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技術 光波距離計

出願人 株式会社トプコン
発明者 大友文夫熊谷薫
出願日 2018年9月19日 (1年7ヶ月経過) 出願番号 2018-175094
公開日 2019年3月14日 (1年1ヶ月経過) 公開番号 2019-039924
状態 特許登録済
技術分野 光レーダ方式及びその細部 光学的距離測定
主要キーワード 断続パルス 積算波形 ローパスフィルタ通過後 断続パターン 断続周期 光量調整器 差周波信号 パルス変調光
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

短時間での測定を可能とする光波距離計を提供する。

解決手段

距光28を発する発光素子11と、複数の近接周波数を生成する信号発生器33,34と、前記複数の近接周波数をそれぞれ断続して所定幅パルス化した断続変調測距光を前記近接周波数毎に順次切替えて射出する射出光学系と、測定対象物からの反射測距光28′を受光して断続受光信号29を発生する受光部21と、基準周波数信号を発する基準信号発生器31と、前記断続受光信号を前記基準周波数信号とミキシングして断続変換信号を得る周波数変換部39,43,48と、演算制御部47とを具備し、前記演算制御部は、複数の近接周波数に対し前記断続受光信号の位相を求めて精密測定距離を演算し、又前記各断続変換信号相互の位相差を求めて粗測定距離値を演算し、該粗測定距離値と精密測定距離値とにより距離を測定する。

概要

背景

測定光反射測定光との位相差を検出して距離測定を行う光波距離計では、測定可能な距離、測定精度変調周波数によって決まる。この為、近距離から遠距離迄測定可能にするには、複数の変調周波数の測距光照射する必要がある。

例えば、30MHzの変調周波数、300KHzの変調周波数を使用した場合、それぞれの周波数では、5m及び500m迄の距離が測定できる。これ以上の距離を測定する為には、更なる周波数が必要である。従来は、高周波位相を測定する為にヘテロダイン法を用い、周波数を下げてから位相測定を行っていた。例えば、30MHz及び300KHzの位相測定の為には、30MHz−30KHz、300KHz−30KHzの周波数を発生させ、その差周波数30KHzにて位相測定を行っていた。その際に発生させた、300KHz−30KHzを、第3の変調周波数として利用すれば、300KHzの変調信号との位相差を求めることにより、擬似的に30KHzで変調された位相と等価になり、5km迄の距離測定を可能としていた。

従来の光波距離計では、複数の周波数を作成し、更に複数の周波数毎に測距光を発し、又測距を行うので、回路構成が複雑となると共に測定時間が長くなるという問題があった。

概要

短時間での測定を可能とする光波距離計を提供する。測距光28を発する発光素子11と、複数の近接周波数を生成する信号発生器33,34と、前記複数の近接周波数をそれぞれ断続して所定幅パルス化した断続変調測距光を前記近接周波数毎に順次切替えて射出する射出光学系と、測定対象物からの反射測距光28′を受光して断続受光信号29を発生する受光部21と、基準周波数信号を発する基準信号発生器31と、前記断続受光信号を前記基準周波数信号とミキシングして断続変換信号を得る周波数変換部39,43,48と、演算制御部47とを具備し、前記演算制御部は、複数の近接周波数に対し前記断続受光信号の位相を求めて精密測定距離を演算し、又前記各断続変換信号相互の位相差を求めて粗測定距離値を演算し、該粗測定距離値と精密測定距離値とにより距離を測定する。

目的

本発明は斯かる実情に鑑み、測定に必要な信号を効率よく作成し、短時間での測定を可能とする光波距離計を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

距光を発する発光素子と、複数の近接周波数を生成する信号発生器と、前記複数の近接周波数をそれぞれ断続し、所定幅パルス化した変調信号と、該変調信号により所定幅にパルス化した断続変調測距光を前記近接周波数毎に順次切替射出する射出光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光し、所定パルス幅の断続受光信号を発生する受光部と、それぞれの所定の周波数の差を有する基準周波数信号を発する基準信号発生器と、前記受光部からの前記断続受光信号を前記基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、それぞれの近接周波数信号に対応し、パルス幅を有する断続変換信号を得る周波数変換部と、演算制御部とを具備し、前記断続受光信号のパルス幅が、前記断続変換信号の周期より長い時間幅となる様に設定され、前記演算制御部は、複数の近接周波数に対し前記断続受光信号の位相を求め精密測定距離を演算し、又前記各断続変換信号相互の位相差を求めて粗測定距離値を演算し、該粗測定距離値と精密測定距離値とを合わせることにより距離を測定する様構成したことを特徴とする光波距離計

