JPH04172285A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、パルス光を物体に向は照射するとともにそ
の物体による反射パルス光を受光し、照射から受光まで
の所用時間を計測することにより、物体までの距離を求
める距離測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の距離測定装置としては、特公昭４６〜１６３２
号公報等で示されているような、高強度のレーザパルス
光を使用したものが知られている。

第３図はその構成を示し、パルスレーザ１のパルス発光
に同期してカウンタ９はクロックパルス発生器２のクロ
ックパルスの計数を開始する。光検出器３はパルスレー
ザｌからのレーザパルス光を照射された物体ｌＯからの
反射パルス光を電気信号に変換し増幅出力する。パルス
弁別器８は光検出器３の出力信号と所定のしきい値とを
比較して反射パルス光成分のみをパルス弁別し、パルス
弁別器８の出力パルスでカウンタ９のクロックパルス計
数を停止させる。処理回路７はカウンタ９の計数値を読
み出し、この計数値を（Ａ）式により距離に換算し、距
離測定装置と物体の間の距離を求める。

距離−計数値×クロックパルス周期×光速／２　　　（
Ａ）即ち、距離はカウンタ９の計数値から求めた発光か
ら受光までの時間に光の速度を乗じて求められるパルス
光の行程の２となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の距離測定装置では、距離を測定しようと
する対象物体１０が距離測定装置の近傍にあって反射パ
ルス光の強度が高く光検出器３のＳ／Ｎが十分確保され
る場合には、光検出器３の出力信号に対するパルス弁別
器８のしきい値を上げることにより、確実に対象物体１
０からの反射パルス光を検出してカウンタ９に対して計
数停止パルスを発生することができ、確実に距離を測定
することができる。しかし、対象物体１０が遠方にあっ
たり、その反射係数が低くて反射パルス光の強度が低く
なってしまう場合には、パルス弁別器８のしきい値を上
げることができず、光検出器３の出力信号に含まれるノ
イズ等により、対象物体１０の真の反射パルス光以前に
これらノイズによる誤検出が発生する。即ち、ノイズ等
の誤検出による距離測定の誤差の発生を少なくするには
パルス弁別器８のしきい値を上げる必要があり、この場
合反射パルス光の強度が弱いと真の反射パルス光も検出
できなくなり、測定可能な距離範囲が制限されてしまう
。

又、反射パルス光の検出のために、パルス弁別器８によ
り光検出器３の出力信号をあるしきい値と比較すること
によってカウンタ９の計数を停止させるパルスを発生さ
せるが、このしきい値の大きさによって計数停止のパル
スの発生時期が変わるという課題があった。この課題を
第４図を用いて説明すれば、第４図（ａ）に示すように
パルスレーザ１の発光波形はパルスレーザ１の駆動装置
の特性や緩和時間等の影響により一般には矩形波となら
ず、徐々に立ち上がり徐々に立ち下がるガウス形やｒａ
ｉｓｅｄ　ｃｏｓｉｎｅ形の波形で近位される形状とな
る。また、物体１０７反射して光検出器３で検出される
信号は、光検出器３で必ず帯域制限を受けるため、第４
回出）に示すようにパルスレーザ１の発光波形よりもさ
らに広がった波形となる。この時間的に広がった波形を
パルス弁別器８で所定のしきい値と比較すると、そのし
きい値の大きさによってパルス弁別器８の出力パルス発
生時期が異なる０例えば、第４図（Ｃ）において実線で
示しているのはしきい値が高いときの出力パルスイであ
り、点線で示しているのはしきい値が低いときの出力バ
ルスロである。このように、しきい値が高いときは低い
ときに比べてパルス弁別器８の出力パルス発生時期が遅
れ、結果として物体１ｏはしきい値が高いときは低いと
きよりあたかも遠方にあるように測定される。光の速度
は３　Ｘ　１０”ｍ／ｓと非常に高速なため、わずかな
パルス発生時期の違いでも距離測定には大きな誤差とな
る０例えば、しきい値の違いにより１０ｎＳの時間的差
があると、１．７ｍの検出距離誤差に相当する。

