CN101231165B - 计数设备、测距计、计数方法及距离测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了计数设备、测距计、计数方法及距离测量方法。该计数设备包括计数单元、周期测量单元、频率分布产生单元、代表值计算单元以及校正值计算单元。计数单元计算计数间隔期间输入的信号数目。该信号数目与物理量具有线性关系。当该物理量为常数时，该信号具有单一频率。周期测量单元在计数间隔期间每次输入信号时测量信号的周期。频率分布产生单元根据测量结果产生信号周期的频率分布。代表值计算单元根据频率分布计算对信号周期分布的代表值。校正值计算单元频率分布获得不大于所计算的代表值的第一预定倍数的频率总和Ns以及不小于该代表值的第二预定倍数的频率总和Nw，并基于频率Ns和Nw来校正计数结果。采用本发明，能够校正计数误差。

Description

计数设备、测距计、计数方法及距离测量方法

技术领域

本发明涉及一种对信号数目进行计数的计数设备、以及一种用于获得到测量目标的距离的测距计，其中通过使用该计数设备根据距离来测量干涉波形的数目。

背景技术

由于采用非接触式测量，使用光干涉的激光器的距离测量不会干扰测量目标，从而早已用作高精度测量方法。近来，已经尝试使用半导体激光器作为光测量光源来实现设备的小型化。这种设备的典型示例是使用FM外差干涉计。该设备可以以较高的精度测量相对长的距离，但具有由于使用半导体激光器外部的干涉计而光系统很复杂的缺点。

与此相反的是，提出了一种使用半导体激光器的输出光与测量目标的光反馈(自混合效应、自耦合效应)之间在激光器内部的干涉的测量仪器。例如，在参考文献1(Tadashi Ueda，Jun Yamada以及SusumuShitoh“Distance Meter Using Self-Mixing Effect of SemiconductorLaser”，Papers for 1994 Tokai-Secion Joint Conference of the 8 Institutesof Electrical and Related Engineers)、参考文献2(Jun Yamada，SusumuShitoh，Norio Tuda以及Tadashi Ueda“Study of Compact Distance Meterby Self-Coupling Effect of Laser Diode”，Bulletin of Aichi Institute ofTechnology，Vol.3b，pp.35-42，1996)以及参考文献3(Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati以及Thierry Bosch，“Laser diodeself-mixing technique for sensing application”，JOURNAL OF OPTICSA：PURE AND APPLIED OPTICS，pp.283-294，2002)中公开了使用自混合效应的激光器测量仪器。

在这种使用自混合效应的激光器测量仪器中，半导体激光器中内置的光电二极管同时具有发射光、干涉以及接收光的功能，并因此允许对外部干涉光系统进行极大简化。因此，传感器单元仅包括半导体激光器和透镜，并变得比传统的传感器单元小。这种仪器还具有其距离测量范围比三角测量的测量范围宽的性能特征。

图23示出了FP型(Fabry-Perot型)半导体激光器的复合共振模型。参照图23，附图标记101表示半导体激光器；102表示半导体晶体的解理面；103表示光电二极管；以及104表示测量目标。来自测量目标104的反射光的一部分趋向于返回振荡区域。少量光反馈与激光束在共振器101内部混合，从而导致不稳定操作和噪声(复合共振噪声或光反馈噪声)。甚至相对于输出光的极其少量的光反馈都会引起半导体激光器性能上的显著变化。这种现象不局限于Fabry-Perot型(表示为FP型)半导体激光器，也可能发生在诸如垂直腔面发射激光器型(下文中表示为VCSEL型)和分布反馈激光器型(称为DFB激光器型)之类的其它类型的半导体激光器中。

假设λ为激光器的振荡波长，L为测量目标104附近的解理面102到测量目标104的距离。在这种情况下，当满足下列共振条件时，光反馈和激光束将在共振器101中彼此增强。因此，激光功率略微增大。

L＝nλ/2  ...(1)

其中，n是整数。当半导体激光器的共振器101内部的表观反射率增大时，甚至对于来自测量目标104的极其微弱的散射光，也能够在发生放大行为时充分观察到上述现象。

根据注入电流的幅值，半导体激光器发射具有不同频率的激光束。因此，该激光器可以使用注入电流对振荡频率进行直接调制，而不需要任何外部调制器。图24示出了当半导体激光器的振荡波长以预定速率改变时、振荡波长与光电二极管的输出波形之间的关系。当满足等式(1)中指示的L＝nλ/2时，共振器101内部的光反馈与激光束之间的相位差变成0°(同相)，共振器101内部的光反馈与激光束以最大程度彼此增强。当L＝nλ/2+λ/4时，相位差变成180°(反相)，共振器101内部的光反馈与激光束以最大程度彼此削弱。当半导体激光器的振荡波长改变时，激光器功率重复交替地增大和减小。当共振器101中提供的光电二极管103在此时检测激光器功率时，获得如图24所示的具有恒定周期的阶梯波形。通常将这种波形称为干涉图案。

将阶梯波形(即干涉图案)中的每个元素称为模式跳跃脉冲(modehop pulse，下文中称为MHP)。MHP是不同于模式跳跃现象的现象。假设到测量目标104的距离由L1表示，并且MHP的数目为10。在这种情况下，随着该距离减小到L2(L1的1/2)，MHP的数目变成5。换言之，当半导体激光器的振荡波长在预定时间中改变时，MHP的数目与测量距离成比例地变化。因此，由光电二极管13检测MHP并对MHP的频率进行测量可以很容易地测量该距离。