請求項2

前記断続変調測距光を所定の断続数で一巡する断続パターンを生成させ、前記断続変換信号を断続パターン毎に複数回積算し、得られた積算波形の断続幅、断続周期から、複数の近接周波数を特定し、それぞれの断続変換信号の平均位相を求め、平均位相から精密測定距離値を求め、前記各断続変換信号相互の平均位相差から粗測定距離値を求め、精密測定距離値と、粗測定距離値から測定対象物の距離を測定する請求項1に記載の光波距離計。

請求項3

複数の近接周波数の内、少なくとも2つに対応する断続変換信号の周波数は同じである請求項1に記載の光波距離計。

請求項4

前記演算制御部は、前記断続変調測距光の受光パルス遅延時間で測距を行う請求項1に記載の光波距離計。

請求項5

前記演算制御部は、複数の近接周波数から得られた精密測定距離値と粗測定距離値の差が所定値以内でない場合、異常信号を発生させる請求項1に記載の光波距離計。

請求項6

複数の近接周波数の断続切替えは、各周波数毎に、所定の周期ずらして行い、周波数変換された前記断続変換信号は、所定の周期ずらしてから位相測定を行う請求項1に記載の光波距離計。

技術分野

0001

本発明は、変調された測定光測定対象照射し、測定対象からの反射測定光受光して、測定光と反射測定光との位相差により測定対象迄の距離を測定する光波距離計に関するものである。

背景技術

0002

測定光と反射測定光との位相差を検出して距離測定を行う光波距離計では、測定可能な距離、測定精度変調周波数によって決まる。この為、近距離から遠距離迄測定可能にするには、複数の変調周波数の測距光を照射する必要がある。

0003

例えば、30MHzの変調周波数、300KHzの変調周波数を使用した場合、それぞれの周波数では、5m及び500m迄の距離が測定できる。これ以上の距離を測定する為には、更なる周波数が必要である。従来は、高周波位相を測定する為にヘテロダイン法を用い、周波数を下げてから位相測定を行っていた。例えば、30MHz及び300KHzの位相測定の為には、30MHz−30KHz、300KHz−30KHzの周波数を発生させ、その差周波数30KHzにて位相測定を行っていた。その際に発生させた、300KHz−30KHzを、第3の変調周波数として利用すれば、300KHzの変調信号との位相差を求めることにより、擬似的に30KHzで変調された位相と等価になり、5km迄の距離測定を可能としていた。

0004

従来の光波距離計では、複数の周波数を作成し、更に複数の周波数毎に測距光を発し、又測距を行うので、回路構成が複雑となると共に測定時間が長くなるという問題があった。

先行技術

0005

特開平5−232232号公報
特開2004−219285号公報

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は斯かる実情に鑑み、測定に必要な信号を効率よく作成し、短時間での測定を可能とする光波距離計を提供する。

課題を解決するための手段

0007

本発明は、測距光を発する発光素子と、複数の近接周波数を生成する信号発生器と、前記複数の近接周波数をそれぞれ断続し、所定幅パルス化した変調信号と、該変調信号により所定幅にパルス化した断続変調測距光を前記近接周波数毎に順次切替射出する射出光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光し、所定パルス幅の断続受光信号を発生する受光部と、それぞれの所定の周波数の差を有する基準周波数信号を発する基準信号発生器と、前記受光部からの前記断続受光信号を前記基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、それぞれの近接周波数信号に対応し、パルス幅を有する断続変換信号を得る周波数変換部と、演算制御部とを具備し、前記断続受光信号のパルス幅が、前記断続変換信号の周期より長い時間幅となる様に設定され、前記演算制御部は、複数の近接周波数に対し前記断続受光信号の位相を求め精密測定距離を演算し、又前記各断続変換信号相互の位相差を求めて粗測定距離値を演算し、該粗測定距離値と精密測定距離値とを合わせることにより距離を測定する様構成した光波距離計に係るものである。

