专利名称：测距法和测距仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用激光测定至某一目标的距离的一种激光测距法，并涉及实现该测距法的测距仪。更具体地说，本发明涉及用伪随机信号调制过的激光进行的距离测量。
这种用激光测定至某一目标的绝对距离的方法业已广泛应用于土木工程和建筑业的距离测量，防止与运动物体碰撞的距离测量，作为遥控机器人的可视信息的距离测量，和检查炼铁过程中所使用的转炉或铸桶中耐火材料的损坏或疲劳程度的距离测量等。
激光测距法通常分为三类，即相位比较法，脉冲调制法和伪随机信号调制法。下面概括介绍这三种方法。
(1)相位比较法例如，日本专利申请公开昭-62-75363即公开了相位比较法。下面参照
图1说明这种方法。
激光振荡器21发出的激光由半反射镜27分配到两个光路中。一个光路上的激光进入声光调制器22中。声光调制器22产生频率因与高频振荡器23发出的高频信号相互作用而频移的衍射光。该衍射光经由反射镜44传送到目标17。探测器43监控着该衍射光，即激光。在目标17上反射的光经由半反射镜28进入外差探测器40中。
另一方面，从半反射镜27供到另一光路上的激光通过半反射镜28作为参考光进入外差探测器40中。外差探测器40外差地探测表示来自目标的反射波与来自半反射镜28的参考光之间的频差的差频信号。由于差频信号的相位正比地滞后于至目标的距离，所述至目标的距离可通过检测来自高频振荡器23的参考信号与所述差频信号之间的相位差的鉴相器42测定。
由于相位比较法采用连续波发送系统，因而不能将来自目标的反射光与来自目标以外的无用光(例如反射光、漏泄光等)加以区别，因此可能会产生大的误差。特别是，当灵敏度高到能检测出微弱的反射光时，与光的接收有关的光学系统可以检测出来自与发射激光有关的光学系统的微弱漏泄光，而且可将其叠加到来自目标的反射光，使其与该反射光相干扰从而使相位紊乱，结果误差大。
(2)脉冲调制法例如，日本专利申请公开昭-58-76784就介绍了一种脉冲调制法。下面参看图2说明这个方法。
半反射镜27将来自激光振荡器21的激光分配到两个光路。一光路上的光进入由高频振荡器23所驱动的声光调制器22。在声光调制器22中，激光被调制成频率经过频移的衍射光。该衍射光通过缝隙29，由透镜54加以会聚，然后进入光调制器24。在光调制器24中，用来自脉冲发生器50的脉冲信号对入射的激光进行脉冲调制。经脉冲调制的激光通过光发送系统11然后射向目标17。从目标17反射回来的光波通过光接收系统12和半反射镜28，然后进入光探测元件25。
另一光路上来自半反射镜27的激光在半反射镜28上反射之后，进入光探测元件25，作为参考光。光探测元件25根据参考光对来自目标17的脉冲反射波进行外差探测，从而产生表示反射光与参考光之间的频差的差频信号脉冲波形。该差频信号脉冲波形经中频放大器51放大之后，由探测器52探测，从而成为探测脉冲波形。
由于该探测脉冲波形延迟了激光至目标的往返距离所需要的传播时间，因而信息处理电路53通过测定脉冲发生器50产生脉冲时与接收来自目标17的反射光而获得探测脉冲波形时两者之间的时差计算所述至目标的距离。
脉冲调制法采用间断波传送系统，因而即使存在由障碍物反射回来的无用光，也可以及时将目标反射回来的光与该来自障碍物的光区别开来。但在脉冲调制法中，不仅脉冲光的功率平均来说都小，而且待发送的激光其峰值功率因装置结构和安全问题而受到限制。因此当目标对光的反射率小时，测定不了至目标的距离。因此当目标对光的反射率小时，可以在目标上粘上(例如)在其表面具有大量细反射性物质的反射带以增加反射光量。但粘贴这类反射带的工艺是复杂的。
(3)伪随机信号调制法例如，日本专利申请公开昭-58-166281就曾经介绍过一种伪随机信号调制法。下面参看图3说明该调制法。
在调制器24中用伪随机信号发生器60所产生的伪随机信号在强度上调制由激光振荡器21所产生的激光。经调制的激光照射到目标17上。从目标17上反射回来的光为光探测元件25所接收之后。被转换成电信号。这里，电信号的波形存储在一高速存储器62中。在延迟相关器61中，计算伪随机信号发生器60所产生的伪随机信号与存储在高速存储器62中的接收伪随机信号之间的相关性，同时使伪随机信号依次延迟。相关处理的结果送到显示记录器63。
