JPH06118173A

JPH06118173A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH06118173A
Application number: JP26568792A
Authority: JP
Inventors: Kazumitsu Nakajima; 一光中島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1992-10-05
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JP2967656B2

Abstract

(57)【要約】【目的】パルスレーザを用いた距離測定装置の受信入力
レベル変動だけでなく、レーザのパルス幅が変動した場
合も、距離測定精度を低下させない。【構成】パプス幅が一定の場合、常に入力波形のピーク
の位置でトリガ信号を発生させるＣＦＤ回路６を送受信
合わせて２つ用いることにより、レーザ発振器１のパル
ス幅が変動した場合に生ずるＣＦＤ回路６のトリガ信号
のずれを打ち消し合わせカウンタ回路７の動作時間に影
響が出ないようにする。またＣＦＤ回路６を共用して１
台で済ませて同様の効果を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、距離測定装置に関し、
特にパルスレーザを利用した高精度の距離測定装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、パルスレーザを利用した距離測
定装置は、図５に例を示すように、レーザ発振器１，送
信パルスモニタ回路１２，送受信光学系３，光検出器
４，増幅器５，弁別回路９，カウンタ回路７および表示
器８等からなっている。基本的な動作は、レーザ発振器
１から出た光の一部を送信パルスモニタ回路１２にて検
出してカウンタ回路７のスタート信号とすると共に、大
部分の光を送受信光学系３を経由して目標物１１に当
て、反射光の一部を送受信光学系３にて受光し、光検出
器４にて電気信号に変え増幅器５にて増幅した後、弁別
回路９で所定レベルを超える信号を取り出し、カウンタ
回路７のストップ信号としている。カウンタ回路７がス
タートしてからストップまでの時間から光の伝播距離を
算出して、表示器８等で目標までの距離の表示を行う。
図６に示すように、レーザ波形は立ち上がりに或る程度
の時間を要するので、目標までの距離の差異や目標の反
射率の相違により受光レベルの強さが波形ＡまたはＢの
ように異なると、一定入力Ｖで弁別回路９が動作するよ
うにした場合、カウンタ回路７がストップする時間Ｔ１
とＴ２が異なり、目標までの距離が異なったように算出
される。この問題を解決する為に、以下に述べる各種の
方策が提案され、実用に供されている。それぞれ限定さ
れた条件のもとでは、相応の効果を発揮しているが、そ
れ以外の条件では問題点を有する場合がある。以下、レ
ーザの波形特に立ち上がり部分に起因する距離測定の誤
差を取り除く方法の概要と、利点、問題点について記
す。

【０００３】１）パルス幅測定回路を付加した測定方法
特開平３−８１６８７号参照図７（ａ）に示すようにパルス幅測定回路１０を付加し
て、図７（ｂ）に示すように送信と受信それぞれのパル
ス立ち上がりと立ち下がりの、スレッショルドレベル間
の時間を計測して、その中間点即ちパルスのピークに相
当する所の間隔を計ることに相当する操作を行う方法で
ある。

【０００４】この方法は、図７（ｂ）に示すように、発
射レーザ光信号の光検出信号のパルス幅Ｔ１と、受光系
への入力レーザ光信号の受光系出力信号Ｔ２と、これら
の検出信号と出力信号との時間間隔ＴＤとをＴＤ−１／
２＊Ｔ１＋１／２＊Ｔ２の演算をして、発射レーザ光と
受信レーザ光とのピーク間隔Ｔを測定する。この方法の
利点は他の方法に比べて比較的簡便なことであるが、送
信パルスの立ち上がりと立ち下がりが非対象であった
り、照射した光が目標物１１以外にも当たって、受信す
るパルスの立ち下がりが緩やかになる場合は、スレッシ
ョルドレベルで切った時間の中央とパルスのピークが一
致せず、これが原因で入力レベルの強弱により計測時間
が変化する等の問題点がある。これと類似の方法として
特開昭５１−２２４６５に述べられているような、カウ
ンタを２組用意して立ち上がり、立ち下がり同士の間隔
を計測する方法もあるが、同様な利点と問題点を有して
いる。

