專利名稱：時間差測定裝置、測定方法、測距裝置和測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時間差測定裝置、時間差測定方法、測距裝置和測距方法，詳細(xì)地說，涉及非常短的時間間隔的脈沖信號之間的時間差測定的改善。
背景技術(shù)：
代表近年的測量設(shè)備的測距裝置，對測距對象射出例如激光或微波等測定波，檢測來自該測距對象的反射波(以下總稱為測定波)，基于該測定波的射出時刻和檢測時刻的時間差，求出測定波的往返行進(jìn)距離，由此計(jì)算到測距對象的距離。
這里，時間差(時間間隔)的測定例如如下進(jìn)行，發(fā)生具有與測定波的射出到檢測的時間差相比非常短的已知的周期的高頻時鐘信號，對在測定波的射出時刻到檢測時刻為止的期間發(fā)生的該高頻時鐘信號的時鐘數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對該計(jì)數(shù)值乘以周期。但是，在這樣的測定中，為了提高測定精度而需要提高時鐘信號的頻率，而對于提高時鐘信號的發(fā)生頻率有極限。
因此，考慮通過發(fā)生彼此具有規(guī)定的相位差的多個高頻時鐘信號，并對各時鐘信號的時鐘數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而將時鐘信號的頻率虛擬地高頻化的方法。但是，在該方法中，由于在提高精度的可靠性上，需要反復(fù)進(jìn)行與該發(fā)生的時鐘信號的數(shù)對應(yīng)的測定，因此引起測定時間的長時間化，在實(shí)用方面存在問題。
因此，本申請人提出了以下的技術(shù)分別以規(guī)定的時間間隔反復(fù)多次發(fā)生與測定波的射出時刻同步的開始信號和與檢測時刻同步的停止信號，由反復(fù)的開始信號對以短于該反復(fù)周期的周期發(fā)生的正弦波等基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣的同時，由反復(fù)的停止信號對以短于該反復(fù)周期的周期發(fā)生的正弦波等基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣，并求出通過開始信號的采樣而得到的第一采樣波和通過停止信號的采樣而得到的第二采樣波的相位差，基于該相位差，求出開始信號和停止信號之間的相位差，并將得到的相位差換算為時間差(專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1日本專利第2916780號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，上述提出的技術(shù)必須多次發(fā)生開始信號和停止信號來進(jìn)行多次檢測，這從測定的進(jìn)一步迅速化的觀點(diǎn)出發(fā)是不利的。
特別在不是使用于對直到具有角錐棱鏡反射器的固定測距對象為止的距離進(jìn)行測定的測距裝置，而是使用于以可能因風(fēng)等環(huán)境的影響而容易移位的自然物等為對象的測距裝置，或者按每一點(diǎn)對測距對象的輪廓進(jìn)行測距從而確定測距對象整體的形狀的測距裝置中的情況下，要求進(jìn)一步縮短各個測距時間。
即，由于自然物因環(huán)境的影響而容易移位，因此如果在進(jìn)行反復(fù)的測定的期間中移位，則對于通過多次測定而得到的多個數(shù)據(jù)中，其中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，由于包含移位所引起的誤差、可靠性低，需要從多個數(shù)據(jù)中通過平均化等運(yùn)算將那些可靠性低的數(shù)據(jù)除去。
此外，在按每一點(diǎn)對對象的輪廓進(jìn)行掃描從而確定輪廓形狀的情況下，由于測距對象點(diǎn)數(shù)非常多，因此對輪廓整體進(jìn)行測距需要長的測定時間。
進(jìn)而，上述提出的技術(shù)中，由于多個開始信號以及多個結(jié)束信號分別作為采樣信號起作用，因此要求開始信號間的發(fā)生間隔以及停止信號間的發(fā)生間隔也要準(zhǔn)確、固定，需要對該發(fā)生間隔進(jìn)行固定控制。
本發(fā)明鑒于上述情況而完成，其目的在于提供一種對于以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，能夠通過一次測定而高精度地測定，而不必反復(fù)發(fā)生這兩個脈沖信號的時間差測定裝置、時間差測定方法、使用該時間差測定裝置的測距裝置以及使用時間差測定方法的測距方法。
本發(fā)明的第一種時間差測定裝置測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個以上的脈沖信號的該時間差，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生一個以上的基準(zhǔn)信號；振幅檢測部件，在依賴于所述各脈沖信號的發(fā)生定時的規(guī)定的兩個定時，與對所述基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣的情況實(shí)質(zhì)上同等地求出基于所述基準(zhǔn)信號的兩個振幅；相位差檢測部件，基于由所述振幅檢測部件檢測出的、對所述各脈沖信號求出的所述基準(zhǔn)信號的各振幅，計(jì)算所述脈沖信號的發(fā)生定時之間的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
這里所說的“在依賴于脈沖信號的發(fā)生定時的規(guī)定的兩個定時，與對基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣的情況實(shí)質(zhì)上同等地求基于基準(zhǔn)信號的兩個振幅”是指例如，基準(zhǔn)信號發(fā)生部件發(fā)生的基準(zhǔn)信號是兩個、且該基準(zhǔn)信號具有規(guī)定的相位差時，一個基準(zhǔn)信號的振動定時相對于另一個基準(zhǔn)信號的振動定時的偏差相當(dāng)于相位差的時間部分，由于在規(guī)定的定時同時對兩個基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣的情況，實(shí)質(zhì)上與對單一的基準(zhǔn)信號，在脈沖信號的發(fā)生定時和從該發(fā)生定時偏離了(相當(dāng)于基準(zhǔn)信號的規(guī)定的相位差的)時間差的另一定時的互相不同的兩個定時進(jìn)行采樣的情況，能夠同樣地進(jìn)行評價，所以，對于單一的基準(zhǔn)信號也可以在兩個不同的定時進(jìn)行采樣，對于具有相位差的兩個基準(zhǔn)信號也可以在單一的定時進(jìn)行采樣。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的第一種時間差測定裝置，對于每個脈沖信號，兩個振幅可以分別在兩個不同的定時進(jìn)行采樣；基于這兩個振幅，可以將各脈沖信號的發(fā)生定時表現(xiàn)為基準(zhǔn)信號中的相位。對于各個脈沖信號，所得到的相位差可以用基準(zhǔn)信號的周期來表示脈沖信號的發(fā)生定時的時間差。
而且，本發(fā)明的第一種時間差測定裝置由于具有基于基準(zhǔn)信號的周期和相位差檢測部件檢測出的相位差來計(jì)算兩個脈沖信號的發(fā)生時間差的時間差計(jì)算部件，因此對兩個脈沖信號在各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠求出兩脈沖信號間的時間差，可以實(shí)現(xiàn)迅速測定。
另外，作為基準(zhǔn)信號，優(yōu)選采用例如正弦波信號和余弦波信號等。這是由于振幅和相位的對應(yīng)關(guān)系具有一般性。但是，基準(zhǔn)信號并非僅限定于上述正弦波信號和余弦波信號，如果通過查找表或函數(shù)等預(yù)先規(guī)定了振幅和相位的對應(yīng)關(guān)系，也可以采用例如三角波信號、鋸齒波信號等各種信號。
本發(fā)明的第二種時間差測定裝置測定以規(guī)定的時間差而產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生具有大致π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇數(shù)倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)的相位差。以下相同)的至少兩個基準(zhǔn)信號；相位差檢測部件，基于在所述兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的所述至少兩個基準(zhǔn)信號的振幅，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
這里，兩個基準(zhǔn)信號，相對于脈沖信號可以同步，也可以不同步。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的第二種時間差測定裝置，對于基準(zhǔn)信號發(fā)生部件發(fā)生的具有π/2弧度的相位差的兩個基準(zhǔn)信號，相位差檢測部件在以時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的各發(fā)生定時僅進(jìn)行一次采樣，就可以檢測出各采樣時的各基準(zhǔn)信號的振幅。
進(jìn)而，相位差檢測部件基于得到的各定時的兩個基準(zhǔn)信號間的振幅差或振幅比等振幅的關(guān)系，在各定時計(jì)算基準(zhǔn)信號的相位，并計(jì)算與得到的兩個定時分別對應(yīng)的相位的差，并且根據(jù)該相位差和基準(zhǔn)信號的周期來計(jì)算兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
從而，對兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠求出兩脈沖信號間的時間差，可以實(shí)現(xiàn)迅速測定。
