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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer
Entfernung unter Verwendung eines Phasendifferenzverfahrens, welche ein
Entfernungsmesslicht in Richtung eines Ziels emittiert und ein reflektiertes
Licht von dem Ziel empfängt.
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Aus
der ungeprüften
Japanischen Offenlegungsschrift 2004-264116 ist eine herkömmliche
Entfernungsmessvorrichtung bekannt, die im folgenden in Zusammenhang
mit den 1 bis 3 beschrieben wird.
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Wie
in dem Blockschaltbild der 1 dargestellt,
wird bei dieser Entfernungsmessvorrichtung ein Entfernungsmesslicht
L, das von einer Lichtquelle 20, wie beispielsweise einer
Laserdiode abgestrahlt wird, mittels eines nicht dargestellten optischen
Lichttransmissionssystems in Richtung eines an einem Erfassungspunkt
angeordneten Ziels 22 emittiert (beispielsweise ein Prisma).
Da die Lichtquelle 20 mit einem Modulator 24 verbunden
ist, wird das Entfernungsmesslicht L mittels eines Signals K' übertragen, das auf der Basis
eines von einem Referenzsignaloszillator 26 erzeugten Referenzsignals
K moduliert ist.
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Das
von dem Ziel 22 reflektierte Entfernungsmesslicht L wird
einem Lichtempfangselement 28, beispielsweise einer Photodiode, über ein
nicht dargestelltes optisches Lichtempfangssystem und eine Blende 27 zugeleitet,
welche die Lichtmenge des Entfernungsmesslichts L anpasst. Anschließend wird
das Entfernungsmesslicht L durch das Lichtempfangselement 28 in
ein elektrisches Entfernungsmesssignal M umgewandelt und das Entfernungsmesssignal
M wird mittels eines Bandpassfilters 32 von Rauschen befreit,
nachdem es durch einen Hochfrequenzverstärker 30 verstärkt wurde.
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Darüber hinaus
wird dieses Entfernungsmesssignal von einem Frequenzwandler 37,
der aus einem Mischer 34 und einem Empfängeroszillator 36 besteht,
mit einem von dem Empfängeroszillator 38 erzeugten
Empfängeroszillatorsignal
Q multipliziert und in zwei Frequenzen umgewandelt, von denen eine
Frequenz die Summe der Frequenzen beider Signale M und Q und eine
Frequenz die Differenz der Frequenzen beider Signale M und Q ist.
Nach dem Ausblenden lediglich der Frequenz, welche die Differenz
der Frequenzen beider Signale M und Q ist, durch den Tiefpassfilter 38,
um die Frequenz auf ein Zwischenfrequenzsignal IF abzusenken, wird
dieses von einem Zwischenfrequenzverstärker 40 verstärkt. Das
verstärkte
Zwischenfrequenzsignal IF wird von einem A/D-Wandler 42 in
ein Digitalsignal umgewandelt, in eine CPU 44 (Operationseinrichtung)
eingegeben und in einem Speicher (Speichereinrichtung) 46 gespeichert.
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Bei
einer Entfernungsmessung überträgt der Referenzsignaloszillator 26 ein
Synchronisiersignal P an die CPU 44 und den A/D-Wandler 42 und überträgt ein Referenzsignal
K an den Modulator 24. Auf diese Weise führt der
A/D-Wandler 42 das
Abtasten synchron mit dem Referenzsignal K durch. Während dieser
Entfernungsmessung ist der Öffnungsgrad
der Blende 27 festgelegt.
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Wie
in 2 dargestellt, ist
die Abtastzeitgebung des A/D-Wandlers 42 so festgelegt,
dass stets ein Zyklus des Zwischenfrequenzsignals IF an festen Phasenwinkelpositionen
abgetastet wird, um beispielsweise einen Zyklus in n (n ≥ 3) gleiche
Teile zu unterteilen. Das Zwischenfrequenzsignal IF wird mit dieser
Abtastzeitgebung fortlaufend über
mehrere Tausend Zyklen abgetastet. Hierbei werden Abtastdaten des
Zwischenfrequenzsignals IF, die über
den Eingangsbereich des A/D-Wandlers 42 hinausgehen oder
in bezug auf diesen zu klein sind, verworfen.
