JPH0196580A

JPH0196580A - 光波距離計

Info

Publication number: JPH0196580A
Application number: JP62254308A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Shimura; 志村　菊雄
Original assignee: Sokkisha Co Ltd
Current assignee: Sokkisha Co Ltd
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1989-04-14
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: JP2537375B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は２地点間の直線距離を光電的に測定する光波距
離計に関するものである。

（従来の技術）従来、一定周波数で光を強度変調して送出し、目標で反
射された光（以下、測距光という）を受光し、該測距光
と送出光または参照用光路を通過して受光させた光（以
下、参照光という）との強度変調の位相差から距離を測
定する光波距離計が実用化されている。測距光と送出光
から距離を測定した場合には検出回路のドリフト等が測
定誤差となってあられれるので、測距光と送出光との位
相差と、参照光と送出光との位相差を求め、両位相差を
減算して測距光と参照光から正確な距離測定を行うこと
が一般である。

これは距離に応じて該位相差が変化することを利用した
もので、位相差をΔφ、距離をＤ１変調周波数をｆ、光
速をＣとすれば、位相差ΔφはΔφ−４πｆＤ／Ｃと表
わされ、距離りは位相差Δφを測定することにより求め
ることができる。実際には２つ以上の大きさの異なる周
波数での変調光がそれぞれ測定に使用され、それぞれの
分解能に応じて距離値の各桁が決定されるようになって
いる。第７図に従来方式のブロック図を示す。

（発明が解決しようとする問題点）従来の光波距離計では一定の周波数で変調を行うため、
受信光に含まれる信号と雑音との分離の際に狭帯域フィ
ルタを使用しなければならず、Ｓ／Ｎが悪い場合、例え
ば、遠距離の場合や見通しの悪い時などには受信光の信
号だけを抜き出すことが難しい。そのためＳ／Ｎを良く
するため反射鏡の反射面積を大きくするなどして反射効
率を上げる必要がある。しかし、例えこのようにしても
１ｌｌＪ定不能か測定値に誤差を持つことが多かった。

また、測距誤差の大きな原因となっている距離計内部（
光学素子表面など）での反射光によるニセの信号を測距
のための信号と分離することが難しく、反射防止処理な
どの対策が必要となっていた。

また、最長測定距離は発光素子の出力や受光素子感度、
使用電力、寸法などに実用上の制限がありほぼ限界に到
達しているのが現状であり、より長距離の測定が可能で
かつ精度が高く、しかもコンパクト、かつ安価な距離計
の開発が測量、測地などの分野において切望される。

本発明は上述のような従来の光波距離計にみられる問題
点を解決するためになされたものであり、Ｓ／Ｎが悪い
場合にも測定ができ精度が保たれ、より長距離の測定も
可能とする光波距離計を提供することを目的としている
。

（問題点を解決するための手段）送出光と測距光の位相差、あるいは測距光と参照光との
位相差から目標点までの距離を算出する光波距離計にお
いて、送出光の強度変調および受信光からの信号の復調
にスペクトラム拡散方式を用いるようにしたもので、一
定周波数の信号（搬送波）をＰＮコード（擬似雑音符号
）によりＰＳＫ変調（位相偏位変調）して得られる広い
周波数帯域に拡散された信号（スペクトラム拡散信号）
によって強度変調した光を送出し、受信した光より再び
ＰＮコードによる自己相関特性を利用して受信信号への
同期と搬送波信号の復調を行ない、変復調の際の各搬送
波、ＰＮコード、ＰＮコード発生クロックの位相差を測
定することによって距離を算出するようにしている。

（作　用）測距光（又は参照光）以外の信号が入力されるとこれら
は相関がとれず広い周波数範囲に拡散され、測距光（又
は参照光）だけが復調される。

（実施例）第１図を参照して説明する。基準発振器１の出力（基準
搬送波信号３１）は帯域フィルタ２と分周器３に入力さ
れる。帯域フィルタ２の出力は正弦波となりＰＳＫ変調
器５で分周器３の出力（基準ＰＮコードクロック３２）
によりＰＮコード発生器４で発生されたＰＮコードによ
りＰＳに変調される。このようにして得られたスペクト
ラム拡散信号は駆動回路６、発光素子７を経て光信号４
１となり、対物レンズＬＬを経て送出される。ＰＮコー
ド発生器４からはＰＮコードの一周期ごとに基準エポッ
クパルス３３が出力される。目標の反射鏡４４などによ
り反射され戻された測距光４２は受光素子１１で光電変
換され広帯域の増幅器１２ａ及びフィルタ１２ｂを経て
相関器１３ａ　Ｓｂ　、　ｃに入力される。発光素子７
、受光素子１１と対物レンズＬＬとの間には連動する反
射ミラーＭ１、Ｍ２が配置されており、外部からの操作
によって光路上にミラーＭＬ　Ｍ２を移動させたときに
は発光素子７から出た光信号４１はミラー旧、Ｍ２で反
射され、符号４３で示す参照用光路を経て受光素子１１
に入る。相関器１３ａ、ｂ、ｃではそれぞれ復調側のＰ
Ｎコード発生器１９よりＰ（同期）　Ｅ　（Ｐに対して
１７２ビット進み）、Ｌ（Ｐに対して１／２ビット遅れ
）の、ＰＮコード発生器４で発生されるものと同じ符号
系列のＰＮコードが入力され、受信されたスペクトラム
拡散信号側のＰＮコードとの自己相関゛がとられる。Ｐ
Ｎコードの自己相関関数は第２図（ａ）に示すような特
性があり、相関がとられる２つのＰＮコードの位相差が
±１ビット以内であると相関器の出力には搬送波が復調
され、位相差０のとき（第２図（ａ）のピーク位置）に
出力が最大となる。

