相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年10月17日提交的澳大利亞臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?014904166的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式并入本文。

本公開涉及用于確定設(shè)備與對(duì)象的距離的測(cè)距設(shè)備。本公開還涉及用于確定與對(duì)象的距離的測(cè)距系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

確定從觀察位置到環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的距離信息對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是重要的。例如，距離信息可由測(cè)量員用作確定環(huán)境中的對(duì)象的位置的一個(gè)量度。距離信息結(jié)合其他信息(諸如對(duì)象相對(duì)于觀察位置的取向和觀察位置的位置信息)可用來(lái)構(gòu)建具有地形信息的地圖，或者展示對(duì)象位置和/或環(huán)境中的對(duì)象輪廓的其他形式的表示。

在已知形式中，測(cè)距設(shè)備設(shè)置在觀察位置處，并且所述設(shè)備包括用于朝向?qū)ο髠鬏敿す馐募す獍l(fā)射器。光束反射離開對(duì)象并且測(cè)距設(shè)備的傳感器檢測(cè)到光的反射。測(cè)量出光從激光發(fā)射器行進(jìn)到對(duì)象并且從對(duì)象行進(jìn)到傳感器的飛行時(shí)間。此飛行時(shí)間結(jié)合光速用來(lái)確定觀察位置處的測(cè)距設(shè)備與對(duì)象之間的距離。

其他形式的測(cè)距設(shè)備包括在多個(gè)取向上確定與觀察位置的多個(gè)距離的三維掃描儀。在一種形式中，所述測(cè)距設(shè)備包括轉(zhuǎn)向來(lái)在相應(yīng)取向上進(jìn)行多次測(cè)量的激光測(cè)距儀。測(cè)量結(jié)果可以用來(lái)提供對(duì)象的輪廓信息或者甚至提供觀察位置周圍的環(huán)境。此類信息可用于確定地下礦井中的周圍特征部的大小和形狀。

在整篇本說(shuō)明書中，用詞“包括(comprise)”或變型(諸如“comprises”或“comprising”)應(yīng)理解為暗示包括所述要素、整數(shù)或步驟、或成組要素、整數(shù)或步驟，而非排除任何其他要素、整數(shù)或步驟、或成組要素、整數(shù)或步驟。

對(duì)本說(shuō)明書中已包括的文件、法令、材料、裝置、物品等的任何討論不應(yīng)認(rèn)為是承認(rèn)任何或所有這些內(nèi)容形成現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的部分或者是本公開相關(guān)領(lǐng)域中的一般常識(shí)，因?yàn)槠湓诒旧暾?qǐng)的每個(gè)權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日期之前已經(jīng)存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供測(cè)距系統(tǒng)，其包括：電磁輸出端，其用來(lái)提供沿著第一射束路徑的第一電磁輻射束；電磁輸入端，其用來(lái)接收第一射束從對(duì)象反射的電磁輻射以便于確定測(cè)距系統(tǒng)與對(duì)象的距離；和外殼，其包括圍繞外殼的中心軸線的側(cè)壁，所述側(cè)壁可透過(guò)由電磁輸出端提供的電磁輻射，其中所述電磁輸出端和所述電磁輸入端設(shè)置在外殼內(nèi)，使得電磁輸入端位于由第一射束在側(cè)壁上的鏡面反射限定的第二電磁輻射束的第二射束路徑外部。

由于電磁輸入端位于第二射束路徑外部，第一射束離開側(cè)壁的鏡面反射不會(huì)到達(dá)電磁輸入端。這可防止或減小第一射束的鏡面反射使電磁輸入端炫目或者以其他方式對(duì)其進(jìn)行干擾的效應(yīng)。

在一個(gè)實(shí)例中，本公開提供測(cè)距系統(tǒng)，其用來(lái)通過(guò)以下方式避免第一射束從側(cè)壁的鏡面反射干擾電磁輸入端：對(duì)電磁輸出端進(jìn)行定位和定向，以使得電磁輻射不會(huì)反射離開側(cè)壁并且返回朝向電磁輸出端和定位在近側(cè)的電磁輸入端。在另一個(gè)實(shí)例中，這通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：對(duì)電磁輸出端進(jìn)行定位和定向，以使得第一射束與側(cè)壁的入射角不為(也不接近于)零度。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)中，外殼還包括一個(gè)或多個(gè)特征部，所述一個(gè)或多個(gè)特征部防止外殼外部的氣體被來(lái)自外殼內(nèi)部的點(diǎn)火觸發(fā)器點(diǎn)燃。這些特征(本文稱為防火特征)可見(jiàn)于關(guān)于防火和防暴外殼的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)中，所述識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)諸如iec60079-0ed.6.0b:2011和iec60079-1ed.7.0b:2014。關(guān)于防火和防暴外殼的其他標(biāo)準(zhǔn)可見(jiàn)于以下標(biāo)準(zhǔn)中：美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ansi/ul1203:2006、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)bsen60079-1:2007和/或澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)as60079.1:2007。在一些實(shí)施方案中，這些特征部包括密封元件，所述密封元件結(jié)合側(cè)壁將外殼內(nèi)部與外殼外部密封，使得一個(gè)或多個(gè)密封元件防止外殼外部的氣體被來(lái)自外殼內(nèi)部的點(diǎn)火觸發(fā)器點(diǎn)燃。在一個(gè)實(shí)例中，密封是氣密密封。在替代實(shí)施方案中，防火和防暴外殼并未與周圍大氣完全密封，但是可相反地包括零件，所述零件在組裝成時(shí)為具有一些間隙的緊密配合件。然而，間隙的構(gòu)造可被設(shè)計(jì)來(lái)在由于外殼內(nèi)部著火所產(chǎn)生的火焰可能蔓延到外殼外部的大氣之前使其熄滅。此類構(gòu)造可包括例如具有大小相對(duì)較小的間隙和/或具有曲折路徑(例如，迷宮)的間隙以防止或者降低火焰蔓延的機(jī)會(huì)。

在替代實(shí)施方案中，外殼包括內(nèi)壁和外壁。外壁優(yōu)選地作用來(lái)提供耐沖擊屏障，優(yōu)選地以便符合上述標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)壁優(yōu)選地作用來(lái)承受高壓，優(yōu)選地以便符合上述標(biāo)準(zhǔn)。(例如，至少100kpa、優(yōu)選地至少500kpa、并且更優(yōu)選地至少1000kpa)。內(nèi)壁和外壁可由相同或不同材料構(gòu)造而成。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，內(nèi)壁和外壁由玻璃構(gòu)造而成。在替代實(shí)施方案中，一個(gè)壁由玻璃產(chǎn)生而另一個(gè)壁由塑料產(chǎn)生，例如，外壁可由玻璃構(gòu)造而成，而內(nèi)壁可由透明塑料(諸如聚碳酸酯)構(gòu)造而成。

在又一個(gè)實(shí)施方案中，外壁包括可剝離透明塑料膜，諸如成功用于競(jìng)賽汽車擋風(fēng)玻璃的聚酯膜由madico，inc.，woburn，mass.制造，這是因?yàn)樗鼍埘ツさ漠a(chǎn)品標(biāo)注lcl-600-xsr和lcl-800-xsr以及5-7密爾膜由所述公司出售?？蓜冸x膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)膜被刮擦?xí)r能夠替換，由此維持外殼所希望的透明度。

優(yōu)選地，使用粘合劑層將內(nèi)壁和外壁層壓或粘合在一起。粘合劑層可包括由塑料聚合物制成的液態(tài)樹脂，所述塑料聚合物由丙烯酸基或硅酮基化合物配制而成，所述丙烯酸基或硅酮基化合物可包括光引發(fā)劑，所述光引發(fā)劑往往會(huì)在所施加樹脂暴露于uv光時(shí)使所述樹脂非常迅速地固化。一個(gè)此類的粘合劑可以是來(lái)自epoxiesetc.，deco-coatproductline，21starlineway，cranston，r.i.02921的uv固化7155。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粘合劑包括聚乙烯醇縮丁醛(pvb)。粘合劑層優(yōu)選地減小外殼的傾向和/或大小以便提供電磁輻射源的多次反射，并且在內(nèi)壁與外壁之間提供沖擊屏障。

在示例性的實(shí)施方案中，外殼包括雙壁玻璃柱，所述雙壁玻璃柱包括使用pvb(聚乙烯醇縮丁醛)或者其他合適的層壓/粘合物質(zhì)層壓在一起的內(nèi)玻璃柱和外玻璃柱。