【０００５】２）遅延回路と減衰回路を併用して、受光
したパルスの強弱に拘わらず、常にパルス波形の一定位
置でカウンタ回路を動作させる方法。

【０００６】コンスタントフラクションディスクリ
ミネータ（ＣｏｎｓｔａｎｔＦｒａｃｔｉｏｎＤｉ
ｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）と呼ばれ、一般にＣＦＤと略
して使用されている（以下本発明でもＣＦＤと略す）回
路を利用して、送信パルスの非対称や受信パルスの立ち
下がりが緩やかになっても関係なくパルスのピーク位置
を検出出来る方法がある。例えば「１９７７年１月、ア
プライド・オプティックス、第１６巻、第１号１６頁〜
１８頁（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１
６，Ｎｏ．１．Ｊａｎｕａｒｙ，１９７７）」参照。図
８（ａ）に示すように、単なる弁別回路９の代わりにＣ
ＦＤ回路６を使用する。ＣＦＤ回路とは、図８（ｂ）に
示すように、受信したパルスを二つに分割して、一方は
減衰回路６ａにより１／２に減衰し、他方は遅延回路６
ｂにより、一般にパルス幅の１／２の時間、即ちピーク
の１／２の点からパルスのピークまでの時間だけ遅延さ
せた後に、両者を弁別回路（ディスクリミネータ）６ｃ
に入れて、両者が等しい強度になった瞬時即ち受信パル
スのピークの位置に相当する時間にカウンタ回路７をス
トップさせる信号を送出する。実際には僅かなノイズに
よってもＣＦＤが動作することが考えられるので、図８
（ｃ）に示すように弁別回路を二つ用い、弁別回路６ｄ
により基準電圧を超えるレベルの信号が得られた場合の
みＡＮＤ回路６ｅが動作してカウンタ回路７をストップ
させる信号が得られている等の配慮をした方法がとられ
ている。この方法の利点は送信パルスが非対称であって
も、目標物１１の後方からの反射により受信パルスの立
ち下がりが緩やかになっても、常にパルスのピーク位置
で弁別回路６ｃを動作させることが出来ることである。
但し、この条件が成立する為には、遅延回路６ｂの遅延
時間が、正確にパルスの１／２の点とパルスのピークま
での時間に一致していなければならない。半導体レーザ
等のように、ドライブする波形にほぼ等しいレーザ波形
が得られるものについては、パルス波形の変動は事実上
問題にしなくともよいが、フラッシュランプで励起され
る固体レーザ、特に温度により上の準位の状態が変化
し、発振波形が異なる３準位レーザでは、パルス幅或は
ピークの１／２からパルスのピークまでの時間が温度に
よって変化してしまう。またレーザ物質の温度が外気温
により変化するのみであれば、外気温に応じて遅延時間
が変化する遅延回路等を用いて、遅延時間を調節するこ
とも可能であるかも知れないが、実際はレーザを発射す
るにつれてレーザ物質の上がり、パルス波形が変化する
ので補正は容易ではない。更に、レーザ波形は温度によ
り上の準位の状態が変化する問題だけでなく、熱分布の
不均一による歪みの影響をも受けるので、仮に温度を正
確にモニタしてもパルス波形を推定することは困難であ
る。

【０００７】３）その他の方法既知のパルス波形の場
合に、受信したパルスの強度をピークホルド回路等を用
いて測定し、パルス波形と受信強度からカウンタ回路７
がどの程度早めに動作するかを計算して、その時間相当
分を補正する方法特開平３−３８８９８号参照。サンプ
ルレートの早いディジタルオシロスコープでパルス波形
を伝播距離相当の遅延時間を含めて記憶し、受信波形の
ピークまでの時間から距離を算出する等の方法も考えら
れるが、詳細は略す。

