JP4837413B2 - Ranging method and ranging device - Google Patents
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Description
本発明は、光の投受光に基づいて測定対象物までの距離を測定する測距方法および測距装置に関する。 The present invention relates to a distance measuring method and a distance measuring apparatus that measure a distance to a measurement object based on light projection and reception.
周知のように、光を利用した測距装置としては、投光部からインパルス光を測定対象物に対して出射すると共に、測定対象物で反射したインパルス光を受光部で受光し、インパルス光を投光してから受光するまでの時間差に基づいて測定対象物までの距離を測定するように構成されたものが広く利用されている。 As is well known, as a distance measuring device using light, the impulse light is emitted from the light projecting unit to the measurement object, the impulse light reflected by the measurement object is received by the light receiving unit, and the impulse light is received. A device that is configured to measure the distance to a measurement object based on a time difference from light projection to light reception is widely used.
この種の測距装置において、インパルス光の投受光の時間差は、投光部からのインパルス光の出射タイミングを決定するトリガ信号の発生タイミングと、測定対象物で反射したインパルス光が受光部に受光されたときに受光部から出力される受光信号の発生タインミングとの時間差として求められる場合がある。この場合、トリガ信号と受光信号は、個別の信号であるため、双方の発生タイミングの時間差は、例えば下記の特許文献1に開示されている様に、カウンタ回路により計測されるのが一般的である。具体的には、まず、トリガ信号が生成されると同時にそのトリガ信号がカウンタ回路に入力され、カウンタ回路は周波数発生器から供給されるクロックパルスのカウントを開始する。その後、受光信号が生成されると同時にその受光信号がカウンタ回路に入力され、カウンタ回路はクロックパルスのカウントを終了する。そして、カウンタ回路は、カウントを開始してから停止するまでのクロックパルスのカウントの計数値から、トリガ信号と受光信号の発生タイミングの時間差を計測する。
しかしながら、上述のように、カウンタ回路によってトリガ信号と受光信号の発生タイミングの時間差を測定する測距装置では、測定対象物までの距離測定精度がクロックパルスの周波数に大きく依存してしまう。したがって、高精度な距離計測を実現するためには、クロックパルスの周波数を上げることが必要不可欠となるが、そうするとカウンタ回路や、周波数発生器等の周辺回路類に高速応答可能な素子を使用しなければならず、コストの高騰を招くばかりでなく、煩雑な処理が強いられ、コスト面や技術面で実用的なものではない。 However, as described above, in the distance measuring device that measures the time difference between the generation timing of the trigger signal and the received light signal by the counter circuit, the distance measurement accuracy to the measurement object greatly depends on the frequency of the clock pulse. Therefore, in order to realize highly accurate distance measurement, it is essential to increase the frequency of the clock pulse, but if this is done, elements that can respond quickly to peripheral circuits such as counter circuits and frequency generators are used. In addition to causing an increase in cost, complicated processing is required, which is not practical in terms of cost and technology.
そこで、カウンタ回路を使用せずに、トリガ信号と受光信号の発生タイミングの時間差を、演算処理により直接求めるように測距装置を構成することも考えられる。この場合には、演算処理前にトリガ信号と受光信号のデジタル化が行われるが、それぞれ個別の信号であるため、双方の信号に対応したAD変換器や、信号処理回路等が別途必要となり、信号処理系統における信号処理が煩雑なものとなる。特に、AD変換器は、高価であると共に機器毎に温度変化や変換精度にばらつきがあるため、個別のAD変換器を使用した場合には、距離計測に誤差を生じる大きな要因となる。したがって、かかる構成を備えた測距装置であっても、高精度な距離計測を実現することは困難なものとなる。 Therefore, it is also conceivable to configure the distance measuring device so as to directly obtain the time difference between the generation timing of the trigger signal and the received light signal by the arithmetic processing without using the counter circuit. In this case, the trigger signal and the light reception signal are digitized before the arithmetic processing, but since each is a separate signal, an AD converter corresponding to both signals, a signal processing circuit, etc. are required separately. The signal processing in the signal processing system becomes complicated. In particular, the AD converter is expensive and has a variation in temperature and conversion accuracy for each device. Therefore, when individual AD converters are used, it becomes a major factor that causes an error in distance measurement. Therefore, even with a distance measuring device having such a configuration, it is difficult to realize highly accurate distance measurement.
本発明の課題は、トリガ信号と受光信号に基づいて測定対象物までの距離を高精度に計測することにある。 The subject of this invention is measuring the distance to a measuring object with high precision based on a trigger signal and a light reception signal.
