CN1519580A - 光波距离计 - Google Patents

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Abstract

本发明的光波距离计包括产生将照射测距对象的测量光进行调制用的调制用信号的调制用信号发生器1、周期地生成在发光元件10上断续地施加调制用信号并使其发出断续调制测量光用的断续脉冲信号的断续脉冲信号发生器4、产生和调制用信号S2频率稍有不同的内部频率信号S5的频率信号发生器5A、接收断续调制测量光并输出受光信号的受光元件27、输入受光信号S4和内部频率信号S5并生成断续差频信号S7的差频信号发生器7、以及根据从差频信号发生器7输出的断续差频信号S7的相位和通过参照光程得到的断续差频信号的相位之相位差计算至测距对象的距离的运算部。

Description

光波距离计
技术领域
本发明有关光波距离计的改进，该光波距离计对测量对象照射经调制后的测量光，接收来自测量对象的反射测量光，根据测量光及反射测量光间的相位差，测量至测量对象的距离。
背景技术
以往，光波距离计对作为设置在测量场所的测量对象的反射棱镜，从光波距离计发出测量光，接收由反射棱镜反射的反射测量光，根据反射测量光的相位差，测量至测量场所的距离(例如参考专利文献1)。
近来，根据对于手不能直接免到的场所进行测量的要求，就不用反射棱镜，对测量对象直接照射测量光，接收检测来自该测量对象的反射测量光，从而测量至测量对象的距离，这种类型的光波距离计正越来越多(参照特开平05-232232号公报)。
然而，在不用反射棱镜测量距离的测量设备中，通常由于测量对象的反射率小，所以易受噪声的影响，能测量的距离短，因而希望能延长可测量距离。延长可测量距离，如简单地考虑一下，因为与照射光量成正比，所以取决于从光波距离计发出的测量光的输出功率。
但是，对于测量光一般是用激光，从对于眼睛的安全性角度出发，对光波距离计发出的测量光的输出功率根据安全标准等应该受到限制。
本发明鉴于上述的问题而提出，旨在提供一种安全不伤眼并能力求延长可测量范围的光波距离计。
发明内容
本申请第一方面所述的光波距离计，包括
产生对照射测距对象的测量光进行调制用的调制用信号的调制用信号发生装置、
周期地生成将所述调制用信号断续地加在发光元件上使其产生断续调制测量光用的断续脉冲信号的脉冲信号发生装置、
按照与所述调制用信号稍有不同的频率产生内部频率信号的频率信号发生装置、
接收所述断续调制测量光并输出受光信号的受光元件、
输入所述受光信号和所述内部频率信号并生成断续差频信号的差频信号发生装置、以及
根据从该差频信号发生装置输出的断续差频信号的相位和通过参照光程得到的断续差频信号的相位之相位差计算至所述测量对象的距离的运算部。
本申请第二方面所述的光波距离计，是在第一方面所述的光波距离计中还包括，
按照规定间隔对所述断续差频信号的信号发生区间进行采样的采样电路、以及
保存采样数据的存储装置，
所述运算部根据存入该存储装置中的采样数据计算相位差。
本申请第三方面所述的光波距离计，是在第一方面所述的光波距离计中，包括，
对所述断续差频信号的信号发生区间进行平均处理的平均化处理电路、
对由该平均化处理电路平均处理过的信号进行采样的采样电路、以及
保存采样数据的存储装置，
所述运算部根据存入该存储装置的采样数据计算相位差。
本申请第四方面所述的光波距离计，是在第一方面所述的光波距离计中，
所述运算部根据以规定间隔对所述断续差频信号的信号发生区间采样得到的采样数据，生成正弦曲线，同时还根据对通过参照光路得到的断续差频信号的信号发生区间采样所得的采样数据，生成正弦曲线，再根据两正弦曲线的相位差，计算距离。
本申请第五方面所述的光波距离计，是在第四方面所述的光波距离计中，
所述采样数据经过所述断续差频信号的多个周期进行累计，所述运算部根据经过多个周期累计后的累计数据生成所述正弦曲线。
本申请第六方面所述的光波距离计，是在第四方面所述的光波距离计中，
