CN100565243C

CN100565243C - 光波测距仪

Info

Publication number: CN100565243C
Application number: CNB2005101181062A
Authority: CN
Inventors: 中村丰; 木川速见
Original assignee: Sokkia Co Ltd
Current assignee: Sokkia Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP4707363B2; US20060082758A1; DE102005049097A1; CN1763562A; JP2006118930A; US7339655B2

Abstract

一种光波测距仪，在通过光路切换器切换测距光和参照光时，若检测出切换结束的时刻则立即开始距离测定，从而缩短了距离测定所需的时间。该光波测距仪具有向着在观测点设置的目标(22)射出测距光(L)的发光元件(50)、接收由所述目标反射而回来的测距光的受光元件(60)、基于来自该受光元件的受光信号(M1、M2、M3)计算到目标或物体的距离的CPU(74)、切换测距光使其通过从发光元件到受光元件的内部光路的光路切换器(78)，在进行光路切换器的切换时，当光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上时，CPU开始通常的距离测定。

Description

光波测距仪

技术领域

本发明涉及一种光波测距仪，其通过向目标发出测距光、接收来自目标的反射光来测定到目标的距离。

现有技术

作为光波测距仪通常使用如下述专利文献1中所公开的相位差方式的光波测距仪。在图5中示出该光波测距仪的框图。

在该光波测距仪中，从激光二极管等光源3发出的测距光L经过棱镜10、12、反射镜4、物镜5等光输出光学系统向着在测量点上设置的目标(棱镜等)6射出。该光源3连接调制器2，调制器2连接基准信号振荡器1，通过在基准信号振荡器1中生成的基准信号K对测距光L进行调制。

由目标6所反射的测距光L经过由物镜5和反射镜4组成的受光光学系统射入光电二极管等检测器(受光元件)7中。于是，通过检测器7使测距光L转换成作为受光信号M的电气信号。通过相位计9测定该受光信号M和从调制器2输出的基准信号K相互之间的相位差，从而通过该相位差求得到目标6的距离。

如果上述基准信号K只是一个频率，那么只能测定到基准信号K波长的一半长度。由此，通过该光波测距仪顺次切换基准信号K的频率，通过综合在多个频率下进行距离测定的这些测定结果，就可以进行距离测定。

另一方面，从光源3发出的测距光L通过光路切换器8切换后经过棱镜10、11、12而作为参照光R直接射入检测器7中。如果使用该参照光R测定和测距光L相同的距离，就可以知道在该光波测距仪中固有的误差。由此，通过交替进行测距光L的测定和参照光R的测定，使用由测距光L测定的距离来补正在光波测距仪中所固有的误差，可以求得到目标6的精确距离。

已知的其它光波测距仪如在下述专利文献2所示的脉冲移动时间(パルス走行時間)方式。脉冲移动时间方式是向着目标发射脉冲光、接收从目标反射的脉冲光、根据脉冲光往返到目标的时间来计算到目标的距离。

专利文献1：日本专利特许第3236941号公报

专利文献2：日本专利特开平1-213592号公报

发明要解决的问题

在上述专利文献1所示的光波测距仪中，在通过光路切换器8切换测距光L和参照光R时，估计该切换所需的充分的时间，在该切换所需的时间中不进行距离测定。为此，就出现了在距离测定时花费比所需时间还要多的时间的问题。即使是在脉冲移动时间方式中，由于光学系统具有光路切换装置，因此也同样会发生这类问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题提出的，其技术问题是在光波测距仪中，在通过光路切换器切换测距光和参照光时，通过在检测出切换结束的时刻时立即开始距离测定，缩短距离测定所需时间。

为了实现上述目的，技术方案1的发明是，光波测距仪具有向在观测点设置的目标或要测定的物体射出测距光的光源、接收由所述目标或所述物体反射而回来的测距光的受光元件、基于来自该受光元件的受光信号计算到所述目标或所述物体的距离的计算处理部件、切换所述测距光使其通过从所述光源到所述受光元件的内部光路的光路切换器，在进行所述光路切换器的切换时，当所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上时，所述计算处理部件开始通常的距离测定。

