JPH0213878A - Optical distance measuring device - Google Patents
Optical distance measuring deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は光波を用いて目標物までの距離を測定する光波
測距装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a light wave distance measuring device that measures the distance to a target using light waves.
光を利用して距離を測定する方法として、従来から次の
2つ方法がある。すなわち、光パルスを射出し目的物か
ら反射させてその往復時間を直接測定し、その往復時間
を距離に換算する方法と、光を正弦波で変調した連続波
を送出し、反射受信波を検波した後、変調波との位相を
比較する方法(光変調位相比較法)とがある。前者の方
法は、その測距精度が通常(至)の程度であるが、装置
が大きく高価格であるため、あまり一般的に利用されて
いない。これに対して後者の方法は、その測距精度が通
常10−6の程度で、短距離には十分の精度を有するが
長距離には不足であり、測定距離範囲が限られ長距離の
測距には適当でない。しかし、装置が小型にでき比較的
安価であるという理由から一般に広く用いられている。There are two conventional methods for measuring distance using light: In other words, there are two methods: one is to emit a light pulse, reflect it from a target object, directly measure the round trip time, and convert the round trip time into distance, and the other is to send out a continuous wave modulated by a sine wave and detect the reflected received wave. After that, there is a method of comparing the phase with the modulated wave (optical modulation phase comparison method). The former method has an average distance measurement accuracy, but the equipment is large and expensive, so it is not commonly used. On the other hand, the latter method usually has a distance measurement accuracy of about 10-6, which is sufficient for short distances but insufficient for long distances, and the measurement distance range is limited. Not suitable for distance. However, it is generally widely used because the device can be made small and relatively inexpensive.
そこで、光変調位相比較法についてさらに説明を加える
。光変調位相比較法では、送信時の変調基本波の位相と
反射受信波を検波した位相とを比較し、その位相差をφ
とすれば、被測定距離りが半波長(λ/2)以下のとき
は、
D−(λ/2)・ (φ/2π) ・・・(1)の
関係にある。なお、非測定距離りが半波長以上のときに
はある整数倍だけを加える必要がある。Therefore, the optical modulation phase comparison method will be further explained. In the optical modulation phase comparison method, the phase of the modulated fundamental wave during transmission and the detected phase of the reflected received wave are compared, and the phase difference is calculated as φ.
Then, when the distance to be measured is less than half a wavelength (λ/2), the relationship is D−(λ/2)·(φ/2π) (1). Note that when the non-measurement distance is longer than half a wavelength, it is necessary to add only a certain integer multiple.
この整数を決定するにはいろいろな方法があるが、通常
は変調周波数を変化させ、2種以上の周波数について同
様の位相測定を行い、これらの結果から連立方程式を解
いて整数を決定する。There are various ways to determine this integer, but the integer is usually determined by changing the modulation frequency, making similar phase measurements for two or more frequencies, and solving simultaneous equations from these results.
ところで、現実の野外測定においては多くの誤差が発生
する。特に、目的物からの反射波以外に、経路途中にお
けるエアロゾル、霧、粉塵などからの散乱波や地上物件
からの散乱波が混入し、本来の反射波と重畳してその波
形を著しく歪ませるため、位相差決定に大きな誤差を生
ずる。実際、野外1k11以上の距離では、よほどの快
晴でないがぎり目標からの反射波は大気中の散乱減衰に
より著しく弱まり、僅かの大気中散乱があっても、それ
らよりも小さな振幅となってしまう。また、工事現場等
では粉塵の影響が大きいので極めて短距離しか測定精度
を維持できないの実情である。By the way, many errors occur in actual field measurements. In particular, in addition to the reflected waves from the target object, scattered waves from aerosols, fog, dust, etc. along the route, and scattered waves from objects on the ground mix in, and overlap with the original reflected waves, significantly distorting the waveform. , causing a large error in determining the phase difference. In fact, outdoors at a distance of 1k11 or more, unless the weather is very clear, the reflected waves from the target are significantly weakened by scattering and attenuation in the atmosphere, and even if there is a small amount of scattering in the atmosphere, the amplitude will be smaller than that. Furthermore, since the influence of dust is large at construction sites, etc., measurement accuracy can only be maintained over extremely short distances.