測(cè)距系統(tǒng)還可包括：第一支撐元件，其可在外殼內(nèi)圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，其中電磁輸出端由第一支撐元件支撐，使得第一支撐元件的旋轉(zhuǎn)使由電磁輸出端提供的第一射束轉(zhuǎn)向。

在另一種形式中，電磁輸出端從第一旋轉(zhuǎn)軸線偏移，以使得從電磁輸出端到側(cè)壁的第一射束路徑不會(huì)與第一旋轉(zhuǎn)軸線交叉。在另一種形式中，第一旋轉(zhuǎn)軸線與中心軸線同軸。

測(cè)距系統(tǒng)還可包括：第二支撐元件，其用于在電磁輸出端與第一支撐元件之間提供支撐，其中所述第二支撐元件可圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，并且其中所述第二支撐元件的旋轉(zhuǎn)使由電磁輸出端提供的第一射束轉(zhuǎn)向。在另一種形式中，第二旋轉(zhuǎn)軸線垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸線。

在一種形式中，測(cè)距系統(tǒng)還包括：控制器模塊，其用于使第一射束轉(zhuǎn)向到多個(gè)取向以便提供周圍環(huán)境中的對(duì)象的多次距離確定。在又一種形式中，測(cè)距系統(tǒng)包括處理器，用于基于所述多次距離確定生成周圍環(huán)境的三維表示。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)中，電磁輸出端包括激光發(fā)射器，用于提供呈激光形式的第一射束，并且其中所述電磁輸入端包括光傳感器，用于接收從對(duì)象反射的激光。

在替代形式中，測(cè)距系統(tǒng)包括激光發(fā)射器，用于提供呈激光形式的第一射束，其中所述電磁輸出端包括第一反射器，用于將所述第一射束重新引導(dǎo)至第一射束路徑之上。在另一種形式中，測(cè)距系統(tǒng)包括光傳感器，用于檢測(cè)從對(duì)象反射的激光，其中所述電磁輸入端包括第二反射器，用于朝向光傳感器重新引導(dǎo)經(jīng)反射激光。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)中，第一射束路徑與側(cè)壁的表面法線之間的入射角大于5度。入射角優(yōu)選地不超過(guò)40度并且更優(yōu)選地不超過(guò)30度。小于5度的角增大了鏡面反射干擾電磁輸入端的隱患。更大的角可遭致從側(cè)壁的反射增加并且結(jié)果是測(cè)距儀性能降低。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)中，第一射束路徑與側(cè)壁的表面法線之間的入射角小于與側(cè)壁的臨界角。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)的中，側(cè)壁是圓柱形側(cè)壁。側(cè)壁的幾何結(jié)構(gòu)將由以下功能需求規(guī)定：電磁輸出端和電磁輸入端設(shè)置在外殼內(nèi)，使得電磁輸入端位于第一射束在側(cè)壁上的鏡面反射所限定的第二電磁輻射束的第二射束路徑外部。

在一種形式的測(cè)距系統(tǒng)中，系統(tǒng)還包括控制器，用于使第一射束朝向反射器轉(zhuǎn)向；確定指示反射離開反射器并且由光傳感器接收的光的強(qiáng)度的強(qiáng)度值；以及基于所述強(qiáng)度值確定煤塵粒子所污染的水平。

本公開還提供用于防火外殼內(nèi)的測(cè)距設(shè)備，所述防火外殼包括圍繞外殼的中心軸線的側(cè)壁，所述測(cè)距設(shè)備包括：電磁輸出端，其用于提供沿著第一射束路徑的通過(guò)圓柱形側(cè)壁的第一電磁輻射束；電磁輸入端，其用于接收從對(duì)象反射的第一射束以便于確定測(cè)距設(shè)備與對(duì)象的距離；第一支撐元件，其可圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述電磁輸出端由第一支撐元件支撐并且第一支撐元件的旋轉(zhuǎn)使第一射束轉(zhuǎn)向，并且其中所述電磁輸出端被安裝成從第一旋轉(zhuǎn)軸線偏移，以使得從電磁輸出端到圓柱形側(cè)壁的第一射束路徑的軸線不會(huì)與第一旋轉(zhuǎn)軸線交叉，使得當(dāng)測(cè)距設(shè)備位于外殼內(nèi)、同時(shí)第一旋轉(zhuǎn)軸線與圓柱形側(cè)壁的中心軸線同軸時(shí)，電磁輸入端位于由第一射束在圓柱形側(cè)壁上的鏡面反射產(chǎn)生的第二射束的第二射束路徑外部。

在一種形式中，測(cè)距系統(tǒng)還包括第二支撐元件，用于在電磁輸出端與第一支撐元件之間提供支撐，其中所述第二支撐元件可圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，其中所述第二支撐元件的旋轉(zhuǎn)使由電磁輸出端提供的第一射束轉(zhuǎn)向，其中第二旋轉(zhuǎn)軸線垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸線。

本公開還提供以下方法：使用上述測(cè)距系統(tǒng)或者測(cè)距設(shè)備確定封閉環(huán)境內(nèi)的對(duì)象的距離。在一個(gè)實(shí)例中，所述方法在封閉環(huán)境諸如煤礦礦井中執(zhí)行。

本公開還提供繪制一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的表面的方法，其中所述方法包括使用上述測(cè)距系統(tǒng)或者測(cè)距設(shè)備執(zhí)行與一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的多次距離確定。

本公開還提供使用上述測(cè)距系統(tǒng)或者測(cè)距設(shè)備來(lái)執(zhí)行與一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的多次距離確定。

附圖說(shuō)明

將參考以下描述本公開的實(shí)例：

圖1示出定位來(lái)測(cè)量周圍環(huán)境中的對(duì)象的距離的測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖；

圖2是向?qū)ο筇峁┑谝浑姶泡椛涫员阌诖_定與對(duì)象的距離的測(cè)距系統(tǒng)的透視圖；

圖3是測(cè)距系統(tǒng)的電磁輸出端、電磁輸入端、以及第一支撐元件和第二支撐元件的透視圖；

圖4是圖2的測(cè)距系統(tǒng)的側(cè)視圖，其示出由電磁輸出端提供的第一射束以及由電磁輸入端接收的第一射束的經(jīng)反射電磁輻射；

圖5是圖4的測(cè)距系統(tǒng)的頂視圖；

圖6是圖4的測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)化頂視圖，其示出在圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線的三個(gè)不同方位角取向上的電磁輸出端，并且示出第一射束的折射實(shí)例；

圖7(a)至圖7(c)是圖4的簡(jiǎn)化側(cè)視圖，其示出在圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線的三個(gè)不同仰角取向上的電磁輸出端，并且示出第一射束的折射效應(yīng)的實(shí)例；

圖8是具有控制器模塊、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和顯示器的測(cè)距系統(tǒng)的原理圖；

圖9(a)至圖9(c)示出呈一種形式的測(cè)距系統(tǒng)的第一射束的可能的仰角范圍；

圖10(a)至圖10(d)是測(cè)距系統(tǒng)的外殼的替代形式的透視圖；

圖11(a)和圖11(b)是電磁輸入端的透視圖，所述電磁輸入端具有用于使磁輸入端屏蔽不想要的電磁輻射的外罩；

圖12(a)和圖12(b)是包括用于測(cè)試測(cè)距設(shè)備的操作的反射器的測(cè)距系統(tǒng)的透視圖；

圖13是測(cè)距設(shè)備的頂視圖，其示出呈兩種構(gòu)型的電磁輸出端和電磁輸入端以便于確定與對(duì)象上的同一位置的距離；

圖14(a)和圖14(b)是測(cè)距設(shè)備的替代形式的頂視圖；并且

圖15(a)至圖15(c)是測(cè)距系統(tǒng)的外殼的替代形式的頂視圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)將參考圖1和圖2來(lái)總體描述測(cè)距系統(tǒng)100的實(shí)施方案。

圖1是設(shè)置在觀察位置3處以便確定相對(duì)于環(huán)境1的距離信息的測(cè)距系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化視圖。環(huán)境1包括位于測(cè)距系統(tǒng)100的視線內(nèi)的對(duì)象5、7和9。測(cè)距系統(tǒng)100可被轉(zhuǎn)向到方向a以便確定觀察位置3與第一對(duì)象5之間的第一距離15，由此第一對(duì)象5相對(duì)于觀察位置3位于方向a上。類似地，測(cè)距系統(tǒng)100可被轉(zhuǎn)向以確定在方向b上與第二對(duì)象7的第二距離17。還可對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行多次距離確定，如在方向c上與第三對(duì)象9的第三距離18以及在第四方向d上與第三對(duì)象9的第四距離19所示?？稍诙鄠€(gè)方向上進(jìn)行多次距離確定并且結(jié)合距離信息來(lái)諸如以三維點(diǎn)云提供環(huán)境的輪廓信息。在一個(gè)示例性應(yīng)用中，對(duì)象9是地下煤礦礦井中的采煤工作面。使用本文所公開的測(cè)距儀提供輪廓信息(也就是說(shuō)繪制采煤工作面的表面)具有以下優(yōu)點(diǎn)：更少人員進(jìn)入礦井的未支撐部分并且機(jī)械可被更有效地控制。

