專利名稱：距離測量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向目標(biāo)射出測距光并對(duì)來自目標(biāo)的反射光進(jìn)行受光的相位差方式的距離測量裝置。
背景技術(shù)：
作為以往的距離測量裝置，已知有下述專利文獻(xiàn)1所公開的裝置，根據(jù)圖1～圖3來說明該距離測量裝置。
如圖1的方框圖所示，在該距離測量裝置中，從激光二極管等光源20發(fā)送的測距光L，經(jīng)由未圖示的送光光學(xué)系統(tǒng)，向位于測點(diǎn)上的目標(biāo)(棱鏡等)22出射。光源20連接到調(diào)制器24，測距光L以根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器26中產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)K而被調(diào)制出的信號(hào)K’，進(jìn)行光發(fā)送。
由目標(biāo)22反射的測距光L，經(jīng)由未圖示的受光光學(xué)系統(tǒng)和對(duì)測距光L的光量進(jìn)行調(diào)整的光圈27，被導(dǎo)入到光電二極管等受光元件28。于是，通過受光元件28，測距光L被變換為電信號(hào)的測距信號(hào)M，測距信號(hào)M由高頻放大器30放大后，由帶通濾波器32除去噪聲。
而且，該測距信號(hào)M在由混合器34和本機(jī)振蕩器36構(gòu)成的變頻器37中，與本機(jī)振蕩器36所產(chǎn)生的本機(jī)振蕩信號(hào)Q相乘，被變換為兩信號(hào)M、Q的頻率之和形成的頻率、以及兩信號(hào)M、Q的頻率之差形成的這兩個(gè)頻率。這里，在由低通濾波器38僅選擇分出兩信號(hào)M、Q的頻率之差所形成的頻率從而將頻率降低為中頻信號(hào)IF后，用中頻放大器40放大。放大后的中頻信號(hào)IF由A/D變換器42變換為數(shù)字信號(hào)，并被輸入到CPU44(運(yùn)算單元)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)單元)46中。
在進(jìn)行距離測量時(shí)，基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器26對(duì)CPU44和A/D變換器42發(fā)送同步信號(hào)P，并且將基準(zhǔn)信號(hào)K發(fā)送到調(diào)制器24。這樣，A/D變換器42進(jìn)行與基準(zhǔn)信號(hào)K取得同步的采樣。在這種距離測量中，光圈27的開度被固定。
如圖2所示，A/D變換器42的采樣定時(shí)例如通過將1周期進(jìn)行n(n≥3)等分來決定，以便始終按一定的相位角位置對(duì)中頻信號(hào)IF的1周期部分進(jìn)行采樣。按這種采樣定時(shí)對(duì)中頻信號(hào)IF在數(shù)千以上的多個(gè)周期連續(xù)采樣。此時(shí)，超過了A/D變換器42的輸入范圍或相對(duì)于輸入范圍過小的中頻信號(hào)IF的采樣數(shù)據(jù)被丟掉。
為了在存儲(chǔ)器46中存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)器46內(nèi)準(zhǔn)備與中頻信號(hào)IF的1周期部分的n個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)的存儲(chǔ)區(qū)域，如圖3所示，將同相位位置的采樣數(shù)據(jù)相加后存儲(chǔ)。這樣，形成了同相位位置的采樣數(shù)據(jù)被相加后的大振幅的1周期部分的中頻信號(hào)IF的合成數(shù)據(jù)S。這種合成數(shù)據(jù)S通過最小二乘法而被應(yīng)用于合成正弦波S’，求出該合成正弦波S’的初始相位β。由于與基準(zhǔn)信號(hào)K取得同步從而A/D變換器42進(jìn)行采樣，所以初始相位β與將基準(zhǔn)信號(hào)K分頻至與中頻信號(hào)IF相同的頻率為止的信號(hào)和中頻信號(hào)IF之間的相位差相等，根據(jù)該初始相位β來計(jì)算至目標(biāo)22的距離。
可是，因炎熱等大氣的波動(dòng)，在測距中入射到受光元件28的測距光L的光量也有很大變動(dòng)，所以需要對(duì)受這種測距光L的變動(dòng)影響的初始相位β的校正。