由于作为反射光收自目标17的伪随机信号其相位被光至目标17的传播时间所延迟，因而使伪随机信号发生器60所产生的伪随机信号的相位延迟传播所需要的时间以便作为发送信号时，两信号之间的相关性增加。因此可以通过测定使相关性最大时的延迟时间来测定至目标的距离。
由于伪随机调制法采用连续波传送系统，因而即使存在来自障碍物无用的反射波也能将来自目标的反射波根据相关处理的延迟时间与来自障碍物的反射波加以区分。但伪随机调制法在设备结构方面复杂，信号处理时间长。具体地说，高速存储器和延迟相关电路可由模拟电路构成，也可由数字电路构成。在前者的情况下，所使用的元件数多得使仪器的结构变得复杂。在后者的情况下，操作过程过于复杂，以致处理速度变慢。
图1、2和3为一般测距仪之各种实例的方框图。
图4是本发明测距仪一个实施例的方框图。
图5是伪随机信号发生器结构的一个实例的方框图。
图6和7是从说明图4所示测距仪的操作情况出发绘出的波形。
图8是本发明测距仪另一个实施例的方框图。
图9、10和11分别为激光测距仪的侧视图、顶视图和前视图。
图12是示出坐标系统中激光发送和接收方向的示意图。
图13是伪随机信号发生器结构另一实例的方框图。
图14是存储在图13所示的存储器中数据的示意图。
图15是图13所示的信号变换器中输入数据与输出信号之间的关系示意图。
图16是信号变换器输出波形的示意图。
图17是表明图5和8所示的测距仪中接收机工作情况的时间图。
图18是本发明测距仪另一实施例的方框图。
图19是本发明测距仪又一实施例的方框图。
本发明的一个目的是提供一种测距法及其所使用的测距仪，该测距法和测距仪不仅能避免无用光的影响，而且可简化测距仪的结构。
本发明的另一个目的是提供一种应用任意伪随机信号(例如Barker码信号)进行测距的测距仪。
按照本发明的一个方面，在测距法和测距仪中产生模式相同但频率彼此略有差别的第一和第二伪随机信号。然后将第一和第二随机信号彼此相乘，由此产生第一时间系列模式。将激光用第一伪随机信号进行强度调制后令其射向目标，然后接收自目标反射的光，并将其变换成电信号。将电信号作为接收信号与第二伪随机信号相乘，以产生第二时间系列模式。通过测定第一和第二时间系列模式之间的时差来测定至目标的距离。
这就是说，在本发明中，由于第一和第二伪随机信号是一些模式彼此相同但频率彼此略有不同的代码串，因而该两信号的相位可在某一时刻彼此匹配但随着时间的推移会逐渐偏离。当两信号彼此偏移一个或多个代码时，两信号便不再相关。因此两信号的乘积是如此随机的，以致当两信号通过一低通滤波器时没有输出产生。
时间再往前推移且第一和第二伪随机信号之间的相位差对应于一伪随机信号的一个周期时，两信号的相位彼此匹配，于是两信号之间的相关达最大值。在此情况下，当该乘积通过该低通滤波器时就得到一峰值信号。这个现象重复着从而获得从低通滤波器输出的周期性脉冲信号。
这里，通过令第一和第二伪随机信号彼此相乘的乘积通过低通滤波器而获得的脉冲信号叫作“时间参考信号”。至目标的距离可以用结构简单的测距仪通过探测脉冲发生时间与时间参考信号之差值而测定，该脉冲发生时间则是通过令反射在目标上激光波的接收信号与第二伪随机信号相乘的乘积通过而获得的。
因此虽然存在象来自光学系统的漏泄光之类的无用光，但仍然可以区别出因光反射在目标上而在检测信号上产生一脉冲时的时刻和因无用光而产生脉冲时的时刻，因为该两时刻彼此不同。按照本发明，不仅能测出至目标的距离而不致受无用光的任何影响，而且获取探测信号所需的信号处理时间可以缩短到能实时和灵敏测距的程度。
按照本发明的另一方面，本发明的测距仪具有第一乘法器，用以将第一伪随机信号与第二伪随机信号相乘;一激光发生装置;一调制装置，用以用第一伪随机信号对激光强度进行调制;一光发射装置，用以将调制装置的输出照射到目标上;一光探测装置，用以接收目标反射的光并将该反射光变换成电信号;第二乘法器，用以将光探测装置的输出与第二伪随机信号相乘;和一时差测定装置，用以测定第一乘法器输出的时间系列模式与第二乘法器输出的时间系列模式之间的差值。
按照本发明的又一方面，本发明的测距仪具有作为激光发生装置的半导体激光器和调制装置。半导体激光器直接由第一伪随机信号驱动从而获得直接用第一伪随机信号强度调制的激光。
按照本发明的还有一个方面，本发明的激光发生装置包括一激光源、一高频发生器和一声光调制元件，该声光调制元件加有激光源的输出激光，且由高频发生器的输出驱动，该光探测器则包括一分流装置，用以将激光源的一部分激光分流;一光探测元件，用以将分流装置的输出光与来自目标的反射光混合起来进行外差探测，从而输出作为电信号的探测结果。
