JP5235412B2 - レーザ追跡装置、レーザ・デバイス及び方法 - Google Patents

レーザ追跡装置、レーザ・デバイス及び方法 Download PDF

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Description

この開示は、座標測定デバイスに関する。座標測定デバイスの１セットは、ポイントにレーザ・ビームを送信することによってそのポイントの座標を測定する計測器のクラスに属する。レーザ・ビームは、直接そのポイントに衝突することもあれば、そのポイントと接触している再帰反射器上に衝突することもある。いずれの場合においてもこの計測器は、目標までの距離および２つの角度を測定することによってそのポイントの座標を決定する。距離は、絶対距離計または干渉計等の距離測定デバイスを用いて測定される。角度は、角度エンコーダ等の角度測定デバイスを用いて測定される。測定器内のジンバル式ビーム‐ステアリング・メカニズムが、関心ポイントに対してレーザ・ビームを指向する。ポイントの座標を決定するためのシステムの例が、ブラウン（Ｂｒｏｗｎ）ほかに対する米国特許第４，７９０，６５１号およびラウ（Ｌａｕ）ほかに対する米国特許第４，７１４，３３９号によって述べられている。
レーザ追跡装置は、それが発射する１またはそれより多くのレーザ・ビームを用いて再帰反射器目標を追跡する特定タイプの座標測定デバイスである。レーザ追跡装置と緊密に関連しているデバイスにレーザ走査装置がある。レーザ走査装置は、広がった表面上のポイントに１またはそれより多くのレーザ・ビームのステッピングを行う。レーザ追跡装置およびレーザ走査装置は、ともに座標測定デバイスである。レーザ追跡装置という用語を距離および角度測定能力を有するレーザ走査装置デバイスについても使用することは今日の通例になっている。レーザ走査装置も含むこの広いレーザ追跡装置の定義が、この出願を通じて使用される。
レーザ追跡装置の１つのタイプは、絶対距離計を伴わずに干渉計だけを含む。物体が、それらの追跡装置の１つからのレーザ・ビームの経路をブロックした場合に、干渉計は、その距離基準を失う。オペレータは、その後、測定を継続する前に、既知の場所に対して再帰反射器を追跡しなければならない。この限界を回避する１つの方法は、追跡装置内に絶対距離計（ＡＤＭ）を備えることである。ＡＤＭは、ポイント‐アンド‐シュート方式で距離を測定することができる。いくつかのレーザ追跡装置は、干渉計を伴わずにＡＤＭだけを含む。このタイプのレーザ追跡装置の例が、ペイン（Ｐａｙｎｅ）ほかに対する米国特許第５，４５５，６７０号の中で述べられている。そのほかのレーザ追跡装置は、一般に、ＡＤＭおよび干渉計をともに備える。このタイプのレーザ追跡装置の例は、マイヤー（Ｍｅｉｅｒ）ほかに対する米国特許第５，７６４，３６０号の中で述べられている。
レーザ追跡装置についての主要な応用の１つは、目標の表面を走査してそれらの幾何学的特性を決定することである。たとえばオペレータは、２つの表面の間の角度を、それらの表面のそれぞれを走査し、その後それぞれに幾何学的平面を当て嵌めることによって決定することができる。別の例としてオペレータは、球表面の走査によって球の中心および半径を決定することができる。現在まで、ＡＤＭよりはむしろ干渉計がレーザ追跡装置による走査に必要とされてきた。その理由は、絶対距離測定が静止目標に対してのみ可能であったためである。その結果として走査およびポイント‐アンド‐シュート能力をともに伴う完全機能性を得るために、レーザ追跡装置は、干渉計およびＡＤＭをともに必要としていた。必要とされていることは、移動目標を正確かつ迅速に走査する能力を有するＡＤＭである。これは、干渉計が必要でなくなることから追跡装置のコストを縮小する。
上記のおよびそのほかの従来技術の問題点および欠点は、絶対距離計を使用して移動再帰反射器までの距離を決定する本件のレーザ・デバイスによって克服され、軽減される。
増分干渉計を使用することなく、アプリケーションが何を必要としているかに応じて移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の１またはそれを超える次元の絶対距離測定および／または表面走査および／または座標測定が可能なレーザ・デバイスおよび方法が開示されている。
本件の装置および方法の上記およびそのほかの特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から当業者によって認識され、理解されることになろう。
以下、図面を参照するが、それにおいていくつかの図面中の類似の要素には類似の番号が使用されている。
次に例示的な実施態様を詳細に見ていくが、それらの例は、添付図面内に例示されている。
図１には、一例のレーザ追跡装置１０が例示されている。このレーザ追跡装置の一例のジンバル式ビーム‐ステアリング・メカニズム１２は、方位ベース１６上にマウントされた天頂キャリッジ１４を包含する。追跡装置内部の天頂および方位の機械的な軸（図示せず）は、レーザ・ビーム４６を所望の方向に向けるべく回転される。レーザ・ビームは、続く考察の中で論じるとおり、１またはそれより多くのレーザ波長を包含することができる。追跡装置内部の天頂および方位の角度エンコーダ（図示せず）が、天頂および方位の機械的な軸に取り付けられ、高精度で回転の角度を示す。簡明および単純化のため、続く考察においてはこの種のジンバル・メカニズム１２を前提とする。しかしながら、ほかのタイプのジンバル・メカニズムも可能であり、ここに開示されているテクニックは、それらのほかのタイプにも適用できる。