又、道に、しきい値を一定にすると、光検出器３で検出
し出力される信号振幅によってパルス弁別器８の出力発
生時期が異なる。第４図（ロ）において、実線ハは出力
振幅の大きい時を示し、点線二は出力振幅の小さい時を
示している。このように、光検出器３の出力信号振幅が
小さいほどパルス弁別器８の出力パルスが遅れ、あたか
も遠方にあるように測定される。このことは、被検出物
体１゜の反射係数によっても測定距離が異なってしまう
ことを示している。即ち、反射係数が低い物体は、反射
係数の高い物体よりも遠方にあるように測定される。又
、反射パルス光の強度はおよそ距離の二乗に反比例する
ので、光検出器３で検出される反射パルス光の信号振幅
は同様に物体１０までの距離の約二乗に反比例する。従
って、しきい値が一定の場合、被検出物体１ｏまでの距
離によって測定誤差が異なり、距離測定の直線性が阻害
されることになる。

この発明は上記のような課題を解決するために成された
ものであり、反射パルス光の検出信号のＳ／Ｎが良くな
い状態でも対象物体からの反射パルス光を弁別し、また
対象物体の反射係数や距離に応じて誤差が発生すること
を防止し、距離測定の直線性が良い距離測定装置を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る距離測定装置は、光パルス又はｔＭＩ波
パルスを発生するパルス発生手段と、このパルスが物体
により反射された反射パルスを検出するパルス検出手段
と、検出された反射パルスをクロックパルスに同期して
ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変
換手段の出力を順次記憶するメモリと、メモリに記憶さ
れた複数回のパルスについてのＡ／Ｄ変換値を平均化し
た後演算処理して物体までの距離を算出する処理手段を
設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、パルス発生手段により発生された
パルスが物体により反射され、この反射パルスが検出さ
れ、クロックパルスに同期してＡ／Ｄ変換され、順次メ
モリに記憶される。距離測定範囲に相当する時間の間、
Ａ／Ｄ変換及びメモリへの記憶が繰り返された後、Ａ／
Ｄ変換は停止され、処理手段によりメモリに記憶された
複数回のパルスについてのＡ／Ｄ変換結果が読出され、
この複数回のＡ／Ｄ変換結果の平均化がなされた後、演
算処理で対象物体までの距離が算出される。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面とともに説明する。第１
図において、１はパルスレーザ、２は３００）４Ｈｚの
クロックパルス発生器、３は光検出器、４は高速のＡ／
Ｄ変換が可能なフラッシュタイプのＡ／Ｄ変換器、５は
アクセスタイムが非常に小さいＥＣＬメモリ、６はクロ
ックパルス発生器２が出力するクロックパルスに同期し
てＡ／Ｄ変換器４にＡ／Ｄ変換タイミング信号を発生す
るとともに、クロックパルスを計数してＡ／Ｄ変換器４
の変換結果を格納するメモリ５の下位アドレスを決定し
、さらにパルスレーザ１の１回の発光当りのＡ／Ｄ変換
回数を決めるアドレス発生器、７ばパルスレーザ１への
パルス発光のトリガ、メモリ５の上位アドレスの設定及
び距離測定演算をする処理回路、１０は距離測定対象物
体である。

次に、上記構成の動作を第２図を用いて説明する。処理
回路７はメモリ５の上位アドレスに０を設定した後、第
２図（ａ）に示すようにパルスレーザ１に対してパルス
発光のトリガをかける。このトリガに応じて、パルスレ
ーザ１は第２図（ｂｌに示すようにパルス発光をする。

