JP3536984B2 - 電気光学的な距離測定のための方法及び装置 - Google Patents
電気光学的な距離測定のための方法及び装置Info
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Description
本発明は、電気光学的な距離測定のための方法に関
し、特にパルス進行時間法による電気光学的な距離測定
のための方法に関している。さらに本発明は、パルス進
行時間法による電気光学的な距離測定のための装置に関
している。 EP 0 314 524 B1もしくは対応するWO 88/05922から、
パルス進行時間法ないしパルス遅延法（Impulslaufzeit
methode,pulse delay method）による電気光学的な距離
測定のための方法が知られており、それによれば、単一
の発光パルスが周期的に送信器から発信され、受信器に
よって検出される。検出された発光パルス信号（反響信
号）は、走査され、デジタル化され、周期的に加算器に
加算され、記憶装置に記憶される。ある周期の走査値に
は、その都度、記憶装置の記憶部が割り当てられる。発
光パルス信号のそれぞれの発信の開始と共に、検出され
た発光パルス信号の走査値が、その前の期間に検出され
た発光パルス信号の、すでに記憶されている走査値に、
さらに加算される。増大する測定の量によって、走査値
の加算の結果として合計パルス信号が形成され、この時
間的な状態から、パルス発信の時刻との関係で発光パル
ス信号の進行時間が決定される。この装置には、反響信
号の正確な状態を調査するために高いサンプリングレー
トが必須である、という欠点がある。サンプリングレー
トは技術上の理由から制限されるし、その上、より高い
サンプリングレートはより大型の記憶装置を要求するの
で、それぞれのパルス信号につき所定の数の走査値だけ
が、評価のため、処理のために存在する。このため、検
出されるパルス信号の時間的な状態を決定する際に、誤
差が現れ、特にパルス信号の形が外部の影響によって変
えられる。 さらに、DE 40 31 668 A1から、電気光学的な距離測
定のための方法が知られており、それによれば、個々の
一連の光パルス（列、シーケンス）が定期的に発信され
る。パルスシーケンスで発信された信号は、帯域幅の広
がった信号で、発信された信号の継続時間はずっと大き
く、反復スペクトルの帯域幅と同じである。パルスシー
ケンスが発信された後で、次のパルスシーケンスが発信
され、検出される光信号はパルスシーケンスの周期で加
算され、記憶される。進行時間の決定のため、送信され
るパルスシーケンスは２つの測定対象に反射されなけれ
ばならない。最尤アルゴリズム（Maximum−Likelihood
−Algorithmus）の利用により、パルスシーケンスの２
つの進行時間が近似され、その進行時間差の計算によっ
て、距離が決定され得る。この公知の方法には、送信器
特にパルスレーザダイオード（Puls−Laserdioden）、
連続レーザダイオード（CW−Laserdioden）の約1000倍
のピーク出力で平均出力が匹敵するもの、が使用され得
ない、という欠点がある。パルスレーザダイオードで
は、次のパルスが送信され得るまで、比較的長い時間が
待たれなければならないため、帯域幅の広がった信号の
送信が可能でない。 本発明は、検出されるパルス信号の時間的な状態の決
定の精度が高められる方法とその方法の実施のための装
置を提供するという技術課題を基礎に置く。 この課題は、本発明に係る方法に示された特徴によっ
て解決される。本発明に係る方法は、パルス進行時間法
による電気光学的な距離測定のための方法であり、ａ）
発光パルス信号は、それぞれ周期的なパルス発信間隔
（TI）内で送信器（11,21）から発信され、ｂ）少なく
とも測定対象（17）で反射される反響信号としての発光
パルス信号は、受信器（12,22）で検出されて信号処理
ユニット（10,27）に導かれ、そこで該反響信号が走査
され、記憶装置（19,25）に記憶され、ｃ）該反響信号
は、事前のパルス発信間隔（TI）で検出された反響信号
に加算され、次に和パルス信号として記憶される方法で
ある。さらに、ｄ）送信器（11,21）として高いピーク
出力を有するパルスレーザが利用され、パルス発信間隔
（TI）内でそれぞれ個々の発光パルス信号が発光され、
その際発光パルス信号は、続いて起こるパルス発信間隔
（TI）において該パルス発信間隔の周期開始に対し種々
の期間のずらし間隔（TV）だけ時間的にずらされて送信
器（11,21）から発信され、又は、検出された各発光パ
ルス信号がパルス発信間隔（TI）の周期開始に対し、信
号処理ユニット（10,27）の種々の期間のずらし間隔（T
V）だけ時間的にずらされて走査され、Ｎのパルス発信
間隔（TI）の進行によってＮの発光パルス信号で形成さ
れるパルスパターンが生じ、ｅ）ずらし間隔（TV）の長
さは、少なくとも発光パルス長さに相当し、かつパルス
発信間隔（TI）より小さく、ｆ）パルスパターンの時間
的な長さから、公知の評価アルゴリズムによって距離が
計算される方法である。 また、課題は、本発明に係る装置に示された特徴によ
って解決される。本発明に係る装置は、ａ）発光パルス
信号がそれぞれ周期的パルス発信間隔（TI）内で発光す
る送信器（11,21）と、ｂ）少なくとも測定対象（17）
に反射される発光パルス信号が反響信号として検出され
る受信器（12,22）と、ｃ）発光パルス信号の制御のた
