JPH0743467A - 光波測距儀を用いた距離測定方法及び光波測距儀 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易な回路構成で精度の高い測定値を得るこ
とができる光波測距儀を提供する。 【構成】 主周波数ｆM2で発振する受信信号Sig3と、局
部周波数ｆLで発振する局部信号Sig4とを混合した受信
ビート信号Sig7の位相と、参照信号ｆREFの位相の位相
差を、クロック信号Sig1で内挿して測定し、測定対象物
との距離を求める距離測定方法において、クロック信号
Sig1で前記受信ビート信号Sig7を内挿して前記受信ビー
ト信号Sig7の周期を測定して前記位相差の値を補正する
ことを特徴とする距離測定方法。 【効果】 主信号発生器と局部信号発生器とを同期させ
る必要がないため、簡易な回路構成により高い精度の距
離測定の値を得ることができる。特に、位相差測定と周
期の測定とを近接した時間で行えるので、温度変化等の
周波数ドリフトの影響を確実に除くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２点間の距離を測定する
方法に関し、特に光波測距儀を使用して距離を測定する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、基線測量等の距離測量は、既知
点に光波測距儀を配置し、測定点にプリズム等の反射手
段を配置し、光波測距儀からプリズムに向けて主周波数
ｆMで発振する主信号で変調されたレーザー光を照射し
て、返光された入射光を受光し、該入射光と同期して発
振する測定信号の位相と元の主信号の位相の位相差を検
出し、その値から既知点と測定点との距離を求めてお
り、従来技術による距離の算出方法を、測定回路のブロ
ック図を用いて説明する。

【０００３】図４は従来技術の距離測定方法に用いられ
る光波測距儀の測定回路のブロック図である。図４を参
照して、ａは主発振器であり、主周波数ｆM1で発振する
主信号を送信光学系ｂに出力する。前記送信光学系ｂは
発光素子により前記主信号で変調された射出光ｃを射出
し、受信光学系ｄは前記射出光ｃが測定点上に配置され
たプリズム等で返光されて成る入射光ｅを受光して、前
記主周波数と同じ周波数であるが位相遅れを含む周波数
ｆM2で発振する受信信号を出力する。

【０００４】前記受信信号と、電圧制御発振器ｇで作ら
れた局部周波数ｆLで発振する局部信号とは混合器ｙに
入力され、前記周波数ｆM2と前記局部周波数ｆLの差の
周波数ｆmで発振する一次測定信号が作られる。前記位
相遅れを含む周波数ｆM2は前記主周波数ｆM1と同じ周波
数であるから、この一次測定信号の周波数ｆmは、例え
ば主周波数ｆM1を１５ＭＨｚとし、局部周波数ｆLを１
４．９８５ＭＨｚとすると、１５ｋＨｚとなる。そし
て、一次測定信号は、ローパスフィルターｓ、増幅器
ｔ、波形整形回路ｕを介して位相測定回路ｖに入力され
る。該位相測定回路ｖには、主信号と、該主信号を分周
器ｋで、例えば１／１０００に分周した参照周波数ｆRE
Fで発振する参照信号も入力されており、前記一次測定
信号の位相と前記参照信号との位相の位相差は、クロッ
ク信号である主信号で内挿されて測定され、演算装置
（以下、「ＣＰＵ」という）に出力されて距離が算出さ
れ、ディスプレイｗで表示される。

【０００５】ところで、温度変化の影響等により発振器
の発振周波数が変化することがあり、前記主信号と前記
局部信号とが非同期で発振していた場合には、位相測定
回路ｖにおける位相差の測定に誤差が生じてしまう。

【０００６】そこで従来技術では、前記主信号と前記局
部信号とを混合器ｎに入力し次いでローパスフィルタｐ
に入力して混合信号を得、該混合信号と前記参照信号と
を位相比較器ｑに入力して、前記参照信号との位相差を
比較し、更にローパスフィルタｒを介して電圧制御発振
器ｇに入力してフィードバックループを構成し、前記参
照信号と前記混合信号との位相差がなくなる様に、前記
電圧制御発振器ｇの発振を制御して主信号との同期をと
っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来技術による光波測距儀では、電圧制御発振器を制御
するフィードバックループを構成するために、位相比較
器やフィルタ等、多数の回路を必要とした。しかもその
フィードバックループについても、温度変化等の影響に
より同期はずれを起こす等の不都合もあった。

