光波测距仪以及反馈信号的调制频率决定方法与流程

本发明涉及一种向测量对象物照射经过调制的测距光，并接收来自测量对象物的反射测距光，从而根据对测距光分光而得到的内部参考光与反射测距光的相位差来测量距测量对象物的距离的光波测距仪以及反馈信号的调制频率决定方法。

背景技术：

在光波测距仪中，为了高精度地测量距离，需要降低混在照射的测距光中的噪声。

作为用于测量距测量对象物的距离的光波测距仪，有使用中频(if：intermediatefrequency)的超外差式(superheterodyne)的光波测距仪。

超外差式的光波测距仪将2个信号的频率差变换为中频，再将变换成的中频放大来使用，能够无需使用复杂的计数器电路等而使用调制成高频率的测距光来测距。

但是，在超外差式的光波测距仪中，在相位同步电路(pll：phaselockedloop)中，输入比较器的反馈信号中的频率杂散(无用的频率成分)有时会混在中频中。

在反馈信号的杂散混在中频中的情况下，会引起作为测距中的噪声之一的周期性误差(周期误差)，从而可能会导致测距精度降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种能降低噪声对测距结果的影响并能提高测距精度的光波测距仪以及反馈信号的调制频率决定方法。

为了达成上述目的，本发明的光波测距仪，具备：测距光出射部，具有发出测距光的发光元件，以及发光元件驱动电路，所述发光元件驱动电路向所述发光元件输出规定的信号以使所述发光元件以突发脉冲发光的方式以规定的频率发出所述测距光；光路分离构件，将所述测距光的一部分分光为内部参考光；光接收元件，接收来自测量对象物的反射测距光以及所述内部参考光并分别发出光接收信号；光接收电路，基于所述光接收信号生成中频信号；控制计算部，控制该光接收电路，并根据各所述光接收信号来计算距所述测量对象物的距离；所述光接收电路具有：基准信号发生器，输出规定频率的基准信号；电压控制振荡器，输出具有与输入信号的电压相对应的频率的本地信号以及反馈信号；中频信号发生器，基于所述本地信号与所述光接收信号输出所述中频信号；比较器；以及环路滤波器；所述比较器基于所述基准信号与所述反馈信号的相位差来输出比较信号，所述环路滤波器将所述比较信号作为电压信号向所述电压控制振荡器输出，该电压控制振荡器基于所述比较信号，使所述反馈信号与所述基准信号同步，所述控制计算部对所述中频信号进行采样而得到采样信号，并对所述采样信号进行离散傅里叶变换处理，并使与该采样信号所具有的频率正交的频率与所述反馈信号的频率在通过所述离散傅里叶变换处理而得到的曲线上相一致。

另外，优选实施例的光波测距仪，进一步具有：第一分频器，使所述基准信号的频率变为其整数分之一倍，第二分频器，使所述反馈信号的频率变为其整数分之一倍；在所述控制计算部中，以使输入所述比较器的所述反馈信号的频率和与所述采样信号所具有的频率正交的频率相一致的方式，设定所述第一分频器和所述第二分频器的分频比。

另外，在优选实施例的光波测距仪中，所述控制计算部以使所述反馈信号的频率和与所述采样信号所具有的频率正交的频率相一致的方式来改变所述采样信号的区间宽度。

进而，在本发明的反馈信号的调制频率决定方法中，光波测距仪具有基于从电压控制振荡器输出的本地信号和光接收信号生成中频信号并发出中频信号的光接收电路，并且通过对测距光的一部分进行分光而得到的内部参考光与来自测量对象物的反射测距光的相位差来测量距所述测量对象物的距离，所述光波测距仪对所述中频信号进行采样而得到采样信号，并对所述采样信号进行离散傅里叶变换处理，从而使与所述采样信号所具有的频率正交的频率与反馈信号的频率在通过所述离散傅里叶变换处理得到的曲线上相一致。

