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JPH063435A - パルス間隔の検出方法 - Google Patents

パルス間隔の検出方法

Info

Publication number
JPH063435A
JPH063435A JP18612092A JP18612092A JPH063435A JP H063435 A JPH063435 A JP H063435A JP 18612092 A JP18612092 A JP 18612092A JP 18612092 A JP18612092 A JP 18612092A JP H063435 A JPH063435 A JP H063435A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pulse
waveform
noise
zero
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP18612092A
Other languages
English (en)
Inventor
Takashi Noma
隆嗣 野間
Hiroyuki Yasuo
浩行 安尾
Junichi Asano
順一 浅野
Toshio Nagai
敏雄 永井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kansai Electric Power Co Inc, Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Kansai Electric Power Co Inc
Priority to JP18612092A priority Critical patent/JPH063435A/ja
Publication of JPH063435A publication Critical patent/JPH063435A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同一の波形を持つが振幅の異なるふたつのパ
ルスの間隔を正確に測定すること。 【構成】 パルス信号をC、Rの微分回路に通して微分
することとし、時定数CRのパルス半値幅Δに対する比
CR/Δを0.1〜2.0にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はErレ−ザの光を用い
て距離測定を行う場合受光素子に現れる振幅の異なる同
一パルス波形の時間間隔を正確に検出する方法に関する
ものである。2つのパルス光を受光素子で受光して出力
信号のパルス間隔を測定すればこれに光速cの1/2を
乗じることにより対象物までの距離が分かる。Erパル
スレ−ザの光を用いて対象物までの距離を測定する装置
に於いて発信時のパルス波形と、これが対象物に当たり
反射されて戻り受信された時のパルス波形は同一であ
る。
【0002】ところが発信時のパルスと受信時のパルス
は波形が同一であるが、振幅が異なる。しかし反射光は
弱くて受光素子やアンプよりなる検出系の感度を上げる
がそうするとノイズが多く含まれる。正確な距離測定を
行うためにノイズの影響をできるだけ少なくするような
時間間隔検出が望まれる。
【0003】
【従来の技術】振幅が同一で波形も同一である2つのパ
ルスの時間間隔を測定するのであれば、ある閾値V0
越えると出力が反転するようなコンパレ−タを通し、コ
ンパレ−タ出力反転のタイミングを計時の開始、終了と
すれば正確なパルス時間間隔が求められる。しかし波形
が同一であるが振幅が異なる2つのパルスの時間間隔を
測定する場合、一定閾値V0 のコンパレ−タを用いて計
時のタイミングを与えるようにすると、パルスの同一部
分が対応しないので、時間の測定誤差が大きくなってし
まう。ここで波形が同一であるが振幅の異なるパルスと
いうのは図6に示すような波形群をいう。パルス幅や形
状は同じだが高さが異なるのである。
【0004】波形が同一で振幅の異なるパルス間隔を測
定する場合には、パルス間隔というのはそれぞれのピ−
クからピ−クまでの時間間隔として定義されるべきであ
る。ところでパルス波形はレ−ザの種類によっても異な
る。ガウシアンに近いものもあるし、ロ−レンチアンに
近いパルス波形もある。Erレ−ザは媒体中にErをド
−プしたものであるが、このレ−ザのパルス波形はガウ
シアンに似ているが後半部で尾を引くようになってい
る。
【0005】パルスのピ−クということであれば、パル
スを微分してこれが0であるタイミングである筈であ
る。そこで、振幅が異なる同一パルス波形の2つのパル
スの時間間隔を測定するには、ハイパスフィルタ(通常
はコンデンサと抵抗とで構成される)を使ってパルスを
