JP4698373B2

JP4698373B2 - 位置情報取得装置

Info

Publication number: JP4698373B2
Application number: JP2005292398A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 孝佳弓井; 卓史吉田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: JP2007101393A

Description

本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の位置情報を取得する位置情報取得装置に関する。位置情報取得装置は、例えば測定対象物で反射したレーザ光の位相情報を用いて測定対象物の位置情報を知るレーザレーダ等の技術分野に好適に用いることのできる装置である。

従来より、レーザ光を測定対象物に照射し、その時の反射光を受光することにより、測定対象物の位置情報を取得するレーザレーダ装置が種々提案されている。
例えば下記特許文献１では、パルスレーザビーム光の照射時刻とその目標である測定対象物からの反射光の受光時刻との時間差、すなわちレーザ光の往復時間を計数して測定対象物までの距離を算出することができる。

また、レーザ光を振幅変調し、測定対象物から反射した反射光の位相遅れを測定することにより、測定対象物までの距離を算出することもできる。この測定方法により算出される距離は、例えば振幅変調したレーザ光の１波長の１／１００〜１／５００の距離分解能を有する。
一方、この他、測定対象物の距離を幾何学的な三角測量を用いて測定対象物の距離を求めることもできる。

特開２００４−３５４２５３号公報

しかし、上記３つの測定方法は、それぞれ問題点を有する。
パルスレーザビーム光の照射時刻と受光時刻との時間差を用いて距離を算出する測定方法は、レーザパルスのパルス幅をピコ秒以下に短くすることはできるものの、受光信号をＡＤ変換したときのサンプリング周波数は数ＧＨｚに制限される。このため、１ＧＨのパルスレーザビーム光の場合、１ＧＨｚでサンプリングをすると、測定対象物までの距離分解能は１５０ｍｍとなり、距離分解能をｍｍ単位以下、さらにはμｍ単位にすることは困難である。
一方、レーザ光の振幅変調の周波数の上限は１〜２ＧＨｚ程度であり、反射光の受信の上限は、光電子倍増管で受信した場合０．５ＧＨｚ、感度の劣る固体光電変換器で受信する場合の受信周波数の上限は数ＧＨｚである。２ＧＨｚで振幅変調したレーザ光でも、測定対象物の距離分解能は０．３ｍｍ〜１．５ｍｍに留まる。すなわち、距離分解能をμｍ単位にすることは困難である。さらに、このとき測定対象物の距離には、位相情報から距離を算出するため、振幅変調したレーザ光の変調の１波長の整数倍に関する未定部分が残る。
さらに、三角測量を用いて測定対象物の距離を求める測定方法では、距離分解能を高くしたい場合、レーザ光を細く絞る必要があるので測定対象物の測定可能な距離の範囲は著しく制限される。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の位置情報を自動的に取得する装置であって、従来の測定方法に較べて距離分解能を飛躍的に高くして、正確に測定対象物の位置情報を取得する位置情報測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の位置情報を取得する位置情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を所定の変調周波数で時間変調するための変調信号を生成する発振器と、
レーザ光を、変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射手段と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光して反射光の受光信号に変換する受光手段と、
前記受光信号の周波数を一定量一方向にシフトし、かつ、前記受光手段で得られた受光信号の前記変調信号に対する位相情報を、シフトした周波数において保持したシフト信号を生成し、このシフト信号と前記発振器で生成される前記所定の周波数の変調信号とを加えた合成信号を、レーザ光の変調信号として前記レーザ光出射手段に供給する信号処理手段と、
前記受光手段で得られた受光信号を、前記変調信号を用いて検波することにより、前記受光信号に含まれている周波数別の位相情報を得、この周波数別の位相情報から、測定対象物までの距離を求める位置情報算出手段と、を有し、
前記位置情報算出手段は、前記レーザ光出射手段によるレーザ光の出射、前記受光手段による反射光の受光、前記信号処理手段によるシフト信号の生成及び合成信号の前記レーザ光出射手段への供給の工程を複数回繰り返した後に得られる受光信号を用いて測定対象物までの距離を求めることを特徴とする位置情報取得装置を提供する。