しかし、位相差が±１ビット以上であると出力は最少と
なり搬送波は復調されない。もし測距光以外の信号（参
照光の場合には参照光以外の信号）、たとえば雑音等の
非希望信号が人力された場合は相関がとれず、非希望信
号成分はＰＮコードにより広い周波数範囲に拡散されて
しまい相関器出力側に漏れる量は非常に小さくなってし
まうので、送出信号と非希望信号が混ざって入力されて
も相関器出力にはＳ／Ｎの良い搬送波だけが復調される
。このようにＰＮコードの自己相関を利用すると希望す
る信号だけを取り出す効率の良いフィルタを実現するこ
とができる。以上述べた搬送波の復調は相関器１３ａに
よって行なわれ、増幅器１４ａ　、帯域フィルタ１４ｂ
を経て位相差測定器２０に出力される。測距に使用する
搬送波復調のためには測距光（または参照光）と復調側
の両方のＰＮコードの位相差が０になるように同期させ
ておかなければならず、そのため相関器１３ｂ　、　ｃ
がＰＮコードの位相同期、受信信号追跡用として使用さ
れる。この相関器ｔａｂ　ＳｃでもＥ及びＬのＰＮコー
ドと受信信号のＰＮコードでの自己相関がとられ、それ
らの相関関数は第２図（ｂ）、（Ｃ）に示すようにＰの
それに対してそれぞれ±１／２ビットだけシフトしてい
る。相関器１３ｂ　ｓ　ｅの出力振巾は振巾検出器１５
ｂ　Ｓｃ　ＳＡ／Ｄコンバータ１６を経て中央処理器１
７へ入力され、スレッシホールド電圧と比較される。中
央処理器１７は両者ともスレッシホールド電圧以上とな
るようにＰＮココ−発生器１９より発生されるＰＮコー
ドの位相をシフトさせる。その結果ＰのＰＮコードは受
信信号のＰＮコードに対して第２図に示した範囲Ｒ１即
ち完全同期に対して±１／２１／２ビツト位相になる。

次に、完全同期させるため中央処理器１７は相関器１３
ｂ　、　１３ｃの出力振巾の差（第２図（ｄ）Ｖｐ−ｔ
　）を求め、その値が５（０）になるように数値制御発
振器１８を制御する。

以上のようにして完全な同期が得られるとＰＮココ−発
生器１９からは受信信号のＰＮコードに同期したＰＮＮ
コードが得られ、それに応じて復調ＰＨコードクロック
３５、復調エポックパルス３Ｂが得られ、また帯域フィ
ルタ１４ｂからは復調搬送波信号３４が得られる。そし
て、基準信号３１．３２．３３に対するこれらの復調信
号３４．３５．３６の位相差が位相差測定器２０によっ
て測定され中央処理器１７に入力されて距離が算出され
る。復調信号３４．３５．３Ｂは基準信号８１．３２．
３３とそれぞれ同じ周波数ｒｅ、　　ｒｐＮＳ１’ＥＰ
であるが、位相は光路長に応じて変化している。参照光
信号と基準信号の位相差をそれぞれφＣ１φＰＮｓφＥ
Ｐ％測距光信号と基準信号の位相差をそれぞれφ°Ｃ１
φ　ＰＮｓφ゛Ｉ！、とすると各位相差の差Δφｅ＝φ
°Ｃ−φｅＳΔφＰＮ″φ　ＰＮ−φＰＮＳΔφＥＰ−
φ　ＢＰ−φｇｐより目標までの距離りが求まる。

