JPS59135382A - 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】 この発明は装置前方を一定速度で横行する物体までの距
離を非接触で遠隔測定する光波を用いた距離測定装置に
関するものである。

従来光波による距離測定装置には三角測量法又は自動化
され斤三角測量法によるもの９時間幅の狭いパルス状に
発振するレーザ光が目標物までの距離を往復する時間を
計測し距離に換算するもの、連続発振のレーザ光を強度
変調して送信し、目標物ないしその表面に設置した再帰
性反射体、ｒ、ｈ反射して来る変調波と送信波の位相差
を距離に変換するもの、目標物表面に設置したコーナキ
ューブと言われる高精度の再帰性反射体からの反射レー
ザ光と装置内に設けたコーナキューブから反射して米る
レーザ光とを干渉させ物体までの距離の変化に応じて発
生する干渉縞の個数の変化を計測して距離に換算するも
の等数多くの方式による装置が開発され実用に供されて
いる。

し２かし、第１の三角法はセオドライト等の測角装置を
用いて人間が目標を規準しながらその方位角を求め三角
関数を用いて距離に換算するものであるから測定に長時
間を要しており移動目標なかでも方位角が寸はやく変化
する横行目標に対してはほとんど能力を発揮できないも
のである。なか、第１の三角法を自動化した例えばカメ
ラの距離自動合せ器では多くが光路中に設けた鏡を振動
したり撮像レンズを移動させて合焦位置前後における像
の尖鋭度を最高にする等の試行錯誤を要し瞬時に測定が
できるものではなかった。第２の方法であるパルスレー
ザ光の飛行時間から距離を求める方法では計測時間は光
波が目標物との間の空間を飛行する時間で決定されるが
、その精度は送信パルスと受信パルスの立ち上り時間で
決められ一般にレーザ発振器からの出力パルス波形の計
測は非繰り返し発振の場合には１０〜９秒程度が限界で
あり、従って５　ｃｍ以上に高精度化することができな
かった。第３の方法である送信レーザ光と反射レーザ光
の変調波の位相差を計測する方法では計測時間の点では
第２のパルスレーザ光の飛行時間法と原理的には同じで
あるが、測定精度はレーザ光の変調周波数が高々１５０
ＭＨｚ程度であってかつ位相差測定の精度が高々２π／
１ｏｏｏ８度であるがＬ２ｏ＋＋にすぎなかった。第４
の方法である干渉測長法はそもそもがある時刻と異なる
別の時刻の間に於ける距離の変化量であって距離の絶対
値ではなく規準値を必要とし、た、しかも、第４の方法
は変化量の計測単位は送信レーザ光の波長の１／２であ
るから３００ｎｍ程度であり、３０ｍセ程度の高速移動
偉才での距離を測定しようとすると１００ＭＨｚ以上の
受信周波数帯域と可逆カウンタを要するためこれ以上の
高速移動体の計測は現在の電子回路技術では実現困難で
あった。

この発明は、これら従来装置が有する欠点を除去するた
め複数の光ビームを目標物が横方向に移動する領域に照
射し、でおき、こｒ、ら複数の光ビームを物体が横切る
時刻の差から物体と装置との間隔を求めようとするもの
で、測足量を反射光強度と単純化したことに特徴を有す
るものである。

第１図はこの発明による距離測定装置の一つの実施例の
原理説−図である。図において（１）は本発明ＫＪ″る
距離測定装置の有する規準面、（２）及び（３）は規準
面（１）上で距離ｄへだてて規準面（１）に対して等し
い角θをもって射出される平行性の良い第１と第２の光
ビーム、（４）から（６）は距離が測定されるべき被測
定物の第１の光ビーム（２）と第２の光ビーム（３）に
よって決定される平面内に於ける軌跡を表わしており、
（７）から（２）は第１の光ビーム（２）又は第２の光
ビーム（３）と同一の視野を持つ２つの受信系によって
観測される反射信号を表わしている。（７）から０９の
反射信号に於いて奇数番目の反射信号は第１の光ビーム
（２）を被測定物が横切った時に発生する反射信号を示
して卦ね、偶数番目の反射信号は第２の光ビーム（３）
を被測定物が横切った婿に発生するものである。

いま、被測定物が第１の光線（２）と第２の光線（３）
で決定される平面内で速度Ｖをもって、規準面（１）と
平行に高さｈを保って第１図の左から右に横行すると考
える。すると、ｖ２の光ビーム（３）を被測定物が横切
ってから第（１）の光ビーム（２）を横切るまでの時間
Δｔ　と高さｈけ第１式の関係を持っている。