【０００８】パルス波形が変動すると言う問題について
考えた場合、受信側で時間変動が生ずるだけでなく、以
下に示すように送信側即ちスタートパルス信号の発生に
対しても時間変動が生ずる。一般にフラッシュランプで
励起された固体レーザの場合、同じエネルギで励起され
たとしても、レーザ物質の温度が上がるにつれて、パル
ス幅が広がりピーク出力が減少する。同じピーク出力で
パルス幅が広がれば、トリガ点即ち出力スレッショルド
レベルを超える時は、前方に移動するが、ピーク出力は
減少するので、パルス幅が広がってもトリガ点が常に前
方に移動するとは限らない。例えば図９（ａ）または
（ｂ）に示すように、パルス波形とスレッショルドレベ
ルの相対関係により、同じようにパルス幅が広がった場
合でも、トリガする時間ΔＴ２がもとのΔＴ１に対して
早くなったり遅くなったりする。従って、パルス幅が変
動するレーザでは、送信するパルスのピーク位置とカウ
ンタ回路７へのスタートパルスを発生させるために、送
信パルスモニタ回路１２をトリガする時間の関係は、変
動し距離測定の誤差の原因となる。

【０００９】ここでＣＦＤ回路６について、より詳細に
述べる。各種文献、市販のＣＦＤ回路のデータで示され
ているように、数ｎｓ〜十数ｎｓのパルス幅のレーザを
用いた場合、入力信号のレベルが２桁以上異なっても、
パルス幅が一定である限り、トリガ位置の移動（タイム
ウォークと呼んでいる）はｎｓ以下（１００ｐｓ程
度）である。一方、パルス幅が変動するとトリガ位置が
移動する例を図１０に示す。（ａ）のように遅延させる
信号１００の遅延時間がピークの１／２の点からピーク
迄の時間と等しい時はＣＦＤが動作する点は、遅延させ
ないパルス１０１のピークと一致するが、（ｂ）のよう
に遅延時間が不変のままパルス幅が広がるとＣＦＤが動
作する点は、遅延させないパルス１０１のピークよりも
手前に来る。即ち計測時間が短くなったようになり、距
離は短めに算出される。一方、（ｃ）のように遅延時間
が不変のままパルス幅が狭くなると、ＣＦＤが動作する
点は後ろに、即ち計測時間が長くなったようになり、距
離は長めに算出される。具体的計算例として、図１１に
パルス幅３０ｎｓの場合に最適になるよう、遅延時間を
１５ｎｓとした場合、パルス幅が４０ｎｓに広がった
り、２０ｎｓに狭まった場合のＣＦＤ動作点の移動量を
求める表を示す。パルス波形はガウス分布即ち正規分布
と仮定し、ｙ＝ｅｘｐ（−（２．３５４８×ｔ／Ｗ）²／２）
《ｔ；ピークからの時間（ｎｓ）Ｗ；パルス半値全幅
（ｎｓ）ｙ；ピークからｔだけ離れた点でのパルス強
度》として求めたものである。図１１の４０ｎｓの欄を
見ると、遅れ時間０で１／２に減衰させたものの強度
と、１５ｎｓ遅らせたものの強度が等しくなるのは、
０．４７２前後の強度のところ即ち、−５ｎｓと−６ｎ
ｓの間にある。詳しくはパルス幅３０ｎｓの時に比べて
約５．７ｎｓ早くカウンタ回路がストップしてしまう。
図１１の２０ｎｓの欄を見ると、遅れ時間０で１／２に
減衰させたものの強度と、１５ｎｓ遅らせたものの強度
が等しくなるのは、０．４４４前後の強度のところ即
ち、４ｎｓと５ｎｓの間にある。詳しくはパルス幅３０
ｎｓの時に比べて約４．２ｎｓ遅くカウンタ回路がスト
ップするようになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
ＣＦＤ回路は目標物１１までの距離や目標物１１の反射
率に起因する入力レベルの変動に対しては、トリガ位置
が変動しない効果を発揮するが、自己が発振するレーザ
のパルスの幅の変動に適応することが出来ない。実際に
は上記計算例のようにパルス幅が±１０ｎｓも変動する
ことは少ないが、カウンタ回路７のストップ時間が１ｍ
ｓずれても１５ｃｍの距離測定誤差を生ずるのであるか
ら、高精度の距離測定に際してパルス幅の変動は無視出
来ない。またパルス幅の変動はカウンタ回路７のスター
トパルスの発生時間にも影響を及ぼし、距離測定誤差は
２つの複合した要因が複雑に組み合わさったものとなる
等の問題点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明として、レー
ザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を目標物
に照射し、その反射光を受光する送受信光学系と、前記
レーザ発振器からのレーザ光の一部を受光し、パルス信
号のピーク値を検出する第１のＣＦＤ回路を内蔵した送
信パルスモニタ回路と、前記送受信光学系からの目標物
反射光を電気信号に変換する光検出器と、この光検出器
からの信号を受け、受信信号のピーク値を検出する第２
のＣＦＤ回路と、前記モニタ回路からの出力を受けてカ
ウントを開始し、前記第２のＣＦＤ回路からの出力を受
けてこのカウントを停止するカウンタ回路と、このカウ
ンタ回路のカウント値より算出した目標物までの距離を
表示する表示回路とを備えたことを特徴とする距離測定
装置を提供する。

