JP2007147333A - パルス信号の波高値検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】入力するパルス信号に含まれるオフセット分（直流分）を除去して積分ピーク値が波高値に比例するようにして波高値の検出精度を高めたパルス信号の波高値検出回路を提供する。
【解決手段】入力するパルス信号を微分する微分回路２と、微分回路２から出力される微分信号を積分する積分回路３と、積分回路３から出力される積分信号のピーク値をピークホールドするピークホールド回路４とを備え、微分回路２の時定数を、微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定して積分回路３の出力が最初のピーク値から増大しないようにし、ピークホールド回路４のホールド値を入力パルス信号の波高値として検出する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス信号の波高値検出回路に関し、特に、パルス信号の波高値検出精度を高めたパルス信号の波高値検出回路に関する。

例えば、光パルスを測距対象物に対して投光し、その反射散乱光を受光し、光パルスを投光してから反射パルスを受光するまでの時間を計測し、この計測時間を用いて測距対象物までの距離を計測する光測距装置では、反射パルスの受光時刻の検出精度が測距精度に大きく影響する。この受光時刻を検出する方法の１つとして、パルス信号の立上りエッジを検出する方式（以下、立上りエッジ検出方式とする）がある。立上りエッジ検出方式は、反射パルスの受光により発生する受光パルスのレベルが予め設定した閾値に到達した時点（以下、エッジ点とする）を受光時刻として検出するものである。

しかしながら、立上りエッジ検出方式の場合、受光パルスの波高値に応じて前記エッジ点が変化するため、例えば測距対象物が同じ距離にあっても反射率等の影響により受光パルスの波高値が異なると、検出される受光時刻にずれが生じ、測距誤差を生じるという問題がある。このため、立上りエッジ検出方式の光測距装置においては、受光パルスの波高値レベルに応じて距離補正することが測定精度を高めることになる。

従来、この種の光測距装置において、積分ピークホールド回路を用いて受光パルス信号の強度のピーク値を求めてホールドし、このピーク値が受光パルスの波高値に対応することから、ホールドしたピーク値に基づいて距離補正のための補正値を演算するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２４０６５７号公報

しかしながら、特許文献１のものは、受光パルスを直接ピークホールド回路に入力して積分しホールドする構成であり、受光パルスのオフセット（直流分）分を考慮していない。このため、積分値にオフセット分も含まれることになり、必ずしもホールドした積分値のピーク値と受光パルスの波高値が正確に対応していないという問題がある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、パルス信号のオフセット分を除去して積分ピーク値を算出することにより、パルス信号の波高値を正確に検出できるパルス信号の波高値検出回路を提供することを目的とする。

このため、請求項１の発明は、入力するパルス信号の波高値を検出する波高値検出回路であって、前記パルス信号を微分する微分回路と、該微分回路から出力される微分信号を積分する積分回路と、該積分回路から出力される積分信号のピーク値を検出するピーク値検出手段と、を備え、前記ピーク値検出手段の検出ピーク値を前記波高値として検出する構成としたことを特徴とする。

かかる構成では、パルス信号を微分回路で微分することで、入力パルス信号のオフセット分（直流分）が除去される。この微分信号を積分回路で積分し、その積分ピーク値をピーク値検出手段で検出することにより、オフセット分が除去されたパルス信号の波高値を積分ピーク値として求めることができるようになる。

請求項２のように、前記ピーク値検出手段を、前記積分信号を微分する微分回路と、該微分回路から出力される微分信号のゼロクロス点における前記積分信号レベルをサンプリングするサンプリング回路とで構成するとよい。

また、請求項３では、前記微分回路の時定数を、前記微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定する。
かかる構成では、積分出力が最初のピーク値から増大しないようになる。
請求項３の構成において、請求項４のように、前記ピーク値検出手段を、前記積分信号のピーク値をホールドするピークホールド回路で構成する。
かかる構成では、積分出力がピーク時点から増大しないので、ピークホールド回路でサンプリング期間中ピーク値を維持するようにすれば、入力パルス信号が積分ピーク位置を正確に検出することが難しい高速パルス信号であっても積分ピーク値を容易にサンプリングできるようになる。