ｈ　＝　−（ｄ　＋　ｖ　ｔ　’）・−θ　・・・・・
・・・・・・・・・・　（１１第１式からも明らかなよ
うに第１と第２の光ビーム（２）と（３）の間隔ｄと両
光ビームと規準面（１）のな寸角θは装置定数であるか
戯速度Ｖを何らかの方法で決定することができれば被測
定物の軌跡（４）から（６）１でを計測可卵とすること
ができる。例λば、被測定物が２つの光ビーム（２）と
（３）により決足さ１．る平面に垂直な回転軸を持つ（
ロ）転体の外周で、その回転体の半径が２つの光ビーム
（２）と（３）の設置間隔ｄに比較［て十分子大きいと
仮定すると、被測定物の速度Ｖつ才ね回転体の周速はそ
の回転速度ｆを用いて第２式と表わされるので規準面（
１）と外周の間隔りは筆３式と求められる。

■−２πｆ・γ　　　　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・　（２）＋１　＝　−（ｄ　＋　２πｆ＋γ・
ｔ）―θ　・・・・・・・・・　（３）第２図はこの発
明による距離測定装置の他の実施例を示す原理説明図で
ある。この実施例の特徴は第１図の実施例と異なり距離
測定装置自身が被測定物の速度Ｖを測定できるようにし
たところにある。図において、α９は第２の光ビーム（
３）と平行で規準面上に於いて距離ｄへだてて射出され
る第３の光ビームであわ、α珀から（ト）は第３の光ビ
ームαＱと被測定物の軌跡（４）から（６）とが交差す
る際に発生する反射光を第３の光ビームとローの視野を
持つ第３の光ビームの射出口付近に設置された第３の受
信系が受イぎしたときに発生する受イキ信号である。

い寸、被測定物が規準面（１）上を速度Ｖをもって横行
しているとし、−２つの平行な光ビーム（３）と０３を
横切る時間間隔を＋２．交差する２本の光ビーム（２）
と（３）を横切る時間間隔を１１とすると。

その他の記号に対する足義を第１図の説明と同様にして
、被測定物捷での距離りは筆４式と表わされ装置定数ｄ
とθ及び観測量ｔ１と１２のみから距離りの求められる
ことがわかる。

以上で本発甲に係る距離測定装置の原理説明を終るが以
下では上述の説明で詳細な記述を省いｆｒ複数の光ビー
ムの射出器１反射光の受信器及び信号処理回路について
のべる。なお、光ヒームの射出器と反射光の受信器は（
２）ど（３）とαｊ・第１の光ビーム、第２の光ビーム
と第３の光ビームのいずれについても同様であるので簡
巣のため唯一本の光ビームのみを取り上げて説明する。

第３図は光ビームの射出器と受信器の構成を示ス図であ
わ１図においてσηは発光ダイオード、（至）は光ビー
ムの被測定物による反射光を受信し電気信号に変換する
ためのフォトダイオード、　（１９は発光ダイオードα
ηの光を平行性よく射出するためないし、フォトダイオ
ード（至）への入射光を増すどともに受信視野を制限す
るためのレンズ、翰はフォトダイオード（至）の受信視
野を論述のレンズと共に制限するための開口、Ｑυはこ
れらの部品を収納するとともに、フォトダイオード（至
）上開口ＣυとレンズＨによって決めらｎる受信器の視
野を発光ダイオードα力とレンズα鴨によって形成され
る光ビーム（２）と（３）とα秒に一致させた状態で維
持するための筐体である。

第４図は光ビームの射出器と受信器の他の構成を示す図
である。図において（財）は同心円状の屈折率分布を利
用して一定の入射角以内の光線を内部に閉じ込めて伝送
する光ファイバ、＠は光ファイバ（イ）の被覆、（ハ）
は光ファイバ翰の端面を保護するとともに研磨するため
に用いる金属パイプである。発光ダイオードαカからの
出力光は光ファイバ（イ）を通過してレンズα係に至っ
て被測定物方向に射出さ１−２被測定物からの反射光は
レンズＯＩＪによって他方の光ファイバ（ロ）の入射端
に集光され受光素子であるフォトダイオードθ→に集光
され電気何畳に変換さ７１（７）から（２）とα４から
（ト）の記号をつけて示した受信何畳となる。

第４図の構成射出器と受信器を用いることの利点は測定
点から電気信書を取り扱い発光ダイオードαカやフォト
ダイオード（至）などの電気部品を隔離でき低雑品化で
きることと測定点付近に設置する部品の寸法を小さくす
ることができることである。−例を挙げれば、レンズ０
９の寸法は内部の屈折率が軸からの距離の２乗に比例し
て減するいわゆる屈折率分布型ロッドレンズを用いた場
合、直径２雪で長さが約８５■であり。