此外，作為基準(zhǔn)信號，例如可以采用正弦波信號以及余弦波信號這樣的相位差為π/2弧度的信號，計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切(arc tangent)計(jì)算，則能夠計(jì)算出相位θ，根據(jù)這兩個相位可以檢測出相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
即，由于正弦波信號在橫切振動的中心(sinθ＝0)的位置附近，sinθ的變化量相對于θ的變化量較大，因此在該位置檢測時能夠得到高的檢測靈敏度(分辨率)，但在振動的峰值位置附近，由于sinθ的變化量相對于θ的變化量較小，因此檢測靈敏度(分辨率)變差。另一方面，由于余弦波信號與正弦波信號具有π/2弧度的相位差，因此在正弦波信號的靈敏度變差時，余弦波信號成為高檢測靈敏度(分辨率)。從而，基于兩者的比由反正切計(jì)算的相位，可以一直以高靈敏度以及高分辨率得到檢測。
此外，在本發(fā)明的第二種時間差測定裝置中，優(yōu)選還包括用于檢測所述兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差的大致時間差檢測部件，所述時間差計(jì)算部件除了基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期而計(jì)算出的精密時間差之外，還根據(jù)由所述大致時間差檢測部件檢測出的所述大致發(fā)生時間差來計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
該大致時間差檢測部件只要能夠以上述基準(zhǔn)信號的一周期程度的分辨率來檢測時間即可，可以采用通過公知的脈沖計(jì)數(shù)器等對基準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測大致時間差的部件。
根據(jù)該優(yōu)選的結(jié)構(gòu)的時間差測定裝置，由于可以通過大致時間差檢測部件來檢測兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差，因此這兩個脈沖信號的發(fā)生時間差即使是超過基準(zhǔn)信號的一周期這樣的長時間，也能夠高精度地得到測定。
即，時間差計(jì)算部件檢測出的兩個脈沖信號間的相位差Δθ被計(jì)算為0弧度～2π弧度的范圍內(nèi)的值。但是，由于基準(zhǔn)信號為周期信號，因此該相位差Δθ除了2π以下的Δθ之外，也潛在地表示為2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以用一般式2π(n-1)+Δθ(n自然數(shù))來表示。
另一方面，作為要計(jì)算的兩個脈沖信號的發(fā)生時間差，上述一般式的第一項(xiàng)的相位差2π(n-1)弧度也需要作為時間被包含，需要確定該自然數(shù)n。
因此，即使在兩個脈沖信號的發(fā)生時間差超過基準(zhǔn)信號的一周期(2π弧度)的情況下，大致時間差檢測部件也能夠以該基準(zhǔn)信號的一周期程度的分辨率來大致地檢測該發(fā)生時間差，并且能夠基于由該大致時間差檢測部件檢測出的大致發(fā)生時間差，決定一般式的第一項(xiàng)部分的相位差2π(n-1)弧度，因此，該第一部分和第二部分的相位差總和所對應(yīng)的時間([2π(n-1)+Δ0]/2π乘以基準(zhǔn)信號的周期(秒)后的值)，即兩個脈沖信號的發(fā)生時間差可以作為唯一的特定值而被求出。
此外，在本發(fā)明的第一或第二種時間差測定裝置中，作為所述兩個基準(zhǔn)信號，優(yōu)選采用正弦波和余弦波。
正弦波(A0sinθ)和余弦波(A0cosθ)的組合與相位差為π/2弧度的兩個正弦波的組合或者相位差為π/2的兩個余弦波的組合同等，通過脈沖信號對這兩個基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣而得到的檢測值A(chǔ)ij(振幅值)的比(A0sinθ/A0cosθ)可以計(jì)算為正切值(tanθ)，并且能夠通過該得到的正切值的逆變換(＝逆三角函數(shù)tan-1θ(反正切))計(jì)算出相位。然后，通過這樣采用正弦波和余弦波作為基準(zhǔn)信號，在計(jì)算上，正弦波以及余弦波的最大振幅值A(chǔ)0被抵消，因此實(shí)際運(yùn)算處理時不必求該最大振幅值A(chǔ)0，能夠簡化運(yùn)算處理。
而且，由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
此外，在本發(fā)明的第二種時間差測定裝置中，優(yōu)選相位差檢測部件分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上領(lǐng)先的一個脈沖信號(開始信號)的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A11(-A0≤A11≤A0)以及余弦波信號的振幅A12(-A0≤A12≤A0)，計(jì)算這些振幅A11、A12的比A11/A12，基于該振幅比A11/A12，通過tan-1(A11/A12)計(jì)算相位θstart(開始信號發(fā)生定時的正弦波以及余弦波的相位)；并且分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上后續(xù)的另一個脈沖信號(停止信號)的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A21(-A0≤A21≤A0)以及余弦波信號的振幅A22(-A0≤A22≤A0)，計(jì)算這些振幅A21、A22的比A21/A22，基于該振幅比A21/A22，通過tan-1(A21/A22)計(jì)算相位θstop(停止信號發(fā)生定時的正弦波以及余弦波的相位)；并通過(θstop-θstart)計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差Δθ。
根據(jù)這樣構(gòu)成的時間差測定裝置，通過簡單的運(yùn)算處理能夠高精度地計(jì)算時間差。
此外，在本發(fā)明的第一種或第二種時間差測定裝置中，優(yōu)選的是所述基準(zhǔn)信號發(fā)生部件原始生成一個基準(zhǔn)信號，同時相對于該原始生成的基準(zhǔn)信號將該基準(zhǔn)信號的相位大致延遲π/2弧度而生成新的基準(zhǔn)信號，將所述原始生成的基準(zhǔn)信號和所述新的基準(zhǔn)信號作為具有所述大致π/2弧度的相位差的兩個基準(zhǔn)信號。
即，雖然基準(zhǔn)信號發(fā)生部件生成的基準(zhǔn)信號是唯一的，作為發(fā)生的(輸出到外部的)信號，不僅包括該生成的原始的基準(zhǔn)信號(第一個基準(zhǔn)信號)，而且包括使相位相對于該原始的基準(zhǔn)信號延遲大致π/2弧度而生成新的基準(zhǔn)信號，并且將該新的基準(zhǔn)信號輸出到外部，從而發(fā)生兩個基準(zhǔn)信號。
這樣，如果兩個基準(zhǔn)信號中的一個為原始信號，另一個為基于該原始信號而生成的信號，則在兩個基準(zhǔn)信號之間難以產(chǎn)生例如振幅差等信號波形的不同，并且能夠抑制與振幅對應(yīng)的相位的運(yùn)算誤差。
本發(fā)明的時間差測定方法測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，其特征在于，檢測所述兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差，發(fā)生具有大致π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇數(shù)倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)。以下相同)的兩個基準(zhǔn)信號的正弦波信號以及余弦波信號，基于在所述兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的所述正弦波信號以及所述余弦波信號的振幅，求出所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差，基于求出的相位差、所述基準(zhǔn)信號的周期以及所述大致發(fā)生時間差，求出所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的時間差測定方法，對于具有π/2弧度的相位差的兩個基準(zhǔn)信號，在以時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的各發(fā)生定時僅進(jìn)行一次采樣，就可以檢測出各采樣時的各基準(zhǔn)信號的振幅。
進(jìn)而，基于得到的各定時的兩個基準(zhǔn)信號間的振幅差或振幅比等振幅的關(guān)系，在各定時計(jì)算基準(zhǔn)信號的相位，并計(jì)算與得到的兩個定時分別對應(yīng)的相位的差，并且根據(jù)該相位差和基準(zhǔn)信號的周期來計(jì)算兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
從而，對兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠求出兩脈沖信號間的時間差，可以實(shí)現(xiàn)迅速測定。
此外，作為基準(zhǔn)信號的正弦波信號以及余弦波信號，其相位差為π/2弧度，因此計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算出相位θ，根據(jù)兩個相位來檢測相位差Δθ。
而且，由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
此外，通過檢測兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差，這兩個脈沖信號的發(fā)生時間差即使是超過基準(zhǔn)信號的一周期這樣的長時間，也能夠高精度地進(jìn)行測定。