根据本发明，具备：测距光出射部，具有发出测距光的发光元件，以及发光元件驱动电路，所述发光元件驱动电路向所述发光元件输出规定的信号以使所述发光元件以突发脉冲发光的方式以规定的频率发出所述测距光；光路分离构件，将所述测距光的一部分分光为内部参考光；光接收元件，接收来自测量对象物的反射测距光以及所述内部参考光并分别发出光接收信号；光接收电路，基于所述光接收信号生成中频信号；控制计算部，控制该光接收电路，并根据各所述光接收信号来计算距所述测量对象物的距离；所述光接收电路具有：基准信号发生器，输出规定频率的基准信号；电压控制振荡器，输出具有与输入信号的电压相对应的频率的本地信号以及反馈信号；中频信号发生器，基于所述本地信号与所述光接收信号输出所述中频信号；比较器；以及环路滤波器；所述比较器基于所述基准信号与所述反馈信号的相位差来输出比较信号，所述环路滤波器将所述比较信号作为电压信号向所述电压控制振荡器输出，该电压控制振荡器基于所述比较信号，使所述反馈信号与所述基准信号同步，所述控制计算部对所述中频信号进行采样而得到采样信号，对所述采样信号进行dft处理而得到曲线，并使与该采样信号所具有的频率正交的频率与所述反馈信号的频率在所述曲线上相一致，因此能够从测距结果中除去由存在于所述本地信号的频率处的杂散引起的周期性误差的影响。

另外，根据本发明，光波测距仪具有基于从电压控制振荡器输出的本地信号和光接收信号生成中频信号并发出中频信号的光接收电路，并且通过对测距光的一部分进行分光而得到的内部参考光与来自测量对象物的反射测距光的相位差来测量距所述测量对象物的距离的中，所述光波测距仪对所述中频信号进行采样而得到采样信号，并对所述采样信号进行dft处理，从而使与所述采样信号所具有的频率正交的频率与反馈信号的频率在通过所述dft处理得到的曲线上相一致，因此，能够从测距结果中除去由存在于所述本地信号的频率处的杂散引起的周期性误差的影响。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的光波测距仪的基本结构的结构图。

图2是示出该光波测距仪中的光接收电路的结构图。

图3a、图3b是测量了从图2的电压控制振荡器输出的本地信号的频谱的图，图3a是示出输入比较器的频率较高的情况的说明图，图3b是示出输入比较器的频率较低的情况的说明图。

图4a是示出对中频信号进行采样而得的采样信号的图表，图4b是示出对该采样信号进行dft处理而得到的曲线的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

首先，对图1中的光波测距仪1的基本结构进行说明。

发光元件2(例如激光二极管：ld)被发光元件驱动电路3驱动，从而出射被强度调制为规定频率的激光光线。该激光光线被光路分离构件即半反射镜4以规定的比率分光为测距光5与内部参考光6。透过了所述半反射镜4的所述测距光5透过物镜7而照射到测量对象物(未图示)。由该测量对象物反射的反射测距光5'通过物镜7'和半反射镜8被光接收元件9接收。此外，作为该光接收元件9，可以使用光电二极管，例如雪崩光电二极管(apd：avalanchephotodiode)。

所述发光元件2、所述发光元件驱动电路3等构成测距光出射部，所述光接收元件9、光接收电路11(后述)等构成光接收信号处理部。基准信号发生器16向所述发光元件驱动电路3和所述光接收电路11输出基准信号23。

被所述半反射镜4反射的所述内部参考光6被所述反射测距光5'的光路上的所述半反射镜8反射，并被所述光接收元件9接收。

横跨所述测距光5的光路与所述内部参考光6的光路而设置有光路切换器12。该光路切换器12通过来自驱动电路13的信号进行光路切换(即，进行所述测距光5、所述内部参考光6的选择)，从而所述反射测距光5'与所述内部参考光6交替地被所述光接收元件9接收。该光接收元件9的光接收信号输入所述光接收电路11中。作为所述光路切换器12，可以使用物理地切换光路的快门，也可以使用电切换光路的液晶。

