JPH08179032A

JPH08179032A - 距離計測装置

Info

Publication number: JPH08179032A
Application number: JP6316566A
Authority: JP
Inventors: Yasunaga Kayama; 泰永加山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、パルス波を送信し、反射波が戻る
までの所要時間を計測して物標までの距離を算出する距
離計測装置に関し、反射波の受信波形が飽和した状態に
おいても、距離を正確に計測することを目的とする。【構成】パルス波を送信する送信手段１と、物標に反
射した反射波を受信する受信手段２と、パルス波の送信
時から、反射波の検出時までの所要時間を計測する時間
計測手段３と、受信手段２による反射波の受信波形を取
り込み、その受信波形のパルス幅を計測するパルス幅計
測手段４と、受信手段２における活性領域および飽和領
域の入出力特性に基づいて、受信波形のパルス幅に対応
する所要時間の補正値を算出する補正値算出手段５と、
その補正値を用いて、時間計測手段３により計測された
所要時間を補正し、パルス波の伝搬速度を乗じて物標ま
での距離を算出する距離算出手段６とを備えたことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光，音波，電波その他
の波動をパルス波に変調して送信し、そのパルス波が物
標に反射されて戻るまでの所要時間に基づいて、物標ま
での距離を算出する距離計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車や電車その他の移動体にお
いて、走行上の安全性を高めたり、運行の自動化を図る
ために、先行車、障害物などの物標までの距離を計測す
る距離計測装置が開発されている。このような距離計測
装置では、物標に向けてパルス波を送信し、その物標か
ら戻る反射波を受信して、パルス波が往復に所要した時
間を計測する。この時間にパルス波の伝搬速度を乗じる
ことにより、物標の距離を算出する。

【０００３】この種の距離計測装置における距離の計測
精度は、反射波が到達した時刻の計測精度によって左右
される。したがって、反射波の到達時刻の計測精度を高
めた距離計測装置が種々に考えられている。例えば、実
開平５−８７５８２号公報に記載された装置では、図７
に示すように、受信波形のピーク値Ｖｐから波形を推定
し、その波形に基づいて、受信波形の検出時刻ｔｄを到
達時刻ｔ１に補正する。

【０００４】また、実開平６−２２６４号公報に記載さ
れた装置では、図８に示すように、受信波形の立上がり
時刻ｔｒと立下がり時刻ｔｆとをおのおの計測し、これ
らの時刻ｔｒ，ｔｆの中心に相当する時刻ｔｃを、ｔｃ＝（ｔｒ＋ｔｆ）／２上式に基づいて算出する。受信波形が歪まない状態で
は、受信波形の大きさが変動しても、この受信波形の中
心に相当する時刻ｔｃは変動しない。したがって、この
時刻ｔｃを反射波の到達時刻とすることにより、反射波
の受信レベルの変動にかかわらず、距離の計測を正確に
行うことができる。

【０００５】さらに、特開平３−６５６７８号公報に記
載された装置では、図９に示すように、受信波形の検出
時刻ｔｄと、その時刻ｔｄにおける受信波形の傾き（Δ
Ｖ／Δｔ）とを求める。この傾きに基づいて、受信波形
を直線近似あるいは所定の曲線に近似して、反射波の到
達時刻ｔ１を算出する。以上のように、従来の距離計測
装置では、反射波の到達時刻の補正を行うことにより、
距離の計測精度を高めていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実開平
５−８７５８２号公報に記載された装置では、受信波形
のピーク値Ｖｐに基づいて、反射波の到達時刻を補正す
るため、反射波を飽和させずに受信する必要があった。
一般に、反射波の受信レベルは、物標までの距離と、物
標におけるパルス波の反射率との要因により、１００ｄ
Ｂ程度の範囲で大幅に変動する。