此外，在本發(fā)明的時間差測定方法中，優(yōu)選的是分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上領(lǐng)先的一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A11以及所述余弦波信號的振幅A12，計(jì)算這些振幅A11、A12的比A11/A12，基于該振幅比A11/A12，通過tan-1(A11/A12)計(jì)算相位θstart；并且分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上后續(xù)的另一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A21以及所述余弦波信號的振幅A22，計(jì)算這些振幅A21、A22的比A21/A22，基于該振幅比A21/A22，通過tan-1(A21/A22)計(jì)算相位θstop；并通過(θstop-θstart)計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差Δθ。
這樣，根據(jù)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)的時間差測定方法，通過簡單的運(yùn)算處理而能夠高精度地計(jì)算時間差。
此外，本發(fā)明的第一種測距裝置，包括測定波射出部件，對測距對象射出測定波；反射波檢測部件，檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波；以及測距部件，在從所述測定波射出部件射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號，在由所述反射波檢測部件檢測到所述反射波的定時取得第二脈沖信號，基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，所述測距部件包括本發(fā)明的時間差測定裝置，基于由所述時間差測定裝置測定而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
這里，作為測距裝置，也包含所謂的測量設(shè)備，或通過對測距對象進(jìn)行測距來確定該測距對象的輪廓形狀等的形狀測定裝置。
作為測定波射出部件對測距對象發(fā)生的信號波，例如采用微波或光波(激光、紅外光等)等以往作為測距用射束而被使用的公知的各種電磁波。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的第一種測距裝置，由于測距部件具有上述本發(fā)明的時間差測定裝置，因此僅通過由該時間差測定裝置進(jìn)行一次第一以及第二脈沖信號的各發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號的檢測，就能夠迅速地測定兩脈沖信號之間的時間差，從而，能夠使基于該時間差的測定的測距動作迅速化。
此外，作為基準(zhǔn)信號，采用例如正弦波信號以及余弦波信號這樣的相位差為π/2弧度的信號，從而計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算出相位θ，根據(jù)兩個相位來檢測出相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
本發(fā)明的測距方法對測距對象射出測定波，在射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號，檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波，在檢測到所述反射波的定時取得第二脈沖信號，基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，基于通過本發(fā)明的時間差測定方法而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的測距方法，通過上述本發(fā)明的時間差測定方法，對第一以及第二脈沖信號的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠迅速地測定兩脈沖信號之間的時間差，從而，能夠使基于該時間差的測定的測距動作迅速化。
此外，作為基準(zhǔn)信號，采用例如正弦波信號以及余弦波信號這樣的相位差為π/2弧度的信號，從而計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算相位θ，根據(jù)兩個相位來檢測出相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
本發(fā)明的第三種時間差測定裝置測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個以上的脈沖信號的該時間差，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生單一的基準(zhǔn)信號；振幅檢測部件，在所述各脈沖信號的發(fā)生定時和與該發(fā)生定時對應(yīng)的規(guī)定的延遲定時，分別求出所述基準(zhǔn)信號的振幅；相位差檢測部件，基于由所述振幅檢測部件檢測出的、對所述各脈沖信號求出的所述發(fā)生定時以及所述延遲定時的所述基準(zhǔn)信號的各振幅，計(jì)算所述脈沖信號的發(fā)生定時之間的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
根據(jù)這樣構(gòu)成的時間差測定裝置，對于基準(zhǔn)信號發(fā)生部件發(fā)生的單一的基準(zhǔn)信號，振幅檢測部件對于單一的基準(zhǔn)信號，在脈沖信號的發(fā)生定時和相當(dāng)于從該發(fā)生定時起規(guī)定的延遲定時的相位差這樣的互相不同的兩個定時進(jìn)行采樣，并檢測與各定時對應(yīng)的基準(zhǔn)信號的振幅。
進(jìn)而，相位差檢測部件基于在得到的各定時檢測出的兩個振幅差或振幅比等振幅的關(guān)系，對一個脈沖信號的發(fā)生定時計(jì)算基準(zhǔn)信號的相位，并同樣對另一個脈沖信號的發(fā)生定時計(jì)算基準(zhǔn)信號的相位，計(jì)算得到的兩個相位之差，根據(jù)該相位差和基準(zhǔn)信號的周期來計(jì)算兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
從而，對兩個脈沖信號的各發(fā)生定時以及各延遲定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠求得兩脈沖信號之間的時間差，可以實(shí)現(xiàn)迅速測定。
此外，作為基準(zhǔn)信號，采用例如正弦波信號或余弦波信號，將與相當(dāng)于基準(zhǔn)信號的π/2弧度的相位差(包含大致π/2弧度的奇數(shù)倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)。以下相同)的相位延遲對應(yīng)的定時作為所述延遲定時，計(jì)算在各脈沖信號的發(fā)生定時和延遲定時分別直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算各個該脈沖信號的相位θ，根據(jù)兩個相位來檢測出相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
即，由于例如正弦波信號在橫切振動的中心(sinθ＝0)的位置附近，sinθ的變化量相對于θ的變化量較大，因此在該位置檢測時能夠得到高的檢測靈敏度(分辨率)，但在振動的峰值位置附近，由于sinθ的變化量相對于θ的變化量較小，因此檢測靈敏度(分辨率)變差。另一方面，由于在延遲定時，從相當(dāng)于振動的峰值位置附近的相位產(chǎn)生π/2弧度的相位差，因此成為橫切振動的中心的位置附近，并且成為高檢測靈敏度(分辨率)。從而，基于由發(fā)生定時和延遲定時分別檢測出的振幅的比而由反正切計(jì)算相位，可以一直以高靈敏度以及高分辨率得到檢測。
此外，本發(fā)明的第二種測距裝置包括測定波射出部件，對測距對象射出測定波；反射波檢測部件，檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波；以及距離測定部件，在從所述測定波射出部件射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號，在由所述反射波檢測部件檢測到所述反射波的定時取得所述第二脈沖信號，基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得所述第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，作為所述距離測定部件包括本發(fā)明的第一或第三的時間差測定裝置，基于由所述時間差測定裝置測定而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
這里，作為測距裝置也包含所謂的測量設(shè)備，或通過對測距對象進(jìn)行測距來確定該測距對象的輪廓形狀等的形狀測定裝置。
作為測定波射出部件對測距對象發(fā)生的信號波，例如采用微波或光波(激光、紅外光等)等以往作為測距用射束而被使用的公知的各種電磁波。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的第二種測距裝置，由于測距部件具有上述本發(fā)明的時間差測定裝置，因此由該時間差測定裝置對第一以及第二脈沖信號的各發(fā)生定時以及各延遲定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠迅速地測定兩脈沖信號之間的時間差，從而，能夠使基于該時間差的測定的測距動作迅速化。
此外，作為基準(zhǔn)信號，采用例如正弦波信號以及余弦波信號，使發(fā)生定時和延遲定時的相位差為大致π/2弧度，從而計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算出相位θ，根據(jù)兩個相位來檢測出相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的時間差測定裝置、時間差測定方法，對兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，或?qū)蓚€脈沖信號的各發(fā)生定時以及延遲定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠求出兩脈沖信號之間的時間差，并且能夠?qū)崿F(xiàn)測定的迅速化。
