JPH0827345B2 - 距離測定装置 - Google Patents

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け照射し、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要時
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。

〔従来の技術〕

この種の距離測定装置としては、特公昭46−1632号広
報等で開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
す図であり、パルスレーザー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はレーザパルス光を照射
された物体10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
所定の閾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の計
数値を読み出して、上記計数値を処理装置7Aにより下記
（１）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 …（１） すなわち距離は、上記カウンタ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1/2となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

この種の距離測定装置では距離測定の分解能は（１）
式により示されるようにクロックパルスの周期に依存す
る。例えばクロックパルスの周波数を汎用のディジタル
ICが応答できる周波数の上限に近い30MHzとすると距離
の分解能は5mとなる。距離の分解能を良くするには、ク
ロックパルスの周波数を上げる必要があるが（例えば分
解能を50cmとすれば、クロックパルスの周波数は300MH
z）、そうするとカウンタ９、クロックパルス発生器２
等の距離測定装置を構成する装置には超高速の応答性を
有する素子を使用しなければならず、汎用のディジタル
IC等は使用できず、特殊で高価な部品を使用することに
なり、距離測定装置の価格は非常に高価なものとなる。
更に分解能を向上させようとすれば超高速動作の素子開
発から始めなければならない。

また、このような距離測定装置では、距離を測定しよ
うとする対象の物体10が距離測定装置の近傍にあり反射
パルス光の強度が高く光検出器３のS/N比が十分確保さ
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の閾値を上げることにより、確実に物体10からの
反射パルス光を検出しカウンタ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、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、上記パルス弁別器８の閾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により物体
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。すなわちノイズ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の閾値を上
げる必要があり、そうすると真の反射パルス光も検出で
きなくなる可能性が高くなり、測定可能な距離範囲が制
限されてしまう課題があった。

そして、この光検出器３の出力信号をある閾値と比較
するという方式は、閾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特性があり、結果として
距離検出に誤差を生じ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、すなわちパル
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はなら
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（レイズドコサイン）形の波形で近似され
る形状となる（第４図（ａ））。物体10で反射して光検
出器３で検出され出力される信号は、光検出器３で必ず
帯域制限を受けるためパルスレーザ１の発光波形よりも
さらに広がった波形となる（第４図（ｂ））。この時間
的に広がった波形をパルス弁別器８で所定の閾値Ｖと比
較すると、光検出器３で検出出力される信号振幅によっ
てパルス弁別器８の出力パルス発生時期が異なってしま
う。第４図（ｃ）において、実線は出力振幅の大きい時
を示し、点線は出力振幅の小さい時を示している。小振
幅では、パルス弁別器８の出力パルス発生時期が遅れる
ので距離は大きく測定される。このことは物体10の反射
係数によって測定距離に誤差が生じることを意味してい
る。

さらには、一般に反射パルス光の強度は距離の２乗な
いしそれ以上の係数で減衰するため、被検出物体までの
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。

この発明はこのような課題を解消するためになされた
ものであり、特殊な高速の素子を使用せずに汎用ディジ
タルICが応答できるクロックパルスの周波数範囲でも距
離検出の分解能を飛躍的に向上させることができ、さら
に反射パルス光の検出信号のS/N比が良くない状態でも
距離測定対象物体からの反射パルス光を弁別し、また、
距離測定対象物体の反射係数や距離に応じて誤差の発生
するような不具合が無く、距離測定の直線性の良い距離
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〕

この発明の距離測定装置は、クロックパルス発生手段
と、クロックパルスの周期を２以上の整数であるＮを除
した時間間隔の整数倍の時間クロックパルスを遅延させ
た遅延クロックパルスを発生するクロックパルス遅延手
段と、クロックパルスのある１つのパルスと同期したタ
イミングでパルス光を発生するパルス光発生手段と、こ
のパルス光が物体により反射された時の反射パルス光を
受光して光電変換する光検出手段と、この光検出手段の
出力信号を遅延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変換値を記憶する記憶
手段と、Ｎ回のパルス光発生について、遅延クロックパ
ルスには異なる遅延時間を与え、記憶手段に記憶された
Ｎ組の反射パルス光サンプル波形を時系列的に並べ替え
ることにより合成された反射パルス光波形をもとに演算
処理して距離を算出する処理手段を設けたものである。

