JP2009518622A - 複数の目標が可能な位相不定性の解決方法 - Google Patents

Abstract

位相測定の原理によって距離情報を得るために、少なくとも２つの変調された波長λｉを有する周期信号が二つあるいはそれ以上の対象物体に送信され、その反射が受信され、関係する複数の位相φｉが決定され、Ｊ個の対象物体に割り当てられる個々の対象物体の位相φｉｊに分解される。位相の不定性を解決するために、少なくとも１つの対象物体が配置された不定性の間隔は、所定の幅を有する複数の区画５に分割され、その区画５はカウンタの読みと距離が割り当てられる。カウンタの読みは、可能性のある対象物体の距離に割り当てられる区画５に加算される。その加算は、周期性の連続な変数と全ての位相に対し実行される。絶対位相あるいは少なくとも二つの対象物体からの真の対象物体距離Djは、カウンタの読みの分布から決定される。

Description

本発明は、請求項１による複数の目標が可能な位相不定性の解決方法と、コンピュータプログラム製品と、請求項１６の前段規定による距離計に関する。

非接触距離測定の分野において、様々な測定原理と測定方法が知られている。例えば、たとえば、J. M. Ruegerによる教科書「電子距離測定、第４版、スプリンガー、ベルリン、１９９６年」の中、および、R. Joeckel & M. Stoberによる「Elektronisehe Entfernungs-und Richtungsmessung（距離と方向の電子測定）、第４版、Verlag Konrad Wittwer, Suttgart、１９９９年」に記述されている。市販の電気光学距離計は、主に位相測定原理またはパルス通過時間測定原理により動作している、たとえばJoeckel & Stoberの第１３章に示されている。

これらの装置の動作モードは、変調電磁波の放射、例えば、輝度変調の光を測定すべき目標に放射し、続いて、理想的には排他的に測定目標である後方散乱する対象物体からの１つ以上の反射エコーを受信することを含む。受信されたエコーの信号の評価は、標準の技術的な課題であり、そのための多様な解法、特に光学装置の使用により実現化されている。

位相測定装置は、位相不定性の問題を解決する必要がある。位相計により測定された位相あるいは位相シフトは、波長の整数倍で異なる距離が個々の位相の測定につながるので、明白ではない。この位相の不定性を解決するために、異なる搬送波長での複数の測定が一般的に使われている。それにより、距離は測定された位相シフトから決定される。

多くの用途、特に測地学と建設業界における用途に、位相測定原理によってリフレクタを使用しないで測定する距離計に設けられているタコメータあるいは他の装置が近年ますます重要になっている。

反射鏡を用いない距離測定は、距離計により放射された測定ビームが目標対象物体とは限らない複数の対象物体を当てる状態をしばしばもたらすことがある。この場合、たとえば、エッジの測量において、それが観測されるとき、ビームの一部が測量される実際の目標の対象物体をその端部に当てられ、ビームの他の部分が後ろあるいは床に置かれている対象物体を照射することになる。別の例としては、弱く反射する目標の対象物体の近くに配置され、距離計の受信器に散乱光を向ける再帰反射器である。ビームが、意図的でなく、しばしば気付かれずに、実際の測定する対象物体と測定器の間の物体、例えば距離測定の場合には窓の面や、木の枝や、ワイヤーフェンスを通ることがある。

このような複数の目標の状態において、単一の距離を出力する従来の位相測定器は通常誤った測定、すなわち規定の測定精度から大きく外れた誤差を含む距離の測定値となる。通過時間測定器は、目標が非常に遠く離れているか、あるいは、送信されたパルスがエコーを検出でき離れている程度に十分に短いタイムスパンをカバーする場合は、もっと簡単に複数の目標の状態を認識し、取り扱うことができる。

通過時間測定器の利点にもかかわらず、多くの通常のタコメータが、フィールドにおける用途に受け入れられる努力でミリあるいはサブミリで必要とされる距離の測定精度に到達できるという理由だけで、位相計に設けられている。これらの装置の信頼性は、その位相計が複数の目標が可能ならば、十分に大きくなる。

したがって、たとえば、WO2004/074773あるいはEP1450128が、光信号が一つ以上の目標に放出される、測地距離情報を得るための複数の目標が可能なハイブリッド装置を開示している。送信器と受信器のような装置部品は、信号および記録されるシステム応答により起動される時間に独立な線形システムとして、目標と共にモデル化される。純粋な通過時間測定器あるいは位相計と対照的に、この距離情報は時間関連のシフトおよびシステム応答の信号形状の両方から距離の両方から導かれる。

US4,537,502は、複数の離散周波数で放射線を放出することにより、個々の目標に対する距離を測定する方法を開示している。位相シフトが、目標により反射された放射によって決定される。測定と関連する不定性のある間隔は、距離を表し、協調カウンタを有する区画に分割され、位相シフトの不定性に応じて区画のカウンタが加算される。個々の目標に対する測定される距離は、カウンタの最大の読みを有する区画に基づいて決定される。

欧州特許出願番号05107764.2又は国際PCT出願番号PCT/EP2006/008184において、純粋な位相測定原理による複数の目標が可能な距離測定方法が記述され、それによると、異なる時間で周期的な信号の放射をし、受信された信号をサンプリングすることが記述されており、複数の目標への距離が同時に決定される。ここで、数学的信号モデルに基づいて統計的パラメータの推定する課題が、目標の数が一つ以上規定される、あるいは、原則として目標の数が測定方法によって規定されるので、解決される。この申請書において、受信した信号をそれぞれの目標に割り当てることができる個々の位相に分解するための手段が、記述されている。しかし、この距離測定法は、複雑であり、非常におおきな次数を有するパラメータの推定や最適化の課題の解決を基にしている。