上記課題を解決するために創案された本発明に係る測距方法は、トリガ信号を生成すると共に、該トリガ信号を起点として投光部からインパルス光を出射する出射工程と、前記投光部から出射され測定対象物で反射した前記インパルス光を受光部で受光して受光信号を生成する受光工程と、前記トリガ信号と前記受光信号を単一の時間軸に沿って連続する一の信号に合成してなる合成信号を生成する合成工程と、該合成信号における前記トリガ信号および前記受光信号の前記時間軸上での立ち上がり位置に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する演算工程を含むことに特徴付けられる。 The distance measuring method according to the present invention, which was created to solve the above-described problems, generates a trigger signal, emits impulse light from the light projecting unit using the trigger signal as a starting point, and the light projecting unit. A light receiving step of generating a light reception signal by receiving the impulse light emitted and reflected by the measurement object by a light receiving unit, and combining the trigger signal and the light reception signal into one signal continuous along a single time axis And a calculation step of calculating a distance to the measurement object based on a rising position on the time axis of the trigger signal and the light reception signal in the combination signal. Characterized by
このような方法によれば、トリガ信号と受光信号が、単一の時間軸に沿って連続する一つの合成信号に合成されるため、かかる合成信号から演算処理により直接距離を求める場合であっても、信号のデジタル化を行うA/D変換器や、デジタル化された信号の信号処理回路等を一つにし、信号処理系統を単一化することができる。したがって、トリガ信号と受光信号を個別に演算処理した場合のように、信号処理系統の性能のばらつきによって演算距離に誤差が生じることがなく、高精度な距離計測を実現することが可能となる。 According to such a method, since the trigger signal and the light receiving signal are combined into one combined signal that is continuous along a single time axis, the distance is directly obtained by calculation processing from the combined signal. However, the A / D converter that digitizes the signal, the signal processing circuit for the digitized signal, and the like can be combined into a single signal processing system. Therefore, unlike the case where the trigger signal and the light reception signal are separately calculated, there is no error in the calculation distance due to variations in the performance of the signal processing system, and highly accurate distance measurement can be realized.
上記の方法において、前記トリガ信号の生成前に前記受光部から出力されるノイズ信号に基づいて、前記合成信号における前記トリガ信号および前記受光信号の立ち上がり位置を検出するための信号検出閾値を設定する閾値設定工程を更に含むことが好ましい。 In the above method, based on a noise signal output from the light receiving unit before generating the trigger signal, a signal detection threshold for detecting the trigger signal and the rising position of the light receiving signal in the composite signal is set. It is preferable to further include a threshold setting step.
このようにすれば、ノイズ信号に応じて信号検出閾値を適宜最適な値に調整することが可能となるため、ノイズ信号を、トリガ信号や受光信号として誤検出する割合を確実に低減することができる。さらに、トリガ信号の生成前では、パルス光が出射されることがないため、受光信号をノイズ信号の一部と誤って処理することを防ぐことができる。なお、信号処理系統の簡素化を図る観点からは、上記信号検出閾値を、合成信号におけるトリガ信号以前の信号強度に基づいて設定するようにすることが好ましい。 In this way, the signal detection threshold value can be appropriately adjusted to an optimal value according to the noise signal, so that the rate of erroneous detection of the noise signal as a trigger signal or a light reception signal can be reliably reduced. it can. Furthermore, since the pulse light is not emitted before the generation of the trigger signal, it is possible to prevent the received light signal from being erroneously processed as a part of the noise signal. From the viewpoint of simplifying the signal processing system, it is preferable to set the signal detection threshold based on the signal strength before the trigger signal in the combined signal.
上記の方法において、前記演算工程において、前記合成信号を前記時間軸に関して微分してなる微分信号を生成するようにしてもよい。 In the above method, in the calculation step, a differential signal obtained by differentiating the combined signal with respect to the time axis may be generated.
このようにすれば、合成信号に含まれる低周波ノイズが減衰すると共に、信号の変化が急峻なものとなるため、微分信号に含まれるトリガ信号および受光信号の位置を精度よく検出することができる。 In this way, the low frequency noise included in the synthesized signal is attenuated and the change of the signal becomes steep, so that the positions of the trigger signal and the light receiving signal included in the differential signal can be detected with high accuracy. .
この場合、前記トリガ信号および前記受光信号の前記時間軸上での立ち上がり位置を、前記微分信号に含まれる双方の信号の前記時間軸上での重心位置によって求めるようにしてもよい。 In this case, the rising position of the trigger signal and the light receiving signal on the time axis may be obtained from the barycentric position on the time axis of both signals included in the differential signal.