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Zum
Speichern der Abtastdaten in dem Speicher 42, ist ein Speicherbereich
für n Datenelemente, die
gleich einem Zyklus des Zwischenfrequenzsignals IF sind, in dem
Speicher 46 vorbereitet und, wie in 3 dargestellt, werden an der gleichen
Phasenposition befindliche Abtastdaten zur Speicherung hinzuge fügt. Auf
diese Weise werden synthetische Daten S eines Zyklus des Zwischenfrequenzsignals IF
mit einer großen
Amplitude erzeugt, für
welche die Abtastdaten an der gleichen Phasenposition hinzugefügt wurden.
Diese synthetischen Daten S werden nach der Fehlerquadratmethode
auf eine synthetische Sinuswelle S' angewandt, um die Eingangsphase β dieser synthetischen
Sinuswelle S' zu
ermitteln. Da der A/D-Wandler 42 das Abtasten synchron
mit dem Referenzsignal K durchführt,
wird die Eingangsphase β an
eine Phasendifferenz zwischen einem Signal, das durch Teilen des
Referenzsignals K durch die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals
IF erhalten wird, und dem Zwischenfrequenzsignal IF angeglichen,
und die Entfernung von der Eingangsphase β zu dem Ziel 22 wird
berechnet.
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Da
durch das Flimmern der Luft aufgrund der Wärme die Lichtmenge des Entfernungsmesslichts L,
die auf das Lichtempfangselement 28 einfällt, auch während einer
Messung stark fluktuiert, ist es erforderlich, die Eingangsphase β aufgrund
der Fluktuationen des Entfernungsmesslichts L zu korrigieren.
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Bei
dieser Entfernungsmessvorrichtung wird zum Zeitpunkt der Einstellung
nach der Montage für jede
Vorrichtung nach dem Kollimieren eines identischen Ziels der Öffnungsgrad
der Blende 27 verändert,
um die auf das Lichtempfangselement 28 einfallende Lichtmenge
des Entfernungsmesslichts L zu verändern, wobei ein Korrekturbetrag
für die
Eingangsphase, der bei der Amplitude des in den A/D-Wandler 42 eingegebenen
Zwischenfrequenzsignals IF erforderlich ist, festgestellt wird (wobei
es sich um einen Wert handelt, welcher der Lichtmenge des auf das
Lichtempfangselement 28 einfallenden Entfernungsmesslichts
L oder die Amplitude des Entfernungsmesssignals M handelt). Dieser
Wert wird in einen Korrekturtabellenspeicherbereich des Speichers 46 eingeschrieben.
Dieser Korrekturbetrag ist ein Betrag, der sich entsprechend der
Amplitude des Zwischenfrequenzsignals IF verändert, da der Korrekturbetrag
eine Funktion der Amplitude ist.
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Wie
in 3 dargestellt, wird
beim Messen der Entfernung die synthetische Sinuswelle S' verwendet, die basierend
auf den synthetischen Daten S berech net ist, für welche Abtastdaten des Zwischenfrequenzsignals
IF für
jede gleiche Phasenposition für
eine große
Anzahl von Zyklen hinzugefügt
wurden. Daher wird ein Korrekturbetrag Δβ der Eingangsphase β dieser synthetischen
Sinuswelle S' ausgedrückt, wobei
die Amplitude einer i-ten Welle des Zwischenfrequenzsignals IF als
Ai und der Korrekturbetrag bei dieser Amplitude Ai als Δϕi
(Ai) angegeben ist, so dass: Δβ = tan–1[∑{Ai·sin(Δϕi
(Ai))}/∑{Ai·cos (Δϕi
(Ai))}].
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Da Δϕi
(Ai) im allgemeinen klein ist, kann es angenähert werden als: Δβ = tan–1[∑{Ai·Δϕi
(Ai)}/∑Ai]
= ∑{Ai·Δϕi
(Ai)}/∑Ai.
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Infolgedessen
ist der Korrekturbetrag Δβ der Eingangsphase β ein gewichteter
Durchschnittswert, der durch Gewichten des Korrekturbetrags Δϕi
(Ai) mit der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals IF erhalten
wird. Eine echte Eingangsphase kann durch Subtrahieren des vorangehenden
Korrekturbetrags Δβ von der
gemessenen Eingangsphase β ermittelt werden.
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Bei
dieser Entfernungsmessvorrichtung wird die Entfernungsmessvorrichtung
vor einer Entfernungsmessung zur Durchführung einer vorläufigen Abtastung
betätigt,
um einige wenige Zyklen des Zwischenfrequenzsignals IF vorab abzutasten.