その際、前記信号処理手段は、前記シフト信号が所定の周波数範囲内に収まるように前記周波数範囲外の信号成分を除去し、前記周波数範囲内の信号成分を透過させるバンドパスフィルタを有することが好ましい。
前記信号処理手段は、前記受光信号の周波数を一定量一方向にシフトさせるＳＳＢ変調器を有することが好ましい。なお、周波数を一方向にシフトさせるとは、周波数を高周波側方向にシフトさせる、あるいは低周波側にシフトさせることをいう。
又、前記発振器の生成する変調信号の変調周波数をｆ₀（Ｈｚ）とし、前記受光信号の周波数を一定量一方向にシフトするシフト量をΔｆ（Ｈｚ）とし、測定対象物までの距離をｌとしたとき、前記位置情報算出手段で用いられる受光信号の、周波数｛ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆ｝（ｍは１以上の整数）における位相情報は２π・ｌ／ｃ×｛ｍ・ｆ₀ ＋ｍ・（ｍ−１）／２・Δｆ｝（ｃは光速度）であり、前記位置情報算出手段は、この位相情報を用いて距離ｌを算出することが好ましい。

なお、前記シフト信号における周波数のシフト方向は、高周波側方向であっても、低周波側方向であってもよい。

本発明の位置情報取得装置では、受光手段で得られた受光信号の位相情報を保持しながら、受光信号の周波数を一定量一方向シフトしたシフト信号を生成し、このシフト信号と発振器で生成された変調信号とを加えた合成信号を、レーザ光の変調信号としてレーザ光出射手段に供給する。しかも、レーザ光出射手段によるレーザ光の出射、受光手段による受光、シフト信号の生成及び合成信号のレーザ光出射手段への供給の工程を複数回繰り返した後に得られる受光信号を用いて測定対象物の距離を求める。このため、距離の算出に用いられる受光信号には、各周波数における位相ずれが畳重した位相を有する周波数成分が含まれる。例えば、レーザ光出射手段によるレーザ光の出射、受光手段による受光、シフト信号の生成及び合成信号のレーザ光出射手段への供給の工程を１０００回以上繰り返すことで、１〜１０００以上の周波数毎の位相ずれが畳重した位相を有する１０００以上の周波数成分が受光信号に含まれる。このため、これらの周波数成分の位相情報を取り出し、各周波数成分毎に、距離を逐次算出することで、測定対象物の距離を測定する場合、レーザ光の変調の１波長の整数倍に関する未定部分は決定される。しかも、受光信号の上限周波数又は下限周波数の成分は、各周波数成分の位相ずれを最も多く畳重した周波数成分であるので、上限又は下限の周波数成分の位相情報から求められる距離は、従来の方法に較べて分解能が高くなる。この分解能は、上記繰り返し回数を増やすほど高くなり、例えば数μｍの距離分解能を実現でできる。このため、従来に比べて分解の高い正確な距離を求めることができる。

以下、本発明の位置情報取得装置について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。

図１は、本発明の位置情報測定装置の一実施形態である装置（以降、装置という）１０の構成を示したブロック図である。
装置１０は、測定対象物Ｔにレーザ光を照射し、このときの測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより取得される受光信号に含まれる位相情報を用いて、測定対象物Ｔまでの位置情報を算出する装置である。
なお、測定対象物Ｔの距離である奥行き方向（レーザ光の出射方向）の位置情報の他に、測定対象物の表面形状を含めた３次元位置情報を取得する装置として構成することもできる。この場合、装置１０は、レーザ光を出射させて測定対象物Ｔの異なる領域に照射し、測定対象物Ｔの表面で反射したレーザ光を受光するレーザレーダ装置である。
なお、装置１０は測定対象物Ｔの位置情報を算出する装置であるか、同様の構成により、測定対象物Ｓの発する蛍光の蛍光緩和時定数を算出する装置を構成することもできる。この場合、装置を構成するコンピュータの処理内容が異なる。

装置１０は、レーザ光を測定対象物Ｔに照射し測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより出力される受光信号から、測定対象物Ｔの位相情報を含んだ信号を出力する本体部１２と、本体部１２から出力された信号を用いて測定対象物Ｔまでの距離を算出するコンピュータ１４と、を有する。
コンピュータ１４は、本体部１２から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部１２の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。

本体部１２は、レーザ光出射ユニット２０と、受光ユニット３０と、信号処理回路ユニット４０と、制御処理回路ユニット５０と、発振回路６０と、を有する。制御処理回路ユニット５０は、コンピュータ１４と接続されている。