疑似微分する。そして微分波形が零レベルと交わる時刻
1 、t2 の間隔をパルス間隔(t2 −t1 )とする方
法が用いられよう。
【0006】今、微分波形が零レベルと交わる点を零点
ということにする。電気的な微分回路は、数学的な微分
に厳密に対応しているのではないので、元の波形のピー
ク点と微分波形の零点とは一致せず、ずれている。しか
し、波形が同一であればそのずれの量は振幅には影響さ
れないので(t2 −t1 )をパルス間隔として差し支え
ない。つまり零点t1 、t2 はパルスのピーク点と一致
しないが、(t2 −t1 )はパルスピーク間隔と原理的
には一致するのである。また一般的に、零点検出のため
にコンパレータが用いられる。
【0007】一般にはコンデンサC、抵抗Rよりなる微
分回路はパルス半値幅Δに対して十分小さい時定数を持
つC、Rを使う必要があるとされている。図3はCこれ
を問題にする。数特性を示しており、カットオフ周波数
c (1/2πRC)より高い周波数ではゲインはほぼ
1になる。この領域では微分回路として機能しているの
ではない。fc より低い周波数ではじめて微分回路とし
て働く。この場合、出力のゲインは1よりずっと小さ
い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】時定数RCの小さい微
分回路を用いる事によって数学的微分に近い結果が得ら
れるのであるから、CRの小さいものを用いれば問題が
ないようにみえる。しかしそう簡単ではない。CRが小
さいと、フィルタ通過後の波形の振幅が小さくなってし
まう。この点を図4によって説明しよう。
【0009】図4はフィルタのカットオフ周波数とフィ
ルタ通過後の波形の関係を示している。入力波形がAの
ようなパルスであるとする。パルスの基本周波数fp
フィルタのカットオフ周波数fc (1/2πRC)より
ずっと小さい場合、つまりRCが小さい場合、出力波形
Bは数学的微分波形に近づくが波高の小さいものになっ
てしまう。ここでパルス基本周波数は1/2πΔと定義
する。つまり、RC/Δが小さいときに出力波形は数学
的な微分に近いが波高が小さいということである。
【0010】反対にパルスの基本周波数fp が、フィル
タのカットオフ周波数fc より大きい場合、つまりRC
/Δが大きい場合、出力波形Cは微分波形にならず、原
波形と微分波形の一次結合になり、その比が大きくなれ
ば成るほど出力波形Cは原波形に近似してくる。
【0011】より明瞭に説明する。図2の(b)のフィ
ルタに於いて、入力電圧v1 、出力電圧をv2 とし、出
力電流が0であると仮定して、 v1 =v2 +∫(v2 /RC)dt (1) という式が成立する。右辺第2項がコンデンサCに加わ
る電圧で、右辺第1項が抵抗Rにかかる電圧である。も
しもRCが十分大きければ(1)の右辺第2項は第1項
に比べて小さくなり、出力v2 は入力v1 にほぼ等しい
波形となる。図4(b)に対応する。もしもRCが十分
に小さければ右辺第1項が小さくなって、出力v2 は入
力v1 の時間微分に近くなる。
【0012】この時近似的に v2 =RC(dv1 /dt) (2) となるのでRCが小さいとピ−ク波高が小さくなってし
まうのである。
【0013】微分波高が低いと、ノイズの中に微分信号
が埋まってしまい、正しく(dv1/dt)=0となる
時点(つまりピ−ク点)を検出する事ができない。もと
のパルス信号は小さい波高のノイズを伴っている。ノイ
ズの波高が小さくても、微分回路を通すことによってノ
イズが拡大されて微分が0となる点が不明瞭になるとい
う事がありうる。ノイズは波高が小さいが周波数は高い
からである。既に述べたように微分波形の零点を検出す
るためにコンパレ−タを用いるが、これは無信号時(v
1 =0)にノイズのために出力が変動しないためにヒス
テリシス回路を伴っている。
【0014】図7にこれを示す。コンパレ−タの反転入
力に抵抗R2 、R3 が接続される。R3 の他端は接地さ
れ、R2 の他端は出力に接続される。反転入力をP、非
反転入力をS、出力をQとする。コンパレ−タであるの
で出力は2値を取る。低レベルをL、高レベルをHとす
る。ヒステリシスは抵抗R2 、R3 によって与えられ
る。
【0015】ヒステリシスの幅は抵抗の比によって任意
に決められる。出力が高レベルHである時、非反転入力
Sは S2 =HR3 /(R2 +R3 ) (3) となる。微分波形が入力されるべき反転入力Pは無信号
時にv1 =0であるから、v1 <S2 である。ノイズが
あってもこれの最大振幅がS2 より小さくなるように抵
抗比を決めておけば、ノイズによって出力が変動するこ
とがなく、出力は常にHである。
【0016】入力PがS2 を越えて初めて出力が反転す
る。出力がLレベルになる。この時非反転入力Sは低下
