CN105974429B - 光波测距仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光波测距仪。具备:发光元件;信号发生器;断续脉冲发生器,产生使多个邻近频率分别断续而脉冲化为规定宽度的调制信号;射出光学系统,按照每个邻近频率依次切换射出利用调制信号脉冲化为规定宽度的断续调制测距光;光接收部,对来自测定对象物的反射测距光进行光接收,产生规定脉冲宽度的断续光接收信号;其他的信号发生器,针对邻近频率分别产生具有规定的频率的差的频率信号;频率变换部,通过来自光接收部的断续光接收信号和频率信号的混频而频率变换为差频,与各个差频对应地得到具有规定的脉冲宽度并且与各个差频对应地发生变化的断续变换信号的信号序列;以及运算控制部。

Description

光波测距仪
技术领域
本发明涉及将调制后的测定光照射于测定对象并对来自测定对象的反射测定光进行光接收而利用测定光与反射测定光的相位差来测定到测定对象的距离的光波测距仪。
背景技术
在检测测定光与反射测定光的相位差来进行距离测定的光波测距仪中,能够测定的距离、测定精度根据调制频率来决定。因此,为了使从近距离到远距离进行测定变为可能,需要照射多个调制频率的测距光。
例如,制作30MHz的调制频率,制作300KHz的调制频率,进而制作30MHz-3KHz和300KHz-3KHz的频率。以30MHz的调制频率、300KHz的调制频率射出测距光,并且,对具有30MHz的调制频率、300KHz的调制频率的反射测距光进行光接收,进而,根据光接收信号混频30MHz-3KHz和300KHz-3KHz的频率,由此,检测3KHz的差频信号,检测各个相位差,由此,能够进行从近距离到远距离的光波距离测定。
在以往的光波测距仪中,制作多个频率,进而,按照多个频率的每一个发出测距光,此外,进行测距,因此,存在电路结构复杂并且测定时间变长这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供高效率地制作测定所需要的信号并且能够进行短时间内的测定的光波测距仪。
为了达成上述目的,本发明的光波测距仪具备:发光元件,发出测距光;信号发生器,生成多个邻近频率;断续脉冲发生器,产生使所述多个邻近频率分别断续而脉冲化为规定宽度的调制信号;射出光学系统,按照每个所述邻近频率依次切换射出利用所述调制信号脉冲化为规定宽度的断续调制测距光;光接收部,对来自测定对象物的反射测距光进行光接收,产生规定脉冲宽度的断续光接收信号;其他的信号发生器,针对所述邻近频率分别产生具有规定的频率的差的频率信号;频率变换部,通过来自所述光接收部的所述断续光接收信号和所述频率信号的混频而频率变换为差频,与各个差频对应地得到具有规定的脉冲宽度并且与各个差频对应地发生变化的断续变换信号的信号序列;以及运算控制部,该运算控制部构成为:以使断续调制测距光的脉冲宽度比差频的周期短的方式使所述邻近频率分别断续,此外,针对各个所述断续变换信号运算差频波形,根据至少差频一周期的量的波形求取相位来运算精密测定距离值,此外,求取所述差频彼此的相位差来运算粗测定距离值,将该粗测定距离值和所述精密测定距离值合起来,由此,测定距离。
此外,在本发明的光波测距仪中,所述运算控制部使所述断续调制测距光生成为以规定的断续数目轮一周的发光图案,按照每个发光图案对所述断续变换信号进行多次累计,根据所得到的累计波形来求取各个所述断续变换信号的平均相位,根据平均相位来求取所述精密测定距离值,根据所述多个各断续变换信号彼此的平均相位差来求取所述粗测定距离值,根据所述精密测定距离值和所述粗测定距离值来测定所述测定对象物的距离。
此外,在本发明的光波测距仪中,对所述多个所述断续调制测距光的切换顺序进行变更,将变更后的位置作为相位测定的基准位置。
此外,在本发明的光波测距仪中,所述运算控制部基于所述反射测距光的所述断续光接收信号的延迟时间来运算远距离测定值。
进而此外,在本发明的光波测距仪中,所述运算控制部在所述精密测定距离值与所述粗测定距离值的差不在规定值以内的情况下产生异常信号。