按照本发明的另一方面，该时差测定装置包括加有第一乘法器输出的第一低通滤波器，加有第二乘法器输出的第二低通滤波器;和时间测定装置，用以测定第一低通滤波器的输出信号达到最大值时与第二低通滤波器的输出信号达最大值时两者之间的时间间隔。
按照本发明的又一个方面，所述伪随机信号发生器包括一计数器，用以对时钟信号进行计数并用以输出其计数值;一存储装置其中所存储的数据作为其地址所进行的读出操作是根据计数器的计数值进行的;一信号变换器，用以将所读取的存储数据变成三值信号，且所述光探测装置能临时改变光信号的接收灵敏度。
伪随机信号发生器中的计数器接收来自时钟信号发生器的时钟信号，对该时钟信号进行计数，然后将计数值供到存储装置中。当计数值达其上限值时，计数器复位到零，然后重新开始其计数操作。这时有一个复位信号加到光探测装置上。光探测器根据所收到的其余信号在预定的时间改变其灵敏度。存储装置选定其存储区中的数据，以计数器的计数值作为其地址，由此进行对该选定数据的读出操作。用以构成诸如Barker码信号之类的任意伪随机信号的代码数据预先存储在存储装置的存储区中。
如上所述，本发明采用了由一计数器、一存储装置和一信号变换器组成的伪随机信号发生器，因而除M型信号外，任何诸如Barker码信号之类的伪随机信号都可加以利用。举例说，若采用这种Barker码信号作为伪随机信号，则在每个Berker码信号输出周期可有一定时间间隔从而可进行间歇信号输出，临时改变测定仪、接收光的灵敏度，并暂时将不必要的反射信号隐蔽起来，从而可以高度灵敏地检测来自目标的反射信号。
从下面结合附图进行的说明可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的以及优点。
在图4作为本发明的一个实施例的测距仪中，时钟脉冲发生器/的频率f1为100.004兆赫，另一时钟脉冲发生器2的频率f2为99.996兆赫。各时钟脉冲发生器1和2采用石英振荡器使其频率保持稳定。伪随机信号发生器3和4的电路结构彼此相同。各伪随机信号发生器3和4产生M型信号作为伪随机信号。
产生这种M型信号的各伪随机信号发生器3和4可以由例如图2所示的7位M型信号发生器构成，例如该发生器由7级结构的移位寄存器31组成，该7级结构则主要由-ECL(发射极耦合逻辑)元件和一“异-或”电路32组成。M型信号是一种周期性循环信号，具有码“I”(对应于正电压+E)和“0”(对应于负电压-E)的组合码。在此7位的实例中，当产生127(＝27-1)个信号单元(signal chips)时就等于一个周期，而且产生重复此周期的循环信号。
伪随机信号发生器3和4由彼此相同的电路组成，因而各伪随机信号发生器3和4各自的输出信号具有彼此相同的模式。但伪随机信号发生器3和4在加到其上的时钟脉冲的频率方面略有不同，因而它们的输出周期彼此略有不同。除M型信号外，任何类型的信号，例如库儿(Gold)型信号或JPL型信号，均可用作伪随机信号。
在图4所示的测距仪中，例如，半导体激光器9的波长为780毫微米，该激光器产生的激光经用来自伪随机信号发生器3的信号进行过强度调制。激光通过光透射系统11中的一个透镜照射到目标17上。从目标17反射回来的光经由光接收系统12中的透镜、滤光器等进入二极管10中。接着将反射光的强度变换成电信号，从而获得接收信号。借助于平衡混频器8使接收信号与伪随机信号发生器4输出的第二伪随机信号相乘。乘积信号作为目标探测信号经由低通滤波器6加到距离定标器13上。
另一方面，借助于平衡混频器7将伪随机信号发生器3和4所产生的第一和第二伪随机信号相乘。得出的乘积信号作为时间参考信号经由低通滤波器5加到距离定标器13上。距离定标器13有一作用是通过检测目标探测信号的峰值和时间参考信号的峰值并测出分别产生这两峰值时的时差来标定至目标17的距离的。
上述相应的伪随机信号发生器3和4产生的第一和第二伪随机信号是模式彼此相同的代码串。但该两信号的周期分别随加到其上的驱动时钟脉冲频率之间的不同而略异。现在假设各信号的相位在某一时刻彼此匹配，则随着时间的推移，该相位就逐渐彼此偏离。当相位彼此偏离一个或多个代码时，则两信号彼此就不相关。用第一伪随机信号强度调制照射的激光之后，如果第二伪随机信号与作为来自目标17的反射光的接收信号之间不存在相关性，则两信号借助于平衡混频器8彼此相乘的乘积就成了不含直流分量的随机信号，从而使低通滤波器6的输出信号取零值。