し、 S1 =LR3 /(R2 +R3 ) (4) となる。S1 <S2 である。入力PがS1 より大きい限
り出力はLレベルを維持する。信号入力PがS1 より小
さくなって初めて出力が反転し、Hレベルに戻る。この
ように出力の反転の閾値が異なるのでv1 =0の時のノ
イズの影響を遮断できる。勿論そうなるためには抵抗の
値をノイズに応じて適当に定めなければならない。つま
りS2 >ノイズの最大値と決めれば良い。たとえばノイ
ズレベルを3mVとして、このS2 を例えば9mVとす
る。出力のH、Lレベルは電源の電圧等で決まるのでS
2 を決めると下の閾値S1 も決まってしまう。
【0017】図8にこのようなヒステリシスを持つ回路
においてノイズを含む微分波形Pが入力された時の出力
Q、ヒステリシスSの波形を示す。入力波形がノイズを
含むがこれが0Vの近傍である限り、出力QがHレベル
を取るから、ヒステリシスSは上閾値S2 を取ってい
る。入力波形Pが上昇しイ点でS2 を切る。此のとき出
力は反転しLレベルに立ち下がる。同時にヒステリシス
が低閾値S1 に下がる。入力波形がさらに上昇し、ロ点
で最大に達する。今度は低下し始めてハ点で低閾値S1
を上から下へ切る。出力が反転してHレベルに上がる。
同時にヒステリシスが高閾値S2 に戻る。その後はハ点
に下がりホ点にまで(零レベル)戻るが出力Q、ヒステ
リシスSは変化しない。結局、入力波形が零レベルを切
る点ハを出力の立ち上がりのタイミングとして検出でき
るのである。
【0018】このようなヒステリシス回路によって入力
が零レベルにある時のコンパレータの出力変動を除去で
きる。しかし、ヒステリシス回路は零レベルにある時の
ノイズの影響を遮断できるだけで入力が零レベルを横切
る時のノイズの影響を無くすということはできない。微
分波形である入力が立ち下がる時にS1 を切るのである
が、ノイズがあるのでノイズの高さに比例したタイミン
グの誤差を生ずる。これが零クロス誤差である。
【0019】図2にこれを示す。図2の(a)は原パル
ス波形である。これはひとつのピ−クを持つ波形である
が、多くのノイズを伴っている。これが図2の(b)の
ハイパスフィルタを通ると(c)のようになる。ひとつ
のピ−クを持つパルスであるので、正と負の半分を持つ
波形に微分されるが、ノイズも微分されてこれに付随す
る。ノイズのためにこの信号は零点を何度も通過する。
零レベルでは前述のヒステリシス回路が誤動作を防止し
ている。しかし一旦入力が立ち上がりこれが低下して行
くときに何時零レベルを横切るかということについて不
確定性がある。ノイズのレベルをヘ〜チとする。トが零
レベルである。
【0020】入力の内ノイズを除いた純粋な信号を考え
る。これを真信号ということにする。入力は真信号とノ
イズの和と考える。求めたいのは真信号がト(零レベ
ル)を横切る時である。しかしたまたま下向きのノイズ
が重畳しているときは、より早いリ点において入力が零
レベルを横切り、出力が反転する。反対に上向きのノイ
ズが重畳しているときはヌ点よりも遅いル点で入力が零
レベルを横切る。真信号が同一であっても偶然的なノイ
ズのために零レベルを横切る時刻がリ〜ルの間で変動す
る。この不確定性によって生じる誤差を零クロス誤差と
言う。また、零点を横切る可能性のある部分の時間幅を
も零クロス誤差ということもある。
【0021】零クロス誤差は、信号が零点を横切る時を
パルスのピ−クのタイミングとする計時法に於いて時間
測定の誤差となる。これはより小さい方が望ましい。零
クロス誤差はノイズ振幅が大きく信号レベルの高さが低
いと増加する。既に述べたように微分回路の時定数が小
さいと信号の振幅が小さくなるのでノイズの影響を受け
易い。こういうわけで時定数CRの小さいハイパスフィ
ルタを用いると零クロス誤差が増え望ましくない。
【0022】しかし反面、時定数CRが大きいとハイパ
スフィルタの作用が数学的な微分から離れ原信号に近づ
く、つまり原信号のピ−ク点よりも後で微分波形が零レ
ベルを横切ることになる。後に詳細に述べるが、CRが
大きいと零点での微分波形の傾きが小さくなり、零クロ
ス誤差がかえって大きくなる場合がある。つまり、ハイ
パスフィルタの時定数CRが大きすぎても小さすぎても
零クロス誤差が増えるのでやはりよくないのである。C
Rに関して最適の範囲が存在する筈である。本発明はこ
れを与える事を目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】本発明は、振幅の異なる
同一波形の2つのパルスの時間間隔を測定するため、
C、Rよりなるハイパスフィルタによってパルス信号を
微分し信号が零レベルと交わる時点の間隔をパルス間隔
とする方法に於いて、零クロス誤差を最小にするため、
ハイパスフィルタの時定数CRをパルス半値幅Δの0.