図２（ａ）は、レーザ光出射ユニット２０のブロック構成図である。
レーザ光出射ユニット２０は、図２（ａ）に示すように、レーザ光を出射する部分であり、レーザダイオード２２と、レーザダイオードを駆動するレーザドライバ２４と、レーザダイオード２２に対応して設けられた光学レンズ２８とを有する。

レーザドライバ２４は、周波数５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの変調信号（以降、ＲＦ変調信号という）の供給を受ける。このＲＦ変調信号は、レーザダイオード２４から出射されるレーザ光の光強度を時間変調するために用いられる。
ここで周波数は、一定の初期周波数ｆ₀の初期変調信号に、後述する周波数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δf（ｍは自然数）を含むシフト信号を加えた変調信号が順次レーザドライバ２４に供給される。例えば、初期周波数ｆ₀＝６００ＭＨｚに対してΔｆ＝１ｋＨｚである。

図２（ｂ）は、受光ユニット３０のブロック構成図である。
受光ユニット３０は、図２（ｂ）に示すように、測定対象物Ｔの表面で反射して到来したレーザ光の反射光を受光する部分で、レーザ光の光路の上流側から順に、バンドパスフィルタ３１、光学レンズ３２及び光電変換器３８が配置されている。

バンドパスフィルタ３１は、レーザ光の波長帯域の光を透過させて、それ以外の波長帯域の光を遮断する狭帯域フィルタで、不必要な外光を遮断し、測定対象物Ｔからの反射光のＳＮ比を向上させる。
光学レンズ３２は、バンドパスフィルタ３１を透過した透過光を光電変換器３８に集光するために用いられる。

光電変換器３８は、受光したレーザ光を受光信号（受光信号）に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等のデバイスが設けられている部分である。このデバイスから受光信号が出力される。
なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外（８００〜１２００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域（４００μｍ〜８００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。

信号処理回路ユニット４０は、発振回路６０からの初期周波数ｆ_０の初期変調信号と、受光ユニット３０から供給され、後述するＳＳＢ変換器４５にて位相情報を保持したまま周波数をΔｆシフトさせたシフト信号とを加えてレーザ光出射ユニット２０に再度供給する処理を行う回路である。さらに、光電変換器３８から出力され増幅された受光信号を、レーザ光照射ユニット２０に供給された初期周波数ｆ_０の初期変調信号と同一の信号を参照信号として用いてミキシングし、変調信号により変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号（ＩＦ信号）として取り出す部分である。
具体的には、信号処理回路ユニット４０は、方向性結合器４１、可変増幅器４２、増幅器４３、方向性結合器４４、ＳＳＢ変調器４５、バンドパスフィルタ４６及びＩＱミキサ４７を有する。

方向性結合器４１は、受光ユニット３０で得られた受光信号を、増幅器４３、方向性結合器４４、ＳＳＢ変調器４５及びバンドパスフィルタ４６で処理されて得られたシフト信号と、発振回路６０から供給された初期周波数ｆ₀の初期変調信号とを加えて、可変増幅器４２に供給する高周波素子である。
可変増幅器４２は、初期周波数ｆ_０の初期変調信号とシフト信号とを加えた合成信号を所定の増幅率で増幅し、レーザ光出射ユニット２０に供給する。増幅された合成信号は、レーザ光出射ユニット２０にてレーザ光の強度を時間変調する変調信号として用いられる。なお、可変増幅器４２を用いるのは、後述するようにバンドパスフィルタ４６で規定される信号の通過可能な周波数範囲で、受光信号及びシフト信号が減衰することのないように、増幅率を調整するためである。
増幅器４３は、受光ユニット３０から供給された受光信号を増幅して方向性結合器４４に供給する。
方向性結合器４４は、受光信号を分離してＩＱミキサ４７に供給するとともに、ＳＳＢ変調器４５に供給する高周波素子である。

ＳＳＢ変調器（Single Side Band modulator）４５は、方向性結合器４４から供給された受光信号の位相情報（位相差）を保持したまま、その受光信号の周波数を所定の周波数Δｆシフトさせたシフト信号を生成する高周波素子である。所定の周波数Δｆは、発振回路６０の第２発振器６３から供給される信号の周波数である。

