JP4361868B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載の距離測定装置から出発している。

ＤＥ１９８１１５５０Ｃ２から、唯一の発振器から高調波の分周およびフィルタによる除去によって種々異なっている周波数を有する複数の信号が生成されるという、上位概念に記載の形式の距離測定装置が公知である。

発明の利点
本発明は、基本周波数の基本信号を生成するための少なくとも１つの発振器と、基本周波数に比べて高められた第１の周波数を有する第１の信号を生成するための第１の回路装置とを備えている距離測定装置、例えばレーザ距離測定装置から出発している。第１の回路装置は本発明によれば少なくとも１つのＰＬＬ回路およびＶＣＯ回路を有している。

この種の回路装置を備えた距離測定装置は、回路装置によって生成される第１の信号の第１の周波数を、高調波のフィルタリングおよび増幅によって得ることができる、距離測定のために役立つ信号の周波数より著しく高いところに置くことができるという利点を有している。従って所定の測定精度を実現するために位相分解能にかかる要求は僅かになり、しかもより高い精度が実現可能である。別の利点は、第１の周波数をデジタルで生成することができること、フィルタエレメントによって規定されて測定周波数を予め設定する必要はないことである。本発明は更に、所属の整合回路網および増幅器回路を含めたフィルタエレメントなしの回路装置で十分であるという利点も提供する。これによりコストを削減することができる。

ＰＬＬ回路（“Phase Locked Loop”または“Phasenbegrenzungskreis”（位相制限回路））並びにＶＣＯ回路（“Voltage Controlled Oszillator”または“Spannungsfrequenzumsetzer”（電圧周波数変換器））は電子工学の分野では十分周知である。ＰＬＬ回路は信号間の位相位置を比較しかつ位相位置に依存した電圧を送出する。ＶＣＯ回路は、ＶＣＯ回路に入力された電圧に依存している周波数を有する信号を生成する。従ってＰＬＬ回路とＶＣＯ回路との組み合わせによって、ＶＣＯ回路によって生成される出力周波数を高い精度で基本周波数に適合させることができる回路装置が実現可能である。すなわち、発振器の基本周波数と同じ安定性を有する高い第１の周波数または出力周波数が実現可能であり、その際１ＧＨｚ以上の出力周波数が可能である。この場合回路装置の所望の出力周波数は、出力周波数領域が所望の周波数をカバーしている適当なＶＣＯ回路の選択によって実現される。

回路装置は発振器に直接後置することができるので、ＰＬＬ回路には基本周波数を有する基本信号が供給される。しかし発振器の基本信号を変える１つまたは複数の回路を発振器と回路装置との間に配置することも可能である。すなわち例えば発振器と回路装置との間に、発振器によって生成された基本周波数を１つまたは複数の比較的低い周波数に分周する分周器が配置されていてもよい。この場合分周器の１つまたは複数の比較的低い周波数が回路装置もしくはそれぞれ第１の回路装置に供給されて、回路装置が基本周波数に比べて高められている第１の周波数を有する第１の信号を生成する。

有利には、回路装置は第１の周波数を分周するために設けられている分周器を有している。これにより、簡単な手法で周波数逓倍が可能である。分周器はＶＣＯ回路の出力周波数の分周のために用いられ、その際分周器の出力信号はＰＬＬ回路に供給されて、ＰＬＬ回路に直接または発振器から間接的に供給される信号と比較される。分周器はＶＣＯ回路の出力周波数を有利には、ＰＬＬ回路に直接または発振器から間接的に供給される同じ周波数に分周する。

特別簡単な回路装置は分周器の、ＰＬＬ回路への統合によって実現される。

本発明の有利な実施形態において、第１の回路装置はＶＣＯ回路に後置接続されているＬＣフィルタを有している。この種のＬＣフィルタは１つのインダクタンス（Ｌ）および１つのキャパシタンス（Ｃ）を有しておりかつ例えば回路装置によって生成される高調波のフィルタによる除去のように、信号品質の改善のために用いられる。このようにして第１の回路装置の実質的に正弦波状の出力信号が実現され、これにより後続の測定プロセスにおいて高い精度で位相を突き止めることが可能になる。