0008

又本発明は、前記断続変調測距光を所定の断続数で一巡する断続パターンを生成させ、前記断続変換信号を断続パターン毎に複数回積算し、得られた積算波形の断続幅、断続周期から、複数の近接周波数を特定し、それぞれの断続変換信号の平均位相を求め、平均位相から精密測定距離値を求め、前記各断続変換信号相互の平均位相差から粗測定距離値を求め、精密測定距離値と、粗測定距離値から測定対象物の距離を測定する光波距離計に係るものである。

0009

又本発明は、複数の近接周波数の内、少なくとも2つに対応する断続変換信号の周波数は同じである光波距離計に係るものである。

0010

又本発明は、前記演算制御部は、前記断続変調測距光の受光パルス遅延時間で測距を行う光波距離計に係るものである。

0011

又本発明は、前記演算制御部は、複数の近接周波数から得られた精密測定距離値と粗測定距離値の差が所定値以内でない場合、異常信号を発生させる光波距離計に係るものである。

0012

更に又本発明は、複数の近接周波数の断続切替えは、各周波数毎に、所定の周期ずらして行い、周波数変換された前記断続変換信号は、所定の周期ずらしてから位相測定を行う光波距離計に係るものである。

発明の効果

0013

本発明によれば、測距光を発する発光素子と、複数の近接周波数を生成する信号発生器と、前記複数の近接周波数をそれぞれ断続し、所定幅にパルス化した変調信号と、該変調信号により所定幅にパルス化した断続変調測距光を前記近接周波数毎に順次切替え射出する射出光学系と、測定対象物からの反射測距光を受光し、所定パルス幅の断続受光信号を発生する受光部と、それぞれの所定の周波数の差を有する基準周波数信号を発する基準信号発生器と、前記受光部からの前記断続受光信号を前記基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、それぞれの近接周波数信号に対応し、パルス幅を有する断続変換信号を得る周波数変換部と、演算制御部とを具備し、前記断続受光信号のパルス幅が、前記断続変換信号の周期より長い時間幅となる様に設定され、前記演算制御部は、複数の近接周波数に対し前記断続受光信号の位相を求め精密測定距離を演算し、又前記各断続変換信号相互の位相差を求めて粗測定距離値を演算し、該粗測定距離値と精密測定距離値とを合わせることにより距離を測定する様構成したので、全ての変調周波数が精密測定と粗測定とに使用され、測定効率が高く、又測定時間が短縮される。更に、測距光を断続光とすることで、光出力を変調させている時間のみに集中でき、ピークパワーを増大でき、又発光時間が短縮されるので、S/Nが向上され、測定精度が向上する。

0014

又本発明によれば、前記断続変調測距光を所定の断続数で一巡する断続パターンを生成させ、前記断続変換信号を断続パターン毎に複数回積算し、得られた積算波形の断続幅、断続周期から、複数の近接周波数を特定し、それぞれの断続変換信号の平均位相を求め、平均位相から精密測定距離値を求め、前記各断続変換信号相互の平均位相差から粗測定距離値を求め、精密測定距離値と、粗測定距離値から測定対象物の距離を測定するので、要求される測定精度に対応して適宜断続数を設定することができる。

0015

又本発明によれば、複数の近接周波数の内、少なくとも2つに対応する断続変換信号の周波数は同じであるので、電気回路上の構成要素は1つの周波数に対応するものでよく、回路構成が簡素になり、更に周波数が近接しているので、Qの低いフィルタ1つでよく、Qが低いので、近接周波数のそれぞれの位相ずれへの影響が少なくなり、精密測定と粗測定とのずれによる異常測定が生じにくい。

0016

又本発明によれば、前記演算制御部は、前記断続変調測距光の受光パルスの遅延時間で測距を行うので、長距離測定が可能であり、長距離測定の為に要される変調周波数を省略できる。

0017

又本発明によれば、前記演算制御部は、複数の近接周波数から得られた精密測定距離値と粗測定距離値の差が所定値以内でない場合、異常信号を発生させるので、異常測定値を排除でき、測定の信頼性が向上する。

0018

更に又本発明によれば、複数の近接周波数の断続切替えは、各周波数毎に、所定の周期ずらして行い、周波数変換された前記断続変換信号は、所定の周期ずらしてから位相測定を行うので、誤差の少ない測定が可能となるという優れた効果を発揮する。