このようにすれば、演算処理が簡便となると共に、合成信号をデジタル化する際のサンプリング周期以上の測定分解能を得ることができる。また、合成信号におけるトリガ信号および受光信号の信号レベル(振幅)が変動するような場合であっても、時間軸上での各信号の立ち上がり位置に相当する微分信号の重心位置の変動は極めて小さいため、より一層高精度な距離演算を実現することができる。 In this way, the arithmetic processing becomes simple and a measurement resolution equal to or higher than the sampling period when the synthesized signal is digitized can be obtained. Even when the signal level (amplitude) of the trigger signal and the light reception signal in the composite signal varies, the variation in the barycentric position of the differential signal corresponding to the rising position of each signal on the time axis is extremely small. Therefore, it is possible to realize distance calculation with higher accuracy.
また、この種の測距方法において、測定対象物までの距離が一定であったとしても、受光部で受光されるパルス光の受光量が変動した場合には演算距離に誤差が生じることが知られている。この誤差の影響を考慮する場合には、受光信号のピーク値に応じた距離補正値を予め計測し、測距時に得られた受光信号のピーク値に応じて演算距離の補正を行うことが考えられる。しかしながら、受光信号は、通常、アンプで増幅された信号であるため、アンプが飽和状態にある場合には、受光信号のピーク値は、受光光量が変動しても略一定の値を示す。したがって、アンプが飽和状態にある場合には、受光光量と、受光信号のピーク値に一定の相関関係が成立せず、演算距離を的確に補正することが困難となる。 Also, in this type of distance measurement method, it is known that even if the distance to the measurement object is constant, an error occurs in the calculation distance when the amount of received pulsed light received by the light receiving unit varies. It has been. When considering the effect of this error, it is considered that the distance correction value corresponding to the peak value of the received light signal is measured in advance and the calculation distance is corrected according to the peak value of the received light signal obtained during distance measurement. It is done. However, since the light reception signal is usually a signal amplified by an amplifier, when the amplifier is in a saturated state, the peak value of the light reception signal shows a substantially constant value even if the amount of received light varies. Therefore, when the amplifier is in a saturated state, a constant correlation is not established between the amount of received light and the peak value of the received light signal, and it is difficult to accurately correct the calculation distance.
そこで、上記事項を考慮する場合には、上記の方法において、前記演算工程で、前記合成信号における前記受光信号を前記時間軸に関して積分すると共に、得られた積分値に基づいて前記演算された距離を補正する補正工程を更に含むようにすることが好ましい。 Therefore, when considering the above items, in the above method, in the calculation step, the received light signal in the composite signal is integrated with respect to the time axis, and the calculated distance is based on the obtained integrated value. It is preferable to further include a correction step for correcting.
アンプが飽和状態にある場合には、受光部で受光される受光量が変動した場合であっても、その受光信号の信号レベルは略一定であるが、受光信号の波形形状は受光量の変動に応じて所定の変化を示す。そのため、上記積分値は、受光光量のピーク値に対し、一定の相関関係となるため、受光信号の波形形状が変化すれば、その積分値もこれに伴って変化する。したがって、予め受光信号の積分値に対応した演算距離の補正値を求めておけば、実際の測距時に、アンプが飽和状態にある場合であっても、受光信号の積分値に基づいて得られた演算距離を的確に補正することができる。もとより、アンプが非飽和状態である場合であっても、積分値により演算距離を的確に補正することはできるので、受光部で受光されるインパルス光の受光量のダイナミックレンジが大きい場合に特に有利な補正方法となる。 When the amplifier is in a saturated state, the signal level of the received light signal is substantially constant even if the received light amount received by the light receiving unit fluctuates, but the waveform shape of the received light signal varies with the received light amount. A predetermined change is shown according to For this reason, the integrated value has a certain correlation with the peak value of the amount of received light. Therefore, if the waveform shape of the received light signal changes, the integrated value also changes accordingly. Therefore, if the correction value of the calculation distance corresponding to the integrated value of the received light signal is obtained in advance, it can be obtained based on the integrated value of the received light signal even when the amplifier is saturated during actual distance measurement. It is possible to accurately correct the calculated distance. Of course, even when the amplifier is in a non-saturated state, the calculation distance can be accurately corrected by the integrated value, which is particularly advantageous when the dynamic range of the amount of impulse light received by the light receiving unit is large. Correction method.
上記の方法において、前記出射工程において、前記投光部から出射されるインパルス光を、周囲空間に走査するようにしてもよい。 In the above method, in the emission step, the impulse light emitted from the light projecting unit may be scanned in the surrounding space.
