JP2018169371A - 光波距離計 - Google Patents

Abstract

【課題】変調光を断続的に発光するバースト発光方式の光波距離計に於いて、サンプリング時間を短くすることなく、高精度の光波距離測定を可能とした光波距離計を提供する。【解決手段】基準信号発生器１６と、測距光３ａ，３ｂを発する発光素子１と、変調信号生成部２０と、前記発光素子を所定周期でバースト発光させる発光素子駆動回路１２と、反射測距光を受光する受光素子７と、受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部１５とを有し、前記発光素子駆動回路は、変調信号と変調信号を９０゜位相シフトした変調信号とを合成した信号を前記断続発光駆動信号として発し、前記制御演算部は、前記受光信号をＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、前記中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づきバースト周期に対応する周波数の位相を求め、該周波数の位相に基づき距離を演算する。【選択図】図２

Description

本発明は、基準光路となる内部光路を通過する参照光と、測定対象物へ照射され、測定対象物で反射され外部光路を通過する測距光との位相差、又は時間差から測定対象物迄の距離を測定する光波距離計に関するものである。

光波距離計に於いて、距離測定を高精度で行うには、測定対象物からの反射測距光について所定の受光光量が必要であり、測定対象物に照射する測距光のピーク値は、測距距離に対応した光強度が必要となる。

一方、レーザ光線（測距光）を発する発光素子は、発光負荷率（Ｄｕｔｙ）が定められており、発光負荷率の制限から測距光のピーク値も制限されている。

従って、変調光を断続的に発光（バースト発光）するバースト発光方式が採用されている。

又、バースト発光方式は２つの側面を持っている。即ち、バースト発光している変調光をバースト発光周期に於けるパルス発光と見做せる面と、バースト発光している区間内部を、位相差を求める変調光と見做せる面である。

バースト発光方式では、パルス発光と見做すバースト区間全体を利用して粗雑な距離値を測定し、バースト区間内にある変調光を利用して精密な距離値を測定し、それらを合わせることで距離値を計算することができる。

然し乍ら、バースト発光方式では、位相差測定用の変調光をサンプリングする為、アナログデジタル変換器は比較的遅いサンプリング時間となっている。一方、パルス発光と見做した場合、波形の時間的分解能を向上させる必要がありサンプリング時間は短くなければならない。この為、バースト発光方式に於けるパルス発光と見做す距離測定では、測定精度が悪いという問題点があった。

特開２０１１−１８５７０７号公報 特開２０１６−１６１４１１号公報

本発明は、変調光を断続的に発光するバースト発光方式の光波距離計に於いて、サンプリング時間を短くすることなく、高精度の光波距離測定を可能とした光波距離計を提供するものである。

本発明は、基準信号を発する基準信号発生器と、測距光を発する発光素子と、前記基準信号に基づき変調信号を生成する変調信号生成部と、前記変調信号に基づき断続発光駆動信号を発して前記発光素子を所定周期でバースト発光させる発光素子駆動回路と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを有し、前記発光素子駆動回路は、変調信号と変調信号を９０゜位相シフトした変調信号とを合成した信号を前記断続発光駆動信号として発し、前記制御演算部は、前記受光信号をＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、前記中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づきバースト周期に対応する周波数の位相を求め、該周波数の位相に基づき距離を演算する光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記受光信号は受光信号処理部を介して受光回路に入力され、前記受光信号処理部は、前記受光信号を分岐し、分岐した一方の分岐受光信号に基準信号をミキシングし、分岐した他方の分岐受光信号に９０゜位相シフトした基準信号をミキシングし、前記制御演算部に入力する光波距離計に係るものである。

更に又本発明は、前記受光信号処理部は、前記分岐した両分岐受光信号を加算、減算し、更に合成して前記制御演算部に入力し、前記制御演算部は、断続受光信号をパルス信号とし、ＴＯＦ方式により測定対象物迄の距離を演算する光波距離計に係るものである。