レーザ・ビーム４６は、外部再帰反射器２６に向かって進む。もっとも一般的な再帰反射器は、中にキューブ‐コーナ再帰反射器（図示せず）が埋め込まれた金属球を包含する球状マウント再帰反射器（ＳＭＲ）である。キューブ‐コーナ再帰反射器は、共通の頂点で合わさる３つの直交するミラーを包含する。この頂点が金属球の中心に置かれる。ＳＭＲに代えて、レトロスフェアまたはそのほかの、リターン・レーザ・ビームをそれ自体に返すデバイスが外部再帰反射器２６として使用されることがある。
レーザ追跡装置の要素
このレーザ追跡装置内の主要な要素のいくつかが図２に示されている。ＡＤＭエレクトロニクス３００は、光ファイバ・ケーブル１０４およびファイバ結合回路２００を介して光を送出するＡＤＭレーザ１０２の光学出力を変調する。ファイバ結合回路２００からの一部の光は、ＡＤＭビーム発射１４０に進む。この光の別の部分は、ファイバ・ループ１０６に進み、その後、ファイバ結合回路２００に戻る。ＡＤＭビーム発射１４０は、安定フェルール１４２および正レンズ１４４を包含する。コリメート済みの光１０８がファイバ発射１４０から現れる。
ＡＤＭレーザ光学が赤外線波長において動作する場合、ＡＤＭビームを発見容易にする補助とするために可視レーザ・ビームを提供すると好都合である。可視光レーザ１１０は、安定フェルール１５２および正レンズ１５４を包含するビーム発射１５０内に可視光を送出する。ビーム発射１５０から現れる可視レーザ・ビーム１１２は、コリメートされている。ダイクロイック・ビーム・スプリッタ１１４は、ＡＤＭビーム１０８を透過するが、可視ビーム１１２を反射する。ビーム・スプリッタ１１４の右においては複合レーザ・ビーム１１６が可視レーザ・ビームおよびＡＤＭレーザ・ビームを包含し、それらは実質的に共線である。レーザ・ビーム１１６は、ビーム・スプリッタ１１８およびビーム・エキスパンダ１６０を通過し、より大きなコリメート済みレーザ・ビーム４６として現れる。ビーム・エキスパンダは、負レンズ１６２および正レンズ１６４を包含している。
レーザ・ビーム４６は、図１に示されているとおり、外部再帰反射器２６に向かって進む。ビームは、再帰反射器２６から反射されてレーザ追跡装置に戻る。レーザ・ビームが再帰反射器の中心に当たれば、反射レーザ・ビームは入射レーザ・ビームの経路を引き返す。レーザ・ビームが中心から外れて再帰反射器に当たると、反射レーザ・ビームは、入射レーザ・ビームと平行となるがそれからオフセットされて戻る。返されたレーザ・ビームは、追跡装置に再入し、光学系を通って引き返す。戻ったレーザ光の一部は、ビーム・スプリッタ１１８で反射する。反射されたレーザ光１２６は、光学フィルタ１２８を通過して位置検出器１３０に当たる。光学フィルタ１２８は、ビーム１２６内のＡＤＭ光または可視光のいずれかをブロックする。位置検出器１３０は、光学フィルタ１２８を通過した光に対し、その表面上のレーザ・ビームの位置を示すことによって応答する。位置検出器の回帰ポイントは、ビーム４６が再帰反射器２６の中心に当たった場合にはレーザ・ビーム１２６が当たったポイントとして定義される。レーザ・ビーム４６が再帰反射器２６の中心から移動すると、レーザ・ビーム１２６が回帰ポイントから外れ、位置検出器１３０に電気的な誤差信号を生成させる。サーボ・システムは、この誤差信号を処理してモータを賦活し、それが外部再帰反射器２６の中心に向けてレーザ追跡装置を回転する。
ダイクロイック・ビーム・スプリッタ１１４は、戻った可視レーザ・ビームを反射するが、戻ったＡＤＭレーザ・ビームを透過する。戻ったＡＤＭレーザ・ビームは、ビーム発射に進み、安定フェルール１４２内の光ファイバに結合される。この光は、ファイバ結合回路２００を通って進み、光ファイバ２３０から現れる。ファイバ・ループ１０６を通って進んだレーザ光の部分は、光ファイバ２３２から現れる。ファイバ２３０および２３２は、ともにＡＤＭエレクトロニクス・セクション３００に続いており、そこでそれらの変調されたパワーが電気信号に変換される。これらの信号は、ＡＤＭエレクトロニクスによって処理され、結果、すなわちこの追跡装置から再帰反射器目標までの距離が提供される。
ファイバ結合回路
図３の例示的なファイバ結合回路２００は、第１の光ファイバ結合器２０４、第２の光ファイバ結合器２０６、および低反射終端２０８および２１０を包含する。ＡＤＭレーザ１０２からの光は、光ファイバ・ケーブル１０４を通って進み、第１の光ファイバ結合器２０４に入る。光ファイバ結合器２０４は、ファイバ・ループ１０６を介してこのレーザ光の１０％を光ファイバ２３２内に送り、それがＡＤＭエレクトロニクス３００に進む。光ファイバ結合器２０４は、レーザ光の残り９０％を光ファイバ結合器２０６に送り、それがそのレーザ光の半分を低反射終端２０８に、そのレーザ光の残り半分を安定フェルール１４２に送る。安定フェルール１４２からの光は、前述したとおり、外部再帰反射器２６に伝播し、フェルール１４２内に戻る。フェルール１４２に戻ったレーザ光の半分は、第２の光ファイバ結合器２０６を通り、光ファイバ・ケーブル２３０を通ってＡＤＭエレクトロニクス３００内に戻る。このレーザ光の残り半分は、第２の光ファイバ結合器２０６を通り、第１の光ファイバ結合器２０４を通ってＡＤＭレーザ１０２内に戻るが、それにおいては内部のファラデー・アイソレータ（図示せず）によってそれがブロックされる。
ＡＤＭエレクトロニクス
