JP2005538385A - 測距方法及び測距装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光学信号を用いた測距方法であって、位相情報を搬送するアナログ評価信号（３６）をアナログ−デジタル変換器（４４）でデジタル化し、続いて、前記位相情報を計算ユニットで評価する測距装置及び方法に関する。
評価信号（３６）を位相変調してアナログ−デジタル変換器（４４）に供給することが提案されている。

Description

本発明は、請求項１上位概念に記載の測距方法、及び、請求項１０上位概念に記載の測距装置に関する。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９８１１５５０号公報から、光学的信号を用いて距離を測定し、位相情報を搬送するアナログ評価信号を測距用に評価する測距方法及び測距装置が公知である。
発明の利点
本発明は、位相情報を搬送するアナログ評価信号をアナログ−デジタル変換器でデジタル化し、続いて、前記位相情報を計算ユニットで評価する測距方法に基づく。評価信号を位相変調してアナログ−デジタル変換器に供給することが、提案されている。

本発明によると、アナログ−デジタル変換器の量子化係数を小さく保持することができる。公知の方法及び測距装置に比較して、評価信号の品質が同じ場合、位相の分解能が改善され、位相分解能が同じ場合測定時間を短くすることができる。

この際、本発明は、アナログ評価信号がデジタル化されるアナログ−デジタル変換器が、所定の分解能で評価信号をデジタル化することに基づいている。この際、分解能は、以下デジタル化量子と呼ぶ電圧高さによって特徴付けられ、このデジタル化量子により、アナログ−デジタル変換器は、その都度、一方のデジタル出力値から直ぐ次のデジタル出力値に更にスイッチングされる。時間的にずれた複数の点で、評価信号の電圧振動をサンプリングする際、アナログ−デジタル変換器は、各サンプリング点で各々１つのデジタル値を計算ユニットに転送する。計算ユニットは、この各値から、この各値を有する評価信号の位相位置を算出する（評価信号の形状が、例えば、正弦波曲線で形成されている場合）。

評価精度を高めるために、周期的評価信号を周期的にアナログ−デジタル変換器によってサンプリングすると有意義であり、その際、できる限り、アナログ−デジタル変換器のサンプリング周波数が評価信号の周期の複数倍に相応するようにサンプリングされる。従って、評価信号の各周期が、数回、例えば、４回、つまり、４個所でサンプリングされる。その際、各周期には、アナログ−デジタル変換器から出力されたマルチバリュー（Ｗｅｒｔｅｍｕｌｔｉｐｅｌ）が配属され、４つのサンプリング個所、つまり、４つの値では、当該値から、当該値を有する評価信号の位相位置が特定可能である。これは、例として図３に説明されている。

ノイズがないか、又は、ほとんどない評価信号では、評価信号の実際の位相位置を、いくらか一方又は他方の方向にシフトすることができ、この際、このシフトにより、アナログ−デジタル変換器が出力されるデジタル値を変化することはない。これは、図４に例として示されている。評価信号の位相が一方の方向にシフトした場合、アナログ−デジタル変換器は、所定シフト後、各出力値の所定の変化に応動する。この位相が更にその方向にシフトした場合、アナログ−デジタル変換器は、所定の別のシフト後初めて、各出力値などの所定の変化に応動する。アナログ−デジタル変換器から出力された値を変化しない評価値信号の位相の最大シフトは、以下位相分解量子（Ｐｈａｓｅｎａｕｆｌｏｅｓｕｎｇｓｑｕａｎｔ）と呼ぶ。その大きさは、評価値信号の位相の測定の分解能を特定する。

評価値信号の位相変調、つまり、評価値信号の位相の２方向振動により、アナログ−デジタル変換器は、評価信号のサンプリング時に多数の周期に亘って、必ずしも常に、各周期に対して同じマルチバリューを出力するとは限らない。従って、すべてのマルチバリューに亘って各々相応する各出力値の平均値を形成することによって、１つのマルチバリューだけを評価する際にアナログ−デジタル変換器の量子化を行う位相位置よりも一層正確に位相位置を求めることができる。

位相変調によるのと同様の効果が、出力信号でのノイズによって達成することができる。このノイズが、複数周期に亘って評価信号をサンプリングする際に種々異なるマルチバリューになる程十分に強い場合、サンプリングが長くなればなるほど位相位置を一層正確に求めることができるようになる。位相変調がノイズに較べて有する利点は、位相シフトをノイズとは異なり所期のように制御することができる点にある。この際、位相変調は、評価信号の比較的僅かな周期に亘って平均化することによって、十分正確な位相検出結果が得られるように制御することができる。このようにして、ほんの短い測定時間で、位相位置を正確に求めることができ、従って、殊に距離を求めることができる。

