JP2006078344A

JP2006078344A - 反射光解析装置

Info

Publication number: JP2006078344A
Application number: JP2004262703A
Authority: JP
Inventors: Noboru Narumi; 昇鳴海
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】送信光の揺らぎの影響を除去し、さらに逐次距離が変化する物体に対して反射光解析を行うことができる。
【解決手段】レーザ光発生部１１によりレーザ光パルスを測定対象に照射し、送信レーザ光検知部１５で送信光パルスを検知し、減光導光部１４にて送信光パルスを送信レーザ光検知部１５で飽和しないレベルに減光し、受信レーザ光検知部１２にて測定対象からの受信光パルスを所定のゲインで検知し、測距部１６で送信光パルスと受信光パルスの時間差から測定対象までの距離を算出し、演算部１３にてその距離情報、送信光パルス及び受信光パルスから反射光データと受信レーザ光検知部１２に設定するゲインを計算する。反射光データを対応する送信光パルスの振幅で規格化し、受信光パルスから送信光パルスの揺らぎ成分を相殺する。さらに、測定対象の距離情報から粗精度のゲインを設定し、飽和しない範囲で取得したデータの統計量から精密なゲインを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象に対してレーザ光を照射し、測定対象からのレーザ反射光を受信し、その反射光の振幅成分を分析することによって測定対象の特徴情報を抽出する反射光解析装置に関する。

反射光解析装置は、測定対象に対してレーザ光を照射し、測定対象からのレーザ反射光を受信し、その反射光の振幅成分を分析することによって測定対象の特徴情報を抽出している（例えば特許文献１参照）。

ところで、従来の装置構成では、送信光パルス自体に揺らぎ成分があるため、計測対象の特徴成分と送信光パルスの揺らぎ成分とが重畳された反射光が受信光パルスとして計測されていた。そのため正確な解析が行えないという問題があった。

また、受信光パルスは、測定する距離によってレベルが異なり、例えば５kmから１kmまでの距離を接近する物体を測定対象とする場合、反射光のレベルは距離の４乗に反比例することから、５⁴＝６２５倍のダイナミックレンジが必要となる。このダイナミックレンジを確保しつつ、適切な電圧でＡ／Ｄ変換するためには、受信光パルスをＡＧＣ（Auto Gain Control）増幅器でゲインを変化させる必要があるが、反射光の振幅の変動を計測する目的を考えると計測中にゲインの変化させることは困難である。

ゲインが確定した後に計測を行う方法を採用したとしても、データが飽和していた場合には、飽和しない領域までゲインを下げないと最適な値が求まらないため、ゲインの設定値が収束するまでに時間がかかり、高速で接近する物体では、計測中にゲイン変更が発生して正確な反射光の振幅が計測できないという問題があった。
特願２００３−１９９１０４号

以上に述べたように、従来の反射光解析装置では、２つの問題があった。一つは、送信光パルス自体の揺らぎ成分の影響が、計測対象の特徴成分の検出に支障となる。もう一つは、反射光の変動を計測することから計測中にゲインコントロールすることができず、逐次距離が変化する物体に対して反射光解析を行うことが困難である。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、送信光の揺らぎの影響を除去し、測定する距離の違いによって生じるダイナミックレンジを容易に確保することができ、逐次距離が変化する物体に対して反射光解析を行うことができる反射光解析装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る反射光解析装置は、レーザ光パルスを測定対象に照射するレーザ光発生部と、前記送信光パルスを検知する送信レーザ光検知部と、前記レーザ光発生部の送信光パルスを前記送信レーザ光検知部で飽和しないレベルに減光する減光導光部と、前記測定対象からの受信光パルスを設定ゲインで検知する受信レーザ光検知部と、前記送信光パルスと受信光パルスの時間差から測定対象までの距離を算出する測距部と、前記測距部で得られる距離情報、前記送信光パルス及び受信光パルスから反射光データと前記受信レーザ光検知部に設定するゲインを計算する演算部を具備し、前記演算部は、前記反射光データを対応する前記送信光パルスの振幅で規格化して、前記受信光パルスから送信光パルスの揺らぎ成分を相殺することを特徴とする。