技术方案2的发明是，光波测距仪具有向在观测点设置的目标或要测定的物体射出测距光的光源、接收由所述目标或所述物体反射而回来的测距光并检测受光信号变化的受光元件、对所述受光信号进行采样并得到采样数据的采样单元、存储所述采样数据的存储单元、通过在该存储单元中存储的采样数据计算到所述目标或所述物体的距离的计算处理部件、切换所述测距光使其通过从所述光源到所述受光元件的内部光路的光路切换器，在进行所述光路切换器的切换时，所述计算处理部件交替反复进行得到含有所述受光信号的至少一个周期的采样数据的采样过程、与通过含有所述至少一个周期的采样数据来计算距离的距离计算过程，并且当所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上时，开始通常的距离测定。

技术方案3的发明是，在技术方案2中，通过多个光输出信号对所述测距光进行调制，在所述受光元件中得到多个受光信号，通过所述采样单元分别对该多个受光信号中的每一个进行采样。

技术方案4的发明是，在技术方案2或3中，所述受光信号在频率变换器中频率下降为中间频率信号后，在所述采样单元中对其进行采样。

技术方案5的发明是，在技术方案1、2、3或4中，在所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上之后，并且在上次计算得到的距离和这次计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以下之后，所述计算处理部件开始通常的距离测定。

技术方案6的发明是，在技术方案5中，所述上次计算得到的距离是连续计算的多个距离的平均值。

技术方案7的发明是，在技术方案1、2、3、4、5或6中，在从所述光路切换器的切换信号送出开始经过了预定时间时，所述计算处理部件开始通常的距离测定。

技术方案8的发明是，在技术方案1、2、3、4、5、6或7中，所述计算处理部件检测出所述受光信号振幅或所述计算得到的距离的偏差的变化、或者所述振幅以及所述距离的偏差，判断光路切换器的切换结束，开始通常的距离测定。

根据技术方案1的光波测距仪，在进行光路切换器的切换时，当所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上时，判断为所述光路切换器的切换结束，开始通常的距离测定，因此可以在极短的时间内检测出光路切换器的切换结束，与现有设备相比可以大幅地缩短距离测定所需的时间。

根据技术方案2的光波测距仪，在进行光路切换器的切换时，当所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上时，判断为所述切换器的切换结束，开始通常的距离测定，因此可以在极短的时间内检测出光路切换器的切换结束，也具有和技术方案1的光波测距仪同样的效果。

根据技术方案3的光波测距仪，进一步地，由于通过多个光输出信号对测距光进行调制，因此一次使用多个光输出信号进行测定，与按顺序切换频率的现有技术相比可以进一步缩短测定时间。

根据技术方案4的光波测距仪，进一步地，由于受光信号在频率变换器中使频率下降生成中间频率信号，并且在采样单元中对其进行采样，因此可以稳定地对频率低的中间频率信号进行高增益放大，并且通过截去中间信号以外可以得到高S/N比，可以确保在一个周期内尽可能多次采样的时间，从而可以进行高精度的测定。

根据技术方案5的光波测距仪，进一步地，当所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离和在其后计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以上后，在上次计算得到的距离和本次计算得到的距离之差的绝对值成为预定值以下，由于测定值稳定而开始通常的距离测定，因此不仅可以大幅地缩短距离测定所需的时间，而且可以进行高精度的测定。

根据技术方案6的光波测距仪，进一步地，由于所述上次计算得到的距离是连续计算的多个距离的平均值，并且由于测定值更稳定而开始通常的距离测定，因此不仅可以大幅地缩短距离测定所需的时间，而且可以进行高精度的测定。

根据技术方案7的光波测距仪，进一步地，在从光路切换器切换信号送出开始经过了预定时间时，开始通常的距离测定，因此即使在由于任何原因而本发明各技术方案的发明没有起作用的情况下，也可以在与现有技术相同的时间内同样精确地进行距离测定。

根据技术方案8的光波测距仪，进一步地，由于检测出所述受光信号振幅或所述计算得到的距离的偏差的变化、或者所述振幅以及所述距离的偏差后，判断为光路切换器切换结束，而开始通常的距离测定，因此不仅可以大幅地缩短距离测定所需的时间，而且可以进行高精度的测定。

附图说明

图1是根据本发明1实施例的光波测距仪的框图。

图2是对在上述光波测距仪中对中间频率信号进行采样的状态进行说明的图。

图3是示出在上述光波测距仪中通过光路切换器进行测距光和参照光的光路切换的光路切换处理的步骤的流程图。

图4是对在通过光路切换器切换测距光和参照光时检测出切换结束的时刻的原理进行说明的图。

图5是现有技术的光波测距仪的框图。

22 目标 50 发光元件(光源)