此外，根據(jù)本發(fā)明的測距裝置、測距方法，由于測距部件包含上述本發(fā)明的時間差測定裝置，因此該時間差測定裝置對第一以及第二脈沖信號的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，或?qū)蓚€脈沖信號的各發(fā)生定時以及延遲定時的各基準(zhǔn)信號僅進(jìn)行一次檢測，就能夠迅速地測定兩脈沖信號之間的時間差，從而能夠?qū)崿F(xiàn)基于該時間差測定的測距的迅速化。


圖1是表示包含本發(fā)明的一個實(shí)施例的時間差測定裝置的測量裝置的方框圖。
圖2是說明時間差測定的原理的圖。
圖3是表示圖1所示的測量裝置的具體的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖4是表示圖1所示的測量裝置的具體的控制系統(tǒng)(有同步)的圖。
圖5是表示圖1所示的測量裝置的具體的控制系統(tǒng)(無同步)的圖。
圖6是表示變形例的相當(dāng)于圖4的控制系統(tǒng)的圖，該變形例中基準(zhǔn)信號發(fā)生部僅發(fā)生正弦波信號作為基準(zhǔn)信號，并基于該發(fā)生了的正弦波信號，生成另一個基準(zhǔn)信號。
圖7表示包含本發(fā)明的其它實(shí)施例的時間差測定裝置的測量裝置的方框圖。
圖8是說明時間差測定的原理的圖。
圖9是表示圖7所示的測量裝置的具體的控制系統(tǒng)(有同步)的圖。
圖10是表示圖7所示的測量裝置的具體的控制系統(tǒng)(無同步)的圖。
標(biāo)號的說明10 測定光射出部件(檢測波射出部件)11 PLD(光源)20 反射光檢測部件(反射波檢測部件)21 受光元件
30 測距部件40 時間差測定裝置90 測距對象100 測量裝置(測距裝置)L1 激光L2 反射激光M1 開始信號(第一脈沖信號)M2 停止信號(第二脈沖信號)S1、S2 基準(zhǔn)信號A11、A12、A21、A22 振幅值具體實(shí)施方式
以下，參照

本發(fā)明的時間差測定裝置和時間差測定方法以及測距裝置和測距方法的最佳實(shí)施方式。
實(shí)施例1圖1是表示包括本發(fā)明的時間差測定裝置作為測距部件的一部分的本發(fā)明的測距裝置的一個實(shí)施例的測量裝置100的結(jié)構(gòu)的圖。
圖示的測量裝置100包括測定光射出部件10(測定波射出部件)，對測距對象90射出作為測定波的脈沖狀的激光L1；反射光檢測部件20(反射波檢測部件)，檢測激光L1被測距對象90反射而得到的反射激光L2(反射波)；測距部件30，在從測定光射出部件10射出激光L1的定時輸出脈沖狀的開始信號M1(第一脈沖信號)，在由反射光檢測部件20檢測到反射激光L2的定時輸出脈沖狀的停止信號M2(第二脈沖信號)，基于從輸出開始信號M1的定時到輸出停止信號M2的定時為止的時間差Δt，求出到測距對象90的距離；以及測距結(jié)果輸出部50，可視地輸出該測距結(jié)果。
這里，測定光射出部件10包括半導(dǎo)體激光器(PLD)11，是射出脈沖狀的激光L1的光源；以及射出光學(xué)系統(tǒng)12，其包含將從該P(yáng)LD11射出的激光L1向測距對象90進(jìn)行導(dǎo)光的透鏡等，從PLD11射出的激光L1是具有比較大的峰值功率且占空比為0.01％程度的脈沖狀的激光。
反射光檢測部件20包括受光元件21，檢測反射激光L2；以及檢測光學(xué)系統(tǒng)22，將來自測距對象90的反射激光L2引導(dǎo)至受光元件21。另外，受光元件21只要是能夠檢測脈沖狀的反射激光L2的元件即可，例如，使用雪崩光電二極管(APD)等。
測距部件30包括時間差測定裝置40，測定在激光L1的檢測定時以及反射激光L2的檢測定時由內(nèi)部輸出的兩個脈沖信號M1、M2之間的輸出時間差Δt；以及距離換算部31，將該測定的時間差Δt換算為距離并輸出結(jié)果。
該時間差測定裝置40由內(nèi)部發(fā)生上述兩個脈沖信號M1、M2。此外，時間差測定裝置40包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部41(基準(zhǔn)信號發(fā)生部件)，發(fā)生互相具有π/2的相位差的兩個基準(zhǔn)信號S1、S2；相位差檢測部42(相位差檢測部件)，基于兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時的兩個基準(zhǔn)信號S1、S2的振幅A11(開始信號M1的發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號S1的振幅)、A12(開始信號M1的發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號S2的振幅)、A21(停止信號M2的發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號S1的振幅)、A22(停止信號M2的發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號S2的振幅)，計(jì)算兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時之間的基準(zhǔn)信號S1(或基準(zhǔn)信號S2)的相位差Δθ；大致時間差檢測部43(大致時間差檢測部件)，檢測兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時的大致時間差ta；以及時間差計(jì)算部44(時間差計(jì)算部件)，基于由相位差檢測部42檢測出的相位差Δθ和基準(zhǔn)信號S1、S2的周期Ts以及由大致時間差檢測部43檢測出的大致時間差ta，計(jì)算開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt。
這里，本實(shí)施例中的上述兩個基準(zhǔn)信號S1、S2，例如采用正弦波(A0sinθ；A0表示最大振幅值)的基準(zhǔn)信號S1，和相對于該正弦波基準(zhǔn)信號S1具有π/2的相位差的正弦波(A0sin(θ+π/2))相當(dāng)?shù)挠嘞也?A0cosθ)的基準(zhǔn)信號S2。但是，基準(zhǔn)信號S1、S2不限定于這些正弦波以及余弦波的信號的組合，只要是互相具有π/2的相位差的關(guān)系的周期函數(shù)的兩個信號，也可以是其它任何信號的組合。
此外，大致時間差檢測部43只要能夠以基準(zhǔn)信號S1、S2的一周期Ts程度的分辨率檢測時間即可，也可以采用例如公知的脈沖計(jì)數(shù)器等對基準(zhǔn)信號S1或S2的脈沖數(shù)Pc進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測大致時間差ta(＝Pc×Ts)等。
此外，測距結(jié)果輸出部50只要能可視地輸出測距結(jié)果，可以是進(jìn)行顯示輸出的監(jiān)視器等顯示裝置，也可以是進(jìn)行印刷輸出的打印機(jī)。
接著，參照圖2說明本實(shí)施例的測量裝置100的時間差測定裝置40對開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt的進(jìn)行計(jì)算的原理。
首先，時間差測定裝置40的基準(zhǔn)信號發(fā)生部41發(fā)生圖2(b)所示的正弦波信號S1和同圖(c)所示的余弦波信號S2。
接著，時間差測定裝置40在從PLD11射出激光L1的定時，發(fā)生圖2(a)所示的開始信號M1，相位差檢測部42通過該開始信號M1對兩基準(zhǔn)信號S1、S2進(jìn)行采樣保持(sample hold)。此時，進(jìn)行采樣保持而得到的各基準(zhǔn)信號S1、S2的振幅值A(chǔ)11、A12，如圖2(d)所示，用基準(zhǔn)信號發(fā)生時刻的相位θstart可以表示為A11＝A0sinθstart(1)A12＝A0cosθstart(2)，由于A11/A12＝tanθstart (3)，因此，相位差檢測部42通過θstart＝tan-1(A11/A12) (4)來計(jì)算開始信號M1發(fā)生時刻的基準(zhǔn)信號S1、S2的相位θstart，并將其臨時存儲在未圖示的存儲區(qū)域中。
此外，時間差測定裝置40在受光元件21檢測反射激光L2的定時，發(fā)生圖2(a)所示的停止信號M2，相位差檢測部42通過該停止信號M2對兩基準(zhǔn)信號S1、S2進(jìn)行采樣保持。此時，進(jìn)行采樣保持而得到的各基準(zhǔn)信號S1、S2的振幅值A(chǔ)21、A22，如圖2(d)所示，用基準(zhǔn)信號發(fā)生時刻的相位θstop可以表示為A21＝A0sinθstop(5)A22＝A0cosθstop(6)，由于A21/A22＝tanθstop (7)，因此，相位差檢測部42通過θstop＝tan-1(A21/A22)(8)來計(jì)算停止信號M2發(fā)生時刻的基準(zhǔn)信號S1、S2的相位θstop，并將其臨時存儲在未圖示的存儲區(qū)域中。
然后，相位差檢測部42讀出在存儲區(qū)域中存儲的兩個相位θstart、θstop，通過Δθ＝θstop-θstart(9)
來計(jì)算對于開始信號M1的發(fā)生時刻和停止信號M2的發(fā)生時刻之間的時間所對應(yīng)的基準(zhǔn)信號S1、S2的相位差Δθ。
這里，在兩脈沖信號M1、M2的時間差Δt短于基準(zhǔn)信號S1、S2的一周期Ts時，兩脈沖信號M1、M2的時間差Δt可以根據(jù)上述相位差Δθ以及周期Ts，通過Δt＝(Δθ/2π)Ts(10)來計(jì)算。
但是，由相位差檢測部42通過算式(9)計(jì)算出的相位差Δθ是0弧度～2π弧度的范圍內(nèi)的值，但基準(zhǔn)信號S1、S2是周期信號，因此計(jì)算出的相位差Δθ中除了2π弧度以下的Δθ之外，也潛在地含有2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以表示為一般式2π(n-1)+Δθ(n自然數(shù))。
另一方面，作為要計(jì)算的兩個脈沖信號M1、M2的時間差Δt，上述一般式的第一項(xiàng)的相位差2π(n-1)弧度也需要被換算，并且需要確定該自然數(shù)n。
因此，即使在兩個脈沖信號M1、M2的時間差Δt超過基準(zhǔn)信號S1、S2的一周期(2π弧度)的情況下，大致時間差檢測部件43也能夠以該基準(zhǔn)信號S1、S2的一周期程度的分辨率來大致地檢測該時間差Δt。