包括自混合型测距计的传统干涉型的测距计通过使用计数设备测量MHP的数目或通过使用FFT(快速傅立叶变换)测量MHP的频率，获得到测量目标的距离。

然而，在使用FFT的测距计中，如果激光器的振荡波长的变化相对于时间并非线性的，则由FFT计算的峰值频率不同于应获得的MHP的平均频率，从而导致测量距离的误差。

在使用计数设备的测距计中，如果将诸如干扰光之类的噪声作为MHP而计数或者存在由于信号的脉冲漏检而导致无法计数的MHP，则在通过计数设备计数的MHP数目中发生误差。因此，所测量的距离发生误差。

注意，这种计数误差不局限于测距计，并且可能以相同方式发生在其它计数设备中。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，其目的是提供一种能够校正计数误差的计数设备和计数方法、以及一种能够通过校正计数误差而提高距离测量精度的测距计和距离测量方法。

根据本发明，提供了一种计数设备，该计数设备包括：计数装置，用于对在计数区间中输入的信号的数目进行计数，所述信号的数目与物理量具有线性关系，并且在所述物理量恒定时，所述信号具有基本上单一的频率；周期测量装置，用于在所述计数区间中每次输入信号时测量信号的周期；频率分布产生装置，用于根据由所述周期测量装置获得的测量结果，产生所述计数区间中的信号周期的频率分布；代表值计算装置，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，计算信号周期分布的代表值；以及校正值计算装置，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，获得在不大于由所述代表值计算装置计算的代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及在不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率Ns和Nw来校正由所述计数装置获得的计数结果。

根据本发明，提供了一种测距计，其包括：半导体激光器，用于向测量目标发射激光束；激光器驱动器，用于使所述半导体激光器进行操作以使第一振荡区间和第二振荡区间交替存在，其中第一振荡区间至少包括振荡波长连续单调增大的区间，第二振荡区间至少包括振荡波长连续单调减小的区间；信号获取设备，用于获取电信号，所述电信号包含由发射自所述半导体激光器的激光束以及来自所述测量目标的光反馈引起的干涉波形；计数装置，用于对来自所述信号获取设备的输出信号中包含的干涉波形的数目进行计数；周期测量装置，用于在计数区间中每次输入干涉波形时测量干涉波形的周期；频率分布产生装置，用于根据由所述周期测量装置获得的测量结果，产生计数区间中的干涉波形周期的频率分布；代表值计算装置，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，计算干涉波形周期分布的代表值；校正值计算装置，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，获得不大于由代表值计算装置计算的代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数等级中的频率的总和Nw，并基于频率Ns和Nw来校正由所述计数装置获得的计数结果；以及算术装置，用于根据由所述校正值计算装置校正的计数值，获得到所述测量目标的距离。

根据本发明，提供了一种计数方法，该计数方法包括以下步骤：计算在计数区间中输入的信号的数目，所述信号数目与物理量具有线性关系，并且在所述物理量恒定时，所述信号具有基本上单一的频率；在所述计数区间中每次输入信号时测量信号的周期；根据周期测量结果，产生所述计数区间中的信号周期的频率分布；根据所述频率分布，计算信号周期分布的代表值；以及根据所述频率分布，获得不大于所述代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率Ns和Nw来校正所计数的信号数目。

根据本发明，提供了一种距离测量方法，该方法包括以下步骤：使半导体激光器进行操作，以使第一振荡区间和第二振荡区间交替存在，其中第一振荡区间至少包括振荡波长连续单调增大的区间，第二振荡区间至少包括振荡波长连续单调减小的区间；获取电信号，所述电信号包含由发射自所述半导体激光器的激光束以及来自测量目标的光反馈引起的干涉波形；对所获取的电信号中包含的干涉波形的数目进行计数；在对干涉波形的数目进行计数的计数区间中，在每次输入干涉波形时测量干涉波形的周期；根据周期测量结果，产生计数区间中的干涉波形周期的频率分布；根据所述频率分布，计算干涉波形周期分布的代表值；根据所述频率分布，获得不大于所述代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率Ns和Nw来校正所计数的干涉波形数目；以及根据所校正的干涉波形数目，获得到所述测量目标的距离。

附图说明

图1是示出了根据本发明第一实施例的测距计的配置方框图；

图2是示出了本发明第一实施例中半导体激光器的振荡波长的时间变化的图；

图3A是示意性地示出了本发明第一实施例中电流/电压转换放大器的输出电压波形的图，以及图3B是示意性地示出了滤波器电路的输出电压波形的图；

图4是示出了本发明第一实施例中计数设备的配置示例的方框图；

图5是示出了图4的计数设备中的计数结果校正单元的配置示例的方框图；

图6A至图6F是用于说明图4中计数设备的操作的时序图；

图7是示出了本发明第一实施例中周期的频率分布的示例的图；

图8A和图8B是用于说明本发明第一实施例中校正计数器的计数结果的原理的视图；

图9是示出了模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图10是示出了包含噪声的模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图11是示出了包含噪声的模式跳跃脉冲的周期的中值的图；

图12是示出了周期减半时模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图13是示出了周期减半时模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图14是示出了周期减半时模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图15是示出了周期减半时模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图16是示出了在计数器值校正之后的误差的图；

图17是示出了周期加倍的模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图18是示出了周期减半时、模式跳跃脉冲在计数期间漏检的模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图19是示出了周期减半时、模式跳跃脉冲在计数期间漏检的模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图20是示出了在计数时同时发生模式跳跃脉冲漏检和过度计数时的模式跳跃脉冲的周期的频率分布的图；

图21是用于说明本发明第一实施例中在校正之后的计数结果中出现误差的情况的图；

图22是示出了根据本发明第三实施例的测距计的配置方框图；

图23是示出了传统的激光器测量仪器中半导体激光器的复合共振模型的视图；以及

图24是示出了半导体激光器的振荡波长与内置光电二极管的输出波形之间的关系的图。

具体实施方式

[第一实施例]

