專利名稱：測(cè)距/測(cè)速儀和測(cè)距/測(cè)速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)距/測(cè)速儀和一種測(cè)距/測(cè)速方法，通過使用經(jīng)過波長(zhǎng)調(diào)制的波來測(cè)量與測(cè)量目標(biāo)的距離和測(cè)量目標(biāo)的速度。

背景技術(shù)：
使用由激光器引起的光干涉的測(cè)距技術(shù)一直作為高精度測(cè)量方法而使用，由于測(cè)量是非接觸式的，所以不會(huì)干擾測(cè)量目標(biāo)。近來嘗試了使用半導(dǎo)體激光器作為光學(xué)測(cè)量光源，以使設(shè)備小型化。典型示例時(shí)使用FM外差干涉儀。該設(shè)備可測(cè)量相對(duì)較長(zhǎng)的距離，并具有高精度。然而，該設(shè)備要使用半導(dǎo)體激光器外部的干涉儀，因此需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。
還提出了一種在半導(dǎo)體激光器中使用激光器的輸出光和測(cè)量目標(biāo)的返回光之間的干涉(自混合效應(yīng)/自耦合效益)的測(cè)量?jī)x器。例如，在參考文獻(xiàn)1(Tadashi Ueda，Jun Yamada和Susumu Shito，“Range FinderUsing Self-Coupling Effect of Semiconductor Laser”，1994TOKAI-SECTION JOINT CONVENTION RECORD OF THE SIXINSTITUTES OF ELECTRICAL AND RELATED ENGINEERS)、參考文獻(xiàn)2(Jun Yamada，Susumu Shito，Norito Tsuda和Tadashi Ueda，“Studyof Compact Distance Meter by Self-Coupled Effect of Laser Diode”，Bulletin of Aichi Institute of Technology，Vol.31B pp.35-42，1996)以及參考文獻(xiàn)3(Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati和ThierryBosch，“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”，JOURNAL OF OPTICS APURE AND APPLIED OPTICS，pp.283-294，2002)中公開了這種自混合/自耦合式的激光測(cè)量?jī)x器。
根據(jù)自混合/自耦合式激光測(cè)量?jī)x器，由于內(nèi)置在光電二極管中的半導(dǎo)體激光器具有發(fā)光、干涉和光接收的組合功能，所以可大幅度簡(jiǎn)化外部干涉光學(xué)系統(tǒng)。因此，傳感器單元僅包括半導(dǎo)體激光器和透鏡，從而與現(xiàn)有技術(shù)相比，減小了尺寸。此外，該技術(shù)的特征在于具有比三角測(cè)量法更寬的測(cè)距范圍。
圖20示出了FP型(Fabry-Perot型)半導(dǎo)體激光器的復(fù)合諧振器模型。參考圖20，附圖標(biāo)記101表示半導(dǎo)體激光諧振器；102表示半導(dǎo)體晶體的解理面；103表示光電二極管；104表示測(cè)量目標(biāo)。從測(cè)量目標(biāo)104的反射的一部分光會(huì)返回振蕩區(qū)。少量返回光與諧振器101內(nèi)的激光混合。這導(dǎo)致諧振器工作不穩(wěn)定，并引起噪聲(復(fù)合諧振器噪聲或返回光噪聲)。即使是與輸出光相比非常少量的返回光也會(huì)引起半導(dǎo)體激光器特性的顯著變化。這種現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在Fabry-Perot型(下面稱為FP型)半導(dǎo)體激光器中，還出現(xiàn)在其它類型的半導(dǎo)體激光器中，例如立式空腔表面發(fā)射型半導(dǎo)體激光器(稱為VCSEL)和分布式反饋半導(dǎo)體激光器(稱為DFB激光器)。
假設(shè)λ是激光器的振蕩波長(zhǎng)，L是從測(cè)量目標(biāo)104附近的解理面102到測(cè)量目標(biāo)104的距離，在滿足下面的諧振條件時(shí)，諧振器101內(nèi)的返回光和激光彼此加強(qiáng)，使激光器輸出略微增加 L＝nλ/2…(1) 其中n是整數(shù)。即使從測(cè)量目標(biāo)104散射的光非常微弱，也可以令人滿意地觀察到該現(xiàn)象，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的諧振器101中的表觀反射率增大而產(chǎn)生放大效果。
半導(dǎo)體激光器根據(jù)注入電流的幅度而發(fā)射具有不同頻率的激光束，因此可以使用注入電流來對(duì)振蕩頻率進(jìn)行直接調(diào)制，而不需要任何外部調(diào)制器。圖21示出了在振蕩波長(zhǎng)以給定恒率變化時(shí)半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)與光電二極管103的輸出波形之間的關(guān)系圖。在滿足由等式(1)表示的L＝nλ/2時(shí)，諧振器101內(nèi)的返回光和激光之間的相位差是0°(同相)，而且諧振器101內(nèi)的返回光和激光以最大幅度彼此加強(qiáng)。在L＝nλ/2+λ/4時(shí)，相位差變?yōu)?80°(反相)，諧振器101內(nèi)的返回光和激光以最大幅度彼此削弱。由此，隨著半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)改變，激光器輸出強(qiáng)度交替且重復(fù)地增大和減小。此時(shí)使用向諧振器101提供的光電二極管103來檢測(cè)激光器輸出，這會(huì)獲得如圖21所示的具有預(yù)定周期的逐階波形。通常將這種波形稱為干涉帶(interferencefringe)。
每一個(gè)逐階波形分量(即每一個(gè)干擾帶分量)被稱為模式跳變脈沖(下面稱為MHP)。MHP是與后面要描述的模式跳變現(xiàn)象不同的現(xiàn)象。假定由L1表示與測(cè)量目標(biāo)104的距離，并且MHP的個(gè)數(shù)是10。在這種情況下，在距離減小到距離L2(是距離L1的一半)時(shí)，MHP的個(gè)數(shù)變?yōu)?。也就是說，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)在預(yù)定時(shí)間段中改變時(shí)，MHP的個(gè)數(shù)與測(cè)量距離成比例地改變。因此，通過使用光電二極管103來檢測(cè)MHP并測(cè)量MHP的頻率，可容易地測(cè)量距離。注意，F(xiàn)P型半導(dǎo)體激光器特有的模式跳變現(xiàn)象是如下現(xiàn)象振蕩波長(zhǎng)具有根據(jù)注入電流的連續(xù)增大/減小的不連續(xù)部分。在注入電流增大和減小時(shí)，振蕩波長(zhǎng)表現(xiàn)出輕微的滯后。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題 如上所述，自混合/自耦合式激光測(cè)量?jī)x器可大幅度簡(jiǎn)化諧振器外部的干涉光學(xué)系統(tǒng)，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備尺寸的減小。此外，這種儀器不需要高速電路，并對(duì)于干擾光是魯棒的。此外，由于從測(cè)量目標(biāo)返回的光可以非常微弱，所以儀器不會(huì)受到測(cè)量目標(biāo)的反射率的影響。也即，該儀器可應(yīng)用于任何測(cè)量目標(biāo)。
然而，包括自混合/自耦合式儀器的傳統(tǒng)干涉型測(cè)量?jī)x器不能夠測(cè)量與正在運(yùn)動(dòng)的測(cè)量目標(biāo)的距離及其速度，即使該儀器可以測(cè)量與靜止測(cè)量目標(biāo)的距離。