【０００７】このような広範囲の受信レベルにわたっ
て、反射波を飽和せずに受信するためには、受信部の雑
音レベルを極力低減して、ダイナミックレンジを広範囲
に確保する必要があり、回路の実現が困難であるという
問題点があった。また、実開平６−２２６４号公報に記
載された装置では、受信波形が飽和レベルに達すると、
図１０に示すように、受信部の非対称な動作により、受
信波形の立下がり時刻ｔｆが遅れる。そのため、立上が
り時刻ｔｒと立下がり時刻ｔｆとの中心時刻ｔｃは、受
信波形の歪みの程度に応じて、大幅に変動する。

【０００８】したがって、この装置においても、受信波
形が飽和しないように、ダイナミックレンジを広範囲に
確保する必要があり、回路の実現が困難であるという問
題点があった。さらに、特開平３−６５６７８号公報に
記載された装置では、受信波形の立上がりの傾きに基づ
いて、反射波の到達時刻ｔ１を補正するため、受信波形
の傾きを正確に計測する必要がある。

【０００９】このように受信波形の傾きを正確に計測す
るためには、広範囲の受信レベルにわたって受信波形が
歪まないように、受信部のスルーレートを十分に高める
必要があり、回路の実現が困難であるという問題点があ
った。したがって、従来の距離計測装置では、受信波形
が飽和した状態では、反射波の到達時刻ｔ１を正確に補
正できず、距離の計測精度を高めることができないとい
う問題点があった。

【００１０】本発明は、このような問題点を解決するた
めに、反射波の受信波形が飽和した状態においても、物
標までの距離を高精度に計測する距離計測装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は、請求項１〜３に
対応するブロック図である。

【００１２】請求項１に記載の発明は、パルス波を送信
する送信手段１と、そのパルス波が物標に反射して生じ
た反射波を受信する受信手段２と、送信手段１によりパ
ルス波が送信されてから、受信手段２により反射波が検
出されるまでの所要時間を計測する時間計測手段３と、
受信手段２より出力される反射波の受信波形を取り込
み、その受信波形のパルス幅を計測するパルス幅計測手
段４と、パルス幅計測手段４により計測されたパルス幅
を取り込み、受信手段２における活性領域および飽和領
域の入出力特性に基づいて、パルス幅に対応する所要時
間の補正値を算出する補正値算出手段５と、補正値算出
手段５により算出された補正値を用いて、時間計測手段
３により計測された所要時間を補正し、パルス波の伝搬
速度を乗じて物標までの距離を算出する距離算出手段６
とを備えたことを特徴とする。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１の距離
計測装置において、補正値算出手段５は、反射波の受信
レベルにより互いに変化する受信波形のパルス幅と所要
時間のずれとを記憶したテーブルと、パルス幅計測手段
４により計測されたパルス幅に基づいてテーブルを参照
し、所要時間のずれを補正値として求めるテーブル参照
手段とからなることを特徴とする。

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２の距離計測装置において、時間計測手段３は、
周期が一定であるクロックの計数を行い、所要時間の計
測値を求める粗測定手段と、粗測定手段により求められ
た計測値の量子化誤差をパルス幅として出力する誤差出
力手段と、パルス幅計測手段４に対し、誤差出力手段よ
り出力される波形と受信手段２より出力される受信波形
とを順次に与える切換手段と、前記パルス幅計測手段４
で計測された前記量子化誤差に基づいて、前記粗測定手
段により求められた前記計測値を補正する精密補正手段
とからなることを特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１の距離計測装置では、送信手段１から
パルス波を送信し、送信方向の物標に反射して生じた反
射波を受信手段２で受信する。時間計測手段３は、送信
手段１からパルス波が送信されてから、受信手段２で受
信波形が検出されるまでの所要時間を計測する。

【００１６】また、パルス幅計測手段４は、受信手段２
により受信された反射波の受信波形を取り込み、この受
信波形のパルス幅を計測する。一般に、受信手段２の活
性領域では、受信波形は歪まないので、反射波の受信レ
ベルの増加にほぼ比例して、受信波形のパルス幅が増加
する。一方、受信波形の検出時刻と反射波の到達時刻と
のずれは、反射波の受信レベルにほぼ反比例して変化す
る。