本发明是基于在使用波长调制的感测时发射的波以及由目标反射的波之间干涉信号来测量距离的技术。因此，可以将这项技术应用于除了自混合型干涉计以外的光干涉计以及除了光干涉计以外的干涉计。下面将详细描述使用半导体激光器的自混合的情况。在将来自激光器的激光束施加到测量目标的同时改变半导体激光器的振荡波长时，测量目标的位移反映在MHP的数目中，同时振荡波长从最小振荡波长变到最大振荡波长(或者，从最大振荡波长变到最小振荡波长)。因此，通过在振荡波长改变时检查MHP的数目，可以检测测量目标的状态。上述描述是关于干涉计的基本原理。

下面将参考附图描述本发明的第一实施例。图1示出了根据本发明第一实施例的测距计的配置。图1中的测距计包括：半导体激光器1，用于向测量目标发射激光束；透镜3，用于将来自半导体激光器1的光聚焦，以将其施加至测量目标12，此外将来自测量目标12的光反馈聚集，以使光反馈能够打到半导体激光器1上；光电二极管(信号获取设备)2，作为将发射自半导体激光器1的激光束与来自测量目标12的光反馈之间的干涉光转换成电信号的光接收设备；激光器驱动器4，使半导体激光器1交替地重复第一振荡区间和第二振荡区间，第一振荡区间包括半导体激光器1的振荡波长连续增大区间，第二振荡区间包括振荡波长连续减小的区间；电流/电压转换放大器5，用于将来自光电二极管2的输出电流转换成电压，并将其放大；滤波器电路11，用于从来自电流/电压转换放大器5的输出电压中去除载波；计数设备8，用于对来自滤波器电路11的输出电压中包含的MHP的数目进行计数；算术单元9，用于根据MHP的数目来计算到测量目标12的距离；以及显示设备10，用于显示由算术单元9获得的计算结果。

为了简单描述，假设使用不具有模式跳跃现象的类型(VCSEL型或DFB激光器型)的激光器作为半导体激光器1。

例如，激光器驱动器4提供相对于时间以恒定变化率而重复增加和减小的三角波驱动电流来作为注入电流，并将其提供给半导体激光器1。通过上述操作，将半导体激光器1驱动为交替地重复第一振荡区间和第二振荡区间，在第一振荡区间中，振荡波长与注入电流的幅值成比例地以恒定变化率连续增加，在第二振荡区间期间，振荡波长以恒定变化率连续减小。

图2示出了半导体激光器1的振荡波长的时间变化。参照图2，附图标记t-1表示第(t-1)个振荡区间；t表示第t个振荡区间；t+1表示第(t+1)个振荡区间；t+2表示第(t+2)个振荡区间；t+3表示第(t+3)个振荡区间；t+4表示第(t+4)个振荡区间；λa表示每个区间中的振荡波长的最小值；λb表示每个区间中的振荡波长的最大值；以及T表示矩形波的周期。在本实施例中，振荡波长的最大值λb和最小值λa保持不变，此外最大值与最小值之差λb-λa保持不变。

发射自半导体激光器1的激光束通过透镜3聚集，并打到测量目标12上。测量目标12发射的光通过透镜3聚集，并打到半导体激光器1上。然而，通过透镜3来聚集光不是必不可少的。光电二极管2将来自半导体激光器1的光输出转换成电流。电流/电压转换放大器5将来自光电二极管2的输出电流转换成电压，并将其放大。

滤波器电路11具有从调制后的波中提取叠加信号的功能。图3A示意性地示出了电流/电压转换放大器5的输出电压波形。图3B示意性地示出了滤波器电路11的输出电压波形。图3A和3B示出了通过从图3A中作为光电二极管2的输出的波形(调制后的波)中去除图2中半导体激光器1的振荡波形(载波)来提取MHP波形(叠加波)的过程。

在第一振荡区间t-1、t+1以及t+3和第二振荡区间t、t+2以及t+4中的每一个区间中，计数设备8对滤波器11的输出电压中包含的MHP数目进行计数。图4示出了计数设备8的配置示例。计数设备8包括确定单元81、与运算单元(与)82、计数器83、计数结果校正单元84、以及存储单元85。确定单元81、与单元82以及计数器83构成了对在计数区间中输入的MHP(干涉波形或输入信号)进行计数的计数单元80。

图5示出了计数结果校正单元84的配置示例。计数结果校正单元84包括周期测量单元840、频率分布产生单元841、代表值计算单元842、以及校正值计算单元843。

图6A至图6F说明了计数设备8的操作。图6A示出了滤波器电路11的输出电压波形，即MHP波形。图6B示出了与图6A相对应的确定单元81的输出。图6C示出了输入到计数设备8的门控(gate)信号GS。图6D示出了与图6B相对应的由计数器83获得的计数结果。图6E示出了输入到计数设备8的时钟信号CLK。图6F示出了与图6B相对应的由周期测量单元840获得的测量结果。

首先，计数设备8的确定单元81确定图6A所示的滤波器电路11的输出电压是处于高电平(H)还是低电平(L)，并输出如图6B所示的确定结果。通过在滤波器电路11的输出电压增加到阈值TH1或阈值TH1以上时确定该输出电压处于高电平，以及在来自滤波器电路11的输出电压减小到阈值TH2或阈值TH2(TH2＜TH1)以下时确定该输出电压处于低电平，确定单元81对滤波器11的输出进行二值化。

与单元82输出对确定单元81的输出与如图6C所示的门控信号GS之间的与运算的结果。计数器83对与单元82的输出的前沿进行计数(图6D)。门控信号GS是在计数区间(在本实施例中为第一或第二振荡区间)开始时上升并在计数区间结束时下降的信号。计数器83在计数区间对与单元82的输出的前沿的数目(即，MHP前沿的数目)进行计数。

