JP6675901B2 - パルス信号の処理装置およびパルス信号の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルス信号を扱う技術に関する。

パルス光を用いて距離を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この技術では、パルス幅の小さいパルス光を用いた方が高い測距精度が得られる。この技術では、測距対象物から反射してきた測距用のパルス光と、装置内の内部光路を伝搬した参照用のパルス光との間の位相差を検出し、この位相差から距離の算出が行われる。

特開２０１３−１１５５８号公報

検出したパルス光を処理するために、受光素子の出力をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換する必要がある。ところで、パルス幅が小さくなると、その分Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周波数を高くする必要がある。例えば、パルス幅が１００ピコ秒である場合、この波形をサンプリングするには、サンプリング周波数が数十ＧＨｚ以上、アナログ入力帯域が少なくとも５ＧＨｚ以上のＡ／Ｄコンバータが必要になる。このようなＡ／Ｄコンバータは、入手が困難であり、また仮に入手できたとしても高コスト、高消費電力で発熱量が多く使用条件に制約があるといった問題がある。

このような背景において、本発明は、低コストで短いパルス幅の信号を処理する技術を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、特定の単一のパルス波形が複数に分岐されて複数の分岐パルス波形とされ、前記複数の分岐パルス波形のそれぞれを伝送し、順次特定の間隔で遅延を生じさせる複数の伝送線路を有する伝送線路群と、前記伝送線路群を伝送した前記複数の分岐パルス波形を合成し、前記複数の分岐パルス波形が時間軸上において前記特定の間隔で並んだ合成信号を得る合成部と、前記合成信号に対してサンプリングを行うＡ／Ｄコンバータとを備え、前記Ａ／Ｄコンバータは、前記複数の分岐パルス波形の異なる部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理装置である。

請求項２に記載の発明は、特定の単一のパルス波形を少なくとも２経路に分岐し同一波形を有する第１の分岐パルス波形および第２の分岐パルス波形を得る分岐部と、前記第１の分岐パルス波形が伝送される第１の伝送線路と、前記第２の分岐パルス波形が伝送され、前記第１の伝送線路とは電気的な線路長が異なる第２の伝送経路と、前記第１の伝送線路を伝送した前記第１の分岐パルス波形と前記第２の伝送線路を伝送した前記第２の分岐パルス波形とを合成し、合成信号を得る合成部と、前記合成信号が入力されるＡ／Ｄコンバータとを備え、前記第１の分岐パルス波形と前記第２の分岐パルス波形は、前記Ａ／Ｄコンバータに異なるタイミングで到達し、前記Ａ／Ｄコンバータは、前記第１の分岐パルス波形の時間軸上における第１の部分のサンプリングと、前記第２の分岐パルス波形の時間軸上における前記第１の部分と異なる第２の部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記合成信号において、時間軸上で隣接する２つの分岐パルス波形は、Ｔ１の時間差を有し、前記Ａ／Ｄコンバータにおけるサンプリング間隔はＴ２であり、前記２つの分岐パルス波形のパルス幅はＴ_０であり、ｎ＞２として、（Ｔ２−Ｔ１）×ｎ＝Ｔ_０を満たすことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記Ａ／Ｄコンバータにおいて、前記特定の単一パルス波形を時間軸上の前記ｎ個の点でサンプリングした場合と等価な処理が行なわれることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、特定のパルス波形が複数に分岐されて複数の分岐パルス波形とされ、前記複数の分岐パルス波形のそれぞれを、順次特定の間隔で遅延を生じさせる複数の伝送線路に伝送させ、前記複数の伝送線路を伝送した前記複数の分岐パルス波形を合成し、前記複数の分岐パルス波形が時間軸上において前記特定の間隔で並んだ合成信号を得、前記合成信号に対してＡ／Ｄコンバータにおいてサンプリングを行い、前記Ａ／Ｄコンバータで、前記複数の分岐パルス信号の異なる部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理方法である。

本発明によれば、低コストで短いパルス幅の信号を処理する技術が得られる。

実施形態の概念図である。 実施形態におけるパルス波形のサンプリングの原理を示す説明図である。 パルス波形のサンプリングの原理を示す説明図である。 実施形態における波形の関係を説明する説明図である。

図１は、距離測定装置１００の概念図である。距離測定装置１００は、フォトダイオード等の受光素子１０１を備えている。受光素子１０１は、パルス光を受光する。パルス光のパルス幅は、例えば１００ピコ秒程度である。勿論、パルス光のパルス幅は１００ピコ秒より短くてもよく、また長くてもよい。受光素子１０１の出力は、アンプ１０２で増幅され、分岐部１０３で複数に分岐されてマイクロストリップパターン１０４に入力される。

