激光扫描设备和使用方法.pdf

一种激光系统，该激光系统包括壳体和激光器。该激光器能够被定位在所述壳体中，从而使得该激光器的激光光束成角度地发出，并且该激光光束的路径在所述壳体旋转时形成圆锥。该激光装置还可以容纳两个或更多个激光器，每个激光器的角度可以相同或不同，并且每个激光器的角度位置可以是固定的或可变的。该激光系统可以是固定的或可移动的，并且可用在各种检测物体或地形的方法中，并且能够产生三维图像。这种信息可以被进一步用来提供测绘图、地形数据、体积测量、着陆导向、障碍物避免警报、采矿型面和其他有用材料。

权利要求书一种激光扫描设备，该激光扫描设备包括壳体，该壳体包括至少一个激光器，其中所述激光扫描设备被构造成从所述壳体发出至少第一和第二激光光束，所述至少第一和第二激光光束是可围绕公共旋转轴线旋转的。
根据权利要求1所述的激光扫描设备，该激光扫描设备被构造成使得所述第一和第二激光光束中的至少一个激光光束的路径在该激光光束围绕所述旋转轴线运动时呈现圆锥形状。
根据权利要求1或2所述的激光扫描设备，该激光扫描设备包括用于产生所述至少第一和第二激光光束的至少第一和第二激光器。
根据权利要求3所述的激光扫描设备，其中所述至少第一和第二激光器被构造成围绕公共轴线旋转。
根据权利要求4所述的激光扫描设备，其中所述至少第一和第二激光器相对于彼此旋转固定。
根据前述权利要求中任一项权利要求所述的激光扫描设备，其中所述壳体是可围绕旋转轴线旋转的，并且其中所述激光扫描设备是这样的，即：所述至少第一和第二激光光束被构造成与所述壳体一起旋转。
根据权利要求6所述的激光扫描设备，其中所述第一和第二激光器中的至少一个激光器成角度地定位在所述壳体中，使得该激光器的激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时呈现圆锥形状。
根据前述权利要求中任一项权利要求所述的激光扫描设备，其中所述第一激光光束是可围绕所述公共旋转轴线旋转的，从而该第一激光光束的路径在其围绕所述旋转轴线运动时呈现圆锥形状，所述第二激光光束是可围绕所述公共旋转轴线旋转的，从而该第二激光光束的路径在其围绕所述旋转轴线运动时也呈现与所述第一激光光束不同的圆锥形状。
根据权利要求6所述的激光扫描设备，其中所述至少第一和第二激光器成角度地定位在所述壳体中，使得它们的激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时均呈现圆锥形状。
根据权利要求8或9所述的激光扫描设备，该激光扫描设备被构造成使得所述至少两个圆锥面向相反方向。
一种使用激光扫描设备进行扫描的方法，该激光扫描设备包括壳体，从所述壳体发出至少第一和第二光束，该方法包括：
围绕公共轴线旋转所述至少第一和第二光束，使得它们均描绘出不同的路径。
根据权利要求11所述的方法，其中该方法包括旋转所述至少第一和第二光束，使得所述光束中的至少一个光束在其围绕所述公共轴线旋转时描绘出圆锥形路径。
根据权利要求12所述的方法，其中该方法包括围绕公共轴线旋转所述至少第一和第二光束，使得它们均描绘出不同的圆锥形路径。
根据权利要求11至13中任一项权利要求所述的方法，其中该方法包括旋转所述壳体，从而使所述至少第一和第二光束围绕所述公共轴线旋转。
根据权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二圆锥形路径面向相反方向。
根据权利要求11至15中任一项权利要求所述的方法，该方法进一步包括在与所述旋转轴线平行的方向上线性地移动所述壳体。
一种扫描物体的方法，包括移动激光扫描设备经过所述物体，其中所述激光扫描设备相对于行进方向成角度地投射至少一个激光光束，从而使得该至少一个激光光束在所述激光扫描设备移动经过所述物体时相对于所述行进方向既在向前方向上又在向后方向上延伸。

说明书激光扫描设备和使用方法
技术领域
本发明涉及测量光束扫描系统的领域，更优选地，本发明涉及激光扫描系统的领域。
背景技术
有各种测量光束扫描系统可用来进行检测或测量。例如，测量装置有限公司（Measurement Device Ltd.）已经出售了空腔自动扫描激光系统（C‑ALS）,这种空腔自动扫描激光系统用来测量难以接近的空隙或空腔，诸如用于潜在开采操作的地下洞穴。所述C‑ALS具有激光头，该激光头通过摇摄倾斜机构而旋转。该激光头可以被附装至伸缩吊杆并且通过进出钻孔下降到空腔内。激光器在通过所述摇摄倾斜机构旋转并转变角度时扫描该空腔，从而产生该空腔的详细的3D表示。
另一种系统使用通常通过机动装置而被竖直地和水平地引导的连续测量激光器对周围物体或地形进行矢量扫描。这可以生成x、y和z数据的点云，通常通过计算机图形建模技术可以利用x、y和z数据的点云生成物体或地形的比例摹写。可以利用该技术通过从多个方向或测站进行扫描并利用数学方法将x、y和z数据拼接而形成一个模型来对较大或复杂的物体或区域进行勘测。该方法能够被很好地建立并有效，但是相对较慢。这种产品的一个示例便是测量装置有限公司的采石工系统（Quarryman System）。
通过引入高精度导航和姿态测量系统而使得移动扫描成为可能。在移动系统中，使用单个或多个扫描器来在移动车辆经过时对物体或地形进行线扫描，所述单一或多个扫描器相对于所述移动车辆的轴线以已知关系偏移地在平面内运动。为了这样做，要求利用无线电、卫星或激光定位系统来精确地定车辆的位置和轨迹。通常需要通过多轴陀螺仪系统来确定姿态即俯仰、滚转、偏航、垂荡和航向。相对于车辆位置和轨迹在一个或更多个已知平面内进行连续激光扫描。该方法比固定扫描更快并且效率更高，不过其可能精度较低并且更昂贵。所得到的扫描可能具有阻断或黑色区域，因为扫描平面大体上正交于行进方向。这种产品的一个示例是由测量装置有限公司（Measurement Device Ltd.）生产的动态扫描系统。
许多扫描机构都可用，包括摇摆镜、旋转多面镜和旋转激光光束。采用这些机构用于固定和移动测绘系统，诸如Topcon GLS‑1000(摇摆镜)、RieglV2400（旋转多面镜）和Optech Lynx System（旋转360度棱镜激光光束）。这三个机构中的每个机构都提供竖直和/或平面扫描。但没有一个能够提供可变激光角度扫描能力。