このようにすれば、周囲空間に存在する任意の測定対象物までの距離を測定することが可能となる。また、光の走査領域内における測定対象物の有無、および測定対象物が存在する場合にはその測定対象物までの距離を検出できるため、例えば特定のエリア内の安全確認を行う方法等に応用することもできる。 In this way, it is possible to measure the distance to an arbitrary measurement object existing in the surrounding space. In addition, the presence or absence of the measurement object in the light scanning area and the distance to the measurement object can be detected if the measurement object exists. For example, it can be applied to a method for confirming safety in a specific area. You can also
上記の課題を解決するために創案された本発明に係る測距装置は、トリガ信号を生成する制御部と、前記トリガ信号を起点としてパルス光を出射する投光部と、前記投光部から出射されたパルス光の前記測定対象物からの反射光を受光して受光信号を発生する受光部と、前記トリガ信号および前記受光信号を単一の時間軸に沿って連続する信号に合成してなる合成信号を生成する合成部とを備え、前記合成信号における前記トリガ信号および前記受光信号の前記時間軸上での立ち上がり位置に基づいて前記測定対象物までの距離を演算するように構成したことに特徴付けられる。 The distance measuring device according to the present invention, which was created to solve the above problems, includes a control unit that generates a trigger signal, a light projecting unit that emits pulsed light from the trigger signal, and a light projecting unit. A light receiving unit that receives reflected light of the emitted pulsed light from the measurement object and generates a light reception signal, and combines the trigger signal and the light reception signal into a signal that is continuous along a single time axis. And a combining unit that generates a combined signal, and configured to calculate a distance to the measurement object based on a rising position on the time axis of the trigger signal and the light reception signal in the combined signal Characterized by
このような構成によれば、既述の測距方法と同様の作用効果を得るための測距装置を体現することが可能となる。加えて、AD変換器や信号処理回路等の信号処理系統を単一化することが可能なことから回路構成が最小限に抑えられ、装置の小型化および低コスト化を同時に図ることが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to embody a distance measuring device for obtaining the same effect as the distance measuring method described above. In addition, since signal processing systems such as AD converters and signal processing circuits can be unified, the circuit configuration can be minimized, and it is possible to simultaneously reduce the size and cost of the device. Become.
以上のように本発明によれば、トリガ信号と受光信号を単一の時間軸上で一の信号に合成してなる合成信号に基づいて、測定対象物までの距離が演算されるため、信号処理系統を単一化し、高精度な距離測定を実現することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the distance to the measurement object is calculated based on the combined signal obtained by combining the trigger signal and the light receiving signal into one signal on a single time axis. It is possible to unify the processing system and realize highly accurate distance measurement.