送信光の揺らぎの影響を除去する方法としては、送信光パルスの振幅をパルス毎に計測し、受信光パルスの振幅データを規格化する。反射光の変動に影響を与えずに、受信光パルスのダイナミックレンジを確保しつつゲインを高速に設定する方法としては、測定対象の距離情報から粗精度のゲインを設定し、飽和しない範囲で取得したデータの統計量から精密なゲインを算出する。

本発明によれば、送信光の振幅で反射光を規格化することによって送信光の揺らぎの影響を除去することができ、測定対象までの距離を用いることによって常にデータが飽和しない状態にゲインを高速で変更することができ、これによって測定する距離の違いによって生じるダイナミックレンジを容易に確保することができ、逐次距離が変化する物体に対して反射光解析を行うことができる反射光解析装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される反射光解析装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、計測対象は、本発明が適用される装置がその反射光の強度レベルの解析を行う物体である。レーザ光発生部１１から照射される送信光は計測対象Ｔにて反射し、その特徴（反射特性、振幅時間的変動等）を含んだ光が反射光として受信レーザ光検知部１２へ入力される。反射光は、受信レーザ光検知部１２内の受信光検知器１２１で電気信号に変換され増幅器１２２で増幅された後、受信光パルス信号として演算部１３に入力され、Ａ／Ｄ変換器１３１によりデジタル信号に変換され反射光データとして演算器１３２に取り込まれる。

また、送信光の一部は、ミラー１４１及び減光器１４２からなる減光導光部１４によって強度レベルが低減された後、送信レーザ光検知部１５へ入射される。送信レーザ光検知部１５に入射されたレーザ光は送信光検知器１５１で電気信号に変換され増幅器１５２で増幅された後、送信光パルス信号として演算部１３に入力され、Ａ／Ｄ変換器１３３によりデジタル信号に変換され送信光データとして演算器１３２に取り込まれる。

一方、送信光パルスと受信光パルスは、測距部１６に入力され、それぞれコンパレータ１６１，１６２でスレショルドレベルとの比較によって２値化されて、両パルスの時間差が測距カウンタ１６３で求められ、測距離データとして演算器１３２に取り込まれる。演算器１３２では、送信光データと反射光データの比から送信光の揺らぎ成分が除去された規格化反射光データを算出する。

また、測距部１６にて得られた距離データから、受信光パルスが飽和しないゲインを算出し、受信レーザ光検知部１２の増幅器１２２のゲインを制御する。次に、飽和しない状態において、ある期間の反射光データの平均値・標準偏差等の統計量を求め、これを用いてＡ／Ｄ変換に適したゲインを算出し、受信レーザ光検知部１２の増幅器１２２のゲインを制御する。

図２に、送信光の揺らぎ成分が除去される様子を示す。図２（ａ）に示す送信光と反射特性の場合、同図（ｂ）に示すように、反射光は送信光と計測対象の反射特性が重畳された信号となる。したがって、同図（ｃ）に示すように、反射光を対応する送信光の振幅で規格化することによって、送信光の揺らぎ成分が相殺される。ここで、規格化反射光データは（反射光データ／送信光データ）で与えられる。

図３は、上記受信レーザ光検知部１２の増幅器１２２に対するゲイン制御の設定手順を示すフローチャートである。

まず、反射光レベルは、周知のように距離Ｌの４乗に反比例する。このため、ステップＳ１において、距離Ｌの４乗に比例した第１ゲインＧ_１を演算する。補正係数をＫとすると、
Ｇ_１＝Ｋ・Ｌ^４
と表現される。ステップＳ２において、上記第１ゲインＧ_１を受信レーザ光検知部１２の増幅器１２２のゲインGainとして設定する。実際には大気の状態等の影響があるため厳密な設定ではないが、反射光のレベルを飽和しないレベルに粗調整する。

