JP2004354253A

JP2004354253A - レーザレーダ装置

Info

Publication number: JP2004354253A
Application number: JP2003153402A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Ayabe; 光祐綾部; Masaaki Chiba; 政明千葉; Takao Makino; 孝雄牧野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】監視領域の広さに依存することのない更新レートで目標情報を更新することにより、障害物を効率的に探知できるレーザレーダ装置を得る。
【解決手段】監視領域の方位方向及び仰角方向の角度幅に応じて、照射部変倍光学系１２により照射するパルスレーザビーム光の拡がり角を変化させ、撮像部２２には複数の光電変換素子を２次元に配列したＩＲＦＰＡを配置し、このＩＲＦＰＡ上に監視領域が最大に投影されるように受光部変倍光学系２１の変倍値を設定する。また、撮像部２２に対しては、小さな目標からの反射光も良好なＳＮ比で受光できるように距離ゲートを設定して、監視領域内の良好な目標画像及び目標距離情報を得ている。さらに、これら目標画像及び目標距離情報に基づき目標処理部２３において連結調査処理を実行し、線状の障害物を検出して警報を出力している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機などに搭載され、特に送電線などの障害物を検知して警報を発するレーザレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリコプタなどの航空機が低空を飛行する際には、パイロットは進行方向の空域に存在する送電線などの障害物を確実に認識することが重要である。これを支援するため、夜間や悪天候時でも対象目標を高分解能で探知してその結果をパイロットに提供することのできる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１には、搭載母機からレーザ光を照射し、照射方向に存在する物体からの反射光が受光されるまでの時間から目標までの距離を算出する、いわゆるレーザレーダ装置を用いた技術が開示されている。そして、ビーム状のレーザ光を対象捜索領域に対して２次元的に走査して領域内の目標を検出し、さらに自機の飛行状況に応じて捜索領域や走査速度を変化させながら障害物の探知を行なっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２３７１１号公報（第７頁、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザレーダ装置を用いて目標との距離を測定することにより障害物の探知を行なう場合、対象物からの安定したレーザ反射光を受光できることが必要となる。すなわち、飛行方向の背景に存在する山などの大きな目標とともに、より近距離にある例えば送電線などの小さな目標からも良好なＳＮ（ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅ）比でレーザ反射光を受光できることが必要である。このためには、一般に照射するレーザ光のビームの拡がり角を十分に狭くしてビームスポットを小さくした狭ビーム角のレーザ光を用いる。そして、この狭ビーム角のレーザ光を対象捜索領域の方位方向及び高さ方向にそれぞれ照射しない領域が発生しないような所定の間隔で走査する。これにより、小さな目標も含めて探知し、対象目標との距離情報を得ている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１においては、監視領域を広げると、領域全体の走査に必要な時間（フレームタイム）が長くなり、特定の同一方向に対する目標情報の更新レートが低下してしまう。ここで、この更新レートを維持するには、レーザ光の照射繰り返し間隔を短くするか、あるいは走査速度を速めればよい。しかし、一般にレーザ光の発光繰り返し間隔を短くすると発光出力が低下してしまうため、その間隔を短くするのに限界がある。一方、走査速度のみ早めた場合には、所定のビーム照射密度を得ることができず、監視領域内にレーザ光の十分照射されない部分が生じることになって、所望の目標探知ができなくなる。
【０００７】
このように、従来においては、特定の同一方向に対する目標情報の更新レートが監視領域の広さに依存してしまうという問題があり、目標とする障害物の効率的な探知に影響を及ぼしていた。