每当产生前沿时，计数结果校正单元84的周期测量单元840对在计数区间中与单元82的输出的前沿的周期(即，MHP的周期)进行测量。此时，周期测量单元840以图6E中示出的时钟信号CLK的周期作为一个单位，测量MHP的周期。在图6F所示的情况下，周期测量单元840相继测量T_αT_β以及T_γ作为MHP的周期。从图6E和6F中可以明显地看出，周期T_α、T_β以及T_γ的幅值分别为5个时钟、4个时钟、以及2个时钟。时钟信号CLK的频率远大于MHP可以得到的最大频率。

存储单元85存储由计数器83获得的计数结果以及由周期测量单元840获得的测量结果。

在门控信号GS下降并且计数区间结束之后，计数结果校正单元84的频率分布产生单元841根据存储在存储单元85中的测量结果，产生计数区间中MHP周期的频率分布。

其后，计数结果校正单元84中的代表值计算单元842根据由频率分布产生单元841产生的频率分布，计算MHP周期的中值T0。

计数结果校正单元84的校正值计算单元843根据由频率分布产生单元841产生的频率分布，获得在小于或等于周期中值T0的0.5倍(第一预定倍数)的等级中的频率的总和Ns以及在大于或等于周期中值T0的1.5倍(第二预定倍数)的等级中的频率的总和Nw，并如下校正由计数器83获得的计数结果：

N′＝N+Nw-Ns  ...(2)

其中N是作为由计数器83获得的计数结果的MHP数目，以及N′是校正后的计数结果。

图7示出了频率分布的示例。参照图7，附图标记Ts表示周期中值T0的0.5倍的等级值；附图标记Tw表示周期中值T0的1.5倍的等级值。明显可见，图7中的等级是MHP周期的代表值。为了简单起见，图7没有示出中值T0与Ts之间以及中值T0与Tw之间的频率分布。

图8A和8B说明了对由计数器83获得计数结果进行校正的原理。更具体地，图8A示意性地示出了滤波器电路11的输出电压波形，即MHP波形。图8B示出了与图8A相对应的由计数器83获得的计数结果。

MHP周期通常依据到测量目标12的距离而发生变化。然而，如果到测量目标12的距离不可变，则MHP以相同的周期出现。但是由于噪声，在MHP波形发生漏检，或者产生不应被作为信号计数的波形，从而导致MHP数目的误差。

当信号中发生漏检时，已发生漏检的位置处的MHP周期Tw变成大约为正确周期的两倍。换言之，当MHP周期大约是中值的两倍或更大时，可以确定信号中发生了漏检。因此，可以通过将大于或等于周期Tw的等级中的频率的总和Nw看作信号中的漏检数目，并将Nw添加到计数器83的计数结果N，校正信号中的漏检。

此外，在将噪声计数的位置处的MHP周期Ts变成大约为正确周期的0.5倍。换言之，当MHP周期小于或等于大约中值的0.5倍时，可以确定对信号进行了过度计数。因此，可以通过将小于或等于周期Ts的等级中的频率的总和Ns看作对信号的计数次数，并从由计数器83获得的计数结果N中减去Ns，校正错误计数的噪声。

上述是由等式(2)所示的用于校正计数结果的原理。在本实施例中，将Ts设置为周期中值T0的0.5倍，将Tw设置为中值T0的1.5倍而不是中值T0的2倍。下面将描述将Tw设置为中值T0的1.5倍的原因。

校正值计算单元843将通过等式(2)所计算的校正后计数结果N′输出至算术单元9。计数设备8在第一振荡区间t-1、t+1以及t+3和第二振荡区间t、t+2以及t+4中的每一个区间中执行上述处理。

算术单元9基于由计数设备8测量的MHP的数目N′，获得到测量目标12的距离。预定区间中的MHP数目与测量距离成比例。因此，预先获得恒定计数区间(本实施例中的第一或第二振荡区间)中的MHP数目与距离之间的关系并将其预先登记在算术单元9的数据库(未示出)中，这允许算术单元9通过从数据库获取与计数设备8测量的MHP数目N′相对应的距离值来获得到测量目标12的距离。

备选地，预先获得并设置对计数区间中的MHP数目与距离之间的关系进行表示的数学表达式，这允许算术单元9通过将计数设备8测量的MHP数目N′代入数学表达式，来计算到测量目标12的距离。算术单元9在第一振荡区间t-1、t+1以及t+3和第二振荡区间t、t+2以及t+4中的每一个区间中执行上述处理。

显示设备10实时显示由算术单元9计算的到测量目标12的距离(位移)。

如上所述，本实施例测量计数区间中的MHP周期，并根据测量结果产生计数区间中的MHP周期的频率分布。然后，本实施例根据该频率分布计算MHP周期的中值，并根据该频率分布，获得小于或等于中值的0.5倍的等级中的频率的总和Ns以及大于或等于中值的1.5倍的等级中的频率的总和Nw。本实施例可以基于总和Ns和Nw校正由计数器获得的计数结果，以校正MHP计数误差，从而提高距离测量精度。

要注意的是，例如，可以通过包括有CPU、存储设备、接口以及控制这些硬件资源的程序的计算机来实现本实施例中的计数设备8和算术单元9。通过将用于操作这种计算机的程序记录在诸如软盘、CD-ROM、DVD-ROM或存储卡之类的记录介质中来提供该程序。CPU将读取的程序写入存储设备，并根据该程序执行本实施例中所描述的处理。

