JPS6326877B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は積雪計測装置、特に光電方式による積
雪計測装置に関するものである。

積雪の深さを計測する手段として、投光器から
ビーム状光線を雪面に投射し、その反射光を光検
出器により受光評価して、積雪の深さの計測を行
なうようにした積雪計測装置がある。

以下、この光電方式の積雪計測装置の光学的構
成の一例を簡単に説明する。

第１図に示すように、投光器１と受光器２と
は、それら光軸１Ａと２Ａとが定められた角度で
互に交差するようにして設定される。そして投光
器１により投射されたビーム状光線３は被計測雪
面４，４Ａ，４Ｂに光スポツト５，５Ａ，５Ｂを
形成する。このとき、受光器２の受光レンズ６に
より光検出器７の受光面上に上記雪面上の光スポ
ツト５，５Ａ，５Ｂの反射光による光スポツト像
８，８Ａ，８Ｂが結像される。被計測雪面４が４
Ａから４Ｂに変化したときは光検出器７の受光面
上に結像される光スポツト像８の位置も８Ａから
８Ｂに変化する。すなわち、第２図に示すように
被計測雪面４が４Ａのレベルにあるときには光検
出器７の受光面７Ａ上に光スポツト像８Ａが結像
され、被計測雪面５が５Ｂのレベルになつたとき
には、上記とは異つた位置に光スポツト像８Ｂが
結像される。

このような光学的構成による雪面計測装置の光
検出器７としては、例えば分割形検出器あるいは
位置検知器等が使用される。

分割形検出器はその受光面７Ａが二分割されて
おり、光スポツト像が受光面７Ａ上に結像される
と、分割された受光面７Ａの各々について結像さ
れた光スポツト像による受光量に比例した出力信
号が出力されるようにしたものであり、光スポツ
ト像の結像位置に応じて、各々の受光面の受光量
が変わることにより、当該各々の受光面からの出
力信号電流が変化するものである。また、位置検
知器は受光面７Ａが分割されておらず、該受光面
７Ａは全面にわたつて均一で高感度な半導体受光
素子で形成されていて、その両端に出力信号を送
出する電極が取付けられており、受光面７Ａ上を
直線的に移動する光スポツト像８，８Ａ，８Ｂに
より上記半導体受光素子で発生した光電流が上記
両端の電極と光スポツト像８，８Ａ，８Ｂの結像
位置との間の距離に応じて分割されて上記両端の
それぞれの電極への出力信号電流となるものであ
る。

上記分割形検出器又は位置検出器から得られた
２つの出力信号電流から光検出器７の受光面７Ａ
上に結像された光スポツト像８，８Ａ，８Ｂの結
像位置を求めるのであるが、この信号処理の方法
として従来は被計測雪面４，４Ａ，４Ｂでの反射
率の変化等による計測誤差を除去する目的で上記
２つの出力信号電流の和信号と差信号とを求め、
これ等の比を演算して結像位置情報を得ている。
上記２つの信号の比を求めるために従来は一般に
割算器が使用されるが、該割算器を構成するに
は、通常、上記和信号と差信号とをそれぞれ対数
信号に変換する２つの変換回路、上記対数信号に
変換した和信号から差信号を減算する引算回路及
び該引算回路の出力信号を逆対数信号に変換する
変換回路等が必要であつて回路構成が複雑であり
高価になるばかりでなく、回路構成が多段である
ためにドリフトが大きくて計測誤差が大きいとい
う欠点がある。

また、上記したように被計測雪面４，４Ａ，４
Ｂの反射率の変化は信号処理によつて一応は除去
されるものの、上記雪面４，４Ａ，４Ｂの反射率
が極端に低下すると（例えば、積雪表面に塵介が
付着蓄積されたとき等にこの現象が生ずる。）光
検出器７に入射する反射光量が極端に少なくな
り、当該光検出器７から出力される出力信号電流
の値が信号処理可能範囲以下になつて積雪の深さ
の計測が不可能になつてしまう。