本発明によれば、基準信号を発する基準信号発生器と、測距光を発する発光素子と、前記基準信号に基づき変調信号を生成する変調信号生成部と、前記変調信号に基づき断続発光駆動信号を発して前記発光素子を所定周期でバースト発光させる発光素子駆動回路と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを有し、前記発光素子駆動回路は、変調信号と変調信号を９０゜位相シフトした変調信号とを合成した信号を前記断続発光駆動信号として発し、前記制御演算部は、前記受光信号をＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、前記中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づきバースト周期に対応する周波数の位相を求め、該周波数の位相に基づき距離を演算するので、変調光を断続的に発光するバースト発光方式の光波距離計に於いて、アナログデジタル変換のサンプリング時間を短くすることなく、高精度の光波距離測定を可能としたという優れた効果を発揮する。

光波距離測定装置の基本構成を示す概念図である。 本発明の実施例に係る測距部の概略構成図である。 （Ａ）は、測距部に於いて発光素子から発光される測距光を示す説明図、（Ｂ）は、測距部に於いて受光素子から発せられる断続受光信号を示す説明図である。 （Ａ）は内部参照光の断続受光信号を示す図、（Ｂ）は測距光の断続受光信号を示す図、（Ｃ）は、それぞれの断続受光信号から抽出した１次周波数を示す図である。 ＤＦＴ演算処理し、得られる振幅と周波数についてのグラフであり、特に発光周波数近傍を拡大したグラフである。 側波帯に含まれる周波数に関して隣接する２点の周波数の位相を示し、側波帯のＤＦＴの演算を単心円上で表している。 離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を行う為の演算式を示している。 バースト区間を離散フーリエ変換した場合の結果を示すグラフである。 本発明を実行し、不要なエイリアス成分を除した状態を示すグラフである。 信号処理の流れを示す図である。 （Ａ）は、信号処理で得られた信号の合算でビートダウン信号を得る式（２）を示しており、（Ｂ）は、信号処理で得られた信号減算で位相シフトし、更にビートダウン信号を得る式（３）を示している。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて光波距離測定装置の基本構成を説明する。

発光素子１（例えば、レーザダイオード：ＬＤ）は発光素子駆動回路１２によって所定周波数に強度変調されたレーザ光線を射出する。該レーザ光線はハーフミラー２によって測距光３と内部参照光４とに分割され、前記ハーフミラー２を透過した前記測距光３は対物レンズ５を通して測定対象物（図示せず）に照射され、該測定対象物で反射された反射測距光３′は前記対物レンズ５、ハーフミラー８を通して受光素子７により受光される。尚、受光素子としてはフォトダイオード、例えば、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられる。

前記発光素子１、前記発光素子駆動回路１２等は、測距光射出部を構成し、前記受光素子７、増幅器１９（図２参照）、受光回路１３等は、受光信号発生部を構成する。

前記ハーフミラー２で反射された前記内部参照光４は、前記反射測距光３′の光路上の前記ハーフミラー８で反射され、前記受光素子７に受光される。前記ハーフミラー２から前記受光素子７に至る光路は内部参照光路を構成し、既知の光路長を有する。

前記測距光３の光路と前記内部参照光４の光路に掛渡り光路切替え器９が設けられ、該光路切替え器９は駆動回路１４によって光路の切替えが行われ、前記反射測距光３′と前記内部参照光４とが交互に前記受光素子７に受光される。該受光素子７の受光信号は、前記受光回路１３に入力される。

尚、前記光路切替え器９は、前記受光素子７が前記内部参照光４と前記測距光３とを分離して受光できる様にする為の手段であり、前記内部参照光４の光路に光ファイバ等の光路調整部材を設け、前記受光素子７が内部参照光、測距光を受光する際に時間差が生じる様にすれば、前記光路切替え器９は省略できる。

前記受光回路１３は、前記受光素子７からの受光信号をアンプによる増幅、ミキサーによる周波数変換（ビートダウン）、Ａ／Ｄ変換する等所要の信号処理を実行して、処理後の信号を制御演算部１５に入力する。

前記制御演算部１５は、前記発光素子駆動回路１２を制御し、該発光素子駆動回路１２を介して前記発光素子１の発光状態を制御する。又、前記制御演算部１５は前記駆動回路１４を制御して前記受光素子７に入射する前記反射測距光３′と前記内部参照光４との切替えを行う。

