JP3552122B2 - 時間測定方法及びこの方法を用いた時間測定装置・距離測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は比較的短かい距離を測定することに利用することができる時間測定方法及びこの時間測定方法を用いた時間測定装置及び距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば大型船舶の接岸時には自船と岸壁までの距離をセンチメートルの精度で計測し、表示できることが要求される。このような要求に対し、従来よりレーザ光をパルス状に発射し、その反射光を受光してレーザ光が物標までの間を復往する時間を計測する方法及び時間測定装置、その時間から距離を求める構造の距離測定装置が考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の時間測定装置はその測定対象となる時間が数Ｎ（ナノ）秒乃至数ｍ秒程度の極めて短かい時間である。この短かい時間を精度よく計測するには、例えばクロックをカウンタで計数する方法を採った場合には、１クロックの分解能を仮りに１０ｃｍとした場合、必要なクロックの周波数は１．５ＧＨｚとなる。このような高速クロックを計数できるカウンタを得ることはむずかしい。
【０００４】
これに対し、レーザ光の発射時点からランプ電圧発生器を起動させ、レーザ光の反射光を受光した時点でランプ電圧発生回路の動作を停止させ、その停止状態にあるランプ電圧の値から距離を測定する方式がある。この方式はＴＡＣ方式（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｃｏｍｖｅｒｔｅｒ）と呼ばれ分解能が要求される分野で実用されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
図３Ａにランプ電圧発生回路が出力するランプ電圧の波形を示す。ランプ電圧発生回路は図３Ｂに示すスタート信号ＳＴの供給を受けてランプ電圧Ｖ_ｅ の発生を開始する。然し乍ら、図示するように現実にはスタート信号ＳＴの供給時点から実際にランプ電圧Ｖ_ｅ が変化し始めるまでに遅れ時間Δｔを持つ。この遅延時間Δｔは一般に数ｎｓ〜１０数ｎｓ程度である。遅延時間Δｔが常に一定値であれば測定された時間から遅延時間Δｔを除去すればよい。然し乍ら、実際には電源投入時や環境温度の変化等で最大１０ｎｓ程度変動する。光速を測定対象とした場合、１０ｎｓの変動は約１．５ｍの距離の誤差に相当し、ＴＡＣ方式の特徴である高分解能を相殺する。
【０００６】
また、ランプ電圧Ｖ_ｅ の立ち上がり初期において直線性が悪く、これはスタート信号ＳＴ直後の時間測定に誤差が大きく出ることを意味する。この直線性の悪化状態はランプ電圧発生回路を構成する定電流回路の温度特性等によって変動し、一定でないため一義的な補正は難かしい。
更に、ランプ電圧Ｖ_ｅ はストップ信号ＳＰ（図３Ｃ）が無である場合には、定電流回路の最大電圧付近で飽和する。飽和電圧付近では若干直線性が悪く、この部分でも測定誤差が発生する。また、従来はランプ電圧Ｖ_ｅ が飽和するだけで測定限界を越えてしまったことを表わす信号を発生していないため、飽和点近くでストップ信号ＳＰが入力された場合、ストップ信号でランプ電圧Ｖ_ｅ が停止したのか、飽和点に達して停止したのかを判別できない不都合がある。
【０００７】
この発明の目的は時間の測定開始時点から遅延時間を含むことなく直ちに直線性よく時間の経過を計測することができる時間測定方法と時間測定装置及びこの時間測定装置を利用した距離測定装置を提供しようとするものである。
また、この発明では、時間測定の終了点近くでも直線性を維持し、誤差の発生を極力小さく抑えることができる構成とした時間測定装置及び距離測定装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【実施例】
図１を用いてこの発明による時間測定方法を説明する。この発明では、スタート信号ＳＴ（図１Ｂ参照）の供給により起動されたランプ電圧Ｖ_ｅ が、その直線特性部分の下限電圧Ｖ_ｅ１を横切ったことを検出し、この検出時点を時間測定開始点Ｔ_Ｓ と定めたことを特徴とするものである。更には、ランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分の上限電圧Ｖ_ｅ２を検出し、この検出時点Ｔ_Ｅ を時間測定のオーバーレンジ検出点と定める。
【０００９】
従ってこの発明による時間測定方法によれば時間測定の開始点Ｔ_Ｓ とオーバーレンジ検出点Ｔ_Ｅ との間はランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分だけを利用するから、時間測定の開始直後から精度よく時間測定を行なうことができる。