随着时间的进一步推移，当第一和第二伪随机信号之间的相位差正好相当于一伪随机信号的一个周期时，两信号的相位再次彼此匹配。这时，两信号之间的相关性为最大，从而使来自平衡混频器8的乘积输出通过低通滤波器6时得到一个峰值信号。图6是进出低通滤波器6的输入和输出信号的示意图。在a1区中，两伪随机信号的相位彼此匹配，因而其合成值增大到其最大值。在a2区中，相位彼此不匹配，因而其合成值减小到零。这个现象也适用于后面即将详细说明的低通滤波器5。
每个周期重复着这个相位匹配现象，因而得出如图7所示作为来自目标17的反射波检测信号的周期性脉冲信号。另一方面，为设定测定从目标获取探测信号时的时间用的时间参考信号，用平衡混频器7直接将第一和第二伪随机信号彼此相乘，并检出作为通过低通滤波器5相乘的结果的时间系列模式，以此来形成周期与目标探测信号一样的周期脉冲信号。如此形成的周期脉冲信号规定为图7所示的时间参考信号。
于是得出从产生时间参考信号脉冲的时刻到产生目标探测信号脉冲的时刻这两者之间的时间间隔，作为正比于激光从光发射系统11向前传播到目标17并从目标17返回到光接收系统12所需往返传播时间的距离信息，从而可以由距离定标器13计算出至目标17的距离。
在本实施例中，目标17的立体形状可以在信号处理部分16中通过探测激光照射的方向和探测通过采用两个旋转编码器的双向量角器(即根据来自θ方向仪14和＊方向仪15的角度信息)在光发射和接收系统11和12中接收激光的方向测定出来。
在本实施例中，可以肯定的是，距离可在每点0.1秒的响应速率下以大约15毫米的测距精确度测得。
在本发明测距仪的另一个实施例中，如图8所示，通过将伪随机信号处理应用到外差探测激光测距仪中进一步提高了灵敏度。例如，在该测距仪中，时钟脉冲发生器1和2的时钟频率分别选为200.010兆赫和200.000兆赫。
伪随机信号发生器3和4的电路结构彼此相同。伪随机信号发生器3和4各通过8级移位寄存器产生作为伪随机信号的M型信号。激光振荡器21由-He-Ne激光振荡器构成。半反射镜27将激光振荡器21的输出激光分配到两个方向。一个方向上的光进入由高频振荡器23所驱动的声光调制器22。为高频信号的频率所偏移的衍射光通过缝隙29进入光调制器24中。在光调制器24中，激光的强度用伪随机信号发生器3所产生的M型信号进行调制。经光调制器24调制后的激光通过光发射系统11照射到目标17上。
从目标17反射回来的光为光接收系统12所接收并通过半反射镜28进入光探测元件25中。光探测元件25对所接收到的激光进行外差探测，产生振幅对应于所接收激光的强度的高频电信号。经调幅的高频信号由探测器26探测，借助于平衡混频器8与伪随机信号发生器4所产生的M型信号相乘，然后作为目标探测信号通过低通滤波器8加到距离定标器13上。
另一方面，借助于平衡混频器7将来自伪随机信号发生器3和4的输出信号彼此相乘。相乘的结果作为时间参考信号通过低通滤波器6加到距离定标器13中。距离定标器13通过探测目标探测信号的峰值和时间参考信号的峰值并测定各信号分别达峰值时在时间上的差值来计算距离。
此外在本实施例中，设置分别采用旋转编码器的θ方向仪14和＊方向仪15是用以测定激光照射的方向和测定激光在光发射和接收系统中的接收方向的，以便将双向角信号加到信号处理部分16。在信号处理部分16中，目标17的立体形状可以根据距离定标器13的距离计算值来测定。
在本实施例中，可以肯定该距离可在每点0.14秒的响应速率下，以大约10毫米的测距精度而测得。
获自如图4和8所示的双向量角器14和15的角度信息可与获自测距仪的距离信息结合起来使用，从而按下面的方式测出目标的立体形状。
在图9至11所示的激光测距仪中，各θ方向仪14和＊方向仪15由一高精确度的递增式旋转编码器组成，该编码器每一转产生360，000个脉冲。图4或图8所示的电路结构系装入激光测距仪本体74中，以使激光沿箭头方向发射/接收从而测定至目标的距离。＊方向仪15装在支座75上。方向仪15上还附装有轭架76。轭架76支撑着激光测距仪本体74，以使本体74可沿θ方向转动。轭架76本身可在＊方向仪15上转动。
假设通过测定某一方向(θ，＊)的距离得出至目标的距离测定值r，则目标的立体坐标(x，y，z)是由信号处理部分按下式计算X＝γ·COSθ·COS＊Y＝γ·COSθ·Sin＊Z＝γ·Sinθ通过重复上述测定和计算，同时扫描θ和＊角可使作为坐标信息(X，Y，Z)的目标的立体形状甚为精确。