根据本发明,具备:发光元件,发出测距光;信号发生器,生成多个邻近频率;断续脉冲发生器,产生使所述多个邻近频率分别断续而脉冲化为规定宽度的调制信号;
射出光学系统,按照每个所述邻近频率依次切换射出利用所述调制信号脉冲化为规定宽度的断续调制测距光;光接收部,对来自测定对象物的反射测距光进行光接收,产生规定脉冲宽度的断续光接收信号;其他的信号发生器,针对所述邻近频率分别产生具有规定的频率的差的频率信号;频率变换部,通过来自所述光接收部的所述断续光接收信号和所述频率信号的混频而频率变换为差频,与各个差频对应地得到具有规定的脉冲宽度并且与各个差频对应地发生变化的断续变换信号的信号序列;以及运算控制部,该运算控制部构成为:以使断续调制测距光的脉冲宽度比差频的周期短的方式使所述邻近频率分别断续,此外,针对各个所述断续变换信号运算差频波形,根据至少差频一周期的量的波形求取相位来运算精密测定距离值,此外,求取所述差频彼此的相位差来运算粗测定距离值,将该粗测定距离值和所述精密测定距离值合起来,由此,测定距离,因此,电路结构变得简单,缩短测定时间,进而,通过使测距光为断续光,从而能够将光输出仅集中于调制的时间,能够增大峰值功率,此外,缩短发光时间,因此,减轻由发光造成的电的、光学的噪声,S/N提高,距离测定精度提高。
此外,根据本发明,所述运算控制部使所述断续调制测距光生成为以规定的断续数目轮一周的发光图案,按照每个发光图案对所述断续变换信号进行多次累计,根据所得到的累计波形来求取各个所述断续变换信号的平均相位,根据平均相位来求取所述精密测定距离值,根据所述多个各断续变换信号彼此的平均相位差来求取所述粗测定距离值,根据所述精密测定距离值和所述粗测定距离值来测定所述测定对象物的距离,因此,能容易地进行相位测定。
此外,根据本发明,对所述多个所述断续调制测距光的切换顺序进行变更,将变更后的位置作为相位测定的基准位置,因此,能容易地进行相位测定。
此外,根据本发明,所述运算控制部基于所述反射测距光的所述断续光接收信号的延迟时间来运算远距离测定值,因此,不需要粗测定用的调制频率的生成,电路结构变得简洁。
进而此外,根据本发明,所述运算控制部在所述精密测定距离值与所述粗测定距离值的差不在规定值以内的情况下产生异常信号,因此,能够排除异常测定值,测定的可靠性提高。
附图说明
图1是本实施例的光波测距仪的光学系统的概略图。
图2是本实施例的光波测距仪的测量电路的概略图。
图3(A)是示出使测距光脉冲化后的状态的说明图,图3(B)是示出光接收信号的说明图,图3(C)是示出发光图案的说明图,图3(D)、图3(E)分别是示出混频后的断续变换信号的状态的说明图。
具体实施方式
以下,参照附图并说明本发明的实施例。
首先,在图1中,对本发明的实施例的光波测距仪的测距光学系统1进行说明。
在图1中,该测距光学系统1由射出光学系统2、光接收光学系统3、瞄准(sighting)光学系统4构成。此外,在图1中,示出了测定对象物5为作为循环反射体(retro-reflector)的棱镜。
前述测距光学系统1具有朝向前述测定对象物5的测距光轴6,前述射出光学系统2具有射出光轴7,前述光接收光学系统3具有光接收光轴8,前述瞄准光学系统4具有瞄准光轴9。
在前述射出光轴7上配设有发光元件11、聚光透镜12、半反射镜13、光量调整器14。进而,在前述射出光轴7上配设有偏转镜15、16,前述射出光轴7被前述偏转镜15、16偏转,以使与前述测距光轴6一致。
前述发光元件11例如为激光二极管,发出不可见光的测距光。
在前述测距光轴6上设置有物镜17、分色镜18。该分色镜18透射可见光并反射测距光。前述测距光轴6透射前述分色镜18后的部分成为前述瞄准光轴9,在该瞄准光轴9上设置有目镜19。
前述物镜17、前述分色镜18、前述目镜19等构成前述瞄准光学系统4。
前述聚光透镜12、前述半反射镜13、前述光量调整器14、前述偏转镜15、16、前述物镜17等构成前述射出光学系统2。
前述测距光轴6被前述分色镜18反射后的部分为前述光接收光轴8,在该光接收光轴8上设置有光接收元件21。
