JPH0776790B2

JPH0776790B2 - レーザ測距装置

Info

Publication number: JPH0776790B2
Application number: JP22960187A
Authority: JP
Inventors: 一光中島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-09-16
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPS6473281A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、レーザ測距装置に関し、特に繰返しパルスレ
ーザを用いた高精度なレーザ測距装置に関する。

〔従来の技術〕従来、反射鏡等を取付けることのできない目標物までの
距離を測定するために、パルスレーザ光を反射して、反
射光が戻ってくるまでの時間を計測するレーザ測距装置
が用いられている。

また、単一パルスの測距のみでは十分な測距精度が得ら
れないので、繰返しパルスによる測距データの統計処理
による精度の向上も考えられるようになった。

〔解決すべき問題点〕

上述した従来と繰返しパルスによるレーザ測距装置は、
統計処理をする繰返し数をＮとすると、測距装置はに比例して向上する。すなわち、Ｎ回の繰返し測距がデ
ータの処理により、測距誤差がとなる。しかし、精度を向上させるためには、多大の測
定時間を要し、その間の目標物の移動等も考えられ、無
制限に繰返し数Ｎを増加させることはできなかった。

例えば、精度を10倍、すなわち、誤差を1/10にするため
には、100回の測距を行えばよいが、100倍にするには1
0,000回の測距を行う必要があリ、実用上大きなネック
となっている。

本発明は、発振周波数のわずかに異なる２つのクロック
パルス発振器を用いることにより、クロックパルスを増
加したのと同様に測距精度を向上させることができるレ
ーザ測距装置を提供することを目的としている。

〔問題点の解決手段〕

本発明によるレーザ測距装置は、レーザ発振開始用の第
１のクロックパルスを出力する第１のクロックパルス発
振器と、この第１のクロックパルスを所定分周比Ｍで分
周する分周回路と、この分周回路からの信号によりレー
ザの発振開始を制御されるレーザ発振器と、ことレーザ
発振器からの出射光の広がり角を制限し目標物に照射し
た後にその目標物からの反射光を受光する送受信光学系
と、この送受信光学系で受信した受光信号を電気信号に
変換する光検出器と、第２のクロックパルスを出力する
第２のクロックパルス発振器と、このレーザ発振器のレ
ーザ発振開始信号と前記光検出器からの電気信号との間
の時間差を前記第２のクロックパルスを数えることによ
り計測する計数回路と、前記計数回路の計数データを所
定計数回数Ｎにわたり平均化処理する信号処理部と、前
記信号処理部で処理された計数データを表示する表示部
等からなるレーザ測距装置であって、前記第１のクロッ
クパルスと第２のクロックパルスとの周期差が前記第１
あるいは第２のクロックパルスの周期の1/（Ｍ・Ｎ）の
値に、または前記第１のクロックパルスと第２のクロッ
ウパルスとの周期差が前記第１あるいは第２のクロック
パルスの周期の1/（Ｍ・Ｎ）の値にＮと共約数を有しな
い整数を乗じた値にしたことを特徴とする。

この場合において、前記第１または第２のクロックパル
ス発振器は、それらのうちの一方のクロックパルス発振
器の発振周波数が見かけ上大きく異なった場合に、分周
あるいは逓倍することによって、前記２つの発振周波数
の差が1/1000またはそれ以下になるようにすることがで
きる。

〔実施例〕

次に、本発明について、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明によるレーザ測距装置の一実施例を示
したブロック図である。

レーザ発振器１は、高繰返しパルス発振ができる半導体
レーザ等からなり、第１のクロックパルス発振器２から
発振したパルス信号を、分周回路３によって分周した信
号により発振間隔が制御されている。

すなわち、第１のクロックパルス発振器２からのクロッ
クパルスは、分周された後、レーザ発振のトリガとして
用いられる。

レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、送受信光学
系４により、所定のビーム広がり角に設定されて、目標
物10に照射される。目標物10で反射された反射光は、送
受信光学系４で集光され、光検出器５により電気信号に
変換されたのち、計数回路６に送出される。

計数回路６は、レーザ発振器１からのレーザ発振に同期
した信号によりスタートし、光検出器５からの信号でス
トップするまでの間、第２のクロックパルス発振器７か
らのパルスを計数する。

すなわち、第２のクロックパルス発振器７からのクロッ
クパルスは、逓倍された後、レーザの発射から目標に当
った光が戻ってくるまでの時間をカウントする計数回路
６のクロックパルスとして用いられる。

この計数結果は、信号処理部８に送られ、所定回数分だ
け蓄積されて、平均値等を算出したのち、表示部９によ
って表示される。

つぎに、本発明の特徴とするところを詳細に説明する。

本発明では、クロックパルス発振器２とクロックパルス
発振器７の発振周波数を、あらかじめ設定したわずかな
量、通常は誤差範囲とみなされる1/1000あるいはそれ以
下だけ違えてある。

