JP2008122318A - 距離・速度計および距離・速度計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】距離・速度計は、発振波長が増加する第1の発振期間と発振波長が減少する第2の発振期間が交互に存在し、かつ発振波形の周波数が周期毎に変化するように、半導体レーザ1の発振波長を変調するレーザドライバ4と、半導体レーザ1の出力を電気信号に変換するフォトダイオード2と、フォトダイオード2の出力に含まれる外乱光の成分を除去し、除去後の出力に含まれる干渉の情報を発振波形の周波数が基準周波数のときの値に換算し、半導体レーザ1の出力光と測定対象12からの戻り光との干渉に基づくパルスの数を求める計数手段5〜8と、半導体レーザ1の最小発振波長と最大発振波長と計数結果から測定対象11との距離及び測定対象11の速度を算出する演算手段9とを有する。
【選択図】 図1
Description
L=nλ/2 ・・・(1)
式(1)において、nは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
しかしながら、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。また、従来の干渉型計測器では、測定期間中のMHPの周波数を抽出するため、外乱光の周波数が測定すべきMHPの周波数と同程度である場合、外乱光を取り除くことができず、測定に誤りが生じるという問題点があった。
また、本発明の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手段の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手段と、この算出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手段の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手段と、前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間とを合わせた周期毎に算出し、前記状態判定部は、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しく、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しく、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の1構成例において、前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
また、本発明の距離・速度計測方法は、周期毎に振幅が変化するように波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、検出した干渉の情報から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去し、前記周波数成分を除去した後の干渉の情報を前記波長変調した波の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、換算後の干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ1つずつ選択するようにしたものである。
また、本発明の距離・速度計測方法は、周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように波長変調した波を測定対象に放射し、前記波を電気信号に変換する受光器の出力に含まれる信号数を計数し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数の結果に基づいて算出し、前記干渉波形の数に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ1つずつ選択するようにしたものである。
また、本発明の本発明の距離・速度計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調する発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手順と、前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手順と、前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手順と、この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手順で求められた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えるものである。
また、本発明の本発明の距離・速度計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調する発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手順の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手順と、前記算出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手順で求められた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えるものである。
また、本発明の距離・速度計測方法の1構成例において、前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離と速度を同時に算出する手法である。したがって、自己結合以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間(あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間)における測定対象の変位は、MHPの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのMHPの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、本発明の基本的な原理である。
記憶部82は、FFT部81の測定結果を記憶する。判定部83は、FFT部81の測定結果と記憶部82に記憶された1周期前の測定結果とを比較して、信号抽出回路11の出力の周波数特性から外乱光の周波数を除去する。
こうして、信号抽出回路11の出力電圧から外乱光の影響を除去して、MHPの数を取得することができる。計数装置8は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。以下、計数装置8によって測定された、第1の発振期間t−1におけるMHPの数をMHPt−1(t−1の部分は変数MHPの添え字である。以下同様)、第2の発振期間tにおけるMHPの数をMHPtとする。
Lα(t)=λa×λb×(’MHPt−1’+’MHPt’)
/{4×(λb−λa)} ・・・(2)
Lβ(t)=λa×λb×(|’MHPt−1’−’MHPt’|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(3)
Vα(t)=(’MHPt−1’−’MHPt’)×λ/4 ・・・(4)
Vβ(t)=(’MHPt−1’+’MHPt’)×λ/4 ・・・(5)
なお、式の中のクォーテーション記号 ’はMHPの添え字と演算子とを区別するために付したものである(以下同様)。式(4)、式(5)におけるλは、現時刻tに対して1周期前の時刻t−1における波長である。例えば図2の例では、波長λはλaとなる。また、現時刻が図2の時刻t+1である場合は、波長λはλbとなる。
なお、上述の式(2)及び(3)は、半導体レーザ1にモードホッピング現象を持たない型のものを用いる場合を想定したものである。もし、半導体レーザ1にモードホッピング現象を持つ型のものを用いる場合は、上記の式(2)及び(3)に代えて下記の式(2A)及び(3A)を用いる必要がある。
Lα(t)=λa×λb×(’MHPt−1’+’MHPt’)
/{4×(λb−λa−Σλmp)} ・・・(2A)
Lβ(t)=λa×λb×(|’MHPt−1’−’MHPt’|)
/{4×(λb−λa−Σλmp)} ・・・(3A)
ここでλmpは、モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを表す(図28)。ひとつの期間tの中で複数のモードホッピング現象が生じる場合、いずれのλmpもほぼ同じ大きさを示す。Σλmpは、ひとつの期間tの中で生じたモードホッピング現象による周波数の不連続幅の大きさλmpを全て加算した値である。
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(6)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(7)
次に、演算装置9の状態判定部94は、記憶部93に格納された式(2)〜式(7)の算出結果を用いて、測定対象12の状態を判定する(図9ステップS3)。
表示装置10は、演算装置9によって算出された測定対象12との距離及び測定対象12の速度を表示する。
第1の実施の形態では、三角波の周波数を周期T毎に変化させたが、MHPの周波数は三角波の振幅にも比例するので、レーザドライバ4によって、図23に示すように三角波の振幅を周期T毎に変化させてもよい。図23の例では、t−1とtの期間における三角波の振幅をAとすると、t+1とt+2の期間における振幅は2×Aとなっている。
第1、第2の実施の形態では、MHPの周波数を測定した後にこの周波数をMHPの数に変換していたが、MHPの数を直接測定することも可能である。本実施の形態においても、距離・速度計の全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。
