JP2016014535A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受信信号の大きさに係らず、被測定物までの正確な距離の計測を可能にする測距装置を提供する。【解決手段】装置本体と被測定物３との間の信号の往復時間に基づいて測距する測距装置であって、前記被測定物３で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、信号の波形ピークを検出可能な受信装置２を備えたものである。装置本体は、送信装置１と、受信装置２とを備える。送信装置１は、発光素子５と駆動回路４から構成される。受信装置２は、受光素子６と信号増幅部７とＡ／Ｄ変換部８と記憶部９と判定部１０と波形処理部１１と距離演算部１２から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、装置本体と被測定物との間の信号の往復時間に基づいて測距する測距装置に関し、特に受信信号の大きさに係らず、被測定物までの正確な距離を計測し得る測距装置に係るものである。

従来の測距装置は、走査部で周期的に偏向走査されたパルス状の測定光に対応して、受光部で検出された被測定物からの反射光に対応する反射信号を微分し、一次微分された一次微分反射信号の立上り時刻を基準に当該一次微分反射信号の重心位置を算出し、当該重心位置に対応する時刻を反射光の検出時刻として求め、測定光の出力時刻と当該反射光の検出時刻との時間差に基づいて被測定物までの距離を算出し、反射信号が一次微分された一次微分反射信号の立上り及び立下り特性と、反射信号が二次微分された二次微分反射信号の立上り特性に基づいて、反射光が複数の被測定物からの反射光が重畳した反射光であるか否かを判定することによって、装置本体と被測定物との間に障害物が存在する場合であっても、被測定物に対する距離が正確に算出可能となっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１５００５号公報

しかし、このような従来の測距装置においては、被測定物からの反射光の強度が高くて受光回路が飽和してしまう場合には、重畳波形が飽和波形に埋もれてしまい、複数の重畳波形を分離することができず、被測定物までの正確な距離を算出することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、受信信号の大きさに係らず、被測定物までの正確な距離を計測し得る測距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に、本発明による測距装置は、装置本体と被測定物との間の信号の往復時間に基づいて測距する測距装置であって、前記被測定物で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、信号の波形ピークを検出可能な受信装置を備えたものである。

本発明によれば、被測定物で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、信号の波形ピークを検出することができる。したがって、受信信号の大きさに係らず、被測定物までの正確な距離を計測することができる。

本発明による測距装置の一実施形態を示すブロック図である。 上記測距装置の要部を示す回路図である。 上記測距装置における第１及び第２の増幅器の出力信号の選択動作を説明するフローチャートである。 上記第２の増幅器の出力信号が選択される条件を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による測距装置の一実施形態を示すブロック図である。この測距装置は、装置本体と被測定物との間の信号の往復時間に基づいて測距するもので、送信装置１と、受信装置２と、を備えて構成されている。

本発明による測距装置は、距離計測用の信号として光波を使用してもよく、電波を使用してもよい。光波を使用した距離計測は、被測定物３に向けて光を放射してから受光するまでの時間を測定し、その時間差から距離を算出するものである。また、電波を使用した距離計測は、被測定物３に向けて電波を送信してから、その反射波を受信するまでの時間を測定し、その時間差から距離を算出するものである。以下の説明においては、一例として距離計測用の信号が光波の場合について述べる。

上記送信装置１は、被測定物３に向けてパルス状の測定光Ｌ_１を送信するもので、駆動回路４と、発光素子５とを備えて構成されている。詳細には、駆動回路４は、発光素子５を駆動してパルス状の測定光Ｌ_１を発光させるためのものであり、矩形状の駆動パルスを生成するようになっている。また、発光素子５は、駆動回路４の駆動パルスによって駆動されて発光し、パルス状の測定光Ｌ_１を被測定物３に向けて放射するもので、例えばＬＥＤやレーザダイオード等である。

上記受信装置２は、被測定物３からの反射光Ｌ_２を受光して光波の往復時間を求め、装置本体から被測定物３までの距離を算出するものであり、受光素子６と、信号増幅部７と、Ａ／Ｄ変換部８と、記憶部９と、判定部１０と、波形処理部１１と、距離演算部１２とを備えて構成されている。