アナログ測定信号を所定の測定周波数で形成すると目的に適っており、測定信号は、評価信号にされ、その際、評価信号の位相変調は、測定信号の変調によって達成される。この変調は、周波数又は位相変調にすることができる。こうする殊によって、測定信号を用いて、距離を測定することができ、その際、測定周波数は、種々異なって、評価信号の評価周波数であることができる。例えば、有利には、非常に高い周波数で測定を行うとよく、そうすることによって、高い測距分解能を達成することができるようになる。それと同時に、著しく低周波の評価信号で、位相情報を求めることができ、その結果、評価回路のコストを低く保持することができる。

有利には、評価信号の位相を、平均位相位置を中心にして規則的且つ対称的に変動するようにするとよい。そのような位相変調では、極めて僅かなマルチバリューの各値を平均化することによって、非常に迅速に正確な平均値にすることができ、こうすることによって、評価信号の位相位置を十分に正確に測定することができるようになる。「規則的」とは、ここでは、時間的に正確であるということである。従って、変動、つまり、時間軸が両方向に動くのが、一方の極値から他方の極値に規則的に周期的に、そして、元に戻るように行われる。評価信号の位相は、更に対称的に動く。従って、各極値は、時間乃至位相角度軸上で両側に、平均位相位置から同じ程度に離れているようになる。この際、変動自体は、連続的に、例えば、正弦波変調の形式で行うことができ、又は、非連続的に急速に変化して矩形波変調の形式で行うことができ、又は、当業者にとって適切と思われる別の形式で行うことができる。

特に簡単には、位相変調を周波数変調によって達成するとよい。この際、測定信号の周波数を変調するか、又は、評価信号の周波数を直接変調するとよい。周波数は、評価信号が位相変調されてアナログ−デジタル変換器に達するように変調する必要がある。

有利には、測定信号の周波数を、平均周波数を中心にして規則的且つ対称的にするとよい。位相の変動について上述したように、周波数の規則的且つ対称的な変動によっても、特に迅速に、アナログ−デジタル変換器のマルチバリューの平均化された結果を達成することができ、その結果、評価信号の位相を高い精度で再生することができる。

周波数変調の簡単な制御は、変調信号をＶＣＯ回路に入力することによって周波数変調するようにして達成することができる。ＶＣＯ回路は、電圧制御発振器、つまり、Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｚｉｌｌａｔｏｒを有している。これは、そこに入力された入力電圧に依存して、固定の周波数を出力する。入力信号として一定電圧をＶＣＯ回路内に入力すると、ＶＣＯ回路は、ほぼ一定の周波数を出力する。入力信号の変調又はＶＣＯ回路に付加的な変調信号を入力することによって、簡単に所望の周波数変調を達成することができる。

評価信号の位相位置を高い信頼度で正確に測定することは、評価信号の位相変調をアナログ−デジタル変換器に同調し、且つ、評価信号の位相を、平均位相位置を中心にして、最大分解量子の少なくとも１／４、特に、少なくとも１／２だけ両側にシフトするようにして達成することができる。位相分解量子の大きさは、アナログ−デジタル変換器のデジタル化量子の大きさ、つまり、その分解能、及び、評価信号の形及び振幅に依存する。図５及び６に詳細に記載されている１周期の位相分解量子は、必ずしも同じ大きさである必要はない。評価信号の位相位置を連続的にシフトする際、アナログ−デジタル変換器のマルチバリューの各値の変化を、規則的に行わないようにしてもよく、その結果、各周期内に、１つの最大位相分解量子と１つの最小位相分解量子があるようにすることができる。位相位置を高い信頼度で正確に測定することができるようにするために、位相変調をどの程度の大きさにする必要があるかは、特に、評価信号に付着しているノイズにも依存している。大きなノイズでは、高い信頼度で、正確な結果を達成するためには、位相変調は必要ない。しかし、長い測定時間は必要である。ノイズがない場合、評価信号の位相をアナログ−デジタル変換器の最大位相分解量子の少なくとも１／２だけ、平均位相位置を中心にしてシフトすると、位相位置を高い信頼度で正確に測定することができる。その際、図９で詳細に説明されるように、位相位置が正確に測定可能な各領域が重畳される。適度なノイズでは、最大位相分解量子の大きさの１／４だけの位相変調を用いて、それと同時に短い測定時間で、位相位置を高い信頼度で測定することができる。

マルチバリューの各値の平均値を特に容易に求めるのは、評価信号が、変調周波数の整数倍の評価周波数を有しているようにすることにより達成することができる。変調周期、つまり、時間乃至位相角度軸上で位相を両方向に変動するのは、評価信号の、正確にいくつかの周期を有している。平均値は、その際、評価信号の各周期の分数が生じないように、つまり、マルチバリューの分数が生じないように各周期のマルチバリューを介して形成することができる。