将所述断续脉冲信号发生装置的断续脉冲信号的非发生区间内的噪声作为采样噪声数据进行收集，所述运算部根据该采样噪声数据生成噪声曲线，根据对所述信号发生区间采样所得的正弦曲线，求出所述噪声曲线的差分，来修正该正弦曲线。
本申请第七方面所述的光波距离计，是在第一方面所述的光波距离计中，
所述断续脉冲信号的周期与设置间隔的调制信号的周期一致。
本申请第八方面所述的光波距离计，是在第一方面所述的光波距离计中，
所述内部频率信号直接输入所述受光元件。生成所述断续差频信号。
附图说明
图1为本发明涉及的光波距离计的测量电路方框图。
图2为本发明涉及的光波距离计的测距光学系统概要示意图。
图3为用于说明本发明涉及的3kHz的频率和断续脉冲信号之间关系的示意图。
图4为本发明涉及的断续脉冲信号的波形图。
图5为用于说明断续脉冲信号所含频率30MHz的调制用信号的部分放大图。
图6为用于说明断续脉冲信号所含频率300kHz的调制用信号的部分放大图。
图7为用于说明本发明涉及的调制光和通常的连续调制的测量光之间的能量关系的示意图。
图8为接收本发明涉及的调制光而得到断续差频信号的说明图。
图9为表示通过持续多个周期对本发明涉及的断续差频信号进行加法运算所得的累计频率信号数据的示意图。
图10为用于说明本发明涉及的光波距离计作用的一个例子的流程图。
图11为用于说明通过参照光程得到的正弦曲线和由测量得到的正弦曲线之间的相位差的示意图。
图12为用于由采样噪声数据对累计频率信号数据进行修正而求出修正正弦曲线的说明图。
具体实施方式
图1为本发明的光波距离计测量电路的方框图，图2为该光波距离计的光学图。在图1中，1为基准信号发生器，2、3为分频电路，4为断续脉冲信号发生器(脉冲信号发生装置)。
基准信号发生器1产生用于对照射测距对象的测量光进行调制的频率30MHz的调制用信号。分频电路2将30MHz的调制用信号以1/100分频，产生300kHz的调制用信号。该基准信号发生器1、分频电路2起到作为调制用信号发生装置的作用。分频电路3将300kHz的调制用信号以1/100分频，产生3kHz的信号。
该3kHz的信号输入至第一、第二信号发生器5A、5B。第一信号发生器5A产生和30MHz的调制用信号的频率稍有不同的频率为30MHz-3kHz的内部频率信号S5。
第二信号发生器5B产生和300kHz的调制用信号的频率稍有不同的频率为300kHz-3kHz的内部频率信号S6。来自该第一信号发生器5A的内部频率信号S5和来自该第二信号发生器5B的内部频率信号S6通过切换门电路6A输入混频电路(差频信号发生装置)7。该切换门电路6A利用运算控制部36的控制，在向混频电路7输出30MHz-3kHz的内部频率信号S5的方式和向混频电路7输出300kHz-3kHz的内部频率信号S6的方式之间进行切换。
脉冲信号发生器4如图3所示，产生和基准信号发生器1同步并有着周期为频率3kHz的频率信号S1的12分之一周期的断续脉冲信号P1。该断续脉冲信号P1的周期如图4所示为27.78μs，其脉宽为3.3μs。脉冲周期、脉冲宽度可任意变更。
该断续脉冲信号P1输入“与”门电路8的一端。来自基准信号发生器1的调制用信号S2和来自分频电路2的调制用信号S3，通过切换门电路6B输入“与”门电路8的另一端。该切换门电路6B和切换门电路6A同步，能在向“与”门电路8的另一端输出30MHz的调制用信号S2的方式和向“与”门电路8的另一端输出300kHz的调制用信号S3的方式之间切换，频率30MHz的调制用信号S2用于短距离测量。频率300kHz的调制用信号S3用于长距离测量。这里，假设选择频率30MHz的调制用信号S2。
“与”门电路8在切换门电路6B被切换到输出频率30MHz一侧的方式时，则如在图5中放大后所示，在产生断续脉冲信号P1的区间内，向驱动电路9输出100个频率30MHz的调制用信号S2。此外，“与”门电路8还在切换门电路6B被切换到输出频率300kHz一侧的方式时，如图6所示，在产生断续脉冲信号P1的区间内，向驱动电路9输出1个频率300kHz的调制用信号S3。该驱动电路9驱动作为发光元件10的激光二极管或LED。