本發(fā)明用于解決上述問題，并且本發(fā)明的目的是測(cè)量與正在運(yùn)動(dòng)的測(cè)量目標(biāo)的距離及其速度以及與靜止測(cè)量目標(biāo)的距離。
解決問題的手段 本發(fā)明的測(cè)距/測(cè)速儀的特征在于包括半導(dǎo)體激光器，用于向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射激光；激光器驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器工作，以使至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)增大的周期的第一振蕩周期和至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)減小的周期的第二振蕩周期交替存在至少兩個(gè)周期；光接收器，用于將半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自測(cè)量目標(biāo)的返回光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；計(jì)數(shù)裝置，用于在第一振蕩周期和第二振蕩周期的每一個(gè)的至少一部分中，對(duì)包含在光接收器的輸出信號(hào)中的、半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自測(cè)量目標(biāo)的返回光所引起的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及計(jì)算裝置，用于根據(jù)在計(jì)數(shù)裝置對(duì)干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及計(jì)數(shù)裝置獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)的距離和測(cè)量目標(biāo)的速度。
本發(fā)明的測(cè)距/測(cè)速方法的特征在于包括以下步驟向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射經(jīng)過波長(zhǎng)調(diào)制的波；檢測(cè)在所發(fā)射的波與測(cè)量目標(biāo)所反射的返回波之間引起的干涉；以及基于與所檢測(cè)的干涉相關(guān)聯(lián)的信息，來計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)的距離和測(cè)量目標(biāo)的速度。
本發(fā)明的效果 根據(jù)本發(fā)明，不僅可以測(cè)量與靜止測(cè)量目標(biāo)的距離，而且可以測(cè)量與運(yùn)動(dòng)測(cè)量目標(biāo)的距離及其速度(速率、方向)。此外，根據(jù)本發(fā)明，可以根據(jù)半導(dǎo)體激光器的最短和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及計(jì)數(shù)裝置所獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果，來判定測(cè)量目標(biāo)是處于勻速運(yùn)動(dòng)還是加速運(yùn)動(dòng)。



圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)距/測(cè)速儀的配置的框圖； 圖2是示出了本發(fā)明實(shí)施例中的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化示例的圖； 圖3是示出了本發(fā)明實(shí)施例中的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化示例的圖； 圖4A至4C是分別示意性地示出了本發(fā)明實(shí)施例中電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出電壓波形和微分電路的輸出電壓波形的圖； 圖5是示出了本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算裝置的配置示例的框圖； 圖6是示出了本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算裝置的操作的流程圖； 圖7是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度候選值和距離扣減的示例的圖； 圖8是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中(勻速)移動(dòng)時(shí)的速度候選值和距離扣減的示例的圖； 圖9是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)的速度候選值和距離扣減的示例的圖； 圖10是示出了圖9的一部分的放大圖； 圖11是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)的距離扣減的示例的圖； 圖12是示出了圖11的一部分的放大圖； 圖13是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)所測(cè)量的距離和實(shí)際距離值的圖； 圖14是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)所測(cè)量的距離和實(shí)際距離值的圖； 圖15是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)所測(cè)量的速度和實(shí)際速度值的圖； 圖16是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)所測(cè)量的距離、平均距離值和實(shí)際距離值的圖； 圖17是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)所測(cè)量的速度和實(shí)際速度值的圖； 圖18是示出了本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中(加速)運(yùn)動(dòng)時(shí)所測(cè)量的距離、平均距離值和實(shí)際距離值的圖； 圖19是示出了本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算裝置配置的另一示例的框圖； 圖20是示出了傳統(tǒng)激光測(cè)量?jī)x器中復(fù)合諧振器模型的半導(dǎo)體激光器的圖； 圖21是示出了半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)和內(nèi)置光電二極管的輸出波形之間的關(guān)系的圖；以及 圖22是示出了由模式跳變現(xiàn)象導(dǎo)致不連續(xù)的頻率寬度幅度的圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明是一種根據(jù)在使用波長(zhǎng)調(diào)制的感測(cè)操作中輸出的波和由目標(biāo)反射的波這一基礎(chǔ)上的干涉信號(hào)，同時(shí)計(jì)算與目標(biāo)的距離及其速度的技術(shù)。因此，本發(fā)明也可以應(yīng)用于除自混合/自耦合型干涉儀之外的光學(xué)干涉儀和光學(xué)干涉儀之外的干涉儀。更具體地，在使用半導(dǎo)體激光器的自混合/自耦合的情況下，當(dāng)從激光器向測(cè)量目標(biāo)施加激光時(shí)，隨著半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)改變，在振蕩波長(zhǎng)從最短激光波長(zhǎng)變化為最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)的周期(或者振蕩波長(zhǎng)從最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)變化為最短激光波長(zhǎng)的周期)中測(cè)量目標(biāo)的位移反映在MHP的個(gè)數(shù)中。因此，在振蕩波長(zhǎng)改變時(shí)檢查MHP的個(gè)數(shù)就可以檢測(cè)到測(cè)量目標(biāo)的狀態(tài)。以上是本發(fā)明的基本原理。