接下来将同时描述为什么使用周期频率分布的中值作为MHP的参考周期、以及为什么将周期阈值设置在获得的频率Nw为中值的1.5倍时。

首先将描述在由于对噪声的错误计数而使MHP周期减半的情况下对所获得的计数结果的校正。如果半导体激光器的振荡波长线性变化，则MHP的周期T呈现出以通过将测量周期Tc除以MHP的计数N所获得的T0为中心的正态分布(图9)。

接下来考虑由于噪声而减半的MHP的周期。由于过度计数噪声而导致的减半的MHP周期是以随机比率划分的周期。然而，划分之前的周期具有以T0为中心的正态分布，并因此被减半的MHP周期呈现出相对于0.5T0对称的频率分布(图10中的a)。

对于包含噪声的n％MHP的周期的频率分布，在假设由于噪声而使n％MHP的周期减半情况下，计算MHP的周期的平均值和中值。

所有周期的和始终是计数区间Tc，并且不发生变化。然而，如果由于噪声而使MHP的周期减半，那么由于频率的积分值变成(1+n[％])N，因此MHP周期的平均值变成(1/(1+n[％]))T0。

如果叠加在正态分布上的噪声分布的一部分可以忽略，那么减半的噪声累积频率是在中值(Me)与T0之间的等级中包括的频率的两倍。因此，在图11中，MHP周期的中值位于面积b是面积a的两倍的位置处。

作为可从Microsoft获得的软件，Excel(注册商标)包括被称为NORMSDIST()的函数，其可以通过“(1-(1-NORMSDIST(α))2)*100[％]”来表示在正态分布的平均值与ασ之间的区间中，两侧值之间的内部比率。使用该函数可以如下表示出MHP周期的中值：

(1-(1-NORMSDIST((中值-T0)/σ))*2)*(100-n)/2＝n[％]

                                             ...(3)

根据上述描述，如果将标准偏差σ设置为0.02T0，则当由于噪声而将10％MHP的周期减半时，如下计算MHP的平均值T0′和中值T0′。

T0′＝(1/(1+0.1))T0＝0.91T0                  ...(4)

T0′＝0.995T0                                ...(5)

在这种情况下，假设平均值和中值都由T0′表示。计数器的值(频率的积分值)是1.1N，以及计数误差是10％。

考虑在具有给定周期Ta的MHP减半之后两个周期T1和T2(T1≥T2)可以采用的区间的概率。假设该噪声是随机产生的。如图12所示，T2可以采用以相同的概率由0＜T2≤Ta/2定义的值。同样地，T1可以采用以相同的概率由T/2≤T1＜Ta定义的值。图12中的T1可以采用的概率分布的面积和T2可以采用的概率分布的面积都为1。

周期Ta具有以T0为中心的正态分布。因此，如果将Ta看作集合的，则T2可以采用的概率的频率分布具有与以0.5T0为平均值、以0.5σ为标准偏差的正态分布的累积频率分布相同的形状。

如图13所示，引可以采用的概率的频率分布的形状类似于通过将以0.5T0为平均值、以0.5σ为标准偏差的正态分布的累积频率分布重叠在以T0为平均值、以σ为标准偏差的正态分布的累积频率分布上所获得的形状。在这种情况下，T1和T2中每个数目都等于周期减半的MHP计数n[％]·N。

如果可以对其周期由于噪声而减半的MHP计数n[％]·N进行计数，那么可以如下获得MHP计数N：

N＝N′-n[％]·N        ...(6)

如果可以设置Tb，以使周期小于或等于Tb的MHP的计数Ns等于周期减半的MHP计数n[％]·N，那么可以通过对周期小于或等于Tb的MHP的计数Ns计数，来间接计数其周期减半的MHP的计数n[％]·N。

参照图14，当周期大于或等于Tb的MHP的周期T2的频率(图14中的c)等于周期小于Tb的MHP的周期T1的频率(图14中的d)，那么周期小于或等于Tb的MHP的数目等于T2的数目，即，其周期减半的MHP的计数Ns(＝n[％]·N)。换言之，MHP的计数N可以表示如下：

N＝N′-n[％]·N＝N′-Ns    ...(7)

由于T1和T2的频率形状关于0.5Ta对称，因此使用0.5Ta作为阈值而执行确定可以精确地对周期减半的MHP的计数n[％]·N进行计数。

尽管可以通过对周期小于或等于0.5T0的MHP的数目进行计数，来对周期减半的MHP的计数n[％]·N进行间接计数，但是无法根据包含有噪声的MHP的周期的频率分布(图10)来计算T0。如果MHP的总群(parent pupulation)是理想的，从而使众数等于T0并具有如图10中的频率分布那样的较大模数(modulus)，则可以使用该众数作为T0′。

在这种情况下，将描述使用平均值或中值T0′来计算MHP的计数n[％]·N。如果设置T0′＝y·T0，并通过以T0′代替T0来获得Ns，那么可以将被确定为周期减半的MHP的数目的、小于0.5T0′的周期的频率Ns′表示为y·n[％]·N(图15)。

如果使用平均值或中值T0′，则校正后的计数值Nt表示为：

Nt＝N′-Ns′＝(1+n[％])N-yn[％]N

＝(1+(1-y)n[％])N＝N+(1-y)n[％]N    ...(8)

注意，作为校正后的误差，(1-y)n[％]N表示图16中的部分e的频率。

下面将描述使用平均值或中值T0′对由计数器83获得的计数结果进行校正的示例。

如果标准偏差由σ＝0.02T0表示，并且10％的MHP的周期由于噪声而减半(计数结果包括10％的误差)，那么MHP周期的平均值T0′是0.91T0，中值T0′是0.9949T0。因此当使用平均值T0′时，y为0.91。当使用中值T0′时，y为0.9949。校正后的计数结果N′计算如下：

