JP2005055356A - レーザレーダを用いた車両用の測距方法及び測距システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、レーザを用いて正確に標的との距離を測定することを目的としたものである。
【解決手段】 本発明は、レーザビームをタイムホッピングさせてパルスを発生させ、このパルスをチャープ変調し、時間拡散させて低パワーレーザダイオードを用いて、レーザ光を標的に送信し、標的からの反射して来た受信光信号を、光電変換して得た電気信号を、チャープ逆拡散処理し、この信号をタイマーに取り込んで同期処理し、前記送信と受信の時間差により、発信位置と標的との距離を測定することを特徴としたレーザレーダを用いた車両用の測距方法により目的を達成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の衝突を未然に防止し、又は衝突時の災害を可及的に小さくする為に走行車両と、他物との距離を瞬時、かつ正確に測定し、これにより衝突防止、同乗者保護、その他の防護手段を瞬時に作動させることを目的としたレーザレーダを用いた車両用の測距方法及び測距システムに関する。

従来走行車両の測距装置としては、電波レーダと、レーザレーダが知られている。

電波レーダは、アンテナがコンパクトになるミリ波レーダが使われ始めている。またレーザレーダは、ミリ波レーダと比べ、比較的安価である為に、ＡＣＣ（アダプティブクルーズコントロール）や衝突安全装置として使用されている。

更にレーザレーダとして、変調された信号を送信し、受信信号を分散遅延フィルタによりパルス圧縮を行うことで得た、立ち上がりの鋭い標的検出パルスを用いて、標的までの距離を求めるパルス圧縮法によるレーダを用いた測距方法が提案されている。
特公平８−２７３４７

前記従来のミリ波レーダは高価であり、レーザレーダは、強い単パルス信号を出力するなどの問題点があった。

また発信信号と、受信信号とにおいて、自己認識の選定自由度が小さい問題点があった。例えば同一会社の異なる車種により、夫々別異の発信信号を出す為には、車種数に該当するだけ異なる発信信号を必要とする。

またレーザレーダにおいて、強いレーザ光を発射すると、人その他に投射された場合に不慮の危害を発生する恐れがあった。更にはレーザレーダダイオードが高価になることもあるなどの問題点があった。

本発明は、レーザレーダを採用し、チャープ変調による時間拡散手法を採用することによって、低パワーレーザダイオードの使用を可能にしたので、低コスト化と、レーザの投射による危害の発生を未然に防止することに成功した。

またＰＮ符号化と、タイムホッピング系列の採用により、下位信号処理系と上位信号処理系の両方に強い系の実現を可能にするなど、前記従来の問題点を解決したのである。

即ち方法の発明は、レーザビームをタイムホッピングさせてパルスを発生させ、このパルスをチャープ変調し、時間拡散させて低パワーレーザダイオードを用いて、レーザ光を標的に送信し、標的からの反射して来た受信光信号を、光電変換して得た電気信号を、チャープ逆拡散処理し、この信号をタイマーに取り込んで同期処理し、前記送信と受信の時間差により、発信位置と標的との距離を測定することを特徴としたレーザレーダを用いた車両用の測距方法であり、受信光信号より得た電気信号と、発信前の電気信号との比較から得た時間差により、発信位置と標的との距離を測定することを特徴としたものである。

また、チャープ信号にＰＮ系列を乗算させることを特徴としたものであり、送信に際して、チャープ信号にＰＮ系列を乗算させ、受信信号に、弾性表面波コンボルバ等で同期させたＰＮ系列を乗算させることを特徴としたものである。

次にシステムの発明は、パルスレーザを用いた発信手段と、拡散手段と、レーザダイオード（発光ダイオードも使用できる）による発信手段と、ホトダイオードによる受信手段と、逆拡散手段と、タイマー取り込み手段と、同期処理手段及び距離計算手段を組み合わせたことを特徴とするレーザレーダを用いた車両用の測距システムであり、発信手段は、タイムホッピング系列によりパルスを発生させたことを特徴とするものである。

また、拡散手段は、チャープ拡散又はチャープ拡散にＰＮ拡散を重畳させたことを特徴とするものであり、逆拡散手段は、チャープ逆拡散又はＰＮ逆拡散時にチャープ逆拡散を重畳させたことを特徴とするものである。

更に、タイマー取り込み手段は、受信電気の信号の時間差ピークを特定することを特徴としたものであり、同期処理手段は、タイムホッピング系列の同期を検出することを特徴としたものである。