【００１７】このように、受信手段２の活性領域では、
受信波形のパルス幅と所要時間の補正値とは相互に対応
して変化する。また、反射波の受信レベルが増加して、
受信手段２から出力される受信波形が飽和すると、受信
波形の立下がり時刻などが若干遅れるが、やはり、反射
波の受信レベルの増加に従って、パルス幅が増加する。
一方、受信波形の検出時刻と反射波の到達時刻とのずれ
は、反射波の受信レベルに応じて変化する。

【００１８】したがって、受信手段２の飽和領域におい
ても、受信波形のパルス幅と所要時間の補正値とは相互
に対応して変化する。このように、受信手段２の活性領
域および飽和領域にわたり、受信波形のパルス幅と所要
時間の補正値とは、受信手段２の入出力特性に基づい
て、相互に対応する。

【００１９】この対応関係に基づいて、補正値算出手段
５は、受信波形のパルス幅から所要時間の補正値を算出
する。距離算出手段６は、この補正値を用いて、時間計
測手段３により計測された所要時間を補正し、パルス波
の伝搬速度を乗じることにより、物標の距離を算出す
る。

【００２０】請求項２の距離計測装置では、パルス幅と
所要時間のずれとの対応関係を予めテーブルとして記憶
する。テーブル参照手段は、パルス幅計測手段４により
計測されたパルス幅に基づいて、このテーブルを参照す
ることにより、所要時間のずれを補正値として求める。

【００２１】請求項３の距離計測装置では、粗測定手段
が、クロックの計数を行うことより、所要時間の計測値
を得る。このような計測値には、クロックの１周期以内
の量子化誤差が生じる。誤差出力手段は、この量子化誤
差に該当とするパルス幅の波形を出力する。

【００２２】パルス幅計測手段４には、切換手段を介し
て、受信手段２から出力される受信波形と、誤差出力手
段から出力される波形とが順次に与えられることによ
り、受信波形のパルス幅と量子化誤差とが、それぞれ計
測される。精密補正手段は、このように計測された量子
化誤差に基づいて、粗測定手段により計測された所要時
間を補正する。

【００２３】このように、時間計測手段３は、パルス幅
計測手段４を兼用することにより、所要時間の計測の際
に生じる量子化誤差を補正する。

【００２４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例につい
て説明する。

【００２５】図２は、請求項１〜３の実施例を示す図で
ある。この図において、発振回路であるタイミングコン
トロール部１１の第１の出力端子はレーザ発光部１２お
よび時間計測部１３に接続され、第２の出力端子は、時
間計測部１３に接続される。このレーザ発光部１２に隣
接した位置にはレーザ受光部１４が配置され、このレー
ザ受光部１４の出力端子は、第１のコンパレータ１５お
よび第２のコンパレータ１６を個別に介して、時間計測
部１３に接続される。

【００２６】この時間計測部１３の出力端子にはコンピ
ュータ部１７が接続される。また、時間計測部１３の内
部の構成については、タイミングコントロール部１１の
第１の出力端子は粗測定部２１に接続され、第２の出力
端子は粗測定部２１および誤差パルス出力回路２２に個
別に接続される。第１のコンパレータ１５の出力端子
は、粗測定部２１および誤差パルス出力回路２２に個別
に接続され、粗測定部２１の出力端子はコンピュータ部
１７に接続される。

【００２７】誤差パルス出力回路２２の出力端子は切換
スイッチ２３の第１の入力端子に接続され、第２のコン
パレータ１６の出力端子は、切換スイッチ２３の第２の
入力端子に接続される。この切換スイッチ２３の出力端
子はパルス幅・電圧変換回路２４に接続され、パルス幅
・電圧変換回路２４の出力は、ＡＤ変換部２５を介し
て、コンピュータ部１７に接続される。