又、前記制御演算部１５は、受光信号から前記内部参照光４と前記反射測距光３′との位相差（受光時間差）を求めて距離を演算している。又、前記内部参照光４と前記反射測距光３′との位相差を求めることで、前記受光回路１３のドリフト等回路上の、不安定要素が除去される。

図２は、本発明の実施例に係る測距部の概略構成図を示している。図２中、図１中で示したものと同等のものには、同符号を付してある。

図２中、１６は基準信号発生器を示し、所定の基準周波数を発する。以下の説明では、基準周波数として１２０ＭＨｚ、ビートダウンされた周波数（中間周波数）として７．５ＭＨｚ、アナログデジタル変換のサンプリング周波数として６０ＭＨｚを例示している。尚、各周波数としては、その他２４０ＭＨｚ等、サンプリング周波数を整数倍したものが用いられ、光波距離計が要求される精度、能力に応じて適宜基準周波数が選択される。

前記基準信号発生器１６から発せられる基準周波数に対して、分周波信号が生成され、該分周波信号と前記基準周波数によって変調周波数が生成される。尚、分周波信号は、演算の都合上、基準周波数に整数倍を除して得られるものであり、更に、除数はＳ／Ｎ比に依存する為、８〜２０程度が好ましい。以下の説明では、除数を１６とし、７．５ＭＨｚの分周波信号が生成されている。

前記基準信号発生器１６からの基準信号は、変調周波数生成器１７ａ，１７ｂによって２つの近接した変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚ及び１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが生成される。

該変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚは前記発光素子駆動回路１２に入力されると共に、位相シフト器１８ａによって９０゜位相がシフトされ、９０゜位相がシフトされた変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚが前記発光素子駆動回路１２に入力される。

同様に、前記変調信号１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚは前記発光素子駆動回路１２に入力されると共に、位相シフト器１８ｂによって９０゜位相がシフトされ、９０゜位相がシフトされた変調信号１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが前記発光素子駆動回路１２に入力される。

前記発光素子駆動回路１２は、前記変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚ及び９０゜位相がシフトされた前記変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚにより前記発光素子１をバースト発光（断続発光）させる。例えば、図３（Ａ）に示される様に、バースト発光の周期は、１０μｓ（１０ｋＨｚ）であり、バースト発光時間は９３３．３３ｎｓである。

又、前記発光素子駆動回路１２から発せられる発光駆動信号は、前記変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚに９０゜位相がシフトされた前記変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚが加算され、ＩＱ変調の第１合成信号となっている。

同様に、前記発光素子駆動回路１２は、前記変調信号１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚに９０゜位相がシフトされた前記変調信号１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが加算され、ＩＱ変調の第２合成信号により、前記発光素子１をバースト発光（断続発光）させる。

更に、前記発光素子駆動回路１２は、時分割し、前記第１合成信号、前記第２合成信号により、前記発光素子１を交互に発光させる（図３（参照））。

従って、該発光素子１からは、１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚ及び９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚに変調された合成測距光３ａ、更に１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚ及び９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚに変調された合成測距光３ｂが交互にバースト発光周期（１０μｓ）でバースト発光される。

前記基準信号発生器１６、前記変調周波数生成器１７ａ，１７ｂ、前記位相シフト器１８ａ，１８ｂ等は変調信号生成部２０を構成する。

更に、前記制御演算部１５は、記憶部２１に格納された各種プログラムを実行し、距離測定に必要な所要の演算を実行する。

該記憶部２１には、測定に必要な演算の為の各種プログラムが格納されている。例えば、前記受光回路１３から出力される信号を増幅、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）する等の信号処理を実行する為の信号処理プログラム、バースト信号に対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ：ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を実行する為の演算プログラム、ＤＦＴの結果を位相と振幅に変換するプログラム、ＤＦＴを実行することで得られた１次周波数、２次周波数等、…（後述）の位相と振幅を抽出する為の演算プログラム等が格納されている。

又、前記記憶部２１には、測距結果、演算結果等の各種データが格納される。

主制御部２２は、光波距離計（図示せず）の測距作動を制御すると共に前記制御演算部１５の演算処理を制御する。前記主制御部２２と前記制御演算部１５は、統合して制御部としてもよい。