60 受光元件 66 频率变换器

72 A/D变换器(采样单元) 74 CPU(计算处理器)

76 存储器(存储单元) 78 光路切换器

S 采样过程

Calc 距离计算过程

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明光波测距仪的一个实施例进行说明。图1是该光波测距仪的框图。图2是对在该光波测距仪中对中间频率信号进行采样的状态进行说明的图。图3是示出在该光波测距仪中通过光路切换器进行测距光和参照光的光路切换的光路切换处理的步骤的流程图。图4是对在通过光路切换器切换测距光和参照光时检测出切换结束的时刻的原理进行说明的图。

该光波测距仪具有发射测距光L的激光二极管等的发光元件50(光源)。发光元件50连接至发光元件驱动电路52，发光元件驱动电路52连接至光输出信号发生电路54，光输出信号发生电路54连接至温度补偿晶体振荡器56，温度补偿晶体振荡器56连接至CPU74。温度补偿晶体振荡器56不管温度等变化如何都一直生成频率一定的基准信号K。光输出信号发生电路54使基准信号K递增，生成含有三个频率f1、f2、f3的光输出信号K’。发光元件驱动电路52根据光输出信号K’以三个频率f1、f2、f3调制从发光元件50发出的测距光L。通过这样调制的测距光L经过图中未示出的光输出光学系统向着在测量点上设置的目标(棱镜等)22送出。

由目标22反射的测距光L经过图中未示出的接收光光学系统射入光电二极管等受光元件60。这样，从受光元件60输出的受光信号通过放大器62放大后，通过三个带通滤波器64分成3个频率f1、f2、f3的受光信号M1、M2、M3。三个受光信号M1、M2以及M3分别通过频率变换器66频率下降为中间频率g1、g2、g3的中间频率信号N1、N2、N3。频率变换器66通过混频器将在局部振荡器中生成的局部振荡信号和受光信号M1、M2、M3相乘。因此，通过在带通滤波器68中只区分中间频率g1、g2、g3，可以只取出中间频率信号N1、N2和N3，其中中间频率g1、g2、g3为局部振荡信号的频率和受光信号M1、M2和M3的频率f1、f2、f3之差。该中间频率信号N1、N2和N3通过中间频率放大器70放大。进一步地，中间频率信号N在作为采样单元的A/D变换器72中，与从温度补偿晶体振荡器56中输送来的同步信号P结合，并进行对中间频率信号N1、N2和N3的采样，变换成数字信号，输入CPU 74(计算处理单元)，存储在存储器(存储单元)76中。

在此，之所以将受光信号M1、M2以及M3变换成中间频率信号N1、N2、N3，是由于在变成频率低的中间频率g1、g2、g3时，可以进行稳定且高增益的放大，并且通过截去中间频率信号N1、N2、N3以外的信号可以得到高S/N比，并且在一周期内有富余地确保尽可能多次采样的时间，从而可以进行精确的测量。当然，在可以将采样频率设定成足够高的情况下，不将受光信号M1、M2、M3变换成中间频率信号，也可以原样地直接进行采样。

在进行距离测定时，如图2所示，A/D变换器72持续多个周期连续对中间频率信号N1、N2、N3采样，将这些采样数据存储在存储器76中。CPU 74由这些采样数据求得相对于各中间频率信号N1、N2、N3的同步信号P的初始相位。当求得三个初始相位时，综合这三个初始相位，算出直到目标22的距离。

另一方面，从发光元件50发出的测距光L通过光路切换器78作为经过光波测距仪的由反射镜80形成的内部光路的参照光R直接进入到受光元件60中。如果使用该参照光R和测距光L同样地测定距离，就可以知道该光波测距仪固有的误差。由此，通过交替进行由测距光L进行测定和由参照光R进行的测定，通过用测距光L测定的距离来补正光波测距仪固有的误差，可以求得到目标22的精确距离。

进一步地，在该实施例中，如从下述的光路切换器78的光路切换处理的步骤中所了解的，在光路切换器78切换测距光L和参照光R时，不需要等待现有技术中光路切换结束时所需的充分的时间，当检测到光路切换结束时，就立即开始距离测定，这样缩短了距离测定所需的时间。接着，使用图3和图4，对光路切换器78的光路切换处理的步骤进行详细说明。