このように、例えば、ハイブリッドシステムにおいて、技術的に実現される、されないだけでなく、位相計あるいは不向きな通過時間の動作あるいはアルゴリズムの高い複雑さのための相当な努力で、複数の目標が可能になることが、今日、公知のすべての距離測定原理の大きな不利となっており、妥当な努力で多くの用途に必要な精度を提供するのは位相計だけである。

図１ａ、１ｂは、装置と目標との間の距離を決定する従来例による位相測定方法の原則を図示する概略図である。

図１ａは、例えば光波２のような変調された光信号のように、変調された信号を有する搬送波が、再帰反射器３を有し、受信器４に反射する目標に発信器１によって放射される。通過時間方法とは対照的に、放射と受信との間の時間差は記録されない。着信および発信信号の位相のシフトが記録される。この位相φは、この距離が放射された光波２の波長λと残りの部分の倍数に対応するので、装置と目標の間の距離に依存する。この残りに部分は、図１ｂに示すように、波長λによる距離の分割時に、残った非整数の成分を表わす。測定された位相φは、残りの部分の約数であり、この位相φと波長λの数を知ることにより、測定装置と目標との間の距離が導かれる。波長λの数はこの方法において整数成分として直接的に決定されないので、この不定性あるいは不定性の位相の更なる解が実行される必要がある。これは、複数の変調周波数、典型的に２から８の周波数を使用することにより実行可能であり、受信信号の絶対的な位相が、送信信号に関連し順次計算される。この目標対象物体への距離が、これら複数の測定から引き出すことが可能となる。

本発明の目的は、したがって、位相の不定性を解決するための、あるいは、位相の測定のためのより高速化され、あるいは、簡素化された複数の目標が可能な方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、位相値におけるノイズや測定誤差について非常に強い測定の方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、複数の目標の場合に位相の不定性を正しい解くことが可能とし、個々の目標に測定された位相の値の割り当てることが必ずしも規定されないことである。ここでは、評価は、特に、有利な通過時間の動作を有する必要がある。

本発明にしたがって、これらの目的は、請求項１−１６の特徴により達成され、それぞれ、または従属の請求項またはこの解法は、さらに展開される。

距離測定のために、信号を運ぶ放射線が生成され、距離に関して測定するために、目標の対象物体の方向に放出される。使用される信号を運ぶ放射線は、たとえば、レーザー光のような電磁波であるが、本発明によるこの方法は、音波のような機械的な波にも適している。目標の対象物体により散乱反射された放射線または波は受信され、電子的に処理され、評価される。電磁的な放射のため、波長は、可視光内でも可視の範囲外、例えば、レーダーの範囲の両方でよい。

本発明によるこの方法は、それぞれ互いに前後に配置され、原則的に上限はないM個の目標への距離の測定が、任意に測定された位相値φ_ij∈[0.2π]により可能であり、この位相値φ_ij∈[0.2π]は、1≦j≦JであるJ個の異なる波長λ_jに対応し、必ずしも個々の目標に割り当てられる必要はない。すなわちφ_ijが、i=1..Mである目標iに必然的に対応しなくてよい。

i=1..Mである目標iへの距離R_iと個々の目標に正確に割り当てられた位相値φ_ijとの関係に対し、以下のことが当てはまる：
2R_i=(φ_ij/2π)*λ_j + N_ij*λ_j + ε_ij、i=1,...,M; j=1 ,...,J （１）
ここに、未知の積分値をN_ijとε_ij未知のノイズ量は、位相φ_ijの測定誤差から、あるいは、位相φ_ijが得られる数値における測定誤差からもたらされる。R_iの前の数“2”は、信号がセンサから目標へのパスを経て、反射した後、再び同じパスでセンサへ戻ることを考慮している。

以下に、この方法を、電磁放射の場合を一例として簡単に説明する。ここでは、放出される放射線は、生成される間あるいはその後に少なくとも2つの波長λ_jを用いて変調される。目標の対象物体が変調に使用された最大の波長を越える距離の外に置かれている場合、絶対位相が波長の倍数にのみ等しい距離として測定できるので、一つの位相φだけの測定から明確な距離を測定することは不可能となる。

この位相の不定性を解決するために、可能性のある、あるいは、想定できる不定性の間隔は、所定の幅の区画に分離される。不定性の間隔は、単純に、測定可能な最大距離に一致させるか、または事前測定や推定により限定することができる。

この区画の幅は、例えば、所定の測定精度の関数として選択することができる。さらに、カウンタが、各区画に割り当てられる。測定された位相φjに対する不定性を解決するためのアルゴリズムは、距離R_N(φ_j)=( φ_j/2p)*(λ_j/2)+N*(λ_j/2)に割り当てられた各区画のカウンタの読みを変更することによって実行される。最も単純な場合には、カウンタがそれぞれ一つ加算されるか、あるいは規定された初期値から減算される。このN∈Ｎである自然数Nは、位相測定の不定性、すなわち、位相の周期を表しており、Nの値が段階的に増加し、個々の区画に割り当てられたカウンタが変化する。このように、距離R_N(φ_j)および割り当てられた区画は、個々の測定された位相あるいは割り当てられた絶対位相に対し可能性のある目標の対象物体への距離を表す。

