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JPS5916234B2 - Distance measurement method using pulsed laser - Google Patents
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JPS5916234B2 - Distance measurement method using pulsed laser - Google Patents

Distance measurement method using pulsed laser

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Publication number
JPS5916234B2
JPS5916234B2 JP53087745A JP8774578A JPS5916234B2 JP S5916234 B2 JPS5916234 B2 JP S5916234B2 JP 53087745 A JP53087745 A JP 53087745A JP 8774578 A JP8774578 A JP 8774578A JP S5916234 B2 JPS5916234 B2 JP S5916234B2
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JP
Japan
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rotating mirror
pulse
reflected
distance
target
Prior art date
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JP53087745A
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Japanese (ja)
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保司 洲崎
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、パルスレーザにより簡便に距離を測る方法に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for easily measuring distance using a pulsed laser.

パルスレーザを用いて距離を測る方法として従来よりよ
く知られている方法に、時間間隔測定器(カウンタ)に
よりレーザパルスの往復時間を測定し、その往復時間か
ら距離を算出する方法がある。
A conventionally well-known method for measuring distance using a pulsed laser is a method in which the round trip time of a laser pulse is measured using a time interval measuring device (counter) and the distance is calculated from the round trip time.

この方法は、特に人工衛星や月などの大距離測距に効果
的用途があるが、どの時点で反射された光が戻ってきた
かを正確にとらえる必要があるため、高速の応答を要す
る光電変換器やカウンタを要し、これらは外乱を受は易
いものとならざるを得ないので、使用環境条件にもいろ
いろ注意及び対策を要するなど、使用目的によっては使
い難い面がある。
This method is particularly effective for long-distance measurement of objects such as satellites and the moon, but since it is necessary to accurately capture the point at which the reflected light returns, photoelectric conversion requires a high-speed response. It requires a container and a counter, and these must be easily susceptible to external disturbances, so various precautions and measures must be taken regarding the environmental conditions of use, which may make them difficult to use depending on the purpose of use.

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、外乱に
強い機器により、確実な測定が可能になる測距方法を提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the problems of the prior art described above, an object of the present invention is to provide a distance measuring method that enables reliable measurement using equipment that is resistant to external disturbances.

以下本発明を図面により説明する。The present invention will be explained below with reference to the drawings.

まず本発明の原理を第1図によって説明する。First, the principle of the present invention will be explained with reference to FIG.

第1図において、1は図面に対して垂直な軸を中心とし
て回転する回転鏡、2は回転鏡1より距離Hにある標的
、3は回転鏡1の回転中に該回転鏡に対向しうるような
位置に設けられた焦点距離fの集光レンズ、4は集光レ
ンズ3の光軸を通って回転鏡1の中心部に至り、回転鏡
1で反射して標的2に至る光パルスの経路、5は標的2
で反射した反射光パルスの経路、6は該反射光パルスが
さらに回転鏡6で反射して集光レンズに入射する受信光
パルスの経路、7は該受信光パルスが集光レンズ3の焦
点距離fだけ隔だった所に結像した受信光の位置を表わ
している。
In FIG. 1, 1 is a rotating mirror that rotates around an axis perpendicular to the drawing, 2 is a target located at a distance H from the rotating mirror 1, and 3 is a target that can face the rotating mirror 1 while the rotating mirror 1 is rotating. A condensing lens 4 with a focal length f provided at a position as shown in FIG. route, 5 is target 2
6 is the path of the received light pulse where the reflected light pulse is further reflected by the rotating mirror 6 and enters the condensing lens; 7 is the path of the received light pulse where the received light pulse is the focal length of the condensing lens 3. It represents the position of the received light that is imaged at a distance of f.

いま、回転鏡1が一定の角速度ωで回転しているものと
し、図に示す如く、送信光パルス4が標的2に達するよ
うな回転鏡1の傾き角θのときにレーザパルスを発した
とする。
Assume now that the rotating mirror 1 is rotating at a constant angular velocity ω, and that a laser pulse is emitted when the rotating mirror 1 is at an inclination angle θ such that the transmitted light pulse 4 reaches the target 2, as shown in the figure. do.

回転鏡1の中心から標的2までの距離をR1光速度をC
とすると、光パルスが回転鏡1で反射して送出されてか
ら標的2に反射し、戻ってくるまでに6九Δt = 2
R/cの時間が経過する。
The distance from the center of rotating mirror 1 to target 2 is R1 The speed of light is C
Then, it takes 69 Δt = 2 for the optical pulse to be reflected by the rotating mirror 1, sent out, reflected to the target 2, and returned.
R/c time passes.