需要进一步改进激光扫描系统，优选这样的系统，该系统是可移动的、简单、高效、生产廉价、耐用，并且能够精确地检测和测量物体和地形，同时由该系统产生的3D图像中的阻断和阴影最少。
发明内容
本发明提供了一种改进的光束扫描设备，具体地说，根据本发明的第一方面，提供了一种激光扫描设备，该激光扫描设备包括壳体，该壳体包括至少一个激光器，其中所述激光扫描设备被构造成从所述壳体发出至少第一和第二激光光束，所述至少第一和第二激光光束是可围绕公共旋转轴线旋转的。
由于所述光束被构造成围绕公共轴线旋转，因此将它们从所述扫描提供的数据一起绑定到公共的坐标系统要容易的多。因此，这也能够降低所述设备的任何校准的复杂性。此外，设置可围绕公共旋转轴线旋转的至少第一和第二激光光束使得能够通过仅仅单个扫描头获得沿着多个路径的多重扫描。
所述激光扫描设备可以被构成成使得所述第一和第二激光光束中的至少一个激光光束在其围绕所述旋转轴线运动时呈现圆锥形状。因而，所述第一和第二激光光束中的至少一个激光光束能够相对于所述公共旋转轴线以非垂直角度被投射。例如，所述至少第一和第二激光光束中的至少一个激光光束能够相对于所述公共旋转轴线以80°和5°之间，优选在70°和10°之间，例如在60°和20°之间的锐角投射。
所述激光扫描设备可以只包括一个激光器。例如，可以使用至少一个光学部件来利用由所述一个激光器发出的光束形成所述至少第一和第二激光光束。在这种情况下，所述至少一个光学部件中的至少一个可以被构造成旋转而使得所述至少第一和第二激光光束围绕所述公共轴线旋转。
从所述壳体发出的每个激光光束都可以由其自身的激光器产生。可选地，所述激光扫描设备可以包括用于产生所述至少第一和第二激光光束的至少第一和第二激光器。所述至少第一和第二激光器能够被构造成围绕公共轴线旋转，从而使得所述激光光束围绕公共轴线旋转。
所述至少第一和第二激光器可以相对于彼此旋转固定。例如，所述第一和第二激光光束可以被构造成使得它们不能够围绕它们的公共旋转轴线相对于彼此旋转。所述至少第一和第二激光器可以相对于彼此固定，从而它们不能相对于彼此运动。
所述壳体可以是可围绕旋转轴线旋转的。所述激光扫描设备可以被构造成这样，即：所述至少第一和第二激光光束被构造成与所述壳体一起旋转。因而，所述至少第一和第二激光光束可以相对于所述壳体旋转固定。所述至少第一和第二激光光束可以相对于所述壳体固定。所述第一和第二激光器中的至少一个激光器能够成角度地位于所述壳体中，使得该激光器的激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时呈现圆锥形状。具体地，所述第一和第二激光器中的至少一个激光器能够相对于所述公共旋转轴线以非垂直角度定位在所述壳体中。所述至少第一和第二激光器能够成角度地定位在所述壳体中，使得它们的激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线旋转时均呈现圆锥形状。
所述第一和第二激光光束中的至少一个激光光束可以被构造成围绕所述公共轴线旋转，使得该至少一个激光光束的路径在该激光光束围绕所述公共轴线旋转时包含在一平面内。因而，所述第二激光光束可以从所述壳体发出，从而使得该第二激光光束的路径垂直于公共旋转轴线延伸。所述第一和第二激光光束都可以被构造成围绕所述公共轴线旋转，使得所述第一和第二激光光束的路径在它们围绕所述公共轴线旋转时都被包含在一平面内。因而，所述第一和第二激光光束可以被构造成在它们围绕所述公共轴线旋转时被容纳在平行的平面内。可选地，所述第一激光光束可以是可围绕所述公共旋转轴线旋转的，从而使得该第一激光光束的路径在该第一激光光束围绕所述旋转轴线运动时呈现圆锥形状，并且所述第二激光光束可以是可围绕所述公共旋转轴线旋转的，从而使得该第二激光光束的路径在该第二激光光束围绕所述旋转轴线运动时也呈现圆锥形状。优选地，所述第二激光光束的圆锥与所述第一激光光束的圆锥不同。因而，所述第一和第二激光光束能够相对于所述公共旋转轴线以非垂直角度投射。从所述壳体发出的激光光束中的至少两个激光光束可以围绕所述公共轴线旋转，从而使得所述至少两个激光光束的路径呈现圆锥形状。因而，所述第一和/或第二激光光束可以相对于所述公共旋转轴线以80°和5°之间，更优选为70°和10°（例如60°和20°之间）的锐角投射。如将理解的，所述至少第一和第二光束可以相对于所述公共轴线以不同的角度投射。可选地，所述至少第一和第二光束可以以相同的角度投射。在这种情况下，可以通过沿着所述公共轴线的长度将所述第一和第二光束投射在不同点处和/或在不同方向（例如向后和向前）上投射来获得不同的圆锥形路径。
所述激光扫描设备可以被构造成使得由所述至少第一和第二光束的旋转限定的至少两个圆锥面向不同的方向。例如，所述至少两个圆锥可以面向相反方向，例如面向在直径上相对的方向。例如，所述第一和第二圆锥（分别由所述第一和第二光束围绕所述公共旋转轴线的旋转限定）可以面向前和面向后（或面向上和面向下）。
所述至少第一和第二光束可以同时地发出。所述至少第一和第二光束可以连续地发出。如将理解的，这并不需要必然如此。例如，所述至少第一和第二光束可以在它们围绕所述公共旋转轴线旋转时交替地发出。例如，当所述第一和第二激光光束从公共激光器发出时可以是这种情况。
所述至少第一和第二光束的（例如从所述激光扫描设备附近的物体的）反射例如反向散射可以由所述壳体中的单个检测器来检测。可选地，设置多个检测器。例如，可选地，对于所述至少第一和第二激光光束中的每个激光光束来说，所述激光扫描设备包括被构造成检测该激光光束的反向散射的至少一个相关的检测器。可选地，所述至少一个检测器可以被构造成例如围绕所述公共旋转轴线旋转。因而，所述至少一个检测器可以被构造成在所述至少第一和/或第二光束围绕所述公共轴线旋转时以相同速率围绕所述公共旋转轴线旋转。例如，在其中所述壳体旋转的实施方式中，所述至少一个检测器可以被构造成与所述壳体一起旋转。因而，所述至少一个检测器可以相对于所述壳体旋转固定。所述至少一个检测器可以相对于所述壳体固定。