本発明は、安全性向上、安価かつ精度向上を目的とした車載レーザレーダであり、前記のように、出力するレーザビームの向きをスキャニングするか、あるいは、複数のレーザビームを使用することにより、広域にある標的（対象物）の距離を測定するものである。

本発明は、前記のように、送信にはパルスレーザ方式を採用し、レーザ光の送信から受信までの時間を計測することにより、標的との距離を算出するものである。

本発明においては、送信部のチャープ変調出力を、ホトダイオード受信部へ直接帰還する回路が設けてある。このような直接帰還する回路は、レーザダイオード出力時刻のゼロ点を算出する為であって、測距精度を向上させるものである。

またローノイズアンプ（ＬＮＡ）からの信号をチャープ逆拡散する。この場合に、送信部でＰＮ系列を乗算した場合には、その前にＰＮ逆拡散を行う。このときＰＮ系列は、受信した信号とＰＮ系列との相関をＳＡＷコンボルバで取り、ＰＮ系列を同期させることにより実現することができる。

前記チャープ逆拡散により圧縮された信号は、その特徴を判断することにより、タイマーにトリガーをかけ、その時刻を取り込む。前記特徴を判断する方法としては、アナログ・デジタルの各種フィルタを用いる方法がある。前記時刻の取り込みは、直接帰還の時刻を基準とするが、ゼロ点の微調整のために、測定前にキャリブレーションを行う。

また混信に強くするために、タイムホッピング系列（例えばＯＯＣ系列）を用いる。この系列のＯＮのタイミングでパルスを発生させるが、この系列は直交性が高く、かつ短いパターンを採用する。

前記測定に際し、レーザビームの方向と、標的（対象物）の距離から、自車両と、標的との相対位置を正確に算出できるので、この算出値に基づき正確な対応を取ることができる。

本発明によれば、単パルス波形をチャープ変調により時間拡散させてからレーザダイオードに加えるために、出力の低い安価なレーザダイオードを使用し得ると共に、レーザ光が、人体その他に当たっても危害を生じるおそれがないなどの効果がある。

またチャープ変調は、電極の位置の±を逆にとることにより位相反転できるので、ある程度の符号化ができ、耐混信性を向上できる効果がある。

更にロジック回路で符号化できるため、集積化が容易であり、安価となり易く、同期を大きくすることにより、系列数を十分増加させて、耐混信性を更に向上し得る効果がある。

また系列の数の多いゴールド符号等を使用できるので、耐混信性を向上できると共に、系列設定をソフトで変えられるので、汎用性を向上し、コストダウンを図ることができるなどの諸効果がある。

本発明は、スレーブＣＰＵの出力を、タイムホッピング系列を使用して、系列の数を十分増やした後、パルスを発生させ、これをチャープ拡散又はチャープ拡散とＰＮ拡散を重畳させた後、低レベルのレーザダイオードを介してレーザ光を発信させる。

前記レーザ光の標的からの反射をホトダイオードで受け、これをチャープ逆拡散又はＰＮ逆拡散とチャープ逆拡散により圧縮し、この信号の特徴を判断することにより、タイマーにトリガーをかけて、その時刻を取り込む。前記特徴は、アナログ・デジタルの各種フィルタをかけて判断する。この時刻の取り込みは、直接帰還の時刻を基準とする。

またゼロ点の微調整のために、測定前にキャリブレーションを行う。ついでタイムホッピング系列で相関のとれたものに対し、時間を計算して、その距離を算出すると共に、距離のレーザビーム方位から対象物の自車両との相対位置を算出して、この測定を完了する。

本発明の実施例を図１に基づいて説明すると、この実施例は、マスタＣＰＵと、スレーブＣＰＵと、タイムホッピング系列の発生部（ＴＨ系）と、パルス発生部（ＰＳ発生）と、チャープ拡散（Ｃｈｉｒｐ拡散）又はチャープ拡散とＰＮ拡散の重畳部と、レーザダイオード出力（ＬＤ出力）と、ホトダイオード入力（ＰＤ入力）と、チャープ逆拡散部（Ｃｈｉｒｐ逆拡散）又はチャープ逆拡散とＰＮ逆拡散の重畳と、タイマー取り込み部と、同期処理部及び距離計算部とからなっている。