1〜2.0倍の範囲に設定することを特徴とする。
【0024】
【作用】ハイパスフィルタの時定数CRをパルス半値幅
Δの0.1〜2.0倍にすると、零クロス誤差を最小に
する事ができる。図1にハイパスフィルタ時定数と零ク
ロス誤差の計算の一例を示す。横軸はハイパスフィルタ
時定数CRのパルス半値幅Δに対する割合CR/Δであ
る。縦軸は零クロス誤差幅のパルス半値幅Δに対する割
合である。
【0025】ここでパルス波形は、固体レ−ザにQスイ
ッチを用いた時のジャイアントパルスとしている。ノイ
ズはパルス基本周波数fp (〜1/2πΔ)の4倍の周
波数を持つ正弦波で、ノイズ振幅のピ−クからピ−クが
パルス波高値Vp の1/50としている。CR/Δが
0.1より小さい時、零クロス誤差は、CRの減少とと
もに増大している。この場合微分波形が数学的微分に近
づくのであるが、ノイズを含まない真信号のハイパスフ
ィルタでのゲインが低くなるので微係数が低く零クロス
誤差が増大するのである。
【0026】反対にCR/Δが2.0より大きい時、零
クロス誤差は、CRの増加とともに増大する。これは微
分波形が数学的な微分から離れ、ピ−クの裾の方で零点
を横切るために微係数が小さくなるためである。そのた
めに、零クロス誤差が増加するのである。
【0027】もちろんノイズの振幅がもっと大きくなれ
ば零クロス誤差はもっと大きくなる。しかし、それは図
1のグラフを上方へ平行移動したものである。であるか
らCR/Δによって範囲を確定した場合の結論は変わら
ない。また厳密にいえば原パルスの波形にも依存する。
しかしながら一般にCR/Δが0.1〜2.0の間の範
囲で零クロス誤差幅が狭くなるということがいえる。本
発明はこの範囲にCR/Δを設定する。微分回路とパル
ス幅の間にこのような相互制限的な関係があることに気
づき最適範囲を求めたものは本発明が最初であろうと思
われる。
【0028】レ−ザを用いた測距儀に本発明の装置を適
用した。これはレ−ザのパルス光をコリメ−タレンズで
平行ビ−ムにして出射し、対象物体に当たって反射し戻
ってきた光と、レンズ等で反射した光とを受光素子によ
って検出し、パルスを検知した時刻t1 、t2 の差(t
2 −t1 )から物体までの距離を測定するものである。
原理はよく知られている。この場合、物体からの反射光
の強度は、距離、気象状況、物体の反射率などによって
変動する。レンズなどの反射光(送信パルス光)の大き
さは一定であるが、反射光(受信パルス光)の大きさは
一定でない。しかし両パルス光の強度変化つまりパルス
波形は同一である。そこで、ピ−クからピ−クまでの時
間間隔を測定すれば、測距儀から対象物体まで光が往復
する時間が分かる。
【0029】図5の(a)は受光素子の出力を微分しこ
れを波形整形する回路を示す。CRの微分回路と、コン
パレ−タとよりなる。微分回路はコンデンサCと抵抗R
1 とよりなる。この接続点が微分波形を与えるがこれが
コンパレ−タの反転入力に接続される。非反転入力は抵
抗R3 によって接地される。コンパレ−タの出力と非反
転入力とは抵抗R2 によって接続される。これらの抵抗
は前述のヒステリシスを与える。図6のものと同じであ
る。入力Pが零レベルにあるとき、出力はHであり、ヒ
ステリシスを与える非反転入力は高閾値S2 にあり、ノ
イズがあっても入力Pがこれを越えないので出力が反転
しない。高閾値S2 は式(3)で与えられる。
【0030】パルス光が存在せずノイズ光だけの時は、
反転入力の方が非反転入力S2 より高いので、コンパレ
−タの出力はHレベルである。パルス光が受光回路に入
射すると、パルス光波形に比例したパルス電圧波形が微
分回路に入力される。これがv1 である。微分回路によ
ってこれを微分するがこの結果がv2 である。微分回路
によって図2(c)のような波形になる。零レベルであ
るトの線を横切るときにコンパレ−タの出力が反転する
べきであるが、実際はノイズのためにそうはならず、ヘ
〜チの間を真信号が横切るときに出力が反転する。そし
て零クロス誤差が発生する。本発明は零クロス誤差を抑
制することが目的ではなく、零クロス誤差を小さくする
ように微分回路の時定数を選ぶという所に特徴がある。
零クロス誤差は決して無くならないがそれが小さくなる
のである。
【0031】(1)式から出発して零クロス誤差を評価
するのが正しいのであるがこれが難しい。 v1 =v2 +∫(v2 /RC)dt (5) v1 を既知として微分回路の出力v2 は、