図４のＡＤＭエレクトロニクス３００は、周波数基準３０２、シンセサイザ３０４、測定検出器３０６、基準検出器３０８、混合器３１０、３１２、増幅器３１４、３１６、３１８、３２０、分周器３２４、およびアナログ・ディジタル・コンバータ（ＡＤＣ）３２２を包含する。周波数基準３０２は、ＡＤＭのための時間ベースを提供し、低い位相ノイズおよび低い周波数ドリフトを有するものとする。周波数基準は、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）、ルビジウム発振器、またはそのほかの高安定周波数基準とすることができる。好ましくは、発振器の周波数が、ｐｐｍ未満で正確かつ安定している必要がある。周波数基準からの信号がシンセサイザに与えられ、それが３つの信号を生成する。第１の信号は周波数ｆＲＦにおけるものであり、ＡＤＭレーザ１０２の光学出力を変調する。このタイプの変調は、輝度変調（ＩＭ）と呼ばれる。それに代えて、周波数ｆＲＦの第１の信号が、ＡＤＭレーザ１０２からのレーザ光の、光学出力ではなく電界振幅を変調することも可能である。このタイプの変調は、振幅変調（ＡＭ）と呼ばれる。第２および第３の信号は、いずれも周波数ｆＬＯにおけるものであり、混合器３１０および３１２の局部発振器ポートに渡される。
光ファイバ・ケーブル２３０および２３２は、レーザ光を運ぶ。これらの光ファイバ・ケーブル内の光は、測定検出器３０６および基準検出器３０８によって電気信号に変換される。これらの光学検出器は、変調信号ｆＲＦを増幅器３１４、３１６に、その後、混合器３１０、３１２に送る。各混合器は、２つの、すなわち｜ｆＬＯ‐ｆＲＦ｜において１つ、および｜ｆＬＯ＋ｆＲＦ｜において１つの周波数を生成する。これらの信号は、低周波増幅器３１８、３２０に進む。これらの増幅器が高周波信号をブロックし、その結果、中間周波数（ＩＦ）、すなわちｆＩＦ＝｜ｆＬＯ‐ｆＲＦ｜における信号だけがアナログ・ディジタル・コンバータ（ＡＤＣ）３２２に渡される。周波数基準３０２は、信号を分周器３２４に渡し、それが基準３０２の周波数を整数Ｎで分周し、サンプリング・クロックを生成する。概して言えば、ＡＤＣが整数の因数Ｍを用いてサンプリング後の信号のレートを低減し、その結果、有効サンプリング・レートがｆＲＥＦ／ＮＭとなる。この有効サンプリング・レートは、中間周波数ｆＩＦの整数倍である必要がある。
例示的なＡＤＭについて周波数を次に示す。すなわち、周波数基準はｆＲＥＦ＝２０ＭＨｚである。レーザを駆動するシンセサイザのＲＦ周波数は、ｆＲＦ＝２８００ＭＨｚである。混合器に印加されるシンセサイザのＬＯ周波数は、ｆＬＯ＝２８００．０１ＭＨｚである。ＬＯとＲＦの間の差の周波数が、ｆＩＦ＝１０ｋＨｚの中間周波数である。周波数基準がＮ＝１０を用いて分周されて２−ＭＨｚの周波数が生成され、それがサンプリング・クロックとしてＡＤＣに印加される。ＡＤＣはＭ＝８の低減因数を有し、それにより２５０ｋＨｚの有効サンプリング・レートがもたらされる。ＩＦが１０ｋＨｚであることから、ＡＤＣはサイクル当たり２５サンプルを抽出する。
ＡＤＣは、測定および基準チャンネルについてのサンプリング済みデータを、分析のためにデータ・プロセッサ４００に送る。データ・プロセッサは、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）チップおよび汎用マイクロプロセッサ・チップを含む。次に、これらのプロセッサによって実行される処理について述べる。
データ・プロセッサ
図５のデータ・プロセッサ４００は、ディジタル化されたデータをＡＤＣ ３２２から獲得し、この追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離をそこから導く。図５では、この距離を結果と呼んでいる。データ・プロセッサ４００は、ディジタル信号プロセッサ４１０、マイクロプロセッサ４５０、および水晶発振器４０２、４０４を包含する。
アナログ・ディジタル・コンバータ３２２は、サンプリング済みデータをＤＳＰ ４１０に渡す。このデータは、ＤＳＰ内において実行されるプログラムにルーティングされる。このプログラムは、３つの主要な関数を含む。すなわち、位相抽出器関数４２０、補償器関数４２２、およびカルマン・フィルタ関数４２４である。位相抽出器関数の目的は、基準および測定チャンネル内の信号の位相、すなわち測定検出器３０６および基準検出器３０８を通過した信号の位相を決定することである。これらの位相を決定するためには、最初に変調レンジを計算しなければならない。変調レンジは、レーザ変調のその位相が２パイ・ラジアンの変化するために空気中をＡＤＭレーザ光が移動する往復距離として定義される。変調レンジＲＭＯＤは、次式によって与えられる。
ＲＭＯＤ＝ｃ／（２ｎｆＲＦ） （１）
これにおいてｃは真空中の光の速さ、ｎは空気中のＡＤＭレーザの群屈折率、ｆＲＦはシンセサイザ３０４によって生成され、ＡＤＭレーザ１０２に印加されるＲＦ周波数である。一例のＡＤＭは２８６０ＭＨｚのＲＦ周波数を有しており、変調レンジが約５２ミリメートルになる。
手前で述べたとおり、ＡＤＣ ３２２に印加されるサンプリング・クロックは、ｆＳＡＭＰ＝ｆＲＥＦ／ＮＭの有効周波数を有しており、サイクル当たりのＡＤＣサンプルの数は、Ｖ＝ｆＳＡＭＰ／ｆＩＦである。一例の追跡装置においては、ｆＲＥＦ＝２０ＭＨｚ、Ｎ＝１０、Ｍ＝８、およびｆＩＦ＝１０ｋＨｚである。その場合にサンプリング周波数が２５０ｋＨｚとなり、サイクル当たりのＡＤＣサンプルの数がＮＡＤＣ＝２５サンプル毎サイクルとなる。
ここでｘｋを測定チャンネルに関するＡＤＣからのｋ番目のサンプリング済みデータ値、ｖを、この測定の間における外部再帰反射器２６の対応する速さとする。位相抽出器関数４２０は、移動外部再帰反射器２６に関する測定チャンネルの位相ｐＭを次のとおりに計算する。
Figure 0005235412
ここでｙｋを基準チャンネルに関するＡＤＣからのｋ番目のサンプリング済みデータ値とする。位相抽出器関数４２０は、移動外部再帰反射器２６に関する基準チャンネルの位相ｐＲを次のとおりに計算する。
Figure 0005235412