前記におけるパルス波は、１波長、半波長のＳｉｎ波、或いは矩形波など、どれを選択してもよい。前記チャープ拡散は（図６）、弾性表面波（ＳＡＷ）を櫛形に間隔を少しずつ変えて配置した電極を用いる（図５）。送信部のレーザダイオード（ＬＤ）は、チャープ逆拡散するか、又は同期したＰＮ信号を乗算して更にチャープ逆拡散する。受信部のホトダイオード（ＰＤ）からの入力信号を、チャープ逆拡散又はチャープ逆拡散と、ＰＮ逆拡散を重畳してかける。前記処理したものをタイマー取り込みにより特定化し（図８）、ついで同期処理して確定したものを使用して、送信部と反射物（標的）との距離を測定する（図７）。

前記距離の測定と共に、送信方向（角度）を測定すれば、標的の位置を正確に決めることができる（図９）。

前記によれば、単パルス波形をチャープ変調により時間拡散させてから、レーザダイオードに加えるため、出力の低いレーザダイオードを使用できて、全体としてコストダウンができる。

またレーザ光の出力が小さいので、誤って人体を照射しても安全性が高く、不慮の事故を生じるおそれはない。

またチャープ変調は、電極の位置の±を逆にとることにより位相反転できるので、ある程度の符号化ができる（耐混信性向上）。

次にタイムホッピング系列を使用することにより、ロジック回路で符号化できるため、集積化が容易であり、集積化により、一層安価にできる。また、同期を大きくとることにより、系列の数を十分増やすことができる。

次にＰＮ系列を付加できるので、系列の数の多いＧｏｌｄ符号等を使用できる（耐混信性向上）と共に、系列設定をソフトで変えることができる（汎用性が大きくなり、コストダウンの可能性あり）。

本発明の最も簡便な実施例を図２に基づいて説明する。この実施例の送信回路は、マスタＣＰＵと、スレーブＣＰＵと、タイムホッピング系列の発生（ＯＯＣ系列）、パルス発生と、チャープ拡散、増幅と、レーザダイオードとを組み合わせて成立している。また受信回路は、ホトダイオード、増幅、チャープ逆拡散と、タイマー取り込みと、同期チェックと、距離計算とよりなり、スレーブＣＰＵで必要な指示（例えば衝突回避）をすることになる。

この実施例におけるタイムチャートは、図５の例１（ＯＯＣ系列）のようになる。前記ＯＯＣ系列では、系列パターン１の時、単パルスが生成され、チャープ変調され、レーザダイオードから出力される。次いで受信部はホトダイオードから取り込まれた信号がＳＡＷによりチャープ逆拡散（圧縮）される。

前記波形から特徴点を検出し、これをトリガーとして、その瞬間のタイマーの値を読み取る。このようにしてタイマーから読み込まれた一連の時刻から、タイムホッピング系列との直交性を判断し、直交性のあるもののみ、その時間から距離演算を行い、距離を測定する。この場合に通常の方法により、レーザ送信の角度を求めれば、前記測距との併用により、標的の位置を確定することができる。実施例２の特徴は実施例１と同様である。

本発明の他の実施例を図３に基づいて説明する。この実施例は、マスタＣＰＵと、スレーブＣＰＵと、タイムホッピング系列（ＯＯＣ系列）と、パルス発生と、チャープ信号に変調をかけるＳＡＷと、増幅と、レーザダイオードと、ホトダイオードと、増幅と、チャープ逆拡散と、タイマー取り込みと、タイマーホッピングの同期チェックと、距離計算とよりなっている。

この実施例３は、前記実施例２で、チャープ信号に変調をかけるＳＡＷにおいて、±の電極配置を変え、位相を１８０度シフトさせることにより、符号化したものである。

この符号化の系列数は、ＳＡＷの電極の数をＮとすると、２のＮ乗個あるが、実施に際しては、直交性の低いいくつかのパターンを採用する。この場合のタイムチャートは、図５の例２のとおりである。

前記のようにして発信部と標的との距離を算定し、レーザ送信の方向を測定すれば、標的の位置を確認できるので、マスタＣＰＵにより必要な指示を与え、衝突を未然に防止し、又は車両の同乗者を適切に保護することができる。実施例３の特性は実施例２の特性に、ＰＮ系列を乗算した特性を付加したものである。