本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。An object of the present invention is to solve these problems.
上記課題を解決するために、本発明の光波測距装置は、
送出する光をパルスまたは正弦波状のバーストの繰り返
しとしたものである。In order to solve the above problems, the light wave ranging device of the present invention has the following features:
The light transmitted is a repeating pulse or sinusoidal burst.
受信側において予め予定したバーストの到来時刻のみ動
作させることにより、経路途中で散乱して引き返してく
る妨害成分を遮断することができる。By operating on the receiving side only at the pre-scheduled arrival time of the burst, it is possible to block interference components that are scattered along the route and come back.
図は本発明の一実施例を示すブロック図である。 The figure is a block diagram showing one embodiment of the present invention.
まず、送信側について説明する。YAGレーザ発振器1
にはモードロック装置2が付加されている。First, the transmitting side will be explained. YAG laser oscillator 1
A mode locking device 2 is added to the .
モードロック装置2は、YAGレーザ1に対して所要の
共振器長になるように反射鏡を置き、さらに電気光学的
スイッチを設けて強制的に位相同期をかけるものであり
、いわゆる能動的モードロック法を実現する手段である
。このようにモードロックをかけることによりYAGレ
ーザ1の出力レーザ光をパルス列にすること、すなわち
変調をかけることができる。原変調波は好ましくはUH
F帯のような高い周波数が良いわけだが、モードロック
法によればこれを容易に実現することができる。実験に
おいては、YAGレーザ1を300MHzでモードロッ
クすることにより高い距離分解能を得ることができた。The mode-locking device 2 is a so-called active mode-locking device in which a reflecting mirror is placed so as to have a required resonator length with respect to the YAG laser 1, and an electro-optical switch is also provided to forcibly apply phase synchronization. It is a means of realizing the law. By applying mode lock in this manner, the output laser light of the YAG laser 1 can be made into a pulse train, that is, can be modulated. The original modulation wave is preferably UH
A high frequency such as the F band is preferable, and this can be easily achieved using the mode-locking method. In the experiment, high distance resolution could be obtained by mode-locking the YAG laser 1 at 300 MHz.
なお、モードロック装置2で用いられている電気光学的
スイッチは、主発振器である高精度水晶発振器12の出
力信号を逓倍することによって正確な変調周波数を保つ
ことができる。Note that the electro-optical switch used in the mode-lock device 2 can maintain an accurate modulation frequency by multiplying the output signal of the high-precision crystal oscillator 12, which is the main oscillator.
電気光学スイッチ3はモードロックされたレーザ出力か
ら光パルスバーストを作るためのスイッチである。バー
スト時間長さと間隔は、a′I11定すべき距離などに
よってそれぞれ適当に選択される。The electro-optic switch 3 is a switch for creating an optical pulse burst from the mode-locked laser output. The burst time length and interval are appropriately selected depending on the distance a'I11 is to be determined and the like.
すなわち、一般的にはバースト間隔は光が目標物の反射
鏡との間を往復する時間よりも長く選ばれ、たとえば、
10kaの測定距離に対して100μS程度とするのが
良い。しかしこれに限られるものでなく、受信側のタイ
ミングゲート(後述)を用いればこれよりも短いバース
ト間隔でもよい。バースト時間長はタイミング再生精度
によって選ばれ、たとえば、10μS程度が良い。この
電気光学スイッチ3も、モードロック装rIt2内の電
気光学的スイッチと同様に水晶発振器12の出力信号を
逓倍することによって正確なバースト時間長さと間隔を
保つことができる。光高調波発生部4は電気光学スイッ
チ3から得られた光パルスバーストを入力して、その高
調波たとえば第2高調波である波長5320mの光パル
スバーストを出力するものである。光高調波発生部4を
経た光パルスバーストは、送信望遠鏡5によって図示省
略した被測定物(目標物)へ出射される。That is, the burst interval is generally chosen to be longer than the time it takes the light to travel to and from the target reflector, e.g.