図面の簡単な説明

0019

本実施例に係る光波距離計の光学系の概略図である。
本実施例に係る光波距離計の計測回路の概略図である。
(A)は測距光のパルス化した状態を示す説明図、(B)は受光信号を示す説明図、(C)は発光パターンを示す説明図、(D)は発光パターンの信号変換後の図であり、(E)はローパスフィルタ通過後パルス変調光を拡大して示した説明図であり、又受光信号とA/D変換後の内部信号を示す図である。
遅延時間測定による距離測定の説明図であり、(A)は発光パターンの説明図、(B)は受光信号を示す説明図である。
各近接周波数毎に位相変化をさせた図であり、(A)は発光パターンを示す図、(B)は受光信号を示す説明図である。

実施例

0020

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

0021

先ず、図1に於いて、本発明の実施例に係る光波距離計の測距光学系1について説明する。

0022

図1中、該測距光学系1は射出光学系2、受光光学系3、視準光学系4から構成される。又、図1では測定対象物5が再帰反射体であるプリズムを示している。

0023

前記測距光学系1は前記測定対象物5に向けられる測距光軸6を有し、前記射出光学系2は射出光軸7、前記受光光学系3は受光光軸8、前記視準光学系4は視準光軸9を有する。

0024

前記射出光軸7上に発光素子11、集光レンズ12、ハーフミラー13、光量調整器14が配設され、更に前記射出光軸7上には偏向ミラー15,16が配設され、前記射出光軸7は前記測距光軸6と合致する様に前記偏向ミラー15,16によって偏向される。

0025

前記発光素子11は、例えばレーザダイオードであり、不可視光の測距光を発する。

0026

前記測距光軸6上には対物レンズ17、ダイクロイックミラー18が設けられる。該ダイクロイックミラー18は、可視光を透過し、測距光を反射する様になっている。前記測距光軸6が前記ダイクロイックミラー18を透過した部分は前記視準光軸9となっており、該視準光軸9上には接眼レンズ19が設けられている。

0027

前記対物レンズ17、前記ダイクロイックミラー18、前記接眼レンズ19等は、前記視準光学系4を構成する。

0028

前記集光レンズ12、前記ハーフミラー13、前記光量調整器14、前記偏向ミラー15,16、前記対物レンズ17等は、前記射出光学系2を構成する。

0029

前記測距光軸6が前記ダイクロイックミラー18によって反射された部分は、前記受光光軸8となっており、該受光光軸8上には受光素子21が設けられている。

0030

前記対物レンズ17、前記ダイクロイックミラー18等は、前記受光光学系3を構成する。

0031

前記ハーフミラー13の反射光軸は、内部参照光軸23として反射鏡22を経て前記受光素子21に導かれている。前記ハーフミラー13、前記反射鏡22は、内部参照光学系24を構成している。

0032

前記射出光軸7と前記内部参照光軸23とに掛渡り光路切替え器25が設けられる。該光路切替え器25は、前記射出光軸7と前記内部参照光軸23とを択一的に遮断開放を行うものであり、該光路切替え器25によって前記ハーフミラー13を透過した測距光が射出されるか、或は前記ハーフミラー13で反射された測距光の一部が前記内部参照光学系24に射出されるかが選択される様になっている。

0033

前記発光素子11、前記受光素子21は、それぞれ演算処理部27に電気的に接続されている。

0034

以下、前記測距光学系1の作用について説明する。

0035

前記発光素子11からは変調された測距光28が発せられ、前記集光レンズ12で平行光束とされた測距光28は、前記光量調整器14で光量調整された後、前記対物レンズ17の中心部を透過して前記測定対象物5に射出される。

0036

該測定対象物5で反射された測距光は反射測距光28′として前記対物レンズ17に入射し、該対物レンズ17で集光され、前記ダイクロイックミラー18で反射され前記受光素子21に入射する。前記反射測距光28′は、該受光素子21で受光され、該受光素子21は断続受光信号29を発する。

0037

前記発光素子11で射出された測距光28の一部(内部参照光28′′)は、前記ハーフミラー13で反射される。前記光路切替え器25の光路切替えにより、前記内部参照光軸23が開放されると、前記内部参照光28′′が前記受光素子21に入射する。該受光素子21は前記内部参照光28′′の受光信号を発する。