參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)距/測(cè)速儀的配置的框圖。圖1中的測(cè)距/測(cè)速儀包括半導(dǎo)體激光器1，向測(cè)量目標(biāo)12發(fā)射激光；光電二極管(光接收器)2，將半導(dǎo)體激光器1輸出的激光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；透鏡3，聚集來自半導(dǎo)體激光器的光并將其施加于測(cè)量目標(biāo)12，同時(shí)，聚集來自測(cè)量目標(biāo)12的返回光并將其施加于半導(dǎo)體激光器1；激光器驅(qū)動(dòng)器4，使半導(dǎo)體激光器1交替地重復(fù)振蕩波長(zhǎng)連續(xù)增大的第一振蕩周期和振蕩波長(zhǎng)連續(xù)減小的第二振蕩周期；計(jì)數(shù)單元13，在第一和第二振蕩周期的每一個(gè)中，對(duì)包含在光電二極管2的輸出信號(hào)中的、由于在半導(dǎo)體激光器1中產(chǎn)生的自混合效應(yīng)/自耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)算裝置9，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)12的距離和測(cè)量目標(biāo)12的速度；以及顯示裝置10，顯示計(jì)算裝置9所獲得的計(jì)算結(jié)果。計(jì)數(shù)單元13包括電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器5，用于將來自光電二極管2的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓并放大該電壓；信號(hào)提取電路11，用于對(duì)來自電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器5的輸出電壓的進(jìn)行二階微分；以及計(jì)數(shù)電路8，用于對(duì)來自信號(hào)提取電路11的輸出電壓中包含的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
為了方便描述，假定在下面的說明中，使用并不表現(xiàn)出上述模式跳變現(xiàn)象的類型(VCSEL類型或DFB激光器類型)的激光器，作為半導(dǎo)體激光器1。在將表現(xiàn)出模式跳變現(xiàn)象的類型(FP類型)的激光器用作半導(dǎo)體激光器1時(shí)，會(huì)特別地提到對(duì)其的使用。
例如，激光器驅(qū)動(dòng)器4向半導(dǎo)體激光器1提供在時(shí)間上以預(yù)定變化率重復(fù)增大和減小的三角形驅(qū)動(dòng)電流，作為注入電流。這使得半導(dǎo)體激光器1交替地重復(fù)第一振蕩周期和第二振蕩周期，在第一振蕩周期中振蕩波長(zhǎng)以與注入電流的幅度正比例的預(yù)定變化率連續(xù)增大，而在第二振蕩周期中振蕩波長(zhǎng)以預(yù)定變化率連續(xù)減小。圖2是示出了半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長(zhǎng)的時(shí)間變化的圖。假定t-1是第(t-1)個(gè)振蕩周期，t是第t個(gè)振蕩周期，λa是每個(gè)周期中振蕩波長(zhǎng)的最小值，λb是每個(gè)周期中振蕩波長(zhǎng)的最大值。在本實(shí)施例中，振蕩波長(zhǎng)的最大值λb和振蕩波長(zhǎng)的最小值λa總是恒定的，并且兩者之差λb-λa也總是恒定的。
激光器驅(qū)動(dòng)器4使半導(dǎo)體激光器1工作，以使第一和第二振蕩周期交替地各自存在至少兩個(gè)周期。如果每個(gè)振蕩周期持續(xù)兩個(gè)或更多個(gè)周期，則可以檢測(cè)與勻速運(yùn)動(dòng)的測(cè)量目標(biāo)12的距離及其速度。如果每個(gè)振蕩周期持續(xù)三個(gè)或更多個(gè)周期，則可以檢測(cè)與加速運(yùn)動(dòng)的測(cè)量目標(biāo)12的距離及其速度。注意，為了區(qū)分勻速運(yùn)動(dòng)和加速運(yùn)動(dòng)，需要三個(gè)或更多個(gè)周期。此外，可以使用除上述三角波之外的任意波形(例如正弦波)，只要這種波形包括在第一振蕩中振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)增大的周期和在第二振蕩中振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)減小的周期。例如，如圖3所示，可以使用每?jī)蓚€(gè)峰值(即每四個(gè)周期)就具有休眠期ST的間歇波形，以抑制電流消耗。
從半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的激光由透鏡3聚集并到達(dá)測(cè)量目標(biāo)12。由測(cè)量目標(biāo)12反射的光由透鏡3聚集并到達(dá)半導(dǎo)體激光器1。注意，由透鏡3聚集光并不是必要的。光電二極管2將從半導(dǎo)體激光器1輸出的光轉(zhuǎn)換為電流。電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器5將來自光電二極管2的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓并放大該電壓。信號(hào)提取電路11具有從調(diào)制波中提取疊加信號(hào)的功能。例如，該電路包括兩個(gè)微分電路6和7。微分電路6對(duì)來自電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器5的輸出電壓進(jìn)行微分。微分電路7對(duì)來自微分電路6的輸出電壓進(jìn)行微分。圖4A是示意性地示出了來自電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器5的輸出電壓波形的圖。圖4B是示意性地示出了來自微分電路6的輸出電壓波形的圖。圖4C是示意性地示出了來自微分電路7的輸出電壓波形的圖。這些圖示出了通過從圖4A中光電二極管103輸出的波形(調(diào)制波)中去除圖2中半導(dǎo)體激光器1的振蕩波形(載波)而提取出圖4C中MHP波形(疊加波)的過程。
計(jì)數(shù)電路8在第一振蕩周期t-1和第二振蕩周期t的每一個(gè)周期中，對(duì)來自微分電路7的輸出電壓中包含的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。假定在下面的說明中，第一振蕩周期t-1中的MHP的個(gè)數(shù)由MHPt-1(“t-1”是變量MHP的下標(biāo)，對(duì)于下面的說明，同上)表示，第二振蕩周期中的MHP的個(gè)數(shù)由MHPt表示?？蓪ㄟ壿嬮T的計(jì)數(shù)器用作計(jì)數(shù)電路8。如果使用其波形以預(yù)定變化率重復(fù)地增大和減小的驅(qū)動(dòng)電流來操作半導(dǎo)體激光器，則可使用快速傅立葉變換(下面稱為FFT)來測(cè)量MHP的頻率(即每單位時(shí)間MHP的個(gè)數(shù))。
計(jì)算裝置9基于半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb、振蕩周期t-1中MHP的個(gè)數(shù)MHPt-1以及振蕩周期t中MHP的個(gè)數(shù)MHPt，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)12的距離和測(cè)量目標(biāo)12的速度。如上所述，半導(dǎo)體激光器1進(jìn)行操作，以使最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb和最短激光波長(zhǎng)λa之差λb-λa總是恒定的。然而，如果半導(dǎo)體激光器的操作使得差值λb-λa并不一定恒定，則在計(jì)算速度之前，需要利用目標(biāo)周期內(nèi)的差值λb-λa來將MHP個(gè)數(shù)歸一化。