本発明の第１の目的は、以上に述べたような複
雑な処理を必要とせず、従つて回路構成が簡単で
ドリストによる誤差が少なく、かつ、雪面でのビ
ーム状光線の反射量が変化しても計測不能に陥る
ことがない積雪計測装置を得ることである。

また、雪面の状態（例えば積雪中であるか又は
融雪中であるか等）により当該雪面の反射率が異
ることは一般に知られている処であり、従つて上
記反射率自体が計測できれば、上記雪面の状態を
知る上で非常に好都合である。

本発明の第２の目的は積雪の深さの計測と同時
に被計測雪面の反射率自体をも計測可能にするこ
とであり、かつ当該計測を簡単な回路構成により
行なうことである。

また、光検出器７の受光面７Ａには計測に寄与
する前記光スポツト５，５Ａ，５Ｂの反射光のみ
ならず、例えば太陽光、周囲の照明光等、計測に
無関係な光も入射される。これ等多くの種類の入
射光から前記光スポツト５，５Ａ，５Ｂの反射光
を区別して抽出するために、一般には投光器１か
らの投射光（ビーム状光線）３に変調された光を
用いる。

ところで、光による積雪計測では、特に降雪時
に於いては、飛雪粒によつて背光等が反射され、
この反射光が変調光（測定光）と同等の信号にな
ることがある。この現象は計測装置の信号対雑音
比（Ｓ／Ｎ比）を著しく悪化させ、計測誤差の大
きな原因となる。

本発明の第３の目的は上記投光器１からの投射
光３の変調方法を工夫して、信号対雑音比（Ｓ／
Ｎ比）のより良好な積雪計測装置を得ることであ
る。

以上の目的のために本発明では前記割算器に代
えて演算増幅器を用い、前記光検出器からの２つ
の出力信号電流の和信号を当該演算増幅器に入力
して基準値との比較処理を行ない、比較処理結
果、すなわち当該演算増幅器の出力で投光器の発
光素子を輝度制御して前記光検出器に入射される
反射光（光スポツト像）の光量、すなわち上記和
信号が一定に保たれるように制御し、このときの
光検出器からの出力信号の差信号に基いて光スポ
ツト像の結像位置を検出するようにするととも
に、上記輝度制御が行なわれた発光素子の駆動電
流によつて被計測雪面の反射率を求めるように
し、又上記発光素子の駆動電流の変調（輝度変
調）を、ランダムな周期のパルスに基いて行うよ
うにして、Ｓ／Ｎ比の改善を行なうようにした。

以下、第３図〜第７図によつて本発明の実施例
を説明する。

第３図は本発明の実施例のブロツク図、第４図
は当該実施例で被計測雪面の反射率を計測するよ
うにした場合の当該反射率の計測情報を得る反射
率検出回路の回路図、第５図は投射光線を変調す
るための発振器の詳細を示すブロツク図、第６図
は光検出器の出力信号と光スポツト像の結像位置
関係を説明するための図、第７図は積雪深さと光
スポツト像の結像位置関係を説明する図である。