而且，時間差計(jì)算部44參照由大致時間差檢測部43檢測出的大致時間差ta，將與相位差檢測部42檢測出的相位差Δθ(＝{Δθ，2π+Δθ，4π+Δθ，...，2π(n-1)+Δθ，...})對應(yīng)的算式(10)的各時間差Δt(＝(Δθ/2π)Ts)中最接近大致時間差ta的時間差Δt，選擇作為需要求出的時間差。
本實(shí)施例的測量裝置100的時間差測定裝置40通過以上原理，計(jì)算開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt。
然后，測距部件30的距離換算部31基于由時間差測定裝置40測定的時間差Δt，通過下述算式(11)計(jì)算到測距對象90的距離D。另外，在算式(11)中，常數(shù)c表示光速[米/秒]。
D＝cΔt/2(11)如以上這樣，到測定的測距對象90的距離D由測距結(jié)果輸出部50輸出，該測量裝置100的使用者能夠確定所述距離D。
另外，測距結(jié)果輸出部50是作為顯示裝置來顯示作為測距結(jié)果的到測距對象90的距離D等數(shù)值信息的，但除了該距離D之外，也可以一并顯示該測量裝置100的各種設(shè)定信息等。
這樣，根據(jù)本實(shí)施例的時間差測定裝置40以及測量裝置100，對一組開始信號M1和停止信號M2的各發(fā)生定時的各基準(zhǔn)信號S1、S2僅進(jìn)行一次檢測，就能夠高精度地求出兩信號M1、M2的發(fā)生時間差，并且能夠?qū)崿F(xiàn)時間差以及距離的測定的迅速化。
此外，通過采用正弦波信號以及余弦波信號這樣的相位差為π/2的信號作為基準(zhǔn)信號S1、S2，計(jì)算直接檢測出的值(振幅值)的比值，通過對該比值進(jìn)行反正切計(jì)算，就能夠計(jì)算出相位θ，根據(jù)這兩個相位來檢測相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
這里，作為測定光射出部件10和反射光檢測部件20，例如可以采用圖3所示的結(jié)構(gòu)。
圖示的光學(xué)系統(tǒng)是射出光學(xué)系統(tǒng)12和檢測光學(xué)系統(tǒng)22在功能上兼用的結(jié)構(gòu)，包括鏡子14，將從PLD11射出的激光L1反射而引導(dǎo)至受光元件(APD)21；以及棱鏡13和透鏡15，將激光L1向測距對象90進(jìn)行導(dǎo)光，同時將來自測距對象90的反射激光L2引導(dǎo)至受光元件21。
另外，圖示的結(jié)構(gòu)不過是一例，本發(fā)明的時間差測定裝置、測距裝置不限定于這樣的結(jié)構(gòu)。
此外，作為時間差測定裝置40的具體的控制系統(tǒng)，例如可以采用圖4所示的結(jié)構(gòu)。
圖示的控制系統(tǒng)中，基于從振蕩電路(TXCO)41a輸出的15MHz的脈沖，正弦波生成部(Sin)41b以及余弦波生成部(Cos)41c分別發(fā)生相位偏離π/2的正弦波的基準(zhǔn)信號S1、余弦波的基準(zhǔn)信號S2，這些基準(zhǔn)信號S1、S2由對應(yīng)的帶通濾波器(BPF)42b、42b限制頻帶，在脈沖檢測器(Puls Det)42a基于由受光元件(APD)21檢測出的激光L1以及反射激光L2而生成的開始信號M1以及停止信號M2的發(fā)生定時，A/D變換器(A/D)42c、42c對被限制了頻帶的基準(zhǔn)信號S1、S2分別進(jìn)行采樣保持，該采樣保持后的值，即振幅值A(chǔ)11、A12以及振幅值A(chǔ)21、A22被輸入CPU44a。
另一方面，振蕩電路41a的輸出脈沖被輸入脈沖計(jì)數(shù)器(CNTR)43a，該脈沖計(jì)數(shù)器43a對從脈沖檢測器42a發(fā)生開始信號M1的定時到發(fā)生停止信號M2的定時之間輸入的輸出脈沖的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)結(jié)果被輸入CPU44a，用于CPU44a計(jì)算大致時間差ta。另外，連接到CPU44a的存儲器(RAM)44b中存儲計(jì)算結(jié)果和各常數(shù)等。
另外，雖然本發(fā)明的時間差測定裝置以及測距裝置僅通過分別各檢測一次差時發(fā)生的兩個脈沖信號，就能夠高精度地檢測這兩個脈沖信號之間的時間差，但在實(shí)際測定時，優(yōu)選的是進(jìn)行多次測定，求得到的多個測定結(jié)果的平均值，或計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差等，從而提高測定結(jié)果的可靠性。
因此，圖4所示的控制系統(tǒng)多次輸出開始信號M1，以使成為生成基準(zhǔn)信號S1、S2的基礎(chǔ)的振蕩電路41a的輸出脈沖和開始信號M1在輸出脈沖的每個規(guī)定周期同步(相位差成為0)。
另外，由于基準(zhǔn)信號S1(或基準(zhǔn)信號S2)與從振蕩電路41a輸出的輸出脈沖同步，因此通過該控制系統(tǒng)，基準(zhǔn)信號S1和開始信號M1在基準(zhǔn)信號S1的每個規(guī)定周期同步。
這里，在圖示的控制系統(tǒng)中，基準(zhǔn)信號S1的99周期和開始信號M1的100周期被設(shè)定為同步。
即，從振蕩電路41a輸出的輸出脈沖由第一分頻器(Divider)11a分頻為1/99而成為151.51kHz，通過合成器(SYH)11b被遞增為100倍而成為15.151MHz，該第100周期和15MHz的輸出脈沖的第99周期相位差為0，即同步。
由合成器11b遞增后的15.151MHz的信號再由第二分頻器(Div)11c分頻為1/(23×77)，該分頻后的輸出脈沖被輸入驅(qū)動器(DRIVER)11d，該驅(qū)動器11d驅(qū)動PLD11，PLD11輸出脈沖狀的激光L1。
從而，從PLD11以大約8.5kHz的頻率反復(fù)射出脈沖狀的激光L1，并且伴隨該反復(fù)的射出，反射激光L2被反復(fù)檢測，能夠測定多次的開始信號M1和停止信號M2之間的時間差，并且通過這樣的多次的測定，能夠提高測定結(jié)果的可靠性。
另外，圖4所示的是使基準(zhǔn)信號S1(或基準(zhǔn)信號S2)和開始信號M1同步的結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，這些信號不一定非要同步，兩信號S1(或S2)、M1也可以完全不同步，即兩信號S1(或S2)、M1例如圖5所示，是完全非同步的，即兩信號僅依賴于從互相獨(dú)立的兩個振蕩電路單獨(dú)輸出的信號，互相之間沒有依賴關(guān)系。
該圖5所示的控制系統(tǒng)中，生成基準(zhǔn)信號S1、S2的控制系統(tǒng)和使PLD11射出激光L1的控制系統(tǒng)是完全分離獨(dú)立的。生成基準(zhǔn)信號S1、S2的控制系統(tǒng)與圖4所示的控制系統(tǒng)相同，而使PLD11射出激光L1的控制系統(tǒng)依賴于與振蕩電路41a另外獨(dú)立的振蕩器(OSC)11e的輸出脈沖，從該振蕩器11e輸出的輸出脈沖由分頻器(Div)11f分頻，基于該分頻后的輸出脈沖，驅(qū)動器(DRIVER)11g驅(qū)動PLD11，在與基準(zhǔn)信號S1或S2的定時完全無關(guān)的定時，從PLD11輸出激光L1。
而且，即使是具有這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)的時間差測定裝置、測距裝置，通過多次測定也能夠提高測定結(jié)果的可靠性。
此外，本實(shí)施例中所說明的測量裝置采用半導(dǎo)體激光器作為光源，但在本發(fā)明的測距裝置中，并不限定于這種形態(tài)的光源，也可以采用射出其它種類的激光的光源、射出激光以外的光的光源、或者發(fā)生光以外的微波等測定波的測定波射出源，起到與本實(shí)施例同樣的作用，并且發(fā)揮同樣的效果。
另外，雖然可以基于實(shí)際的檢測值振幅值A(chǔ)11以及A12來計(jì)算相位θstart、基于實(shí)際的檢測值振幅值A(chǔ)21以及A22來計(jì)算相位θstop，但如果兩基準(zhǔn)信號S1、S2的最大振幅A0不是完全相同地被生成的話，則在計(jì)算出的相位θstart，以及由基準(zhǔn)信號S1的最大振幅的實(shí)測值A(chǔ)0’和檢測振幅值A(chǔ)11以及基準(zhǔn)信號S2的最大振幅的實(shí)測值A(chǔ)0”和檢測振幅值A(chǔ)12計(jì)算的相位θstart’之間產(chǎn)生誤差，從而使圖2(d)所示的半徑A0的圓變形為橢圓形。同樣，在計(jì)算出的相位θstop，以及由基準(zhǔn)信號S1的最大振幅的實(shí)測值A(chǔ)0’和檢測振幅值A(chǔ)21以及基準(zhǔn)信號S2的最大振幅的實(shí)測值A(chǔ)0”和檢測振幅值A(chǔ)22計(jì)算的相位θstop’之間也產(chǎn)生誤差，從而使半徑A0的圓變形為橢圓形。
但是，即使在產(chǎn)生了這樣的誤差的情況下，通過進(jìn)行多次的測定，在每次各測定時，由于每次的相位θstar以及θstop稍微偏離，導(dǎo)致橢圓發(fā)生自轉(zhuǎn)，從而發(fā)揮自我校正功能，消除測定值的誤差。
(變形例)上述實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)中，基準(zhǔn)信號發(fā)生部41如圖4所示單獨(dú)地生成正弦波信號的一個基準(zhǔn)信號S1和余弦波信號的另一個基準(zhǔn)信號S2，并分別單獨(dú)地輸出。但例如圖6所示的結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)信號發(fā)生部41不具有余弦波生成部(Cos)41c，而具有延遲電路42d。該延遲電路42d僅對正弦波生成部(Sin)41b發(fā)生的正弦波的基準(zhǔn)信號S1施加使其延遲與基準(zhǔn)信號S1中的相位差π/2弧度((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)相當(dāng)?shù)臅r間的處理。
即，基準(zhǔn)信號發(fā)生部41原始僅生成一個基準(zhǔn)信號(正弦波信號)S1，但延遲電路42d對于該原始生成的基準(zhǔn)信號S1，將基準(zhǔn)信號S1中的相位僅延遲π/2弧度而生成新的基準(zhǔn)信號。