位相の値は、任意の周期的な信号、すなわち、変調された電磁波、音波、水波または、異なる直径のタイヤ列と関連する。

周期に対する制御変数として、全ての適当なNIＮであるNに対するカウンタの段階的な増分を含むステップは、すべての位相シフトφ_jに対し、したがって、全ての波長に対し実行される。その結果、各区画のカウンタの読みの分布は以下の通りです。少なくとも１つの目標の対象物体への距離および／または考えられる波長λ_jに対応する絶対位相が、分布の最大あるいは最大のカウンタの読みを基に、決定される。

データ構造の形で各区画が、様々な形で表現される。ゼロと異なるカウンタの読みが、区画の一部にだけ生成されるので、たとえば、２進検索ツリーまたはハッシュテーブルをフィールドのデータ構造に付加して使用することもできる。

複数の目標の対象物体への距離測定が同時に実行される場合、複数の目標の個々の位相の割り当てがもはや存在せず、異なる目標の対象物体からの反射の混合された個々の位相が受信器に受信される。それで、個々の位相は、測定された位相の中から一つの測定された位相として再度抽出される必要がある。たとえば、受信信号の中の少なくとも２つの調和振幅成分が評価される場合に、カラテオドリの定理に基づいた、測定された位相の個々の位相へのベクトル分解が成功する。欧州特許出願番号05107764.2にも記述されているような、このような１つの目標の位相分解は、位相の不定性の解決のための発明による方法を直接使用することを可能とする。

目標への位相の割り当てがあるかないかにかかわらず、本発明の方法は、一つの目標の場合と同じように実行できる。

それぞれの位相φ_ijに対して、距離RN(φ_ij)= (φ_ij/2π)*λ_j/2 + N*λ_j /2で調整された区画のカウンタの加算が実行される。個々の位相は、個別に処理される。目標までの距離は、周波数分布の最大の個別最大値から直接生じる。

したがって、本発明によるこの方法は、アルゴリズの観点から以下の要素を備える。
ａ）波長λに対応する位相値φ_λ∈[0.2π]から引き出すための変換ルーチンであり、すべての可能性のある距離R_NがR_N(φ_λ)= (φ_λ/2π)* λ/2 + N*λ/2であり、ここで N=O,1,2,.,Nmax （２）である。
ｂ）規定された距離Rのための記録モジュールの少なくとも１つの記録区画への対応のマップ。各記録区画は、量ARの小さな距離の範囲に対応する。この記録区画は、n=integer[R/ΔR]（３）により与えられる指数に対応する。
ｃ）上記のａ）とｂ）を介し位相値に対応する全ての記録区画の内容を加算する、例えば、少なくとも１を加算するルーチン。したがって、各記録区画は、この記録区画に割り当てられた距離の範囲に対応した大きさの位相値を記録するカウンタとして機能する。
d. ）任意のシーケンス内で上記のルーチンｃ）により全ての位相値が処理された後、ほとんどが記入された記録区画Mを求めるルーチン。これらの距離の範囲が位相値の最大値と一致するので、これらの記録区画は、M個の目標があり、その小さい距離の範囲に対応する。もし、nが、たとえば、記録区画に割り当てられた指数とすると、距離n*ΔRと (n+1)* ΔRの間に目標が存在する。

アルゴリズム的に記述すると、本発明による方法は以下のように表すことができる：
１）予測できるあるいは許容できる誤差の大きさを有し、距離に割り当てられた個々の区画に、不定性の間隔を分解。
２）全ての当てはまるNに対する距離Rn(φij)=(φij/2p)*(λj/2) + N*(λj/2)に割り当てられている区画のカウンタを加算。
３）全ての位相、すなわち、複数の目標の場合にすべてのJと、すべてのiに対してステップ２を繰り返し、ここで実行された１つの目標の位相に事前に分解。
４）目標の対象物体に割り当てられた距離が、カウンタの読みの分布内の最大値に基づいて決定される。

上記の基本的なアルゴリズムの異なる変形がある。本発明によると、代替の実現、たとえば、分布の最小の検索を考慮するよう規定のカウンタの読みを減少することは、加算のアルゴリズムの定式化に対応する。たとえば、使用される波長の数あるいは、複数の目標の場合、波長の数と目標の対象物体の数の積を、カウンタの初期値として設定することができる。

本発明によると、この方法は複数の段階でも実行可能である。したがって、多くの目標の対象物体について、大きめの幅の少ない区画へ不定性の間隔の分割を使用して、粗検索を実行することにより、第１の見積もりが可能となる。伝達時間の視点から、分析する距離の範囲を制限することも可能である。目標の対象物体、および、目標の対象物体が存在する距離の範囲の粗い認識によって、そこを通る波長の倍数の数を制限することができる。アルゴリズムの観点から、値の範囲は、それぞれの波長に対し設けられ、現実に適した絶対位相のみが考慮される。