図３は、ＳＳＢ変調器４５のブロック構成図である。
ＳＳＢ変調器４５は、９０度ハイブリッド４５ａ、ミキサ４５ｂ，４５ｃ、９０度位相器４５ｄ、１８０度ハイブリッド４５ｅを有して構成される。
９０度ハイブリッド４５ａは、受光信号の位相を０度及び９０度に分離するハイブリッドリングを備える高周波素子であり、０度及び９０度に分離された受光信号をミキサ４５ｂ，４５ｃに供給する。一方、９０度位相器４５ｄは、第２発振器６３から供給された周波数Δｆの信号を位相０度及び９０度に変えてミキサ４５ｂ，４５ｃに供給する。
１８０度ハイブリッド４５ｅは、受光信号の位相を０度及び１８０度に分離するハイブリッドリングを備える高周波素子であり、端子の一方からは、受光信号の位相情報を保持したまま、周波数Δｆ高周波側にシフトさせたＵＳＢ信号を出力し、他方の端子からは、受光信号の位相情報を保持したまま、周波数Δｆ低周波側にシフトさせたＬＳＢ信号を出力する。
ＳＳＢ変調器４５では、ＵＳＢ信号を出力してバンドパスフィルタ４６に供給する。

バンドパスフィルタ４６は、所定の周波数範囲の信号成分のみを通過させ、残りは除去するシャープな特性を有するフィルタであり、ＳＳＢ変調器４５にて周波数を高周波側にシフトさせるときの有効な周波数範囲を規定するために用いられる。バンドパスフィルタ４６は所定の周波数範囲のシフト信号のみを通過させて方向性結合器４１に供給する。
信号処理回路ユニット４０は、後述するように、レーザ光の測定対象物からの反射光が有する位相情報を保持したまま、周波数をΔｆシフトさせたシフト信号を含む信号をレーザ光の変調信号として用いる一方、バンドパスフィルタ４６は所定の周波数範囲のシフト信号のみを通過させる。このため、バンドパスフィルタ４６から出力され、方向性結合器４１に供給されるシフト信号の周波数成分は、バンドパスフィルタ４６が規定する所定の周波数範囲の成分である。可変増幅器４２は、信号処理回路ユニット４０及びレーザ光の照射、反射及び受光の系における信号成分のエネルギの散逸に対して減衰せず、また増幅率を過大に設定して信号が発散することのないように適切に調整されて用いられる。このため、初期周波数ｆ₀の初期変調信号をレーザ光出射ユニット２０に供給した時点から時間が経過して、バンドパスフィルタ４６の規定する所定の周波数範囲内の周波数成分で満たされた安定したときの受光信号は、図４に示すように初期周波数ｆ₀〜ｆ_n-1（＝ｆ₀＋（ｎ−１）・Δｆ）の周波数範囲内で振幅を有する信号となる。

このように信号処理回路ユニット４０は、初期変調信号でレーザ光を照射して、測定対象物に反射した反射光を受光し、このときの位相情報を保持したまま、周波数をｆ₀からｆ₀＋Δｆとし、このシフト信号と初期変調信号を加えた合成信号をレーザ光の変調信号として用いる。さらに、このレーザ光による照射、反射、受光を繰り返して、位相情報を保持したまま、周波数ｆ₀＋Δｆからｆ₀＋２・Δｆとし、このシフト信号と初期変調信号とを加えた合成信号をレーザ光の変調信号として用いる。このように受光信号の出力から、周波数のシフト、変調信号の生成、変調されたレーザ光の照射、受光信号の出力までの一連のループになった処理工程は、受光信号の周波数成分がバンドパスフィルタ４６で規定する周波数範囲の成分で満たされ安定した信号になるまで、繰り返される。

ＩＱミキサ４７は、方向性結合器４４から取り出された受光信号と、発振回路６０から供給された初期周波数ｆ₀の初期変調信号とをミキシングし、中間周波数信号と高次成分を含んだ信号を生成する素子である。

発振回路６０は、第１発振器６１と、パワースプリッタ６２と、第２発振器６３とを有して構成される。
第１発振器６１は、初期周波数ｆ₀の信号を発振し、パワースプリッタ６２にて信号を分離して方向性結合器４１及びＩＱミキサ４７に供給する。
第２発振器６３は、受光ユニット３０から供給された反射光の受光信号の周波数をΔｆシフトさせるために、周波数Δｆの信号を生成し、ＳＳＢ変調器４５に供給する。