め及び反響信号の走査と評価のための信号処理ユニット
（10,27）と、ｄ）反響信号の記憶のための記憶装置（1
9,25）と、ｅ）反響信号がそれぞれ以前に検出された反
響信号に加算され、次にパルス和信号として記憶される
信号プロセッサ（14,28）を付属する信号処理ユニット
（10,27）とを有する。さらに、本発明に係る装置は、
ｆ）送信器（11,21）が高いピーク出力を有するパルス
レーザであり、それはパルス発信間隔（TI）内でそれぞ
れ個々の発光パルス信号を発光し、ｇ）送信器（11,2
1）が制御されて、続いて起こるパルス発信間隔（TI）
において、該パルス発信間隔の周期開始に対し種々の期
間のずらし間隔（TV）だけ時間的にずらして送信器（1
1,21）から発信され、又は、受信器（12,22）が制御さ
れて、検出された発光パルス信号がパルス発信間隔
（TI）の周期開始に対して、種々の期間のずらし間隔
（TV）だけ時間的にずれて走査される信号処理ユニット
（10,27）と、ｈ）信号プロセッサ（14,28）と共同で、
記憶装置（19,25）においてＮのパルス発信間隔（TI）
の経過後Ｎの発光パルス信号で形成されるパルスパター
ンが生じ、ｉ）信号処理ユニット（10,27）において、
パルスパターンの時間的な位置から、公知の評価アルゴ
リズムによって距離が計算されるように構成される装置
である。 単一の発光パルス信号は、一定のパルス発信間隔の初
めにずらされたずらし間隔（ないしシフト間隔）でそれ
ぞれ送信される。パルス発信間隔は、送信器のパルス反
復期間（Impulsrepitionszeit）によって決定される。
ずらし間隔の長さは選択されて、単一のパルス信号の所
定の量の発信によって、それぞれ対応したずらし間隔で
ずらされた同じ量の反響信号が、想定される時間軸上に
並行に、記憶される。この時間的にずれて記憶された反
響信号は、パルスパターンを描くが、そのパルスパター
ンはずらし間隔の長さの事前の選択によって強く影響さ
れ得る。望まれる量の反響信号で構成されるパルスパタ
ーンが形成された後で、測定は繰り返され、その後行わ
れる測定の反響信号が、すでに記憶されている反響信号
に加算される。この測定は、反響信号が、ノイズ信号に
対して十分な限度に識別できるまで繰り返される。設定
されている参照パターンとの比較によって、進行時間が
適応した計算方法の適用により決定される。 本発明で、測定の精度が高められる。それによると、
隣接する発光パルス信号の発信間隔の時間は、少なくと
もパルス発信間隔に相当し、個々の発光パルス信号は高
いピーク出力を示す。反響信号の検出の後で、パルスパ
ターンが検出され、参照パターンに対するこの時間的な
状態から、進行時間が精密に決定され得る。本発明は、
測定の精度は一方では送信器のピーク出力と共に、他方
では単に検出されたパルスパターンの数のルート と共に上昇する、という認識に基礎をおいている。よっ
て、測定結果は、より高い測定精度で同様の測定時間
内、あるいは同様の精度でより短い測定時間、が意のま
まである。 本発明のさらなる形態によれば、検出される反響パル
スパターンが、時間的に遅らせた個々の発光パルス信号
の発信によって、発生する。その都度のずらし間隔の時
間的な遅れのための基準点は、パルス発信間隔の開始時
である。特に、ずらし間隔が異なった長さを示し、その
際該長さがランダムなパターン（Zufallsmuster）によ
って形成され、その結果検出される反響パターンも同様
にランダムに分布される。 パルスパターンがｍシーケンスを形成している場合、
測定精度はとりわけ高い、というのもｍシーケンスのた
めに自己相関関数がデルタ関数であるからである。 反響信号の計算上の評価のためには、種々の公知の計
算方法が使用され得る。ある方法では反響信号が参照パ
ルス信号と相関させられ得る。別の方法では、適当な評
価方法、例えば最小分散法とか最尤法を用いて、反響信
号の時間的な状態が調査され得て、それから求められる
進行時間が計算される。 本発明に従う方法の利用のため、かなり高いピーク出
力、例えば５から10Wというピーク出力、を有するパル
スレーザが有利に組み込まれる。これにより、S/N比が
高められ、そのうえレーザの相対的に長い回復時間のた
めに、より大きい測定範囲をカバーすることができる。
その際測定範囲の時間長さ（Zeitabschnitt）は、利用
状況に応じて測定と関係ないが、他に生じた計算操作を
計算機で実施させるのに使われる。 本発明のさらなる形態によると、受信器がCCDユニッ
トで構成される。該ユニットでは、反響信号が大多数の
CCDメモリに中間的に記憶され、加算される。和信号
は、測定の終わりに、評価のための信号処理ユニットに
導かれる。 CCDユニットは、一つのチップ構造に有利に組み込ま
れ得る。記憶能力は任意に拡張でき、その際さらなるCC
Dユニットを意図することによって、測定対象の追加の
画像情報が得られ、さらに処理され得る。 本発明の実施形態において、パルスパターンが擬似不
規則系列（pseudostochastische Folge）を表わし、最
尤法あるいは最小分散法による評価アルゴリズムの利用
によって距離が計算される方法であってもよい。 また、ずらし間隔（TV）の長さが、発光パルス長さの
整数倍であってもよい。 さらに、パルスパターンがｍシーケンスで構成されて
もよい。 また、記憶される和パルス信号のシーケンスは、パル
ス信号の所与の参照シーケンスと相関され、これから得