【0032】 v2 =exp(−t/CR)∫v1 ′exp(τ/CR)dτ (6)
【0033】となる。v1 、v2 は時間の関数であるが
簡単のため独立変数の表示を略す。v1 ′はv1 の時間
微分である。τは積分の変数である。積分の範囲は−∞
から時刻tである。零クロス誤差をEとすると、これは
2 =0であるとき(v2 が上から下へ零レベルを切
る)にこれの時間微分でノイズの大きさnを割った結果
の時間として評価できるので、
【0034】 E= n/(dv2 /dt) 但し v2 =0 (6’) として定義できる。しかしv2 =0での値であるから、
(1)よりこれは
【0035】 E= n/(dv1 /dt) 但し v2 =0 (7) と書くことができる。(6)でv1 を与え、v2 を解析
的に計算し、これが0になるときにおける微係数dv1
/dtを求めれば零クロス誤差が分かる。パルスの半値
幅Δを時定数CRに対するパラメ−タとして、E/Δと
して零クロス誤差を求めることができるのである。
【0036】以上は一般論であり入力パルスv1 の関数
形が分からないと計算ができない。実際にはガウシアン
ではないが、たとえば入力がガウシアンであるとすると
次のようになる。 v1 =exp(−t2 /δ2 ) (8)
【0037】但し半値幅Δとδとは、 δ=Δ(loge 2)-1/2/2 (9) という関係がある。
【0038】 v2 =v1 −(CR)-1∫exp{−τ2 /δ2 −(t−τ)/CR}dτ(10)
【0039】積分の範囲は−∞から時刻tである。v2
が上から下まで零レベルを横切る時刻を求める必要があ
る。つまりv2 =0である。
【0040】 1=(CR)-1∫exp{(t2 −τ2 )/δ2 −(t−τ)/CR}dτ(11)
【0041】によって、v2 =0となる時刻tを求める
ことができる。 η=t−τ (12) という変数変換を行い、
【0042】 CR=∫exp{(−η2 +2ηt)/δ2 −η/CR}dη (13)
【0043】となる。積分範囲は0から無限大である。 CR=(δπ1/2 /2)exp〔δ2 {2tδ-2−(CR)-12 /4〕 (14)
【0044】こうしてv2 =0となる時刻tが求まる。
これの値を(8)の微分 v1 ′=−(2t/δ2 )exp(−t2 /δ2 ) (15) に代入して、零クロス誤差を(7)によって求めるこが
できる。
【0045】この計算は解析的にはできないのであるが
δ、CRの値を決めれば計算することができる。この例
はガウシアンであるが、その他の波形を仮定しても同様
に計算によって零クロス誤差を評価できる。図1は計算
結果であり、実際の計測結果ではない。本発明はこのよ
うな計算によって零クロス誤差を最小にするCR/Δの
範囲を求めているのである。
【0046】図5の(b)に受光素子の出力を示す。こ
こには波形は同一であるが波高の異なるパルスが描かれ
ている。これはCRの微分回路を経て図2の(c)のよ
うな波形になるが、コンパレ−タを通るので、図5の
(c)のようなパルス波形になる。このパルスの立ち上
り時刻はそれぞれのパルスのピ−クの時刻にほぼ対応し
ている。従って、それぞれのパルスのピ−クの時間間隔
を測定できることになる。繰り返し述べたように厳密に
は微分回路は数学的微分ではないから、零点がピ−ク点
には対応していない。しかし零点の間隔はピーク点の間
隔に一致するのである。
【0047】このような微分回路とヒステリシス回路を
含む信号処理はありふれたものであるが、本発明では微
分回路の時定数CRをパルス半値幅Δの0.1〜2.0
としているので、零クロス誤差が最小に抑えられる。従
って、本発明によればパルス間隔を正確にデジタルパル
スの立上り時の間隔として正確に検出できる。2つのデ
ジタルパルスの間隔は市販のカウンタを使って簡便に計
測することができる。
【0048】
【実施例】Erレ−ザを用いたパルスレ−ザ測距儀に本
発明を適用した。 先ずパルス波形を求める。Erレ−ザのレ−ト方程式
はつぎのように書ける。このレ−ト方程式ではレ−ザ発
振に直接関与する二準位のみを考えている。
【0049】 (dN1 /dt)=−(N1 −N2 )BW−γ11 +Φ1 (16) (dN2 /dt)=+(N1 −N2 )BW−γ21 +Φ2 (17) (dW/dt)=hf(N2 −N1 )BW−2kW (18)
