JPH04145390A - 距離測定装置 - Google Patents

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〕 この発明はパルス光を物体に向は照射し、その物体によ
る反射パルス光を受光し、照射から受光までの所要時間
を計測することにより物体までの距離を求める距離測定
装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の距離測定装置としては、特公昭４６−１６３２
号公報等で開示されているような、高強度のレーザパル
ス光を使用したものが知られている。

第３図はその構成を示す図であり、パルスレーザ１のパ
ルス発光に同期してカウンタ９はクロックパルス発生器
２のクロックパルスの計数を開始する。光検出器３はレ
ーザパルス光を照射された物体１０からの反射パルス光
を電気信号に変換し増幅出力する。パルス弁別器８は光
検出器３の出力信号と所定の闇値とを比較して反射パル
ス光成分のみをパルス弁別し、パルス弁別器８の出力パ
ルスでカウンタ９の計数値を読み出して、上記計数値を
処理装置７Ａにより下記ｆｌ１式により距離ムこ換算し
、距離測定装置と物体の間の距離を求める。

距離−計数値×クロックパルス周期×光速／２・・・（
１１ すなわち距離は、上記カウンタ９の計数値から求めた発
光から受光までの時間に光の速度を乗して求められるパ
ルス光の行程の１７２となる。

〔発明が解決しようとするＶ￥題〕

この種の距離測定装置では距離測定の分解能は（１）式
により示されるようにクロックパルスの周期に依存する
。例えばクロックパルスの周波数を汎用のディジタルＩ
Ｃが応答できる周波数の上限に近い３０ＭＨｚ　とする
と距離の分解能は５ｍとなる。

距離の分解能を良くするには、クロックパルスの周波数
を上げる必要があるが（例えば分解能を５０ａｍとすれ
ば、クロックパルスの周波数は３００ＭＨｚ）、そうす
るとカウンタ９、クロックパルス発生器２等の距離測定
装置を構成する装置には超高速の応答性を有する素子を
使用しなければならず、汎用のディジタルｒｃ等は使用
できず、特殊で高価な部品を使用することになり、距離
測定装置の価格は非常に高価なものとなる。更に分解能
を向上させようとすれば超高速動作の素子開発から始め
なければならない。

また、このような距離測定装置では、距離を測定しよう
とする対象の物体１０が距離測定装置の近傍にあり反射
パルス光の強度が高く光検出器３のＳ／Ｎ比が十分確保
される場合には、光検出器３の出力信号に対するパルス
弁別器８の閾値を上げることにより、確実に物体１０か
らの反射パルス光を検出しカウンタ９に対して計数停止
パルスを発生することができ、確実に距離を測定するこ
とができる。しかし、物体■０が遠方にあったり、その
反射係数が低くて反射パルス光の強度が低くなってしま
う場合には、上記パルス弁別器８の閾値を上げることが
できず、光検出器３の出力信号に含まれるノイズにより
物体１０の真の反射パルス光以前にこれらノイズによる
誤検出が発生する。

すなわちノイズの誤検出による距離測定の誤差の発生を
少なくするにはパルス弁別器８の閾値を上げる必要があ
り、そうすると真の反射パルス光も検出できなくなる可
能性が高くなり、測定可能な距離範囲が制限されてしま
う課題があった。

そして、この光検出器３の出力信号をある闇値と比較す
るという方式は、闇値の大きさによって計数停止のパル
スの発生時期が変わるという特性があり、結果として距
離検出に誤差を生じるという課題があった。

この課題を第４図を用いて説明すれば、すなわちパルス
レーザ１の発光波形はパルスレーザ１の駆動装置の特性
や緩和時間等の影響により一般には矩形波とはならず、
徐々に立ち上がり、徐々に立ち下がるガウス形やｒａｉ
ｓｅｄ　ｃｏｓｉｎｅ（レイズドコサイン）形の波形で
近似される形状となる（第４図（ａｌ）、物体ＩＯで反
射して光検出器３で検出され出力される信号は、光検出
器３で必ず帯域制限を受けるためパルスレーザ１の発光
波形よりもさらに広がった波形となる（第４図（ｂ））
　　この時間的に広がった波形をパルス弁別器８で所定
の閾値Ｖと比較すると、光検出器３で検出出力される信
号振幅によってパルス弁別器８の出力パルス発生時期が
異なってしまう。第４図（ｃｌにおいて、実線は出力振
幅の大きい時を示し、点線は出力振幅の小さい時を示し
ている。小振幅では、パルス弁別器８の出力パルス発注
時期が遅れるので距離は大きく測定される。このことは
物体１０の反射係数によって測定距離に誤差が生しるこ
とを意味している。