【００２８】さらに、誤差パルス出力回路２２の一例に
ついては、図３に示すように、第１のコンパレータ１５
の出力端子は、Ｄフリップフロップ３１のデータ入力Ｄ
および論理積回路３２の第１の入力に接続される。タイ
ミングコントロール部１１の第２の出力端子は、Ｄフリ
ップフロップ３１のクロック入力ＣＫに接続され、Ｄフ
リップフロップ３１の反転出力は、論理積回路３２の第
２の入力に接続される。

【００２９】この論理積回路３２の出力は、切換スイッ
チ２３の第１の入力端子に接続される。なお、本実施例
と請求項１，２に記載した発明との対応関係について
は、タイミングコントロール部１１およびレーザ発光部
１２は送信手段１に対応し、レーザ受光部１４およびコ
ンパレータ１５，１６は受信手段２に対応し、粗測定部
２１は時間計測手段３に対応し、パルス幅・電圧変換回
路２４，ＡＤ変換部２５はパルス幅計測手段４に対応
し、コンピュータ部１７は補正値算出手段５および距離
算出手段６に対応する。

【００３０】また、本実施例と請求項３に記載した発明
との対応関係については、粗測定部２１は粗測定手段に
対応し、誤差パルス出力回路２２は誤差出力手段に対応
し、切換スイッチ２３は切換手段に対応し、コンピュー
タ部１７は精密補正手段に対応する。図５は、本実施例
の動作を示す流れ図である。

【００３１】以下、これらの図を用いて、本実施例の動
作を説明する。タイミングコントロール部１１では、時
間の基準となるクロックを発振する。このクロックは分
周され、送信パルスとして、レーザ発光部１２に与えら
れる。レーザ発光部１２は、この送信パルスに同期し
て、図６（ａ）に示すようなパルス波に変調されたレー
ザ光を射出する（ステップＳ１）。

【００３２】レーザ光は、射出方向に位置する物標に反
射され、図６（ｂ）に示すような反射波として、レーザ
受光部１４に受光される（ステップＳ２）。レーザ受光
部１４から出力された受信波形は、第１のコンパレータ
１５において所定の閾値Ｖ０で２値化され、粗測定部２
１に入力される。粗測定部２１は、パルス波が射出され
た時刻ｔ０から、受信波形が閾値Ｖ０を越える時刻ｔｄ
までの所要時間をクロックにより計数する（ステップＳ
４）。

【００３３】一方、誤差パルス出力回路２２では、図
３，４に示すように、第１のコンパレータ１５により２
値化された受信波形が、Ｄフリップフロップ３１により
クロックの立上がりで保持される。このＤフリップフロ
ップ３１の反転出力と２値化された受信波形との論理積
をとることにより、受信波形とクロックの立上がりとの
時間差Ｔｅをパルス幅とした誤差パルスが生成される
（ステップＳ５）。

【００３４】この誤差パルスは、切換スイッチ２３を介
して、パルス幅・電圧変換回路２４に与えられ、パルス
幅が電圧に変換される（ステップＳ６）。このように変
換された電圧は、ＡＤ変換部２５を介して、コンピュー
タ部１７で計測され、時間差Ｔｅが求められる（ステッ
プＳ７）。コンピュータ部１７では、粗測定部２１によ
る所要時間の計数値Ｎを取り込み、クロックの周期をＴ
ｃとして、Ｔｐ＝（Ｎ＋１）Ｔｃ−Ｔｅ上式による演算を行うことにより、計数値Ｎの量子化誤
差を補正し、所要時間Ｔｐを精密に求める（ステップＳ
８）。