【０００８】又、参照信号を作るためには主信号を１／
１０００分周から１／５０００分周にしなければなら
ず、そのために多数の分周器を必要としコスト増を招い
ていた。

【０００９】本発明は上記従来技術の不利不便に鑑みて
創作されたもので、その目的は簡易な回路構成で精度の
高い距離測定を行い得る光波測距儀を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、送信光学系は主周波数で変
調された射出光を射出し、受信光学系は前記射出光が測
定対象物で返光されて成る入射光を受光して位相遅れを
含む受信信号を出力し、受信信号混合器は前記受信信号
と、前記主周波数と異なる局部周波数で発振する局部信
号とを混合して位相遅れを含む受信ビート信号を発生さ
せ、位相測定器は前記受信ビート信号の位相と、該受信
ビート信号と同じ周波数で発振する信号であって位相遅
れを含まない参照信号の位相との位相差を測定して測定
対象物との距離を求める距離測定方法において、前記測
定対象物との距離を求める際にクロック信号で前記受信
ビート信号を内挿して該受信ビート信号の周期を測定し
て前記位相差の値を補正することを特徴とし、請求項２
記載の発明は、請求項１記載の距離測定方法であって、
前記主周波数は矩形波の倍周波主信号を分周して作り、
前記局部周波数は矩形波の倍周波局部信号を分周して作
り、前記倍周波主信号と倍周波局部信号とをフリップフ
ロップ回路に入力して両信号の差の周波数で発振する矩
形波の高周波ビート信号を作り、次いで該高周波ビート
信号を分周して前記参照信号を作ることを特徴とする。

【００１１】

【作用】送信光学系が主周波数で変調された射出光を射
出し、受信光学系が前記射出光が測定対象物で返光され
て成る入射光を受光すれば、測定対象物との距離に応じ
た位相遅れを含む受信信号を得ることができる。

【００１２】この受信信号と、前記主周波数と異なる局
部周波数で発振する局部信号とを受信混合器で混合すれ
ば、位相遅れを含む受信ビート信号が発生するので、該
受信ビート信号の位相と、該受信ビート信号と同じ周波
数で発振する信号であって位相遅れを含まない参照信号
の位相との位相差を、位相測定器で測定して測定対象物
との距離を求めることができる。

【００１３】そして、前記測定対象物との距離を求める
際に、クロック信号で前記受信ビート信号を内挿して該
受信ビート信号の周期を測定すれば、設計値とのずれが
分かるので、前記位相差の値を補正することができ、こ
れにより周波数変動の影響による測定誤差を消去でき、
又、主信号と局部信号とが同期する必要を無くしてい
る。

【００１４】又、主周波数の２倍の周波数で発振する矩
形波の倍周波主信号と、局部周波数の２倍の周波数で発
振する矩形波の倍周波局部信号を用いれば、それらの信
号のデューティが５０％でなくても、分周するだけでデ
ューティ５０％の主信号と局部信号を作ることができ
る。更に、前記倍周波主信号と前記倍周波局部信号をフ
リップフロップに入力すれば簡単に両者の差の周波数の
信号が得られ、これを分周するだけでデューティ５０％
の参照信号を得ることができる。これらにより、デュー
ティ５０％の発振器や多数の分周回路を用いる必要が無
くなる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【００１６】図１は本発明の一実施例に用いられる距離
測定回路のブロック図の一例である。図面を参照して、
１は送信光学系であり、主信号発生器８で作られた信号
であって主周波数ｆM1で発振する主信号Sig1で変調され
た射出光２を射出して、距離測定を開始する。

【００１７】該射出光２は図示しないプリズム等の測定
対象物に照射、返光され、位相遅れを含む周波数ｆM2で
輝度変調された入射光３となり、該入射光３は受信光学
系４で受信されて、位相遅れを含む周波数ｆM2で発振す
る受信信号Sig3が受信信号混合器５に出力される。

