(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を対象物に向けて送信しかつ対象物からの反射レーザ光を受信するセンシング装置と、送信信号及び受信信号から対象物までの距離を演算する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、パルスレーザ光の送信トリガ信号出力及び送信信号と複数の受信信号が入力されレーザ光の往復時間を出力する時間計測カウンターを有し、時間計測カウンターは、送信信号を検出して時間計測を開始し、対象物に応じた所定の時間のみゲートを開いてその間の受信信号の検出時間と信号最大値を記憶し、この受信信号が１つである場合はその受信信号の検出時間と信号最大値から、その受信信号が複数ある場合にはその内最も遅い受信信号の検出時間と信号最大値から、送信信号の中心位置から受信信号の中心位置までの時間を算出するようになっている、ことを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
パルスレーザ光の送信信号を検出して時間計測を開始し、対象物に応じた所定の時間のみゲートを開いてその間の受信信号の検出時間と信号最大値を記憶し、この受信信号が１つである場合はその受信信号の検出時間と信号最大値から、その受信信号が複数ある場合にはその内最も遅い受信信号の検出時間と信号最大値から、送信信号の中心位置から受信信号の中心位置までの時間を算出する、ことを特徴とする形状計測方法。
【請求項３】
所定のしきい値電圧により、送信信号と受信信号を検出し、受信信号を放物線で近似して、往復時間を算出する、ことを特徴とする請求項２に記載の形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物形状を遠隔から非接触で計測する形状計測装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遠隔から３次元対象物の形状及び距離を認識するために、例えば、「３次元形状及び距離認識方式」（特開平５−１８７２０号）等が提案されている。この方式は、水平及び垂直方向に指向方向が可変に設けられたテレビカメラで、３次元形状を有する対象物を所定の位置から撮像し、撮像された映像信号を画像処理装置で画像処理して、対象物の所定位置からみた２次元的な外形及び重心位置の座標値を演算装置で設定し、この座標値に基づいて所定位置から対象物の部分に測距装置から測距用光線を照射して、その反射光に基づいて演算装置乃至中央処理装置が対象物の所定位置からみた３次元形状及び所定位置からの距離を認識するものである。
【０００３】
また、同様な装置として、レーザレーダ装置が知られている。この装置は、図６に模式的に示すように、レーザ装置１、テレスコープ２、光検出装置３、データ処理装置４、等から構成され、レーザ装置１により対象物（例えば散乱体６）にレーザ光５を放射（発信）し、対象物によるミー散乱光７をテレスコープ２で受信し、光検出装置３及びデータ処理装置４により、散乱体６までの距離、その密度、厚さ、速度等を検出するようになっている。なおこの図で３ａは偏光ビームスプリッタ、４ａ，４ｂ，４ｃはそれぞれアンプ、レコーダ、コンピュータである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の計測計測手段を応用して、比較的短距離に位置する対象物の形状を計測することが要望されている。例えば、船艙内にバラ積みした石炭，鉄鋼石等の積層高さ（表面位置）をレーザ光を用いて計測することにより、従来の目視判断に比較して、対象物（例えば石炭・鉄鉱石）の積層状態を非接触で正確に計測することができる。
【０００５】