測距光３に対する信号処理と内部参照光に対する信号処理とは同一であるので、以下は測距光について説明する。

前記受光素子７からは断続受光信号２７ａ，２７ｂ（図３（Ｂ）参照）が交互に発せられ、該断続受光信号２７ａ，２７ｂは前記合成測距光３ａ，３ｂに対応しており、前記断続受光信号２７ａは、９３３．３３ｎｓの信号幅と、１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚと９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが合成されたＩＱ変調の受光信号となっている。

同様に、前記断続受光信号２７ｂは、９３３．３３ｎｓの信号幅と、１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚと９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚが合成されたＩＱ変調の受光信号となっている。

上記した様に、前記発光素子１の発光周期は１０μｓ（１００ｋＨｚ）となっている。従って、両断続受光信号２７ａ，２７ｂの発生周期（発生間隔）は１０μｓとなっている。尚、発光間隔は、測距光が測定対象物に対して往復する時間より充分長く設定され、要求される最大測距距離に対応させ、適宜設定される。

前記断続受光信号２７ａ，２７ｂは、それぞれミキシング回路２６ａ，２６ｂに於いて１２０ＭＨｚの基準信号とミキシングされ、＋７．５ＭＨｚと−７．５ＭＨｚの断続変調信号にビートダウンされる。更に、位相変換器２４で９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚの基準信号が前記断続受光信号２７ａ，２７ｂと前記ミキシング回路２６ａ，２６ｂによりミキシングされＩＱ復調されると共に、前記位相変換器２４で９０゜位相がシフトされた±７．５ＭＨｚの断続変調信号にビートダウンされる。

ＩＱ復調により、＋７．５ＭＨｚと−７．５ＭＨｚの断続変調信号と９０゜位相がシフトされた＋７．５ＭＨｚと−７．５ＭＨｚの断続変調信号とに分離される。

前記ミキシング回路２６ａ，２６ｂ、前記位相変換器２４等は、ＩＱ復調部を構成する。

±７．５ＭＨｚにビートダウンされた断続変調信号は増幅器２８ａで増幅され、９０゜位相がシフトされた±７．５ＭＨｚの断続変調信号は増幅器２８ｂで増幅され、前記受光回路１３に入力される。前記断続変調信号は、前記受光回路１３で、Ａ／Ｄ変換される等、所要の信号処理が行われ、前記制御演算部１５に入力される。

又、前記受光素子７には、１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚと９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚが合成された内部参照光及び１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚと９０゜位相がシフトされた１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが合成された内部参照光が時分割で入射し、前記受光素子７から発せられる受光信号も、測距光３と同様の処理が成される。

尚、前記発光素子駆動回路１２、前記基準信号発生器１６、前記変調周波数生成器１７ａ，１７ｂ、前記位相シフト器１８ａ，１８ｂ等は発光駆動信号生成部３４を構成し、又前記増幅器１９、前記ミキシング回路２６ａ，２６ｂ、前記増幅器２８ａ，２８ｂ、前記位相変換器２４、前記受光回路１３等は、受光信号処理部３５を構成する。

尚、内部参照光については、光路長は一定しており、前記受光回路１３等の回路が安定した状態では、前記発光駆動信号の発生タイミングと、前記受光回路１３が内部参照光を受光し、発する受光信号の発生タイミングは固定される。従って、前記受光回路１３等の回路が安定した状態では、前記受光回路１３が内部参照光を受光し、発する断続受光信号３１（図４参照）の発生タイミングと前記発光駆動信号の発生タイミングとの関係も固定され、前記受光回路１３が発する内部参照光の受光信号は、前記発光駆動信号に基づく信号となる。

而して、前記発光素子駆動回路１２が発する前記発光駆動信号を参照用の信号として使用してもよい。

図４（Ａ）は、１周期１０μｓの周期でバースト発光させた場合の、前記内部参照光４の前記断続受光信号３１を示し、図４（Ｂ）は、前記測距光３の断続受光信号２７ａを示し、図４（Ｃ）は、前記断続受光信号２７ａ、前記断続受光信号３１からＤＦＴの演算処理、側波帯の処理により抽出した１次周波数（１周期１０μｓ）２７ａ′，３１′を示している。

尚、図４では、前記測距光３（３ａ，３ｂ）、前記内部参照光４の１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚの変調周波数の断続受光信号は省略している。又、以下は、９０゜位相をシフトした１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚを省略し、１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚ単独で、前記発光素子１をバースト発光させた場合を説明する。

