JPH0778537B2 - Berth speedometer - Google Patents
Berth speedometerInfo
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- JPH0778537B2 JPH0778537B2 JP2090265A JP9026590A JPH0778537B2 JP H0778537 B2 JPH0778537 B2 JP H0778537B2 JP 2090265 A JP2090265 A JP 2090265A JP 9026590 A JP9026590 A JP 9026590A JP H0778537 B2 JPH0778537 B2 JP H0778537B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pulse
- berth
- ship
- laser beam
- time
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、大型の船舶の接岸補助システム内で利用され
る接岸速度計に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a berth speedometer used in a berth assist system of a large ship.
(従来の技術) 外航用のタンカーなど比較的大型の船舶を接岸させるに
は、第8図に示すように、船舶100を数百メートルの沖
合で岸壁200と平行に静止させ、船腹の船首寄りと船尾
寄りの2箇所を2隻のタグボート101と102との共同作業
によって等速度で推進することにより岸壁への平行状態
を保たせながらゆっくりと接岸させる制御が行われる。
この際、船舶の接岸速度が逐一岸壁側で測定され、タグ
ボート側に通知されるフィードバック制御が行われる。
なお、本明細書においては、船舶による岸壁への接近動
作を「接岸」と称する。(Prior Art) In order to berth a relatively large vessel such as a tanker for ocean voyage, as shown in FIG. 8, the vessel 100 is stopped parallel to the wharf 200 several hundred meters offshore and the bow of the vessel is The two boats, one near the stern and one near the stern, are propelled at a constant speed by collaborative work with the two tugs 101 and 102, so that control is performed so that the berth is slowly approached while maintaining the parallel state with the quay.
At this time, the berthing speed of the ship is measured one by one on the quay side, and feedback control is notified to the tugboat side.
In the present specification, the approaching motion of the ship toward the quay is referred to as “berthing”.
従来、上述のような接岸速度計として超音波レーダが利
用されている。すなわち、第8図に示すように、岸壁側
の海水中に超音波レーダ201と202とが設置される。各超
音波レーダは超音波放射器と受信器の対から成り、放射
器から放射された超音波が海中を伝播して船舶の喫水線
下の船腹で反射され、再び海中を伝播して超音波レーダ
に戻りその受信器に受信される。この往復の伝播所要時
間と一定の伝播速度から岸壁と船舶との距離が計測さ
れ、この計測距離の時間変化率から接岸速度が計測され
る。この接岸速度の計測は、岸壁への平行状態を保たせ
るなどの目的から、第8図に例示するように、少なくと
も船舶の2箇所について独立して行われる。Conventionally, an ultrasonic radar has been used as the above-mentioned berthing speed meter. That is, as shown in FIG. 8, the ultrasonic radars 201 and 202 are installed in the seawater on the quay side. Each ultrasonic radar consists of a pair of ultrasonic radiator and receiver.The ultrasonic wave emitted from the radiator propagates in the sea and is reflected by the side of the ship below the waterline, and propagates in the sea again to propagate the ultrasonic radar. It returns to and is received by the receiver. The distance between the quay and the ship is measured from this round-trip travel time and a constant propagation speed, and the berthing speed is measured from the time change rate of this measured distance. This berthing speed is measured independently for at least two locations on the ship, as illustrated in FIG. 8, for the purpose of maintaining the parallel state with the quay.
このような超音波を用いた接岸速度計の更に詳細につい
ては、必要に応じて、「船舶接岸誘導装置」と題する特
開昭52−86353号の明細書などを参照されたい。For further details of such a berth speed meter using ultrasonic waves, refer to the specification of JP-A-52-86353, which is entitled "Vessel berth guidance device," as necessary.
(発明が解決しようとする課題) 上記従来の超音波を利用した接岸速度計は、海中におい
て超音波が一定の伝播速度で直進する性質を利用してい
る。しかしながら、この方法では海中の魚、漂流物、気
泡などの各種の障害物の影響を受けたり、波浪や潮位な
どの気象条件によっては放射された超音波が船体の底部
を通過してしまうなど、信頼性の点で問題がある。(Problems to be Solved by the Invention) The above-mentioned conventional berthing speed meter utilizing ultrasonic waves utilizes the property that ultrasonic waves travel straight at a constant propagation speed in the sea. However, with this method, it is affected by various obstacles such as fish in the sea, debris, bubbles, and ultrasonic waves emitted may pass through the bottom of the hull depending on weather conditions such as waves and tide levels. There is a problem in terms of reliability.
この超音波の伝播路を海中ではなく空中に設定すること
には、伝播時の減衰量が過大になったり、風の影響で伝
播路が湾曲するなどの点で難がある。Setting the propagation path of this ultrasonic wave in the air rather than in the sea is difficult in that the amount of attenuation during propagation becomes excessive and the propagation path is curved due to the influence of wind.
また、この超音波レーダでは、超音波の波長がこれを反
射する船腹表面の凹凸に比べて十分大きいため、船腹に
衝突した超音波はその入射角と反射角とが等しくなるよ
うな正規反射を受ける。このため、第9図に例示するよ
うに、接岸中に船舶と岸壁との平行の関係が崩れるにつ
れて、船腹で反射された超音波が放射器と対にして設置
されている受信器に受信されなくなり、計測不能になっ
てしまうという問題もある。Further, in this ultrasonic radar, since the wavelength of the ultrasonic waves is sufficiently larger than the unevenness of the surface of the ship that reflects the ultrasonic waves, the ultrasonic waves that collide with the ship will undergo regular reflection such that the incident angle and the reflection angle are equal. receive. For this reason, as illustrated in FIG. 9, as the parallel relationship between the ship and the quay collapses during berthing, the ultrasonic waves reflected on the side of the ship are received by the receiver installed in pairs with the radiator. There is also a problem that it disappears and measurement becomes impossible.