前述物镜17、前述分色镜18等构成前述光接收光学系统3。
前述半反射镜13的反射光轴作为内部参照光轴23经由反射镜22被引导到前述光接收元件21。前述半反射镜13、前述反射镜22构成内部参照光学系统24。
以架设于前述射出光轴7和前述内部参照光轴23的方式设置光路切换器25。该光路切换器25进行择一地切断、开放前述射出光轴7和前述内部参照光轴23。关于前述光路切换器25,通过该光路切换器25选择将透射前述半反射镜13后的测距光射出或者将被前述半反射镜13反射的测距光的一部分向前述内部参照光学系统24射出。
前述发光元件11、前述光接收元件21分别电连接于运算处理部27。
以下,对前述测距光学系统1的作用进行说明。
从前述发光元件11发出调制后的测距光28。被前述聚光透镜12做成平行光束的前述测距光28在被前述光量调整器14光量调整之后,透射前述物镜17的中心部而射出到前述测定对象物5。
被该测定对象物5反射的测距光作为反射测距光28’入射到前述物镜17而被该物镜17聚光,被前述分色镜18反射,入射到前述光接收元件21。前述反射测距光28’被该光接收元件21光接收,该光接收元件21产生断续光接收信号29(后述)。
被前述发光元件11射出的前述测距光28的一部分(内部参照光28’’)被前述半反射镜13反射。当通过前述光路切换器25的光路切换来开放前述内部参照光轴23时,前述内部参照光28’’入射到前述光接收元件21。该光接收元件21产生前述内部参照光28’’的光接收信号。
经由前述物镜17入射到前述分色镜18的可见光透射前述分色镜18,被前述目镜19聚光。测量者能够经由前述目镜19瞄准前述测定对象物5。
前述运算处理部27驱动前述发光元件11来使前述发光元件11射出调制光。此外,前述运算处理部27基于从前述光接收元件21输入的反射测距光28’的断续光接收信号29来测定到前述测定对象物5的距离,基于内部参照光28’’的断续光接收信号29来测定前述内部参照光学系统24的光路长度。得到最终的测定值来作为基于反射测距光28’的测定结果与内部参照光28’’的测定结果的差。通过求取反射测距光28’的测定结果与内部参照光28’’的测定结果的差,从而能够除去由电气电路的漂移(drift)造成的影响。
接着,参照图2来对前述运算处理部27进行说明。
在图2中,对与在图1中示出的部分同等的部分标注相同附图标记,并省略其说明。
基准信号发生器31产生规定的频率的基准频率信号s1。在以下所示的数值能够根据测定距离、测定精度来适当变更。例如,在以下的说明中,将30MHz设为基准频率。
关于从前述基准信号发生器31发出的基准频率信号s1,利用分频器32使30MHz为1/4000而生成7.5KHz的分频信号s2。该分频信号s2被输入到第三信号发生器33和第四信号发生器34中。
此外,从前述基准信号发生器31发出的基准频率信号s1通过分频器54被分频为1/2而做成15MHz的分频信号并被输入到第一信号发生器55和第二信号发生器56中。在该第一信号发生器55中,基于15MHz的分频信号来生成240MHz的频率信号。在所述第二信号发生器56中,基于15MHz的分频信号来生成225MHz的频率信号。
在前述第三信号发生器33中,利用前述分频信号s2和30MHz的基准信号生成240MHz+7.5KHz的第一调制信号s3,并输出到第一断续脉冲发生器35中。此外,在前述第四信号发生器34中,利用前述分频信号s2和30MHz的基准信号生成225MHz+7.5KHz的第二调制信号s4,并输出到第二断续脉冲发生器36中。
利用前述第三信号发生器33和前述第四信号发生器34生成频率接近的2个调制信号,240MHz+7.5KHz(s3)和225MHz+7.5KHz(s4)。
在前述第一断续脉冲发生器35中,基于来自后述的定时信号发生器39的定时信号将作为连续信号的前述第一调制信号s3变换为以规定时间宽度按照每个规定时间间隔发出的断续信号。即,使连续信号的前述第一调制信号s3脉冲信号化。从前述第一断续脉冲发生器35向与电路37输入脉冲化后的第一脉冲调制信号s5。