評価信号が評価周波数を有するようにすると目的に適っており、その際、変調周波数は、少なくともファクタ３だけ、評価周波数よりも小さい。各周波数の、そのような間隔では、評価時の周波数は、容易にフィルタによって分離可能である。

装置に関しては、本発明は、測距、殊に、レーザ測距に基づいており、位相情報を搬送するアナログ評価信号の形成用装置、評価信号のデジタル化用のアナログ−デジタル変換器、及び、位相情報の評価用の計算ユニットを有している。測距装置が、評価信号の位相変調用の変調ユニットを有していることが提案されている。上述のように、評価信号の位相位置を正確に求めると同時に測定時間を短くすることができる。

有利には、測距装置は、基本周波数の基本信号の形成用の発振器を有しており、その際、ＶＣＯ回路を有する、基本周波数の変調用の変調ユニットが設けられる。これにより、簡単且つ価格上有利に、高い周波数の変調を達成することができる。

周波数変調の簡単な制御は、ＶＣＯ回路の入力信号の電圧変調用の変調ユニットが設けられているようにして達成することができる。
図面
別の利点について、以下、図を用いて説明する。図には、本発明の実施例が示されている。図、説明及び請求の範囲は、多数の各要件を組み合わせて有している。当業者は、各要件を目的に合うように個別に見ても、有意義に更に組み合わせるようにまとめてもよい。
その際：
図１は、測距装置の回路の略図、
図２は、周波数変調装置の原理図、
図３は、アナログ−デジタル変換器のサンプリング個所での評価信号を示す図、
図４は、位相シフトを有する評価信号を示す図、
図５は、別の位相シフトを有する評価信号を示す図、
図６は、評価信号での測定過程の位相位置レベルを示す図、
図７は、ノイズによって拡張された位相レベルを示す図、
図８は、変調限界を有する位相変調された評価信号を示す図、
図９は、位相変調を有する測定過程の位相位置レベルを示す図
である。
実施例の説明
図１は、１０で示された測距装置の原理図を示す。この装置は、光送信器１２、例えば、レーザダイオード、並びに、公知のアバランシェフォトダイオードとして構成されていて、複数周波数の混合を行う光受信器１４を有している。光送信器１２を用いて、コリメートされた可視の連続描画レーザビームが、送信信号１６として形成され、この送信信号は、対象１８（以下、ターゲットとも呼ぶ）で可視である。対象１８から、送信信号１６が光学の法則に従って反射され、受信信号２０として光受信器１４により受光される。光受信器１４には、ターゲット測定に直ぐ続いて、光学切換スイッチ２２、例えば、可動フラップを介して、送信信号１６が規準信号１６’として供給される。

測距装置１０の制御のために、回路装置２４が設けられている。この回路装置２４は、変調装置２７を備えた水晶発振器として構成された発振器２６を有している。発振器２６は、基本周波数ｆ_０を形成し、この基本周波数から、測距装置１０の作動用の後で更に詳細に説明する周波数すべてが導出される。変調装置２７は、基本周波数ｆ_０を、変調装置２７から出力された測定周波数が対称的且つ規則的に基本周波数ｆ_０を中心にして変動するように変調する。

測距装置１０を用いた測距の明瞭な領域を高めるために、装置は、送信信号１６用の全部で３つの変調周波数で作動される。送信信号１６自体は、公知のように、振幅変調される。従って、受信信号も同様に振幅変調される。光学切換スイッチ２２が既知の時点で切り換えられるようにすることによって、時間シーケンスに基づいて、瞬時の光学受信信号が直接光学切換スイッチ２２又は対象１８に起因するかどうか明瞭に検出することができる。

発振器２６には、第１の切換可能分周器２８が配属されており、この切換可能分周器は、混合信号の形成用に設けられている。分周器２８は、発振器２６によって形成された周波数ｆ_０を、選択的に周波数ｆ_１０、周波数ｆ_２０、並びに、周波数ｆ_３０を分周する。分周器２８の後ろ側には、回路装置３０が接続されており、この回路装置３０は、周波数ｆ_１０の測定信号から、基本周波数ｆ_０に較べて高い測定周波数ｆ_１の測定信号を形成する。回路装置３０は、図１に詳細に図示していないＰＬＬ及びＶＣＯ回路を有している。測定周波数ｆ_１の信号並びに分周器２８から出力された別の、測定周波数ｆ_２及びｆ_３の信号は、加算部材３２を介して混合信号として光受信器１４に供給される。この際、分周器２８から出力された周波数ｆ_２０の測定周波数ｆ_２及び測定周波数ｆ_３は、周波数ｆ_３０に相応する。