圖5是示出了計(jì)算裝置9的配置示例的框圖。圖6是示出了計(jì)算裝置9的操作的流程圖。計(jì)算裝置9包括距離/速度計(jì)算單元91，用于基于半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb、第一振蕩周期t-1中MHP的個(gè)數(shù)MHPt-1以及第二振蕩周期t中MHP的個(gè)數(shù)MHPt，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)12的距離候選值以及測(cè)量目標(biāo)12的速度候選值；距離扣減計(jì)算單元92，用于計(jì)算距離/速度計(jì)算單元91所計(jì)算的距離候選值與一個(gè)周期之前計(jì)算的距離候選值之差，作為距離扣減；存儲(chǔ)單元93，用于存儲(chǔ)距離/速度計(jì)算單元91和距離扣減計(jì)算單元92所獲得的計(jì)算結(jié)果；狀態(tài)判定單元94，用于基于距離/速度計(jì)算單元91和距離扣減計(jì)算單元92所獲得的計(jì)算結(jié)果來判定測(cè)量目標(biāo)12的狀態(tài)；以及距離/速度確定單元95，用于基于狀態(tài)判定單元94所獲得的判定結(jié)果，確定與測(cè)量目標(biāo)12的距離以及測(cè)量目標(biāo)12的速度。
假定在這種情況下，周期t的起點(diǎn)是時(shí)間t。還假定測(cè)量目標(biāo)12的狀態(tài)是指示移動(dòng)小于預(yù)定基準(zhǔn)的微小位移區(qū)或大于基準(zhǔn)的正常位移區(qū)。假定V是振蕩周期t-1和振蕩周期t之間的每個(gè)周期上測(cè)量目標(biāo)12的平均位移，微小位移區(qū)是滿足(λb-λa)/λb＞V/Lb(其中Lb是時(shí)間t處的距離)的狀態(tài)，正常位移區(qū)是滿足(λb-λa)/λb＝V/Lb的狀態(tài)。注意，可通過利用周期t-1和周期t的總時(shí)間來將位移V歸一化而獲得測(cè)量目標(biāo)12的速度。
首先，計(jì)算裝置9的距離/速度計(jì)算單元91根據(jù)以下等式來計(jì)算在當(dāng)前時(shí)間t處的距離候選值La(t)和Lβ(t)以及速度候選值Va(t)和Vβ(t)，并將計(jì)算值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元93中(圖6中的步驟S1) La(t)＝λa×λb×(‘MHPt-1’+‘MHPt’)/{4×(λb-λa)} … (2) Lβ(t)＝λa×λb×(|‘MHPt-1’-‘MHPt’｜)/{4×(λb-λa)} … (3) Va(t)＝(‘MHPt-1’-‘MHPt’)×λ/4 … (4) Vβ(t)＝(‘MHPt-1’+‘MHPt’)×λ/4… (5) 注意，在等式中添加單引號(hào)，以區(qū)分“MHP”的下標(biāo)和運(yùn)算符(下面也是同樣的)。在等式(4)和(5)中，λ表示在當(dāng)前時(shí)間t前一個(gè)周期的時(shí)間t-1處的波長(zhǎng)。例如，在圖2所示的情況下，波長(zhǎng)λ是λa。此外，如果當(dāng)前時(shí)間是圖2中的時(shí)間t+1，則波長(zhǎng)λ是λb。
注意，上面給出的等式(2)和(3)是基于如下假定的將沒有任何模式跳變現(xiàn)象的激光器用作半導(dǎo)體激光器1。如果要將具有模式跳變現(xiàn)象的激光器用作半導(dǎo)體激光器1，則要用下面給出的等式(2A)和(3A)代替上面給出的等式(2)和(3) La(t)＝λa×λb×(‘MHPt-1’+‘MHPt’) /{4×(λb-λa-∑λmp)} … (2A) Lβ(t)＝λa×λb×(|‘MHPt-1’-‘MHPt’｜) /{4×(λb-λa-∑λmp)} … (3A) 其中λmp表示由于模式跳變現(xiàn)象而不連續(xù)的頻率寬度的幅度(圖22)。如果在一個(gè)周期t中出現(xiàn)多個(gè)模式跳變現(xiàn)象，則幅度λmp表現(xiàn)為幾乎相同的幅度?！痞薽p表示對(duì)由于在一個(gè)周期t內(nèi)出現(xiàn)的模式跳變現(xiàn)象而不連續(xù)的頻率寬度的所有幅度λmp求和而獲得的值。
候選值La(t)和Va(t)是基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的值，而候選值Lβ(t)和Vβ(t)是基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的值。計(jì)算裝置9在圖4所示的每個(gè)周期的每個(gè)起點(diǎn)處計(jì)算等式(2)至(5)。
隨后，計(jì)算裝置9的距離扣減計(jì)算單元92根據(jù)以下等式，計(jì)算在微小位移區(qū)和正常位移區(qū)中當(dāng)前時(shí)間t處的距離候選值與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元93中的當(dāng)前時(shí)間之前一個(gè)周期的時(shí)間(t-1)處的距離候選值之差，作為距離扣減，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元93中(圖6中的步驟S2) Vcala(t)＝La(t)-La(t-1)…(6) Vcalβ(t)＝Lβ(t)-Lβ(t-1) …(7) 距離扣減Vcala(t)是基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的值，而距離扣減Vcalβ(t)是基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的值。計(jì)算裝置9在每個(gè)開始時(shí)間t處計(jì)算等式(6)和(7)。注意，在等式(4)至(7)中，將測(cè)量目標(biāo)12接近該實(shí)施例的測(cè)距/測(cè)速儀的方向定義為正方向，而將測(cè)量目標(biāo)12遠(yuǎn)離儀器的方向定義為負(fù)方向。
計(jì)算裝置9的狀態(tài)判定單元94使用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元93中的、根據(jù)等式(2)至(7)的計(jì)算結(jié)果，判定測(cè)量目標(biāo)12的狀態(tài)(圖6中的步驟S3)。
圖7示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)內(nèi)(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度候選值Va(t)和Vβ(t)以及距離扣減Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。符號(hào)●、▲、○和△分別表示Va(t)、Vβ(t)、Vcala(t)和Vcalβ(t)(對(duì)于圖8至12也是同樣的)。在圖7所示的情況下，測(cè)量目標(biāo)12的速度是0.0005m/周期，半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa是680nm，最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb是681nm。從圖7可見，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)，基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)是恒定的(在圖7所示的情況下是正的)，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)等于距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值。相反地，基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反轉(zhuǎn)。也就是說，第一振蕩周期中的距離扣減的符號(hào)與第二振蕩周期中的距離扣減的符號(hào)不同。