マイクロストリップパターン１０４は、分岐部１０３から複数の伝送線路に分岐された構造を有する。複数の伝送経路は、それぞれが異なる電気的な線路長（信号が伝わる経路の長さ）を有する個別パターン１０４ａ，１０４ｂ・・・により構成されている。伝送線路の数は、２以上が選択される。伝送線路のそれぞれは、伝送されたパルス波形の位相が等間隔でずれるように、電気的な線路長が少しずつ異なるように構成されている。電気的な線路長を異ならせる方法としては、ストリップパターンの長さで調整する方法、導電体の材質や基板の誘電率で調整する方法、これらの方法の組み合わせが挙げられる。

マイクロストリップパターン１０４に入力した信号は、分岐部１０３で分岐された後に符号１０４ａ，１０４ｂ・・で示される個別パターンを伝送し、更にバッファアンプ１０５ａ、１０５ｂ・・・を通過した後に合成部１０６で合成される。個別パターン１０４ａ，１０４ｂを個別に伝送したパルス波形は、位相が少しずつ等間隔で遅延し時間軸上の位置がずれる。

例えば、個別パターン１０４ａを伝送したパルス波形と個別パターン１０４ｂを伝送したパルス波形は、遅延する時間が異なるので、合成すると、時間軸上で２つのパルス波形が並んだ合成信号（合成波形）が得られる。ここで、個別パターンを７つ用意し、各個別パターンでの遅延が同じ間隔で生じるように、７つの個別パターンの電気的な線路長を設定することで、図２（ａ）に示すような合成信号が得られる。

この例では、個別パターン１０４ａ，１０４ｂ・・・の電気的な線路長を調整し、合成部１０６で合成された合成波形において、符号１０７のような時間軸上に複数のパルス波形が等間隔で並ぶ合成信号の信号波形となるようにしている。

合成部１０６で合成された信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０８でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄコンバータ１０８におけるパルス波形のサンプリングは、以下のようにして行われる。図２には、Ａ／Ｄコンバータ１０８に入力する波形（ａ）とＡ／Ｄコンバータ１０８のサンプリングクロックの波形（ｂ）が示されている。Ａ／Ｄコンバータ１０８におけるサンプリングは、サンプリングクロックの矩形波形の立ち上がりのタイミングで行われる。

図２に示すパルス波形を単体でサンプリングしようとする場合、サンプリングクロックの周波数が低すぎ（逆に言うと、パルス波形のパルス幅が短すぎ）、一つのパルス波形で一つのサンプリング点しか確保できず（タイミングによっては、サンプリングできない場合も考えられる）、パルス波形の正確なサンプリングは不可能である。

本実施形態では、サンプリング周波数と時間軸上に並ぶ複数のパルス波形が図２に示すタイミングの関係になるように複数の個別パターンの電気的な線路長を設定している。この例では、伝送線路長が相対的に短い第１の個別パターンを伝送したパルス波形１０７ａと伝送線路長が相対的に長い第２の個別パターンを伝送したパルス波形１０７ｂが、繰り返し生じるサンプリングクロックの異なる立ち上がりの部分に現れ、しかもサンプリングクロックに対する相対的な時間軸上における位置がずれるように、マイクロストリップパターン１０４を構成する複数の個別パターンの電気的な線路長を設定している。

すなわち、時間軸上で繰り返し現れるパルス波形の周期Ｔ１に対して、サンプリングクロックの周期Ｔ２が、Ｔ１＜Ｔ２であり、且つ、（ａ）のパルス波形のパルス幅をＴ_０として、ｎ＞２、好ましくｎは２以上の自然数として、（Ｔ２−Ｔ１）×ｎ＝Ｔ_０を満たすように、マイクロストリップパターン１０４を構成する複数の個別パターンの数と、その電気的な線路長を設定している。ここで、Ｔ１は、個別パターンの電気的な線路長の差によって決まる。上記の関係において、ｎが自然数の場合、ｎの数がマイクロストリップパターン１０４を構成する個別パターンの数となる。図２の場合、ｎ＝７となる。ｎが大きい程、一つのパルス波形に対するサンプリング点は多くなるが、個別パターンの数が多くなり、回路が大規模化する。

上記の場合、パルス波形のパルス幅に対して、サンプリング周波数が低くても、時間軸上で複数のパルス波形を生じさせ、複数のパルス波形に対してタイミングをずらしたサンプリングを行うことで、図３に示すサンプリングを行った場合と等価な効果が得られる。