請求項５では、測距対象物に光パルスを投光する光パルス投光手段と、前記投光パルスに基づく前記測距対象物からの反射パルスを受光して受光パルスを発生する光パルス受光手段と、前記受光パルスの波高値を検出する波高値検出手段と、前記受光パルスを閾値を用いて検出し、前記光パルスを投光してから前記受光パルスを検出するまでの時間を計測し、この計測時間を前記波高値検出手段の検出した受光パルスの波高値に応じて補正し、補正計測時間を用いて前記測距対象物までの距離を算出する測距手段とを備える光測距装置の前記波高値検出手段に適用することを特徴とする。

請求項６は、前記光測距装置が、前記測距手段とは別に、前記受光パルスをフィルタリングした後の信号のゼロクロス点を検出し、前記光パルスを投光してから前記ゼロクロス点を検出するまでの時間を計測し、この計測時間に基づいて前記測距対象物までの距離を算出する測距手段を備え、両測距手段の算出距離値を、前記波高値検出手段の検出した波高値に応じて選択して測距出力とする構成である。

本発明のパルス信号の波高値検出回路によれば、入力するパルス信号を微分回路で微分した後に積分することにより積分ピーク値から入力パルス信号のオフセット分を除去することができるので、積分ピーク値と対応する入力パルス信号の波高値を高精度に検出することが可能となる。
また、微分回路の時定数を、微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定すれば、積分出力が最初のピーク値から増大せず、ピークホールド回路で積分ピーク値を維持している間にサンプリングするようにすれば、入力パルス信号が高速パルスでも容易且つ正確にパルス信号の波高値を検出することが可能である。

また、本発明のパルス信号の波高値検出回路を、立上りエッジ検出方式を採用した光測距装置の計測時間の補正に適用すれば、この種の光測距装置の測距精度を向上することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るパルス信号の波高値検出回路の第１実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態の波高値検出回路１は、入力するパルス信号を微分する微分回路２と、該微分回路２から出力される微分信号を積分する積分回路３と、該積分回路３から出力される積分信号のピーク値を検出するピーク値検出手段としてのピークホールド回路４とを備えて構成される。そして、微分回路２の時定数を、微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定することにより、積分回路３の積分信号波形が最初のピーク時点からピーク値が増大しないような波形になるようにしている。

次に、波高値検出回路１の動作を各回路の出力波形を示す図２を参照しながら説明する。
図２に示すようなオフセット（直流分）を含んだ波形のパルス信号が微分回路２に入力すると、微分回路２は入力パルス信号を微分して図に示すような波形の微分信号を出力する。この微分回路２による微分処理により、入力パルス信号のオフセット分を除去することができる。その後、積分回路３により前記微分信号を積分し図に示すような波形の積分信号を出力する。この積分信号のピーク値は、微分信号波形の面積（斜線部分）に相当しており、オフセット分を除去した入力パルス信号の波高値に対応する。このピーク値をピークホールド回路４によりホールドし、図のように所定のサンプリング期間中維持して入力パルス信号の波高値として出力する。このピークホールド出力を、サンプリング期間中にサンプリング回路（図示せず）でサンプリングすればよい。

かかる構成の本実施形態の波高値検出回路によれば、微分回路２により入力パルス信号のオフセット分を除去した後、積分回路３によりピーク値を求めるようにしたので、積分回路３の積分ピーク値が入力パルス信号のオフセット分を含んでおらず、入力パルス信号の波高値を精度良く検出することができる。また、微分回路２の時定数を微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定し、積分信号波形が最初のピーク時点からピーク値が増大しないようにしてピークホールド回路４で最初のピーク値を一定時間（サンプリング期間）維持するので、前記サンプリング期間中にピークホールド回路４の出力をサンプリングしてピーク値を取得すればよいので、積分信号のピーク時点でサンプリングする必要がなく、積分信号のピーク時点を正確にサンプリングすることが難しい高速パルス信号（パルス幅が狭く（例えば数ｎｓオーダ）立上りが急峻なパルス信号）でも、積分信号ピーク値のサンプリングが容易且つ正確にでき、高速パルス信号の波高値検出に有効である。