第３図〜第７図に於いて、１０は被計測雪面
（以下、雪面という。）、１１は投光器（第１図に
“１”で示したもの）中の光源（発光素子）、１３
は光源１１の駆動電流、１２は光源１１によつて
投射されるビーム状光線、１３はビーム状光線１
２が雪面１０に反射して得られる反射光、１４は
反射光１３によつてその表面に結像された光スポ
ツト像（第２図に“８Ａ”又は“８Ｂ”で示した
もの）の位置を検出する光検出器（第１図に
“７”で示したもの）、Ｉ１，Ｉ２は光検出器１４
から出力される２つの出力信号電流、１５及び１
６はそれぞれ出力信号電流Ｉ１およびＩ２を電圧
信号に変換する変換器、１７は変換器１５，１６
の出力信号の引算処理を行ない差信号を出力する
引算器、１８は変換器１５，１６の出力信号の加
算処理を行ない和信号を出力する加算器、１９及
び２０はそれぞれ上記差信号及び和信号を増幅す
る増幅器、２１は光源１１を変調するための発振
器、２１Ａは発振器２１の発振出力信号、２２及
び２３はそれぞれ差信号及び和信号（この差信号
と和信号とは発振器２１の発振出力信号によつて
変調されている。）を発振器２１の発信出力信号
に同期して検波する同期検波器、２４及び２５は
それぞれ同期検波器２２，２３の検波出力信号を
直流信号に変換する低域フイルタ、２６は低域フ
イルタ２５の出力信号の値を基準値と比較する演
算増幅器で構成された比較増幅器、２７は比較増
幅器２６での比較の基準値となる基準電圧源、２
８は光源１１の駆動電流Ｉ３を比較増幅器２６の
出力信号で輝度制御し、かつ当該駆動電流Ｉ３を
発振器２１の発振出力信号で光度変調する光源駆
動器、２９は上記駆動電流Ｉ３に比例した電圧信
号を得るための抵抗、３０，３１及び３２はいず
れも抵抗２９で得られた電圧信号を積分するため
の積分器を構成するもので、それぞれ演算増幅
器、抵抗及びコンデンサ、Ｖ０は光検出器１４上
に結像された前記光スポツト像の位置検出情報、
Ｖ１は雪面１０の反射率検出情報、３３，３４及
び３５はいずれも発振器２１を構成するもので、
３３は矩形波発振回路、３４はｎビツトのシフト
レジスタ、３４Ａはシフトレジスタ３４の出力、
３５は排他的論理和回路である。

上記光検出器１４の出力信号電流Ｉ１，Ｉ２
は、光検出器１４が前記分割形検出器であるとき
には、２分割されたそれぞれの受光面から出力さ
れる電流に相当し、前記位置検出器であるときに
は、その両端の電極からそれぞれ出力される光電
流に相当する。

光源１１は光源駆動器２８からの駆動電流Ｉ３
によつて発光駆動されるが、発振器２１の発振出
力信号２１Ａで上記駆動電流Ｉ３は変調されてい
るので、当該光源１１は例えば輝度変調されたビ
ーム状光線１２を雪面１０に投射する。光検出器
１４は上記ビーム状光線１２の雪面１０で反射光
１３をとらえ、その受光面に結像された光スポツ
ト像の位置に従つて出力信号電流Ｉ１とＩ２を出
力する。この出力信号電流Ｉ１，Ｉ２は変換器１
５，１６によりそれぞれの値に比例した電圧信号
に変換された後、引算器１７と加算器１８にそれ
ぞれ入力されて差と和が演算される。

引算器１７と加算器１８とによつて得られた出
力信号電流Ｉ１，Ｉ２の差信号と和信号は増幅器
１９，２０により、それぞれ増幅され、同期検波
器２２，２３により発振器２１の発振出力信号２
１Ａに同期して検波され、更に低域フイルター２
４，２５を通して直流信号に変換される。このよ
うにして光検出器１４の出力信号電流Ｉ１，Ｉ２
の差信号と和信号に対応した直流信号（以下、前
者を“差の直流信号”、後者を“和の直流信号”
という。）が得られる。

上記和の直流信号は比較増幅器２６により、基
準電圧源２７の電圧（基準電圧）と比較され、上
記和の直流信号が基準電圧より大きいときには当
該和の直流信号と基準電圧との差に対応して光源
１１の発光光量が小さくなるように光源駆動器２
８により光源１１の駆動電流Ｉ３を制御し、逆に
上記和の直流信号が基準電圧より小さいときには
同様にして、同様な値だけ光源１１の発光光量が
大きくなるように制御する。このように制御する
ことにより、光検出器１４に入射する反射光１３
の光量（投射ビーム状光線は輝度変調されている
ことにより、ここでいう光量とは入射光量の積分
値（平均値）を意味している。）が常に一定値に
なるように制御され、このときの上記差の直流信
号の値を測定することにより、積雪深さを計測す
ることができる。すなわち、当該差の直流信号が
光スポツト像の結像位置検出情報Ｖ０となる。こ
の結像位置検出情報Ｖ０は演算処理器（図示せ
ず）に入力されて、以下に説明する処により積雪
の深さが算出される。