本発明の別の実施形態において距離測定装置は、基本信号から第２の信号を生成するための位相シフトエレメントを有しており、その際第２の信号は基本周波数とは異なっている第２の周波数を有しておりかつ該第２の信号は、入力信号をデスクレートな位相位置間で展開接続することによって生成されかつ位相シフトエレメントには、第２の周波数に比べて高められた第３の周波数を有する第３の信号を生成するための、ＰＬＬ回路およびＶＣＯ回路を有する第２の回路装置が後置接続されている。第２の信号は基本信号から直接または間接的に生成することができる。例えば、発振器と位相シフトエレメントとの間に別のエレメント、例えば分周器を配置しかつこの別のエレメントの出力信号を位相シフトエレメントによって処理することが可能である。第２の回路装置によって、第２の信号は直接または中間介挿された信号処理エレメントの後で間接的に、第３のおよび高い周波数を有する第３の信号が生成されるように処理される。こうして第１の周波数を有する第１の信号および第３の周波数を有する第３の信号が発振器によって生成された基本信号から導出され、これにより両方の信号は追従調整しなくても相互に安定した関係にある。これにより、第１および第３の信号から成る低周波の混合積が、全く追従調整なしに、発振器の基本信号と同じように安定しているという利点を実現することができる。こうして種々異なっている周波数の個別信号間の周波数エラーは排除されている。というのは、個々の信号は全部共通して発振器の１つの基本信号に基づいて形成されているからである。

位相シフトエレメントは第２の信号を例えば合成、つまり純デジタル的な周波数シフトによって生成する。これにより、例えば複数の発振器からの、信号の異なっている出どころにより規定されて生じるほんの僅かな周波数偏差も効果的に回避される。密に隣接しておりかつ更に非常に大きな周波数を有する周波数対が得られ、その際密に隣接とは出力周波数からの分周によって得られない周波数差の謂いである。

有利には第１および／または第２の回路装置は入力周波数を奇数倍だけ逓倍するように設定されている。これにより相互にシフトされている周波数を有する信号の位相の簡単な評価を実現することができる。

図面
別の利点は以下の図面の説明から明らかである。図面には本発明の実施例が図示されている。図面、発明の詳細な説明および特許請求の範囲は数多くの特徴を組み合わせにおいて含んでいる。当業者であればこれら特徴を好適には個々にも考察しかつ有意な別の組み合わせにまとめられる。

図１にはレーザ距離測定装置として実現されている距離測定装置の基本回路が略示されている。必ずしも直流電圧値に固定されていないそれぞれの信号は以下、周波数ｆを有しているものと見なされる。信号はこの場合正弦波状、矩形または決められた時間の間だけ正弦波状もしくは矩形であってよい。信号が矩形であれば、基本振動周波数ｆの他に、更に別の、いわゆる高調波が発生する。これについての理論は数学から周知であり、ここでは詳細に説明しない。

信号が決まった時間の間だけ正弦波状もしくは矩形であるならば、信号は同様に周波数ｆを有していると表される。この種の信号はとりわけ、位相が規則的な時間的なシーケンスで一定の位相角を中心にシフトされるようなときに生じる信号である。数値ｆはこの場合、周波数スペクトル中、最大の振幅で発生する周波数を表す。この場合、周波数ｆの倍数ではない周波数が発生する可能性がある。この種の周波数も以下同様に、高調波と称する。

図１には、１０で示されている距離測定装置の基本回路が示されている。この装置は送光器１２、例えばレーザダイオード並びに受光器１４、例えばホトダイオードを有している。送光器１２を用いてコリメートされた、可視の持続波レーザビームが送信信号１６として生成される。これは以下にターゲットとも称する物体１８において視認されるものである。送信信号１６は物体１８によって光学の法則に従って反射されかつ受信信号として受光器１４によって受信される。受光器１４に、ターゲット測定に続いて直接、光切換スイッチ２２、例えば可動のフラップ板を介して参照信号１６′としての送信信号１６が供給される。

レーザ距離測定装置１０のドライブ制御のために回路装置２４が設けられている。この回路装置は水晶発振器として実現されている発振器２６を有している。発振器２６は基本周波数ｆ_０を用意し、そこから、以下に更に説明する、距離測定装置１０の作動のためのすべての周波数が導出される。距離測定装置１０を用いた距離測定の一義性領域を高めるために、装置は送信信号１６に対する全部で３つの変調周波数によって作動される。送信信号１６自体は周知のように振幅変調されている。従って受信信号も同じようにして振幅変調されている。光切換スイッチ２２が既知の時点で切り換えられることによって、時間的なシーケンスに基づいて、瞬時的な光受信信号が光切換スイッチ２２から直接派生したものなのかまたは物体１８から派生したものなのかを一義的に識別することができる。

受光器１４は周知のアバランシ・ホトダイオードとして実現されておりかつ複数の周波数の混合を同時に行うことができる。この形式のアバランシ・ホトダイオードの構成および作用は周知であるので、この説明の枠内においてこれについては詳細に説明しないものとする。