一方、「航海補助装置」と題する特開昭54−51793号の
明細書などを参照すれば、海水中や空中を伝播路とする
電波探知機を利用する方法も考えられる。しかしなが
ら、本発明者の考察によれば、この電波探知機には次の
ような難点がある。On the other hand, referring to the specification of Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-51793, which is entitled "Navigation Assistance Device", a method of using a radio wave detector whose propagation path is in seawater or air can be considered. However, according to the consideration of the present inventor, this radio wave detector has the following drawbacks.
まず、アンテナなど大型の設備が必要となって創設コス
トがかさむと共に、大電力が必要になって運用コストも
かさむという問題がある。First, there is a problem that a large facility such as an antenna is required, which increases the establishment cost, and a large amount of electric power is required, which also increases the operation cost.
また、この電波探知機では、超音波レーダの場合と同様
に、放射された電波が船腹で正規反射されるので、船舶
と岸壁との平行度がある程度崩れると計測不能になると
いう問題もある。Further, in this radio wave detector, similarly to the case of the ultrasonic radar, since the emitted radio wave is regularly reflected on the side of the ship, there is a problem that measurement becomes impossible if the parallelism between the ship and the quay collapses to some extent.
更に、この電波探知機では、電波の波長が大きくて分解
能が十分でないため、船舶の複数箇所について独立に接
岸速度を計測することが困難になるという問題がある。Further, this radio wave detector has a problem that it is difficult to independently measure the berthing speed at a plurality of locations of the ship because the radio wave has a large wavelength and the resolution is not sufficient.
また、電波探知機では、付近の通信施設に誘導妨害を及
ぼすなど、周辺システムとの電磁的適合性の問題も生ず
る。In addition, the radio wave detector causes a problem of electromagnetic compatibility with peripheral systems, such as inducing interference in a nearby communication facility.
(課題を解決するための手段) 本発明の接岸速度計は、第1の周期で反復されるドライ
ブパルスを発生する第1の発振部と、第1の周期より僅
かに大きな第2の周期で反復されるサンプリングパルス
を発生する第2の発振部と、岸壁に接近中の船舶に対し
上記ドライブパルスに同期してレーザビーム・パルスを
放射する発光部と、上記船舶で反射されたレーザビーム
・パルスを受光し電気信号に変換しつつ出力する受光部
とを備えている。(Means for Solving the Problem) A berth speedometer according to the present invention includes a first oscillating portion that generates a drive pulse repeated in a first cycle and a second cycle that is slightly larger than the first cycle. A second oscillating unit that generates repeated sampling pulses, a light emitting unit that emits a laser beam pulse to the ship approaching the quay in synchronization with the drive pulse, and a laser beam reflected by the ship. And a light receiving section for receiving the pulse and converting it into an electric signal and outputting the electric signal.
本発明の接岸速度計は、更に、受光部から出力される電
気信号をサンプリングパルスに同期して保持することに
より受光されたレーザビーム・パルスの時間軸を伸張し
つつ出力するサンプル・ホールド部と、このサンプル・
ホールド部の出力に基づきレーザビーム・パルスの放射
時点から受光時点までの伝播遅延時間を検出し船舶まで
の距離を算定する距離算定部と、この算定された距離の
時間変化率から船舶の接岸速度を算定する接岸速度算定
部とを備えている。The berth speedometer of the present invention further includes a sample-and-hold unit that holds the electric signal output from the light-receiving unit in synchronization with the sampling pulse and outputs the received laser beam pulse while extending the time axis. , This sample
A distance calculation unit that calculates the distance to the ship by detecting the propagation delay time from the laser beam pulse emission time to the light reception time based on the output of the hold unit, and the berthing speed of the ship from the time change rate of this calculated distance And a berth speed calculation unit for calculating
更に、本発明の接岸速度計は、ドライブパルスとサンプ
リングパルスの周波差を一方の周波数の整数分の1とす
るように、第1,第2の発振部の一方の発振周波数を制御
する位相ロックループを備えることにより、僅かに異な
る周波数差の安定性を確保し、検出精度の向上を実現し
ている。Furthermore, the berth speedometer of the present invention is a phase lock that controls one of the oscillation frequencies of the first and second oscillating units so that the frequency difference between the drive pulse and the sampling pulse is 1 / integral of one frequency. By providing a loop, the stability of a slightly different frequency difference is ensured and the detection accuracy is improved.
(作用) ドライブパルスとサンプリングパルスとの僅かな周期
(周波数)の差異により、受信パルス信号に対するサン
プリングのタイミングが順次δτずつずらされていくも
のとする。受信パルスの幅をW(sec)とすれば、この
受信パルスについて非ゼロのサンプル値が得られる回数
はW/δτ回となる。そして、各非ゼロのサンプリング値
はサンプリングの周期τ(sec)にわたってホールドさ
れことにより、1回のサンプリング回数当たりτ(se
c)の時間に伸長される。この結果、サンプルホールド
後の受信パルスの幅はτ(sec/回)×W/δτ(回)=
(τ/δτ)W(sec)となる。従って、サンプル・ホ
ールド部から出力されるパルス信号の幅は、受信パルス
信号よりも、 〔(τ/δτ)W〕/W=τ/δτ =(τ0+δτ)/δτ ≒τ0/δτ ……(1) 倍だけ伸長されることになる。このように、受信パルス
信号の時間軸上の幅を伸長することにより、受信パルス
信号の出現時点が高精度で検出可能になる。以下、本発
明を実施例と共に更に詳細に説明する。(Operation) It is assumed that the sampling timing for the received pulse signal is sequentially shifted by Δτ due to a slight difference in frequency (frequency) between the drive pulse and the sampling pulse. If the width of the received pulse is W (sec), the number of times that a non-zero sample value is obtained for this received pulse is W / δτ times. Then, each non-zero sampling value is held for a sampling period τ (sec), so that τ (se
It is extended at the time of c). As a result, the width of the received pulse after sample hold is τ (sec / time) × W / δτ (time) =
(Τ / δτ) W (sec). Therefore, the width of the pulse signal output from the sample and hold unit is [(τ / δτ) W] / W = τ / δτ = (τ 0 + δτ) / δτ ≈τ 0 / δτ ... (1) It will be extended by a factor of 3. In this way, by extending the width of the received pulse signal on the time axis, the output time of the received pulse signal can be detected with high accuracy. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
(実施例) 第1図は、本発明の一実施例に係わる接岸速度計の構成
を示すブロック図である。(Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a berthing speed meter according to an embodiment of the present invention.