ここで、上記受光素子６は、被測定物３からの反射光Ｌ_２を受光して電気信号に変換する光電変換器であり、例えばフォトダイオード等である。

上記受光素子６に接続して信号増幅部７が設けられている。この信号増幅部７は、受光素子６で光電変換された受信信号を後段の波形処理部１１で信号処理可能なレベルまで増幅するものであり、本実施形態においては、ゲインの異なる第１の増幅器１３と第２の増幅器１４とを並列に備えて構成され、増幅器のマルチゲイン化を図っている。詳細には、第１の増幅器１３は、受信強度の小さい信号を予め定められた第１の検出閾値ｖ_１（図４（ａ）参照）を超えて増幅するものであり、そのゲインは、経験則に基づいて選択された最小強度の受信信号の波形ピークが検出可能に設定されている。また、第２の増幅器１４は、受信強度の大きい信号を予め定められた第２の検出閾値ｖ_２（図４（ｂ）参照）を超えて増幅するものであり、そのゲインは、経験則に基づいて選択された最大強度の受信信号の波形ピークが飽和することなく検出可能に設定されている。

図２はマルチゲイン化を図った信号増幅部７の具体的な構成例を示す回路図である。
同図に示すように、エミッタを設置し、コレクタとベースとを短絡したトランジスタＴｒ_１のコレクタにアノードを接続し、カソードを電源Ｖｃｃに接続して受光素子６としてのフォトトランジスタが設けられている。さらに、並列に配置され、エミッタ設置された二つのトランジスタＴｒ_２，Ｔｒ_３のベースを上記トランジスタＴｒ_１のベースに接続し、トランジスタＴｒ_２のコレクタに第１の増幅器１３を接続し、トランジスタＴｒ_３のコレクタに第２の増幅器１４を接続している。このような構成により、受光強度に比例して生じる受光素子６の光電流を第１及び第２の増幅器１３，１４に減衰させることなく、等しく供給することができる。なお、同図における符号Ｒ_１、Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４，Ｒ_５は抵抗を示す。

上記信号増幅部７に接続してＡ／Ｄ変換部８が設けられている。このＡ／Ｄ変換部８は、信号増幅部７で増幅されたアナログの受信信号をデジタル信号に変換するもので、第１の増幅器１３の出力端子に接続された第１のＡＤＣ（A-D Converter）１５と第２の増幅器１４の出力端子に接続された第２のＡＤＣ（A-D Converter）１６とを備えて構成されたものである。

上記Ａ／Ｄ変換部８に接続して記憶部９が設けられている。この記憶部９は、Ａ／Ｄ変換部８でデジタル化された信号波形のデータを時間情報と共に保存するものであり、例えば書き換え可能な半導体メモリである。

上記記憶部９に接続して判定部１０が設けられている。この判定部１０は、上記第１の増幅器１３で増幅された信号と第２の増幅器１４で増幅された信号のうち、いずれの信号を距離計測に採用するかを判定するものである。その動作は、先ず、記憶部９から第１の増幅器１３で増幅された信号の信号データを読み出し、その最大値を予め定められた飽和判定閾値ｖ_３（波形飽和直前の信号強度に相当し、第１の増幅器１３の最大出力に対して数％低い値に設定されている（図４（ａ）参照）と比較する。この場合、第１の増幅器１３で増幅された信号の最大値が飽和判定閾値ｖ_３以下であるときには、この第１の増幅器１３で増幅された信号の信号データを採用する。また、第１の増幅器１３で増幅された信号の最大値が飽和判定閾値ｖ_３を超えているときには、第１の増幅器１３の出力信号は飽和している可能性があるため、第２の増幅器１４で増幅された信号の信号データを記憶部９から読み出し、これを採用する。