断続光をパルス光と仮定し、前記断続受光信号３１について、前記測距光３の発光タイミングから前記断続受光信号３１が発せられる迄の時間差をｔ１とし、前記測距光３の発光タイミングから断続受光信号２７が発せられる迄の時間差をｔ２とすると、ｔ２−ｔ１＝Δｔが前記測距光３が測定対象物迄を往復する時間であり、光速とΔｔにより測定対象物迄の距離が測定できる。ところが、断続光は単パルス光とは異なり、断続光には１２０ＭＨｚ±７．５ＭＨｚの変調光が含まれているので、受光された変調光（発せられる変調信号）は距離によって形状が変わる。この為、変調光に対するサンプリング位置にバラツキを生じてしまい、結果的に時間差Δｔが誤差を含むことになり、測定精度が悪くなる。従って、実際は、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号の位相差に基づき距離測定が行われる。

ところが、上記した様に、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号は、共に断続光であるので、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号間の位相差が求められない。従って、バースト区間全体をバースト周期（周波数１００ｋＨｚ）２πとしたときの位相を求めるが、周波数変換した場合、１００ｋＨｚ（１０μｓ）に現れるスペクトルの振幅は小さくなってしまう。

例えば、バースト波形（図３（Ａ）の区間（バースト周期１０μｓ））を離散フーリエ変換（ＤＦＴ：ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）した場合、周波数と周波数に対する振幅と位相が得られる。図５は周波数と振幅との関係を示す曲線３２を示している。

尚、図５は、特に発光周波数（７．５ＭＨｚ）近傍を拡大したグラフとなっている。図示される様に、発光周波数（７．５ＭＨｚ）を中心とした近傍では大きな振幅（以下、側波帯３３）が得られるが、中間周波数（７．５ＭＨｚ）から離れると急激に振幅が小さくなり、発光周期である１００ｋＨｚ（１次の周波数）ではほとんど振幅はでない。

図５中の前記曲線３２上のプロットは、ＤＦＴ演算処理した離散間隔を示している。

これは、前記発光素子駆動回路１２から発せられる発光駆動信号は、１次周波数に直交する周波数のｓｉｎ波であり、バースト区間（信号が存在する区間）に含まれる信号も１次周波数に直交する周波数のｓｉｎ波となり、打ち消され、１次の周波数に有効な振幅が出てこないことによる。

これに対し、本発明者は、中間周波数の発光周波数（７．５ＭＨｚ）前後に振幅の大きな側波帯３３が現れることに着目し、この中間周波数に対する側波帯３３を利用し、中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、更に１次〜４次波長の位相を求めることを見出した。

尚、１次周波数とはバースト発光の周期を２πとする周波数であり、丁度ＤＦＴするデータの長さで１周期回る周波数になる。

ＤＦＴする全域に周波数がある場合、理想的には発光周波数のみピークが立ちその前後の周波数は０となるが、バースト波形（図４（Ａ）、図４（Ｂ）参照）をバースト周期についてＤＦＴすると一部のみ波形がある為、発光周波数との周波数ズレに関係した振幅が現れる。

前記側波帯３３の振幅も発光周波数（７．５ＭＨｚ）との周波数ズレの関係式になる為、ここから周波数差の位相を求めることができる。ＤＦＴの求められる周波数間隔は全域で等しい（即ち周波数間隔はバースト発光周波数）為、前記側波帯３３に含まれ、発光周波数Ｐ１と該発光周波数Ｐ１と１番近い発光周波数Ｐ２との周波数差＝１次周波数となり、前記発光周波数Ｐ１と２番目に近い発光周波数Ｐ３との差＝２次周波数となり、同様に３番目に近い発光周波数Ｐ４との差＝３次周波数、４番目に近い発光周波数Ｐ５との差＝４次周波数となる。これにより低次（例えば、１次〜４次）の周波数の位相を求めることができる（図４（Ｃ）参照）。