【００１８】前記受信混合器５には、局部信号発生器１
１で作られた信号であって、前記主周波数ｆM1と異なる
周波数の局部周波数ｆLで発振する局部信号Sig4も入力
されており、該局部信号Sig4と前記受信信号Sig3との混
合が行われ、次いでこの信号がローパスフィルター、増
幅器、波形整形回路等からなる後処理回路６に出力さ
れ、該後処理回路からビート信号分周回路７に、主周波
数ｆM1と同じ周波数である前記位相遅れを含む周波数ｆ
M2と前記局部周波数ｆLの差の周波数であって、位相遅
れを含む周波数ｆmで発振する受信ビート信号Sig7が出
力される。

【００１９】一方、前記主信号Sig1と局部信号Sig4とは
参照信号混合器１２と、ローパスフィルター、増幅器、
波形整形回路等から成る後処理回路１３とから成る参照
信号発生器２１に入力される。前記参照信号混合器１２
から前記主信号Sig1の周波数と局部信号Sig4の周波数の
差の参照周波数ｆREFの信号を含むビート信号が出力さ
れ、次いで前記後処理回路１３により高周波成分の除去
や波形整形等が行われ、前記参照周波数ｆREFで発振す
る信号であって、位相遅れを含まない参照信号Sig8が作
られ、ビート信号分周回路７に出力される。

【００２０】該ビート信号分周回路７にはＣＰＵ１４が
出力する信号Sig11が入力され、該信号Sig11の状態によ
って伝達状態と分周状態の２つの状態の動作を行う。伝
達状態でのビート信号分周回路７の動作は、前記受信ビ
ート信号Sig7を位相測定回路９の第１入力端子１５にそ
のまま伝達し、前記参照信号Sig8を位相測定回路９の第
２入力端子１６にそのまま伝達する。一方、分周状態で
のビート信号分周回路７の動作は、前記受信ビート信号
Sig7を分周した分周信号Sig15を前記第１入力端子１５
に伝達し、前記分周信号Sig15が反転した波形の反転分
周信号Sig16を前記第２入力端子１６に伝達する。そし
て、該ビート信号分周回路７と位相測定回路９とで周期
検出手段２２を構成し距離測定の値の補正のための信号
を前記ＣＰＵ１４に出力する。

【００２１】この様なビート信号分周回路７の一例を図
２(ａ)に示す。図２(ａ)を参照して、フリップフロップ
１０１は受信ビート信号Sig7を受信して、該受信ビート
信号の立ち上がりで出力Ｑと出力Ｑバーを反転させる。
前記出力Ｑと出力Ｑバーは反転状態の関係にあり、前記
出力Ｑと出力Ｑバーはそれぞれナンド回路１０２とナン
ド回路１０３の一方の端子に入力される。前記ナンド回
路１０２とナンド回路１０３の他方の端子にはＣＰＵ１
４からの信号Sig11も入力されており、ナンド回路１０
２、１０３の出力はそれぞれインバータ１２１とインバ
ーター１２２で反転されてオア回路１０５とオア回路１
０６の一方の端子に入力される。

【００２２】前記信号Sig11は、インバーター１０８で
反転され、ナンド回路１１０とナンド回路１１１の一方
の端子に入力される。前記ナンド回路１１０とナンド回
路１１１の他方の端子にはそれぞれ受信ビート信号Sig7
と参照信号Sig8が入力されており、前記ナンド回路１１
０の出力はインバーター１２２で反転されてオア回路１
０５に入力され、前記ナンド回路１１１の出力はインバ
ーター１２４で反転されてオア回路１０６に入力され
る。そして、前記オア回路１０５の出力Sig15と前記オ
ア回路１０６の出力Sig16は、位相測定回路９に出力さ
れ、位相差に相当するがクロック信号である主信号Sig1
で内挿されて位相差に相当する部分にあるクロック信号
の数が計数されて、その結果がＣＰＵ１４に出力され
る。