重要なことは、式（２）、（３）、（５）、および（６）に示されているとおり、位相抽出器関数４２０が目標の速さまたは速度ｖ、たとえば半径方向の速さに依存することである。また位相抽出器関数４２０は、測定位相ｐＭおよび基準位相ｐＲを補償器関数に引き渡し、そこが、これらの位相を使用して次の距離値を計算する。
ｄ＝ｄ０＋ＲＭＯＤ［Ｗ＋（ｐＭ‐ｐＲ）／２π］ （８）
量Ｗは、目標までの完全な変調区間の数を占める整数である。この整数を見つけるための方法については後述する。一部のシステムにおいては、追加の系統的誤差が存在するが、式（８）に追加の項を付け加えることによって除去できる。たとえば、いくつかのシステムは、変調レンジＲＭＯＤと等しい周期を伴う正弦曲線として距離とともに変動する誤差を経験する。このタイプの誤差を除去するためには、ＡＤＭを使用して正確に既知の距離にある目標を測定し、正弦曲線誤差パターンを観察する必要がある。
補償器４２２は、カルマン・フィルタ４２４に距離値を送る。カルマン・フィルタは、距離データに適用される数値アルゴリズムであり、外部再帰反射器２６の距離および速さの最適評価を、時間の関数として、かつノイズの存在下において与える。ＡＤＭ距離データは高速に収集され、ある程度のレベルのランダム・ノイズを距離の読み値の中に有する。この小さい誤差は、遠方の小さい差が時間における小さい増分によって除されることから、速さを計算する中で大きく増幅される。カルマン・フィルタは、システムのノイズおよび目標の速さを基礎として精度を最適化するインテリジェント・スムージング関数として考えることができる。
またこのカルマン・フィルタは、ＡＤＭの読み値と角度エンコーダおよび位置検出器の読み値を同期する機能も適用する。角度エンコーダおよび位置検出器は、それらが同期パルスを受信すると常にそれらの読み値をラッチするが、このパルスは周波数ｆＳＹＮＣにおいて発生する。同期パルスの周波数は、概してＡＤＭの計算の周波数と異なる。例示的な追跡装置においては、ＡＤＭがｆＩＦ＝１０ｋＨｚのレートで計算するが、同期パルスは１．０２４ｋＨｚの周波数を有する。カルマン・フィルタは、ＡＤＭと角度エンコーダおよび位置検出器の同期を、時間において前方に、次の同期パルスに対して位置の補外を行うことによって提供する。
カルマン・フィルタの振る舞いを左右する５つの一般式が存在する。概して、これらの式内の量は行列で表され、その次数は、カルマン・フィルタの実装の複雑性によって決定される。それらの５つの一般式は次のとおりである。
ｘｍ＝Φｘｐ （９）
Ｐｍ＝ΦＰｐΦＴ＋Ｑ （１０）
Ｋ＝ＰｍＨＴ（ＨＰｍＨＴ＋Ｒ）‐１ （１１）
ｘｐ＝ｘｍ＋Ｋ（ｚ‐Ｈｘｍ） （１２）
Ｐｐ＝（Ｐｍ ‐１＋ＨＴＲ‐１Ｈ）‐１ （１３）
これらの式において、下付き文字ｍはアプリオリな評価を表し、下付き文字ｐはポステリオリな評価を表す。量ｘは、状態変量であり、多様な形式をとり得る。この例のＡＤＭシステムが高いレートで測定を行うことから、２つの成分‐‐位置ｄおよび半径方向の速さｖ‐‐を含む比較的単純な状態ベクトルが必要となる。
Figure 0005235412
対応する時間伝播行列は、単位時間ステップを仮定して次のとおりとなる。
Figure 0005235412
この場合に式（９）が式ｄｍ＝ｄｐ＋ｖｐに対応し、これは、現在の時間ポイントにおいて評価された距離（ｄｍ）が、最後の時間ポイントで評価された距離（ｄｐ）と最後の時間ポイントで評価された速さ（ｖｐ）の積と、１に等しいと仮定されている現在と最後の時間ポイントの間の時間間隔の積に等しいことを意味する。行列Ｑは、プロセス・ノイズ共分散である。ここで採用されている単純なカルマン・フィルタにおいては、加速度が明示的に計算されていない。それに代わり加速度が分散σＡ ２によって特徴記述されるばらつきを有すると仮定されている。プロセス‐ノイズ共分散σＡ ２は、移動目標の位置における誤差を最小化するように選択される。プロセス・ノイズについて結果として得られる共分散は次のとおりとなる。
Figure 0005235412
Ｐｍは、現在の時間ポイントにおける状態共分散行列である。これは、最後の時間ポイントにおける状態共分散行列およびプロセス・ノイズ共分散から求められる。この状態共分散行列および測定ノイズ共分散Ｒが使用されてフィルタ利得Ｋが決定される。ここで考察している単純ケースでは、測定ノイズ共分散が、測定デバイス内のノイズによって生じる読み値における分散σＭ ２そのものになる。この場合、ＡＤＭシステム内の測定ノイズが、単純に、ＡＤＭが静止目標を測定する間にレポートされる距離の中の分散σＡＤＭ ２を計算することによって決定される。Ｈは測定行列であり、Ｈと状態評価ｘの積が評価後の出力、すなわち測定後の出力と比較される出力と等しくなるように決定される。ここで考察しているケースにおいては、その測定が距離ｄの測定であり、したがってＨ＝（１ ０）となる。
式（１２）は、次のとおりに解釈される。ｘｍは、以前の時間ポイントにおける距離および半径方向の速さに基づく状態ベクトル（距離および半径方向の速さ）の初期予測である。量ｚは測定された距離ｄであり、Ｈｘｍは評価された距離である。量ｚ‐Ｈｘｍは、測定された距離と評価された距離の差である。この差に利得行列Ｋが乗じられて、状態行列のための初期評価ｘｍに対する調整が提供される。言い換えると、距離についての最良の評価は、測定された距離と評価された距離の間の値となる。式（１２）は、距離および半径方向の速さの最良の（ポステリオリな）評価を選択する数学的に正しい方法を提供する。式（１３）は、次の時間ポイントにおける状態共分散Ｐｐのための新しい評価を提供する。式（９）〜（１３）は、補償器関数４２２が新しい測定された値をカルマン・フィルタに送るごとに解決される。