又は、第１の増幅器１３で増幅された信号の最大値が飽和判定閾値ｖ_３以下であり、且つ第２の増幅器１４で増幅された信号の最大値が第２の増幅器１４の第２の検出閾値ｖ_２を超えているときには、第１及び第２の増幅器１４のいずれの出力信号にも波形ピークが検出されているため、第１及び第２の増幅器１４の出力信号のうち、いずれの信号データを採用してもよく、第１の増幅器１３の出力信号の信号データを優先的に採用してもよい。なお、本実施形態においては、第１の増幅器１３で増幅された信号の最大値が飽和判定閾値ｖ_３を超えているか否かを判定し、その判定結果に基づいて第１及び第２の増幅器１３，１４のいずれの出力信号を採用するか決定する場合について説明する。

上記判定部１０に接続して波形処理部１１が設けられている。この波形処理部１１は、強度が異なる複数の信号波形が重畳された受信信号から複数の信号波形に分離すると共に、距離計測に必要な真の信号波形を選択するものであり、波形分離部１７と、波形選択部１８とを備えて構成されている。

なお、上記波形処理部１１は、公知の技術を適用することができる。即ち、波形分離部１７は、判定部１０から入力した信号波形を一次微分し、その一次微分波形の立上がり及び立下り特性と、上記一次微分波形をさらに二次微分した二次微分波形の立上がり特性とに基づいて、判定部１０から入力した信号波形（受信信号）が複数の信号波形が重畳されたものか否かを判定する。この場合、一次微分波形が予め定められた所定の閾値以下に立下がるまでに、上記閾値以上に立上がる二次微分波形が二回以上検知されると、受信信号は複数の信号波形が重畳されたものであると判定する。

さらに、上記波形選択部１８は、波形分離部１７において受信信号が複数の信号波形が重畳されたものであると判定された場合には、一次微分して得られた複数の一次微分波形の立上がり時刻を基準にして、該複数の一次微分波形の重心位置を算出し、これら重心位置に対応する時刻を上記複数の信号波形の検出時刻として求める。そして、最大ピークを示す信号波形を被測定物３からの反射信号に対応するものであるとして、この信号波形を選択する。

上記波形処理部１１に接続して距離演算部１２が設けられている。この距離演算部１２は、送信装置１の駆動回路４における駆動パルスの生成時刻と上記波形選択部１８で選択された信号波形の立上がり時刻との間の時間差Δｔを求め、
Ｄ＝Δｔ×Ｃ／２（Ｃは光速） （１）
を演算することによって、装置本体と被測定物３との間の距離Ｄを算出するものである。

次に、このように構成された測距装置の動作について説明する。図３は本発明の測距装置において、特に本発明の特徴である被測定物３で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、信号の波形ピークの検出動作を説明するフローチャートである。
先ず、図１に示す駆動回路４により矩形状の駆動パルスが生成され、該駆動パルスにより駆動されて発光素子５が発光する。これにより、パルス状の測定光Ｌ_１が発光素子５から被測定物３に向けて放射される。

発光素子５から放射された測定光Ｌ_１は、被測定物３で反射されて戻る。以下、図３を参照して本発明の技術的特徴について詳細に説明する。
先ず、ステップＳ１においては、被測定物３で反射された反射光Ｌ_２が受光素子６で受光（受信）される。これにより、受光素子６には、反射光Ｌ_２の強度に比例した光電流が流れることになる。この光電流は、図２に示す３つのトランジスタＴｒ_１，Ｔｒ_２，Ｔｒ_３を介して減衰することなく、第１及び第２の増幅器１３，１４に等しく供給される。

ステップＳ２のおいては、第１の増幅器１３に入力した受信信号（アナログ信号）が第１の増幅器１３に予め設定されたゲイン（以下「ハイゲイン」という）に応じて、第１の検出閾値ｖ_１を超えて増幅された後、第１のＡＤＣ１５によりデジタル変換される。

さらに、ステップＳ３においては、デジタル変換された受信信号の信号情報（ハイゲイン信号値ｒｈ）が時間情報と共に記憶部９のハイゲインメモリに保存される。

一方、ステップＳ４においては、第２の増幅器１４に入力した受信信号（アナログ信号）が第２の増幅器１４に予め設定されたゲイン（以下「ローゲイン」という）に応じて、第２の検出閾値ｖ_２を超えて増幅された後、第２のＡＤＣ１６によりデジタル変換される。