因此,在该第一脉冲调制信号s5的脉冲中包含240MHz+7.5KHz的频率(frequency),脉冲由240MHz+7.5KHz的频率构成。
同样地,在前述第二断续脉冲发生器36中,基于来自前述定时信号发生器39的定时信号将作为连续信号的前述第二调制信号s4变换为以规定时间宽度按照每个规定时间间隔发出的断续信号,进行脉冲信号化。从前述第二断续脉冲发生器36向前述与电路37输入脉冲化后的第二脉冲调制信号s6。关于该第二脉冲调制信号s6的脉冲,也与前述第一脉冲调制信号s5同样地包含225MHz+7.5KHz的频率,脉冲由225MHz+7.5KHz的频率构成。
前述基准信号发生器31生成的前述基准频率信号s1也被输入到前述定时信号发生器39中。该定时信号发生器39基于前述基准频率信号s1生成各种定时信号。
前述定时信号发生器39将定时信号向前述第一断续脉冲发生器35和前述第二断续脉冲发生器36送出,控制为:交替地且以规定时间间隔地输出来自前述第一断续脉冲发生器35、前述第二断续脉冲发生器36的前述第一脉冲调制信号s5、前述第二脉冲调制信号s6。
此外,来自前述定时信号发生器39的定时信号被输入到切换门40。从该切换门40向前述与电路37输入切换信号。
前述与电路37与来自前述切换门40的切换信号对应地将前述第一脉冲调制信号s5、前述第二脉冲调制信号s6交替地向驱动器38输出。
如图3(A)所示,该驱动器38基于前述第一脉冲调制信号s5、前述第二脉冲调制信号s6来驱动前述发光元件11。前述驱动器38使前述发光元件11分别以规定的时间宽度且以规定的时间间隔交替地对以240MHz+7.5KHz调制后的测距光、以225MHz+7.5KHz调制后的测距光进行发光(参照图3(C))。
前述发光元件11断续地对测距光28进行发光,该测距光28为脉冲光。进而交替地发出的脉冲光分别由240MHz+7.5KHz的调制光、225MHz+7.5KHz的调制光构成(以下,称为脉冲调制光)。
图3(C)示出了交替地对240MHz+7.5KHz的脉冲调制光、225MHz+7.5KHz的脉冲调制光进行发光的状态。此外,在本实施例中,脉冲调制光的脉冲宽度被设定为1μs,脉冲调制光240MHz+7.5KHz自身和脉冲调制光225MHz+7.5KHz自身的脉冲间隔分别被设定为20μs,进而,脉冲调制光240MHz+7.5KHz和脉冲调制光225MHz+7.5KHz的时间间隔被设定为10μs。
进而,断续地对前述测距光28进行发光即进行脉冲发光,由此,发光元件(激光二极管:LD)11的发光负载率降低。由于能够使峰值增大发光负载率降低的量,所以,在不损害对眼睛的安全性的情况下使测距光的光强度增大,能够进行远距离测定。再有,规定时间宽度和规定时间间隔根据测定状况来适当选择。
前述测距光28朝向前述测定对象物5射出,被前述测定对象物5反射,经由前述光接收光学系统3被前述光接收元件21光接收。该光接收元件21产生断续光接收信号29。作为所使用的光接收元件,例如,使用光电二极管,进而使用雪崩光电二极管(APD)。
进而,利用前述光路切换器25切换光路,前述测距光28的一部分作为内部参照光28’’经由前述内部参照光学系统24被前述光接收元件21光接收。再有,对反射测距光28’进行光接收时的光接收信号的处理与关于内部参照光28’’的光接收信号的处理是同样的,因此,以下对反射测距光28’的光接收信号的处理进行说明。
前述光接收元件21交替地对240MHz+7.5KHz的脉冲调制光、225MHz+7.5KHz的脉冲调制光进行光接收来作为反射测距光28’。因此,前述光接收元件21的光接收信号为成为脉冲输出并且脉冲内部具有240MHz+7.5KHz、225MHz+7.5KHz的频率的断续光接收信号29。
图3(B)示出了光接收信号的产生状态。在光接收信号中,在与发光脉冲之间产生与距离对应的延迟时间(脉冲延迟)。
光接收信号被放大器42放大,放大后的信号被输入到第一混频电路43、第二混频电路44中。