N′＝(1+0.1(1-0.91))N＝1.009N       ...(9)

N′＝(1+0.1(1-0.995))N＝1.0005N    ...(10)

等式(9)表示当使用平均值T0′时的校正后的计数结果N′。等式(10)表示当使用中值T0′时的校正后的计数结果N′。当使用平均值T0′时所获得的计数结果N′的误差是0.9％。当使用中值T0′时所获得的计数结果N′的误差是0.05％。

假设标准偏差由σ＝0.05T0表示，并且20％的MHP的周期由于噪声而减半(计数结果包括20％的误差)。在这种情况下，MHP周期的平均值T0′是0.83T0，中值T0′是0.9682T0。因此当使用平均值T0′时，y为0.83。当使用中值T0′时，y为0.968。校正后的计数结果N′计算如下：

N′＝(1+0.2(1-0.83))N＝1.034N      ...(11)

N′＝(1+0.2(1-0.968))N＝1.0064N    ...(12)

等式(11)表示当使用平均值T0′时的校正后的计数结果N′。等式(10)表示当使用中值T0′时的校正后的计数结果N′。当使用平均值T0′时所获得的计数结果N′的误差是3.4％。当使用中值T0′时所获得的计数结果N′的误差是0.64％。

从上述描述中显而易见的是，可以使用MHP周期的中值校正计数结果N，以减小校正后的计数结果N′的误差。

接下来将描述在MHP波形中发生漏检的情况下对计数结果的校正。由于MHP的正确周期呈现出以T0为中心的正态分布，所以在由于MHP的低密度而导致在计数时发生漏检的情况下，MHP的周期呈现出以2T0为平均值、以2σ为标准偏差的正态分布(图17中的f)。如果漏检了m[％]的MHP，那么其周期由于漏检而加倍的MHP的周期的频率由Nw(＝m[％]·N)表示。此外，在由于漏检而导致计数时的MHP数目的减小之后，近似T0的周期的频率由图17中的g表示。由图17中的h所表示的频率减小是2Nw(＝2m[％])。因此，在计数时没有任何MHP漏检的MHP的正确周期N′可以表示为：

N′＝N+m[％]＝N+Nw    ...(13)

接下来，考虑用于校正计数结果的计数时周期阈值Nw。假设其周期由于计数时的漏检而加倍的MHP的周期的频率Nw中的p[％]由于噪声而减半。减半的漏检MHP的MHP周期的频率表示为Nw′(＝m·p[％]·N)。图18示出了周期再次减半的MHP的周期的频率分布。假设将要被看作为Nw的周期的阈值设置为1.5T0。在这种情况下，周期小于或等于0.5T0的MHP的周期的频率是0.5Nw′(＝0.5p[％]·Nw)，周期范围从0.5T0变到1.5T0的MHP的周期的频率是Nw′(＝p[％]·Nw)，以及周期大于或等于1.5T0的MHP的周期的频率为0.5Nw′(＝0.5p[％]·Nw)。

因此，所有MHP的周期的频率分布变成如图19所示。如果针对Ns的阈值是0.5T0，而针对Nw的阈值是1.5T0，那么计数结果N可以表示为：

N＝(N′-2Nw)+(Nw-Nw′)+2Nw′＝N′-Nw+Nw′

...(14)

以下是通过使用等式(14)的校正所获得的结果。明显可见，MHP的正确计数N′是在计数时未发生MHP漏检的情况下计算的。

N-0.5Nw′+(0.5Nw′+(Nw-Nw′))

＝(N-Nw+Nw′)+(0.5Nw′+(Nw-Nw′))

＝N′...(15)

从上文描述中显而易见的是，当要获得频率Nw时，可以通过将周期阈值设置为中值的1.5倍来校正计数结果N。要注意的是，在MHP的周期由于噪声而减半的情况下，由于使用中值而不是T0来执行校正，所以会发生类似的误差。

上述描述已经分别例证了由于噪声的过度计数而将MHP的周期减半的情况以及MHP的周期由于漏检而加倍的情况。由于这些情况独立发生，因此可以通过如图20所示的一个频率分布来表示。如果针对Ns的阈值为0.5T0，而针对Nw的阈值为1.5T0，那么计数结果N可以表示为：

N＝(N′-2Nw-Ns)+(Nw-Nw′)+2Nw′+2Ns

＝N′-Nw+Nw′+Ns    ...(16)

以下是通过等式(16)校正而获得的结果。显而易见的是，MHP的正确计数N′是在计数时没有任何漏检或过度计数的情况下计算的。

N-{0.5Nw′+Ns}+{0.5Nw′+(Nw-Nw′)}

＝{N-Nw+Nw′+Ns}-{0.5Nw′+Ns}+{0.5Nw′+(Nw-Nw′)}

＝N′  ...(17)

参照图18至20，Cn表示与正确计数相对应的部分；Cs表示与经过减法运算的计数相对应的部分；以及Ca表示与经过加法运算的计数相对应的部分。

[第二实施例]

接下来将描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，通过使用中值作为MHP周期的代表值来校正计数结果。然而，还可以使用众数作为周期的代表值。

假设MHP周期的频率分布从图21所示的正确分布j移动而变成图21中所示的分布k。在这种情况下，MHP周期的中值也从正确值T0移动至值Td。在这种情况下，如果使用中值Td来校正计数结果，那么校正后的计数结果中的误差增大。

因此，如果由于噪声分量所造成的频率分布的移动的影响是可以料想的，那么使用众数作为周期的代表值。更具体地，计数结果校正单元84的代表值计算单元842根据由频率分布产生单元841产生的频率分布来计算MHP周期的众数。计数结果校正单元84的校正值计算单元843通过使用众数而不是中值T0来执行与第一实施例中相同的处理。