図２はこの時間測定方法を実現する測定装置の具体的な実施例を示す。図中１０はランプ電圧発生回路を示す。このランプ電圧発生回路１０は定電流回路１１と、この定電流回路１１から出力される定電流が与えられて充電されるコンデンサ１２と、２個のフリップフロップＦＦ_１ 及びＦＦ_２ とによって構成される。
【００１０】
定電流回路１１とコンデンサ１２との接続点Ａ点にランプ電圧Ｖ_ｅ が出力される。
フリップフロップＦＦ_１ とＦＦ_２ は通常リセット信号によってリセットされている。フリップフロップＦＦ_１ はランプ電圧発生回路１０を起動させる制御を行なう。またフリップフロップＦＦ_２ はランプ電圧発生回路１０の動作を停止させる制御を行なう。これらフリップフロップＦＦ_１ とＦＦ_２ は常時はリセット信号によってリセットされている。
【００１１】
フリップフロップＦＦ_１ とＦＦ_２ がリセットされている状態ではフリップフロップＦＦ_２ の出力端子Ｑ_１ がＬ論理を出力するから定電流回路１１に設けられているトランジスタＴｒ_３とＴｒ_４がオフに、トランジスタＴｒ_５がオンに制御される。従って定電流Ｉ_ｃ は出力点Ａに出力される。
ところでフリップフロップＦＦ_１ がリセットされていることからこのフリップフロップＦＦ_１ の出力端子Ｑ_１ に接続されているトランジスタＴｒ_１がオフに制御され、その次段のトランジスタＴｒ_２はオンに制御される。この結果、定電流回路１１から出力される定電流Ｉ_ｃ はトランジスタＴｒ_２に流れ込み、出力点Ａの電位を一定電位に維持する。
【００１２】
この状態でフリップフロップＦＦ_１ のクロック入力端子にスタート信号ＳＴが与えられるとフリップフロップＦＦ_１ はデータ入力端子Ｄに接続されているＨ論理を流込む。この結果、出力端子Ｑ_１ はＨ論理に反転するから、トランジスタＴｒ_１がオンに制御され、トランジスタＴｒ_２がオフに制御される。よってトランジスタＴｒ_２がオフに反転した時点からコンデンサ１２に定電流Ｉ_ｃ が流れ始め、Ａ点の電位はコンデンサ１２の充電の進行に伴なって漸次上昇し、ランプ電圧Ｖ_ｅ が発生する。
【００１３】
この発明ではＡ点に電圧比較器２０を接続した構成を特徴とするものである。電圧比較器２０の一方の入力端子には比較電圧源２１を接続し、この比較電圧源２１からランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分の下限電圧Ｖ_ｅ１に等しい電圧を与える。比較電圧源２１の電圧を電圧比較器２０の反転入力端子に与えたとすると、電圧比較器２０の出力はランプ電圧Ｖ_ｅ が電圧Ｖ_ｅ１より下側にある間はＬ論理を出力し続けるが、ランプ電圧Ｖ_ｅ が電圧Ｖ_ｅ１を越えると、Ｈ論理に反転し、ランプ電圧Ｖ_ｅ が電圧Ｖ_ｅ１を横切ったことを表わす検出信号Ｖ_ＴＳを出力する。
【００１４】
この検出信号Ｖ_ＴＳを例えばレーザ光源６０に与え、レーザ光源６０からレーザ光をパルス状に出射させる。レーザ光は物標６１において反射し、受光器６２に受光させる。受光器６２では光を電気信号に変換し、この電気信号Ｒ_Ｘ をフリップフロップＦＦ_２ のクロック入力端子に入力する。
フリップフロップＦＦ_２ はデータ入力端子Ｄに与えられているＨ論理を読み込む、従って出力端子Ｑ_１ がＨ論理に反転するから、トランジスタＴｒ_３がオンの状態に反転し、トランジスタＴｒ_４をオンの状態に反転させる。この結果トランジスタＴｒ_５がオフに制御され、定電流Ｉ_ｃ はトランジスタＴｒ_４に流れ出力点Ａには流れない状態となる。従ってＡ点の電位は受光器６２が反射光を受光した時点の電位に停止する。
【００１５】
一方フリップフロップＦＦ_２ の状態が反転すると、出力端子Ｑ_２ に接続されているサンプルホールド回路４１にトリガ信号が与えられる。よってサンプルホールド回路４１はランプ電圧Ｖ_ｅ の停止時点の電圧をサンプルホールドする。これと共に、フリップフロップＦＦ_２ の出力端子Ｑ_２ から出力されたトリガ信号は遅延素子４２を通じてＡＤ変換器４０に入力されるから、ＡＤ変換器４０は遅延素子４２の遅延時間後に、サンプルホールド回路４１にサンプルホールドされている電圧をＡＤ変換し、そのＡＤ変換値Ｅ_ｘ を例えばマイクロコンピュータによって構成される演算制御器５０に入力する。
【００１６】
演算制御器５０はＡＤ変換器４０から入力されたＡＤ変換値Ｅ_ｘ から比較電圧源２１に設定した電圧Ｖ_ｅ１を引算し、その残りの値を時間値又は距離値に換算して表示器５１に表示させる。ＡＤ変換器４０はＡＤ変換終了後、変換終了信号ＡＤＥＮＤを出力し、この変換終了信号ＡＤＥＮＤをフリップフロップＦＦ_１ ，ＦＦ_２ のリセット端子Ｒに与え、ランプ電圧発生回路１０を初期状態に戻す。
【００１７】