因而，如图7所示，间歇地向着后述的测量对象照射调制光Q。这里如设连续调制发射测量光q时的平均能量为C，并增强成A倍在其发射周期T的A分之一的区间内发射调制光Q，则虽然发射光的平均能量和连续发射测量光q时的能量相同，但是能够确保不伤眼睛的安全标准，并改善S/N比为A的1/2次方。
该激光二极管如图2所示，构成了测距光学系统11的一部分。测距光学系统11由射出光学系统12、受光光学系统13组成。射出光学系统12包括准直透镜14、分割反射镜15、光量调整器17、全反射镜18、反射镜19、物镜20。
准直透镜14将发光元件10射出的调制光Q变换成平行光束作为调制测量光Q’。在分割反射镜15附近设置光路切换器22，该切换器22用于在全反射镜18存在的测量光程和将平行光束引向后述的受光元件的全反射镜21存在的参照光程之间切换该平行光束。光量调整器17起调整测量光的光量的作用。
调制测量光Q’被全反射镜18反射后，引向反射镜19。反射镜19其中心设置成与物镜20的中心O同轴。该反射镜19将利用全反射镜18反射的测量光Q’向物镜20反射。
在测量对象是递归反射棱镜24的场合，利用递归反射棱镜24将通过物镜20的中心部20A的调制测量光Q’反射。通过物镜20的中心部20A的调制测量光Q’在不是递归反射棱镜24而是物体的表面即散射体的场合，从散射体开始作为反射调制测量光Q”再次向着物镜20存在的方向反射。
利用该递归反射棱镜24或散射体反射的反射调制测量光Q”，通过物镜20的周边部分20B引入受光光学系统13。受光光学系统13中设置构成瞄准光学系统25的一部分的波长分割反射镜26，同时，还设置受光元件27。可见光透过该波长分割反射镜26，被引向目镜28。测量工作者能通过该目镜28瞄准递归反射棱镜24。
对于该受光元件27例如采用雪崩光电二极管APD。该受光元件27接收反射调制测量光Q”，如图8(C)所示，输出受光信号(测量信号)S4。
该受光信号S4如图1所示，利用前置放大器29放大后输入混频电路7。混频电路7根据受光信号S4和频率信号S5或S6生成断续差频信号S7。在该图8中，(B)表示频率30MHz-3kHz的内部频率信号S5，(A)表示将该内部频率信号S5和受光信号S4的一部分放大后的波形，(D)表示断续差频信号S7，(E)表示将该断续差频信号S7的一部分放大后的波形。
该断续差频信号S7因为受光信号S4和内部频率信号S5之差是3kHz，所以断续差频信号S7变成有3kHz频率的差频信号，即图8(D)所示的差频信号S9。该断续差频信号S7利用放大器30放大，输入至平均化电路31。在无平均化电路31时，直接输入A/D转换器32。平均化电路31所起的作用为利用定时脉冲发生器33对断续差频信号S7所含的信号S8作平均处理，例如，在平均化电路中有低通滤波器。这时，低通滤波器的时间常数比断续脉宽短。
该定时脉冲发生器33与30MHz或300kHz的调制用信号同步，向A/D转换器33、运算控制部36输出定时脉冲。
如以3MHz的频率对通过接收用频率30MHz的调制用信号S2调制的反射调制测量光Q”所得的断续差频信号S7及平均化输出进行采样，则如图8(F)放大所示，在断续脉冲信号P1的信号发生区间H内得到10个采样模拟数据。平均化电路31向A/D转换器32输出平均后的平均模拟数据。
该A/D转换器32与定时脉冲发生器33同步对数据采样。这里，因为是用3MHz对3kHz频率的断续差频信号S7采样，所以在断续差频信号S7一个周期内的采样总数为1000个。
该采样数据通过加法器34存储在作为存储装置的存储器35中。存储器35中存储保存的采样数据输入加法器34。该加法器34起到经过断续差频信号S7的例如10个周期(n个周期)对采样数据相加的作用，输出断续差频信号S7的累计值。然后，如图9的示意图所示，得到累计差频信号数据(累计数据)S10。该数据是10个数据的累计值，如取每个累计值的1/10，则可以求得10个数据的平均值。