さらには、一般に反射パルス光の強度は距離の２乗ない
しそれ以上の係数で減衰するため、被検出物体までの距
離によって測定誤差が異なり、距離測定の直線性が阻害
される。

この発明はこのような課題を解消するためになされたも
のであり、特殊な高速の素子を使用せずに汎用ディジタ
ルＩＣが応答できるクロックパルスの周波数範囲でも距
離検出の分解能を飛躍的に向上させることができ、さら
に反射パルス光の検出信号のＳ／Ｎ比が良くない状態で
も距離測定対象物体からの反射パルス光を弁別し、また
、距離測定対象物体の反射係数や距離に応じて誤差の発
生するような不具合が無く、距離測定の直線性の良い距
離測定装置を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段〕 この発明の距離測定装置は、クロ、クバルス発生手段と
、クロックパルスの周期を２以上の整数であるＮで除し
た時間間隔の整数倍の時間クロックパルスを遅延させた
遅延クロックパルスを発生するクロックパルス遅延手段
と、遅延クロックパルスのある１つのパルスと同期した
タイミングでパルス光を発生するパルス光発生手段と、
このパルス光が物体により反射された時の反射パルス光
を受光して光電変換する光検出手段と、この光検出手段
の出力信号をクロックパルスに同期してディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換値を記憶する
記憶手段と、Ｎ回のパルス光発生について、遅延クロッ
クパルスには異なる遅延時間を与え、記憶手段に記憶さ
れたＮ組の反射パルス光サンプル波形を時系列的に並べ
替えることにより合成された反射パルス光波形をもとに
演算処理して距離を算出する処理手段を設けたものであ
る。

〔作　用〕

この発明における距離測定装置は、クロックパルス発生
手段が一定の周波数のクロックパルスを発生し、このク
ロックパルスを処理手段により設定された遅延時間分ク
ロックパルス遅延手段が遅延させて遅延クロックパルス
を発生する。さらに、処理手段は反射パルス光の記憶手
段上の記憶領域を決定し、パルス光発生手段に発光を指
令する。

パルス光発生手段はこの発光指令を受けて最初に発生す
る遅延クロックパルスに同期してパルス光を発生する。

このパルス光を測距対象の物体が反射し、その反射パル
ス光を光検出手段が入力して光電変換し、以降のＡ／Ｄ
変換に必要なレベルにまで増幅する。Ａ／Ｄ変換手段は
クロックパルスに同期して光検出手段の出力信号をＡ／
Ｄ変換する。このＡ／Ｄ変換結果は処理手段で決定した
記憶手段領域内にクロックパルスに同期して順次に記憶
される。距離測定範囲に相当する時間の間Ａ／Ｄ変換及
び記憶手段への記憶を繰り返した後、Ａ／Ｄ変換を停止
する。次に処理手段は記憶手段の記憶領域を前回のパル
ス発光の領域から変更し、遅延クロックパルスの遅延時
間を変更設定して再びパルス発光から記憶手段への記憶
を行う。この過程を複数回繰り返す。尚、遅延クロック
パルスの遅延時間はクロックパルスの周期を繰り返しの
回数で除したものを単位時間遅れとする。処理手段は、
記憶手段に記憶されているＡ／Ｄ変換結果を各領域毎に
、すなわち複数回の各パルスのＡ／Ｄ変換結果をそれぞ
れ読み出す。この複数回のパルス発光に対するＡ／Ｄ変
換結果の記憶値をパルス発光からの時系列として並べ替
え、この波形をもとに演算処理で物体までの距離を求め
る。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、ｌは遅延クロックパルスのある１つのパル
スに同期したタイミングでパルス光を発生するパルスレ
ーザ、２は３０ＭＨｚ＋７）周波数のクロックパルスを
発生するクロックパルス発生器、１１はプログラマブル
デイレイジェネレータ（例えばアナログ・デバイセズ社
製のＩＣＡＤ９５０１）によるクロックパルス遅延装置
であり、クロックパルス発生器２からの上記クロックパ
ルスを所定の遅延時間例えば（Ｎ−１）Ｘ　２０．８ｎ
ｓ　（但し、Ｎは発光回数で１〜１６の整数）遅延させ
て上記遅延クロックパルスをパルスレーザＩに与えるよ
うになっている。３は光電変換機能と増幅機能を有する
光検出器、４は光検出器３の出力信号を上記クロックパ
ルスに同期してＡ／Ｄ変換する高速のＡ／Ｄ変換が可能
なフラッシュタイプのＡ／Ｄ変換器、５はそのＡ／Ｄ変
換値を記憶するメモリである。６は上記クロックパルス
に同期してＡ／Ｄ変換器４にＡ／Ｄ変換タイミング信号
を発生しかつ上記クロックパルスを計数してＡ／Ｄ変換
器４の変換結果を格納するメモリ５の下位アドレスを決
定し、さらにパルスレーザ１の１回の発光当たりのＡ／
Ｄ変換回数を決めるアドレス発生器である。７はパルス
レーザ１へのパルス発光のトリガ、メモリ５の上位アド
レスの設定、クロックパルス遅延量Ｎ１１に対する遅延
時間の設定、メモリ５の記憶値から合成した反射パルス
光波形をもとに距離測定演算する処理装置、ＩＯは距離
測定対象の物体である。ここで処理装置７がクロックパ
ルス遅延装置１１に指定する遅延時間の単位は上記３０
ＭＨｚのクロックパルス周期の１７１６に、即ち２０．
８ｎｓに選ばれている。