所述至少第一和第二光束中的至少一个光束可以在其围绕所述至少一个公共轴线旋转时相对于所述公共旋转轴线以稳定即恒定的角度投射。可选地，所述至少第一和第二光束中的二者都可以在其围绕所述公共旋转轴线旋转时相对于所述公共轴线以稳定即恒定的角度投射。
优选地，所述至少第一和第二光束中的至少一个光束的横截面面积沿着其长度基本恒定。优选地，所述至少第一和第二光束的横截面面积沿着它们的长度基本恒定。换言之，优选地，所述至少第一和第二光束中的至少一个光束沿着其长度不发散或会聚。优选地，所述至少第一和第二光束沿着它们的长度不发散或会聚。
如将理解的，从所述壳体可以发出至少一个附加光束，例如发出至少第三光束。如将理解的，以上和以下针对所述至少第一和第二激光光束进行的阐述同样适合于任何附加激光光束。例如，所述至少一个附加光束中的至少一个光束可以被构造成围绕所述公共旋转轴线旋转。所述至少一个附加光束中的至少一个光束可以被构造成围绕所述公共轴线旋转，从而使得该至少一个光束的路径保留在一平面内。可选地，所述至少一个附加光束中的至少一个光束可以被构造成是可围绕所述公共旋转轴线旋转的，从而使得该至少一个光束的路径在其围绕所述旋转轴线旋转时也呈现圆锥形状。
如将理解的，所述激光扫描设备具有多种合适的应用。例如，所述激光扫描设备可以用来检测和/或测量至少一个物体。具体地，该激光扫描设备可以用来确定至少一个物体与所述设备（具体是所述壳体）之间的距离。例如，所述激光扫描设备可以被构造成测量所述设备所处的周围环境。例如，所述设备可以用来生成所述设备所处的周围环境的计算机生成的3维（3D）地形模型。因而，所述设备可以包括至少一个处理器装置，该至少一个处理器装置被构造成处理所检测到的反射光束，以确定距离至少一个物体的距离。所述处理器可以被构造成确定所述激光光束到达所述至少一个物体然后被再次反射回所述检测器所用的时间。因而，该设备可以是通常所说的飞行时间激光扫描设备。所述至少第一和第二光束可以包括连续系列的激光脉冲。在这种情况下，所述设备可以被构造成确定由所述壳体中的至少一个检测器检测到反向散射脉冲所花的时间。因而，该设备还可以是通常所说的脉冲飞行时间激光扫描设备。适合于与本发明一起使用的激光器包括发出在紫外线到红外线范围内的激光光束的激光器。例如，用于产生所述至少第一和第二激光光束的激光器可以发出红外光，例如，在近红外范围或短波长红外范围内的光（例如在850nm到1550nm范围内的光）。
所述设备可以被构造成用来使用所述壳体与至少一个物体之间的距离的一系列测量与针对每个测量的关于激光光束的发射位置和方向的信息来生成测量点的云。因此，该测量点的云可以代表所述壳体所处的周围环境的地形。所述设备，例如所述处理器能够被构造成将从所述至少第一和第二光束中的每个光束的反向散射的检测获得的测量数据绑定在一起。
如将理解的，所述设备可以包括定位测量仪器，以使得所述壳体（和例如所述公共旋转轴线）的位置能够在至少一个维度中，优选在至少二个正交维度中，更优选在至少三个正交维度中被确定。例如，所述壳体可以包括三角测量定位系统，该三角测量定位系统使得该壳体（和例如所述公共旋转轴线）的位置能够借助于三角测量来确定。该三角测量定位系统可以是局部系统，例如，至少三个发射器/收发器单元可以位于所述壳体附近，所述至少三个发射器/收发器单元可以向所述壳体发射/从所述壳体接收至少三个三角测量信号。所述三角测量系统可以是局部的甚至是全球系统。例如，所述壳体可以包括卫星定位系统单元，该卫星定位系统单元从卫星接收信号，以使能例如全球定位系统（GPS）单元。定位测量仪器还可以包括例如运动传感器、惯性传感器、加速度计、陀螺仪、高度计等。
所述激光扫描设备可以包括方位测量仪器，以便使得能够确定所述壳体（和例如所述公共旋转轴线）围绕至少一个轴线，更优选地围绕至少两个正交轴线，特别优选地围绕至少三个正交轴线的旋转方位。例如，所述壳体可以包括指南针、至少一个加速度计、至少一个倾斜计、和/或至少一个陀螺仪。当然，这种测量仪器也可以或转而用来确定所述壳体（和例如所述公共旋转轴线）的位置。所述壳体可以包括惯性测量单元。
因而，所述激光扫描设备可以包括这样的测量仪器，以便使得可以实时地确定在任意特定时刻所述至少第一和第二激光光束的发射位置和/或方向。此外，所述激光扫描设备例如所述壳体可以包括至少一个旋转编码器。该旋转编码器可以用来实时地确定在任意时刻所述光束围绕所述公共旋转轴线的旋转位置。
所述至少第一和第二激光光束中的每个激光光束可以被构造成围绕公共轴承旋转。可以使所述至少第一和第二激光光束中的每个都通过围绕一轴线旋转的公共旋转装置而围绕公共旋转轴线旋转。例如，可以将至少第一和第二激光光束产生部件（例如第一和第二激光器，或者第一和第二分束器）安装至公共旋转单元，该公共旋转单元被构造成围绕旋转轴线旋转。例如，在其中所述壳体旋转的实施方式中，所述公共旋转单元则可以是所述壳体。
本发明还提供了一种使用光束扫描设备进行扫描的改进方法，该光束扫描设备包括壳体，从所述壳体发出至少第一和第二光束，该方法包括：围绕公共轴线旋转所述至少第一和第二光束。例如，所述方法可以包括围绕公共轴线旋转所述第一和第二光束，使得它们均描绘出不同的路径，所述光束中的至少一个光束在其围绕所述公共轴线旋转时描绘出圆锥形路径。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用激光扫描设备进行扫描的方法，该激光扫描设备包括壳体，至少第一和第二光束从该壳体（例如沿着不同方向）发出，该方法包括：围绕公共轴线旋转所述第一和第二光束，使得它们都描绘出不同的路径。所述光束中的至少一个光束可以在其围绕所述公共轴线旋转时描绘出圆锥形路径。
如将理解的，以上针对本发明的设备描述的特征还可应用于本发明的方法，但是为了简洁，这里不再重复。例如，所述方法可以包括围绕公共轴线旋转所述至少第一和第二光束，使得它们均描绘出不同的圆锥形路径。该方法可以包括旋转所述壳体，从而围绕所述公共轴线旋转所述至少第一和第二光束。所述第一和第二圆锥形路径可以面向相反方向。