図中、10はメイン発振器、11は分周器、12,15は増幅
器、13は発光部、14は受光部、16,18はサンプル・ホー
ルド回路、17は2値化回路、20はサブ発振器、21,23は
分周器、22は混合器、24は位相比較器、25は低域通過濾
波器、30はCPU、31とメモリ、32はメモリコントローラ
である。In the figure, 10 is a main oscillator, 11 is a frequency divider, 12 and 15 are amplifiers, 13 is a light emitting section, 14 is a light receiving section, 16 and 18 are sample and hold circuits, 17 is a binarization circuit, and 20 is a sub oscillator. , 21 and 23 are frequency dividers, 22 is a mixer, 24 is a phase comparator, 25 is a low-pass filter, 30 is a CPU, 31 and memory, and 32 is a memory controller.
メイン発振器10は、安定な水晶振動子を主体に構成され
ており、発振周波数Foのパルス列を発生する。このパル
ス列は、分周器11において1/Nに間引きされ、一定の繰
り返し周波数fo(=Fo/N)のドライブパルスとなって増
幅器12を経て発光部13に供給される。発光部13は、レー
ザダイオード(LD)とこれを駆動するためのLD駆動回路
で構成され、増幅器12から供給されるドライブパルスに
同期してレーザダイオードを駆動し、周期τo(=1/f
o)でパルス状のレーザビームを放射させる。この発光
部13は、岸壁上など海面上の所定箇所に設置されてお
り、岸壁の前方にかつ岸壁と直交する方向にパルス状の
レーザビームを放射する。The main oscillator 10 is mainly composed of a stable crystal oscillator, and generates a pulse train having an oscillation frequency Fo. This pulse train is decimated to 1 / N in the frequency divider 11, becomes a drive pulse having a constant repetition frequency fo (= Fo / N), and is supplied to the light emitting unit 13 via the amplifier 12. The light emitting unit 13 is composed of a laser diode (LD) and an LD drive circuit for driving the laser diode, drives the laser diode in synchronization with the drive pulse supplied from the amplifier 12, and has a period τo (= 1 / f
At step o), a pulsed laser beam is emitted. The light emitting unit 13 is installed at a predetermined position on the sea surface such as on the quay, and emits a pulsed laser beam in front of the quay and in a direction orthogonal to the quay.
発光部13から放射されたパルス状のレーザビームは、タ
グボートによる推進を受けて接岸中の船舶の船首又は船
尾寄りの船腹で反射され、受光部14に入射する。受光部
14は、アバランシェ・フォト・ダイオード(APD)を主
体に構成されており、受光量に応じた振幅の電気信号を
出力する。従って、パルス状のレーザビームの反射成分
が受光されるたびに、パルス状の電気信号が受光部14か
ら出力される。このパルス状の電気信号は増幅器15にお
いて波高値が所定値となるように振幅制限を受けながら
増幅されたのち、サンプル・ホールド回路16に供給され
る。このサンプル・ホールド回路16には、サブ発振器20
で発生されたパルス列が分周器21で分周を受けることに
より周期τのサンプリング・パルスとして供給されてい
る。このサンプリング・パルスに同期して増幅器15から
出力されるパルス状の電気信号が、サンプル・ホールド
回路16に保持される。The pulsed laser beam emitted from the light emitting unit 13 is propelled by the tugboat, reflected by the bow of the ship on the shore or near the stern, and enters the light receiving unit 14. Light receiving section
14 is mainly composed of an avalanche photodiode (APD), and outputs an electric signal having an amplitude according to the amount of received light. Therefore, each time the reflected component of the pulsed laser beam is received, a pulsed electric signal is output from the light receiving unit 14. The pulsed electric signal is amplified in the amplifier 15 while being subjected to amplitude limitation so that the peak value becomes a predetermined value, and then is supplied to the sample and hold circuit 16. This sample and hold circuit 16 includes a sub oscillator 20
The pulse train generated in 1 is frequency-divided by the frequency divider 21 to be supplied as a sampling pulse having a period τ. The pulse-shaped electric signal output from the amplifier 15 in synchronization with this sampling pulse is held in the sample-hold circuit 16.