ＡＤＭ測定と角度エンコーダおよび位置検出器の測定を同期するために、カウンタ４１４が同期パルスと最後の状態距離の間における差の時間を決定する。これは、次のように行われる。水晶発振器４０４が低周波正弦波をマイクロプロセッサ４５０内にある分周器４５２に渡す。このクロック周波数が、同期パルスの周波数のｆＳＹＮＣまで分周される。同期パルスは、デバイス・バス７２を介してＤＳＰ ４１０、角度エンコーダ・エレクトロニクス７４、および位置検出器エレクトロニクス７６に送られる。例示的なシステムにおいては、発振器が３２．７６８ｋＨｚの信号を分周器４５２に渡し、それが３２分周を行って同期パルス周波数ｆＳＹＮＣ＝１．０２４ｋＨｚを生成する。この同期パルスが、ＤＳＰ ４１０内にあるカウンタ４１４に渡される。このカウンタは、ＤＳＰ内のフェーズ・ロック・ループ（ＰＬＬ）デバイス４１２を駆動する水晶発振器４０２によってクロックされる。この例示的なシステムにおいては、発振器４０２が３０ＭＨｚの周波数を有し、ＰＬＬ ４１２がそれを逓倍してカウンタ４１４に対する６０ＭＨｚのクロック信号を生成する。カウンタ４１４は、１／６０ＭＨｚ＝１６．７ナノ秒の分解能で同期パルスの到来を決定する。位相抽出器関数４２０は、ＡＤＣ ３２２が１サイクルにわたるすべてのサンプルを送信完了したとき、カウンタに信号を送る。それがカウンタ４１４をリセットして新しいカウントを開始する。同期パルスはカウンタ４１２のカウントを停止する。カウントの総数が周波数によって除され、経過時間が決定される。上記の式の時間間隔が１に設定されていることから、正規化後の時間間隔ｔＮＯＲＭは、この時間間隔によって除された経過時間である。同期パルス・イベントに対して補外された状態距離ｘＥＸＴは、次のとおりとなる。
ｘＥＸＴ＝ｘｋ＋ｖｋｔＮＯＲＭ （１７）
カルマン・フィルタ関数４２４は、追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離となる結果を提供する。カルマン・フィルタはまた、位相抽出器関数４２０に対して、式（２）、（３）、（５）、および（６）に適用する速度を提供する。
手前では、量Ｗが、目標までの完全な変調間隔の数を占める整数として式（８）に導入された。この整数値Ｗは、外部再帰反射器２６までの距離の最初の測定によって求められる。周波数ｆＲＦおよびｆＬＯが固定量によって変更され、距離が再測定される。前後のＲＦ周波数の変化がｆ１およびｆ２であり、２つの測定間の位相差がｐであれば、整数Ｗは、（ｐ／２π）（ｆ１／｜ｆ２‐ｆ１｜の整数部に等しい。このテクニックは、（ｃ／２ｎ）（ｆ２‐ｆ１）の範囲に対して成立することになる。たとえば、ｆ１とｆ２の差が２．５ＭＨｚであり、ｆ１が２８００ＭＨｚであるとき、このテクニックは、約６０メートルまで成立することになる。望ましい場合には、第３の周波数を追加して整数Ｗの値の決定を補助できる。Ｗが決定された後は、ビームが中断されない限り周波数を切り替える必要はない。ＡＤＭが、中断なく外部再帰反射器２６の測定を続ければ、整数Ｗ内の変化の追跡を容易に維持することができる。
ここでは例示的な実施態様を示し、説明してきたが、ここに開示されている絶対距離測定器を用いた移動再帰反射器を測定する装置および方法に対して、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに種々の変形および変更が行い得ることが当業者には明らかであろう。したがって、種々の実施態様が限定ではなく例示として述べられていることが理解されるものとする。
外部再帰反射器に対してレーザ・ビームを送出する例示的なレーザ追跡装置の斜視図である。 図１の例示的なレーザ追跡装置内の主要な要素のいくつかを示したブロック図である。 図２の例示的なファイバ結合回路内の要素を示したブロック図である。 図２の例示的なＡＤＭエレクトロニクス内の要素を示したブロック図である。 移動再帰反射器までの距離を計算するための例示的なＡＤＭデータ処理システム内の要素を示したブロック図である。
符号の説明
１０ レーザ追跡装置、１２ ジンバル式ビーム‐ステアリング・メカニズム；ジンバル・メカニズム、１４ 天頂キャリッジ、１６ 方位ベース、２６ 外部再帰反射器、４６ レーザ・ビーム、７２ デバイス・バス、７４ 角度エンコーダ・エレクトロニクス、７６ 位置検出器エレクトロニクス、１０２ ＡＤＭレーザ、１０４ 光ファイバ・ケーブル、１０６ ファイバ・ループ、１０８ 光；ＡＤＭビーム、１１０ 可視光レーザ、１１２ 可視レーザ・ビーム；可視ビーム、１１４ ダイクロイック・ビーム・スプリッタ；ビーム・スプリッタ、１１６ 複合レーザ・ビーム；レーザ・ビーム、１１８ ビーム・スプリッタ、１２６ レーザ光；レーザ・ビーム；ビーム、１２８ 光学フィルタ、１３０ 位置検出器、１４０ ＡＤＭビーム発射；ファイバ発射、１４２ 安定フェルール、１４４ 正レンズ、１５０ ビーム発射、１５２ 安定フェルール、１５４ 正レンズ、１６０ ビーム・エキスパンダ、１６２ 負レンズ、１６４ 正レンズ、２００ ファイバ結合回路、２０４ 第１の光ファイバ結合器；光ファイバ結合器、２０６ 第２の光ファイバ結合器；光ファイバ結合器、２０８ 低反射終端、２１０ 低反射終端、２３０ 光ファイバ；光ファイバ・ケーブル、２３２ 光ファイバ、３００ ＡＤＭエレクトロニクス；ＡＤＭエレクトロニクス・セクション、３０２ 周波数基準、３０４ シンセサイザ、３０６ 測定検出器、３０８ 基準検出器、３１０ 混合器、３１２ 混合器、３１４ 増幅器、３１６ 増幅器、３１８ 増幅器；低周波増幅器、３２０ 増幅器；低周波増幅器、３２２ アナログ・ディジタル・コンバータ；ＡＤＣ、３２４ 分周器、４００ データ・プロセッサ、４０２ 水晶発振器、４０４ 水晶発振器、４１０ ディジタル信号プロセッサ；ＤＳＰ、４１２ フェーズ・ロック・ループ（ＰＬＬ）デバイス；ＰＬＬ、４１４ カウンタ、４２０ 位相抽出器関数、４２２ 補償器；補償器関数、４２４ カルマン・フィルタ関数；カルマン・フィルタ、４５０ マイクロプロセッサ、４５２ 分周器。