距離に対応する記録区画内のカウンタを一つ加算する、あるいは、既知の値から減算する代わりに、本発明によると、たとえば、目標への距離がその距離すなわち二つの記録区画の間に入る距離に正確に対応する場合に、隣接する距離範囲に属する二つの記録区画を超える入力のランダムな分布から結果する量子化の影響を避けるために、代替の方法を使用することができる。選択した範囲ΔRが小さすぎるときに、位相値φ_ijの測定の不正確さのために、記録区画に入力の蓄積が、もはや生じなくなるとすると、別の問題が持ち上がる。

たとえば、以下の方法は、量子化効果を回避するために適している：
ａ）R_Nの各値に対して、区画がインポータンスにおいてΔR /2シフトされる二つのデータ構造に入力することが可能である。目標への距離に対応する最大値検索は、この方法で、異なるデータ構造に存在するはずである。M個の目標の場合、異なる距離に対応するMの最大値が、両方の周波数テーブルを横断し選択される。
ｂ）R_Nに対しn=integer(R_N/ΔR)である区画のカウンタを一つ加算するだけの代わりに、modulo(R_N/ΔR)≧0.5のときに、区画nとn+lのカウンタを加算することが可能である。modulo(R_N/ΔR)<0.5のときは、区画nとn-1のカウンタを同様に加算することができる。この場合、ａ）とは対照的に、１つの周波数テーブルだけが使用される。
ｃ）modulo(R_N/ΔR)を考慮に入れないで、n=integer(R_N/ΔR)であるn-lとnとn+lの区画のカウンタを、それぞれの場合に、それぞれの入力に対し一つ加算することが常に可能である。この手順は、周波数テーブルへの入力の間、あるいは、その区画ｎにすでに成されたすべての入力の後、直接に実行することができる。後者の場合、記録区画ｎでカウンタがｑであるとき、n-1とn+lの記録区画のカウンタは、それぞれｑだけ増加する。数学的には、これは、幅３と高さ１の箱型関数を有する元の度数分布の畳み込みに対応する。
ｄ）n-lとnとn+lの記録区画のカウンタをｃ）のようにそれぞれ１を加算する代わりに、黒く区画nは、大きな値、たとえば２で加算することができ、記録区画n-1とn+lをより小さな値、例えば１で加算することができる。この手順は、入力を実行中に、あるいは、全ての位相値の入力の後に、直接に行うことができる。数学的には、これは、幅３と最大高さ２の三角形関数を有する元の度数分布の畳み込みに相当する。また、これは、元の度数分布を有する幅２、高さ１の箱型関数の二重畳み込みと考えられる。

ｃ）とｄ）よりも大きな畳み込みカーネルを有する他の畳み込みは、本発明において可能ではあるが、離散化の課題を解決するためには必要がない。しかし、より大きな畳み込みカーネルは、位相値の蓄積の不足の問題のような他の問題を解決することができる。

大きな寸法の畳み込みカーネルもまた周波数テーブルに分離された入力を収集することが可能である。典型的な畳み込みカーネルは任意の次数のスプラインであり、1次スプラインが通例の箱型関数であり、2次スプラインが三角形関数である。一般的には、n次のスプラインは、箱型関数、すなわち、１次のスプラインを有する畳み込みによりn-1次数のスプラインから帰納的に生成される。無限繰り返しの畳み込みは、最終的にガウス曲線になる。最後に、度数分布がｎ次のスプラインを使用して同じように畳み込みされるか、箱型関数でｎ回の畳み込みが好ましいかは、重要ではなく、ｎ次のスプラインを使用する直接の畳み込みがより効率的だからである。スプラインは異なる解決の場合へも自然なアクセスを提供する。したがって、畳み込みは、異なる解決の場合にも実行されている。

畳み込みカーネルは、位相値の測定誤差の確率分布と相関関係がある。上述のアプローチにおいて、異なる位相値に対する値が、互いに掛け合わせられる代わりに、記録区画内で互いに加算されると考えられるならば、畳み込みカーネルは、（１つの因子を受け入れる）確率分布のアルゴリズムとして解釈することができる。

逆に、周波数テーブルの各区画の初期値が値１であり、畳み込みカーネルがまだ正規化された確率分布でない場合、記録区画のカウンタを加算あるいは減算する代わりに、これまでの既存の値に、常に１より大きい必要がある畳み込みカーネルの値を乗算することが可能である。

測定された位相の信号／ノイズ比がよく知られているので、この場合、個々の測定された位相に対する信頼値κ_ijが利用可能である。周波数テーブルの入力は、これらの信頼値を考慮に入れることができる。したがって、位相値φ_ijが記録区画に対応している場合は、その記録区画のカウンタも、１の代わりに、κ_ij（またはκ_ijに依存する関数）を加算することができる。同じことが、畳み込みカーネルの場合に適用される。