从前述第一信号发生器55经由与电路57向前述第一混频电路43输入240MHz的第一信号s7。在前述第一混频电路43中,对240MHz+7.5KHz的光接收信号和前述240MHz的第一信号s7进行混频。通过进行混频,从而进行频率变换而得到具有(240MHz+240MHz+7.5KHz)的频率和7.5KHz的频率的信号。该信号与240MHz+7.5KHz的脉冲调制光对应,因此,该信号为脉冲状的差频信号。
混频后的断续变换信号经由低通滤波器45来除去高频,得到具有7.5KHz的频率的差频信号(第一断续变换信号s9),该差频信号被输入到A/D转换器47中。采样该差频信号,并保存在存储器49中。关于采样的定时、向前述存储器49的保存的定时,被从前述定时信号发生器39输入的定时信号控制。
在此,作为前述低通滤波器45、低通滤波器46(后述)而使用的低通滤波器分别与7.5KHz对应,因此,为1种即可,能够简略化电路结构。进而,成为基准的调制频率也接近240MHz、225MHz,因此,能够简略化电路结构。
同样地,从前述第二信号发生器56经由与电路58向前述第二混频电路44输入225MHz的第二信号s8。在前述第二混频电路44中,对225MHz+7.5KHz的光接收信号和前述225MHz的第二信号s8进行混频。通过进行混频,从而进行频率变换而得到具有(225MHz+225MHz+7.5KHz)的频率和7.5KHz的频率的信号。该信号与225MHz+7.5KHz的脉冲调制光对应,因此,该信号为脉冲状的差频信号。
混频后的断续变换信号经由低通滤波器46来除去高频,得到具有7.5KHz的频率的差频信号(第二断续变换信号s10),该差频信号被输入到A/D转换器48中。采用该差频信号,并保存在存储器50中。关于采样的定时、向前述存储器50的保存的定时,被从前述定时信号发生器39输入的定时信号控制。
图3(D)、图3(E)在时间序列上示出了采样后的第一断续变换信号s9、第二断续变换信号s10。
如上述那样,脉冲调制光的脉冲宽度被设定为1μs,因此,第一断续变换信号s9、第二断续变换信号s10的脉冲宽度也为1μs。该脉冲宽度与通过混频得到的差频的1周期相比大幅度地小,各第一断续变换信号s9、第二断续变换信号s10的峰值与差频的变动即7.5KHz的变动对应地发生变化。
因此,通过求取包络各个第一断续变换信号s9、第二断续变换信号s10的峰值的曲线,从而求取差频(7.5KHz)的信号波形61、62。
运算控制部52根据分别保存在前述存储器49、前述存储器50中的采样数据来运算前述信号波形61、前述信号波形62。进而,根据两个信号波形61、62来分别求取相位,根据相位和光速与两个信号波形61、62对应地运算距离。作为精密测定来执行基于相位的距离测定。
粗测定距离值通过运算240MHz+7.5KHz的相位与225MHz+7.5KHz的相位的差来求取。2个相位的相位差与以断续调制频率的差、15MHz进行测定的情况等效。当将各个相位设为φ1、φ2时,频率差15MHz的情况下的波长为10m,因此,当将所求取的粗测定距离值设为d时,表示为
d=10m×(φ1-φ2)/2π
,得到10m的粗测定距离值。将精密测定距离值和粗测定距离值合起来,由此,求取距离值。
此外,在根据前述信号波形61或前述信号波形62求取相位来运算距离的情况下,根据测定精度针对规定数目的周期运算距离,并对结果进行平均化。此外,进而对针对各信号波形61、62运算的距离进行平均化,由此,精度提高。
在上述实施例中,如图3(C)所示,示出了交替地对240MHz+7.5KHz的脉冲调制光、225MHz+7.5KHz的脉冲调制光进行发光的状态,但是,也可以变更发光图案,以使按照差频的每1个周期或者按照多个周期的每一个知晓周期的基准位置(或周期的开始位置)。例如,在周期的开始时,两次连续对240MHz+7.5KHz的脉冲调制光进行发光,能够检测一周的开始位置。
进而,关于一周,也可以基于脉冲的数量来设定,也可以设定为以规定的脉冲数目轮一周。
在以所需要巡回数目对相位进行平均化时,巡回的基准位置变得明确,由此,信号处理变得容易。