この経過時間の間に回転鏡1はΔθ=ω・Δt=2ωR
/cの角度だけ回転するので、標的2からの戻り光パル
スが反射して集光レンズ3に入射する受信光パルスの経
路6は送信光パルスの経路4に対して2Δθ二4ωR/
cだけ傾いたものとなる。
During this elapsed time, the rotating mirror 1 is Δθ=ω・Δt=2ωR
Since it rotates by an angle of /c, the path 6 of the received optical pulse, where the return optical pulse from the target 2 is reflected and enters the condenser lens 3, is 2Δθ24ωR/ with respect to the path 4 of the transmitted optical pulse.
It is tilted by c.

これが集光レンズ3で集光結像されると、その焦点にお
いては、δl二f・2Δθ=4fωR/cだけ集光レン
ズ3の元軸よりずれた位置に結像する。
When this is condensed and imaged by the condenser lens 3, the image is formed at a position shifted from the original axis of the condenser lens 3 by δl2f·2Δθ=4fωR/c.

例えば、回転鏡1の回転角速度ω=200rad/s(
約32回転/秒)、集光レンズ3の焦点距離f二100
mmとしたとき、標的の距離R−500m=5X 10
5mmの場合、C=3X’1011mm/sとして、 となる。
For example, the rotational angular velocity ω of the rotating mirror 1 = 200 rad/s (
(approximately 32 revolutions/second), focal length of condensing lens 3 f2 100
When mm, target distance R-500m=5X 10
In the case of 5 mm, C=3X'1011 mm/s.

ただし、この場合、受光位置7と回転鏡との間の距離は
距離Rに比較して微小であるので上記演算においては無
視している。
However, in this case, since the distance between the light receiving position 7 and the rotating mirror is minute compared to the distance R, it is ignored in the above calculation.

第2図に同じ条件で距離Hの変化に対する受光位置偏位
量δlの大きさの関係を計算した結果を示している。
FIG. 2 shows the results of calculating the relationship between the magnitude of the light receiving position deviation amount δl and the change in the distance H under the same conditions.

第2図から明らかなように、距離Rが数100mから数
1000mに対応する偏位量δlの大きさは100μm
〜1mmのオーダーであり、これはイメージセンサによ
って容易に検知可能な大きさである。
As is clear from Fig. 2, the magnitude of the deviation δl corresponding to the distance R from several hundred meters to several thousand meters is 100 μm.
It is on the order of ~1 mm, which is a size that can be easily detected by an image sensor.

本発明の特徴は、上記したような回転鏡、集光レンズ、
レーザパルス発生手段、イメージセンサラ用イてレーザ
パルスの標的からの反射光をイメ−ジセンサに結像せし
め、それが標的の距離に対応することを利用して偏位量
δlの測定から距離Rを求めることを特徴とするもので
ある。
The features of the present invention include the above-mentioned rotating mirror, condensing lens,
A laser pulse generating means and an image sensor are used to form an image of the reflected light of the laser pulse from the target on the image sensor, and by utilizing the fact that the image corresponds to the distance of the target, the distance R can be determined from the measurement of the deviation amount δl. It is characterized by seeking.

偏位を検出する場合、反射光が十分に強ければ、レンズ
の焦点にスクリーンを置き、拡大鏡により直接読むこと
もできるが本発明においては、高感度なイメージセンサ
を用いて微弱なレベルの反射光を受けることができるよ
うにすると共に、距離表示のための電気的な処理が可能
となるようにしたものである。
When detecting deviation, if the reflected light is strong enough, it is possible to place a screen at the focal point of the lens and read it directly with a magnifying glass, but in the present invention, a highly sensitive image sensor is used to detect the weak level of reflection. It is designed to be able to receive light and also to be able to perform electrical processing for distance display.

次に本発明を具現した装置の一例を第3図に示し、より
詳細に説明する。
Next, an example of a device embodying the present invention is shown in FIG. 3 and will be described in more detail.

第3図において、8は回転鏡1を定速度で回転させる駆
動モータ、9は回転鏡1の回転角度検出器である。
In FIG. 3, 8 is a drive motor that rotates the rotating mirror 1 at a constant speed, and 9 is a rotation angle detector of the rotating mirror 1.

10はパレスレーザ発振器、11はレーザ制御回路、1
2は回転鏡1の回転角度検出器9が、送出パルスが標的
2に向けて送出されるような角度を検出したときにレー
ザ制御回路11を駆動してパルスレーザ発振器10にレ
ーザパルスを発生させる同期信号発生回路である。
10 is a pulse laser oscillator, 11 is a laser control circuit, 1
2 drives the laser control circuit 11 to cause the pulse laser oscillator 10 to generate a laser pulse when the rotation angle detector 9 of the rotating mirror 1 detects an angle at which the sending pulse is sent toward the target 2; This is a synchronous signal generation circuit.