Dies geschieht, um Abtastpositionen am maximalen Pegel Amax und
am minimalen Pegel Amin innerhalb eines Zyklusbereichs des Zwischenfrequenzsignals
IF zu ermitteln und so die nachfolgende Erkennung der Amplitude
A1 zu erleichtern. Ferner ist, um eine Frequenzverteilung der Amplitude
Ai zu erreichen, der Amplitudenbereich in mehrere Grade eingeteilt,
und in dem Speicher 46 ist ein Speicherbereich eingerichtet,
der die Frequenzen der jeweiligen Grade enthält.
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Danach
wird eine Entfernungsmessung begonnen und bei jedem Erkennen eines
Zyklus des Zwischenfrequenzsignals IF werden die synthetischen Daten
S (3), für welche
Abtastdaten an der gleichen Phasenposition hinzugefügt wurden,
in dem Speicher 46 gespeichert. Basierend auf der Hälfte der
Pegeldifferenz zwischen den vor der Entfernungsmessung aus den Ergebnissen
der vorläufigen
Abtastung ermittelten Abtastpositionen, welche den maximalen Pegel
Amax und den minimalen Pegel Amin angeben, wird ein Grad der Amplitude
Ai des Zwischenfrequenzsignals IF bestimmt, 1 wird der Frequenz
dieses Grades hinzu addiert, und auch die Frequenzverteilung der
Amplitude Ai wird in dem Speicher 46 gespeichert. Nach
Abschluss der Abtastung wird die Eingangsphase β unter Verwendung der synthetischen
Sinuswelle S' des
Zwischenfrequenzsignals IF bestimmt, und unter Verwendung der Frequenzverteilung
der Amplitude Ai wird der gewichtete Durchschnittswert Σ{Ai·Δϕi
(Ai)}/ΣAi,
der durch Gewichten des Korrekturbetrags Δϕi (Ai) mit der Amplitude
Ai des Zwischenfrequenzsignals IF erhalten wird, d.h. der Korrekturbetrag Δβ berechnet. Anschließend wird
der Korrekturbetrag Δβ von der Eingangsphase β subtrahiert,
um eine Entfernung zum Ziel 22 zu berechnen.
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Selbstverständlich kann
auch bei dieser Entfernungsmessvorrichtung das Entfernungsmesslicht L
auf ein Referenzlicht R umgeschaltet werden, das über einen
internen Lichtweg, der eine Blende 27a umfasst, zu dem
Lichtempfangselement 28 gelangt. Durch eine Entfernungsmessung
unter Verwendung des Referenzlichts R kann die durch die Verwendung des
Entfernungsmesslichts L ermittelte Entfernung korrigiert werden.
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Da
bei der bekannten Entfernungsmesseinrichtung die Entfernung nach
dem fortlaufenden Abtasten des Zwischenfrequenzsignals IF über mehrere Tausend
Zyklen berechnet wird, ist eine vorbestimmte Zeitspanne für eine Entfernungsmessung
erforderlich. Jedoch wurde in den letzten Jahren nach einer weiteren
Verkürzung
der für
eine Entfernungsmessung erforderlichen Zeit verlangt. Wenn zur Verkürzung der
für eine
Messung mit der Entfernungsmessvorrichtung erforderlichen Zeitspanne
eine Verringerung der der abgetasteten Zyklen des Zwischenfrequenzsignals
IF versucht wird, ergeben sich insbesondere bei der Messung großer Entfernungen
aufgrund des wärmebedingten
Flimmerns der Luft häufig
Fehlerbeträge
in der Lichtempfangsmenge des Ent fernungsmesslichts L, woraus sich
das Problem einer Beeinträchtigung
der Genauigkeit des Messwerts ergibt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das genannte Problem
zu lösen
und bei einer mit dem Phasendifferenzverfahren arbeitenden Entfernungsmessvorrichtung
die für
eine Entfernungsmessung erforderliche Zeit zu verkürzen, ohne
die Genauigkeit des Messwerts zu beeinträchtigen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
1 bis 5 gelöst.