られる評価値が距離のための尺度を表わしてもよい。 さらに、続いて起こるずらし間隔（TV）の差が一定で
あり、発光パルス長さの整数倍であってもよい。 また、パルスパターンが数回繰り返されて加算されて
もよい。 また、受信器（12,22）がアナログ記憶装置（25）を
有し、そこで反響信号がシーケンシャルに読み込まれ、
中間記憶され、次に和信号として加算される構成であっ
てもよい。 さらに、受信器が、少なくともCCDユニット（22）で
構成され、反響信号の信号電荷への変換のための光子検
出器（23）と、信号電荷の記憶のための少なくとも２つ
のアナログ記憶装置とを有し、その際アナログ記憶装置
（25a,25b）に測定間隔のデータの組が記憶される構成
としてもよい。 また、アナログ記憶装置（25a,25b,…25n）が、それ
ぞれCCDメモリ領域で構成され、転送ゲートで順次互い
に結合され、記憶された信号電荷がそれぞれ隣接するCC
Dメモリ領域に伝送され得るように構成されてもよい。 本発明の２つの実施例が図に示され、下記に詳細に記
述される。 図は次のとおりである： 図１ 好ましい実施例のブロック回路図 図２ それぞれの測定間隔で発信された発光パルス信
号と、時間的にずらされた反響パルス信号で構成された
和信号との時間ダイヤグラム 図３ さらなる実施例のブロック回路図 図１に従う好ましい実施例によれば、距離測定のため
の装置は信号処理ユニット10で構成されており、それ
は、送信器11、受信器12、表示器13、と電気的に接続さ
れている。信号処理ユニット10は、１つの信号プロセッ
サ14を有しており、それは、距離測定の開始時にスター
ト信号をデジタル／アナログ変換器15を介して送信器11
に供給する。送信器11はレーザで構成され、個々の発光
パルス信号は高い出力を発信する。好ましくは、レーザ
のピーク出力は５から10ワットまでである。 送信器11によって発信された発光パルス信号は、レン
ズ系16を通って該装置を後にし、測定対象17に当り、そ
こで反射されて、次に受信器12で捉えられる。受信器12
で検出された発光パルス信号は、反響信号として信号処
理ユニット10のアナログ／デジタル変換器18に導かれ、
次に信号プロセッサ14で処理される。記憶装置19は、あ
る測定間隔の測定結果の記憶のために働く。その際、反
響信号は、約40MHzというサンプリングレートで走査さ
れる。これで測定間隔内に得られた反響信号の走査値
は、記憶装置19の記憶部分にそれぞれ配分される。計算
された測定結果が、そのとき表示器13に表示される。 距離測定の方法が、次に図２を基にして記述される。
送信器11による個々の発光パルス信号の発信は、信号プ
ロセッサ14で制御される。S/N比を増大するため、次々
に多数の発光パルス信号が発信され、その際検出された
発光パルス信号は、加算されて記憶装置19に記憶され
る。パルス信号は、個々のパルス信号としてそのつどパ
ルス発信間隔TI内で発信される。パルス発信間隔TIの長
さは、送信器11の反復時間に対応するものである、測定
間隔は、前もって決定された測定範囲によって確定され
る。例えば、3000メートルの測定範囲を得るためには、
測定間隔は約100μｓの反復時間のレーザによるパルス
発信間隔TIの長さの４分の１に対応する。 個々のパルス信号の発信は、信号プロセッサ14によっ
て、発光パルス信号が周期的に発信されるのではなく、
パルス発信間隔TIの周期で時間的にずらされるように制
御される。図2aに示されるように、最初の送信パルス信
号の発信はパルス発信間隔TIの始めに行われ、それに続
く２番目の送信パルス信号が、ずらし間隔TVだけ２番目
のパルス発信間隔TIの始めすなわち、時点t1から時間的
にずらされて、発信される。送信パルス信号の時間的な
ずれは、各々さらなるパルス発信間隔TIで続行し、その
際パルス発信間隔TIの検出信号は、前述のパルス発信間
隔TIで検出された記憶装置19に記憶された検出信号に加
算される。 ずらし間隔TVの長さが発光パルス長さ（幅）よりも大
きいことによって、反響信号の隣接する測定間隔（測定
区間ないし測定パルス幅、Messintervalle）が重なるこ
とが妨げられる。図２から見て取れるように、４つの測
定間隔の進行によって、記憶装置19に反響パルスパター
ンが記憶され、その際反響信号の間隔は、ずらし間隔TV
の値に依存する。選択的に、ずらし間隔TVを一定に変化
させることも可能である。その時、パルス和のシーケン
ス（Summenimpulsfolge）が等間隔のパルス間隔で生じ
る。 結果として生じるパルスパターンの獲得のために、信
号プロセッサ14は送信器11にスタート信号を供給し、そ
の時間的な順序シーケンスはプログラム可能であり、一
方受信される反響信号は、連続してA/D変換器18を介し
て信号プロセッサ14に供給される（stehen）。２つの発
信される発光パルス信号の開始の間に生じる時間間隔
は、パルス発信間隔TIとずらし間隔TVの長さから構成さ
れる。図2eに示されるように、４つの発光パルス信号の
発信によって１つのパルスシーケンスが発生し、それは
帯域幅の広い信号を表し、その長さは７個の発光パルス
の長さに相当する。これにより、望まれるパルスシーケ
ンスの形態に相当する数の発光パルス信号が発信され−
図２では、４つの発光パルス信号が発信されている−信
号プロセッサ14によって制御される時間的な発信のシー
ケンスが、始めから開始される。この時間的な発信のシ
ーケンスは、S/N比が保証されるまで、繰り返される。 選択的に、望まれるパルスシーケンスの形態への制御