しかし、対象物の位置が１０〜５０ｍ程度と、比較的短距離に位置する場合には、▲１▼測定対象物までの間に粉塵や水蒸気などが存在すると、光が測定対象まで到達しなかったり、粉塵・水蒸気を測定対象物と判断してしまうことがあった。すなわち、測距装置の窓、粉塵等からの反射光と、対象物（石炭・鉄鉱石）からの反射光との識別が困難であり、大きな計測誤差が生じることがある問題点があった。また、▲２▼しきい値を用いて送信信号と受信信号を検出する従来の信号検出方法では、受信信号の出力レベルが減衰等で低下していると、使用している発振器の数パルス以上に相当する誤差が生じることがあり、例えば１００ＭＨｚでは、１パルスが１ｎｓｅｃ程度に相当するため１ｎｓｅｃに相当する距離（約１５ｃｍ）の数倍の誤差が生じる問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、粉塵や水蒸気などの影響がなく、測距装置の窓、粉塵等からの反射光と、対象物（石炭・鉄鉱石）からの反射光とを確実に識別できる形状計測装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、受信信号の出力レベルが減衰等で低下する場合でも、使用する発振器の単一パルスに匹敵する高精度で対象物までの距離を測距できる形状計測装置及び方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、パルスレーザ光を対象物に向けて送信しかつ対象物からの反射レーザ光を受信するセンシング装置と、送信信号及び受信信号から対象物までの距離を演算する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、パルスレーザ光の送信トリガ信号出力及び送信信号と複数の受信信号が入力されレーザ光の往復時間を出力する時間計測カウンターを有し、時間計測カウンターは、送信信号を検出して時間計測を開始し、対象物に応じた所定の時間のみゲートを開いてその間の受信信号の検出時間と信号最大値を記憶し、この受信信号が１つである場合はその受信信号の検出時間と信号最大値から、その受信信号が複数ある場合にはその内最も遅い受信信号の検出時間と信号最大値から、送信信号の中心位置から受信信号の中心位置までの時間を算出するようになっている、ことを特徴とする形状計測装置が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、パルスレーザ光の送信信号を検出して時間計測を開始し、対象物に応じた所定の時間のみゲートを開いてその間の受信信号の検出時間と信号最大値を記憶し、この受信信号が１つである場合はその受信信号の検出時間と信号最大値から、その受信信号が複数ある場合にはその内最も遅い受信信号の検出時間と信号最大値から、送信信号の中心位置から受信信号の中心位置までの時間を算出する、ことを特徴とする形状計測方法が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、所定のしきい値電圧により、送信信号と受信信号を検出し、受信信号を放物線等で近似して、往復時間を算出する。
【００１０】
上記本発明の装置及び方法によれば、時間計測カウンターにより、対象物に応じた所定の時間のみゲートを開いてその間の受信信号の検出時間と信号最大値を記憶し、この受信信号が１つである場合はその受信信号の検出時間と信号最大値から、その受信信号が複数ある場合にはその内最も遅い受信信号からレーザ光の往復時間、すなわち出射レーザパルスが物体で反射し、帰還するまでの時間を算出するので、計測対象物より前方に位置する測距装置の窓、粉塵等からの反射光の影響を受けずに計測でき、これにより粉塵・水蒸気中に埋もれた低反射率物体までの距離計測が可能となる。
【００１１】
また、本発明の装置及び方法によれば、受信信号の検出時間と信号最大値から、送信信号の中心位置から受信信号の中心位置までの時間を算出するので、受信信号の波形が予測でき（例えば放物線）、かつしきい値電圧を一定に保持すれば、しきい値電圧を越えピークに達するまでの時間差を正確に補正でき、これにより受信信号の出力レベルが減衰等で低下する場合でも、使用する発振器の単一パルスに匹敵する高精度に対象物までの距離を測距できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による形状計測装置の全体構成図である。この図は、船艙８内にバラ積みした石炭，鉄鋼石等の対象物の積層高さ（表面位置）をパルスレーザ光５を用いて計測するようになっている。本発明の形状計測装置は、パルスレーザ光５を対象物９に向けて送信しかつ対象物９からの反射レーザ光を受信するセンシング装置１０と、送信信号及び受信信号から対象物９までの距離を演算する信号処理装置２０と、を備えている。