したがって第４図に示した筐体Ｑカの寸法は第４図の紙
面に垂直方向で５　ｍｇ　、紙面に平行でレンズ（１３
の長方向で１５瓢２紙面に平行でレンズα鴨の軸に垂直
方向で８１ｃＭである。

第５図は受信今の信号を処理して被測定物までの距離り
を求めるための第３図の方式による距（ト）測足装置の
信号処理回路の構成図である。

図にかいて（ハ）は発光ダイオードぐ乃の出力光を特定
の周波数で変調するための原信号を発生する変調信号発
生回路、（転）は変調信号発生回路に）の出力を増幅し
て発光ダイオードαηに供給する駆動回路、＠はフォト
ダイオード（至）の出力の中から変調信号発生回路（ハ
）による変調成分のみを通過させて後の信号処理を可能
ならしめるためのバンドパス回路、（イ）はバンドパス
（ロ）路（ハ）の出力を検波するとともにパルス状の検
波出力の中点を検出するための中点検出回路、（４）け
３系統の中点検出回路（ハ）の出力の相互の時間間隔を
デジタル的に測足するためのクロック信号を発生ゴるた
めのクロック信号発生回路、（至）と０１１はクック信
呆を切り出すためのゲート回路、□□□は切り出さｆ′
したクロック＠骨を計数するためのカウンタ回路、弥は
カウンタ回路の計数値から原理説明の項でのべた第４式
で示した演算式により距離に換算するための演算回路、
（２）は演算結果と表示するための表示回路である。

第６図は第５図に示した信号処理回路の各部における信
号出力を雑音が存在し方いとして模式的に示した回路の
動作説−図である。図において（ト）と（イ）とホ１）
は第３図における第３の光ビーム（至）と第１の光ビー
ム（２）と算２の光ビーム（３）の被測定物からの変調
さ九た反射光を横軸を時間とし縦軸を反射光強度として
示したものである、、儲と６１）とｆ４４１は中点検出
回路（財）の中の検波回路の出力を示している。艶と０
ネと（機は上記検波回路の出力の前縁と後縁を決足する
ための閾値レベルである。（４０１とにと（イ）は中点
検出回路（ホ）の出力である。（４７）は中点検出回路
（ハ）の出力（４■とにによって切り出されたクロック
信号であり、（４８１は中点検出回路＠の出力にと關に
よって切り出さ、ｆｉ　ｆｃ他のクロック信号である。

これら２つのクロック信書を２つのカウンタ回路Ｃ３ｚ
が独立に計数して演算回路割に入力し距離に換算するも
のである。

なお、被測定物から第６図中◇つと（ト）と（資）に示
した如き反射信号を受けるためには被測定物に到来光の
方向に光を反射する再帰性反射体を設置しなければなら
ないが、その例としては住友スリーエム社製スコッチラ
イト印ハイ・インテンシテイ・グレード反射シー）　３
８７０又は３８７１又は３８７２が挙げられる。

第７図は上述の再帰性反射体を被測定物に取りつけない
で測足をするための信号処理回路の構成を示す図である
。図において、　＋４！ｌは検波回路、［株］は検波回
路＋４４＋の出力波形を記憶するためのメモリ、　ｅｉ
ｌｌはメモリに記憶された３つのフ第１・ダイオード（
至）の検波出力の時間軸に対する相互相関関数を計算す
る相関演算回路、６つは計算さ′ｉ″した相互相関関数
の最大相関出力を与える時間軸上の座標がフォトダイオ
ード０僻の検波出力の時間差を示しておＩ’）第４式の
ｔｌとｔｌに対応するものであり、以後の演算は第５図
ないし第６図にふ゛いて説明したものと同一内容である
のでここでは省略する。

第８図は第７図に示した信号処理回路の各部における信
号出力を模式的に示した０図である。

図Ｉでおいて、弥と（財）と６０け上から順番に第７図
に示した３つの検波回路＋４９１の出力波形を示してお
りそれぞれが第７図で結線した４つのメモリ鮒に記憶さ
几ている。（５６１は相関演算回路６Ｄによる検波波形
■）と検波波形（財）の積相関出力を示しており、（資
）は検波波形←→と検波波形（財）の積相関出力を示し
ている。■と（５Ｇは相関出力の最大値を与える座標で
あり、田は検波波形（財）の自己相関関数の最大出力を
与える座標である。靴と■あるいは６つと画の差が第３
式の時間間隔ｔ１とｔｌに対応する量である。