【0050】ここでN1 は電子が1準位にある原子の密
度、N2 は電子が2準位にある原子の密度、Wはレ−ザ
光のエネルギ−密度、Bはアインシュタインの誘導放出
係数である。γ1 、γ2 は各準位の緩和係数、Φ1 、Φ
2 は各準位への励起レート、Kはレ−ザ共振器による、
光振幅の減衰率である。hはプランク定数、fは光の周
波数である。物性定数はErレ−ザの値を用いた。
【0051】この非線形の微分方程式を解いて光の強度
W(t)を得る。解析的には解けないからコンピュ−タ
によって解いた。これはガウシアン波形に似ているが尾
を引くようなパルス波形である。これはレ−ザに特有の
波形である。
【0052】W(t)をフ−リエ変換する。周波数領
域でのパルス波形H(f)を求める。 H(f)=∫W(t)exp(j2πft)dt=F{W} (19) 積分範囲は−∞から+∞である。この計算もコンピュ−
タによってFFT処理をしている。
【0053】次に受光回路、微分回路を通過した後の
時間領域波形g(t)を求める。先述のように、オペア
ンプ等を用いて作られる受光回路は一般にロ−パスフィ
ルタ特性を持っている。ロ−パスフィルタはカットオフ
周波数によって定義できる。この例では、レ−ザパルス
波形を変形させないで受光できる最低周波数としてカッ
トオフ周波数fh =1.5/Δと決めた。
【0054】微分回路は、抵抗RとコンデンサCを用い
て構成する。微分回路のカットオフ周波数fc は、fc
=1/2πRCである。本発明はこのRCをどのように
して決定するかということについての発明である。ロ−
パスフィルタのフ−リエ変換、微分回路のフ−リエ変換
は良く知られている。これを前記のH(f)に掛けて、
パルスがロ−パスフィルタと微分回路を通過した後の波
形のフ−リエ変換を得る。
【0055】 H(f){1+(jf/fh )}-1(jf/fc ){1+(jf/fc )}-1 (20)
【0056】これをフ−リエ逆変換すると微分回路を通
った信号波形の時間表示g(t)が得られる。 g(t)=F-1〔H(f){1+(jf/fh )}-1(jf/fc ){1+(j f/fc )}-1〕 (21)
【0057】g(t)の零クロス点での傾きg′(t
0 ){g(t0 )=0}を求める。
【0058】振幅一定、単一周波数のノイズの微分回
路の出力に現れる振幅Vnoise p-p を求める。簡単のた
めノイズは振幅一定、単一周波数であり、受光回路出力
に重畳するものと仮定する。ノイズ振幅はS/N=50
と仮定して求める。ノイズの周波数の上限は3fh
で、下限はfc /3程度まで存在するとした。前者の仮
定は、受光回路はロ−パスフィルタを実質的にもつの
で、そのカットオフ周波数の3倍以上の周波数のノイズ
は出ないということである。後者の仮定は、微分回路は
ハイパスフィルタなので、fc 以下の周波数は殆ど通さ
ない。余裕をみてfc /3以下の周波数のノイズは存在
しないと仮定している。
【0059】前述のととから零クロス誤差Eを E=Vnoise p-p /g(t0 ) (22) によって求める。ここでVnoise p-p というのは、ノイ
ズレベルのピ−クからピ−クまでの電圧の差を意味す
る。
【0060】このような操作をさまざまな時定数CRに
対して行って零クロス誤差を求めた。図1はその結果を
示すものである。本来、微分回路の時定数とノイズ周波
数の関係によって図1のグラフは変化するはずである。
しかし、ノイズ周波数を変化させてもこの結果は大きく
は変わらなかったので、ここではfn =4/Δ=8fh
/3の時の結果を示している。図よりCR/Δ=0.5
近傍で零クロス誤差のパルス半値幅に対する値が最小に
なっている。最小値はS/Nの値が大きければ、およそ
1/(S/N)となっている。S/Nによって前記の性
能係数をかくことができるのは、(22)式の分子であ
るVnoise p-p がS/N比の逆数に比例するからであ
る。
【0061】また微分回路の時定数の最適の範囲として
は、零クロス誤差のパルス半値幅に対する割合が1.5
/(S/N)以下となる範囲として求める。これが 0.1≦CR/Δ≦2.0 (23) である。多くのCR/Δに対して前記の操作を行ったが
具体的な波形の幾つかを示す。Erレ−ザの波形を具体
的に例示して本発明をより分かり易くするためである。
【0062】[例]CR/Δ=0.053の場合 図9はCR/Δ=0.053の場合の微分回路入出力に