該新生成的基準(zhǔn)信號對于基準(zhǔn)信號即正弦波信號具有π/2弧度的相位差，因此成為余弦波信號。
因此，正弦波信號和余弦波信號被輸出，實(shí)質(zhì)上可以得到與上述實(shí)施例1同樣的作用效果。
另外，這樣的兩個基準(zhǔn)信號中一個為原始信號，另一個為基于該原始信號而生成的信號，在兩基準(zhǔn)信號之間難以產(chǎn)生例如振幅差等信號波形的不同，并且能夠抑制與振幅對應(yīng)的相位的運(yùn)算誤差。
實(shí)施例2圖7是表示本發(fā)明測距裝置的一個實(shí)施例的測量裝置100’的結(jié)構(gòu)的圖，其測距部件的一部分包含本發(fā)明的時間差測定裝置。
圖示的測量裝置100’包括測定光射出部件10(測定波射出部件)，對測距對象90射出作為測定波的脈沖狀的激光L1；反射光檢測部件20(反射波檢測部件)，檢測激光L1被測距對象90反射而得到的反射激光L2(反射波)；測距部件30’，在從測定光射出部件10射出激光L1的定時輸出脈沖狀的開始信號M1(第一脈沖信號)，在由反射光檢測部件20檢測到反射激光L2的定時輸出脈沖狀的停止信號M2(第二脈沖信號)，基于從輸出開始信號M1的定時到輸出停止信號M2的定時為止的時間差Δt，求到測距對象90的距離；以及測距結(jié)果輸出部50，可視地輸出該測距結(jié)果。
這里，除了測距部件30’之外的其它結(jié)構(gòu)與圖1的實(shí)施例1的測量裝置100中被賦予同一標(biāo)號的結(jié)構(gòu)相同，因此省略說明。
反射光檢測部件20包括受光元件21，檢測反射激光L2；以及檢測光學(xué)系統(tǒng)22，將來自測距對象90的反射激光L2引導(dǎo)至受光元件21。另外，受光元件21只要是能夠檢測脈沖狀的反射激光L2的元件即可，例如，使用雪崩光電二極管(APD)等。
測距部件30’包括時間差測定裝置40’，測定在激光L1的檢測定時以及反射激光L2的檢測定時由內(nèi)部輸出的兩個脈沖信號M1、M2之間的輸出時間差Δt；以及距離換算部31，將該測定的時間差Δt換算為距離并輸出結(jié)果。
該時間差測定裝置40’由內(nèi)部發(fā)生上述兩個脈沖信號M1、M2。該時間差測定裝置40’包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部41’(基準(zhǔn)信號發(fā)生部件)，發(fā)生單一的基準(zhǔn)信號S3；振幅檢測部45’，在兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時t1、t2和從這些各發(fā)生定時t1、t2分別延遲與基準(zhǔn)信號S3的相位的π/2弧度相當(dāng)?shù)臅r間Δt1(＝Ts/4；Ts表示基準(zhǔn)信號S3的周期)、Δt2(＝Δt1)后的延遲定時t1’(＝t1+Δt1)、t2’(＝t2+Δt2)，檢測基準(zhǔn)信號S3的振幅A11’(開始信號M1的發(fā)生定時t1的基準(zhǔn)信號S3的振幅)、A12’(開始信號M1的延遲定時t1’的基準(zhǔn)信號S3的振幅)、A21’(停止信號M2的發(fā)生定時t2的基準(zhǔn)信號S3的振幅)、A22’(停止信號M2的延遲定時t2’的基準(zhǔn)信號S3的振幅)；相位差檢測部42’(相位差檢測部件)，基于各脈沖信號M1、M2的發(fā)生定時t1、t2的振幅A11’、A21’和延遲定時t1’、t2’的振幅A12’、A22’的組(A11’以及A12’)、(A21’以及A22’)，求與各脈沖信號M1、M2的發(fā)生定時t1、t2對應(yīng)的基準(zhǔn)信號S3的相位θstart、θstop，使用這些相位θstart、θstop，計(jì)算與兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時t1、t2之間對應(yīng)的基準(zhǔn)信號S3中的相位差Δθ(＝θstop-θstart)；大致時間差檢測部43(大致時間差檢測部件)，檢測兩個脈沖信號M1、M2的各發(fā)生定時的大致時間差ta；以及時間差計(jì)算部44(時間差計(jì)算部件)，基于由相位差檢測部42’檢測出的相位差Δθ和基準(zhǔn)信號S3的周期Ts以及由大致時間差檢測部43檢測出的大致時間差ta，計(jì)算開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt。
這里，本實(shí)施例中的上述基準(zhǔn)信號S3例如是正弦波(A0sinθ；A0表示最大振幅值)的信號，也可以是余弦波(A0cosθ)的信號。
另外，由振幅檢測部45’設(shè)定的延遲時間Δt1、Δt2(＝Ts/4)相當(dāng)于基準(zhǔn)信號S3中的π/2弧度的相位差，但也可以是相當(dāng)于基準(zhǔn)信號S3中的π/2弧度的奇數(shù)倍((π/2)弧度×(2n-1)；n＝1，2，...)的相位差的時間。
接著，參照圖8說明本實(shí)施例的測量裝置100’的時間差測定裝置40’對開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt的進(jìn)行計(jì)算的原理。
首先，時間差測定裝置40’的基準(zhǔn)信號發(fā)生部41’發(fā)生圖8(b)所示的正弦波信號S3。
接著，時間差測定裝置40’在從PLD11射出激光L1的定時，發(fā)生圖8(a)所示的開始信號M1，振幅檢測部45’通過該開始信號M1的發(fā)生定時t1對基準(zhǔn)信號S3進(jìn)行采樣保持，檢測該發(fā)生定時t1中的基準(zhǔn)信號S3的振幅A11’。
進(jìn)而，振幅檢測部45’對開始信號M1實(shí)施從發(fā)生定時t1起延遲與基準(zhǔn)信號S3的相位π/2弧度相當(dāng)?shù)臅r間Δt1的處理，在該延遲定時t1’(＝t1+Δt1)，發(fā)生與開始信號M1相同的脈沖信號M1’，通過在該延遲定時t1’發(fā)生的脈沖信號M1’對基準(zhǔn)信號S3進(jìn)行采樣保持，并檢測該延遲定時t1’的基準(zhǔn)信號S3的振幅A12’。
此時，通過采樣保持而得到的基準(zhǔn)信號S3的振幅值A(chǔ)11’、A12’使用基準(zhǔn)信號S3的發(fā)生定時起的相位θstart，表示為A11’＝A0sinθstart(1’)A12’＝A0sin(θstart+π/2)(2’)。
其中，θstart使用基準(zhǔn)信號S3的周期Ts表示為θstart＝2π(t1/Ts)。
這里，可以將算式(2’)變形為A12’＝A0cosθstart(2”)，在縱軸上表示開始信號M1的發(fā)生定時t1的振幅A11’，在橫軸上表示延遲定時t1’的振幅A12’，兩振幅A11’、A12’的交點(diǎn)，如圖8(c)所示，配置在與圖2(d)同樣的圓周上。
而且，由于這些振幅比A11’/A12’為A11’/A12’＝tanθstart(3’)，因此，相位差檢測部42’通過θstart＝tan-1(A11’/A12’)(4’)來計(jì)算開始信號M1發(fā)生時的基準(zhǔn)信號S3的相位θstart，并將其臨時存儲在未圖示的存儲區(qū)域中。
此外，時間差測定裝置40’在受光元件21檢測反射激光L2的定時，發(fā)生圖8(a)所示的停止信號M2，振幅檢測部45’通過該停止信號M2的發(fā)生定時t2對基準(zhǔn)信號S3進(jìn)行采樣保持，檢測該發(fā)生定時t2的基準(zhǔn)信號S3的振幅A21’。
進(jìn)而，振幅檢測部45’對停止信號M2實(shí)施從發(fā)生定時t2起延遲與基準(zhǔn)信號S3的相位π/2弧度相當(dāng)?shù)臅r間Δt2的處理，在該延遲定時t2’(＝t2+Δt2)，發(fā)生與停止信號M2相同的脈沖信號M2’，通過在該延遲定時t2’發(fā)生的脈沖信號M2’對基準(zhǔn)信號S3進(jìn)行采樣保持，并檢測該延遲定時t2’的基準(zhǔn)信號S3的振幅A22’。
此時，通過采樣保持而得到的基準(zhǔn)信號S3的振幅值A(chǔ)21’、A22’使用基準(zhǔn)信號S3的發(fā)生定時起的相位θstop，表示為A21’＝A0sinθstop(5’)A22’＝A0sin(θstop+π/2)(6’)。
其中，θstop使用基準(zhǔn)信號S3的周期Ts表示為θstop＝2π(t2/Ts)。
這里，可以將算式(6’)變形為A22’＝A0cosθstop(6”)，在縱軸上表示停止信號M2的發(fā)生定時t2的振幅A21’，在橫軸上表示延遲定時t2’的振幅A22’，兩振幅A21’、A22’的交點(diǎn)，如圖8(c)所示，配置在圓周上。
而且，由于這些振幅比A21’/A22’為A21’/A22’＝tanθstop(7’)，因此，相位差檢測部42’通過θstop＝tan-1(A21’/A22’)(8’)來計(jì)算停止信號M2發(fā)生時的基準(zhǔn)信號S3的相位θstop，并將其臨時存儲在未圖示的存儲區(qū)域中。
然后，相位差檢測部42’讀出在存儲區(qū)域中存儲的兩個相位θstart、θstop，通過Δθ＝θstop-θstart(9)來計(jì)算對于開始信號M1的發(fā)生定時和停止信號M2的發(fā)生定時之間的時間所對應(yīng)的基準(zhǔn)信號S3的相位差Δθ。
這里，在兩脈沖信號M1、M2的時間差Δt短于基準(zhǔn)信號S3的一周期Ts時，兩脈沖信號M1、M2的時間差Δt可以根據(jù)上述相位差Δθ以及周期Ts，通過Δt＝(Δθ/2π)Ts(10)來計(jì)算。
但是，由相位差檢測部42’通過算式(9)計(jì)算出的相位差Δθ是0弧度～2π弧度的范圍內(nèi)的值，但基準(zhǔn)信號S3是周期信號，因此計(jì)算出的相位差Δθ中除了2π以下的Δθ之外，也潛在地含有2π+Δθ、4π+Δθ、...，可以表示為一般式2π(n-1)+Δθ(n自然數(shù))。
另一方面，作為要計(jì)算的兩個脈沖信號M1、M2的時間差Δt，上述一般式的第一項(xiàng)的相位差2π(n-1)弧度也需要被換算，并且需要確定該自然數(shù)11。
因此，即使在兩個脈沖信號M1、M2的時間差Δt超過基準(zhǔn)信號S3的一周期(2π弧度)的情況下，大致時間差檢測部件43也能夠以該基準(zhǔn)信號S3的一周期程度的分辨率來大致地檢測該時間差Δt。