なお１以上の説明では被測定物が規準面（１）に対し平
行に横行する場合で、第１図ではその速度が外部の他の
測定器により得られる場合の距離の計測法を示し５．第
２図では光ビームの数を１水増１〜で速度が外部の他の
測定器によらずとも距田（￥ｈを計測できることを示し
に０同様の考察により一更にもう１本光ビームを増すこ
とに工り、第１図と第２図で仮定した被測定物の規準面
（］）に対する平行移動性という条件が取り除くことが
できるようになることは当然予測さ肛ることである。計
算式の詳細は特願昭５７−１１４６２３に示されている
。

−また１以上の酸５叩では被測定物の速度の計測手段と
してｊｌｌ′ｌ隔が既知の平行な２本の光ビーム間を通
過する時間から求める第２図の方法ないｌ、２．被測定
物の回転数から周速は１回転内で一定であるとの仮定を
おいて求める第１図の方法を示したが、第１の光ビーム
によって反射波の周波数のドツプラ変位量を計測すれば
２本のビームによって距離りを求めることが可能である
。更に、第２の光ビームをもドツプラ変位量が計測でき
るようにしておけば、被測定物と規準面との平行性に対
する制限がとれて計測の自由度が増すのは当然のことで
ある。なお、ドツプラ変位量の計測を実行する方法の詳
細についてはＫｙｕｍａらによるＡｐｐｌｉｅｄ　０ｐ
ｔｉｃｓ　２０巻４号２４２４頁に示されている。

また２以上の説明では相関演算法として積相関のみを取
り上げたが例えば差の絶対値相関など他の演算法でも良
い。詳細は電子通信学会宇宙航行エレクトロニクス研究
会資料５ＡＮＥ　８０−１９に示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の原理を駅間するための図、ｖ
３図１と第４図は光ビームの射出器と反射光の受信器を
説明するための図、第５図と第７図は信号処理回路の構
成図、第６図は第５図に示した信号処理回路の各部にお
ける信号波形の模式図、第８図は第７図における信号波
形の模式図である。 図において、（１）は規準面、（２）と（３）と０３は
光ビーム、（４１と（５）と（６）は被測定物の軌跡、
（７）から（２）までとα小から（至）才では反射光強
度の時間変化。 αηは発光ダイオード、Ｃ８）はフォトダイオード。 ０４メはレンズ、（４）は開口Ｓ　＠ｌ）は筐体、＠け
光ファイバ、（ハ）は被覆、（財）；は金属パイプ、（
２）は変調何月・発生回路、（ロ）は駆動回路、（イ）
はバンドパス回路、（ハ）は中点検出回路、翰はクロッ
ク信号発生回路、（ト）とＣ１ｌ＋はゲート回路、　Ｃ
＋Ｚけカウンタ回路、ωは演算回路、＋３４）は表示回
路、（ト）と（ト）と国は反射光信号、（財）と（４）
と（４４）は検波出方、耶とｈｂと（４５１け　値レベ
ル、（４■と備と（４８１は中点検出（ロ）路出力、　
！４７）と彌１は切ＯＷされたクロック信号、　（４’
；＋は検波回路、ωはメモｔ３　、４５１＋は相関演算
回路、姉は最大座標検出回路、■と図と６うけ被測定物
に再帰性反射体を設置しないときの反射光強度の時間変
化、５６＋と５りは相関演算出方９時と（至）は相互相
関演算出力の最大値を与える座標、川は自己相関出力の
最大値を与える座標である。 代理人　　葛　野　信　− 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）２本の指向性の高い光ビームを交差させ。 被測定物がこれらのビームを横切った際に発生ずる反射
   光強度の発生時刻の差から次式に従って距離りを求める
   ことを特徴とする距離測定装置。 ｈ＝−（ｄ＋ｖｔ）・−θ ここで、ｄは２本の光ビームの規準面上における間隔、
   θけ規準面と光ビームのなす角、■は被測定物の移動速
   度、ｔは２本の光ビームを被測定物が横切る時間差であ
   る。
2. （２）反射光の発生時刻の差の計測方法として相関演算
   法を採用したことを特徴とする算（１）記載の距離測定
   装置。
3. （３）３本の指向性の高い第１と第２の光ビーム２本を
   交差させ、残り第３の光ビームを第２の光ビームと平行
   に射出し、被測定物が上記３本の光ビームを横切るとき
   に発生する反射光の発生時刻の差から次式に従って距離
   りを求めることを特徴とする距離測定装置。 ここで、ｔｌは第１と第２の光ビームを被測定物が横切
   る時間間隔＋ｊ２は第２と第３の光ビームを被測定物が
   横切る時間間隔である。
4. （４）反射光の発生時刻の差の計測法として相関演算法
   を採用したことを特徴とする第（３）項記載の距離測定
   装置。