【０００８】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、監視領域の広さに依存することのないレートで目標情報を更新することにより、障害物を効率的に探知できるレーザレーダ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザレーダ装置は、パルスレーザ光を発光する発光手段と、前記パルスレーザ光のビーム拡がり角を制御するビーム拡がり角制御手段と、このビーム拡がり角制御手段によりビーム拡がり角を制御された前記パルスレーザ光を監視領域に走査しながら照射する走査制御手段と、前記照射したパルスレーザ光の反射光の受光領域を前記監視領域に基づいて設定制御する受光領域制御手段と、前記照射したパルスレーザ光の反射光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、前記照射したパルスレーザ光の照射時刻と前記反射光の受光時刻との時間差に基づき目標までの距離を算出する目標距離算出手段と、この目標距離算出手段の結果に基づき、前記監視領域内の障害物を検出する障害物検出手段とを具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、監視領域の広さに応じて照射するレーザビーム光の拡がり角を変えることにより、監視領域の広さの変化に依存することのないレートで目標情報を更新でき、障害物を効率的に探知できるレーザレーダ装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るレーザレーダ装置の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係るレーザレーダ装置の一実施の形態を示すブロック図である。このレーザレーダ装置は、監視領域内にパルスレーザ光を走査しながら照射する照射部１、反射光を受光して監視領域内の画像を生成するとともに障害物を検出する受光部２、受光部２での検出結果及び警報を表示する表示部３、及びこれら各部を制御する制御部４を有している。
【００１３】
ここで、照射部１は、パルスレーザ発光部１１、照射部変倍光学系１２、走査ミラー１３、及び走査ミラー駆動制御部１４から構成されている。パルスレーザ発光部１１は、制御部４からの発光タイミング信号によりパルスレーザ光を発光する。照射部変倍光学系１２では、パルスレーザ発光部１１からのパルスレーザ光から、制御部４により設定されるビーム拡がり角を持つパルスレーザビーム光を形成して走査ミラー１３に送出する。走査ミラー１３は、走査ミラー駆動制御部１４からの駆動信号により駆動され、照射部変倍光学系１２からのパルスレーザビーム光の光軸の方向を順次移動することにより所定の監視領域に走査しながら照射する。走査ミラー駆動制御部１４は、制御部４からの監視領域情報に基づいて走査ミラー１３を監視領域に走査する駆動信号を生成し、走査ミラー１３に供給する。
【００１４】
また、受光部２は、受光部変倍光学系２１、撮像部２２、及び目標処理部２３から構成されている。受光部変倍光学系２１は、制御部４からの変倍値により受光部２の受光領域（受光視野）が監視領域を含むように設定され、監視領域からの反射光を通過させて撮像部２２に送る。撮像部２２は、複数の光電変換素子を２次元に配列した例えばＩＲＦＰＡ（ＩｎｆｒａＲｅｄＦｏｃａｌＰｌａｎｅＡｒｒａｙ）を有し、制御部４からの距離ゲート信号で設定された距離範囲の反射光を光電変換して目標処理部２３に送出する。目標処理部２３では、撮像部２２からの光電変換された信号から監視領域全体の画像表示信号を生成して表示部３に送出するとともに、監視領域内に存在する目標までの距離を算出し、さらに障害物を検出して警報を表示部３に送出する。
【００１５】
次に、図２のフローチャート及び図３の説明図を参照して、上述した本発明の実施の形態によるレーザレーダ装置の動作を説明する。本実施の形態においては、監視領域は、方位方向及び仰角方向の角度幅で与えられ、この監視領域へ照射するパルスレーザビーム光をあらかじめ設定されたスポット数、例えば方位方向に６スポット、仰角方向に１０スポット、それぞれ定角度間隔で順次移動しながら走査するものとしている。
【００１６】
まず、監視領域及び対象とする目標の距離範囲を示す距離ゲートが、外部機器から制御部４に送られてくる。ここで、本実施の形態においては、例えば監視領域の方位方向の角度幅を２４度、仰角方向の角度幅を１２度とし、距離ゲートは、例えば５０メートル〜３００メートルという距離範囲で送られてくる。制御部４は、これら監視領域及び距離ゲートを受けとる（ＳＴ１）。
【００１７】
次に、制御部４は、照射するパルスレーザビーム光の拡がり角を算出するが、これは、監視領域の角度幅と照射するパルスレーザビーム光のスポット数から次のように算出する。すなわち、監視領域の方位方向の角度幅である２４度を６スポットの定角度間隔で照射すると、そのときの角度間隔は４度、また、同様に監視領域の仰角方向の角度幅である１２度を１０スポットの定角度間隔で照射すると、そのときの角度間隔は１．２度を得る。そして、ここで得た２つの角度間隔のうち、いずれか大きい方を選択する。この場合は４度が選択され、この値がビーム拡がり角として制御部４から照射部変倍光学系１２に送出される（ＳＴ２）。