標的６１が離れ過ぎている場合は、所定の時間範囲内にレーザ光が戻ってこないことになる。このためランプ電圧Ｖ_ｅ が飽和点に達することになるが、この発明ではランプ電圧Ｖ_ｅ が飽和点に達する前に、ランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分の上限電圧Ｖ_ｅ２を電圧比較器３０によって検出し、その検出信号によって測定のオーバレンジ検出信号ＥＮＤを発生させる。このために電圧比較器３０の一方の入力端子に比較電圧源３１を接続し、この比較電圧源３１から比較電圧Ｖ_ｅ２を電圧比較器３０に与えてランプ電圧Ｖ_ｅ がこの電圧Ｖ_ｅ２を横切ったことを検出させる。その検出信号をオーバレンジ検出信号ＥＮＤとして演算制御器５０とオアゲート３２を通じてフリップフロップＦＦ_１ ，ＦＦ_２ に入力し、測定のための制御状態を初期状態に戻す。
【００１８】
尚、図２に示した実施例では電圧比較器２０の検出信号Ｖ_ＴＳをレーザ光源６０に供給し、その反射光を受光器６２で受光して距離を測定する構成とした場合を説明したが、他の例として検出信号Ｖ_ＴＳで例えば表示ランプを点灯させ、表示ランプの点灯を見て、被験者が例えばブレーキペタル操作を行なってその操作遅れ時間を計測する時間測定装置を構成することもできる。また距離測定装置を構成する場合、レーザ光の代わりに電波を用いることもできる。このため本件明細書ではレーザ光、電波を総称して波動と称することにする。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によればランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分の下限電圧Ｖ_ｅ１を検出し、この下限電圧Ｖ_ｅ１の検出時点を時間測定の開始点Ｔ_Ｓ としたから、この時間測定の開始点Ｔ_Ｓ の直後から精度よく時間測定を行なうことができる。また、ランプ電圧Ｖ_ｅ の直線特性部分の上限電圧Ｖ_ｅ２を検出して測定限界点を知る構成としたから、測定範囲内では全て直線特性を使用することにより、測定範囲の全範囲において高精度を保証することができる。
【００２０】
また、ランプ電圧Ｖ_ｅ を測定対象信号で停止させＡＤ変換するから、ＡＤ変換器のビット数を多ビット化し、電圧変化を分解能よくＡＤ変換することにより、時間測定の分解能を高めることができる。よって、この時間測定方法及び時間測定装置を用いて距離測定装置を構成することにより、高分解能の距離測定装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による時間測定方法を説明するための特性曲線図。
【図２】この発明による時間測定方法を用いた時間・距離測定装置を説明するための接続図。
【図３】従来の技術を説明するための特性曲線図。
【符号の説明】
Ｖ_ｅ ランプ電圧
Ｖ_ｅ１ 直線特性の下限電圧
Ｖ_ｅ２ 直線特性の上限電圧
１０ ランプ電圧発生回路
２０，３０ 電圧比較器
４０ ＡＤ変換器

Claims (5)

1. 測定開始点のランプ電圧と、測定終了点のランプ電圧の差を測定して測定開始点と測定終了点の間の時間を計測する時間測定方法において、
   ランプ電圧が、その直線特性部分の下限電圧に対応する電圧を横切ったことを検出し、この検出時点を時間測定の開始点と定めたことを特徴とする時間測定方法。
2. スタート信号によりランプ電圧発生回路を起動し、ストップ信号によりランプ電圧発生回路の動作を停止させ、停止したランプ電圧の値によりスタート信号の供給時点からストップ信号の供給時点までの間の時間を測定する時間測定装置において、
   上記ランプ電圧発生回路から出力されるランプ電圧がこのランプ電圧の直線特性の下限電圧を横切ることを検出する比較器を設け、この比較器の検出信号により実質上の時間測定を開始する構成としたことを特徴とする時間測定装置。
3. スタート信号によりランプ電圧発生回路を起動し、ストップ信号によりランプ電圧発生回路の動作を停止させ、停止したランプ電圧の値によりスタート信号の供給時点からストップ信号の供給時点までの間の時間により距離を測定する距離測定装置において、
   上記ランプ電圧発生回路から出力されるランプ電圧がこのランプ電圧の直線特性の下限電圧を横切ることを検出する比較器を設け、この比較器の検出信号により波動を発射させ、物標で反射した波動を受信し、この受信信号を上記ストップ信号として上記ランプ電圧発生器に与えて物標までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。
4. 請求項２記載の時間測定装置において、上記ランプ電圧発生回路が発生するランプ電圧が直線特性の上限電圧に達したことを検出する上限電圧検出用の電圧比較器を設け、この電圧比較器の検出信号により測定のオーバレンジを検出することを特徴とする時間測定装置。
5. 請求項３記載の距離測定装置において、上記ランプ電圧発生回路が発生するランプ電圧が直線特性の上限電圧に達したことを検出する上限電圧検出用の電圧比較器を設け、この電圧比較器の検出信号により測定のオーバレンジを検出することを特徴とする距離測定装置。

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