入力パルス信号が高速パルス信号でない場合は、図３に示す第２実施形態のように構成することもできる。即ち、前記ピークホールド回路４に代えて、ピーク値検出手段を、微分回路５と、サンプリング回路６で構成する。
図３の構成では、前記微分回路５は、積分回路３の積分信号を微分してそのピーク位置を検出するもので、積分信号のピーク位置で立下がり信号を出力する。サンプリング回路６は、積分信号のピーク値をサンプリングするもので、微分回路５から前記立下がり信号が入力した時点の積分値をサンプリングし、そのサンプリング値を入力パルス信号の波高値として出力する。

次に、図４に本発明に係るパルス信号の波高値検出回路を適用した光測距装置の一例を示し説明する。
図４において、この光測距装置は、測距対象物であるターゲット１１に対して光パルスを発射する光パルス投光手段である例えばレーザ光源からなる光パルス投光部１２と、前記ターゲット１１からの反射散乱光の一部を反射パルスとして受光して受光パルスを発生する光パルス受光手段である光パルス受光部１３と、前記光パルス投光部１２の投光パルスの一部を入力して投光パルスの投光タイミング（投光時刻）を検出し計時のスタートタイミング信号を出力する投光タイミング検出部１４と、前記光パルス受光部１３から入力する受光パルスをフィルタリングした後の信号のゼロクロス点を反射パルスの受光タイミング（受光時刻）とし光パルスの投光時刻から受光時刻までの時間を計測し当該計測時間に基づいてターゲット１１までの距離を算出する測距手段である第１測距部１５と、前記光パルス受光部１３から入力する受光パルスのレベルが所定の閾値に到達した時点を反射パルスの受光タイミング（受光時刻）として光パルスの投光時刻から受光時刻までの時間を計測し当該計測時間に基づいてターゲット１１までの距離を算出する測距手段である第２測距部１６と、前記光パルス受光部３から入力する受光パルスの波高値を検出する波高値検出手段として図１に示す波高値検出回路１で構成した波高値検出部１７と、波高値検出部１７から出力される検出波高値を前述したサンプリング期間中にサンプリングしＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１８と、Ａ／Ｄ変換器１８でサンプリングされた検出波高値と予め設定した基準波高値とを比較して検出波高値が基準波高値より高いか否かを判定し、基準波高値以下であれば第１測距部１５の測距出力選択指令を出力し、基準波高値より高ければ第２測距部１６の測距出力選択指令を出力する波高値判別部１９と、前記選択指令に基づいて第１測距部１５の測距出力と第２測距部１６の測距出力を切替選択して本光測距装置の測距値として出力する測距値選択部２０とを備えている。

前記第１測距部１５は、光パルス受光部３から入力する受光パルスに含まれる特定周波数成分として例えば基本周波数成分を共振回路を用いて抽出し、抽出した基本周波数信号のゼロクロス点を検出しこのゼロクロス点を反射パルスの受光時刻と見なして計時のストップタイミング信号を出力するゼロクロス検出部２１と、投光タイミング検出部１４からのスタートタイミング信号が入力してからゼロクロス検出部２１のストップタイミング信号が入力するまでの時間を計測し、この計測時間に基づいてターゲット１１までの距離を算出する第１計時部２２とを備える。前記特定周波数成分として基本周波数成分を抽出することによって受光パルスに重畳しているノイズを効果的に除去できるので、ゼロクロス点の検出に対するノイズの影響を抑制できる。尚、ゼロクロス検出部２１は、受光パルスに含まれる特定周波数成分として高調波成分をハイパスフィルタを用いて抽出してゼロクロス点を検出する構成でもよい。