而且，時間差計(jì)算部44參照由大致時間差檢測部43檢測出的大致時間差ta，將與相位差檢測部42’檢測出的相位差Δθ(＝{Δθ，2π+Δθ，4π+Δθ，...，2π(n-1)+Δθ，...})對應(yīng)的算式(10)的各時間差Δt(＝(Δθ/2π)Ts)中最接近大致時間差ta的時間差Δt，選擇作為要求的時間差。
本實(shí)施例的測量裝置100’的時間差測定裝置40’通過以上原理，計(jì)算開始信號M1和停止信號M2的發(fā)生時間差Δt。
然后，測距部件30’的距離換算部31基于由時間差測定裝置40’測定的時間差Δt，通過下述算式(11)計(jì)算到測距對象90的距離D。另外，在算式(11)中，常數(shù)c表示光速[米/秒]。
D＝cΔt/2(11)如以上這樣，到測定的測距對象90的距離D由測距結(jié)果輸出部50輸出，該測量裝置100’的使用者能夠確定距離D。
另外，測距結(jié)果輸出部50是作為顯示裝置來顯示作為測距結(jié)果的到測距對象90的距離D等數(shù)值信息的，但除了該距離D之外，也可以一并顯示該測量裝置100’的各種設(shè)定信息等。
這樣，根據(jù)本實(shí)施例的時間差測定裝置40’以及測量裝置100’，對一組開始信號M1和停止信號M2的各發(fā)生定時和各延遲定時的基準(zhǔn)信號S3的振幅僅進(jìn)行一次檢測，就能夠高精度地求出兩信號M1、M2的發(fā)生時間差，實(shí)現(xiàn)時間差以及距離的測定的迅速化。
此外，基準(zhǔn)信號S3，采用了正弦波信號(或余弦波信號)，并且作為對脈沖信號M1、M2延遲的時間Δt1、Δt2，采用了基準(zhǔn)信號S3中的相位差π/2弧度(也可以是該相位差π/2弧度的奇數(shù)倍的相位差)，從而取直接檢測出的值(振幅值)的比值，對該比值的進(jìn)行反正切計(jì)算，則能夠計(jì)算出各脈沖信號M1、M2的發(fā)生定時的基準(zhǔn)信號S3中對應(yīng)的相位θ(θstart，θstop)，根據(jù)兩個相位來檢測相位差Δθ。
由于由反正切計(jì)算的相位的時間變化量通常一定，因此能夠得到一定的分辨率以及檢測靈敏度而與對于基準(zhǔn)信號的兩個脈沖信號的發(fā)生定時無關(guān)。
另外，作為測定光射出部件10以及反射光檢測部件20，可以與實(shí)施例1同樣采用例如圖3所示的結(jié)構(gòu)。
此外，作為時間差測定裝置40’的具體的控制系統(tǒng)，例如可以采用圖9所示的結(jié)構(gòu)。
圖示的控制系統(tǒng)中，基于從振蕩電路(TXCO)41a’輸出的15MHz的脈沖，正弦波生成部(Sin)41b’發(fā)生正弦波的基準(zhǔn)信號S3，該基準(zhǔn)信號S3由帶通濾波器(BPF)42b’限制頻帶，在脈沖檢測器(Puls Det)42a’基于由受光元件(APD)21檢測出的激光L1以及反射激光L2而生成的開始信號M1以及停止信號M2的發(fā)生定時，以及相位由延遲電路42d’延遲了π/2弧度的開始信號M1以及停止信號M2的延遲定時，A/D變換器(A/D)42c’對被限制了頻帶的基準(zhǔn)信號S3進(jìn)行采樣保持，該采樣保持后的值，即振幅值A(chǔ)11’、A12’以及振幅值A(chǔ)21’、A22’被輸入CPU44a。
另一方面，振蕩電路41a’的輸出脈沖被輸入脈沖計(jì)數(shù)器(CNTR)43a，該脈沖計(jì)數(shù)器43a對在從脈沖檢測器42a’發(fā)生開始信號M1的定時到發(fā)生停止信號M2的定時之間輸入的輸出脈沖的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)結(jié)果被輸入CPU44a，用于CPU44a計(jì)算大致時間差ta。另外，連接到CPU44a的存儲器(RAM)44b中存儲計(jì)算結(jié)果和各常數(shù)等。
另外，本發(fā)明的時間差測定裝置以及測距裝置僅通過在發(fā)生定時和延遲定時分別各檢測一次(由于對兩個信號分別形成了兩個定時，因此合計(jì)四次)差時發(fā)生的兩個脈沖信號，就能夠高精度地檢測這兩個脈沖信號之間的時間差，但在實(shí)際測定時，優(yōu)選的是多次進(jìn)行測定，求得到的多個測定結(jié)果的平均值，或計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差等，從而提高測定結(jié)果的可靠性。
因此，圖9所示的控制系統(tǒng)多次輸出開始信號M1，以使成為生成基準(zhǔn)信號S3的基礎(chǔ)的振蕩電路41a’的輸出脈沖和開始信號M1在輸出脈沖的每個規(guī)定周期同步(相位差成為0)。
另外，由于基準(zhǔn)信號S3與從振蕩電路41a’輸出的輸出脈沖同步，因此通過該控制系統(tǒng)，基準(zhǔn)信號S3和開始信號M1在基準(zhǔn)信號S3的每個規(guī)定周期同步。
這里，在圖示的控制系統(tǒng)中，基準(zhǔn)信號S3的99周期和開始信號M1的100周期被設(shè)定為同步。
即，從振蕩電路41a’輸出的輸出脈沖由第一分頻器(Divider)11a分頻為1/99而成為151.51kHz，通過合成器(SYH)11b被遞增為100倍而成為15.151MHz，該第100周期和15MHz的輸出脈沖的第99周期相位差為0，即同步。
由合成器11b遞增后的15.151MHz的信號再由第二分頻器(Div)11c分頻為1/(23×77)，該分頻后的輸出脈沖被輸入驅(qū)動器(DRIVER)11d，該驅(qū)動器11d驅(qū)動PLD11，PLD11輸出脈沖狀的激光L1。
從而，從PLD11以大約8.5kHz的頻率反復(fù)射出脈沖狀的激光L1，并且伴隨該反復(fù)的射出，反射激光L2被反復(fù)檢測，能夠測定多次的開始信號M1和停止信號M2之間的時間差，并且通過這樣的多次的測定，能夠提高測定結(jié)果的可靠性。
另外，圖9所示的是使基準(zhǔn)信號S3和開始信號M1同步的結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，這些信號不一定非要同步，兩信號S3、M1也可以完全不同步，即兩信號S3、M1例如圖10所示，是完全非同步的，即兩信號僅依賴于從互相獨(dú)立的兩個振蕩電路單獨(dú)輸出的信號，且互相之間沒有依賴關(guān)系。
該圖10所示的控制系統(tǒng)中，生成基準(zhǔn)信號S3的控制系統(tǒng)和PLD11射出激光L1的控制系統(tǒng)是完全分離獨(dú)立的。生成基準(zhǔn)信號S3的控制系統(tǒng)與圖9所示的控制系統(tǒng)相同，而使PLD11射出激光L1的控制系統(tǒng)依賴于與振蕩電路41a’另外獨(dú)立的振蕩器(OSC)11e的輸出脈沖，從該振蕩器11e輸出的輸出脈沖由分頻器(Div)11f分頻，基于該分頻后的輸出脈沖，驅(qū)動器(DRIVER)11g驅(qū)動PLD11，在與基準(zhǔn)信號S3的定時完全無關(guān)的定時，從PLD11輸出激光L1。
而且，即使是具有這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)的時間差測定裝置、測距裝置，通過多次測定也能夠提高測定結(jié)果的可靠性。
此外，本實(shí)施例中所說明的測量裝置采用半導(dǎo)體激光器作為光源，但在本發(fā)明的測距裝置并不限定于這種形態(tài)的光源，也可以采用射出其它種類的激光的光源、射出激光以外的光的光源、或者發(fā)生光以外的微波等測定波的測定波射出源，起到與本實(shí)施例同樣的作用，并且發(fā)揮同樣的效果。
本實(shí)施例中基于實(shí)際的檢測值振幅值A(chǔ)11’以及A12’來計(jì)算相位θstart，基于振幅值A(chǔ)21’以及A22’來計(jì)算相位θstop。而在實(shí)施例1中基準(zhǔn)信號S1、S2是分別生成的，因此也可能引起在兩基準(zhǔn)信號S1、S2之間，最大振幅A0不完全相同，或者在生成時兩基準(zhǔn)信號S1、S2不完全同步的情況。
但是，本實(shí)施例與實(shí)施例1不同，基準(zhǔn)信號S3為單一的，因此不必如實(shí)施例1這樣，需要考慮多個基準(zhǔn)信號之間的同步或同一性等。
以上，用例示的實(shí)施例對本發(fā)明作了說明，但本發(fā)明不限定于此。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的前提下對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)所作的各種改進(jìn)和變更，均包含于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍及其均等范圍內(nèi)。
本申請基于2004年10月4日申請的日本專利申請?zhí)?004-291495和2005年6月9日申請的日本專利申請?zhí)?005-169500，要求了優(yōu)先權(quán)，所述申請的說明書、附圖以及專利請求的范圍的全部內(nèi)容都包含在本申請中。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性在上述實(shí)施方式中，作為包含本發(fā)明的時間差測定裝置的測距裝置以測量裝置為例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于此，也可以廣泛地應(yīng)用于測定非常短的時間間隔的脈沖信號間的時間差的領(lǐng)域，或可能因風(fēng)等環(huán)境的影響而容易移位的自然物等為測距對象的測距裝置或者通過對測距對象進(jìn)行測距來確定該測距對象的輪廓形狀等的形狀測定裝置等要求迅速且高精度的測距的領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種時間差測定裝置，測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個以上的脈沖信號的該時間差，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生一個以上的基準(zhǔn)信號；振幅檢測部件，在依賴于所述各脈沖信號的發(fā)生定時的規(guī)定的兩個定時，與對所述基準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣的情況實(shí)質(zhì)上同等地求出基于所述基準(zhǔn)信號的兩個振幅；相位差檢測部件，基于由所述振幅檢測部件檢測出的、對所述各脈沖信號求出的所述基準(zhǔn)信號的各振幅，計(jì)算所述脈沖信號的發(fā)生定時之間的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