発振器２６には、送信信号１６の形成のために設けられている第２の信号線路が配属されている。この第２の信号線路は、ほぼ上述の、受信器に直接供給される混合信号の形成のために設けられている信号線路に相応している。同じ構成部品には、ダッシュを付けた同じ参照番号が付けられている。分周器２８’は、デジタル移相素子３４を有している。分周器２８’の各出力側から、周波数ｆ’_１０、ｆ’_２０及びｆ’_３０の各信号を読み出し可能である。この各周波数は、周波数ｆ_５の移相素子３４によって、その位相の点で更に接続される。そうすることによって、周波数スペクトル内に、複数周波数線の混合が形成される。

光受信器１４には、時間的に順次連続したシーケンスで各々同時に、ダッシュなしで示した周波数の各混合信号及びダッシュ付きで示した周波数のターゲット信号２０乃至規準信号１６’が供給される。こうすることによって、公知のように、評価信号３６への混合によって変換が行われる。この評価信号３６は、所要の基本情報、即ち、一方では、アナログ−デジタル変換器クロック３８に関してのターゲット信号２０の位相角と、他方では、時間的に後続して、アナログ−デジタル変換器クロック３８に関しての規準信号１６’の位相角を含む。測定周波数毎に両位相角の差を形成することによって、順次連続するすべての測定中、規準量は変化しないので、この規準量は外される。結果として、測定周波数対ｆ’_１−ｆ_１，ｆ’_２−ｆ_２及びｆ’_３−ｆ_３毎に位相角が形成され、つまり、全部で３つの位相角が形成される。測定周波数ｆ’_１，ｆ’_２及びｆ’_３の最小周波数は、すべての測距の明瞭な領域を特定する。測定周波数ｆ’_１，ｆ’_２及びｆ’_３の最大周波数は、所定の測定時間での最大可能な測定精度を特定する。

周波数ｆ_３は、緩慢なアナログ−デジタル変換器を使用することができるために、比較的小さく選定されている。評価信号３６は、周波数ｆ_４の評価信号３６用のバンドパスフィルタを形成するアンチエイリアジングフィルタ４０を介して供給され、このアンチエイリアジングフィルタ４０から、増幅器４２で、アナログ−デジタル変換器４４に供給される。変化された評価信号３６は、マイクロプロセッサ４６に供給され、このマイクロプロセッサは、対象１８の、測距装置１０からの距離を測定するために、相応の計算機構、メモリ機構、カウント機構などを有している。マイクロプロセッサ４６を介して、同時に、アナログ−デジタル変換器４４の制御のためにアナログ−デジタル変換器クロック３８がスタンバイ状態にされる。更に、アナログ−デジタル変換器クロック３８に対して少なくとも部分的に固定比の、周波数ｆ_５のマイクロプロセッサ４６の信号（トリガ信号）が、周波数ｆ_１０，ｆ_２０及びｆ_３０を周波数ｆ’_１０，ｆ’ _２０及びｆ’ _３０に対してシフトするのに使われる。

実施例では、発振器２６で、基本周波数ｆ_０＝６０ＭＨｚの基本信号が形成される。分周器２８は、基本周波数ｆ_０を周波数ｆ_１０＝３０ＭＨｚ，ｆ_２０＝１５ＭＨｚ及びｆ_３０＝１．８７５ＭＨｚに分周される。周波数ｆ_１０の信号は、回路装置３０内で測定周波数ｆ_１＝９００ＭＨｚに高められる。発振器２６に配属された第２の分周器２８’は、６０ＭＨｚの基本周波数ｆ_０を、分周器２８と同様にして、周波数ｆ’_１０，ｆ’_２０及びｆ’_３０の信号に分周され、その際、周波数ｆ’_１０，ｆ’_２０及びｆ’_３０は、周波数ｆ_１０，ｆ_２０及びｆ_３０に対して、周波数ｆ_４だけデジタル的にシフトされる。周波数ｆ_４は、２．９２９ｋＨｚであり、その結果、測定周波数ｆ’_１は、８９９．９９７ＭＨｚであり、測定周波数ｆ’_２は、１４．９９７ＭＨｚであり、測定周波数ｆ’_３は、１．８７２ＭＨｚである。全周波数は、マイクロプロセッサ４６の周波数ｆ_５のトリガ信号を用いて形成される。このトリガ信号ｆ_５は、例えば、周波数ｆ_１０＝１５ＭＨｚの場合、正確にｆ_４の４倍の周波数を有している。周波数ｆ_５＝１１．７１６ＭＨｚのトリガ信号の各クロックで、周波数ｆ_１０の信号の位相が９０°だけシフトされ、その結果、周波数ｆ_４＝２．９２９ｋＨｚで、３６０°シフトが行われる。位相情報を搬送する評価信号３６は、ダッシュのない周波数を、送信信号１６’乃至ターゲット信号２０の、ｆ_４を中心にしてシフトされた周波数との混合によって形成される。従って、この位相情報を搬送する評価信号３６は、ｆ_４＝２．９２９ｋＨｚの周波数を有している。別の実施例では、別の周波数も可能であることは当然である。