前記第２測距部１６は、前記光パルス受光部１３から入力する受光パルスのレベルが所定の閾値に到達した時点を検出してこの検出時点を反射パルスの受光時刻と見なして計時のストップタイミング信号を出力する立上りエッジ検出部３１と、投光タイミング検出部１４からのスタートタイミング信号が入力してから立上りエッジ検出部３１のストップタイミング信号が入力するまでの時間を計測し、計測時間に基づいてターゲット１１までの距離を算出する第２計時部３２とを備える。また、第２計時部３２は、前記波高値検出部１７の検出した波高値に応じて前記計測時間を補正する計時補正部３２Ａを備える。

前記波高値検出部１７は、図１に示す波高値検出回路１と同様の構成で、微分回路２、積分回路３及びピークホールド回路４を備えて構成され、投光パルス波形と受光パルス波形が相似（パルス幅、立上り時間、立下り時間が同じ）であることを前提とし、受光パルスの光量ピーク値が波高値に対応することから光量ピーク値を検出して受光パルスの波高値として出力する。

次に、光測距装置の動作について簡単に説明する。
光パルス投光部１２からターゲット１１に向けて例えばパルス幅が数ｎｓ程度と狭い光パルスを発射し、ターゲット１１からの反射散乱光の一部を光パルス受光部１３で受光する。また、光パルス投光部１２から光パルスを発射した際、光パルスの一部を投光タイミング検出部１４が受光し、投光パルスの投光タイミング（投光時刻）を検出し、第１測距部１５の第１計時部２２と第２測距部１６の第２計時部３２にそれぞれ計時のスタートタイミング信号を送信する。光パルス受光部１３は、反射パルス光を受光すると受光パルスを発生し、この受光パルスは第１及び第２測距部１５，１６と波高値検出部１７にそれぞれ入力する。

第１測距部１５は、ゼロクロス検出部２１に受光パルスが入力すると、共振回路を用いて受光パルスに含まれる基本周波数成分を抽出してその振動波形のゼロクロス点を検出し、この検出時点を反射パルスの受光時刻と見なして計時のストップタイミング信号を第１計時部２２に送信する。第１計時部２２は、投光タイミング検出部１４からのスタートタイミング信号の入力時点から前記ストップタイミング信号の入力時点までの時間を計測し、この計測時間に光の伝搬速度（予め記憶させておく）を乗算して距離に換算する。更に、計測された時間は光測距装置とターゲット１１間を往復する時間に相当するので、前記換算した距離値に１／２を乗算してターゲット１１までの距離を算出する。

第２測距部１６は、立上りエッジ検出部３１に受光パルスが入力すると、この受光パルスのレベルが予め定めた閾値に到達した時点を検出し、計時のストップタイミング信号を第２計時部３２に送信する。第２計時部３２は、スタートタイミング信号の入力時点から前記ストップタイミング信号の入力時点までの時間を計測する。更に、第２測距部３２の立上りエッジ検出方式では、閾値Ｅｔｈを一定としたとき受光パルスの波高値レベルに応じてエッジ点が変化して計時のストップタイミングが変化する。このため、第２計時部３２の計時補正部３２ＡによりＡ／Ｄ変換器１８の出力から得られる受光パルスの波高値に応じて、波高値が低い程計測時間の補正値が大となるような補正を行い、その後、第１計時部２２と同様にして補正計測時間を距離に換算し、換算した距離値に１／２を乗算してターゲット１までの距離を算出する。

Ａ／Ｄ変換器１８から出力される受光パルスの波高値は波高値判別部１９にも出力される。波高値判別部１９は、入力する検出波高値を予め設定した基準波高値と比較し、入力する波高値が基準波高値以下のときは第１測距部１５の測距出力の選択指令を測距値選択部２０に出力し、入力する波高値が基準波高値より大きいときは第２測距部１６の測距出力の選択指令を測距値選択部２０に出力する。尚、基準波高値は、ゼロクロス検出部２１の受信アンプのダイナミックレンジ（上限）により決まる。
測距値選択部２０は、波高値判定部１９の選択指令に基づいて第１測距部１５の測距値と第２測距部１６の測距値を切替え選択して本光測距装置の測距値出力として出力する。