【００２３】該ビート信号分周回路７の動作を図２(ｂ)
に示す。図２(ｂ)を参照して、フリップフロップ１０１
の出力Ｑは入力信号である受信ビート信号Sig7が分周さ
れたものであり、出力Ｑバーは前記出力Ｑとは反転状態
の信号が出力されている。そして、ＣＰＵ１４からの信
号Sig11がローの時、即ち伝達状態の時は、フリップフ
ロップ１０１の前記出力Ｑ、Ｑバーと、受信ビート信号
Sig7、参照信号Sig8とは、ナンド回路１０２、１０３、
１１０、１１１、インバーター１２１、１２２、１２
３、１２４、オア回路１０５、１０６を介して図２(ｂ)
に示す様にクロック信号である主信号Sig1で位相差に相
当する時間が内挿され、Ｎ個のパルスを有するパルス列
Sig18が作られ、内部のカウンターで計数され、その結
果がＣＰＵ１４に出力される。該ＣＰＵは、クロックパ
ルスの周波数ｆM1により、位相差に相当する時間ｔm
を、 ｔm ＝ Ｎ／ｆM1 ‥‥ (１) により算出する。ここで、受信ビート信号の一波長の長
さをλ、受信ビート信号の一周期の時間をＴm0に設定し
てあるとすると、測定対象物との距離Ｒ1は次式により
求められる。

【００２４】 Ｒ1 ＝ (λ／２)・ｔm／Ｔm0 ‥‥ (２) なお、ここでは、２分の１波長の整数倍の距離を無視し
ている。

【００２５】しかしながら、前記受信ビート信号ｆmの
周波数は、温度ドリフト等により変動することがあり、
必ずしも設計値通りになっていない場合がある。

【００２６】ここで、主周波数ｆM1が真の周波数ｆM0に
対して誤差周波数ΔｆMを含み、局部周波数ｆLが真の周
波数ｆL0に対して誤差周波数ΔｆLを含むものとし、周
波数ｆの絶対値を‖ｆ‖で表すとすると、受信ビート信
号の周波数ｆmと、参照周波数ｆREFは次のように表せ
る。

【００２７】 ｆm ＝ ｆREF ＝ ‖ ｆM0−ｆL0 ‖ ± ‖ ΔｆM＋ΔｆL ‖‥‥ (５) 主信号発生器８のΔｆMは通常２ppmと、無視できる程度
に小さいので、上式は次の様に表せる。

【００２８】 ｆm ＝ ｆREF ＝ ‖ ｆM0−ｆL0 ‖ ± ‖ ΔｆL ‖ ‥‥ (７) 局部信号発生器１１には通常低コストのものを使用する
ので、同程度の精度を期待することができず、ｆLは無
視することはできない。

【００２９】そこで、ＣＰＵ１４からの信号Sig11がハ
イの時、即ち分周状態の時は、受信ビート信号Sig7を分
周し、この信号とは反転関係にある信号との間の位相差
をクロック信号である主信号Sig1で内挿して測定し、分
周される前の受信ビート信号Sig7の一周期の時間Ｔmを
検出し、以下の様に(２)式で求めた距離Ｒ1を補正して
いる。

【００３０】先ず、受信ビート信号の一周期の設定時間
Ｔm0と、該受信ビート信号の一周期の測定時間Ｔmと、
上式のΔｆLに相当する誤差時間ΔｔLとの間には次の関
係が成立する。

【００３１】 Ｔm ＝ Ｔm0 ± ΔｔL ‥‥ (９) 従って、位相差に相当する時間の測定値ｔmと、 Ｔm ＝
Ｔm0 であった時の位相差に相当する時間ｔm0との間に
は次の関係がある。

【００３２】 ｔm0 ＝ ｔm・Ｔm／Ｔm0 ‥‥(１１) 又、前記ｔm0を用いると、真の距離Ｒ0は、 Ｒ0 ＝ (λ／２)・ｔm0／Ｔm0 ‥‥(１３) で表せる。以上、(２)、(１１)、(１３)式を用いると、
真の距離Ｒ0は次式で表すことができる。

