinanderfolgender Laserimpulse aufsummiert werden.
Werden von unterschiedlichen räumlichen Positionen des Messkopfes aus, mehrere Volumsdatensätze erfasst, so wird bei der Erstellung eines gemeinsamen 3 -D-Modells die Vereinigungsmenge der verschiedenen Volumsdatensätze mittels definierter Algorithmen bearbeitet, wobei aus den Kenndaten eines Voxel, die sich aus den verschiedenen Messungen ergeben, ein einziger, abgestimmter Datensatz ermittelt wird.
Schliesslich kann die Digitalisierungsstufe mehrkanalig ausgeführt sein, wobei derselben eine logarithmische Kompressionsstufe vorgeschaltet und eine Dekompressionsstufe nachgeschaltet ist.
'Hörn, am 16. Dezember 2004 -
<EMI ID=12.1>

Laser Measurement
<EMI ID=12.1>

Claims

RIEGL

Laser Mcasurcmcnt Systems GmbH.

HÖRN

Patentansprüche.

1. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes eines Raumes der Objekte beliebiger Grösse, Struktur, Reflektivität und Transparenz umfasst, mit einem opto-elektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden von Laser-Impulsen und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von Laserstrahlung, die von im Zielraum befindüchen Objekten reflektiert wird, ferner mit einer Scan-Einrichtung zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung in vorzugsweise zwei orthogonale Richtungen, wobei die optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung im wesentlichen paraüel verlaufen, ferner mit einer Auswerteeinrichtung,

die aus der Laufzeit und dem zeitlichen Verlauf der Echosignale Objektentfernungen und zugehörige Signalstärken ermittelt und die Signalstärke den Speicherwert der vom Messstrahl in der Objektentfernung erfassten sog. Voxel frei definierbarer Grösse bestimmt, wobei sich die Indices der einzelnen betroffenen Voxel des Volumsdatensatz aus den zylindrischen bzw. den sphärischen Raumkoordinaten der Strahlablenkung der ScanEinrichtung und den Objektentfernungswerten ergeben, wobei die laterale

Energieverteilung des Sendestrahles an der Objektentfernung berücksichtigt wird, vorzugsweise für Anwendungen in Objekträumen mit Objekten in einem Hochtemperaturbereich gekennzeichnet, durch die Kombination folgender Merkmale:

* Verwendung einer Sendeeinrichtung, welche eine Laserquelle (21) hoher Strahlquaütät, insbes. einen Singlemode-Laser umfasst und Impulsbreiten kleiner 10 ns aufweist, eine Strahlformungsoptik zu Erzeugung eines kolümierten Messstrahls mit definierte Energieverteilung,

* einem Empfanger (24) mit entsprechender Bandbreite, einer Digitalisierungseinrichtung (25) für die Echosignale mit hinreichend hoher Abtastrate,

* einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Objektentfernungswerte und der zugehörigen Signalstärken basierend auf einer Analyse der abgetasteten und digitaüsierten Sende- und / oder Echosignale, z.B. in Form einer Schwerpunktschätzung oder Maximumbestimmung, * und einer Einrichtung (32 3 und 35) zur on-line und bzw. oder off-line

Verarbeitung der Rohdaten, insbes. zur ErsteUung eines 3-D Modells bestehend aus der Gesamtheit der erfassten Voxels des Objektraumes, vorzugsweise zur Erstellung eines Oberflächenmodells basierend auf den maximalen Entfernungswerten einer jeden Messung wobei die wahre Transparenz und damit die Struktur der Objekte im genannten Raumvolumen bzw. die

Schwärzung der einzelnen Voxel aus dem der gemessenen Entfernung entsprechenden Strahlquerschnitt und aus der Transparenz der diesem Voxel vorgelagerten Voxels abschätzbar ist,

* ferner mit einer Speichereinheit (34) für die Rohdaten für die, oder gegebenenfalls für eine zusätzliche, detaüüerte off-line-Datenverarbeitung.

2. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sendeeinrichtung und dem Empfänger in an sich bekannter Weise eine Kopplungseinrichtung mit einer definierten Dämpfung vorgesehen ist, so dass ein

Bruchteil des Sendeimpulses in den Empfangspfad einspeisbar ist.

3. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Clockgenerator (37), welcher die Digil^isierungseinrichtung (25) taktet auch die Sendeeinrichtung (21) steuert, wobei das Sendesignal mit dem Abtasttakt synchronisierbar ist, so dass eine Digitalisierung des Sendesignales entfaüen kann. (Fig. 3)

4. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach einem der Patentansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierten Abtastwerte einer wählbaren Anzahl aufeinanderfolgender Laserpulse vor deren Analyse zur Steigerung der Empfindlichkeit der

Entfernungsmessung und / oder der Messgenauigkeit aufsummierbar sind.

5. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen On-line-Monitoring-Datenausgang (32) zur EchtzeitersteUung eines 3-D-

Oberflächenmodelles in einer Nachverarbeitungseinheit (33) umfasst.

6. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach einem der vorhergehenden Patentansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass für die Digitalisierungseinrichtung (24) ein Zeitfenster definierbar ist, so dass nur Echosignale innerhalb einer vorgegebenen Zeit entsprechend einem gewählten Entfernungsbereich ausgewertet werden. (Fig. 7a-7c)

7. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Zeitfenster in einer Impulslücke definierbar ist wobei aus den entsprechenden Signalen die Hintergrundstrahlung analysierbar ist und die Oberflächentemperaturen der Ziele schätzbar sind. (Fig. 7a-7c)..

8. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes, nach einem der Patentansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Volumsdatensätze desselben Raumes von unterschiedlichen, definierten räumlichen Positionen aus erfasst sind und bei der Erstellung eines gemeinsamen 3-D-

Modelles für die Vereinigungsmenge der verschiedenen Volumsdatensätze die Transparenz und gegebenenfalls weitere Indices der einzelnen Voxel mittels definierter Algorithmen abstimmbar sind.

9. System zur Erfassung eines Volumendatensatzes, nach einem der Patentansprüche

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitafisierungseinrichtung mehrkanalig ausgeführt ist und derselben eine, insbes. loga[eta]tiimische Kompressionstufe vorgeschaltet und eine entsprechende Dekompressionsstufe für die abgetasteten un4 digitaüsierten Daten nachgeschaltet ist.

Hörn, am 16. Dezember 2004 <EMI ID=16.1>

Laser Measurement Systei