【００１２】第２の発明として、上記第１の発明の距離
測定装置において、前記レーザ発振器からのレーザ光の
一部を前記光検出器に直接入力する導入器を備え、前記
カウンタ回路は前記第２のＣＦＤ回路からの第１回目の
入力によってカウントを開始し、次の入力によってカウ
ントを停止することを特徴とする距離測定装置を提供す
る。

【００１３】第３の発明として、レーザ発振器と、この
レーザ発振器からのレーザ光を目標物に照射し、その反
射光を受光する送受信光学系と、前記レーザ発振器から
のレーザ光の一部を受光する送信パルスモニタ回路と、
このモニタ回路からの信号を整合する整合回路と、前記
送受信光学系からの目標物反射光を電気信号に変換する
光検出器と、この光検出器からの信号及び前記整合回路
からの出力を受け、受信信号のピーク値を検出するＣＦ
Ｄ回路と、このＣＦＤ回路からの第１回目の入力によっ
てカウントを開始し、次の入力によってカウントを停止
するカウンタ回路と、このカウンタ回路のカウント値よ
り算出した目標物までの距離を表示する表示回路とを備
えたことを特徴とする距離測定装置を提供する。

【００１４】第４の発明は、上記第１から第３までの発
明の距離測定装置において、前記光検出器を増幅作用の
ある光検出器とし、この光検出器からの検出信号を直接
ＣＦＤ回路に入力することを特徴とする距離測定装置を
提供する。