因此，在這種距離測量裝置中，在組裝結(jié)束后的調(diào)整時(shí)使每個(gè)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，再使光圈27的開度變化，一邊使向受光元件28入射的測距光L的光量變化，一邊查找在輸入到A/D變換器42的中頻信號(hào)IF的振幅(是向受光元件28入射的測距光L的光量或與測距信號(hào)M的振幅對(duì)應(yīng)的值)時(shí)所需的初始相位的校正量，并寫入到存儲(chǔ)器46內(nèi)設(shè)置的校正表存儲(chǔ)區(qū)域中。該校正量是根據(jù)中頻信號(hào)IF的振幅而變化的量。即，校正量是該振幅的函數(shù)。
在距離測量時(shí)，如圖3所示，使用合成正弦波S’，該合成正弦波S’根據(jù)將中頻信號(hào)IF的采樣數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)同相位位置經(jīng)過多個(gè)周期相加所得的合成數(shù)據(jù)S來計(jì)算出。因此，在中頻信號(hào)IF的第i個(gè)波的振幅為Ai，該振幅Ai時(shí)的校正量為Δφi(Ai)時(shí)，這種合成正弦波S’的初始相位β的校正量Δβ是Δβ＝tan-1[∑{Ai·sin(Δφi(Ai))}/∑{Ai·cos(Δφi(Ai))}]。其中，Δφi(Ai)一般較小，所以可以近似為Δβ＝tan-1[∑{Ai·Δφi(Ai)}/∑Ai]＝∑{Ai·Δφi(Ai)}/ΣAi。結(jié)果，初始相位β的校正量Δβ變成將校正量Δφi(Ai)用中頻信號(hào)IF的振幅Ai加權(quán)后的加權(quán)平均。真正的初始相位也可以是從測量出的初始相位β中減去上述校正量Δβ。
在這種距離測量裝置中，在距離測量之前，使距離測量裝置動(dòng)作，執(zhí)行預(yù)先對(duì)中頻信號(hào)IF的數(shù)個(gè)周期部分進(jìn)行采樣的預(yù)采樣。這是為了對(duì)中頻信號(hào)IF的1周期范圍內(nèi)的最大電平Amax和最小電平Amin的采樣位置進(jìn)行檢測，從而簡化其后的振幅Ai的檢測而進(jìn)行的。此外，為了獲得振幅Ai的頻數(shù)分布，將振幅范圍區(qū)分為多個(gè)等級(jí)，并在存儲(chǔ)器46內(nèi)準(zhǔn)備用于保持各等級(jí)的頻數(shù)的存儲(chǔ)區(qū)域。
然后開始距離測量，每次檢測出中頻信號(hào)IF的1周期部分，都將同相位位置的采樣數(shù)據(jù)相加后的中頻信號(hào)IF的合成數(shù)據(jù)S(參照?qǐng)D3)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器46中，并且根據(jù)表示在距離測量之前從預(yù)采樣的結(jié)果求出的最大電平Amax和最小電平Amin的采樣位置之間的電平差的1/2，求中頻信號(hào)IF的振幅Ai的等級(jí)，在該等級(jí)的頻數(shù)上加1，將振幅Ai的頻數(shù)分布也存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器46中。在采樣結(jié)束后，使用中頻信號(hào)IF的合成正弦波S’來求初始相位β，并且使用振幅Ai的頻數(shù)分布，計(jì)算將校正量Δφi(Ai)進(jìn)行了中頻信號(hào)IF的振幅Ai的加權(quán)后的加權(quán)平均∑{Ai·Δφi(Ai)}/∑Ai、即校正量Δβ。然后，從初始相位β中減去校正量Δβ，從而計(jì)算至目標(biāo)22的距離。
當(dāng)然，這種距離測量裝置也可以將測距光L切換為通過包含光圈27a的內(nèi)部光路而到達(dá)受光元件28的參照光R。通過使用這種參照光R進(jìn)行測距，也可以進(jìn)行使用上述測距光L求出的距離的校正。
日本特開2004-264116號(hào)公報(bào)在上述專利文獻(xiàn)1記載的距離測量裝置中，對(duì)中頻信號(hào)IF在數(shù)千以上的多個(gè)周期中連續(xù)采樣后，計(jì)算出距離，所以在距離測量上需要規(guī)定的時(shí)間?？墒牵陙恚筮M(jìn)一步縮短在距離測量上需要的時(shí)間。因此，為了將距離測量裝置的測量上需要的時(shí)間縮短，而減少進(jìn)行采樣的中頻信號(hào)IF的周期數(shù)，這樣，特別是在長距離測量的情況下，因炎熱等大氣的波動(dòng)，常常發(fā)生測距光L的受光量不足的情況，因而產(chǎn)生測量值的精度降低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題而完成，技術(shù)問題是在相位差方式的距離測量裝置中，謀求不降低測量值的精度而縮短距離測量上需要的時(shí)間。
為了解決上述課題，技術(shù)方案1的發(fā)明是距離測量裝置，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的頻數(shù)分布，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布可以推定出所述距離的方差(ぶんさん)在規(guī)定值以下時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