図２には、ＰＬＬ回路５２とＶＣＯ回路５４を有する変調装置２７が略示されている。ＶＣＯ回路５４は、ボルテージ・コントロールド・オシレータ（電圧周波数変換器）であり、周波数ｆ_０、又は、周波数ｆ_０を中心にした所定領域内の信号の出力用に構成されている。ＰＬＬ回路５２は、フェーズ・ロック・ループ（位相制限回路）である。変調装置２７は、インダクタンス及びキャパシタンスを有するＬＣフィルタ５６を有している。ＬＣフィルタ５６は、調波をフィルタリングして除去し、信号の品質を改善するために使われる。周波数ｆ_０の信号は、ＰＬＬ回路５２に入力される。ＰＬＬ回路５２で、この信号の位相位置が、ＶＣＯ回路５４によって生じた信号の位相位置と比較され、その際、両信号の位相の比較が、ＰＬＬ回路５２の出力電圧に変換される。この電圧は、ＶＣＯ回路５４用の入力量として使われ、この電圧から、同様に周波数ｆ_０の信号が形成される。

変調装置２７は、更に、ＶＣＯ回路５４の入力信号の電圧を変調周波数ｆ_Ｍで変調する変調ユニット５８を有している。変調周波数ｆ_Ｍは、２９２．２Ｈｚであり、この変調周波数は、周波数ｆ_４の１／１０に相応している。周波数ｆ_４を中心にして、ダッシュ付きで示された周波数がシフトされる。ＶＣＯ回路５４の入力信号の変調によって、ＶＣＯ回路５４から出力された周波数ｆ_０Ｍが、基本周波数ｆ_０を中心にして変調される。この変調された基本周波数ｆ_０Ｍは、両分周器２８乃至２８’に供給され、そうすることによって、全信号が、光受信器１４に至る迄同様に周波数変調される。従って、ターゲット信号２０も周波数変調され、その結果、対象１８と測距装置１０との距離が同じままである場合、光受信器１４内に到来するターゲット信号の位相が位相変調される。光受信器１４では、各測定周波数の混合によって周波数変調が行われ、と言うのは、評価信号３６は、周波数ｆ_４であり、個別の周波数ｆ_１，ｆ_２等ではないからである。しかし、位相変調は、評価信号３６で得られ続け、従って、アナログ−デジタル変換器４４に達する。

変調ユニット５８は、ＶＣＯ回路５４の、変調された出力信号が、平均周波数を中心にして規則的且つ対称的に変動するように変調し、そのような規則的な、変調周波数ｆ_Ｍの変調信号を、ＶＣＯ回路５４の入力信号に供給する。こうすることによって、測定及び混合周波数も、規則的且つ対称的に、平均周波数を中心にして変動するようにすることができる。周波数ｆ’_１の測定信号の周波数は、例えば、所定の大きさだけ両方向に規則的に変動する；従って、周波数は、ｆ’_１よりも同じ大きさだけ大きく、また、小さい。

図３には、アナログ−デジタル変換器４４による評価信号３６のサンプリングが示されている。評価信号３６は、振幅Ａの電圧Ｕの振動であり、図示のダイアグラムでは、簡単にするために、正弦波信号として示して時間が示されている。しかし、評価信号３６は、同様に良好に、矩形波又は他の形状を有していてもよい。評価周波数で振動する評価信号３６は、周期長さｔ_ｐを有している。アナログ−デジタル変換器４４は、周期長さｔ_ｐ毎に各々４回、評価信号をサンプリングする。アナログ−デジタル変換器４４が評価信号３６をサンプリングする時点は、第１の周期ではｔ_１１〜ｔ_１４で示され、第２乃至第３等の周期ではｔ_２１〜ｔ_２４及びｔ_３１〜ｔ_３４で示されている。１周期内で、アナログ−デジタル変換器４４によって測定された値、例えば、時点ｔ_１１，ｔ_１２，ｔ_１３及びｔ_１４で測定された値は、この周期のマルチバリューと呼ばれる。図示の周期に亘って同じ状態の評価信号３６では、アナログ−デジタル変換器４４によって測定されてマルチバリューの、相互に相応する各値、例えば、ｔ_１１，ｔ_２１及びｔ_３１が一致する。