本発明の一実施形態に係る測距装置を図1〜図5に基づいて説明する。 A distance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本実施形態に係る測距装置の概略構成を例示したブロック図である。同図に示すように、この測距装置1は、投光部2と、受光部3と、合成回路4と、AD変換器5と、制御部6と、距離演算部7とを主たる構成として備えている。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a distance measuring apparatus according to the present embodiment. As shown in the figure, the
投光部2は、発光素子21と、発光素子駆動回路22とから構成されている。発光素子駆動回路22は、制御部6から入力されるパルス信号であるトリガ信号S1を、発光素子21を駆動するのに必要な電流信号に変換して発光素子21に出力するようになっている。発光素子21は、入力されるトリガ信号S1を、インパルス光S2に変換して、図示しない測定対象物に対して出射するようになっている。なお、発光素子21としては、例えば半導体レーザ(LD)や、発光ダイオード(LED)等が利用される。
The
受光部3は、受光素子31と、受光回路32とから構成されている。受光素子31は、測定対象物で反射したインパルス光S3を受光して電気信号に変換すると共に、受光回路32に出力するようになっている。受光回路32は、受光素子31から入力される電気信号を増幅して受光信号S4を合成回路4に出力するようになっている。なお、受光素子31としては、例えばアバランシェフォトダイード(APD)等が利用される。
The
合成回路4は、制御部6から入力されるトリガ信号S1と、受光部3から入力される受光信号S4を、単一の時間軸に沿って連続する一の信号してなる合成信号S5を生成し、合成した合成信号S5をAD変換器5に出力するようになっている。この実施形態では、合成回路4としてアナログ回路で構成された加算回路を採用しており、トリガ信号S1と受光信号S4を、単一の時間軸に沿って順次加算することによって合成信号S5を生成するようになっている。
The synthesizing
AD変換器5は、発振器8から供給されるサンプリング周波数fsに基づいて、入力された合成信号S5をサンプリングしてデジタル信号S6に変換し、そのデジタル信号を制御部6(後述する第一のメモリ62)に出力するようになっている。なお、この実施形態では、合成信号S5は、AD変換器5に波形整形することなく入力され、直接デジタル化されるようになっている。
The
制御部6は、図2に示すように、信号生成回路61と、第一のメモリ62と、低域通過フィルタ(LPF)63と、微分回路64と、閾値設定回路65と、受光量検出回路66と、時間検出回路67と、第二のメモリ68とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
制御部6のうち、信号生成回路61は、トリガ信号S1を生成すると共に、そのトリガ信号S1を発光素子駆動回路22と合成回路4に出力するようになっている。さらに、信号生成回路61は、トリガ信号S1の生成前に、AD変換器5に変換開始信号S7を出力し、AD変換器5によって信号のデジタル化を開始させるようにもなっている。これにより、AD変換器5によってデジタル化されるデジタル信号に、トリガ信号S1発生前に受光部3から出力される外乱光等によるノイズ信号NSが含まれるようにしている(図4参照)。
In the
第一のメモリ62は、例えばRAMにより構成され、AD変換器5から入力されるデジタル信号を、各アドレスに順次記憶すると共に、記憶したデジタル信号を低域通過フィルタ63に出力するようになっている。この際、第一のメモリ62のアドレスは、AD変換器5のサンプリング周波数fsに対応して、1アドレス当たり1/fsの時間に相当するため、合成回路4で合成された合成信号の時間軸は、第一のメモリ62のアドレス上に再現されることとなる。
The
低域通過フィルタ63は、第一のメモリ62から入力されるデジタル信号に含まれる高周波ノイズを減衰すると共に、高周波ノイズを減衰したデジタル信号を、微分回路64、閾値設定回路65および受光量検出回路66にそれぞれ出力するようになっている。なお、この実施形態では、低域通過フィルタ63を通過したデジタル信号の信号波形の歪みを防止する観点から、低域通過フィルタ63として、デジタルフィルタである移動平均フィルタを使用している。
The low-
微分回路64は、低域通過フィルタ63から入力されるデジタル信号を微分して微分信号を生成し、その微分信号を時間検出回路67に出力するようになっている。
The differentiating
閾値設定回路65は、低域通過フィルタ63から入力されるデジタル信号のうち、このデジタル信号に含まれるトリガ信号S1生成前のノイズ信号NSの信号レベルの最大値から最小値を減算し、その値に基づいてトリガ信号S1および受光信号S4を検出するための第一の閾値L1を決定するようになっている。これと共に、この実施形態では、閾値設定回路65は、ノイズ信号NSの信号レベルを平均した値に基づいて、デジタル信号全体のオフセット値に対応した第二の閾値L2を決定するようにもなっている。そして、閾値設定回路65は、第一の閾値L1と第二の閾値L2を受光量検出回路66に、第一の閾値L1を時間検出回路67にそれぞれ出力するようになっている。
The
受光量検出回路66は、閾値設定回路65から入力される第一の閾値L1と第二の閾値L2に基づいて、低域通過フィルタ63から入力されるデジタル信号のうち、受光信号S4に対応したデジタル信号を積分し、その積分値を第二のメモリ68に出力するようになっている。このようにして、受光部3に受光されるインパルス光S3の受光量に相当する値を、受光信号S4の面積で定義するようになっている。
The received light