技術(shù)方案2的發(fā)明是距離測量方法，該距離測量方法使用產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的頻數(shù)分布，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布可以推定出所述距離的方差在規(guī)定值以下時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
技術(shù)方案3的發(fā)明是距離測量裝置，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
技術(shù)方案4的發(fā)明是距離測量裝置包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；將所述測距信號(hào)變換為降低了頻率的中頻信號(hào)的變頻器；與所述基準(zhǔn)信號(hào)同步地對(duì)所述中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的A/D變換器；存儲(chǔ)由所述A/D變換器采樣的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述中頻信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
技術(shù)方案5的發(fā)明是距離測量方法，該距離測量方法使用產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；將所述測距信號(hào)變換為降低了頻率的中頻信號(hào)的變頻器；與所述基準(zhǔn)信號(hào)同步地對(duì)所述中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的A/D變換器；存儲(chǔ)由所述A/D變換器采樣的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元計(jì)算所述中頻信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
根據(jù)技術(shù)方案1或2的發(fā)明的距離測量裝置，由于求出被采樣后的測距信號(hào)的振幅的頻數(shù)分布，所以在測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上時(shí)，根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布，可以計(jì)算出所述振幅的散布度(方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、范圍、平均偏差、四分偏差等)，而且還可以根據(jù)所述振幅的散布度來推定測量距離的方差。由此，在可以判斷出測量距離的方差為精度標(biāo)準(zhǔn)所要求的規(guī)定值以下時(shí)，可以立即結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以謀求不降低測量值的精度而縮短距離測量上需要的時(shí)間。
根據(jù)所述技術(shù)方案3的發(fā)明的距離測量裝置，由于求出被采樣后的測距信號(hào)的振幅的頻數(shù)分布，所以可以計(jì)算所述振幅的平均。測量距離的方差是測距光的受光量即所述振幅越大就越小，所以在測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述振幅的平均達(dá)到規(guī)定值以上時(shí)，可以推定出測量距離的方差為精度標(biāo)準(zhǔn)所要求的規(guī)定值以下。此時(shí)，通過立即結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算，從而在該距離測量裝置中，可以謀求不降低測量值的精度而縮短距離測量上需要的時(shí)間。