该光接收电路11在执行对来自所述光接收元件9的光接收信号30(后述)进行放大、a/d变换等所需的信号处理的过程中，生成中频信号33(后述)。

控制计算部14例如为cpu，或者也可以使用pc等作为控制计算部14。所述控制计算部14控制所述发光元件驱动电路3，并经由该发光元件驱动电路3来控制所述发光元件2的发光状态。另外，所述控制计算部14控制所述驱动电路13，并切换入射到所述光接收元件9的所述反射测距光5'与所述内部参考光6。

另外，所述控制计算部14基于所述光接收信号30计算所述内部参考光6与所述反射测距光5'的相位差(光接收时间差)，并基于光接收时间差和光速计算距离。另外，通过所述控制计算部14计算所述内部参考光6与所述反射测距光5'的相位差，来除去所述光接收电路11的漂移等电路中的不稳定因素。进而所述控制计算部14基于所述中频信号33进行离散傅里叶变换(dft：discretefouriertransform)处理等规定的处理。

所述控制计算部14执行存储在存储部15中的各种程序，并进行所述发光元件驱动电路3的控制、所述发光元件2的发光状态的控制、所述驱动电路13等的控制，进而执行距离测量所需的必要计算。

此外，作为所述存储部15，使用hdd、半导体存储器、存储卡等。

进而，所述控制计算部14经由所述发光元件驱动电路3控制所述发光元件2，以使该发光元件2间歇发光(突发脉冲发光)。

在所述存储部15中存储有控制所需的程序、用于测距所需的计算的各种程序。例如，存储有：用于执行对从所述光接收电路11输出的信号进行放大、a/d变换等信号处理的信号处理程序；用于对从所述光接收电路11输出的所述中频信号33进行采样，并对采样而得的突发脉冲波形进行(dft)处理的计算程序；以及决定用于使所述发光元件2以期望的频率发光的发光处理信号34的频率的计算程序等。另外，在所述存储部15中存储有测距结果、计算结果等各种数据。

图2示出本发明的实施例的所述光接收电路11的概要结构图。此外，也可以使所述光接收电路11包含所述基准信号发生器16。

所述光接收电路11具有第一分频器10、比较器17、环路滤波器18、电压控制振荡器(vco：vo1tagecontro11edosci11ator)19、第二分频器21以及中频信号发生器22。所述光接收电路11中，输入有来自所述基准信号发生器16的所述基准信号23。另外，所述光接收电路11构成相位同步电路(pll：phaselockedloop)。

所述基准信号发生器16输出例如30mhz的所述基准信号23。另外，所述电压控制振荡器19输出与输入信号的电压相对应的频率(本地频率)的信号。所述电压控制振荡器19例如一边发出120mhz的本地信号26，一边输出与该本地信号26相同频率的反馈信号(fd信号)24'。

从所述基准信号发生器16发出的所述基准信号23经由所述第一分频器10而作为第一分频信号20输入所述比较器17。另外，从所述电压控制振荡器19发出的所述反馈信号24'经由所述第二分频器21而作为反馈信号24输入所述比较器17。

所述第一分频器10能够任意改变分频比，并使来自所述基准信号发生器16的所述基准信号23的频率变为1/m倍(m是整数)。即，所述第一分频信号20是通过将所述基准信号23的频率变为1/m倍而求出的频率的信号。

另外，所述第二分频器21能够任意改变分频比，并使来自所述电压控制振荡器19的所述反馈信号24'的频率变为1/n倍(n是整数)。即，所述反馈信号24是通过将所述反馈信号24'的频率变为1/n倍而求出的频率的信号。

在所述相位同步电路中，向所述比较器17输入相同频率的两个信号，并通过该比较器17求出两个信号的相位差。在本实施例中，所述第一分频信号20的频率与所述反馈信号24的频率相等。在此，所述基准信号23的频率为30mhz，在欲使所述本地信号26的本地频率为120mhz，使所述第一分频信号20的频率为5mhz时，m＝6、n＝24。