【００３５】また、レーザ受光部１４から出力された受
信波形は、第２のコンパレータ１６を介して２値化さ
れ、切換スイッチ２３に入力される。切換スイッチ２３
では、この受信波形が、前述の誤差パルスと時分割に切
り換えられて、パルス幅・電圧変換回路２４に与えられ
る（ステップＳ９）。コンピュータ部１７は、この受信
波形のパルス幅をＡＤ変換部２５を介して計測する（ス
テップＳ１０）。

【００３６】このように計測された受信波形のパルス幅
Ｔｗは、レーザ受光部１４の活性領域および飽和領域に
わたり、反射波の受信レベルに従って変化する。一方、
受信波形の検出時刻ｔｄと反射波の到達時刻ｔ１との時
間ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）も、反射波の受信レベルに従って
変化する。したがって、受信波形のパルス幅Ｔｗと、時
間ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）とは、相互に対応して変化する。
コンピュータ部１７の記憶領域には、この対応関係がテ
ーブルとして予め記憶されている。

【００３７】コンピュータ部１７は、計測された受信波
形のパルス幅に基づいてテーブルを参照し、時間ずれ
（Ｔｄ−Ｔ１）を求める（ステップＳ１１）。この時間
ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）を、先に求められた所要時間Ｔｐか
ら減算することにより、反射波の受信レベルの変動に起
因して生じる所要時間Ｔｐの変動を補正する。

【００３８】コンピュータ部１７は、このように補正さ
れた所要時間［Ｔｐ−（Ｔｄ−Ｔ１）］にレーザ光の伝
搬速度を乗じて、物標までの往復距離を算出する（ステ
ップＳ１２）。以上のようにして、本実施例の距離計測
装置では、受信波形のパルス幅Ｔｗに応じて、所要時間
Ｔｐを正確に補正できるので、距離の計測精度を大幅に
高めることができる。

【００３９】また、レーザ受光部１４の活性領域および
飽和領域にわたり、受信波形のパルス幅Ｔｗは、時間ず
れ（Ｔｄ−Ｔ１）と相互に対応するので、反射波の受信
レベルが、レーザ受光部１４のダイナミックレンジを越
えた状態においても、所要時間Ｔｐの補正を確実に行う
ことができる。そのため、従来より広範囲の受信レベル
において、距離を高精度に測定することができる。

【００４０】また、レーザ受光部１４の飽和領域が使用
できるので、従来に比較して、レーザ受光部１４のダイ
ナミックレンジおよびスルーレートを大幅に下げること
もできる。そのため、レーザ受光部１４に、雑音レベル
が低く、かつ高速な受光素子などを使用する必要がない
ので、従来に比べて、レーザ受光部１４の実現が格段に
容易となり、かつレーザ受光部１４の低コスト化を図る
ことができる。

【００４１】さらに、テーブルを参照することにより、
所要時間Ｔｐの補正値を求めるので、簡便かつ高速に補
正値を得ることができる。また、パルス幅・電圧変換回
路２４を時分割に兼用して、計数値Ｎの量子化誤差を補
正するので、より高精度に距離を計測することができ
る。なお、本実施例では、光を測定波として使用してい
るが、それに限定されるものではなく、物標において反
射する測定波であればよいので、例えば、音波、電磁波
を測定波として使用してもよい。

【００４２】また、本実施例では、テーブルを参照する
ことにより、時間ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）を求めているが、
それに限定されるものではなく、受信波形のパルス幅Ｔ
ｗと時間ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）との対応関係を示す数式な
どを用いて、時間ずれ（Ｔｄ−Ｔ１）を算出してもよ
い。さらに、本実施例では、２つのコンパレータ１５，
１６を並行に使用して、受信波形の整形を行っている
が、それに限定されるものではなく、コンパレータ１
５，１６を１つのコンパレータで兼用することもでき
る。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の距離計
測装置では、受信波形のパルス幅に応じて、受信レベル
の変化に起因する所要時間のずれを補正するので、距離
の計測精度を大幅に高めることができる。また、受信手
段の活性領域および飽和領域にわたり、所要時間のずれ
を補正できるので、受信手段の動作領域として飽和領域
を使用することができる。