は、発光パルス信号が送信器11によって周期的に、パル
ス発信間隔TIの開始と共に発信されるように形成され、
一方反響信号の走査は、A/D変換器18ですでにずらし信
号間隔だけ前に開始される。これは、信号プロセッサ14
のレジスタにおけるプログラムで制御された読み取りに
よって達成される。 進行時間（これから距離が算出され得る）の決定のた
めに、生成するパルスシーケンスが参照パルスシーケン
スと比較される。好ましくは、参照パルスシーケンスは
検定（校正）測定によって決定され、その際、参照−測
定対象の間隔は、測定器について約０である。公知の数
学的な評価方法によって、例えばDE 40 31 668 A1で知
られた最尤評価アルゴリズム（Maximum−Likelihood−S
chtzalgorithmus）あるいは最小分散法（Methode der
minimalen Varianz）の利用で、次に進行時間が決定さ
れる。選択的に、進行時間は、生成するパルスシーケン
スの参照パルスシーケンスとの相関によって決定され
る。 図３に従うさらなる実施例によれば、距離測定のため
の装置はアナログ受信器で構成され、それはCCD技術で
構成されている。受信器はCCDユニット22で構成され、
それはフォトデテクター23、これに後置される増幅器2
4、アナログCCDメモリ25のシーケンス、で構成されてい
る。それぞれのアナログCCDメモリ25には、測定間隔の
データ量が記憶される。CCDメモリ25は１列に配置さ
れ、隣接するCCDメモリ25は、それぞれの測定間隔のデ
ータの量に相当する数が、伝送のための転送ゲート（Tr
ansfer−Gates）によって同様に連結されている。これ
により、最初の適度な測定間隔のデータは記憶装置25b
に読み取られ、このデータは読み取りサイクル（クロッ
ク）の間に転送ゲートを介して隣接するCCDメモリ25へ
伝送され、そこで記憶される。さらなる測定間隔の進行
により、CCDメモリ25bのデータはさらに隣接するCCDメ
モリに伝送される。測定間隔の既定の数に応じて、その
データはメモリ25nに伝送され、次の読み取りサイクル
でそれぞれの次のデータがCCDメモリ25nにさらに加算さ
れる。十分な数の発信された発光パルス信号によって、
CCDメモリ25nに検出された反響信号が信号処理装置27の
A/D変換器26に読み取られ、デジタル信号に変換され
る。信号処理装置27に配置された信号プロセッサ28は、
上記した実施例と同様に、ある面では発信された発光パ
ルス信号ないしは受信される反響信号の制御のために、
別の面では数学的な評価方法を用いた進行時間の検出の
ために、働く。得られた測定結果は、次に表示器29に表
示される。D/A変換器30を介して、信号プロセッサ28の
スタート信号が送信器21に導かれる。発光パルス信号の
発信の制御は、最初の実施例と同様の方法で行われる。
し、特にパルス進行時間法による電気光学的な距離測定
のための方法に関している。さらに本発明は、パルス進
行時間法による電気光学的な距離測定のための装置に関
している。 EP 0 314 524 B1もしくは対応するWO 88/05922から、
パルス進行時間法ないしパルス遅延法（Impulslaufzeit
methode,pulse delay method）による電気光学的な距離
測定のための方法が知られており、それによれば、単一
の発光パルスが周期的に送信器から発信され、受信器に
よって検出される。検出された発光パルス信号（反響信
号）は、走査され、デジタル化され、周期的に加算器に
加算され、記憶装置に記憶される。ある周期の走査値に
は、その都度、記憶装置の記憶部が割り当てられる。発
光パルス信号のそれぞれの発信の開始と共に、検出され
た発光パルス信号の走査値が、その前の期間に検出され
た発光パルス信号の、すでに記憶されている走査値に、
さらに加算される。増大する測定の量によって、走査値
の加算の結果として合計パルス信号が形成され、この時
間的な状態から、パルス発信の時刻との関係で発光パル
ス信号の進行時間が決定される。この装置には、反響信
号の正確な状態を調査するために高いサンプリングレー
トが必須である、という欠点がある。サンプリングレー
トは技術上の理由から制限されるし、その上、より高い
サンプリングレートはより大型の記憶装置を要求するの
で、それぞれのパルス信号につき所定の数の走査値だけ
が、評価のため、処理のために存在する。このため、検
出されるパルス信号の時間的な状態を決定する際に、誤
差が現れ、特にパルス信号の形が外部の影響によって変
えられる。 さらに、DE 40 31 668 A1から、電気光学的な距離測
定のための方法が知られており、それによれば、個々の
一連の光パルス（列、シーケンス）が定期的に発信され
る。パルスシーケンスで発信された信号は、帯域幅の広
がった信号で、発信された信号の継続時間はずっと大き
く、反復スペクトルの帯域幅と同じである。パルスシー
ケンスが発信された後で、次のパルスシーケンスが発信
され、検出される光信号はパルスシーケンスの周期で加
算され、記憶される。進行時間の決定のため、送信され
るパルスシーケンスは２つの測定対象に反射されなけれ
ばならない。最尤アルゴリズム（Maximum−Likelihood
−Algorithmus）の利用により、パルスシーケンスの２
つの進行時間が近似され、その進行時間差の計算によっ
て、距離が決定され得る。この公知の方法には、送信器
