JPH01129183A

JPH01129183A - レーザ測距装置

Info

Publication number: JPH01129183A
Application number: JP62287851A
Authority: JP
Inventors: Kunio Yoshida; 邦夫吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-11-13
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1989-05-22

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】産業上の利用分野本発明は、レーザ光を対象物に照射し、その反射光のタ
イミングから対象物までの距離を測定するレーザ測距装
置に関する。

従来の技術レーザ光を使って、対象物体までの距離を測定する方法
の１つに、レーダと類似の方法がある。

すなわち、パルス状の光を対象物に投射し、その反射光
が返ってくるまでの時間Ｔを測定すれば、距離ｄは、ｄ：　ＶＴ　／　２　　　　　　　　　　−（１）で与
えられる。ここで、■は光パルスの伝播速度である。こ
れを利用する測距装置は、たとえばシソｌンＸンがジェット　プロバルジ１ンラボラトリのレボ
−）　　ＮＰＯ−１３４６０号（Ｊｏｈｎｓｏｎ　；Ｉ
ｎｆｒａｒｅｄ　　１ａｓｅｒ　　ｒａｎｇｅｆｉｎｄ
ｅｒ　　Ｒｅｐ、　Ｎｏ。

ＮＰＯ−１３４６０％　　　Ｊｅｔ　　　Ｐｒｏｐｕｌ
ｓｉｏｎ　　　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　　。

１９７３）に示しているように既知である。また、測定
の分解能を高めるため、レーザビームを強度変調し、反
射光強度と、変調波の位相ずれから時間測定する方法も
ニツツアン等がプロシーディングスオプザアイ　イーイ
ーイー第６６巻第２号２０６〜２２０頁１９７７年（Ｐ
ｒｏｃ、　Ｉ　ＥＥＥ　ｖｏ１６６、Ｎｏ２　　ｐｐ２
０６〜２２０，１９７７）に記載している。この方法を
以下に、図面を用いて説明する。第８図は光の飛翔時間
から、対象物までの距離を測定する測距装置の従来例の
構成を示す図である。レーザ発振器１から発射されるレ
ーザ光２は、光変調器３でその強度が変調され、照射光
６となる。光変調器３の変調信号１６は、後で詳述する
ような繰り返し信号であるので、照射光６は一定周期の
繰り返し波形の強度を持つ。照射光６は、ビームスプリ
ッタ４を通過し、対象物６０表面にある反射点７に至り
、反射光の一部分Ｂは照射光６と同じ光路を逆方向、す
なわち対象物６より、ビームスプリッタ４に向って進む
。ビー１１スプリツタ４で反射した反射光の一部分８は
、受光器９で電気信号に変換されて、受光器出力１ｏと
なる。受光器出力１ｏは、時間差測定カウンタ１３によ
って基準信号１２との時間差を計測され、測距出力１４
となる。基準信号１２は、信号源１１の出力を、分配器
１６によって変調信号１６とに分割したものであるので
、変調信号１６と同じ信号である。時間差測定カウンタ
１３は二つの入力Ｔ１とＴ２をゲート信号とするゲート
時間カウンタや、あるいは二つの入力ＴｒとＴ２にそれ
ぞれ与えられる、一定周期の信号の位相差を信号出力と
する位相計などの既知の測定系が用いられ得る。

信号波として幅τｐの矩形波を用い、距離ａ　ｌ：　Ｖ
ＴＩ　／２　　　　　　　　　　・・・（２）だけ離れ
た物体を測定した場合の波形例を、第９図に示す。照射
光波形２ｏは、第９図（、）のように矩形波で、時間τ
だけ対象物に向りて照射され、他の時間は全く照射光は
ない。したがって反射光波形２１は、同図（ｂ）のよう
に照射光波形２ｏと相似であって、時間遅れＴｌ後に第
８図に示す光変調器３に戻ってくるから、第８図に示す
受光器９を光変調器３と同一光軸で、同じ光路長となる
よう、ビームスプリッタ４を用いて配置されている場合
、ＴＩの測定値と、（２）式を用いる事で、対象物体ま
での距離ｃｔ１を算出する事ができる。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、このような装置においては、−般に距離
分解能を高くするためには、雑音の影響を軽減するため
に、一定期間のデータの平均値を計算するか、あるいは
送出パルスの繰り返し周波数を高める必要がある。前者
の方法では、雑音を低減するために、測定時間が長くな
る事は避は難い。また後者の方法によると、送出パルス
の繰り返し周期τｐで定まる距離ｄｍ＝Ｖτｐ／さ　　　　　　　　・・・（３）が小さ
くなる。ｄｍは、距離データの一意性を保証する事ので
きる範囲を定める。すな、わち距離Ｘと、距離ｘ＋ｄｍ
とは、前述の如き時間差あるいは位相差からは、区別す
る事ができない。したがって、後者の方法は、測距範囲
に大きな制限を加える事となり、実用上の大きな問題と
なる。