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Da
bei der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
nach einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel die Frequenzverteilung
der Amplitude des abgetasteten Messsignals bestimmt wird, wenn die
Anzahl der Elemente der Entfernungsmesssignaldaten gleich oder größer als
eine erforderliche Mindestzahl ist, kann die Streuung (Varianz, Standardabweichung,
Bereich, mittlere Abweichung, die Quantilabweichung und dergleichen)
der Amplitude ebenfalls aus der Frequenzverteilung der Amplitude
berechnet werden, und ferner kann auch die Varianz der gemessenen
Entfernung anhand der Streuung der Amplitude geschätzt werden.
Wenn somit abgeschätzt
werden kann, dass die Varianz der gemessenen Entfernung gleich oder
geringer als ein vorbestimmter Wert wird, kann die Abtastung sofort beendet
werden, um eine Entfernung wie durch Genauigkeitsspezifikationen
gefordert durchzuführen. Daher
kann erfindungsgemäß die für eine Entfernungsmessung
erforderliche Zeit verkürzt
werden, ohne die Genauigkeit des Messwerts zu beeinträchtigen.
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Da
bei der Entfernungsmessvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Frequenzverteilung der Amplitude des abgetasteten
Messsignals festgestellt wurde, kann ein Durchschnittswert der Amplitude
berechnet werden. Da die Varianz der gemessenen Entfernung geringer wird
als die Lichtempfangsmenge des Entfernungsmesslichts, d.h. die Amplitude
ist größer, wenn
die Anzahl der Teile der Entfernungsmesssignaldaten gleich oder größer als
eine erforderlich Mindestzahl ist, und der Durchschnittswert der
Amplitude gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, kann geschätzt werden, dass die Varianz
der gemessenen Entfernung gleich oder geringer als ein von Genauigkeitsspezifikationen
geforderter vorbestimmter Wert ist. Zu diesem Zeitpunkt kann bei
dieser Entfernungsmessvorrichtung durch unmittelbares Beenden des Abtastens
zum Berechnen der Entfernung die für eine Entfernungsmessung erforderliche
Zeit verkürzt werden,
ohne die Genauigkeit des Messwerts zu beeinträchtigen.
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Da
bei der Entfernungsmessvorrichtung nach dem ersten und dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Frequenzverteilung der Amplitude des abgetasteten
Zwischenfrequenzsignals festgestellt wurde, kann der Durchschnittswert
der Amplitude berechnet werden. Da die Varianz der gemessenen Entfernung
geringer wird als die Lichtempfangsmenge des Entfernungsmesslichts,
d.h. die Amplitude ist größer, wenn
die Anzahl der Elemente der Zwischenfrequenzsignaldaten gleich oder
größer als
eine erforderlich Mindestzahl ist, und der Durchschnittswert der
Amplitude gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, kann geschätzt werden, dass die Varianz
der gemessenen Entfernung gleich oder geringer als ein von Genauigkeitsspezifikationen
geforderter vorbestimmter Wert ist. Zu diesem Zeitpunkt kann bei
dieser Entfernungsmessvorrichtung durch unmittelbares Beenden des
Abtastens zum Berechnen der Entfernung die für eine Entfernungsmessung erforderliche
Zeit verkürzt
werden, ohne die Genauigkeit des Messwerts zu beeinträchtigen.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, nach
dem Umwandeln des Entfernungsmesssignals in ein Zwischenfrequenzsignal
mit verringerter Frequenz und Verstärken mit hoher Verstärkung bei
gleichzeitigem stabilem Entrauschen, durch Abtasten des Zwischenfrequenzsignals
eine hochgenaue Entfernungsmessung über große Entfernungen durchzuführen.
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer herkömmlichen
Entfernungsmessvorrichtung, welcher auch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung entspricht.
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2 ein
Diagramm eines Beispiels der Abtastung eines Zwischenfrequenzsignals
in der Entfernungsmessvorrichtung.
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3 ein
Diagramm zur Darstellung von synthetischen Daten eines Zyklus einer
Zwischenfrequenz, für
welche Abtastdaten des Zwischenfrequenzsignals an der gleichen Phasenposition
hinzugefügt
wurden, und einer aus den synthetischen Daten gewonnenen synthetischen
Sinuswelle.
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4 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung der
Betriebsweise der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung.
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5 Ausdrücke zum
Beschreiben des Berechnungsprozesses für das Ableiten eines Ausdrucks
zum Auswerten der Varianz gemessener Entfernungen.