如参考等式(8)至(12)所述，可以使用平均周期作为代表值，尽管校正后的计数结果大于使用中值T0时的计数结果。在这种情况下，代表值计算单元842计算MHP周期的平均值。

第一和第二实施例例证了将本发明的计数设备应用于测距计的情况。然而，本发明不局限于此，并且可以将本发明的计数设备应用于其它领域。本发明的计数设备可以有效地应用于如下情况：作为计数目标的信号数目与特定物理量(在第一和第二实施例中为距离)具有线性关系，以及当该物理量恒定时，该信号具有几乎单一的频率。

即使信号不具有单一频率，当与计数区间相比，作为计数目标的特定物理量(例如以小于或等于调制后的波的频率的1/10的低频率而振动的目标对象的速度)的周期分布的展开较小时，信号可以视为具有几乎单一的频率。本发明的计数设备可以有效地应用于这种情况。

第一和第二实施例已经例证了当MHP周期由于一个漏检而变成正确周期的将近两倍时执行针对MHP漏检的校正的情况。然而，本发明还可以应用于连续漏检一个或多个MHP的情况。

当连续漏检两个MHP时，可以将作为中值三倍的周期看作三个MHP的周期之和。在这种情况下，获得大于或等于周期中值的三倍的等级中的频率并将该频率加倍，可以校正MHP漏检。当将这种思想广义化时，足以使用以下等式来代替等式(2)。

N′＝N+Nw1+Nw2+Nw3+...-Ns    ...(18)

其中，Nw1是大于或等于周期中值的1.5倍的等级中的周期总和，Nw2是大于或等于周期中值的2.5倍的等级中的周期总和，以及Nw3是大于或等于周期中值的3.5倍的等级中的周期总和。

在将第一和第二实施例应用于除了自混合型之外的测距计时，足以使用例如分束器来对由半导体激光器1所发射的以及由测量目标12对到测量目标12的入射光所反射的光进行分裂，并使用光电二极管2来检测该光。这可以从除了自混合型以外的测距计处获得与第一和第二实施例中的相同的效果。

[第三实施例]

在第一和第二实施例中，从光电二极管2的输出信号中提取MHP波形。该光电二极管2作为将半导体激光器1的光输出转换成电信号的光接收设备。然而，可以在不使用光电二极管2的情况下提取MHP波形。图22示出了根据本发明的第三是实施例的测距计的配置。与图1中相同的附图标记表示图22中的相同元件。本实施例中的测距计使用电压检测电路(信号获取设备)13来代替第一实施例中的光电二极管2和电压/电流转换放大器5。

电压检测电路13检测并放大半导体激光器1的端子之间的电压，即阳极和阴极之间的电压。在由发射自半导体激光器1的激光束与来自测量目标12的光反馈之间的自混合效应引起干涉时，半导体激光器1的端子之间的电压呈现出MHP波形。因此，可以从半导体激光器1的端子之间的电压中提取MHP波形。换言之，电压检测电路13用作对包含由激光束与光反馈之间的自混合效应所引起的干涉波形的电信号进行检测的检测器。

滤波器电路11具有如同第一实施例的从调制后的波中提取叠加信号的功能，并从电压检测电路13的输出电压中提取MHP波形。

半导体激光器1、激光器驱动器4、计数设备8、算术单元9、以及显示设备10的操作与第一实施例中的相同。

这样，本实施例可以在不使用光电二极管2的情况下提取MHP波形，并因此与第一实施例相比，可以减少测距计的元件数目，并由此减少测距计的成本。要注意的是，可以使用第一实施例中的光电二极管作为类似电压检测电路13的检测器。

尽管第一和第二实施例不仅可以应用于自混合型测距计，还可以应用于除自混合型以外的测距计，但是第三实施例仅应用于自混合型测距计。

如上所述，在上述实施例中，测量在计数区间中输入的信号的周期。根据该测量结果产生计数区间中的信号的频率分布。根据该频率分布来计算信号周期的代表值。此外，根据该频率分布来获得小于或等于代表值的第一预定倍数的等级中的周期的总和Ns以及大于或等于代表值的第二预定倍数的等级中的周期的总和Nw。基于频率Ns和Nw来校正在计数区间中对信号输入的计数结果。这可以通过消除计数时的漏检以及过度计数的影响，校正计数设备中的计数误差。

此外，在上述实施例中，测量计数区间中的干涉波形的周期。根据该测量结果产生计数区间中的干涉波形周期的频率分布。根据该频率分布来计算干涉波形周期的代表值。根据该频率分布来获得小于或等于代表值的第一预定倍数的等级中的周期的总和Ns以及大于或等于代表值的第二预定倍数的等级中周期的总和Nw。基于频率Ns和Nw来校正对干涉波形的测量结果。这可以通过消除计数时的漏检以及过度计数的影响，校正计数设备中的计数误差。因此，可以对使用计数装置来测量干涉波形的数目以获得到测量目标的距离的测距计的距离测量精度进行改进。

Claims (24)

1.一种计数设备，其特征在于，包括：

计数装置(80)，用于对在计数区间中输入的信号的数目进行计数，所述信号的数目与物理量具有线性关系，并且在所述物理量恒定时，所述信号具有基本上单一的频率；

周期测量装置(840)，用于在所述计数区间中每次输入信号时测量信号的周期；

频率分布产生装置(841)，用于根据由所述周期测量装置获得的测量结果，产生所述计数区间中的信号周期的频率分布；

代表值计算装置(842)，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，计算信号周期分布的代表值；以及