計数回路６において、レーザ発振から反射光までの時間
間隔Ｔを計測する場合に、第２図に示すように、レーザ
発振とクロックパルスの相対関係が一定であれば、常に
同じパルス計数値ｎを示す。このような場合として、例
えば、同一の発振器でレーザ発振の制御と計数用のクロ
ックを兼ねた場合などが考えられる。

また、０≦ΔＴ＜Tcの範囲ではΔＴの大きさによらずパ
ルス計数値はｎであり、距離表示は、ｎ・Tc・C/2（Ｃ＝光速）となる。すなわち、最大で１クロックパルス間隔相当分
Tcの測距誤差が生じる。この誤差は仮に計測回数を増加
したとしても改善はされない。

また、第３図に示すように、レーザ発振と計数用のクロ
ックパルスの相対関係がランダムであれば、第３図の
ようにパルス計数値はｎになったり、第３図のように
ｎ＋１になったりするが、ΔＴ＝Ｔ−ｎ・Tcが大きいほ
どｎ＋１と計数される確率が高くなる。仮に、ΔＴ＝０
であれば常にｎと計数され、ΔＴ≒Tcとなればほとんど
の場合がｎ＋１と計数される。多数回計測して平均値を
求めた場合、ΔＴが大きいほど平均値は大きくなる。一
般的にいえば、レーザ発振と計数用のクロックの相対関
係がランダムな場合、多数（Ｎ）回の計数を行い、その
平均値をとると、平均値と真値との差は、標準偏差で考
えると、クロックパルス間隔のとなる。

通常の市販されているエレクトリック・カウンタの繰返
し計測による測定確度の向上は、この原理に基づいてい
る。

この方法は、計数確度が計測回数のＮの平方根に比例す
るため、確度を向上させようとすれば、向上量の自乗に
比例した計測回数にしなければならない。長時間にわた
り一定の信号が得られることを前提とした市販のエレク
トリック・カウンタとは異なり、レーザによる測距装置
の場合は目標物の移動も考えられるので、可能な限り短
時間で計測することが要求されるので、計測回数の増加
による測定確度の向上には限度がある。

第４図のように、レーザ発振すなわちスタートパルスと
計数用のクロックパルスの相対関係が、測定毎に一定量
づつズレるように各々の発振器の発振周波数を選んだ場
合第５図のようにズレ量X/N・TcがΔＴ以下の場合は、
計数値がｎ＋１となるが、ΔＴ以上ズレると最後のパル
スはストップパルスより後になり計数できなくなるの
で、計数値はｎとなる。

仮に計測回数Ｎを100とし、ΔＴ＝Ａ・Tc（０＜Ａ＜
１）とすると、上記によりX/100＜Ａの間はｎ＋１と計
数されるので、計測数Ｘが100・Ａになるまでの計数値
なすべてｎ＋１である。すなわち100・Ａ回までの計測
ではｎ＋１と計数され、残りの100・（１−Ａ）回の計
測ではｎと計数される。

このパルス計数値の平均を求めると、計測時間で考えると（ｎ＋Ａ）・Tc＝nTc＋Ａ・Tcすな
わちΔＴ＝Ａ・Tcに相当する端数をクロック周期の1/10
0の精度で計数したのと同一の結果となる。

本発明は、以上説明したように、発振周波数のわずかに
異なる２つのクロックパルス用いて、レーザ発振のタイ
ミングの計数動作を制御させているため、計数回数Ｎに
比例させて確度を向上させることができる。

なお、実際の計測においては、計測開始時にレーザ発振
と計数用クロックパルスが一致しているとは限らない
が、100回の計数値全体で考えると100・Ａ回は計数値が
ｎ＋１、100・（１−Ａ）回は計数値がｎとなるという
関係は変わらない。

次に、具体的数値例を用いて、本発明をさらに詳細に説
明する。

ここでは、クロックパルスの周波数を10MHz、すなわ
ち、パルス間隔100nsとし、レーザ発振繰返し周波数を
約1kHzとして、計測回数（Ｎ）を100回、すなわち、計
測時間0.1秒とした例について考える。この場合、分周
比（Ｍ）は10⁴となる。クロックパルス発振器２の周波
数は先の10MHzに対して1/（Ｎ・Ｍ）の差を与えること
から、9.99999MHzとし、これを分周回路３で1/10⁴に分
周して999.999Hzでレーザ発振を行わせると、レーザ発
振器１でのレーザ発振間隔は1.000001msとなる。

一方、クロックパルス発振器７の発振周波数を10.00000
MHzとすると、最初の計測の時に２つのクロックパルス
が一致していた場合、次のレーザ発振は1.000001ms後で
あり、クロックパルス発振器７の10⁴ケ目のパルスは、
1.000000ms後に発振するので、レーザ発振とクロックパ
ルスとの差は1.000001ms−1.000000ms＝0.000001ms＝1m
sとなる。

同様に、その次のレーザ発振時にはクロックパルスと2n
sの差を生じる。100回レーザ発振を行うと1ns×100＝10
0nsだけズレる。すなわち、１パルス分だけズレること
になる。