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6 Ausdrücke zum
Beschreiben des Berechnungsprozesses für das Ableiten eines Ausdrucks
zum Auswerten der Varianz gemessener Entfernungen.
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7 Ausdrücke zum
Beschreiben des Berechnungsprozesses für das Ableiten eines Ausdrucks
zum Auswerten der Varianz gemessener Entfernungen.
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8 Ausdrücke zum
Beschreiben des Berechnungsprozesses für das Ableiten eines Ausdrucks
zum Auswerten der Varianz gemessener Entfernungen.
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Die
erfindungsgemäße Entfernungsmessvorrichtung
hat den gleichen Aufbau wie die in dem Blockdiagramm von 1 dargestellte
bekannte Vorrichtung. Die Vorrichtung tastet, wie in 2 dargestellt,
ein Zwischenfrequenzsignal IF über
eine große
Zahl von Zyklen ab, wie ferner in 3 dargestellt,
fügt Abtastdaten
des Zwischenfrequenzsignals IF an der gleichen Phasenposition hinzu,
um synthetische Daten S zu bestimmen, berechnet eine synthetische
Sinuswelle S', indem
sie die synthetischen Daten S auf eine Sinuswellenform anwendet,
und berechnet eine Entfernung basierend auf der Eingangsphase β der synthetischen
Sinuswelle S'. Auf
die Beschreibung der Teile der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung,
welche gleich denjenigen des Standes der Technik sind, wird hier
verzichtet.
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Bei
der Bestimmung von Abtastdaten führt die
CPU 44 der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
jedoch nicht stets eine Abtastung des Zwischenfrequenzsignals IF über mehr
als einige Tausend Zyklen durch, wie im Stand der Technik der Fall,
sondern beendet das Abtasten, wenn sie feststellt, dass eine ausreichende
Zahl von Zyklen für eine
Entfernungsmessung abgetastet wurde, um unmittelbar eine Entfernung
zu berechnen, und sie zeigt den gemessenen Wert an. Daher kann bei
der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
die für eine
Entfernungsmessung erforderliche Zeitspanne erheblich verringert
werden.
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Anhand
von 4 werden im folgenden Prozesse beschrieben, welche
die CPU 44 der Vorrichtung bei der Entfernungsmessung ausführt. Zu
Beginn einer Entfernungsmessung wird im Schritt S1 die Entfernungsmessvorrichtung
veranlasst, ähnlich dem
Stand der Technik, eine vorläufige
Abtastung durchzuführen,
bei der einige wenige Zyklen des Zwischenfrequenzsignals IF vorab
abgetastet werden. Im Schritt S2 wird basierend auf dem vorläufig abgetasteten
Zwischenfrequenzsignal IF eine Abtastposition, die einen maximalen
Pegel Amax angibt, sowie eine Abtastposition, die einen minimalen
Pegel angibt, erkannt.
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Im
Schritt S3 wird ein Zyklus des Zwischenfrequenzsignals IF abgetastet.
Anschließend
geht die CPU zum Schritt S4 gemäß 4 über, fügt Abtastdaten
an der gleichen Phasenposition hinzu, um synthetische Daten S zu
erzeugen, und speichert diese synthetischen Daten S im Speicher 46.
Im Schritt S5 wird die Frequenzverteilung der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals
IF im Speicher 46 gespeichert. Hierbei wird die Hälfte der
Differenz der durch die vorläufige
Abtastung ermittelten Abtastdatenpegel zwischen der Abtastposition,
die den maximalen Pegel angibt, und der Abtastposition, die den
minimalen Pegel angibt, als die Amplitude Ai bestimmt. Im Schritt
S6 wird der Durchschnittswert der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals
IF berechnet.
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Anschließend geht
die CPU 44 zum Schritt S7 über und prüft, ob die Abtastanzahl (Zahl
der Frequenzen des abgetasteten Zwischenfrequenzsignals IF) eine
erforderliche Mindestzahl oder mehr erreicht hat. Wenn die Abtastanzahl
kleiner als die erforderliche Mindestzahl ist, erfolgt eine Rückkehr zum Schritt
S3, um festzustellen, ob ein Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit
des gemessenen Wertes vorliegt, und die Schritte S3 bis S7 werden
wiederholt. Wenn die Abtastanzahl die erforderliche Mindestzahl oder
mehr erreicht hat, geht die CPU zum Schritt S8 über und prüft, ob der Durchschnittswert
der Amplitude Ai einen vorbestimmten Wert oder mehr erreicht hat.
