JP2006266772A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 距離測定処理系統を簡略化し、消費電力が小さく、回路規模を従来よりもさらに縮小することのできる距離測定装置を提供する。
【解決手段】 クロック信号に同期してパルス化したレーザ光を測定対象物０に照射する手段６と、レーザ光を送信してから、測定対象物０から反射される受信信号のピーク値直前までのクロックのカウント値を保持する手段２１と、クロック信号に同期し、クロック信号の周期をＮ等分した遅延時間だけ位相をずらせた（Ｎ＋１）個の三角波０〜Ｎと、測定対象物０からの反射信号との間の相関結果から、最も相関の高い三角波を特定する手段１０〜１３とを備える距離測定装置。（Ｎ＋１）個の三角波０〜Ｎと、測定対象物０から反射される受信信号との間で各々乗算を行い、各々の乗算結果の最大レベルを保持し、各々の保持データを比較することにより、最も相関の高い三角波を特定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、距離測定装置に関し、特に、パルス状のレーザ光を対象物に対して照射した時刻と、反射による対象物からの信号を検知した時刻との時間差を測定することにより、対象物までの距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、測定対象物に対してパルス状のレーザ光を照射し、反射されたレーザ光を受光して、照射から受光までの時間差を測定して、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置が種々の分野で利用されている。

特許文献１には、高周波のカウンタを用いずに、広範囲で、高精度の距離測定を可能にする距離測定装置が記載されている。この距離測定装置は、レーザ光の照射から受光までの経過時間に基づいて、測距対象物までの距離を測定する距離測定装置であって、経過時間を計数するデジタルカウンタと、レーザ光を照射してからデジタルカウンタが計数を開始するまでの時間をアナログ回路を基本回路として測定する第１の計時装置と、レーザ光を受光してからデジタルカウンタが計数を停止するまでの時間をアナログ回路を基本回路として測定する第２の計時装置を有し、デジタルカウンタと、第１の計時装置、第２の計時装置の測定値に基づいて測距対象物までの距離を測定する。

また、特許文献２には、高い測定精度を維持し、構成が単純で、低消費電力の距離測定装置として、測定対象物から反射された信号をサンプルするタイミングを（Ｎ＋１）通り生成し、（Ｎ＋１）個のサンプルホールドに入力される同一の受信信号を異なるタイミングで低速サンプルし、サンプルされたデータを、受信信号のピーク値が検出されると、ピーク値に最も近い値を含む状態でホールドする。ここで、サンプルされたレベル値を選択出力させるセレクトカウンタの出力値と、受信信号がピーク値に最も近くなる時刻とを関連付けることにより、測距カウンタに入力されるクロック信号の立上り時刻と、ピーク値となる時刻との時間差を補正する装置が開示されている。

特開２００１−８３５２０号公報 特開２００４−１７００９６号公報

しかし、上記特許文献１に記載の距離測定装置は、反射パルス受信タイミングとクロックパルスの立上りまでの時間を測定する終端積分器による測定結果を、デジタルカウンタによる計数結果と同時にＭＰＵへ送信し、ＭＰＵで最終的な測距データを算出処理するため、処理系統が複雑になるとともに、ＭＰＵを使用するため、消費電力が大きくなるという問題があった。

また、特許文献２に記載の距離測定装置は、受信信号がピークレベルとなる時刻に最も近い時刻にサンプリングを行うクロック信号を特定するため、多相化したクロック信号の各々によりサンプルした結果をホールドした後、これらを順次読み出し、その結果を比較してピーク値を検出する方法を採用している。そのため、ホールドされたデータを読み出す制御信号を発生させるロジック回路が必要となり、回路規模をさらに縮小することのできる余地が存在した。

そこで、本発明は、上記従来の距離測定装置等における問題点に鑑みてなされたものであって、処理系統を簡略化し、消費電力が小さく、回路規模をさらに縮小することのできる距離測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、距離測定装置であって、クロック信号に同期してパルス化したレーザ光を測定対象物に照射する手段と、前記レーザ光を送信してから、前記測定対象物から反射される受信信号のピーク値直前までの前記クロックのカウント値を保持する手段と、前記クロック信号に同期し、前記クロック信号の周期をＮ等分した遅延時間だけ位相をずらせた（Ｎ＋１）個の三角波と、前記測定対象物からの反射信号との間の相関結果から、最も相関の高い三角波を特定する手段とを備えることを特徴とする。

そして、受信信号レベルのピーク値を検出するため、Ｎ＋１相の三角波信号を使用して受信信号との相関を取っているため、測距カウンタで使用するクロック信号のＮ＋１倍の分解能を得ることができる。