校正值计算装置(843)，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，获得在不大于由所述代表值计算装置计算的代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及在不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率的总和Ns和Nw来校正由所述计数装置获得的计数结果。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述代表值计算装置计算中值、众数和平均值之一来作为代表值。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述校正值计算装置根据N′＝N+Nw-Ns，从所述计数装置的计数结果N中获得校正后的计数结果N′。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述校正值计算装置采用分别等于0.5和1.5的第一预定倍数和第二预定倍数，获得等级中的频率的总和Ns与Nw。

5.一种测距计，其特征在于，包括：

半导体激光器(1)，用于向测量目标(12)发射激光束；

激光器驱动器(4)，用于使所述半导体激光器进行操作以使第一振荡区间和第二振荡区间交替存在，其中第一振荡区间至少包括振荡波长连续单调增大的区间，第二振荡区间至少包括振荡波长连续单调减小的区间；

信号获取设备(2，13)，用于获取电信号，所述电信号包含由发射自所述半导体激光器的激光束以及来自所述测量目标的光反馈引起的干涉波形；

计数装置(80)，用于对来自所述信号获取设备的输出信号中包含的干涉波形的数目进行计数；

周期测量装置(840)，用于在计数区间中每次输入干涉波形时测量干涉波形的周期；

频率分布产生装置(841)，用于根据由所述周期测量装置获得的测量结果，产生计数区间中的干涉波形周期的频率分布；

代表值计算装置(842)，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，计算干涉波形周期分布的代表值；

校正值计算装置(843)，用于根据由所述频率分布产生装置产生的频率分布，获得不大于由代表值计算装置计算的代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数等级中的频率的总和Nw，并基于频率的总和Ns和Nw来校正由所述计数装置获得的计数结果；以及

算术装置(9)，用于根据由所述校正值计算装置校正的计数值，获得到所述测量目标的距离。

6.根据权利要求5所述的测距计，其中，所述信号获取设备是将激光束与光反馈之间的干涉光转换成电信号的光接收设备(2)。

7.根据权利要求5所述的测距计，其中，所述信号获取设备包括用于检测电信号的检测器(2，13)，所述电信号包含由激光束与光反馈之间的自混合效应引起的干涉波形。

8.根据权利要求7所述的测距计，其中，所述检测器包括将来自所述半导体激光器的光输出转换成电信号的光接收设备(2)。

9.根据权利要求7所述的测距计，其中，所述检测器包括用于检测所述半导体激光器的端子之间的电压的电压检测电路(13)。

10.根据权利要求5所述的测距计，其中，所述代表值计算装置计算中值、众数和平均值之一来作为代表值。

11.根据权利要求5所述的测距计，其中，所述校正值计算装置根据N′＝N+Nw-Ns，从所述计数装置的计数结果N中获得校正后的计数结果N′。

12.根据权利要求5所述的测距计，其中，所述校正值计算装置采用分别等于0.5和1.5的第一预定倍数和第二预定倍数，获得等级中的频率的总和Ns与Nw。

13.一种计数方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算在计数区间中输入的信号的数目，所述信号数目与物理量具有线性关系，并且在所述物理量恒定时，所述信号具有基本上单一的频率；

在所述计数区间中每次输入信号时测量信号的周期；

根据周期测量结果，产生所述计数区间中的信号周期的频率分布；

根据所述频率分布，计算信号周期分布的代表值；以及

根据所述频率分布，获得不大于所述代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率的总和Ns和Nw来校正所计数的信号数目。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，计算步骤包括计算中值、众数和平均值之一来作为代表值的步骤。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，校正步骤包括根据N′＝N+Nw-Ns来从信号的计数N中获得校正后的计数结果N′的步骤。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，校正步骤包括采用分别等于0.5和1.5的第一预定倍数和第二预定倍数来获得等级中的频率的总和Ns与Nw的步骤。

17.一种距离测量方法，其特征在于包括以下步骤：

使半导体激光器(1)进行操作，以使第一振荡区间和第二振荡区间交替存在，其中第一振荡区间至少包括振荡波长连续单调增大的区间，第二振荡区间至少包括振荡波长连续单调减小的区间；

获取电信号，所述电信号包含由发射自所述半导体激光器的激光束以及来自测量目标(12)的光反馈引起的干涉波形；

对所获取的电信号中包含的干涉波形的数目进行计数；

在对干涉波形的数目进行计数的计数区间中，在每次输入干涉波形时测量干涉波形的周期；

根据周期测量结果，产生计数区间中的干涉波形周期的频率分布；

根据所述频率分布，计算干涉波形周期分布的代表值；

根据所述频率分布，获得不大于所述代表值的第一预定倍数的等级中的频率的总和Ns以及不小于所述代表值的第二预定倍数的等级中的频率的总和Nw，并基于频率的总和Ns和Nw来校正所计数的干涉波形数目；以及

根据所校正的干涉波形数目，获得到所述测量目标的距离。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，获取步骤包括将激光束与光反馈之间的干涉光转换成电信号的步骤。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，获取步骤包括对包含由激光束与光反馈之间的自混合效应引起的干涉波形的电信号进行检测的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，检测步骤包括将来自所述半导体激光器的光输出转换成电信号的步骤。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，检测步骤包括检测所述半导体激光器的端子之间的电压的步骤。

22.根据权利要求17所述的方法，其中，计算步骤包括计算中值、众数和平均值之一来作为代表值的步骤。

23.根据权利要求17所述的方法，其中，校正步骤包括根据N′＝N+Nw-Ns来从信号计数结果N中获得校正后的计数结果N′的步骤。

24.根据权利要求17所述的方法，其中，校正步骤包括采用分别等于0.5和1.5的第一预定倍数和第二预定倍数来获得等级中的频率的总和Ns与Nw的步骤。

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