サンプル・ホールド回路16の出力は、2値化回路におい
て所定の閾値と比較されることにより2値化される。す
なわち、サンプル・ホールド回路16の出力が上記閾値に
満たなければ2値化回路17から2値信号の“0"が出力さ
れ、サンプル・ホールド回路16の出力が上記閾値以上で
あれば2値化回路17から2値信号の“1"が出力される。
この2値化回路17の出力は、メモリコントローラ32の制
御のもとにメモリ31に書込まれる。なお、増幅器12から
出力されるドライブパルスは、サンプリングパルスに同
期してサンプル・ホールド回路18に保持され、メモリコ
ントローラ32に供給される。メモリコントローラ32は、
サンプル・ホールド回路18に信号が保持されるたびにア
ドレスカウンタを歩進させながら、2値化回路17の出力
をメモリ31に書込んでゆく。従って、CPU30は、アドレ
スを歩進させながらメモリ31をアクセスしてゆくことに
より、書込みデータが連続的な“0"から連続的な“1"に
変化するアドレスを検出し、このアドレス値から放射パ
ルスと受信パルスの時間差すなわち、伝播遅延時間を検
出することができる。The output of the sample and hold circuit 16 is binarized by being compared with a predetermined threshold value in the binarization circuit. That is, if the output of the sample and hold circuit 16 does not reach the above threshold value, the binary signal "0" is output from the binarization circuit 17, and if the output of the sample and hold circuit 16 is above the above threshold value, it is binarized. The binary signal "1" is output from the circuit 17.
The output of the binarization circuit 17 is written in the memory 31 under the control of the memory controller 32. The drive pulse output from the amplifier 12 is held in the sample / hold circuit 18 in synchronization with the sampling pulse and supplied to the memory controller 32. The memory controller 32 is
Every time a signal is held in the sample and hold circuit 18, the output of the binarization circuit 17 is written into the memory 31 while advancing the address counter. Therefore, the CPU 30 detects the address at which the write data changes from continuous “0” to continuous “1” by accessing the memory 31 while advancing the address and radiating from this address value. The time difference between the pulse and the received pulse, that is, the propagation delay time can be detected.
CPU30は、この伝播遅延時間と光速とから接岸中の船舶
までの距離を算定し、この距離の時間変化速度(変化
率)から船舶の接岸速度を算定する。CPU30は、この算
定した接岸速度を図示しない表示装置に表示したり、図
示しない送信装置から接岸中の船舶や接岸作業中のタグ
ボートなどに自動送出したりする。The CPU 30 calculates the distance to the ship under berth from the propagation delay time and the speed of light, and calculates the berthing speed of the ship from the time change speed (rate of change) of this distance. The CPU 30 displays the calculated berthing speed on a display device (not shown), or automatically sends it from a transmitter (not shown) to a ship on berth or a tugboat on berth.
第1図の接岸速度計は、典型的には、第2図に参照符号
1と2とを付して例示するように、岸壁200上に所定の
距離をおいて2個設置される。接岸速度計1と2の発光
部は、タグボート101と102とに推進され岸壁200にほぼ
平行に接岸してくる船舶100の船首寄りの船腹と船尾寄
りの船腹のそれぞれにレーザビームを放射する。この放
射されたレーザビームを反射する船腹の表面は、このレ
ーザビームの波長に比べて十分大きな凹凸を有する粗面
を呈しているため、入射レーザビームはこの粗面によっ
て等方散乱される。すなわち、第2図に例示するするよ
うに、レーザビームの入射面を入射点で代表させると、
この入射点から球状の指向性を持った反射ビームが放射
される。The two berth speedometers of FIG. 1 are typically installed on the quay 200 at a predetermined distance, as illustrated by reference numerals 1 and 2 in FIG. The light emitting portions of the berth speedometers 1 and 2 emit laser beams to the boat side near the bow and the boat side near the stern of the ship 100, which is propelled by the tugs 101 and 102 and berths substantially parallel to the quay 200. Since the surface of the side of the ship that reflects the emitted laser beam has a rough surface having irregularities sufficiently larger than the wavelength of the laser beam, the incident laser beam is isotropically scattered by this rough surface. That is, as illustrated in FIG. 2, when the incident surface of the laser beam is represented by an incident point,
A reflected beam having a spherical directivity is emitted from this incident point.
従って、第3図に例示するように、接岸中の船舶100と
岸壁200との平行度が崩れても、反射レーザビームの指
向性が広いため受光部の受光感度が不足して検出不能に
陥ることはない。この広い指向性のため、接岸速度計1
と2のそれぞれから放射されたレーザビームの反射波が
相手方の受光部にも到達することになる。しかしなが
ら、各接岸速度計の受光部に適宜な指向性を持たせるこ
とにより、相手方の反射波の受光に伴う相互の干渉を容
易に回避することができる。Therefore, as illustrated in FIG. 3, even if the parallelism between the ship 100 and the quay 200 while docking is broken, the directivity of the reflected laser beam is so wide that the light receiving sensitivity of the light receiving section is insufficient, and detection becomes impossible. There is no such thing. Due to this wide directivity, the berth speed meter 1
The reflected waves of the laser beam emitted from each of No. 2 and No. 2 also reach the light receiving unit of the other party. However, it is possible to easily avoid mutual interference due to reception of reflected waves of the other party by giving the light receiving section of each berth speed meter an appropriate directivity.
第1図の接岸速度計は、超音波に比べて桁違いに大きな
伝播速度のレーザビームを利用している。このため、反
射波の伝播遅延時間が超音波の場合よりも桁違いに短く
なり、通常の方法によってはこの伝播遅延時間を精度良
く測定することは困難になる。また、この接岸速度計は
電波に比べて桁違いに短い波長のレーザビームを利用し
ている。このため、電波利用のレーダでは有効な送受の
変調波の振幅差や位相差などから反射波の伝播遅延時間
を測定する手法も採用できない。The berth speed meter shown in FIG. 1 uses a laser beam having a propagation speed that is orders of magnitude higher than that of ultrasonic waves. For this reason, the propagation delay time of the reflected wave becomes orders of magnitude shorter than that of the ultrasonic wave, and it becomes difficult to measure the propagation delay time with high accuracy by an ordinary method. In addition, this berth speed meter uses a laser beam with a wavelength that is orders of magnitude shorter than radio waves. For this reason, a radar that uses radio waves cannot adopt a method of measuring the propagation delay time of a reflected wave from the amplitude difference and phase difference of the effective transmitted and received modulated waves.
