JP5466803B2 - パルスレーザ測距装置およびその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザ測距装置に関し、とくに、建設用レーザ測距装置に関するものである。

建設業界では、２または３百メートルほど離れた場所から数ｍｍ程度の誤差精度で距離を正確に決定することが必要になる。この目的に適合するよう構成した本発明に関連する携行式のレーザ測距装置は、測距のために、変調した信頼性の高いレーザ光線パルス方式を利用する。５０Ｈｚの交流電流で駆動される人工光源は、１２０Ｈｚの周波数ｆ_STORを有する交流電流によって、その光の強度が、１００Ｈｚ〜６０Ｈｚの周波数ｆ_STORで発振する。交流電流の正だけでなく負の最大値で光の強度の最大値が発生し、これにより周波数が倍増する。これら周波数ｆ_STORの交流部分は、フォトダイオードによって測定光パルスおよび基準光パルスの他に、外乱信号として付加的に検出され、またアナログ‐デジタル変換器によっても走査される。このことは、測距の際に測定誤差を生ずる。

直接、光パルスを時間測定する方法として、測定スパンにわたり連続する測定光パルス並びに基準スパンにわたり連続する基準光パルスを共通のフォト検出器によって検出するものがある。（例えば、特許文献１参照。）検出された測定光パルスおよび基準光パルスは、時間測定装置例えば、高速カウンタをスタートさせたり、停止させたりする。基準光パルスの検出と測定光パルスの検出との間の時間差を測定することにより、測定距離が算出される。
独国特許第３１０３５６７号明細書

光源からの経過時間を測定するためのこのような装置として、重畳モジュールを設け、測定光パルスおよび基準光パルスにおけるトリガされる毎の個別測定において、周期的に重畳し、累積する装置がある。（例えば、特許文献２参照。）
独国特許第３４２９０６２号明細書

また、パルス反射混合方式のレーザ測距装置がある。（例えば、特許文献３参照。）一方では基準光パルス、他方では測定光パルスの光検出器または個別の光検出器により捕捉される検出パルス列を、各光検出器において直接混合し、その後ローパスフィルタの処理を受けるようにし、これにより、測定現場で局所的に生ずるＬＯパルスによる制御の下に直接混合が行われ、測定光パルス列と繰返周波数との探査比率に等しいかほぼ等しい探査比率が選択される。低周波数パルス列の混合パルス繰返周波数ｆ_MISCH は、送信または測定パルス列のパルス繰返周波数ｆと局部発振パルス列のパルス繰返周波数ｆ_LOとの差分に対応する。このことは、ｆ_MISCH = |ｆ- ｆ_LO｜ とみなすことができる。低周波パルス列は、基準パルスおよび測定パルスからの高周波検出パルス列のように、距離の計測量に影響を与える。より詳細な細部に関しては、当業者はこの文献を参照することにより理解できるであろう。
独国特許第１０１１２８３３号明細書

本発明の目的は、外乱に対する信頼性のより高い携行式パルス反射型レーザ測距装置を得るにある。

この目的を達成するため、本発明は、測定パルスと基準パルスとの間の時間差によって測定対象までの距離を計算するため、マイクロコントローラにより制御されるアルゴリズムと、および複数の繰り返しパルス列の時間差を計算する重畳モジュールとを有し、前記重畳モジュールは、トリガ周波数ｆ_TRIGGER で周期的に重畳を行うものとした携行式のパルスレーザ測距装置において、
１００Ｈｚから１２０Ｈｚまでの外乱周波数ｆ_STOR に対し、
トリガ周波数ｆ_TRIGGER が、ｍ=１,２,３,…として、次式［数１］の周波数帯域

に存在するようにしたことを特徴とする。

さらに、本発明は、測定パルスと基準パルスとの間の時間差によって測定対象までの距離を計算するため、マイクロコントローラにより制御されるアルゴリズムを有する携行式のパルスレーザ測距装置の測定方法であり、前記時間差から距離を計算するステップとして、複数の繰り返しパルス列をトリガ周波数ｆ_TRIGGER で周期的に重畳する重畳ステップを行う測定方法において、
１００Ｈｚから１２０Ｈｚまでの外乱周波数ｆ_STOR に対し、
トリガ周波数ｆ_TRIGGER が、ｍ=１,２,３,…として、次式［数２］の周波数帯域

に存在するようにしたことを特徴とする。

トリガ周波数ｆ_TRIGGER に関して探査サイクルにおいて外乱周波数ｆ_STORで外乱を受けるパルス列は、次式［数３］の関係とする、すなわち、
とすると、理論的には、外乱信号の流れを、完全に補償することができる。

このようにすることにより、順次の互いに前後する２つの探査サイクルに関連する外乱信号は、繰返パルス列に１８０゜の位相差を保持する。ｍ =１の場合には、トリガ周波数ｆ_TRIGGER は外乱周波数よりも２倍大きく、第１の探査サイクルで、外乱信号が正の半波である場合に、次の第２の探査サイクルで、外乱信号が負の半波となる。双方のパルス列を重畳することにより、外乱信号が補償される。全体的には、外乱信号の補償は、偶数回の重畳の際にに生ずる。実際上は、上述の条件は、正確には保持されず、最適なトリガ周波数から±３０％のずれは許容され、ヨーロッパにおける５０Ｈｚの交流電流周波数による外乱のみならず、アメリカにおける６０Ｈｚの交流電流周波数による外乱も、上述の周波数帯域からトリガ周波数は、補償される。