根據(jù)所述技術(shù)方案4或5的發(fā)明的距離測量裝置，由于求出被采樣后的中頻信號(hào)的振幅的頻數(shù)分布，所以可以計(jì)算所述振幅的平均。測量距離的方差是測距光的受光量即所述振幅越大就越小，所以在中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述振幅的平均達(dá)到規(guī)定值以上時(shí)，可以推定出測量距離的方差為精度標(biāo)準(zhǔn)所要求的規(guī)定值以下。此時(shí)，通過立即結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算，從而在該距離測量裝置中，可以謀求不降低測量值的精度而縮短距離測量上需要的時(shí)間。此外，在本發(fā)明，將測距信號(hào)變換為頻率低的中頻信號(hào)而穩(wěn)定地一邊除去噪聲一邊以高增益進(jìn)行放大后，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，所以即使是長距離，也可以進(jìn)行高精度的距離測量。


圖1是以往或本發(fā)明的距離測量裝置的方框圖。
圖2是表示在所述距離測量裝置中對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的例子的圖。
圖3是表示將所述中頻信號(hào)的同相位位置的采樣數(shù)據(jù)相加后的中頻周期一個(gè)周期部分的合成數(shù)據(jù)及從該合成數(shù)據(jù)求出的合成正弦波的圖。
圖4是說明本發(fā)明的距離測量裝置的動(dòng)作的流程圖。
圖5是說明用于導(dǎo)出對(duì)測量距離的方差進(jìn)行評(píng)價(jià)的算式的計(jì)算過程的說明圖。
圖6是說明用于導(dǎo)出對(duì)測量距離的方差進(jìn)行評(píng)價(jià)的算式的計(jì)算過程的說明圖。
圖7是說明用于導(dǎo)出對(duì)測量距離的方差進(jìn)行評(píng)價(jià)的算式的計(jì)算過程的說明圖。
圖8是說明用于導(dǎo)出對(duì)測量距離的方差進(jìn)行評(píng)價(jià)的算式的計(jì)算過程的說明圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的距離測量裝置的優(yōu)選實(shí)施例。
該距離測量裝置也具有在與圖1所示的以往的距離測量裝置相同的方框圖中所示的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，對(duì)中頻信號(hào)IF經(jīng)過多個(gè)周期進(jìn)行采樣，并如圖3所示，將中頻信號(hào)IF的同相位位置的采樣數(shù)據(jù)相加而求合成數(shù)據(jù)S，通過將該合成數(shù)據(jù)用作正弦波的形式來計(jì)算而求合成正弦波S’，根據(jù)該合成正弦波S’的初始相位β來計(jì)算距離。因此，省略該距離測量裝置的與以往相同的部分的說明。
但是，該距離測量裝置的CPU44在求采樣數(shù)據(jù)時(shí)，不是如以往那樣總是對(duì)中頻信號(hào)IF在數(shù)千以上的多個(gè)周期進(jìn)行采樣，而是在判斷出完成了距離測量上充分?jǐn)?shù)量的采樣時(shí)，結(jié)束采樣而立即進(jìn)行距離計(jì)算，并顯示測量值。因此，在該距離測量裝置中，可以大幅度地縮短距離測量上需要的時(shí)間。
根據(jù)圖4，說明該距離測量裝置進(jìn)行距離測量時(shí)CPU44所執(zhí)行的步驟。首先，在開始距離測量時(shí)，進(jìn)至步驟S1，使距離測量裝置動(dòng)作，與以往同樣，進(jìn)行預(yù)先對(duì)中頻信號(hào)IF的數(shù)周期部分采樣的預(yù)采樣。接著，進(jìn)至步驟S2，根據(jù)預(yù)采樣過的中頻信號(hào)IF，檢測表示最大電平Amax的采樣位置和表示最小電平Amin的位置。
接著，進(jìn)至步驟S3，進(jìn)行中頻信號(hào)IF的1周期部分的采樣。接著，進(jìn)至步驟S4，如圖3所示，將同相位位置的采樣數(shù)據(jù)相加而形成合成數(shù)據(jù)S，并使存儲(chǔ)器46存儲(chǔ)該合成數(shù)據(jù)S。然后，進(jìn)至步驟S5，使存儲(chǔ)器46存儲(chǔ)中頻信號(hào)IF的振幅Ai的頻數(shù)分布。這里，求出通過預(yù)采樣檢測出的表示最大電平的采樣位置和表示最小電平的采樣位置的采樣數(shù)據(jù)的電平差的1/2，來作為振幅Ai。然后，進(jìn)至步驟S6，計(jì)算中頻信號(hào)IF的振幅Ai的平均。
接著，進(jìn)至步驟S7，調(diào)查采樣數(shù)(采樣過的中頻信號(hào)IF的周期數(shù))是否為最低必要數(shù)以上。在采樣數(shù)低于最低必要數(shù)時(shí)，看作測量值的可靠性有問題，而返回到步驟S3，重復(fù)進(jìn)行步驟S3～S7。在采樣數(shù)為最低必要數(shù)以上時(shí)，進(jìn)至步驟S8，調(diào)查振幅Ai的平均是否為規(guī)定值以上。