制御処理回路ユニット５０は、レーザ光出射ユニット２０、受光ユニット３０及び信号処理回路ユニット４０の駆動を制御する各種制御信号を生成し、所定のユニットに供給するとともに、信号処理回路ユニット４０から出力される信号を処理する部分である。
制御処理回路ユニット５０は、システム制御器５１、ローパスフィルタ５２、増幅器５３及びＡ／Ｄ変換器５４を有する。

システム制御器５１は、コンピュータ１４からの指示に基づいて各種制御信号を生成する部分である。
ローパスフィルタ５２は、信号処理回路ユニット４０から出力された中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、時間変調されたレーザ光の位相情報を含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、増幅器５３で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５４で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ１４に供給される。Ａ／Ｄ変換器５４は、第２発信器６３の発振する周波数Δｆと同期したその整数倍のクロック周波数を用いてＡＤ変換が成される。

コンピュータ１４は、ＣＰＵ、メモリ及びＲＯＭを有し、コンピュータソフトウェアを実行させることによりデータ処理を実行するように構成される。コンピュータ１４は図示されないディスプレイに接続されている。
コンピュータ１４のＣＰＵは、本体部１２の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御処理回路ユニット５０に作成するように指示し、またソフトウェアを実行することにより後述するデータ処理の演算を行う部分である。

以下、具体的にデータ処理を説明する。
図４に示すような周波数ｆ₀，ｆ₁，・・・,f_n-1の周波数成分からなる中間周波数デジタル信号を用いて測定対象物Ｔのレーザ光照射領域の中心位置における距離を求める。
本体部１２のレーザ光出射ユニット２０のレーザダイオード２２から測定対象物Ｔまでの光路と測定対象物Ｔの表面上の反射点からレンズ３２に至るまでの光路との合計の距離ｌと強度変調したレーザ光の波長との関係から受光信号における位相ずれθ_m（ｍ＝０，１，２、・・・（ｎ−１））は、測定対象物Ｔでの１回目の周波数ｆ₀，ｆ₀＋Δｆ，ｆ₀＋２・Δｆ，・・・，ｆ₀＋（ｎ−１）・Δｆにおいて下記式（１）のように表される。

上述したように、ＳＳＢ変調器４５は、位相情報を保持したまま、周波数をΔｆシフトするので、周波数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆにおける受光信号に含まれる位相α_mは、位相ずれの和θ₀＋θ₁＋θ₂＋・・・＋θ_m-1となり、下記式（２）のように表される。

したがって、コンピュータ１４は、供給された中間周波数デジタル信号から、周波数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆ毎の位相α_mを取り出し、上記式（２）を用いて式（２）中の距離ｌを算出する。距離ｌは、ｍが大きい程分解能が高くなることから、ｍ＝ｎのとき距離分解能は最大となり、距離分解能の高い距離ｌを求めることができる。しかも、ｍ＝１から順次位相α_mを取り出すことにより、位相が２πを超えて位相α_mが小さくなったか否かを判定しつつ距離ｌを求めることができる。このため、間違いのない正確な距離ｌを算出することができる。

具体的には、各周波数数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆにおける位相ずれが畳重するので、ｍ＝ｎにおける位相α_ｍから求められる距離ｌの距離分解能が最も精度が高い。ｎとしては、距離分解能の点から１０〜１０００であることが好ましい。こうして求められた距離ｌはコンピュータ１４の図示されないメモリに記憶される。
なお、具体的な数値として、ｆ₀＝６００ＭＨｚ，Δｆ＝１ｋＨｚ，ｎ＝１００が例示される。

ところで、本体部１２のレーザ光出射ユニット２０のレーザダイオード２２から測定対象物Ｔまでの距離と測定対象物Ｔの表面上の反射点からレンズ３２に至るまでの距離をｌ、ＲＦ変調信号の波長をλ、変調信号の初期周波数をｆ₀、光速度をｃ、各レーザ光の信号の、ＲＦ変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ｌは、下記式（３）を介して下記式（４）のように表すことができる。

すなわち、周波数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆにおける各レーザ光の信号の位相ずれθを求めることはできても、上記式（３）における２ｋπ（ｋは整数）の部分が不確定である。この不確定の部分を、各周波数周波数ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆ（ｍ＝１〜ｎ）で順次決定していく。
なお、距離ｌはレーザダイオード２２から測定対象物Ｔの表面上の反射点を経由して光学レンズ３２までの距離であるが、この距離ｌを知れば十分である。光学レンズ３２から光電変換器３８の受光面までの光路の距離、さらにはＩＱミキサ４７にいたる伝送線路の距離は一定で既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
装置１０は以上のように構成される。