現(xiàn)在將參考圖2簡(jiǎn)要描述測(cè)距系統(tǒng)100。測(cè)距系統(tǒng)100包括電磁輸出端102，用于提供沿著第一射束路徑106朝向?qū)ο?12的第一電磁輻射束104。第一射束104從對(duì)象反射以便提供經(jīng)反射電磁輻射110。測(cè)距系統(tǒng)100還包括電磁輸入端108，用于從對(duì)象112接收第一射束的經(jīng)反射電磁輻射110以便于確定測(cè)距系統(tǒng)100與對(duì)象112的距離114。系統(tǒng)100還包括外殼120，所述外殼120具有圍繞中心軸線136的側(cè)壁122，所述側(cè)壁122可透過(guò)由電磁輸出端102提供的電磁輻射。電磁輸出端102和電磁輸入端108設(shè)置在外殼120內(nèi)，使得電磁輸入端108位于由第一射束104在側(cè)壁122上的鏡面反射128限定的第二電磁輻射束126的第二射束路徑124外部。此構(gòu)型有利地避免或者減小第一射束104的鏡面反射128的負(fù)面影響，所述負(fù)面影響可使電磁輸入端108炫目、提供錯(cuò)誤讀數(shù)、減小電磁輸入端108的有效性或壽命、和/或以其他方式影響測(cè)距系統(tǒng)100的距離確定。

測(cè)距系統(tǒng)100包括一個(gè)或多個(gè)密封元件130，所述一個(gè)或多個(gè)密封元件130結(jié)合側(cè)壁122將外殼120內(nèi)部與外殼120外部密封。此構(gòu)型可有利地防止外殼120外部的氣體被來(lái)自外殼內(nèi)部的點(diǎn)火觸發(fā)器點(diǎn)燃。

測(cè)距系統(tǒng)100還包括可在外殼120內(nèi)圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134旋轉(zhuǎn)的第一支撐元件132。電磁輸出端102由第一支撐元件132支撐，使得第一支撐元件132的旋轉(zhuǎn)使由電磁輸出端102提供的第一射束104轉(zhuǎn)向。這允許測(cè)距系統(tǒng)100使第一射束104轉(zhuǎn)向以便在多個(gè)方向上確定距離。第二支撐元件140設(shè)置在電磁輸出端102與第一支撐元件132之間，并且第二支撐元件140可圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線142旋轉(zhuǎn)以便提供用于使第一射束104轉(zhuǎn)向的進(jìn)一步的自由度。在所示的實(shí)施方案中，所述構(gòu)型避免第一射束的鏡面反射128在第一支撐元件132圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134的整個(gè)360度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)使輸入端108炫目。

現(xiàn)將詳細(xì)地論述測(cè)距系統(tǒng)100的部件。

第一支撐元件和第二支撐元件

現(xiàn)將參考圖3至圖5描述第一支撐元件132和第二支撐元件140。第一支撐元件132可旋轉(zhuǎn)地支撐第二支撐元件140。第二支撐元件140進(jìn)而可旋轉(zhuǎn)地支撐電磁輸出端102和電磁輸入端108。

第一支撐元件132可圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134旋轉(zhuǎn)，以便提供用于使電磁輸出端102和電磁輸入端108轉(zhuǎn)向的方位角方向φ。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一支撐元件132可旋轉(zhuǎn)完整的360度以便允許測(cè)距系統(tǒng)100進(jìn)行多次距離測(cè)量來(lái)掃描周圍環(huán)境。

第一支撐元件132可操作地聯(lián)接到致動(dòng)器203(如圖8所示)以便使第一支撐元件132連同被支撐的第二支撐元件140、電磁輸出端102和電磁輸入端108旋轉(zhuǎn)。在一種形式中，致動(dòng)器是電機(jī)，諸如從控制器模塊201接收致動(dòng)輸入的步進(jìn)電機(jī)。致動(dòng)器可操作來(lái)直接致動(dòng)第一支撐元件132(諸如直接傳動(dòng))，或者間接致動(dòng)，諸如通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)或者皮帶傳動(dòng)。在一種形式中，齒輪機(jī)構(gòu)或者皮帶傳動(dòng)提供旋轉(zhuǎn)速度減小的傳動(dòng)以便允許第一支撐元件132的移動(dòng)精度更大。

第二支撐元件140可圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線142(其不同于第一旋轉(zhuǎn)軸線134)旋轉(zhuǎn)以便向被支撐的電磁輸出端102和輸入端108提供進(jìn)一步的自由度。第二支撐元件140支撐從第一旋轉(zhuǎn)軸線134偏移的電磁輸出端102，以使得從輸出端102到側(cè)壁122的第一射束路徑不會(huì)與第一旋轉(zhuǎn)軸線134交叉。此構(gòu)型連同同軸的第一旋轉(zhuǎn)軸線和中心軸線136提供射束路徑106，所述射束路徑106與圓柱形側(cè)壁122具有不處于也不接近于零度的入射角。換句話講，射束路徑106并不沿著圓柱形側(cè)壁122的表面法線111，如圖5所示。因此，第一射束104在圓柱形側(cè)壁122上的鏡面反射128提供具有第二射束路徑124的第二射束126，所述第二射束路徑124遠(yuǎn)離電磁輸出端102引導(dǎo)，并且更重要地遠(yuǎn)離定位在電磁輸出端102近側(cè)的電磁輸入端108引導(dǎo)。

此外，射束路徑106可優(yōu)選地與圓柱形側(cè)壁122具有不處于也不接近于90度的入射角。較大的角可致使電磁輻射發(fā)生顯著的鏡面反射，由此減少將由電磁輸入端108接收的電磁輻射110。

在一種形式中，電磁輸出端102由第二支撐元件140支撐，使得由電磁輸出端102提供的第一射束104基本上垂直于第二旋轉(zhuǎn)軸線142。

在一個(gè)實(shí)施方案中，第二旋轉(zhuǎn)軸線142垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸線134。第二支撐元件140提供電磁輸出端102和輸入端108相對(duì)于垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸線134的水平面138的仰角θ的調(diào)節(jié)。第二支撐元件140的移動(dòng)可通過(guò)致動(dòng)器203(諸如以上所論述的那些)進(jìn)行。

由于可圍繞不同軸線134、142旋轉(zhuǎn)，第一支撐元件132和第二支撐元件140允許使第一電磁輻射束104轉(zhuǎn)向。應(yīng)了解，在其他實(shí)施方案中，第二旋轉(zhuǎn)軸線142并不需要垂直于第一旋轉(zhuǎn)軸線134來(lái)提供額外的自由度。然而，這些旋轉(zhuǎn)軸線的垂直布置可有助于輕易控制并計(jì)算第一射束104的方向。

電磁輸出端和電磁輸入端

電磁輸出端102和電磁輸入端108可操作來(lái)提供飛行時(shí)間信息以便允許進(jìn)行距離確定。在一種形式中，電磁輸出端102和輸入端108基本上共同定位(或者彼此鄰近)，其中輸出端102和輸入端108由第一支撐元件132和第二支撐元件140在相同方向上引導(dǎo)。通常，這涉及使電磁輸出端102和輸入端108朝向?qū)ο?12引導(dǎo)，盡管可包括一些變型以便考慮到折射、位移、或者其他對(duì)齊考慮，這些將在以下詳細(xì)地論述。

在一種形式中，電磁輸出端102和輸入端108呈激光測(cè)距儀的形式。因此，電磁輸出端102可呈激光發(fā)射器的形式，所述激光發(fā)射器為第一射束104發(fā)射一個(gè)或多個(gè)激光脈沖。電磁輸入端108可呈對(duì)激光敏感的光傳感器的形式。激光發(fā)射器的實(shí)例可包括激光二極管。激光的波長(zhǎng)可包括850nm、905nm、1535nm。在一種形式中，控制激光的功率輸出以便確保激光輸出滿足安全要求，諸如為護(hù)眼激光器和/或防止激光變成點(diǎn)火觸發(fā)器。在一種形式中，激光以及外殼120中的其他部件(諸如電機(jī)、致動(dòng)器、光傳感器、控制器、無(wú)線電通信模塊等)的混合功率小于6w。在一個(gè)實(shí)施方案中，來(lái)自設(shè)備的有效輻射功率(9khz至60ghz)優(yōu)選地不超過(guò)10w，更優(yōu)選地不超過(guò)6w，并且甚至更優(yōu)選地不超過(guò)4w。激光優(yōu)選地具有不超過(guò)1w并且更優(yōu)選地不超過(guò)150mw的有效輻射功率。在特定的實(shí)施方案中，設(shè)備符合iec60079-0:2011的有效輻射功率(9khz至60ghz)(優(yōu)選地針對(duì)i級(jí)氣體)(例如，針對(duì)煤礦開采環(huán)境)。