【００３３】 Ｒ0 ＝ Ｒ1・ｔm／ｔm0 ‥‥(１５) この様に、温度ドリフト等の影響を消去した距離Ｒ0を
ＣＰＵ１４で算出できるので、その値を表示装置１５に
Ｒ0を表示して、距離測定の処理を終了する。

【００３４】なお、前記ｔmとＴmとは複数の周期に亘っ
て測定した時間の値を用いてもよいことは言うまでもな
い。

【００３５】図３(ａ)は本発明の他の実施例に用いられ
る距離測定回路を示すブロック図の一例である。

【００３６】図３(ａ)を参照して３０は倍周波主信号発
生器であり、主周波数ｆM1の２倍の周波数で発振する倍
周波主信号Sig31を作り、次いで第１分周器３１で分周
して主周波数ｆM1で発振する主信号Sig1を作り、送信光
学系１により主信号Sig1で変調された射出光２を射出し
て距離測定を開始する。

【００３７】該射出光２は図示しないプリズム等の測定
対象物に照射、返光され、位相遅れを含む周波数ｆM2で
輝度変調された入射光３となり、該入射光３は受信光学
系４で受信されて、位相遅れを含む周波数ｆM2で発振す
る受信信号Sig3が受信信号混合器５に出力される。

【００３８】一方、前記局部周波数の２倍の周波数で発
振する倍周波局部信号Sig32が倍周波局部信号発生器３
２で作られており、前記受信混合器５には、該倍周波局
部信号Sig32が第２分周器３３で分周され、次いでバン
ドパスフィルター３４を介して作られた局部信号Sig4も
入力されている。

【００３９】そして、該受信混合器５で前記局部信号Si
g4と前記受信信号Sig3とを混合し、次いでこの信号がロ
ーパスフィルター、増幅器、波形整形回路からなる後処
理回路６を介して作製された受信ビート信号Sig7がビー
ト信号分周回路７に出力される。

【００４０】一方、前記倍周波主信号Sig31はＤフリッ
プフロップ３７のクロック入力端子に入力され、前記倍
周波局部信号Sig32は前記フリップフロップ３７のデー
タ入力端子Ｄに入力されて両入力信号の差の周波数で発
振する差信号Sig35が作られる。該差信号Sig35は、図３
(ｂ)に示す様に、前記主周波数ｆM1と前記局部周波数ｆ
Lの差の周波数ｆREFの２倍の周波数で発振し、しかもそ
のデューティが５０％ではない。そのため、例えばＤフ
リップフロップのクロック端子に前記差信号Sig35を入
力し、該フリップフロップのＱバーの出力をデータ入力
端子に戻し、Ｑ端子から出力を得る様な第３分周器３８
に入力して、前記主周波数ｆM1と前記局部周波数ｆLの
差の周波数ｆREFで発振し、デューティが５０％の信号
である参照信号Sig8を得ている。

【００４１】そして、前記受信ビート信号Sig7と前記参
照信号Sig8とが、前記ビート信号分周回路７に入力さ
れ、斯くて図１のブロック図で示した測定回路を用いた
測定方法と同様に、ＣＰＵ１４によって発振器の誤差を
消去した距離Ｒ0を算出し、表示装置１５に表示して処
理を終了する。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、主信号発生器と局部信
号発生器とを同期させる必要がないため、局部信号発生
器に電圧制御発振器を用いる必要も、フィードバックル
ープを構成する必要もなく、簡易な回路構成により、高
い制度の距離測定の値を得ることができる。特に、位相
差測定と周期の測定とを近接した時間で行えるので、温
度変化等の周波数ドリフトの影響を確実に除くことがで
きる。

【００４３】又、フィードバックループがないので、温
度変化により同期はずれをおこして測定不能となる様な
ことはない。

【００４４】更に、参照信号を主周波数と同期させる必
要がないので、主周波数を分周して参照信号を作る必要
がなく、分周器の数が少なくて済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施に用いられる測定回路のブロッ
ク図の一例