0038

前記対物レンズ17を経て入射する可視光は、前記ダイクロイックミラー18を透過し、前記接眼レンズ19で集光される。測量者は前記接眼レンズ19を介して前記測定対象物5を視準することができる。

0039

前記演算処理部27は、前記発光素子11を駆動して変調光を射出させる。又、前記受光素子21から入力される反射測距光28′の断続受光信号29に基づき前記測定対象物5迄の距離を測定し、内部参照光28′′の断続受光信号29に基づき前記内部参照光学系24の光路長を測定する。最終的な測定値は反射測距光28′に基づく測定結果と内部参照光28′′の測定結果の差として得られる。反射測距光28′の測定結果と内部参照光28′′の測定結果との差を求めることで電気回路のドリフトによる影響を除去することができる。

0040

次に、前記演算処理部27について図2を参照して説明する。

0041

図2中、図1中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

0042

基準信号発生器31は所定の周波数の基準周波数信号s1を発する。尚、以下に示される数値は、測定距離、測定精度に応じて適宜変更が可能である。例えば、以下の説明では240MHzを基準周波数としている。

0043

前記基準信号発生器31から発せられた基準周波数信号s1は、分周器32によって240MHzが1/32され、7.5MHzの分周波信号s2が生成される。該分周波信号s2は、第1信号発生器33及び第2信号発生器34に入力される。

0044

前記第1信号発生器33では、前記分周波信号s2と前記基準周波数信号s1により240MHz+7.5MHzの第1変調信号s3を生成し、第1断続パルス発生器35に出力する。又、前記第2信号発生器34では、前記分周波信号s2と前記基準周波数信号s1により240MHz−7.5MHzの第2変調信号s4を生成し、第2断続パルス発生器36に出力する。

0045

前記第1信号発生器33と、前記第2信号発生器34によって、周波数の近接した2つの変調信号、240MHz+7.5MHz及び240MHz−7.5MHzが生成される。

0046

前記第1断続パルス発生器35では、連続信号である第1変調信号s3を所定時間幅所定時間間隔毎に発せられる断続信号に変換する。即ち、連続信号の第1変調信号s3をパルス信号化する。前記第1断続パルス発生器35からアンド回路37にパルス化した第1パルス変調信号s5が入力される。

0047

従って、該第1パルス変調信号s5のパルスには240MHz+7.5MHzの周波が含まれており、パルスは240MHz+7.5MHzの周波で構成されている。

0048

同様に、前記第2断続パルス発生器36に於いて、連続信号である第2変調信号s4を所定時間幅で所定時間間隔毎に発せられる断続信号に変換し、パルス信号化する。前記第2断続パルス発生器36から前記アンド回路37にパルス化した第2パルス変調信号s6が入力される。該第2パルス変調信号s6のパルスについても、前記第1パルス変調信号s5と同様、240MHz−7.5MHzの周波が含まれ、パルスは240MHz−7.5MHzの周波で構成されている。

0049

前記基準信号発生器31が生成する基準周波数信号s1は、タイミング信号発生器39にも入力される。該タイミング信号発生器39は、基準周波数信号s1に基づき後述する各種タイミング信号を生成する。

0050

前記タイミング信号発生器39はタイミング信号を前記第1断続パルス発生器35及び前記第2断続パルス発生器36に発し、前記第1断続パルス発生器35、前記第2断続パルス発生器36からの第1パルス変調信号s5、第2パルス変調信号s6が、交互に且つ所定時間間隔で出力される様に制御する。

0051

又、前記タイミング信号発生器39からのタイミング信号は、切替えゲート40に入力される。該切替えゲート40からは切替え信号が前記アンド回路37に入力される。

0052

前記アンド回路37は、前記切替えゲート40からの切替え信号に対応して第1パルス変調信号s5、第2パルス変調信号s6を交互にドライバ38に出力する。

0053

該ドライバ38は、第1パルス変調信号s5、第2パルス変調信号s6に基づき前記発光素子11を駆動し、240MHz+7.5MHzで変調された測距光、240MHz−7.5MHzで変調された測距光をそれぞれ所定の時間幅で、且つ所定の時間間隔で交互に発光させる(図3(C)参照)。