虽然上面的说明是就图4和8所示的各伪随机信号发生器3和4中采用一移位寄存器的情况进行的，但本发明还可用于采用图13所示的伪随机信号发生器的情况。图13所示的伪随机信号发生器由一计数器33、一存储装置34和一信号变换器35构成。
计数器33接收作为输入信号的时钟信号，对所输入的时钟信号进行计数，并将计数值加到存储装置34。计数器33进行从0至计数上限值n的计数操作。计数达上限值n时，计数器复位到0，然后重新开始计数操作。
在本实施例中，上限值是127，因而计数器33与所提供的时钟信号同步重复从0至127的计数操作。当计数器复位到0时，就有同步脉冲信号输出。
存储装置34具有一些存储数据用由ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)等组成的存储器。存储装置34接收来自计数器33的输出计数值，用计数值作为存储器的地址读出存储在存储器中的伪随机信号的代码数据，并将读出的数据供到信号变换器35。
在本实施例中，存储装置34具有128个存储器，每个存储器具有存储2位数据长度的容量，且由0至127的地址表示。各存储器的第一位表示待存储的伪随机信号的码图。因此，第一位设定在对应于伪随机信号的代码“1”或“0”的“1”或“0”。各存储器的第二位表示存储器中的数据是否为伪随机信号的代码数据。当存储器中的数据是个代码数据时，就设定存储器的第二位为“1”，而当存储器中的数据不是代码数据时，则将第二位设定为“0”。
图14中的表，示出了七个Barker码存储在存储装置34的存储器时的一个例子。在此实例中，在对应于地址0至6的存储器中存储有用对应于Barker码数据的“11”和“0”表示的2位数据，同时，在对应于地址7至127的其它存储器中存储有用“00”表示的2位数据。由于对应于地址0至127的数据是根据计数器33供来的输入信号依次读出的，因此从存储装置34读取数据的操作系以128个时钟脉冲的周期与加到计数器33的时钟信号同步地重复进行。
图15的表，示出了本实施例中的信号变换器33的输入数据与输出信号之间的关系。信号变换器35接收来自存储装置34的数据，将该数据变换成三值信号，然后将其输出。这就是说，当存储装置34给出的2位数据是表示代码数据的“11”或“10”时，信号变换器35就产生对应于该数据的正(+)或负(-)信号。当2位数据为“00”或“01”时，信号变换器35就产生零(0)信号。
图16示出了在数据是从存储内容如图14所示的存储装置34提供情况下，信号变换器35输出信号的波形，即来自伪随机信号发生器的输出信号的波形。就输出波形而论，相应地给读自存储装置34的数据发出正(+)、负(-)或零(0)信号。由于从存储装置34的数据读出操作是在存储装置34的存储器数所确定的周期下与时钟脉冲信号同步地重复进行，因而来自信号变换器35的输出信号其波形由重复的7个时钟脉冲Barker码输出信号和121个时钟脉冲零信号形成。
下面说明测距仪在图13所示的伪随机信号发生器3和4应用到图4或图8所示的测距仪(图13适用于图4或8所示的测距仪)时的操作情况。在此情况下，同步脉冲信号是从伪随机信号发生器3供到光接收系统中的。自目标17反射回来的信号为光接收系统12接收之后，在随着时间的推移与同步脉冲信号同步地改变反射信号的衰减系数的放大之后发送出去。
图7示出了光接收系统12工作时的时间图。在该时间图中，图(a)和(b)分别示出了伪随机信号发生器3所产生的伪随机信号的信号波形和同步脉冲信号的信号波形。图17的图(c)示出了光接收系统12中信号衰减系数的瞬时变化。从伪随机信号发生器3收到同步脉冲信号时，光接收系统12在接收该脉冲之后在任意时间t时间内增大衰减系数，以便在该段时间限制输入所收到的不必要的反射信号，从而抑制了不必要的反射信号的影响。
因此，在目标反射回来的信号可能为光发射和接收系统附近的障碍物反射回来的不必要信号所掩蔽的情况下，接收灵敏度随着时间的推移而产生的变化可以抑制不必要反射信号的接收，从而防止不必要反射信号的影响。
图13所示的伪随机信号发生器也适用于图3所示的测距仪。下面参照图18和19说明这种应用的一个例子。
图18所示测距仪采用了图13所示的伪随机信号发生器。在此实施例中，在为随机信号处理过程中以图4所示测距仪同样的方式使用模式彼此相等但频率彼此略有差别的伪随机信号。