〔作 用〕

この発明における距離測定装置は、クロックパルス発
生手段が一定の周波数のクロックパルスを発生し、この
クロックパルスを処理手段により設定された遅延時間分
クロックパルス遅延手段が遅延させて遅延クロックパル
スを発生する。さらに、処理手段は反射パルス光の記憶
手段上の記憶領域を決定し、パルス光発生手段に発光を
指令する。パルス光発生手段はこの発光指令を受けて最
初に発生するクロックパルスに同期してパルス光を発生
する。このパルス光を測距対象の物体が反射し、その反
射パルス光を光検出手段が入力して光電変換し以降のA/
D変換に必要なレベルにまで増幅する。A/D変換手段はク
ロックパルスに同期して光検出手段の出力信号をA/D変
換する。このA/D変換結果は処理手段で決定した記憶手
段領域内に遅延クロックパルスに同期して順次に記憶さ
れる。距離測定範囲に相当する時間の間A/D変換及び記
憶手段への記憶を繰り返した後、A/D変換を停止する。
次に処理手段は記憶手段の記憶領域を前回のパルス発光
の領域から変更し、遅延クロックパルスの遅延時間を変
更設定して再びパルス発光から記憶手段への記憶を行
う。この過程を複数回繰り返す。尚、遅延クロックパル
スの遅延時間はクロックパルスの周期を繰り返しの回数
で除したものを単位時間遅れとする。処理手段は記憶手
段に記憶されているA/D変換結果を各領域毎に、すなわ
ち複数回の各パルスのA/D変換結果をそれぞれ読み出
す。この複数回のパルス発光に対するA/D変換結果の記
憶値をパルス発光からの時系列として並べ替え、この波
形をもとに演算処理で物体までの距離を求める。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図において、１はクロックパルスの１つのパルスに同
期したタイミングでパルス光を発生するパルスレーザ、
２は30MHzの周波数の上記クロックパルスを発生するク
ロックパルス発生器、11はプログラマブルディレイジェ
ネレータ（例えばアナログ・デバイセズ社製のIC AD95
01）によるクロックパルス遅延装置であり、遅延クロッ
クパルスを出力する。このクロックパルス発生器２から
の上記クロックパルスはパルスレーザ１とクロックパル
ス遅延装置11に与えられるようになっている。３は光電
変換機能および増幅機能を有する光検出器、４は光検出
器３の出力信号を上記遅延クロックパルスに同期してA/
D変換する高速のA/D変換が可能なフラッシュタイプのA/
D変換器である。５はメモリ、６はクロックパルス遅延
装置11が出力する上記遅延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しかつ上記遅
延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回の発光当たりのA/D変換回数を決める
アドレス発生器である。７はパルスレーザ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、クロッ
クパルス遅延装置11に対する遅延時間の設定、そしてメ
モリ５の記憶値から合成した反射パルス光波形をもとに
距離測定演算をする処理装置、10は距離測定対象の物体
である。ここで、処理装置７がクロックパルス遅延装置
11に指定する遅延時間の単位は上記30MHzのクロックパ
ルス周期の1/16に、即ち2.08nsに選ばれている。

次に上記のように構成された装置の動作を第１図及び
第２図のタイミングチャートを用いて説明する。処理装
置７はメモリ５の上位アドレスに０を設定し、クロック
パルス遅延装置11に遅延時間0nsを発生させるために０
を設定する。これにより、クロックパルス遅延装置11か
らクロックパルス発生器２のクロックパルスを設定遅延
分遅延させた遅延クロックパルスが出力される。そして
パルスレーザ１に対してパルス発光のトリガをかける
（第２図（ａ））。このトリガに応じて最初に遭遇する
クロックパルス発生器２からのクロックパルス（第２図
（ｅ））に同期してパルスレーザ１はパルス発光する
（第２図（ｂ））。