此外，后述的杂散频率是通过输入所述比较器17的信号的频率来决定的。因此，能够通过改变所述第一分频器10与所述第二分频器21的分频比来控制杂散频率。

另一方面，所述第一分频信号20与所述反馈信号24会产生相位偏移。所述比较器17对所述第一分频信号20的相位与所述反馈信号24的相位进行比较，并将所述第一分频信号20与所述反馈信号24的偏移(相位差)作为比较信号25输出。该比较信号25的频率与所述第一分频信号20和所述反馈信号24的频率相同，例如5mhz。

所述比较信号25输入所述环路滤波器18。该环路滤波器18是例如低通滤波器，用于从所述比较信号25中去除交流成分。另外，所述环路滤波器18将相位差转换为直流电压信号，并将直流电压信号作为比较信号25'反馈给所述电压控制振荡器19。

该电压控制振荡器19基于从所述环路滤波器18输入的所述比较信号25'的电压，以使所述第一分频信号20与所述反馈信号24的频率差为0的方式输出所述反馈信号24'和所述本地信号26。因此，频率为从所述第一分频器10发出的所述第一分频信号20的n倍且相位与所述第一分频信号20同步的所述本地信号26从所述电压控制振荡器19向所述中频信号发生器22输出。

该中频信号发生器22基于所述本地信号26以及从所述光接收元件9输入的所述光接收信号30，将具有中频(fif)的所述中频信号33向所述控制计算部14输出。此外，在所述本地信号26的频率为120mhz，所述光接收信号30的频率为120+7.5mhz时，所述中频信号33的频率(中频)为7.5mhz。

在此，在通过所述光波测距仪1进行测距时，首先通过所述控制计算部14驱动所述发光元件2，进而该发光元件2以突发脉冲发光的方式发出所述测距光5。此外，在本实施例中，使突发脉冲周期为10μsec(100khz)，突发脉冲区间宽度为1μsec(1mhz)，并以突发脉冲发光的方式发出所述测距光5。

所述控制计算部14基于由所述光接收元件9接收的所述反射测距光5'的光接收信号和所述内部参考光6的光接收信号中的任一者对由所述光接收电路11生成的所述中频信号33以规定的区间宽度的采样。另外，所述控制计算部14对采样到的所述中频信号33(采样信号)进行dft处理。

另外，所述控制计算部14对所述中频信号33进行dft处理，并在求出相位时所得到的频率中，求出所述反射测距光5'与所述内部参考光6的相位差，并基于该相位差计算出距测量对象物的距离。

图3a、图3b是示出所述本地信号26与所述比较信号25的杂散28a、28b(无用的频率成分)的关系的图表。此外，图3a示出提高了输入所述比较器17的所述反馈信号24的反馈频率(±ffd)的情况，图3b示出降低了该反馈频率的情况。

如图3a、图3b所示，所述杂散28a、28b产生在与所述本地信号26的本地频率(fl)距离所述反馈信号24的反馈频率(±ffd)的位置。例如，在本地频率为120mhz，所述反馈频率为5mhz时，所述杂散28a、28b产生在120±5mhz的位置。

在所述中频为7.5mhz时，所述杂散28a发生在5mhz的位置。

另外，如图3a、图3b所示，在输入所述比较器17的所述反馈信号24的反馈频率高的情况下，所述杂散28a、28b产生在相对所述本地频率远的位置，在所述反馈频率低的情况下，所述杂散28a、28b产生在相对所述本地频率近的位置。

在所述反馈频率适当的情况下，如图3a所示，所述杂散28a、28b产生在所述本地信号26的信号区域(图表的宽度)27的外侧。另一方面，在所述反馈频率不适当的情况下，如图3b所示，所述杂散28a、28b存在于所述信号区域27的内部。因此，所述杂散28a、28b作为周期性误差而对dft处理结果产生很大影响。