【００１８】
続けて制御部４は、受光部２の受光領域が最大の分解能で監視領域を含むように、受光部変倍光学系２１に対する変倍値を設定する。すなわち、図３に示すように、監視領域の角度幅の値に基づいて、撮像部２２内のＩＲＦＰＡの光電変換素子の配列範囲内に監視領域が欠落部分なく最大に投影される倍率を算出し、これを変倍値として受光部変倍光学系２１に設定する（ＳＴ３）。
【００１９】
さらに制御部４は、ＳＴ１にて受けとった監視領域の値を走査ミラー駆動制御部１４に、また距離ゲートの値を撮像部２２に対して送出する（ＳＴ４及びＳＴ５）。そして、パルスレーザ発光部１１に対して発光タイミング信号を出力してパルスレーザ光の発光を開始させる（ＳＴ６）。
【００２０】
この発光タイミング信号により、パルスレーザ発光部１１からパルスレーザ光が所定の繰り返し周期で継続的に発せられる。このパルスレーザ光は、照射部変倍光学系１２を通過することによって制御部４から設定されるビーム拡がり角を有するパルスレーザビーム光となり、さらに走査ミラー１３によりその光軸の方向を移動することで監視領域内を走査しながら照射される（ＳＴ７）。このときの監視領域内の走査の一例を図３にモデル化して示す。この図３では、パルスレーザビーム光の照射スポットを監視領域内の左上端から方位方向にまず右端まで移動し、続けて仰角下方向に所定角度移動した後、方位方向に右端から左端まで移動し、さらにこれらを繰り返して全監視領域を走査している。
【００２１】
一方、照射されたパルスレーザビーム光に対する反射光は、受光部変倍光学系２１を経由して撮像部２２に到達する（ＳＴ８）。撮像部２２では、所定の繰り返し周期で照射されるパルスレーザビーム光の各照射毎にその反射光が光電変換され、変換後の信号が反射信号として一時記憶される。このときに光電変換される反射光は、制御部４から設定された距離ゲートの範囲のものである（ＳＴ９）。
【００２２】
そして、監視領域１画面分の走査を完了するまで、前記ＳＴ９の一時記憶が繰り返される（ＳＴ１０のＮＯ）。本実施の形態では、監視領域内へのパルスレーザビーム光の照射数を方位方向に６スポット、仰角方向に１０スポットとしているので、監視領域１画面分の走査は６０スポットで完了する（ＳＴ１０のＹＥＳ）。
【００２３】
監視領域１画面分の走査が完了すると、撮像部２２内に一時記憶されていたこれら反射信号は、まとめて撮像部２２から目標処理部２３に転送される（ＳＴ１１）。目標処理部２３では、各反射信号を監視領域内の各照射スポット位置に対応付けることによって、監視領域全体の１走査分の目標画像を構成する。そしてこの目標画像の表示信号を生成し、表示部３に送出する（ＳＴ１２）。
【００２４】
また、目標処理部２３では、各反射信号毎にその振幅に基づいて目標の有無を判定し、目標が存在する場合にはパルスレーザビーム光の照射時刻とその目標からの反射光の受光時刻との時間差を計数し、目標までの距離を算出する。そして、これを前述の目標画像と対応づけ、監視領域全体の１走査分の目標距離情報を生成する（ＳＴ１３）。
【００２５】
さらに、目標処理部２３は、連結調査処理を実行して監視領域内にある送電線などの線状の障害物を検出する。この連結調査処理では、ＳＴ１３で生成した目標距離情報に基づいて、監視領域内の各照射スポット位置毎の目標距離情報をこれと隣接する照射スポット位置のものと比較しながら、特に照射スポット相互間の線状のつながりを検定し、その結果をＳＴ１２で生成した目標画像と照合することにより障害物として検出する（ＳＴ１４）。
【００２６】
ここで線状の障害物が検出された場合には（ＳＴ１５のＹＥＳ）、目標画像上への強調表示や音声などにより、その旨を示す警報を出力する（ＳＴ１６）。なお、障害物が検出されない場合は、警報は出力されない（ＳＴ１５のＮＯ）。
【００２７】
以上の動作中に監視領域及び距離ゲートに対する変更要求が発生した場合には（ＳＴ１７のＹＥＳ）、再び監視領域及び距離ゲートの受領（ＳＴ１）からの動作を繰り返す。すなわち、制御部４は新しい監視領域及び距離ゲートを受けとる。ここで、例えば監視領域の方位方向の角度幅が１８度に更新されたとすると、ビーム拡がり角の算出（ＳＴ２）においてその値が４度から３度に更新され、照射部変倍光学系１２に出力される。また、受光部変倍値の算出（ＳＴ３）においても、更新された監視領域が撮像部２２のＩＲＦＰＡ上に最大に投影されるように、その値が更新される。さらに、走査ミラー駆動制御部１４に対しても監視領域の値が更新される（ＳＴ４）。
【００２８】
一方、監視領域及び距離ゲートに対する変更要求が発生しなければ（ＳＴ１７のＮＯ）、監視終了が指示されない限り、上述の一連の障害物検出動作を繰り返す（ＳＴ１８のＮＯ）。そして、監視終了が指示されることにより、動作を停止する（ＳＴ１８のＹＥＳ）。