在图18所示的测距仪中，标号80表示接收机，81为乘法器(调制器)，82为乘法器(混合器)，83为低通滤波器，84为载波振荡器，85为分配器，86为发射机，87为乘法器(混合器)，88为分配器，89为混合耦合器，90和91为(乘法器)混合器，92和93为低通滤波器，94和95为方波脉冲发生器，96为加法器，97为传播时间测定器，98为距离定标器，99为发射天线，100为接收天线。
下面说明测距仪的操作情况。各伪随机信号发生器3和4的结构如图13所示，两发生器产生波形如上所述的信号。
各时钟发生器1和2含有一个石英振荡器，该振荡器产生频率足够稳定的时钟信号。但，时钟脉冲发生器1和2产生的频率彼此略有不同。在本实施例中，时钟脉冲发生器1和2所产生的频率f1和f2分别选取100.004兆赫和99.996兆赫，因而频差f1-f2为8千赫。时钟脉冲发生器1和2分别产生的时钟脉冲信号f1和f2分别加到伪随机信号发生器3和4。伪随机信号发生器3和4根据驱动时钟脉冲信号的频差产生图16周期彼此略有不同但模式彼此相等的信号。这里，两信号B1和B2的频率计算如下(B1的频率)＝127×1/100.004兆赫＊1269.9492毫微秒(B2的频率)＝127×1/99.996兆赫＊1270.0508毫微秒因此两信号B1和B2的周期大致相同，约为1270毫微秒(10-9秒)，但时差约为0.1毫微秒。所以若令两信号B1和B2循环产生，然后在某一时刻ta使两信号的模式彼此匹配，则每当通过一个周期，两信号之间就产生0.1毫微秒的时差，或换句话说，当过了100周期时，两信号之间产生10毫微秒的时差。
由于各信号在1270毫微秒的一个周期中产生127个信号单元(signal chips)，因而产生一个信号单元需时10毫微秒，因此两信号B1和B2之间产生10毫微秒的时差意味着这些信号彼此偏离一个信号单元。伪随机信号发生器3的输出B1加到乘法器81和82上。伪随机信号发生器4的输出B2加到乘法器82和87上。
举例说，载波发生器84使频率约为10千兆赫的微波振荡。分配器85将载波发生器84的输出信号分配到乘法器81和混合耦合器89上。例如，乘法器81由一双平衡混合器构成。乘法器81将分配器85供来的大约10千兆赫的载波与伪随机信号发生器3供来的信号B1相乘，并给发射机86提供由调相载波形成的频谱扩散信号。
发射机86对输入的频谱漫射信号进行功率放大，令其通过发射天线99变换成电磁波，然后将其发射到目标上。举例说，各发射天线99和接收天线100由喇叭形天线构成，以大大降低天线的方向性从而尽量减少反射在目标以外的物体上的电功率。例如，两天线的天线增益各约为20分贝。
从发射天线99发射到目标的电磁波经目标反射之后，通过接收天线100被转换成电信号，并供到接收机80上。当然，输入信号加到接收机80的时间因电磁波在天线位置与目标之间往返传播的时间而滞后，这就是说，它被延迟的时间即是电磁波从发射天线99发射时和电磁波返回到接收天线100时两者之间所需要的时间。接收机80将输入信号加以放大，并将经放大的信号加到乘法器87。稍后将详细说明接收机80的工作情况。
另一方面，分别从伪随机信号发生器3和4加到乘法器82的信号B1和B2彼此相乘。表示该乘积值的时间系列信号被加到低通滤波器83上。加到乘法器82上的两个伪随机信号的相位彼此匹配时，输出电压+E和输出电压-E是随机地产生的。低通滤波器83、92和93有一种基于频带限制的积分作用。因此当两信号的相位彼此匹配时，低通滤波器作为两信号的积分相关值得出的信号的输出信号是脉冲状信号。当两信号的相位彼此不匹配时，输出变为零。
于是低通滤波器83的输出端产生周期性的脉冲状信号。该脉冲状信号作为时间的参考信号加到传播时间测定器97上。在此实施例中，由于f和f分别为100.004兆赫和99.996兆赫，因而参考信号的周期TB为15.875毫秒。
接收机80的接收信号和伪随机信号发生器4的M型信号B2加到乘法器87上，由乘法器87将该两信号彼此相乘。当用第一信号B1对发射载波进行相位调制形成的接收信号其调制后的相位与第二信号B2的相位匹配时，乘法器87得出的乘积就作为相位匹配载波信号加到分配器88上。当接收信号的调制后相位与信号B2的相位不匹配时，乘法器87的乘积便作为相位随机载波信号加到分配器88。分配器88将输入信号一分为二，从分配器88输出的两个输出信号R1和R2分别加到乘法器90和91上。