また、本発明によれば、受信レベル値をデジタル化することなく、アナログ信号のまま取り扱うため、従来必要であったＭＰＵによる処理が不要となり、消費電力を低減することができる。

前記距離測定装置において、前記（Ｎ＋１）個の三角波と、前記測定対象物から反射される受信信号との間で各々乗算を行い、各々の乗算結果の最大レベルを保持し、該各々の保持データを比較することにより、前記最も相関の高い三角波を特定することができる。

また、前記特定された最も相関の高い三角波に関するデータをコード変換し、前記受信信号のピーク値直前までの前記クロック信号の立上りから、受信時刻までの時間を示す下位データとすることができる。

さらに、本発明は、距離測定装置であって、基準クロック信号を発生させるクロック発生器と、レーザ光及び三角波の発生の基準となるトリガ信号の発生、並びに、受信信号のピークホールドレベル及び測距カウンタのクリア信号を発生させるパルス発生部と、前記基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルとなる２等辺三角波形を発生させる三角波発生回路と、前記三角波にＮ通りの遅延時間を与えるディレイラインと、前記基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号に従いパルスレーザ光を発生させるレーザ発生部と、前記パルスレーザを測距対象物に向けて照射する送光光学系と、前記測距対象物から反射される信号を受信する受光光学系と、該受光光学系が受光した光による微弱な入力信号を電気信号に変換する検知器と、該検知器によって変換された電気信号を増幅するアンプと、該アンプの出力信号と、前記三角波と間の相関演算を行うアナログ乗算器と、該アナログ乗算器の乗算結果の最大振幅レベルを保持するピークホールドと、隣合うピークホールドの出力を比較するコンパレータと、前記受信信号の振幅レベルがピーク値に達する時刻に最も近い三角波の位相を検出するＥＸ−ＯＲゲートと、該ＥＸ−ＯＲゲートによって検出されたＮビットのコードを、前記位相を備えた三角波を特定する数値に変換するコード変換部と、該コード変換部によって変換されたデータを登録する下位レジスタと、前記基準クロックをカウントする測距カウンタと、該測距カウンタのカウンタ出力結果を登録する上位レジスタとで構成されることを特徴とする。

そして、本発明によれば、受信信号と三角波信号との相関を取った結果のピーク値をホールドし、ピーク値の前後のレベルの大小関係をコンパレータで検出し、どの遅延量を与えた三角波との結果が最も相関が高いかまでをアナログ回路のみで検出し、その情報を具体的な遅延量に変換する部分のみデジタル回路を使用するため、測距カウンタがカウントするクロック信号の１周期以下の距離分解能を測定する部分の回路を、従来のＮ相のクロック信号を使用した場合に比較して簡易化することができる。

以上のように、本発明によれば、距離測定処理の系統を簡略化し、消費電力が小さく、回路規模をさらに縮小することのできる距離測定装置を提供することができる。

図１は、本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示し、この距離測定装置は、測距に必要な基準クロック信号を発生させるクロック発生器１と、レーザ光及び三角波の発生の基準となるトリガ信号の発生、並びに、受信信号のピークホールドレベル及び測距カウンタのクリア信号を発生させるパルス発生部２と、基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルとなる２等辺三角波形を発生させる三角波発生回路３と、三角波にＮ通りの遅延時間を与えるディレイライン４と、基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号に従いパルスレーザ光を発生させるレーザ発生部５と、パルスレーザを測距対象物０に向けて照射する送光光学系６と、測距対象物０から反射される信号を受信する受光光学系７と、受光光学系７が受光した光による微弱な入力信号を電気信号に変換する検知器８と、変換された電気信号を増幅するアンプ９と、前出の三角波とアンプ９の出力間の相関演算を行うアナログ乗算器１０と、乗算結果の最大振幅レベルを保持するピークホールド１１と、隣合うピークホールド出力を比較するコンパレータ１２と、受信信号の振幅レベルがピーク値に達する時刻に最も近い三角波の位相を検出するＥＸ−ＯＲゲート１３と、検出されたＮビットのコードを具体的にどの位相の三角波かを示す数値に変換するコード変換部１４と、変換されたデータを登録する下位レジスタ１５と、基準クロックをカウントする測距カウンタ２０と、測距カウンタ２０の出力結果を登録する上位レジスタ２１とで構成され、測距対象物０までの距離を測定する。

クロック発生器１は、測距対象物０に向けてレーザ光を照射した時刻から、受光信号の受信時刻までの時間を測定する基準クロック信号を発生させる。

パルス発生部２は、クロック発生器１からの基準クロック信号に基づき、レーザ発生部５でのレーザ光の発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、レーザ光発生タイミングに同期した基準トリガ信号と、後述するピークホールドのホールド値をクリアするピークホールドクリア信号と、測距カウンタ２０による基準クロック信号のカウントデータのクリア信号とを発生させる。