かかる光測距装置によれば、受光パルスの波高値レベルが低いときにはゼロクロス検出方式で取得した受光時刻情報から算出する第１測距部１５の測距値を採用し、受光パルスの波高値レベルが高いときには立上りエッジ検出方式で取得した受光時刻情報から算出する第２測距部１６の測距値を採用し、しかも、第２測距部１６の測距値は受光パルスの波高値で補正しているので、受光パルスの波高値レベルの影響を受けることなく測距精度が格段に向上する。

また、図１の波高値検出回路１を用いて受光パルスの光量ピーク値を波高値として検出しているので、投光する光パルスに前述したような高速パルスを使用する光測距装置の場合でも、高精度に波高値検出ができる。
尚、本発明のパルス信号の波高値検出回路の適用対象は、光測距装置だけに限るものでないことは言うまでもない。

本発明に係るパルス信号の波高値検出回路の第１実施形態を示す構成図 同上第１実施形態の動作を説明するための各回路の出力波形図 パルス信号の波高値検出回路の第２実施形態を示す構成図 本発明に係るパルス信号の波高値検出回路を適用した光測距装置の一例を示す構成図

符号の説明

１ 波高値検出回路
２ 微分回路
３ 積分回路
４ ピークホールド回路
５ 微分回路
６ サンプリング回路
１１ ターゲット
１２ 光パルス投光部
１３ 光パルス受光部
１４ 投光タイミング検出部
１５ 第１測距部
１６ 第２測距部
１７ 波高値検出部
１９ 波高値判別部
２０ 測距値選択部
３２Ａ 計時補正部

Claims (6)

1. 入力するパルス信号の波高値を検出する波高値検出回路であって、
   前記パルス信号を微分する微分回路と、
   該微分回路から出力される微分信号を積分する積分回路と、
   該積分回路から出力される積分信号のピーク値を検出するピーク値検出手段と、
   を備え、
   前記ピーク値検出手段の検出ピーク値を前記パルス信号の波高値として検出する構成としたことを特徴とするパルス信号の波高値検出回路。
2. 前記ピーク値検出手段は、前記積分信号を微分する微分回路と、該微分回路から出力される微分信号のゼロクロス点における前記積分信号レベルをサンプリングするサンプリング回路とで構成した請求項１に記載のパルス信号の波高値検出回路。
3. 前記微分回路の時定数を、前記微分信号のゼロクロス点が１つだけ存在するように設定した請求項１に記載のパルス信号の波高値検出回路。
4. 前記ピーク値検出手段が、前記積分信号のピーク値をホールドするピークホールド回路である請求項３に記載のパルス信号の波高値検出回路。
5. 測距対象物に光パルスを投光する光パルス投光手段と、前記投光パルスに基づく前記測距対象物からの反射パルスを受光して受光パルスを発生する光パルス受光手段と、前記受光パルスの波高値を検出する波高値検出手段と、前記受光パルスを閾値を用いて検出し、前記光パルスを投光してから前記受光パルスを検出するまでの時間を計測し、この計測時間を前記波高値検出手段の検出した受光パルスの波高値に応じて補正し、補正計測時間を用いて前記測距対象物までの距離を算出する測距手段とを備える光測距装置の前記波高値検出手段に適用した請求項１〜４のいずれか１つに記載のパルス信号の波高値検出回路。
6. 前記光測距装置が、前記測距手段とは別に、前記受光パルスをフィルタリングした後の信号のゼロクロス点を検出し、前記光パルスを投光してから前記ゼロクロス点を検出するまでの時間を計測し、この計測時間に基づいて前記測距対象物までの距離を算出する測距手段を備え、両測距手段の算出距離値を、前記波高値検出手段の検出した波高値に応じて選択して測距出力とする構成である請求項５に記載のパルス信号の波高値検出回路。

Images