所述方法可以进一步包括在与所述旋转轴线平行的方向上线性地移动所述壳体。激光光束中的至少一个激光光束可以描绘出面向前或面向后的圆锥，例如该圆锥的中心线可以与所述公共旋转轴线基本平行地延伸，例如与所述公共旋转轴线基本重合地延伸。在其中所述第一和第二激光光束中的每个激光光束都在它们围绕所述轴线旋转时描绘出圆锥的实施方式中，所述第一和第二激光光束中的一个激光光束描绘出面向前的圆锥，而另一个可以描绘出面向后的圆锥。可选地，所述激光光束中的至少一个可以描绘出面向侧方的圆锥，例如圆锥的中心线可以基本垂直于所述公共旋转轴线延伸。
如针对本发明的设备描述的，本发明的方法可以用于许多合适的应用。例如，所述方法可以包括使用所述设备确定至少一个物体的存在/不存在和/或测量至少一个物体。所述方法可以包括使用所述设备获得所述壳体（例如所述公共旋转轴线）和所述至少一个物体之间的距离的一系列测量。所述方法可以包括使用该一系列测量来生成测量点的云。该测量点的云可以代表所述壳体所处的周围环境的地形。如以上针对本发明的设备所述，该云涉及使用关于至少一个激光光束的发射位置和方向的数据。该方法可以包括将从所述至少第一和第二光束中的每个光束的反向散射的检测获得的测量数据绑定在一起。
根据本发明的第三方面，提供了一种扫描物体的方法，包括移动激光扫描设备经过所述物体，其中所述激光扫描设备相对于行进方向成角度地投射至少一个激光光束，从而使得该至少一个激光光束在所述激光扫描设备移动经过所述物体时相对于所述行进方向既在向前方向上又在向后方向上延伸。
与垂直于行进方向延伸的光束不同，以这种方式定向所述至少一个激光光束增加了在所述激光扫描设备经过所述物体时关于所述物体获得的数据量。例如，像扫描面向所述激光扫描系统的物体的侧面一样，该方法确保了所述物体的前表面和后表面也能够被扫描到，即使所述激光扫描设备的运动被局限在一平面内，例如激光扫描设备沿着直线经过所述物体时，也是如此。
如将理解的，所述至少一个激光光束相对于所述运动方向成角度地投射特别是以非直角角度投射。所述激光扫描设备可以投射至少两个光束，一个光束沿着向前方向投射，另一个光束沿着向后方向投射。所述至少一个光束可以是扇形光束。这可以通过从所述设备发散开的光束来提供。可选地，这可以通过在一平面内振动的沿着其长度具有恒定横截面尺寸的光束来提供。所述至少一个光束可以具有沿着其长度的恒定横截面尺寸。所述至少一个激光光束可以围绕轴线旋转。所述至少一个激光光束可以相对于旋转轴线成角度地（例如以非垂直角度）定位，使得该至少一个激光光束在其围绕所述旋转轴线旋转时描绘出圆锥。所述至少一个激光光束在其围绕所述至少一个公共轴线旋转时能够相对于所述公共旋转轴线以稳定即恒定的角度投射。可选地，所述至少一个激光光束可以被构造成使得在其围绕所述旋转轴线旋转时描绘出的圆锥的中心线与所述行进方向平行。所述至少一个激光光束可以被构造成使得在其围绕所述旋转轴线旋转时描绘出的圆锥的中心线相对于所述行进方向成角度，例如基本上垂直于所述行进方向。
如将理解的，所述至少一个第二激光光束可以相对于运动方向成角度地特别是以非垂直角度投射。可选地，至少一个第二激光光束可以相对于旋转轴线转变角度，从而在其围绕旋转轴线旋转时描绘出一圆锥。可选地，所述至少一个第二激光光束可以被构造成使得在其围绕旋转轴线旋转时描绘出的圆锥的中心线平行于所述行进方向。可选地，所述至少一个激光光束可以进一步被构造成使得在其围绕所述旋转轴线旋转时描绘出的圆锥的中心线相对于所述行进方向成角度。所述至少一个激光光束可以被构造成使得在其围绕所述旋转轴线旋转时描绘出的圆锥的中心线相对于所述行进方向成角度，例如基本上垂直于所述行进方向。
如将理解的，以上针对本发明的设备和其他方法描述的特征同样可应用于本发明的该方法，但是为了简洁这里没有重复。
本申请还描述了一种新颖的圆锥扫描激光系统及其使用方法。这里，使用术语“圆锥扫描”来指代一种操作激光扫描系统的方法，其中激光器成角度地定位在旋转壳体内，使得激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时形成圆锥。该系统不必包括倾斜机构，由此简化了系统设计并且降低了运动零件的数量。这里描述的圆锥扫描激光系统和方法允许用户进行激光测量，例如，用来以三维方式检测和描述物体或地形。
如这里使用的，术语“激光系统”在行业中一般还被称为术语“雷达（LiDAR）”（激光检测和测距）。在根据本发明的系统和方法中，圆锥扫描角度测量利用由激光脉冲在发射和返回时触发的光学编码器或测量旋转角度的其他类似装置来确定。所收集的圆锥扫描激光和角度数据与导航和姿态数据一起寄存并加上时间标签，以确定激光点云的3D坐标，这些3D坐标（实时地或通过稍后的后处理）进行处理以产生3D图像或测绘图。
本申请描述了一种圆锥扫描激光系统，该圆锥扫描激光系统包括：a）壳体，该壳体围绕旋转轴线运动；以及b）激光器，该激光器成角度地定位在所述壳体中，使得该激光器的激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时呈现圆锥形状。例如，本发明的一个实施方式是一种圆锥扫描激光系统，该圆锥扫描激光系统包括旋转壳体和激光器，其中所述激光器定位在所述壳体中，使得该激光器的激光光束成角度地发射，并且该激光光束的路径在所述壳体围绕其旋转轴线旋转时形成圆锥。所述激光器在所述壳体中的位置可以是固定的，或者另选地，所述激光器在所述壳体内的位置可以是可变的，使得所述激光能够以不同角度发射出。
本发明的另一个实施方式是一种圆锥扫描激光系统，该圆锥扫描激光系统包括保持在旋转壳体内的两个或更多个激光器。所述激光器中的至少一个激光器被定位成使得其成角度地发射。在所述壳体旋转时，成角度的激光光束的路径呈现圆锥形状。这种圆锥扫描激光装置可以具有许多不同的构造。例如，一种圆锥扫描激光系统可以包括保持在旋转壳体装置中的三个激光器，其中第一激光器以向上角度定位，第二激光器以水平角度定位，第三激光器以向下角度定位。在另一个实施例中，定位在不同角度处的两个或更多个激光器被保持在旋转壳体中，并且操作员可以选择任何一个或全部成角度的激光器来在所述壳体围绕其旋转轴线运动时进行扫描。