【００４４】したがって、従来より広範囲の受信レベル
において、高精度に距離を計測することができる。ま
た、受信手段の飽和領域を動作領域として使用できるの
で、受信手段のダイナミックレンジおよびスルーレート
を大幅に下げることができる。そのため、従来と比較し
て受信手段の実現が容易となり、かつ低コスト化を図る
ことができる。

【００４５】請求項２の距離計測装置では、パルス幅に
基づいてテーブルを参照し、所要時間の補正値を求める
ので、簡便かつ高速に補正値を得ることができる。請求
項３の距離計測装置では、パルス幅計測手段を兼用し
て、所要時間の量子化誤差の補正を行うので、構成を単
純にしつつ、より高精度に距離を計測することができ
る。

【００４６】このように、本発明の距離計測装置では、
反射波の受信波形が飽和した状態においても、高精度に
距離を計測できるので、この装置を搭載した自動車や電
車その他の移動体では、従来よりも広範囲に位置する物
標に対して、距離が高精度に計測され、走行上の安全性
を大幅に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜３に対応するブロック図である。

【図２】請求項１〜３の実施例を示す図である。

【図３】誤差パルス出力回路の一例を示す図である。

【図４】誤差パルス出力回路の動作を示す図である。

【図５】本実施例の動作を示す流れ図である。

【図６】受信波形を示す図である。

【図７】第１の従来例を説明する図である。

【図８】第２の従来例を説明する図である。

【図９】第２の従来例を説明する図である。

【図１０】飽和レベルを越えた反射波の受信波形を示す
図である。

【符号の説明】

１送信手段２受信手段３時間計測手段４パルス幅計測手段５補正値算出手段６距離算出手段１１タイミングコントロール部１２レーザ発光部１３時間計測部１４レーザ受光部１５第１コンパレータ１６第２コンパレータ１７コンピュータ部２１粗測定部２２誤差パルス出力回路２３切換スイッチ２４パルス幅・電圧変換回路２５ＡＤ変換回路３１Ｄフリップフロップ３２論理積回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス波を送信する送信手段と、前記パルス波が物標に反射して生じた反射波を受信する
受信手段と、前記送信手段により前記パルス波が送信されてから、前
記受信手段により前記反射波が検出されるまでの所要時
間を計測する時間計測手段と、前記受信手段より出力される前記反射波の受信波形を取
り込み、その受信波形のパルス幅を計測するパルス幅計
測手段と、前記パルス幅計測手段により計測されたパルス幅を取り
込み、前記受信手段における活性領域および飽和領域の
入出力特性に基づいて、前記パルス幅に対応する前記所
要時間の補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段により算出された補正値を用いて、
前記時間計測手段により計測された前記所要時間を補正
し、前記パルス波の伝搬速度を乗じて前記物標までの距
離を算出する距離算出手段とを備えたことを特徴とする
距離計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の距離計測装置におい
て、前記補正値算出手段は、前記反射波の受信レベルにより互いに変化する前記受信
波形のパルス幅と前記所要時間のずれとを記憶したテー
ブルと、前記パルス幅計測手段により計測されたパルス幅に基づ
いて前記テーブルを参照し、前記所要時間のずれを補正
値として求めるテーブル参照手段とからなることを特徴
とする距離計測装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の距離計
測装置において、前記時間計測手段は、周期が一定であるクロックの計数を行い、前記所要時間
の計測値を求める粗測定手段と、前記粗測定手段により求められた前記計測値の量子化誤
差をパルス幅として出力する誤差出力手段と、前記パルス幅計測手段に対し、前記誤差出力手段より出
力される波形と前記受信手段より出力される前記受信波
形とを順次に与える切換手段と、前記パルス幅計測手段で計測された前記量子化誤差に基
づいて、前記粗測定手段により求められた前記計測値を
補正する精密補正手段とからなることを特徴とする距離
計測装置。