次に、ステップＳ３において、第１ゲインＧ_１にて飽和しない反射光データＶ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）を取得し、この反射光データから強度のばらつきに関する統計量（例えば平均値Ｖave（Ｖ_ｉ）と標準偏差σ（Ｖ_ｉ）、最大値等）を計算する。次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で求められた統計量を用いて、最大の振幅がＡ／Ｄ変換器１３１の入力レベルを超えないように第２ゲインＧ_２を設定する。この例では、Ａ／Ｄ変換器１３１の入力最大レベルをＶmaxとして、（平均値）＋３×（標準偏差）を用いることで第２ゲインＧ_２の最大値を求めている。

最終的にステップＳ５において、受信レーザ光検知部１２の増幅器１２２のゲインGain設定は第１ゲインＧ_１と第２ゲインＧ_２の積となる。ステップＳ６では、このゲインGainにて、反射光データＶ_ｉ（ｉ＝ｎ＋１，ｎ＋２，…，Ｎ）を取得し、設定したゲインGain＝Ｇ_１・Ｇ_２で割り戻すことで、飽和しない（ゲイン分の補正を行った）反射光データＶc_ｉを取得することができる。

尚、これらの処理は、全てデジタル処理で行われるため、ゲインの設定はアナログのＡＧＣ（Automatic Gain Control）に比べて高速に行われる。

以上のように、上記実施形態の反射光解析装置では、送信光の振幅で反射光を規格化することによって、従来の装置構成では厳密な解析が行えなかった原因である送信揺らぎの影響をなくすことができる。また、装置と測定対象までの距離を用いることによって、測定する距離の違いに影響されずに、常にデータが飽和しない状態にゲインを高速で変更することができる。したがって、逐次距離が変化する物体に対しても反射光解析を行うことが可能である。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明が適用される反射光解析装置の概略構成を示すブロック図。図１に示す反射光解析装置の送信光の揺らぎ成分が除去される様子を示すタイミング波形図。図１に示す反射光解析装置において、受信レーザ光検知部の増幅器に対するゲイン制御の設定手順を示すフローチャート。

符号の説明

１１…レーザ光発生部、１２…受信レーザ光検知部、１２１…受信光検知器、１２２…増幅器、１３…演算部、１３１…Ａ／Ｄ変換器、１３２…演算器、１３３…Ａ／Ｄ変換器、１４…減光導光部、１４１…ミラー、１４２…減光器、１５…送信レーザ光検知部、１５１…送信光検知器、１５２…増幅器、１６…測距部、１６１，１６２…コンパレータ、１６３…測距カウンタ、Ｔ…計測対象。

Claims

レーザ光パルスを測定対象に照射するレーザ光発生部と、
前記送信光パルスを検知する送信レーザ光検知部と、
前記レーザ光発生部の送信光パルスを前記送信レーザ光検知部で飽和しないレベルに減光する減光導光部と、
前記測定対象からの受信光パルスを設定ゲインで検知する受信レーザ光検知部と、
前記送信光パルスと受信光パルスの時間差から測定対象までの距離を算出する測距部と、
前記測距部で得られる距離情報、前記送信光パルス及び受信光パルスから反射光データと前記受信レーザ光検知部に設定するゲインを計算する演算部を具備し、
前記演算部は、前記反射光データを対応する前記送信光パルスの振幅で規格化して、前記受信光パルスから送信光パルスの揺らぎ成分を相殺することを特徴とする反射光解析装置。
前記演算部は、受信光パルスをデジタル信号に変換して反射光データを取得する際に、前記測定対象までの距離情報に基づいて、前記受信光パルスのデジタル化入力最大レベルを超えないようにするための前記受信レーザ光検知部の設定ゲインを演算することを特徴とする請求項１記載の反射光解析装置。
前記演算部は、前記距離情報に示される距離の４乗に比例した第１のゲインを計算して前記受信レーザ光検知部のゲインとして設定し、前記第１のゲインにて飽和しない反射光データを取得して強度のばらつきに関する統計量を計算し、前記統計量を用いて前記受信光パルスのデジタル化に際して最大振幅がデジタル化入力最大レベルを超えない第２のゲインを計算し、前記第１及び第２のゲインの積を求めて前記受信レーザ光検知部のゲインとすることを特徴とする請求項１記載の反射光解析装置。