発振器２６に第１の切換可能な分周器２８が配属されている。分周器を介して発振器２６によって用意された周波数ｆ_０が選択的に、周波数ｆ_１０、周波数ｆ_２０並びに周波数ｆ_３０に分周可能である。その際周波数ｆ_１０、ｆ_２０、ｆ_３０は基本周波数ｆ_０の分周によって得られるそれぞれの値をとることができる。また、周波数の少なくとも２つは同一であってよい。

分周器２８に回路装置３０が後置接続されている。この回路装置は周波数ｆ_１０を有する信号から基本周波数ｆ_０に対して高められている第１の周波数ｆ_１を有する第１の信号を生成する。回路装置３０はＰＬＬ回路３２およびＶＣＯ回路３４を有している。ＰＬＬ回路３２に分周器３６が集積されている。ＶＣＯ回路３４は電圧制御発振器（電圧周波数変換器）でありかつ周波数ｆ_１または該周波数ｆ_１の周りの領域にある周波数を有する信号を送出するように構成されている。分周器３６は、周波数ｆ_１を有する信号を周波数ｆ_１０の領域にある信号に分周するように構成されている。ＰＬＬ回路３２は位相閉ループ回路（位相制限回路）でありかつ分周器３６から到来する信号と分周器２８から到来する、周波数ｆ_１０を有する信号との位相比較のために設けられている。

回路装置３０はインダクタンスおよびキャパシタンスを有しているＬＣフィルタ３５を含んでいる。ＬＣフィルタ３５は回路装置３０によって生成された高調波を取り除きかつ信号のＱを改善するために用いられる。

周波数ｆ_１を有する第１の信号並びに分周器２８から出てくる、周波数ｆ_２およびｆ_３を有する信号は加算素子３８を介して受光器１４に供給される。この場合周波数ｆ_２は分周器２８から送出される周波数ｆ_２０に相応しかつ周波数ｆ_３は周波数ｆ_３０に相応する。分周器２８から出てくる、周波数ｆ_２０またはｆ_３０を有する信号が図示に示されていないバンドパスフィルタおよび／または同じく図示されていない増幅器を介して導かれるようにすることもでき、その場合には周波数ｆ_２またはｆ_３は必ずしも周波数ｆ_２０ないしｆ_３０に相応している必要はない。回路装置３０を発振器２６に直接後置することもでき、その場合には基本周波数ｆ_０を有する基本信号がＰＬＬ回路３２に対する入力信号として使用される。

発振器２６に第２の切換可能な分周器２８′が配属されている。分周器２８′は、位相シフトエレメント４０として実現されているデジタル回路装置を含んでいる。分周器２８′の出力側に周波数ｆ′_１０、ｆ′_２０およびｆ′_３０を有する信号が出てくる。これらの周波数は位相シフトエレメント４０を通して周波数ｆ_５によって位相が展開接続されて進められる。これにより、周波数スペクトルにおいて複数の周波数ラインから成る混合が生じる。周波数ｆ′_１０、ｆ′_２０およびｆ′_３０の少なくとも２つは同一であってよい。

回路装置３０′はＰＬＬ回路３２′およびＶＣＯ回路３４′を有している。ＰＬＬ回路３２′に分周器３６′が集積されている。ＶＣＯ回路３４′は周波数ｆ′_１または該周波数ｆ′_１の周りの領域にある周波数を有する信号を送出するように構成されている。分周器３６′は、周波数ｆ′_１を有する信号を周波数ｆ′_１０の領域にある信号に分周するように構成されている。ＰＬＬ回路３２′は分周器３６′から到来する信号と分周器２８′から到来する、周波数ｆ′_１０を有する信号との位相比較のために設けられている。位相シフトエレメント４０が周波数ｆ′_１０を有する信号の位相をいくらかシフトするとその都度、ＰＬＬ回路３２′はＶＣＯ回路３４′と関連して、分周器３６′から到来する、周波数ｆ′_１０を有する信号が分周器２８′から到来する、周波数ｆ′_１０を有する信号と同じ位相位置になるまで動作する。回路装置３０と同じように、回路装置３０′はインダクタンスおよびキャパシタンスを有しているＬＣフィルタ３５′を含んでいる。