又、アドレス発生器６は処理回路７からのトリガに応動
して、第２図（イ）に示すクロックパルス発生器２から
のクロックパルスの計数を第２図（ｅ）に示すように０
から開始し、予め定めた距離測定範囲の時間に相当する
計数値に到達した時点で計数を停止する。パルスレーザ
１から発光されたパルス光は物体ｌＯで反射され、光検
出器３はその反射パルス光を入力して光電変換した後、
第２図（Ｃ）に示すように増幅して信号出力する。この
光検出器３の出力信号をＡ／Ｄ変換器４はクロックパル
スの立上りに同期したＡ／Ｄ変換タイミングでＡ／Ｄ変
換する（第２図（ｆ））。

このＡ　／　Ｄ’変換結果は、上位アドレスが先に処理
回路７で決定され下位アドレスがアドレス発生器６の計
数値で決定されたメモリ５上の番地にクロックパルスの
立下りに同期して記憶される。このＡ／Ｄ交換は、アド
レス発生器６の計数が停止されるまで繰り返される。１
回のパルス発光に対するＡ／Ｄ変換からメモリ５への記
憶までの動作が完了すると、処理回路７はメモリ５の上
位アドレスをインクリメントし、新たにメモリ５の上位
アドレスを決定し、再びパルスレーザ１にパルス発光の
トリガをかけ、以下同様の処理を繰り返す。

パルス発光回数が例えば１６回に達して１６回分の反射
パルスのＡ／Ｄ変換結果がメモリ５の各領域に記憶され
ると、処理回路７は第２図（ｇ）に示すように１６回の
反射パルスのＡ／Ｄ変換結果を平均化する。この平均化
は、メモリ５の１６回の反射パルスのＡ／Ｄ変換結果の
記憶値において下位アドレスが等しいものを加算してそ
の回数１６で除することにより行なう、このようにして
、パルス発光からの全データを平均化することにより、
クロックパルスに同期してディジタル化した１６回の反
射パルスの平均波形かえられる。この平均化された反射
パルス波形の中で最大のものを物体１０からの反射パル
ス光のピークと判定し、その発生ＩＩＩ（メモリ５の下
位アドレスに相当する。）よりパルスレーザ１の発光か
ら反射パルス光のピークまでの時間（第２図のＴ）を求
め、距離に換算する。距離の換算は（Ｂ）式で行なわれ
る。

例えば、ピークが２００番目に現われたとすれば、 ＝１００ｍ となる。

ここで、反射パルス光のＳ／Ｎを考える０反射パルス光
のＡ／Ｄ変換結果には、光検出器３で発生するショット
ノイズ、熱雑音等が付加されている。いま、Ａ／Ｄ変換
された反射パルス光の信号エネルギをＥＳ、含まれるノ
イズを帯域制限されたホワイトノイズとしそのエネルギ
をＥｎ　とすると、Ａ／Ｄ変換結果のＳ／Ｎ比はＥｓ／
Ｅｎとなる。上記の１６回平均後の反射パルス光の信号
エネルギはＥｓＸ１６＋１６＝Ｅｓとなり、そのエネル
ギに変化はないが、ノイズはランダムであるためそのエ
ネルギは１６回の平均で１／１６に減少する。従って、
Ｓ／ＮはＥｓ／　（Ｅｎ／１６　）＝１６ＸＥｓ／Ｅｎ
となり、１６倍（１２デシベル）改善される。即ち、第
２図（ｆ）のノイズの重畳した１６個のサンプリング波
形を平均化することにより、第２図（６）に示すように
ノイズ成分が抑圧され、真の反射パルス光成分のみが抽
出される。光検出器３の光電変換素子に例えばＰＩＮフ
ォトダイオード等を使用すると、光検出器３の出力信号
はパルスレーザ１の発光出力を対象物体１０までの距離
の二乗で除したものにほぼ比例する。従って、Ａ／Ｄ変
換された反射パルス光の信号エネルギは距離の四乗に反
比例する。１６回の平均化でＳ／Ｎが１６倍改善される
と、結局検出可能距離が４ＪＴ７；＝２倍に拡大された
ことになる。