从分配器85接收一部分发射载波的混合耦合器89给乘法器90和91分别提供相位与输入信号的相位相同的同相零相位分量信号I和相位垂直于输入信号相位的正交(90°-相位)分量信号Q。
乘法器90将混合耦合器89供来的信号I(即相位与载波振荡器84的输出同相的信号)与分配器88供来的上述信号R1彼此相乘。同样，乘法器91将输入信号Q(即相位与载波振荡器84的输出相差90度的信号)与上述信号R2彼此相乘。结果，各乘法器分别从接收信号提取零相位分量(I.R1)和90°-相位分量(Q.R2)，并将两分量作为探测信号发送出去。信号I.R1和Q.R2作为探测信号分别加到低通滤波器92和93上。
低通滤波器92和93具有基于频带限制的积分功能。借助于这个积分功能，低通滤波器92和93对两信号的相关进行积分。这就是说，当从乘法器87通过分配器88加到乘法器90的上述信号R1的相位与从混合耦合器89加到乘法器90的上述信号I的相位匹配时，且当按上述相同方式加到乘法器91的信号R2与信号Q匹配时，乘法器90和91的输出信号变成极性预定的脉冲信号(电压为+E或电压为-E的脉冲信号)，从而低通滤波器92和93的输出端因脉冲信号积分的结果分别产生大电压。当上述信号R1的相位与信号I的相位不匹配时，且当上述信号R2与信号Q的相位不匹配时，乘法器90和91的输出信号变成极性随机变化的脉冲信号(即电压为+E和电压为-E的脉冲信号)，从而使低通滤波器11和12的输出端上因各信号积分的结果而分别造成零电压。
通过低通滤波器92和93经如此积分处理的零相位和90°相位分量分别加到方波脉冲发生器94和95上。方波脉冲发生器94和95分别使输入信号的振幅呈矩形，然后将该输出信号作为操作结果加到加法器87上。加法器87将两输入信号彼此相加，然后将脉冲状探测信号加到传播时间测定器97上。现在假设探测信号达其最大值的时间是tb。上述由以下各步骤组成的方法，其形式或多或少是复杂一些，但却能得出灵敏度高的目标探测信号。该方法的步骤包括由相关处理接收信号和信号B2形成的信号分别探测发射载波的零相位和90°相位分量;对各探测信号进行积分，然后分别将各积分信号削方;然后将该对经削方的值彼此相加以得出目标探测信号。
传播时间测定器97测定低通滤波器供来的参考信号达其最大值之时间ta与加法器96供来的探测信号达其最大值时这两个时间之间的时间间隔TD。因此传播时间测定器97具有测定两输入信号分别达最大值时的时间的功能。时间T表示产生参考信号最大值的时刻ta与产生探测信号最大值的时刻TD两者之间的时间间隔。时间TD可以通过将电磁波实际往返于发射/接收天线23/24与目标25之间所需要的传播时间τ延长f1/(f1-f2)倍而计算出来。在本实施例中，由于f1＝100.004兆赫，f2＝99.996兆赫，因而TD＝12，500τ这个方程是通过将时间加大12，500倍获得的。
参考信号的每个周期TB都可以得出用上述方程表示的时间TD。
由于本发明的测量时间放大得非常大，因而可以高精度地测出至目标的距离。因此，可以说，本发明的测量仪适用于测定诸如炉内熔渣高度、熔液液面等短距离的液面计。
因此，从发射/接收天线99/100至目标的距离X(米)可用下式表示X＝(f1-f2)/2f1·V·TD＝1.2×104·TD在本实施例中，测距仪所使用的接收机80通过接收天线100接收来自目标的反射信号，将信号放大或衰减，并在与伪随机信号发生器3供来的同步脉冲信号同步的情况下改变放大或衰减系数的同时将该系数发送出去。图17示出了该系数随时间而变化的情况。
接收来自伪随机信号发生器3的同步脉冲信号时，接收机80在脉冲输入之后将衰减系数增加任意时间t，以限制这时所收到的不必要反射信号的输入，从而抑制不必要反射信号的影响。
图19所示的测距仪中也采用了图13所示的伪随机信号发生器。此外，伪随机信号是作为直接发射信号使用的。
另外在此实施例中，伪随机信号处理过程中也采用了两个模式彼此相等但频率略有差别的伪随机信号。在本实施例中，时钟信号的频率分别选取30.002兆赫和29.998兆赫，且各伪随机信号发生器3和4的结构与图13所示的相等，且产生码长为7的Barker码信号。
来自伪随机信号发生器3的伪随机信号加到发射机86。加到发射机86的伪随机信号经功率放大后转换成电磁波。接着，发射机86通过发射天线99将电磁波射向目标。因此取消了图18中所示的载波振荡器84，分配器85和乘法器81。来自发射天线99的电磁波从目标反射回来之后通过接收天线100被变换成电信号。此电信号加到接收机80。至于该过程以后的处理过程是将用乘法器(混频器)90将收自接收机80的接收信号与来自伪随机信号发生器4的伪随机信号相乘(混合)起来得出的信号加到低通滤波器92中。因而，在本实施例中取消了图18中所示的分配器88，乘法器91，低通滤波器93，方波脉冲发生器94和95以及加法器96。