根据本发明的圆锥扫描激光系统可以是固定或移动系统的一部分。例如，本发明的一个实施方式是一种圆锥扫描激光系统，该圆锥扫描激光系统从固定位置操作以以三维方式检测并描述物体或地形。所述圆锥扫描激光系统包括激光器和位于固定位置的旋转壳体，其中所述激光器定位在所述壳体中，使得其激光光束成角度地发射出，并且其路径在所述壳体围绕其旋转轴线运动时形成圆锥。
在另一个示例中，根据本发明的圆锥扫描激光系统可以附装至旋转或摇摄机构。例如，所述圆锥扫描激光系统可以在三脚架上面附装至旋转云台。当所述激光器在所述壳体围绕其旋转轴线的同时旋转时，所述圆锥扫描激光系统可以进一步在该平移机构上旋转。
根据本发明的圆锥扫描激光系统的一个附加优选实施方式是一种扫描系统，该扫描系统能够对CAL－S系统加以改进或补充CAL‑S系统。尽管CAL‑S具有许多益处，但是其在处理不规则形状的洞穴表面时仍然具有潜在缺点，这种不规则形状的洞穴表面可以会导致激光扫描系统的盲点。另外，对空穴的接近可能是这样进行的，即：在伸缩吊架上将C‑ALS下降较大距离或难用的角度，这可能导致激光器被卡住。获得具有更少运动零件、重量更小、耐水性更大、质量更轻且激光头更坚固的简单系统也将是有益的。
根据本发明的圆锥扫描激光系统例如是附装到下降至地下空腔内的吊杆的端部处的圆锥扫描激光装置。该圆锥扫描激光系统操作来确定所述空腔的地形并产生该空腔的3D测绘图。优选地，根据该实施方式的圆锥扫描激光系统具有以不同角度定位在所述壳体中的多个激光器，以捕获包括整个空腔的不规则形状表面的数据。
作为本发明的另一个实施方式的是一种移动圆锥扫描激光系统，该移动圆锥扫描激光系统以三维方式检测并描绘物体或地形。移动激光扫描系统的具体示例是附装至车辆并检测在该车辆的路径上的障碍物的圆锥扫描激光系统。在本发明的情况下，移动车辆可以是任何陆地、海洋或空中车辆，包括但不限于飞机、直升机、汽车、摩托车、军用车辆或船舶。在一个优选实施方式中，所述圆锥扫描激光系统附装至车辆以收集数据并确定潜在的着陆地点。另一示例是移动圆锥扫描激光系统，该移动圆锥扫描激光系统附装至移动车辆，其中该圆锥扫描系统以三维方式收集关于物体和地形的信息。
除了涉及圆锥扫描激光装置或系统的实施方式之外，本发明还涉及执行圆锥扫描操作的方法。在一优选实时方式中，提供了通过利用根据本发明的圆锥扫描激光系统来扫描物体或地形而以以三维方式描述物体或地形的方法。
在另一个优选实施方式中，提供了一种通过利用圆锥扫描激光系统扫描移动车辆附近的区域来检测该移动车辆的路径上的障碍物的方法。
在另一个优选实施方式中，提供了一种定位适当的直升机着陆区域的方法，该方法包括操作附装至直升机的圆锥扫描激光系统，其中位于所述直升机下方并在直升机附近的着陆区域受到圆锥扫描以检测物体和地形并确定适当的着陆区域。
在另一个优选实时方式中，提供了一种通过利用根据本发明的圆锥扫描激光系统扫描可能含有材料或有毒物质的区域来检测该材料或有毒物质的存在或体积的方法。
利用根据本发明的任何固定或移动圆锥扫描激光系统或方法收集的信息可以进一步用来准备或提供位置信息、地图、地形数据、体积测量、其他导航或路由信息。该信息还可以提供建筑物、结构、地貌、地形、地理构造、航道、自然资源或其他物体的图像。所述信息可以进一步用于识别交通图、气候条件、边界、障碍物、道路状况或事件。该信息还可以用来识别移动物体、武器、车辆、人员或动物的存在、接近或后退。
根据本发明的固定或移动激光扫描系统或方法的另一个优选实施方式是为了提供一种圆锥扫描激光系统，相对于现有的激光扫描系统，本发明的圆锥扫描激光系统更精确、快速、可靠、重量轻、经济、迈勇并且/或者防水。优选地，该圆锥扫描激光系统例如通过使激光器壳体的旋转角度更小而具有更简单的设计。
附图说明
下面将参照所附附图仅通过示例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1是具有单个激光器的圆锥扫描激光系统的图。
图2是根据本发明的激光扫描系统的优选实施方式的图，该优选实施方式的激光扫描系统具有相对于旋转轴线位于不同角度处的多个激光器。
图3是根据本发明的激光扫描系统的另一个优选实施方式的图，该优选实施方式的激光扫描系统具有相对于旋转轴线位于向上角度、水平角度和向下角度的三个激光器。
图4是来自图3的根据本发明的激光扫描系统的图，该激光扫描系统附装至一杆并通过钻孔下降到空腔内。一旦位于空腔内部，该圆锥扫描激光装置对该空腔执行圆锥扫描并获得该空腔地形的三维图像。在圆锥扫描过程中，壳体在其被下降到该空腔内的同时围绕其旋转轴线运动。机载传感器（导航系统）监测并校正激光相对于起始点的俯仰、滚转和偏航。该图示出了三个圆锥扫描激光的路径的瞬态图以及由每个相应的激光器扫描的空腔的全部区域。
图5是根据本发明的移动圆锥扫描激光系统的优选实施方式的侧视图。
图6是位于直升机上的根据本发明的移动激光扫描系统的图，其中该圆锥扫描激光系统检测悬置在空中的电缆。
图7是位于飞行器上的现有技术的传统线扫描器的图。
图8是位于飞行器上的根据本发明的激光扫描系统的图。
图9是位于飞行器上的根据本发明的激光扫描系统的图，其中可以使用可变圆锥角度机构来引导该激光器。
图10是位于直升机上的根据本发明的激光扫描系统的图，该激光扫描系统具有以不同角度使用的多个圆锥扫描激光器。
图11是根据本发明的激光扫描系统的图，该激光扫描系统安装在三脚架上，该三脚架具有摇摄角度为360度的旋转机构。
图12是根据本发明的多激光器圆锥扫描激光系统的图，其中两个激光器围绕一个旋转轴线旋转。
图13是根据本发明的多头部、多激光器圆锥扫描系统。
图14是根据本发明的多头部、多激光器圆锥扫描系统的图，该圆锥扫描系统安装在地面机动车辆上。
图15是根据本发明的设备的图，其中设置有一个激光器，从该激光器产生两个激光光束，这两个激光光束从壳体发出。
图16是根据本发明的设备的图，其中设置有一个激光源，从该激光源产生两个激光光束，这两个激光光束从壳体发射出，并且其中设置了一个检测器，该检测器用于从壳体发出的两个光束的反向散射。