為了提供距離確定，電磁輸出端102提供行進(jìn)通過(guò)外殼120的側(cè)壁122并且朝向?qū)ο?12的激光脈沖(在第一射束104中)。光反射離開對(duì)象122，并且經(jīng)反射激光110中的至少一些往回朝向測(cè)距系統(tǒng)100行進(jìn)，傳遞通過(guò)側(cè)壁122以便由電磁輸入端108接收。光脈沖的輸出端102與接收反射輸入之間的飛行時(shí)間用來(lái)確定距離。對(duì)于輸出端102位于輸入端108附近的系統(tǒng)100，距離或者至少距離的近似值可由以下方程確定：

應(yīng)了解，此方程可改變以便將已知變量和常量考慮在內(nèi)。例如，第一射束104的行進(jìn)通過(guò)外殼102的激光可以小于光通過(guò)空氣的速度的速度行進(jìn)。變化可包括計(jì)算光脈沖行進(jìn)通過(guò)側(cè)壁122的時(shí)間延遲。在一種形式中，可使用側(cè)壁122的平均厚度。在另一種形式中，可使用射束104必須以電磁輸出端102的給定取向行進(jìn)通過(guò)外殼的距離。在另一個(gè)實(shí)例中，部件中的一個(gè)或多個(gè)的響應(yīng)時(shí)間可存在延遲?？赏ㄟ^(guò)修改方程1或者通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)100而將其考慮在內(nèi)。

在一種形式中，電磁輸出端102和電磁輸入端108置于殼體(未示出)內(nèi)部。殼體連同置于其內(nèi)的電磁輸出端102和電磁輸入端108由第二支撐元件140支撐。因此，當(dāng)?shù)谝恢卧?32和第二支撐元件140旋轉(zhuǎn)時(shí)，殼體(與輸出端102和輸入端108一起)也旋轉(zhuǎn)。殼體被密封以便減少灰塵污染。在另一個(gè)實(shí)施方案中，殼體被密封以便減小殼體內(nèi)部的點(diǎn)火觸發(fā)器點(diǎn)燃?xì)んw外部的氣體(或者其他易燃材料)的隱患。這提供除了由密封外殼120提供的密封之外的另一個(gè)安全層。在另一種形式中，殼體還可包括過(guò)濾器，所述過(guò)濾器覆蓋電磁輸入端108從而允許傳輸經(jīng)反射電磁輻射110的波長(zhǎng)，但是吸收或者反射一個(gè)或多個(gè)其他波長(zhǎng)。

外殼

在圖2所示的實(shí)施方案中，外殼包括側(cè)壁122和呈圓形蓋133形式的密封元件130，所述圓形蓋133被接收在側(cè)壁122的頂部部分處。另一個(gè)密封元件130(呈基座的形式)(未示出)被提供來(lái)與圓柱形側(cè)壁122的底部部分對(duì)接。

在所示的實(shí)施方案中，側(cè)壁122是圍繞中心軸線136延伸以便形成圓柱形側(cè)壁的彎曲側(cè)壁。在此實(shí)施方案中，壁圍繞中心軸線136延伸達(dá)360度。這有助于測(cè)距系統(tǒng)100、具體地安裝在第一支撐元件132上的電磁輸出端102和輸入端108在多個(gè)方向上進(jìn)行掃描。在一個(gè)實(shí)施方案中，這允許第一支撐元件132圍繞測(cè)距系統(tǒng)100旋轉(zhuǎn)并掃描完整的360度。

在一個(gè)實(shí)施方案中，第一旋轉(zhuǎn)軸線134與圓柱形側(cè)壁122的中心軸線136同軸。此布置可允許簡(jiǎn)化測(cè)距系統(tǒng)100的計(jì)算和/或校準(zhǔn)。具體地，此布置可簡(jiǎn)化第一射束104傳遞通過(guò)圓柱形側(cè)壁122時(shí)所述射束的方向變化或位移變化的計(jì)算(和/或校準(zhǔn))，因?yàn)榈谝簧涫?04與表面法線111之間的角與方位角方向φ無(wú)關(guān)。

在替代形式中，側(cè)壁122可包括多于一個(gè)單曲面或小面，并且可具有其他形狀。圖10(a)至圖10(d)示出外殼120的替代形式。圖10(a)示出具有彎曲側(cè)壁122的外殼，也就是說(shuō)，彎曲側(cè)壁至少部分地類似于圓錐的表面。圖10(b)示出類似于六角棱鏡的多面?zhèn)缺?22。圖10(c)示出具有平面?zhèn)缺?22以便形成類似于正四棱錐的外殼的又一個(gè)替代外殼120。圖10(d)示出另一個(gè)實(shí)施方案，其中外殼120包括半球形側(cè)壁122。

如以上所指出，密封元件130和圓柱形側(cè)壁122的構(gòu)型將外殼120內(nèi)部與外殼120外部密封。在一種形式中，密封是防止或者基本上防止氣體在外殼120內(nèi)部與外部之間傳送的氣密密封。氣密密封防止或者減小外殼120內(nèi)部的點(diǎn)火觸發(fā)器(諸如電火花)蔓延并且致使外殼120外部的氣體點(diǎn)燃的隱患。這在以下情況下是有利的：當(dāng)測(cè)距系統(tǒng)100用于具有易燃燃料(諸如可見(jiàn)于地下礦井中的烴氣(諸如甲烷)、煤塵等)的環(huán)境中時(shí)。

應(yīng)了解，在其他實(shí)施方案中，由密封元件130與圓柱形側(cè)壁122形成的密封可能并不是完美的氣密密封。在一種形式中，密封件130與圓柱形側(cè)壁122之間的緊密配合可提供足夠的屏障以防止火焰或者其他點(diǎn)火觸發(fā)器從外殼120內(nèi)部蔓延到外殼120外部。在一個(gè)實(shí)例中，一個(gè)或多個(gè)間隙可存在于圓柱形側(cè)壁122與密封元件130之間?？商娲?，圓柱形側(cè)壁122和/或密封元件130可包括一個(gè)或多個(gè)間隙。在一種形式中，一個(gè)或多個(gè)間隙和外殼120一般符合構(gòu)造防火外殼的要求，諸如iec60079-0ed.6.0b:2011和iec60079-1ed.7.0b:2014或者本文所論述的其他標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)或多個(gè)。

在所示的實(shí)施方案中，密封元件130與圓柱形側(cè)壁122可移除地附接。這允許接近外殼120內(nèi)的零件并且對(duì)其進(jìn)行維修，所述零件諸如電磁輸出端102和電磁輸入端108。在另一個(gè)實(shí)施方案中，密封元件130可永久地附接到圓柱形側(cè)壁122以便維持密封完整性，和/或防止或減小外殼120和其中的部件亂動(dòng)的可能性。在又一個(gè)實(shí)施方案中，密封元件130中的一個(gè)或多個(gè)，諸如圓形蓋133或基座134，可與圓形側(cè)壁122一體形成。

在一些實(shí)施方案中，密封元件130至少部分地由鋼或工業(yè)級(jí)塑料形成。密封元件130可由材料形成、或者由材料覆蓋，所述材料不反射或者基本上不反射來(lái)自電磁輸出端102的電磁輻射的波長(zhǎng)。這會(huì)減小來(lái)自電磁輸出端102的電磁輻射在外殼120內(nèi)反射多次(其可由電磁輸入端108接收)的機(jī)會(huì)和/或強(qiáng)度。

外殼120的側(cè)壁122由一種材料制成，所述材料被選擇成是基本上透明的以便允許傳輸來(lái)自電磁輸出端102的一定波長(zhǎng)的電磁輻射。在一個(gè)實(shí)例中，所述材料包括可透過(guò)由激光發(fā)射器產(chǎn)生的一定波長(zhǎng)的光的玻璃。在此上下文中，透明的意味著可能存在一定的輻射衰減，但是經(jīng)傳輸輻射的強(qiáng)度足以允許感測(cè)到從對(duì)象反射的輻射。