当开始光路切换处理时，CPU 74使光波测距仪如下所述地动作。首先，进入步骤S1，进行光路切换处理所必须的初始设定处理。接着，进入步骤S2，对中间频率信号N1、N2、N3得到含有至少一个周期的短时间的采样数据。接着，进入步骤S3，向光路切换器78送出切换信号SC。接着，进入步骤S4，启动超时计时器。超时计时器是用于在切换信号SC送出后，经过了充分的时间时，判断光路切换结束的装置。

接着，进入步骤S5，这是判定光路切换器78切换结束所必须的处理，即，首先，使用含有在步骤S2中采样过的至少一个周期的短时间的采样数据，算出光路切换器78的切换信号SC刚刚送出之前的距离d₀，接着如后所述，在步骤S8中使用含有采样过的至少一个周期的短时间采样数据计算出距离d_n(n＝1，2，3...)。当算出距离d₀或d_n时，进入步骤S6，用下述方法判断光路切换器78的切换是否结束。当判断为切换结束的情况下，进入步骤S9，使超时计时器为OFF，结束该光路切换处理，之后，进行通常的距离测定，即，使用中间频率信号N1、N2、N3的多个周期的采样数据进行高精度的距离测定。

在步骤S6中，当判断为切换未结束时，进入步骤S7，判断超时计时器是否变为超时了。在此，如果变为超时了，就结束该光路切换处理，之后进行通常的距离测定。

在步骤S7中，在未超时的情况下，进入步骤S8，对中间频率信号N1、N2、N3进行含有至少一个周期的短时间采样，由此返回到步骤S5。这里，在判断为光路切换器78的切换结束或者由超时计时器检测出超时之前，反复进行步骤S5～S8的操作。

通过反复进行步骤S5～S8，如图4所示，对中间信号N1、N2、N3交替进行得到至少一个周期的采样数据的采样过程S与使用该采样数据的距离计算过程calc。因此，每循环一次步骤S5～S8时，在步骤S5中都算出距离d₁、d₂、d₃、...、d_n-1、d_n、...，并且在步骤S6中判断切换是否结束。

下面对在步骤S6中切换结束的判断方法进行说明。当开始光路切换处理时，首先，测定光路切换器78的切换信号SC刚刚送出之前的距离d₀。此后，每次切换信号SC送出后计算第n次距离d_n，对光路切换器78切换信号SC刚刚送出之前的距离d₀、上次的距离d_n-1、本次的距离d_n作比较，即进行|d_n-1-d₀|、|d_n-1-d_n|的计算。另外，检查下列式(1)以及式(2)是否成立。在此，Dx和Ex是通过实验得到的常数。

|d_n-1-d₀|≥Dx (1)

|d_n-1-d_n|≤Ex (2)

从图4可知，在通过往复到目标22的测距光L进行测定时，最初通过使用在步骤S2中采样得到的数据的步骤S5的距离计算过程calc计算出到目标22的距离d₀。在步骤S3中切换信号SC送出后，由于到光路切换器78的遮光器完全移动结束为止花费了时间，因此最初根据测距光L算出到目标22的距离d₁。接着，当光路切换器78的遮光器在步骤S8的采样开始之前或采样过程S中移动结束时，由于根据参照光R进行距离测定，因此算出的距离d₂变大。为此，如果恰当地设定式(1)的Dx，则可以判断为在式(1)成立的时刻光路切换器78的切换已结束。

为了更精确地检测出光路切换器78的切换结束，在确认根据式(1)成立后多次算出的距离式(2)成立后，优选可以判断光路切换器78的切换已结束。在此，为了更精确地检测出切换结束，在式(2)中，更进一步地优选以多次计算出的距离d_n-1、d_n-2、d_n-3的平均值作为d_n-1。

这样，通过由计算出的距离d₀、d_n-1、d_n来判断光路切换器的切换结束，或者通过由超时计时器检测到超时，如果检测出光路切换器78的切换结束，就结束该光路切换处理。之后，进行通常的距离测定。