三角波発生回路３は、上記基準トリガ信号に同期し、基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルが来る２等辺三角波形を発生させる。この三角波信号が後述する図３の三角波０となる。

ディレイライン（１〜Ｎ）４は、三角波発生回路３により発生した三角波に対してＮ通りの遅延時間を与える。基準クロックの周期をＴとすると、ディレイライン（１〜Ｎ）４は各々、Ｔ×Ｋ／（Ｎ＋１）［Ｋ＝１，２，・・・Ｎ］の遅延時間を持つ。ここで、Ｎは、装置に要求される距離分解能に応じて決定する。

レーザ発生部５は、基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部２より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは、送信光学系６を通って測距対象物０に向けて照射される。また、レーザ発生部５は、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ２０へ出力する。

受光光学系７は、測距対象物０から反射される信号を受信して検知器８に導く。検知器８は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、アンプ９に出力すると同時に、受信タイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ２０へ出力する。

図２に、レーザ送受信タイミングと測距対象区間とを示す。測距カウンタ２０は、スタート信号からストップ信号までの間、基準クロックの立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ２１に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、基準クロックに同期しており、その時間差は常に固定値となる。求める測距対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までの時間に基づいて算出され、ストップ信号によりカウンタが計数をストップした最後の基準クロックの立上りから、受信信号がピーク値となる時刻までの時間を、後述する方法により測定する。

アンプ９の出力は、アナログ乗算器（０〜Ｎ）１０に入力され、前出の三角波０〜Ｎとアナログ乗算することにより、相関値が求められる。図３にそのタイミングを示す。

ピークホールド１１は、パルス発生部２からのクリア信号が基準トリガ信号の直後に入力されると、ホールドレベルをリセットし、アナログ乗算器１０が出力するピークレベルをホールドする。三角波０〜Ｎとの間の各々の乗算結果は、コンパレータ（０〜Ｎ）１２に入力される。

コンパレータ１２は、ピークホールド１１の出力値を２つずつ比較する。ピークホールドの各出力を、コンパレータ１２のＡ入力、Ｂ入力に図１のように接続する。コンパレータ１２は、Ａ＜Ｂの場合には、“０”を、Ａ＞Ｂの場合には、“１”を出力する。これらの出力結果は、ＥＸ−ＯＲゲート（１〜Ｎ）１３に、図示のように２つずつ入力される。

受信信号の振幅レベルがピーク値に達すると、これらＥＸ−ＯＲゲート１３の中でピークレベルの前後、すなわち、増加から減少に変化する１点のみ出力状態が“１”となる。この“１”を１つだけ含んだＮビットのコードは、コード変換部１４に入力され、基準クロックに対してどの遅延量を持たせた三角波に相当するのか、すなわち、１〜Ｎのいずれの遅延時間かを表す値に変換される。変換されたデータは、下位レジスタ１５に一時的に登録される。

測距カウンタ２０は、図２に示すように、カウンタクリア信号により各レーザの送受信サイクル毎に基準トリガ信号に同期し、その直後にデータがゼロクリアされる。スタートパルスからストップパルスまでの時間を基準クロック単位でカウントしたデータ（カウンタデータ“Ｘ”）は、前出の上位レジスタ２１の登録データとなり、下位レジスタ１５のデータと組み合わされて測距データとなる。

次に、本発明の実施例について、ディレイラインが７個（測距データの下位部分は、３ビット）で、受信信号のピークレベルが三角波１のタイミングに最も近い位置に現れる場合の距離測定装置の全体構成について、図４及び図５を参照しながら説明する。尚、基準クロックの周波数を１０ＭＨｚ（１周期１００ＮＳＥＣ）とすると、ディレイラインにより三角波に与えられる遅延時間は、その１／８の１２．５ＮＳＥＣ単位で設定される。