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Wenn
der Durchschnittswert der Amplitude Ai im Schritt S8 als gleich
oder größer als
der vorbestimmte Wert festgestellt wurde, erfolgt der Übergang zum
Schritt S10, das Abtasten wird beendet, ähnlich dem Stand der Technik,
eine synthetische Sinuswelle S' wird
basierend auf den synthetischen Daten S bestimmt, um die Entfernung
zu berechnen, der gemessene Wert wird in einem nicht dargestellten
Anzeigebereich angezeigt, und die Messung wird beendet. Dies ist
darin begründet,
dass angenommen werden kann, dass, wenn ein Entfernungsmesssignal,
das aus einer ausreichenden Lichtmenge eines Entfernungsmesslichts
erhalten wird, über
die erforderliche Mindestzahl von Zyklen oder mehr abgetastet werden
kann, der Fehler und die Varianz des gemessenen Werts verringert
sind und die geforderte Genauigkeit erreicht ist.
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Auf
diese Weise kann die für
eine Entfernungsmessung erforderliche Zeitspanne im Vergleich mit
dem Stand der Technik erheblich verkürzt werden.
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Wenn
im Schritt S8 keine ausreichende Lichtmenge an Entfernungsmesslicht
erhalten werden kann und der Durchschnittswert der Amplitude Ai nicht
den zuvor vorgesehenen vorbestimmten Wert erreicht hat, erfolgt
der Übergang
zu Schritt S9. Hier wird geprüft,
ob die Abtastungszahl einen herkömmlich
vorgesehenen festgesetzten oberen Grenzwert erreicht hat oder nicht.
Ist die Abtastanzahl niedriger als der festgesetzte obere Grenzwert,
erfolgt die Rückkehr
zu Schritt S3, um festzustellen, ob ein Problem mit der Zuverlässigkeit
des gemessenen Werts vorliegt, und die Schritte S3 bis S9 werden
wiederholt. Hat die Abtastanzahl den festgesetzten oberen Grenzwert
erreicht, geht der Ablauf zum Schritt S10 über, die Abtastung wird beendet, ähnlich dem
Stand der Technik, eine synthetische Sinuswelle S' wird basierend auf
den synthetischen Daten S bestimmt, um die Entfernung zu berechnen,
der gemessene Wert wird in einem nicht dargestellten Anzeigebereich
angezeigt, und die Messung wird beendet.
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Da
die Frequenzverteilung der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals
IF ermittelt wurde, kann bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
ein Durchschnittswert der Amplitude Ai berechnet werden. Je größer die
Menge des empfangenen Entfernungsmesslichts L, d.h. der Durchschnittswert
der Amplitude Ai, ist, desto stärker
ist die Varianz der gemessenen Entfernung reduziert. Wenn die Abtastanzahl gleich
oder größer als
die erforderliche Mindestzahl ist und der Durchschnittswert der
Amplitude Ai gleich dem vorbestimmten Wert oder mehr ist, kann daher geschätzt werden,
dass die Varianz der gemessenen Entfernung gleich oder geringer
als ein durch Genauigkeitsspezifikationen geforderter vorbestimmter Wert
ist. Durch das unmittelbare Beenden der Abtastung zum Berechnen
einer Entfernung kann durch die erfindungsgemäße Entfernungsmessvorrichtung
zu diesem Zeitpunkt die zur Entfernungsmessung erforderliche Zeit
verkürzt
werden, ohne die Genauigkeit des gemessenen Werts zu beeinträchtigen.
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Im
folgenden wird beschrieben, dass die Varianz des gemessenen Werts
basierend auf dem Durchschnittswert A' der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals
IF ausgewertet werden kann und die Varianz des gemessenen Werts
gleich oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist, wenn der Durchschnittswert
A' der Amplitude
Ai gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist.
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Die
in 3 dargestellte Wellenform der synthetischen Sinuswelle
S' des Zwischenfrequenzsignals
IF hat die Amplitude α und
eine Eingangsphase β.