在步驟S8中，在振幅Ai的平均為規(guī)定值以上時(shí)，進(jìn)至步驟S10，結(jié)束采樣，與以往同樣地根據(jù)合成數(shù)據(jù)S來求合成正弦波S’，并進(jìn)行距離計(jì)算，將測量值顯示在未圖示的顯示部上，從而結(jié)束測量。這是因?yàn)槿绻梢詫?duì)從充分光量的測距光得到的測距信號(hào)在必要最低數(shù)以上的周期進(jìn)行采樣，則測量值的誤差和方差變小，從而可以判斷為滿足標(biāo)準(zhǔn)精度。這樣，與以往相比，可以大幅度地縮短在距離測量上需要的時(shí)間。
如果在步驟S8中，在未獲得充分的光量的測距光，從而振幅Ai的平均未達(dá)到預(yù)定的規(guī)定值的情況下，進(jìn)至步驟S9，調(diào)查采樣數(shù)是否為以往確定的設(shè)定上限值以上。在采樣數(shù)低于設(shè)定上限值時(shí)，認(rèn)為測量值的可靠性有問題，從而返回到步驟S3，重復(fù)進(jìn)行步驟S3～S9。在采樣數(shù)達(dá)到了設(shè)定上限值以上時(shí)，進(jìn)至步驟S10，結(jié)束采樣，與以往同樣地根據(jù)合成數(shù)據(jù)S而求合成正弦波S’，并進(jìn)行距離計(jì)算，將測量值顯示在未圖示的顯示部上，從而結(jié)束測量。
根據(jù)本實(shí)施例的距離測量裝置，由于求出中頻信號(hào)IF的振幅Ai的頻數(shù)分布，所以可以計(jì)算所述振幅Ai的平均。測距光L的受光量即所述振幅Ai的平均越大，測量距離的方差越小，所以在采樣數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述振幅Ai的平均達(dá)到規(guī)定值以上時(shí)，可以推定為測量距離的方差達(dá)到精度標(biāo)準(zhǔn)所要求的規(guī)定值以下。此時(shí)，通過立即結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算，從而在該距離測量裝置中，可以不降低測量值的精度而縮短距離測量上需要的時(shí)間。
以下，說明可以根據(jù)中頻信號(hào)IF的振幅Ai的平均A’來評(píng)價(jià)測量值的方差，在振幅Ai的平均A’為規(guī)定值以上時(shí)，測量值的方差為規(guī)定以下。
圖3所示的中頻信號(hào)IF的合成正弦波S’的波形設(shè)為其振幅為α，其初始相位為β。若在圖2中所示的中頻信號(hào)IF的第i個(gè)波的振幅為Ai，同為第i個(gè)波的初始相位為φi，進(jìn)行采樣來同步相加的波的總數(shù)為N，則獲得圖5的算式(1)。在該算式(1)中，圖5的算式(2)所表示的β是表示距離的部分，將該β乘以合適的系數(shù)時(shí)，可計(jì)算距離。
這里，為了推定初始相位β的精度，而對(duì)該β用φi進(jìn)行偏微分時(shí)，如圖5的算式(3)那樣進(jìn)行整理。
這里，若假設(shè)|φj-φk|＜＜1，則算式(3)也可被如圖5的算式(4)那樣表示。然后，假設(shè)φ’≈φ1≈φ2≈φ3≈φ4……≈φN，而且，使用由圖6的算式(5)定義的c時(shí)，算式(4)簡化為圖6的算式(6)。
因此，通過誤差傳播法則來推定初始相位β的精度。被推定的β的標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為σ’β時(shí)，β的方差σ’β2變?yōu)閳D6的算式(7)。
其中，σi表示φi的標(biāo)準(zhǔn)偏差，振幅Ai大時(shí)S/N高，φi的標(biāo)準(zhǔn)偏差σi小，振幅Ai小時(shí)S/N低，φi的標(biāo)準(zhǔn)偏差σi大。因此，標(biāo)準(zhǔn)偏差σi成為振幅Ai的函數(shù)，表示為σi＝σi(Ai)。此外，σs是將預(yù)定的基準(zhǔn)振幅AS的中頻信號(hào)IF輸入到A/D變換器42時(shí)所算出的初始相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在組裝結(jié)束后的調(diào)整時(shí)，通過瞄準(zhǔn)同一目標(biāo)出射測距光L，并接收反射回來的測距光L，調(diào)節(jié)光圈27，從而預(yù)先求取該σs。而且，σ′i是將σi和σs相關(guān)聯(lián)從而滿足圖6的算式(8)的無量綱的常數(shù)。
這里，對(duì)基準(zhǔn)振幅As的中頻信號(hào)IF的波被N個(gè)同步相加時(shí)的初始相位的方差σ’s2進(jìn)行估計(jì)。因此，在算式(7)中代入圖7的算式(9)表示的條件，并且使此時(shí)的σ’β2的值為σ’s2時(shí)，σ’s2用圖7的算式(10)表示。
這里，若求出由算式(7)求出的被推定的初始相位β的方差σ’β2和由算式(10)求出的σ’s2之比σ’β2/σ’s2，則獲得圖7的算式(11)。根據(jù)該算式(11)，相對(duì)環(huán)境最良好時(shí)的測量值的方差，可以推定評(píng)價(jià)出本次的測量值的方差的劣化。