そして、ステップＳ５においては、デジタル変換された受信信号（ローゲイン信号値ｒｌ）が時間情報と共に記憶部９のローゲインメモリに保存される。

次に、ステップＳ６においては、先ず、記憶部９のハイゲインメモリに保存されたハイゲイン信号値ｒｈが判定部１０に読み出される。

次いで、ステップＳ７においては、上記ハイゲイン信号値ｒｈの最大値が予め設定された飽和判定閾値ｖ_３と比較され、ハイゲイン信号値ｒｈの最大値が飽和判定閾値ｖ_３以下であるか否かが判定部１０において判定される。ここで、ハイゲイン信号値ｒｈの最大値が飽和判定閾値ｖ_３以下であるときには、ステップＳ７は“ＹＥＳ”判定となって、ステップＳ８に進む。

そして、ステップＳ８においては、ハイゲイン信号値ｒｈが測距用の測定信号としてそのまま採用される。この場合、ハイゲイン信号値ｒｈは、第１の増幅器１３により第１の検出閾値ｖ_１を超えて増幅され、且つその最大値が飽和判定閾値ｖ_３以下であるため、ハイゲイン信号値ｒｈには、波形ピークが明確に存在している。

一方、ステップＳ７において、第１の増幅器１３で増幅されたハイゲイン信号値ｒｈの最大値が飽和判定閾値ｖ_３を超えていると判定されたときには、ステップＳ７は“ＮＯ”判定となって、ステップＳ９に進む。この場合、上記ハイゲイン信号値ｒｈは、受信信号の強度が大きい（被測定物３までの距離が近い、又は被測定物３の反射率が高いため反射光Ｌ_２の輝度が高い）ため、第１の増幅器１３が飽和して、図４（ａ）に示すようにハイゲイン信号値ｒｈには波形ピークが検出されない。したがって、例えば受信信号が複数波形の重畳したものであるときには、重畳した複数の波形が飽和波形に埋もれてしまい、後段の波形処理部１１において重畳波形から複数の波形に分離することができない。

そこで、本発明においては、ステップＳ７で“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ９において、記憶部９のローゲインメモリからローゲイン信号値ｒｌ（第２の増幅器１４の出力信号）を判定部１０に読み出す。

そして、ステップＳ１０に進んで、上記ローゲイン信号値ｒｌを測距用の測定信号として採用する。この場合、第２の増幅器１４のゲインは、経験則に基づいて選択された最大強度の受信信号の波形ピークが飽和することなく検出可能に設定されているため、第２の増幅器１４の出力信号であるローゲイン信号値ｒｌは、第２の検出閾値ｖ_２を超えて増幅されており、且つ飽和していない。したがって、図４（ｂ）に示すように、ローゲイン信号値ｒｌには、明確に波形ピークが存在することになる。それ故、ローゲイン信号値ｒｌを使用すれば、後段の波形処理部１１において重畳波形から複数の波形に分離することができる。

このように、本発明によれば、被測定物３で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、第１及び第２の増幅器１３，１４のいずれか一方の出力信号に波形ピークを検出することができる。したがって、受信信号が複数個所で反射された複数の反射信号が重複したものであっても、測距対象物である被測定物３からの反射光Ｌ_２による受信信号波形を分離して検出することができ、被測定物３までの距離の測定を正確に行うことができる。

以上のようにして、判定部１０において採用された信号は、波形処理部１１の波形分離部１７に入力する。波形分離部１７では、入力した信号波形を一次微分し、その一次微分波形の立上がり及び立下り特性と、上記一次微分波形をさらに二次微分した二次微分波形の立上がり特性とに基づいて、判定部１０から入力した信号波形（受信信号）が複数の信号波形が重畳されたものか否かを判定する。この場合、一次微分波形が予め定められた所定の閾値以下に立下がるまでに、上記閾値以上に立上がる二次微分波形が二回以上検知されると、受信信号は複数の信号波形が重畳されたものであると判定する。