そこで、第1図の接岸速度計では、次のようなサンプリ
ングの手法を利用して必要な測定精度を確保している。Therefore, in the berthing speed meter shown in FIG. 1, the required measurement accuracy is secured by using the following sampling method.
すなわち、第4図の波形図を参照すれば、レーザビーム
・パルスは、(A)に示すように、一定の周期τoで繰
り返し放射される。この結果、同図(B)に例示するよ
うに、各レーザビーム・パルスの放射時点から伝播遅延
時間τdだけ遅れて反射レーザビーム・パルスが受信さ
れる。ただし、船舶の接岸速度がvで船舶までの距離が
rの場合、想定されるv/rの値よりもレーザビーム・パ
ルスの繰り返し周波数fo(=1/τo)を桁違いに大きく
することにより、毎回検出される伝播遅延時間τdが等
しくなるように設定される。この遅延時間τdを精度良
く検出するには、受信パルス波形を高精度で検出する必
要がある。このため、第4図(C)に例示するように、
τoに比べて僅かに大きな周期τのサンプリング・パル
スが分周器21から供給され、増幅器15から出力された受
信パルスがサンプル・ホールド回路16においてこのサン
プリング・パルスに同期して、ホールドされる。That is, referring to the waveform diagram of FIG. 4, the laser beam pulse is repeatedly emitted with a constant period τo, as shown in FIG. As a result, as illustrated in FIG. 6B, the reflected laser beam pulse is received with a delay of propagation delay time τd from the emission time point of each laser beam pulse. However, if the berthing speed of the ship is v and the distance to the ship is r, by increasing the repetition frequency fo (= 1 / τo) of the laser beam pulse by an order of magnitude greater than the assumed value of v / r. , Are set so that the propagation delay times τd detected each time are equal. In order to detect this delay time τd with high accuracy, it is necessary to detect the received pulse waveform with high accuracy. Therefore, as illustrated in FIG. 4 (C),
A sampling pulse having a period .tau. slightly larger than .tau.o is supplied from the frequency divider 21, and the received pulse output from the amplifier 15 is held in the sample and hold circuit 16 in synchronization with this sampling pulse.
サンプリング・パルスの周期τとレーザビーム・パルス
の周期τoの差をδτとすれば、第4図の(A)と
(C)との比較から明らかなように、最初のサンプリン
グ・パルスはレーザビーム・パルスと同時に発生する
が、次回からは毎回δτずつレーザビーム・パルスより
も遅延してゆく。従って、このサンプリング・パルスと
(B)に例示する受信パルスとの時間軸上における相対
的な関係に着目すれば、後者は前者によってδτの時間
間隔でサンプリングされ、ホールドされてゆくことにな
る。このサンプリングとホールドはτの周期で行われる
ので、サンプル・ホールド回路16から出力される受信パ
ルス波形の時間軸は、(D)を参照することによっても
判明するように、前述した(1)式で与えられる倍率だ
け伸長されることになる。Assuming that the difference between the sampling pulse period τ and the laser beam pulse period τo is δτ, it is clear from the comparison between (A) and (C) in FIG. 4 that the first sampling pulse is the laser beam.・ Although it occurs at the same time as the pulse, from the next time onward, it will be delayed by δτ from the laser beam pulse. Therefore, paying attention to the relative relationship on the time axis between this sampling pulse and the reception pulse illustrated in (B), the latter is sampled and held by the former at a time interval of δτ. Since the sampling and holding are performed in the period of τ, the time axis of the received pulse waveform output from the sample and hold circuit 16 is as described above by the equation (1), as will be understood by referring to (D). Will be expanded by the magnification given by.
第4図(D)に示した例では、元の反射パルスの幅に比
べてδτが大きすぎるためその時間軸を拡大した波形は
粗い波形となっている。実際には、元の反射パルスの幅
に比べてδτを十分小さな値に設定することにより十分
滑らかな時間軸拡大波形を得ることができる。In the example shown in FIG. 4 (D), δτ is too large compared to the width of the original reflected pulse, so that the waveform whose time axis is enlarged is a rough waveform. In practice, a sufficiently smooth time-axis expanded waveform can be obtained by setting δτ to a value that is sufficiently smaller than the width of the original reflected pulse.
この(1)式の値τo/δτは、1回の距離測定に必要な
レーザビーム・パルスの総放射個数でもある。この1回
の距離測定に必要な総放射個数をΣnとおけば、 Σn≒τo/δτ ……(2) このようなサンプリングの手法により時間軸の伸張を実
現するために、メイン発振器10とサブ発振器20の発振周
波数は次のような考察に基づき決定される。The value τo / δτ of the equation (1) is also the total number of laser beam pulses emitted for one distance measurement. If the total number of radiations required for this one-time distance measurement is Σn, then Σn ≈ τo / δτ (2) In order to realize time extension by such a sampling method, the main oscillator 10 and sub The oscillation frequency of the oscillator 20 is determined based on the following consideration.
すなわち、まず、この接岸速度計の測定可能範囲(測定
可能な最遠距離)をRメートル(m)とし、光速をC
(m/s)とすれば、この最遠距離Rに位置する船舶から
反射されて受信されるレーザビーム・パルスの伝播遅延
時間τmax(s)は、 τmax=2R/C (s) ……(3) となる。That is, first, the measurable range (the longest measurable distance) of this berth speed meter is R meters (m), and the speed of light is C
(M / s), the propagation delay time τmax (s) of the laser beam pulse reflected and received from the ship located at the farthest distance R is τmax = 2R / C (s) ...... ( 3)
従って、R(m)の測定可能範囲を確保するためには、
発光部13を駆動する発光用パルスの周期τoを(1)式
のτmax以上に設定する必要がある。ここでは、 τo=τmax=2R/C (s) ……(4) に設定する。Therefore, in order to secure the measurable range of R (m),
It is necessary to set the period τo of the light emission pulse for driving the light emitting unit 13 to be τmax or more in the equation (1). Here, τo = τmax = 2R / C (s) (4) is set.