図25はMHPと外乱光の三角波振幅依存性を示す図であり、図25(A)は信号抽出回路11の出力におけるMHPの波形を模式的に示し、図25(B)は信号抽出回路11の出力における外乱光の波形を模式的に示している。
そこで、三角波の振幅や周波数を周期T毎に変化させることによって、MHPの数Nおよび外乱光の信号数Nnを周期T毎に変化させることができ、MHPと外乱光を区別して、外乱光の影響を除去することができる。
Nall=N×y+Nn×x ・・・(8)
この信号数Nallがカウンタ86で観測される値である。式(8)より、MHPの数Nは、次式のように求めることができる。
N=(Nall−Nn×x)/y ・・・(9)
N=(Nallold−Nn×1)/1=(Nallnew−Nn×x)/y
・・・(10)
距離・速度計のその他の構成及び処理は第1の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、三角波の周波数と振幅のうち少なくとも一方を周期毎に変化させればよい。
また、外乱光の出現頻度が周期的に変化する場合、三角波の変調の周期と一致すると、外乱光の除去が困難になるため、三角波の周波数又は振幅を1倍、2倍、1倍、2倍・・・・といった一定の規則でなく、ランダムに変化させることが好ましい。
Claims (22)
- 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の周波数が基準周波数のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手段の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手段と、
この算出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の周波数が基準周波数のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、
前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手段と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手段と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手段と、
前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調するレーザドライバと、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手段の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手段と、
前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手段が求めた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とを有することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、
前記半導体レーザの最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部と、
この距離・速度算出部で算出された距離の候補値と前回に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部と、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定部と、
この状態判定部の判定結果に基づいて前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなることを特徴とする距離・速度計。 - 請求項7記載の距離・速度計において、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間とを合わせた周期毎に算出し、
前記状態判定部は、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しく、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項8記載の距離・速度計において、
前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しく、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。 - 請求項4乃至6のいずれか1項に記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計。 - 周期毎に周波数が変化するように波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、検出した干渉の情報から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去し、前記周波数成分を除去した後の干渉の情報を前記波長変調した波の周波数が基準周波数のときの値に換算した後に、換算後の干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ1つずつ選択することを特徴とする距離・速度計測方法。
- 周期毎に振幅が変化するように波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、検出した干渉の情報から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去し、前記周波数成分を除去した後の干渉の情報を前記波長変調した波の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、換算後の干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ1つずつ選択することを特徴とする距離・速度計測方法。
- 周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように波長変調した波を測定対象に放射し、前記波を電気信号に変換する受光器の出力に含まれる信号数を計数し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数の結果に基づいて算出し、前記干渉波形の数に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ1つずつ選択することを特徴とする距離・速度計測方法。
- 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調する発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手順と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手順と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の周波数が基準周波数のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手順で求められた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の振幅が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調する発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号から複数の周期にわたって周波数が変化しない周波数成分を除去する除去手順と、
前記周波数成分を除去した後の受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について測定する周波数測定手順と、
前記第1、第2の発振期間における干渉波形の周波数をそれぞれ前記発振波形の振幅が基準振幅のときの値に換算した後に、前記第1、第2の発振期間における換算後の周波数からそれぞれ干渉波形の数を求める計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記計数手順で求められた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に少なくとも2期間存在し、かつ前記第1の発振期間と前記第2の発振期間を1周期とする発振波形の周波数と振幅のうち少なくとも一方が周期毎に変化するように、前記半導体レーザの発振波長を変調する発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力に含まれる信号数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、複数の周期にわたる前記計数手順の計数結果に基づいて前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について算出する算出手順と、
前記算出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と、前記算出手順で求められた干渉波形の数とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。 - 請求項19乃至21のいずれか1項に記載の距離・速度計測方法において、
前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計測方法。
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