【００１３】
図２は、本発明による形状計測装置のブロック図である。この図に示すように、センシング装置１０は、投光光学系１１、受光光学系１２ａ，１２ｂ、ミラー１３ａ，１３ｂ、スキャナモータ１４ａ，１４ｂ、分離ミラー１５等からなり、投光光学系１１から分離ミラー１５、ミラー１３ａ，１３ｂ、及び透明窓１６を介して船艙８内の対象物９（石炭，鉄鋼石等）に向けてパルスレーザ光５を出射（投光）するようになっている。ミラー１３ａ，１３ｂはそれぞれスキャナモータ１４ａ，１４ｂで駆動され、パルスレーザ光５の向きをＸ軸及びＹ軸まわりに制御するようになっている。この構成により、パルスレーザ光５を船艙８内の対象物９の表面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することにより、対象物９の全表面にパルスレーザ光５を出射（投光）することができる。
【００１４】
また、対象物９で反射されたパルスレーザ光５は、透明窓１６、ミラー１３ａ，１３ｂ、及び分離ミラー１５を介して受光光学系１２ａ，１２ｂに入射する。従って、レーザ光の送信信号から受信信号までのタイムラグ（時間差）を検出することにより、センシング装置１０からの船艙８内の対象物９の位置、すなわち対象物９の形状を３次元的に計測することができる。
【００１５】
図２において信号処理装置２０は、レーザ発信器２１、時間計測カウンター２２、ドライバ２３ａ，２３ｂ、フォトディテクタ２４ａ，２４ｂ、等からなる。また、レーザ発信器２１と投光光学系１１、フォトディテクタ２４ａ，２４ｂと受光光学系１２ａ，１２ｂは、それぞれ光ファイバーケーブル２５を介して接続され、ドライバ２３ａ，２３ｂは、スキャナモータ１４ａ，１４ｂと電気ケーブル２６を介して接続されている。
【００１６】
また、コンピュータ２７とＣＲＴ２８が、信号処理装置２０に隣接して設置され、コンピュータ２７の出力端子がケーブル２９ａを介してドライバ２３ａ，２３ｂ及びレーザ発信器２１に接続され、時間計測カウンター２２の出力ケーブル２９ｂがコンピュータ２７に接続されている。
更に、図２において、フォトディテクタ２４ａ，２４ｂの受信信号と送信信号が、時間計測カウンター２２に入力され、レーザ発信器２１の送信トリガ信号が時間計測カウンター２２から出力されるようになっている。
【００１７】
上述した構成により、コンピュータ２７の出力指令により、レーザ発信器２１から光ファイバーケーブル２５を介して投光光学系にパルスレーザ光を発信することができ、同時にドライバ２３ａ，２３ｂによりスキャナモータ１４ａ，１４ｂを制御することができる。また、受光光学系１２ａ，１２ｂで受信したレーザ光を光ファイバーケーブル２５を介してしてフォトディテクタ２４ａ，２４ｂで受信し、その信号を時間計測カウンター２２で処理することができる。
【００１８】
図３は、本発明による各信号の模式図である。この図において、ａは送信トリガ信号、ｂは送信同期信号（送信信号）、ｃは受信信号である。送信トリガ信号ａは、幅約１μｓｅｃ（約１０００ｎｓｅｃ）の矩形波であり、送信信号ｂは、幅約１０〜１５ｎｓｅｃの放物線状の波、受信信号ｃは送信信号ｂが減衰反射した幅約１０〜１５ｎｓｅｃの放物線状の波である。送信トリガ信号ａは、コンピュータ２７の出力指令により、対象物９までの位置に応じた一定間隔（例えば約５００μｓｅｃ毎に発信される。送信信号ｂは、送信トリガ信号ａと同時又はこれよりわずかに遅れて時間計測カウンター２２に入力される。
【００１９】
時間計測カウンター２２は、送信信号ｂを検出してクロックカウンタｄにより時間計測を開始し、かつ対象物９に応じた所定の時間のみゲートｅを開いてその間の受信信号ｃの検出時間ｔと信号最大値ｖを記憶する。ゲートｅを開く時間は、対象物９までの位置に応じて設定し、例えば船艙８内の対象物の積層高さ（表面位置）を計測するような場合には、積層高さの最少値（例えば１０ｍ）から最大値（例えば５０ｍ）に対応して時間設定する。このゲートｅの設定により、窓からの反射のように、対象物の位置と極端に異なる受信信号ｃを除去することができる。
【００２０】