It is preferable to set the time to about 100 μS for a measurement distance of 10 ka. However, the burst interval is not limited to this, and a shorter burst interval may be used if a timing gate (described later) on the receiving side is used. The burst time length is selected depending on timing reproduction accuracy, and is preferably about 10 μS, for example. This electro-optic switch 3 can also maintain accurate burst time length and interval by multiplying the output signal of the crystal oscillator 12, similar to the electro-optic switch in the mode-lock device rIt2. The optical harmonic generator 4 inputs the optical pulse burst obtained from the electro-optic switch 3 and outputs the optical pulse burst having a wavelength of 5320 m, which is a harmonic thereof, for example, a second harmonic. The optical pulse burst that has passed through the optical harmonic generator 4 is emitted by a transmitting telescope 5 to an object to be measured (target object), which is not shown.
つぎに、受信側について説明する。受信望遠鏡7は、送
信望遠鏡5に対して同軸あるいは同条されており、被測
定物の反射鏡で反射した光パルスバーストを受信する。Next, the receiving side will be explained. The receiving telescope 7 is coaxial or parallel to the transmitting telescope 5, and receives the optical pulse burst reflected by the reflecting mirror of the object to be measured.
ブロック8は光検波器および狭帯域増幅器で構成されて
おり、このブロック8では、受信した光パルスバースト
が光検波されて復調電気波に変換され、さらに狭帯域増
幅される。The block 8 is composed of a photodetector and a narrowband amplifier, and in this block 8, the received optical pulse burst is photodetected, converted into a demodulated electric wave, and further narrowband amplified.
注入同期装置9は、自励発振を起こしている発振器に、
その発振周波数に近い周波数信号を注入波として入力す
ると、発振周波数が注入波に位相同期されるという現象
を利用した一種の増幅器である。本実施例では、受信光
パルスバーストから得た復調電気波を注入波として入力
し、復調電気波と同位相の基準波を再生する。このよう
に、復調基準波を作ることにより、つぎに説明する位相
比較装置10において、基本変調波と定常的に位相を比
較することが可能となる。The injection locking device 9 connects the oscillator causing self-oscillation to
This is a type of amplifier that utilizes the phenomenon that when a frequency signal close to the oscillation frequency is input as an injection wave, the oscillation frequency is phase-locked to the injection wave. In this embodiment, a demodulated electric wave obtained from a received optical pulse burst is input as an injection wave, and a reference wave having the same phase as the demodulated electric wave is reproduced. By creating the demodulated reference wave in this way, it becomes possible to constantly compare the phase with the fundamental modulated wave in the phase comparator 10 described below.
位相比較装置10は、復調基準波をビートダウンにより
LF帯において変調基準波形と位相比較を行う装置であ
る。位相比較のためには、復調基準波をそのまま比較す
るするよりも、これを低周波にビートダウンしてから行
った方が高い精度を得ることができるので、本実施例で
はこの方式を採用している。実験によれば、20KHz
程度のLF帯に変換することによって、超高精度の位相
比較を行うことができ、LF帯においても旅先パルスバ
ーストの位相が正確に保存されていることが確かめられ
た。なお、ビートダウンに必要な周波数は局部発振器1
3から供給されている。The phase comparator 10 is a device that performs phase comparison of a demodulated reference wave with a modulated reference waveform in the LF band by beatdown. For phase comparison, higher accuracy can be obtained by beating down the demodulated reference wave to a lower frequency than by comparing the demodulated reference wave as it is, so this method is adopted in this embodiment. ing. According to experiments, 20KHz
By converting to the LF band, it was possible to perform ultra-high-precision phase comparison, and it was confirmed that the phase of the destination pulse burst was accurately preserved even in the LF band. The frequency required for beatdown is local oscillator 1.
It is supplied from 3.