更に、発光周波数Ｐ２と該発光周波数Ｐ２に隣接する発光周波数Ｐ３とで１次周波数を求める等、異なる隣接する発光周波数Ｐｎ、Ｐｎ+1を用いて複数の１次周波数を求め、得られた複数の１次周波数について重み付けを行う等、求める１次周波数の精度を高めてもよい。２次周波数、３次周波数等についても、同様に発光周波数の組合せを変え複数の周波数を求め、重み付け等により精度を高めてもよい。

この１次周波数を求めることで長距離の測定ができる。又、２次周波数、３次周波数、４次周波数を求めることで中距離、近距離について高精度の距離測定が行える。

図６は、前記側波帯３３に含まれる周波数に関して隣接する２点の周波数Ｐ１、Ｐ２の位相を示し、前記側波帯３３のＤＦＴの演算を単心円上で表している。

図６中、ωｔを発光周波数（７．５ＭＨｚ、図５中、Ｐ１）の角速度、ω₀ ｔを前記側波帯３３（図５中、Ｐ２）の周波数の角速度とする。

発光周波数と側波帯との角速度の違いから、発光周波数の位相に対して角速度の差分（（ω−ω₀ ）ｔ）位相が回転する。

ωとω₀ は、ＤＦＴの離散間隔で存在するので、隣合った周波数間の差で求まる位相（（ω−ω₀ ）ｔ）は、ＤＦＴの１次周波数の位相と等しくなる。従って、隣合った周波数間の差を求めることで１次周波数の位相を求めることができる。

内部参照光の断続受光信号に対しても、ＤＦＴを行い、側波帯を利用して１次周波数の位相を求めることができる。内部参照光の１次周波数の位相は、測距光との位相差を求める為の参照用１次周波数の位相であり、該参照用１次周波数の位相と前記測距光の断続受光信号の側波帯で得られた１次周波数の位相とにより、内部参照光と測距光との位相差が求められ、測定距離が演算される。

図７は、バースト周期について、ＤＦＴ演算処理を行う演算式（１）を示している。

式（１）に基づき演算処理した結果を、図８に示す。

ＤＦＴ演算処理により、側波帯３３が得られるが、同時に同じ波形を有するエイリアス成分３３′も得られる。このエイリアス成分３３′は、式（１）中、ａ項、ｂ項に該当する。

前記側波帯３３、前記エイリアス成分３３′のいずれを利用しても、前記１次周波数２７ａ′，３１′を求めることはできるが、前記側波帯３３と前記エイリアス成分３３′とが相互に影響を及しているので、精度を向上させる為には、いずれか一方を削除することが好ましい。以下は、前記エイリアス成分３３′を除去する場合について説明する。

式（１）に示される様に、ａ項、ｂ項はそれぞれ、ｃｏｓ、ｓｉｎに依存している。従って、式（１）で演算処理するバースト信号に対して、位相がπ／２（９０゜）ずれたバースト信号を式（１）により演算処理し、得られた結果を加算処理することでａ項、ｂ項が除去できる。

本発明では、斯かる着目に基づき、位相がπ／２（９０゜）ずれたバースト信号を作成し、即ち、９０゜位相をシフトさせた１２０ＭＨｚ±７．５ＭＨｚを作成し、この９０゜位相をシフトさせた１２０ＭＨｚ±７．５ＭＨｚと１２０ＭＨｚ±７．５ＭＨｚとを合わせた変調信号により、前記発光素子１を駆動発光させる。

測定対象物で反射された反射測距光３′が前記受光素子７で受光され、該受光素子７から発せられる断続受光信号が、前記ミキシング回路２６ａ，２６ｂによりビートダウンされ、更に位相変換器２４からの信号によりＩＱ復調される。

ビートダウンした受光信号が＋７．５ＭＨｚ及び９０゜位相がシフトされた＋７．５ＭＨｚの断続受光信号に分離され、−７．５ＭＨｚ及び９０゜位相がシフトされた−７．５ＭＨｚの断続受光信号がＤＦＴ演算処理され、更に得られた結果が合算されることで、前記エイリアス成分３３′が除去される。図９は、該エイリアス成分３３′が除去された状態を示している。

次に、図１０を参照して、上記した信号処理について具体的に説明する。

１２０±７．５ＭＨｚの変調信号に対して９０゜位相がずれた信号が作成され、更に前記制御演算部１５より断続化信号が入力されることで、１２０±７．５ＭＨｚと９０゜位相がずれた１２０±７．５ＭＨｚが合成され、更に断続した変調信号がバースト（Ｂｕｒｓｔ）信号として出力される。