特にパルスレーザダイオード（Puls−Laserdioden）、
連続レーザダイオード（CW−Laserdioden）の約1000倍
のピーク出力で平均出力が匹敵するもの、が使用され得
ない、という欠点がある。パルスレーザダイオードで
は、次のパルスが送信され得るまで、比較的長い時間が
待たれなければならないため、帯域幅の広がった信号の
送信が可能でない。 本発明は、検出されるパルス信号の時間的な状態の決
定の精度が高められる方法とその方法の実施のための装
置を提供するという技術課題を基礎に置く。 この課題は、本発明に係る方法に示された特徴によっ
て解決される。本発明に係る方法は、パルス進行時間法
による電気光学的な距離測定のための方法であり、ａ）
発光パルス信号は、それぞれ周期的なパルス発信間隔
（TI）内で送信器（11,21）から発信され、ｂ）少なく
とも測定対象（17）で反射される反響信号としての発光
パルス信号は、受信器（12,22）で検出されて信号処理
ユニット（10,27）に導かれ、そこで該反響信号が走査
され、記憶装置（19,25）に記憶され、ｃ）該反響信号
は、事前のパルス発信間隔（TI）で検出された反響信号
に加算され、次に和パルス信号として記憶される方法で
ある。さらに、ｄ）送信器（11,21）として高いピーク
出力を有するパルスレーザが利用され、パルス発信間隔
（TI）内でそれぞれ個々の発光パルス信号が発光され、
その際発光パルス信号は、続いて起こるパルス発信間隔
（TI）において該パルス発信間隔の周期開始に対し種々
の期間のずらし間隔（TV）だけ時間的にずらされて送信
器（11,21）から発信され、又は、検出された各発光パ
ルス信号がパルス発信間隔（TI）の周期開始に対し、信
号処理ユニット（10,27）の種々の期間のずらし間隔（T
V）だけ時間的にずらされて走査され、Ｎのパルス発信
間隔（TI）の進行によってＮの発光パルス信号で形成さ
れるパルスパターンが生じ、ｅ）ずらし間隔（TV）の長
さは、少なくとも発光パルス長さに相当し、かつパルス
発信間隔（TI）より小さく、ｆ）パルスパターンの時間
的な長さから、公知の評価アルゴリズムによって距離が
計算される方法である。 また、課題は、本発明に係る装置に示された特徴によ
って解決される。本発明に係る装置は、ａ）発光パルス
信号がそれぞれ周期的パルス発信間隔（TI）内で発光す
る送信器（11,21）と、ｂ）少なくとも測定対象（17）
に反射される発光パルス信号が反響信号として検出され
る受信器（12,22）と、ｃ）発光パルス信号の制御のた
め及び反響信号の走査と評価のための信号処理ユニット
（10,27）と、ｄ）反響信号の記憶のための記憶装置（1
9,25）と、ｅ）反響信号がそれぞれ以前に検出された反
響信号に加算され、次にパルス和信号として記憶される
信号プロセッサ（14,28）を付属する信号処理ユニット
（10,27）とを有する。さらに、本発明に係る装置は、
ｆ）送信器（11,21）が高いピーク出力を有するパルス
レーザであり、それはパルス発信間隔（TI）内でそれぞ
れ個々の発光パルス信号を発光し、ｇ）送信器（11,2
1）が制御されて、続いて起こるパルス発信間隔（TI）
において、該パルス発信間隔の周期開始に対し種々の期
間のずらし間隔（TV）だけ時間的にずらして送信器（1
1,21）から発信され、又は、受信器（12,22）が制御さ
れて、検出された発光パルス信号がパルス発信間隔
（TI）の周期開始に対して、種々の期間のずらし間隔
（TV）だけ時間的にずれて走査される信号処理ユニット
（10,27）と、ｈ）信号プロセッサ（14,28）と共同で、
記憶装置（19,25）においてＮのパルス発信間隔（TI）
の経過後Ｎの発光パルス信号で形成されるパルスパター
ンが生じ、ｉ）信号処理ユニット（10,27）において、
パルスパターンの時間的な位置から、公知の評価アルゴ
リズムによって距離が計算されるように構成される装置
である。 単一の発光パルス信号は、一定のパルス発信間隔の初
めにずらされたずらし間隔（ないしシフト間隔）でそれ
ぞれ送信される。パルス発信間隔は、送信器のパルス反
復期間（Impulsrepitionszeit）によって決定される。
ずらし間隔の長さは選択されて、単一のパルス信号の所
定の量の発信によって、それぞれ対応したずらし間隔で
ずらされた同じ量の反響信号が、想定される時間軸上に
並行に、記憶される。この時間的にずれて記憶された反
響信号は、パルスパターンを描くが、そのパルスパター
ンはずらし間隔の長さの事前の選択によって強く影響さ
れ得る。望まれる量の反響信号で構成されるパルスパタ
ーンが形成された後で、測定は繰り返され、その後行わ
れる測定の反響信号が、すでに記憶されている反響信号
に加算される。この測定は、反響信号が、ノイズ信号に
対して十分な限度に識別できるまで繰り返される。設定
されている参照パターンとの比較によって、進行時間が
適応した計算方法の適用により決定される。 本発明で、測定の精度が高められる。それによると、
隣接する発光パルス信号の発信間隔の時間は、少なくと
もパルス発信間隔に相当し、個々の発光パルス信号は高
いピーク出力を示す。反響信号の検出の後で、パルスパ
ターンが検出され、参照パターンに対するこの時間的な
状態から、進行時間が精密に決定され得る。本発明は、
測定の精度は一方では送信器のピーク出力と共に、他方
では単に検出されたパルスパターンの数のルート と共に上昇する、という認識に基礎をおいている。よっ
て、測定結果は、より高い測定精度で同様の測定時間