変換ルーチンにおいて、個々の位相値φ∈[0,2π]の代わりに、異なる波長に対応するj0≦J個の位相値の組み合わせを考えることも可能である。この場合、位相値が同じ目標に対応するかどうか不明であり、位相の組み合わせが最初から除外されるべきでないから、ルーチンｃ）は、j0個の組(φ_λ1, φ_λ2,..., φ_λj0)の全ての組み合わせに対し呼び出される必要がある。J個の周波数と２つの目標の場合のj0=2個の位相の組み合わせに対し、その目標への位相の割り当てが欠如しているため、位相の組み合わせ(φ_{1, λ1}, φ_{1, λ2})、 (φ_{1, λ1}, φ_{1, λ3})、(φ_{1, λ1}, φ_{1, λJ})、(φ_{1, λ2}, φ_{1, λ3})、(φ_{1, λ2}, φ_{1, λJ})、(φ_{1, λJ-1}, φ_{1, λJ})だけでなく、それぞれに第１の添え字２を有する同じものと、添え字１と添え字２の混合した組み合わせ、すなわち、たとえば、(φ_{1, λ1}, φ_{1, λ2})の代わりに(φ_{2, λ1}, φ_{2, λ2})を考える必要があり、i, kI{1,2}である(φ_i,λ1, φ_k,λ2)の全ての４つの組み合わせを考慮する必要がある。たとえば、(φ_λ1/2π)*λ1 + N1*λ1 = (φ_λ2/2π)*λ2 + N2*λ2あるいは略して2R_N1(φ_λ1) = 2R_N2(φ_λ2)が存在する距離だけがj0=2個の位相値の組み合わせに対応する。これらの距離は、2次元（一般的にj0次元）相図を介し、あるいは、（j0=2に対し）いわゆるレーン方法を介して、直接に得ることができる。いわゆるワイドレーンを越えて、位相値φ_λ=φ_λ2-φ_λ1が、波長λ=λ1*λ2/(λ1-λ2)において得られる（波長λ=c/fは、周波数fi=c/λi,(i=1,2)となる周波数f=f2-f1に属する）。この位相値は、距離2R_N(φ_λ)=( φ_λ/2π)*λ+N*λ または、φ_λとλを代入した後の2R_N(φ_λ1, φ_λ2)=(( φ_λ1-φ_λ2)/2π)*(λ1*λ2/(λ2-λ1))+ N*(λ1λ2/(λ2-λ1)) （ 4 ）に対応する。ここでN=0,1,2,...,Nmaxである。次式は真である R_N(φ_λ1, φ_λ2)=R_N1(φ_λ1)=R_N2(φ_λ2) ここで N=N1-N2 （ 5 ）すなわちN=N1-N2に対するR_N(φ₁, φ₂)が、R_N1(φ_λ1)=R_N2(φ_λ2)に対する距離であることは、真である。一般的な数n = 0,1,2 ,...,に対してR_N(φ₁, φ₂))は、距離R_N1(φ_λ1)@RN2(φ2)である。

ルーチンｂ）において記録区画上に距離Rをマッピングすることは、最も単純な場合、配列を介し実現される、すなわち、記録区画１が距離0からΔRに対応し、記録区画２が距離ΔRから2ΔRに対応する。しかし代替として、一つの記録区画に応答する、あるいは、規定された添え字n=integer(R/ΔR)による複数の記録区画に応答する任意の種類の検索データ構造を使用することも可能である。（２進法の）検索ツリー、ハッシュテーブル、スキップリスト、など任意の種類の試行錯誤をここでは例として記述する。これらの構造のより詳細な説明は、たとえば、Robert Sedgewick 、Cのアルゴリズム、Addison Wesley, 1998、１−４章：基礎、データ構造、ソート、検索に見ることができる。このような"疎"のデータ構造は、特に小さいΔRと限られた記録容量の場合に重要である。対応する位相がない距離を記録しないで済ませることができる。したがって、ARは、恣意的に小さくなるよう選択できる。これらすべてのデータ構造は、以下の周波数テーブルに参照される。

最大値の決定は、全ての位相値の入力の最後に必ずしも行う必要はなく、入力中に記録することもできる。これは、R=OからR=Rmaxの範囲を非常に正確に、すなわち、小さなARで、求める、非常に大きな配列が周波数テーブルに使用されるときに可能性である。

特に、上記の量子化効果を避けるための、および、測定の不正確さを扱うための方法の場合、最大のピークに直接に隣接する区画は、非常に多くのヒット数を有する。これらを目標として誤って検出することを避けるために、ヒット数が単調減少しているかぎりにおいて、見つけられたピークの周りの全ての区画を目標として容認することは、理論的にできない。

さらに、畳み込みカーネルの場合の倍数の解において、すでに前述したように、ARの選択の場合に倍数の解法を実行することも可能である。この目的のために、配列が周波数テーブルとして選択されたとき、比較的小さい記録空間で管理できるように、ARが最初は比較的大きく選択される。目標への距離がこのようにして比較的粗く、すなわち精度ΔRで測定される場合、これらの範囲は、より正確に分割される。これは、いつでも、帰納法にさらに洗練することができる。ARが最初に大きすぎるよう選択された場合、ノイズでピークが現れないので、明確なピークが形成されないかもしれないことを考慮する必要がある。

本発明によるこの方法は、必要に応じて、実際は並列させることが可能で、その目的のために、たとえば、次のようなアプローチが利用できる：
１）個々の位相値を、異なる処理装置により並列に、周波数テーブルに入力することができる。
２）異なる距離範囲への入力は、異なる処理装置により並列に行うことができる。例えば、距離０と１０ｍの間の距離に対しての処理装置、１０と２０ｍの間の距離に対しての処理装置、等。
３）方法ａ）とｂ）の組み合わせ。
４）周波数テーブルにおける最大値の検出は、異なる処理装置が異なる距離範囲に対する記録区画を分析する場合に、並列に（非常に十分に）実行することができる。

本発明のよる方法は、複数の目標への距離に対する候補を決定するための処理ステップとして機能することができる。数を減らされたこれらの候補者は、評価関数により十分に検討することができる。候補者の数の減少に基づいて、評価関数をあまりに不利な通過時間を扱わないで、逆により複雑になるよう選択することができる。