若所述杂散28a、28b作为周期性误差而影响dft处理结果，则在测距结果中会混有周期性误差，从而导致测距精度的降低。

以下，利用图4a、图4b，对使周期性误差不影响测距结果的所述反馈频率的决定方法进行说明。

图4a是示出具有中频(fif)的所述中频信号33的采样例。此外，在图4a中，在所述中频信号33中，对10μsec(100khz)的突发脉冲波形29进行采样处理，并将其作为采样信号32。另外，图4b示出对该采样信号32进行dft处理而得到的频率分布曲线(以下称为曲线31)。

该曲线31是将通过dft处理得到的各频率下的振幅用线连接而成的。所述曲线31所具有的波形形状的特征在于，使得在与所述采样信号32所具有的频率正交的频率中所述曲线31的输出变为0。这里所说的与所述采样信号32所具有的频率正交的频率表示的是与该采样信号32所具有的频率没有相关性(为0)的频率，即在规定区间内两个频率的积分值为0的频率。

如上所述，在所述曲线31中，与所述采样信号32所具有的频率正交的频率是计算结果为0的频率。即，所述正交的频率是不影响测距的计算结果的频率。此外，相邻的所述正交的频率间的间隔与所述突发脉冲波形29的一个周期的频率相等。

在所述反馈频率(ffd)和与所述采样信号32所具有的频率正交的频率(例如，图4b中频率fa的点)相一致的情况下，在该正交的频率处产生所述杂散28a、28b。因此，由该杂散28a、28b引起的周期性误差不会影响测距计算结果。

另一方面，在所述反馈频率(ffd)是不与所述采样信号32所具有的频率正交的频率(例如，图4b中频率fb的点)的情况下，在该不正交的频率即计算结果不为0的频率处会产生所述杂散28a、28b。因此，由该杂散28a、28b引起的周期性误差会影响测距计算结果。

因此，以使与所述采样信号32所具有的频率正交的频率(在所述曲线31上输出为0的频率)fa、fa'与所述反馈频率(ffd)相一致的方式设定该反馈频率，会在所述正交的频率处产生所述杂散28a、28b。因此，能够防止由存在于频率fa、fa'处的杂散引起的周期性误差影响测距结果。

所述控制计算部14以使所述反馈频率成为决定的频率的方式设定所述第一分频器10的分频比与所述第二分频器21的分频比。此外，在有多个满足条件的频率的情况下，将其决定为所述反馈频率的候选。

因此，能够将作为测距时的噪声之一的周期性误差从测距结果中除去，从而能够提高所述光波测距仪1的测距精度。

此外，在本实施例中，所述控制计算部14设定所述第一分频器10的分频比与所述第二分频器21的分频比，并以在与所述采样信号32所具有的频率正交的频率(所述曲线31的输出为0的位置)处产生所述杂散28a、28b的方式调整该杂散28a、28b的产生位置。由此，防止周期性误差影响测距计算结果。

另一方面，也可以固定所述杂散28a、28b的产生位置并调整所述曲线31的波形形状(所述正交的频率)，从而在该曲线31的输出为0的位置产生所述杂散28a、28b。

所述曲线31的波形形状根据所述中频、突发脉冲周期、突发脉冲区间等决定。另外，所述曲线31的波形形状也可以根据所述控制计算部14所采样处理的所述中频信号33的区间宽度而变化。

如上所述，通过对由所述控制计算部14采样的所述中频信号33的区间宽度进行调整，能够改变所述曲线31的波形形状即与所述采样信号32所具有的频率正交的频率。

因此，即使在固定了所述第一分频信号20和所述本地信号26的频率的情况下，或在电路组装后，确认了在不与所述采样信号32所具有的频率正交的频率处产生所述杂散28a、28b等情况下，也能够使与所述采样信号32所具有的频率正交的频率与所述反馈频率相一致。因此，能够使所述杂散28a、28b产生在与所述采样信号32所具有的频率正交的频率处，从而能够防止周期性误差影响测距计算结果。