具体实施方式
尽管本发明容易进行各种修改和替换形式，但在附图中以示例形式示出了具体实施方式，并且这里将详细描述这些具体实施方式。然而，应当理解的是，本发明并不限于所公开的特定形式。相反，本发明要覆盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同和替换。
提供了一种新颖的圆锥扫描激光系统及其使用方法。“圆锥扫描”在这里是用来参照操作激光扫描系统的方法所使用的术语，其中如根据一些实施方式所述的，激光器成角度地位于（例如）旋转壳体内，使得激光光束的路径在该壳体围绕其旋转轴线旋转时形成圆锥。该系统不必要包括倾斜机构，由此简化了其设计，并减少了运动零件的数量。这里描述的圆锥扫描激光系统和方法允许用户进行例如激光测量，以便以三维方式检测和描述物体或地形。
如这里所使用的，术语“激光扫描系统”在行业中通常还被称为术语激光雷达（LiDAR）（激光检测和测距）。在根据本发明的系统和方法的示例实施方式中，使用在发射和返回时由激光脉冲触发的光学编码器或其他类似的测量旋转角度的装置来确定圆锥扫描角度测量结果。所收集的圆锥扫描激光和角度数据可以与导航和姿态数据一起寄存并加上时间标签，以确定激光点云的3D坐标，这些3D坐标（实时地或通过稍后的后处理）进行处理以产生3D图像或测绘图。
图1中示出了圆锥扫描激光系统的基本单元。设置了壳体单元1，该壳体单元1能够围绕轴线2旋转，该轴线2在这里也称为壳体单元1的旋转轴线。该激光器3成角度地定位在壳体内，使得其激光光束4的路径呈现圆锥形状。激光器3在壳体1内的位置可以是固定或可变的。在可变激光器的情况下，激光器3的位置可以被调节，使得其激光光束5的角度能够被增加或减小。在扫描过程中，壳体1的运动限于其围绕其轴线2的旋转。换言之，该圆锥扫描激光系统没有采用倾斜机构。通过避免倾斜机构，该圆锥扫描激光系统具有更简单、更耐用的设计。
本发明的另一个实施方式是一种圆锥扫描激光系统，该圆锥扫描激光系统包括被保持在旋转壳体内的两个或更多个激光器。所述激光器中的至少一个激光器被定位使得成角度地发射。当壳体旋转时，成角度的激光光束的路径呈现圆锥形状。这种圆锥扫描激光装置可以具有许多不同的构造。图2中示出了多激光器圆锥扫描系统的一个实施方式。能够围绕其轴线2旋转的壳体1保持四个激光器3A、3B、3C、3D，这四个激光器被保持在壳体内的不同位置。四个激光器3A、3B、3C、3D均相对于旋转轴线2以不同的角度αA、αB、αC、αD投射激光光束4A、4B、4C、4D。当所述壳体围绕其轴线2旋转时，激光光束4A、4B、4C、4D均（在空间中）描述不同的圆锥路径。每个激光光束都通过壳体的旋转而旋转，因此都围绕相同的旋转轴线即公共旋转轴线旋转。激光器可以同时地操作，或者操作员可以具有选择一个激光器或多个激光器以在特定时间操作的能力。壳体中的传感器检测激光光束4A、4B、4C、4D的由于圆锥扫描激光系统附近的物体而引起的反向散射。对于每个激光光束，处理器（或多个处理器）确定由物体将激光光束反射回到检测器所花费的时间，并且由此能够计算距离物体的距离。当激光光束围绕旋转轴线扫描时连续地进行这种操作。在一些实施方式中，处理器能够整理借助于所有激光光束获得的所有测量数据并且将它们绑定在一起。该数据连同关于激光光束的发射位置和方向的信息（例如，来自壳体中的位置和方位测量仪器以及检测壳体旋转时的角度方位的旋转编码器）使得该处理器能够产生测量数据点的云，该测量数据点的云是该圆锥扫描系统的周围地形的表示。
在图3中示出了根据本发明的具有多个激光器的圆锥扫描激光系统的另一个示例。能够围绕其轴线2旋转的壳体1保持三个激光器3A、3B和3C，这三个激光器保持在壳体内的不同位置处。激光器3A、3B和3C均以不同的角度αA、αB和αC投射激光光束4A、4B和4C。这些激光器可以同时地操作，或者操作员可以具有选择一个激光器或多个激光器以在特定时间操作的能力。在图3中，相对于竖直旋转轴线2，第一激光器3A以向上角度αA定位，第二激光器3B以水平角度αB定位，第三激光器3C以向下角度αC定位。在一个优选实施方式中，相对于该竖直旋转轴线，该向上角度为大约45度，该水平角度为大约90度，而该向下角度为大约130度。因而，当壳体围绕其轴线2旋转时，激光光束3A、3B和3C均描绘出不同的圆锥形路径。每个激光光束都通过壳体的旋转而旋转，因此都围绕相同的旋转轴线即围绕公共旋转轴线旋转。与图2中所示的实施方式一样，壳体中的传感器检测激光光束4A、4B和4C的由于该圆锥扫描激光系统附近的物体而引起的反向散射，可以使用来自该圆锥扫描系统激光系统的数据来构建测量数据点的云，该测量数据点的云是该圆锥扫描激光系统周围地形的表示。如将理解的，在另选的实施方式中，每个激光光束4A、4B和4C都可以被以垂直于旋转轴线的角度发射，使得当它们围绕旋转轴线旋转时它们都在平面内旋转。
图4示出了图3的圆锥扫描激光系统，该圆锥激光扫描系统正在操作以检测和描述地下空腔9的地形。该圆锥扫描激光装置10附装至吊杆11的端部，该吊杆11通过钻孔12下降到地下空腔9内。该圆锥扫描激光系统10操作而确定空腔9的地形，并且在其从起始位置13下降到终止位置14时产生空腔的3D测绘图。在该操作中，三个激光器3A、3B和3C能够根据它们在壳体1内的成角度的位置来扫描空腔的不同部分。顶部激光器3A固定在向上角度（相对竖直轴线2大约45度）处，其激光光束4A的路径形成能够扫描位于空腔的顶部6处的区域的圆锥，特别是当圆锥扫描激光装置位于空腔的底部14时。中间激光器3B固定在与旋转壳体1的轴线2垂直的角度（相对竖直轴线2大约90度）处，并且其激光光束4B的路径能够扫描沿着空腔的壁7的区域。下部激光器3C固定在向下角度（相对竖直轴线2大约135度）处，并且其激光光束4C的路径形成能够扫描位于空腔的底部8的区域的圆锥，特别是当该圆锥扫描激光系统位于空腔的顶部13时。使用三个圆锥扫描激光器3A、3B和3C提供了优异的扫描能力，并且几乎消除了扫描系统的盲点。该壳体还可以容纳一个或更多个IR照明器15和一个或更多个摄像机16。该壳体进一步容纳用于使壳体1旋转的马达驱动组件。