0054

前記発光素子11は測距光28を断続的に発光し、測距光28はパルス光となる。更に交互に発せられるパルス光は、それぞれ240MHz+7.5MHzの変調光、240MHz−7.5MHzの変調光によって構成されている(以下、パルス変調光と称す)。

0055

図3(A)、図3(C)は、240MHz+7.5MHzの変調光、240MHz−7.5MHzの変調光が交互に発光される状態を示している。又、本実施例では、パルス幅は933nsに設定されている。ここで、240MHz+7.5MHzの変調光、240MHz−7.5MHzの変調光の切替えタイミングは、測定対象物が移動体であった場合に、移動速度に比して高速度で切替え、測定対象物の移動が測定結果に影響しない様に設定される。

0056

ここで、前記変調光を断続化した場合の、パルス幅は差周波の1周期よりも長くなる様に設定する。更に、断続の周期(パルス発生周期)、は移動体の移動による差周波信号の位相変化が無視できる早さとする。

0057

更に、測距光28が断続的に発光、即ちパルス発光されることで、発光素子(レーザダイオード:LD)11の発光負荷率が低下する。発光負荷率が低下した分ピーク値を増大させ得るので、眼に対する安全性を損うことなく、測距光の光強度を増大させ、遠距離測定が可能となる。尚、所定時間幅及び所定時間間隔は、測定状況に応じて適宜選択される。

0058

測距光28は、前記測定対象物5に向けて射出され、前記測定対象物5で反射され、前記受光光学系3を経て前記受光素子21に受光される。該受光素子21は断続受光信号29を発生する。使用される受光素子としては、例えば、フォトダイオード、更にアバランシフォトダイオード(APD)が用いられる。

0059

更に、前記光路切替え器25により光路が切替えられて、測距光28の一部は内部参照光28′′として前記内部参照光学系24を経て、前記受光素子21で受光される。尚、反射測距光28′を受光した際の受光信号の処理と、内部参照光28′′についての受光信号の処理は同様であるので、以下は反射測距光28′の受光信号の処理について説明する。

0060

前記受光素子21は、反射測距28′として、240MHz+7.5MHzのパルス変調光、240MHz−7.5MHzのパルス変調光を交互に受光する。従って、前記受光素子21の受光信号は、パルス出力となると共にパルス内部は240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzの周波数を有する断続受光信号29となる。

0061

図3(B)は受光信号の発生状態を示している。尚、受光信号では、発光パルスとの間で距離に対応した遅延時間(パルス遅延)が生じる。

0062

受光信号は増幅器42で増幅され、増幅された信号はミキシング回路43に入力される。該ミキシング回路43には前記基準信号発生器31からアンド回路48を介して240MHzの基準周波数信号s1が入力される。該基準周波数信号s1の入力されるタイミングは、240MHz+7.5MHzのパルス変調光の受光信号(断続信号)、240MHz−7.5MHzのパルス変調光の受光信号(断続信号)とにそれぞれミキシングされる様に、前記タイミング信号発生器39からのタイミング信号によって制御される。

0063

240MHz+7.5MHzのパルス変調光の受光信号、240MHz−7.5MHzのパルス変調光の受光信号と基準周波数信号s1とのミキシングによって周波数変換され、それぞれ±7.5MHzの周波数及び加算された周波数240MHz+240MHz+7.5MHz、周波数240MHz+240MHz−7.5MHzが得られる。更に、前記ローパスフィルタ44を通り、高周波成分は除去され、±7.5MHzの差周波が残る。尚、±7.5MHzの差周波信号は、240MHz+7.5MHzのパルス変調光、240MHz−7.5MHzのパルス変調光に対応するものであるので、パルス状の差周波信号(断続変換信号)となっている。

0064

更に、2つの差周波では、1つは時間的に位相が進行する7.5MHzの差周波信号であり、もう1つは時間的に位相が後退する7.5MHzの差周波信号である(図3(E)参照)。従って、両差周波間では、距離(時間)に対応した位相ずれ(位相差)が生じる。

0065

ここで、前記基準信号発生器31、前記タイミング信号発生器39、前記アンド回路48、前記ミキシング回路43等は周波数変換部として機能する。

0066

各差周波は、ローパスフィルタ44を通り、高周波が除去され、A/Dコンバータ45へ入力される。前記ローパスフィルタ44の帯域は、差周波7.5MHzに十分な、10MHz程度に設定される。前記A/Dコンバータ45による変換後は、記憶手段としてのメモリ46に記憶される。