13は集光レンズ3の中心と回転鏡1の中心とを結ぶ集
光レンズ3の光軸上に該光軸に対して傾斜して設けられ
た小さな反射鏡であり、パルスレーザ発振器10で発せ
られたレーザパルス14をこの反射鏡13で反射して回
転鏡1の中心に向わせるものである。
A small reflecting mirror 13 is installed on the optical axis of the condensing lens 3 connecting the center of the condensing lens 3 and the center of the rotating mirror 1 at an angle with respect to the optical axis. The reflected laser pulse 14 is reflected by this reflecting mirror 13 and directed toward the center of the rotating mirror 1.

15は回転鏡1で反射された送信パルスの一部を反射さ
せる透明なガラス板で、回転鏡1の近くに送信パルスの
経路に垂直に固定して設けである。
A transparent glass plate 15 reflects a part of the transmitted pulse reflected by the rotating mirror 1, and is fixed near the rotating mirror 1 and perpendicular to the path of the transmitted pulse.

このガラス板15による反射パルス16は回転鏡1にお
いて該回転鏡1への入射パルス18と平行となるように
反射され(17で示す)、反射鏡13の近傍を通って集
光レンズ3に至り、集光レンズ3で集光されてその焦点
位置に結像する。
The reflected pulse 16 from the glass plate 15 is reflected by the rotating mirror 1 so as to be parallel to the pulse 18 incident on the rotating mirror 1 (indicated by 17), passes near the reflecting mirror 13, and reaches the condenser lens 3. , the light is condensed by the condenser lens 3 and an image is formed at its focal position.

19は集光レンズ3の焦点位置aに設けられたイメージ
センサ、20は撮像管、21はブラウン管である。
19 is an image sensor provided at the focal position a of the condenser lens 3, 20 is an image pickup tube, and 21 is a cathode ray tube.

この構成において、モータ8により回転鏡1は定速で回
転され、回転角度検出器9は回転角度信号を同期信号発
生器12に送出する。
In this configuration, the rotating mirror 1 is rotated at a constant speed by the motor 8, and the rotation angle detector 9 sends a rotation angle signal to the synchronization signal generator 12.

同期信号発生器12は、回転鏡1の角度がパルスレーザ
発振器10からのレーザパルスが該回転鏡1で標的2に
向かう角度になった時にレーザ制御回路11を駆動して
パルスレーザ発振器10にレーザパルスを発生させる。
The synchronizing signal generator 12 drives the laser control circuit 11 to cause the pulsed laser oscillator 10 to emit a laser when the angle of the rotating mirror 1 reaches an angle at which the laser pulse from the pulsed laser oscillator 10 is directed toward the target 2 at the rotating mirror 1. Generate a pulse.

このレーザパルスは、反射鏡13で反射され、さらに回
転鏡1で反射され、その一部はガラス板15で反射され
て回転鏡1を経て集光レンズ3にて集光され、イメージ
センサ190)焦点位置にて結像される。
This laser pulse is reflected by the reflecting mirror 13, further reflected by the rotating mirror 1, a part of it is reflected by the glass plate 15, passes through the rotating mirror 1, and is condensed by the condensing lens 3, and is condensed by the image sensor 190). An image is formed at the focal position.

一方、ガラス板15を通過した光は、標的2に達してこ
こで反射され、再びガラス板15を通過し、回転鏡1を
へて集光レンズ3により集光され、イメージセンサ19
において、集光レンズ3の焦点位置より前記偏位量δl
だけ偏位した位置に結像される。
On the other hand, the light that has passed through the glass plate 15 reaches the target 2, is reflected there, passes through the glass plate 15 again, passes through the rotating mirror 1, is condensed by the condenser lens 3, and is condensed by the image sensor 19.
, the deviation amount δl from the focal point position of the condenser lens 3
The image is formed at a position offset by .

このうち、ガラス板15による反射パルスによるイメー
ジセンサ19の受光点はブラウン管21の輝点dで示さ
れ、標的2からの反射パルスによるイメージセンサ19
の受光点は輝点eで示される。
Among these, the light receiving point of the image sensor 19 due to the reflected pulse from the glass plate 15 is indicated by a bright spot d of the cathode ray tube 21, and the light receiving point of the image sensor 19 due to the reflected pulse from the target 2 is
The light receiving point is indicated by a bright spot e.

この輝点dとeとの間隔りは前記偏位量δlに対応して
いる。
The distance between the bright spots d and e corresponds to the deviation amount δl.

従って、L=に一δl二k・4fωR/c(ただしkは
定数)が成立するから、焦点距離f1角速度ω、光速C
が既知であって、しかも定数kを予め求めておくことに
より、ブラウン管上の輝点間隔りを知ることによって標
的距離Rを知ることができる。
Therefore, since L = 1 δl 2 k・4fωR/c (k is a constant), focal length f1 angular velocity ω, speed of light C
is known, and by determining the constant k in advance, the target distance R can be determined by knowing the interval between bright spots on the cathode ray tube.