発光用パルスの繰り返し周波数foは、 fo=1/τo =C/2R (1/s) ……(5) となる。The repetition frequency fo of the light emission pulse is fo = 1 / τo = C / 2R (1 / s) (5).
分周器11の分周比をNとおけば、 メイン発振器10の発振周波数Foは、 Fo=Nfo =NC/2R (1/s) ……(6) となる。If the frequency division ratio of the frequency divider 11 is N, the oscillation frequency Fo of the main oscillator 10 becomes Fo = Nfo = NC / 2R (1 / s) (6).
一方、距離の測定分解能をδR(m)に設定すれば、こ
れに基づく伝播遅延時間の測定分解能δτは、 δτ=2δR/C (s) ……(7) となる。On the other hand, if the distance measurement resolution is set to δR (m), the propagation delay time measurement resolution δτ based on this is δτ = 2δR / C (s) (7).
従って、分周器21から出力されるサンプリング・パルス
の周期τを、 τ=τo+δτ =(2R+2δR)/C (s) ……(8) に設定すればよい。また、サンプリング・パルスの繰り
返し周波数fは、 f=1/τ =C/(2R+2δR) (1/s) ……(9) となる。Therefore, the period τ of the sampling pulse output from the frequency divider 21 may be set to τ = τo + δτ = (2R + 2δR) / C (s) (8). The repetition frequency f of the sampling pulse is f = 1 / τ = C / (2R + 2δR) (1 / s) (9).
ここで、分周器21の分周比を分周器11の分周比と同一の
値Nとおけば、サブ発振器20の発振周波数Fは、 F=Nf =NC/(2R+2δR) (1/s) ……(10) となる。Here, if the frequency division ratio of the frequency divider 21 is set to the same value N as the frequency division ratio of the frequency divider 11, the oscillation frequency F of the sub oscillator 20 is F = Nf = NC / (2R + 2δR) (1 / s)… (10)
(6)式と(10)式とから、 δF=Fo−F =NCδR/〔2R(R+δR)〕 ≒NCδR/(2R2) ……(11) (6)式と(11)式及び(7)式と(8)式とから、 δF/Fo ≒〔NCδR/(2R2)〕/〔NC/(2R)〕 =δR/R =〔Cδτ/2〕/〔C(τ−δτ)/2〕 =δτ/(τ−δτ) =δτ/τ0 ……(12) ここで、測定可能範囲Rを750m、測定分解能δRを1cm
(0.01m)とすれば、(10)式から δF/Fo =1.333×10-5 ……(13) を得る。From equations (6) and (10), δF = Fo−F = NCδR / [2R (R + δR)] ≈NCδR / (2R 2 ) ... (11) Equations (6), (11) and (7) From equations (8) and (8), δF / F o ≈ [NCδR / (2R 2 )] / [NC / (2R)] = δR / R = [Cδτ / 2] / [C (τ-δτ) / 2] = δτ / (τ-δτ) = δτ / τ 0 (12) Here, the measurable range R is 750 m and the measurement resolution δR is 1 cm.
If (0.01m), δF / Fo = 1.333 × 10 -5 (13) is obtained from Eq. (10).
このような微小な発振周波数の差を互いに独立に動作す
るメイン発振器10とサブ発振器20とに保持させること
は、極めて困難である。そこで、第1図に示すように、
サブ発振器20を電圧制御発振器(VCO)で構成すると共
に、ミキサ22、分周器23、位相比較器24,低域通過濾波
器25から成る位相ロックループを構成することにより、
サブ発振器20の発振周波数Fをメイン発振器10の発振周
波数FoよりもδFだけ低い値に追随させる構成としてい
る。このδFは、分周器23の分周比をMとすれば、 δF =Fo/MN ……(14) となる。It is extremely difficult to hold such a minute difference in oscillation frequency in the main oscillator 10 and the sub oscillator 20 that operate independently of each other. Therefore, as shown in FIG.
By configuring the sub-oscillator 20 with a voltage controlled oscillator (VCO) and configuring a phase-locked loop including a mixer 22, a frequency divider 23, a phase comparator 24, and a low-pass filter 25,
The oscillation frequency F of the sub oscillator 20 is made to follow the value lower than the oscillation frequency Fo of the main oscillator 10 by δF. This δF is given by δF = Fo / MN (14), where M is the frequency division ratio of the frequency divider 23.
以下では、上述の考察に基づく具体的な数値の設定方法
について説明する。Hereinafter, a specific method of setting a numerical value based on the above consideration will be described.
まず、測定可能範囲Rとして750mを設定する。この測定
可能範囲Rと(4)式とから、レーザビームの放射周期
τoとして5.00μs(マイクロ秒)を得る。これは200k
Hzの繰り返し周波数foに相当する。次に、毎秒5回の割
合で距離の測定値を得るものとする。これに伴い、1回
の測定所要時間は200ms(ミリ秒)となる。従って、1
回の測定に必要なレーザパルス・ビームの総放射個数Σ
nは、 Σn=200kHz×200ms =4×104 となる。このΣnは(2)式からτo/δτに等しく、こ
れはまた(12)式からR/δRに等しい。First, 750 m is set as the measurable range R. From this measurable range R and the equation (4), 5.00 μs (microsecond) is obtained as the radiation period τo of the laser beam. This is 200k
It corresponds to the repetition frequency fo of Hz. Next, the distance measurement value is obtained at a rate of 5 times per second. Accordingly, the time required for one measurement is 200 ms (millisecond). Therefore, 1
Total number of laser pulse beams emitted for each measurement Σ
n is Σn = 200 kHz × 200 ms = 4 × 10 4 . This Σn is equal to τo / δτ from equation (2), which is also equal to R / δR from equation (12).