波形分離部１７において受信信号が複数の信号波形が重畳されたものであると判定されると、波形選択部１８では、一次微分して得られた複数の一次微分波形の立上がり時刻を基準にして、該複数の一次微分波形の重心位置を算出し、これら重心位置に対応する時刻を上記複数の信号波形の検出時刻として求める。そして、最大ピークを示す信号波形を被測定物３からの反射光Ｌ_２に対応するものであるとして、この信号波形を選択する。

続いて、距離演算部１２では、送信装置１の駆動回路４における駆動パルスの生成時刻と上記波形選択部１８で選択された信号波形の立上がり時刻との間の時間差Δｔを求め、式（１）を演算することによって、装置本体と被測定物３との間の距離Ｄを算出する。

なお、波形分離部１７において、入力波形を二次微分して得られた二次微分波形が一つであるときには、受信信号は、被測定物３からの反射光Ｌ_２だけから成る単峰信号であると判定され、波形選択部１８において、上記単峰信号の一微分波形の重心位置が計算され、該重心位置に対応する時刻が被測定物３からの反射光Ｌ_２の受信時刻と判定される。したがって、距離演算部１２においては、駆動回路４における駆動パルスの生成時刻と上記受信時刻との間の時間差Δｔを求めて上記式（１）を演算し、被測定物３までの距離を算出する。

本発明によれば、被測定物までの距離の遠近、又は被測定物の反射率の高低の違いによる受信信号の大小に係らず、さらには、被測定物からの反射信号に被測定物以外の雨滴や装置本体の光学窓等からの反射信号が重畳している場合にも被測定物までの距離を正確に計測することができる。

上記実施形態においては、距離計測用の信号が光波である場合について説明したが、前述したように、測定用信号は電波であってもよい。この場合、送信装置１は、信号生成部と、信号増幅部と、送信アンテナとを備えて構成される。また、受信装置２は、受光素子６に替えて受信アンテナが使用される。

上記実施形態は、本発明が理解及び実施できる程度に概略的に示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲を逸脱しない限り種々に変更及び修正をすることができる。

１…送信装置
２…受信装置
３…被測定物
１３…第１の増幅器
１４…第２の増幅器
１０…判定部
１７…波形分離部

Claims (7)

1. 装置本体と被測定物との間の信号の往復時間に基づいて測距する測距装置であって、
   前記被測定物で反射された信号の受信強度の大きさに係らず、信号の波形ピークを検出可能な受信装置を備えた測距装置。
2. 前記受信装置は、ゲインの異なる第１及び第２の増幅器を並列に備えたことを特徴とする請求項１記載の測距装置。
3. 前記第１の増幅器のゲインは、経験則に基づいて選択された最小強度の受信信号の波形ピークが検出可能に設定され、
   前記第２の増幅器のゲインは、経験則に基づいて選択された最大強度の受信信号の波形ピークが飽和することなく検出可能に設定され、
   ていることを特徴とする請求項２記載の測距装置。
4. 前記受信装置は、前記第１及び第２の増幅器の出力信号のうち、波形ピークが検出された一方の出力信号を採用し、測距に使用することを特徴とする請求項２又は３記載の測距装置。
5. 前記受信装置は、前記第１及び第２の増幅器のいずれの出力信号にも波形ピークが検出されたときには、前記第１の増幅器の出力信号を優先的に採用し、測距に使用することを特徴とする請求項４記載の測距装置。
6. 前記受信装置は、前記第１の増幅器の出力信号の最大値が予め設定された閾値以下であるときには、前記第１の増幅器の出力信号を採用し、前記出力信号の最大値が前記閾値を超えているときには前記第２の増幅器の出力信号を採用する判定部を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の測距装置。
7. 前記受信装置は、波形ピークが検出された信号にて、受信強度が異なる複数の信号波形が重畳された前記信号から前記複数の信号波形を分離する波形分離部を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距装置。