Wenn die Amplitude einer i-ten Welle des Zwischenfrequenzsignals
IF von 2 als Ai, die Eingangsphase der gleichen i-ten
Welle als ϕi und die Gesamtzahl der abzutastenden und synchron
hinzuzufügenden
Wellen mit N angegeben wird, kann der Ausdruck (1) in 5 erhalten
werden. In diesem Ausdruck (1) ist β, das durch den Ausdruck (2)
in 5 wiedergegeben ist, ein die Entfernung angebender
Teil, und die Entfernung wird durch Multiplizieren von β mit einem
geeigneten Koeffizienten berechnet.
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Um
die Genauigkeit der Eingangsphase β zu schätzen, wird β partiell nach ϕi differenziert,
wie in dem Ausdruck (3) in 5 dargestellt.
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Wird
hier angenommen, dass |ϕi -ϕk| << 1 ist, kann der Ausdruck (3) auch
wie im Ausdruck (4) der 5 gezeigt wiedergegeben werden.
Wenn ferner angenommen wird, dass ϕ'≒ϕ1≒ϕ2≒ϕ3≒ϕ4
... ≒ϕN
ist, und ferner das durch den Ausdruck (5) in 6 definierte
c verwendet wird, kann der Ausdruck (4) wie durch den Ausdruck (6)
in 6 angegeben vereinfacht werden.
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Die
Genauigkeit der Eingangsphase β wird somit
mit Hilfe des Gesetzes der Fehlerausbreitung geschätzt. Wird
die geschätzte
Standardabweichung von β als σ'β angegeben, so entspricht die
Varianz σ'β2 von β dem Ausdruck
(7) in 6.
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Jedoch
bezeichnet σi
eine Standardabweichung von ϕi und wenn die Amplitude Ai
groß ist,
ist S/N hoch, und die Standardabweichung σi von ϕi ist reduziert,
und wenn die Amplitude Ai klein ist, ist S/N niedrig und die Standardabwei chung σi von ϕi
ist vergrößert. Infolgedessen
dient die Standardabweichung σi
als eine Funktion der Amplitude Ai und dies kann als σi = σi (Ai) ausgedrückt werden.
Darüber
hinaus gibt σs
eine Standardabweichung einer Eingangsphase an, die berechnet wird,
wenn das Zwischenfrequenzsignal IF einer zuvor vorgesehenen Standardamplitude
As in den A/D-Wandler 42 eingegeben wurde. σs wurde zuvor
zum Zeitpunkt der Einstellung im Anschluss an das Beenden der Montage bestimmt,
indem ein Entfernungsmesslicht L nach dem Kollimieren eines identischen
Ziels emittiert, das reflektierte Entfernungsmesslicht L empfangen
und die Blende 27 eingestellt wurde. Ferner ist σ'i eine dimensionslose
Konstante zur Bildung einer Korrelation zwischen σi und σs, so dass
der Ausdruck (8) der 6 erfüllt wird.
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Die
Varianz σ's2 der
Eingangsphase wird geschätzt,
wenn N Wellen des Zwischenfrequenzsignals IF der Standardamplitude
As synchron hinzugefügt
werden. Wenn die im Ausdruck (9) der 7 angegebene
Bedingung für
den Ausdruck (7) eingesetzt wird und der momentane Wert von σ'β2 als σ's2 angegeben
wird, kann σ's2 durch
den Ausdruck (10) von 7 wiedergegeben werden.
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Wenn
das Verhältnis σ'β2/σ's2 zwischen
der geschätzten
Varianz σ'β2 der
Eingangsphase β,
die durch den Ausdruck (7) bestimmt ist, und σ's2, das durch
den Ausdruck (10) bestimmt ist, ermittelt wird, kann der Ausdruck
(11) der 7 erhalten werden. Basierend
auf diesem Ausdruck (11) kann die Verschlechterung der Varianz des
zu diesem Zeitpunkt gemessenen Wertes geschätzt und in bezug auf die Varianz
des gemessenen Werts in einer optimalen Umgebung ausgewertet werden.
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Im
folgenden wird unter konkreter Annahme eines Wertes σ'i ein Varianzverhältnis gemäß dem Ausdruck
(11) erörtert.