従って、測定分解能δRとして750m/(4×104)=1.87
5cmを得る。また、分周比Nを750とすれば、(6)式か
ら、メイン発振器10の発振周波数Foとして、750×200kH
z=150MHzを得る。また、(12)式から、δF=150MHz/
(4×104)=3.75KHzを得る。Therefore, the measurement resolution δR is 750 m / (4 × 10 4 ) = 1.87
Get 5 cm. Further, if the frequency division ratio N is 750, from the formula (6), the oscillation frequency Fo of the main oscillator 10 is 750 × 200 kH
Get z = 150MHz. From equation (12), δF = 150MHz /
(4 × 10 4 ) = 3.75 KHz is obtained.
このようにして試行錯誤に基づき設定した4通りの数値
例を第5図に示す。FIG. 5 shows an example of four numerical values set by trial and error in this way.
第6図は、第1図の受光部14の構成の一例を示す回路図
である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the light receiving section 14 of FIG.
この受光部14は、船舶からの反射レーザビーム・パルス
を受けるアバランシェ・フォト・ダイオードAPDと、こ
のアバランシェ・フォト・ダイオードに直列接続されそ
の接続点が出力端子Oに連なる負荷抵抗器rと、直列抵
抗器Rと、このアバランシェ・フォト・ダイオードと抵
抗器r,Rとの直列接続回路に一定の電圧を印加する定電
圧源BTとから構成されている。The light receiving unit 14 includes an avalanche photo diode APD that receives a reflected laser beam pulse from a ship, a load resistor r that is connected in series to the avalanche photo diode, and the connection point is connected to an output terminal O in series. It is composed of a resistor R and a constant voltage source BT for applying a constant voltage to a series connection circuit of the avalanche photo diode and the resistors r and R.
アバランシェ・フォト・ダイオードは、内部にキャリア
増倍機能を有しているため、通常のフォト・ダイオード
に比べて受光感度が極めて高く後段の前置増幅器が省略
できるという利点を持っている。また、このアバランシ
ェ・フォト・ダイオードは、第7図に示すように、入射
光量の低下につれて増倍率が増加するため、入射光量が
変化しても出力電流はあまり変化しないという定電流特
性に近い入出力特性を有する。反面、このアバランシェ
・フォト・ダイオードは、印加電圧や周囲温度など種々
の動作環境の変動に応じて増倍率が大幅に変化し、受光
部としての動作が不安定になりやすいという問題があ
る。Since the avalanche photodiode has a carrier multiplication function inside, the avalanche photodiode has an advantage that the light receiving sensitivity is extremely higher than that of a normal photodiode and the post-amplifier in the subsequent stage can be omitted. Further, as shown in FIG. 7, the avalanche photodiode has a multiplication factor that increases as the amount of incident light decreases. Therefore, even if the amount of incident light changes, the output current does not change so much. Has output characteristics. On the other hand, the avalanche photodiode has a problem in that the multiplication factor changes significantly according to changes in various operating environments such as the applied voltage and the ambient temperature, and the operation of the light receiving section tends to be unstable.
そこで、第6図に示す受光部では、直列抵抗器Rの抵抗
値をアバランシェ・フォト・ダイオードAPDの内部抵抗
値や負荷抵抗器rの抵抗値に比べて十分大きな値に設定
してアバランシェ・フォト・ダイオードに流れる電流を
ほぼ一定に保つことにより、動作の安定化を実現してい
る。Therefore, in the light receiving section shown in FIG. 6, the resistance value of the series resistor R is set to a value sufficiently larger than the internal resistance value of the avalanche photo diode APD and the resistance value of the load resistor r. -The operation is stabilized by keeping the current flowing in the diode almost constant.
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明の接岸速度計は、サ
ンプリングの手法を利用してレーザビーム・パルスの放
射時点から受光時点までの時間を高精度で検出して船舶
までの距離を算定し、この算定した距離の時間変化率か
ら船舶の接岸速度を算定する構成であるから、従来の超
音波や電波を利用するレーダとは異なり、高い信頼性と
精度のもとで経済的な計測を実現できるという効果が奏
される。(Effects of the Invention) As described in detail above, the berth speedometer of the present invention detects the time from the emission time point of the laser beam pulse to the light reception time point with high accuracy by using the sampling method, and reaches the ship. Is different from the conventional radar that uses ultrasonic waves or radio waves, it has a high reliability and accuracy. The effect that economical measurement can be realized is exhibited.