本発明測定方法の好適な実施例においては、パルス反射混合方法で混合によって生ずる低周波の混合パルス繰返周波数ｆ_MISCHは、トリガ周波数ｆ_TRIGGER に、またはトリガ周波数ｆ_TRIGGER の整数倍に一致するものとする。この場合、
ｆ_MISCH = ｆ_TRIGGER ・ｎ
（ただし、ｎ = １,２,３,…）
とみなすことができ、より大きい距離にわたる高い精度の測距に適合させるため、パルス反射混合方式は、低周波パルス列の信号部分は、探査信号によって正しい位相で重畳することを保証する。
次に、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。

図１および図２に示す実施例においては、単に線図的に示す携行式のパルス反射混合型レーザ測距装置１は、測定対象４までの距離Ｘを計算するため、マイクロコントローラ２により制御されるアルゴリズム３を有する。このアルゴリズム３において、測定ステップ９により、時間の関数である測定パルス６および基準パルス７を有するパルス列ｙ（ｔ）の測定を行う。後段の計算ステップ１０において、測定パルス６と基準パルス７との間の時間差τから距離Ｘの計算を行う。測定ステップ９と計算ステップ１０との間に設けたアルゴリズム３の重畳モジュール５における重畳ステップ１１において、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＵによる走査の際に、トリガ周波数ｆ_TRIGGER で繰り返す順次に連続する２個のパルス列、ｙ_i(ｔ-ｔ_i), ｙ_i+1(ｔ-ｔ_i+1)を周期的に重畳する。パルス繰返周波数ｆ＝１００ＭＨｚと、局部発振パルス周波数ｆ_LO＝１００，０００２２ＭＨｚのパルス繰返周波数とを混合することにより、パルス反射混合手法において、低周波の混合パルス繰返周波数ｆ_MISCH ２２０Ｈｚを生じ、この混合パルス繰返周波数ｆ_MISCH をトリガ信号１２として直接使用する。このトリガ周波数ｆ_TRIGGER ＝２２０Ｈｚは、指数ｍ＝１において、次式［数４］の周波数帯域の中間に存在することによって、交流電流網で駆動される人工的な光源によって発生するような平均外乱周波数ｆ_STOR＝１１０Ｈｚの外乱１３を抑圧し、累算する総和信号Σｙにおいて、測定パルス６と基準パルス７との間の時間差τから距離Ｘを算出することができる。

ただしｍ＝１，２，３，…

アルゴリズムを有する手持ち式レーザ測距装置の説明図である。 正規化時間軸で複数回周期的に重畳するパルス列を示す説明図である。

符号の説明

１ レーザ測距装置
２ マイクロコントローラ
３ アルゴリズム
４ 測定対象
５ 重畳モジュール
６ 測定パルス
７ 基準パルス
９ 測定ステップ
１０ 計算ステップ
１１ 重畳ステップ
１２ トリガ信号
１３ 外乱

Claims (4)

1. 測定パルス（６）と基準パルス（７）との間の時間差（τ）によって測定対象（４）までの距離（Ｘ）を計算するため、マイクロコントローラ（２）により制御されるアルゴリズム（３）と、および複数の繰り返しパルス列の時間差（τ）を計算する重畳モジュール（５）とを有し、前記重畳モジュール（５）は、トリガ周波数ｆ_TRIGGER で周期的に重畳を行うものとした携行式のパルスレーザ測距装置（１）において、
   １００Ｈｚから１２０Ｈｚまでの外乱周波数ｆ_STOR に対し、
   トリガ周波数ｆ_TRIGGER が、ｍ=１,２,３,…として、次式［数１］の周波数帯域
   
   に存在するようにしたことを特徴とするパルスレーザ測距装置。
2. 測定パルス（６）と基準パルス（７）との間の時間差（τ）によって測定対象（４）までの距離（Ｘ）を計算するため、マイクロコントローラ（２）により制御されるアルゴリズム（３）を有する携行式のパルスレーザ測距装置（１）の測定方法であり、前記時間差（τ）から距離（Ｘ）を計算するステップとして、複数の繰り返しパルス列をトリガ周波数ｆ_TRIGGER で周期的に重畳する重畳ステップ（１１）を行う測定方法において、
   １００Ｈｚから１２０Ｈｚまでの外乱周波数ｆ_STOR に対し、
   トリガ周波数ｆ_TRIGGER が、ｍ=１,２,３,…として、次式［数２］の周波数帯域
   
   に存在するようにしたことを特徴とするパルスレーザ測距装置の測定方法。
3. パルス反射混合方法で混合によって生ずる低周波の混合パルス繰返周波数（ｆ_MISCH）は、前記トリガ周波数ｆ_TRIGGER の整数倍に一致するものとした請求項２記載のパルスレーザ測距装置の測定方法。
4. 前記トリガ周波数ｆ_TRIGGER は、低周波の混合パルス繰返周波数（ｆ_MISCH）に一致するものとした請求項３記載のパルスレーザ測距装置の測定方法。