内、あるいは同様の精度でより短い測定時間、が意のま
まである。 本発明のさらなる形態によれば、検出される反響パル
スパターンが、時間的に遅らせた個々の発光パルス信号
の発信によって、発生する。その都度のずらし間隔の時
間的な遅れのための基準点は、パルス発信間隔の開始時
である。特に、ずらし間隔が異なった長さを示し、その
際該長さがランダムなパターン（Zufallsmuster）によ
って形成され、その結果検出される反響パターンも同様
にランダムに分布される。 パルスパターンがｍシーケンスを形成している場合、
測定精度はとりわけ高い、というのもｍシーケンスのた
めに自己相関関数がデルタ関数であるからである。 反響信号の計算上の評価のためには、種々の公知の計
算方法が使用され得る。ある方法では反響信号が参照パ
ルス信号と相関させられ得る。別の方法では、適当な評
価方法、例えば最小分散法とか最尤法を用いて、反響信
号の時間的な状態が調査され得て、それから求められる
進行時間が計算される。 本発明に従う方法の利用のため、かなり高いピーク出
力、例えば５から10Wというピーク出力、を有するパル
スレーザが有利に組み込まれる。これにより、S/N比が
高められ、そのうえレーザの相対的に長い回復時間のた
めに、より大きい測定範囲をカバーすることができる。
その際測定範囲の時間長さ（Zeitabschnitt）は、利用
状況に応じて測定と関係ないが、他に生じた計算操作を
計算機で実施させるのに使われる。 本発明のさらなる形態によると、受信器がCCDユニッ
トで構成される。該ユニットでは、反響信号が大多数の
CCDメモリに中間的に記憶され、加算される。和信号
は、測定の終わりに、評価のための信号処理ユニットに
導かれる。 CCDユニットは、一つのチップ構造に有利に組み込ま
れ得る。記憶能力は任意に拡張でき、その際さらなるCC
Dユニットを意図することによって、測定対象の追加の
画像情報が得られ、さらに処理され得る。 本発明の実施形態において、パルスパターンが擬似不
規則系列（pseudostochastische Folge）を表わし、最
尤法あるいは最小分散法による評価アルゴリズムの利用
によって距離が計算される方法であってもよい。 また、ずらし間隔（TV）の長さが、発光パルス長さの
整数倍であってもよい。 さらに、パルスパターンがｍシーケンスで構成されて
もよい。 また、記憶される和パルス信号のシーケンスは、パル
ス信号の所与の参照シーケンスと相関され、これから得
られる評価値が距離のための尺度を表わしてもよい。 さらに、続いて起こるずらし間隔（TV）の差が一定で
あり、発光パルス長さの整数倍であってもよい。 また、パルスパターンが数回繰り返されて加算されて
もよい。 また、受信器（12,22）がアナログ記憶装置（25）を
有し、そこで反響信号がシーケンシャルに読み込まれ、
中間記憶され、次に和信号として加算される構成であっ
てもよい。 さらに、受信器が、少なくともCCDユニット（22）で
構成され、反響信号の信号電荷への変換のための光子検
出器（23）と、信号電荷の記憶のための少なくとも２つ
のアナログ記憶装置とを有し、その際アナログ記憶装置
（25a,25b）に測定間隔のデータの組が記憶される構成
としてもよい。 また、アナログ記憶装置（25a,25b,…25n）が、それ
ぞれCCDメモリ領域で構成され、転送ゲートで順次互い
に結合され、記憶された信号電荷がそれぞれ隣接するCC
Dメモリ領域に伝送され得るように構成されてもよい。 本発明の２つの実施例が図に示され、下記に詳細に記
述される。 図は次のとおりである： 図１ 好ましい実施例のブロック回路図 図２ それぞれの測定間隔で発信された発光パルス信
号と、時間的にずらされた反響パルス信号で構成された
和信号との時間ダイヤグラム 図３ さらなる実施例のブロック回路図 図１に従う好ましい実施例によれば、距離測定のため
の装置は信号処理ユニット10で構成されており、それ
は、送信器11、受信器12、表示器13、と電気的に接続さ
れている。信号処理ユニット10は、１つの信号プロセッ
サ14を有しており、それは、距離測定の開始時にスター
ト信号をデジタル／アナログ変換器15を介して送信器11
に供給する。送信器11はレーザで構成され、個々の発光
パルス信号は高い出力を発信する。好ましくは、レーザ
のピーク出力は５から10ワットまでである。 送信器11によって発信された発光パルス信号は、レン
ズ系16を通って該装置を後にし、測定対象17に当り、そ
こで反射されて、次に受信器12で捉えられる。受信器12
で検出された発光パルス信号は、反響信号として信号処
理ユニット10のアナログ／デジタル変換器18に導かれ、
次に信号プロセッサ14で処理される。記憶装置19は、あ
る測定間隔の測定結果の記憶のために働く。その際、反
響信号は、約40MHzというサンプリングレートで走査さ
れる。これで測定間隔内に得られた反響信号の走査値
は、記憶装置19の記憶部分にそれぞれ配分される。計算
された測定結果が、そのとき表示器13に表示される。 距離測定の方法が、次に図２を基にして記述される。
送信器11による個々の発光パルス信号の発信は、信号プ
ロセッサ14で制御される。S/N比を増大するため、次々
に多数の発光パルス信号が発信され、その際検出された
発光パルス信号は、加算されて記憶装置19に記憶され
る。パルス信号は、個々のパルス信号としてそのつどパ
ルス発信間隔TI内で発信される。パルス発信間隔TIの長