那樣的話，具體地假設(shè)σ’i的值，從而研討算式(11)的方差比。在測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差與振幅成正比的情況下(在電子電路中穩(wěn)定地產(chǎn)生噪聲，或熱噪聲為支配性的噪聲時(shí)等。此外，熱噪聲的情況下溫度也有關(guān)系)，可以假設(shè)圖7的算式(12)，所以若將該算式(12)代入算式(11)，則可獲得算式(13)。其中，算式(13)的A’如圖7的算式(14)所示那樣，是振幅Ai的平均。即，基準(zhǔn)振幅AS和被測量的平均振幅A’之比的平方是評(píng)價(jià)值，該評(píng)價(jià)值越小，初始相位β即測量距離的方差越小。因此，預(yù)先確定基準(zhǔn)振幅AS后，如果振幅Ai的平均A’為規(guī)定值以上，則測量距離的方差在規(guī)定值以下，可以滿足預(yù)定的測量值的精度標(biāo)準(zhǔn)。
在測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差與振幅的平方根成比例的情況下(由受光元件28所產(chǎn)生的散粒噪聲為支配性噪聲時(shí)等)，由于可以假設(shè)圖8的算式(15)，所以在將該算式(15)代入算式(11)時(shí)，獲得圖8的算式(16)。即，基準(zhǔn)振幅AS和被測量的平均振幅A’之比是評(píng)價(jià)值。這種情況下，也是該評(píng)價(jià)值越小，初始相位β即測量距離的方差越小，所以如果振幅Ai的平均A’為規(guī)定值以上，則測量距離的方差在規(guī)定值以下，可以滿足預(yù)定的測量值的精度標(biāo)準(zhǔn)。
總之，如果振幅Ai的平均A’為規(guī)定值以上，受光元件28可以接收到充分的測距光，則可以滿足測量值的精度標(biāo)準(zhǔn)，所以振幅Ai的平均A’應(yīng)滿足的規(guī)定值預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)來求出即可。
可是，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，可進(jìn)行各種變形。例如，在上述實(shí)施例中，將測距信號(hào)M變換為中頻信號(hào)IF后，對(duì)該中頻信號(hào)IF進(jìn)行采樣，但在調(diào)制信號(hào)K’的頻率低的情況等時(shí)，也可以直接由A/D變換器42對(duì)從帶通濾波器32取出的測距信號(hào)M進(jìn)行采樣，并使用該被采樣過的測距信號(hào)M，來進(jìn)行距離測量。
此外，在上述實(shí)施例中，在中頻信號(hào)IF的振幅Ai的平均是規(guī)定值以上時(shí)結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算，但根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布，也可以計(jì)算出所述振幅的散布度(方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、范圍、平均偏差、四分偏差等)。因此，在根據(jù)這些散布度可以推定出測量距離的方差為規(guī)定值以下時(shí)，也可以在那里結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種距離測量裝置，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的頻數(shù)分布，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布可以推定出所述距離的方差在規(guī)定值以下時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
2.一種距離測量方法，使用產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接受到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的頻數(shù)分布，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且根據(jù)所述振幅的頻數(shù)分布可以推定出所述距離的方差在規(guī)定值以下時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