本発明による方法を用いて、複数の位相測定の連続が、変更なしに、時間を越えて、共通の周波数テーブルに入力される。これは、特に、静止した複数の目標および／あるいは悪い信号／ノイズ比の場合に適している。異なる時間での測定の連続は、たとえ係る目標が静止していることが知られているとしても、異なる距離でピークに導くならば、最も可能性のある距離が自動的に決定される。

本発明による方法は、古典的な位相測定の基本的な原理に基づいているが、しかし、測定された位相の異なる評価により、特に、通過時間の取り扱いと、測定された位相値の内のノイズおよび外れ値に対する頑丈さについて利点を有している。複数の目標の場合における位相の不定性を解決するための、本発明による方法の原理を図の原理を図９に示す。

従来技術は、電磁性あるいは例えば音波のような周期的な信号を有する他の放射の放出と、目標対象物体３´によるその反射とを利用する、位相の不定性を解決するための方法を開示している。このような方法は、図２の例により簡単に説明する。この放射は、少なくとも２つの波長λ₁とλ₂とを備え、その波長のそれぞれに対し、関連する位相φ₁、φ₂が測定される。ここで距離の範囲により規定され、目標の対象物体３´が存在すると思われる不定性の間隔が、個々の区画５に分割される。各区画５はカウンタが割り当てられ、このカウンタの読みは、ここでは球６により図示される。目標の対象物体３´と、ここの例として考えられる2つの波長λ₁とλ₂に対して、関連するカウンタが１だけ加算され、それが個々の区画５に球６の蓄積として図示的に対応された区画を、測定された位相φ₁またはφ₂により表された距離に割り当てることにより、カウンタが加算される。波長λ₁またはλ₂の倍数にだけ距離の決定を許す不定性を考慮するように、波長λ1およびλ2の倍数の増加する数に対して、処理が実行される。すべての波長と可能性のある倍数に対する方法の終了の後で、いくつかの区画のカウンタは特定の量を加算される。この単純な場合では、単一の区画５のカウンタは、この区画５内で二つの球６により表される、値２を有する。区画５に割り当てられた距離は、目標の対象物体３´への真の目標距離を表す。

さらに、静止している目標の対象物体が測定される静的な用途では、周波数テーブルとして、不定性の間隔の複数の分割を生成することにより、動的な処理を取り入れることが可能である。この周波数テーブルはこのように分割の複数のコピーである。ここでは、各周波数テーブルが期間に割り当てられ、各期間において、時間に関連する位相φ_jが、その期間に割り当てられた周波数テーブル内に並べ替えられる。様々な周波数テーブルは分離することが可能であり、互いに関連つけることが可能である。例えば、目標の対象物体が一定の速度であると仮定すると、その速度は、対応する周波数のシフトあるいは時間順序の周波数テーブル内のカウンタの読みに、表れる。

図３は、複数の目標の場合における距離測定のための状態を示す。信号が送信器１から放出され、複数の目標によりすぐに反射される。複数の目標は、目標の距離R1にある第１の目標３ａとしての対象物体と、目標の距離R2にある第２の目標３ｂとしての更なる対象物体とにより例が示され、反射は受信器４により検出される。２つの目標の対象物体３ａ、３ｂの成分は受信器内で互いに重畳されるので、後者の樹受信器は、一つの位相を有する一つの信号だけを受信し、二つの個々の位相の成分を備える。

図４は、複数の目標の場合における位相の概略図を示す。放出された放射線７は、第１の目標対象物体３ａをすぐに当たり、そこから第１の放射線成分７ａが反射され戻される。透明な第１の目標対象物体３ａの場合で送信後の残りの部分が、第２の放射線成分７ｂとして、ここでは不透明と考えている第２の目標の対象物体３ｂに当たる。第２の目標対象物体３ｂにより反射され戻された第３の放射線成分７ｃが最終的に再び受信器に当たる。これは通常、共通の複数対象の位相を有する重畳された第１と第２の放射線成分７ａ、７ｂが記録される。

図４に対応する、複数目標の場合の位相の極座標図を図５に示す。重畳されている第１と第２の放射線成分を備える受信信号を表す複数目標ベクトルまたは複数対象のベクトルMVが示されている。ここで、複数対象という用語は、測定する目標としては実際の感覚として考慮されない対象物体が、受信した放射線に対する寄与をすることができることを意味する。複数対象MVは、第１の放射線成分に対応する第１の単一対象ベクトルEV1と、第２の放射線成分に対応する第２の単一対象ベクトルEV2とから成る。測定された複数対象ベクトルMVがベクトルの成分に分解されるならば、対応する単一対象の位相を引き出すことができ、本発明による方法が、複数目標の場合あるいは複数対象の場合に、直接に適用することができる。注意すべき点は、単一対象ベクトルEV1、EV2への分解の任意の回数があり、その分解が測定された複数対象ベクトルMVを生成することである。