上記実施例では、反射パルス光の信号を平均化すること
によりＳ／Ｎを改善したため、ノイズによる誤動作が減
少し、距離検出機能を大幅に向上することができる。逆
に、検出可能距離を同一とすれば、反射パルス光の信号
エネルギはｌ／１６でよく、パルスレーザ１の発光出力
は１／ＪＴ７ｒ＝１／４でよいことになり、小出力のパ
ルスレーザ１を使用することができ、装置を安価に構成
することができる。又、反射パルス光を平均化処理して
Ｓ／Ｎを向上した上で信号波形のピーク位１を物体１０
の位置と認識するので、従来問題となったしきい値によ
る誤差が原理上なく、正確な距離測定が可能であり、し
きい値による誤差がないために距離測定の直線性の誤差
も全く生じない。

ここで、実施例では、距離測定のための時間の起点をパ
ルスレーザ１のトリガ開始時期としたが、実際にはトリ
ガ開始からパルスレーザｌの出力パルス光がピークに達
するまでには若干の時間遅れがあるため、その分距離は
長めに測定されるが、このパルス発光の遅れ時間分は予
め試験により測定できるので、この遅れ時間に相当する
距離を上記計算式から差し引けばより正確な距離検出が
できる。

なお、上記実施例では光パルス発生器としてパルスレー
ザ１を用いたが、ＬＥＤ等の他の光源でもよく、またこ
の距離測定装置は光のａｆＩｉ波的性質的性質している
ので、光パルス発生器及び光検出器の代りにそれぞれｔ
磁波パルス発生器及び電磁波パルス検出器を用いて距離
測定装置を構成してもよい。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、物体にパルスを照射し
てその反射パルスを検出し、この反射パルスを所定周波
数の基準クロックに同期してＡ／Ｄ変換した後逐次メモ
リに記憶する操作を複数回のパルス光について行ない、
その後処理回路でメモリに記憶された複数回の反射パル
ス光信号のＡ／Ｄ変換値を順次読み出し、平均化処理し
てＳ／Ｎを向上させ、信号の最大値を与える基準クロッ
クカウント数から演算により対象物体までの距離を夏山
するようにしたので、ノイズ等による誤検出が改善され
、検出距離範囲が広くかつ高精度の距離測定装置が得ら
れる。又、検出距離範囲が予め定められていれば、発光
出力の小さなパルスレーザを使用することが可能となり
、安価で省電力の距離測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明装置の構成図及び各部波形
図、第３図及び第４図は従来装置の構成図及び各部波形
図である。 １・・・パルスレーザ、２・・・クロックパルス発生器
、３・・・光検出器、４・・・Ａ／Ｄ変換器、５・・・
メモリ、６・・・アドレス発生器、７・・・処理回路、
１０・・・物体。 なお、図中同一符号は同一部分を示す。 代理人　　　大　　岩　　増　　雄 第１図 １０・すｍ１本 第２図 第３図 第４図 手続補正書（自発） ２、発明の名称 距離測定装置 ３、補正をする者 代表者　志　岐　守　哉 ５、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄。 ６、　補正の内容 明細書第９頁第２０行のｒＡ／Ｄ交換」をｒＡ／Ｄ変換
」と補正する。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　所定の周波数のクロックパルスを発生するクロックパ
   ルス発生手段と、光パルス又は電磁波パルスを発生する
   パルス発生手段と、上記光パルス又は電磁波パルスが物
   体により反射された反射パルスを検出するパルス検出手
   段と、検出された反射パルスを上記クロックパルスに同
   期してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ
   ／Ｄ変換手段の出力を順次記憶するメモリと、このメモ
   リに記憶された複数回のパルスについてのＡ／Ｄ変換値
   を平均化した後演算処理して物体までの距離を算出する
   処理手段を備えたことを特徴とする距離測定装置。