【００１５】

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例のブロック図である。レー
ザ発振器１から出た光の一部を第１のＣＦＤ回路内蔵送
信パルスモニタ回路２にて検出してカウンタ回路７のス
タート信号とすると共に、大部分の光を送受信光学系３
を経由して目標物１１に当て、反射光の一部を送受信光
学系３にて受光し、光検出器４にて電気信号に変え増幅
器５にて増幅した後、第２のＣＦＤ回路６で受信パルス
のピークに等しい位置に出る信号を取り出し、カウンタ
回路７のストップ信号としている。カウンタ回路７がス
タートしてからストップまでの時間から光の伝播距離を
算出して、表示器８等で目標までの距離の表示を行う。
第２のＣＦＤ回路６の遅延回路６ｂの遅延時間がレーザ
パルスのピークの１／２からピークまでの時間に等しい
場合は、図２（ａ）に示すようにスタート信号もストッ
プ信号もパルスのピークに一致した位置から出るので、
回路固有の遅延時間等を無視して考えれば、距離Ｒを伝
播した光を検出した信号は２Ｒ÷Ｃ《Ｃ；光速》だけ遅
れて発生することになる。従って、このスタート信号と
ストップ信号の時間差を測定することにより、距離Ｒを
算出出来る。一方、パルス幅が広がったことにより、第
２のＣＦＤ回路６の遅延回路６ｂの遅延時間がレーザパ
ルスのピークの１／２からピークまでの時間と異なる
と、第２のＣＦＤ回路６の動作点はパルスのピークと一
致しなくなって、受信側ではΔＴだけ早めにストップ信
号が出来ることになる。しかしながら、送信パルスモニ
タ回路にもＣＦＤを用いているので、遅延回路６ｂも遅
延時間と送信パルスモニタ回路に内蔵された第１のＣＦ
Ｄ回路２ｃの遅延時間が正確に一致しているならば、ス
タート信号も同じΔＴだけ早めに出ることになる。従っ
て、ΔＴ＋（２Ｒ÷Ｃ−ΔＴ）＝２Ｒ÷Ｃとなり、それ
ぞれパルス幅変動に応じて生ずる動作時間変動を有して
いても、カウンタ回路７が動作している時間は距離Ｒに
対応した時間となる。このように本発明の特徴は、単独
ではパルス幅の変動には対応出来ないＣＦＤ回路を２つ
用いることにより、パルス幅の変動に関係なく、正確に
距離を測定出来ることにある。又送信側にもＣＦＤ回路
を用いることにより、レーザ出力変動や偏光成分が変化
することに伴うビームスプリッタ２ａ（図３に示す）の
反射率の変化に対しても、スタート信号の発生時間が変
化しないという効果も付加される。図３に第１のＣＦＤ
回路内蔵送信パルスモニタ回路２の詳細ブロック図を示
す。レーザ発振器１から出た光の一部をビームスプリッ
タ２ａにより分割し、光検出器２ｂにて電気信号に変換
する。分割された光は、目標物１１により反射された光
に比べて極めて強いので、光検出器２ｂは感度の低いも
ので差し支えない。むしろ必要に応じて検出器の前に減
衰器等を入れることも有り得る。光検出器２ｂからの出
力は、第１のＣＦＤ回路２ｃに入り、スタート信号を発
生する。第１のＣＦＤ回路２ｃは図８に示す第２のＣＦ
Ｄ回路６と同様のものであるので動作説明は省略する。
本発明の特徴を如何す為には、第１のＣＦＤ回路２ｃの
遅延時間と第２のＣＦＤ回路６の遅延時間が、所要精度
の範囲内で正確に一致している必要があるので、図４に
示す他の実施例のように、送受信のＣＦＤ回路を一つの
もので兼ねることも考えられる。図４（ａ）は光ファイ
バ１３等により、レーザ発振器１からの光の一部を直接
光検出器４に入れる方法である。装置構成は簡単になり
価格低減をはかる可能性も有るが、レーザ発振器１から
の光は極めて強いので、光検出器４が飽和したり、焼損
したりすることも考えられるので、光の減衰に十分注意
する必要がある。図４（ｂ）は図３の光検出器２ｂから
の出力を直接ＣＦＤ回路１６に入れる方法である。第１
のＣＦＤ回路２ｃを省略したものは、図５の送信パルス
モニタ回路１２と同じものになるので、表示を統一して
ある。ＣＦＤ回路を共通にするとカウンタ回路７へ行く
経路が一つになるので、実際には別途リセットパルス等
を与えて、その後最初に入った信号でスタートし、次に
来る信号でストップするなどの配慮も必要となるが、本
発明の説明とは直接関係がないので詳細説明は略す。目
標物１１からの受信信号は極めて弱いので、これを増幅
した後であっても分割することは得策ではない。図４
（ｂ）のように送信パルスモニタ回路１２からの信号を
直接ＣＦＤ１６に接続すると、増幅器５からの信号の一
部が送信パルスモニタ回路１２に分割されたり、そこか
らの反射により信号自体が歪んだりすることが考えられ
るので、実際には図４（ｃ）のように整合回路１４を経
由して接続することになる。この整合回路１４はＣＦＤ
回路１６から見ると高インピーダンスであると共に送信
パルスモニタ回路１２から見ると高速パルスの応答を考
え低インピーダンスでなければならない。送信パルスモ
ニタ回路１２の出力は大きなものが得られるので、整合
回路１４による減衰は大きな問題ではない。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ＣＦＤ回
路を実質的に２つ用いる構成としたので、受信入力信号
の大小に拘らず距離算出のためのカウンタ回路の動作し
ている時間が変わらない、レーザのパルス幅が変動して
も距離算出のためのカウンタ回路の動作している時間が
変わらないことにより、距離を正確に測定出来る効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図。