マルチバリューの各値から、評価信号３６の公知の形式では、評価信号３６の理論的な位相位置が、アナログ−デジタル変換器４４で算出可能である。位相位置の算出は、マイクロプロセッサ４６によって行われる。

図４には、評価信号３６が、１周期ｔ_ｐよりも少し多い時間に亘って実線として示されている。横座標上には、時間ｔが時点ｔ_１〜ｔ_４で示されており、時点ｔ_１〜ｔ_４で、アナログ−デジタル変換器４４は、評価値をサンプリングする。縦座標上には、振幅Ａが電圧Ｕで示されており、その際、縦座標は、アナログ−デジタル変換器４４の電圧値Ｕ_１〜Ｕ_１１に細分されており、そのうち、図４には、分かりやすくするために、各２番目毎の値だけが示されている。評価信号３６のサンプリング時に、アナログ−デジタル変換器４４は、測定時点ｔ_１１で電圧値Ｕ_５を求め、測定時間ｔ_１２で電圧値Ｕ_１を求め、測定時点ｔ_１３で電圧値Ｕ_７を求め、測定時点ｔ_１４で電圧値Ｕ_１１を求める。評価信号３６の位相が、例えば、右の方にシフトすると、先ず、マルチバリュー（Ｕ_５，Ｕ_１，Ｕ_７，Ｕ_１１）が変化する。位相が破線で示した位置に達すると初めて、マルチバリューの第１及び第３の値が時点ｔ_１１乃至ｔ_１３で各々値Ｕ_６に変化する。従って、実線で示した位置から破線で示した位置付近までのシフトは、検出可能ではない。

図５には、アナログ−デジタル変換器４４の位相分解能が例として示されている。破線で示した、評価信号３６の位相位置は、図４の破線で示した位相位置に相応する。評価信号３６の位相が左側から右側に向かってシフトすると、マルチバリューの第１の値及び第３の値が、時点ｔ_１１乃至ｔ_１３で各々値Ｕ_６に急速に変化する。位相が更にシフトする際、マルチバリューは、位相が実線で示した位置に達して初めて、再度変化する。それから、マルチバリューの第１及び第３の値は、時点ｔ_１１乃至ｔ_１３で、Ｕ_６からＵ_７に、乃至、Ｕ_６からＵ_５に急速に変化する。図５に示された、位相状態の各位置間で、アナログ−デジタル変換器４４のマルチバリューは変化しない。破線で示した位相位置は、φ_２で示されており、実線で示した位相位置は、φ_３で示されている。位相のシフト時にマルチバリューが変化する、図示の各位相位置φ_２とφ_３との間の間隔は、位相分解量子Ｑ_Ａと呼ばれる。位相分解量子Ｑ_Ａの大きさにより、アナログ−デジタル変換器４４の位相分解能が決まる。

アナログ−デジタル変換器４４は、位相位置が連続的に分解されるのではなく、各離散位相位置だけを示すことができる。アナログ−デジタル変換器４４によって指示可能な各離散位相位置（そのうち、例として、φ_１〜φ_８で示した８個の位相位置だけが示されている）は、図６のダイアグラムでは、水平位相レベルとして示されている。この位相レベルは、必ずしも、相互に等距離で離隔されているとは限らない。その間隔は、ほぼ、評価信号３６の形及び評価信号３６の周期毎のアナログ−デジタル変換器４４のサンプリング位置の数に依存している。どんなノイズもない、評価信号３６の純粋な振動では、アナログ−デジタル変換器４４によって、この各位相位置だけを求めることができるのであって、各中間値は求めることができない。

中間値を検出可能にするために、つまり、アナログ−デジタル変換器４４の位相分解能を高めるために、各振幅ノイズを評価信号３６に付与することができる。こうすることによって生じる評価信号３６の「ジッタ”Ｚｉｔｔｅｒｎ”」により、位相位置のシフト時に、マルチバリューの値が、離散位相レベルに達する前に所定の新しい値に急に変化する。離散位相レベルは、こうすることによって、ほぼ「スミア状態となり」（”ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｔ”）、このことが図７には、弱い振幅ノイズが、例えば、斜線で示した位相位置領域によって示されている。「スミア状態（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｕｎｇ”）」は、図７には、分かりやすくするために、シャープに示されている。厳密に言うと、ノイズによって生じた「スミア状態（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｕｎｇ”）」によって、シャープな境界はない。このノイズは、個別位相位置φ_６及びφ_９間のすべての各中間位相を測定可能にするのに十分である。しかし、それ以外の、図示された各離散位相位置間で、必ずしも、すべての中間位相が検出可能というわけではない。例えば、各離散位相位置φ_３及びφ_４間のすべての中間位相を測定可能にするために、比較的強いノイズを必要とする。最も広幅に離隔した離散位相レベルφ_４及びφ_５間のすべての中間位相を検出可能にするためには、更にもっと強いノイズがなくてはならない。その際、各中間位相は、評価信号３６の多数の周期に亘る長い測定時間によって、及び、マルチバリューの相応の値相互の平均化によって算出することができる。上述のように、振幅ノイズによるのと同じ効果が、位相ノイズ又は周波数ノイズを用いても達成することができる。どんなノイズもなしに、評価信号３６の純粋な振動で、アナログ−デジタル変換器４４によって、この位相位置だけを求めることができ、中間値は求めることができない。