たとえば、より高い調和成分が信号の受信と信号の評価においても考慮されるならば、このような明確な分解が可能である。

図６は、第２高調波を使用する複数目標の場合に対する位相を示す。二重周波数を有する第二高調波により放出された放射線８に対し、同じような条件が適用可能である。より高い高調波の放射線８が、第１の目標対象物体３ａに当たり、その対象物体により、第１の高調波の放射線成分８ａが反射され、戻される。残りの部分が、第２の高調波の放射線成分８ｂとして、第２の目標対象物体３ｂに到達する。第２の目標対象物体３ｂにより反射され戻された第３の高い高調波の放射線成分８ｃが再び受信器に当たる。
共通の高い高調波の複数対象の位相を有する重畳された第１と第２の高い高調波の放射線成分８ａ、８ｃが記録される。

図７は、第2の高調波が、目標の対象物体の特定の距離のために使用されるときの関係を示す。第２の高調波の波長が半分に分割されるので、その絶対位相は倍になる。図８の極座標表示に概略的に示されるように、この位相関係の知識により単一対象の位相への分解が可能である。カラテオドリ定理によると、たとえば、第２の高調波を介しさらなる情報が存在するならば、複数対象ベクトルの明白な分解が存在する。それにより、関連する単一対象の位相の分解と導出が可能となる。複数対象ベクトルMV1は、単一対象ベクトルEV11とEV12に分解される、または、複数対象ベクトルMV2は、単一対象ベクトルEV21とEV22に分解される。単一対象ベクトルの知識から、単一対象ベクトルEV12と単一対象位相φ₁₂に対する例としてここに示されるように、関連する位相が導き出される。

図９は、複数対象の場合に対する位相不定性を解決するための本発明による方法の原理を示す概略図である。単一対象の位相φ_ijのそれぞれは、カウンタを加算するステップが実行され、最終的にカウンタの読みの分布が、真の目標距離R1とR2が導き出され、この例では、二つのカウンタの最大読みの認識により実行されるようになる。複数目標の場合も、この方法が、移動する目標対象物体に対して、図２について記述されているように、動的に成される。

本発明による方法の複数目標の場合の例は、図１０、１１に示す。図１０は、不定性の間隔の全体の構成図であり、図１１はその部分の構成図である。この例では、２つの目標対象物体が距離計から距離１．５ｍと２ｍに配置されている。不定性の間隔は７６８ｍである。測定は、８回実施され、区画の幅は０．１ｍで、重み付けは1/3/1で成され、すなわち、距離RN(φ_ij)= (φ_ij/2π)*λ_j/2 + N*λ_j/2に対応する区画のカウンタは、３ずつ加算され、そして、隣接するカウンタは、それぞれ1つずつ加算される。単一対象の位相は、関連する並べ替えなしに、直接処理される。この例では、カウンタの最大の読みは、２４で、図１０の一番左側に見ることができる。図１１の部分図は、図の中央に２つのピークを示している。正しい距離１．５ｍと２ｍがカウンタの最大の読みにより二つの区画に割り当てられている。

図１２は、本発明による、二つの区画が量子化誤差を回避し、解決するように互いに順に配置されている方法の変形の原理を示す概略図である。カウンタの読みの加算は、不定性の間隔のさらなる分解のために、並列に実行される。この分解は、距離に割り当てと関連し、区画５の半分の幅で離されている。このアプローチによって、例えば、特定のピークをより良くすることが可能で、それは、不利な再分割に基づいて分割され、複数の区画５に割り当てられる。この問題は、ゾーンAとゾーンBに示され、それぞれの場合に、ピークが区画の連続を形成し、そのピークは、二つの隣接する区画５を満たすためにだけ、変位された区画の連続に表れる。

図１３は、本発明による、ピーク識別を有する方法の変形の原理を概略的に示す。
量子化の効果と測定の不正確さのために、直接最大ピークを区分する区画５は、球６の数として示す非常に多くのヒット数を有する。最大のカウンタの読みを有する区画５についての純粋な方向性は、この例では右側のピークに対し全部で３つの区画を識別し、それは、左のピークの最大のカウンタの読みを越えている。これらの３つの区画がそれぞれカウンタの読みだけを基に、３つの目標に割り当てられた場合は、３つの直接に隣接する目標の識別が、３つの区画が識別するべき二つの目標に対し問題を持ち込むので、さらに明確でない誤った解を与える。
この誤った解を避けるために、ヒット数が単調減少する場合は、ピークが見出された周囲のすべての区画５が目標として認められないことをこの式が規定している。
したがって、最大のカウンタの読みに直接隣接する値を無視し、左側のピークに割り当てられ、最大のカウンタの読みを有する区画５が、第２の目標に属するように識別される。
したがってこの方法は、最大のカウンタの読みで始まり、次に最大のカウンタの読みを検索し、絶対最大値の周りの領域を単調減少させるようにすべてのカウンタの読みがつぶされていく。次のピークの識別において、３つの目標の場合、単調な領域内の全てのカウンタの読みが無視されて、除外地域外の３番目の最大のカウンタの読みを有する区画５が、最後に第３の目標距離として見出される。

ａ、ｂは従来例による位相測定方法の原理を示す概略図である。 従来例による単一目標の場合における位相不定性を解決するための方法の原理を示す概略図である。 複数目標の場合の概略図である。 複数目標の場合に対する位相の概略図である。 複数目標の場合に対する位相の極座標図である。 第２の高調波を使用した複数目標の場合に対する位相の概略図である。 第２の高調波を使用した関係を示す。 複数目標の場合に対する個々の位相へのベクトル分解の概略図である。 複数目標の場合に対する位相の不定性を解決するための本発明による方法の原理を示す概略図である。 複数目標の場合に対する本発明による方法の例の全体図である。 複数目標の場合に対する本発明による方法の例の部分図である。 互いに離された二つの区画の配列を有する、本発明による方法の変形の原理を示す概略図である。 例としてピーク識別を有する、本発明による方法の変形の原理を示す概略図である。