第２図は上記構成の装置の動作を示すタイミングチャー
トである。

次にこのように構成された装置の動作を第１図および第
２図を用いて説明する。処理装置７はメモリ５の上位ア
ドレスに０を設定し、クロックパルス遅延装置１１に遅
延時間Ｏｎｓを発生させるために０を設定する。これに
より、クロックパルス遅延装置１１はクロックパルス発
生器２から出力されるクロックパルス（第２図（ｄ））
を設定遅延量分遅延させた遅延クロックパルスを発生し
てパルスレーザ１に出力する。そして、次に処理装置７
はパルスレーザ１に対してパルス発光のトリガをかける
（第２図（ａ））　　このトリガに応じて最初に遭遇す
る遅延クロックパルス（第２図（ｅ））に同期してパル
スレーザ１はパルス発光をする（第２図（ｂｌ　）。遅
延量が０の場合、実際には第２図１ｄｌと第２図（ｅｌ
のクロックの位相差はない。

処理装置７からのトリガに応動してアドレス発生器６は
クロックパルス発生器２から人力したクロックパルスの
計数を０から開始し、予め定めた距離測定範囲の時間に
相当する計数値に到達した時点で計数を停止する（第２
図（ｆ））。パルスレーザ１から発光されたパルス光は
物体１０で反射され、光検出器３はその反射パルス光を
入力して光電変換した後、増幅して信号出力する（第２
図（Ｃ））　　この光検出器３の出力信号をＡ／Ｄ変換
器４はアドレス発生器６からのＡ／Ｄ変換タイミング信
号によりクロックパルス発生器２のクロックパルスの立
ち上がりに同期したＡ／Ｄ変換タイミングでＡ／Ｄ変換
する（第２図（ｇｌ　）。但し、第２図（船において、
数字は発光回数を、丸印はＡ／Ｄ変換値を示す、このＡ
／Ｄ変換結果は上位アドレスが先に処理装置７で決定さ
れ、下位アドレスが上記アドレス発生器６の計数値で決
定されたメモリ５上の番地にクロックパルスの立ち下が
りに同期して記憶される。このＡ／Ｄ変換は上記アドレ
ス発生器６の計数が停止されるまで繰り返される。

１回のパルス発光に対する上記Ａ／Ｄ変換からメモリ５
への記憶までの動作が完了すると処理装置７はメモリ５
の上位アドレスをインクリメントして次回のＡ／Ｄ変換
値記憶のためのメモリ５の上位アドレスを決定する。さ
らに処理装置７はクロックパルス遅延装置１１の遅延時
間指令を１単位増して２０．８ｎｓとする。再びパルス
レーザ１にパルス発光のトリガをかけて以下同様の処理
を繰り返す。