演算手段11は、位相比較装置10で得られた位相差か
ら目的物までの距離を上述の(1)式に基づいて計算す
る手段であり、実際にはマイクロコンピュータなどで構
成されている。計算結果は、表示手段14に表示される
。The calculation means 11 is means for calculating the distance to the target object based on the phase difference obtained by the phase comparator 10 based on the above-mentioned equation (1), and is actually composed of a microcomputer or the like. The calculation results are displayed on the display means 14.
つぎに、このように構成された本実施例の一連の動作を
説明する。送出光波は、モードロック装置2によってパ
ルス状に変調され、電気光学スイッチ3によって一定時
間に区切られ、光高調波発生部4で高調波に変換されて
送信望遠鏡5から送出される。このときの区切りの一単
位が光パルスバースト状をなし、この光パルスバースト
が、予定された目標物反射鏡により反射されて受信望遠
鏡7に受信される。光パルスバーストが受信機に到達す
る時刻は、予め予定できるので、その時刻にのみ受信側
を動作させる。これは電気的にタイミングを測定しゲー
トを開くことによって行うことができる。この方法によ
って経路途中で散乱して引き返してくる妨害成分を遮断
し、目標物からの特定時刻またはその附近の反射パルス
バースト(複数)のみを取り出すことができる。このよ
うにして得られた妨害成分を含まない受信光パルスバー
ストは、光検波及び狭帯域増幅された後、注入同期装置
9によって受信基準波として再生され、位相比較装置1
0において基本変調波と定常的に位相比較が行われる。Next, a series of operations of this embodiment configured as described above will be explained. The transmitted light wave is modulated into pulses by the mode-locking device 2, divided into fixed time periods by the electro-optic switch 3, converted into harmonics by the optical harmonic generator 4, and transmitted from the transmitting telescope 5. One unit of the division at this time is in the form of a light pulse burst, and this light pulse burst is reflected by a scheduled target reflecting mirror and received by the receiving telescope 7. Since the time at which the optical pulse burst reaches the receiver can be scheduled in advance, the receiver is operated only at that time. This can be done by electrically timing and opening the gate. With this method, it is possible to block the disturbing components that are scattered on the path and return, and extract only the reflected pulse bursts from the target at or near a specific time. The thus obtained received optical pulse burst containing no interfering components is optically detected and narrowband amplified, and then regenerated as a received reference wave by the injection locking device 9.
0, the phase is constantly compared with the fundamental modulated wave.
位相比較装置10で検出された位相差は、演算手段11
に与えられて距離に換算され、表示手段14に表示され
る。The phase difference detected by the phase comparison device 10 is calculated by the calculation means 11
is converted into a distance and displayed on the display means 14.
なお、本実施例では送信波として1種類の波長を有する
ものを用いたが、2種類以上の波長を使用して、大気の
温度、圧力等を補正することを妨げるものではない。In this embodiment, a transmission wave having one type of wavelength is used, but this does not preclude the use of two or more types of wavelengths to correct atmospheric temperature, pressure, etc.
また、本実施例では、光をパルス状に変調しているがこ
れに限定されるものではなく、たとえば、正弦波状に変
調してもよい。さらに、本実施例では、高い周波数で変
調を行うために能動的モードロック法を用いているが、
変調方式はこれに限定されるものではなく、受動的モー
ドロック法やその他の変調方式を用いてもよい。Further, in this embodiment, the light is modulated in a pulse shape, but the light is not limited to this, and may be modulated in a sine wave shape, for example. Furthermore, in this example, an active mode-locking method is used to perform modulation at a high frequency.
The modulation method is not limited to this, and a passive mode-locking method or other modulation methods may be used.
以上説明したように、本発明の光波測距装置によれば、
送信波を光バースト状にしているので、途中経路からの
散乱光の影響を従来の光変調位相比較法の少なくとも1
/10以下にすることができ、復調波形の乱れを最小限
にすることができる。As explained above, according to the light wave ranging device of the present invention,
Since the transmitted wave is in the form of an optical burst, the influence of scattered light from the intermediate path can be reduced by at least one method using the conventional optical modulation phase comparison method.
/10 or less, and disturbances in the demodulated waveform can be minimized.
したがって、その測定距離範囲を大幅に増大させること
ができる。Therefore, its measurement distance range can be significantly increased.