另外，因为壳体仅围绕其轴线2旋转，而不相对于该轴线枢转（即没有倾斜机构），与诸如CAL‑S系统之类的系统相比运动零件更少。由于其更简单的设计而使得该圆锥扫描系统还更轻、更高效、更防水、更耐用并且制造起来更经济。因为其更轻，用于将激光头下降到空腔内的机构可以例如通过使用碳杆而更轻，因此适合于以任意角度下降或推入空隙内。导航系统可以是与用于C‑ALS的系统相同的导航系统，或者是对本领域技术人员来说公知的任何其他这种系统。该导航系统应当测量方位、俯仰和滚转以补偿激光头10进入空隙9内时下降杆的任何弯曲或挠曲。
作为本发明的另一个实施方式的是一种移动圆锥扫描激光系统，该移动圆锥扫描激光系统以三维方式检测并描绘物体或地形。移动激光扫描系统的具体示例是附装至陆地、海洋或空中车辆的圆锥扫描激光系统。在本发明的情况下，运动车辆可以是任何陆地、海洋或空中车辆，包括但不限于飞机、直升机、汽车、摩托车、军用车辆或船。例如，图5示出了沿着方向17A行进的机动车辆17以及具有旋转壳体的圆锥扫描激光系统10。目标20被形成可变线扫描的圆锥的两侧扫掠。每次经过时从两个方向对所有表面进行扫描，一个是从圆锥18的前边缘进行扫描，另一个是从圆锥19的后边缘进行扫描。
根据本发明的移动圆锥扫描激光系统还可以使用在图6中所示的优选实施方式中。直升机21具有附装至其本体的前部的圆锥扫描激光系统10。从该激光扫描系统发出的激光光束的圆锥形路径能够检测到障碍物，例如悬置在空中的电缆22。当低飞的直升机21从位置A运动到位置B并接近电缆22时，用于每次扫描的两个信号被接收到，圆锥扫描的每侧4A和4B各提供一个信号。随着在接近时圆锥变窄，目标逐渐地靠近在一起。这提醒飞行员实际上正在看到是电缆而不是随机噪音。在飞行员的监视器上逐渐地生成点的线，从而允许有时间避开电缆。同时，在接近电缆22生成地面轮廓，从而给出纵向和地面间隙指示。
与根据本发明的圆锥扫描激光系统相反，如图7中所示的传统的飞行器线扫描器仅勘测线性/向下条幅（swath）。如果要从非圆锥形下光束路径4获得数据可能需要两次或更多次经过。
如图8中所示的根据本发明的圆锥扫描激光系统证明了当飞行器21从位置23运动到位置24时，圆锥扫描25A的前边缘勘测包括从点27到点29的竖直侧的目标物体30，后边缘26B勘测包括从点29到点28的竖直侧的目标物体30。
在图9中示出的根据本发明的另一个实施方式中，飞行器21具有圆锥扫描激光系统10，该圆锥扫描激光系统10具有可变圆锥角。通过改变圆锥角5A、5B和5C，改变了圆锥形激光路径4A、4B和4C的大小，从而可以覆盖或宽或窄的地域条幅。还可以使用可变圆锥角机构来在飞行器的高度由于地形起伏而变化时维持恒定条幅。
在图10中所示的另一个实施方式中，飞行器21包含圆锥扫描激光系统10，该圆锥扫描激光系统10具有多个圆锥扫描激光器，各激光器都具有不同的旋转轴线2。圆锥扫描32A、32B和32C的路径提供了横向、向前和向下的圆锥扫描能力。这种具有多个激光器的圆锥扫描能够提供对不同地形（包括陡峭的山坡、电力电缆路线）的高效、快速和精确的扫描，并且能够避免碰撞电缆。
在另一个实施方式中，根据本发明的圆锥扫描激光系统能够安装在支撑件上，该支撑件具有能够摇摄达到360度的旋转机构。例如，图11是安装在三脚架34上的圆锥扫描激光系统33，该三脚架包含具有360度的摇摄范围36的旋转机构35。该圆锥扫描激光系统33具有容纳激光器2的壳体1，并围绕其轴线2旋转。该圆锥扫描激光系统33在三脚架34上的旋转机构35围绕其轴线运动时进一步运动。
图12是多激光器圆锥扫描激光系统的图，其中两个激光器围绕一个旋转轴线旋转。该系统类似于由测量装置有限公司生产的Dynascan System，不过该激光扫描系统是根据本发明的多激光器圆锥扫描激光系统。该激光系统包含围绕旋转轴线2运动的壳体1。该壳体容纳在该壳体内以不同角度定位的两个激光器3A和3B，从而当该壳体围绕其旋转轴线运动时，这两个激光器以不同的角度投射呈现圆锥形状的激光光束4A和4B。这两个激光光束4A、4B都通过壳体1的旋转而旋转，因此，这两个激光光束都围绕相同的旋转轴线旋转，即围绕公共旋转轴线旋转。
图13是与图12非常像的根据本发明的系统，不过根据本发明的该系统包含三个圆锥扫描激光单元10A、10B和10C以及三个集成的摄像机单元39A、39B和39C。这些圆锥扫描激光单元投射圆锥形状的激光光束路径4A、4B和4C，摄像机能够捕获位于不同位置40A、40B和40C的图像。该系统还包含GPS天线37A、37B、RTK无线电天线38、以及位于系统内的诸如陀螺仪之类的惯性测量单元。由于该圆锥扫描激光系统，从这些扫描制备的合成3D图像不会具有显著的阻断或黑色区域，因为扫描平面不限于行进的法线方向。
图14是安装在地面车辆41上的根据图13的系统42的图。
图15示出了本发明的另一个另选实施方式。在该实施方式中，该圆锥扫描设备100包括壳体102，壳体102包含激光源104、第一分束器108、第二分束器110和第一及第二检测器112、114。第一分束器108和第二分束器110安装至壳体中的旋转单元116，该旋转单元116可以在该壳体内围绕轴线118旋转。第一分束器108和第二分束器110因此与旋转单元116一起旋转。此外，第一检测器112和第二检测器114固定至它们各自的第一分束器108和第二分束器110，因此也与旋转单元116一起旋转。在使用时，激光源104朝向第一分束器108发出沿着旋转单元116的旋转轴线118的光束106，光束106的一部分从该第一分束器108继续朝向第二分束器110射出，并且光束106的一部分被分裂而形成第一测量光束120，第一测量光束120与旋转轴线118正交地经由第一旋转单元窗口124和第一环形壳体窗口126离开壳体102。如图15所示，第二分束器110将光束106转向而形成第二测量光束122，该第二测量光束122以相对于旋转轴线118非垂直的角度通过第二旋转单元窗口128和第二环形壳体窗口130离开壳体102。