即ちＤｃ＝ΔφｃＣ／４πｆｃ、ＤＰＮ−ΔφＰＮＣ／
　４　πｒｐＨＳＤａｐ−ＡφｇｐＣ／　４　ｙｒ　　
ｆｇｐｓ　ココで基準搬送波信号３１、基準ＰＮコード
クロック３２、基準エポックパルス３３の各周波数はｆ
’ｃ＞　　ｒｐＮ＞ｆｇｐ、ＤＣ≦Ｃ／　Ｆｃ　　Ｓ　
ＤＰＮ≦Ｃ／　　ｆ’ｐＮｓ　　Ｄｇｐ≦Ｃ／　ｆｇｐ
テあルノテ、ｆｃＳｔｐＮｓ　　ｆ’ｇｐを適当に選べ
ば、Ｄ　ｅ　ＳＤ　ＰＮＳＤ　ＥＰよりそれぞれＤの下
位、中位、上位の桁を決めることができ、分解能によっ
てはＤＣＳＤＰＮ％　ＤＥＰのうち１ケまたは２ケだけ
で決めることも可能であり、距離の測定が行なえる。

このように測距光と送出光との位相差から目標点までの
測距を行なうことができる。また、ミラーＭ１、Ｍ２を
光路上に移動させて参照用光路４３を通過させた参照光
と送出光との位相差を求め、前記測距光と送出光との位
相差との差から目標点までの測距を行なうことができ、
この場合には信号伝播回路内での誤差がなくなるので正
確な値を得ることができる。また、前記した遅延ロック
ループを使った同期追跡システムの他にタウデイザロッ
クループを使った同期追跡システムがある。しかし、こ
の場合はＳ／Ｎがやや低下する。

第３図は本発明の別の実施例を示す同期追跡の制御を行
なう部分のブロック図である。

前記第１の実施例では搬送波をＰＮコードによりＰＳＫ
変調して得られたスペクトラム拡散信号によって強度変
調された光を送出し、その光を受光して得た信号にＰＮ
コードの自己相関の特性を利用することによって復調用
のＰＮコードを同期させるとともにＳ／Ｈの良い搬送波
信号を復調させ、同期後の各信号３１〜３Ｂの位相を調
べることによって距離測定が行なえるように構成してい
るもので、同期に関する制御を中央処理器１７でデジタ
ル的に行なうようになっているが、本実施例ではアナロ
グ的に行なうようにしたものである。

第３図において、振巾検出器１５ｂ　Ｓｃの出力はスレ
ッシホールド検出回路５１ｂ　ｓ　ｃによりスレッシホ
ールド電圧と比較され、それぞれの出力は同期判別回路
５２に入力され、範囲Ｒ（第２図）内に入ったかどうか
の信号が出される。所定の範囲Ｒ内に入っていなければ
同期判別回路５２が出力して電圧制御発振器５３、ＰＮ
ココ−発生器１９を制御してＰ、Ｅ、Ｌの各ＰＮコード
の位相をシフトさせる。

そして範囲Ｒ内に入ると振巾検出器１５ｂ　Ｓｃの出力
は減算回路５３ａによって減算（ＶＥ−Ｌ　）された後
、電圧制御発振器５３に入力され、減算値が第２図（ｄ
）に示す８点になるようにＰＮコードの位相が制御され
る。このようにして完全な同期が得られ前述のように距
離が求まる。

第４図は本発明の別の実施例の同期判別信号取得の方法
である。相関器１３ａで復調された搬送波信号の振巾を
検出し、スレッシホールド電圧と比較して範囲Ｒ内に入
ったかどうかを判別して制御を行なう方法である。制御
はアナログ、デジタルのどちらでも行なうことができる
。

この方法は前記２例に比ベスレッシホールド電圧を高く
することができる。前２例では第２図の範囲Ｒ内に入っ
たかどうかの判定にｖ８、Ｖ、の電圧を検出して行なう
ため、スレッシホールド電圧は■。に近い値にしなけれ
ばならないが、この例では振巾検出器１５ａの出力、す
なわちＶ、の電圧を検出して行なうため、スレッシホー
ルド電圧はｖ１／２で良い。こうすると範囲Ｒの両端付
近での判別が正しく行なえるという利点がある。

第５図は本発明の別の実施例の相関器部分を示すブロッ
ク図ある。この例での相関器はヘテロダイン型と呼ばれ
２段の相関器で構成され、第１の相関器１３°ａ１１３
°ｂ、　１１°Ｃで一定周波数ｆｃ＋ｆａの信号とＰ、
Ｅ、ＬのＰＮコードとの積が作られ、それぞれ第２の相
関器１３ａ　ｓ　１３ｂ　５１３ｃに入力される。こう
することによって相関器１３ａ　、　１３ｂ　ｓ　１３
ｃの入力と出力で中心周波数がｒｃから　ｆ、に変換さ
れる。また距離測定のためには基準発振器１より周波数
変換器６１にてｒイの基準信号Ｂ２を作り復調されたｆ
、の信号６３との位相差を求めることによって行なう。