なお、イメージセンサ19としては、半導体受光素子の
アレイ状の検知器も考えられるが、ここではチャンネル
マルチプライヤ−形増巾機能を持つイメージセンサを使
用している。
Although a detector in the form of an array of semiconductor light-receiving elements may be considered as the image sensor 19, an image sensor having a channel multiplier type amplification function is used here.

上記の説明においては、集光レンズfが100朋で、回
転鏡1の回転速度ωが200 rad/ sである場合
について述べた。
In the above description, a case has been described in which the condenser lens f is 100 mm and the rotational speed ω of the rotating mirror 1 is 200 rad/s.

この場合、現在入手しうるイメージセンサの1素子の大
きさは約10μmのオーダーであり、このようなサイズ
のイメージセンサを用いた時に期待できる距離の分解能
は、数10mである。
In this case, the size of one element of currently available image sensors is on the order of about 10 μm, and the distance resolution that can be expected when using an image sensor of such size is several tens of meters.

この分解能は、現在改良の気運にあるイメージセンサの
高密度化(分解能の向上)により向上させることができ
る。
This resolution can be improved by increasing the density of image sensors (improving resolution), which is currently being improved.

また、δ1−4fωR/cの関係から理解されるように
、集光レンズの焦点距離fを大きくすること、及び(又
は)回転鏡1の回転速度ωをより高速化することによっ
て分解能は向上される。
Furthermore, as understood from the relationship δ1-4fωR/c, the resolution can be improved by increasing the focal length f of the condenser lens and/or by increasing the rotational speed ω of the rotating mirror 1. Ru.

以上述べたように、本発明は、従来方法のように、応答
速度の速い光電変換器やカウンタ等のように電気的外乱
に弱いものを用いる必要がない(本発明において、イメ
ージセンサに入力される反射パルスは時点が問題となる
のではなく、入射位置がわかればよいから応答は遅くと
もよい)ので、電気的外乱の多い環境においても確実に
測距を行なうことが可能となる。
As described above, the present invention eliminates the need to use devices that are susceptible to electrical disturbances, such as photoelectric converters and counters with fast response speeds, unlike conventional methods. The time of the reflected pulse does not matter; it is only necessary to know the incident position, so the response may be slow), so distance measurement can be performed reliably even in an environment with many electrical disturbances.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の詳細な説明する図、第2図は本発明に
おける標的距離と受光位置偏位量との関係の一例を示す
図、第3図は本発明を具現した装置構成例を示す図であ
る。 1・・・・・・回転鏡、2・・・・・・標的、3・・・
・・・集光レンズ、7・・・・・・結像位置、8・・・
・・・駆動モータ、9・・・−・・回転角度検出器、1
0・・・・・・パルスレーザ発振器、11・・・・・・
レーザ制御回路、12・・・・・・同期信号発生回路、
13・・・・・・反射鏡、15・・・・・・ガラス板、
19・・・・・・イメージセンサ、20・・・・・・撮
像管、21・・・・・・ブラウン管。
FIG. 1 is a diagram explaining the present invention in detail, FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between the target distance and the amount of light receiving position deviation in the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a device embodying the present invention. FIG. 1...Rotating mirror, 2...Target, 3...
... Condensing lens, 7... Imaging position, 8...
...Drive motor, 9...-Rotation angle detector, 1
0... Pulse laser oscillator, 11...
Laser control circuit, 12... Synchronization signal generation circuit,
13...Reflector, 15...Glass plate,
19... Image sensor, 20... Image pickup tube, 21... Braun tube.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 回転鏡を一定速度で回転させ、該回転鏡に入射すべ
きレーザパルスが標的に向かう回転角度に達したときに
レーザパルスを該回転鏡に向けて発射し、標的からの反
射パルスを該回転鏡で反射させ、該反射パルスを集光レ
ンズで集光し、該集光レンズの焦点位置に設けたイメー
ジセンサにより結像位置を検出して測距を行うことを特
徴とするパルスレーザによる測距方法。
1 A rotating mirror is rotated at a constant speed, and when the laser pulse to be incident on the rotating mirror reaches a rotation angle toward the target, the laser pulse is emitted toward the rotating mirror, and the reflected pulse from the target is reflected from the rotating mirror. Measurement using a pulsed laser, characterized in that the reflected pulse is reflected by a mirror, the reflected pulse is focused by a condensing lens, and the imaging position is detected by an image sensor provided at the focal point of the condensing lens to measure the distance. Distance method.
JP53087745A 1978-07-20 1978-07-20 Distance measurement method using pulsed laser Expired JPS5916234B2 (en)

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JPS5515041A JPS5515041A (en) 1980-02-01
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