【図２】 (ａ)本発明の位相差の値の補正のために用い
られる回路のブロック図の一例 (ｂ)その回路の動作を
示すタイミングチャート

【図３】 (ａ)本発明の実施に用いられる測定回路のブ
ロック図の他の例(ｂ)参照信号のタイミングチャート

【図４】 従来技術の測定方法に用いられる回路のブロ
ック図

【符号の説明】

１ 送信光学系 ２ 射出光 ３ 入射光 ４ 受信光学系 ５ 受信信号混合器 ８ 主信号発生器 １１ 局部信号発生器 ９ 位相測定器 １４ 演算装置 ２２ 周期検出手
段 ３０ 倍周波主信号発生器 ３１ 第１分周器 ３２ 倍周波局部信号発生器 ３３ 第２分周器 ３７ フリップフロップ回路 ３８ 第３分周器 ｆM1 主周波数 ｆL 局部周波数 Sig1 主信号・クロック信号 Sig3 受信信号 SigS 局部信号 Sig7 受信ビート
信号 Sig8 参照信号 Sig31 倍周波主信
号 Sig32 倍周波局部信号 Sig35 高周波ビ
ート信号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信光学系は主周波数で変調された射出
   光を射出し、 受信光学系は前記射出光が測定対象物で返光されて成る
   入射光を受光して位相遅れを含む受信信号を出力し、 受信信号混合器は前記受信信号と、前記主周波数と異な
   る局部周波数で発振する局部信号とを混合して位相遅れ
   を含む受信ビート信号を発生させ、 位相測定器は前記受信ビート信号の位相と、該受信ビー
   ト信号と同じ周波数で発振する信号であって位相遅れを
   含まない参照信号の位相との位相差を測定して測定対象
   物との距離を求める距離測定方法において、 前記測定対象物との距離を求める際にクロック信号で前
   記受信ビート信号を内挿して該受信ビート信号の周期を
   測定して前記位相差の値を補正することを特徴とする距
   離測定方法。
2. 【請求項２】 前記主周波数は矩形波の倍周波主信号を
   分周して作り、 前記局部周波数は矩形波の倍周波局部信号を分周して作
   り、 前記倍周波主信号と倍周波局部信号とをフリップフロッ
   プ回路に入力して両信号の差の周波数で発振する矩形波
   の高周波ビート信号を作り、次いで該高周波ビート信号
   を分周して前記参照信号を作ることを特徴とする請求項
   １記載の距離測定方法。
3. 【請求項３】 主周波数で発振する主信号を発生させる
   主信号発生器と、 前記主周波数で変調された射出光を射出する送信光学系
   と、 前記射出光が測定対象物で返光されて成る入射光を受光
   して位相遅れを含む受信信号を出力する受信光学系と、 前記主周波数と異なる局部周波数で発振する局部信号を
   発生する局部信号発生器と、 前記受信信号と前記局部信号とを混合して位相遅れを含
   む受信ビート信号を発生させる受信信号混合器と、 前記主信号と前記局部信号とを混合して前記受信ビート
   信号と同じ周波数で発振する信号であって位相遅れを含
   まない参照信号を発生させる参照信号発生器と、 前記受信ビート信号の位相と、前記参照信号の位相の位
   相差を測定する位相測定器と、 前記位相差から測定対象物との距離を求める演算装置を
   備えた光波測距儀に於いて、 前記測定対象物との距離を求める際にクロック信号で前
   記受信ビート信号を内挿し、該受信ビート信号の周期を
   測定してその値を出力する周期検出手段と、 前記演算回路は前記周期検出手段の出力する前記受信ビ
   ート信号の周期に基いて測定対象物との距離を補正する
   ことを特徴とする光波測距儀。
4. 【請求項４】 矩形波の倍周波主信号を発生させる倍周
   波主信号発生器と、 該倍周波主信号を分周して前記主信号を作る第１分周器
   と、 矩形波の倍周波局部信号を発生させる倍周波局部信号発
   生器と、 該倍周波局部信号を分周して前記局部信号を作る第２分
   周器と前記倍周波主信号と前記倍周波局部信号との差の
   周波数で発振する矩形波の高周波ビート信号を作るフリ
   ップフロップ回路と、 該高周波ビート信号を分周して前記参照信号を作る第３
   分周器を備えたことを特徴とする請求項３記載の光波測
   距儀。