通常はｒａ＞　　ｆ＋とするので信号の周波数は低くな
り相関器以降の回路設計が簡単になる。

第６図は本発明の別の実施例の復調搬送波信号３４を得
る部分を示すブロック図である。二の例では発振器■８
又は５８で周波数「６の出力を得、その出力を分周器３
に入力して復調ＰＮコードクロック３５を得ている。受
信信号に完全に同期した場合には発振器１８又は５３の
出力は復調搬送波信号３４となり、距離測定のための信
号として使うことができる。

（発明の効果）以上述べたように本発明によれば、搬送波信号をＰＮコ
ードによりＰＳＫ変調して得られるスペクトラム拡散信
号によって送出光の強度変調を行ない、ＰＮコードの自
己相関の特性を利用した、受信信号に対しての同期及び
搬送波信号の復調を行なうため、信号が雑音の中に埋も
れているような場合でもＳ／Ｈの非常に良い信号を復調
することができる。そのため遠距離や見通しの悪い条件
でも距離測定を可能とし精度を保つことができると同時
に最長測定距離も伸ばすことができるので一般の測量や
特に地震予知などのための長距離の測地測量などに利用
することができる。　　　　　・また、参照光と測距光の選択は機械的に光路を切り換え
ることによって行なっているのが現状であるが、スペク
トラム拡散方式の特性（同期した信号以外は相関器を通
過できないという性質）上、同期信号の位相差より参照
光か測距光かあるいは内部反射光かを判別させ、即ち、
予め参照光、内部反射光（必要ならば）と基準信号との
位相差（幾何学的に決まるのである一定値となる）を測
定して求めておき、同期した信号の位相差と予め求めて
おいた位相差とを比較することによって同期した信号が
参照光か内部反射光か、あるいは測距光かの判別がつく
ので、希望する信号が得られるように同期をずらせてや
れば参照光、測距光の選択が行なえるのである。すなわ
ち、光路切換機構を使用せず、参照光、内部反射光、測
距光が常時受光されている状態でも希望する信号が得ら
れることであり希望する信号に同期するように制御をか
けるようにすれば、光路切換機構といった機械部品が不
要となり、また特別な反射防止処理などの対策も不要と
なるのでコストの面でも非常に有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
遅延ロックループのＰＮコード自己相関関数図、第３図
はアナログ的に同期追跡する場合の実施例のブロック図
、第４図は同期判別の別の方法を示すブロック図、第５
図はヘテロダイン相関器を示すブロック図、第６図は本
発明の別の実施例の復調搬送波信号を得る部分を示すブ
ロック図、第７図は従来方式のブロック図である。１・・・基準発振器　　　　２・・・帯域フィルタ３・
・・分周器　　　　４．１９・・・ＰＮココ−発生器５
・・・ＰＳＫ変調器　　　　６・・・発光素子駆動回路
７・・・発光素子　　　　　１■・・・受光素子１２・
・・広帯域増幅器及びフィルタ１３ａ　ｓ　ｂ　Ｓｃ　−・・相関器１４・・・増巾器及び帯域フィルタ１５ａ　ｓ　ｂ　Ｓｃ・・・振巾検出器１Ｂ・・・Ａ／
Ｄコンバータ　１７・・・中央処理器１８・・・数値制
御発振器　　２０・・・位相差測定器２１・・・表示器
　　　　　　３１・・・基準搬送波信号３２・・・基準
ＰＮコードクロック３３・・・基準エポックパルス３４・・・復調搬送波信号３５・・・ｔＬｌｉＰＮコードクロツタ３Ｂ・・・復調
エポックパルス４１・・・送出光　　　　　　４２・・・測距光４３・
・・参照用光路　　　　４４・・・目標の反射鏡５１ｂ
　ｓ　ｃ・・・スレッシホールド検出回路５２・・・同
期判別回路　　　５３・・・電圧制御発振器６１、Ｂ４
・・・周波数変換器６２・・・ｆ、基準信号　　　６３・・・ｒ６復調信号
６４・・・周波数選別器手続争重圧書　（方式）１．事件の表示昭和６２年特許願第２５４３０８号２、発明の名称光波距離計３、補正をする者事件との関係　　特許出願人昭和６３年　１月２６日５、補正の対象図面

Claims

【特許請求の範囲】１、光を強度変調し目標点に向って送出する手段と、目
標点での反射光を受光し復調する手段と、前記送出光と
反射光との位相差から目標点までの距離を算出する手段
とを備え、送出光の強度変調および受信光からの信号の
復調にスペクトラム拡散方式を用いたことを特徴とする
光波距離計。２、前記光送出手段と光受光復調手段との間には参照用
光路が設けられ、反射光と参照用光路通過光との位相差
から目標点までの距離を算出するようになっていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光波距離計。