圓柱形側(cè)壁122的材料可透過(guò)除了電磁輸出端102的波長(zhǎng)之外的波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可能合乎希望的是排除這些其他波長(zhǎng)被電磁輸入端108接收。這可包括在圓柱形側(cè)壁122上提供涂層，所述涂層反射其他波長(zhǎng)以防止外殼120外部的此類電磁輻射進(jìn)入外殼120中并且被電磁輸入端108接收。可替代地，圓柱形側(cè)壁122可配備有用于吸收此類其他波長(zhǎng)的涂層。在另一個(gè)實(shí)施方案中，外殼可由固有地對(duì)其他波長(zhǎng)中的一個(gè)或多個(gè)不透明的材料構(gòu)造而成。在又一個(gè)實(shí)施方案中，過(guò)濾器可設(shè)置在外殼外部或者外殼內(nèi)部以便過(guò)濾掉此類其他波長(zhǎng)或者減小被電磁輸入端108接收的此類其他波長(zhǎng)的強(qiáng)度。

在測(cè)距系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)例中，圓柱形側(cè)壁122由具有近似10mm厚度的鋼化玻璃形成。圓柱形側(cè)壁122的內(nèi)徑具有150mm的半徑。此實(shí)例包括從第一旋轉(zhuǎn)軸線134(和中心軸線136)偏移30mm的電磁輸出端102，并且其中電磁輸出端102提供在基本上垂直于第二旋轉(zhuǎn)軸線142的方向上的第一射束104。這些尺寸提供以遠(yuǎn)離表面法線111的角度入射到側(cè)壁122上的第一射束104。優(yōu)選地，側(cè)壁122的表面應(yīng)盡可能光滑和一致以防止或減小射束失真。

參考測(cè)距系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，側(cè)壁優(yōu)選地具有以下光學(xué)特性：

·側(cè)壁的內(nèi)表面具有優(yōu)選地不超過(guò)10％、更優(yōu)選地不超過(guò)5％、并且甚至更優(yōu)選地不超過(guò)2％而又甚至更優(yōu)選地不超過(guò)1％的鏡面反射(以5度的入射角進(jìn)行測(cè)量)；以及

·側(cè)壁的透明度(以5度的入射角進(jìn)行測(cè)量)是使得存在工作波長(zhǎng)的至少90％傳輸、更優(yōu)選地95％傳輸、并且甚至更優(yōu)選地98％傳輸。

低內(nèi)部反射和高傳輸?shù)慕M合促成極佳的測(cè)距儀性能和可靠性。低內(nèi)部反射可通過(guò)使用抗反射涂層(諸如可購(gòu)自dsm(netherlands)的claryl^tm)而實(shí)現(xiàn)。

控制器模塊、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和顯示器

圖8示出測(cè)距系統(tǒng)100的實(shí)施方案，其還包括控制器模塊201，用于向致動(dòng)器203提供輸入以便于可操作地移動(dòng)第一支撐元件132和第二支撐元件140來(lái)使電磁輸出端102的第一射束104轉(zhuǎn)向。這允許對(duì)周圍環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)象5、7、9、112進(jìn)行多次距離確定?？刂破髂K201還與電磁輸出端102對(duì)接以便控制第一射束104的生成，諸如提供可操作地生成激光脈沖的命令。此外，控制器模塊201與電磁輸入端108對(duì)接以便接收來(lái)自電磁輸入端108的信息，諸如來(lái)自光傳感器的信息。在一種形式中，控制器201包括計(jì)時(shí)模塊(未示出)，用于基于激光脈沖從電磁輸出端102行進(jìn)與經(jīng)反射光110被電磁輸入端108接收的時(shí)間的時(shí)間差確定飛行時(shí)間。在一種形式中，計(jì)時(shí)模塊包括振蕩式石英并且控制器對(duì)生成激光脈沖與接收來(lái)自光傳感器的信號(hào)之間的振蕩次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂破鹘又鴮⒂?jì)數(shù)乘以常量以便確定距離。例如，振蕩頻率可以是256mhz，從而產(chǎn)生1.17m的分辨率。

在一種形式中，控制器模塊是由atmel生產(chǎn)的atmega640微控制器。

測(cè)距系統(tǒng)100還包括通過(guò)通信端口207與控制器模塊201通信的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)205?？刂破飨到y(tǒng)205包括連接到程序存儲(chǔ)器211、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器213和通信端口207的處理器209。程序存儲(chǔ)器211是非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，諸如硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)硬盤或者cd-rom。

存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器211上的軟件(也就是可執(zhí)行程序)致使處理器209執(zhí)行任務(wù)，諸如確定對(duì)象5、7、9、112與測(cè)距系統(tǒng)100的距離，所述對(duì)象5、7、9和112與測(cè)距系統(tǒng)100的相對(duì)取向，對(duì)象的相對(duì)位置和/或所述對(duì)象5、7、9、112的表面上的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)位置。此類信息可基于接收來(lái)自控制器模塊201的飛行時(shí)間信息以及與電磁輸入端102、轉(zhuǎn)向射束104和/或?qū)χ聞?dòng)器203的控制輸入的取向有關(guān)的信息來(lái)確定。

額外的任務(wù)可包括處理器209引導(dǎo)控制器模塊201在選定區(qū)域上執(zhí)行掃描選定的次數(shù)(根據(jù)多次距離確定)。這可包括用來(lái)操作致動(dòng)器203和電磁輸出端102的具體指令。

處理器209接著可將對(duì)象5、7、9、112與測(cè)距系統(tǒng)100的距離和其他信息(諸如測(cè)距系統(tǒng)的位置、環(huán)境條件、時(shí)間和日期、射束脈沖的飛行時(shí)間信息以及用于確定電磁輸出端102和輸入端108的取向的信息)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)213中?？蓪?duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)213中的信息進(jìn)行檢索以便于分析或繪制測(cè)距系統(tǒng)100周圍的環(huán)境。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，處理器可執(zhí)行基于多次距離確定和距離確定的對(duì)應(yīng)方向生成周圍環(huán)境的三維表示的方法。在一種形式中，所述表示存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)213中。在又一個(gè)實(shí)施方案中，周圍環(huán)境的表示在視覺(jué)顯示器216上可視地呈現(xiàn)給用戶。這可包括三維點(diǎn)云。

用來(lái)避免鏡面反射干擾第二輸入端的測(cè)距系統(tǒng)的操作

現(xiàn)將描述測(cè)距系統(tǒng)100的實(shí)施方案的操作。測(cè)距系統(tǒng)100可操作來(lái)對(duì)測(cè)距系統(tǒng)100周圍的對(duì)象進(jìn)行圍繞中心軸線136完整的360弧度掃描。這通過(guò)使第一支撐元件132圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134旋轉(zhuǎn)至選定方位角φ來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)距系統(tǒng)100還可操作來(lái)通過(guò)使第二支撐元件140圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線142旋轉(zhuǎn)而以各個(gè)仰角θ進(jìn)行距離確定。這在圖9(a)至圖9(c)所示的實(shí)施方案中示出，其示出第一射束104的仰角范圍，包括與水平面138成近似+/-40的仰角。然而，應(yīng)了解，其他實(shí)施方案可包括使仰角從水平面轉(zhuǎn)向多于或少于40度。

因此，在使用過(guò)程中，測(cè)距系統(tǒng)100在多個(gè)方向上引導(dǎo)射束，所述射束必須在多個(gè)相應(yīng)位置處傳輸通過(guò)外殼120。有利地，測(cè)距系統(tǒng)100將第一射束104引導(dǎo)至側(cè)壁122，以此方式避免第一射束104的鏡面反射128使電磁輸入端108炫目。

參考圖4和圖5，這通過(guò)引導(dǎo)來(lái)自電磁輸出端102的第一射束104以基本上遠(yuǎn)離表面法線111的角入射到側(cè)壁122上來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，第一射束104的鏡面反射128(示出為沿著第二射束路徑124的第二射束126)被引導(dǎo)遠(yuǎn)離電磁輸入端108(和定位在近側(cè)的電磁輸出端102)。

在圖4和圖5所示的實(shí)施方案中，第一射束104與側(cè)壁122的入射角總是遠(yuǎn)離表面法線111，而不管方位角方向(相對(duì)于第一支撐元件132圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134的旋轉(zhuǎn))或者仰角(相對(duì)于第二支撐元件140圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸線142的旋轉(zhuǎn))。這通過(guò)提供從基本上圓柱形側(cè)壁122的共用第一旋轉(zhuǎn)軸線134和中心軸線136偏移的電磁輸出端102(和對(duì)應(yīng)第一射束路徑106)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