すなわち、第１０図（、）に示すようにある対象物まで
の距離がＴＩによって測られている場合、他のもう一つ
の物体が先の物体よりもさらに遠くにあり、その距離の
差が（３）式に示すｄｍであると、これら二つの物体ま
での距離を区別する事ができない。すなわち、第１０図
（ｂ）に示す如く、送出パルスＰｔの反射がＴｌ後のｐ
ｔであったとしても、受信側で〆ｔ”−１と区別する事
ができない。そのために、長距離測定に利用するには、
パルスの繰り返し周期τｐを長くする必要がある。しか
し、τｐを長くすると、測定に要する時間または測定値
の８Ｎ比のどちらかが犠牲になり、好ましくない。

問題点を解決するための手段本発明は、このような問題点を解決するための手段とし
て、送出する光パルス列の光周波数を変調する手段と、
受信パルス列の各パルスととＫ。

その光の周波数を弁別する手段とを備えている。

作用それらによって、本発明では受信パルスと送信パルスの
相関長が長くなり、前記の如き距離測定値に含まれるあ
いまいさを除き、かつ測定分解能や測定速度を犠牲にし
ない測距装置が得られる。

実施例以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明によるレーザ測距装置の構成を示すもの
である。レーザ発振器３ｏは、固有の波長のレーザ光３
１を連続して出力する。レーザ光３１はビームスプリッ
タ３２によって、主ビーム３３と参照ビーム３４に分割
される。参照ビーム３４はさらに反射鏡３６、ビーム混
合ミラー３６を経由して、受光器３７に導かれる。他方
主ビーム３３は波長シフタ３８によって波長の偏移すな
わち光の周波数の偏位をさせられ、周波数変調光３９と
なる。波長シフタ３８は、たとえば音響光学素子を用い
る。

この周波数変調光３ｅの周波数偏位量Δｆは、波長制御
器４１の出力４２で定まり、波長制御器４１の出力４２
は、その入力となる波長制御信号４３で制御される。出
力４２は、たとえば音響光学素子より成る波長シフタ３
８に与えるための一定電圧で周波数を制御される高周波
である。波長制御信号４３については、後述する。

さて、周波数変調光３９は、光変調器４０で強度変調を
受け、照射光４４となってビームスプリッタ３２を経由
して対象物４６の表面に達ｒる。

光変調器４ｏの変調信号４６は、変調信号発生器４７で
与えられ、−電波形り繰り返しである。変調信号４６は
、対象物４６までの距離を測定するための時間差測定器
４ｅの参照信号入力４Ｂとしても用いられる。その繰り
返し周波数は、制御回路５０の出力である変調トリガ６
１で定められる。

制御回路６ｏはまた、前記の波長制御信号４３も出力す
る。

さて照射光４４のうち、対象物４６０表面で反射する光
の一部６２は、照射光と同じ経路を逆に進み、ビームス
プリッタ３２で反射され、ビーム混合ミラー３６で前記
の参照ビーム３４と混合され、受光器３７で受光電気信
号６３となる。ここで、ビームスグリツタ３２は、送信
と受信の光路を共軸系にするために用いるもので、共軸
系ではない光学系を採用する場合には不必要である。

受光電気信号６３の包絡線は、光変調器４ｏに加えた変
調信号４６に対応するが、その瞬時周波数は、受光器３
７の非線型性により、反射光の一部６２と、参照ビーム
３４の画周波数の差となるように設定する。変調信号４
６として、矩形パルス列を用いた場合の波形は、前に説
明した第９図の照射光と反射光の図と同様である。この
受光電気信号６３と参照信号入力４８とは、時間差測定
器４９でその波形の時間差を測定し、その結果として対
象物４６までの距離に対応する測距出力５４を出力する
。