由第一检测器112检测第一测量光束120的由于物体而沿着第一测量光束方向返回的反射（例如来自第一测量光束的反向散射光，如虚线132部分所示），并且由第二检测器114检测第二测量光束122的由于物体而沿着第二测量光束方向返回的反射（例如来自第二测量光束的反向散射光，如虚线134部分所示）。检测器的输出用来确定到达使光束反向散射的物体上的点的飞行时间，并因此确定其距离该物体的距离。例如，将检测器的输出传送给处理器装置（未示出），该处理器装置计算飞行时间和/或到该物体的距离。在使用中，马达（未示出）使旋转单元116围绕其旋转轴线118连续地旋转，因此第一测量光束120在一平面内围绕旋转轴线118旋转，第二测量光束122围绕旋转轴线118旋转。因而，第一测量光束120在一平面内围绕旋转轴线118扫掠，而第二测量光束122以圆锥形状围绕旋转轴线118扫掠。因此可以理解，第一激光光束120和第二激光光束122均通过旋转单元116的旋转而旋转，因此均围绕相同的旋转轴线118即围绕公共旋转轴线旋转。
如将理解的，以上描述的实施方式可以被修改成使得第一测量光束120和第二测量光束122均在它们围绕旋转轴线118旋转时描绘出圆锥形。另选地，以上描述的实施方式可以被修改成使得第一测量光束120和第二测量光束122均在它们围绕旋转轴线118旋转时在平面（例如平行平面）内旋转。此外，可以使用安装至旋转单元116的第一激光源和第二激光源（例如，其中第一激光源和第二激光源中的至少一个并且可选地第一激光源和第二激光源中的两个激光源都成角度，使得它们相对于旋转轴线以非垂直角度发出）来代替单个激光源以及第一分束器和第二分束器。而且，可以使用另外的和/或另选的光学部件，例如镜、半镀银镜、棱镜、三面直角棱镜、光电晶体等来控制从壳体发出的光束的路径。如还将理解的，该圆锥激光扫描设备可以被构造成通过适当地布置的激光器和/或光学部件而从壳体发出三个或更多个激光。
在图15的实施方式中，从壳体发出的每个激光光束都具有用于检测该光束来自物体的反射的相应检测器。参照图16，示出了圆锥激光扫描设备300的一个实施方式，其中从壳体302发出的每个激光光束都有公共的共享检测器。具体地说，有单个激光源和检测器单元304、可旋转折射光学部件305、第一镜306和第二镜308（采取棱镜形式），所述第一镜306和第二镜308安装在可在壳体302内旋转的旋转单元310内并相对于该旋转单元310固定。在使用时，激光源和检测器单元304朝向折射光学部件305发出光束307。折射光学部件305使该光束折射并因而使该光束改变方向。折射光学部件305通过马达（未示出）围绕旋转轴线311连续地旋转，并且被构造成使得该光束交替地指向第一棱镜306和第二棱镜308，该第一棱镜306和第二棱镜308分别通过第一旋转单元窗口312和第二旋转单元窗口316以及第一环形壳体窗口314和第二环形壳体窗口318将光束从壳体导出。在图16中通过线320和322示出了处于这些状态中的每个状态下的光束的路径。旋转单元310本身通过马达（未示出）以与折射光学部件305的旋转速率不同的速率（例如以更低速率）围绕旋转轴线311旋转。因而，结果交替发出的光束320、322均通过旋转单元310而围绕相同的旋转轴线311即公共旋转轴线以描绘出第一和第二圆锥形路径的方式旋转。该光束将被圆锥激光扫描设备300附近的物体沿着相同路径反射回，这种反向散射光将由激光源和检测器单元304检测到。该激光源和检测器单元304与旋转的折射光学部件305同步，使得通过第一旋转单元窗口312和第一环形壳体窗口314经过该路径发出的光束的反向散射光能够被从通过第二旋转单元窗口316和第二环形壳体窗口318发出的光束的反向散射光中辨别出来。检测器的输出可以以上述类似方式来使用，例如用来确定距离物体的距离并且例如用来生成所扫描的体积的3D地形测绘图。与以上描述的其他实施方式一样，图16的设备能够被构造成使得第一测量光束320和第二测量光束322均在它们围绕旋转轴线118旋转时包含在平面（例如平行平面）内。
在所示的实施方式中，圆锥形路径面向相反方向，但是如将理解的，并不需要一定如此。例如，它们可以面向相同方向，但是采取不同的圆锥形路径，如在图2中所示的那样。
除了涉及圆锥扫描激光系统的以上实施方式之外，还可以在执行圆锥扫描操作以获得任何物体或地形的信息和3D图像的各种方法中采用本发明。
在另一个优选实施方式中，提供了一种通过利用根据本发明的圆锥扫描系统扫描可能包含任何材料的区域来确定是否存在该材料或体积的方法。在一个优选实施方式中，所述材料是有毒物质、未知物质、放射性材料、放射性废物、易燃材料、爆炸性材料、化学反应材料、受控物质或流体泄漏。通过将根据本发明的圆锥扫描激光系统插入开口或钻孔中可以安全地调查所感兴趣的材料，并且可以用来识别和获得空腔的内容物的3D图像。在一个优选实施方式中，所述开口或钻孔具有最小尺寸以避免材料或材料的副产品通过该开口或钻孔泄漏。
从根据本发明的任何固定或移动圆锥扫描激光系统或方法收集的信息可以进一步用于准备或提供位置信息、地图、地形数据、体积测量、其他导航或路线引导。该信息还可以提供建筑物、结构、地貌、地形、地理信息、航道、自然资源或其他物体的图像。该信息可以进一步用于识别交通图案、边界、障碍物、道路状况或事件。该信息还可以用来识别运动物体、物体、车辆、人员或动物的存在、接近或退却。
根据本发明的固定或移动圆锥扫描激光扫描系统或方法的其他优点包括提供一种圆锥扫描激光系统的能力，相对于现有的激光扫描系统，该圆锥扫描激光系统更精确、快速、可靠、重量轻、经济、耐用和/或防水。优选地，所述圆锥扫描激光系统具有更简单的设计，例如通过使激光器壳体使用更少的旋转角度。
根据当前公开，无需过多实验就可以实现并实行这里公开和要求保护的本发明的所有实施方式。尽管针对优选实施方式描述了本发明的实施方式，对本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的概念、精神和范围的情况下可以对这里描述的组成和/或方法以及方法的步骤或步骤顺序进行更改。