同様に、離散位相レベルの「スミア状態（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｅｎ”）」の効果は、所期の位相変調によって達成することができる。位相変調は、位相のシフトによって、又は、例えば、上述のように、周波数変調によって達成することができる。上述のように、周波数変調によって生じる位相変調は、図８に例として示されている。この際、評価信号３６の位相は両方向に動かされる。実施例では、位相は、平均位相位置φ_ｍを中心にして両側に同様にして変動する。両方向での最大偏向は、各々Ｐ_ｖで示されている。左方向にシフトした最大位相位置は、φ_１で示され、右方向にシフトした最大位相位置は、φ_ｒで示されている。位相変調により、１周期でアナログ−デジタル変換器４４のマルチバリューが変化し、時点ｔ_１１で検出された、平均位相位置φ_ｍのための測定値はＵ_５であるが、この測定値は、左側の位相位置φ_１ではＵ_４であり、右側の位相位置φ_ｒではＵ_７である。各位相の時点ｔ_１３でのマルチバリューの第３の値も同様に変化し、それに対して、時点ｔ_１２及びｔ_１４での各値は、位相変調によって変わらないままである。

図８に示された３つの位相位置の平均値は、正確に位相位置φ_ｍに相応する。従って、３つの位相位置、又は、極端な位相位置φ_１及びφ_ｒの間の位相位置の測定、及び、続く平均化により、平均位相位置φ_ｍが形成される。従って、位相が少なくとも１回両方向に変動する、複数の周期に亘るマルチバリューの測定の際、相互に相応するサンプリング時点の各値の平均値形成から、つまり、時点ｔ_１１，ｔ_２１，ｔ_３１，ｔ_４１等での測定の各値すべてに亘る平均値形成から、アナログ−デジタル変換器４４の非常に高い分解能での位相位置φ_ｍに相応する値が算出される。従って、アナログ−デジタル変換器４４の分解能は、評価値信号３６で実行される位相変調によって「人為的に」高めることができ、その際、もっと良好な分解能の、従って、もっと高価なコンバータを用いる必要はない。このようにして、比較的簡単なコンバータを用いることができ、例えば、１２ビットコンバータ４４の代わりに１０ビットコンバータを用いてもよい。こうすることによって、コストを節約することができる。

周波数変調によって生じて、図８に示された、位相位置の両側のシフトは、分かりやすくするために、図６及び７に示されているように、２つの離散位相位置間の最大間隔よりも大きい。離散位相位置φ_ｉ間の位相位置すべてを測定可能にするために、シフトは、最大位相分解量子の１／２にすれば十分である。最大位相分解量子は、図６，７及び９に示されているように、離散位相位置φ_４及びφ_５間の間隔である。図９には、周波数変調によって生じる、離散位相位置φ_ｉの「スミア状態」（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｅｎ”）が、最大位相分解量子の１／２よりも少しだけ多く位相位置をシフトすることによって示されている。

評価信号３６の位相の所期のシフトによる、離散位相レベルの「スミア状態（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｕｎｇ”）」によって、ノイズによる離散位相レベルの「スミア状態（”Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｕｎｇ”）」に対して、比較的短い測定期間後に、位相位置の非常に精確な測定結果を達成することができる。僅かな、例えば、所期の変調された評価信号３６の１０周期に亘る平均化により、非常に良好な測定結果が得られる。ノイズを用いた等化な結果を達成するためには、アナログ−デジタル変換器４４のマルチバリューの相応する各値を、相当な複数周期に亘って求める必要がある。

ノイズと変調を、良好な測定結果を達成するために使用することも可能である。そのような場合、変調及びノイズによって達成される、離散周波数レベルの「合成されたスミア状態（”ｚｕｓａｍｍｅｎｇｅｓｅｔｚｔｅ Ｖｅｒｓｃｈｍｉｅｒｕｎｇ”）」をあらゆる個所で十分に重畳すると十分である。つまり、評価信号の位相を、位相変調によって、例えば、最大位相分解量子の少なくとも１／４だけ、平均位相位置を中心にして両側にシフトすることができ、その際、高い位相分解能の効果が達成されている。