參考以上實(shí)施方案，應(yīng)了解，以接近但不精確地處于表面法線111的角入射到側(cè)壁122的第一射束104仍可提供可能會(huì)影響電磁輸入端108的鏡面反射。例如，與側(cè)壁111具有1度或2度入射角的第一射束104可往回朝向電磁輸出端102和定位在近側(cè)的電磁輸入端108反射大量的電磁輻射。因此，在一些實(shí)施方案中，合乎希望的是第一射束104與側(cè)壁122具有大于5度的入射角。在另一個(gè)實(shí)施方案中，入射角是至少10度。在又一個(gè)實(shí)施方案中，入射角是至少12度、或者至少15度、或者至少20度。較大的入射角可有利地減小第二射束126的電磁輻射通過(guò)以下方式影響電磁輸入端108：致使第二射束126遠(yuǎn)離電磁輸出端102和并置的電磁輸入端108反射。

在一個(gè)實(shí)施方案中，第一支撐元件132以及測(cè)距系統(tǒng)100的其余支撐部件以每秒近似0.25轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)。第二支撐元件140以及被支撐的電磁輸出端102和電磁輸入端108可以每秒近似40轉(zhuǎn)數(shù)旋轉(zhuǎn)。支撐元件132、140的連續(xù)旋轉(zhuǎn)允許測(cè)距系統(tǒng)100進(jìn)行多次距離確定。應(yīng)了解，可使用其他轉(zhuǎn)速。

在一個(gè)實(shí)施方案中，第一支撐元件132和第二支撐元件140可圍繞相應(yīng)軸線旋轉(zhuǎn)360度或更多。這允許確定對(duì)象112上的點(diǎn)與兩種或更多種構(gòu)型的電磁輸出端112的距離。這允許冗余測(cè)量或者立體測(cè)量對(duì)象的表面或環(huán)境的距離。這在圖13中示出，在圖13中第一構(gòu)型的電磁輸出端3102’提供朝向?qū)ο?12上的點(diǎn)3112的對(duì)應(yīng)第一射束3104’。經(jīng)反射電磁輻射(為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)未示出)接著被電磁輸入端3108’接收。電磁輸出端和輸入端接著可通過(guò)移動(dòng)支撐元件被移動(dòng)成第二構(gòu)型。在第二構(gòu)型中，電磁輸出端3102”提供朝向?qū)ο笊系南嗤c(diǎn)3112的對(duì)應(yīng)第一射束3104”。經(jīng)反射輻射接著被電磁輸入端3102”接收。

上述實(shí)例是一種解決方案，并且應(yīng)了解，在其他實(shí)施方案中，不同的構(gòu)型可用來(lái)提供并未以一定角度入射到側(cè)壁122上而致使鏡面反射128(為引導(dǎo)朝向電磁輸入端108的第二射束126)的第一射束104。例如，在一個(gè)替代方案中，電磁輸出端102是第一反射器(例如，反射鏡或棱鏡)，所述第一反射器重新引導(dǎo)來(lái)自激光發(fā)射器的激光以便在第一射束路徑106上提供第一射束104。在另一個(gè)實(shí)施方案中，電磁輸入端108包括將經(jīng)反射激光110重新引導(dǎo)至一個(gè)或多個(gè)光傳感器的第二反射器。在此實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)第一和第二反射器作用來(lái)向激光發(fā)射器和/或光傳感器提供偏移以防止第二射束124使光傳感器炫目。以下描述這些替代方案的實(shí)例。

傳遞通過(guò)側(cè)壁的第一射束的折射

如以上所指出，基本上圓柱形側(cè)壁122有助于測(cè)距系統(tǒng)100的計(jì)算和/或校準(zhǔn)。圖6示出電磁輸出端在以各個(gè)方位角φ’(其為零并且未示出)、φ”和φ”’圍繞第一旋轉(zhuǎn)軸線134的三個(gè)位置1102’、1102”、1102”’中的頂視圖。當(dāng)?shù)谝簧涫?104’、1104”、1104”’傳遞通過(guò)圓柱形側(cè)壁122時(shí)，與圓柱形側(cè)壁122的材料的折射率相比空氣(外殼120內(nèi)部和外殼120外部)的不同折射率致使第一射束1104’、1104”和1104”’發(fā)生折射。這會(huì)改變第一射束的路徑，所述改變可包括方向變化和/或致使第一射束的路徑發(fā)生位移。在圖6中，這由入射到圓柱形側(cè)壁122上的第一射束1104’、1104”和1104”’示出。經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104a’、1104a”和1104a”’的路徑如圖6所示被從相應(yīng)初始射束路徑1106’、1106”和1106”’改變角α。由于第一旋轉(zhuǎn)軸線134和中心軸線136同軸并且圓柱形側(cè)壁122基本上是圓柱形，第一射束1104的路徑、至少垂直于中心軸線134的路徑分量的變化基本上是恒定的。也就是說(shuō)，第一射束1104a’、1104a”和1104a”’的經(jīng)傳輸路徑的變化對(duì)如圖6所示的圍繞中心軸線136的所有方位角方向φ基本上相同(如角α所示)。

應(yīng)了解，角α所示的路徑變化并不是唯一的，并且根據(jù)材料特性和物理構(gòu)型，第一射束路徑的變化可包括光束的位移。在又一個(gè)替代方案中，經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104a’、1104a”和1104a”’可具有與入射光束104’、104”和104”’相比發(fā)生位移并且引導(dǎo)朝向不同方向的路徑。應(yīng)了解，傳遞通過(guò)側(cè)壁122并且被電磁輸入端108接收的反射輻射110的路徑可使用與針對(duì)第一射束1104所描述的原理類似的原理進(jìn)行計(jì)算(和/或校準(zhǔn))。

在此說(shuō)明書中為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，圖6中僅描述射束路徑的分量在垂直于中心軸線136的方向上的變化?，F(xiàn)將參考圖7(a)至圖7(c)描述由于電磁輸出端102的相對(duì)仰角θ所致的第一射束104的路徑變化。

圖7(a)示出電磁輸出端2102，所述電磁輸出端2102以0度仰角定向，使得第一射束2104’基本上平行于垂直于中心軸線136的平面138。在此取向中，經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104b’相對(duì)于仰角分量基本上平行于第一射束2104’且與所述第一射束2104’同軸，這是因?yàn)檠鼋欠至康恼凵浠緸榱恪?/p>

圖7(b)示出以高于垂直于中心軸線136的平面138的中等仰角θ”定向的電磁輸出端2102”。在此構(gòu)型中，經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104b”具有相對(duì)于第一射束2104”改變的路徑，所述改變是因?yàn)殡姶泡敵龆说难鼋侵率沟谝簧涫?104”以大于零度的入射角入射到圓柱形側(cè)壁122上，從而導(dǎo)致仰角分量中的第一射束發(fā)生折射。經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104b”與第一射束2104”的偏差被示出為位移β”。然而，應(yīng)了解，偏差并不限于位移，而且可替代地或者相結(jié)合地可以是如上所論述的射束路徑的方向變化。

圖7(c)示出以高于垂直于中心軸線136的平面138的高仰角θ”’定向的電磁輸出端2102”’。在此構(gòu)型中，經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104b”’具有相對(duì)于第一射束2104”’發(fā)生更大改變的路徑，所述更大改變是因?yàn)殡姶泡敵龆说妮^高仰角致使較大的入射角，從而導(dǎo)致較大的折射以及仰角分量中的第一射束的后續(xù)位移。經(jīng)傳輸?shù)谝簧涫?104b”’與第一射束2104”’的偏差被示出為位移β”’。在此實(shí)施方案中，β”’大于β”并且位移β隨仰角θ的增大而增大。

在一種形式中，第一射束的路徑變化的計(jì)算(包括α和β)可使用斯涅爾定理(方程2)以及相關(guān)折射率進(jìn)行計(jì)算。

其中

θ是根據(jù)介質(zhì)1與2之間的邊界的表面法線測(cè)量的光路徑的角，

v是光在相應(yīng)介質(zhì)中的速度，并且

n是相應(yīng)介質(zhì)的折射率。

在一種形式中，電磁輸出端102的構(gòu)型被設(shè)置來(lái)在第一射束入射到圓柱形側(cè)壁122上時(shí)避免第一射束104發(fā)生全內(nèi)反射。此構(gòu)型可包括提供第一支撐元件132和第二支撐元件130，使得電磁輸出端102將不會(huì)被定向來(lái)提供具有高于空氣與側(cè)壁或者側(cè)壁與空氣、邊界的臨界角的入射角的第一射束104。