制御回路６ｏの一つの実施例の詳細を第２図によって説
明する。制御回路６ｏの目的は、波長制御信号４３と、
変調トリガ６１の２つの信号を、ある一定の関係を持た
せて発生する事である。制御回路６ｏの内部周期信号源
として、パルス発振器６６があり、その出力信号はパル
ス列６６であって、４ビツトカウンタ６７のトリガ入力
６８および遅延回路６９にパルスを供給する。出力の一
つである波長制御信号４３は、４ビツトカウンタ５７の
出力であって、４ビツトのデジタル信号で１６の状態を
表現する。他の出力である変調トリガ６１は、遅延回路
６９で遅延をうけたパルス列６６でる。遅延回路６９０
目的は、波長制御信号４３によって、実際に周波数変調
光３９（第１図）が制御されるまでの時間遅れと、変調
トリガ６１によって変調信号４６（第１図）が発生し、
光変調器４０（第１図）が動作するまでの時間差を調整
するためのものである。波長制御信号４３は波長側′御
器４１によりて、出力４２を得る。波長シフタ３Ｂとし
て、音響光学効果を利用する素子の場合、回折光を周波
数変調光３９とすると、その周波数偏位は出力４２の周
波数に等しい。

つぎに、受信された反射光の一部６２の処理を説明する
。変調信号４６として、一定周期τｐのパルス列を用い
る場合、その波形は第３図（ａ）のようになる。また、
波長制御器４１の出力４２は、第３図（ｂ）のように、
時間τｐごとにその周波数がｆｌ、ｆ２・・・ｆｌ６の
ように順次変化する。これらの信号によって制御された
結果の照射光４４が、物体４６で反射された後、受光器
３７で変換されると、受光電気信号６３は、第３図（ｃ
）のようになる。すなわち受光電気信号６３の包結線は
、第３図（ｃ）に示すように、変調信号４６と相似で、
光の伝播に要する時間に対応するＴｌの遅れを持ってい
る。したがって、変調信号４６と、受光電気信号６３の
包絡線信号とを、時間τｐにわたって相関を求めると、
その最大値を示す時の値から、時間Ｔ１を算出する事が
できる。第４図に示す時間差測定器４９のうち、相関器
６０でそれを行なう。しかし、実際に光が伝播に要する
時間Ｔｒは、ｎを零を含む整数とするとＴｒ＝Ｔ１＋ｎ・τｐ　　　　　　・＝　（４）である
。相関器６０の入力用信号としては、受光電気信号６３
の包絡線を検出するための包絡線検波器６１の出力であ
るトリガ信号６２を用いる。

トリガ信号６２の波形は、第３図（Ｃ）の破線で示した
包絡線波形である。トリガ信号６２はまた、カウンタ６
３のトリガとして用い、カウンタ６３は、受光電気信号
６３の瞬時周波数を、隣接する周波数が充分区別できる
よう、予め定めであるゲート時間で計数する。計数値６
４は周波数弁別器６６で、波長制御器４１の出力４２と
して発生するｆ１及至ｆ１６のうちのどの周波数である
かのデータに変換される。周波数弁別器６６はデジタル
数値を比較する回路の組合わせで容易に実現できる。周
波数弁別器６６の出力は、第２の相関器６６で波長制御
信号４３と比較される。第２の相関器６６は、単純な減
算器で、周波数弁別器６６の弁別結果を、波長制御信号
４３から減するもので良い。

この結果得られる出力は（４）式のｎであるので、（４
式のτｐを乗じた後節１の相関器６ｏの出力とを加算器
６７で加えれば、測距出力６４が得られる。

第５図に他の実施例として、第１図に示した光の波長シ
フタ３８と光変調器４０とを一つの音響光学光変調器６
８と、コリメート光学系６９で置換えた例を示す。この
場合は光変調信号７０としては、波長制御信号４３によ
って制御される周波数制御発振器７１の出力を搬送波７
２とし、変調信号４６を変調入力とする振幅変調器７３
の出力である。いわゆるＡＭ−ＦＭ波を用いれば良い。

第６図は変調信号４６に正弦波を用いる場合の制御回路
６ｏの例を示す。正弦波発振器７７は充分に安定な周期
τｐで発振させる。その出力は変調信号４６であり、同
時に内部の零交差検出回路７４０入力である。したがっ
てカウンタ７６は、遅延回路７６を経た零交差検出回路
７４の出力でトリガされ、出力は波長制御信号４３とな
る。したがって、波長制御信号４３は、τｐごとにその
値が更新される。ただし、零交差検出回路７４は、入力
の零交差のうち、正から負または負から正に変化する時
のみ、パルスを出力する如く構成する。