根据本实施例中的光波测距仪，在射出以多个频率同时调制的测距光之后，在切换光路切换器78的时候，每得到至少一个周期的采样数据就进行距离测定，并对从上次至少一个周期的采样数据得到的距离d_n-1、从本次至少一个周期的采样数据得到的距离d_n、从光路切换器78切换信号SC刚刚送出之前的至少一个周期的采样数据得到的距离d₀作比较，以检测出光路切换器78的切换结束，因此与上述专利文献1或2所公开的现有技术中的光波测距仪相比，可以在极短的时间内检测出光路切换器78的切换结束，由此可以大大缩短进行距离测定所需的时间。

可是，本发明并不局限于上述实施例，可以对其做出各种改变。例如，虽然在上述实施例中在相位差方式的光波测距仪中使用本发明，但是脉冲移动时间方法的光波测距仪中也可使用本发明。

此外，在上述实施例中，使用在光路切换器78切换信号SC刚刚送出之前采样得到的采样数据，在光路切换器78切换信号SC刚刚送出之后计算距离d₀，当该距离d₀和其后计算得到的距离d_n之差的绝对值成为预定值以上时，开始通常的距离测定，但是也可以是，在光路切换器78切换信号SC刚刚送出之前计算采样之后的距离d₀，当该距离d₀与其后计算得到的距离d_n之差的绝对值成为预定值以上时，开始通常的距离测定。或者，由于在光路切换器78切换信号SC刚刚送出之前和之后光路切换器78的遮光器几乎不做移动，因此也可以使用在光路切换器78的切换信号SC刚刚送出之后采样得到的采样数据计算距离d₁，并在该距离d₁和其后计算得到的距离d_n之差的绝对值成为预定值以上时，开始通常的距离测定。

进一步地，在本实施例中，虽然交替地进行得到至少一个周期的采样数据的采样过程、与使用该采样数据的距离计算过程calc，但是，也可以交替地进行得到多个周期采样数据的采样过程S、与使用该多个周期采样数据的距离计算过程calc，这样来适当变化采样过程的时间。

为了进一步高精度地判断出光路切换器78的切换结束，也可以通过检测出受光信号M的振幅或上述计算得到的距离d_n的偏差的变化、或者上述受光信号M的振幅以及上述计算得到的距离的偏差来进行。

另外，在上述实施例中，虽然通过多个光输出信号K’同时调制测距光L，但是也可以通过多个光输出信号K’依次调制测距光L。

工业上的利用可能性

本发明不仅可用于光波测距仪，还可以广泛地应用于内置有光波测距仪的测量设备中，例如在总站或其它距离测定装置等中。

Claims

1.一种光波测距仪，具有：向在观测点设置的目标或要测定的物体射出测距光的光源、接收由所述目标或所述物体反射而回来的测距光并检测受光信号变化的受光元件、对所述受光信号进行采样并得到采样数据的采样单元、存储所述采样数据的存储单元、由在该存储单元中存储的采样数据计算到所述目标或所述物体的距离的计算处理部件、切换所述测距光使所述测距光通过从所述光源到所述受光元件的内部光路的光路切换器，其特征在于：

在进行所述光路切换器的切换时，所述计算处理部件交替地重复进行得到含有所述受光信号的至少一个周期的采样数据的采样过程、以及由含有所述至少一个周期的采样数据来计算距离的距离计算过程，并且在所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后通过所述采样过程和所述距离计算过程计算得到的距离d₀和在得到上述距离d₀之后通过继续的重复进行的所述采样过程和所述距离计算过程计算得到的距离d_n之差的绝对值成为通过实验得到的预先设定的固定值以上时，开始通常的距离测定。

2.如权利要求1所述的光波测距仪，其特征在于：

通过多个光输出信号对所述测距光进行调制，在所述受光元件中得到多个受光信号，通过所述采样单元对该多个受光信号中的每一个进行采样。

3.如权利要求1或2所述的光波测距仪，其特征在于：

所述受光信号在频率变换器中频率下降为中间频率信号后，在所述采样单元中对其进行采样。

4.如权利要求1所述的光波测距仪，其特征在于：

在所述光路切换器的切换信号刚刚送出之前或之后计算得到的距离d₀和在得到上述距离d₀之后计算得到的距离d_n之差的绝对值成为所述通过实验得到的预先设定的固定值以上之后，并且在上次计算得到的距离d_n-1和本次计算得到的距离d_n之差的绝对值成为通过实验得到的预先设定的另一固定值以下之后，所述计算处理部件开始通常的距离测定。

5.如权利要求4所述的光波测距仪，其特征在于：

所述上次计算得到的距离是连续计算得到的多个距离的平均值。