接着,能够基于测距光脉冲的光接收时的延迟时间利用粗测定进而进行远距离的测定。
在发出发光脉冲的定时和发出光接收信号的定时,发生与测定距离对应的脉冲延迟即相当于测距光脉冲往返的时间的时间延误。
因此,通过测定脉冲延迟时间,从而能够进行利用TOF(Time of Flight,飞行时间)方式的距离测定。
前述运算控制部52对脉冲延迟时间进行测定,基于脉冲延迟时间和光速来执行粗测定。
此外,前述运算控制部52将精密测定值与粗测定值或远距离测定值相比较,在两者的差不在规定值内的情况下,使显示器、警报器等通知单元(未图示)工作,产生异常信号。
进而,在TOF方式中,适当设定发光图案轮一周的时间,由此,能够设定能够测定的距离。即,在将发光图案的一周设定为7.5KHz的周期以上例如1周期的情况下,能够进行到20km的远距离测定。
因此,通过组合TOF方式的距离测定(远距离测定)和利用相位检测的距离测定(精密测定、粗测定),从而能够从近距离到远距离进行高精度的距离测定。
由于能够进行利用TOF方式的远距离测定,所以不需要进一步制作远距离测定用的调制频率,能够简略化电路结构。进而,不需要时间分割地进行远距离测定、粗测定和精密测定而能够同时测定粗测定、精密测定、远距离测定,因此,能够缩短测定时间。进而,在同一测定时间内,谋求测定距离的伸长。
此外,通过变更决定一周的基准位置,从而能够变更轮一周的时间。因此,能够在前述运算控制部52中变更基准位置的设定,根据所要求的测定距离来简单地变更能够测定的距离。
进而,如上述那样,信号的频率接近240MHz、225MHz,因此,能够将两个频率用于精密测定,削减测定时间。

Claims (5)

1.一种光波测距仪,其中,具备:发光元件,发出测距光;信号发生器,生成多个邻近频率;断续脉冲发生器,产生使所述多个邻近频率分别断续而脉冲化为规定宽度的调制信号;射出光学系统,按照每个所述邻近频率依次切换射出利用所述调制信号脉冲化为规定宽度的断续调制测距光;光接收部,对来自测定对象物的反射测距光进行光接收,产生规定脉冲宽度的断续光接收信号;其他的信号发生器,针对所述邻近频率分别产生具有规定的频率的差的频率信号;频率变换部,通过来自所述光接收部的所述断续光接收信号和所述频率信号的混频而频率变换为差频,与各个差频对应地得到具有规定的脉冲宽度并且与各个差频对应地发生变化的断续变换信号的信号序列;以及运算控制部,该运算控制部构成为:以使断续调制测距光的脉冲宽度比差频的周期短的方式使所述邻近频率分别断续,此外,针对各个所述断续变换信号运算差频波形,根据至少差频一周期的量的波形求取相位来运算精密测定距离值,此外,求取所述差频彼此的相位差来运算粗测定距离值,将该粗测定距离值和所述精密测定距离值合起来,由此,测定距离。
2.根据权利要求1所述的光波测距仪,其中,所述运算控制部使所述断续调制测距光生成为以规定的断续数目轮一周的发光图案,按照每个发光图案对所述断续变换信号进行多次累计,根据所得到的累计波形来求取各个所述断续变换信号的平均相位,根据平均相位来求取所述精密测定距离值,根据所述多个各断续变换信号彼此的平均相位差来求取所述粗测定距离值,根据所述精密测定距离值和所述粗测定距离值来测定所述测定对象物的距离。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光波测距仪,其中,对所述多个所述断续调制测距光的切换顺序进行变更,将变更后的位置作为相位测定的基准位置。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的光波测距仪,其中,所述运算控制部基于所述反射测距光的所述断续光接收信号的延迟时间来运算远距离测定值。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的光波测距仪,其中,所述运算控制部在所述精密测定距离值与所述粗测定距离值的差不在规定值以内的情况下产生异常信号。
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