ここで、上記光スポツト像の結像位置検出情報
Ｖ０と光検出器１４の光スポツト像結像位置との
関係及び当該結像位置と積雪の深さとの関係につ
いて第６図及び第７図により説明する。

光検出器１４に例えば前記位置検出器を使用し
た場合、第６図に示すように当該光検出器１４
は、両端の電極間に於いて抵抗値で示すことがで
きる受光面の光スポツト像５の結像位置に電流源
を接続した等価回路で表現することができる。

光検出器１４の中心を基準点“０”とし、受光
面が当該基準点の両側“−Ｓ”から“Ｓ”までに
設定され、かつ光スポツト像５の結像位置が
“ｘ”（−Ｓ≦ｘ≦Ｓ）の点であるものとし、上記
電流源が発生する電流値を“Ｉ”とすれば両端の
電極から流出する前記出力信号電流“Ｉ１”，“Ｉ
２”と上記電流源が発生する電流“Ｉ”との間に
は次の関係が成立する。

I1＋I2＝Ｉ ……(1) I1＝Ｓ−ｘ／2SＩ ……(2) I2＝Ｓ＋ｘ／2SＩ ……(3) 前記したように光検出器１４の入射光量は一定
であるように制御されるから上記各関係式(1)〜(3)
に於ける電流“Ｉ”は一定である。

また、光スポツト像５の位置検出情報“Ｖ０”
は上記出力信号電流“Ｉ１”，“Ｉ２”の差信号に
比例した電圧信号であるので V0＝Ａ（I1−I2）；（Ａは定数） ……(4) の関係が成り立つ。

以上の(1)〜(4)の関係から、光スポツト像５の結
像位置“ｘ”は ｘ＝−Ｓ／AIV0 ……(5) で表わすことができる。

前記したように電流“Ｉ”は一定であることか
ら当該結像位置“ｘ”は上記位置検出情報“Ｖ
０”に比例した値として把握できる。

次に第７図によつて光スポツト像５の結像位置
“ｘ”と積雪の深さ（これを“ｙ”とする。）との
関係について述べる。

第７図に示すように投光器１の光軸１Ａと受光
器２の光軸２Ａとは設定角度αで交差している。
また、光検出器１４の受光面と上記受光器２の光
軸２Ａとは直交している。

雪面１０と投光器１の光軸１Ａ（ビーム状光線
１２）との交点をＡ、上記双方の光軸１Ａ，２Ａ
の交点をＢ、反射光１３と受光器２の光軸２Ａと
の交点をＣ（この交点Ｃは受光器２の受光レンズ
（第２図に於いて、“６”で示すもの）の光学的中
心である。）、交点Ａから受光器２の光軸２Ａに下
した垂線と当該光軸２Ａとの交点をＤとし、地表
９から交点Ｂまでの高さを“ｋ”、光検出器１４
の受光面と交点Ｃとの間の距離を“ｍ”、交点Ｂ，
Ｃ間の距離を“ｎ”とすると、交点Ａ，Ｃ及びＤ
で形成される三角形と光検出器１４の中心０、結
像位置“ｘ”及び交点Ｃで形成される三角形とが
相似関係にあることから積雪の深さ“ｙ”は ｙ＝nx／xcosα＋msinα＋ｋ ……(6) で表わすことができる。

上記(6)の関係に於いて角度α、距離ｋ，ｍ，ｎ
はいずれも予め設定される既知の定数であり、従
つて当該積雪の深さ“ｙ”は前記第６図で求めた
光スポツト像５の位置検出情報“Ｖ０”に基いて
求めた当該光スポツト像５の結像位置ｘから求め
ることができる。

また、本発明では光源１１に供給される駆動電
流Ｉ３の平均値を検出することにより、雪面１０
の反射率変化を検出することができる。なぜなら
ば第３図に示す本発明の実施例に於いて、光検出
器１４に入射される反射光１３の光量は常に一定
に保持されるため、雪面１０の反射率が変化した
ときには、光源１１の駆動電流Ｉ３は上記反射率
の変化に対応して増減するように制御されるから
である。