0067

図3(E)は、前記ミキシング回路43に於けるミキシングで、パルス内に含まれる信号が、7.5MHzの差周波の信号となっていることを示している。

0068

前記メモリ46に保存された信号は、演算制御部47によって距離演算の為に読込まれ、各差周波信号毎に位相差が演算される。即ち各パルス信号に含まれる、240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzの周波数毎の、更に一周期波形毎に位相が求められ、それぞれ精密測定に用いられる。又2種類の差周波信号毎に、且つ一周期の差周波毎に位相差が検出され、両差周波間の位相差が求められ、該位相差は粗測定に用いられる。前記演算制御部47は、精密測定用の位相と粗測定用の位相差を用い光速に基づき距離を演算する(図3(E)参照)。

0069

又、7.5MHzの差周波と、−7.5MHzの差周波の、両差周波を加算平均化することで、パルス内に於ける波形開始点に位相ずれの無い位相波形が得られる。又、それぞれの近接周波数に対応して、加算平均化することで精度の高い位相測定が可能となる。

0070

240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzの各周波数の位相から求められる測定距離は最大でそれぞれ60.6cm、64.5cmであり、短距離高精度の測定が可能である。又、測定時間間隔が極めて短いので、移動体の距離測定も可能である。

0071

更に、±7.5MHz差周波間の位相差から求められる測定距離は最大で10mであり、中距離の測定(粗距離測定)が可能である。従って、240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzの位相検出による距離測定と±7.5MHz差周波間の位相差検出による距離測定とを組合わせることで短距離から中距離迄の高精度の距離測定が可能となる。

0072

更に、距離測定の組合わせは、中距離測定(粗測定)の最小単位以下の距離を、精密測定で補うことになるが、中距離測定値(粗測定距離値)と精密距離測定値との差が所定値以内でない場合は、測定が異常である旨の信号を発する様にしてもよい。測定値が異常であることが判断でき、測定の信頼性が向上する。

0073

又、位相を演算する回路、演算された位相に基づき距離を演算する演算回路は、240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzが近接した周波数であり、又±7.5MHz差周波は同一の差周波であり、共通の処理回路でよい。従って、前記演算制御部47の回路構成が簡略となる。

0074

更に、測定精度は近接した周波数240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzで、同程度であり、両周波数で測定した測距結果は平均化処理するデータとして使用することができる。而して、少ない回路構成で、多くの測距結果を平均化することができ、測定精度が向上する。

0075

尚、上記した様に位相及び位相差による距離測定は、1周波毎に実行され、1周波毎に得られた測定結果が平均化されるので、前記パルス変調光内に含まれる周波の数によって測定回数が決定される。従って、平均回数を多くして測定値の精度を向上させる場合は、パルス幅を広くして測定回数を多くすればよい。パルス幅、パルス間隔の決定は測定精度を案することでも、変更することができる。

0076

次に、長距離測定を行う場合について説明する。

0077

長距離測定では、前記パルス変調光をパルス光として処理し、パルス光の往復時間(遅延時間)に基づき距離測定を行う(TOF:Time of Flight)ことができる。

0078

図4(A)に示される様に、パルス変調光のパルス幅を所定時間間隔毎に変更する。例えば、通常のパルス幅を933nsとし、パルス間隔を20μsとし、160μs間隔毎に、即ちパルス変調光毎にパルス幅を800nsとする。160μsは6.2KHzであり、24kmのパルス遅延時間に相当する。パルス幅は、狭くしても、広くしてもよいが、他のパルスから識別できる様にし、識別可能としたパルスを基準パルス光として設定する。

0079

而して、前記基準パルス光を検出することで8パルス毎に(8断続数毎に)一巡する断続パターンが形成される。尚、断続数は適宜設定されることは言う迄もない。

0080

尚、240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHzのパルス変調光が交互に射出されるので、パルス間隔自体は10μsとなっている。

0081

パルス幅800nsの基準パルス光の受光信号の遅延時間を検出することで、往復24km迄の測定が可能となる(図4(B)参照)。基準パルス光の発光間隔は、任意に設定することができるので、要求される最大測距距離に対応させ、適宜設定することができる。