本発明の他の実施例を図４に基づいて説明する。この実施例の送信回路は、マスタＣＰＵと、スレーブＣＰＵと、タイムホッピング系列（ＯＯＣ系列）と、パルス発生と、チャープ系列拡散と、ＰＮ系列拡散と、増幅と、レーザダイオードとよりなり、受信回路はホトダイオードと、増幅と、ＳＡＷコンボルバと、チャープ逆拡散と、タイマー取り込みと、タイムホッピング系列の同期チェックと、距離計算とよりなるものである。

この実施例４は、前記実施例２に、ＰＮ系列をＳＡＷ拡散部の後に乗算したものである。

また受信部では、送信部と同一のＰＮ系列を乗算し（ＰＮ逆拡散）、チャープ逆拡散部に送る。また受信部のＰＮ系列は、ＳＡＷコンボルバにより相関をとり、ＰＮ系列発生そのものを、受信信号に乗算されているＰＮ系列に同期させる。

従って送信部のＰＮ系列と同じ系列であり、かつ同一パターンのチャープ信号の時のみタイマーのトリガーが掛かる。

図５の例３にチャープ波形にＰＮ系列を乗算させた時のタイムチャートを示す。

前記のようにして標的との距離を算定し、送信ビームの角度との併用により標的の位置を確定した後、マスタＣＰＵにより車間距離の保持、衝突回避又は運転者保護、など適切な処置を講じる。

実施例４の特性は、前記実施例３の特性に、前記ＳＡＷコンボルバを付加した特性を併有するものである。

本発明は優れた特性を有するので、早急に実用化されることが期待される。

本発明のレーザレーダの全体構成を示すブロック図。 同じく最も簡便な実施例のブロック図。 同じく符号化の実施例のブロック図。 同じくＳＡＷコンボルバを用いた実施例のブロック図。 同じく実施例２、３、４のタイムチャート。 同じくチャープパルス信号図。 同じくレーザ光の往復時間を示す図。 同じく反射波のタイムチャート。 同じくＰＮ符号の応用例を示すブロック図。

符号の説明

ＴＨ系列 タイムホッピング系列
ＳＡＷ 弾性表面波
Ｃｈｉｒｐ チャープ
ＬＤ レーザダイオード
ＰＤ ホトダイオード
ＰＳ パルス
ＬＮＡ ローノイズアンプ

Claims (10)

1. レーザビームをタイムホッピングさせてパルスを発生させ、このパルスをチャープ変調し、時間拡散させて低パワーレーザダイオードを用いて、レーザ光を標的に送信し、標的からの反射して来た受信光信号を、光電変換して得た電気信号を、チャープ逆拡散処理し、この信号をタイマーに取り込んで同期処理し、前記送信と受信の時間差により、発信位置と標的との距離を測定することを特徴としたレーザレーダを用いた車両用の測距方法。
2. 受信光信号より得た電気信号と、発信前の電気信号との比較から得た時間差により、発信位置と標的との距離を測定することを特徴とした請求項１記載のレーザレーダを用いた車両用の測距方法。
3. チャープ信号にＰＮ系列を乗算させることを特徴とした請求項１又は２記載のレーザレーダを用いた車両用の測距方法。
4. 送信に際して、チャープ信号にＰＮ系列を乗算させ、受信信号に、弾性表面波コンボルバ等で同期させたＰＮ系列を乗算させることを特徴とした請求項１又は２記載のレーザレーダを用いた車両用の測距方法。
5. パルスレーザを用いた発信手段と、拡散手段と、レーザダイオードによる発信手段と、ホトダイオードによる受信手段と、逆拡散手段と、タイマー取り込み手段と、同期処理手段及び距離計算手段とを組み合わせたことを特徴とするレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
6. 発信手段は、タイムホッピング系列によりパルスを発生させたことを特徴とする請求項５記載のレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
7. 拡散手段は、チャープ拡散又はチャープ拡散にＰＮ拡散を重畳させたことを特徴とする請求項５記載のレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
8. 逆拡散手段は、チャープ逆拡散又はＰＮ逆拡散にチャープ逆拡散を重畳させたことを特徴とする請求項５記載のレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
9. タイマー取り込み手段は、受信電気の信号の時間差ピークを特定することを特徴とした請求項５記載のレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
10. 同期処理手段は、タイムホッピング系列の同期を検出することを特徴とした請求項５記載のレーザレーダを用いた車両用の測距システム。
    
    

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