运算控制部36和存储器35之间进行信息的交换，根据存在存储器35中的采样数据生成正弦曲线。
即运算控制部36如图10所示，检索存储器35内的最大值(S1)，算出最大值附近连续的10个数据的位置(S2)，从存储器内最大位置开始，以波长1/12的间隔，每10个数据采集12点(S3)，求各自10个数据的平均值，从12点的累计频率信号数据(12点的相加值数据)生成图11所示的正弦曲线S11(S4)。同样，运算控制部36根据通过参照光程得到的断续差频信号所含的调制用信号生成正弦曲线S12。然后，运算控制部36计算正弦曲线S11相对该正弦曲线S12的相位差Δ。由此，能求出至测量对象的距离。
这里，运算控制部36是根据累计频率信号数据S10，求正弦曲线S11后，再根据其相位差Δ累计距离，但是，也可以如图12所示，对断续脉冲信号P1的不发生区间H’内的数据采样，根据该采样噪声数据生成噪声曲线S13，并根据该噪声曲线S13，修正正弦曲线S11的差分，求出修正正弦曲线S11’，再根据该修正正弦曲线S11’和正弦曲线S12之差，求出相位差Δ。
如这样求出修正正弦曲线S11’，则能除去反射调制测量光Q”所含的噪声及测量电路中所含的感应噪声，能更加准确地测量距离。
本发明由于采用如上所述的构成，所以能在力求对眼睛保证安全性之同时，延长可测量距离的范围。

Claims (8)

1.一种光波距离计，其特征在于，包括
产生对照射测距对象的测量光进行调制用的调制用信号的调制用信号发生装置、
周期地生成将所述调制用信号断续地加在发光元件上使其产生断续调制测量光用的断续脉冲信号的脉冲信号发生装置、
按照与所述调制用信号稍有不同的频率产生内部频率信号的频率信号发生装置、
接收所述断续调制测量光并输出受光信号的受光元件、
输入所述受光信号和所述内部频率信号并生成断续差频信号的差频信号发生装置、以及
根据从该差频信号发生装置输出的断续差频信号的相位和通过参照光程得到的断续差频信号的相位之相位差计算至所述测量对象的距离的运算部。
2.如权利要求1所述的光波距离计，其特征在于，包括、
按照规定间隔对所述断续差频信号的信号发生区间进行采样的采样电路、以及
保存采样数据的存储装置，
所述运算部根据存入该存储装置中的采样数据计算相位差。
3.如权利要求1所述的光波距离计，其特征在于，包括
对所述断续差频信号的信号发生区间进行平均处理的平均化处理电路、
对由该平均化处理电路平均处理过的信号进行采样的采样电路、以及
保存采样数据的存储装置，
所述运算部根据存入该存储装置的采样数据计算相位差。
4.如权利要求1所述的光波距离计，其特征在于，
所述运算部根据以规定间隔对所述断续差频信号的信号发生区间采样得到的采样数据，生成正弦曲线，同时还根据对通过参照光路得到的断续差频信号的信号发生区间采样所得的采样数据，生成正弦曲线，再根据两正弦曲线的相位差，计算距离。
5.如权利要求4所述的光波距离计，其特征在于，
所述采样数据经过所述断续差频信号的多个周期进行累计，所述运算部根据经过该多个周期累计后的累计数据生成所述正弦曲线。
6.如权利要求4所述的光波距离计，其特征在于，
将所述断续脉冲信号发生装置的断续脉冲信号的非发生区间内的噪声作为采样噪声数据进行收集，所述运算部根据该采样噪声数据生成噪声曲线，根据对所述信号发生区间采样所得的正弦曲线，求出所述噪声曲线的差分，来修正该正弦曲线。
7.如权利要求1所述的光波距离计，其特征在于，
所述断续脉冲信号的周期与设置间隔的调制信号的周期一致。
8.如权利要求1所述的光波距离计，其特征在于，
所述内部频率信号直接输入所述受光元件，生成所述断续差频信号。
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