0082

更に、断続パターンを形成することで、断続パターン毎に複数回積算し、積算波形を求め、得られた積算波形の断続幅、断続周期から複数の近接周波数を特定し、それぞれの断続変換信号の平均位相を求め、平均位相から精密測定値を求め、平均位相差から粗測定距離値を求め、精密測定値と、粗測定距離値から測定対象物の距離を測定してもよい。

0083

尚、上記実施例では、2つの近接周波数を生成したが、3以上の近接周波数を生成する様にしてもよく、或は2組以上の近接周波数を生成する様にしてもよい。

0084

図5(A)は、240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHz毎に位相を1/2周期シフトさせた発光パターンを示しており、1/2周期シフトした受光信号を240MHz+7.5MHz、240MHz−7.5MHz毎に加算平均化することで精度の高い位相測定が可能となる(図5(B)参照)。

0085

如上の毎く、本発明では、全ての変調周波数が精密測定と粗測定とに使用され、測定効率が高く、又測定時間が短縮される。更に、測距光を断続光とすることで、光出力を変調させている時間のみに集中でき、ピークパワーを増大でき、又発光時間が短縮されるので、S/Nが向上され、測定精度が向上する。

0086

又近接した、2つの変調周波数の測距光で距離測定を行う様構成したので、共通の処理回路で信号処理、距離演算を行うことができ、回路構成が簡略化する。

0087

更に、連続した変調波を断続信号とし、パルス的に発光させるので、射出される測距光のピーク値を増大させることができ、受光光量が増大し、測定精度が向上すると共に遠距離測定が可能となる。

0088

又、パルス発光させることで、パルス光の往復時間に基づき長距離測定を行うことができ、而も測距の対象となるパルス光の発光間隔を任意に設定できるので、最大測定距離を、測定状況に応じて容易に変更できる。

0089

尚、上記実施例では、2つの近接周波数を生成したが、3以上の近接周波数を生成する様にしてもよく、或は2組以上の近接周波数を生成する様にしてもよい。

0090

又前記断続信号の周期は前記測定対象物が移動体であった場合に、該移動体の移動による前記断続変換信号の位相変化が無視できる早さに設定されるので測定対象物が移動体であっても距離測定が可能となる。

0091

又断続変調測距光を所定の断続数で一巡する断続パターンを生成させ、前記断続変換信号を断続パターン毎に複数回積算され、得られた積算波形の断続幅、断続周期から、複数の近接周波数を特定し、それぞれの断続変換信号の平均位相を求め、平均位相から精密測定値を求め、平均位相差から粗測定距離値を求め、精密測定距離値と、粗測定距離値から測定対象物の距離を測定するので、要求される測定精度に対応して適宜断続数を設定することができる。

0092

又電気回路上の構成要素は1つの周波数に対応するものでよく、回路構成が簡素になり、更に周波数が近接しているので、Qの低いフィルタ1つでよく、Qが低いので、近接周波数のそれぞれの位相ずれへの影響が少なくなり、精密測定と粗測定とのずれによる異常測定が生じにくい。

0093

又断続変調測距光の受光パルスの遅延時間で測距を行うので、長距離測定が可能であり、長距離測定の為に要される変調周波数を省略でき、更にパルス光の発光間隔を任意に設定できるので、最大測定距離を、測定状況に応じて容易に変更できる。

0094

又複数の近接周波数から得られた精密測定距離値と粗測定距離値の差が所定値以内でない場合、異常信号を発生させるので、異常測定値を排除でき、測定の信頼性が向上する。

0095

又複数の近接周波数の断続切替えは、各周波数毎に、所定の周期ずらして行い、周波数変換された前記断続変換信号は、所定の周期ずらしてから位相測定を行うので、誤差の少ない測定が可能となる。

0096

1 測距光学系
2射出光学系
3受光光学系
4視準光学系
5測定対象物
6 測距光軸
7射出光軸
8受光光軸
9視準光軸
11発光素子
14光量調整器
18ダイクロイックミラー
21受光素子
24内部参照光学系
25光路切替え器
27演算処理部
31基準信号発生器
33 第1信号発生器
34 第2信号発生器
35 第1断続パルス発生器
36 第2断続パルス発生器
39タイミング信号発生器
43ミキシング回路
47演算制御部

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