測距装置の回目の略図 周波数変調装置の原理図 アナログ−デジタル変換器のサンプリング個所での評価信号を示す図 位相シフトを有する評価信号を示す図 別の位相シフトを有する評価信号を示す図 評価信号での測定過程の位相位置レベルを示す図 ノイズによって拡張された位相レベルを示す図 変調限界を有する位相変調された評価信号を示す図 位相変調を有する測定過程の位相位置レベルを示す図

符号の説明

１０ 測距装置
１２ 光送信器
１４ 光受信器
１６ 送信信号
１６’ 規準信号
１８ 対象
２０ 受信信号
２２ 切換スイッチ
２４ 回路装置
２６ 発振器
２７ 変調装置
２８，２８’ 分周器
３０，３０’ 回路装置
３２，３２’ 加算素子
３４ 位相シフト素子
３６ 評価信号
３８ アナログ−デジタル変換器
４０ アンチエイリアジングフィルタ
４２ 増幅器
４４ アナログ−デジタル変換器
４６ マイクロプロセッサ
５２ ＰＬＬ回路
５４ ＶＣＯ回路
５６ ＬＣフィルタ
５８ 変調ユニット
ｆ_０ 基本周波数
ｆ_０Ｍ 変調された基本周波数
ｆ_Ｍ 変調周波数
ｆ_１，ｆ_１’ 周波数
ｆ_２，ｆ_２’ 周波数
ｆ_３，ｆ_３’ 周波数
ｆ_４ 周波数
ｆ_５ 周波数
ｆ_１０，ｆ’ _１０ 周波数
ｆ_２０，ｆ’ _２０ 周波数
ｆ_３０，ｆ’ _３０ 周波数
ｔ_ｐ 周期長
ｔ_ｉ 時点
φ_ｉ 位相位置
Ｑ_Ａ 位相分解量子
Ｐ_Ｖ 最大偏向

Claims (12)

1. 光学信号を用いた測距方法であって、位相情報を搬送するアナログ評価信号（３６）をアナログ−デジタル変換器（４４）でデジタル化し、続いて、前記位相情報を計算ユニットで評価する測距方法において、
   評価信号（３６）を位相変調してアナログ−デジタル変換器（４４）に供給することを特徴とする測距方法。
2. 測定周波数（ｆ’_１，ｆ’_２，ｆ’_３）のアナログ測定信号を形成し、測定信号を評価信号（３６）にし、評価信号（３６）の位相変調を、測定信号の変調によって行う請求項１記載の測距方法。
3. 評価信号（３６）の位相を、平均位相位置（φ_ｍ）を中心にして規則的且つ対称的に変動させる請求項１又は２記載の測距方法。
4. 位相変調を、周波数変調によって達成する請求項１から３迄の何れか１記載の測距方法。
5. 測定信号の測定周波数（ｆ’_１，ｆ’_２，ｆ’_３）を、平均周波数を中心にして規則的且つ対称的に変動する請求項４記載の測距方法。
6. 周波数変調をＶＯＣ回路（５４）での変調信号の入力によって行う請求項４又は５記載の測距方法。
7. 評価信号（３６）の位相変調を、アナログ−デジタル変換器（４４）に同調し、評価信号（３６）の位相を、最大位相分解量子（Ｑ_Ａ）の少なくとも１／４、殊に１／２だけ、平均位相位置（φ_ｍ）を中心にして両側にシフトさせる請求項１から６迄の何れか１記載の測距方法。
8. 評価信号（３６）は、変調周波数の整数倍の評価周波数を有するようにする請求項１から７迄の何れか１記載の測距方法。
9. 評価信号（３６）は、評価周波数を有し、変調周波数は、評価周波数よりも少なくともファクタ３だけ小さい請求項１から８迄の何れか１記載の測距方法。
10. 位相情報を搬送するアナログ評価信号（３６）の形成のための装置と、評価信号のデジタル化用のアナログ−デジタル変換器（４４）と、位相情報の評価用計算ユニットとを有する測距装置、殊に、レーザ測距装置において、
    評価信号（３６）の位相変調用の変調ユニット（５８）を設けることを特徴とする測距装置。
11. 基本周波数（ｆ_０）の基本信号の形成用の発振器（２６）を有しており、ＶＣＯ回路（５４）を用いての前記基本周波数（ｆ_０）の変調用の変調ユニット（５８）が設けられている請求項１０記載の測距装置。
12. ＶＣＯ回路（５４）の入力信号の電圧変調用の変調ユニット（５８）が設けられている請求項１１記載の測距装置。

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