【００２９】
以上説明した本発明の実施の形態のレーザレーダ装置によれば、監視領域の広さ、すなわち監視領域の方位方向及び仰角方向の角度幅に応じて、照射部変倍光学系１２により照射するパルスレーザビーム光の拡がり角を変化させている。これにより、パルスレーザビーム光の照射繰り返し間隔や走査速度を変えることなく目標情報の更新レートを維持することができ、監視領域の広さの変化に依存することのない更新レートで監視領域内の目標情報を更新できる。
【００３０】
また、撮像部２２には複数の光電変換素子を２次元に配列したＩＲＦＰＡを配置し、このＩＲＦＰＡ上に監視領域が最大に投影されるように受光部変倍光学系２１の変倍値を設定している。これにより、パルスレーザビーム光の走査に同期させて受光方向を走査する必要がなく受光部２を簡素化できるとともに、監視領域内の目標画像及び目標距離情報を良好な分解能で得ることができる。
【００３１】
加えて、撮像部２２に対して目標の距離範囲を示す距離ゲートを設定し、撮像部２２はこの距離ゲート内の反射光を光電変換している。これにより対象範囲内の小さな目標からの反射光も良好なＳＮ比で受光でき、監視領域内の良好な目標画像及び目標距離情報が得られる。
【００３２】
さらに、これら目標画像及び目標距離情報に基づき目標処理部２３において連結調査処理を実行することにより、線状の障害物を検出し警報を出力している。これにより、対象とする障害物を効率的に探知することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、ビーム拡がり角の算出及び出力（ＳＴ２）、受光部変倍値の算出及び出力（ＳＴ３）、距離ゲート値の出力（ＳＴ４）、及び監視領域情報の出力（ＳＴ５）を図２の順序としているが、これらの順序を互いに入れ替えた種々の形態を採用することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、監視領域の広さに応じて照射するレーザビーム光の拡がり角を変えることにより、監視領域の広さの変化に依存することのないレートで目標情報を更新でき、障害物を効率的に探知できるレーザレーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザレーダ装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１のレーザレーダ装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図３】監視領域、光電変換素子配列範囲、及びパルスレーザビーム光の走査の関係をモデル化した説明図。
【符号の説明】
１照射部
２受光部
３表示部
４制御部
１１パルスレーザ発光部
１２照射部変倍光学系
１３走査ミラー
１４走査ミラー駆動制御部
２１受光部変倍光学系
２２撮像部
２３目標処理部

Claims

パルスレーザ光を発光する発光手段と、
前記パルスレーザ光のビーム拡がり角を制御するビーム拡がり角制御手段と、
このビーム拡がり角制御手段により制御された前記パルスレーザ光を監視領域に走査しながら照射する走査制御手段と、
前記照射したパルスレーザ光の反射光の受光領域を前記監視領域に基づいて設定制御する受光領域制御手段と、
前記照射したパルスレーザ光の反射光を受光して電気信号に変換する光電変換手段と、
前記照射したパルスレーザ光の照射時刻と前記反射光の受光時刻との時間差に基づき目標までの距離を算出する目標距離算出手段と、
この目標距離算出手段の結果に基づき、前記監視領域内の障害物を検出する障害物検出手段と
を具備したことを特徴とするレーザレーダ装置。
前記ビーム拡がり角制御手段は、前記監視領域の方位方向及び仰角方向の角度に基づいて前記パルスレーザ光のビーム拡がり角を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
前記受光領域制御手段は、少なくとも監視領域を含むように受光領域を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザレーダ装置。
前記光電変換手段は、光センサとして面状に配設された複数個の光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
前記光電変換手段は、所定の距離範囲からの前記照射したパルスレーザ光の反射光を受光して電気信号に変換することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。
前記障害物検出手段からの検出結果に基づき、警報を発することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。