上記のようにしてパルス発光回数が１６回に達して１６
回分の反射パルスのＡ／Ｄ変換結果がメモリ５の各領域
に記憶されると、処理装置７は、１６回の反射パルスＡ
／Ｄ変換結果をメモリ５から順次読み出して、パルス発
光からの時間順に並べ変えて、１６回の反射パルス光に
対するＡ／Ｄ変換結果である１６Ｍ１の反射パルス光サ
ンプル波形を１つの波形に合成する。すなわち、例えば
１回目のパルス発光に対して連続した２つのＡ／Ｄ変換
結果の間に１６〜２回目までの対応する時刻のデータを
挿入する事により、１６倍のサンプリング周波数（４８
０ＭＨｚ）でＡ／Ｄ変換された波形に等価な波形が合成
される（第２図（ｈ））この合成された反射パルス光波
形で最大値を物体ｌＯからの反射パルス光のピークと判
定し、その発生１１１１（メモリの下位アドレスに相当
する）からパルスレーザ１の発光から反射パルス光ｔ＝
”−りまでの時間（第２図におけるＴに相当する）を求
めて距離に換算する。距離の換算は下記（２）式で行・
・・（２） 例えばピークが２００番目のサンプリングにより現れた
とすれば物体１０までの距離は、２００ｘ　３　ｘｌｏ
”（・／・）＝６２．釦物体までの距離””　１６　ｘ
　３ｏ（ＭＨ・）×２と求めることができる。

このように実施例では、３０ＭＨｚ　という一般のディ
ジタルＩＣが応答可能な周波数帯で反射パルス光の受信
波形をＡ／Ｄ変換器でサンプリングしながら、その周波
数の１６倍の周波数（４８０ＭＨｚ）に等価なサンプリ
ングができる。その結果、３０ＭＨｚのサンプリングで
は測定距離の分解能が５ｍであったものが、１／１６す
なわち０．３１．２５ｍに向上できる。単位遅延時間の
設定をより小さくして等価サンプリング周波数を上げれ
ばさらに分解能を向上させることができる。

また実施例では、反射パルス光をＡ／Ｄ変換して信号波
形のピーク位置を物体１０の位置と認識するので従来例
で問題となる闇値による誤差といったものが原理上無く
、正確な距離測定が可能である。闇値による誤差が無い
ために距離測定の直線性の誤差も全く生じないことにな
る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればクロックパルスを所定
の時間遅延させた遅延クロックパルスに同期したタイミ
ングで物体にパルス光を照射して、その反射パルス光を
光電変換し、クロックパルスに同期してＡ／Ｄ変換を行
い逐次記憶するという操作を複数回のパルス発光の度に
遅延時間を変更して行い、その後、記憶された複数回の
反射パルス光信号のＡ／Ｄ変換値を順次読み出し、時系
列を考慮して読み出したデータを並べ替え１つの波形を
合成して信号の最大値を与えるデータ位置から演算によ
り物体までの距離を測定するように構成したので、特殊
な高周波用の回路素子を使用せず、−船釣なディジタル
ＩＣ等を使用しても分解能が高くかつ高精度の距離測定
ができる効果がある。

また、サンプリングされた波形から演算で距離を求める
ように構成しているので、ノイズに対しても誤動作のな
いものが得られる効果がある。

尚、上記実施例では、光パルス発生器としてパルスレー
ザを用いているが、これはＬＥＤ等の他の光源でもよく
、また、この距離測定装置は光の電磁波的性質を利用し
ているので、光パルス発生器、光検出器の代わりにそれ
ぞれ電磁波パルス発生器、１を磁波パルス検出器を用い
て距離測定装置を構成しても同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は一
実施例の動作を説明するための波形図、第３図は従来の
距離測定装置の構成図、第４図は従来例の動作を示す波
形図である。 図中、１・・・パルスレーザ、２・・・クロックパルス
発生器、３・・・光検出器、４・・・Ａ／Ｄ変換器、５
・・・メモリ、６・・・アドレス発生器、７・・・処理
装置、１０・・・物体、１１・・・クロックパルス遅延
装置。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の周波数のクロックパルスを発生するクロックパル
   ス発生手段と、該クロックパルスの周期を２以上の整数
   であるＮで除した時間間隔の整数倍の時間上記クロック
   パルスを遅延させて遅延クロックパルスを発生するクロ
   ックパルス遅延手段と、該遅延クロックパルスのある一
   つのパルスと同期したタイミングでパルス光を発生する
   パルス光発生手段と、該パルス光発生手段より発生され
   たパルス光が物体により反射された時の反射パルス光を
   受光して光電変換する光検出手段と、該光検出手段の出
   力信号を上記クロックパルスに同期してディジタル信号
   に変換するＡ／Ｄ変換手段と、このＡ／Ｄ変換手段のデ
   ィジタル出力信号を順次記憶する記憶手段と、Ｎ回のパ
   ルス光発生について上記遅延クロックパルスには異なる
   遅延時間を与え、Ａ／Ｄ変換により上記記憶手段に記憶
   されたＮ組の反射パルス光サンプル波形を時系列的に並
   べ替えることにより合成された反射パルス光波形をもと
   に演算処理して上記物体までの距離を算出する処理手段
   とを備えた距離測定装置。