JPH0833444B2 - 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号公
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で除
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、遅延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
クロップ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
初に発生する遅延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は遅延クロックパルスのある１つのパ
ルスに周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
AD9501）によるクロックパルス遅延装置であり、クロッ
クパルス発生器２からの上記クロックパルスを所定の遅
延時間例えば（Ｎ−１）×2.08ns（但し、Ｎは発光回数
で１〜16の整数）遅延させて上記遅延クロックパルスを
パルスレーザ１に与えるようになっている。３は光電変
換機能と増幅器能を有する光検出器、４は光検出器３の
出力信号を上記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、
５はそのA/D変換値を記憶するメモリである。６は上記
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、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。

第２図は上記構成の装置の動作を示すタイミングチャ
ートである。

次にこのように構成された装置の動作を第１図および
第２図を用いて説明する。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はクロックハルス発生器
２から出力されるクロックパルス（第２図（ｄ））を設
定遅延量分遅延させた遅延クロックパルスを発生してパ
ルスレーザ１に出力する。そして、次に処理装置７はパ
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遅延
クロックパルス（第２図（ａ））に同期してパルスレー
ザ１はパルス発光をする（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
はクロックパルス発生器２から入力したクロックパルス
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
りクロックパルス発生器２の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））。但し、第２図（ｇ）において、数字は発光回
数を、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。この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て以下同様の処理を繰り返
す。

上記のようにしてパルス発光回数が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
結果をメモリ５から順次読み出して、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16〜２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））。

この合成された反射パルス光波形で最大値を物体10か
らの反射パルス光のピークと判定し、その発生順（メモ
リ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、30MHz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を所
定の時間遅延させた遅延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、その反射パルス光
を光電変換し、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かで
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、該遅延クロックパ
   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。