時間検出回路67は、微分回路64から入力される微分信号の中から、閾値設定回路65により入力される第一の閾値L1に基づいて、トリガ信号S1と受光信号S4の立ち上がり位置を求め、双方の立ち上がり位置の差からトリガ信号S1と受光信号S4の発生タイミングの時間差Δtを演算し、その時間差Δtを第二のメモリ68に出力するようになっている。ここで、信号の立ち上がりとは、信号が立ち上がり始める始点から、信号の頂点に至るまでの立ち上がり部分の全体を意味し、信号の立ち上がり位置は、この立ち上がり部分の特徴的な位置(例えば、前記した信号波形の始点や頂点など)により特定される。この実施形態では、時間検出回路67は、重心演算により、トリガ信号S1と受光信号S4との立ち上がり位置を、双方の信号の立ち上がりの重心位置で規定するようになっている。
The
第二のメモリ68は、例えばRAMにより構成され、時間検出回路67により入力される時間差と、受光量検出回路66により入力される積分値をそれぞれ記憶するようになっている。
The
距離演算部7は、図1および図2に示すように、制御部6の演算処理完了を受け、制御部6の第二のメモリ68に記憶された演算結果を取り込み、トリガ信号S1と受光信号S4の発生タイミングの時間差Δtに基づいて測定対象物までの距離演算するようになっている。さらに、距離演算部7は、受光信号の積分値に対応した演算距離の補正値が予め記憶されており、第二のメモリ68から取り込んだ積分値に対応する距離補正値を選択し、得られた演算距離を補正し最終的な演算距離結果を外部インターフェースに出力するようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
次に、上記のように構成された測距装置1の動作概要を説明する。
Next, an outline of the operation of the
まず、制御部6の信号生成回路61で生成された変換開始信号は、AD変換器5に出力され、AD変換器5による信号のデジタル化が開始する。その後、変換開始信号の生成から所定時間経過後、信号生成回路61でトリガ信号S1が生成され、そのトリガ信号S1が発光素子駆動回路22および合成回路4に出力される。発光素子駆動回路22はトリガ信号S1を電流に変換して発光素子21に出力し、このトリガ信号S1を起点として発光素子21からインパルス光S2が測定対象物に対して出射される。一方、測定対象物で反射したインパルス光S3は、受光素子31で受光されると共に受光信号S4に変換される。この受光信号S4は、受光回路32で増幅され、合成回路4へ出力される。
First, the conversion start signal generated by the
合成回路4は、図3に示すように、トリガ信号S1と、受光信号S2とを単一の時間軸に沿って連続する一の信号に合成してなる合成信号S5を生成する。なお、図3において、S2は発光素子21から出射されるパルス光を、S3は受光素子31に受光されるインパルス光をそれぞれ示している。
As shown in FIG. 3, the synthesizing
合成回路4で生成された合成信号S5は、AD変換器5に入力され、発振器8からのサンプリング周波数に応じてサンプリングされ、デジタル信号に変換される。合成信号S5のAD変換器5によるデジタル化は、トリガ信号S1よりも前に生成される変換開始信号を起点として開始されるので、合成信号をデジタル化したデジタル信号には、トリガ信号S1の生成前に、受光部3から出力される外乱光等によるノイズ信号NSが含まれる。
The combined signal S5 generated by the combining
制御部6は、AD変換器5から入力されるデジタル信号を全て第一のメモリ62に記憶する。その後、記憶されたデジタル信号は、低域通過フィルタ(平均移動フィルタ)63でデジタル信号に含まれる高周波ノイズが除去され、例えば、図4に示すようなデジタル信号を得る。同図において、横軸は、第一のメモリ62から読み出されるデジタル信号のサンプル順序を示し、縦軸は、低域通過フィルタ63で演算されたデジタル信号値を示す。この信号は、微分回路64、閾値設定回路65、および受光量検出回路66にそれぞれ入力される。
The
微分回路64は、入力されたデジタル信号を微分して微分信号を生成する。この微分回路64に入出力されるデジタル信号を図5(a)、(b)にそれぞれ概念的に示す。同図において、横軸は低域通過フィルタ63で演算されるサンプル順序を示し、縦軸は、デジタル信号値を示している。具体的には、例えば、図5(a)に示すデジタル信号を、k番目のデジタル信号値と、k−1番目のデジタル信号値との差分値を演算することで、図5(b)に示す微分信号を生成する。なお、この実施形態では、演算の便宜上、k番目のデジタル信号値が、k−1番目のデジタル信号値よりも小さい場合には、そのときの差分値を零にしている。このようにデジタル信号を微分(差分)すれば、デジタル信号に含まれる低周波ノイズが減衰すると共に、信号の変化が急峻なものとなるため、微分信号に含まれるトリガ信号S1と受光信号S4の検出精度の向上を図ることができる。
The
閾値設定回路65は、入力されたデジタル信号のうち、図4に示すトリガ信号S1の生成前のノイズ信号NSに基づいて、第一の閾値L1および第二の閾値L2を決定する。第二の閾値L2は、ノイズ信号NSの信号レベルの平均値に基づいて決定される。他方、第一の閾値L1は、ノイズ信号NSの信号レベルの最大値から最小値を減算し、その値に基づいて決定される。そして、閾値設定回路65は、第一の閾値L1を時間検出回路67に、第一の閾値L1と第二の閾値L2を受光量検出回路66にそれぞれ入力する。このようにすれば、外乱光等に起因したノイズ量に応じて、トリガ信号S1や受光信号S4を検出するための各閾値L1を適宜最適な値に調整することが可能となり、ノイズ信号を、トリガ信号S1や受光信号S4として誤検出する割合を確実に低減することができる。さらに、トリガ信号S1の生成前では、パルス光S2が出射されることがないため、受光信号S4をノイズ信号NSの一部と誤って処理することを防ぐことができる。
The