この時の照射光４４の包絡線と、反射光の一部６２の受
光器３７０入力部での光の包絡線強度は、たとえば第７
図（、）、（ｂ）に示すようになる。図でωは１／τｐ
である。この二つの波形の位相差θは、パルス列を用い
る例のＴＩ　（第３図）に相当し、相関器または位相検
波器（図示せず）で容易に検出できるものである。また
、受光電気信号６３を適当に濾波し、振幅制限すれば、
波長制御による周波数偏移量Ｆ１、Ｆ２　・・・が検出
できるので、包絡線波形の一周期ごとにインデックスを
付ける事ができ、位相差θとこのインデックスとからあ
いまいさの無い、測距が可能である。

発明の効果以上のように、本発明は強度変調するレーザ光の周波数
をシフトさせて順次対象物に照射し、レーザ光の飛翔時
間を包絡線波形と周波数の両者により導き出すようにし
たもので、測定のスピードや分解能を犠牲にする事なく
、距離測定値に含まれるあいまいさを除くことができ、
実用的なレーザ測距装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるレーザ測距装置の全体
構成を示すブロック図、第２図は第１図における制御回
路部の構成を示すブロック図、第３図（ａ）〜（ｃ）は
第１図の要部における信号波形図、第４図は第１図にお
ける時間差測定器部の詳細ブロック図、第６図は本発明
の他の実施例におけるレーザ測距装置の要部ブロック図
、第６図は第１図における制御回路部の他の実施例を示
すブロック図、第７図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例
における光強度包絡線のタイミングチャート、第８図は
従来のレーザ測距装置の一例を示すブロック図、第９図
（ａ）、（ｂ）は従来のレーザ測距装置における照射光
と反射光のタイミングチャート、第１０図（ａ）、（ｂ
）は従来のレーザ測距装置における送出パルスと受信パ
ルスのタイミングチャートである。３ｏ・・・レーザ発振器、３１・・・レーザ光、３２・
・・ビームスプリッタ、３３・・・主ビーム、３４・・
・参照ビーム、３６・・・反射鏡、３６°゛・ビーム混
合ミラー、３７・・・受光器、３８・・・波長シフタ、
３ｅ・・・周波数変調光、４０・・・光変調器、４１・
・・波長制御器、４２・・・出力、４３・・・波長制御
信号、４４・・・照射光、４６・・・対象物、４６・・
・変調信号、４７・・・変調信号発生器、４８・・・参
照信号入力、４ｅ・・・時間差測定器、６ｏ・・・制御
回路、６１・・・変調トリガ、６２・・・反射光の一部
、６３・・・受光電気信号、６４・・・測距出力、５６
・・・パルス発振器、６６・・・パルス列、６７・・・
４ビツトカウンタ、６８・・・トリガ入力、６９・・・
遅延回路、６゜・・・相関器、６１・・・包絡線検波器
、６２・・・トリガ信号、６３・・・カウンタ、６４・
・・計数値、６６・・・周波数弁別器、６６・・・相関
器、６７・・・加算器、６８・・・音響光学光変調器、
６９・・・コリメート光学系、７０・・・光変調信号、
７１・・・周波数制御発振器、７２・・・搬送波、７３
・・・振幅変調器、７４・・・零交差検出回路、７６・
・・遅延回路、７６・・・カウンタ、７７・・・正弦波
発振器。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図第３図第４図第６図第９図（０Ｌ）（ｂ）第１０図（α）（ト）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ発振器と、繰返し波を発生する手段と、繰
返し波の一周期ごとに数値を更新するカウント手段と、
前記レーザ発振器からの出力光に対して前記カウント手
段の数値によつて定まる周波数偏位を与える周波数シフ
ト手段と、周波数シフト手段から出力されるレーザ光に
対して前記繰返し波形発生手段の出力に応じて強度を変
調する光変調手段と、前記光変調手段の出力を測定対象
物に導くレーザ光照射手段と、測定対象物からの反射光
の強度変化を捕える第１の受光手段と、前記反射光の周
波数を弁別する第２の受光手段と、前記繰返し波の波形
と前記第１の受光手段からの出力の相互相関を求める第
１の相関器と、前記カウント手段の数値と前記第２の受
光手段からの出力数値との相互相関を求める第２の相関
器とを具備する事を特徴とするレーザ測距装置。
（２）レーザ光照射手段と、第１の受光手段と、第２の
受光手段が共軸系を成すことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載のレーザ測距装置。
（３）周波数シフト手段と光変調手段とが、一つの音響
光学光変調素子によつて構成されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のレーザ測距装置。
（４）第１の相関器出力によつて定まる距離測定値と第
２の相関器出力によつて定まる距離測定値の和により距
離測定を行う特許請求の範囲第１項記載のレーザ測距装
置。