如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)是恒定的，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)等于距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值，則狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)。
圖8示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)內(nèi)(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度候選值Va(t)和Vβ(t)以及距離扣減Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在圖8所示的情況下，測(cè)量目標(biāo)12的速度是0.002m/周期，半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa是680nm，最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb是681nm。從圖8可見，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)，基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)是恒定的(在圖8所示的情況下是正的)，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)等于距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值。相反地，基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反轉(zhuǎn)。
因此，如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)是恒定的，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)等于距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值，則狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)。
圖9示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中關(guān)于預(yù)定位置(加速)振動(dòng)時(shí)的速度候選值Va(t)和Vβ(t)以及距離扣減Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在圖9所示的示例中，測(cè)量目標(biāo)12的最大速度是0.000002m/周期，半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa是680nm，最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb是681nm。從圖9可見，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12(加速)振動(dòng)時(shí)，基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)與基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值不一致。類似地，基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)與基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值不一致。
圖10是圖9在速度0附近的部分的放大視圖。從圖10可見，基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反轉(zhuǎn)，而基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處未改變，盡管該符號(hào)可能在其它時(shí)間點(diǎn)處改變。
因此，如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反轉(zhuǎn)，而基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)與距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值不一致，而狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)。
考慮圖9所示的速度候選值Vβ(t)。Vβ(t)的絕對(duì)值是常數(shù)，并等于半導(dǎo)體激光器1的波長(zhǎng)變化率(λb-λa)/λb。因此，如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)的絕對(duì)值等于波長(zhǎng)變化率，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)與距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值不一致，則狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)。
圖11示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中關(guān)于預(yù)定位置(加速)振動(dòng)時(shí)的距離扣減Vcala(t)和Vcalβ(t)的示例。在圖11所示的示例中，測(cè)量目標(biāo)12的最大速度是0.01m/周期，半導(dǎo)體激光器1的最短激光波長(zhǎng)λa是680nm，最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb是681nm。圖11未示出與速度候選值Va(t)和Vβ(t)有關(guān)的信息，因?yàn)樗鼈兒苄　?br> 盡管在圖11中未明確示出，但是與圖9所示的情況一樣，基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)并不與基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的絕對(duì)平均值一致，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)與基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值不一致。
從圖11可見，基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反向，而基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcala(t)的符號(hào)未在每個(gè)開始時(shí)間t處改變，盡管該符號(hào)可能在其它時(shí)間點(diǎn)處改變。
因此，如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減Vcalβ(t)的符號(hào)在每個(gè)開始時(shí)間t處反轉(zhuǎn)，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)與距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值不一致，則狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)。