第４図は上記雪面１０の反射率検知回路の一例
であり、この検知回路は光源１１の電流径路に積
分回路が挿入されて構成されている。

前記したように光源駆動器２８は光源１１から
のビーム状光線１２が雪面１０に反射されて光検
出器１４に入射する反射光１３の光量を一定に保
つように当該光源１１の輝度を制御する。従つて
光源１１に供給される駆動電流Ｉ３は雪面１０の
反射率の変化に反比例して変化する。そこで第４
図に示すように上記光源１１に供給される電流径
路中に当該光源１１と直列に抵抗２９を挿入する
ことにより当該抵抗２９の両端には、雪面１０の
反射率に反比例した電圧信号が現われる。この電
圧信号によつて雪面１０の反射率検出情報を得る
のであるが、前記したように光源１１の駆動電流
Ｉ３は変調されているため、抵抗３１、コンデン
サ３２及び演算増幅器３０で構成される積分回路
で直流信号に変換すれば当該直流信号の値は上記
駆動電流Ｉ３の平均値に比例した値となり、この
値は雪面１０の反射率に反比例した信号となつて
反射率検出情報Ｖ１となる。

また、比較増幅器２６の出力信号と上記駆動電
流Ｉ３とは比例関係にあることから当該反射率検
出情報Ｖ１は上記比較増幅器２６の出力信号を積
分することによつても得られる。尚、比較増幅器
２６の出力信号は直流信号ではあるが、この直流
信号は回路雑音や計測地の環境の変化等で生ずる
雑音等でそのレベルが変化するのでこのようにす
る場合に於いても、当該出力信号を積分する必要
がある。

以上のようにして得られた反射率検出情報Ｖ１
は前記演算処理器（図示せず）に入力されて雪面
１０の反射率が演算される。

更に、発振器２１について述べると、従来では
一般に単一周期の矩形パルスを発生する発振器を
使用し、測定光（投射ビーム状光線）の変調を単
純な輝度変調としていたが、本発明の実施例では
ランダムパルスを発生する発振器を使用すること
により測定光をランダムに輝度変調し、もつて
Ｓ／Ｎ比の向上を計つている。

すなわち、本発明の実施例では発振器２１に第
５図に示すようなランダムパルス発生回路を用い
ている。このランダムパルス発生回路は単一周期
の矩形波発振回路３３から出力される矩形波パル
スがｎビツト・シフト・レジスタ３４のクロツク
入力端子に入力され、当該シフト・レジスタ３４
の並列出力３４Ａの幾つかが排他的論理和回路３
５に入力されて相互間で適宜に排他的論理和がな
され、その結果（排他的論理和回３５の出力）が
上記シフトレジスタ３４の入力端子に入力される
ように構成される。このような構成で前記シフ
ト・レジスタ３４の出力端子には、矩形波発振回
路３３の発振周期からその（2ⁿ−１）倍の周期ま
での任意の周期及びパルス巾を有する非繰返しパ
ルス信号が出力され、これが発振器２１の発振出
力信号２１Ａとなる。

このように発振出力信号２１Ａをランダムなパ
ターンにすることは当該発振出力信号２１Ａの周
波数帯域を拡げることになり、このような周波数
帯域の広いランダムパルスに基いて測定光の輝度
変調を行うと、スペクトラム拡散理論の教える処
により光スポツト像の位置検出処理に於けるＳ／
Ｎ比の改善が図れる。