来自低通滤波器83的输出和来自低通滤波器92的输出加到传播时间测定器97，然后以图18所示情况相同的方式加以处理，从而从距离定标器99的输出端上获得从发射/接收天线99/100至目标的距离。
本实施例的测距仪特别适用于对埋置在地中或水中的目标位置的测定，或用于地中探测之类的场合。
权利要求
1.一种测距法，其特征在于，它包括下列步骤产生波型彼此相等但频率彼此不同的第一和第二伪随机信号；通过将所述第一和第二伪随机信号彼此相乘而产生第一时间系列模式；用所述第一伪随机信号调制激光强度之后令激光照射到目标上；从所述目标作为接收信号收到所述反射光之后将反射光强度的变化变换成电信号；将所述电信号与所述第二伪随机信号相乘以产生第二时间系列模式；和计算所述第一与第二时间系列模式之间的时差，由此测定出至所述目标的距离。
2.一种测距仪，包括第一伪随机信号发生装置;第二伪随机信号发生装置，该第二伪随机信号的波型与所述第一伪随机信号的相等但频率略不同于所述第一伪随机信号;第一乘法器，用以将所述第一伪随机信号与所述第二伪随机信号相乘，从而产生第一时间系列模式;激光发生装置，用以产生激光;调制装置，用以用所述第一伪随机信号调制所述激光的强度;光发射装置，用以将所述调制装置的输出传送到一目标上;光探测装置，用以接收来自所述目标的反射光，并用以将所述反射光变换成电信号;第二乘法器，用以将所述电信号与所述第二伪随机信号相乘;和时差测定装置，用以测定所述第一时间系列模式与所述第二时间系列模式之间的时差。
3.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，用半导体激光器作为所述激光发生装置和所述调制装置。
4.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，所述激光发生装置包括一激光源、一高频发生器和一声光调制元件，该声光调制元件加有所述激光源的输出激光，并为所述高频发生器的输出所驱动，其中所述光探测装置包括一分流装置，用以将所述激光源的一部分激光分流;一光探测元件，用以将所述分流装置的输出光与来自所述目标的反射光混合，以便进行外差探测，从而输出作为所述电信号的探测结果。
5.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，所述时差测定装置包括供以所述第一乘法器输出的第一低通滤波器、供以所述第二乘法器输出的第二低通滤波器，和时间间隔测定装置，该装置用以测定所述第一低通滤波器的输出信号达最大值的时刻与所述第二低通滤波器的输出信号达最大值的时刻两者之间的时间间隔。
6.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，它还包括一双向测定装置，用以测定激光发射方向和测定激光探测过程，从而确定所述目标的立体形状。
7.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，所述第一和第二伪随机信号的装置各包括一计数器，用以对时钟信号进行计数，并用以输出其计数值;一存储装置，所存储的数据即根据所述计数器的计数值作为所述存储装置的地址而从存储装置中读出的;和一信号变换器，用以将所读出的存储数据变换成三值信号;所述光探测装置能与所述伪随机信号的周期同步地瞬时改变光信号的接收灵敏度。
全文摘要
一种测距法和该测距法所使用的测距仪，其中采用了模式彼此相等但频率彼此略有不同的第一和第二伪随机信号。产生将第一伪随机信号与第二伪随机信号相乘得出的第一时间系列模式，将强度用第一伪随机信号调制了的激光照射到目标上，接收来自目标的反射光，然后将所收到的反射光的强度变化变换成电信号。将此电信号作为接收信号与第二伪随机信号相乘得出第二时间系列模式。通过计算第一和第二时间系列模式之间的时差测出至目标的距离。
文档编号G01S17/32GK1055426SQ91102079
公开日1991年10月16日 申请日期1991年3月28日 优先权日1990年3月30日
发明者长栋章生, 手浩一, 小峰勇 申请人:日本钢管株式会社