Claims (21)

  1. 増分干渉計を使用することなく、速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の絶対距離測定が可能であり、かつその３次元座標位置の走査が可能なレーザ追跡装置であって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ追跡装置デバイスに返されるレーザ光のソースと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を第１の電気信号に変換する光電子コンポーネントと、
    第２の電気信号を作り出すべく前記第１の電気信号のコンディショニングを行うためのコンディショニング・エレクトロニクスと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を生成するディジタル化エレクトロニクスと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を受け取るディジタル信号プロセッサであって、少なくとも、前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算する位相抽出器関数を実行するべく構成された位相抽出器モジュールを包含し、前記レーザ光の位相に基づいて前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを計算するディジタル信号プロセッサと、
    前記再帰反射器またはそのほかの目標表面に対する座標角を決定するための少なくとも２つの角度エンコーダと、
    を包含し、
    前記ディジタル信号プロセッサが、前記再帰反射器またはそのほかの目標の３次元座標位置を、少なくとも前記絶対距離ｄおよび前記座標角に基づいて計算する、
    レーザ追跡装置。
  2. さらに、
    前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面から返される前記レーザ光の位置を測定することによって前記レーザ追跡装置の照準を補助するための位置検出器、
    を包含する、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ追跡装置。
  3. さらに、
    前記レーザ光の一部を前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面を含む前記測定経路に、前記レーザ光の一部を別の基準経路に指向するための基準ビーム光学コンポーネント、
    を包含する、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ追跡装置。
  4. さらに、前記測定経路内の前記レーザ光をＲＦ測定信号に変換し、前記基準経路内の前記レーザ光をＲＦ基準信号に変換する光電子コンポーネントを包含し、それにおいて前記ＲＦ測定信号および前記ＲＦ基準信号は、第１の周波数ｆＲＦにおいて変調を保持する電気信号であり、
    さらに、ＩＦ測定信号を作り出すべく前記ＲＦ測定信号のコンディショニングを行うため、およびＩＦ基準信号を作り出すべく前記ＲＦ基準信号のコンディショニングを行うための追加のコンディショニング・エレクトロニクスを包含する、
    特許請求の範囲第３項に記載のレーザ追跡装置。
  5. さらに、第２の周波数ｆＩＦの倍数である第３の周波数ｆＳＡＭＰにおいて前記ＩＦ測定信号および前記ＩＦ基準信号のディジタル化された値を生成する追加のディジタル化エレクトロニクスを包含し、かつ
    それにおいて前記ディジタル信号プロセッサは、屈折率ｎを有する空気中を速度ｖにおいて移動する前記再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを、真空中の速さｃ、前記屈折率ｎ、整数比Ｖ＝ｆＳＡＭＰ／ｆＩＦ、前記ＩＦ測定信号の前記ディジタル化された値ｘｋおよび前記ＩＦ基準信号の前記ディジタル化された値ｙｋから、下式
    Figure 0005235412
     を使用して計算し、それにおいてｄ０は定数、Ｗは前記再帰反射器までの完全な変調長ＲＭＯＤの数を占める整数である、
    特許請求の範囲第４項に記載のレーザ追跡装置。
  6. さらに、
    前記レーザ追跡装置から送出される前記レーザ光を指向するビーム‐ステアリング・メカニズムと、
    位置検出器であって、前記位置検出器上の回帰ポイントに関して前記レーザ光の位置を監視する位置検出器と、
    を包含し、
    それにおいて前記ビーム‐ステアリング・メカニズムは、前記位置検出器からの位置データに従って前記レーザ光の方向を調整する、
    特許請求の範囲第１項に記載のレーザ追跡装置。
  7. さらに、電気同期信号に関して絶対距離測定のタイミングを決定する同期エレクトロニクスを包含する、特許請求の範囲第１項に記載のレーザ追跡装置。
  8. 前記ディジタル信号プロセッサは、カルマン・フィルタを処理して前記絶対距離測定と位置検出器からの位置検出器測定および前記角度エンコーダからの角度測定を同期させ、かつ前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の距離および速さの評価を、時間の関数として、ノイズの存在下において提供する、