さは、送信器11の反復時間に対応するものである、測定
間隔は、前もって決定された測定範囲によって確定され
る。例えば、3000メートルの測定範囲を得るためには、
測定間隔は約100μｓの反復時間のレーザによるパルス
発信間隔TIの長さの４分の１に対応する。 個々のパルス信号の発信は、信号プロセッサ14によっ
て、発光パルス信号が周期的に発信されるのではなく、
パルス発信間隔TIの周期で時間的にずらされるように制
御される。図2aに示されるように、最初の送信パルス信
号の発信はパルス発信間隔TIの始めに行われ、それに続
く２番目の送信パルス信号が、ずらし間隔TVだけ２番目
のパルス発信間隔TIの始めすなわち、時点t1から時間的
にずらされて、発信される。送信パルス信号の時間的な
ずれは、各々さらなるパルス発信間隔TIで続行し、その
際パルス発信間隔TIの検出信号は、前述のパルス発信間
隔TIで検出された記憶装置19に記憶された検出信号に加
算される。 ずらし間隔TVの長さが発光パルス長さ（幅）よりも大
きいことによって、反響信号の隣接する測定間隔（測定
区間ないし測定パルス幅、Messintervalle）が重なるこ
とが妨げられる。図２から見て取れるように、４つの測
定間隔の進行によって、記憶装置19に反響パルスパター
ンが記憶され、その際反響信号の間隔は、ずらし間隔TV
の値に依存する。選択的に、ずらし間隔TVを一定に変化
させることも可能である。その時、パルス和のシーケン
ス（Summenimpulsfolge）が等間隔のパルス間隔で生じ
る。 結果として生じるパルスパターンの獲得のために、信
号プロセッサ14は送信器11にスタート信号を供給し、そ
の時間的な順序シーケンスはプログラム可能であり、一
方受信される反響信号は、連続してA/D変換器18を介し
て信号プロセッサ14に供給される（stehen）。２つの発
信される発光パルス信号の開始の間に生じる時間間隔
は、パルス発信間隔TIとずらし間隔TVの長さから構成さ
れる。図2eに示されるように、４つの発光パルス信号の
発信によって１つのパルスシーケンスが発生し、それは
帯域幅の広い信号を表し、その長さは７個の発光パルス
の長さに相当する。これにより、望まれるパルスシーケ
ンスの形態に相当する数の発光パルス信号が発信され−
図２では、４つの発光パルス信号が発信されている−信
号プロセッサ14によって制御される時間的な発信のシー
ケンスが、始めから開始される。この時間的な発信のシ
ーケンスは、S/N比が保証されるまで、繰り返される。 選択的に、望まれるパルスシーケンスの形態への制御
は、発光パルス信号が送信器11によって周期的に、パル
ス発信間隔TIの開始と共に発信されるように形成され、
一方反響信号の走査は、A/D変換器18ですでにずらし信
号間隔だけ前に開始される。これは、信号プロセッサ14
のレジスタにおけるプログラムで制御された読み取りに
よって達成される。 進行時間（これから距離が算出され得る）の決定のた
めに、生成するパルスシーケンスが参照パルスシーケン
スと比較される。好ましくは、参照パルスシーケンスは
検定（校正）測定によって決定され、その際、参照−測
定対象の間隔は、測定器について約０である。公知の数
学的な評価方法によって、例えばDE 40 31 668 A1で知
られた最尤評価アルゴリズム（Maximum−Likelihood−S
chtzalgorithmus）あるいは最小分散法（Methode der
minimalen Varianz）の利用で、次に進行時間が決定さ
れる。選択的に、進行時間は、生成するパルスシーケン
スの参照パルスシーケンスとの相関によって決定され
る。 図３に従うさらなる実施例によれば、距離測定のため
の装置はアナログ受信器で構成され、それはCCD技術で
構成されている。受信器はCCDユニット22で構成され、
それはフォトデテクター23、これに後置される増幅器2
4、アナログCCDメモリ25のシーケンス、で構成されてい
る。それぞれのアナログCCDメモリ25には、測定間隔の
データ量が記憶される。CCDメモリ25は１列に配置さ
れ、隣接するCCDメモリ25は、それぞれの測定間隔のデ
ータの量に相当する数が、伝送のための転送ゲート（Tr
ansfer−Gates）によって同様に連結されている。これ
により、最初の適度な測定間隔のデータは記憶装置25b
に読み取られ、このデータは読み取りサイクル（クロッ
ク）の間に転送ゲートを介して隣接するCCDメモリ25へ
伝送され、そこで記憶される。さらなる測定間隔の進行
により、CCDメモリ25bのデータはさらに隣接するCCDメ
モリに伝送される。測定間隔の既定の数に応じて、その
データはメモリ25nに伝送され、次の読み取りサイクル
でそれぞれの次のデータがCCDメモリ25nにさらに加算さ
れる。十分な数の発信された発光パルス信号によって、
CCDメモリ25nに検出された反響信号が信号処理装置27の
A/D変換器26に読み取られ、デジタル信号に変換され
る。信号処理装置27に配置された信号プロセッサ28は、
上記した実施例と同様に、ある面では発信された発光パ
ルス信号ないしは受信される反響信号の制御のために、
別の面では数学的な評価方法を用いた進行時間の検出の
ために、働く。得られた測定結果は、次に表示器29に表
示される。D/A変換器30を介して、信号プロセッサ28の
スタート信号が送信器21に導かれる。発光パルス信号の
発信の制御は、最初の実施例と同様の方法で行われる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01S 7/48 - 7/51