以下、具体例を説明する。まず、サンプリングの対象となるパルス波形のパルス幅Ｔ_０を１４０ピコ秒、サンプリング周波数の周期Ｔ２を２００ピコ秒（５ＧＨｚ）とする。この場合、このままではサンプリングは２００ピコ秒毎にしか行われない。ここで、マイクロストリップパターン１０４の個別パターン１０４ａ，１０４ｂ・・・を７パターン（７経路）用意する。また、最も近い線路長の関係にある２つの伝送線路の線路長の差は、
Ｔ１＝１８０ピコ秒に相当する差となるように設定する。この場合は、Ｔ２＝２００ピコ秒、Ｔ１＝１８０ピコ秒、Ｔ_０＝１４０ピコ秒、ｎ＝７の設定となる。

上記設定では、Ａ／Ｄコンバータ１０８に１８０ピコ秒毎にパルス波形が入力される。そして、２００ピコ秒毎にサンプリングが行われるが、時間軸上に等間隔で並ぶ７つのパルス波形に対して、時間軸を合わせて見た場合に２０ピコ秒ずつずれたサンプリングが行われ、一つのパルス波形に対して等価的に計７回の異なるタイミングでサンプリングが行われた場合と同じ作用が得られる。言い換えると、一つのパルス波形に対して、時間軸上の異なる７点でサンプリングを行った場合と等価な効果、すなわち、図３の場合と等価なサンプリングが行われる。この例の場合、単純にサンプリングを行う場合に比較して、サンプリング周波数を７倍にした場合と等価なＡ／Ｄ変換が行える。

図４に測距処理における各波形のタイミングを示す。測距処理では、図示しない発光部から測距用パルス光が対象物に照射され、そこからの反射光が受光素子１０１で受光される。また、発光部から発光された測距用パルス光の一部は図示しない内部光路に分岐され、そこを伝搬した参照用パルス光（図４のref）も受光素子１０１で受光される。測距用パルス光の伝搬距離は相対的に長く、参照用パルス光の伝搬距離は相対的に短いので、図４に示すタイミングで参照用パルス光（図４のref）と測距用パルス光（図４のmeas）は、受光素子１０１で受光される。参照用パルス光の検出パルス波形と測距用パルス光の検出パルス波形は、上述した原理により、Ａ／Ｄコンバータ１０８でサンプリングされ、デジタルデータとされる。そして、距離算出部１０９において、参照用パルス光の検出パルス波形と測距用パルス光の検出パルス波形の位相差が検出され、この位相差に基づいて対象物までの距離が算出される。この測距処理の詳細は、従来の測距装置と同じである。

本実施形態の複数の伝送線路を用いた方法に、Ａ／Ｄコンバータにトラックホールド回路を組み合わせることでＡ／Ｄコンバータのアナログ入力帯域幅を拡大すると同時に、より低いサンプリング周波数によるサンプリングを可能とする方法、パルス波形をローパスフィルタに通して、パルス幅を広げ、サンプリング点の数を増やす方法等を組み合わせることは有効である。

伝送線路で遅延を生じさせる時間、すなわちパルス波形のＡ／Ｄコンバータ１０８への到達時間に差を生じさせる方法としては、抵抗、インダクタ、コンデンサ、能動デバイス等で生じる信号の遅延を用いてもよい。この場合、これらのデバイスが伝送線路の一部を構成し、そこでの信号の遅延を利用して、図１に示す構成と等価な回路が構築される。

以上述べたように、距離測定装置１００は、特定の単一のパルス波形が複数に分岐されて複数の分岐パルス波形とされ、前記複数の分岐パルス波形のそれぞれを伝送し、順次特定の間隔で遅延を生じさせる複数の個別パターン１０４ａ，１０４ｂ・・・を有するマイクロストリップパターン１０４と、マイクロストリップパターン１０４を伝送した前記複数の分岐パルス波形を合成し、前記複数の分岐パルス波形が時間軸上において前記特定の間隔で並んだ合成信号１０７を得る合成部１０６と、前記合成信号１０７に対してサンプリングを行うＡ／Ｄコンバータ１０８とを備え、Ａ／Ｄコンバータ１０８は、前記複数の分岐パルス波形の異なる部分のサンプリングを行う。

また、距離測定装置１００は、特定の単一のパルス波形を少なくとも２経路に分岐し同一波形を有する第１の分岐パルス波形および第２の分岐パルス波形を得る分岐部１０３と、第１の分岐パルス波形が伝送される第１の伝送線路となる個別パターン１０４ａと、第２の分岐パルス波形が伝送され、個別パターン１０４ａとは電気的な線路長が異なる第２の伝送経路である個別パターン１０４ｂと、個別パターン１０４ａを伝送した第１の分岐パルス波形と個別パターン１０４ｂを伝送した第２の分岐パルス波形とを合成し、合成信号を得る合成部１０６と、合成部１０６で合成された合成信号が入力されるＡ／Ｄコンバータ１０８とを備え、第１の分岐パルス波形と第２の分岐パルス波形は、Ａ／Ｄコンバータ１０８に異なるタイミングで到達し、Ａ／Ｄコンバータ１０８は、第１の分岐パルス波形の時間軸上における第１の部分のサンプリングと、第２の分岐パルス波形の時間軸上における前記第１の部分と異なる第２の部分のサンプリングを行う。