図４に示すように、この距離測定装置は、測距に必要な基準クロック信号を発生させるクロック発生器３１と、レーザ光及び三角波の発生の基準となるトリガ信号の発生、並びに、受信信号のピークホールドレベル及び測距カウンタのクリア信号を発生させるパルス発生部３２と、基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルとなる２等辺三角波形を発生させる三角波発生回路３３と、三角波にＮ通りの遅延時間を与えるディレイライン３４と、基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号に従いパルスレーザ光を発生させるレーザ発生部３５と、パルスレーザを測距対象物３０に向けて照射する送光光学系３６と、測距対象物３０から反射される信号を受信する受光光学系３７と、受光光学系３７が受光した光による微弱な入力信号を電気信号に変換する検知器３８と、変換された電気信号を増幅するアンプ３９と、前出の三角波とアンプ３９の出力間の相関演算を行うアナログ乗算器４０と、乗算結果の最大振幅レベルを保持するピークホールド４１と、隣合うピークホールド出力を比較するコンパレータ４２と、受信信号の振幅レベルがピーク値に達する時刻に最も近い三角波の位相を検出するＥＸ−ＯＲゲート４３と、検出されたＮビットのコードを具体的にどの位相の三角波かを示す数値に変換するコード変換部４４と、変換されたデータを登録する下位レジスタ４５と、基準クロックをカウントする測距カウンタ５０と、カウンタ出力結果を登録する上位レジスタ５１とで構成され、測距対象物３０までの距離を測定する。

クロック発生器３１は、測距対象物３０に向けてレーザ光を照射した時刻から受光信号の受信時刻までの時間を測定する基準クロック信号を発生させる。

パルス発生部３２は、クロック発生器３１からの基準クロック信号に基づき、レーザ発生部３５でのレーザ光発生に必要なレーザ発射制御信号を生成すると同時に、レーザ光発生タイミングに同期した基準トリガ信号と、後述するピークホールドのホールド値をクリアするピークホールドクリア信号と、測距カウンタ５０による基準クロック信号のカウントデータのクリア信号とを発生させる。

三角波発生回路３３は、上記基準トリガ信号に同期し、基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルが来る２等辺三角波形を発生させる。この三角波信号が図５に示した三角波０となる。

ディレイライン（１〜７）３４は、三角波発生回路３３により発生した三角波に対して
７通りの遅延時間を与える。基準クロックの周期をＴとすると、ディレイライン（１〜７）３４は、各々、Ｔ×Ｋ／８［Ｋ＝１，２，・・・７］、すなわち、１２．５ＮＳＥＣ単位で遅延時間を設定する。

レーザ発生部３５は、基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号がパルス発生部３２より出力されると、パルスレーザを発生し、このレーザは、送信光学系３６を通って測距対象物３０に向けて照射される。また、レーザ発生部３５は、パルス発生タイミングを認識させるスタート信号を測距カウンタ５０へ出力する。

受光光学系３７は、測距対象物３０から反射される信号を受信して検知器３８に導く。検知器３８は、光による微弱な入力信号を電気信号に変換した後、アンプ３９に出力すると同時に、受信タイミングを知らせるストップ信号を測距カウンタ５０へ出力する。

測距カウンタ５０は、スタート信号からストップ信号までの間、基準クロックの立上り毎にカウントを行い、その結果を上位レジスタ５１に登録する。この時、レーザ発射制御信号及び発射されるパルスレーザは、基準クロックに同期しており、その時間差は、常に固定値となる。求める測距対象距離は、レーザ送信時刻から受信信号がピークとなる時刻までの時間に基づいて算出され、ストップ信号によりカウンタが計数をストップした最後の基準クロックの立上りから受信信号がピーク値となる時刻までの時間を後述する方法により測定する。

アンプ３９の出力は、アナログ乗算器（０〜７）４０に入力され、前出の三角波０〜７とアナログ乗算することにより相関値が求められる。

ピークホールド４１は、パルス発生部３２からのクリア信号が基準トリガ信号の直後に入力されると、ホールドレベルをリセットし、アナログ乗算器４０が出力するピークレベルをホールドする。三角波０〜７との間の各々の乗算結果は、コンパレータ（０〜７）４２に入力される。

コンパレータ４２は、ピークホールド４１の出力値を２つずつ比較する。ピークホールドの各出力を、コンパレータ４２のＡ入力、Ｂ入力に、図４に示すように接続する。コンパレータ４２は、Ａ＜Ｂの場合には、“０”を、Ａ＞Ｂの場合には、“１”を出力する。これらの出力結果は、ＥＸ−ＯＲゲート（１〜７）４３に、図示のように２つずつ入力される。

受信信号の振幅レベルがピーク値に達すると、これらＥＸ−ＯＲゲート４３の中でＥＸ−ＯＲゲート２のみ出力状態が“１”となる。この７ビットのコード［０１０００００］は、コード変換部４４に入力され、遅延時間＜００１＞に変換された、後下位レジスタ４５に一時的に登録される。