更に、この時間計測カウンター２２は、複数の受信信号ｃを受信した場合に、最も遅い受信信号ｃの検出時間ｔと信号最大値ｖを判別し、この最も遅い受信信号ｃから、レーザ光の往復時間Δｔを出力するようになっている。これにより、計測対象物９より前方に位置する測距装置の窓、粉塵等からの反射光の影響を受けずに計測でき、これにより粉塵・水蒸気中に埋もれた低反射率物体までの距離計測が可能となる。
【００２１】
図４は、更に時間計測カウンター２２の機能を説明する原理図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は従来の例、（Ｃ）は本発明の例を示している。（Ａ）に示すように、従来は、送信信号ａと受信信号ｂをそれぞれ所定のしきい値電圧ｖ0 ，ｖ0 ′で検出し、その間の時間間隔Δｔをレーザ光の往復時間としてる。しかし、この方法では、（Ｂ）に示すように、受信信号ｂの出力レベルが減衰により変化すると、同一のしきい値電圧ｖ0 ′を用いてもδｔの誤差時間が生じてしまう。この誤差時間δｔは、受信信号ｃが幅約１０〜１５ｎｓｅｃの放物線状の波であることから、約３〜５ｎｓｅｃにも達し、約４５ｃｍ〜７５ｃｍ程度にもなることがある。
【００２２】
本発明の形状計測方法では、（Ｃ）に示すように、送信信号ａと受信信号ｂをそれぞれ所定のしきい値電圧ｖ0 ，ｖ0 ′で検出すると同時にそれぞれの最大出力ｖ1,ｖ1 ′を検出し、それぞれをを放物線で近似して、往復時間Δｔを算出するようになっている。この方法により、しきい値電圧ｖ0 ，ｖ0 ′を一定に保持すれば、しきい値電圧ｖ0 ，ｖ0 ′を越えピークに達するまでの時間差を正確に補正でき、これにより受信信号の出力レベルが減衰等で低下する場合でも、使用する発振器の単一パルスに匹敵する高精度で対象物までの距離を測距することができる。
【００２３】
【実施例】
図５は、本発明による形状計測方法の適用例である。この図において、（Ａ）は石炭積み荷形状を斜めから計測した実験例、（Ｂ）はこれを平面図に変換した実験例である。この図に示すように、本発明の形状計測装置及び方法によれば、通常の発振器の周波数（例えば１００ＭＨｚ）を用いた場合でも、１パルスの分解能（１ｎｓｅｃ＝約１５ｃｍ）よりも高い精度で対象物９の位置、すなわち対象物９の形状を３次元的に計測することができる。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の形状計測装置及び方法は、粉塵や水蒸気などの影響がなく、測距装置の窓、粉塵等からの反射光と、対象物（石炭・鉄鉱石）からの反射光とを確実に識別でき、かつ受信信号の出力レベルが減衰等で低下する場合でも、使用する発振器の単一パルスに匹敵する高精度で対象物までの距離を測距できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による形状計測装置の全体構成図である。
【図２】本発明による形状計測装置のブロック図である。
【図３】本発明による送信・受信信号の模式図である。
【図４】時間計測カウンターの機能を説明する原理図である。
【図５】本発明による形状計測方法の適用例である。
【図６】従来のレーザレーダ装置の模式図である。
【符号の説明】
１  レーザ装置
２  テレスコープ
３  光検出装置
４  データ処理装置
５  レーザ光
６  散乱体
７  ミー散乱光
８  船艙
９  対象物
１０  センシング装置
１１  投光光学系
１２ａ，１２ｂ  受光光学系
１３ａ，１３ｂ  ミラー
１４ａ，１４ｂ  スキャナモータ
１５  分離ミラー
１６  透明窓
２０  信号処理装置
２１  レーザ発信器
２２  時間計測カウンター
２３ａ，２３ｂ  ドライバ
２４ａ，２４ｂ  フォトディテクタ
２５  光ファイバーケーブル
２６  電気ケーブル
２７  コンピュータ
２８  ＣＲＴ
２９ａ，２９ｂ  ケーブル
ａ  送信トリガ信号
ｂ  送信同期信号（送信信号）
ｃ  受信信号
ｄ  クロックカウンタ
ｅ  ゲート
【図１】
0003755216.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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