圖12是圖11在速度0附近的部分的放大視圖?？紤]速度候選值Va(t)。在這種情況下，Va(t)的絕對(duì)值是常數(shù)，并等于半導(dǎo)體激光器1的波長(zhǎng)變化率(λb-λa)/λb。因此，如果基于測(cè)量目標(biāo)12處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Va(t)的絕對(duì)值等于波長(zhǎng)變化率，并且基于測(cè)量目標(biāo)12處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值Vβ(t)與距離扣減Vcalβ(t)的絕對(duì)平均值不一致，則狀態(tài)判定單元94判定測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)。表1示出了狀態(tài)判定單元94的上述判定操作。
[表1] 計(jì)算裝置9的距離/速度確定單元95基于狀態(tài)判定單元94所獲得的判定結(jié)果來確定測(cè)量目標(biāo)12的速度和與測(cè)量目標(biāo)12的距離(圖6中的步驟S4)。
也就是說，如果判定測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(勻速)移動(dòng)，則距離/速度確定單元95確定速度候選值Va(t)是測(cè)量目標(biāo)12的速度，并且距離候選值La(t)是與測(cè)量目標(biāo)12的距離。如果判定測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(勻速)移動(dòng)，則距離/速度確定單元95確定速度候選值Vβ(t)是測(cè)量目標(biāo)12的速度，并且距離候選值Lβ(t)是與測(cè)量目標(biāo)12的距離。
此外，如果判定測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)，則距離/速度確定單元95確定速度候選值Va(t)是測(cè)量目標(biāo)12的速度，并且距離候選值La(t)是與測(cè)量目標(biāo)12的距離。如果判定測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)，則距離/速度確定單元95確定速度候選值Vβ(t)是測(cè)量目標(biāo)12的速度，并且距離候選值Lβ(t)是與測(cè)量目標(biāo)12的距離。注意，如果測(cè)量目標(biāo)12(加速)振動(dòng)，則實(shí)際距離是距離Lβ(t)的平均值。
計(jì)算裝置9在每個(gè)開始時(shí)間t處執(zhí)行步驟S 1至S4中的上述處理，直到例如用戶發(fā)出了結(jié)束測(cè)量的指令為止(步驟S5中的“是”)。
顯示裝置10顯示計(jì)算裝置9所計(jì)算的測(cè)量目標(biāo)12的速度和與測(cè)量目標(biāo)12的距離。
如上所述，在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器1交替地重復(fù)半導(dǎo)體激光器1的振蕩波長(zhǎng)連續(xù)增大的第一振蕩周期t-1和振蕩波長(zhǎng)連續(xù)減小的第二振蕩周期t，并且在第一振蕩周期t-1和第二振蕩周期t的每一個(gè)周期中均對(duì)光電二極管輸出的信號(hào)中包含的MHP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后，本實(shí)施例基于激光半導(dǎo)體1的最短激光波長(zhǎng)λa和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)λb，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)12的距離和測(cè)量目標(biāo)12的速度。因此，本實(shí)施例不僅可測(cè)量與測(cè)量目標(biāo)12的距離，而且可測(cè)量測(cè)量目標(biāo)12的速度，同時(shí)充分利用了傳統(tǒng)的自混合/自耦合類型的激光測(cè)量?jī)x器的優(yōu)點(diǎn)，即(a)能夠縮小設(shè)備尺寸，(b)不需要高速電路，(c)對(duì)抗干擾光的魯棒性，以及(d)能夠應(yīng)用于任何類型的測(cè)量目標(biāo)。此外，本實(shí)施例可判定測(cè)量目標(biāo)12是在勻速運(yùn)動(dòng)還是加速運(yùn)動(dòng)。
從圖7可見，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量目標(biāo)12的速度和所測(cè)量的速度Va(t)均為0.0005m/周期。也就是說，測(cè)速結(jié)果與實(shí)際值一致。圖13示出了在圖7所示情況下測(cè)量的距離La(t)和實(shí)際值。符號(hào)●和○分別表示距離La(t)和實(shí)際距離值。從圖13可見，測(cè)距結(jié)果與實(shí)際值一致。
從圖8可見，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(勻速)運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量目標(biāo)12的速度和所測(cè)量的速度Vβ(t)均為0.002m/周期。也就是說，測(cè)速結(jié)果與實(shí)際值一致。圖14示出了在圖8所示的情況下測(cè)量的距離Lβ(t)和實(shí)際距離值。符號(hào)●和○分別表示距離Lβ(t)和實(shí)際距離值。從圖14可見，測(cè)距結(jié)果與實(shí)際值一致。
圖15示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在微小位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)在圖9所示的情況下測(cè)量的速度Va(t)和實(shí)際速度值。圖16示出了在圖9所示的情況下測(cè)量的距離La(t)、距離La(t)的平均值和實(shí)際距離值。參考圖15，符號(hào)●和○分別表示速度Va(t)和實(shí)際速度值。參考圖16，符號(hào)●、-和○分別表示距離La(t)、距離La(t)的平均值以及實(shí)際距離值。從圖15和16可見，測(cè)速結(jié)果與實(shí)際值一致，距離平均值的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值一致。
圖17示出了當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12在正常位移區(qū)中(加速)振動(dòng)時(shí)在圖11所示的情況下測(cè)量的速度Vβ(t)和實(shí)際速度值。圖18示出了在圖11所示的情況下測(cè)量的距離Lβ(t)、距離Lβ(t)的平均值和實(shí)際距離值。參考圖17，符號(hào)●和○分別表示速度Vβ(t)和實(shí)際速度值。參考圖18，符號(hào)●、-和○分別表示距離Lβ(t)、距離Lβ(t)的平均值以及實(shí)際距離值。從圖17和18可見，測(cè)速結(jié)果與實(shí)際值一致，距離平均值的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值一致。
本實(shí)施例以計(jì)數(shù)單元13對(duì)整個(gè)第一和第二振蕩周期內(nèi)的MHP個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的情況為例。然而，對(duì)每個(gè)振蕩周期的一部分中的MHP個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)也是能夠滿足需要的。在這種情況下，計(jì)算裝置9通過使用在計(jì)數(shù)單元13對(duì)MHP個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期中的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)，來計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)12的距離和測(cè)量目標(biāo)12的速度。