受光量検出回路66は、図4に示すように、低域通過フィルタ63から入力されるデジタル信号のうち、第一の閾値L1に第二の閾値L2を加算した値を、初めて越えた1つ前のデジタル信号値のサンプルから第二の閾値L2を初めて下回るデジタル信号値のサンプルまでを積分範囲R1として、デジタル信号を積分する。この際、演算される積分値からは、ノイズ信号NSの信号レベルの平均値以下の領域に対応した積分値が減算される。なお、積分値からノイズ信号NSの信号レベルの平均値以下の領域に対応した積分値を減算する替わりに、予め低域通過フィルタ63から入力されるデジタル信号値のうち、積分範囲R1に対応するデジタル信号値からノイズ信号NSの信号レベルの平均値を予め減算するようにしてもよい。このようにすれば、積分演算の簡素化を図ることができるため実用上好ましい。
As shown in FIG. 4, the received light
時間検出回路67は、微分回路64から入力される微分信号の中から、第一の閾値L1に基づいてトリガ信号S1と受光信号S4のそれぞれの立ち上がり位置に対応したサンプル位置を演算により求める。そして、演算された双方のサンプル位置の差に基づいてトリガ信号S1と受光信号S4の発生タイミングの時間差Δtを演算し、その時間差Δtを第二のメモリ68に入力する。詳述すると、時間検出回路67は、重心演算により、トリガ信号S1と受光信号S4の立ち上がり位置を、信号の立ち上がりの重心位置で求める。
The
具体的には、図5に示すように、微分信号のうち、第一の閾値L1を2回連続して越える箇所を検出し、2回目に第一の閾値を越えたアドレスの微分信号値Dnを中心として、例えば前後10点のサンプル位置(n−10〜n+10)を重心演算範囲R2として重心演算を行い、トリガ信号S1と受光信号S4の立ち上がりの重心位置を、下記の式1によりそれぞれ求める。
そして、式(1)から求められたトリガ信号S1と受光信号S4の各重心位置Pの差ΔPを求め、トリガ信号S1と受光信号S4の発生タイミングの時間差Δtを下記の式2から演算する。なお、式中のfsは、サンプリング周波数を示している。
このように、重心位置でトリガ信号S1と受光信号S4の立ち上がり位置を規定することで、信号の立ち上がり位置の演算処理が簡便となると共に、演算処理の分解能を、サンプリング周波数fs以上に上げることができる。また、合成信号におけるトリガ信号S1および受光信号S4の信号レベル(振幅)が変動するような場合であっても、時間軸上でのそれぞれの信号の立ち上がり位置に相当する微分された信号の重心位置の変動は極めて小さいため、高精度な距離演算を実現することができる。 Thus, by defining the rising position of the trigger signal S1 and the light-receiving signal S4 in the center of gravity position, the calculation of the rise position of the signal is simplified, the resolution of the calculation process, to raise more than the sampling frequency f s Can do. Further, even when the signal levels (amplitudes) of the trigger signal S1 and the light reception signal S4 in the composite signal vary, the barycentric position of the differentiated signal corresponding to the rising position of each signal on the time axis Since the fluctuation of is extremely small, highly accurate distance calculation can be realized.
制御部6は、上記の演算が全て終了すると、距離演算部7に演算終了を通知する。通知を受けた距離演算部7は、制御部6の第二のメモリ68に記憶された演算結果を取り込んで、演算結果に含まれる時間差Δtに基づいて測定対象物までの距離を演算する。具体的には、測定対象物までの距離をL、光速をCとすると、測定対象物までの距離Lは、下記の式3により演算される。
また、距離演算部7は、受光信号S4の積分値に対応した演算距離の補正値が予め記憶されており、第二のメモリ68から取り込んだ積分値に対応する距離補正値を選択し、得られた演算距離を補正する。このようにすれば、アンプ(受光回路32)が飽和した場合であっても、受光部3に受光されるパルス光の受光量と受光信号の積分値との間に一定の相関があるため、式3により得られた演算距離を的確に補正することができる。したがって、受光部3で受光されるパルス光S3の受光量のダイナミックレンジが大きい場合に有利な補正方法となる。
In addition, the
以上のように、本実施形態の測距装置1によれば、トリガ信号S1と受光信号S4が、単一の時間軸に沿って連続する一の合成信号S5に合成されるため、かかる合成信号S5から演算処理により直接距離を求める場合であっても、信号のデジタル化を行うA/D変換器や、デジタル信号を処理する信号処理回路等を一つにし、信号処理系統の単一化を図ることができる。したがって、トリガ信号S1と受光信号S4を個別に演算処理した場合のように、信号処理系統の性能のばらつきによって演算距離に誤差が生じることがなく、高精度な距離計測を実現することが可能となる。これと共に、回路構成の簡略化が可能であるため、装置の小型化やコストの削減を図ることが可能となり実用上極めて有利となる。
As described above, according to the
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。 In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various deformation | transformation is possible.