一方、測距カウンタ５０は、図５に示すように、カウンタクリア信号により各レーザの送受信サイクル毎に基準トリガ信号に同期し、その直後にデータがゼロクリアされる。スタートパルスからストップパルスまでの時間を１００ＮＳＥＣ単位でカウントしたデータ（一例としてカウンタを完了したデータが“１０００”であるとする）は、前出の上位レジスタ５１の登録データとなり、下位レジスタ４５のデータと組み合わされて測距データとなる。この場合、実測された距離データは、上位レジスタ値：３．０Ｅ＋０８（光速）＊１．０Ｅ−０７＊１．０Ｅ＋０３÷２＝１５０００ｍ及び下位レジスタ値：３．０Ｅ＋０８＊１．２５Ｅ−０８÷２＊１（“００１”）＝１．８７５ｍを加えた１５００１．８７５ｍとなる。

本発明にかかる距離測定装置の一実施の形態を示す全体構成図である。 本発明におけるレーザ送受信タイミングと測距対象区間の説明図である。 本発明における受信信号と各三角波との乗算タイミングと、そのピークホールド値の説明図である。 本発明の距離測定装置の一実施例を示す全体構成図である。 実施例におけるレーザ送受信タイミング及び各三角波との乗算タイミングと、そのピークホールド値の説明図である。

符号の説明

０ 測距対象物
１ クロック発生器
２ パルス発生部
３ 三角波発生回路
４ ディレイライン
５ レーザ発生部
６ 送光光学系
７ 受光光学系
８ 検知器
９ アンプ
１０ アナログ乗算器
１１ ピークホールド
１２ コンパレータ
１３ ＥＸ−ＯＲゲート
１４ コード変換部
１５ 下位レジスタ
２０ 測距カウンタ
２１ 上位レジスタ
３０ 測距対象物
３１ クロック発生器
３２ パルス発生部
３３ 三角波発生回路
３４ ディレイライン
３５ レーザ発生部
３６ 送光光学系
３７ 受光光学系
３８ 検知器
３９ アンプ
４０ アナログ乗算器
４１ ピークホールド
４２ コンパレータ
４３ ＥＸ−ＯＲゲート
４４ コード変換部
４５ 下位レジスタ
５０ 測距カウンタ
５１ 上位レジスタ

Claims (4)

1. クロック信号に同期してパルス化したレーザ光を測定対象物に照射する手段と、
   前記レーザ光を送信してから、前記測定対象物から反射される受信信号のピーク値直前までの前記クロックのカウント値を保持する手段と、
   前記クロック信号に同期し、前記クロック信号の周期をＮ等分した遅延時間だけ位相をずらせた（Ｎ＋１）個の三角波と、前記測定対象物からの反射信号との間の相関結果から、最も相関の高い三角波を特定する手段とを備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記（Ｎ＋１）個の三角波と、前記測定対象物から反射される受信信号との間で各々乗算を行い、各々の乗算結果の最大レベルを保持し、該各々の保持データを比較することにより、前記最も相関の高い三角波を特定することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記特定された最も相関の高い三角波に関するデータをコード変換し、前記受信信号のピーク値直前までの前記クロック信号の立上りから、受信時刻までの時間を示す下位データとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 基準クロック信号を発生させるクロック発生器と、
   レーザ光及び三角波の発生の基準となるトリガ信号の発生、並びに、受信信号のピークホールドレベル及び測距カウンタのクリア信号を発生させるパルス発生部と、
   前記基準クロック信号の立上り時刻にピークレベルとなる２等辺三角波形を発生させる三角波発生回路と、
   前記三角波にＮ通りの遅延時間を与えるディレイラインと、
   前記基準クロック信号に同期したレーザ発射制御信号に従いパルスレーザ光を発生させるレーザ発生部と、
   前記パルスレーザを測距対象物に向けて照射する送光光学系と、
   前記測距対象物から反射される信号を受信する受光光学系と、
   該受光光学系が受光した光による微弱な入力信号を電気信号に変換する検知器と、
   該検知器によって変換された電気信号を増幅するアンプと、
   該アンプの出力信号と、前記三角波と間の相関演算を行うアナログ乗算器と、
   該アナログ乗算器の乗算結果の最大振幅レベルを保持するピークホールドと、
   隣合うピークホールドの出力を比較するコンパレータと、
   前記受信信号の振幅レベルがピーク値に達する時刻に最も近い三角波の位相を検出するＥＸ−ＯＲゲートと、
   該ＥＸ−ＯＲゲートによって検出されたＮビットのコードを、前記位相を備えた三角波を特定する数値に変換するコード変換部と、
   該コード変換部によって変換されたデータを登録する下位レジスタと、
   前記基準クロックをカウントする測距カウンタと、
   該測距カウンタのカウンタ出力結果を登録する上位レジスタとで構成されることを特徴とする距離測定装置。

Images