G01S 17/00 - 17/95
Claims (11)
- 【請求項１】パルス進行時間法による電気光学的な距離
測定のための方法であって、 ａ）発光パルス信号は、それぞれ周期的なパルス発信間
隔（TI）内で送信器（11,21）から発信され、 ｂ）少なくとも測定対象（17）で反射される反響信号と
しての発光パルス信号は、受信器（12,22）で検出され
て信号処理ユニット（10,27）に導かれ、そこで該反響
信号が走査され、記憶装置（19,25）に記憶され、 ｃ）該反響信号は、事前のパルス発信間隔（TI）で検出
された反響信号に加算され、次に和パルス信号として記
憶される 方法において、 ｄ）送信器（11,21）として高いピーク出力を有するパ
ルスレーザが利用され、パルス発信間隔（TI）内でそれ
ぞれ個々の発光パルス信号が発光され、その際発光パル
ス信号は、続いて起こるパルス発信間隔（TI）において
該パルス発信間隔の周期開始に対し種々の期間のずらし
間隔（TV）だけ時間的にずらされて送信器（11,21）か
ら発信され、又は、検出された各発光パルス信号がパル
ス発信間隔（TI）の周期開始に対し、信号処理ユニット
（10,27）の種々の期間のずらし間隔（TV）だけ時間的
にずらされて走査され、Ｎのパルス発信間隔（TI）の進
行によってＮの発光パルス信号で形成されるパルスパタ
ーンが生じ、 ｅ）ずらし間隔（TV）の長さは、少なくとも発光パルス
長さに相当し、かつパルス発信間隔（TI）より小さく、 ｆ）パルスパターンの時間的な長さから、公知の評価ア
ルゴリズムによって距離が計算される、 ことを特徴とする方法。 - 【請求項２】パルスパターンが擬似不規則系列（pseudo
stochastische Folge）を表わし、最尤法あるいは最小
分散法による評価アルゴリズムの利用によって距離が計
算されることを特徴とする請求項１による方法。 - 【請求項３】ずらし間隔（TV）の長さが、発光パルス長
さの整数倍であることを特徴とする請求項１又は２のい
ずれかによる方法。 - 【請求項４】パルスパターンがｍシーケンスで構成され
ることを特徴とする請求項１から３のいずれかによる方
法。 - 【請求項５】記憶される和パルス信号のシーケンスは、
パルス信号の所与の参照シーケンスと相関され、これか
ら得られる評価値が距離のための尺度を表わすことを特
徴とする請求項１から４のいずれかによる方法。 - 【請求項６】続いて起こるずらし間隔（TV）の差が一定
であり、発光パルス長さの整数倍であることを特徴とす
る請求項１による方法。 - 【請求項７】パルスパターンが数回繰り返されて加算さ
れることを特徴とする請求項１から６のいずれかによる
方法。 - 【請求項８】ａ）発光パルス信号がそれぞれ周期的パル
ス発信間隔（TI）内で発光する送信器（11,21）と、 ｂ）少なくとも測定対象（17）に反射される発光パルス
信号が反響信号として検出される受信器（12,22）と、 ｃ）発光パルス信号の制御のため及び反響信号の走査と
評価のための信号処理ユニット（10,27）と、 ｄ）反響信号の記憶のための記憶装置（19,25）と、 ｅ）反響信号がそれぞれ以前に検出された反響信号に加
算され、次にパルス和信号として記憶される信号プロセ
ッサ（14,28）を付属する信号処理ユニット（10,27）
と、 を有する装置であって、 ｆ）送信器（11,21）が高いピーク出力を有するパルス
レーザであり、それはパルス発信間隔（TI）内でそれぞ
れ個々の発光パルス信号を発光し、 ｇ）送信器（11,12）が制御されて、続いて起こるパル
ス発信間隔（TI）において、該パルス発信間隔の周期開
始に対し種々の期間のずらし間隔（TV）だけ時間的にず
らして送信器（11,21）から発信され、又は、受信器（1
2,22）が制御されて、検出された発光パルス信号がパル
ス発信間隔（TI）の周期開始に対して、種々の期間のず
らし間隔（TV）だけ時間的にずれて走査される信号処理
ユニット（10,27）と、 ｈ）信号プロセッサ（14,28）と共同で、記憶装置（19,
25）においてＮのパルス発信間隔（TI）の経過後Ｎの発
光パルス信号で形成されるパルスパターンが生じ、 ｉ）信号処理ユニット（10,27）において、パルスパタ
ーンの時間的な位置から、公知の評価アルゴリズムによ
って距離が計算される、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項９】受信器（12,22）がアナログ記憶装置（2
5）を有し、そこで反響信号がシーケンシャルに読み込
まれ、中間記憶され、次に和信号として加算されること
を特徴とする請求項８による装置。 - 【請求項１０】受信器が、少なくともCCDユニット（2
2）で構成され、反響信号の信号電荷への変換のための
光子検出器（23）と、信号電荷の記憶のための少なくと
も２つのアナログ記憶装置とを有し、その際アナログ記
憶装置（25a,25b）に測定間隔のデータの組が記憶され
ることを特徴とする請求項９による装置。 - 【請求項１１】アナログ記憶装置（25a,25b,…25n）
が、それぞれCCDメモリ領域で構成され、転送ゲートで
順次互いに結合され、記憶された信号電荷がそれぞれ隣
接するCCDメモリ領域に伝送され得ることを特徴とする
請求項９又は10による装置。
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