上記の実施形態では、トリガ信号と受光信号の立ち上がり位置を、信号の立ち上がりの重心位置により決定するものを説明したが、トリガ信号と受光信号の立ち上がり位置を、例えば、信号の立ち上がりを直線近似又は多項式近似して、その近似線と合成信号のオフセット線との交点の位置によって決定してもよい。 In the above embodiment, the trigger signal and the light reception signal rise position are determined by the center of gravity position of the signal rise, but the trigger signal and the light reception signal rise position, for example, the signal rise is linearly approximated or Polynomial approximation may be performed and determined by the position of the intersection of the approximate line and the offset line of the composite signal.
また、上記の実施形態では、投光部2から出射されるインパルス光S2を、測定対象物に対して直接照射する場合を説明したが、投光部2から出射されるインパルス光S2を回転ミラーによって周囲空間に走査すると共に、共通の回転ミラー又はこの回転ミラーに同期した別の回転ミラーによって測定対象物で反射したインパルス光S3を受光部3に入射させるようにしてもよい。この場合、投光部2におけるトリガ信号S1に対するインパルス光S2の時間遅延等の影響を考慮する場合には、走査領域の一部区間に、投光部2と受光部3を一定の光路長で光学的に連結する基準反射板を配置して、かかる基準反射板までの距離を演算し、この演算距離を上述の演算距離から減算することにより、温度により発生する投光部2および受光部3での光電変換の遅延時間の変動を補正するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the measurement object is directly irradiated with the impulse light S2 emitted from the
1 測距装置
2 投光部
21 発光素子
22 発光素子駆動回路
3 受光部
31 受光素子
32 受光回路
4 合成回路
5 AD変換器
6 制御部
61 信号生成回路
62 第一のメモリ
63 低域通過フィルタ
64 微分回路
65 閾値設定回路
66 受光量検出回路
67 時間検出回路
68 第二のメモリ
7 距離演算部
8 発振器
S1 トリガ信号
S2、S3 インパルス光
S4 受光信号
S5 合成信号
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記投光部から出射され測定対象物で反射した前記インパルス光を受光部で受光して受光信号を生成する受光工程と、
前記トリガ信号と前記受光信号を単一の時間軸に沿って連続する一の信号に合成してなる合成信号を生成する合成工程と、
該合成信号における前記トリガ信号および前記受光信号の前記時間軸上での立ち上がり位置に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する演算工程を含むことを特徴とする測距方法。 An emission step of generating a trigger signal and emitting impulse light from the light projecting unit starting from the trigger signal;
A light receiving step of generating a light reception signal by receiving the impulse light emitted from the light projecting unit and reflected by the measurement object by a light receiving unit;
A synthesis step of synthesizing the trigger signal and the light reception signal into a single signal continuous along a single time axis;
A ranging method comprising: calculating a distance to the measurement object based on a rising position of the trigger signal and the received light signal on the time axis in the combined signal.
前記トリガ信号を起点としてインパルス光を出射する投光部と、
該投光部から出射されたインパルス光の測定対象物からの反射光を受光して受光信号を発生する受光部と、
前記トリガ信号および前記受光信号を単一の時間軸に沿って連続する信号に合成してなる合成信号を生成する合成部とを備え、
前記合成信号における前記トリガ信号および前記受光信号の前記時間軸上での立ち上がり位置に基づいて前記測定対象物までの距離を演算するように構成したことを特徴とする測距装置。 A control unit for generating a trigger signal;
A light projecting unit that emits impulse light starting from the trigger signal;
A light receiving unit that receives reflected light from the measurement object of the impulse light emitted from the light projecting unit and generates a light reception signal;
A combining unit that generates a combined signal formed by combining the trigger signal and the light receiving signal into a signal continuous along a single time axis;
A distance measuring apparatus configured to calculate a distance to the measurement object based on a rising position on the time axis of the trigger signal and the light reception signal in the combined signal.
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