2.一種時間差測定裝置，測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生具有大致π/2的相位差的至少兩個基準(zhǔn)信號；相位差檢測部件，基于在所述兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的所述至少兩個基準(zhǔn)信號的振幅，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
3.如權(quán)利要求1或2所述的時間差測定裝置，其特征在于，還包括用于檢測所述兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差的大致時間差檢測部件，所述時間差計(jì)算部件除了基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期而計(jì)算出的精密時間差之外，還根據(jù)由所述大致時間差檢測部件檢測出的所述大致發(fā)生時間差來計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
4.如權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)所述的時間差測定裝置，其特征在于，所述兩個基準(zhǔn)信號是正弦波信號和余弦波信號。
5.如權(quán)利要求4所述的時間差測定裝置，其特征在于，所述相位差檢測部件，分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上領(lǐng)先的一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A11以及所述余弦波信號的振幅A12；計(jì)算這些振幅A11、A12的比A11/A12；基于該振幅比A11/A12，通過tan-1(A11/A12)計(jì)算相位θstart，分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上后續(xù)的另一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A21以及所述余弦波信號的振幅A22；計(jì)算這些振幅A21、A22的比A21/A22；基于該振幅比A21/A22，通過tan-1(A21/A22)計(jì)算相位θstop，并通過(θstop-θstart)計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差Δθ。
6.如權(quán)利要求1至5的任何一項(xiàng)所述的時間差測定裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)信號發(fā)生部件原始生成一個基準(zhǔn)信號，同時相對于該原始生成的基準(zhǔn)信號將該基準(zhǔn)信號的相位大致延遲π/2而生成新的基準(zhǔn)信號，將所述原始生成的基準(zhǔn)信號和所述新的基準(zhǔn)信號作為具有所述大致π/2的相位差的兩個基準(zhǔn)信號而發(fā)生。
7.一種時間差測定方法，測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，其特征在于，檢測所述兩個脈沖信號的大致發(fā)生時間差；發(fā)生具有大致π/2的相位差的正弦波信號以及余弦波信號作為兩個基準(zhǔn)信號；基于在所述兩個脈沖信號的各發(fā)生定時的所述正弦波信號以及所述余弦波信號的振幅，求出所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差；基于求出的相位差、所述基準(zhǔn)信號的周期以及所述大致發(fā)生時間差，求出所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
8.如權(quán)利要求7所述的時間差測定方法，其特征在于，分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上領(lǐng)先的一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A11以及所述余弦波信號的振幅A12；計(jì)算這些振幅A11、A12的比A11/A12；基于該振幅比A11/A12，通過tan-1(A11/A12)計(jì)算相位θstart，分別檢測所述兩個脈沖信號中在時間序列上后續(xù)的另一個脈沖信號的發(fā)生定時的所述正弦波信號的振幅A21以及所述余弦波信號的振幅A22；計(jì)算這些振幅A21、A22的比A21/A22；基于該振幅比A21/A22，通過tan-1(A21/A22)計(jì)算相位θstop，并通過(θstop-θstart)計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生定時的相位差Δθ。
9.一種測距裝置，包括測定波射出部件，對測距對象射出測定波；反射波檢測部件，檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波；以及測距部件，在從所述測定波射出部件射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號，在由所述反射波檢測部件檢測到所述反射波的定時取得所述第二脈沖信號，基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得所述第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，所述測距部件包括權(quán)利要求1至6的任何一項(xiàng)所述的時間差測定裝置，基于由所述時間差測定裝置測定而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
10.一種測距方法，包括對測距對象射出測定波；在射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號；檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波；在檢測到所述反射波的定時取得第二脈沖信號；基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得所述第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，基于通過權(quán)利要求7或8所述的時間差測定方法而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
11.一種時間差測定裝置，測定以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個以上的脈沖信號的該時間差，其特征在于，包括基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生單一的基準(zhǔn)信號；振幅檢測部件，在所述各脈沖信號的發(fā)生定時和與該發(fā)生定時對應(yīng)的規(guī)定的延遲定時，分別求出所述基準(zhǔn)信號的振幅；相位差檢測部件，基于由所述振幅檢測部件檢測出的、對所述各脈沖信號求出的所述發(fā)生定時以及所述延遲定時的所述基準(zhǔn)信號的各振幅，計(jì)算所述脈沖信號的發(fā)生定時之間的相位差；以及時間差計(jì)算部件，基于由所述相位差檢測部件檢測出的相位差以及所述基準(zhǔn)信號的周期，計(jì)算所述兩個脈沖信號的發(fā)生時間差。
12.如權(quán)利要求11所述的時間差測定裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)信號發(fā)生部件，發(fā)生正弦波信號或余弦波信號作為所述基準(zhǔn)信號，所述振幅檢測部件將從所述發(fā)生定時起、與相當(dāng)于所述基準(zhǔn)信號的π/2的相位差的奇數(shù)倍的相位延遲對應(yīng)的定時，作為所述延遲定時。
13.一種測距裝置，包括測定波射出部件，對測距對象射出測定波；反射波檢測部件，檢測所述測定波被所述測距對象所反射而得到的反射波；以及距離測定部件，在從所述測定波射出部件射出所述測定波的定時取得第一脈沖信號，在由所述反射波檢測部件檢測到所述反射波的定時取得第二脈沖信號，基于從取得所述第一脈沖信號的定時到取得所述第二脈沖信號的定時為止的時間差，求出到所述測距對象的距離，其特征在于，所述距離測定部件包括權(quán)利要求1、權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的時間差測定裝置，基于由所述時間差測定裝置測定而得到的所述第一脈沖信號和所述第二脈沖信號的時間差，求出到所述測距對象的距離。
全文摘要
一種時間差測定裝置，對于以規(guī)定的時間差產(chǎn)生的兩個脈沖信號的該時間差，僅通過對這兩個脈沖信號進(jìn)行一次測定而能夠高精度地進(jìn)行測定。在測定開始信號(M1)和停止信號(M2)之間的時間差的時間差測定裝置中，具有由基準(zhǔn)信號發(fā)生部(41)發(fā)生具有π/2的相位差的兩個基準(zhǔn)信號(S1、S2)，基于開始信號(M1)以及停止信號(M2)的各發(fā)生定時的兩基準(zhǔn)信號(S1、S2)的對應(yīng)振幅值(A11、A12)以及(A21、A22)，由相位差檢測部(42)計(jì)算兩脈沖信號(M1、M2)的發(fā)生定時之間的相位差Δθ(θstop－θstart)，并基于檢測出的相位差Δθ以及基準(zhǔn)信號(S1、S2)的周期(Ts)，由時間差計(jì)算部(44)計(jì)算兩脈沖信號(M1、M2)之間的發(fā)生時間差Δt。
文檔編號G01S17/10GK101044371SQ200580033229
公開日2007年9月26日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月4日
發(fā)明者大石政裕, 大友文夫 申請人:株式會社拓普康