図は本発明の一実施例を示すブロック図である。
1・・・YAGレーザ、2・・・モードロック装置、3
・・・電気光学スイッチ、4・・・光高調波発生部、5
・・・送信望遠鏡、7・・・受信望遠鏡、8・・・光検
波および狭帯域増幅器、9・・・注入同期装置、10・
・・位相比較装置、11・・・演算手段、12・・・水
晶発振器、13・・・局部発振器、14・・・表示手段
。The figure is a block diagram showing one embodiment of the present invention. 1...YAG laser, 2...Mode-locking device, 3
... Electro-optical switch, 4... Optical harmonic generation section, 5
... Transmitting telescope, 7... Receiving telescope, 8... Optical detection and narrowband amplifier, 9... Injection locking device, 10.
... Phase comparator, 11... Calculating means, 12... Crystal oscillator, 13... Local oscillator, 14... Display means.
Claims (1)
相差に基づいて距離を求める光波測距装置において、送
出する光はパルスまたは正弦波状のバーストの繰り返し
であることを特徴とする光波測距装置。 2、特定時刻またはその附近のバーストが受信されるよ
うな時間タイミングのみ受信部が動作することを特徴と
する請求項1記載の光波測距装置。 3、受信バースト信号から基本パルスまたは正弦波周期
を再生することによって受信基本周期の位相を確定する
手段を有することを特徴とする請求項1記載の光波測距
装置。 4、光バーストは、レーザ発振器をモードロックし、さ
らに光学的スイッチによって断続することによって発生
させることを特徴とする請求項1記載の光波測距装置。 5、受信バースト信号から再生した位相と、送信基本周
期の位相との位相差を比較することにより目的物までの
距離を演算する手段を有することを特徴とする請求項1
記載の光波測距装置。 6、受信バースト信号から再生したタイミング再生波を
ビートダウンして後、位相比較することを特徴とする請
求項5記載の光波測距装置。 7、受信ゲートタイミングをずらして行くことによって
目的物までの概略距離を算出する手段を有することを特
徴とする請求項2記載の光波測距装置。[Scope of Claims] 1. In a light wave distance measuring device that uses light as a carrier wave and determines distance based on the phase difference between modulated signals of transmitted and received light, the transmitted light is a repetition of pulses or sinusoidal bursts. A light wave ranging device featuring: 2. The light wave ranging device according to claim 1, wherein the receiving section operates only at a timing when a burst is received at or near a specific time. 3. The optical distance measuring device according to claim 1, further comprising means for determining the phase of the basic reception period by reproducing the basic pulse or sine wave period from the reception burst signal. 4. The optical distance measuring device according to claim 1, wherein the optical burst is generated by mode-locking a laser oscillator and further intermittent operation using an optical switch. 5. Claim 1, further comprising means for calculating the distance to the object by comparing the phase difference between the phase reproduced from the received burst signal and the phase of the fundamental transmission period.
The light wave ranging device described. 6. The optical distance measuring device according to claim 5, wherein the phase comparison is performed after beatdown of the timing regenerated wave regenerated from the received burst signal. 7. The light wave distance measuring device according to claim 2, further comprising means for calculating the approximate distance to the object by shifting the reception gate timing.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63164253A JP2509301B2 (en) | 1988-07-01 | 1988-07-01 | Lightwave ranging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP63164253A JP2509301B2 (en) | 1988-07-01 | 1988-07-01 | Lightwave ranging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0213878A true JPH0213878A (en) | 1990-01-18 |
JP2509301B2 JP2509301B2 (en) | 1996-06-19 |
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JP (1) | JP2509301B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004507742A (en) * | 2000-08-25 | 2004-03-11 | ギガー,クルト | Method and apparatus for distance measurement |
JP2006300753A (en) * | 2005-04-21 | 2006-11-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Distance measuring equipment |
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1988
- 1988-07-01 JP JP63164253A patent/JP2509301B2/en not_active Expired - Fee Related
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JP2509301B2 (en) | 1996-06-19 |
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