變型和替代方案

現(xiàn)將描述測(cè)距系統(tǒng)100的其他變型和替代方案的操作。

屏蔽電磁輸入端

圖11(a)和圖11(b)示出具有被外罩312屏蔽的光傳感器310的電磁輸入端108的實(shí)施方案。外罩312在一個(gè)實(shí)施方案中呈形成通道314的中空管的形式。在使用中，外罩312可與電磁輸入端108的其他零件一起移動(dòng)，以使得通道總體上引導(dǎo)朝向測(cè)距系統(tǒng)100正進(jìn)行測(cè)距的對(duì)象112。通道允許從對(duì)象112反射的電磁輻射110傳遞通過(guò)外罩312以便由光傳感器310檢測(cè)到。相反地，外罩阻止來(lái)自替代方向上的電磁輻射，諸如第二射束316或者第三和后續(xù)光束318被光傳感器310直接接收。這可有利地防止多次反射離開側(cè)壁122的第二射束316被光傳感器310直接接收。另外，外罩312可使光傳感器310屏蔽可能會(huì)影響傳感器310的其他電磁輻射源，諸如燈光(用于照明)、來(lái)自太陽(yáng)的光線、來(lái)自經(jīng)反射電磁輻射的多條路徑的電磁輻射、或者其他測(cè)距設(shè)備在所述區(qū)域中操作的電磁輻射。

在一個(gè)實(shí)施方案中，外罩312可包括抗反射表面。可包括防光眩擋板320以便屏蔽光傳感器310，如圖11(b)所示。

灰塵污染測(cè)試

在使用中，灰塵或者其他污染物可粘附到外殼120，從而可能會(huì)減小測(cè)距裝置100的性能和有效性。例如，外殼120外部上或者外殼內(nèi)部上的灰塵可削弱或者以其他方式破壞第一射束104和/或經(jīng)反射電磁輻射110。這可減小測(cè)距裝置的有效距離，或者在最壞的情況下完全妨礙距離確定。

在一些實(shí)施方案中，灰塵是易燃灰塵，諸如煤塵或者煤煙。在此類情況下，外殼內(nèi)部或外部的灰塵水平的增加可反映安全隱患升高。外殼的定期維護(hù)檢查可用來(lái)確保灰塵水平不會(huì)達(dá)到可能會(huì)不利地影響設(shè)備性能或者增強(qiáng)安全隱患的較高水平。

在一個(gè)實(shí)施方案中，測(cè)距裝置100包括用來(lái)確定測(cè)距裝置100的污染水平和性能的手段。優(yōu)選地，當(dāng)污染水平超過(guò)預(yù)定量時(shí)，測(cè)距儀觸發(fā)警報(bào)或者關(guān)閉裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，此預(yù)定量對(duì)應(yīng)于具有較高著火隱患水平的污染水平。參考圖12(a)，測(cè)距裝置100包括設(shè)置在外殼120外部的具有反射表面353的反射器351。反射器351提供具有已知反射率的反射表面353，以便提供測(cè)試(或校準(zhǔn))表面。

在一種形式中，污染測(cè)試包括測(cè)距系統(tǒng)100提供第一射束104，所述第一射束104傳遞通過(guò)側(cè)壁122并且反射離開反射表面353，并且經(jīng)反射電磁輻射110傳遞通過(guò)側(cè)壁122以便由電磁輸入端108接收。已接收電磁輻射110的強(qiáng)度可與從反射表面353反射的最近的經(jīng)反射電磁輻射110的強(qiáng)度相比較。強(qiáng)度減小可指示性能退化，諸如灰塵污染側(cè)壁122的外部、側(cè)壁的內(nèi)部、或者諸如電磁輸出端102和電磁輸入端108上的其他部件。強(qiáng)度減小還可指示反射表面353受到污染。

圖12(b)示出具有外殼120內(nèi)部的含有反射表面357的反射器355的另一個(gè)實(shí)施方案。這允許污染測(cè)試針對(duì)確定外殼120內(nèi)部、諸如電磁輸出端102和輸入端108上的污染?；蛘撸鑫廴緶y(cè)試可用來(lái)確定電磁輸出端102和輸入端108的條件。例如，隨著時(shí)間的推移和使用，輸出端102的強(qiáng)度或者輸入端108對(duì)電磁輻射的靈敏度可能發(fā)生退化。

在另一種形式中，將如圖12(a)所示的外殼120外部的污染測(cè)試的結(jié)果與如圖12(b)所示的外殼120內(nèi)部的污染測(cè)試的結(jié)果相比較。比較結(jié)果可提供外殼120的側(cè)壁122的污染指示，從而平衡或者排除電磁輸出端102和輸入端108的污染和性能減小。

在另一個(gè)實(shí)例中，測(cè)距系統(tǒng)100監(jiān)測(cè)電磁輸入端108的信噪比。信噪比減小可指示測(cè)距系統(tǒng)100的一個(gè)或多個(gè)部件的灰塵污染。這可用作替代方案，或者結(jié)合上述污染測(cè)試使用。

在一種形式中，程序存儲(chǔ)器211中的程序致使處理器209引導(dǎo)控制器模塊201執(zhí)行上述污染測(cè)試。這可在以下情況下執(zhí)行：在操作過(guò)程中以固定時(shí)間間隔執(zhí)行、在啟動(dòng)時(shí)、在關(guān)閉時(shí)、或者在已經(jīng)確定在電磁輸入端108處接收的輻射預(yù)期低于對(duì)象112和/或?qū)ο?12的材料的給定距離時(shí)。此外，程序響應(yīng)于測(cè)距系統(tǒng)100受到污染的確定可提示操作者維修測(cè)距系統(tǒng)100和/或關(guān)閉測(cè)距系統(tǒng)100。這在污染是火災(zāi)隱患的情況下可能是重要的。

在一種形式中，控制器201確定電磁輸出端102發(fā)送電磁輻射脈沖與電磁輸入端108接收經(jīng)反射電磁輻射脈沖之間的時(shí)間差，而無(wú)需確定已接收電磁輻射的強(qiáng)度。換句話講，電磁輸入端108充當(dāng)用來(lái)停止時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)的觸發(fā)器。這避免對(duì)超快模擬-數(shù)字(a/d)轉(zhuǎn)換的需要并且因此減小控制器的成本、復(fù)雜性和功率消耗。

為了確定測(cè)距儀的污染或者環(huán)境中或側(cè)壁122上存在顆粒，控制器201可將電磁輸出端102從脈沖模式切換成連續(xù)模式并且將連接到電磁輸入端108的控制器端口從觸發(fā)模式切換成a/d模式。由于電磁輸出端102是連續(xù)的，可使用如由常見(jiàn)微控制器提供的緩慢a/d轉(zhuǎn)換。

結(jié)果(也就是表示已接收電磁輻射的數(shù)字值)接著可由處理器209與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器213上的閾值進(jìn)行比較。如果結(jié)果低于閾值，那么處理器209確定污染高于可接受水平。處理器209接著可激活警告或者激活控制燈光以便向操作者指示過(guò)度污染。這種確定污染的過(guò)程可周期性地執(zhí)行。優(yōu)選地，此過(guò)程每10秒執(zhí)行一次或者圍繞中心軸線136轉(zhuǎn)動(dòng)十次之后執(zhí)行。

在一種形式中，指示從電磁輸出端102到參考反射鏡(諸如反射表面353、357)的方向的電磁輸出端的方位角和仰角的值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器213上。處理器209接著可將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器模塊201以便致使電磁輸出端102在輸出端102的方位角和仰角等于已存儲(chǔ)值或者處于已存儲(chǔ)值的一定范圍內(nèi)(諸如1度)時(shí)切換成連續(xù)輸出。

處理器209還將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器模塊201以便致使連接到電磁輸入端108的控制器端口在輸出端102的方位角和仰角等于已存儲(chǔ)值或者處于已存儲(chǔ)值的一定范圍內(nèi)(諸如1度)時(shí)切換成a/d轉(zhuǎn)換。

以此方式，尚未確定與參考反射鏡353、357的距離，但是相反可在每次輸出端102圍繞軸線134旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量污染，而無(wú)需開始和停止輸出端102的移動(dòng)(這會(huì)減小部件上的機(jī)械應(yīng)力)。