    特許請求の範囲第７項に記載のレーザ追跡装置。
  9. 前記角度エンコーダは、２つの機械的な軸のそれぞれにおいて、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に対する角度を測定する、
    特許請求の範囲第１項に記載のレーザ追跡装置。
  10. 増分干渉計を使用することなく、速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の１次元絶対距離測定が可能なレーザ・デバイスであって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ・デバイスに返されるレーザ光のソースと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を電気信号に変換する光電子コンポーネントと、
    前記電気信号のディジタル化された値を生成するディジタル化エレクトロニクスと、
    前記電気信号のディジタル化された値を受け取るためのディジタル信号プロセッサであって、少なくとも、前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算する位相抽出器関数を実行するべく構成された位相抽出器モジュールを包含し、前記レーザ光の位相に基づいて前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを計算するディジタル信号プロセッサと、
    を包含するレーザ・デバイス。
  11. さらに、
    前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面から返される前記レーザ光の位置を測定することによって前記レーザ・デバイスの照準を補助するための位置検出器、
    を包含する、特許請求の範囲第１０項に記載のレーザ・デバイス。
  12. さらに、前記レーザ光の一部を前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面を含む前記測定経路に、前記レーザ光の一部を別の基準経路に指向するための基準ビーム光学コンポーネント、
    を包含する、特許請求の範囲第１１項に記載のレーザ・デバイス。
  13. さらに、前記測定経路内の前記レーザ光をＲＦ測定信号に変換し、かつ前記基準経路内の前記レーザ光をＲＦ基準信号に変換する光電子コンポーネントであって、それにおいて前記ＲＦ測定信号および前記ＲＦ基準信号は、第１の周波数ｆＲＦにおいて変調を保持する電気信号である光電子コンポーネントを包含し、さらに、ＩＦ測定信号を作り出すべく前記ＲＦ測定信号のコンディショニングを行うため、およびＩＦ基準信号を作り出すべく前記ＲＦ基準信号のコンディショニングを行うための追加のコンディショニング・エレクトロニクスを包含する、
    特許請求の範囲第１２項に記載のレーザ・デバイス。
  14. さらに、第２の周波数ｆＩＦの倍数である第３の周波数ｆＳＡＭＰにおいて前記ＩＦ測定信号および前記ＩＦ基準信号のディジタル化された値を生成する追加のディジタル化エレクトロニクスを包含し、かつ
    それにおいて前記ディジタル信号プロセッサは、屈折率ｎを有する空気中を速度ｖにおいて移動する前記再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを、真空中の速さｃ、前記屈折率ｎ、整数比Ｖ＝ｆＳＡＭＰ／ｆＩＦ、前記ＩＦ測定信号の前記ディジタル化された値ｘｋおよび前記ＩＦ基準信号の前記ディジタル化された値ｙｋから、下式
    Figure 0005235412
     を使用して計算し、それにおいてｄ０は定数、Ｗは前記再帰反射器までの完全な変調長ＲＭＯＤの数を占める整数である、特許請求の範囲第１３項に記載のレーザ・デバイス。
  15. さらに、
    前記レーザ・デバイスから送出される前記レーザ光を指向するビーム‐ステアリング・メカニズムと、
    前記位置検出器上の回帰ポイントに関して前記レーザ光の位置を監視する位置検出器と
    を包含し、前記ビーム‐ステアリング・メカニズムは、前記位置検出器からの位置データに従って前記レーザ光の方向を調整する、
    特許請求の範囲第１０項に記載のレーザ・デバイス。
  16. さらに、電気同期信号に関して絶対距離測定のタイミングを決定する同期エレクトロニクスを包含する、特許請求の範囲第１０項に記載のレーザ・デバイス。
  17. 前記ディジタル信号プロセッサは、カルマン・フィルタを処理して前記絶対距離測定と位置検出器からの位置検出器測定を同期させ、かつ前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の距離および速さの評価を、時間の関数として、かつノイズの存在下において提供する、特許請求の範囲第１６項に記載のレーザ・デバイス。
  18. 増分干渉計を使用することなく、速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の絶対距離測定が可能であり、かつその３次元座標位置の走査が可能なレーザ追跡装置であって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ追跡装置デバイスに返されるレーザ光のソースと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を第１の電気信号に変換する光電子コンポーネントと、