3.一種距離測量裝置，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；對(duì)所述測距信號(hào)進(jìn)行采樣的抽樣單元；將所述被采樣的測距信號(hào)量化的量化單元；存儲(chǔ)被量化的測距信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)和所述測距信號(hào)的相位差來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述測距信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述測距信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
4.一種距離測量裝置，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；將所述測距信號(hào)變換為降低了頻率的中頻信號(hào)的變頻器；與所述基準(zhǔn)信號(hào)同步地對(duì)所述中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的A/D變換器；存儲(chǔ)由所述A/D變換器采樣的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算所述中頻信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
5.一種距離測量方法，使用產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器；出射根據(jù)所述基準(zhǔn)信號(hào)而被調(diào)制的測距光的光源；發(fā)送測距光的送光光學(xué)系統(tǒng)；接收由目標(biāo)反射來的測距光的受光光學(xué)系統(tǒng)；將所接收到的測距光變換為測距信號(hào)的受光元件；將所述測距信號(hào)變換為降低了頻率的中頻信號(hào)的變頻器；與所述基準(zhǔn)信號(hào)同步地對(duì)所述中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的A/D變換器；存儲(chǔ)由所述A/D變換器采樣的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；以及根據(jù)所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算距離的運(yùn)算單元，其特征在于，所述運(yùn)算單元計(jì)算所述中頻信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，并且求出所述振幅的平均，在所述中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，并且所述平均為規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
全文摘要
在相位差方式的距離測量裝置中，謀求不降低測量值的精度而縮短距離測量所需的時(shí)間。在距離測量裝置中，包括產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)(K)的基準(zhǔn)信號(hào)振蕩器(26)；出射測距光(L)的光源(20)；接收由目標(biāo)(22)反射來的測距光而將測距光變換為測距信號(hào)(M)的受光元件(28)；將測距信號(hào)變換為中頻信號(hào)的變頻器(37)；與基準(zhǔn)信號(hào)同步地對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣的A/D變換器(42)；存儲(chǔ)被采樣的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器(46)；以及根據(jù)中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算距離的CPU(44)；CPU根據(jù)中頻信號(hào)數(shù)據(jù)來計(jì)算中頻信號(hào)的每個(gè)周期的振幅，求出振幅的平均，在中頻信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)為最低必要數(shù)以上，平均達(dá)到規(guī)定值以上時(shí)，結(jié)束采樣而進(jìn)行距離計(jì)算。
文檔編號(hào)G01S17/36GK1880970SQ20061009374
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者青木昭宏, 中村豐, 屜木幸治, 內(nèi)村利宏, 長田太, 木川速見 申請(qǐng)人:株式會(huì)社掃佳