Wenn die Standardabweichung des gemessenen Werts proportional zur
Amplitude ist (beispielsweise wenn Rauschen konstant in einer elektronischen
Schaltung auftritt oder thermisches Rauschen vorherrscht; bei thermischem
Rauschen spielt auch die Temperatur eine Rolle), kann, da der Ausdruck
(12) von 7 geschätzt werden kann, durch Ersetzen
des Ausdrucks (11) durch den Ausdruck (12) der Ausdruck (13) erhalten
werden. A' des Ausdrucks
(13) ist jedoch, wie in dem Ausdruck (14) der 7 gezeigt,
ein Durchschnittswert der Amplitude Ai. Das Quadrat des Verhältnisses
zwischen der Standardamplitude As und der gemessenen Durchschnittsamplitude
A' dient als Auswertungswert.
Je kleiner der Auswertungswert ist, desto geringer ist die Varianz
der Eingangsphase β,
d.h. die gemessene Entfernung. Da die Standardamplitude zuvor bestimmt
wurde, ist, wenn der Durchschnittswert A' der Amplitude Ai gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, die Varianz der gemessenen Entfernung
gleich oder geringer als ein vorbestimmter Wert, so dass zuvor angegebene
Genauigkeitsspezifikationen für
den gemessenen Wert erfüllt
werden können.
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Wenn
die Standardabweichung des gemessenen Werts proportional zur Quadratwurzel
aus der Amplitude ist (beispielsweise wenn Schrotrauschen, das in
dem Lichtempfangselement 28 auftritt, vorherrscht), kann,
da der Ausdruck (15) von 8 geschätzt werden kann, der Ausdruck
(16) der 8 erhalten werden, wenn der
Ausdruck (15) den Ausdruck (11) ersetzt. Das Verhältnis zwischen
der Standardamplitude As und der gemessenen Durchschnittsamplitude
A' dient als Auswertungswert. Auch
in diesem Fall gilt: je kleiner dieser Auswertungswert ist, desto
geringer ist die Varianz der Eingangsphase β, d.h. der gemessenen Entfernung, weshalb,
wenn der Durchschnittswert A' der
Amplitude Ai gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, die Varianz der gemessenen Entfernung
gleich oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist, so dass zuvor
angegebene Genauigkeitsspezifikationen für den gemessenen Wert erfüllt werden
können.
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Da
die Genauigkeitsspezifikationen des Messwerts erfüllt werden
können,
solange der Durchschnittswert A' der
Amplitude Ai gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, und das Lichtempfangselement 28 ausreichend
Entfernungsmesslicht empfangen kann, genügt es, einen von dem Durchschnittswert
A' der Amplitude
Ai zu erfüllenden vorbestimmten
Wert vorab durch Versuche oder dergleichen festzulegen.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das zuvor beschriebene
Ausführungsbeispiel
beschränkt
und es können
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise wird
bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ein Entfernungsmesssignal M in ein Zwischenfrequenzsignal IF umgewandelt
und anschließend
wird das Zwischenfrequenzsignal IF abgetastet. Wenn jedoch die Frequenz
eines modulierten Signals K' niedrig
ist, ist es ebenfalls möglich,
ein Entfernungsmesssignal M abzutasten, das von dem A/D-Wandler 42 direkt
aus dem Bandpassfilter genommen wird, und eine Entfernungsmessung
unter Verwendung des abgetasteten Entfernungsmesssignals M durchzuführen.
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Ferner
wird bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel das Abtasten
beendet, um eine Entfernung zu berechnen, wenn der Durchschnittswert
der Amplitude Ai des Zwischenfrequenzsignals IF gleich oder höher als
ein vorbestimmter Wert ist. Jedoch kann auch die Streuung (Varianz,
Standardabweichung, Bereich, mittlere Abweichung, die Quantilabweichung
und dergleichen) der Amplitude ebenfalls aus der Frequenzverteilung
der Amplitude berechnet werden. Wenn daher aus der Streuung geschätzt werden
kann, dass die Varianz der gemessenen Entfernung gleich oder geringer
als ein vorbestimmter Wert ist, kann das Abtasten zu diesem Zeitpunkt
beendet werden, um eine Entfernung zu berechnen.
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- 20
- Lichtquelle
- 22
- Ziel
- 26
- Referenzsignaloszillator
- 28
- Lichtempfangselement
- 37
- Frequenzwandler
- 42
- A/D-Wandler
- 44
- CPU
(Operationseinrichtung)
- 46
- Speicher
(Speichereinrichtung)
- K
- Referenzsignal
- L
- Entfernungsmesslicht
- M
- Entfernungsmesssignal
- IF
- Zwischenfrequenzsignal