第1図は本発明の一実施例に係わる接岸速度計の構成を
示すブロック図、第2図と第3図は上記実施例の接岸速
度計の使用状況を説明するための平面図、第4図は上記
実施例の接岸速度計の動作を説明するための波形図、第
5図は上記実施例の接岸速度計の動作に関する設定項目
の例を示す概念図、第6図は第1図の受光部の構成の一
例を示す回路図、第7図は第6図中のアバランシェ・フ
ォト・ダイオードの入出力特性を通常のフォト・ダイオ
ードのそれと比較しつつ説明するための特性図、第8図
と第9図は従来の超音波レーダによる接岸速度計の使用
状況とその問題点を説明するための平面図である。 1,2……接岸速度計、10……メイン発振器、11,21……分
周器、12,15……増幅器、13……発光部、14……受光
部、16,18……サンプル・ホールド回路、17……2値化
回路、20……サブ発振器、30……CPU、31……メモリ、3
2……メモリコントローラ、100……接岸中の船舶、101,
102……タグボート、200……岸壁。FIG. 1 is a block diagram showing the structure of a berth speedometer according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are plan views for explaining the usage of the berth speedometer of the above embodiment. FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the berth speedometer of the above embodiment, FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of setting items related to the operation of the berth speedometer of the above embodiment, and FIG. 6 is of FIG. FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of the structure of the light receiving portion, FIG. 7 is a characteristic diagram for explaining the input / output characteristics of the avalanche photodiode shown in FIG. 6 while comparing them with those of an ordinary photodiode, and FIG. FIG. 9 and FIG. 9 are plan views for explaining the use situation and problems of the conventional berth speedometer by the ultrasonic radar. 1,2 shore speedometer, 10 ...... main oscillator, 11,21 ...... divider, 12,15 …… amplifier, 13 …… light emitting part, 14 …… light receiving part, 16,18 …… sample ・Hold circuit, 17 …… Binarization circuit, 20 …… Sub oscillator, 30 …… CPU, 31 …… Memory, 3
2 …… Memory controller, 100 …… Ship docking, 101,
102 …… Tugboat, 200 …… Quay.
Claims (3)
発生する第1の発振部と、 前記第1の周期よりも僅かに大きな第2の周期で反復さ
れるサンプリングパルスを発生する第2の発振部と、 前記ドライブパルスと前記サンプリングパルスの周波差
が一方の周波数の整数分の1となるように、前記第1,第
2の発振部の一方の発振周波数を制御する位相ロックル
ープと、 接岸中の船舶に対し前記ドライブパルスに同期してレー
ザビーム・パルスを放射する発光部と、 前記船舶で反射されたレーザビーム・パルスを受光し電
気信号に変換して出力する受光部と、 この受光部から出力される電気信号を前記サンプリング
パルスに同期して複数回にわたって保持することによ
り、前記受光されたレーザビーム・パルスの時間軸を伸
長したものに相当する電気信号を出力するサンプル・ホ
ールド部と、 このサンプル・ホールド部から出力される電気信号に基
づき前記レーザビーム・パルスの放射時点から受光時点
までの時間差を検出して前記船舶までの距離を算定する
距離算定部と、 前記算定された距離の時間変化率から前記船舶の接岸速
度を算定する接岸速度算定部とを備えたことを特徴とす
る接岸速度計。1. A first oscillator for generating a drive pulse repeated in a first cycle, and a second oscillator for generating a sampling pulse repeated in a second cycle slightly larger than the first cycle. And a phase-locked loop that controls one of the oscillation frequencies of the first and second oscillating units so that the frequency difference between the drive pulse and the sampling pulse is an integer fraction of one frequency. A light emitting unit that emits a laser beam pulse in synchronization with the drive pulse with respect to the ship on berth, and a light receiving unit that receives the laser beam pulse reflected by the ship, converts it into an electric signal, and outputs the electric signal. Corresponding to an extension of the time axis of the received laser beam pulse by holding the electric signal output from the light receiving section a plurality of times in synchronization with the sampling pulse. A sample-and-hold section that outputs an electric signal to detect the time difference from the emission point to the reception point of the laser beam pulse based on the electric signal output from the sample-and-hold section to calculate the distance to the ship. And a berth speed calculator for calculating the berth speed of the ship from the calculated time change rate of the distance.
する2値化回路と、 メモリと、 このメモリの書込みアドレスを前記ドライブパルスに同
期して歩進しながらこの歩進済みのアドレスに前記2値
回路の出力を書込んでゆくメモリコントローラと、 このメモリの書込みデータに変化の生じたアドレスを検
出し、この検出したアドレスに基づき前記放射時点から
受光時点までの時間差を検出するCPUとを備えたことを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の接岸速度計。2. The distance calculating section is a binarization circuit for binarizing and outputting the output of the sample and hold section, a memory, and a write address of the memory in synchronization with the drive pulse. However, the memory controller that writes the output of the binary circuit to this stepped address, and the address where the write data of this memory has changed are detected, and based on this detected address, from the emission time to the light reception time. The berth speedometer according to claim 1, further comprising a CPU that detects a time difference between the berthing speed and the shore speed.
号を生成し出力するミキサと、 前記ドライブパルス又はサンプリングパルスの一方を分
周する分周器と、 前記ミキサ及び分周器のそれぞれから出力されるパルス
の位相差を等しくするように前記第1,第2の発振部の発
振周波数を制御する位相比較回路とを備えたことを特徴
とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の接岸速度
計。3. The phase-locked loop, a mixer for generating and outputting beat signals of the drive pulse and the sampling pulse, a divider for dividing one of the drive pulse and the sampling pulse, the mixer and the divider 2. A phase comparison circuit for controlling the oscillation frequencies of the first and second oscillating units so that the phase difference between the pulses output from each of the detectors is equalized. Alternatively, the berth speedometer described in item 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2090265A JPH0778537B2 (en) | 1990-04-06 | 1990-04-06 | Berth speedometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2090265A JPH0778537B2 (en) | 1990-04-06 | 1990-04-06 | Berth speedometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03289584A JPH03289584A (en) | 1991-12-19 |
| JPH0778537B2 true JPH0778537B2 (en) | 1995-08-23 |
Family
ID=13993676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2090265A Expired - Lifetime JPH0778537B2 (en) | 1990-04-06 | 1990-04-06 | Berth speedometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0778537B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0833443B2 (en) * | 1987-07-22 | 1996-03-29 | 三菱電機株式会社 | Optical radar device |
-
1990
- 1990-04-06 JP JP2090265A patent/JPH0778537B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03289584A (en) | 1991-12-19 |
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