受光器１４には時間的に相前後するシーケンスにおいて下記のＡにリストアップされている信号と、それぞれの光信号に対してＢにリストアップされている電気信号とが同時に供給される：
リスト Ａ リスト Ｂ
光信号： 所属の電気信号：
周波数ｆ′_１のターゲット信号２０ 周波数ｆ_１の混合信号
周波数ｆ′_２のターゲット信号２０ 周波数ｆ_２の混合信号
周波数ｆ′_３のターゲット信号２０ 周波数ｆ_３の混合信号
周波数ｆ′_１の参照信号１６′ 周波数ｆ_１の混合信号
周波数ｆ′_２の参照信号１６′ 周波数ｆ_２の混合信号
周波数ｆ′_３の参照信号１６′ 周波数ｆ_２の混合信号。

これにより、周知のように混合による、評価信号４２への変換が行われる。この評価信号４２は必要な基本情報、すなわち一方におけるＡ／Ｄ変換器クロック５２に関連したターゲット信号２０の位相角および他方におけるＡ／Ｄ変換器クロック５２に関連した参照信号１６′の位相角を時間的に相次いで含んでいる。測定周波数当たりの２つの位相角の差形成によって、基準量が見つけ出される。というのはこれは、相次いで現れる測定すべての測定において変わらず留まるからである。結果として測定周波数対ｆ′_１−ｆ_１，ｆ′_２−ｆ_２およびｆ′_３−ｆ_３毎に１つの位相角、すなわち全部で３つの位相角が生じる。周波数ｆ′_１，ｆ′_２およびｆ′_３の最小周波数が全体の距離測定の一義性領域を定める。周波数ｆ′_１，ｆ′_２およびｆ′_３の最大周波数が規定の測定時間における可能な最大測定精度を定める。最大と最小の周波数の間にある、ｆ′_１，ｆ′_２およびｆ′_３から成る周波数は基本的には必要でない。しかしこれらは最小周波数の測定精度が最大周波数の測定結果をその都度正しい領域に整理するのに十分でないときに有利に使用される。これらは、最高周波数の一義性領域より大きい距離を測定できるようにするためには必要である。

周波数ｆ_３は高い分解能を有する緩慢なＡ／Ｄ変換器を使用するために比較的小さく選択されている。評価信号４２は周波数ｆ_４の評価信号に対するバンドパスフィルタを形成するアンチ・エイリアシングフィルタ４４を介して導かれかつこのフィルタから増幅器４６を経てＡ／Ｄ変換器に導かれる。変換された評価信号４２はマイクロプロセッサ５０に供給される。マイクロプロセッサは相応の計算ユニット、メモリユニット、計数ユニットなどを有していて、距離計算装置１０により物体１８の距離が突き止められるようにしている。マイクロプロセッサ５０を介して同時に、Ａ／Ｄ変換器４８をドライブ制御するためのＡ／Ｄ変換器クロック５２が用意される。更に、Ａ／Ｄ変換器クロック５２に少なくとも部分的に固定の関係にある周波数信号ｆ_５（トリガー信号）が周波数ｆ_１０、ｆ_２０およびｆ_３０を周波数ｆ′_１０、ｆ′_２０およびｆ_３０にシフトするために利用される。

実施例において、発振器２６は基本周波数ｆ_０＝６０ＭＨｚを有する基本信号を生成するものと仮定される。分周器２８は基本周波数ｆ_０を周波数ｆ_１０＝３０ＭＨｚ、周波数ｆ_２０＝１５ＭＨｚおよび周波数ｆ_３０＝１．８７５ＭＨｚに分周する。周波数ｆ_２０および周波数ｆ_３０は変えられずに周波数ｆ_２＝１５ＭＨｚおよび周波数ｆ_３＝１．８７５ＭＨｚとして加算素子３８に供給される。周波数ｆ_１０を有する信号はＰＬＬ回路３２に入力される。この信号の位相位置は分周器３６から到来する信号の位相位置と比較され、その際２つの信号の位相の比較はＰＬＬ回路３２の出力電圧に変換される。この電圧はＶＣＯ回路３４の入力量として用いられる。ＶＣＯ回路はこの量から、周波数ｆ_１＝９００ＭＨｚを有する信号を生成する。周波数ｆ_１を有する信号は分周器３６に供給され、分周器は信号の周波数ｆ_１を周波数ｆ_１０に分周する。分周器２８および３６から到来する、周波数ｆ_１０を有する２つの信号の位相比較およびその結果生じる、ＰＬＬ回路３２の出力電圧によってＶＣＯ回路３４は、そこから出力される、周波数ｆ_１を有する信号が発振器２６の基本周波数ｆ_０を有する基本信号と同じ安定性および精度を有するようにドライブ制御される。