於ける波形を示す。横軸は時間で1単位は25nsであ
る。下に示す(チャンネル1)ガウシアンに似た波形が
受光素子及びアンプの出力の波形v1 である。つまりパ
ルス光に対応している。パルス半値幅Δは57nsであ
る。これに対しては縦軸の1目盛りは150mVであ
る。上に示す(チャンネル2)の零点を持つ波形が微分
回路の出力v2 (g(t))にあたる)である。これに
対しては縦軸の1目盛りは10mVである。v1 はひと
つの典型的なErレ−ザのパルス波形であるが前方での
立ち上がりは早く、後方での立ち下がりが遅い非対称性
の波形となっている。
【0063】図12は受光素子やアンプ、微分回路の構
成を示す。v1 はアンプの出力での電圧である。v2
コンデンサと抵抗の接続点での電圧である。v2 とv1
は(1)に示す拘束条件を満足している。v2 がv1
比べて小さいのはCRが小さいので(1)の右辺の第2
項が優越しているからである。この場合はv2 はv1
微分に近づくのであるが、それでも完全な微分ではな
い。v1 が極大となる点からv2 =0となる点まで15
nsの遅延がある。v2 =0となる点に縦破線を引いて
いる。この値に対してこれの微分v2 ′を求めるとこれ
は1.6mV/nsである。
【0064】微分後のノイズVnoise p-p を求めるとこ
れは8mVp-p である。ここでmVp-p というのは上ピ
−クと下ピ−クの電圧の差をmV単位で表したものであ
る。である。これより零クロス誤差幅は5nsとなる。
零クロス誤差のパルス半値幅Δ(57ns)に対する比
は0.088である。零クロス誤差幅が大きいのは微分
後の波形v2 が振幅の小さい信号になり、零クロス誤差
が大きくなるからである。
【0065】[例]CR/Δ=0.39の場合 図10はCR/Δ=0.39の場合の微分回路の入出力
に於ける波形を示す。横軸は時間で1単位は25nsで
ある。下に示す(チャンネル1)ガウシアンに似た波形
が受光素子の出力波形v1 である。パルス半値幅は57
nsである。縦軸は電圧であるが1目盛りが150mV
である。上に示す零点を有する波形は微分回路の出力v
2 (前記のg(t)にあたる)である。これに対しては
縦軸の1目盛りは40mVである。v1 が極大値をとる
点からv2 =0となる点まで19nsの遅延があり、前
例に比較して大きくなっている。しかしその分v2 の振
幅が増加して、v2 =0となる点でのv2 の傾きは5.
1mVであった。
【0066】微分後のノイズのピ−ク−ピ−クの値V
noise p-p を求めると、これは10mVp-p であった。
零クロス誤差は後者を前者で割って、E=2.0nsと
なる。零クロス誤差のパルス半値幅に対する割合は、
0.035である。例の場合に比較して約半分に減っ
ている。これはv2 =0となる点での勾配v2 ′が大き
くなるからである。
【0067】[例]CR/Δ=8.2の場合 図11はCR/Δ=8.2の場合の微分回路の入出力に
おける波形を示す。横軸は時間で1目盛りが25nsで
ある。下のグラフが微分回路の入力v1 である。パルス
幅Δは57nsである。縦軸はこれに対して1目盛りが
150mVである。上のグラフが微分回路の出力v2
波形である。1目盛りは100mVである。v2 は波形
高さともにv1 に近似してくる。これはCR/Δが大き
いためにv2 が数学的微分から遠く離れ元の関数v1
殆ど等しくなるためである。v2 は零点を持つが、これ
がv1 のピ−クと遠く離れる。このずれは66nsであ
る。v2 =0の点でのv2 の勾配は3.3mV/nsで
ある。
【0068】微分後ノイズは16mVp-p である。これ
を勾配の値で割って零クロス誤差を求めると4.8ns
と大きくなる。この原因はCR/Δが大きすぎるため
に、v2 がv1 に近似し、v2 =0となる点でのv2
が小さくなったためである。それと微分後ノイズが大き
いためである。
【0069】表1にCR/Δ=0.053,0.39,
8.2の3つの場合についての、コンデンサの値、抵抗
の値、パルス半値幅、入力ノイズ、パルスピ−ク値、S
/N比、微分後ノイズ、零クロス点での勾配、零クロス
誤差幅、零クロス誤差幅のパルス半値幅に対する割合を
示す。
【0070】
【表1】
【0071】零クロス誤差を決めるのは、v2 =0での
2 の勾配とノイズの大きさである。前者については既