また上記の構成における合成信号において、時間軸上で隣接する２つの分岐パルス波形は、Ｔ１の時間差を有し、Ａ／Ｄコンバータ１０８におけるサンプリング間隔はＴ２であり、２つの分岐パルス波形のパルス幅はＴ_０であり、ｎ＞２として、（Ｔ２−Ｔ１）×ｎ＝Ｔ_０を満たすことを特徴とする。

上記の構成によれば、Ａ／Ｄコンバータ１０８において、特定の単一のパルス波形を時間軸上のｎ個の点でサンプリングした場合（図３参照）と等価な処理が行なわれる。

本明細書で開示するパルス波形をＡ／Ｄコンバータで処理する技術に係る発明は、測距技術への利用に限定されず、パルス幅の短いパルス波形を処理する技術に広く利用することができる。

１００…距離測定装置、１０１…受光素子、１０２…アンプ、１０３…分岐部、１０４…マイクロストリップパターン、１０４ａ…個別パターン、１０４ｂ…個別パターン、１０５ａ…アンプ、１０５ｂ…アンプ、１０６…合成部、１０７…合成された信号におけるパルス波形、１０８…Ａ／Ｄコンバータ、１０９…距離算出部。

Claims (5)

1. 特定の単一のパルス波形が複数に分岐されて複数の分岐パルス波形とされ、前記複数の分岐パルス波形のそれぞれを伝送し、順次特定の間隔で遅延を生じさせる複数の伝送線路を有する伝送線路群と、
   前記伝送線路群を伝送した前記複数の分岐パルス波形を合成し、前記複数の分岐パルス波形が時間軸上において前記特定の間隔で並んだ合成信号を得る合成部と、
   前記合成信号に対してサンプリングを行うＡ／Ｄコンバータと
   を備え、
   前記Ａ／Ｄコンバータは、前記複数の分岐パルス波形の異なる部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理装置。
2. 特定の単一のパルス波形を少なくとも２経路に分岐し同一波形を有する第１の分岐パルス波形および第２の分岐パルス波形を得る分岐部と、
   前記第１の分岐パルス波形が伝送される第１の伝送線路と、
   前記第２の分岐パルス波形が伝送され、前記第１の伝送線路とは電気的な線路長が異なる第２の伝送経路と、
   前記第１の伝送線路を伝送した前記第１の分岐パルス波形と前記第２の伝送線路を伝送した前記第２の分岐パルス波形とを合成し、合成信号を得る合成部と、
   前記合成信号が入力されるＡ／Ｄコンバータと
   を備え、
   前記第１の分岐パルス波形と前記第２の分岐パルス波形は、前記Ａ／Ｄコンバータに異なるタイミングで到達し、
   前記Ａ／Ｄコンバータは、
   前記第１の分岐パルス波形の時間軸上における第１の部分のサンプリングと、
   前記第２の分岐パルス波形の時間軸上における前記第１の部分と異なる第２の部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理装置。
3. 前記合成信号において、時間軸上で隣接する２つの分岐パルス波形は、Ｔ１の時間差を有し、
   前記Ａ／Ｄコンバータにおけるサンプリング間隔はＴ２であり、
   前記２つの分岐パルス波形のパルス幅はＴ_０であり、
   ｎ＞２として、（Ｔ２−Ｔ１）×ｎ＝Ｔ_０を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のパルス信号の処理装置。
4. 前記Ａ／Ｄコンバータにおいて、
   前記特定の単一のパルス波形を時間軸上の前記ｎ個の点でサンプリングした場合と等価な処理が行なわれることを特徴とする請求項３に記載のパルス信号の処理装置。
5. 特定のパルス波形が複数に分岐されて複数の分岐パルス波形とされ、前記複数の分岐パルス波形のそれぞれを、順次特定の間隔で遅延を生じさせる複数の伝送線路に伝送させ、
   前記複数の伝送線路を伝送した前記複数の分岐パルス波形を合成し、前記複数の分岐パルス波形が時間軸上において前記特定の間隔で並んだ合成信号を得、
   前記合成信号に対してＡ／Ｄコンバータにおいてサンプリングを行い、
   前記Ａ／Ｄコンバータで、前記複数の分岐パルス信号の異なる部分のサンプリングを行うことを特徴とするパルス信号の処理方法。

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