処理装置７からのトリガに応動してアドレス発生器６
はクロックパルス遅延装置11から入力した遅延クロック
パルス（第２図（ｄ））の計数を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（第２図（ｆ））。パルスレーザ１
から発光されたパルス光は物体10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、増幅
して信号出力する（第２図（ｃ））。この光検出器３の
出力信号をA/D変換器４はアドレス発生器６からのA/D変
換タイミング信号により上記遅延クロックパルスの立ち
上がりに同期したA/D変換タイミングでA/D変換する（第
２図（ｇ））。第２図（ｇ）において、数字は発光回
数、丸印はA/D変換値を示す。このA/D変換結果は上位ア
ドレスが先に処理装置７で決定され、下位アドレスが上
記アドレス発生器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ち下がりに同期して記憶され
る。A/D変換は上記アドレス発生器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上記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装置７は、メモリ
５の上位アドレスをインクリメントして、次回のA/D変
換値記憶のためのメモリ５の上位アドレスを決定する。
さらに処理装置７はクロックパルス遅延装置11の遅延時
間指令を１単位増して2.08nsとする。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
装置７は16回の反射パルスA/D変換結果を順次読み出し
てパルス発光からの時間順に並べ変えて、16回の反射パ
ルス光に対するA/D変換結果である16組の反射パルス光
サンプル波形を１つの波形に合成する。すなわち、例え
ば１回目のパルス発光に対して連続した２つのA/D変換
結果の間に２〜16回目までの対応する時刻のデータを挿
入する事により、16倍のサンプリング周波数（480MHz）
でA/D変換された波形に等価な波形が合成される（第２
図（ｈ））。

そして処理装置７は、この合成した反射パルス波形で
最大値を物体10からの反射パルス光のピークを判定し、
その発生順（メモリ５の下位アドレスに相当する）から
パルスレーザ１の発光から反射パルス光ピークまでの時
間（第２図におけるＴに相当する）を求めて距離に換算
する。距離の換算は下記（２）式で行われる。

例えばピークが200番目のサンプリングにより現れた
とすれば、物体10までの距離は、 と求めることができる。

このように上記実施例では30MHzという一般のディジ
タルICが応答可能な周波数帯で反射パルス光の受信波形
をA/D変換器でサンプリングしながらその周波数の16倍
の周波数（480MHz）に等価なサンプリングができる。そ
の結果、30MNzのサンプリングでは測定距離の分解能が5
mであったものが1/16すなわち0.3125mに向上できる。単
位遅延時間の設定をより小さくして等価サンプリング周
波数を上げればさらに分解能を向上させることができ
る。

また、上記実施例では、反射パルス光をA/D変換して
信号波形のピーク位置を物体10の位置と認識するので従
来例で問題となる閾値による誤差といったものが原理上
無く、正確な距離測定が可能である。閾値による誤差が
無いために、距離測定の直線性の誤差も全く生じないこ
とになる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればクロックパルスに同
期したタイミングで物体にパルス光を照射して、その反
射パルスを光電変換しクロックパルス所定の時間遅延し
たクロックパルスに同期してA/D変換を行い逐次記憶す
るという操作を複数回のパルス発光の度に遅延時間を変
更して行い、その後、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、時系列を考慮して読
み出したデータを並べ替え１つの波形を合成して信号の
最大値を与えるデータ位置から演算により物体までの距
離を測定するように構成したので、特殊な高周波用の回
路素子を使用せず、一般的なディジタルIC等を使用して
も分解能が高くかつ高精度の距離測定ができる効果があ
る。

また、サンプリングされた波形から演算で距離を求め
るように構成しているので、ノイズに対しても誤動作の
ないものが得られる効果がある。

尚、上記実施例では、光パルス発生器としてパルスレ
ーザを用いているが、これはLED等の他の光源でもよ
く、また、この距離測定装置は光の電磁波的性質を利用
しているので、光パルス発生器、光検出器の代わりにそ
れぞれ電磁波パルス発生器、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同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は一
実施例の動作を説明するための波形図、第３図は従来の
距離測定装置の構成図、第４図は従来例の動作を示す波
形図である。 図中、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……処理装置、10……物
体、11……クロックパルス遅延装置。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、該クロックパルスの周期を
   ２以上の整数であるＮで除した時間間隔の整数倍の時間
   上記クロックパルスを遅延させて遅延クロックパルスを
   発生するクロックパルス遅延手段と、上記クロックパル
   スのある一つのパルスと同期したタイミングでパルス光
   を発生するパルス光発生手段と、該パルス光発生手段よ
   り発生されたパルス光が物体により反射された時の反射
   パルス光を受光して光電変換する光検出手段と、該光検
   出手段の出力信号を上記遅延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、このA/D変換
   手段のディジタル出力信号を順次記憶する記憶手段と、
   Ｎ回のパルス光発生について上記遅延クロックパルスに
   は異なる遅延時間を与え、A/D変換により上記記憶手段
   に記憶されたＮ組の反射パルス光サンプル波形を時系列
   的に並べ替えることにより合成された反射パルス光波形
   をもとに演算処理して上記物体までの距離を算出する処
   理手段とを備えた距離測定装置。