に述べているからノイズについてここで説明する。例
から例において微分回路の入力側でのノイズレベルは
一定で16mV p-p である。これが微分回路を通るこ
とによって大きさが変化する。CR/Δ=0.053の
時はこれが8mVp-p となっている。これは微分回路の
時定数が小さく、微分振幅が小さいからである。CR/
Δ=0.39の時はノイズが10mVp-p となる。これ
は時定数が少し大きくなって微分振幅が大きくなったこ
とを反映している。CR/Δ=8.2の時は、ノイズレ
ベルが16mVp-p になっている。これはCR/Δが大
きいので、(1)式に於いて殆どv1 =v2 となってし
まうからである。
【0072】
【発明の効果】本発明によれば、Erレ−ザのパルス光
を用いて距離を測定する装置に於いて、ハイパスフィル
タの時定数CRをパルス半値幅Δの0.1〜2.0倍に
選ぶことによって、ノイズが重畳したパルス波形の零ク
ロス誤差を最小にすることができる。このためパルス間
隔の高精度測定が可能になる。そのため、Erレ−ザを
光源として利用したパルス方式レ−ザ測距儀の時間計測
に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】ハイパスフィルタ時定数と零クロス誤差との関
係を表すグラフ。
【図2】ノイズが重畳されたパルス波形図(a)と、微
分回路図(b)と、微分波形を示す図(c)。
【図3】CRを使ったハイパスフィルタの周波数特性
図。
【図4】パルス信号とこれをCR微分回路に通した後の
信号の波形を示す図。(a)はフィルタのカットオフ周
波数fc がパルス基本周波数fp よりずっと大きい場
合、(b)はfc がfp より小さいかほぼ等しい場合を
示している。
【図5】実施例にかかる信号処理回路図(a)と、入力
波形図(b)と、これを信号処理回路で処理した後の出
力を示す出力波形図(c)。
【図6】振幅の異なる同一パルス波形図。
【図7】ヒステリシス回路を持ったコンパレ−タの回路
図。
【図8】図7の回路における入力、ヒステリシス、出力
の波形図。
【図9】CR/Δ=0.053の場合の、Erレ−ザ光
を受光し、微分回路に通した前後のパルス波形を示す
図。
【図10】CR/Δ=0.39の場合の、Erレ−ザ光
を受光し、微分回路に通した前後のパルスの波形を示す
図。
【図11】CR/Δ=8.2の場合の、Erレ−ザの光
を受光し、微分回路に通した前後のパルスの波形を示す
図。
【図12】実施例に対応する測定回路図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 順一 大阪市北区中之島3丁目3番22号関西電力 株式会社内 (72)発明者 永井 敏雄 大阪市北区中之島3丁目3番22号関西電力 株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Erレ−ザのパルス光を対象物に当て、
    送信パルス光と受信パルス光を受光し、ノイズを含み同
    一の波形であり同一のパルス半値幅Δを持つが振幅の異
    なる2つのパルスを得、この2つのパルスの時間間隔を
    測定するため、パルス半値幅Δの0.1〜2.0倍の時
    定数を持つハイパスフィルタに前記ノイズを含むパルス
    信号を通してこれを微分し、微分波形が零レベルを横切
    る時点を求め、この時点の差によってパルス間隔を測定
    する事を特徴とするパルス間隔の検出方法。
  2. 【請求項2】 Erレ−ザのパルス光を対象物に当て、
    送信パルス光と受信パルス光を受光し、ノイズを含み同
    一の波形であり同一のパルス半値幅Δを持つが振幅の異
    なる2つのパルスを得、この2つのパルス時間間隔を測
    定するため、パルス半値幅Δの0.1〜2.0倍の時定
    数を持つハイパスフィルタに前記ノイズを含むパルス信
    号を通してこれを微分し、出力と非反転入力とを抵抗R
    2 で接続し非反転入力を抵抗R3 によって接地すること
    によってヒステリシスを与えたコンパレ−タの反転入力
    に微分信号を入力し、コンパレ−タの出力が零レベルを
    横切る時点を求め、この時点の差によってパルス間隔を
    測定する事を特徴とするパルス間隔の検出方法。
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