此外，例如，本實(shí)施例中的計(jì)算裝置9可以實(shí)現(xiàn)為包括CPU、存儲(chǔ)裝置和接口以及控制這些硬件資源的程序的計(jì)算機(jī)。提供使計(jì)算機(jī)作為計(jì)算裝置9而進(jìn)行操作的程序，該程序記錄在諸如軟盤、CD-ROM、DVD-ROM或存儲(chǔ)卡之類的記錄介質(zhì)上。CPU將讀取的程序?qū)懭氪鎯?chǔ)裝置，并根據(jù)程序來執(zhí)行本實(shí)施例中所述的處理。此外，顯示裝置10實(shí)時(shí)地同時(shí)顯示與測(cè)量目標(biāo)的距離(位移)和測(cè)量目標(biāo)的速度。
當(dāng)測(cè)量目標(biāo)12以非常小的位移(例如以2nm的最大速率)振動(dòng)時(shí)，距離的實(shí)際改變(幅度)是幾個(gè)nm。然而，由于距離計(jì)算的分辨率(距離分辨率)低于位移分辨率，所以出現(xiàn)較大誤差。具體而言，當(dāng)位移小于距離分辨率時(shí)，即使所計(jì)算的距離應(yīng)該不變，距離值也會(huì)根據(jù)微小的位移而改變了一些分辨率等級(jí)。因此，如果位移小于距離分辨率，則必須避免距離值的變化。因此，使用圖19所示的計(jì)算裝置9A就能夠滿足需要了。
在計(jì)算裝置9A中，如果距離/速度確定單元95所確定的速度小于預(yù)定基準(zhǔn)值，則積分單元96計(jì)算速度的積分值(位移)。狀態(tài)判定單元96將所計(jì)算的位移與距離分辨率相比較。如果位移小于距離分辨率，則狀態(tài)判定單元94A判定距離的變化小于分辨率。然后，狀態(tài)判定單元94A判定最終距離不變，即距離的變化量為零。
工業(yè)實(shí)用性 本發(fā)明可應(yīng)用于對(duì)與測(cè)量目標(biāo)的距離和測(cè)量目標(biāo)的速度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于包括
半導(dǎo)體激光器，用于向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射激光；
激光器驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器工作，以使第一振蕩周期和第二振蕩周期交替地存在至少兩個(gè)周期，所述第一振蕩周期至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)增大的周期，所述第二振蕩周期至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)減小的周期；
光接收器，用于將所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自所述測(cè)量目標(biāo)的返回光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
計(jì)數(shù)裝置，用于在第一振蕩周期和第二振蕩周期中每一個(gè)周期的至少一部分中，對(duì)包含在所述光接收器的輸出信號(hào)中的、由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自所述測(cè)量目標(biāo)的返回光引起的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及
計(jì)算裝置，用于根據(jù)在所述計(jì)數(shù)裝置對(duì)干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期中的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及由所述計(jì)數(shù)裝置獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)算與所述測(cè)量目標(biāo)的距離和所述測(cè)量目標(biāo)的速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于，所述計(jì)數(shù)裝置對(duì)由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自所述測(cè)量目標(biāo)的返回光之間的自混合/自耦合效應(yīng)而引起的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于，所述計(jì)算裝置使用所述半導(dǎo)體激光器的每個(gè)振動(dòng)周期中的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)，作為在所述計(jì)數(shù)裝置對(duì)干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期中的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于，所述計(jì)算裝置包括
距離/速度計(jì)算單元，用于基于所述半導(dǎo)體激光器的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及由所述計(jì)數(shù)裝置獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)算與所述測(cè)量目標(biāo)的距離候選值以及所述測(cè)量目標(biāo)的速度候選值；
距離扣減計(jì)算單元，用于計(jì)算由所述距離/速度計(jì)算單元計(jì)算的距離候選值與先前計(jì)算的距離候選值之差，作為距離扣減；
狀態(tài)判定單元，用于基于由所述距離/速度計(jì)算單元和所述距離扣減計(jì)算單元獲得的計(jì)算結(jié)果，判定所述測(cè)量目標(biāo)的狀態(tài)；以及
距離/速度確定單元，用于基于由所述狀態(tài)判定單元獲得的判定結(jié)果，確定與所述測(cè)量目標(biāo)的距離以及所述測(cè)量目標(biāo)的速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于，
在所述測(cè)量目標(biāo)處于移動(dòng)小于基準(zhǔn)的微小位移區(qū)和所述測(cè)量目標(biāo)處于移動(dòng)大于所述基準(zhǔn)的正常位移區(qū)的兩種情況中的每一種情況下，假定所述測(cè)量目標(biāo)的狀態(tài)是微小位移區(qū)和正常位移區(qū)之一，所述距離/速度計(jì)算單元和所述距離扣減計(jì)算單元針對(duì)作為第一振蕩周期和第二振蕩周期之和的每個(gè)周期，計(jì)算距離候選值、速度候選值和距離扣減；以及
所述狀態(tài)判定單元基于由所述距離/速度計(jì)算單元和所述距離扣減計(jì)算單元獲得的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)所述距離/速度計(jì)算單元和所述距離扣減計(jì)算單元的每次計(jì)算，判定所述測(cè)量目標(biāo)是處于微小位移區(qū)還是正常位移區(qū)，并且判定所述測(cè)量目標(biāo)是勻速運(yùn)動(dòng)還是加速運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的符號(hào)恒定，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值相等時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中勻速運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的符號(hào)恒定，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值相等時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中勻速運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的符號(hào)在每次計(jì)算時(shí)均反轉(zhuǎn)，