【図２】ＣＦＤ回路を２つ用いたことがパルス幅変動を
打ち消すことの説明図。

【図３】ＣＦＤ回路内蔵送信パルスモニタ回路の詳細ブ
ロック図。

【図４】本発明の他の実施例のブロック図。

【図５】一般の距離測定装置ブロック図。

【図６】受信入力の大小によりカウンタ回路ストップ時
間が変動することの説明図。

【図７】パルス幅測定回路を有する方法の説明図。

【図８】ＣＦＤ回路を用いる方法ならびにＣＦＤ回路の
説明図。

【図９】パルス幅の広がりによりスタートパルス発生時
間が前または後にずれることに対する説明図。

【図１０】遅延時間とパルスの１／２からピークまでの
時間が異なる場合のＣＦＤ回路の動作位置のずれの説明
図。

【図１１】遅延時間とパルスの１／２からピークまでの
時間が異なる場合のＣＦＤ回路の動作位置ずれを求める
ために用いた表。

【符号の説明】

１レーザ発振器２第１のＣＦＤ回路内蔵送信パルスモニタ回路２ａビームスプリッタ２ｂ光検出器２ｃ第１のＣＦＤ回路３送受信光学系４光検出器５増幅器６第２のＣＦＤ回路６ａ減衰回路６ｂ遅延回路６ｃ弁別回路６ｄ弁別回路６ｅＡＮＤ回路７カウンタ回路８表示回路９弁別回路１０パルス幅測定回路１１目標物１２送信パルスモニタ回路１３光ファイバ１４整合回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を目標物に照射し、そ
の反射光を受光する送受信光学系と、前記レーザ発振器からのレーザ光の一部を受光し、パル
ス信号のピーク値を検出する第１のＣＦＤ回路を内蔵し
た送信パルスモニタ回路と、前記送受信光学系からの目標物反射光を電気信号に変換
する光検出器と、この光検出器からの信号を受け、受信信号のピーク値を
検出する第２のＣＦＤ回路と、前記モニタ回路からの出力を受けてカウントを開始し、
前記第２のＣＦＤ回路からの出力を受けてこのカウント
を停止するカウンタ回路と、このカウンタ回路のカウント値より算出した目標物まで
の距離を表示する表示回路とを備えたことを特徴とする
距離測定装置。
【請求項２】前記距離測定装置において、前記レーザ発振器からのレーザ光の一部を前記光検出器
に直接入力する導入器を備え、前記カウンタ回路は前記第２のＣＦＤ回路からの第１回
目の入力によってカウントを開始し、次の入力によって
カウントを停止することを特徴とする請求項１記載の距
離測定装置。
【請求項３】レーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を目標物に照射し、そ
の反射光を受光する送受信光学系と、前記レーザ発振器からのレーザ光の一部を受光する送信
パルスモニタ回路と、このモニタ回路からの信号を整合する整合回路と、前記送受信光学系からの目標物反射光を電気信号に変換
する光検出器と、この光検出器からの信号及び前記整合回路からの出力を
受け、受信信号のピーク値を検出するＣＦＤ回路と、このＣＦＤ回路からの第１回目の入力によってカウント
を開始し、次の入力によってカウントを停止するカウン
タ回路と、このカウンタ回路のカウント値より算出した目標物まで
の距離を表示する表示回路とを備えたことを特徴とする
距離測定装置。
【請求項４】前記距離測定装置において、前記光検出器を増幅作用のある光検出器とし、この光検
出器からの検出信号を直接ＣＦＤ回路に入力することを
特徴とする請求項１から３記載の距離測定装置。