    第２の電気信号を作り出すべく前記第１の電気信号のコンディショニングを行うためのコンディショニング・エレクトロニクスと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を生成するディジタル化エレクトロニクスと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を受け取るためのディジタル信号プロセッサであって、前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算し、前記レーザ光の位相に基づいて前記移動再帰反射器またはそのほかの目標までの絶対距離ｄを計算するディジタル信号プロセッサと、
    前記再帰反射器またはそのほかの目標表面に対する座標角を決定するための少なくとも２つの角度エンコーダと、
    位置検出器と、
    を包含し、
    前記ディジタル信号プロセッサが、前記再帰反射器またはそのほかの目標の３次元座標位置を、少なくとも前記絶対距離ｄおよび前記座標角に基づいて計算し、
    前記ディジタル信号プロセッサが、カルマン・フィルタを処理して前記絶対距離ｄの測定と前記位置検出器からの位置検出器測定を同期させ、かつ前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の距離および速さの評価を、時間の関数として、かつノイズの存在下において提供するレーザ追跡装置。
  19. 増分干渉計を使用することなく、速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の１次元絶対距離測定が可能なレーザ・デバイスであって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ・デバイスに返されるレーザ光のソースと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を電気信号に変換する光電子コンポーネントと、
    前記電気信号のディジタル化された値を生成するディジタル化エレクトロニクスと、
    位置検出器と、
    前記電気信号のディジタル化された値を受け取るためのディジタル信号プロセッサであって、前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算し、前記レーザ光の位相に基づいて前記移動再帰反射器またはそのほかの目標までの絶対距離ｄを計算し、前記計算の間にカルマン・フィルタも処理して前記絶対距離ｄの測定と前記位置検出器からの位置検出器測定を同期させ、かつ前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の距離および速さの評価を、時間の関数として、かつノイズの存在下において提供するディジタル信号プロセッサと、
    を包含するレーザ・デバイス。
  20. 増分干渉計を使用することなく速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の１次元絶対距離測定方法であって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ・デバイスに返されるレーザ光のソースを送ることおよび返すことと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を電気信号に変換することと、
    前記電気信号の値をディジタル化することと、
    前記電気信号のディジタル化された値を受け取ることと、
    前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算する位相抽出器関数を実行することと、および、
    前記レーザ光の位相に基づいて前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを計算することと、
    を包含する方法。
  21. 増分干渉計を使用することなく速度ｖにおいて移動する移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面の絶対距離測定が可能であり、かつその３次元座標位置の走査が可能なレーザ追跡方法であって、
    振幅または輝度変調され、前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面に送られ、かつ測定経路に沿って前記レーザ追跡装置デバイスに返されるレーザ光のソースを送ることおよび返すことと、
    前記再帰反射器または目標表面から前記測定経路に沿って返された前記レーザ光を第１の電気信号に変換することと、
    第２の電気信号を作り出すべく前記第１の電気信号のコンディショニングを行うことと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を生成することと、
    前記第２の電気信号のディジタル化された値を受け取ること、
    前記ディジタル化された値及び前記速度ｖに基づいて前記レーザ光の位相を計算する位相抽出器関数を実行することと、
    前記レーザ光の位相に基づいて前記移動外部再帰反射器またはそのほかの移動目標表面までの絶対距離ｄを計算することと、
    前記再帰反射器またはそのほかの目標表面に対する座標角を決定することと、および、
    前記再帰反射器またはそのほかの目標の３次元座標位置を、少なくとも前記絶対距離ｄおよび前記座標角に基づいて計算することと、
    を包含する方法。
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