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值不一致時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中加速運(yùn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值的絕對(duì)值與所述半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)變化率相等，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值不一致時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在微小位移區(qū)中加速運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的符號(hào)在每次計(jì)算時(shí)均反轉(zhuǎn)，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值不一致時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中加速運(yùn)動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于
當(dāng)根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于微小位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值的絕對(duì)值與所述半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)變化率相等，并且根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的速度候選值與根據(jù)所述測(cè)量目標(biāo)處于正常位移區(qū)的假定而計(jì)算的距離扣減的絕對(duì)平均值不一致時(shí)，所述狀態(tài)判定單元判定所述測(cè)量目標(biāo)在正常位移區(qū)中加速運(yùn)動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)距/測(cè)速儀，其特征在于還包括積分單元，用于在由所述距離/速度確定單元確定的速度低于基準(zhǔn)值時(shí)計(jì)算所述速度的積分值，
其中，當(dāng)由所述積分單元計(jì)算的積分值小于距離計(jì)算分辨率時(shí)，所述狀態(tài)判定單元將距離變化量設(shè)置為零。
13.一種測(cè)距/測(cè)速方法，其特征在于包括以下步驟
向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射經(jīng)過波長(zhǎng)調(diào)制的波；
檢測(cè)在所發(fā)射的波與從所述測(cè)量目標(biāo)反射的返回波之間引起的干涉；以及
基于與檢測(cè)到的干涉相關(guān)聯(lián)的信息，計(jì)算與所述測(cè)量目標(biāo)的距離和所述測(cè)量目標(biāo)的速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的測(cè)距/測(cè)速方法，其特征在于計(jì)算步驟包括
基于與檢測(cè)到的干涉相關(guān)聯(lián)的信息，計(jì)算與所述測(cè)量目標(biāo)的距離和所述測(cè)量目標(biāo)的速度；以及
從所計(jì)算的候選值中選擇一個(gè)距離值和一個(gè)速度值。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的測(cè)距/測(cè)速方法，其特征在于
所述發(fā)射步驟包括驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器工作，以使第一振蕩周期和第二振蕩周期交替地存在至少兩個(gè)周期，所述第一振蕩周期至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)增大的周期，所述第二振蕩周期至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)減小的周期；
所述檢測(cè)步驟包括使用光接收器，將所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自所述測(cè)量目標(biāo)的返回光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以及
在第一振蕩周期和第二振蕩周期中每一個(gè)周期的至少一部分中，對(duì)包含在所述光接收器的輸出信號(hào)中的、由所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光和來自所述測(cè)量目標(biāo)的返回光引起的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及
所述計(jì)算步驟包括根據(jù)對(duì)干涉波形分量進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期中的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及所計(jì)數(shù)的干涉波形分量的個(gè)數(shù)，計(jì)算與所述測(cè)量目標(biāo)的距離和所述測(cè)量目標(biāo)的速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的測(cè)距/測(cè)速方法，其特征在于
所述計(jì)算步驟還包括
當(dāng)所計(jì)算的速度低于預(yù)定基準(zhǔn)值時(shí)，計(jì)算所述速度的積分值，以及
當(dāng)所計(jì)算的積分值小于距離計(jì)算分辨率時(shí)，將距離變化量設(shè)置為零。
全文摘要
激光器驅(qū)動(dòng)器(4)使半導(dǎo)體激光器(1)工作，以使至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)增大的周期的第一振蕩周期和至少包括振蕩波長(zhǎng)連續(xù)且單調(diào)減小的周期的第二振蕩周期交替存在。光電二極管(2)將半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射的激光和來自測(cè)量目標(biāo)(12)的返回光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。計(jì)數(shù)裝置(13)在第一振蕩周期和第二振蕩周期的每一個(gè)中，對(duì)包含在光電二極管(2)的輸出信號(hào)中的干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)算裝置(9)根據(jù)在計(jì)數(shù)裝置(13)對(duì)干涉波形分量的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的周期的最短激光波長(zhǎng)和最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)以及計(jì)數(shù)裝置(13)獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果，計(jì)算與測(cè)量目標(biāo)(12)的距離和測(cè)量目標(biāo)(12)的速度。這可以測(cè)量與正在運(yùn)動(dòng)的測(cè)量目標(biāo)(12)的距離和測(cè)量目標(biāo)(12)的速度。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101203729SQ200680022270
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月6日
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