この間、各レーザ発振毎に計数を行うと、平均値は実時
間からクロックパルスの整数倍を引いた余り分、すなわ
ち、第２図のΔＴに比例した形で端数が表示される。ク
ロックパルス間隔Tcの1/100に相当する時間あるいは距
離値として表示される。この時の表示値は、クロックパ
ルス間隔Tcの1/100以下の誤差である。

この方式で注意すべき点は、あらかじめ計測回数Ｎを定
め、これに対応して２つのクロックパルス発振器の周波
数をズラして設定しなければならないことである。

仮に、100回の計測を想定した発振器を持った装置で50
回の計測結果の平均値から距離を求めようとした場合
に、計測を始めた時のレーザ発振と計数用クロックパル
スとのズレ量（時間差）によって平均値が変ってくる。

例えば、ΔＴがクロックパルス間隔Tcの半分であって
も、レーザ発振と計数用クロックパルスが一致した所か
ら計測を始めた場合、50回分、すなわち、すべての計数
値がｎ＋１となり、本来ならばｎ＋0.5となるはずの平
均値がｎ＋１となってしまう。

一方、レーザ発振と計数用クロックパルスが1/2・Tcだ
けズレた所から計数を始めると、50回分、すなわち、す
べての計測値がｎとなるので、平均値もｎとなってしま
う。

このように計測のタイミングによって最大クロックパル
ス１つ分、すなわち、Tcの差が生じ、１回の計測ではTc
の誤差が生じるのをＮ回の計測によりTc/Nの誤差に改善
できるはずの効果が全く表れないことも有りうる。

上記欠点を改善し、確度を若干犠牲にしても計測時間を
短縮したいという要望にも応じられる方法として以下の
ことが考えられる。

前述の具体的数値例では、レーザ発振毎にクロックパル
スとのズレ量をクロックパルス間隔Tcの1/100になるよ
うに設定したが、これを3/100にすると、２回目には6/1
00、３回目には9/100、・・・33回目で99/100、34回目
で102/100だけズレることになる。102/100は１パルスと
2/100だけのズレであり、計測上は2/100のズレと同等に
なる。

同様に、66回目で198/100、67回目で201/100すなわち1/
100のズレと同等、99回目で297/100すなわち97/100のズ
レと同等になり、100回の計測によって1/100・Tcづつの
ズレを持たせたすべての相対位置での計測が行えること
になる。

一方、33回の計測でも3/100・Tcづつズレた間隔で計測
が行えるので、クロックパルスの3/100の誤差の計測結
果が得られる。

同様に、100との間で共約数を有しない数すなわち７、
９、・・・の1/100だけの間隔でパルスがズレるように
設定すると、計測回数が少なくても、その回数に応じた
端数を算出する効果が得られる。9/100・Tcづつズラす
方法は、確度の向上が1/10程度でもよいとした場合に
は、計測時間を約1/10とすることができ、この方式のネ
ックとなっている「計測回数が固定されてしまう」とい
う問題を解消し得ることになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、わずかに周波数のズレた
２つのクロックパルス発振器を用いることにより、クロ
ックパルスを増加したのと同様に測距精度を向上させる
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ測距装置の一実施例を示し
たブロック図である。第２図は、パルス測距の誤差要因を説明するためのタイ
ミング図、第３図は、繰返しパルス測距の改善効果を説
明するためのタイミング図である。第４図は、本発明のレーザ発振の計測用クロックパルス
の関係を示すためのタイミング図、第５図は、本発明の
効果を示すためのタイミング図である。１……レーザ発振器、２……クロックパルス発振器３……分周回路、４……送受信光学系５……光検出器、６……計数回路７……クロックパルス発振器、８……信号処理部９……表示部、10……目標物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振開始用の第１のクロックパルス
を出力する第１のクロックパルス発振器と、この第１の
クロックパルスを所定分周比Ｍで分周する分周回路と、
この分周回路からの信号によりレーザの発振開始を制御
されるレーザ発振器と、このレーザ発振器からの出射光
の広がり角を制限し目標物に照射した後にその目標物か
らの反射光を受光する送受信光学系と、この送受信光学
系で受信した受光信号を電気信号に変換する光検出器
と、第２のクロックパルスを出力する第２のクロックパ
ルス発振器と、このレーザ発振器のレーザ発振開始信号
と前記光検出器からの電気信号との間の時間差を前記第
２のクロックパルスを数えることにより計測する計数回
路と、前記計数回路の計数データを所定計数回数Ｎにわ
たり平均化処理する信号処理部と、前記信号処理部で処
理された計数データを表示する表示部等からなるレーザ
測距離装置であって、前記第１のクロックパルスと第２のクロックパルスとの
周期差が前記第１あるいは第２のクロックパルスの周期
の1/（Ｍ・Ｎ）の値に、または前記第１のクロックパルスと第２のクロックパル
スとの周期差が前記第１あるいは第２のクロックパルス
の周期の1/（Ｍ・Ｎ）の値にＮと共約数を有しない整数
を乗じた値にしたことを特徴とするレーザ測距装置。