電磁輸出端和輸入端的構(gòu)型的變型

現(xiàn)將參考圖14(a)描述測(cè)距系統(tǒng)4100的變型。在此變型中，電磁輸出端4102包括反射器，例如反射鏡。電磁輸出端4102重新引導(dǎo)來(lái)自發(fā)射器152的電磁輻射束以便提供第一電磁輻射束104。電磁輸入端4108還包括反射器，所述反射器也可以是反射鏡。電磁輸入端4108重新引導(dǎo)經(jīng)反射電磁輻射110朝向電磁輻射傳感器154。在此實(shí)施方案中，使用一個(gè)或多個(gè)反射器結(jié)合側(cè)壁122的幾何結(jié)構(gòu)提供避免使傳感器154炫目的第二射束126的第二射束路徑124。

在另一個(gè)變型中，電磁輸入端4108和電磁輸出端4102的反射器由常見(jiàn)反射器形成。

現(xiàn)將參考圖14(b)描述測(cè)距系統(tǒng)5100的另一個(gè)變型。在此變型中，電磁輸出端5102和電磁輸入端5108可由第二支撐元件5140和第一支撐元件5140旋轉(zhuǎn)地支撐和轉(zhuǎn)向。在此變型中，電磁輸出端5102提供以表面法線或者基本上接近于所述表面法線入射到側(cè)壁122上的第一射束104。所得鏡面反射128在第二射束路徑124上提供往回引導(dǎo)朝向電磁輸出端5102的第二射束126。盡管如此，在此構(gòu)型中，電磁輸入端5108位于第二射束路徑124外部以避免或者減小鏡面反射對(duì)電磁輸入端5108的效應(yīng)。

外殼的側(cè)壁的變型

現(xiàn)將參考圖15(a)至圖15(c)描述測(cè)距系統(tǒng)6100、7100、8100的變型，其具有不同構(gòu)型的側(cè)壁，包括外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁。

參考圖15(a)，測(cè)距系統(tǒng)6100具有外殼120，所述外殼120具有圍繞電磁輸出端102和輸入端108的內(nèi)側(cè)壁6122a。外側(cè)壁6122b進(jìn)而圍繞內(nèi)側(cè)壁6122a。在此實(shí)施方案中，空白6131限定在外側(cè)壁6122b與內(nèi)側(cè)壁6122a之間。

外側(cè)壁6122b和內(nèi)側(cè)壁6122a可由不同材料制成。使用不同材料的優(yōu)點(diǎn)在于材料的不同相應(yīng)特性可相結(jié)合。例如，外側(cè)壁6122b可由一種材料制成，所述材料具有高耐沖擊材料以便提供耐沖擊屏障。內(nèi)側(cè)壁6122a可由承受高壓(諸如至少100kpa、或者至少500kpa、或者至少1000kpa)的材料制成。在一個(gè)實(shí)施方案中，外側(cè)壁6122b由玻璃構(gòu)造而成以便提供耐刮擦性。內(nèi)側(cè)壁6122a可由透明塑料構(gòu)造而成以便提供耐壓屏障。因此，外側(cè)壁6122b和內(nèi)側(cè)壁6122a的組合可被構(gòu)造來(lái)滿足一個(gè)或多個(gè)用戶需求，所述一個(gè)或多個(gè)用戶需求可包括符合如本文所論述的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在另一個(gè)變型中，外側(cè)壁6122b和內(nèi)側(cè)壁6122a由具有相同或不同壁厚的相同材料制成。在一個(gè)實(shí)施方案中，外側(cè)壁6122b和內(nèi)側(cè)壁6122a由玻璃構(gòu)造而成。具有兩個(gè)側(cè)壁可以是有利的，原因在于外側(cè)壁6122b可以是犧牲屏障，所述犧牲屏障可根據(jù)需要在不使電磁輸出端102和輸入端108暴露于污染物的情況下進(jìn)行替換。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行替換時(shí)(諸如通常在礦井中遇到的工業(yè)環(huán)境)，這可以是特別有利的。

外側(cè)壁6122b與內(nèi)側(cè)壁6122a之間的空白6131可有利地提供平衡以便減小外側(cè)壁6122b上的沖擊效應(yīng)影響內(nèi)側(cè)壁6122a和其中包含的系統(tǒng)部件。例如，外側(cè)壁6122b可吸收致使其發(fā)生變形的沖擊。然而，空白6131提供遠(yuǎn)離內(nèi)側(cè)壁6122a的間隔，以使得沖擊力不會(huì)被直接傳輸至內(nèi)側(cè)壁6122a的表面。

測(cè)距系統(tǒng)7100的另一個(gè)實(shí)施方案由圖15(b)示出，其包括由呈保護(hù)膜7122b形式的外側(cè)壁圍繞的由剛性材料制成的內(nèi)側(cè)壁7122a。保護(hù)膜7122b可以是可剝離透明塑料膜，所述可剝離透明塑料膜可在膜被刮擦、被以其他方式損壞或污染時(shí)移除并替換。有利地，保護(hù)膜7122b可提供低成本且容易替換的犧牲屏障，以便允許容易維持外殼120的透明度。保護(hù)膜7122b可包括類似于用于競(jìng)賽汽車擋風(fēng)玻璃上的那些的聚酯膜，諸如由madico，inc.，woburn，mass.制造的那些，其中產(chǎn)品標(biāo)注lcl-600-xsr和lcl-800-xsr以及5-7密爾膜由所述公司出售。

測(cè)距系統(tǒng)8100的又一個(gè)實(shí)施方案由圖15(c)示出，其包括使用粘合劑層8123層壓或者粘合到外側(cè)壁8122b的內(nèi)側(cè)壁8122a。粘合劑層可包括液態(tài)樹脂，所述液態(tài)樹脂由塑料聚合物制成，所述塑料聚合物由丙烯酸基或硅酮基化合物配制而成。這可以是包括將往往會(huì)在所施加樹脂暴露于uv光時(shí)使所施加樹脂非常迅速地固化的光引發(fā)劑。一個(gè)此類的粘合劑可以是來(lái)自epoxiesetc.，deco-coatproductline，21starlineway，cranston，r.i.02921的uv固化7155。在一個(gè)實(shí)例中，粘合劑包括聚乙烯醇縮丁醛(pvb)。粘合劑層優(yōu)選地減小外殼的傾向和/或大小以便提供電磁輻射源的多次反射，并且在內(nèi)壁與外壁之間提供沖擊屏障。

在示例性的實(shí)施方案中，外殼120包括雙壁玻璃柱，所述雙壁玻璃柱包括使用pvb(聚乙烯醇縮丁醛)8123或者其他合適的層壓/粘合物質(zhì)層壓在一起的玻璃柱形成的內(nèi)側(cè)壁8122a和外側(cè)壁8122b。

外側(cè)壁6122b和內(nèi)側(cè)壁6122a可致使多個(gè)相應(yīng)光反射點(diǎn)和光折射點(diǎn)，諸如內(nèi)側(cè)壁6122a、7122a、8122a處的位置6128a、7128a、8128a處以及外側(cè)壁6122b、7122b、8122b處的位置6128b、7128b、8128b處。對(duì)這些效應(yīng)的調(diào)節(jié)可根據(jù)如稍早所描述的那些的校準(zhǔn)和/或計(jì)算進(jìn)行但同時(shí)會(huì)考慮多次反射和折射。此外，還應(yīng)考慮到由粘合劑層8123致使的反射和折射。

其他特征

在一種形式中，測(cè)距裝置100的外殼120內(nèi)部的電氣部件和電子部件(包括激光器、電機(jī)和控制器)消耗不超過(guò)6w的功率以便減小由于測(cè)距系統(tǒng)暖機(jī)而著火的隱患。應(yīng)了解，最大功率消耗水平可根據(jù)國(guó)家或管轄區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而改變。

測(cè)距系統(tǒng)優(yōu)選地符合以下標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)或多個(gè)(更優(yōu)選地兩個(gè)或更多個(gè))：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iec60079-0、iec60079-1；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ansi/ul1203:2006；英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)bsen60079-1:2007；和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)as60079.1:2007。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，測(cè)距系統(tǒng)還符合1級(jí)氣體標(biāo)準(zhǔn)(例如，煤礦開采環(huán)境)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本公開的廣泛總體范圍的情況下，可對(duì)上文所述的實(shí)施方案進(jìn)行各種變更和/或修改。因此，本實(shí)施方案視為在所有方面是說(shuō)明性的而不是限制性的。

應(yīng)用

本發(fā)明的測(cè)距系統(tǒng)特別適用于具體在暴露于點(diǎn)火源時(shí)易于著火或爆炸的環(huán)境。在一個(gè)實(shí)施方案中，測(cè)距系統(tǒng)用于確定礦井、具體地煤礦礦井內(nèi)的對(duì)象的距離。煤礦礦井內(nèi)的大氣環(huán)境可包含煤塵、甲烷和氧氣的爆炸和/或可燃混合物。