発振器２６に配属されている分周器２８′は６０ＭＨｚの基本周波数ｆ_０を分周器２８と同じ手法で周波数ｆ′_１０、ｆ′_２０およびｆ′_３０を有する信号に分周し、その際周波数ｆ′_１０、ｆ′_２０およびｆ′_３０は周波数ｆ_１０、ｆ_２０およびｆ_３０に対して周波数ｆ_４だけデジタル的にシフトされている。周波数ｆ_４は２．９２９ｋＨｚであり、その結果周波数ｆ′_１と類似の仕方で得られる周波数ｆ′_１は８９９．９９７ＭＨｚである。周波数ｆ′_２は２９．９９７ＭＨｚでありかつ周波数ｆ′_３は１．８７２ＭＨｚである。全部の周波数はマイクロプロセッサ５０の周波数ｆ_５のトリガー信号を用いてデジタル生成される。実施例においてトリガー信号ｆ_５は周波数ｆ_１＝９００ＭＨｚおよび周波数ｆ_２＝１５ＭＨｚにおいて正確にｆ_４の４倍の周波数を有しているものと仮定される。周波数ｆ_５＝１１．７１６ＫＨｚを有するトリガー信号のそれぞれのクロックにおいて周波数ｆ_１ないしｆ_２は９０°づつシフトされるので、周波数ｆ_４＝２．９２９ＫＨｚで３６０°のシフトが行われる。周波数ｆ_３＝１．８７５ＭＨｚにおいてトリガー信号ｆ_５はｆ_４の３２倍の周波数を有している。この実施例において挙げられた周波数は例示されたにすぎない。別の実施例において勿論別の周波数も可能である。

本発明の実施例の略図

符号の説明

１０ 距離測定装置、 １２ 送光器、 １４ 受光器、 １６ 送信信号、 １６′ 参照信号、 １８ 物体、 ２０ 受信信号、 ２２ 光切換スイッチ、 ２４ 回路装置、 ２６ 発振器、 ２８ 分周器、 ２８′ 分周器、 ３０ 回路装置、 ３０′ 回路装置、 ３２ ＰＬＬ回路、 ３２′ ＰＬＬ回路、 ３４ ＶＣＯ回路、 ３４′ ＶＣＯ回路、 ３５ ＬＣフィルタ、 ３５′ ＬＣフィルタ、 ３６ 分周器、 ３６′ 分周器、 ３８ 加算素子、 ３８′ 加算素子、 ４０ 位相シフトエレメント、 ４２ 評価信号、 ４４ アンチ・エイリアシングフィルタ、 ４６ 増幅器、 ４８ Ａ／Ｄ変換器、 ５０ マイクロプロセッサ、 ５２ Ａ／Ｄ変換器クロック

Claims (6)

1. 周波数信号を形成するための回路装置（２４）であって、
   基本周波数（ｆ_０）の基本信号を生成するための少なくとも１つの発振器（２６）を備え、
   基本周波数（ｆ_０）に比べて高められた第１の周波数（ｆ_１）を有する第１の信号を生成するための第１の回路装置（３０）を備え、該第１の回路装置（３０）は少なくとも１つのＰＬＬ回路（３２）およびＶＣＯ回路（３４）を有しており、
   前記基本信号から前記基本周波数（ｆ _０ ）とは異なっている第２の周波数を有する第２の信号を生成するための位相シフトエレメント（４０）を備え、該位相シフトエレメント（４０）により、第２の信号の位相は別の周波数（ｆ _５ ）のトリガ信号を用いてディスクレートな位相位置の間でシフトされ、かつ該位相シフトエレメント（４０）に、前記第２の周波数に対して高められた第３の周波数（ｆ′ _１ ）を有する第３の信号を生成するためのＰＬＬ回路（３２′）およびＶＣＯ回路（３４′）を備えている第２の回路装置（３０′）が後置接続されている
   ことを特徴とする周波数信号形成用回路装置。
2. 前記第１の回路装置（３０）はＶＣＯ回路（３４）に後置接続されているＬＣフィルタ（３５）を有している
   請求項１記載の周波数信号形成用回路装置。
3. ＰＬＬ回路（３２）に集積されている分周器（３６）を備えている
   請求項１または２記載の周波数信号形成用回路装置。
4. 回路装置（３０、３０′）は入力信号を奇数倍だけ逓倍するように設定されている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の周波数信号形成用回路装置。
5. 距離測定装置に使用される
   請求項１から４までのいずれか１項記載の周波数信号形成用回路装置。
6. 前記距離測定装置はレーザ距離測定装置として実現されている
   請求項５記載の周波数信号形成用回路装置。

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