以上、詳述したように本発明によれば光検出器
に入射する光量が常に一定になるように制御する
ことにより、安価な回路構成で正確な積雪深さの
計測を行うことができ、しかも光源の輝度変調方
式にスペクトラム拡散方式を用いることにより、
光スポツト像の位置検出処理でのＳ／Ｎ比が改善
されるため、降雪がないときはもとより降雪時で
あつても高分解能で積雪深さの計測を達成でき、
また、雪面の反射率をも極めて簡単に測定できる
等の利益があり、本発明は極めて顕著な効果を奏
するもである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光電式積雪計測装置の測定原理を示す
図、第２図は第１図の受光器の内部構成を示す
図、第３図は本発明の実施例に係わる積雪計測装
置の構成を示すブロツク図、第４図は本発明の実
施例に係わる雪面の反射率測定回路部分の構成を
示す回路図、第５図は本発明の実施例で用いられ
る発振回路の構成を示すブロツク図、第６図は光
検出器の出力信号と光スポツト像結像位置との間
の関係の説明図、第７図は光スポツト像結像位置
と積雪深さとの間の関係の説明図である。 １……投光器、２……受光器、４Ａ，４Ｂ，１
０……被計測雪面、７，１４……光検出器、１１
……光源、１２……投射光、１３……反射光、１
７……引算器、１８……加算器、２１……変調用
発振器、２２，２３……同期検波器、２６……比
較増幅器、２７……基準電圧源、２８……光源駆
動器、２９……反射率検出用抵抗、３０……積分
器用演算増幅器、３１……積分器用抵抗、３２…
…積分器用コンデンサ、３３……矩形波発振回
路、３４……ｎビツト・シフト・レジスタ、３５
……排他的論理和回路、Ｉ１，Ｉ２……光検出器
の出力信号電流、Ｉ３……光源の駆動電流、Ｖ０
……位置検出情報、Ｖ１……反射率検出情報、α
……投光器と受光器との間の設定角度。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ビーム状光線を被計測雪面上に投射し、上記
   ビーム状光線の上記雪面上からの反射光を受光評
   価して積雪の深さを計測するようにした積雪計測
   装置に於いて、 (A) ビーム状光線を被計測雪面上に投射する光
   源、 (B) 上記光源から投射されたビーム状光線の上記
   雪面上からの反射光を受光し、受光面での受光
   位置に対応して２つの出力信号を送出する光検
   出器、 (C) 上記光検出器の２つの出力信号の和を演算し
   て和信号を出力する加算器、 (D) 上記光検出器の２つの出力信号の差を演算し
   て差信号を出力する引算器、 (E) 上記和信号を基準値と比較し、比較値に応じ
   た出力信号を送出する比較器、 (F) ランダムなパターンのパルス列信号を生成す
   る発振器、 (G) 上記比較器からの出力信号により、上記光検
   出器での受光量平均値が常時一定となるように
   上記光源を輝度制御するとともに、上記発振器
   からのパルス列信号により上記光源からのビー
   ム状光線をランダムに輝度変調する光源駆動
   器、 (H) 上記引算器から出力される差信号に基いて積
   雪の深さを演算する演算処理器 でなる積雪計測装置。 ２ ビーム状光線を被計測雪面上に投射し、上記
   ビーム状光線の上記雪面上からの反射光を受光評
   価して積雪の深さ及び上記雪面の反射率を計測す
   るようにした積雪計測装置に於いて、 (A) ビーム状光線を被計測雪面上に投射する光
   源、 (B) 上記光源から投射されたビーム状光線の上記
   雪面上からの反射光を受光し、受光面での受光
   位置に対応して２つの出力信号を送出する光検
   出器、 (C) 上記光検出器の２つの出力信号の和を演算し
   て和信号を出力する加算器、 (D) 上記光検出器の２つの出力信号の差を演算し
   て差信号を出力する引算器、 (E) 上記和信号を基準値と比較し、比較値に応じ
   た出力信号を送出する比較器、 (F) ランダムなパターンのパルス列信号を生成す
   る発振器、 (G) 上記比較器からの出力信号により、上記光検
   出器での受光量平均値が常時一定となるように
   上記光源を輝度制御するとともに、上記発振器
   からのパルス列信号により上記光源からのビー
   ム状光線をランダムに輝度変調する光源駆動
   器、 (H) 上記比較器の出力信号の値もしくは上記光源
   駆動器の光源駆動出力の値を検知する検知回
   路、 (I) 上記引算器から出力される差信号に基いて積
   雪の深さを演算し、かつ上記検知回路から出力
   される検知信号に基いて被計測雪面の反射率を
   演算する演算処理器、 でなる積雪計測装置。