次に、装置１０の作用について説明する。
まず、制御処理回路ユニット５０において、第1発振器６１の発振周波数を初期周波数ｆ₀とするための周波数トリガ信号が生成され、この周波数トリガ信号に従って予め定められた発振周波数制御信号が生成され第１発振器６１に供給される。一方、第２発振器６３の発振についても、周波数トリガ信号に従って第２発振周波数制御信号が生成され、第２発振器６３に供給される。
これにより、レーザ光出射ユニット２０からは初期周波数ｆ₀で変調されたレーザ光が測定対象物Ｔに照射され、初期周波数ｆ₀の反射光が受光ユニット３０で受光される。受光ユニット３０で得られた反射光の受光信号は、初期周波数ｆ₀の初期変調信号に対して位相ずれを生じている。このような受光信号は、ＳＳＢ変調器４５において、この位相ずれを保持したまま、第２発振器６３から供給された信号の周波数Δｆだけ周波数がシフトしたシフト信号（ＵＳＢ信号）を生成し、バンドパスフィルタ４６により許された周波数範囲内の信号成分のみが通過する。方向性結合器４１では、ＳＳＢ変調器４５で生成されたシフト信号に初期変調信号が加算された合成信号が生成され、可変増幅器４２を介して所定の増幅率で増幅された合成信号が変調信号としてレーザ光出射ユニット２０に供給される。

このように、レーザ光の出射、測定対象物Ｔでの反射、受光ユニット３０での受光、ＳＳＢ変調器４５での周波数シフト、バンドパスフィルタ４６での周波数範囲内の信号成分の通過、方向性結合器４１における初期変調信号の加算の各処理工程が、受光信号がバンドパスフィルタ４６の周波数範囲の周波数成分を含み、安定した信号となるまで繰り返される。すなわち、シフト信号が高周波側にシフトするとき、安定した受光信号は、バンドパスフィルタ４６における周波数範囲内の上限の周波数の成分を含む信号となる。
このように上限の周波数ｆ₀＋（ｎ−１）・Δｆの成分を含む安定した受光信号は、方向性結合器４４から分離されて、ＩＱミキサ４７において初期変調信号とミキシングされ、制御処理回路ユニット５０に供給される。

初期変調信号とミキシングされた受光信号は、信号処理回路ユニット４０から出力された中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号となっている。このため、制御処理回路ユニット５０では、中間周波数信号と高次成分を含んだ信号からローパスフィルタ５２により高次成分が除去され、中間周波数信号が取り出される。この中間周波数信号は、０〜（ｎ−１）・Δｆの周波数成分を含む信号であり、増幅器５３にて増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５４にて中間周波数デジタル信号に変換され、コンピュータ１４に供給される。

コンピュータ１４では、デジタル信号とされた中間周波数信号の位相情報が上記式（２）に示すように表されていることから、この中間周波数信号の位相情報が、Δｆ単位で取り出され、上記式（２）の位相情報に合致するように、周波数毎に距離ｌが算出される。具体的には、ｍ＝１からｍ＝ｎまで順次距離ｌが求められるが、ｍ＝ｎにおいて算出される距離ｌを正式な距離ｌとして求める。ｍ＝ｎから算出される距離ｌは、周波数ｆ₀〜ｆ₀＋（ｎ−１）・Δｆの各周波数の位相ずれが畳重されているので、距離分解能が高い。

このように本発明では、測定対象物Ｔの距離ｌを求める際、測定対象物Ｔから反射した反射光の受光信号に対して、位相情報を保持しながら、予め設定された周波数範囲内で受光信号の周波数を一定量一方向にシフトしたシフト信号を生成し、このシフト信号と第１発振器６１で生成された初期変調信号とを加えた合成信号を、レーザ光の変調信号としてレーザ光出射ユニットに再帰させる。このため、コンピュータ１４にて得られる中間周波数デジタル信号には、周波数が一定量ずつ一方向にシフトしたときの各周波数の位相ずれが畳重して含まれる。この位相ずれの畳重した位相情報を表した上記式（２）を用いて距離ｌを求めることができる。特に、ｎ＝１００以上とすることで、１００個以上の周波数別の位相ずれが畳重された位相情報が得られるので、従来に比べて距離分解能の高い距離ｌの値を算出することができる。なお、位相ずれが２π／１０００ラジアン以下の場合、ＡＤ変換器や増幅器等の機器における熱雑音によって信頼性のある位相ずれを得ることが難しいが、本発明のように僅かな位相ずれを１００個以上畳重することにより熱雑音に影響されない大きな値の位相情報とすることができる。したがって、この位相情報に基づいて距離を算出することで、精度の高い距離を得ることができる。
なお、装置１０は、例えば生産ラインにおける高精度距離測定や形状測定の装置、あるいはフィールドにおける高精度測量の装置に好適に適用することができる。