Claims (16)

1. 不定性の間隔を有する少なくとも２つの対象物体（３ａ、３ｂ）に向けた、少なくともJ≧2個であり、1≦j≦Jであるような、変調された波長λ_jを有する光波あるいは音波のような周期信号（２、７）を放射し、
   前記対象物体（３ａ、３ｂ）により反射された信号（７ａ、７ｂ）を受信し、
   受信した前記信号からそれぞれの前記波長λjの位相シフトとして位相φ_jを導き、
   前記位相φ_jを、I≦2個の前記対象物体（３ａ、３ｂ）に割り当てられた、1≦i≦Iである単一の対象物体の位相φ_ijに分解し、
   所定の幅の区画（５）に不定性の間隔を分割する位相不定性の解決方法であって、
   カウンタの読みと距離とが前記各区画（５）に割り当てられ、
   前記カウンタの読みの分布が導出可能とされ、
   可能性のある対象物体の距離R_N(φ_ij)=(φ_ij/2π)*(λ_j/2) + N*(λ_j/2)が割り当てられた前記区画（５）に対して、前記カウンタの読みの加算が実行され、
   前記加算が、周期制御変数として不定性の間隔に割り当てることが可能なN∈ＮであるNに対し、特に、不定性間隔に割り当てることが可能なすべてのN∈ＮであるNに対し、そして、全ての単一対象の位相φ_ijに対し実行され、
   前記対象物体（３ａ、３ｂ）の少なくとも一つに対する絶対位相および／あるいは真の距離が決定される
   ことを特徴とする複数の目標が可能な位相不定性の解決方法。
2. それぞれのN∈NであるNおよびそれぞれの単一対象の位相φ_ijに割り当てられた可能性のある前記対象物体に対して、重み関数を使用して、前記カウンタの読みを加算することが一つ以上の前記区画（５）に実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 位相φ_ijを有するT≦JであるT個の組、特にT=2である２つの成分の組の組み合わせに割り当てられた前記区画（５）に対して前記カウンタの読みを加算すること、そして、j1≠j2でありj1,j2≦Jである(φ_ij1/2p)*λ_j1 + N_j1*λ_j1≒(φ_ij2/2p)*λ_j2 + N_j2*λ_j2に割り当てられた前記区画（５）に対して前記カウンタの読みを加算することが実行されることを特徴とする請求項１あるいは２記載の方法。
4. レーン方法を使用して前記カウンタの読みを加算することが実行されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記対象物体の一つへの前記絶対位相および／あるいは前記真の距離を決定することが最大の前記カウンタの読みを識別することにより実行されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ひとつ以上のそのときの最大の前記カウンタの読みが継続的に記録されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記対象物体（３ａ、３ｂ）への前記絶対位相および／あるいは前記真の距離を決定することが、カウンタの最大読みの分布を計算すること、特に前記対象物体（３ａ、３ｂ）に割り当てることが可能な複数の最大値を識別することにより、実行されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 粗い検索が、パラメータを決定すること、特に前記区画（５）の幅の選択を最適化することにより、実行されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記区画（５）の幅が、所定の測定精度の関数として、および／あるいは、倍数の解を有するように選択されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記不定性間隔をさらに分割することのために、特に、距離の割り当てに関して前記区画（５）の幅の半分をシフトして分割するために、前記カウンタの読みの加算が実行されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記カウンタの読みの分布が、加算の後または間で、畳み込みカーネルを、選択的に数回、特に、１次あるいは２次のスプラインを使用し、畳み込まれることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記単一の対象物体の位相φ_ijに信頼値を考慮し、特に前記単一の対象物体の位相φ_ijに信号ノイズ比を考慮し、前記加算が実行されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記不定性間隔を分割するとき、所定の幅の区画（５）への複数の分割が、複数の周波数テーブルとしてなされ、それぞれの周波数テーブルが期間に割り当てられ、各期間において、関連する前記単一の対象物体の位相φ_ijが、前記期間に割り当てられた周波数テーブルに区分されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 請求項１から１３のいずれか記載の方法を実行するために、機械的に読み取り可能な媒体に記録された、あるいは、電磁波により具体化されるプログラムコードを備える、コンピュータで実行されるコンピュータプログラム製品。
15. 前記区画（５）の全体が、周波数テーブル、特に、視域、２進検索ツリー、ハッシュテーブル、スキップリストおよび試行錯誤のデータ構造により表されることを特徴とする請求項１４記載のコンピュータプログラム製品。
16. 変調され、少なくともJ≧2であり、1≦j≦Jである波長λ_jを有する周期的信号（２、７）を生成、放射する少なくとも一つの発生源、特にレーザー光源と、
    反射信号（７ａ、７ｅ）を受信し、該反射信号から複数の波長λ_jのそれぞれに対する位相φ_jを引き出す受信装置と、
    位相不定性を決定するための評価装置と、を備え、
    前記評価装置が、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法を実行するために形成された並列データ処理を有するスイッチングロジック回路、特に特定用途向けICを有することを特徴とする距離計。

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