バースト信号により発光された反射測距光（及び内部参照光）を受光した、前記受光素子７からは、断続受光信号が発せられる。分岐された断続受光信号の一方の分岐受光信号には基準信号（１２０ＭＨｚ）がミキシングされてビートダウンし、波形データＡ（Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄａｔａ Ａ）が得られる。又、分岐された他方の分岐受光信号には９０゜位相がずれた基準信号がミキシングされ、ＩＱ復調されると共にビートダウンされ、波形データＢ（Ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄａｔａ Ｂ）が得られる。

波形データＡと波形データＢとを加算処理する（図１１（Ａ）、式（２））ことで、ｃｏｓ（ω−ω₀ ）ｔ（７．５ＭＨｚにビートダウンされた信号）が得られる。

又、波形データＡから波形データＢを減算処理する（図１１（Ｂ）、式（３））ことで、ｓｉｎ（ω−ω₀ ）ｔ（７．５ＭＨｚにビートダウンされ、９０゜位相がずれた信号）が得られる。

尚、合算、減算の過程で、ｓｉｎ（ω＋ω₀ ）ｔ、ｃｏｓ（ω＋ω₀ ）ｔが現れるが、ω＋ω₀ ＝４８０±７．５ＭＨｚは高周波であり、ローパスフィルタによって除去される。

更に、（Ａ＋Ｂ）信号と（Ａ−Ｂ）信号とを合成し、ＤＦＴ演算処理することで、前記エイリアス成分３３′が除去された側波帯３３が得られる（図９参照）。

而して、本実施例では、バースト発光させる発光駆動信号として、断続化された変調信号及びこの変調信号に対して９０゜位相がシフトされた断続化された変調信号が用いられることで、断続受光信号をＤＦＴ演算処理した場合に、側波帯３３を残し、不要な信号であるエイリアス成分３３′を除去することができる。

更に、側波帯３３に含まれる隣接周波数から、バースト区間を１周期とする１次周波数を求めることができ、バースト発光方式で、複雑な回路構成を必要とせず、高精度の測距が可能となる。

１ 発光素子
２ ハーフミラー
３ 測距光
３′ 反射測距光
７ 受光素子
１２ 発光素子駆動回路
１３ 受光回路
１４ 駆動回路
１５ 制御演算部
１６ 基準信号発生器
１７ａ，１７ｂ 変調周波数生成器
１８ａ，１８ｂ 位相シフト器
１９ 増幅器
２０ 変調信号生成部
２１ 記憶部
２２ 主制御部
２４ 位相変換器
２６ａ，２６ ミキシング回路
２７ａ，２７ｂ 断続受光信号
３１ 断続受光信号
３２ 曲線
３３ 側波帯
３５ 受光信号処理部

Claims (3)

1. 基準信号を発する基準信号発生器と、測距光を発する発光素子と、前記基準信号に基づき変調信号を生成する変調信号生成部と、前記変調信号に基づき断続発光駆動信号を発して前記発光素子を所定周期でバースト発光させる発光素子駆動回路と、測定対象物からの反射測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測定対象物迄の距離を演算する制御演算部とを有し、前記発光素子駆動回路は、変調信号と変調信号を９０゜位相シフトした変調信号とを合成した信号を前記断続発光駆動信号として発し、前記制御演算部は、前記受光信号をＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、前記中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づきバースト周期に対応する周波数の位相を求め、該周波数の位相に基づき距離を演算する光波距離計。
2. 前記受光信号は受光信号処理部を介して受光回路に入力され、前記受光信号処理部は、前記受光信号を分岐し、分岐した一方の分岐受光信号に基準信号をミキシングし、分岐した他方の分岐受光信号に９０゜位相シフトした基準信号をミキシングし、前記制御演算部に入力する請求項１に記載の光波距離計。
3. 前記受光信号処理部は、前記分岐した両分岐受光信号を加算、減算し、更に合成して前記制御演算部に入力し、前記制御演算部は、断続受光信号をパルス信号とし、ＴＯＦ方式により測定対象物迄の距離を演算する請求項２に記載の光波距離計。