なお、位相ずれが２π／１０００ラジアン以下の場合、Ａ／Ｄ変換器や増幅器等の機器における熱雑音によって信頼性のある位相ずれを得ることが難しいが、本発明のように僅かな位相ずれを１００個以上畳重することにより熱雑音に影響されない大きな値の位相情報とすることができる。したがって、この位相情報に基づいて測定対象物の精度の高い距離（位置情報）を算出することができる。
なお、本発明では、レーザ光を測定対象物に照射するが、レーザ光に替えて超音波、又はマイクロ波やミリ波等の電磁波を用いることができる。

以上、本発明の位置情報取得装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の位置情報測定装置の一実施形態である装置の構成を示したブロック図である。図１に示すレーザ光出射ユニット及び受光ユニットの構成を示すブロック図である。図１に示すＳＳＢ変調器の構成を示すブロック図である。図１に示す信号処理回路ユニットにて得られる受光信号の例を示す図である。

符号の説明

１０装置
１２本体部
１４コンピュータ
２０レーザ光出射ユニット
２２レーザダイオード
２４レーザドライバ
２８，３２光学レンズ
３０受光ユニット
３１バンドパスフィルタ
３８光電変換器
４０信号処理回路ユニット
４１，４４方向性結合器
４２可変増幅器
４３，５３増幅器
４５ＳＳＢ変調器
４６バンドパスフィルタ
４７ＩＱミキサ
５０制御処理回路ユニット
５１システム制御器
５２ローパスフィルタ
５４Ａ／Ｄ変換器
６１第１発振器
６２パワースプリッタ
６３第２発振器

Claims

レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の位置情報を取得する位置情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を所定の変調周波数で時間変調するための変調信号を生成する発振器と、
レーザ光を、変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射手段と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光して反射光の受光信号に変換する受光手段と、
前記受光信号の周波数を一定量一方向にシフトし、かつ、前記受光手段で得られた受光信号の前記変調信号に対する位相情報を、シフトした周波数において保持したシフト信号を生成し、このシフト信号と前記発振器で生成される前記所定の周波数の変調信号とを加えた合成信号を、レーザ光の変調信号として前記レーザ光出射手段に供給する信号処理手段と、
前記受光手段で得られた受光信号を、前記変調信号を用いて検波することにより、前記受光信号に含まれている周波数別の位相情報を得、この周波数別の位相情報から、測定対象物までの距離を求める位置情報算出手段と、を有し、
前記位置情報算出手段は、前記レーザ光出射手段によるレーザ光の出射、前記受光手段による反射光の受光、前記信号処理手段によるシフト信号の生成及び合成信号の前記レーザ光出射手段への供給の工程を複数回繰り返した後に得られる受光信号を用いて測定対象物までの距離を求めることを特徴とする位置情報取得装置。
前記信号処理手段は、前記シフト信号が所定の周波数範囲内に収まるように前記周波数範囲外の信号成分を除去し、前記周波数範囲内の信号成分を透過させるバンドパスフィルタを有する請求項１に記載の位置情報取得装置。
前記信号処理手段は、前記受光信号の周波数を一定量シフトさせるＳＳＢ変調器を有する請求項１又は２に記載の位置情報取得装置。
前記発振器の生成する変調信号の変調周波数をｆ₀（Ｈｚ）とし、前記受光信号の周波数を一定量一方向にシフトするシフト量をΔｆ（Ｈｚ）とし、測定対象物までの距離をｌとしたとき、前記位置情報算出手段で用いられる受光信号の、周波数｛ｆ₀＋（ｍ−１）・Δｆ｝（ｍは１以上の整数）における位相情報は２π・ｌ／ｃ×｛ｍ・ｆ₀ ＋ｍ・（ｍ−１）／２・Δｆ｝（ｃは光速度）であり、
前記位置情報算出手段は、この位相情報を用いて距離ｌを算出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置情報取得装置。